CHƯƠNG v : TRANSISTOR HAI TIẾP GIÁP (BJTs)

CHƯƠNG V TRANSISTOR HAI TIẾP GIÁP (BJTs) CHƢƠNG 5 TRANSISTOR HAI TIẾP GIÁP (BJTs) Giới thiệu 5 1 Cấu trúc vật lý, nguyên lý hoạt động của BJT 5 2 Đặc tuyến V A của BJT 5 3 Các mạch BJT.

CHƯƠNG 5

TRANSISTOR HAI TIẾP GIÁP (BJTs)

Giới thiệu

5.1 Cấu trúc vật lý, nguyên lý hoạt động của BJT

5.2 Đặc tuyến V-A của BJT

5.3 Các mạch BJT ở chế độ một chiều

5.4 BJT hoạt động ở chế độ khuếch đại và chế độ chuyển mạch

5.5 Phân cực trong các mạch khuếch đại dùng BJT

5.6 Hoạt động của BJT với tín hiệu nhỏ và các mô hình tương đương

5.7 Các mạch khuếch đại BJT đơn tầng

5.8 Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại emitơ chung

Những linh kiện ba cực hữu ích hơn rất nhiều so với những linh kiện hai cực, chẳng hạn như DIODES đã được nghiên cứu trong chương 3, bởi vì chúng có thể được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng, từ khuếch đại tín hiệu đến thiết kế mạch logic số và các mạch nhớ Nguyên lý cơ bản là sử dụng điện áp giữa hai cực để kiểm soát dòng điện chạy trong cực thứ ba Bằng cách này, một linh kiện ba cực có thể được sử dụng như là được điều khiển bởi một nguồn mà chúng ta đã học trong chương 1 và là cơ sở để thiết kế bộ khuếch đại Ngoài ra tín hiệu điều khiển có thể được sử dụng để tạo ra dòng điện trong cực thứ ba bằng cách thay đổi từ 0 đến giá trị lớn, do vậy cho phép linh kiện hoạt động như một thiết bị chuyển mạch Như chúng ta đã học trong Chương 1, bộ chuyển mạch là cơ sở cho việc thực hiện bộ biến đổi logic, là thành phần cơ bản của các mạch số

Sự phát minh của BJT vào năm 1948 tại phòng thí nghiệm Bell Telephone mở ra thời đại cho những mạch bán dẫn, mà các thiết bị điện tử làm thay đổi cách chúng ta làm việc, chơi, và sống Sự phát minh của BJT cuối cùng cũng dẫn đến sự thống trị của công nghệ thông tin và sự xuất hiện của nền kinh tế tri thức

Transistor lưỡng cực được sử dụng trong gần ba thập kỷ như là một linh kiện được lựa chọn trong cả các thiết kế của mạch rời rạc và mạch tích hợp Mặc dù MOSFET đã được biết đến từ rất sớm nhưng phải đến những năm 1970 và 1980 nó mới trở thành đối thủ cạnh trạnh quan trọng với BJT Tại thời điểm viết cuốn sách này (2003), MOSFET chắc chắn được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, và công nghệ CMOS là công nghệ được lựa chọn trong việc thiết kế các mạch tích hợp Tuy vậy BJT vẫn là một linh kiện quan trọng và vượt trội trong những ứng dụng nhất định Ví dụ như, độ tin cậy của các mạch dùng BJT dưới điều kiện môi trường khắc nghiệt làm cho chúng trở thành linh kiện có ưu thế vượt trội trong ngành điện tử ô tô, một lĩnh vực quan trọng và vẫn còn đang phát triển

BJT vẫn phổ biến trong thiết kế mạch rời rạc, trong đó một sự lựa chọn đa dạng của các loại BJT có sẵn cho các nhà thiết kế Ở đây ta nên đề cập đến các đặc tính của transistor lưỡng cực cũng như hiểu rõ rằng có thể thiết kế mạch transistor có đặc tính dự đoán được và khá nhạy cảm với những thay đổi của các thông số linh kiện

