Mikroelektronické praktikum - UMEL - Vysoké učení technické v Brně

Mikroelektronické praktikum 7OBR. 5.49: ŘEZ TRANZISTOREM V KOVOVÉM POUZDŘE TO5, KOLEKTOR JE VODIVĚ PŘIPOJENK PODLOŽCE.......................................................................................................................81OBR. 5.50: MĚŘENÍ TRANZISTORŮ ......................................................................................82OBR. 5.51: SCHÉMATICKÁ ZNAČKA TRANZISTORU J-FET: A) S KANÁLEM N, B) S KANÁLEMP 83OBR. 5.52: ZJEDNODUŠENÁ PŘEDSTAVA A USPOŘÁDÁNÍ TRANZISTORU J-FET. PROUDNOSIČŮ POSTUPUJE OD ELEKTRODY S K ELEKTRODĚ D. ELEKTRICKÉ POLE VSTUPNÍELEKTRODY G OVLIVŇUJE PRŮCHODNOST KANÁLU...........................................................83OBR. 5.53: ZÁKLADNÍ ZAPOJENÍ ZESILOVAČE S TRANZISTOREM J-FET S KANÁLEM N(ZAPOJENÍ SS). S ROSTOUCÍM NAPĚTÍM (ZÁPORNÝM) NA VSTUPNÍ ELEKTRODĚ G (PROTI E)SE KOLEKTOROVÝ PROUD ZMENŠUJE .................................................................................84OBR. 5.54: TRANZISTOR MOSFET: A) SCHEMATICKÁ ZNAČKA TRANZISTORU NMOS APMOS, B) PŘEVODNÍ A VÝSTUPNÍ CHARAKTERISTIKY.......................................................84OBR. 5.55: JEDNOSTUPŇOVÝ ZESILOVAČ S TRANZISTOREM MOS .......................................85OBR. 5.56: TYPICKÁ AMPÉRVOLTOVÁ CHARAKTERISTIKA VARISTORU ...............................86OBR. 5.57: NÁHRADNÍ ZAPOJENÍ ZDROJE TEPLA A CHLAZENÍ ..............................................87OBR. 6.1:OBR. 6.2:ZATĚŽOVACÍ PŘÍMKA S VYZNAČENÝMI OBLASTMI, VE KTERÝCH SE POHYBUJEPRACOVNÍ BOD ZESILOVAČE (VLEVO) A SPÍNAČE (VPRAVO) ..............................................90OBVYKLÉ ZPŮSOBY NASTAVENÍ PRACOVNÍHO BODU BIPOLÁRNÍCH TRANZISTORŮ:A) REZISTOREM DO BÁZE, B) NAPĚŤOVOU ZÁPORNOU ZPĚTNOU VAZBOU, C) MŮSTKOVÉ ..91OBR. 6.3: GRAFICKÉ ZNÁZORNĚNÍ NASTAVENÍ PRACOVNÍHO BODU V SÍTI CHARAKTERISTIK 92OBR. 6.4: PŘÍKLAD NASTAVENÍ PRACOVNÍHO BODU NAPĚŤOVÉHO ZESILOVAČE,OBR. 6.5:KOMBINOVANÉ MŮSTKOVOU STABILIZACÍ. REZISTOR R E VYTVÁŘÍ PROUDOVOU ZPĚTNOUVAZBU. NAPĚTÍ MEZI BÁZÍ A EMITOREM U BE = 0,7 V........................................................93POSUNUTÍ PRACOVNÍHO BODU VLIVEM ZVĚTŠENÉHO KOLEKTOROVÉHO PROUDU.ÚBYTKEM NAPĚTÍ NA REZISTORU R E SE ZMENŠÍ ROZDÍL MEZI NAPĚTÍM BÁZE A EMITORU NAU BE = 0,3 V. TÍM ZAČÍNÁ PRACOVAT MŮSTKOVÁ STABILIZACE A VRÁTÍ PRACOVNÍ BOD NAPŮVODNÍ HODNOTU ...........................................................................................................93OBR. 6.6: NASTAVENÍ PRACOVNÍHO BODU - VARIANTY OBVODU PODLE OBR. 6.2B:.............94OBR. 6.7: TRANZISTOR JAKO SPÍNAČ .....................................................................................95OBR. 6.8:TRANZISTOR JAKO SPÍNAČ: TRANZISTOR V UZAVŘENÉM STAVU PŘEDSTAVUJEROZPOJENÝ OBVOD. PROCHÁZÍ JIM MALÝ ZBYTKOVÝ PROUD I CE0 . TEN SE JEŠTĚ ZMENŠÍ, JE-LI BÁZE PŘIPOJENA K NULOVÉMU POTENCIÁLU PŘES REZISTOR R ......................................95OBR. 6.9:TRANZISTOR JAKO SPÍNAČ: TRANZISTOR V OTEVŘENÉM STAVU PŘEDSTAVUJESEPNUTÝ SPÍNAČ. NA OBVODU C-E VZNIKÁ MALÝ ÚBYTEK NAPĚTÍ (SATURAČNÍ).............96OBR. 6.10: INDUKČNÍ ZÁTĚŽ ...............................................................................................96OBR. 6.11: TRANZISTOR VE FUNKCI SPÍNAČE. PŘERUŠÍ-LI SE DRÁTEK, KLADNÉ NAPĚTÍ NABÁZI OTEVŘE TRANZISTOR A SVĚTELNÁ DIODA SE ROZSVÍTÍ ..............................................97OBR. 6.12: ZAPOJENÍ TRANZISTORŮ VE FUNKCI SPÍNAČE. PŘERUŠÍ-LI SE DRÁTEK, OTEVŘE SET 1 . NA REZISTORU R E VZROSTE NAPĚTÍ, KTERÉ OTEVŘE TRANZISTOR T 2 . TRANZISTORY T 1A T 2 MOHOU BÝT NAPŘ. TYPU KC 507 APOD.....................................................................97OBR. 6.13: KLOPNÝ OBVOD V SOUMĚRNÉM ZAPOJENÍ. POTENCIOMETRICKÝ TRIMR P ŘÍDÍRYCHLOST (KMITOČET) PŘEKLÁPĚNÍ OBVODU. LED 1-4 JSOU ZELENÉ NEBO ŽLUTÉ. R 1 = R 2= R 3 = 33 KΩ, C 1 = C 2 = 50 µF, T 1 = T 2 = BC, KC 507. ..................................................97OBR. 6.14: GRAFICKÉ ZNÁZORNĚNÍ PRŮBĚHŮ KOLEKTOROVÝCH PROUDŮ I C1 A I C2 VTRANZISTORU T 1 A T 2 ........................................................................................................98OBR. 6.15: SCHÉMA SOUMĚRNÉHO KLOPNÉHO OBVODU V PÁSMU AKUSTICKÝCH KMITOČTŮ(T 1 , T 2 JSOU LIBOVOLNÉ TRANZISTORY BC NEBO KC): A) VÝSTUP DO SLUCHÁTKA, B)VÝSTUP DO PIEZOKERAMICKÉHO MĚNIČE ZAPOJENÉHO MEZI KOLEKTORY, ZMĚNOU HODNOTSOUČÁSTEK SE NASTAVÍ KMITOČET, PŘI KTERÉM SE MĚNIČ OZÝVÁ NEJSILNĚJI..................99

8 FEKT Vysokého učení technického v BrněOBR. 6.16: PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA JEDNOTRANZISTOROVÉHO ZESILOVAČE BEZPŘEDPĚTÍ 100OBR. 6.17: NA BÁZI SE PŘIVEDE SLABÝ STŘÍDAVÝ SIGNÁL A NA KOLEKTORU JE SIGNÁLZESÍLENÝ 101PRŮBĚH STŘÍDAVÉHO SINUSOVÉHO SIGNÁLU. OSA ROZDĚLUJE PRŮBĚH NAOBR. 6.18:KLADNÉ HODNOTY - NAD OSOU A ZÁPORNÉ HODNOTY - POD OSOU. OSA ODPOVÍDÁ NULOVÉHODNOTĚ. TENTO STŘÍDAVÝ SIGNÁL JE OBVYKLE SUPERPONOVÁN NA STEJNOSMĚRNÉMNAPĚTÍ (KLIDOVÝ PRACOVNÍ BOD) .................................................................................. 101OBR. 6.19: JEDNOSTUPŇOVÝ ZESILOVAČ (S VARIANTAMI NASTAVENÍ KLIDOVÉHOPRACOVNÍHO BODU PODLE OBR. 6.2): C V1 A C V2 JSOU VAZEBNÍ KONDENZÁTORY......... 102OBR. 6.20: MALÝ KOLEKTOROVÝ PROUD I C VYTVOŘÍ MALÉ NAPĚTÍ NA REZISTORU R C , A TÍMMALÝ ÚBYTEK NAPĚTÍ NA KOLEKTORU ........................................................................... 102OBR 6.21: VELKÝ KOLEKTOROVÝ PROUD I C VYTVOŘÍ VELKÉ NAPĚTÍ NA REZISTORU R C , ATÍM VELKÝ ÚBYTEK NAPĚTÍ NA KOLEKTORU ................................................................... 102OBR 6.22: FUNKCE TRANZISTORU V ZAPOJENÍ SE JAKO ZESILOVAČE NAPĚTÍ (ČÁRKOVANĚJE ZNAČENA KLIDOVÁ ÚROVEŇ PROUDU: I B - KLIDOVÝ PROUD BÁZE, I C - KLIDOVÝ PROUDKOLEKTORU)................................................................................................................... 103OBR. 6.23: UKÁZKA GRAFICKÉHO ŘEŠENÍ JEDNOSTUPŇOVÉHO ZESILOVAČE .................... 104OBR. 6.24: SCHÉMA JEDNODUCHÉHO NAPĚŤOVÉHO ZESILOVAČE S TRANZISTOREM BC NEBOKC 507-509, UCC = 4,5 AŽ 9 V, VÝSTUP DO SLUCHÁTEK 2 X 2 KW ............................. 104OBR. 6.25: KONDENZÁTOR C E UZAVÍRÁ OBVOD PRO STŘÍDAVÝ PROUD. REZISTOR R E PAKVYTVÁŘÍ POUZE STEJNOSMĚRNOU PROUDOVOU ZPĚTNOU VAZBU ................................... 106OBR. 6.26: ROZDĚLENÝ EMITOROVÝ REZISTOR R E S BLOKOVACÍM KONDENZÁTOREM C E VDOLNÍ ČÁSTI (VĚTŠÍ ODPOR). HORNÍ ČÁST PŮSOBÍ SLABOU PROUDOVOU ZPĚTNOU VAZBU106OBR. 6.27: ODPOROVÝM DĚLIČEM PROCHÁZÍ MALÝ PŘÍČNÝ PROUD, PROTOŽE REZISTORY R 1A R 2 MAJÍ VELKÝ ODPOR ................................................................................................. 107OBR. 6.28: ODPOROVÝM DĚLIČEM PROCHÁZÍ VĚTŠÍ PŘÍČNÝ PROUD, PROTOŽE REZISTORY R 1A R 2 MAJÍ MENŠÍ ODPOR .................................................................................................. 107OBR. 6.29: DĚLIČ NAPĚTÍ V BÁZI TRANZISTORU PŘI NAPĚTÍ ZDROJE U CC = 12 V. NA R 1 JEROZDÍL NAPĚTÍ U CC - U BE = 12 V - 0,7 V = 11,3 V ........................................................ 108OBR. 6.30: DĚLIČ NAPĚTÍ V BÁZI TRANZISTORU PŘI NAPĚTÍ ZDROJE U CC = 9 V. NAREZISTORU R 2 MUSÍ BÝT NAPĚTÍ U BE = 0,7 V. NA REZISTORU R 1 JE ROZDÍL NAPĚTÍ U CC -U BE = 9 V - 0,7 V = 8,3 V .............................................................................................. 108OBR. 6.31: ZKRESLENÍ PRŮBĚHU VÝSTUPNÍHO NAPĚTÍ: A) ZKRESLENÍ HORNÍ ČÁSTIPŮLVLNY, B) ZKRESLENÍ DOLNÍ ČÁSTI PŮLVLNY, C) SOUMĚRNÉ ZKRESLENÍ (LIMITACE)SINUSOVÉHO PRŮBĚHU. NESOUMĚRNÉ ZKRESLENÍ VZNIKÁ PŘI NESPRÁVNĚ NASTAVENÉMPRACOVNÍM BODĚ. SOUMĚRNÉ ZKRESLENÍ VZNIKÁ PŘI VELKÉM VSTUPNÍM SIGNÁLU NEBONÍZKÉM NAPÁJENÍM NAPĚTÍ............................................................................................. 108OBR. 6.32: DVOUSTUPŇOVÝ ZESILOVAČ: A) S PŘÍMOU VAZBOU, B) S KAPACITNÍ VAZBOU, C)S TRANSFORMÁTOROVOU VAZBOU .................................................................................. 109OBR. 6.33: DVOUSTUPŇOVÝ NAPĚŤOVÝ ZESILOVAČ S KAPACITNÍ VAZBOU MEZI PRVNÍM ADRUHÝM STUPŇEM. TRANZISTORY T 1 , T 2 JSOU LIBOVOLNÉ BC, KC, U CC = 4,5 AŽ 15 V109OBR. 6.34: KONDENZÁTOR C ZP (MENŠÍ NEŽ 100 PF) ZPŮSOBUJE NAPĚŤOVOU ZÁPORNOUZPĚTNOU VAZBU PRO VYSOKÉ KMITOČTY A TÍM ZLEPŠUJE STABILITU ZESILOVAČE......... 109OBR. 6.35: PARAZITNÍ JEVY V NÍZKOFREKVENČNÍM ZESILOVAČI: A) SUPERPOZICEPARAZITNÍHO SIGNÁLU, B) ZAKMITÁVÁNÍ....................................................................... 110OBR. 6.36: MOŽNOST VZNIKU KLADNÉ ZPĚTNÉ VAZBY Z VÝSTUPU TRANZISTORU T 2 ZPĚT NAVSTUP TRANZISTORU T 1 PŘES OBVOD NAPÁJECÍHO NAPĚTÍ. NEBEZPEČÍ ROZKMITÁNÍCELÉHO OBVODU............................................................................................................. 110

Mikroelektronické praktikum 9OBR. 6.37: ZAMEZENÍ VZNIKU ZPĚTNÉ VAZBY FILTRACÍ NAPÁJECÍHO NAPĚTÍ MEZI PRVNÍM ADRUHÝM STUPNĚM ZESILOVAČE. DO NAPÁJENÍ SE ZAŘADÍ FILTRAČNÍ ČLEN R F , C F ........111OBR. 6.38: FUNKCE FILTRAČNÍHO ČLENU: NA REZISTORU R F SE ZACHYTÍ STŘÍDAVÉ NAPĚTÍZPĚTNOVAZEBNÍHO PROUDU I ZP , KTERÉ KONDENZÁTOR C F SVEDE K ZEMI. FILTROVANÝPROUD NAPÁJÍ TRANZISTOR T 1 .........................................................................................111OBR. 6.39: ROZDÍL NAPĚTÍ MEZI KOLEKTOREM TRANZISTORU T 1 A BÁZÍ TRANZISTORU T 2 JEZNAČNÝ. PROTO MUSÍ BÝT ZAŘAZEN VAZEBNÍ KONDENZÁTOR C V ..................................111OBR. 6.40: ZÁKLADNÍ ZAPOJENÍ DVOUSTUPŇOVÉHO ZESILOVAČE S PŘÍMOU VAZBOU.KOLEKTOR TRANZISTORU T 1 A BÁZE TRANZISTORU T 2 JSOU PŘÍMO SPOJENY. R C1 = 27 KΩ112OBR. 6.41: NAPĚŤOVÉ POMĚRY NA DVOUSTUPŇOVÉM ZESILOVAČI S PŘÍMOU VAZBOU.NAPĚTÍ MEZI BÁZÍ A EMITOREM U OBOU TRANZISTORŮ MUSÍ ZACHOVÁVAT OBVYKLOUHODNOTU U BE = 0,65 V ..................................................................................................112OBR. 6.42: NAPÁJECÍ NAPĚTÍ PRO TRANZISTOR T 1 JE NÍZKÉ VLIVEM ÚBYTKU NAPĚTÍ NAVELKÉM FILTRAČNÍM REZISTORU R F ................................................................................113OBR. 6.43: FILTRAČNÍ ČLÁNEK RC: A) FILTRAČNÍM REZISTOREM R F MŮŽE PROCHÁZET TAKÉSVODOVÝ PŘÍČNÝ PROUD FILTRAČNÍHO KONDENZÁTORU C F , KTERÝ JENEKONTROLOVATELNÝ, B) ZÁMĚRNÉ ZVĚTŠENÍ PŘÍČNÉHO PROUDU PROCHÁZEJÍCÍHOREZISTOREM R CF , PŘIPOJENÝM PARALELNĚ KE KONDENZÁTORU C F ................................113OBR. 6.44: FÁZOVÉ POMĚRY NA TRANZISTORECH T 1 A T 2 . SIGNÁL NA EMITORUTRANZISTORU T 2 NENÍ VE FÁZI SE SIGNÁLEM NA BÁZI TRANZISTORU T 1 . PROTO REZISTORR ZP1 ZAVÁDÍ ZÁPORNOU ZPĚTNOU VAZBU........................................................................114OBR. 6.45: POTENCIOMETR HLASITOSTI P NA VÝSTUPU ZESILOVAČE PŮSOBÍ JAKOZATĚŽOVACÍ REZISTOR R Z . Z BĚŽCE POTENCIOMETRU POSTUPUJE SIGNÁL K VÝKONOVÉMUZESILOVAČI......................................................................................................................115OBR. 6.46: DO OBVODU ZPĚTNÉ VAZBY MŮŽEME VLOŽIT MÍSTO REZISTORU R ZP2 DVOJITÝČLEN RC. ZMĚNÍ KMITOČTOVOU CHARAKTERISTIKU ZESILOVAČE ..................................115OBR. 6.47: VSTUPNÍ ČÁST ZESILOVAČE: A) SE VSTUPNÍM DĚLIČEM NAPĚTÍ A SÉRIOVÝMREZISTOREM, B) PARALELNÍ REZISTOR 100 KΩ NA VSTUPU ZESILOVAČE ZMENŠUJE VSTUPNÍIMPEDANCI ZESILOVAČE A ZAJIŠŤUJE SPRÁVNOU POLARITU KONDENZÁTORU C V1 ...........116OBR. 6.48: ÚPLNÉ SCHÉMA DVOUSTUPŇOVÉHO NAPĚŤOVÉHO ZESILOVAČE S PŘÍMOUVAZBOU. NA VÝSTUPU JE PŘIPOJEN POTENCIOMETR HLASITOSTI P..................................116KONCOVÝ STUPEŇ S KOMPLEMENTÁRNÍ DVOJICÍ VÝKONOVÝCH TRANZISTORŮ:OBR. 6.49:A) S NAPÁJENÍM Z JEDNOHO ZDROJE - JE NUTNO ZAPOJIT ODDĚLOVACÍ KONDENZÁTOR, B)SE SYMETRICKÝM NAPÁJENÍM - REPRODUKTOR NENÍ PŘIPOJEN K ZÁPORNÉMU PÓLU ZDROJE,ALE DO STŘEDU MEZI DVA ZDROJE S POLOVIČNÍM NAPĚTÍM U CC /2. PROTO NENÍ POTŘEBNÝODDĚLOVACÍ KONDENZÁTOR...........................................................................................117OBR. 6.50: KONCOVÝ STUPEŇ V KVAZIKOMPLEMENTÁRNÍM ZAPOJENÍ .............................117OBR. 6.51: PRŮBĚH VSTUPNÍHO A VÝSTUPNÍHO SIGNÁLU KONCOVÉHO STUPNĚ, PRACUJÍCÍHOBEZ KLIDOVÉHO PROUDU: A) S VELKOU AMPLITUDOU, B) S MALOU AMPLITUDOU...........119

10 FEKT Vysokého učení technického v BrněSeznam tabulekTAB. 3.1:HISTORICKÝ VÝVOJ POLOVODIČOVÝCH SOUČÁSTEK (LETOPOČTY SE V RŮZNÝCHMATERIÁLECH MÍRNĚ LIŠÍ) ................................................................................................ 17TAB. 4.1: TABULKA BAREVNÉHO KÓDU................................................................................ 29TABULKA 4.2: PŘEHLED ELEKTROTECHNICKÝCH ŘAD E3 AŽ E48........................................ 31TAB. 4.3: TEPLOTNÍ ZÁVISLOST MĚDĚNÉHO VODIČE............................................................. 39TAB. 5.1: USMĚRŇOVACÍ DIODY (ČKD)............................................................................... 51TAB. 5.2: USMĚRŇOVACÍ DIODY (TESLA PIEŠŤANY) .......................................................... 52TAB. 5.3: TABULKA PÍSMENNÉHO ZNAKU DIOD .................................................................... 53TAB. 5.4: KAPACITNÍ DIODY................................................................................................. 55TAB. 5.5: ZENEROVY DIODY ................................................................................................. 56TAB. 5.6: SPÍNACÍ DIODY...................................................................................................... 57TAB. 5.7: DETEKČNÍ DIODY .................................................................................................. 58TAB. 5.8: DIAKY................................................................................................................... 65TAB. 5.9: TRIAKY ................................................................................................................. 65TAB. 5.10: TYRISTORY (ČKD PRAHA) ............................................................................... 67TAB. 5.11: TYRISTORY (TESLA PIEŠŤANY ........................................................................ 67TAB. 5.12: VLASTNOSTI JEDNOTLIVÝCH ZAPOJENÍ TRANZISTORU ...................................... 72TAB. 5.13: SPÍNACÍ TRANZISTORY ...................................................................................... 76TAB. 5.14: KŘEMÍKOVÉ TRANZISTORY NPN ...................................................................... 77TAB. 5.15: KŘEMÍKOVÉ TRANZISTORY PNP ....................................................................... 79TAB. 5.16: PRŮMĚRNÉ INTENZITY PORUCH NĚKTERÝCH SOUČÁSTEK ................................. 88

Mikroelektronické praktikum 111 ÚvodMikroelektronické technologie se užívají při výrobě celé řady součástek. Předně jsou topolovodičové součástky jako tranzistory, tyristory atd., monolotické integrované obvody, dálehybridní integrované obvody, které umožňují použít více různých technologických postupů najeden substrát (základní desku), také optoelektronické součástky. Používají se též při výroběCD disků, hologramů, při nanášení speciálních povrchů na určité materiály atd.Bez mikroelektroniky by nebylo dnešních počítačů, televizorů, mobilů, prostě žádnémoderní elektronické zařízení. V každém dnešním elektronickém výrobku nalezneteintegrované obvody. A právě o podstatě těchto prvků a o základních zásadách jejich návrhu,jako i o zásadách návrhu obvodů obecně, bude řeč v předmětu Mikroelektronické praktikum.Předmět Mikroelektronické praktikum je právě jedním z těch předmětů, kterépřehledově připravuje studenty pro specializované předměty, jako jsou například Elektronickésoučástky, Konstrukce elektronických zařízení, Návrh integrovaných obvodů a mnohé další.2 Zařazení předmětu ve studijním programuPředmět Mikroelektronické praktikum je zařazen v tříletém bakalářském studijnímprogramu ELEKTROTECHNIKA, ELEKTRONIKA, KOMUNIKAČNÍ A ŘÍDÍCÍTECHNIKA jako volitelný a společný pro všechny obory. Je vyučován v prvním ročníkustudia v rozsahu 26 cvičení/semestr. Je doporučen zejména studentům se všeobecnýmvzděláním, kteří dosud nemají praktické zkušenosti s elektronikou.2.1 Úvod do předmětuTento předmět je zaměřen na základní práce v mikroelektronické experimentálnílaboratoři a základní seznámení s měřicí technikou. Praktické seznámení s použitímzákladních elektronických přístrojů (osciloskop, generátor, zdroj, multimetr a další), praktickárealizace a měření základních elektronických obvodů s tranzistory, operačními zesilovači alogickými obvody na kontaktním nepájivém poli. Přehled návrhových systémů CAD (ukázkasystému EAGLE). Praktické seznámení s technologií výroby plošných spojů, modernímimontážními technologiemi (technika povrchové montáže SMT, pájení vlnou a přetavením,opravy plošných spojů v technice povrchové montáže, vakuové napařování).Tento text seznámí studenty se základními elektrotechnickými součástkami. Je zaměřenna základní znalosti funkce a zapojení jednotlivých prvků. Podrobné vědomosti ohledněelektronických součástek, přechodu PN, včetně nezbytných znalostí základů kvantové teoriepevných látek (především polovodičových materiálů) jsou náplní předmětu Elektronickésoučástky.

12 FEKT Vysokého učení technického v Brně2.2 Vstupní testVzhledem k zařazení předmětu v prvním ročníku studia nelze navazovat na předchozíznalosti z předmětů vysokoškolského studijního programu. Přesto se u studentů očekáváalespoň základní orientace v teorii lineárních i nelineárních obvodů i některé základnívědomosti v oblasti elektrotechnických součástek a souvisejících pojmů. Následující otázkyby měli stručně prověřit alespoň ty nejzákladnější znalosti.Odpovědi na otázky vstupního testu naleznete v kapitole 7.1.11. Na jaké 3 základní skupiny dělíme v praxi součástky pro elektroniku podle funkce?2. Na základě kterých 2 elektrotechnických zákonů je založeny metody řešení obvodů -metoda uzlových napětí a smyčkových proudů?3. Jaký odpor musíme zapojit do obvodu, aby jím při připojení baterie o napětí 12Vprotékal proud 0,6A? (Ohmův zákon)4. Jaký proud protéká žárovičkou, na níž je označení 6 V/3 W připojenou na jmenoviténapětí?5. Zdroj s vnitřním (dříve také nazývaným) elektromotorickým napětím U i (U E ) avnitřním odporem Ri (R1) je připojen k zátěži s odporem Rz (R2). Určete obecněrovnici pro výpočet napětí zdroje U, znáte-li hodnotu vnitřního odporu Ri, zatěžovacíhoodporu Rz a vnitřního napětí U i .6. Potřebujeme navinout rezistor o odporu 700 Ω. Máme k dispozici odporový drát zkonstantanu; jeho průměr je 0,2 mm. Kolik metrů tohoto drátu potřebujeme k navinutížádaného rezistoru? (měrný odpor konstantanu je ρ = 0,49 Ωm)7. Pro vyzkoušení činnosti napájecího zdroje potřebujeme rezistor RV = 30 kΩ. Takovýrezistor nemáme právě po ruce, máme však několik jiných rezistorů, mezi nimi rezistorytěchto hodnot: R1 = 60 kΩ, (dva kusy), R2 = 10 kΩ, R3 = 5 kΩ, R4 = 15 kΩ. Jak siporadíme?8. Na dělič napětí sestavený z rezistorů R 1 = R 2 = 30 kΩ je připojeno napětí U 1 = 200 V.Máme vypočítat napětí na odbočce děličea) bez připojené zátěže, tj. bez odběru proudu,b) s připojenou zátěží odebírající proud I 2 =2 mA.9. Vyjádřete obecně velikost výstupního napětí odporového můstku U G(napětí mezi body A-B), znáte-li hodnoty rezistorů a velikost napájecíhonapětí můstku.10. Vyjádřete obecnou rovnici pro výpočet změny odporu materiálu v závislosti nateplotě. (znáte teplotní koeficienty 1. a 2. řádu)11. Jaké jsou 2 základní materiály pro výrobu běžných polovodičových součástek? Jakéjsou 3 základní skupiny dělení materiálů podle vodivosti?

Mikroelektronické praktikum 1312. Stručně popište, jakým způsobem vzniká z čistého polovodiče (Si, Ge) polovodič typuP (případně N)13. Vypočtěte hodnotu odporu předřadného rezistoru k červené LED, která má býtpřipojena k napětí 9 V a má jí procházet proud 20 mA. (Dioda svítí při přiloženém napětív propustném směru. Oproti běžným diodám je propustné napětí větší. U červené světelnédiody bývá přibližně 1,65 V)14. Jaká jsou 3 základní zapojení bipolárního tranzistoru?

14 FEKT Vysokého učení technického v Brně3 Přehled a rozdělení elektroniky a elektronickýchsoučástekCíl kapitoly:Cílem kapitoly je seznámit s dělením elektroniky na jednotlivé obory, historiímikroelektroniky a jejími specifiky a získat obecný přehled o dělení elektrických aelektronických součástek.3.1 Elektronika a mikroelektronika – vznik a vývojElektronika je oblast vědy a techniky zabývající se studiem a využíváním jevůelektrické vodivosti ve vakuu, plynech a polovodičích (a v širším pojetí i ve vodičích a vsupravodičích, případně i v kapalinách).Obvykle uvažujeme rozdělení elektroniky do tří oblastí (Obr. 3.1: Rozděleníelektroniky). Fyzikální (teoretická) elektronika zkoumá princip vodivosti ve výše uvedenýchprostředích. Technická elektronika se zabývá teorií a praxí součástek, které vycházejí z těchtoprincipů [tj. využívají ke své funkci fyzikálních jevů pohybu nosičů el. náboje ve vakuu (např.elektronka) nebo v plynech (např. výbojka) nebo v polovodičích (např. tranzistor)].Aplikovaná elektronika se potom zabývá elektronickými obvody, tj. obvody, které obsahujíelektronické součástky (ať už v diskrétním nebo integrovaném provedení). Elektronickésoučástky jsou látkové struktury, které k účelovému řízení elektrického proudu neboelektromagnetického záření využívají elektronu.Obr. 3.1: Rozdělení elektroniky

Mikroelektronické praktikum 15Úsilí po zmenšování rozměrů, hmotnosti a spotřebovaného výkonu (spolu s urgentníspolečenskou potřebou stále složitějších elektronických systémů v oblasti vojenské, kosmickéi civilní) se výrazně projevilo vznikem nového odvětví - mikroelektroniky. Mikroelektronikaje charakterizována dvěma principy• mikrominiaturizací,• integrací (obvodových prvků i funkcí)a vyústěním těchto principů jsou integrované obvody (hovoříme o integrované elektronice).Vývoj integrované elektroniky je úzce spjat s rozvojem číslicové techniky a probíhá odzačátku 60-tých let. Vývoj již dospěl ke stupni, kdy na jednom čipu je přes jeden milion prvků(integrace ULSI).Rychlý rozvoj a rozšiřující se využití elektroniky v nejrůznějších oblastech vedl kevzniku tzv. hraničních oborů těsně souvisejících s elektronikou. Jde např. o optoelektroniku(která je hraničním oborem mezi optikou a elektronikou), chemotronika (vzhledem kelektrochemii), magnetonika (vzhledem k tech. využití magnetismu). Kvantová elektronikastuduje a využívá vzájemné interakce fotonů a elektronů (lasery, tunelový jev, Josephsonůvjev apod.), částečně se překrývá s optoelektronikou.S rozvojem mikroelektroniky (integrovaných obvodům) vznikají další hraniční obory:akustoelektronika (využívá akustických a elektronických dějů ve společném působení vintegrovaných obvodech, např. zpožďovací vedení, filtry s povrchovými akustickými vlnami(zkr. PAV, SAW)), magnetoelektronika (magnetické bublinkové paměti).V běžné technické mluvě se pod pojmem elektronika rozumějí nejčastěji různé druhyelektronických obvodů a ty se třídí jednak podle druhu signálu (analogová, impulsová ačíslicová elektronika), jednak podle oblasti použití (průmyslová, lékařská, vojenská apod.,nebo obecněji spotřební a investiční elektronika), jednak podle funkčního hlediska nainformační (měřicí, řídicí, sdělovací apod.) a na výkonovou (slouží pro přeměnu a přenoselektrické energie).Dlouhý historický vývoj elektroniky si rozdělíme na několik etap - od elektrotechnikysilnoproudé k elektrotechnice slaboproudé, potom k sdělovací technice, dále k elektronice akonečně od elektroniky k mikroelektronice.První etapa - elektrotechnika silnoproudá a slaboproudá. Když se před mnohadesetiletími začala rozvíjet vědní a technická oblast nazývaná elektrotechnika, projevila sepotřeba rozdělit celé široké odvětví na dílčí obory. Jako kritérium tohoto rozdělení byl zvolenvýkon elektrických zařízení - silnoproudých a slaboproudých. Typickými představiteli těchtodvou větví bylo tehdy zařízení rozvodných sítí energetických a sítí telefonních (a ještě přednimi telegrafních). Proto například při založení nového československého elektrotechnickéhočasopisu koncem třicátých let, který vznikl oddělením ze staršího Elektrotechnického obzoru,bylo zvoleno označení Slaboproudý obzor (název se udržel setrvačností až do zániku v roce1993, obdobně i termín silnoproudý v označení donedávna existujícího koncernu Závodysilnoproudé elektrotechniky).Další vývoj však ukázal, že toto dělení podle výkonu již přestávalo být účelné - lzepovažovat rozhlasový vysílač s výkonem stovek kilowattů za slaboproudé zařízení nebominiaturní motorek napájený z tužkového článku za zařízení silnoproudé ?Druhá etapa - elektrotechnika výkonová a sdělovací. Toto další rozděleníelektrotechniky na dvě větve je založeno na rozdílném účelu a působení. Slouží-li zařízení k

18 FEKT Vysokého učení technického v Brněintegrované obvody, elektronky, zjednodušeně můžeme v současné době hovořit opolovodičových součástkách.b) Pasívní součástky mají elektrické vlastnosti stálé a v širokých mezích nezávislé napřiváděném proudu nebo napětí. Jsou to např. rezistory, kondenzátory, potenciometry,pojistky. (Původ tohoto dělení je ve výkonové bilanci součástky, tj. zda výkon pouzerozptyluje, nebo umožňuje energii zdroje "přidávat k signálu).c) Konstrukční součástky a pomocné materiály. Konstrukční součástky se uplatňují buďfunkcí čistě mechanickou (skříně, kostry, panely, převody, ovládací knoflíky aj.), nebo funkcíelektromechanickou (přepínače, desky s plošnými spoji, konektory, svorkovnice), nebo vefunkci elektroakustických nebo elektromechanických měničů (reproduktory, relé, motorkyapod.).Mezi pomocné materiály zahrnujeme pájecí prostředky (cín, pájecí pastu nebokalafunu), zakapávací a impregnační laky, různé vosky aj.V současné době máme k dispozici desítky různých druhů polovodičových součástekvyráběných v řadě typů lišících se svými parametry. Velký pokrok se v posledních letechdosahuje nejen u polovodičových (aktivních) součástek, ale i u součástek pasivních, kdevývoj je zaměřen na zmenšení rozměrů při zlepšení užitných vlastností, delší životnosti,přizpůsobení montážní technice, které rovněž prodělává vývoj (nástup povrchové pájivémontáže), a dosažení nízké ceny.Je nutné zdůraznit, že povrchová montáž vyžaduje nové typy pouzder pro všechnysoučástky (tj. i pro osvědčené dosavadní typy) i změny sortimentu pasivních součástek.Pro volbu součástek je mnoho hledisek. Je požadovaná funkce, cena, dostupnost,parametry, rozměry atd.Poznámka: Vlastnosti součástek je třeba znát i při opravách přístrojů nebo jejichúpravách či modernizaci. Je třeba rozumět funkci obvodu, vědět, proč je použita ta či onasoučást a jak ovlivňují její vlastnosti celkovou funkci obvodu.V uplynulých čtyřiceti letech od vynálezu tranzistoru prošly polovodičové součástipoměrně rychlým a přitom složitým technologickým vývojem, poznamenaným řadou zvratů,někdy uspěšných více, někdy méně. Germaniové součásti dnes již prakticky zcela opouštímepro jejich malou životnost, špatnou reprodukovatelnost a nevhodnost pro hromadnou výrobu.O úspěchu křemíkových součástí rozhodlo to, že byly nalezeny způsoby masové výroby svelkou výtěžností a velmi dobrou reprodukovatelností.Je zajímavé porovnávat dynamiku vývoje, elektronky potřebovaly asi 30 let, než sejejich technika dobře rozvinula, u tranzistorů na to stačilo jen 10 roků. Vezmeme-li knihu otranzistorech z padesátých let, užasneme, že celá základní teorie byla známá již několik let poobjevu tranzistoru. U integrovaných obvodů byl vývoj ještě rychlejší. Základní řadydigitálních obvodů (SN 74xx) a analogových obvodů (operační zesilovače 709 i 741) známykoncem šedesátých let.Poznamenejme, že i u nás byla výroba a sortiment elektronických součástek do koncešedesátých let na odpovídající světové úrovni. Potom docházelo k zaostávání, protože nebylyprostředky a potřebná mezinárodní spolupráce na rozsáhlé a drahé výzkumné a vývojovépráce.Způsoby charakterizace elektronických součástek prošly poměrně složitým vývojem.Podrobné údaje o jednotlivých součástkách poskytují příslušné konstrukční katalogy výrobců.

