***************************** TRANZYSTOR UNIPOLARNY (POLOWY) Są to przyrządy półprzewodnikowe, których działanie polega na sterowaniu prądu za pomocą pola elektrycznego. W przewodnictwie bierze udział jeden rodzaj ładunku (elektrony lub dziury). Istnieją dwa typy: @ tranzystor polowy złączowy - JFET; @ tranzystor polowy z izolowaną bramką - MOSFET (IGFET, MISFET) Różnią się od bipolarnych: # wykorzystują jeden typ nośników; # łatwiejsze do wytwarzania; # w postaci scalonej zajmują mniej miejsca; # duża rezystancja wejściowa ( > niż kilkaset MΩ); # mają mniejsze szumy. ***************************** JFET - złączowy Jest to tranzystor z kanałem typu n (typ płytki do której doprowadzono dren D i źródło S). Po obu stronach płytki znajduje się bramka G (elektroda sterująca) typu przeciwnego niż pozostałe elektrody. Przez źródło S nośniki większościowe wpływają do wnętrza płytki (prądem Is), a opuszczają ją przez dren (prąd ID). Między S i D doprowadzone jest napięcie UDS. Między G i S doprowadzone jest napięcie, aby zaporowo spolaryzować złącze bramka - źródło. Taka polaryzacja powoduje zmianę szerokości kanału. Większe napięcie UGS to węższy kanał i większa jego rezystancja, czyli mniejszy prąd ID. Jest to tzw. efekt polowy. Spadki napięć na obszarze kanału powodują, że jego szerokość jest nierównomierna. Całkowite zamknięcie kanału jest niemożliwe.

← Charakterystyka przejściowa UT - napięcie odcięcia (progowe); Charakt. wyjściowa ↓ - gdy UGS = 0: $ ID = 0 kanał jest całkowicie otwarty; $ Przy małym napięciu UDS. płytka działa jak rezystor - jest to zakres nienasycenia; $ Przy zwiększaniu się prądu spadek nap na rezyst kanału polaryzuje złącze w kier zap i kanał się zwęża, ale nierównomiernie - tym więcej im dalej od S; $ Przy pewnej wartości UGS kanał jest zaciśnięty;

Warunek zaciśnięcia kanału: wyznacza linię przerywaną oddzielającą zakresy pracy tranzystora; $ Kanał nie zaciśnie się całkowicie więc płynie prąd nasycenia - tran jest w stanie nasycenia; - gdy zwiększamy UGS : $ przy dodatkowej polaryzacji zaporowej zaciśnięcie kanału nastąpi dla mniejszego ID - gdy zwiększamy UDS. (poza rysunek): $ to dochodzi się do obszaru lawinowego przebicia złącza bramki; $ gwałtownie wzrasta prąd drenu; $ im większe UGS tym mniejsze napięcie przebicia; Częściej stosuje się tran z kanałem typu n, bo są szybsze. *****************************

MOSFET - z izolowaną bramką

Metalowa bramka połączona jest z izolacyjną warstwą tlenku, który sąsiaduje z podłożem. S i D doprowadzone są do obszarów n w głębi płytki. Niemożliwy jest przepływ prądu między D i S. Prąd płynie przez G. B jest uziemione. Pod wpływem dodatniego potencjału na G zaindukuje się w obszarze p kanał typu n, którego rezyst zależy od szerokości od której zależy prąd płynący przez kanał. Podział ze względu na typ przewodnictwa: @ z kanałem typu n (B typu p); @ z kanałem typu p (B typu n); Podział ze względu na sposób uzyskania właściwości sterujących: # normalnie wyłączone (z kanałem wzbogaconym); # normalnie włączone ( z kanałem zubożonym).

Tranz mają kanał specjalnie wbudowany lub zaindukowany, przy UGS = 0 kanał istnieje i może płynąć duży prąd drenu.

Działając odpowiednio dużym napięciem G można zaindukować (włączyć) kanał.

Charakterystyka wyjściowa↑ $ w zakresie nienasycenia (UDS. mniejsze niż UGS) kanał jest rezystorem; $ w miarę wzrostu UDS. zwiększa się ID i na rezyst kanału (też jest nierównomierny) odkłada się spadek napięcia; $ dalszy wzrost napięcia prowadzi do usunięcia inwersji z części kanału; $ kanał zostaje odcięty i tran pracuje w stanie nasycenia; $ ID osiąga wartość stałą. Linia rozgraniczająca stany pracy wynika z warunku zaciśnięcia kanału.

