Chương 3. Phần 3. BJT

Trong điều kiện này người ta có thể phân tích mạch khuếch đại dùng transistor bằng lý thuyết tuyến tính , trong đó transistor được đổi thành mạch tương đương gồm các phần tử như điện tr[r]

TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (Bipolar Junction Transistor – BJT)

Mục tiêu thực hiện:

Học xong học viên có khả năng:

-Nắm vững cấu tạo, nguyên lý làm việc transistor, cách mắc bản, đặc trưng sơ đồ

1 Cấu tạo transistor:

Transistor linh kiện bán dẫn gồn lớp bán dẫn tiếp giáp tạo thành mối nối P-N

Tuỳ theo cách xếp thứ tự vùng bán dẫn người ta chế hai loại transistor transistor PNP NPN

Ba vùng bán dẫn nối ba chân gọi cực phát E(Emitter), cực B(Base) cực thu C(collector)

P N P C

E

B

N P N C

E

2 NGUYÊN LÝ VẬN CHUYỂN CỦA TRANSISTOR

2.1 Xét transistor loại NPN a.Thí nghiệm 1:

C E

B

N P N

+

- - +

Thí nghiệm 2: Nối cực B vào điện áp dương cho:

VB > VE VB < VC

Cực B nối vào điện áp dương nguồn nên hút số electron vùng bán dẩn P xuống tạo thành dòng điện IB Cực C nối vào điện áp dương cao nên hút hầu hết electron vùng bàn dẫn P sang vùng bán dẫn N cực C tạo thành dòng điện IC Cực E nối vào nguồn điện áp âm nên bán dẫn N bị elecron bị hút electron từ nguồn âm lên chỗ tạo thành dòng điện IE

Số lượng electron bị hút từ cực E chạy sang cực B cực C nên dòng điện IB IC chạy sang cực E

Ta có: IE = IB + IC

C E

B

N P N

+

- - +

IE

2.2 Ký hiệu transistor

2.3 Các hệ thức bản:

◼ Dòng điện tổng mạch collector:

IC =  IE + ICBO   IE

(vì ICBO nhỏ so với  IE ) Theo định lý dòng điểm nút:

IE = IB + IC  IC IB << IC

Số điện tử tới cực C

 =

◼ Beta dc : dc độ khuếch đại dòng điện ◼ Alpha dc : dc hệ số truyền đạt dòng điện

2.4 Quan hệ dòng điện transistor

dc = IC

IE

dc = IC

3 Các cách mắc BJT

Transistor có cực (E, B, C), đưa tín hiệu vào cực lấy tín hiệu cực phải có cực cực chung Như vậy, transistor có cách mắc bản:

- Base chung (CB – Common Base)

- Emitter chung (CE – Common Emitter)

Sơ đồ base chung (B.C) Sơ đồ emitter chung (E.C)

Đặc tuyến ngõ vào Đặc tuyến ngõ vào

Đặc tuyến ngõ vào + Mạch Emiter chung

+ VCE không đổi

+ Thay đổi nguồn áp VBB để thay đổi VBE

+ Khi VBE có giá trị từ đến V : IB =

Đặc tuyến truyền dẫn

Đặc tuyến truyền dẫn IC /VBE Biểu thị mối quan hệ dịng IC điện áp VBE VCE khơng đổi

+ Chỉnh dòng tương tự đặc tuyến ngõ vào

Đặc tuyến ngõ

Đặc tuyến ngõ

+ điều chỉnh nguồn VCC để thay đổi điện áp VCE + VB < V IB = 0; IC =

5 Các thông số kỹ thuật transistor

Độ khuếch đại dòng điện: transistor thật khơng phải số mà có trị số thay đổi theo dòng điện IC

Khi dịng điện IC nhỏ β thấp, dịng điện IC tăng β tăng đến giá trị cực đại βmax tiếp tục tăng IC đến mức bão hoà β giảm

Điện áp giới hạn:

Điện áp đánh thủng BV (Breakdown Voltage) điện áp ngược tối đa đặt vào cặp cực, điện áp transistor bị hư Có ba loại điện áp giới hạn:

BVCEO : điện áp đánh thủng C E cực B hở BVCBO : điện áp đánh thủng C B cực E hở BVEBO : điện áp đánh thủng E B cực C hở

IC 

Dòng điện giới hạn: dòng điện qua transistor phải giới hạn mức cho phép, trị số transistor bị hư Ta có: ICmax dịng điện tối đa cực C IBmax dòng điện tối đa cực B

Công suất giới hạn:

Khi có dịng điện qua transistor sinh cơng suất nhiệt làm nóng transistor, cơng suất sinh tính theo cơng thức: PT = IC.VCE

mỗi transistor có cơng suất giới hạn gọi công

suất tiêu tán tối đa PDmax (Dissolution) Nếu công suất sinh transistor lớn công suất PDmax transistor bị hư

Tần số cắt (thiết đoạn) fcut-off tần số mà transistor có độ khuếch đại cơng suất

Thí dụ: transistor 2SC458 có thơng số kỹ thuật sau: β = 230, BVCEO = 30V , PDmax = 200mW

6 Mạch phân cực cho BJT

Phân cực transistor cung cấp điện áp nguồn chiều cho cực cho dịng IB, IC điện áp VCE có trị số thích hợp

Phân cực cho BJT

Điều kiện dẫn mở transistor:

Loại npn, VBE = 0,6V ÷ 0,7V với Si = 0,2V ÷ 0.3V với Ge VCE = 1/ ÷ 2/ VCC

20 IB=10

VCE (V) IC(mA)

1

0

30 40 Q

3 12

Trường hợp có RE

20 IB=10

VCE (V) IC(mA)

1

0

30 40 Q

3 12

Đường tải tĩnh ICmax

VCC VBB

RB

RC

PHÂN CỰC BẰNG NGUỒN ĐIỆN CHUNG

RB

RC

Phân cực kiểu phân áp

I1=I2+IB

IB

I2 IE

I

Áp dụng định luật Kirchhoff’s, ta có:

Mạch tương đương

VCC

RTh

RE

RC

IC

ETh

VCC

ETh

RTh

RE

RC

IC

I

Vòng Base – Emitter

Vịng Collector – Emitter

Ví dụ

+22V

β=140 Si 3.9 kΩ 1.5 kΩ

10 kΩ IC

Giải

IC 3.55 kΩ 2V

+22V

1.5 kΩ I

II

Áp dụng định luật Kirchhoff’s cho vịng I, ta có:

Áp dụng định luật Kirchhoff’s cho vịng II, ta có:

+22V

β=140 Si 3.9 kΩ 1.5 kΩ

10 kΩ IC

Phân cực kiểu phân áp

IR

Company Logo

β= 60

1.2k 2.4k

4.7k

5.6k

1.2k

3.3k 39k

8.2k

3.9K 560K

7 Ảnh hưởng nhiệt độ thông số transistor

Ảnh hưởng ICBO

Dòng điện rỉ ICBO dòng hạt tải thiểu số, nhiệt độ tăng dịng ICBO tăng theo hàm mũ

Ảnh hưởng độ khuếch đại: độ khuếch đại thay đổi theo dòng điện IC Khi nhiệt độ tăng làm dòng điện IC tăng β tăng theo

Ảnh hưởng phân cực VBE

Điện áp phân cực VBE khoảng 0,6V đến 0,7V cho transistor Si khoảng 0,1V đến 0,3V cho transistor Ge Khi nhiệt độ tăng, VBE bị giảm Thông thường nhiệt độ tăng 10C V

BE giảm khoảng

2,4mV

CÁC BIỆN PHÁP ỔN ĐỊNH NHIỆT

• Dùng điện trở RE để ổn định nhiệt (Hình 7.8a) • Dùng điện trở RB hồi tiếp từ cực C (Hình 7.8b) • Dùng cầu phân áp có điện trở nhiệt (Hình 7.8c)

Mạch khuếch đại ráp kiểu E chung(CE)

V0 Vi

Vi

Mạch khuếch đại ráp kiểu E chung(CE)

Tổng trở ngõ vào:

• Tổng trở ngõ ra:

• Độ khuếch đại dịng điện:

• Độ khuếch đại điện áp:

b be i i i i v i v

r = =

c ce o i v i v

r = =

 = = = b c i o i i i i i A i C be ce i o V r R v v v v

Mạch khuếch đại ráp kiểu B chung(CB Common Base)

Trong mạch transistor ráp kiểu B chung có tụ điện phân dịng Cb nối mass nên cực B khơng có tín hiệu xoay chiều

Tín hiệu đưa vào cực E lấy cực C

V0

Vi

Mạch khuếch đại ráp kiểu B chung(CB Common Base)

• Tổng trở ngõ vào:

• Tổng trở ngõ ra:

• Độ khuếch đại dịng điện:

• Độ khuếch đại điện áp :

e eb i i i i v i v

r = =

c cb o o i v i v

r = =

1 i i i i A b c i o

i = = 

eb cb i V v v v v

Mạch khuếch đại ráp kiểu C chung(CC Common Collector)

Mạch khuếch đại ráp kiểu C chung(CC Common Collector)

• Tổng trở ngõ vào:

• Tổng trở ngõ ra:

• Độ khếch đại dịng điện:

• Độ khuếch đại điện áp:

b b i i i i v i v

r = =

e e o o i v i v

r = =

1 i i i i A b e i o

i = = =  +

1

0 = 

MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA TRANSISTOR

Transistor linh kiện có tính phi tuyến xét mức tín hiệu nhỏ ảnh hưởng tính phi tuyến khơng quan trọng Trong điều kiện người ta phân tích mạch khuếch đại dùng transistor lý thuyết tuyến tính , transistor đổi thành mạch tương đương gồm phần tử điện trở, nguồn dòng điện nguồn điện áp

Điện trở Nguồn dịng

• Điều kiện để transistor dẫn điện phân cực diode BE phân cực ngược diode BC

Điện trở rb có trị số nhỏ khoảng vài chục ohm đến vài trăm ohm Điện trở re điện trở động diode BE nên tính theo cơng thức diode là:

Điện trở rc điện trở nghịch diode BC có trị số lớn khoảng vài trăm kilơơm coi cách điện C B, đó, khơng có dịng điện từ C qua diode BC cực B, có dịng điện IC qua mối nối cực E Như vậy, ngỏ mạch tương đương đổi lại cực C khơng dính vào cực B có nguồn dịng điện IC đi qua từ C qua E

) mA ( I mV 26 r ) mA ( I mV 26 r E e D

Mạch tương đương kiểu E chung:

• Tính tổng trở ngõ vào:

• Tổng trở ngõ : = vài chục kilo-ohm đến vài trăm kilo-ohm

• Do r0 có trị số lớn nên nhiều trường hợp bỏ r0

b e b b b b e e b b b i i ie i r i r i i r i r i i v r

h = = =  +  =  +  

oe

o h1

• hie = tổng trở ngõ vào kiểu E chung (i: input)

• hfe = độ khuếch đại dòng điện thuận kiểu E chung

• hoe = tổng dẫn ngõ (nghịch đảo tổng trở ngõ ra) • Tính độ khuếch đại dịng điện:

• Tính độ khuếch đại điện áp:

• Xét góc pha: điện áp tín hiệu vào đảo pha

fe b c I h i i

A = =  =

Mạch tương đương kiểu B chung

• Tổng trở ngõ vào:

• Tổng trở ra:

• hie = tổng trở ngõ vào kiểu E chung (i: input)

• hfe = độ khuếch đại dòng điện thuận kiểu E chung

• hoe = tổng dẫn ngõ (nghịch đảo tổng trở ngõ ra) • Tính độ khuếch đại dịng điện:

• Tính độ khuếch đại điện áp:

• Xét góc pha: điện áp tín hiệu vào đồng pha

1 1 ) ( + = +     = = = I b b e c i o I A i i i i i i A     ie C ie C i c C c i o I h R h R r i R i v v

A  = 

Mạch tương đương kiểu C chung: Vi Ib Ie Ie Vo ic

Tổng trở ngõ vào:

• Tổng trở ngõ là:

• Theo mạch tương đương điện trở rs, rb re ghép nối tiếp song song với điện trở tải RE Ta có: ve = ie.RE = ib (rs + rb + re)

( vài chục ohm)

e e

0

0 vi vi

r = =

= + + =  + + =   + + = = ) ( 1 ) (

0 e b s

• Tính độ khuếch đại dịng điện:

• Tính độ khuếch đại điện áp:

• Xét góc pha: VB tăng làm IB tăng IE tăng nên VE tăng theo, đó, điện áp tín hiệu vào đồng pha ) ( + = + = = =   I b b b e i o I A i i i i i i A ) (

1 b e E

BA TRẠNG THÁI CỦA TRANSISTOR:

Transistor làm việc ba trạng thái là: ngưng dẫn, khuếch đại tuyến tính bão hịa

Trạng thái ngưng dẫn:Nếu phân cực cho transistor có VBE <V ( VBE = 0V – 0,5V) transistor ngưng dẫn, dịng điện IB = , IC = VCE = VCC Lúc đó, có dịng điện rỉ qua transistor nhỏ không đáng kể

Trạng thái khuếch đại: Nếu phân cực cho transistor có

Trạng thái bão hòa:Nếu phân cực cho transistor