Bài giảng kỹ thuật điện chương 2 transistor

• Điều kiện phân cực transistor : - Phân cực thuận mối nối B-E - Phân cực ngược mối nối B-C - Một phần nhỏ trong số các điện tử đó đi xuyên qua cực B về dương nguồn VBE tạo thành dòng I

Chương 2: TRANSISTOR

2.1 Transistor lưỡng cực – BJT

2.1.1 Giới thiệu 2.1.2 Nguyên lý hoạt động 2.1.3 Đặc tuyến Vol – Ampe

2.1.4 Các hệ số của BJT 2.1.5 Các chế độ làm việc của BJT

2.1.6 Phân cực transistor

2.1.7 Bài tập

2.2 Transistor MOSFET

2.2.1 Giới thiệu 2.2.2 Đặc tuyến Vol – Ampe

2.2.3 Chế độ ON-OFF

2.1 Transistor lưỡng cực BJT

2.1.1 Giới thiệu BJT. (BJT – Bipolar Junction Transistor)

• Transistor lưỡng cực gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N

- Nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận

- Nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược

• Hình dạng thực tế:

2

2.1.1 Giới thiệu BJT. (tt)

• Các cực được ký hiệu bằng các kí tự E (Emitter - cực

phát), C (Collector - cực thu) và B (Base - cực nền)

2.1.1 Giới thiệu BJT (tt)

 Các cách mắc:

4

2.1.1 Giới thiệu BJT. (tt)

 Các cách mắc: (tt)

2.1.2 Nguyên lý hoạt động

• Điều kiện phân cực transistor :

- Phân cực thuận mối nối B-E

- Phân cực ngược mối nối B-C

- Một phần nhỏ trong số các điện tử đó đi xuyên qua cực B

về dương nguồn VBE tạo thành dòng IB , còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp

VCE => tạo thành dòng IC chạy qua Transistor

• Áp dụng ĐL K1: IE =I B +I C , với I B rất nhỏ so với I C

6

2.1.3 Đặc tuyến Vol – Ampe

- Giả sử áp V BB được chỉnh để tạo ra

giá trị I B bất kỳ và áp V CC =0V Tại

điều kiện này, các mối nối BE và BC

phân cực thuận vì áp VBE=0,7V

trong khi áp VCE=0V Khi các mối nối

BE và BC phân cực thuận, BJT hoạt

động trong vùng bảo hòa

- Khi tăng áp V CC , áp V CE tăng dần

khi dòng I C tăng

 Đoạn BC - vùng hoạt động

- Khi V CE vượt cao hơn giá trị 0.7 V,

mối nối BC phân cực nghịch và

transistor bắt đầu đi vào vùng hoạt

động hay vùng tuyến tính

7

2.1.3 Đặc tuyến Vol – Ampe.(tt)

- Khi áp V CE tiếp tục gia tăng, dòng

I C ngừng tăng và duy trì giá trị

không đổi tương ứng với giá trị của

2.1.4 Các hệ số của BJT

• Hệ số 𝛃𝐃𝐂 hay h FE được gọi là độ lợi dòng điện DC và được định nghĩa là tỉ số dòng DC qua cực thu IC so với dòng DC qua cực nền IB

• Dòng AC qua cực thu tạo áp AC

ngang qua điện trở RC

→Transistor khuếch đại tín hiệu AC

cấp vào cực nền Cần nhớ áp AC trên

RC đảo pha so với áp AC cấp vào trên

cực nền

• Do mối nối nền phát phân cực thuận

nên điện trở nội 𝑟′𝑒 cực phát xét đối

với tín hiệu AC có giá trị rất thấp

10

2.1.5.1 Chế độ khuếch đại (tt)

Dòng cực phát tính đối với áp AC là:

ie = vb

r′e ≅ ic

Áp AC trên cực thu là vc bằng với áp AC đặt

ngang qua hai đầu điện trở RC:

Vì RC là điện trở ngoài và có giá trị rất lớn

so với điện trở nội r′e

→ Điện áp ra luôn có biên độ rất lớn so

với điện áp cấp vào

→ Ứng dụng trong mạch ampli để

2.1.5 Các chế độ làm việc của BJT. (tt)

2.1.5.2 Chế độ ON-OFF

Khi I B =0 , transistor hoạt động

trong vùng ngưng dẫn (cut

off) vì mối nối nền phát không

được phân cực thuận → IC=0

→ Xem như cực thu và phát hở

2.1.5.2 Chế độ ON-OFF (tt)

• Khi mối nối nền phát phân cực thuận và dòng IB gia tăng, dòng cực thu IC cũng gia tăng theo quan hệ

