6 transistor lưỡng cực nối trong điện tử cơ bản

Cấu tạo• Miền bán dẫn thứ nhất của Transistor là miền Emitter miền phát với đặc điểm là có nồng độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với miền này gọi là cực Emitter cực phát.. 3.Phân cực t

Điện tử cơ bản

Chương 3 Transistor lưỡng cực nối

(Bipolar junction Transistor)

1

Từ Vựng (1)

• Active region = miền tích cực

• Base (B) = (miền/cực) nền

• Bipolar transistor = transistor lưỡng cực

• Breakdwon region = miền đánh thủng

• Collector (C) = (miền/cực) thu (hay góp)

• Collector diode = diode tạo bởi JC

• Common base (CB) = nền chung

• Common collector (CC) = thu chung

Giới thiệu về BJT

• BJT = transistor tiếp xúc lưỡng cực = transistor

2 mối nối (hay 2 tiếp xúc)

• Lưỡng cực: do dòng điện chính được tạo bởi 2 hạt dẫn điện tử (-) và lỗ (+)

• BJT được phát minh vào năm 1948 do

Bardeen, Brattain và Shockley

1 Cấu tạo

• Miền bán dẫn thứ nhất của Transistor là miền Emitter (miền phát) với đặc điểm là có nồng độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với miền này gọi là cực Emitter (cực phát)

• Miền thứ hai là miền Base (miền gốc) với nồng độ tạp chất nhỏ và độ dày của nó nhỏ

cỡ µ m, điện cực nới với miền này gọi là cực Base (cực gốc).

• Miền còn lại là miền Collector (miền thu) với nồng độ tạp chất trung bình và điện cực tương ứng là Collector (cực thu)

4

Cấu tạo và ký hiệu BJT

5

Schematic representation of pnp

and npn BJTs

Emitter is heavily doped compared to collector So, emitter

and collector are not interchangeable

The base width is small compared to the minority carrier

diffusion length If the base is much larger, then this will

behave like back-to-back diodes

6

1 Cấu tạo

• Về mặt cấu trúc, có thể coi Transistor như 2

diode mắc đối nhau

7

1 Cấu tạo

• Cấu tạo mạch thực tế của một Transistor n-p-n

8

Hình dạng thực của Transistor BJT

9

Sự phân bố điện tích cân bằng nhiệt động

Ei + Ei

+ vùng hiếm vùng hiếm

- -

-

-10

II Các kiểu hoạt động-Phân cực

• Có 4 kiểu phân cực Nối phát-nền EB

tùy theo cách cấp điện phc.ngược phc thuận

Tác động thuận

(Forward active)

Tác động nghịch ( Reverse active)

bão hoà ( On

Saturation )

phc th

11

BJT biasing modes

12

4 kiểu hoạt động của BJT

1.Cả 2 nối EB và CB đều phân cực nghịch :

Do 2 nối đều ngưng dẫn  BJT ngưng dẫn

14

2.Cả 2 nối EB và CB đều phân cực thuận:

Do 2 nối đều dẫn các hạt tải cùng chạy vào vùng nền Mà vùng nền hẹp nên bị

tràn ngập các hạt tải  BJT dẫn bão hòa (On).

-16

Các kiểu hoạt động trên khơng sử dụng

riêng biệt mà kết hợp nhau trong hoạt

động giao hốn ( chuyển mạch)

• Ic

• Q1

• Q2 VCE

17

3.Phân cực thuận EB, Phân cực nghịch CB:

Do tác động của điện trường ngoài,các điện tử

tự do bị đẩy vào cực nền Tại đây do cực nền hẹp nên có chỉ 1 số ít đttd bị tái kết, đa số đttd còn lại đều bị hút về cực thu  BJT dẫn mạnh ( kiểu tác động thuận rất thông dụng trong mạch khuếch đại) Engoài Engoài

19

Large current

Hoạt động của transistor NPN

20

4.Phân cực nghịch EB, phân cực thuận CB

Cách hoạt động giống như ở kiểu 3 nhưng các hạt tãi di chuyển theo chiều từ cực thu sang

cực phát Do cấu trúc bất đối xứng các dòng thu và dòng phát đều nhõ hơn ở kiểu tác động nghịch  BJT dẫn theo kiểu tác động nghịch n p n

21

Cách phân cực tác động nghịch này ít được

sử dụng, ngoại trừ trong IC số do cấu trúc đối xứng nên các cực thu C và cực phát E

cĩ thể thay thế vị trí cho nhau.

