Sähkötekniikka ja elektroniikka

Transkriptio

1 Sähkötekniikka ja elektroniikka Kimmo Silvonen (X)

2 Diodi ja puolijohteet Luento Ideaalidiodi = kytkin Puolijohdediodi = epälineaarinen vastus Sovelluksia, mm. ilmaisin ja LED, tasasuuntaus viimeis. viikolla Pii ja doping eli seostus epäpuhtauksilla pn-liitos Päästösuunta vs. estosuunta Elektroniikka on epälineraarista iterointi D.C. vs. signaali, piensignaali-approksimaatio Kaaosteoria ja "Chuan diodi" Ensi viikolla: bipolaari- ja kanavatransistorit (BJT ja FET) Lisätietoja: Elektroniikka ja puolijohdekomponentit, 2009 Page 2 (24)

3 Mistä elektroniikka koostuu (s.l.) Puolijohdekomponentit: Diskreetit, esim. Diodi, BJT, FET Monoliitti-IC, esim. Opamp, CMOS, ASIC Hybridi-IC, esim. jotkut RF-mikropiirit Passiivit : R, L, C, siirtojohto, muuntaja, ym. Anturi, toimilaite, muutin (sensor, actuator, transducer) Näytöt, liitännät, ohjelmistot Diodi Transistori BJT Kanavatransistori (MOS)FET Page 3 (24)

4 Parasiitit, kohina, särö Elektroniikan komponentit ovat epäideaalisia, loissuureet ovat aina läsnä! Ideaalinen vastus? i + E Noise Epälineaarisuus u Epälineaarisuus tuottaa säröä ja kohinaa syntyy kaikkialla. Page 4 (24)

5 Ideaalidiodi, cf. Switch Voidaan mallintaa kytkimellä anodi katodi I = 0 I U = 0 U I U Page 5 (24)

6 Ideaalidiodi vs. puolijohdediodi (alla) Päästösuunta/estosuunta. Ideal Diode vs. Semiconductor Diode, forward/reverse. E 0 E Ideal E 0 0 f (I) I Nonideal I S E < E E 0 Page 6 (24)

7 LED = loistediodi vs. fotodiodi Myös laserdiodi (optinen tietoliikenne) ja IR = infrared Esimerkkinä LED merkkivalona, oikealla fotodiodi: E R I U 1,8 V vrt. kaukosäädin, langaton näppäimistö/hiiri Ledeillä ja muilla diodeilla sallittu jänniteikkuna on hyvin kapea: hieman liian pieni U ei johda, hieman liian suuri U kärähtää! Page 7 (24)

8 Seostettu puolijohde, pn-liitos Doping, pn-junction, piihin on seostettu heikosti booria tai fosforia Kovalenttinen sidos (Si) IV + III (B) = p- (Si) IV + V (P) = n- tyyppinen puolijohde tyyppinen puolijohde Si Si Si Si Si B Si Si Si P Akseptori Donori Page 8 (24)

9 Päästösuunta, Forward Bias Tyhjennysalue Depletion Region decreases due to the forward Voltage n = elektronit, p = aukot tyhjennysalue kapenee anodi pp p p pp p p pp p p pp p p I + n n nn n n nn n n nn n n nn katodi I U F Page 9 (24)

10 Estosuunta, Reverse Bias Depletion Region increases, but a small Saturation Current leaks Saturaatiovirta I S (estosuuntainen vuotovirta) ei juuri riipu jännitteestä kyllästysvirta tyhjennysalue levenee vuotovirta I S pp p pp p pp p pp p U R + n n n n nn nn nn nn I S I S Page 10 (24)

11 Puolijohdediodi, pn-liitos Semiconductor Diode, pn-junction; 0,7 V (vrt. lab.) I 1 ma 0,7 V U p n U I anodi katodi I 1 na I S U Page 11 (24)

12 Ominaiskäyrä i = f (u), Einsteinin yhtälö (U T ) Characteristic Curve Epälineaarinen vastus I = I S (e U nu T 1) I I S e U nu T U >> nu T 0 U 0 I S ( 1) U << 0 U U T = kt q 25 mv q = 1, As k = 1, J K Lämpöjännite Alkeisvaraus Boltzimiehenn vakio Page 12 (24)

