Tài liệu Chương 2: Transistor hai lớp tiếp giáp - BJT docx

CHƯƠNG 2: TRANSISTOR HAI LỚP TIẾP GIÁP - BJT 2.1 Giới thiệu 2.2 Dòng chảy BJT 2.3 Khuếch đại dòng BJT 2.4 Giải tích mạch BJT đồ thị 2.5 Tính toán công suất 2.6 Tụ Bypass vô hạn 2.7 Tụ ghép vô hạn 2.8 Mạch Emitter Follower 2.9 Mở rộng “We make a living by what we get, we make a life by what we give” - Winston Churchill, Sir (1874-1965) Chương http://www.khvt.com 2.1 Giới thiệu 1948: Transistor (Bell Lab) Các loại transistor (TST): BJT, FET BJT: Bipolar Junction Transistor: Transistor hai lớp tiếp giáp 2.2 Dòng chảy BJT Cấu tạo ký hiệu Dòng chảy BJT EB: Phân cực thuận CB: Phân cực nghịch IC IE IB IB Đặt: IE I CBO IB IC (1 )I E IC I CBO I CBO Lưu ý: Cấu hình B chung (CB – Common Base configuration) Chương http://www.khvt.com 2.2.1 Moái noái Emitter – Base (EB) Xem moái noái EB Diode phân cưc thuận hoạt động độc lập (iD = iE; vD = vEB) DCLL Đặc tuyến EB DCLL: i E V EE Re v EB Re Mạch tương đương đơn giản vE = VEBQ = V (0.7V: Silicon; 0.2V: Germanium) rd = I EQ Chương http://www.khvt.com V EE V EBQ Re 2.2.2 Moái noái Collector – Base (CB) I E I CBO , mạch tương đương mối nối CB: Từ quan heä: I C IE E IC E IE C IC C VEBQ IE Diode lý tưởng IB B VEE iE E Chương vCB Rc VEBQ VEE iE Rc VCC C iC Re vi 1, ICBO B 0; VEE = 2V; Re = 1k; VCC = 50V; Rc C E vi IE IB B VÍ du 1ï: Cho mạch điện hình vẽ: = 20k; vi = 1sin t Tính iE vCB Re VEBQ ICBO B vCB vCB VCC V EE vi V EBQ Re 1.3 1.0 sin t (mA) VCC R c iC VCC Rc i E V EE V EBQ Rc VCC Rc vi Re Re 24 20 sin t (V) Hệ số khuếch đại tín hiệu xoay chiều: Av = 20 http://www.khvt.com 2.3 Khuếch đại dòng BJT Quan hệ iC iB (bỏ qua ICBO): Hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ: iC iC iB Suy ra: Xem gần đúng: h fe iB với iC iB iB iB iB h fe hFE Lưu ý: TST loại thay đổi nhiều theo TST Ví du 2ï: Cho mạch điện hình vẽ Xác định hệ số khuếch đại dòng tín hiệu nhỏ Cấu hình E chung (CE – Common Emitter configuration) Transistor npn C iB Rb B vi VBB Chương iC Rc E Ngõ vào: iB vi VBEQ Rb VBB VBEQ I BQ ib vi Rb Rb Ngoõ ra: iC iB ( I BQ ib ) I CQ ic Hệ số khuếch đại dòng tín hiệu nhỏ: Ai ib với: VCC VBB I BQ http://www.khvt.com ib ic Đặc tuyến VA ngõ cấu hình E chung Vùng bão hòa: vCE VCEsat Quan hệ iC iB không tuyến tính Vùng chủ động: VCEsat vCE BVCEO Quan hệ tuyến tính: iC iB I CBO Giới hạn dòng: IC-cutoff iC ICmax Ví dụ 3: VCC = 10V, Rb = 10K, Rc = 1K TST: = 100, VBE = 0.7V, VCEsat = 0.1V Tìm điều kiện làm việc (IC VCE) cuûa TST khi: a) VBB = 1.5V b) VBB = 10.7V Rb VBB IB Rc VCC VCC I C Rc a) IB = 0.08mA; IC = IB = 8mA VCE = 2V: TST hoạt động vùng tích cực VCE = -90 !!! b) IB = 1mA; Giả sử IC = IB = 100mA TST hoạt động vùng bão hòa: VCE = VCEsat = 0.1 IC Chương V BB V BE ; VCE Rb VCC VCE Rc http://www.khvt.com 10 0.1 1K 9.9mA Maïch tương đương ic hfeib R0 C + vce _ E 2.4 Giải tích mạch BJT đồ thị Mạch khuếch đại Mạng phân cực RL R2 RL VCC ii B R2 VCC B Rb ii VCC Rb Re R1 Re R1 VBB Chương http://www.khvt.com VBB Mạng phân cực (Mạch tương đương Thevenin): V BB Rb R1 R1 R2 R1 R2 R1 R2 Thieát keá: VCC R1 R2 Rb V BB / VCC VCC Rb V BB Hoạt động mạch khuếch đại (DC) Ngõ ra: VCC vCE Với iC = iE iC R L i E Re iE, suy ra: VCC vCE iC ( R L Re ) : DCLL Ngõ vào: V BB i B Rb v BE i E Re Boû qua ICBO: iB = (1- )iE, suy ra: i E Để loại bỏ thay đổi iE Tónh điểm Q (ICQ, VCEQ): I CQ Chương I EQ V BB V BEQ Re V BB v BE ) Rb Re (1 V BB Re v BE Rb thay đổi, chọn Re >> Rb/(1+ ) ; VCEQ VCC http://www.khvt.com (V BB 0.7) RL Re Giải tích đồ thị vCE VCEQ Tín hiệu nhỏ: ic iC I CQ và: v ce Quan hệ pha: ib tăng, ic, ie tăng, vce giảm Điếu kiện để iC dao động cực đại (max swing): (Giả sử VCEsat = IC-cutoff = 0) I CQ VCEQ Chương VCC / R L Re VCC / http://www.khvt.com Ví dụ 4: Tìm Q để có max swing: R2 +9V RL 1k DCLL: VCEQ Max swing: = 100 R1 I CQ (1000 200) VCC / = 3.75 mA ICEQ = R L Re VCEQ = VCC / = 4.5 V Re 200 Ví dụ 5: Tìm R1 R2 ví dụ để đạt Max Swing +9V RL 1k VBQ = VBE + VEQ = VBE + IEQ Re Choïn Re >> Rb/(1+ ), thường chọn: Rb = 100 Re 200 VBB Rb Re Re (1 10 ) = 2K VBB = VRb + VBQ = IBQRb + VBQ (ICQ/ )(0.1 Re) + VBE + ICQRe VBB = VBE + ICQ(1.1Re) = 0.7 + (3.75E-3)(1.1)(200) = 1.525 V Suy ra: R1 R2 Chương VBE + ICQ Rb = 2.4K V BB / VCC V Rb CC = 11.8K V BB http://www.khvt.com 10 2.5 Tính toán công suất Công thức tổng quát: P 1T V (t ) I (t )dt T0 P V(t) = Vav + v(t) I(t) = Iav + i(t) Trong đó:Vav, Iav: Giá trị trung bình v(t), i(t): Thành phần thay đổi theo thời gian có trung bình 1T (Vav T0 v (t ))( I av P Vav I av i (t ))dt 1T v (t )i (t )dt T0 Công suất trung bình tiêu tán tải (Công suất xoay chiều) PL,ac 1T ic R L dt T0 Giả sử ic tín hiệu sin: ic = Icmsin t PL,ac I cm R L MaxSwing: max(Icm) = ICQ = Suy ra: max(PL,ac) = VCC R L 8( R L Re ) Để cực đại hóa công suất tiêu tán tải: Chọn RL >> Re Suy ra: max(PL,ac) Chương VCC 2( R L R e ) http://www.khvt.com VCC 8R L 11 Công suất nguồn cung cấp trung bình 1T VCC iC dt T0 PCC PCC 1T VCC ( I CQ T0 Max Swing: ICQ = ic )dt VCC 2( R L R e ) VCC Suy ra: PCC = 2( R L R e ) VCC I CQ Với RL >> Re: PCC VCC RL Công suất trung bình Transistor PC 1T 1T vCE iC dt VCC T0 T0 PC PCC PL PC PCC Re )iC iC dt 1T Re ) iC dt T0 PE : “Bảo toàn lượng” 1T iC dt Khai trieån: T0 Suy ra: ( RL 1T VCC iC dt ( R L T0 1T I CQ T0 ( RL I cm sin t dt Re ) I CQ ( RL I CQ I cm 2 I cm Re ) TST tiêu thụ công suất cực đại tín hiệu: Chương http://www.khvt.com 12 max(PC) = PCC Re I CQ RL VCC Max Swing: max(PC) = 4( R L R e ) VCC RL Hiệu suất Hiệu suất: Max Swing: PL,ac PCC I cm R L / 2 VCC / R L Hiệu suất cực đại Icm cực đại: max(Icm) = ICQ Suy ra: max( ) VCC / 8R L VCC VCC (Giả sử RL >> Re) RL = 0.25 / RL