Thiết kế, láp ráp bộ thí nghiệm khảo sát ba chế độ khuếch đại của tranzito lưỡng cực BC, CC, EC

TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÂY BẮC BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ, LẮP RÁP BỘ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT BA CHẾ ĐỘ KHUẾCH ĐẠI CỦA TRANZITO LƢỠNG CỰC: BC,CC,EC Thuộc nhóm ngành khoa học: KT1 Sơn La, tháng năm 2015 TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÂY BẮC BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ, LẮP RÁP BỘ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT BA CHẾ ĐỘ KHUẾCH ĐẠI CỦA TRANZITO LƢỠNG CỰC: BC,CC,EC Thuộc nhóm ngành khoa học: KT1 Sinh viên thực hiện: Điêu Chính Hồ Nam, Nữ: Nam Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Thoa Nam, Nữ: Nữ Sinh viên thực hiện: Căn Nha In Nhạ Khăm Nam, Nữ: Nam Sinh viên thực hiện: Khăm Uộn Chia Lung Sông Nam, Nữ, Nam Lớp: K53 ĐHSP Vật lý Khoa: Toán – Lý – Tin Năm thứ: 3/Số năm đào tạo: Ngành học: SP Vật Lí Sinh viên chịu trách nhiệm chính: Điêu Chính Hịa Ngƣời hƣớng dẫn: CN Phan Tồn Sơn La, tháng năm 2015 Dân tộc: Thái Dân tộc: Kinh Dân tộc: Phủ Nói Dân tộc: Mơng LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, chúng tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Phan Toàn, giảng viên khoa Tốn – Lí - Tin Trƣờng ĐH Tây Bắc tận tình hƣớng dẫn, đạo giúp đỡ chúng tơi suốt q trình học tập nghiên cứu hồn thành đề tài Chúng tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới phòng KHCN QHQT, thầy khoa Tốn – Lí – Tin, thầy tổ Vật Lí Trƣờng ĐH Tây Bắc tạo điều kiện giúp đỡ trình thực đề tài Đồng thời chúng tơi xin chân thành cảm ơn ngƣời thân gia đình, bạn bè bạn sinh viên lớp K53 ĐHSP Vật Lí động viên, đóng góp ý kiến tạo điều kiện giúp đỡ suốt thời gian chúng tơi làm đề tài Vì khả có hạn, đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót Chúng tơi mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp q báu thầy giáo bạn để đề tài đƣợc hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! Sơn La, tháng năm 2015 Nhóm thực hiện: Điêu Hịa Nguyễn Thị Thoa Căn Nha In Nhạ Khăm Khăm Uộn Chia Lung Sông MỤC LỤC PHẦN I MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích đề tài Nhiệm vụ nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu .2 5.1 Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết 5.2 Phƣơng pháp hệ thống hóa lý thuyết 5.3 Phƣơng pháp thực nghiệm PHẦN II NỘI DUNG CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT .3 1.1 CHẤT BÁN DẪN 1.1.1 Thế chất bán dẫn ? 1.1.2 Đặc tính bán dẫn .3 1.1.3 Phân loại chất bán dẫn 1.1.4 Lớp chuyển tiếp p-n .7 1.1.4.1 Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n 1.1.4.2 Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n 1.2 LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 10 1.2.1 Linh kiện tuyến tính ( linh kiện thụ động) 10 1.2.1.1 Điện trở .10 1.2.1.2 Tụ điện .11 1.2.1.3 Cuộn cảm .13 1.2.2 Linh kiện tích cực 13 1.2.2.1 Diode 13 1.2.2.2 Tranzito lƣỡng cực (BJT) 14 1.3 CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANZITO LƢỠNG CỰC .18 1.3.1 Phân cực cho tranzito 18 1.3.1.1 Phân cực kiểu cố định .18 1.3.1.2 Phân cực kiểu phân áp 19 1.3.1.3 Phân cực kiểu phân áp phản hồi (hồi tiếp âm) 20 1.3.2 Các mạch khuếch đại dùng tranzito lƣỡng cực (BJT) 21 1.3.2.1 Các chế độ làm việc tấng khuếch đại dùng BJT .21 1.3.2.2 Khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng tranzito lƣỡng cực (BJT) 22 CHƢƠNG 2.NỘI DUNG 30 2.