PHAM MINH HA
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 "Ký thuật điện tử" được viết dựa trên cĩ sỏ giáo trình cùng tên
đã được dùng làm tài liệu giảng dạy trong nhiều năm gần đây tại Trường
đại học Bách khoa Hà Nội Trong lần xuất bản đầu tiên ỏ Nhà xuất bản
Khoa học và Kỹ thuật năm 1992 sách dã được m làm ba tập (và được tái
bản nhiều lần)
Tập 1 gồm sáu chương, trình bày Các vấn đề cơ sở của mạch điện tử (cø sở phân tích mạch diện tử, hồi tiếp âm trong các mạch điện tỉ, vấn đề
cung cap và ổn định chế độ cơng tác của các mạch điện tử) và Các mạch
rời rạc thực hiện các chúc năng biến đổi tuyến tính (tầng khuếch dại tín hiệu
nhỏ dùng tranzistỏ), tầng khuếch dại chuyên dụng, tầng khuếch đại cơng suất)
Tập 2 gồm ba chương về Bộ khuếch đại thuật tốn và các ứng dụng của Tập 3 gồm sáu chương, nghiên cúu về Các mạch cơ bản thực hiện các chức năng biến đổi phi tuyến (tạo dao động, điều chế, tách sĩng, chuyển đổi
tương tự - số và số - tHong tự, chỉnh lưu và ổn áp)
Để bạn đọc tiện sử dụng, lần xuất bản này chúng tơi gộp thành mội
cuốn Trong từng chương đều cĩ sửa chữa và bổ sung những vấn đề mới Phần bài tập và bài giải mẫu trước dây dược bố trí sau mỗi tập, nay chuyển xuống cHối của cuốn sách, với nhiều dạng bài tập mdi
Sách dã được dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành vơ tuyến điện tử Sách cũng rất bổ ích cho các kỹ sứ, cán bộ kỹ thuật và cơng nhân
các ngành cố liên quan đến kỹ thuật vơ tuyến điện tủ
Trong quá trình biện soạn lại cho cuốn sách này, tác giả đã được các
bạn đồng nghiệp gĩp nhiều ý kiến bổ ích, được 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 bày tỏ lời cảm on chân thành về sự giúp đõ quý báu đĩ
Mặc dù dã cố gắng sửa chữa, bổ sung cho cuốn sách dược hồn chỉnh
hơn trong lần tái bản này song chắc rằng khơng tránh khỏi những thiếu sĩi,
hạn chế Tác giả mong nhận được các ý kiến đĩng gĩp quí báu của bạn đọc
Trang 3‹
Chương 1
NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG
VA CO SO PHAN TÍCH MẠCH 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 vu gia cong 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 tín 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 nĩ 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 cĩ nhiều thuật tốn khơng thể thực hiện được bằng các mạch số hoặc nếu thực hiện bằng mạch tương tự thì kinh tế hơn, ví dụ : khuếch đại tín hiệu nhỏ, đổi tần, chuyển đổi tương tự/số Ngay cả trong hệ thống số cũng cĩ nhiều phẩn tử chức năng tương tự, nếu như cần phải gia cơng tín hiệu tương
tự ở một khâu nào đơ
Đối với mạch tương tự, ni ta thường quan tâm đến hai thơng số chủ yếu : biên
Trang 4Biên dộ Hn hiệu liên quan mật thiết đến độ chính xác của quá trinh 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 trỉnh 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
-hién 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 mắc
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 "
Xu hướng phát triển của kỹ thuật mạch tương tự là nâng cao độ tích hợp của mạch (được đặc trưng bởi mật độ linh 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 mạch tổ hợp tương tự, nhà thiết kế 20 {
thường lưu ý giảm số chủng loại, aa 1ímA) A
nhưng lại tăng khả năng sử dung IN ce 1g7 OF
của từng chủng loại Tớm lại, cớ N = gosh
thể nơi : cĩ hai hướng phát triển [+ | so»
