curs_05_tranzistoare_(2)

Dispozitive Electronice i Electronic Analogic 2009-2010 Suport curs 05 Tranzistoare

1

Tranzistoare

1. Prezentare general

Tranzistoarele sunt dispozitive semiconductore, construite n general din

MATERIALE SEMICONDUCTOARE din Siliciu, ntrebuinate n general n diverse

tipuri de circuite electronice, care au drept drept principal scop prelucrarea sau

generarea unor informaii, att de tip analogic ct i digital. Cteva din cele mai

importante clase de circuite electronice analogice n care tranzistoarele sunt utilizate

sunt:

amplificatoare de semnal

generatoare de semnal (oscilatoare)

stabilizatoare de tensiune

Tranzistorul bipolar

Tranzistorul bipolar este un dispozitiv semiconductor cu trei terminale,

furnizat de ctre productori sub diverse forme (capsule), iar n Figura 1 sunt

prezentate mai multe variante.

Cele trei terminale ale tranzistorului bipolar au roluri diferite, motiv pentru

care poart denumiri diferite i anume:

EMITOR

BAZ

COLECTOR.

Cele trei terminale ale tranzistorului bipolar sunt dispuse pe capsul n ordinea

specificat mai sus. La tranzistoarele utilizate n aplicaiile studiate n cadrul

lucrrilor de laborator, cele trei terminale ale tranzistorului bipolar sunt indicate ca

n Figura 2.


2

Figura 1. Tranzistoare bipolare.

Figura 2. Terminalele tranzistoarelor bipolare.

n funcie de structur, exist dou tipuri de tranzistoare bipolare:

NPN

PNP

n circuitele electronice, tranzistoarele bipolare sunt simbolizate ca n Figura 3.


3

Figura 3. Simbolul electronic al tranzistoarelor bipolare.

2. Mrimile electrice ale tranzistorului bipolar

La nivelul tranzistorului apar 6 mrimi electrice:

3 cureni curenii prin cele 3 terminale:

o iE curentul de emitor

o iB curentul de baz

o iC curentul de colector

3 tensiuni tensiunile ntre terminalele tranzistoarelor:

o vBE tensiunea baz-emitor

o vBC tensiunea baz-colector

o vCE tensiunea colector-emitor

Sensul curenilor este acelai cu sensul sgeii care indic n simbolul

electronic al tranzistorului bipolar, EMITORUL. Referinele tensiunilor depind de

tipul tranzistorului bipolar. Astfel, sensul curenilor, respectiv referinele tensiunilor

sunt prezentate n Figura 4.

Figura 4. Mrimile electrice ale tranzistoarelor bipolare.


4

ntre mrimile electrice ale tranzistorului bipolar exist urmtoarele relaii

generale:

relaia ntre curenii prin terminalele tranzistorului:

CBE iii 5.1

relaia ntre tensiunile dintre terminalele tranzistorului:

PNPvvv

NPNvvv

ECCBEB

CEBCBE

5.2

relaia ntre curentul de colector i tensiunea baz emitor:

T

BESC

V

vexpIi 5.3

unde IS este un curent de saturaie de valoare foarte redus (ordinul nanoamperilor

sau mai mic), iar VT este tensiunea termic.

Relaia 5.3 descrie de fapt capacitatea unui tranzistor bipolar de a genera

cureni de colector de valori mari, n condiiile unei creteri foarte reduse a tensiunii

dintre BAZ i EMITOR. Un astfel de comportament poate fi exploatat eficient n

construirea circuitelor de amplificare a semnalelor (se va reveni n cadrul

amplificatoarelor asupra acestui aspect).

