PHÂN CỰC BJT VÀ MẠCH ỨNG DỤNG

Tài liệu bao gồm lý thuyết và bài tập áp dụng ( có đáp án ) về BJT và mạch ứng dụng của nó trong chương trình môn học điện tử cơ bản. Tài liệu rất dễ hiểu sẽ giúp bạn hiểu rõ những kiến thức cần nắm. Chúc các bạn học tốt.

Bài Giảng Mạch Điện Tử

BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR (BJT)

2.1 CẤU TẠO, KIỂU VỎ, PHÂN LOẠI THEO MÃ HIỆU

2.1.1 Cấu tạo:

Transistor hai mối nối (Bipolar Junction Transistor – BJT) là một linh kiện điện tử 3 cực cĩ cấu tạo gồm 3 lớp bán dẫn : N, P, N hoặc P, N, P ghép nối tiếp nhau Mỗi lớp bán dẫn được hàn

ra ngồi bằng một điện cực kim loại

Hình 2.1: Cấu tạo và ký hiệu Transistor

Nồng độ tạp chất trong 3 lớp bán dẫn khơng đều nhau:

Lớp cực E (P+ hoặc N+) cĩ nồng độ

tạp chất cao nhất và do đĩ cĩ số lượng

hạt dẫn tự do nhiều nhất

Lớp cực B cĩ nồng độ tạp chất ít nhất

và là lớp mỏng nhất trong 3 lớp

Mặt tiếp giáp giữa lớp cực B và lớp

cực E gọi là chuyển tiếp JE hay mối

nối BE

Mặt tiếp giáp giữa lớp cực B và lớp

cực C gọi là chuyển tiếp JC hay mối

nối BC

2.1.2 Kiểu vỏ:

Chương 02

P N P

C

B

E

C

E

B

N P N

C

B

E

a) Cấu tạo và ký hiệu Transistor PNP

(Transistor thuận) b) Cấu tạo và ký hiệu Transistor NPN (Transistor nghịch)

B: Base (cực cổng hay cực nền) C: Collector (cực thu)

E: Emitter (cực phát)

C

E B

C

B

E

Chuyển tiếp J C hay mối nối BC Chuyển tiếp J E hay mối nối BE

Hình 2.2: Một số kiểu vỏ Transistor thông dụng

2.1.3 Phân loại Transistor theo mã hiệu:

Transistor được chia thành 2 loại là P-N-P (loại thuận) và N-P-N (loại nghịch) Ta có thể nhận dạng được một Transistor thuộc loại P-N-P hay N-P-N qua xem xét ký hiệu của nó:

Transistor có ký hiệu bắt đầu bằng A hoặc B thuộc loại P-N-P

(A: loại cao tần và B: loại âm tần hoạt động ở tần số thấp)

Transistor có ký hiệu bắt đầu bằng C hoặc D thuộc loại N-P-N

(C: loại cao tần và D: loại âm tần hoạt động ở tần số thấp)

Một số Transistor có ký hiệu bắt đầu bằng 2N…(ví dụ 2N3055A) hoặc TIP (ví dụ TIP120)

là những Transistor ký hiệu theo tiêu chuẩn của Mỹ và ta phải tra cứu để xác định loại

a) Transistor N-P-N

Điều kiện dẫn điện, đặc tuyến IB, UBE và đặc tuyến IC, UCE :

Điều kiện dẫn điện và đặc tuyến I B , U BE :

Transistor có một tính chất rất quan trọng là có khả năng khuếch đại dòng điện Nếu ta cấp vào cực B của nó dòng điện IB thì ở cực C và cực E sẽ xuất hiện các dòng điện lớn hơn IB nhiều lần Vì vậy có thể dùng dòng IB rất nhỏ điều khiển dòng IC khá lớn Sự thay đổi của IB (dù rất nhỏ cũng kéo theo sự thay đổi của IC khá lớn (so với lượng IB thay đổi) Tuy nhiên để đạt được như vậy, điện áp tác động lên các cực của Transistor phải có những điều kiện nhất định : đúng cực tính và có giá trị đủ lớn