Tỷ số công suất tiêu tán TST cực đại công suất tải xoay chiều cực đại: (Thiết kế: Chọn TST có số công suất tiêu tán cực đại thích hợp) max( PC ) max( PL,ac ) Chương 2 VCC / R L VCC 2: / 8R L http://www.khvt.com 13 2.6 Tụ Bypass vô hạn Re: + Tạo dòng phân cực ICQ tăng độ ổn định phân cực (C3) _ Giảm hiệu suất; Giảm hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ xoay chiều (C4) , tín hiệu xoay chiều: ZC = 1/(jC ) 0) Sử dụng tụ bypass (Giả sử Ce DCLL: RL iB ii Rb iC IC VCC iE R DC ACLL: Re v ce Rac Ce ic VBB R L Re VCC VCE R DC R DC R L ic RL v ce (Gốc tọa độ Q) Rac “Destiny is what we make” - Anonymous Chương http://www.khvt.com 14 Max Swing: Q trung điểm ACLL I CQ Rac VCEQ Thay vào DCLL: I CQ R DC I CQ VCC R DC I CQ Rac VCC R DC Rac VCC R DC / Rac VCEQ 2.7 Tụ ghép (coupling capacitor) vô hạn Tụ ghép: Ngăn dòng DC qua tải DCLL: RDC = Re + Rc ACLL: Rac = Rc // RL Max Swing: I CQ VCEQ Dòng qua tải (AC): i L Chương VCC Rc VCC R DC Cc iC iB Rac VCC R DC / Rac Rc ic R L Rc http://www.khvt.com ii iE Rb iL RL VBB Re Ce 15 2.8 Maïch Emitter Follower VCC VCC vB = vBE + vE Xem vBE VBE = 0.7 vi = vb ve: “Follower” R2 Cb Cb vi Rb vi R1 Re Re vE a) Maïch Emitter Follower VBB vE b) Mạch tương đương DCLL: RDC = Re ACLL: Rac = Re // RL VCC Cb Ce vi Rb Re RL vL VBB c) Mạch Emitter Follower với tải AC Chương http://www.khvt.com 16 2.9 Mở rộng 2.9.1 Mạch phân cực Base – Injection Xét mạch Emitter Follower với mạch phân cực Base – Injection sau: VCC Tính toán mạch phân cực: Ngõ vào: VCC = VR2 + VBEQ + VRe R2 VCC R2(ICQ/ ) + VBEQ + ReICQ Cb I CQ Ce vi Re RL vL V BEQ R e R2 / Ngoõ ra: VCEQ = VCC - ReICQ Thiết kế mạch phân cực: Chọn tónh điểm Q Tính R2 = Chương VCC http://www.khvt.com VCC V BEQ Re I CQ I CQ / 17 2.9.2 Nguoàn mạch khuếch đại Có thể thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho mạch khuếch thay đổi mức DC ngõ (Vẫn bảo đảm TST phân cực đúng) Ví dụ 6: Xét mạch CE sau +VCC DCLL: RDC = Rc + Re R2 IC Rc ACLL: Cb vo vi R1 Re -VEE Chương Ví dụ: R DC VCE VCC V EE R DC Rac = Rc + Re Với tín hiệu ac, nguồn chiều (VCC, VEE) ngắn mạch: Phân tích phần trước Chọn RCICQ = VCC Mức DC ngõ ra: v0-DC = (Không cần dùng tụ coupling ngõ ra) http://www.khvt.com 18 ... thiệu 1948: Transistor (Bell Lab) Các loaïi transistor (TST): BJT, FET BJT: Bipolar Junction Transistor: Transistor hai lớp tiếp giáp 2.2 Dòng chảy BJT Cấu tạo ký hiệu Dòng chảy BJT EB: Phân... Cb vo vi R1 Re -VEE Chương Ví dụ: R DC VCE VCC V EE R DC Rac = Rc + Re Với tín hiệu ac, nguồn chiều (VCC, VEE) ngắn mạch: Phân tích phần trước Chọn RCICQ = VCC Mức DC ngõ ra: v0-DC = (Không cần... 8mA VCE = 2V: TST hoaït động vùng tích cực VCE = -9 0 !!! b) IB = 1mA; Giả sử IC = IB = 100mA TST hoạt động vùng bão hòa: VCE = VCEsat = 0.1 IC Chương V BB V BE ; VCE Rb VCC VCE Rc http://www.khvt.com