71

7. TRANZISTORI Tranzistori su aktivni poluvodički elementi, u pravilu s tri elektrode, a preteito se

upotrebljavaju kao pojačala ili elektroničke sklopke. Njegov naziv dolazi od Transfer Resistor (prijenosni otpornik), a moe biti bipolaran ako korisnu struju kroz njega čine i manjinski i većinski nositelji naboja ili unipolaran ako je struja posljedica djelovanja većinskih nosilaca.

Bipolarni tranzistori nazivaju se jo i spojni (eng. junction), a mogu biti PNP ili NPN tipa.

Unipolarni tranzistori jo se nazivaju i tranzistori s efektom polja (eng. Field Effect Transistor), a postoje dva osnovna kontrukcijska oblika: spojni tranzistori s efektom polja (Junction Field Effect Tranzistor) i metal oksidni poluvodički tranzistor s efektom polja (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Tranzistor) ili skraćeno FET i MOSFET.

Bipolarni i unipolarni tranzistori imaju sličnu temeljnu poluvodičku strukturu, ali su bitno različiti u načinu upravljanja izlaznom strujom.

7.1. Unipolarni tranzistori Kod unipolarnih tranzistora, izlazna struja je struja većinskih nosilaca koja nastaje

uz zanemarivo malo djelovanje manjinskih nosilaca. Oni se lake proizvode od bipolarnih tranzistora i zauzimaju malo prostora kada se proizvode u tehnici integriranih krugova. Imaju vrlo veliku ulaznu impedanciju, tako da ih se moe usporediti s elektroničkim cijevima. Unipolarni tranzistor kao i elektronička cijev je naponski upravljiv elektronički element, to je velika prednost prema bipolarnom tranzistoru koji je strujno upravljivi element.

7.1.1. Spojni tranzistor s efektom polja Spojni tranzistori s efektom polja se proizvode: s kanalom N tipa i s kanalom P

tipa. Pojednostavljena struktura FET-a s kanalom N tipa prikazana je slikom 179.

Slika 179. Pojednostavljena struktura spojnog tranzistora s efektom polja

Komadić materijala N tipa koji predstavlja kanal, ima oblik tapa, čiji krajevi se nazivaju izvod ili ponor (eng. drain) i izvor (eng. source). Na drugim stranama kanala

72

oformljena su područja P tipa, međusobno povezana i jako dopirana (P+) koja s manje dopiranim (N) kanalom čine PN spoj, a cijelo to područje naziva se upravljačka elektroda (end. gate). Ukoliko se na krajeve kanala sa slobodnim priključkom upravljačke elektrode, dovede napon UDD, tada će kroz njega poteći struja većinskih nosilaca - elektrona. Jakost ove struje određena je Ohmovim zakonom, odnosno naponom UDS i otporom kanala. Izvor (S) je kraj kroz koji većinski nosioci ulaze u kanal, ponor (D) je onaj kraj kroz koji većinski nosioci izlaze iz kanala. Područja upravljačkih elektroda mogu se dobiti legiranjem, difuzijom ili nekom drugim postupkom, a jedan tip konstrukcije FET-a dobiven procesom difuzije prikazan je slikom 180.

Proces započinje s podlogom P tipa, na kojoj se difuzijom donorskih primjesa oformi kanal N tipa. Tada se difuzijom primjesa P tipa (akceptorskih primjesa) na N kanalu oformi jedna strana upravljačke elektrode, dok drugu stranu predstavlja podloga. Na kraju se nanosi metal za mjesta priključaka.

Slika 180. Konstrukcija FET-a dobiven procesom difuzije

Ako se na upravljačku elektrodu (G) priključi negativan potencijal u odnosu na

potencijal izvoda (S), osiromaeni slojevi PN spojeva se proire jer su PN spojevi polarizirani u inverznom smjeru, i to vie u području kanala, a manje u području upravljačke elektrode zbog različitih koncentracija primjesa (slika 179). Iz osiromaenog sloja strujni nosioci su difundirali preko spoja, ostavljajući pozitivne ione na N strani i negativne ione na P strani. Ukoliko se taj inverzni napon poveća, povećati će se i debljina osiromaenog područja kanala, to znači, da će se povećanjem inverznog napona između upravljačke elektrode i izvora smanjiti vodljiva irina kanala, zbog čega će porasti otpor kanala, odnosno opasti će struja kanala pri konstantnom naponu na krajevima kanala.

Doda li se potroač u seriju s naponom UDD prema izvodu (D), promjena struje ID dovodi do pada napona na potroaču, tako da uz malu promjenu napona na upravljačkoj elektrodi dolazi do velike promjene izlazne struje. Za određenu vrijednost inverznog napona UGS kanal cijelom svojom irinom postaje nevodljiv i struja kroz njega je tada jednaka nuli.

Sam naziv efekt polja dolazi iz činjenice da su osiromaena područja u kanalu rezultat djelovanja električnog polja na inverzno polariziranim PN spojevima upravljačka elektroda (G) - kanal. Naziv unipolarni, vidi se, dolazi zbog toga to struju izvoda čini samo jedan tip nosilaca naboja - elektrona kod N-kanalnog FET-a, odnosno upljina kod P-kanalnog.

73

7.1.2. Karakteristika FET-a N tipa Na ponaanje spojnog tranzistora s efektom polja bitno djeluje osiromaeni sloj PN

spoja. Njegov utjecaj najbolje se moe pokazati ako se promatra karakteristika IDS=f(UDS) kada je UGS=0, kako je to prikazano slikom 181.

Slika 181. Prikaz osiromaenog sloja pri UGS=0 i funkcija ID=f(UDS) Kako kanal ima određeni otpor, struja ID stvara na njemu pad napona, koji ovisi o

jakosti ove struje. Napon između upravljačke elektrode (G) i neke točke na kanalu, neće biti konstantan du kanala zbog razlike pada napona na dijelu otpora izvora (S) do promatrane točke. To će dovesti do različitog irenja osiromaenog sloja du kanala, a najiri je u području priključka izvoda (D), jer su na tom dijelu PN spojevi najvie inverzno polarizirani.

