TRANSISTOR lưỡng cực (BJT)

PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC BJT Chương TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) 2.1 Gi ới th i ệuTransistor Nếu ñế bán dẫn tạo hai tiếp giáp công nghệ p-n gần ta ñược dụng cụ bán dẫn cực gọi transistor bipolar, có khả khuếch ñại tín hiệu ñiện Nguyên lí làm việc transistor dựa ñặc tính ñiện tiếp giáp p-n tác dụng tương hỗ chúng 2.1.1 Cấu tạo, nguyên lí làm việc, ñặc tuyến tham số transistor 2.1.1.1 Cấu tạo: transistor có cấu tạo gồm miền bán dẫn p n xen kẽ nhau, tùy theo trình tự xếp miền p n mà ta có hai loại cấu tạo ñiển hình pnp npn hình 2.1 ðể cấu tạo cấu trúc người ta áp dụng phương pháp công nghệ khác phương pháp hợp kim, phương pháp khuếch tán, phương pháp epitaxi Hình 2.1 : Mô hình lí tưởng hóa kí hiệu transistor pnp (a) npn (b) Miền bán dẫn thứ transistor miền emitter với ñặc ñiểm có nồng ñộ tạp chất lớn nhất, ñiện cực nối với miền gọi cực emitter Miền thứ hai miền base với nồng ñộ tạp chất nhỏ ñộ dày nhỏ cỡ um, ñiện cực nới với miền gọi cực base Miền lại miền collecter với nồng ñộ tạp chất trung hình ñiện cực tương ứng collecter Tiếp giáp p-n miền emitter base gọi tiếp giáp emitter (JE) tiếp giáp pn miền base miền collecter tiếp giáp collecter Về kí hiệu transistor cần ý mũi tên ñặt cực emitter base có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n Về mặt cấu trúc, coi transistor ñiôt mắc ñối hình SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 24 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC BJT 2.2 (ðiều hoàn toàn nghĩa mắc ñốt hình 2.2 thực ñược chức transistor Bởi ñó tác dụng tương hỗ lẫn tiếp p-n Hiệu ứng transistor xảy khoảng cách tiếp giáp nhỏ nhiều so với ñộ dài khuếch tán hạt dẫn) Hình 2.2: Phân tích cấu tạo transistor thành hai ñiốt mạch tương hỗ 2.1.1.2 Nguyên lí làm việc: Tùy mức phân cực mà transistor làm việc ba trạng thái : Trạng thái ngưng dẫn : Nếu BJT phân cực với mối nối BE phân cực nghịch Nếu BJT ñược phân cực với mối nối BE phân cực thuận VBE = 0,5 ÷ 0,7V BC ñược phân cực nghịch BJT dẫn ñiện: dòng IC tăng theo IB (IC = βIB) Trạng thái khuếch ñại : Nếu BJT ñược phân cực thuận với mối nối BE phân cực thuận VBE = 0.5 – 0.7 V, mối nối BC phân cực nghịch BJT dẫn ñiện :dòng IC tăng theo IB (IC = βIB) Trạng thái bảo hòa : Nếu BJT ñược phân cực với mối nối BE BC phân cực thuận , transistor dẫn bão hòa: lúc ñó IC không tăng (IC < βIB) ñiện VCE giảm nhỏ gọi VCE bão hòa (VCEsat ≈ 0,2V) ðể transistor làm việc, người ta phải ñưa ñiện áp chiều tới ñiện cực nó, gọi phân cực cho transistor ðối với chế ñộ khuếch ñại mối nối BE phân cực thuận mối nối BC phân cực ngược hình 2.3 Hình 2.3: Sơ ñồ phân cực transistor npn (a) pnp (b) chế ñộ khuếch ñại SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 25 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC BJT ðể phân tích nguyên lí làm việc ta lấy transistor pnp làm ví dụ Do BE phân cực thuận hạt ña số (lỗ trống) từ miền p phun qua BE tạo nên dòng emitter (IE) Chúng tới vùng base trở thành hạt thiểu số tiếp tục khuếch tán sâu vào vùng base hướng tới BC Trên