57 g. Phân cực tranzito bằng dòng emitơ (tự phân cực) M ạ ch phân c ự c tranzito b ằ ng dòng emit ơ có d ạ ng nh ư hình 2.42. Đ i ệ n R 1, R 2 t ạ o thành m ộ t b ộ phân áp c ố đị nh t ạ o U B đặ t vào Baz ơ tranzito t ừ đ i ệ n áp ngu ồ n E CC. Đ i ệ n tr ở R E m ắ c n ố i ti ế p v ớ i c ự c emit ơ c ủ a tranzito có đ i ệ n áp r ơ i trên nó là U E = I E R E V ậ y: I E = (U B – U BE )/R E (2-76) N ế u th ỏ a mãn đ i ề u ki ệ n U B ≥ U BE thì I E ≈ U BE /R E (2-77) và r ấ t ổ n đị nh. Để ti ệ n cho vi ệ c phân tích ti ế p theo có th ể v ẽ s ơ đồ t ươ ng đươ ng c ủ a hình 2.42 nh ư hình 2.43 b ằ ng cách áp d ụ ng đị nh lý Tevenin trong đ ó : R B = 21 21 R+R R.R (2-78) U B = 21 cc1 R+R E.R (2-79) Hình 2.42: Phân cực bằng dòng I E Hình 2.43: Sơ đồ tương đương tĩnh V ấ n đề ở đ ây là ph ả i ch ọ n R 1 và R 2 th ế nào để đả m b ả o cho U B ổ n đị nh. T ừ hình 2.42 th ấ y rõ ph ả i ch ọ n R 1 và R 2 sao cho R B không l ớ n h ơ n nhi ề u so v ớ i R E , n ế u không s ự phân c ự c c ủ a m ạ ch l ạ i t ươ ng t ự nh ư tr ườ ng h ợ p phân c ự c dòng c ố đị nh. Để có U B ổ n đị nh c ầ n ch ọ n R 1 và R 2 càng nh ỏ càng t ố t, nh ư ng để đả m b ả o cho đ i ệ n tr ở vào c ủ a m ạ ch đủ l ớ n thì R 1 và R 2 càng l ớ n càng t ố t. Để dung hòa hai yêu c ầ u mâu thu ẫ n này trong th ự c t ế th ườ ng ch ọ n R B = R E . 58 C ă n c ứ vào s ơ đồ t ươ ng đươ ng (h.2.43) để phân tích m ạ ch phân c ự c dòng emit ơ . T ổ ng đ i ệ n áp r ơ i trong m ạ ch baz ơ b ằ ng: U B = I B R B + U BE + (I C + I B )R E (2-80) Trong đ ó đ ã thay I E = I C + I B n ế u nh ư bi ế t h 21e có th ể bi ế n đổ i (2-80) thành U B = I B [ R B +(h 21e + 1)R E ] + U BE + I CO (h 21e + 1) . R E (2-81) Tr ướ c khi phân tích hãy chú ý là đ i ệ n áp U BE trong tr ườ ng h ợ p phân c ự c này không th ể b ỏ qua nh ư nh ữ ng tr ườ ng h ợ p khác. Trong quá trình làm vi ệ c chuy ể n ti ế p emit ơ luôn phân c ự c thu ậ n cho nên t ổ ng đ i ệ n áp m ộ t chi ề u ở đầ u vào c ủ a m ạ ch này là U B . Trong h ầ u h ế t các tr ườ ng h ợ p U B nh ỏ h ơ n E CC nhi ề u l ầ n. Tr ướ c đ ây có th ể b ỏ qua U BE vì nó quá nh ỏ so v ớ i E CC , nh ư ng trong tr ườ ng h ợ p này U BE độ l ớ n vào c ỡ U B cho nên không th ể b ỏ qua đượ c. S ố h ạ ng cu ố i cùng trong (2-81) ch ứ a I CO th ườ ng đượ c b ỏ qua vì trong th ự c t ế dòng ng ượ c r ấ t nh ỏ (v ớ i tranzito silic dòng này ch ỉ có vài nano ampe ). C ũ ng t ừ s ơ đồ t