Ako se spoje upravljačka elektroda i izvor (slika 181) i za različite napone UDS mjeri struja ID, tada se dobivenim vrijednostima moe nacrtati krivulja prikazana na istoj slici.. Kada je UDS=0 i ID=0, du kanala nema pada napona, tako da je i napon između svake točke na kanalu i izvora (S) jednak nuli. U području napona UDS=0 do nakog napona manjeg od UP, porast struje je priblino linearan. Daljnjim porastom napona UDS nastaje znatno proirenje osiromaenog sloja, koje dovodi do znatne promjene otpora kanala, pa se kod napona UP dolazi do struje zasićenja IDSS. Daljnjim povećanjem napona UDS dolazi do neznatnog povećanja struje ID. Kada se postigne struja zasićenja, oblik osiromaenih slojeva je takav da eli zatvoriti ili prekinuti kanal, pa se napon kod kojeg se to događa naziva napon prekida ili dodira (eng. pinch off voltage) ili Vp. Područje karakteristike između UDS=0 i UDS=UP naziva se triodno područje, jer je ovaj dio sličan karakteristici elektroničke cijevi - triode. Daljnjim povećanjem napona UDS dolazi do proboja, pri čemu će se tranzistor

74

najvjerojatnije unititi, tako da je normalni rad tranzistora s efektom polja u području zasićenja.

Ako se između upravljačke elektrode i izvora priključi napon UGS tako da jo vie inverzno polarizira PN spojeve, onda i pri naponu UDS=0 postoji osiromaeno područje u kanalu čija irina ovisi o naponu UGS. Tako se u odnosu na UGS=0 u području malih napona, od UDS=0 kanal ima veći otpor, pa krivulja ID=f(UDS) u tom području ima manji nagib. Nia struja zasićenja se postie na niim vrijednostima napona UDS, tako da se uz različite napone UGS dobiva skup krivulja prikazan slikom 182, koji se naziva izlazna karakteristika tranzistora.

Slika 182. Skup krivulja ID=f(UDS) pri UGS=const. za FET Sa slike je vidljivo da se napon UP smanjuje ako se povećava inverzna polarizacija

PN spojeva između upravljačke elektrode i kanala. Ukoliko se mjeri ID uz konstanatan UDS i promijenjiv UGS dobiva se prijenosna karakteristika FET-a, koja je prikazana slikom 183.

Slika 183. Prijenosna karakteristika FET-a ID=f(UGS) uz UDS=const. Osim već opisanog N kanalnog FET-a postoji i P kanalni, kod kojeg je kanal P tipa, a

upravljačke elektrode su N tipa. Princip rada obje vrste je jednak, uz osnovnu razliku u smjeru napona za postizanje inverznog napona PN spoja upravljačka elektroda - kanal. Simboli oba tipa FET-a prikazani su slikom 184.

75

N kanalni FET P kanalni FET

Slika 184. Grafički simboli za spojni tranzistor s efektom polja Prijenosna karakteristika FET-a priblino se moe prikazati jednadbom:

I IUUD DSS

GS

P= −

1

2

Iz nagiba prijenosne karakteristike moe se odrediti parametar gm tranzistora, koji se kao i kod elektroničkih cijevi naziva strmina. Kako se nagib prijenosne karakteristike mijenja s promjenom napona UGS, tako i strmina gm ovisi o točci na karakteristici na koju se odnosi. Vrijednost gm daje proizvođač tranzistora u sklopu tehničkih podataka, a eksperimentalno se moe odrediti pomoću izraza:

gpromjena I

promjena UmD

GS= , kada je napon UDS konstantan, ili g

IUm

D

GSU constDS

==

∆∆ .

, a

izraava se u µS ili mA/V. Drugi parametar tranzistora, značajan za izmjenični signal je otpor izvoda rd, a

definira se:

rpromjena Upromjena Id

DS

D= , kada je napon UGS konstantan, ili r

UId

DS

DU constGS

= =∆∆ . .

7.1.3. Ekvivalentna shema tranzistora za mali signal

Ako se izraz za prijenosnu karakteristiku I IUUD DSS

GS

P= −

1

2

derivira, dobiva se:

dIdU

IUU U

IU

UU

D

GSDSS

GS

P P

DSS

P

GS

P= ⋅ −

⋅ −

= ⋅ −

1 2

1 21 i ako se obje strane pomnoe s

IDSS dobije se:

I I IUUD DSS DSS

GS

P⋅ = − −

2

2

1 iz čega slijedi da je: gU

I ImP

D DSS= − ⋅ ⋅2

, pa je:

i g uurD m GSDS

d= ⋅ + , koji se moe prikazati ekvivalentnom shemom kao na slici 185.

Slika 185. Ekvivalentna shema FET-a za mali signal

76

7.1.4. Struktura i karakteristika MOS tranzistora s efektom polja (MOSFET) Osim naziva Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) moe

se naći naziv tranzistor s efektom polja s izoliranom upravljačkom elektrodom, a proizvode se u dva podtipa: s kanalom N tipa i s kanalom P tipa. Struktura MOSFET-a prikazana je slikom 186, gdje su na podlozi od visokootpornog poluvodičkog materijala P tipa (Si) difuzijom oformljena dva područja od jako dopiranog materijala N tipa.

