Aneta Prijić Poluprovodničke komponente

Transcription

1 Aneta Prijić Poluprovodničke komponente Modul Elektronske komponente i mikrosistemi (IV semestar) Studijski program: Elektrotehnika i računarstvo Broj ESPB: 6

2 Bipolarni tranzistori BJT (Bipolar Junction Transistor) Otkriveni godine Troslojna struktura sastavljena od 2 n i 1 p oblasti (NPN tranzistor) ili 2 p i 1n oblasti (PNP tranzistor). Ekvivalentni su sistemu od 2 međusobno interagujuća p-n spoja U provođenju struje učestvuju obe vrste nosilaca (bipolar) Ima 3 elektrode (E - emitor, B - baza i C kolektor)

3 BJT - osnove Oblast baze znatno uža od oblasti emitora i kolektora (oko 100 puta) Oblast emitora jako dopirana, oblast baze slabije dopirana, a oblast kolektora delom slabo a delom jako dopirana p-n spojevi: emitor-bazni (emitorski) i kolektor-bazni (kolektorski)

4 Struje i režimi rada BJT NPN PNP Struje BJT odgovaraju njegovim elektrodama Strelica pokazuje smer emitorske struje Za struje u svim režimima rada važi relacija Zavisno od polarizacije emitorskog i kolektorskog spoja različiti režimi rada tranzistora

5 Načini polarizacije (konfiguracije) BJT-a NPN tranzistor u tri različite konfiguracije u zavisnosti od zajedničkog (uzemljenog) izvoda Zajednička baza-zb Ulazno emitorsko kolo Izlazno kolektorsko kolo Zajednički emitor-ze Ulazno bazno kolo Izlazno kolektorsko kolo Zajednički kolektor-zc Ulazno bazno kolo Izlazno emitorsko kolo

6 NPN tranzistor u ZE konfiguraciji u aktivnom režimu rada Emitorski spoj direktno polarisan V BE >0 Kolektorski spoj inverzno polarisan V BC <0

7 Direktna polarizacija spoja emitor-baza izaziva injekciju elektrona iz emitora u bazu (I ne ) i šupljina iz baze u emitor (I pe ) Usled znatno veće koncentracije primesa u emitoru u odnosu na bazu struja elektrona je dominantna Elektroni injektovani u bazu postaju manjinski nosioci i kroz nju se kreću difuzijom. Deo elektrona se rekombinuje i čini struju I nr Kada elektroni stignu do granice osiromašene oblasti inverzno polarisanog spoja kolektor-baza, kroz tu oblast prolaze pod dejstvom električnog polja, formirajući struju I nc Kroz spoj kolektor-baza takođe prolaze šupljine kao manjinski nosioci, ali je ova struja (I pc ) zanemariva I E =I ne +I pe I B =I pe +I nr -I pc I pe +I nr I C =I nc +I pc I nc I E =I C +I B

8 PNP tranzistor u ZE konfiguraciji u aktivnom režimu rada Emitorski spoj direktno polarisan V BE <0 Kolektorski spoj inverzno polarisan V BC >0

9 Struje kod NPN tranzistora u ZE konfiguraciji

10 Strujno-naponske karakteristike BJT-a u ZE konfiguraciji Ulazna karakteristika I B =f(v BE ) zavisnost ulazne (bazne) struje od ulaznog (bazno-emitorskog) napona Ekvivalentna karakteristici emitor-baznog p-n spoja Kad tranzistor nije zakočen V BE =0.7 V

11 Prenosna karakteristika I C =f(v BE ) zavisnost izlazne (kolektorske) struje od ulaznog (baznoemitorskog) napona Izrazito temperaturno zavisna Za fiksiranu vrednost struje I napon V BE se smanjuje 2mV pri porastu temperature za 1 C.

12 Izlazna (kolektorska) karakteristika I C =f(v CE ); parametar je struja baze I B NPN PNP azlikuju se 4 oblasti na karakteristici Za primene tranzistora od značaja su oblast zasićenja, normalna aktivna oblast i oblast zakočenja Pri jako velikim naponima V CE dolazi do naglog porasta struje kolektora odn. do proboja inverzno polarisanog bazno-kolektorskog spoja -nepoželjno

13 Strujno pojačanje u ZE konfiguraciji Statičko (DC) strujno pojačanje u radnoj tački Q IC β DC = hfe IB h FE - oznaka koja se upotrebljava u tehničkim specifikacijama, a potiče od hibridnog modela tranzistora Dinamičko (AC) strujno pojačanje u radnoj tački Q IC β AC = hfe I B V β = β DC i β AC se razlikuju za % CE = const