ươ ng đươ ng hình 2.43 có đ i ệ n áp gi ữ a emit ơ và đấ t b ằ ng I E. R E. Dòng emit ơ I E = I C + I B = (h 21e +1)I B (b ỏ qua đượ c dòng ng ượ c I CO ). Nh ư v ậ y đ i ệ n áp gi ữ a emit ơ và đấ t có th ể vi ế t U E = (h 21e +1)I B .R E . Đạ i l ượ ng (h 21e +1) là đạ i l ượ ng không th ứ nguyên nên có th ể liên h ệ v ớ i I B t ạ o thành dòng (h 21e + 1) ho ặ c liên h ợ p v ớ i R E t ạ o thành đ i ệ n tr ở (h 21e +1)I B . N ế u quan ni ệ m nh ư v ậ y thì có th ể nói r ằ ng đ i ệ n áp gi ữ a emit ơ và đấ t là đ i ệ n áp do dòng (h 21e +1)I B r ơ i trên đ i ệ n tr ở R E hay do dòng I B r ơ i trên đ i ệ n tr ở (h 21e +1)R E. N ế u thành ph ầ n đ i ệ n áp gây ra b ở i I CO trong bi ể u th ứ c (2-81) có th ể b ỏ qua thì bi ể u th ứ c này có th ể minh h ọ a b ằ ng s ơ đồ t ươ ng đươ ng hình 2.44. Ở đ ây đ i ệ n tr ở R E - trong nhánh emit ơ bi ế n thành đ i ệ n tr ở (h 21e +1)R E trong m ạ ch baz ơ . M ộ t cách t ổ ng quát, b ấ t k ỳ m ộ t đ i ệ n kháng nào trong m ạ ch emit ơ đề u có th ể bi ế n đổ i sang m ạ ch baz ơ b ằ ng cách nhân nó v ớ i (h 21e +1). T ừ hình 2.44 và bi ể u th ứ c (2-81) có th ể tìm th ấ y dòng baz ơ t ạ i đ i ể m phân c ự c. I BQ = EB BEB 1)R+ (h21e+R UU (2-82) T ừ đ ó tính ra đượ c I CQ = h 21e .I BQ (2-83) T ừ s ơ đồ t ươ ng đươ ng hình 2.44 trong m ạ ch colect ơ có th ể vi ế t : E CC = I C .R t + U E + I E R E (2-86) Bi ế t r ằ ng I C th ườ ng l ớ n h ơ n I B r ấ t nhi ề u l ầ n cho nên ở đ ây có th ể b ỏ qua thành ph ầ n đ i ệ n áp do I B gây ra trên R E . Nh ư v ậ y (2-86) đượ c vi ế t thành : E CC = (R t + R E ). I C + U CE (2-87) 59 Hình 2.44: Sơ đồ tương đương mạch Bc Bi ể u th ứ c (2-87) chính là bi ể u th ứ c đườ ng t ả i t ĩ nh c ủ a m ạ ch phân c ự c b ằ ng dòng emit ơ . N ế u dòng E CQ và U CEQ là dòng đ i ệ n và đ i ệ n áp ứ ng v ớ i đ i ể m công tác t ĩ nh thì có th ể vi ế t (2-87) thành d ạ ng : U ECQ = E cc - (R t + R E ). I CQ (2-88) C ă n c ứ vào bi ể u th ứ c (2-88) có th ể tính đượ c đ i ề u ki ệ n phân c ự c t ĩ nh c ủ a tranzito khi bi ế t h ệ s ố khu ế ch đạ i h 21e và lo ạ i tranzito. Sau đ ây xét độ ổ n đị nh nhi ệ t c ủ a m ạ ch phân c ự c b ằ ng dòng emit ơ , có th ể vi ế t l ạ i (2- 80) ở d ạ ng : I C = E EBBBEB R )R(RI-U-U + Do đ ó I B = EB B C EB BEB R+R R I R+R UU (2-89) L ấ y đạ o hàm riêng bi ể u th ứ c này theo I c và m ộ t l ầ n n ữ a chú ý r ằ ng U BE không đổ i s ẽ đượ c : 2EB E E B k 1 = R+R R = I I (2-90) Theo đị nh ngh ĩ a c ủ a h ệ s ố ổ n đị nh nhi ệ t thì trong tr ườ ng h ợ p này: S= )kh(+1 1+h 2e21 e21 (2-91) 60 T ừ (2-91) th ấ y r ằ ng h ệ s ố ổ n đị nh nhi ệ t ti ế n t ớ i c ự c ti ể u ( độ ổ n đị nh cao nh ấ t) khi k 2 có giá tr ị nh ỏ nh ấ t. Đ i ề u ấ y có ngh ĩ a là để cho m ạ ch ổ n đị nh, ph ả i thi ế t k ế sao cho R E có giá tr ị càng l ớ n càng t ố t, và giá tr ị R B càng nh ỏ càng t ố t. H ệ s ố k 2 không bao gi ờ nh ỏ h ơ n 1, giá tr ị này ch ỉ d ẫ n t ớ i 1 ( ứ ng v ớ i tr ườ ng h ợ p R E r ấ t l ớ n và R B r ấ t nh ỏ ) t ừ đ ó suy ra r ằ ng h ệ s ố ổ n đị nh S ch ỉ có th ể gi ả m nh ỏ t ớ i gi ớ i h ạ n là 1. M ộ t nh ậ n xét quan tr ọ ng n ữ a là h ệ s ố ổ n đị nh S không ph ụ thu ộ c vào R t ngh ĩ a là không ph ụ thu ộ c vào đ i ể m công tác. Hình 2.45:Dùng tụ ngăn hồi tiếp âm trên Re a) Ngắn mạch hoàn toàn b) Ngắn mạch một phần Hình 2.46: Dùng điôt bù nhiệt 61 Ở trên đ ã nói v ấ n đề nâng cao độ ổ n đị nh nhi ệ t c ủ a lo ạ i m ạ ch này b ằ ng cách t ă ng R E và gi ả m R B . B ả n ch ấ t c ủ a s ự ổ n đị nh nhi ệ t trong lo ạ i m ạ ch này chính là dòng ph ả n h ồ i âm qua đ i ệ n tr ở R E. T ă ng R E có ngh ĩ a là t ă ng ph ả n h ồ i âm do đ ó làm gi ả m tín hi ệ u khu ế ch đạ i xoay chi ề u c ủ a m ạ ch. Để kh ắ c ph ụ c mâu thu ẫ n này trong th ự c t ế có th ể dùng hai m ạ ch nh ư hình 2.45a,b. Dùng ki ể u m ạ ch này có th ể lo ạ i tr ừ ho ặ c gi ả m nh ỏ tác d ụ ng ph ả n h ồ i âm đố i v ớ i tín hi ệ u xoay chi ề u (xem ph ầ n 2.3), do đ ó không làm gi ả m h ệ s ố khu ế ch đạ i tín hi ệ u xoay chi ề u c ủ a m ạ ch. Giá tr ị C E phân m ạ ch ở đ ây ph ả i ch ọ n đủ l ớ n sao cho đố i v ớ i tín hi ệ u xoay chi ề u thì tr ở kháng c ủ a nó g ầ n nh ư b ằ ng 0, ng ượ c l ạ i v ớ i dòng m ộ t chi ề u thì coi nh ư h ở m ạ ch. Th ự c t ế th ườ ng g ặ p tr ườ ng h ợ p ph ả i thi ế t k ế m ạ ch phân c ự c khi bi ế t các đ i ề u ki ệ n phân c ự c c ũ ng nh ư h ệ s ố khu ế ch đạ i c ủ a tranzito. Ở nh ữ ng ph ầ n trên ch ỉ xét ả nh h ưở ng c ủ a nhi ệ t độ đế n dòng I CO . Sau đ ây s ẽ trình bày ả nh h ưở ng c ủ a nhi ệ t độ đế n dòng U BE và h ệ s ố khu ế ch đạ i h 21e . Đố i v ớ i c ả hai lo ạ i tranzito, làm t ừ silic và gecmani, khi nhi ệ t độ t ă ng U BE gi ả m, còn h 21e l ạ i t ă ng. Ả nh h ưở ng c ủ a nhi ệ t độ đế n các tham s ố c ủ a tranzito silic công tác trong kho ả ng - 65˚C đế n +175˚C còn tranzito thì