ñường khuếch tán mộ t phần nhỏ bị tái hợp với hạt ña số base tạo nên dòng ñiện cực base (IB) Do cấu tạo miền base mỏng nên gần toàn hạt khuếch tán tới ñược bờ BC bị trường gia tốc (do BC phân cực ngược) cuộn qua tới ñược miền collecter tạo nên dòng ñiện collecter (IC) Qua việc phân tích rút ñược hệ thức dòng ñiện transistor (hệ thức gần ñúng bỏ qua dòng ngược BC) IE = IB + IC (2.1) ðể ñánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán vùng base người ta ñịnh nghĩa hệ số truyền ñạt dòng ñiện cc transistor cc = IC / IE (2.2) Hệ số cc xác ñịnh chất lượng transistor có giá trị gần với transistor loại tốt ðể ñánh giá tác dụng ñiều khiển dòng ñiện IB tới dòng collecter IC người ta ñịnh nghĩa hệ số khuếch ñại dòng ñiện f3 transistor f3 = IC / IB (2.3) f3 thường có giá trị khoảng vài chục ñến vài trăm Từ biểu thức (2.3), (2.4), (2.5) suy vài hệ thức hay ñược sử dụng ñối với transistor: IE = IB (1 + f3) (2.4) cc = f3 / (1+ f3) (2.5) 2.1.1.3 Cách mắc transistor Khi sử dụng nguyên tắc lấy sô cực transistor ñầu vào cực thứ lại với cực ñầu vào làm ñầu Như có tất cách mắc mạch khác Nhưng dù mắc cần có cực chung cho ñầu vào ñầu Trong số cách mắc có cách transistor khuếch ñại công suất ñó cách mắc chung emitter (EC), chung base (BC), chung collecter (CC) hình Ba cách mắc lại ứng dụng thực tế Hình 2.3: Phương pháp mắc transistor thực tế Từ trái sang phải : Chung emitter, chung base, chung collecter SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 26 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC BJT 2.2 Các dạng mắc mạch transistor 2.2.1 Mạch chung emitter (EC) Trong cách mắc EC, ñiện áp vào ñược mắc cực base cực emitter, ñiện áp lấy từ cực collecter cực emitter Dòng vào, ñiên áp vào dòng ñiện ñược ño miliampe kế vôn kế mắc hình 2.4 Từ mạch hình 2.23, vẽ ñược họ ñặc tuyến tĩnh quan trọng mạch EC : Hình 2.4 Hình 2.5 ðể xác ñịnh ñặc tuyến vào, cần giữ nguyên ñiện áp UCE, thay ñổi trị số ñiện áp UBE ghi trị số IB tương ứng sau ñó dựng ñồ thị quan hệ này, thu ñược kết hình 2.5 Thay ñổi UEC ñến giá trị cố ñịnh khác làm lại tương tự ñược ñường cong thứ hai Tiếp làm tục có họ ñặc tuyến vào transistor mắc chung emitter Từ hình 2.5, có nhận xét ñặc tuyến vào transistor mắc chung emitter giống ñặc tuyến chuyến tiếp p-n phân cực thuận, dòng IB trường hợp phần dòng tổng IE chảy qua chuyển tiếp emitter phân cực thuận (h 2.23) Ứng với giá trị UCE ñịnh dòng IB nhỏ UCE lớn tăng UCE tức tăng UCB (ở ñây giá trị ñiện áp giá trị tuyệt ñối) làm cho miền ñiện tích không gian chuyến tiếp collecter rộng chủ yếu phía miền base pha tạp yếu Diện áp UCB lớn tỉ lệ hạt dẫn ñến collecter lớn, số hạt dẫn bị tái hợp miền base ñến cực base ñể tạo thành dòng base ít, ñó dòng base nhỏ ñi ðể vẽ ñặc tuyến transistor mắc CE, cần giữ dòng IB trị số cố ñịnh ñó, thay ñổi ñiện áp UCE ghi lại giá trị tương ứng dòng IC kết vẽ ñược dường cong phụ thuộc IC vào UCE với dòng IC coi dòng IB tham số hình 2.5 Từ họ ñặc tuyến có nhận xét sau : Tại miền khuyếch ñại ñộ dốc ñặc tuyến lớn cách mắc dòng IE không giữ cố ñịnh tăng UCE ñộ rộng hiệu dụng miền base hẹo lại