Bài giảng Kỹ thuật điện tử (2)

Bài giảng Kỹ thuật điện tử . Chương 4 TRANSISTOR 4 1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tuyến và tham số của transistor lưỡng cực (BJT Bipolar Junction Transistor) 4 1 1 Cấu tạo BJT Transistor có cấu tạo gồm các miền bán dẫn P và N xen kẽ nhau, tùy theo trình tự sắp xếp các miền P và N mà ta có hai loại cấu trúc điển hình là PNP và NPN Hình 4 1 Mô hình lý tưởng hóa và kí hiệu của transistor pnp (a) và npn (b) Miền bán dẫn thứ nhất của transistor là miền Emitơ với đặc điểm là có nồng độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với m.

57

Chương 4 TRANSISTOR

4.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tuyến và tham số của transistor lưỡng cực

(BJT- Bipolar Junction Transistor)

4.1.1 Cấu tạo BJT

Transistor có cấu tạo gồm các miền bán dẫn P và N xen kẽ nhau, tùy theo trình

tự sắp xếp các miền P và N mà ta có hai loại cấu trúc điển hình là PNP và NPN

Hình 4.1 Mô hình lý tưởng hóa và kí hiệu của transistor pnp (a) và npn (b) Miền bán dẫn thứ nhất của transistor là miền Emitơ với đặc điểm là có nồng

độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với miền này gọi là cực Emitơ Miền thứ hai là

miền Bazơ với nồng độ tạp chất nhỏ nhất và độ dày của nó nhỏ cỡ μm, điện cực nối với miền này gọi là cực Bazơ Miền còn lại là miền Colectơ với nồng độ tạp chất

trung bình và điện cực tương ứng là colectơ

Tiếp giáp p-n giữa miền emitơ và bazơ gọi là tiếp giáp emitơ (JE), tiếp giáp p-n giữa miền bazơ và miền colectơ là tiếp giáp colec tơ (JC) Về mặt cấu trúc có thể coi transistor như hai diode mắc đối nhau

Về kí hiệu transistor cần chú ý là mũi tên đặc ở giữa cực emitơ và bazơ và có chiều từ bán dẫn P sang bán dẫn N

4.1.2 Nguyên lý làm việc của BJT

Để transistor làm việc, người ta phải đưa điện áp một chiều tới các điện cực của nó, gọi là phân cực cho transistor Tùy theo điện áp đặt vào các cực mà

58

transistor làm việc ở chế độ khác nhau Có ba chế độ làm việc của transistor: chế độ khuếch đại, chế độ cắt dòng và chế độ bão hòa

 Chế độ khuếch đại là chế độ mà transistor hoạt động trong vùng tuyến tính

Để transistor làm việc ở chế độ khuếch đại thì cần phân cực cho transistor nghĩa là cấp nguồn điện một chiều sao cho chuyển tiếp Emitơ JE phân cực thuận, chuyển tiếp Colectơ JC phân cực ngược Chế độ này được sử dụng trong các mạch khuếch đại các tín hiệu nhỏ, mạch tạo dao động

 Chế độ bão hòa là chế độ khi tăng dòng IB nhưng dòng IC giữ không đổi Ở

chế độ bão hòa ta phải cung cấp nguồn điện một chiều lên các cực của transistor sao cho cả hai chuyển tiếp emitơ JE và chuyển tiếp colectơ JC đều phân cực thuận Khi

đó điện trở của hai chuyển tiếp JE và JC rất nhỏ Dòng điện qua transistor IC khá lớn

và gần bằng dòng bão hòa

 Chế độ cắt dòng: Khi điện áp vào Vin = 0 thì transistor sẽ ở trong trạng thái

khóa (off) Ở chế độ cắt dòng ta phải cung cấp nguồn điện một chiều lên các cực sao cho cả hai chuyển tiếp emitơ JE và chuyển tiếp colectơ JC đều phân cực ngược Lúc này điện trở của transistor rất lớn và qua transistor chỉ có dòng điện ngược rất nhỏ của chuyển tiếp colectơ ICB0

Chế độ bão hòa và chế độ cắt dòng thường được sử dụng trong các mạch xung, mạch số

Đối với chế độ khuếch đại thì JE phân cực thuận và JC phân cực ngược như hình 4.2

Hình 4.2 Sơ đồ phân cực của transistor NPN (a) và PNP (b)

Để phân tích nguyên lý làm việc ta lấy transistor PNP làm ví dụ Do JE phân cực thuận các hạt đa số (lỗ trống) từ miền E phun qua JE tạo nên dòng emitơ IE Chúng tới vùng bazơ trở thành hạt thiểu số và tiếp tục khuếch tán sâu vào vùng bazơ hướng tới JC Trên đường khuếch tán một phần nhỏ bị tái hợp với hạt đa số của bazơ tạo nên dòng điện cực bazơ IB Do cấu tạo miền bazơ mỏng nên gần như toàn

Để đánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán trong vùng bazơ người ta định

nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện α của transistor

(4-2)

Hệ số α xác định chất lượng của transistor, transistor loại tốt thì α có giá trị

càng gần 1

Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng điện IB tới dòng colectơ IC, người ta

định nghĩa hệ số khuếch đại dòng điện β của transistor

(4-3)

β thường có giá trị trong khoảng vài chục đến vài trăm Từ các biểu thức (4-1),

(4-2), (4-3) ta suy ra vài hệ thức hay sử dụng đối với transistor:

(4-4)

(4-5)

4.1.3 Tham số của transistor

Dòng ICmax là dòng qua cực colector lớn nhất trong thời gian dài mà không

làm transistor nóng quá nhiệt độ cho phép

Điện áp UCmax là điện áp lớn nhất đặt vào hai cực colector - emitơ (trong sơ đồ

EC hoặc CC) hoặc bazơ - colectơ (trong sơ đồ BC) mà không làm chuyển tiếp colectơ bị đánh thủng

Hệ số α: Xác định chất lượng của transistor (càng gần 1 càng tốt)

Hệ số β: Hệ số khuếch đại dòng điện tĩnh, cho biết khả năng khuếch đại dòng

điện của transistor

60

4.1.4 Cách mắc transistor và tham số ở chế độ tín hiệu nhỏ

Khi sử dụng về nguyên tắc có thể lấy 2 trong 3 số cực của transistor là đầu vào

và cực thứ 3 còn lại cùng với một cực đầu vào làm đầu ra Như vậy, có tất cả 6 cách mắc khác nhau Nhưng dù mắc thế nào cũng cần có một cực chung cho cả đầu vào

và đầu ra Trong 6 cách mắc đó chỉ có 3 cách là transistor có thể khuếch đại công suất đó là cách mắc chung emitơ (EC), chung bazơ (BC), chung colectơ (CC) như hình 4.3 Ba cách mắc còn lại không có ứng dụng trong thực tế

