6. Vorlesung Dr.-Ing. Wolfgang Heenes
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Grundlagen der Rechnertechnologie Sommersemester 2010 – 6. Vorlesung Dr.-Ing. Wolfgang Heenes 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 1 Inhalt 1. Bipolartransistoren 2. Kennlinienfelder 3. Gesteuerte Quellen 4. Zusammenfassung und Ausblick 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 2 Bipolartransistoren I Der Bipolartransistor wurde 1947 von Shockley, Bardeen und Brattain erfunden. I Die Realisierung in Planartechnik (1960) gab den Anstoß zur Entwicklung von integrierten Schaltungen. I Hauptanwendung des Bipolartransistor als Verstärker und als Schalter. Im Folgenden I I I I I Aufbau Funktionsprinzip Kennlinien Anwendungen 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 3 Bipolartransistoren Aufbau und Funktionsprinzip I Bipolartransistoren sind Halbleiterbauelemente, die aus zwei pn-Übergängen bestehen. I Bei einer Halbleiterzonenfolge von npn spricht man von einem npn-Transistor und bei einer Folge pnp von einem pnp-Transistor. I Schaltsymbol C C B B E npn 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 4 E pnp Bipolartransistoren Aufbau und Funktionsprinzip I I Von jeder Zone führt ein Anschluß nach außen. Die Anschlüße haben die Bezeichnung: I I I Basis (B) Kollektor (C) Emitter (E) I Die pn-Übergänge wirken wie Halbleiterdioden. Deshalb spricht man beim npn-Transistor von der Basis-Emitter-Diodenstrecke und von der Basis-Kollektor-Diodenstrecke. I Wie bei den Dioden sind verschiedene Zustände (gesperrt, leitend) möglich. I Kennzeichen von Bipolartransistoren ist, dass das Leitungsverhalten sowohl durch Elektronen, als auch durch Löcher bestimmt ist. 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 5 Bipolartransistoren Aufbau und Funktionsprinzip I Im Prinzip ist der Bipolartransistor ein symmetrisches Baulelement (Vorstellung zwei Dioden). I In der technischen Realisierung beinflußt man die Kenndaten und das Verhalten eines Bipolartransistors durch unterschiedliche Dotierung und Dimensionierung der Diodenstrecken. K B P K B E N N NPN-Transistor I N E P P PNP-Transistor Transistor kann immer noch in beiden Richtungen betrieben werden, aber die Betriebsdaten sind für eine bestimmte Betriebsrichtung vorgesehen. 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 6 Bipolartransistoren Aufbau und Funktionsprinzip I I Betrachtet man das Verhalten des Transistors in einer Schaltung, empfiehlt es sich, das Ersatzschaltbild von Ebers-Moll zu verwenden. Wie die Diode kann sich der Transistor in verschiedenen Zuständen befinden, für die jeweils bestimmte Ersatzschaltbilder gültig sind. C C B B B E (1) I I C E (2) C B E (3) E (4) Gesperrt: Es fließt kein Strom durch den Transistor. Aktiv normal: Es fließt ein Strom IC vom Kollektor zum Emitter; die Größe dieses Stromes hängt dabei vom Strom IB ab. Es gilt: IC = IB · Bn , Bn ∈ [9; 300]. 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 7 Bipolartransistoren Aufbau und Funktionsprinzip C B C B E (1) C B E (2) C B E (3) E (4) I Gesättigt: Die Strecke Kollektor Emitter verhält sich in etwa wie ein normaler Leiter. I Aktiv invers: Der Transistor befindet sich im umgekehrten Betrieb. Es fließt Strom vom Emitter zum Kollektor. Dabei gilt: IE = IB · Bi , Bi ∈ [2; 9]. 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 8 Bipolartransistoren Aufbau und Funktionsprinzip I In npn-Transistoren fließen bei Normalbetrieb (aktiv normal) folgende Stromanteile I Emitterstrom IE . I Kollektorstrom IC . I Basisstrom IB . Die Strombilanz im Transistor ergibt sich wie folgt: I I I I IE = IB + IC Für den Kollektorstrom gilt: I I C = A · IE Das Verhältnis Kollektorstrom zu Basisstrom wird als Stromverstärkung BN bezeichnet. I BN = IC IB 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 9 Bipolartransistoren Aufbau und Funktionsprinzip I Der Wert von BN ist sehr viel größer als eins, liegt in Größenordnungen bis zu 300. I IC = IB · BN I Der Bipolartransistor ist ein Verstärkerbauelement, bei dem ein kleiner Strom IB im Eingangskreis einen großen Strom im Ausgangskreis steuert. I Man spricht deshalb auch von einer stromgesteuerten Stromquelle (vgl. gesteuerte Quellen). I Aber Achtung: im Prinzip funktioniert der Transistor auch in anderen Zuständen und Schaltungen. 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 10 Bipolartransistoren Aufbau und Funktionsprinzip I Als Grundschaltungen eines npn-Transistors sind folgenden Schaltungen möglich. I Alle drei Schaltungen können zur Schaltung und Verstärkung von Signalen verwendet werden. 