BJT ترانزیستور دکتر سعید شیری : فصل پنجم از MICROELECTRONIC CIRCUITS & کتاب 5/e Sedra/Smith Amirkabir University of Technology Computer Engineering & Information Technology Department.
Download
Report
Transcript BJT ترانزیستور دکتر سعید شیری : فصل پنجم از MICROELECTRONIC CIRCUITS & کتاب 5/e Sedra/Smith Amirkabir University of Technology Computer Engineering & Information Technology Department.
BJT ترانزیستور
دکتر سعید شیری
:فصل پنجم از
MICROELECTRONIC CIRCUITS & کتاب
5/e
Sedra/Smith
Amirkabir University of Technology
Computer Engineering & Information Technology Department
مقدمه
دراین فصل المان سه ترمینالی دیگری با نام ترانزیستور پیوند
دو قطبی ) (Bipolar Junction Transistorو یا BJTرا
بررسی میکنیم.
BJTدر سال 1948اختراع شده و با معرفی دستگاه هائی که
با ترانزیستور نیمه هادی کار میکردند انقالبی در دنیا پدید
آورد .ترانزیستور BJTبرای سالهای متمادی انتخاب اول برای
انواع دستگاههای دیجیتال و آنالوگ بود اما در دهه اخیر
بسرعت با MOSFETجایگزین گشته است.
BJTامروزه در مدارات آنالوگ و بخصوص فرکانس باال
کاربرد زیادی دارد.
ساختار ترانزیستور BJT
یک ترانزیستور BJTاز نوع npnاز سه قطعه نیمه هادی
متصل به هم تشکیل میشود:
یک نیمه هادی nبا نام امیتر
یک نیمه هادی pبا نام بیس
یک نیمه هادی nبا نام کلکتور
در ناحیه اتصال نیمه هادی ها یک پیوند pnتشکیل میشود.
Figure 5.1 A simplified structure of the npn transistor.
ساختار ترانزیستور BJT
یک ترانزیستور BJTاز نوع pnpاز سه قطعه نیمه هادی
متصل به هم تشکیل میشود:
یک نیمه هادی pبا نام امیتر
یک نیمه هادی nبا نام بیس
یک نیمه هادی pبا نام کلکتور
Figure 5.2 A simplified structure of the pnp transistor.
درناحیه فعالnpn طرز کار ترانزیستور
امیتر با اعمال ولتاژ خارجی-در ناحیه فعال پیوند بیس
کلکتور در گرایش-درگرایش مستقیم بایاس شده و پیوند بیس
.معکوس بایاس میشود
Figure 5.3 Current flow in an npn transistor biased to operate in the active mode. (Reverse current components due to drift of thermally
generated minority carriers are not shown.)
عبور جریان
گرایش مستقیم پیوند بیس-امیتر باعث میشود تا یک جریان نفوذی الکترونها را از ناحیه
امیتر به بیس کشانده و متقابال حفره ها را از بیس به امیتر جذب نماید.
معموال نسبت ناخالصی امیتر بسیار بیشتر از بیس در نظر گرفته میشود تا نسبت جریان
الکترون به حفره بیشتر باشد.
الکترونهائی که از پیوند عبور کرده و وارد بیس میشوند در بیس بعنوان ناقل اقلیت
محسوب میشوند که غلظت آنها در مرز امیتر بیشتر و در مرز کلکتور کمتر خواهد بود.
در مرز امیتر این غلظت برابر خواهد بود با:
تجمع الکترونها در بیس باعث بوجود آمدن
یک جریان نفوذی به سمت کلکتور میشود.
البته تعدادی از الکترونها در بیس با حفره ها ترکیب میشوند که باعث میشود تا جریانی که
به کلکتور میرسد کمتر از جریانی باشد که از امیتر می آید.
جریان کلکتور
بعلت اینکه ولتاژ کلکتور مثبت است الکترونهائی که به مرز
بیس و کلکتور میرسند توسط این ولتاژ جذب شده و از ناحیه
تخلیه کلکتور-بیس عبور کرده و به ناحیه کلکتور میرسند.
این جریان تقریبا برابر با جریان بوجود آمده در ناحیه بیس
خواهد بود:
دقت شود که مقدار جریان icمستقل از ولتاژ کلکتور-بیس
است .فقط باید ولتاژ کلکتور مثبت باشد تا پیوند کلکتور-بیس
در گرایش معکوس قرار گیرد.
