Otázky Boušek

ohmů.
b) Z proudu diodou při U0 = (50 + 5)V při minimální zátěži RZL : IZmax = 200mA UZ = 7V ; PZ = UZ . IZmax = 7 V . 200 mA = 1,4 W.
5. Bipolární tranzistor
1. Uveďte nejdůležitější podmínky pro optimální činnost struktury bipolárního tranzistoru.
Šířka báze - mnohem menší než střední difúzní délka nosičů (podmínka tranzistorového jevu). Nosiče injekované z emitoru jsou pak zachyceny přechodem BC. Koncentrace příměsí v emitoru - mnohem větší než v bázi (emitorový proud je tvořen převážně nosiči z emitoru). Kontakt báze - co nejdále od přechodu (zachycení co nejmenšího množství nosičů z emitoru). Plocha kolektoru - co největší (účinné odsávání nosičů přechodem BC v závěrném směru).
2. Dva zcela shodné tranzistory se liší pouze šířkou báze – T1 má šířku báze dvakrát větší. Který z nich bude mít větší proudový zesilovací činitel beta? Stručně vysvětlete proč.
Velmi tenká báze je základní podmínkou správné funkce tranzistorové struktury, tranzistor s větší šířkou báze (T1) bude mít podstatně menší proudový zesilovací činitel beta, popř. alfa.
3. a) Stručně vysvětlete Earlyho jev. b) Jak je definováno Earlyho napětí? c) Jak pomocí Earlyho napětí určíme výstupní odpor tranzistoru?
a) Při zvýšení napětí UCE dojde k rozšíření přechodu BC a tím i ke zmenšení efektivní šířky báze. Důsledkem je zvětšení proudového zesilovacího činitele tranzistoru (vějířové rozevření výstupních charakteristik) při zvýšení UCE. Earlyho jev je výrazný především u tranzistorů s malým závěrným napětím (viz př.4). b) Viz skripta str.123. c) Viz př. 6.
4. Dva jinak shodné tranzistory se liší koncentrací příměsí v kolektoru - T2 má menší koncentraci příměsí než T1. Jak se budou lišit jejich výstupní VA charakteristiky?
Tranzistor s menší koncentraci příměsí v kolektoru (T2) bude mít větší závěrné napětí, přechod BC bude rozšířen směrem do kolektoru - bude zde větší efektivní šířka báze a menší proudový zesilovací činitel beta. Při zvýšení napětí UCE se přechod BC bude rozšiřovat více do kolektoru, vliv Earlyho jevu bude nevýrazný a beta se bude měnit velmi málo. V případě T1 bude přechod více rozšířen do báze, bude zde menší efektivní šířka báze, větší hodnota beta i vliv Earlyho jevu – vzrůst hodnoty beta při zvýšení UCE (vějířové rozevření charakteristik).
5. Jak určíme dynamický odpor emitoru bipolárního tranzistoru? Jaká je jeho souvislost se vstupním odporem tranzistoru v zapojení SE?
Závislost proudu přechodem BE na napětí UEB je exponenciální, dynamický odpor určíme obdobně jako u polovodičové diody rE = UT / IE. Vstupní odpor tranzistoru v zapojení SE je v oblasti nízkých kmitočtů roven diferenciálnímu odporu báze rB = UT / IB, tedy rB = beta rE.
6. Bipolární tranzistor
 
1. Zesilovač s křemíkovým bipolárním tranzistorem je zapojen podle schématu, kde Ucc= 10V, RB=560k, RC= 4k, RE1=330, RE2=1k, h21E= 100. V uvažovaném kmitočtovém rozsahu je impedance kondenzátoru zanedbatelná, výstupní vodivost tranzistoru neuvažujte.
Určete:
a) pracovní bod tranzistoru.b) vstupní odpor zesilovače c) výstupní odpor zesilovače naprázdno d) napěťové zesílení naprázdno
Nakreslete náhradní linearizovaný obvod zesilovače pro malý signál.
INET
a) UCC = RB . IB + UBE + (RE1 + RE2) . IB . h21E, neboť IE ~ IC = IB . h21E. Z rovnice pro Ucc určíme IB ~ 13uA, dále IC atd. b) Vstupní odpor je v podstatě určen dynamickým odporem (proudem) báze, velikostí RE1 a proudovým zesilovacím činitelem h21E: RVST = UT / IB + RE1 . h21E ~ 35 k. Vliv odporu RB můžeme tedy zanedbat.c) RVÝST ~ RC. d) Au ~ RC / (rE + RE1), kde rE = UT / IE ~ 20 ohmů, potom Au ~ 11.
