36458705 chuong-05-transistor-bjt
TRANSCRIPT
Chương 5:TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT)
ThS. Nguyễn Bá Vương
1. Cấu tạo
• Transistor có cấu tạo gồm các miền bán dẫn p và n xen kẽ nhau
P n PE C
B
0.150 in
0.001 in
n p nE C
B
0.150 in
0.001 in
1. Cấu tạo • Miền bán dẫn thứ nhất của Transistor là
miền Emitter (miền phát) với đặc điểm là có nồng độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với miền này gọi là cực Emitter (cực phát).
• Miền thứ hai là miền Base (miền gốc) với nồng độ tạp chất nhỏ và độ dày của nó nhỏ cỡ µm, điện cực nới với miền này gọi là cực Base (cực gốc).
• Miền còn lại là miền Collector (miền thu) với nồng độ tạp chất trung bình và điện cực tương ứng là Collector (cực thu).
1. Cấu tạo • Tiếp giáp p-n giữa miền Emitter và Base gọi là
tiếp giáp Emitter (JE).• Tiếp giáp p-n giữa miền Base và miền Collector
là tiếp giáp Collector (JC).• Về kí hiệu Transistor cần chú ý là mũi tên đặt ở
giữa cực Emitter và Base có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n.
IE IC
IB
E C
B
IE IC
IB
E C
B
PNP NPN
1. Cấu tạo • Về mặt cấu trúc, có thể coi Transistor như 2
diode mắc đối nhau
1. Cấu tạo • Cấu tạo mạch thực tế của một Transistor n-p-n
2.Nguyên lý hoạt động
Để Transistor làm việc, người ta phải đưa điện áp 1 chiều tới các điện cực của nó, gọi là phân cực cho Transistor
npn
UBE>0
UCE>0CB
E
pnp
UBE<0
UCE<0CB
E
2.Nguyên lý hoạt động
sơ đồ phân cực trong BJTJE JC
sơ đồ phân cực trong BJTJE JC
Tham số• Hệ thức cơ bản về các dòng điện trong
Transistor • Hệ số truyền đạt dòng điện α của
Transistor
• Hệ số khuếch đại dòng điện β của Transistor
• Ta có hệ thức:
E B CI I I= +
C
E
II=α
C
B
II=β
(1 )E BI I= + β (1 )= +βα β
3. Các dạng mắc BJT
3.1 Mạch chung Emitter (EC)
CB
EUIn
UOut
EC
Họ đường đặc tuyến vàoIB = f(UBE) khi UCE = const
Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của sơ đồ EC Họ đường đặc tuyến ra: IC = f(UCE ) khi IB=const
Họ đường đặc tuyến truyền đạt: IC = f(IBE) khi UCE = const
Hệ số khuếch đạiTheo định luật Kiếchôp ta có
E B CI I I= +
( )0 0= + = + +C E CB C B CBI I I I I Iα αGiải phương trình với IC, chúng ta có mối quan hệ giữa IC và IB
( )0 0 0
11
1 1= + = + + = +
− −C B CB B CB B CBI I I I I I Iα β β β
α αTrong đó β = α(1-α) là hệ số khuếch đại CE ( thông thường α = 0,99; β = 99)
Một số mạch EC
R110k
R247k
R34k7
R51k
Q12N2222
C1
22uF
+10V
C3100u
C2
22uF
R410k
3.2 Mạch chung Base (BC)
Họ đường đặc tuyến vào
IE=f(UEB) khi điện áp ra UCB =const
Họ đường đặc tuyến ra và truyền đạtĐặc tuyến ra:IC= f(UCB) khi giữ dòng vào IE=constĐặc tuyến truyền đạt: IC=f(IE) khi khi UCB = const
0
2
4
6
8
246810 2 4 6 8 10IE(mA)
IC(mA)
UCB(V)
10
IB=1mA
IB=4mA
IB=3mA
IB=2mA
IB=5mA
UC
B =8V
UCB =2V
3.3 Mạch chung Collector (CC)
Họ đường đặc tuyến vào
Đặc tuyến ra của sơ đồ CC
0
2
4
6
8
2 4 6 8 10
IE(mA)
UEC(V)
10
IB=20μA
IB=80μA
IB=60μA
IB=40μA
IB=100μA
Đường thẳng lấy điện (Load line)
• Phương trình đường thẳng lấy điện : VCC=ICRC+VCE
viết lại: IC = ( VCC – VCE)/ RC = -VCE / RC + VCC /RC
Đường lấy điện đựợc vẽ trên đặc tuyến ra qua 2 điểm xác định sau:
• Điểm ngưng, IC = 0 VCE= VCC (Điểm M)
• Điểm bão hòa: VCE = 0 IC = VCC/ RC (Điểm N)
nối 2 điểm M và N lại ta có được đường lấy điện • Giao điểm đường lấy điện và đường phân cực IB chọn trước cho ta trị số điểm tĩnh Q.