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH KHUẾCH ĐẠI EMITƠ CHUNG (EC), COLECTƠ CHUNG (CC) VÀ MẠCH BAZƠ CHUNG (BC) PHỐI HỢP 30 2.2 CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI EMITƠ CHUNG (EC), COLECTƠ CHUNG (CC) VÀ BAZƠ CHUNG (BC) 31 2.2.1 Mạch khuếch đại emitơ chung (EC) 31 2.2.2 Mạch khuếch đại colectơ chung (CC) 33 2.2.3 Mạch khuếch đại bazơ chung (BC) .35 2.3 CHUẨN BỊ DỤNG CỤ VÀ VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM .36 2.4 LẮP RÁP VÀ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM .36 2.5 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC NHẬN XÉT 37 PHẦN III KẾT LUẬN .38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 PHẦN I MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong thiết bị điện tử, có mặt linh kiện đóng vai trị quan trọng Trong đa số mạch điện tử linh kiện điện tử định hoạt động tồn mạch Trƣớc kia, linh kiện tích cực loại đèn điện tử Trong thời gian dài, đèn điện tử trái tim thiết bị điện tử, nhƣng chúng có khích thƣớc lớn tiêu thụ nhiều lƣợng Từ năm 50 kỉ 20, linh kiện bán dẫn đời dần thay cho đèn điện tử Linh kiện bán dẫn có nhiều tính chất ƣu việt nhƣ kích thƣớc nhỏ, tiêu thụ lƣợng hiệu suất cao, dễ tích hợp Việc phát minh linh kiện bán dẫn mở nhiều chuyên ngành nhƣ công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn, ứng dụng dụng cụ bán dẫn…Hiển nhiên, điện tử ngành sử dụng nhiều linh kiện bán dẫn nhiều Ngày nhắc đến mạch điện tử ngồi tụ điện, cuộn cảm, diode…Ngƣời ta bỏ qua loại linh kiện điện tử quan trọng Tranzito linh kiện bán dẫn thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ thiết bị khuếch đại khóa điện tử Tranzito khối đơn vị xây dựng nên cấu trúc mạch máy tính điện tử tất thiết bị điện tử đại khác Ngƣời sáng chế Tranzito lại đạt giải thƣởng Nobel Các tranzito đƣợc sử dụng kĩ thuật tƣơng tự kĩ thuật số, nhƣ khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu, tạo dao động Tranzito thƣờng đƣợc kết hợp thành mạch tích hợp ( IC), tích hợp tỉ tranzito điện tích nhỏ Từ nhiều ứng dụng quan trọng phổ biến linh kiện bán dẫn tranzito kĩ thuật sản xuất đời sống Vì việc tìm hiểu, nắm vững lý thuyết tranzito học phần “ điện tử học đại cƣơng” cần thiết quan trọng sinh viên, đặc biệt sinh viên SP vật lý Học phải đôi với hành để đảm bảo cho việc nắm kiến thức cách sâu sắc toàn diện nên việc thực hành kĩ thuật với tranzito cần thiết Mặt khác phịng thí nghiệm nhà trƣờng có vài thiết bị thí nghiệm khảo sát khuếch đại tranzito lƣỡng cực, phục vụ cho học phần thực hành điện tử Với lý chọn đề tài: “Thiết kế, láp ráp thí nghiệm khảo sát ba chế độ khuếch đại Tranzito lƣỡng cực: BC, CC, EC” Mục đích đề tài Áp dụng kiến thức đƣợc nghiên cứu vào thực tiễn, nâng cao tầm hiểu biết vấn đề nghiên cứu, hình thành cho ngƣời số kĩ năng, thao tác kĩ thuật bƣớc đầu tập dƣợt nghiên cứu khoa học thông qua việc nghiên cứu sở lý thuyết lắp ráp thiết bị thí nghiệm khảo sát ba chế độ khuếch đại tranzito lƣỡng cực Góp phần nâng cao chất lƣợng đào tạo nhà trƣờng Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu sở lý thuyết chất bán dẫn linh kiện điện tử: điện trở, tụ điện, cuộn cảm, tranzito lƣỡng cực - Nghiên cứu xây dựng thiết kế sơ đồ nguyên lý, tiến hành lắp ráp thí nghiệm khảo sát ba chế độ khuếch đại tranzito lƣỡng cực BC, CC, EC Đối tƣợng nghiên cứu - Các sở lí thuyết chất bán dẫn tranzito