Chương 3 BJT và ứng dụng potx

K K ỹ ỹ thu thu ậ ậ t t ñi ñi ệ ệ n n t t ử ử Nguyễn Duy Nhật Viễn Chương Chương 3 3 BJT BJT v v à à ứ ứ ng ng d d ụ ụ ng ng N N ộ ộ i dung i dung  Cấu tạo BJT  Các tham số của BJT  Phân cực cho BJT  Mạch khuếch ñại dùng BJT  Phương pháp ghép các tầng khuếch ñại  Mạch khuếch ñại công suất C C ấ ấ u t u t ạ ạ o BJT o BJT BJT (Bipolar Junction Transistors) BJT (Bipolar Junction Transistors)  Cho 3 lớp bán dẫn tiếp xúc công nghệ liên tiếp nhau.  Các cực E: Emitter, B: Base, C: Collector.  ðiện áp giữa các cực dùng ñể ñiều khiển dòng ñiện. Hai Hai lo lo ạ ạ i i BJT BJT NPN NPN PNP PNP n n p p n n E B C p p n n p p E B C Cấu tạo Cấu tạo B C E Ký hiệu B C E Ký hiệu Nguyên Nguyên lý lý ho ho ạ ạ t t ñ ñ ộ ộ ng ng  Xét BJT NPN N P N R E R C E E E C E=E E +E C E E E C I C I B I E Nguyên Nguyên lý lý ho ho ạ ạ t t ñ ñ ộ ộ ng ng  Từ hình vẽ:  I E = I B + I C  ðịnh nghĩa hệ số truyền ñạt dòng ñiện:  α = I C /I E.  ðỊnh nghĩa hệ số khuếch ñại dòng ñiện:  β = I C / I B.  Như vậy,  β = I C / (I E –I C ) = α /(1- α);  α = β/ (β+1).  Do ñó,  I C = α I E ;  I B = (1-α) I E;  β ≈ 100 với các BJT công suất nhỏ. Chi Chi ề ề u u dòng dòng , , á á p p c c ủ ủ a a c c á á c c BJT BJT B B C C E E I I E E I I C C I I B B - - + + V V BE BE V V BC BC + + - - + + - - V V CE CE B B C C E E I I E E I I C C I I B B - - + + V V EB EB V V CB CB + + - - + + - - V V EC EC npn npn I I E E = I = I B B + I + I C C V V CE CE = = - - V V BC BC + V + V BE BE pnp pnp I I E E = I = I B B + I + I C C V V EC EC = V = V EB EB - - V V CB CB V V í í d d ụ ụ  Cho BJT như hình vẽ.  Với IB = 50 µ A , IC = 1 mA  Tìm: IE , β và α  Giải:  IE = IB + IC = 0.05 mA + 1 mA = 1.05 mA  = IC / IB = 1 mA / 0.05 mA = 20  α = IC / IE = 1 mA / 1.05 mA = 0.95238  α còn có thể tính theo β.  α = β = 20 = 0.95238  β + 1 21 + + _ _ + + _ _ I I C C I I E E I I B B E E B B C C V V CB CB V V BE BE ð ð ặ ặ c c tuy tuy ế ế n n t t ĩ ĩ nh nh c c ủ ủ a a BJT BJT  Giữ giá trị I B không ñổi, thay ñổi E C , xác ñịnh I C , ta có:  I C =f(U CE ) I B =const V mA µA E C E B R B R C Q U CE I B I C U U CE CE I I C C V V ù ù ng ng t t í í ch ch c c ự ự c c I I B B V V ù ù ng ng bão bão hòa hòa V V ù ù ng ng c c ắ ắ t t I I B B = 0 = 0 C C á á c tham s c tham s ố ố c c ủ ủ a a BJT BJT BJT như m BJT như m ộ ộ t m t m ạ ạ ng 4 c ng 4 c ự ự c c  Xét BJT NPN, mắc theo kiểu E-C I 2 =I C U 2 =U CE U 1 =U BE I 1 =I B 1 1' 2' 2 Tham s Tham s ố ố tr tr ở ở kh kh á á ng z ng z ik ik  Hệ phương trình:  U 1 =z 11 I 1 +z 12 I 2 .  