t ừ -63˚C đế n +75˚C. S ự khác nhau n ữ a là tr ị s ố I CO và U BE c ủ a tranzito silic và tranzito gecmani bi ế n thiên ng ượ c nhau khi nhi ệ t độ thay đổ i. B ả ng (2-4) li ệ t kê nh ữ ng giá tr ị đ i ể n hình c ủ a I CO, U BE và h 21e c ủ a tranzito silic và gecmani ở nh ữ ng nhi ệ t độ khác nhau. Bảng 2 – 4 Giá trị điển hình của một tham số chịu ảnh hưởng của nhiệt độ T ừ b ả ng 2- 4 có nh ậ n xét: Ở nhi ệ t độ phòng đố i v ớ i tranzito silic I CO ch ỉ c ỡ nano ampe, cho nên n ế u có thay đổ i thì c ũ ng không ả nh h ưở ng đ áng k ể đế n I C và ả nh h ưở ng c ủ a nhi ệ t độ đế n đ iêm công tác t ĩ nh c ủ a tranzito ch ủ y ế u thông qua U BE . Để kh ắ c ph ụ c ả nh h ưở ng này trên th ự c t ế th ườ ng m ắ c n ố i ti ế p emit ơ m ộ t đ iôt silic phân c ự c thu ậ n có chi ề u ng ượ c v ớ i chuy ể n ti ế p emit ơ nh ư hình 2.46. B ằ ng cách m ắ c nh ư v ậ y có th ể th ấ y r ằ ng s ự thay đổ i đ i ệ n áp thu ậ n trên 2 c ự c đ iôt có th ể bù tr ừ s ự bi ế n đổ i U BE c ủ a tranzito do nhi ệ t độ gây ra. Đ iôt bù nhi ệ t ở s ơ đồ này luôn đượ c phân c ự c thu ậ n b ở i ngu ồ n E DD cho nên đ i ệ n tr ở thu ậ n c ủ a nó r ấ t nh ỏ . S ơ đồ này hoàn toàn t ươ ng đươ ng v ớ i s ơ đồ phân c ự c b ằ ng dòng emit ơ đ ã xét ở ph ầ n trên. Đố i v ớ i tranzito gecmani thì ng ượ c l ạ i, t ạ i nhi ệ t độ phòng I CO khá l ớ n cho nên khi nhi ệ t độ thay đổ i ả nh h ưở ng c ủ a dòng I CO đế n tham s ố c ủ a tranzito chi ế m ư u th ế . Để ổ n đị nh nhi ệ t V ậ t li ệ u làm tranzito I CO (A) U BE (V) h 21e t,˚C Si Ge Si Ge Si Ge 10 6 − 10 3 − 10 2 − 1 30 30 0.8 0.4 0.6 0.2 0.25 0.51 20 15 50 50 100 95 -6.5 -6.5 +25 +25 +175 +75 62 độ cho s ơ đồ , ng ườ i thi ế t k ế ph ả i chú ý ch ủ y ế u đế n vi ệ c gi ả m h ệ s ố ổ n đị nh nhi ệ t độ S. Qua b ả ng (2-4) trên đ ây có th ể th ấ y r ằ ng h ệ s ố khu ế ch đạ i dòng h 21e ph ụ thu ộ c vào r ấ t nhi ề u vào nhi ệ t độ . H ơ n n ữ a ngay ở cùng m ộ t nhi ệ t độ , tranzito có cùng lo ạ i ký hi ệ u ( đượ c ch ế t ạ o nh ư nhau) nh ư ng h ệ s ố h 21e c ủ a t ừ ng chi ế c có th ể h ơ n kém nhau vài ba l ầ n. Nh ư đ ã bi ế t h ệ s ố h 21e ả nh h ưở ng nhi ề u đế n đ i ể m công tác t ĩ nh c ủ a tranzito. B ở i v ậ y để ổ n đị nh đ i ể m công tác t ĩ nh, ng ườ i thi ế t k ế ph ả i chú ý đế n s ự thay đổ i h ệ s ố h 21e có th ể có c ủ a lo ạ i tranzito dùng trong m ạ ch đ i ệ n. Để đị nh l ượ ng s ự ph ụ thu ộ c c ủ a I C