Villamosságtan | Felsőoktatás » Tranzisztorok

TRANZISZTOROK 1 Tranzisztorok Olyan kis hely, feszültség és energiaigényû eszközre volt szüksége az elektronikával foglalkozó szakembereknek, amelynek az árama egy vezérlõ jeltõl (amely áram vagy feszültség is lehet) függ egyenes arányban. Az elektroncsövek már tudtak ilyesmit, de nagyon nagy hely és energiaigénnyel lehetett csak mûködtetni õket. A megvalósítás legegyszerûbb módját az ezeregyéjszaka csodalámpásának dzsinnje vagy egy tranzisztor kapitány (ld. Modellek fejezet) adta volna Sajnos nem sikerült gyufafejnyi tokba zárt démonokat felkutatni, akik a kívánt manõvert elvégzik. Így a kutatók kénytelenek voltak pótszerhez folyamodni, amelyet a félvezetõk jelentettek. A bipoláris tranzisztor µ §Helyezzünk el két p-n átmenetet sorba egy félvezetõ kristályban (p-n-p, vagy n-p-n lehet a rétegek sorrendje), és lássuk el kivezetéssel mindhárom réteget (TZ1.ábra) Az E elektróda

az emitter (emitter = kibocsátó) a töltéshordozókat kibocsátó réteg, a C kollektor (collector = gyüjtõ) réteg feladata a B bázisrétegen átjutó töltéshordozók összegyüjtése. µ §Kapcsoljunk feszültséget az így elõállított NPN tranzisztorra a TZ2.ábra szerint Ha az emitterre adott feszültség eléri a 0.6 V körüli értéket, az emitter-bázis diódán, amely nyitóirányú elõfeszítést kap, megindul az áram. Elektronok áramlanak az emitterbõl a bázisrétegbe, és ott a többségi töltéshordozó lyukakkal találkozva rekombinálódnak. Ha a bázisréteg elegendõen vékony, az elektronok egy része átjuthat a bázisrétegen a kollektorig rekombináció nélkül. Megfelelõ szennyezettség és geometria kialakításával elérhetõ, hogy az elektronok több mint 99%-a átsodródjon a bázisrétegen és a kollektorba jusson. (TZ3ábra) Az elõbbiek érvényesek a PNP tranzisztorra is, csak a töltéshordozók az emitterben és a kollektorban lyukak,

míg a bázisrétegben elektronok lesznek, - emiatt az elektródákra adott feszültségek (telepek) polaritása fordított. (TZ4ábra) A megszokott konvenció szerint kollektoráram és a bázisáram összege az emitteráram. A bázis-emitter feszültség és a kollektor-bázis feszültség összege pedig a kollektor és emitter közötti feszültséget adja. E B C CE BE CB I = I + I és U =U +U A bemenõáram az emitteráram, a kimenõáram a kollektoráram, tehát a tranzisztor ú.n ki be C E áramerõsítése α = i / i = i / i ≈ 0.99 Szokás még a kollektor és bázisáram hányadosát is áramerõsítésnek nevezni (ld. közös C B emitteres kapcsolás) β = i / i µ§ Tranzisztor karakterisztikák A jelleggörbék meghatározásához be és kimenetet kell választani. Két elektróda közé kell a bemenõjelet adni és másik két elektróda között találjuk a kimenõfeszültséget. Így a tranzisztor három kivezetése közül egyik közös lesz a be - ill. kimenet

szempontjából Ezért három alapkapcsolást különböztethetünk meg: -közös bázisú -közös emitterû -közös kollektorú kapcsolást. Mindhárom esetben felvehetjük a: µ § -bemenõáram-bemenõfeszültség görbesereget, amibõl a dinamikus bemenõellenállás határozható meg (paraméter a kimenõ áram vagy feszültség) -kimenõáram-kimeneti feszültség karakterisztikákat, (paraméter a bemenõ áram vagy feszültség lehet) amelybõl a dinamikus kimenõellenállást kaphatjuk. -ki és bemenõáram összefüggést, (paraméter a kimenõfeszültség) és ebbõl az áramerõsítés határozható meg. Ezek az ú.n jelátviteli jellemzõk, ezek ismeretében tervezhetõ az erõsítõfokozat TRANZISZTOROK 2 Tranzisztor modellek, helyettesítô képek Láttuk az elôzôekben, hogy a tranzisztor - kicsike térfogata ellenére - igen összetett eszköz. Több, különbözôképpen adalékolt félvezetô rétegbôl áll, vagyis