của kỹ thuật mạch tương tự là : 10 _—— wont
giảm nhỏ kích thước bên trong của L 30MA
mạch trong chế tạo và tăng tính KMAILNN si _— g715
phổ biến của mạch trong ứng dụng V——T— Pome z - - | nanan ' Trong cuốn sách này chúng tơi 7T : 4 too |75 [50 |25 10 20 see ain nhiều đến vấn đề ứng ~ 1, Mã Ucg (V)—> 1.2 Đặc tính cơ bản và các 0,5 tham số của tranzistor gw Loe lưỡng cực | La 6 = +— | đaet 1.2.1 Các đặc tính tĩnh và phương trình cơ bản
Cĩ hai loại tranzistor : loại npn L |
và loại pnp Nguyên lý tác dụng của *
no đã được nghiên cứu kỹ trong các Hình 1.1 Đặc tuyến của tranzistor n» mắc emito chung
Trang 5cụ bán dẫn và được mính họa bởi họ đặc tuyến vào ïp = /(Ứpy), đặc tuyến ra Íc = ƒ(Œcg) và đặc tuyến truyền đạt Ic = ƒ(pg) (xem hình 1.1)
Các tranzistor này cĩ thể mắc bazo chung, emito chung hoặc colecto chung (bảng 1.1) Trong ba cách mắc này, các mắc emito chung được dùng nhiều nhất, vi vay trong quá trình khảo sát sau này ta sẽ quan tâm đặc biệt đến cách mác đĩ
Để điều khiển tranziator, cĩ thể dùng dịng emito ïr hoặc dịng bazo ïp Nếu dùng
dịng emito để điều khiển (trong cách mác bazo chung) thì hệ số khuếch đại của tranzistor
là Ay, được xác định theo biểu thức (1.1) Ic
An = 7 (1.1) ÁN là hệ số khuếch đại dịng một chiều trong cách mác bazo chung Vi dong colecto Tc luơn luơn nhỏ hơn dịng emito, nên ÁN < 1
Nếu dùng dịng bazo để điều khiển (trong cách mắc emito chung) thì hệ số khuếch đại dịng điện một chiều w được xác định theo biểu thức (1.2) Bảng 1.1 Loại npn pnp Cách mắc E Ie Ig Cc E I¢ Ir € Bazdé chung y T Uẹpg lạ Ủcg | Veg Ig vce 8 _ B ° I i B 8 c Emitở chun E 7 SE Colectd chung Bits Te Use Yge Mc Ic By = > (1.2a) Tụ
Vì tranzistor được kết cấu sao cho tổn C
hao trên bazo nhéd, tite Jp nhd, nén Ip << Ic, do dd By >> 1 8 B Vì + = Ic + Tạ, nên giữa An va By cĩ mối quan hệ sau đây : ÁN By A Ị 1.2b 2) °) 1- N “1+ By ( v )
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 hình 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
1 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
Phân cực thuận Phân cực thuận Miền bão hịa Khĩa
Sau này sẽ đặc biệt lưu ý đến led= Arle led = Anlg’
trường hợp thứ hai trong bảng 1.2, ExE' Tz 5’ ) le cac!
là trường hợp được dùng nhiều nhất i Ic =<
trong kỹ thuật mạch tương tự Kt eee
Xét phương trình cơ bản theo es ||»: ia Uce
Ebers - Moll cho tranzistor npn Tu Ig Be
đĩ suy ra các phương trình đối với ị Ũ -0
tranzistor pnp bằng cách đổi dấu các 8)
dịng điện và điện áp đặt vào các , ,
cửa của tranzistor theo quy ước về Ted = Arle Ted = Ante
chiều điện áp và dịng điện trong exe’ Je _@Ь 8 —Cð}—¬ + cac
bang 1.1 | ey xi |
Dịng điện nội của một tranzistor Ủpg ` Pop Teg
gồm các dịng điện thành phần sau Ug£' iat Ùgc
đây : dịng qua mặt ghép emito - ° |8 4
bazo I’;, dịng qua mặt ghép colec- b)
to-bazo I'c, dịng xuất phát từ mặt ghép bazo-emito đến được colecto Iq và dịng xuất phát từ mặt ghép bazo- colecto đến được emito ?p„ Các biếu thức (1.3) + (1.6) cho biết quan hệ
Trang 7trong đĩ, /pụp và /cyụ lần lượt là dịng bão hịa emito và dịng bão hồ colecto ;
Ủy - điện áp nhiệt, theo lý thuyết Ứy = 26 mV ở nhiệt độ 25°C ;
Ay va A, - hệ số khuếch đại dịng điện nội, được xác định như sau : Ic d Tra —— va Ay = = An = Tg Fc Aw dùng cho tranzistor làm việc trong miền khuếch đại và A, tương ứng với miền tích cực ngược