TYRYSTORY Są to półprzewodnikowe przyrządy mocy. Mają dwa stany: ^ włączenia (mała rezyst); ^ wyłączenia (dyża rezyst); SCR A - anoda G - bramka - elektroda sterująca K - katoda Ma strukturę czterowarstwową, a bramka umożliwia włączenie tyrystora. Charakt Prądowo - napięciowa Wyróżniamy zakresy dodatniej i ujemnej polaryzacji A względem K. Przy polar dodatniej tyryst może znajd się w 2 stanach stabilnych: blokowania i przewodzenia (dodatnie UAK). Przy polaryzacji ujemnej tyryst jest w stanie zaworowym (ujemne UAK) i ma właściw jak dioda. Stan przewodzenia jest stanem włączenia tyryst Zdolność zaworowa jest ogran szczytowym i niepowtarzalnym szczytowym nap zwrotnym URRM, URSM. W stanie blok. dla IG =0 przebieg jak w stanie zaworowym. Przekroczenie UBO przełącza tyryst w stan przewodzenia tym szybciej im , większe IG. UDRM, UDSM - szczytowe i niepowtarzalne szczytowe nap blok.

IHS - prąd załączenia (prąd płynący po przełączeniu ze stanu blokowania do przewodzenia); IH - prąd podtrzymania (powodujący przełączenie ze stanu przewodzenia do blokowania;

gdzie:

GTO Różnice z SCR polegają na: ^ podziale katody na wiele elementów otoczonych obszaram bramki; ^ złożonej konstrukcji anady. Sposób działania podobny do SCR. Umożliwia wyłączenie poprzez doprowadzenie do G ujemnego impulsu prądowego (kilkanaście μs) rzędu 20 - 30 % prądu anodowego. Może być włączany dodatnim a wyłączany ujemnym prądem bramki. Układ sterujący od strony bramki dostosowany do przepływu dużych wartości prądu, co wpływa na złożoność budowy tego tyrystora.

TRIAK

Jest tyrystorem dwukierunkowym o strukturze złożonej z dwóch tyrystorów SCR połączonych odwrotnie równolegle z jedną bramką sterującą. Pracują złącza p1, n1, p2, n2 lub p2, n2, p1, n4 Charakterystyka prądowo - napięciowa Jest symetryczna względem (0,0) dlatego bez względu na polaryzacje triak pracuje w dwóch stanach: # blokowania; # przewodzenia; Metody włączania: UA1 > UA2 Struktura p1-n1-p2-n2 pracuje jak tyrystor. Dodatni IG przełącza triak do stanu przewodzenia UA1 > UA2 i IG < 0 Prąd bazy tranzystora n1-p2-n3 wprowadza triak w stan przewodzenia UA1 < UA2 Struktura p2-n1-p1-n4 pracuje jak tyrystor. Ujemny IG przełącza triak do stanu przewodzenia UA1 < UA2 i IG > 0 Bramką jest p2-n2 i wzrost prądu bramki włącza triak Zaleta - Przewodzenie w obu kierunkach; Wada - Bardziej wrażliwy na zakłócenia; Wyłączenie następuje gdy prąd spadnie poniżej wartości prądu podtrzymania IH.

PODSTAWOWE UKŁADY WZMACNIACZY MODELE TRANZYSTORA BIPOLARNEGO # MODEL FIZYCZNY EBERSA - MOLLA Jest kombinacją elementów biernych oraz aktywnych (diod). Jest stosowany w symulacji komputerowej układów elektronicznych, co daje możliwość badania i przewidywania właściwości układów w różnych warunkach.

# MODEL MACIERZOWY Z PARAMETRAMI h Modele macierzowe są modelami liniowymi i charakteryzują tran jako czwórnik. Wyróżnia się opisy tran przy pomocy macierzy: hybrydowej h, admitacyjnej y i rozproszenia s. Dla wzm małych częst zwykle stosuje się macierz h o parametrach rzeczywistych. Powstaje ona z równań mieszanych: i1, u1, i2, u2 - wartości chwilowe sygnałów zmien - nych na wejściu i wyjściu.

impedancja wejściowa; współczynnik oddziaływania zwrotnego współczynnik wzmocnienia prądowego; admitancja wyjściowa. Parametry te są wyrazami macierzy hybrydowej (mieszanej) - macierzy h.

