IV. Biến áp
b. Đờng tải tĩnh và điểm cụng tỏc tĩnh
Xột một sơ đồ phõn cực cho transistor nh hỡnh bờn.
Phơng trỡnh đờng tải tĩnh là phơng trỡnh biểu diễn mối quan hệ giữa dũng ra và điện ỏp ra khi cha đa tớn hiệu vào và cha mắc tả
Cụ thể là ở sơ đồ bờn phơng trỡnh đờng tải tĩnh biểu diễn mối quan hƯ giữa IC và UCE. Theo định luật Kiechoff về ỏp ta cú:
UCC = IC.Rt + UCE
⇒ UCE = UCC - IC.Rt đõy chớnh là phơng trỡnh đờng tải tĩnh.
Vẽ đờng tải tĩnh trờn đặc tuyến r Giao điểm của đờng tải tĩnh và đờng đặc tuyến ra gọi là điểm cụng tỏc tĩnh Q.
Việc chọn Q có ý nghĩa rất lớn đối với chế độ làm việc khuếch đại của transistor, thông th−ờng ng−ời ta chọn Q nằm giữa đờng tải tĩnh để tớn hiệu đầu ra cú thể cú biờn độ lớn nhất mà khụng bị mộ Khi Q dịch khỏi vị trớ giữa thỡ để tớn hiệu ra khụng bị mộo tớn hiệu phải cú biờn độ nhỏ.
Khi Q nằm gần giỏ trị Icmax nghĩa là transistor ở vùng bão hoà cũn khi Q nầm gần điểm (UCC,0) transistor ở vùng ngắt, đõy là hai vựng làm việc của khoỏ điện tử.
C E B C E B VC > VB > VE VC < VB < VE
Nguyờn tắc phõn cực cho Transistor loại NPN và PNP ở chế độ khuếch đại
UBE E C B Rt RB + UCC UCE
Ch−ơng III: Linh kiện tích cực
Kỹ tht điƯn tư 51
5. Các sơ đồ phõn cực cho transistor
ạ Sơ đồ phõn dũng cố định
Xột mạch điện nh trong hỡnh vẽ dới đõ Trong đú:
RB đấu từ dơng nguồn Ec về cực gốc để dẫn điện ỏp dơng về cực gốc sao cho tiếp xúc TE phân cực thuận
RC dẫn điện ỏp từ dơng nguồn Ec về cực góp sao cho cực góp d−ơng hơn so với cực gốc đĨ tiếp xúc TC phõn cực ngợc.
Tụ điện C1 ngăn cỏch ảnh h−ởng của nguồn cấp dc tới ngn tín hiƯu xoay chiều và chặn thành phần một chiều từ nguồn xoay chiều tới BJT. Tụ C2 chặn thành phần một chiều từ colecto tới đầu r
Dũng điện IC chạy từ dơng nguồn Ec qua RC , qua transistor về õm nguồn. Dũng điện IB chạy từ d−ơng nguồn Ec qua RB , qua transistor vỊ âm ngn.
Trong sơ đồ trờn dũng IB cú giỏ trị khụng đổi nờn gọi là sơ đồ phõn dũng cố định và độ ổn định của sơ đồ này khụng tốt (vỡ dũng IC khụng đợc bù sự thay đỉi).
Viết phơng trỡnh Kiechoff ỏp cho vũng qua RB và vũng RC nh sau: Phơng trỡnh đầu vào: EC =IBRB +UBE (1)
Phơng trỡnh đầu ra: EC =ICRC +UCE (2) cũn gọi là phơng trỡnh đờng tải tĩnh, thể hiện mối quan hệ giữa dũng điện và điện ỏp đầu ra là IC và UCE
Từ (1) xỏc định đợc: B BE C B R U E I = − B C I I =β
⇒ thay vào (2) xỏc định đợc UCE. Điểm cú
toạ độ (UCE, IC) vừa xỏc định đợc chớnh là điểm Q, điểm làm viƯc tĩnh cđa transistor.