Hình 4.3 Phương pháp mắc transistor trong thực tế

Từ cách mắc được dùng trong thực tế của transistor về mặt sơ đồ có thể coi transistor là một phần tử 4 cực gần tuyến tính có 2 đầu vào và 2 đầu ra (hình 4.4)

Hình 4.4 Transistor như một mạng bốn cực

Có thể viết ra 6 cặp phương trình mô tả quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của mạng 4 cực trong đó dòng điện và điện áp là những biến số độc lập Nhưng trong thực tế tính toán thường dùng nhất là 3 cặp có phương trình tuyến tính sau:

Cặp phương trình trở kháng có được khi coi các điện áp là hàm, các dòng điện

Khi xác định đặc tuyến tĩnh (chế độ chưa có tín hiệu đưa tới) của transistor, dùng hệ phương trình hỗn hợp là thuận tiện vì khi đó dễ dàng xác định các tham số của hệ phương trình này

4.1.5 Các họ đặc tuyến tĩnh của transistor

Đặc tuyến tĩnh dựa vào các hệ phương trình nêu trên ta có thể đưa ra các tuyến tĩnh của transistor khi coi một đại lượng là hàm của một biến còn đại lượng thứ ba coi như một tham số Trong trường hợp tổng quát có 4 họ đặc tuyến tĩnh:

Đặc tuyến vào:

ons

= f(U )

ra vao vao U c t

62

4.2 Các dạng mắc mạch cơ bản của transistor và họ đặc tuyến

4.2.1 Sơ đồ emitơ chung (EC)

Trong cách mắc EC, điện áp vào được mắc giữa cực Bazơ và cực Emitơ, còn điện áp lấy ra từ cực Colectơ và cực Emitơ

Sơ đồ xác định đặc tuyến như hình 4.5 Dòng điện vào, điện áp vào, dòng điện

ra, điện áp ra được đo bằng miliampe kế và vôn kế như hình vẽ

Hình 4.5 Sơ đồ xác định đặc tuyến của transistor khi mắc EC

Ta dùng các nguồn U1, U2 để phân cực cho các tiếp giáp JE, JC Để xác định đặc tuyến vào, cần giữ UCE = const, thay đổi trị số điện áp UBE bằng cách điều chỉnh biến trở VR1 và ghi lại các giá trị tương ứng IB, thay đổi UCE đến một giá trị khác và làm tương tự ta sẽ nhận được họ đặc tuyến vào như hình 4.6

Hình 4.6 Họ đặc tuyến vào của transistor khi mắc EC

63

Nhận xét: Ta thấy, đặc tuyến vào giống như đặc tuyến thuận của tiếp giáp P-N

Khi UBE > U0 thì dòng IB tăng nhanh theo UBE Ứng với một giá trị của UBE khi tăng UCE thì đặc tuyến dịch sang phải, dòng IB giảm, vì: Khi tăng UCE tức là UCE = UCB + UBE, coi UBE là hằng số, tức là tăng UCB, điện áp ngược của tiếp giáp JC tăng vùng nghèo mở rộng chủ yếu về miền bazơ pha tạp ít, do đó khả năng tái hợp của điện tử

và lỗ trống trong miền gốc giảm, do đó dòng IB giảm

Hình 4.7 Đặc tuyến truyền đạt (a) và đặc tuyến ra (b) của transistor

trong cách mắc EC đối với transistor NPN

Nhận xét: Họ đặc tuyến ra chia làm ba vùng: vùng khuếch đại (tích cực), bão

hòa và cắt dòng

+ Vùng khuếch đại: Độ dốc của đặc tuyến là nhỏ nhất, dòng điện IB gần như tỷ

lệ thuận với UBE Khi tăng UCE độ rộng hiệu dụng miền bazơ làm cho hạt dẫn đến colectơ nhiều hơn, do đó IC tăng lên Khi UCE giảm xuống 0 thì IC cũng giảm về 0

Vì khi đó JC phân cực thuận sẽ đẩy những hạt thiểu số tạo thành dòng colectơ quay trở lại miền bazơ làm IC giảm xuống 0 Nếu tăng UCE quá lớn thì dòng IC sẽ tăng lên

64

đột ngột, transistor bị đánh thủng Cùng một giá trị UCE, dòng IB tăng thì dòng IC cũng tăng theo

+ Vùng cắt dòng: Với tiếp giám JC phân cực ngược, JE phân cực ngược hoặc

UBE = 0, dòng điện trên cực góp chỉ là dòng điện ngược của tiếp giáp JC, iC = iCB0 = 0

+ Vùng bão hòa: Là vùng mà mọi giá trị IB khác nhau thì dòng IC chỉ có một

giá trị cố định Khi đó điện áp giữa các cực của transistor rất nhỏ và transistor có thể xem như quy tụ thành một điểm

4.2.2 Sơ đồ bazơ chung (BC)

Tín hiệu vào được đặt giữa hai cực emitơ và bazơ, còn tín hiệu ra lấy từ cực colectơ và bazơ

Sơ đồ xác định đặc tuyến như hình 4.8

Hình 4.8 Sơ đồ xác định đặc tuyến của transistor khi mắc BC

a) Đặc tuyến vào

Đặc tuyến vào của transistor khi mắc BC là quan hệ giữa dòng điện vào IE biến thiên theo điện áp vào UEB khi điện áp ra UCB giữ không đổi:

Hình 4.9 Đặc tuyến vào của transistor khi mắc BC

Ứng với cùng một giá trị của UEB khi tăng UCB thì dòng IE tăng vì: Tăng UCB làm điện áp phân cực ngược tại IC tăng, điện trường ngược tại vùng này chính là điện trường thuận đối với các hạt dẫn điện đa số ở miền phát làm cho các hạn dẫn điện từ miền bazơ chuyển sang miền colecttơ tăng, IC tăng do đó IE tăng

Hình 4.10 Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của transistor mắc BC

- Nếu tăng điện áp ngược UCB đến một giá trị nhất định nào đó (gọi là điện áp đánh thủng) dòng IC tăng lên đột ngột có thể dẫn đến hỏng transistor

Để vẽ đặc tuyến này có hai cách:

+ Bằng thực nghiệm: Giữ nguyên điện áp UCB, thay đổi dòng vào IE, ghi lại kết quả tương ứng dòng IC, sau đó biểu diễn trên tọa độ IC, IE;

+ Bằng cách suy từ đặc tuyến ra:Tại vị trí UCB cho trước trên đặc tuyến ra, vẽ đường song song với trục tung, đường này cắt đặc tuyến ra ở những điểm khác nhau Tương ứng với giao điểm này tìm được giá trị IC Trên tọa độ IC, IE vẽ những điểm có tọa độ IC, IE vừa tìm được (hình 4.10)