térbelileg inhomogén. A töltéshordozók mozgását nemcsak a Maxwell egyenletek, hanem kvantummechanikai összefüggések is szabályozzák. Nem csoda, hogy a feszültség-áram állapotok közelítôleg pontos meghatározásához hosszadalmas és nehézkes számítások szükségesek. Mint olyan sokszor a természettudományokban, itt is a modell módszerhez kell folyamodnunk. A modell "majdnem" úgy mûködik, mint az, amit leképez, - de annál jóval egyszerûbb, áttekinthetôbb. A kényelemért cserébe veszítünk a pontosságból, az univerzális alkalmazhatóságból. µ §µ § A bipoláris tranzisztor legegyszerûbb modellje a TZ5. ábrán látható Ez a mûködést szemlélteti: a tranzisztor lényegében egy zárható-nyitható csap, amelyiken az átfolyó víz mennyisége könnyen, kis energiával szabályozható. Fontos az is, ami alája van írva : a tranzisztor szelep, nincsen benne pumpa, vagyis külsô energiaforrás nélkül nem mûködik. A TZ6. ábra

stilizáltan arra utal, hogy ezt a vezérelhetô csapot az átfolyó vízzel is szabályozhatjuk, így az átfolyó víz mennyiségét függetlenné tehetjük a víz nyomásától, vagyis valamifajta hasznos funkcionális javuláshoz juthatunk. A TZ7. ábra már egy kicsit többet mond a tranzisztorok mûködésének lényegérôl E szerint a tranzisztor belsejében egy kicsi, de roppant ügyes tranzisztor-kapitány helyezkedik el, aki nagyon gyorsan dolgozik. Egyrészt figyeli a bemeneti, bázis oldalon befolyó áram pillanatnyi értékét, másrészt állandóan úgy állít be egy ellenállást, hogy a kimeneti, kollektor oldali áram éppen a bemeneti áramnak meghatározott mennyiségû többszöröse legyen. A tranzisztor tehát helyettesíthetô két mûszerrel, egy változtatható ellenállással és egy tranzisztor-kapitánnyal! (Természetesen egyszerû modellünk a bipoláris tranzisztorra vonatkozik, de térvezérlésû tranzisztorra is kiterjeszthetô. Itt a

tranzisztor-kapitány a bemeneti oldal feszültségét figyeli és ehhez igazítja a kimeneti áram értékét. ) µ § A fenti modellek képszerûek, sokat segítenek a tranzisztor funkciójának megértésében. Ebben a formában azonban számításokra alkalmatlanok - A tranzisztort is tartalmazó áramkörök munkaponti, erôsítési stb. paramétereinek meghatározásához az ún helyettesítô képek használata terjedt el. A TZ8 ábrán azt látjuk, hogy a tranzisztor olyan elrendezés, amelynek bázisa és emittere között egy dióda helyezkedik el. Ennek a diódának az árama "vezérli" (mert benne rejtôzködik a tranzisztor-kapitány !) a kollektor-köri változtatható áramerôsséget kibocsátani tudó áramgenerátort. - A TZ8 ábra jobb oldalán az elôzô képet tovább módosítjuk: a dióda helyett csak egy ellenállást rajzolunk be. Ez csak akkor engedhetô meg, ha az áramok változásai a munkaponti áramokhoz képest elhanyagolhatóan kicsik.

rövidesen következik). Ezt az ellenállást 11 h -nek szokták nevezni (magyarázata µ§ 11 Mi határozza meg ezt a h munkaponti differenciális ellenállása -et? - Ha a tranzisztor emitterárama I D r = 25 mV / I E E , akkor a dióda nagyságú lesz. Ha a tranzisztor E áramerôsítési tényezôje α , akkor a báziskörben (1 - α ) I nagyságú áram folyik. Ha az áramerôsítési tényezô közel egységnyi, akkor (1 - α ) ≅ 1/β értékkel számolhatunk, vagyis 11 h ≅ β 25 mV / I E . 11 Nem szabad megfeledkezni arról, hogy h differenciális ellenállás, ezért ez a helyettesítô kép csak a munkapont kicsiny környezetében használható. Semmiképpen nem alkalmas a munkaponti áramok/feszültségek, vagyis az egyenáramú jellemzôk számításához. Ilyen hibát elkövetni nagyfokú neveletlenség ! A TZ10. ábrán a tranzisztor ún h- paraméteres helyettesítô képét, modelljét látjuk Értelmezéséhez kis kitérôt kell tennünk, meg

