Dispozitive Electronice Si Circuite Analogice

UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA Facultatea de inginerie n electromecanic, mediu i

informatic industrial

EUGEN SUBIRELU

DISPOZITIVE ELECTRONICE I

CIRCUITE ANALOGICE

2009

DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS

2

PREFA

Materialul prezentat constituie o extensie a suportului de curs i se adreseaz studenilor anului II (FR) ai Facultii de Inginerie n Electromecanic, Mediu i Informatic Industrial din cadrul Universitii din Craiova.

Domeniul la care se refer acest curs este cel al electronicii analogice n general, cu prezentarea principalelor dispozitive electronice i al unor aplicaii ale lor n circuite analogice curente.

n prezentarea fiecrui dispozitiv s-a urmrit o tratare pragmatic, insistndu-se pe aspectele practice-aplicative ale definirii i funcionrii acestuia, neintrnd n noiuni de definire la nivelul fizicii semiconductoarelor. S-au descris totui i cteva fenomene la nivel micro pentru a nelege unele noiuni care stau la baza funcionrii tuturor dispozitivelor electronice active bazate pe semiconductoare .

Capitolul 1 prezint cteva noiuni generale despre semnale analogice (definire, notaii folosite mai departe n curs) i componente de baz pasive din construcia circuitelor electronice (rezistene, condensatoare, bobine).

Capitolul 2 descrie primul dispozitiv electronic care folosete o jonciune semiconductoare i anume dioda semiconductoare (redresoare, stabilizatoare). Este prezentat simbolul, principiul de funcionare, modele folosite n proiectare i cteva aplicaii.

Capitolul 3 se refer la cel mai utilizat dispozitiv electronic activ i anume tranzistorul bipolar: structur, funcionare, tipuri de conexiuni, scheme de polarizare, relaii fundamentale ntre cureni i teensiuni. Sunt evideniate etapele care trebuiesc parcurse la proiectarea, respectiv analiza circuitelor cu tranzistoare bipolare.

Capitolul 4 este dedicat unor dispozitive electronice cu performane deosebite, folosite att n circuite integrate ct i sub form de componente distincte n circuite care necesit impedan mare de intrare, liniaritate bun, zgomot redus. Sunt prezentate tranzistoarele cu efect de cmp (TEC) i anume cele cu baza jonciune (TEC-J) i cele cu baza izolat (TEC-MOS) mpreun cu cteva aplicaii representative.

Capitolul 5 prezint alte dispozitive electronice, ca i componente elementare folosite n aplicaii de electronic de putere (tiristorul, GTO-ul, triacul, etc.) precum i n aplicaii care folosesc radiaia luminoas, att pentru afiare ct i pentru transmiterea semnalelor (dispozitive optoelectronice).

Capitolul 6 se ocup de unele din cele mai utilizate circuite electronice, realizate n tehnologie integrat azi i anume amplificatoarele operaionale. Este prezentat funcionarea lor, o serie de parametrii specifici precum i aplicaii liniare: amplificatorul inversor, neinversor, sumator, diferenial, integrator, derivator. Sunt prezentate circuitele care fac trecerea de la domeniul analogic al valorilor continue la domeniul deciziilor, al valorilor binare: este vorba de comparatoarele simple (cu un singur prag) sau cu histerezis (cu memorie). De asemenea sunt prezentate aplicaii neliniare ale AO i anume redresorul monoalternan i redresorul bialternan.

Cei interesai n nelegerea aprofundat a structurii interne, a parametrilor electrici precum i a altor performane ale diverselor dispozitive electronice, precum i a unor relaii de calcul mai complexe necesare n cercetarea funcionrii circuitelor electronice analogice trebuie s consulte bibliografia prezentat.

Craiova, 30 ianuarie 2009 Autorul

Cuprins

1. INTRODUCERE N ELECTRONICA ANALOGIC .............................................................. 6 1.1. Semnale analogice ................................................................................................................ 6 1.2. Elemente pasive de circuit .................................................................................................... 8

2. DIODA SEMICONDUCTOARE ............................................................................................. 12 2.1. Dioda redresoare ................................................................................................................ 12

2.1.1. Caracteristica tensiune curent a diodei redresoare ...................................................... 12 2.1.2. Rezolvarea unui circuit simplu cu diod. Dreapta de sarcin i punctul de funcionare al diodei ................................................................................................................................. 13 2.1.3. Modele aproximative ale caracteristicii diodei ........................................................... 15 2.1.3.1. Dioda ideal (modele de semnal mare) ................................................................... 15 2.1.3.2. Comportarea diodei la semnal mic. Rezistena dinamic (modelul de semnal mic) 16

2.2. Dioda stabilizatoare ............................................................................................................ 17 2.3. Aplicaii ale diodelor semiconductoare .............................................................................. 18

2.3.1. Circuite de redresare .................................................................................................... 18 2.3.1.1. Redresorul monoalternan...................................................................................... 18 2.3.1.2. Redresorul dubl alternan n punte ...................................................................... 20 2.3.1.3. Sursa dubl de tensiune ............................................................................................ 20 2.3.1.4. Multiplicatorul de tensiune ...................................................................................... 21 2.3.2. Circuite de stabilizare .................................................................................................. 21 2.3.3. Alte aplicaii ale diodelor semiconductoare ................................................................ 22 2.3.3.1. Circuite de limitare .................................................................................................. 22 2.3.3.2. Circuite formatoare de impulsuri ............................................................................. 23 2.3.3.3. Circuite pentru refacerea componentei continue ..................................................... 23

3. TRANZISTORUL BIPOLAR................................................................................................... 24 3.1. Structura i funcionarea TB .............................................................................................. 24 3.2. Relaii fundamentale; modelul static al TB ........................................................................ 25 3.3. Conexiunile i caracteristicile TB ...................................................................................... 26 3.4. Dreapta de sarcin static, punctul de funcionare static i regiunile de funcionare ale TB ................................................................................................................................................... 28 3.5. Circuite de curent continuu cu TB ..................................................................................... 30 3.6. Comportarea TB la semnal mic. Modele dinamice ............................................................ 35 3.7. Funcionarea TB ca amplificator de semnal mic ................................................................ 39

3.8. Comportarea TB la nalt frecven ................................................................................... 41


4

4. TRANZISTORUL CU EFECT DE CMP (TEC) ................................................................... 42 4.1. Tranzistoarele TEC-J ......................................................................................................... 42

4.1.1. Structura i funcionarea TEC-J .................................................................................. 42 4.1.2. Tranzistoarele TEC-J. Aplicaii .................................................................................. 44 4.1.2.1. Divizor rezistiv controlat n tensiune ....................................................................... 45 4.1.2.2. Sursa de curent constant .......................................................................................... 45 4.1.2.3. Repetor de tensiune compensat termic..................................................................... 45 4.1.2.4. Amplificator de semnal mic cu TEC-J ..................................................................... 46

4.2. Tranzistoarele TEC-MOS .................................................................................................. 47 4.2.1. Structura i funcionarea TEC-MOS ........................................................................... 48 4.2.2. Tranzistoarele TEC-MOS. Aplicaii ........................................................................... 50 4.2.2.1. Inversorul CMOS ..................................................................................................... 51 4.2.2.2. Amplificator cu TEC - MOS ..................................................................................... 52

5. ALTE DISPOZITIVE ELECTRONICE ................................................................................... 53 5.1. Alte dispozitive semiconductoare cu jonciune ................................................................. 53

5.1.1. Tiristorul...................................................................................................................... 53 5.1.1.1. Funcionarea tiristorului......................................................................................... 53 5.1.2. Tiristorul cu blocare pe poart (GTO-Gate Turn Off) ................................................ 55 5.1.3. Triacul ......................................................................................................................... 56 5.1.4. Diacul .......................................................................................................................... 56 5.1.5. Tranzistorul unijonciune (TUJ) .................................................................................. 57

5.2. Dispozitive optoelectronice................................................................................................ 59 5.2.1. Fotodetectori i fotoelemente ...................................................................................... 59 5.2.1.1. Fotorezistor (LDR Light Dependent Resistor) ...................................................... 59 5.2.1.2. Fotoelementul (celula fotovoltaic) ......................................................................... 60 5.2.1.3. Fotodiod ................................................................................................................. 61 5.2.1.4. Fototranzistorul ....................................................................................................... 62 5.2.2. Fotoemitori ............................................................................................................... 62 5.2.2.1. Dioda electroluminiscent ....................................................................................... 62 5.2.2.2. Afioare cu diode electroluminiscente ..................................................................... 64 5.2.3. Alte dispozitive de afiare ........................................................................................... 65 5.2.3.1. Afiaje (display-uri) cu cristale lichide .................................................................... 65 5.2.3.2. Afiaje (display-uri) cu plasm ................................................................................ 67 5.2.4. Optocuploare ............................................................................................................... 68

6. AMPLIFICATOARE OPERAIONALE (AO) ....................................................................... 69 6.1. Funcionare. Parametrii specifici. AO ideal ....................................................................... 69 6.2. Aplicaii liniare ale AO ...................................................................................................... 73


5

6.2.1. Circuitul repetor de tensiune ....................................................................................... 73 6.2.2. Amplificator neinversor .............................................................................................. 73 6.2.3. Amplificator inversor .................................................................................................. 74 6.2.4. Amplificator sumator .................................................................................................. 75 6.2.5. Amplificator diferenial ............................................................................................... 76 6.2.6. Circuit integrator ......................................................................................................... 77 6.2.7. Circuit derivator .......................................................................................................... 79 6.2.8. Circuit comparator ....................................................................................................... 80 6.2.8.1. Comparatoare simple (fr memorie)...................................................................... 81 6.2.8.2. Comparatoare cu histerezis (cu memorie) ............................................................... 82

6.3. Aplicaii neliniare ale AO .................................................................................................. 84 6.3.1. Redresor monoalternan ............................................................................................. 84 6.3.2. Redresor bialternan ................................................................................................... 85

BIBLIOGRAFIE ........................................................................................................................... 85


6

1. INTRODUCERE N ELECTRONICA ANALOGIC

n acest capitol sunt prezentate cteva noiuni elementare despre semnale analogice, elemente de circuit pasive i active, circuite electrice i circuite electronice.

1.1. Semnale analogice Prin semnal se nelege o anumit form de variaie n timp a unei mrimi electrice. n

continuare se vor prezenta cteva noiuni generale despre cele mai ntlnite semnale n practica electronic.

Convenie de notare a semnalelor n general, un semnal este exprimat ca o mrime instantanee i este format dintr-o

mrime continu plus o mrime variabil. Din notaia unui semnal trebuie s rezulte dac este vorba de componenta sa continu

(constant) , de componenta variabil sau de mrimea instantanee (total) a acestuia. n (fig.1.1) este prezentat un semnal oarecare (de exemplu: curentul din colectorul unui

tranzistor).