lƣỡng cực, điện trở, tụ điện, cuộn cảm - Cơ sở thực nghiệm: Các linh kiện điện tử nhƣ: Điện trở, tụ điện, tranzito lƣỡng cực, thí nghiệm kỹ thuật điện tử, loại đồng hồ đo điện, dao động kí Phƣơng pháp nghiên cứu 5.1 Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết - Thu thập thông tin tài liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu hay đề tài nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu thu thập đƣợc - Đọc tài liệu có liên quan - Phân loại, xếp thành hệ thống thông tin nghiên cứu có liên quan đến đề tài 5.2 Phƣơng pháp hệ thống hóa lý thuyết - Sắp xếp hệ thống hóa nội dung nghiên cứu sau tổng hợp lại vấn đề để hồn thành nội dung lý thuyết đề tài 5.3 Phƣơng pháp thực nghiệm - Tiến hành phép đo đạc, thu thập số liệu sử lý kết thí nghiệm PHẦN II NỘI DUNG CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 CHẤT BÁN DẪN 1.1.1 Thế chất bán dẫn? Chất bán dẫn (tiếng Anh: Semiconductor) vật liệu trung gian chất dẫn điện chất cách điện Chất bán dẫn hoạt động nhƣ chất cách điện nhiệt độ thấp có tính dẫn điện nhiệt độ phòng Gọi "bán dẫn" (chữ "bán" theo nghĩa Hán Việt có nghĩa nửa), có nghĩa dẫn điện điều kiện đó, điều kiện khác khơng dẫn điện Các chất bán dẫn phổ biến tự nhiên Trong số nguyên tố bán dẫn ta hay gặp Si, Ge, As, Te, Se…Rất nhiều hợp chất có tính bán dẫn: tất Ơxít kim loại, seelennua, sunfua telurua nhiều kim loại 1.1.2 Đặc tính bán dẫn - Bán dẫn có tính chất điện khác so với kim loại: + Giữa kim loại có điện trở suất 10-6 – 10-8 Ωm điện mơi có nhiều vật liệu thuộc loại bán dẫn, có điện trở suất biến thiên khoảng rộng từ 10-5 – 108 Ωm Tuy nhiên khơng có ranh giới rõ rệt ba loại chất Chẳng hạn, bán dẫn tinh khiết nhiệt độ thấp cách điện nhƣ điện mơi, trái lại, bán dẫn có nhiều tạp chất nhiệt độ cao lại dẫn điện tốt + Điện trở suất bán dẫn giảm nhiệt độ tăng điện trở suất kim loại tăng nhiệt độ tăng Do nhiệt độ thấp, bán dẫn dẫn điện kém, giống nhƣ điện mơi cịn nhiệt độ cao, bán dẫn dẫn điện tốt + Tính chất điện chất bán dẫn phụ thuộc nhiều mạnh vào tạp chất có mặt tinh thể 1.1.3 Phân loại chất bán dẫn - Bán dẫn tinh khiết (thuần): + Ta xét trƣờng hợp bán dẫn điển hình silic Si ngun tố có hóa trị bốn, tức lớp electron nguyên tử Si có bốn electron Trong mạng tinh thể bán dẫn tinh khiết, có nguyên tử Si Các nguyên tử đƣợc bố trí đặn, nguyên tử nằm tâm hình tứ diện mà đỉnh có nguyên tố Si khác Để đơn Hình1.1 Sự phân bố nguyên tử Si giản ngƣời ta thƣờng biểu diễn xếp nguyên tử Si mặt phẳng nhƣ hình 1.1 Mỗi nguyên tử Si liên kết với bốn nguyên tử lân cận thông qua liên kết cộng hóa trị Nhƣ xung quanh nguyên tử Si có electron, tạo thành lớp electron lấp đầy Do liên kết nguyên tử Si bền vững Ở nhiệt độ thấp, gần K, electron hóa trị gắn bó chặt chẽ với nguyên tử nút mạng Do đó, tinh thể khơng có hạt mang điện tự do, bán dẫn silic không dẫn điện Ở nhiệt độ T > K, nhờ dao động nhiệt nguyên tử, số electron hóa trị thu thêm lƣợng đƣợc giải phóng khỏi liên kết Chúng trở thành electron tự do, tham gia vào dẫn điện giống nhƣ electron dẫn điện kim loại nên đƣợc gọi electron dẫn Ngoài ra, electron bứt khỏi liên kết, xuất Hình 1.2 Sự tạo thành cặp e – lỗ trống liên kết bị trống Ngƣời ta gọi lỗ trống, liên kết trống thiếu electron, nên lỗ trống mang điện tích nguyên tố dƣơng Một electron từ liên kết gần lỗ trống chuyển đến để lấp đầy liên kết bị trống nhƣ làm xuất lỗ trống khác tinh thể nhƣ hình 1.2 Điều