Mach phan cuc cua Transistor

Sự ổn định của điểm làm việc được chỉ định bởi hệ số ổn định S để xác định mức độ thay đổi điểm làm việc phụ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ.... Giới thiệu.[r]

(1)

MẠCH PHÂN CỰC

CỦA TRANSISTOR

TRƯỜNG ĐH PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

(2)

5.1 Giới thiệu

Việc phân tích hay thiết kế mạch khuếch đại đòi hỏi hiểu biết đáp ứng dc ac hệ thống Người ta thường nhầm lẫn transistor linh kiện khuếch đại tín hiệu mà không cần nguồn năng lượng cung cấp. Thực việc khuếch đại tín hiệu ac từ trình chuyển đổi lượng từ nguồn cung cấp dc Do việc phân tích hay thiết kế mạch khuếch đại điện tử chứa đựng phần: phần dc phần ac

(3)

3

Hình 5.1 Đặc tuyến ngõ BJT. Một hệ số phân cực khác

rất quan trọng cần ý đến: lựa chọn phân cực cho transistor điểm làm việc mong muốn phải tính đến ảnh hưởng nhiệt độ Nhiệt độ làm thay đổi hệ số ac dòng

điện ICEO Nhiệt độ tăng dịng điện ICEO tăng làm thay đổi điểm làm việc Q

(4)

Đối với BJT việc phân cực để hoạt động vùng tuyến tính cần phải ý:

1 Mối nối B-E phải phân cực thuận với điện áp phân cực vào khoảng 0,6 đến 0,7V

(5)

5.2 PHÂN TÍCH ĐƯỜNG TẢI

5.2.1 Điểm làm việc tĩnh đường tải chiều

Xét tầng khuếch đại đơn giản hình 5.2

Hình 5.2 Tầng khuếch đại đơn giản. BJT làm việc chế độ khuếch đại tín hiệu khi:

(6)

* Xác định điểm làm việc tĩnh Q đồ thị

- Từ đó, ta được:

- Áp dụng định luật Kirchhoff cho ngõ vào, ta có:

BE B

B

CC

I

R

V





B CC BE

B B

R V V

R

I  

a Xác định điểm Q ngõ vào:

gọi đường tải chiều ngõ vào mạch

(7)

- Từ đó, ta được:

Hình 5.4 Điểm Q ngõ ra. - Áp dụng định luật Kirchhoff cho ngõ ra, ta có:

CE C

C

CC

I

R

V





C CC CE

C C

R V V

R

I  

b Xác định điểm Q ngõ ra:

Đường tải chiều ngõ cắt đặc tuyến ngõ điểm, gọi điểm làm việc tĩnh ngõ mạch Q(VCEQ, ICQ)

(8)

Nếu dòng điện IB thay đổi giá trị khác RB điểm tĩnh Q di chuyển lên di chuyển xuống hình 5.5 Nếu điện áp VCC IB giữ cố định điện trở RC thay đổi đường tải dịch chuyển hình 5.6

(9)

Nếu RC cố định VCC thay đổi đường tải dịch chuyển hình 5.7

(10)

5.2.2 Đường tải xoay chiều

Ta có phương trình ngõ với tín hiệu ac:

iC: Dịng điện cực Collector tín hiệu xoay chiều tín

0

v

)

R

//

R

(

i





ce L

C

c

v

)

R

//

R

(

1

i







Trong đó:

i

C



i

c



I

CQ

CQ C

c

i

I

i







CEQ ce

CE

v

V

(11)

Vậy phương ngõ có nguồn tín hiệu ac là:

Phương trình phương trình đường tải ac mạch

) V v ( ) R // R ( ) I i

( CE CEQ

L C

CQ

C   

CQ L C CEQ CE L C C I ) R // R ( V v ) R // R (

i   



0

v



L C CEQ C I ) R // R ( V

i  

Khi

(12)

(13)

13

5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT

5.3.1 Mạch khuếch đại phân cực cố định.

Mạch kđ phân cực cố định hình 5.9 sử dụng transistor npn

Hình 5.9 Mạch phân cực cố định.

