điện tử tương tự chương 4 BJT bjt

tài liệu uy tín được biên soạn bởi giảng viên đại học Bách Khoa TPHCM, thuận lợi cho qua trình tự học, nghiên cứu bộ tự động hóa, điện tử, cơ điện tử, cơ khí chế tạo máy, lập trình nhúng, Tài liệu được kiểm duyệt bởi giảng viên, phòng đào tạo trường đại học bách khoa, lưu hành nội bộ

Điện tử tương tự và ứng dụng

Chương 4

Transistor lưỡng cực nối BJT

Transistor lưỡng cực nối BJT

• BJT (bipolar junction transistor) là linh kiện có 3 cực: cực phát E

(emitter), cực thu C (collector) và cực nền B (base)

• Có hai loại BJT: loại pnp và loại npn

• Transistor npn: miền phát & miền thu là bán dẫn n còn miền nền là

• Miền phát có mật độ tạp chất cao, miền thu có mật độ tạp chất vừa phải còn miền nền có mật độ tạp chất thấp và miền nền rất mỏng

Transistor lưỡng cực nối BJT

BJT có hai tiếp giáp pn : tiếp giáp phát-nền EBJ hoặc JE và tiếp giáp

thu-nền CBJ hoặc JC

Miền phát n Miền nền p Miền thu n

Tiếp giáp phát-nền EBJ hoặc J

Tiếp giáp thu-nền CBJ hoặc JC

Tiếp xúc kim loại

Các chế độ hoạt động của BJT

Transistor BJT có 4 miền hoạt động (lấy thí dụ loại pnp)

Do transistor BJT có 3 cực, có 3 cách mắc mạch khuếch đại

Miền bão hòa

(cả hai tiếp giáp phân cực thuận)

Chế độ tích cực (BJT npn)

Chế độ tích cực (BJT npn)

• Phân cực thuận JE làm cho các điện tử được tiêm từ miền phát vào trong

miền nền (lưu ý: mật độ điện tử miền phát cao)

• Do miền nền rất mỏng, phần lớn các điện tử này khuếch tán đến cạnh của miền nghèo hạt mang điện đa số của tiếp giáp JC, kế đến được quét sang miền thu dưới tác dụng của điện trường do tiếp giáp JC phân cực nghịch tạo ra

• Một phần nhỏ các điện tử (được tiêm từ miền phát) tái hợp với các lỗ trong miền nền

Phân cực thuận JE Phân cực nghịch JC

Chế độ tích cực (BJT pnp)

Phân cực thuận Phân cực nghịch

Chế độ tích cực (BJT pnp)

Độ lợi dòng cực phát chung Độ lợi dòng cực nền chung

Ký hiệu mạch và quy ước

Quan hệ dòng và áp ở chế độ tích cực

• Giá trị các dòng điện của BJT ở chế độ tích cực phụ thuộc vào điện

áp phân cực thuận của tiếp giáp JE

• Những tỉ số của các dòng điện của BJT ở chế độ tích cực là hằng số

• Chiều các dòng điện của transistor npn và pnp là ngược nhau

Chế độ tích cực

TD: BJT trong mạch điện có β = 100 và cho thấy vBE là 0.7V ở iC = 1mA

Thiết kế mạch điện sao cho có dòng điện 2mA chạy ngang qua cực thu

và cực thu có điện áp là +5V

Chế độ tích cực

TD: Tìm IE, IB, IC và VC nếu điện áp ở cực phát đo được là -0.7V và BJT

có β = 50

Chế độ tích cực

TD: Tìm α và β của BJT trong mạch điện dưới đây, cho biết VB = +1V và

VE = +1.7V Điện áp cực thu bằng bao nhiêu?

