Aneta Prijić

Poluprovodničke komponente

ModulElektronske komponente i mikrosistemi

(IV semestar)

Studijski program: Elektrotehnika i računarstvo

Broj ESPB: 6

Bipolarni tranzistori – BJT (Bipolar Junction Transistor)

Otkriveni 1947. godine Troslojna struktura sastavljena

od 2 n i 1 p oblasti (NPNtranzistor) 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)

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)

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

Načini polarizacije (konfiguracije) BJT-a

• Zajednička baza-ZB

Ulazno –emitorsko koloIzlazno –kolektorsko kolo

• Zajednički emitor-ZE

Ulazno –bazno koloIzlazno –kolektorsko kolo

• Zajednički kolektor-ZC

Ulazno –bazno koloIzlazno –emitorsko kolo

NPN tranzistor u tri različite konfiguracije u zavisnosti od zajedničkog (uzemljenog) izvoda

NPN tranzistor u ZE konfiguraciji u aktivnom režimu rada

• Emitorski spoj direktno polarisan VBE>0• Kolektorski spoj inverzno polarisan VBC<0

Direktna polarizacija spoja emitor-baza izaziva injekcijuelektrona iz emitora u bazu (InE) i šupljina iz baze u emitor (IpE)

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 Inr

Kada elektroni stignu do granice osiromašene oblasti inverzno polarisanog spoja kolektor-baza, kroz tu oblast prolaze pod dejstvom električnog polja, formirajući struju InC

Kroz spoj kolektor-baza takođe prolaze šupljine kao manjinski nosioci, ali je ova struja (IpC) zanemariva

IE=InE +IpE

IB=IpE +Inr-IpC ≈ IpE +Inr

IC=InC+IpC≈ InC

IE=IC +IB

PNP tranzistor u ZE konfiguraciji u aktivnom režimu rada

• Emitorski spoj direktno polarisan VBE<0• Kolektorski spoj inverzno polarisan VBC>0

Struje kod NPN tranzistora u ZE konfiguraciji

Strujno-naponske karakteristike BJT-a u ZE konfiguraciji

Ulazna karakteristika IB=f(VBE) – zavisnost ulazne (bazne) struje od ulaznog (bazno-emitorskog) napona

• Ekvivalentna karakteristici emitor-baznog p-n spoja• Kad tranzistor nije zakočenVBE=0.7 V

Prenosna karakteristika IC=f(VBE) zavisnost izlazne (kolektorske) struje od ulaznog (bazno-emitorskog) napona

• Izrazito temperaturno zavisna –• Za fiksiranu vrednost struje Inapon VBE se smanjuje 2mV pri porastu temperature za 1°C.

Izlazna (kolektorska) karakteristika IC=f(VCE); parametar je struja baze IB

NPN PNP

Razlikuju se 4 oblasti na karakteristici Za primene tranzistora od značaja su oblast zasićenja,

normalna aktivna oblast i oblast zakočenja Pri jako velikim naponima VCE dolazi do naglog porasta

struje kolektora odn. do proboja inverzno polarisanog bazno-kolektorskog spoja -nepoželjno

Strujno pojačanje u ZE konfiguraciji

Statičko (DC) strujno pojačanje u radnoj tački Q

hFE - oznaka koja se upotrebljava u tehničkim specifikacijama, a potiče od hibridnog modela tranzistora

Dinamičko (AC) strujno pojačanje u radnoj tački Q

β = 50 ÷ 400 βDC i βAC se razlikuju za 10 ÷ 20 %

CDC FE

B

Ih

Iβ = ≡

CE

CAC fe

B V const

Ih

Iβ

=

∆= ≡∆

Zavisnost strujnog pojačanja od kolektorske struje i temperature

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 – VA

Izlazna otpornost BJT-a Značajna za karakteristike BJT-a kao pojačavača

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

Izlazna otpornost ima konačnu vrednost

∆= =

∆CE CE

oC C

V dVr

I d I

BE

T

VV CE CE

C S BA A

V VI I e (1 ) I (1 )

V Vβ β≈ + = +

Aon

C B

CE

V1r

dI IdV

β= ≈

Ograničenja napona i struje BJT-a

Maksimalne dozvoljene vrednosti napona i struje, kao i disipirane snage su date u tehničkim specifikacijamaIC(max) – maksimalna dozvoljena struja VCE(max) – maksimalno dozvoljeni naponPmax – maksimalno dozvoljena snaga disipacije (parabola snage)Da bi se sprečilo pregrevanje tranzistora na njihova kućišta se mogu montirati hladnjaci

