Sähkötekniikka ja elektroniikka



Samankaltaiset tiedostot
Sähkötekniikka ja elektroniikka

Sähköpaja. Kimmo Silvonen (X)

ELEKTRONIIKAN PERUSTEET T700504

Sähköpaja. Kimmo Silvonen (X)

Sähköpaja. Kimmo Silvonen (X)

Sähköpaja. Kimmo Silvonen (X)

BL40A1711 Johdanto digitaalielektroniikkaan: CMOS-tekniikka ja siihen perustuvat logiikkapiiriperheet

ELEKTRONIIKAN PERUSTEET T320003

Sähkötekniikka ja elektroniikka

Transistoreiden merkinnät

Sähköpajan elektroniikkaa

Sähköpajan elektroniikkaa

FYSE301 Elektroniikka I osa A Loppukoe (Vastaa kaikkiin viiteen tehtävään)

FYSE301 Elektroniikka I osa A Loppukoe Vastaa kaikkiin viiteen kysymykseen

Transistoriteknologian kehitys

20 Kollektorivirta kun V 1 = 15V Transistorin virtavahvistus Transistorin ominaiskayrasto Toimintasuora ja -piste 10

Sähköpajan elektroniikkaa

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Aineopintojen laboratoriotyöt I. Ominaiskäyrät

SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Sähkötekniikka ja elektroniikka

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

DIODIN OMINAISKÄYRÄ TRANSISTORIN OMINAISKÄYRÄSTÖ

1. Tasavirtapiirit ja Kirchhoffin lait

Sähkötekniikan perusteet

Taitaja2005/Elektroniikka. 1) Resistanssien sarjakytkentä kuormittaa a) enemmän b) vähemmän c) yhtä paljon sähkölähdettä kuin niiden rinnankytkentä

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

Kaikki kytkennät tehdään kytkentäalustalle (bimboard) ellei muuta mainita.

IGBT-TRANSISTORI. Janne Salonen. Opinnäytetyö Joulukuu 2013 Tietoliikennetekniikka Sulautetutjärjestelmät ja elektroniikka

FYSE301(Elektroniikka(1(A3osa,(kevät(2013(

BL40A1711 Johdanto digitaalielektroniikkaan - Johdanto integroituihin digitaalipiireihin

PIIRIANALYYSI. Harjoitustyö nro 7. Kipinänsammutuspiirien mitoitus. Mika Lemström

Analogiapiirit III. Tentti

ELEKTRONIIKAN PERUSTEET

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Näytteen liikkeen kontrollointi

CC-ASTE. Kuva 1. Yksinkertainen CC-vahvistin, jossa virtavahvistus B + 1. Kuva 2. Yksinkertaisen CC-vahvistimen simulaatio

R = xw = W e (v SG V T )v SD. (4) (v SG V T )v SD. (5)

Sähkötekniikka ja elektroniikka

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

ELEC-C6001 Sähköenergiatekniikka, laskuharjoitukset oppikirjan lukuun 10 liittyen.

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

S Tehoelektroniikan komponentit J. Niiranen 1 (12) Tentti , kello , sali S3

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

ELEC-E8421 Tehoelektroniikan komponentit 1 (9) Tentti , kello 13: :00, sali AS1

TRANSISTORIPARAMETRIT

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA Aalto-yliopisto, sähkötekniikan korkeakoulu

Sähköautoprojekti Pienoissähköauto Elektroniikan kokoonpano Moottoriohjain.

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

UNIVERSITY OF JYVÄSKYLÄ LABORATORY WORKS. For analog electronics FYSE400 Loberg D E P A R T M E N T O F P H Y S I C S

Sähköpaja. Kimmo Silvonen (X)

LOPPURAPORTTI Lämpötilahälytin Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

Käännös, linkitys ja lataus

1 Kohina. 2 Kohinalähteet. 2.1 Raekohina. 2.2 Terminen kohina

ELEC C4210 SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

3. Esittele kirjassa esitetyt puolijohdetehokomponenttien jäähdytysmenetelmät ja -laitteet sekä niiden keskinäiset edut ja haitat.

