Giáo trình mạch điện tử 1 ths nguyễn vũ thắng

Trong vài thập kỷ gần đây với sự ra đời của bộ khuếch đại thuật toán, các mạch tổhợp đã mở ra cho ngành kỹ thuật điện tử nhiều thành công mới.. Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ.h11I1I2 Đối

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đòi hỏi công nghệ luôn luôn phải vậnđộng để phù hợp với qúa trình phát triển đó Tuy nhiên những kiến thức cơ bản để tính toán

và phân tích cấu trúc của các mạch điện tử là hết sức cần thiết Để phục vụ cho quá trìnhhọc tập của sinh viên và làm tài liệu tham khảo, chúng tôi đã biên soạn cuốn giáo trìnhMạch điện tử 1, bao gồm tích hợp các nội dung kiến thức về lý thuyết và thực hành vềmạch điện tử tương tự để các bạn đọc tiện tham khảo Bên cạnh đó hầu hết sau mỗi chương

có các bài tập ứng dụng (được đề cập ở cuối giáo trình) để các bạn thuận tiện hơn trong quátrình học tập

Do thời gian biên soạn có hạn cũng như trình độ còn nhiều hạn chế rất mong được

sự đóng góp của các bạn đọc để những lần tái bản sau được hoàn chỉnh hơn

Chương I: KHÁI NIỆM CHUNG VÀ CƠ SỞ PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN TỬ 1.1 Khái niệm mạch điện tử và nhiệm vụ của nó.

Các mạch điện tử có nhiệm vụ gia công tín hiệu theo những thuật toán khác nhau

và được phân loại theo dạng tín hiệu cần được xử lý

Trong thực tế tín hiệu thường tồn tại dưới hai dạng cơ bản: tín hiệu tương tự(anolog) và tín hiệu số (digital) Tín hiệu tương tự là loại tín hiệu biến thiên liên tục theothời gian, còn tín hiệu số là loại tín hiệu đã được rời rạc hoá theo thời gian và lượng tửhoá về biên độ

Các tín hiệu (kể cả tín hiệu tương tự và tín hiệu số) đều có thể được: khuếch đại;điều chế; ghi nhớ; điều khiển; tách sóng; biến dạng và các mạch điện tử có nhiệm vụthực hiện các thuật toán trên Trong nội dung của cuốn giáo trình này chúng ta chỉ đề cậptới các mạch điện tử tương tự

Đối với tín hiệu tương tự người ta đặc biệt quan tâm tới tỷ số S/N Tín hiệu/Tạp âm) sao cho tỷ số này luôn lớn hơn 1 Để giải quyết vấn đề này người tathường quan tâm tới hai thông số chủ yếu là biên độ tín hiệu và độ khuếch đại tín hiệu

(Signal/Noise-Biên độ tín hiệu thể hiện độ chính xác của quá trình gia công tín hiệu, xác định độảnh hưởng của nhiễu tới hệ thống Khi biên độ tín hiệu nhỏ thì nhiễu có thể sẽ lấn át tínhiệu Vì vậy khi thiết kế hệ thống điện tử cần nâng biên độ ngay ở tầng đầu

Khuếch đại tín hiệu là chức năng quan trọng nhất của mạch tương tự, nó có thểthực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các phần tử của hệ thống

Trong vài thập kỷ gần đây với sự ra đời của bộ khuếch đại thuật toán, các mạch tổhợp đã mở ra cho ngành kỹ thuật điện tử nhiều thành công mới Chúng không những đảmbảo thoả mãn yêu cầu kỹ thuật mà còn có độ tin cậy rất cao và giá thành hạ Trong tươnglai các nhà thiết kế sẽ càng tạo ra các mạch điện tử tổ hợp trên chíp có các chức năngngày một hoàn hảo hơn Su hướng phát triển là giảm nhỏ kích thước bên trong của mạchtrong chế tạo bằng cách giảm số chủng loại, nhưng tăng tính phổ biến của mạch trongứng dụng hay tăng tính sử dụng của từng chủng loại

1.2 Đặc tính cơ bản và các tham số của diode (Tính dẫn điện, chỉnh lưu, ổn áp, đặc tuyến Vol - Ampe).

Diode bán dẫn là phần tử một mặt ghép pn Về cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Đặc tuyến Vol-Ampe của diode được thể hiện trên hình 1.1

Đường đặc tuyến Vol-Ampe của diode được chia làm ba vùng rõ rệt:

- Vùng 1 gọi là vùng phân cực thuận, dòng điện IAK phụ thuộc vào điện áp phân cực thuận UAK Giá trị của dòng IAK rất lớn đó chính là sự khuếch tán có hướng của các hạt đa số qua chuyển tiếp pn.

Ứng dụng của vùng 1 để làm các diode chỉnh lưu điện áp, dòng điện

- Vùng 2 gọi là vùng phân cực ngược Giá trị của dòng IAK tăng rất nhỏ cho dù điện áp UAK tăng một lượng khá lớn Sở dĩ dòng IAK tăng chậm như vậy là do sự chuyển động của các hạt thiểu số qua chuyển tiếp pn.