14 Zavisnost strujnog pojačanja od kolektorske struje i temperature

15 Early-jev efekat Osiromašena oblast kolektorskog spoja se sa povećanjem inverzne polarizacije širi i na stranu baze i smanjuje njenu efektivnu širinu Early-jev efekat (efekat modulacije širine baze) U normalnoj aktivnoj oblasti karakteristike blago rastu Sve krive se u produžetku seku u jedinstvenoj tački čija vrednost predstavlja Early-jev napon V A

16 Izlazna otpornost BJT-a Značajna za karakteristike BJT-a kao pojačavača VCE dvce ro = = I di U idealnom slučaju je izlazna otpornost BJT-a u aktivnoj oblasti jer su tada krive na izlaznoj karakteristici ravne Usled Early-jevog efekta izlazna struja se opisuje izrazom koji uključuje struju baze i Early-jev napon V Izlazna otpornost ima konačnu vrednost ron = 1 VA dic β IB dv C V BE I VT βi e (1 + CE ) = βi (1 + CE ) V C S B A CE C V V A

17 Ograničenja napona i struje BJT-a napon zasićenja - V CEsat snaga disipacije P= I C V CE oblast bezbednog rada P P max Maksimalne dozvoljene vrednosti napona i struje, kao i disipirane snage su date u tehničkim specifikacijama I C(max) maksimalna dozvoljena struja V CE(max) maksimalno dozvoljeni napon P max maksimalno dozvoljena snaga disipacije (parabola snage) Da bi se sprečilo pregrevanje tranzistora na njihova kućišta se mogu montirati hladnjaci

18 Faktor degradacije snage Maksimalna dozvoljena snaga se smanjuje sa porastom temperature Proizvođači specificiraju faktor degradacije snage (power derating factor) u mw/ C na osnovu koga se izračunava vrednost P max na temperaturama okoline višim od 25 C Proizvođači takođe daju i krivu degradacije snage

19 Strujno-naponske karakteristike BJT-a u ZB konfiguraciji BV CB0 -probojni napon kolektor-baznog spoja

20 Strujno pojačanje u ZB konfiguraciji Statičko (DC) strujno pojačanje u radnoj tački Q IC α DC = IE Dinamičko (AC) strujno pojačanje u radnoj tački Q IC α AC = I α <1 E V CB = const β α α = β = 1+ β 1 α

21 Ebers-Moll-ov model BJT-a (NPN tranzistor) D E - emitorski p-n spoj; D C - kolektorski p-n spoj F direktna polarizacija (forward); - inverzna polarizacija (reverse) Struje dioda i DE =I SE [exp(v BE /V T ) -1] i DC =I SC [exp(v BC /V T ) -1] I SE, I SC struje zasićenja emitorskog odnosno kolektorskog spoja α F,α koeficijenti strujnog pojačanja α F I SE =α I SC I S

22 Struje kroz izvode BJT-a po Ebers-Moll-ovom modelu i E = i DE α i DC i C = i DC + α F i DE i B = (1 α F ) i DE + (1 α ) i DC β F = α F 1 α F β = α 1 α

23 BC BE T T v v V V S E S F I i exp 1 - I exp 1 α = BC BE T T v v V V S C S I i I exp 1 - exp 1 α = BC BE T T v v V V S S B F I I i exp 1 exp 1 β β = +

24 Model tranzistora za jednosmerne signale u aktivnoj oblasti rada - ZE NPN PNP V BE =0.7V V BE =-0.7V I C =β DC I B I E =I C +I B I C =α DC I E β DC =f(i C,T) DC strujno pojačanje

25 Modeli tranzistora za naizmenične signale u aktivnoj oblasti rada r parametri - dinamičke otpornosti (dv/di) r e unutrašnja otpornost emitora r b unutrašnja otpornost baze r c unutrašnja otpornost kolektora α ac = I c(rms) /I e(rms) β ac = I c(rms) /I b(rms) β DC = I C /I B (u radnoj tački) β ac = I C / I B (u okolini radne tačke)

26 Model tranzistora preko r parametara Opšti model Uprošćeni model r e =kt/qi E r e 25mV/I E r c ~100KΩ r b malo

27 h parametri Tehnička dokumentacija proizvođača specificira h parametre koje je relativno lako izmeriti: h i ulazna impedansa (otpornost) pri kratkospojenom izlazu h r naponska povratna sprega pri otvorenom ulazu h f strujno pojačanje u direktnom režimu - pri kratkospojenom izlazu h o izlazna admitansa (provodnost) - pri otvorenom ulazu Drugi indeks specificira konfiguraciju pojačavača u kojoj se tranzistor nalazi: e zajednički emitor; c zajednički kolektor; b zajednička baza Npr: h ie ; h re ; h fe ; h oe

28 Veza između h i r parametara α ac =h fb β ac =h fe!!!!!! r e =h re /h oe r c =(h re +1)/h oe r b =h ie -h re (1+h fe )/h oe