• napon zasićenja -VCEsat

• snaga disipacijeP= IC∙VCE

• oblast bezbednograda

P≤ Pmax

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 izračunavavrednost Pmax na temperaturama okoline višim od 25 °C

Proizvođači takođe daju i krivu degradacije snage

Strujno-naponske karakteristike BJT-a u ZB konfiguraciji

BVCB0-probojni napon kolektor-baznog spoja

Strujno pojačanje u ZB konfiguraciji Statičko (DC) strujno pojačanje u radnoj tački

Q

Dinamičko (AC) strujno pojačanje u radnoj tački Q

α <1

CDC

E

II

α =

CB

CAC

E V const

II

α=

∆=∆

1 1β αα ββ α

= =+ −

Ebers-Moll-ov model BJT-a (NPN tranzistor)

DE- emitorski p-n spoj; DC- kolektorski p-n spoj F – direktna polarizacija (forward); R- inverzna polarizacija

(reverse) Struje dioda

iDE=ISE[exp(VBE/VT) -1] iDC=ISC[exp(VBC/VT) -1]ISE , ISC – struje zasićenja emitorskog odnosno kolektorskog spojaαF ,αR – koeficijenti strujnog pojačanja

αFISE=αRISC ≡ IS

• Struje kroz izvode BJT-a po Ebers-Moll-ovom modelu

iE = iDE − αRiDC

iC = − iDC + αFiDE

iB = (1 − αF ) iDE + (1 − αR) iDC

FF

F1α

βα

=−

RR

R1α

βα

=−

BCBE

T T

vvV VS

E SF

Ii exp 1 - I exp 1

α

= − −

BCBE

T T

vvV VS

C SR

Ii I exp 1 - exp 1

α

= − −

BCBE

T T

vvV VS S

BF R

I Ii exp 1 exp 1

β β

= − + −

Model tranzistora za jednosmerne signale u aktivnoj oblasti rada - ZE• NPN • PNP

VBE=0.7V

IC=βDCIB

IE=IC+IB

IC=αDCIE

βDC=f(IC,T) – DC strujno pojačanje

VBE=-0.7V

Modeli tranzistora za naizmenične signale u aktivnoj oblasti rada r parametri - dinamičke otpornosti (dV/dI)

re – unutrašnja otpornost emitora rb – unutrašnja otpornost baze rc – unutrašnja otpornost kolektora αac= Ic(rms)/Ie(rms)

βac= Ic(rms)/Ib(rms)

βDC= IC/IB (u radnoj tački)

βac= ∆IC/∆IB (u okolini radne tačke)

Model tranzistora preko r parametara

Opšti model Uprošćeni model

re=kT/qIEre≈25mV/IErc ~100KΩrb – malo

h parametri Tehnička dokumentacija proizvođača specificira h

parametre koje je relativno lako izmeriti: hi – ulazna impedansa (otpornost) – pri

kratkospojenom izlazu hr – naponska povratna sprega – pri otvorenom

ulazu hf – strujno pojačanje u direktnom režimu - pri

kratkospojenom izlazu ho – izlazna admitansa (provodnost) - pri

otvorenom ulazu Drugi indeks specificira konfiguraciju pojačavača

u kojoj se tranzistor nalazi:e – zajednički emitor; c – zajednički kolektor; b – zajednička bazaNpr: hie; hre; hfe; hoe

Veza između h i r parametara

αac=hfb

βac=hfe

re=hre/hoe

rc=(hre+1)/hoe

rb=hie-hre(1+hfe)/hoe

!!!!!!

Tehnološka realizacija NPN tranzistora

diskretni integrisani

Profil primesa diskretnog NPN tranzistora

Tehničke specifikacije (Datasheet-ovi) BJT-a

NPN – primer 2N3904 PNP – primer 2N3906 Komplementarni tranzistori –uparene karakteristike

hFE=βDC

CB E

TO-92

C

B

E

BC

C

SOT-223

E

NPN General Purpose AmplifierThis device is designed as a general purpose amplifier and switch.The useful dynamic range extends to 100 mA as a switch and to100 MHz as an amplifier.