IC = βDC IB → VCE= VCC − ICRC

• Tóm lại, khi IB và IC tăng thì VCE giảm Khi VCE giảm đến trạng thái giá trị bảo hòa VCEsat , mối nối BC bắt đầu phân cực thuận và dòng IC tăng nhanh Tại lúc bảo hòa, quan hệ

IC = βDC IB không còn duy trì chính xác Áp VCEsat thường được xác định tại điểm khuỷu của đặc tuyến cực thu và có giá trị khoảng VCEsat = 0,4V đến 0,5V ( Si )

• Gần đúng: VCEsat ≈ 0V

→ Áp tại cực thu: VC=0

2.1.5.2 Chế độ ON-OFF (tt)

phân cực thuận và dòng I B đủ lớn để tạo dòng I C cực đại, transistor đạt trạng thái bảo hòa

Khi đạt trạng thái bảo hòa, ta có quan hệ sau:

14

ICsat = VCC − VCEsat

RCGiá trị cực tiểu của dòng IB đủ tạo

trạng thái bảo hòa cho transistor là:

IBmin = ICsat

βDCTrong thực tế vận hành, ta tạo ra

dòng IB có giá trị hơi lớn hơn giá trị

IBmin xác định để duy trì tốt trạng

thái bảo hòa cho transistor

VCE=VCEsat=0,2V → cuộn dây

của relay có điện → sinh ra từ

trường đóng khóa KLoad

• Khóa K mở: IB=0 → BJT ngưng dẫn → cuộn dây relay không có điện → khóa KLoad hở mạch

Diode được sử dụng để dẫn dòng ngược khi cuộn dây relay phóng điện

2.1.5.3 Công suất cực đại của BJT.

 Công suất tiêu tán trên BJT:

2.1.5.4 Ví dụ

Ví dụ 1: Cho mạch transistor

như hình, biết áp bảo hòa

VCEsat=0,2V Hãy xác định trạng

thái hoạt động của transistor ?

ĐS: [IC=ICsat=9,8mA; bão hòa]

2.1.5.4 Ví dụ (tt)

Ví dụ 2: Cho mạch transistor như hình, tính:

a Áp VCE khi VIN=0V

b Dòng IBmin để BJT hoạt động trong vùng

bảo hòa, biết βDC=200, bỏ qua giá trị áp

VCEsat

c Giá trị cực đại của điện trở RB khi VIN=5V

mà vẫn bảo đảm cho BJT dẫn bão hòa

18

ĐS: [10V; 50μA;86K]

2.1.5.4 Ví dụ (tt)

Ví dụ 3: Cho: VCC=9V; VCEsat=0,3V; RC=270Ω;

RB=3,3KΩ; βDC=50 Cho dòng điện qua LED

khi phát sáng là 30 mA Áp cấp vào cực nền

có dạng xung chữ nhựt

Xác định biên độ của sóng xung chữ nhựt đủ

để transistor bảo hòa

Khi tính toán chọn dòng điện qua cực nền

bằng 2 lần giá trị IBmin để đảm bảo BJT bảo

hòa hoàn toàn

ĐS: [4.95V]

2.1.6 Phân cực transistor.

2.1.6.1 Điểm làm việc DC (điểm Q)

a Phân cực DC

• Phân cực là thao tác xác định điểm làm việc DC cho các

bộ khuếch đại hoạt động trong vùng tuyến tính

• Nếu bộ khuếch đại không được phân cực đúng điểm làm việc DC, có thể dẫn đến quá trình ngưng dẫn hay bảo hòa khi cấp tín hiệu vào bộ khuếch đại

20

b Giải tích mạch dùng đồ thị.(tt)

22

d Vùng làm việc tuyến tính.

• Vùng dọc theo đường tải DC từ vị trí bảo hòa đến vị trí ngưng dẫn được gọi là vùng làm việc tuyến tính của transistor

• Khi transistor hoạt động trong vùng này, điện áp ra được tái tạo một cách tuyến tính với điện áp vào

e Sự sái dạng.

• Nên chọn điểm làm việc Q ngay vị trí trung điểm trên đường tải

DC để tránh sự sái dạng áp ra sau khi được khuếch đại (hình a,b)

24

• Tuy nhiên sự sái dạng áp ngõ ra

còn phụ thuộc biên độ của áp ngõ

vào trên cực nền (hình c)

f Ví dụ.