29 Tehnološka realizacija NPN tranzistora diskretni integrisani

30 Profil primesa diskretnog NPN tranzistora

31 Tehničke specifikacije (Datasheet-ovi) BJT-a NPN primer 2N3904 PNP primer 2N3906 Komplementarni tranzistori uparene karakteristike h FE =β DC

32 C B E 2N3904 TO-92 MMBT3904 C SOT-23 Mark: 1A B E PZT3904 C C B SOT-223 E 2N3904 / MMBT3904 / PZT3904 NPN General Purpose Amplifier This device is designed as a general purpose amplifier and switch. The useful dynamic range extends to 100 ma as a switch and to 100 MHz as an amplifier. Absolute Maximum atings* T A = 25 C unless otherwise noted Symbol Parameter Value Units V CEO Collector-Emitter Voltage 40 V V CBO Collector-Base Voltage 60 V V EBO Emitter-Base Voltage 6.0 V I C Collector Current - Continuous 200 ma T J, T stg Operating and Storage Junction Temperature ange -55 to +150 C *These ratings are limiting values above which the serviceability of any semiconductor device may be impaired. NOTES: 1) These ratings are based on a maximum junction temperature of 150 degrees C. 2) These are steady state limits. The factory should be consulted on applications involving pulsed or low duty cycle operations. Thermal Characteristics T A = 25 C unless otherwise noted Symbol Characteristic Max Units 2N3904 *MMBT3904 **PZT3904 P D Total Device Dissipation Derate above 25 C , mw mw/ C θjc Thermal esistance, Junction to Case 83.3 C/W θja Thermal esistance, Junction to Ambient C/W *Device mounted on F-4 PCB 1.6" X 1.6" X 0.06." **Device mounted on F-4 PCB 36 mm X 18 mm X 1.5 mm; mounting pad for the collector lead min. 6 cm Fairchild Semiconductor Corporation 2N3904/MMBT3904/PZT3904, ev A

33 Electrical Characteristics T A = 25 C unless otherwise noted Symbol Parameter Test Conditions Min Max Units OFF CHAACTEISTICS V (B)CEO Collector-Emitter Breakdown I C = 1.0 ma, I B = 0 40 V Voltage V (B)CBO Collector-Base Breakdown Voltage I C = 10 µa, I E = 0 60 V V (B)EBO Emitter-Base Breakdown Voltage I E = 10 µa, I C = V I BL Base Cutoff Current V CE = 30 V, V EB = 3V 50 na I CEX Collector Cutoff Current V CE = 30 V, V EB = 3V 50 na ON CHAACTEISTICS* h FE DC Current Gain I C = 0.1 ma, V CE = 1.0 V I C = 1.0 ma, V CE = 1.0 V I C = 10 ma, V CE = 1.0 V I C = 50 ma, V CE = 1.0 V I C = 100 ma, V CE = 1.0 V V CE(sat) Collector-Emitter Saturation Voltage I C = 10 ma, I B = 1.0 ma I C = 50 ma, I B = 5.0 ma V BE(sat) Base-Emitter Saturation Voltage I C = 10 ma, I B = 1.0 ma I C = 50 ma, I B = 5.0 ma NPN General Purpose Amplifier (continued) V V V V 2N3904 / MMBT3904 / PZT3904 SMALL SIGNAL CHAACTEISTICS f T Current Gain - Bandwidth Product I C = 10 ma, V CE = 20 V, f = 100 MHz C obo Output Capacitance V CB = 5.0 V, I E = 0, f = 1.0 MHz C ibo Input Capacitance V EB = 0.5 V, I C = 0, f = 1.0 MHz NF Noise Figure I C = 100 µa, V CE = 5.0 V, S =1.0kΩ,f=10 Hz to 15.7kHz 300 MHz 4.0 pf 8.0 pf 5.0 db SWITCHING CHAACTEISTICS t d Delay Time V CC = 3.0 V, V BE = 0.5 V, 35 ns t r ise Time I C = 10 ma, I B1 = 1.0 ma 35 ns t s Storage Time V CC = 3.0 V, I C = 10mA 200 ns t f Fall Time I B1 = I B2 = 1.0 ma 50 ns *Pulse Test: Pulse Width 300 µs, Duty Cycle 2.0% Spice Model NPN (Is=6.734f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=74.03 Bf=416.4 Ne=1.259 Ise=6.734 Ikf=66.78m Xtb=1.5 Br=.7371 Nc=2 Isc=0 Ikr=0 c=1 Cjc=3.638p Mjc=.3085 Vjc=.75 Fc=.5 Cje=4.493p Mje=.2593 Vje=.75 Tr=239.5n Tf=301.2p Itf=.4 Vtf=4 Xtf=2 b=10)