1.Trong phần khảo sát transistor hoạt động

khuếch đại ta xét đến kiểu tác động (BE phân cực thuận, CB phân cực nghịch)

2.Phần hoạt động giao hốn sẽ xét đến sau.

22

BJT circuit symbols

As shown, the currents are positive quantities when the

transistor is operated in forward active mode

IE = IB + IC and VEB + VBC + VCE = 0 VCE = − VEC

BJT action: npn Forward Active when VBE > 0 and VBC < 0

23

3.Biểu thức dòng điện trong BJT

• Theo định luật Kirchhoff ta có:

β α β

IS = dòng ngược bão hòa của JC.

β là độ lợi dòng CE; α là độ lợi dòng CB

Nhận xét

• Độ lợi dòng (độ khuếch đại) β rất

lớn ( 20 – 500)

• Dòng rĩ

rất bé ở nhiệt độ bình thường nhưng lại tăng

nhanh theo nhiệt độ

• Ở nhiệt độ bình thường ( nhiệt độ trong phòng),

ta còn lại biểu thức đơn giản :

• Can act as Signal Current Switch (Cutoff Mode)

• C an act as Current Amplifier (Active Region)

Những biến đổi trong độ lợi dòng

• βdc phụ thuộc: BJT, dòng IC, và nhiệt độ

H.7-1 Sự biến đổi của độ lợi dòng

1 Linh kiện điều khiển bằng dòng điện.

2 Linh kiện điều khiển bằng hạt tải thiểu

số.

3 TRANSISTOR là chữ viết tắt của từ

TRANSfert resISTOR (Điện trở chuyển ) 4.Đối với transistor loại pnp, cách lý luận về

hoạt động cũng giống như ở transistor

npn nhưng thay đttd bằng lỗ trống, nên

chiều dòng điện ngược lại.

Chú ý:Transistor còn được gọi là:

27

3 Các dạng ráp BJT

28

III.Các cách ráp và Đặc tuyến V-I

Mạch chung Base (BC)

30

Họ đường đặc tuyến vào

I E =f(U EB ) khi điện áp ra U CB =const

31

Mạch chung Base (BC)

Họ đường đặc tuyến ra và truyền đạt

Đặc tuyến ra:I C = f(U CB ) khi giữ dòng vào I E =const

Đặc tuyến truyền đạt: I C =f(I E ) khi khi UCB = const

32

Mạch chung Base (BC)

vi

-Q

RB

RC Ci

Co

RL +

VBB + VCC

33

Mạch chung Emitter (EC)

34

Họ đường đặc tuyến vào

I B = f(U BE ) khi U CE = const

35

Mạch chung Emitter (EC)

Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của sơ đồ EC

Họ đường đặc tuyến ra: IC = f(U CE ) khi I B =const

Họ đường đặc tuyến truyền đạt: IC = f(I BE ) khi U CE = const

36

Mạch chung Emitter (EC)

3 Cách ráp thu chung (CC hay EF)

• Mạch điện

Vo +

vi

VBB

+ VCC

38

Họ đường đặc tuyến vào

39

Mạch chung Collector (CC)

Đặc tuyến ra của sơ đồ CC

40

Đặc tuyến cách ráp CE

• Gồm có 3 dặc tuyến thông dụng sau:

a Đặc tuyến vào IB = f ( VBE) VCE = Cte

Đặc tuyến vào (đặc tuyến ở base) với mắc CE

• Hoạt động như diode

vùng ngưng ( cut off)