3. Funcionarea tranzistorului bipolar.

Tranzistorul bipolar poate funciona n patru moduri distincte, denumite

regiuni de funcionare, stabilite de semnul tensiunilor BAZ-EMITOR, respectiv

BAZ-COLECTOR. Astfel, pentru un tranzistor bipolar de tip NPN, cele patru regiuni

de funcionare sunt:

REGIUNEA ACTIV NORMAL (RAN):

o condiia de funcionare: vBE > 0V i vBC < 0V

o n aceast regiune tranzistorul bipolar poate fi utilizat pentru

prelucrarea analogic a semnalelor (informaiilor), fiind singura regiune

de funcionare n care tranzistorul bipolar poate AMPLIFICA LINIAR

semnale (se va reveni asupra acestui amnunt, care st la baza

construirii amplificatoarelor cu tranzistoare bipolare);


5

REGIUNEA DE SATURAIE:

o condiia de funcionare: vBE > 0V i vBC > 0V

o n aceast regiune de funcionare vCE < 0,1V

o este o regiune de funcionare n care tranzistorul bipolar poate fi utilizat

pentru prelucrarea digital a semnalelor sau pentru generarea semnale

digitale (bii);

REGIUNEA DE BLOCARE:

o condiia de funcionare: vBE < 0V i vBC < 0V

o n aceast regiune de funcionare toi curenii tranzistorului sunt

zero

o este o regiune de funcionare n care tranzistorul bipolar poate fi utilizat

pentru prelucrarea digital a semnalelor sau pentru generarea semnale

digitale (bii);

REGIUNEA ACTIV INVERS:

o condiia de funcionare: vBE < 0V i vBC > 0V

o n aceast regiune de funcionare, tranzistorul poate fi utilizat pentru

prelucrarea analogic a semnalelor (informaiilor), dar, datorit

amplificrii foarte slabe a semnalelor, se evit utilizarea tranzistorului n

aceast regiune;

4. Modelarea funcionrii tranzistorului bipolar.

Din relaia 5.3 se constat c tranzistorul bipolar este un ELEMENT DE

CIRCUIT NELINIAR. Analiza circuitelor care conin elemente de circuit neliniare

este dificil. Din acest motiv, ntotdeauna este util ca, pentru aceste elemente de

circuit neliniare, s se dezvolte MODELE LINIARE, valabile n anumite condiii

precis specificate de funcionare. La fel se pune problema i n cazul tranzistoarelor

bipolare.

A. Modelarea funcionrii tranzistorului bipolar n RAN.


6

n circuitele electronice analogice, tranzistorul bipolar este utilizat cu precdere

n aceast regiune, motiv pentru care modelarea funcionrii sale n RAN este

extrem de util.

Modelarea funcionrii tranzistorului bipolar n RAN se bazeaz pe urmtoarea

relaie ntre curentul de colector i cel din baz:

BC ii 5.4.a

unde este unul din cei mai importani parametrii ai tranzistorului bipolar,

reprezentnd factorul (coeficientul) de amplificare n curent al tranzistorului.

Parametrul este o constant adimensional, valoarea sa variind ntre anumite

limite, chiar pentru aceeai familie de tranzistoare bipolare, fiind de ordinul sutelor

pentru tranzistoare de tip NPN, respectiv de ordinul zecilor, pentru tranzistoare de

tip PNP. De exemplu, pentru tranzistorul bipolar de tip NPN BC107, parametrul

are valoarea cuprins n intervalul [125500].

Din relaia 5.4.a se poate deduce c tranzistorul bipolar genereaz n colector un

curent iC a crui valoare depinde de curentul de baz iB. Acest comportament poate

fi modelat prin intermediul unui generator de curent comandat n curent.

Din relaiile 5.3 i 5.4.a rezult c iB depinde exponenial de tensiunea vBE, n mod

asemntor cu modul n care depinde curentul printr-o diod de tensiunea pe

aceasta. Din acest motiv, ntre BAZ i EMITOR, un tranzistor bipolar se comport

ca o diod semiconductoare i n consecin poate fi modelat prin intermediul

modelelor diodei. Astfel, n prim faz, circuitul echivalent care modeleaz

comportamentul tranzistorului bipolar n RAN este prezentat n Figura 5.a, iar

circuitul echivalent LINIAR, care poate fi utilizat n analiza circuitelor care conin

tranzistoare bipolare funcionnd n RAN este cel prezentat n Figura 5.b.

n circuitul echivalent 5.b valoarea VD este de aproximativ 0,6V. Aadar, dac

tranzisotrul bipolar funcioneaz n RAN devine valabil relaia:

V,vBE 60 5.4.b

Relaiile 5.4.a i 5.4.b caracterizeaz funcionarea trenzistorului bipolar n RAN.