Slika 186. Struktura MOSFET-a s kanalom N tipa

Jedno područje predstavlja izvod (D), a drugo izvor (S), a cijela povrina je

prekrivena slojem silicijevog dioksida, na kojem su napravljeni otvori prema N području i oformljeni metalni priključci za izvod i izvor. Na povrini između područja izvoda i izvora postavlja se metal koji predstavlja upravljačku elektrodu (G). Ovo dočarava tzv. sendvič strukturu: metal-oksid-poluvodič, odakle i naziv MOS tranzistor. Na slici 186 prikazana je struktura MOS tranzistora s efektom polja s kanalom N tipa. U normalnom radu napon između izvoda (D) i izvora (S) priključen je tako da pozitivan pol dođe na priključak izvoda, pa ako je pri tome priključak upravljačke elektrode (G) slobodan, dva N područja i zajednička podloga P tipa predstavljaju dvije PN diode (suprotno orjentirane) između kojih je serijski vezan otpornik. Kako oba spoja ne mogu biti propusno polarizirana, tako se cijeli spoj ponaa kao veliki otpor između izvoda i izvora. Ako se podloga P tipa povee na priključak izvora (S) na PN spoju izvor-podloga nema napona, a PN spoj izvod-podloga ostaje inverzno polariziran. Dovođenjem napona na upravljačku elektrodu s pozitivnim potencijalom u odnosu na izvor (S), u podlozi se stvaraju negativni nosioci naboja - elektroni, koji za podlogu P tipa predstavljaju manjinske nosioce. Oni će biti privučeni na metalnu ploču, koja je na pozitivnom potencijalu, ali na nju ne mogu stići jer se između ploče i podloge nalazi izolirajući oksid, tako da se oni skupljaju ispod ploče u području između izvoda i izvora, stvarajući na taj način kanal N tipa kako je to prikazano slikom 187. Jakost struje izvoda (D) je to veća to je veći broj nosilaca stvorenih naboja na strani upravljačke elektrode, a veći pozitivni potencijal na njoj stvara veći broj nosilaca naboja. Potencijalom na upravljačkoj elektrodi je tako moguće upravljati strujom izvoda (D).

77

Slika 187. Nastajanje kanala N tipa priključkom potencijala na MOSFET

Za napon UGS=0 i struja ID=0, a uz pozitivniji potencijal na upravljačkoj elektrodi i

vodljivost kanala je veća. Zbog toga to je upravljačka elektroda izolirana od kanala, ulazni otpor tranzistora je vrlo velik i iznosi oko 1012 do 1014 Ohma. Tako se moe pokazati da je izlazna struja praktički upravljana bez ulazne struje u ulaznom krugu tranzistora..

Drugi tip MOSFET-a se dobije ako se tvornički oformi kanal, neznatnom difuzijom primjesa istog tipa kao i izvor i izvod. Kod ovog tranzistora za napon UGS=0 teče znatna struja izvoda IDSS (ako između izvoda i izvora postoji napon), jer takav kanal ima određenu vodljivost i bez utjecaja električnog polja između upravljačke elektrode i podloge. Izlazne i prijenosne karakteristike ovog tipa MOSFET-a slične su karakteristikama spojnog FET-a kako je to prikazano slikom 188.

Slika 188. Izlazne i prijenosne karakteristike MOSFET-a s tvornički izvedenim

kanalom N tipa Kod MOSFET-a bez tvornički oformljenog kanala prijenosna karakteristika se

nalazi samo u području pozitivnih vrijednosti napona UGS, za tranzistor s kanalom N

78

tipa, dok se za tranzistor s ugrađenim kanalom prijenosna karakteristika nalazi za oba polariteta napona UGS (slika 188).

Simbol tranzistora s ugrađenim kanalom prikazan je slikom 189b, dok je MOSFET bez ugrađenog kanala prikazan slikom 189a.

a) MOSFET bez ugrađenog kanala b) MOSFET s ugrađenim kanalom

Slika 189. Simboli MOSFET-a Prijenosna karakteristika MOSFET-a također se priblino moe prikazati jednadbom:

( )I K U UD GS GS= −/ 2 02

gdje je K konstanta MOSFET-a, UGS0 napona praga. Iz nagiba prijenosne karakteristike moe se odrediti parametar strmina gm tranzistora, kao i otpor izvoda rd, koji se kao i kod spojnog tranzistora s efektom polja određuju iz izraza:.

gpromjena I

promjena UmD

GS= , kada je napon UDS konstantan, ili g

IUm

D

GSU constDS

==

∆∆ .

, a

rpromjena Upromjena Id

DS

D= , kada je napon UGS konstantan, ili r

UId

DS

DU constGS

= =∆∆ . .

7.1.5. Pojačalo s unipolarnim tranzistorom Pojačalo sa spojnim tranzistorom s efektom polja u spoju zajedničkog izvora (S)

prikazano je slikom 190.

Slika 190. Pojačalo s FET-om u spoju zajedničkog izvora

Iz slike je, po smjeru strelice na simbolu tranzistora, vidljivo da se radi o

tranzistoru s kanalom N tipa. Kada nema ulaznog izmjeničnog signala, kroz tranzistor teče istosmjerna struja ID, a između izvoda i izvora postoji istosmjerni napon UDS. Istosmjerni napon između upravljačke elektrode (G) i izvora (S) UGS jednak je naponu -UG, ako se zanemari ekstremno mala struja upravljačke elektrode. Pad napona na RL jednak je IDRL, a kondenzator C1 i otpornik RG slue za odvajanje izvora ulaznog signala od pojačala, isto kao i kondenzator C2 za odvajanje pojačala od potroača.

Za izlazni krug pojačala vrijedi:

79

UDS=UDD-IDRL iz čega slijedi: IUR

URD

DD

L

DS

L= −

Ekvivalentni strujni krug za izmjenični signal na ulazu pojačala prikazan je slikom 191, pri čemu se koristi ekvivalentna shema tranzistora s efektom polja (slika 185). Pomoću tog ekvivalentnog kruga izvode se izrazi za naponsko pojačanje, ulaznu i izlaznu impedanciju.

Slika 191. Ekvivalentni strujni krug pojačala s FET-om za izmjenični signal Uz rd>> RL, to je najčeći slučaj, naponsko pojačanje je:

AUU

I RU

g U RU

g RVi

u

D L

u

m u L

um L= ≈

⋅=

− ⋅ ⋅= −

Pri niskim i srednjim frekvencijama izlazna impedancija je: Z R r ri L d d= ≈ Za visoke frekvencije moraju se uzeti u obzir parazitni kapaciteti između elektroda. Ulazna impedancija pojačala predstavlja paralelan spoj RG i RGS, pa se zbog toga

to je RGS obično puno veće od RG moe ulazna impedancija izraziti: Zu≈RG .