Poznámka: V bodech b) c) d) předpokládáme že se neuplatní vliv odporu RE2. V oblasti velmi nízkých kmitočtů je nutné uvážit i vliv článku (impedance!) RE2C.
2. Pro zapojení z příkladu 1. odpovězte na následující otázky a své odpovědi stručně zdůvodněte. Jak se změní: a) UC - zmenšíme–li odpor RB. b) IC a UCE - při změně hodnoty proudového zesilovacího činitele beta ~ h21E. c) IC - zmenšíme–li UCC
a) Zvětší se IB a tedy i proud IC, úbytek napětí na RC se zvětší a napětí UC klesne. b) Pro menší hodnotu beta - IC se zmenší - zmenší se i úbytek napětí na RC a ( RE1 + RE2 ) a UCE vzroste. Napětí UE se zmenší a odporem RB bude protékat větší proud. Pro větší hodnotu beta je vše opačně. c) Zmenší se úbytek napětí na RB a proto i velikost IB, IC se zmenší.
3. Stručně vysvětlete rozdíl volby prac. bodu zesilovače a spínače s bipolárním tranzistorem (obojí v zapojení SE). Nakreslete příklad zapojení.
U zesilovače musí být pracovní bod nastaven s ohledem na maximální rozkmit signálu. Nastavení pracovní bodu ovlivňuje parametry NLO, zesílení, šum zesilovače, atd. U spínače jsou pouze dva stavy: Sepnuto tranzistor je obvykle v saturaci, obvodem prochází proud, který je určen odporem (popř.impedancí) zátěže. Rozepnuto - tranzistor je v závěrném režimu, obvodem prochází pouze zbytkový proud, jehož velikost je závislá na teplotě, zapojení obvodu báze, polaritě řídícího napětí v obvodu báze a na napětí UCE ve stavu rozepnuto.
4. Jaký je význam parametru h21 u bipolárního tranzistoru? Naznačte jak se určí jeho hodnota ze soustavy výstupních charakteristik.
Je to proudový zesilovací činitel v zapojení se společným emitorem. Jeho velikost je závislá na typu tranzistoru, teplotě, proudu kolektorem, příp. na kmitočtu. V daném pracovním bodě určíme ze závislosti IC = f(IB) ve druhém kvadrantu soustavy charakteristik.
r.cz/~bousek/eso/007/7-1.gif" \* MERGEFORMATINET
5. Tranzistor je zapojen podle schématu. Vypočtěte a) pracovní bod tranzistoru, b) napěťové zesílení, c) vstupní a výstupní odpor. Předpokládejte, že v dané pracovní oblasti je proudový zesilovací činitel tranzistoru h21E = 220 a velikost impedance kapacitorů velmi malá. Earlyho napětí UE = 55 V.
a) IB = ( Un – UBE ) / R1 , IC = beta IB , UR2 = R2 . IC , UC = Un – R2 . IC
b) Au = – ( R2 / rE ) , rE = UT / IE , IE ~ IC
c) RVST ~ h11E = rB = UT / IB , RVÝST ~ rC || R2 , kde rC = ( UC + UE ) / IB
6. a) Nakreslete úplné schéma jednostupňového zesilovače s bipolárním tranzistorem v zapojení SE. b) Stručně popište postup při volbě pracovního bodu. c) Jaký je vstupní odpor zesilovače?. d) Jaké je jeho proudové a napěťové zesílení?
Viz př.5.
8. Tranzistor řízený elektrickým polem:
1. Tranzistor JFET s kanálem typu N má IDSO = 12mA, Up = - 4V. Hradlo je uzemněno přes odpor RG = 180k, emitor je uzemněn přes odpor RS = 150 ohmů. Předpokládejte, že tranzistor pracuje v oblasti saturace. a) Vypočtěte pracovní bod tranzistoru a strmost tranzistoru v tomto pracovním bodě. b) Navrhněte RD takové, aby tranzistor pracoval v saturaci při napájecím napětí UN = 7V.