34 Typical Characteristics h - TYPICAL PULSED CUENT GAIN FE Typical Pulsed Current Gain vs Collector Current 125 C - 40 C I - COLLECTO CUENT (ma) C 25 C V CE = 5V V - COLLECTO-EMITTE VOLTAGE (V) CESAT NPN General Purpose Amplifier (continued) Collector-Emitter Saturation Voltage vs Collector Current β = I - COLLECTO CUENT (ma) C 25 C 125 C - 40 C 2N3904 / MMBT3904 / PZT3904 V - BASE-EMITTE VOLTAGE (V) BESAT Base-Emitter Saturation Voltage vs Collector Current β = C I - COLLECTO CUENT (ma) C 25 C 125 C V - BASE-EMITTE ON VOLTAGE (V) BE(ON) Base-Emitter ON Voltage vs Collector Current V CE = 5V - 40 C I - COLLECTO CUENT (ma) C 25 C 125 C I - COLLECTO CUENT (na) CBO V Collector-Cutoff Current vs Ambient Temperature CB = 30V T - AMBIENT TEMPEATUE ( C) A CAPACITANCE (pf) Capacitance vs everse Bias Voltage C ibo f = 1.0 MHz C obo EVESE BIAS VOLTAGE (V)

35 Typical Characteristics (continued) NF - NOISE FIGUE (db) Noise Figure vs Frequency I C = 1.0 ma S = 200Ω I C = 50 µa S = 1.0 kω I C = 0.5 ma S = 200Ω V = 5.0V CE I = 100 µa, = 500 Ω C S f - FEQUENCY (khz) NF - NOISE FIGUE (db) NPN General Purpose Amplifier (continued) Noise Figure vs Source esistance I C = 5.0 ma I C = 1.0 ma I = 100 µa C I = 50 µa C S - SOUCE ESISTANCE ( kω ) 2N3904 / MMBT3904 / PZT3904 h fe - CUENT GAIN (db) Current Gain and Phase Angle vs Frequency h fe V CE = 40V I C = 10 ma f - FEQUENCY (MHz) θ θ - DEGEES P - POWE DISSIPATION (W) D TO-92 SOT-23 Power Dissipation vs Ambient Temperature SOT o TEMPEATUE ( C) TIME (ns) Turn-On Time vs Collector Current 2.0V 40V 15V I c I B1= I B2= 10 V = 3.0V CC r 10 t V CB = 0V I C - COLLECTO CUENT (ma) t - ISE TIME (ns) r ise Time vs Collector Current T J = 125 C V CC = 40V T = 25 C J I c I B1= I B2= I C - COLLECTO CUENT (ma)

36 Ω µ f Typical Characteristics (continued) t - STOAGE TIME (ns) S Storage Time vs Collector Current T = 25 C J T J = 125 C I c I B1= I B2= 10 t - FALL TIME (ns) NPN General Purpose Amplifier (continued) Fall Time vs Collector Current T = 25 C J T J = 125 C I c I B1= I B2= 10 V CC = 40V 2N3904 / MMBT3904 / PZT I C - COLLECTO CUENT (ma) I C - COLLECTO CUENT (ma) h - CUENT GAIN fe Current Gain V CE = 10 V f = 1.0 khz o T A = 25 C I - COLLECTO CUENT (ma) C h - OUTPUT ADMITTANCE ( mhos) oe V CE = 10 V f = 1.0 khz o T A = 25 C Output Admittance I - COLLECTO CUENT (ma) C h - INPUT IMPEDANCE (k ) ie Input Impedance V CE = 10 V f = 1.0 khz o T A = 25 C I - COLLECTO CUENT (ma) C h - VOLTAGE FEEDBACK ATIO (x10 ) _ 4 re Voltage Feedback atio V CE = 10 V f = 1.0 khz o T A = 25 C I - COLLECTO CUENT (ma) C

37 Test Circuits Duty Cycle = 2% V 300 ns < 1.0 ns 10.6 V 10 KΩ 3.0 V 275 Ω FIGUE 1: Delay and ise Time Equivalent Test Circuit NPN General Purpose Amplifier (continued) C 1 < 4.0 pf 2N3904 / MMBT3904 / PZT V 10 < t 1 < 500 µs t V 275 Ω Duty Cycle = 2% 0 10 KΩ C 1 < 4.0 pf V < 1.0 ns 1N916 FIGUE 2: Storage and Fall Time Equivalent Test Circuit

38 Osnovno kolo sa BJT-om I I B C = = V V BB CC B C V V BE CE Izvori polarišu tranzistor ežim rada za fiksne vrednosti V BB i V cc određuju otpornosti B i C Za V BE manje od 0,7V tranzistor zakočen Kada tranzistor vodi V BE =0,7V Tranzistor u zasićenju I C βi B Tranzistor u aktivnoj oblasti I C =βi B