Đối với Transistor N-P-N loại chế tạo bằng Si, điều kiện để Transistor dẫn điện là:

Điện áp UBE > 0,6 và UCE > 0

Dòng điện trên các cực B, C và E có chiều như hình 2.3

B C

E

TO-92

TO-92 MOD

B C E

E

C B

TO-126 MOD

TO-126 FM

E

C B

TO-3

C

B E

B C E TO-3P

B C E

TO-220AB TO-3PFM

TO-220FM

TO-220CFM

B C E

B C E

Bài Giảng Mạch Điện Tử

Mối nối BE là một lớp tiếp giáp P-N nên cĩ đặc tính giống như Diode, Giả sử ta tăng dần

UBE từ 0V thì khi UBE tăng đến khoảng 0,5v dịng IB mới bắt đầu xuất hiện Khi UBE khoảng 0,6v thì dịng IB < 1mA nhưng sau đĩ tăng rất nhanh khi chỉ cần tăng UBE một lượng rất nhỏ Dịng IB đạt giá trị khoảng vài chục mA khi UBE = 0,7v và rất lớn đến mức làm hỏng Transistor nếu UBE tăng đến khoảng 1V hoặc cao hơn Vì vậy giá trị UBE trong các phép tính tốn cĩ thể lấy gần đúng bằng 0,6V hay 0,7V thì từng trường hợp cụ thể Khi đã cĩ dịng IB, nếu ta cĩ UCE > UCES (khoảng 0,1 đến 0,4v) thì ở cực C và cực E xuất hiện các dịng điện IC và IE cĩ cường độ lớn hơn IB nhiều lần Khi đĩ ta nĩi Transistor ở trạng thái dẫn điện

Khi đã cĩ dịng IB mà khơng cĩ nguồn áp thứ hai để tạo ra dịng IC thì Transistor vẫn ở trạng thái ngưng dẫn, lúc đĩ dịng IB chảy đến cực E và ta cĩ IE = IB, IC = 0

Nếu khơng cĩ nguồn áp phân cực cho mối nối BE hoặc UBE khơng đủ lớn (UBE < 0,6V) thì dịng IB = 0 Khi đĩ Transistor cũng ở trạng thái ngưng dẫn bất chấp các yếu tố khác

Tĩm lại điều kiện để Transistor N-P-N dẫn điện, cần cĩ hai điều kiện cần và đủ:

Điều kiện cần là: UBE > 0,6V

Điều kiện đủ: UCE > UCES

Đặc tuyến I C , U CE :

Trong trường hợp giữ dịng điện IB khơng đổi và thay đổi UCE, quan hệ giữa dịng điện IC

và điện áp UCE khi đĩ gọi là đặc tuyến IC, UCE của Transistor Với nhiều giá trị IB khác nhau ta

cĩ nhiều đường đặc tuyến khác nhau gọi là họ đặc tuyến IC, UCE mà trên hình 2.5 là một ví dụ

Hình 2.4 : Thí nghiệm đo đặc tuyến I C , U CE của Transistor

U CE

R B

0

U BB

+ -+

I B

I C

C

E B

I C

I E

I B

+

U BE

+

-U CE

Hình 2.3

0.5 0.6 0.7

U BE 0

< 1mA

Vài chục mA

I B

Đặc tuyến IB,VBE

UBE

Nếu dòng điện IB không đổi thì dòng điện IC cũng gần như không đổi khi UCE biến thiên nếu UCE đủ lớn Như vậy dòng điện IC chủ yếu phụ thuộc vào IB

