Bài giảng mạch điện tử chương 2 transistor 2 lớp tiếp giáp BJT

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM MẠCH ĐIỆN TỬ Chương Transistor lớp tiếp giáp - BJT 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Nội dung • Giới thiệu • Dòng chảy BJT • Phân cực BJT • Giải tích mạch BJT đồ thị • Sơ đồ tương đương thông số H-chế độ tín hiệu nhỏ • Phân tích mạch khuếch đại dùng BJT • Mạch khuếch đại E chung • Mạch khuếch đại B chung • Mạch khuếch đại C chung Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11/2/2012 Giới thiệu • 1948: Transistor (Bell Lab) • Các loại transistor (TST): BJT, FET • BJT: Bipolar Junction Transistor: Transistor hai lớp tiếp giáp • Cấu tạo: lớp tiếp xúc p-n ghép đối đầu • Phân loại: pnp & npn • Ký hiệu: cực B, C & E • Hoạt động phân cực: tắt, bão hòa, dẫn khuếch đại & đảo Hình dạng BJT thực tế 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Dòng chảy BJT • Với BJT-npn: Có dòng khuếch tán, dòng lỗ trống dòng ngược • Với BJT-pnp: 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Dòng chảy BJT • Vùng khuếch đại: • EB: Phân cực thuận • CB: Phân cực nghịch I C  I E  I CBO I E  I B  IC  I B  (1   ) I E  I CBO I CBO 1    IB   I   C     Đặt    hệ số khuếch đại dòng 1 Lưu ý: cấu hình B chung (CB – common Base Configuration) 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mối nối Emitter – Base (EB) • Xem mối nối EB Diode phân cực thuận hoạt động độc lập (iD = iE; vD = vEB) • DCLL đặc tuyến EB V EE i E   v EB  Re Re • Mạch tương đương đơn giản vE = VEBQ = V (0.7V: Silicon; 0.2V: Germanium) rd = I EQ  V EE  V EBQ Re Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11/2/2012 Mối nối Collector – Base (CB) • Từ quan hệ: I C  I E  I CBO  mạch tương đương mối nối CB E IE IC C E IE IC VEBQ IE Diode lyù töôûng IB B ICBO VEBQ IE IB B C Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11/2/2012 Mối nối CB Ví dụ 1: Cho mạch điện hình vẽ:   1, ICBO  0; VEE = 2V; Re = 1k; VCC = 50V; Rc = 20k; vi = 1sint Tính iE vCB E C Re vi iE B VEE VCC E C Re vi VEE B Re  1.3  1.0 sin t (mA) vCB  VCC  Rc iC  VCC  Rc i E iC Rc VEBQ C iE  Rc VEE  vi  VEBQ VCC vCB  VCC  Rc vCB VEE  VEBQ Re  24  20 sin t (V)  Rc vi Re Hệ số khuếch đại tín hiệu xoay chiều: Av = 20 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11/2/2012 Khuếch đại dòng BJT Quan hệ iC iB (bỏ qua ICBO): iC    iB Hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ với    1 iC    iB    iB Suy ra: iC     iB  h fe iB Xem gần đúng: iB h fe    hFE Lưu ý:  TST loại thay đổi theo TST Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11/2/2012 10 Khuếch đại dòng BJT Ví dụ 2: Cho mạch điện hình vẽ Xác định hệ số khuếch đại dòng tín hiệu nhỏ Cấu hình E chung (CE – Common Emitter configuration) Transistor npn C iB Rb vi VBB B E iC Rc  Ngõ vào: i B  Với VCC I BQ  VBB  vi  VBEQ Rb VBB  VBEQ Rb  I BQ  ib vi ib  Rb  Ngõ ra: iC    iB    ( I BQ  ib )  I CQ  ic Hệ số khuếch đại dòng tín hiệu nhỏ Ai  ic  ib Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11/2/2012 43 Mạch khuếch đại E chung Mạch tương đương TST: Độ lợi dòng thuận hfe : h fe  ic i  C  hFE   ib Q i B Q Trở kháng ngõ vào hie : hie  vbe v v V  BE  h fe BE  mh fe T ib Q i B Q i E Q I CQ Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11/2/2012 44 Mạch khuếch đại E chung Ví dụ 1: Cho mạch sau, giả