(NB) Bài giảng sẽ trình bày các lý thuyết cơ bản trong mạch điện tử. Nội dung bài giảng được biên soạn như Đại cương về chất bán dẫn, Diode bán dẫn và mạch ứng dụng, Đại cương về Transistor lưỡng cực - BJT, Transistor hiệu ứng trường - FET, Các mạch phân cực của transistor.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CƠ BẢN Bậc học: CAO ĐẲNG (BỘ LĐTB - XH) Giảng viên: Trần Thị Ánh Duyên Bộ môn: Điện - Điện tử Khoa: Kỹ thuật Công nghệ Quảng Ngãi, năm 2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CƠ BẢN Bậc học: CAO ĐẲNG Số tiết: 45 tiết (3 tín chỉ) Giảng viên: Trần Thị Ánh Duyên Bộ môn: Điện - Điện tử Khoa: Kỹ thuật Công nghệ Quảng Ngãi, năm 2019 LỜI NÓI ĐẦU Bài giảng “Điện tử bản” biên soạn dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên bậc cao đẳng qui, ngành Cơng nghệ kỹ thuật điện - điện tử, Trường đại học Phạm Văn Đồng Bài giảng trình bày lý thuyết mạch điện tử Nội dung giảng biên soạn theo đề cương chi tiết môn học Trường đại học Phạm Văn Đồng ban hành Bài giảng gồm chương, đó: Chương Đại cương chất bán dẫn Chương Diode bán dẫn mạch ứng dụng Chương Đại cương Transistor lưỡng cực - BJT Chương Transistor hiệu ứng trường - FET Chương Các mạch phân cực transistor Chương Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ Chương Các mạch khuếch đại ghép tầng Chương Khuếch đại thuật tốn mạch ứng dụng Trong q trình biên soạn giảng, tác giả cố gắng trình bày nội dung cách ngắn gọn dễ hiểu Ngoài cuối chương có câu hỏi ôn tập nhằm giúp sinh viên dễ dàng hệ thống lại kiến thức học Tuy nhiên, q trình biên soạn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận góp ý nội dung giảng để giảng ngày hoàn thiện Các ý kiến đóng góp bạn đọc xin gởi địa chỉ: Bộ môn Điện - Điện tử, Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Đại Học Phạm Văn Đồng Tác giả xin chân thành cảm ơn Tác giả Th.S Trần Thị Ánh Duyên MỤC LỤC Chương ĐẠI CƯƠNG VỀ CHẤT BÁN DẪN Trang 1.1 Giới thiệu sơ lược chất bán dẫn 1.2 Chất bán dẫn 1.3 Chất bán dẫn tạp 1.4 Quá trình động chất bán dẫn 1.5 Tiếp giáp P – N Chương DIODE BÁN DẪN VÀ MẠCH ỨNG DỤNG 2.1 Cấu tạo, ký hiệu diode 2.2 Nguyên lý làm việc diode 2.3 Đặc tuyến Vôn – Ampe diode 11 2.4 Các tham số diode 13 2.5 Các thông số giới hạn diode 15 2.6 Phân loại diode 16 2.7 Giải tích mạch diode 18 2.8 Các mạch ứng dụng diode 19 Chương ĐẠI CƯƠNG VỀ TRANSISTOR LƯỠNG CỰC - BJT 29 3.1 Cấu tạo ký hiệu BJT 29 3.2 Nguyên lý hoạt động BJT 29 3.3 Ba cách mắc BJT 32 3.4 Đặc tuyến Vôn – Ampe BJT 32 3.5 Các thông số giới hạn BJT 36 Chương TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG - FET 40 4.1 Sơ lược FET 40 4.2 JFET 40 4.3 MOSFET 44 Chương CÁC MẠCH PHÂN CỰC CỦA TRANSISTOR 50 5.1 Giới thiệu chung 50 5.2 Phân tích đường tải 50 5.3 Các mạch phân cực cho BJT 52 5.4 Hệ số ổn định nhiệt 56 5.5 Các mạch phân cực cho FET 59 Chương MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ 68 6.1 Giới thiệu chung 68 6.2 Đặc trưng tầng khuếch đại 68 6.3 Mơ hình BJT 69 6.4 Mô hình FET 75 6.5 Các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ thơng dụng dùng BJT 77 6.6 Các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ thông dụng dùng FET 83 Chương CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP TẦNG 89 7.1 Giới thiệu chung 89 7.2 Mạch khuếch đại ghép tầng trực tiếp 90 7.3 Mạch khuếch đại ghép tầng tụ liên lạc (ghép RC) 92 7.4 Mạch khuếch đại ghép tầng biến áp 94 7.5 Mạch khuếch đại ghép Darlington 97 7.6 Mạch khuếch đại ghép Cascode 97 7.7 Mạch khuếch đại vi sai 100 7.8 Mạch khuếch đại công suất 103 Chương KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ MẠCH ỨNG DỤNG 113 8.1 Giới thiệu chung 113 8.2 Mạch khuếch đại không đảo 113 8.3 Mạch khuếch đại đảo 115 8.4 Mạch khuếch đại không đảo có phân áp ngõ vào 115 8.5 Mạch khuếch đại cộng đảo 116 8.6 Mạch khuếch đại cộng không đảo 116 8.7 Mạch tích phân 117 8.8 Mạch vi phân 119 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………… Chương ĐẠI CƯƠNG VỀ CHẤT BÁN DẪN 1.1 Giới thiệu sơ lược chất bán dẫn Tùy theo điện trở suất vật chất, người ta chia vật chất thành loại: - Chất dẫn điện: 10 4 .m - Chất bán dẫn điện: 10 4 10 7 .m - Chất cách điện: 10 7 .m Hoặc người ta dựa vào cấu trúc vùng lượng để phân biệt loại chất trên hình 1.1 E E Vùng dẫn Eg > 5eV Vùng cấm Eg 5eV Vùng hóa trị a) Chất cách điện b) Chất bán dẫn E Vùng dẫn (hoặc vùng tự do) Vùng hóa trị c) Chất dẫn điện Hình 1.1 Giản đồ cấu trúc vùng lượng Để chế tạo linh kiện bán dẫn người ta thường sử dụng chất bán dẫn là: - Silic (Si) có Eg = 1,12eV - Germani (Ge) có Eg = 0,72eV Trên thực tế Silic chất bán dẫn sử dụng phổ biến * Phân loại: Chất bán dẫn phân thành loại bán dẫn bán dẫn tạp 1.2 Chất bán dẫn Xét chất bán dẫn loại Silic: Cấu hình electron Si (Z = 14) là: 1s22s22p63s23p2 Từ cấu hình electron ta thấy: Silic có lớp điện tử, lớp ngồi có điện tử hóa trị chứa đến nguyên tử nên lớp điện tử chưa hoàn thiện Trang Các điện tử tham gia tác động lẫn nguyên tử, chúng tạo thành tinh thể Silic hay phân tử hợp chất hóa học Silic với chất khác Hình 1.2 Cấu trúc nguyên tử a Germani; b.Silic (a) (b) Hình 1.3 a Cấu trúc tinh thể đơn Ge Si; b Cấu trúc mạng tinh thể Si Trong mạng tinh thể Silic, nguyên tử Silic liên kết với nguyên tử Silic khác nằm cạnh nhờ liên kết cộng hóa trị hình 1.3b Tính chất dẫn điện kim loại tồn điện tử tự (hay điện tử dẫn), chúng có mối liên kết yếu với nguyên tử Nếu khối tinh thể Silic hồn tồn ngun chất điều kiện bình thường tất điện tử hóa trị ngun tử liên kết với nên không tồn điện tử tự Do điều kiện bình thường tinh thể Silic khơng dẫn điện Nếu ta kích thích lượng cách đốt nóng, chiếu chùm tia phóng xạ đặt cường độ điện trường,… vào mạng tinh thể để làm tăng mức lượng điện tử điện tử phá vỡ mối liên kết với nguyên tử, thoát thành điện tử tự Ở liên kết vừa bị phá vỡ, điện tử ngồi để lại lỗ trống, lỗ trống dễ bị điện tử mối liên kết khác nhảy đến lấp chỗ trống xuất lỗ trống nơi điện tử vừa khỏi Quá trình tiếp tục vậy, ta thấy điện tử di chuyển theo chiều định đó, lỗ trống không di chuyển ta thấy dường di chuyển theo chiều ngược lại với chiều di chuyển điện tử Ta nhận thấy chất bán dẫn nguyên chất mật độ điện tử tự mật độ lỗ trống nên tính chất dẫn điện chất bán dẫn phụ thuộc vào tác nhân bên ngồi kích thích điện tử khỏi mối liên kết với nguyên tử Trang Gọi n mật độ điện tử (số điện tử di chuyển đơn vị thể tích), p mật độ lỗ trống (số lỗ trống xuất đơn vị thể tích) Ta có: n = p = ni gọi chất bán dẫn