Föreläsning 9 Transistorn och OP-förstärkaren

Transkript

1 Föreläsning 9 Transistorn och OP-förstärkaren /Krister Hammarling 1

2 Transistorn Innehåll: Historia Funktion Karakteristikor och parametrar Transistorn som förstärkare Transistorn som switch Felsökning OP-förstärkaren 2

3 Historia a) Edisons lampa 1880-talet b) Triodförstärkare År 1906 c) Radiorör Transistorer uppfanns först år 1947! Uppfinnarna på Bell Telephone Laboratories fick alla dela på ett Nobelpris. 3

4 Applikation - spänningsregulator 4

5 Applikation - spänningsregulator 5

6 Olika typer av transistorer 6

7 Användningsområden En transistor kan användas antingen som förstärkare eller som switch. 7

8 Transistorn grundfunktion Se denna transistorkoppling som två kretsar. Strömmen i 1 styr strömmen i 2. En liten förändring i 1 ger ofta en stor förändring i

9 Bipolartransistorn I bipolartransistorn finns två p-n övergångar. Den består av tre lager med antingen ett p-dopat område mellan två n-dopade (npn), eller med ett n-dopat område mellan två p-dopade (pnp). 9

10 Bipolartransistorn ses ofta som två dioder, representerande de två p-n övergångarna. Likspänning U CE mellan kollektor och emitter avser att attrahera elektroner från emittern. Likspänning U BE med pluspol på basen lockar elektroner in i basskiktet från emittern. När detta sker dras elektronerna vidare mot kollektorn (diffunderar genom basskiktet) och till pluspolen på U CE. => En kollektorström I C erhålls. Bipolartransistorn 10

11 Bipolartransistorn Alla elektroner diffunderar dock inte. En del elektroner kommer att sugas mot pluspolen på U BE. Ett mycket tunt basskikt minimerar dessa. => Liten basström. Ett svagt dopat basskikt minskar också risken för rekombination av elektronhålpar. 11

12 Bipolartransistorn Detta ger: I E = I C + I B Om U BE ökas kommer basströmmen ökas, men framför allt kollektorströmmen. => En förstärkning erhålls. Bipolartransistorn är alltså strömstyrd. Likström och signalström: i B (t) = I B + i b (t) 12

13 Bipolartransistorn Funktionen hos pnp-transistorn är densamma. Enda skillnaden är att alla strömmar och spänningar får motsatt riktning eftersom det är hål i stället för elektroner som svarar för den huvudsakliga laddningstransporten. 13

14 Karakteristikor och parametrar En liten förändring i basströmmen ger en stor förändring i kollektorströmmen. Denna faktor mellan strömmarna kallas strömförstärkningsfaktorn och betecknas med beta (β). β = I C / I B Observera att β inte alltid är konstant. Den beror också på faktorer som temperatur och maximal uteffekt. (Se datablad) 14

15 Karakteristikor och parametrar överkurs Bestämning av β: V RB = V BB V BE (V BE = 0.7 V i linjära området) I B = V RB / R B V RC = V CC V CE I C = V RC / R C β = I C / I B 15

16 Karakteristikor och parametrar Kurvor för kollektorkarakterisktik ger en inblick i sambandet mellan basström och kollektorström. När I B ökar så ökas I C linjärt i förhållande till I B. Detta område kallas för det linjära området. Detta samband är också skälet till att bipolartransistorn sägs vara strömstyrd. Gäller om V CE ligger under genombrottsspänningen. 16

17 Karakteristikor och parametrar Om I B = 0 ligger transistorn i cutoff-området. Detta betyder att bara en obetydlig läckström flyter genom R C och som en konsekvens av detta är V CE nästan lika med V CC. 17

18 Karakteristikor och parametrar I C kan dock nå ett maximum och ligga still på samma värde trots att man höjer I B. När detta maximum är nått säger man att transistorn jobbar i det mättade (eng. saturated) området. I detta fall är transistorn kortsluten mellan kollektor och emitter, vilket betyder att I C = V CC / R C. 18

19 Bipolartransistor som förstärkare En relativt liten AC signal V in kan förstärkas genom att lägga signalkällan på basen. De små strömförändringar detta ger upphov till förstärks till kollektorsidan och en förstärkt utamplitud V C kan observeras. 19

20 Bipolartransistor som förstärkare 1. GE-steget (Gemensam Emitter), Förstärker ström och spänning 2. EF-steget (Emitterföljare ), Förstärker endast ström 3. GB-steget (Gemensam Bas ), Förstärker endast spänning

21 Bipolartransistorn som switch För att använda en transistor som switch biaserad man transistorn antingen till att vara i cutoff eller mättad (saturerad). Kom ihåg att V CE = V CC i cutoff och V CE = 0 i mättat område. 21

22 Felsökning Att felsöka en transistor i en aktiv krets betyder att vi måste veta en del om hur spänningarna runt transistorn bör se ut. Det finns dock vissa metoder vi kan ta till. En bra förståelse för hur man använder ohms lag och Kirchhoffs spännings- och strömlagar är en grundförutsättning. I aktiva kretsar är det mest praktiskt att felsöka med spänningar. 22

23 Felsökning En kontroll av spänningar över transistorn när den är aktiv kan säga oss om den fungerar korrekt. Om ingen ström finns i kollektorn kan det vara avbrott i de kringliggande resistorerna. Det kan förstås också vara avbrott i själva transistorn. Avbrott orsakar för låga spänningar i mätningarna. Man får s.k. flytande punkter. 23

24 Felsökning Att testa en bipolartransistor kan ses som att testa två diodövergångar. I framspänningsfallet har man låg resistans och i backspänningsfallet har man oändlig resistans. 24