Notaiile folosite n continuare n curs vor exprima: -valorile instantanee (totale) vor fi notate cu litere mici i indici formai din litere mari

(Expl: iB, uBE, iC, etc.). -componentele continue i valorile medii ale diferitelor mrimi se noteaz cu litere mari

i indici formai din litere mari (Expl: IB, UBE, IC, etc.); partea dreapt a figurii. Componentele continue corespunztoare punctelor statice de funcionare (fr semnal) PFS ale dispozitivelor electronice se marcheaz i cu un indice superior zero (Expl: I0C, U0CE); partea stng a figurii.

-variaiile n jurul valorii medii sau n jurul unor nivele de referin continue se noteaz cu litere mici i indici formai tot din litere mici, plus sufixul v de la variabil (Expl: icvar, ubevar, icvar, etc.).

Cu aceste notaii, valoarea instantanee a semnalului din (fig. 1.1) se scrie:

cvCC iIi += (1.1) unde:

tIi cvMcv sin= (1.2)

iC

0

Tranzistor fr semnal (polarizat)

I0C iC icv

IcvM

Tranzistor cu semnal

t IC

Fig. 1.1 Convenii de notare a semnalelor


7

este componenta variabil, cu evoluie sinusoidal i care are valoarea maxim cvMI . Semnale sinusoidale Sunt frecvent utilizate att n descrierile teoretice, ct i n experimentele practice

privind dispozitivele i circuitele electronice. Un semnal sinusoidal are expresia general dat de relaia:

)sin()( += tAts (1.3) unde: A este amplitudinea semnalului; (t+) este faza semnalului

Tf pipi 22 == este pulsaia [rad/sec]; f este frecvena [Hz]; T este perioada

semnalului [sec] este faza iniial a semnalului [rad]

Dac semnalele sunt tensiuni sau cureni, amplitudinea se msoar n voli sau amperi. Semnalele sinusoidale sunt utilizate pe larg deoarece rspunsul unui sistem liniar la

semnal sinusoidal este tot un semnal sinusoidal, dar cu amplitudine i faz diferite fa de semnalul de intrare (de excitaie). Pentru a determina comportarea sistemului liniar la aplicarea unui semnal sinusoidal, deci cum i modific amplitudinea i faza se utilizeaz caracteristicile de frecven.

Frecvena semnalelor sinusoidale este cuprins de obicei ntre civa heri (Hz) i civa megaheri (MHz). Expl: - frecvene audio corespund undelor acustice care pot fi auzite de om: 20 Hz20 kHz (practic 16 kHz); microunde: sute de MHz, cu particulariti referitoare la generare, amplificare, radiaie, propagare i recepie a oscilaiilor.

Cel mai adesea amplitudinea se exprim prin valoarea efectiv. n general, valoarea efectiv a unui semnal este egal cu valoarea tensiunii (curentului) continuu care dezvolt ntr-o rezisten dat aceeai putere ca i tensiunea (curentul) periodic considerat.

n cazul semnalelor sinusoidale, ntre valoarea efectiv efU i amplitudinea mU a unei tensiuni exist relaia:

mm

ef UUU 707.0

2= (1.4)

Puterea disipat pe o rezisten, n regim sinusoidal este dat de expresia:

2mm

efefIUIUP == (1.5)

Semnale rectangulare (dreptunghiulare) Deoarece sunt specifice electronicii digitale, nu vom insista prea mult asupra lor n

cursul de fa. Sunt denumite i impulsuri, fiind definite prin durat (limea impulsului) i amplitudine.

Funcionarea circuitelor digitale este caracterizat de secvene de impulsuri, de regul neperiodice. Aceste circuite lucreaz cu semnale (tensiuni) avnd dou nivele logice: 1 logic (nivel superior, HIGH) i 0 logic (nivel inferior, LOW).

Alte tipuri de semnale sunt: -semnal treapt unitate; -semnal dinte de ferstru; -semnal triunghiular, etc.


8

1.2. Elemente pasive de circuit Sunt acele elemente de circuit care nu pot realiza funcii de amplificare. Dintre acestea

cele mai importante sunt: rezistorul, condensatorul, bobina. Rezistorul este elementul de circuit cel mai utilizat. Simbolul este prezentat n (fig. 1.2)

Relaia de proporionalitate dintre tensiunea aplicat la bornele rezistorului i curentul care l strbate este dat de legea lui Ohm:

IRU = (1.6) Principalul parametru al unui rezistor este rezistena nominal. n circuitele electrice se folosesc rezistoare legate n serie sau paralel. Trebuie reinut c

la legarea n serie, rezistena echivalent este mai mare dect cea mai mare din rezistenele individuale, n timp ce la conectarea n paralel se obine o rezisten echivalent a circuitului mai mic dect cea mai mic din rezistenele individuale.

Prin conectarea rezistoarelor n serie sau paralel se obin divizoare de tensiune, respectiv curent.(fig. 1.3)

n (fig. 1.3 a) este prezentat un divizor de tensiune la care una din rezistene este legat la mas. Relaia dintre tensiuni este:

21

2RR

REU+

= (1.7)

Dac nici una din rezistenele divizorului nu sunt legate la mas (fig. 1.2 b) atunci scriind T2K pe ochiul mic i pe cel mare:

0 i

(1.8)

Dac se nlocuiete valoarea curentului n prima ecuaie rezult relaia ntre tensiuni:

21

12

21

21 RR

RERR

REU+

++

= (1.9)

E R1

R2 U

a)

R1

R2

U

E1

E2

b)

R2 R1

I

I1 I2

c) Fig. 1.3 Divizoare de tensiune i curent realizate cu rezistoare

R I

U

Fig. 1.2 Rezistorul simbol i relaia U/I


9

n (fig. 1.3 c) cele dou rezistene sunt legate n paralel, obinndu-se astfel un divizor de curent; relaiile ntre cureni sunt:

; ;

rezult

(1.10)

nlocuind tensiunea n ecuaiile curenilor rezult relaiile dintre acetia:

i

(1.11)

Se observ c tensiunea divizat este proporional cu valoarea rezistenei de pe care se culege (relaia 1.7) n timp ce curentul divizat este proporional cu valoarea celeilalte rezistene a divizorului (relaiile 1.11).

Condensatorul este elementul care are proprietatea de a acumula (nmagazina) sarcina electric Q (msurat n coulombi C) atunci cnd i se aplic la borne o tensiune U (V).

Cel mai important parametru al unui condensator este capacitatea C. Capacitatea C se definete ca raportul dintre sarcina electric Q nmagazinat i tensiunea aplicat la bornele sale:

UCQsauUQC == (1.12)

unde C este capacitatea condensatorului i se msoar n farazi (F). Deoarece n practic coulombul i faradul sunt uniti foarte mari, principalul parametru

al condensatorului este capacitatea nominal, exprimat n F(10-6), nF(10-9) sau pF(10-12). Conform legii conservrii sarcinii electrice, curentul iC prin condensator este

determinat de variaia n timp a sarcinii electrice de pe armturile condensatorului conform relaiei:

dtdQiC = (1.13)

Derivnd relaia (1.12) se obine legtura dintre tensiune i curent n cazul unui condensator:

t

UCIdtduCi

dtdUC

dtdQ

=== ;; (1.14)

Se observ c valoarea curentului prin condensator este proporional cu viteza de variaie a tensiunii la bornele sale. Expl: Dac avem un condensator de 1 F care se ncarc cu un curent constant de 10 mA atunci ntr-un interval de timp t=1 ms tensiunea la bornele sale crete cu U=10 V.

La conectarea condensatoarelor n serie sau paralel se obin capaciti echivalente cu formule invers ca la rezistene (serie capaciti cu paralel rezistene i invers).

Fig. 1.4 Condensatorul - Simbol i relaia U/I


10

Pe lng capacitatea nominal, ali parametri caracteristici condensatoarelor sunt: tolerana, coeficientul de temperatur, tensiunea nominal, rezistena de izolaie, curentul de fug. Definirea acestora se va face n cadrul laboratorului.

ncrcarea condensatorului la un curent constant Acest montaj care folosete ncrcarea/descrcarea unui condensator se utilizeaz n

circuite de temporizare, ntrziere, oscilatoare de relaxare, etc. pentru stabilirea unor anumite intervale de timp.

Se folosete schema din (fig. 1.5 a), unde condensatorului C i se aplic un curent constant I de la o surs de curent continuu. ncrcarea se poate face i de la o surs de tensiune continu, constant prin intermediul unei rezistene.

Rezult:

dtCIdusauctI

dtduC

dtdQi CC ===== . (1.15)

Integrnd rezult:

tCI

uC = (1.16)

Aceasta reprezint ecuaia unei drepte de pant CItg /=

Bobina Un alt element de circuit fundamental, pasiv este bobina (fig. 1.6).

Cel mai important parametru al bobinei este inductana L care se msoar n Henry (H), respectiv mH sau H. Inductana L se definete ca raportul dintre fluxul magnetic al bobinei Li intensitatea curentului prin bobin:

L

Li

L = (1.17)

Relaia dintre tensiunea la bornele bobinei i curent rezult din legea induciei electromagnetice:

Fig. 1.6 Bobina Simbol i relaia U/I

uC

i

a)

I C I

iC, uC

t

uC

tg=I/C

b)

iC

Fig. 1.5 Creterea tensiunii pe un condensator sub un curent continuu constant


11

=

== dtuL

isaut

ILUdtdiLu 1; (1.18)

Dac se aplic o tensiune U constant (de la o surs de tensiune continu) la bornele bobinei se constat o cretere liniar a curentului prin bobin, de la zero ctre infinit.(fig. 1.7)

Bobina ideal nu permite salturi de curent la bornele sale deoarece i(t) trebuie s fie o funcie continu (bobina realizeaz astfel o netezire a curentului prin ea).

Bobina n curent continuu:

- deoarece i=ct, rezult odtdi

= i u=0, deci bobina se comport n curent continuu ca

un scurtcircuit (o rezisten de valoare nul).

Bobina n curent alternativ, sinusoidal: - dac curentul i(t) prin bobin are forma:

tIi sin= (1.19)

Derivnd i nlocuind n relaia (1.18) se obine expresia tensiunii la bornele bobinei:

+=

+=

+=

2sin

2sin

2sin pipipi tUtIXtILu L (1.20)

Se observ c tensiunea este defazat cu /2 naintea curentului care strbate bobina. Se spune c o bobin ntrzie curentul care o strbate.

n curent alternativ bobina este caracterizat printr-o rezisten aparent numit reactan inductiv XL (exprimat n ohmi):

LfLX L == pi 2 (1.21)

Se observ c la frecvene mari (f) bobina ideal se comport ca un circuit deschis (XL, IL0). Bobina ideal nu disip energie; ea poate transmite i nmagazina energie electric. Cantitatea de energie electric acumulat de o bobin prin care trece curentul iL este dat de relaia:

2

2L

LiLW = (1.22)

U

iL, uL

t

i

tg=U/L

b)

U

i

L uL

a)

Fig. 1.7. Creterea curentului ntr-o bobin sub o tensiune continu constant


12

2. DIODA SEMICONDUCTOARE

Dioda semiconductoare este privit din punct de vedere al comportrii la borne i al aplicaiilor; de asemenea sunt menionate cteva noiuni de fizica jonciunii semiconductoare.

