Đang tải... (xem toàn văn)
Việc phân tích hay thiết kế một mạch khuếch đại đòi hỏi sự hiểu biết về đáp ứng dc và ac của hệ thống. Người ta thường nhầm lẫn rằng transistor là một linh kiện khuếch đại tín hiệu mà không cần nguồn năng lượng cung cấp. Thực ra việc khuếch đại tín hiệu ac là từ quá trình chuyển đổi năng lượng từ nguồn cung cấp dc. Do đó việc phân tích hay thiết kế bất kỳ 1 mạch khuếch đại điện tử đều chứa đựng 2 phần: phần dc và phần ac.
TRƯỜNG ĐH PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ Chương MẠCH PHÂN CỰC CỦA TRANSISTOR 5.1 Giới thiệu Việc phân tích hay thiết kế mạch khuếch đại đòi hỏi hiểu biết đáp ứng dc ac hệ thống Người ta thường nhầm lẫn transistor linh kiện khuếch đại tín hiệu mà không cần nguồn lượng cung cấp Thực việc khuếch đại tín hiệu ac từ trình chuyển đổi lượng từ nguồn cung cấp dc Do việc phân tích hay thiết kế mạch khuếch đại điện tử chứa đựng phần: phần dc phần ac Các mức hoạt động dc transistor điều khiển số thông số bao gồm dãy điểm làm việc có đường đặc tính transistor Các dòng điện dc mức điện áp dc phải xác định, mạch điện phải xây dựng mà thiết lập điểm làm việc mong muốn – mạch điện phân tích chương 5.1 Giới thiệu Một hệ số phân cực khác quan trọng cần ý đến: lựa chọn phân cực cho transistor điểm làm việc mong muốn phải tính đến ảnh hưởng nhiệt độ Nhiệt độ làm thay đổi hệ số βac dòng điện ICEO Nhiệt độ tăng dòng điện ICEO tăng làm thay đổi điểm làm việc Q Hình 5.1 Đặc tuyến ngõ BJT Do mạch điện phải thiết kế có ổn định nhiệt độ để có thay đổi nhiệt độ thay đổi điểm làm việc nhỏ Sự ổn định điểm làm việc định hệ số ổn định S để xác định mức độ thay đổi điểm làm việc phụ thuộc vào thay đổi nhiệt độ 5.1 Giới thiệu Đối với BJT việc phân cực để hoạt động vùng tuyến tính cần phải ý: Mối nối B-E phải phân cực thuận với điện áp phân cực vào khoảng 0,6 đến 0,7V Mối nối B-C phải phân cực ngược với điện áp phân cực nằm giới hạn cực đại transistor 5.2 PHÂN TÍCH ĐƯỜNG TẢI 5.2.1 Điểm làm việc tĩnh đường tải chiều Xét tầng khuếch đại đơn giản hình 5.2 Hình 5.2 Tầng khuếch đại đơn giản BJT làm việc chế độ khuếch đại tín hiệu khi: - Tiếp giáp JE phân cực thuận - Tiếp giáp JC phân cực ngược 5.2 PHÂN TÍCH ĐƯỜNG TẢI * Xác định điểm làm việc tĩnh Q đồ thị a Xác định điểm Q ngõ vào: - Áp dụng định luật Kirchhoff cho ngõ vào, ta có: VCC = I B R B + VBE - Từ đó, ta được: VCC IB = − VBE + RB RB gọi đường tải chiều ngõ vào mạch Đường tải chiều ngõ vào cắt đặc tuyến ngõ vào điểm, gọi điểm làm việc tĩnh ngõ vào mạch Q(VBEQ, IBQ) Hình 5.3 Điểm Q ngõ vào 5.2 PHÂN TÍCH ĐƯỜNG TẢI b Xác định điểm Q ngõ ra: - Áp dụng định luật Kirchhoff cho ngõ ra, ta có: VCC = IC R C + VCE - Từ đó, ta được: VCC IC = − VCE + RC RC mạch gọi đường tải chiều ngõ Đường tải chiều ngõ cắt đặc tuyến ngõ điểm, gọi điểm làm việc tĩnh ngõ mạch Q(VCEQ, ICQ) Hình 5.4 Điểm Q ngõ 5.2 PHÂN TÍCH ĐƯỜNG TẢI Nếu dòng điện IB thay đổi giá trị khác RB điểm tĩnh Q di chuyển lên di chuyển xuống hình 5.5 Nếu điện áp VCC IB giữ cố định điện trở RC thay đổi đường tải dịch chuyển hình 5.6 Hình 5.5 Điểm Q thay đổi theo dòng IB Hình 5.6 Điểm Q thay đổi theo RC 5.2 PHÂN TÍCH ĐƯỜNG TẢI Nếu RC cố định VCC thay đổi đường tải dịch chuyển hình 5.7 Hình 5.7 Điểm