bộ môn kĩ thuật mạch điện tử
Trang 1PHAM MINH HA
oo
[oe
KY THUAT MACH DIEN TU In lần thứ 4 cĩ sửa chữa và bổ sung
NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KÝ THUẬT
Trang 2LOL NOL DAU
Bộ sách "Kỹ thuật điện tử" được viết dua trên cĩ sở giáo trình cùng tên
da được dùng làm tài liệu giảng dạy trong nhiều năm gần đây tạL Trường đại học Bách khoa Hà Nội Trong lần xuất bản đầu tiên ở Nhà xuất bản
Khoa học và Kỹ thuật năm 1992 sách dã được mm làm ba tập (và được tái
bản nhiều lần)
Tap I gdm sáu chương, trình bày Các vấn đề cơ sở của mạch điện tử
(cơ sở phân tích mạch điện từ, hồi tiếp âm trong các mạch điện tử, vấn đề cung cấp và ổn định chế độ cơng tác của các mạch điện tử) và Các mạch
rời rạc thực hiện các chức năng biến đổi tuyến tính (tầng khuếch dại tín hiệu
nhỏ dùng tranzistỏ), tầng khuếch đại chuyên dụng, tầng khuêch đại cơng suất)
Tập 2 gồm ba chương về Bộ khuếch đại thuật tốn và các ứng dụng của
2
no
Tập 3 gồm sáu chương, nghiên cứu về Các mạch cơ bản thực hiện các
chức nàng biến đổi phi tuyến (tạo dao dộng, điều chế, tách sĩng, chuyển dối
tuong tu“ — số và số - tHơng tự, chỉnh lưu và ổn áp)
Để bạn đọc tiện sử dụng, lần xuất bản này chúng tơi gộp thành một
cuốn Trong từng chương đều cĩ sửa chữa và bổ sung những vấn đề mới
Phần bài tập và bài giải mẫu trước dây được bố trí sau mỗi tập, nay chuyển
xuống cHỐi của cuốn sách, với nhiều dạng bài tập mdi
Sách đã được dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành vơ tuyến điện tỉ Sách cũng rất bố ích cho các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật và cơng nhân các ngành cố liên quan dến kỹ thuật vơ tuyến điện tủ
Trong quá trình biện soạn lạt cho cuốn sách này, tác giả dã được các
bạn dồng nghiệp gĩp nhiều ý kiến bổ ích, dược Nhà xuất bản Khoa học và
Kỹ thuật khuyến khích và tạo điều kiện thuận lợi để sách ra mắt kịp thời
Chúng tơi xin bay t6 loi cảm ơn chân thành về sự giúp đố quý báu đĩ
Mặc dù da cố gắng sửa chữa, bổ sung cho cuốn sách dược hồn chỉnh
hon trong lần tái bản này song chắc rằng khơng tránh khỏi những thiếu sĩt,
hạn chế Tác giả mong nhận dược các ý kiến đĩng gĩp quí báu của bạn
đọc
Trang 3+
Chương ï
NHUNG KHAI NIEM CHUNG
VA CO SO PHAN TICH MACH DIEN TU
Nhằm giúp sinh viên cĩ cơ sở nghiên cứu các mạch điện tử sẽ đề cập đến trong quyển sách này, chúng tơi giành chương 1 để tĩm tắt một số khái niệm và cơng thức
cơ bản đã được xét trong các giáo trình khác, chủ yếu liên quan đến vật lý điện tử và
dụng cụ bán dẫn Đây là những vấn đề khơng thuộc đối tượng nghiên cứu của mơn học này, nhưng được trình bày để giúp bạn đọc tra cứu cơng thức và khái niệm một cách thuận lợi
1.1 Khái niệm về mạch điện tử và nhiệm vụ của nĩ
Các mạch điện tử cĩ nhiệm vụ gia cơng tín hiệu theo những thuật tốn khác nhau Chúng được phân loại theo dạng tín hiệu được xử lý
Tín hiệu là số đo (điện áp, dịng điện) của một quá trình, sự thay đổi của tín hiệu
theo thời gian tạo ra tin tức hữu ích
Trên quan điểm kỹ thuật, người ta phân biệt hai loại tin hiệu : tín hiệu tương tự và tín hiệu số Tín hiệu tương tự là tín hiệu biến thiên liên tục theo thời gian và cĩ thể nhận mọi giá trị trong khoảng biến thiên của nớ Ngược lại, tín hiệu số là tín hiệu
đã được rời rạc hĩa về thời gian và lượng tử hĩa về biên độ Nĩ được biểu diễn bởi
những tập hợp xung tại những điểm đo rời rạc Do đĩ tín hiệu số chỉ lấy một số hữu hạn giá trị trong khoảng biến thiên của nĩ mà thơi
