Chương 4 ĐTCS transistor va ung dung (day du) (1)

• Được sử dụng để khuếch đại hoặc chuyển mạch các tín hiệu điện.. • Phân cực DC là quan trọng đối với hoạt động của các transistor khi xác lập các dòng và thế riêng trong mạch transistor

Chương 4 TRANSISTOR VÀ ỨNG DỤNG

1 Giới thiệu

• Transistor là thiết bị bán dẫn điều khiển dòng (điện) giữa hai

trạm kết nối dựa trên dòng hoặc thế ở trạm thứ ba

• Được sử dụng để khuếch đại hoặc chuyển mạch các tín hiệu điện

• Cấu trúc cơ bản của transistor lưỡng cực, BJT, xác định đặc trưng

hoạt động của nó

• Phân cực DC là quan trọng đối với hoạt động của các transistor khi

xác lập các dòng và thế riêng trong mạch transistor

• Hai tham số quan trọng là αDC và βDC

Phần 1

BJT là transistor có 3 miền ( region ) và hai tiếp giáp pn Các miền này có tên là cực phát ( emitter ), cực gốc ( base ) và cực góp ( collector ); mỗi miền được nối với một dây dẫn (chì, thép).

• Có hai loại BJT: npn và pnp

• Tách miền nhờ hai tiếp giáp ( junction ).

Hình 4.1 Tách miền qua tiếp giáp

Hình 4.2 (a) Ký hiệu transistor (b) Một số dạng transistor điển hình

Hình 4.3 Phân cực transistor

Để hoạt động bình thường, tiếp giáp base-emitter được phân cực thuận

và tiếp giáp base-collector được phân cực nghịch

• Đối với transistor npn, điều kiện này đòi hỏi VB > VE và VC > VB

• Đối với transistor pnp, điều kiện này đòi hỏi VB < VE và VC < VB

Hình 4.4 Biểu diễn các dòng của BJT

IE = IC + IB

Hình 4.5 Minh họa biểu kiến cho BJT

• Một dòng cực gốc (I B) nhỏ có thể điều khiển dòng cực góp (I C) lớn hơn

• Các mối tương quan chính đối với BJT là:

Xác lập hệ số alpha DC:

và hệ số beta DC:

B C

Hình 4.6 Phân cực BJT

• Do dòng cực gốc nhỏ nên xấp xỉ V B là hữu ích để tính thế cực gốc:

;

2 1

2

CC

R R

• Sau khi tính VB, tìm V E bằng cách trừ 0.7 V đối với VBE,

• Kế tiếp, tính I E khi áp dụng định luật Ohm cho RE,

;

E

E E

V CC

Hình 4.7 Phân cực

trans 2N3904

V V

k k

k V

R R

R

8 6 7

2

8 6

2 1

mA k

V R

V I







mA I

I C  E  2 32

V V

V V

V

V E  B  BE  B  0 7  2 32

EX 1 Tính VB, VE và VC đối với mạch trong hình 4.7

GIẢI

EX 2 Hãy xác định VB, VE, VC, IE và IC trong hình đã cho Transistor

2N3904 là loại BJT phổ dụng có hệ số điển hình βDC = 200

GIẢI ?

• Def Các đường cong đặc trưng collector là tập đường cong biểu diễn dòng collector biến thiên ra sao theo thế collector-emitter đối với dòng I B

hại cho transistor

6 Đường

cong đặc

trưng

collector (tt)

với nhiều giá trị I B (I B1 < I B2 <

Ex 3 Hãy vẽ họ đường cong đặc trưng collector đối với mạch trong hình 4.11

theo các dòng IB = 5 µA đến 25 µA có bước tăng 5 µA Giả định βDC = 100.

Hình 4.11 Mạch phân cực transistor có hệ số βDC = 100

(Lời giải ở trang kế tiếp.)

Dòng

5

0 5

100 x A mA I

I I

C

B DC C

Def Tuyến (đường) tải là đường cong IV biểu trưng cho đáp ứng của mạch mở rộng cho tải nhất định nào đó

Chẳng hạn, tuyến tải đối với mạch Thevenin có thể được tìm ra bằng cách tính hai điểm cuối: dòng với tải ngắn mạch, và thế ngõ ra không tải

