null

Comments

Transcription

null
‫הרצאה ‪ – 7‬טרנזיסטור ביפולרי ‪BJT‬‬
‫תוכן עניינים‪:‬‬
‫‪ .1‬טרנזיסטור ביפולרי ‪ :BJT -‬מבנה‪ ,‬זרם‪ ,‬תחומי הפעולה‪.‬‬
‫‪ .2‬מודל‪) EBERS- MOLL :‬אברס‪-‬מול(‪.‬‬
‫‪ .3‬תחומי הפעולה של הטרנזיסטור‪.‬‬
‫‪ .1‬טרנזיסטור ביפולרי ‪.BJT -‬‬
‫• מבנה‪:‬‬
‫‪NPN‬‬
‫‪PNP‬‬
‫‪C‬‬
‫‪C‬‬
‫‪N‬‬
‫‪P‬‬
‫‪N‬‬
‫‪B‬‬
‫‪P‬‬
‫‪N‬‬
‫‪P‬‬
‫‪E‬‬
‫‪E‬‬
‫‪C‬‬
‫‪B‬‬
‫‪C‬‬
‫‪B‬‬
‫‪B‬‬
‫‪E‬‬
‫‪E‬‬
‫• זרם הטרנזיסטור הביפולרי‪:‬‬
‫‪NPN‬‬
‫‪C‬‬
‫‪PNP‬‬
‫‪IC‬‬
‫‪E‬‬
‫‪IB‬‬
‫‪IE‬‬
‫‪B‬‬
‫‪E‬‬
‫‪IE‬‬
‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬
‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬
‫‪IB‬‬
‫‪B‬‬
‫‪IC C‬‬
‫‪2011‬‬
‫עמוד מס' ‪ 1‬מתוך ‪9‬‬
‫‪2011‬‬
‫הרצאה מס' ‪7‬‬
‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬
‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬
‫ בדר”כ הזרם זורם בטרנזיסטור בכל ההדקים‪ ,‬שלא כמו ב – ‪.MOSFET‬‬‫ עיקר הזרם הוא בין ה‪ C -‬ל‪.E-‬‬‫ ע"י זרם הבסיס שולטים על הזרמים האחרים למשל‪:‬‬‫‪I c ≅ β ⋅ I B + ( β + 1) ⋅ I CB 0 ≈ β ⋅ I B‬‬
‫כאשר‪. β ~ 10 2 :‬‬
‫‪ = I CB 0‬זרם זליגה בין ‪ C‬לבין ‪ B‬כאשר ‪ E‬מנותק‪.‬‬
‫ובהתאמה ‪ = I CE 0‬זרם זליגה בין ‪ C‬לבין ‪ E‬כאשר ‪ B‬מנותק‪.‬‬
‫כאן מתבטא ההבדל בין טרנזיסטור ‪ MOS‬לטרנזיסטור הביפולרי‪ .‬בטרנזיסטור‬
‫‪ MOS‬תנודות קטנות במתח ה – ‪ G‬יצרו ושינו את הזרם‪ .‬בטרנזיסטור הביפולרי יש‬
‫צורך בזרם דרך ה‪ B -‬ע"מ ליצור זרם דרך הטרנזיסטור‪.‬‬
‫המחשה‪:‬‬
‫‪U‬‬
‫‪U‬‬
‫‪U‬‬
‫‪U‬‬
‫‪IC‬‬
‫‪IB‬‬
‫‪IE‬‬
‫ב‪ PNP -‬הזרימות הן הפוכות‪.‬‬
‫מתקבל כי ב‪ NPN -‬ו‪ ,PNP -‬הזרם באמיטר הוא הגדול ביותר מבין השלושה‪,‬‬
‫ומתקיים‪. I E = I C + I B :‬‬
‫‪ .2‬מודל‪EBERS- MOLL :‬‬
‫במודל זה )בלבד( נניח כי זרמים נכנסים נחשבים חיוביים‪.‬‬
‫‪U‬‬
‫‪αF IF‬‬
‫‪U‬‬
‫‪αR IR‬‬
