Pytanie: Jak dobrać do naszej aplikacji tranzystor dyskretny?
Odpowiedź: No... dyskretnie
. Tego żartu nie udało się niestety uniknąć.
Prawda jest taka, jak piszę autor artykułów, James Bryant, iż wcale nie trzeba dokonywać tego doboru nazbyt dokładnie. Często spotyka się projektantów spędzających długie godziny czy nawet dni poszukując możliwie najlepszego tranzystora dyskretnego do swojej aplikacji - na przykład prostego inwertera logicznego. Niektórych z kolei doprowadza na skraj załamania nerwowego fakt iż nie są oni w stanie zakupić dokładnie takich tranzystorów jakie zastosowane są w nocie aplikacyjnej układu nad którym pracują.
A fakty są takie, iż zasadniczo po spełnieniu pewnych podstawowych wymagań, wiele różnych tranzystorów może pracować równie sprawnie i efektywnie w szerokim aspekcie układów elektronicznych.
W wielu aplikacjach nie jest istotne czy dobierzemy tranzystor bipolarny (BJT) czy polowy (np. MOSFET). Oczywiście potrzebne będą niewielkie modyfikacje układu, to jasne - tranzystor bipolarny wymagać będzie rezystora w bazie, a MOSFET nie, z kolei będzie on charakteryzował się o wiele większą pojemnością wejściową (bramki) niż tranzystor BJT, co trzeba uwzględnić przy sprawdzaniu stabilności układu. Jednakże te oba urządzenia półprzewodnikowe pracują zasadniczo jak trioda, tylko że zrealizowana na ciele stałym. Tranzystor BJT pobiera relatywnie duży prąd bazy, a prąd bramki FETa jest w zasadzie pomijalny, jednakże kosztem jej wysokiej pojemności. Oczywiście fizyczne właściwości obu elementów są istotne w wielu przypadkach, na przykład gdy zależność termiczna pracy złącza baza-emiter tranzystora bipolarnego jest wykorzystana do pomiaru temperatury.
Oczywiście pierwszą rzeczą jaką należy zapewnić jest poprawna polaryzacja, musi to być albo tranzystor NPN/z kanałem N lub PNP/z kanałem P. Ważne jest też żeby nasz układ nie przekraczał żadnej z krytycznych wartości wyspecyfikowanych dla tranzystora - tak jeśli chodzi o parametry stacjonarne (prąd, napięcie, temperatura) jak i charakterystyki przejściowe.
Reszta parametrów jest już bardziej problematyczna w doborze, gdyż konieczne jest zrozumienie które z nich mają realny wpływ na cokolwiek w naszej aplikacji, a które mogą zmieniać się w szerokim zakresie bez zmiany niczego w naszym układzie. Zasadniczo proces doboru tranzystora powinien ograniczyć się do wyboru kluczowych parametrów, założenia iż każdy tranzystor o parametrach nie gorszych niż XXX, YYY i ZZZ będzie najpewniej pracował poprawnie. W kolejnym kroku możemy wykorzystać oprogramowanie SPICE do przetestowania iż na przykład 2Naaaa, 2Nbbbb i 2Ncccc działają poprawnie, i przetestować prototyp oparty, na przykład, o 2Naaaa działa. Pamiętać trzeba iż wszystkie tranzystory o podobnych parametrach także będą działać.
W roku 1964, gdy autor artykułu rozpoczynał pracę w przemyśle elektronicznym, koszt pojedynczego tranzystora krzemowego wynosił lekko powyżej £1 (czyli ówcześnie $2,8 lub $22 w cenach z 2014 roku, po uwzględnieniu inflacji). Tanie tranzystory charakteryzowały się na prawdę kiepskimi parametrami, a te o lepszych kosztowały o wiele więcej. W tamtych czasach dobór odpowiedniego tranzystora był kluczowy ze względu na parametry układu oraz czynnik ekonomiczny. Dzisiaj tranzystor w układzie scalonym kosztować potrafi mniej niż jedna miliardowa grosza, a dyskretne tranzystory charakteryzują się bardzo dobrymi parametrami elektrocznymi, przy koszcie niewiele większym niż kilka groszy za sztukę, przy zakupie w ilościach hurtowych. Jednakże istnieją dziesiątki, jeśli nie setki, tysięcy rozmaitych typów dyskretnych tranzystorów, a w budowanych dzisiaj układach nadal jest wiele miejsc gdzie taki element jest potrzebny. Który model wybierzemy? i dlaczego?
Jednym z częściej spotykanych pytań w dziale aplikacji firmy Analog Devices jest "Nota aplikacyjna do układu XXXXX wymaga zastosowania tranzystora 3N14159, gdzie mogę taki nabyć?". Proste śledztwo ukazuje iż tranzystor ten nie jest produkowany od lat lub można go jedynie zakupić w Timbuktu z ilościach powyżej 1000000 sztuk przy czasie oczekiwania 21 miesięcy. A tak na prawdę nie jest istotnym pytanie gdzie możemy go kupić tylko co możemy kupić?. Czyli pytać powinniśmy nie o konkretny element, a o to jakie elementy działać będą w tej aplikacji.
Kilka lat temu autor napisał artykuł o tym jak wykorzystać wzmacniacz operacyjny jako komparator [1]. Zasadniczą poradą przy takiej aplikacji jest - "nie konstruować". Większość artykułu poświęcona była co zrobić aby nie wpaść w kłopoty z naszym projektem, jeśli nie posłuchamy tej zasadniczej porady. Ten artykuł jest podobny, gdyż autor zamierza odpowiedzieć na powyższe pytanie poprzez pokazanie iż w wielu aplikacjach nie ma potrzeby stosować konkretnego tranzystora, wystarczy wybrać pierwszy jaki wpadnie nam w ręce. Oczywiście jest wiele aspektów które nasze ręce muszą rozważyć w takim momencie, więc artykuł ma za zadanie przybliżyć jak wybrać szybko odpowiedni tranzystor do konkretnej aplikacji.
Nie będziemy dyskutować tutaj fizyki tranzystorów. Horowitz i Hill [2] czy nawet Wikipedia [3] dostarczają dosyć dobre kompendium podstawowej wiedzy o tych urządzeniach, a istnieje szereg kolejnych książek i artykułów które opisują podstawowe i bardziej zaawansowane zjawiska fizyczne zachodzące w tych układach. Jednakże potrzebujemy pewną dozę wiedzy teoretycznej, aby zrozumieć ich zachowanie. Pomówmy zatem odrobinę o ich budowie.
Tranzystory
Tranzystor to półprzewodnikowe urządzenie wzmacniające o trzech wyprowadzeniach. Jedno z wyprowadzeń jest uwspólnione pomiędzy wejście a wyjście, a sygnał podawany na jedno z pozostałych wejść steruje prądem na trzecim terminalu tranzystora.
Istnieją, zasadniczo, dwa typy tranzystorów - tranzystory bipolarne i polowe, znane jako tranzystory BJT i FET.
Zasadniczym pytaniem przy wybieraniu tranzystora nie jest to jakiego ma być typu - BJT czy FET - a to jakiej ma być polaryzacji. Przez polaryzację rozumiemy to czy terminal wyjściowy ma dodatni czy ujemny potencjał względem uwspólnionego wyprowadzenia. Jeśli potrzebujemy dodatniej różnicy potencjałów to potrzebujemy tranzystor NPN w przypadku BJT lub z kanałem N w przypadku FETa. Jeśli polaryzacja ma być odwrotna będą to tranzystory PNP lub z kabałem P. Jest to krytyczna decyzja przy wyborze układu, jednakże na tyle oczywista iż można podarować sobie dalszą jej dyskusję. W dalszej części układu mówić będziemy głównie o tranzystorach o dodatniej polaryzacji (NPN/z kanałem N) w większości przykładów.
Jakkolwiek tranzystory FET zostały wynalezione i opatentowane ponad dwadzieścia lat wcześniej niż tranzystory bipolarne [4] pierwszymi komercyjnie dostępnymi układami były tranzystory BJT [5]. Bipolarny tranzystor NPN składa się z cienkiej bazy wykonanej z półprzewodnika typu P, pomiędzy dwoma fragmentami półprzewodnika typu N - emiterem i kolektorem. Jeśli niewielki prąd płynie z bazy do emitera i na kolektorze przyłożony jest dodatni potencjał to popłynie przezeń duży prąd.
Z powyższego obrazka wynika prosty fakt, iż tranzystor BJT jest w zasadzie wzmacniaczem prądowym, prąd wyjściowy jest wzmocniony β razy, względem prądu wejściowego. Wzmocnienie zmienia się nieznacznie w funkcji prądu bazy, co oznacza iż niejest to w pełni liniowy wzmacniacz. β tranzystora, inaczej hfe, to jego wzmocnienie prądowe. Impedancja tego układu nie jest ani niska ani liniowa, co oznacza iż można go traktować jako wzmacniacz transkonduktancyjny - konwerter napięcie prąd o wzmocnieniu równym Iout/Vin - z diodą krzemową jako wyjściem. Jak łatwo zauważyć im większe β tranzystora tym jest on lepszym wzmacniaczem. W większości aplikacji sprawdzają się elementy o β równym 80..100, jednakże wyższe wartości są dostępne. Istnieją także tranzystory nazywane super-beta, o wzmocnieniach dochodzących do kilku tysięcy, jednakże z uwagi na wąski zakres pracy i niskie napięcie przebicia stosuje się je rzadko i łatwo ulegają uszkodzeniu. Tego typu elementy spotyka się najczęściej wykorzystywane w analogowych układach scalonych.
Istnieją dwa rodzaje tranzystorów polowych złączowe (JFET) i z izolacją z tlenków metali (MOSFET). Oba z nich są polarne i występują jako dodatnie z kanałem N i ujemne z kanałem P. FETy charakteryzują się bardzo wysoką impedancją wejściową, a także wysoką pojemnością wejściową, dochodzącą do dziesiątek czy nawet setek pF. Te tranzystory także pracują jako układy transokonduktancyjne (wzmacniacze prądowe).
W dzisiejszych czasach tranzystory MOSFET są bardzo popularnymi urządzeniami. Wersja z kanałem typu N składa się z paska krzemu typu P, w który wytwarza się dwa pola domieszkowane N. Pomiędzy tymi polami nanosi się cienką warstwę dielektryka, na przykład krzemionki, którą z kolei pokrywa się warstwą przewodzącą, najczęściej wykonaną z aluminium lub krzemu polikrystalicznego. Dodatni potencjał przyłożony do wierzchniej warstwy (bramki) powoduje iż materiał typu P, pomiędzy wyspami N, ulega zmianie do typu N, co powoduje połączenie elektryczne pól typu N (drenu i źródła) i umożliwia płynięcie prądu. Ilość płynącego prądu zależna jest od przyłożonego napięcia. Oznacza to iż układ taki może działać jako przełącznik (jak przekaźnik) i jako wzmacniacz.
Większość MOSFETów jest właśnie typu N - wyłączonych bez przyłożonej polaryzacji i załączanych poprzez przyłożenie napięcia. Możliwym jest jednakże skonstruowanie tranzystorów które normalnie przewodzą i wyłączane są ujemnym napięciem (dodatnim dla tranzystorów z kanałem P). Nazywa się je tranzystorami z kanałem zubożonym. Wszystkie tranzystory JFET są właśnie tego typu, jednakże dostępne są pewne tranzystory MOSFET z kanałem zubożonym. W tego typu urządzeniach istnieje pewien wąski obszar dyfuzji pomiędzy drenem a źródłem, a przyłożenie pola elektrycznego odcina ten wąski obszar, przez co kanał przestaje przewodzić.