Đặc tuyến ra (đặc tuyến ở C) với mắc CE

•At a fixed I B , I C is not dependent on V CE

•Slope of output characteristics in linear region is near 0 (scale exaggerated)

Early voltage

Thường cỡ 200V

44

C Đặc tuyến truyền Ic = f ( IB ) VCE = Cte

Ic ( mA)

• Trong dãi thay đổi

nhỏ của I B , I C thay đổi

tuyến tính

• Khi dòng I B lớn , I C

không còn tuyến tính

( sẽ xét trong chương 0 IB ( A) mạch khuếch đại)

µ

45

+ VBB

+ VCC IB

IC

β

46

nối 2 điểm M và N lại ta có được đường tải tĩnh

• Giao điểm đường tải tĩnh và đường phân cực

IB chọn trước cho ta trị số điểm tĩnh Q.

47

Đường thẳng lấy điện cho EC

49

Đường tải

H.7-2 Phân cực nền (a) mạch; (b) đường tải

Cho trước RB và βdc , ta có thể tìm được điểm làm việc (IC, VCE) như sau:

Điểm bão hòa và điểm cắt

H.7-3 Tìm 2 đầu của DC LL : (a) mạch;

(b) tính dòng bão hòa cực thu IC(sat); (c) tính điện áp cắt VCE(cutoff)

• Điểm bão hòa:

IC(sat) = VCC/RC(VCE=0)

• Điểm cắt:

VCE(cutoff)=VCC(IC=0)

Ảnh hưởng của RC đến DC LL (1/2)

Ảnh hưởng của RC đến DC LL (2/2)

Điểm làm việc Q (điểm tĩnh)

H.7-6 Tính điểm Q: (a) mạch; (b) điểm Q thay đổi do biến động ở độ lợi dòng

Các công thức tính điểm Q:

Phát hiện bão hòa

• Có 2 loại mạch cơ bản: KĐ và chuyển

Các câu trả lời không thể có

3 Nếu trong các tính toán có kết quả

không thể có thì giả thiết sai  BJT bão hòa; còn tất cả tính toán hợp lý thì BJT ở tích cực.

Thí dụ phát hiện bão hòa

VCE>0 BJT bão hòa

Bão hòa sâu

• Ở miền bão hòa độ lợi dòng giảm:

βdc(sat) = IC(sat)/IB < βdc ở chế độ KĐ

TD: H.7-7 có βdc(sat) = 2mA/0.1mA=20 < 50

• Bão hòa sâu: khi βdc(sat) = 10

• Bão hòa ít: βdc(sat) nhỏ hơn βdc ở chế độ KĐ không nhiều

Phát hiện nhanh bão hòa

H.7-8 (a) Bão hòa sâu; (b) Đường tải

• Khi VBB = VCC thì BJT bão hòa sâu khi:

RB/RC = 10 Tại sao?

Phân cực [bằng dòng] phát

Phân cực [dòng] phát [hằng]

Ta có:

IE = VE/RE = (VBB-VBE)/RE = VBB/RE = const

Mạch lái LED

H 7-12 (a) Phân cực nền; (b) Phân cực phát

H.7-12 (a) Phân cực nền:

BJT là khóa điện tử

• Muốn thay đổi dòng qua LED:

 thay đổi RC và/hoặc VCC

Vì ILED=(VCC – VLED – VCESAT)/RC

Vai trò của đường thẳng tải tĩnh

• Phân giải mạch Transistor.

• Xác định điểm tĩnh điều hành Q.

• Cho biết trạng thái hoạt động của

transistor ( tác động, bão hoà, ngưng).

• Mạch khuếch đại có tuyến tính hay không.

