Bài giảng kỹ thuật điện tử chương 3 lý chí thông

19-Feb-11 Chương TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (Bipolar Junction Transistor-BJT) 3.1 Giới thiệu BJT loại linh kiện bán dẫn cực có khả khuếch đại tín hiệu hoạt động khóa đóng mở, thông dụng ngành điện tử Cấu tạo hình dáng E n+ p C n E: Emitter B C: Collector B: Base E p+ n C p Hình dáng BJT B Ký hiệu BJT E n+ p n C E C C B B B E BJT loại NPN C E p+ n p B C E C B BJT loại PNP B E 19-Feb-11 Chế độ làm việc BJT Tùy theo cách phân cực cho transistor mà transistor có chế độ làm việc khác Transistor có chế độ làm việc bản: Chế độ khuếch đại: JE phân cực thuận JC phân cực ngược - JE: tiếp xúc PN cực phát (E) cực (B) - JC: tiếp xúc PN cực thu (C) cực (B) Chế độ khóa (hay đóng mở): chuyển tiếp JE JC phân cực ngược Chế độ dẫn bảo hòa: chuyển tiếp JE JC phân cực thuận * Chế độ khuếch đại Qui ước dòng BJT IE IC IE IB VEE NPN IC IB VCC VCC PNP VCC Theo định luật Kirchhoff: IE = IC + IB IC = IC (INJ) + ICBO I α = C (INJ ) Định nghĩa thông số α : IE Vì ICBO nhỏ, bỏ qua : α≈ ⇒ IC = α IE + ICBO IC IE 19-Feb-11 Ví dụ Dòng cực phát transistor NPN 8.4 mA Nếu hạt dẫn bị tái hợp miền dòng rò 0.8% Tìm: a Dòng base IB b Dòng collector IC c Giá trị xác α giá trị xấp xỉ α bỏ qua dòng rò Hướng dẫn a IB = 0.8 % IE b IC = IE - IB c IC (INJ) = IC – ICBO ⇒ α = IC (INJ) / IE Nếu bỏ qua ICBO: α = IC / IE 3.3 Ba sơ đồ BJT 3.3.1 Mạch B chung (Common Base – CB) Cực B cực chung cho mạch vào - Dòng điện ngõ vào dòng IE - Dòng ngõ dòng IC IE E - Điện áp ngõ vào VEB - Điện áp ngõ VCB C IC vi RL B • Mạch CB đơn giản hóa 19-Feb-11 3.3.2 Mạch E chung (Common Emitter – CE) Cực E cực chung cho mạch vào - Dòng điện ngõ vào dòng IB - Dòng ngõ dòng IC - Điện áp ngõ vào VBE IB - Điện áp ngõ VCE IC C B RL vi IE • E Mạch CE đơn giản hóa 3.3.3 Mạch C chung (Common Colletor – CC) Cực C cực chung cho mạch vào - Dòng điện ngõ vào dòng IB - Dòng ngõ dòng IE - Điện áp ngõ vào VBC - Điện áp ngõ VEC IB IE E B RL vi C IC • Mạch CC đơn giản hóa 19-Feb-11 3.4 Đặc tuyến Vôn - Ampe Đồ thị diễn tả mối tương quan dòng điện điện áp BJT gọi đặc tuyến Vôn-Ampe (hay đặc tuyến tĩnh) Người ta thường phân biệt thành loại đặc tuyến: Đặc tuyến vào: nêu quan hệ dòng điện điện áp ngõ vào Đặc tuyến ra: quan hệ dòng áp ngõ Đặc tuyến truyền đạt dòng điện: nêu phụ thuộc dòng điện theo dòng điện vào Đặc tuyến hồi tiếp điện áp: nêu biến đổi điện áp ngõ vào điện áp ngõ thay đổi 3.4.1 Đặc tính B chung 3.4.1.a