Parametry te mierzy się przy rozwarciu wejścia (czwórnik z zacisków wej widzi impedancję znacznie większą niż jego) - i1 = 0 lub zwarciu wyjścia (czwórnik widzi imped znacznie mniejszą) - u2 = 0. Wartości parametrów zależą od rodzaju pracy tranzystora i opisują go w sposób jednoznaczny. Tożsamościowe związki między parametrami dla różnych konfiguracji.

WE Wspólny emiter

Tranzystor BC107 WE

WB Wspólna baza

WC Wspólny kolektor

h11

h11e = uCE = const

4 kΩ

h11b =

h11c = h11e

h12

h12e = iB = 0

2,2*10^-4

h12b =

h12c =

h21

h21e = uCE = 0

250

h21b =

h21c =

H22

h22e = iB = 0

20μS

h22b =

h22c = h22e

Model tranzystora spełniający układ równań (opisany macierzą h): Przy uproszczeniu zakładamy, że h12 i h21 << 1. ***************************** MODELE TRANZYSTORA BIPOLARNEGO Fizyczny model tran unip ↓ jest modelem liniowym W modelu macierzowym najczęściej występuje macierz admitancyjna y, ponieważ imped tran polowych są duże, czyli łatwo spełnić warunek zwarcia na wejściu i wyjściu. Elementy modelu tran unip są uzależnione od punktu pracy.

***************************** wzmacniacze z tranzystorami bipolarnymi ***************************** konfiguracja WE (wspólny emiter) C1, C2 - separują układ od zewnętrznych napięć stałych; doprowadzają i odprowadzają sygnał; R1, R2 - potencjometryczne zasilanie bazy; Rc - rezyst kolektorowy - zapewnia punkt pracy, decyduje o wzm; Ce - powoduje, że dla składowych zmiennych nie ma ujemnego sprzężenia zwrotnego powodujęcego utratę wzmocnienia; Re - sprzężenie emiterowe dające dobrą stałość punktu pracy; Rl - rezystancja obciążenia. Jest stosowany do wzm sygnałów o szerokim paśmie przenoszonych częst. Nazywany jest wzm o sprzężeniu pojemnościowym lub wzm RC. W związku z szerokim przedziałem częst można badać wzm w 3 zakresach: # spadek wzmoc przy małych częst, bo wzrasta reaktancja C1, C2 i CE; # spadek wzmoc przy dużych częst, zmniejsza się wzmoc tranzyst; # w środkowej części wzmoc stałe - zakres średnich częst. Schemat dla średnich częstotliwości: Uproszczenia: $ uproszczony model tranzystora opisany macierzą h; $ dla średnich częst reaktancje są bardzo małe, że miejsce gdzie występują można uznać za zwarcie; $ rezyst wew źródła napięciowego = 0 (źródło idealne). Podstawowe parametry wzm to: Wzmoc nap (minus, bo odwróco faza); Wzmoc prąd Jest zmniejszone w stosunku do h21e, bo na wyj i wej prąd się dzieli. Rezyst wej ; rezyst wyj ; Jeżeli wzm nie posiada pojemności emiterowej to schemat: Wzmoc nap (minus, bo odwrócona faza); Rwet = Wzmoc prąd Rezyst wej ; rezyst wyj ; W tym wzm występ ujemne prądowo - szereg sprzężenie zwrotne. Blok sprzęż to rezystor RE , a wzm nazywa się wzm o sprzęż emiterowym; ***************************** konfiguracja WC (wspólny kolektor) Wzm taki jest nazywany wtórnikiem emiterowym, bo wielkość napięcia wyj jest prawie taka sama jak wej i jest zgodne w fazie - nie ma wzmoc napięciowego. Nap wyj wtóruje nap wej. Schemat ideowy i dla średnich częstotliwości: Wzmoc nap Wzmoc prąd Rezyst wej ; - duża rezyst wyj - jest zwykle mała (max setki ohmów); Przez różnice między rezyst wej i wyj wtórnik służy do dopasowywania inpedancji między stopniami wzmacniaczy.