Mikroelektronické praktikum 19Ovšem obecné základní vlastnosti jednotlivých skupin prvků je třeba znát (pamatovat si) avyužívat je. Uživatel potřebuje znát parametry součástek ze dvou důvodů:a) potřebuje součástku výstižně a co nejjednodušeji popsat (charakterizovat) a podle tétocharakterizace vybrat pro danou aplikaci (nebo při hledání náhrady při opravě).b) potom při vlastním návrhu potřebuje obvykle podrobnější sady parametrů, a to ještěodlišnou pro:• ruční návrh• počítačový návrhJe pochopitelné, že výrobce může mít snahu uvádět co nejmenší počet parametrů.Objeví-li se totiž parametr v katalogu, je třeba jej dodržovat - protože požadavky aplikací jsounekonečné, je možné, že právě tento parametr bude chtít někdo využít v navrhovanémobvodu. Přitom specifickou stránkou polovodičové výroby je určitý a někdy i značný rozptylparametrů vyráběných součástek. Tento problém se řeší měřením a tříděním, a to často sedvojím cílem:- odstranit („vyzmetkovat“) součástky, které nevyhovují, hovoříme o tzv. výtěžnosti(symbol Y z angl. yield) jako poměru dobrých součástek k celkovému počtu vyrobenýchsoučástek- součástky se třídí do tolerančních tříd (např. rezistory s tolerancí ±20%, ±10%, ±5%atd.) nebo do podtypů (např. dynamické paměti s vybavovací dobou 50 ns, 60 ns a 70 ns)nebo do různých typů (např. tranzistory KC 507, 508 a 509).Nicméně ve světě existují renomované firmy, které vyrábějí součásti s velmi dobřereprodukovatelnými parametry a vydávají velmi podrobné konstrukční katalogy, v nichž lzetéměř vždy nalézt potřebné údaje.Pokud se součást výrobci ekonomicky osvědčí, objeví se její ekvivalent i u řady dalšíchvýrobců. Je zajímavé, že s ekvivalentem součásti se u nových výrobců objevují i ekvivalentykatalogových údajů (často provázené i původními evidentními chybami v grafech nebotabulkách).Třídění součástí v katalozích do skupin je určeno uživatelskými zájmy největšíchodběratelů - spotřební elektroniky a výpočetní techniky a je poznamenáno radiotechnickouminulostí. Diody a tranzistory jsou proto účelově tříděny na silové, nízkofrekvenční avysokofrekvenční; byly k nim dále přidány i spínací. Kromě toho rozlišujeme součásti promalé, střední a velké výkony s málo přesnými hranicemi kolem 0,2 W a 2 W. Běžně se užívajíkřemíkové diody a tranzistory (z GaAs pro vysoké frekvence, germaniové se již nevyrábí). Vkatalogu bývá tež uvedeno třídění: pro všeobecné použítí a pro průmyslové účely, příp. tzv.military provedení. Nejširší použití mají křemíkové součástky pro všeobecné použitíSoučástky pro průmyslové účely se liší buď užšími tolerancemi některého z parametrů nebovětší zaručovanou životností. Obvykle jsou poněkud dražší. Obdobně součástky pro vojensképoužití.Obr. 3.2 ilustruje obvyklé členění elektronických parametrů součástek v katalogu.Běžně jsou uváděny tzv. mezní údaje. Jestliže uživatel zaručí, že nebudou u dané součástimezní údaje nikdy překročeny, výrobce ručí (nejen formálně, ale i hmotně) za její provozníspolehlivost a životnost. Několik málo mezních údajů slouží i uživateli při návrhu obvodů.Jsou to obvykle mezní napětí a proudy. V těchto údajích se u součástí některých výrobcůskrývají velké rezervy na předpokládané výkyvy technologické kázně při výrobě, nepřesnost

20 FEKT Vysokého učení technického v Brněkontrolních a třídicích automatů a podobně. Tak např. ve zbytkových nasycených proudechdiod a tranzistorů může být rezerva až přes dva řády.Druhou skupinou jsou charakteristické údaje. Někdy se týkají jen hlavních aplikací.Často nemohou tyto údaje posloužit ani k porovnání součástí stejného druhu, protože jsouuváděny pro různé provozní podmínky a pracovní bod. Pouze u logických obvodů jsoucharakteristické údaje uváděny pro nejhorší možné pracovní podmínky. U univerzálníchsoučástí pro analogové obvody jsou většinou charakteristické údaje uváděny jen pro vybranépracovní podmínky a při návrhu systému mohou sloužit jen jako údaj informativní, i kdyžjsou pro součást dodrženy uváděné pracovní podmínky. Charakteristickými údaji (tak jak jsouobvykle v katalozích uváděny) uspokojuje výrobce zájem většiny spotřebitelů; tyto údaje všakneposkytují dostatek podkladů pro tvůrčí řešení a návrh obvodu. Výrobce tak víceméně nutíuživatele obvodáře, aby vyhledávali pro svoje řešení v literatuře předlohy tzv. „osvědčenýchzapojení“.Obr. 3.2: Členění parametrů elektronických součástek v kataloguSoučásti podle použití můžeme globálně roztřídit do dvou velkých skupin - na součástispeciální (často jednoúčelové) a na součásti univerzální (víceúčelové). Mezi oběma skupinami

Mikroelektronické praktikum 21neexistuje přesná hranice. Jako speciální myslíme součásti především s „okrajovými“parametry např. diody a tranzistory s malým zbytkovým proudem, skupiny teplotněegalizovaných tranzistorů NPN a PNP, tranzistory JFET pro funkci řízených odporů avstupních zesilovačů, nízkošumové operační zesilovače, dvojice a čtveřice operačníchzesilovačů, moderní monolitické operační zesilovače s přístupnými vnitřními svorkamivhodné k zvětšování rychlosti přeběhu a rozšíření kmitočtového pásma, případně zesilovačevhodné pro funkci zdroje proudu řízeného napětím nebo proudem atd.Někdy se také na pracovišti uživatele součástky měří, zejména:• kontrola souladu hodnot technických parametrů s platnou technickou dokumentací(tzv. přejímací řízení se provádí podle technické dokumentace výrobce součástí; abyse předešlo případným právním sporům o věrohodnosti, provádí uživatel měření napracovišti provedeném téměř shodně s odpovídajícím pracovištěm u výrobce);• zjištění specifických vlastností, nezbytných pro práci v určitém obvodu a za určitýchpodmínek (např. stálost resp. teplotní závislost vybraných technických parametrů,vhodnost k párování, teplotní souběh apod.);• určení rozptylu hodnot, příp. závislostí mezi technickými parametry, které majídominantní význam pro funkci určitého obvodu;• ověření vhodnosti součástky určitého typu pro aplikaci v daném oboru;• prošetření vlastností konkrétní součásti před zabudováním do obvodu.V praxi měření součástek říkáme testování a obecně rozlišujeme testování• parametrické (tj. zjištění číselných hodnot parametrů)• funkční (zjištění, že součástka funguje v daném zapojení, týkalo by se posledníchdvou bodů ve výše uvedeném výčtu).Poznamenejme ovšem, že testování obecně je časově náročné a nutí budovat nákladnápracoviště, často vybavená unikátními přístroji. Proto se snažíme omezit na funkční testy aměření parametrů omezit na minimum. Přesto v řadě případů nelze považovat testovánísoučástek za zbytečný luxus. Podle statistických údajů dosahuje totiž cena nalezení vadnésoučástky zapájené na desce plošných spojů až tisícinásobku ceny součástky.Poznamenejme, že ani detailní měření charakteristik součástek není prosto problémů.Komplikace způsobuje zahřívání součástek vyvolané procházejícím proudem. Měli bychomsprávně rozlišovat dvojí voltampérové charakteristiky, a to charakteristiky snímané staticky,bod po bodu při zachování stálé okolní teploty ϑa, a charakteristiky snímané dynamicky(často impulsně), jejichž průběhy odpovídají stálé vnitřní teplotě součásti. Průběhy získanétěmito dvěma způsoby se mohou (při relativně velké výkonové ztrátě a tím i velkém oteplení)od sebe značně lišit.Elektronické obvody jsou konstrukční útvary vzniklé spojením elektronickýchsoučástek. Jejich dalším účelově zaměřeným seskupováním jsou vytvářeny útvary vyšší -elektronická zařízení, zpracovávající signály buď analogové nebo číslicové (logické),případně obojí. Děje v elektronických (přesněji v elektrických) obvodech lze obecně popsatMaxwellovými rovnicemi. Tento popis však bývá zdlouhavý a nepřehledný, proto jejzjednodušujeme řadou konkrétních pouček a metod, jako jsou např.: I. a II. Kirchhoffůvzákon (metoda uzlových napětí a smyčkových proudů), Theveninův a Nortonův teorém,využití maticového počtu při spojování čtyřpólů (metoda Singorského) a další intenzivně se

22 FEKT Vysokého učení technického v Brněrozvíjející počítačové metody. Tyto metody slouží jako nástroj pro řešení (analýzu, syntézu)elektronických obvodů.Pro rozbor či návrh elektronického obvodu je nutná (jak již bylo uvedeno) znalostchování jednotlivých jeho součástek (parametrů) při působení vnějších vlivů (např. teploty,osvětlení, napájecího napětí, aj.) - respektive jejich změn. Zvláštní problematikou, zejména uobvodů zpracovávajících větší kmitočtové šířky pásma, je kmitočtová závislost reálnýchsoučástek, u kterých musíme uvažovat vliv doprovodných parazitních parametrů. V prvotnífázi návrhu uvažujeme zpravidla ideální chování všech součástek, tj. bez působení vnějšíchvlivů a bez doprovodných parazitních parametrů (kapacit, indukčností...).Jednoznačnou a vyčerpávající klasifikaci součástek a obvodů z hlediska teorie obvodůlze provést jen stěží, provedeme proto jen základní rozdělení. U součástek je to např. podle:a) funkce v obvodu - pasivní (R, L, C), aktivní (zesilovací elektronky, bipolární,unipolární tranzistory, prvky vykazující záporný odpor)b) zapojení v obvodu - dvojpólové (jednobran), vícepólové (n-bran)c) průběhu funkčních charakteristik y = f( x)- lineární ( např. i = f( u) = u R,X = f( ) = LLω ω )- nelineární( i = f ( u ) − dioda,C = f ( u ) − kapacitní dioda, R = f ( υ) − termistorddTNelineární průběhy mohou být nesymetrické vzhledem k počátku funkční soustavyy = f( x)(většina dvoupólových polovodičových prvků), nebo symetrické (např.antiparalelní-sériové zapojení dvou stejných nesymetrických prvků).Rozdělení obvodů:a) Obvody se soustředěnými prvky - jsou obvody sestavené z prvků, jejichžgeometrické rozměry jsou zanedbatelné vzhledem k délce vlny λ zpracovávanéhoelektrického signálu. Těmito prvky jsou běžné elektronické součástky. Elektronickýstav takového obvodu je popsán obyčejnou diferenciální rovnicí.b) Obvody s rozloženými prvky (rozprostřenými parametry). Zde jsou geometrickérozměry prvků srovnatelné s délkou vlny λ zpracovávaných signálů. Tyto prvky,zejména jejich přívody se chovají jako úseky vedení, vlnovody či antény - nebo jejichsoučásti - a matematický popis takového obvodu vede na parciální diferenciálnírovnice.Oba uvedené druhy obvodů mohou vykazovat lineární nebo nelineární závislosty = f( x)závislé (sledované) y veličiny a nezávislé (působící) x veličiny. Zvláštní skupinuobvodů tvoří parametrické, jejichž parametry jsou lineárně závislé např. na čase. Jsoupopsány lineárními diferenciálními rovnicemi s proměnnými, např. časově závislýmikoeficienty (viz. např. parametrické zesilovače).U nelineárních obvodů je parametr alespoň jednoho prvku nelineárně závislý nanezávislé x veličině. Situace v takovém obvodě je popsána nelineární diferenciální rovnicí ajeho řešení se obvykle značně usnadní použitím vhodných grafických metod.dTaj.)

Mikroelektronické praktikum 233.3 Shrnutí kapitolyElektroniku dělíme na a) fyzikálníb) technickác) aplikovanáSoučástkya) Aktivníb) pasivníc) konstrukční a pomocné materiályParametry a) mezní aa) skutečnéab) zaručovanéb) charakteristické ba) hraničníbb) typickéObvodya) se soustředěnými prvkyb) s rozloženými prvky

24 FEKT Vysokého učení technického v Brně4 ZÁKLADY ELEKTROTECHNIKYCíle kapitoly:V této kapitole se studenti seznámí se základními poučkami a pravidlyv elektrotechnice. Další podkapitoly jsou zaměřeny na technické parametry, vzájemnézapojení a další vlastnosti základních pasivních elektronických součástek.4.1 Základní veličiny a vztahy4.1.1 Ohmův zákonZákladními veličinami elektrotechnických obvodů jsou elektrické napětí, elektrickýproud, elektrický odpor a výkon elektrického proudu. Souvislost mezi napětím U, proudem I aodporem R udává základní zákon elektrotechniky, Ohmův zákon:U = R ⋅ I [V; W, A] ( 4.1 )Pro snazší zapamatování můžeme Ohmův zákon znázornit takto:UR ⋅ IV trojúhelníku vždy zakryjeme hledanou veličinu a zbývající dvě v příslušnémuspřádání dávají výsledek, tj.UI= R ⋅ I [V; W, A]U= [A; V, W]RR = U [W; V, A]IJednotkou elektrického odporu je 1 ohm (Ω). Odpor jeden ohm má vodič, kterým přinapětí jednoho voltu protéká proud jeden ampér. Jednotkou tisíckrát větší je 1 kiloohm (kΩ),milionkrát větší je 1 megaohm (MΩ).4.1.2 Jouleův zákonVýkon elektrického proudu určíme ze známého elektrického napětí a proudu zezákladní rovnice (tzv. Jouleův zákon):P = U ⋅ I [W; V, A] ( 4.2 )Podobně jako Ohmův zákon, můžeme i rovnici pro výkon napsat v různých tvarechpodle toho, které ze čtyř základních veličin elektrického obvodu známe. Uveďme si tedy ještědalší rovnice:

Mikroelektronické praktikum 25IU[W; W, A][W; V, W]P= [A; W, W]R= P⋅ R [V;W, W]Poznámka: Ohmův zákon platí nejen pro konstantní stejnosměrný proud (U=R.I), ale ipro okamžité hodnoty proměnného stejnosměrného nebo střídavého proudu (u = R.i) a prokomplexní amplitudy střídavého proudu (U=Z⋅I). Rozměry veličin v hranatých závorkáchnení třeba uvádět, dosazujeme v základních jednotkách, zde jsou uvedeny jen pro ilustraci aopakování.Tyto rovnice používáme i v obvodech střídavého proudu za předpokladu,že obsahují jenčinné odpory R. Uplatnění těchto základních rovnic si ukážeme na několika příkladech.1. Jaký odpor musíme zapojit do obvodu, aby jím při připojení baterie o napětí 12Vprotékal proud 0,6A?Řešení: Dosazením do tvaru Ohmova zákona pro výpočet odporu R dostaneme:R = U I= 1206= 20 Ω .,2. Jaký proud protéká žárovičkou pro osvětlení stupnice rozhlasového přijímače, je-linapětí U = 6,3 V a odpor žárovičky R=13,2 Ω ?Řešení: Z tvaru Ohmova zákona pro výpočet proudu I vypočteme:UI = R= 63 ,13 2= 0, 477 A .,3. Jaký proud protéká žárovičkou, na níž je označení 6 V/3 W?Řešení: Potřebujeme vypočítat proud, známe napětí a výkon; vyjdeme proto ze základnírovnice: P=U.I a proud vypočteme z jejího tvaru:PI = U= 363= 0, 476 A .,4.1.3 Střídavý proud a střídavé napětíOkamžitá hodnota střídavého napětí nebo proudu je dána rovnicíu=Umsinω ti = I sin ωt±ϕm( )( 4.3 )kde U m a I m jsou amplitudy napětí nebo proudu a ϕ je fázový úhel mezi napětím a proudem.Kruhový kmitočet se vypočte ze vztahu

26 FEKT Vysokého učení technického v BrněEfektivní hodnoty střídavého napětí a proudu sinusového průběhu se vypočtou převodnímivztahyU U U m m π= = 2 = Us= 111 , Us2 2 2 2ImImπI = = 2 = Is= 111 , I2 2 2 222= 0,707Střední hodnoty střídavého napětí a proudu sinusového průběhu se vypočtou převodnímivztahy2 2 2Us= Um= Uπ π2 2 2Is= Im= Iπ π20 637π = , .s4.1.4 Výkon střídavého proudua) zdánlivý: Ps = UI[VA; V, A]b) činný: P = UI cos ϕ [W; V, A]c) jalový: Pq = UIsin ϕ [VAr; V, A]Úhel ϕ je fázový úhel mezi napětím a proudem.4.1.5 Kirchhoffovy zákonyAlgebraický součet proudů v uzlu se rovná nule. To znamená, že součet proudů do uzlupřitékajících se rovná součtu proudů z uzlu odtékajících.n∑ I k= 01( 4.4 )Součet napětí v uzavřeném obvodu (smyčce) se rovná součtu úbytků napětí najednotlivých rezistorechn∑Un∑k1 1= R I( 4.5 )kk

Mikroelektronické praktikum 274.1.6 Spojování zdrojůVýsledné napětí řady zdrojů zapojených do série je dáno algebraickým součtemjednotlivých napětí (viz Obr. 4.1)Uv= U1 ± U2 ± ... ± UnObr. 4.1: Zapojení zdrojů do sérieObr. 4.2: Zdroje zapojené paralelněVýsledný proud z několika zdrojů stejného napětí zapojených paralelně je dán součtemjednotlivých proudů (viz Obr. 4.2)Iv= I1 + I2 + ... + InParalelní spojení ideálních zdrojů s rozdílným napětím není definováno. Paralelníspojení reálných zdrojů se stejným vnitřním napětím je možné, pokud možno se mu všakvyhýbáme, protože při malých vnitřních odporech zdrojů tekou mezi nimi velké vyrovnávacíproudy (již při nepatrně odlišných vnitřních napětích).4.1.7 Zdroj s vnitřním odporemZdroj s vnitřním (dříve také nazývaným) elektromotorickým napětím U i (U E ) a vnitřnímodporem Ri (R1) je připojen k zátěži s odporem Rz (R2). Vnější napětí zdroje U (Obr. 4.3)se vypočítá z rovniceObr. 4.3: Zdroj s vnitřnímodporemR1U = UER1+ R2Zdroj odevzdá do zatěžovacího rezistoru největší výkon,bude-li splněna podmínka R1 = R2(Ri= Rz). Platí i vobvodech se střídavým proudem, kde podmínkouvýkonového přizpůsobení vyjadřujeme rovnostíabsolutních hodnot impedancí Z1 = Z2, při čemžmusí být splněna další podmínka X1 =− X2, tj.reaktační složky musí mít opačná znaménka.4.1.8 Sčítání impedancí a vodivostíImpedance prvků spojených do série se sčítají jako vektory. Platí jednoduchý vztah (vizObr. 4.4)Z = Z + Z + ... + ZV 1 2 n

28 FEKT Vysokého učení technického v BrněObr. 4.4: Sériové spojeníObr. 4.5: Paralelní spojeníVodivosti prvků spojených paralelně se sčítají rovněž jako vektory. Platí obdobnývztah (viz též Obr. 4.5)Y = Y + Y ... + YV 1 2 n4.2 RezistoryV elektronice potřebujeme velmi často součástky, které by kladly průtoku elektrickéhoproudu odpor určité velikosti. Tyto součástky se správně jmenují rezistory, v běžné praxi sejim říká zkráceně „odpory“.Rezistory rozdělujeme podle různých hledisek např. na pevné a proměnné, nebodrátové, vrstvové a hmotové. Základem drátových a vrstvových rezistorů je keramickátrubička nebo váleček. Drátové rezistory mají na povrchu navinutý tenký drátek, chráněnýještě vrstvou laku nebo smaltu. Vrstvové rezistory mají nanesenou vrstvu z odporovéhomateriálu, do kterého je vyfrézovaná drážka. Utvoří se tak úzká páska z odporového materiálu- uhlíku, několikrát „ovinutá“ kolem válečku. Pro vysokofrekvenční obvody se vyrábějímetalizované rezistory. Tvoří je vrstva kovového materiálu, nanesená ve vakuu. Vyznačují setím, že mají nepatrnou indukčnost. Povrch všech rezistorů je chráněn lakem před poškozením,někdy má funkci i elektrické izolace (je vždy uvedeno v katalogu).Číselný udaj odporu je vždy vyznačen na povrchu rezistoru (vyjma nejmenších rezistorůpro povrchovou montáž) číselným nebo barevným kódem. Existují dva systémy číselnéhooznačování. V novém systému rezistor 2 Ω je označen 2R0 (dvě er nula), rezistor s odporem2,2 Ω je označen 2R2. Odpor 22 Ω se značí 22R, 220 Ω se značí 220R, atd. Písmeno zdevlastně zastupuje desetinou čárku. Řád tisíců se označuje velkým K, řád milionů M atd. Tentozpůsob označování odporů se užívá i ve schématech. V textu se používá zásadně označenínezkrácené. Na rozměrově větších rezistorech bývá uvedeno i typové označení (Obr. 4.6),např. velké T je zkratka výrobce TESLA, velké R je symbol rezistoru. Následuje trojčíslí,které blíže určuje provedení rezistoru.Další možností (nyní častější) je užití barevnéhokódu. Princip je v uvedené tabulce. Jak pracovat stabulkou barevného kódu?Vůbec nejdříve musíme zjistit, na které straněrezistoru jsou proužky naneseny blíže ke kraji -čepičce. To je levá strana a od ní se stanoví pořadíproužků ke druhému konci. První a druhý proužekzleva udává dvojčíslí, ale neříká nic o řádu, tj. oskutečné velikosti odporu. Toto dvojčíslí můžeObr. 4.6: Vrstvový rezistoruhlíkový s odporem 180 W.Hodnota odporu je značena různýmzpůsobemposloužit k jednoduché kontrole správnosti tím způsobem, že si ověříme, jestli se nachází vtzv. řadě, podle které výrobce stanoví posloupnost vyráběných hodnot odporů (nebo i

Mikroelektronické praktikum 29kapacit). Nenalezneme-li tam naše dvojčíslí, je pravděpodobné, že jsme začali určovat odšpatné strany. Třetí proužek může způsobit hrubý omyl. Abychom se vyhnuli problémůmkolem násobitele, který udává řád čísla, při jeho stanovení, budeme si pamatovat: za dvojčíslípřipíšeme tolik nul, kolik udává číslo ve třetím proužku. Tedy u černé barvy (0) zádnou nulunepřipisovat. U hnědé (1) připsat jednu nulu - násobíme deseti. U černé barvy (2) připíšemedvě nuly - násobíme stem. U oranžové barvy (3) připíšeme tři nuly - násobíme tisícem.Podobně u žluté barvy (4) připíšeme čtyři nuly a stejně postupujeme dále. Přirozeně, taktozískanou hodnotu v ohmech převedeme na kΩ a MΩ. Barvu musíme určit přesně.Tab. 4.1: Tabulka barevného kóduBarva 1.2Číslice3Násobitel4Úchylkastříbrná - 10 -2 ±10%zlatá - 10 -1 ±5%černá 0 1 -hnědá 1 10 ±1%červená 2 10 2 ±2%oranžová 3 10 3 -žlutá 4 10 4 -zelená 5 10 5 ±0,5%modrá 6 10 6 ±0,25%fialová 7 10 7 ±0,1%šedá 8 10 8 -bílá 9 10 9 -(žádná) - - ±20%Čtvrtý proužek udává dovolenou odchylku v procentech. Tento údaj je méně důležitý.Avšak stříbrný nebo zlatý proužek na kraji rezistoru poslouží jako dobrý orientační bod.Rezistor otočíme tak, aby uvedený proužek byl vpravo. Jestliže čtvrtý proužek chybí, pak márezistor povolenou úchylku ±20%. Příklad použití barevného kódu je znázorněn na Obr. 4.7Problémy při určování: někdy jsou na rezistoru jen tři barvy - první proužek je těsně učepičky a nezobrazil se. Pak není jasné, z které strany určovat kód. Jindy dojde k situaci, žejsou sice čtyři barvy, ale stejně daleko od obou krajů. Pak musíme spoléhat na to, že tamobjevíme stříbrný nebo zlatý proužek, který patří zcela vpravo. Na různých ochrannýchbarvách rezistorů (hnědá, šedá, žlutá, zelená), které tvoří zároveň podklad pro barevnéproužky, nevyjdou barvy stejně zřetelně, nebo se nám neurčují stejně snadno. Dobře se určujíbarvy na šedém podkladu.

32 FEKT Vysokého učení technického v BrněVelikost elektrického odporu drátu vypočítáme ze vztahu:lR = ρ ⋅ [W; Wm, m, mm2]. ( 4.6 )SPoznamenejme, že takto vypočtený odpor podléhá změnám při změnách teploty.

Mikroelektronické praktikum 33Příklad: Potřebujeme navinout rezistor o odporu 700 Ω. Máme k dispozici odporovýdrát z konstantanu; jeho průměr je 0,2 mm. Kolik metrů tohoto drátu potřebujeme k navinutížádaného rezistoru?V elektrotechnických tabulkách nebo podle údajů výrobce zjistíme, že měrný odporkonstantanu je r = 0,49 Ωm. Pro výpočet potřebujeme znát ještě průřez drátu S. Vypočteme jejze známého průměru d podle přibližného vztahu: S ≅ 0,785.d 2 = 0,785.0,2 2 = 0,0314 mm 2 .Potřebnou délku drátu již snadno vypočteme; z uvedeného základního vztahuvyjádříme délku l jako:

34 FEKT Vysokého učení technického v BrněR⋅S 700⋅0,0314l = =≅ 44, 9 mρ 049 ,V praxi můžeme použít také nomogramů, jeden z nich je uveden na předchozí stránce.4.2.2 Spojování rezistorůRezistory můžeme vzájemně spojovat (řadit) dvojím způsobem:a) za sebou, čili sériověb) vedle sebe, paralelně.Obr. 4.8: Řazení rezistorů do sérieObr. 4.9: Řazení rezistorů paralelněa) Při tomto spojení je spojen konec předchozího rezistoru s počátkem rezistorunásledujícího (Obr. 4.8)R = R1 + R2 + R3 + ... + R x.Výsledný odpor několika rezistorů, řazených za sebou, se rovná součtu všech těchtoodporů.b) Paralelní spojení rezistorů je na Obr. 4.9, výsledný odpor určíme ze vztahu1 1 1 1 1= + + + ... + ;R R1 R2 R3R xvyjádřeno slovně, převratná hodnota výsledného odporu se rovná součtu převratnýchhodnot dílčích odporů.Z poslední rovnice si můžeme odvodit upravený vztah pro výpočet výsledného odporudvou paralelně spojených rezistorů R 1 a R 2 jako:RV=RR⋅ R+ R1 21 2Příklady: Pro vyzkoušení činnosti napájecího zdroje potřebujeme rezistor RV = 30 kΩ.Takový rezistor nemáme právě po ruce, máme však několik jiných rezistorů, mezi nimirezistory těchto hodnot: R1 = 60 kΩ, (dva kusy), R2 = 10 kΩ, R3 = 5 kΩ, R4 = 15 kΩ. Jak siporadíme?[Ω].

Mikroelektronické praktikum 35První možné řešení nás musí napadnout okamžitě: spojit do série rezistory R 2 , R 3 a R 4 .Jejich výsledný odpor bude: 10 kΩ + 5 kΩ + 15 kΩ = 30 kΩ, což je právě potřebná velikostR V .Druhou možností, při níž vystačíme se dvěma rezistory, je spojit paralelně oba rezistoryR 1 . Podle rovnice pro dva paralelně spojené rezistory si zkontrolujeme (dosazujeme v kΩ):R1⋅R260⋅60RV = = = 30 kΩ ,R + R 60 + 60což je opět hledaná velikost R V .1 2Pro rychlé přibližné zjištění výsledného odporu dvou paralelně spojených R 1 a R 2 jevhodný nomogram na Obr. 4.10. Ukažme si jeho použití na příkladě: R 1 = 500 Ω a R 2 = 750Ω jsou spojeny paralelně. Jaký je výsledný odpor?Na levé šikmé stupnici vyhledáme bod R 1 = 500 Ω a z něj vedeme spojnici k bodu R 2 =750 Ω na pravé šikmé stupnici. Spojnice vytne na střední svislé stupnici (označené R 2 )hledanou velikost výsledného odporu R 2 = 300 Ω.Na nomogramu můžeme také rychle zjišťovat výslednou kapacitu dvou kondenzátorůC 1 a C 2 spojených do série, nebo výslednou indukčnost dvou cívek L 1 a L 2 spojenýchparalelně.4.2.3 Řazení rezistorůkombinovanéČasto se vyskytují případy,kdy je spojení rezistorů velmisložité; několik rezistorů je např.spojeno za sebou, pak s niminěkolik rezistorů paralelně apod.Takové obvody řešíme tímzpůsobem, že postupně převádímespojení na jednodušší obvody, aždojdeme k obvodu, který můžemeřešit způsobem nám známým. Vněkterých případech je třeba použíttzv. transkonfigurace trojúhelníkuna hvězdu.4.2.4 Použití rezistorůObr. 4.10: Nomogram pro výpočet paralelně spojenýchrezistorů či cívek a sériově spojených kondenzátorůV elektronických obvodechpoužíváme rezistory nejčastěji kezmenšení napětí. Např. prokolektor tranzistoru koncovéhostupně potřebujeme jinéstejnosměrné napětí než protranzistory v předzesilovacích

36 FEKT Vysokého učení technického v Brněstupních, jiné napětí zase potřebujeme pro báze tranzistorů atd. V jediném elektronickémpřístroji potřebujeme tedy různě velká napětí a bylo by jistě velmi nepraktické, kdybychomchtěli použít tolik baterií (nebo jiných napájecích zdrojů), kolik různých napětí potřebujeme.V praxi se k napájení přístroje používá nejčastěji jediná baterie, jediný napájecí zdroj a to onejvětším potřebném napětí. Všechna další, menší napětí získáme z napětí zdroje zařazenímrezistorů. Rezistory pro srážení napětí zapojujeme jako tzv. předřadné (srážecí), nebo z nichsestavujeme děliče napětí.Předřadný rezistorZdroj napětí U 1 , které potřebujeme zmenšit o napětí ∆U tak, aby na spotřebiči bylo jižjen napětí U 2 . Do obvodu proto zapojíme rezistor R p tak, aby se na něm přebytečné napětí ∆Usrazilo (Obr. 4.11). Odpor tohoto předřadného rezistoru vypočteme ze vztahu:UR = ∆p[W; V, A].IDělič napětíZákladní zapojení děliče napětí je naznačeno na Obr. 4.12a. Základní typ děliče tvořídva rezistory R 1 , R 2 , na které je připojeno celkové napětí U 2 . Zmenšené napětí U 2 se odebírá zrezistoru R 2 .Velikost napětí na odbočce děliče bez odběru proudu se vypočte podle rovnice:UR22= U1[V; V, W].R1+ R2Odebíráme-li z děliče proud I 2 , bude jeho výstupní napětí menší než napětí naprázdno(tj. bez odběru proudu). Velikost napětí U 2 na odbočce děliče pro odběr proudu I 2 vypočtemez rovnice:U U R RRIR U R I21 21−1 22= −2=2[V; W, A].R1 + R2R1 + R2R1 + R2Zapojení děliče s vyznačenými obvodovými veličinami při odběru proudu I 2 je na Obr.4.12b.Obr. 4.11: Předřadný rezistorObr. 4.12: Dělič napětíPříklad: Na dělič napětí sestavený z rezistorů R 1 = R 2 = 30 kΩ je připojeno napětí U 1 = 200 V.Máme vypočítat napětí na odbočce děličea) bez připojené zátěže, tj. bez odběru proudu,

Mikroelektronické praktikum 37b) s připojenou zátěží odebírající proud I 2 =2 mA.Nejprve určíme napětí na odbočce děliče bez odběru proudu:U= U2 1RR2+ R1 2330⋅10= 20030⋅ 10 + 30⋅103 3= 100 V .Napětí, které bude na odbočce děliče při odběru proudu 2mA, vypočteme takto:U R U − R I2=2R + R1 1 21 230 103= ⋅ ⋅200 −30⋅10 ⋅2 ⋅103 −330⋅ 10 + 30⋅103 3= 70 V .4.2.5 MůstekMůstek je vyrovnán, jsou-li napětí v bodech A a B stejně veliká (Obr. 4.13), tj. je-limezi body A a B nulové napětí. Tento stav nastane tehdy, jsou-li splněny poměry odporu větvípodle dalších vztahů:R : = R1R2R3:R : = R1R3R2:Pak lze určit neznámý odpor, např. Rx = R 1, ze známých odporů ostatních větví a přivyrovnaném můstku podle vztahuRRRx = R1=R2 3444.( R R )( R R )1 2 3 4Vyrovnaný můstek představuje pro zdroj zatěžovací odpor R = + +mR + R + R + Rza předpokladu R1 = R2 = R3 = R4= R je výsledný odpor můstku Rm = R.Při porušení rovnováhy vznikne mezi body A a B napětí.UG=UR1R + R1 2−URR3+ R3 41 2 3 4aObr. 4.13: Můsteknapětí.V bezprostřední blízkosti stavu rovnováhy je poměrnázměna napětí mezi body A a B vzhledem k napájecímu napětídána vztahemdUUG= 025 ,dRRtakže při změně odporu R x , např. 1%, se napětí mezi bodyA a B změní o 0,25%, U, tj. o 0,25 mV na každý volt napájecíhoJe-li můstek napájen střídavým proudem, musí být splněna podmínka rovnosti napětí vbodech A a B co do velikosti i fáze. Proto je měření se střídavým můstkem složitější axx

38 FEKT Vysokého učení technického v Brnězpravidla vyžaduje dva úkony. Nejprve se vyrovnají reálné složky impedancí ve větvíchmůstku a pak se vyrovnávají imaginární složky. Celý postup se několikrát opakuje, aby sesplnily požadované podmínky.4.2.6 Závislost odporu s teplotouMěrný odpor se mění s teplotou podle vztahu2( 1 ∆ ∆ )ρ = ρ + ϑα ϑ +0β ϑkde ρ ϑ je měrný odpor při teplotě ϑ [°C], ρ 0 při výchozí (nulové) teplotě a ∆ϑ jeoteplení, vztažené k výchozí teplotě. Konstanty α,β závisí na druhu materiálu.V malém rozsahu teplot platí jednodušší závislost( )ρϑ = ρ01+α∆ϑPro změnu odporu v závislosti na teplotě platí analogickyRϑ= R +( α∆ϑ)Ježto v praxi vycházíme z odporu při 20 °C, upraví se tím předchozí vztah ve tvarRϑ01[ αϑ ( )]= R 1 20+ − 20a pro měděné dráty, kde a = 0,00393, vzniká vzorecRϑ[ 1 0 00393( ϑ 20)]= R + , − [W; W, °C]20kde ϑ je teplota vodiče [°C].Pro výpočty odporu tepelného vinutí, určení teploty vinutí z přírůstku odporu a určeníměrného odporu drátu při 20°C z měření při jiné teplotě okolí jsou vhodné poměrné vztahy:ϑRϑ234,5+ϑ=R20254,5Rϑ− R− ϑ = 254,5R2 12 ϑ1ϑ1R20 254,5=R 234,5+ϑϑ[°C]K snadnému přepočítání naměřeného odporu mědi na odpor při 20°C slouží poměry vtabulce Tab. 4.3.

Mikroelektronické praktikum 39Tab. 4.3: Teplotní závislost měděného vodiče4.2.7 Proměnný rezistorV elektrickém obvodu často potřebujemeodpor plynule měnit. Pro tento účel se vyrábějíproměnné rezistory. Od firmy TESLA se značívelkými písmeny TP a následným trojčíslím.Toto trojčíslí za písmeny určuje druhproměnného rezistoru. Podle velikosti odporu,ale hlavně podle dovoleného zatížení,rozlišujeme proměnné rezistory drátové avrstvové. Na kruhové destičce z izolačnípodložky je nanesena černá vrstva odporového Obr. 4.14: Proměnný rezistor (drátový) amateriálu, po které se pohybuje běžec (jezdec) jeho schématická značkaspojený s hřídelem. Při otáčení hřídele se běžecdotýká v jedné krajní poloze začátku odporové dráhy, v druhé krajní poloze konce dráhy.Proměnnost odporu se docílí otáčením hřídele, někdy je třeba použít šroubováku, potomhovoříme o nastavitelných rezistorech (trimrech). Proměnný rezistor může být trojpólem(potenciometr) nebo dvojpólem (reostat).4.3 KondenzátoryZákladní vlastností kondenzátorů je schopnost jímat elektrické náboje. Je definovánaveličinou zvanou kapacita C. Jednotkou kapacity je farad F; v běžné praxi se však setkávámevýhradně s mnohem menšími kapacitami, které udáváme v mikrofaradech µF (10 -6 F), vnanofaradech nF (10 -9 F) nebo v pikofaradech pF (10 -12 F).Kondenzátor je nejčastěji tvořen dvěma kovovými elektrodami, oddělenými od sebetenkou vrstvou izolantu (např. papírem, slídou, sklem nebo vzduchem). Této izolační vrstvěříkáme dielektrikum. U běžných kondenzátorů bývá většinou dielektrikem papírimpregnovaný olejem; kovové elektrody jsou vytvořeny dvěma pásky (tzv. polepy) tenké

40 FEKT Vysokého učení technického v Brněhliníkové fólie. Pásky impregnovaného papíru spolu s pásky hliníkové fólie jsou pak stočenydo svitku a uloženy do krytu.Používáme také kondenzátory s dielektrikem vzduchovým, slídovým, keramickým nebokondenzátory elektrolytické, v nichž jednou elektrodou je vodivá kapalina (elektrolyt) adielektrikem je tenká vrstva kysličníku, tvořící se elektrochemickými pochody na hliníkovéelektrodě.Připojíme-li vývody kondenzátoru ke zdroji stejnosměrného elektrického napětí, nabijese jedna z elektrod kladně a druhá záporně. Při zapojení vznikne velký nabíjecí proud a dosud"prázdný" kondenzátor se začne nabíjet. Tím se jeho napětí zvětšuje, postupně se vyrovnávározdíl napětí elektrod a napětí zdroje, nabíjecí proud se zmenšuje. Když se napětí nakondenzátoru vyrovná napětí zdroje, je kondenzátor plně nabit, má plný elektrický náboj anabíjecí proud zcela ustane. Ideální kondenzátor si ponechá svůj náboj (napětí), i když jejodpojíme od zdroje, z něhož byl nabit. Ve skutečnosti se však napětí na kondenzátoruzmenšuje, protože izolant (dielektrikum) není dokonalý, nemá nekonečný izolační odpor akondenzátor se velmi pomalu vybíjí přes vlastní dielektrikum.O tom, jak velký náboj pojme kondenzátor při určitém napětí, rozhoduje jeho„jímavost“, kapacita. Kondenzátor s větší kapacitou pojme při stejném napětí větší elektrickýnáboj, než kondenzátor s malou kapacitou. Kapacitu označujeme písmenem C a měříme ji vjednotkách, kterým říkáme farady a značíme F. Kondenzátor, který by se nabil proudem 1 Ana napětí 1 V za 1 s, by měl kapacitu 1 F. To je ovšem velmi velká kapacita a protopoužíváme v elektrotechnice jednotky menší.Na každém kondenzátoru bývají označeny potřebné údaje pro jeho používání. Je topředevším kapacita kondenzátoru. Ta bývá na kondenzátorech vytištěna číslem s připojenímjednotky např. 100 pF, 10 nF, 0,1 µF atd. Dále je zde označeno napětí, např. 1500 V, cožznamená, že na kondenzátor může být přiloženo stejnosměrné napětí 1500 V. Chceme-li určit,jak velké střídavé napětí lze na kondenzátory přiložit bez jejich poškození, postupujeme takto:jak víme, jako střídavé napětí se uvádí obvykle efektivní hodnota, špičková hodnotaefektivního napětí je Uef2 = 141 , ⋅Uef. Kdybychom tedy na kondenzátor, určený prostejnosměrné napětí 1 500 V, přivedli střídavé napětí 1500 V (efektivní hodnota), bylo by najeho vývodech napětí U max = 1,41·1500 = 2121 V; kondenzátor by se mohl prorazit. V praxiplatí jednoduché pravidlo: kondenzátory nezatěžujeme střídavým napětím větším, než je 1/3označeného zkušebního napětí (při síťovém napětí 220V používáme tedy kondenzátorynejméně na 600V, raději však na 1000 V).U elektrolytických kondenzátorů bývá udáno tzv. provozní napětí, které nesmí býtpřekročeno, neboť by se kondenzátor probil a tak zničil.Kapacita kondenzátoru je vždy vytištěna na jeho povrchu (kromě nejmenších typů proSMT). Při běžné výrobě není možno vyrobit kondenzátory s přesnými kapacitami, ani udávatskutečnou kapacitu na každém kondenzátoru zvlášť (bylo by třeba každý zvlášť měřit). Protose uvádějí výrobní tolerance (elektrolytické kondenzátory mají tolerance -10% až +100%,papírové kondenzátory 5 až 50% atd.).4.3.1 Řazení kondenzátorůKondenzátory, podobně jako rezistory, můžeme řadit dvojím způsobem:a) za sebou, sériově,b) vedle sebe, paralelně.