• Ví dụ 4:

Khi chưa cấp áp Vin vào

cực nền, điểm làm việc Q được xác

f Ví dụ. (tt)

Ví dụ 4: (tt)

Giả sử áp sin ngõ vào Vin tạo

dòng sin tại cực nền có biên

độ là 100μA

Trường hợp này dẫn đến dòng

cực thu có biên độ là 10mA

dao động quanh điểm làm

2.1.6.2 Mạch phân cực transistor. (tt)

29 Tùy theo từng phương pháp phân cực, ta áp dụng định luật Kirchoff để tìm điểm làm việc Q

2.1.7 Bài tập (tt)

 BT 2.3: Cho mạch phân cực BJT

như hình Xác định :

a Các điện áp VBE; VCE và VCB

b BJT hoạt động trong vùng tuyến

tính hay vùng bảo hòa

ĐS:[0,7V ; 5,08V ; 4,38V ]

33

2.1.7 Bài tập (tt)

 BT 2.4: Cho mạch phân cực BJT

như hình Xác định :

a Các điện áp VEB; VEC và VBC

b BJT hoạt động trong vùng tuyến

tính hay vùng bảo hòa

ĐS:[0,7V ; 3,85V ; 3,15V ]

34

2.1.7 Bài tập (tt)

 BT 2.6: Cho mạch như hình

a Xác định các giao điểm của đường

tải DC với hệ trục tọa độ của đặc

2.1.7 Bài tập (tt)

 BT 2.7: Cho mạch như hình

a Xác định các giao điểm của đường tải DC

với hệ trục tọa độ của đặc tuyến cực thu

b Xác định điểm làm việc Q

ĐS:[ a) 20,5mA ; 8V ; b) 6mA ; 5,66V]

2.1.7 Bài tập (tt)

 BT 2.9: Cho mạch transistor phân cực cực nền

có hồi tiếp như hình, xác định:

a Điểm làm việc của BJT

b Điện thế tại các cực BJT so với điểm Gnd của

ĐS:[ a)IB=0,2mA ; IC=4,9mA ; PBJT=0,69mW ; η=95,66%

b)IB=0,04mA ; IC=4mA ; PBJT=4,04mW ; η=79,52% ]

2.1.7 Bài tập (tt)

 BT 2.11: Xác định điểm làm việc của mạch

phân cực dùng cầu phân áp như hình Biết

hệ số khuếch đại hFE=100

ĐS: [4,8mA ; 2,49V]

2.2 Transistor MOSFET.

2.2.1 Giới thiệu.

• Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor :

Transistor bán dẫn ô-xít kim loại hiệu ứng trường

• MOSFET là linh kiện 3 chân (D, S, G) điều khiển bằng

điện áp, thường được sử dụng để đóng ngắt tải

2.2.1 Giới thiệu. (tt)

44

Điều khiển bằng dòng Điều khiển bằng áp

2 loại: pnp và npn 2 loại: kênh n và kênh p

với tín hiệu ngõ vào

Sự thay đổi dòng điện ngõ ra nhỏ

hơn BJT

Hoạt động ổn định khi nhiệt độ

thay đổi Cùng kích thước thì MOSFET có

khả năng chịu dòng tải lớn hơn

BJT nhiều lần

2.2.1 Giới thiệu. (tt)

• Phân loại:

 D-MOSFET : MOSFET kênh có sẵn (Deletion Type)

 E-MOSFET : MOSFET kênh cảm ứng (Enhancement Type)

2.2.2 Đặc tuyến Vol – Ampe

điện ID không đổi khi VDS thay đổi

ID chỉ phụ thuộc vào điện áp phân

cực VGS theo hàm phi tuyến:

)

(th

GS GS

K là hằng số ; VGS(th) là điện áp ngưỡng đóng khóa, với

VGS(th) có thể nhận giá trị dương hoặc âm

 Vùng ngưng dẫn: Là vùng mà điện áp VGS nhỏ hơn VGS(th) Giữa D và S là điện trở rất lớn làm cho MOSFET không dẫn điện

2.2.2 Đặc tuyến ngõ ra. (tt)

• E-MOSFET: tương tự D-MOSFET, chỉ khác ở điểm:

VGS(th) ≥ 0

2.2.3 Chế độ ON-OFF. (tt)

• Tín hiệu ngõ vào Vin và cực cổng nối VDD

• VGS>VTH

→ MOSFET hoạt động trong vùng bão hòa (fully ON)

→ Dòng qua cực máng đạt giá trị max: ID=VDD/RL