Tín hiệu cĩ thể được khuếch đại ; điều chế ; tách sĩng ; chỉnh lưu ; nhớ ; đo ; truyền đạt ; điều khiển ; biến dạng ; tính tốn (cộng, trừ, nhân, chia .) Các mạch điện
tử cố nhiệm vụ thực hiện các thuật tốn này _
Để gia cơng hai loại tín hiệu tương tự và số, người ta dùng hai loại mạch cơ bản : mạch tương tự và mạch số Ỏ đây chỉ đề cập đến các mạch điện tử tương tự Tuy trong những năm gần đây, kỹ thuật số đã phát triển mạnh mẽ và đĩng vai trị rất quan trọng trong việc gia cơng tín hiệu, nhưng trong tương lai chúng cũng khơng thể thay thế hồn tồn mạch tương tự được Thực tế cố nhiều thuật tốn khơng thể thực hiện được bằng các mạch số hoặc nếu thực hiện bằng mạch tương tự thì kinh tế hơn, vi dụ : khuếch đại tín hiệu nhỏ, đổi tần, chuyển đổi tương tự/số Ngay cả trong hệ thống số cũng cĩ nhiều phần tử chức năng tương tự, nếu như cần phải gia cơng tín hiệu tương
tự ở một khâu nào đĩ
Đối với mạch tương tự, ni ta thường quan tâm đến hai thơng số chủ yếu : biên
Trang 4Biên độ tin hiéu liên quan mật thiết đến độ chính xác của quá trình gia cơng tín
hiệu và xác định mức độ ảnh hưởng của nhiễu đến hệ thống Khi biên độ tín hiệu nhỏ (cỡ mV hoặc ¿A) thì nhiễu cĩ thể lấn át tín hiệu Vì vậy khi thiết kế các hệ thống điện tử cần lưu ý nâng cao biên độ tín hiệu ngay ở tầng đầu của hệ thống
Khuéch dai tin hiéu là chức năng quan trọng nhất của các mạch tương tự Nĩ được
thực hiện hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp trong các phần tử chức năng của hệ thống Thơng
thường trong một hệ thống tương tự, người ta phân biệt các tầng gia cơng tín hiệu và các tầng khuếch đại cơng suất hoặc điện áp
"Trong gần hai thập ky qua, do sự ra đời của bộ khuếch đại thuật tốn, các mạch tổ hợp tương tự đã chiếm vai trị quan trọng trong kỹ thuật mạch điện tử Mạch tổ hợp tương tự khơng những đảm bảo thỏa mãn các chỉ tiêu kỹ thuật mà cịn cĩ độ tin cậy
cao và giá thành hạ Tuy nhiên chúng thường được dùng chủ yếu ở phạm vi tần số thấp Sự ra đời của bộ khuếch đại thuật tốn là một bước ngoặt quan trọng trong quá trình
phát triển của kỹ thuật mạch tương tự Trước đây, khi bộ khuếch đại thuật tốn chưa ra đời, đã cĩ vơ số các mạch chức năng tương tự khác nhau Ngày nay, nhờ sự xuất ‹hiện của bộ khuếch đại thuật tốn, số lượng đĩ đã giảm xuống một cách đáng kể, vì cĩ
thể dùng bộ khuếch đại thuật tốn để thực hiện nhiều chức năng khác nhau nhờ mác mạch hồi tiếp ngồi thích hợp Trong nhiều trường hợp, dùng bộ khuếch đại thuật tốn cĩ thể tạo hàm đơn giản hơn, chính xác hơn và với giá thành rẻ hơn dùng các mạch
khuếch đại rời rạc sa |
Xu hướng phát triển của kỹ thuật mạch tương tự là nâng cao độ tích hợp của mach (được đặc trưng bởi mật độ lỉnh kiện) Khi độ tích hợp tăng thì cĩ thể chế tạo các hệ
thống cĩ chức năng ngày càng hồn hảo hơn trên một chip Đối với các 1 mạch tổ hợp tương tự, nhà thiết kế 20 {
thường lưu ý giảm số chủng loại, | ctv I-(mA) A
nhưng lại tăng khả hăng sử dụng \ ce 17 or
của từng chủng loại Tĩm lại, cĩ N —— gone
thể nơi : cĩ hai hướng phát triển L + | so
của kỹ thuật mạch tương tự là : J0 _— | ¡0` giảm nhỏ kích thước bên trong của - — 30MÀ mạch trong chế tạo và tăng tính SN | _— 715
phổ biến của mạch trong ứng dụng Co CL
Trong cuốn sách này chúng tơi L—T— |
quan tâm nhiều đến vấn dé tng mT , s6 ps U, Vv) 20
dung mach TT a9 °
1.2 Dac tinh co ban va cac 0,5
tham s6 cua tranzistor by _ Lio
luéng cuc ‘ +
