Institutionen för tillämpad fysik och elektronik Umeå universitet Patrik Eriksson 22/10 2004 Analog elektronik 2 Laboration N o 1 TRANSISTORER namn: datum: åtgärda: godkänd:
Målsättning: Denna laboration syftar till att ge studenten: Faktakunskaper om bipolar- och fälteffekttransistorn och ett par av dess användningsområden. Erfarenhet av att konstruera kretsar med hjälp av nämnda transistorer. Övning i att använda ett simuleringsverktyg. Praktisk erfarenhet av att koppla, felsöka och att mäta på kretsar. För att uppfylla denna målsättning ska denna laboration utföras delvis gemensamt i en grupp och delvis enskilt. Gruppen jobbar tillsammans fram den konstruktion som uppgifterna handlar om. Gruppen hjälps också åt vid felsökning både i OrCAD och på kopplingsdäcket. Varje student ritar själv in sin koppling i OrCAD och simulerar sin krets, kopplar upp sin krets på kopplingsdäcket och visar handledaren samt skriver sin egen redovisning. Om ni behöver hjälp med att felsöka er krets så bör ni titta i Floyd; Electronic Devices. Varje kapitel avslutas med ett avsnitt som heter Troubleshooting. De avsnitten är mycket bra. Lämplig transistor att använda kan vara BC547, till vilken såväl simuleringsmodell som utförliga datablad finns tillgängliga. Utrustning och material: Labbdäck Strömförsörjning Oscilloskop Persondator med simuleringsprogrammet OrCad Transistor BC547 Transistor BF245 Shottkydiod Diod 1N4148 Diverse R och C Läs igenom uppgifterna noggrant. Se till att ha klart för er vad som eftersträvas med laborationen. Var ordentligt förberedd, och se till att ni studerat litteraturen och era föreläsningsanteckningar så väl att ni är ordentligt orienterade i ämnesområdet.
Lite om fälttransistorn I den här laborationen kommer ni att arbeta med såväl traditionella bipolära transistorer som fälteffekttransistorer, även kallade fälttransistorer. Det finns många varianter av fälttransistor, men den ni kommer använda är av typen BF245, en N-kanals JFET, Terminalerna på en fälttransistor har något annorlunda engelska benämningar än på den bipolära transistorn; strömkanalen går mellan Drain (kollektor) och Source (emitter). Styrningen sker via Gate (styre / styrelektrod) JFET-transistorn leder ström då styrspänningen U GS =0. Styrelektroden måste ges en negativ förspänning (strypspänning, pinchoff-voltage) för att strömmen skall strypas. (I D =0) JFET:en sägs vara en utarmningstyp, eftersom strömkanalen mellan drain och source måste utarmas på U P = pinch-off voltage (strypspänning) läddningsbärare om man vill strypa av strömmen. fig.1 N-kanal JFET- symbol fig.2 N-kanal JFET- I D /U GS - karaktär Till skillnad från den bipolära transistorn som kan sägas vara strömstyrd, är fälttransistorn spänningsstyrd. På en annan fälttransistortyp, bl.a. MOSFET, är styrelektroden helt isolerad från strömkanalen, förutom en inte oväsentlig kapacitv koppling. I JFET:en däremot är styret kopplad mot strömkanalen i form av en PN-övergång. Det sistnämnda innebär alltså att en positiv förspänning på en JFET innebär en avsevärd diod-framström genom styrelektroden!
1. Transistorn som switch Ni skall konstruera en switch med hjälp av en bipolar- och fälttransistor. Behöver ni ytterligare hjälp och tips kan ni använda er av laboration E25 som finns på Labstore samt givetvis er litteratur. 1a. Bipolär transistor 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) fig.3 transistorswitch Börja med att göra de teoretiska beräkningarna och rita ett kopplingsschema. Tänk på att vara noggrann när ni ställer upp era beräkningar och ritar er krets, så att det blir lätt att följa om ni skulle behöva felsöka. Rita sedan in er krets i OrCAD och simulera den. Tips: Svepet bör vara ett transient-svep och insignalen en fyrkantvåg och/eller en sinusvåg. Fyrkantvågen skapar ni med källan VPULSE och sinussignalen med VSIN. När simuleringen är klar och verkar stämma är det dags att koppla upp. Använd samma insignaler som vid simuleringen och verifiera att er switch fungerar som tänkt.
