Forelesning nr.9 INF 1411 Elektroniske systemer

Forelesning nr.9 INF 1411 Elektroniske systemer Transistorer 1

Dagens temaer Historisk overblikk Repetisjon halvledere Bipolare tranisistorer (BJT) Transistorforsterkere Dagens temaer er hentet fra kapittel 17.1-17.4 2

Introduksjon Transistoren En I I Med er den viktigste typen halvleder transistor kan ses på som en strøm- eller spenningsstyrt strømkilde analog elektronikk brukes transistorer til bla forsterkere og filtre digital elektronikk brukes transistorer for å lage logiske porter (AND, OR og NOT) og hukommelse (RAM/ROM) transistorer kan man lage andre typer kretselementer Dioder Kondensatorer Resistorer 3

Vakuumrør Forløperen Radiorøret Radiorøret til transistoren er vakuumrøret, også kalt radiorør ble oppfunnet tidlig på 1900- tallet og gjorde radiosendinger og mottak over større avstander mulig fordi man kunne forsterke radiosignalene kan enten brukes som en forsterker eller diode og baserer seg på elektroner som beveger seg i et vakuum 4

Vakuumrør (forts) Radiorøret Hvis består av tre deler: Anode, katode og gitter katoden varmes opp vil elektroner frigjøres og bevege seg over til anoden, forutsatt at katoden er mer negativ enn anoden. Det vil da gå en strøm fra anoden til katoden Gitteret kan brukes til å styre mengden elektroner fra katoden til anoden 5

Vakuumrør (forts) Radiorøret var enerådende i analog elektronikk og i de første datamaskinene frem til 50-tallet Den første moderne datamaskinen (von Neumann-arkitektur) var Colossus M1 som bestod av rundt 1500 rør Colossus ble brukt til kryptoanalyse av britene i 2. verdenskrig Strømforbruket var på hele 15kW 6

Vakuumrør (forts) Radiorøret brukes fortsatt i noen anvendelser idag, blant annet i høykvalitets audioforsterkere og radiosendere med høy effekt Radiorør har en rekke ulemper Stor fysisk størrelse Stort effektforbruk som forsvinner i varme (40-70%) Upålitelig (vakuum ødelegges) Degradring over tid (soting etc) Treg oppstart (oppvarming av katode) Generelt langsomme (som brytere) Trenger relativt høy spenning på anoden (fra 22v og oppover til 130v) 7

Transistoren Transistoren avløste radiorøret som den mest brukte halvleder på slutten av 50-tallet Transistorens halvlederegenskaper baserer seg på elektriske egenskaper i fysiske overganger mellom ulike materialer, f.eks silisium, germanium eller silisiumkarbid mot bor, arsen eller silisium Transistorer blir stadig mindre Flere transistorer får plass på samme chip (et par milliarder!) Effektforbruket synker Hastigheten øker (tiden det tar å slå av/på strømmen) 8

Transistoren Moores lov Moores En Begge lov fra 1956 (oppkalt etter en av Intels grunnleggere): Antall transistorer på en integrert krets vil dobles hvert annet år konsekvens av loven er at regnekraften dobles ca hver 18.måned deler er eksponentiell vekst 9

Transistoren Moores lov i praksis Bærbar fra 1982 med 4MHz CPU vs iphone5 2012 med 412 MHz CPU 1.3 GHz dual core 100 ganger tyngre 500 ganger større volum 10 ganger dyrere (justert) 1/325 av klokkefrekvensen 10

Transistoren (forts) Sammenlignet med radiorøret har transistoren en lang rekke fordeler: Liten størrelse og minimal vekt Enkel og fullautomatisert produksjonsprosess Lavere arbeidsspenning (3.3 v eller lavere) Ingen oppvarmingstid Lavt effektforbruk og lite varmetap Høy pålitelighet og fysisk robust Lang levetid Tåler mekanisk sjokk og vibrasjon 11

Transistoren (forts) Transistoren har også noen ulemper sammenlignet med radiorør Kan operere på maks 1000 volt Vanskelig å lage transistorer for både høy frekvens og høy effekt samtidig (f.eks ved kringkasting) Transistorer er mer følsomme for kraftig stråling og elektriske utladninger i omgivelsene Ikke mulig å bytte ut enkelt-transistorer hvis de feiler; Hele kretsen må kastes 12