làm cho hạt dẫn ñến miền collecter nhiều ñó dòng IC tăng lên Klhi UCE giảm xuống IC giảm xuống (các ñặc tuyến ñều qua gốc tọa ñộ ) Sở dĩ ñiện áp ghi trục hoành UCE= UCB + UBE ñiểm uốn ñặc tuyến, UCB giảm xuống 0, tiếp tục giảm UCE làm cho chuyển tiếp collecter phân cực thuận ðiện áp phân cực ñẩy hạt dẫn thiểu số tạo thành dòng collecter quay trở lại miền base,kết UCE = IC SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 27 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC BJT ngược lại tăng UCE lên lớn dòng IC tăng lên ñột ngột (ñường ñứt ñoạn hình 2.5), ñó miền ñánh thủng tiếp xúc (ñiốt) BC transistor.(Tương tự ñặc tuyến ngược ñiốt, UCE tăng lớn tức ñiện áp phân cực ngược UCB lớn lớn tới giá trị ñó, chuyển tiếp collecter sảy tương ñánh thủng hiệu ứng thác lũ hiệu ứng Zener làm dòng IC tăng ñột ngột ) Bởi transistor làm việc ñiện áp UCE lớn cần có biện pháp hạn chế dòng IC ñể phồng tránh transistor bị hủy dòng IC lớn Hình 2.6: ðặc tuyến transistor mắc EC Hình 2.7: ðặc tuyến vào transistor SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 28 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) ðặc tuyến truyền ñạt biểu thị mối quan hệ dòng (IC) dòng vào IB UCE cố ñịnh ðặc tuyến nhận ñược cách giữ nguyên diện áp UCE, thay ñổi dòng base IB ghi lại giá trị tương ứng IC trục tọa ñộ, thay ñổi giá trị UCE làm tương tự có họ ñặc tuyến truyền ñạt, suy họ ñặc tuyến từ ñặc tuyến (h 2.7) Cách làm sau : vị trí UCE cho trước ñặc tuyến vẽ ñường song song với trục tung, ñường cắt họ ñặc tuyến ñiểm khác Tương ứng với giao ñiểm tìm ñược giá trị IC Trên hệ tạo ñộ IC, IB vẽ ñược nhữnh ñiểm thảo mãn cặp trị số IC, IB vừa tìm ñược, nối ñiểm với ñược ñặc tuyến truyền ñạt cần tìm 2.2.2 Mạch chung base Transistor nối mạch theo kiểu chung base cực base dùng chung cho ñầu vào ñầu Tín hiệu vào ñược ñặt hai cực emitter base, tín hiệu lấy từ cực collecter base ðể ño ñiện áp ñầu ñầu vào từ ñó xác ñịnh họ ñặc tuyến tĩnh transistor mắc chung base (BC) người ta mắc vôn kế miliampe kế hình 2.8 Hình 2.8: Sơ ñồ Bc Hình 2.9: Họ ñặc tuyến vào Bc Dựng ñặc tuyến vào trưòng hợp xác ñịnh quan hệ hàm số IE =f(UEB) ñiện áp UCB cố ñịnh Muốn cần giữ UCB giá trị không ñổi, thay ñổi giá trị UBE sau ñó ghi lại giá trị dòng IE tương ứng Biểu diễn kết trục tọa ñộ IE (UEB) nhận ñược ñặc tuyến vào ứng với trị UCB ñã biết Thay ñổi giả trị cố ñịnh UCB làm tương tự ñược họ ñặc tuyến vào hình 2.9 Vì chuyển tiếp emitter phân cực thuận ñặc tuyến vào mạch chung base giống ñặc tuyến thuận ñiốt Qua hình 2.8 thấy ứng với ñiện áp vào UEB cố ñịnh dòng vào IE lớn ñiện áp UCB lớn, ñiện áp UCB phân cực ngược chuyển tiếp collecter tăng lên làm miền ñiện tích không gian rộng ra, làm cho khoảng cách hiệu dụng emitter collecter ngắn lại ñó làm dòng IE tăng lên ðặc tuyến biểu thị quan hệ IC= f(UCB) giữ dòng vào IE giá trị cố ñịnh Căn vào hình 2.10, giữ dòng IE giá trị cố ñịnh ñó biến ñổi giá trị UCB ghi lại giá trị IC tương ứng, sau ñó biểu diễn kết trục tọa ñộ IC – UCB ñược ñặc tuyến Thay ñổi giá trị IE ñược họ ñặc tuyến hình 2.10 SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 