ZADATAK 1: N-kanalni spojni FET u pojačalu na slici 192 ima slijedeće parametre: IDSS=8mA, UP=4V, µ=200. Odrediti statičku radnu točku i pojačanje AV=uiz/uul te ulazni i izlazni otpor sklopa. Zadano je: UDD=50V Rg=10kΩ RD=10kΩ RP=15kΩ RG=1MΩ RS=500Ω Da bi odredili statičku radnu točku potrebno je pronaći UDSQ, UGSQ, IDQ. Slijedi: iz izlaznog dijela sklopa: UDSQ=UDD-IDQ(RD+RS) (1) iz ulaznog dijela sklopa: UGSQ+IDRS=-IGRG=0→ID=-UGSQ/RS (2) jednadba FET-a: ID=IDSS(1+UGSQ/UP)2 (3) gdje je: IDSS struja odvoda u području zasićnja pri naponu UGS=0 UP napon praga. Struja IG=0 iz razloga to je ulazni otpor FET-a vrlo velik. Uvrstivi (2) u (3) slijedi: UGSQ

2.IDSS/UP2+UGSQ(2.IDSS/UP+1/RS)+IDSS=0

Kao rjeenja ove kvadratne jednadbe po UGS slijede UGSQ1=-10.5V i UGSQ2=-1.5V. Prema prijenosnoj karakteristici na slici 193 slijedi kao moguće rjeenje za radnu točku UGSQ=-1.5V.

80

Slika 192.

Iz (3) slijedi IDQ=8.10-3(1+(-1.5)/4)2=3mA Iz (1) dobiva se UDSQ=50-3.10-3(10000+500)=18.5V

Slika 193. Prijenosna karakteristika n kanalnog spojnog FET-a

Dinamički parametri se izračunavaju iz podataka u statičkoj analizi:

gdI

dUIU

UUm

D

GS

DSS

P

GS

P= = +

21( ) -strmina se dobiva kao parcijalna derivacija

struje po naponu u statičkoj radnoj točki. gm=2.8.10-3/4.(1+(-1.5)/4)=2.5mA/V Relacija gm

.rd=µ poznata je kao Barkhausenova relacija i vrijedi kod svih realnih naponom upravljanih elektroničkih elemenata pa tako i kod FET-a, gdje je µ-faktor pojačanja, rd-dinamički otpor. Slijedi rd=µ/gm=200/2.5.10-3=80kΩ. Nadomjesni sklop FET-a prikazan je na slici 194.

C

P

R

S

R

G

R

D

R

P

I

G

=0

U

DSQ

u

ul

u

iz

U

DD

u

g

C

G

R

g

U

GSQ

R

ul

R

izl

U

GSQ

=

-

1.5

I

DQ

0

-

4

I

D

/mA

U

GS

/V

81

Slika 194. Nadomjesni sklop sa strujnim Nadomjesni sklop s naponskim izvorom u izlaznom krugu izvorom u izlaznom krugu Nadomjesni sklop pojačala u reimu malih signala prikazan je na slici 195.

Slika 195. Nadomjesni sklop pojačala Naponsko pojačanje AV=uiz/uul=uiz/id

.id/uul uiz=-id(RD RP) id=µugs/(RS+rd+(RD RP)) ugs=uul-idRS id/uul=µ/((1+µ)RS+rd+(RD RP))

( )A

R RR R

R rR RR R

V

D P

D P

S dD P

D P

= −

⋅+

+ + +⋅+

µ

µ1=-6.43

Rul=RG=1MΩ Izlazni otpor sklopa određuje se tako da se odspoji potroač i na njegovo mjesto umetne idealni naponski izvor, te odredi omjer napona tog izvora i struje koju vuče sklop gledano s izlaznih priključnica (slika 196).

µUgs rd

rd

gmUgs

R

G

S

R

g

G

R

S

D

R

D

R

P

R

ul

u

iz

S

G

R

iz

D

Uiz

id

g

m

U

gs

r

d

S

G

D

U

g

i

d

u

ul

82

Slika 196. Određivanje izlaznog otpora sklopa

ZADATAK 2: Odredite statičku radnu točku sklopa na slici 197. MOSFET ima slijedeće parametre: K=1.25mA/V2, UGS0=1V. Zadano je: UDD=20V R1=16kΩ R2=4.3kΩ RD=3.5kΩ RS=500Ω

R

S

R

S

R

D

R

1

i

R

D

u

R

2

I

G

=0

U

DD

U

GSQ

µ

u

gs

r

d

ugs=-idRS Riz=u/i=RD ׀׀(u/id) u=id(RS+rd)-µugs u=id(RS+rd)+µidRS Riz=RD ׀׀ (RS(1+µ)+rd)=9.5kΩ

U

GSQ

I

DQ

0

U

GS0

I

D

/mA

U

GS

/V

Slika 198. Prijenosna karakteristika n kanalnog MOSFET-a obogaćenog tipa

Slika 197.

83

Slika 199. Nadomjetanje ulaznog dijela sklopa po Thevenenu

RGG=(R1 ׀׀ R2)=3390Ω UGG=UDD.R2/(R1+R2)=4.23V

Obzirom da je ulazni otpor FET-a vrlo velik struja IG=0 te vrijedi slijedeća relacija: UGG=UGS+ID

.RS

Jednadba MOSFET-a glasi ( )IK

U UD GS GS= −2 0

2gdje je: K-konstanta MOSFET-a,

UGS0-napon praga,UGS-napon između kontrolne elektrode i uvoda, ID- struja odvoda. Za statičku analizu vrijedi: IDQ=K/2.(UGSQ-UGS0)2 UGG=UGSQ+IDQ

.RS to nakon uvrtavanja daje UGSQ1=3V i UGSQ2=-4,2V, ali prema prijenosnoj karakteristici na slici 198 kao rjeenje slijedi UGSQ=3V i IDQ=2.5mA Za izlazni dio sklopa vrijedi jednadba: UDSQ=UDD-IDQ

.(RD+RS) UDSQ=20-2.5.10-3(3500+500)=10V ZADATAK 3: Za JFET u sklopu pojačala sa zajedničkim uvodom na slici 200 zadana je izlazna karakteristika prema slici 201. Odredite vrijednosti otpora RD i RS tako da radna točka ima slijedeće parametre UGSQ=-2V, UDSQ=15V, IDQ=3.5mA. Ucrtajte statički i dinamički radni pravac. Nacrtajte shemu za reim malog signala te odredite Avg=uiz/ug. Zadano: UDD=30V RG=1MΩ C→∝ Rg=500Ω µ=200 gm=2.35mA/V Na slici je prikazan n kanalni spojni FET. Iz izlaznog dijela kruga slijedi jednadba statičkog radnog pravca: UDD=UDSQ+IDQ(RD+RS) (1) Prema slici 201 točka 1 ima koordinate (0,UDD/RD+RS), točka 2 (UDD,0).