***************************** konfiguracja WB (wspólny kolektor) Schemat ideowy i dla średnich częstotliwości: Układ jest b rzadko stosowany w małych częst jako samodzielny wzm. Najczęściej występuje w poł z innymi konfiguracjami. Wzmoc nap Wzmoc prąd Rezyst wej ; - duża rezyst wyj - jest zwykle mała (max setki ohmów); ***************************** PORÓWNANIE WŁAŚCIWOŚCI W RÓŻNYCH KONFIGUR

WE

WC

WB

kU

DUŻE

~ 1

DUŻE

ki

DUŻE

DUŻE

< 1

kp

B. DUŻE

NIEWIELKIE

NIEWIELKIE

Rwe

ŚREDNIA

DUŻA

MAŁA

Rwy

ŚREDNIA

MAŁA

DUŻA

faza

180

0

0

Konfig WE jest podstawową stosowaną w układach wzmacniaczy. Pozostałe stosowane do zapewnienia poszczególnych parametrów ***************************** wzmacniacze z tranzystorami unipolarnymi ***************************** układ ze wspólnym źródłem - WS Schemat ideowy i dla średnich częstotliwości: Jest najczęściej stos konfig. Ze wzgl na dużą rezyst wej tran unip i mały prąd wej, wzmoc prąd jest nieskończenie duże. Dlatego rozpatruje się tylko jako parametry wzmoc nap i rezyst wyj. ***************************** układ ze wspólnym DRENEM - WD Schemat ideowy i dla średnich częstotliwości: Wzmoc nap jest bliskie jedności i dlatego wzm w konfig WD nazywa się wtórnikiem źródłowym. Ma dużą imped wej, dość małą wyj, a wzmoc nap bliskie jedności. Stosowane gdy chcemy transformować imped z dużej na małą. ***************************** układ ze wspólnĄ BRAMKĄ - WG stosuje się rzadko bo brak jest tu wysokiej rezystancji bramka - kanał. ***************************** sprzężenie zwrotne Sprzężenie zwrotne jest to podanie na wej części sygnału wyj. Sygnały są sumowane. W schemacie blokowym wydzielono dwie części: blok wzmacniania i sprzężenia zwrotnego. Trans wzm oznacza się k, a sprzężenia zwr - β. Transmitancje wiążą prądy lub nap oznaczone X. - podstawowa zależność oznaczająca transm całego układu. Mianownik jest zwany współ sprzęż zwrotnego PODZIAŁ @ Sprzęż ujemne - wzmocnienie maleje gdy zast sprzęż zwr (współ jest większy od 1); @ sprzężenie dodatnie - wzmocnienie rośnie gdy zast sprzęż zwr (współ jest mniejszy od 1); @ współ sprzęż = 0 - warunek generacji drgań; Schematy WPŁYW UJEMNEGO SPRZĘŻ ZWR WA WŁAŚCIWOŚCI WZM # przy silnych ujemnych sprzęż zwr właściwości wzm zależą jedynie od właściw pętli sprzęż zwr # wrażliwość - określa zmianępewnego parametru w reakcji na zmianę innego parametru. Wrażliwość względna → Bez sprzęż S = 0. Ze sprzęż S zmniejsza się w takin stopniu jak wzmoc pętli kβ. # redukuje zniekształcenia liniowe - polepsza liniowość wzmacniacza # wpływ na impedancję wej i wej w układach nap - szer i prądowo - szer zwiększa imped wej w układach nap - równol i prąd - równol wzrasta admitancja wej

Typ sprzężenia

Nap-szer

Nap-równ

Prąd-szer

Prąd-równ

kU

MALEJE

BEZ ZMIAN

MALEJE

BEZ ZMIAN

ki

BEZ ZMIAN

MALEJE

BEZ ZMIAN

MALEJE

Zwe

WZRASTA

MALEJE

WZRASTA

MALEJE

Zwy

MALEJE

MALEJE

WZRASTA

WZRASTA

Ujemne sprzężenie zwrotne na wpływ na kształt częstotl ch-styki wzm. Następuje tzw wymiana wzmocnienia na pasmo, czyli wzmoc maleje w tym samym stopniu co rośnie pasmo i odwrotnie. GB = k0(fg i fd) = k0f(fgf i fdf) - pole wzmoc pozostaje stałe!!! ***************************** WPŁYW DODATNIEGO SPRZĘŻ ZWR NA WŁ. WZM Stosowane w generatorach przebiegów harmonicznych i impulsowych oraz w układach wzmacniaczy aby uzyskać dużą impedancję wyj. Sprzężenie może zmieniać charakter w różnych zakresach częstotliwości kiedy wraz z nią zmienia się faza transmitancji.

---