Absolute Maximum Ratings* TA = 25°C unless otherwise noted

*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.

Symbol Parameter Value UnitsVCEO Collector-Emitter Voltage 40 VVCBO Collector-Base Voltage 60 VVEBO Emitter-Base Voltage 6.0 VIC Collector Current - Continuous 200 mA

TJ, Tstg Operating and Storage Junction Temperature Range -55 to +150 °C

2001 Fairchild Semiconductor Corporation

Thermal Characteristics TA = 25°C unless otherwise noted

Symbol Characteristic Max Units2N3904 *MMBT3904 **PZT3904

PD Total Device DissipationDerate above 25°C

6255.0

3502.8

1,0008.0

mWmW/°C

RθJC Thermal Resistance, Junction to Case 83.3 °C/WRθJA Thermal Resistance, Junction to Ambient 200 357 125 °C/W

*Device mounted on FR-4 PCB 1.6" X 1.6" X 0.06."

**Device mounted on FR-4 PCB 36 mm X 18 mm X 1.5 mm; mounting pad for the collector lead min. 6 cm2.

2N3904 MMBT3904

SOT-23Mark: 1A

PZT3904

2N3904 / M

MB

T3904 / PZT3904

2N3904/MMBT3904/PZT3904, Rev A

Electrical Characteristics TA = 25°C unless otherwise noted

Symbol Parameter Test Conditions Min Max Units

V(BR)CEO Collector-Emitter BreakdownVoltage

IC = 1.0 mA, IB = 0 40 V

V(BR)CBO Collector-Base Breakdown Voltage IC = 10 µA, IE = 0 60 VV(BR)EBO Emitter-Base Breakdown Voltage IE = 10 µA, IC = 0 6.0 VIBL Base Cutoff Current VCE = 30 V, VEB = 3V 50 nAICEX Collector Cutoff Current VCE = 30 V, VEB = 3V 50 nA

OFF CHARACTERISTICS

ON CHARACTERISTICS*

SMALL SIGNAL CHARACTERISTICS

SWITCHING CHARACTERISTICS

*Pulse Test: Pulse Width ≤ 300 µs, Duty Cycle ≤ 2.0%

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=2Isc=0 Ikr=0 Rc=1 Cjc=3.638p Mjc=.3085 Vjc=.75 Fc=.5 Cje=4.493p Mje=.2593 Vje=.75 Tr=239.5n Tf=301.2pItf=.4 Vtf=4 Xtf=2 Rb=10)

Spice Model

fT Current Gain - Bandwidth Product IC = 10 mA, VCE = 20 V,f = 100 MHz

300 MHz

Cobo Output Capacitance VCB = 5.0 V, IE = 0,f = 1.0 MHz

4.0 pF

Cibo Input Capacitance VEB = 0.5 V, IC = 0,f = 1.0 MHz

8.0 pF

NF Noise Figure IC = 100 µA, VCE = 5.0 V,RS =1.0kΩ,f=10 Hz to 15.7kHz

5.0 dB

td Delay Time VCC = 3.0 V, VBE = 0.5 V, 35 ns

tr Rise Time IC = 10 mA, IB1 = 1.0 mA 35 ns

ts Storage Time VCC = 3.0 V, IC = 10mA 200 ns

tf Fall Time IB1 = IB2 = 1.0 mA 50 ns

hFE DC Current Gain IC = 0.1 mA, VCE = 1.0 VIC = 1.0 mA, VCE = 1.0 VIC = 10 mA, VCE = 1.0 VIC = 50 mA, VCE = 1.0 VIC = 100 mA, VCE = 1.0 V

40701006030

300

VCE(sat) Collector-Emitter Saturation Voltage IC = 10 mA, IB = 1.0 mAIC = 50 mA, IB = 5.0 mA

0.20.3

VV

VBE(sat) Base-Emitter Saturation Voltage IC = 10 mA, IB = 1.0 mAIC = 50 mA, IB = 5.0 mA

0.65 0.850.95

VV

2N3904 / M

MB

T3904 / PZT3904NPN General Purpose Amplifier

(continued)