29 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) Từ hình 2.10 có nhận xét ñối với IE cố ñịnh, IC gần IE Khi UCB tăng lên IC tăng không ñáng kể ñiều nói lên hầu hết hạt dẫn ñược phun vào miền base từ miền emitter ñều ñến ñược collecter Dĩ nhiên dòng IC phải nhỏ dòng IE Khi UCB tăng làm cho ñọ rộng miền ñiện tích không gian collecter lớn lên, ñộ rộng hiệu dụng miền base hẹp lại, số hạt dẫn ñến ñược miền collecter so với UCB nhỏ hơn, nên dòng IC lớn lên Cũng từ hình 2.28 nnhận xét khác với trường hợp ñặc tuyến mắc CE ñiện áp tạo UCB giảm tới ðiều giải thích sau : Hình 2.10 ðặc tuyến vào ñặc tuyến truyền ñạt mạch mắc BC Khi ñiện áp UCB giảm ñến 0, thân chuyển tiếp chuyển tiếp collecter ñiện tiếp xúc, ñiện tiếp xúc collecter ñã hạt dẫn từ base sang collecter làm cho dòng IC tiếp tục chảy ðể làm dừng hẳn IC chuyển tiếp collecter phải ñược phân cực thuận với giá trị nhỏ ñiện tiếp xúc, ñiện chuyến tiếp collecter dương lên,làm cho hạt dẫn từ base chuyển sang collecter (IC= 0) Miền ñặc trưng ñó chyển tiếp collecter phân cực thuận gọi miền bão hòa Nếu tăng ñiện áp ngược UCB ñến giá trị ñịnh ñó (gọi ñiện áp ñánh thủng ) dòng IC tăng lên ñột ngột dẫn ñến làm hỏng transistor tượng ñánh thủng mọt hai nguyên nhân : Hoặc hiệu ứng thác lũ hiệu ứng Zener trưnờng hợp ñiốt, tượng xuyên thủng (do ñiện áp ngược UCB lớn làm miền ñiện tích không gian miền chuyển tiếp collecter mở rộng tới mức tiếp xúc với miền ñiện tích không gian chuyển tiếp emitter, kết làm dòng IC tăng lên ñột ngột ) ðặc tuyến truyền ñạt rõ quan hệ hàm số dòng dòng vào IC=f(IE) ñiện áp giữ cố ñịnh ðể vẽ ñặc tuyến làm hai cách : thực nghiệm áp dụng sơ ñồ (2.7), giữ nguyên ñiện áp UCB thay ñổi dòng vào IE, ghi lại kết tương ứng dòng IC, sau ñó biểu diễn kết thu ñược tạo ñộ IC – IE SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 30 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) ñược ñặc tuyến truyền ñạt Thay ñổi giá trị cố ñịnh UCB ñược họ ñặc tuyến truyền ñạt hình ( 2.10) Hoặc cách suy từ ñặc tuyến : từ ñiểm UCB cho trước ñặc truyến ta vẽ ñường song song với trục tung, ñường cắt họ ñặc tuyến ñiểm ứng với IE khác từ giao ñiểm tìm ñược trục tung giá trị IC tương ứng Căn vào cặp giá trị IE, IC vẽ ñặc tuyến truyền ñạt ứng với ñiện áp UCB cho trước, làm tương tự với giá trị UCB khác ñược họ ñặc tuyến truyền ñạt hình 2.10 2.2.3 - Mạch chung collecter (CC) Mạch chung collecter có dạng hình 2.11, cực collecter dùng chung cho ñầu vào ñầu ðể ño ñiện áp vào, dòng vào, dòng qua ñó xác ñặc tuyến tĩnh mạch CC dung vôn kế miliampe kế ñược mắc hình 2.11 Hình 2.11a Sơ ñồ CC Hình 2.11b Họ ñặc tuyến vào CC ðặc tuyến vào mạch chung collecter (CC) IB= f(UCB) ñiện áp UCE không ñổi có dạng hình 2.11b có dạng khác hẳn so với ñặc tuyến vào hai cách mắc EC BC xét trước ñây ðó kiểu mắc mạch ñiện áp vào UCB phụ thuộc nhiều vào ñiện áp UCE (khi làm việc chế ñộ khuyếch ñại ñiện áp UCB ñối với transistor silic giữ khoảng 0.7V, transistor Gecmani vào khoảng 0.3V ñó ñiện áp UCE biến ñổi khoảng rộng ) SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 31 