Tác dụng tng hợp của các thành phần dịng điện trên đây được chỉ rõ trong sơ đồ tương đương của tranzitor theo Ebers - Moll (hinh 1.3) Trong đĩ rụẹ, là điện trở phân bố miền bazo Vì rụy khá nhỏ (cỡ vài chục ©), 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= -V'o + Icg = Te + Anl’ce | (1.7)
Tp = 1k - lgạ = Úpg— AỨc (1.8)
1g = le + Ip (1.9)
Nhu da ndi 6 trén, tranzistor thường được dùng ở chế độ khuếch đại, nghĩa là ứng với trường hợp điot colecto ngắt, vì vậy ta sẽ đặc biệt lưu ý đến chế độ này của tranzistor Trong miền khuếch đại, Ứn.; >> Ủy và trong mạch xuất hiện các dịng điện dư (dịng điện ngược), chúng được xác định theo các điều kiện cho trong bảng 1.3 Bảng 1.3 Dấu
Dịng điện dư Diều kiện npn pnp
Dong du colecto Jog, Tg = 0; diot colecto ngit >0 <0 Dịng dư colecto emito fcg„ Ig = 0; diot colecto ngất >0 <0 Dịng dư emito Jpg, Ig = 0; điot emito ngắt <0 > 0 S co Oe 7 co # + co š + l§ z lễ = § z I œ oo I œ “8 tị Ip " 8 " x ~ B Bo + Bo—nIt- ¬ tị bb + - U “ — Uge Ube | Tg BE | Te [ire E E E
Hình 1.4 Sơ đồ tương đương Ebers - Moll của tranzistor nøn cho trường hgp diot colecto ngat (tranzistor làm việc trong miền tích cực) :
a) và b) sơ đồ tương đương đầy đủ ; c) và d) bỏ qua hạ áp trên re, 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 Jp, = 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 + Buicpo = (1 + By) Icpo Togo
Biểu thức (1.10) cho biết quan hệ giữa các dịng điện dư fcp¿ và ÏÍcgo
Giá trị dịng điện dư phụ thuộc vào
nhiệt độ (hình 1.5) Ỏ 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
tăng từ (8 + 10)°C
Ngồi ra, từ các sơ đồ tương đương trên hỉnh 1.4 và biểu thức (1.10) ta cĩ thể tìm được quan hệ giữa các dịng điện một chiều ïc, ï; và Ip trong tranzistor như trong bảng 1.4 Trong miền khuếch đại, khi điot colec— to ngắt thì Ajc <<lg, do đĩ từ biểu thức (1.8) và (1.3) ta suy ra biểu thức dịng điện vào (1.1la) cho tranzistor npn và (1.11b) cho tranzistor pnp : 1 p het Ủgy: Đ ` đI1a) 103 500 100 150 = = Ïu,(€XPc— — lla E E Ebh Uy t; (°c) —» Upp
; BE Hình 1.5 Sự phụ thuộc của dịng điện
Trang 9Khi m&c emito chung thi dong dién vao I, dugc xdc định theo biểu thức (1.11c) :
Thực tế, để mơ tả các đặc tính tinh của tranzistor trong mién tích cực chỉ cần ba tham số : Ủny, BN và lcp¿ Khi dịng tinh I; > 0,1 mA thi cd thé bỏ qua cả dịng điện dư lcpo
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 cœ^ tuyến tính để biểu diễn quan hệ giữa các dịng điện, điện áp vào và ra của tranzister Trong các loại phương trình của mạng bốn cực, để mơ tả tranzistor hay dùng hệ phương trình hỗn hợp tham số h và hệ phương trình 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 đễ dàng xác
định chúng trên đặc tuyến hoặc bằng đo đạc Hình 1.6 Sơ đồ tướng đương hỗn hợp của một mạng bốn cực
Phương trình hỗn hợp h được xây dựng từ sơ đồ tương đương hình 1.6 và phương
trình dẫn nạp y từ sơ đổ tương đương hình 1.7 : ae “Yie 2 ¢ => “Oo ql Yt Vie YretYe2 |(Ya~Ya )U l ° —O i 2 Ũ, | Vụ | _ I Y22 Up Ỷ YaU> YajÙi
Hình 1.7 Hai dạng sơ đồ tương đương dẫn nạp của mội mạng bốn cực
Trang 10U U T T hị hụ == |p = I, 2 = 9 hạ“ |r - 2 17? hạ == Íg =9 I, 27 hạ =— |r - U, 179 1, Ty I, T, ij ì\q = = Ile "2= lq J, FSI yn FS Io H i, |5,=0 "|B, <0 ,lUy=0 2 D, lD,=o Để quy đổi tham số y¡ sang đh¡ hoặc ngược lại dùng hệ phương trình (1.14) và (1.15) Ay hig 1 1 y (hoy ho») ~ Yay (yo Ay ) (1.14) Yun #12 1 1 —h (yor Jog) = ha (han) (1.15) trong đĩ, Ay = YIJ22 ~J12721 › Ah = hithz; — hịah¿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 :