L—=x 8 | Uạpg (V)
1.2.1 Các đặc tính tinh va
phương trình cơ bản
Cĩ hai loại tranzistor : loai npn |
và loại pnp Nguyên lý tác dụng của `
nĩ đã được nghiên cứu kỹ trong các Hình 1.1 Dặc tuyến của tranzistor npn mic emito chung
Trang 5cụ bán dẫn và được minh họa bởi họ đặc tuyến vào ïn = /({Úng), đặc tuyến ra le =
ƒ(Ucg) và đặc tuyến truyền đạt !c = ƒŒp) (xem hỉnh 1.1)
Các tranzistor này cĩ thể mắc bazo chung, emito chung hoặc colecto chung (bảng 1.1) Trong ba cách mác này, các mắc emito chung được dùng nhiều nhất, vÌ vậy trong quá trình khảo sát sau này ta sẽ quan tâm đặc biệt đến cách mác đớ
Để điều khiển tranzistor, cĩ thể dùng dịng emito ïp hoặc dịng bazo ïpg Nếu dùng
dịng emito để điều khiến (trong cách mác bazo chung) thì hệ số khuếch đại của tranzistor
là Ay, được xác định theo biểu thức (1.1)
An => (1.1)
-Ay là hệ số khuếch đại dịng một chiều trong cách mắc bazo chung Vì dịng colecto ïc luơn luơn nhỏ hơn dịng emito, nén Ay < 1
Nếu dùng dịng bazo để điều khiển (trong cách mắc emito chung) thì hệ số khuếch đại dịng điện một chiều Bạ được xác định theo biểu thức (1.2) Bảng 1.1 at npn pnp Cách mắc E Ie Ie C E Ie Ir Cc Bazd chung 1 Ẳ Toes I uel Up Ig — t8 Emitd chung —- Colectd chung Ic By => (1.2a) Tụ
Vì tranzistor được kết cấu sao cho tổn : C hao trên bazo nhé, ttic Ip nhd, nên Ip <<
Iq, do dé By >> 1
Vi: Ir = I¢ + lạ, nên giữa An va By :
cố mối quan hệ sau đây :
An By
PN = TTẦN LÊN“ TT BN VƠ E Ƒ
1 | q) 6)
1 - Ay “T+B,y (1.2b)
Hình 1.2 Sư đồ tướng đơơng điot
Trang 6gồm hai điot mắc ngược chiều cĩ chung tiếp giáp p và ø như sơ đồ trên hỉnh 1.2 Tuy sơ đồ khơng cho biết đẩy đủ các tính chất của tranzistor lưỡng cực, nhưng qua đĩ cĩ thể nhận biết điện áp phân cực đặt giữa các mặt ghép của tranzistor Tùy thuộc vào chiều điện áp phân cực đĩ, người ta phân biệt bốn miền làm việc của tranzistor như trong bảng 1.2 Bảng 1.2
Trưởng hợp Điot emito Điot colecto Miền làm việc Ứng dụng
H Phân cực ngược Phân cực ngược Miền cắt Khĩa
2 Phân cực thuận Phân cực ngược Miền khuếch đại Khuếch đại (miền tích cực)
3 Phân cực ngược Phân cực thuận Miền tích cực ngược
4 Phân cực thuận Phân cực thuận Miền bão hịa Khĩa
Sav nay Se cae biét we y leq = Arle led = An le’
trường hợp thứ hai trong bang 6 hợp ; g ; g 1.2, ese’ Je A 3 ^^ ( le cuc
là trường hợp được dùng nhiều nhất lí Ic’ trong kỹ thuật mạch tương tự ` oa
Xét phuong trinh co ban theo Veg [] "40" Tax Ùcg Ebers - Moll cho tranzistor npn Tu Ig Be
đĩ suy ra các phương trình đối với o 8 -0 tranzistor p›p bằng cách đổi dấu các đ)
dịng điện và điện áp đặt vào các ,
> : lgg = Arlc Iced = Anlé
cửa của tranzistor theo quy ước về 4 ——> HH
chiều điện áp và dịng điện trong Eee’ = | QD fe cee’
E
bang 1.1
Dịng điện nội của một tranzistor
gồm các dịng điện thành phần sau đây : dịng qua mặt ghép emito - bazo I’;, ddng qua mặt ghép colec- to-bazo Ï'c, dịng xuất phát từ mặt ghép bazo-emito đến được colecto Icy và dịng xuất phát từ mặt ghép bazo-
colecto đến được emito Ip„ Các biểu
Trang 7trong do, Ip y, va Icpp lần lượt là dịng bão hịa emito và dịng bão hồ colecto ; Ứy - điện áp nhiệt, theo lý thuyết Ứy = 26 mV ở nhiệt độ 25°C ;
An và Á¡ - hệ số khuếch đại dịng điện nội, được xác định như sau : Ic d Teg =— va A; = =- An = I's Po Ay ding cho tranzistor lam viéc trong mién khuéch đại va A, tuong tng với miền tích cực ngược | l
Tác dụng tổng hợp của các thành phần dịng điện trên đây được chỉ rõ trong sơ đồ
