Bài giảng Chương 3: transistor lưỡng cực(bipolar junction transistor – bjt)

ủa transistor, các cách mắc cơ bản, và đặc trưng của từng sơ đồ. 	-Biết sử dụng các loại BJT trong các mạch điện tử chức năng: tính toán, thiết kế các sơ đồ khuếch đại, sơ đồ khóa… 1. Cấu tạo của transistor: Transistor là linh kiện bán dẫn gồn 3 lớp bán dẫn tiếp giáp nhau tạo thành 2 mối nối P-N. Tuỳ theo cách sắp xếp thứ tự các vùng bán dẫn người ta chế ra hai loại transistor là transistor PNP và NPN. Ba vùng bán dẫn được nối ra ba chân gọi là cực phát E(Emitter), cực nền B(Base) và cực thu C(collector) 2. NGUYÊN LÝ VẬN CHUYỂN CỦA TRANSISTOR 2.1. Xét transistor loại NPN Thí nghiệm 1: Trong trường hợp này electron trong vùng bán dẫn N của cực E và cực C, do tác dung của lực tĩnh điện sẽ bị di chuyển theo hướng từ cực E về cực C. Do cực B để hở nên electron từ vùng bán dẫn N của cực E sẽ không thể sang vùng bán dẫn P của cực nền B nên không có hiện tượng tái hợp giữa electron và lỗ trống và do đó không có dòng điện qua transistor. Thí nghiệm 2: Nối cực B vào một điện áp dương sao cho: VB > VE và VB < VC Cực B nối vào điện áp dương của nguồn nên sẽ hút một số electron trong vùng bán dẩn P xuống tạo thành dòng điện IB. Cực C nối vào điện áp dương cao hơn nên hút hầu hết các electron trong vùng bàn dẫn P sang vùng bán dẫn N của cực C tạo thành dòng điện IC. Cực E nối vào nguồn điện áp âm nên khi bán dẫn N bị mất elecron sẽ bị hút electron từ nguồn âm lên thế chỗ tạo thành dòng điện IE. Số lượng electron bị hút từ cực E đều chạy sang cực B và cực C nên dòng điện IB và IC đều chạy sang cực E. 	Ta có: 	IE = IB + IC 2.2. Ký hiệu của transistor Transistor loại npn Transistor loại pnp 2.3. Các hệ thức cơ bản: Dòng điện tổng trong mạch collector: 	IC =  . IE + ICBO   . IE 	(vì ICBO rất nhỏ so với  . IE ). 	Theo định lý dòng tại điểm nút: 	IE = IB + IC  IC vì IB << IC Beta dc : dc laø ñoä khueách ñaïi doøng ñieän Alpha dc : dc laø heä soá truyeàn ñaït doøng ñieän 2.4. Quan hệ giữa các dòng điện transistor. 3. Các cách mắc cơ bản của BJT Transistor có 3 cực (E, B, C), nếu đưa tín hiệu vào trên 2 cực và lấy tín hiệu ra trên 2 cực thì phải có một cực là cực chung. Như vậy, transistor có 3 cách mắc cơ bản: 	- Base chung (CB – Common Base) 	- Emitter chung (CE – Common Emitter) 	- Collector chung (CC – Common Cpllector) Sơ đồ base chung (B.C) - Dòng điện vào là dòng emitter. - Dòng ra là dòng collector. - Điện áp vào là VEB. - Điện áp ra là VCB. - Điện áp ra cùng pha với điện áp vào. Sơ đồ emitter chung (E.C) - Dòng điện vào là dòng IB. - Dòng ra là dòng IC. - Điện áp vào là VBE. - Điện áp ra là VCE. - Điện áp ra ngược pha với điện áp vào. Sơ đồ collector chung (C.C) - Dòng điện vào là dòng ... - Dòng ra là dòng … - Điện áp vào là … - Điện áp ra là ... - Do điện áp ra cùng pha và xấp xỉ với điện áp vào, điện trở vào rất lớn, điện trở ra rất nhỏ nên C.C còn gọi là mạch lặp lại điện áp (voltage follower). 4. Đặc tuyến V-A (tĩnh) của BJT 1. Đặc tuyến vào (quan hệ dòng điện và điện áp ở lối vào) 2. Đặc tuyến truyền đạt dòng điện (sự phụ thuộc của dòng điện ra theo dòng điện vào) 	 3. Đặc tuyến ra (quan hệ dòng điện và điện áp ở lối ra) 4. Đặc tuyến hồi tiếp điện áp (sự biến đổi điện áp ở đầu vào theo sự thay đổi điện áp ở đầu ra).	 