Sähkötekniikka ja elektroniikka
Kimmo Silvonen (X)
13.11.2017
Bipolaaritransistori BJTVersio 13.11.2017
Bipolar Junction Transistor, liekkö turhakin keksintö?
Ï BJT 23.12.1947Ï Nobel 1956 (Bell Labs, nykyisin Alcatel-Lucent)
Bell Labs: ’Where vision and technology meet customers. . . ’
Aalto ELEC: ’Where science and technology meet society’
Ï Mikroelektroniikan lähtölaukausÏ IC 1959 (2 BJT, Texas Instruments), Nobel 2000Ï Operaatiovahvistin 1963 (9 BJT, Fairchild Semiconductor)Ï Erilliskomponenttina tai anturina sekä bipolaarisissa
mikropiireissä (opva, regulaattori, tietyt logiikkapiirit, ym.)Ï Keskinkertainen integroitavuus, pikemminkin muita etuja
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017Page 2 (29)
The Transistor Three: Schockley, Bardeen, BrattainNobelisteja, Bardeenille toinen fysiikan Nobel 1972 suprajohtavuuden teoriasta
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017Page 3 (29)
A Replica of the First Transistor, alinna Base
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017Page 4 (29)
Bipolaaritransistori, Applications
Ï Signaalin vahvistaminen, esim. hifi-päätevahvistinÏ Analogiset mikropiirit, mm. operaatiovahvistin, regulaattoriÏ Nopea virtaohjattu kytkin, mm. hakkuriteholähteissä ja
lähettimissäÏ Tasavirtamoottorin nopeuden säätö (PWM-ohjattu H-silta)Ï Nopeat logiikkapiirit (ECL)Ï Signaalin generointi (oskillaattori)Ï Anturi (lämpötila, valo)
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017Page 5 (29)
Transistorityypit, npn vs. pnpPiirrosmerkki, rakenne, toimintaperiaate. Kanta (base), kollektori, emitteri.
’|’
@
rr
βiB
?iB-
R@@
n+p
n-
-
B
C
E
@
@
’~’
@@I p+
n
p
-
B
C
E
@
@
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017Page 6 (29)
Transistor ManSelittää hyvin transistorin perustoiminnan, ks. seuraava sivu!
"Tämän pikkumiehen elämäntehtävänä on yrittää toteuttaa yhtälöäIC =βIB, mutta ainoa asia, mitä hän voi tehdä, on kääntääsäätövastuksen nuppia. Täten hän kykenee siirtymään oikosulusta(saturaatio) katkaistuun virtapiiriin (off-tila) tai mihin tahansa tilaanniiden välille."
Kirjaa voi lukea elektronisena versiona, kirjoita Googleenhakusanoiksi: The art of electronics Horowitz Hill
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017Page 7 (29)
Transistor Man (hFE =β)Operaatiovahvistinmiehen esikuva
©Horowitz and Hill, The Art of Electronics
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017Page 8 (29)
Toiminta puolijohdetasolla cf. DiodeE emittoi elektronit C:lle, joka kerää ne. Vain pieni osa menee B:lle.
@@
6
- -
IC6+
UCB
IB6 +
UBE
IE?
pn n+n
?
- p
BC E
IC = IS eUBEnUT n= 1
IB = 1β
IC
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017Page 9 (29)
Virtavahvistus β (ja α) Current GainTässä oleellisin: pieni iB säätelee paljon suurempaa iC:tä ⇒ "virtavahvistus"!
R@@
- uCE ≥ 0,3 V
?
iBiC
iE--
uBE ≈ 0,7 V@
r?iE
?iC
-iB?βiB
CCCS
iC =βiB =αiE = ISeuBEnUT
iE = iC + iB = (β+1)iB
β= α
1−α≈ 100 (20. . .500)
α= β
β+1≈ 0,99 (0,95. . .0,998)
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017
Page 10 (29)
Ominaiskäyrät Characteristic CurvesEpäideaalisuus johtuu ominaiskäyristä.
-
6iC
uCE
0,3 Vqqqqqqqqqqqqqqqqq
qqqqqqqqqqq q q q q q q q q qqq q q q q q q q q q q iB2βiB2
LINSAT
CUTOFF
βiB1 iB1
6
-
iB tai iC
uBE
0,7 V︸ ︷︷ ︸CUTOFF
q q q q q q q q q q q q qqqqq
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017
Page 11 (29)
Reverse vs. ForwardVirtalähteen sisäisen vastuksen ro takia suorat ovat lievästi nousevia (k)
βR <<β=βF k= 1ro
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017
Page 12 (29)
Ebers-Moll Equivalent Circuitvrt. dtf.pdf
npn:
@ αFIED
?
@ αRICD6
IED?
ICD6
UBE
?