• Thiết kế mạch khuếch theo ý định ( chọn trước điểm tĩnh Q , tính các trị số linh kiện)

63

64

4 Phân cực của BJT

65

Vùng hoạt động của BJT:

Vùng tác động: (Vùng khuếch đại hay tuyến tính)

Mối ghép B-E phân cực thuận Mối ghép B-C phân cực nghịch

Phương pháp chung để phân giải mạch

phân cực gồm ba bước:

• Bước 1: Dùng mạch điện ngõ vào để xác định

dòng điện ngõ vào (IB hoặc IE)

• Bước 2: Suy ra dòng điện ngõ ra từ các liên hệ

IC=βIB hay IC=αIE

• Bước 3: Dùng mạch điện ngõ ra để tìm các

thông số còn lại (điện thế tại các chân, giữa các chân của BJT )

67

4.1 Phân cực cố định của BJT (Fixed –

Bias)

69

Phân cực cố định của BJT (Fixed – Bias)

CC C

C

V I

R

=

CC Csat

C

V I

C

V I

R tức VCE = 0V (thực ra khoảng 0.2V)

71

4.2 Phân cực ổn định cực phát

Mạch cơ bản giống mạch

phân cực cố định, nhưng ở

cực emitter được mắc thêm

một điện trở RE xuống mass

Cách tính phân cực cũng có

các bước giống như ở mạch

phân cực cố định

72

V V I

Sự bảo hòa của BJT

• Tương tự như trong mạch phân cực cố định, bằng cách cho nối tắt giữa cực thu

và cực phát ta tìm được dòng điện cực thu bảo hòa ICsat

CC Csat

V I

74

4.3 Phân cực bằng cầu chia điện thế

Dùng định lý Thevenin biến đổi thành mạch tương đương

75

1 2

BB

R R R

V V I

Sự bảo hòa của BJT

Tương tự như phần trước:

CC Csat

V I

=

+

77

4.4 Phân cực với hồi tiếp điện thế

Ðây cũng là cách phân cực cải thiện độ ổn định cho hoạt động của BJT

78

IE = VBB - VBE

RE +

βdc

R1 R2

Đường tải VDB và điểm Q

• Vì VDB xuất phát từ phân cực phát nên Q không bị ảnh hưởng bởi độ lợi dòng

• Thay đổi điểm Q bằng cách thay đổi điện trở phát RE

Phân cực [dòng] phát [hằng] với 2 nguồn cấp điện (TSEB)

Mạch TSEB

10 V 3.6 k Ω

10 V 3.6 k Ω

Các kiểu phân cực khác

• Điểm Q di chuyển khi thay BJT

• Điểm Q di chuyển theo nhiệt độ

• Không thực tế

Phân cực hồi tiếp thu và phát

(Collector- and emitter

-feedback bias)

• Tốt hơn phân cực phát

• Không tốt bằng VBD

• Ứng dụng hạn chế

Phân cực phát 2 nguồn (Two-supply emitter bias)

• Rất ổn định

• Cần 2 nguồn cấp điện

5 Thiết kế mạch phân cực

98

Khi thiết kế mạch phân cực, người ta thường dùng các định luật căn bản về mạch điện như định luật Ohm, định luật Kirchoff, định lý Thevenin , để từ các thông số đã biết tìm ra các thông số chưa biết của mạch điện

Thí dụ 1

• Cho mạch phân cực với đặc tuyến ngõ ra của BJT như hình dưới Xác định VCC, RC, RB

99

Từ đường thẳng lấy điện: VCE =VCC-RCIC

•Tại trục trục tọa độ UCE , khi IB=0 ta suy ra IC=0 và VCE =20V thay vào phương trình đường thẳng lấy điện ta có VCC=20V

•Ngoài ra: Transistor làm từ vật liệu thuần bán dẫn Si do đó

VBE=0.7V và

Để có các điện trở tiêu chuẩn ta chọn: RB=470 KΩ, RC=2.4 KΩ.