BJT vẫn là linh kiện được ưu tiên trong các ứng dụng mạch tương tự đòi hỏi sự khắt khe, cả mạch tích hợp và rời rạc Điều này đặc biệt đúng trong các ứng dụng tần số cao, chẳng hạn như mạch tần số vô tuyến (RF) cho các hệ thống không dây Một họ mạch logic số tốc độ rất cao dựa trên transistor lưỡng cực, tên là mạch logic ghép emitơ vẫn còn được sử dụng Cuối cùng transistor lưỡng cực có thể kết hợp với MOSFETs để tạo ra một mạch có tính mới

mà vẫn giữ được lợi thế của MOSFET là trở kháng đầu vào cao và công suất tiêu thụ thấp, tần

số hoạt động cao và khả năng chịu dòng lớn của transistor lưỡng cực Công nghệ cuối cùng được biết như là BiMOS hoặc BiCMOS, và nó được tìm thấy ngày một nhiều trong các lĩnh vực ứng dụng (xem Chương 6,7,9 và 11)

Trong chương này, chúng ta sẽ bắt đầu với mô tả đơn giản về hoạt động vật lý của BJT Mặc dù đơn giản, mô tả vật lý cung cấp một cái nhìn sâu sắc đáng kể về đặc tính của transistor như là một phần tử của mạch Sau đó chúng ta nhanh chóng chuyển từ mô tả dòng điện dưới dạng các điện tử và lỗ trống đến một nghiên cứu về đặc tính các cực của transistor Các mô hình mạch cho sự hoạt động của transistor ở các chế độ khác nhau sẽ được phát triển và sử dụng trong phân tích và thiết kế các mạch transistor

Mục tiêu chính của chương này là để trình bày cho người đọc sự hiểu biết sâu sắc về BJT Do đó vào cuối chương này người đọc có thể thực hiện nhanh chóng việc phân tích mạch transistor và thiết kế tầng khuếch đại đơn dùng transistor và các bộ biến đổi logic đơn giản

5.1 Cấu trúc vật lý, nguyên lý hoạt động của BJT

5.1.1 Đơn giản hóa cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Hình 5.1 chỉ ra một cấu trúc đơn giản của BJT Một cấu trúc thực tế sẽ được chỉ ra sau (xem phụ lục A, trong đó có đề cập đến công nghệ chế tạo)

Như được chỉ ra trong hình 5.1, BJT bao gồm 3 vùng bán dẫn: vùng phát (loại n), vùng gốc (loại p) và vùng góp (loại n) Một transistor như vậy được gọi là transistor npn Một transistor khác như được chỉ ra trong hình 5.2 có một vùng phát loại p, một vùng gốc loại n, và một vùng góp loại p, và được gọi một transistor pnp

Hình 5.1 Cấu trúc đơn giản hóa của transistor npn

Hình 5.2 Cấu trúc đơn giản hóa của transistor pnp

Mỗi cực được nối với một trong ba vùng bán dẫn của transistor, với các tên gọi là cực

phát (E) , cực gốc (B) và cực góp (C) Transistor gồm có 2 tiếp giáp pn, tiếp giáp phát-gốc

(EBJ) và tiếp giáp góp-gốc (CBJ) Tùy thuộc vào điều kiện phân cực (thuận hay ngược ) của

mỗi lớp tiếp giáp này, transistor BJT hoạt động ở các chế độ khác nhau và được thể hiện trong Bảng 5.1

BẢNG 5.1 Các chế độ hoạt động của BJT

Chế độ tích cực, hay còn được gọi là chế độ Forward active, là một chế độ được sử dụng mà transistor hoạt động như một bộ khuếch đại Các ứng dụng khóa điện tử (ví dụ các

mạch logic) sử dụng cả hai chế độ cắt dòng và bão hòa Chế độ tích cực ngƣợc (reverce

active) có ứng dụng rất là giới hạn nhưng là một khái niệm quan trọng

Như chúng ta thấy ngay, các hạt tải điện với cả hai cực tính – đó là các điện tử và các

lỗ trống tham gia vào quá trình dẫn dòng trong một transistor lưỡng cực, đó là lý do xuất phát

cho tên gọi lưỡng cực

Hình 5.3 Dòng điện chảy trong một transistor npn được phân cực để hoạt động ở chế độ tích cực

(các thành phần dòng ngược do trôi nhiệt của các hạt dẫn điện thiểu số sinh ra không được thể hiện)

5.1.2 Hoạt động của transistor npn ở chế độ tích cƣ̣c

Ta hãy bắt đầu xét hoạt động vật lý của transistor ở trong chế độ tích cực Chế độ này

được minh họa trong hình 5.3 cho transistor loại npn Hai điện áp ngoài (thể hiện như nguồn

pin) được sử dụng để thiết lập các điều kiện phân cực cần thiết cho chế độ hoạt động tích cực Điện áp V dẫn đến cực gốc loại p có điện thế cao hơn so với điện thế ở cực phát loại n, do BE