sử hfe = hFE = 50 Xác định: a b Tĩnh điểm Q Mạch tương đương tín hiệu nhỏ, giả sử bỏ qua hoe hre c Độ lợi dòng Ai = iL / ii d Trở kháng ngõ vào nhìn từ nguồn dòng e Trở kháng ngõ nhìn từ tải 1K a Tĩnh điểm Q: 10 VBB  24  4V 10  50 I CQ Rb  10  50 10  50 VBB  VBE VBB  VBE     Re  Rb /  Re 2.2 VCEQ  VCC  ( Rc  Re ) I CQ = 15V = 8.3K = 1.5mA; Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11/2/2012 45 Mạch khuếch đại E chung b) Mạch tương đương tín hiệu nhỏ: hie  h fe 25mV 25  50 = 833 I CQ 1.5 Bỏ qua hoe hre c) Độ lợi dòng Ai: i L i L ib Ai   ii ib ii ib ( Rb // ri ) Rc iL = - 39.6;  ( 50)  = 0.85  Ai = (0.85)(-39.6) = -34 ib Rc  R L ii ( Rb // ri )  hie d) Trở kháng ngõ vào: Z i  ri // Rb // hie = 700 e) Trở kháng ngõ ra: Zo = RC = 3.8K 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại E chung Ví dụ 2: Tìm độ lợi dòng mạch khuếch đại ví dụ 1, giả sử: hre = 10-4 h0e = 10-4 mho Mạch tương đương: Ngõ ra: [(1 / hoe ) // Rc ] i L  h fe ib = - 36.7 ib [(1 / hoe ) // Rc ]  RL  vce = RliL = - 36.7103  ib Sử dụng KVL ngõ vào: vb = 830ib + 10-4 vce = (830 – 3.67)ib  830ib Nhận xét 1: Ảnh hưởng hre không đáng kể 46 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại E chung Sử dụng KCL ngõ vào:     ii  vb      ib  830ib    ib  1.183ib  10 K 8.3K   10000 8300  i L i L ib Suy ra: Ai    ( 36.7)(1 / 1.183)  -31 ii ib ii Nhận xét 2: So sánh với ví dụ (Ai = -34), ảnh hưởng hoe lên Ai không đáng kể 47 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 48 Mạch khuếch đại B chung Các thông số hybrid: veb = hib(-ie) + hrbvcb ic = hfbie + hoevcb Lưu ý: Chiều qui ước ie, ic Xác định thông số hybrid: Dùng mạch tương đương CE ie  ib  ic  (1  h fe )ib  (1  h fe )  v eb hie Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11/2/2012 49 Mạch khuếch đại B chung Trở kháng ngõ vào hib: hib  v eb v eb h V   ie  T ii  ie v cb  h fe  I EQ Độ lợi điện áp ngược hrb : hrb  10 –4 : Thường bỏ qua Độ lợi dòng thuận hfb : h fb h fe ic   ie v cb  h fe  Dẫn nạp ngõ hob : Sử dụng mạch tương đương CE có hoe: Từ mạch CE: ic = - ib; ihoe = (hfe +1)ib  vcb = vce + veb = (-ib)(hfe + 1)(1/hoe) + (-ib)(hie)  vcb  (-ib)(hfe + 1)(1/hoe) = (ic)(hfe + 1)(1/hoe)  Theo định nghĩa: hob  ic h  oe vcb ie   h fe Nhận xét: i) hrb hob thường nhỏ: Bỏ qua ii) Các thông số hybrid CB (hib, hfb, hob) có cách lấy thông số CE tương ứng chia cho (1+hfe) 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại B chung 50 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11/2/2012 Mạch khuếch đại B chung Ví dụ 3: a) Xác định thông số CB ví dụ 1, cho 1/hoe = 10K b) TST sử dụng cấu hình CB với ri = 100; RL = 5K Xác định độ lợi dòng Ai ; áp Av , trở kháng vào Zi; Zo Từ ví dụ 1: hfe = 50; hie = 0.83K; hoe = 10 –4 mho; hre = Suy ra: h fe h hie = 16; hob  oe = 210-6; hrb = h fb   0.98 ; hib   h fe  h fe  h fe Mạch tương đương: Ai  iL 500  100   ( 0.98)    ii 500   100  16  = 0.83 Av  v L RL i L  = 41.5 vi ri ii Zi = 16 Z0 = 500K 51 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 52 Mạch khuếch đại C chung • Tính chất: • Độ lợi áp Av  • Trở kháng ngõ vào lớn, trở kháng ngõ nhỏ: Impedance transformer • Phân tích: • Mạch tương đương dùng thông số hybrid cấu hình CC • Biến đổi tương đương sử dụng thông số hybrid cấu hình CE Thay TST mạch tương đương cấu hình CE: Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11/2/2012 