BT chương 3 linh kiện điện tử đh công nghiệp TP HCM

Các sơ đồ phân cực cho BJT • Phân cực cực gốc cố định hay phân cực điện trở cố định Mạch phân cực trong hình 1 có một điện trở cực gốc RB được nối giữa cực gốc và VCC.. Ở đây mối nối c

Họ và tên: Trần Thẩm Hoàng Long

Hình 9.2

• Mối nối pn giữa vùng nền và vùng thu được gọi là mối nối nền thu (Base–Collector Junction) Tương tự mối nối pn giữa vùng nền và vùng phát là mối nối nền phát (Base – Emitter Junction)

• Các đầu ra của linh kiện được đặt trên mỗi vùng và ký hiệu bằng các ký tự E (Phát); B (Nền) và C (Thu)

• Vùng Nền chứa ít tạp chất và rất mỏng so với vùng Phát có nhiều tạp chất nhất và vùng Thu có số lượng tạp chất trung bình

- Sơ đồ tương đương BJT:

Transistor PNP

Transistor NPN

b Mô tả nguyên lý hoạt động của BJT loại NPN và các phương

trình cơ bản

- Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E Trong đó (+)

là nguồn vào cực C, (-) là nguồn vào cực E

- Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B và E Trong đó cực (+) vào chân B và cực (-) vào chân E

- Khi công tắc mở, ta thấy rằng mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua Lúc này dòng IC = 0

- Khi công tắc đóng, mối P – N được phân cực thuận Khi đó có dòng điện chạy từ nguồn (+) UBE qua công tắc tới R hạn dòng Sau đó qua mối

• IC là là dòng chạy qua mối CE

• IB là dòng chạy qua mối BE

• β Là hệ số khuếch đại của transistor

- Khi có điện UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện Khi xuất hiện dòng IBE do lớp bán dẫn P tại cực rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp Vì vậy số điện tử tự

do từ lớp bán dẫn nhỏ trong số các điện tử đó thế vào lỗ trống tạo thành dòng IB Còn lại phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp UCE tạo thành dòng ICE chạy qua transistor

Tồn tại dòng nhiệt do các động tử thiểu số gây ra

IC = α IE + ICB0 = α(IB + IC) + ICB0

Phân cực là quá trình thiết lập điện áp hoạt động một chiều của transistor hoặc điều kiện dòng điện ở mức chính xác để bất kỳ tín hiệu đầu vào AC nào có thể được khuếch đại chính xác bởi transistor

b Các sơ đồ phân cực cho BJT

• Phân cực cực gốc cố định hay phân cực điện trở cố định

Mạch phân cực trong hình 1 có một điện trở cực gốc RB được nối giữa cực gốc và VCC Ở đây mối nối cực gốc - cực phát của transistor được phân cực thuận bởi điện áp rơi trên RB, là kết quả của dòng IB chạy qua nó Từ hình vẽ, biểu thức toán học cho IB thu được là

Ở đây các giá trị của VCC và VBE là cố định, trong khi giá trị của RB là không đổi khi mạch được thiết kế

Điều này dẫn đến một giá trị không đổi cho IB, dẫn đến một điểm hoạt động

cố định do đó mạch được đặt tên là phân cực cực gốc cố định Loại phân cực này dẫn đến hệ số ổn định là (β + 1), dẫn đến độ ổn định nhiệt kém hơn

Lý do đằng sau điều này là thực tế tham số β của transistor là không thể đoán trước và thay đổi ở mức độ lớn, ngay cả trong trường hợp transistor có cùng model và loại Sự thay đổi trong β này dẫn đến những thay đổi lớn trong IC, điều này không thể bù đắp được bằng bất kỳ phương tiện nào trong thiết kế

Do đó, loại sai lệch phụ thuộc β này dễ gây ra những thay đổi trong các điểm hoạt động do sự thay đổi về đặc tính và nhiệt độ của transistor