UCC UCE(V) 0 UCC/Rt IB = 0 IB = 10 IB = 40 IB = 60 IB = 80 àA IC (mA) Đờng tải tĩnh và điểm cụng tỏc Q
Kỹ tht điƯn tư 52
Ngịai ra có thể dựng phơng phỏp đồ thị để xỏc định điểm Q. Đú là vẽ đờng tải tĩnh trờn đờng đặc tuyến ra, giao của đờng tải tĩnh với đặc tuyến ra chớnh là điểm Q. Với đặc tuyến ra:
const I CE
C f U B
I = ( ) = , dới đõy là hỡnh minh hoạ cho cỏch xỏc định điĨm Q bằng đồ thị.
b. Sơ đồ phõn cực hồi tiếp õm điện ỏp
Sơ đồ này khỏc sơ đồ trờn ở chỗ điện trở RB không dẫn dũng trực tiếp từ dơng nguồn về B mà dẫn dòng từ cực C vỊ B.
Sơ đồ này cú độ ổn định tốt hơn sơ đồ trờn do sự thay đỉi cđa IC đợc hồi tiếp trở lại đầu vào làm cho dũng IB thay đổi theo hớng ngợc lại để giữ ổn định cho dòng IC.
ViƯc xác định điểm làm việc tĩnh và đờng tải tĩnh của sơ đồ phõn cực bằng hồi tiếp õm điện ỏp tơng tự nh ở đà làm ở phần trờn. Cụ thể là:
Từ sơ đồ mạch ta cú:
Phơng trỡnh đầu vào: EC =(IC +IB)RC +IBRB +UBE
Vì: β β β 1 1+ + − = ⇒ = C B BE C CQ B C R R U E I I I
Phơng trỡnh đầu ra: EC =(IC +IB)RC +UCE
C CQ C CEQ E I R U (1 1) β + − =
phơng trỡnh đờng tải tĩnh để xỏc định UCEQ theo ICQ
Sơ đồ mạch phõn cực hồi tiếp õm điện ỏp
Chế độ ngắt Chế độ tích cực Chế độ dẫn bão hoà -2 -10 UCE(V) 0 10 20 30 40 IB = -ICBo IB = 0 IB = 0,1 IB = 0,25 IB = 0.35mA IC (mA) Pttmax
Ch−ơng III: Linh kiƯn tích cực
Kỹ tht điƯn tư 53
c. Sơ đồ phõn ỏp
Đõy là sơ đồ cú độ ổn định tốt nhất so với cỏc sơ đồ trờn.
Dũng điện trờn RE sẽ tạo một sụt ỏp trờn nú cú xu hớng chống lại sự thăng giỏng của điện ỏp phân cực thn cho lớp tiếp xúc phỏt, nghĩa là ổn định đợc vị trớ điểm làm việc tĩnh.
Để phõn tớch sơ đồ này cần kiểm tra giỏ trị của R2 nh− sau:
* Nếu 10R2<βRe ta sẽ bỏ qua giỏ trị dũng IB để tớnh điện ỏp tại Bazo là B VCC R R R V 2 1 2 + = mà VB = UBE + IERe Re BE B E CQ U V I I ≈ = − ⇒
Phơng trỡnh đầu ra: VCC =ICRC +UCE +IERe ⇒UCEQ =VCC −ICQ(RC +Re)
* Nếu 10R2 <Re cần ỏp dụng định lý Thevenin để phõn tớch đoạn mạch R1, R2. Khi đú cú sơ đồ tơng đơng nh sau:
Trong đó: 2 1 2 1 R R R R Rtd + = và td VCC R R R V 2 1 2 + =
Viết phơng trỡnh Kiechoff về ỏp cho vũng đầu vào và ra ta cú: Phơng trỡnh đầu vào: Vtd =IBRB +UBE +IERE
Vì IC ≈IE ≈βIB E B BE td CQ R R U V I + − = ⇒ β
Phơng trỡnh đầu ra: VCC =ICRC +UCE +IERE ⇒UCEQ =VCC −ICQ(RC +RE)
Kỹ tht điƯn tư 54
IV. Transistor hiệu ứng tr−ờng – FET 1. Khái niƯm chung 1. Khái niƯm chung
Nguyờn tắc hoạt động
Nguyờn tắc hoạt động cơ bản của FET là làm cho dũng điện cần điều khiển đi qua một mụi trờng bỏn dẫn cú tiết diện dẫn điện thay đổi dới tỏc dụng của điện trờng vuụng gúc với lớp bỏn dẫn đó. Sự thay đỉi c−ờng độ điƯn trờng sẽ làm thay đổi điện trở của lớp bỏn dẫn và do đú làm thay đổi dũng điện đi qua nú. Lớp bỏn dẫn này đợc gọi là kờnh dẫn điện. Đõy là điểm khác biƯt so với BJT vỡ BJT dựng dũng điện cực gốc để điều khiển.