tương đương của tranzitor theo Ebers - Moll (hỉnh 1.3) Trong đĩ rụp, là điện trở phân
bố miền bazo Vì r„y khá nhỏ (cỡ vài chục Q), nên cĩ thể coi B’ = B
Từ sơ đổ tương đương hình 1.3 rút ra các quan hệ sau đây cho cả hai loại tranzistor
npn va pnp
Io= Vo + lca = =Ức + AN°ee | (1.7)
Tp = Ie ~ Tra = Tr _ Al’c (1.8)
Ip = Ic + Ip (1.9)
Nhu đã nĩi ở trên; tranzistor thường được dùng ở chế d6 khuéch dai, nghia la ting
với trường hop diot colecto ngắt, vi vậy ta sẽ đặc biệt lưu ý đến chế độ này của tranzistor
Trong miền khuếch đại, pc >> Ủy và trong mạch xuất hiện các dịng điện dư (dịng
điện ngược), chúng được xác định theo các điêu kiện cho trong bảng 1.3 - Bang 1,3 Dấu
Dịng điện dư Diều kiện npn pnp
Dong du colecto Jog, Ig = 0; điot colecto ngắt > 0 <0 Dong du colecto emito Jog, Ig = 0; diot colecto ngat > 0 <0
Dịng dư emito TEBo Ic = 0; diot emito ngat <0 > 0 uP tt cọ „9 cạ ,Š + + ` a 3 ; 3 Ig " B M Boy * Bok al tr U T Upge Be | fig Ve E E c) - 3)
Hình 1.4 Sở đồ tương dudng Ebers - Moll cua tranzistor npr cho trường hợp điot colecto
n£&ắt (tranzistor làm việc trong miền tích cực) :
a) va b) sd dé tướng đương đây đủ ; c) và d) bỏ qua hạ áp trên 7p, và đưa vào nguồn áp Use
Trang 8Căn cứ vào các biểu thức (1.3) + (1.9) và sơ đồ tương đương hình 1.3 đồng thời đưa vào các dịng điện dư, ta vẽ được sơ đồ tương đương cho trường hợp tranzistor làm việc trong miền khuếch đại như trên hình 1.4
Khi ïíp = 0 (hỉnh 1.4b,c hoặc d) tức mạch bazo hở thỉ dịng ngược qua mặt ghép
colecto - bazo cũng đi qua mặt ghép bazo - emito và nĩ cũng được khuếch đại giống
như đối với một dịng điều khiển từ ngồi vào, do đĩ ta cĩ :
Tego = Icpo + Bylcpo = (+ Bn) Iepo ÍCBRo
hay Topo = 1 + By) Icpo = (1.10)
Biéu thtic (1.10) cho biét quan hé giữa các dịng điện dư lcpo và Ìcgra
Giá trị dịng điện dư phụ thuộc vào
nhiệt độ (hình 1.5) Ở nhiệt độ bình thường
dịng điện dư ïcpọạ đối với tranzistor silic cỡ nA, cịn đối với tranzistor gecmani cỡ
uA Dịng đĩ tăng gấp đơi khi nhiệt độ
tang tu (8 + 10)°C
Ngồi ra, từ các sơ đồ tương đương trên hình 1.4 và biểu thức (1.10) ta cĩ thể tìm được quan hệ giữa các dịng điện một chiều ïc, ïy; va Ip trong tranzistor như trong bang 1.4
Trong mién khuéch dai, khi diot colec— to ngdt thi Aj’ <<I’;, do dé ti biéu thức (1.8) và (1.3) ta suy ra biểu thức dịng điện vào (1.11a) cho tranzistor npn và (1.11b) cho tranzistor pnp : Ig = Pe = Tragleep SE ~ÐD ` 0113 E => E = Ebh PUy liwn(©x - | lla on Sane tj (°C) ——» a U TO?
, BE Hình 1.5 Sự phụ thuộc của dịng điện
Trang 9Khi mắc emito chung thì dịng điện vào ïạ được xác định theo biểu thức (1.11c) :
In = Ip (1 - An) = E
Bytl
Te
Thực tế, để mơ tả các đặc tính tĩnh của tranzistor trong miền tích cực chỉ cần ba tham sé : Up, By va Icpo Khi dong tinh J- > 0,1 mA thì cĩ thể bỏ qua cả dịng điện
du Ico
1.2.2 Sơ đồ tương đương tín hiệu bé
Đối với tín hiệu bé, tranzistor được
coi là một mạng bốn cực tuyến tính, do đĩ cĩ thể dùng hệ phương trình của mạng bốn œ^ tuyến tính để biểu diễn quan hệ giữa các dịng điện, điện áp vào và ra của tranzistor Trong các loại phương trình của mạng bốn cực, để mơ tả tranzistor hay dùng hệ phương trình hỗn hợp tham sé A va hệ phương trỉnh dẫn nạp tham số y hơn cả Dùng hệ tham số hỗn hợp * thuận lợi, vì nĩ thường được cho trong các tài liệu kỹ
thuật, hơn nữa cũng cĩ thể dễ dàng xác Hình 1.6 Sở đồ tương đương hỗn hợp của một mạng bốn cực