2.1. Dioda redresoare Este un dispozitiv electronic cu dou terminale, anod (A) i catod (K) (fizic, catodul este

marcat printr-o band colorat) (fig.2.1 c). n interior, dioda redresoare este de fapt o jonciune pn.(fig. 1.a)

Prin jonciune se nelege zona de trecere de la semiconductorul (dopat) de tip p la semiconductorul de tip n, n aceeai reea cristalin continu. Purttorii mobili de sarcin (goluri + i electroni-) se gsesc ntr-o micare continu, aleatoare printre atomii reelei. Odat jonciunea format, o parte din electronii liberi din zona de tip n traverseaz jonciunea i se combin cu golurile din zona de tip p. Aceast micare are ca rezultat faptul c n imediata apropiere a jonciunii, n zona de tip n rmne o poriune cu sarcin fix pozitiv +, iar n zona de tip p se formeaz o poriune cu sarcin fix negativ -. ntre aceste dou zone se formeaz, la nivelul jonciunii o barier de potenial care, la echilibru se opune migrrii n continuare a electronilor din dreapta spre stnga.

Aceast barier de potenial poate fi controlat prin tensiunea aplicat din exterior ntre terminalele diodei. Astfel dac tensiunea UD are plusul la anod A (terminalul aferent zonei de tip p) i minusul la catod K (terminalul aferent zonei de tip n), bariera de potenial scade i prin diod trece un curent ID care crete cu tensiunea aplicat. Spunem c dioda este polarizat direct. Dependena curentului direct de tensiunea direct aplicat este neliniar. O diod cu siliciu ncepe s conduc (se deschide, intr n conducie) pentru UD>0.45 0.6 V. (Diodele cu germaniu conduc la tensiuni directe mici de aprox. 0.2 V).

Dac tensiunea aplicat din exterior are plusul la catod i minusul la anod, bariera de potenial crete, mpiedecnd trecerea semnificativ a curentului prin diod (tipic aprox.1 nA). Spunem c dioda este polarizat n sens invers sau c este blocat. Dioda este deci un dispozitiv electronic unidirecional, pasiv, care conduce curentul ntr-un singur sens, de la anod spre catod.

2.1.1. Caracteristica tensiune curent a diodei redresoare Se mai numete i caracteristica static deoarece pentru fiecare pereche (UD, ID)

determinat, UD i ID sunt mrimi constante. Relaia care modeleaz aceast caracteristic este:

= 1T

D

mUU

SD eII (2.1)

Fig. 2.1 Jonciunea pn i simbolul diodei semiconductoare

A K ID

UD

b) a)

ioni fixi in retea purtatori mobili de sarcina

A

K

c)


13

Unde: IS este curentul de saturaie (rezidual) al diodei polarizat invers (0 pentru dioda ideal; nanoamperi pentru diode cu Si; miliamperi pentru diode de putere); UT este tensiunea termic i are o valoare de 25 mV la 25 C; m este un coeficient dependent de tehnologia de realizare a diodei, cuprins ntre 1 i 2.

Considernd m=1, relaia (2.1) poate fi aproximat pe poriuni astfel:

-dac TD

UU

TD ecrezultVUU 1.04 = 1 i atunci comportarea diodei n stare de conducie este dat de relaia:

T

D

UU

SD eII (2.2)

-dac DU < -0.1 V rezult c TD

UU

e 1 i atunci comportarea diodei n stare de blocare este dat de relaia:

SD II (2.3) n aceste condiii caracteristica static a diodei reale este prezentat n (fig. 2.2).

Se consider c la fiecare cretere a temperaturii cu 10 C, curentul rezidual se dubleaz. De asemenea se observ c dac temperatura crete, acelai curent direct prin diod ID corespunde unei tensiuni UD mai mic. Aceast comportare se reflect printr-un coeficient de temperatur negativ pentru Si:

CmVT

UctIla

DD

=

=5,2 (2.4)

2.1.2. Rezolvarea unui circuit simplu cu diod. Dreapta de sarcin i punctul de funcionare al diodei

Presupunem circuitul simplu cu o diod alimentat de la o baterie sau surs electric de tensiune constant E printr-un rezistor R (fig. 2.3). Valorile numerice sunt orientative.

Comportarea diodei este descris prin caracteristica neliniar tensiune curent (relaia 2.1); se poate spune astfel c dispozitivul (dioda) impune o dependen ntre tensiunea UD i curentul ID.

Datorit caracteristicii neliniare, dioda este un element de circuit neliniar.

Fig. 2.2 Caracteristica static a diodei


14

Pe de alt parte, scriind teorema a doua a lui Kirchhoff (T2K) de-a lungul conturului ochiului de reea din figur rezult relaia:

0=+ EUIR DD (2.5) Dependena dintre tensiunea UD i curentul ID impus de circuitul electronic se numete

dreapta de sarcin i are ecuaia: DD UIRE += (2.6)

Deoarece curentul prin diod i tensiunea la bornele ei trebuie s satisfac simultan relaiile 2.1 i 2.6 rezult c aceste valori sunt soluia sistemului format din cele dou ecuaii. Acest sistem poate fi rezolvat prin dou metode:

-grafic; -numeric. Pentru rezolvarea grafic, se ridic experimental caracteristica tensiune curent a diodei

i se traseaz dreapta de sarcin prin tieturi la cele dou axe (pentru ID=0 rezult UD=E , iar pentru UD = 0 rezult ID = E/R ). Deoarece mrimile UD i ID nu variaz, dreapta de sarcin se numete static. Punctul de intersecie ),( 00 DD IUP se numete punct de funcionare static (PFS) al diodei. (fig. 2.4).

Analiznd graficul se observ c: -valoarea rezistenei R este panta dreptei de sarcin a diodei i orice modificare a lui R

determin o modificare a acestei pante; - valoarea tensiunii E este punctul de intersecie al dreptei de sarcin cu axa Ox i orice

modificare a sa determin o translatare a dreptei paralel cu ea nsi. Ridicarea experimental a caracteristicii statice a diodei presupune determinarea

valorilor ID0 i UD0 pentru PFS obinute la diferite valori ale tensiunii E. Pentru rezolvarea numeric ecuaiile sistemului se transform devenind: -din caracteristica diodei:

+= 1ln

S

DTD I

IUU (2.7)

UD

ID [mA]

E E1

E/R1

E/R

E1/R

caracteristica diodei

dreapta de sarcin

UD0

ID0

0

Fig. 2.4 Dreapta de sarcin i PFS al diodei

E UD

ID

R

2 k

10 V

Fig. 2.3 Circuit simplu cu diod


15

-din ecuaia dreptei de sarcin:

RUEI DD

= (2.8)

Se folosete o metod iterativ de calcul, parcurgndu-se pas cu pas urmtorul algoritm: -pasul 1: se consider iniial UD=0 V i rezult din relaia (2.8) curentul prin diod ID ; -pasul 2: se nlocuiete acest curent n relaia (2.7), innd cont de tipul diodei i

temperatur (prin IS i UT), rezultnd o nou valoare pentru tensiunea pe diod UD; aceast valoare devine valoarea iniial pentru pasul urmtor.

Calculul iterativ este rapid convergent datorit funciei logaritmice, astfel c dup 4-5 iteraii valorile pentru UD i ID se stabilizeaz, fiind reinute ultimele valori obinute.

Rezolvarea grafic se folosete n cazul cnd nu se cunosc valorile exacte ale elementelor din schem; rezolvarea numeric se folosete atunci cnd sunt cunoscute valorile elementelor din schem i este o metod rapid i precis dar rezultatele sunt dependente de variaia temperaturii ambiante.

2.1.3. Modele aproximative ale caracteristicii diodei Scopul realizrii acestor modele este acela de a analiza rapid comportarea diodelor n

diferite circuite electronice pentru a aprecia funcionarea corect a acestora. Cu ajutorul acestor modele se simplific schema, obinndu-se rapid informaii fr s se in cont de parametrii diodei sau de rezolvarea sistemului de ecuaii.

Deoarece pentru simplificarea analizei circuitelor, caracteristicile diodelor sunt aproximate prin segmente de dreapt, modelele obinute se numesc liniare pe poriuni.

2.1.3.1. Dioda ideal (modele de semnal mare) O diod ideal are caracteristica tensiune curent prezentat n (fig. 2.5 a).

Dioda ideal este asimilat unui comutator comandat de polaritatea tensiunii aplicate diodei UD. Cnd dioda conduce, tensiunea UD = 0 i se comport ca un scurtcircuit, curentul fiind limitat de circuitul exterior (comutator nchis). Cnd dioda este blocat (UD < 0), curentul ID = 0 (comutator deschis). Spre deosebire de un comutator, dioda fiind un dispozitiv electronic unidirecional conduce curentul ntr-un singur sens, de la anod la catod.

Deoarece n unele aplicaii nu se poate neglija cderea de tensiune direct pe diod numit tensiune de prag UD0 (aprox. 0,20,4V pentru Ge, respectiv 0,60,8V pentru Si), caracteristica diodei este prezentat n (fig. 2.6 a) . Aceast tensiune se consider n serie cu dioda ideal (fig. 2.6 b).

0 UD

ID

a)

A K ID

K(UD)

UD

b) Fig. 2.5 Caracteristica tensiune curent i simbolul diodei ideale


16

2.1.3.2. Comportarea diodei la semnal mic. Rezistena dinamic (modelul de semnal mic) Prin semnal mic se nelege acel semnal la care variaia curentului sau tensiunii vrf la

vrf este mic n raport cu componenta continu (valoarea medie) a acestei mrimi. n (fig. 2.7) este prezentat caracteristica unei diode polarizat direct de ctre un astfel de semnal.

Dac lipsesc micile variaii, dioda lucreaz n punctul de funcionare stabil (PFS) de coordonate (UD0, ID0) (punctul P). Se observ c n jurul PFS caracteristica static a diodei se aproximeaz printr-o dreapt; deci ea se comport ca o rezisten i se numete rezistena dinamic a diodei.

Dac se scriu componentele variabile ale tensiunii i curentului prin diod: tUIiIitIUuUu dDdDDdDdDD sin;sin max

00max

00+=+=+=+=

(2.9) rezistena dinamic se determin cu formula:

max

max

d

d

d

dd I

Uiu

r == (2.10)

Se observ c rezistena dinamic depinde de poziia PFS. Dac se ine cont de definiia pantei unei drepte i de faptul c ea arat ct de nclinat este n raport cu abscisa rezult relaia:

DD

D RIU

tg =

= (2.11)

Dac m este panta dreptei de aproximare, rezistena dinamic este inversul pantei:

mRrezult

UI

m DD

D 1=

= (2.12)

Fig. 2.7 Comportarea diodei la semnal mic

0 UD

ID

a) UD0

b)

ID UD0

UD

Fig. 2.6 Caracteristica tensiune - curent a) imodelul diodei cu considerarea tensiunii UD0 b)


17

n (fig. 2.8) este prezentat modelul diodei cu caracteristica liniarizat. n conducie dioda este echivalent cu o surs de tensiune UD0 n serie cu rezistena RD.