2N3904 / M

MB

T3904 / P

ZT

3904

Typical Characteristics

Base-Emitter ON Voltage vsCollector Current

0.1 1 10 1000.2

0.4

0.6

0.8

1

I - COLLECTOR CURRENT (mA)V

-

BA

SE

-EM

ITT

ER

ON

VO

LTA

GE

(V

)B

E(O

N)

C

V = 5VCE

25 °C

125 °C

- 40 °C

NPN General Purpose Amplifier(continued)

Base-Emitter SaturationVoltage vs Collector Current

0.1 1 10 100

0.4

0.6

0.8

1

I - COLLECTOR CURRENT (mA)

V

-

BA

SE

-EM

ITT

ER

VO

LTA

GE

(V)

BE

SA

T

C

β = 10

25 °C

125 °C

- 40 °C

Collector-Emitter SaturationVoltage vs Collector Current

0.1 1 10 100

0.05

0.1

0.15

I - COLLECTOR CURRENT (mA)V

-

CO

LL

EC

TOR

-EM

ITT

ER

VO

LTA

GE

(V

)C

ES

AT

25 °C

C

β = 10

125 °C

- 40 °C

Collector-Cutoff Currentvs Ambient Temperature

25 50 75 100 125 150

0.1

1

10

100

500

T - AMBIENT TEMPERATURE ( C)

I

- C

OL

LE

CTO

R C

UR

RE

NT

(n

A)

A

V = 30VCB

CB

O

°

Capacitance vs Reverse Bias Voltage

0.1 1 10 1001

2

3

4

5

10

REVERSE BIAS VOLTAGE (V)

CA

PAC

ITA

NC

E (

pF)

C obo

C ibo

f = 1.0 MHz

Typical Pulsed Current Gainvs Collector Current

0.1 1 10 1000

100

200

300

400

500

I - COLLECTOR CURRENT (mA)h

- T

YP

ICA

L P

UL

SE

D C

UR

RE

NT

GA

INF

E

- 40 °C

25 °C

C

V = 5VCE

125 °C

Power Dissipation vsAmbient Temperature

0 25 50 75 100 125 1500

0.25

0.5

0.75

1

TEMPERATURE ( C)

P

- PO

WE

R D

ISS

IPAT

ION

(W)

D

o

SOT-223

SOT-23

TO-92

Typical Characteristics (continued)

Noise Figure vs Frequency

0.1 1 10 1000

2

4

6

8

10

12

f - FREQUENCY (kHz)

NF

- N

OIS

E F

IGU

RE

(d

B)

V = 5.0VCE

I = 100 µA, R = 500 ΩC S

I = 1.0 mA R = 200ΩC

S

I = 50 µA

R = 1.0 kΩCS

I = 0.5 mA R = 200ΩC

S

kΩ

Noise Figure vs Source Resistance

0.1 1 10 1000

2

4

6

8

10

12

R - SOURCE RESISTANCE ( )

NF

- N

OIS

E F

IGU

RE

(d

B)

I = 100 µAC

I = 1.0 mAC

S

I = 50 µAC

I = 5.0 mAC

θ - DE

GR

EE

S

0

406080100120

140160

20

180

Current Gain and Phase Anglevs Frequency

1 10 100 10000

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

f - FREQUENCY (MHz)

h

-

CU

RR

EN

T G

AIN

(d

B)

θ

V = 40VCE

I = 10 mAC

h fe

fe

Turn-On Time vs Collector Current

1 10 1005

10

100

500

I - COLLECTOR CURRENT (mA)

TIM

E (

nS

)

I = I = B1

C

B2I c

1040V

15V

2.0V

t @ V = 0VCBd

t @ V = 3.0VCCr

Rise Time vs Collector Current

1 10 1005

10

100

500

I - COLLECTOR CURRENT (mA)

t

- R

ISE

TIM

E (

ns)

I = I = B1

C

B2I c

10

T = 125°C

T = 25°CJ

V = 40VCC

r

J

2N3904 / M

MB

T3904 / P

ZT

3904NPN General Purpose Amplifier

(continued)

2N3904 / M

MB

T3904 / P

ZT

3904NPN General Purpose Amplifier

(continued)

Typical Characteristics (continued)

Storage Time vs Collector Current

1 10 1005

10

100

500

I - COLLECTOR CURRENT (mA)

t

- S

TOR

AG

E T

IME

(n

s)