Hệ số khuếch đại dòng điện và quan hệ giữa các dòng điện IB, IC, IE

Hệ số khuếch đại dòng điện DC

() hay h FE

Trong trường hợp các dòng điện

IB, IC là hằng số thì tỉ số giữa dòng

điện IC và dòng điện IB được gọi là hệ

số khuếch đại dòng điện DC của

Transistor Hệ số này được ký hiệu là

 hay hFE và được tính theo công thức:

B

C

I

I



 với điều kiện IC < ICS

(I CS là dòng điện bão hoà ở cực

C có giá trị phụ thuộc mạch điện cụ

thể)

Hệ số  của các Transistor nói

chung có giá trị từ vài chục đến vài trăm phụ thuộc vào nồng độ hạt dẫn tự do và kích thước vật

lý của các lớp bán dẫn Vì vậy  do nhà sản xuất cung cấp Với các Transistor cùng một mã hiệu,

hệ số  cũng có thể khác nhau từ vài chục đến hàng trăm Vì vậy trong các sổ tay tra cứu dạng tóm lược, người ta thường cho giá trị min, max và typ (giá trị  điển hình) Khi sử dụng, ta thường lấy giá trị typ Trong tài liệu tra cứu chi tiết, nhà sản xuất cung cấp hệ số  cho ở dạng đồ thị phụ thuộc vào dòng IC Khi ấy muốn xác định , ta có thể ước lượng trị số của nó tương ứng với một khoảng dòng điện nào đó hoặc định giá trị chính xác tại một giá trị dòng điện biết trước

Ví dụ trên hình 2.6, hệ số  có giá trị khoảng 90 ứng với dòng IC = 2mA

Hình 2.6: Hệ số  hay h FE của Transistor C535

Quan hệ giữa các dòng điện:

A 75

I B  

A 40

I B  

A 20

I B  

A 5

I B  

U CE

I C

0 1 2 3 4 5 6 7 8 mA

Hình 2.5 : Họ đặc tuyến I C , U CE của Transistor

Bài Giảng Mạch Điện Tử

Khi Transsitor dẫn điện, dòng điện cực C của nó lớn gấp  lần dòng điện cực B nếu dòng

IC chưa đạt cực đại (chưa bão hoà) Xem hình 2.3 ta nhận thấy cả hai dòng IB và IC cùng hội tụ về cực E nên ta có:

IE = IC + IB (đẳng thức này luôn đúng với mọi trường hợp)

Vì IC = .IB nên có cách tính khác là: IE = .IB + IB = ( + 1).IB

Vậy khi dòng IC chưa đạt cực đại thì:

IC = .IB và

IE = IC + IB = ( + 1).IB

Khi dòng IC đã đạt cực đại thì giá trị cực đại đó gọi là ICS (dòng IC bão hoà) và để có IC =

ICS thì dòng điện tại cực B phải có giá trị lớn hơn IBS với IBS = ICS/ Lúc này ta có:

IB IBS

IC = ICS

IE = IC + IB

b) Transistor P-N-P

Điều kiện dẫn điện, hệ số  và quan hệ giữa các dòng điện

Điều kiện dẫn điện:

Cũng giống như Transistor N-P-N, Transistor P-N-P cũng

cần có những điều kiện nhất định để dẫn điện :

Điện áp UEB > 0,6 và UEC > 0

Dòng điện trên các cực B, C và E có chiều như hình 2.7

Mối nối EB là một lớp tiếp giáp P-N nên có đặc tính giống

như Diode, Giả sử ta tăng dần UEB từ 0V thì khi UEB tăng đến khoảng 0,6V dòng IB mới bắt đầu xuất hiện và sau đó tăng rất nhanh khi chỉ cần tăng UEB lên một lượng rất nhỏ Dòng IB có thể đạt giá trị rất lớn đến mức làm hỏng Transistor nếu UEB tăng đến khoảng 1V hoặc cao hơn

Khi Transistor làm việc với dòng IB nhỏ khoảng 1mA thì UEB khoảng 0,6V Nếu tăng UEB đến 0,7V thì IB khoảng vài chục mA Vì vậy giá trị UEB trong các phép tính toán có thể lấy gần đúng bằng 0,6V hay 0,7V thì từng trường hợp cụ thể