kell ismerkednünk az ún. négypóluselmélet alapgondolatával. µ§ Képzeljük el, hogy a TZ9.ábra szerint egy valóságos jelgenerátor csatlakozik egy négypólus (kétpólus-pár) bemeneti oldalához, a kimenetéhez pedig egy terhelô ellenállás. Úgy gondoljuk, hogy a négypólus lineáris áramköri elemek valamifajta ismert kapcsolásából épül fel. Ha a bemeneti jelgenerátor és a kimeneti terhelés változik, akkor célszerû lehet a négypólust valahogy úgy jellemezni, hogy a választott paraméterek tegyék egyszerûvé a be bemeneti és kimeneti jellemzôk közötti viszony ismételt meghatározását. - Ha u ,i ki 0 ki ,i be - t tekintjük ismeretlennek, akkor két egyenletet triviálisan felírhatunk: b be u = R i u ki ,u be + u T ki = -R i A négypólust leíró hálózat Kirchhoff egyenleteit addig alakíthatjuk, míg a közöttük lévô kapcsolatot az alábbi formára nem hoztuk: TRANZISZTOROK

3 be u ki u = Z = Z 11 21 i i be be + Z 12 + Z 22 i i felépítésû, vagyis a kollektor is tud emitterként viselkedni. Természetesen a viszonyok némileg módosulnak: az emitter és kollektor rétegnek sem adalékolása sem geometriája nem azonos. Így érthetô, hogy beszélhetünk normál és inverz tranzisztorról, illetve normál és inverz áramerôsítési tényezôrôl. (Amíg egy átlagos tranzisztor normál áramerôsítési tényezôje majdnem egységnyi, az inverz tranzisztoré 0.3 - 07 , vagyis lényegesen kisebb) ki ki 11 a Z , stb. paramétereket - értelemszerûen - a négypólus impedancia/ellenállás paramétereinek hívják. Az is világos, hogy a négypólus leírására másfajta egyenletek is alkalmasak. Léteznek admittancia-, lánc-, hibrid-, stb. paraméterek, attól függôen, hogy a fenti két egyenlet bal és jobboldalán milyen mennyiségek szerepelnek. Az ún hibrid (vegyes) paraméterek definíciói az alábbiak: be u i ki 11 =

h 21 = h i be i be 12 + h 22 + h ki u ki u Érdemes felfigyelni két dologra: - a kisbetûk utalnak arra, hogy az összefüggések csak differenciálisan, vagyis kis amplitúdójú jelekre igazak, - az egyes paraméterek definíciói, illetve az azok mérésére alkalmas eljárás az egyenletekbôl ki kiolvasható. Ha u = 11 alkalmazunk, akkor h 0, vagyis a kimeneten a terhelô ellenállás helyett rövidzárat be = u /i be 21 (bemenô ellenállás), h 12 ki = i /i be 22 (áramerôsítési tényezô). - h -et feszültség-visszahatásnak nevezik, 1/h kimeneti, vagy belsô ellenállás. pedig az ún. A fenti egyenletek a ábra szerinti hálózat formájában is kifejezhetôk. - Ezt a képet és áramköri topológiát a tranzisztorok esetén elôszeretettel használják. ( TZ10 ábra) 22 Gyakorlati esetekben a feszültség-visszahatás zérus (h = 0), a kimeneti ellenállás - 1/h pedig általában nagyobb mint 10 kohm, vagyis az általában kohm

nagyságrendû terhelô ellenállások mellett joggal elhanyagolható ( ábra jobb oldal). Igy visszajutunk a TZ8. ábra szerinti helyettesítô képhez, csak most már egyszerûsített hibrid négypólus paraméterekként is tisztelhetjük ôket. A TZ11. CD ED (I , I - a kollektor, illetve emitter diódák áramai, a többi jelölés könnyen értelmezhetô. Az "S" index a telítési - szaturációs - értékre utal) Az ún. Ebers-Moll egyenletek a következôk: µ§ 12 A nagyon összetett mûködésû bipoláris (réteg)tranzisztor elektromos, áramköri szempontból is használható modelljét Ebers és Moll alakították ki. Ôk figyelembe vették az elôbb említett normál/inverz mûködést, de arra is törekedtek, hogy a tranzisztor három alapvetô mûködési tartományában elektromos szempontból a valóságos értékeket jól közelítô eredmény kapjanak. µ § A tranzisztor ugyanis lehet lezárt, ha mindkét diódája egyidejûleg zárófeszültséget

kap. A tranzisztor lehet aktív állapotban, - ekkor a bázis-emiter dióda nyitott, a báziskollektor pedig zárt Ilyenkor a bázisárammal nagyjából egyenesen arányos kollektoráram folyik. - Végezetül pedig a tranzisztor lehet telítésben, amikor mindkét diódája nyitott, és az áramot csak a külsô áramköri elemek korlátozzák. Ebers és Moll alkották meg a késôbb róluk elnevezett egyenleteket, amelyek a tranzisztor állapotát közelítôleg pontosan leírják mindhárom üzemtartományban. Az egyenletek értelmezését megkönnyíti a TZ11. ábra Ennek felsô része az emitter és kollektor szimmetrikus funkcióit hangsúlyozza: az emitter a kollektorba indít diffúziós áramot, a kollektor pedig az emitterbe. (Az ábra npn tranzisztorra vonatkozik, konvencionális áramirány jelöléssel.) Pont ez a hatás az, ami a tranzisztort két összekapcsolt diódától megkülönbözteti ! - A tranzisztor diódáin átfolyó áram tehát két részbôl tevôdik