Mikroelektronické praktikum 41Obr. 4.15: Řazení kondenzátorů do série Obr. 4.16: Řazení kondenzátoru paralelněPři sériovém zapojení je spojen konec předchozího kondenzátoru s počátkemkondenzátoru následujícího (Obr. 4.15); výsledná kapacita1 1 1 1= + + ... +C C1 C2C xslovně převratná hodnota výsledné kapacity je rovna součtu převratných hodnot dílčíchkapacit. Paralelní zapojení je na Obr. 4.16, výsledná kapacita je součtem dílčích kapacitC= C1 + C2 + ... C xDo obou vztahů musíme dosazovat kapacity jednotlivých kondenzátorů vždy vestejných jednotkách, tedy např. všechny v pF nebo všechny v µF. Při srovnání s rezistoryvidíme, že uvedené vztahy mají formálně obrácený tvar. Pro rychlé určení výsledné kapacitydvou kondenzátorů spojených do série lze použít nomogram na Obr. 4.10.Teplotní závislost výsledné kapacitySpojíme-li dva kondenzátory s kapacitami C 1 a C 2 , jejichž teplotní závislosti jsou k 1 ak 2 , do série nebo paralelně, bude teplotní závislost výsledné kapacity takovéhoto zapojenídána vztahem:Sériové zapojení:Paralelní spojení:4.3.2 Ztrátový činitelkkv=v=CkC+ Ck+ C1 2 2 1CkC1 2+ Ck+ C1 1 2 21 2Vlivem ztrát v kondenzátoru se zmenšuje fázový úhel mezi napětím a proudem z 90° na90°-δ, kde δ je tzv. ztrátový úhel. Ztráty v kondenzátoru se počítají ze vzorceP = U 2 ωCsin δ[W; V, F]Účinky ztrát v kondenzátoru zpravidla nahrazujeme ztrátovým odporem, který lzezapojit do série nebo paralelně (viz Obr. 4.17). Z vektorového diagramu pro oba možné

42 FEKT Vysokého učení technického v Brnězpůsoby zapojení ztrátového odporu lze pak snadno odvodit tangentu ztrátového úhlu, čili tzv.ztrátového činitele kondenzátoru tg δ. Platí tyto vztahy:pro sériové spojení: tg δ = R ωCpro paralelní spojení:stg δ =RPřevádíme-li navzájem obě uvedené zapojení ztrátového odporu, použijeme těchtovztahů:CCRRspsp= C += C= Rpsp= Rs2( 1 tg δ)121+tg δ2tg δ21+tg δ21+tg δ2tg δps1ωCp.Obr. 4.17: Sériové a paralelní náhradní zapojení kondenzátoruLze také spočítat ztrátový činitel kondenzátorů spojených do série nebo paralelně.Pro dva kondenzátory zapojené do série platítg δ1Cs2 + tg δ2Cs1tg δ =Cs1+ Cs2a pro dva kondenzátory zapojené paralelně platíCp1tg δ1+ Cp2tg δ2tg δ =C + C4.3.3 Barevné značení kondenzátorůp1 p2Barevné značení kondenzátorů je méně časté než u rezistorů. Asi nejčastěji je vidíme upolštářkových kondenzátorů. Proužky počítáme „odshora“, tj. ze strany, kde nejsou vývody.U kondenzátorů válcovitého tvaru někdy je první proužek blíže k okraji tělesasoučástky. U elektrolytických kondenzátorů se tento první proužek kromě toho umístí blížezáporného pólu a u ostatních kondenzátorů blíže vývodů vnější fólie (mívají také delšídrátový vývod). Existují i systémy s několika barevnými tečkami.Základní jednotkou pro barevné kódování kapacit elekrolytických kondenzátorů je 1 µF,u ostatních kondenzátorů 1 pF.

Mikroelektronické praktikum 434.3.4 Kapacitní odporKondenzátor se chová různě v obvodech stejnosměrného elektrického proudu a vobvodech střídavého elektrického proudu. Základní rozdíl spočívá v tom, že klade průtokutěchto proudů různý odpor.Průtoku stejnosměrného proudu klade kondenzátor nekonečně velký odpor. Toznamená, že kondenzátor stejnosměrný proud v ustáleném stavu prakticky nepropouští.Střídavý elektrický proud může kondenzátorem protékat, kondenzátor však klade jehoprůtoku určitý odpor, který označujeme jako kapacitní odpor nebo kapacitní reaktanci X C .Velikost tohoto odporu závisí na kmitočtu střídavého proudu a na velikosti kapacitykondenzátoru. Vypočte se ze vztahu:1XC= [Ω; Hz, F]2πfCDalší charakteristickou vlastností kondenzátorů je, že napětí a proud kondenzátorunejsou ve fázi (jako je tomu u rezistorů), ale že při harmonickém průběhu (tj. sinusovém)proudu protékajícím kondenzátorem fázově předbíhá napětí na kondenzátoru o 90°.Ze základních vlastností vyplývá i typická možnost praktického využití kondenzátorů.Vzhledem k tomu, že kondenzátory nepropouštějí stejnosměrný proud, zatímco střídavý jimiprotéká, můžeme je výhodně použít k oddělení střídavého proudu od stejnosměrného v těchobvodech, kde se oba druhy proudu vyskytují.Příklad: Jak velkou kapacitní reaktanci představuje kondenzátor o kapacitě C = 2 µF prostřídavý proud o kmitočtu f = 50 Hz?Ze vztahu pro kapacitní reaktanci vypočteme:11XC= = ≅ 1590 ΩfC ⋅ ⋅ ⋅ ⋅−62π 2 314 , 50 2 104.4 CívkyZákladní vlastností cívek je jejich vlastní indukčnost L. Jednotkou indukčnosti je henryH; tisícinou henry je milihenry mH, miliontinou mikrohenry µH. Podle provedení se cívkydělí do dvou velkých skupin: na cívky bez jádra (tzv. vzduchové) a na cívky s jádrem.Konstrukční údaje k sestrojení cívek, pokud jde o jejich indukčnost: s počtem závitůrostou ztráty v cívce; železné jádro působí další ztráty vířivými proudy, vznikajícími v železe.Velký průměr cívky znamená sice menší počet závitů (pro tutéž indukčnost) a tím úsporudrátu, ale velká cívka zabírá příliš mnoho místa a tím se musí při konstrukcích obvykle šetřit.Kromě toho má velká cívka velké magnetické rozptylové pole, které působí na sousednísoučástky.Pokud jde o tvar průřezu cívky, je nejvýhodnější průřez kruhový, neboť má při stejnéploše nejmenší obvod (je tedy menší jednak spotřeba drátu a jednak činný odpor cívky, kterýznamená opět ztráty a zhoršení jakosti cívky). Je-li kostra cívky, na níž jsou navinuty závity,ze špatného izolantu, jsou vzniklé ztráty poměrně značné. Ke ztrátám dochází i vlivem vlastníkapacity cívky. Je to kapacita mezi závity a především kapacita mezi vrstvami vinutí u cívek světším počtem závitů. Tato kapacita se paralelně přiřazuje např. ke kapacitě ladicíhokondenzátoru a zmenšuje zesílení signálů vyšších kmitočtů. Při výrobě cívky závisí výsledek

44 FEKT Vysokého učení technického v Brnětedy na materiálu, z něhož se cívky vyrábějí (vodič a kostra cívky) a na způsobu vinutí cívky.Cívky jsou dvojího druhu:a) jednovrstvové,b) několikavrstvové.Jednovrstvové cívky se používají v laděných obvodech pro krátké vlny, neboť v těchtoobvodech potřebujeme obvykle malé indukčnosti, počet závitů je tedy malý. Obvykle se tytocívky vinou z měděného lakovaného vodiče nebo z měděného vodiče, opředeného hedvábím(o průměrech 0,5 až 1 mm i více). Při větším průměru vinutí (nad 2 mm) se obvykle používáholý drát. Jsou to pak cívky bez kostry, tzv. cívky samonosné.Potřebnou indukčnost cívky vypočítáme z upraveného Thomsonova vzorcevětšinou se setkáváme s úpravouf=12π LC[Hz; H, F]25 330L = ,2f Ckde L je hledaná indukčnost [mH], f pracovní (např. přijímaný) kmitočet [MHz] a C jekapacita ladicího kondenzátoru [pF].Dnes se však používají nejvíce cívky s feritovým jádrem (dříve to byla železová jádra).Jádrem lze měnit indukčnost v mezích asi 5 až 10 %. Vsouváním jádra se indukčnost zvětšuje,vysouváním zmenšuje.Několikavrstvové cívky, tzn. cívky s několika vrstvami závitů na sobě, se používají proladěné obvody k příjmu středních a dlouhých vln, pro mezifrekvenční filtry avysokofrekvenční tlumivky. Nejvíce se používají cívky s tzv. křížovým vinutím. Závityvineme klikatě na kostře cívky tak, že následující závit je posunut před nebo za předchozízávit a ponechává se mezi nimi mezera asi v tloušťce drátu. Závity se vzájemně křižují adotýkají se pouze v místech křížení a nikoli v celých plochách (jako při válcovém vinutí závitvedle závitu). Tím se zmenší vlastní kapacita cívek. Jiným způsobem vinutí je tzv. divokévinutí. Závity se vinou v podstatě stejně jako u křížového vinutí, avšak neuspořádaně,nepravidelně.Vysokofrekvenční tlumivky jsou v podstatě cívky s velkým počtem závitů, kterépoužíváme pro laděné obvody. Slouží hlavně k zabránění průchodu signálu o určitémkmitočtu, např. signálu vysokého kmitočtu u zpětné vazby.Zvláštním druhem cívek jsou feritové antény. Cívky tohoto druhu se navíjejí tak, aby conejčastěji obepínaly feritovou tyčku, aby se však s nimi mohlo po tyčce snadno pohybovat (tj.nejsou navinuty po celé délce feritové tyčky).Např. středovlnné cívky na feritové anténě jsou jednovrstvové, závit vedle závitu těsněvedle sebe. Ladící vinutí mívá kolem 70 závitů (někdy i více), vazební vinutí pro připojení kbázi tranzistoru např. 5 až 8 závitů.4.4.1 Řazení cívekStejně jako odpory a kondenzátory, můžeme i cívky spojovat do série a paralelně(uvažujeme nejprve, že nejsou vázány indukčně).

Mikroelektronické praktikum 45Výslednou indukčnost několika cívek spojených do série vypočteme ze vztahu:Lv= L1 + L2 + ... + Lx,tj. výsledná indukčnost je dána součtem indukčností jednotlivých cívek zapojených do série.K výpočtu paralelně spojených cívek slouží vztah:1 1 1 1= + + ... +LVL1 L2Lxtj. převrácená hodnota výsledné indukčnosti je dána součtem převrácených hodnotindukčností jednotlivých cívek zapojených paralelně. Tyto vztahy jsou formálně shodné jakopro rezistory. Do obou vztahů musíme dosazovat všechny indukčnosti ve stejných jednotkách,tedy např. všechny v H, mH nebo µH. Pro rychlé určení výsledné indukčnosti dvou paralelněspojených cívek lze použít nomogram na Obr. 4.10.4.4.2 Ztráty v cívceVlivem ztrát v cívce se zmenšuje fázový úhel mezi napětím a proudem z 90° na 90° - δ,kde δ je tzv. ztrátový úhel. Účinky ztrát v cívce nahrazujeme ztrátovým odporem, který lzezapojit do série nebo paralelně (viz Obr. 4.18). Z vektorového diagramu pro oba možnézpůsoby zapojení ztrátového odporu lze pak snadno odvodit tangentu ztrátového úhlu, čili tzv.ztrátového činitele tg δ. V praxi se místo ztrátového činitele cívky používá převrácenéhodnoty Q = 1/ tg δ a hodnota Q se nazývá činitel jakosti cívky. Platí vztahy:1tg δ= Q =ωLRsspro sériové spojení1tg δ= Q =R pωLppro paralelní spojeníPřevádíme-li navzájem obě uvedená zapojení ztrátového odporu, použije se těchtovztahů:L2QLs= Lp2Q + 1R = R + QRpps⎛ 1 ⎞= Ls⎜1+⎟2⎝ Q ⎠= Rsp2( 1 )11+Q2Obr. 4.18: Sériové a paralelní náhradní zapojení cívky

46 FEKT Vysokého učení technického v Brně4.4.3 Induktivní odporCívka klade různě velký odpor průtoku stejnosměrného a střídavého elektrickéhoproudu. Průtoku stejnosměrného proudu klade jen činný odpor vodiče, jímž je navinuta, tj.odpor daný vztahem známým již z kapitoly o rezistorech. Průtoku střídavého proudu kladecívka tzv. induktivní odpor (induktivní reaktanci) X L . Velikost tohoto odporu závisí nakmitočtu střídavého proudu a na velikosti vlastní indukčnosti cívky L. Vypočte se podlevztahu:XL= 2π fL [Ω; Hz, F]Při harmonickém průběhu napětí na cívce předbíhá proud o 90°, tedy obráceně než ukondenzátoru, kde proud předbíhá o 90° napětí.Příklad: Jak velkou induktivní reaktanci představuje cívka o indukčnosti L = 100 µHpro střídavý proud o kmitočtu 450 kHz ?Řešení: Ze vztahu pro induktivní reaktanci vypočteme:3 −6XL= 2π fL = 2⋅314 , ⋅450⋅10 ⋅100⋅ 10 = 282, 6 Ω .4.4.4 Shrnutí podkapitolyOhmův zákon U = R ⋅ I [V; W, A]Jouleův zákon P = U ⋅ I [W; V, A]Kirchhoffovy zákony 1.KZ: ∑ I k= 0n1n∑2.KZ: U = R In∑k1 1Seriové spojení prvků impedančního charakteruZ = Z + Z + ... + ZV 1 2 nParalelní spojení prvků admitančního charakteruY = Y + Y ... + YDělič napětí bez odběru prouduDělič napětí s odběremUV 1 2 nR22= U1[V; V, W].R1+ R2U U R 22=R + R1 2− I2RRR1 2+ R1 2Teplotní závislost odporu ρ = ρ ( + α ϑ + 2ϑ 01 ∆ β∆ϑ )kkR U −=R I2R + R1 1 21 2[V; W, A].

Mikroelektronické praktikum 475 ZÁKLADY POLOVODIČOVÉ TECHNIKYCíle kapitoly:V této kapitole se studenti seznámí s různými typy polovodičových diod, jejichvlastnostmi, V-A charakteristikami a základními zapojeními. Další podkapitola se zabývábipolárními tranzistory a jejich vlastnostmi, pouzdřením a značením,měřením a zkoušením.V poslední hlavní podkapitole jsou uvedeny funkce a vlastnosti unipolárních tranzistorů.5.1.1 Přechod PNVýchozím materiálem pro výrobu většiny běžných polovodičových součástek jegermanium a křemík. Rozdělíme-li si pevné látky podle elektrické vodivosti zhruba do třískupin, na vodiče s měrnou vodivostí od l06 do 103 Ω -1 cm -1 , polovodiče s měrnou vodivostíod 103 do 10-9 Ω -1 cm -1 a izolanty s měrnou vodivostí od 10-9 do 10-20 Ω -1 cm -1 , patří provýrobu dostatečně čisté germanium a křemík do skupiny polovodičů až izolantů.Měrný odpor polovodičů závisí na mnoha činitelích, např. na teplotě (s přibývajícíteplotou se měrný odpor zmenšuje, což je, jak dále uvidíme, dosti nepříjemné); dále je měrnýodpor závislý např. na osvětlení. Tohoto jevu je využíváno pro výrobu světlocitlivých prvků.Je-li polovodičový prvek vysoce čistý, je jeho vodivost malá, protože jeho krystalická mřížkaje plně obsazena.Do takto připraveného materiálu se přidá stopové množství prvku s „přebytkem“elektronů (např. antimon nebo arzén, obecně donory), nebo s „nedostatkem“ elektronů (např.indium a galium, obecně akceptory. V prvním případě vznikne polovodič typu N, tj. selektronovou vodivostí. V druhém případě pak polovodič typu P neboli s děrovou vodivostí.Tedy přidáním pětimocného prvku vzniknou v krystalu slabě vázané elektrony. Tytoelektrony se přiložením napětí pohybují a na jejich místě vznikají tzv. "díry", které zasezaplňují další elektrony atd. Tím vzniká v polovodiči proud. Vodivost je způsobenapřebytkem elektronu, říkáme jí tedy vodivost elektronová, negativní, typu N.Přidáním trojmocného prvku dochází naopak k vytvoření nosičů kladného náboje, tzv.děr. Tato vodivost se nazývá děrová, pozitivní, typu P. V místě styku materiálu vodivosti P aN vzniká přechod PN. Tento přechod je základem téměř všech polovodičových součástek.Bude nás tedy zajímat, jak se bude chovat krystal, jehož jedna část vykazuje vodivost P,zatímco druhá vodivost N (přechod PN), když k oběma částem přiložíme elektrické napětípodle Obr. 5.1., tj. přiložili jsme kladné napětí na oblast P a záporné napětí na oblast N.Jestliže toto napětí bude větší než 0,4 V u germaniového krystalu nebo 0,7 V u křemíkovéhokrystalu, pak přes krystal (přechod PN) začne protékat proud.Vysvětlení je prosté. Kladný potenciál zdroje odpuzuje kladné díry směrem k oblasti Na současně z druhé strany záporné napětí odpuzuje elektrony do oblasti P. Přechod PN jenáhle zaplaven pohyblivými nosiči nábojů, takže jeho odpor se značně zmenší. Říkáme, žepřechod PN je polarizován v propustném směru a prochází jím proud (mnemotechnika:propustný směr - plus na P). Není těžké si představit co se stane, když póly zdroje obrátíme.Kladný pól nyní směřuje k oblasti N, záporný pól k oblasti P. V tomto případě napětí zdrojeneodpuzuje nosiče od elektrod, nýbrž naopak je přitahuje. Zároveň se oddalují náboje odpřechodu PN (Obr. 5.2). Kladný pól jakoby přitahoval záporné elektrony a záporný pólnaopak díry. Proud přechodem PN téměř neprochází. Říkáme, že přechod PN je polarizován vzávěrném směru. Nepatrnému proudu, který přece jen vždy prochází přechodem, říkáme

48 FEKT Vysokého učení technického v Brnězávěrný proud. Je způsoben rekombinací minoritních elektronů a děr. - Spojením dvou oblastíopačných vodivostí vzniká tedy jakýsi ventil, který v jednom směru propouští proud, vdruhém směru proud nepropouští (jinými slovy v jednom směru má větší vodivost oprotisměru druhému). Tento jen se nazývá také usměrňovací jev nebo diodový jev.Obr. 5.1: Přechod PN polarizovaný vpropustném směru: kladný pól zdroje napětípřipojen k oblasti P, záporný pól zdroje napětípřipojen k NObr. 5.2: Přechod PN polarizovaný vzávěrném směru: kladný pól zdroje napětípřipojen k oblasti N, záporný pól zdrojenapětí připojen k oblasti P5.2 Polovodičové diodyNejjednodušším polovodičovým prvkem je dioda. Na Obr. 5.3 je nakreslena v řezuplošná dioda a její schematická značka. Stykem polovodiče typu N a P vznikne již zmíněnýpolovodičový přechod. Bez přivedeného napětí je vnitřní potenciál styku obou polovodičůvyrovnán a dioda se navenek chová jako kondenzátor s konečným svodovým odporem(jakostí). Podstatou činnosti diod je usměrňovací jev. Tento jev je způsoben větší vodivostí vjednom směru oproti směru druhému.Zopakujeme: Připojí-li se k diodě vnější stejnosměrné napětí tak, že kladný pól jepřipojen k polovodiči typu P, zvětší se potenciální rozdíl na přechodu a diodou proud téměřneprochází. Říkáme, že dioda je polarizována v závěrném směru. V opačném případě diodavede (říkáme, že je polarizována v propustném směru nebo také v předním směru). Tétovlastnosti diody se využívá k usměrňování.Obr. 5.3: Polovodičová dioda: a) orientace obvodových veličin, b) ampérvoltovácharakteristika, c) indexy proudů a napětí pro propustný a závěrný směr (F = forward, R =reverse)

Mikroelektronické praktikum 49Základní vlastnosti diod se dají nejlépe znázornit na jejich voltampérovýchcharakteristikách. Typický průběh statické charakteristiky diody je na Obr. 5.3b.Charakteristika má dvě části: závěrnou část a propustnou část.Zvyšuje-li se kladné napětí na anodě diody nad několik desetin voltu, proud diodouprudce roste. Je-li dioda polarizována v závěrném směru, její závěrný proud je o několik řádůmenší než v propustném směru a se zvyšujícím se napětím roste. Pokud se nepřekročídovolené závěrné napětí diody, je závěrný proud vůči propustnému zanedbatelný.Na Obr. 5.4je typický průběh voltampérové charakteristiky křemíkové diody, která jecharakteristická kolenem v závěrné části. Vidíme, že diodou teče v závěrném směru velmimalý proud, pokud se ovšem nepřekročí napětí kolena charakteristiky (průrazné napětí).Zvětšuje-li dále napětí, zvětšuje se i proud a to až do úplného zničení diody (pokud není proudomezen vnějším rezistorem). Napětí „kolena“ a napětí průrazné se u křemíkových diodprakticky neliší. V propustné části charakteristiky je důležitý zejména mezní propustný proud.Je to největší střední proud, jakým můžeme trvale zatěžovat diodu při stanoveném chlazení.Krátkodobá proudová přetížitelnost křemíkových diod je značně velká. V závěrném směruvšak můžeme diodu zničit výkonem daleko menším. Je to tím, že v propustném směru seproud rozdělí na celou plochu destičky rovnoměrně, kdežto v závěrném směru je prousoustředěn do nejslabšího místa přechodu. Tím dojde k místnímu přehřátí (až k protavení)systému diody. Tento jev je odstraněn u tzv. lavinové diody. Překročí-li u lavinové diodyzávěrné napětí velikost průrazného napětí, začne protékat diodou značný proud, aniž by sezničila. Je to způsobeno tím, že u diody dojde k lavinovému průrazu v celé ploše přechodu,takže není možno její systém lokálně přehřát - výkon se rovnoměrně rozdělí na celý systémdiody.Obr. 5.4: Ampérvoltová charakteristikakřemíkové diody Obr. 5.5: Srovnání ampérvoltovýchcharakteristik vyrobených z křemíkuDiody jsou různé a v mnohém se od sebe liší. Není lhostejné, z jakého materiálu a jakoutechnologií (postupem výroby) je taková dioda vyrobena. Jedno však mají společné a platí topro všechny diody bez výjimky: Do určitého malého napětí, řádově desetiny voltu, žádnádioda proud nevede. Dříve se užívaly i diody ze selenu a z germánia. Křemíkové diody majíobecně lepší vlastnosti pro aplikace, snad až na větší úbytek napětí v propustném směru, vizsrovnání na Obr. 5.6.Měření diod můžeme rozdělit na měření orientační (zkoušení - zjištění změn funkcediody) a měření jednotlivých základních parametrů. Zda dioda není zcela zničena, lze zjistitsnadno podle Obr. 5.7.

50 FEKT Vysokého učení technického v BrněObr. 5.6: Zkoušení diodObr. 5.7: Měření závěrné charakteristikyZapojíme-li diodu do obvodu, baterie a žárovky podle Obr. 5.6a, musí žárovka svítit.Nesvítí-li, je dioda přerušena. Zapojíme-li diodu podle Obr. 5.6b, nesmí žárovka svítit. Svítíli,má dioda zkrat. Tímtéž měřením lze u neznámé diody určit katodu a anodu. Závěrnácharakteristika diody se měří pomocí stejnosměrného zdroje se stabilizovaným proudem neboobyčejného stejnosměrného zdroje a velkého předřadného odporu podle Obr. 5.7. Z kataloguzjistíme pro daný typ diody maximální závěrný proud. Napětí zvětšujeme od nuly až pohranici, kdy proud dosáhne maximální velikosti podle katalogu. Zjištěné napětí je tzv.maximální závěrné napětí, které je možno trvale přivádět na diodu. Charakteristika vpropustném směru se obvykle s proudem příliš nemění - stačí změřit úbytek napětí na dioděpři jednom proudu (asi 0,8 až 1,1 V u křemíku).Diody můžeme řadit jak sériově, tak paralelně. Sériově řadíme diody k získání většíhozávěrného napětí. Musíme ovšem zajistit rovnoměrné rozdělení napětí na jednotlivé diody Narovnoměrné rozdělení napětí má vliv rozdíl v odporu diod v závěrném směru, rozptylykomutačních dob a vlastní kapacity přechodů. Rozdíl v odporech vyrovnáme zařazenímparalelních rezistorů k diodám. Odpor vypočítáme dostatečně přesně ze vzorce :I ⎛ U −U1⎞R = ⎜U1− ⎟ [Ω, A, V],I1 ⎝ n −1⎠kde I 1 je zbytkový proud při daném katalogovém napětí, U 1 největší katalogové závěrnénapětí, U přiváděné špičkové napětí, n počet diod. Počet diod pro dané přiváděné napětí jedán vztahemn= 1+UU1[-; V].Výkonovou zatížitelnost rezistorů vypočteme z Ohmova zákona. Rozptyly komutačníchdob vyrovnáme zařazením paralelních kondenzátorů k diodám. Kapacitu kondenzátorůvypočteme z empirického vzorce180C =[µF; V].7U1− UVlastní kapacita přechodu se uplatňuje pouze v soustavě několika desítek sériově zapojenýchdiod. Paralelní rezistory a kondenzátory připojujeme vždy do těsné blízkosti diod. Použijemelik sériovému řazení lavinové diody, přicházejí při konstrukci v úvahu pouze komutačníkondenzátory. Komutační kondenzátory připojujeme k diodám jen v případě, je-li zatěžujícíproud větší než 15% jmenovitého zatěžovacího proudu diod.

Mikroelektronické praktikum 51Paralelní řazení diod používáme tehdy, je-1i odebíraný proud větší než jmenovitýproud jedné diody. Předpokladem je rovnoměrné rozdělení proudů do jednotlivých diod.Protože však diody mohou mít rozdíl v propustné charakteristice, připojujeme ke každé diodědo série vyrovnávací rezistor. Konstrukčně musí být diody uspořádány tak, že všechny musímít společný chladič. Na vyrovnávacích rezistorech se ovšem značně zvětší ztráty. Z tohotodůvodu se paralelní řazení diod používá jen v nezbytných případech.Ztráty v polovodičových diodách se přeměňují v teplo. Toto teplo se u výkonnějšíchdiod nemůže rozptýlit do okolí povrchem vlastní diody. Aby se ztrátové teplo rozvedlo dookolí, je nutno výkonové diody upevňovat na chladiče. U diody s malým výkonem postačíjako chladič hliníková deska. U diod výkonnějších je nutná montáž na žebrované chladiče. Přimontáži je důležitě dodržet malý teplotní odpor mezi základnou diody a chladičem. Chladičproto musí v co největší ploše přiléhat na základnu diody. Při konstrukci zařízení je vhodnédiodu umístit do středu chladiče. Desku je nutno montovat svisle, aby vzduch mohl kolem nívolně proudit. Plocha chladiče se zpravidla uvádí v katalogu.Jako příklad katalogových údajů uvedeme tuzemské usměrňovací diody (tabulka Tab.5.1 a Tab. 5.2). .Mezi základní parametry usměrňovacích diod patří dovolené závěrné napětí,které dioda snese v závěrném směru bez poškození. Dále je to maximální proud v propustnémsměru, zpravidla odstupňovaný podle doby působení (trvalý nebo impulsní různé délky), anejvyšší kmitočet, doporučený k usměrňování.Tab. 5.1: Usměrňovací diody (ČKD)Typ 2) I AK [A] I AKM [A] 1) U AK [V] I KA [mA] Rozsah provozních teplot [°C]D25 25 525 0,6 8 -50 až + 140D63 63 1800 0,55 50 -50 až + 140D100 100 2750 0,55 40 -50 až + 140D160 160 3600 0,55 20 -50 až + 140D200 200 4500 0,58 20 -50 až + 1401) Impuls 10 mA, T a = 35 °C2) Napětí U KA se udává přímo v typu diody, např. dioda D25/1000 má U KA = 1000 V

52 FEKT Vysokého učení technického v BrněTab. 5.2:Usměrňovací diody (TESLA Piešťany)Typ U KA [V] při I KA [mA] I AK [A] U KAef [V] I AKM Poznámka[A] 3)KY70lF 80 350 1) 0,7 2) 24 6 R ochr = 0,8 ΩKY702F 150 350 1) 0,7 2) 40 6 R ochr = 1,5 ΩKY703F 250 350 1) 0,7 2) 60 6 R ochr = 2,5 ΩKY704F 400 350 1) 0,7 2) 120 6 R ochr = 4 ΩKY705F 700 350 1) 0,7 2) 220 6 R ochr = 7 ΩKY706F 1000 350 1) 0,7 2) 6 R ochr = 11 ΩKY708 100 60 10 30 40KY710 200 60 10 60 40KY711 300 60 10 90 40KY712 400 60 10 120 40KY715 100 100 20 30 70KY717 200 100 20 60 70KY718 300 100 20 40 70KY719 400 100 10 120 70KY721F 80 350 1) 1 2) 24 10 R ochr = 0,8 ΩKY722F 150 350 1) 1 2) 40 10 R ochr = 1,5 ΩKY723F 250 350 1) 1 2) 60 10 R ochr = 2,5 ΩKY724F 400 350 1) 1 2) 120 10 R ochr = 4 ΩKY725F 700 350 1) 1 2) 220 10 R ochr = 7 ΩKY726F 1000 350 1) 1 2) 10 R ochr = 11 ΩKYZ70 50 100 20 15 70KYZ71 100 100 20 30 70KYZ72 200 100 20 60 70KYZ73 300 100 20 90 70KYZ74 400 100 20 120 70KYZ75 50 100 20 15 70KYZ76 100 100 20 30 70KYZ77 200 100 20 60 70KYZ78 300 100 20 90 70KYZ79 400 100 20 120 70KY130/80 80 10 0,3 24 100 označení zelenéKY130/150 150 10 0,3 40 180 označení modréKY130/300 300 10 0,3 90 360 označení červenéKY130/600 600 10 0,3 180 720 označení bíléKY130/900 900 10 0,3 1100 označení žlutéKY130/1000 1000 10 0,3 1250 označení šedé1) T a = 125 °C, 2) T s = 55 °C, 3) f = 50 Hz, sinusový průběhPovšimněte si, ač se to může zdát divné, že nás zajímají v prvé řadě vlastnosti vzávěrném směru a velikosti „prahového napětí“ v propustném směru nevěnujeme velkoupozornost. Víme, že jakmile se otevře přechod, nosiče nábojů se okamžitě uvedou do pohybu.Velikost takto vzniklého proudu je určena prakticky jen Ohmovým zákonem. To znamená, žetu rozhoduje odpor zařazený v elektrickém obvodu. Nejčastěji to bývá rezistor, nikoliv vnitřníodpor diod, který je ostatně velmi malý. Dojde-li ke zkratu nebo přílišnému nárůstu

Mikroelektronické praktikum 53procházejícího proudu vinou malého zatěžovacího odporu zapojeného v obvodu, dioda sezničí. Každý typ diody má stanovenou maximální velikost proudu I F . Tento proud je diodaschopna trvale vést a podle toho diodu vybíráme.Podívejme se, jaké nároky musí splňovat dioda v obvodu střídavého proudu. V jednépůlperiodě je dioda pólována v propustném směru a vede proud. Následuje druhá půlperioda,kdy se směr střídavého proudu obrací a dioda se tak dostane do závěrného směru.Polovodičový přechod se téměř okamžitě uzavírá a současně se zvětšuje intenzita elektrickéhopole, zatěžující polovodičový přechod. Jako každá látka, i krystal germania či křemíkuvykazuje určitou elektrickou pevnost v průrazu. Překročí-li se elektrická pevnost vyššímnapětím, přechod se prorazí, vznikne zkrat a dioda se zničí. Proto musíme při volbě diodyrespektovat závěrné napětí U (BR) . Později se přesvědčíme, že v některých zapojeních nárokyna velikost závěrného napětí ovlivňují i součástky (např. kondenzátory) zapojenébezprostředně za diodou.Různí výrobci používají pro diody různé značení. Obvykle jsou diody značenykódovaným zápisem složeným z písmen a číselného znaku. Zatímco číselný znak sloužík podrobnějšímu zařazení diody vzhledem k velikosti proudu, napětí, druhu pouzdra atd.,písemný znak určuje základní vlastnosti diody.Tab. 5.3: Tabulka písmenného znaku diodTabulka písmenného znaku diod1. písmeno 2. písmenoA ... Ge-diodyA ... diody detekční, spínací, směšovacíB ... Si-diodyB ... kapacitní diodyG ... Ge-diody (TESLA)K ... Si-diody (TESLA)5.2.1 Zenerovy diodyX ... usměrňovací diody výkonovéZ ... Zenerovy a referenční diodyAS ... Schotkyho diodyDalší skupinou často používaných diod jsou tzv. Zenerovy diody. Vhodnou technologiípři výrobě jsou upraveny tak, že u nich v závěrném směru při určitém napětí U Z prudce rosteproud. Tohoto jevu se používá ke stabilizaci napětí. Napětí U Z se nazývá Zenerovo.Voltampérová charakteristika této diody spolu se schématickou značkou je na Obr. 5.8.Zamezíme-li předřadným rezistorem R vzrůstu závěrného proudu Zenerovy diodynad dovolenou mez, můžeme tuto diodu použít jako stabilizátor, omezovač nebo zdrojreferenčního napětí (viz Obr. 5.9).Obr. 5.8: Ampérvoltová charakteristikaZenerovy diodyObr. 5.9: Základní spojení seZenerovou diodou (stabilizátor napětí)

54 FEKT Vysokého učení technického v BrněPracovní oblast Zenerovy diody je vyznačena na obrázku Obr. 5.10. Požadavkem je,aby dynamický odpor R D byl co nejmenší (přímka za ohybem co nejstrmější).Zenerovy diody se vyrábějí pro stabilizacinapětí zhruba od tří voltů do několika desítekvoltů a pro zatížení od zlomků do desítek wattů.Jako příklad si uveďme diody v tabulce 2.4.Zenerovo napětí je ovšem teplotně závislé apoužijeme-li diodu jako referenční zdroj, musímes tímto jevem počítat. Podrobnější rozbor byukázal, že tu existuje tunelový a lavinový průraz ajejich vzájemný poměr určí teplotní koeficient.U Zenerových diod udává výrobce Zenerovonapětí pro určítý proud, maximální dovolenouvýkonovou ztrátu diody, a teplotní součinitelZenerova napětí.5.2.2 VarikapyNapěťové závislosti kapacity přechoduplošné diody na přiloženém napětí v závěrnémsměru se využívá u kapacitních diod nebolivarikapů. Jsou to zpravidla křemíkové diodys výraznou změnou kapacity v závislosti na napětí.Výrobně jsou upraveny tak, aby měly co největšíObr. 5.10: Ampérvoltovácharakteristika Zenerovy diody vzávěrném směruodpor v závěrném směru a aby jejich sériový ztrátový odpor byl co nejmenší. Typický průběhzávislosti kapacitní diody na napětí je na Obr. 5.11. Jak je zřejmé z obrázku, je tato závislostnelineární. Na napětí je také závislý činitel jakosti (Obr. 5.12).Obr. 5.11: Závislost kapacity na napětí (uvarikapu)Obr. 5.12: Závislost činitele jakosti nanapětíVarikapu se používá jako ladicího prvku v přijímačích pro velmi krátké vlny,v televizorech, k samočinnému dolaďování oscilátorů přijímačů a ke kmitočtové modulacioscilátorů. Hlavní výhoda spočívá v malých rozměrech a možnosti dálkového ovládaníkmitočtu. Nevýhodou je menší jakost varikapů v porovnaní se vzduchovými kondenzátory ateplotní závislost jejich kapacit. Vadí těž rozptyl hodnot kapacit u stejného typu.Charakteristické údaje pro varikapy jsou: poměr výsledných kapacit odpovídající poměrupřiloženého napětí, sériový ztrátový odpor a dovolené mezní napětí mezi katodou a anodou.Některé příklady kapacitních diod jsou v tabulce Tab. 5.4.

