Bài giảng Điện tử cơ bản Chương 3 Transistor Lưỡng Cực BJT

Trong chương sẽ trình bày về nguyên lý hoạt động của transistor lưỡng cực ở 3 chế độ cấp điện phân cực cho nĩ là chế độ tích cực, chế độ ngắt và chế độ bão hịa.. Trong chương 3 này cịn đ

CHƯƠNG 3 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) GIỚI THIỆU CHƯƠNG.

Chương 3 sẽ giới thiệu về transistor lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor – BJT) Đây là cấu kiện bán dẫn quan trọng cĩ 2 lớp tiếp xúc P-N và 3 chân điện cực Trong chương sẽ trình bày về nguyên lý hoạt động của transistor lưỡng cực ở 3 chế độ cấp điện phân cực cho nĩ là chế độ tích cực, chế độ ngắt và chế độ bão hịa Chương 3 trình bày về các cách mắc cơ bản của transistor lưỡng cực trong các sơ đồ mạch khuếch đại là cách mắc cực gốc chung, cực phát chung và cực gĩp chung, đặc điểm của từng cách mắc Trong chương 3 này cịn đề cập đến các phương pháp phân cực cho transistor như phân cực bằng dịng cực gốc, phân cực bằng phân áp và phân cực bằng hối tiếp Đồng thời trong chương này cũng trình bày về các sơ đồ tương đương của transistor trong chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ và trình bày về chế độ chuyển mạch của transistor

3.1 CẤU TẠO VÀ KÝ HIỆU CỦA BJT TRONG SƠ ĐỒ MẠCH.

3.1.1 Cấu tạo của BJT loại P-N-P và N-P-N:

Transistor lưỡng cực gồm cĩ hai tiếp xúc P-N được tạo nên bởi 3 miền bán dẫn loại

P và N xếp xen kẽ nhau Nếu miền bán dẫn ở giữa là bán dẫn loại N thì ta cĩ transistor lưỡng cực loại P-N-P Nếu miền bán dẫn ở giữa là bán dẫn loại P thì ta cĩ transistor lưỡng cực loại N-P-N

Hình 3.1: Cấu tạo và ký hiệu của transistor loại NPN và PNP

Transistor cĩ 3 chân cực là:

- Cực Phát ký hiệu là chữ E (Emitter) là nguồn phát ra các hạt tải điện trong transistor

- Cực Gốc ký hiệu là chữ B (Base) là cực điều khiển dịng điện

- Cực Gĩp ký hiệu là chữ C (Collector) cĩ nhiệm vụ thu nhận tất cả các hạt dẫn từ phần phát E qua phần gốc B tới

- Hai tiếp xúc P-N là tiếp xúc phát-gốc ký hiệu là TE(gọi tắt là tiếp xúc phát),

và tiếp xúc gĩp-gốc ký hiệu là TC(gọi tắt là tiếp xúc gĩp)

3.1.2 Nguyên lý làm việc của transistor:

Khi chưa cung cấp điện áp ngoài lên các chân cực của transistor thì hai tiếp xúc phát TEvà góp TCđều ở trạng thái cân bằng và dòng điện tổng chạy qua các chân cực của transistor bằng 0 Muốn cho transistor làm việc ta phải cung cấp cho các chân cực của

nó một điện áp một chiều thích hợp Có ba chế độ làm việc của transistor là: chế độ tích cực (hay chế độ khuếch đại), chế độ ngắt và chế độ dẫn bão hòa Cả hai loại transistor P-N-P và N-P-N đều có nguyên lý làm việc giống nhau, chỉ có chiều nguồn điện cung cấp vào các chân cực là ngược dấu nhau

+ Chế độ ngắt: Cung cấp nguồn điện sao cho hai tiếp xúc P-N đều phân cực ngược Transistor có điện trở rất lớn và chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua nên tranzito coi như không dẫn điện

+ Chế độ dẫn bão hòa: Cung cấp nguồn điện sao cho cả hai tiếp xúc P-N đều phân cực thuận Transistor có điện trở rất nhỏ và dòng điện qua nó là khá lớn

Ở chế độ ngắt và chế độ dẫn bão hòa, transistor làm việc như một phần tử tuyến tính trong mạch điện Ở chế độ này transistor như một khóa điện tử và nó được

sử dụng trong các mạch xung, các mạch số

+ Chế độ tích cực: Ta cấp nguồn điện sao cho tiếp xúc phát TE phân cực thuận, và tiếp xúc góp TC phân cực ngược Ở chế độ tích cực, transistor làm việc với quá trình biến đổi tín hiệu dòng điện, điện áp, hay công suất và nó có khả năng tạo dao động, khuếch đại tín hiệu, Đây là chế độ thông dụng của transistor trong các mạch điện tử tương tự

3.2 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA TRANSISTOR BJT.