2.2. Dioda stabilizatoare Dac se aplic unei diode redresoare o tensiune invers mare, datorit multiplicrii n

avalan a purttorilor de sarcin curentul invers crete brusc ducnd la distrugerea diodei prin strpungere. De asemenea strpungerea diodei se mai poate produce datorit efectului Zener (interaciunea direct dintre cmpul electric intern cu electronii din legturile covalente). Acest efect d i numele folosit deseori (impropriu*) pentru dioda stabilizatoare i anume diod Zener. Tensiunea la care se produce acest fenomen se numete tensiune de strpungere sau de avalan. (*) -efectul Zener apare la tensiuni inverse ntre 2,7 i 5 V;

-efectul multiplicrii n avalan apare la diode cu dopri reduse, la tensiuni peste 7V.

Spre deosebire de dioda redresoare, la dioda stabilizatoare se produce fenomenul de strpungere nedistructiv, caracterizat prin creterea brusc a curentului invers (Iz) n condiiile meninerii aproape constante a tensiunii inverse (Uz) pe diod.(fig. 2.9)

Valoarea tensiunii Uz poate fi controlat prin tehnologie, avnd o dispersie mare. De aceea n cataloage este dat valoarea maxim, minim i nominal pentru aceast tensiune. La funcionarea n regiunea Zener nu trebuie depit curentul maxim IZM. De asemenea Uz este dependent de temperatur prin coeficientul de temperatur al tensiunii Zener, VZ prevzut n cataloage. Pentru diodele cu UZ < 5V, VZ este negativ, adic UZ scade cu creterea temperaturii. Pentru diodele cu UZ > 5V, VZ este pozitiv i tensiunea Zener UZ crete cu temperatura. Pentru diodele cu UZ cuprins ntre 5.8V coeficientul VZ poate fi negativ sau pozitiv.

n (fig. 2.10) este prezentat modelul diodei stabilizatoare cu caracteristica liniarizat. n zona Zener (cadranul IV) dioda este echivalent cu o surs de tensiune UZ0 n serie cu rezistena RZ. Dac este polarizat direct (cadranul I), dioda Zener se comport ca o diod redresoare.

ID

a)

UD [V]

[mA] UZ

IZ[mA]

[V] A K ID

UD A K

A K

b) Uz

Iz

Fig. 2.9 Caracteristica i simbolurile diodei Zener

0

UD

ID

a) UD0

P

tg=RD

b)

ID UD0

UD

RD

Fig. 2.8 Caracteristica liniarizat i schema echivalent a diodei


18

2.3. Aplicaii ale diodelor semiconductoare 2.3.1. Circuite de redresare

Redresoarele intr n componena surselor de alimentare, asigurnd conversia puterii de curent alternativ n putere de curent continuu.

2.3.1.1. Redresorul monoalternan n (fig. 2.11) este prezentat un redresor monoalternan, fr filtru (a) i cu filtru RC

(b), precum i formele de und ale tensiunilor de intrare i ieire (c).

La analiza funcionrii se folosete modelul diodei ideale care funcioneaz ca un ntreruptor nchis-deschis, dup cum tensiunea din secundarul transformatorului de reea Tr este pozitiv sau negativ. Din formele de und (c) se observ c alternana pozitiv a tensiunii u2 se regsete pe rezistena de sarcin Rs. n alternana negativ, dioda fiind blocat, prin Rs nu circul curent, deci tensiunea us este zero.

Dac tensiunea u2 este de forma:

tUtu sin)( max2 = (2.13) i are o valoare medie egal cu zero, tensiunea us pe rezistena de sarcin va avea o

component continu (valoare medie) de forma:

==pi

pi

pi 0

maxmax )(sin2

1 UtdtUUS (2.14)

Deci reprezint aproximativ o treime din valoarea maxim a tensiunii din secundarul transformatorului. Tensiunea pe sarcin us este o tensiune continu (n sensul c nu are componente negative) dar nu este constant (este pulsatorie). Pentru a deveni constant se face o

D D

RS u1 u2 RS u2 C R

uS uS

a) b) c)

u2

uS

t[ms]

t[ms] 20 40

fr C cu C

Fig. 2.11 Redresorul monoalternan

b)

ID UD0

UD RD

UZ

iZ

0 UD

ID

a)

UD0 UZ0

IZ

iD

uD uZ

RZ=uz/iz RD=uD/iD

IZ UZ0

UZ

RZ

Fig. 2.10 Caracteristica liniarizat i schema echivalent a diodei stabilizatoare


19

filtrare cu ajutorului unui condensator C i eventual o rezisten R, n paralel cu sarcina. Condensatorul C este electrolitic i trebuie respectat polaritatea din figur.

ntr-un interval de timp t (relativ mic fa de perioada T a tensiunii u2) dioda este n conducie, tensiunea pe condensatorul C i pe sarcina Rs urmrete tensiunea u2. Condensatorul C se ncarc la valoarea maxim a tensiunii u2. n tot restul intervalului, deoarece u2 va fi mai mic dect us rezult c dioda se blocheaz i condensatorul C se descarc exponenial pe rezistena de sarcin. Tensiunea us scade de la valoarea Umax cu us . Variaia us se numete tensiune de ondulaie.

n practic se pune problema calculrii valorii condensatorului care asigur o anumit tensiune de ondulaie us . Pentru aceasta se pornete de la sarcina acumulat n condensator pe timpul t cnd conduce dioda:

SuCQ = (2.15) Conform teoremei conservrii sarcinii, sarcina acumulat de condensator n timpul t

cnd dioda conduce este egal cu sarcina evacuat de acesta n timpul (T-t)T cnd dioda este blocat:

SSS R

UIundeTIQ max (2.16)

Egalnd cele dou relaii de mai sus rezult:

fuRUCiarfR

UuC

SSSS

== maxmax 1

(2.17)

Cu ajutorul acestei formule se poate calcula i valoarea ondulaiei tensiunii pentru o valoare dat a condensatorului C:

fCRU

uS

S

= max (2.18)

Cu ct RS i C sunt mai mari, cu att filtrarea este mai bun, adic ondulaia us este mai mic. Filtrarea prin condensator se recomand la cureni de sarcin slabi.

Exemplu: Pentru C=22 F, Rs=5 k,Umax=30 V, f=50 Hz rezult us 5,5 V. Invers, dac se impune tensiunea de ondulaie us =1 V rezult condensatorul de 120 F.

Pe lng valoarea C, la alegerea condensatorului trebuie precizat tensiunea nominal i curentul de ondulaie.

innd cont de us , valoarea componentei continue a tensiunii pe sarcina RS la redresorul monoalternan prevzut cu filtru capacitiv este dat de formula:

CRfUUuUU

S

SScont

22

maxmaxmax. (2.19)

Atunci cnd se aleg diodele redresorului trebuie inut cont c o diod suport periodic o tensiune invers egal cu 2Umax (deoarece n alternana negativ tensiunea din secundarul Tr ajunge la -Umax n timp ce condensatorul rmne practic ncrcat la +Umax). n proiectare se impune condiia ca VRRM >4Umax.

De asemenea pentru reducerea ondulaiilor se mai folosesc n practic bobine de oc sau filtre LC i RC trece jos.


20

2.3.1.2. Redresorul dubl alternan n punte n redresorul monoalternan din (fig. 2.11) este folosit numai alternana pozitiv a

tensiunii alternative u2. Pentru a utiliza ambele alternane se folosete redresorul dubl alternan n punte. (fig. 2.12)

Se observ c n alternana pozitiv a tensiunii din secundarul Tr intr n conducie diodele D2 i D4, n timp ce D1, D3 sunt blocate. n alternana negativ se schimb starea diodelor dar sensul tensiunii pe sarcin rmne acelai. Dac tensiunea de alimentare este de 50 Hz, se observ c frecvena tensiunii redresate este dublu acesteia i anume de 100 Hz. Conform acestei observaii, nlocuind frecvena cu dublul acesteia se obine:

fCRU

uS

S 2max

= (2.20)

deci ondulaia scade la jumtate fa de redresorul monoalternan. Valoarea componentei continue a tensiunii pe sarcina RS la redresorul monoalternan prevzut cu filtru capacitiv este dat de formula:

CRfUUuUU

S

SScont

42

maxmaxmax. (2.21)

La valori mici ale amplitudinii Umax nu se poate neglija cderea de tensiune pe cele dou diode aflate n conducie (aprox. 2x 0,6 V = 1,2 V). Deci US va fi cu aprox. 1,2 2 V mai mic dect tensiunea Umax.

2.3.1.3. Sursa dubl de tensiune n multe aplicaii sunt necesare surse duble de tensiune care s asigure tensiuni

simetrice fa de zero. Astfel de surse se pot obine dac transformatorul de alimentare este prevzut cu priz median ca n (fig. 2.13).

Cele dou tensiuni simetrice din secundarul Tr sunt exprimate prin relaia (2.13).

u1 u2

C2 u2

C10 V

Tr

+Umax

-Umax

D1 D2

D3 D4

Fig. 2.13 Surs dubl de tensiune

RS u1 u2 uS

a)

R C

b)

u2

uS

t[ms]

t[ms] 20 40

fr C cu C

Fig. 2.12 Redresorul dubl alternan n punte


21

2.3.1.4. Multiplicatorul de tensiune n alte aplicaii sunt necesare surse care s furnizeze tensiuni mari la cureni de sarcin

mici (expl.: alimentarea tuburilor catodice; ionizatoare de aer; contoare de particule, etc.). Acestea se numesc multiplicatoare de tensiune i au ca schem de baz dublorul de tensiune format, pe lng transformatorul de tensiune din condensatoarele C1, C2 i diodele D1, D2. (fig.2.14).

Pe condensatorul C2, dup cteva perioade ale tensiunii u2 se regsete o tensiune egal cu 2 Umax. Dac se repet schema dublorului (n fig.2.14 o dat) se obine o multiplicare de un numr par de ori a tensiunii din secundarul transformatorului Umax (n cazul prezentat n figur de 4 ori, fiecare din condensatoarele C2, C4, C2n ncrcndu-se la o tensiune de 2Umax).

2.3.2. Circuite de stabilizare O surs de tensiune continu, pe lng transformator, redresor i filtru trebuie s conin

i un stabilizator care s asigure o tensiune pe sarcin ct mai stabil (constant), dac tensiunea de intrare Ui , curentul de sarcin IS sau temperatura variaz ntre anumite limite.