Typowy tranzystor JFET z kanałem typu N składa się z wąskiego paska krzemu domieszkowanego typu N, do którego krawędzi przyłączone są dren i źródło. Na środku wytwarzany jest obszar typu P, pod którym płynąć może prąd, jeśli do bramki nie jest przyłożone napięcie. W momencie gdy do brami zostaje przyłożony potencjał obszar typu P rozrasta się, dzięki czemu prąd przestaje płynąć.
Dobór tranzystora
W większości aplikacji gdzie potrzebny jest tranzystor potrzebny jest nam układ który będzie przewodził dopiero wtedy gdy do wejścia kontrolnego (bramki lub bazy) przyłożymy niezerowy potencjał. Takimi układami są tranzystory BJT lub MOSFET z kanałem wzbogaconym. Przez resztę artykułu skupimy się właśnie na tego typu układach, pomijając FETy z kanałem zubożony, pamiętając jednak iż jest to typ elementu istotnego w wielu aplikacjach, o wiele jednak rzadziej stosowany. Spora część z omówionych zagadnień jest wspólna jednakże dla wszystkich elementów.
Zatem potrzebujemy tranzystor. Znamy wymagania co do jego polaryzacji, wiemy czy ma być negatywna czy pozytywna i umiemy wybrać pomiędzy NPN(z kanałem N) i PNP(z kanałem P). Ale czy potrzebny jest nam MOSFET czy BJT?
W większości wypadków nie ma to wielkiego znaczenia. MOSFETy są zazwyczaj 10% do 20% droższe od tranzystorów bipolarnych, jednakże nadrabiają to brakiem konieczności stosowania opornika w bramce, co zmniejsza koszty elementów i bardzo cenne miejsce na płytce drukowanej. Są one bardziej czułe na wyładowania elektrostatyczne (ESD), ale nie pobierają one prądu przez bramke i przy obciążeniu DC w zasadzie nie są obciążeniem dla wejścia sterującego. Z uwagi na całkiem sporą pojemność wejściową przy wyższych częstotliwościach są one obciążeniem pojemnościowym co może stanowić problem. Pierwotnie próg otwarcia kanału (wartość napięcia pomiędzy bramką a źródłem - Vgs - dla którego tranzystor zaczyna przewodzić) wynosił kilka woltów, jednakże dzisiaj wiele układów przewodzi już od napięć porównywalnych z napięciami załączenia bramki krzemowego tranzystora BJT (0,7 V). Zatem gdy potrzebny jest nam prosty wzmacniacz, albo element logiczny typ tranzystora nie ma znaczenia.
Na wejściu tranzystora BJT znajduje się dioda krzemowa. Możemy wykorzystać czułość złącza PN na temperaturę, aby wykorzystać taki układ jako termometr. Można też wykorzystać fakt iż przez tranzystor taki płynąć może spory prąd podczas przesterowania, co oznacza że można wykorzystywać go jako zabezpieczenie przeciwprzepięciowe. Są pewne aplikacje gdzie sprawdzi się tylko tranzystor BJT.
Przez około 20 lat magazyn Elektpr [6] publikował układy oparte o tranzystorach oznaczonych TUN i TUP. Są to uniwersalne, generyczne modele (ang. Transistor Universal NPN oraz Transistor Universal PNP). Są to krzemowe, planarne tranzystory bipolarne o następujących parametrach:
Większość tanich tranzystorów, przystosowanych do niewielkich sygnałów, spełnia te parametry. Wprowadźmy zatem analogiczne tranzystory polowe - MUN i MUP. Większość tanich, małych MOSFETów spełnia poniższą specyfikację:
Most cheap small-signal silicon transistors do qualify. I should propose adding to the list MUNs and MUPs ("MOSFET universal N-channel" and "MOSFET universal P-channel") - and most cheap small MOSFETs qualify for this specification:
Większość programów typu SPICE zawiera w swoich bibliotekach standardowe tranzystory BJT i MOSFET, które podobne są do opisanych powyżej uniwersalnych elementów. Zatem podczas projektowania układu i jego modelowania najlepiej jest użyć tych generycznych elementów w swoim projekcie i jeśli sprawdzają się one to podmienić je najwygodniejszym dla nas realnym tranzystorem - kryterium doboru może być tutaj obudowa, cena lub dostępność. Jednakże jeśli publikujesz dokumentacje bądź specyfikujesz dokładnie projekt używaj terminologii ogólnej, tak aby podkreślić iż dokładny dobór elementu jest bez znaczenia.
Jednakże w wielu wypadkach potrzebujemy większych parametrów niż oferowane przez ukłądy generyczne, wtedy też spróbujmy specyfikować tranzystor jako:
Jeśli opublikowany projekt wykorzystuje konkretny tranzystor warto rozważyć czy dokładnie ten typ konieczny jest do działania układu, czy może jest to pierwszy z brzegu element który projektant znalazł w swojej skrzynce z elementami podczas prototypowania [7]. Przestudiuj kartę katalogową tranzystora (lub jeśli jest niedostępna to chociażby dokładniej schemat jego aplikacji) i odpowiedz na pytania:
1) Czy ten tranzystor ma jakieś nietypowe własności?
2) Czy te nietypowe własności wykorzystywane są w układzie
3) Jak układ działałby z TUN/TUP-em?
4) Czy symulacja potwierdza działanie z generycznym tranzystorem?
5) Czy prototyp działa z generycznym tranzystorem?
Jeśli odpowiedzi na wszystkie pytania brzmią 'tak' to warto zastanowić się jeszcze raz nad 1) i 2) mocniej. Jeśli odpowiedzi ukladają się w nie, nie, tak, tak, tak to zamiana na generyczny tranzystor jest w pełni bezpieczna.
Parametry tranzystorów
Maksymalne napięcie kolektora/drenu BVceo lub BVds. Jeśli maksymalne napięcie zasilania jest niższe niż to napięcie, a w układzie podłączonym do kolektora/drenu nie ma elementów indukcyjnych mogących wyindukować szpilki wyższego napięcie oraz nie ma zewnętrznych źródeł napięcia podłączonych do układu to nie powinniśmy przejmować się tym parametrem.
Z drugiej strony istnieje wiele układów gdzie oczekujemy od tranzystora pracy przy wysokich wartościach napięcia kolektor-emiter (Vce) czy dren-źródło (Vds) - w postaci stałego wysokiego napięcia lub przepięć.,\ Istotnym jest aby dobrać element z odpowiednio wysokim napięciem pracy. Starsze podręczniki twardo twierdzą iż tranzystor to element niskonapięciowy i rzadkie wyjątki są bardzo drogie, jednakże w dzisiejszych czasach nie jest to już prawdziwe. Warto jednakże pamiętać iż dzisiejsze tranzystory z napięciami przebicia powyżej 500 V są komercyjnie dostępne za niewielkie pieniądze, jednakże ich parametry takie jak wzmocnienie czy β są zazwyczaj w zakresie 40..100 a nie ≧100, jak w przypadku TUN/TUP. Podobnie będzie w przypadku MUN i MUP, których napięcia załączenia wynosić będą od 2 V do 5 V dla układów wysokonapięciowych, a nie 500 mV do 2000 mV, jak w przypadku elementów generycznych.
Absolutny maksymalny prąd kolektora/drenu Ic(max) lub Id(max). Maksymalny przewidywany prąd kolektora/drenu w naszym układzie nie może przekroczyć wartości specyfikowanej dla konkretnego elementu. Generyczne elementy specyfikują wartość tą na 100 mA, co jest trudną do przekroczenia wartością w większości aplikacji tranzystorów sygnałowych. Jednakże jeśli tranzystor wykorzystywany jest jako element wykonawczy, koniecznie jest zastosowanie odpowiedniego tranzystora mocy z odpowiednio wysokim maksymalnym prądem kolektora/drenu.
W niektórych układach maksymalny dopuszczalny prąd dzieli się na prąd stały (lub raczej prąd średni) oraz impulsowy, zazwyczaj będący wyższy od tego DC, ale dla krótkich impulsów. Konieczne jest zapewnienie iż nawet krótkie impulsy prądu płynące przez tranzystor mieszczą się w limitach.
Większość tranzystorów sygnałowych charakteryzuje się prądem maksymalnym powyżej 100 mA, zazwyczaj w zakresie od 300 mA do 1000 mA. Wiele generycznych układów spełnia wymagania przedstawione przez nas powyżej, jednocześnie charakteryzując się takim, całkiem sporym, prądem i może być wykorzystywana do aplikacji mocy. Jeśli konieczne są wyższe prądy, to konieczne jest wybranie dedykowanego tranzystora mocy. W takim przypadku nie tylko maksymalny prąd, ale też moc jest niezwykle istotna. Najczęściej elementy te są produkowane w większych obudowach i wymagają radiatora. Dodatkowo pamiętać należy, iż przy dużych prądach β tranzystorów BJT będzie niższa.
Obudowy i moc. Istnieje niezliczona ilość typów obudów tranzystorów, poczynając od mikroskopijnych układów do montażu powierzchniowego, kończąc na układach dedykowanych do obciążeń na poziomie kilku kilowatów (przy dodatkowym chłodzeniu). Wybierz taki układ, który najbardziej pasuje do Twojej aplikacji. Elementy powierzchniowo montowane idealnie nadają się do układów produkowanych masowo, a układu przewlekane do prototypowania i produkcji na małą skalę, gdzie ułatwia to montaż. Jeśli potrzebne są elementy mocy koniecznie trzeba rozważyć rozpraszanie ciepła i montaż radiatora.
Na poniższej fotografii zaprezentowano szereg popularnych obudów tranzystorów, wraz z parą wczesnych tranzystorów produkcji Brytyjskiej, tak zwane "Czerwone Kropki". Te ostatnie pokazano ze względów histoprycznych. Autor artykułu wykorzystywał te tranzystory, będące odrzutami produkcyjnymi, sprzedawanymi po cenie około £1 za sztukę (ponad $20 dzisiejszych dolarów) jako nastolatek do konstrukcji prostych układów - radia, wzmacniacza czy licznika Geigera.
Ciepło opuszcza strukturą tranzystora zazwyczaj przez wyprowadzenia, więc realne charakterystyki cieplne tranzystora sygnałowego zależą od powierzchni płytki drukowanej, dołączonej do wyprowadzeń. Nawet najmniejsze tranzystory SMD są w stanie rozpraszać setki mW ciepła, o wiele więcej niż założono w naszym, generycznym układzie. Warto pamiętać o fakcie, iż ten sam tranzystor w różnych obudowach charakteryzować się może różną mocą rozpraszaną, więc należy dokonywać uważnego wyboru obudowy [9].
Tranzystory mocy wyposażone są w duże, metalowe elementy w obudowie, pozwalające na zamontowanie układu na radiatorze, dlatego też trzeba zwrócić uwagę na wymagania co do radiatora. NA przykład obudowa TO-264, pokazana powyżej, może odprowadzić do 2,5 kW strat na odpowiednim radiatorze.
Różne tranystory w tej samej obudowie mogą charakteryzować się różnym rozkładem wyprowadzeń. Należy pamiętać iż dwa tranzystory o tych samych parametrach, w tej samej obudowie mogą różnić się rozkładem wyprowadzeń, co czyni wymienne ich stosowanie utrudnionym. Na poniższym rysunku zaprezentowano sześć możliwych rozkładów wyprowadzeń układów w obudowach TO-92 i SOT-23. W latach '90 XX wieku, autorowi udało się znaleźć co najmniej jeden tranzystor dla każdego z wyprowadzeń i jakkolwiek nie prowadzi już takich poszukiwań, nie ma przyczyn myśleć że dzisiejsze tranzystory są w jakikolwiek sposób mniej różnorodne.