RGG

R1

UDD

R2

IG=0

UGG

FET

IG=0

84

Slika 200.

Obzirom da je struja upravljačke elektrode priblino nula zbog velikog ulaznog otpora FET-a slijedi: UGSQ=-IDQRS (2)

Iz jednadbe: (2) RS=UGSQ/IDQ=-(-2)/3.5.10-3=572Ω (1) RD+RS=(UDD-UDSQ)/IDQ=4.3kΩ RD=3728Ω

Slika 201. Radni pravac u polju izlaznih karakteristika

Da bismo nacrtali nadomjesnu shemu za reim malog signala potrebno je odrediti dinamički otpor rd=µ/gm=200/2.35.10-3=85kΩ

Avg=uiz/uul

.uul/ug uiz=-gmUgs

.(rd RD) uul=Ugs uiz/uul=-gm(rd RD) uul/ug=RG/(RG+Rg) Avg=-gm

.(rd RD).RG/(RG+Rg)=-8,4

R

G

R

g

R

D

U

g

U

DD

R

S

i

d

C

S

R

g

R

D

R

G

g

m

U

gs

r

d

S

G

D

U

g

i

d

u

iz

u

ul

U

GS

=0V

-

1V

7

-

4V

-

3V

-

2V

i

D

/mA

u

DS

/V

U

GSQ

=15

I

DQ

=3.5

0

10.5

30

20

10

dinam.r.p. statič.r.p.

8

28

2

1

85

7.2. BIPOLARNI TRANZISTORI Bipolarni tranzistor je sastavljen iz kompaktne cjeline dva PN spoja, tako da se

između dva prijelazna područja PN spoja nalazi poluvodički sloj koji je zajednički za oba PN spoja. Ako je taj zajednički sloj od materijala N tipa, radi se o bipolarnom tranzistoru PNP tipa, a kod NPN tipa taj je sloj iz materijala P tipa, kako je to prikazano slikom 202.

Slika 202. Struktura i simboli oba tipa bipolarnih tranzistora

Zajednički sloj naziva se baza (B), a vanjski slojevi emiter (E) i kolektor (C).

Simbol tranzistora PNP tipa je različit od NPN tipa po smjeru strelice koja se nalazi na emiterskom kraju. Dogovorom se uzima, da je smjer struje pozitivan kada ona teče u tranzistor.

Ako na krajevima tranzistora nema priključenog napona, sve su struje jednake nuli. Na PN spojevim oformljuju se energetske barijere kao kod PN dioda, pa ako se promatra simetričan (iako je u praksi nesimetričan) tranzistor ( područje emitera i kolektora identične fizičke dimenzije i koncentracije primjesa), onda dvije energetske barijere imaju iste vrijednosti q0U0, kako je to prikazano slikom 203.

Slika 203. Tranzistor PNP tipa bez polarizacije i energetske razine

86

Priključkom napona na tranzistor (slika 204) PN spojevi se polariziraju i to: emiterski PN spoj u propusnom smjeru, a kolektorski u nepropusnom smjeru.

Slika 204. Normalno polarizirani PNP tranzistor s energetskim razinama Energetska barijera na emiterskom PN spoju je sniena za q0UEB, gdje je UEB

napon polarizacije emiterskog spoja u propusnom amjeru, dok će se na kolektorskom spoju povećati za q0UCB, gdje je UCB napon polarizacije kolektorakog PN spoja u nepropusnom smjeru. Kako je emiterski PN spoj polariziran u propusnom smjeru, struja većinskih nosilaca teče preko ovog spoja. Emiter i kolektor sadre upljine kao većinske nosioce, dok baza N tipa sadri elektrone kao većinske nosioce (slika 205).

Slika 205. Struktura struja u normalno polariziranom PNP tranzistoru

87

Zbog polarizacije emiterskog PN spoja u propusnom smjeru emitersko područje emitira (stoga naziv emiter) upljine u prostor baze, gdje predstavljaju manjinske nositelje. U prostor baze se u istom omjeru ubacuju većinski nosioci - elektroni, kako bi se očuvala električna neutralnost baze. Jedan dio upljina ubaćenih u područje baze iz emitera, rekombinira se s elektronima koji se nalaze u bazi kao većinski nosioci. Gubitak ovih elektrona zbog rekombinacije se nadoknađuje elektronima iz vanjskog izvora UCC (kojim je emiterski PN spoj polariziran u propusnom smjeru). Kako je vrijeme ivota manjinskih nosilaca u bazi relativno dugačko i ako je irina baze, odnosno duina puta od emiterskog do kolektorskog područja dovoljno mala, to se konstrukcijom tranzistora efikasno postie, relativno veliki broj upljina emitiranih iz emitera u bazu dolazi do kolektorskog PN spoja. Za manjinske nosioce - upljine koje prelaze bazu, nepropusna polarizacija kolektorskog spoja predstavlja propusni smjer, tako da upljine stiu u područje kolektora, gdje se skupljaju i predstavljaju većinske nosioce. Ovo skupljanje je znakovito za kolektor (od eng. collect - skupljati). Struja ovih upljina, koje potiču iz emitera, predstavlja glavninu struje kolektorskog PN spoja polariziranog u nepropunom smjeru. Manji dio kolektorske struje čine vlastiti manjinski nosioci kolektorskog PN spoja, tako da se pristizanje upljina u kolektor kompenzira pristizanjem istog broja elektrona iz vanjskog izvora u obliku kolektorske struje IC. Njihovom rekombinacijom u području kolektora odrava se električna ravnotea ovog područja. upljine koje se emitiraju u bazu se kompenziraju odlaskom istog broja elektrona iz emitera u vanjski krug prema izvoru napajanja u obliku emiterske struje IE, te se na taj način odrava ravnotea.

Sliačan proces kretanja nosilaca naboja se odigrava i kod tranzistora NPN tipa, kada je u području normalne polarizacije, kao je to prikazano slikom 206.