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) Hình 2.13: ðặc tuyến sơ ñồ CC Khi ñiện áp vào UCB tăng ñiện áp UBE giảm làm cho IB giảm ðặc tuyến transistor mắc CC mô tả quan hệ dòng IE ñiện áp UCE dòng vào IB không ñổi ðặc tuyến truyền ñạt trường hợp mô tả quan hệ dòng IE dòng vào IB ñiện áp UCE không ñổi Trong thực tế coi IC ≈ IE ñặc tuyến ñặc tuyến truyền ñạt (trường hợp mắc chung collecter ) tương tự trường hợp mắc chung emitter 2.3 Phân cực transistor 2.3.1 Nguyên tắc chung phân cực transistor Muốn transistor làm việc phần tử tích cực phần tử transistor phải thảo mãn ñiều kiện thích hợp tham số transistor mục trước ñã biết, phụ thuộc nhiều vào ñiện áp phân cực chuyển tiếp collecter emitter Nói cách khác giá trị tham số phụ thuộc vào ñiểm công tác transistor 2.3.2 Phân cực transistor dòng cố ñịnh Nếu transistor ñược mắc hình 2.14, dòng IB từ nguồn chiều cung cấp cho transistor không ñổi, người ta gọi ñiều kiện phân cực phân cực dòng không ñổi Có thể có hai cách tạo dòng cố ñịnh, trường hợp thứ hình 2.14a dùng nguồn chiều Ecc Dòng IB ñược cố ñịnh Ecc RB Từ hình 2.14a tính ñược: (2.6) SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 32 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) Hình 2.14: Mạch phân cực dòng không ñổi a) Mạch nguồn; b) Mạch hai nguồn Trường hợp thứ hai hlnh 2.14b Người ta dùng hai nguồn chiều Hai mạch hoàn toàn tương ñương Nếu Ecc = UBB thay 2.14a Căn vào sơ ñồ nguyên lí hình 2.14a, suy biểu thức cho việc tính toán thiết kế mạch phân cực dòng cố ñịnh áp dụng ñịnh luật Kirchhoff (Kirchhoff cho vòng mạch base ý ñây UBB = Ecc viết: E cc = IB R B+ UBE (2.8) Khi làm việc chuyển tiếp emitter phân cực thuận UBE thường nhỏ (từ 0,2v ñền 0,7V) biểu thức (2.9) bỏ qua, viết: Ecc=IB.RB (2.9) (2.10) Trong mạch collecter viết: Ecc = IcRt + UcE (2.11) Biểu thức (2.11) thường gọi phương trình ñường tải, ñây giá trị Ecc Rt cố ñịnh, từ (2.11) thấy Ic tăng UCE giảm ngược lại Ic giảm UCE tăng SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 33 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) Từ biểu thức tính ñược ñiều kiện phân cực tĩnh biết hệ số khuếch ñại dòng tĩnh hfe giá trị phần tử mạch S = hfe + (2.12) Từ biểu thức (2.12), rút kết luận sau: Sơ ñồ phần cực transistor dòng cố ñịnh có hệ số ổn ñịnh nhiệt S phụ thuộc vào hệ số khuếch ñại dòng tĩnh hfe, nghĩa dùng loại mạch muốn thay ñổi ñộ ổn ñịnh nhiệt có cách thay ñổi transistor thường lớn hệ số S loại mạch lớn ñó ổn ñịnh nhiệt kém.Trong thực tế cách phân cực cho transistor hình 2.14 dùng yêu cầu ổn ñịnh nhiệt không cao 2.3.3 Phân cực cho transistor ñiện áp phản hồi (phân cực collecter - base) Ở ñã biết mạch phân cực transistor dòng ổn ñịnh có ñộ ổn ñịnh nhiệt không cao, dòng Ic tăng làm ñiện áp UcE giảm Có thể lợi dụng tượng làm cho dòng IB giảm ñó ổn ñịnh ñược dòng Ic Thật dòng Ic phụ thuộc vào hai yếu tố ICBO IB ảnh hưởng nhiệt ñộ dòng ICBO tăng lên khiến Ic tăng lên Nhưng lợi dụng tăng dòng Ic làm giảm dòng IB khiến dòng Ic giảm bớt kết dòng Ic trở lại giá trị ban ñầu Hình 2.15: Phân cực ñiện áp phản hồi ñiện áp collecter-base Việc