Q thay đổi theo điện áp VCC 5.2 PHÂN TÍCH ĐƯỜNG TẢI 5.2.2 Đường tải xoay chiều Ta có phương trình ngõ với tín hiệu ac: i c (R C // R L ) + v ce = ⇔ ic = − v ce (R C // R L ) Trong đó: iC = ic + I CQ ⇔ i c = i C − I CQ vCE = vce + VCEQ ⇔ v ce = v CE − VCEQ iC: Dòng điện cực Collector tín hiệu xoay chiều tín hiệu chiều ic: Dòng điện cực Collector tín hiệu xoay chiều ICQ: Dòng điện cực Collector tín hiệu chiều 5.5.1 JFET a Mạch phân cực cố định Hình 5.39 Mạch phân cực cố định Hình 5.40 Mạch phân tích dc Điện áp điện trở RG 0V nên bỏ điện trở RG khỏi mạch, mạch điện lại hình 5.40 Kết điện áp cực GS sau: VGS = −VGG 5.5.1 JFET Do VGG điện áp cung cấp cố định nên điện áp VGS có giá trị cố định nên mạch gọi mạch phân cực cố định VGS Dòng điện ID xác định phương trình: I D = I DSS 1 − VP Phân tích đồ thị đòi hỏi phải vẽ đồ thị phương trình Shockley trình bày hình 5.41 Hình 5.41 Đồ thị phương trình Shockley Hình 5.42 Xác định điểm Q 5.5.1 JFET Trong hình 5.42 ta vẽ đường thẳng điểm có giá trị điện áp VGS = -VGG , đường thẳng cắt đồ thị phương trình Shockley điểm – điểm gọi điểm làm việc Q Điểm tĩnh Q có tọa độ VGS ID Điện áp VDS xác định: VDS = VDD − I D RD Ví dụ 5.14 Cho mạch điện hình 5.43 Biết JFET kênh N có: IDSS = 10mA, VP = - 8V, RD = 2kΩ, RG = 1MΩ VDD = 16V, VGG = 2V a Xác định điểm làm việc tĩnh Q mạch b Xác định điện áp chân JFET Hình 5.43 5.5.1 JFET b Mạch tự phân cực Hình 5.44 Mạch tự phân cực Hình 5.45 Mạch phân tích dc - Theo định luật K2 cho ngõ vào, ta được: VGS + I D R S = VGS I D = − RS 5.5.1 JFET Mặc khác, ta có: VGS I D = I DSS 1 − VP Giải phương trình hoành độ giao điểm, ta nghiệm VGS Chọn VGS thỏa điều kiện: |VGS| ≤ |VP| Từ VGS, ta tính ID Sau tính VDS theo định luật K2 cho ngõ ra: VDS = VDD − I D ( RS + RD ) Từ ta toạ độ điểm làm việc tĩnh Q (VDSQ, IDQ) 5.5.1 JFET Ví dụ 5.15 Cho mạch điện hình 5.46 Biết JFET kênh N có: IDSS = 8mA, VP = - 6V, RD = 3,3kΩ, RS = 1kΩ, RG = 1MΩ VDD = 16V, VGG = 2V a Xác định điểm làm việc tĩnh Q mạch b Vẽ đặc tuyến c Xác định điện áp chân JFET Hình 5.46 Mạch tự phân cực 5.5.1 JFET Ví dụ 5.16 Cho mạch điện hình 5.47 Biết JFET kênh N có: IDSS = 10mA, VP = - 3V, RD = 2,7kΩ, RS = 452Ω, RG = 1MΩ VDD = 15V, VGG = 2V a Xác định điểm làm việc tĩnh Q mạch b Vẽ đặc tuyến c Xác định điện áp chân JFET Hình 5.47 Mạch tự phân cực 5.5.1 JFET c Mạch phân cực cầu phân áp Hình 5.48 Mạch tự phân cực R VDD VTh = R1 + R Hình 5.49 Mạch tự phân cực R 1.R R Th = R1 + R 5.5.1 JFET VGS + I D R S + I G R Th = VTh VTh − VGS I D = RS VGS I D = I DSS 1 − VP Giải phương trình hoành độ giao điểm, ta nghiệm VGS Chọn VGS thỏa điều kiện: |VGS| ≤ |VP| Từ VGS, ta tính ID Sau tính VDS theo định luật K2 cho ngõ ra: VDS = VDD − I D ( RS + RD ) Từ ta toạ độ điểm làm việc tĩnh Q (VDSQ, IDQ) 5.5.1 JFET Ví dụ 5.17 Cho mạch điện hình 5.50 Biết JFET kênh N có: IDSS = 8mA, VP = - 4V, R1 =2MΩ, R2 = 270kΩ, RD = 2,4kΩ, RS = 1,5kΩ, RG = 1MΩ VDD = 16V a Xác định điểm làm việc tĩnh Q mạch b Vẽ đặc tuyến c Xác định điện áp chân JFET Hình 5.50 Mạch tự phân cực 5.5.2 MOSFET KÊNH CÓ SẴN Sự giống đường cong JFET MOSFET kênh có sẵn cho phép phân tích phân cực dc giống Sự khác JFET MOSFET kênh có sẵn MOSFET kênh có sẵn cho phép điểm hoạt động với