Prąd upływu kolektora/drenu Ice0 lub Idss0. Czasami nazywany prądem odcięcia. Jest to najmniejszy prąd upływu płynący od kolektora do emitera (lub id drenu do źródła) podczas gdy tranzystor jest wyłączony. Najczęściej jest na poziomie nA, jednakże bardzo często w kartach katalogowych podaje się wyższe, szacowane dosyć pesymistycznie wartości aby zredukować koszty testowania nowych układów. Tranzystory używane jako przełączniki dla czułych sygnałów jako wzmacniacze powinny charakteryzować się upływem poniżej 50 nA, jednakże dla większości aplikacji 200 nA to satysfakcjonująca wartość.
Zaprezentowany powyżej inwerter niskiej mocy jest przykładem układu w którym niski prąd upływu kolektora/drenu jest istotny. Upływ drenu wynoszący 100 nA przekłada się na spadek napięcia równy 1 V i napięcie wyjściowe 2 V - na skraju logicznej jedynki. Tego typu układy w realnej aplikacji powinny charakteryzować się upływem nie większym niż 50 nA. Przy okazji warto zwrócić uwagę na dwie rzeczy - układ ten charakteryzuje się bardzo niskim zużyciem mocy, zaledwie 0,9 µW w stanie załączonym, a jednocześnie jest bardzo wolny. Biorąc pod uwagę pojemność ścieżki, wyjścia tranzystora i wejścia kolejnego stopnia na poziomie 20 mA to czas narastania wynosi 0,2 ms - niedużo na aplikacje stałoprądowe, ale nie nadaje się do transmisji cyfrowych, nawet o niskiej prędkości.
Wzmocnienie prądowe[b] β lub hfe. Wzmocnienie prądowe tranzystora bipolarnego to stosunek prądu kolektora do prądu bazy, gdy układ nie jest nasycony (to jest kiedy napięcie kolektor-baza jest dodatnie (dla układu NPN)). β jest zasadniczo stała dla szerokiego zakresu prądów jednakże przy małych prądach bazy może spadać i na pewno będzie spadać gdy prąd kolektora zbliżać się do maksymalnego. Jako że to wynik dzielenia, jest to wartość bezwymiarowa. Generyczne TUNy i TUPy charakteryzują się β nie mniejszą niż 100 jednakże dla tranzystorów wysokonapięciowych wartość wzmocnienia może być mniejsza, nawet około 40.
Pokazany na powyższym obrazku wtórnik emiterowy/źródłowy jest równie sprawny z wykorzystaniem tranzystora BJT jak i MOSFETa. W prostym wtórniku emiterowym zakłada się iż napięcie baza-emiter czy dren-źródło (Vbe i Vgs) pozostaje stałe, dając pewien ustalony offset pomiędzy wejściem a wyjściem. W pewnych precyzyjniejszych układach sprzężenie może być podłączone pomiędzy emiter/źródło a obciążenie.
Jako że część prądu emitera płynąć musi przez bazę, prądy emitera i kolektora tranzystora bipolarnego w takiej aplikacji nie są równe, co oznacza iż pokazany powyżej stopień wyjściowy powinien być zrealizowany z wykorzystaniem tranzystora MOSFET gdyż takowy wykazuje się niemalże zerowym prądem bazy.
[b]Transkonduktancja postępowa gfs. Parametr ten opisuje tranzystor polowy i jest stosunkiem ΔIds/ΔVgs podczas gdy urządzenie jest załączone, a prąd drenu nie jest niczym ograniczony. Mierzy się ją w siemansach (lub, dla tradycjonalistów, w omach odwrotnych (Ʊ), co jest tak na prawdę tylko wycofanym już oznaczeniem i symbolem na dokładnie to samo). FETy i MOSFEty sygnałowe charakteryzują się transkonduktancją na poziomie mS, ale układy mocy charakteryzuje transkonduktancją postępową dochodząca do jednego czy kilku siemensów.
Generalnie kilkuwoltowa zmiana napięcia na bramce to dostatecznie dużo aby zmienić prąd drenu od minimalnego do maksymalnego. Warto zwrócić uwagę także na to przy jakim napięciu bramki tranzystor zaczyna przewodzić (patrz poniżej)
Próg bramki Vgs(th). Jest to napięcie pomiędzy bramką a źródłem tranzystora MOSFET, które powoduje iż poprawnie spolaryzowany dren zaczyna pobierać prąd. Definicja pobierania jest dosyć istotna i musi być opisana w karcie katalogowej układu. Może to być kilka µA albo 1 mA lub więcej dla MOSFETów mocy. Powyżej tego napięcia prąd rośnie bardzo szybko przy niewielkim wzroście napięcia na bramce.
Jeśli MOSFET ma być sterowany z układów cyfrowych krytycznym jest dobranie takiego tranzystora którego próg zadziałania jest powyżej najwyższego napięcia stanu niskiego w pełnym zakresie temperatur pracy urządzenia. W innym przypadku układ może się załączać przy napięciu kilkuset miliwoltów, będących nadal stanem niskim.
Napięcie nasycenia Vce(sat). Jest to napięcie przy którym tranzystor bipolarny jest na tyle głęboko w stanie przewodzenia, że spadek napięcia na obciążeniu kolektora jest dostatecznie duży aby potencjał kolektora spadł poniżej potencjału bazy. Innymi słowy złącze baza-kolektor jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, więc tranzystor jest nasycony. Napięcie nasycenia nie jest proporcjonalne do prądu kolektora, zatem model nasyconego tranzystora nie jest jedynie i oporem pomiędzy kolektorem a emiterem.
Dwoma przykładami istotności napięcia nasycenia są:
(A) Układ w klasycznej logice TTL, każde wejście jest źródłem prądu (1,6 mA) pobieranego przez logiczne 0, które nim steruje. Dla pełnego obciążenia wyjścia 10 wyjściami oznacza to iż jakiś tranzystor wyjściowy musi odebrać 16 mA przy napięciu saturacji nie większym niż 400 mV (zero logiczne).
(B) Gdy wykorzystujemy tranzystor bipolarny do sterowania obciążeniem pobierającym duży prąd, ilość rozpraszanego ciepła, dla zadanego prądu obciążenia, jest proporcjonalna do napięcia nasycenia Vce(sat). Im mniejsze napięcie nasycenia tym mniej ciepłą musi zostać odprowadzone z układu.
Warto także zapamiętać iż jeśli przestaniemy przykładać sygnał do nasyconego tranzystora to wyjdzie on z stanu nasycenia z pewnym opóźnieniem - zazwyczaj kilku do kilkudziesięciu nanosekund, jednakże może być więcej. Jest to czas wyjścia z nasycenia i może być wyspecyfikowany w dokładnie znanych warunkach, w karcie katalogowej konkretnego tranzystora bipolarnego.
Rezystancja włączenia Ron. Tranzystory MOSFET nie wchodzą w stan nasycenia, ponieważ są układami opartymi o nośniki większościowe. Gdy zostają załączone, podczas przyłożenia do bazy napięcia o wiele wyższego niż próg bramki, zachowują się jak opornik o niewielkiej rezystancji. Jest to właśnie rezystancja włączenia, specyfikowana w karcie katalogowej dla konkretnych wyszczególnionych parametrów. Ma tutaj oczywiście zastosowanie prawo Ohma, a więc spadek napięcia na tranzystorze zależny jest do prądu i rezystancji włączenia. Rozpraszana w ciepło moc wynosi I²R.
Współczynnik szumów NF. Większość aplikacji w których pracują tranzystory to systemy z sygnałami o dużej amplitudzie, gdzie poziom szumów nie jest istotną kwestią. Jednakże w kilku aplikacjach jest on krytyczny. Współczynnik szumów wielu tranzystorów - tak BJT jak i FET - podawany i gwarantowany jest przez producentów tych elementów. Podczas porównywania tranzystorów pod tym kątem niezwykle ważnym jest zapewnienie iż porównywane tranzystory badane były przy tej samej impedancji źródła. Jeśli elementy dedykowane są do systemów radiowych to NF specyfikuje się przy impedancji 50 Ω, jednakże nie da się bezpośrednio porównać współczynników szumów dwóch układów, które zmierzono przy różnych impedancjach. W jednym z odsłon cyklu rzadko zadawanych pytań opisano to dokładniej [10].
Częstotliwość przejścia ft. Jest to częstotliwość (dla pasma wysokich częstotliwości) dla której wzmocnienie prądu tranzystora bipolarnego jest równe jedności. Ponownie nie będziemy skupiać się na sposobie pomiaru tej wartości [11], ale pamiętać musimy iż ten parametr jest najszerzej stosowany do porównania maksymalnej częstotliwości pracy tranzystorów bipolarnych. Większość generycznych elementów charakteryzuje ft >> 100 MHz, jednakże elementy wysokiej mocy lub wysokonapięciowe mogą charakteryzować się wolniejszą pracą.
Tranzystory FET są układami transkoduktancyjnymi o infinitezymalnym prądzie wejściowy dla prądu stałego, zatem nie możemy rozważać ich wzmocnienia dla sygnałów DC. Jednakże z uwagi na pojemność wejściową (Cgs) rzędu od pojedynczych pF do setek pF, ich impedancja jest całkiem niska przy sygnałach HF, co pozwala na wyznaczenie wzmocnienia prądowego i w konsekwencji częstotliwości ft. W przypadku niektórych układów FET i MOSFET podaje się wartość ft wyznaczoną w opisany sposób. Można ją wykorzystywać do porównania prędkości działania tych elementów, jednakże najczęściej specyfikuje się ją, opisanymi poniżej, czasami przełączania.
Czas przełączania t(on) oraz t(off). Większość FETów i wiele tranzystorów BJT ma opisane w karcie katalogowej czasy przełączania, zdefiniowane jako czas narastania prądu od zera do ustalonej wartości lub odwrotnie, zależnie który z czasów analizujemy. Sygnał sterujący, zakładamy, jest idealną funkcją schodkową, lub sygnałem o bardzo szybkim - rzędu nanosekund - zboczu. Porównywanie czasów przełączania jest dobrą metodą porównywania prędkości tranzystorów, oczywiście o ile pomiary obu z nich przeprowadzono w tych samych warunkach.
Pojemności Cin, Cout i Cfb. Z tranzystorem związane są trzy pojemności: pojemność wejściowa Cin, pojemność wyjściowa Cout i tak zwana pojemność Millera [12], czyli sprzężenia zwrotnego Cfb. Różni producenci stosują różne oznaczenia na te pojemności, jednakże poniższy obrazek powinien dobrze opisać która pojemność gdzie się znajduje.
Jak wiemy tranzystory FET, szczególnie układy MOSFET dużej mocy charakteryzują się wartością Cin nawet powyżej 1 nF, jakkolwiek MOSFETy sygnałowe charakteryzuje pojemność wejściowa na poziomie 15..50 pF. Istotnym jest mimo wszystko zapewnienie tranzystorowi odpowiedniego sterowania i upewnienie się iż pojemność bramki FETa nie zakłóci działania układu. Tranzystor należy tak dobrać, aby jego pojemność wejściowa była w tolerowanych przez układ sterujący granicach.
WYBIERANIE TRANZYSTORA
A zatem potrzebujemy tranzystora do projektu. Jak go wybrać?
Fajnie by było mieć bazę wszystkich tranzystorów na świecie i móc w niej płynnie wyszukiwać zadanymi parametrami granicznymi. Niestety taka lista nie może być stworzona, gdyż wymagałaby codziennej aktualizacji i musiała zawierać setki tysięcy elementów. Zamiast tego skorzystać możemy z wyszukiwarek internetowych hurtowni, takich jak Avnet, Arrow, Digi-Key, Mouser, Premier Farnell czy RS Components [13]. Ma to taką zaletę iż wyszukujemy tylko układy dostępne komercyjnie.
Zatem musimy spisać kluczowe wartości parametrów i szukać online. Każdy dystrybutor ma inaczej skonstruowaną wyszukiwarkę i inne stany magazynowe, jednakże różnice nie powinny być poważne, pozwala to na łatwe porównywanie rezultatów w celu sprawdzeniu wyników poszukiwań.