جریان بیس
جریان بیس دارای دو مولفه است:
یکی حفره هائی که از بیس وارد امیتر میشوند:
و دیگری جریانی که باید از بیرون تامین شود تا جبران حفره هائی که با
الکترونهای جمع شده دربیس ترکیب میشوند را بنماید.
از مقایسه جریان بیس با جریان کلکتور به یک رابطه مهم در
ترانزیستور میرسیم:
مقدار ضریب bبرای یک ترانزیستور بخصوص ثابت بوده و در حد
50تا 200میباشد .این ضریب را بهره جریان امیتر مشترک مینامند.
جریان امیتر
از آنجائیکه جریانی که وارد ترانزیستور میشود با جریانی که
از آن خارج میشود برابر است داریم:
و لذا:
و با تغییراتی:
مدل ترانزیستور در ناحیه فعال
دیدیم که در ناحیه فعال یعنی وقتی که پیوند بیس-امیتر در گرایش مستقیم قرار دارد ولتاژ VBE
باعث عبور جریانی از کلکتور میشودکه مقدار آن بطور نمائی با ولتاژ بستگی دارد.
این جریان ازولتاژ VCBمستقل است .لذا کلکتور ترانزیستور را میتوان بصورت یک منبع جریان
در نظر گرفت.
در این حالت جریان بیس ضریبی از جریان کلکتور است.
از اینرو میتوان مدل ترانزیستور را دراین ناحیه بصورت زیر در نظر گرفت .این مدل در واقع یک
منبع جریان غیر خطی کنترل شونده با ولتاژ است.
Figure 5.5 Large-signal equivalent-circuit models of the npn BJT operating in the forward active mode.
ساختار ترانزیستور
در عمل ناحیه کلکتور مطابق شکل زیر ناحیه امیتر را بطور
کامل در برمیگیرد تا بتواند تمامی الکترونهای نفوذی به بیس
را جمع کند.
بعلت نامتقارن بودن امیتر و کلکتور نمیتوان با عوض کردن
آنها به عملکرد مشابهی رسید.
Figure 5.6 Cross-section of an npn BJT.
عالئم مداری
ترانزیستور با عالمت مداری زیر نشان داده میشود .جهت
پیکان عالوه بر مشخص نمودن جهت جریان در امیتر جهت
جریان را نیز مشخص مینماید.
Figure 5.13 Circuit symbols for BJTs.
ولتاژ الزم برای بایاس کردن ترانزیستور
شکل زیر نحوه اعمال ولتاژ به ترمینالهای ترانزیستور جهت
قرار دادن آن در ناحیه فعال را نشان میدهد.
توجه شود که برخالف
MOSFETکه جریان گیت آن
صفر بود در BJTجریان بیس
صفر نیست از اینرو
Figure 5.14 Voltage polarities and current flow in transistors biased in the active mode.
مثال
برای ترانزیستور شکل زیر
بوده و مقدار VBE=0.7در جریان ic=1mA
است .مدار را بنحوی طراحی کنید که وقتی
ولتاژ کلکتور 5ولت است جریان آن 2mA
شود.
Figure 5.15 Circuit for Example 5.1.
پاسخ
برای ولتاژ VC=+5Vپیوند کلکتور بیس در
گرایش معکوس قرار داشته و لذا ترانزیستور در
ناحیه فعال قرار خواهد گرفت.
مقدار مقاومت RCبرابر خواهد بود با:
مقدار ولتاژ VBEبرای جریان ic=2mAاز رابطه
زیر بدست می آید:
نمایش گرافیکی مشخصه ترانزیستور
.درشکل زیر نشان داده شده است
مشخصه
. جریان بسیار ناچیز استVBE <0.5V برای
. در نظر گرفته میشود0.7V در حدVBE در اغلب کاربردها
.مقدار جریان با تغییر درجه حرارت تغییر اندکی میکند
Figure 5.17 Effect of temperature on the iC–vBE characteristic. At
a constant emitter current (broken line), vBE changes by –2 mV/°C.
Figure 5.16 The iC –vBE characteristic for an npn transistor.
رابطه جریان و ولتاژ کلکتور
جریان شیب اندکی دارد
برای مقادیر
VCB=-0.4
نیزپیوند هنوز
وارد ناحیه هدایت
نشده است.
با افزایش VCBاز حدی ترانزیستور دچار شکست میشود.
Figure 5.18 The iC–vCB characteristics of an npn transistor.