vào h 21e , gi ả thi ế t r ằ ng các giá tr ị c ủ a U CC và R t đ ã bi ế t h ệ s ố khu ế ch đạ i dòng c ủ a tranzito bi ế n thiên t ừ h 21e1 đế n h 21e2 b ỏ qua I CO (g ọ i I C1 là dòng ứ ng v ớ i tr ườ ng h ợ p h ệ s ố khu ế ch đạ i h 21e1 và I C2 ứ ng v ớ i h 21e2 ) tính đượ c : I C1 = h 21e1 E1e21B BEB R)1+h(+R UU (2-92) I C2 = h 21e2 E1e21B BEB R)1+h(+R UU (2-93) L ấ y hi ệ u s ố c ủ a (2-92) và (2-93), đượ c: I C = [ ][ ] EeBEeB EBeeBEB RhRRhR RRhhUU )1()1( ))()(( 221121 121221 ++++ + (2-94) Đ em chia bi ể u th ứ c (2-94) cho (2-92) s ẽ đượ c bi ể u th ứ c cho s ự bi ế n thiên t ươ ng đố i c ủ a dòng I C . ) R+R R.h +1(h hh = I I EB E1e21 1e21 2e211e21 1C C - (2-95) Nh ậ n xét bi ể u th ứ c (2-95) th ấ y nó có ch ứ a s ố h ạ ng g ầ n gi ố ng nh ư bi ể u th ứ c đị nh ngh ĩ a v ề s ự ổ n đị nh S; có th ể bi ế n đổ i v ế ph ả i c ủ a (2-95) thành: K)h+1( 1+h . )1+h(h hh = I I 2e21 2e21 2e211e21 1e212e21 1C C - (2-96) N ế u g ọ i S 2 là độ ổ n đị nh nhi ệ t độ khi h 21e = h 21e1 , thì (2-95) có th ể vi ế t thành : )1+h(h S.h∆ = I I 1e211e21 2e21 1C C (2-97) Trong đ ó ∆ h 21e = (h 21e2 – h 21e1 ) th ườ ng g ọ i là độ sai l ệ ch c ủ a h 21e . Bi ể u th ứ c (2-97) cho th ấ y s ự bi ế n đổ i dòng colect ơ ph ụ thu ộ c tr ự c ti ế p vào độ sai l ệ ch h ệ s ố khu ế ch đạ i h 21e k ể trên. Ngoài ra bi ể u th ứ c này còn cho phép ng ườ i thi ế t k ế tính đượ c giá tr ị c ủ a đ i ệ n tr ở c ầ n thi ế t gi ữ cho dòng I C bi ế n đổ i trong m ộ t ph ạ m vi nh ấ t đị nh khi h 21e thay đổ i. 63 2.2.4. Tranzito trường (FET) Khác v ớ i tranzito l ưỡ ng c ự c đ ã xét ở ph ầ n trên mà đặ c đ i ể m ch ủ y ế u là dòng đ i ệ n trong chúng do c ả hai lo ạ i h ạ t d ẫ n ( đ i ệ n t ử và l ỗ tr ố ng t ự do) t ạ o nên, qua m ộ t h ệ th ố ng g ồ m hai m ặ t ghép p-n r ấ t g ầ n nhau đ i ề u khi ể n thích h ợ p, tranzito tr ườ ng (còn g ọ i là tranzito đơ n c ự c FET) ho ạ t độ ng d ự a trên nguyên lý hi ệ u ứ ng tr ườ ng, đ i ề u khi ể n độ d ẫ n đ i ệ n c ủ a đơ n tinh th ể bán d ẫ n nh ờ tác d ụ ng c ủ a 1 đ i ệ n tr ườ ng ngoài. Dòng đ i ệ n trong FET ch ỉ do m ộ t lo ạ i h ạ t d ẫ n t ạ o ra. Công ngh ệ bán d ẫ n, vi đ i ệ n t ử càng ti ế n b ộ , FET càng t ỏ rõ nhi ề u ư u đ i ể m quang tr ọ ng trên hai m ặ t x ử lý gia công tín hi ệ u v ớ i độ tin c ậ y cao và m ứ c tiêu hao n ă ng l ượ ng c ự c bé. Ph ầ n này s ẽ trình bày tóm t ắ t nh ữ ng đặ c đ i ể m quang tr ọ ng nh ấ t c ả u FET v ề c ấ u t ạ o, nguyên lý ho ạ t độ ng và các tham s ố đặ c tr ư ng đố i v ớ i hai nhóm ch ủ ng lo ạ i: FET có c ự c c ử a là ti ế p giáp p-n (JFET) và FET có c ự c c ử a cách li (MOSFET hay IGFET). a- Tranzito trường có cực cửa tiếp giáp (JFET) - C ấ u t ạ o và ký hi ệ u qui ướ c: Hình 2.47: Cấu tạp JFET và ký hiệu quy ước Hình 2.47a đư a ra m ộ t c ấ u trúc JFET ki ể u kênh n: trên đế tinh th ể bán d ẫ n Si-n ng ườ i ta t ạ o xung quanh nó 1 l ớ p bán d ẫ n p (có t ạ p ch ấ t n ồ ng độ cao h ơ n so v ớ i đế ) và đư a ra 3 đ i ệ n c ự c là c ự c ngu ồ n S (Source), c ự c máng D (Drein) và c ự c c ử a G (Gate). Nh ư v ậ y hình thành m ộ t kênh d ẫ n đ i ệ n lo ạ i n n ố i gi ữ a hai c ự c D và S, cách li v ớ i c ự c c ử a G (dùng làm đ i ệ n c ự c đ i ề u khi ể n) b ở i 1 l ớ p ti ế p xúc p-n bao quanh kênh d ẫ n. Hoàn toàn t ươ ng t ự , n ế u xu ấ t phát t ừ đế bán d ẫ n lo ạ i p, ta có lo ạ i JFET kênh p v ớ i các ký hi ệ u quy ướ c phân bi ệ t cho trên hình 2.47b. Nguyên lý ho ạ t độ ng: Để phân c ự c JFET, ng ườ i ta dùng hai ngu ồ n đ i ệ n áp ngoài là U DS > 0 và U GS < 0 nh ư hình v ẽ (v ớ i kênh P, các chi ề u đ i ệ n áp phân c ự c s ẽ ng ượ c l ạ i, sao cho ti ế p giáp p-n bao quanh kênh d ẫ n luôn đượ c phân c ự c ng ượ c). Do tác d ụ ng c ủ a các đ i ệ n tr ườ ng này, trên kênh d ẫ n xu ấ t hi ệ n 1 dòng đ i ệ n (là dòng đ i ệ n t ử v ớ i kênh n) h ướ ng t ừ c ự c D t ớ i c ự c S g ọ i là dòng đ i ệ n c ự c máng I D . Dòng I D có độ l ớ n tu ỳ thu ộ c vào các giá tr ị U DS và U GS vì độ d ẫ n đ i ệ n c ủ a kênh ph ụ thu ộ c m ạ nh c ả hai đ i ệ n tr ườ ng này. N ế u xét riêng s ự ph ụ thu ộ c c ủ a I D vào t ừ ng đ i ệ n áp khi gi ữ cho Gate G Si- n D Drain S Source p D S G - Kênh n D S G + Kênh p . ( 2 -9 2) I C2 = h 21e2 E1e21B BEB R)1+h(+R UU ( 2 -9 3) L ấ y hi ệ u s ố c ủ a ( 2 -9 2) và ( 2 -9 3), đượ c: I C = [ ][ ] EeBEeB EBeeBEB RhRRhR RRhhUU )1()1( ))()(( 221121 121221 ++++ + ( 2 -9 4). ( 2 -9 4) Đ em chia bi ể u th ứ c ( 2 -9 4) cho ( 2 -9 2) s ẽ đượ c bi ể u th ứ c cho s ự bi ế n thiên t ươ ng đố i c ủ a dòng I C . ) R+R R.h +1(h hh = I I EB E1e21 1e21 2e211e21 1C C - ( 2 -9 5). K)h+1( 1+h . )1+h(h hh = I I 2e21 2e21 2e211e21 1e212e21 1C C - ( 2 -9 6) N ế u g ọ i S 2 là độ ổ n đị nh nhi ệ t độ khi h 21e = h 21e1 , thì ( 2 -9 5) có th ể vi ế t thành : )1+h(h S.h∆ = I I 1e211e21 2e21 1C C ( 2 -9 7) Trong đ ó