giá trị dương VGS ID lớn giá trị IDSS Trong thực tế tất cấu hình khảo sát việc phân tích JFET thay MOSEFET kênh có sẵn 5.5.3 MOSFET KÊNH CẢM ỨNG Các đặc tính MOSFET kênh cảm ứng (kênh chưa có sẵn) hoàn toàn khác với JFET MOSFET kênh có sẵn, dòng điện cực máng ID MOSFET kênh chưa có sẵn điện áp VGS nhỏ điện áp ngưỡng VT Khi điện áp VGS lớn VT dòng điện cực máng xác định theo phương trình: I D = k ( VGS − VT ) k= (V I D ( ON ) GS ( ON ) − VT ) Hình 5.51 Đặc tuyến truyền đạt MOSFET kênh cảm ứng 5.5.3 MOSFET KÊNH CẢM ỨNG a Mạch phân cực hồi tiếp Hình 5.52 Mạch có hồi tiếp cực G Hình 5.53 Mạch rút gọn Do dòng IG = mA nên VRG = 0V mạch điện hình 5.52 tương đương hình 5.53 5.5.3 MOSFET KÊNH CẢM ỨNG Theo định luật K2 cho ngõ vào, ta có: VGS + I D R D = VD VGS VDD I D = − + RD RD Mặc khác, ta có: I D = k ( VGS − VT ) Giải phương trình hoành độ giao điểm, ta nghiệm VGS Chọn VGS thỏa điều kiện: |VGS| ≥ |VT| Từ VGS, ta tính ID Sau tính VDS = VGS IG = nên coi ngắn mạch cực D G Từ ta toạ độ điểm làm việc tĩnh Q (VDSQ, IDQ) 5.5.3 MOSFET KÊNH CẢM ỨNG b Mạch phân cực cầu phân áp Hình 5.54 Mạch phân cực phân áp Hình 5.55 Mạch rút gọn Áp dụng định lý Thêvênin sau tính toán tương tự trường hợp [...]... 5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT 5.3.1 Mạch khuếch đại phân cực cố định Mạch kđ phân cực cố định như hình 5.9 sử dụng transistor npn Hình 5.9 Mạch phân cực cố định Hình 5.10 Tách nguồn cung cấp Sơ đồ mạch hình 5.9 có thể chia nguồn cung cấp dc Vcc thành 2 nguồn như hình 5.10 5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT 5.3.1 Mạch khuếch đại phân cực cố định Xét mạch vòng BE: Xét mạch vòng phân cực mối nối B-E của hình... 5.17 Xác định ICsat vùng bão hòa 5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT 5.3.2 Mạch phân cực cố định ổn định cực emitter Mạch phân cực dc hình 5.18 có thêm 1 điện trở tại cực Emitter để cải thiện mức độ ổn định của cấu hình mạch phân cực cố định Hình 5.18 Mạch phân cực BJT có thêm điện trở cực E Hình 5.19 Nhánh BE Hình 5.20 Nhánh CE 5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT - Xét mạch vòng BE: Hình 5.18 có thể vẽ lại như... 10V a Xác định điểm làm việc tĩnh Q của mạch b Xác định điện áp trên các chân của BJT Hình 5.27 5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT 5.3.3 Mạch phân cực bằng cầu phân áp: Xét mạch phân cực bằng cầu phân áp như hình 5.28 Hình 5.28 Mạch phân cực kiểu phân áp Hình 5.29 Mạch tương đương Thêvênin 5.2 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT - Xác định điện trở Thevenin RTh bằng cách ngắn mạch nguồn điện áp như hình 5.30 R 1.R... 0,56kΩ và VCC = 20V a Xác định điểm làm việc tĩnh Q của mạch b Xác định điện áp trên các chân của BJT Hình 5.22 5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT 5.3.3 Mạch phân cực bằng điện áp hồi tiếp từ collector Xét mạch phân cực hồi tiếp điện áp như hình 5.23 Hình 5.23 Mạch khuếch đại hồi tiếp từ cực C Hình 5.24 Mạch tương đương 5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT - Xét mạch vòng BE: Hình 5.23 có thể vẽ lại như hình 5.24,... đồ nhánh BE 5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT 5.3.1 Mạch khuếch đại phân cực cố định Xét mạch vòng CE: Mạch vòng phân