Slika 206. Struktura struja u normalno polariziranom NPN tranzistoru Kada se na krajeve emiterskog PN spoja, polariziranog u propusnom smjeru, malo

mijenja napon UBE dolazi do male promjene struje baze, ali to dovodi do znatnog povećanja emisije manjinskih nosilaca u području baze, a time i do znatnog povećanja kolektorske struje IC, pri znatnom izlaznom naponu UCE, to na kraju ima za posljedicu znatno povećanje emiterske struje IE. To znači da se malom ulaznom snagom upravlja velikom izlaznom snagom, ako se na izlazu priključi odgovarajući omski potroač.

88

Ako se u ulaznom krugu isključi napon polarizacije UBE, odnosno otvori ulazni krug, a ostavi napon polarizacije UCB, pokazati će se da kroz inverzno polarizirani kolektorski PN spoj teče inverzna kolektorska struja ICB0. Ona teče u istom smjeru u kojem teče struja nosilaca koji potiču iz emitera i preko baze difundiraju u područje kolektora i koja predstavlja glavninu kolektorske struje IC. Iz uvjeta da je zbroj svih struja, sa slike 206, koje teku u tranzistor jednaka nuli slijedi:

IB+IC+IE=0, a kako je kolekrorska struja jednaka: IC=-IpC+InC, emiterska struja je: IE=IpE+InE, a uvođenjem faktora strujnog pojačanja

α =IIpC

E za spoj zajedničke baze slijedi da je kolektorska struja:

IC=-αIE+ICB0. U spoju zajedničkog emitera se tako dobiva izraz:

I II

C BCB0=

−+

−a

a a1 1, pa zamjenom

1−=

αα

β i I

ICB0CE01−

=α

dobiva se izraz:

IC=βIB+ICE0, gdje je β - faktor strujnog pojačanja u spoju zajedničkog emitera, a ICE0 - reverzna struja zasićenja u istom spoju. Kako je α vrlo blizu jedinici, faktor strujnog pojačanja β moe biti i nekoliko stotina. U analizi rada tranzistora najčeće se umjesto simbola α upotrebljava hFB, a umjesto β hFE.

7.2.1 Karakteristike bipolarnih tranzistora

Promatrajući tranzistor kao četveropol i parametre koji utjeću na njegov rad mogu

se postaviti četiri vrste karakteristika: ulazna, izlazna, prijenosna i povratna. Kao to je poznato tranzistor se moe spojiti u tri osnovna spoja: zajedničkog emitera, zajedničke baze i zajedničkog kolektora. Za uporabu tranzistora kao pojačala najčeće se koristi spoj zajedničkog emitera, a za određivanje karakteristika tranzistora u tom spoju koristi se strujni krug prikazan slikom 207.

Slika 207. Strujni krug za određivanje karakteristika tranzistora u spoju zajedničkog emitera

Za određivanje ulazne karakteristike tranzistora promatra se kako ulazna struja IB

ovisi o ulaznom naponu UBE, pri konstantnom izlaznom naponu UCE. Ova karakteristika objanjava kako će se opteretiti izvor signala, ako se spoji na ulazni krug. Ovisnost ulazne struje IB o ulaznom naponu UBE prikazan je ulaznom karakteristikom na slici 208.

89

Slika 208. Ovisnost struje IB=f(UBE) uz UCE=const. (ulazna karakteristika)

Izlazne karakteristike pokazuju ovisnost između izlazne struje IC i izlaznog napona

UCE, a daju se ili uz konstantan ulazni napon UBE ili ulaznu struju IB. Ove karakteristike najčeće se upotrebljavaju, jer daju informaciju o ponaanju tranzistora. Na izlaznoj karakteristici mogu se opaziti tri područja rada tranzistora: 1 područje zapiranja ili prekida, 2 aktivno područje i 3 područje zasićenja (slika 209).

Slika 209. Ovisnost struje IC=f(UCE) uz IB=const. (izlazne karakteristike) U području zapiranja oba PN spoja su polarizirana u nepropusnom smjeru, pa kroz

tranzistor teku samo male struje. Za primjenjene napone tranzistor prua veliki otpor. U aktivnom području emiterski PN spoj je polariziran u propusnom smjeru tako da

emiter emitira u područje baze manjinske nosioce koje kolektorski PN spoj skuplja. U području zasićenja oba PN spoja su polarizirana u propusnom smjeru, tako da

oba PN spoja u područje baze emitiraju manjinske nosioce ali nasuprot jedan drugom, pri čemu kolektorska struja ostaje konstantna čak i pri većoj baznoj struji ili naponu UBE. Između kolektora i emitera djeluje napon zasićenja, pa tranzistor prua mali otpor priključenom naponu.

Iz karakteristika, moe se vidjeti da postoji beskonačan broj mogućih stanja tranzistora, ako se pod stanjem podrazumjeva odnos napona i struje na njegovim krajevima.

1

2

3

90

Ako se analizira pojačalo s bipolarnim tranzistorom moe se vidjeti da je stanje istosmjernog napona i struje tranzistora opisano radnom točkom. Pod radnom točkom podrazumjeva se točka koja predstavlja stanje napona i struja na izvodima tranzistora bez priključenog signala na ulazu pojačala. Radna točka lei na radnom pravcu koji je temelj za proučavanje struja i napona u određenom strujnom krugu. Stoga se radni pravac crta u istom koordinatnom sustavu zajedno s izlaznim karakteristikama tranzistora (slika 210).

Slika 210. Karakteristike tranzistora s ucrtanim radnim pravcem

Kada na ulazu pojačala djeluje promjenjivi signal, naponi i struje na krajevima tranzistora ne ostaju vie na vrijednostima određenim radnom točkom, već se mijenjaju po dinamičkom pravcu u ritmu ulaznog signala.

7.2.2. Ekvivalentni strujni krug tranzistora Promatra li se tranzistor u sva tri moguća spoja moe ga se zamijeniti s

četveropolom. Kod analize tranzistora kao aktivnog linearnog četveropola, pri čemu je jedan kraj tranzistora zajednički za ulazni i izlazni par priključnica, pojmovi reima rada u praznom hodu i reima rada u kratkom spoju odnose se samo na promjenjive komponente struje i napona. Za određivanje značajki takvog četveropola najčeće se primjenjuju hibridni parametri.