رابطه جریان و ولتاژ VCE
با افزایش ولتاژ VCEجریان
Icهم اندکی تغییر میکند .شیب
این منحنی را میتوان بصورت
یک مقاومت نشان داد.
در صورتی که ولتاژ VCE
از حدود 0.4کمتر شود
ترانزیستور وارد ناحیه اشباع
میشود.
Figure 5.19 (a) Conceptual circuit for measuring the iC –vCE characteristics of the BJT. (b) The iC –vCE characteristics of a practical BJT.
مدار معادل ترانزیستور در آرایش امیتر
مشترک
Figure 5.20 Large-signal equivalent-circuit models of an npn BJT operating in the active mode in the common-emitter configuration.
نواحی کاری ترانزیستور
در فصلهای قبل دیدیم که هر پیوند دارای سه ناحیه کاری مختلف است:
1. forward biased
2. reverse biased
3. breakdown
ناحیه شکست چندان مطلوب نبوده و از آن
اجتناب میشود .پس با در نظر گرفتن دو ناحیه
برای هر یک از پیوند های ترانزیستور میتوان
برای آن 4ناحیه کاری مختلف در نظر گرفت .با توجه به مطلوب نبودن ناحیه فعال معکوس
ترانزیستور فقط در سه ناحیه کار خواهد کرد.
ترانزیستور در ناحیه قطع
در ناحیه قطع هر دو پیوند در حالت گرایش معکوس قرار
دارند و داریم:
VE-VB=VBE <.5v , VC-VB =VCB > 0
در این ناحیه هیچ جریانی از ترانزیستور عبور نخواهد کرد.
ترانزیستور در ناحیه اشباع
در این ناحیه هر دو پیوند ترانزیستور بصورت گرایش مستقیم
قرار میگیرند:
از اینرو در پیوند کلکتور-بیس عالوه بر جریان دریفت مولفه
بزرگی از جریان نفوذی نیز بوجود می آید که با جریان دریفت
مقابله میکند.
یا
این امر باعث میشود تا جریان icکمتر از مقدار آن در ناحیه
فعال گردد .یعنی در این ناحیه داریم:
اشباع ترانزیستور
وقتی که هر دو پیوند ترانزیستور در حالت هدایت باشند،
ترانزیستور وارد ناحیه اشباع خود میگردد .در اینحالت رابطه
برقرار نمی باشد و ولتاژ VCEدر حدود 0.2v
باقی خواهد ماند .مدار معادل زیر را میتوان برای این ناحیه
بکار برد:
ترانزیستور BJTبعنوان تقویت کننده
ایده اصلی استفاده از ترانزیستور بعنوان تقویت کننده بر این پایه است که
درناحیه فعال تغییرات ولتاژ VBEباعث تغییر در مقدار جریان کلکتور
Icمیشود.
بنا براین میتوان از آن بعنوان یک تقویت کننده transconductance
استفاده نمودکه با قرار دادن مقاومت RCدرمسیر جریان کلکتور میتوان
به یک تقویت کننده ولتاژ نیز دست یافت.
بعلت رابطه غیر خطی جریان Icبا VBEناگزیر باید ابتدا VBEرا در
یک مقدار DCبایاس نمود تا یک مقدار DCبرای Icبدست آید .سپس
میتوان سیگنال کوچک vbeرا به بیس اعمال نمود تا جریان ترانزیستور
در ناحیه کوچکی ار منحنی ic-vbeبصورت تقریبا خطی تغییر نماید.
بایاس DCتقویت کننده امیتر مشترک
در یک تقویت کننده امیتر مشترک ولتاژ ورودی بین بیس
وامیتر اعمال شده و خروجی بین کلکتور و امیتر گرفته
میشود.
مقاومت RCدو کاربرد دارد :تامین نقطه کار DCو تبدیل
جریان به ولتاژ
ولتاژ خروجی از رابطه زیر بدست می آید:
برای ورودی کمتر از vi=0.5ولت ترانزیستور قطع بوده و
ic=0میشود لذا خروجی برابر با Vccخواهد شد.
Figure 5.26 (a) Basic
common-emitter amplifier
circuit.
منحنی مشخصه تقویت کننده امیتر مشترک
با افزایش ورودی ترانزیستور هدایت کرده و در
ناحیه فعال شروع به کار میکند .در این حالت
جریان کلکتور از رابطه زیر بدست می آید.