có nghĩa lỗ trống dịch chuyển tinh thể, góp phần tham gia vào dẫn điện Nhƣ có phát sinh đồng thời electron dẫn lỗ trống nhƣ hình vẽ Ta cịn cần nói đến q trình ngƣợc lại, electron tự chiếm liên kết bị trống trở lại thành electron liên kết Quá trình làm đồng thời electron lỗ trống, đƣợc gọi trình tái hợp electron lỗ trống Ở nhiệt độ xác định, có cân trình phát sinh trình tái hợp Nhƣ vậy, bán dẫn có hai loại hạt mang điện tự electron lỗ trống Ở bán dẫn tinh khiết, số electron lỗ trống Sự dẫn điện trƣờng hợp dẫn điện riêng bán dẫn Bán dẫn tinh khiết đƣợc gọi bán dẫn loại i Nhiệt độ cao, số electron lỗ trống lớn Do đó, độ dẫn điện bán dẫn tăng nhiệt độ tăng Tính chất bán dẫn đƣợc ứng dụng để chế tạo nhiệt điện trở Ở nhiệt độ phịng bán dẫn tinh khiết dẫn điện kém, có electron lỗ trống Khi khơng có điện trƣờng đặt vào tinh thể bán dẫn, electron lỗ trống chuyển động nhiệt hỗn loạn, không ƣu tiên theo chiều nào, khơng có dịng điện Khi có điện trƣờng đặt vào, hạt mang điện tự có thêm chuyển động có Hình1.3 sơ đồ dải lƣợng bán dẫn hƣớng dƣới tác dụng lực điện trƣờng: Electron chuyển động ngƣợc chiều điện trƣờng, lỗ trống chuyển động thuận chiều Do đó, xuất dòng điện Vậy dòng điện chất bán dẫn dịng chuyển rời có hƣớng electron lỗ trống + Theo lý thuyết dải lƣợng vật rắn, nhiệt độ K, electron hóa trị liên kết với nguyên tử Si chiếm đầy dải lƣợng bị chiếm cao nhất, gọi dải hóa trị nhƣ (hình1.3) Do dải hóa trị khơng cịn mức lƣợng trống, nên electron liên kết thay đổi đƣợc lƣợng cách chuyển sang mức lƣợng khác dải Điều có nghĩa có điện trƣờng đặt vào bán dẫn, electron liên kết khơng thay đổi đƣợc chuyển động chúng, hay nói cách khác đi, điện trƣờng khơng gây nên dịng electron bán dẫn Trong trƣờng hợp này, bán dẫn không dẫn điện Bên dải hóa trị, dải lƣợng hồn tồn trống Dải trống thấp gọi dải dẫn Đáy dải dẫn cách đỉnh hóa trị khoảng có bề rộng Eg gọi dải cấm Trong bán dẫn Si, Eg = 1.1 eV Khi nhiệt độ cao 0K, số electron liên kết dải hóa trị thu đƣợc lƣợng đủ để vƣợt qua dải cấm nhảy lên dải dẫn Những electron chiếm mức lƣợng đáy dải dẫn, bên nhiều mức lƣợng trống nằm sát Electron thu đƣợc lƣợng dù nhỏ, chuyển lên mức lƣợng cao cịn trống, electron chuyển từ mức lƣợng cao xuống mức trống thấp Nhƣ vậy, electron dải dẫn Để tính tốn phân áp, cần lƣu ý dịng tín hiệu bazơ Ip có phân áp R1R2 phải lớn IB0 qua R1 (khi khơng có phân áp) Tuy nhiên với điều kiện Ip >> IB0 R1, R2 phải nhỏ RB = (R1// R2) =   5 rv I R2 = Ip    5 IB0 U  U BEO E  U BO U BO = EO , R1 = C IP I P  I BO IP βIB B Uv R1 IC rC R2 RE CC RC Rt Ur Hình 2.13 Sơ đồ tƣơng đƣơng mạch khuếch đại CE Tóm lại, tính toán chế độ chiều tầng khuếch đại giải nhiệm vụ chọn hợp lí phần tử sơ đồ để có tham số cần thiết tín hiệu Để tính tốn tham số Ki, KU, Kp, Uv, Ur ta dùng sơ đồ tƣơng đƣơng tín hiệu nhỏ nhƣ hình 2.12, đố rB điện trở miền bazơ tranzito, rC điện trở miền colecto tranzito Thông thƣờng rC >> rB lớp chuyển tiếp C – B đƣợc phân cực ngƣợc βIB nguồn dòng, biểu diễn khuếch tán dòng IE qua bazơ tới colectơ CC điện dung lớp chuyển tiếp C – B phân cực ngƣợc Ta có: - Điện trở vào tầng: Rv = (R1// R2 // rv), với rv điện trở vào tranzitor - Dòng điện: IE = IB + IC = IB + IBβ = (1 + β)IB - Hiệu điện thế: UBE = IB.rB + IE.rE = IB.rB + (1 + β)IB.rE Chia hai vế cho IB, ta đƣợc: U BE  rv  rB  (1  )rE IB Biết giá trị rB, rE, β, ta tính đƣợc rv Với điều kiện (R1 / /R )  (2  3)rv , ta xác định đƣợc