Chương 3: ĐẠI CƯƠNG VỀ TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT-BIPOLAR JUNTION TRANSISTOR) 3.1 GIỚI THIỆU: Transistor lưỡng cực BJT là linh kiện bán dẫn có cấu tạo bản dựa hai chuyển tiếp P-N Khi đặt phiến bán dẫn vào sát n+,p,n Hình thành chuyển tiếp tương đương với điodes 3.2 CẤU TRÚC TRANSISTOR LƯỠNG CỰC: Là linh kiện bán dẫn ba lớp , bao gồm hai lớp bán dẫn loại N và lớp bán dẫn loại P ( gọi là transistor N-P-N) gồm hai lớp bán dẫn loại P và lớp bán dẫn loại N ( gọi là transistor P-N-P) E: cực phát ( Emitter) C: cực thu (collection) B: cực nền (Base) 3.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TRANSISTOR: Có hai loại transistor là P+ -N-P và N+ -P-N, xét transistor loại NPN sau: Phân cực thuận chuyển tiếp P-N JEth + + E - N+ + + + + JE JCng - - - - P B JC - + + + + + VC + ₊ C N TH1: Khi VB = 0V, VE < 0V, VC >0V: Gọi α là hệ số truyền đạt có tỷ lệ: Số hạt đến cực C ≈ 0,995 ÷ Tởng sớ hạt phát từ cực E Ta có : IC = αIE +ICEO Theo định luật bảo toàn lượng: IE =IC +IB Hệ số khuếch đại dòng >>1 IC =βIB +ICBO Trong đó: ICEP và ICBO là các dòng điện rò các hạt dẫn thiểu số tạo thành, các dòng rò này có giá trị khoảng nA đến vài μA TH1: Khi VB = 0V, VE < 0V, VC >0V: JEth + E + - N+ RE + + + + JE JCng - - - - P - + + - + JC B - RB + + IC ICB ₊₊ C N RC TH2: VB ≥ 0V, VC >0V, VE < 0V (JE và JC cùng phân cực thuận) JEth + E + - N+ RE + + + + JE JCng - - - - P B JC RB - + + + + + + IC ICB ₊₊ C N RC TH3: Khi VE ≥ 0V; VC > 0V Lúc này transistor ở trạng thái ngắt JEth + + E + N+ RE + + + + JE JCng - - - - P B JC RB - + + + + + + IC ICB ₊₊ C N RC Từ đó ta có kết luận rằng: 1+ Trạng thái dẫn JEth và JCng , IC ≠0 ; IE = IC + IB + Trạng thái bão hoà Jeth và JCng , IC =Imax hai dòng thuận của hai tiếp giáp tạo ra, BJT được coi là nguồn điện và không có khả khuếch đại tín hiệu 3+ Trạng thái ngắt Jeng và JCng , dòng chạy BJT là dòng thuận của chuyển tiếp P-N ở tại cực nền và cực thu có giá trị rất nhỏ và ngược chiều với IC lúc dẫn, ta nói IC =Icmin ≈ 0, trạng thái này là trạng thái không dẫn và không khuếch đại tín hiệu xoay chiều Transistor P-N-P: Phân cực thuận mối nối BE: - E - P RE + + + + + + JE N B + + + + + + JC RB - C P RC VEB VEB VCB VCB VEB VCB VEB a Họ đặc tuyến ngõ vào mạch khuếch đại cực B chung; b Họ đặc tuyến ngõ mạch khuếch đại cực B chung; c Đặc tuyến truyền đạt VCB 3.4.2 Mạch cực E chung – CE (common emitter): Mạch cực E chung common emitter CE IC VCE3 VCE2 VCE1 a đặc tuyến ngõ ra; b đặc tuyến ngõ vào; (C) IB c đặc tuyến truyền đạt 3.4.2 Mạch cực E chung – CE (common emitter): Mạch cực C chung common Collector CC 3.4.3 Mạch cực C chung – CC (common collector) Mạch mắc cực C chung được trình bày hình dưới: RB C1 B C VCC C2 VO E RE RL Các đặc tuyến ngõ ra, ngõ vào và truyền đạt của mạch được sử dụng mạch E chung a đặc tuyến ngõ ra; b đặc tuyến ngõ vào; c đặc tuyến truyền đạt b)Đặc tuyến ngõ diễn tả sự liên hệ dòng điện IC với điện áp VCB: chia thành ba vùng: • Vùng tích cực (active) • Vùng ngưng dẫn (Cutoff) • Vùng bão hoà (saturation) Vùng tích cực thường được sử dụng các mạch khuếch đại tuyến tính Trong vùng tích cực mối nối CB phân cực ngược và mối nối BE phân cực thuận IC IE Trong vừng ngưng dẫn, dòng IE = và dòng điện cực C được xem phụ thuộc vào dòng bão hoà ngược ICO có giá trị rất nhỏ khoảng vài μA và xem dòng IC = 0, mạch điện được vẽ lại hình sau: E C IE = ICBO = ICO Emitter open B Collector to base Trong vùng ngưng dẫn cả hai mối nối CB và BE đều phân cực ngược Trong vùng bão hoà điện áp VCB gần bằng 0V (bằng điện áp Vsat ) Trong vùng bão hoà cả hai mối nối CB và Be đều phân cực thuận Điện áp phân cực mối nối BE: VBE = 0,7V Hệ số truyền đạt: αdc = Icmajority IE IC IE Với IE và IC là các dòng điện tại điểm làm việc Đối với linh kiện thực tế thì hệ số alpha nằm khoảng từ 0,9 đến 0,998 Hệ số alpha DC hay có thể gọi là Alpha (α) đó phương trình được viết sau: IC = αIE +ICBO Đối với trường hợp tín hiệu ac điểm làm việc di chuyển đường cong đặc tính đó hệ số alpha ac đucợ xác định với VCB = Hằng số sau: αac = ∆IC ∆IE Ii IL E B Vi = 200mV Ri 20Ω + C Ri R 5kΩ VL 100kΩ - Hoạt động khuếch đại điện áp của mạch B chung Điện trở ngõ vào của mạch có nguồn xoay chiều được xác định đường cong của họ đặc tuyến ngõ vào có giá trị rất nhỏ nằm khoảng từ 10 đến 100Ω Điện trở ngõ được xác định bởi đường cong đặc tính có giá trị nằm khoảng từ 50kΩ đến 1MΩ c) Họ đặc tuyến truyền đạt của mạch mắc B chung Sự lệ thuộc của dòng ngõ IC và dòng ngõ vào điện áp cố định VCB3 VCB2 VCB1 IC IE Họ đặc tuyến truyền đạt của mạch mắc B chung có thể sử dụng để xác định các thông số bản của mạch khuếch đại sử dụng cách mắc này Hệ số khuếch đại điện áp của mạch cực B chung thường từ 50 đến 300 Hệ số khuếch đại dòng điện IC/IE luôn nhỏ a) Đặc tuyến ngõ vào: Đặc tuyến ngõ vào diễn tả mối quan hệ dòng điện vào IB và điện áp vào VBE môt dãy điện áp VCE khác Giá trị dòng điện IB vào khoảng μA giá trị dòng điện IC vào khoảng mA IB =f(VBE ) VCE =const b) Đặc tuyến ngõ ra: Đặc tuyến ngõ mô tả mối quan hệ dòng điện IC và điện áp VCE dãy dòng điện ngõ vào IB khác Ic =f(VCE ) IB =const c) Họ đặc tuyến truyền đạt: Trong vùng tích cực của mạch khuếch đại cực E chung, đặc tuyến ngõ ta có mối nối JE và JC phân cực thuận Ic =f(IB ) VCE =const Ta có IB và IC có mối liên hệ với bởi hệ số β, hay còn gọi là hệ số khuếch đại dòng điện DC, và xác định với phương trình VCC RC RB Co vo Ci IC βdc = I E vi RE CE Mạch khuếch đại dùng BJT NPN mắc CE Trong đó IB và IC là các dòng điện tại điểm làm việc các đường đặc tuyến Đối với các linh kiện thực tế hệ số β nằm khoảng từ 10 đến 400 Nếu môt BJT có hệ số β = 200 điều này có nghĩa là dòng điện IC lớn gấp 200 lần dòng điện IB Đối với tín hiệu ac thì hệ số β được xác định sau: β ac = ∆IC ∆IB VCE =const Mối quan hệ hệ số Alpha và Beta: α= β β+1 α β= 1- α Mối tương quan IE, IC, IB, ICEO : IC = βIB + ICEO βIB Và IE = IC +IB = βIB + IB = (1+ β)IB Ví dụ 3.2: sử dụng đặc tuyến hình 3.12 (Giáo Trình) a) Tìm IC tương ứng với VBE = + 700mV và VCE = +10V b) Tìm giá trị điện áp VCE và VBE tương ứng với IC = +4mA và IB=+40μA Đáp số : IB≈50μA; IC ≈5.1mA; VCE = +6.2V; VBE ≈ 670mV 3.5 CÁC THÔNG SỐ GIỚI HẠN CỦA BJT: Trên các đặc tuyến ngõ của BJT có vùng giới hạn PCmax Điểm làm việc của mạch có thể nằm vùng khuếch đại và vùng giới hạn Đặc tuyến ngõ của BJT N-P-N và các vùng giới hạn của nó hình dưới: Cơng śt tiêu tán cực đại: IC (mA) 70μA PCmax =VCEIC 60μA ICmax 50 50μA Vùng bão hòa 40 40μA PCmax = VCEIC = 300mW 30 30μA 20μA 20 10μA 10 IB = 0μA 0.3 V VCE sat 10 Vùng ngắt ICEO 15 20 VCE max VCE Khi phân cực cho BJT ở vùng khuếch đại, tín hiệu ít bị méo thỏa mãn điều kiện: ICEO≤IC ≤ ICmax VCEsat ≤ VCE ≤ PCmax VCEIC ≤ Pcmax Các mạch khuếch đại E chung và C chung có công (V) suất tiêu tán PCmax=ICVCE cực C bởi: PCmax = VCBIC VÙNG LÀM ViỆC CỦA BJT ... GIỚI HẠN CỦA BJT: Trên các đặc tuyến ngõ của BJT có vùng giới hạn PCmax Điểm làm việc của mạch có thể nằm vùng khuếch đại và vùng giới hạn Đặc tuyến ngõ của BJT N-P-N và... VCB VEB VEB VCB VCB VEB VCB VEB a Họ đặc tuyến ngõ vào mạch khuếch đại cực B chung; b Họ đặc tuyến ngõ mạch khuếch đại cực B chung; c Đặc tuyến truyền đạt VCB 3.4.2 Mạch cực E chung – CE... dùng BJT NPN mắc CE Trong đó IB và IC là các dòng điện tại điểm làm việc các đường đặc tuyến Đối với các linh kiện thực tế hệ số β nằm khoảng từ 10 đến 400 Nếu môt BJT