a. Nguyờn tắc chung phõn cực transistor
Muốn cho một transistor làm việc phải phõn cực cho transistor đú, nghĩa là phải đƣa điện ỏp bờn ngoài vào chuyển tiếp E và C của transistor với giỏ trị và cực tớnh
thớch hợp. Khi cỏc giỏ trị điện ỏp một chiều đặt vào transistor đó xỏc lập, dũng điện tĩnh qua transistor cũng nhƣ điện ỏp tĩnh trờn cỏc cực transistor sẽ cú những giỏ trị nhất định, ngƣời ta gọi đú là điều kiện phõn cực của transistor.
Khi transistor làm việc ở chế độ bóo hoà, cả hai chuyển tiếp E và C đều phõn cực thuận, cũn khi transistor làm việc ở chế độ khoỏ cả hai chuyển tiếp E và C đều phõn cực ngƣợc. Khi transistor làm việc ở chế độ khuyếch đại, chuyển tiếp E luụn đƣợc phõn cực thuận cũn chuyển tiếp C phõn cực ngƣợc. Cú thể minh họa nguyờn lý
Hỡnh 4.11. Nguyờn lý phõn cực tổng quỏt transistor
Nếu gọi VC, VB, VE lần lƣợt là điện thế của cỏc cực collectơ, bazơ, emitơ căn cứ vào nguyờn lý chung phõn cực transistor làm việc ở chế độ khuyếch đại, đối với
transistor PNP và NPN lần lƣợt cú cỏc bất đẳng thức:
VE > VB > VC VE < VB < VC
Căn cứ vào nguyờn lý tổng quỏt này cú thể suy ra cực tớnh điện ỏp và hƣớng dũng trờn cỏc cỏc điện cực của transistor khi mắc cỏc mạch cụ thể.
* Mạch chung bazơ
Hỡnh 4.12. Điện ỏp và dũng phõn cực transistor mắc BC
Hƣớng theo chiều mũi tờn là hƣớng dƣơng của điện ỏp và dũng điện. Căn cứ vào
hỡnh 4.12 ta cú
UBE = VE – VB >0 IE >0 UCB = VC – VB < 0 I C <0
Hỡnh 4.13.. Điện ỏp và dũng phõn cực transistor mắc EC
Căn cứ vào hỡnh 3.14 cú thể viết
UBE = VE – VB <0 IB < 0 UCE = VC – VE < 0 I C < 0
* Mạch chung collectơ
Hỡnh 4.14.. Điện ỏp và dũng phừn cực transistor mắc CC
Căn cứ vào hỡnh 4.14 ta cú thể viết
UBC = VB – VC > 0 IB > 0 UEC = VE– VC > 0 I E <0
Cú thể suy ra hƣớng điện ỏp chiều dũng điện trong truờng hợp NPN (ngƣợc lại so với PNP).
b. Đƣờng tải tĩnh và điểm cụng tỏc tĩnh
Đƣờng tải tĩnh đƣợc vẽ trờn đặc tuyến ra của transistor để nghiờn cứu dũng điện và điện ỏp khi nú mắc trong mạch cụ thể nào đú. Điểm cụng tỏc tĩnh Q (hay cũn gọi là điểm tĩnh, điểm phõn cực) là điểm nằm trờn đƣờng tải, nú xỏc định dũng điện và điện ỏp khi chƣa cú tớn hiệu đặt vào, nghĩa là nú xỏc định điều kiện phõn cực cho transistor.
Vớ dụ: Một transistor dựng để khuyếch đại tớn hiệu đƣợc mắc nhƣ hỡnh 4.15. Cho UCC = 20V, Rt = 10kΩ
Hỡnh 4.15. Sơ đồ mắc EC cú tải
Từ hỡnh 4.15 ta cú thể suy ra: UCE = UCC – ICRt. Phƣơng trỡnh này xỏc định quan hệ hàm số giữa dũng IC và điện ỏp UCE khi cú điện trở tải Rt. Ngƣời ta gọi đú là phƣơng trỡnh tải.
Đõy là hàm tuyến tớnh cú độ dốc õm. Muốn biểu diến đƣờng tải này trờn tọa độ đặc tuyến ra của transistor chỉ cần xỏc định hai điểm nằm trờn đƣờng tải. Hai điểm thuận tiện nhất là hai điểm đƣờng tải giao với trục toạ độ. Đú là điểm A (IC =0, UCE =
20V) và điểm E (IC = 2mA, UCE = 0V). Nối điểm A và E sẽ đƣợc đƣờng tải ứng với giỏ trị điện trở tải Rt = 10K.
Hỡnh 4.16. Đặc tuyến ra tĩnh và đường tải tĩnh
Đƣờng tải tĩnh chớnh là sự biến thiờn của dũng IC theo điện ỏp UCE ứng với điện trở tải Rt và điện ỏp nguồn cung cấp UCC. Núi một cỏch khỏc, nú biểu thị những mức cú thể cú của dũng IC khi điện ỏp UCE thay đổi. Vớ dụ một điểm IC =1,5mA; UCE =
16V khụng nằm trờn đƣờng tải vẽ ở hỡnh 4.16 , nghĩa là cỏc giỏ trị này khụng thể cú trong cỏc mạch thực tế. Ngƣợc lại những điểm B,C,D ứng với giỏ trị dũng IC và điện
ỏp UCE nhƣ transistor trờn hỡnh 4.16 lại là những điểm nằm trờn đƣờng tải. Trong 3 giỏ trị IC, IB, UCE chỉ cần biết một giỏ trị là cú thể biết đuợc hai giỏ trị cũn lại.
Độ dốc của đƣờng tải phụ thuộc vào giỏ trị của Rt và điện ỏp nguồn cung cấp
UCC. Thay đổi một trong hai đại lƣợng này đƣờng tải sẽ thay đổi.
Vớ dụ vẽ đƣờng tải tĩnh cho mạch hỡnh 3.16 nhƣng điện trở tải là Rt = 9K
(đƣờng tải đứt nột trờn hỡnh 4.16).
* Khi thiết kế mạch transistor, điểm cụng tỏc tĩnh đƣợc chọn trờn đƣờng tải tĩnh. Điểm cụng tỏc tĩnh xỏc định dũng điện và điện ỏp trờn transistor khi khụng cú tớn hiệu đặt vào.
Khi cú tớn hiệu vào, dũng IB biến đổi theo sự biến đổi của tớn hiệu nguồn sẽ tạo
ra trờn Rt một điện ỏp giống nhƣ điện ỏp vào nhƣng biờn độ khỏc (núi chung là lớn hơn biờn độ đầu vào vỡ transistor làm nhiệm vụ khuyếch đại). Bởi vậy việc chọn điểm làm việc tĩnh rất quan trọng. Nếu chọn điểm Q thớch hợp (thuờng chọn ở giữa đƣờng đặc tuyến ra thỡ biờn độ tớn hiệu ra lớn mà khụng bị mộo (tức là dạng tớn hiệu ra khụng khỏc dạng tớn hiệu vào). Nếu chọn điểm cụng tỏc khụng thớch hợp, muốn cho tớn hiệu
khụng mộo, biờn độ tớn hiệu lại nhỏ.
Để cú điện ỏp ra cực đại khụng mộo dạng thƣờng chọn điểm cụng tỏc ở giữa đƣờng tải. Khi khụng cú yờu cầu nghiờm ngặt về độ mộo, điểm cụng tỏc cú thể chọn ở cỏc điểm khỏc nhau trờn đuờng tải
c. Ổn định điểm cụng tỏc tĩnh khi nhiệt độ thay đổi
Khi transistor làm việc ở chế độ khuyếch đại, chuyển tiếp collectơ đƣợc phõn cực ngƣợc, qua chuyển tiếp này cú dũng Ic0 chảy qua. Dũng này là một thành phần của dũng collectơ và nú phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, sự phỏt xạ cặp điện tử lỗ trống tăng, dũng Ic0 tăng.
IC = ừIB + (ừ+1)Ic0
Cú thể thấy ngay rằng Ic0 tăng làm IC tăng. Dũng IC tăng cú nghĩa là mật độ hạt dẫn chuyển qua chuyển tiếp collectơ tăng, do đú va chạm giữa hạt dẫn và mạng tinh thểtăng, nhiệt độ trong chuyển tiếp collectơ lại tăng lờn khiến Ic0 lại tăng. Hiện tƣợng này xảy ra liờn tục và nhanh khiến chuyển tiếp collectơ bị phỏ hỏng vỡ nhiệt độ. Hiện tƣợng này là hiện tƣợng quỏ nhiệt.
Sự thay đổi nhiệt độ cũng làm cho UBE thay đổi, do đú thay đổi dũng IC dẫn đến điểm cụng tỏc tĩnh thay đổi.
Ảnh hƣởng của hiện tƣợng quỏ nhiệt:
+ Nếu khụng cú biện phỏp hạn chế thỡ sự gia tăng nhiệt độ cú thể làm hỏng
transistor.
+ Làm thay đổi UBE do đú làm thay đổi IC dẫn đến điểm cụng tỏc tĩnh thayđổi. Trong những điều kiện thụng thƣờng ảnh hƣởng của dũng Ico đến dũng IC cú thể định nghĩa bằng hệ số ổn định nhiệt độ nhƣ sau:
S =
Ico Ic
Sự thay đổi điện ỏp UBE ảnh hƣởng đến điểm cụng tỏc Q đƣợc định nghĩa bằng: S’ = BE Ic U
Căn cứ vào những định nghĩa trờn, hệ số ổn định nhiệt càng nhỏ thỡ độ ổn định càng cao. Truờng hợp lớ tƣởng cỏc hệ số ổn định nhiệt bằng 0 nhƣng điều này trờn thực tế khụng thực hiện đƣợc. Ta cú: IC = βIB + (β+1)Ic0 1 0 C B C C C C I I I I I I 0 1 1 C B C C I S I I I d. Phõn cực transistor bằng dũng cố định
Nếu transistor đƣợc phõn cực nhƣ hỡnh 4.17 dũng IB từ nguồn một chiều cung cấp cho transistor sẽ khụng đổi. Bởi vậy ngƣời ta gọi loại phõn cực này là phõn cực bằng dũng khụng đổi. Cú thể tạo ra dũng phõn cực khụng đổi bằng hai cỏch.
Hỡnh 4.17. Mạch phõn cực dũng khụng đổi Hỡnh 4.17 chỉ dựng một nguồn một chiều UCC B I = B BE CC R U U UCC = IBRB + UBE
Khi làm việc chuyển tiếp emitơ luụn phõn cực thuận cho nờn UBE thƣờng nhỏ
(0,2 – 0,7V).
Trong vũng mạch collectơ cú thể viết:
Căn cứ vào những phõn tớch đú ta cú thể tớnh đƣợc điều kiện phõn cực tĩnh khi biết hệ số khuyếch đại dũng tĩnh ừ và cỏc giỏ trị phần tử của mạch.
Vớ dụ 1
Cho RB = 400KÙ, Rt = 4KÙ và UCC = 20V, ừ = 50. Tỡm điều kiện phõn cực tĩnh.
IBQ = (UCC - UBE)/RB = (20 - 0,7)/400 = 48,25 uA ICQ ≈ ừ. IBQ = 50.0,04825 = 2,4 mA
UCC = ICRt + UCE
UCEQ = UCC – IC. Rt = 20 – 2,4. 4 = 10,4 V
Vậy ta cú điểm cụng tỏc tĩnh Q( 2.4 mA, 10.4V)
Vớ dụ 2
Thiết kế mạch phõn cực bằng dũng cố định biết
UCC = 10V
Điểm cụng tỏc tĩnh Q (ICQ =1mA, UCEQ = 5V)
= 50 UBE = 0,7V
Trong trƣờng hợp hệ số của transistor trờn thay đổi 1 = 25, 2 = 75. Xỏc
định sự biến đổi điểm cụng tỏc tĩnh. Tớnh sự ổn định nhiệt của loại mạch này?
Ta cú: EC = UCE + IC.Rt Rt = (EC - UCE)/ IC = (10-5)/1mA = 5kÙ IB = IC/ừ = 1.10-3/50 = 20μA Mặt khỏc ta cú: EC = IBRB + UBE RB = (UCC – UBE)/ IB = (10 - 0,7)/20μA = 465kÙ
Nhƣ vậy đó tớnh đƣợc cỏcgiỏ trị phần tử của mạch. Với cỏc giỏ trị này khi ừ = 50 thỡ thỏa món điều kiện phõn cực tĩnh ICQ = 1mA, UCEQ = 5V.
* Khi hệ số khuyếch đại của mạch thay đổi ừ1 = 25. Do kiểu phõn cực này dũng
IB luụn khụng đổi nờn ta cú:
IB = 20 uA
IC1 = ừ. IB = 25.20uA= 0,5mA
Điện ỏp UCE1 = EC – IC.Rt = 10 - 5.0,5 = 7,5V
Nhƣ vậy điểm cụng tỏc tĩnh mới là Q1 (IC = 0,5mA, UCE = 7,5V)
So với điểm cụng tỏc tĩnh khi chƣa thay đổi hệ số thỡ điểm cụng tỏc mới đó thay đổi một lƣợng
ÄIC1 = 1- 0,5 = 0,5mA ÄUCE1 = 7,5 -5 = 2,5 V
* Khi hệ số khuyếch đại của mạch thay đổi β2 = 75. Do kiểu phõn cực này dũng
IB luụn khụng đổi nờn ta cú:
IB = 20 uA
IC2 = β. IB = 75.20μA= 1,5mA
Điện ỏp UCE2 = EC – IC.Rt = 10 - 5.1,5 = 2,5V
Nhƣ vậy điểm cụng tỏc tĩnh mới là Q2 (IC = 1,5mA, UCE = 2,5V)
So với điểm cụng tỏc tĩnh khi chƣa thay đổi hệ số ừ thỡ điểm cụng tỏc mới đó thay đổi một lƣợng
βIC2 = 1,5 - 1 = 0,5mA
βUCE2 = 5 – 2,5 = 2,5 V
Kết luận: Điểm cụng tỏc tĩnh đó thay đổi một lƣợng khỏ lớn. Mạch này cú độ ổn định điểm cụng tỏc tĩnh kộm.
* Xột độ ổn định nhiệt
Giả thiết ừ khụng đổi và bằng giỏ trị trung bỡnh Với cỏch phõn cực này dũng IB khụng đổi cho nờn:
0 B C I I Khi đú : S = ừ + 1 = 50 +1 = 51 Hệ số ổn định nhiệt S lớn. Mạch phõn cực bằng dũng cố định cú độ ổn định nhiệt kộm. Thực tế mạch này dựng khi yờu cầu ổn định nhiệt khụng cao.
e. Phõn cực cho transistor bằng điện ỏp phản hồi
Mạch phõn cực bằng dũng cố định cú ƣu điểm là mạch đơn giản nhƣng sự ổn định điểm cụng tỏc khi chất lƣợng transistor thay đổi ( biến đổi) và nhiệt độ thay đổi khụng đƣợc cao. Nguyờn nhõn chớnh gõy ra khụng ổn định điểm cụng tỏc ở đõy là dũng phõn cực IB cố định, nú khụng bự lại đƣợc do cỏc nhõn tố khỏch quan gõy ra. Nếu cải tiến cỏch mắc mạch hỡnh 4.17 bằng hỡnh 4.18 nghĩa là chỉ cần đầu phớa bờn kia của RB khụng phải vào nguồn UCC mà vào cực collectơ. Nhƣ vậy điện ỏp trờn cực collectơ UCE phản hồi lại cực bazơ qua điện trở RB (bởi vậy mới cú tờn gọi là mạch phản hồi điện ỏp).
Một cỏch định tớnh cú thể thấy loại mạch này cú khả năng ổn định điểm cụng tỏc Q nhƣ sau:
Giả thiết vỡ lý do nào đú dũng IC tăng, điều này làm điện ỏp rơi trờn Rt tăng. Vỡ
UCC cố định nờn UCE = UCC – ICRt giảm, điện ỏp phản hồi trở lại cực bazơ đú cũng giảm, khiến dũng IB giảm. Dũng IB giảm làm dũng IC giảm, nghĩa là kộo IC trở lại giỏ trị ban đầu trƣớc khi tăng. Cũng cú thể lý luận tƣơng tự cho truờng hợp IC giảm. Nhƣ vậy sự phản hồi điện ỏp ở đõycú tỏc dụng ổn định điểm cụng tỏc tĩnh.
Điểm cụng tỏc tĩnh đƣợc xỏc định nhƣ sau:
UCC = ( IC + IB) Rt + UCE
Cũn quan hệ điện ỏp trong mạch bazơ cú thể viết:
UCC = (IC+IB) Rt + IBRB + UBE
Từ hai biểu thức trờn ta cú:
UCE = IBRB + UBE
Vớ dụ: Thiết kế mạch phõn cực bằng điện ỏp phản hồi Cho biết UCC = 10V
Điểm cụng tỏc tĩnh Q (ICQ =1mA, UCEQ = 5V)
= 50 UBE = 0,7V
Giả sử hệ số của transistor trờn thay đổi 1 = 25, 2 = 75. Hóy tớnh sự dịch chuyển điểm cụng tỏc tĩnh? Tớnh độ ổn định nhiệt của mạch này?
Lời giải:
Điểm cụng tỏc ra tĩnh đƣợc xỏc định nhƣ sau:
UCC = ( IC + IB) Rt + UCE
Cũn quan hệ điện ỏp trong mạch bazơ cú thể viết:
UCC = (IC+IB) Rt + IBRB + UBE UCE = IBRB + UBE
= (IC/ừ)RB + UBE
RB = ừ(UCEQ - UBE)/IC = 50 (5 – 0,7)/1mA = 215kÙ
Ta cú:
UCC = ( IC + IB) Rt + UCE
= (10 5) (1 1/ 50)mA
= 4,9 kÙ
Khi ừ thay đổi , ừ1 = 25
UCC = (IC+IB) Rt + IBRB + UBE = (IC+Ic/) Rt + (IC/).RB + UBE IC (Rt + Rt/+RB/) = UCC - UBE IC1 = ) / / (R ) (E t RCt BERB U = 10 0,7 4,9 4,9 / 25 215/ 25 = 0,68 mA
UCE1 = (IC/)RB + UBE = 215.0,68/25 + 0,7 = 6,55 V
Nhƣ vậy điểm cụng tỏc tĩnh mới là: (ICQ1 = 0,68mA; UCEQ1 = 6,55V).
Sự dịch chuyển điểm cụng tỏc tĩnh ; ÄIC = 1 – 0,68 = 0,32 mA ÄUCE = 6,55 – 5 = 1,55 V
Khi ừ thay đổi , ừ2 = 75
IC2 = ) / / (R ) (E t t B BE C R R U = 10 0,7 4,9 4,9 / 75 215/ 75 = 1,19 mA
UCE = (IC/)RB + UBE = 215 .1,19/75 + 0,7 = 4,1 V
Nhƣ vậy điểm cụng tỏc tĩnh mới là: (ICQ2 = 1,19mA; UCEQ2 = 4,1V).
Sự dịch chuyển điểm cụng tỏc tĩnh ; ÄIC = 1.19 – 1 = 0,19 mA ÄUCE = 5 – 4,1 = 0,9 V
Kết luận: Sự dịch chuyển điểm cụng tỏc tĩnh là nhỏ.
Nhận xột: Mạch này cú khả năng ổn định điểm cụng tỏc tĩnh tốt hơn mạch phõn cực bằng nguồn cố định. * Xột độ ổn định nhiệt : Ta cú : CC C. t B B t B t U I R I R R R R Suy ra: t B C B t R I I R R Từ đú ta cú : 1 B t t B t R R S R R R
215 4,9215 4,9 50 1 50.4,9 24,1
S
Độ ổn định nhiệt của mạch này tốt hơn mạch phõn cực bằng dũng cố định f. Phõn cực trazitor bằng phản hồi dũng emitơ
Phõn cực trazitor bằng dũng emitơ hay phõn cực bằng dũng phản hồi dũng điện cũn gọi là tự phõn cực cú sơ đồ nguyờn lý nhƣ hỡnh sau:
Hỡnh 4.19. Sơ đồ nguyờn lý mạch phõn cực bằng dũng emitơ
Điện trở R1 và R2 tạo ra một bộ phõn ỏp lấy điện ỏp từ nguồn UCC đặt vào bazơ
UB. Điện trở RB nối với cực emitơ, dũng IE rơi trờn điện trở này, điện ỏp UE = IERE.
Mặt khỏc cú : UE = UB- UBE
Vậy: IE = (UB – UBE )/RE
Nếu thoả món điều kiện: UB ≥ UBE thỡ IE ~ UB/RE và rất ổn định. Sơ đồ tƣơng đƣơng :
Hỡnh 4.20. Sơ đồ tƣơng đƣơng tĩnh của mạch phõn cực hỡnh 4.19
Trong đú: RB = (R1.R2)/(R1+R2) UB = R2. UCC / (R1+ R2)
Căn cứ vào sơ đồ tƣơng đƣơng (hỡnh 4.20) để phõn tớch mạch phõn cực dũng emitơ.
UB = IB. RB + UBE + (IC+ IB)RE
Trong đú đó thay IE = IC + IB, nếu nhƣ biết ừ cú thể biến đổi thành:
UB = IB [ RB + (ừ +1)RE] + UBE
Trong quỏ trỡnh làm việc, chuyển tiếp E luụn phõn cực thuận cho nờn tổng điện ỏp một chiều ở đầu vào mạch này là UB. Trong hầu hết cỏc trƣờng hợp UB < UCC