Rv tầng mắc theo kiểu CE cỡ từ  3k 25 Ta xác định hệ số khuếch đại dòng điện K I = ItR t  IC (rC / /R C / /R t) nên I t  IB Từ đó, ta tìm đƣợc: K I   Ir Ta có IBrv  IV R V , IV (rC / /R C / /R t ) R (r / /R C / /R t ) , hay I t  IV V c Rt rv Rt R V (rc / /R C / /R t ) rv R t Nếu coi R v  rv rC >> (RC//Rt), K I   R V (R C / /R t ) tƣơng đối lớn Rt Nếu RC >> Rt K I   Ta xác định hệ số khuếch đại điện áp K U  UV It R t Rt   KI U n IV (R n  R V ) Rn  RV Thay giá trị K I từ vào, ta thấy K U   R v  R C / /R t  Rn  Rv có giá trị tƣơng đối lớn, thƣờng cỡ 20 đến 300 Hệ số khuếch đại công suất K P = KU.KI vào cỡ từ 200 đến 5000 Điện trở Rr = (RC// rC) rC >> RC R r  R C Nói chung, mạch khuếch đại mắc theo kiểu CE đƣợc dùng phổ biến có tham số tốt nhƣ nói b Các mạch khuếch đại collector chung CC Ec R1 IV Ito ICD CP1 CP2 Rn It IE en UV R2 RE Rt Ur Hình 2.14 Sơ đồ mạch khuếch đại CC Hình tầng khuếch đại CC, gọi tầng lặp E điện áp lấy E tranzito, trị số gần điện áp vào (UR = UV + UBE với điện áp vào 26 UV) trùng pha Điện trở RE sơ đồ đóng vai trị nhƣ RC sơ đồ EC Tụ CP2 có nhiệm vụ truyền tải thành phần xoay chiều tín hiệu Điện trở R1, R2 dùng để xác định chế độ tĩnh tầng khuếch đại Để tăng điện trở vào khơng mắc R2 Việc tính tốn chế độ chiều tƣơng tự nhƣ làm với tầng EC Để khảo sát tham số tầng theo dòng xoay chiều, cần chuyển sang sơ đồ thay Điện trở vào tầng RV = R1//R2//rV β.IB IV B C rb IB re IE rc IC Rn R1//R2 UV en E RE It Rt Ur Hình 2.15 Sơ đồ thay UV = IB [rB + (1 + β)(rE + RE//Rt)] Ta có: rV = rB + (1 + β)(rE + RE//Rt) Chia UV cho IB ta có: Từ biểu thức ta nhận thấy rV tranzito sơ đồ CC lớn sơ đồ EC Vì rE thƣờng nhỏ RE//Rt , rB nhỏ số hang thứ hai vế phải nên điện trở tầng lặp lại E bằng: RV R1//R2//(1 + β)(RE//Rt) Nếu chọn phân áp đầu vào có điện trở lớn điện trở vào tầng lớn Ví dụ β = 50; RE//Rt = 1KΩ RV = 51KΩ Tuy nhiên điện trở vào tăng, khơng thể bỏ qua đƣợc điện trở rc(E) mắc rẽ với mạch vào tầng Khi điện trở vào tầng là: RV = R1//R2//[(1 + β)(RE//Rt)]//rc(E) Điện trở vào lớn ƣu điểm quan trọng tầng CC, dùng để làm tầng phối hợp với nguồn tín hiệu có điện trở lớn Việc xác định hệ số khuếch đại dòng Ki theo phƣơng pháp giống nhƣ sơ đồ EC Công thức IBrv = IVRV tầng CC dịng It phần dòng IE, nên suy It có dạng: I t  (1  )I B R E / /R t Rt hay : It = IV(1 + β) 27 R V R E / /R t rV Rt Hệ số khuếch đại dòng sơ đồ CC: Ki = (1 + β ) R V R E / /R t rV Rt Nghĩa phụ thuộc vào quan hệ RV rV , RE Rt, giả thiết RV = rV thì: R E / /R t Rt Khi RE = RC điện trở Rt giống nhau, hệ số khuếch đại dịng điện sơ đồ Ki = (1 + β) CC EC gần Hệ số khuếch đại điện áp KU R E / /R t Rn  RV (1 + β).(RE⫽Rt), KU KU = (1 + β) Để tính hệ số KU, ta coi RV>>Rn RV Tầng CC dùng để khuếch đại công suất tín hiệu giữ nguyên trị số điện áp Vì KU = nên hệ số khuếch đại công suất KP xấp xỉ Ki trị số Điện trở tầng CC có giá trị nhỏ (cỡ Ω), đƣợc tính bởi: Rr = R E / /(rE  rB  R n / /R1 / /  R E / /rE (1  ) Tầng CC đƣợc dùng để biến đổi, trở kháng phối hợp mạch tầng khuếch đại với tải có điện trở nhỏ, có vai trị nhƣ tầng khuếch đại cơng suất đơn chế độ A khơng có biến áp C Mạch khuếch đại bazơ chung ( BC) Hình 2.16 sơ đồ tầng khuếch đại BC Các phần tử Ee, Re để xác định dòng tĩnh IE , phần tử cịn lại có chức giống sơ đồ EC Về nguyên lý để thực sơ đồ BC ta dùng nguồn EC Để khảo sát tham số tầng khuếch đại BC theo dòng xoay chiều ta sử dụng sơ đồ tƣơng đƣơng hình 12.6 (sơ đồ thay thế) + Ee Re IV Rn En - EC Ie IC RC CP1 CP2 UV Rt Ur IBE Hình 2.16 Sơ đồ khuếch đại BC 28 α.IE IV E rE C IE Rn UV RE rC IB IC I1 RC R Ur En B Hình2.17 Sơ đồ thay RV = RE⫽[rE + (1 – α).rB] Từ phƣơng trình ta thấy điện trở vào tầng đƣợc xác định chủ yếu điện trở rE.và vào khoảng 10 đến 50 Điện trở vào nhỏ nhƣợc điểm tầng BC tầng nguồn tải lớn nguồn tín hiệu vào Đối với thành phần xoay chiều hệ số khuếch đại dịng điện α = I C/IE α < Hệ số khuếch đại dịng diện Ki tính theo sơ đồ thay Ki =  Hệ số khuếch đại điện áp: R C / /R t Rt KU = α R C / /R t Rn  RV Từ phƣơng trình ta thấy giảm điện trở nguồn tín hiệu vào làm tăng hệ số khuếch đại điện áp Điện trở tầng BC: Rr = RC⫽rc(B) RC Cần ý đặc tuyến tính tranzito mắc BC có vùng tuyến tính rộng nên tranzito dùng với điện áp colectơ lớn sơ đồ EC (khi cần có điện áp đầu lớn) Trên thực tế tầng khuếch đại BC dùng làm tầng khuếch đại, tầng CC dùng làm tầng cuối Khi tầng CC nguồn tín hiệu có điện trở nhỏ (điên trở ra) tầng BC 29 CHƢƠNG2 NỘI DUNG 2.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH KHUẾCH ĐẠI EMITƠ CHUNG (EC), COLECTƠ CHUNG (CC) VÀ MẠCH BAZƠ CHUNG (BC) 12(V) R1 R3 R9 R5 C1 T1 C C5 C2 R10 R6 C7 T2 B R2 R13 E Rt1 R4 R7 T3 C C3 E R8 CB B Rt3 C6 Rt2 E R11 R12 C8 LA7812 220V 12V + 1000 µF _25V 1000 µF _25V 0,1 0V Khối nguồn 30 C 0V Với giá trị của linh kiện điện tử nhƣ sau: R1 = ÷ 50 kΩ R2 = 4,7 kΩ R3 = kΩ R4 =180 Ω R5 = kΩ R6 = ÷ 10 kΩ R7 = 33 kΩ R8 = 1kΩ R9 = kΩ R10 = ÷ 10KΩ R11 = 10KΩ R12 = 180Ω R13 = 180Ω Rt1 = Rt2 = Rt3 = 33 KΩ C1 = C2 = C3 = C4 = C5 = C6 = C7 = C8 = 4,7 µF 2.2 CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI EMITƠ CHUNG (EC), COLECTƠ CHUNG (CC) VÀ BAZƠ CHUNG (BC) 2.2.1 Mạch khuếch đại mắc emitơ chung (EC) +UCC = 12V R1 = 18 kΩ Rc = 1KΩ Cv Rt R2 = 3,6KΩ RE = 240 Ω Hình3.1 Mạch ngun lí tầng khuếch đại mắc EC Mạch nguyên lý tầng khuếch đại điện áp mắc EC cho hình 3.1 Chú ý có mặt tụ điện CV (gọi tụ ghép mạch vào) nhằm chống ảnh hƣởng nội trở nguồn tín hiệu xoay chiều tới chế độ chiều tầng khuếch đại xét (cách ly chiều BJT nguồn tín hiệu vào) Khi có tín hiệu xoay chiều (ngắn mạch qua tụ CV) tác động tới bazơ, dòng điện bazơ thay đổi lƣợng iB gây thay đổi tƣơng ứng dịng colectơ lƣợng iC qua colectơ ta nhận đƣợc điện áp xoay chiều UCE Hệ số khuếch đại dòng điện BJT đƣợc định nghĩa tỉ số hai dòng điện này: β= iC Chế độ chiều, chƣa tác động điện áp xoay chiều UV, ta có: iB 31 UB = U R2 3.6k UCC = 12V = 2V R1  R 1.8k  3.6k UE = UB – UBE = 2V – 0,7V = 1,3V IE = U E 1.8k = = 5,4 mA R E 240k UC = UCC – IC = 12V – 5,4mA.1KΩ = 12V – 5,4V = 6,6V UCE = UCC – IC (RC + RE) = 12V – 5,4mA(1KΩ + 240Ω) = 5,3V Trị số giới hạn đƣờng tải chiều: IC(ngm), UCE(hm) : IC(ngm) = U CC = 9,67mA RC  RE UCE(hm) = UCC = 12V a Chế độ xoay chiều ( có tác động điện áp xoay chiều cổng vào, chƣa mắc điện trở tải Rt cổng - Khi Uv = 0, UBE = 0.7V, dòng emitơ giả sử IE0 = 5,4mA, Uv tăng lên (+5mV), UBE1 = 705mV tƣơng ứng với dòng IE1 = 9mA, UV giảm (-5mA)UBE2 = 695mV, dòng IE2 lúc 6mA Điện áp colectơ là: UC1 = UCC – ICRC 12V – 9mA.1KΩ = 3V UC2 = 12V – 6mA.1KΩ = 6V Kết điện áp có biên độ đỉnh tới đỉnh là: U r  UC2 – UC1 = 6V –3V = 3Vpp Trong biên độ đỉnh tới đỉnh điện áp cổng vào là: U V  UBE1 – UBE2 = 705mV – 695mV = 10mVpp Mạch khuếch đại điện áp hình 3.1 đặt đƣợc hệ số khuếch đại điện áp không tải là: Ku = Ur 3VPP = = 300 lần UV 10mVPP Đồng thời UV tăng (dƣơng lên) dòng iC