Prema poznatoj teoriji četveropola hibridni parametri se označavaju: h11=hi -ulazni parametar (eng. input) h12=hr -povratni parametar (eng. reverse) h21=hf -parametar pojačanja (eng. forward) h22=ho -izlazni parametar (eng. output) Ovisno o spoju uz oznaku indeks oznake h parametra dodaje se oznaka zajedničke

elektrode.

91

Ekvivalentna shema bipolarnog tranzistora za mali signal prikazana je slikom 211.

Slika 211. Nadomjesna shema bipolarnog tranzistora

ZADATAK 1: Odredite otpore R1 i R2 da bi se ostvario maksimalni hod kolektorske struje. Zadano je:Ucc=15V, RP=1kΩ, RE=0.5kΩ, β=100 (faktor istosmjernog pojačanja)

Da bi tranzistor radio kao pojačalo u normalnom aktivnom području moraju biti zadovoljena dva uvjeta: 1. spoj emiter-baza propusno polariziran 2. spoj kolektor baza nepropusno polariziran. U naem primjeru prikazan je NPN bipolarni tranzistor za koji vrijedi da je UBEQ=0.7V uz označen polaritet. Iz izlaznog dijela sklopa dobiva se jednadba statičkog radnog pravca: UCEQ=UCC-ICQ

.RP-IEQ.RE

gdje su IEQ -struja kroz emiter i ICQ -struja kroz kolektor u statičkoj analizi kojom

pronalazimo statičku radnu točku. Za tranzistor vrijedi IEQ=ICQ+IBQ ICQ=βIBQ Obzirom da je β>>1 slijedi IEQ=ICQ tako da jednadba statičkog radnog pravca ima oblik UCEQ=UCC-ICQ

.(RP+.RE) Statički radni pravac ucrtavamo zajedno sa izlaznim karakteristikama tranzistora. Uvjet za maksimalni hod kolektorska struje je da radna točka bude na sredini dinamičkog radnog pravca. U naem primjeru nema reaktivnih komponenata te su dinamički i statički pravac isti.

R

P

R

E

R

2

R

1

U

cc

U

CEQ

U

BEQ

I

BQ

I

EQ

I

CQ

Slika 212. Pojačalo s bipolarnim NPN tranzistorom

92

Slika 213. Radni pravac u polju izlaznih karakteristika Sa slike 213 očitavamo UCEQ=UCC/2=15/2=7.5V ICQ=(UCC-UCEQ)/(RP+RE)=7.5/1500=5mA Sa slike također očitavamo IBQ=50µA to moemo provjeriti i analitički iz izraza IBQ=ICQ/β=0.005/100=50.10-6A. Za određivanje bilo kojeg parametra ulazni dio sklopa se nadomjeta po Thevenenu (slika 214) UBB=UCC

.R2/(R1+R2) RBB=R1.R2/(R1+R2)

Obzirom da se u naem primjeru trae otpori R1,R2 slijedi: R1=RBB

.UCC/UBB R2=RBB/(1-UBB/UCC)

Prema slici 214 slijedi: UBB=IBQRBB+UBEQ+IEQRE=IEQ/(1+β).RBB+UBEQ+IEQRE IEQ=(UBB-UBEQ)/(RE+RBB/(1+β))=ICQ Parametar β mijenja se u masovnoj proizvodnji tranzistora kod tranzistora istog tipa u irokom rasponu iznosa, npr.između 100 i 300 te nastojimo da karakteristika sklopa to manje ovisi o tom parametru. Iz tog razloga treba RE>>RBB/(1+β) →RBB<<RE(1+β) U praksi je dovoljno pretpostaviti RBB=0.1(RE(1+β))

R

BB

R

E

R

2

R

1

U

cc

U

BB

R

E

U

BEQ

I

BQ

I

EQ

R

E

U

BEQ

I

BQ

I

EQ

Slika 214.

I

B

=25µ

A

0

i

C

/mA

u

CE

/V

U

CEQ

=7.5V

I

CQ

=5mA

15

10

15

10

5

I

B

=50µ

A

I

B

=100µ

A

I

B

=150µ

A

Nagib statičkog radnog pravca je -1/(RP+RE)

93

RBB=0.1.500.101=5050Ω UBB=3.45V R1=5050.15/3.45=21900Ω R2=5050/(1-0.23)=6550Ω ZADATAK 2: Odredite statičku radnu točku sklopa prema slici 215. Pretpostavite da je frekvencija ulaznog signala takva da kondenzatori predstavljaju kratki spoj. Zadano: RC=1kΩ RE=0.5kΩ RP=1kΩ β=100 UCC=15V a) statička analiza Frekvencija ω=0 1/ωC=∝ , kondenzatori predstavljaju otvoreni kraj Budući da je β=100>>1 slijedi ICQ=IEQ Uzevi u obzir ova dva uvjeta iz izlaznog dijela sklopa slijedi prema slici 215 jednadba statičkog radnog pravca na kojem lei statička radna točka: UCEQ=UCC-ICQ(RC+RE) (1)

b) dinamička analiza

Slika 216. RBB=R1

.R2/(R1+R2) Iz izlaznog dijela sklopa prema slici 216 dobiva se jednadba dinamičkog radnog pravca: uce=-ic

.RC.RP/(RC+RP) ic=-uce(RC+RP)/RC

.RP

C

C

R

E

R

2

R

1

R

C

R

P

C

E

I

BQ

I

EQ

U

CC

U

CEQ

I

CQ

R

C

R

BB

R

P

u

ul

u

ul

i

c

u

ce

Slika 215.