Trong FET, dòng điện hỡnh thành do một loại hạt dẫn duy nhất, hoặc là điện tử hoặc là lỗ trống.
b. Phõn loại
Transistor trờng cú 2 loại là:
+ Transistor tr−ờng có điỊu khiĨn bằng tiếp xúc P - N (hay còn gọi là transistor mối nối – JFET- Junction field effect transistor)
+ Transistor có cực cửa cỏch điện (IGFET insulated gate field effect transistor) hay MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor).
MOSFET đợc chia làm 2 loại là MOSFET kờnh cú sẵn và MOSFET kờnh cảm ứng
Mỗi loại FET ở trờn lại đợc chia thành loại kờnh N hoặc kờnh P (tuỳ theo hạt dẫn điện là điện tử hay lỗ trống)
c. Ký hiệu FET trong sơ đồ mạch
S: Source – cực nguồn mà qua đú cỏc hạt đa số đi vào kờnh và tạo ra dũng điện nguồn IS D: Drain cực mỏng là cực mà ở đú cỏc hạt dẫn đa số rời khỏi kênh dẫn
G: Gate – cực cửa là cực điều khiển dũng điện chạy qua kờnh dẫn
d. Ưu điểm và nhợc điểm của FET
Ưu điểm:
+ Trở khỏng vào rất cao
+ Tạp õm ớt hơn nhiều so với transistor lỡng cực + Độ ổn định nhiệt cao
+ Tần số làm việc cao Nhợc điểm:
JFET MOSFET kờnh cú sẵn MOSFET kờnh cảm ứng
Ch−ơng III: Linh kiƯn tích cực
Kỹ tht điƯn tư 55
+ Công nghƯ chế tạo phức tạp nờn khú sản xuất hơn BJT + Hệ số khuếch đại thấp hơn nhiều so với BJT
1. Transistor tr−ờng điỊu khiĨn bằng tiếp xúc P - N (JFET)
Cấu tạo và nguyờn tắc hoạt động
JFET có cấu tạo gồm có một miếng bỏn dẫn mỏng loại N (ta cú JFET kờnh loại N) hoặc loại P (ta cú JFET kờnh loại P) ở giữa 2 tiếp xỳc P - N và đợc gọi là kờnh dẫn điƯn. Hai đầu cđa miếng bỏn dẫn đợc đa ra 2 chõn cực gọi là cực mỏng (D) và cực nguồn (S). Hai miếng bỏn dẫn ở 2 bên cđa kờnh đợc nối với nhau và đa ra một chõn cực gọi là cực cưa (G)
Cỏc JFET hầu hết là loại cú cấu trỳc đối xứng, nghĩa là khi đấu trong mạch cú thể đổi chỗ 2 chõn cực mỏng và nguồn mà tớnh chất và tham số của FET khụng thay đổ
Nguyờn tắc làm việc của JFET:
Mn JFET làm viƯc ở chế độ khuếch đại cần phải cung cấp nguồn điện một chiỊu giữa cực cưa và cực nguồn UGS có chiỊu sao cho cả 2 tiếp xúc P - N đều đợc phõn cực ngợc cũn nguồn điện cung cấp giữa cực mỏng và cực nguồn UDS có chiều sao cho cỏc hạt dẫn đa số phải chuyển động từ cực nguồn S đi qua kờnh về cực mỏng để tạo nờn dũng điện cực mỏng ID.
JFET kờnh N và kờnh P cú nguyờn tắc hoạt động giống nhaụ Chúng chỉ khác nhau vỊ chiỊu cđa ngn điện cung cấp là ngợc chiều nha ở đõy ta xột trờng hợp JFET kờnh loại N.