3.2.1 Chế độ tích cực (hay chế độ khuếch đại):

+ Nguyên lý hoạt động:

Ở chế độ tích cực ta phải cung cấp nguồn điện một chiều lên các chân cực sao cho tiếp xúc phát TEphân cực thuận và tiếp xúc góp TC phân cực ngược (xem hình 3.2 a,b,c,d)

Ví dụ: Ta xét nguyên lý làm việc của transistor loại P-N-P còn đối với transistor loại N-P-N có thể suy ra dựa vào nguyên lý hoạt động của transistor loại P-N-P

Hình 3.2: Nguồn điện cung cấp và đồ thị năng lượng của transistor loại NPN và PNP.

Quan hệ giữa 3 thành phần dịng điện trong transistor là:

IC =IE+ ICBo

IB = (1 -)IE- ICBo

IE = IC+ IB

Hình 3.3: Các dịng điện và điện áp trên các chân cực của transistor loại P-N-P 3.2.2 Chế độ ngắt:

Ở chế độ này, ta cung cấp nguồn điện sao cho hai tiếp xúc P-N đều được phân cực ngược nên điện trở của transistor rất lớn và qua nĩ chỉ cĩ dịng điện ngược rất nhỏ của iếp xúc gĩp ICBo Do dịng điện ngược của tiếp xúc phát IEBo nhỏ hơn nhiều so với ICBo E coi như hở Dịng điện trong mạch cực gốc B cĩ giá trị bằng dịng ICBo nhưng ngược dấu

Ta cĩ sơ đồ mạch tương đương dưới đây:

Hình 3.4: Chế độ ngắt của transistor 3.2.3 Chế độ dẫn bão hịa:

Ở chế độ này ta cung cấp nguồn điện một chiều sao cho hai tiếp xúc P- N đều phân cực thuận (hình 4-6) Điện trở của hai tiếp xúc TE và TC rất nhỏ nên cĩ thể coi như hai cực phát E và cực gĩp C được nối tắt Dịng điện qua transistor IC khá lớn và khơng phụ thuộc vào hoạt động của tranzito Như vậy, điện áp giữa cực gĩp và cực phát luơn xấp xỉ bằng 0 (UCE 0)

Hình 3.5: Chế độ dẫn điện bảo hòa của transistor

Đặc tuyến truyền đạt của transistor trong các chế độ làm việc mơ tả trong hình sau

3.3 Đặc tính kỹ thuật của transistor:

Trong ba cách mắc transistor vừa nêu trên thì cách mắc theo kiểu cực E chung là phổ biến nhất Các đặc tuyến của transistor sẽ được xét theo kiểu E chung

Theo sơ đồ mạch điện như trên hình vẽ Nguồn điện áp VBB có thể điều chỉnh được

Hình 3.6: Sơ đồ mắc kiểu E chung

Giả sử transistor trên hình vẽ có hệ số khuếch đại β = 100 Khi đó: I C = β.I B =

100 I B

3.3.1 Đặc tuyến ngõ vào : I B / V BE

Cho biết mối quan hệ giữa dòng điện IB theo điện áp VBE

Đặc tuyến IB / VBEcó dạng giống như đặc tuyến của điốt, sau khi điện áp VBE tăng đến trị số điện áp ngưỡng V thì bắt đầu có dòng điện IB

Ứng với mỗi điện áp VBE thì dòng điện IBsẽ có các trị số khác nhau Với điện áp

VCE = 2V Ta có:

Hình 3.7: Đặc tuyến ngõ vào I B / V BE 3.3.2 Đặc tuyến ngõ ra: I C / V CE

Cho biết mối quan hệ giữa dòng điện IC theo điện áp VCE

Trên sơ đồ mạch điện như hình vẽ, ta sẽ thay đổi điện áp VCEbằng cách điều chỉnh nguồn VCC

Hình 3.8: Đặc tuyến ngõ ra I C / V CE

 Ba trạng thái phân cực của transistor:

Tùy theo mức độ phân cực mà transistor có thể làm việc ở một trong ba trạng thái sau: ngưng dẫn, khuếch đại tuyến tính và bảo hòa