Odporem RG je zajištěno, že UG = 0. Na odporu RS vzniká úbytek napětí URS = RS. ID = - UGS. a) UGS určíme z rovnice RS ID = RS.IDSS(1 - UGS / Up)2 = - UGS. Řešíme analyticky nebo graficky (- UGS ~ 1V), proud kolektoru ID = IDSS (1 - UGS / Up)2 ~ 6,8 mA a strmost, gm = (2IDSS / UP) . (1 - UGS / Up) ~ 4,5 mS .
b) Pro saturační režim musí být splněno UDS = UDSSAT > UGS – UP = 3 V. Maximální hodnota RD je proto RDMAX = (UDD - UDSSAT - IDRS) / ID = 430ohmů, z řady 420ohmů.
Poznámka: Při přemostění odporu RS kapacitou dosáhneme AU = - gm. RDMAX = - 1,88 !!! Zvolíme-li větší odpor RDMAX přejde tranzistor při daném proudu ID do aktivního režimu a strmost se zmenší. Zvolíme-li menší proud, abychom zajistili saturační režim, strmost se rovněž zmenší. Pro velké zesílení je nutné podstatně zvýšit napájecí napětí.

2. Zesilovač s tranzistorem n-JFET je zapojen podle schématu. pracovní bod tranzistoru je nastaven do oblasti saturace. Jak se změní napětí |UGS|, strmost tranzistoru gm, napětí UDS a proud ID, jestliže: a) RS(=R3) se zmenší b) RD se zmenší c) Napájecí napětí Un se zvětší. Odpovědi stručně zdůvodněte.
Pokud je pracovní bod tranzistoru nastaven do oblasti saturace chová se tranzistor jako proudový zdroj. Velikostí napětí UGS je určena i hodnota proudu ID a strmost gm (derivace převodní charakteristiky v pracovním bodě).
a) UGS se zmenší, neboť se zmenší úbytek napětí na RS(=R3): gm se zvětší, ID se zvětší a UDS se zmenší protože se zvětší úbytek na RD.
b) UGS se nezmění, neboť se nezmění úbytek napětí na RS (=R3): gm se nezmění, ID se nezmění, pouze UDS se zvětší, protože na odporu RD bude menší úbytek napětí.
c) UGS se nezmění, neboť se nezmění úbytek napětí na RS (=R3): gm se nezmění, ID se nezmění, pouze UDS se zvětší, protože úbytek napětí na RD se nezmění a napájecí napětí vzroste.
3.a) Vysvětlete pojem "tranzistor s indukovaným kanálem". b) Nakreslete zapojení pro nastavení pracovního bodu zesilovače s tímto tranzistorem.
Pro vytvoření kanálu je zapotřebí obohatit oblast pod hradlem minoritními nosiči tak, aby vznikla inverzní vrstva propojující oblast S a D. Při zvyšování UGS dojde nejprve k odpuzení majoritních nosičů – náboj na hradle bude v rovnováze s ionizovanými atomy příměsí v blízkosti hradla. Při překročení určitého napětí je náboj na hradle takový, že pro jeho kompenzaci musí být k izolaci hradla přitaženy i minoritní nosiče ze substrátu. V tomto okamžiku vzniká inverzní vrstva = kanál = vodivé propojení oblastí S a D.
b) V obvodu hradla musí být dělič, kterým se nastaví UGS > UP.
4. Vysvětlete pojem "tranzistor s trvalým kanálem". Nakreslete zapojení pro nastavení pracovního bodu zesilovače s tímto tranzistorem (tř. A).
V izolaci hradla se mohou vyskytnout poruchy, které zachycují elektrony – v materiálu hradla je zabudovaný náboj. Pokud je náboj zabudovaný v izolaci hradla takový, že jsou pro zajištění nábojové rovnováhy k izolaci hradla přitaženy i minoritní nosiče existuje v tranzistoru vodivý kanál i bez napětí přiloženého na elektrodu G. Napětím UGS můžeme potom vodivost kanálu zvětšovat i zmenšovat. Trvalý kanál může vzniknout a) záměrně pro určitý typ tranzistoru b) při chybě ve výrobním procesu c) při programování pamětí typu EPROM, EEPROM atd. Typické zapojení zesilovače viz schéma pro příklad 2.