Cel mai simplu stabilizator de tensiune este prezentat n (fig. 2.15)

Funcionarea acestui circuit se bazeaz pe proprietatea diodei stabilizatoare de a menine constant tensiunea la borne UZ=US pentru variaii largi ale curentului IZ, cu condiia ca dioda s fie polarizat n regiunea Zener. Astfel curentul prin diod trebuie s fie cuprins ntre IZmin (tipic 5 mA) i IZmax.

Dac se nlocuiete dioda Zener cu modelul su liniarizat pe poriuni prezentat n (fig. 2.10) aceasta va fi caracterizat de sursa UZ0 n serie cu rezistena dinamic RZ.

Dac se scrie T2K se obine:

SZ

ZZZi

R

ZiZRi II

RIUUI

UURrezultURIU+

+=

=+=)( 0

(2.22)

Dac se traseaz prin tieturi la axe dreapta de sarcin, aceasta are coordonatele:

R

RS

IR

IZ IS

US Ui UZ IZmax

UZ

IZ

IZmin

P

a) b) Fig. 2.15 Stabilizatorul de tensiune a), caracteristica static i dreapta de

sarcin pentru dioda Zener

Ui/R

Ui(RS/R+RS)

u1 u2 C2

C1

Tr 2Umax

Umax

D1 D2 D3

D4

C3

C4

2Umax

Fig. 2.14 Multiplicator de tensiune ( x 4Umax)


22

-cu axa Ox: (S

Si RR

RU+

, 0);

-cu axa Oy: (0, R

U i ) Dac RS=const.; tg = R RS = const. i la variaia tensiunii Ui dreapta de sarcin se

deplaseaz paralel cu ea nsi. Punctul P este punctul de funcionare stabil PFS.

2.3.3. Alte aplicaii ale diodelor semiconductoare n continuare sunt prezentate cteva dintre aplicaiile diodelor semiconductoare i

anume utilizarea lor n circuite electronice de limitare, formatoare de impulsuri i pentru refacerea componentei continue a unui semnal rectangular.

2.3.3.1. Circuite de limitare Se mai numesc i limitatoare de amplitudine deoarece limiteaz tensiunea de ieire la

anumite valori precizate. n (fig. 2.16) este prezentat schema unui limitator superior cu diod. Semnalul de intrare este o tensiune sinusoidal Ui.

Pentru nelegerea funcionrii se nlocuiete dioda cu modelul su (rezistena dinamic n serie cu o surs de tensiune UD0 = 0,6 V). n (fig.2.16a) limita superioar este la aproximativ 0,6 V. n (fig. 2.16 b) limita superioar este extins prin nserierea cu dioda a unei tensiuni de referin furnizat de o surse de tensiune continu (expl.: pentru o surs de 5 V rezult o limitare superioar de aprox. 5,6 V). De asemenea aceast tensiune de referin poate fi obinut de pe un divizor de tensiune.

Circuitul prezentat este un limitator unilateral. Pentru a se obine un limitator bilateral , adic pentru limitarea superioar i inferioar la anumite tensiuni se folosete o diod stabilizatoare .(fig. 2.17)

Pentru scderea limitei inferioare se introduce n serie i n opoziie cu dioda stabilizatoare o a doua diod stabilizatoare. Astfel se poate obine un limitator simetric.

Ui Uo

R

a)

-UD0

b)

Uo

Ui

UZ0

UZ0

c)

t

Ui U0

-UD0

UZ0

Fig. 2.17 Circuit limitator bilateral cu diod Zener

R R Ui

Ui t Uo

a)

Uo Ui 5 V

b)

Uo

Ui

UD0

UD0

c)

U0

d) Fig. 2.16 Circuit limitator cu diod a). extinderea limitei superioare b). caracteristica de transfer c). forme de und d)


23

n (fig. 2.18) este prezentat schema unui astfel de limitator. Acesta se folosete la protejarea instrumentelor de msur i a intrrii amplificatoarelor cu amplificare mare.

2.3.3.2. Circuite formatoare de impulsuri n practic diodele se mai folosesc n circuite formatoare de impulsuri, cu ajutorul

crora se obin impulsuri ascuite, pozitive pentru fiecare front cresctor al unui semnal rectangular de intrare. (fig. 2.19)

Circuitul este format dintr-un derivator (filtrul RC trece-sus). Dac se mai monteaz i o diod cu catodul spre U2, aceasta va lsa s treac numai impulsurile negative. Amplitudinea impulsurilor la ieirea acestor circuite este cu aproximativ 0,6 V mai mic dect a impulsurilor de intrare datorit cderilor de tensiune pe diode.

2.3.3.3. Circuite pentru refacerea componentei continue n (fig. 2.20) este prezentat un circuit cu diod folosit pentru obinerea unui tren de

impulsuri cu o valoare medie pozitiv U0, dintr-un tren de impulsuri aplicat la intrare care este axat fa de zero Ui.

Dac se inverseaz polaritatea diodei D, se obine la ieire un tren de impulsuri cu o valoare medie negativ. (Expl.: D = 1N4148; C = 0,1 F). Valoarea medie este dependent de amplitudinea semnalului de la intrare.

0

U2

0 US

t

t

b) Fig. 2.19 Circuit formator de impulsuri

Ui US R

D

C

U2

Ui Uo

R

D1 D2

Fig. 2.18 Limitator simetric cu diode

RS

a)

Ui D

C

U0 t

Fig. 2.20 Circuit pentru refacerea componentei continue a unui semnal


24

3. TRANZISTORUL BIPOLAR

Tranzistorul bipolar (TB) a fost descoperit n anul 1948. Spre deosebire de diod care este un element pasiv, TB este un element activ deoarece permite realizarea funciei de amplificare.

3.1. Structura i funcionarea TB Este un dispozitiv electronic cu trei terminale: emitor (E), baz (B) i colector (C).

Structural este format din trei zone semiconductoare, dopate diferit cu purttori de sarcin (pozitivi i negativi). Zona central baza este mult mai subire n comparaie cu celelalte dou regiuni (aprox. 1m). n funcie de poziionarea acestor zone, tranzistoarele sunt de dou categorii: de tip npn i de tip pnp. (fig. 3.1.a i b)

Cele trei zone sunt separate de dou jonciuni, jonciunea emitor-baz (jBE) i jonciunea colector-baz (jBC). Astfel structura tranzistorului poate fi reprezentat prin dou diode montate n opoziie. (fig. 3.2)

Aceast structur este util n cazul testrii tranzistoarelor, identificrii bazei i stabilirii tipului acestora cu ajutorul unui ohmetru.

Totui funcionarea tranzistorului ca dispozitiv electronic este diferit de cea a dou diode montate n opoziie; funcionarea se bazeaz pe efectul de tranzistor.

Dac se consider un tranzistor de tip npn polarizat conform (fig. 3.3). Tensiunea EC>EB. Cele dou zone ale emitorului i colectorului sunt puternic dopate cu impuriti de tip n (donoare de electroni). Regiunea bazei este slab dopat cu impuriti de tip p (acceptoare de electroni). Cmpul electric creat de sursa EB injecteaz electroni din emitor n regiunea bazei, la fel ca n cazul unei diode polarizat direct. Datorit ngustimii i a slabei dopri a bazei, puini electroni liberi injectai din emitor se recombin n baz, cei mai muli difuznd n zona colectorului. Jonciunea CB nu se comport ca o diod, ci las s treac un curent important spre

B

C

E pnp

B

C

E npn

Fig. 3.2 Structura tranzistorului cu dou diode n opoziie

Fig. 3.1 Structura i simbolul tranzistoarelor npn (a), pnp (b) i identificarea terminalelor pentru capsula TO-92 plastic


25

colector, curent de electroni liberi (curentul de colector). Acesta este n principal efectul de tranzistor sau de baz subire.

Electronii recombinai n baz ar duce treptat la negativarea acesteia i deci la modificarea polarizrii jonciunii EB. Acest lucru nu se ntmpl deoarece plusul sursei EB va furniza continuu cte un gol care va compensa electronul fixat n baz prin recombinare. Astfel prin terminalul bazei circul permanent un curent de goluri (curentul de baz).

Datorit faptului c funcionarea tranzistorului se bazeaz pe circulaia celor dou tipuri de purttori de sarcin (electroni-purttori negativi-curent de colector i goluri-purttori pozitivi-curent de baz) tranzistorul se numete bipolar.

n mod normal jonciunea emitor-baz este polarizat direct, iar jonciunea colector-baz este polarizat invers. Se spune c tranzistorul bipolar este polarizat n regiunea activ normal (RAN) i funcioneaz ca amplificator. Cu ajutorul unui curent de baz mic se poate comanda un curent de colector mare.

3.2. Relaii fundamentale; modelul static al TB n (fig. 3.3) este prezentat simbolul unui tranzistor de tip npn, mpreun cu notaiile

referitoare la cureni, poteniale i tensiuni.

Cu notaiile din figur, mrimile care caracterizeaz funcionarea tranzistorului npn sunt:

-VE, VB, VC sunt potenialele emitorului, bazei i colectorului fa de un potenial de referin (masa circuitului);

-IE, IB, IC sunt curenii prin terminalele emitorului, bazei i colectorului; -UBE, UBC, UCE sunt tensiunile dintre terminale, exprimate prin relaiile:

=

=

=

ECCE

CBBC

EBBE

VVUVVUVVU

(3.1)

n simbolul tranzistorului, printr-o sgeat este indicat sensul real al curentului de emitor, atunci cnd acesta funcioneaz n regiunea activ.

Curentul de emitor IE se datoreaz electronilor injectai din emitor n baz i conform conveniei prin care s-a ales ca sens al curentului sensul de micare al purttorilor pozitivi de sarcin (golurile), deci sensul opus micrii electronilor, curentul iese din emitor.

* Conform acestei convenii, un curent are sensul de la un potenial mai ridicat ctre un potenial mai sczut, dei electronii circul n sens invers.

Curentul de colector IC este dat de electronii care, datorit bazei subiri au trecut din baz n colector. (la fel sensul este contrar deplasrii electronilor)

C

E

B

IC

IB

IE

UCE UBE

VB VE

VC

Fig. 3.3 Simbolul i notaiile mrimilor curenilor i tensiunilor pentru tranzistorul npn


26

Curentul de baz IB este format din golurile care nlocuiesc electronii care se recombin i se fixeaz n baz. Curenii de baz i colector intr n tranzistor. Astfel dac se consider tranzistorul ca un nod i se scrie T1K rezult:

CBE III += (3.2)

Dac se definete ctigul static n curent sau raportul static de transfer al curentului h21E sau prin relaia:

B

CE I

Ih == 21 (3.3) Acest parametru se mai noteaz cu hFE sau F i se numete factor de amplificare n

curent continuu (DC current gain) i are valori uzuale cuprinse ntre 10..1000. Rezult:

BC II = (3.4) Se observ c n colector tranzistorul se comport ca un generator de curent la care

curentul de colector este comandat (este dependent) de curentul de baz. nlocuind n (3.2) rezult c:

)1( +=+= BBBE IIII (3.5)

n practic se poate aprecia c: EC II (3.6)

Cum jonciunea emitor-baz se comport ca o diod i dac se nlocuiete dioda cu modelul su pentru polarizare direct se obine modelul static pentru tranzistorul funcionnd n regiunea activ (fig. 3.4):

Tensiunea UBE este de 0,6 V n cazul tranzistoarelor cu siliciu. n cazul tranzistoarelor pnp se schimb sensurile curenilor i tensiunilor precum i sensul diodei i al tensiunii UBE.