5. Các thông số kỹ thuật của transistor Độ khuếch đại dòng điện: của transistor thật ra không phải là một hằng số mà có trị số thay đổi theo dòng điện IC . Khi dòng điện IC nhỏ thì β thấp, dòng điện IC tăng thì β tăng đến giá trị cực đại βmax nếu tiếp tục tăng IC đến mức bão hoà thì β giảm. Điện áp giới hạn: Điện áp đánh thủng BV (Breakdown Voltage) là điện áp ngược tối đa đặt vào giữa các cặp cực, nếu quá điện áp này thì transistor sẽ bị hư. Có ba loại điện áp giới hạn: BVCEO : điện áp đánh thủng giữa C và E khi cực B hở BVCBO : điện áp đánh thủng giữa C và B khi cực E hở BVEBO : điện áp đánh thủng giữa E và B khi cực C hở Dòng điện giới hạn: dòng điện qua transistor phải được giới hạn ở một mức cho phép, nếu quá trị số này thì transistor sẽ bị hư. Ta có: ICmax là dòng điện tối đa ở cực C và IBmax là dòng điện tối đa ở cực B. Công suất giới hạn: Khi có dòng điện qua transistor sẽ sinh ra một công suất nhiệt làm nóng transistor, công suất sinh ra được tính theo công thức: PT = IC.VCE . mỗi transistor đều có một công suất giới hạn được gọi là công suất tiêu tán tối đa PDmax (Dissolution). Nếu công suất sinh ra trên transistor lớn hơn công suất PDmax thì transistor sẽ bị hư. Tần số cắt (thiết đoạn) fcut-off là tần số mà transistor có độ khuếch đại công suất là 1. Thí dụ: transistor 2SC458 có các thông số kỹ thuật như sau: β = 230, BVCEO = 30V , PDmax = 200mW. fcut-off = 230MHz , ICmax = 100mA, loại NPN chất Si. 6. Mạch phân cực cho BJT Phân cực transistor là cung cấp điện áp nguồn một chiều cho các cực của nó sao cho các dòng IB, IC và điện áp VCE có các trị số thích hợp. Phân cực cho BJT 	Điều kiện dẫn mở của transistor: 	Loại npn, VBE = 0,6V- 0,7V với Si 	 = 0,2V – 0.3V với Ge 	 VCE = 1/ 3 ÷ 2/ 3 VCC 	Loại pnp, VEB = 0,6V – 0,7V với Si = 0,2V – 0,3V với Ge VCE = 1/ 3 ÷ 2/ 3 VCC Phân cực bằng hai nguồn điện riêng. Trường hợp có RE PHÂN CỰC BẰNG NGUỒN ĐIỆN CHUNG Phân cực kiểu phân áp 7. Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với các thông số của transistor Ảnh hưởng đối với ICBO Dòng điện rỉ ICBO là dòng các hạt tải thiểu số, khi nhiệt độ tăng thì dòng ICBO sẽ tăng theo hàm mũ. Ảnh hưởng đối với độ khuếch đại: độ khuếch đại thay đổi theo dòng điện IC. Khi nhiệt độ tăng làm dòng điện IC tăng và β tăng theo. Ảnh hưởng đối với phân cực VBE Điện áp phân cực VBE khoảng 0,6V đến 0,7V cho transistor Si và khoảng 0,1V đến 0,3V cho transistor Ge. Khi nhiệt độ tăng, VBE sẽ bị giảm. Thông thường khi nhiệt độ tăng 10C thì VBE giảm khoảng 2,4mV. Trong ba thông số trên, dòng điện rỉ ICBO có ảnh hưởng quan trọng nhất. CÁC BIỆN PHÁP ỔN ĐỊNH NHIỆT Dùng điện trở RE để ổn định nhiệt Dùng điện trở RB hồi tiếp từ cực C Dùng cầu phân áp có điện trở nhiệt Dùng cầu phân áp có điện trở nhiệt Mạch khuếch đại ráp kiểu E chung(CE) Mạch khuếch đại ráp kiểu E chung(CE) 	Tổng trở ngõ vào: Tổng trở ngõ ra: Độ khuếch đại dòng điện: Độ khuếch đại điện áp: Mạch khuếch đại ráp kiểu B chung(CB Common Base)Trong mạch transistor ráp kiểu B chung có tụ điện phân dòng CB nối mass nên cực B không có tín hiệu xoay chiều. Tín hiệu đưa vào ở cực E và lấy ra ở cực C. Mạch khuếch đại ráp kiểu B chung(CB Common Base) Tổng trở ngõ vào: Tổng trở ngõ ra: Độ khuếch đại dòng điện: Độ khuếch đại điện áp :	 Mạch khuếch đại ráp kiểu C chung(CC Common Collector) 	Trong mạch transistor ráp kiểu C chung thì cực C ráp thẳng lên nguồn VCC (được gọi là mass xoay chiều) nên cực C không có tín hiệu. Tín hiệu vào ở cực B và lấy ra ở cực E. Mạch khuếch đại ráp kiểu C chung(CC Common