Omówiliśmy już jakie parametry są istotne, ale podsumujmy je pokrótce, w kolejności od najważniejszych:
Polaryzacja: NPN/Z kanałem typu N czy PNP/Z kanałem typu P?
Typ: BJT czy MOSFET?
Napięcie pracy: Minimalne, bezpiecznie napięcie BVceo lub BVds. (Dobrym nawykiem jest ustalenie także maksymalnego napięcia podczas selekcji układów, gdyż tranzystory z wysokim napięciem przebicia charakteryzują się mniejszym wzmocnieniem i wyższym Vce(sat) lub Ron no i na pewno są droższe).
Maksymalny prąd: Trzeba wybrać element o prądzie maksymalnym o około 33% większym od maksymalnego, przewidywanego prądu kolektora/drenu. Przy pracy impulsowej warto rozważyć także maksymalny chwilowy prąd,
Obudowa: Jaka obudowa i jaki rozkład wyprowadzeń jest pożądany? Warto także spojrzeć na maksymalną rozpraszaną moc i maksymalny prąd w konkretnej obudowie. Dodatkowo proste katalogi nie pokazują jawnie rozkładu wyprowadzeń.
Moc: Jaka jest maksymalna rozpraszana moc w danej aplikacji? Pamiętać należy iż element gdy nie przewodzi to niemalże nie rozprasza mocy, a podczas przewodzenia większość mocy rozprasza się na obciążeniu. Największe straty następują przy przełączaniu, jednakże ma to znaczenie jedynie w aplikacjach z dużą częstotliwością przełączania.
Powyższe parametry są konieczne do rozważenia, podczas wyboru tranzystora. Pozostałe mogą być krytyczne w pewnych aplikacjach, a w innych zupełnie pomijalne, zatem trzeba zadecydować co w naszej aplikacji jest ważne i wybrać tranzystor spełniający wymagania naszej aplikacji. Parametry warte rozważenia to:
Prąd upływu: Ice0 lub Ids0
Wzmocnienie prądowe: β lub hfe, rzadko kiedy potrzebne większe niż 100.
Transkondutancja: gfs
Próg bramki: Vgs(th) - musi być kompatybilny z poziomami logicznymi układów sterujących układem i napięciami zasilania systemu.
Napięcie nasycenia: Vce(sat) - istotne tylko gdy tranzystro BJT wykorzystywany jest jako przełącznik.
Rezystancja włączenia: Ron, istotna tylko w aplikacjach mocy.
Współczynników szumów: NF, ważny w czułych aplikacjach analogowych.
Częstotliwość przejścia: ft, istotna dla aplikacji wysokich częstotliwości.
Czas przełączania: t(on) i t(off), istotne w przypadku tranzystorów pracujących w szybkich interfejsach logicznych.
Pojemności: Cin, Cout i Cfb. Wartości te rzadko istotne są dla tranzystorów niskiej częstości, jednakże dla tranzystorów MOSFET bywają dosyć duże i warto rozważyć ich wpływ na działanie układu w symulacji w programie SPICE.
Kiedy już wprowadzisz dane do wyszukiwarki i masz odrobinę szczęścia, otrzymasz listę pasujących tranzystorów. Jeśli chcesz sprawdzić czy zrobiłeś to dobrze porównaj np. pięć najtańszych, dostępnych od ręki elementów u kilku dostawców. Jeśli są podobne, to wszystko w porządku. Jeśli tak jest, zakup najtańszy tranzystor o dobrej dostępności.
Kolejnym krokiem jest zdobycie modeli SPICE tego elementu, testowanie go in silico i następnie, jeśli wszystko jest w porządku, prototypowanie. Jeśli prototyp działa to koniec procesu doboru tranzystora.
Jednakże jeśli publikujesz gdzieś swój projekt, lub zlecasz wielkoskalową produkcję, nie podawaj jawnie modelu wybranego tranzystora, tak jakby był on jedynym wyborem. Specyfikacja powinna wyglądać następująco: "Tranzystor TR3 do MOSFET z kanałem tyu N, w obudowie TO-92, z wyprowadzeniami s-g-d na pinach 1-2-3. Jedbo BVds0 powinno być co najmniej 25 V, Ids(max) nie mniejsze niż 250 mA, Vgs(th) w granicach 600 mV - 1,8 V a Cin mniejsze niż 65 pF. Większość tranzystorów MOSFET spełniających te parametry powinna działać poprawnie. Prototypowanie i analizy SPICE przeprowadzono na 2Nxxx, a dalsze analizy SPICE pokazują iż 2Nyyyy, 2Nzzzz oraz VNaaaa take powinny działać poprawnie, podobnie jak i inne tranzystory o takich parametrach." Oczywiście musimy wykonać te analizy; 2Nyyyy, 2Nzzzz oraz VNaaaa to najtańsze, dostępne od ręki tranzystory z naszego zestawienia.
Podobna procedura ma miejsce jeśli projekt wymaga egzotycznego 3N12159, którego nie możemy zakupić. Jeśli posiadamy jego dane katalogowe to możemy zdecydować które z jego parametrów są istotne i dobrać zamiennik do tej aplikacji. Jeśli nie mamy karty katalogowej tego tranzystora to ocenę jego parametrów pracy wykonać musimy na podstawie schematu aplikacji. Pomóc sobie możemy w tym symulacjami SPICE, jednakże docelowo warto wybrać bezpieczne wartości najważniejszych parametrów, takich jak napięcie przebicia, prąd maksymalny etc. To nie Twój projekt i mogłeś przeoczyć coś w układzie. Korzystając z zdobytych parametrów możemy wyszukać zamienników dla naszego egzotycznego tranzystora, bez potrzeby podróży do Timbuktu.
Jakikolwiek układ wybierzesz miej pewność iż wybrałeś układ dyskretny i dyskretnych. W końcu nie chcesz aby wypaplał Twoim kolegom jak mało czasu spędziłeś na doborze odpowiedniego elementu do swojej aplikacji. Oczywiście dobrą praktyką inżyniera jest nie generować niepotrzebnych parametrów i nadmiernych specyfikacji. Cytując Henrego Forda - 'Inżynier to człowiek który za pięć centów zrobi to co każdy idiota potrafi za dolara".
Odnośniki:
Źródła:
[1] http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/RAQ_comparatorsOpAmp.pdf]Link[/url][url=http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/op-AmpsAsComparatorsv1.ppt
[2] The Art of Electronics by Paul Horowitz & Winfield Hill - Cambridge University Press (1989) ISBN-10: 0521370957
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor
https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistor
https://en.wikipedia.org/wiki/Field-effect_transistor
[4] Julius Lillienfield - Canadian Patent Application CA272437 (1925) / US Patent US1745175 - Method and apparatus for controlling electric currents 1930-01-28
[5] Shockley, Brattain & Bardeen - Bell Telephone Labs 1947
John Bardeen & Walter Brattain:- US Patent US2524035 - Three-electrode circuit element utilizing semiconductive materials 1948-02-26 (Issued 1950-10-03)
William Shockley:- US Patent US2569347 - Circuit element utilizing semiconductive material 1948-06-26 (Issued 1951-09-25)
[6] http://www.elektor.com/
[7] Każdy inżynier powinien mieć takie pudełko pod ręką, w którym trzyma używane elementy, które pozostały po poprzednich projektach. Można zawsze z niego skorzystać jako źródła części potrzebnych na szybko. Zasadniczo powinno tam się znaleźć całkiem sporo rzeczy, ale bez przesady. Pudełko na zapałki to za mało, ale 10 metrowy kontener to przesada, o ile nie jest inżynierem górnictwa naftowego na platformie morskiej.
[8] Projektanci układów scalonych robią to stanowczo zbyt często, pisząc karty katalogowe. Zamiast specyfikować generyczny element piszą o części którą rzeczywiście wykorzystali. Bardzo często to egzotyczny tranzystor z start-upu w Timbuktu który splajował w 1976 roku. To poważna przyczyna szaleństwa wśród inżynierów - przekonać klientów iż użycie innego tranzystora to nie jest porażka i nie spowoduje Armageddonu czy deszczu żab.
[9] "Read The Friendly Data Sheet!" - ang. Przeczytaj Przyjazną Kartę Katalogową
[10] Tutaj opisano szumy cieplne dla oporników i wzmacniaczy operacyjnych, jednak pozostaje to ważne dla tranzystorów - fizyka jest taka sama dla wszystkich tych elementów:
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/RAQ_lowNoiseAmp.pdf
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/raq_op-AmpNoise.pdf
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/moreInfo_raq_opAmpNoise2.html
[11] Cadence doskonale sobie z tym radzi http://www.cadence.com/Community/blogs/rf/archive/2008/07/16/measuring-transistor-ft.aspx
[12] Nazwane na cześć Johna Miltona Miller, któy pierwszy zaobserwował to zjawisko w 1920 roku https://en.wikipedia.org/wiki/John_Milton_Miller. Oczywiście Miller pracował z lampami próżniowymi, jednakże efekt jest analogiczny w tranzystorach.
[13] https://avnetexpress.avnet.com/store/em/EMController/Discrete/Bipolar-Transistor/GP-BJT/_/N-100083?action=products&cat=1&catalogId=500201&categoryLink=true&cutTape=&inStock=&langId=-1&myCatalog=&npi=&proto=®ionalStock=&rohs=&storeId=500201&term=&topSellers=&categoryLink=true and https://avnetexpress.avnet.com/store/em/EMController/Discrete/Transistor/MOSFET/_/N-100099?action=products&cat=1&catalogId=500201&categoryLink=true&cutTape=&inStock=&langId=-1&myCatalog=&npi=&proto=®ionalStock=&rohs=&storeId=500201&term=&topSellers=&categoryLink=true
http://components.arrow.com/semiconductor-discrete/transistors/ and http://components.arrow.com/part/search/%5E7/42/855?region=na&whereFrom=gnav and http://components.arrow.com/part/search/%5E7/42/942?region=na&whereFrom=gnav
http://www.digikey.co.uk/product-search/en/discrete-semiconductor-products/transistors-bjt-single/1376376?k=transistor and
http://www.digikey.co.uk/product-search/en/discrete-semiconductor-products/fets-single/1376381?k=transistor
http://uk.mouser.com/Semiconductors/Discrete-Semiconductors/Transistors/Transistors-Bipolar-BJT/_/N-ax1sh/ and
http://uk.mouser.com/Semiconductors/Discrete-Semiconductors/Transistors/MOSFET/_/N-ax1sf/
http://uk.farnell.com/transistors-bipolar-bjt-single and http://uk.farnell.com/mosfets
http://uk.rs-online.com/web/c/semiconductors/discrete-semiconductors/bipolar-transistors/ and http://uk.rs-online.com/web/c/semiconductors/discrete-semiconductors/mosfet-transistors/
http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/48-05/RAQ_105.html
http://www.edn.com/design/analog/4429969/Choosing-Transistors
http://www.edn.com/design/analog/4429969/2/Choosing-Transistors
http://www.edn.com/design/analog/4429969/3/Choosing-Transistors
http://www.edn.com/design/analog/4429969/4/Choosing-Transistors
http://www.edn.com/design/analog/4429969/5/Choosing-Transistors
http://www.edn.com/design/analog/4429969/6/Choosing-Transistors
Odpowiedź: No... dyskretnie
. Tego żartu nie udało się niestety uniknąć.
Prawda jest taka, jak piszę autor artykułów, James Bryant, iż wcale nie trzeba dokonywać tego doboru nazbyt dokładnie. Często spotyka się projektantów spędzających długie godziny czy nawet dni poszukując możliwie najlepszego tranzystora dyskretnego do swojej aplikacji - na przykład prostego inwertera logicznego. Niektórych z kolei doprowadza na skraj załamania nerwowego fakt iż nie są oni w stanie zakupić dokładnie takich tranzystorów jakie zastosowane są w nocie aplikacyjnej układu nad którym pracują.