Produksjon av transistorer Transistorer lages enten som diskrete komponenter eller integrerte kretser 13

Produksjon av transistorer Transistorer En på integrerte kretser består av mange lag «wafer» består av mange integrerte kretser 14

Transistorens to hovedanvendelser Transistoren Transistorer Skal brukes stort sett som enten forsterker eller elektrisk styrt bryter lages i mange ulike teknologier og hver type har sine anvendelsesområder se på to typer: Bipolare transistorer (BJT) og felteffekttransistorer (FET) Bipolare transistorer brukes hovedsaklig til forsterkere i analoge kretser, mens FET brukes som brytere i logiske porter i digitale kretser 15

Spørsmål Hva Hva Hvilke Hvilke Nevn Nevn Hva Hvilken Hvilken er et radiorør? er en transistor? fordeler har radiorør (sammenlignet med transistorer)? fordeler har transistoren (sammenlignet med radiorør)? 3 ulemper med radiorør 3 ulemper med transistorer er de to hovedanvendelsene til transistorer? hovedfunksjon har en BJT? hovedfunksjon har en FET? 16

Bipolare transistorer Bipolare Bipolare En En transistorer (BJT) kan tenkes på som strømkontrollerte strømkilder transistorer finnes både som diskrete transistorer og på integrerte kretser BJT består av tre terminaler: Base, emitter og kollektor BJT er enten av typen pnp eller npn En bipolar transistor kan ses på som to dioder med koblet sammen, med enten felles p- eller n-region 17

Bipolare transistorer (forts) BJT har to pn-overganger, og base-regionen er lett dopet, mens emitter- og kollektor-regionen er tungt dopet. Baseregionen er mye tynnere enn de andre B (Base) C (Collector) n p n Base-Collector junction Base-Emitter junction B C p n p E (Emitter) E 18

Operasjonspunkt i bipolare transistorer Under normal drift er må base-kollektor (BC) overgangen være reverse-biased, mens base-emitter (BE) er forward-biased både for PNP og NPN-type transistorer 19

Strømmene Strømmer i bipolare transistorer i en BJT er gitt ved følgende likninger I E I C I B I C DC I E I C DC I B Typiske verdier for α er 0.950-0.995, mens β er 20-300 20

For Spenninger i bipolare transistorer en BJT som er i korrekt operasjonsområde, er spenningene gitt av V V c B V V cc E I c V R BE c R B og R C benyttes for å redusere strømmene I B og I C slik at transistoren ikke brenner opp I C DC I B 21

Spenninger i bipolare transistorer (forts) For Den at en transistor skal fungere som en strømforsterker, må man designe kretsen slik at bias-spenningene er i korrekt område vanligste måten å sikre dette på er ved å lage et spenningsdeler-nettverk med mostander og kun én forsynings-spenning R V V B E IN R 2 V R1 R 2 V 0.7v B DC R E CC 22

Transistor-karakteristikker Når Hva En I man skal bruke en transistor, må man sørge for at den opererer i det korrekte området som er korrekt område avhenger av anvendelsen, f.eks analogforsterker, digital bryter etc transistor opererer normalt i ett av tre områder: Avstengt («Cut-off») Lineært («Linear») Metning («Saturation») tillegg kan den være i breakdown, men kan da bli ødelagt av for høy strøm 23

Kollektorstrøm-karakteristikker Operasjonsområde og strømforsterkninger er bestemt av kollektor-strømmen I C som funksjon av kollektoremitterspenningen V CE og basestrømmen I B I C Metning: Lineært: Breakdown: Avstengt: Begge pn-overgangene er forward-biased; liten økning i V CE gir stor økning i I C I C er nesten ikke avhengig av V CE, men kun av I B I C er svært stor og ikke lenger avhengig av I B I B =0 og I C veldig liten 0 0.7v I B6 I B5 I B4 I B3 I B2 I B1 I B = 0 V CE(max) V CE 24