53 Mạch khuếch đại C chung Thay TST mạch tương đương cấu hình CE: Nhìn từ cực B: vb = vbe + ieRe Do vbe = ibhie ieRe = (hfe + 1)ibRe   vb  ib hie  ib (h fe  1) Re  Mạch tương đương (chuẩn ib)   Rb //hie  (1  h fe ) Re       h  (  h ) R r  R // h  (  h ) R fe e   i b ie fe e   ie  v  Av  e   vi  (1  h fe ) Re vaø Z i  hie  (h fe  1) Re Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11/2/2012 Mạch khuếch đại C chung • Nhìn từ cực E: • Biến đổi Thevenin ngõ vào: Thay TST mạch tương đương CE: • KVL: vi,  ri,ib  vbe  v e ie ie vbe  hie ib  hie  hib ie h fe  h fe  ,  ri  , ie  hib ie  v e  vi    h  fe   • Do ib   Mạch tương đương (chuẩn ie) ri,  Z o  hib  h fe  54 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại C chung • Phản ánh trở kháng: • Phản ánh từ Emitter  Base (chuẩn ib) • Dòng / (hfe + 1) (Ví dụ: ie  ie/(hfe + 1)) • Trở kháng  (hfe + 1) (Ví dụ: Re  Re(hfe + 1)) • Áp: Không đổi (Ví du: ve  ve) • Phản ánh từ Base  Emitter (chuẩn ie) • Dòng  (hfe + 1) (Ví dụ: ib  ib(hfe + 1)) • Trở kháng / (hfe + 1) (Ví dụ: r’i  r’i / (hfe + 1)) • Áp: Không đổi 55 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại C chung Ví dụ 4: Phân tích mạch sau dùng phản ánh trở kháng •Biến đổi mạch tương đương: ri, Rc Ai  h fe Rc  R L ri,  hie  ( h fe  1) Re  56 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 57 Mạch khuếch đại C chung Ví dụ 5: Tính v1 v2 mạch đảo pha (phase inverter) sau: Phản ánh trở kháng cực E lên mạch cực B  Mạch tương đương (b) Re ( h fe  1) Rb  v1  vi Rb  ri ( ri // Rb )  hie  Re ( h fe  1) v  ic  h fbie  h fb Ngõ cực C: Re Nếu chọn hfbRc ( Rc) = Re  v2 = - v1 : Đảo pha Dòng ie : ie  v1 Re Rc v  ic Rc  h fb v1 Re [...]... VCEQ  VCEsat , RAC I CQ  Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 /2/ 20 12 Giải tích mạch BJT bằng đồ thị Ví dụ 4: Tìm Q để có max swing 1 R2 +9V RL 1k  = 100 R1 Re 20 0 DCLL: 9  VCEQ  I CQ (1000  20 0) Max swing: I CEQ  VCC / 2  3.75mA RL  Re VCEQ = VCC / 2 = 4.5 V 29 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 /2/ 20 12 30 Giải tích mạch BJT bằng đồ thị Ví dụ 5: Tìm R1 và R2 trong ví dụ 4 để đạt được Max Swing... 11 /2/ 20 12 26 Giải tích mạch BJT bằng đồ thị Mạng phân cực (Mạch tương đương Thevenin): R2 R1 VCC R1  R2 R1 R2 Rb  R1  R2 V BB  RL 1 2 ii VCC 3 R1 Re Thiết kế: R1  RL 1 2 1 R2 VCC VCC 3 Rb Rb 1 Re R1 VBB VBB Rb 1  V BB / VCC V R2  Rb CC V BB Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 /2/ 20 12 27 Giải tích mạch BJT bằng đồ thị • Hoạt động của mạch khuếch đại (DC) • Ngõ ra: VCC  vCE  iC RL  i E Re •... Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 /2/ 20 12 34 Mạch Emitter Follower VCC VCC vB = vBE + vE Xem vBE  VBE = 0.7 vi = vb  ve: “Follower” R2 Cb Cb Rb vi Re vi R1 Re VBB a) Mạch Emitter Follower b) Mạch tương đương VCC DCLL: RDC = Re ACLL: Rac = Re // RL Cb Ce vi Rb Re RL VBB c) Mạch Emitter Follower với tải AC Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 /2/ 20 12 35 Mở rộng - Mạch phân cực Base – Injection • Xét mạch. .. sau: VCC Tính toán mạch phân cực: Ngõ vào: VCC = VR2 + VBEQ + Vre VCC  R2(ICQ/) + VBEQ + ReICQ R2 Cb I CQ  Ce vi Re RL VCC  V BEQ R e  R2 /  Ngõ ra: VCEQ = VCC - ReICQ Thiết kế mạch phân cực: Chọn điểm tĩnh Q Tính R2  VCC  VBEQ  Re I CQ I CQ /  Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 /2/ 20 12 36 Mở rộng • Nguồn của mạch khuếch đại • Có thể thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho mạch khuếch đại để...  