Người ta chứng minh rằng: n A.T exp( i Trong đó: q.E g K.T ) A: số tỉ lệ T: nhiệt độ Kenvin (0K), (00C = 2730K) q = 1,6.10-19 C điện tích điện tử Eg: lượng kích thích K = 1,38.10-23 J/0K = 8,816.10-5 eV/0K số Boltzman 1.3 Chất bán dẫn tạp Mật độ điện tử tự hay mật độ lỗ trống chất bán dẫn tăng cường ta pha thêm tạp chất, gọi bán dẫn tạp Người ta phân bán dẫn tạp thành loại bán dẫn loại N bán dẫn loại P Hai nhóm tạp chất dùng để pha trộn có hóa trị hóa trị Nguyên tố hóa trị Nguyên tố hóa trị Aluminum (Al) Phosphorus (P) Gallium (Ga) Arsenic (As) Boron (B) Antimony (Sb) Indium (In) Bismuth (Bi) a Bán dẫn loại N Xét chất bán dẫn Silic, ta pha thêm lượng nhỏ Phơtpho (P) hay Antimon (Sb), … thuộc nhóm bảng hệ thống tuần hồn, có điện tử lớp ngồi Lúc có điện tử lớp ngồi tạo thành mối liên kết đồng hóa trị với nguyên tử Silic nằm cạnh tinh thể bán dẫn Còn điện tử thứ nằm tự mạng tinh thể Người ta nói bán dẫn có tạp chất cho mật độ điện tử lớn mật độ lỗ trống gọi bán dẫn điện tử hay bán dẫn loại N Hình 1.4 Chất bán dẫn loại N Trang Tỉ lệ pha tạp chất là: 108 nguyên tử Silic ứng với nguyên tử Sb Gọi nN mật độ điện tử bán dẫn loại N, pN mật độ lỗ trống bán dẫn loại N thì: nN > pN Trong bán dẫn loại N, điện tử hạt đa số, lỗ trống hạt thiểu số b Bán dẫn loại P Cũng với chất bán dẫn Silic, ta pha thêm lượng nhỏ Nhôm (Al), Bo (B), Gali (Ga)… thuộc nhóm bảng hệ thống tuần hồn, có điện tử lớp Lúc nguyên tử tạp chất thiếu điện tử để tạo thành mối liên kết đồng hóa trị với nguyên tử Silic nằm cạnh tinh thể bán dẫn, tạo thành lỗ trống Người ta nói bán dẫn có tạp chất cho mật độ lỗ trống lớn mật độ điện tử gọi bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn loại P Hình 1.5 Chất bán dẫn loại P Tỉ lệ pha tạp chất là: 108 nguyên tử Silic ứng với nguyên tử B Gọi nP mật độ điện tử bán dẫn loại P, pP mật độ lỗ trống bán dẫn loại P thì: nP < pP Trong bán dẫn loại P, điện tử hạt thiểu số, lỗ trống hạt đa số 1.4 Quá trình động chất bán dẫn 1.4.1 Thời gian sống hạt mang điện Một electron nằm lớp hóa trị, cung cấp lượng vừa đủ để nhảy từ lớp hóa trị đến lớp dẫn, để lại chỗ trống liên kết hóa trị, chỗ trống xem lỗ trống (hole) hình 1.6 Băng dẫn (lớp dẫn) Băng hóa trị Hình 1.6 Một cặp điện tử lỗ trống Sau khoảng vài s trạng thái điện tử tự do, electron hết lượng rơi vào lỗ trống nằm liên kết hóa trị Q trình gọi tái kết hợp Thời gian từ electron trở thành điện tử tự xảy việc tái hợp lại gọi thời gian sống cặp điện tử – lỗ trống 1.4.2 Chuyển động trôi Như biết, đặt điện tử lỗ trống vào mơi trường chân khơng có điện trường tác động, hạt dẫn chuyển động có gia tốc (nhanh dần chậm dần đều) Ở mạng tinh thể chất rắn, cách thức xảy khơng hồn giống Mạng tinh thể chứa nhiều nguyên tử (kể tạp chất), chúng ln ln dao động Trang nhiệt Vì chịu tác động điện trường, hạt dẫn đường chuyển động có gia tốc va chạm với nguyên tố mạng tinh thể Mỗi lần va chạm làm thay đổi trị số chiều vận tốc nghĩa làm tán xạ chúng Chuyển động hạt dẫn mạng tinh thể chất rắn tác động điện trường gọi chuyển động trôi (hoặc chuyển động cuốn) 1.4.3 Chuyển động khuếch tán Trong chất rắn, ngồi hình thức chuyển động trôi tác động điện trường, hạt dẫn chuyển động khuếch tán Dạng chuyển động xảy cho phần tử