định chúng trên đặc tuyến hoặc bằng đo đạc
Phương trình hỗn hợp được xây dựng từ sơ đồ tương đương hình 1.6 và phương trình dẫn nạp y từ sơ đồ tương đương hỉnh 1.7 si de "Yha 2 ¡| Yat Vie rater | (Yar Yaa) Uy ú ° + 4 — i Š —O U; | Yụ | _ | Y22 Up
Ỷ Via, YaÙi Ì —O
Hình 1.7 Hai dạng sở đồ tương đương dẫn nạp của mội mạng bốn cực
Trang 10hị h _U, b _U, h _1› h ae: i ul” > Íp = 2= |; _ #= ls _ »== lr - f, „=0 „1h 0 I, v, 0 U, ¡=0 1 I, 1, T, vị "ì= — Ile “lam J2“ | Yo = _ " 7, |o,-0 „D6 a, | 2=0 P, l0, =o Dé quy đổi tham số yj sang hị hoặc ngược lại dùng hệ phương trình (1.14) và (1.15) Ay hi 1 l1 - =y (ha hy.) ~ Yin (yo ay ) (1.14) Yiu 212 1 1 —h = y2) ~ hi ( ho, % (1.15) trong đĩ, Ay = yIJ22 -#1221 ; Ah = hihz; ~ hị;h¿i Ỏ tần số cao, các dịng điện và điện áp thường khơng đồng pha, do đĩ các tham số của mạng bốn cực thường là số phức
Sau đây ta sẽ xây dựng hệ phương trình hỗn hợp cho tranzistor mắc emito chung với quy ước về chiều dịng điện và điện áp như trong bảng 1.1
Quan hệ giữa các điện áp tức thời và dịng điện tức thời của tranzistor mắc emito chung được biểu diễn như sau :
UpE = fŒp.#CE) : (1.16)
Trang 11i, ơi, Ai, ho == = — =—— 1.19¢ Zle ly 1#CE=0 dlp ưopr=0 Alp | ÙCg, ( ) i dj, Ai, hy» =— = = 1.19d
22e toe tp=0 du CE |i,=o AU cE Tho ( )
trong dé : Ip, va Ucp, là dịng điện và điện áp tại điểm làm việc ban đầu (điểm O
hình 1.1)
Ta căn cứ vào các biểu thức (1.19) để xác định ở, trên đặc tuyến hỉnh 1.1 :
thre = tga, = Bo, (1.20)
8 được gọi là hệ số khuếch đại dịng điện tín hiệu nhỏ Vi Jc va Ig ty 16 gan nhu tuyến tính (hình 1.1), nên
By ~ By (1.21)
Tpe 1a điện trở vào của tranzistor, nĩ được xác định như sau :
Phe = Top + Bora ~ Bola (1.23
rạ là điện trở khuếch tán emito:
rq = “diz Ig > (1.24)
với tranzistor cơng suất bé, rụ cỡ vài trăm Q ‘dén vai tram kQ
+hị;¿ là hệ số hồi tiếp điện áp Khi hở mạch đầu vào, ¡› thường rất nhỏ
(= 10% + 10%, nén cĩ thể bỏ qua và trong nhiều trường hợp cĩ thể coi hire = 0 + ho = tga, = 1 (1.25) Toe với tranzistor tín hiệu bé, r, lấy giá trị từ 10kQ đến 1MO Thay các tham số h¡ đã xác định được vào hệ phương trình (1.12), sẽ vẽ được sơ đồ tương
đương hỗn hợp của tranzistor i Ie (hình 1.8), trong đĩ ta đã thay Bo ——eC thế trị số tức thời của các dịng hd are Uce - 7 điện và điện áp bởi các giá trị Tse Ie | Polg | Uce phức tương ứng _ d Từ biểu thức (1.9) và (1.19c) Pe
đồng thời biết rằng hệ số khuếch Eo | EF đại dịng điện tín hiệu nhỏ khi
Ai c
mắc bazo chung là œo = ——— suy -
Aly; Hình 1.8 Sơ đồ tưởng đương hơn hợp của tranzistor
ra được quan hệ giữa hệ số khuếch ‹
đại dịng điện tín hiệu nhỏ Øổ„ khi mắc emito chung và ø¿ khi mắc bazo chung :
Trang 12
Bo = 1—ơ ~ a Bo o 1+,, với a, = 1 va B, >> Ì (1.26) (1.27)
Co thể dựa vào hệ thức cơ bản giữa các dịng điện và điện áp trên các cực của
tranzistor để tính tham số hỗn hợp của tranzistor khi mắc bazo chung vào colecto chung Quan hệ giữa các tham số hỗn hợp đĩ được cho trong bảng 1.6 Bảng 1.6 Tham số B C Cách mắc h Ip Aun địay - h —h ) An mm đu, 1# ¿KT ty, 126 hạ hy U; Up Ayyy Ay Aine _ lt hy, “hore 1+ hy L+Ay, hàn — đạp = h h,,h lọ 1lb 116 22b hive Ate 1 — Ate _ 1+ hàn 1+ Any h _ Ũ ve h h U — ] | 2Ib 22b hore ~(1 + Adie) hone 1+ Any 1+ Aap, hin = | 1 — hin! Attic hr 1+ Ay, 1 -h —— 22b ~(1 + hạt) hạ; Arc hz2c
Do đặc tuyến tranzistor cong nhiều, nên tham số h thay đổi phụ thuộc vào điện áp