Chế độ bão hòa

• Chế độ bão hòa: cả JE và JC đều

được phân cực thuận

• Hạt mang điện đa số được tiêm

từ cả hai miền phát và miền thu

vào miền nền

• Mật độ hạt mang điện thiểu số

miền nền thay đổi phù hợp ⇒

dẫn đến độ dốc giảm khi vBC tăng

• Dòng cực thu rời khỏi giá trị trong

chế độ tích cực đối với vCB âm

• Với vBE cho trước, iC giảm đột

ngột về zero ở vCB khoảng -0.5V

và vCE khoảng 0.2V

• BJT bão hòa: VCEsat = 0.2V

• Độ lợi dòng giảm từ β xuống

βforced:

bão hòa

Chế độ bão hòa

Chế độ tích cực

Tỉ lệ đã giãn

Đặc tuyến của transistor

Đặc tuyến iC - vBE của transistor npn

Đặc tuyến của transistor

Cấu hình cực phát chung

Miền bão hòa

Miền tích cực

Miền bão hòa – cấu hình cực phát chung

• Trong miền bão hòa, BJT hoạt động như một chuyển mạch đóng với điện trở RCEsat nhỏ

• Đoạn cong I-V bão hòa có thể được xấp xỉ bởi đường thẳng cắt trục vCE ở

VCEoff

• Điện áp bão hòa

VCEsat = VCEoff + ICsatRCEsat

• VCEsat thường được xem là

hằng số bằng 0.2 V (để đơn

giản) bất chấp giá trị của iC

• Lượng tăng β trong miền bão

hòa thấp hơn trong miền tích

Mạch BJT npn ở chế độ DC

Tích cực

Mạch BJT pnp ở chế độ DC

Bão hòa Tích cực

Ngưng

Phân tích DC mạch BJT

• Bước 1: giả định chế độ hoạt động

• Bước 2: sử dụng các điều kiện hoặc mô hình để phân tích mạch

• Bước 3: thẩm tra lời giải

• Bước 4: lặp lại các bước trên với giả định khác nếu cần

TD: Xác định tất cả điện áp nút và dòng điện nhánh của mạch điện, giả định rằng β là 100

Phân tích DC mạch BJT

TD: Xác định tất cả điện áp nút và dòng điện nhánh của mạch điện, giả

định rằng β là 100

Phân tích DC mạch BJT

TD: Xác định tất cả điện áp nút và dòng điện nhánh của mạch điện, giả định rằng β là 100

Phân tích DC mạch BJT

TD: Xác định tất cả điện áp nút và dòng điện nhánh của mạch điện, giả

định rằng β là 100

Phân tích DC mạch BJT

TD: Xác định tất cả điện áp nút và dòng điện nhánh của mạch điện, giả định rằng β1 = β2 là 100

Phân cực DC mạch khuếch đại BJT

• Các mạch khuếch đại hoạt động ở điểm phân cực dc thích hợp

• Mạch phân cực DC sẽ bảo đảm BJT ở chế độ tích cực với dòng điện

cực thu IC thích hợp

Phân cực DC mạch khuếch đại BJT

• Sắp xếp phân cực mạch rời kinh điển:

– Một nguồn cấp điện và các điện trở cần thiết

Phân cực DC mạch khuếch đại BJT

• Phiên bản hai nguồn cấp điện:

Phân cực DC mạch khuếch đại BJT

• Phân cực sử dụng điện trở hồi tiếp thu-nền:

– RB bảo đảm BJT ở chế độ tích cực (VCE > VBE = 0.7V)

Phân cực DC mạch khuếch đại BJT

• Phân cực sử dụng nguồn dòng điện không đổi:

– RC được chọn để vận hành BJT ở chế độ tích cực

– Nguồn dòng thường được thực hiện bằng gương dòng điện BJT

• Cả hai transistor BJT Q1 và Q2 đều ở chế độ tích cực

• Giả định độ lợi dòng β rất cao:

Hoạt động tín hiệu nhỏ

• BJT với tín hiệu ngõ vào ac

Hoạt động tín hiệu nhỏ

• Dòng cực thu và độ hỗ dẫn:

– Dòng cực thu:

– Xấp xỉ tín hiệu nhỏ: vbe << VT

– Độ hỗ dẫn chỉ ra lượng thay đổi tăng của iC

so với lượng thay đổi của vBE

34

Hoạt động tín hiệu nhỏ

Xấp xỉ tín hiệu nhỏ: biên độ tín hiệu đủ nhỏ

sao cho hoạt động được hạn chế trong

Độ dốc

Mô hình tín hiệu nhỏ của BJT

• Hai mô hình có thể hoán đổi và kết quả phân tích mạch không bị ảnh hưởng

• Mô hình hỗn hợp-π: thường sử dụng khi cực phát nối đất (đối với AC)

Mô hình tín hiệu nhỏ của BJT

• Mô hình T: thường được sử dụng khi cực phát không nối đất (đối với AC)

Phân tích mạch tín hiệu nhỏ

• Phân tích DC :

– Loại bỏ tất cả nguồn ac (ngắn mạch đối với nguồn điện áp và hở

mạch đối với nguồn dòng điện)

– Tất cả tụ điện được xem như hở mạch

– Phân tích DC các mạch BJT đối với tất cả điện áp nút và dòng

điện nhánh

– Tìm dòng điện dc IC và làm cho BJT hoạt động ở chế độ tích cực

• Phân tích AC :

– Loại bỏ tất cả nguồn dc (ngắn mạch đối với nguồn điện áp và hở

mạch đối với nguồn dòng điện)

– Tất cả tụ điện giá trị lớn được xem như ngắn mạch

– Thay thế BJT bằng mô hình tín hiệu nhỏ để phân tích ac

– Các thông số của mạch trong mô hình tín hiệu nhỏ sẽ đạt được

dựa trên giá trị của IC

Phân tích mạch tín hiệu nhỏ

TD: Phân tích mạch khuếch đại transistor trình bày ở hình dưới đây để xác định độ lợi điện áp của mạch Giả định β = 100

Phân tích mạch tín hiệu nhỏ

TD: Tính độ lợi điện áp tổng thể (vo / vsig) của mạch dưới đây

Điện trở ngõ vào Rin bằng bao nhiêu? Giả định α = 0.99

42

Phân tích mạch tín hiệu nhỏ

TD: Tìm điện trở ngõ vào Rib , R in và độ lợi điện áp tổng thể (vo / vsig) Giả định β = 200

Mô hình tín hiệu nhỏ - Hiệu ứng Early

Mô hình tín hiệu nhỏ - Hiệu ứng Early

Phân tích đồ thị

Đường tải DC

Điểm Q

Đường tải

Đường tải DC

Điểm Q

Đường tải

Đường tải AC

Đường tải AC

Điểm Q Đường tải ac (độ dốc -1/R’L)

Đường tải dc (độ dốc -1/RC)

R’L = RL // RC

có tải RL

không có có tải RL

Các mạch khuếch đại cơ bản

Ba cấu hình cơ bản

Cực phát chung CE

Cực thu chung CC hoặc theo phát

Mạch khuếch đại cực phát chung CE

• Xác định các đặc trưng của mạch khuếch đại CE : điện trở ngõ vào,

độ lợi điện áp và điện trở ngõ ra

rin

ro

Mạch khuếch đại CE có điện trở cực phát

rin

rib

ro

Mạch khuếch đại cực nền chung CB

rin

ro

Mạch khuếch đại cực thu chung CC

Thí dụ phân tích mạch

TD: Với mạch dưới đây, cho VCC = 9V, R1 = 27k, R2 = 15k, RE = 1.2k, và RC

= 2.2k Transistor có β = 100 Tính dòng điện phân cực dc IE Nếu mạch khuếch đại hoạt động với nguồn tín hiệu có điện trở nội là Rsig = 10k và mạch này có điện trở tải là 2k, tìm giá trị của Rin, độ lợi điện áp vo / vsig

và độ lợi dòng điện io / ii

rin

Phần bổ sung

Các thông số tín hiệu nhỏ của BJT

e

c

CB i

b

c

CE i

026 0 i

v r

E const

V e

be e

v r

const i

c

cb c

E







Mạch tương đương của BJT

• Chuyển đổi sơ đồ mạch thực tế về dạng sơ đồ tương đương sao cho việc tính toán mạch sẽ đơn giản và dễ dàng hơn