Mikroelektronické praktikum 55Tab. 5.4: Kapacitní diody

56 FEKT Vysokého učení technického v BrněTab. 5.5: Zenerovy diody

Mikroelektronické praktikum 57Polovodičová dioda může být zapojena také jako spínač. Pro spínací účely se vyrábějíspeciální spínací diody s výrazným propustným a závěrným stavem a s minimální kapacitou.Jsou to např. typy KA206, KA207, KA236, viz Tab. 5.6.Tab. 5.6: Spínací diodyPříklad zapojení polovodičové diodyjako spínače je na Obr. 5.13.Ke kmitavému obvodu LC je připojovándalší kondenzátor C 1 pomocí spínací diodyD. Dioda je katodou spojena se společnýmzemním vodičem a anodou přes oddělovacíObr. 5.13: Dioda jako spínací prvekrezistor s přepínačem P, umístěným mimoladěný obvod. Je-li dioda pólována v závěrném směru (poloha přepínače 1), je obvodkondenzátoru C 1 rozpojen. V poloze 2 je dioda ve vodivém stavu a kondenzátor C 2 je připojenk laděnému obvodu. Podmínkou správné činnosti je dostatečně velké polarizační napětí diodyU 1 a U 2 , mnohem větší než střídavé napětí na kmitavém obvodu, a dostatečně velký odpor R,který by podstatně nezhoršoval jakost obvodu. V tomto případě lze použít tuzemské spínací

58 FEKT Vysokého učení technického v Brnědiody KA206 a KA207, které mají ve vodivém stavu poměrně malý sériový odpor av závěrném směru malou kapacitu.5.2.3 Hrotové diodyPro vysokofrekvenční účely se používaly tzv. hrotové diody, u kterých je polovodičovýpřechod tvořen stykem zahroceného drátku, zpravidla wolframového, s povrchem polovodiče.Kapacita těchto diod bývá menší než 1 pF, kdežto u plošných diod může dosáhnout ažněkolika set pikofaradů. Některé hrotové diody jsou v tabulce Tab. 5.7.Tab. 5.7: Detekční diody5.2.4 FotodiodyK přeměně světelné energie na elektrickou používáme světlocitlivé prvky, např.fotodiody. Polovodičové fotodiody můžeme rozdělit podle použití (podle konfiguracevnějšího obvodu) na fotodiody v režimu hradlovém a odporovém. Hradlová fotodioda jezdrojem napětí, které vzniká osvětlením přechodu, u odporové fotodiody se mění odpor vzávěrném směru v závislosti na osvětlení. Fotodiody se používají např. pro různé světelnéspínače, ke snímání zvukového doprovodu filmu, k měření osvitů, osvětlení atp. Je-li stejnýmzpůsobem (tj. opticky) ovládán tyristor, nazývá se fototyristor (viz později). Významné jsou isluneční baterie (z amorfního křemíku).Mezi polovodičové součástky, zejména usměrňovače, které se dnes již poměrně málopoužívají patří selenové usměrňovače, kuproxidové usměrňovače, usměrňovače z kysličníkutitaničitého a ze sirníku měďného. Postupně se omezuje i výroba selenových fotoelektrickýchčlánků.Při práci s diodami musíme mít vždy na paměti to, že diody nesnášejí větší teplotu než155°C (na přechodu). Vlastní systém diody snese daleko větší teplotu, avšak připájené

Mikroelektronické praktikum 59přívody, případně systém připájený na základnu větší teplotu bez poškození nevydrží (např.vliv nestejné teplotní roztažnosti). Z hlediska pájení se proto nedoporučuje zkracovat vývodnídrátky diod. Na druhé straně (z hlediska provozu) čím má ovšem dioda kratší vývody, tímlépe odvádí ztrátové teplo a zlepšuje se chlazení a výkonová zatížitelnost. Je proto dobrévývody zkrátit na potřebnou míru a při pájení je podržet kleštičkami nebo pinzetou.Při použití výkonových diod a jejich montáži na chladiče je bezpodmínečně nutné, aby plochachladiče byla rovná. Není-li to zaručeno, vypomáháme si tím, že diodu podložíme podložkouz olověného plechu. Tím se případné nerovnosti odstraní, neboť olověná podložka pevněpřilne celou plochou. Dnes se spíše užívá natření styčných ploch silikonovou vazelínou.Při zhotovování chladičů k můstkovým usměrňovačům je vhodné použít dva kusyběžných a dva kusy reverzovaných diod. Tím se počet chladičů zmenší na dva po dvoudiodách. U diod typu KA501 až 503 se vyplatí před jejich použitím zjistit, zda katoda jesprávně označena červeným bodem. Často se u tohoto typu stávalo, že elektrody diody jsouoznačeny špatně.5.2.5 Tunelová diodaVykazuje-li dioda v některé části své voltampérové charakteristiky pokles proudupři zvyšování napětí, označuje se jako dioda se záporným odporem. Typickým představitelemje tunelová dioda, jejíž charakteristika je na Obr. 5.14.Záporný odpor tunelové diod lzepoužít k vytváření vlastních kmitů anebok zesilování ve vhodném zapojení. Vlivemmalých vnitřních kapacit a odporů pracujedo kmitočtu až 10 11 Hz. Požívají sevýjimečně.5.2.6 Svítivá diodaDo skupiny optoelektronickýchsoučástek spadají svítivé diody, nazývanétaké luminiscenční a označované zkratkouLED (Light emitting diode). Vyrábí se jichmnoho druhů a liší se tvarem i barvousvětla, kterou vyzařují. Rozdíl všakObr. 5.14: Ampérvoltová charakteristika aschematická značka tunelové diodynalezneme i u dvou tvarově stejných diod, stejné barvy. Spočívá ve způsobu vyzařování světladiodou. Rozlišujeme tu rozptylový a bodový charakter světla.U diody s bodovým charakterem vychází světlo z jednoho místa, čipu. Dioda srozptylovým charakterem vyzařuje světlo z plochy kloboučku (čočky) či rovné ploškypouzdra. Takové světlo je méně intenzivní, ale většinou příjemnější na pozorování. Barvapouzdra zpravidla odpovídá vyzařované barvě, někdy je však pouzdro bezbarvé nebo mléčněbílé. Světelné diody se liší také úhlem, pod kterým je možné jejich svit ještě pozorovat.Málokdy se stane, že bychom měli světelnou diodu přímo před očima. Často stojí přístroj sdiodou nebo sám pozorovatel stranou, takže diodu vidí pod určitým úhlem. Potom zjišťujeme,že bodové diody šikmý pohled neumožňují.Jak dochází ke vzniku světla u svítivé diody? Zjednodušeně řečeno, při průchoduproudu přechodem PN elektrony rekombinují (spojují se s dírami), a tím se uvolňují zezákladního materiálu fotony a vzniká záření různé vlnové délky (různé barvy - podle šířky

60 FEKT Vysokého učení technického v Brnězakázaného pásu polovodiče). Přirozeně, čipy světelných diod se nevyrábějí ze stejnýchmateriálů jako běžné diody, ale obvykle GaAsP.Obr. 5.15: Napětí zdroje se rozdělí tak,že na polovodičovém přechodu červenéLED je napětí 1,65 V, zbytek napětízůstává na sériovém rezistoruObr. 5.16: Na polovodičovém přechodužluté LED je napětí přibližně 2 V,zbývající část napětí zjistíme nasériovém rezistoruSvítivé diody se chovají jako běžné diody v tom smyslu, že vykazují propustný izávěrný směr. Je-li svítivá dioda zapojena v závěrném směru, pak nesvítí (pozor, max.závěrné napětí nebývá větší než 10 V). Dioda svítí při přiloženém napětí v propustném směru.Oproti běžným diodám je však propustné napětí větší. Tak např. u červené světelné diodynaměříme nejméně 1,65 V, u žlutě svítící přibližně 2 V a u zeleně svítící 2 až 3 V. Proudprocházející v propustném směru se u jednotlivých typů liší jen málo. Důležité je, abychomnepřekročili jeho maximální hodnotu, označovanou I FM . Většinou je I FM = 30 mA, ale existujíodchylky směrem dolů (20 mA) i nahoru (40 mA). Zpravidla nevyužíváme maximálnívelikosti I FM a nastavujeme proud přibližně 20 mA. K dobrému svitu diody to postačí asvětelná dioda pracuje s rezervou. Proud procházející svítivou diodou regulujeme předřadnýmrezistorem.Příklad: Vypočtěte hodnotu odporu předřadného rezistoru k červené LED, která má býtpřipojena k napětí 9 V a má jí procházet proud 20 mA,Řešení: Známé údaje zakreslíme podle Obr. 5.15. Celkové napětí 9 V se rozdělí tak, že nasvětelné diodě se vytvoří úbytek napětí přibližně 1,65 V a zbylá část zůstane na sériovémrezistoru R S . Vypočítáme: 9 V - 1,65 V = 7,35 V a podle Ohmova zákona R = U/I zjistíme, žesériový odpor R S = 7,35 V/0,02 A = 367,5 Ω. Zvolíme nejbližší hodnotu v řadě rezistorů, tj.360 Ω. Podobným způsobem spočítáme předřadný rezistor R S i pro jiná napájecí napětí.Musí být jasné, že kdybychom nezařadili do série se svítivou diodou sériovýrezistor, dioda by se velkým proudem zničila.Častým problémem při zapojování světelných diod je rozlišení a určení jejich elektrod.Pokud připojujeme novou LED nebo takovou, která nemá zkrácené vývody, můžeme seorientovat podle nestejné délky vývodů. Delší vývod je anoda a v elektrickém obvodusměřuje vždy ke kladnému pólu zdroje. U kulatého pouzdra diody někdy pomůže maláorientační ploška, označující katodu. Jenže světelné diody mají nejrůznější tvary a tak jenutno hledat univerzálnější metodu. Rychlý a přitom spolehlivý způsob spočívá v tom, že sisvětelnou diodu prostě prohlédneme proti světlu. s drobnými rozdíly se nám objeví tvarzakreslený na Obr. 5.17.

Mikroelektronické praktikum 61Vývod spojený s rozměrnějšíelektrodou představuje katodu a zapojímeho k zápornému pólu zdroje. Při montážisvítivých diod smíme ohýbat jen tenkévývody, které vystupují ze silnější části.Krátká silnější část je zalita v pouzdře avyčnívá obvykle 4 mm. Ohýbáním hrozíuvolnění vývodů z pouzdra a následnánetěsnost. Světelná dioda pak svítínespolehlivě nebo přestane svítit vůbec.Dvoubarevná svítivá dioda sdružujedva systémy světelných diod v jednompouzdře a svítí zeleně nebo červeně. Hodíse pro signalizaci dvou různých úrovní,např. v číslicové technice. Její pouzdro jena pohled bezbarvé (mléčné), ale přičinnosti diody celý klobouček svítízvolenou barvou. Z pouzdra vedou třivývody. Prostřední vývod je spojen skatodou a je společný pro obě diody. Krajnívývody představují anody, patřící zelenénebo červené diodě. Velikostí a tvarempouzdra se dvoubarevná LED od ostatníchObr. 5.17: Světelné diody: a) uspořádáníelektrod světelné diody: rozměrnější elektrodaje katoda a směřuje v zapojení k zápornémupólu zdroje napětí, b) vnější označení elektroda schématická značkaObr. 5.18: Světelné diody se vyrábějí vrůzných tvarech a velikostechvcelku neliší. Je samozřejmé, že pracuje vždy jen jedna dioda, tzn., že se přepíná jedna nebodruhá anoda. Sériový rezistor zapojíme do anod jednotlivě (Obr. 5.20) nebo zařadíme jedenspolečný rezistor do katody. Výpočet se nijak neliší od předchozích.Obr. 5.19: Dvoubarevná LED má naprostředním vývodu katodu a po stranáchanody. Rozlišení anod podle barvy není uvýrobců jednotné.Obr. 5.20: Schéma zapojení dvoubarevnéLED. V anodách jsou zapojeny sériovérezistory.Méně rozšířené a zároveň i mnohem dražší jsou LED vyzařující modré světlo. Obvyklevystačíme s třemi tradičními barvami. V těchto barvách je bohatý výběr různých velikostí atvarů (Obr. 5.18). Kulaté světelné diody koupíme s těmito průměry: 1,0 - 1,8 - 3 - 5 - 8 - 10mm. Kromě kulatých se vyrábějí nejrůznější tvary pouzdra, které mají při pohledu shoraprůřez čtvercový, obdélníkový, trojúhelníkový, šipky, čárky atd. Lze koupit i takové, kterémají zabudovaný sériový rezistor pro napětí 5 V a 12 V. Jiné LED blikají, takže snázeupoutají pozornost pozorovatele. Vybrat si můžeme mezi obyčejnými (standard), jasnými,velmi jasnými a s malým příkonem. Ty se spokojí s proudem pouhých 2 mA, takže mohoubýt připojeny delší dobu i ke galvanickým článkům. Pro snadnou montáž do panelu složíobjímky, ale jsou v prodeji rovněž diody zabudované do montážního bloku.

62 FEKT Vysokého učení technického v Brně5.2.7 Vícevrstvé diodyKombinací čtyř vrstev polovodičů P a N se třemi přechody vzniká čtyřvrstvá neboliShockleyova dioda. Na Obr. 5.21 je znázorněna v řezu spolu se schématickou značkou. Je-lina anodu přivedeno záporné a na katodu kladné napětí, chová se čtyřvrstvá dioda jako běžnádioda, to znamená, že má v tomto směru velký odpor.Při opačnépolarizaci má prvekpři zvyšujícím senapětí též velkýodpor. Při určitémnapětí U B0 všakdioda skokempřejde do vodivéhostavu a chová sejako běžná diodazapojená vpropustném směru.Napětí U B0 senazývá spínacínapětí.Voltampérová Obr. 5.21: Čtyřvrstvá dioda a její ampérvoltová charakteristikacharakteristikačtyřvrstvé diody jena Obr. 5.22. Do původního stavu pak dioda přejde až po odpojení napájecího napětí.5.2.8 TyristorČtyřvrstvá dioda s další vyvedenou elektrodou připojenou na vnitřní vrstvu P, se nazývátyristor PNPN. Vyvedená elektroda se nazývá řídicí a její pomocí lze zmenšovat velikostnapětí U B0 , při kterém tyristor přechází do vodivého stavu. Dva typy tyristorů s vyznačenýmipolaritami a značkami jsou nakresleny na Obr. 5.22.Obr. 5.22: TyristoryObr. 5.23: Ampérvoltová charakteristika tyristoru

Mikroelektronické praktikum 63Běžně se používá pouze tyristorPNPN. Přiložíme-li na anodu záporné napětí,tyristor nevede, protože je zablokovánpřechody PN. Přiložíme-li na anodu kladnénapětí, tyristor též nevede, protože jezablokován přechodem NP. U přechodu NPje proto vyvedena další elektroda, tzv. řídicí.Přiložením kladného napětí mezi řídicí Obr. 5.24: Spínání tyristoruelektrodou a katodu se přechod NP stanevodivým a zůstane vodivým, pokud jím prochází proud, i když na řídicí elektrodě již kladnénapětí není. Tyristor je tedy v podstatě řízený usměrňovač.Znovu opakujeme, že tyristor zůstane sepnut po celou dobu, po níž protéká proud. Je totedy v podstatě paměťový prvek. Na charakteristice tyristoru na Obr. 5.23 vidíme, že vprvním kvadrantu (pravém horním), není-li na řídicí elektrodě napětí, se tyristor chovázpočátku jako dioda v závěrném směru. V oblasti kolena, kdy nastává průraz přechodu NP, setyristor uvede do sepnutého stavu. Tentýž stav nastane i před oblastí kolena, sepne-li tyristorpřivedením napětí na řídicí elektrodu. Charakteristika v závěrném směru (III. kvadrant) jestejná jako charakteristika diody. Můžeme-li tedy v libovolném čase sepnout tyristor (uvéstdo vodivého stavu), můžeme jím spínat nebo řídit výkon přiváděný do zátěže. Princip řízenívýkonu si ukážeme na Obr. 5.25. Přivádíme-li na anodu tyristoru sinusové napětí, můžeme vkladné periodě v libovolném času (třeba t) tyristor sepnout. Činitel Ψ se nazývá úhel otevřenítyristoru. Plocha S je přímo úměrná výkonu, takže můžeme-li libovolně měnit Ψ, regulujemetím vlastně výkon přiváděný do zátěže.Obr. 5.25: Řízení výkonu tyristoremObr. 5.26: Řízení výkonu dvojicí diak-tyristorPři průchodu napětí nulou zaniká proud procházející tyristorem a tyristor nevede. Vzáporné periodě je tyristor neprůchodný. Protéká-li v této době řídicí elektrodou proud, jezbytkový proud tyristoru závislý na velikosti řídicího proudu. Křivky těchto závislostí seobvykle udávají v konstrukčních katalozích a podle nich se určuje přídavný ztrátový výkon vzávěrném směru. V praxi je však lépe se tomuto stavu vyhnout. Tyristor se pro tento případmůže řídit jednotlivými kladnými impulsy, přiváděnými na řídicí elektrodu. Posouváme-li uimpulsů fázi, měníme tím i okamžik sepnutí tyristoru. Jako zdroj impulsů se používají řízenégenerátory impulsů. V generátorech je fázový posuv závislý na přivedeném vstupnímstejnosměrném napětí. Jedná se v podstatě o blokovací oscilátor, spouštěný napětímpilovitého průběhu do báze tranzistoru. Podkládáme-li napětí pilovitého průběhu

64 FEKT Vysokého učení technického v Brněstejnosměrným napětím, měníme dobu spouštění blokovacího oscilátoru, a tím i fázovýposuv. Tento způsob se používá většinou pro regulaci výkonu tyristory v průmyslu. Proamatérskou praxi často postačí způsob spínání podle Obr. 5.25.Při zvětšování napětíse v určitém okamžikuzvětší proud řídicíelektrodou tak, že setyristor uvede dosepnutého stavu. Okamžiksepnutí lze měnit změnounastavení potenciometruR 2 , R 1 je rezistor, kterýchrání řídicí elektroduproti přetížení. Obvykle seObr. 5.27: Různá zapojení tyristorůvypočítá z maximálního přiváděného napětí a maximálního proudu řídicí elektrodou,uvedeného v katalogu. Dioda D zamezuje přítomnosti inverzního napětí na řídicí elektrodě vdobě, kdy je na anodě tyristoru inverzní napětí. Při sinusovém napětí je ovšem možno tímtozpůsobem regulovat výkon jen asi od 25% do 50% (spínáme pouze při jedné periodě napětí).Tato nevýhoda se odstraní přiváděním usměrněného sinusového napětí do obvodu.Obr. 5.28: Vypínání tyristoruObr. 5.29: Zkoušení tyristoruZ Obr. 5.25 je patrno, že tyristor můžeme regulovat pouze při zvětšujícím se napětí. Tím jeurčena dolní hranice 25% (regulujeme vlastně jen v první čtvrtperiodě).Žádáme-li větší rozsah regulace, je nutno použít jiné zapojení. Nejvýhodnější je kombinacepolovodičů tyristor - diak podle Obr. 5.26. Kondenzátor C se v kladné půlperiodě nabijí přesřídicí potenciometr R a diodu D. Bude-li se napětí na kondenzátoru rovnat spínacímu napětídiaku, diak sepne a propustí proud z kondenzátoru (omezený ochranným rezistorem R 1 ) a tensepne tyristor. Abychom nemuseli usměrňovat napětí přiváděné na tyristor, byla vytvořenarůzná další zapojení. Na Obr. 5.27a je jedno takové zapojení. Má však tu nevýhodu, že obaobvody k řízení nemají společný bod. Na Obr. 5.27b je zapojení, které umožňuje regulovatvýkon v kladné i záporné periodě, vždy přes opačně pólované diody. Zapojení na Obr. 5.27cumožňuje zvlášť regulovat výkon v kladné i záporné periodě se společným bodem.Přivádí-li se na tyristor střídavé napětí, tyristor přestává vést při průchodu napětí nulou(zánik proudu), jinak je tomu při stejnosměrném napětí. Kladné stejnosměrné napětí můžemesice tyristorem sepnout, avšak rozpínat musíme tyristor pomocným obvodem. Jeden takovýobvod je na Obr. 5.28. Sepneme-li tyristor, je na jeho anodě pouze zbytkové napětí.Kondenzátor C se tudíž nabije přes rezistor R na polaritu podle obrázku. Sepne-li tranzistor,

Mikroelektronické praktikum 65kondenzátor se svým kladným pólem spojí se zemí a na anodě tyristoru je na okamžikzáporné napětí. Tyristorem v tomtookamžiku neprochází proud atyristor se vypne.Tyristory měříme jako diodyv závěrném směru. Pokud chcemepouze určit, není -li tyristorproražen, či zda spíná, můžemepostupovat podle Obr. 5.29a.Připojíme-li tyristor takto doobvodu, nesmí žárovka svítit.Sepnutím spínače S sepnemetyristor a žárovka se rozsvítí.Rozepneme-li nyní spínač S,žárovka zůstane svítit. Podle Obr.5.29b zjistíme, není-li tranzistorproražen v závěrném směru.Tyristorů se používá jakořízených usměrňovačů, omezovačů,Obr. 5.30: Zapojení a ampérvoltové charakteristikydiody diacregulátorů elektronických pojistek apod. Charakteristické parametry tyristorů jsou závěrnénapětí, mezní proudy elektrod a minimální spínací proud.5.2.9 DiakMezi vícevrstvé křemíkové diody patří idiody označené jako diac. Jsou symetrickése dvěma vývody a vyznačují se tím, žejejich propustnost je v závislosti napřiloženém napětí do určité velikostispínacího napětí U B0 poměrně malá. Odurčité velikosti spínacího napětí se odpordiacu rychle zmenšuje a proud I B0 označenýjako spínací proud lavinovitě vzrůstá.Zapojení a voltampérová charakteristikadiacu je na Obr. 5.30. Křemíkové diody diacse používají jako přepěťová ochrana, kespínání tyristorů, jako relaxační oscilátoryapod. U nás byly diody diac vyráběny podtypovým označením KR205 až KR207 snapětím U B0 od 26 V do 38 V a spínacímproudem I B0 pod 1 mA, viz. Tab. 5.8.Tab. 5.9: TriakyTab. 5.8: Diaky5.2.10 TriakTriak je, jak je vidět na Obr. 5.31,pětivrstvý prvek. Jeho činnost bychom simohli představit jako činnost dvou tyristorů.Přivedením napětí na řídicí elektrodu se triaksepne v obou směrech. Je to zřejmé i z

66 FEKT Vysokého učení technického v Brněvoltampérové charakteristiky (Obr. 5.32). Můžeme jím tudíž řídit výkon v obou periodáchstřídavého proudu. Řídicí obvody jsou obdobné jako u tyristorů.Obr. 5.31: Triak a jeho schématická značka Obr. 5.32: Ampérvoltová charakteristikatriakuVždy, spínáme-li tyristor či triak, mění se proud v celém obvodu skokem od nuly. Přitéto skokové změně vznikají signály harmonických kmitočtů, které způsobují rušení. Totorušení se šíří buď vedením, nebo přímo vyzařováním. Rušení je nepříjemné, jak při poslechurozhlasu (televize), tak kvůli vzájemnému ovlivňování tyristorových či triakových obvodů.Rušení šířené vedením omezujeme filtry, např. podle Obr. 5.33a.Tlumivka zmenšuje strmostnárůstu proudu. Kondenzátor C téžomezuje rušení. Při malé činné zátěži seněkdy může stát, že triak se po zapnutíopět vypne rezonancí v obvodu. Tentojev se odstraní zapojením podle Obr.5.33b. Rušení vyzařováním zmenšíme(nebo odstraníme) pečlivým odstíněnímcelého obvodu. Přívody je vhodné véststíněnými vodiči. Přehled tuzemskýchtriaků je v Tab. 5.10 a Tab. 5.11.Obr. 5.33: Odrušení pro tyristorové a triakovéobvody

Mikroelektronické praktikum 67Tab. 5.10: Tyristory (ČKD Praha)Tab. 5.11: Tyristory (TESLA Piešťany

68 FEKT Vysokého učení technického v Brně5.3 Bipolární tranzistoryBipolárním tranzistorům přísluší první místo z pohledu historie. Bipolární tranzistorysestávají ze tří vrstev polovodiče se dvěma přechody PN a na jejich činnosti se podílejí jakmajoritní tak i minoritní nositele náboje (elektrony i díry). Podle toho, v jakém sledu sestřídají typy polovodičů, je označujeme jako PNP nebo NPN.Způsobů vytváření přechodů je několik a podle technologie se též mění vlastnostitranzistorů. Nejjednodušší tranzistory jsou slitinové. Při jejich výrobě tvoří báze základnu asléváním je vytvářen kolektor a emitor. Struktura je geometricky rozměrná a takovýtotranzistor má proto velké kapacity přechodů a jeho mezní kmitočet je proto nízký.Částečným vylepšením jsou difúzně slitinové tranzistory. Ty mají bázi nehomogenní,vytvořenou difúzí. Tloušťka báze je tudíž velmi malá. Menší kapacity přechodů se dosáhnečástečným odleptáním přechodů. Touto technologii se dají vyrobit tranzistory s meznímkmitočtem 150 až 200 MHz (OC170). Difúzně slitinové tranzistory s ještě vyšším meznímkmitočtem jsou většinou typu mesa. Malé kapacity přechodů se opět dosáhne odleptánímznačné části přechodu. Představitelem tohoto typu je tranzistor GF507. Těchto technologii seužívá při výrobě germaniových tranzistorů.Křemíkové tranzistory mohou být např. epitaxní typu mesa, základem je vrstvas velkým odporem vzniklá epitaxním růstem na nízkoohmovém substrátu. Přechody sezískávají difúzí. Představitelem tohoto druhu je např. tranzistor KU605. Tato technologie jevhodná především pro výkonové tranzistory. Tranzistory menšího výkonu se vytvářejíplanární a planárně epitaxní technologii. Základní materiál vytváří kolektor. Báze jenehomogenní a je vytvořena difúzí. Emitor se vytváří difúzí do báze. Představitelem tohototypu je tranzistor KF508. Planárně epitaxní technologie je obdobná. Na vrstvě s malýmměrným odporem se epitaxním růstem vytvoří vrstva s velkým měrným odporem. Do tétovrstvy se nadifundují báze a emitor. Typickým představitelem je tranzistor KF504.Křemíkové tranzistory a integrované obvody se vytvářejí většinou planárně epitaxnítechnologií.Bipolární tranzitory sedělí do několika skupin.Rozdělujeme je předevšímpodle materiálu na křemíkovéa germaniové, podleztrátového výkonu (s malýmvýkonem, středním výkonem avýkonové) a podle mezníhokmitočtu na nízkofrekvenční avysokofrekvenční. Podledruhů vodivosti rozdělujemetranzistory do dvou skupin:NPN a PNP. Tranzistorymůžeme také rozlišovat podletechnologie výroby. TranzistorObr 5.34: Zjednodušený model tranzistoru NPN a PNP seschématickou značkoumůže být zapouzdřen samostatně nebo v jednom pouzdře může být více systémů nebo mohouspolu s dalšími prvky tvořit integrovaný obvod.Na obrázku Obr 5.34 je schematický řez strukturou bipolárního tranzistoru spolus vhodným polarizačním napětím a schematickou značkou. Ta připomíná původní hrotový

Mikroelektronické praktikum 69tranzistor, takže se ve značce dochoval kousek historie. Podstatné je, že šipka u emitorusměřuje z kruhu, tzn. směrem od báze. Občas používaný slogan jednoznačně praví:"NPN šipka ven". Jiným umístěním nebo spíš směrem šipky se liší značka tranzistoru opačnévodivosti PNP (Obr 5.34). Tranzistor PNP se vzhledově nijak neliší od tranzistoru NPN.Pokud je nečitelné typové označení, pak nedokážeme bez zkoušky či měření určit, o jaký druhvodivosti tranzistoru jde. Střední elektroda se označuje jako báze B. Krajní elektroda,polarizovaná vůči bázi v propustném směru, se nazývá emitor E, elektroda, polarizovaná vůčibázi v závěrném směru, je kolektor C. Není-li báze polarizována vnějším napětím a mezikolektor a emitor je zapojen zdroj napětí, prochází mezi kolektorem a emitorem tranzistorupouze nepatrný, tzv. zbytkový proud.Polarizací báze vůči emitoru v propustném směru se proud mezi emitorem a kolektoremzvětšuje. Tento proud je několikanásobně větší než proud, který prochází bází. Poměr těchtodvou proudů je nejzákladnějším parametrem tranzistoru a označuje se jako proudovýzesilovací činitel h 21 . Polarita tranzistoru PNP nebo NPN nemá na jeho činnost téměř vliv a jelhostejné, jaký druh tranzistoru pro výklad použijeme.V obvodech se však tranzistory NPN a PNP liší připojením napájecího napětí k emitorua kolektoru. Rovněž na bázi bude potřeba odlišit polaritu napětí. To ostatně vyplývá zpoznatků o závěrném a propustném směru polovodičového přechodu. Samotné polovodičovépřechody tranzistoru se chovají jako diody, můžeme se o tom přesvědčit měřením ohmetrem.Zjednodušeně bychom tedy mohli tranzistor znázornit dvojicí diod (Obr 5.34). Jistě jstenepřehlédli, že obě vodivosti, tedy NPN i PNP mají dvojice diod postaveny vzájemně opačně.Všimněte si dále diody E-B, a to u obou vodivostí. U vodivosti NPN je pólována opačně nežu vodivosti PNP. Znamená to, že ani polarita napětí připojená k emitoru a bázi nemůže být uobou vodivostí stejná. Totéž se týká diody B-C. Dále je jasné, že obvod C-E je u obouvodivostí pólován v závěrném směru, ať připojíme zdroj jakkoliv. Je to pochopitelné, protožekdyž jedna dioda z dvojice bude pólována v propustném směru, druhá dioda bude zároveňpólována obráceně, tedy v nepropustném směru. Měřením odporu mezi elektrodami C-Emůžeme získat základní informaci o stavu tranzistoru. Bez ohledu na způsob připojeníohmetru, přesněji řečeno na polaritu baterie v ohmetru, musí vykázat obvod C-E poměrněvelký odpor. Porovnáváme ho s odporem běžné diody. Pokud zjistíme malý odpor meziemitorem a kolektorem, je tranzistor pravděpodobně vadný.To co bylo řečeno o dvojici diod zjednodušeně nahrazující tranzistor, obecně platí ahodí se při zběžné zkoušce tranzistoru. Neobjasňuje to však funkci tranzistoru. Ta je složitějšía spolupracují tu všechny tři oblasti. Střední oblast - báze je rozměrově nepatrná, ale vůbec toneznamená, že by její význam byl zanedbatelný. Spíš naopak. Báze vykonává důležitoufunkci.Jak tranzistor pracuje, anebo jak vzniká tranzistorový jev ? Můžeme se zeptat i jinak:"Co musí nastat, aby obvodem E-C, o kterém víme, že je pólován vždy v závěrném směru,aby jím začal procházet proud ? A dále, jak zařídit, abychom takto vzniklý proud dokázalivyužít ?“Zkusme zapojit samotný obvod E-C tranzistoru NPN podle Obr. 5.35, kde pronázornost měříme proud každé elektrody ampérmetrem. Podle očekávání zjistíme, žeobvodem teče jen nepatrný proud. Naznačují to měřidla, jejichž výchylka ručky je velmimalá. Nyní se podíváme, jak se projeví báze, když ji připojíme k malému napětí vzhledemk napětí emitoru. Bude to kladné napětí, ale velice malé, protože víme, že obvod E-B jepólován v propustném směru. Znamená to, že v obvodu se uplatňuje jen malý odpor, kterýnebrání průchodu proudu. Měřidla na Obr. 5.36 znázorňují, že nyní prochází emitorem ikolektorem velký proud. Zdůrazněme, že tento emitorový nebo častěji řečený kolektorový

70 FEKT Vysokého učení technického v Brněproud prochází jen tehdy, když současně prochází proud bází, třebaže nepatrný. To ostatněznázorňuje měřidlo zapojené v bázi. Můžeme říci, že malým proudem v obvodu báze-emitorvyvoláme velký proud v obvodu emitor-kolektor. Žádným jiným způsobem nelze (zanormálních okolností) závěrně polarizovaný obvod E-C otevřít.Obr. 5.35: Po připojení napětí k emitorua kolektoru prochází obvodem C-E jennepatrný (zbytkový) proud. Báze nenípřipojenaObr. 5.36: Obvodem C-E prochází velký proud,když bázi připojíme k malému kladnému napětívzhledem k napětí emitoru. Obvodem B-E přitomprochází malý proud I BTo co jsme si ukázali při použití tranzistoru vodivosti NPN, platí v plné míře i provodivost PNP. Přirozeně, póly baterie nutno obrátit a na bázi je potřebné malé záporné napětí.To je v podstatě jediný rozdíl. Činnost tranzistoru, v tomto případě prostřednictvím kladnýchnosičů (děr) probíhá stejně, jako u NPN tranzistoru. Tam však pracovaly záporné nosiče(elektrony). Zbývá vysvětlit, jak k tranzistorovému jevu vůbec může dojít. Vrátíme se ktranzistoru NPN. Připomeňme si, že když jsme připojili bázi k malému kladnému napětívzhledem k napětí emitoru, otevřel se přechod E-B, protože je takto pólován v propustnémsměru. Je tím splněn předpoklad, aby obvodem bez obtíží procházel proud. Ale může to být ivelký proud, který přechod zničí. Skutečně by se tak stalo, kdyby na kolektoru bylo nižšínapětí než na bázi nebo kdyby chybělo úplně. Není pochyb o tom, že ke kolektoru vždypřipojujeme napájecí napětí a že je to napětí vyšší než na bázi. Pak ovšem elektrony, kdyžpřejdou přes první přechod do prostoru báze, jsou kladným napětím kolektoru protaženynapříč bází a vtaženy ke kolektoru. Není se čemu divit, vždyť elektrony dosáhly značnérychlosti již na prvním přechodu. Napětí na kolektoru svou polaritou a velikostí jejich pohybještě usnadňuje.Přesto část emitorového proudu I E , i když jen v nepatrné míře "odbočí" aodteče obvodem báze. Tak vzniká proud báze I B . O tento malý proud I B je kolektorový proudI C vlastně ochuzen, zmenšen. Máme přirozeně zájem na tom, aby bází procházel co nejmenšíproud a co nejméně se tak lišil kolektorový proud od emitorového. Proud emitoru k ostatnímproudům vyjádříme vztahem (1. Kirch. z.):IE = IB + ICDodejme, že u křemíkových tranzistorů je proud báze skutečně nepatrný, takže jejzanedbáváme. Proto proudy I E , I C považujeme v praxi za stejné.5.3.1 Tři základní zapojení bipolárního tranzistoruPoložme si otázku, jak zapojit tranzistor (trojpól) v obvodu, konkrétně v zesilovači.Zesilovači dáváme přednost, protože bývá nejčastějším použitím tranzistoru. Uvidíme, žetranzistor lze v obvodech zapojit třemi základními způsoby podle toho, která elektroda jespolečná pro vstupní a výstupní signál. Jsou to zapojení:• se společným emitorem (SE),

Mikroelektronické praktikum 71• se společným kolektorem (SK, SC),• se společnou bází (SB).Každé z těchtozapojení má své výhodya nevýhody. Zapojení sespolečným emitorem(Obr. 5.37a) se používánejčastěji. Vstupnísignál se přivádí mezibázi a společnouelektrodu - emitor.Výstupní signál se pakodebírá z kolektoru,který je připojen knapájecímu napětí UObr. 5.37: Základní zapojení tranzistorupřes zatěžovací rezistor R Z . Průchodem poměrně velkého kolektorového proudu zatěžovacímrezistorem vzniká na něm velké napětí (úbytek napětí) v porovnání se vstupním napětím.Protože přechod B-E je pólován v propustném směru, vstupní odpor R VST zapojení jemalý. Ve výstupním obvodu je naopak přechod C-E pólován v závěrném směru. Výstupníodpor R VÝST v zapojení SE je proto velký. Konkrétně vstupní bývá 500 Ω až 10 kΩ a výstupníodpor l0 kΩ až 20 kΩ. Proudový zesilovací činitel bývá v rozmezí 10 až 500 (i více) podledruhu tranzistoru. Výstupní signál je vzhledem k vstupnímu fázově natočen o 180° (jev protifázi).Charakteristickou vlastností tranzistoru v zapojení se společným emitorem je jehovýkonové zesílení (je dáno součinem napěťového a proudového zesílení), největší ze všechuvedených zapojení, dosahující hodnoty až 20 000.Zapojení se společným kolektorem (Obr. 5.37b) má velký vstupní odpor (až 1 MΩ ivíce), který vypočteme násobením zatěžovacího odporu R Z proudovým zesilovacím činitelemVýstupní odpor je malý (v rozmezí několika desítek až stovek ohmů). Výstupní napětí je sevstupním ve fázi.Protože výstupní napětí tu má přibližně stejnou velikost jako vstupní, nazývá se totozapojeni též emitorový sledovač. Používá se k dosažení nezávislosti výstupního napětí nazatěžovacím odporu R Z (tj. tam, kde vyžadujeme poměrně velký vstupní a malý výstupníodpor). Výkonové zesílení bývá až 500.Zapojení se společnou bází (SB) má proudové zesílení menší než 1, napěťové až 1000a výkonové až 200. Vstupní odpor dosahuje pouze 100 Ω až 1000 Ω, výstupní naopak až1 MΩ. Ani zde nedochází k fázovému natočení procházejícího signálu. Dnes se používá spíševýjimečně, v minulosti se běžně zapojení SB používalo ve vysokofrekvenčních obvodechkvůli vyššímu meznímu kmitočtu (uvidíme později, že mezní kmitočet f α je řádově větší nežmezní kmitočet f β ) a umožnilo dosáhnout zvláště malý vstupní odpor, který byl podmínkou kestabilní činnosti vysokofrekvenčního zesilovače.Stručný přehled o vlastnostech jednotlivých zapojení tranzistoru uvádí následujícítabulka:

72 FEKT Vysokého učení technického v BrněTab. 5.12: Vlastnosti jednotlivých zapojení tranzistoru5.3.2 Experimenty s bipolárním tranzistoremProtože nejvíce používané je zapojení se společným emitorem (kromě velkéhoproudového a napěťového zesílení má také největší výkonové zesílení), budeme z něhovycházet v dalším výkladu. Abychom pochopili správně činnost různých obvodů stranzistory, musíme nejprve bezpečně znát činnost tranzistoru samého. Nejprve uvažujmezapojení dle obrázku Obr. 5.38a. Nikoho jistě nepřekvapí skutečnost, že žárovka taktozapojená nesvítí, přestože napěťový zdroj je řádně připojen. Proud v kolektoru musí býtvyvolán proudem do báze. Ke vzniku proudu je třeba přiložit napětí. Protože vstupní odpormá malou hodnotu (propustně orientovaný přechod PN) postačí pro vznik malého proudubáze malé vstupní napětí U BE . To lze jednoduše přivést od rozvodu napájecího napětí.Způsobů je celá řada a my se s nimi seznámíme později. Nejjednodušší způsob ukazujeobrázek Obr. 5.38c.Obr. 5.38: Tranzistor se zátěží:a) neteče bázový proud a žárovka nesvítíb) způsob přivedení bázového prouduc) praktické zapojení pro experimentyKdyž v obvodu na Obr. 5.38c napětí na bázi dostoupí přibližně 0,7 V (měřeno protiemitoru), začne obvodem B-E procházet proud. Vlákno žárovky začíná žhnout a posléze serozsvítí. V dalším experimentu připojíme ke kolektoru voltmetr nebo svítivou diodu LEDpodle obrázku Obr. 5.39. Zjistíme, že• neprochází-li obvodem C-E proud, na kolektoru je plné napětí zdroje,• se vzrůstajícím proudem kolektoru napětí na kolektoru klesá,• zvětšujeme-li napětí na bázi, zmenšuje se současně napětí na kolektoru,• zmenšujeme-li napětí na bázi, zvětšuje se současně napěti na kolektoru.Toto jsou základní poznatky, které nás budou provázet po celou dobu práce s tranzistory aumožní nám porozumět činnosti obvodů.

