TRANZYSTOR BIPOLARNY

TRANZYSTOR

BIPOLARNY

Trójkońcówkowy półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność

wzmacniania sygnału elektrycznego. Nazwa tranzystor pochodzi z angielskiego zwrotu

"transfer resistor", który oznacza element transformujący rezystancję.

Tranzystor

Wyróżnia się dwie główne grupy tranzystorów, które różnią się zasadniczo zasadą działania:

1. Tranzystory bipolarne, w których prąd wyjściowy jest funkcją prądu wejściowego (sterowanie

prądowe).

2. Tranzystory unipolarne (tranzystory polowe), w których prąd wyjściowy jest funkcją napięcia wejściowego (sterowanie napięciowe).

Jakub Dawidziuk 11/13/21

Tranzystory - rodzaje

Idea

tranzystora

bipolarnego

Tranzystory

PODSTAWY ELEKTRONIKI – Jakub Dawidziuk 20 października 2006

Tranzystory

(jako elementy dyskretne)

Symbol graficzny tranzystora bipolarnego

pnp

Symbol graficzny tranzystora bipolarnego

npn

Tranzystor bipolarny - zasada działania

Tranzystor npn

Tranzystor pnp

Bor

SiO₂ fosfor

Proces wytwarzania – metoda przekompensowywania

Łącznik tranzystorowy (npn)

Łącznik tranzystorowy (pnp)

Obszary pracy tranzystora npn

Rozróżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego:

• stan zatkania (odcięcia): złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym,

• stan nasycenia: złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia,

• stan aktywny (normalny): złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś złącze CB zaporowo,

• stan aktywny inwersyjny (krócej: inwersyjny): BE zaporowo, CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym).

Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we

wzmacniaczach; w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset).

Stany nasycenia i zaporowy stosowane są w technice impulsowej, jak również w układach cyfrowych.

Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany, ponieważ ze względów

konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się wówczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym), m.in. mniejszym wzmocnieniem prądowym.

Stany pracy tranzystora

Stany pracy tranzystora

U

U

U

przewodzizatkane

Nie mylić prądu kolektora I_C z

prądem diody baza- kolektor.

I

Polaryzacja normalna

Aby tranzystor znajdował się w stanie normalnej pracy to muszą być spełnione następujące warunki:

• dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera,

• dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera,

• „dioda” baza-emiter musi być spolaryzowana w kierunku przewodzenia, a „dioda” kolektor- baza w kierunku zaporowym,

• nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości I_C, I_B, U_CE, moc wydzielana na kolektorze I_C· U_CE, temperatura pracy czy też napięcie U_BE.

Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy czyli spełnia powyższe warunki to z dobrym przybliżeniem prawdziwą jest zależność, którą warto zapamiętać:

gdzie h_FE jest współczynnikiem wzmocnienia prądowego nazywanego również betą.

Współczynnik ten może przyjmować wartości od 50 do 300A/A dla tego samego typu tranzystora, a więc nie jest dobrym parametrem na którym można opierać parametry projektowanego układu.

I

=h

· I

=b·I

npn pnp

Tranzystor pracujący w układzie wzmacniacza. Złącze kolektor-baza jest spolaryzowane zaporowo (bateria E_C), natomiast złącze baza-emiter w kierunku przewodzenia (bateria E_R)

Elektrony wprowadzane z emitera do bazy stają się tam nośnikami mniejszościowymi i drogą dyfuzji oddalają się od złącza emiterowego (złącze E). Część tych elektronów łączy się z dziurami, których w bazie jest bardzo dużo (obszar p). Wszystkie elektrony, które dotrą w pobliże złącza kolektor- baza (złącze C) są unoszone do obszaru kolektora.

Dla niedużej szerokości obszaru p (bazy) praktycznie wszystkie elektrony wstrzykiwane przez emiter do bazy dotrą do kolektora. Bardzo ważnym jest aby strata elektronów w bazie była jak najmniejsza.

Rozpływ prądu w tranzystorze npn. Ponieważ złącze baza-emiter jest spolaryzowane w kierunku

przewodzenia to istnieje przepływ dziur z obszaru p do obszaru n I_B1 oraz przepływ elektronów z obszaru n do obszaru p I_B2.

Tranzystor bipolarny (BJT) npn – układy połączeń

Tranzystor bipolarny (BJT) pnp – układy połączeń

 Wzmocnienie 

napięciowe k_u Wzmocnienie 

prądowe k_i Wzmocnienie mocy 

k_p Rezystancja 

wejściowe R_I Rezystancja 

wyjściowa R_O Przesunięcie fazy

największe małe α ≤ 1 duże najmniejsza największa 0^o

Układ o wspólnej bazie

R_L-oporność obciążenia

Układ o wspólnym emiterze

Wzmocnienie  napięciowe k_u

Wzmocnienie 

prądowe k_i Wzmocnienie mocy 

k_p Rezystancja 

wejściowe R_I Rezystancja 

wyjściowa R_O Przesunięcie fazy

duże duże - β największe mała duża 180^o

Układ o wspólnym kolektorze

Wzmocnienie 

napięciowe k_u Wzmocnienie 

prądowe k_i Wzmocnienie mocy 

k_p Rezystancja 

wejściowe R_I Rezystancja 

wyjściowa R_O Przesunięcie fazy

małe ≤1 największe - β + 1 małe największa najmniejsza 0^o

Charakterystyki U-I tranzystora npn w konfiguracji OE

Prąd kolektora I_C jest tu funkcją napięcia baza-emiter U_BE. Charakterystyka ta ma charakter wykładniczy.