I = I = B1

C

B2I c

10

S

T = 125°C

T = 25°CJ

J

Fall Time vs Collector Current

1 10 1005

10

100

500

I - COLLECTOR CURRENT (mA)

t

- FA

LL

TIM

E (

ns)

I = I = B1

C

B2I c

10V = 40VCC

f

T = 125°C

T = 25°CJ

J

Current Gain

0.1 1 1010

100

500

I - COLLECTOR CURRENT (mA)

h

- C

UR

RE

NT

GA

IN

V = 10 VCE

C

fe

f = 1.0 kHzT = 25 CA

o

Output Admittance

0.1 1 101

10

100

I - COLLECTOR CURRENT (mA)

h

- O

UT

PU

T A

DM

ITTA

NC

E (

mho

s) V = 10 VCE

C

oe

f = 1.0 kHzT = 25 CA

oµ

Input Impedance

0.1 1 100.1

1

10

100

I - COLLECTOR CURRENT (mA)

h

- IN

PU

T IM

PE

DA

NC

E (

k )

V = 10 VCE

C

ie

f = 1.0 kHzT = 25 CA

oΩ

Voltage Feedback Ratio

0.1 1 101

2

3

4

5

7

10

I - COLLECTOR CURRENT (mA)

h

- V

OLT

AG

E F

EE

DB

AC

K R

AT

IO (

x10

)

V = 10 VCE

C

re

f = 1.0 kHzT = 25 CA

o

_4

Test Circuits

10 KΩΩΩΩΩ

3.0 V

275 ΩΩΩΩΩ

t1

C1 <<<<< 4.0 pF

Duty Cycle ===== 2%

Duty Cycle ===== 2%

<<<<< 1.0 ns

- 0.5 V

300 ns

10.6 V

10 < < < < < t1 <<<<< 500 µµµµµs

10.9 V

- 9.1 V

<<<<< 1.0 ns

0

0

10 KΩΩΩΩΩ

3.0 V

275 ΩΩΩΩΩ

C1 <<<<< 4.0 pF

1N916

FIGURE 2: Storage and Fall Time Equivalent Test Circuit

FIGURE 1: Delay and Rise Time Equivalent Test Circuit

2N3904 / M

MB

T3904 / P

ZT

3904NPN General Purpose Amplifier

(continued)

Osnovno kolo sa BJT-om

BB BEB

B

V VI

R−

=

CC CEC

C

V VI

R−

=

• Izvori polarišu tranzistor• Režim rada za fiksne vrednosti VBB i Vcc određuju otpornosti RB i RC• Za VBE manje od 0,7V tranzistor zakočen• Kada tranzistor vodi

VBE=0,7V• Tranzistor u zasićenju

IC ≤ βIB• Tranzistor u aktivnoj oblasti

IC=βIB

Režimi rada BJT-a u kolu

RB1<RB2<RB3<RB4<RB5RC1<RC2<RC3<RC4<RC5

• Režim rada je određen položajem radne tačke na izlaznoj karakteristici• Radna tačka u preseku izlazne karakteristike i radne prave za date vrednosti RB i RC• Izborom vrednosti RB i RCpodešavamo radni režim

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

BJT kao prekidač – ZE konfiguracija

Napon na bazi VBE kontroliše prekidač Otvoren prekidač – u kolu BJT predstavlja prekid

Tranzistor zakočen (VBE<0.7 V; VBC<0.7V); Struje IC,IB,IE=0 VCE – određen ostalim elementima kola

Zatvoren prekidač – u kolu BJT predstavlja kratak spoj Tranzistor u zasićenju VCE=VCE(sat) (reda 0.1÷0.2 V) VBE≈0.7 V IC,IB,IE – određene elementima kola pri čemu važi

IC≤βDCIB

Napon na kolektoru VCE je sa suprotnom promenom u odnosu na napon na bazi VBE – uloga invertora

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=VCEsat• Signali na izlazu suprotni od signala na ulazu

Prekidačke karakteristike BJT-a

td – vreme kašnjenja (od prestanka ulaznog signala do dostizanja 10% vrednosti izlaznog signala)

tr – vreme porasta (od 10% do 90% vrednosti izlaznog signala)

ts – vreme skladištenja (od dolaska ulaznog signala do opadanja na 90% vrednosti izlaznog signala)

tf– vreme opadanja signala (od 90% do 10% vrednosti izlaznog signala)

tON– vreme uključenja BJT-a tOFF– vreme isključenja BJT-a

BJT kao pojačavač - ZE konfiguracija

Polarizacija BJT-a takva da je radna tačka (vrednosti IC, VCE) u normalnoj aktivnoj oblasti