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng phân cực cực gốc cố định là đơn giản nhất và sử dụng ít linh kiện hơn Hơn nữa, nó cho người dùng thay đổi điểm hoạt động ở

bất kỳ đâu trong vùng hoạt động bằng cách thay đổi giá trị của RB trong thiết

kế

Hơn nữa, nó không cung cấp tải trên source vì không có điện trở qua mối nối cực gốc - cực phát Do những yếu tố này, phân cực này được sử dụng trong các ứng dụng chuyển mạch và để đạt được điều khiển độ lợi tự động trong các transistor

trong vùng hoạt động của nó bất kể giá trị β

Hơn nữa, mạch này còn được gọi là mạch phản hồi âm tự phân cực vì phản hồi từ đầu ra đến đầu vào thông qua RB

Loại phân cực tương đối đơn giản này có hệ số ổn định nhỏ hơn (β + 1),

dẫn đến độ ổn định tốt hơn khi so sánh với phân cực cố định

Tuy nhiên, hành động giảm dòng cực góp bằng dòng cực gốc dẫn đến giảm

độ lợi bộ khuếch đại

Ở đây, các điện áp và dòng điện khác: VB = VBE

Điều này là do sự gia tăng dòng điện chạy qua các điện trở cực gốc dẫn đến một mạng lưới chống lại sự thay đổi các giá trị của β

• Phân cực cố định với điện trở cực phát

Như hình 4, mạch phân cực này có gì ngoài một mạng phân cực cố định với một điện trở cực phát bổ sung, RE

Ở đây, nếu IC tăng do nhiệt độ tăng, IE cũng tăng, làm tăng điện áp rơi trên

RE

Điều này dẫn đến giảm VC, gây ra giảm IB, đưa IC trở lại giá trị bình

thường Do đó, loại mạng phân cực này mang lại sự ổn định tốt hơn so với mạng phân cực cực gốc cố định

Tuy nhiên, sự hiện diện của RE làm giảm mức tăng điện áp của bộ khuếch đại vì nó dẫn đến phản hồi AC không mong muốn Trong mạch này, các phương trình toán học cho các điện áp và dòng điện khác nhau là:

Trong loại phân cực này, IC có thể độc lập với cả β và VBE bằng cách chọn

RE >> RB / β và VEE >> VBE, tương ứng, dẫn đến điểm hoạt động ổn định

• Phân cực phản hồi của cực phát

Loại tự phân cực cực phát này (Hình 6) sử dụng cả phản hồi cực góp - cực gốc và phản hồi cực phát phát để dẫn đến độ ổn định cao hơn Ở đây, mối

nối cực phát - cực gốc được phân cực thuận do sụt áp xảy ra trên điện trở cực phát, RE do dòng cực phát, IE

Nhiệt độ tăng IC làm tăng dòng cực phát, IE Điều này cũng dẫn đến sự gia tăng điện áp rơi trên RE, làm giảm điện áp cực góp VC, và lần lượt là IB, do

đó đưa IC trở lại giá trị ban đầu của nó

Tuy nhiên, điều này dẫn đến giảm độ lợi đầu ra do phản hồi suy biến, đó không phải là phản hồi AC không mong muốn, trong đó lượng dòng điện chạy qua điện trở phản hồi được xác định bởi giá trị của điện áp cực góp,

VC

Hiệu ứng này có thể được bù bằng cách sử dụng một tụ điện bypass lớn trên điện trở cực phát, RE Các biểu thức tương ứng với các điện áp và dòng điện khác nhau là:

• Phân cực bộ chia điện áp

Loại mạng phân cực này (Hình 7) sử dụng một bộ chia điện áp được tạo thành bởi các điện trở R1 và R2 để phân cực transistor

Điều này có nghĩa là điện áp được phát triển trên R2 sẽ là điện áp cực gốc của transistor, điện áp này sẽ phân cực thuận mối nối cực phát - cực gố Nói chung, dòng điện qua R2 sẽ được cố định bằng 10 lần dòng điện cực gốc yêu cầu, IB (tức là I2 = 10IB)

Điều này được thực hiện để tránh ảnh hưởng của nó đến dòng điện phân

áp hoặc những thay đổi trong β Hơn nữa

Trong loại phân cực này, IC có khả năng chống lại những thay đổi trong cả

β cũng như VBE, dẫn đến hệ số ổn định bằng 1 (về mặt lý thuyết), độ ổn định nhiệt tối đa có thể

Khi IC tăng do nhiệt độ tăng, IE tăng, gây ra tăng điện áp cực phát VE, làm giảm điện áp cực gốc - cực phát VBE Điều này dẫn đến việc giảm dòng điện cực gốc IB, giúp khôi phục IC về giá trị ban đầu của nó

Độ ổn định cao hơn được cung cấp bởi mạch phân cực này làm cho nó được sử dụng rộng rãi nhất mặc dù cung cấp độ lợi khuếch đại giảm do sự hiện diện của RE

Ngoài các loại mạng phân cực cơ bản đã được phân tích, transistor lưỡng cực (BJT) cũng có thể được phân cực bằng cách sử dụng mạng kích hoạt hoặc bằng cách sử dụng diode silicon hoặc Zener

Hơn nữa, cũng cần lưu ý rằng mặc dù các mạch phân cực được giải thích cho các BJT, nhưng các mạng phân cực tương tự cũng tồn tại trong trường hợp transistor hiệu ứng trường (FET)

c Các chế độ làm việc của BJT, sơ đồ tương đương

- Chế độ khóa (OFF): Không phân cực: I B = 0; V BE = 0, I C = 0

Ở chế độ cắt, cả hai lớp tiếp giáp của transistor BJT (cực phát với cực gốc và cực góp với cực gốc) đều được phân cực nghịch Nói cách

khác, nếu chúng ta giả sử hai lớp tiếp giáp n là hai diode tiếp giáp

p-n, thì cả hai diode đều được phân cực nghịch ở chế độ cắt Chúng ta

biết rằng trong điều kiện phân cực nghịch, không có dòng điện nào

chạy qua thiết bị Do đó, không có dòng điện nào chạy qua transistor

Do đó, transistor lưỡng cực ở trạng thái tắt và làm việc giống như một công tắc mở

Chế độ cắt của transistor được sử dụng trong hoạt động chuyển mạch cho ứng dụng tắt công tắc

- Chế độ khóa (ON): Phân cực mạnh: I B > I BS ; V CE = 0,2V; I C =I CS

Phân cực đủ mạnh IB > IBS Transistor thông bão hòa

Ở chế độ bão hòa, cả hai lớp tiếp giáp của transistor BJT (cực phát với cực gốc và cực góp với cực gốc) đều được phân cực thuận Nói cách khác, nếu chúng ta giả sử hai lớp tiếp giáp p-n là hai diode tiếp giáp p-n, thì cả hai diode đều được phân cực thuận ở chế độ bão hòa Chúng ta biết rằng trong điều kiện phân cực thuận, dòng điện chạy qua thiết bị Do đó, dòng điện chạy qua transistor lưỡng cực

Trong chế độ bão hòa, các điện tử tự do (hạt mang điện) đi từ cực phát đến cực gốc cũng như từ cực góp đến cực gốc Kết quả là, một dòng điện cực lớn sẽ chạy đến cực gốc của transistor BJT

Do đó, transistor ở chế độ bão hòa sẽ ở trạng thái bật và làm việc giống như một công tắc đóng

Chế độ bão hòa của transistor lưỡng cực được sử dụng trong hoạt động chuyển mạch cho ứng dụng bật công tắc