- Trạng thái ngưng dẫn:

Khi điện áp phân cực V BE = 0V – 0,5V < V: Transistor sẽ ngưng dẫn, dòng điện

I B = 0, I C = 0 và V CE = V CC

- Trạng thái khuếch đại tuyến tính:

Khi điện áp phân cực V BE = 0,6V = V  : Transistor sẽ dẫn điện, dòng điện I C sẽ

tăng theo dòng điện I B qua hệ số khuếch đại β (I C = β.I B = 100 I B) Lúc này, điểm làm việc của transistor sẽ nằm trên đường tải tĩnh

IB = 10A , IC = 100 x 10A = 1mA

IB = 20A , IC = 100 x 20A = 2mA

IB = 30A , IC = 100 x 30A = 3mA

IB = 40A , IC = 100 x 40A = 4mA

- Trạng thái bảo hòa:

Khi điện áp phân cực V BE = 0,8V > V : Transistor sẽ dẫn rất mạnh gọi là bảo hòa Lúc đó, IBtăng cao dẫn đến IC cũng sẽ tăng gần bằng mức I C  V CC / R C và điện áp VCE sẽ giảm xuống V CE  0,2V VCE được gọi là điện áp bảo hòa

Ba trạng thái của transistor được mô tả trên đặc tuyến ngõ ra của transistor

c Đặc tuyến truyền dẫn: I C / V BE

Cho biết mối quan hệ giữa dòng điện IC theo điện áp VBE

Đặc tuyến I C / V BE có dạng giống như đặc tuyến I B / V BE nhưng dòng điện IC có trị số lớn hơn IBnhiều lần

Ta có: β = I I C

B được gọi là độ khuếch đại dòng điện của transistor Độ khuếch

đại dòng điện β của transistor thường có trị số lớn từ vài chục đến vài trăm lần.

Từ công thức β = I I C

B , ta suy ra: I C = β I B

VBE = 0,5V , IB = 10A , IC = 100 x 10A = 1mA

VBE = 0,55V , IB = 20A , IC = 100 x 20A = 2mA

VBE = 0,6V , IB = 20A , IC = 100 x 20A = 2mA

VBE = 0,65V , IB = 20A , IC = 100 x 20A = 2mA Tóm lại:

Theo nguyên lý vận chuyển của transitor, ta có:

I E = I B + I C

Thay I C = β.I B vào công thức trên, suy ra:

I E = I B + βI B = (β + 1).I B

Do β >> 1 nên trong tính toán gần đúng ta có thể lấy:

I E  β.I B hay I E  I C 3.4 Các thông số kỹ thuật quan trọng của transistor:

3.4.1 Độ khuếch đại dòng điện β:

Ta có:

β = I I C B

β có giá trị thay đổi theo đổi theo dòng IC Khi dòng điện IC nhỏ thì β có giá trị

thấp, khi dòng điện ICtăng thì β tăng đến giá trị cực đại β max nếu ICtiếp tục tăng đến

mức bảo hòa thì β giảm.

Giá trị của β cần được tìm trong bảng tra cứu transistor

3.4.2 Điện áp đánh thủng BV ( Breakdown Voltage):

Là điện áp ngược tối đa đặt vào giữa các cực, nếu quá điện áp này thì transistor sẽ bị hư Có ba loại điện áp giới hạn:

- BVCEO: Điện áp đánh thủng giữa chân C và chân E khi chân B để hở

- BVCBO: Điện áp đánh thủng giữa chân C và chân B khi chân E để hở

- BVEBO: Điện áp đánh thủng giữa chân E và chân B khi chân C để hở

3.4.3 Dòng điện giới hạn:

Là dòng điện tối đa cho phép qua transistor, nếu quá trị số này thì transistor sẽ bị

hư do quá nhiệt

Ta có: ICmax là dòng điện tối đa ở cực C, IBmaxlà dòng điện tối đa ở cực E

3.4.4 Công suất giới hạn P max :

Mỗi transistor đều có một công suất giới hạn được gọi là công suất tiêu tán tối

đa Pmax nếu công suất sinh ra trên transistor lớn hơn công suất Pmaxthì lúc này

transistor sẽ bị hư do quá nhiệt

3.4.5 Tần số cắt f C :

Là tần số của tín hiệu làm cho transistor có hệ số khuếch đại bằng 1

Ví dụ: khi tra bảng, transistor C458 có các thông số kỹ thuật sau đây

β = 230, BVCEO = 30V, BVEBO = 6V, Pmax = 200mW, fC = 230 Mhz, ICmax = 100mA, là loại NPN (Si)