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 11 Bipolartransistoren Aufbau und Funktionsprinzip I Namensgebung: Je nachdem, welcher der drei Anschlüsse des Transistors dabei auf festem Potential (Masse oder +UB ) liegt, unterscheidet man die drei Grundschaltungen des Transistors. Diese Grundschaltungen sind die Basis-, Kollektor- und Emitterschaltung. I Da sie jedoch recht unterschiedliche statische und dynamische Eigenschaften besitzen, sind sie nicht als gleichwertig zu betrachten. I Vielmehr hat jede der drei Schaltungen bestimmte Vor- und Nachteile, die sie für ganz spezielle Anwendungsbereiche geeignet macht. 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 12 Bipolartransistoren Aufbau und Funktionsprinzip I Eigenschaften der Grundschaltungen Schaltung Eingangswiderstand Ausgangswiderstand Gleichstromverstärkung Phasenverschiebung Temperaturabhängigkeit Anwendungen Emitter 100 Ω ... 10 k Ω 1 k Ω ... 10 k Ω 10 ... 50 fach 180 groß NF- und HF-Verstärker Leistungsverstärker, Schalter 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 13 Basis 10 Ω ... 100 Ω 10 k Ω ... 100 k Ω <1 0 klein HF-Verstärker Kollektor 10 k Ω ... 100 k Ω 10 Ω ... 100 Ω 10 ... 4000 fach 0 klein Anpassungsstufen Impedanzwandler Kennlinienfelder I Von der Funktion her betrachtet, ist der Bipolartransistor ein Halbleiterbauelement, bei dem ein kleiner Basisstrom IB einen großen Kollektorstrom IC steuert. I Dieses Verhalten kann auch mit sogenannten Kennlinien beschrieben werden. Unterscheidung in I I I I Eingangskennlinie Ausgangskennlinie Transferkennlinie 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 14 Eingangskennlinie I I Unter der Eingangskennlinie eines Transistors versteht man die Funktion IB (UBE ). Der typische Verlauf ist in folgender Abbildung dargestellt. Die Eingangskennlinie hat den Verlauf einer Diodenkennlinie, denn sie beschreibt das Verhalten der Basis-Emitter-Diode. 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 15 Ausgangskennlinie I I I Die Ausgangskennlinie des Transistors hat drei Parameter: IC , UBE und UCE . Erhöht man die Steuerspannung UBE , so wird IC ansteigen, ebenso wenn man UCE erhöht. Zur Darstellung der Ausgangskennlinie ergibt sich eine Schar von Kennlinien IC (UCE ), wobei UBE der Scharparameter ist. 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 16 Bipolartransistoren Zusammenfasssung Zusammenfassend kann man folgende Eigenschaften des Bipolar-Transistors festhalten. I Der Bipolartransistor ist ein stromverstärkendes Bauelement. I Die statische Stromverstärkung B (auch BN ) ist als Quotient aus dem Kollektorstrom IC und dem Basisstrom IB definiert: B = IICB . Im Arbeitsbereich ist die Stromverstärkung (idealisierend) eine Konstante. I Spannungsverstärkung kann dadurch erreicht werden, dass man auf der Eingangsseite einen Eingangswiderstand (RB ) einbringt, welcher die Eingangsspannung in einen proportionalen Eingangsstrom wandelt, der wiederum durch die Transistorschaltung verstärkt wird. Auf der Ausgangsseite wandelt man diesen Strom mittels eines Arbeitswiderstands (RC ) entsprechend in eine Ausgangsspannung zurück. 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 17 Bipolartransistoren Beispielschaltungen I s. Tafel 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 18 Bipolartransistoren Beispielschaltungen I Schaltung U=5V RC RB IC IB UBE 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 19 U CE Bipolartransistoren Beispielschaltungen I Kennlinien 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 20 Gesteuerte Quellen I Bisher: lineare Quellen durch ideale Quelle (Spannungs- oder Stromquelle) und Innenwiderstand dargestellt. I Eigenschaft idealer Quellen: Spannung bzw. Strom ist unabhängig von der Belastung, also kontant. I Im Hinblick auf verschiedene Anwendungen (z. B. Transistoren) ist es sinnvoll, sogenannte gesteuerte Quellen einzuführen. Vier Möglichkeiten denkbar: I I I I I U1 steuert U: spannungsgesteuerte Spannungsquelle U1 steuert I: spannungsgesteuerte Stromquelle I1 steuert U: stromgesteuerte Spannungsquelle I1 steuert I: stromgesteuerte Stromquelle 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. Wolfgang Heenes | 21 Zusammenfassung und Ausblick I Transistor I Gesteuerte Quelle Nächste Vorlesung behandelt I Operationsverstärker 25. Mai 2010 | Technische Universität Darmstadt | Dr.-Ing. 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