Ứng dụng của vùng 2 để làm các mạch chỉnh lưu điện áp, các mạch ghim điệnáp

- Vùng 3 gọi là vùng đánh thủng tương ứng khi tăng điện áp phân cực ngược cho

diode tới một giá trị ngưỡng nào đó (UAKng) mà ở đó diện tích không gian của tiếp ráp pn

có thể chiếm toàn bộ cả hai vùng bán dẫn p và n Nếu tăng điện áp phân cực ngược vượt quá giá trị điện áp ngưỡng thì tiếp ráp pn bị đánh thủng hoàn toàn theo hiệu ứng thác lũ, cấu trúc một tiếp ráp pn của điốt không còn tồn tại.

Ứng dụng của vùng 3 để làm các phần tử ổn áp (diode zener)

(1)

0

(3)

Đường lý tưởngĐường thực tế

1.3 Đặc tính và các tham số cơ bản của transistor lưỡng cực (BJT)

1.3.1 Đặc tính tĩnh và các phương trình cơ bản.

Có hai loại transistor là npn và pnp mà cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng

đã được nghiên cứu trong chương trình môn điện tử căn bản hoặc linh kiện điện tử Phầnnày chỉ nhắc lại một số vấn đề cơ bản của chúng

Từ quá trình hoạt động của BJT người ta đưa ra các họ đặc tuyến quan trọngcủa chúng

- Họ đặc tuyến vào: IB = f(UBE) khi giữ các tham số đầu ra cố định.

- Họ đặc tuyến đầu ra: IC = f(UCE) khi giữ các tham số đầu vào cố định.

- Họ đặc tuyến truyền đạt: IC = f(IB) khi giữ các tham số đầu ra cố định.

Các BJT này có thể mắc theo emitter chung (EC), base chung (BC), collectorchung (CC) Trong ba cách mắc trên thì cách mắc EC được ứng dụng rộng rãi nhất, vìvậy trong quá trình khảo sát đặc biệt quan tâm đến cách mắc này

Để điều khiển BJT có thể dùng dòng emitter IE hoặc dòng base IB.

Nếu dùng dòng IE để điều khiển thì hệ số khuếch đại của BJT được tính theo

I

B 

Trong đó BN là hệ số KĐ dòng một chiều trong cách mắc EC và BN >>1 Vì IE = IB +

IC, nên giữa BN và AN có các mối qua hệ sau:

N

N N

N N N

N N

B

A B

B A A

A B

; 1

; 1

1.3.2 Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ.

h11I1I2

Đối với tín hiệu nhỏ thì BJT được coi là mạng bốn cực tuyến tính, nên có thể dùng

hệ phương trình của mạng bốn cực (M4C) tuyến tính để biểu diễn giữa các dòng điện,điện áp vào và ra của BJT Trong các hệ phương trình của M4C, để mô tả cho BJTthường hệ phương trình tham số h và hệ phương trình dẫn nạp tham số Y

Hệ phương trình tham số h và hệ phương trình dẫn nạp tham số Y của một M4C

có dạng sau

) 3 1 ( 2

22 1 21 2 2 12 1 11 1

) 4 1 ( 2

22 1 21 2 2 12 1 11 1

Các tham số hij và Yij của các hệ phương trình 1.3 và 1.4 được xác định theobảng sau





U I

U h

0 1

2

1 12





I U

U h

0 2

1

2 21





U I

I h

0 1

2

2 22





I U

I h

2

1

1 11





U U

I Y

0 1

2

1 12





U U

I Y

0 2

1

2 21





U U

I Y

0 1

2

2 22





U U

I Y

1.4 Đặc tính cơ bản và các tham số của transistor hiệu ứng trường (FET).

1.4.1 Phân loại và các đặc tính cơ bản.

Để thuận tiện cho việc nghiên cứu và ghi nhớ chúng ta có thể phân loại FET (FieldEffect Transistor) theo đồ hình 1.3

Theo sơ đồ phân loại hình 1.3 ta thấy có 6 loại transistor hiệu ứng trường (FET)

Ký hiệu và đặc tuyến của chúng được chỉ ra trong bảng 1.2

Nếu đặt vào cực cửa G (Gate) và cực nguồn S (Source) một tín hiệu, làm điện áp

điện cực máng ID thay đổi theo Vậy FET là một dụng cụ khống chế điện áp Trong thực

tế, có nhiều FET đối xứng, nghĩa là có thể đổi lẫn cực máng và cực nguồn mà tính chấtcủa FET không đổi

- Trong JFET, cực cửa G nối với kênh máng-nguồn qua mặt ghép pn hoặc np Khi đặt điện áp phân cực UGS đúng chiều quy ước (bảng 1.2) thì diode mặt ghép ngắt, ngược lại nếu đổi chiều UGS thì diode mặt ghép thông, do đó dòng cực cửa IG khác không.