pẸ = fữps#cE) (1.16)
íc = fcpsip) (1.17)
VÌ tín hiệu xoay chiều bé, ở tần số thấp được coi là những biến đổi nhỏ của tín hiệu một chiều, do đĩ để tính hj dùng họ đặc tuyến tính trên hình 1.1 và xét tại điểm
làm việc ban đầu Ĩ Vi phân tồn phần (1.16) và (1.17) và xét tại điểm làm việc Ĩ,
thay Aic = i, ; Aig = ủụ ¡ Auocg = Ucp, Aupg = pc ta nhận được các biểu thức sau : OBE + OBE (1.18a) upr = — i u BE dlp luce=0 B )⁄CE Ìi„~o CE a aoe 4 (1.18b) Ie ~ dlp uog=0 ‘B dUCE Ìi„=o #œ So sánh (1.18) với (1.12) ta rút ra :
ho = Ure _ URE _ Auge (1.19a)
lle ~ tụ ucg=0 dip luce =0 ~ Aig UCEo , a
ho = pc _ ƯWpẸ Aupr (1.199)
12c” u Ì¡,„-o ~ dU CE lis = 0 ~ Aug R ,
Trang 11i, ơi, Ai, hại =— == =—— 1.19c 2le ly ucE=0 dlp ucg=0 Alp | UCE ( ) i, di, (Aig =— = = 1.19d
A226 Loe Ìi„=o du oR ligeo AM Tho ( )
trong đĩ : Ip„ và cg„ 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 hj trén dac tuyén hinh 1.1 : +Arje = tgaz = Bo (1.20) duge goi 1A hé s6 khuéch dai dong dién tin hiéu nhd Vi J va Ip ty lệ gần như 0 B C B tuyến tính (hình 1.1), nén By = By (1.21) thị = t8đ$ = Pục- _—_ q22
Tpe là điện trở vào của tranzistor, nĩ được xác định như sau :
foe = Tow + Bora ~ Bolu (1.23
rg la dién tré khuéch tan emito:
' đŨnp Uy
rg = “di, Th , (1.24)
với tranzistor cơng suất bé, rụ cỡ vài trăm © “đến vài tram kQ
thy, la hệ số hồi tiếp điện áp Khi hở mạch đầu vào, hị;¿ thường rất nhỏ
(= 104 + 10%, nên cĩ thể bỏ qua và trong nhiều trường hợp cớ thể coi
Rie = 0
1
tha = tga, = >, Poe (1.25)
với tranzistor tin hiéu bé, r,, ldy gid tri ty 10kQ dén 1MQ Thay các tham số h¡ đã xác
định được vào hệ phương trỉnh (1.12), sẽ vẽ được sơ đồ tương
đương hỗn hợp của tranzistor i, , Ic (hình 1.8), trong đĩ ta đã thay Bo C thế trị số tức thời của các dịng _ điện và điện áp bởi các giá trị | Pare ce | pots | ee phức tương ứng ry Từ biểu thức (1.9) và (1.19c) Pe
đồng thời biết rằng hệ số khuếch a ; : —oE
đại dịng điện tín hiệu nhỏ khi
Ai
mắc bazo chung là a, = Ann SY
, E
Hình 1.8 Số đồ tương đương hỗn hợp của tranzistor
ra được quan hệ giữa hệ số khuếch :
Trang 12đo 1 bo = Tig, * Toa, (1.26) _ _Po ~1-7 (1.27) ao => 1 +B, = Bo ` với œ¿ = Ì và B, >> 1
Cĩ thể dựa vào hệ thức cơ bản giữa các dịng điện và điện áp trên các cực của tranzistor đế tính tham số hỗn hợp của tranzistor khi mác bazo chung vào colecto chung Quan hệ giữa các tham số hỗn hợp đĩ được cho trong bảng 1.6 Bang 1.6 Tham s6 B E C Cách mắc
h lp Aun Ara ite (2> _ 1) Ane h „nay
1 + Aye ! + Aye hy Ay,
Ũ, U>
Agi, Ao» “hy hy, _ 1 thy, An
Lthy 1th hy, Age > h hh lạ itp _ 116 22h Atte Aire Atte 1 ~ Aix _ ithy, 1+Ayp I; _ - U2 h h “1 | 1+ Any = Lt+hyy = Ante Are —(1+hrc) Arne T Ang lạ — — ~] he 1 — hix=l1 Aitc Air - 1+ han 1 ~ _ Up ur 1 -h — ab —(1 + hate) hr hạc hy 1+ Any 1+ Any
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 ‘
hy hi phụ thuộc vào dịng điện đụ phụ thuộc vào điện áp
Rite TU Ig Khơng phụ thuộc Uc,
hire Khơng phụ thuộc J, _ "U VỨcg
Aye Cực đại tại trị trung bình của dịng điện ít phụ thuộc Ứcg
đưệc “Ie ~U YỮcg
Trang 13
Các tín hiệu nhỏ, ở tẩn 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)
Core = Cực + Cye (1.28)