össze. Az egyik részét a diódára adott feszültség határozza meg, a dióda egyenletek (lásd: FD) alapján, a másik része a diffúziós/injektált áramból áll. - (Ha injektált áram nem indul vagyis az α értékek zérusak, - akkor az elrendezés két szembekapcsolt diódáva egyszerüsödik. Ez nem tranzisztor! ) ábra alapján tudjuk, hogy a tranzisztor bázisára nézve szimmetrikus I I I E C E = - I N = a + I B ES I ES +I C EB [exp(U T T I CS CB / U ) -1] + a I [exp(U / U ) -1] EB [exp(U T T CS CB / U ) -1] - I [exp(U / U ) -1] =0 Figyeljünk fel az utolsó egyenletre: bár az alkalmazott irány-jelölések szerint korrekt, de nem a szokásos szemléletet tükrözi, amelyik szerint az emitteráramból lesz a bázisáram, TRANZISZTOROK 4 valamint a kolllektoráram. N I, CS ES a ,a ,I ,I az adalékolásnak és a tranzisztor geometriának a függvényei. A fenti egyenletekbôl kimutathatóan az

alábbi összefüggés áll fenn közöttük: N a I ES µ§ I CS = a I Az EM egyenleteket úgy tekintjük, mint a bipoláris tranzisztor legfontosabb, matematikailag még könnyen kezelhetô leírását. Segítségükkel a tranzisztorok nem egészen szokásos áramköri kapcsolásai is vizsgálhatók. - Nem kevésbé jelentôs az is, hogy az elterjedt áramkörszimulációs programcsomagok (pl. az általunk favorizált TINA) ezeket az egyenleteket használja - a tranzisztor-típusoktól függôen különbözô paraméterekkel - az áramkör egyenfeszültségû jellemzôinek kiszámításához. Természetesen a nonlineáris egyenletek iterációval történô gyors megoldása a programrendszerbe be van építve. Fontos tudni azt is, hogy a tranzisztorok különbözô alkalmazásaihoz más fajta helyettesítô képeket is használnak. Így például nagyfrekvenciás viselkedésük leírásánál szerephez jutnak a rétegek közötti kapacitások, illetve a töltéseknek a

bázisrétegen való diffúziós mechanizmusát leíró idôállandók. Tanulmányaink során a tárgyalt modelleknél bonyolultabbat azonban nem fogunk alkalmazni. Vizsgáljuk meg a különbözõ esetek tranzisztorkarakterisztikáit! µ §Közös bázisú kapcsolás Elrendezése megegyezik a TZ2. ábráéval A bemenet az emitter-bázis között van, így a bemenõfeszültség az E-B dióda feszültsége, bemenõáram az emitteráram, a bemeneti áramfeszültség karakterisztika egy dióda jelleggörbéje. (TZ12ábra) Természetesen a karakterisztika függ a kimeneti feszültségtõl is. A közös bázisú kapcsolás egyik elõnye, hogy a függés nagyon csekély, (azaz a visszahatás kicsi), ezért a különbözõ kimenõfeszültséghez tartozó görbék az ábrán nem válnak szét. d T E A differenciális bemenõellenállás: r = U / I (ld. dióda egyenletei) Ez 1 mA-es emitteráram esetén kb. 25 ohm A be és kimenõáram gyakorlatilag azonos (különbségük, a bázisáram két

nagyságrenddel kisebb), így a köztük lévõ függvénykapcsolat egy 45o-os egyenes, (ha az áramerõsítési tényezõ α ≈ 1. ) Mivel a kimenõáram az ú.n szaturációs feszültség (ld TZ13 ábra) felett gyakorlatilag megegyezik a bemenõ emitterárammal és közel független a feszültségtõl, a kimeneti ellenállás értéke nagyon nagy. (szokásos értéke néhányszor 10 kohm) Közös emitteres alapkapcsolás A bemenet itt is a bázis-emitter dióda, de a bemenõáram a bázisáram, így a bemenõellenállás (TZ14.ábra) be T B B E µ §r = U / I és I = (1- α) I C B E B az áramerõsítés β = i / i ≈ i / i = 1 / (1- α), (értéke általában 100 - 400 között van) µ §A kimenõ kollektoráram C B i =βi nem nagyon függ a kimeneti (kollektor-emitter) feszültségtõl, tehát a kimenõellenállás nagy. (ld. TZ15 ábra) Ezt úgy is megfogalmazhatjuk, hogy a tranzisztor kollektora áramgenerátor jellegû. A kimeneti karakterisztikából meghatározhatjuk az