‫‪C‬‬
‫‪E‬‬
‫‪IF‬‬
‫‪IR‬‬
‫‪B‬‬
‫ ‪ . I F = − I E‬ע"מ לא להכניס מינוס‪ ,‬הופכים את מקור הזרם‪.‬‬‫ הטרנזיסטור הוא לא רק שתי דיודות המחוברות גב אל גב‪ ,‬אלא מקיים גם‬‫תלות בין הדיודות‪ .‬תלות זו מתבטאת ע"י המקורות התלויים‪.‬‬
‫עמוד מס' ‪ 2‬מתוך ‪9‬‬
‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬
‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬
‫‪ -‬מתקיים‪:‬‬
‫‪1 > α F ,α R > 0‬‬
‫‪2011‬‬
‫הרצאה מס' ‪7‬‬
‫) סדר גודל של ‪.( α R ~ 0.3 , α F ~ 0.99‬‬
‫‪ .3‬תחומי הפעולה של הטרנזיסטור‪:‬‬
‫מצב הולכה‬
‫ממתחי הדיודות ‪NPN‬‬
‫קטעון‬
‫‪ BC , BE‬בממתח אחורי‪.‬‬
‫פעיל קדמי‬
‫‪ BE‬בממתח קדמי‪.‬‬
‫‪ BC‬בממתח אחורי‪.‬‬
‫רוויה‬
‫‪ BC , BE‬בממתח קדמי‪.‬‬
‫פעיל אחורי‬
‫‪ BE‬בממתח אחורי‪.‬‬
‫‪ BC‬בממתח קדמי‪.‬‬
‫לכאורה הטרנזיסטור סימטרי וניתן להפוך תפקידים‪ ,‬אך משמעות הדבר הינה גם‬
‫להפוך את תפקידי ‪ − α F‬ו‪ . α R‬מכיוון שראינו כי ‪ , α R < α F‬נובע מכך שההתנהגות‬
‫שונה‪ .‬בנוסף‪ ,‬לקולקטור מבנה גדול יותר לפיזור חום בהשוואה לאמיטר‪.‬‬
‫• פעיל קדמי‪:‬‬
‫ ‪ BE‬בממתח קדמי ולכן‪:‬‬‫‪I‬‬
‫‪qVBE‬‬
‫‪KT‬‬
‫=‪I‬‬
‫‪I ES ⋅ e‬‬
‫‪E‬‬
‫•‬
‫‪V‬‬
‫נקרב את ההתנגדות על פי משיק לעקום )זהו ערך נמוך להתנגדות לאות קטן(‪.‬‬
‫ ‪ BC‬בממתח אחורי ולכן‪:‬‬‫‪I‬‬
‫•‬
‫‪V‬‬
‫כאן ההמשך הוא כמעט אופקי‪ ,‬ולכן הערך של ההתנגדות לאות קטן גבוה מאוד‪.‬‬
‫עמוד מס' ‪ 3‬מתוך ‪9‬‬
‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬
‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬
‫‪U‬‬
‫‪2011‬‬
‫הרצאה מס' ‪7‬‬
‫מעגל תמורה ‪T‬‬
‫ע"י שינויים במודל אברס מול נקבל‪:‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪E‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪αF IE‬‬
‫‪C‬‬
‫‪iC‬‬
‫‪rC‬‬
‫‪re‬‬
‫‪iB‬‬
‫‪ie‬‬
‫‪B‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪‬‬