một chiều và dịng một chiều, nghĩa là tham số của mạng bốn cực phụ thuộc vào điểm làm việc trên đặc tuyến cũng như phụ thuộc vào nhiệt độ (xem hinh 1.9 va bang 1.7)
Bang 1.7
hj đị phụ thuộc vào dịng điện hị phụ thuộc vào điện áp
Anne TƯ lẹ Khơng phụ thuộc Ứcn
Aire Khơng phụ thudc J, ~U VỮcg
Hà Cực đại tại trị trung bình của dịng điện ít phụ thuộc Ứcg
Ay “Ie ~1/ VỮcg
14
Trang 13_ Các tín hiệu nhỏ, ở tần số cao khơng thể coi là những biến đổi nhỏ của tín hiệu
một chiều được Do thời gian bay của các động tử thiểu số qua bazo, do điện dung
khuếch tán, nên giữa các dịng điện và điện áp cĩ lệch pha VÌ vậy, để mơ tả các đặc tính của tranzistor ở tần số cao, người ta dùng sơ đồ tương đương z (hỉnh 1.10)
Cre = Cae + Π- (1.28)
Trong đĩ điện dung vào Ct, phụ thuộc vào điện dung lớp chắn emito C, va điện
dung khuếch tán của mặt ghép emito - bazơ CÀ C quan hệ với điện trở khuếch tán ue
emito ry va thdi gian bay cua d6ng tu trong bazo 1, theo biéu thiic sau : Tp = Cụerg - (1,29) ha 102 3 „ hare 0! hie hize h clas hae 107! to-e 1g” 19° 10! 102 0 0 10 20- 30 Ip (mA) —> Uce(v) — a) b) 102 1,6 heap haạ „ 12 \Mzz 10] Z : \ tì / LZ J 10° 0,8 x †——, hịab A 10 1 q nb 0,4 1_ &y NN, Úcg lr= fmA 102 0 | _10†! 10° fa! 102 0 10 20 30 1c (mA) ———*> Ùcg (u)——> C) qd)
Hình 1.9 Sự phụ thuộc của tham số vào chế độ làm việc trong sơ đồ emito chung ở tân số ƒ = 1 kHz
Trang 14i} Qc ~ ———¬——— - Ip r , # Ie Bo— — + B 1 + = ` I Cự J ! - be a " _ - a | Th h TT ‘ce Olsen Uce c + | +— + XÃ
Hình 1.10 Sơ đồ tương đương z (sở đồ tương đương dẫn nạp
của tranzistor) của tranzistor,
Trong hình 1.10, S¡„ là hỗ dẫn của tranzistor | S = đo ~ I, io a , rd Uy Dién dan héi tiép g, va dién dung hồi tiép C,, được xác định như sau : Me ốc = Berg = 0 : (1.30) voi uw, = 10° + 10% la hé 86 Early Cye = Cy + Cy (1.31) với : ŒC¿, - điện dung lớp chắn colecto ;
Cy, —- điện dung khuếch tán colecto,
Cac = UC de ~ 0
Điện trở ra r¿ được xác định theo biểu thức (1.32)
ĩq
Toe = (1.32)
Cac dién dung C,, va C,, la dién dung phAn b6 giita cac ddu néi bén ngoai Ỏ tần số lớn hon (100 - 1000) Hz thi dién nap wC,,, >> g,, nén cd thể bỏ qua øc ; cịn điện dung phân bé Cy, khá nhỏ, nên trong sơ đồ tương đương cũng khơng cần
xét đến, do đĩ ta cĩ
sơ đồ tương đương
đơn giản hơn, được biểu diễn trên hình Tee B’ (be wt C 1.11 8p T IF T — _ Uae = Sơ đổ hình 1.10 | “eT Mie hee 7 le va 111 cé thé coila c‡ _ _} đủ chính xác trong dải tần 0 < ƒ < 0,1 fr Hình 1.11 So đồ tương đương z ở tần số ƒ > 100 Hz (r là tần số giới hạn
quá độ, xem biểu thức 1.41) Trong nhiều trường hợp người ta vẫn dùng sơ đồ đĩ để tính tốn trong dải tần ƒ < f7/2
Trang 15này các điện dung ©, Cy, và Œ„ được coi như hở mạch, do đĩ sơ đồ tương đương x
ở tần số thấp khá đơn giản (hinh 1.12) Sơ đồ này hồn tồn tương đương với sơ đồ hỗn hợp trên hình 1.8 Đùịng phương trình (1.15) kết hợp với các phương trinh
(1.20) + (1.25) ta tính được các tham số y như sau : _ i _ to 1 ƒH “ni Thụ T ng ty =9 ha Bo 8 BF _ Ah _ 1 2 hy _ Poe Upe TT =?2¡Ù) = s Dpg “ Bolg Thay kết quả này vào sơ đồ hình 1.8 sẽ nhận được sơ đồ trên hình 1.12
Các tham số y của sơ đổ
tương đương z đối với tran- zistor mắc bazo chung và coÌec— to chung cũng tính được dựa
vào hệ thức cơ bản của các
dịng điện và điện áp trên các
cực của tranzistor Quan hệ các tham số y của ba cách mac : bazo chung, emito chung