áramerõsítési tényezõt C B CE b ≈ DI / DI (U = állandó) CE Pl. U = 4V értéknél a 20 mA-es bázisáramhoz 2,8 mA-es kollektoráram, míg a 40 mA-es bázisáramhoz 5,8 mA tartozik, így: TRANZISZTOROK 5 B C DI = 40mA - 20mA = 20mA és DI = 5,8mA - 2,8mA = 3mA Az áramerõsítési tényezõ C B b ≈ DI / DI = 3mA / 20mA = 150 A kimenõellenállás is meghatározható a karakterisztikából: ki CE C B r ≈ DU / DI , (I = állandó) CE Az 50 mA-es bázisáramgörbén az U = 1V-hoz a 7 mA-es kollektoráram, míg az 5 V-hoz a 7,4 mA tartozik, így a kimenõellenállás: ki CE C r ≈ DU / DI = 4V / 0,4 mA = 10 kohm. Közös kollektoros alapkapcsolás A bemenet itt is a bázis, a kimenet az emitter. (TZ16ábra) A kollektor (pontosabban a tápfeszültség megfelelõ polaritású pontja, amelyre a kollektor kötve van) a közös nulla potenciálú pontja az áramkörnek. (ld B1 fejezet) µ §Külön ki kell hangsulyoznunk, hogy a

telep (tápegység) mindkét pólusa váltóáramúlag azonos - bár jónéhány volt (egyen)feszültségkülönbség van közöttük. Az ideális telep zérus belsõellenállású (és végtelen kapacitású), tehát váltóáram szempontjából rövidzárt jelent. Az emitter feszültsége a bázisénál a p-n átmenet nyitófeszültségével kisebb, és a bázisban BE T B vezérelt E-B dióda kis differenciális ellenállása miatt ( r = U / I )a nyitófeszültség csak kismértékben változik vezérlés közben, így az emitter feszültsége mintegy követi a bázisét: E be BE U =U -U BE (U ≈ 0.6 V ) ki és így u E be =u ≈u ezért emitterkövetõnek is szokták nevezni ezt a kapcsolást. Mivel a ki és bemenõfeszültségváltozások közel egyenlõek a fenti egyenletek alapján, a közös kollektoros alapkapcsolás feszültségerõsítése jó közelítéssel egységnyi. Az áramerõsítés viszont nagy, hiszen a bemenõáram a bázisáram a kimenõ az emitteráram: ki

be i = (β + 1) i azaz kis bemenõáramváltozás nagy kimenõáramváltozást okoz, miközben a be feszültségváltozások közel azonosak, így: r ki értéke nagy és r értéke kicsi lesz. TRANZISZTOROK 6 A tranzisztor vezérlése µ §µ §A közös emitteres kapcsolást vizsgálva megállapítottuk, hogy a bemenet áramával arányos lesz a kimenõáram, ahol a tranzisztor kollektora áramgenerátorként mûködik, azaz a kimenõáram gyakorlatilag független a kollektorfeszültségétõl. A kimenõ görbeseregnél a tranzisztor bázisáramát konstans értéken tartottuk, tehát a bemeneten áramgenerátor jellegû telepet alkalmaztunk. Emlékeztetõül említjük, hogy az áramgenerátorokra a nagyon nagy belsõ ellenállás jellemzõ. (ld TZ17ábra) A kimenõáram lineáris függése a bázisáramtól jól megfigyelhetõ a kollektoráram lépésközein a TZ18.ábra alapján µ §µ §Nem csak árammal vezérelhetjük a