A fakty są takie, iż zasadniczo po spełnieniu pewnych podstawowych wymagań, wiele różnych tranzystorów może pracować równie sprawnie i efektywnie w szerokim aspekcie układów elektronicznych.
W wielu aplikacjach nie jest istotne czy dobierzemy tranzystor bipolarny (BJT) czy polowy (np. MOSFET). Oczywiście potrzebne będą niewielkie modyfikacje układu, to jasne - tranzystor bipolarny wymagać będzie rezystora w bazie, a MOSFET nie, z kolei będzie on charakteryzował się o wiele większą pojemnością wejściową (bramki) niż tranzystor BJT, co trzeba uwzględnić przy sprawdzaniu stabilności układu. Jednakże te oba urządzenia półprzewodnikowe pracują zasadniczo jak trioda, tylko że zrealizowana na ciele stałym. Tranzystor BJT pobiera relatywnie duży prąd bazy, a prąd bramki FETa jest w zasadzie pomijalny, jednakże kosztem jej wysokiej pojemności. Oczywiście fizyczne właściwości obu elementów są istotne w wielu przypadkach, na przykład gdy zależność termiczna pracy złącza baza-emiter tranzystora bipolarnego jest wykorzystana do pomiaru temperatury.
Oczywiście pierwszą rzeczą jaką należy zapewnić jest poprawna polaryzacja, musi to być albo tranzystor NPN/z kanałem N lub PNP/z kanałem P. Ważne jest też żeby nasz układ nie przekraczał żadnej z krytycznych wartości wyspecyfikowanych dla tranzystora - tak jeśli chodzi o parametry stacjonarne (prąd, napięcie, temperatura) jak i charakterystyki przejściowe.
Reszta parametrów jest już bardziej problematyczna w doborze, gdyż konieczne jest zrozumienie które z nich mają realny wpływ na cokolwiek w naszej aplikacji, a które mogą zmieniać się w szerokim zakresie bez zmiany niczego w naszym układzie. Zasadniczo proces doboru tranzystora powinien ograniczyć się do wyboru kluczowych parametrów, założenia iż każdy tranzystor o parametrach nie gorszych niż XXX, YYY i ZZZ będzie najpewniej pracował poprawnie. W kolejnym kroku możemy wykorzystać oprogramowanie SPICE do przetestowania iż na przykład 2Naaaa, 2Nbbbb i 2Ncccc działają poprawnie, i przetestować prototyp oparty, na przykład, o 2Naaaa działa. Pamiętać trzeba iż wszystkie tranzystory o podobnych parametrach także będą działać.
W roku 1964, gdy autor artykułu rozpoczynał pracę w przemyśle elektronicznym, koszt pojedynczego tranzystora krzemowego wynosił lekko powyżej £1 (czyli ówcześnie $2,8 lub $22 w cenach z 2014 roku, po uwzględnieniu inflacji). Tanie tranzystory charakteryzowały się na prawdę kiepskimi parametrami, a te o lepszych kosztowały o wiele więcej. W tamtych czasach dobór odpowiedniego tranzystora był kluczowy ze względu na parametry układu oraz czynnik ekonomiczny. Dzisiaj tranzystor w układzie scalonym kosztować potrafi mniej niż jedna miliardowa grosza, a dyskretne tranzystory charakteryzują się bardzo dobrymi parametrami elektrocznymi, przy koszcie niewiele większym niż kilka groszy za sztukę, przy zakupie w ilościach hurtowych. Jednakże istnieją dziesiątki, jeśli nie setki, tysięcy rozmaitych typów dyskretnych tranzystorów, a w budowanych dzisiaj układach nadal jest wiele miejsc gdzie taki element jest potrzebny. Który model wybierzemy? i dlaczego?
Jednym z częściej spotykanych pytań w dziale aplikacji firmy Analog Devices jest "Nota aplikacyjna do układu XXXXX wymaga zastosowania tranzystora 3N14159, gdzie mogę taki nabyć?". Proste śledztwo ukazuje iż tranzystor ten nie jest produkowany od lat lub można go jedynie zakupić w Timbuktu z ilościach powyżej 1000000 sztuk przy czasie oczekiwania 21 miesięcy. A tak na prawdę nie jest istotnym pytanie gdzie możemy go kupić tylko co możemy kupić?. Czyli pytać powinniśmy nie o konkretny element, a o to jakie elementy działać będą w tej aplikacji.
Kilka lat temu autor napisał artykuł o tym jak wykorzystać wzmacniacz operacyjny jako komparator [1]. Zasadniczą poradą przy takiej aplikacji jest - "nie konstruować". Większość artykułu poświęcona była co zrobić aby nie wpaść w kłopoty z naszym projektem, jeśli nie posłuchamy tej zasadniczej porady. Ten artykuł jest podobny, gdyż autor zamierza odpowiedzieć na powyższe pytanie poprzez pokazanie iż w wielu aplikacjach nie ma potrzeby stosować konkretnego tranzystora, wystarczy wybrać pierwszy jaki wpadnie nam w ręce. Oczywiście jest wiele aspektów które nasze ręce muszą rozważyć w takim momencie, więc artykuł ma za zadanie przybliżyć jak wybrać szybko odpowiedni tranzystor do konkretnej aplikacji.
Nie będziemy dyskutować tutaj fizyki tranzystorów. Horowitz i Hill [2] czy nawet Wikipedia [3] dostarczają dosyć dobre kompendium podstawowej wiedzy o tych urządzeniach, a istnieje szereg kolejnych książek i artykułów które opisują podstawowe i bardziej zaawansowane zjawiska fizyczne zachodzące w tych układach. Jednakże potrzebujemy pewną dozę wiedzy teoretycznej, aby zrozumieć ich zachowanie. Pomówmy zatem odrobinę o ich budowie.
Tranzystory
Tranzystor to półprzewodnikowe urządzenie wzmacniające o trzech wyprowadzeniach. Jedno z wyprowadzeń jest uwspólnione pomiędzy wejście a wyjście, a sygnał podawany na jedno z pozostałych wejść steruje prądem na trzecim terminalu tranzystora.
Istnieją, zasadniczo, dwa typy tranzystorów - tranzystory bipolarne i polowe, znane jako tranzystory BJT i FET.
Zasadniczym pytaniem przy wybieraniu tranzystora nie jest to jakiego ma być typu - BJT czy FET - a to jakiej ma być polaryzacji. Przez polaryzację rozumiemy to czy terminal wyjściowy ma dodatni czy ujemny potencjał względem uwspólnionego wyprowadzenia. Jeśli potrzebujemy dodatniej różnicy potencjałów to potrzebujemy tranzystor NPN w przypadku BJT lub z kanałem N w przypadku FETa. Jeśli polaryzacja ma być odwrotna będą to tranzystory PNP lub z kabałem P. Jest to krytyczna decyzja przy wyborze układu, jednakże na tyle oczywista iż można podarować sobie dalszą jej dyskusję. W dalszej części układu mówić będziemy głównie o tranzystorach o dodatniej polaryzacji (NPN/z kanałem N) w większości przykładów.
Jakkolwiek tranzystory FET zostały wynalezione i opatentowane ponad dwadzieścia lat wcześniej niż tranzystory bipolarne [4] pierwszymi komercyjnie dostępnymi układami były tranzystory BJT [5]. Bipolarny tranzystor NPN składa się z cienkiej bazy wykonanej z półprzewodnika typu P, pomiędzy dwoma fragmentami półprzewodnika typu N - emiterem i kolektorem. Jeśli niewielki prąd płynie z bazy do emitera i na kolektorze przyłożony jest dodatni potencjał to popłynie przezeń duży prąd.
Z powyższego obrazka wynika prosty fakt, iż tranzystor BJT jest w zasadzie wzmacniaczem prądowym, prąd wyjściowy jest wzmocniony β razy, względem prądu wejściowego. Wzmocnienie zmienia się nieznacznie w funkcji prądu bazy, co oznacza iż niejest to w pełni liniowy wzmacniacz. β tranzystora, inaczej hfe, to jego wzmocnienie prądowe. Impedancja tego układu nie jest ani niska ani liniowa, co oznacza iż można go traktować jako wzmacniacz transkonduktancyjny - konwerter napięcie prąd o wzmocnieniu równym Iout/Vin - z diodą krzemową jako wyjściem. Jak łatwo zauważyć im większe β tranzystora tym jest on lepszym wzmacniaczem. W większości aplikacji sprawdzają się elementy o β równym 80..100, jednakże wyższe wartości są dostępne. Istnieją także tranzystory nazywane super-beta, o wzmocnieniach dochodzących do kilku tysięcy, jednakże z uwagi na wąski zakres pracy i niskie napięcie przebicia stosuje się je rzadko i łatwo ulegają uszkodzeniu. Tego typu elementy spotyka się najczęściej wykorzystywane w analogowych układach scalonych.
Istnieją dwa rodzaje tranzystorów polowych złączowe (JFET) i z izolacją z tlenków metali (MOSFET). Oba z nich są polarne i występują jako dodatnie z kanałem N i ujemne z kanałem P. FETy charakteryzują się bardzo wysoką impedancją wejściową, a także wysoką pojemnością wejściową, dochodzącą do dziesiątek czy nawet setek pF. Te tranzystory także pracują jako układy transokonduktancyjne (wzmacniacze prądowe).
W dzisiejszych czasach tranzystory MOSFET są bardzo popularnymi urządzeniami. Wersja z kanałem typu N składa się z paska krzemu typu P, w który wytwarza się dwa pola domieszkowane N. Pomiędzy tymi polami nanosi się cienką warstwę dielektryka, na przykład krzemionki, którą z kolei pokrywa się warstwą przewodzącą, najczęściej wykonaną z aluminium lub krzemu polikrystalicznego. Dodatni potencjał przyłożony do wierzchniej warstwy (bramki) powoduje iż materiał typu P, pomiędzy wyspami N, ulega zmianie do typu N, co powoduje połączenie elektryczne pól typu N (drenu i źródła) i umożliwia płynięcie prądu. Ilość płynącego prądu zależna jest od przyłożonego napięcia. Oznacza to iż układ taki może działać jako przełącznik (jak przekaźnik) i jako wzmacniacz.
Większość MOSFETów jest właśnie typu N - wyłączonych bez przyłożonej polaryzacji i załączanych poprzez przyłożenie napięcia. Możliwym jest jednakże skonstruowanie tranzystorów które normalnie przewodzą i wyłączane są ujemnym napięciem (dodatnim dla tranzystorów z kanałem P). Nazywa się je tranzystorami z kanałem zubożonym. Wszystkie tranzystory JFET są właśnie tego typu, jednakże dostępne są pewne tranzystory MOSFET z kanałem zubożonym. W tego typu urządzeniach istnieje pewien wąski obszar dyfuzji pomiędzy drenem a źródłem, a przyłożenie pola elektrycznego odcina ten wąski obszar, przez co kanał przestaje przewodzić.
Typowy tranzystor JFET z kanałem typu N składa się z wąskiego paska krzemu domieszkowanego typu N, do którego krawędzi przyłączone są dren i źródło. Na środku wytwarzany jest obszar typu P, pod którym płynąć może prąd, jeśli do bramki nie jest przyłożone napięcie. W momencie gdy do brami zostaje przyłożony potencjał obszar typu P rozrasta się, dzięki czemu prąd przestaje płynąć.