Mikroelektronické praktikum 73Další poznatky se týkají emitoru. Uvažujme zapojení podleObr. 5.39, jde o zapojení SC. Průchodem proudu vzniká naemitorovém rezistoru (zde žárovce) napětí. Se vzrůstajícímemitorovým proudem vzrůstá napětí na emitoru a s klesajícímproudem napětí na emitoru klesá.Zdůrazněme, že většinou je vobvodu emitoru zapojen rezistor s malým odporem, takže naemitoru vzniká malé kladné napětí, vzhledem k zápornému póluzdroje. Je to situace odlišné od té, kterou jsme poznali u kolektoru.Použití uvidíme v kapitole o zpětných vazbách v zesilovačích.5.3.3 Rozdělení proudů a napětí na tranzistoruHovoříme-li o činnosti tranzistoru, užíváme předem domluvených pojmů, ať již vsouvislosti s napětím či proudem. Pojmenujme si proudy a napětí na tranzistoru, s nimiž sečasto setkáváme a které je třeba rozlišovat. Poslouží k tomu zapojení tranzistoru SE (Obr.5.40).I B - proud bázeI C - proud kolektoruI E - proud emitoruU BE - napětí mezi bází a emitoremU CB - napětí mezi kolektorem a bázíU CE - napětí mezi kolektorem a emitoremU S - napětí báze proti nulovému potenciáluU C - napětí kolektoru proti nulovému potenciáluU E - napětí emitoru proti nulovému potenciáluVe všech případech se jedné o stejnosměrné proudy astejnosměrná napětí. Proto v indexu u veličin píšeme velkápísmena. Hodnoty zapsané u těchto veličin budou platit zapodmínek, že na bázi nedochází ke změně napětí a proudu.Obr. 5.39: Zapojeníindikátoru se světelnoudiodou pro měřenínapětí na emitoruObr. 5.40: Stejnosměrnéproudy a napětí na tranzistoru vustáleném stavu - bez buzenístřídavým proudemTím je zaručeno, že ani ostatní hodnoty se nebudou měnit. Jde vlastně klidový stavtranzistoru. Stejnosměrné hodnoty musí být vždy správně nastaveny. Jen tak je splněnpředpoklad pro správnou činnost tranzistoru.Z předcházejícího výkladu víme, že emitorem prochází společný proud kolektoru abáze. Vyjádřeno rovnicí I E = I C + I B . Z Obr. 5.40 můžeme usoudit a praxe to potvrzuje, ženapětí mezi kolektorem a emitorem je složeno ze dvou napětí menších. Sčítá se tu napětí U CBa U BE . Vyjádřeno rovnicí U CE = U CB + U BE . Poznali jsme, že U BE je velmi malé a u zesilovačebývá v rozmezí 0,6 až 0,7 V. Překročíme-li uvedené napětí, prochází obvodem B-E velkýproud a polovodičový přechod mezi bází a emitorem se může zničit. V této souvislosti senabízí otázka, jaké napětí bychom naměřili mezi kolektorem a emitorem, tedy U CE utranzistoru, který je v činnosti.Na otázku nelze jednoznačně odpovědět, protože napětí tu mohou být velmi rozdílná.Záleží totiž na tom, k jakému účelu se tranzistor používá, neboli jak je zapojen. Tak např.zastává-li tranzistor funkci zesilovače napětí, pak stejnoměrné napětí U CE nastavujemepředem na poloviční napětí zdroje (Obr. 5.41). Není-li báze připojena, nebo neprochází-li zjiných důvodů proud I C , pak napětí U CE dostoupí až na velikost napětí zdroje. Naopak mezikolektorem a emitorem můžeme jindy naměřit nepatrné napětí, např. U CE = 0,5 V. Je to vpřípadě, že tranzistor pracuje ve spínacím režimu. Takovému napětí říkáme zbytkové -saturační a u běžných tranzistorů bývá v rozmezí 0,1 V až 0,5 V. Je to nejnižší možné napětí

74 FEKT Vysokého učení technického v Brněmezi kolektorem a emitorem. Napětí U BE , U E a U C jsou napětí proti nulovému (zápornému)potenciálu. Názorněji to ukazuje Obr. 5.42. Z obrázku je patrné, že U E je napětí na emitoruměřené proti zápornému pólu zdroje (platí pro NPN). Je to malé kladné napětí, řádovědesetiny voltu, které se vytvoří průchodem emitorového proudu na rezistoru R E . Napětí nabázi U B je opět měřeno proti zápornému pólu zdroje. Rozhodně bude vyšší než napětí U BE .Musí být vyšší o úbytek napětí na rezistoru R E , takže je-li napětí U E = 0,3 V, pak napětí U B =1 V. Obvyklou hodnotu napětí mezi bází a emitorem (U BE = 0, 7 V) je třeba zachovat. Napětína kolektoru Uc se může lišit jen málo od napětí U CE . Rozhodně to platí pro běžná zapojení,kde rezistor R E má malou hodnotu odporu. V ojedinělých případech bude nutno vzít v úvahu(odečíst) napětí U E , které se vytvořilo na velkém (výjimečně) odporu R E . Jinak by údaj napětíU C byl nepoužitelný, protože by se výrazně lišil od údaje U CE .Obr. 5.41: Na pracovním rezistoru R C v kolektoruvzniká průchodem klidového proudu napětí. Jehovelikost nastavujeme nejčastěji tak, aby napětí U Codpovídalo polovičnímu napětí zdroje U CCObr. 5.42: Měření stejnosměrnéhonapětí na elektrodách tranzistoruproti svorce nulovému potenciálu5.3.4 Charakteristiky a parametry tranzistoruKolektorový proud I C je převážně určen proudem I B a napětím báze U B . Zvyšuje-li senapětí mezi bází a emitorem, začne od jisté hodnoty stoupat proud báze I B . U germaniovýchtranzistoru je toto napětí kolem 0,1 V, u křemíkových kolem 0,5 V. Se vzrůstem bázovéhoproudu roste téměř lineárně i kolektorový proud. Kolektorový proud však od jisté velikostikolektorového napětí U C , které se pohybuje v řádu jednotek voltů, ale i méně, je jen málozávislý na kolektorovém napětí. Na Obr. 5.43 jsou statické charakteristiky tranzistoru.V pravém horním kvadrantu je uvedena závislost kolektorového proudu I C na kolektorovémnapětí U C . Křivek je několik, vždy pro stálý proud do báze. V levém horním kvadrantu jezávislost proudu kolektoru I c na proudu báze I B při konstantním U C . V levém dolnímkvadrantu je uvedena závislost proudu báze I B na napětí báze U B . V posledním kvadrantu jeuvedena závislost napětí U B na Uc. Všimneme-li si podrobněji výstupní charakteristikyvidíme, že ji můžeme rozdělit do několika částí. Nejprve při nulovém proudu báze jetranzistor uzavřen, takže jím protéká proud I C , který se rovná zbytkovému proudu tranzistoruI C0 . Při I B = 0 pozorujeme, že se prudce zvětšuje kolektorový proud v závislosti na napětí U CEaž do oblasti kolena. Tato část charakteristiky se nazývá oblast nasycení. Za kolenem procházíkřivka částí, kterou nazýváme lineární (nebo aktivní) oblastí. Tato část je omezenamaximálním kolektorovým proudem. Po teto části vstupuje křivka do oblasti průrazutranzistoru, kde se proud prudce zvětšuje až dojde k lavinovitému průrazu. V oblastinevodivého stavu je důležitým parametrem tzv. zbytkový proud I CE0 .

Mikroelektronické praktikum 75Obr. 5.43: Statické charakteristiky tranzistoruZákladním charakteristickým parametrem bipolárního tranzistoru je proudovýzesilovací činitel h 21E , jinak označovaný β. Pro tento parametr platí vzorec:Proudový zesilovací činitel se udává při daném napětí U CE a proudu I C . Dále je to mezníkmitočet f T . Zesilovací činitel h 21E se čte [ha: dva jedna e:]. Velké písmeno E značí, že sejedná o zapojené SE. „Protože to je velké písmeno, platí“ hodnota zesilovacího činitele prostejnosměrný proud tranzistoru. Pro střídavý proud, s kterým tranzistor pracuje častěji, nemusíúdaj souhlasit. Ve skutečnosti bude zpravidla nižší než udávaná h 21E . Někdy výrobce udávázesilovací činitel s označením h 21e (malé e). Pak se udaná hodnota vztahuje již ke střídavémuproudu. Střídavý proud je ovšem široký pojem, a tak výrobce zároveň upřesňuje rozsahkmitočtu, pro které h 21e platí. U nízkofrekvenčních tranzistorů jde obvykle o frekvenčnírozsah v akustickém pásmu kmitočtů, to zn. kmitočtů, které jsme schopni poslouchat. Proud vbázi, který musíme vyvolat, aby začal obvodem C-E procházet proud, je nepatrný. U většinykřemíkových tranzistorů je řádově stokrát menší než kolektorový proud. Výpočtem zjistíme,že h 21E bývá běžně 100 až 500. Pro upřesnění: V katalogu je h 21E stanoven při určitémkolektorovém napětí U C a při určitém, obvykle malém kolektorovém proudu I C . Pro jinéhodnoty napětí a proudu nemusí hodnota zesilovacího činitele odpovídat. V katalogu je vždyuvedeno rozmezí zesilovacího činitele, např. 50 až 250. Zesilovací činitel tranzistoru pak dotohoto rozmezí patří nebo může rozsah směrem k vyšším hodnotám překračovat. Skutečnouhodnotu h 21E pro konkrétní tranzistor získáme jedině vlastním měřením.Velmi častým zapojením tranzistorů je zapojení tzv. Darlingtonovo (Obr. 5.44), kterése používá pro zvětšení proudového zesilovacího činitele. Má-li T 1 proudový zesilovacíčinitel β 1 a T 2 činitel β 2 , je výsledné proudové zesílení dvojiceβ β β = ⋅1 2

76 FEKT Vysokého učení technického v BrněZapojení má však taky nevýhody. Napětí U B jeoproti použití jednoho tranzistoru dvojnásobné. Zbytkovýproud tranzistoru T 1 se zesiluje β 2 krát a převádí dotranzistoru T 2 , takže výsledný I CE0 = β 2 I CE01 + I CE02 . Ukřemíkových tranzistorů, které mají malý zbytkový proud,je tato nevýhoda minimální. Údaj o zesilovacím činitelinetřeba přeceňovat. Při volbě tranzistoru se častěji řídímejinými hledisky než je hodnota h 21E . Musíme respektovatnapř. maximální hodnoty napětí a proudů. Překročenímtěchto hodnot můžeme tranzistor zničit. Při použitítranzistorů je důležité znát maximální velikost napětíU CBmax a U CEmax· Toto napětí je udáno v katalogu výrobcem. Přípustné napětí U CE se uvádí sodporem R B , zapojeným mezi bázi a emitor při daném proudu I CE0 . Dalším důležitýmparametrem je maximální ztrátový výkon tranzistoru P tot (při dané teplotě) a maximálnípřípustný kolektorový proud (příp. i mezní proud báze). Parametry tranzistorů závisí ve velkémíře na teplotě. Např. proud I CB0 se zvětšuje s teplotou. Při zvětšení teploty o 10°C můžemepočítat s jeho dvojnásobným zvětšením.Tab. 5.13: Spínací tranzistoryObr. 5.44: Darlingtonovozapojení tranzistorů

Mikroelektronické praktikum 77Proudový zesilovací činitel se se stoupající teplotou také zvětšuje. Z hlediska teploty jedůležitým parametrem maximální teplota přechodu T j a teplotni odpor R t . Maximální teplotapřechodu u germaniových tranzistorů bývá 70 až 90°C a u křemíkových až l50°C. Teplotníodpor udává teplotní spád mezi přechodem a pouzdrem. Udává se ve °C/W. Známe-li tedy T j ,můžeme vypočítat ze ztrátového výkonu a teplotního odporu maximální teplotu pouzdra. Ztéto teploty se již počítá chladič tranzistoru. Tento výpočet je pro běžnou praxi dosti složitý achladicí plocha se proto určuje odhadem. U některých výkonových tranzistorů bývá vkatalogu uvedena chladicí plocha pro maximální ztrátový výkon.Tab. 5.14: Křemíkové tranzistory NPNPro malosignálové aplikace se vlastnosti tranzistoru vyjadřují tzv. čtyřpólovýmiparametry. Pro nízkofrekvenční typy se ustálilo používání hybridních parametrů,označovaných jako parametry h. U vysokofrekvenčních tranzistorů jsou to pak vodivostníparametry y. Použití čtyřpólových parametrů k vyjádření vlastností tranzistorů je podmíněnotím, že rozkmit zpracovávaného signálu je zanedbatelně malý ve srovnání se stejnosměrnýmiproudy a napětími ve zvoleném pracovním bodě. Číselné hodnoty čtyřpólových parametrůzávisí na pracovním bodě tranzistorů, zejména na jejich kolektorovém proudu a dále nakmitočtu. Teplotou jsou ovlivňovány méně. Tranzistor, bez ohledu na jeho zapojení, simůžeme představit jako čtyřpól z Obr. 5.45 s vyznačenými veličinami vstupního napětí U 1 aproudu I 1 , výstupního napětí U 2 a proudu I 2 , napětí zdroje signálu u g se svým vnitřnímodporem R g a konečně se zatěžovacím odporem R Z .Hybridní neboli sériově-paralelní parametry jsou pak vázány vztahy:

78 FEKT Vysokého učení technického v BrněU1 = h11I1 + h12U2I2 = h21I1 + h22U,2Parametr h 11 představujevstupní odpor tranzistorunakrátko. Zpětné napěťové Obr. 5.45: Obecné náhradní schéma tranzistoruzesílení naprázdno je h 12 ,proudové zesílení nakrátko h 21 a výstupní vodivost naprázdno h 22 . Index u každého parametruoznačuje způsob zapojení tranzistoru, ke kterému se příslušná hodnota vztahuje. Pro zapojeníse společným emitorem to je index e, kolektorem c a bází b.Tak např. pro nízkofrekvenčnítranzistor KC507 platí v zapojení sespolečným emitorem při proudukolektoru 2 mA a kmitočtu 1 kHz tytohodnoty parametrů h:h 11e = 3 kΩ h 21e = 250h 12e = 1,5 x 10 -4h 22e = 20 µSVodivostní parametry vycházejí zevztahů:I1 = y11U1 + y12U2I2 = y21U1 + y22U2Parametr y 11 představuje vstupníObr. 5.46: Závislost šumu na kmitočtuvodivost nakrátko, y 12 zpětnoupřevodovou vodivost nakrátko, y 21 převodovou vodivost nakrátko neboli strmost a y 22představuje výstupní vodivost nakrátko. Protože při vyšších kmitočtech bývá charakterparametrů tranzistoru již komplexní, rozděluje se příslušný parametr na část reálnou (odpor,vodivost) a na část imaginární (kapacitu). U některých veličin se pak udává jejich absolutnívelikost spolu s fázovým natočením ϕ. Pro vysokofrekvenční tranzistor KF125 udává výrobcepři proudu kolektoru 1 mA a kmitočtu 1 MHz tyto hodnoty vodivostních parametrů:g 11b = 33 mSc 11b = 5,5 pFϕ 21b = 150°⏐y 12b ⏐ = 220 µSg 22b = 12 µSϕ 12b = -87°c 22b = 1,5 pF⏐y 21b ⏐ = 33 mSMezní kmitočet tranzistoru se uvádí buď jako f max - mezní oscilační kmitočet (kmitočet,při němž je schopen tranzistor ještě kmitat), nebo jako f β (f α ) - mezní kmitočet v zapojení sespolečným emitorem (společnou bází), při němž se zesilovací činitel β(α) zmenší na 70 %velikosti naměřené na kmitočtu 1 kHz. Může se také udávat kmitočet f T . Je to tzv. tranzitníkmitočet. Je definován jako součin absolutní hodnoty proudového zesilovacího činiteletranzistoru (h 21e ) a kmitočtu, při kterém se měří v oblasti poklesu (h 21e ) o 6 dB na oktávu. Přitomto kmitočtu je proudový zesilovací činitel h 21e přibližně roven l.Vyjdeme-li z některého z náhradních schémat tranzistoru, můžeme jeho vlastnostipopsat hodnotami z těchto schémat (např. Giacolettovo náhradní schéma), které jsou poměrněmálo závislé na kmitočtu. Tohoto způsobu se však používá méně.

Mikroelektronické praktikum 79U výkonových tranzistorů, kde je již zpracovaný signál svou velikostí srovnatelný shodnotami napětí a proudů pracovního bodu, musíme při analýze nebo návrhu obvodůvycházet z voltampérových charakteristik tranzistorů. Podrobný postup najde zájemce vliteratuře.Důležitou vlastností tranzistoru je také jeho vlastní šum. Činitel šumu je závislý nakmitočtu podle Obr. 5.46. V první části křivky do kmitočtu f 1 se činitel šumu tranzistoruzmenšuje, v druhé části (tzv. oblasti bílého šumu) je činitel šumu takřka neměnný a přikmitočtech vyšších než f 2 se opět šum zvětšuje vlivem zmenšení zesílení na vyššíchkmitočtech.Tab. 5.15: Křemíkové tranzistory PNP5.3.5 Pouzdření a značení tranzistorůVlastní polovodičový systém tranzistoru má nepatrné rozměry a je umístěn v různýchpouzdrech. Pouzdra se liší nejen tvarem, ale i materiálem. Vyrábějí se z kovu nebo plastu.Kovová pouzdra jsou dražší než plastová, zato lépe odvádějí ztrátové teplo z tranzistorovéhosystému. Často se setkáme s kombinací dvou materiálů, zvláště u výkonových tranzistorů.Potom je součástí plastového pouzdra kovová destička, určená k přišroubování na chladič.Jejím prostřednictvím se ztrátové teplo snadno odvádí z tranzistoru. Tvary a velikosti pouzderse u mnohých výrobců prakticky neliší. Proto řada pouzder má již mezinárodní označení, cožpřispívá k zjednodušení a rychlejší informovanosti.Nejčastěji budeme pracovat s tranzistory určenými pro napěťové zesilovače (Obr.5.47a). Elektrody mají většinou drátové vývody a jejich rozmístění je standardní. Uprostřed jebáze, po stranách emitor a kolektor. Tyto tranzistory snesou jen nepatrné zatížení a jsourozměrově nejmenší. Jinou skupinu tvoří spínací tranzistory (Obr. 5.47b). Vyrábějí se vkovových nebo plastových pouzdrech. Svými vlastnostmi se trochu liší od tranzistorů pronapěťové zesilovače, protože jsou konstruovány pro funkci: proud vede - nevede. Většinoumohou pracovat s většími kolektorovými proudy než tranzistory předchozí skupiny.Vysokofrekvenční tranzistory mají tvar někdy nezvyklý a nezřídka mají čtyři vývody (Obr.5.47c). Čtvrtý vývod si vyžádalo připojení kovového pouzdra (stínění). Tím se zlepšuječinnost tranzistoru při vysokých kmitočtech. Rozmístění elektrod bývá různé.

80 FEKT Vysokého učení technického v BrněObr. 5.47: Tvary pouzder tranzistorů: a) pro malé výkony (napěťové zesilovače), b)vysokofrekvenční tranzistory, c) spínací tranzistory, d) výkonové tranzistory, e) staršígermaniové tranzistoryZvláštní skupinu tvoří výkonové tranzistory, jejichž starší pouzdro je celokovové (Obr.5.47d) a zdánlivě jim chybí třetí elektroda - kolektor. Ten je spojen s kovovým pouzdrem, aproto musí být tranzistor upevněn izolovaně na chladiči. Novější pouzdra se tvarově liší. Jsouvýrobně méně náročná a snadněji se instalují. Z plastového pouzdra vyčnívá na jedné straněkovová destička, na druhé straně tři úzké páskové vývody.Obr. 5.48: Tranzistor v kovovém pouzdře a) detail připojení přívodních drátků k emitoru abázi, b) přívody emitoru a báze, kolektor je vodivě připojen k podložceOznačení tranzistoru je kódováno kombinací písmenného a číselného znaku. Vevropském značení se znak tranzistoru skládá buď ze dvou písmen a tří číslic nebo ze třípísmen a dvou číslic. Za číselným znakem obvykle následuje další písmeno.První písmeno (v obou jmenovaných skupinách):A - germaniové tranzistoryB - křemíkové tranzistoryG - germaniové tranzistory (značení TESLA)K - křemíkové tranzistory (značení TESLA)Druhé písmeno (v obou skupinách):C - nízkofrekvenční tranzistoryD - nízkofrekvenční výkonové tranzistory

Mikroelektronické praktikum 81F - vysokofrekvenční tranzistoryL - vysokofrekvenční výkonové tranzistoryS - spínací tranzistoryU - spínací výkonové tranzistoryTřetí písmeno ve druhé skupině: neobsahuje zpravidla žádné technické údaje, výrobce jímsděluje jiné informace.Obr. 5.49: Řez tranzistorem v kovovém pouzdře TO5, kolektorje vodivě připojen k podložcePříklad: uvažujme tranzistory označené:BC 168 ABC 108 ABC 168 BBC 108 BBC 168 CBC 108 CVe všech případech se jedná o křemíkový nízkofrekvenční tranzistor, určený pronapěťové zesilovače. Liší se pouzdrem, což vyjadřuje rozdílný číselný znak. První trojiceoznačuje tranzistory v plastovém pouzdru, druhá trojice v kovovém pouzdru. Písmena začíselným znakem udávají zesilovací činitel tranzistoru, konkrétně: A = 170, B = 290 aC = 500. Všechny ostatní parametry těchto tranzistorů jsou stejné.Mimoevropští výrobci používají i jiná značení, takže bez srovnávacích tabulek seneobejdeme. Americké značení tranzistorů začíná dvojicí znaků 2N, např. 2N2218A.Japonské tranzistory mají označení začínající 2CA.., 2SB.., podobně 2SC, 2SD, 2SJ, 2SK,3SK atd.5.3.6 Měření a zkoušení tranzistorůNyní ještě několik slov o měření tranzistorů. Pro informativní zkoušení tranzistorů námpostačí měřič odporů, např. Avomet II. Tímto měřícím přístrojem můžeme určit, zda jetranzistor vadný (průraz) či nikoli. Zkoušíme přechody: báze - kolektor, báze - emitor aemitor - kolektor. Pro přesnější změření tranzistoru NPN připojíme zdroj podle Obr. 5.50.Tímto způsobem změříme proudový zesilovací činitel při zanedbání zbytkového proudu.

82 FEKT Vysokého učení technického v BrněPoznámka k použití tranzistorů. Přinávrhu a ověřování tranzistorových obvodůmusíme počítat s velkým rozptylemparametrů tranzistorů. Jsou dvě možnosti:pracovní body tranzistorů nastavovatindividuálně (trimrem, upravit velikostisoučástek) nebo použít vhodné zpětné vazby,která potlačí důsledky rozptylu parametrůtranzistoru (ů). Obvody obvykle zhotovujemeObr. 5.50: Měření tranzistorůnejprve na zkušební desce.Na zkušební desce můžeme snadno měnit všechny součástky. Výhodné je používat přizkoušení pro tranzistory a integrované obvody objímky. Pak se dají tyto součástky snadnovyměnit. V této fázi práce vývody součástek zásadně nezkracujeme, abychom je mohli použítpro stavbu "načisto". Při práci s tranzistory musíme zachovávat některé hlavní zásady. Vněkterých publikacích, zvláště starších se uvádí že u tranzistorů se nemají zkracovat přívody.Toto pravidlo je odůvodněno tím, že při pájení by se mohl tranzistor přehřátím zničit. Dnes,kdy většina používaných tranzistorů jsou tranzistory křemíkové, toto nebezpečí již v takovémíře nehrozí. Při pájení je možno přívody zkrátit až na minimum (asi 5 mm) od pouzdra. Připájení tranzistorů do desky s plošnými spoji je vhodné používat podložky (i pod diody). Celekje potom kompaktnější a má větší mechanickou odolnost. Toto platí zvláště u obvodů,použitých pro různé funkce v motorovém vozidle.Používání objímek pro tranzistory je značně problematické. Je pravda, že při případnéopravě je výměna tranzistoru jednoduchá, objímka sama může být však zdrojem závady. Jetedy lépe, použijeme-li objímky pro zkušební destičku a pro finální výrobek tranzistorypřipájíme. Dále si u mnohých tranzistorů musíme dát pozor na to, že kolektor bývá spojens pouzdrem. To platí zvláště u tranzistorů se středním a velkým výkonem. Zvláštní kapitolouje práce s tranzistory řízenými polem. U těchto tranzistorů již pouhý styk prstu a řídicíelektrody může přivodit jejich zničení statickou elektřinou. Tyto tranzistory se musí protopájet se zkratovanými přívody. Čím má tranzistor větší strmost, tím je nebezpečí poškozenívětší. Poškození těchto i ostatních tranzistorů bývá často zaviněno pájením na zapnutémzařízení. Zařízení v době pájení musí být odpojeno od napájecího zdroje, pokud ten nemávhodnou elektronickou pojistku.5.4 Unipolární tranzistoryPohledem do historie zjistíme, že trvalo více než l0 let od objevu bipolárníhotranzistoru, než se podařilo v r.1960 sestrojit odlišný typ tranzistoru, nazvaný unipolárnítranzistor. Objev nepřišel najednou. Již dávno předtím byly pozorovány zajímavé změnyvodivosti v tenké vrstvě polovodiče. Příčinou byl povrchový náboj.Nový druh tranzistoru (nazývaný nyní unipolární) se od původního tranzistoru(nazývaného nyní bipolární) výrazně liší. Nemá dva polovodičové přechody a při své činnostivyužívá pouze nosiče náboje jednoho druhu. Protékající proud se neovládá proudem řídicíelektrody, nýbrž elektrickým polem-napětím. Odtud dostaly tyto tranzistory název"tranzistory řízené elektrickým polem“. Běžně je označujeme zkratkou FET, která je složena zpočátečních písmen anglických slov Field Effect Tranzistor.Unipolární tranzistory se vyznačují zejména velkým vstupním odporem, protibipolárním tranzistorům menší strmostí a velmi malým zbytkovým proudem.

Mikroelektronické praktikum 83Čím se unipolární tranzistory liší od bipolárních? Jak již bylo uvedeno výstupní proudse řídí výhradně elektrickým polem (bez proudu) na vstupní elektrodě. To znamená zcelaodlišnou činnost uvnitř tranzistoru. S tím dále souvisí vstupní odpor, který u tranzistorů FETje o několik řádků vyšší v porovnání s bipolárními tranzistory. Připomeňme si, že ubipolárního tranzistoru malý vstupní odpor zaviňuje přechod báze-emitor. Ten musí býtpólován v propustném směru, a proto má malý odpor.Tranzistor FET si můžeme představit také jako polovodičový rezistor, třebaženelineární, na rozdíl od obyčejného rezistoru.Stejně jako rezistor, i FET je-li zařazen doobvodu, ovlivňuje průchod proudu. Jeho vodivost řídíme změnou elektrického pole. Prozajímavost: Není-li řídicí elektroda G připojena k obvodu, tzn. je-li "ve vzduchu“, paktranzistor FET reaguje i na přiblížení ruky - mění se propustnost kanálu. V aplikacích protomusí být vždy řídicí elektroda spojena vodivou cestou se zemí (odpor bývá řádu MΩ).Existují dva principiální typy unipolárního tranzistoru, které označujeme JFET a MOSFET, jejich činnost probereme odděleně.5.4.1 Tranzistor FET s přechodovým hradlem (JFET)Schématickou značku tranzistoru JFET vidíme na Obr. 5.51. Rozlišujeme tři elektrody:vstupní elektrodu G, dále kolektor a emitor. V cizí literatuře poznáte i jiná značení elektrod:vstupní elektroda se značí stejně, tedy G, z anglického slova gate (čti gejt). Můžeme přeložitjako brána nebo hradlo, což odpovídá funkci této elektrody. Místo emitoru se používá symbolS (od slova source = zdroj), místo kolektoru symbol D (od slova drain = odtok). Schématickéznačky (Obr. 5.51) obou existujících typů tranzistorů JFET se od sebe liší šipkou u vstupníelektrody. J-FET s kanálem typu N je na Obr. 5.51a, s kanálem typu P na Obr. 5.51b.Obr. 5.51: Schématická značkatranzistoru J-FET: a) s kanálem N, b)s kanálem PObr. 5.52: Zjednodušená představa a uspořádánítranzistoru J-FET. Proud nosičů postupuje odelektrody S k elektrodě D. Elektrické pole vstupníelektrody G ovlivňuje průchodnost kanáluZjednodušenou představu o činnosti dává Obr. 5.52. V polovodičovém materiálu sevytváří kanál z kladných (P-JFET) nebo záporných (N-JFET) nosičů náboje. Proud postupujeod elektrody S k elektrodě D. Do kanálu zasahuje elektrické pole vstupní elektrody G, a to zobou stran. Tím se zvětšuje nebo zmenšuje šířka kanálu, zvětšuje se nebo zmenšuje velikostprocházejícího proudu.Polovodičový přechod mezi kanálem a hradlem je v pracovním bodě vždy polarizován vzávěrném směru (vnějším napětím). Proto má velký vstupní odpor. Šířka kanálu je řízenazměnami velikosti oblasti prostorového náboje PN přechodu (nebo přechodu kov-polovodič)mezi hradlem a polovodičovým materiálem. Proto proud procházející kolektorem se zmenšujes rostoucím napětím U GE , tzn. s napětím přivedeným na vstup. Zužuje se tím kanál, kterýmprocházejí nosiče náboje. Platí to ovšem i obráceně. Dále musíme vzít na vědomí, žetranzistorem JFET prochází proud i tehdy, když na řídicí elektrodě je nulové napětí.

84 FEKT Vysokého učení technického v BrněPracovní bod nastavujeme kladným nebo záporným předpětím (podle vodivostipolovodiče), aby došlo k přivření kanálu (oproti nulovému napětí na hradle). Kolektorovýproud potom řídicím napětím buď zvětšujeme nebo zmenšujeme.Přitom zůstává zachován velký vstupní odpor, přibližně o šest řádů větší než ubipolárního tranzistoru. Z běžně používaných tranzistorů jmenujme BF 245, BF 246, BF 256,BF 410.Obr. 5.53: Základní zapojení zesilovače s tranzistorem J-FET s kanálem N (zapojení SS). Srostoucím napětím (záporným) na vstupní elektrodě G (proti E) se kolektorový proudzmenšuje5.4.2 Tranzistor FET s izolovaným hradlem (MOS)Tranzistor MOS se vyznačuje tím, že řídicí elektroda je oddělena, izolována tenkouvrstvou oxidu křemičitého (SiO 2 ). Podle této izolační vrstvy dostal tranzistor název MOSFET. Symbol MOS tvoří počáteční písmena anglických slov Metal Oxide Silicon (neboSemiconductor). Tranzistory MOS se používají s kanálem vodivosti N i P. Schématickáznačka MOSFET obou vodivostí je na Obr. 5.54a. Je v ní naznačeno oddělení řídicí elektrodyod kanálu vrstvou oxidu. Přivedeme-li na kolektor tranzistoru s kanálem N kladné napětí protiemitoru, prochází kanálem určitý proud, i když řídicí elektroda G není připojena k napětí (tj.je uzemněna, nelze připustit, aby byla tzv. ve vzduchu).Obr. 5.54: Tranzistor MOSFET: a) schematická značka tranzistoru NMOS a PMOS, b)převodní a výstupní charakteristiky

Mikroelektronické praktikum 85Přivedeným kladným napětím se zvětší vodivost kanálu a obvodem C-E prochází většíproud. Naopak při záporném řídicím napětí vodivost kanálu klesá a proud mezi emitorem akolektorem se zmenšuje.Možná, že někoho překvapila čtvrtá elektroda s označením G2. Tato elektroda jespojena se základní polovodičovou destičkou. Obvykle ji připojujeme k emitoru nebo nanejnižší potenciál v obvodu. Může sloužit i jako tzv. druhé hradlo (asi s řádově menšístrmostí) - podrobnější výklad by přesahoval rámec tohoto textu. Elektroda G2 nebývávyvedena u všech typů tranzistorů MOS FET.Ampérvoltové charakteristiky tranzistoru MOS jsou na Obr. 5.54b. Vstupní odportěchto tranzistorů dosahuje až l0 15 Ω, strmost y 21 se pohybuje v jednotkách mA/V, zbytkovýproud I CE bývá menší než 1 µA. Pracují s kolektorovým napětím jednotek až desítek voltů ajsou použitelné i při kmitočtech vyšších než 100 MHz.Za povšimnutí stojí neuvěřitelně velký vstupní odpor. Jestliže u bipolárního tranzistoru vzapojení SE počítáme s odporem 10 3 Ω a v zapojení SC nejvýše 10 6 Ω, pak vstupní odportranzistorů MOS FET bývá 10 13 až 10 17 Ω, což je o mnoho řádů vyšší odpor. Má to ovšem istinnou stránku.Jednou z typických vlastností tranzistorů řízených elektrickým polem je totiž jejichnáchylnost k napěťovému průrazu řídicí elektrody. I když je dovolené napětí řídicí elektrodyvůči emitující poměrně vysoké, kolem 70 V, může dojít k průrazu vlivem statické elektřinytřeba jenom dotykem ruky nebo odložením tranzistoru na podložku z plastu.Pracuje-li proto se s nezapojeným tranzistorem, majíbyt jeho všechny elektrody zkratovány mezi sebou. Zkrat seodstraní až po zapájení do příslušného obvodu. Při provozuse tranzistor chrání např. omezovací doutnavkou, diodami,rezistorem apod.V tuzemsku byly dostupné především dva typyunipolárních tranzistorů, a to KF520 a KF521. U prvního znich zaručuje výrobce strmost y 21 při proudu 5 mAminimálně 0,3 mA/V, u druhého pak 2,5 mA/V, a to bezpředpětí řídicí elektrody. Některé zahraniční typy dosahují ažněkolikanásobné hodnoty strmosti v porovnání s těmito typy.Obr. 5.55: Jednostupňovýzesilovač s tranzistorem MOSTranzistory MOS se vyrábějí tzv. planární technologií.Na základní polovodičovou destičku např. typu N jsou difúzní vytvořeny dva podélné páskyvodivosti P. Ty představují emitující elektrodu E a sběrnou elektrodu C. Povrch destičky jepak pokryt izolační kysličníkovou vrstvou, na které je umístěna řídicí elektroda G.Dramatický rozvoj technologie tranzistorů MOS nastal pro integrované obvody. Pro digitálníobvody byly vyvinuty tranzistory, které nevedou při nulovém napětí na hradle. Sníženíspotřeby se podařilo docílit současným používáním tranzistorů obou vodivostí v tzv.obvodech CMOS. V diskrétním provedení mají tranzistory MOS významné místo mezivýkonovými tranzistory.

86 FEKT Vysokého učení technického v Brně5.4.3 Další polovodičové součástkyMezi polovodičové prvky se někdy řadí pasivní součástky, jako termistory, varistory,pozistory, fotoelektrické články, fotoelektrické odpory a další.Termistor je pasívní součástka, zhotovená z polovodičového materiálu, která mázáporný teplotní součinitel odpor TK R . Znamená to, že jeho odpor s rostoucí teplotou klesá.Tato závislost má logaritmický charakter a je vyjádřena vztahemR1⎛ B B ⎞= exp⎜− ⎟ ,R2 ⎝ Θ1 Θ2⎠kde R 1 je odpor termistoru při teplotě Θ 1 , R 2 je odpor při teplotě Θ 2 a B teplotní konstantatermistoru, která mívá velikost 1 000 K až 6 000 K.Termistory se vyrábějí převážně spékáním stlačených polovodivých práškovýchoxidů při vysoké teplotě. Mohou mít tvar tyčinek, perliček, destiček, trubiček, prstenců, fóliíapod. Vývody jsou pájeny na pokovené strany termistoru. Miniaturní termistory bývajíumísťovány v baňkách s vhodnou atmosférou.Termistory mění odpor při změně vlastní teploty, a to bud vlivem změny teplotyokolního prostředí, nebo pruchodem proudu. U nepřímo žhavených (vyhřívaných) druhů jetermistor ohříván průchodem proudu žhavicím vláknem, které je s termistorem ve styku.Termistory se používají jako teplotní čidla, měřiče teploty, součásti tepelnýchstabilizačních obvodů apod. Na trhu se vyskytuje množství termistorů různých odporů avelikostí.Varistory jsou proudově závislé rezistory, které průchodem proudu zmenšují svůjodpor. Pokud jejich teploty nepřekročí asi 100 °C, jsou stabilní a hodnota jejich odporu jevratná. Základní surovinou k výrobě je karbid křemíku. Typická voltampérová charakteristikavaristoru je na Obr. 5.56.Zapojí-li se varistor jako spodní členodporového děliče, potom kolísání výstupníhonapětí na varistoru je menší než kolísánívstupního napětí na celém odporovém děliči.Varistor tedy pracuje jako stabilizátor napětí, ato tím lépe, čím je jeho voltampérovácharakteristika plošší. Jako stabilizátorstřídavého napětí pracuje až do kmitočtuněkolika kilohertzů při tvarovém zkresleníprocházejícího signálu. V současnosti je jehohlavní použití jako ochranného prvku protinapěťovým špičkám v telekomunikačnítechnice.Dalším teplotně závislým odporem jepozistor. Jeho odpor se vzrůstem teploty až dojisté hodnoty téměř nemění. Od tzv. spínacíObr. 5.56: Typická ampérvoltovácharakteristika varistoruteploty však jeho odpor prudce stoupá. Je-li např. odpor pozistoru pod 100 Ω až do teploty100 °C, stoupne při teplotě 120 °C na 400 Ω a při 140 °C již na 30 kΩ.