25 Felsökning Diodtestningsfunktionen på en multimeter är mer tillförlitligt är att använda en ohmmeter. Tänk på om det är en npn eller en pnp transistor som ska testas, dvs. vänd polerna rätt. 25

26 Sammanfattning Bipolartransistorn är strömstyrd och består av tre regioner: basen, kollektorn och emittern. Tre områden av funktion finns också: cutoff, linjärt och mättat område. En transistor som används för förstärkning jobbar i linjära regionen. En transistor som används som switch jobbar i mättade regionen. Förstärkningsfaktorn beta räknas som I C / I B. JFET- och MOSFET-transistorerna arbetar på liknande sätt, men är spänningsstyrda i stället för strömstyrda 26

27 Operationsförstärkare Jan Thim 27

28 F4: Operationsförstärkare Innehåll: Introduktion Negativ återkoppling Applikationer Felsökning 28

29 Introduktion Operationsförstärkaren är en integrerad krets med flera kretsar inuti. En typisk OP är matad två inverterade spänningar av samma amplitud. (En positiv och en negativ.) Dessa brukar dock normalt inte visas i kretsscheman. 29

30 Introduktion En ideal operationsförstärkare har oändlig förstärkning och bandbredd. Dock vet vi att sådana inte existerar. En OP har dock mycket hög förstärkning, mycket hög ingångsimpedans, mycket låg utgångsimpedans och stor bandbredd. 30

31 Introduktion En OP består oftast av tre olika förstärkare. Ett ingångssteg, en spänningsförstärkare och ett utgångssteg. 31

32 Introduktion I single ended input mode jordar man den ena ingången. 32

33 Introduktion I differetiell mode har man två ingångssignaler i motfas mot varandra. Skillnaden mellan de två förstärks och skickas ut på utgången. 33

34 Introduktion Med gemensam ingångsmode menar man att man lagt på två signaler av samma fas, frekvens och amplitud, vilket resulterar i att man får 0V på utgången. Denna mode används för att ta bort störningar och brus. 34

35 Negativ återkoppling Med en negativ återkoppling skickar man tillbaka en del av utgångsspänningen till den negativa sidan av OP:n. Detta för att begränsa förstärkningen så att OP:n inte går in i mättnad. Kom ihåg att oavsett förstärkningen så finns det gränser för vad en förstärkare klarar att producera. 35

36 Operationsförstärkare med negativ återkoppling Sluten-loop förstärkning (A cl ) är spänningsförstärkningen hos en förstärkare med extern återkoppling. Förstärkningen kan kontrolleras med värdena på externa komponenter. Förstärkaren på bilden är en ickeinverterande förstärkare med sluten-loop förstärkning: A cl(ni) = 1 + R f /R i 36

37 Operationsförstärkare med negativ återkoppling Spänningsföljaren i denna figur får hela signalen från utgången matad till den inverterande ingången. Spänningsförstärkningen är 1. Kopplingen är användbar som buffer, eftersom den har hög ingångsimpedans och låg utgångsimpedans. 37

38 Operationsförstärkare med negativ återkoppling Den inverterande förstärkaren i denna figur har utgången matad tillbaka till den inverterande ingången via en resistor för att kunna reglera förstärkningen. Förstärkningen för den inverterande förstärkaren kan uttryckas som: A cl(i) = R f /R i 38

39 Felsökning Operationsförstärkare är i regel mycket pålitliga. Interna fel kan dock uppstå, kanske som en följd av ett externt fel. Att utgången fastnat på endera det maximala eller minimala värdet kan vara ett tecken på ett internt fel. 39

40 Felsökning Med ett avbrott i återkopplingsresistorn R f i en ickeinverterande förstärkare, kommer OP:n att överstyra och utgångssignalen kommer att bli klippt vid max och minvärdena. 40

41 Felsökning Om däremot Ri skulle ha ett avbrott skulle förstärkningen gå mot 1, dvs. utgången skulle få samma amplitud som ingången. Andra fel på signalen tyder troligtvis på ett internt fel. 41

42 Felsökning Ett avbrott i återkopplingsresistorn R f hos en inverterande förstärkare skulle bete sig på samma sätt som hos en icke-inverterande, OP:n kommer att överstyra. Ett avbrott i ingångsresistorn R i förhindrar insignalen från att komma fram. 42

43 Applikationer Komparator En komparator jämför två signaler med varandra. I detta exempel med en nollnivå-detektor är OP:n i öppen loop läge (ingen återkoppling). Den inkommande signalen driver OP:n till mättnad, och sinussignalen blir då fyrkantvåg. Detta för att OP:n lätt hamnar i mättnad i öppen loop läge. 43

44 Applikationer Komparator I detta fall sätter en spänningsdelare eller en zenerdiod referensspänningen som insignalen jämförs mot. 44

45 Applikationer Summerande förstärkare Den summerande förstärkaren har två eller flera ingångar och utgången blir den negativa summan av ingångarna. 45

46 Applikationer Integrator En integrator får man genom att sätta en kondensator i återkopplingsloopen. En konstant inspänning ger en rampfunktion på utgången. Kan användas till att skapa en triangelvåg av en fyrkantvåg. 46

47 Applikationer Derivator En derivator gör det motsatta jämfört med en integrator. En triangelvåg på ingången skulle resultera i en fyrkantvåg på utgången. Notera att kondensatorn nu sitter på ingången. 47

48 Felsökning, applikationer I fallet med den summerande förstärkaren skulle ett avbrott på en ingångsresistor resultera i ett lägre värde än förväntat på utgången. 48