39 ežimi rada BJT-a u kolu ežim rada je određen položajem radne tačke na izlaznoj karakteristici adna tačka u preseku izlazne karakteristike i radne prave za date vrednosti B i C Izborom vrednosti B i C podešavamo radni režim B1 < B2 < B3 < B4 < B5 C1 < C2 < C3 < C4 < C5

40 Primene BJT-a Osnovne primene Kao prekidač zamenjuje standardan prekidač u kolu koji je u otvorenom ili zatvorenom stanju Kao pojačavač pojačava amplitudu malih naizmeničnih signala koji se superponiraju na jednosmerne vrednosti napona i struja u radnoj tački

41 BJT kao prekidač ZE konfiguracija Napon na bazi V BE kontroliše prekidač Otvoren prekidač u kolu BJT predstavlja prekid Tranzistor zakočen (V BE <0.7 V; V BC <0.7V); Struje I C,I B,I E =0 V CE određen ostalim elementima kola Zatvoren prekidač u kolu BJT predstavlja kratak spoj Tranzistor u zasićenju V CE =V CE(sat) (reda V) V BE 0.7 V I C,I B,I E određene elementima kola pri čemu važi I C β DC I B Napon na kolektoru V CE je sa suprotnom promenom u odnosu na napon na bazi V BE uloga invertora

42 Osnovno prekidačko kolo V1=3 V V2 pravougaoni impulsi amplitude 5V i frekvence 0,5 Hz Kada tranzistor ne vodi (V2=0V) VC=V1 Kada tranzistor vodi (V2=5V) VC=V CEsat Signali na izlazu suprotni od signala na ulazu

43 Prekidačke karakteristike BJT-a t d vreme kašnjenja (od prestanka ulaznog signala do dostizanja 10% vrednosti izlaznog signala) t r vreme porasta (od 10% do 90% vrednosti izlaznog signala) t s vreme skladištenja (od dolaska ulaznog signala do opadanja na 90% vrednosti izlaznog signala) t f vreme opadanja signala (od 90% do 10% vrednosti izlaznog signala) t ON vreme uključenja BJT-a t OFF vreme isključenja BJT-a

44 BJT kao pojačavač - ZE konfiguracija Polarizacija BJT-a takva da je radna tačka (vrednosti I C, V CE ) u normalnoj aktivnoj oblasti V BE 0.7 V I C =β DC I B; Jednosmernom signalu se dodaje naizmenični signal male amplitude čija se vrednost pojačava i c =h fe i b

45 Polarizacija tranzistora Polarizacija tranzistora predstavlja postavljanje radne tačke - DC režim: Preko naponskog razdelnika Preko baze Preko emitora (zahteva negativan izvor napajanja) Preko povratne sprege u emitoru Preko povratne sprege u kolektoru

46 Polarizacija preko naponskog razdelnika NPN Dobra stabilnost sa jednim izvorom napajanja Poželjne što manje vrednosti otpornosti = β IN DC E 10 ; V = V 2 IN 2 B CC < 10 ; V = V 2 IN IN 2 B CC IN VE = VB VBE V = V I I I I C CC C C E C B = = V I E E E I β C DC

47 PNP V B = V EE V = V + V I I I V E B BE E C B = = = V I EE E I β C DC I C C C E V E

48 Polarizacija preko baze Česta u prekidačkim kolima Zavisna od promena β DC V = 0V V I I I E B B BE CC B C DC B E = = = V V β I C I V BE V = V I C CC C C

49 Polarizacija preko povratne sprege u emitoru Smanjena zavisnost od β DC V E E E B E BE E C B I V = V + V I I I = = = I E β V CC BE E B DC V + CC V V + β BE DC E B V = V I C CC C C

50 Polarizacija preko povratne sprege u kolektoru Temperaturno stabilna V = 0V V I I I E B B BE C DC B E = = = V C V CC V BE (1 + β ) + β I C DC B I V = V ( β + 1) I C CC DC C B

51 Pojačavači sa BJT-om Polarizacijom tranzistora određeni su DC uslovi rada (radna tačka) Varijacije struje i napona oko DC radne tačke nastaju kao posledica ulaznog AC signala Amplituda ulaznog signala je pojačana Ukoliko su amplitude ulaznog signala male u poređenju sa vrednostima DC polarizacije radi se o pojačavaču malih signala (small-signal amplifier)

52 Linearni pojačavač Izlazni signal je linearno proporcionalan ulaznom signalu bez izobličenja C 1 i C 2 coupling (decoupling) kondenzatori spajaju (razdvajaju) jednosmerni i naizmenični signal Struja kolektora prati promene struje baze Napon na bazi i napon na kolektoru su u protivfazi

53 Trenutne vrednosti napona i struja se kreću po radnoj pravoj i B -raste i C -raste v CE -opada

54 Izobličenje izlaznog signala Nastaje usled izlaska trenutnih vrednosti napona i struja iz normalne aktivne oblasti. BJT ulazi u zakočenje ili zasićenje Uzroci: prevelika amplituda ulaznog AC signala i/ili loše postavljena DC radna tačka