10. Kytkentäohje huonetermostaateille

Taitaja2004/Elektroniikka Semifinaali

Elektroniikka. Mitä sähkö on. Käsitteistöä

ELEC C4210 SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA Kimmo Silvonen

KIMMO SILVONEN ELEKTRONIIKKA JA SÄHKÖTEKNIIKKA

Automaation elektroniikka T103403, 3 op SAU14snS. Pekka Rantala kevät 2016

Sähkötekniikan perusteet

TRANSISTORIASTEEN TOIMINTA- SUORAN MÄÄRITTÄMINEN

S Tehoelektroniikan komponentit J. Niiranen 1 (13) Tentti , kello , sali S4

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Operaatiovahvistimen vahvistus voidaan säätää halutun suuruiseksi käyttämällä takaisinkytkentävastusta.

' ' MJE3055~ i'.. "' f'... r-...

amiedu DIGITAALITEKNIIKAN PERUSPORTIT 2 Sivu 1 (7)

C 2. + U in C 1. (3 pistettä) ja jännite U C (t), kun kytkin suljetaan ajanhetkellä t = 0 (4 pistettä). Komponenttiarvot ovat

TIEP114 Tietokoneen rakenne ja arkkitehtuuri, 3 op. FT Ari Viinikainen

Sähkötekniikka ja elektroniikka

LABORAATIO 1, YLEISMITTARI JA PERUSMITTAUKSET

SÄHKÖENERGIATEKNIIIKKA. Harjoitus - luento 7. Tehtävä 1

Sähkötekiikka muistiinpanot

Taitaja2008, Elektroniikkalajin semifinaali

AB LUOKAN AUDIOVAHVISTIMEN SUUNNITTELUOHJEITA

SÄHKÖTEKNIIKAN KOULUTUSOHJELMA KANDIDAATINTYÖ. n-kanavaisen MOSFET-transistorin mittaaminen ja MATLABilla mallintaminen

Elektroniikan komponentit

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

Sähkötekniikka ja elektroniikka

Vastksen ja diodin virta-jännite-ominaiskäyrät sekä valodiodi

TA-Slider 160. Toimilaitteet Digitaalisesti määriteltävä, suhteellisesti säätävä, yksitoiminen (push) toimilaite 160/200 N

PERUSRAKENTEET Forward converter, Myötävaihemuunnin ( BUCK regulaattori )

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Ongelma(t): Mihin perustuu tietokoneiden suorituskyky ja sen jatkuva kasvu? Mitkä tekijät rajoittavat suorituskyvyn parantamista ja mitkä niistä ovat

PUOLIJOHTEET tyhjennysalue

4B. Tasasuuntauksen tutkiminen oskilloskoopilla.

ELEKTRONISET TOIMINNOT

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA


Energianhallinta. Energiamittari. Malli EM10 DIN. Tuotekuvaus. Tilausohje EM10 DIN AV8 1 X O1 PF. Mallit

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA Aalto-yliopisto, sähkötekniikan korkeakoulu

Teholähteet ja muuntajat Phaseo Poweria automaatioon!

l s, c p T = l v = l l s c p. Z L + Z 0

Sirpa Lehtola Michael Benford Wolf-Rainer Windisch. English for Electrical and Electronics Professionals. Helsingissä Kustannusosakeyhtiö Otava 1

vikataajuus lämpötilassa T vikataajuus lämpötilassa T = 75 C Lämpötila, C

Fysiikan laboratoriotyöt 1, työ nro: 3, Vastuksen ja diodin virta-jänniteominaiskäyrät

Ongelma(t): Mihin perustuu tietokoneiden suorituskyky ja sen jatkuva kasvu? Mitkä tekijät rajoittavat suorituskyvyn parantamista ja mitkä niistä ovat

Transkriptio:

Sähkötekniikka ja elektroniikka Kimmo Silvonen (X)