Khi đã có dòng IB, nếu điện thế ở cực E lớn hơn điện thế cực C tức là UEC > 0 thì ở cực C

và cực E xuất hiện các dòng điện IC và IE có cường độ lớn hơn IB nhiều lần Khi đó ta nói Transistor ở trạng thái dẫn điện

Khi đã có dòng IB mà không có nguồn áp thứ hai để tạo ra dòng IC thì Transistor vẫn ở trạng thái ngưng dẫn, Lúc đó dòng IC = 0 và ta có IB = IE

Nếu không có nguồn áp phân cực cho mối nối EB hoặc UEB không đủ lớn (UEB < 0,6V) thì dòng IB = 0 Khi đó Transistor cũng ở trạng thái ngưng dẫn bất chấp các yếu tố khác

Tóm lại điều kiện để Transistor P-N-P dẫn điện, cần có hai điều kiện cần và đủ:

Điều kiện cần là: UEB > 0,6V

Điều kiện đủ: UEC > 0

Hệ số khuếch đại dòng điện DC ( hay h FE ):

Đối với Transistor P-N-N, hệ số  hay hFE cũng được định nghĩa là tỉ số giữa dòng IC và IB khi dòng IC chưa đạt tới trị bão hoà

B

C

E

-+

Hình 2.7

C

I

I



 với điều kiện IC < ICS

(I CS là dòng điện bão hoà ở cực C có giá trị phụ thuộc mạch điện cụ thể)

Quan hệ giữa các dòng điện:

Khi dòng IC chưa đạt cực đại thì:

IC = .IB và

IE = IC + IB = ( + 1).IB

Khi dòng IC đã đạt cực đại thì giá trị cực đại đó gọi là dòng IC bão hoà, ký hiệu là ICS Để

có IC = ICS cần có IB ICS/ Lúc này ta có :

IB IBS

IC = ICS

IE = IC + IB

2.2 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA TRANSISTOR

2.2.1 Hoạt động của Transistor có thể chia thành 3 chế độ như sau:

Chế độ ngưng dẫn: Transistor không dẫn điện, dòng điện trên các điện cực bằng 0 Chế độ dẫn khuếch đại: Dòng điện IC = IB và chưa đạt cực đại (IC < ICS)

Chế độ bão hoà: Dòng IC đạt cực đại bằng ICS và điện áp UCE giảm xuống rất thấp UCE

= UCES = 0,1 0,4V tuỳ theo cường độ dòng ICS Với ICS khoảng vài chuc mA thì UCES khoảng 0,1  0,2v Với ICS khoảng vài trăm mA đến vài Ampe thì UCES có thể đến 0,3 hoặc 0,4v UCES là điện áp giữa cực C và E đo khi Transistor bão hoà Với tất cả các

Transistor, điện

2.2.2 Điểm làm việc tĩnh, đường tải DC của transistor trong sơ đồ khuếch đại

Trong các mạch ứng dụng Transistor N-P-N, nguồn cấp điện cho mạch là nguồn một chiều

có giá trị không đổi và phải có ít nhất một điện trở mắc từ cực (+) của nguồn điện đến cực C hoặc từ cực E đến mass để hạn dòng qua Transistor (điện trở này có thể là tải) Với mạch như vậy thì khi dòng IC tăng sẽ tạo ra một sụt áp trên các điện trở hạn dòng làm cho điện áp UCE giảm và ngược lại Điện áp UCE có giá trị lớn nhất bằng điện áp nguồn khi dòng IC = 0 và nhỏ nhất bằng UCES khi IC = ICS Tại một thời điểm nào đó dòng điện IC và điện áp UCE có một giá trị xác định Cặp giá trị (UCE, IC) xác định một điểm Q trong mặt phẳng toạ độ UCE,IC gọi là điểm làm việc của Transistor Khi dòng điện cực B (dòng IB) không biến thiên thì cặp giá trị