Họ đặc tuyến ngõ vào B chung: IE = f ( VBE ) V CB = const 10 19-Feb-11 Ví dụ Cho mạch BJT hình bên, có đặc tuyến ngõ vào khảo sát: C E Khi VCC= 25 V IC = 8.94mA B Tìm α BJT bỏ qua ICBO Lặp lại IC = 1.987 mA ngắn mạch VCC Hướng dẫn Khi bỏ qua ICBO: α = IC/IE Tìm IE dựa vào đặc tuyến: IE = f ( VBE ) V CB = const ⇒ Xác định giá trị VBE VCB mạch cụ thể ⇒ IE (VBE = 0.7V; VCB = 25V) IE (VBE = 0.7V; VCB = 0V) 9mA • 2mA • VBE=0.7V VCB=0V VBE=0.7V VCB=25V 11 12 19-Feb-11 Ví dụ α ≅ IC/IE = 8,94 mA/ mA = 0,9933 α ≅ IC/IE = 1,987 mA/ mA = 0,9935 13 3.4.1.b Đặc tuyến ngõ B chung: IC = f ( VCB ) I E = const Đặc tuyến ngõ transistor NPN Lưu ý thang ứng với VCB âm mở rộng 14 19-Feb-11 Ví dụ Dựa vào họ đặc tuyến ngõ vào ngõ mạch CB khảo sát, với sơ đồ mạch hình sau: Tìm dòng cực thu VCB = 10V VBE = 0.7V Hướng dẫn Ta có: IC = f ( VCB ) I Mà: IE = f ( VBE ) V E =const CB =const Từ đặc tuyến ngõ vào, đường VCB = 10V điểm có VBE = 0.7V ⇒ IE=4mA Từ đặc tuyến ngõ ra, đường IE = 4mA, điểm có VCB = 10V 15 ⇒ IC=3.85mA 4mA • 0.7V Họ đặc tuyến ngõ vào CB 16 19-Feb-11 • 3.85mA VCB=10 V Đặc tuyến ngõ transistor NPN 17 3.4.1.c Đánh thủng BJT Do chuyển tiếp JC phân cực ngược nên xảy đánh thủng điện áp phân cực ngược đủ lớn Đặc tuyến ngõ CB bao gồm vùng đánh thủng 18 19-Feb-11 3.4.2 Đặc tính E chung 3.4.2.a Dòng ICEO β Ta có: IC = α IE + ICBO ⇒ α IE = IC - ICBO Chia vế cho α, ta có: IC ICBO − = IE α α I IC ICBO αI − = IB + IC ⇒ IC = B + CBO 1− α 1− α α α ICBO Khi VBE hở mạch, ta có: IC = ICEO = α I 1− α Đặt: β= ⇒ IC = β IB + CBO = β IB + ICEO 1− α 1− α IC ≈ β IB ( xem ICEO ≈ 0) Vì ICEO nhỏ: ⇒ 3.4.2.b Đặc tuyến ngõ vào E chung: IB = f ( VBE ) V CE Đặc tuyến ngõ vào CE 19 = const 20 10 19-Feb-11 3.4.2.b Đặc tuyến ngõ E chung: I C = f ( VCE ) I B = const Đặc tuyến ngõ CE 21 Ví dụ Một BJT có đặc tuyến ngõ CE vừa khảo sát Tìm độ thay đổi β VCE thay đổi từ 2.5V đến 10V với IB 40µ µA Tìm độ thay đổi β IB thay đổi từ 10 µA đến 50µ µA VCE 7.5V Hướng dẫn Độ thay đổi β: β10 V − β 2.5 V x100% β V IC = β IB Với IB = 40µ µA, IC (VCE = 2.5V) IC (VCE = 10V) xác định từ đặc tuyến ngõ ra, đường IB = 40µ µA Được tính tương tự, với IC xác định từ đặc tuyến ngõ VCE = 7.5V, đường IB = 10µ µA IB = 50µ µA 22 11 19-Feb-11 • 5.2mA 4.2mA 3.8mA • • • 0.8mA VCE=2.5VV =7.5V VCE=10V CE Đặc tuyến ngõ CE 23 Ví dụ β 10V = 3,8 mA / 40 µA = 95 β 2,5V = 4,2 mA / 40 µA = 105 β10V − β 2.5V 105 − 95 × 100% = × 100% = 10,53% β 2.5V 95 β 10µA = 0,8 mA / 10 µA = 80 β 