4.2.3 Mạch colectơ chung (CC)

Trong cách mắc CC, điện áp vào được mắc giữa cực Bazơ và cực Colectơ, còn điện áp lấy ra từ cực Emitơ và cực Colectơ

Sơ đồ xác định đặc tuyến như hình 4.11

Hình 4.11 Sơ đồ xác định đặc tuyến của transistor khi mắc CC

Hình 4.12 Đặc tuyến vàocủa transistor khi mắc BC

Nhận xét:

- Đặc tuyến vào của cách mắc CC có dạng khác hẳn so với đặc tuyến vào của hai cách mắc EC và BC Vì trong cách mắc CC điện áp vào UBC phụ thuộc rất nhiều vào điện áp ra UEC (khi làm việc ở chế độ khuếch đại, điện áp UBE đối với transistor

Si luôn giữ khoảng 0,7 V còn transistor Ge vào khoảng 0,3 V; trong khi điện áp UEC biến đổi trong khoảng rộng);

- Khi điện áp vào UCB tăng thì UBE giảm, làm cho IB cũng giảm

Trong thực tế coi cho nên đặc tuyến ra và đặc truyến truyền đạt tương

tự như trường hợp mắc chung emitơ (hình 4.13)

68

Hình 4.13 Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của transistor khi mắc BC 4.3 Đường tải tĩnh và điểm công tác tĩnh

4.3.1 Xác định đường tải tĩnh và điểm công tác tĩnh

Đường tải tĩnh được vẽ trên đặc tuyến ra tĩnh của transistor để nghiên cứu dòng điện và điện áp khi nó mắc trong mạch cụ thể nào đó (khi có tải) Điểm công tác tĩnh là điểm nằm trên đường tải tĩnh xác định dòng điện và điện áp trên transistor khi không có tín hiệu đặt vào, nghĩa là xác định điều kiện phân cực tĩnh cho transistor

Để hiểu rõ về đường tải tĩnh và điểm công tác tĩnh, ta xét trường hợp transistor loại npn mắc chung emitơ Xây dựng đường tải tĩnh như hình 4.14

Hình 4.14 Xây dựng đường tải tĩnh

a Sơ đồ mạch EC khi có tải; b Đặc tuyến ra tĩnh và đường tải tĩnh

69

Phương trình quan hệ dòng và áp ở mạch có dạng:

UCE = ECC – IC Rt Nếu điện áp phân cực UBE làm cho transistor khóa, khi đó IC = 0 và ta có: UCE

= ECC – 0 Rt = ECC = 20 V Như vậy điểm có tọa độ (IC = 0, UCE = 20 V) là điểm A trên đặc tuyến ra

Nếu tăng UBE làm cho transistor mở và IC = 0,5 mA, khi đó ta tìm được: UCE

= 20 V – 5 V = 15 V, trên đặc tuyến ra đó là điểm B có tọa độ (0,5 mA; 15 V) Bằng cách tăng UBE, làm tương tự như trên có thể vẽ được ví dụ các điểm ứng với tọa độ sau:

Điểm C ứng với IC = 1 mA; UCE = 10 V;

Điểm Đ ứng với IC = 1,5 mA; UCE = 5 V;

Điểm E ứng với IC = 2 mA; UCE = 0 V

Nối các điểm trên đây ta sẽ được một đường thẳng đó là đường tải tĩnh với Rt

= 10 kΩ

Có thể vẽ được bằng cách chọn 2 điểm đặc biệt, điểm cắt trục tung E (UCE = 0;

IC = Ucc/Rt) và điểm cắt trục hoành A (UCE = UCC = 20 V; IC = 0)

Qua những điểm phân tích trên thấy rằng đường tải chính là đồ thị biến thiên của dòng IC theo điện áp UCE ứng với điện trở tải Rt và điện áp nguồn ECC nhất định Trong 3 giá trị IC, IB, UCE chỉ cần biết một rồi căn cứ vào từng giá trị tải xác định hai giá trị còn lại Cần nhấn mạnh là đường tải vẽ ở trường hợp trên chỉ đúng trong trường hợp ECC = 20 V và Rt = 10 kΩ Khi thay đổi các điều kiện này phải vẽ đường tải khác

Khi thiết kế mạch, điểm công tác tĩnh là điểm được chọn trên đường tải tĩnh Như trên đã nói, điểm này xác định giá trị dòng IC và điện áp UCE khi không có tín hiệu đặt vào Khi có tín hiệu đặt vào, dòng IB biến đổi theo sự biến đổi của biên độ tín hiệu, dẫn tới dòng IC biến đổi, kết quả là điện áp ra trên tải biến đổi giống như quy luật biến đổi của tín hiệu đầu vào

Với sơ đồ nguyên lý như hình 4.14a trên đường tải tĩnh 10 kΩ giả thiết chọn điểm công tác tĩnh Q như hình 4.15 Ứng với điểm Q này có IB = 20 μA

IC = 1 mA; UCE = 10 V

70

Hình 4.15 Chọn điểm công tác tĩnh

Khi IB tăng từ 20 μA đến 40 μA, trên hình 4.15 ta thấy IC = 19,5 mA

Và: UCE = UCC - IC Rt = 20 V – 19,5 mA 10 kΩ = 0,5 V

Có thể thấy rằng khi ΔIB = 20 μA thì có Δ UCE = -9,5 V

Khi IB giảm 20 μA xuống 0 thì IC giảm xuống chỉ còn 0,05 mA

Như vậy, việc chọn điểm công tác tĩnh trên hoặc dưới điểm Q sẽ dẫn tới biến thiên cực đại của điện áp ra trên tải (đảm bảo không méo dạng) đều nhỏ hơn 9,5 V Hay để có biên độ điện áp ra cực đại, không làm méo dạng tín hiệu, điểm công tác tĩnh phải chọn ở giữa đường tải tĩnh Cũng cần nói thêm là khi điện áp ra không yêu cầu nghiêm ngặt về độ méo thì điểm công tác tĩnh có thể chọn ở những điểm thích hợp trên đường tải tĩnh

71

4.3.2 Ổn định điểm công tác tĩnh khi nhiệt độ thay đổi

Transistor là một linh kiện rất nhạy cảm với nhiệt độ, do đó trong những sổ tay hướng dẫn sử dụng transistor người ta thường cho dải nhiệt độ làm việc cực đại của transistor Ngoài giới hạn nhiệt độ kể trên transistor sẽ bị hỏng hoặc không làm việc Ngay trong khoảng nhiệt độ cho phép transistor làm việc bình thường thì sự biến thiên nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến tham số của transistor Hai đại lượng nhạy cảm với nhiệt độ nhất là điện áp UBE và dòng ngược IB0

