Transcript Mikroel2_1 - CARNet lms

Elektrotehnički fakultet
Kneza Trpimira 2b, 31000
Osijek, HRVATSKA
Sveučilište J.J.
Strossmayera u
Osijeku
Prof. dr. Tomislav Švedek
MIKROELEKTRONIKA
3+1+2
MODUL 2 /1 od 3
3. BIPOLARNI DIGITALNI INTEGRIRANI SKLOPOVI
3.1. BIPOLARNI SPOJNI TRANZISTOR KAO
SKLOPKA - INVERTOR
3.1.1. Tranzistor u zapiranju (ZAP)
3.1.2. Tranzistor u zasićenju (ZE)
3.1.3. Strujni impulsni odziv tranzistorske
sklopke
3.1.4. Schottkyjeva tranzistorska sklopka invertor
3.1.5. Naponska prijenosna karakteristika
tranzistorske sklopke - invertora
3.1.6. Faktor grananja
3.1.7. Bipolarni spojni tranzistor kao strujna
sklopka
MODUL 2/1od 3
2
Sklopka = osnovni logički sklop
Idealna sklopka u strujnom krugu:
I
UCC/Rp
Rp
UCC
I
A
B
2 ("ON")
S
1/Rp
1 ("OFF")
UCC U
Sklopka otvorena ("OFF"): ostatna struja Ios=0
Sklopka zatvorena ("ON"): ostatni napon Uos=0
MODUL 2/1od 3
3
Realna sklopka u strujnom krugu:
Rp
A
RZ
RO-otpor odvoda
S
UCC
RO ION
IOFF
B
U CC
I
R p  RZ
2'
C
Idealna sklopka C - parazitni kapacitet
1/Rp
U os 
1/RO
1'
Ios
Uos
RZ- serijski otpor
kratkog spoja
I os 
U CC  R Z
R p  RZ
U CC
R p  RO
UCC U
MODUL 2/1od 3
4
3.1. BIPOLARNI SPOJNI TRANZISTOR KAO
SKLOPKA - INVERTOR
Mehanička sklopka
ima frekvencijska
ograničenja, a
upravlja se i velikom
strujom i naponom.
UCC
Rp=RC
S
UCC
ICs
RB
uul
Rp=RC
A
UCE UAB
IB
B
MODUL 2/1od 3
5
IC, mA
UCC/RC
ICs
IB+, A
IB3
IB2
IB1
2’
1’
IC0
UCEzas
IB= 0
UCC UCE, V
Glavni statički parametri BJT sklopke:
ostatni napon Uos=UCEzas, ostatna struja Ios=IC0
MODUL 2/1od 3
6
3.1.1. Tranzistor u zapiranju (ZAP)
IB, A
IB+, A
IB3
IB2
IB1
IC, mA
1’
IC0
1’ UBE, V
UCC UCE, V
I C   I B  (1   ) I CB 0
za I B  0 :
IC  0
I C 0  (1   ) I CB 0
IB= 0
ICB0= ICB0(expT), pa
ICB0 uz hfe100 raste
znatno sa porastom T.
Struja IC0 treba stoga
biti što manja!
MODUL 2/1od 3
7
za I B  - I CB 0 :
I C 0  I CB 0
Minimalna ostatna struja dobiva se promijenom smjera
pobudne struje /napona,
uul
NE
0,7V
0 V
uul
-0,7V
ili odabirom otpornika RB.
uul
0,7V
RB
0,7V
0 V
MODUL 2/1od 3
8
3.1.2. Tranzistor u zasićenju (ZAS)
IB, A
1/RB
IC, mA
ICs 2’ C
IB+
IB3
IB2
IB1
IB+, A
IB3
IB2
B
A
UBE
0,7 uul1uul2uul3uul+
0,5
UCEzas
1’
IB1
IB= 0
UCC UCE, V
A) uul1>0,5V; IB=IB1 (NAP); UCE
(UBE = 0,5 V - granica ZAP/NAP)
MODUL 2/1od 3
9
Tipčne vrjednosti napona UBE i UCE:
B) uul2> uul1 ; IB=IB2 (NAP); UCE 
(UBE = 0,7 V - NAP)
C) uul3> uul2 ; IB=IB3
(UBE=UCE; UBC=0V granica NAP/ZAS)
2’) uul+> uul3 ; IB=IB+
(UBEzas= 0,8 V - ZAS ; UCB - 0,6 V ; UCE=0,1 - 0,2V)
MODUL 2/1od 3
10
UCC
rsc - serijski otpor kolektora
RL=RC
10 uz potkolektorski sloj
rsc
100 bez potkol. sloja
UCEzas
RB
uul
UBE
Napon na BJT sklopki:
UCE
U CEzas  U CE
U CE zasMIN  U T ln
1
I

IB

IB
 I Cs

zasMIN
 I
 I Cs  rcs
 1
 I Cs  N
Primjer: N = 100, I = 1, Ics = IB+  UCEzasMIN 27 mV.
Tipične vrijednosti: UCEzas= 50 do 100 mV.
MODUL 2/1od 3
11
Kriterij ulaska u zasićenje
U zasićenju vrijedi UCC>>UCEzas, pa je kolektorska struja
određena samo vanjskim komponentama UCC i RL.
I Cs 
U CC  U CEzas
RL
I Cs    I B

U CC
RL

(za I B  I B )