vật chất có phân bố khơng đồng thể tích Đối với chất bán dẫn, nồng độ điện tử lỗ trống phân bố không đều, chúng khuếch tán từ nơi nồng độ cao nơi nồng độ thấp Dịng điện chuyển động có hướng gây gọi dòng điện khuếch tán 1.5 Tiếp giáp P – N Tiếp giáp p - n gồm khối chất bán dẫn p khối chất bán dẫn n ghép lại với hình 1.7 p n Hình 1.7 Tiếp giáp p - n 1.5.1 Tiếp giáp p - n chưa có địên trường ngồi đặt vào Hình 1.8 trình bày chất bán dẫn chưa ghép nối Ta thấy chất bán dẫn n với hạt tải đa số điện tử chất bán dẫn loại p với hạt tải đa số lỗ trống Hình 1.8 Chất bán dẫn loại n chất bán dẫn loại p Trước tiếp xúc, khối bán dẫn nằm trạng thái cân (tổng điện tích âm với tổng điện tích dương thể tích) đồng thời giả thiết nồng độ hạt dẫn nồng độ tạp chất (acceptor, donor) phân bố Khi tiếp xúc nhau, dãy dẫn dãy hóa trị trùng lắp Do chênh lệch nồng độ xảy tượng khuếch tán hạt dẫn đa số: lỗ trống khuếch tán từ p sang n, điện tử khuếch tán theo chiều ngược lại từ n sang p Chúng tạo nên dòng điện khuếch tán (chiều từ p sang n) Trên đường khuếch tán, điện tích trái dấu tái hợp với nhau, hình thành vùng hẹp bên mặt ranh giới có nồng độ hạt tải giảm xuống thấp Tại vùng hẹp, bên bán dẫn p lại ion âm (acceptor), bên bán dẫn n lại ion dương (donor), nghĩa hình thành lớp điện tích khơng gian khác dấu đối diện hình 1.9 Giữa hai lớp điện tích có chênh lệch điện (bên n dương bên p) gọi hiệu điện tiếp xúc Vtx Nói cách khác: vùng lân Trang Đối với transistor hoạt động vùng bão hịa dịng điện đạt giá trị cực đại mạch Khi thay đổi thiết kế dịng bão hịa tương ứng tăng giảm dĩ nhiên giá trị dòng điện bão hòa lớn xác định dòng điện IC cực đại cung cấp bảng thông số transistor Các trường hợp bão hịa nên tránh mối nối CB khơng cịn phân cực ngược, dẫn đến tín hiệu ngõ bị méo dạng Điểm hoạt động vùng bão hịa trình bày hình 5.9a Trong vùng bão hịa đường cong đặc tính nối lại với điện áp CE nằm mức thấp mức điện áp VCesat Hình 5.9a Điểm làm việc vùng bão hịa Hình 5.9b Điểm làm việc gần vùng bão hòa Người ta dùng đường cong xấp xỉ hình 5.9b để xác định nhanh mức giá trị vùng bão hịa Trong hình 5.9b, dịng điện tương đối cao điện áp VCE xem 0V Áp dụng định luật Ohm để tính điện trở mối nối CE: R CE VCE 0V 0 IC I Csat Áp dụng kết ta vẽ lại mạch có cấu hình 5.10 Hình 5.10 Xác định ICsat Đối với mạch phân cực cố định transistor chế độ bão hịa sơ đồ mạch V hình 5.10b, điện áp rơi R Vcc dòng điện IC bão hòa: I Csat CC RC Hình 5.10b Xác định ICsat mạch phân cực 5.3.2 Mạch phân cực ổn định cực Emiter Mạch phân cực dc hình 5.11 có thêm điện trở cực Emitter để cải thiện mức độ ổn định cấu hình mạch phân cực cố định Trang 52 Theo định luật Kirchhoff cho ngõ vào: VCC I B RB VBE I E RE Thế I E ( 1) I B , ta được: VCC I B RB VBE ( 1) I B RE => I B VCC VBE RB ( 1) RE Chỉ có khác phương trình dịng điện IB so với mạch phân cực cố định thành phần (+1)RE Hình 5.11 Mạch phân cực BJT có thêm điện trở cực E Từ phương trình IB ta có mạch điện tương đương hình 5.12 Nếu nhìn từ phía điện áp VBE điện trở RE phản hồi trở lại dòng điện ngõ vào IB hệ số (+1) Mặc khác điện trở cực E – phần mạch vịng cực CE – có giá trị (+1)RE mạch vòng BE Do thường có giá trị vào khoảng 50 cao nên điện trở cực E trở thành điện