Ví dụ: Đối với transistor silic, hệ số nhiệt độ của UBE (ΔUBE/ΔT) là -2,2 mV/0C, còn đối với transistor gecmani là 1,8 mV/0C Đối với IcB0 nói chung khi nhiệt độ tăng lên 100C giá trị dòng ngược này tăng lên 2 lần

Khi transistor làm việc, dòng ngược IcB0 chảy qua chuyển tiếp này như đã biết rất nhạy cảm với nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng sự phát xạ cặp điện tử, lỗ trống tăng, dòng IcB0 tăng, từ quan hệ:

IC = IB + (α +1) IcB0

Có thể thấy rằng dòng IcB0 tăng làm cho dòng IC tăng (dù cho giả thiết rằng IB

và α không đổi) Dòng IC tăng nghĩa là mật độ các hạt dẫn qua chuyển tiếp colectơ tăng lên làm sự va chạm giữa các hạt với mạng tinh thể tăng Nhiệt độ tăng làm cho IcB0 tăng chu kì lại lặp lại như trên làm dòng IC và nhiệt độ của transistor tăng mãi Hiện tượng này gọi là hiệu ứng quá nhiệt Hiệu ứng quá nhiệt đưa tới: Làm thay đổi điểm công tác tĩnh và nếu không có biện pháp hạn chế thì sự tăng nhiệt độ có thể làm hỏng transistor Sự thay đổi nhiệt độ cũng làm cho UBE thay đổi và do đó làm thay đổi dòng IC dẫn tới thay đổi điểm công tác tĩnh Trong những điều kiện thông thường ảnh hưởng của dòng IcB0 đến IC nhiều hơn so với UBE Bởi vậy, khi nói ảnh hưởng của nhiệt độ đến điểm công tác tĩnh thường chỉ quan tâm đến dòng IcB0 Như vậy, sự ổn định nhiệt độ ở đây hàm ý chỉ sự thay đổi dòng IC khi dòng IcB0 thay đổi

có thể định nghĩa hệ số ổn định nhiệt của transistor như sau:

C e B e cB

I I





Từ định nghĩa này thấy rằng S càng nhỏ thì tính ổn định nhiệt càng cao

4.4 Các phương pháp phân cực cho transistor

4.4.1 Phân cực transistor bằng dòng cố định

Phân cực bằng dòng cố định là phương pháp tạo ra dòng điện không đổi trong suốt quá trình làm việc của transistor

4.4.2 Phân cực transistor bằng điện áp phản hồi

Một phần điện áp ra UCE được đưa về đầu vào qua RB tạo nên dòng IB điều khiển cho sơ đồ Sơ đồ phân cực như hình 4.17

Hình 4.17 Sơ đồ phân cực bằng điện áp phản hồi

73

Trong sơ đồ RB được nối trực tiếp giữa cực Colectơ và cực Bazơ

Sự khác nhau cơ bản giữa mạch phân cực bằng điện áp phản hồi và phân cực bằng dòng cố định là: Trong mạch phân cực bằng điện áp phản hồi bao hàm cơ chế dòng IB cảm biến theo điện áp (hoặc dòng điện) ở mạch ra, còn trong mạch phân cực bằng dòng cố định thì không có điều này

Từ sơ đồ phân cực ta có các phương trình sau:

+ Phương trình điện áp ở mạch ra:

EC = (IB + IC ) RC + UCE + Phương trình điện áp ở mạch vào:

EC = (IB + IC ) RC +IB RB + UBE

Vì UBE nhỏ nên có thể bỏ qua Từ hai phương trình điện đáp ở trên suy ra:

IB RB UCE Nếu nhiệt độ tăng → ICB0 tăng → IC tăng → UCE giảm → IB giảm → IC giảm Nếu nhiệt độ giảm → ICB0 giảm → IC giảm → UCE tăng → IB tăng → IC tăng Nếu lợi dụng sự tăng của dòng IC này làm giảm dòng IB khiến dòng IC giảm bớt, kết quả là dòng IC trở lại giá trị ban đầu Như vậy, với cơ cầu hồi tiếp này dòng

IC được giữ tương đối ổn định

Nhận xét: Sơ đồ này có độ ổn định nhiệt tốt hơn mạch phân cực bằng dòng cố

định, tuy nhiên cả hai mạch phân cực này không thể tăng độ ổn định nhiệt lên cao vì điểm làm việc tĩnh và độ ổn định nhiệt của mạch phụ thuộc lẫn nhau nên chất lượng

ổn định không cao

4.4.3 Phương pháp tự phân cực (Phân cực bằng dòng emitơ)

Sơ đồ phân cực như hình 4.18

Hình 4.18 Sơ đồ tự phân cực

c t R

4.5 Transistor trường (FET - Field Effect Transistor)

Transistor trường (transistor hiệu ứng trường) là một loại transistor đơn cực,

làm việc dựa trên hiệu ứng trường và là dụng cụ điều khiển bằng điện áp và chỉ dẫn điện bằng một loại hạt dẫn (N hoặc P) FET chia ra làm hai loại:

+ Loại có cực cửa tiếp giáp JFET;

+ Loại có cực cửa cách ly MOSFET

Hình 4.19 Hình ảnh các loại transistor trường

75

4.5.1 Transistor có cực cửa tiếp giáp JFET ( Junction gate Field - Effect Transistor)

4.5.1.1 Cấu tạo và kí hiệu

Trên một khối bán dẫn n (hoặc p) có nồng độ tạp chất thấp người ta tạo ra xung quanh nó một lớp bán dẫn loại p (hoặc n) có nồng độ tạp chất cao

a) Sơ đồ cấu tạo JFET b) Kí hiệu JFET

Hình 4.20 Sơ đồ cấu tạo và kí hiệu JFET

Toàn bộ cấu trúc lấy ra ba điện cực: cực nguồn S (Source), cực máng D (Drain), cực cửa G (Gate)

Như vậy, giữa cực S và cực D hình thành nên một kênh dẫn điện loại n và nó được cách ly với cực cửa G bởi một lớp tiếp giáp p-n Cực cửa G đóng vai trò là cực điều khiển khi thay đổi điện áp đặt vào nó

Đối với transistor lưỡng cực BJT thì quan hệ giữa đầu vào và đầu ra được đặc trưng bởi hệ số β, nó là một hằng số thiết lập mối quan hệ tuyến tính giữa IC và IB Đối với transistor trường, mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra lại không tuyến tính

Sự khác biệt giữa BJT và FET là biến điều khiển đầu vào cho BJT là dòng điện, trong khi ở FET là điện áp

JFET dùng làm khóa điện tử, bộ khuếch đại tín hiệu vi sai phát sóng RC và tham gia cùng các linh kiện điện tử khác để hình thành các mạch chức năng trong hầu hết các thiết bị điện tử ngày nay