- Với MOSFET thì cực cửa G và kênh máng-nguồn được cách ly bởi một lớp

SiO2, do đó dòng cực cửa IG luôn luôn bằng không

(FET chuyển tiếp pn) JFET FET có cấu trúc kim loại-điện

môi- bán dẫn (MOSFET)

S

D G

Bảng 1.2: Ký hiệu và các họ đặc tuyến của FET

MOSFET kênh

cảm ứng

D G

Khi làm việc, dòng cực cửa IG của JFET cỡ 1 pA đến 10 nA, còn dòng cửa của

MOSFET nhỏ hơn JFET cỡ 10-3 lần Vì vậy điện trở trong của JFET nằm trong khoảng

1010 1013  và của MOSFET cỡ khoảng 1013 1015 

Trong các FET kênh n, dòng điện cực máng ID giảm (về trị tuyệt đối) khi điện thế

cực cửa giảm, còn trong FET kênh p thì ngược lại Để đơn giản, sau đây ta chỉ xét FET

kênh n Trường hợp FET kênh p thì chỉ việc đảo chiều điện áp cung cấp (xem bảng 1.2).

Nếu trong mạch có diode hoặc tụ hóa thì cũng phải đảo chiều mắc các linh kiện này

ID

0 U p

IDSS

P GS

Hình 1.4 Các miền làm việc của FET

JFET và MOSFET kênh đặt sẵn có dòng cực máng ID lớn khi điện áp UGS = 0, vì

thế các loại FET này còn có tên chung là FET tự dẫn Ngược lại với MOSFET có dòng

cực máng ID = 0 khi điện áp UGS = 0 gọi là FET tự ngắt.

Trên đặc tuyến ra của FET hình 1.4 ta thấy khi UDS tăng quá lớn thì dòng cực máng ID tăng đột biến, khi đó xảy ra hiện tượng đánh thủng Điện áp đánh thủng cỡ 20

50 V và được xác định theo biểu thức (1.5)

- Miền triốt có đặc điểm là điện áp máng UDS nhỏ và không có hiện tượng thắt

- Miền thắt, ứng với trường hợp UDSTo > UDS > (UGS - Up).

Biểu thức gần đúng biểu diễn quan hệ giữa điện áp máng với các điện áp các cựctrong hai miền nói trên được thể hiện trong bảng 1.3

Bảng 1.3

Loại

FET

Biểu thức toán học biểu diễn đặc tuyến Vol - Ampe của FET

(

2

DS DS P GS P

DSS D

U U U U U

I I

(1.6)

).(

)1

2 2

P

DSP DSS P

GS DSS

U I U

U I

GS D P

D

D GS DS P

D

DS D

U U

U U U

U

U U U U

U

U I I

(

2

DS DS P GS P

DSS D

U U U U U

I I

(1.9)

Khi sử dụng FET, đặc biệt là MOSFET cần phải quan tâm đến điện áp cho phép

cực đại UGSmax và UGDmax Trong thực tế để bảo vệ cho MOSFET người ta thực hiện mắc giữa đầu G và đầu S một diode zener mà điện áp zener của nó lớn hơn điện áp nguồn cung cấp, sao cho diode đạt hiệu ứng zener khi UGS = UGsmax Tuy nhiên diode zener sẽ

làm giảm điện trở vào của MOSFET

Điện áp tạp âm của FET thường nhỏ hơn điện áp tạp âm của transistor lưỡngcực nhiều Điện áp tạp âm của MOSFET ở tần số thấp lớn hơn điện áp tạp âm củaJFET từ 10 đến 1000 lần Vì vậy MOSFET chỉ thích hợp cho những sơ đồ ít tạp âm ởtần số cao Ở tần số thấp chỉ dùng MOSFET khi yêu cầu điện trở vào lớn mà JFETkhông thể thỏa mãn được

1.4.2 Sơ đồ tương và tần số giới hạn.

Khi mắc FET với sơ đồ SC, ta có phương trình biểu diễn quan hệ giữa dòng điện

ra tức thời và điện áp các cực như sau:

iD = f(uGS, uDS) (1.10)

Vi phân toàn phần biểu thức 1.10 ta được:

) 11 1 (

DS

D GS GS

D

u

i u u

iD = gm.uGS + gds.uDS (1.12)

Trong đó:

) 13 1 (

u

i u u

i

GS

D GS u

DS

D DS u DS

D

u

i u u

+

SS

G

ds ds r

Ở tần số cao, người ta dùng sơ đồ tương đương hình 1.6, trong đó Cgs và Cgd là điện dung cửa-nguồn và điện dung cửa-máng kể cả điện dung phân bố; Cds là điện dung mặt ghép pn của máng và kênh hoặc nguồn và kênh Các điện dẫn gm và gds xác định theo

các biểu thức (1.13) và (1.14)

Hình 1.6 Sơ đồ tương đương tần số cao của FET

D

GS

m U g

DS U

GS U

+

SS

G I G Cgd

Cgs Cds

D I

yt = gt + jωCt

ds ds r

Để đặc trưng cho tính chất của FET ở tần số cao, dùng tần số giới hạn fg Tại tần số

fg hệ số khuếch đại điện áp Ku của FET giảm 2 lần so với hệ số khuếch đại ở tần số

thấp Kuo.