trở thật lớn ngõ vào cực BE hình 5.13 Điện trở ngõ vào: Ri ( 1) RE Hình 5.12.Sơ đồ mạch Hình 5.13.Mạch ngõ vào Theo định luật Kirchhoff cho ngõ ra: VCC I E RE VCE I C RC Thay IE IC, suy điện áp VCE: VCE VCC I C ( RC RE ) Điện áp cực Emitter VE: VE I E RE VRE Điện áp cực Collector VC: VC VCC I C RC Điện áp cực Base VB: VB VBE VE 5.3.3 Mạch phân cực điện áp hồi tiếp từ Collecter Xét mạch phân cực hồi tiếp điện áp hình 5.14 Hình 5.14 Mạch khuếch đại hồi tiếp cực C Trang 53 - Theo định luật Kirchhoff cho ngõ vào: VCC I C' RC I B RB VBE I E RE I C' I C I B ; I E I C Có thể xem: Thế vào phương trình được: VCC VBE I B ( RC RE ) RB I B Suy dòng điện IB: IB VCC VBE RB ( RC RE ) - Theo định luật Kirchhoff cho ngõ ra: VCC I E RE VCE I 'C RC Do I C/ I C I E I C nên: VCC I C ( RE RC ) VCE Hay: VCE VCC I C ( RE RC ) 5.3.4 Mạch phân cực kiểu phân áp Mạch phân cực cầu phân áp dc hình 5.15 Hình 5.15 Mạch phân cực phân áp Hình 5.16 Mạch tương đương Mạch phân cực kiểu phân áp vẽ lại tương đương hình 5.16 Trong điện trở Thevenin điện áp Thevenin xác định sau: - Xác định điện trở Thevenin RTh cách ngắn mạch nguồn điện áp hình 5.17 R Th R1 R Xác định điện áp Thevenin Eth sơ đồ mạch điện hình 5.18 E T h VR VCC Hình 5.17 Xác định RTh R2 R1 R - Theo định luật Kirchhoff cho ngõ vào: E T h I B R T h VBE I E R E Thay dòng IE = ( + 1) IB ta suy dòng IB: IB E T h VBE R T h ( 1)R E Hình 5.18 Xác định ETh - Theo định luật Kirchhoff cho ngõ ra: VCE VCC I C ( RC RE ) Trang 54 5.4 Hệ số ổn định nhiệt Các yếu tố gây bất ổn định điểm làm việc là: điện áp nguồn cung cấp, nhiệt độ… Ở ta xét đến yếu tố nhiệt độ liên quan đến vấn đề phân cực cho transistor Khi nhiệt độ thay đổi ảnh hưởng đến thông số transistor, thể tham số sau: T2 T1 ; T * độ biến thiên nhiệt độ làm dòng điện bão hịa ngược tăng gấp đơi, thường 10oC - Dòng rỉ: I CO (T2 ) I CO (T1 )2 T * - Hệ số truyền đạt dòng điện α, β : T T (1 T2 T1 ) 75 - Điện áp VBE ứng với IB = const: VBE (2 2,5)mV / o C Vậy nhiệt độ làm việc transistor bị thay đổi làm thông số transistor thay đổi theo kết điểm làm việc Q bị dịch chuyển đặc tuyến ngõ hình 5.19 Hình 5.19 Điểm làm việc Q bị dịch chuyển nhiệt độ thay đổi a 25oC, b 1000C Tiêu chuẩn đánh giá bất ổn định mạch theo nhiệt độ S, hệ số bất ổn định là: S ( I CO ) S (V BE ) I C I C (1 )I C (1 ) I I I CO I C I B I C (1 B ) (1 B ) I C I C 1 I C I ; S ( ) C V BE Ví dụ 5.1: Xét bất ổn định nhiệt mạch hình 5.20: - Theo định luật Kirchhoff cho ngõ vào: VCC I B RB VBE I E RE Ta có: I C I E I CO IE I C I CO Hình 5.20 Mạch phân cực cố định Trang 55 I B I E IC I C I CO IC Thay công thức vào biểu thức VCC: I I CO I I CO VCC C I C RB VBE C RE I CO 1 RB RE R E RB IC V BE Suy ra: I C Thay (VCC V BE ) RE RB I CO R E R B (1 ) R E R B (1 ) (VCC V BE ) RE RB ( 1) I CO , ta được: I C R B ( 1) R E R B ( 1) R E 1 Từ cơng thức tính hệ số bất ổn định nhiệt, ta có: S(I CO ) ( 1) RE RB R B ( 1)R E RB RE S(I CO ) ( 1) R ( 1) B RE 1 Hình 5.21 Đồ thị S(ICO) theo RB/RE - Nếu RB ( 1) ta có: S ( I CO ) ( 1) RE - Nếu - Nếu RB RB ( 1) ta có: S ( I CO ) RE RE RB ta có : RE S ( I CO ) Và từ công thức trên, ta có: I C1 (1 RB ) RE ; S ( ) S (VBE ) RB ( 1) RE (1 R B R ) E Từ công thức ta thấy hệ số bất ổn định nhiệt