4.5.1.2 Nguyên lý hoạt động của JFET

Khi cho dòng điện đi qua một môi trường bán dẫn có tiết diện dẫn điện thay đổi dưới tác dụng của điện trường vuông góc với lớp bán dẫn đó Nếu thay đổi cường độ điện trường sẽ làm thay đổi điện trở của lớp bán dẫn và do đó làm thay đổi dòng điện đi qua nó Lớp bán dẫn này được gọi là kênh dẫn điện

Để JFET làm việc ở chế độ khuếch đại thì vùng chuyển tiếp P-N bao quanh

kênh dẫn luôn được phân cực ngược:

76

Với kênh N: UDS >> 0, UGS < 0;

Với kênh P: UDS < 0, UGS > 0

Xét loại kênh dẫn n:

- Phân cực cho JFET bởi hai nguồn điện áp: UDS > 0 và UGS < 0;

- Giữa cực D và cực S có một điện trường mạnh do nguồn điện cực máng UDS cung cấp, nguồn này có tác dụng đẩy các hạt điện tích đa số (điện tử) từ cực nguồn

S tới cực máng D, hình thành nên dòng điện cực máng ID;

- Điện áp điều khiển UGS < 0 luôn làm cho tiếp giáp p-n bị phân cực ngược, do

đó bề rộng vùng nghèo tăng dần khi UGS < 0 tăng dần Khi đó, tiết diện dẫn điện giảm dần, điện trở R kênh dẫn tăng lên làm dòng ID giảm xuống và ngược lại

Như vậy: Điện áp điều khiển UGS có tác dụng điều khiển đối với dòng điện cực máng ID

- Trường hợp UDS > 0, UGS = 0 trong kênh dẫn xuất hiện dòng điện ID có giá trị phụ thuộc vào UDS

- Trường hợp UDS > 0, UGS < 0 tăng dần, bề rộng vùng nghèo mở rộng về phía cực D vì với cách mắc như hình vẽ thì điện thế tại điểm D lớn hơn điện thế tại S do

đó mức độ phân cực ngược tăng dần từ S tới D → tiết diện kênh dẫn giảm dần làm cho dòng điện ID giảm dần

4.5.1.3 Các họ đặc tuyến của JFET

- Họ đặc tuyến ra: ID = f(UDS) khi UGS = const

- Họ đặc tuyến truyền đạt ID = f(UGS) khi UDS = const

Hình 4.21 Họ đặc tuyến ra của JFET

77

Nhận xét: Đặc tuyến ra chia là ba vùng:

+ Vùng gần gốc (đoạn OA): Dòng ID tăng gần như tuyến tính theo UDS vì khi

đó kênh dẫn đóng vai trò như một điện trở thuần cho đến khi đặc tuyến bị uốn mạnh tại điểm A Tại đó bắt đầu xuất hiện hiện tượng thắt kênh, dòng ID hầu như không tăng theo UDS Hoành độ điểm A gọi là điểm thắt kênh;

+ Vùng bão hòa (đoạn AB): Dòng ID hầu như không phụ thuộc vào UDS nhưng phụ thuộc mạnh vào UGS Khi UGS < 0 tăng dần, dòng ID càng giảm, hiện tượng thắt kênh xảy ra sớm hơn, điểm thắt kênh dịch dần về phía gốc tọa độ;

+ Vùng đánh thủng: Khi UDS đủ lớn, dòng ID tăng đột ngột do tiếp giáp p-n bị đánh thủng tại khu vực gần D, do tại vùng này điện áp phân cực ngược đặt lên tiếp giáp p-n lớn nhất

Hình 4.22 Họ đặc tuyến truyền đạt của JFET

Đặc tuyến truyền đạt của JFET xuất phát từ một giá trị UGS0, tại đó dòng điện cực máng ID = 0, gọi là điện áp khóa Độ lớn UGS0 bằng UDS0 ứng với đường UGS =

0 trên họ đặc tuyến ra Khi tăng UGS, ID tăng gần như tỉ lệ theo Lúc UGS = 0, ID = ID0 Giá trị ID0 là dòng tĩnh cực máng khi không có điện áp cực cửa Khi có UGS < 0,

ID < ID0 và được xác định bằng biểu thức sau:

- Dòng điện qua transistor chỉ do một loại hạt dẫn đa số tạo nên Do vậy, FET

là loại cấu kiện đơn cực (unipolar device);

- FET có trở kháng vào rất cao;

- Tiếng ồn trong FET ít hơn nhiều so với transistor lưỡng cực;

- Dòng cực máng cực đại I Dmax : Là dòng cực đại ứng với điểm B trên đặc

tuyến ra ứng với UGS = 0 Giá trị IDmax khoảng ≤ 50 mA

- Điện áp máng - nguồn cực đại cho phép UDsmaxcp (cỡ vài chục vôn) và điện áp của nguồn UGsmax

max = (1, 2 1,5)

B DS

U U



Ở đây UB là điện áp máng nguồn ứng với điểm B

- Điện áp khóa UGS0 (hay Up) bằng giá trị UDs0 ứng với đường UGS = 0

b) Tham số làm việc

- Điện trở trong: ri = rDS = UDS/ ID 0,5 MΩ Thể hiện độ dốc của đặc tuyến

ra trong vùng bão hòa

- Hỗ dẫn truyền đạt: Cho biết tác dụng điều khiển của điện áp cực cửa UGS tới dòng điện cực máng ID Giá trị điển hình với JFET hiện nay là S = (7 ÷ 10) mA





4.5.2 Transistor có cực cửa cách li MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET)

MOSFET có hai loại: kênh N (hoặc P) đặt sẵn và kênh P (hoặc N) cảm ứng

4.5.2.1 Cấu tạo MOSFET

Đặc điểm cấu tạo của MOSFET có hai loại cơ bản như hình 4.23

Hình 4.23 Cấu tạo của MOSFET

79

Ký hiệu quy ước của MOSFET trong các mạch điện tử được cho trên hình 4.24

Hình 4.24 Ký hiệu quy ước của MOSFET

Xét loại kênh dẫn loại n:

Trên một khối bán dẫn loại p, người ta tạo ra hai vùng bán dẫn loại n có nồng

độ tạp chất cao Hai vùng này được nối thông với nhau bằng một kênh dẫn loại n có thể hình thành ngay trong quá trình chế tạo (loại kênh đặt sẵn) hay chỉ hình thành sau khi đã có một điện trường ngoài (lúc làm việc trong mạch điện) tác động (kênh cảm ứng - hình 4.24)