tăng làm UCE giảm ngƣợc lại, nghĩa có quan hệ ngƣợc pha điện áp cổng vào cổng - Điện trở xoay chiều điốt bazơ – emitơ đƣợc xác định hệ thức Từ hệ thức định nghĩa r 'e  UT UT 25mV  có rE '  IC IE IE 32 Với mạch hình3.1 ta có rE '  25mV = 4,6Ω 5.4mA - Khi thiết lập sơ đồ tƣơng đƣơng cần ý điểm sau: + Trở kháng CV tần số tín hiệu vào XCV = j2fC v Nội trở nguồn UCC nhỏ nên chế độ xoay chiều, coi nguồn phần tử ngắn mạch + Dioed emitơ đƣợc thay điện trở tƣơng đƣơng rE ' có giá trị đƣợc tính theo cơng thức trình bày (ở 25mV giá trị điện nhiệt U T  KT q nhiệt độ 300k) + Các điện trở chia áp R1 R2 thông qua nguồn UCC ngắn mạch đƣợc nối song song xoay chiều 2.2.2 Mạch khuếch đại mắc colectơ chung (CC) + 12V R1 = 4,7K CV Cr R2 = 5,6KΩ RE = 1KΩ Rt = 10kΩ Hình3.2 Mạch ngun lí mắc CC Tầng khuếch đại mắc CC thƣờng dùng để khuếch đại dòng điện khuếch đại công suất, hệ số khuếch đại điện áp (sẽ chứng minh dƣới đây) xấp xỉ Tín hiệu lấy emitơ ln pha với tín hiệu vào bazơ nên cịn có tên gọi lặp emitơ Các tính chất khác nhƣ trở kháng vào tƣơng đối lớn trở kháng tƣơng đối nhỏ phù hợp với vai trò khuếch đại đệm với nguồn tín hiệu hay đệm với tải tiêu thụ 33 a chế độ chiều mạch khuếch đại mắc kiểu CC hình 3.2 Điện áp cực bazơ: UB  R1 5.6k UCC  12V  6.52V R1  R 4.7k  5.6k Điện áp chiều emitơ: UE = UB – UBE = 6,52V – 0,7V = 5,82V Dòng chiều emitơ: IE = UE = 5,82mA RE Từ điện áp colectơ emitơ là: UCE = UCC – UE = 12V – 5,82V = 6,18V Chú ý điện áp chiều colectơ UCC đƣợc nối trực tiếp Các điểm giới hạn đƣờng tải chiều xác định bởi: IC(ngm) = U CC = 12mA RE UCE(hm) = UCC = 12V a Chế độ xoay chiều mắc UV = 1VPP Rt = 10kΩ - Ở điện trở xoay chiều điốt emitơ: re '  25mV = 4,3Ω 5.82mV rt tải xoay chiều mạch emitơ xác định bởi: rt  R E / /R t  - R ER t 1k10k   909 R E  R t 1k  10k Tính hệ số khuếch đại điện áp: Ur = ie.rt Uv = ie (re '  rt ) Hay Ku = Chú ý re ' ie rt r Ur  ' t = ' UV ie (re  rt ) re  rt rt Ku K U  rt  rt Trong mạch hình 3.2 ta có: KU = 909  0.995 4.3  909 34 Khi chƣa mắc Rt = 10KΩ Ku(∞) = 1k  0.18k 4.3k  1k Nghĩa hiệu ứng mắc tải Rt hữu hạn không ảnh hƣởng tới AV Hệ số khuếch đại dòng điện hệ số khuếch đại công suất: Ki = ir ic   iv ib Kp = KU.Ki = 1.β = β - Trở kháng vào nhìn từ cực bazơ U V iC (re '  rt  Zv(B) = iV iB / (với UV = ie (re '  rt )  ic (re '  rt ) , iV = iB Zv(B)  (re'  rt ) Zv = Zv(B)⫽R1⫽R2 Với mạch 3.2 ta có: Zv(B) = 100(4,3Ω + 909Ω) = 91,330KΩ Zv = 91,330kΩ⫽4,7kΩ⫽5,6KΩ = 2,48KΩ 2.2.3 Mạch khuếch đại mắc bazơ chung (BC) So với tầng EC CC, tầng BC dùng hơn, cho phép nhận đƣợc hệ số khuếch đại điện áp hệ số khuếch đại công suất cao nhƣng hệ số khuếch đại dòng điện lại nhỏ Trở kháng vào nhỏ nhƣợc điểm lớn tầng mắc BC (là ngun nhân dẫn đến đƣợc sử dụng hơn) Việc sử dụng tầng BC thích hợp với nguồn tín hiệu có nội trở thấp (tƣơng đƣơng nhƣ điện trở tầng mắc CC) thích hợp vùng tần số làm việc cao tần số giới hạn hệ số α cao hệ số β nhiều lần 35 2.3 CHUẨN BỊ DỤNG CỤ VÀ VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM Dụng cụ vật liệu thí nghiệm cần thiết cho cơng tác thí nghiệm gồm: Đồng hồ đa số DT9028A Đồng hồ thị kim YX – 960TR Máy phát xung sin, vuông 3001 AUDIO GENERATOR Dao động kí điện tử hai kênh PINTEK Điện trở, Biến trở, Tụ điện, Tranzito lƣỡng cực (BJT) Thiếc, nhựa thông, mỏ hàn Dây dẫn Mạch in Kìm, Cƣa, Đục, Dao, Tua vít… 2.4 LẮP RÁP VÀ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Thơng qua sơ đồ nguyên lí