VBE ≈ 0.7 V IC=βDCIB;

Jednosmernom signalu se dodaje naizmenični signal male amplitude čija se vrednost pojačava

ic=hfeib

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

Polarizacija preko naponskog razdelnika

NPN

IN DC ER Rβ=

2IN 2 B CC

1 2

2 ININ 2 B CC

1 2 IN

RR 10R ; V V

R R

R RR 10R ; V V

R R R

≥ =+

< =+

E B BE

C CC C C

EE

E

C E

CB

DC

V V V

V V R I

VI

R

I I

II

β

= −

= −

=

≈

=

• Dobra stabilnost sa jednim izvorom napajanja • Poželjne što manje vrednosti otpornosti

PNP

1B EE

1 2

RV V

R R=

+

E B BE

EE EE

E

C E

CB

DC

C C C

V V V

V VI

R

I I

II

V R I

β

= +

−=

≈

=

=

Polarizacija preko baze

VE

B BE

CC BEB

B

C DC B

E C

C CC C C

V 0

V V

V VI

R

I I

I I

V V R I

β

=

=

−=

=

≈

= −

• Česta u prekidačkim kolima • Zavisna od promena βDC

Polarizacija preko povratne sprege u emitoru

E E E

B E BE

CC BEE

E B DC

C E

CC BEB

DC E B

C CC C C

V I R

V V V

V VI

R R

I I

V VI

R R

V V R I

β

β

=

= +

−=

+

≈

−=

+

= −

Smanjena zavisnost od βDC

Polarizacija preko povratne sprege u kolektoru

VE

B BE

CC BEB

C DC B

C DC B

E C

C CC DC C B

V 0

V V

V VI

R (1 ) R

I I

I I

V V ( 1)R I

ββ

β

=

=

−=

+ +

=

≈

= − +

Temperaturno stabilna

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)

Linearni pojačavač Izlazni signal je linearno proporcionalan

ulaznom signalu bez izobličenja• C1 i C2 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

Trenutne vrednosti napona i struja se kreću po radnoj pravoj iB-raste ⇒ iC-raste

⇒ vCE-opada

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

Izobličenje izlaznog signala

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

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

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

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

Pojačavač sa zajedničkim emitorom – CE pojačavač

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

C1, C3 - coupling kondenzatori (C1 povezuje ulazni signal sa DC naponom na bazi, C3 razdvaja izlazni signal od DC napona na kolektoru)

C2 – bypass kondenzator (vezuje emitor na uzemljenje za AC signale)

izlazni i ulazni signali su u protiv-fazi (fazni pomeraj 180°)

DC analiza Ekvivalentno kolo –svi kondenzatori prekidi za

DC signale

IN DC ER Rβ=

2IN 2 B CC

1 2

2 ININ 2 B CC

1 2 IN

RR 10R ; V V

R R

R RR 10R ; V V

R R R

≥ =+

< =+

E B BE

C CC C C

EE

E

C E

CB

DC

V V V

V V R I

VI

R

I I

II

β

= −

= −

=

≈

=

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 C2

AC ulazni signal

• Rs – otpornost izvora • R1R2 - otpornost polarizacije• Rin(base) – ulazna otpornost BJT-a sa strane baze• Rin(tot) = R1 R2 Rin(base) - ulazna otpornost CE pojačavača• Poželjno što veće Rin(tot) da se ne bi remetio ulazni signal• vin=Rin(tot)vs/(Rs+Rin(tot))• za Rs«Rin(tot) ⇒ vin≈vs