có giá trị biên độ lớn RB / RE ( 1) RE có giá trị nhỏ R B có giá trị lớn Vậy RE đóng vai trị ổn định nhiệt cho mạch Trang 56 Tóm lại, thay đổi dịng IC theo thơng số transistor nhiệt độ thay đổi là: I C S ( I CO )I CO S (VBE )VBE S ( ) Ví dụ 5.2: Xét bất ổn định nhiệt mạch hình 5.22: Hình 5.22 Mạch khuếch đại điện áp hồi tiếp Xét mạch vòng BE: I 'C R C I B R B VBE I E R E VCC (1 )I B R C I B R B VBE (1 )I B R E VCC I B (R B R C R E ) I C (R C R E ) VCC VBE I B VCC VBE RC RE IC RB RC RE RB RC RE Lấy vi phân biểu thức IB theo IC, ta được: RC RE I B dIB I C dIC RB RC RE Từ ta tính hệ số bất ổn định nhiệt: I C (1 ) S ( I CBO ) I CBO (1 I B ) I C (1 )( R B RC R E ) (1 ) RC R E R B (1 )( RC R E ) (1 ) R B RC R E Khi mạch khơng có RE thì: S(I CBO ) (1 )( R B R C ) R B (1 )R C Nếu R S nhỏ độ ổn định cao Tuy nhiên độ ổn định B C mạch nhỏ Ví dụ 5.3: Xét bất ổn định nhiệt mạch hình 5.23: Hình 5.23 Mạch khuếch đại cầu phân áp Trang 57 Sơ đồ mạch tương đương hình 5.24 Hình 5.24 Mạch khuếch đại cầu phân áp tương đương Xét mạch vòng BE: E T h I B R T h VBE I E R E E T h VBE I B R T h (I B I C )R E I B I R E T h VBE C E RB RE RB RE Lấy vi phân biểu thức IB theo IC, ta được: dI B RE dI C RB RE Từ ta tính hệ số bất ổn định nhiệt: S(I CO ) I C I CBO (1 ) (1 ) I RE (1 B ) I C RB RE Khi RE lớn, RB bé S gần giá trị Ta thấy S xấp xỉ lớn Hơn nữa, hệ số S không phụ thuộc vào RC nghĩa không phụ thuộc vào điểm làm việc tĩnh Q mạch 5.5 Các mạch phân cực cho FET Đối với transistor trường mối quan hệ ngõ vào ngõ khơng tuyến tính phụ thuộc vào thành phần phương trình Shockley Mối quan hệ khơng tuyến tính ID VGS phức tạp dùng phương pháp tốn học để phân tích cấu hình mạch dc FET Phương pháp đồ thị giúp khảo sát nhanh mạch khuếch đại dùng FET bị giới hạn sai số Sự khác rõ rệt phân tích BJT FET đối tượng điều khiển BJT dòng điện FET điện áp Tuy nhiên trường hợp tín hiệu dòng điện xác định điện áp Mối quan hệ tổng quát áp dụng để phân tích dc cho tất mạch khuếch đại dùng FET: IG ID IS Đối với JFET MOSFET loại phương trình Shockley áp dụng để V diễn tả mối quan hệ đại lượng vào ra: I D I DSS 1 GS VP Trang 58 Đối với MOSFET loại tăng phương trình Shockley áp dụng để diễn tả mối quan hệ đại lượng vào ra: I D k VGS VT 2 5.5.1 Các mạch phân cực cho JFET a Mạch phân cực cố định Mạch phân cực cố định sử dụng JFET kênh n hình 5.25 - Tụ C1 C2 tụ liên lạc tín hiệu vào tín hiệu ra, phân tích dc các tụ điện xem hở mạch - Điện trở RG có tác dụng tín hiệu vào mạch khuếch đại phân tích ac Khi phân tích dc thì: I G A VRG I G RG 0V Hình 5.25 Mạch phân cực cố định Điện áp điện trở RG 0V nên bỏ điện trở RG khỏi mạch, mạch điện cịn lại hình 5.26 Điện áp cực GS là: VGS VGG Do điện áp cung cấp cho mạch cố định nên gọi mạch phân cực cố định Dòng điện ID xác định phương trình: V I D I DSS 1 GS VP Hình 5.26 Mạch phân tích dc Phân tích đồ thị địi hỏi phải vẽ đồ thị phương trình Shockley trình bày hình 5.27 Hình 5.27 Đồ thị phương trình Shockley Hình 5.28 Xác định điểm Q Trong hình 5.28 ta vẽ đường thẳng điểm có giá trị điện áp VGS = -VGG , đường thẳng cắt đồ thị phương trình Shockley điểm – điểm gọi điểm làm việc tĩnh Q Tọa độ điểm tĩnh Q là: Q(VGS; ID) Điện áp VDS xác định: VDS VDD I D RD Vì cực S nối mass nên: VS 0V Suy ra: VD VDS ; VG VGS Trang 59 b Mạch tự phân cực Mạch tự phân cực loại bỏ bớt nguồn cung cấp dc Điện áp điều khiển cực GS xác định điện áp rơi điện trở RS hình 5.29 Khi phân tích tín hiệu dc tụ điện xem hở mạch điện trở RG xem ngắn mạch dịng qua RG 0A Khi mạch điện vẽ lại hình 5.30 Dịng điện chạy qua điện trở RS dịng IS Hình 5.29 Mạch JFET tự phân cực IS = ID: VRS I D RS Điện áp VGS xác định: VGS VS I D RS Trong trường hợp điện áp VGS hàm biến thiên theo dòng điện ID nên biên độ không cố định so với mạch phân cực cố định Thay giá trị điện áp VGS vào phương trình Shockley 1, ta được: V I D I DSS 1 GS VP I R I DSS 1 D S VP Hình 5.30 Phân tích mạch Bình phương vế xếp phương trình theo biến I D phương trình có dạng sau: I D2 k1 I D k2 Giải phương trình tìm dịng điện ID Sau tìm VDS suy điểm làm việc Q Biểu diễn điểm làm việc tĩnh Q đồ thị hình 5.31 Hình 5.31 Đường tải DCLL đặc tuyến truyền đạt Đồ thị phương trình đường tải tĩnh cắt đặc tính truyền đạt điểm điểm tĩnh cần xác định dịng điện ID điện áp VDS Điện áp VDS xác định phương trình: VDS VDD I D ( RS RD ) Trang 60 c Mạch phân cực cầu phân áp Mạch phân cực cầu phân FET giống mạch áp dụng BJT có cấu hình mạch hình 5.32 Hình 5.32 Mạch khuếch đại phân áp Điện áp cực G xác định phương trình: VG R2VDD R1 R2 Suy điện áp VGS: VGS VG I D RS Đồ thị phương trình VGS VG I D RS hình 5.33 Hình 5.33 Xác định điểm Q Các giá trị điểm tĩnh Q xác định giống mạch tự phân cực với thông số sau: VDS VDD I D ( RD RS ) VD VDD I D RD ; VS I D RS ; I R1 I R V DD R1 R2 5.5.2 Các mạch phân cực cho MOSFET a MOSFET kênh có sẵn Sự giống đường cong JFET MOSFET kênh có sẵn cho phép phân tích phân cực dc giống Sự khác JFET MOSFET kênh có sẵn MOSFET kênh có sẵn cho phép điểm hoạt động với giá trị dương VGS ID lớn giá trị IDSS Trong thực tế tất cấu hình khảo sát việc phân tích JFET thay MOSEFET kênh có sẵn Trang 61 b MOSFET kênh cảm ứng Các đặc tính MOSFET kênh chưa có sẵn hồn tồn khác với JFET MOSFET kênh có sẵn điểm dịng điện cực máng MOSFET kênh chưa có sẵn điện áp VGS nhỏ điện áp ngưỡng VTh trình bày hình 5.34 Khi điện áp VGS lớn VTh dịng điện cực máng xác định theo phương trình Shockley 2: I D k VGS VTh Bảng thông số MOSFET thường cung cấp giá trị điện áp ngưỡng dòng điện ID(on) giá trị điện áp VGS(on) tương ứng Điểm xác định hình 5.34 Từ phương trình I D k VGS VTh 2 từ giá trị cho ta tính hệ số k theo phương trình: k V I D (ON ) GS ( ON ) VTh Khi thơng số k xác định giá trị khác dịng ID xác định Hình 5.34 Đặc tuyến truyền đạt E_MOSFET giá trị chọn VGS b1 Mạch phân cực hồi tiếp Sơ đồ mạch phân cực hồi tiếp hình 5.35 Do dòng IG = mA nên VRG = 0V Đối với mạch điện ngõ ra, ta có: VDS VDD I D RD Thay VGS = VDS ta được: VGS VDD I D RD Vẽ đồ thị phương trình hình 5.36 ta xác định điểm tĩnh Q xác định Hình 5.35 Mạch phân cực hồi tiếp dịng điện ICQ điện áp VGSQ Hình 5.36 Xác định điểm tĩnh Q Trang 62 b2 Mạch phân cực cầu phân áp Sơ đồ mạch phân cực cầu phân áp hình 5.37 Dịng điện IG = 0mA nên điện áp VG xác định theo công thức: VG R2VDD R1 R2 Theo định luật Kirchhoff cho ngõ ra: VGS VG I D RS Hình 5.37 Mạch phân cực Ta xác định điểm tĩnh Q ngõ vào, Q(VGSQ, cầu phân áp IDQ) Áp dụng định luật Kirchhoff