Spørsmål Hvilke Hva For Hvor Hva Hvilke to typer bipolare transistorer finnes det, og hva er forskjellen? heter de tre terminalene på en bipolar transistor? at det skal gå en kollektorstrøm, hvordan må baseemitter og base-kollektor være biased? stort er spenningsfallet mellom base og emitter? er sammenhengen mellom Base-, emitter- og kollektorstrømmene? Base- og kollektorstrømmene? Kollektor- og emitterstrømmene? fire operasjonsområder kan en BJT være i? 25

Forsterkere Forsterkere klassifiseres i ulike klasser, avhengig av effektbehov, forsterkning, forvrengning osv: Klasse A: 100% av input-signalet benyttes, dvs at transistoren leder i det lineære området gjennom hele syklusen til input (360 o ) Klasse B: 50% av input-signalet benyttes, dvs at transistoren leder i det lineære området gjennom halve syklusen til input (180 o ), og er i cut-off (ingen strøm) den resterende tiden Klasse AB: To overlappende klasse B, dvs at hver klasse B leder mer enn 50% av tiden Klasse C: Mindre enn 50% av inputsignalet benyttes Klasse D: Mer enn 90% av signalet brukes i høyeffektapplikasjoner 26

BJT klasse A-forsterker i dc-modus En For klasse A forsterker lager en kopi av et svakt ac-input signal, men med større amplitude opptil 1W effekt å sikre at en forsterker opererer korrekt, må man først bestemme maksimalt tillatt strøm I C, og deretter finne motstandsverdiene, både for å generere I B, og finne minimal og maksimal V CE -spenninger 27

BJT klasse A-forsterker dc-modus (forts) DC-lastlinjen er den linjen som angir hvordan V BE og I C varierer for de gitte motstandsverdiene Q-punktet er det punktet hvor basestrømmen I B krysser lastlinjen når input er gitt av bias-nettverket på inngangen 28

Strømforsterkning med ac-input Neste steg er å koble et ac-signal til baseinngangen via en kondensator, noe som gjør at dc-operasjonsområdet ikke påvirkes Strømforsterkningen i denne kretsen er gitt av ac I I c b DC 29

Spenningforsterkning med ac-input Når Dermed base-emitter overgangen er forward-biased, er V b tilnærmet lik V e. er spenningsforsterkningen A v gitt av A v V V c e I I c e R R c e R R c e 30

Oppførsel langs lastlinjen For en gitt konfigurasjon og min-max område for inputsignalet kan man plotte base- og kollektorstrøm, og utgangsspenning langs lastlinjen 31

Spørsmål Hva Hva Hva Hva Hvorfor Hva er forskjellen mellom en klasse A og klasse B forsterker? er en DC lastlinje? er Q-punktet? er ytterpunktene på lastlinjen? kobler man input til en ac-forsterker via en kondensator? er strømforstrekningen og spenningsforsterkningen for klasse-a forsterkeren basert på en BJT? 32

Felles emitter-forsterker En I felles-emitter forsterker (CE) isolerer forsterkeren både fra input og output DC-last vha kondensatorer tillegg gjør en bypass-kondensator at spenningsforsterkningen øker A v R r e c r e er den indre motstanden gjennom emitteren 33

Felles kollektor-forsterker En Felles-kollektorforsterkeren annen type forsterker er felles-kollektor (CC) eller emitterfølger forsterker. V out tas fra emitter og ikke kollektor har en spenningsforsterkning på ca 1, mens strømforsterkningen er større enn 1 A v r e RE R C A i I I e s I s V R s in(tot) 34

BJT klasse B-forsterker En Klasse Nesten enkel klasse B forsterker bruker bare halve inputsignalet, dvs 180 grader B-forsterkere gir mer output-effekt enn en klasse A halvparten av tiden er transistoren i cutoff og resten av tiden leder den 35

Push-pull For I å gjøre en klasse B-forsterker mer anvendelig, lager man et komplementært trinn med én npn- og én pnp-transistor den ene halvperioden leder den ene transistorer, mens den andre leder i motsatt halvperiode 36

Push-pull (forts) Pga forward bias-spenningene er det områder hvor begge transistorene er i cutoff, og dette kalles crossoverforvrengning 37