U 2 =z 21 I 1 +z 22 I 2 .  Ở dạng ma trận:  U 1 z 11 z 12 I 2 .  U 2 z 21 z 22 I 2 .  z 11 =U 1 , z 12 =U 1 ,  I 1 I 2 =0 I 2 I 1 =0  z 21 = I 2 , z 22 = I 2 ,  U 1 I 2 =0 U 2 I 1 =0  z 11 : Trở kháng vào của BJT khi hở mạch ngõ ra.  z 12 : Trở kháng ngược của BJT khi hở mạch ngõ vào.  z 21 : Trở kháng thuận của BJT khi hở mạch ngõ ra.  z 22 : Trở kháng ra của BJT khi hở mạch ngõ vào. Tham s Tham s ố ố d d ẫ ẫ n n n n ạ ạ p y p y ik ik  Hệ phương trình:  I 1 =y 11 U 1 +y 12 U 2 .  I 2 =y 21 U 1 +y 22 U 2 .  Ở dạng ma trận:  I 1 y 11 y 12 U 2 .  I 2 y 21 y 22 U 2 .  y 11 = I 1 , y 12 =I 1 ,  U 1 U 2 =0 U 2 U 1 =0  y 21 = I 2 , y 22 = I 2 ,  U 1 U 2 =0 U 2 U 1 =0  y 11 : Dẫn nạp vào của BJT khi ngắn mạch ngõ ra.  y 12 : Dẫn nạp ngược của BJT khi ngắn mạch ngõ vào.  y 21 : Dẫn nạp thuận của BJT khi ngắn mạch ngõ ra.  y 22 : Dẫn nạp ra của BJT khi ngắn mạch ngõ vào. Tham s Tham s ố ố h h ỗ ỗ n h n h ợ ợ p h p h ik ik  Hệ phương trình:  U 1 =h 11 I 1 +h 12 U 2 .  I 2 =h 21 I 1 +h 22 U 2 .  Ở dạng ma trận:  U 1 h 11 h 12 I 2 .  I 2 h 21 h 22 U 2 .  h 11 =U 1 , h 12 =U 1 ,  I 1 U 2 =0 U 2 I 1 =0  h 21 =I 2 , h 22 =I 2 ,  I 1 U 2 =0 U 2 I 1 =0  h 11 : Trở kháng vào của BJT khi ngắn mạch ngõ ra.  h 12 : Hệ số hồi tiếp ñiện áp của BJT khi hở mạch ngõ vào.  h 21 : Hệ số khuếch ñại dòng ñiện của BJT khi ngắn mạch ngõ ra.  h 22 : Dẫn nạp ra của BJT khi hở mạch ngõ vào. Phân c Phân c ự ự c cho BJT c cho BJT Phân Phân c c ự ự c c cho cho BJT BJT  Cung cấp ñiện áp một chiều cho các cực của BJT.  Xác ñịnh chế ñộ họat ñộng tĩnh của BJT.  Chú ý khi phân cực cho chế ñộ khuếch ñại:  Tiếp xúc B-E ñược phân cực thuận.  Tiếp xúc B-C ñược phân cực ngược.  Vì tiếp xúc B-E như một diode, nên ñể phân cực cho BJT, yêu cầu V BE ≥Vγ.  ðối với BJT Ge: Vγ~0.3V  ðối với BJT Si: Vγ~0.6V ðư ðư ờ ờ ng t ng t ả ả i t i t ĩ ĩ nh v nh v à à ñi ñi ể ể m l m l à à m m vi vi ệ ệ c t c t ĩ ĩ nh c nh c ủ ủ a BJT a BJT  ðường tải tĩnh ñược vẽ trên ñặc tuyến tĩnh của BJT. Quan hệ: I C =f(U CE ).  ðiểm làm việc tĩnh nằm trên ñường tải tĩnh ứng với khi không có tín hiệu vào (xác ñịnh chế ñộ phân cực cho BJT).  ðiểm làm việc tĩnh nằm càng gần trung tâm KL càng ổn ñịnh. L K I B =0 I B =max Phân Phân c c ự ự c c b b ằ ằ ng ng dòng dòng c c ố ố ñ ñ ị ị nh nh  Xét phân cực cho BJT NPN  Áp dụng KLV cho vòng I:  I B =(V B -U BE )/R B .  