3.3. Conexiunile i caracteristicile TB Dac se privete un tranzistor ca un diport (cuadripol), acesta poate lucra n trei tipuri de

conexiuni i anume: -conexiunea emitor comun (EC): -mrimi intrare (IB, UBE); -mrimi ieire (IC, UCE) (fig. 3.6 a); -conexiunea baz comun (BC): -mrimi intrare (IE, UBE); -mrimi ieire (IC, UCB) (fig. 3.6 b); -conexiunea colector comun (CC): -mrimi intrare (IB, UBC); -mrimi ieire (IE, UEC) (fig. 3.6 c).

E

B C IB IC

IE

IB

a)

UBE0

E

B C

IE

IB IC IB

b) Fig. 3.4 Modelul static pentru tranzistorul npn


27

Terminalul comun aparine att circuitelor de intrare ct i circuitelor de ieire. Semnalul (tensiunea) de intrare se aplic prin partea stng, iar cel de ieire se obine n partea dreapt.

n (fig. 3.5) sunt prezentate tipurile de conexiuni n care poate funciona un tranzistor npn. n cazul tranzistorului tip pnp se inverseaz sensurile tensiunilor i curenilor.

Pentru a aprecia comportarea n curent continuu a unui tranzistor bipolar trebuie trasate caracteristicile acestuia, n funcie de tipul conexiunii. Acestea sunt:

-caracteristici de ieire prezint dependena dintre mrimile de ieire; aceast dependen este parametrizat n funcie de una din mrimile de intrare; pentru fiecare valoare a parametrului rezult o caracteristic, astfel nct n final rezult o familie de caracteristici. Aceste caracteristici de ieire fac parte din specificaiile de catalog ale tranzistoarelor.

Expl: -pt. conexiunea EC avem ctICEC BUfI == )( unde IB este parametru; -pt. conexiunea BC avem ctICBC EUfI == )( unde IE este parametru;

n (fig. 3.6) sunt prezentate caracteristicile de ieire ctICEC BUfI == )( pentru tranzistoare npn (a) respectiv pnp (b), n conexiune EC.

n cazul modelului idealizat din (fig. 3.6 b) curentul IC=IB nu depinde de tensiunea UCE i caracteristicile de ieire ar trebui s fie paralele cu axa tensiunilor. n realitate ele prezint o uoar cretere.

Caracteristicile sunt reprezentate n cadranul nti pentru tranzistorul de tip npn i n cadranul trei pentru tranzistorul de tip pnp. La tranzistorul pnp UCEIB1

IC

UCE

a) b)

Fig. 3.6 Caracteristici de ieire IC=f(UCE) cu IB parametru: a) pentru un transistor npn b) pentru un transistor pnp

Fig. 3.5 Conexiunile tranzistorului npn: EC-a, BC-b, CC-c

INTRARE

IE IC

UBC UBE

INTRARE INTRARE IEIRE IEIRE IE

IB

UBC

IEIRE

a) b) c)

UCE UEC

IC

IB

UBE


28

referin standardizat care spune c un curent este pozitiv dac intr n tranzistor i negativ dac iese. n cataloage se reprezint i caracteristicile de ieire pentru tranzistoarele pnp tot n cadranul nti deoarece sunt reprezentate n coordonate (-IC, -UCE).

-caracteristici de intrare prezint dependena dintre mrimile de intrare; aceast dependen este parametrizat n funcie de una din mrimile de ieire.

Expl: -pt. conexiunea EC avem ctUBEB BCUfI == )( unde UBC este parametru; -pt. conexiunea BC avem ctUCBE BCUfI == )( unde UBC este parametru;

n (fig. 3.7) este prezentat caracteristica de intrare pentru un transistor funcionnd n conexiunea EC. Aceasta este de fapt caracteristica unei diode semiconductoare.

3.4. Dreapta de sarcin static, punctul de funcionare static i regiunile de funcionare ale TB

Se consider tranzistorul npn funcionnd n conexiune EC prezentat n (fig. 3.8 a):

Pentru analiza comportrii tranzistorului se traseaz caracteristicile de ieire IC=f(UCE) . Sunt trasate trei caracteristici, pentru trei valori ale curentului de baz IB. Legtura impus de circuitul exterior mrimilor IC i UCE este dat de dreapta de sarcin care se obine scriind T2K n ochiul EC:

CECCC URIE += (3.7) Particulariznd ecuaia dreptei de sarcin (3.7) pentru UCE=0 i IC=0 se obin

interseciile cu axele (Oy) respectiv (Ox) (dreapta prin tieturi) (fig. 3.6 b).

IC

+EC

IC

RC RB

+EB IB

UCE

UBE

a) b) Fig. 3.8 Tranzistor npn n conexiune EC a) i aflarea punctului static de

funcionare PFS b)

IC

UCE 0

PFS

PFS1

PFS2

EC UCE0

IC0

EC/RC

IB0

IB1>IB0

IB2 UBC1

Fig. 3.7 Caracteristica de intrare n conexiunea EC


29

Punctul de funcionare static (PFS) de coordonate (UCE0, IC0) se obine la intersecia dintre dreapta de sarcin i caracteristica de ieire a tranzistorului.

Pentru a afla valoarea curentului de baz fixat se scrie T2K n ochiul bazei: BEBBB URIE += (3.8)

Rezult:

B

BEBB R

UEI = (3.9)

Unde UBE 0,6 V pentru tranzistoare cu siliciu. Se observ c dac se crete valoarea curentului de baz la IB1 > IB0 PFS se deplaseaz

spre stnga, n PFS1. Dac curentul de baz scade la IB2 < IB0 , PFS se deplaseaz, pe dreapta de sarcin spre dreapta-jos n PFS2.

Dac se iau dou puncte de pe dreapta de sarcin, se definete panta dreptei de sarcin astfel:

CC

c

RUI

tg 1=

= (3.10)

Analiznd caracteristicile de ieire din (fig. 3.9 a) se disting urmtoarele regiuni (zone) de funcionare distincte:

-regiunea de saturaie; -regiunea activ normal (RAN); -regiunea de blocare; -regiunea de strpungere n avalan. Se observ c pentru valori mici ale tensiunii UCE (


30

C

CCSatA R

EI 6,0= (3.11)

Curentul din baz pentru care se intr n saturaie va fi:

CSatA

BSatAII =

(3.12) La un tranzistor saturat tensiunile ntre terminale pot fi considerate neglijabile iar

curenii sunt practic fixai numai de circuitul exterior. Tranzistorul saturat poate fi astfel aproximat ca un scurtcircuit sau ca un comutator nchis.

Funcionarea tranzistorului n regiunea de blocare se caracterizeaz prin polarizarea invers a celor dou jonciuni (UBC


31

Instabilitatea PFS prin modificarea lui prin dispersie tehnologic

n (fig. 3.11) este prezentat schema de polarizare a bazei prin rezistena RB.

La proiectarea circuitului de polarizare se impune un anumit PFS pentru un tranzistor dat (IC=IC0 i UCE=UCE0). De exemplu pentru un tranzistor tip BC171 IC=IC0=2 mA i UCE=UCE0=5 V. Coeficientul =h21=125900 (n calcule se ia valoarea medie 500).

Pentru alegerea tensiunii continue de alimentare se pune condiia ca PFS s se afle la jumtatea RAN, pentru a asigura excursia simetric maxim a tensiunii de ieire UCE n jurul PFS dat de UCE0. Pentru aceasta alegem o surs cu tensiunea dubl tensiunii UCE0 :

02 CEc UE (3.15)

Cunoscnd EC i scriind T2K n circuitul colectorului rezult:

0

0

C

CECC I

UER = (3.16)

n mod analog, scriind T2K pentru circuitul bazei rezult:

0

0

B

BECB I

UER = (3.17)

Cum UBE0 EC i IC=IB rezult:

00 C

C

B

CB I

EIER = (3.18)

Astfel a fost proiectat circuitul de polarizare al tranzistorului care asigur funcionarea cu =500 n PFS impus. Se pune ntrebarea ce se ntmpl n cazul n care, datorit dispersiei tehnologice valoarea ia o alt valoare?

Din relaia (3.16) , impunnd rezistena de polarizare a bazei RB rezult c circuitul exterior fixeaz curentul de baz la valoarea constant:

.0 ctREI

B

cB = (3.19)

Dac se folosesc alte tranzistoare de acelai tip dar avnd diferit, ecuaia pentru UCE0 va fi (din relaia 3.16):

==

B

CCCBCCE R

RERIEU 100 (3.20) i se vor obine alte PFS deplasate, astfel nct excursia de tensiune se micoreaz.

+EC

RC

UCE

UBE

+EC

RC RB

UCE

UBE

IB

Fig. 3.11 Schema de polarizare pentru tranzistorul npn


32

Deci n cazul circuitului de polarizare prezentat, PFS este puternic dependent de factorul al tranzistorului. n (fig. 3.12) este prezentat schema de polarizare a bazei cu stabilizarea

parial a PFS.

Se parcurg aceiai pai ca n cazul precedent (se impune PFS, se alege , se stabilete tensiunea sursei de alimentare), se calculeaz rezistenele de polarizare cu formulele:

0

0

00

0

C

CEC

BC

CECC I

UEII

UER +

= (3.21)

i

0

000

0

00

C

CECCE

B

BECEB I

UI

UI

UUR

=

= (3.22)

Din relaia (3.22), fixnd valoarea rezistenei RB se calculeaz valoarea curentului prin baz la funcionarea tranzistorului n PFS cu formula:

B

CE

B

BECEB R

UR

UUI 0000

= (3.23)

Se observ c n acest caz, curentul de baz nu este fixat ci este dependent de tensiunea colector emitor n PFS, U0CE .

Dac se exprim U0CE din (3.21) i folosind (3.23) rezult:

B

CECCBCCCCCCE R

UREIREIREU0

000===

B

C

CCE

RR

EU+

=

10

(3.24)

Dac se nlocuiete cu valori egale cu cele din exemplul precedent de polarizare, PFS se deplaseaz, dar cu o valoare mai mic (reflectat prin modificarea tensiunii U0CE ).