50µA = 5,2 mA / 50 µA = 104 β10 µA − β 50 µA 104 − 80 ×100% = × 100% = 30% β 50 µA 80 24 12 19-Feb-11 3.4.3 Đặc tính C chung 3.4.3.a Họ đặc tuyến ngõ vào C chung: IB = f ( VCB ) V CE 25 Đặc tuyến ngõ vào CC 3.4.3.b Họ đặc tuyến ngõ C chung: I E = f ( VCE ) I Đặc tuyến ngõ CC = const B = const 26 13 19-Feb-11 3.5 Phân cực cho BJT 3.5.1 Mạch phân cực B chung Phương trình đường tải tĩnh: biểu diễn mối quan hệ điện áp dòng điện ngõ IC (mA) - VCC + IC RC + VCB = V CC • V VCB + CC RC RC RC Điểm phân cực (làm việc): Q (IC , VCB ) Là giao đường tải với đặc tuyến ngõ tương ứng với IE= const ⇒ IC = − • VCC VCB27 (V) Một số lưu ý - Giá trị VBE số mạch phân cực cho BJT VBE = 0.7V (Si) ; VBE = 0.3V (Ge) - Công thức dòng dùng xấp xĩ tính toán: IE = IC + IB ≈ IC - Đối với mạch sử dụng BJT loại PNP dùng công thức BJT loại NPN cách đảo cực điện áp VBE VCB thành VEB VBC - Các giá trị nguồn cung cấp tính theo độ lớn 28 14 19-Feb-11 Ví dụ E Cho mạch khuếch đại dùng BJT hình bên: IE Viết phương trình vẽ đường tải B Xác định điểm phân cực Q Hướng dẫn Viết phương trình vẽ đường tải ⇒ IC = − V V CB + CC RC RC Xác định điểm phân cực Q: Q(IC , VCB ) theo IE VBE + IE x RE – VEE = ⇒ IE = mA Xem IC ≈ IE = mA thay vào phương trình đường tải ⇒ VCB = 12V 29 Điểm Q(2mA, 12V) Sử dụng đặc tuyến 2mA • 12V Đường tải họ đặc tuyến ngõ cấu hình CB 30 15 19-Feb-11 3.5.2 Mạch phân cực E chung Phương trình đường tải tĩnh: - VCC + IC RC + VCE = - VCC + IB RB + VBE = V VCE + CC RC RC VCC − VBE ⇔ IB = RB ⇔ IC = − IC= β IB Điểm phân cực (làm việc): Q(IC , VCE ) 31 Là giao đường tải với đặc tuyến ngõ tương ứng với IB= const Ví dụ Trong mạch hình bên, BJT loại Si có β = 100: a Giả sử BJT có đặc tuyến ngõ hình vẽ, tìm điểm phân cực cách dùng đồ thị b Tìm điểm phân cực dựa vào mạch điện c Lặp lại câu a b RB= 161.43KΩ +12V 376.67KΩ Ω 2KΩ Ω 32 16 19-Feb-11 Hướng dẫn a Viết vẽ pt đường tải tĩnh đồ thị đặc tuyến: Xác định giá trị IB để tìm điểm phân cực Q1: IB = VCC − VCE RC = 30 µ A IC = VCC − VBE RB 33 b Dựa vào mạch điện, xác định giá trị IB giống câu a : IB = 30 µA Sử dụng: IC = βIB ⇒ IC = 3mA Thay vào phương trình đường tải: VCE = V c Khi RB thay đổi không làm ảnh hưởng đến pt đường tải, IB = 70 µA Lúc điểm phân cực Q2 giao đường tải với đường IB = 70 µA Q2 (IC sat = 5.7mA, VCE sat = 0.5V), BJT hoạt động vùng bão hòa 34 17 19-Feb-11 3.5.3 Mạch phân cực C chung Phương trình đường tải tĩnh: - VCC + VCE + IERE = ⇔ IE = − V VCE + CC RE RE Với: IE = IC + IB = (β β + 1) IB - VCC + IBRB+ VBE + IERE = Điểm phân cực (làm việc): Q(IE , VCE ) 35 3.6 Thiết kế mạch phân cực Việc thiết kế tính toán giá trị nguồn cung cấp cố định Từ yêu cầu điểm làm việc ta phải xác định giá trị điện trở mạch Vì thực tế điện trở chọn theo giá trị chuẩn, chọn phải phù hợp với sai số cho phép Ví dụ Một mạch phân cực B chung thiết kế dùng transistor NPN silicon Các nguồn phân cực có giá trị +15V -5V Điểm phân cực IC = 1.5mA VCB = 7.5V Thiết kế mạch dùng điện trở chuẩn dung sai 5% Giá trị phân cực thật dùng các điện trở chuẩn bao nhiêu? Tìm giới hạn IE VCB tính sai số điện trở 36 18 19-Feb-11 Hướng dẫn Sơ đồ mạch phân cực CB: Vòng (I): - VEE + VBE + IE RE = Vòng (II): - VCC + IC RC + VCB = I II ⇒ RE = 2867 Ω ; RC = 5000 Ω Với sai số 5%, chọn: RE = 3KΩ Ω ; RC = 5.1KΩ Ω Với R chọn, thay vào biểu thức để tính lại giá trị điểm phân cực Tìm giới hạn IE VCB: R giới hạn = R chuẩn ± 5% * R chuẩn Một số giá trị R chuẩn 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 43, 47, 51, 56, 68, 75, 82, 91 Thay vào biểu thức đề tìm giới hạn IE VCB 37 Ví dụ cho thiết kế phân cực E chung Một transistor silicon NPN có β tối ưu 100, sử dụng mạch phân cực CE với VCC = 12V Điểm phân cực IC = 2mA VCE = 6V Thiết kế mạch dùng điện trở chuẩn 5% Tìm giới hạn có điểm phân cực β transistor thay đổi từ 50 đến 150 (một giới hạn thường gặp thực tế) Giả sử điện trở có giá trị tối ưu Hướng dẫn - VCC + IC RC + VCE = - VCC + IB RB + VBE = IC= β IB ; VBE = 0.7V ⇒ RB = 565KΩ ; RC = 3KΩ chọn 560 KΩ 3KΩ Tính lại IB theo thay đổi β, ứng với RB chọn Từ tìm giới hạn điểm phân cực 38 19 19-Feb-11 Ví dụ cho thiết kế phân cực C chung Một transistor silicon NPN có β =100, sử dụng cấu hình CC với VCC = 24V Điểm phân cực IE = 4mA VCE = 16V Thiết kế mạch dùng điện trở chuẩn 5% Tìm điểm phân cực thật điện trở chuẩn 5% sử dụng, giá sử chúng có giá trị tối ưu Hướng dẫn - VCC + VCE + IERE = - VCC + IBRB+ VBE + IERE = Với: IE = IC + IB = (β β + 1) IB ⇒ RE = 2KΩ ; RB = 386.325Ω chọn KΩ 390Ω Với R chọn, thay vào biểu thức để tính lại điểm phân cực 39 3.7 BJT Inverter BJT ứng dụng chức đảo trạng thái - Khi điện áp ngõ vào 5V: RB RC thiết kế cho BJT hoạt động chế độ bão hòa + Khi VCE ≈ (khoảng 0.1V) gọi VCE sat(saturation), tương ứng: V CC RC V − VBE = HI RB IC = IC sat = IB = IC sat β - Khi điện áp ngõ vào 0V: BJT không dẫn ⇒ VCE = + 5V Kết luận: V in = 5V ⇒ V out = 0V V in = 0V ⇒ V out = 5V Inverter 40 20 19-Feb-11 3.8 Công tắc transistor Một mạch Inverter dùng transistor xem công tắc điều khiển điện áp ngõ vào Được gọi công tắc transistor 41 21 [...]