1.4.3 Đặc điểm của FET so với BJT và đèn điện tử, ứng dụng của FET.

So với đèn điện tử thì FET có những ưu điểm giống như transistor lưỡng cực nhưkích thước nhỏ, điện áp cung cấp nhỏ, công suất cung cấp nhỏ (vì không có sợi đốt), độtin cậy cao So với transistor lưỡng cực, FET có những ưu điểm đặc biệt là không yêu cầudòng vào (trở kháng vào lớn) nhưng nó lại có đặc điểm là độ dốc gm nhỏ và nhạy cảm đốivới điện tích tĩnh Vì những lý do đó FET ít được dùng trong mạch rời rạc Dùng FETtrong mạch tích hợp sẽ tiết kiệm được công suất cung cấp Vì vậy trong mạch rời rạc FETchỉ được dùng khi yêu cầu trở kháng vào lớn và tạp âm nhỏ Bảng 1.5 tóm tắt những ứngdụng cơ bản của FET

Điện trở ra lớn (miền thắt) Mạch hạn dòng

Mạch dao độngĐiện dung ghép hồi tiếp nhỏ Khuếch đại cao tần không có trung hòa

Tạp âm nhỏ Khuếch đại điện áp nhỏ, đặc biệt đồi với nguồn tín

hiệu có trở kháng trong lớnĐặc tuyến truyền đạt bậc hai Tầng trộn tần (giảm hài bậc cao)

Chương II: MẠCH PHÂN CỰC VÀ KHUẾCH ÐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG BJT

IB

IC++

-Hình 2.1

Phương pháp chung để phân tích mạch phân cực gồm ba bước:

- Bước 1: Dùng mạch điện đầu vào để xác định dòng điện đầu vào (IB hoặc IE).

- Bước 2: Suy ra dòng điện đầu ra từ các quan hệ giữa các đại lượng IC = bIB; IC = aIE

- Bước 3: Dùng mạch điện đầu ra để tìm các thông số còn lại (điện áp tại các chân,

giữa các chân của BJT )

Áp dụng vào mạch điện hình 2.1:

BE cc B R

U E

Với UBE = 0,7 V nếu BJT là Si và UBE = 0,3 V nếu BJT là Ge

Từ đó suy ra: IC = bIB

- Xét mạch điện đầu ra của bộ khuếch đại ta có;

Ecc = IC.RC + UCE hay UCE = Ecc – RC.IC (2.2)Biểu thức (2.2) chính là phương trình đường tải tĩnh của bộ khuếch đại

* Sự làm việc bão hòa của BJT:

Sự liên hệ giữa các dòng điện IC và IB sẽ quyết định BJT có hoạt động trong vùng

tuyến tính hay không Ðể BJT hoạt động thì tiếp ráp B-C (Jc) phải phân cực ngược ỞBJT npn và cụ thể ở hình 2.1 ta phải có:

UC > UB = UBE ít nhất là vài vol.

Mà UC = Ecc – Rc.IC = UCE > UBE = 0,7 V

Từ đó suy ra: 7, ( .2 )3

C

CC C R

V E

Nếu

C

CC C

R

V E

I   0,7 thì BJT sẽ đi dần vào hoạt động trong vùng bão hòa Từ điều

kiện này và liên hệ IC = bIB ta tìm được trị số tối đa của IB, từ đó chọn RB sao cho thích hợp Nếu IC 

C

CC R

E

hay UCE  0 (thực ra chỉ khoảng 0,2 V) thì UC < UB, tiếp ráp B-C phân

cực thuận, BJT hoàn toàn nằm trong vùng bão hòa và dòng điện:

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 Xem hình 2.2

Ecc

UCEUBE

IB

IC

Hình 2.2

REIE

- Ở mạch điện đầu vào ta có: Ecc = RB.IB + UBE + RE.IE

Thay IE = (1+b).IB

1 β (25.)

-E B

BE CC

B

R R

U E

I







Từ biểu thức 2.5 suy ra dòng điện IC từ liên hệ: IC = bIB

- Ở mạch điện đầu ra ta có: ECC = RC.IC + UCE + RE.IE

* Sự bão hòa của BJT:

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

collector và cực emitter ta tìm được dòng điện cực collector bão hòa ICbh

)7 2 (

E B

CC Cbh R R

E I





Ta thấy khi thêm RE vào, ICbh nhỏ hơn trong trường hợp phân cực cố định, tức BJT

dễ bão hòa hơn

2.3 Phân cực bằng cầu chia điện áp.

Mạch cơ bản có dạng hình 2.3 Dùng định lý Thevenin biến đổi thành mạch hình 2.3b

//

2 1 2

2 1

2 1 2 1

R R

R E U

R R

R R R R R

CC BB BB

- Ở mạch điện đầu vào (mạch B-E) ta có:

UBB = RBBIB + UBE + REIE

Thay: IE = (1+b)IB

)1

BB

BE BB B

R R

U U I

Từ đó suy ra IC từ liên hệ: IC = bIB

- Ở mạch điện đầu ra (mạch C-E) ta có:

UCE = ECC - ICRC - REIE Vì IC  IE nên: UCE = ECC - (RC + RE) IC (2.11)

Ngoài ra: UC = ECC - RCIC

UB = UBB - RB.IB

UE = RE.IE  RE.IC

* Sự bão hòa của BJT: Tương tự như trước ta có: ICbh =

E BB

cc R R

E



Cách phân tích gần đúng:

Trong cách phân cực này, trong một số điều kiện, ta có thể dùng phương pháp tính

gần đúng Ðể ý là điện trở đầu vào của BJT nhìn từ phía cực bazơ B khi có RE là:

IE = (1+b)IBRE

UBB-

Ecc

IBI2

I1

Hình 2.4

R2R1

Ta thấy, nếu xem nội trở của nguồn UBE không đáng kể so với (1+b)RE thì Ri=(1+b)RE Nếu Ri>>R2 thì dòng IB << I2 nên I1  I2, nghĩa là R2//Ri  R2 Do đó điện áp

tại chân B có thể được tính một cách gần đúng:

2 1

2

R R

R E

Trong cách tính phân cực này, ta thấy không có sự hiện diện của hệ số b Ðiểm làm

việc tĩnh Q được xác định bởi IC và UCE hoàn toàn độc lập với b Ðây là một ưu điểm của mạch phân cực với điện trở cực emitơ RE vì hệ số b rất nhạy đối với nhiệt độ mặc dù khi

có RE độ khuếch đại của BJT có suy giảm Vì vậy điện trở RE còn gọi là điện trở hồi tiếp

và ổn định nhiệt cho bộ khuếch đại

2.4 Phân cực bằng hồi tiếp điện áp.

Ðây cũng là cách phân cực cải thiện độ ổn định cho hoạt động của BJT (hình 2.5)

- Xét mạch điện đầu vào của bộ khuếch đại

) 12 2 ( )

)(

1(

-E C B

BE CC B

R R R

U E I

+ Ecc

ICI

2.5 Một số dạng mạch phân cực khác.

Mạch phân cực bằng cầu chia điện áp và hồi tiếp điện áp rất thông dụng Ngoài

ra tùy trường hợp người ta còn có thể phân cực BJT theo các dạng sau đây thông quacác bài tập áp dụng

2.6 Thiết kế mạch phân cực.

Khi thiết kế mạch phân cực, người ta thường dùng các định luật căn bản về mạchđiện như định luật Ohm, định luật Kirchoff, định lý Thevenin , để từ các thông số đãbiết tìm ra các thông số chưa biết của mạch điện Sau đây là một vài thí dụ mô tả côngviệc thiết kế

2.6.1 Thí dụ 1: Cho mạch phân cực với đặc tuyến đầu ra của BJT như hình 2.9 Xác

A R

V V

R

U E I B

B B

BE CC B

5 , 482

40 7

, 0 20

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 sẽ làm giảm UCE (làm giảm độ khuếch đại của transistor) Nhưng nếu R E quá nhỏ thì độ ổn định

của bộ khuếch đại sẽ kém Bằng thực nghiệm người ta thường chọn UE bằng khoảng 1/10 giá trị nguồn cung cấp ECC.

U U E R

mA I

I

k I

U U E R

k I

U I

U R

V E

U

B

E BE CC B

C B

C

E CE CC C

C

E E

E E

CC E

3 , 1

10 33 , 13

4 1

2 10

1

3 b

U U

k mA

V I

U U E R

k I

U R V

V U

E BE B

C

E CE CC C

C

E E CC

E

7 , 2

4 2

8

1 2

10 1

R U

k

2 1

2.7 BJT hoạt động như một chuyển mạch.

BJT không những chỉ được sử dụng trong các mạch điện tử thông thường nhưkhuếch đại tín hiệu, dao động mà còn có thể được dùng như một chuyển mạch điện tử(Switch) Hình 2.12 là mô hình căn bản của một mạch đảo (inverter)

t 1 0

u v

5V

t

t 1 0

u c 5V

0V

Ta thấy điện áp đầu ra của UC là đảo pha đối với điện áp tín hiệu đưa vào cực base

của BJT (đầu vào) Lưu ý là ở đây không có điện áp 1 chiều phân cực cho cực base màchỉ có điện áp 1 chiều đưa vào cực collector của BJT

Mạch đảo pha phải được thiết kế sao cho điểm làm việc tĩnh Q di chuyển từ trạng tháikhông dẫn (không hoạt động) sang trạng thái bão hòa và ngược lại khi điện áp tác động của

tín hiệu đầu vào thay đổi trạng thái (thay đổi cực tính) Ðiều này có nghĩa là IC = I CE0  0

mA (đây chính là dòng điện ngược collector do các hạt dẫn thiểu số chuyển động bên trong

BJT), khi IB = 0 mA và UCE = UCEbh = 0 V khi IC = ICbh (thật ra UCEbh thay đổi khoảng từ 0,1

V đến 0,3 V)

- Ở hình 2.12, Khi Ui = 5 V, BJT dẫn và phải thiết kế sao cho BJT dẫn bão hòa.