100

Thí dụ 2

• Thiết kế mạch phân cực như hình dưới IC=2mA, VCE=10V

101

Điện trở RC và RE không thể tính trực tiếp từ các thông số

đã biết Việc đưa điện trở RE vào mạch là để ổn định điều kiện phân cực RE không thể có trị số quá lớn vì như thế làm giảm VCE (sẽ làm giảm độ khuếch đại) Nhưng nếu RE quá nhỏ thì độ ổn định kém Thực nghiệm

người ta thường chọn V E khoảng 1/10V CC

( )

2 13.333 150

Thí dụ 3

• Thiết kế mạch phân cực có dạng như hình dưới

104

≤ E = Ω

105

• Có 2 cách để thiết lập điểm làm việc của BJT:

6 BJT hoạt động như một

chuyển mạch

Thí dụ: Xác định RC và RB của mạch điện nếu ICsat=10mA

Thí dụ ở 1 BJT bình thường:

ts=120ns ; tr=13ns

tf=132ns ; td=25ns Vậy: ton=38ns ; toff=132ns

Using a transistor switch with sensors

112

Đóng ngắt đèn

113

7 Tính khuếch đại của BJT

114

• Giả sử ta đưa một tín hiệu xoay chiều Vin(t) có dạng sin, biên độ nhỏ vào chân B của BJT khi đó ta có:

VB(t)=VB+Vin(t)

• Các tụ liên lạc C1 và C2 được chọn như thế nào để có thể xem như nối tắt -dung kháng rất nhỏ - ở tần số của tín hiệu

• Như vậy tác dụng của các tụ liên lạc C1, C2 làm cho

thành phần xoay chiều của tín hiệu đi qua và ngăn thành phần phân cực một chiều 115

• VB(t) >VB→IB↑ → IC ↑

→VC(t)=VCC-RCiC(t) ↓

• VB(t) <VB→IB↓ → IC↓

→VC(t)=VCC-RCiC(t) ↑

• VOut(t) ngược pha với VIn(t)

là độ khuếch đại hay độ lợi điện

thế của mạch

( ) ( )

= Out V

In

V t A

V t

116

• Chìa khóa để phân giải và xác định các thông số của

mạch là mạch tương đương xoay chiều

i

v A

v

=

o V

i

i A

i

=

i i

i

v Z

i

=

o o

o

v Z

i

=

117

Dạng mạch tương đương

118

Mạch cực Emitter và Collector chung

119

120

8 Mạch khuếch đại cực phát (E)

chung

122

Trị số β do nhà sản xuất cho biết

Trị số re được tính từ mạch phân

C

26mVr

I

=

Từ mạch tương đương ta tìm được các thông số của mạch

123

•Ðộ lợi điện thế: o

V

i

v A

e E

R A

E

R A

i i

i

v z

i

i A

i

=

o o

C

v i

o o

v

z

i =

oo

o

v z

i

=

•Tổng trở ra:

Ðể tính tổng trở ra của mạch, đầu tiên ta nối tắt ngõ vào (vi=0);

áp một nguồn giả tưởng có trị số vo vào phía ngõ ra như trên,

Mạch tương đươngTrong trường hợp nối thêm CE hoặc nối chân E xuống mass

127

o C V

Mạch khuếch đại cực phát chung với kiểu phân cực bằng cầu chia điện thế và ổn định cực

Mạch tương đươngTrong trường hợp nối thêm CE hoặc nối chân E xuống mass

C V

E

RA

Mạch khuếch đại cực phát chung phân cực bằng hồi tiếp điện thế và ổn định cực phát

9 Phân giải theo thông số h đơn giản

132

liên hệ 2 mạch tương đương

Mạch khuếch đại cực phát chung

Mạch tương đương

134

o V

i

v A

R

135

o i

i

i A

i

=

o o

C

v i

z

= −

o i i

10 MỘT SỐ ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI CỦA BJT

137

mạch khuếch đại micro dùng cho máy tăng âm

138

Mạch tạo dao động sóng hình sin

139

Mạch đa hài tự dao động dùng tranzito lưỡng cực