Trong đĩ điện dung vao C,,, phu thuéc vào điện dung lớp chấn emito C,„ và điện dung khuếch tán của mặt ghép emito - bazơ Cạ, Œc quan hệ với điện trở khuếch tán emito r„ và thời gian bay của động tử trong bazo 1, theo biểu thức sau : T = Calg - (1.29) Mije 302 3 ⁄ hare i! hize | lize 10° Ds ra 10°! Ucg= 6V Ic = 1mA 102 1g! †0° 10! (02 0 0 10 Z0_ 30 1c (mA) —* Úcg (v)—* a) b) 102 1,6 hạạp hzạp „ 12 \Maz to! 7 \ a / ~ 2 10° 0,8 MN Lee Arab A 10! HP 0,4 72 6y s Uce lc = fmA 1072 0 | 101 10° io’ 102 0 10 20 30 Ic (mA) ————* Ủcg (v) C) qd)
Hình 1.9 Sự phụ thuộc của tham số ở vào chế độ làm việc trong sở đồ emito chung ở tần số ƒ = 1 kHz
Trang 14TE Jc ~ = - Ip Pee b , 1c B om 2 8 1 + ¬_ of - _ i Cực c - Ũ Use UgE | * % TT ‘ce É |\Sio Use cE —~ 5 é Wel E E
Hình 1.10 Sơ đồ tương đương z (sơ đồ tương đương dẫn nạp của tranzistor) của tranzistor
Trong hình 1.10, S¿„ là hỗ dẫn của tranzistor
Điện dẫn hồi tiếp ø, và điện dung hồi tiếp C,,, được xác định như sau :
He
& = Bora = 0 (1.30)
véi Ke = 10> + 10% la hé s6 Early
Cyr = Coo t Cạc (1.31)
với : C¿, - điện dung lớp chắn colecto ; Cạc - điện dung khuếch tán colecto,
Cac = UL de = 0
Dién tré ra r,, dude xdc dinh theo biểu thức (1.32) Td
Toe = He (1.32)
Các điện dung C,, va C,, là điện dung phân bố giữa các đầu nối bên ngồi Ỏ tần số lớn hon (100 - 1000) Hz thi dién nap wC,,, >> g,, nén cĩ thể bỏ qua ø ; cịn điện dung phân bố C(y 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 Ip 8 quốc we C
111 —_ oe T IF I Unt 1
Sơ đồ hình 1.10 | Cực Tye fee 1 | 28 Mee
va 1.11 coé thé coi la EL ] —o
E
đủ chính xác trong dải
tần 0 < ƒ < 0,1 fr Hình 1.11 Sơ đồ tương đương + ð tân số ƒ > 100 Hz
(fy la tan 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 < /+⁄2
Trang 15này các điện dung ©) Cy, và Œ(„ được coi như hở mạch, do đĩ sơ đồ tương đương a ở tần số thấp khá đơn giản (hinh 1.12) Sơ đổ này hồn tồn tương đương với sơ đồ hỗn hợp trên hình 1.8 Dịng phương trình (1.15) kết hợp với các phương trình (1.20) + (1.25) ta tính được các tham số y như sau : 1 Ị ¬ Jạ “9 hy Bo 7a Ẩm ng Ah 1 % = #2 hụ Upe rd e 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 đồ T1 7s + Bola By —— =#2¡Ù) = 7 hp Z BJ
tương đương z đối với tran- 8 Ip le
zistor mắc bazo chung và colec— — ộ¿
to chung cũng tính được dựa _
¿ Up’
vao hé : hệ thức cơ an bản của các la cá Uge reel] —EE | F, rep Uc Ũ
dịng điện và điện áp trên các
cực của tranzistor Quan hệ EO $e
các tham số y của ba cách
mắc : bazo chung, emito chung
` Hình 1.12 Sơ đồ tương đương # cho tranzistor
và coleto chung cho trong bảng làm việc ở lần số thấp 1.8 Bảng 1.8 ` Cách mắc B E Cc Sd dé Yip Yim ye ~Y22e-Y 12 322 mm Y?Ip 322p Y210tY 226 TY 2 Y 126722 « _ 3 — ¥256 Y12» He 2 dire” — (nd ¥12) Y210*¥ 22 Vr te T22 #itct#2tc Dy
2 Yaw 11b Vite —Tiie"Yl2+e Vite V2 itp†Ÿ 12p Jb Yite * Yate -De Y210 V2
Trang 16Với 2 Ym = Yum + Yi2m + Y2im + Yams 7Ð = Ù, 6, € Nite = Bre + Jue = Bite + J Cre
Vize = Sire + JOi2e =
‘Yaie = B21e + JOrI1¢ Ya2e = 822e + JO22e =
812 + Jal 2
8z2c † JOC22¢-
Các tài liệu kỹ thuật thường cho biết các điện d4n g,,, ø¡;¿ và 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 tẩn số cao, người ta thường cho đặc tuyến tần số pha của dẫn nạp y Hỉnh 1.13 và 1.14 là một ví dụ =~ Nai Úcg= 5V 10 mA bie (MS) -—» œ Qo ot nf QS ta 3 v = ` NI 25 r7 j ” on | 0 1 2 3 4 5 Suẹ (1S) ——*= Hình 1.13 Dặc tuyến tần số pha của dẫn nạp Yule = o(Icf) 1.2.3 Tần số giới han Tần số giới hạn là một tham số đặc trưng cho tranzistor làm việc ở tần SỐ cao Tần số giới hạn ổ : ƒz là tần số