Dòng điện ICbh được định nghĩa:

C

CC Cbh

A R

U u I

B

BE v

Nên thỏa mãn để BJT hoạt động trong vùng bão hòa

- Khi Uv = 0 V, IB = 0 A, BJT không dẫn và IC = ICEO  0 mA; điện áp giảm qua

0

mA

V I

U R

Cbh

CEbh CE

ICbhUCEbh +-



C

ERCE

Hình 2.13Nếu coi UCEbh có trị trung bình khoảng 0,15V ta có:





1 , 6

15 , 0

mA

V

R CE

Như vậy ta có thể coi RCE  0  khi nó được mắc nối tiếp với điện trở hàng k

- Khi Uv = 0 V, BJT ngưng, điện trở tương đương giữa 2 cực C-E được ký hiệu là Rcut-off

CE off

cut

I

E U

U R

ICE0UCE  ECC +

uct

E R

mA R

E I

Cbh

CC C C

CC C

1 10

R R

U U

I

B

v B B

BE v

Chọn IB = 150 k (Giá trị tiêu chuẩn), vậy A I A

k

U U

Trong thực tế, BJT không thể chuyển tức thời từ trạng thái ngưng sang trạng tháidẫn hay ngược lại mà phải mất một thời gian Ðiều này là do tác dụng của điện dung ở 2tiếp ráp của BJT.

Ta xem hoạt động của BJT trong một chu kỳ của tín hiệu (hình 2.16)

-Khi chuyển từ trạng thái không dẫn sang trạng thái dẫn, BJT phải mất mộtthời gian là:

ton = td + tr (2.14)

td: Thời gian từ khi có tín hiệu vào đến khi dòng điện IC tăng được 10% giá trị cực đại

tr: Thời gian để dòng điện IC tăng từ 10% đến 90% giá trị cực đại

- Khi chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái không dẫn, BJT phải mất một thời gian là:

So sánh với 1 BJT đặc biệt có chuyển mạch nhanh như BSV 52L ta thấy: ton = 12 ns;toff = 18 ns Các BJT này được gọi là transistor chuyển mạch (switching transistor)

2.8 Tính khuếch đại của BJT.

Xem mạch điện hình 2.17

+Ecc

UCEUBE

IB

IC

Hình 2.17

REIE

EUv

UrC1

C2

Giả sử ta đưa một tín hiệu xoay chiều có dạng sin, biên độ nhỏ vào chân B của

BJT như hình vẽ Ðiện áp ở chân B ngoài thành phần phân cực UB còn có thành phần

xoay chiều của tín hiệu uv(t) chồng lên

uB(t) = UB + u i(t) Các tụ C1 và C2 ở đầu vào và đầu ra được chọn như thế nào để có thể xem như nốitắt - dung kháng rất nhỏ - ở tần số của tín hiệu Như vậy tác dụng của các tụ ghép nốitầng C1, C2 là cho thành phần xoay chiều của tín hiệu đi qua và ngăn thành phần phân cựcmột chiều

Khi uB(t) > UB là nửa chu kỳ dương của tín hiệu vào, làm điện áp UBE tăng và dòng điện IB tăng theo Do IC = bIB nên dòng điện IC cũng tăng Do vậy điện áp tại cực collector uc(t) = ECC - RC.ic(t) giảm hơn trị số của điện áp tĩnh UC.

- Khi uB(t) < UB là nửa chu kỳ âm của tín hiệu vào, dòng điện IB giảm kéo theo dòng IC giảm và uC(t) tăng.

Như vậy ở mạch trên ta có thể thấy điện áp uc(t) biến thiên ngược chiều (ngượcpha) với điện áp vào uB(t) Hay điện áp tại đầu ra ur(t) biến thiên ngược pha với điện ápvào uv(t) Người ta xác định được tỷ số A u u ((t t))

v

r

U  gọi là hệ số khuếch đại điện áp

Chìa khóa để phân tích và xác định các thông số của mạch là dựa vào sơ đồ tươngđương xoay chiều của mạch Xét về thành phần tín hiệu xoay chiều thì các tụ điện C1, C2,

CE coi như nối tắt Hình 2.19 là sơ đồ đương xoay chiều của mạch hình 2.17 Chú ý lànguồn điện áp một chiều cũng coi như nối tắt vì khi xét về thành phần xoay chiều thì vaitrò giữa âm nguồn và dương nguồn là như nhau Người ta định nghĩa các thông số chínhcủa mạch là:

- Hệ số khuếch đại điện áp:

v u u

u

- Tổng trở đầu ra:

r r i

Về BJT, người ta thường dùng mạch tương đương kiểu mẫu re hay mạch tươngđương theo thông số h Hình 2.20 mô tả 2 loại mạch tương đương này ở 2 dạng đơn giản

và đầy đủ

* Dạng đầy đủ

Hình 2.20Các liên hệ cần chú ý:

;