Mikroelektronické praktikum 87Pozistory se používají jako teplotní spínače (ochrany) tepelně namáhaných součástek.Mohou též signalizovat vzrůst teploty nad určitou mez nebo pracovat ve stabilizačníchobvodech.Kromě již uvedených fotoelektrických prvků, jako jsou fotodiody a z nich odvozenédalší prvky, používají se již několik desítek let selenové fotoelektrické články. Jednuelektrodu tvoří základní ocelová niklovaná destička, druhou průsvitná vrstvička selenu svhodnými přísadami pro úpravu spektrální citlivosti.Osvětlením selenové vrstvy vzniká elektromotorické napětí. Proud nakrátko je přímoúměrný osvětlení asi do 300 lx při citlivosti kolem 0,5 mA/lx. Vnitřní odpor článku sosvětlením klesá a jeho výstupní napětí se zvětšujícim se osvětlením stoupá pomaleji než přimalém osvětlení. Maximum spektrální citlivosti se pohybuje kolem 0,5 µm. Fotoelektrickéselenové články se dříve uplatňovaly zejména v expozimetrech, fotometrech, luxmetrechapod.V šedesátých letech byly zdokonaleny fotoelektrické rezistory, jejichž odpor je výraznězávislý na osvětlení. Rezistor je tvořen vrstvičkou sirníku kademnatého na izolační podložce.Velikost odporu za tmy bývá větší než 1 MΩ, za plného osvětlení několik desítek až setohmů. Maximum spektrální citlivosti bývá posunuto do oblasti infračerveného zářeni.Fotoelektrické rezistory mají při provozu poměrně velké vlastní šumové napětí a značnousetrvačnost, která při malém osvětlení dosahuje až několika sekund. Závislost odporu naosvětleni je nelineární.5.4.4 Chlazení polovodičových součástekS používáním polovodičových součástek úzce souvisí jejich chlazení. Jak již bylouvedeno, vlastnosti polovodičových prvků výrazně závisí na jejich vnitřní teplotě. Protože jakprovozem, tak i působením vnějších vlivů jejich teplota může stoupat, musíme se postarat opřiměřené chlazení. Často samozřejmě postačí přirozený odvod tepla pouzdrem.Běžně používaný způsob chlazení spočívá v odvodu tepla do větší plochy, tzv. chladiče,a odtud odvedením do okolního prostoru. Chlazení nuceným prouděním vhodného média sepoužívá jen zřídka, hlavně u rozměrnějších součástek a větších ztrátových výkonů.Podle Obr. 5.57 si lze chlazenou součástku představitjako zdroj tepla o velikosti dané rozdílem vnitřní teploty ϑ j aokolní teploty ϑ a , tedy ϑ j - ϑ a . Tento teplotní spád je rozloženna tepelných rezistorech K 1 až K 3 , vřazených mezi zdrojtepla a okolí. Tepelný odpor rezistoru součástky je konstanta,která udává, o kolik stupňů Celsia se zvýší teplota tohotorezistoru proti okolí, je-li ohříván výkonem 1 W.Veličina K 1 představuje tepelný odpor mezi místem,kde vzniká teplo, a povrchem vlastního pouzdra; zpravidla jej udává výrobce. Veličina K 2reprezentuje odpor styku součástky s chladičem; tepelný odpor chladiče je označen jako K 3 .Označíme-li si součet odporů jako K = K 1 + K 2 + K 3 a známe-li nejvyšší přípustnouvnitřní teplotu součástky ϑ jmax a teplotu okolí ϑ a , můžeme určit největší dovolenouvýkonovou ztrátu součástky P Cmax ze vztahu:PC maxυ=jmaxK− υaObr. 5.57: Náhradní zapojenízdroje tepla a chlazení[W; °C, °C/W].

88 FEKT Vysokého učení technického v BrněV praxi však častěji při známé ztrátě P Cmax hledáme příslušný tepelný odpor chladicíhosystému K. Podrobnosti je třeba vyhledat v literatuře [2]. Tam je také přehledně rozvedenzpůsob stabilizace pracovního bodu tranzistoru a jeho teplotní kompenzace. Je to důležitáotázka, která musí být beze zbytku vyřešena, má-li navržené zařízení i spolehlivě pracovat.5.4.5 Spolehlivost polovodičových součástekSpolehlivostí rozumíme vlastnost soustavy nebo prvku zajišťovat spolehlivou funkci.Číselně se udává zpravidla tzv. intenzitou poruch λ, tj. poměrem počtu součástek N v , kteréjsou s jistou pravděpodobností vyřazeny z provozu v daném časovém údobí t k počtu xsoučástek ještě fungujících, tedy[h -1 ].Časový úsek t se zpravidla volí 1000 h a součinitel λ se vyjadřuje v % za 1000 h přiteplotě okolí + 40 °C. Obsahuje-li vyšetřovaná soustava více součástek o různých intenzitáchporuch, je celková intenzita poruch celého zařízení dána jejich součtem. Převrácená hodnotaintenzity poruch pak udává střední dobu bezporuchového provozu zařízeníT s= 1 λ[h].Shrnuto to znamená, že známe-li součinitele λ jednotlivých součástek, můžemejednoduchým vztahem určit střední dobu bezporuchového provozu celého zařízení. Průměrnéhodnoty běžných součástí jsou uvedeny v Tab. 5.16.Před použitím každésoučástky musíme ověřit, zdaTab. 5.16: Průměrné intenzity poruch některých součásteknejsou při provozu překročenyjejí mezní hodnoty. Týká se tonejen tranzistorů a diod, kdesledujeme jejich napěťové,proudové a tepelné zatížení, alei ostatních pasívních součástek.Na poruchovostelektrických součástek mánejvětší vliv teplota. Sestoupající teplotou poruchovostroste. Proto např. ugermaniových součástek nemápřestoupit vnitřní teplotasystému za žádných okolností+ 65 °C, u křemíkových+ 100 °C, i když výrobce udávámezní teplotu systému vyšší.Rezistory je vhodné zatěžovatdo 25 % jmenovitého zatížení,tranzistory, diody akondenzátory do 50 %jmenovitého napětí.

Mikroelektronické praktikum 895.5 Shrnutí kapitolyZákladem polovodičových prvků je přechod PN – přechod mezi oblastí polovodiče typu N apolovodiče typu P.Hlavní parametry diody - zajímají nás v prvé řadě vlastnosti v závěrném směru a velikosti„prahového napětí“ v propustném směru nevěnujeme velkou pozornost. Víme, že jakmile seotevře přechod, nosiče nábojů se okamžitě uvedou do pohybu. Velikost takto vznikléhoproudu je určena prakticky jen Ohmovým zákonem. To znamená, že tu rozhoduje odporzařazený v elektrickém obvodu. Nejčastěji to bývá rezistor, nikoliv vnitřní odpor diod, kterýje ostatně velmi malý. Každý typ diody má stanovenou maximální velikost proudu I F . Tentoproud je dioda schopna trvale vést a podle toho diodu vybíráme.Elektrody tranzistoru – E-emitor, B-báze, C-kolektorNázev elektrických veličin v obvodu bipolárního tranzistoruI B - proud bázeI C - proud kolektoruI E - proud emitoruU BE - napětí mezi bází a emitoremU CB - napětí mezi kolektorem a bázíU CE - napětí mezi kolektorem a emitoremU S - napětí báze proti nulovému potenciáluU C - napětí kolektoru proti nulovému potenciáluU E - napětí emitoru proti nulovému potenciálu3 základní zapojení bipolárního tranzistoruSE se společným emitoremSC se společným kolektoremSB se společnou bázíUnipolární tranzistory – řízené elektrickým polemTranzistory s trvalým a indukovaným kanálemJFET a MOSFETElektrody unipolárního tranzistoru S-source, D-drain, G-gate

90 FEKT Vysokého učení technického v Brně6 ZÁKLADNÍ FUNKCE BIPOLÁRNÍHOTRANZISTORUCíle kapitoly:Tato kapitola je zaměřena na základní funkce a zapojení bipolárního tranzistoru.Studenti se naučí nastavovat pracovní bod tranzistoru a dále se naučí používat tranzistorv jeho základních zapojeních, zejména jako spínače a zesilovače, ale také v dalších aplikacíchjako jsou například klopné obvodyBipolární tranzistor používáme obvykle jako zesilovač a spínač. Obě funkce tranzistorsplní, avšak jeho zapojení a nastavení pracovního bodu se budou lišit. Jde to shrnout asi takto:Tranzistor jako zesilovač:• V klidové poloze, tj. bez buzení vstupním signálem, nastavujeme trvalý klidovýproud. Ten vytváří na pracovním rezistoru v kolektoru trvalý úbytek napětí, rovnajícíse polovičnímu napětí zdroje.• S budícím signálem, tzn. přivedením malého střídavého napětí na bázi, se kolektorovýproud střídavě zvětšuje a zmenšuje. Přitom zachovává stejný průběh jako budící proudv bázi. Na kolektoru je k dispozici střídavé napětí, mnohem větší než napětí na bázi.Tranzistor jako spínač:• V klidové poloze, bez buzení, neprochází tranzistorem proud, kromě nepatrnéhozbytkového proudu. Tranzistor je uzavřen, rozepnut.• S připojeným stejnosměrným napětím na bázi prochází tranzistorem velkýkolektorový proud. Tranzistor je sepnut, třebaže malý odpor v obvodu C-E zůstává.Vytvoří se na něm malé, tzv. saturační napětí. To zhoršuje vlastnosti spínače -tranzistoru.Obr. 6.1: Zatěžovací přímka s vyznačenými oblastmi, ve kterých se pohybuje pracovní bodzesilovače (vlevo) a spínače (vpravo)6.1 Nastavení pracovního bodu tranzistoruMá-li tranzistor bezchybně, tj. bez zkreslení zesilovat, nebo správně spínat, musí mítřádně nastaven pracovní bod. V čem spočívá nastavení pracovního bodu? Tranzistorem musí

Mikroelektronické praktikum 91v klidu procházet určitý kolektorový proud. Jeho velikost není ovšem libovolná. Pracovní bodtranzistoru je určen velikostí proudu I C a napětím U CE . U spínače existují 2 pracovní body -pro polohu vypnuto a zapnuto. Jejich nastavení obvykle nečiní potíže. Složitější je situace uzesilovačů, tím se budem dále zabývat. Pro většinu zesilovacích obvodů platí, že nejlépe sepracovní bod nastaví tak, že napětí na kolektoru odpovídá polovičnímu napětí zdroje U CC ,takže U C = U CC /2.Snadno pochopíte, že tento režim tranzistoru dovoluje největší rozkmit výstupníhoproudu. Jinak řečeno: střídavé napětí na kolektoru může měnit svůj rozkmit souměrně kolemosy na obě strany bez zkreslení. Měřidlem se o nezkresleném průběhu nemůžeme přesvědčit.Umožní to jedině obrazovka osciloskopu.Závažným problémem tranzistorových stupňů je vliv teploty (ať okolního prostředínebo zvýšení teploty vlivem procházejícího proudu). Zvýšení teploty má za následek zvýšenípůvodně nastaveného klidového proudu. Musíme se tedy zabývat nejenom nastavenímklidového pracovního bodu, ale také jeho stabilizací (při změnách teploty).Na obrázku Obr. 6.2a je zapojení se společným emitorem s jednoduchým nastavenímpracovního bodu. Požadovaný proud báze, potřebný pro nastavení pracovního bodu, získámepřipojením báze ke zdroji napětí přes rezistor R B . Protože proud báze je nepatrný, odpor R Bmůže být značně velký. Ovšem i drobná změna napájecího napětí se projeví nepříznivě nazměně pracovního bodu. Zapojení však vyhoví, požadujeme-li velmi malý klidový proudtranzistoru. U napěťových zesilovačů bývá tento předpoklad obvykle splněn.Obr. 6.2: Obvyklé způsoby nastavení pracovního bodu bipolárních tranzistorů: a)rezistorem do báze, b) napěťovou zápornou zpětnou vazbou, c) můstkovéJak ovlivňuje velikost odporu R C napětí na kolektoru? Zvolíme-li velký odpor R C , budestačit menší proud I C k tomu, aby se vytvořilo velké napětí na rezistoru R C . To vypadá naprvní pohled velmi příznivě, protože to představuje velké zesílení. Má to však i stinnoustránku. Malá amplituda (rozkmit) výstupního proudu se může nepříznivě projevit přiodebíráni výstupního signálu. Následující stupeň zpravidla neúměrně zatěžuje takovýzesilovač, takže dochází ke zkreslení. Kromě toho lze zjistit, že každý větší signál přivedenýna bázi takového zesilovače je jednostranně nebo oboustranně zkreslen. Zjednodušeně řečeno,takový stupeň se snadno přebudí. Jsou tu ovšem i jiné problémy, především je třeba volitvyšší napájecí napětí. V praxi tedy nemůžeme volit R C příliš velký. Podrobným rozborem byse dalo ukázat, že obvod částečně stabilizuje pracovní bod pro křemíkové tranzistory(pro germaniové nestabilizuje !).Výhodnější, třebaže stále jednoduché zapojení, ukazuje Obr. 6.2b Toto nastavenípracovního bodu (pomocí napětí přiváděného z kolektoru) se vyznačuje stabilizací pomocínapěťové záporné zpětné vazby. Jak pracuje tato stabilizace ? Dojde-li ke zvětšeníkolektorového proudu, poklesne, jak víme, napětí na kolektoru. Rezistor R B , který přivádíkladné napětí z kolektoru na bázi, je nyní napájen zmenšeným napětím. Jaký to má důsledek ?Zmenší se napětí i na druhém konci rezistoru, tj. na bázi. Nižší napětí na bázi způsobí

92 FEKT Vysokého učení technického v Brnězmenšení proudu přechodem B-E. To změní nastavení pracovního bodu, protože menší proudbáze způsobí zmenšení kolektorového proudu. Menším kolektorovým proudem se zmenšíúbytek napětí na kolektoru, takže rezistor R B je znovu připojen na původní napětí. Pracovníbod se stabilizoval. Takováto stabilizace umožňuje i výměnu tranzistoru za jiný, pokud sejeho vlastnosti výrazně neliší. Odpadá tak nové nastavování pracovního bodu.Na Obr. 6.2c je zapojení s tzv. můstkovou stabilizací pracovního bodu. Předpětí báze sezískává z bázového děliče, ovšem za cenu zvětšeného odběru proudu ze zdroje a sníženívstupního odporu. Do emitoru je zařazen emitorový rezistor, který výrazně přispívá k teplotnístabilitě pracovního bodu. Zvětší se tím ovšem napětí mezi zemí a bází o úbytek naemitorovém odporu. Pro střídavé signály se proto zařazuje paralelně k emitorovému odporuještě emitorový kondenzátor (Obr. 6.2), který představuje pro signál daného kmitočtu zkrat.Pro nízkofrekvenční signál má tento kondenzátor kapacitu řádu desítek µF.Obr. 6.3: Grafické znázornění nastavení pracovního bodu v síti charakteristikVýpočet jednotlivých odporů se nejlépe provede graficky v charakteristikách tranzistoru(Obr. 6.3). Pracovní bod P určujeme obvykle podle zvoleného kolektorového proudu. Zcharakteristiky přečteme napětí kolektor - emitor a proud prochazející bází. Na napěťové oseoznačíme napájecí napětí U N . Tímto pracovním bodem vedeme tzv. zatěžovací přímku. Tam,kde přímka protíná proudovou osu, označíme proud I. Z toho proudu a napájecího napětívypočteme odpor R, který je součtem zatěžovacího odporu R Z a emitorového odporu (na Obr.6.3 není emitorový rezistor uvažován, proto R Z = R C ). Emitorový odpor volíme podlestejnosměrné úrovně výstupu; obvykle bývá jednou pětinou až jednou desetinou odporu R Z .Bodem P vedeme horizontálu, která protne v druhém kvadrantu přímku závislosti I C na I B vbodu P 1 při daném kolektorovém napětí. Z bodu P 1 vedeme vertikálu na křivku závislosti

Mikroelektronické praktikum 93bázového proudu na bázovém napětí. Ze získaného bodu P 2 určíme napětí U B . Tím je určenbázový proud I B a bázové napětí U BE . Dělič do báze vypočteme z Ohmova zákona, neboťznáme napájecí napětí, napětí báze a proud procházející děličem. Tento proud volíme až 10xvětší, než proud do báze. Pokusme se určit vliv jednotlivých rezistoru R E na stabilitu nastavenípracovního bodu. Na Obr. 6.4 je znázorněno přibližné rozdělení napětí na jednotlivýchmístech napěťového zesilovače.Především nás bude zajímatnapětí U BE . Zjistíme jej, když odnapětí báze U B odečteme napětína emitoru U E . Zjištěné napětí U BEčiní necelých 0,7 V. Právě totomalé napětí umožní vznik prouduI BE , procházejícího otevřenýmpřechodem B-E. Tím je splněnapodmínka pro vznik kolektorovéhoproudu I C , procházejícího obvodem Obr. 6.4: Příklad nastavení pracovního boduC-E. Tento obvod, původně napěťového zesilovače, kombinované můstkovoupolarizovaný v závěrném směru, se stabilizací. Rezistor R E vytváří proudovou zpětnounyní trvale otevře. Pokud by se vazbu. Napětí mezi bází a emitorem U BE = 0,7 Vnapětí U BE z různých důvodůzmenšilo, zmenšil by se proud I BE , a tím by klesl i kolektorový proud I C .To co jsme si řekli o velikosti napětí U BE , platí pro křemíkové tranzistory. Germaniovétranzistory se spokojí s napětím menším, přibližně 0,5 V.Nyní si představme, že tranzistor pracuje v nepříznivých podmínkách a nadměrně sezahřívá. To má za následek, že původně nastavený klidový proud se zvětší. Nutno zdůraznit,že klidový proud se zvětšuje přesto, že napětí na bázi zůstalo stejné, takže by se vlastněpracovní obvod neměl měnit. Zvětšení kolektorového proudu způsobí větší úbytek napětí narezistoru R C , a proto napětí na kolektoru klesne. Zároveň se zmenšováním odporu mezikolektorem a emitorem se zmenšuje napětí mezi těmito elektrodami. Napětí mezi C-E můžeklesnout až na několik desetin voltu. V takovém případě, je tranzistor zcela otevřen - jev saturaci (je nasycen) - a dále nereaguje na zvětšování proudu báze. Je samozřejmé, žetakové zvětšení proudu způsobuje silné zkreslení, pokud není tranzistor vůbec vyřazen zčinnosti (Obr. 6.5). A právě v této situaci se projeví účinek rezistoru R E zařazeného v obvoduemitoru. Podle Ohmova zákona vyvolá velký kolektorový proud současně i zvýšení napětína tomto rezistoru R E . Jaký to má důsledek ? Z původních 0.5 V vzroste na emitoru napětínapř. na 0.9 V. Jediná veličina, která senezměnila, je napětí na bázi. Nedovolí toodporový dělič R 1 , R 2 , který je natranzistoru téměř nezávislý. A nynísledujme: protože napětí na emitoru U Estouplo na 0,9 V, ale na bázi zůstaloU B = 1,2 V, zbývá na přechodu B-E rozdílU BE = 1,2 V - 0,9 V = 0,3 V. To je ovšempodstatně méně než původních 0,7 V.Pokles napětí U BE okamžitě změnínastavení pracovního bodu. Proud báze sezmenší, a tak poklesne i značně zvětšenýkolektorový proud. Toho jsme právě chtělidosáhnout. Jakmile klesne proudObr. 6.5: Posunutí pracovního bodu vlivemzvětšeného kolektorového proudu. Úbytkemnapětí na rezistoru R E se zmenší rozdíl mezinapětím báze a emitoru na U BE = 0,3 V. Tímzačíná pracovat můstková stabilizace a vrátípracovní bod na původní hodnotu

94 FEKT Vysokého učení technického v Brněprocházející tranzistorem, nastává částečné ochlazení tranzistoru a kolektorový proud dáleklesá. Tím zároveň klesá napětí na rezistoru R E a vrací se na původní hodnotu. Pracovní bodtranzistoru se stabilizoval. Rezistor R E vytvořil zápornou proudovou zpětnou vazbu. Výšeuvedený příklad je ovšem přehnaný. Ve skutečnosti se začíná měnit pracovní bod mnohemdříve, a to samočinně v okamžiku, kdy se proud procházející tranzistorem začne zvětšovat.Pro křemíkové tranzistory často vynecháváme rezistor R 2 , jde ukázat, že se stabilizacedokonce zlepší (ovšem pro germaniové tranzistory je R 2 nezbytný). Výhodou je tu i poněkudvětší vstupní odpor tranzistoru. Není totiž dodatečně zmenšován rezistorem R 2 . Rezistor R E(tzn. zápornou proudovou zpětnou vazbu)můžeme doplnit i do obvodu podle Obr.6.2a a Obr. 6.2b.Na závěr ukážeme ještě způsobpodle Obr. 6.6a. Fungují zde dvě zápornézpětné vazby: proudová na rezistoru R E anapěťová na rezistoru R B . V dnešní dobětoto zapojení někdy vidíme vevysokofrekvenčních obvodech. Zdeodpory R B a R 2 bývají menší (stovkyohmů), takže R B se zde uplatňuje jakovysokofrekvenční bočník na zem.Zmenšuje zisk a vstupní impedanci.Nemožnost přímého uzemnění emitoruzhoršuje vysokofrekvenční přenosovévlastnosti, proto se často vypouští.Stabilizace pracovního bodu máještě jednu výhodu. Umožňuje výměnuObr. 6.6: Nastavení pracovního bodu -varianty obvodu podle Obr. 6.2b:a) můstkové zapojení, působí proudovázpětná vazba (R E ) a napěťová zpětnávazba (R B / R 2 )b) varianta pro vysokofrekvenční obvody,emitor je přímo uzemněntranzistoru v obvodu bez dalšího nastavování i za předpokladu, že náhradní tranzistor nebudemít stejný zesilovací činitel. Popsaným mechanismem se pracovní bod nastaví přibližně napůvodní hodnotu. Totéž platí i při sériové výrobě při rozptylu parametrů dodávanýchtranzistorů.6.2 Bipolární tranzistor jako spínačČasto používáme bipolární tranzistor jako spínač - má malou spotřebu výkonupotřebného ke spínání, krátkou dobu sepnutí a vysoký opakovací kmitočet. Tranzistor jakospínač může pracovat v oblasti nasycení, v oblasti aktivní a v oblasti průrazu. Nejužívanější jespínací režim v oblasti nasycení. Jeho výhodou je odstranění vlivu rozptylu parametrůtranzistoru. Čím menší je poměr kolektorového a bázového proudu, tím je tranzistor víceuveden do nasyceného stavu. Výhodou je také malý ztrátový výkon rozptýlený na tranzistoru.Na Obr. 6.7 je principiální zapojení tranzistoru jako spínače.

Mikroelektronické praktikum 95Ve spínacích obvodech má tranzistor pouze dvapracovní stavy sepnuto anebo rozepnuto. Dá se protosrovnat s mechanickým spínačem (viz Obr. 6.8 a Obr.6.9. Tranzistor bývá téměř vždy v zapojení se společnýmemitorem.Je-li spínač rozepnut, odpovídá to nevodivémustavu tranzistoru, kdy zatěžovacím odporem R Z procházípouze zbytkový proud tranzistoru, prochází pouzezbytkový proud I CE0 při odpojené bázi, popřípadě (ještěmenší) proud I CB0 při bázi spojené s emitorem. Tranzistorse chová jako velký odpor R N . Ve vodivém stavu, kterýObr. 6.7: Tranzistor jako spínačodpovídá sepnutému spínači, prochází bází tak velkýproud I B , že tranzistor je v nasyceném stavu. Jeho odpor ve vodivém stavu R V j e malý, v řádujednotek ohmů.Výrazným znakem je to, že tranzistorem bezbudícího signálu trvale prochází kolektorový, tzv.klidový proud. Tím se zásadně liší zapojenítranzistoru - zesilovače od zapojení tranzistoru -spínače. Má-li tranzistor pracovat jako spínač, pakvyužíváme výlučně jeho krajní stavy: tranzistor jenaplno otevřen, sepnut, anebo zavřen, rozepnut.I rozepnutým tranzistorem prochází určitý,malý, kolektorový proud. Tím se poněkud lišírozepnutý tranzistor od rozepnutého mechanickéhosnímače. U spínače v rozepnutém stavu proud vůbecneprochází. U tranzistoru prochází malý tzv. zbytkovýproud, bez ohledu na to, že k bázi není připojenonapětí. Značí se I CE0 . Nula na konci indexu značí, žetřetí elektroda tedy báze, není připojena. Pro úplnostje třeba dodat, že báze bývá často spojena přesObr. 6.8: Tranzistor jako spínač:tranzistor v uzavřeném stavupředstavuje rozpojený obvod.Prochází jim malý zbytkový proudI CE0 . Ten se ještě zmenší, je-li bázepřipojena k nulovému potenciálupřes rezistor Rrezistor s emitorem, tedy se záporným pólem napětí zdroje. Tím se zmenší zbytkový proud,který se pak označuje I CER . Písmeno R v indexu značí, že je zapojen rezistor mezi bází aemitorem. Pomocí tohoto rezistoru je báze připojena k nulovému potenciálu. Má tedy stejnýpotenciál jako emitor. Rezistor nijak nebrání tomu, abychom přivedli na bázi kladné napětí.Pak se tranzistor otevře (sepne), tj. přejde do vodivého stavu (Obr. 6.8). Tranzistor NPNpotřebuje na bázi kladné napětí přibližně 1 V. U PNP tranzistoru přivedeme stejně velké, alezáporné napětí. Potom tranzistorem prochází proud I C .

96 FEKT Vysokého učení technického v BrněBylo by chybou domnívat se, že sepnutýtranzistor představuje zanedbatelný odpor. I vtomto případě se liší od mechanického spínače(Obr. 6.9). V obvodu C-E zůstává sice malýodpor, avšak průchodem proudu se na něm přecejen vytvoří jistý úbytek napětí, kterému říkámesaturační napětí. Podle druhu tranzistoru sepohybuje v rozmezí od 0,2 V do 1 V. Ve většiněpoužití tento nedostatek nevadí. Jistou obtížzpůsobuje skutečnost, že prochází-li proudrezistorem, spotřebovává se výkon. V tomtopřípadě je to ztrátový výkon tranzistoru, který sepřeměňuje v teplo. Ztrátový výkon vzniká i přizapojení tranzistoru jako zesilovač. I tady vznikáztrátové teplo. Odpor, který klade procházejícímuObr. 6.9: Tranzistor jako spínač:tranzistor v otevřeném stavu představujesepnutý spínač. Na obvodu C-E vznikámalý úbytek napětí (saturační)proudu přechod E-C je v tomto případě větší, protože tranzistor je méně otevřen. Mohlibychom tedy předpokládat větší ztráty. Avšak není tomu tak, protože prochází jen (relativně)malý proud. Je výrazně menší než tzv. nasycený - saturační proud u spínacího tranzistoru.Tranzistor pro spínací účely je konstruován tak, aby jeho odpor v nevodivém stavu bylco největší a ve vodivém co nejmenší s pokud možno velkým proudovým zesilovacímčinitelem. Dalším důležitým požadavkem, kladeným na tranzistor, je jeho minimální spínací arozpínací doba. To znamená, že skoková změna napětí báze vůči emitoru musí vyvolat v conejkratší době odpovídající změnu kolektorového proudu.Definice spínacích dob je na Obr. 6.9. Udává se zde zpožděníimpulsu t d , to je doba mezi přivedením budícího impulsu adosažením 10 % maximální hodnoty amplitudy výstupníhoimpulsu, dále náběh impulsu t r , odpovídající době stoupánívýstupního impulsu z 10 % na 90 % své hodnoty, t s je dobapřesahu budícího impulsu a poklesu výstupu na 90 % akonečně týl impulsu t f je diba mezi 90 % a 10 % amplitudy(výšky) vstupního napětí. Zpoždění a deformace výstupníhoimpulsu je způsobena hlavně kapacitami systému tranzistoru. Obr. 6.10: Indukční zátěžU spínacích tranzistorů, které spínají indukční zátěž(relé, solenoidový ventil), se musí tranzistor chránit proti zpětným napěťovými špičkám.Dáváme proto paralelně k indukční zátěži diodu, která vzniku těchto napěťových špičekzamezí (viz Obr. 6.10).Jako příklad na spínací obvod uveďme dvě varianty signálního zařízení na hlídáníobjektu. Přetržením vodiče se tranzistor uvede do sepnutého (vodivého stavu) a světelná diodase rozsvítí. Obvod na druhém obrázku má menší klidovou spotřebu a využívá Darlingtonovazapojení tranzistoru (viz Obr. 6.12).

Mikroelektronické praktikum 97Obr. 6.11: Tranzistor ve funkcispínače. Přeruší-li se drátek, kladnénapětí na bázi otevře tranzistor asvětelná dioda se rozsvítí6.2.1 Klopné obvodyObr. 6.12: Zapojení tranzistorů ve funkci spínače.Přeruší-li se drátek, otevře se T 1 . Na rezistoru R Evzroste napětí, které otevře tranzistor T 2 . TranzistoryT 1 a T 2 mohou být např. typu KC 507 apod.Typické použití spínacího režimu nalézáme v klopných obvodech. Na Obr. 6.13uvidíme jedno z mnoha zapojení. Jde o tzv. astabilní klopný obvod (zvaný takémunltivibrátor). Dva tranzistory střídavě rozsvěcují světelné diody, zapojené v kolektorech.Tentokrát chybí sériové rezistory. V tomto zapojení nejsou vhodné červené světelné diody.Použijeme žluté nebo zelené, případně kombinace obou. Důvod je zřejmý. Dvěma červenýmdiodám postačí k rozsvícení menší napětí, sotva přesahující 3 V. S větším napětím, bezomezení sériovým odporem, by obvodem procházel větší proud. Červeným LED by stačilonapětí 3 V, tedy dva články. V našem případě je mezi kolektorem a kladným pólem zdrojenapětí rozhodně větší než 3 V, a proto lépe vyhovují zelené a žluté LED. Nic však nebránítomu, abyste místo jedné světelné diody zapojili rezistor s odporem 100 až 300 Ω. Pak se hodíi červená dioda.Potenciometrickým trimrem regulujemerychlost překlápění obvodu. Elektrolytickýkondenzátor 50 µF vyhoví pro nejmenší napětí6 V. Tranzistory vybereme z řady BC nebo KC,vodivost NPN. Tranzistory opačné vodivostimůžete také použít, vyžadují však změnu vývodůsvětelných diod, baterie a změnu vývodů(polarity) elektrolytických kondenzátorů.Podmínkou k rozkmitání obvodu je vznikkladné zpětné vazby. Všimněte si, že v tomtozapojení se u obou tranzistorů signál vrací zvýstupu jednoho na vstup druhého tranzistoru přesvazební kapacity C 1 , C 2 . Tak vzniká kladnázpětná vazba.Obr. 6.13: Klopný obvod v souměrnémzapojení. Potenciometrický trimr P řídírychlost (kmitočet) překlápění obvodu.LED 1-4 jsou zelené nebo žluté. R 1 = R 2= R 3 = 33 kΩ, C 1 = C 2 = 50 µF, T 1 = T 2= BC, KC 507.

98 FEKT Vysokého učení technického v BrněJak obvod funguje ? Připomeňme si, že dostane-li se kladné napětí na bázi, tranzistorNPN se otevře. Zároveň napětí na kolektoru prudce klesne. Zjednodušíme situaci a budemepředpokládat, že napětí na kolektoru otevřeného tranzistoru je téměř nulové. V našem případěodpovídá zápornému pólu zdroje. Dále vezmeme jako fakt: Je-li jeden tranzistor otevřený,druhý je zavřený. Plyne to z podstaty zapojení. Protože bude řeč o nabíjení a vybíjeníkondenzátorů přes rezistory, je třeba upozornit na velice odlišnou hodnotu odporův kolektorech tranzistorů v porovnání s odpory v bázích. V bázích je odpor o několik řádůvyšší než v kolektorech. V kolektorech představují odporsvětelné diody, pólované v propustném směru. Proto je toodpor malý. Rychlost nabíjení kondenzátoru u jednohotranzistoru a současné vybíjení kondenzátoru u druhéhotranzistoru je přímo závislé na velikosti těchto odporů (vbázích mají část společnou). Tím ovšem nemá být řečeno,že by kapacita kondenzátorů byla podružnou záležitostí.Naopak, má velký význam. Čím větší kapacita, tím déletrvá nabíjení a vybíjení. Podobná závislost platí i prozmíněný rezistor zařazený v bázi. Znamená to, že čímvětší odpor, tím pomalejší nabíjení a vybíjeníkondenzátorou. Nutno zdůraznit, že při nabíjeníkondenzátoru napětí na něm pomalu stoupá, ale plnéhoObr. 6.14: Grafické znázorněníprůběhů kolektorových proudůI C1 a I C2 v tranzistoru T 1 a T 2napětí dosáhne teprve tehdy, až je nabíjení skončeno. Ke znázornění průběhů proudůprocházejících oběma tranzistory používáme grafické značení (Obr. 6.14). Zpravidla se jednáo idealizované průběhy. Skutečnost se více či méně od průběhu v nakresleném grafu liší. Vnašem případě se průběhy proudů v tranzistorech tohoto souměrného klopného obvodu liší jennepodstatně od zakreslených průběhů. Co můžeme vyčíst z grafu na obrázku? Ve své hornípolovině zobrazuje průběh kolektorového proudu I C1 prvního tranzistoru. Obdélníkový průběhmá dvě úrovně. Horní část průběhu představuje nejvyšší úroveň kolektorového proudu. Vtomto zapojení to znamená maximální, tj. nasycený kolektorový proud tranzistoru. Dolní částprůběhu značí dolní úroveň kolektorového proudu, neboli nejmenší, zjednodušeně nulovýproud kolektoru.Vodorovná osa zakreslená zcela dole pod grafy směřuje zleva doprava a znázorňujeprobíhající čas. To umožňuje sledovat, jak se průběh proudu mění s časem. Jednotlivé časovéúseky odpovídají náhlým změnám v úrovních proudů. Jsou zakresleny svislými úsečkami. Prolepší přehlednost si je označíme písmeny a až e. Dolní polovina obrázku znázorňuje průběhkolektorového proudu druhého tranzistoru a na první pohled je vidět, že průběh je zrcadlověobrácený. Znamená to, že průběh proudu tranzistoru T 2 je právě opačný k průběhu proudutranzistoru T 1 . Za povšimnutí stojí poměrně dlouhé doby neměnné úrovně proudu znázorněnévodorovnými úsečkami, a to u obou grafů. Z následujícího vyplyne, čím je to způsobeno.Na začátku sledování vyjdeme ze situace, kdy tranzistor T 1 je otevřen a tranzistor T 2uzavřen. V diagramu to odpovídá časovému bodu a. Kondenzátor C 2 je nabit, jak odpovídápolaritě jeho vývodů. Znamená to, že na bázi T 1 je kladné napětí (+), na vývodu u kolektoruT 2 je záporné napětí (-). To je výchozí stav. Následuje vybíjení kondenzátoru C 2 přes ledky nastraně záporného pólu kondenzátoru a současně přes rezistor R 2 (a trimr) na kladném pólukondenzátoru. O rychlosti vybíjení rozhoduje velikost rezistoru R 2 , který v porovnání sodporem LED 3, 4 je nesrovnatelně větší. Připomeňme si, že diody jsou pólovány vpropustném směru. Vybíjení kondenzátoru C 2 způsobí pokles kladného napětí na bázitranzistoru T 1 , čímž se připravuje změna, tj. uzavření tranzistoru T 1 . Zároveň to znamená, ženapětí na kolektoru tranzistoru T 1 stoupá. Proto se začíná nabíjet kondenzátor C 1 , ale obráceněnež má pólované vývody. Tedy na levý vývod u kolektoru přichází +, na pravý -. Že pravý

Mikroelektronické praktikum 99vývod není připojen k zápornému potenciálu? Ale ano. Tranzistor T 2 se současně otevírá apřechod B-E představuje vždy jen malý odpor. Přes něj prochází nabíjecí proud.V okamžiku b došlo konečně ke změně. Tranzistor T 2 se zcela otevřel a tranzistor T 1zavřel. Kondenzátor C 1 se nabil. Jeho náboj se nyní postupně zmenšuje, protože přes rezistorR 1 je připojen záporným vývodem ke kladnému pólu baterie. Znamená to, že původně nízkénapětí na bázi tranzistoru T 2 se zvyšuje, jak se vypíjí kondenzátor. Posledně popsaná činnoststabilizuje současný stav, tzn. podporuje tranzistor T 2 v otevřeném stavu. Nemá všakrozhodující vliv na překlápění obvodu. Tranzistor T 1 je stále uzavřen, avšak neznamená to, žeby se na jeho bázi nic nedělo. Tam se začíná uplatňovat kondenzátor C 2 . Jeho pravý vývod jena nízkém potenciálu kolektoru T 2 , tranzistor je otevřen. Druhým pólem je přes rezistor R 2připojen ke kladnému pólu zdroje. Znamená to, že se nabíjí. Zároveň s tím se zvyšuje napětína připojené bázi T 1 . Stále hovoříme o časovém úseku b-c, vyjádřeném v grafu vodorovnouúsečkou, znázorňující, že proud I C1 je nulový, proud I C2 maximální neboli nasycený(saturační). Kladné napětí na bázi T 1 roste, až v určitém okamžiku umožní otevřenítranzistoru. Stane se tak v okamžiku c.Tranzistor T 1 se tedy otevře a současně se T 2 zavře. To se již kondenzátor C 1 vybil apřestal podporovat bázi T 2 . Nyní se začíná nabíjet znovu, ovšem opačně. Na levém vývodubychom zjistili minus, protože na kolektoru T 1 je nízké napětí. Na pravém vývodu je + přesrezistor R 1 z kladného pólu zdroje. Současně se vybíjí kondenzátor C 2 , ale zpočátku svýmkladným napětím na bázi T 1 podporuje ustálený stav tohoto otevřeného tranzistoru. Probíháčasový úsek c-d s nasyceným proudem I C1 a nulovým proudem I C2 . Když se kondenzátor C 1nabije přes rezistor R 1 , báze T 2 získá potřebné kladné napětí a tranzistor T 2 se znovu otevře.To proběhne přesně v okamžiku d.Následuje doba, kdy kolektorový proud I C1 je nulový, zatímco proud I C2 je nasycený.Odpovídá to časovému úseku d-e. Popsaný děj se stále opakuje, světelné diody se střídavěrozsvěcují a zhasínají.Poznámka 1. Použijeme-li spínací tranzistory typu BSY nebo KSY (vodivosti NPN), budenutné zmenšil odpory rezistorů R 1 a R 2 na 2,2 kΩ a potenciometrický trimr na 6,8 kΩ. Spínacítranzistory mají totiž obvykle menší zesilovací činitel, a proto je nutné zvětšit řídicí proudbáze zmenšením odporů. Při použití tranzistorů PNP zaměníme polaritu napájecího zdroje,diod a elektrolytických kondenzátorů.Poznámka 2. Protože při činnosti klopného obvodu dochází k pravidelnému přepólováníelektrolytických kondenzátorů, je toto řešení mírně problematické. Měli bychom použít jinétypy. Uvedená polarita plyne z toho, že napětí více klesá na vývodu kondenzátoru připojenéhoke kolektoru. Proto dodržíme zakreslenou polaritu.Obr. 6.15: Schéma souměrného klopného obvodu v pásmu akustických kmitočtů (T 1 , T 2 jsoulibovolné tranzistory BC nebo KC): a) výstup do sluchátka, b) výstup do piezokeramickéhoměniče zapojeného mezi kolektory, změnou hodnot součástek se nastaví kmitočet, při kterémse měnič ozývá nejsilněji

100 FEKT Vysokého učení technického v BrněBudeme-li zmenšovat kapacitu kondenzátorů i odpor rezistorů, zrychlí se překlápěníobvodu. Oko pak nestačí sledovat rychlé změny klopného obvodu a zdá se, že diody trvalesvítí. O překlápění obvodu v tom případě lépe informuje sluchátko. Klopný obvod zapojímepodle Obr. 6.15a. Změna nastala v kolektorech tranzistorů, kde jsou nyní zapojeny rezistoryR 3 , R 4 , s odporem 2,2 kΩ. Také kapacita kondenzátorů C 1 , C 2 se zmenší na l0 nF až 15 nF. Zkolektoru T 1 nebo T 2 odvádíme signál do sluchátka. Nikoliv však přímo, nýbrž přeselektrolytický kondenzátor C 3 . Kdybychom kondenzátorem neoddělili sluchátko od kolektoru,způsobili bychom zkrat kolektoru přes vinutí cívky sluchátka na zem. Kondenzátor propustípouze střídavý proud, který je totožný s průběhy známými z grafu. Přesněji řečeno:kondenzátor C 3 se rychle nabíjí a vybíjí v souladu s rychle se měnícím napětím na kolektoruT 2 . Přitom nabíjecí a vybíjecí proud prochází cívkou sluchátka, takže membrána se rozkmitá.Na Obr. 6.15b je zapojení multivibrátoru s piezokeramickým měničem. Hlavní výhodoupiezokeramických měničů je zcela zanedbatelný odběr proudu, což znamená, že nezatěžujípřipojený obvod. Ten pak odebírá malý proud ze zdroje. Proto se např. používají vnáramkových hodinkách apod. Jistou nevýhodou je vysoký pracovní kmitočet, řádově 3 až5 kHz. Na ostatních, hlavně nižších kmitočtech se ozývá s malou účinností. Vždy se jedná otenkou destičku s dvěma (někdy třemi) vývody. S nimi musíme zacházet velice opatrně, abyse neoddělily od kovových elektrod. Základ piezokeramického měniče tvoří tenká kulatádestička, zastávající funkci membrány. K ní je zpravidla přilepen tenký piezokeramickýměnič, tvořící vlastní zdroj kmitů. Přivedeme-li střídavé napětí ke dvěma vývodům, dochází kprohnutí měniče, a tím k prohnutí destičky na jednou či druhou stranu. V rytmu přiloženéhostřídavého napětí se destička vychyluje na obě strany.Měnič připojíme mezi kolektory obou tranzistorů. Víme, že na kolektorech je v tomtéžokamžiku vzájemně opačná úroveň napětí, která se v rytmu střídavého proudu mění.6.3 Tranzistor jako zesilovačTranzistor jako zesilovač má nastaven pracovní režim (klidový pracovní bod) tak, že sepracovní bod pohybuje pokud možno v lineární části převodní charakteristiky (Obr. 6.16).Obr. 6.16: Převodní charakteristika jednotranzistorového zesilovače bez předpětíTato část charakteristiky tvoří pracovní oblast zpracovávaného signálu, i když v některýchpřípadech může po jistou dobu dojít k úplnému otevření nebo uzavření tranzistoru, jako např.v dvojčinných koncových zesilovačích pracujících v třídě B, AB nebo C.