Áp dụng KLV cho vòng II:  U CE =V CC- I C R C . I Q R C R B V B V CC I B Q R C R B V CC I B U BE U BE I I II II II II Phân c Phân c ự ự c b c b ằ ằ ng dòng c ng dòng c ố ố ñ ñ ị ị nh nh  Xác ñịnh ñiểm làm việc tĩnh:  Phương trình tải tĩnh:  V CC =I C R C +U CE .  Là phương trình ñường thẳng.  U CE =0, I C =V CC /R C .  I C =0, U CE =V CC.  ðiểm làm việc tĩnh:  Giao ñiểm giữa ñường tải tĩnh với ñặc tuyến BJT của dòng I B phân cực. Phân c Phân c ự ự c b c b ằ ằ ng dòng c ng dòng c ố ố ñ ñ ị ị nh nh  Tính ổn ñịnh nhiệt  Khi nhiệt ñộ tăng, IC tăng, ñiểm làm việc di chuyển từ A sang A’. BJT dẫn càng mạnh, nhiệt ñộ trong BJT càng tăng, càng làm IC tăng lên nữa.  Nếu không tản nhiệt ra môi trường, ñiểm làm việc có thể sang A’’ và tiếp tục.  Vị trí ñiểm làm việc thay ñổi, tín hiệu ra bị méo.  Trường hợp xấu nhất có thể làm hỏng BJT. A A’ A’’ U CEA U CE I C I CA I CA’ I CA’’ Phân c Phân c ự ự c b c b ằ ằ ng dòng c ng dòng c ố ố ñ ñ ị ị nh nh  Ví dụ  Cho mạch như hình vẽ, với V BB =5V, R BB =107.5kΩ, β=100, R CC =1kΩ, Vγ=0.6V, V CC =10V.  Tìm I B , I C , V CE và công suất tiêu tán của BJT.  Xác ñịnh ñiểm làm việc tĩnh của BJT. Phân c Phân c ự ự c b c b ằ ằ ng dòng c ng dòng c ố ố ñ ñ ị ị nh nh  Tìm I B , I C , V CE và công suất tiêu tán của BJT.  ðể BJT họat ñộng ở chế ñộ khuếch ñại, chọn UBE=Vγ  Áp dụng KLV cho nhánh B-E  I B =(V BB -U BE )/R BB ~40µA.  I C = βI B =4mA  Áp dụng KLV cho nhánh C-E:  U CE =V CC -I C R C =6V  Công suất tiêu tán BJT:  P=U CE .I C =24mW. Phân c Phân c ự ự c b c b ằ ằ ng dòng c ng dòng c ố ố ñ ñ ị ị nh nh  Xác ñịnh ñiểm làm việc tĩnh:  Phương trình tải tĩnh:  V CC =I C R CC +U CE .  Là phương trình ñường thẳng.  U CE =0, I C =V CC /R CC =10mA.  I C =0, U CE =V CC =10V.  ðiểm làm việc tĩnh:  Giao ñiểm giữa ñường tải tĩnh với ñặc tuyến BJT của dòng IB phân cực (40µ).  ðiểm làm việc nằm gần giữa ñường tải tĩnh, mạch tương ñối ổn ñịnh. Ic(mA) U CE (V) 10 10 A(6V,4mA) 6 40µA 4 Phân c Phân c ự ự c b c b ằ ằ ng ñi ng ñi ệ ệ n n á á p h p h ồ ồ i ti i ti ế ế p p  Áp dụng KLV cho vòng I:  I B =(U CE -U BE )/R B .  Áp dụng KLI cho nút C:  I=I B +I C =I E .  Áp dụng KLV cho vòng II:  U CE =V CC- IR C . Q R C R B V CC I B U BE I II II I C C Phân c Phân c ự ự c b c b ằ ằ ng ñi ng ñi ệ ệ n n á á p h p h ồ ồ i ti i ti ế ế p p  Xác ñịnh ñiểm làm việc tĩnh:  Phương trình tải tĩnh:  V CC =IR C +U CE =αI C R C +U CE .  Là phương trình ñường thẳng.  