Sơ đồ mạch hình 5.9 chia nguồn cung cấp dc Vcc thành nguồn hình 5.10

(14)

Xét mạch vòng BE:

- Áp dụng định luật Kirchhoff:

Xét mạch vòng phân cực mối nối B-E hình 5.11

BE B

B

CC

I

R

V





- Suy dòng điện IB:

B

BE CC

B

R

V

(15)

Xét mạch vịng CE:

Hình 5.12 Sơ đồ nhánh BE.

- Áp dụng định luật Kirchhoff 2:

Mạch vòng phân cực mối nối C-E vẽ lại hình 5.12

- Suy điện áp VCE:

- Vậy toạ độ điểm làm việc tĩnh Q mạch Q(VCE, ICQ)

C C CE

CC V I R

V  

E C

CE V V

(16)

Ví dụ 5.1: Cho sơ đồ mạch hình vẽ 5.13.

Hình 5.13.

Biết BJT loại Silic, β = 80, RB = 300kΩ, RC = 2kΩ VCC = 18V

a Xác định điểm làm việc tĩnh Q mạch

b Vẽ đồ thị

(17)

Ví dụ 5.2: Cho sơ đồ mạch hình vẽ 5.104

Hình 5.14.

Biết BJT loại Silic, β = 100, RB = 530kΩ, RC = 3kΩ VCC = 6V

b Vẽ đồ thị

(18)

Hình 5.15.

Biết BJT loại Silic, β = 80, IB = 40μA, RC = 2,5kΩ VCC = 20V

a Xác định giá trị điện trở RB b Tính dịng điện IC

(19)

* Ho

ạt động bão hòa của

BJT

Đối với transistor hoạt động vùng bảo hòa dịng điện đạt giá trị cực đại mạch điện

Các trường hợp bảo hịa thường nên tránh mối nối CB khơng cịn phân cực ngược dẫn đến tín hiệu ngõ bị méo dạng

Trong vùng bão hịa đường cong đặc tính nối lại với điện áp CE nằm mức thấp mức điện áp VCEsat Dịng điện IC có giá trị tương đối lớn đường cong đặc tính

(20)

* Ho

ạt động bão hòa của

BJT

Ta dùng đường cong xấp xỉ hình 5.16b để xác định nhanh mức giá trị vùng bão hịa, dòng điện IC tương đối lớn điện áp VCE xem 0V Áp dụng định luật Ohm để tính điện trở mối nối CE:

Đối với mạch phân cực cố định transistor chế độ bão hịa sơ đồ mạch hình 5.17, điện áp rơi R Vcc dịng điện IC bão hịa có giá trị:

  

 0

Csat C

CE CE

I V I

(21)

5.3.2 Mạch phân cực cố định ổn định cực emitter

Mạch phân cực dc hình 5.18 có thêm điện trở cực Emitter để cải thiện mức độ ổn định cấu hình mạch phân cực cố định

Hình 5.18 Mạch phân cực BJT có

(22)

Xét mạch vịng BE:

Hình 5.18 vẽ lại hình 5.19, áp dụng định luật Kirchhoff 2, ta phương trình:

E E BE

B B

CC I R V I R

V   

B

E I

I (



Mà ta có:

Thế vào phương trình trên, ta được: E B BE

B B

CC I R V I R

V    ( 1)

Rút gọn suy dòng điện IB: CC BE B

V V

I  

(23)

23

- Xét mạch vòng CE:

Mà ta có: Điện áp VCE:

C C CE

E E

CC I R V I R

V   

E E

C

I







) ( C E

C CC

CE V I R R

V   

Thay IC = ICQ vào biểu thức ta điện áp VCEQ là:

)

R

(

I

V







(24)

Hình 5.21.