3.5 Phân cực transistor NPN:

3.5.1 Phân cực cho cực B bằng điện trở R B :

Theo sơ đồ mạch điện như trên hình vẽ, nguồn VCC phân cực cho cực B của transistor thông qua điện trở RB

Hình 3.9: Phân cực cho cực B bằng điện trở R B

- Tính dòng điện tại các chân của transistor:

+ Tìm IB:

Ta có: VCC = IB.RB + VBE + IE.RE

VCC = IB.RB + VBE + β.IB.RE

VCC = IB.(RB + β.RE) + VBE

VCC– VBE = IB.(RB + β.RE) Suy ra:

IB =VRCC– VBE

B + β.RE =

12V – 0.6V 520k + (100 x 0.5k) = 20A + Tìm IC:

Ta có:

IC = β.IB = 100 x 20A = 2mA + Tìm IE:

Ta có:

IE IC = 2mA

- Tính điện áp tại các chân:

+ Tìm VE:

VE = IE.RE = 2mA x 0,5k = 1V + Tìm VB:

VB = VBE + VE = 0.6V + 1V = 1,6V

+ Tìm VC:

VC = VCC– (IC.RC) = 12V – (2mA x 2,5k) = 7V

- Phương trình đường tải tĩnh:

I C = V R CC – V CE

C + R E

+ Nếu IC = 0 thì VCE = VCC : A(VCE = VCC ; IC = 0)

+ Nếu VCE = 0V thì IC = RVCC

C + RE = IC max : B(VCE = 0 ; IC = ICmax) Nối liền hai điểm A và B ta sẽ có được đường tải tĩnh

Tại điểm làm việc Q, ta có:

V CE Q = V C – V E = 7V – 1V = 6V

I C Q = V R CC – V CE

C + R E =

12V – 6V 2.5k + 0.5k = 2mA

Hình 3.10: Đồ thị đường tải tỉnh transistor NPN 3.5.2 Phân cực cho cực B bằng cầu phân áp R B1 , R B2 :

Trên sơ đồ mạch điện , cực B được phân cực nhờ nguồn VCC giảm áp qua các điện trở RB1, RB2

Để tính toán phân cực cho transistor trong mạch này, người ta dùng định lý Thevenin để đổi nguồn điện ngõ vào từ VCC và cầu phân áp RB1, RB2 thành nguồn VBB và điện trở RBnhư trên hình vẽ

Hình 3.11: Phân cực cho cực B bằng cầu phân áp R B1 , R B2

Công thức đổi nguồn điện và điện trở RB theo định lý Thevenin là:

V BB = R V CC R B2

B1 + R B2 =

12V x 10k 56k + 10k = 1,8V

R B = R R B1 R B2

B1 + R B2 = 56k + 10k = 8,5k 56k x 10k

Sau khi thực hiện chuyển đổi, ta có:

VBB– VBE = IB RB + IE RE Mà: IE IC β IB

VBB– VBE = IB RB + β IB RE

VBB– VBE = IB (RB + β RE ) Suy ra:

I B = R V BB – V BE

B + β R E =

1.8V – 0.6V 8.5k + ( 100 x 0,5k) = 20A Từ dòng điện IB, ta dễ dàng suy ra IC, IE và các điện áp VE, VB, VC sau đó vẽ đường tải tĩnh tương tự như trường hợp trước

3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với các thông số của transistor:

Hầu hết các thông số của transistor đều bị thay đổi theo nhiệt độ, trong đó có ba thông số chịu ảnh hưởng nhiều nhất là:

3.6.1 Dòng điện ngược I CBO :

Khi phân cực ngược tiếp giáp thu (C – B) thì xuất hiện một dòng điện ngược ICBO

rất bé Khi nhiệt độ transistor tăng lên thì dòng ICBO cũng tăng theo dẫn đến IC tăng mạnh làm cho transistor hoạt động mất ổn định hay làm hỏng transistor

Ở nhiệt độ 25oC thì ICBO = vàiF (transistor Ge)

ICBO = vài nF (transistor Si)

3.6.2 Hệ số khuếch đại β :

Khi nhiệt độ tăng, dòng IC tăng làm β tăng và mạch hoạt động mất ổn định.