Với JFET kờnh loại N cần mắc nguồn cung cấp sao cho:
UGS < 0 đĨ 2 chun tiếp P và N phõn cực ngợc (dũng IG ≈ 0)
UDS > 0 đĨ điƯn tư di chun từ S tới D và ta có thĨ tính dịng ID theo UGS dựa vào phơng trỡnh Shockley nh sau:
2 ) 1 ( P GS Dbh D U U I I = −
với IDbh là dũng cực mỏng bÃo hoà trong trờng hợp tăng UDS tới giỏ trị nhất định nào đó với cực cưa đĨ hở. UP là điện ỏp thắt, khi giữ nguyờn giỏ trị cđa UDS mà tăng trị số của UGS thì dịng ID sẽ nhỏ lại (vỡ kờnh dẫn hẹp lại do chuyển tiếp P-N phõn cực ngợc lớn) và tới khi UGS = UP thì dịng ID = 0, ta núi kờnh dẫn bị thắt. Với mỗi JFET giỏ trị của IDbh và UP đợc cho trớc vỡ vậy phơng trỡnh truyền đạt này hoàn toàn xỏc định đợc, nú đi qua 3 điểm (0, IDbh); (UP, 0); và (UP/2, IDbh/4).
Kỹ tht điƯn tư 56
Để xỏc định điểm làm việc tĩnh của JFET cần xỏc định thờm một phơng trỡnh thĨ hiƯn mối quan hƯ giữa UGS và ID (phơng trỡnh đầu vào). Khi đú, giao của 2 đồ thị này chớnh là điểm Q. Ví dơ: Xét sơ đồ phân cực cho JFET nh− sau:
Khi đó ta cú cỏc phơng trỡnh:
Phơng trỡnh Shockley (phơng trỡnh của đặc tuyến truyền đạt): 2 ) 1 ( P GS Dbh D U U I I = − (1)
Phơng trỡnh đầu vào: UGS + IS.RS = 0 (2) (vì IG ≈ 0)
Thay UGS từ (2) vào (1), giải phơng trỡnh bậc 2 và loại 1 nghiệm khụng hợp lý để xỏc định đợc IDQ. Thay vào (2) để xỏc định lại UGSQ.
Cũng có thể xỏc định Q bằng cỏch vẽ đồ thị của (1) và (2) và tỡm giao điểm, đú chớnh là điểm Q.
3. Transistor tr−ờng loại MOSFET
Đõy là loại transistor tr−ờng có cực cửa cỏch điện với kờnh dẫn điện bằng một lớp cỏch điện mỏng. Lớp cỏch điện thờng đợc dựng là chất oxit nờn transistor trờng loại này cũn đợc gọi là transistor MOS.
ạ Cấu tạo của MOSFET
Điện cực cửa của MOSFET đợc cỏch điện đối với kờnh dẫn điƯn bằng một màng điện mụi mỏng th−ờng là oxit silic (SiO2). Đế của linh kiện là một chất bỏn dẫn khỏc loại với chất bỏn dẫn làm cực S và D. (MOS – Metal – oxit – semiconductor)
MOSFET có 2 loại là MOSFET kờnh cú sẵn (cũn gọi là
DMOSFET - Depleted MOSFET - loại nghốo) và MOSFET kờnh cảm ứng (cũn gọi là EMOSFET – Enhanced MOSFET - loại giàu). Trong mỗi loại này lại cú 2 loại là kờnh dẫn loại N và kờnh dẫn loại P.
Ch−ơng III: Linh kiƯn tích cực
Kỹ tht điƯn tư 57
MOSFET kờnh cú sẵn là loại transistor mà khi chế tạo ngời ta đà chế tạo sẵn kờnh dẫn. Loại này cú nhợc điểm là cú dũng rũ lớn nờn hiện nay ngời ta sử dụng loại này rất ớt.
Ký hiƯu cđa loại DMOSFET nh− sau:
MOSFET kờnh cảm ứng là loại transistor khi chế tạo ngời ta khụng chế tạo sẵn kờnh dẫn mà kờnh dẫn đợc hỡnh thành trong quỏ trỡnh transistor làm việc. Ký hiệu của EMOSFET nh− sau:
Dới đõy là một số hỡnh ảnh pha tạp thực tế để tạo EMOSFET loại N.
b. Nguyờn tắc làm việc
Nguyờn tắc hoạt động của MOSFET kờnh loại P và MOSFET kờnh loại N giống nhau nhng cực tính ngn cung cấp ng−ỵc nha
MOSFET kờnh cú sẵn (loại N) – DMOSFET loại N
Khi transistor làm việc thụng thờng cực nguồn S đợc nối với đế của linh kiện và nối đất nờn US = 0. Cỏc điện ỏp đặt vào cỏc chõn cực cửa G và cực mỏng D là so với chõn cực S.