mà tại đĩ hệ số khuếch đại dịng điện
Trang 17Can ctt vao biéu thtic (1.26) va phuong trinh tinh A>, trong bang 1.6, hé s6 khuéch
dai dịng điện theo tần số khi mắc bazo chung được tính như sau :
“h¿tc — đc — đo
Ay, 2Ib = 1 +hạy = 14 fo) = vegjt (1.35)
J fp fa
trong dd, f, = ff — đo) = Bofp
f„ : tần số giới hạn của tranzistor khi mắc bazo chung
Các tần số giới hạn ƒ„ và ƒø được xác định theo tham số của tranzistor như sau (xem hình 1.11) :
fa = oe (1.37)
1 l-a,
fg = đm 'rra(Ep, + Cao (1.38)
Theo (1.34), tần số tăng thi |A2),| giadm, |A2,.] = 1 khi f = fi, f, goi 1a tan số đơn vị và từ (1.34) suy ra : fh = ƒạ Ýg2 —1 (1.39) So sánh (1.39) với (1.36) ta nhận thấy : fl = fa Khi f >> fg thi mau sé ctia (1.34) tiém can véi jfifg, do dé ta suy ra : |hacW@|ƒ = 6#, = fr (1.41)
fị gọi là tần số giới hạn quá độ
Về lý thuyết ƒr = ƒ/¡, trên thực tế ƒr nhỏ hơn ƒ¡ chút ít Hình 1.16 biểu diễn quan hệ của |đ;;¿| theo tần số và hình 1.17 cho biết quan hệ đĩ trên đồ thị Bode Từ (1.41) và hình 1.17 ta thấy ở tần số ƒ >> ƒØø |h;q„| giảm với độ dốc -20 đB/D và tích fg8 = fy khong phu thuộc tần số h /harel t icxi, 1i(da) 100 Pot | \ 10 ipl Ị ] t ' TL 1 ot 1 Ị fi fr hh fF “Ti fp fF 3 f ? T o | key Fp Fd ` log f
Hình 1.16 Các tần số giới hạn Hình 1.17 Quan hệ gần đúng của |hzte| và |h2m|
cua tranzistor theo tần số
Trong các tài liệu kỹ thuật cịn cho biết tần số cực đại ƒm„„ Tại ƒmạy hệ số khuếch
Trang 18cho khả năng làm viéc cla tranzisotr Khi f > f,,,, tranzistor khéng cOn 1a linh kiện tích cực nữa, ƒ„„„ được xác định theo biểu thức sau :
\ fa
Imax = ưng Cục >íÍ (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 hình 1.18 Fet | Fet chuyén tiép pn(JFet) Fet cấu trúc kim loại-điện mơi-bán dẫn (M1IS-Fet) | — oe —— oe are — TỐ TH 1 — ¬ " 7 mee " T1 | kênh n | kênh p | | kênh cĩ sẵn | kênh chua co san | nu | enh n | | | kénhn | | kénh p- | kenh ny "M14 =— F — `“ Fet tự dẫn Fet tự ngất
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 S (Source) mét tin hiéu thi Ugs
thay -đổi làm cho điện trở giữa cực máng Ð (Drain) và cực nguồn S (Source) thay đổi,
do đĩ dịng điện cực máng íp 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, cĩ nhiều Fet đối xứng, nghĩa là cĩ thể đổi lẫn cực máng và cực nguồn mà tính chất của Fet khơng đổi
- Trong jFet, cực cửa nối với kênh máng - nguồn qua mặt ghép pn hoặc np Khi đặt điện áp phân cực Ứos đúng chiều quy ước (bảng 1.9) thì điot mặt ghép ngất, ngược lại nếu đổi chiéu Ugg thi điot thơng, do đĩ dịng cửa khác khơng
- Véi MIS-Fet thì cực cửa và kênh máng - nguồn được cách ly bởi một lớp SiO¿, đo đĩ dịng cửa luơn luơn bằng khơng
Khi làm việc, dịng cửa của JFet cé 1 pA‘dén 10 nA, cdn dong ctta cla MIS-Fet nhỏ hơn của JFet khoang 10° lan Vi vay dién trd vao cia JFet nằm trong khoang (10!°
+ 101) và của MIS-Fet (10!3 + 1019)Q,
Trang 19Bang 1.9 Cực tinh Đắc fuvés
Kénh| Logi, ky hiệu - — _ gc /uyên
Upạ | lọ | Us | Up Truyén dot Ra J Fet kénh n Ip D I loss a G ey \ Ups »0 |>0 | <a | ¢o Yes °s Ú 01 Gi J Fet kênh P D P|6 <0 |<o | >0 | y0 § MTS-Fet kênh I ce sann D D a G »0 >0 <0 <0 Toss 8 Up Oo! dee MTS-Fet kênh Tp Ũ tú sỗn P ọ Ụp “65 D ".- <0 | <0 | >0 | >0 — Tpss Ss + Unsp MTS-Fet kénh LŨ Te) 26 chư cĩ sịn n Ip Ip ¡ “Dặp lag) 2Up G h Toss Toss