⇒

Ulazna otpornost BJT-a sa strane baze - Rin(base)

binin(base)

in b

b e e

e c

b e ac

e ein(base)

e ac

vVR

I i

v i r

i i

i i

i rR

i

β

β

= =

=

≈

≈

=

Na osnovu r parametarskog modela tranzistora

in(base) ac eR rβ=

Izlazna otpornost CE pojačavača

Otpornost posmatrana sa strane kolektora

RC«rc ⇒ Rout ≈ RC

= out C cR R r

Naponsko pojačanje CE pojačavača

out c C

out ac e C e C

in e e

out e Cv

in e e

v i R

v i R i R

v i r

v i RA

v i r

α= −

= − ≈ −

=

−= =

• Znak ‚‚–” ukazuje da dolazi do okretanja faze izlaznog signala u odnosu na ulazni• Ukupno pojačanje uključuje i slabljenje usled konačne otpornosti izvora

in(tot )' out out Cinv

s in s e in(tot ) s

Rv v RvA

v v v r R R= = = −

+

Cv

e

RA

r= −

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 RE (obično10XC<RE)

Bez bypass kondenzatora

Cv

e E

RAr R

= −+

Uticaj opterećenja na naponsko pojačanje CE pojačavača

• Opterećenje RL je vezano preko couplingkondenzatora C3

C Lc C L

C L

R RR R R

R R= =

+

• Za malo RL ⇒ Rc<RC – pojačanje je smanjeno• Za RL»RC ⇒ Rc≈RC – opterećenje nema uticaja na pojačanje

cv

e

RA

r= −

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 re

Av =-RC/re; re=f(T, IE) ⇒ Av=f(T)

Bez bypass kondenzatora je smanjeno pojačanje, manje zavisno od re

Av =-RC/(RE+re); Za RE»re ⇒ Av ≈-RC/RE; Av≠f(T)

Kompromis – prevladavanje uticaja re bez smanjenja vrednosti naponskog pojačanja -delimično premošćavanje otpornosti RE

bypass kondenzatorom

• Oba otpornika utiču na DC napajanje (RE1+RE2)• Na naponsko pojačanje utiče samo RE1:Av=-RC/(re+RE1)

• Za RE1≥10re ⇒Av≈-RC/RE1

• Delimičnim premošćavanjem RE ulazna AC otpornost BJT-a je:

Rin(base)=βac(re+RE1)

Strujno pojačanje CE pojačavača

c c bi

in b in

cac

b

b 1 2

in 1 2 in(base)

sin

s in(tot )

i i iA

i i i

ii

i R Ri R R R

vi

R R

β

= =

=

=+

=+

• Zavisi od strujnog pojačanja i ulazne otpornosti BJT-a (RL→∞)

1 2i ac

1 2 in(base)

R RA

R R Rβ=

+

Pojačanje snage CE pojačavača

Proizvod ukupnog naponskog i strujnog pojačanja

Ap=Av’Ai

in(tot )' out out Cinv

s in s e in(tot ) s

Rv v RvA

v v v r R R= = = −

+

1 2i ac

1 2 in(base)

R RA

R R Rβ=

+

Pojačavač sa zajedničkim kolektorom – CC pojačavač (emitter-follower – EF)

Napajanje preko naponskog razdelnika

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 niskootpornogopterećenja – naponski bafer

DC analiza Ekvivalentno kolo

IN DC ER Rβ=

2IN 2 B CC

1 2

2 ININ 2 B CC

1 2 IN

RR 10R ; V V

R R

R RR 10R ; V V

R R R

≥ =+

< =+

E B BE

C CC

EE

E

C E

CB

DC

V V V

V V

VI

R

I I

II

β

= −

=

=

≈

=

AC analizamV

eE

in(base) ac e E L

in(tot ) 1 2 in(base)

sout E 1 2 S

ac

25r

I

R (r R R )

R R R R

RR R (R ,R R )

β

β

=

= +

=

=

E L

e E L

1 2i ac

v

1 2 in(base)

A 1R R

r R R

R RA ( 1)

R R Rβ

= ≈+

= ++

p v i iA A A A= ≈

Darlingtonov par

Koristi se za povećanje ulazne otpornosti

ac ac1 ac2

in ac1 ac2 E

e1 e2 E

R R

(r ,r R )

β β ββ β

=

=

Sziklai-jev par (komplementarni Darlingtonov par)

Kombinacija npn i pnp tranzistora

ac ac1 ac2

in ac1 ac2 E

e1 e2 E

R R

(r ,r R )

β β ββ β

=

=

• Zahteva manji napon uključenja• Koristi se u kombinaciji sa Darlingtonovim parom u izlaznim stepenima pojačavača snage

Pojačavač sa zajedničkom bazom – CB pojačavač• Napajanje preko naponskog razdelnika.