6
UBC
E
C
B -
-
r
IED = IS
αF
(e
UBEUT −1
)ICD = IS
αR
(e
UBCUT −1
)
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017
Page 13 (29)
Toimintatilat, Operation ModesSulkutila (UCE =E), lineaarinen toiminta (UCE ≤E), kyllästystila (UCE ≈ 0,3 V)
R@@
0-
0?
R@@
iB-
βiB?
E . . .0,3 V
?> 0,7 V
säätö
E
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017
Page 14 (29)
Kytkintransistorit, H-silta ja suojadioditPWM = pulssinleveysmodulaatio
E
R
?
PNP
IC
PWM0
RB
@@
?0,7 V≈UEBU?
@
IB
-
rr
rr?
M
?
rr
rr@
@
rr@
@
0?
0?
0?
0?
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017
Page 15 (29)
CUT, AKT or SAT as a function of EBB−EBB +RBIB +UBE = 0 ja −UCE −RCIC +ECC = 0
EBB
IB-
0,7 V
?
RB
1 kΩ
R@@
RC
47Ω
?UCE
IC
βIB
5 VECC
β= 100
C 0,5 V 0 mA ·β= 0 mA 5 VC/A 0,7 V 0 mA ·β= 0 mA 5 VA 1,2 V 0,5 mA ·β= 50 mA 2,65 VA/S 1,7 V 1 mA ·β= 100 mA 0,3 VS 2,0 V 1,3 mA → 100 mA 0,3 V
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017
Page 16 (29)
Biasointi ja kytkentäkondensaattorit
Biasointi eli "esijännittäminen" tarkoittaa tasavirtojen säätämistä niin,että päästään halutulle kohdalle ominaiskäyriä. Tasavirta otetaanjännitelähteestä tai vakiovirtalähteestä.Signaali tuo mukaan ajan funktiona muuttuvan virran.
R@@
signaali
signaali
C≈∞ib-
iB-
iCC≈∞
−ic-
rrDC
IB?
IC?
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017
Page 17 (29)
Tasavirta- vs. piensignaalianalyysiTämä tehtiin jo diodilla tehtävissä 73. . . 74
IB = virran vakio-osa eli keskiarvo, d.c.ib = virran vaihteleva osa, a.c.-signaaliiB = IB + ib = kokonaisvirta, d.c. + a.c.
iC ≈ ISeUBE+ube
nUT =
ISeUBEnUT︸ ︷︷ ︸
IC
eubenUT
iC = IC
1+ ube
nUT+ 1
2!
(ube
nUT
)2+ . . .︸ ︷︷ ︸
≈0
Taylorin sarja: d.c. + signaali + särö(t) distortion
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017
Page 18 (29)
Kanavatransistori eli FET
Ï Field Effect TransistorÏ Mikropiirit ja Mooren lakiÏ Mosfet on mikroelektroniikan tärkein pelinappula
Kuka kertoisi tästä tiedotusvälineille!?
Ï FET-tyypit, rakenne ja toimintaÏ Triodialue vs. saturaatioalueÏ Yhtälöt ja parametritÏ Jänniteohjattu (elektroninen) kytkinÏ Jännitteellä säädettävä vastusÏ Lisätietoa: Elektroniikka ja puolijohdekomponentit
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017
Page 19 (29)
Kanavatransistorit FETsavauskanavatransistori, sulkukanavatransistori ja liitoskanavatransistori
CMOS
-
enmosavaus
G
S
D
-
dnmossulku
-
njfetliitos
epmosavaus
dpmossulku
pjfetliitos
G D S B (vain MOSFET)gate drain source body, bulkhila nielu lähde substraatti
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017
Page 20 (29)
Avauskanavatransistori, ENMOSFET keskitymme tähän tyyppiin
N-Channel Enhancement-MOSFET (E-MOSFET)
Kerrosvoileipä: metalli − piidioksidi d − puolijohde (pii, Si)
?
6d
32 nm prosessid= 0,9 nm
− − elektronejainversiokerros
p → n
n+ n+
p
B
D SG+ −
−−−−−−−−−−
L= 30 nm W
n+ = vahvasti seostettu n-puolijohde (paljon vapaita elektroneja)MOS = Metal-Oxide-SemiconductorFET = Field-Effect-TransistorMOSFET = IGFET = Insulated-Gate-FET
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017
Page 21 (29)
Kynnysjännite ja kanavan virta Threshold VoltageKanava voidaan avata ja sulkea osittain tai kokonaan hilaportin kautta
-
ohjausjännite kanava käyttövoima
iG = 0- uDS > 0
?