Stabilizarea PFS se realizeaz prin urmtorul lan cauzal: Dac

=h21 I0C U0CE I0B I0C (3.3) (3.23) (3.3) (3.22)

Fig. 3.12 Schema de polarizare cu stabilizare parial a PFS

RB

+EC

UCE

UBE

+EC

RC

UCE

UBE

IB


33

Astfel prin reacia negativ n curent continuu are loc o compensare a modificrii factorului care iniial duce la creterea curentului I0C pentru ca, n final curentul I0C s scad.

n (fig. 3.13 a) este prezentat schema de polarizare a bazei cu stabilizarea total a PFS. Pentru polarizarea bazei se folosete divizorul rezistiv format din rezistenele RB1, RB2. Dac se scrie ecuaia dreptei de sarcin static a tranzistorului:

CECECC URRIE ++= )( (3.25)

Aceast dreapt este trasat prin tieturi n (fig. 3.13 b): -pentru UCE=0 rezult

CE

CC RR

EI+

= ;

-pentru IC=0 rezult UCE = EC

Pentru a asigura o excursie simetric a tensiunii de ieire UCE se alege PFS la mijlocul RAN. Acest lucru se traduce prin urmtoarele dou condiii:

CCE EU = 210

(3.26)

CE

CC RR

EI+

=

210

(3.27)

Dac ne propunem proiectarea circuitului trebuie parcurse etapele:

Etapa 1: Se alege tipul tranzistorului, de exemplu BC 171.

Etapa 2: Se impune poziia PFS prin (U0CE , I0C ). (Expl: U0CE =5 V i I0C=2 mA)

Etapa 3: Folosind (3.26) se alege sursa de alimentare:

02 CEC UE = (3.28)

+E

RB1

RB2

UCE

RC

IB IC

RE

U0CE

I0C

0

IC [mA]

UCE [V]

PFS UBE0

+EC

RC

RE

RB IB EB

IB

a) b) c) Fig. 3.13 Schema de polarizare cu stabilizare total a PFS a), dreapta de sarcin b),

circuitul echivalent (modelul tranzistorului) c)


34

(Expl: EC=10 V) Folosind (3.27) se obine suma RE+RC :

02 CC

CEI

ERR

=+ (3.29)

(Expl: RE+RC=2,5 k)

Etapa 4: Pentru alegerea rezistenei RE se alege potenialul emitorului VE de aprox. 1 V. Un

potenial VE prea mic sensibilizeaz PFS cu temperatura (datorit UBE0), n timp ce un potenial prea mare limiteaz excursia tensiunii de ieire UCE.

0C

E

E

EE

IV

IVR =

(3.30)

(Expl: RE=1V/2mA=0,5k)

Etapa 5: Se calculeaz potenialul bazei cu formula:

BEEB UVV += (3.31) (Expl: VB=1+0,6=1,6 V)

Etapa 6: Se calculeaz valoarea maxim a curentului de baz care s-ar obine pentru min al

tranzistorului. n exemplul considerat, pentru BC171 min este 125 i rezult: AII CB 16125

00

max ==

Etapa 7: Baza tranzistorului este polarizat prin divizorul format din RB1 i RB2. Pentru ca

potenialul bazei s fie independent de curentul din baz se alege un curent prin divizor egal cu: 0

max10 Bdiv II = (3.32) (Expl: Idiv=0,16mA) n acest caz potenialul bazei va fi calculat cu formula:

21

2

BB

BCB RR

REV+

= (3.33)

Etapa 8: Se determin rezistenele care formeaz divizorul bazei cu formulele:

div

BB I

VR =2 (3.34)

div

BC

Bdiv

BCB I

VEII

VER +

= 01 (3.35)

(Expl: RB2=1,6V/0,16mA=10k i RB1=(10-1,6)/0,16mA=52,5k)

Valorile rezistenelor se aleg din valorile normalizate (Expl: 10k i 51k). Diferenele fa de valorile calculate, toleranele acestora i faptul c nu s-a inut cont de UCEsat face ca PFS s nu fie chiar n centrul RAN.

Se observ c pentru Idiv 10 IB , PFS nu depinde de al tranzistorului.


35

Dac se cunosc elementele circuitului (EC, RB1, RB2, RC, RE) se poate face analiza circuitului. Acest lucru nseamn determinarea PFS. Pentru aceasta:

-din (3.31) se calculeaz VB; -din (3.30) se calculeaz VE; -se calculeaz:

E

EC R

VI =0

-se calculeaz: )(00 CECCCE RRIEU +=

Instabilitatea PFS prin modificarea parametrilor tranzistorului datorit temperaturii Parametrii tranzistorului care sunt dependeni de temperatur sunt: -ctigul de curent =h21 crete odat cu creterea temperaturii; -tensiunea 0BEU scade cu 2,5 mV/C; -curentul rezidual de colector ICB0 (este curentul invers al jonciunii CB dac emitorul

este n gol) crete cu temperatura;

3.6. Comportarea TB la semnal mic. Modele dinamice Comportarea TB la semnal mic intereseaz n special la studiul amplificatoarelor.

Semnal mic nseamn variaiile mici ale mrimilor n jurul valorilor ce caracterizeaz PFS.

Parametrii importani care caracterizeaz comportarea TB la variaii mici sunt:

1. Ctigul n curent la variaii mici h21e (msurat cu tranzistormetrul)

bv

cv

B

ce i

iIIh =

=21 (3.36)

Acest parametru se mai noteaz cu hfe i se numete factor de amplificare n curent alternativ (AC current gain) i are valori uzuale mai mari dect hFE = h21E .

Definiia acestui parametru este ilustrat n (fig. 3.14) pentru un = 500.

2. Impedana de intrare h11e Dac semnalul de intrare se aplic ntre BE atunci tranzistorul se poate afla fie n

conexiunea BC, fie n conexiunea EC (fig. 3.15); n prima variant impedana de intrare h11e este vzut dinspre emitor, iar n a doua variant dinspre baz.

IC[mA]

IB[A] 5

10

IC IB

Fig. 3.14 Dependena curentului de colector de curentul bazei h21e


36

Tranzistorul funcioneaz n PFS i i se aplic un semnal de variaii mici n jurul acestui PFS. Pentru conexiunea BC, rezistena (impedana) vzut va fi:

][25mAIi

u

IU

rEev

bev

E

BEe =

= (3.37)

Pentru conexiunea EC (cum ievicv , se nmulete i se mparte cu aceti cureni) impedana de intrare va fi :

ee

ev

bev

bv

cv

ev

cv

bv

bev

B

BEe rhi

u

ii

ii

iu

IUh ==

= 2111 (3.38)

Dac pentru regimul static relaia dintre cureni este: BCE III +=

Pentru regimul de semnal mic devine: bvebvbvebvcvev ihiihiii +=+= 2121 (3.39)

Sintetiznd relaiile ntre variaiile de tensiune i curent rezult:

-Din bv

cve i

ih =21 rezult: bvecv ihi = 21 (surs de curent) (3.40)

-Din bv

beve i

uh =11 rezult: bvebev ihu = 11 (3.41)

- cvbvev iii += (3.42)

Dac se reprezint ultimele trei relaii sub form de circuit se obine modelul n parametri h simplificat al tranzistorului bipolar (fig. 3.16):

Astfel TB este un dispozitiv electronic comandat n curent, generatorul de curent variabil din colector fiind dependent (comandat) de curentul din baz (de intrare).

Dac se exprim curentul colectorului n funcie de tensiunea variabil de intrare se obine:

E

iev

B ibv icv

C

h21eibv h11e

Fig. 3.16 Modelul dinamic n parametri h simplificat pentru TB

UBE

BC

UBE

EC

Fig. 3.15 Impedana de intrare h11e vzut dinspre emitor (BC) sau dinspre baz (EC)


37

bevmbeve

e

e

bevebvecv uguh

hhuhihi ====

11

21

112121 (3.43)

Parametrul mg se obine din relaia:

ebev

cv

bv

bevbv

cv

e

em

ru

i

iu

ii

hhg 1

11

21==== (3.44)

i se numete transconductan (este inversa rezistenei re). nlocuind n (fig. 3.16) se obine modelul simplificat al tranzistorului bipolar (fig.

3.17):

Modelul n simplificat poate fi completat (adaptat) pentru a descrie comportarea TB la nalt frecven.

Pentru semnale de amplitudine mic se consider TB ca un cuadripol liniar (fig. 3.18):

Comportarea tranzistorului la semnal mic poate fi descris prin relaiile liniare ntre curenii i tensiunile de intrare, respectiv ieire:

+=

+=

cevebvecv

cevebvebevuhihiuhihu

2221

1211 (3.45)

sau matricial:

cev

bv

ee

ee

cv

bevu

ihhhh

iu

=

2221

1211 (3.46)

Folosind aceste ecuaii se poate desena pentru TB modelul n parametri h complet (fig. 3.19):

ibv

icv

ubev ucev

cuadripol

Fig. 3.18 TB privit ca un cuadripol

E

icv

Fig. 3.17 Modelul dinamic n simplificat pentru TB

iev

B ibv

C

gmubev h11e

ubev


38

Indicele e vine de la conexiunea emitor comun; pentru baz comun se folosete b iar pentru colector comun litera c. Indicii numerici vin de la numrul liniei i coloanei respective.

Litera h vine de la hibrid i sugereaz faptul c fiecare parametru din cei patru are o alt dimensiune. Astfel:

-h11e are dimensiune de rezisten (Ohm, ); -h22e este admitan de ieire (Siemens, 1/); -h12e , h21e sunt parametri adimensionali.

Pentru ntocmirea schemei echivalente pentru semnal mic a TB se folosete circuitul din (fig. 3.20), fr a se mai figura i rezistenele de polarizare a bazei pentru ca TB s funcioneze n PFS.

Tensiunea de intrare uBE este format dintr-o component continu, corespunztoare PFS 0BEU i o component variabil ubev . Astfel pot fi scrise toate mrimile de intrare-ieire:

+=

+=

+=

+=

cvCC

cevCECE

bvBB

bevBEBE

iIi

uUu

iIi

uUu

0

0

0

0

(3.47)

Pentru ntocmirea schemei echivalente a funcionrii TB la semnal mic se elimin componentele continue ( 0000 ,,, CCEBBE IUIU ) i se pstreaz componentele variabile (

cvcevbvbev iuiu ,, ). Din punct de vedere grafic, n planul caracteristicilor de ieire se nlocuiete sistemul de

coordonate (iC, uCE) cu sistemul (icv, ucev) avnd originea n PFS. La ntocmirea schemei echivalente pentru semnal mic a TB se consider c sursele de

tensiune continu i condensatoarele reprezint scurtcircuite pentru semnale de variaii.

+EC

iB iC

uBE

uCE

RC

Fig. 3.20 TB n circuit EC

E

B ibv icv C

h21e ibv h11e

h12eucev

1/h22e

ucev ubev

Fig. 3.19 Modelul dinamic n parametri h complet pentru TB


39

n (fig. 3.21) este prezentat schema echivalent pentru circuitul de mai sus, TB fiind reprezentat prin modelul n parametri h complet.