‫‪K ⋅T‬‬
‫= ‪‬‬
‫‪q ⋅ IE‬‬
‫‪‬‬
‫) םוחתב‬
‫ליעפה(‬
‫הרומת לגעמ‬
‫גוסמ‪T‬‬
‫‪ ∂I‬‬
‫‪=  E‬‬
‫‪ ∂VBE‬‬
‫‪∂V‬‬
‫‪re = BE‬‬
‫‪∂I E‬‬
‫∆‬
‫‪VBC = const‬‬
‫∞=‬
‫‪VBE = const‬‬
‫‪∂VBC‬‬
‫‪∂I C‬‬
‫= ‪rc‬‬
‫הערות לגבי מעגל התמורה מסוג ‪:T‬‬
‫‬‫‬‫‬‫‪-‬‬
‫השארנו את ‪ α F ⋅ I F‬מכיוון ש ‪ I F -‬גדול )ממתח קדמי( והזנחנו את‬
‫‪ α R ⋅ I R‬מכיוון ש ‪ I R -‬קטן מאוד )זרם זליגה(‪.‬‬
‫נזכור כי ‪ I F = − I E‬ולכן ‪ . −α F ⋅ I E = α F ⋅ I F‬ע"מ לא להכניס מינוסים הפכנו‬
‫את כיוון מקור הזרם‪.‬‬
‫צומת ‪ BE‬קדימה‪ ,‬לכן ניתן להחליפו בנגד קטן ‪. re‬‬
‫צומת ‪ BC‬אחורה‪ ,‬לכן ניתן להחליפו בנגד גדול ‪. rc‬‬
‫• תחום פעיל קדמי‬
‫‪U‬‬
‫מתחי טרנזיסטור ‪NPN‬‬
‫מתחי טרנזיסטור ‪PNP‬‬
‫זרמים )בהזנחת זליגות(‬
‫‪VBE = VBE ,ON‬‬
‫‪VEB = VEB ,ON‬‬
‫‪Ic ≈ βF ⋅ I B ≈ α F ⋅ I E‬‬
‫‪VCE > VCE , sat‬‬
‫‪VEC > VEC , sat‬‬
‫‪I E ≈ (1 + β ) ⋅ I B‬‬
‫עמוד מס' ‪ 4‬מתוך ‪9‬‬
‫‪2011‬‬
‫הרצאה מס' ‪7‬‬
‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬
‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬
‫• תחום הקטעון‪:‬‬
‫במצב זה שני הצמתים בממתח אחורי‪.‬‬
‫‪U‬‬
‫‪U‬‬
‫מתחי טרנזיסטור ‪NPN‬‬
‫מתחי טרנזיסטור ‪PNP‬‬
‫זרמי הטרנזיסטור‬
‫‪VBE < VBE ,ON‬‬
‫‪VEB < VEB ,ON‬‬
‫זרמי זליגה בלבד‬
‫• תחום הרוויה‪:‬‬
‫במצב זה שני הצמתים בממתח קדמי‪.‬‬
‫‪U‬‬
‫‪U‬‬
‫מתחי טרנזיסטור ‪NPN‬‬
‫מתחי טרנזיסטור ‪PNP‬‬
‫זרמי הטרנזיסטור‬
‫‪VBE = VBE ,ON‬‬
‫‪VEB = VEB ,ON‬‬
‫‪IC < β F ⋅ I B‬‬
‫‪VCE = VCE , sat‬‬
‫‪VEC = VEC , sat‬‬
‫• תחום פעיל אחורי‪:‬‬
‫במצב זה ‪ BE‬בממתח אחורי ו‪ BC -‬בממתח קדמי‪.‬‬
‫‪U‬‬
‫‪U‬‬
‫מתחי טרנזיסטור ‪NPN‬‬
‫מתחי טרנזיסטור ‪PNP‬‬
‫זרמים )בהזנחת‬
‫זליגות(‬
‫‪VBC = VBC ,ON‬‬
‫‪VCB = VCB ,ON‬‬
‫‪I E ≈ β R ⋅ I B ≈ α R ⋅ IC‬‬
‫‪VCE < 0‬‬
‫‪VEC < 0‬‬
‫נזכיר‪:‬‬
‫‪-‬‬