mắc transistor hình 2.15 thỏa mãn ñiều kiện Cách phân cực transistor gọi phân cực collecter Như thấy sơ ñồ, ñiện trở RB ñược nối trực tiếp cực collecter cực base Sự khác mạch phân cực ñiện áp phản hồi ứng dòng phân cực cố ñịnh : mạch phân cực ñiện áp phản hồi bao hàm chế dòng lB cảm biến theo ñiện áp (hoặc dòng ñiện) mạch ra, mạch phân cực dòng cố ñịnh ñiều ðiểm công tác tĩnh ñược xác ñịnh sau: Từ hình 2.15, quan hệ ñiện áp mạch có dạng SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 34 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) Ecc = (Ic + IB) Rt + UcE (2.13) Còn quan hệ ñiện áp mạch base viết dạng: Ecc = (Ic + IB)Rt + IB.RB + UBE (2.14) Nếu coi UBE nhỏ, bỏ qua Ecc = (Ic + IB)Rt + IB.RB (2.15) Từ 2.13 2.15 cô thể suy ra: UcE = IB.RB (2.16) Thay Ic = hfe.IB vào biểu thức (2.15) ta tìm ñược Ecc = (hfe + 1)IB.Rt + IBRB (2.17) Rút ra: Sau ñó tính dòng collecter ứng với ñiểm công tác tĩnh Q : IcQ = hfe.IBQ (2.18) Và ñiện áp collecter emitter ứng với ñiểm công tác tĩnh Q vào (2.16) ñược tính : UcEQ = IBQ.RB (2.19) ðiện áp phản hồi âm qua ñiện trở RB mạch phân cực làm tăng tốc ñộ ổn ñịnh nhiệt ñồng thời lại làm giảm hệ số khuếch ñại tín hiệu xoay chiều Như ñã nói ñể tăng tính ổn ñịnh nhiệt ñộ, phải làm giảm ñiện trở Rb ñó hệ số khuếch ñại mạch giảm ñi, ñây có mâu thuẫn ñộ ổn ñịnh nhiệt mạch hệ số khuếch ñại Có cách cho phép ñạt ñược ñộ ổn ñịnh nhiệt cao mà khônng phải trả giá hệ số khuếch ñại ñó cách mắc mạch hình 2.16 ðiện trở Rb trường hợp ñược chia làm hai thành phần R1 R2, ñiểm nối ñiện trở ñược nối ñất qua tụ C ðối với ñiện áp dòng chiều tụ C coi hở mạch ñó không ảnh hưởng ñến chế ñộ chiều Ngược lại với tín hiệu xoay chiều tụ C coi ngắn mạch xuống ñất không cho phản hồi ngược lại ñầu vào SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 35 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) Hình 2.16: Phương pháp loại trừ phản hồi tín hiệu xoay chiều Qua phân tích thấy mạch phân cực ñiện áp phản hồi có ñộ ổn ñịnh tốt mạch phân cực dòng cố ñịnh, nhiên hai phân cực tăng ñộ ổn ñịnh nhiệt ñộ cao ñiểm công tác tĩnh ñộ ổn ñịnh nhiệt ñộ mạch phụ thuộc lẫn nhau, ñó nhược ñiểm lớn khó khăn cho vấn ñề thiết kế mạch loại mạch 2.3.4 Phân cực transistor dòng emitter (tự phân cực) Mạch phân cực transistor dòng emitter có dạng hình 2.17 ðiện R1, R2 tạo thành phân áp cố ñịnh tạo UB ñặt vào Base transistor từ ñiện áp nguồn Ecc ðiện trở RE mắc nối tiếp với cực emitter transistor có ñiện áp rơi là: UE = IERE Vậy: Nếu thỏa mãn ñiều kiện IE = (UB – UBE)/RE (2.20) U B ≥ UBE IE ≈ UBE/RE (2.hfe) ðể tiện cho việc phân tích vẽ sơ ñồ tương ñương hình 2.17a hình 2.17b cách áp dụng ñịnh lý thevenin ñó : (2.22) (2.23) SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 36 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) Hình 2.17a: Phân cực dòng IE Hình 2.17b: Sơ ñồ tương ñương tĩnh Vấn ñề ñây phải chọn R1 R2 ñể ñảm bảo cho UB ổn ñịnh Từ hình 2.17 thấy rõ phải chọn R1 R2 cho RB không lớn nhiều so với RE, không phân cực mạch lại tương tự trường hợp phân cực dòng cố ñịnh ðể có UB ổn ñịnh cần chọn R1 R2 nhỏ tốt, ñể