• Khi lượng biến thiên của tín hiệu ngõ vào đủ nhỏ để tạo ra sự thay đổi về dòng và áp ở ngõ ra còn nằm trong miền tuyến tính, BJT được xem như là phần tử 4 cực tuyến tính

Bộ thông số h

v1 = f(i1,v2) v1 = h11i1 + h12 v2

i2 = f(i1,v2) i2 = h21i1 + h22 v2

0 V 1

1 11

2 i

v )

2 21

2 i

i )

2 22

1 v

i )

1 12

1 v

v )

BJT khi ngõ ra ngắn mạch đối với ac

với ac

áp) của BJT khi hở mạch ngõ vào đối với ac

Mạch tương đương thông số h của BJT

• Điện trở vào h11 (hoặc hi)

• Nguồn điện áp h12v2(hoặc hr vo): thể hiện sự hồi tiếp điện áp nội bộ

của BJT Thực tế h12 (hay hr) có giá trị rất bé(10-3 10-4), vì vậy đại

Mạch tương đương thông số h của BJT

1 11

2

i

v )

hi ( h





0 V 1

2 21

2

i

i ) hf ( h





Mạch tương đương của BJT cực phát chung CE

I

] mV [

026

0 ]

mA [

I

] mV [

026

0 r

r i

v ) 1

( i

v i

v r

h

C E

e

e E

be B

be 0

V 1

1 in

Mạch tương đương của BJT cực nền chung CB

be 0

V 1

1 in

i

v i

v r

V 1

2 fB

i

i i

i h

2

ib

fb

Mạch tương đương của BJT cực thu chung CC

be b

be 0

V 1

1 in

i

v ) 1

( i

v i

v r

( i

i i

i h

b

e 0

V 1

2 fC

2

ic

fc

Phân tích mạch tín hiệu nhỏ

• Mạch khuếch đại cực phát chung CE

out L

VETP

r r

r R

R

R v

v v

v A

: r (

v r

r r v

v r r

r

in

in s

s s

in s

in in

L out

C L

L C b

C L

b L

R R

R v

R R

R R i

) R //

R ( i v

iE

i

i i

i

A

s

s s

in s

in s

s s

in s

s in

r

v i

;

i r

r r i

i r r

C L

L L C

L

R R

R i

R i ) R //

C in

s

s in

out

s

L

R R

R r

r

r i

C e

B s

s s

L

R R

R )

r //

R ( r

r i

Phân tích mạch tín hiệu nhỏ

• rin = hib= re

• Thông thường giá trị re rất nhỏ (khoảng vài chục ) Vì vậy mạch

khuếch đại B chung có điện trở vào rất bé

e

C c B

V

r

R r

i

R i



L out

L C

L C e C

L e

L

R R

R v

R R

R R i ) R //

R ( i

s in s

S s in

in

r

r r

v

v r r

L s

in

in in

out s

L VBTP

R R

R r

r

r v

v v

v A

v r

Phân tích mạch tín hiệu nhỏ

ro(tầng) = RE // ro

e

ec o

i

v r

vec = ib.hic + ib.(rs // RB)

1

)//

()

B R s

hic e

i

b i B R s

r b

i ic h e

i

ec

v o

r

1

R //

r r

e out i R ( 1 ) i R

Phân tích mạch tín hiệu nhỏ

) R r

( i ) 1 (

v in   b e  E

E

e E in

out VC

R

r R