Da bi tranzistor bio sigurno u dubokom zasićenju IB  IB +:
IB 
I Cs


U CC  U CEzas
  RL
MODUL 2/1od 3
12
3.1.3. Strujni impulsni odziv tranzistorske sklopke
Raspodjela gustoće manjinskih nosilaca naboja u
bazi NPN tranzistora
E
nB(x)
B
np(0)B
C
ZAS
NAP
np0B
0
np(W)B
ZAP
MODUL 2/1od 3
WB
13
UCC
ug
+U1
-U2
iC
+U1
-U2
Rp
RB
iB UBE
UCE
t
ib
+U1/RB
t
-U2/RB
0.9 ICs
ic
ICs
0.1 ICs
td
tr
tuklj
MODUL 2/1od 3
tst
tf
t
tisklj
14
Vrijeme uključivanja tuklj=td + tr:
Vrijeme kašnjenja td : - nabijanje CbBE
- prolaz manjinskih nosilaca kroz emiter
- porast IC od 0 na 10%
Vrijeme porasta tr : - porast IC sa 10% na 90% (NAP) ovisi o
faktoru preuzbude N=IB+/ICS>1
Vrijeme isključivanja tisklj=tst + tf:
Vrijeme zadržavanja tst :
- razgradnja akumuliranog naboja u
bazi (dulje uz veći N!)
- pad IC sa 100% na 90%
Vrijeme pada tf :
- pad IC sa 90% na 10% (NAP)
MODUL 2/1od 3
15
3.1.4. Schottkyjeva tranzistorska sklopka - invertor
C
Al
B
E
B
N
N+
P
E
SiO2
C
Neulazak tranzistora u zasićenje skraćuje vrijeme odziva.
Schottkyjeva dioda kod ulaska u zasićenje (UCB  0V) provede
i napon UBC drži na iznosu 0,4 V koji nije dovoljan za ulazak
tranzistora u zasićenje. Pri prelasku tranzistora u stanje
zapiranja nema stoga razgradnje ekscesnog naboja u bazi pa je
i vrijeme tisklj znatno kraće.
MODUL 2/1od 3
16
2.1.5. Naponska prijenosna karakteristika
tranzistorske sklopke - invertora
Prijenosna karakteristika uizl=f(uul)
UCC=5V
crta se za raspon ulaznog napona
od 0 do UCC.
ZAP
ZAS
u
R
iyl
iC
C
5
RB
4
uizl
uul i UBE
3
B
NAP
2
u ul  U BE
u ul  0 , 7
1
iB 

RB
RB
1 2 3 4 5 uul
u izl  U CC  iC R C  U CC  
u ul  0 , 7 
RB
MODUL 2/1od 3
17
3.1.6. Faktor grananja (F)
U CC
U CC
F - broj na izlaz
spojenih BJT sklopki
koje još ne degradiraju
njene karakteristike
Rp
Rp
I= F I B
ICS
+
IB
T0
+
T1
U CC
RB
RB
Rp
ICS
IB
+
TF
RB
MODUL 2/1od 3
18
Uvjet zasićenja svakog pojedinog tranzistora T1 do TF:
IB
IB


I
F


1 U CC  U BEzas
F
RC 
RB


I CS

I CS



U CC  U CEzas
  RC
F
odakle:
F 
U CC
 0 ,8 
U CC  0 , 2

MODUL 2/1od 3
RB
Rp
19
3.1.7. Bipolarni spojni tranzistor kao strujna
sklopka
Osnova ECL porodice.
Identična diferencijalnom pojačalu:
- kod analognih sklopova radi samo u NAP
- kod digitalnih iz ZAP u NAP (i obratno) - ne
ulazi u zasićenje!
Zbog toga što ne ulazi u zasićenje radi brže i od Schottkyjeve
sklopke (gdje tranzistor ipak ulazi u zasićenje, ali ne duboko).
MODUL 2/1od 3
20
UCC
RC1
uizl1 uizl2
+
uul
UBE1
-
IE1
I0
IE2
RC2
-
+
UBE2
Simetričan sklop kod kojeg
struja I0 prolazi kroz jednu
njezinu granu. Naponski
upravljiva sklopka, koja ne
odlazi u zasićenje.
UREF
Za potencijal emitera vrijedi: U E  U REF  U BE 2
u ul  U BE 1  U E
a za ulazni krug:
Za UUL(0)=UREFU, T1 u zapiranju, a T2 vodi, a za
UUL(1)=UREF+U, T1 vodi, a T2 je u zapiranju
MODUL 2/1od 3
21
Naponska prijenosna karakteristika se određuje uz uvjet
da je tranzistor koji vodi u normalnom aktivnom
području:
I 0  I E1  I E 2
u ul  U BE 1  U BE 2  U REF
I E1
 U BE 1
 I s1  exp 
 U
T


 ; I E 2  I s 2  exp


u ul  U REF  U T ln
MODUL 2/1od 3
 U BE 2

 U
T


 ; I s1  I s 2


I E1
IE2
22
I E1 
I0
 U REF  u ul
1  exp 
UT





u izl 1  U CC  I C 1 R C
; IE2 
I0
 u ul  U REF
1  exp 
UT





; u izl 2  U CC  I C 2 R C
IC    I E
Prijenosna karakteristika:
u izl 1  U CC 
  I 0  RC 1 
2
 u ul  U REF  
 1  tanh 

UT



MODUL 2/1od 3
23
Aktivno područje (veliko pojačanje)
U(1)
uizl1
uizl2
1
U CC    I 0  R C  U 0
2
I0RC=U
U CC    I 0  R C
U(0)
-3UT
+3UT
Razmak logičkih razina: U= I0RC
Napon praga:
UCC
u ul  U REF
UT
1
U 0  U CC    I 0  R C
2
MODUL 2/1od 3
24