Bipolaaritransistori BJT Versio Bipolar Junction Transistor, liekkö turhakin keksintö? BJT 23.12.1947 Nobel 1956 (Bell Labs, nykyisin Alcatel-Lucent) Bell Labs: Where vision and technology meet customers... Aalto ELEC: Where science and technology meet society Mikroelektroniikan lähtölaukaus IC 1959 (2 BJT, Texas Instruments), Nobel 2000 Operaatiovahvistin 1963 (9 BJT, Fairchild Semiconductor) Erilliskomponenttina tai anturina sekä bipolaarisissa mikropiireissä (opva, regulaattori, tietyt logiikkapiirit, ym.) Keskinkertainen integroitavuus, pikemminkin muita etuja Page 2 (28)

The Transistor Three: Schockley, Bardeen, Brattain Nobelisteja, Bardeenille toinen fysiikan Nobel 1972 suprajohtavuuden teoriasta Page 3 (28)

A Replica of the First Transistor, alinna Base Page 4 (28)

Bipolaaritransistori, Applications Signaalin vahvistaminen, esim. hifi-päätevahvistin Analogiset mikropiirit, mm. operaatiovahvistin, regulaattori Nopea kytkin, mm. hakkuriteholähteissä ja lähettimissä Nopeat logiikkapiirit (ECL) Signaalin generointi (oskillaattori) Anturi (lämpötila, valo) Page 5 (28)

Transistorityypit, npn vs. pnp Piirrosmerkki, rakenne, toimintaperiaate. Kanta (base), kollektori, emitteri. B C E n p n + βi B i B B C p n p + E Page 6 (28)

Transistor Man Selittää hyvin transistorin perustoiminnan, ks. seuraava sivu! "Tämän pikkumiehen elämäntehtävänä on yrittää toteuttaa yhtälöä I C = βi B, mutta ainoa asia, mitä hän voi tehdä, on kääntää säätövastuksen nuppia. Täten hän kykenee siirtymään oikosulusta (saturaatio) katkaistuun virtapiiriin (off-tila) tai mihin tahansa tilaan niiden välille." Kirjaa voi lukea elektronisena versiona, kirjoita Googleen hakusanoiksi: The art of electronics Horowitz Hill Page 7 (28)

Transistor Man (h FE = β) Operaatiovahvistinmiehen esikuva Horowitz and Hill, The Art of Electronics Page 8 (28)

Toiminta puolijohdetasolla cf. Diode E emittoi elektronit C:lle, joka kerää ne. Vain pieni osa menee B:lle. I C + C n B E p n + n p I B + I E U CB U BE U BE nu I C = I S e T n = 1 I B = 1 β I C Page 9 (28)

Virtavahvistus β (ja α) Current Gain Tässä oleellisin: pieni i B säätelee paljon suurempaa i C :tä "virtavahvistus"! i C CCCS i B u CE 0,3 V i βi B B i u BE 0,7 V E i E u BE nu i C = βi B = αi E = I S e T i E = i C + i B = (β + 1)i B i C β = α 100 (20...500) 1 α α = β 0,99 (0,95...0,998) β + 1 Page 10 (28)

Ominaiskäyrät Characteristic Curves Epäideaalisuus johtuu ominaiskäyristä. i i C SAT LIN B tai i C βi B1 i B1 βi B2 i B2 CUTOFF 0,3 V u CE } {{ } 0,7 V CUTOFF u BE Page 11 (28)

Reverse vs. Forward Virtalähteen sisäisen vastuksen r o takia nousevat suorat β R << β = β F k = 1 r o Page 12 (28)

Ebers-Moll Equivalent Circuit vrt. dtf.pdf npn: B C I CD α F I ED IED U BC α R I CD E U BE I ED = I ( ) U S BE U e T 1 α F I CD = I ( ) U S BC U e T 1 α R Page 13 (28)

Toimintatilat, Operation Modes Sulkutila (E), lineaarinen toiminta, kyllästystila (0,3 V) 0 0 säätö > 0,7 V i B βi B E...0,3 V E Page 14 (28)