55 Izobličenje izlaznog signala usled ulaska BJT-a u zasićenje prevelika amplituda AC signala

56 Izobličenje izlaznog signala usled ulaska BJT-a u zasićenje loše postavljena DC radna tačka

57 Izobličenje izlaznog signala usled ulaska BJT-a u zakočenje loše postavljena DC radna tačka

58 Izobličenje izlaznog signala usled ulaska BJT-a i u zasićenje i u zakočenje prevelika amplituda AC signala

59 Pojačavač sa zajedničkim emitorom CE pojačavač

60 Napajanje preko naponskog razdelnika Ulaz na bazi, izlaz na kolektoru tranzistora Svi kondenzatori moraju imati zanemarljivu otpornost na radnoj učestanosti kako bi predstavljali kratak spoj za AC signale C 1, C 3 - coupling kondenzatori (C 1 povezuje ulazni signal sa DC naponom na bazi, C 3 razdvaja izlazni signal od DC napona na kolektoru) C 2 bypass kondenzator (vezuje emitor na uzemljenje za AC signale) izlazni i ulazni signali su u protiv-fazi (fazni pomeraj 180 )

61 DC analiza Ekvivalentno kolo svi kondenzatori prekidi za DC signale = β IN DC E 10 ; V = V 2 IN 2 B CC < 10 ; V = V 2 IN IN 2 B CC IN VE = VB VBE V = V I I I I C CC C C E C B = = V I E E E I β C DC

62 AC analiza Svi kondenzatori kratki spojevi za AC signale DC izvor je zamenjen uzemljenjem Crveno AC uzemljenje AC i stvarno uzemljenje se u električnom smislu posmatraju kao jedinstvena tačka Emitor je uzemljen preko kondenzatora C 2

63 AC ulazni signal s otpornost izvora otpornost polarizacije in(base) ulazna otpornost BJT-a sa strane baze in(tot) = 1 2 in(base) - ulazna otpornost CE pojačavača Poželjno što veće in(tot) da se ne bi remetio ulazni signal v in = in(tot) v s /( s + in(tot) ) za s «in(tot) v in v s

64 Ulazna otpornost BJT-a sa strane baze - in(base) Na osnovu r parametarskog modela tranzistora Vin v in( base ) = = I i v i i e b c e e b e ac = i i ir in( base ) β = i e in ir e e β ac b b in( base ) = β r ac e

65 Izlazna otpornost CE pojačavača Otpornost posmatrana sa strane kolektora = r out C c C «r c out C

66 Naponsko pojačanje CE pojačavača v out c C out ac e C e C in v = i v = α i i v A = ir e e v = = v out e C in i ir Znak ukazuje da dolazi do okretanja faze izlaznog signala u odnosu na ulazni Ukupno pojačanje uključuje i slabljenje usled konačne otpornosti izvora ' vout vout vin C in(tot ) Av = = = v v v r + s in s e in(tot ) s A v = r C e e e

67 Uticaj bypass kondenzatora na naponsko pojačanje CE pojačavača Bypass kondenzator je kratak spoj za AC signale i efektivno vezuje emitor za uzemljenje Njegova vrednost mora da je dovoljno velika tako da mu je reaktansa u radnom opsegu učestanosti veoma mala u odnosu na E (obično10x C < E ) Bez bypass kondenzatora A v C = r + e E

68 Uticaj opterećenja na naponsko pojačanje CE pojačavača Opterećenje L je vezano preko coupling kondenzatora C 3 = = c C L C C + L L A v = r c e Za malo L c < C pojačanje je smanjeno Za L» C c C opterećenje nema uticaja na pojačanje

69 Stabilnost naponskog pojačanja CE pojačavača Mera promene vrednosti naponskog pojačanja pri promeni temperature i za različite vrednosti β Bypass kondenzator obezbeđuje maksimalno pojačanje, zavisno od r e A v =- C /r e ; r e =f(t, I E ) A v =f(t) Bez bypass kondenzatora je smanjeno pojačanje, manje zavisno od r e A v =- C /( E +r e ); Za E»r e A v - C / E ; A v f(t) Kompromis prevladavanje uticaja r e bez smanjenja vrednosti naponskog pojačanja - delimično premošćavanje otpornosti E bypass kondenzatorom

70 Oba otpornika utiču na DC napajanje ( E1 + E2 ) Na naponsko pojačanje utiče samo E1 : A v =- C /(r e + E1 ) Za E1 10r e A v - C / E1 Delimičnim premošćavanjem E ulazna AC otpornost BJT-a je: in(base) =β ac (r e + E1 )