Collector) Tổng trở ngõ vào: Tổng trở ngõ ra: Độ khếch đại dòng điện: Độ khuếch đại điện áp: MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA TRANSISTOR Transistor là một linh kiện có tính phi tuyến nhưng nếu xét ở mức tín hiệu nhỏ thì ảnh hưởng của tính phi tuyến không quan trọng. Trong điều kiện này người ta có thể phân tích mạch khuếch đại dùng transistor bằng lý thuyết tuyến tính , trong đó transistor được đổi thành mạch tương đương gồm các phần tử như điện trở, nguồn dòng điện và nguồn điện áp. Điều kiện để transistor dẫn điện là phân cực diode BE và phân cực ngược diode BC. Mạch tương đương của transistor có thể vẽ như hình 8.9 trong đó rb là điện trở từ cực B vào giữa vùng bán dẫn của cực B, re là điện trở thuận ở trạng thái xoay chiều của diode BE, rc là điện trở nghịch của diode BC. Điện trở rb có trị số nhỏ khoảng vài chục ohm đến vài trăm ohm. Điện trở re là điện trở động của diode BE nên được tính theo công thức của diode là: Điện trở rc là điện trở nghịch của diode BC có trị số lớn khoảng vài trăm kilôôm được coi như cách điện giữa C và B, do đó, không có dòng điện từ C qua diode BC ra ở cực B, nhưng có dòng điện IC qua mối nối và ra ở cực E. Như vậy, ở ngỏ ra mạch tương đương được đổi lại là cực C không dính vào cực B và có nguồn dòng điện IC đi qua từ C qua E. Mạch tương đương kiểu E chung: Tính tổng trở ngõ vào: Tổng trở ngõ ra : = vài chục kiloohm đến vài trăm kilo-ohm Do r0 có trị số rất lớn nên nhiều trường hợp có thể bỏ r0 hie = tổng trở ngõ vào kiểu E chung (i: input) hfe = độ khuếch đại dòng điện thuận kiểu E chung hoe = tổng dẫn ngõ ra (nghịch đảo của tổng trở ngõ ra) Tính độ khuếch đại dòng điện: Tính độ khuếch đại điện áp: Xét góc pha: điện áp của tín hiệu vào ra đảo pha. Mạch tương đương kiểu B chung Tổng trở ngõ vào: Tổng trở ra: 	 	vài trăm kilo-ohm vì BC phân cực ngược. hie = tổng trở ngõ vào kiểu E chung (i: input) hfe = độ khuếch đại dòng điện thuận kiểu E chung hoe = tổng dẫn ngõ ra (nghịch đảo của tổng trở ngõ ra) Tính độ khuếch đại dòng điện: Tính độ khuếch đại điện áp: Xét góc pha: điện áp của tín hiệu vào ra đồng pha. Mạch tương đương kiểu C chung: Tổng trở ngõ vào: Tổng trở ngõ ra là: Theo mạch tương đương thì các điện trở rs, rb và re­ ghép nối tiếp nhau và song song với điện trở tải RE. Ta có: 	ve = ie.RE = ib (rs + rb + re) 	 	( vài chục ohm) Tính độ khuếch đại dòng điện: Tính độ khuếch đại điện áp: Xét góc pha: khi VB tăng làm IB tăng và IE tăng nên VE cũng tăng theo, do đó, điện áp của tín hiệu vào và ra đồng pha. BA TRẠNG THÁI CỦA TRANSISTOR: Transistor có thể làm việc ở một trong ba trạng thái là: ngưng dẫn, khuếch đại tuyến tính và bão hòa. Trạng thái ngưng dẫn:Nếu phân cực cho transistor có VBE <V ( VBE = 0V – 0,5V) thì transistor ngưng dẫn, dòng điện IB = 0 , IC = 0 và VCE = VCC. Lúc đó, chỉ có dòng điện rỉ qua transistor rất nhỏ không đáng kể. Trạng thái khuếch đại: Nếu phân cực cho transistor có VBE = 0,55 – 0,75V transistor dẫn điện và có dòng điện IB, dòng điện IC tăng theo IB qua hệ số khuếch đại . Lúc đó, điểm làm việc của transistor sẽ nằm trên đường tải tĩnh và khi IB tăng và IC tăng và VCE giảm. Trạng thái bão hòa:Nếu phân cực cho transistor có VBE = 0,8V thì transistor sẽ dẫn rất mạnh gọi là bão hòa. Lúc đó IB tăng cao làm IC tăng cao đến mức gần bằng và điện áp VCE giảm còn rất nhỏ (0,2V) gọi là điện áp VCEsat (saturation) hay là VCE bão hòa.