U CE =0, I C = α V CC /R C .  I C =0, U CE =V CC.  ðiểm làm việc tĩnh:  Giao ñiểm giữa ñường tải tĩnh với ñặc tuyến BJT của dòng I B phân cực. Phân c Phân c ự ự c b c b ằ ằ ng ñi ng ñi ệ ệ n n á á p h p h ồ ồ i ti i ti ế ế p p  Tính ổn ñịnh nhiệt  Khi nhiệt ñộ tăng, IC tăng từ I CA sang I CA ’, ñiểm làm việc di chuyển từ A sang A’.  U CE giảm xuống U CEA’ .  Mà I B =(U CE -U BE )/R B . Nên I B và U BE giảm, dẫn ñến I C giảm trở lại.  ðiểm làm việc từ A’ lại trở về A.  Mạch ổn ñịnh nhiệt. Phân c Phân c ự ự c b c b ằ ằ ng ñi ng ñi ệ ệ n n á á p h p h ồ ồ i ti i ti ế ế p p  Hồi tiếp:  Lấy 1 phần tín hiệu ngõ ra, ñưa ngược về ngõ vào.  Hồi tiếp dương:  tín hiệu ñưa về cùng pha với ngõ vào.  ứng dụng trong mạch dao ñộng.  Hồi tiếp âm:  tín hiệu ñưa về ngược pha với ngõ vào.  dùng ñể ổn ñịnh mạch.  giảm hệ số khuếch ñại. Phân c Phân c ự ự c b c b ằ ằ ng ñi ng ñi ệ ệ n n á á p h p h ồ ồ i ti i ti ế ế p p  Mạch hồi tiếp âm ñiện áp bằng cách lấy ñiện áp U CE ñưa về phân cực U BE cho BJT.  Mạch ổn ñịnh nhiệt nhưng hệ số khuếch ñại giảm.  Khắc phục:  Tách R B thành 2 ñiện trở và nối với tụ C xuống masse.  Tụ C gọi là tụ thoát tín hiệu xoay chiều.  Tín hiệu ñưa về thoát xuống masse theo tụ C mà không ñược ñưa về cực B của BJT Q R C R B1 V CC R B2 C Phân c Phân c ự ự c t c t ự ự ñ ñ ộ ộ ng ng  Áp dụng ñịnh lý nguồn tương ñương Thevenin ñể ñơn giản.  Ngắn mạch ñiểm B:  I nm =V CC /R B1 .  Hở mạch ñiểm B:  U hm =V CC /(R B1 +R B2 ) = V B .  R ng =U hm /I nm  R ng =R B1 R B2 /(R B1 +R B2 )=R B1 //R B2 =R B . Q R C R B1 V CC R B2 R E B Phân c Phân c ự ự c t c t ự ự ñ ñ ộ ộ ng ng  Ta có mạch tương ñương như sau  Với  Áp dụng KLV cho nhánh B-E  V B – I B .R B -U BE – I E .R E = 0.  Mà: I E = I B + I C = I B + βI B = (1+ β)I B  Suy ra: I B =(V B -U BE )/(R B +(1+ β)R E ) 21 2 THB RR RVcc VV + == 21 21 THB RR RR RR + == Q R C R B V CC R E V B I B U BE Phân c Phân c ự ự c t c t ự ự ñ ñ ộ ộ ng ng  Áp dụng KLV cho nhánh C-E:  V CC =I C R C +U CE +I E R E  Với I E = βI C /(1+ β)  Thay vào, ta ñược:  V CC =(R C + αR E )I C +U CE .  Với:  α =β/(1+ β) Q R C R B V CC R E V B I B U BE Phân c Phân c ự ự c t c t ự ự ñ ñ ộ ộ ng ng  Xác ñịnh ñiểm làm việc tĩnh:  Phương trình tải tĩnh:  V CC =I C (R C +αR E )+U CE .  Là phương trình ñường thẳng.  U CE =0, I C = V CC /(R C +αR E ).  I C =0, U CE =V CC.  