Charakterystyka wyjściowa tranzystora, która przedstawia zależność prądu kolektora I_C od napięcia kolektor-emiter U_CE przy doprowadzonym napięciu wejściowym baza-emiter U_BE. Zauważmy, że:

• powyżej pewnego napięcia prąd kolektora prawie nie zależy od napięcia U_CE,

• do wywołania dużej zmiany prądu kolektora I_C wystarczy mała zmiana napięcia baza-emiter U_BE.

Punkt, w którym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia kolektor-emiter U_CEsat.

Charakterystyki wyjściowe tranzystora npn (przykłady OB i OE)

OB OE

W ukł. OB prąd I_c płynie nawet przy U_cb=0!

Prąd kolektora w niewielkim stopniu zależy od U_cb.

Porównanie właściwości poszczególnych układów pracy tranzystora bipolarnego

Parametr wspólny

kolektor wspólny emiter wspólna baza

Rezystancja

wejściowa Duża Średnia Mała

Wzmocnienie

napięciowe Równe jedności Duże Średnie Wzmocnienie

prądowe Duże Średnie Mniejsze od

jedności Rezystancja

wyjściowa Mała Duża Duża

• W zależności od punktu pracy tranzystor może znajdować się w czterech stanach

• Stan aktywny, w którym prąd kolektora jest β razy większy od prądu bazy.

• Stan nasycenia, w którym prąd bazy jest na tyle duży, że obwód kolektora nie jest w stanie dostarczyć prądu β razy większego. Napięcie kolektor-emiter spada wtedy do niewielkiej wielkości.

• Stan zatkania, w którym złącze baza-emiter nie jest spolaryzowane lub jest spolaryzowane zaporowo. Prąd kolektora spada wtedy do bardzo małej wartości.

• Stan inwersyjny, w którym emiter spolaryzowany jest w kierunku zaporowym a kolektor w kierunku przewodzenia.

Wzmocnienie prądowe tranzystora w tym stanie jest

niewielkie.

Tranzystor bipolarny w konfiguracji OE – obszary pracy

Wybór punktu pracy

•Punkt pracy musi znajdować się poniżej hiperboli mocy admisyjnej

•Jeżeli tranzystor współpracuje w układzie dzielnika napięcia z rezystorem R_c, przestrzeń punktów pracy ogranicza się do prostej opisanej równaniem : U_CE=U_cc-R_cI_C (tzw. prosta obciążenia). W praktyce należy tak dobrać napięcie zasilania wzmacniacza U_cc oraz opór pracy R_c , by prosta ta była styczna do hiperboli obciążenia (lub przebiegała nieco poniżej).

•Prosta obciążenia przecina oś napięć kolektor- emiter w punkcie U_cc, a oś prądów kolektora w punkcie U_cc /R_c. Żaden z tych parametrów nie może przekraczać maksymalnych wielkości tranzystora (I_Cmax, U_CEmax) dopuszczonych przez producenta.

Dla I_C=0 mamy 0=-U_CE/R_C+U_CC/R_C

czyli U_CE=U_{CC ,} co daje punkt A.

Dla U_CE=0 mamy I_C=U_CC/R_C, co daje punkt B.

Zmiana punktu pracy spowodowana zmianą R_C lub U_CC nie powoduje zmian prądu I_C.

Prosta obciążenia

U_CC=U_Rc+ U_CE U_CC=I_C· R_C+ U_CE

y = - ax + b

Wzmacniacz klasy A

I

U

I

0 uA 10 uA 20 uA 30 uA 40 uA 50 uA 60 uA 70 uA 80 uA 90 uA

Nasycenie

Odcięcie

Punkt pracy

I

U

I

0 uA 10 uA 20 uA 30 uA 40 uA 50 uA 60 uA 70 uA 80 uA 90 uA

Nasycenie

Odcięcie

Punkt pracy

Wzmacniacz klasy B

Układy polaryzacji tranzystorów

Układ z potencjometrycznym zasilaniem bazy

Bardzo małe zmiany U_BE wywołane rozrzutem parametrów tranzystora oraz zmianami temperatury powodują duże zmiany prądu kolektora I_C, a co za tym idzie zmiany U_CE.