94

Statička radna točka mora se nalaziti na statičkom i dinamičkom pravcu, a obzirom da su to različiti pravci jer u krugu postoje reaktivne komponente moramo naći presjek pravaca. Dinamički pravac moe se napisati kao: iC-ICQ=-(uCE-UCEQ).(RC+RP)/RC

.RP gdje je: iC-ukupna struja ICQ-istosmjerna komponenta struje uCE-ukupni napon UCEQ-istosmjerna komponenta napona Za točku 1 vrijedi uCE=0 iC=2ICQ (za maksimalni hod kolektorske struje radna točka treba biti na polovici dinamičkog radnog pravca) te se dobiva : ICQ=UCEQ

.(RC+RP)/RC.RP (2)

Iz jednadbi (1) i (2) slijedi:

UCEQ =+

+ +U

R R R RR R

CC

C P C E

C P1

( )( )

ICQ =+ +

+

U

R RR R

R R

CC

C EC P

C P

UCEQ=3.75V ICQ=7.5mA Isti rezultat bi se dobio grafičkim postupkom prema slici 217: Slika 217. ZADATAK 3: Odredite h parametre za sklop prema slici 218. Zadano je: R1=2Ω, R2=6Ω, R3=4Ω

Prema definiciji jednadbe četveropola pomoću h-parametara glase: U1=h11

.I1+h12.U2

I2=h21.I1+h22

.U2

u

1

i

2

u

2

3.75

7.5

15

5

i

C

(mA)

u

CE

(V)

Q

i

C

=u

CE

.

(R

C

+R

P

)/R

C

R

P

-

pomoni pravac

10

5

15

10

R

2

R

1

R

3

i

1

Slika 218.

1

statički radni pravac

dinamički radni pravac

95

h11 = =+

==

UI

R RR RU

1

1 2 0

1 2

1 21500Ω

h12 = =+

==

UU

RR RI

1

2 1 0

1

1 20.25

h21 = = −+

==

II

RR RU

2

1 2 0

1

1 2-0.25

h22 = =+ ++ ⋅

==

IU

R R RR R RI

2

2 1 0

1 2 3

1 2 3( )0.375S

ZADATAK 4: Tranzistor u pojačalu (spoj zajedničkog emitera) sa slike 219 ima slijedeće parametre: β=hfe=100 hoe=10µS hre=10-4, parametar hie odredite iz statičke analize. a) nacrtajte nadomjesni sklop pojačala za mali signal s he parametrima b) odredite ulazni i izlazni otpor uz hre,hoe=0 c) izračunajte strujno pojačanje AI=iiz/iul uz hre,hoe=0

Zadano je: UCC=24V R1=50kΩ R2=10kΩ RC=3.8kΩ RE=2.2kΩ RP=1kΩ Kondenzatori predstavljaju kratki spoj na frekvenciji izmjeničnog signala. U analizi pojačala za mali signal koristimo se teoremom superpozicije te promatramo statiku (kojom određujemo parametre tranzistora) i dinamiku. Statička analiza Prema slici 220 slijedi: RBB=R1

.R2/(R1+R2)=8.33kΩ UBB=UCC

.R2/(R1+R2)=4V

Slika 219.

C

C

R

E

R

2

R

1

R

C

R

P

C

E

I

BQ

I

EQ

U

CEQ

I

CQ

u

ul

R

ul

u

iz

R

iz

i

ul

i

iz

U

CC

u

g

C

G

R

g

96

Nadomjesni sklop tranzistora za mali signal prikazan je na slici 221.

Slika 221. Hibridni nadomjesni sklop bipolarnog tranzistora Nadomjesna shema pojačala za na primjer prikazana je na slisi 222, gdje su istosmjerni izvori kratko spojeni.

Slika 222. Nadomjesni sklop pojačala

b) ulazni i izlazni otpor Slijedi prema slici 222: Rul=RBB

.hie/(RBB+hie)=1450Ω ,uz hre=0 Riz=RC=3800Ω

R

C

R

E

R

2

R

1

U

cc

U

CEQ

U

BEQ

I

BQ

I

EQ

I

CQ

IBQ=(UBB-UBEQ)/(RBB+(1+β)RE IBQ=14.3µA hie=m.UT/IBQ=0.025/14.3.10-6 hie=1.75kΩ

Slika 220. Nadomjesna shema za statičku analizu

h

fe

I

b

h

ie

h

oe

h

re

U

ce

h

fe

i

b

h

re

u

ce

h

ie

h

oe

U

g

R

C

R

P

R

BB

R

g

E

i

b

i

ul

u

iz

u

ul

R

ul

R

iz

B

C

E

B

C

i

iz

97

c) strujno pojačanje AI=iiz/iul AI=iiz/ib

.ib/iul -jer se struja ib javlja u ulaznom i izlaznom dijelu sklopa. Izlazni dio sklopa: uiz=iiz

.RP uiz=-hfeib(RP RC) iiz/ib=-hfe(RP RC)/RP Ulazni dio sklopa: (iul-ib)RBB=hieib ib/iul=RBB/(RBB+hie)

A I = ⋅ = −+ +

ii

ii

hR

R hR

R Riz

b

b

ulfe

BB

BB ie

C

C P=-65.4

ZADATAK 5: Za pojačalo prema slici 223 (spoj zajedničkog kolektora) izračunajte ulazni otpor pojačala, strujno AI=iiz/iul i naponsko pojačanje AV=uiz/uul.

Zadano: UCC=25V R1=65kΩ R2=10kΩ RC=2kΩ RE=1kΩ RP=1kΩ β=hfe=100 CG,CE,CC→∝ Iz statičke analize slijedi: RBB=R1

.R2/(R1+R2)=8.67kΩ UBB=UCCR2/(R1+R2)=3.33V UBB=IBQRBB+UBEQ+(β+1)IBQRE IBQ=24µA hie=UT/IBQ=0.025/24.10-6=1040Ω Prema slici 224 slijedi: uul=ibhie+(1+hfe)ib(RE RP)

uul=(iul-ib)RBB 1

Riu

i iu

iuul

ul

ul

ul b

ul

b

ul= =

−+

1/Rul=1/RBB + 1/(hie+(1+hfe)(RE RP)) ⇒ Rul=7420Ω

Slika 223.

CC

RE R2

R1 RC

RP CE

IBQ

IEQ

UCEQ

ICQ

uul uiz

iul

iiz

UCC

ug

CG

Rg UBEQ

R

ul

98

.

Slika 224.

AI=iiz/iul=iiz/ib ib/iul iiz/ib=RE(1+hfe)/(RE+RP) ib/iul=RBB/(RBB+hie+(1+hfe)(RE RP)) AI=7.28 AV=uiz/uul=iizRP/iulRul=AIRP/Rul=0.98

h

fe

i

b

h

ie

R

E

R

BB

E

B

C

i

b

u

ul

u

iz

R

iz

iul iiz

R

ul

R

P

R

G

u

g