CUT, AKT or SAT as a function of E BB E BB + R B I B + U BE = 0 ja U CE R C I C + E CC = 0 β = 100 R B I 1 kω B 0,7 V E BB I C βi B R C 47 Ω 5 V U CE E CC C 0,5 V 0 ma β = 0 ma 5 V C/A 0,7 V 0 ma β = 0 ma 5 V A 1,2 V 0,5 ma β = 50 ma 2,65 V A/S 1,7 V 1 ma β = 100 ma 0,3 V S 2,0 V 1,3 ma 100 ma 0,3 V Page 15 (28)

Biasointi ja kytkentäkondensaattorit Biasointi eli "esijännittäminen"tarkoittaa tasavirtojen säätämistä niin, että päästään halutulle kohdalle ominaiskäyriä. Tasavirta otetaan jännitelähteestä tai vakiovirtalähteestä. Signaali tuo mukaan ajan funktiona muuttuvan virran. signaali i b C IB i B DC I C signaali i C i c C Page 16 (28)

Tasavirta- vs. piensignaalianalyysi Tämä tehtiin jo diodilla tehtävässä 74 I B = virran vakio-osa eli keskiarvo, d.c. i b = virran vaihteleva osa, a.c.-signaali i B = I B + i b = kokonaisvirta, d.c. + a.c. U BE +u be i C I S e nu T = U BE nu I S e T e } {{ } I C u be nu T i C = I C 1 + u be + 1 ( ) 2 ube +... nu T 2! nu } {{ T } 0 Taylorin sarja: d.c. + signaali + särö(t) distortion Tästä syntyy hybridi-π-sijaiskytkentä. Page 17 (28)

Kanavatransistori eli FET Field Effect Transistor Mikropiirit ja Mooren laki Mosfet on mikroelektroniikan tärkein pelinappula Kuka kertoisi tästä tiedotusvälineille!? FET-tyypit, rakenne ja toiminta Triodialue vs. saturaatioalue Yhtälöt ja parametrit Jänniteohjattu (elektroninen) kytkin Jännitteellä säädettävä vastus Fet signaalinkäsittelyssä Lisätietoa: Elektroniikka ja puolijohdekomponentit Page 18 (28)

Kanavatransistorit FETs avauskanavatransistori, sulkukanavatransistori ja liitoskanavatransistori G CMOS enmos avaus D S epmos avaus dnmos sulku dpmos sulku njfet liitos pjfet liitos G D S B (vain MOSFET) gate drain source body, bulk hila nielu lähde substraatti Page 19 (28)

Avauskanavatransistori, ENMOSFET keskitymme tähän tyyppiin N-Channel Enhancement-MOSFET (E-MOSFET) Kerrosvoileipä: metalli piidioksidi d puolijohde (pii, Si) elektroneja inversiokerros p n 32 nm prosessi d = 0,9 nm D + G S n + d n + L = 30 nm p W B n + = vahvasti seostettu n-puolijohde (paljon vapaita elektroneja) MOS = Metal-Oxide-Semiconductor FET = Field-Effect-Transistor MOSFET = IGFET = Insulated-Gate-FET Page 20 (28)

Kynnysjännite ja kanavan virta Threshold Voltage Kanava voidaan avata ja sulkea osittain tai kokonaan hilaportin kautta u GS i D i G = 0 u DS > 0 i S ohjausjännite kanava käyttövoima i G = 0 i D = i S Kynnysjännite U t (t = threshold) u GS U t i D 0 u GS U t i D 0 Subthreshold-alue ja heikko inversio: matala jännite, pieni virta Page 21 (28)