Se observ conectarea rezistenei RC ntre colector i mas deoarece sursa EC este considerat un scurtcircuit (segment ngroat).

3.7. Funcionarea TB ca amplificator de semnal mic Se consider TB din circuitul de amplificare prezentat n (fig. 3.22). Pentru polarizarea

tranzistorului se folosesc rezistenele RB1, RB2 pentru baz, RC pentru colector i RE pentru emitor. Cu ajutorul acestor rezistene tranzistorul lucreaz n PFS caracterizat prin UCE0 i IC0.

Semnalul variabil aplicat la intrare este furnizat de o surs de semnal (tensiune) avnd rezistena intern Rg i tensiunea electromotoare eg. Acest semnal este aplicat sarcinii RS.

Condensatoarele C1 i C2 se numesc condensatoare de cuplaj deoarece permit trecerea semnalului variabil de la sursa de semnal la amplificatorul format din TB, respectiv de la amplificator la sarcin (valorile tipice sunt 0,1 F).

Condensatorul C3 se numete condensator de decuplare deoarece are rolul de decuplare (untare) a rezistenei RE n cazul semnalului variabil. Valoarea tipic este de 100 F.

Schema echivalent a circuitului se obine nlocuind tranzistorul cu modelul su n simplificat, cu sursa EC i C1...3 reprezentate ca scurtcircuite, cu linie groas (fig. 3.23).

+EC

RB1

RB2

uCE

RC

iB

RE

C2

C1

C3

iC

RS Rg

eg

ui

us

Fig. 3.22 TB amplificator cu stabilizarea PFS

E

B ibv icv C

h21e ibv h11e

h12eucev

1/h22e RC

ucev ubev

Fig. 3.21 Circuit cu TB n conexiune EC - Modelul dinamic n parametri h complet


40

Din schema echivalent se calculeaz rezistena de intrare vzut ntre baza tranzistorului i mas:

(3.48)

Rezistena de intrare vzut dinspre generatorul de semnal este:

|| || (3.49)

Unde RB se obine din rezistenele RB1 i RB2 n paralel. Amplificarea n tensiune este dat de relaia (se ine seama c ubev este egal cu ui) :

" # $%||&'()

$*||+' ,- (3.50)

Semnul minus din expresia amplificrii arat c semnalul de ieire, amplificat este n antifaz (defazat cu 180) fa de semnalul de intrare.

Se poate defini amplificarea n raport cu tensiunea eg a generatorului de semnal:

"( &. &.

&

. "

. (3.51)

Se observ c |Aug|


41

n acest caz, rezistena de intrare crete: $1 ' 9 (3.54)

" & ()%||&(): 9

%||&: (3.55)

Se observ c amplificarea nu depinde de gm , deci este eliminat aceast surs de distorsiuni. Dar acest lucru duce la scderea important a amplificrii.

Pentru a realiza un compromis ntre cele dou condiii (amplificare bun i distorsiuni reduse) se realizeaz o decuplare parial a rezistenei din emitor, prin cuplarea unei rezistene n serie cu condensatorul de decuplare.

3.8. Comportarea TB la nalt frecven La aplicarea unui semnal mic, tranzistorul rspunde instantaneu la variaiile semnalului.

n cazul n care crete frecvena, tranzistorul rspunde cu o anumit inerie la aceste variaii. Pentru descrierea comportrii la frecvene nalte se folosete modelul n completat cu dou capaciti echivalente Cbc i Cbe (fig. 3.25):

Capacitatea intrinsec baz-emitor Cbe determin scderea, la frecvene nalte a ctigului n curent pentru semnal mic. Pentru frecvene nalte, reactana capacitii Cbe unteaz rezistena de intrare h11e . Astfel pentru aceeai variaie a curentului de baz ibv variaia lui ubev scade. Ca urmare scade i variaia lui ;*< ,- 3=< , deci i ;*< ;=


42

4. TRANZISTORUL CU EFECT DE CMP (TEC)

Tranzistorul unipolar se mai numete i tranzistor cu efect de cmp (TEC). A aprut dup tranzistorul bipolar. Aceste tranzistoare sunt de dou tipuri: cu poart (gril) jonciune (TEC-J) i cu poart (gril) izolat , n structur metal-oxid-semiconductor (TEC-MOS). Practic se folosesc i denumirile din limba englez, respectiv: FET (Field-Effect Tranzistor), JFET i MOSFET.

Toate aceste dispozitive electronice sunt dispozitive unipolare deoarece funcionarea lor presupune un singur tip de purttori de sarcin.

4.1. Tranzistoarele TEC-J TEC-J se folosesc ca i componente distincte n circuite electronice de amplificare a

semnalelor mici de joas i nalt frecven, n domeniul HIFI datorit performanelor lor (impedan mare de intrare, liniaritate bun, nivel de zgomot redus). De asemenea se folosesc pe post de comutatoare de semnal analogic n circuite de eantionare-memorare (SH-Sample and Hold) sau la multiplexarea i demultiplexarea semnalelor analogice i generatoare de curent continuu fix.

La variaii mici de tensiune i curent se folosesc ca rezistene a cror valoare poate fi controlat de tensiunea gril-surs. Pentru puteri mari se folosete tranzistorul cu efect de cmp cu poart izolat TEC-MOS.

4.1.1. Structura i funcionarea TEC-J La TEC-J canalul este realizat n volumul semiconductorului de siliciu. Exist dou

tipuri de TEC-J i anume: canal n i canal p. Simbolurile lor sunt prezentate n (fig. 4.1).

O structur de TEC-J canal n este artat n (fig. 4.2) i aceasta va fi analizat n continuare. Dac se inverseaz tipurile de semiconductor pentru fiecare zon se obine un TEC-J cu canal p.

Fig. 4. 2 Structura unui tranzistor TEC-J canal n a) i detaliu canal la VDS medii b)

Izolator (SiO2)

Terminale metalice

canal

Substrat Siliciu

a) b)

Fig. 4. 1 Simbolurile tranzistoarelor TEC-J


43

ntre contactele ohmice (terminale) surs (S) i dren (D) este realizat fizic un canal din siliciu de tip n . Lateral acestui canal sunt create dou jonciuni de tip p , una puternic dopat p+ numit gril (G) sau poart (P) i una mai puin dopat p- numit substrat (Sb) sau baz.

Conducia curentului se face de la surs ctre dren i se face de ctre un singur tip de purttori (electroni n acest caz). Pentru a ajunge la dren, curentul trece prin canalul n , ntre zona dopat p+ i zona dopat p-. n funcie de limea acestei zone, conducia este uoar sau mai dificil. Tensiunea aplicat ntre gril (zona p+) i substrat (zona p-) moduleaz conducia canalului i valoarea curentului dren-surs al TEC-J.

Este un dispozitiv electronic cu trei terminale (caz n care grila G i substratul Sb sunt conectate intern) sau cu patru terminale cnd exist acces la fiecare contact n parte G, S, D, Sb.

Pentru funcionare normal, cele dou jonciuni (legate mpreun) sunt polarizate invers, deci UGS


44

Se observ trei zone (regimuri) de funcionare i anume: -pentru UDS mici (ntre 300 mV) tranzistorul se comport ntre dren i surs ca o

rezisten liniar a crei valoare este controlat de UGS ; cele dou tensiuni UGS i UDS sunt aproximativ egale n zona M din figur, caracteristicile sunt drepte a cror pant este variabil, dependent de UGS; pentru UGS=0 se obine panta cea mai mare; ca aplicaii ale funcionrii n zona liniar a caracteristicii, TEC-J se folosete ca rezisten variabil n atenuatoare controlate n tensiune sau n circuite pentru reglarea automat a amplificrii (RAA);

-pentru UDS de valori medii funcionarea este neliniar; zona N din figur, n care UGS i UDS nu mai sunt egale; acest regim nu are o aplicaie practic;

-pentru UDS UDssat tranzistorul se comport fa de dren ca un generator de curent constant ID comandat de tensiunea UGS i independent de tensiunea dren-surs UDS ; zona S din figur n care are loc saturaia curentului de dren al TEC-J; dac tensiunea UGS devine mai negativ dect o tensiune de prag Up (numit tensiune de blocare gril-surs) atunci tranzistorul se blocheaz i curentul de dren ID devine nul.

Imaginea grafic a dependenei neliniare dintre curentul din dren ID i tensiunea gril-surs UGS, pentru parametrul UDS constant se numete caracteristica de transfer (fig. 4.5):

D ?$E+'|D+ F5G (4.2)

Relaia aproximativ pentru caracteristica de transfer n regiunea de saturaie va fi :

D D++ H1 I&J K (4.3)

pentru: L M E+ M 0

Tensiunea de prag UP crete n modul odat cu creterea temperaturii. Valoarea maxim pe care o poate atinge curentul de dren se noteaz cu IDSS i se

numete curent de dren de saturare i se obine pentru UGS=0 i UDS>|UP| (este notat n cataloage).

4.1.2. Tranzistoarele TEC-J. Aplicaii n continuare vor fi prezentate cteva din schemele folosite n aplicaiile cu tranzistoare

TEC-J. Acestea ilustreaz funcionarea n zonele (regimurile) de funcionare ale tranzistorului prezentate mai nainte.

UGS0

Fig. 4.5 Caracteristica de transfer a unui TEC-J canal n

ID[mA]

UGS[V]

IDSS

UP

ID0

UGS=-IDRS


45

4.1.2.1. Divizor rezistiv controlat n tensiune n (fig. 4.6) este prezentat schema n care tranzistorul este folosit ca o rezisten

variabil, controlat de o tensiune de comand Ucda (zona M din fig. 4.4). Circuitul reprezint un divizor al semnalului de intrare ui ntr-un raport controlat de aceast tensiune de comand.

Dac se noteaz rezistena echivalent ntre dren-surs cu R=R(Ucda), din relaia divizorului rezult valoarea raportului de divizare a tensiunii:

N $OPQ'

$OPQ' (4.4)

Pentru UGS=0 raportul k are cea mai mic valoare, deci uie este o parte mic din ui. Pentru UGS=UP raportul k tinde spre valoarea maxim, egal cu 1, deci uie =ui.

4.1.2.2. Sursa de curent constant n (fig. 4.7) este prezentat schema de principiu n care tranzistorul TEC-J este folosit ca

surs de curent constant (zona S din fig. 4.4).

Rezistena RS se folosete pentru negativarea grilei fa de surs, astfel nct:

E+ D + (4.5)

PFS caracterizat prin (ID0, UDS0) se poate determina fie grafic, la intersecia dreptei exprimat prin ecuaia (4.5) cu caracteristica de transfer dat de ecuaia (4.3) fie analitic prin rezolvarea sistemului format din cele dou ecuaii.

4.1.2.3. Repe

Documents

Dispozitive Electronice Si Circuite Analogice