... Tìm điểm phân cực dựa vào mạch điện c Lặp lại câu a và b khi RB= 161.43KΩ +12V 37 6.67KΩ Ω 2KΩ Ω 32 16 19-Feb-11 Hướng dẫn a Viết và vẽ pt đường tải tĩnh trên cùng đồ thị của đặc tuyến: Xác định giá trị của IB để tìm điểm phân cực Q1: IB = VCC − VCE RC = 30 µ A IC = VCC − VBE RB 33 b Dựa vào mạch điện, xác định giá trị IB giống câu a : IB = 30 µA Sử dụng: IC = βIB ⇒ IC = 3mA Thay vào phương trình đường... 19-Feb-11 • 5.2mA 4.2mA 3. 8mA • • • 0.8mA VCE=2.5VV =7.5V VCE=10V CE Đặc tuyến ngõ ra CE 23 Ví dụ 1 β 10V = 3, 8 mA / 40 µA = 95 β 2,5V = 4,2 mA / 40 µA = 105 β10V − β 2.5V 105 − 95 × 100% = × 100% = 10, 53% β 2.5V 95 2 β 10µA = 0,8 mA / 10 µA = 80 β 50µA = 5,2 mA / 50 µA = 104 β10 µA − β 50 µA 104 − 80 ×100% = × 100% = 30 % β 50 µA 80 24 12 19-Feb-11 3. 4 .3 Đặc tính C chung 3. 4 .3. a Họ đặc tuyến ngõ vào... chung 3. 4 .3. a Họ đặc tuyến ngõ vào C chung: IB = f ( VCB ) V CE 25 Đặc tuyến ngõ vào CC 3. 4 .3. b Họ đặc tuyến ngõ ra C chung: I E = f ( VCE ) I Đặc tuyến ngõ ra CC = const B = const 26 13 19-Feb-11 3. 5 Phân cực cho BJT 3. 5.1 Mạch phân cực B chung Phương trình đường tải tĩnh: biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện ở ngõ ra IC (mA) - VCC + IC RC + VCB = 0 V CC • 1 V VCB + CC RC RC RC Điểm phân cực... = 16V 1 Thiết kế mạch dùng các điện trở chuẩn 5% 2 Tìm điểm phân cực thật sự khi các điện trở chuẩn 5% được sử dụng, giá sử là chúng có các giá trị tối ưu Hướng dẫn 1 - VCC + VCE + IERE = 0 - VCC + IBRB+ VBE + IERE = 0 Với: IE = IC + IB = (β β + 1) IB ⇒ RE = 2KΩ ; RB = 38 6 .32 5Ω chọn 2 KΩ và 39 0Ω 2 Với các R đã chọn, thay vào các biểu thức để tính lại điểm phân cực 39 3. 7 BJT Inverter BJT được ứng dụng... R chuẩn Một số giá trị R chuẩn 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33 , 39 , 43, 47, 51, 56, 68, 75, 82, 91 Thay vào các biểu thức đề tìm giới hạn của IE và VCB 37 Ví dụ cho thiết kế phân cực E chung Một transistor silicon NPN có β tối ưu là 100, được sử dụng trong mạch phân cực CE với VCC = 12V Điểm phân cực là IC = 2mA và VCE = 6V 1 Thiết kế mạch dùng các điện trở chuẩn 5% 2 Tìm giới hạn có thể có của điểm phân... bão hòa 34 17 19-Feb-11 3. 5 .3 Mạch phân cực C chung Phương trình đường tải tĩnh: - VCC + VCE + IERE = 0 ⇔ IE = − 1 V VCE + CC RE RE Với: IE = IC + IB = (β β + 1) IB - VCC + IBRB+ VBE + IERE = 0 Điểm phân cực (làm việc): Q(IE , VCE ) 35 3. 