1. Beräkna det teoretiska värdet på U IN som krävs för att transistorn skall bottna. 2. Vilket värde sätter ni som h FE? Motivera detta. 3. Rita upp och simulera ovanstående krets i OrCad. Plotta tidsdiagram över Uin och Uut. Bifoga schema och simuleringresultat. 4. Koppla upp ovanstående krets på labbdäck. Mät upp det faktiska h FE som krävs för att transistorn nätt och jämt skall bottna. Jämför med det teoretiska värde ni räknat fram. Kommentera. Redovisa: 1. Konstruktionsberäkningar enligt ovan, snyggt uppställda och lätta att följa. 2. Kopplingsschema ritat i OrCAD 3. Simuleringsresultat från OrCAD 4. Tidsdiagram som visar resultatet för den verkliga kopplingen. Detta kan antingen tas in via de digitala oscilloscopen till PCn och skrivas ut eller ritas för hand.
1b. Bipolär transistorswitch med kapacitans De dynamiska egenskaperna hos en switch kan beskrivas i form av till- och frånslagstider. Eftersom den bipolära transistorn är strömstyrd, är det lämpligt att betrakta bas- resp. kollektorströmmarna (I b och I c ) som in- och utsignal. I nedanstående figur återges principen för hur det går till. Normalt mäter ni in- och utsignaler med oscilloskop, dvs ni tittar egentligen på in- respektive ut-spänningar. Då kommer utsignalen i form av kollektorspänningen att vara en spegelvänd avbild av kollektorströmmen då I c och U ce är fasförskjutna med 180. Tiderna är dock alltjämt definierade enligt nedan. fig.4 switchens tidsförlopp t on = t d + t r = tillslagstid t off = t s + t f = tillslagstid t d = fördröjningstid (delay time) t r = stigtid (rise time) t s = efterledningstid (storage time) t f = falltid (fall time) Ni skall nu studera er switch från föregående uppgift med hjälp av ett oscilloskop. Låt U in vara en kantspänning med f = 100kHz, pulshöjd = E V och en pulslängd på 2 µs. Eftersom kapacitiva effekter har stor betydelse för switchens egenskaper skall ni koppla in en kondensator C = 100pF på två olika sätt och se vad som händer.
1. Rita upp Uin (en puls), och därefter Uut för följande tre fall: 1. U ut (1) Uppkoppling enligt uppg.1a. 2. U ut (2) Uppkoppling enligt tidigare, men med en speedingkondensator C=100pF parallellt med Rb (se vidstående figur). 3. U ut (3) Uppkoppling enligt tidigare, men med kondensatorn C=100pF kopplad mellan bas och kollektor. fig.5 switch med speedingkondensator 2. Vad händer om nu tar en större speedingkondensator, t.ex. 220nF? 3. Vilken funktion får uppkopplingen i fall 3 enligt ovan?
1c. Bipolär transistorswitch med clamp. För att erhålla snabba omslag hos transistorswitchen måste man undvika att bottna transistorn hårt. En transistor som drivs till hård bottning fär nämligen en stor överskottsladdning lagrad på basen. Vid frånslag måste därför först denna överskottsladdning transporteras bort innan själva omslaget kan ske. En teknik som tidigt användes för att öka snabbheten hos transistorswitchar var att använda en s.k. clamp-diod av germanium (Ge) från basen till kollektorn på en kiseltransistor. Germaniumtransistorn har ett mycket lägre framspänningsfall (typiskt 0,2 0,3 V) än transistorns ca 0,6 0,7 V över bas-emitterövergången (U be ). När transistorn drivs mot bottning kommer dioden att börja leda, varvid det överskott man har i drivförmågan hos basströmmen kommer att tas upp av kollektorn. Eftersom transistorn aldrig bottnar fullständigt lagras heller ingen överskottsladdning på basen. Clamp-dioden medför alltså att man får en kraftig reducering av frånslagstiden. Ännu bättre effekt får man om man använder en s.k. shottky-diod, som består av en övergång mellan en metall och en kraftigt N-dopad halvledare av kisel. I metall-halveledarövergången kommer en potentialbarriär att byggas upp genom att några elektroner går över från halvledaren till metallen. Vid en positiv anodspänning kommer barriärens bredd att minska, och diodens framström kommer snabbt att öka vid ökad framspänning. Schottkydioden har ett lågt framspänningsfall, och kan därför användas till att clampa en kiseltransistor. Koppla upp och mät frånslagstiderna för transistorswitchen enligt vidstående bild. Redovisa: med C med D frånslagstid nej Nej ja nej nej Ja ja ja fig.6 switch med clamp och speedingkondensator Kommentera resultatet:..........