9. Tranzistor řízený elektrickým polem

1. Tranzistor v obvodu podle schématu má typické hodnoty IDSS = 12mA , UP = - 4V. Napájecí napětí je UDD = Un = 30 V, velikost RG = 2 M . Předpokládejte, že na použitých frekvencích není třeba uvažovat vliv impedance kondenzátorů v obvodu a že se neuplatní parazitní kapacity tranzistoru. a) Dokončete návrh obvodu tak, aby tranzistorem protékal proud ID= IDSS / 2 a napěťové zesílení daného zapojení bylo alespoň Au  8. b) Jakou maximální hodnotu odporu v kolektoru RD můžeme použít, aby tranzistor ještě pracoval v saturaci? Jaké bude v tomto případě napěťové zesílení obvodu?
Odporem RG je zajištěno, že UG = 0. Na odporu RS vzniká úbytek napětí URS = RS .ID = - UGS . a)UGS určíme z rovnice ID= IDSS (1- UGS /Up)2 , nebo graficky pomocí převodní charakteristiky tranzistoru.
pro ID= IDSS / 2 = 6 mA bude UGS =1,17 V  a R3= 195 .
Napěťové zesílení AU = - gm . RD , gm = (2IDSS /UP) . (1- UGS /Up) = 4,25 mS. Pro požadované zesílení Au  8. je RD  1,9 k.
b)Pro saturační režim musí být splněno UDS = UDSSAT UGS –UP = 2,83 V. Maximální hodnota RD je proto RDMAX = (UDD -UDSSAT -IDR3 ) / ID = 4,33 k . Potom AU = - gm . RDMAX = - 18,4
2. Vysvětlete mechanismus průrazu kanálu ( tj. mezi elektrodami D a S ) u tranzistoru FET. O jaký typ průrazu se jedná?. Jaká je jeho teplotní závislost?
V oblasti saturace (zaškrcený kanál) jsou nosiče v oblasti zaškrcené části kanálu odsávány pomocí elektrického pole na zaškrcené části kanálu (driftový mechanismus). Při zvýšení napětí se zvětší intenzita elektrického pole a zaškrcená část kanálu se prodlouží. Tím mohou být splněny podmínky pro vznik lavinového průrazu (kladný teplotní součinitel UDSBR ).
3. Nakreslete soustavu převodních a výstupních charakteristik tranzistoru JFET, vyznačte měřítka a hodnoty příslušného parametru. V obou soustavách vyznačte oblasti jednotlivých režimů.
Viz skripta str.151, 152 a str.160
4.Nakreslete soustavu převodních a výstupních charakteristik tranzistoru IGFET s indukovaným kanálem vyznačte měřítka a hodnoty příslušného parametru. V obou soustavách vyznačte oblasti jednotlivých režimů.
5. Nakreslete soustavu převodních a výstupních charakteristik tranzistoru IGFET s trvalým kanálem vyznačte měřítka a hodnoty příslušného parametru. V obou soustavách vyznačte oblasti jednotlivých režimů.
Viz skripta str.162 a str.160
6. a) Načrtněte strukturu tranzistoru IGBT. b) Stručně vysvětlete jeho činnost. c) Ve kterých vlastnostech se odlišuje od tranzistorů IGFET a od bipolárních tranzistorů?
a) Viz skripta str. 170. b) Je to obdoba struktury VDMOS tranzistoru IGFET, jehož kolektor je oddělený vrstvou P+. Tak vzniká bipolární tranzistor PNP řízený do báze(= kolektor IGFET) původním tranzistorem IGFET. c) od IGFET: Napětí UDSON je dané vlastnostmi BT. Proud do báze se odebírá ze spínaného napětí, k úbytku na přechodu BE tranzistoru PNP se ještě přičte úbytek na řídícím tranzistoru IGFET. Napětí UDSON bude tedy poměrně velké i pro malé spínané proudy. Pro standardní tranzistory IGBT je UDSON menší než 2 V a na rozdíl od IGFET roste pouze nepatrně v oblastech velkých proudů (vliv BT). Menší rychlost rozepnutí daná vypínáním struktury BT - lze zrychlit pomocí rekombinačních příměsí ovšem za cenu zvýšení napětí UDSON. od BT: Není zapotřebí trvalý proud báze (při srovnatelných proudech IC je potřebné IB 1 A). Je naopak zapotřebí proudový impuls (IGS >> 100 mA) k nabití i vybití (!) kapacity CGS , popř. CDG Dosahuje se větších závěrných napětí a menší tepelné závislosti parametrů.
9. Tranzistorové spínače
1. Tranzistorový spínač v zapojení SE