mạch khuếch đại khảo sát chế độ xoay chiều tranzito lƣỡng cực, thông qua trình chuẩn bị dụng cụ vật liệu thí nghiệm, khẩn chƣơng chuyển sang tiến hành công đoạn lắp ráp khảo sát ba chế độ khuếch đại trazito lƣỡng cực BC, CC, EC, thông qua cơng đoạn: - Tìm hiểu linh kiện điện tử liên quan trực tiếp tới mạch tiến hành lắp ráp, nhƣ đặc tính, cơng dụng cách lắp ráp, cơng việc chuẩn bị cần thiết quan trọng Một điều không phần quan trọng việc nắm vững đƣợc cách sử dụng đồng hồ đo dao động kí điện tử hai kênh PIOXTEK để khảo sát mạch thí nghiệm, đạt trạng thái ổn định - Tiến hành lắp ráp thử nghiệm mạch riêng rẽ bảng mạch in, theo sơ đồ nguyên lý ta chọn linh kiện theo thiết kế Mạch khuếch đại EC Tranzito D468 EC D468 BC D468 Tụ điện C1 = C2 = 4,7 µF C3 = C4 = C5 = 4,7 µF C6 = C7 = C8 = 4,7 µF Biến trở Điện trở R2 = 4,7 k  R1 = ÷ 50 kΩ R3 = k  R4 = 100  R6 = ÷ 10 kΩ R10 = ÷ 10KΩ 36 R5 = R8 = R9 = k  R7 = 33 k  R12 = R13 = k  R11 = 4,7 k  - Tiến hành chạy thử nghiệm mạch EC, CC, BC tiến hành phép so sánh ngƣợc trở lại với lí thuyết đề ra, thơng qua đƣa hƣớng điều chỉnh lại mạch thí nghiệm, điều chỉnh giá trị linh kiện điện tử mạch cho giá trị kết thu đƣợc sát với lí thuyết - Tiến hành lắp ráp cố định mạch in với thông số linh kiện điện tử đƣợc rút từ công tắc chạy thử nghiệm mạch ngoài, cuối tiến hành công tắc chạy lại mạch khảo sát ba chế độ khuếch đại tranzito lƣỡng cực ( BJT) lần cuối 2.5 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC NHẬN XÉT U t Kết thu đƣợc dao động kí lần lƣợt mạch EC, CC, BC - Từ kết thí nghiệm đƣợc rút từ công tác chạy thử nghiệm mạch khuếch đại EC, CC, BC, thơng qua hình ảnh quan sát đƣợc từ dao động kí điện tử lắp đặt kênh, nhân thấy mạch EC tín hiệu vào ngƣợc pha tín hiệu đƣợc khuếch đại lên nhiều lần so với tín hiệu vào, tín hiệu ra, vào có chu kì, tần số Với mạch CC chúng tơi nhận thấy tín hiệu vào pha, tần số hệ số khuếch đại điện áp xấp xỉ (biên độ điện áp không đổi) Với mạch BC chúng tơi quan sát thấy tín hiệu ra, vào pha, nhƣng hệ số khuếch đại điện áp bé kiểu mắc EC - Nhƣ thông qua công tắc chạy thử nghiệm kết thu nhận đƣợc kết luận: mạch khuếch đại (EC, CC, BC) khảo sát chế độ xoay chiều tranzito lƣỡng cực (BJT) tiến hành lắp ráp phù hợp với lí thuyết đề 37 PHẦN III KẾT LUẬN Sau trình nghiên cứu vận dụng kinh nghiệm kiến thức qua sách, báo, internet, đề tài giải đƣợc nhiệm vụ sau: - Khái quát đƣợc hệ thống lý thuyết liên quan đến tranzito nhƣ: chất bán dẫn, linh kiện điện tử, mạch khuếch đại dùng tranzito lƣỡng cực - Đã tiến hành thiết kế sơ đồ nguyên lý, lắp ráp chạy thử nghiệm thiết bị thí nghiệm khảo sát ba chế độ khuếch đại dùng tín hiệu nhỏ tranzito lƣỡng cực (BJT) Đối với nhiệm vụ mục đích đề tài đặt ra, nhận thấy rằng: nhiệm vụ hồn thành mục đích đặt đƣợc Tuy nhiên, việc nghiên cứu sử dụng nhiều nguồn, kênh thông tin khác nhau, bƣớc đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học nên công tác nghiên cứu chúng tơi cịn nhiều hạn chế nên chắn đề tài cịn nhiều thếu sót Rất mong nhận đƣợc đóng góp thầy bạn đọc 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đặng Văn Chuyết (2009) Giáo trình kĩ thuật mạch điện tử NXB Giáo dục Nguyễn Thế Khơi (2007) Giáo trình điện tử học NXB Đại học sƣ phạm Nguyễn Viết Nguyên (2005) Giáo trình linh kiện điện tử ứng dụng NXB Giáo dục Đỗ Xuân Thụ (2009) Kĩ thuật điện tử NXB Giáo dục Việt Nam Trang wed http://www.thuvienvatly.edu.vn/ 39