Dobór tranzystora
W większości aplikacji gdzie potrzebny jest tranzystor potrzebny jest nam układ który będzie przewodził dopiero wtedy gdy do wejścia kontrolnego (bramki lub bazy) przyłożymy niezerowy potencjał. Takimi układami są tranzystory BJT lub MOSFET z kanałem wzbogaconym. Przez resztę artykułu skupimy się właśnie na tego typu układach, pomijając FETy z kanałem zubożony, pamiętając jednak iż jest to typ elementu istotnego w wielu aplikacjach, o wiele jednak rzadziej stosowany. Spora część z omówionych zagadnień jest wspólna jednakże dla wszystkich elementów.
Zatem potrzebujemy tranzystor. Znamy wymagania co do jego polaryzacji, wiemy czy ma być negatywna czy pozytywna i umiemy wybrać pomiędzy NPN(z kanałem N) i PNP(z kanałem P). Ale czy potrzebny jest nam MOSFET czy BJT?
W większości wypadków nie ma to wielkiego znaczenia. MOSFETy są zazwyczaj 10% do 20% droższe od tranzystorów bipolarnych, jednakże nadrabiają to brakiem konieczności stosowania opornika w bramce, co zmniejsza koszty elementów i bardzo cenne miejsce na płytce drukowanej. Są one bardziej czułe na wyładowania elektrostatyczne (ESD), ale nie pobierają one prądu przez bramke i przy obciążeniu DC w zasadzie nie są obciążeniem dla wejścia sterującego. Z uwagi na całkiem sporą pojemność wejściową przy wyższych częstotliwościach są one obciążeniem pojemnościowym co może stanowić problem. Pierwotnie próg otwarcia kanału (wartość napięcia pomiędzy bramką a źródłem - Vgs - dla którego tranzystor zaczyna przewodzić) wynosił kilka woltów, jednakże dzisiaj wiele układów przewodzi już od napięć porównywalnych z napięciami załączenia bramki krzemowego tranzystora BJT (0,7 V). Zatem gdy potrzebny jest nam prosty wzmacniacz, albo element logiczny typ tranzystora nie ma znaczenia.
Na wejściu tranzystora BJT znajduje się dioda krzemowa. Możemy wykorzystać czułość złącza PN na temperaturę, aby wykorzystać taki układ jako termometr. Można też wykorzystać fakt iż przez tranzystor taki płynąć może spory prąd podczas przesterowania, co oznacza że można wykorzystywać go jako zabezpieczenie przeciwprzepięciowe. Są pewne aplikacje gdzie sprawdzi się tylko tranzystor BJT.
Przez około 20 lat magazyn Elektpr [6] publikował układy oparte o tranzystorach oznaczonych TUN i TUP. Są to uniwersalne, generyczne modele (ang. Transistor Universal NPN oraz Transistor Universal PNP). Są to krzemowe, planarne tranzystory bipolarne o następujących parametrach:
| Układ | Typ | BVceo | Ic (Max) | β [hfe] (Min) | Ptot (Max) | ft (Min) |
| TUN | NPN | 20 V | 100 mA | 100 | 100 mW | 100 MHz |
| TUP | PNP | -20 V | -100 mA | 100 | 100 mW | 100 MHz |
Większość tanich tranzystorów, przystosowanych do niewielkich sygnałów, spełnia te parametry. Wprowadźmy zatem analogiczne tranzystory polowe - MUN i MUP. Większość tanich, małych MOSFETów spełnia poniższą specyfikację:
Most cheap small-signal silicon transistors do qualify. I should propose adding to the list MUNs and MUPs ("MOSFET universal N-channel" and "MOSFET universal P-channel") - and most cheap small MOSFETs qualify for this specification:
| Układ | Typ | BVds | Ic (Max) | VGS(th) | Ptot (Max) | ton/toff (Max) |
| MUN | N-channel | 20 V | 100 mA | 0.5 V to 2V | 100 mW | 20 nS |
| MUP | P-channel | -20 V | -100 mA | -0.5 V to -2V | 100 mW | 20 nS |
Większość programów typu SPICE zawiera w swoich bibliotekach standardowe tranzystory BJT i MOSFET, które podobne są do opisanych powyżej uniwersalnych elementów. Zatem podczas projektowania układu i jego modelowania najlepiej jest użyć tych generycznych elementów w swoim projekcie i jeśli sprawdzają się one to podmienić je najwygodniejszym dla nas realnym tranzystorem - kryterium doboru może być tutaj obudowa, cena lub dostępność. Jednakże jeśli publikujesz dokumentacje bądź specyfikujesz dokładnie projekt używaj terminologii ogólnej, tak aby podkreślić iż dokładny dobór elementu jest bez znaczenia.
Jednakże w wielu wypadkach potrzebujemy większych parametrów niż oferowane przez ukłądy generyczne, wtedy też spróbujmy specyfikować tranzystor jako:
MUN ale wyższe BVds ≥250V
TUP ale wyższa β ≥ 200
I podobnie...
TUP ale wyższa β ≥ 200
I podobnie...
Jeśli opublikowany projekt wykorzystuje konkretny tranzystor warto rozważyć czy dokładnie ten typ konieczny jest do działania układu, czy może jest to pierwszy z brzegu element który projektant znalazł w swojej skrzynce z elementami podczas prototypowania [7]. Przestudiuj kartę katalogową tranzystora (lub jeśli jest niedostępna to chociażby dokładniej schemat jego aplikacji) i odpowiedz na pytania:
1) Czy ten tranzystor ma jakieś nietypowe własności?
2) Czy te nietypowe własności wykorzystywane są w układzie
3) Jak układ działałby z TUN/TUP-em?
4) Czy symulacja potwierdza działanie z generycznym tranzystorem?
5) Czy prototyp działa z generycznym tranzystorem?
Jeśli odpowiedzi na wszystkie pytania brzmią 'tak' to warto zastanowić się jeszcze raz nad 1) i 2) mocniej. Jeśli odpowiedzi ukladają się w nie, nie, tak, tak, tak to zamiana na generyczny tranzystor jest w pełni bezpieczna.
Parametry tranzystorów
Maksymalne napięcie kolektora/drenu BVceo lub BVds. Jeśli maksymalne napięcie zasilania jest niższe niż to napięcie, a w układzie podłączonym do kolektora/drenu nie ma elementów indukcyjnych mogących wyindukować szpilki wyższego napięcie oraz nie ma zewnętrznych źródeł napięcia podłączonych do układu to nie powinniśmy przejmować się tym parametrem.
Z drugiej strony istnieje wiele układów gdzie oczekujemy od tranzystora pracy przy wysokich wartościach napięcia kolektor-emiter (Vce) czy dren-źródło (Vds) - w postaci stałego wysokiego napięcia lub przepięć.,\ Istotnym jest aby dobrać element z odpowiednio wysokim napięciem pracy. Starsze podręczniki twardo twierdzą iż tranzystor to element niskonapięciowy i rzadkie wyjątki są bardzo drogie, jednakże w dzisiejszych czasach nie jest to już prawdziwe. Warto jednakże pamiętać iż dzisiejsze tranzystory z napięciami przebicia powyżej 500 V są komercyjnie dostępne za niewielkie pieniądze, jednakże ich parametry takie jak wzmocnienie czy β są zazwyczaj w zakresie 40..100 a nie ≧100, jak w przypadku TUN/TUP. Podobnie będzie w przypadku MUN i MUP, których napięcia załączenia wynosić będą od 2 V do 5 V dla układów wysokonapięciowych, a nie 500 mV do 2000 mV, jak w przypadku elementów generycznych.
Absolutny maksymalny prąd kolektora/drenu Ic(max) lub Id(max). Maksymalny przewidywany prąd kolektora/drenu w naszym układzie nie może przekroczyć wartości specyfikowanej dla konkretnego elementu. Generyczne elementy specyfikują wartość tą na 100 mA, co jest trudną do przekroczenia wartością w większości aplikacji tranzystorów sygnałowych. Jednakże jeśli tranzystor wykorzystywany jest jako element wykonawczy, koniecznie jest zastosowanie odpowiedniego tranzystora mocy z odpowiednio wysokim maksymalnym prądem kolektora/drenu.
W niektórych układach maksymalny dopuszczalny prąd dzieli się na prąd stały (lub raczej prąd średni) oraz impulsowy, zazwyczaj będący wyższy od tego DC, ale dla krótkich impulsów. Konieczne jest zapewnienie iż nawet krótkie impulsy prądu płynące przez tranzystor mieszczą się w limitach.
Większość tranzystorów sygnałowych charakteryzuje się prądem maksymalnym powyżej 100 mA, zazwyczaj w zakresie od 300 mA do 1000 mA. Wiele generycznych układów spełnia wymagania przedstawione przez nas powyżej, jednocześnie charakteryzując się takim, całkiem sporym, prądem i może być wykorzystywana do aplikacji mocy. Jeśli konieczne są wyższe prądy, to konieczne jest wybranie dedykowanego tranzystora mocy. W takim przypadku nie tylko maksymalny prąd, ale też moc jest niezwykle istotna. Najczęściej elementy te są produkowane w większych obudowach i wymagają radiatora. Dodatkowo pamiętać należy, iż przy dużych prądach β tranzystorów BJT będzie niższa.
Obudowy i moc. Istnieje niezliczona ilość typów obudów tranzystorów, poczynając od mikroskopijnych układów do montażu powierzchniowego, kończąc na układach dedykowanych do obciążeń na poziomie kilku kilowatów (przy dodatkowym chłodzeniu). Wybierz taki układ, który najbardziej pasuje do Twojej aplikacji. Elementy powierzchniowo montowane idealnie nadają się do układów produkowanych masowo, a układu przewlekane do prototypowania i produkcji na małą skalę, gdzie ułatwia to montaż. Jeśli potrzebne są elementy mocy koniecznie trzeba rozważyć rozpraszanie ciepła i montaż radiatora.
Na poniższej fotografii zaprezentowano szereg popularnych obudów tranzystorów, wraz z parą wczesnych tranzystorów produkcji Brytyjskiej, tak zwane "Czerwone Kropki". Te ostatnie pokazano ze względów histoprycznych. Autor artykułu wykorzystywał te tranzystory, będące odrzutami produkcyjnymi, sprzedawanymi po cenie około £1 za sztukę (ponad $20 dzisiejszych dolarów) jako nastolatek do konstrukcji prostych układów - radia, wzmacniacza czy licznika Geigera.
Ciepło opuszcza strukturą tranzystora zazwyczaj przez wyprowadzenia, więc realne charakterystyki cieplne tranzystora sygnałowego zależą od powierzchni płytki drukowanej, dołączonej do wyprowadzeń. Nawet najmniejsze tranzystory SMD są w stanie rozpraszać setki mW ciepła, o wiele więcej niż założono w naszym, generycznym układzie. Warto pamiętać o fakcie, iż ten sam tranzystor w różnych obudowach charakteryzować się może różną mocą rozpraszaną, więc należy dokonywać uważnego wyboru obudowy [9].
Tranzystory mocy wyposażone są w duże, metalowe elementy w obudowie, pozwalające na zamontowanie układu na radiatorze, dlatego też trzeba zwrócić uwagę na wymagania co do radiatora. NA przykład obudowa TO-264, pokazana powyżej, może odprowadzić do 2,5 kW strat na odpowiednim radiatorze.
Różne tranystory w tej samej obudowie mogą charakteryzować się różnym rozkładem wyprowadzeń. Należy pamiętać iż dwa tranzystory o tych samych parametrach, w tej samej obudowie mogą różnić się rozkładem wyprowadzeń, co czyni wymienne ich stosowanie utrudnionym. Na poniższym rysunku zaprezentowano sześć możliwych rozkładów wyprowadzeń układów w obudowach TO-92 i SOT-23. W latach '90 XX wieku, autorowi udało się znaleźć co najmniej jeden tranzystor dla każdego z wyprowadzeń i jakkolwiek nie prowadzi już takich poszukiwań, nie ma przyczyn myśleć że dzisiejsze tranzystory są w jakikolwiek sposób mniej różnorodne.