tranzisztort, hanem feszültséggel is, azaz a bázis feszültségét tartjuk állandó értéken egy-egy kimeneti áramkarak-terisztika esetében. Ezt a bemeneten feszültség-generátor jellegû teleppel (feszültséggenerátor = nagyon kicsi belsõellenállás) tudjuk biztosítani (ld. TZ19ábra) Az így kapott kimenõáram karakterisztikasereg esetében az áramvezérléstõl való lényeges különbség jól megfigyelhetõ, (lineáris összefüggés helyett exponenciális, ld. TZ20ábra) Tranzisztoros erõsítõk Ha feszültséget akarunk erõsíteni a tranzisztorral, (azaz a be- és a kimenõjel is feszültség), a kimenõáramot át kell vezetnünk egy ú.n munkaellenálláson, és errõl vesszük le a kimenõfeszültséget. Kis jelek erõsítésénél biztosítanunk kell a tranzisztor megfelelõ kinyítását. A karakterisztika olyan szakaszára kell a bemenõjelet vezetni, ahol az jó közelítéssel egyenes. Ekkor lesz a bemenõ feszültség és áram közötti kapcsolat

lineáris, következésképpen azonos alakú a két jel. Egy jel erõsítésének egyik alapvetõ kritériuma, hogy az eredeti jelhez képest a kimenõjel alakja (jellege) ne változzon meg. Vizsgáljunk egy közös emitteres erõsítõkapcsolást. Ahhoz, hogy alakhû erõsítést kapjunk, állítsuk be (nyissuk ki) úgy a tranzisztort, hogy eleget tegyen a lineáris átvitelnek! µ §A jelleggörbének azt a pontját, ahol zérus vezérlõjel esetén van a tranzisztor, B0 B0 munkapontnak nevezzük. M (I ; U ) ld. TZ21ábra A munkapont megfelelõen kis környezetében a feszültség-áram kapcsolat lineárisnak tekinthetõ: BE BE B u =r ⋅i BE B BE (r - az i (u ) függvény differenciálhányadosa - állandónak vehetõ, mert a karakterisztika ebben a pontban közel lineáris). 1 2 Ezeket a feltételeket teljesítõ kapcsolást láthatunk a TZ22.ábrán Az R -R ellenállásból álló B0 osztó biztosítja az U megfelelõ értékét (természetesen a bázisáram hatását is

figyelembe kell venni, ill. ha az osztó árama megfelelõen nagy, a bázisáram elhanyagolható) C Az R -n átfolyó áram: C0 B0 I = B⋅I ( B a nagyjelû áramerõsítési tényezõ). µ §A kollektor feszültsége és az áram közötti kapcsolatot az µ§ C egyenlet adja (A kollektor feszültsége az R -n esõ feszültséggel kisebb, mint a telepfeszültség) C0 Ez az egyenlet az ú.n munkaegyenest határozza meg Ennek az I -hoz tartozó értéke a munkapont, amely így a kimeneti karakterisztikán is megjelenik. (ld TZ23ábra) be Vizsgáljuk meg a kapcsolás erõsítését! Adjunk a bázisra szinuszos váltófeszültséget ( u ) és kövessük végig a karakterisztikák segítségével a jel útját! A munkaponti feszültségre szuperponálódó bemenõjel kismértékben változtatja - a munkaponti értékhez képest - a bázisfeszültséget és ennek megfelelõen a bázisáramot. A köztük lévõ függvény-kapcsolat be be B B lineáris. Az arányossági tényezõ a

differenciális bemenõellenállás: u = r ⋅ i Az i (t) is C B színuszfüggvény lesz. Ennek a β-szorosa a kollektoráram: i = β ⋅ i A kollektor feszültségét a munkaegyenes egyenletébõl kaphatjuk. Mivel a telepfeszültség állandó, a C C C ki kollektoron megjelenõ váltófeszültség: u = - i ⋅R = u . Az összefüggések alapján megkaphatjuk a feszültségerõsítést: µ§ µ§ Mivel a tranzisztort leíró egyenletek hibrid paraméteres megadása esetén ( ld. Modellek ) be 11 21 r = h és β = h szokásos még az µ § µ§ alakban való megadása is. A negatív elõjel a be - és kimenõjel ellenkezõ fázisára ( 180 o-os be c fázistolás ) utal. A közös emitteres feszültségerõsítõ ugyanis fázist fordít Mivel r és R azonos nagyságrendbe esnek, az erõsítés közelítõleg β-szoros. ( Emlékeztetünk rá, hogy β TRANZISZTOROK 7 szokásos értéke 100-400 körüli ) A fokozat feszültségerõsítése

tehát nagy. Ezek a számítások azonban a terheletlen kimenetre vonatkoznak. Ha a kimenetet terheljük (pl a következõ fokozat bemenõellenállásával), az erõsítés csökken, leosztódik a kimenõellenállás c c ( ∼R ) és a terhelõellenállás arányában. A kimenõáram is megoszlik a két ellenállás (R és a terhelés) között Kirchhof törvénye alapján, így az áramerõsítés (amely terheletlen állapotban β-szoros) lecsökken. A teljesítményerõsítés - amely a feszültség- és áramerõsítés szorzata β2 nagyságrendû lesz (terheletlen esetben) Komplementer tranzisztorok (Ellenütemû erõsítõk) Az emitterkövetõ (közös kollektoros erõsítõfokozat) elõnyös tulajdonságai közé tartozik, hogy a kimenõellenállása nagyon kicsi, emiatt elsõsorban teljesítményerõsítõként használják. Hátránya, hogy aránylag nagy munkaponti áramot igényel, fõleg kis emitterellenállás esetén. Lényegesen jobb hatásfok és nagyobb