Biết BJT loại Silic, β = 80, RB = 300kΩ, RC = 2kΩ, RE = 300Ω VCC = 18V

(25)

Hình 5.22.

Biết BJT loại Silic, β = 120, RB = 470kΩ, RC = 2,2kΩ, RE = 0,56kΩ VCC = 20V

(26)

5.3.3 Mạch phân cực điện áp hồi tiếp từ collector

(27)

Xét mạch vòng BE:

Rút gọn suy dòng điện IB:

)

R

)(

1

(

R

V

I









Đây giá trị dịng điện IBQ, từ suy dịng điện ICQ:

BQ

CQ

I





E E BE B B C C

CC I R I R V I R

V  '   

E B BE B B C B

CC (1 )I R I R V (1 )I R

V       



(28)

Xét mạch vịng CE:

Điện áp VCE:

C C

B CE

E E

CC

I

R

V

(

I

)

R

V





)

R

)(

I

(

V







Thay I = I vào biểu thức ta điện áp V là: )

R R

( I )

( V

VCE  CC   B C  E





(29)

Hình 5.26 Biết BJT loại Silic, β = 80, RB

= 240kΩ, RC = 3kΩ, RE = 1kΩ VCC = 9V

b Xác định điện áp chân BJT

(30)

= 250kΩ, RC = 4,7kΩ, RE = 1,2kΩ VCC = 10V

b Xác định điện áp chân BJT

(31)

5.3.3 Mạch phân cực cầu phân áp:

Xét mạch phân cực cầu phân áp hình 5.28

(32)

Hình 5.30 Xác định RTh. - Xác định điện trở Thevenin RTh

bằng cách ngắn mạch nguồn điện áp hình 5.30

- Xác định điện áp Thevenin ETh mạch điện hình 5.31

2 2 R R R V V

ETh R CC

 

(33)

33

Mạch đương tương Thevenin hình 5.29 dịng điện IB xác định định luật Kirchhoff:

0

 



 B Th BE E E

Th I R V I R

E

Thay dòng IE = ( + 1) IB vào

suy dòng IB:

E Th BE Th B R R V E I ) (     

Phương trình mạch vịng CE khơng có thay đổi – kết được:

Đây giá trị dịng điện IBQ, từ suy dịng điện ICQ:

BQ

CQ

I





) ( C E

C CC

CE V I R R

V   

(34)

Hình 5.32.

Biết BJT loại Silic, β = 80, R1 = 48kΩ, R2 = 12kΩ, RC = 1,5kΩ, RE = 500Ω VCC = 18V

(35)

Hình 5.33.

Biết BJT loại Silic, β = 125, R1 = 40kΩ, R2 = 4kΩ, RC = 20kΩ, RE = 2kΩ VCC = 22V

(36)

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:

- Dòng rỉ: *

1

2 ) ( )

( 2 1 T T T

CO

CO T I T

I 





Trong ΔT* độ biến thiên nhiệt độ làm dòng điện bão hịa ngược tăng gấp đơi thường 100C

- Hệ số truyền đạt dòng điện α, β : (1 275 1)

T T

 

(37)

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 5.34

Tiêu chuẩn đánh giá bất ổn định mạch theo nhiệt độ S, hệ số ổn định là:

CO C CO I I I S    ) ( BE C BE V I V S    ) (







I

C

S

(

)

Ta thấy S nhỏ độ ổn định nhiệt mạch cao

(38)

Thông thường ảnh hưởng ICO đến dịng IC nhiều nên nói đến ảnh hưởng nhiệt độ đến điểm công tác tĩnh, người ta quan tâm đến ảnh hưởng ICO

CO C CO

I I I

S

  

) (

Trong đó:

I





I



(

1





)

I

)

1

(

I.

I

CO











(39)

Hình 5.34 Sơ đồ mạch phân cực dịng cố định

Ví dụ 5.10 Xét ổn định nhiệt mạch sau.