n | an; ›ø |ào |>o | >»ò
T : 0 Up 2Up Ucs 0 Úp Uns MTS- Fet kênh 2p úp To chia ed san P T = | 0 | %s x D P J <O |<o ;<o | <o — \ | T] aT Toss ° Chú thích : Ipss : Dịng máng bão hịa ; Ủy : Diện áp thắt, Ứp ~ (1+ 6) V
Upsp : Diện áp mảng nguồn ứng với trạng thái thắt của Fet, Ứpsp = ~Ùg+ ỮGs
Trang 20Trong các #e¿ kénh n, dong mang gidm (vé tri tuyét d6i) khi dién 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
chiều các điện áp cung cấp Tp 1 Yosp= Yes~ Up
Ị
(xem bang 1.9) Nếu trong Miền triot | + Miễn thal
mạch cĩ điot hoặc tụ hĩa cũng phải đổi chiều mắc những linh
kiện này
JFet va MIS-Fet kénh co
sin dịng máng lớn khi Uggs = 0, vì thế các loại Fe¿ này
cịn cĩ tên chung là Fe tự dẫn Ngược lại, MIS-Fe¿ kênh
khơng cĩ sẵn, ngất khi Uggs = 0 và gọi là Fe tự ngắt Uns Yost, Thường MiS-fe¿ cĩ bốn Hình 1.19 Các miền làm việc của #£ 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
of Trường hợp khơng dùng đến cực thứ tư thì nối nĩ với cực nguồn
Trên đặc tuyến ra của Fet (hình 1.19), ta nhận thấy khi Ủps tăng quá lớn thi dong máng lp 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) :
Upsr = Upsto (tai Ugs = 9) + Ugs (1.44)
Đặc tuyến truyền dẫn Jy = f(Ugs) thay déi khi Ups thay déi (hinh 1.20) va khi nhiét d6 thay déi (hinh 1.21)
Dé thudn tién cho viéc phan tich, ngudi ta chia dac tuyén von - ampe cua Fet lam hai mién :
- Miền triod cĩ đặc điểm là điện áp máng Ứps nhỏ và khơng cĩ hiện tượng thát - Miền thát, ứng véi truéng hop Upst, > Ups > (Uggs — Up) Ip Ip y 20°C 0s / 3 / 60°C = 120°C va? Z Ups, « ⁄ Diém that C7 Ups, Up 0 a : —> 55 ạs
Hình 1.20 Dặc tuyến truyền dân của JFet Hình 1.21 Sự phụ thuộc nhiệt độ của
vdi Upst > Ups2 > Ups3 đặc tuyến truyền đạt
Trang 21Biểu thức gần đúng biếu diễn quan hệ giữa dịng điện máng với các điện áp các cực trong hai miền nĩi trền cho trong bảng 1.10
Khi sử dụng Fe, đặc biệt là MS-fet cần phải quan tâm đến điện áp cho phép cực
dai Ugsmax V8 UGpmax: Trong thuc tế, để bảo vệ MJS-feí người ta mắc giữa đầu G và đầu S một điot Zener mà điện áp Zener của nĩ lớn hơn điện áp nguồn cung cấp, sao cho điot đạt được hiệu ứng Zener khi Ứcs = Gsmax„ Tuy nhiên điot Zener sẽ làm giảm
điện trở vào của MJS-#ø¿ Bang 1.16 Biểu thức tốn học biểu diễn đặc tuyến V - A của Fet Loại Fet
Miền triot Miền thắt
MIS - Fet a Dss LỆ Ds U cs 2 ui DSP
In =— D oe [ Ugg — UU -~z | 2 z [ GS DS 2 Iy = Iss (Fe 1)" = Ipsg( D ~ ‘pss ( Up ) DSS 3” \ ue ) 2 (1.45) (1.46) JFet Ip = lof U, DS _4 2 ( Ủhs—Ùne+ DS GS ”) —3/2 Ib=lpg(LT U °LUa—U, 3|Á ` Dp~Uy s Up UL - U, D GS \ 32 - — (1.47) (T= Up )] (1.48)
Điện áp tạp âm của Ee/ thường nhỏ hơn điện áp tạp âm của tranzistor lưỡng cực
nhiều Điện áp tạp âm vào của M7S-Fe ở tần số thấp lớn hơn của JFet ty 10 dén 1000 lần Vì vậy M1IS-fer chỉ thích hợp cho những sơ đồ ít tạp âm ở tần số cao Ở tần số thấp, chỉ dùng MJS-Fet khi yêu cầu điện trở vào lớn mà /Fe khơng thể thỏa mãn được
1.3.2 Sơ đồ tương đương và tần số giới hạn
Trang 22Căn cứ vào họ đặc tuyến của Fe và
điểm làm việc cụ thể trên đĩ, cĩ thể xác định được øm theo (1.52) và gy, theo (1.53)
Từ (1.51) ta vẽ được sơ đồ tương
đương tần số thấp của Fet đối với tín hiệu
bé như trên hình 1.22 -
œQ=————
cy m “A
Ỏ tần số cao, người ta dùng sơ đồ
tương đương hình 1.23, trong đĩ C,, va SỐ l