1d. Fälttransistorn som switch En fälttransistor låter sig å det förnämligaste användas som en elektronisk analog switch (brytare). Liknande, om än något mer raffinerade lösningar är vanligt förekommande i allehanda integrerade kretsar och system där man önskar koppla av och på signaler. Exempel härpå är audio- och videosystem. Oftast ingår switchen i fråga i ett system vars kretsar arbetar med matningsspänningarna 0 och +E V, eller +/-E V. Det är då praktiskt att även låta styrsignalen anta dessa värden. Ni skall pröva att använda en N-kanals JFET som en analog switch. Lämplig transistor är BF245, till vilken finns såväl datablad som simuleringsmodeller. 1. Studera kretsen. Hur fungerar den? Vad har R och D för funktion? 2. Rita upp och simulera kretsen i OrCad. 3. Koppla upp kretsen och testa funktionen. 4. Ange vilka värden på U styr ni har när switchen är i läge PÅ respektive AV. 5. En ideal switch har ett R DS (ON) = 0 Ω, och ett R DS (OFF) = Ω. Vilket R DS (ON) har er switch? Hur tar ni reda på detta? Tr = BF245 D = 1N4148 R = 1MΩ Fig.7 analog switch
2. Signalförstärkare Ni skall konstruera en småsignalförstärkare med hjälp av en bipolar- och fälttransistor. Behöver ni hjälp och tips kan ni använda er av lab E155 och E157 som finns på Labstore samt givetvis er litteratur. 2a. Signalförstärkare med bipolartransistor Ni skall konstruera en småsignalförstärkare med en vanlig bipolartransistor. Lämplig transistor till denna uppgift är BC547, till vilken finns såväl kompletta datablad som simuleringsmodeller. När man konstruerar ett transistorsteg börjar man alltid med att bestämma vid vilken arbetspunkt transistorn skall arbeta. Därför börjar man med DC-fallet. 1. DC 1. Börja med att bestämma vilken typ av bias (förspänning) kretsen ska ha, gör de teoretiska beräkningarna och rita ett kopplingsschema. Tänk på att vara noggrann när ni ställer upp era beräkningar och ritar er krets, så att det blir lätt att följa om ni skulle behöva felsöka. 2. Rita in er krets i OrCAD och simulera den. Det räcker med Bias-Point för att verifiera att er arbetspunkt blev rätt. 3. När simuleringen är klar och verkar stämma är det dags att koppla upp och verifiera att er bias-koppling fungerar som det var tänkt. fig.8 signalförstärkare med bipolär transistor När biasen är som den skall och ni har fått den arbetspunkt ni tänk er, går ni över till att se på transistorsteget utifrån ett småsignalperspektiv. 2. AC 1. Ställ upp de teoretiska beräkningar ni behöver för att kontrollera vilken förstärkning er krets kommer att få. Använd er av ett h-parameterschema. 2. Simulera sedan er krets i OrCAD. Kontrollera förstärkningen samt in- och utimpedansen hos kretsen. Gör även ett frekvenssvep och ta upp ett Bode-diagram. 3. Testa er uppkopplade krets och se om allt stämmer.
Redovisning: Skriftligt: Konstruktionsberäkningar, snyggt uppställda och lätta att följa. Kopplingsschema ritat i OrCAD Simuleringsresultat från OrCAD Resultaten för den verkliga kopplingen. Detta kan antingen tas in via de digitala oscilloscopen till PCn och skrivas ut eller ritas för hand. Visa: Den fungerande kopplingen visas för handledaren.
2b. Signalförstärkare med fälttransistor Ni skall nu pröva att använda en N-kanals JFET som en småsignalförstärkare. Lämplig transistor är BF245, till vilken finns såväl datablad som simuleringsmodeller. 1. DC 1. Börja med att bestämma vilken typ av bias kretsen ska ha, gör de teoretiska beräkningarna och rita ett kopplingsschema. Tänk på att vara noggrann när ni ställer upp era beräkningar och ritar er krets, så att det blir lätt att följa om ni skulle behöva felsöka. fig.9 signalförstärkare med FET 2. Rita sedan in er krets i OrCAD och simulera den. Det räcker med Bias-Point för att verifiera att er arbetspunkt blev rätt. 3. När simuleringen är klar och verkar stämma är det dags att koppla upp och verifiera att er bias-koppling fungerar som tänkt. 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. 2. AC 1. Ställ upp de teoretiska beräkningar ni behöver för att kontrollera vilken förstärkning er krets kommer att få. 2. Simulera sedan er krets i OrCAD. Kontrollera förstärkningen samt in- och utimpedansen hos kretsen. Gör även ett frekvenssvep och ta upp ett Bode-diagram. 3. Testa er uppkopplade krets och se om allt stämmer. Redovisa: Skriftligt: Konstruktionsberäkningar, snyggt uppställda och lätta att följa. Kopplingsschema ritat i OrCAD Simuleringsresultat från OrCAD Resultaten för den verkliga kopplingen. Kan antingen tas in via digitala oscilloscopen till PCn och skrivas ut eller ritas för hand. Visa: Den fungerande kopplingen visas för handledaren.
3. Bilagor Datablad: BC546 / BC547 / BC548 (Vishay semiconductors) BF245 (Philips semiconductors)