‫‪β‬‬
‫‪1+ β‬‬
‫=‪, α‬‬
‫‪α‬‬
‫‪1−α‬‬
‫= ‪.β‬‬
‫ ‪ α‬למעשה קובע כמה מהזרם זורם מה‪ C -‬ל‪ E -‬כאשר היתרה זורמת דרך ה‪-‬‬‫‪ .B‬ככל ש‪ α -‬גדול יותר‪ ,‬עובר יותר זרם מה‪ C -‬ל‪ E-‬ומעט זרם יוצא ל‪.B -‬‬
‫ נקודת העבודה בטרנזיסטור ביפולרי הינה‪. (VCE , I C ) :‬‬‫• נבחן את חישובי ה‪ DC-‬בתחומי העבודה השונים‪.‬‬
‫עמוד מס' ‪ 5‬מתוך ‪9‬‬
‫‪2011‬‬
‫הרצאה מס' ‪7‬‬
‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬
‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬
‫א( פעיל‪:‬‬
‫נזכיר כי במצב זה‪ ,‬צומת ‪ BE‬בממתח קדמי וצומת ‪ BC‬בממתח אחורי‪.‬‬
‫במשוואות שמתקבלות‪:‬‬
‫‪Ic ≈ α F I E‬‬
‫כאשר כאמור ‪ α F < 1‬טיפוסי הוא ‪ ,0.99‬כך שלדוגמא‪:‬‬
‫‪I C 0.99mA‬‬
‫‪0.01mA‬‬
‫‪IB‬‬
‫‪I E 1mA‬‬
‫משוואות נוספות‪:‬‬
‫‪IC ≈ β F I B‬‬
‫‪αF‬‬
‫‪1−αF‬‬
‫כאשר‪:‬‬
‫∆= ‪β F‬‬
‫‪I C ≈ 99 ⋅ I B‬‬
‫בד"כ משמיטים ‪ F‬בסימון ‪BF‬‬
‫ובהזנחת זרמי זליגה‪:‬‬
‫‪I E = ( β + 1) I B‬‬
‫‪β IB‬‬
‫‪IC‬‬
‫‪IB‬‬
‫‪( β + 1) ⋅ I B‬‬
‫‪IE‬‬
‫ההזנחות תקפות אם ‪I C , I E , I B >> I CB 0‬‬
‫בתחום‪:‬‬
‫צומת ‪ BE‬קדימה‬
‫‪VD ≥ VBE > 0‬‬
‫ר ובע‬
‫‪NPN‬‬
‫הד ו יד‬
‫ימ דק חתממב‬
‫‪Si‬‬
‫‪Ge‬‬
‫‪0.6 − 0.8V‬‬
‫‪VD = ‬‬
‫‪0.1 − 0.3V‬‬
‫עמוד מס' ‪ 6‬מתוך ‪9‬‬
‫‪2011‬‬
‫הרצאה מס' ‪7‬‬
‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬
‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬
‫במצב פעיל קדמי ‪ VBE = 0.7V‬מהוה קירוב טוב‪.‬‬
‫צומת ‪BC‬‬
‫‪VBC < 0‬‬
‫ומבוצע חישוב מבוסס על חוקי ‪ KVL‬ו‪ KCL -‬של שאר המעגל‪.‬‬
‫ב‪ .‬קטעון‪:‬‬
‫נזכיר כי במצב זה שני הצמתים בממתח הפוך‪.‬‬
‫‪VBE , VBC < 0‬‬
‫כל הזרמים בטרנזיסטור הם בסדר גודל של זליגה‪.‬‬
‫יצויין שצומת ‪ BE‬אינו עמיד בד"כ לממתח הפוך רב‪.‬‬
‫ג‪ .‬רוויה‪:‬‬
‫נזכיר כי במצב זה שני הצמתים בממתח קדמי‪.‬‬
‫‪VD ≥ VBE , VBC > 0‬‬
‫‪IC‬‬