13 Emissiokerroin n 2 (Diode), n 1 (BJT) Emission Coefficient, Ideality Factor Page 13 (24)

14 Epälineaarinen yhtälö Nonlinear Equation U E I R RI Newton-Raphson-iterointi: U = E RI U = E RI S (e U nu T 1) Page 14 (24)

15 Iterointi Kokeillaan eri U:n arvoilla E = 10 V, R = 1 kω, I S = 1 na, n = 2, U T = 25 mv U/V U E RI S e U nu T /V 0,7 8,80 >> 0,7 0,8 1,11 > 0,8 0,81 0,85 < 0,81 0,802 0,75 0,80 0, ,802 U 0,802 V I = E U R 9,198 ma I = I S (e U nu T 1) 9,249 ma Page 15 (24)

16 Tasavirta ja signaali DC vs. signal Kansainvälinen merkintäsopimus (IEC): total u or i = DC + pure signal Tasavirta: iso kirjain, iso alaindeksi: U D = R D I D Signaali: pieni kirjain, pieni alaindeksi: u d = r d i d Kokonaisvirta: pieni kirjain, iso alaindeksi: u D = U D + u d U D = u AVE u d = u D i D = I D + i d I D = i AVE i d = i D IEC = International Electrotechnical Commission Page 16 (24)

17 Toimintapiste ja staattinen resistanssi Operating Point Q, static (DC) Resistance R D u D = U D = U Q = R D I D U D nu i D = I D = I Q = I S (e T 1) Q = quiescent u D I D i D U D Page 17 (24)

18 Dynaaminen resistanssi, muutos käyrällä Dynamic (ac) Resistance near the Operating Point I D i D u D nu i D = I S (e T 1) i D u D U D r d = u D i D nu T I D u D Page 18 (24)

19 Piensignaalianalyysi Small-Signal Analysis Signaalin käyttäytyminen epälineaarisisissa komponenteissa Käyrän linearisointi toimintapisteessä; siksi vain pien... Lineaarisilla komponenteilla, kuten R, ei ole eroa pien vs. suur DC-lähteitä ei oteta huomioon, nollataan Esim. vahvistimen vahvistus ja tuloresistanssi lasketaan piensignaalianalyysillä Page 19 (24)

20 Tasajännitteen päällä ratsastava signaali Little red signal riding on a smooth d.c. u A U A t u a t U A t Page 20 (24)

21 Hyvin suuri keskisuuri hyvin pieni taajuus Taajuusalueapproksimaatiot ja komponenttien käsittely f f f ωc = ωl = 1 jωc ωc = 0 jωl ωl = 0 D.c.-lähteiden nollaus Linear Epälin. Signaalilähteet R S = 0 R S = d.c. R r d + a.c. Page 21 (24)

22 Tasavirta- vs. piensignaalianalyysi DC vs. Small Signal Analysis Signaali läpäisee tasajännitelähteen ja ison kondensaattorin. Epälineaarinen komponentti näkyy dynaamisen resistanssin määräämänä vastuksena r d (approksimaatio). d.c. u D + a.c. r d u d + a.c. Page 22 (24)

23 Zenerdiodi, Voltage Reference for small I OUT I U Z I S I N Jännitereferenssi (pieni I OUT ) E R U U Z U I I OUT I I N U Z R L E R(I OUT + I N ) + U Z Page 23 (24)

24 Chua s Circuit, Butterfly Effect Yksinkertaisin mahdollinen kaoottisesti toimiva piiri, ks. chua-circuit.i.txt Yleinen kaaosteorian testialusta. Vasemmalla Chuan diodi (negatiivista resistanssia sisältävä epälineaarinen komponentti, joka tosin ei ole diodi). Nopassa APLAC-netlist, piirrä(n) y = u 2 vs. x = u 1! u 1 R C 1 U C0 C 2 u 2 L Page 24 (24)