⚡ Tranzystor BJT / MOSFET

Pokazuje wyjściowe charakterystyki I-V tranzystora: prąd kolektora w funkcji napięcia kolektor-emiter dla BJT lub prąd drenu w funkcji napięcia dren-źródło dla MOSFET-a. Przerywana prosta obciążenia i wyróżniony punkt pracy Q pokazują, w jakim obszarze pracy znajduje się tranzystor dla wybranych wartości obwodu.

Prosta obciążenia przedstawia ograniczenie narzucone przez obwód zewnętrzny: I = (V_zasilania − V) / R, wynikające z napięcia zasilania i rezystora kolektora/drenu. Jest to linia prosta biegnąca od V_zasilania na osi poziomej do V_zasilania/R na osi pionowej. Punkt pracy Q (quiescent point) to miejsce, w którym ta prosta przecina aktywną charakterystykę tranzystora, wyznaczając prąd i napięcie pracy stałoprądowej.

Dla BJT: odcięcie oznacza praktycznie brak prądu kolektora; obszar aktywny daje niemal stały prąd ustalony przez prąd bazy, wykorzystywany do wzmacniania liniowego; a nasycenie (niskie V_CE) to stan, w którym tranzystor jest w pełni włączony i działa jak zamknięty przełącznik. MOSFET ma analogiczne obszary: odcięcia, triodowy (liniowy) i nasycenia.

Model wykorzystuje wzór I_C = β·I_B przy β = 100, więc każdy krok 10 μA prądu bazy odpowiada w przybliżeniu 1 mA prądu kolektora. Poniżej V_CE ≈ 0,3 V prąd jest liniowo zmniejszany, co odwzorowuje nasycenie, a w obszarze aktywnym czynnik (1 + 0,02·V_CE) dodaje niewielkie nachylenie w górę, przybliżające efekt Earlyego.

Wykorzystywany jest standardowy model kwadratowy z napięciem progowym V_th = 1,5 V i parametrem transkonduktancji k = 0,5 mA/V². W nasyceniu I_D = ½·k·(V_GS − V_th)²·(1 + 0,02·V_DS), a w obszarze triodowym I_D = k·[(V_GS − V_th)·V_DS − ½·V_DS²]. Granica między tymi obszarami, V_DS = V_GS − V_th, to tzw. lokus odcięcia kanału (pinch-off), pokazany jako linia przerywana.

Zakładki przełączają między modelami NPN BJT i N-MOS. Dla BJT wybierasz jeden z pięciu poziomów prądu bazy (10–50 μA), napięcie zasilania V_CC (5–20 V) oraz rezystor R_C (0,5–5 kΩ). Dla MOSFET-a ustawiasz napięcie bramki V_GS (1–5 V), napięcie zasilania V_DD oraz rezystor drenu R_D. Zmiana każdej z tych wartości przesuwa prostą obciążenia, a więc i punkt pracy Q.

Punkt przecięcia prostej obciążenia z osią pionową wynosi V_zasilania/R, więc większy R_C lub R_D obniża ten punkt i spłaszcza prostą. Przesuwa to punkt pracy Q w stronę niższego prądu. Mniejszy rezystor podnosi punkt przecięcia na osi prądu, zwiększa nachylenie prostej i przybliża tranzystor do nasycenia przy danym prądzie bazy lub napięciu bramki.

Model oddaje właściwe zachowanie jakościowe i standardowe wzory podręcznikowe, ale jest to uproszczony model dużego sygnału. Rzeczywiste tranzystory wykazują zależność od temperatury, bardziej złożone zachowanie w nasyceniu, modulację szerokości bazy, modulację długości kanału oraz pojemności pasożytnicze, które są tu jedynie przybliżone niewielkimi członami nachylenia 0,02. Wartości mają charakter poglądowy, a nie odnoszą się do konkretnego elementu z karty katalogowej.

BJT jest sterowany prądowo: jego prąd kolektora jest ustalany przez prąd bazy poprzez wzmocnienie β. MOSFET jest sterowany napięciowo: jego prąd drenu zależy od napięcia bramka-źródło powyżej progu, a jego bramka pobiera praktycznie zerowy prąd stały. MOSFET-y dominują w cyfrowych układach scalonych dzięki wysokiej impedancji wejściowej i niskiemu poborowi mocy statycznej, podczas gdy BJT wciąż są powszechne w precyzyjnych zastosowaniach analogowych i przy dużych prądach.

Do wzmacniania liniowego ustawia się punkt pracy Q pośrodku obszaru aktywnego (BJT) lub nasycenia (MOSFET), z dala od odcięcia i nasycenia, tak aby sygnał mógł wychylać się w obu kierunkach bez obcinania. Do przełączania steruje się tranzystorem gwałtownie między odcięciem (wyłączony) a nasyceniem/obszarem triodowym (w pełni włączony), gdzie spadek napięcia na nim jest minimalny. Spróbuj przesuwać suwaki, aby zobaczyć, jak punkt pracy Q przemieszcza się między tymi strefami.

Stanowią podstawę niemal całej elektroniki: polaryzacji wzmacniaczy, progów przełączania bramek logicznych, sprawności stopni mocy, luster prądowych i źródeł napięcia odniesienia. Inżynierowie odczytują te krzywe z kart katalogowych, aby dobrać punkty pracy, oszacować wzmocnienie i moc strat oraz upewnić się, że tranzystor pozostaje w bezpiecznym obszarze pracy. MOSFET w szczególności jest podstawowym elementem budowy każdego współczesnego procesora i układu pamięci.