3.6.3 Điện áp phân cực V BE :

Thông thường: VBE = 0,1V  0,3V (Ge)

VBE = 0,5V  0,7V (Si) Khi nhiệt độ tăng thì VBE giảm làm thay đổi chế độ hoạt động của transistor (trôi điểm tĩnh)

3.7 Các biện pháp ổn định nhiệt:

Hình 3.12: Các biện pháp ổn định nhiệt

3.7.1 Dùng điện trở R E để ổn định nhiệt (hồi tiếp âm dòng điện): Hình a

Khi nhiệt độ tăng thì dòng điện IC tăng lên làm dòng điện IE tăng theo Khi IE

tăng làm sẽ làm điện áp VEtăng (VE = IE RE ) trong khi đó điện áp VBlại có giá trị không đổi Lúc đó điện áp VBE giảm xuống làm cho dòng điện IB cũng giảm xuống theo đặc tính ngõ vào IB/ VBE dòng điện IB giảm kéo theo IC giảm xuống và nhiệt độ transistor sẽ hoạt động ổn định trở lại Hình a

Ngoài ra để giúp cho transistor không bị tác động bởi các tín hiệu nhiểu, người ta sẽ mắc thêm một tụ điện phân dòng CE // RE để dẫn tín hiệu nhiểu xoay chiều xuống mass

3.7.2 Dùng điện trở R B hồi tiếp từ cực C (hồi tiếp âm điện áp): Hình b

Theo sơ đồ mạch điện như trên hình vẽ, điện áp phân cực VB được lấy từ cực C giảm áp qua điện trở RB Trong mạch này, dòng điện ngõ vào IB được tính theo công thức:

I B = R V C – V BE

B + β.R E

Khi nhiệt độ tăng lên làm IC tăng và VC bị giảm (vì VC = VCC – IC RC) theo công thức trên khi VC giảm sẽ làm cho IB bị giảm xuống kéo theo IC giảm xuống, nhiệt độ transistor được ổn định Trong mạch này, mạch điện RE vẫn có tác dụng ổn định nhiệt như theo mạch điện ở phía trên

3.7.3 Dùng cầu phân áp có điện trở nhiệt: Hình c

Theo mạch điện trên hình vẽ, nhiệt trở Th được ghép song song với điện trở RB2

là loại điện trở nhiệt có hệ số nhiệt âm Điện trở này được đặt gần với vỏ của transistor nên khi nhiệt độ của transistor tăng lên thì điện trở nhiệt bị nóng và giảm trị số điện trở làm giảm thấp điện áp phân cực VB Lúc đó dòng điện IB giảm xuống kéo

IC giảm theo

Mạch điện này thường chỉ dùng cho các transistor khuếch đại công suất lớn và điện trở RE vẫn có tác dụng ổn định nhiệt như theo các mạch điện trên

3.8 Các đường đặc tính tải của transistor:

3.8.1 Ý nghĩa của điểm làm việc tĩnh Q:

Hình 3.13: Phân cực transistor NPN làm việc với tín hiệu xoay chiều

- Tìm phương trình đường tải tĩnh:

Ta có:

VCC = IC RC + VCE + IE RE

Do IE IC , nên ta có:

VCC= IC RC + VCE + IC RE

Suy ra, phương trình đường tải tĩnh:

I C = V R CC – V CE

C + R E

+ Nếu IC = 0 thì VCE = VCC : A(VCE = VCC ; IC = 0)

+ Nếu VCE = 0V thì IC = RVCC

C + RE = IC max : B(VCE = 0 ; IC = ICmax) Nối liền hai điểm A và B ta sẽ có được đường tải tĩnh

Tại điểm làm việc Q, ta có:

V CE Q = V C – V E

I C Q = V R CC – V CE

C + R E

Hình 3.14: Đồ thị đường tải tĩnh và điểm làm việc tĩnh Q

Giả sử VBE Q là điện áp phân cực của transistor ứng với điểm Q đã được lựa chọn đúng

Do tín hiệu cần khuếch đại đưa đến ở ngõ vào của transistor là không tuyến tính, cho nên:

Việc xác định không đúng điểm làm việc tĩnh Q của transistor (VBE < VBE Q hoặc

VBE > VBE Q) sẽ làm tín hiệu thu được ở ngõ ra bị méo dạng

Nếu điểm làm việc Q đã được lựa chọn đúng (VBE = VBE Q), khi tín hiệu ở ngõ vào thay đổi thì tín hiệu ở ngõ ra cũng sẽ thay đổi theo nhưng luôn nằm ở vùng có độ cong đều nhau dẫn đến tín hiệu ở ngõ ra không bị biến dạng