7

Figura 5. Circuitul echivalent care modeleaz comportamentul tranzistorului bipolar n RAN.

n circuitele echivalente de mai sus, toate mrimile electrice sunt reprezentate n

componente totale. Din acest motiv, modelul de mai sus este valabil att n regim

staionar, ct i n regim variabil de semnal mare.

Revenind la relaia 5.4.a, aceasta sugereaz faptul c, un tranzistor bipolar care

funcioneaz n RAN:

amplific puternic n curent (iB este crescut de sute de ori i furnizat ca iC)

amplificarea este liniar (ntre iC i iB este o relaie liniar).

Aceste caracteristici genereaz elementele fundamentale necesare construirii

unui circuit capabil s amplifice semnale. Asupra acestui aspect, se va reveni n

capitolul care trateaz circuitele de amplificare cu tranzistoare.

B. Modelarea funcionrii tranzistorului bipolar n variabil de semnal mic.

Modelul prezentat n acest paragraf se poate aplica numai n cazul n care

tranzistorul bipolar funcioneaz n regim variabil de semnal mic (mrimile electrice

ale tranzistorului sunt variabile n timp, iar variaia tensiunii BAZ-EMITOR este

mai mic dect o valoare estimativ de aproximativ 12,5mV). n aceste condiii,

comportamentul tranzistorului bipolar poate fi considerat ca fiind LINIAR i n

consecin poate fi modelat prin intermediul unui circuit LINIAR.


8

Deoarece tranzistorul bipolar se comport asemntor unei diode ntre BAZ i

EMITOR, acesta se modeleaz ntre cele 2 terminale conform celor prezentate n

cadrul modelrii diodei semiconductoare n regim variabil de semnal mic. Aadar,

ntre cele 2 terminale, un tranzistor bipolar se modeleaz prin intermediul unei

rezistene de semnal mic, notat r.

Urmtorul indiciu n cadrul modelului dezvoltat este furnizat de ctre relaia

5.3. Deoarece se remarc faptul c iC variaz n funcie de vBE, este util s se

determine modul n care se manifest aceast variaie. Informaii n acest sens se

pot obine calculnd derivata curentului iC n funcie de tensiunea vBE pentru cazul

n care valoarea curentului de COLECTOR este meninut la o valoare constant IC.

Valoarea derivatei respective se noteaz cu gm i se numete PANTA tranzistorului

bipolar:

Volt

AmperSiemensg

V

Ig

dv

dig m

T

Cm

CICiBE

Cm

5.5

unde IC este curentul CONTINUU prin COLECTORUL tranzistorului.

Rezistena r se calculeaz conform unei relaii similare relaiei 3.3 (cursul 3), n

care se ine cont de relaia 5.4, aplicat pentru cazul curenilor CONTINUI IB i IC:

rg

rI

Vr

mB

T 5.6

unde VT este tensiunea termic, iar IB este curentul CONTINUU prin BAZA

tranzistorului.

Figura 6. Circuitul echivalent ale modelului n regim variabil de semnal mic, pentru frecvene joase i

medii.


9

Modelul discutat depinde de frecvena la care este utilizat tranzistorul bipolar.

Pentru frecvene mai mici dect aproximativ 1MHz (domeniul frecvenelor joase i

medii), modelul este caracterizat de circuitul echivalent prezentat n Figura 6. n

acest circuit, mrimile electrice Ib, Ie i Ic reprezint amplitudinile curenilor de

baz, emitor, respectiv colector, iar Vbe reprezint amplitudinea tensiunii baz-

emitor i nu trebuie confundat cu tensiunea continu VBE care, pentru cazul n

care tranzistorul bipolar funcioneaz n RAN, are valoarea de aproximativ 0,6V.