و برای خروجی داریم:
با افزایش ورودی بر مقدار icافزوده و مقدار
ولتاژ خروجی و یا VCکاهش می یابد .در صورتی
که ولتاژ VCEاز 0.4کمتر شود پیوند بیس-
کلکتور روشن شده و ترانزیستور وارد ناحیه اشباع
میشود .در اینحالت خروجی در حد VCEsatباقی
میماند.
مقدار جریان کلکتور نیز تقریبا ثابت باقی میماند.
Figure 5.26 Transfer characteristic of the circuit in (a). The amplifier is biased at a point Q, and a small voltage signal vi is superimposed on the dc
bias voltage VBE. The resulting output signal vo appears superimposed on the dc collector voltage VCE. The amplitude of vo is larger than that of vi by
the voltage gain Av.
گین تقویت کننده
برای داشتن یک رابطه خطی بین ورودی سیگنال کوچک و
خروجی تقویت کننده ابتدا تقویت کننده در نقطه ای مثل Qبایاس
میشود و سپس سیگنال کوچک به ورودی اضافه میگردد.
مقدار گین تقویت کننده برابر است با شیب منحنی مشخصه
تقویت کننده در نقطه کار:
توجه شود که این تقویت کننده بصورت invertingعمل میکند.
برای افزایش بهره باید افت ولتاژ روی RCرا افزایش داد .اینکار باعث میشود تا VCEکاهش
یافته و به ناحیه اشباع نزدیک شود که اینکار باعث حذف قسمتهائی از نوسان منفی خروجی شود
که مطلوب نیست .لذا نقطه کار باید طوری انتخاب شود که ضمن باال نگه داشتن بهره اجازه نوسان
کافی به خروجی هم داده شود.
مثال
برای یک تقویت کننده امیتر مشترک داریم:
باشد چقدر است .مقدار
الف) مقدار ولتاژ بایاس برای اینکه
جریان ICدر اینحالت چقدر خواهد بود.
ب) مقدار بهره ولتاژ در این نقطه چقدراست .اگر یک سیگنال سینوسی
کوچک با دامنه 5mvبه ورودی اضافه شود نوسان خروجی چقدر
خواهد بود.
ج) حداکثرمقدار مثبتی که با اضافه شدن به VBEباعث رسیدن
ترانزیستور به ناحیه اشباع میشود را پیدا کنید.
حداکثر مقدار منفی که با اضافه شدن به VBEباعث رسیدن ترانزیستور
به ناحیه قطع میشود را بدست آورید.
پاسخ
الف)
ب)
ج)
د)
تحلیل گرافیکی
را میتوان بصورت یک خط راستvce وic رابطه جریان
:نوشت
.بدست می آید
نقطه کار از تالقی این خط با مشخصه
Figure 5.28 Graphical construction
for the determination of the dc base
current in the circuit of Fig. 5.27.
Figure 5.27 Circuit whose operation is to be analyzed graphically.
Figure 5.29 Graphical construction for determining the dc collector current
IC and the collector-to-emitter voltage VCE in the circuit of Fig. 5.27.
نمایش گرافیکی اعمال سیگنال کوچک
Figure 5.30 Graphical determination of the signal components vbe, ib, ic, and vce when a signal component vi is superimposed on the dc voltage VBB
(see Fig. 5.27).
ترانزیستور BJTبعنوان سوئیچ
برای استفاده از ترانزیستور بعنوان سوئیچ آنرا در ناحیه قطع و
اشباع بکار میگیرند.
اگر ورودی کمتراز 0.5Vباشد داریم:
اگر VBE>0.7vباشد ترانزیستور وارد ناحیه فعال شده و جریان
بیس برابر میشود با:
با افزایش جریان بیس مقدار ولتاژ VCکاهش می یابد تا
ترانزیستور به مرز اشباع)( Edge Of Saturationبرسد:
با افزایش ورودی از این مقدار ترانزیستور بیشتر در ناحیه اشباع
فروخواهد رفت.
Figure 5.32 A simple circuit used to
illustrate the different modes of
operation of the BJT.
مثال 1
برای ترانزیستور مدار زیر مقدار βبین 50تا 150است RB ،را
بنحوی پیدا کنید که ترانزیستور در ناحیه اشباع قرار بگیرد.
وقتی ترانزیستور در اشباع است داریم:
در این حالت:
برای اینکه با کمترین مقدار βترانزیستور
به اشباع برود :
با در نظر گرفتن ضریب 10داریم:
در اینصورت مقدار مقاومت RBبرابر
است با:
Figure 5.33 Circuit for Example 5.3.