Toiminta-alueet: Cut, Ohm, Tri, SAT(FET) SAT(BJT) MOSFETin johtavuusparametri K = 2 1 µ W nc OX Conductivity Parameter L I D Ohm Tri Sat (lin) Tri U GS2 U GS1 Cut Cutoff I D = 0, kun U GS U t U DS Ohmic (Triode) u DS << u GS U t : I D K[2(U GS U t )U DS ] Triode u DS u GS U t : I D = K[2(U GS U t )U DS U 2 DS ] Saturation u DS u GS U t : I D = K(U GS U t ) 2 Page 22 (28)

Hyvä esimerkki, kattaa DC-analyysin, STE s. 317, EPJK s. 213 Toiminta-alueet: C = Cut, S = Sat, T = Tri. SAT : I D = K(V GG U t ) 2 K = 1 ma/v 2 U t = 2 V R D 2 k I D V DD 10 V GG U GS U DS C/S 2,0 V U t 0 ma 10 V S 3,0 V 1,0 ma 8,0 V > U GS U t S/T 4,0 V 4,0 ma 2,0 V 4,0 2 T(S) 4,2 V 4,84 ma 0,32 V < 4,2 2 T 4,2 V 4,28 ma 1,449 V < 4,2 2 (seur. sivu) Page 23 (28)

Triodialueen käsittely (taulukon viimeinen rivi) Jatkoa edelliseltä sivulta. Eri virtayhtälö, koska ollaan TRI-alueella: TRI, OK I D = K [ 2(V GG U t )U DS U 2 ] V DD U DS DS = R D K 2(V } {{ } GG U t ) U } {{ }}{{} DS 2 2,2 x }{{} x 2 U 2 DS = V }{{} DD 10 R D U DS }{{} x 2x 2 9,8x + 10 = 0 x = 2,45 ± 1,001 U DS = x = 1,449 V< U GS U t = 2,2 V Page 24 (28)

Mikropiirien kehitys Integrated circuits MOSFET mikroprosessori IC (flip-flop, 2 kpl BJT, hybridi) 1959 Texas Instruments, Jack Kilby (taskulaskin), Nobel 2000 MOSFET 1960 (Bell Labs.) Etninen tausta: M. Atalla s. 1924 ja D. Kahng k. 1992 CMOS (= NMOS + PMOS) 1963-1968 (RCA) Yleisin mikropiiriteknologia (CPU, GPU, DRAM, SSD, ym.) Intel 1968 ( More-Noise ) Gordon Moore ja Robert Noyce, Fairchild (IC myös 1959) Noycen IC oli monoliitti, menikö Nobel väärälle miehelle? 8 chipin tilaus 1969, vain 2 suunnittelijaa, piti keksiä Mikroprosessori 4004 vuonna 1971 Page 25 (28)

Mikropiirit, IC Luokittelu, esim. ULSI = Ultra Large Scale Integration Small, Medium, Large, Very Large, Ultra, Giant,... Gimme bigger words! BFL? Loogisia portteja Fettejä SSI < 10 < 10 2 MSI < 10 2 < 10 3 LSI < 10 3 < 10 4 VLSI < 10 4 < 10 5 ULSI < 10 5 < 10 6 GSI > 10 5 > 10 6 i7-980x 1170 10 6 Xeon 8-core 2300 10 6 Page 26 (28)

Moore s Law. Alamainen pyytää kuninkaalta riisinjyviä palkkioksi palveluksestaan; hölmö kuningas myöntyy! Olet nyt tässä IC 1959 µp 1971 1 2 4 8 16 32 64 PC 1983 Win 95 iphone -07 Ubuntu 2019? 1 jyvä shakkilaudan 1. ruutuun 2 jyvää 2. ruutuun... 512 jyvää 10. ruutuun... 32 000 vadillista jyviä vuonna 2010... Biljoona uima-altaallista jyviä 64. ruutuun (2053) Page 27 (28)

Ensi kerralla operaatiovahvistin Elektroniikan yleistyökalu Googlaa esim. "Opamps for everyone Texas Instruments (hyvä PDF-kirja). Toinen opas: http://www.ti.com/lit/an/sboa092a/sboa092a.pdf Tämä viikko on labrojen A-viikko! Page 28 (28)