Cỏc chõn cực đợc cấp nguồn sao cho dũng điện chạy từ cực S tới cực D, điện ỏp trờn cực cửa sẽ quyết định MOSFET làm việc ở chế độ giàu hạt dẫn hay nghốo hạt dẫn.
Khi UGS = 0 trong mạch vẫn cú dũng điện cực mỏng (dũng cỏc hạt điện tử) nối giữa cực S và cực D. Gia tăng giỏ trị cđa UDS sẽ cú dũng cực mỏng tăng nhng tới một giỏ trị nào đú thỡ khụng tăng nữa, dũng cực mỏng khi đú đạt giỏ trị bÃo hoà.
Khi UGS > 0 điện tử bị hỳt vào vựng kờnh đối diện với cực cửa làm giàu hạt dẫn cho kờnh, tức là làm giảm điện trở của kờnh do đú tăng dũng cực mỏng ID. Chế độ làm việc này gọi là chế độ giàu của DMOSFET. Khi này giỏ trị dũng cực mỏng cú thể tăng quỏ giỏ trị dũng bão hoà, làm cho MOSFET dễ bị núng và chỏy hỏng, vỡ vậy chế độ này khụng đợc sử dụng.
Khi UGS < 0 qỳa trỡnh xảy ra ngợc lại, tức là điện tử bị đẩy ra xa kờnh dẫn làm điện trở của kờnh tăng lờn, do vậy dũng cực mỏng ID giảm. Chế độ này gọi là chế độ nghốo hạt dẫn cđa DMOSFET. Giỏ trị của dũng cực máng sẽ phơ thc vào sự điều khiển của điện ỏp UGS và DMOSFET chỉ làm việc ở chế độ nà Kết quả là ta cú phơng trỡnh truyền đạt giống nh− của JFET,
Kỹ tht điƯn tư 58 nghĩa là: 2 ) 1 ( P GS Dbh D U U I I = −
MOSFET kờnh cảm ứng (loại N) EMOSFET loại N
Loại EMOSFET này kờnh dẫn chỉ xuất hiện trong quỏ trỡnh làm việc Khi UGS ≤ 0, kờnh dẫn khụng tồn tại, dũng ID = 0
Khi UGS > 0 tại vựng đế đối diện cực cửa xuất hiện cỏc điện tử tự do và hỡnh thành kờnh dẫn nối giữa nguồn và mỏng. Độ dẫn điện của kờnh phụ thuộc vào UGS. Nh− vậy, MOSFET kờnh cảm ứng chỉ làm việc với một loại cực tớnh của UGS và chỉ ở chế độ già
Trên thực tế kênh dẫn chỉ hỡnh thành khi UGS lớn hơn một giỏ trị nhất định gọi là điƯn áp ng−ỡng UT, đõy là giỏ trị mà bắt đầu từ đú hỡnh thành kờnh dẫn (UT > 0)
Dới đõy là hỡnh minh hoạ cho những phõn tớch trờn
EMOSFET cú phơng trỡnh truyền đạt nh sau: 2
) ( GS T
D k U U
I = −
với k là hệ số khụng đổi trong quỏ trỡnh làm việc cđa EMOSFET và có thĨ xỏc định đợc thụng qua một cặp giỏ trị (UGS, ID) nào đú.
Việc xỏc định điểm Q cđa MOSFET giống nh− với JFET, nghĩa là có hai cỏch: hoặc là giải phơng trỡnh bậc hai sau khi thế phơng trỡnh đầu vào vào phơng trỡnh truyền đạt, hoặc là vẽ hai đồ thị để tỡm giao điểm.
Chế độ giàu hạt dẫn
Chế độ nghèo hạt dẫn
Ch−ơng III: Linh kiện tích cực