ngõ ta được: VDS VDD I D (R S R D ) Ta xác định tọa dộ điểm làm việc tĩnh ngõ ra, Q(VDSQ, IDQ) Câu hỏi ôn tập Câu 5.1 Cho sơ đồ mạch hình vẽ BT5.1 Biết BJT loại Silic, β = 80, R = 300kΩ, R = 2kΩ B C V = 18V CC a Xác định điểm làm việc tĩnh Q mạch b Vẽ đồ thị c Xác định điện áp chân BJT Hình BT 5.1 Câu 5.2 Cho sơ đồ mạch hình vẽ BT5.2 Biết BJT loại Silic, β = 120, RB = 470kΩ, RC = 2,2kΩ, RE = 0,56kΩ VCC = 20V a Xác định điểm làm việc tĩnh Q mạch b Vẽ đồ thị c Xác định điện áp chân BJT Hình BT5.2 Câu 5.3 Cho sơ đồ mạch hình vẽ BT5.3 Biết BJT loại Silic, β = 90, RB = 250kΩ, RC = 4,7kΩ, RE = 1,2kΩ VCC = 10V a Xác định điểm làm việc tĩnh Q mạch b Xác định điện áp chân BJT Trang 63 Hình BT5.3 Câu 5.4 Cho sơ đồ mạch hình vẽ BT5.4 Biết BJT loại Silic, β = 125, R1 = 40kΩ, R2 = 4kΩ, RC = 20kΩ, RE = 2kΩ VCC = 22V a Xác định điểm làm việc tĩnh Q mạch b Vẽ đồ thị c Xác định điện áp chân BJT Hình BT5.4 Câu 5.5 Cho sơ đồ mạch hình vẽ BT5.5 Biết JFET kênh N có: IDSS = 10mA, VP = - 8V, RD = 2kΩ, RG = 1MΩ VDD = 16V, VGG = 2V a Xác định điểm làm việc tĩnh Q mạch b Xác định điện áp chân JFET Hình BT5.5 Câu 5.6 Cho sơ đồ mạch hình vẽ BT5.6 Biết JFET kênh N có: IDSS = 10mA, VP = 3V, RD = 2,7kΩ, RS = 452Ω, RG = 1MΩ VDD = 15V a Xác định điểm làm việc tĩnh Q mạch b Xác định điện áp chân JFET Hình BT5.6 Trang 64 Câu 5.7 Cho sơ đồ mạch hình vẽ BT5.7 Biết JFET kênh N có: IDSS = 10mA, VP = 3V, RD = 2,7kΩ, RS = 452Ω, RG = 1MΩ VDD = 15V a Xác định điểm làm việc tĩnh Q mạch b Xác định điện áp chân JFET Hình BT5.7 Câu 5.8 Cho đặc tính transistor hình BT5.8a Hãy xác định Vcc, RB RC mạch hình BT5.8b Hình BT5.8 Đặc tính mạch khuếch đại Câu 5.9 Cấu hình mạch phân cực hình BT5.9 có thơng số cho trước ICQ = ½ ICSat , ICSat = 8mA = 110 Hãy xác định RC, RE RB Hình BT5.9 Câu 5.10 Hãy xác định giá trị điện trở mạch điện hình BT5.10 với điểm làm việc điện áp nguồn cung cấp cho mạch VCE 10V Hình BT5.10 Trang 65 Câu 5.11 Cho sơ đồ mạch hình vẽ BT5.11 Biết BJT loại Silic, β = 90, RB = 250kΩ, RC = 4,7kΩ, RE = 1,2kΩ VCC = 10V a Xác định điểm làm việc tĩnh Q mạch b Xác định điện áp chân BJT Câu 5.12 Cho sơ đồ mạch hình vẽ BT5.12 Biết BJT loại Silic, β = 75, R1 = 91kΩ, R2 = 110kΩ, RC = 3,3kΩ, RE = 510Ω VCC = 18V a Xác định điểm làm việc tĩnh Q mạch b Xác định điện áp chân BJT Hình BT5.12 Câu 5.13 Cho sơ đồ mạch hình vẽ BT5.13 Biết BJT loại Silic, β = 120, RB = 680kΩ, RC = 4,7kΩ VCC = 20V a Xác định điểm làm việc tĩnh Q mạch b Xác định điện áp chân BJT Hình BT5.13 Câu 5.14 Cho sơ đồ mạch hình vẽ BT5.14 Xác định điểm làm việc tĩnh Q(VCEQ; ICQ) mạch Hình BT5.14 Trang 66 ... Kenvin (0K), (00C = 2730K) q = 1, 6 .10 -1 9 C điện tích điện tử Eg: lượng kích thích K = 1, 38 .10 -2 3 J/0K = 8, 816 .10 -5 eV/0K số Boltzman 1. 3 Chất bán dẫn tạp Mật độ điện tử tự hay mật độ lỗ trống chất... năm 2 019 LỜI NÓI ĐẦU Bài giảng ? ?Điện tử bản” biên soạn dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên bậc cao đẳng qui, ngành Cơng nghệ kỹ thuật điện - điện tử, Trường đại học Phạm Văn Đồng Bài giảng. .. hình 2 .1 Anơt tiếp giáp N P + +- + + - + - - +- + + + + - + -+ - - + + + +- - + - - - -+ l0 Utx Ikt Katôt A D K b) Kí hiệu diode a) Cấu tạo diode Hình 2 .1 Cấu tạo ký hiệu diode 2.2 Nguyên lý làm