Prąd upływu kolektora/drenu Ice0 lub Idss0. Czasami nazywany prądem odcięcia. Jest to najmniejszy prąd upływu płynący od kolektora do emitera (lub id drenu do źródła) podczas gdy tranzystor jest wyłączony. Najczęściej jest na poziomie nA, jednakże bardzo często w kartach katalogowych podaje się wyższe, szacowane dosyć pesymistycznie wartości aby zredukować koszty testowania nowych układów. Tranzystory używane jako przełączniki dla czułych sygnałów jako wzmacniacze powinny charakteryzować się upływem poniżej 50 nA, jednakże dla większości aplikacji 200 nA to satysfakcjonująca wartość.
Zaprezentowany powyżej inwerter niskiej mocy jest przykładem układu w którym niski prąd upływu kolektora/drenu jest istotny. Upływ drenu wynoszący 100 nA przekłada się na spadek napięcia równy 1 V i napięcie wyjściowe 2 V - na skraju logicznej jedynki. Tego typu układy w realnej aplikacji powinny charakteryzować się upływem nie większym niż 50 nA. Przy okazji warto zwrócić uwagę na dwie rzeczy - układ ten charakteryzuje się bardzo niskim zużyciem mocy, zaledwie 0,9 µW w stanie załączonym, a jednocześnie jest bardzo wolny. Biorąc pod uwagę pojemność ścieżki, wyjścia tranzystora i wejścia kolejnego stopnia na poziomie 20 mA to czas narastania wynosi 0,2 ms - niedużo na aplikacje stałoprądowe, ale nie nadaje się do transmisji cyfrowych, nawet o niskiej prędkości.
Wzmocnienie prądowe[b] β lub hfe. Wzmocnienie prądowe tranzystora bipolarnego to stosunek prądu kolektora do prądu bazy, gdy układ nie jest nasycony (to jest kiedy napięcie kolektor-baza jest dodatnie (dla układu NPN)). β jest zasadniczo stała dla szerokiego zakresu prądów jednakże przy małych prądach bazy może spadać i na pewno będzie spadać gdy prąd kolektora zbliżać się do maksymalnego. Jako że to wynik dzielenia, jest to wartość bezwymiarowa. Generyczne TUNy i TUPy charakteryzują się β nie mniejszą niż 100 jednakże dla tranzystorów wysokonapięciowych wartość wzmocnienia może być mniejsza, nawet około 40.
Pokazany na powyższym obrazku wtórnik emiterowy/źródłowy jest równie sprawny z wykorzystaniem tranzystora BJT jak i MOSFETa. W prostym wtórniku emiterowym zakłada się iż napięcie baza-emiter czy dren-źródło (Vbe i Vgs) pozostaje stałe, dając pewien ustalony offset pomiędzy wejściem a wyjściem. W pewnych precyzyjniejszych układach sprzężenie może być podłączone pomiędzy emiter/źródło a obciążenie.
Jako że część prądu emitera płynąć musi przez bazę, prądy emitera i kolektora tranzystora bipolarnego w takiej aplikacji nie są równe, co oznacza iż pokazany powyżej stopień wyjściowy powinien być zrealizowany z wykorzystaniem tranzystora MOSFET gdyż takowy wykazuje się niemalże zerowym prądem bazy.
[b]Transkonduktancja postępowa gfs. Parametr ten opisuje tranzystor polowy i jest stosunkiem ΔIds/ΔVgs podczas gdy urządzenie jest załączone, a prąd drenu nie jest niczym ograniczony. Mierzy się ją w siemansach (lub, dla tradycjonalistów, w omach odwrotnych (Ʊ), co jest tak na prawdę tylko wycofanym już oznaczeniem i symbolem na dokładnie to samo). FETy i MOSFEty sygnałowe charakteryzują się transkonduktancją na poziomie mS, ale układy mocy charakteryzuje transkonduktancją postępową dochodząca do jednego czy kilku siemensów.
Generalnie kilkuwoltowa zmiana napięcia na bramce to dostatecznie dużo aby zmienić prąd drenu od minimalnego do maksymalnego. Warto zwrócić uwagę także na to przy jakim napięciu bramki tranzystor zaczyna przewodzić (patrz poniżej)
Próg bramki Vgs(th). Jest to napięcie pomiędzy bramką a źródłem tranzystora MOSFET, które powoduje iż poprawnie spolaryzowany dren zaczyna pobierać prąd. Definicja pobierania jest dosyć istotna i musi być opisana w karcie katalogowej układu. Może to być kilka µA albo 1 mA lub więcej dla MOSFETów mocy. Powyżej tego napięcia prąd rośnie bardzo szybko przy niewielkim wzroście napięcia na bramce.
Jeśli MOSFET ma być sterowany z układów cyfrowych krytycznym jest dobranie takiego tranzystora którego próg zadziałania jest powyżej najwyższego napięcia stanu niskiego w pełnym zakresie temperatur pracy urządzenia. W innym przypadku układ może się załączać przy napięciu kilkuset miliwoltów, będących nadal stanem niskim.
Napięcie nasycenia Vce(sat). Jest to napięcie przy którym tranzystor bipolarny jest na tyle głęboko w stanie przewodzenia, że spadek napięcia na obciążeniu kolektora jest dostatecznie duży aby potencjał kolektora spadł poniżej potencjału bazy. Innymi słowy złącze baza-kolektor jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, więc tranzystor jest nasycony. Napięcie nasycenia nie jest proporcjonalne do prądu kolektora, zatem model nasyconego tranzystora nie jest jedynie i oporem pomiędzy kolektorem a emiterem.
Dwoma przykładami istotności napięcia nasycenia są:
(A) Układ w klasycznej logice TTL, każde wejście jest źródłem prądu (1,6 mA) pobieranego przez logiczne 0, które nim steruje. Dla pełnego obciążenia wyjścia 10 wyjściami oznacza to iż jakiś tranzystor wyjściowy musi odebrać 16 mA przy napięciu saturacji nie większym niż 400 mV (zero logiczne).
(B) Gdy wykorzystujemy tranzystor bipolarny do sterowania obciążeniem pobierającym duży prąd, ilość rozpraszanego ciepła, dla zadanego prądu obciążenia, jest proporcjonalna do napięcia nasycenia Vce(sat). Im mniejsze napięcie nasycenia tym mniej ciepłą musi zostać odprowadzone z układu.
Warto także zapamiętać iż jeśli przestaniemy przykładać sygnał do nasyconego tranzystora to wyjdzie on z stanu nasycenia z pewnym opóźnieniem - zazwyczaj kilku do kilkudziesięciu nanosekund, jednakże może być więcej. Jest to czas wyjścia z nasycenia i może być wyspecyfikowany w dokładnie znanych warunkach, w karcie katalogowej konkretnego tranzystora bipolarnego.
Rezystancja włączenia Ron. Tranzystory MOSFET nie wchodzą w stan nasycenia, ponieważ są układami opartymi o nośniki większościowe. Gdy zostają załączone, podczas przyłożenia do bazy napięcia o wiele wyższego niż próg bramki, zachowują się jak opornik o niewielkiej rezystancji. Jest to właśnie rezystancja włączenia, specyfikowana w karcie katalogowej dla konkretnych wyszczególnionych parametrów. Ma tutaj oczywiście zastosowanie prawo Ohma, a więc spadek napięcia na tranzystorze zależny jest do prądu i rezystancji włączenia. Rozpraszana w ciepło moc wynosi I²R.
Współczynnik szumów NF. Większość aplikacji w których pracują tranzystory to systemy z sygnałami o dużej amplitudzie, gdzie poziom szumów nie jest istotną kwestią. Jednakże w kilku aplikacjach jest on krytyczny. Współczynnik szumów wielu tranzystorów - tak BJT jak i FET - podawany i gwarantowany jest przez producentów tych elementów. Podczas porównywania tranzystorów pod tym kątem niezwykle ważnym jest zapewnienie iż porównywane tranzystory badane były przy tej samej impedancji źródła. Jeśli elementy dedykowane są do systemów radiowych to NF specyfikuje się przy impedancji 50 Ω, jednakże nie da się bezpośrednio porównać współczynników szumów dwóch układów, które zmierzono przy różnych impedancjach. W jednym z odsłon cyklu rzadko zadawanych pytań opisano to dokładniej [10].
Częstotliwość przejścia ft. Jest to częstotliwość (dla pasma wysokich częstotliwości) dla której wzmocnienie prądu tranzystora bipolarnego jest równe jedności. Ponownie nie będziemy skupiać się na sposobie pomiaru tej wartości [11], ale pamiętać musimy iż ten parametr jest najszerzej stosowany do porównania maksymalnej częstotliwości pracy tranzystorów bipolarnych. Większość generycznych elementów charakteryzuje ft >> 100 MHz, jednakże elementy wysokiej mocy lub wysokonapięciowe mogą charakteryzować się wolniejszą pracą.
Tranzystory FET są układami transkoduktancyjnymi o infinitezymalnym prądzie wejściowy dla prądu stałego, zatem nie możemy rozważać ich wzmocnienia dla sygnałów DC. Jednakże z uwagi na pojemność wejściową (Cgs) rzędu od pojedynczych pF do setek pF, ich impedancja jest całkiem niska przy sygnałach HF, co pozwala na wyznaczenie wzmocnienia prądowego i w konsekwencji częstotliwości ft. W przypadku niektórych układów FET i MOSFET podaje się wartość ft wyznaczoną w opisany sposób. Można ją wykorzystywać do porównania prędkości działania tych elementów, jednakże najczęściej specyfikuje się ją, opisanymi poniżej, czasami przełączania.
Czas przełączania t(on) oraz t(off). Większość FETów i wiele tranzystorów BJT ma opisane w karcie katalogowej czasy przełączania, zdefiniowane jako czas narastania prądu od zera do ustalonej wartości lub odwrotnie, zależnie który z czasów analizujemy. Sygnał sterujący, zakładamy, jest idealną funkcją schodkową, lub sygnałem o bardzo szybkim - rzędu nanosekund - zboczu. Porównywanie czasów przełączania jest dobrą metodą porównywania prędkości tranzystorów, oczywiście o ile pomiary obu z nich przeprowadzono w tych samych warunkach.
Pojemności Cin, Cout i Cfb. Z tranzystorem związane są trzy pojemności: pojemność wejściowa Cin, pojemność wyjściowa Cout i tak zwana pojemność Millera [12], czyli sprzężenia zwrotnego Cfb. Różni producenci stosują różne oznaczenia na te pojemności, jednakże poniższy obrazek powinien dobrze opisać która pojemność gdzie się znajduje.
Jak wiemy tranzystory FET, szczególnie układy MOSFET dużej mocy charakteryzują się wartością Cin nawet powyżej 1 nF, jakkolwiek MOSFETy sygnałowe charakteryzuje pojemność wejściowa na poziomie 15..50 pF. Istotnym jest mimo wszystko zapewnienie tranzystorowi odpowiedniego sterowania i upewnienie się iż pojemność bramki FETa nie zakłóci działania układu. Tranzystor należy tak dobrać, aby jego pojemność wejściowa była w tolerowanych przez układ sterujący granicach.
WYBIERANIE TRANZYSTORA
A zatem potrzebujemy tranzystora do projektu. Jak go wybrać?
Fajnie by było mieć bazę wszystkich tranzystorów na świecie i móc w niej płynnie wyszukiwać zadanymi parametrami granicznymi. Niestety taka lista nie może być stworzona, gdyż wymagałaby codziennej aktualizacji i musiała zawierać setki tysięcy elementów. Zamiast tego skorzystać możemy z wyszukiwarek internetowych hurtowni, takich jak Avnet, Arrow, Digi-Key, Mouser, Premier Farnell czy RS Components [13]. Ma to taką zaletę iż wyszukujemy tylko układy dostępne komercyjnie.