Coa là điện dung cửa - nguồn và điện dung Hình 1.22 Sơ đồ tưởng đương tần số thấp của Fer
cửa - máng kể cả điện dung phân bố ; Cụ,
là điện dung mặt ghép pz của máng và kênh hoặc nguồn và kênh Các điện dẫn g,, va g4, xác định theo (1.52) và (1.53) Bảng 1.11 cho biết giá trị đặc trưng của các tham số của Eci Ip — 6 D Go rt ¬" lim Ủạ; I» = Opt Jy +Í LÍ ° —o- s § Hình 1.23 Sơ đồ tưởng đương tần số cao của Fet (f < (10 100) MHz) Cod Bang 1.11 Tham số JFer MIS-Fet S =g, (1/Q) 0,1.10% + 10.107 0,5.10° + 10.10% Bus (1/2) 10° + 10° 10° + 104 Cos Cas(PF) 01+ 2 61+ 2 Cys (PF) 2+ 16 2+ 10
Để đặc trưng cho tinh chat cia Fet 6 tan s6 cao, dùng tần số giới hạn f,- Tại tần
Trang 23Ỏ tần số thấp, hệ số khuếch đại điện áp „¿ được tính như sau : ~B Kyo = _.— - | K, | 1 1 va = = - Fu 7 Cas + Œ 2 V2 1 + (Qnf,)° x ) Loo suy ra &t fy, = IC, +) (1.56)
1.3.3 Dae <iér oe Fet so voi tranzistor luéng cuc va dén dién ti, Wng dung cua Fet So với đèn điện tứ thỉ Fe cĩ những ưu điểm giống như tranzistor lưỡng cực như kích thước nhỏ, diện áp cung cấp nhỏ, cơng suất cung cấp nhỏ (khơng cĩ sợi đốt), độ tin cậy cao 5o với tranzistor lưỡng cực, Fe cĩ ưu điểm đặc biệt là khơng yêu cầu dịng vào (trở kháng vào lớn) nhưng nĩ lại cố nhược điểm là độ dốc gø„ạ nhỏ và nhạy cảm đối
với điện tích tĩnh Vì những lý do đĩ Fe ít được dùng trong mach réi rac Ding Fet trong mạch tích hợp sẽ tiết kiệm được cơng suất cung cấp VÌ vậy trong mạch rời rac Fet chỉ được dùng khi yêu cầu trở kháng vào lớn và tạp âm nhỏ Bảng 1.12 tớm tắt
những ứng dụng cơ bản của ÈFe¿ Bảng 1.12 Dac diém Phạm v: ứng dụng
Tầng khuếch đại sơ bộ nối với micro điện dung Trở kháng vào lĩn Tầng khuếch dại sơ bộ trong camera hình
Tầng vào của các thiết bị đo Diện trở ra lớn Mạch hạn dịng (miền thắt) Mạch tạo dịng Diện dung ghép Khuếch đại cao tần khơng cĩ trung hịa hồi tiếp nhỏ Tạp âm nhỏ Khuếch đại điện áp nhỏ, đặc biệt đối với nguồn tín hiệu cĩ trở kháng trong 16n Đặc tuyến truyền Tầng trộn tần (giảm hài bậc cao) đạt bậc 2
1.4 Sơ lược phương pháp tính các mạng tuyến tính và phi tuyến
Giáo trình lý thuyết mạch đã nghiên cứu phương pháp tính các mạng tuyến tính và phi tuyến © day sé nhac lai một vài phương pháp phổ biến và các trường hợp dùng
cụ thể
Trang 24Để tính tốn các mạng tuyến tính thường dùng phương pháp điện áp nút Khi chủ cần tính dịng điện một nhánh của một mạng cĩ nhiều nguồn độc lập thì dùng phương pháp xếp chồng Với các mạng đối xứng (tầng khuếch đại vi sai, tầng khuếch đại @@y kéo) thì chỉ cần tính cho một vế của mạng Tổng hợp kết quả hai vế sẽ là kết quả của cả mạng Ngồi ra, để đơn giản quá trình tính, cịn áp dụng một số định lý cơ hàn nhự định lý Miller, định lý Tevenin và một số phép biến đổi khác
Để tính các hệ thống phi tuyến, thường dùng hai phương pháp : dùng chuỗi Taykeg cho trường hợp tín hiệu nhỏ và đường cong I = ƒ(⁄) là đường cong trơn ; dùng cầwếi Fourier cho trường hợp tín hiệu lớn va dudng cong J = f(u) là đường gấp khue (agile là đường cong liên tục được biểu diễn gần đúng bởi đường gấp khúc gồm nhiều đeạn
thẳng cĩ độ dốc khác nhau) Trong những trường hợp này phải lưu ý đến méo phi tuyệp
Độ méo phi tuyến *& được xác định theo biểu thức (1.57) +B, + = =— — 12 +), +, + 100% i ¬ Iw t oe (1.57)
trong đĩ, Iw ~bién d6 thanh phần cơ bản (hữu ich) ;
Inw,I,w — biên độ các hài bậc cao