ñảm bảo cho ñiện trở vào mạch ñủ lớn R1 R2 lớn tốt ðể dung hòa hai yêu cầu mâu thuẫn thực tế thường chọn RB= RE Căn vào sơ ñồ tương ñương (h.2.17b) ñể phân tích mạch phân cực dòng emitter Tổng ñiện áp rơi mạch base bằng: UB= IBRB + UBE + (IC + IB)RE (2.24) Trong ñó ñã thay IE = Ic + IB biết hfe biến ñổi (2.24) thành UB = IB[ RB+(hfe + 1)RE] + UBE + ICO(hfe + 1) RE (2.25) Trước phân tích ý ñiện áp UBE trường hợp phân cực bỏ qua trường hợp khác Trong trình làm việc chuyển tiếp emitter phân cực thuận tổng ñiện áp chiều ñầu vào mạch UB Trong hầu hết trường hợp UB nhỏ Ecc nhiều lần Trước ñây bỏ qua UBE nhỏ so với Ecc , trường hợp UBE ñộ lớn vào cỡ UB bỏ qua ñược Số hạng cuối (2.25) chứa Ico thường ñược bỏ qua thực tế dòng ngược nhỏ (với transistor silic dòng có vài nano ampe) Cũng từ sơ ñồ tương ñương hình 2.17b có ñiện áp emitter ñất IE RE Dòng emitter IE = IC + IB = (hfe +1)IB (bỏ qua ñược dòng ngược Ico) Như ñiện áp emitter ñất viết UE = (hfe +1)IB.RE ðại lượng (hfe +1) ñại SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 37 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) lượng không thứ nguyên nên liên hệ với IB tạo thành dòng (h fe + 1) liên hợp với RE tạo thành ñiện trở (hhfee +1)IB Nếu quan niệm nói ñiện áp emitter ñất ñiện áp dòng (hhfee +1)IB rơi ñiện trở RE hay dòng IB rơi ñiện trở (hhfee+1)RE Nếu thành phần ñiện áp gây Ico biểu thức (2.25) bỏ qua biểu thức minh họa sơ ñồ tương ñương hình 2.18 Ở ñây ñiện trở RE - nhánh emitter biến thành ñiện trở (hfe +1)RE mạch base Một cách tổng quát, ñiện kháng mạch emitter ñều biến ñổi sang mạch base cách nhân với (hfe +1) Từ hình 2.18 biểu thức (2.25) tìm thấy dòng base ñiểm phân cực (2.26) Từ ñó tính ñược: ICQ = hhfee.IBQ (2.27) Từ sơ ñồ tương ñương hình 2.18 mạch collecter viết : Ecc = Ic.Rt + UE + IERE (2.28) Biết Ic thường lớn IB nhiều lần ñây bỏ qua thành phần ñiện áp IB gây RE Như (2.28) ñược viết thành : Ecc = (Rt + RE) Ic + UCE (2.29) Hình 2.18: Sơ ñồ tương ñương mạch Bc Biểu thức (2.29) biểu thức ñường tải tĩnh mạch phân cực dòng emitter Nếu dòng EcQ UcEQ dòng ñiện ñiện áp ứng với ñiểm công tác tĩnh viết (2.29) thành dạng : UECQ = Ecc - (Rt + RE) IcQ (2.30) SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 38 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) Căn vào biểu thức (2.30) tính ñược ñiều kiện phân cực tĩnh transistor biết hệ số khuếch ñại hhfee loại transistor Sau ñây xét ñộ ổn ñịnh nhiệt mạch phân cực dòng emitter, viết lại (2.24) dạng : Do ñó: (2.31) Lấy ñạo hàm riêng biểu thức theo Ic lần ý UBE không ñổi ñược : (2.32) Theo ñịnh nghĩa hệ số ổn ñịnh nhiệt trường hợp này: S= hfe + 1 + hfe K2 (2.33) Từ (2.33) thấy hệ số ổn ñịnh nhiệt tiến tới cực tiểu (ñộ ổn ñịnh cao nhất) k2 có giá trị nhỏ ðiều có nghĩa ñể cho mạch ổn ñịnh, phải thiết kế cho RE có giá trị lớn tốt, giá trị RB nhỏ tốt Hệ số k2 không nhỏ 1, giá trị dẫn tới (ứng với trường hợp RE lớn RB nhỏ ) từ ñó suy hệ số ổn ñịnh S giảm nhỏ tới giới hạn Một nhận xét quan trọng hệ số ổn ñịnh S không phụ thuộc vào Rt nghĩa không phụ thuộc vào ñiểm công tác 2.4 Mạch khuếch ñại dùng