kimenõteljesítmény kapható (kis munkaponti áramnál is), ha emitterellenállás helyett egy másik emitterkövetõt használunk. Erre nagyon jó lehetõség adódik komplementer (pnp és npn) tranzisztorok együttes alkalmazásával. µ §µ § µ §A TZ24.ábrán látható két szembekapcsolt komplementer tranzisztorral megvalósított emitterkövetõ esetében az egyik félperiódusban az egyik, a másik félperiódusban a másik tranzisztor vezet. A kapcsolás kimenõjele azonban - fõleg kis jelek esetében - nagymértékben torzul, hiszen addig egyik tranzisztoron sem folyik áram, amíg a vezérlõjel el nem éri az EB dióda nyitófeszültségét. Így tulajdonképpen a kimenõjel a bemenetre adott jel 06 V feletti része lesz - amint a TZ25.ábrán látható - persze ekkor már az emitterkövetõk esetében megszokott egységnyi erõsítéssel. Ha a két tranzisztor munkapontját megfelelõen állítjuk be, tehát biztosítjuk az EB dióda nyitófeszültségét nyugalmi

állapotban (vezérlés nélkül), a két bemenõ-karakterisztika közti záró tartomány eltüntethetõ. (TZ26ábra) Erre szolgáló nagyon egyszerû módszert mutatunk be a TZ27.ábrán látható kapcsolásnál, ahol nyitóirányban elõfeszített diódákkal állítjuk elõ a bázis-emitter között szükséges nyitófeszültséget. További elõnye a megoldásnak, hogy a két dióda a munkapontot hõmérsékletváltozással szemben stabilizálja. A megfelelõen kinyított tranzisztorpárral már kis jelek esetén is torzításmentes átvitelt kaphatunk. (TZ28ábra) µ §µ §Ma már szinte minden teljesítményerõsítõ fokozat végén ehhez hasonló megoldást találun Darlington tranzisztor Elõfordulhat - fõleg nagyáramú teljesítményfokozatoknál - hogy a végtranzisztor áramerõsítése kicsi a szükséges kimenõáram biztosításához. Ebben az esetben használható az ún darlington kapcsolás, ahol egy emitterkövetõt kapcsolunk a nagyáramú tranzisztor

bázisköréhez, így ennek bázisáramát az elékapcsolt tranzisztor emitterárama adja. (ld TZ29.ábra) Könnyen belátható, hogy a két tranzisztorbol így elõálló eszköz úgy viselkedik, mint egy olyan tranzisztor, amelynek áramerõsítési tényezõje a két tranzisztor áramerõsítésének szorzata. A kimenõ emitteráram ugyanis: E2 2 B2 B2 E1 1 B1 I ≈ β I és I =I ≈β I E2 1 2 B1 D B1 azaz I ≈β β I =β I µ§ Egyetlen hátránya a kapcsolásnak, hogy két EB diódányi nyitófeszültséget igényel. µ §Komplementer tranzisztorokkal megvalósíthatunk olyan - a TZ30.ábrán látható darlington kapcsolást, ahol csak egy dióda nyitófeszültségét kell biztosítanunk, de az eredõ áramerõsítés a két áramerõsítési tényezõ szorzata lesz . Feltünõ, hogy a második tranzisztor emittere a darlington kollektoraként mûködik Nagyáramú alkalmazásokhoz közös tokba helyezve (sõt egyetlen lapkán kialakítva) gyártanak darlington tranzisztorokat,