Zatem musimy spisać kluczowe wartości parametrów i szukać online. Każdy dystrybutor ma inaczej skonstruowaną wyszukiwarkę i inne stany magazynowe, jednakże różnice nie powinny być poważne, pozwala to na łatwe porównywanie rezultatów w celu sprawdzeniu wyników poszukiwań.
Omówiliśmy już jakie parametry są istotne, ale podsumujmy je pokrótce, w kolejności od najważniejszych:
Polaryzacja: NPN/Z kanałem typu N czy PNP/Z kanałem typu P?
Typ: BJT czy MOSFET?
Napięcie pracy: Minimalne, bezpiecznie napięcie BVceo lub BVds. (Dobrym nawykiem jest ustalenie także maksymalnego napięcia podczas selekcji układów, gdyż tranzystory z wysokim napięciem przebicia charakteryzują się mniejszym wzmocnieniem i wyższym Vce(sat) lub Ron no i na pewno są droższe).
Maksymalny prąd: Trzeba wybrać element o prądzie maksymalnym o około 33% większym od maksymalnego, przewidywanego prądu kolektora/drenu. Przy pracy impulsowej warto rozważyć także maksymalny chwilowy prąd,
Obudowa: Jaka obudowa i jaki rozkład wyprowadzeń jest pożądany? Warto także spojrzeć na maksymalną rozpraszaną moc i maksymalny prąd w konkretnej obudowie. Dodatkowo proste katalogi nie pokazują jawnie rozkładu wyprowadzeń.
Moc: Jaka jest maksymalna rozpraszana moc w danej aplikacji? Pamiętać należy iż element gdy nie przewodzi to niemalże nie rozprasza mocy, a podczas przewodzenia większość mocy rozprasza się na obciążeniu. Największe straty następują przy przełączaniu, jednakże ma to znaczenie jedynie w aplikacjach z dużą częstotliwością przełączania.
Powyższe parametry są konieczne do rozważenia, podczas wyboru tranzystora. Pozostałe mogą być krytyczne w pewnych aplikacjach, a w innych zupełnie pomijalne, zatem trzeba zadecydować co w naszej aplikacji jest ważne i wybrać tranzystor spełniający wymagania naszej aplikacji. Parametry warte rozważenia to:
Prąd upływu: Ice0 lub Ids0
Wzmocnienie prądowe: β lub hfe, rzadko kiedy potrzebne większe niż 100.
Transkondutancja: gfs
Próg bramki: Vgs(th) - musi być kompatybilny z poziomami logicznymi układów sterujących układem i napięciami zasilania systemu.
Napięcie nasycenia: Vce(sat) - istotne tylko gdy tranzystro BJT wykorzystywany jest jako przełącznik.
Rezystancja włączenia: Ron, istotna tylko w aplikacjach mocy.
Współczynników szumów: NF, ważny w czułych aplikacjach analogowych.
Częstotliwość przejścia: ft, istotna dla aplikacji wysokich częstotliwości.
Czas przełączania: t(on) i t(off), istotne w przypadku tranzystorów pracujących w szybkich interfejsach logicznych.
Pojemności: Cin, Cout i Cfb. Wartości te rzadko istotne są dla tranzystorów niskiej częstości, jednakże dla tranzystorów MOSFET bywają dosyć duże i warto rozważyć ich wpływ na działanie układu w symulacji w programie SPICE.
Kiedy już wprowadzisz dane do wyszukiwarki i masz odrobinę szczęścia, otrzymasz listę pasujących tranzystorów. Jeśli chcesz sprawdzić czy zrobiłeś to dobrze porównaj np. pięć najtańszych, dostępnych od ręki elementów u kilku dostawców. Jeśli są podobne, to wszystko w porządku. Jeśli tak jest, zakup najtańszy tranzystor o dobrej dostępności.
Kolejnym krokiem jest zdobycie modeli SPICE tego elementu, testowanie go in silico i następnie, jeśli wszystko jest w porządku, prototypowanie. Jeśli prototyp działa to koniec procesu doboru tranzystora.
Jednakże jeśli publikujesz gdzieś swój projekt, lub zlecasz wielkoskalową produkcję, nie podawaj jawnie modelu wybranego tranzystora, tak jakby był on jedynym wyborem. Specyfikacja powinna wyglądać następująco: "Tranzystor TR3 do MOSFET z kanałem tyu N, w obudowie TO-92, z wyprowadzeniami s-g-d na pinach 1-2-3. Jedbo BVds0 powinno być co najmniej 25 V, Ids(max) nie mniejsze niż 250 mA, Vgs(th) w granicach 600 mV - 1,8 V a Cin mniejsze niż 65 pF. Większość tranzystorów MOSFET spełniających te parametry powinna działać poprawnie. Prototypowanie i analizy SPICE przeprowadzono na 2Nxxx, a dalsze analizy SPICE pokazują iż 2Nyyyy, 2Nzzzz oraz VNaaaa take powinny działać poprawnie, podobnie jak i inne tranzystory o takich parametrach." Oczywiście musimy wykonać te analizy; 2Nyyyy, 2Nzzzz oraz VNaaaa to najtańsze, dostępne od ręki tranzystory z naszego zestawienia.
Podobna procedura ma miejsce jeśli projekt wymaga egzotycznego 3N12159, którego nie możemy zakupić. Jeśli posiadamy jego dane katalogowe to możemy zdecydować które z jego parametrów są istotne i dobrać zamiennik do tej aplikacji. Jeśli nie mamy karty katalogowej tego tranzystora to ocenę jego parametrów pracy wykonać musimy na podstawie schematu aplikacji. Pomóc sobie możemy w tym symulacjami SPICE, jednakże docelowo warto wybrać bezpieczne wartości najważniejszych parametrów, takich jak napięcie przebicia, prąd maksymalny etc. To nie Twój projekt i mogłeś przeoczyć coś w układzie. Korzystając z zdobytych parametrów możemy wyszukać zamienników dla naszego egzotycznego tranzystora, bez potrzeby podróży do Timbuktu.
Jakikolwiek układ wybierzesz miej pewność iż wybrałeś układ dyskretny i dyskretnych. W końcu nie chcesz aby wypaplał Twoim kolegom jak mało czasu spędziłeś na doborze odpowiedniego elementu do swojej aplikacji. Oczywiście dobrą praktyką inżyniera jest nie generować niepotrzebnych parametrów i nadmiernych specyfikacji. Cytując Henrego Forda - 'Inżynier to człowiek który za pięć centów zrobi to co każdy idiota potrafi za dolara".
Odnośniki:
Źródła:
[1] http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/RAQ_comparatorsOpAmp.pdf]Link[/url][url=http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/op-AmpsAsComparatorsv1.ppt
[2] The Art of Electronics by Paul Horowitz & Winfield Hill - Cambridge University Press (1989) ISBN-10: 0521370957
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor
https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistor
https://en.wikipedia.org/wiki/Field-effect_transistor
[4] Julius Lillienfield - Canadian Patent Application CA272437 (1925) / US Patent US1745175 - Method and apparatus for controlling electric currents 1930-01-28
[5] Shockley, Brattain & Bardeen - Bell Telephone Labs 1947
John Bardeen & Walter Brattain:- US Patent US2524035 - Three-electrode circuit element utilizing semiconductive materials 1948-02-26 (Issued 1950-10-03)
William Shockley:- US Patent US2569347 - Circuit element utilizing semiconductive material 1948-06-26 (Issued 1951-09-25)
[6] http://www.elektor.com/
[7] Każdy inżynier powinien mieć takie pudełko pod ręką, w którym trzyma używane elementy, które pozostały po poprzednich projektach. Można zawsze z niego skorzystać jako źródła części potrzebnych na szybko. Zasadniczo powinno tam się znaleźć całkiem sporo rzeczy, ale bez przesady. Pudełko na zapałki to za mało, ale 10 metrowy kontener to przesada, o ile nie jest inżynierem górnictwa naftowego na platformie morskiej.
[8] Projektanci układów scalonych robią to stanowczo zbyt często, pisząc karty katalogowe. Zamiast specyfikować generyczny element piszą o części którą rzeczywiście wykorzystali. Bardzo często to egzotyczny tranzystor z start-upu w Timbuktu który splajował w 1976 roku. To poważna przyczyna szaleństwa wśród inżynierów - przekonać klientów iż użycie innego tranzystora to nie jest porażka i nie spowoduje Armageddonu czy deszczu żab.
[9] "Read The Friendly Data Sheet!" - ang. Przeczytaj Przyjazną Kartę Katalogową
[10] Tutaj opisano szumy cieplne dla oporników i wzmacniaczy operacyjnych, jednak pozostaje to ważne dla tranzystorów - fizyka jest taka sama dla wszystkich tych elementów:
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/RAQ_lowNoiseAmp.pdf
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/raq_op-AmpNoise.pdf
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/moreInfo_raq_opAmpNoise2.html
[11] Cadence doskonale sobie z tym radzi http://www.cadence.com/Community/blogs/rf/archive/2008/07/16/measuring-transistor-ft.aspx
[12] Nazwane na cześć Johna Miltona Miller, któy pierwszy zaobserwował to zjawisko w 1920 roku https://en.wikipedia.org/wiki/John_Milton_Miller. Oczywiście Miller pracował z lampami próżniowymi, jednakże efekt jest analogiczny w tranzystorach.
[13] https://avnetexpress.avnet.com/store/em/EMController/Discrete/Bipolar-Transistor/GP-BJT/_/N-100083?action=products&cat=1&catalogId=500201&categoryLink=true&cutTape=&inStock=&langId=-1&myCatalog=&npi=&proto=®ionalStock=&rohs=&storeId=500201&term=&topSellers=&categoryLink=true and https://avnetexpress.avnet.com/store/em/EMController/Discrete/Transistor/MOSFET/_/N-100099?action=products&cat=1&catalogId=500201&categoryLink=true&cutTape=&inStock=&langId=-1&myCatalog=&npi=&proto=®ionalStock=&rohs=&storeId=500201&term=&topSellers=&categoryLink=true
http://components.arrow.com/semiconductor-discrete/transistors/ and http://components.arrow.com/part/search/%5E7/42/855?region=na&whereFrom=gnav and http://components.arrow.com/part/search/%5E7/42/942?region=na&whereFrom=gnav
http://www.digikey.co.uk/product-search/en/discrete-semiconductor-products/transistors-bjt-single/1376376?k=transistor and
http://www.digikey.co.uk/product-search/en/discrete-semiconductor-products/fets-single/1376381?k=transistor
http://uk.mouser.com/Semiconductors/Discrete-Semiconductors/Transistors/Transistors-Bipolar-BJT/_/N-ax1sh/ and
http://uk.mouser.com/Semiconductors/Discrete-Semiconductors/Transistors/MOSFET/_/N-ax1sf/
http://uk.farnell.com/transistors-bipolar-bjt-single and http://uk.farnell.com/mosfets
http://uk.rs-online.com/web/c/semiconductors/discrete-semiconductors/bipolar-transistors/ and http://uk.rs-online.com/web/c/semiconductors/discrete-semiconductors/mosfet-transistors/
http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/48-05/RAQ_105.html
http://www.edn.com/design/analog/4429969/Choosing-Transistors
http://www.edn.com/design/analog/4429969/2/Choosing-Transistors
http://www.edn.com/design/analog/4429969/3/Choosing-Transistors
http://www.edn.com/design/analog/4429969/4/Choosing-Transistors
http://www.edn.com/design/analog/4429969/5/Choosing-Transistors
http://www.edn.com/design/analog/4429969/6/Choosing-Transistors
Cool? Ranking DIY