71 Strujno pojačanje CE pojačavača Zavisi od strujnog pojačanja i ulazne otpornosti BJT-a ( L ) A β i ac i i i = = i i i = c c b in b in i i c b i = i + b 1 2 in 1 2 in( base) i in = + v s s in(tot ) A i = β ac in( base )

72 Pojačanje snage CE pojačavača Proizvod ukupnog naponskog i strujnog pojačanja A p =A v A i A v v v = = = ' out out in C in(tot ) v vs vin vs re in(tot ) + s A i = β ac in( base )

73 Pojačavač sa zajedničkim kolektorom CC pojačavač (emitter-follower EF) Napajanje preko naponskog razdelnika

74 Osnovne karakteristike CC pojačavača Kolektor je na AC uzemljenju Ulaz je na bazi, izlaz je na emitoru Nema promene faze između ulaza i izlaza Maksimalno naponsko pojačanje je 1 Ulazna otpornost je velika; izlazna otpornost je mala Coupling kondenzatori moraju imati zanemarljivu otpornost na radnoj učestanosti kako bi predstavljali kratak spoj za AC signale. Koristi se kao interfejs između kola sa velikom izlaznom otpornošću i niskootpornog opterećenja naponski bafer

75 DC analiza Ekvivalentno kolo = β IN DC E 10 ; V = V 2 IN 2 B CC < 10 ; V = V 2 IN IN 2 B CC IN V = V V V I I I E B BE C E C B = = = V V I CC E E I β E C DC

76 AC analiza r e = 25mV I E = β (r + ) in( base ) ac e E L = in(tot ) 1 2 in( base ) s out = E ( 1,2 S ) βac E L Av = 1 re + E L = A i ( βac 1) in( base ) Ap = AA v i Ai

77 Darlingtonov par Koristi se za povećanje ulazne otpornosti β = β β ac ac1 ac 2 = β β in ac1 ac 2 E e1 e2 E (r,r )

78 Sziklai-jev par (komplementarni Darlingtonov par) Kombinacija npn i pnp tranzistora β = β β ac ac1 ac 2 = β β in ac1 ac 2 E e1 e2 E (r,r ) Zahteva manji napon uključenja Koristi se u kombinaciji sa Darlingtonovim parom u izlaznim stepenima pojačavača snage

79 Pojačavač sa zajedničkom bazom CB pojačavač Napajanje preko naponskog razdelnika.

80 Osnovne karakteristike CB pojačavača Baza je na AC uzemljenju Ulaz je na emitoru, izlaz je na kolektoru Nema promene faze između ulaza i izlaza Maksimalno strujno pojačanje je 1 Ulazna otpornost je mala; izlazna otpornost je velika Coupling kondenzatori moraju imati zanemarljivu otpornost na radnoj učestanosti kako bi predstavljali kratak spoj za AC signale Koristi se u kolima gde izvori imaju izrazito malu unutrašnju otpornost

81 DC analiza Ekvivalentno kolo = β IN DC E 10 ; V = V 2 IN 2 B CC < 10 ; V = V 2 IN IN 2 B CC IN V = V V E B BE V = V I I I I C CC C C E C B = = V I E E I β E C DC

82 AC analiza r e = 25mV I = r ( r ) in( emitter ) e E e = ( r ) out C C c E A v i = A 1 C r e A = AA A L p v i v ( r ) E e

83 Višestepeni pojačavači Više kaskadno povezanih pojačavača Svaki pojačavač predstavlja jedan stepen Povećava se ukupno naponsko pojačanje A v =A v1 A v2 A vn Kapacitivno povezani stepeni nema međusobnog uticaja DC polarizacije prolaz AC signala bez slabljenja Direktno povezani stepeni dobar odziv pri niskim učestanostima osetljivost na promene vrednosti DC napajanja (usled promene temperature ili varijacija napona izvora)

84 Dvostepeni kapacitivno spregnuti pojačavač sprega preko C 3 β ac =225

85 DC analiza Oba stepena identična = β = β = 225kΩ IN DC 4 DC 8 10 ;10 IN VB = VCC = VCC = 1.75V V = V V = 1.05V E B BE VE VE IE = = = 1.05mA I C I E 4 8 V = V I = V I = 5.07V C CC 3 C CC 7 C

86 AC analiza Drugi stepen standardan CE pojačavač 25mV re = = 23.8Ω I in( base2) E = β r = 5.355kΩ ac e = = = 3.25kΩ in(tot 2) L1 5 6 in( base2) 7 Av2 = = 197 (8 r e) r e

87 Prvi stepen njegovo opterećenje je drugi stepen 25mV re = = 23.8Ω I in( base1) E = β r = 5.355kΩ ac e = = 3.25kΩ in( tot 1) 1 2 in( base1) Ukupno naponsko pojačanje out v v1 v2 vin 3 in(tot 2) Av1 = = 80.7 re v A = = A A = = 15898