- Chế độ khuếch đại: Phân cực: 0 < I B < I BS ; I C = βI B

BJT làm việc trong miền tác động (Active) Trong chế độ kích hoạt, một lớp tiếp giáp (cực phát đến cực gốc) được phân cực thuận và một lớp tiếp giáp khác (cực góp với cực gốc) được phân cực nghịch Nói cách khác, nếu chúng ta giả sử hai lớp tiếp giáp p-n là hai diode tiếp giáp p-n, thì một diode sẽ được phân cực thuận và diode kia sẽ bị phân cực nghịch

Chế độ kích hoạt được sử dụng để khuếch đại dòng điện

Câu 3: Trình bày các kiểu mắc cơ bản và họ đặc tuyến của BJT

Đặc tính của mạch CC:

- Tín hiệu ra cùng pha tín hiệu vào (mạch lặp áp)

- Trở kháng vào lớn, trở kháng ra nhỏ, thường dùng để phối hợp trở kháng

Có độ lợi dòng lớn, dùng trong tầng lối ra mạch khuếch đại công suất

Câu 4: Cho sơ đồ mạch như hình 3.1 Trong đó transistor Si có Vɤ=

V BE =0,7V; β=80; R C = 2k Ω, R B = 50k Ω, V BB =3.7V, V CC =18V

a Xác định điện thế tại các chân E, C, B của BJT

b Xác định tọa độ điểm phân cực tĩnh Q

c Viết phương trình và vẽ đồ thị đường tải tĩnh DCLL

Câu 5: Cho sơ đồ mạch như hình 3.2 Trong đó transistor Si có Vɤ=

V BE =0,7V; β=100; R C = 1k Ω, R B = 50k Ω, R E = 1k Ω, V BB =6V, V CC

=15V

a Xác định điện thế tại các chân E, C, B của BJT

b Xác định tọa độ điểm phân cực tĩnh Q

c Viết phương trình và vẽ đồ thị đường tải tĩnh DCLL

Hình 3.2

Câu 6: Cho sơ đồ mạch như hình 3.3 Trong đó transistor Si có Vɤ=

V BE =0,7V; β=140; R B1 = 3.9kΩ, R B2 = 39kΩ, R C = 10kΩ, R E = 1.5kΩ,

V CC =22V

a Xác định điện thế tại các chân E, C, B của BJT

b Xác định tọa độ điểm phân cực tĩnh Q

c Viết phương trình và vẽ đồ thị đường tải tĩnh DCLL

Câu 7: Cho mạch như hình 3.4 Trong đó transistor Si có Vɤ=

V BE =0,7V; β=150; R B = 390k Ω, R C = 1.5k Ω, V CC =12V

a Xác định điện thế tại các chân E, C, B của BJT

b Xác định tọa độ điểm phân cực tĩnh Q

c Viết phương trình và vẽ đồ thị đường tải tĩnh DCLL

Câu 8: Cho mạch như hình 3.5 Trong đó transistor Si có Vɤ=

V BE =0,7V; β=90; R B = 250k Ω, R C = 4.7k Ω, R E = 1.2k Ω, V CC =10V

a Xác định điện thế tại các chân E, C, B của BJT

b Xác định tọa độ điểm phân cực tĩnh Q

c Viết phương trình và vẽ đồ thị đường tải tĩnh DCLL

Hình 3.5

Câu 9: Cho mạch như hình 3.6

Trong đó transistor Si có Vɤ= V BE =0,7V; β=100; I CQ = 2mA; V CEQ = 10V; R B1 = 18k Ω, R E = 1.2k Ω, V CC = 18V

⚫ Xác định giá trị R B2 ; R C ?

Câu 10: Cho mạch như hình 3.7

Trong đó transistor có Si có V BE =0,7V; β=110; I CQ = ½ ICSat;

I CSat = 8mA; V C = 18V; V CC = 28V; V CC = (R C + R E ) I CSat

⚫ Xác định giá trị R C ; R B R E ?