; 26 26

e

h r h

h r I

mV I

mV r

Do đó nguồn phụ thuộc bib có thể thay thế bằng nguồn gm.vbe

2.9 Mạch khuếch đại cực Emitter chung (EC).

2.9.1 Mạch khuếch đại cực EC với kiểu phân cực cố định và ổn định cực emitơ.

Mạch cơ bản như hình 2.21 và mạch tương đương xoay chiều như hình 2.22

iv

Hình 2.22

RCRB

+ Ecc

ir

REIE



C2

urC1

I

mV

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

* Hệ số khuếch đại điện áp:

v

r u u

u

A 

Ta có: u r   b i b.R C

b E b

e

C v

r u

R r

R u

u A

bb

C u R r

R A

R

A 



* Tổng trở vào:

v

v v i

e b

v

i

i R i

r i

i

A 

C

v v

r i v

v v C

r r

R

Z u

u A Z

u i R

Z A

A 

* Tổng trở ra:

r

r r i

ur

ib

~

Hình 2.23uv=0

Khi uv = 0  ib = 0  bib = 0 (tương đương mạch hở) nên

) 31 2

C r

r

i u

+ Ecc

RE

C2urC1

uv

RCRB

+ Ecc

C2urC1

) 34 2 (

) 33 2 ( //

i

) 32 2 ( u

v v v r

C

v u i

C r

e B v

e

C U

R

Z A A

R Z

r R

u Z

r

R u A

Thật ra các kết quả trên có thể suy ra từ các kết quả hình 2.22 khi cho RE = 0

2.9.2 Mạch khuếch đại EC với kiểu phân cực bằng cầu chia điện áp và ổn định cực

emitter.

Ðây là dạng mạch rất thông dụng do có độ ổn định tốt Mạch cơ bản như hình 2.27

và mạch tương đương xoay chiều như hình 2.28

So sánh hình 2.28 với hình 2.22 ta thấy hoàn toàn giống nhau nếu thay RB = R1//R2

nên ta có thể suy ra các kết quả:

) 36 2 (

E

C E e

C u

R

R R r

) 38 2 (

C

v u i

C r

R

Z A A

R Z







(hình 2.29) hoặc nối thẳng cực emitter E xuống mass (hình 2.30) thì trong mạch tươngđương cũng không còn sự hiện diện của RE

uv

urC1

C2

uv

Hình 2.30

) 41 2 ( //

) 42 2 (

C

v u i

C r

R

Z A A

R Z







2.9.3 Mạch khuếch đại EC phân cực bằng hồi tiếp điện áp và ổn định cực emitter E.

Mạch tổng quát như hình 2.31 và mạch tương đương xoay chiều được vẽ ở hình 2.32

C v

r u

R

R R r

R u

R

u u i i i

v E e r

E

r i

R r

b

Thay ur = Au.uv vào ta được:

)1.(

).(

1

).(

)1.(

).(

1.)

1.(

).(

)

.(

).(

).(

)

.(

u B

E e

E e v

v v

u B

E e v

v u B

E e v

v E e

B

v E e v

u B

E e v

E e v

A R

R r

R r i

u Z

A R

R r u

u A R

R r u

i R r

R

u R r u

A R

R r i

R r u

bb

b

bb

b

Nếu RE >> re thì 1 . .(1 )

u B

E

E v

A R

R

R Z





bb

Do Au <0  1-Au = 1+|A|  |Au|

) 45 2 (

.

.

u E B

B E v

A R R

R R Z

:

.

;

;

C

v u i

C

v v

r v

v C

r v

r i v

v v C

r r v

r

i

R

Z A A

Hay

R

Z u

u u

Z R

u i

i A Z

u i R

u i i

vào cực E của BJT hoặc mắc thẳng cực E xuống mass thì các thông số của mạch được

suy ra khi cho RE = 0

C

i u i B

C

r

u B e e

u B e

e v

e

C u

R

Z A A R

R

Z

A R r

r A

R r

r Z

r

R

A

.//

.1

.)

1.(

.1

b

* Tổng trở vào Zv.

b

b E b

e b

v

i

i R i

r i

u

) 48 2 (

//

) (

B v

.)

1(

.)

E b E b

e

b E v

r

R i R i

r

i R u

u

A

bb

b

* Tổng trở ra Zr

Nối tắt đầu vào (uv = 0), áp một điện áp ur ở đầu ra

Hình 2.35Zv

Biv

CRB

Zb

+ -

r

R

u i i R

u

e E

r e E

r r e

r

r R

u r R

u i r

u

b

bb

) 50 2 ( //

1 1 1

E e r e E r

r r

R r Z r R u

i



)51.2(

C

v u v v C r

v

r

Z A Z u R u i

- Mạch khuếch đại CC cũng có thể được phân cực bằng cầu chia điện áp như hình

2.36 Các công thức trên thì việc phân tích mạch trên vẫn đúng, chỉ cần thay RB = R1//R2

- Mạch cũng có thể được mắc thêm một điện trở RC như hình 2.37 Các công thức trên vẫn đúng khi thay RB = R1//R2 Tổng trở vào Zv và tổng trở ra Zr không thay đổi vì RC không làm ảnh hưởng đến cực B và cực E RC đưa vào chỉ làm ảnh hưởng đến việc xác

định điểm làm việc tĩnh của mạch

2.11 Mạch khuếch đại cực Base chung (BC).

Dạng mạch thông dụng và mạch tương đương xoay chiều được thể hiện trên hình 2.38

.