+ Trên hai khối bán dẫn n+ lấy ra hai điện cực là cực nguồn S và cực máng D Phía đối diện với kênh dẫn sau khi phủ một lớp cách điện SiO2 lấy ra điện cực thứ

ba gọi là cực G

+ Nếu trong quá trình chế tạo, cực S đã được nối với phiến đế thì MOSFET có

ba cực: S, D, G Trường hợp phiến đế chưa được nối với S mà được dẫn ra ngoài như là cực thứ tư, cực này gọi là cực đế

4.5.2.2 Nguyên lý làm việc MOSFET

a) Với kênh N đặt sẵn

- Khi UDS > 0, UGS > 0, các điện tử tự do từ vùng đế được hút về phía gần cực

cửa G làm cho kênh dẫn có nồng độ hạt dẫn tăng lên → điện trở R kênh dẫn giảm

→ dòng ID tăng, ta nói đèn làm việc ở chế độ giàu

- Nếu UGS < 0, một số điện tử từ kênh dẫn bị đẩy ra khỏi kênh dẫn làm cho các hạt dẫn điện của kênh dẫn giảm → R kênh tăng → dòng ID giảm → ta nói đèn làm

việc ở chế độ nghèo

b)Với kênh N cảm ứng

- Khi UDS > 0, UGS 0 → dòng ID qua đèn = 0 vì giữa cực D và cực S tồn tại một điện trở rất lớn

80

- Khi UDS > 0, UGS > 0 → các điện tử bị hút về phía cực G tập trung tạo thành kênh dẫn nối giữa cực D và cực S → xuất hiện dòng ID Khi UGS càng lớn → R kênh càng giảm → dòng ID càng tăng Như vậy loại này chỉ làm việc ở chế độ giàu

4.5.2.3 Đặc tuyến V-A MOSFET

Đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt của MOSFET tương tự như JFET, chỉ khác:

- Với MOSFET kênh N đặt sẵn, điều khiển UGS có thể âm hoặc dương tương ứng với đèn làm việc ở chế độ giàu và chế độ nghèo;

- Loại MOSFET kênh N cảm ứng chỉ làm việc ở chế độ giàu

Hình 4.25 Đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt MOSFET

4.5.3 Đặc điểm của transistor trường

- Vì kênh dẫn và cực điều khiển cách ly về điện nên việc điều khiển dòng điện

ra không ảnh hưởng đến công suất của nguồn tín hiệu vào

- Điện trở đầu vào lớn (109 ÷ 1012) Ω, dòng điện rò đầu vào xấp xỉ không, cho phép transistor trường có khả năng khuếch đại được những nguồn tín hiệu có công suất cực kỳ yếu

- Giữa cực D và cực S có tính chất đối xứng, khi thay đổi vị trí của hai cực này, tính chất của transistor hầu như không thay đổi

- Ứng dụng: Dùng để khuếch đại tín hiệu, tạo sóng, phối hợp với trở kháng và được dùng trong các mạch nắn điện có điều khiển

81

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 4

1 Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc và các tham số cơ bản của transistor lưỡng cực (BJT)

2 Hãy nêu ba kiểu mắc BJT và phân biệt các thành phần dòng điện, điện áp cổng vào và cổng ra trong mỗi kiểu mắc

3 Các đặc tuyến tĩnh của transistor? Nêu cách mắc mạch và xây dựng các họ đặc tuyến cho sơ đồ mắc kiểu EC

4.Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc và các tham số cơ bản của transistor trường JFET và MOSFET

5 Đặc điểm của transistor trường?

BÀI 4.1 Cho mạch điện như hình BT4.1

1 Nêu tên cách mắc và phương pháp phân cực transistor

2 Tính UBO; ICO; UCE với RC = 2,2 kΩ; RB = 220 kΩ; β = 90

3 Vẽ đường tải tĩnh và tìm điểm công tác tĩnh trong đồ thị đặc tuyến ra

BÀI 4.2 Cho mạch điện như hình BT4.2

Hình BT4.2

82

1 Nêu tên cách mắc và phương pháp phân cực transistor

2 Tính dòng và áp trên các cực của transistor

3 Vẽ đường tải tĩnh và tìm điểm công tác tĩnh trong đồ thị đặc tuyến ra

BÀI 4.3 Cho mạch điện như hình BT4.3

Hình BT4.3

1 Nêu tên cách mắc và phương pháp phân cực transistor

2 Tính dòng và áp trên các cực của transistor

3 Tìm tọa độ điểm công tác tĩnh Q

BÀI 4.4 Cho mạch điện như hình BT4.4

Hình BT4.4

83

1 Nêu phương pháp phân cực transistor

2 Tính dòng và áp trên các cực của transistor

3 Tìm tọa độ điểm công tác tĩnh Q

BÀI 4.5 Cho mạch điện như hình BT4.5

Hình BT4.5

1 Nêu phương pháp phân cực transistor

2 Tính dòng và áp trên các cực của transistor

3 Tìm tọa độ điểm công tác tĩnh Q

84

BÀI TẬP 4.6 Cho JFET có sơ đồ phân cực như hình vẽ BT4.6 cho ID = 4

mA Tính các giá trị điện áp và dòng điện: UGS; IDQ; UDS; US; UG; UD

Hình BT4.6 BÀI TẬP 4.7 Cho JFET có sơ đồ phân cực như hình vẽ BT4.7 Tính các giá

trị điện áp và dòng điện: ID; UGSQ; UG; UGS0; ID0

Hình BT4.7

85

BÀI TẬP 4.8 Cho MOSFET có sơ đồ phân cực như hình vẽ BT4.8 Vẽ

đường tải tĩnh và xác định điểm làm việc tĩnh Q (IDQ; UDSQ)

Hình BT4.8

86

Chương 5 MẠCH KHUẾCH ĐẠI

5.1 Những vấn đề chung

5.1.1 Nguyên lý xây dựng một tầng khuếch đại

Bộ khuếch đại là thiết bị dùng để làm tăng các tham số tín hiệu điện (U, I, P), gồm mạch vào nối với nguồn tín hiệu cần khuếch đại, mạch ra được nối với tải Nó

là thiết bị cho phép biến đổi tín hiệu nhỏ bé ở đầu vào thành tín hiệu đầu ra có công suất lớn

Thực chất khuếch đại là một quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, trong đó năng lượng của nguồn một chiều (không chứa đựng thông tin) được biến đổi thành năng lượng xoay chiều (mang thông tin) và là quá trình xử lý thông tin dạng tương tự

Hình 5.1 đưa ra cấu trúc nguyên lý để xây dựng một tầng khuếch đại Phần tử

cơ bản là phần tử điều khiển (PKĐ - transistor) có điện trở thay đổi theo sự điều khiển điện áp hay dòng điện đặt tới cực điều khiển bazơ của nó, do đó điều khiển được quy luật biến đổi của dòng điện, điện áp ra theo quy luật biến đổi của dòng điện, điện áp vào nhưng với biên độ lơn hơn nhiều lần