0
IC(mA)
VCE(V)
IB(μA)
Q
N
M
ngưng
bão hòa
VCEQ
ICQ
Đường thẳng lấy điện cho EC
Vai trò của đường thẳng lấy điện
• Phân giải mạch Transistor.• Xác định điểm tĩnh điều hành Q.• Cho biết trạng thái hoạt động của
transistor ( tác động, bão hoà, ngưng).• Mạch khuếch đại có tuyến tính hay không.• Thiết kế mạch khuếch theo ý định ( chọn
trước điểm tĩnh Q , tính các trị số linh kiện)
Chú ý:• Độ lợi dòng điện thay đổi theo vị trí điểm
tĩnh điều hành Q.• Điểm tĩnh điều hành Q thay đổi vị trí theo
điện thế phân cực transistor và còn thay đổi theo tín hiệu xoay chiều ( AC) tác động vào mạch .
Phân giải bằng đồ thịIB(μA)
VBE (V)0
20
0.5 1
VC
E=
4 V
0
2
4
6
8
2 4 6 8 10
IC(mA)
UCE(V)
10
IB=20μA
IB=80μA
IB=60μA
IB=40μA
IB=100μA
40
60
80
100
VBEQ
t
tIBQ
Qt ICQ
IC+
IC-
UCEQ
UC+ UC
-
t
4. Phân cực của BJT
Vùng hoạt động của BJT:
•Vùng tác động: (Vùng khuếch đại hay tuyến tính) Mối ghép B-E phân cực thuận Mối ghép B-C phân cực nghịch
•Vùng bảo hòa: Mối ghép B-E phân cực thuận Mối ghép B-C phân cực thuận
•Vùng ngưng: Mối ghép B-E phân cực nghịch
Phương pháp chung để phân giải mạch phân cực gồm ba bước:
• Bước 1: Dùng mạch điện ngõ vào để xác định dòng điện ngõ vào (IB hoặc IE).
• Bước 2: Suy ra dòng điện ngõ ra từ các liên hệ IC=βIB hay IC=αIE
• Bước 3: Dùng mạch điện ngõ ra để tìm các thông số còn lại (điện thế tại các chân, giữa các chân của BJT...)
4.1 Phân cực cố định của BJT (Fixed – Bias)
VCE
+
-VBE
+
RCRB
Vcc
I C
I B
Phân cực cố định của BJT (Fixed – Bias)
• Mạch ngõ nền-phát (Base-Emitter):
Với VBE = 0.7V nếu BJT là Si và VBE = 0.3V nếu là Ge.
Suy ra : IC=βIB
Mạch ngõ ra thu-nền (Collector-Base): hay
0− − =CC B B BEV R I V
CC BEB
B
V VI
R
−⇒ =
= +CC C C CEV R I V = −CE CC C CV V R I
Đây là phương trình đường thẳng lấy điện.
Sự bảo hòa của BJT • Sự liên hệ giữa IC và IB sẽ quyết định BJT có hoạt động
trong vùng tuyến tính hay không. Ðể BJT hoạt động trong vùng tuyến tính thì nối thu - nền (CE) phải phân cực nghịch. Ở BJT NPN và cụ thể ở mạch vừa xét ta phải có:
C B C B BEV V V V V> ⇒ > = 0.7C CC C C CE BEV V R I V V V⇒ = − = > =
0.7CCC
C
VI
R
−⇒ <
0.7CCC
C
VI
R
−→Nếu
thì BJT sẽ đi dần vào hoạt động trong vùng bão hòa. Từ điều kiện này và liên hệ IC=βIB ta tìm được trị số tối đa của IB, từ đó chọn RB sao cho thích hợp.
CCC
C
VI
R=
CCCsat
C
VI
R=
Nếu
Thì VC≤VB, nối CB (thu-nền) phân cực thuận, BJT hoàn toàn nằm
trong vùng bão hòa và dòng điện
được gọi là dòng cực thu bão hòa ICsat
= CCC
C
VI
Rtức VCE = 0V (thực ra khoảng 0.2V)
4.2 Phân cực ổn định cực phát
VCE
+
-VBE
+
RCRB
Vcc
I C
I BREI
E
Mạch cơ bản giống mạch phân cực cố định, nhưng ở cực emitter được mắc thêm một điện trở RE xuống mass. Cách tính phân cực cũng có các bước giống như ở mạch phân cực cố định.
CC B B BE E EV R I V R I= + +
( )1E BI Iβ= + ( )1CC BE
BB E
V VI
R Rβ−⇒ =
+ +
CC C C CE E EV R I V R I= + +
E B C CI I I I= + =
( )CE CC C E CV V R R I⇒ = − +
Ta có:
Thay
Ở mạch CE(thu-phát):
Trong đó:
(suy ra IC từ liên hệ: IC=βIB)
Sự bảo hòa của BJT • Tương tự như trong mạch phân cực cố
định, bằng cách cho nối tắt giữa cực thu và cực phát ta tìm được dòng điện cực thu bảo hòa ICsat
CCCsat
C E
VI
R R=
+
Ta thấy khi thêm RE vào, ICsat nhỏ hơn trong trường hợp phân cực cố định, tức BJT dễ bão hòa hơn.
4.3 Phân cực bằng cầu chia điện thế
R1RC
Vcc
RE
R2
Dùng định lý Thevenin biến đổi thành mạch tương đương
Q1
RC
Vcc
RE
RBB
VBB
I C
IE
IB
1 2
1 2BB
R RR
R R=
+2
1 2BB CC
RV V
R R=
+
BB BB B BE E EV R I V R I= + +
( )1BB BE
BBB E
V VI
R Rβ−=
+ +C BI Iβ=
= − −CE CC C C E EV V R I R I
C EI I= ( )⇒ = − +CE CC C E CV V R R I
= −C CC C CV V R I
= −B BB B BV V R I
= =E E E E cV R I R I
Trong đó:
Thay: IE=(1+β)IB Suy ra:
Mạch CE (thu phát):
Vì
Mạch BE (nền phát):
Từ liên hệ
Ngoài ra:
Sự bảo hòa của BJT
Tương tự như phần trước:
CCCsat
C E
VI
R R=
+
4.4 Phân cực với hồi tiếp điện thế
VCE
+
-VBE
+
RC
RB
Vcc
I C
I B
REIE
I’C
Ðây cũng là cách phân cực cải thiện độ ổn định cho hoạt động của BJT
'= + + +CC C C B B E E BEV R I R I R I V
' = + = = =C C B E C BI I I I I Iβ
( )−⇒ =
+ +CC BE
BB C E
V VI
R R Rβ
=C BI Iβ
( )= − +CE CC C E CV V R R I
•Mạch nền phát:
Với
4.5 Một số dạng mạch phân cực khác
RB=100k
RC=1k
VPP=-9V
Q1
50 /= Siβ
RB=100k
RE=2k
Vpp=-12V
Q1
100 /= Siβ
R2=10k RE=2k
Vpp=-12V
Q1
100 /= Siβ
Rc=5k
Vcc=+12V
R1=40k
5. Thiết kế mạch phân cực
Khi thiết kế mạch phân cực, người ta thường dùng các định luật căn bản về mạch điện như định luật Ohm, định luật Kirchoff, định lý Thevenin..., để từ các thông số đã biết tìm ra các thông số chưa biết của mạch điện.
Thí dụ 1
• Cho mạch phân cực với đặc tuyến ngõ ra của BJT như hình dưới. Xác định VCC, RC, RB.
Q1
RCRB
VccI C
I B Si
0
2
4
6
8
10 20
IC(mA)
UCE(V)
IB=40μA
( ) ( )8 2.5= = ⇒ = ΩccCsat C
c
VI mA R k
R
( )20 0.740
− −= = =CC BEB
B B
V V V VI A
R Rµ
( )482.5⇒ = ΩBR k
Từ đường thẳng lấy điện: VCE =VCC-RCIC
•Tại trục trục tọa độ UCE , khi IB=0 ta suy ra IC=0 và VCE =20V thay
vào phương trình đường thẳng lấy điện ta có VCC=20V
•Ngoài ra: Transistor làm từ vật liệu thuần bán dẫn Si do đó VBE=0.7V và
Để có các điện trở tiêu chuẩn ta chọn: RB=470 KΩ, RC=2.4 KΩ..
Thí dụ 2 • Thiết kế mạch phân cực như hình dưới. IC=2mA, VCE=10V
2N4401
RCRB
Vcc=20V
I C
I B
REIE
150 /= Siβ
100μF
Điện trở RC và RE không thể tính trực tiếp từ các thông số đã biết. Việc đưa điện trở RE vào mạch là để ổn định điều kiện phân cực. RE không thể có trị số quá lớn vì như thế làm giảm VCE (sẽ làm giảm độ khuếch đại). Nhưng nếu RE quá nhỏ thì độ ổn định kém. Thực nghiệm người ta thường chọn VE khoảng 1/10VCC.
( )1 120 2
10 10= = =E CCV V V
( )21
2= = = = ΩE E
EE C
V V VR k
I I mA
( )20 10 24
2
− − − −= = = ΩC CE Ec
C
V V V V V VR k
I mA
( )1 12 13.333
150= = =B CI I Aµ
β
( )20 0.7 2 17.3= − − = − − =EB CC BE RV V V V V
( )17.31.3
13.333= = = ΩB
BB
V VR M
I Aµ
Chọn RB=1.2 MΩ
Thí dụ 3 • Thiết kế mạch phân cực có dạng như hình dưới
IC=2mA
RCR1
Vcc=20V
I C
REI
E
min 80 /= Siβ
100μFR2
IB
VCE=10V
( )1 120 2
10 10= = =E CCV V V
( )21
2= = = = ΩE E
EE C
V V VR k
I I mA
( )20 10 24
2
− − − −= = = ΩC CE Ec
C
V V V V V VR k
I mA
( )0.7 2 2.7= + = + =B BE EV V V V
Ta có:
Ðiện trở R1, R2 không thể tính trực tiếp từ điện thế chân B và điện thế nguồn. Ðể mạch hoạt động tốt, ta phải chọn R1, R2
sao cho có VB mong muốn và sao cho dòng qua R1, R2 gần như bằng nhau và rất lớn đối với IB. Lúc đó:
( )2
18
10≤ = ΩER R kβ
( )2 6,8= ΩR k
( )2
1 2
2.7⇒ = =+B CC
RV V V
R R
( )1 43.57⇒ = ΩR k
Ta có thể chọn:
Ta có thể chọn: R1=39kΩ hoặc 47kΩ
6. BJT hoạt động như một chuyển mạch
Q1
RB=68kΩ
RC=0.82kΩ
Vcc=+5V
VIn
VOut
βDC=125
0
5
t1
VIn(V)
t
t2 0
5
t1
VOut(V)
t
t2
ICE0
VCE=VCC ⇒C
E
R=∞
Thí dụ: Xác định RC và RB của mạch điện nếu ICsat=10mA
Q1
RB
RC
Vcc=+10V
VIn
VOut
βDC=250/Si
0
10
t1
VIn(V)
t
t2 0
10
t1
VOut(V)
t
t2
( )10= =CCCsat
C
VI mA
R( )1⇒ = = ΩCC
CCsat
VR k
I( )40= =Csat
BDC
II Aµ
βTa chọn IB=60μA để đảm bảo BJT hoạt động trong vùng bảo hòa
( )0.7155
− −= ⇒ = = ΩIn BE InB B
B B
V V VI R k
R I
Do đó ta thiết kế: RC=1kΩRB=150kΩ
0
10
t1
VOut(V)
t
t2
100%
IC
0
10%t1 t2
90%
td
tr
tstf
tOn tOff
t
Thí dụ ở 1 BJT bình thường: ts=120ns ; tr=13ns tf=132ns ; td=25ns
Vậy: ton=38ns ; toff=132ns
Một số ứng dụng của BJT hoạt động như một chuyển mạch
Using a transistor as a switch
NPN
PNP
Using a transistor switch with sensors
Đóng ngắt đèn
7. Tính khuếch đại của BJT
R2 RE
Q1
Rc
Vcc
R1C1
C2
CE
VIn(t)VOut(t)
• Giả sử ta đưa một tín hiệu xoay chiều Vin(t) có dạng sin, biên độ nhỏ vào chân B của BJT khi đó ta có:
VB(t)=VB+Vin(t)
• Các tụ liên lạc C1 và C2 được chọn như thế nào để có thể xem như nối tắt -dung kháng rất nhỏ - ở tần số của tín hiệu.
• Như vậy tác dụng của các tụ liên lạc C1, C2 làm cho thành phần xoay chiều của tín hiệu đi qua và ngăn thành phần phân cực một chiều.
0
VIn(t)
t
VB
VB(t)
t
VC
VC(t)
t
0
VOut(t)
t
• VB(t) >VB→IB↑ → IC ↑ →VC(t)=VCC-RCiC(t) ↓
• VB(t) <VB→IB↓ → IC↓
→VC(t)=VCC-RCiC(t) ↑
• VOut(t) ngược pha với VIn(t).
là độ khuếch đại hay độ lợi điện thế của mạch
( )
( )= Out
VIn
V tA
V t
• Chìa khóa để phân giải và xác định các thông số của mạch là mạch tương đương xoay chiều.
• Độ lợi điện thế:
• Độ lợi dòng điện:
• Tổng trở vào:
• Tổng trở ra:
oV
i
vA
v=
oV
i
iA
i=
ii
i
vZ
i=
oo
o
vZ
i=
R1 R2
Rczi
ii
vi
io zovo
+
--
+
Dạng mạch tương đương
kiểu mẫu re
Đơn giản Đầy đủ
Mạch tương đương
thông số h
Đơn giản Đầy đủ
Mạch cực Emitter và Collector chung
erβB
ib
E
ic
biβ
Dạng đơn giản
erβB
ib
E
ic
biβ
Dạng đầy đủ
kiểu mẫu re
Dạng đơn giản
Dạng đầy đủ
thông số h
iehB
ib
E
ic
fe bh .i
re CEh .v
B ib
E
ic
fe bh .i
C
00e
1r h=ieh
~
Mạch cực nền chung
Dạng đơn giản
Dạng đầy đủ
kiểu mẫu re
Dạng đơn giản
Dạng đầy đủ
thông số h
er
E ie
B
ic
eiα
C
00b
1r h=ieh
E ie
B
ic
fb eh .ire cbh .v ~ 0
0b
1r h=
iehE
ie
B
ic
fb eh .ier
E ie
B
ic
eiα
C
Các liên hệ cần chú ý:e
C E
26mV 26mVr
I I= =
e ier hβ = fehβ = e ibr h= fbh 1= −α = −
;
Ngoài ra:
be be ce b m be
b c b m
v v i 1r . i g .v
i i i gβ = = = β ⇒ β =
Do đó nguồn phụ thuộc βib có thể thay thế bằng nguồn gm.vbe
8. Mạch khuếch đại cực phát (E) chung
Trị số β do nhà sản xuất cho biết Trị số re được tính từ mạch phân cực:
eC
26mVr
I=
Từ mạch tương đương ta tìm được các thông số của mạch.
•Ðộ lợi điện thế: oV
i
vA
v=
o b Cv .i .R= −β ( )i e b E bv .r .i 1 R .i= β + + β
( ) ( )o b C C
Vi e b E b e E
v .i .R .RA
v .r .i 1 R .i .r 1 R
−β β= = = −β + + β β + + β
1β ?C
Ve E
RA
r R= −
+
E eR r?
= − CV
E
RA
R
Ta có:
Suy ra:
Do
nên
Nếu
thì
Dấu - cho thấy vo và vi ngược pha
ii
i
vz
i=
( ) ( ) ( )e b E bib e E e E E
b b
.r .i 1 R .ivz .r 1 R r R R
i i
β + + β= = = β + + β = β + = β
i B bz R // z=o
ii
iA
i=
oo
C
vi
R= − i
ii
vi
z= − .= − o i
ii C
v zA
v R.= − i
i VC
zA A
R
•Tổng trở vào:
Ta đặt:
Suy ra:
•Ðộ lợi dòng điện:
Hay
oo
o
vz
i=
oo
o
vz
i=•Tổng trở ra:
Ðể tính tổng trở ra của mạch, đầu tiên ta nối tắt ngõ vào (vi=0);
áp một nguồn giả tưởng có trị số vo vào phía ngõ ra như trên,
xong lập tỉ số
erβ
Bib
E
io
biβC
Rcv i=
0
Rb
Re
vo~-
+
Khi vi=0 ⇒ ib = 0 ⇒ βib=0 (tương đương mạch hở) nên
= =oo C
o
vz R
i
erβ
Bib
E
iobiβC
Rc
ii+
-
viRb
vo
+
-Zi Zo
Mạch tương đương
Trong trường hợp nối thêm CE hoặc nối chân E xuống mass
o CV
i e
v RA
v r= = −
ii B e
i
vz R // r
i= = β
o Cz R=
ii V
C
zA A
R= −
Phân giải mạch ta sẽ tìm được:
Mạch khuếch đại cực phát chung với kiểu phân cực bằng cầu chia điện thế và ổn định cực
phát
C CV
e E E
R RA
r R R= − = −
+i 1 2 bz R // R // z=
( )b e E Ez r R R= β + = β
o Cz R=ii V
C
zA A
R= −
Mạch tương đương
Trong trường hợp nối thêm CE hoặc nối chân E xuống mass
CV
E
RA
r= −
i 1 2 bz R // R // z=
b Ez r= β
o Cz R=i
i VC
zA A
R= −
Mạch khuếch đại cực phát chung phân cực bằng hồi tiếp điện thế và ổn định cực phát
erβ
Bib
E
iobiβC
Rc
ii+
-
vi
Rb
Re
vo
+
-
Zi Zo
i’
o C CV
i e E E
v R RA
v r R R= = − = −
+E B
iB E V
.R .Rz
R .R . A
β=+ β
ii V
C
zA A .
R= −
o C Bz R // R=
9. Phân giải theo thông số h đơn giản
liên hệ 2 mạch tương đương
ie eh r= β
feh = β
oeo
1h r=
ib eh r=
fbh = −α
Mạch khuếch đại cực phát chung
Mạch tương đương
oV
i
vA
v=
o fe b Cv h .i .R= −
( )i ie b fe E bv h .i 1 h R .i= + +
( ) ( )o fe b C fe C fe C
Vi ie b fe E b ie fe E ie fe E
v h .i .R h .R h .RA
v h .i 1 h R .i h 1 h R h h .R= = − = − = −
+ + + + +
ie fe Eh h .R=
Phân giải mạch tương đương ta tìm được •Tổng trở vào Zi=R1//R2//Zb
với: Zb=hie+(1+hfe)RE=hie+hfeRE
•Ðộ lợi điện thế:
Ta có:
Thường ⇒ = − CV
E
RA
R
oi
i
iA
i=
oo
C
vi
R= − i
ii
vi
z= −
o ii
i C
v zA .
v R= − i
i VC
zA A .
R= −
• Tổng trở ra: Zo=RC
• Ðộ lợi dòng điện:
Hay
10. MỘT SỐ ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI CỦA BJT
mạch khuếch đại micro dùng cho máy tăng âm
Mạch tạo dao động sóng hình sin
Mạch đa hài tự dao động dùng tranzito lưỡng cực
B2 1 B1 2
1 1f
T 0.69R C 0.69R C= =
+
Hình dạng thực của Transistor BJT