IC,UCE có giá trị không đổi và điểm làm việc Q(UCE,IC) được gọi là điểm làm việc tĩnh của Transistor Quỹ đạo của điểm làm việc tĩnh khi IC thay đổi từ 0 đến giá trị tối đa ICS là một đoạn thẳng gọi là đường tải DC của Transistor Đường tải DC mô tả quan hệ giữa IC và UCE trên mạch điện đang xét, nó có ý nghĩa quan trong trong việc xác định xu hướng dẫn điện mạnh yếu của Transistor cũng như dùng để xác định vùng hoạt động quá công suất của Transistor Việc xây dựng đường tải DC sẽ trình bày sau Trên hình 2.8 mô tả một đường tải

DC điển hình (đoạn AS) Khi điểm làm việc Q tiến đến S, Transistor đạt trạng thái bão hoà Khi điểm Q tiến đến A, Transistor ngưng dẫn Khi Q ở vị trí hiện tại như hình vẽ, Transistor đang dẫn điện ở chế độ khuếch đại Vị trí điểm làm việc Q chính là giao điểm giữa đường đặc tuyến IC,UCE (do nhà sản xuất cung cấp hoặc xây dựng từ thì nghiệm) với đường đặc tuyến ngõ ra của mạch (đường AB)

Đường tải DC cho thấy rõ phạm vi biến thiên thực tế của điện áp UCE và dòng điện IC cũng như quan hệ giữa IC và UCE Khi IC tăng thì UCE giảm và ngược lại

Bài Giảng Mạch Điện Tử

Hình 2.8: Đường tải DC của Transistor N-P-N

Để xác định điểm làm việc Q ta cần 2 bước tiến hành như sau:

b) Dựa vào mạch phân cực ngõ vào để xác định giá trị dịng IB

c) Tìm đặc tuyến tương ứng với IB vừa tính trong họ đặc tuyến IC, UCE và xác định giao điểm giữa đặc tuyến này với đường đặc tuyến ngõ ra của mạch Lưu ý là cách làm này khơng thực hiện được nếu khơng cĩ họ đặc tuyến IC, UCE của Transistor, nếu khơng cĩ thì cách tính gần đúng thực hiện như sau:

So sánh IB với IBS = ICS/ (giá trị  phải biết trước)

Nếu IB IBS thì Transistor làm việc ở chế độ bão hồ tức điểm Q  S

Nếu IB < IBS thì Transistor chưa bão hồ, dịng IC = .IB Cĩ IC sẽ tìm được điểm Q

Trước khi tiền hành xác định đường tải DC và điểm làm việc Q, ta xét một số dạng mạch thường gặp đối với Transostor loại N-P-N và ứng dụng của những dạng mạch này

2.3 PHÂN CỰC CHO BJT

2.3.1 Phân cực dùng 2 nguồn riêng biệt

a) Dạng mạch (hình 2.9)

b) Phương trình đường tải DC

Từ lưới 1:

VBB = IB.RB + VBE

 IB = (VBB - VBE)/ RB IC = IB

Từ lưới 2:

VCC = IC.RC + VCE

S

Q

A

B

I CS

I CQ

= U CC

I C

U CE

(Điểm bão hoà)

(Điểm làm việc)

(Điểm ngưng dẫn)

Khoảng biến thiên thực tế của U CE

I B = I BS

I BQ < I BS

I B < I BQ

R B

Rc

+

-U CE

0

+Ucc

Ucc +

-U BB

+

-I C

I B

Hình 2.9

 VCE = VCC - IC.RC

2.3.2 Phân cực cố định

a) Dạng mạch (hình 2.10)

b) Phương trình đường tải DC

Từ lưới 1:

Vcc = IB.RB + VBE

 IB = (Vcc - VBE)/ RB IC = IB

Từ lưới 2:

VCC = IC.RC + VCE

 VCE = VCC - IC.RC

2.3.3 Phân cực hồi tiếp cực phát

a) Dạng mạch (Hình 2.11)

b) Phương trình đường tải DC

Từ lưới 1:

Vcc = IB.RB + VBE + IE.RE



E B

BE CC

V V I

) 1 ( 







 IC = IB

Từ lưới 2:

VCC = IC.RC + VCE + IE.RE

(IC = IE)

 VCE = VCC - IC(RC + RE)

2.3.4 Phân cực hồi tiếp cực thu

a) Dạng mạch (Hình 2.12)

b) Phương trình đường tải DC

Từ lưới 1:

Vcc = IE.RC + IB.RB + VBE + IE.RE



) )(

1

B

BE CC

V V I











 IE = (+1)IB

Từ lưới 2:

VCC = IE.RC + VCE + IE.RE

(IC = IE)

 VCE = VCC - IC(RC + RE)

2.3.5 Phân cực dùng cầu phân áp

a) Dạng mạch (Hình 2.13)

Rc

Q

+VCC

RB

Hình 2.10

Rc

RE

+VCC

RB

Q

Hình 2.11

Rc

RE

+VCC

RB

Q

Hình 2.12

Bài Giảng Mạch Điện Tử

b) Phương trình đường tải DC

Trong một số trường hợp, việc tính toán gặp

nhiều khó khăn Để đơn giản, ta đưa về mạch

tương đương dùng 2 nguồn riêng

Khi đó:

B B

B

R R

R V

2 1

2





2 1

2 1

B B

B B

R R R







Áp dụng mạch 2 nguồn riêng để giải bài toán

2.4 SƠ ĐỒ KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG BJT (*)

2.4.1 Các chỉ tiêu của tầng khuếch đại:

a) Độ lợi điện áp:

Av = Vout/Vin

b) Độ lợi dòng điện:

Ai = Iout/Iin

c) Tổng trở ngõ vào:

Được xác định dựa vào định luật Ohm:

i

i

i I

V

d) Tổng trở ngõ ra:

Được xác định khi tín hiệu vào Vi = 0, khi đó Ii = Ib = 0 nên có thể xem là hở mạch nguồn

dòng Tổng quát:

0

0

V

2.4.2 Tầng khuếch đại Common Emitter (CE)

a) Dạng mạch (Hình 2.14)

b) Mô hình mạch khuếch đại CE thông

số h (hybrid)

Phương trình của mạch CE:

v be = h ie i b + h re v ce

i c = h fe i b + h oe v ce

Rc

+

-U CE

0

+Ucc

Ucc

+

-I C

I B

R B2

R B1

Hình 2.13

Rc

+

-U CE

0

+Ucc

I C

I B

R B1

R B2

u s

U CEQ

0V

Hình 2.14

Trong đó:

0





ce

v b

be

ie i

v

h

0





b

i ce

be

re v

v

h

0





ce

v b

c

i h

0





b

i ce

c

i h

Các thông số này được xác định dựa vào đồ thị Trong tính toán, môt cách gần đúng, các thông số này được tính như sau:

e EQ

v b

be

I

mV i

v

h

ce

26





với

EQ

mV

r  26

0







b

i ce

be

re v

v

h









c v

b

c

i i

i h

ce 0

0



b

i ce

c

e v

i h

c) Thông số của mạch khuếch đại CE

- Tín hiệu vào và tín hiệu ra lệch pha 1800

- Mạch khuếch đại tín hiệu điện áp và dòng điện, tức:

Av = Vout/Vin = ic.Zout/ib.Zin > 1

Ai = Iout/Iin =  >1

- Tổng trở ngõ vào (được xác định dựa vào định luật Ohm):

Zin = Rth //hie

i b

.r e i b

i c

Hình 2.14c

v be i e

i c

i b v ce

i c

i b

h re v ce

h fe i b

1