6 Thiết kế mạch phân cực Việc thiết kế được tính toán trên các giá trị nguồn cung cấp là cố định Từ yêu cầu về điểm làm việc ta phải xác định các giá trị điện trở... trên thực tế các điện trở sẽ được chọn theo giá trị chuẩn, do đó khi chọn phải phù hợp với sai số cho phép Ví dụ Một mạch phân cực B chung được thiết kế dùng transistor NPN silicon Các nguồn phân cực có giá trị +15V và -5V Điểm phân cực là IC = 1.5mA và VCB = 7.5V 1 Thiết kế mạch dùng các điện trở chuẩn dung sai 5% 2 Giá trị phân cực thật sự khi dùng các các điện trở chuẩn là bao nhiêu? 3 Tìm giới hạn... thay đổi từ 50 đến 150 (một giới hạn thường gặp trong thực tế) Giả sử là các điện trở có giá trị tối ưu Hướng dẫn 1 - VCC + IC RC + VCE = 0 - VCC + IB RB + VBE = 0 IC= β IB ; VBE = 0.7V ⇒ RB = 565KΩ ; RC = 3KΩ chọn 560 KΩ và 3KΩ 2 Tính lại IB theo sự thay đổi của β, ứng với RB đã chọn Từ đó tìm giới hạn của điểm phân cực 38 19 19-Feb-11 Ví dụ cho thiết kế phân cực C chung Một transistor silicon NPN... Tìm giới hạn của IE và VCB khi tính cả sai số trên điện trở 36 18 19-Feb-11 Hướng dẫn 1 Sơ đồ mạch phân cực CB: Vòng (I): - VEE + VBE + IE RE = 0 Vòng (II): - VCC + IC RC + VCB = 0 I II ⇒ RE = 2867 Ω ; RC = 5000 Ω Với sai số 5%, có thể chọn: RE = 3KΩ Ω ; RC = 5.1KΩ Ω 2 Với các R đã chọn, thay vào các biểu thức để tính lại các giá trị của điểm phân cực 3 Tìm giới hạn của IE và VCB: R giới hạn = R chuẩn... Điểm Q(2mA, 12V) Sử dụng đặc tuyến 2mA • 12V Đường tải và họ đặc tuyến ngõ ra của cấu hình CB 30 15 19-Feb-11 3. 5.2 Mạch phân cực E chung Phương trình đường tải tĩnh: - VCC + IC RC + VCE = 0 - VCC + IB RB + VBE = 0 1 V VCE + CC RC RC VCC − VBE ⇔ IB = RB ⇔ IC = − IC= β IB Điểm phân cực (làm việc): Q(IC , VCE ) 31 Là giao của đường tải với đặc tuyến ngõ ra tương ứng với IB= const Ví dụ Trong mạch hình ... dòng điện điện áp ngõ vào Đặc tuyến ra: quan hệ dòng áp ngõ Đặc tuyến truyền đạt dòng điện: nêu phụ thuộc dòng điện theo dòng điện vào Đặc tuyến hồi tiếp điện áp: nêu biến đổi điện áp ngõ vào điện. .. ICBO: α = IC / IE 3. 3 Ba sơ đồ BJT 3. 3.1 Mạch B chung (Common Base – CB) Cực B cực chung cho mạch vào - Dòng điện ngõ vào dòng IE - Dòng ngõ dòng IC IE E - Điện áp ngõ vào VEB - Điện áp ngõ VCB... 104 − 80 ×100% = × 100% = 30 % β 50 µA 80 24 12 19-Feb-11 3. 4 .3 Đặc tính C chung 3. 4 .3. a Họ đặc tuyến ngõ vào C chung: IB = f ( VCB ) V CE 25 Đặc tuyến ngõ vào CC 3. 4 .3. b Họ đặc tuyến ngõ C chung: