TRANSISTOR LOẠI N-P-N - : TRANSISTOR LƯỠNG CỰC- 123docz.net

CHƯƠNG 2 : TRANSISTOR LƯỠNG CỰC

2.2. TRANSISTOR LOẠI N-P-N

2.2.1. Điều kiện dẫn điện, đặc tuyến IB, UBE(VBE) và đặc tuyến IC, UCE(VCE) 2.2.1.1. Điều kiện dẫn điện và đặc tuyến IB, UBE

Transistor cĩ một tính chất rất quan trọng là cĩ khả năng khuếch đại dịng điện. Nếu ta cấp vào cực B của nĩ dịng điện IB thì ở cực C và cực E sẽ xuất hiện các dịng điện lớn hơn IB nhiều lần. Vì vậy cĩ thể dùng dịng IB rất nhỏ điều khiển dịng IC khá lớn. Sự thay đổi của IB (dù rất nhỏ cũng kéo theo sự thay đổi của IC khá lớn (so với lượng IB thay đổi). Tuy nhiên để đạt được như vậy, điện áp tác động lên các cực của Transistor phải cĩ những điều kiện nhất định : đúng cực tính và cĩ giá trị đủ lớn.

Đối với Transistor N-P-N được chế tạo bằng Si, điều kiện để Transistor dẫn điện là:

Dịng điện trên các cực B, C và E cĩ chiều như hình 2-4

Hình 2-4 Chiều dịng điện trong BJT

Mối nối BE là một lớp tiếp giáp P-N nên cĩ đặc tính giống như Diode, Giả sử ta tăng dần UBE từ 0V thì khi UBE tăng đến khoảng 0,5v dịng IB mới bắt đầu xuất hiện. Khi UBE khoảng 0,6v thì dịng IB < 1mA nhưng sau đĩ tăng rất nhanh khi chỉ cần tăng UBE một lượng rất nhỏ. Dịng IB đạt giá trị khoảng vài chục mA khi UBE = 0,7v và rất lớn đến mức làm hỏng Transistor nếu UBE tăng đến khoảng 1V hoặc cao hơn. Vì vậy giá trị UBE trong các phép tính tốn cĩ thể lấy gần đúng bằng 0,6V hay 0,7V thì từng trường hợp cụ thể.

Khi đã cĩ dịng IB, nếu ta cĩ UCE > UCES (khoảng 0,1 đến 0,4v) thì ở cực C và cực E xuất hiện các dịng điện IC và IE cĩ cường độ lớn hơn IB nhiều lần. Khi đĩ ta nĩi Transistor ở trạng thái dẫn điện.

Khi đã cĩ dịng IB mà khơng cĩ nguồn áp thứ hai để tạo ra dịng IC thì Transistor vẫn ở trạng thái ngưng dẫn, lúc đĩ dịng IB chảy đến cực E và ta cĩ IE = IB, IC = 0.

Nếu khơng cĩ nguồn áp phân cực cho mối nối BE hoặc UBE khơng đủ lớn (UBE < 0,6V) thì dịng IB = 0. Khi đĩ Transistor cũng ở trạng thái ngưng dẫn bất chấp các yếu tố khác.

Tĩm lại để Transistor N-P-N dẫn điện, cần cĩ hai điều kiện cần và đủ:

 Điều kiện cần là: UBE ≥ 0,7V

 Điều kiện đủ: UCE > UCES

C E B IC IE IB + UBE + - UCE Đặc tuyến

2.2.1.2. Đặc tuyến IC, UCE

Trong trường hợp giữ dịng điện IB khơng đổi và thay đổi UCE, quan hệ giữa dịng điện IC và điện áp UCE khi đĩ gọi là đặc tuyến IC, UCE của Transistor. Với nhiều giá trị IB khác nhau ta cĩ nhiều đường đặc tuyến khác nhau gọi là họ đặc tuyến IC, UCE mà trên hình 2-5 là một ví dụ.

Hình 2-5 Thí nghiệm đo đặc tuyến IC, UCE của Transistor.

Nếu dịng điện IB khơng đổi thì dịng điện IC cũng gần như khơng đổi khi UCE biến thiên nếu UCE đủ lớn. Như vậy dịng điện IC chủ yếu phụ thuộc vào IB.

Hình 2-6 Họ đặc tuyến IC, UCE của Transistor

A 75 IB   A 40 IB   A 20 IB   A 5 IB  

2.2.2. Hệ số khuếch đại dịng điện và quan hệ giữa các dịng điện IB, IC, IE 2.2.2.1. Hệ số khuếch đại dịng điện DC () hay hFE

Trong trường hợp các dịng điện IB, IC là hằng số thì tỉ số giữa dịng điện IC và dịng điện IB được gọi là hệ số khuếch đại dịng điện DC của Transistor. Hệ số này được ký hiệu là  hay hFE và được tính theo cơng thức:

với điều kiện IC < ICS

(ICS là dịng điện bão hồ ở cực C cĩ giá trị phụ thuộc mạch điện cụ thể).

Hệ số  của các Transistor nĩi chung cĩ giá trị từ vài chục đến vài trăm phụ thuộc vào nồng độ hạt dẫn tự do và kích thước vật lý của các lớp bán dẫn. Vì vậy  do nhà sản xuất cung cấp. Với các Transistor cùng một mã hiệu, hệ số  cũng cĩ thể khác nhau từ vài chục đến hàng trăm. Vì vậy trong các sổ tay tra cứu dạng tĩm lược, người ta thường cho giá trị min, max và typ (giá trị  điển hình). Khi sử dụng, ta thường lấy giá trị typ. Trong tài liệu tra cứu chi tiết, nhà sản xuất cung cấp hệ số  cho ở dạng đồ thị phụ thuộc vào dịng IC. Khi ấy muốn xác định , ta cĩ thể ước lượng trị số của nĩ tương ứng với một khoảng dịng điện nào đĩ hoặc định giá trị chính xác tại một giá trị dịng điện biết trước. Ví dụ trên hình 2-7, hệ số  cĩ giá trị khoảng 90 ứng với dịng IC = 2mA.

Hình 2-7 Hệ số  hay hFE của Transistor C535.

B C I I  

2.2.2.2. Quan hệ giữa các dịng điện

Khi Transsitor dẫn điện, dịng điện cực C của nĩ lớn gấp  lần dịng điện cực B nếu dịng IC chưa đạt cực đại (chưa bão hồ). Xem hình 2-4 ta nhận thấy cả hai dịng IB và IC cùng hội tụ về cực E nên ta cĩ:

IE = IC + IB (đẳng thức này luơn đúng với mọi trường hợp) Vì IC = .IB nên cĩ cách tính khác là: IE = .IB + IB = ( + 1).IB Vậy khi dịng IC chưa đạt cực đại thì:

 IC = .IB và

 IE = IC + IB = ( + 1).IB

Khi dịng IC đã đạt cực đại thì giá trị cực đại đĩ gọi là ICS (dịng IC bão hồ) và để cĩ IC = ICS thì dịng điện tại cực B phải cĩ giá trị lớn hơn IBS với IBS = ICS/. Lúc này ta cĩ:

 IB  IBS

 IC = ICS

 IE = IC + IB 2.3. TRANSISTOR LOẠI P-N-P 2.3.1. Điều kiện dẫn điện, hệ số  2.3.1.1. Điều kiện dẫn điện

Cũng giống như Transistor N-P-N, Transistor P-N-P cũng cần cĩ những điều kiện nhất định để dẫn điện :

Điện áp UEB ≥ 0,7v và UEC > 0.

Hình 2-8 Quan hệ dịng điện của BJT PNP

Mối nối EB là một lớp tiếp giáp P-N nên cĩ đặc tính giống như Diode, Giả sử ta tăng dần UEB từ 0V thì khi UEB tăng đến khoảng 0,6V dịng IB mới bắt đầu xuất hiện và sau đĩ tăng rất nhanh khi chỉ cần tăng UEB lên một lượng rất nhỏ. Dịng IB cĩ thể đạt giá trị rất lớn đến mức làm hỏng Transistor nếu UEB tăng đến khoảng 1V hoặc cao hơn.

Khi Transistor làm việc với dịng IB nhỏ khoảng 1mA thì UEB khoảng 0,6V. Nếu tăng UEB đến 0,7V thì IB khoảng vài chục mA. Vì vậy giá trị UEB trong các phép tính tốn cĩ thể lấy gần đúng bằng 0,6V hay 0,7V thì từng trường hợp cụ thể.

Khi đã cĩ dịng IB, nếu điện thế ở cực E lớn hơn điện thế cực C tức là UEC > 0 thì ở cực C và cực E xuất hiện các dịng điện IC và IE cĩ cường độ lớn hơn IB nhiều lần. Khi đĩ ta nĩi Transistor ở trạng thái dẫn điện.

Khi đã cĩ dịng IB mà khơng cĩ nguồn áp thứ hai để tạo ra dịng IC thì Transistor vẫn ở trạng thái ngưng dẫn,. Lúc đĩ dịng IC = 0 và ta cĩ IB = IE.

Nếu khơng cĩ nguồn áp phân cực cho mối nối EB hoặc UEB khơng đủ lớn (UEB < 0,6V) thì dịng IB = 0. Khi đĩ Transistor cũng ở trạng thái ngưng dẫn bất chấp các yếu tố khác.

Tĩm lại điều kiện để Transistor P-N-P dẫn điện, cần cĩ hai điều kiện cần và đủ: Điều kiện cần là: UEB ≥ 0,7V.

Điều kiện đủ: UEC > 0. B C E IC IE IB - UEB - + UEC

2.3.1.2. Hệ số khuếch đại dịng điện DC ( hay hFE):

Đối với Transistor P-N-P, hệ số  hay hFE cũng được định nghĩa là tỉ số giữa dịng IC và IB khi dịng IC chưa đạt tới trị bão hồ.

với điều kiện IC < ICS

(ICS là dịng điện bão hồ ở cực C cĩ giá trị phụ thuộc mạch điện cụ thể).

2.3.2. Quan hệ giữa các dịng điện: Khi dịng IC chưa đạt cực đại thì: IC = .IB và

IE = IC + IB = ( + 1).IB

Khi dịng IC đã đạt cực đại thì giá trị cực đại đĩ gọi là dịng IC bão hồ, ký hiệu là ICS. Để cĩ IC = ICS cần cĩ IB  ICS/. Lúc này ta cĩ:

 IB  IBS

 IC = ICS

 IE = IC + IB

2.4. CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA TRANSISTOR

2.4.1. Ba chế độ hoạt động của Transistor

 Chế độ ngưng dẫn: Transistor khơng dẫn điện, dịng điện trên các điện cực bằng 0.

 Chế độ dẫn khuếch đại: Dịng điện IC = IB và chưa đạt cực đại (IC < ICS).

 Chế độ bão hồ: Dịng IC đạt cực đại bằng ICS và điện áp UCE giảm xuống rất thấp UCE = UCES = 0,1 0,4V tuỳ theo cường độ dịng ICS. Với ICS khoảng vài chuc mA thì UCES khoảng 0,1  0,2v. Với ICS khoảng vài trăm mA đến vài Ampe thì UCES cĩ thể đến 0,3 hoặc 0,4v. UCES là điện áp giữa cực C và E đo khi Transistor bão hồ. Với tất cả các Transistor, trong tính tốn UCES max = 0,2v. B C I I  

2.4.2. Điểm làm việc tĩnh, đường tải DC của transistor trong sơ đồ khuếch đại Trong các mạch ứng dụng Transistor N-P-N, nguồn cấp điện cho mạch là nguồn một chiều cĩ giá trị khơng đổi và phải cĩ ít nhất một điện trở mắc từ cực (+) của nguồn điện đến cực C hoặc từ cực E đến mass để hạn dịng qua Transistor (điện trở này cĩ thể là tải). Với mạch như vậy thì khi dịng IC tăng sẽ tạo ra một sụt áp trên các điện trở hạn dịng làm cho điện áp UCE giảm và ngược lại. Điện áp UCE cĩ giá trị lớn nhất bằng điện áp nguồn khi dịng IC = 0 và nhỏ nhất bằng UCES khi IC = ICS. Tại một thời điểm nào đĩ dịng điện IC và điện áp UCE cĩ một giá trị xác định. Cặp giá trị (UCE, IC) xác định một điểm Q trong mặt phẳng toạ độ UCE, IC gọi là điểm làm việc của Transistor. Khi dịng điện cực B (dịng IB) khơng biến thiên thì cặp giá trị IC, UCE cĩ giá trị khơng đổi và điểm làm việc Q(UCE,IC) được gọi là điểm làm việc tĩnh của Transistor.

Quỹ đạo của điểm làm việc tĩnh khi IC thay đổi từ 0 đến giá trị tối đa ICS là một đoạn thẳng gọi là đường tải DC của Transistor. Đường tải DC mơ tả quan hệ giữa IC và UCE trên mạch điện đang xét, nĩ cĩ ý nghĩa quan trong trong việc xác định xu hướng dẫn điện mạnh hay yếu của Transistor cũng như dùng để xác định vùng hoạt động quá cơng suất của Transistor.

Việc xây dựng đường tải DC sẽ trình bày sau. Trên hình 2-9 mơ tả một đường tải DC điển hình (đoạn AS). Khi điểm làm việc Q tiến đến S, Transistor đạt trạng thái bão hồ. Khi điểm Q tiến đến A, Transistor ngưng dẫn. Khi Q ở vị trí hiện tại như hình vẽ, Transistor đang dẫn điện ở chế độ khuếch đại. Vị trí điểm làm việc Q chính là giao điểm giữa đường đặc tuyến IC, UCE (do nhà sản xuất cung cấp hoặc xây dựng từ thì nghiệm) với đường đặc tuyến ngõ ra của mạch (đường AB).

Đường tải DC (DCLL - DC load line) cho thấy rõ phạm vi biến thiên thực tế của điện áp UCE và dịng điện IC cũng như quan hệ giữa IC và UCE. Khi IC tăng thì UCE giảm và ngược lại.

Hình 2-9 Đường tải DC của Transistor NPN

2.4.3. Xác định điểm làm việc Q

Để xác định điểm làm việc Q ta cần 2 bước tiến hành như sau: a) Dựa vào mạch phân cực ngõ vào để xác định giá trị dịng IB

b) Tìm đặc tuyến tương ứng với IB vừa tính trong họ đặc tuyến IC, UCE và xác định

giao điểm giữa đặc tuyến này với đường đặc tuyến ngõ ra của mạch. Lưu ý là cách làm này khơng thực hiện được nếu khơng cĩ họ đặc tuyến IC, UCE của Transistor, nếu khơng cĩ thì cách tính gần đúng thực hiện như sau:

So sánh IB với IBS = ICS/ (giá trị  phải biết trước).

 Nếu IB  IBS thì Transistor làm việc ở chế độ bão hồ tức điểm Q  S

 Nếu IB < IBS thì Transistor chưa bão hồ, dịng IC = .IB. Cĩ IC sẽ tìm được điểm

Q. K h o a ûn g b ie án t h ie ân t h ư ïc t e á c u ûa I C

Trước khi tiền hành xác định đường tải DC và điểm làm việc Q, ta xét một số dạng mạch thường gặp đối với Transostor loại N-P-N và ứng dụng của những dạng mạch này.

2.5. PHÂN CỰC CHO BJT

2.5.1. Phân cực dùng 2 nguồn riêng biệt 2.5.1.1. Dạng mạch

* Trường hợp khơng cĩ RE

Hình 2-10 Phân cực dùng 2 nguồn riêng

* Trường hợp cĩ RE

Hình 2-11 Phân cực dùng 2 nguồn riêng cĩ RE

R C Vcc Q V BB RBB RBB R C Vcc R E Q V BB

2.5.1.2. Phương trình đường tải DC * Trường hợp khơng cĩ RE

Từ lưới 1: (phương trình ngõ vào) VBB = IB.RB + VBE

 IB = (VBB - VBE)/RB  IC = IB

Từ lưới 2: (phương trình ngõ ra) VCC = IC.RC + VCE

 VCE = VCC - IC.RC (*)

Phương trình (*) cịn gọi là phương trình đường tải DC. Để vẽ đồ thị đường tải DC ta dựa vào phương trình (*) này để tính VCEmax, ICmax.

* Trường hợp cĩ RE

Từ lưới 1: (phương trình ngõ vào) VBB = IB.RB + VBE + IE.RE

 E B BE BB B R R V V I ) 1 (       IC = IB

Từ lưới 2: (phương trình ngõ ra) VCC = IC.RC + VCE + IE.RE (IC = IE)

 VCE = VCC - IC(RC + RE) (*)

Phương trình (*) cịn gọi là phương trình đường tải DC. Để vẽ đồ thị đường tải DC ta dựa vào phương trình (*) này để tính VCEmax, ICmax.

2.5.1.3. Ví dụ 1

Cho mạch điện như hình 2-10, Vcc = 12V, VBB = 5V, β = 100, RB = 82K, RC = 1K. Xác định điểm làm việc Q trên đồ thị.

Giải:

Từ lưới 1: (phương trình ngõ vào) VBB = IB.RB + VBE

 IB = (VBB - VBE)/ RB = (5 - 0,7)/82 = 4,3/82 = 0,052 (mA)  IC = IB = 100*0,052 = 5,2 (mA)

Từ lưới 2: (phương trình ngõ ra) VCC = IC.RC + VCE  VCE = VCC - IC.RC = 12 - 5,2*1 = 6,8(V) Vẽ đồ thị: từ phương trình (*) VCEmax = Vcc = 12V (khi IC = 0) ICmax = Vcc/RC = 12V/ 1K = 12(mA) 2.5.1.4. Ví dụ 2

Cho mạch điện như hình 2-11, Vcc = 12V, VBB = 5V, β = 100, RC = 1K, RE = 200. Người ta đo điện áp trên RE = 1V.

Xác định RB.

Xác định điểm làm việc Q trên đồ thị. Giải:

Xác định RB

Ta cĩ: VRE = 1V.  IE = VRE/RE =1/0,2 = 5 (mA)

 IB = IC/ = 5/100 = 0,05 (mA)

Từ lưới 1: (phương trình ngõ vào) VBB = IB.RB + VBE + IE.RE =

 RB = (VBB - VBE - VRE)/IB = (5 - 0,7 - 1)/0,05 = 3,3/0,05 = 66 (KΩ).

Xác định điểm làm việc Q trên đồ thị. IC = IE = 5 (mA)

VCC = IC.RC + VCE + IE.RE

 VCE = VCC - IC.(RC + RE) = 12 - 5(1 + 0,2) = 6(V)

Vậy Q(VCE, IC) = Q(6V, 5mA) Vẽ đồ thị: từ phương trình ngõ ra VCEmax = Vcc = 12V (khi IC = 0)

ICmax = Vcc/(RC + RE) = 12V/ (1 + 0,2) = 10(mA) 2.5.2. Phân cực cố định

2.5.2.1. Dạng mạch

Hình 2-12 Phân cực cố định

2.5.2.2. Phương trình đường tải DC Từ lưới 1: (phương trình ngõ vào) VCC = IB.RB + VBE

 IB = (VCC - VBE)/ RB  IC = IB

Từ lưới 2: (phương trình ngõ ra) VCC = IC.RC + VCE

 VCE = VCC - IC.RC (*)

Phương trình (*) cịn gọi là phương trình đường tải DC. Để vẽ đồ thị đường tải DC ta dựa vào phương trình (*) này để tính VCEmax, ICmax.

+Vcc R C Q R B

2.5.3. Phân cực hồi tiếp cực phát 2.5.3.1. Dạng mạch

Hình 2-13 Phân cực hồi tiếp cực phát

2.5.3.2. Phương trình đường tải DC Từ lưới 1: (phương trình ngõ vào) VCC = IB.RB + VBE + IE.RE

 E B BE CC B R R V V I ) 1 (       IC = IB

Từ lưới 2: (phương trình ngõ ra) VCC = IC.RC + VCE + IE.RE (IC = IE)

 VCE = VCC - IC(RC + RE) (*)

Phương trình (*) cịn gọi là phương trình đường tải DC. Để vẽ đồ thị đường tải DC ta dựa vào phương trình (*) này để tính VCEmax, ICmax.

VCEmax = VCC (khi IC = 0)

ICmax. = VCC/(RC + RE) (khi VCE = 0)

R B R C Q +Vcc R E