ðiểm làm việc tĩnh:  Giao ñiểm giữa ñường tải tĩnh với ñặc tuyến BJT của dòng I B phân cực. Phân c Phân c ự ự c t c t ự ự ñ ñ ộ ộ ng ng  Tính ổn ñịnh nhiệt  Khi nhiệt ñộ tăng, IC tăng từ I CA sang I CA ’, ñiểm làm việc di chuyển từ A sang A’. I C tăng làm I E tăng  Mà V B = I B .R B -V BE – I E .R E . Nên I B và V BE giảm, dẫn ñến I C giảm trở lại.  ðiểm làm việc từ A’ lại trở về A.  Mạch ổn ñịnh nhiệt. Phân c Phân c ự ự c t c t ự ự ñ ñ ộ ộ ng ng  Mạch ổn ñịnh nhiệt bằng hồi tiếp âm dòng ñiện emitter qua R E .  R E gọi là ñiện trở ổn ñịnh nhiệt.  R E càng lớn thì mạch càng ổn ñịnh.  Là mạch ñược dùng nhiều nhất.  Tuy nhiên, hồi tiếp âm làm giảm hệ số khuếch ñại.  Khắc phục:  Mắc CE//RE.  CE: tụ thoát tín hiệu xoay chiều. Q R C R B1 V CC R B2 C E R E M M ạ ạ ch khu ch khu ế ế ch ñ ch ñ ạ ạ i i d d ù ù ng BJT ng BJT Mô h Mô h ì ì nh t nh t í í n hi n hi ệ ệ u nh u nh ỏ ỏ c c ủ ủ a BJT a BJT  Mô hình Π:  BJT ñược thay bằng mạch tương ñương sau V V T T : Th : Th ế ế nhi nhi ệ ệ t, t, V V T T ~25.5mV ~25.5mV ở ở 300 300 0 0 K K Mô h Mô h ì ì nh t nh t í í n hi n hi ệ ệ u nh u nh ỏ ỏ c c ủ ủ a BJT a BJT  Mô hình T:  BJT ñược thay bằng mạch tương ñương sau V V T T : Th : Th ế ế nhi nhi ệ ệ t, t, V V T T ~25.5mV ~25.5mV ở ở 300 300 0 0 K K Quy t Quy t ắ ắ c v c v ẽ ẽ sơ ñ sơ ñ ồ ồ tương ñương t tương ñương t í í n n hi hi ệ ệ u xoay chi u xoay chi ề ề u u  ðối với tín hiệu xoay chiều:  Tụ ñiện xem như nối tắt.  Nguồn một chiều xem như nối tắt. [...]... ng tr c ti p BJT làm vi c 1 trong hai tr ng thái: ngưng d n ho c d n b o hòa Hi u su t cao, η~100% Áp d ng trong k thu t xung, s Ch ñ D: BJT ch làm vi c v i 1 ph n c a 1 bán kỳ Hi u su t cao, η~100% Dùng cho m ch t n s cao Ch ñ C: Là ch ñ trung gian gi a ch ñ A vfa ch ñ B BJT ñư c phân c c y u Ch ñ AB: Ch ñ làm vi c c a BJT BJT chưa ñư c phân c c, BJT làm vi c v i m t bán kỳ c a tín hi u vào Ưu: Hi... ch, rv: ñi n tr vào BJT Ta có: ði n tr vào: M ch khu ch ñ i B-C C1 RE RB1, RB2: Phân c cho BJT Q RC: T i c c C RE: T i c c E Rt: ði n tr t i en, Rn: Ngu n tín hi và ñi n tr trong c ngu n C1, C2: T liên l ngăn thành ph n chi u, cho tín hi xoay chi u ñi qua Sơ ñ m ch Tác d ng linh ki n: c, 1 u u a c en Rn RB2 C1 RB1 M ch khu ch ñ i C-C en KI>0 nên tín hi u ngõ ra cùng pha tín hi u Rn ngõ vào Pha c a tín... rv=βVT/IC+(1+β)(RE//Rt) Rv=RB//rv G i Rv: ñi n tr vào toàn m ch, rv: ñi n tr vào BJT Ta có: ði n tr vào: M ch khu ch ñ i C-C (1 + β )( RC // Rt ).Rv Rt rV KI>0 nên tín hi u ngõ ra cùng pha tín hi u ngõ vào Pha c a tín hi u: KP=KU.KI H s khu ch