ELEKTRONIIKAN PERUSTEET T700504

Transkriptio

1 ELEKTRONIIKAN PERUSTEET T syksyllä 2014 OSA 2 Veijo Korhonen 4. Bipolaaritransistorit Toiminta Pienellä kantavirralla voidaan ohjata suurempaa kollektorivirtaa (kerroin β), toimii vahvistimena - Voidaan ajatella virralla ohjattavana säätövastuksena Toiminnan ääripäissä (sulku- ja kyllästystilassa) toimii kuten auki tai kiinni oleva kytkin - Voidaan ajatella virralla ohjattavana kytkimenä 1

2 Transistorin kolme toimintatilaa 1. Kantavirta = 0 Kuin auki oleva kytkin (ei johda) Transistori on sulkutilassa (cutoff) I B = 0 I C = 0 2. Kantavirta sopiva Ääripäiden välialueella Lineaarinen/aktiivinen alue I B > 0 3. Kantavirta = riittävän suuri Kuin kiinni oleva kytkin (johtaa hyvin) Transistori on kyllästystilassa (saturation) I B >> 0 I C = max Rakenne Bipolaaritransistori muodostuu joko kahdesta n- ja yhdestä p- puolijohteesta (npn) tai kahdesta p- ja yhdestä n-puolijohteesta (pnp) Kollektori (collector) ja emitteri (emitter) ovat saman tyyppistä puolijohdetta, joiden välissä on toista tyyppiä oleva kanta (base) 2

3 Mitoitussääntöjä (npn) Kollektorivirta suhteessa kantavirtaan eli virtavahvistus β I C = β I B (β = h FE ) Emitterivirta I E = I B + I C ( usein oletetaan I E I C ) Kanta-emitterijännite pii-transistorilla U BE 0.7 V (kynnysjännite) B I B U BE C E I C I E U CE pnp-transistorilla virtojen ja jännitteiden suunnat vaihtuvat Esimerkki NPN-transistorin käytöstä kytkimenä heikolla logiikkasignaalilla pitää ohjata LEDiä, ohjaussignaali on kuvan mukainen LED: kynnysjännite 2,0 V virta 25 ma Transistori (esim. BC337): β = 100 U CE sat = 0,2 V 4,5 V 0,5 V R B B C E +5 V R C 3

4 Kollektorivastuksen mitoitus Saturaatiotilassa LEDin läpi pitää saada virtaa 25 ma Kollektorivastuksen R C yli oleva jännite U RC = +5 V 2 V (LED) 0,2 V (U CE ) = 2,8 V Kollektorivastus R C = U RC / 25 ma = 112 Ω valitaan: R C = 100 Ω 4,5 V R B B C +5 V R C U RC 0,5 V E Kantavastuksen mitoitus Saturaatiotilassa kantavirran I B pitää vähintään olla: I B = I C / β = 25 ma / 100 = 250 µa Kantavastuksen R B yli oleva jännite U RB = +4,5 V 0,7 V = 3,8 V +5 V Kantavastus R B = U RB / 250 µa = 15,2 kω valitaan: R B = 15 kω 4,5 V R B B C R C 0,5 V U RB E 4

5 Darlington-pari suuri virtavahvistus β = β 1 β 2 Yleensä integroitu paketti, missä on lisätty suojausja nopeutusdiodit ja vastukset Differentiaalipari Käytetään vahvistamaan kahden signaalin erotusta Peruskytkentänä mm. operaatiovahvistimessa ja muissa mikropiireissä 5

6 5. Kanavatransistorit Liitoskanavatransistori (Junction Field Effect Transistor, JFET) Toiminta Perustuu estosuuntaisen pn-rajapinnan tyhjennysalueen levenemiseen jännitteen funktiona Liitoskanavatransistorissa hilajännitteen (Gate) avulla voidaan säätää nielun (Drain) ja lähteen (Source) välisen kanavan resistanssia, jolloin kanavan läpi kulkeva virta pienenee Ohminen alue (linear region) Kanava on koko pituudeltaan auki ja lähde-nielu jännitteen U DS kasvaessa kanavassa kulkeva nieluvirta I D kasvaa Vakiovirta-alue (saturation region) Kun lähde-nielu jännite U DS kasvaa tarpeeksi suureksi, kanava kuristuu toisesta päästä kiinni ja nieluvirta I D pysyy vakiona 6