Đáp ứng IV đối với tải bất kỳ sẽ giao cắt (intersect) tuyến tải, và cho

phép đọc trực tiếp dòng tải lẫn thế tải trên biểu đồ

Ex 4: Đọc dòng tải và thế tải trên biểu đồ nếu trở tải bằng 3 k

Khái niệm tuyến tải có thể mở rộng được cho mạch transistor

Chẳng hạn, nếu transistor được nối như tải, đường cong đặc trưng

và dòng cực gốc (IB) thiết lập điểm Q

Hình 4.15 Bổ sung mạch transistor

làm tải

Các tuyến tải có thể minh họa các điều kiện hoạt động cho mạch

transistor Giả định các đường IV được biểu diễn như sau:

Nếu bổ sung một tải transistor vào mạch cuối (xem hình 4.15),

dòng base sẽ được thiết lập

Giả định dòng base được biểu

thị bởi màu xanh

Ex 5: Đối với transistor đã nêu, giả định I B được thiết lập ở 10 µA nhờ

mạch phân cực, β xấp xỉ 240 Hãy chỉ ra điểm Q và đọc các giá trị V CE và I C

Nếu bổ sung một tải transistor vào mạch cuối (xem hình 4.15 ), dòng

base sẽ được thiết lập

GIẢI

Khi tín hiệu được áp tới mạch transistor, ngõ ra có thể có biên độ lớn hơn

do dòng base nhỏ điều khiển dòng collector lớn hơn

• Tác vụ nâng tín hiệu này được gọi là sự khuếch đại (amplification)

• Tỷ số giữa dòng góp ac (I c) với dòng gốc ac (I b) được xác lập bằng

hệ số beta ac (β ac)

Hình 4.18 Bộ khuếch đại có cầu phân cực thế liên kết tín hiệu vào Các thế V in

và V out so với đất

Ex 6: Đối với tuyến tải và các đường cong đặc trưng trong Ex 5 (chỉ ra điểm Q) giả định IB biến thiên giữa 5 µA và 15 µA do tín hiệu vào Dòng collector thay đổi như thế nào?

Hình 4.19 Biểu đồ dòng collector biến thiên

Trong mạch khuếch đại emitter chung, tín hiệu ngõ vào được áp tới cực

gốc (base) và ngõ ra được lấy từ cực góp (collector)

Hình 4.20 Mạch khuếch đại emitter chung

Chức năng Tụ truyền qua (bypass): làm tăng hệ số khuếch đại (hskđ) thế

Hình 4.20 Mạch khuếch đại emitter chung

Phần Tóm tắt

Chức năng Tụ truyền qua (bypass): làm tăng hệ số khuếch đại (hskđ) thế

Hình 4.20 Mạch khuếch đại emitter chung

Phần Tóm tắt (tt)

Chữ nghiêng nhỏ chỉ định các thế tín hiệu (ac) và dòng xoay chiều

in out

C c

ở đó re là nội trở emitter của transistor

Phần Tóm tắt (tt)

Av lúc này có thể được diễn đạt như sau:

 e E 

e C

c in

Phần Tóm tắt (tt)

Nếu tụ bypass được nối qua trở RE, nó rút gọn tín hiệu xuống

đất rất hiệu quả và chỉ lưu re trong cực emitter

Tham số re của transistor là rất quan trọng vì nó xác định hskđ thế

của mạch khuếch đại CE kết hợp với RC

/

r 

e C

Công thức ước tính re được trong phương trình:

Phần Tóm tắt (tt)

Ex 7 Tính hskđ thế của bộ khuếch đại CE Các điều kiện dc đã

được tính trước đây là: IE bằng 2.32 mA

204 8

10

2 2

8

10 32

2

25 25

V A

mA

mV I

mV r

e

C

in

out v

E e

GIẢI

Thỉnh thoảng, hskđ này sẽ được biểu diễn với dấu âm để chỉ định

việc đảo pha

Phần Tóm tắt (tt)

e e

b I r

b b

in V I

b ac

b e

b ac

in I r I

e ac



in total

R ( )  1 // 2 //

e ac total

R ( )  1 // 2 // 

Rõ ràng:

in R V

,

s c

i I I

HSKĐ dòng tín hiệu của bộ khuếch đại CE là

.

i v

Phần Tóm tắt (tt)

điện thế kia, hoặc tỷ số giữa một công suất này trên công suất kia

10 Áp dụng tính toán trở kháng vào của bộ khuếch đại CE

e ac in

10 Áp dụng tính toán trở kháng vào của bộ khuếch đại CE (tt)

β ac r e

Chuyển mạch gốc (a) sang mạch tương đương (b) với góc nhìn từ

nguồn tín hiệu (Vac)

2 Mô hình tương đương

10 Áp dụng tính toán trở kháng vào của bộ khuếch đại CE (tt)

