III. Transistor l−ìng cùc - BJT
3. Transistor làm việc nh − khoá điện tử
Đây là chế độ làm việc thông dụng thứ 2 của transistor, chế độ làm việc này của transistor còn gọi là chế độ đóng mở. Khi này nó chỉ có 2 trạng thái ổn định: hoặc đóng (nối mạch cho dòng qua transistor) hoặc mở (ngắt mạch không cho dòng chảy qua transistor).
Đôi khi transistor chuyên dụng làm việc ở chế độ đóng mở còn gọi là transistor xung vì có thể coi chúng làm việc ở chế độ xung.
Trong kĩ thuật điều khiển tự động và kĩ thuật số nói chung các transistor hầu hết
đều hoạt động nh− khoá điện tử .
Ch−ơng III: Linh kiện tích cực a. Chế độ ngắt
ở chế độ ngắt nguồn một chiều đ−ợc cấp cho transistor sao cho cả 2 chuyển tiếp TE và TC đều phân cực ng−ợc. Lúc này qua 2 chuyển tiếp chỉ có dòng điện ng−ợc IEBo và ICBo nên có thể coi mạch cực phát hở và coi điện trở của transistor rất lớn, dòng qua transistor bằng 0. Nh− vậy transistor nh− 1 khoá ở trạng thái mở. Khi đó điện áp UCE
đ−ợc tính bằng: UCE ≈ EBC b. Chế độ dẫn b∙o hoà
Transistor đ−ợc phân cực sao cho chuyển tiếp TE và TC đều phân cực thuận. Khi đó
điện trở của cả 2 chuyển tiếp đều nhỏ nên có thể coi 2 cực phát và góp đ−ợc nối tắt.
Dòng qua transistor IC khi này khá lớn và chỉ phụ thuộc vào điện áp nguồn cung cấp EC và không phụ thuộc vào transistor . Khi này:
IC =
C C
R
E và UCE ≈0 (thực tế th−ờng lấy = 0,3 V)
Hai chế độ ngắt và bão hoà của transistor đ−ợc sử dụng trong kĩ thuật xung và kĩ thuật mạch logic. ở đây điện áp đặt lên lối vào chỉ có 2 mức là mức cao và mức thấp
Nếu UBE = mức thấp thì transistor ngắt lối ra có UCE ≈EC
Sơ đồ mạch điện transistor trong chế độ ngắt và sơ đồ tương đương
Sơ đồ mạch và sơ đồ tương đương của transistor ở chế độ bão hoà
Ch−ơng III: Linh kiện tích cực
UBE = mức cao thì transistor dẫn bão hoà lối ra có UCE = 0
Nh− vậy transistor làm việc nh− 1 phần tử tuyến tính không có khả năng biến đổi
tín hiệu và làm việc nh− 1 khoá điện tử 4. Đặc tính tần số của Transistor
Khi đ−a một tín hiệu có tần số cao vào transistor thì khả năng khuếch đại của transistor đối với tín hiệu này bị giảm đi so với tín hiệu có tần số thấp hơn. Hiện t−ợng này là do ảnh h−ởng của một số thông số sau:
+ Điện dung của các chuyển tiếp TE và TC đáng kể
+ Trở kháng của các miền bán dẫn (base và collector)
+ Thời gian chuyển dời các hạt dẫn thiểu số qua base
Để đánh giá đặc tính tần số của
transistor ng−ời ta sử dụng tham số fα gọi là tần số giới hạn của transistor. Tần số giới hạn fα là tần số mà tại tần số này độ khuếch đại của transistor trong sơ đồ gốc chung BC giảm đi 3dB.
Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào tần số đ−ợc thể hiện trong hình sau:
fβ là tần số giới hạn đối với sơ đồ mắc emito chung EC
Có thể tính fα theo công thức sau:
C
E C T
C pB T
E R C
V d D
C W
f R .
2 48
. . 2
2
1 2
+ + +
= πα
với: RE là điện trở của miền bán dẫn cực phát
CTE là điện dung của lớp chuyển tiếp TE W là bề dày của miền base
Ura
Uvào ULo
UHo Ngắt
TÝch cùc
Dẫn bão hoà
ULi UHi
Đặc tuyến truyền đạt của transistor làm việc ở chế độ đóng mở
f0 fα
Sơ đồ BC
Sơ đồ EC
fβ
α β
f
3dB
Đặc tính tần số của Transistor
Ch−ơng III: Linh kiện tích cực DpB là độ dài khuếch tán của lỗ trống trong miền base
d là bề dày lớp chuyển tiếp TC
VC là vận tốc chuyển dời các hạt dẫn qua chuyển tiếp TC RC là điện trở miền góp collector
CTC là điện dung của lớp chuyển tiếp TC
Nh− vậy nếu tăng một trong các thông số R, C, W và d thì đều làm giảm fα α
θ
β K α f
f = (1− ). với Kθ là hằng số công nghệ (0,5 ữ 1) 5. Phân cực và định điểm làm việc cho Transistor a. Nguyên tắc chung
Để Transistor làm việc cần đặt điện áp ngoài lên chuyển tiếp emito va colecto với cực tính và trị số thích hợp, việc này gọi là phân cực (hay phân áp, định thiên) cho transistor hay xác định điểm làm việc tĩnh cho transistor. Vị trí của điểm công tác tĩnh quyết định chế độ làm việc của mạch, vì vậy tuỳ vào mục đích sử dụng mà phân cực cho phù hợp.
Trong trường hợp transistor làm việc ở chế độ khuếch đại cần đặt điện áp một chiều lên các chân cực sao cho chuyển tiếp TE phân cực thuận và chuyển tiếp TC phân cực ng−ợc.
Đ−ờng tải tĩnh và điểm công tác tĩnh
Xét một sơ đồ phân cực cho transistor nh−
hình bên:
Khi này ph−ơng trình biểu diễn mối quan hệ giữa dòng và áp ra một chiều gọi là đ−ờng tải tĩnh.
Cụ thể ở đây là ph−ơng trình giữa IC và UCE. Ta có:
UCE = UCC – IC.Rt
Vẽ đường tải tĩnh trên đặc tuyến ra ta có hình d−ới đây:
C
E B
C
E B
VC > VB > VE VC< VB < VE
Nguyên tắc phân cực cho Transistor loại NPN và PNP ở chế độ khuếch đại
UBE E
B C
Rt RB
+ UCC
UCE
Ch−ơng III: Linh kiện tích cực
Giao điểm của đường tải tĩnh và đường đặc tuyến ra gọi là điểm công tác tĩnh Q.
Việc chọn Q có ý nghĩa rất lớn đối với chế độ làm việc của transistor (sẽ đ−ợc xem xét cụ thể trong giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử), thông th−ờng ng−ời ta chọn Q nằm giữa đường tải tĩnh để tín hiệu đầu ra có thể có biên độ lớn nhất mà không bị méo. Khi Q dịch khỏi vị trí giữa thì để tín hiệu ra không bị méo thì tín hiệu phải có biên độ nhỏ.
Dưới đây là một số sơ đồ phân cực phổ biến nhất. (sơ đồ phân cực cho NPN hay PNP là hoàn toàn tương tự như nhau nhưng đảo chiều nguồn cung cấp)
b. Mạch phân dòng cố định
Hình bên là sơ đồ mạch phân dòng cố định cho transistor loại NPN Trong đó:
EC là nguồn cung cấp một chiều
RB đấu từ dương nguồn Ec về cực gốc để dẫn điện áp dương về cực gốc.
RC dẫn điện áp từ d−ơng nguồn Ec về cực góp.
Dòng điện IB chạy từ d−ơng nguồn Ec qua RB , qua BJT về
âm nguồn.
Dòng điện IC chạy từ d−ơng nguồn Ec qua RC , qua BJT về
âm nguồn.
Đây là sơ đồ lấy tín hiệu ra trên cực C (sơ đồ emito chung) nên ph−ơng trình đ−ờng tải tĩnh chính là ph−ơng trình thể hiện mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp đầu ra, tức là giữa IC và UCE
UCE = Ec – IC.RC
Vậy đ−ờng tải tĩnh chính là đ−ờng nối 2 điểm (0, Ec/RC) và (Ec, 0)
Khi này vị trí của điểm làm việc tĩnh đ−ợc xác định tại Q (UCEQ, ICQ) nh− sau:
Xác định ICQ =α.IB với
B BE
B R
U I Ec−
= .
Thay ICQ vào ph−ơng trình đ−ờng tải tĩnh tính đ−ợc UCEQ.
Trong sơ đồ trên dòng IB có giá trị cố định nên độ ổn định của sơ đồ này không tốt.
UCC UCE(V) 0
UCC/Rt
IB = 0 IB = 10 IB = 40 IB = 60 IB= 80 àA IC (mA)
Đ−ờng tải tĩnh và điểm công tác Q
Ch−ơng III: Linh kiện tích cực c. Mạch hồi tiếp âm điện áp
Sơ đồ nh− ở hình bên.
Hồi tiếp âm điện áp là hiện t−ợng một phần điện áp ra
đ−ợc đ−a ng−ợc trở lại đầu vào sao cho tác dụng cuả nó ng−ợc pha với điện áp vào.
EC là nguồn cung cấp một chiều
RC dẫn điện áp từ d−ơng nguồn Ec về cực góp.
Trong sơ đồ này điện trở RB không nối trực tiếp với nguồn EC mà nối giữa cực C và cực B. Nghĩa là cực B đ−ợc cấp nguồn từ RC, qua RB.
Sơ đồ này có độ ổn định tốt hơn sơ đồ trên do sự thay đổi của IC đ−ợc hồi tiếp trở lại đầu vào làm cho dòng IB thay đổi theo hướng ngược lại để giữ ổn định cho dòng IC. Cụ thể nh− sau:
Nếu vì một lý do nào đó dòng IC tăng lên (có thể do nhiệt độ tăng) thì sụt áp trên RC tăng, do vậy điện áp tại cực C là VC giảm xuống. Mặt khác, VB = VC – IB.RB do đó VB cũng giảm xuống, làm cho góc mở UBE nhỏ
lại, BJT dẫn yếu đi, tức là các dòng qua BJT giảm (IC giảm chống lại sự thay đổi ban đầu).
Quá trình hoàn toàn ng−ợc lại khi IC giảm.
Nh− vậy, nhờ điện trở hồi tiếp âm RB mà
điểm làm việc tĩnh của mạch sẽ ổn định hơn.
Để loại bỏ thành phần xoay chiều của tín hiệu hồi tiếp trở lại đầu vào làm giảm hệ số khuếch đại của mạch người ta mắc thêm tụ nh− hình bên.
d. Mạch hồi tiếp âm dòng điện (mạch tự ph©n cùc)
Sơ đồ cho ở hình bên.
R1, R2 tạo thành mạch phân áp để cấp điện áp cho cùc B
RC dẫn điện áp d−ơng nguồn về cực C.
RE tạo điện áp trên cực E tuỳ vào giá trị dòng IE đi qua BJT (do vậy gọi là tự phân cực)
Đây là sơ đồ có độ ổn định tốt nhất so với các sơ đồ trên.
Dòng điện trên RE sẽ tạo một sụt áp trên nó có xu h−ớng chống lại sự phân cực thuận của lớp tiếp xúc phát.
Sự ổn định dòng IC nh− sau: nếu vì lý do nào đó dòng chảy qua các cực của transistor tăng lên (ví dụ nhiệt độ tăng), trong đó sự gia tăng của dòng IC là nguy hiểm nhất. Dòng IE tăng làm cho sụt áp trên RE (là UE) tăng. Mà ta lại có UBE = UB - UE khi đó UE tăng thì UBE giảm, nghĩa là transistor dẫn yếu đi và IC sẽ giảm theo. Hiện t−ợng ng−ợc lại khi IC giảm. Nh− vậy dòng IC đã đ−ợc ổn định.
Chú ý: Trên thực tế, người ta thường sử dụng phương pháp bù để ổn định điểm làm việc.
Ch−ơng III: Linh kiện tích cực
Phương pháp này sử dụng diode để bù lại sự biến thiên của điện áp UBE và dòng ICBo (do diode có hệ số nhiệt âm). Ưu điểm của ph−ơng pháp bù là không làm mất mát hệ số khuếch đại nhưng tác động của chúng không tức thì như phương pháp hồi tiếp âm.