‫היוו ר‬
‫ל יעפ‬
‫‪IB‬‬
‫ן ועטק‬
‫‪VCE‬‬
‫ההגברה בטרנזיסור ‪BJT‬‬
‫עמוד מס' ‪ 7‬מתוך ‪9‬‬
‫‪2011‬‬
‫הרצאה מס' ‪7‬‬
‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬
‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬
‫‪I C = βI B‬‬
‫בדומה ל‪ ,FET -‬גם כאן נעזרים בקו עבודה‪ :‬המקום הגיאומטרי של ) ‪( I C , VCE‬‬
‫האפשריים‪.‬‬
‫‪IC‬‬
‫‪C‬‬
‫‪IB‬‬
‫‪VCE‬‬
‫‪B‬‬
‫‪E‬‬
‫‪IE‬‬
‫כאן יש ליניאריות בקשר בין הזרמים כיון ש‪ , I C = βI B -‬כפי שהצגנו קודם‪.‬‬
‫עם זאות‪ ,‬אין ליניאריות במתחים‪:‬‬
‫‪IB‬‬
‫‪VBE‬‬
‫גם בטרנזיסטור יש היפוך מופע בין ‪ B‬לבין ‪.C‬‬
‫יצויין שבדרך כלל בטרנזיסטור משתמשים בתחום הפעיל ליישומים לינאריים ואילו‬
‫במצבי הרוויה והקטעון מעגלי מיתוג‪.‬‬
‫ד‪ .‬פעיל הפוך‬
‫נזכיר כי במצב זה צומת ‪ BE‬אחורה ואילו צומת ‪ BC‬קדימה‪.‬‬
‫לפיכך‪ ,‬נוצר היפוך תפקידים בין ‪ C‬לבין ‪.E‬‬
‫לכן‪ ,‬במקום ‪ β F‬משתמשים ב‪: β R -‬‬
‫‪αR‬‬
‫‪1−αR‬‬
‫ומאחר ו‪-‬‬
‫‪>> β R‬‬
‫= ‪βR‬‬
‫‪ , β F‬אזי אין הגבר כתוצאה מ‪. β -‬‬
‫לדוגמא‪ ,‬אם ‪ α R = 0.5‬אזי ‪. β R = 1‬‬
‫אם ‪ , I C = βI B‬אזי הטרנזיסטור נמצא בתחום הפעיל‪.‬‬
‫בהגדלה של ‪ I B‬מעל גבול מסוים לא יוכל ‪ I C‬לעקוב ולהמשיך להיות פי ‪ β‬גדול‬
‫יותר והטרנזיסטור יכנס לרוויה‪:‬‬
‫‪I C < βI B‬‬
‫עמוד מס' ‪ 8‬מתוך ‪9‬‬
‫‪2011‬‬
‫הרצאה מס' ‪7‬‬
‫הרצאות לפי ד"ר משה פורת‬
‫מהדורה שלישית‪ .‬עורכת‪ :‬נועה רוטמן‬
‫הערה‪ :‬נקודת ההחלפה בין רוויה לבין פעיל לפי הנ"ל איננה מתלכדת בדיוק עם‬
‫היפוך ‪. VBC‬‬
‫בקטעון מנסים להזרים הפוך בסיס אמיטר ⇐ חסימה ל‪ ,C -E -‬פרט לזרמי זליגה‪.‬‬
‫ניתוח ‪AC‬‬
‫‪ ‬הערה בהעדר ‪) RC‬כמו בדוגמה( אין רוויה‪.‬‬
‫קיים קושי לנתח באופן גרפי את פעולת הטרנזיסטור ‪BJT‬‬
‫לצורך ניתוח השפעת רכיבי המעגל על ביצועו ניתן להיעזר בניתוח ‪ AC‬ע"י מעגלי‬
‫תמורה לאות קטן‪.‬‬
‫עמוד מס' ‪ 9‬מתוך ‪9‬‬