مراحل آنالیز DCترانزیستور
ابتدا با توجه به مقادیر بسیار معلوم مسئله ناحیه کاری
ترانزیستور را حدس بزنید.
از روابط این ناحیه استفاده کرده و مدار را آنالیز کنید.
برای آزمودن صحت فرض اولیه نامعادله ها و شرایط مربوط
به آن ناحیه را بررسی کنید.
اگر روابط مربوط به ناحیه فرض شده برقرار بود آنالیز خاتمه
می یابد .در غیر اینصورت باید فرض اولیه را تغییر داده و
مسئله را از نو حل کنید.
مثال 2
مقادیر جریان های مختلف مدار زیر را مشخص کنید.
فرض میکنیم که ترانزیستور در ناحیه
فعال باشد .با نوشتن KVLبرای بیس داریم:
5.7 – 10 iB –0.7 – 2 (99+1) iB=0
Therefore iB = 23.8 μA
لذا برای سایر جریانها خواهیم داشت:
iC = 99 iB = 2.356 mA and
iE =100 iB = 2.380 mA
ادامه مثال 2
برای اینکه از صحت فرض در ناحیه فعال بودن ترانزیستور
مطمئن شویم باید این فرض را امتحان کنیم:
10.7 – 10 iC – VCE – 2 iE =0
Therefore,
< VCE = 10.7 – 10(2.36) – 2(2.38) = -17.66 V
0.2 V
می بینیم که فرض ما صحیح نبوده است .لذا فرض را عوض
کرده و چنین می پنداریم که ترانزیستور در ناحیه اشباع باشد
ادامه مثال 2
برای اینکه ترانزیستور در اشباع باشد
شرایط زیر به مدار تحمیل میگردند:
برای آنالیز DCمدار نیاز به معادله های
مختلفی داریم:
ادامه مثال 2
با ترکیب معادالت فوق داریم:
با جایگزینی مقدار فوق خواهیم داشت:
و مقادیر جریان:
می بینیم که همه مقادیر جریان مثبت بوده و بعالوه شرط زیر
برقرار است لذا فرض در اشباع بودن ترانزیستور صحیح بوده
است.
مثال 3
برای تقویت کننده امیتر مشترک زیر مقادیر زیر را بدست
آورید:
پاسخ:
فرض میکنیم ترانزیستور در ناحیه فعال باشد.
برای این ناحیه:
با نوشتن یک معادله KVLبرای ناحیه
بیس-امیتر داریم:
لذا:
ادامه مثال 3
برای سایر جریانها داریم:
برای ولتاژها داریم:
در نهایت صحت فرض اولیه را بررسی میکنیم:
فرض در ناحیه فعال بودن صحیح بوده است
مثال 4
برای مدار شکل زیر جریان و ولتاژ کلکتور را بدست آورید.
پاسخ:
فرض میکنیم ترانزیستور در ناحیه فعال باشد.
برای این ناحیه:
برای اینکه بتوانیم معادله KVLرا در بیس-امیتر
بنویسیم ،معادل تونن مقسم ولتاژ را بدست می آوریم.
ادامه مثال : 4معادل تونن
ادامه مثال 4
بنابراین با جایگزینی مدار تونن میتوان معادالت رابصورت
زیر نوشت:
باید صحت فرض اولیه بررسی شود:
مثال 5
در شکل زیر ولتاژ کلکتور ترانزیستور ها را بدست آورید.
پاسخ:
فرض میکنیم هر دو ترانزیستور در ناحیه
فعال باشند:
رابطه زیر را برای جریان داریم:
از طرفی معلومات مسئله:
که با استفاده از آن خواهیم داشت:
ادامه مثال 5
با استفاده از روابط بدست آمده داریم:
با دانستن یکی از جریانهای BJTبقیه را نیز میتوان بدست
آورد:
به همین ترتیب برای ولتاژها:
ادامه مثال 5
در نهایت صحت فرض اولیه یعنی فعال بودن ترانزیستور ها
را چک میکنیم:
شباهتهای BJTو CMOS
این دو ترانزیستور از جهات مختلفی به هم شبیه هستند .جدول زیر یک مقایسه
مفهومی بین آنها بعمل آورده تا به فهم ساده تر مسائل مربوطه کمک کند.
شباهتهای BJTو CMOS
شباهتهای BJTو CMOS