Hình 5.1 Nguyên lý xây dựng một tầng khuếch đại

Xét tầng khuếch đại có phần tử điều khiển là Transistor lưỡng cực BJT như hình 5.2

Hình 5.2 Sơ đồ một tầng khuếch đại dùng BJT

87

Tín hiệu vào đặt lên cực B và cực E, tín hiệu ra đặt lên cực C và cực E Khi tín hiệu vào là hình sin thì tín hiệu ra cũng là hình sin mang đầy đủ quy luật của tín hiệu vào nhưng với biên độ lớn hơn nhiều lần Dòng điện, điện áp ra phải được coi là tổng của thành phần xoay chiều được xây dựng dựa trên nền thành phần một chiều

Tức là thỏa mãn điều kiện: Irm < Ir0 và Urm < Uro (*)

Trong đó:

Irm, Urm là biên độ cực đại của thành phần xoay chiều đầu ra;

Ir0, Ur0 là thành phần một chiều, đặc trưng chế độ tĩnh

Nếu điều kiện (*) không thỏa mãn thì dòng điện, điện áp ra trong mạch một khoảng thời gian nào đó sẽ bằng 0, tín hiệu ra bị méo dạng Như vậy, để đảm bảo chế độ công tác cho tầng khuếch đại khi có tín hiệu vào thì ở mạch ra của nó phải có thành phần một chiều Ir0, Ur0; do đó ở mạch vào của tầng khuếch đại phải có thêm thành phần một chiều Iv0, Uv0

Hình 5.3 Biểu đồ thời gian của dòng điện và điện áp tại mạch ra

Các thành phần dòng, áp một chiều xác định chế độ tĩnh của tầng KĐ Các tham số theo chế độ tĩnh ở mạch vào Irv, Uv0 và mạch ra Ir0, Ur0 đặc trưng cho trạng thái ban đầu của sơ đồ khi chưa có tín hiệu vào

5.1.2 Các tham số cơ bản của tầng khuếch đại

 Hệ số khuếch đại K

88

- Hệ số khuếch đại dòng điện: KI = Ira/Ivào

- Hệ số khuếch đại điện áp: KU = Ura/Uvào

- Hệ số khuếch đại công suất: KP = Pra/Pvào

 Trở kháng vào: Z vào = U vào /I vào

 Trở kháng ra: Z ra = U ra /I ra

 Méo không đường thẳng γ: Là méo do tính chất phi tuyến của transistor

(đặc tuyến vào ra của transistor không tuyến tính) gây ra, méo không đường thẳng

được đánh giá bởi hệ số méo:

U1m là biên độ sóng hài cơ bản (bậc 1) có tần số ω;

U2m, U3m, Unm là các biên độ sóng hài bậc cao có tần số 2ω, 3ω, , nω

5.1.3 Các chế độ làm việc của tầng khuếch đại

Để transistor làm việc ở chế độ khuếch đại, cần thỏa mãn điều kiện: Tiếp giáp

JE luôn phân cực thuận và tiếp giáp JC phân cực ngược Khi điều kiện phân cực được thỏa mãn, cần ổn định chế độ tĩnh đã được xác lập để trong quá trình làm việc, chế độ làm việc của phần tử khuếch đại chỉ phụ thuộc vào dòng điện và điện áp điều khiển đưa tới đầu vào Khi đã đảm bảo các điều kiện phân cực và ổn định điểm làm việc cho phần tử khuếch đại thì điểm làm việc tĩnh của tầng khuếch đại sẽ cố định ở một vị trí trên họ đặc tuyến ra

Xét một mạch khuếch đại có sơ đồ mắc theo kiểu EC như hình 5.4

Hình 5.4 Sơ đồ mạch khuếch đại transistor kiểu EC và đặc tuyến ra

89

- Khi chưa có tín hiệu vào (Uvào = 0), phương trình đường tải tĩnh (đường tải

một chiều) là:

UCE0 = EC - IC0RC Phương trình đường tải tĩnh đi qua các điểm A (EC, 0); B(0, EC/RC) như

hình vẽ

- Khi có tín hiệu vào (Uvào ≠ 0), phương trình đường tải động (đường tải xoay

chiều) là:

uCE = EC – iC.(RC//Rt) Trong đó IC là tổng của thành phần một chiều IC0 và thành phần xoay chiều

đưa đến đầu vào

Điểm làm việc tĩnh P khi đó xác định bởi tọa độ (UCE0, IC0) hoặc (UCE0, IB0) Tùy theo vị trí của điểm P trên đường tải tĩnh, người ra phân ra các chế độ khác nhau của một tầng khuếch đại

a) Chế độ A

- Điểm làm việc tĩnh P nằm giữa điểm M và N, với M, N là giao điểm của đường tải tĩnh với đặc tuyến ra tĩnh ứng với các chế độ tới hạn của transistor UBemax (hay IBmax) và UBE = 0 (hay IB = 0)

Hình 5.5 Dạng tín hiệu vào, ra của KĐ khi ở chế độ A

90

- Đặc điểm:

+ Tín hiệu ra tồn tại trong cả chu kỳ của tín hiệu vào;

+ Méo không đường thẳng γ nhỏ;

+ Hiệu suất làm việc η thấp do dòng điện một chiều IC0 lớn

- Ứng dụng: Là chế độ làm việc cơ bản của các tầng khuếch đại điện áp và tầng khuếch đại công suất đơn

b) Chế độ B

Chế độ B là điểm làm việc tĩnh P được chọn ở vị trí thấp nhất của đường thẳng phụ tải (trùng với điểm N)

Đặc điểm:

- Tín hiệu ra chỉ tồn tại trong một nửa chu kỳ của tín hiệu vào;

- Méo không đường thẳng lớn;

- Hiệu suất làm việc khá cao do dòng IC0 nhỏ (chế độ một chiều không tiêu thụ năng lượng)

Ứng dụng: Được dùng trong tầng khuếch đại công suất đẩy - kéo

5.1.4 Hồi tiếp trong khuếch đại

a) Định nghĩa

Hồi tiếp (hay còn gọi là phản hồi) là quá trình đưa một phần tử tín hiệu từ đầu

ra quay về đầu vào với mục đích thay đổi các tham số cũng như chế độ làm việc cho

bộ khuếch đại Phản hồi cho phép cải thiện các tính chất của bộ khuếch đại, nâng cao về chất lượng