VCEsat V Mạch phân cực Dùng 1 nguồn đơn: dùng biến đổi Thevenin  V 2. 2 Mạch phân cực Dùng 1 nguồn đơn: Trong đó: RB  R1/ / R2  R1.R 2 R1  R2 R2 VBB  VCC R1  R 2 Mạch tương tự với trường hợp 2 nguồn I E  IC   I B   VBB  V RB 0 VCE  VC  VE  VCC  RC I C  VCEsat Mạch phân cực Ổn định phân cực: Trường hợp  thay đổi: thêm RE Đối với mạch: IC   I B    VBB  V RB Mạch hoạt động...  Mắc thêm điện trở RE Mạch phân cực Ổn định phân cực:  Mạch phân cực Ổn định phân cực: Mong muốn I C   RB   RE  10  Gần đúng:  1   RB  10  RE thì Mạch phân cực Ổn định phân cực: Nguồn phân cực thay đổi: Mắc thêm diode zener Mạch phân cực Ổn định phân cực: V thay đổi: mắc thêm diode Diode dùng ổn định mối nối B-E Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 /2/ 20 12 26 Giải tích mạch BJT bằng đồ...11 /2/ 20 12 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 Đặc tuyến VA ngõ ra, cấu hình E chung • Vùng bão hòa: vCE  VCEsat Quan hệ giữa iC và iB là không tuyến tính • Vùng chủ động: VCEsat  vCE  βVCEO Quan hệ tuyến tính:  iC    i B  I CBO  Giới hạn dòng: IC-cutoff  iC  ICmax Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 /2/ 20 12 12 Đặc tuyến VA ngõ ra, cấu hình E chung ;... Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 /2/ 20 12 Tụ Bypass vô hạn RDC  RL  Re Rac  RL i B ii RL iC 1 DCLL: IC   ACLL: v ce   RL ic RDC VCE  VCC 32 RDC VCC Rb iE Re Ce VBB 1 v ce  ic   Rac (Gốc tọa độ Q) Max Swing: Q trung điểm ACLL  VCEQ  I CQ Rac Thay vào DCLL: VCC 1   I CQ   I CQ Rac  RDC RDC VCC VCC I  VCEQ   CQ R DC  Rac 1  R DC / Rac Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 /2/ 20 12 33... Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 /2/ 20 12 28 Giải tích mạch BJT bằng đồ thị • Tín hiệu nhỏ: ic  iC  I CQ v ce  vCE  VCEQ • Quan hệ pha: ib tăng, ic, ie tăng, vce giảm Điều kiện để iC có thể dao động cực đại (max swing): (Giả sử VCEsat = 0 và IC-cutoff = 0) I CQ  VCC / 2 R L  Re VCEQ  VCC / 2 I CMms VCEQ  VCEsat    min  I CQ ,  R AC   VCEMms  min VCEQ  VCEsat , RAC I CQ  Khoa Điện. .. Rb  = 100 1 Re (1   ) 10 VBB = VRb + VBQ = IBQRb + VBQ  (ICQ/)(0.1Re) + VBE + ICQRe VBB = VBE + ICQ(1.1Re) = 0.7 + (3.75E-3)(1.1) (20 0) = 1. 525 V Re 20 0 VBB Suy ra: R1  Rb 1  V BB / VCC = 2. 4K VCC R2  Rb = 11.8K V BB Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 /2/ 20 12 31 Tụ Bypass vô hạn Re: + Tạo dòng phân cực ICQ và tăng độ ổn định phân cực _ Giảm hiệu suất; _ Giảm hệ số khuếch đại đối với tín hiệu ... Hình dạng BJT thực tế 11 /2/ 20 12 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Dòng chảy BJT • Với BJT- npn: Có dòng khuếch tán, dòng lỗ trống dòng ngược • Với BJT- pnp: 11 /2/ 20 12 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM... ra: v0-DC = (Không cần dùng tụ coupling ngõ ra) 11 /2/ 20 12 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM MẠCH ĐIỆN TỬ Phân tích & Thiết kế mạch tín hiệu nhỏ tần số thấp 37 11 /2/ 20 12 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK... dùng ổn định mối nối B-E Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 /2/ 20 12 26 Giải tích mạch BJT đồ thị Mạng phân cực (Mạch tương đương Thevenin): R2 R1 VCC R1  R2 R1 R2 Rb  R1  R2 V BB  RL ii VCC