7 Jännitettä U GS, joka vaaditaan, että kanava on kuristunut koko pituudeltaan umpeen, kutsutaan kuristujännitteeksi (pinch-off voltage) U P Jos n-kanavaisen JFET:n hilan ja lähteen välinen jännite U GS menee negatiivisemmaksi kuin kuristusjännite U P, niin kanavan resistanssi kasvaa hyvin suureksi ja virta I D pienenee lähelle nollaa I D 0, jos U GS < - U P JFET johtaa ja kanavan kautta kulkee virtaa silloin, kun U GS on alueella - U P < U GS < 0 eli JFET on joko ohmisella tai vakiovirta-alueella 7

8 Rakenne n-kanava JFET:ssä lähde ja nielu ovat samassa n- puolijohteessa ja hila p-puolijohteissa kanavan päällä Rakenne p-kanava JFET:ssä lähde ja nielu ovat samassa p- puolijohteessa ja hila n- puolijohteissa kanavan päällä 8

9 JFETin piirisovellukset vahvistin kytkin differentiaalipari MOSFET Metall Oxide Semiconductor Field Effective Transistor Toiminta Sulkutyypin MOSFET:ssa hilajännite poistaa nielun ja lähteen välisen kanavan Avaustyypin MOSFET:ssa hilajännite synnyttää nielun ja lähteen välille kanavan n-mosfet: U GS > U fn (=kynnysjännite < 0,7 V) p- MOSFET: U GS < -U fp 9

10 Vakiovirta-alue (saturation region) U DS > U GS U f I D = K (U GS U f ) 2 Ohminen alue (linear region) U DS < U GS U f I D = K [2 (U GS U f ) U DS U DS2 ] 10

11 Rakenne MOSFET:ssa kanavan ja hilan välissä on eristävä oksidikerros joten hilavirta I G 0 Sulkutyypin MOSFET:ssa on lähteen ja nielun yhdistävä puolijohdekanava hilan alla Avaustyypin MOSFET:ssa ei ole puolijohdekanavaa hilan alla Sulkutyypin MOSFET Avaustyypin MOSFET 11

12 MOSFETin piirisovellukset Vahvistin Kytkin integroidut piirit: jännitteen jakaminen, vakiovirtageneraattori, differentiaalipari, MOS-vastukset, logiikkakytkennät (pienempi kynnysjännite kuin bipolaaritransistorilla) 6. Ideaalinen vahvistin Ideaalinen vahvistin on lineaarinen eli lähtösignaalin taso riippuu suoraan tulosignaalin tasosta jännitevahvistus A u = u out / u in Virtavahvistus A i = i out / i in Vahvistus voidaan ilmaista myös desibeleinä A [db] = 20 log 10 (A u tai i ) 12

13 Rakenne Ideaalinen jännitevahvistin Tuloresistanssi R in = ja siten tulovirta i in = 0 Lähtöresistanssi R out = 0 ja siten kuormaimpedanssi R l ei vaikuta lähtöjännitteen u out tasoon Lähtöjännite u out = A u u s i in u s R u out l ~ A u Vahvistimen piirisovellukset Signaalin vahvistaminen Lähde- ja kuormaimpedanssien erottaminen Oskillaattorit Suodattimet 13

14 7. CMOS-logiikkapiirit Complementary Metal Oxide Semicontuctor, CMOS Keksitty 1963 (Frank Wanlass, Fairchild Semicontuctor) Ensimmäiset piirit teki RCA vuonna 1968 Alunperin hidas mutta pienitehoinen vaihtoehto TTL:lle esim. rannekelloissa Nykyisin mikropiirien käytetyin teknologia Tiheä (pienet rakenteet) Nopea (pienet rakenteet = pienet varaukset) Pieni tehonkulutus (pienet varaukset = pienet tehohäviöt) Myös analogia- ja mixed-signal -piirit 14

15 7.1 Toiminta Toiminta perustuu avaustyyppisten MOSFET:ien käyttämiseen kytkiminä P-MOSFET avautuu, kun hilajännite on kynnysjännitteen verran alle lähdejännitteen (=käyttöjännite) N-MOSFET avautuu, kun hilajännite on kynnysjännitteen verran yli lähdejännitteen (=maapotentiaali) CMOS-piiri kuluttaa tehoa vain tilaa vaihtaessaan, koska staattisen tilan vuotovirrat ovat hyvin pieniä P k*f clk *U Rakenne Transistorit on yhdistetty pareittain (P-MOSFET ja N- MOSFET) symmetrisesti Transistoreista toinen on aina auki, toinen kiinni. P-MOSFET:n lähde ja N-MOSFET:n nielu on yhdistetty lähtöön invertteri NAND 15

16 Piirisovellukset 74HC/HCT-logiikkaperhe 74HC04: hex inverter (kuusi invertteriä) 74HC74: dual D flip flop (kaksi D-kiikkua) 4000-logiikkaperhe 16