Institutionen för tillämpad fysik och elektronik Umeå universitet. Agneta Bränberg TRANSISTORTEKNIK. Laboration.

Transkript

1 Institutionen för tillämpad fysik och elektronik Umeå universitet Agneta Bränberg Laboration TRANSISTORTEKNIK Analog II VT17

2 Målsättning: Denna laboration syftar till studenterna ska lära sig förklara centrala begrepp och termer gällande transistorteknik dimensionera grundläggande transistorkopplingar simulera och analysera transistorförstärkares DC-, AC- och tids-egenskaper med hjälp av PSpice använda sina förvärvade kunskaper i laborativa moment. För att uppfylla denna målsättning ska denna laboration utföras och redovisas enskilt. Utrustning och material Dator med simuleringsprogrammet OrCAD (räcker med OrCAD Lite) Simuleringsbibliotek innehållande transistorerna IRF150, BC547, BC337 eller liknande Tips Läs igenom uppgifterna noggrant. Se till att ha klart för dig vad som eftersträvas med laborationen. Var ordentligt förberedd, och se till att du studerat litteraturen så väl att du är ordentligt orienterade i ämnesområdet. Om du är ovan vid OrCAD rekommenderas att du tittar igenom instruktionsfilmerna (så att du åtminstone hittar rätt film om du skulle köra fast). Det kan också finnas specifika filmer som hör till just denna lab. Dom ska du självklart ha koll på. Redovisning Laborationen redovisas i ett sammanhållande dokument, med samma struktur som instruktionen, minst innehållande: Svar på eventuella frågor Konstruktionsberäkningar, snyggt uppställda och lätta att följa Kopplingsscheman ritade i OrCAD Kommenterade simuleringsresultat från OrCAD Jämförelser mellan beräkningar och simuleringar Viktiga lärdomar

3 Lite teori om fälteffekttransistorn I den här delen av laborationen kommer ni att arbeta med fälteffekttransistorer. Det finns många varianter av fälttransistor, men den ni kommer använda är av typen 2N7000, en N-kanals MOSFET, Terminalerna på en fälttransistor har något annorlunda engelska benämningar än på en bipolär transistor; strömkanalen går mellan Drain (kollektor) och Source (emitter). Styrningen sker via Gate (styre/styrelektrod) MOSFET-transistorn av anrikningstyp leder ström då styrspänningen UGS>U T. Till skillnad från den bipolära transistorn som kan sägas vara strömstyrd, är fälttransistorn spänningsstyrd. I MOSFET, är styrelektroden helt isolerad från gaten, förutom en inte oväsentlig kapacitiv koppling. MOSFET-transistorn är mycket vanlig i modern elektronik, och används mycket ofta som switchande element. Användningsområdet sträcker sig från små enkla strömbrytare som slår till och från signaler till stora motorstyrningar på flera kilowatt.

4 1. Fälteffekttransistorn som switch Ni skall konstruera en switch med hjälp av en fälttransistor, och undersöka två viktiga parametrar hos switchen; RDSon och gate-charge. Lämplig transistor är IRF150, till vilken finns såväl datablad som simuleringsmodeller. Läs teorin om MOSFET i dokumentet Mosfet basics och i transistorns datablad. Läs speciellt om Gate charge och RDSon. Rlast 5k RG M1 0Vdc V1 V2 0 a) Beräkna transistorns omslagstider med RG = 50Ω, och RG = 1000Ω. (Insignal kommer att vara en fyrkantvåg med 0V och 5V). b) Beräkna spänningsfallet över transistorn och effektförlusten i transistorn när den är påslagen, vid matningsspänningen 5V. c) Rita upp kretsen i OrCAD. d) Kontrollera omslagstiderna för RG=50Ω och RG=1000Ω genom att skicka en fyrkantsvåg (använd VPULSE) som insignal till kretsen, med 0 och 5V som spänningsnivåer. Se till att svepa tiden så pass länge att ni får med ca stabila tre perioder i ert diagram. e) Kontrollera transistorns RDSon genom att koppla gate direkt till 5V (VDC) för att slå på den. Mät spänningsfallet över transistorn och räkna ut RDSon. Se till att Enable Bias Voltage Display är iklickat så kan du läsa av spänningen direkt i schemat när du kört en enkel simulering. f) Jämför beräkningarna och databladens teoretiska värden med det simulerade.