cực mối nối C-E được vẽ lại như hình 5.12 - Áp dụng định luật Kirchhoff 2: VCC = VCE + I C RC - Suy ra điện áp VCE: VCE = VC − VE Hình 5.12 Sơ đồ nhánh BE - Vậy toạ độ điểm làm việc tĩnh Q của mạch là Q(VCE, ICQ) 5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT Ví dụ 5.1: Cho sơ đồ mạch như hình vẽ 5.13... điểm làm việc tĩnh Q của mạch b Vẽ đồ thị c Xác định điện áp trên các chân của BJT Hình 5.13 5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT Ví dụ 5.2: Cho sơ đồ mạch như hình vẽ 5.104 Biết BJT loại Silic, β = 100, RB = 530kΩ, RC = 3kΩ và VCC = 6V a Xác định điểm làm việc tĩnh Q của mạch b Vẽ đồ thị c Xác định điện áp trên các chân của BJT Hình 5.14 5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT Ví dụ 5.3: Cho sơ đồ mạch như hình vẽ 5.15... Vậy ta xác định được tọa độ điểm làm việc tĩnh Q(VCEQ, ICQ) 5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT Ví dụ 5.6 Cho mạch điện như hình 5.26 Biết BJT loại Silic, β = 80, RB = 240kΩ, RC = 3kΩ, RE = 1kΩ và VCC = 9V a Xác định điểm làm việc tĩnh Q của mạch b Xác định điện áp trên các chân của BJT Hình 5.26 5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT Ví dụ 5.7 Cho mạch điện như hình 5.27 Biết BJT loại Silic, β = 90, RB = 250kΩ, RC... định được tọa độ điểm làm việc tĩnh Q(VCEQ, ICQ) 5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT Ví dụ 5.4: Cho sơ đồ mạch như hình vẽ 5.21 Biết BJT loại Silic, β = 80, RB = 300kΩ, RC = 2kΩ, RE = 300Ω và VCC = 18V a Xác định điểm làm việc tĩnh Q của mạch b Xác định điện áp trên các chân của BJT Hình 5.21 5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT Ví dụ 5.5: Cho sơ đồ mạch như hình vẽ 5.22 Biết BJT loại Silic, β = 120, RB = 470kΩ,... trình mạch vòng CE không có gì thay đổi – kết quả được: VCE = VCC − I C ( RC + RE ) Thay IC = ICQ vào biểu thức trên ta được điện áp VCEQ 5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT Ví dụ 5.8: Cho sơ đồ mạch như hình vẽ 5.32 Biết BJT loại Silic, β = 80, R1 = 48kΩ, R2 = 12kΩ, RC = 1,5kΩ, RE = 500Ω và VCC = 18V a Xác định điểm làm việc tĩnh Q của mạch b Xác định điện áp trên các chân của BJT Hình 5.32 5.3 CÁC MẠCH PHÂN... 2,5kΩ và VCC = 20V a Xác định giá trị điện trở RB b Tính dòng điện IC c Tính VCE Hình 5.15 * Hoạt động bão hòa của BJT Đối với transistor hoạt động ở vùng bảo hòa thì dòng điện đạt giá trị cực đại trong mạch điện đó Các trường hợp bảo hòa thường nên tránh bởi vì mối nối CB không còn phân cực ngược dẫn đến tín hiệu ngõ ra bị méo dạng Trong vùng bão hòa thì các đường cong đặc tính được nối lại với nhau ... CỰC CHO BJT 5.3.3 Mạch phân cực cầu phân áp: Xét mạch phân cực cầu phân áp hình 5.28 Hình 5.28 Mạch phân cực kiểu phân áp Hình 5.29 Mạch tương đương Thêvênin 5.2 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT - Xác... CỰC CHO BJT 5.3.2 Mạch phân cực cố định ổn định cực emitter Mạch phân cực dc hình 5.18 có thêm điện trở cực Emitter để cải thiện mức độ ổn định cấu hình mạch phân cực cố định Hình 5.18 Mạch phân. .. CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT 5.3.1 Mạch khuếch đại phân cực cố định Mạch kđ phân cực cố định hình 5.9 sử dụng transistor npn Hình 5.9 Mạch phân cực cố định Hình 5.10 Tách nguồn cung cấp Sơ đồ mạch