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

DC analiza

Ekvivalentno kolo

IN DC ER Rβ=

2IN 2 B CC

1 2

2 ININ 2 B CC

1 2 IN

RR 10R ; V V

R R

R RR 10R ; V V

R R R

≥ =+

< =+

E B BE

C CC C C

EE

E

C E

CB

DC

V V V

V V R I

VI

R

I I

II

β

= −

= −

=

≈

=

AC analiza

E e

p v i v

C Lv

e

i

(R r )R R

Ar

A 1

A A A A=

=

≈

≈

mVe

E

in(emitter ) e E e

out C C c

25r

I

R r (R r )

R R (R r )

=

=

=

Višestepeni pojačavači Više kaskadno povezanih pojačavača Svaki pojačavač predstavlja jedan stepen Povećava se ukupno naponsko pojačanje

Av=Av1Av2 …Avn

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 naponaizvora)

Dvostepeni kapacitivno spregnuti pojačavač – sprega preko C3

βac=225

DC analiza Oba stepena identična

IN DC 4 DC 8R R R 225kβ β= = = Ω

V

IN 2 6

62B CC CC

1 2 5 6

R 10R ;10R

RRV V V 1.75

R R R R

≥

= = =+ +

V

mA

V

E B BE

E EE

4 8

C E

C CC 3 C CC 7 C

V V V 1.05

V VI 1.05

R R

I I

V V R I V R I 5.07

= − =

= = =

≈

= − = − =

AC analiza

Drugi stepen –standardan CE pojačavač

mVe

E

in(base2) ac e

in(tot 2) L1 5 6 in(base2)

25r 23.8

I

R r 5.355k

R R R R R 3.25k

β

= = Ω

= = Ω

= = = Ω

v2e

8 e7R

A 197r

(R r )= =

Prvi stepen – njegovo opterećenje je drugi stepen

3 in(tot 2)v1

e

R RA 80.7

r= =

mVe

E

in(base1) ac e

in(tot1) 1 2 in(base1)

25r 23.8

I

R r 5.355k

R R R R 3.25k

β

= = Ω

= = Ω

= = Ω

• Ukupno naponsko pojačanjeout

v v1 v2in

vA A A 80.7 197 15898

v= = = ⋅ =

Signali

Av1=85

Av2=174

Av=vout/vinAv=14730Av=Av1Av2=14790

Dvostepeni kapacitivno spregnuti pojačavač sa komplementarnim tranzistorima (audio predpojačavač)

Signali

Av=vout/vinAv=20

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: Ap=PL/Pin=Av

2(Rin/RL) 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

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

Razmatrani pojačavački stepeni sa BJT (ZE, ZC, ZB) se odnose na klasu A

Snaga mirne radne tačke (kada nema AC signala) – maksimalna snaga koju pojačavač klase A treba da izdrži

PDQ=ICQVCEQ

Maksimalna izlazna snaga signalaPout(max)=0.5ICQVCEQ

Efikasnost pojačavača - odnos izlaznesnage signala predate opterećenju i ukupnesnage DC izvora

Maksimalna efikasnost pojačavača klase A(sa kapacitivnom spregom)

ηmax= Pout(max)/PDC=

0.5ICQVCEQ /2ICQVCEQ=0.25

Pojačavači klase B Polarisani na granici isključenja (VCEQ=VCE(cutoff);

ICQ=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

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 VBE (-VBE). Vremenski interval kada oba tranzistora ne vode dovodi do tzv. izobličenja prelaza izlaznog signala

Push-pull pojačavač klase B

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

Push-pull pojačavač klase AB sa dvostrukim napajanjem

Push-pull pojačavač klase AB sa jednim napajanjem

AC karakteristike Struja zasićenja – maksimalna struja koja

može da protiče kroz BJTIc(sat)=(VCC-VCEsat)/RL≈ VCC/RL

Maksimalna srednja izlazna snagaPout(max)=0.25Ic(sat)VCC

Maksimalna efikasnostηmax =0.79

Ulazna otpornostRin=βac(RL+re)R1R2

Push-pull pojačavač klase AB sa Darlingtonovimparom (povećanje ulazne otpornosti)

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

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 RF primenama poput oscilatora i modulatora

Audio pojačavač – sprega predpojačavača i pojačavača snage sa dvostrukim napajanjem

Audio pojačavač-signali