va coleto chung cho trong bang 1.8 Pp Hình 1.12 Sơ đồ tưởng dudng a cho tranzistor làm việc ở tần số thấp ma ` Bang 1.8 oN Cach mac B E Cc Sở đồ Dã Je Jib Tiap 3, Yor ¥ 126 YN —~ Yai Y22e Uy | |0 ’ Y21p 3p Vatet¥ 22 Var Yixt¥y ‹ - DY, me
2» —Ỳ2z#YI» He Tiệc dae? — One ¥i2)
YoYo» Yow Yrie 22 TIte†Y2qc Sy
2 2Ib1lb Vite ~¥i1e7 Fire Fite Tiệc
#iip†Ÿ12p — 1p Yite + Ve - 2 Vic *22c
THỨ VIÊN HIệf tiệt z? HUẬT GUAM SE |
y t— —- 17
Trang 16Với 2m = Yim + Yizm + Y2im + Yams ít = Ị, 6C Vite = Bre + JOnte = Bite + J Ống
Yize = Bi12e + JOy2e = Bi2e + JOCj2¢ '22le = ổz1e † Sorte
322 = B22e + JP22¢ = B22¢ + JOCr22¢-
(1.33)
Các tài liệu kỹ thuật thường cho biết các điện dẫn gy), g)2 va các điện dung C}),
C;; Lúc đĩ dùng hệ phương trình (1.33) để xác định các điện dẫn của sơ đồ '
Đối với tranzistor tần số cao, người ta thường cho đặc tuyến tần số pha của dẫn nạp y Hình 1.13 và 1.14 là một ví dụ 0 50 Qaye (m5) ———* 100 «150 200 250 300 in Py L hh — ¬ | Ùcg>5V 10 mA N VÀ + § sy ⁄ 100 MHz i W\ ie lmA 17 / h \ \ Ũ 5,0 wi 7 7 7 \ \ \ / LL 7 50MHzk-—] 50 iN \ \ v / ⁄⁄ ` NNG NWS -\~ \ 4 > | 25 L7 / 7 a -—— baie (ms) / 10MHz _ 7T DMHzZ TỰ 100 0 † 2 3 4 5 Gre (Ss) ——~ Hình 1.13 Dặc tuyến tần số pha của dẫn nạp Hình 1.14 Dặc tuyến tần độ pha của dẫn nạp yite = @(/) 1.2.3 Tần số giới hạn Tần số giới hạn là một tham số đặc trưng cho tranzistor làm việc ở tần SỐ cao yrte = o(Icf) Tần số giới hạn ổ : fg ia tan sé
mà tại đĩ hệ số khuếch đại dịng điện
Trang 17Căn cứ vào biểu thức (1.26) và phương trỉnh tính h;¡y trong bảng 1.6, hệ số khuếch
đại dịng điện theo tần số khi mắc bazo chung được tính như sau : hate — ay —@ h = = ep 1+ Arte 1+j-—— fa — đ¿) - l+j— ° 7 ( 1.35 ) fp ie
trong đĩ, f, = fp/(1 - a.) = Bofp
f,, : tần số giới hạn của tranzistor khi mắc bazo chung
Các tần số giới hạn f, và fp được xác định theo tham số của tranzistor như sau (xem hình 1.11) :
la = Đốc (1.37)
1 1—a,
Í# — 2x'r d(Cyre + Cy) ~
Theo (1.34), tần số tăng thì |h›2¡/| giảm, |hạj | = l khi ƒ = ƒq, f¡ gọi là tần số đơn vị và từ (1.34) suy ra : _ fh = fp¥Bo-1 (1.39) So sánh (1.39) với (1.36) ta nhận thấy : đ “f Khi ƒ >> fg thi m&u số của (1.34) tiém can vai jfif,, do đĩ ta suy ra : lAaePIF = Bolg = fr (1.41)
f¡ goi là tần số giới hạn quá độ
Về lý thuyết ƒr = ƒ/¡, trên thực tế ƒy nhỏ hơn f, chút ít Hình 1.16 biểu diễn quan
hệ của |5;¡/| theo tần số và hỉnh 1.17 cho biết quan hệ đĩ trên đồ thị Bode Từ
(1.41) và hỉnh 1.17 ta thấy ở tần số ƒ >> fps |ha¡.| giảm với độ dốc -20 đB/D và tích
faBo = fy khong phụ thuộc tần số *t/h Lhạg Ì A ox, J2I(d8) 100 Po | | 10 | II | | = _L 11 - 1 | đ fy _— ?h ƒ Oe nh đc N fp olky fp #4 `\ log f
Hinh 1.16 Cac tan s6 gidi han Hình 1.17 Quan hệ gần đúng của |hz1e| và [A210]
của tranzistor theo tần số
Trong các tài liệu kỹ thuật cịn cho biết tần số cực đại /„.„ Tại /may hệ số khuếch
Trang 18cho khả nang làm việc của tranzisotr Khi ƒ > f,,,, tranzistor khéng con 1a linh kiện tích cực nữa, /„„„ được xác định theo biểu thức sau :
ha :
fmax = \ Re Ti Top Core (1.42)
1.3 Đặc tính cơ bản và tham số của tranzistor hiệu ứng trường (Fet)
1.3.1 Phân loại và các điểm cơ bản
Tranzistor hiệu ứng trường được phân loại theo sơ đồ hỉnh 1.18 Fet |
Fet chuyển tiếp pn(JFet) Fet cấu trúc kim loại-điện mơi-bán dân (MIS-Fet) a _ ' | kénh n kénh p | | kênh cĩ sẵn | kênh chưa cĩ sẵn Ð ¬ pe ot ¬ _kênh p lanh kénh n | | kénh p : | kénh n | L., | Le 3 — — — A i _/ — ————x- Fet tự dẫn | Fet tự ngắt
Hình 1.18 Sơ đồ phân loại Fet