Hình 4.24 Mạch CE để tính Rin(total)

3 Bài toán (Ex 8)

Tính trở kháng ngõ vào của bộ khuếch đại CE đã cho trong hình 4.24 Biết rằng transistor 2N3904 có βac = 200

1 16

2 //

8 6 //

27

2 1

)

R in total  ac eLưu ý : Trở ngõ vào của cấu hình này phụ thuộc vào giá trị βac trong khi βac

có thể biến thiên theo kiểu transistor

11 Bộ khuếch đại Collector chung (CC)

1 Đặc tính chung

• Bộ khuếch đại Collector chung còn gọi là bộ Lặp lại emitter

• Trong bộ khuếch đại CC, tín hiệu vào được áp tới cực base và ngõ ra

trích từ cực emitter

• Không có HSKĐ thế, nhưng có HSKĐ công suất

• Thế ngõ ra gần giống thế ngõ vào; không

đảo pha như bộ KĐ CE

• Trở kháng vào lớn hơn trở kháng vào ở

mạch CE tương đương

Lý do : Vì điện trở emitter không thể bỏ qua

• HSKĐ thế ≈1 nhưng HSKĐ dòng > 1.

11 Bộ khuếch đại Collector chung (tt)

2 HSKĐ thế, A v

in out

A 

 e E 

e in

E e

 e E ,

e E

11 Bộ khuếch đại Collector chung (tt)

b ac in

E ac e

E e

e b

b b

in

I R

r I R

R I

R r

I V

I V

R

/ , , ,

)

11 Bộ khuếch đại Collector chung (tt)

Hệ số khuếch đại công suất là sản phẩm của HSKĐ thế và HSKĐ dòng

3 Hệ số khuếch đại dòng

 Vì

.

s e

A 

E out

I  và I s  V in R in ( total )

nên cũng có thể diễn đạt Ai khi giả định  1 :

in out V V

 out E  /  in in (total )  in (total ) E .

 Vì

11 Bộ khuếch đại Collector chung (tt)

5 Bài toán (Ex 9)

V V

k k

k V

R R

R

27 22

27

2 1

3 57

7

25 25

57 7 1

57 7

mA

mV

I

mV r

mA k

V

R

V I

E e

E

E E

2 1

2 1

) (

k k

k k

R r

R R

R R

R R

E e

ac

in total

12 BJT dùng như chuyển mạch

Cutoff

BJTs dùng trong các ứng dụng chuyển mạch khi cần cấp nguồn điều khiển tải Trong ứng dụng này, transistor hoặc ngưng ( cutoff ) hoặc bảo hòa (saturation)

 Thế vào quá nhỏ để phân

cực thuận cho trans

 Thế ra (collector) sẽ = VCC

Saturation

 Khi IIN đủ làm bảo hòa transistor,

transistor hoạt động như công-tắc đóng

 Ngõ ra gần = 0 V

12 BJT dùng như chuyển mạch (tt)

Ngưng

Hình 4.28 biểu diễn các trạng thái đóng/mở tương ứng với trường hợp

transistor bảo hòa/ngắt

Bảo hòa

Hình 4.28 Tác vụ chuyển mạch lý tưởng của transistor

12 BJT dùng như chuyển mạch (tt)

Điều kiện ngưng

Các điều kiện ngưng hoặc dẫn bảo hòa được trình bày như sau:

Điều kiện bảo hòa

Trans ngưng khi tiếp giáp B-E không được phân cực thuận,

.

) (cutoff CC

C

CC sat

7 0 ,

7 0 ,

(m in) (m ax)

) ( (m in)

B

R B

IN R

BE DC

sat C B

I

V R

V V

V V V

Những điểm chính:

BJT Transistor có 3 miền bán dẫn được tách biệt bởi hai tiếp giáp pn

Bảo hòa Trạng thái của transistor trong đó dòng ngõ ra đạt cực đại và khi

tăng thêm sự biến thiên ở ngõ vào cũng không ảnh hưởng ngõ ra

Ngưng Trạng thái không dẫn của transistor

Điểm Q Điểm (định thiên) hoạt động của transistor

Tăng ích Quá trình sinh thế, dòng hoặc công suất lớn hơn bằng việc dùng

tín hiệu vào nhỏ hơn

Emitter chung (CE) Cấu hình bộ khuếch đại BJT trong đó cực emitter là

trạm nối chung

Collector chung (CC) Cấu hình bộ khuếch đại BJT trong đó cực collector là

trạm nối chung

THANK YOU