transistor 2.4.1 Mạch khuếch ñại BJT ghép kiểu CE: SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 39 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) Hình 2.19a Dạng mạch CE Hình 2.19b mạch tương ñương DC RL : biểu diễn tải ñược nhìn khuếch ñại RB1, RB2, RC RE : cung cấp phân cực DC ñể BJT hoạt ñộng miền tuyến tính 2.4.1 Khảo sát DC: (2.34) 2.4.2.2 Khảo sát AC: ðể có mạch tương ñương (Hình 2.19c.) cần biết sau : Bất kỳ ñiểm mà ñiện áp ñó ñúng số (constant) ñược coi nối ñất mặc AC Nội trở tất nguồn cung cấp ñược giả thiết bỏ qua, không ñáng kể so với thông số mạch⇒ Do ñó, ñiểm nguồn cung cấp ñược nối ñất mặt AC Các ñiện dung dây nối linh kiện có tác dụng hở mạch (open circuits) tần số thuộc dãy Ngõ vào BJT ñược xem diode có ñiện trở AC hie Dòng base ib chảy vào linh kiện Ngõ BIT ñược xem nguồn dòng ic = hfe.ib với ñiện trở 1/hoe SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 40 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) Hình 2.19c Mạch tương ñương AC dãy tần (2.35) Vậy: Mạch CE có chức khuếch ñại dòng khuếch ñại áp Chiến lược thiết kế mạch khuếch ñại AC với ñộ lợi Av theo yêu cầu ñược thực dựa vào biểu thức Av Trước tiên, thông qua việc ấn ñịnh ñiểm làm việc tĩnh Q (ICQ, VCEQ) họ ñặc tuyến ngõ ic = f(vce), ta xác ñịnh ñược giá trị RB1, RB2, RC ðối với linh kiện BJT ñã cho (xác ñịnh ñược hfe (1/hoe)) ñộ lợi khuếch ñại phụ thuộc vào RC Ri Nếu RC ñược cho ñộ lợi ñược hiệu chỉnh cách thay ñổi Ri SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 41 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) 2.4.2 Mạch khuếch ñại BJT ghép kiểu CC: Hình 2.20a MẠch khuếch ñại ghép CC Ri : Hình 2.20b Mạch tương ñương AC ñược thêm vào ñể kiểm soát dòng ñiện ngõ vào từ nguồn v1 2.4.2.1 Khảo sát DC: 2.4.2.2 Khảo sát AC : Hình 2.20c Mạch tương ñương tín hiệu nhỏ SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 42 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) Vậy: Mạch CC chức khuếch ñại áp Mạch CC có tổng trở vào lớn, tổng trở nhỏ, thường ñược dùng ñể phối hợp trở kháng tầng khuếch ñại Mạch khuếch ñại ghép kiểu CB: Hình 2.4a mạch khuếch ñại ghép CB Hình 2.4b Mạch tương ñương DC 2.4.3.1 Khảo sát DC: Tương tự mạch CE 2.4.3.2 Khảo sát AC: SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 43 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) Hình2.4c Mạch tương ñương tín hiệu nhỏ Vậy: Mạch CB chức khuếch ñại dòng SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 44 ... emitter 2.3 Phân cực transistor 2.3.1 Nguyên tắc chung phân cực transistor Muốn transistor làm việc phần tử tích cực phần tử transistor phải thảo mãn ñiều kiện thích hợp tham số transistor mục... CHƯƠNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) Căn vào biểu thức (2.30) tính ñược ñiều kiện phân cực tĩnh transistor biết hệ số khuếch ñại hhfee loại transistor Sau ñây xét ñộ ổn ñịnh nhiệt mạch phân cực dòng... tế cách phân cực cho transistor hình 2.14 dùng yêu cầu ổn ñịnh nhiệt không cao 2.3.3 Phân cực cho transistor ñiện áp phản hồi (phân cực collecter - base) Ở ñã biết mạch phân cực transistor dòng