Theo hình (1.18), ta thấy cĩ sáu loại tranzistor hiệu ứng trường Ký hiệu và đặc tuyến của chúng cho trong bảng 1.9
Nếu đặt vào giữa cực cửa G (Gate) và cực nguồn Š (5ource) một tín hiéu thi Ugs thay đổi làm cho điện trở giữa cực máng D (Drain) và cực nguồn S (Source) thay đổi,
do đĩ dịng điện cực máng ïp thay đổi theo Vậy Fet là một dụng cụ khống chế điện
áp giống triot chân khơng Vì vậy đơi khi người ta cịn gọi cực cửa là lưới, cực nguồn là catot và cực máng là anot, Trong thực tế, cố nhiều Fet đối xứng, nghĩa là cĩ thể đổi lẫn cực máng và cực nguồn mà tính chất của Fet khơng đổi
~ Trong djFet, cực cửa nối với kênh máng - nguồn qua mặt ghép pn hoặc np Khi đặt điện áp phân cực Ứcs đúng chiều quy ước (bảng 1.9) thi điot mặt ghép ngất, ngược
lại nếu đổi chiều ỨcQs thì điot thơng, do đĩ dịng cửa khác khơng
- Với MIS-Fet thì cực cửa và kênh máng - nguồn được cách ly bởi một lớp SiO›, do đĩ dịng cửa luơn luơn bằng khơng
Khi làm việc, dịng cửa của J#e¿ cỡ pA đến 1O nÀ, cịn dịng cửa của MIS-Fet nhỏ hơn của JFet khoảng 10 lần Vì vậy điện trở vào của /#e nằm trong khoảng (1019
101)Q và của M7S-Fe (10 + 101/6,
Trang 19Bang 1.9
Cyc tinh Độc tuyén
Kénh| Logi, ky hiéu é Uns | to | Ups | Up = = Truyén đạt = Ra J Fet kénh n D Ip f G - 20 | >0 |éo0 <0 Ups Ugs S J Fet kênh P D P|6 ‹0 |<0 | >0 |»o0 5 MTS-Fet kénh Cư săn n D n 6 >0 |>0 | <o |«<o S MTS-Fet kênh of tú sữn P D P.1 6 I <0 | <0 |>0 | >0 S HH ỦpsP chưø cĩ sốn n ? 4 f° loss G I n o—]| | PO 120 150 | Oo l I ư Up Uns - - - J MTs Fer kênh 2Up Up -P Chưa tơ sữn P i Ø lứs D Ị p | <0 }<o}<a} <a | 6 | " - Toss 5
Chú thích : Ipss : Dịng máng bão hịa ; Ứp : Diện áp thắt, p = (1+ 6)V
Ủbsp : Diên áp mang nguồn ứng với trạng thái thắt của Fet, Upsp = ~Ùp + ỨQs
Trang 20Trong các Fe kênh n, dịng máng giảm (về trị tuyệt đối) khi điện thế cực cửa giảm ;
cịn trong Fet kênh p thì ngược lại Để đơn giản, sau đây ta chỉ xét Fe¿ kênh n Trường hợp muốn thay thế Fe kênh
n bởi Fet kênh p, chỉ việc đổi TS
chiều các điện áp cung cấp Ip | Yosp = Ves~ Up
(xem bảng 1.9) Nếu trong Miền friot | Miền thết
mạch cĩ điot hoặc tụ hĩa cũng ƒ phải đổi chiều mắc những linh kiện này JFet va MIS-Fet kénh cĩ sin dong mang lén khi Ugg 3 = 0, vi thế các loại Fet nay cịn cĩ tên chung là Fe tự dẫn Ngược lại, MIS-fet kênh khơng cĩ sẵn, ngất khi ỨGs = 0 và gọi là Fe tự ngất | Thường MIS-Fet co bén Hình 1.19 Các miền làm việc của #£i cực, cực thứ tư cũng cĩ tác dụng khống chế như cực cửa Nếu cần dùng hai cực điều khiển thi dùng loại MIS-FET bốn cực này iS Vost,
Trường hợp khơng dùng đến cực thứ tư thì nối nĩ với cực nguồn
Trên đặc tuyến ra của Fe (hình 1.19), ta nhận thấy khi Ứng tăng quá lớn thì dịng máng ïp tăng đột biến, lúc đĩ xẩy ra hiện tượng đánh thủng Điện áp đánh thủng cỡ
(20 + 50)V và được xác định theo biểu thức (1.44) :
Upst = Upsto (tai Ugs = 0) + ỦQs (1.44)
Đặc tuyến truyền dan Ip = f(Ugs) thay déi khi Ups thay déi (hinh 1.20) và khi nhiệt độ thay đổi (hỉnh 1.21)
Để thuận tiện cho việc phân tích, người ta chia đặc tuyến von - ampe của Fe¿ làm
hai miền : |
- Mién triod cd dac diém là điện áp máng Ups nhé va khéng co hién tugng that
~ Miền thát, ứng với trường hợp psr, > Ups > (ỦGcs - Up) lÍp Ip Ị ƒ 20°c Ups / 3 / 60°C - 120°C -! c Ups, ⁄ Điểm that a Ops, ba 6S Uss =
Hình 1.20 Dặc tuyến truyền dân của JFet Hình 1.21 Sự phụ thuộc nhiệt độ của với UDsi > Ups2 > Ups3 đặc tuyến truyền đạt