éppúgy három (E, B, C) kivezetése van, és csak az áramerõsítésükbõl derül ki, hogy nem egyszerû tranzisztorról van szó. Térvezérlésû tranzisztorok µ §µ §Vegyünk egy p típusú félvezetõ kristályt, és alakítsunk ki benne egy n szennyezettségû szigetet, (ld. TZ31ábra), majd a két végére helyezzünk egy-egy elektródát, a forrást (Source) - ahonnan a töltéshordozók kiindulnak, és a nyelõt (Drain) - ahová megérkeznek. Ha feszültséget kapcsolunk a két elektróda közé, a többségi töltéshordozó elektronok árama megindul, és az elektronok koncentrációjának megfelelõ kristályellenállás határozza meg a feszültség-áram kapcsolatot Ohm törvénye alapján. Természetesen csak TRANZISZTOROK 8 addig áll fenn a lineáris összefüggés, míg az áram a töltéshordozók (szennyezettségtõl függõ) véges száma miatt telítésbe nem kerül, ekkor az áram állandó lesz, független

a külsõ feszültségtõl. A vezetésben szerepet játszó n típusú félvezetõ szigetet csatornának nevezzük. Helyezzünk el a csatornára az S és D elektródák közé egy vékony szigetelõ réteget és erre párologtassunk egy fémréteget. (Szigetelõt célszerûen a felsõ Si réteg oxidációjával alakíthatunk ki, a szilíciumoxid ugyanis üveg jellegû anyag). Így tulajdonképpen egy kondenzátort alakítottunk ki, amelynek egyik lemeze a szigetelöre kialakítot fémréteg, másnéven a kapuelektróda (Gate), míg a másik fegyverzet a félvezetõ (pl. a source). Az így kapott eszközt térvezérlésû tranzisztornak (Field Effect Transistor) röviden FET-nek nevezzük. Mivel a rétegek sorrendje: fém (Metal) - szigetelõ (Si Oxid) - félvezetõ (Semiconductor), az ilyen szigetelt vezérlõelektródás térvezérlésû tranzisztort MOS FETként is emlegetik. (A csatorna szennyezettsége alapján n vagy p csatornás lehet) Kapcsoljunk a kondenzátorunkra

feszültséget (a G feszültsége legyen a negatív). A kialakuló elektromos tér hatására az elektronok a kristály belseje felé húzódnak, a csatorna felsõ (G felõli része) kiürül, a vezetésben részt vevõ keresztmetszete csökken, ellenállása nõ. A külsõ potenciál növelésével akár az összes elektront kiüríthetjük a csatornából és az végtelen ellenállásúvá válik. (Kiürítéses MOS FET-nek is nevezzük emiatt ezt az eszközt) Láthatjuk, hogy ezáltal egy feszültséggel vezérelhetõ ellenállást kaptunk. A kapufeszültség határozza meg a csatornában lévõ töltéshordozók számát és így a telítési áram értékét is. Ha különbözõ D kapufeszültségek esetén megmérjük a csatornán átfolyó áramot (I )a csatorna DS feszültségének függvényében (U ), a TZ32.ábrán látható karakterisztikasereget kapjuk A karakterisztika elején az ú.n ellenállásos szakaszt találjuk, amely a telítési szakaszban folytatódik µ

§Végigkövethetjük a csatorna kiürülését is, ha állandó csatornafeszültség mellett DS GS (U =áll. = 3V) a kapufeszültség (U )csökkentésével felvesszük a csatornaáram D GS kapufeszültség I = f(U ) függvényt. (TZ33ábra) A karakterisztika alsó szakasza négyD G D zetes, majd közel lineáris a függvény, meredeksége (g = dI / dU , U = állandó) a FET-re jellemzõ paraméterek közül talán a legfontosabb. µ§ A kapuelektródát nem csak oxidréteggel szigetelhetjük el a csatornától, hanem egy p-n átmenettel is, ha azt záróirányba feszítjük elõ. Ezt záróréteges térvezérlésû tranzisztornak (Junction Field Effect Transistor = JFET-nek) nevezzük. µ §Szüntessük meg a csatorna kapuelektróda alatti részét, és csak a két végét - at S és D elektródák alatt hagyjuk meg. (TZ34ábra) Ilyenkor nulla kapufeszültség esetén nem folyik áram a source és a drain elekrtódák között (ellentétben a kiürítéses FET-tel, ahol ilyenkor

már elég nagy áram folyik), hiszen záróirányú p-n átmenet van köztük. Ha azonban a gate-re pozitív feszültséget kapcsolunk, az elektromos tér hatására az elektronok koncentrációja a kapuelektróda alatt megnövekszik, kiépül a csatorna, és megindul az áram.(ld TZ35ábra) Az ilyen felépítésû térvezérlésû tranzisztort növekményes MOS FET-nek nevezzük. µ§ Feladatok: C E 1 2 1. Számítsa ki R , R , R , R értékét! E C C 1 ( b = 100, U = 0,9 V, U = 8.2 V, I = 12 mA, és teljesülnie kell az R x R = 1,5 kohm feltételnek) 2 µ§ 2. Számítsa ki a tranzisztor által megvalósított "dióda" nyitófeszültségét és 2 D soros ellenállását, ha b = 100, R1 = 1 kohm, R = 2 kohm, és I = 5 mA!