Pentru frecvene mai mari dect aproximativ 1MHz (domeniul frecvenelor

nalte), funcionarea tranzistorului este afectat de anumite fenomene dinamice, de

natur capacitiv, care pot fi modelate prin intermediul unor aa numite

CAPACITI PARAZITE, reunite n parametrii notai c, respectiv c. Circuitul

echivalent valabil n acest caz este prezentat n Figura 7.

Figura 7. Circuitul echivalent ale modelului n regim variabil de semnal mic, pentru frecvene nalte.

Valorile capacitilor parazite sunt furnizate n cataloagele de tranzistoare bipolare.


10

Tranzistorul MOS

1. Prezentare general

Tranzistorul MOS (Metal Oxide Semiconductor) este un dispozitiv cu trei

terminale, furnizat de ctre productori sub diverse forme (capsule), un exemplu

fiind prezentat n Figura 1.

Cele trei terminale ale tranzistorului MOS se numesc DREN, GRIL, respectiv

SURS.

Figura 1. Tranzistorul MOS.

n funcie de structur, exist dou categorii principale de tranzistoare MOS:

ca canal indus

cu canal iniial

n plus, n funcie de structura canalului, aceste tranzistoare MOS sunt de 2

tipuri i anume:

cu canal de tip N

cu canal de tip P

Diferenele de funcionare ntre tranzistoarele MOS cu canal indus, respectiv cu

canal iniial sunt minore, din acest motiv, n continuare se vor prezenta numai

tranzistoarele MOS cu canal indus, fiind remarcate numai diferenele ntre cele 2

clase de tranzistoare.

n circuitele electronice, tranzistoarele MOS sunt simbolizate ca n Figura 2.


11

Figura 2. Simbolul electronic al tranzistoarelor MOS.

2. Mrimile electrice ale tranzistorului bipolar

La nivelul tranzistorului MOS apar 4 mrimi electrice:

1 curent curentul care este generat ntre DREN i SURS:

o iD curentul de dren

3 tensiuni tensiunile ntre terminalele tranzistoarelor:

o vGS tensiunea gril-surs

o vGD tensiunea gril-dren

o vDS tensiunea dren-surs

Sensul curentului de dren este de la dren i surs. Referinele tensiunilor

depind de tipul canalului tranzistorului MOS. Astfel, sensul curentului, respectiv

referinele tensiunilor sunt prezentate n Figura 3. n aceast figur s-a reprezentat

i curentul din grila tranzistorului notat iG. Trebuie reinut ns c valoarea acestui

curent este ntotdeauna nul.


12

Figura 3. Mrimile electrice ale tranzistoarelor MOS. Curentul iG=0 intotdeauna.

3. Funcionarea tranzistorului MOS.

Relaiile dintre mrimile electrice ale tranzistorului MOS depind de regimul de

funcionare al acestuia.

Tranzistorul MOS poate funciona n 3 moduri distincte, numite regiuni de

funcionare, stabilite de relaia dintre tensiunile tranzistorului. Regiunile de

funcionare ale tranzistorului MOS sunt:

REGIUNEA DE BLOCARE:

o condiia de funcionare: vGS < VTH (canal N)

unde VTH reprezint un parametru al tranzistorului MOS numit tensiune

de prag; valoarea acestei tensiuni este:

pozitiv pentru tranzistorul MOS cu canal indus de tip N, negativ pentru

tranzistorul MOS cu canal indus de tip P;

negativ pentru tranzistorul MOS cu canal iniial de tip N, pozitiv pentru

un tranzistor MOS cu canal iniial de tip P;

o n aceast regiune, funcionarea tranzistorului MOS este descris de

ecuaia de funcionare:

0Di 5.7

o n aceast regiune, comportamentul tranzistorului MOS poate fi

exploatat pentru prelucrarea sau generarea semnalelor digitale.


13

REGIUNEA LINIAR:

o condiia de funcionare: vGS > VTH i vDS < vGS - VTH



DSDS

THGSD vv

Vvki

22 5.8

unde k este un parametru al tranzistorului care se msoar n 2V

mA

(miliamperi mprit la voli la ptrat).

o n aceast regiune, tranzistorul MOS se comport ca o rezisten a crei

valoare poate fi controlat de o tensiune tensiunea gril-surs.

REGIUNEA DE SATURAIE:

o condiia de funcionare: vGS > VTH i vDS > vGS - VTH



2THGSD Vvki 5.9

o n aceast regiune tranzistorul MOS poate fi utilizat pentru prelucrarea

analogic a semnalelor, fiind singura regiune de funcionare n care

tranzistorul NOS poate AMPLIFICA LINIAR semnale;

4. Modelarea funcionrii tranzistorului MOS.

Din relaiile 5.9 i 5.8 se constat c tranzistorul bipolar este un ELEMENT DE

CIRCUIT NELINIAR. Analiza circuitelor care conin elemente de circuit neliniare

este dificil. Din acest motiv, ntotdeauna este util ca, pentru aceste elemente de

circuit neliniare, s se dezvolte MODELE LINIARE, valabile n anumite condiii

precis specificate de funcionare. La fel se pune problema i n cazul tranzistoarelor

MOS.

Modelarea funcionrii tranzistorului MOS n variabil de semnal mic.

Deoarece tranzistorul MOS poate amplifica liniar numai n regiunea de

saturaie, este util s se dezvolte un model, care s descrie comportamentul

tranzistorului n aceast regiune de funcionare.


14

Modelul prezentat n continuare se poate aplica numai n cazul n care

tranzistorul MOS funcioneaz n regim variabil de semnal mic (mrimile electrice

ale tranzistorului sunt variabile n timp, iar variaia tensiunii GRIL-SURS este

mai mic dect o valoare estimativ de aproximativ 12,5mV). n aceste condiii,

comportamentul tranzistorului MOS poate fi considerat ca fiind LINIAR i n

consecin poate fi modelat prin intermediul unui circuit LINIAR.

Din relaia 5.9 se remarc faptul c dac un tranzistor MOS funcioneaz n

regiunea de saturaie, iD variaz n funcie de vGS. Modul n care are loc aceast

variaie se poate determina calculnd derivata curentului iD n funcie de tensiunea

vGS pentru cazul n care valoarea curentului de DREN este meninut la o valoare

constant ID. Valoarea derivatei respective se noteaz cu gm i se numete PANTA

tranzistorului MOS:

Volt

AmperSiemensgIkg

dv

dig mDm

DIDiGS

Dm

2 5.10

unde ID este curentul CONTINUU prin DRENA tranzistorului.

Figura 5. Circuitul echivalent ale modelului n regim variabil de semnal mic, pentru frecvene joase i

medii.

Modelul depinde de frecvena la care este utilizat tranzistorul MOS. Pentru frecvene

mai mici dect aproximativ 1MHz (domeniul frecvenelor joase i medii), modelul


15

este caracterizat de circuitul echivalent prezentat n Figura 5. n acest circuit,

mrimile electrice Ig, Is i Id reprezint amplitudinile curenilor de gril, surs,

respectiv dren, iar Vgs reprezint amplitudinea tensiunii gril-surs.

Pentru frecvene mai mari dect aproximativ 1MHz (domeniul frecvenelor nalte),

funcionarea tranzistorului MOS este afectat de anumite fenomene dinamice, de

natur capacitiv, care pot fi modelate prin intermediul unor CAPACITI

PARAZITE, reunite n parametrii notai cgs, respectiv cds. Circuitul echivalent valabil

n acest caz este prezentat n Figura 6.

Figura 6. Circuitul echivalent ale modelului n regim variabil de semnal mic, pentru frecvene nalte.

curs_05_tranzistoare_(2)

Documents

Transcript of curs_05_tranzistoare_(2)