5 2. Signalförstärkare med fälteffekttransistor Ni skall konstruera en småsignalförstärkare med hjälp av en fälteffekttransistor av typen n-kanals MOSFET. Behöver ni hjälp och tips ska ni givetvis använda er litteratur. DC VCC RD När man konstruerar ett transistorsteg är det bra att börja med att bestämma vid vilken arbetspunkt (vilopunkt) transistorn skall arbeta och hur man ska uppnå den (vilken typ av bias kretsen ska ha). Därför börjar vi med DC-fallet. in + V1 Uin C1 R1 R2 RS M2 C2 + Uut ut Rlast 100Meg a) Börja med att bestämma vilken typ av bias kretsen ska ha. Ex 9.3 i Molin är ett bra exempel att bygga på. En tumregel som finns är att dimensionera RD och RS så att en tredjedel av VDD (likspänningsmatning från en VDC) ligger över respektive motstånd. b) Gör de teoretiska beräkningarna och dimensionera kretsen. Vilken arbetspunkt valde du? c) Rita upp kretsen i OrCAD. d) Simulera och verifiera att arbetspunkten ligger rätt. Det räcker med Bias-Point för att verifiera att detta. När biasen är som den ska och ni fått den arbetspunkt ni tänkt er, går ni över till att se på transistorsteget utifrån ett småsignalperspektiv.

6 AC a) Ställ upp de teoretiska beräkningar du behöver för att kontrollera vilken förstärkning samt in- och utimpedans din krets kommer att få. b) Simulera och kontrollera förstärkningen. Gör ett frekvenssvep och ta upp ett Bode-diagram (instruktionsfilmer finns) så att du ser om förstärkningen förändras beroende på frekvensen. c) Simulera och kontrollera in- och utimpedansen hos kretsen. d) Jämför beräkningarna med det simulerade.

7 Lite teori om bipolartransistorn som switch För vidstående switchkoppling gäller följande: I C (max) E U R CE C ( sat) För att transistorn skall bottna krävs en basström: I B (min) I C (max) h FE Detta innebär vidare att: U in I B (min) R B U BE ( sat)

8 3. BJT-Transistorn som switch Du skall konstruera en switch med hjälp av en bipolartransistor. Kom ihåg att läsa litteraturen. Lämplig transistor till denna uppgift är BC547, BC337 eller liknande, till vilken finns såväl kompletta datablad som simuleringsmodeller. Arbetsgången bör vara: a) Börja med att göra de teoretiska beräkningarna och rita ett kopplingsschema. Tänk på att vara noggrann när du ställer upp dina beräkningar och ritar din krets, så att det blir lätt att följa om du skulle behöva felsöka. b) Bestäm dig för vid vilken spänning Uin du vill att switchen ska slå om. c) Anta ett värde på R C i storleksordningen kΩ? d) Hämta h FE, U CE(sat) och U BE(sat) ur datablad. Vilket värde är lämpligt att sätta som h FE? Max, min eller typ? Motivera. e) Räkna fram ett värde på R B och ta ett lämpligt värde i närheten av detta, gärna från E12-serien. f) Vad blir då ditt teoretiska värde på U in som krävs för att transistorn skall bottna? Dvs om du varierar Uin från 0Volt och uppåt, vid vilken spänning på U in kommer switchen att slå om? g) Rita upp kretsen i OrCAD. h) För att testa vilken omslagsnivå din switch har ska du göra två olika simuleringar. Börja med en likspänning som insignal (VDC) och svep den från 0V till minst dubbla teoretiska omslagsnivån. Vid vilken inspänningsnivå slår din switch om? i) Byt ut inspänningskällan mot en VSIN med en amplitud som är dubbelt så stor som din omslagsnivå och med en lämplig frekvens (testa dig fram om du inte vet). Gör ett transientsvep som får med minst 3 perioder. Visa omslagsnivån i diagrammet.

9 4. Signalförstärkare med BJT-transistor Du skall konstruera en småsignalförstärkare med en bipolartransistor. Lämplig transistor till denna uppgift är BC547, BC337 eller liknande, till vilken finns såväl kompletta datablad som simuleringsmodeller. När man konstruerar ett transistorsteg är det bra att börja med att bestämma vid vilken arbetspunkt (vilopunkt) transistorn skall arbeta och hur man ska uppnå den (vilken typ av bias kretsen ska ha). Därför börjar vi med DC-fallet även här. DC a) Börja med att bestämma vilken typ av bias kretsen ska ha. I Molin finns det ett bra exempel att bygga på. En tumregel är att spänningsfallet över RE ska vara 1V eller mer och att resten av E+ ska delas lika mellan URc (spänningen över RC) och UCE (spänningen mellan kollektor och emitter). b) Gör de teoretiska beräkningarna och dimensionera kretsen. Vilken arbetspunkt valde du? c) Rita upp kretsen i OrCAD. d) Simulera och verifiera att arbetspunkten ligger rätt. Det räcker med Bias-Point för att verifiera att detta.

10 När biasen är som den skall och du har fått den arbetspunkt du tänk dig, går du över till att se på transistorsteget utifrån ett småsignalperspektiv. AC a) Ställ upp de teoretiska beräkningar du behöver för att kontrollera vilken förstärkning samt inoch utimpedans din krets kommer att få. Använd dig av ett h-parameterschema eller annat småsignalschema. b) Simulera och kontrollera förstärkningen. Gör ett frekvenssvep och ta upp ett Bode-diagram (instruktionsfilmer finns) så att du ser om förstärkningen förändras beroende på frekvensen. c) Simulera och kontrollera in- och utimpedansen hos kretsen. d) Jämför beräkningarna med det simulerade.