Mikroelektronické praktikum 1016.3.1 Napěťový zesilovačV této kapitole se soustředíme na použití bipolárního tranzistoru v zesilovačíchstřídavého signálu v zapojení SE. Princip je v tom, že na bázi přivedeme slabý střídavý signála z kolektoru odvádíme zesílený střídavý signál (Obr. 6.17).Pro jednoduchost značíme signál malou vlnovkou -sinusovkou. Jistě jste si všimli, že větší sinusovka je navýstupu tranzistoru, a přitom je zakreslena obráceně protisinusovce na vstupu. Zesilovač tedy otáčí fázi zesilovaného(fázový posun 180°). V praxi se zesilují signály se složitějšímprůběhem. Při podrobném rozboru bychom zjistili, že jsoutvořeny složením různého počtu jednoduchých sinusovýchprůběhů (tzv. Fourierův rozklad). Pro snadnější pochopenídalších jevů ovšem zůstaneme u sinusových průběhů (Obr.6.18) a budeme předpokládat tzv. nízkofrekvenční zesilovač(který přenáší pásmo asi od 20 Hz do 20 kHz), např. prozesilování signálu z mikrofonu, kytary nebo gramofonu.Prostě potřebujeme napěťový zesilovač, do kteréhopřivedeme slabé střídavé napětí, mnohem menší než 1 V, aten je zesílí na potřebnou úroveň. Většinou nepostačí jeden zesilovač, nýbrž dva i tři za sebou,abychom dosáhli úrovně několika voltů, jež vyžaduje pro svou činnost výkonový zesilovač.Chceme-li zhotovit napěťový zesilovač, musíme se rozhodnout, jestli použijemetranzistory vodivosti NPN nebo PNP. Běžnější jsou tranzistory NPN, které mají navíc tuvýhodu, že v zapojení je ukostřen záporný pól napájecího zdroje. Takto je konstruovánavětšina zařízení. I my se této zvyklosti přidržíme.Na Obr. 6.19 je schéma nízkofrekvenčníhonapěťového zesilovače s jedním tranzistorem.Takový jednoduchý zesilovač nedává velké zesílení,a i jinak na něj nelze klást příliš velké požadavky.Přesto je schopen normální činnosti a poslouží přizískávání základních informací. V porovnání s Obr.6.2 vidíme na první pohled, že přibylo několiksoučástek. Především vazební kondenzátor C V1 . Jenutný k tomu, aby oddělil zdroj vstupní o signálu(mikrofon, gramofon, generátor) od obvodu báze.Proč musíme vstup oddělit ?Odpor rezistoru R B2 společně se vstupnímodporem tranzistoru (ten je malý, protože přechodB-E je pólován v propustném směru) by nepříznivěovlivnil činnost připojeného zdroje signálu. Zároveňby se zhoršila nebo znemožnila původně dobráObr. 6.17: Na bázi sepřivede slabý střídavý signála na kolektoru je signálzesílenýObr. 6.18: Průběh střídavéhosinusového signálu. Osa rozdělujeprůběh na kladné hodnoty - nad osou azáporné hodnoty - pod osou. Osaodpovídá nulové hodnotě. Tentostřídavý signál je obvyklesuperponován na stejnosměrnémnapětí (klidový pracovní bod)činnost zesilovače. Zanedlouho uvidíte, že by se přinejmenším změnilo nastavení pracovníhobodu tranzistoru, protože by se takto připojil k bázi vnitřní odpor zdroje signálu. Konkrétně umikrofonu by to znamenalo prakticky zkrat přes vinutí cívky.

102 FEKT Vysokého učení technického v BrněObr. 6.19: Jednostupňový zesilovač (s variantami nastavení klidového pracovního bodupodle Obr. 6.2): C V1 a C V2 jsou vazební kondenzátoryNepřeruší kondenzátor cestu signálu ze zdroje na vstupu tranzistoru ? Kondenzátorpřeruší galvanické, tj. přímé spojení mezi oběma místy, ale střídavý proud propustí. Je toproto, že při nabíjení a vybíjení kondenzátoru prochází obvodem střídavě nabíjecí a vybíjecíproud. To se navenek projevuje stejně, jako by střídavý proud obvodem procházel.Pravidelné nabíjení kondenzátoru, kdy na jedné elektrodě roste kladný potenciála současně na druhé záporný potenciál, vzápětí pak vybíjení a zpětné nabíjení kondenzátoru,tentokrát však s opačnou polaritou na elektrodách, se neustále opakuje.Má vazební kondenzátor C v2 stejnou funkci jako C v1 ? Kondenzátor C v2 má navázatvýstup signálu z tranzistoru na následující obvod. I v tomto případě musí spojovaná místagalvanicky oddělit, aby nedošlo ke vzájemnému ovlivňování, nebo úplnému znemožněnífunkce jednoho či druhého obvodu.Výstupní signál odvádíme z kolektoru tranzistoru. Jaké je tam vlastně napětí ? Předně jetam napětí stejnosměrné. Vznikne tím, že obvodem C-E trvale prochází stejnosměrný proud,obvykle nazývaný klidovým proudem. Ten vytváří v klidu, tj. když tranzistor nepracuje,trvalé napětí na rezistoru R C .Přiložením střídavého napětí na bázi se začne ve stejném rytmu měnit (kolísat kolemklidové hodnoty) kolektorový proud. Tím se bude měnit i úbytek napětí na kolektorovémrezistoru a tím i napětí na kolektoru. Tedy kromě stejnosměrného napětí se zde objeví istřídavá složka (zesílený vstupní signál). Na čem závisí velikost stejnosměrné a střídavésložky výstupního napětí - jednak na velikosti odporu R C , jednak na velikosti kolektorovéhoproudu. Viz Obr. 6.20 a Obr 6.21.Obr. 6.20: Malý kolektorový proud I Cvytvoří malé napětí na rezistoru R C , a tímmalý úbytek napětí na kolektoruObr 6.21: Velký kolektorový proud I Cvytvoří velké napětí na rezistoru R C , a tímvelký úbytek napětí na kolektoruJe-li zařazen v obvodu emitoru rezistor R E , vzniká průchodem proudu napětí i na tomtorezistoru.

Mikroelektronické praktikum 103Jaký je důvod fázového posunu mezi vstupním a výstupním napětím? Prochází-li proudtranzistorem, vytvoří se na kolektorovém rezistoru R C - podle Ohmova zákona - napětí. O totonapětí je na kolektoru menší napětí než na zdroji. Když neprochází tranzistorem proud, je nakolektoru plné napětí zdroje. Taková situace může nastat, jestliže se na bázi tranzistoru NPNprávě dostalo záporné napětí, které má velkou amplitudu. Bude-li naopak na bázi kladnápůlvlna, pak napětí na kolektoru je nejmenší, třebaže nikoliv nulové. Mezi kolektorem aemitorem vždy zůstane malé napětí několika desetin voltů i při sebevětším tzv. nasycenémproudu kolektoru.Neboli: Vzestup napětí na bázi způsobí pokles napětí na kolektoru. Při poklesu napětína bázi stoupne napětí na kolektoru. Tyto změny se střídají v rytmu střídavého proudu. Totoplatí pro oba typy vodivosti tranzistoru a vysvětluje, proč napětí na bázi a kolektoru nemůžebýt ve fázi, neboli nestoupá a neklesá současně.Obr 6.22: Funkce tranzistoru v zapojení SE jako zesilovače napětí (čárkovaně je značenaklidová úroveň proudu: I B - klidový proud báze, I C - klidový proud kolektoru)Celková situace je znázorněna na Obr 6.22. Klidový proud tranzistoru se v určitýchmezích mění (kolísá), jestliže na bázi působíme malými změnami napětí. Změnykolektorového proudu svým průběhem odpovídají změnám proudu báze. Proto přiváděnénapětí na bází, stejně jako napětí na kolektoru, se průběhem (tvarem) neliší. Nikoliv všakvelikostí. Na kolektoru je střídavé napětí větší, tranzistor tedy zesiluje (pokud je R C přiměřeněvelký).

104 FEKT Vysokého učení technického v BrněObr. 6.23: Ukázka grafického řešení jednostupňového zesilovačePo zesilovači požadujeme, aby byl lineární, tj. aby zesilovaný signál nezkresloval. Kezkreslení může dojít z různých příčin. Především vstupní signál nesmí být příliš velký (mítvelkou amplitudu). Dále, není-li správně nastaven pracovní bod tranzistoru, pak nelze využítcelého rozkmitu výstupního napětí, který umožňuje maximální kolektorový proud.Na Obr. 6.24 je schéma jednoduchéhonapěťového zesilovače, který můžeme použít kpokusům. Proud báze se zvětšuje zmenšováním odporuR 1 nebo zvětšováním odporu R 2 . Ve schématu je R 2zakreslen jako rezistor, zatímco R 1 je složenz odporového trimru a do série s ním zapojenéhorezistoru. Ten má zamezit nadměrnému proudu báze přineopatrné manipulaci s běžcem trimru. Klidové napětína kolektoru nastavíme přibližně na polovinu napětízdroje. Zdroj nízkofrekvenčního signálu připojujeme navstup vždy stíněným kabelem. Stínění, tj. opředení,spojíme s tou částí plošného spoje, která je ve schématuoznačena značkou země ⊥. Používáme-li tranzistoryNPN, je to zároveň záporný pól zdroje, tedy nulovýpotenciál. Zemnící vodič je zpravidla spojen s jednímmístem šasi nebo skříňky přístroje - s kostrou. Tomutovodiči říkáme zem nebo kostra.Obr. 6.24: Schéma jednoduchéhonapěťového zesilovače stranzistorem BC nebo KC 507-509,UCC = 4,5 až 9 V, výstup dosluchátek 2 x 2 kW6.3.2 Vliv součástek na práci zesilovačePravděpodobně vás bude zajímat, jestli se změní vlastnosti zesilovače, změní-li seněkteré hodnoty součástek v zapojení. Uvidíme, že některé změny hodnot mohou značněovlivnit samotnou funkci nebo vlastnosti zesilovače.

Mikroelektronické praktikum 1056.3.2.1 TranzistorPředpokládáme, že se jedná o křemíkový tranzistor, který proti germániovémutranzistoru má malý zbytkový proud I CB0 a nastavený pracovní bod se samovolně mění jen vmalých mezích i při jednoduchém nastavení. Výběr máme široký, hodí se vlastně každýnízkofrekvenční tranzistor typu BC nebo KC. Pokud budeme používat nízkých napájecíchnapětí do 20 V, pak se nemusíme ohlížet na mezní hodnotu U CE0 , která je u některých typůpoměrně nízká, právě zmíněných 20 V. (U CE0 je nejvyšší napětí, které můžeme připojit mezikolektor a emitor.) Použijeme-li vyšší napájecí napětí 25 až 30 V, pak bud' změřímeskutečnou velikost napětí U CE0 u jednotlivých tranzistorů nebo zvolíme jiný tranzistor. Je jichvětšina a vybereme je podle katalogu, kde je požadovaná hodnota vždy uvedena. Pokudpoužijeme emitorový rezistor (nebo můstkovou stabilizaci), nebude obvykle třebaindividuálně nastavovat pracovní bod.Kolektorový odpor R CVelikost odporu bývá dosti rozdílná, od 1 kΩ až po 100 kΩ. Značně ovlivňuje pracovníbod tranzistoru. Velký odpor použijeme tehdy, jestliže má tranzistor pracovat s velmi malýmkolektorovým proudem, kvůli dosažení co nejmenšího šumu. Důsledkem toho je malýrozkmit výstupního proudu a do jisté míry i nutnost omezit velikost vstupního napětí. To všaknevadí u prvního napěťového zesilovače. Tam i po zesílení je výstupní signál zpravidla malý.Zato nejvíce se tu uplatňuje přídavný šum tranzistoru. Zesílení s velkým odporem v kolektoruje větší než s malým odporem. Velké změny v odporu R C však ovlivňují i další vlastnostitranzistoru.Malý odpor R C vyhoví u napěťového zesilovače, kde žádáme větší výstupní proud amalý výstupní odpor. Bývá to zpravidla druhý (poslední) napěťový zesilovač. Podobnypožadavek klademe i na zesilovač, ke kterému je připojen korektor výšek a hloubek. Vtakovém případě prochází vlivem malého odporu R C mnohem větší kolektorový proud I CE .Přestože mluvíme o poměrně velkém kolektorovém proudu, jedná se o proud řádověmiliampérů, např. 3 mA. V porovnání s tímto proudem je kolektorový proud prvníhozesilovače obvykle zanedbatelný. Bývá menší než 0,5 mA.Rezistor R E v obvodu emitoruTento rezistor používáme běžně. Účinně stabilizuje nastavený pracovní bod. Zmenšujeovšem dosažitelný rozkmit výstupního napětí. Dále zavádí do obvodu tzv. zápornouproudovou zpětnou vazbu, a tím zmenšuje zkreslení (ovšem na úkor celkového zesílenístřídavého signálu).

106 FEKT Vysokého učení technického v BrněNa rezistoru R E se vytváří úbytek napětí, nejenstejnosměrného (ten je nám k užitku, pomáhá stabilizovat), nýbrži střídavého. To je nepříjemný důsledek, ale na druhé straněmůže být tato proudová zpětná vazba vítána. Kromě jižzmíněného zmenšení zkreslení zvětšuje vstupní odpor zesilovače.Ten pak méně zatěžuje obvod, ke kterému je připojen.Někdy úbytek zesílení na emitorovém rezistoru R E ,přestože není velký, nemíníme oželet. Pak si pomůžeme dalšísoučástkou (Obr. 6.25).6.3.2.2 Kondenzátor CE připojený paralelně k rezistoru REKondenzátor C E se pro stejnosměrný proud se kondenzátorvůbec neuplatňuje, takže na nastavení pracovního bodu vlivObr. 6.25: KondenzátorC E uzavírá obvod prostřídavý proud. RezistorR E pak vytváří pouzestejnosměrnou proudovouzpětnou vazbunemá. Zato pro střídavý proud, který na rezistoru R E rovněž vytvořil úbytek napětí, působíjako objížďka (přemostění, bypass).Pro nízké kmitočty, kdy reaktance kondenzátoru bude větší než odpor R E ,se přemostěníneprojeví. Kondenzátor se volí elektrolytický (na nejnižší napětí). Záporný vývod je spojen snulovým potenciálem, kladný pól je připojen na nízké kladné napětí emitoru. Obvyklákapacita je 50 µF.V některých zapojeních uvidíte emitorový odporrozdělený na dvě části (Obr. 6.26). Kondenzátorem jezablokován jen jeden rezistor, takže na druhém rezistoru sevytváří proudová zpětná vazba. Pro nastavení pracovního boduse uplatňují oba rezistory.6.3.2.3 Rezistory pro nastavení pracovního boduRezistory R 1 , R 2 tvoří dělič napětí, takže pro vytvořenísprávného napětí na bázi záleží především na jejich poměru,méně na jejich skutečné hodnotě. Na skutečných hodnotáchvšak závisí "tvrdost" děliče. Podle Ohmova zákona je velikostproudu nepřímo úměrná velikosti odporu. Příčný proudprochází oběma odpory v sérii, tedy součtem R 1 + R 2 (Obr.6.27). Čím větší proud prochází děličem, tím "tvrdší" napětí jena bázi. V praxi to znamená, že změna proudu procházejícíbází toto napětí nemůže změnit - napětí na bázi nekolísá. NaObr. 6.27 je dělič "měkký" a prochází jím příčný proud o celýřád menší než děličem na Obr. 6.28.Obr. 6.26: Rozdělenýemitorový rezistor R E sblokovacím kondenzátoremC E v dolní části (většíodpor). Horní část působíslabou proudovou zpětnouvazbu

Mikroelektronické praktikum 107Obr. 6.27: Odporovým děličem procházímalý příčný proud, protože rezistory R 1 a R 2mají velký odporObr. 6.28: Odporovým děličem procházívětší příčný proud, protože rezistory R 1 a R 2mají menší odporVelké odpory v děliči vyhovují u takového zapojení napěťového zesilovače, kdeprochází malý kolektorový proud I CE a v kolektoru je velký odpor R C . V tom případě velkýodpor děliče nezhoršuje takto vzniklý velký vstupní odpor zesilovače. Proč potřebujemedostatečně velký vstupní odpor zesilovače? Je nutný k tomu, aby nepříznivě nezatěžoval zdrojvstupního signálu. Někdy totiž odebíráme signál ze zdroje s velkým vnitřním odporem. Pakjeho nadměrné zatížení, vzniklé připojením zesilovače, zhorší jeho funkci natolik, že způsobízkreslení, případně vyřadí zdroj signálu z činnosti.Druhý případ (Obr. 6.28) vyhovuje pro zesilovač s větším kolektorovým proudem. Tenmá jednak sám o sobě menší vstupní odpor, takže malé hodnoty odporů v děliči vstupní odporpodstatně nezmenší, jednak potřebuje větší proud do báze pro nastavení pracovního bodu.Proto je větší příčný proud nutný. Pro spolehlivou funkci stabilizace se předpokládá příčnýproud procházející děličem asi 5x větší než je vlastní klidový proud báze.6.3.2.4 Vazební kondenzátoryVazební kondenzátory C v1 , C v2 . Jejich hodnota není kritická, avšak zmenšovatkapacitu není vhodné. Tak jako u kondenzátoru C E v emitoru potřebujeme dostatečně velkoukapacitu pro přenos nízkých kmitočtů, i u vazebních kondenzátorů musíme brát zřetel nanízké kmitočty. Potřebná kapacita je tu však proti C E asi o řád menší. Ovlivňuje ji takézatěžovací odpor obvodu, který je přes tento kondenzátor napojen. Nejčastěji to bývá vstupníobvod následujícího zesilovače. Proto vazební kondenzátor C v2 z výstupu má větší kapacitunež C v1 na vstupu. Obvyklé hodnoty: C v1 = 1 až 5 µF, C v2 = 20 až 50 µF. Při zapojovánímusíme dávat pozor, aby nedošlo k přehození vývodů kondenzátoru. Co se týká provozníhonapětí kondenzátoru, pak na vstupu prvního zesilovače by stačilo napětí velmi nízké, několikvoltů. Vazební kondenzátor na výstupu zesilovače vyžaduje vyšší napětí, odpovídající napětístejnosměrného zdroje. Marně byste sháněli elektrolytické kondenzátory s malou kapacitou nanízké napětí, ty se nevyrábějí. Použijeme proto kondenzátory pro vyšší napětí, které mají malérozměry, takže vyhovují.6.3.2.5 Velikost napájecího napětí a jeho změnyObecně platí, že rozkmit výstupního napětí může být tím větší, čím větší je napětínapájecího zdroje. Tento rozkmit chápeme jako největší výstupní napětí střídavého proudu,které získáme na kolektoru tranzistoru bez zkreslení. Zjednodušeně řečeno, sinusovka musíbýt celá a nesmí ji chybět ani část obloučku nad osou nebo pod osou.

108 FEKT Vysokého učení technického v BrněObr. 6.29: Dělič napětí v bázi tranzistoru přinapětí zdroje U CC = 12 V. Na R 1 je rozdílnapětí U CC - U BE = 12 V - 0,7 V = 11,3 VObr. 6.30: Dělič napětí v bázi tranzistoru přinapětí zdroje U CC = 9 V. Na rezistoru R 2 musíbýt napětí U BE = 0,7 V. Na rezistoru R 1 jerozdíl napětí U CC - U BE = 9 V - 0,7 V = 8,3 VVšimněme si Obr. 6.29. Jestliže byl v tomto zapojení správně nastaven pracovní bod azvýšíme dodatečně napájecí napětí z 9 V na 12 V (Obr. 6.29 a Obr. 6.30), aniž bychomměnili nastavení pracovního bodu, pak bez měření celkem žádnou změnu nepoznáme.Zesilovač bude pracovat jako předtím. Měřením na tranzistoru bychom zjistili změnupracovního bodu v tom smyslu, že tranzistor je více otevřen, prochází jím tedy větší klidovýproud I C . Proto je na kolektoru nižší napětí než poloviční napětí zdroje. Rozkmit výstupníhonapětí zůstává přibližně stejný, přestože se napětí zdroje zvětšilo. Je to tím, že možnostvětšího rozkmitu vznikla pouze směrem kladné půlvlny. Kdybychom přesto zvětšili budicínapětí do báze, vzniklo by zkreslení podle Obr. 6.31b. Horší situace by nastala, kdybychom způvodních 12 V snížili napětí na 9 V. Pak by při buzení signálem, který předtím ještěprocházel bez zkreslení, vzniklo nyní zkreslení podle Obr. 6.31a. Byla by zkreslena hornípůlvlna. Důvod je zřejmý. Tranzistor by byl více uzavřen vlivem menšího proudu báze a tímtaké menšího proudu kolektoru. Snížené napájecí napětí by posunulo pracovní bod tranzistorua změnilo napětí na kolektoru. Ten by měl nyní vyšší potenciál než poloviční napětí zdroje.Pro horní půlvlnu tedy část napětí chybí, protože rozdíl mezi napětím kolektoru a zdroje jemenší. Tento jev nastává u bateriových zařízení a způsobuje nárůst zkreslení při vybíjeníbaterií.Obr. 6.31: Zkreslení průběhu výstupního napětí: a) zkreslení horní části půlvlny, b) zkreslenídolní části půlvlny, c) souměrné zkreslení (limitace) sinusového průběhu. Nesouměrnézkreslení vzniká při nesprávně nastaveném pracovním bodě. Souměrné zkreslení vzniká přivelkém vstupním signálu nebo nízkém napájením napětíNabízí se otázka: jaký průběh bude mít výstupní napětí, jestliže pracovní bod tranzistorubude správně nastaven, ale přiváděné střídavé napětí do báze tranzistoru bude větší nežtranzistor stačí zpracovat? Odpověď je jednoduchá: signál bude zkreslen tzv. oboustrannoulimitací (Obr. 6.31c). Je současně oříznuta kladná i záporná půlvlna. V takovém případě

Mikroelektronické praktikum 109musíme vstupní napětí zmenšit dříve, než je přivedeme na bázi. Později uvidíme, že usložitějších zesilovačů existuje i jiná možnost.Dosud jsme si neodpověděli na otázku, jestli zvýšení napájecího napětí současněs novým nastavením pracovního bodu přinese nějaký užitek. Odpověď zní ano. V takovémpřípadě se zvětší možnost rozkmitu výstupního napětí. Znamená to, že signál, který bylpředtím zkreslen, může být nyní zesílen bez zkreslení.6.3.3 Řazení napěťových zesilovačů za sebouJiž jsme se zmínili o tom, že většinou pracujeme se slabými vstupními signály, takžezesílení jednoho napěťového zesilovače nestačí. Proto řadíme dva i více stupňů za sebou.Vazba mezi stupni může být podle Obr. 6.32. S větším zesílením však mohou nastat i většíproblémy. Musíme si uvědomit, že křemíkové tranzistory zesilují i vysoké kmitočty, které vnízkofrekvenčním zesilovači nemůžeme potřebovat.Obr. 6.32: Dvoustupňový zesilovač: a) s přímou vazbou, b) s kapacitní vazbou, c) stransformátorovou vazbouObr. 6.33: Dvoustupňový napěťový zesilovač skapacitní vazbou mezi prvním a druhým stupňem.Tranzistory T 1 , T 2 jsou libovolné BC, KC, U CC = 4,5až 15 VObr. 6.34: Kondenzátor C zp (menšínež 100 pF) způsobuje napěťovouzápornou zpětnou vazbu pro vysokékmitočty a tím zlepšuje stabilituzesilovačeUvažujme zapojení s kapacitní vazbou podle Obr. 6.33 (s konkrétními hodnotamiodporů a kapacit). Toto zapojení by nemuselo vždy pracovat spolehlivě a bez problémů.Pravděpodobnost potíží je tím větší, čím mají oba stupně větší zesílení. Bude proto správnédoplnit je některými součástkami. Tak např. u tranzistoru je vhodné zmenšit zesílenívysokých kmitočtů (které se mohou projevit šumem nebo syčením, případně superpozicísignálů o vyšším kmitočtu - Obr. 6.35a). Dosáhneme toho zápornou zpětnou vazbou zvýstupu na vstup tranzistoru, to je z kolektoru na bázi, pomocí kondenzátoru s maloukapacitou (Obr. 6.34). Tato napěťová zpětná vazba zmenší zesílení kmitočtů nad horníhranici slyšitelnosti, případně v horní oblasti slyšitelných kmitočtů.

110 FEKT Vysokého učení technického v BrněPotlačení je tím větší, čím je většíkapacita. Zmenšení zesílení vysokýchkmitočtů se příznivě projeví i na zvýšenéstabilitě zesilovače. Znamená to, žezesilovač je méně náchylný k zakmitávání(Obr. 6.35b) a že se z něj nestane protinaší vůli generátor. Taková situace můžeovšem nastat i z jiného důvodu, např.zakmitávánídostane-li se zesílený signál z výstupu tranzistoru T 2 na vstup tranzistoru T 1 . Pozornémučtenáři jistě neuniklo, že sinusovka na vstupu tranzistoru T 1 a sinusovka na výstuputranzistoru T 2 jsou ve fázi. Tím jsou splněny podmínky pro vznik kladné zpětné vazby aobvod může začít kmitat.Pochybnosti o tomto tvrzení nejsou na místě. Zpětnávazba může nastat např. přes přívod kladného napětí (Obr.6.36), zvláště tehdy, budou-li oba stupně pracovat s velkýmzesíleném. Jak tomu zabráníme? Napájecí vedení přerušímea do cesty vložíme filtrační rezistor R F (Obr. 6.37).Za rezistor R F směrem k tranzistoru T 1 připájímeelektrolytický kondenzátor o kapacitě alespoň 20 µF.Činnost tohoto filtračního členu je následující (Obr. 6.38).Průchodem stejnosměrného proudu z baterie přes rezistor R Fdo tranzistoru T 1 se vytvoří na rezistoru R F úbytek napětí.Prochází-li prvním tranzistorem proud např. I = 1 mA azařadíme-li filtrační odpor R F = 200 Ω, pak úbytek napětí zezdroje je nepatrný. Podle vztahu U = R⋅I je úbytek napětíObr. 6.35: Parazitní jevy v nízkofrekvenčnímzesilovači: a) superpozice parazitního signálu, b)Obr. 6.36: Možnost vznikukladné zpětné vazby z výstuputranzistoru T 2 zpět na vstuptranzistoru T 1 přes obvodnapájecího napětí. Nebezpečírozkmitání celého obvodu0,2 V. Tento úbytek napětí tranzistor T 1 ani nepozná, takže na funkci zesilovače nemá vliv.Na rezistoru R F se rovněž zachytí střídavé napětí, které vytvořil pronikající střídavý proud zvýstupu tranzistoru T 2 zpět na vstup tranzistoru T 1 . Kdyby tento zpětnovazební proud proniklna vstup tranzistoru T 1 , znovu by se celým řetězcem zesílil a takto zesílený by se snadnějidostal zpět na vstup tranzistoru T 1 . Tak by došlo ke kladné zpětné vazbě a důsledkem toho knestabilitě, případně k rozkmitání zesilovače. Tím, že se průchodem zpětnovazebního proudupřes rezistor R F zachytí střídavé napětí, můžeme ho pomocí kondenzátoru odvést. Kam jinamnež k zemi, to je na záporný pól zdroje. Tím jsme zbavili napájecí napětí tranzistoru T 1jakýchkoliv střídavých složek, počítaje do toho i případné zvlnění, zaviněné nedokonalýmvyhlazením po usměrnění ze síťového zdroje. Pro stejnosměrné proudy přitom nenastalažádná změna - stejnosměrný proud kondenzátorem neprochází.Podobně můžeme filtrovat napájení i jiných stupňů. Musíme však počítat s tím, žeprochází-li obvodem větší kolektorový proud, bude úbytek stejnosměrného napájecího napětívětší. Pak bud' zmenšíme hodnotu odporu R F , ale to se zmenší i účinnost filtrace, nebopřivedeme ze zdroje větší napájecí napětí.

Mikroelektronické praktikum 111Obr. 6.37: Zamezení vzniku zpětnévazby filtrací napájecího napětí meziprvním a druhým stupněmzesilovače. Do napájení se zařadífiltrační člen R F , C FObr. 6.38: Funkce filtračního členu: na rezistoru R Fse zachytí střídavé napětí zpětnovazebního prouduI zp , které kondenzátor C F svede k zemi. Filtrovanýproud napájí tranzistor T 1Zvídavý čtenář patrně přemýšlí nad tím, pročjsme zesílený signál z tranzistoru T 1 převedli navstup tranzistoru T 2 pomocí kondenzátoru, když byto bylo jednodušší převést přímo. Skutečně tatomožnost existuje a poskytuje i některé výhody.Našemu způsobu, kdy jsme pomocí kondenzátorupřevedli signál z jednoho stupně na druhy, se říkákapacitní vazba a má své oprávnění. Jaký je k tomudůvod? Mezi napětím na kolektoru tranzistoru T 1 abází tranzistoru T 2 je velký napěťový rozdíl. Z Obr.6.39 je zřejmé, že stejnosměrné napětí na kolektorutranzistoru T 1 , vzniklé klidovým proudem, má přílišvelkou hodnotu, v porovnání s potřebným napětímbáze tranzistoru T 2 . Kdybychom obě místa spojili přímo, ani jeden stupeň by nepracovaldobře. Kdy je tedy možné použít přímé (galvanické) vazby mezi stupni napěťovéhozesilovače? Přímou vazbu můžeme použít v tom případě, kdy pomocí stejnosměrných vazebmezi dvěma nebo více stupni zajistíme takové napěťové poměry, které zesilovací stupeňke své práci potřebuje. Jak brzy uvidíte, není to tak složitě, jak by se na první pohled zdálo.Zopakujme si, co od napěťového zesilovače požadujeme:• velkou vstupní citlivost• dostatečně velký vstupní odpor• dlouhodobou stálost nastavení pracovního bodu• co nejmenší zkreslení• možnost zavedení účinných zpětných vazeb• velký rozkmit výstupního napětí• malý výstupní odpor6.3.4 Stejnosměrně vázaný dvoustupňový zesilovačObr. 6.39: Rozdíl napětí mezikolektorem tranzistoru T 1 a bázítranzistoru T 2 je značný. Proto musíbýt zařazen vazební kondenzátor C vSplnění výše uvedených požadavků ve značné míře splňuje zapojení podle Obr. 6.40.Na schématu vidíme tři charakteristické rysy:• vazba z výstupu tranzistoru T 1 na vstup tranzistoru T 2 není kapacitní, nýbrž přímá(galvanická)

112 FEKT Vysokého učení technického v Brně• z emitoru tranzistoru T 2 je zavedena tzv. střídavá zpětná vazba na vstup T 1• z výstupu T 2 je zavedena tzv. střídavá zpětná vazba do emitoru T 1 .Vzájemným působením zmíněných vazeb jsou dány velmi dobré vlastnosti zesilovače. Je toosvědčené zapojení, které se v různých podobách neustále opakuje v mnoha zařízeních.Obr. 6.40: Základnízapojenídvoustupňového zesilovače s přímou vazbou.Kolektor tranzistoru T 1 a báze tranzistoru T 2jsou přímo spojeny. R C1 = 27 kΩObr. 6.41: Napěťové poměry nadvoustupňovém zesilovači s přímou vazbou.Napětí mezi bází a emitorem u oboutranzistorů musí zachovávat obvyklou hodnotuU BE = 0,65 VNás bude nejdříve zajímat, proč můžeme vypustit kondenzátor mezi kolektorem T 1 abází T 2 . Jak již víme, napětí mezi bází a emitorem každého křemíkového tranzistoru má býtnastaveno přibližně na hodnotu 0,7 V. Názorně to ukazuje Obr. 6.41, kde jsou zaznamenánanapětí naměřená na elektrodách tranzistorů ve zkušebním vzorku zesilovače.Všimneme si nejdříve tranzistoru T 2 . Je vidět, že napětí určující nastavení pracovníhobodu tranzistoru T 2 je zcela běžné. Jinak řečeno: jestliže je napětí na bázi T 2 zcela obvyklé, tojest malé (U BE = 0,65 V), musí být toto malé napětí i na kolektoru T 1 , protože jsou oběelektrody spojeny. Podle našich dosavadních zkušeností tomu tak nebylo. Usilovali jsmenaopak, aby na kolektoru bylo přibližně poloviční napětí zdroje.Vysvětlíme si nejdříve, jak toto malé napětí na kolektoru T 1 vznikne. Ze schématu naObr. 6.40 zjišťujeme, že rezistor zapojený v kolektoru T 1 má značně velký odpor, R C =27 kΩ. K tomu dodejme, že kolektorový proud I C1 je velmi malý, řádově desetiny nebo jensetiny miliampéru (tedy stovky až desítky mikroampérů). O takové kombinaci víme, že sepoužívá tehdy, má-li mít zesilovač nepatrný šum a velký vstupní odpor. Ovšem, aby mohlprocházet tak malý kolektorový proud, je vhodné, aby i napětí bylo malé. Na Obr. 6.42vidíme, že napájecí napětí pro T 1 je zmenšeno úbytkem na filtračním rezistoru R F , zapojenémv přívodu napájecího napětí.

Mikroelektronické praktikum 113V tomto případě je úbyteknapětí na rezistoru velký, protožeR F je rovněž velký. Tentokrát tonevadí, naopak vyhovuje našemuzáměru. Voltmetr v označenémmístě na kondenzátoru C Fnaměřil napětí 5,24 V. Přirozeně,na filtračním rezistoru sespolehlivě zachytí také střídavénapětí, které má snahu pronikatz výstupu tranzistoru T 2 na vstuptranzistoru T 1 . K zemi jej svedekondenzátor C F . Ve skutečnémObr. 6.42: Napájecí napětí pro tranzistor T 1 je nízkévlivem úbytku napětí na velkém filtračním rezistoru R Fzapojení je to elektrolytický kondenzátor 20 µF/15 V. Může se však stát, že tento kondenzátorzpůsobí chybu ve výpočtu na Obr. 6.42. Tam jsme podle Ohmova zákona počítali proud znaměřeného úbytku napětí na rezistoru R F , jehož odporu je znám. Výpočet je správný jen vtom případě, že elektrolytický kondenzátor je v pořádku. Rozumí se tím, že jeho svodovýodpor je velký, takže jím k zemi prochází jen zcela zanedbatelný proud. V opačném případěby totiž rezistorem R F procházel nejen kolektorový proud I C1 , nýbrž i zvětšený svodový proudkondenzátoru I CF (Obr. 6.43a). Ten se totiž stárnutím kondenzátoru zvětšuje. Vypočtenáhodnota proudu I C1 by byla proto nesprávná, to je větší než ve skutečnosti.Pro případnézapojení s většímnapájecím napětím jevhodnější nespoléhat nakvalitu kondenzátoru.Vyplatí se úmyslnězvětšit příčný proud do témíry, že pozdější kolísánísvodového proudukondenzátoru se Obr. 6.43: Filtrační článek RC: a) filtračním rezistorem R F můženeuplatní. Podle Obr. procházet také svodový příčný proud filtračního kondenzátoru C F ,6.43b připojíme rezistor který je nekontrolovatelný, b) záměrné zvětšení příčného prouduR CF proti zemi. Jeho procházejícího rezistorem R CF , připojeným paralelně kepříčný proud je kondenzátoru C Fmnohonásobně větší nežpravděpodobný svodový proud elektrolytického kondenzátoru.Jaký praktický důsledek by měl zvětšený svodový proud kondenzátoru C F , případnějeho kolísající hodnota? Způsobil by změnu napájecího napětí pro T 1 a tím změnu(nekontrolovatelnou) pracovního bodu tranzistoru.Kondenzátor C F je ve schématu zakreslen jinak než jsme zvyklí. Je to proto, aby schémazůstalo přehledné. Ze stejného důvodu se podobným způsobem zakreslují i jiné součástky,které mají být uzemněny. Překvapení možná způsobily i přesné hodnoty, naměřené na vzorkuzesilovače. Je nutná taková přesnost? Samozřejmě, že ne. Úplně stačí údaje na dvě platnéčíslice za předpokladu, že odpovídají skutečnosti. Tím se rozumí, že měření probíhalo zatakových podmínek, že nebyly příliš zatíženy měřené obvody zesilovače, tj. je použitelektronický voltmetr (vnitřní odpor nejméně 50 kΩ/1 V). To je důležité při měření napětí nabázi T 1 , kde je velký vstupní odpor a také při měření na kolektoru T 1 .