U_CC=U_RC+ U_CE=I_C· R_C+ U_CE U_BE=U_CC · (R2/(R1 + R2))

Układ z wymuszonym prądem bazy

ΔI_B/I_B= ΔU_BE/(U_CC- U_BE)<<1

Dla układu polaryzacji z wymuszonym prądem bazy punkt pracy tranzystora praktycznie nie zależy od zmian napięcia baza-emiter.

Pozostaje jednak silna zależność punktu pracy od współczynnika b, który nie tylko ma duży rozrzut ale również dosyć mocno zależy od temperatury, zmienia się bowiem nawet o 1%/°C.

Ponieważ I_C= b · I_B to względna zmiana prądu kolektora jest taka sama

Stąd R_B=(U_CC- U_BE)/I_B

=(U_CC- 0.65)/I_B

Po wybraniu punktu pracy znamy I_B i możemy obliczyć R_B.

• Wpływ zmiany U_BE I_B=(U_CC- U_BE)/R_B

Jeżeli napięcie U_BE zmieni się o wartość DU_BE to prąd bazy musi się zmienić o wartość DI_B=DU_BE/R_B

wówczas

• Obliczenie R_B

U_CC=U_RC+ U_CE=I_C· R_C+ U_CE U_CC=U_RB+ U_BE=I_B· R_B+ U_BE

Układy polaryzacji tranzystorów

Układ ze sprzężeniem kolektorowym

I_RC=I_C+ I_B U_CC=U_RC+ U_CE

U_CC=I_RC· R_C+ U_CE=(I_C+ I_B) · R_C+ U_CE U_CE=U_RB+ U_BE=I_B· R_B+ U_BE

I_C=(U_CC- U_BE)/(R_C + R_B/ b)

Układ nie dopuszcza aby tranzystor wszedł w stan nasycenia.

Układ z potencjometrycznym zasilaniem bazy i sprzężeniem emiterowym

I_C=(U_B- U_BE)/(R_E + R_B/ b)

Układy polaryzacji tranzystorów

Ten układ poprawia stałość punktu pracy

Pasmo wzmocnienia tranzystora

• Pasmo wzmocnienia jest określone przez własności tranzystora (jego wielkości pasożytnicze) oraz sposób jego współdziałania z obwodem wzmacniacza.

• 1. Pasożytnicze pojemności tranzystora :

• Każdy rzeczywisty tranzystor charakteryzuje się różnymi wielkościami pasożytniczymi, z których najważniejsze to: rozproszona rezystancja bazy rbb

oraz pojemności baza-emiter C_be i baza-kolektor Cbk

• Pasożytnicza pojemność między bazą a emiterem (Cbe) tworzy wraz z rozproszoną rezystancją bazy (r_bb) filtr dolnoprzepustowy, który przy wysokich częstotliwościach bocznikuje złącze baza-emiter, zmniejszając przepływający przezeń prąd sterujący tranzystor. W rezultacie współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora maleje wraz ze wzrostem częstotliwości powyzej f_T ; powyżej tej częstotliwości współczynnik wzmocnienia prądowego β jest mniejszy od jedności.

Pasmo wzmocnienia tranzystora

• 2. Efekt Millera.

W pewnych układach - np. we wzmacniaczu o wspólnym emiterze - pasmo przenoszenia jest znacznie mniejsze niż f_T na skutek oddziaływania pasożytniczej pojemności kolektor - baza C_kb. rezystancją źródła sygnału R_WYG i rozproszoną rezystancją bazy r_bb. W układzie tym napięcie wyjściowe - będące napięciem kolektora - ma fazę przeciwną niż napięcie wejściowe, czyli napięcie bazy. Przy wysokich częstotliwościach prąd z kolektora przenika do bazy przez układ górno przepustowy C_bk(R_WYG+r_bb), osłabiając sygnał sterujący tranzystor. Jest to tzw. efekt Millera.

• Oddziaływanie sygnału wyjściowego na sygnał wejściowy nazywamy sprzężeniem zwrotnym

•Pasmo przenoszenia wzmacniacza określa się podobnie jak pasmo przenoszenia filtru : dla częstości 1/ 2

granicznych wzmacniacza wzmocnienie jest mniejsze o w stosunku do wzmocnienia maksymalnego.

Pasmo wzmocnienia wzmacniacza

Dobór pojemności sprzęgającej C1 powinien uwzględniać pasmo przenoszenia wzmacniacza, gdyż C1 wraz z rezystancją wejściową układu tworzą filtr górno przepustowy. Dla wysokich częstotliwości pasmo przenoszenia wzmacniacza jest ograniczone przez własności tranzystora.

Jeżeli budowany jest wzmacniacz o wspólnym emiterze, ze względu na efekt Millera katalogowa częstotliwość graniczna tranzystora f_T powinna być przeszło 100 razy większa niż przewidywana górna granica pasma przenoszenia wzmacniacza.

Przykład wzmacniacza tranzystorowego

Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza

Tranzystor jako klucz elektroniczny

Tranzystor jako klucz elektroniczny