ñ i công su t: en Rn RB2 C1 RB1 M ch khu ch ñ i C-C KI = i r uv = iv Rv = iB rv ⇒ iv = B v Rv (1 + β )iB RC // Rt Rt dòngra it = dòngvào iv ur = it Rt = iE RC // Rt ⇒ it... a m ch khi m ch không n i v i Rt Ta có: ði n tr ra: Nh n xét: rv~Rv rv=uBE/iB=rπ=βVT/IC Rv=RB//rv G i Rv: ñi n tr vào toàn m ch, rv: ñi n tr vào BJT Ta có: ði n tr vào: M ch khu ch ñ i E-C RB1, RB2: Phân c c cho BJT Q RC: T i c c C RE: n ñ nh nhi t Rt: ði n tr t i en, Rn: Ngu n tín hi u và ñi n tr trong c a ngu n C1, C2: T liên l c, ngăn thành ph n 1 chi u, cho tín hi u xoay chi u ñi qua CE: T thoát... âm nên tín hi u ngõ ra ngư c pha v i tín hi u ngõ vào ði n tr vào và ñi n tr ra c a m ch E-C có giá tr trung bình trong các sơ ñ khu ch ñ i Nh n xét: M ch khu ch ñ i E-C Ta có: KU = G i KU là h s khu ch ñ i ñi n áp: H s khu ch ñ i ñi n áp: M ch khu ch ñ i E-C en Rn RB2 C1 RB1 RE: Phân c c cho BJT Q RC: T i c c C Rt: ði n tr t i en, Rn: Ngu n tín hi u và ñi n tr trong c a ngu n C1, C2: T liên l c, ngăn... c: Méo phi tuy n Ch ñ B: BJT làm vi c v i c hai bán kỳ c a tín hi u vào Ưu: H s méo phi tuy n nh Như c: Hi u su t th p η>Rt thì G i KI là h s khu ch ñ i dòng ñi n: H s khu ch ñ i dòng ñi n: M ch khu ch ñ i E-C en Rn v Sơ ñ tương ñương M ch khu ch ñ i E-C Rt it Rt = KI Rv + Rn iv ( Rv + Rn ) en ⇒ en = iv ( Rv + Rn ) Rv + Rn KU = iv = ur = it Rt ápra ur = ápvào en M ch khu ch ñ i E-C có biên ñ Ki,... ch không khu ch ñ i dòng ñi n, ch khu ch ñ i ñi n áp M ch khu ch ñ i B-C v i KI, KU có d u dương nên tín hi u ngõ ra cùng pha v i tín hi u ngõ vào ði n tr vào c a m ch B-C có giá tr nh nh t trong các sơ ñ khu ch ñ i Nh n xét: M ch khu ch ñ i B-C ápra ur = ápvào en KU = Rt it Rt = KI Rv + Rn iv ( Rv + Rn ) en iv = ⇒ en = iv ( Rv + Rn ) Rv + Rn ur = it Rt Ta có: KU = KI~(1+β), Rv~rv~(1+β)RE//Rt>>Rn . K K ỹ ỹ thu thu ậ ậ t t ñi ñi ệ ệ n n t t ử ử Nguyễn Duy Nhật Viễn Chương Chương 3 3 BJT BJT v v à à ứ ứ ng ng d d ụ ụ ng ng N N ộ ộ i dung i dung  Cấu tạo BJT  Các tham số của BJT  Phân cực cho BJT  Mạch khuếch ñại dùng BJT  Phương pháp. vào của BJT khi hở mạch ngõ ra.  z 12 : Trở kháng ngược của BJT khi hở mạch ngõ vào.  z 21 : Trở kháng thuận của BJT khi hở mạch ngõ ra.  z 22 : Trở kháng ra của BJT khi hở mạch ngõ vào. Tham. h 22 : Dẫn nạp ra của BJT khi hở mạch ngõ vào. Phân c Phân c ự ự c cho BJT c cho BJT Phân Phân c c ự ự c c cho cho BJT BJT  Cung cấp ñiện áp một chiều cho các cực của BJT.  Xác ñịnh chế ñộ