88 Signali A v1 =85

89 A v2 =174

90 A v =v out /v in A v =14730 A v =A v1 A v2 =14790

91 Dvostepeni kapacitivno spregnuti pojačavač sa komplementarnim tranzistorima (audio predpojačavač)

92 Signali A v =v out /v in A v =20

93 Pojačavači snage Pojačavači velikih signala Cilj je prenos maksimalne snage opterećenju (reda 1W i više) - komponente moraju da podnesu veliku disipaciju tj. da se obezbedi odvođenje toplote Pojačanje snage: A p =P L /P in =A v2 ( in / L ) 4 klase zavisno od dela ulaznog signala za koji pojačavač radi u linearnoj oblasti (klasa A, klasa B, klasa AB i klasa C) Svaka klasa ima jedinstvenu konfiguraciju kola Koriste se kao izlazni stepeni komunikacionih prijemnika i predajnika kako bi se obezbedila dovoljna snaga signala zvučnika ili antene

94 Pojačavači snage klase A Celokupan rad u linearnoj oblasti izlazni signal je uvećana kopija ulaznog signala (uz postojanje inverzije) Maksimalna vrednost izlaznog signala - kada je radna tačka na sredini radne prave azmatrani pojačavački stepeni sa BJT (ZE, ZC, ZB) se odnose na klasu A

95

96 Snaga mirne radne tačke (kada nema AC signala) maksimalna snaga koju pojačavač klase A treba da izdrži P DQ =I CQ V CEQ Maksimalna izlazna snaga signala P out(max) =0.5I CQ V CEQ Efikasnost pojačavača - odnos izlazne snage signala predate opterećenju i ukupne snage DC izvora Maksimalna efikasnost pojačavača klase A (sa kapacitivnom spregom) η max = P out(max) /P DC = 0.5I CQ V CEQ /2I CQ V CEQ =0.25

97 Pojačavači klase B Polarisani na granici isključenja (V CEQ =V CE(cutoff) ; I CQ =0) u jednoj poluperiodi rade u linearnoj oblasti, u drugoj poluperiodi su u zakočenju Efikasniji od pojačavača klase A daju veći izlaznu snagu za istu vrednost ulazne snage Nedostatak je teža realizacija kola koja daju linearnu kopiju ulaznog signala

98 Push-pull pojačavač klase B Za pojačanje cele periode koriste se 2 pojačavača komplementarni simetrični tranzistori (upareni npn i pnp BJT) u CC konfiguraciji (emitter-follower-i) Napajanje dvostruko-simetrično, nema coupling kondenzatora jer je DC vrednost signala na bazi i izlazu 0 Ulazni signal pobuđuje tranzistore, npn vodi u pozitivnoj poluperiodi, pnp u negativnoj poluperiodi Tranzistori ne vode dok se ne dostigne napon na njihovim bazama V BE (-V BE ). Vremenski interval kada oba tranzistora ne vode dovodi do tzv. izobličenja prelaza izlaznog signala

99 Push-pull pojačavač klase B

100

101 Push-pull pojačavač klase AB Izobličenje prelaza izlaznog signala izbegnuto modifikovanom realizacijom napajanja (pomoću naponskog razdelnika i dioda) tako da je radna tačka malo iznad tačke zakočenja Tranzistori vode i za nultu vrednost ulaznog signala Kada su karakteristike dioda i bazno-emitorskih spojeva tranzistora uparene struje su im jednake formira se tzv. strujno ogledalo Problem termičke nestabilnosti ukoliko karakteristike dioda i bazno-emitorskih spojeva tranzistora nisu uparene ili kada su komponente na različitim temperaturama

102 Push-pull pojačavač klase AB sa dvostrukim napajanjem

103

104 Push-pull pojačavač klase AB sa jednim napajanjem

105

106 AC karakteristike Struja zasićenja maksimalna struja koja može da protiče kroz BJT I c(sat) =(V CC -V CEsat )/ L V CC / L Maksimalna srednja izlazna snaga P out(max) =0.25I c(sat) V CC Maksimalna efikasnost η max =0.79 Ulazna otpornost in =β ac ( L +r e ) 1 2

107 Push-pull pojačavač klase AB sa Darlingtonovim parom (povećanje ulazne otpornosti)

108

109 Push-pull pojačavač klase AB sa Darlingtonovim/komplementarnim Darlingtonovim parom

110 Pojačavači klase C Provođenje postoji u intervalu kraćem od jedne poluperiode Amplituda izlaznog signala je nelinearna funkcija ulaznog signala Efikasniji su od pojačavača klase A i push-pull pojačavača klase B i AB Generalno se koriste u F primenama poput oscilatora i modulatora

111 Audio pojačavač sprega predpojačavača i pojačavača snage sa dvostrukim napajanjem

112 Audio pojačavač-signali

113