) 54 2 (

.

.

) 53 2 (

) 52 2 ( //

C C

v i v v C r

C e

e

C e v

v

R

r r

R R

Z A Z u R u i

i

A

r

R r

R i

r

R i u

Z

aa

Chương III: MẠCH PHÂN CỰC VÀ KHUẾCH ÐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG FET

3.1 Phân cực JFET và MOSFET điều khiển theo kiểu nghèo động tử.

Vì khi điều khiển theo kiểu nghèo động tử, 2 loại FET này đều hoạt động ở điện ápcực máng D dương so với cực nguồn S và điện áp cực cửa G âm hơn so với cực nguồn S

(thí dụ ở kênh n), nên có cùng cách phân cực Ðể tiện việc phân tích, ở đây ta khảo sát trên JFET kênh n Việc DE-MOSFET điều khiển theo kiểu giầu động tử (điện áp cực cửa

G dương so với điện áp cực nguồn S) sẽ được phân tích ở phần sau của chương này

3.1.1 Phân cực cố định.

Dạng mạch như hình 3.1

Ta có: IG = 0; VGS = - RGIG - VGG

Thay VGS vào phương trình Schockley

2 ) (

V I

I

GS

GS DSS

Ðây là dạng phân cực thông dụng nhất cho JFET Trong kiểu phân cực này ta chỉ

dùng một nguồn điện một chiều VDD và có thêm một điện trở RS mắc ở cực nguồn như

hình 3.3

Vì IG = 0 nên VG = 0 và ID = IS

 VGS = VG - VS = -RSID (3.3) Ðây là phương trình đường tải

Trong trường hợp này VGS là một hàm số của dòng điện cực máng ID và không cố

định như trong mạch phân cực cố định

- Thay VGS vào phương trình schockley ta tìm được dòng điện cực máng ID như sau:

- Dòng ID cũng có thể được xác định bằng điểm làm việc tĩnh Q Ðó là giao điểm

của đường tải với đặc tuyến ra truyền đạt

Mạch điện đầu ra ta có:

VDS = VDD - RDID - RSIS = VDD - (RD + RS)ID (3.5) Ðây là phương trình đường đường tải

Ngoài ra: VS = RSID ; VG = 0; VD = VDD - RDID

3.1.3 Phân cực bằng cầu chia điện áp.

Dạng mạch như hình 3.5

Ta có: VGS = VG - VS

Do IG = 0 nên ( 3 6 )

2 1

2

R R

R V

Ðây là phương trình đường tải

Do JFET điều khiển theo kiểu nghèo động tử nên phải chọn R1, R2 và RS sao cho VGS< 0 Hay

D S S DD

R R

R V

2 1

IDQ và VGSQ chính là tọa độ giao điểm của đường tải và họ đặc tuyến truyền đạt Ta

thấy khi RS tăng, đường tải sẽ giảm độ dốc (nằm ngang hơn), tức VGS âm hơn và dòng ID

nhỏ hơn Từ điểm làm việc Q, ta xác định được VGSQ và IDQ Mặt khác:

Ðể điều khiển theo kiểu giầu động tử, ta phải phân cực sao cho VGS >0 nên ID

>IDSS, do đó ta phải chú ý đến dòng điện cực máng cực đại IDmax mà DE-MOSFET có thể

Ðây là dạng mạch phân cực thông dụng nhất Nên chú ý là do điều khiển theo kiểu

giầu động tử nên không thể dùng cách phân cực tự phân cực Các điện trở R1, R2, RS phải được chọn sao cho VG>VS tức VGS >0 Thí dụ ta xem mạch phân cực hình 3.7.

- Ðặc tuyến truyền đạt được xác định bởi:

IDSS = 6 mA VGS(off) = -3 V

- Ðường tải được xác định bởi phương trình:

VGS = VG - RSID

Vậy VGS(off) = 1,5 V - ID mA 0,15 k

Từ đồ thị hình 3.8 ta suy ra:

IDQ = 7,6 mA VGSQ = 0,35 V VDS = VDD - (RS+RD)ID = 3,18 V

3.2.2 Phân cực bằng hồi tiếp điện áp

Mạch cơ bản hình 3.9

- Ðặc tuyến truyền đạt giống như trên.

- Ðường tải được xác định bởi phương trình:

Hệ số k được xác định từ các thông số của nhà sản xuất Thường nhà sản xuất cho

biết VGS(th) và một dòng ID(on) tương ứng với một điện áp VGS(on).

Suy ra:

Ðể xác định và vẽ đặc tuyến truyền đạt người ta xác định thêm 2 điểm: một điểm

ứng với VGS <VGS(on) và một điểm ứng với VGS >VGS(on)