Sơ đồ khối của bộ khuếch đại có phản hồi như hình 5.6

91

Hình 5.6 Sơ đồ khối bộ khuếch đại có hồi tiếp

K: Hệ số khuếch đại khi chưa có phản hồi

β: Hệ số phản hồi

UV: Tín hiệu vào

Ura: Tín hiệu ra

Uε: Tín hiệu sai lệch

Uph: Tín hiệu phản hồi

b) Phân loại

- Theo cách mắc phản hồi, ta có:

+ Phản hồi nối tiếp;

+ Phản hồi song song;

+ Phản hồi nối tiếp - nối tiếp; song song - song song;

+ Phản hồi nối tiếp - song song; song song - nối tiếp

- Theo các đại lượng phản hồi về đâu vào, ta có:

+ Phản hồi dòng điện;

+ Phản hồi điện áp;

+ Phản hồi hỗn hợp

- Phụ thuộc và pha của tín hiệu phản hồi, ta có hai loại phản hồi cơ bản:

+ Phản hồi âm: Là phản hồi mà tín hiệu phản hồi ngược pha với tín hiệu vào

bộ khuếch đại, nên làm yếu tín hiệu vào, giảm hệ số khuếch đại của mạch nhưng các tính chất khác được cải thiện như nâng cao độ ổn định, mở rộng dải thông, giảm

độ méo;

92

+ Phản hồi dương: Là phản hồi mà tín hiệu phản hồi cùng pha với tín hiệu vào, cho nên làm tăng tín hiệu vào, tăng hệ số khuếch đại nhưng lại làm cho mạch làm việc không ổn định, có thể gây nên hiện tượng tự kích (tự dao động)

Ngoài ra, phụ thuộc vào loại dòng điện được truyền từ đầu ra trở lại đầu vào

bộ khuếch đại, ta có các loại phản hồi theo dòng một chiều và phản hồi theo dòng xoay chiều Trong đó, phản hồi âm dòng một chiều dùng để ổn định chế độ làm việc cho transistor khi chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, còn phản hồi âm dòng xoay chiều để

ổn định các tham số cho mạch khuếch đại

c) Ảnh hưởng của phản hồi đến hệ số khuếch đại của mạch

K K

Trong đó dấu (-) là hồi tiếp dương, dấu (+) là hồi tiếp âm

- Nếu là phản hồi âm: Kph = K/(1+ K.β) < K Tức là hệ số khuếch đại khi có phản hồi âm bị giảm, tuy nhiên độ ổn định của mạch sẽ tăng, do đó hồi tiếp âm hay được dùng trong khuếch đại

- Nếu là phản hồi dương: Kph = K/(1- K.β) > K Tức là hệ số khuếch đại của mạch tăng, độ ổn định của mạch giảm Trường hợp đặc biệt, khi K.β = 1 thì Kph =

∞ Khi đó, sơ đồ làm việc ở chế độ tự kích, nhận được tín hiệu ra ngay cả khi không

có tín hiệu vào Do vậy, hồi tiếp dương ít được sử dụng

5.2 Mạch khuếch đại dùng transistor BJT

5.2.1 Tầng khuếch đại EC

a) Sơ đồ nguyên lý

Tầng khuếch đại EC có sơ đồ nguyên lý như hình 5.7

+ Tụ C2 để ngăn thành phần một chiều không cho qua tải và dẫn tín hiệu xoay chiều từ cực góp ra tải

- Bộ phân áp R1, R2 để xác định chế độ tĩnh của tầng (xác định UB0)

- Điện trở RE để tạo phản hồi âm theo thành phần dòng một chiều IE để ổn định điểm làm việc tĩnh của tầng KĐ khi nhiệt độ thay đổi

- Tụ CE để ngăn phản hồi âm theo thành phân dòng xoay chiều iE, là phản hồi làm giảm hệ số khuếch đại của tầng khuếch đại

- Dòng điện tĩnh của phần tử điều khiển IC0 được tạo thành do dòng điện tĩnh IE0 thông qua sự điều khiển của RE và dòng IB0

Hình 5.8 Xác định chế độ tĩnh của tầng khuếch đại EC

UCE0 = EC – IC0RC – IE0RE EC – IC0 (RC +RE); α Phương trình đường tải tĩnh đi qua 2 điểm A (EC, 0) và B (0, EC/(RC +RE), điện trở phụ tải tĩnh là:

- Khi có tín hiệu xoay chiều đưa tới đầu vào của tầng khuếch đại thì nó sẽ chuyển sang làm việc ở chế độ động với phụ tải động

Điện áp xoay chiều của tín hiệu vào sẽ làm xuất hiện dòng xoay chiều bazơ

iB ~ và do đó xuất hiện dòng xoay chiều ở mạch ra của tầng (iC) Hạ áp trên điện trở

RC tạo nên điện áp xoay chiều trên Colectơ Điện áp này thông qua tụ C2 sẽ đưa tới phụ tải

Khi có tín hiệu vào (uvào thì dòng iB thay đổi, iB gồm hai thành phần: Thành phần một chiều IB0 (xác lập trong chế độ tĩnh) và thành phần xoay chiều do uvào tạo ra:

iB = IB0 + iBKết quả là dòng iC thay đổi theo với hệ số β lần dòng iB

Dòng iC tạo nên trên điện trở RC một lượng điện áp biến thiên, chính điện áp biến thiên này được đưa tới đầu ra Do đó, đường tải động phải đi qua điểm làm việc tĩnh Đường tải động biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp cực góp với thành phần xoay chiều của dòng điện cực góp:

uC = UCE0 + iC (RC // Rt) Trong đó: ic = IC0 + iC

Vì điện trở phụ tải của thành phần xoay chiều nhỏ hơn điện trở phụ tải đối với thành phần một chiều do đó đường tải xoay chiều dốc hơn đường tải một chiều

95

Với cách xây dựng như vậy, đường tải xoay chiều đặc trưng cho sự thay đổi giá trị tức thời của dòng điện và điện áp trên cực góp của transistor (uCE) khi giá trị tức thời của tín hiệu sẽ dao động xung quanh điểm làm việc tĩnh Từ đó ta thấy nếu muốn tín hiệu ra không bị méo so với tín hiệu vào thì điểm làm việc trong chế độ động (ứng với tín hiệu vào là lớn nhất hoặc bé nhất) không được rơi vào vùng bão hòa cũng như vùng cắt dòng trên đặc tuyến) Tức là:

có mối quan hệ:

/ /

rm rm rm

R1 // R2 = (2÷5)rv Với rv là điện trở đầu vào của transistor đối với thành phần xoay chiều:

=> IP = (2÷5)IB0

2

0 1

d) Phương pháp giải tích để tính chế độ xoay chiều tín hiệu bé

Các tham số quan trọng của tầng khuếch đại như hệ số khuếch đại dòng KI, hệ

số khuếch đại áp KU, hệ số khuếch đại công suất KP, tổng trở đầu vào Rv, tổng trở