) I I ( ) ( I I ) I ( S C B CO C CO          

Ta thấy ΔIB = (dịng IB ln cố định), nên hệ số ổn định mạch là:

)

1

(

)

I

(

S







Hệ số khuếch đại mạch trường hợp phụ thuộc vào hệ số khuếch đại dòng điện tĩnh β

(40)

(41)

41

Ta có:

V

CC



I

B

R

B



V

BE



I

E

R

E

CO E

C

I







Mà:



I    C CO C C E B I I I I I

I      



Thay IB, IE vào biểu thức VCC, ta được:





(42)

CO

E

B

E

B

BE

CC

C

I

R

V

I

- Độ ổn định nhiệt tính theo ICO:

(43)

43

Nếu ( 1)

E B

R R

thì S(ICO ) ( 1)

Nếu

) (

1   

E B R R E B CO R R I

S( ) 

1  E B R R )

(ICO   S

- Độ ổn định nhiệt tính theo VBE:

E B BE R R V S ) ( ) (      

- Độ ổn định nhiệt tính theo β:

(44)

Từ cơng thức tính độ ổn định nhiệt trên, ta thấy hệ số bất ổn định nhiệt có giá trị biên độ lớn RE có giá trị nhỏ RB có giá trị lớn Vậy RE đóng vai trị ổn định nhiệt cho mạch

Tóm lại thay đổi dịng IC theo thơng số transistor nhiệt độ thay đổi là:















(45)

Ví dụ 5.12 Xét ổn định nhiệt mạch sau.

(46)

- Xét mạch vòng BE: C E C B E C E C B BE CC B

I

R

V

I













Lấy vi phân biểu thức IB theo IC, ta được:

R

dI



E

BE

B

C

CC I R I R V I R

V  '   

E B BE B B C B

CC (1 )I R I R V (1 )I R

V        

 ) R R ( I ) R R R ( I V

VCC  BE  B B  C  E  C C  E 

(47)

Từ ta tính độ ổn định nhiệt S mạch:

Khi mạch khơng có RE thì:

) R R )( ( R ) R R R )( ( ) R R R R R ( ) ( ) I I ( ) ( I I ) I ( S E C B E C B E C B E C C B CO C CO                     



- Nếu RB << RC S -> S nhỏ độ ổn định cao Tuy nhiên độ ổn định mạch nhỏ

(48)

Hình 5.37 Mạch phân cực kiểu phân áp. Hình 5.38 Mạch tương đương Thêvênin.

(49)

49 E B E C E B BE Th B

R

.

I

R

V

E

I













Lấy vi phân biểu thức IB theo IC, ta được:

E B E C B

R

dI







Từ ta tính độ ổn định nhiệt S mạch:

E B E C B CO C CO R R R ) ( ) I I ( ) ( I I ) I ( S            



Khi RE bé, RB lớn S gần giá trị

(50)

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

(51)

5.5 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO FET

Mối quan hệ tổng qt áp dụng để phân tích dc cho tất mạch khuếch đại dùng FET:

- Đối với JFET MOSFET kênh có sẵn phương trình

Shockley được áp dụng để diễn tả mối quan hệ đại lượng vào ra:

- Đối với MOSFET kênh cảm ứng phương trình Shockley

được áp dụng:

0



G

I

S

D I

I 

2

1

















P GS DSS

D

V

I



GS

T



D

k

V

(52)

5.5.1 JFET

a Mạch phân cực cố định

Điện áp điện trở RG 0V nên bỏ điện trở RG

(53)

5.5.1 JFET

Do VGG điện áp cung cấp cố định nên điện áp VGS có giá trị cố định nên mạch gọi mạch phân cực cố định

Hình 5.41 Đồ thị phương trình Shockley Hình 5.42 Xác định điểm Q.