?iD
?iS
uGS
?
iG = 0⇒ iD = iS
Kynnysjännite Ut (t = threshold)
uGS ≥Ut ⇒ iD ≥ 0
uGS ≤Ut ⇒ iD ≈ 0
Subthreshold-alue ja heikko inversio: matala jännite, pieni virta
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017
Page 22 (29)
Toiminta-alueet: Cut, Ohm, Tri, SAT(FET) 6= SAT(BJT)
MOSFETin johtavuusparametri K = 12µnCOX
WL Conductivity Parameter
ID
UDS
6
-
r r rr r rTri
UGS2
TriOhm
UGS1
Sat (lin)
Cut
Cutoff ID = 0, kun UGS ≤Ut
Ohmic (Triode) uDS <<uGS −Ut : ID ≈K[2(UGS −Ut)UDS]
Triode uDS ≤ uGS −Ut : ID =K[2(UGS −Ut)UDS −U2DS]
Saturation uDS ≥ uGS −Ut : ID =K(UGS −Ut)2
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017
Page 23 (29)
Hyvä esimerkki, kattaa DC-analyysin, STE s. 317, EPJK s. 213Toiminta-alueet: C = Cut, S = Sat, T = Tri.
- UDS
?
?b
SAT : ID =K(VGG −Ut)2
K = 1 mA/V2
Ut = 2 V
ID
RD 2 k
VDD 10
VGG UGS
?
C/S 2,0 V ≤Ut 0 mA 10 VS 3,0 V 1,0 mA 8,0 V >UGS −UtS/T 4,0 V 4,0 mA 2,0 V ≥ 4,0−2T(S) 4,2 V 4,84 mA 0,32 V < 4,2−2T 4,2 V 4,28 mA 1,449 V < 4,2−2 (seur. sivu)
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017
Page 24 (29)
Triodialueen käsittely (taulukon viimeinen rivi)Jatkoa edelliseltä sivulta. Eri virtayhtälö, koska ollaan TRI-alueella:
ID =K[2(VGG −Ut)UDS −U2
DS]= VDD −UDS
RD
RDK︸ ︷︷ ︸2
2(VGG −Ut)︸ ︷︷ ︸2,2
UDS︸︷︷︸x
−U2DS︸︷︷︸
x2
=VDD︸︷︷︸10
−UDS︸︷︷︸x
2x2 −9,8x+10= 0⇒ x= 2,45±1,001
UDS = x= 1,449 V<UGS −Ut = 2,2 V
⇒ TRI, OK
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017
Page 25 (29)
Mikropiirien kehitys Integrated circuitsMOSFET → mikroprosessori
Ï IC (flip-flop, 2 kpl BJT, hybridi) 1959Texas Instruments, Jack Kilby (taskulaskin), Nobel 2000
Ï MOSFET 1960 (Bell Labs.)Etninen tausta: M. Atalla k. 2009 ja D. Kahng k. 1992
Ï CMOS (= NMOS + PMOS) 1963-1968 (RCA)Yleisin mikropiiriteknologia (CPU, GPU, DRAM, SSD, ym.)
Ï Intel 1968 (’More-Noise’)← Gordon Moore ja Robert Noyce, Fairchild (IC myös 1959)
Noycen IC oli monoliitti, menikö Nobel väärälle miehelle?
8 chipin tilaus 1969, vain 2 suunnittelijaa, piti keksiäMikroprosessori 4004 vuonna 1971
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017
Page 26 (29)
Mikropiirit, ICLuokittelu, esim. ULSI = Ultra Large Scale Integration
Small, Medium, Large, Very Large, Ultra, Giant, ...Gimme bigger words! BFL?
Loogisia portteja Fettejä
SSI < 10 < 102
MSI < 102 < 103
LSI < 103 < 104
VLSI < 104 < 105
ULSI < 105 < 106
GSI > 105 > 106
XBOX One X 7000 ·106
AMD 32-core 19200 ·106
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017
Page 27 (29)
Moore’s Law. Alamainen pyytää kuninkaaltariisinjyviä palkkioksi palveluksestaan; hölmö kuningas myöntyy!
Olet nyt tässä1 2 4 8 16 32 64IC 1959
µP 1971PC 1983
Win 95iPhone -07
Ubuntu 2019?
rr
1 jyvä shakkilaudan 1. ruutuun2 jyvää 2. ruutuun. . .512 jyvää 10. ruutuun. . .32 000 vadillista jyviä vuonna 2010. . .Biljoona uima-altaallista jyviä 64. ruutuun (2053)
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017
Page 28 (29)
Ensi kerralla operaatiovahvistinElektroniikan yleistyökalu
Googlaa esim. "Opamps for everyone Texas Instruments" (hyväPDF-kirja).
Toinen opas:http:// www.ti.com/lit/an/sboa092b/sboa092b.pdf
Ensi viikko on viimeinen labraviikko! Rästivuorot vuoden kuluttua!Tentti ja 2. vk. ma 11.12. klo 10.00-12 TU2 (TUAS-talo, 2. kerros)Ylimääräinen tentti (ei vk!) ti 12.12. klo 16.15-18.15 TU2 (saatosallistua molempiin tentteihin, jos haluat).Myös 26.3.2018 on tentti!
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421013.11.2017
Page 29 (29)