114 FEKT Vysokého učení technického v Brně6.3.4.1 Stabilizace pracovního bodu dvoustupňového zesilovačeNyní objasníme, jak jsou nastaveny a stabilizovány pracovní body tranzistorů T 1 a T 2 upřímo vázaného zesilovače. Z Obr. 6.41 je zřejmé, že napětí báze U B1 prvního tranzistoru jeodvozeno od napětí emitoru U E2 druhého tranzistoru. Průchodem kolektorového proudutranzistoru T 2 vzniká napětí na rezistoru R E2 v emitoru T 2 , překlenutého (tj. zprůchodněnéhopro střídavé proudy, anglicky bypass, běžně se užívá i méně přesného výrazu blokovaného)kapacitorem C E2 . Zpětnovazebním rezistorem R zp1 se napětí z emitoru T 2 přivádí zpět navstup, to je na bázi T 1 . Toto napětí vyhovuje svou nízkou hodnotou pro nastavení pracovníhobodu T 1 . První tranzistor má takto nastaven pracovní bod, takže jím prochází kolektorovýproud I C1 . Jak již víme, je velmi malý. Přesto však na velkém odporu R C1 v kolektoru T 1vytvoří poměrně velký úbytek napětí, takže napětí U C1 na kolektoru T 1 je nezvykle nízké(Obr. 6.41). Toto nízké napětí, jen o málo větší než 1 V, vyhovuje pro nastavení pracovníhobodu na bázi T 2 . Samozřejmě je řeč o hodnotách stejnosměrného proudu, tedy bez buzení nabázi.Vyšetřeme nyní, jak je to se stabilizací pracovníhobodu? Jestliže se z jakýchkoliv důvodů proud procházejícítranzistorem T 2 zvětší, pak se zvýší i napětí, na rezistoruR E2 v emitoru T 2 . Zvýšené napětí U E2 na emitoru T 2 sezpětnovazebním rezistorem R zp1 dostane zpět na bázi T 1 .Zvýšené napětí U B1 dá vzniknout zvýšenémukolektorovému proudu I C1 . Ten, jak víme, vytvoří většíúbytek napětí na rezistoru R C1 v kolektoru. O tento úbytekklesne napětí na kolektoru T 1 . Jestliže je nižší napětí U C1 ,pak je nižší i napětí U B2 . Pokles napětí U B2 zaviní pokleskolektorového proudu druhého tranzistoru. Tím, že klesneproud druhého tranzistoru, klesne i napětí na rezistoru R E2 vemitoru T 2 . Pokles se zpětně přenese na bázi prvníhotranzistoru, který se přivírá a dostává se do normálníhorežimu. Proudy se stabilizovaly, pracovní body jsou znovusprávně nastaveny.Obr. 6.44: Fázové poměry natranzistorech T 1 a T 2 . Signál naemitoru tranzistoru T 2 není vefázi se signálem na bázitranzistoru T 1 . Proto rezistorR zp1 zavádí zápornou zpětnouvazbuTato stabilizace pracuje i při změnách hodnot odporuR zp1 . Můžete odzkoušet odpor od 50 kΩ do 150 kΩ. Každá změna v hodnotách odporů celéhozpětnovazebního řetězce, případně napájecího napětí, si vyžaduje dorovnání nebo novénastavení pracovního bodu této dvojice tranzistorů. Nejzávažnější funkci v celém řetězci márezistor R E2 v emitoru T 2 . Změnou jeho velikosti lze přesně nastavit pracovní bod dvojice T 1 aT 2 tak, že zesilovač pracuje souměrně bez zkreslení.Možná, že bude někdo hledět s nedůvěrou na zpětnou vazbu, zavedenou z emitorudruhého tranzistoru na vstup prvního tranzistoru. Nejde tu o kladnou zpětnou vazbu, která bymohla zesilovač rozkmitat? Skutečně ne. Na obou místech, která spojujeme zpětnovazebnímrezistorem R zp1 , nejsou napětí ve fázi. Znázorňuje to Obr. 6.44.Víme již, že střídavé napětí na kolektoru je fázově posunuto proti napětí na bázi. Jak jeto s napětím na emitoru? Napětí na emitoru má stejnou fázi jako napětí na bázi. Důvod jezřejmý. Vzrůstajícím napětím na bázi, a tím vzrůstajícím proudem báze, vzrůstá proudprocházející emitorem. S rostoucím emitorovým proudem roste napětí na emitorovémrezistoru. Napětí na bázi i na emitoru tedy rostou nebo klesají současně, ve fázi. Jak je vidět zObr. 6.44, proudy i napětí v obou propojených bodech zpětné vazby postupují vzájemněopačně, takže nejsou splněny podmínky pro vznik kladné zpětné vazby. Napětí na emitoru mástejnou fázi jako napětí na bázi.

Mikroelektronické praktikum 1156.3.4.2 Velikost zesíleníVelmi zajímavý obvod tvoří druhá, tzv. střídavá zpětná vazba z výstupu zesilovače doemitoru T 1 . Čím je zajímavá ? Především tím, že určuje velikost zesílení zesilovače. Velikostzesílení jeRzp2AU= .RE1V našem případě A U = 10 000/180 = 55,55. Je třeba poznamenat, že takto můžemestanovit zesílení v rozsahu 10 až 100. Mimo tuto vyznačenou oblast zesílení mohou nastatpotíže. Bude-li místo rezistoru R zp2 použit člen R-C v nějaké kombinaci, tzn. rezistor akondenzátor v sérii, paralelně apod. musíme počítat s impedancemi a zesílení budekmitočtově závislé.Na vzorku zesilovače byly naměřeny následující údaje:• maximální vstupní napětí je 0,06 V (tj. 60 mV).• maximální výstupní napětí (při zátěži R Z =10 kΩ) je3,3 V.Tato napětí byla stanovena při začátku oboustrannélimitace. Nejvyšší vstupní napětí se někdy nazývápřebuditelnost (přemodulovatelnost) zesilovače. Z výšeuvedených údajů můžeme spočítat skutečné napěťovézesílení A U = 3,3 V / 0,06 V = 55, což souhlasí s výpočtem.Údaj R Z = 10 kΩ udává zatěžovací odpor, který je v různépodobě a velikosti připojen k výstupu každého zesilovače.V našem případě to může být např. potenciometr P, kterýmse bude regulovat hlasitost. Od něho se signál vede kvýkonovému zesilovači (Obr. 6.45). Pro zajímavost bylaodzkoušena nižší hodnota zatěžovacího odporu R Z = 5 kΩ.Výstupní napětí nepatrně pokleslo a bylo třeba mírněpoopravit nastavení pracovního bodu. Pro dobrou funkcizesilovače vyhovuje nejlépe R Z = 50 kΩ. V žádném případě by neměl zatěžovací odporklesnout pod R Z = 2 kΩ. Pak by se značně zhoršila funkce zpětné vazby a tím i vlastnostizesilovače.Vrátíme se ke střídavé zpětné vazbě a objasníme jejífunkci (a proč se jí říká střídavá). Pokud bude R zp2představován jen odporem, pak zesilovač zesilujerovnoměrně celé přenášené pásmo kmitočtů. Výjimku tvořívysoké kmitočty nad akustickým pásmem, jejichž zesíleníúmyslně omezujeme zpětnovazební kapacitou C 3 , podobnějako na Obr. 6.46. Místo rezistoru R zp2 může být zapojen R-C člen. Pak ale část kmitočtového pásma bude zesilovánavíce, jiná část méně. To se často může hodit, požadujeme-lijinou než lineární kmitočtovou charakteristiku. Tourozumíme průběh zesílení kmitočtů podle nějaké křivky.Členy R-C mohou být jednoduché i složité. Známý je člen R-Obr. 6.45: Potenciometrhlasitosti P na výstupuzesilovače působí jakozatěžovací rezistor R z . Z běžcepotenciometru postupuje signálk výkonovému zesilovačiObr. 6.46: Do obvodu zpětnévazby můžeme vložit místorezistoru R zp2 dvojitý členRC. Změní kmitočtovoucharakteristiku zesilovačeC na Obr. 6.46, který upravuje zesílení předzesilovače, neboli zesilovače napětí, promagnetodynamickou přenosku. Lineární, to je rovný kmitočtový průběh zesílení kmitočtů vcelém akustickém pásmu zde nevyhovuje, protože reprodukce by byla chudá na hloubky.

116 FEKT Vysokého učení technického v BrněPomocí tohoto členu se zesílení výšek snižuje podle normalizované křivky nazývané RIAA.Hodnoty uvedené na Obr. 6.46 byly odzkoušeny, ale používají se i jiné.6.3.4.3 Vstupní obvod zesilovačeObrázek Obr. 6.47 ukazuje doplnění vstupní části zesilovače několika součástkami. Dosérie s vazebním kondenzátorem C v1 je zapojen sériový rezistor R S s odporem přibližně 1 kΩ.Obr. 6.47: Vstupní část zesilovače: a) se vstupním děličem napětí a sériovým rezistorem, b)paralelní rezistor 100 kΩ na vstupu zesilovače zmenšuje vstupní impedanci zesilovače azajišťuje správnou polaritu kondenzátoru C v1Uplatní se v tom případě, když je zesilovač připojen ke zdroji signálu s malým vnitřnímodporem (pro střídavé kmitočty). Potom přídavným rezistorem R S zamezíme nadměrnémuzatížení vstupu našeho zesilovače, a tím se umožní správná funkce zpětnovazebních obvodů.Je třeba zdůraznit, že rezistor R S zapojený v bázi mnohdy odstraní závady jako je„bublání“, „motorování“ či jiné nectnosti, způsobené pomalými kmity zesilovače.Další součástkou je potenciometrický trimr. Jeho hodnota není kritická. Může mít menšíodpor než na obrázku uvedených 2,2 MΩ. Princip je tento - protože bude přímo připojen kezdroji signálu, dbáme, aby ho příliš nezatěžoval. Proto ke zdroji s velkým vnitřním odporemzapojíme trimr s velkým odporem. Pro piezoelektrickou přenosku vyhoví 2,2 MΩ. Běžcemtrimru pak nastavíme takovou velikost vstupního signálu, aby nedošlo k přebuzení zesilovače.Jistě jste poznali, že trimr je zapojen jako dělič vstupního napětí.Na Obr. 6.47b je ještězapojen rezistor s odporem100 kΩ. Není sice nutný, ale másvé opodstatnění. Uzemňujezáporný pól elektrolytickéhokondenzátoru C v1 , čímž zajišťuje,že na kladné elektrodě tohotokondenzátoru bude zaručeněkladnější napětí než na zápornéelektrodě. Potřebné je to zvláštětehdy, když je na výstupu ze zdrojesignálu rovněž zapojenelektrolytický kondenzátor.Rezistor 100 kΩ také zmenšujevstupní odpor zesilovače, který prořadu použití může být přece jenObr. 6.48: Úplné schéma dvoustupňového napěťovéhozesilovače s přímou vazbou. Na výstupu je připojenpotenciometr hlasitosti Pdost vysoký. V zapojení podle Obr. 6.47a plní výše uvedenou funkci (stejnosměrnou fixacikondenzátoru) potenciometrický trimr. Celkové schéma navrženého zesilovače je na Obr.6.48.

Mikroelektronické praktikum 1176.3.5 Výkonové zesilovačeJako výkonový zesilovač (pro napájení reproduktorů) nemůžeme využít napěťovéhozesilovače podle Obr. 6.48. Hlavní důvod je v tom, že si nemůžeme dovolit nechat procházettranzistorem trvale velký klidový proud. Tímto velkým proudem by se tranzistor značnězahříval, vyžadoval by neúměrně velký chladič, ale hlavně spotřeboval by mnoho energie. Ato i v době, kdy zesilovačem signál neprochází. Abychom zbytečně neplýtvali energií,snažíme se o co největší účinnost výkonového zesilovače.Obr. 6.49: Koncový stupeň s komplementární dvojicí výkonových tranzistorů: a) s napájenímz jednoho zdroje - je nutno zapojit oddělovací kondenzátor, b) se symetrickým napájením -reproduktor není připojen k zápornému pólu zdroje, ale do středu mezi dva zdroje spolovičním napětím U CC /2. Proto není potřebný oddělovací kondenzátorJak se dosáhne dobré účinnosti? Předně, a tojsme si již řekli, nesmí tranzistorem procházet trvalevelký klidový proud. Dále je třeba dosáhnout, abytranzistorem procházel proud jen při procházejícímsignálu. Oba požadavky lze s určitými obtížemirealizovat, ale nikoliv s jediným tranzistorem, jakjsme byli zvyklí dosud. Budeme k tomu potřebovatdva výkonové tranzistory v jednom stupni, každýbude zpracovávat jednu půlvlnu střídavého signálu.K tomu využijeme skutečnosti, že tranzistorvodivosti NPN se otevře jestliže na jeho bázipřivedeme kladné napětí, zatímco tranzistorvodivosti PNP potřebuje k otevření záporné napětí.Obr. 6.50: Koncový stupeň vkvazikomplementárním zapojeníZ toho plyne, že kladná půlvlna se může uplatnit pouze na bázi tranzistoru NPN, přitom naPNP tranzistor nemá žádný vliv. Naproti tomu záporná půlvlna otevře PNP tranzistor, alenemá vliv na tranzistor PNP. Zjednodušené zapojení této dvojice tranzistorů ukazuje Obr.6.50. Říká se jí doplňková nebo častěji komplementární dvojice. Přivedeme-li na spojené bázesinusový signál, každý tranzistor si vybere "svou" půlvlnu. Proud prochází střídavě jedním apak druhým tranzistorem. Mezi oběma tranzistory, v místě kde jsou spojeny, vzniká střídavénapětí. V našem případě je to mezi emitory obou tranzistorů. To je místo, odkud budemeodebírat výkon. Reproduktor tam přímo připojit nelze, protože by způsobil zkrat pro tranzistorT 2 a úplně by znemožnil činnost prvního tranzistoru. Proto musí být reproduktor oddělen, abyjím stejnosměrný proud nemohl projít. Někdy se říká, že musí být galvanicky oddělen. Vímejiž, že k tomuto účelu poslouží kondenzátor. V tomto případě musí mít velkou kapacitu,přibližně 1000 µF, takže bude elektrolytický.

118 FEKT Vysokého učení technického v BrněPřipojíme-li k této dvojici napájecí napětí, pak oběma tranzistory prochází klidovýproud, který je velmi malý. Zvětšuje se teprve s přiváděným vstupním signálem, to je, když sezvětšuje napětí na bázích. Oběma tranzistory pak prochází stejný proud, takže napětí zdroje serozdělí rovným dílem mezi oba tranzistory. V tom případě je ve společném bodě polovičnínapětí zdroje U CC /2 . Používá se i druhého způsobu, který má výhodu v tom, že nepotřebujeoddělovací kondenzátor. Na Obr. 6.49b je reproduktor připojen jedním vývodem dospolečného bodu tranzistorů, kde, jak víme, je poloviční napětí zdroje. Aby reproduktoremneprocházel stejnosměrný proud, musí být jeho druhý vývod připojen ke stejnému potenciálu,tedy rovněž k polovičnímu napětí zdroje. Jen za těchto podmínek bude procházet cívkoureproduktoru pouze střídavý proud, který požadujeme. Vyřešíme to pomocí dvousamostatných zdrojů o polovičním napětí. Je to určitá komplikace, kterou splácíme úsporuelektrolytického kondenzátoru. Získáme však lepší přenos nízkých kmitočtů.Někdy potřebujeme z různých důvodů použít dvojici výkonových tranzistorů stejnévodivosti. Dnes se toho využívá především v integrovaných obvodech. V sedmdesátýchletech to bylo běžné v diskrétním provedení. Samozřejmě nelze signál zavést přímo do bázítéto dvojice stejné vodivosti. Přitom je lhostejné, jsou-li oba NPN nebo PNP. V minulostirozdělení signálu střídavě do jedné a druhé báze koncových tranzistorů obstarávaltransformátor. Ten je však drahý, zabírá místo a může vnášet zkreslení. Proto se nepoužívá.Nezbývá než postarat se nějakým způsobem o to, aby se střídavě otevíral jeden a pak druhýtranzistor. Způsobů známe několik. Nejpoužívanější způsob je na Obr. 6.50. Zjednodušeně sivysvětlíme jeho funkci. Koncové dvojici je předřazena dvojice malých budicích tranzistorů,které jsou komplementární. Každý z nich se otevírá jednou půlvlnou tak, jak jsme si tovysvětlili u komplementární dvojice. Ve stejném okamžiku, kdy se otevře budicí tranzistor,otevře se i koncový tranzistor k němu připojený. Koncová dvojice se tedy otevírá střídavě,podobně jako u pravé komplementární dvojice. Proto se tomuto zapojení říkákvazikomplementární. Mohli bychom říci také zdánlivě komplementární. Koncové dvojici seříká koncový stupeň.Koncové tranzistory mají pracovní bod nastaven na tzv. prahové napětí, když nepřicházíbudicí signál, zůstávají zavřeny. Hovoříme o třídě B, tj. zesilovačích s nulovým klidovýmproudem.Protože každý tranzistor zpracovává pouze jednu půlvlnu, můžeme od každého z oboupožadovat větší výkon. Celkově je pak účinnost tranzistoru větší, je přibližně 65 až 71 %.Ztráty teplem, které vyzáří chladič tranzistoru, činí asi jednu třetinu skutečného příkonuodebíraného ze zdroje. Kdyby procházel tranzistorem trvalý proud (třída A), ztráty by bylymnohem větší a účinnost menší, přibližně 45 %.Tím jsme si objasnili princip činnosti běžného koncového stupně. Netýká se to pouzezesilovačů s velkými výkony. Takto jsou konstruovány koncové stupně i u kapesníchpřijímačů nebo magnetofonů. Pro úplnost je třeba dodat, že v některých zařízeních naleznetestarší koncové stupně s transformátory.Významným problémem u koncového zesilovače je přechodové zkreslení. Výkonovétranzistory nepracují (vynechávají) v oblasti kolem nuly budicího signálu (Obr. 6.51). Totozkreslení se projevuje při slabých signálech (nebo malé hlasitosti) a je poslechově velminepříjemné.

Mikroelektronické praktikum 119Řešením je nastavení pracovníhobodu koncových tranzistorů do třídyAB, tj. zavedení malého klidovéhoproudu. To je způsob, který připomínázavedení klidového proudu unapěťového zesilovače. Tam jsme siovšem mohli dovolit otevřít tranzistormnohem více a nečinilo to žádnépotíže. U koncového stupně to není takjednoduché. Problémem je udržetvelikost nastaveného maléhoklidového proudu, když teplotakoncového stupně značně kolísá. Ktomuto účelu jsou zpravidla vevýkonovém zesilovači zabudoványzvláštní obvody. Kromě teploty mávelký vliv i velikost napájecího napětízdroje, jehož změnou se klidový proudvýrazně mění. Platí také, že čím většíklidový proud, tím větší ztráty a menšíúčinnost. Proto se snažíme nastavitklidový proud co nejmenší.Obr. 6.51: Průběh vstupního a výstupního signálukoncového stupně, pracujícího bez klidovéhoproudu: a) s velkou amplitudou, b) s malouamplitudouDruhý často používaný způsob se vyhýbá klidovému proudu. Jak se v tom případěodstraní přechodové zkreslení při malých hodnotách buzení? Koncová dvojice dostává signálz budícího výkonového tranzistoru, který jinak dodává výkon do zátěže - reproduktoru -přímo, dokud se neotevřou výkonové tranzistory. Týká se to přirozeně jen slabého signálu, aleo ten nám právě jde. Přibližně od 0,7 V budicího signálu se koncové tranzistory otevírají azačínají pracovat. Od tohoto okamžiku budicí stupeň pracuje pouze do bází koncovéhostupně. Toto druhé řešení může být spolehlivější a jednodušší, ale budicí tranzistor stálýmvelkým proudem "topí" a značně ohřívá prostor koncového stupně.Tím jsme zdaleka nevyčerpali všechny problémy kolem výkonového zesilovače.Některé další si alespoň vyjmenujme: zajištění teplotní stabilizace, opatření proti nestabilitě aparazitním kmitům, ochrana proti zkratu a přetížení, opatření proti dalším druhům zkresleníatd. Splnit všechny tyto požadavky znamená předřadit před koncový stupeň několik dalšíchpoměrně složitých obvodů s tranzistory.Pro konstrukci výkonových zesilovačů (i pro jiné aplikace) je k dispozici celá řadavhodných tranzistorů. Jednak to jsou starší typy v celokovovém pouzdře s výkonem do 20 Wa o málo větší, stejného tvaru, s 50 až 80 W. Ve stejném celokovovém pouzdře odevzdají jinétranzistory výkon 150 W. Z moderních tranzistorů v plastovém pouzdře s kovovou destičkousi můžeme také vybrat typy s výkonem od 12 W až do 160 W.

120 FEKT Vysokého učení technického v Brně6.4 Shrnutí kapitolyTranzistor jako zesilovač:• V klidové poloze, tj. bez buzení vstupním signálem, nastavujeme trvalý klidovýproud. Ten vytváří na pracovním rezistoru v kolektoru trvalý úbytek napětí, rovnajícíse polovičnímu napětí zdroje.• S budícím signálem, tzn. přivedením malého střídavého napětí na bázi, se kolektorovýproud střídavě zvětšuje a zmenšuje. Přitom zachovává stejný průběh jako budící proudv bázi. Na kolektoru je k dispozici střídavé napětí, mnohem větší než napětí na bázi.Tranzistor jako spínač:• V klidové poloze, bez buzení, neprochází tranzistorem proud, kromě nepatrnéhozbytkového proudu. Tranzistor je uzavřen, rozepnut.• S připojeným stejnosměrným napětím na bázi prochází tranzistorem velkýkolektorový proud. Tranzistor je sepnut, třebaže malý odpor v obvodu C-E zůstává.Vytvoří se na něm malé, tzv. saturační napětí. To zhoršuje vlastnosti spínače -tranzistoru.Nastavení pracovního boduPracovní bod tranzistoru je určen velikostí proudu I C a napětím U CE . Pro většinuzesilovacích obvodů platí, že nejlépe se pracovní bod nastaví tak, že napětí na kolektoruodpovídá polovičnímu napětí zdroje U CC , takže U C = U CC /2.Bipolární tranzistor jako spínačVe spínacích obvodech má tranzistor pouze dva pracovní stavy sepnuto aneborozepnuto. Dá se proto srovnat s mechanickým spínačem. Tranzistor bývá téměř vždy vzapojení se společným emitorem.Třídy zesilovače – jednotranzistorový zesilovač třída A- dvojčinné koncové stupně třídy B, AB, CPožadavky na napěťový zesilovač• Velká vstupní citlivost• dostatečně velký vstupní odpor• dlouhodobá stálost nastavení pracovního bodu• co nejmenší zkreslení• možnost zavedení účinných zpětných vazeb• velký rozkmit výstupního napětí• malý výstupní odpor

Mikroelektronické praktikum 1217 Dodatky7.1 Výsledky testů7.1.1 Vstupní test1. Na jaké 3 základní skupiny dělíme v praxi součástky pro elektroniku podle funkce?V praxi je zvykem dělit elektronické součástky (součástky pro elektroniku) podlefunkce na tři skupiny:a) Aktivní součástky jsou ty, jejichž elektrické vlastnosti (odpor, kapacita, přenosovévlastnosti aj.) jsou proměnné a řiditelné změnou napětí nebo proudu přivedeného na jejichvývody. Sem řadíme např. tranzistory, spínací polovodičové součástky, některé druhy diod,integrované obvody, elektronky, zjednodušeně můžeme v současné době hovořit opolovodičových součástkách.b) Pasívní součástky mají elektrické vlastnosti stálé a v širokých mezích nezávislé napřiváděném proudu nebo napětí. Jsou to např. rezistory, kondenzátory, potenciometry,pojistky. (Původ tohoto dělení je ve výkonové bilanci součástky, tj. zda výkon pouzerozptyluje, nebo umožňuje energii zdroje "přidávat k signálu).c) Konstrukční součástky a pomocné materiály. Konstrukční součástky se uplatňují buďfunkcí čistě mechanickou (skříně, kostry, panely, převody, ovládací knoflíky aj.), nebo funkcíelektromechanickou (přepínače, desky s plošnými spoji, konektory, svorkovnice), nebo vefunkci elektroakustických nebo elektromechanických měničů (reproduktory, relé, motorkyapod.). Mezi pomocné materiály zahrnujeme pájecí prostředky (cín, pájecí pastu nebokalafunu), zakapávací a impregnační laky, různé vosky aj.2. Na základě kterých 2 elektrotechnických zákonů je založeny metody řešení obvodů -metoda uzlových napětí a smyčkových proudů?-1. Kirchhoffův zákonAlgebraický součet proudů v uzlu se rovná nule. To znamená, že součet proudů do uzlupřitékajících se rovná součtu proudů z uzlu odtékajících.-2. Kirchhoffův zákonn∑ I k= 01Součet napětí v uzavřeném obvodu (smyčce) se rovná součtu úbytků napětí na jednotlivýchrezistorechn∑U=n∑k1 1R Ikk

122 FEKT Vysokého učení technického v Brně3. Jaký odpor musíme zapojit do obvodu, aby jím při připojení baterie o napětí 12Vprotékal proud 0,6A?Řešení: Dosazením do tvaru Ohmova zákona pro výpočet odporu R dostaneme:R = U I= 1206= 20 Ω .,4. Jaký proud protéká žárovičkou, na níž je označení 6 V/3 W?Řešení: Potřebujeme vypočítat proud, známe napětí a výkon; vyjdeme proto ze základnírovnice: P=U.I a proud vypočteme z jejího tvaru:P 3I = = = 0,5 A .U 65. Zdroj s vnitřním (dříve také nazývaným) elektromotorickým napětím U i (U E ) avnitřním odporem Ri (R1) je připojen k zátěži s odporem Rz (R2). Určete obecněrovnici pro výpočet napětí zdroje U, znáte-li hodnotu vnitřního odporu Ri, zatěžovacíhoodporu Rz a vnitřního napětí U i .Vnější napětí zdroje U se vypočítá z rovniceZdroj s vnitřním odporemU = UER1R + R12Zdroj odevzdá do zatěžovacího rezistoru největší výkon,bude-li splněna podmínka R1 = R2(Ri= Rz). Platí i vobvodech se střídavým proudem, kde podmínkouvýkonového přizpůsobení vyjadřujeme rovnostíabsolutních hodnot impedancí Z1 = Z2, při čemžmusí být splněna další podmínka X1 =− X2, tj.reaktační složky musí mít opačná znaménka.6. Potřebujeme navinout rezistor o odporu 700 Ω. Máme k dispozici odporový drát zkonstantanu; jeho průměr je 0,2 mm. Kolik metrů tohoto drátu potřebujeme k navinutížádaného rezistoru? (měrný odpor konstantanu je ρ = 0,49 Ωm)Pro výpočet potřebujeme znát ještě průřez drátu S. Vypočteme jej ze známého průměrud podle přibližného vztahu: S ≅ 0,785.d 2 = 0,785.0,2 2 = 0,0314 mm 2 . (S=πr 2 )Potřebnou délku drátu již snadno vypočteme; z uvedeného základního vztahuvyjádříme délku l jako:R⋅S 700⋅0,0314l = =≅ 44, 9 mρ 049 ,7. Pro vyzkoušení činnosti napájecího zdroje potřebujeme rezistor RV = 30 kΩ. Takovýrezistor nemáme právě po ruce, máme však několik jiných rezistorů, mezi nimi rezistory

Mikroelektronické praktikum 123těchto hodnot: R1 = 60 kΩ, (dva kusy), R2 = 10 kΩ, R3 = 5 kΩ, R4 = 15 kΩ. Jak siporadíme?a) První možné řešení nás musí napadnout okamžitě: spojit do série rezistory R 2 , R 3 aR 4 . Jejich výsledný odpor bude: 10 kΩ + 5 kΩ + 15 kΩ = 30 kΩ, což je právě potřebnávelikost R V .Při seriovém spojení je spojen konec předchozího rezistoru s počátkem rezistorunásledujícího R = R1 + R2 + R3 + ... + R x. Výsledný odpor několika rezistorů, řazených zasebou, se rovná součtu všech těchto odporů.b) Druhou možností, při níž vystačíme se dvěma rezistory, je spojit paralelně obarezistory R 1 . Podle rovnice pro dva paralelně spojené rezistory si zkontrolujeme (dosazujemev kΩ):R1⋅R260⋅60RV = = = 30 kΩ , což je opět hledaná velikost R V .R + R 60 + 601 2Paralelní spojení rezistorů je výsledný odpor určíme ze vztahu1 1 1 1 1= + + + ... + ;R R R R R x1 2 3vyjádřeno slovně, převratná hodnota výsledného odporu se rovná součtu převratnýchhodnot dílčích odporů. Z poslední rovnice si můžeme odvodit upravený vztah pro výpočetvýsledného odporu dvou paralelně spojených rezistorů R 1 a R 2 jako:RV=RR⋅ R+ R1 21 2[Ω].8. Na dělič napětí sestavený z rezistorů R 1 = R 2 = 30 kΩ je připojeno napětí U 1 = 200 V.Máme vypočítat napětí na odbočce děličea) bez připojené zátěže, tj. bez odběru proudu,b) s připojenou zátěží odebírající proud I 2 =2 mA.

124 FEKT Vysokého učení technického v BrněNejprve určíme napětí na odbočce děliče bez odběru proudu:U= U2 1RR2+ R1 2330⋅10= 20030⋅ 10 + 30⋅103 3= 100 V .Napětí, které bude na odbočce děliče při odběru proudu 2mA, vypočteme takto:U R U − R I2=2R + R1 1 21 230 103= ⋅ ⋅200 −30⋅10 ⋅2 ⋅103 −330⋅ 10 + 30⋅103 3= 70 V .9. Vyjádřete obecně velikost výstupního napětí odporovéhomůstku U G (napětí mezi body A-B), znáte-li hodnoty rezistorů avelikost napájecího napětí můstku.Vyrovnaný můstek představuje pro zdroj zatěžovací odporza předpokladu R1 = R2 = R3 = R4= R je výsledný odpor můstku Rm = R.Při porušení rovnováhy vznikne mezi body A a B napětí.UG=UR1R + R1 2−URR3+ R3 4( R R )( R R )1 2 3 4R = + +mR + R + R + R1 2 3 4V bezprostřední blízkosti stavu rovnováhy je poměrná změna napětí mezi body A a Bvzhledem k napájecímu napětí dána vztahemdUUG= 025 ,takže při změně odporu R x , např. 1%, se napětí mezi body A a B změní o 0,25%, U, tj. o0,25 mV na každý volt napájecího napětí.dRRxxa10. Vyjádřete obecnou rovnici pro výpočet změny odporu materiálu v závislosti nateplotě. (znáte teplotní koeficienty 1. a 2. řádu)Měrný odpor se mění s teplotou podle vztahu2( 1 ∆ ∆ )ρ = ρ + ϑα ϑ +0β ϑkde ρ ϑ je měrný odpor při teplotě ϑ [°C], ρ 0 při výchozí (nulové) teplotě a ∆ϑ jeoteplení, vztažené k výchozí teplotě. Konstanty α,β závisí na druhu materiálu.

Mikroelektronické praktikum 125V malém rozsahu teplot platí jednodušší závislost ρ ρ ( α ϑ)ϑ=01+∆Pro změnu odporu v závislosti na teplotě platí analogicky R = R ( + α∆ϑ)Ježto v praxi vycházíme z odporu při 20 °C, upraví se tím předchozí vztah ve tvarRRϑϑ= R 1+ −20 a pro měděné dráty, kde a = 0,00393, vzniká vzorec20[ αϑ ( )][ 1 0 00393( ϑ 20)]= R + , − [W; W, °C] kde ϑ je teplota vodiče [°C].20ϑ0111. Jaké jsou 2 základní materiály pro výrobu běžných polovodičových součástek? Jakéjsou 3 základní skupiny dělení materiálů podle vodivosti?Výchozím materiálem pro výrobu většiny běžných polovodičových součástek jegermanium a křemík. Rozdělíme-li si pevné látky podle elektrické vodivosti zhruba do třískupin, na vodiče s měrnou vodivostí od l06 do 103 Ω -1 cm -1 , polovodiče s měrnou vodivostíod 103 do 10-9 Ω -1 cm -1 a izolanty s měrnou vodivostí od 10-9 do 10-20 Ω -1 cm -1 , patří provýrobu dostatečně čisté germanium a křemík do skupiny polovodičů až izolantů.Měrný odpor polovodičů závisí na mnoha činitelích, např. na teplotě (s přibývajícíteplotou se měrný odpor zmenšuje, což je, jak dále uvidíme, dosti nepříjemné); dále je měrnýodpor závislý např. na osvětlení. Tohoto jevu je využíváno pro výrobu světlocitlivých prvků.Je-li polovodičový prvek vysoce čistý, je jeho vodivost malá, protože jeho krystalická mřížkaje plně obsazena.12. Stručně popište, jakým způsobem vzniká z čistého polovodiče (Si, Ge) polovodič typuP (případně N)Do připraveného polovodičového materiálu (vysoká čistota) se přidá stopové množstvíprvku s „přebytkem“ elektronů (např. antimon nebo arzén, obecně donory), nebo s„nedostatkem“ elektronů (např. indium a galium, obecně akceptory. V prvním případěvznikne polovodič typu N, tj. s elektronovou vodivostí. V druhém případě pak polovodičtypu P neboli s děrovou vodivostí.Tedy přidáním pětimocného prvku vzniknou v krystalu slabě vázané elektrony. Tytoelektrony se přiložením napětí pohybují a na jejich místě vznikají tzv. "díry", které zasezaplňují další elektrony atd. Tím vzniká v polovodiči proud. Vodivost je způsobenapřebytkem elektronu, říkáme jí tedy vodivost elektronová, negativní, typu N.Přidáním trojmocného prvku dochází naopak k vytvoření nosičů kladného náboje, tzv.děr. Tato vodivost se nazývá děrová, pozitivní, typu P. V místě styku materiálu vodivosti P aN vzniká přechod PN. Tento přechod je základem téměř všech polovodičových součástek.13. Vypočtěte hodnotu odporu předřadného rezistoru k červené LED, která má býtpřipojena k napětí 9 V a má jí procházet proud 20 mA. (Dioda svítí při přiloženém napětív propustném směru. Oproti běžným diodám je propustné napětí větší. U červené světelnédiody bývá přibližně 1,65 V)

126 FEKT Vysokého učení technického v BrněCelkové napětí 9 V se rozdělí tak, že na světelné diodě se vytvoří úbytek napětí přibližně 1,65V a zbylá část zůstane na sériovém rezistoru R S . Vypočítáme: 9 V - 1,65 V = 7,35 V a podleOhmova zákona R = U/I zjistíme, že sériový odpor R S = 7,35 V/0,02 A = 367,5 Ω. Zvolímenejbližší hodnotu v řadě rezistorů, tj. 360 Ω. Podobným způsobem spočítáme předřadnýrezistor R S i pro jiná napájecí napětí.Pozor, kdybychom nezařadili do série se svítivou diodou sériový rezistor, dioda by sevelkým proudem zničila.14. Jaká jsou 3 základní zapojení bipolárního tranzistoru?• se společným emitorem (SE),• se společným kolektorem (SK, SC),• se společnou bází (SB).

Mikroelektronické praktikum 127Seznam použité literatury[ 1 ] Bogr, J. - Musil, V.: Elektronika. Skriptum VUT FE, Brno, Ed. stř. VUT, 1989[ 2 ] Musil, V. - Zeman, P.: Konstrukce elektronickych přístrojů I, II. Skriptum VUT FE,Brno, Nakl. VUT 1992.[ 3 ] Ondrák, J. - Piňos, Z.: Elektronicke prvky 1/1, 1/2, II/1, II/2. Skriptum VUT FE, Brno,Ed. stř. 1974,1975,1977,1978.[ 4 ] Piňos, Z.: Elektronické prvky. Skriptun VUT FE, Brno, Ed. stř. VUT 1981.[ 5 ] Piňos, Z.: Elektronické a mikroelektronické prvky. Skriptum VUT FE, Brno, Ed. stř.VUT 1984.[ 6 ] Piňos, Z.: Elektronika materiálů I. Skriptum VUT FE, Brno, Ed. stř. VUT 1987.[ 7 ] Dostál, T. - Pospíšil, J. - Šebesta, V.: Elektronika. Skriptum VUT FE, Praha, SNTL1986.[ 8 ] Hudec, L.: Elektronické prvky. Skriptum ČVUT FEL, Praha, Ed. stř. ČVUT 1984.[ 9 ] Kodeš, J.: Speciální mikroelektronické součástky. Skriptum ČVUT FEL, Praha, Ed.stř. ČVUT 1982.[ 10 ] Frank, H.: Základy fyziky pevných látek. Skriptum ČVUT FJFI, Praha, Ed. stř. ČVUT1984.[ 11 ] Drápal, S.: Materiály a technologie II. Skriptum ČVUT FEL, Praha, Ed. stř. ČVUT1986.[ 12 ] Široký, K.: Fyzika polovodičů. Skriptum VŠCHT, Praha 1988.[ 13 ] Burger, L. - Hudec, L.: Elektronické prvky. Bratislava, ALFA 1989.[ 14 ] Frank, H. - Šnejdar, V.: Principy a vlastnosti polovodičových součástek. Praha, SNTL1976.[ 15 ] Ferendeci, A. M.: Physical Foundations of Solid-State and Electron Devices. NewYork, McGraw -Hill, 1991[ 16 ] ISBN 0071008489.[ 17 ] Sze, S. M.: Physics of Semiconductor Devices. J. Wiley, ISBN 047109837 X.[ 18 ] Bar - Lev, A.: Semiconductors and Electronic Devices. 3rd ed., 1979, ISBN 0 138252092.