Dòng điện ID xác định phương trình:

2

1 

  

 

 

P GS DSS

D

V V I

I

(54)

5.5.1 JFET

Trong hình 5.42 ta vẽ đường thẳng điểm có giá trị điện áp VGS = -VGG , đường thẳng cắt đồ thị phương trình Shockley điểm – điểm cịn gọi điểm làm việc Q Điểm tĩnh Q có tọa độ VGS ID

Điện áp VDS xác định:

V

DS



V

DD



I

D

R

D

Biết JFET kênh N có: IDSS = 10mA, VP = - 8V, RD = 2kΩ, RG = 1MΩ VDD = 16V, VGG = 2V

(55)

55

5.5.1 JFET

b Mạch tự phân cực

- Theo định luật K2 cho ngõ vào, ta được:

Hình 5.44 Mạch tự phân cực. Hình 5.45 Mạch phân tích dc.

0

R

I

V





GS D

(56)

5.5.1 JFET

Mặc khác, ta có:

2

P GS DSS

D

V

1

I

















Giải phương trình hồnh độ giao điểm, ta nghiệm VGS Chọn VGS thỏa điều kiện: |VGS| ≤ |VP|

Từ VGS, ta tính ID Sau tính VDS theo định luật K2 cho ngõ ra:

Từ ta toạ độ điểm làm việc tĩnh Q (V , I )

)

(

S

D

D DD

DS

V

I

R

(57)

5.5.1 JFET

Biết JFET kênh N có: IDSS = 8mA, VP = - 6V, RD = 3,3kΩ, RS = 1kΩ, RG = 1MΩ VDD = 16V, VGG = 2V

c Xác định điện áp chân JFET

Ví dụ 5.15 Cho mạch điện hình 5.46

Hình 5.46 Mạch tự phân cực.

(58)

5.5.1 JFET

Biết JFET kênh N có: IDSS = 10mA, VP = - 3V, RD = 2,7kΩ, RS = 452Ω, RG = 1MΩ VDD = 15V, VGG = 2V

(59)

59

5.5.1 JFET

c Mạch phân cực cầu phân áp

Hình 5.48 Mạch tự phân cực. Hình 5.49 Mạch tự phân cực.

DD

Th

R

V

R

V





R

.

R

(60)

5.5.1 JFET

R

V

I







GS

I

R

I

.

R

V





2 P GS DSS D

V

1

I

















Giải phương trình hồnh độ giao điểm, ta nghiệm VGS Chọn VGS thỏa điều kiện: |VGS| ≤ |VP|

(61)

5.5.1 JFET

Biết JFET kênh N có: IDSS = 8mA, VP = - 4V, R1 =2MΩ, R2 = 270kΩ, RD = 2,4kΩ, RS = 1,5kΩ, RG = 1MΩ VDD = 16V

(62)

5.5.2 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

(63)

5.5.3 MOSFET KÊNH CẢM ỨNG

Các đặc tính MOSFET kênh cảm ứng (kênh chưa có sẵn) hồn tồn khác với JFET MOSFET kênh có sẵn, dịng điện cực máng ID MOSFET kênh chưa có sẵn điện áp VGS nhỏ điện áp ngưỡng VT

Khi điện áp VGS lớn VT dịng điện cực máng xác định theo phương trình:





D

k

V

I









T )

ON ( GS

) ON ( D

V

I

k





(64)

a Mạch phân cực hồi tiếp

(65)

D D D D

GS D

R

V

R

V

I









D D

D

GS

I

R

V





Giải phương trình hồnh độ giao điểm, ta nghiệm VGS Chọn VGS thỏa điều kiện: |VGS| ≥ |VT|

Từ VGS, ta tính ID Sau tính VDS = VGS vì IG = nên coi ngắn mạch cực D G

Từ ta toạ độ điểm làm việc tĩnh Q (VDSQ, IDQ)

Theo định luật K2 cho ngõ vào, ta có:





D

k

V

I





(66)