đó phân cực thuận ở lớp tiếp giáp phát-gốc Điện áp góp-gốc V dẫn đến cực góp loại n có CB điện thế lớn hơn điện thế ở cực gốc loại p, dẫn đến phân cực ngược ở lớp tiếp giáp góp-gốc

Dòng điện Trong mô tả sau đây của dòng điện chỉ các thành phần dòng khuếch tán

được xem xét Dòng trôi nhiệt, do các hạt dẫn điện thiểu số sinh ra , thường rất nhỏ và có thể

bỏ qua Tuy nhiên ta sẽ nói nhiều hơn về các thành phần dòng này ở phần sau

Phân cực thuận ở lớp tiếp giáp phát-gốc sẽ dẫn đến có dòng chảy qua lớp tiếp giáp này Dòng điện sẽ gồm hai thành phần: electrons chảy từ cực phát vào cực gốc, và lỗ trống chảy từ cực gốc vào cực phát Sớm có thể thấy được , đó là rất mong muốn thành phần đầu tiên (điện tử từ cực phát đến cực gốc) ở một mức độ cao hơn so với thành phần thứ hai (lỗ trống từ cực gốc đến cực phát) Điều này có thể được thực hiện bằng cách chế tạo linh kiện với một cực phát nhiều tạp chất và một cực gốc có nồng độ tạp chất ít; nghĩa là linh kiện được thiết kế để có mật độ lớn các hạt điện tử ở cực phát và mật độ thấp các lỗ trống ở cực gốc

Dòng điện chảy qua lớp tiếp giáp phát - gốc sẽ tạo thành dòng điện phát i như chỉ ra E

trong hình 5.3 Hướng của dòng i đi ra từ đầu ra cực phát, cùng với hướng của dòng lỗ trống E

và ngược hướng với dòng điện tử, với dòng cực phát i sẽ bằng tổng của hai thành phần này E

Tuy nhiên, thành phần điện tử lớn hơn rất nhiều so với thành phần lỗ trống, dòng cực phát sẽ được chi phối bởi thành phần điện tử (electrons)

Hình 5.4 Mô tả nồng độ của các hạt dẫn điện thiểu số trong cực gốc và cực phát của một

transistor npn hoạt động ở chế độ tích cực : v BE 0 và v CB 0

Bây giờ ta hãy xét các điện tử chảy từ cực phát vào cực gốc Các điện từ này sẽ là các

hạt dẫn điện thiểu số trong vùng cực gốc loại p Bởi vì cực gốc thường rất mỏng , trong điều

kiện ổn định, nồng độ các hạt thiểu số dư thừa ở cực gốc sẽ có một dạng gần như đường thẳng như thể hiện bằng đường thẳng nét liền trong Hình 5.4 Nồng độ điện tử (electron) sẽ cao nhất (ký hiệu là n P(0)) ở phía cực phát (emitơ) và thấp nhất ở phía cực góp (collecter) Như trong

trường hợp của bất kỳ lớp tiếp giáp p – n phân cực thuận nào (phần 3.7.5), nồng độ n P(0) sẽ tỉ lệ thuận với v BE V T

Trong đó n là giá trị cân bằng nhiệt của các hạt thiểu số (electron) tập trung ở vùng 0

cực gốc, v BE là điện áp phân cực thuận cho tiếp giáp gốc -phát, và V là điện thế nhiệt , nó T

bằng xấp xỉ bằng 25 mV ở nhiệt độ phòng Lý do cho không có nồng độ electron phía cực góp trong vùng cực gốc là điện áp colectơ v dương dẫn đến các electron ở cuối cùng sẽ chảy CB

qua vùng nghèo CBJ

Nồng độ các hạt dẫn điện thiểu số có hình nón (Hình 5.4) dẫn đến các electron chảy vào cực gốc khuếch tán qua vùng cực gốc về phía vùng cực góp Dòng electron khuếch tán này I tỷ lệ thuận với độ dốc của biên dạng đường thẳng, n

dx

x dn qD A I

p n E

p n E n

)0(

)(

(5.2)

trong đó A là tiết diện của của lớp tiếp giáp bazơ – emitơ (hướng vuông góc với trang giấy), E

q là độ lớn điện tích của electron , D là nồng độ electron khuếch tán trong cực gốc và n W là độ rộng thực tế của bazơ Quan sát thấy rằng độ dốc âm của đường thẳng nồng độ các hạt dẫn

điện thiểu số dẫn đến một dòng điện âm I chảy qua cực gốc; nghĩa là, n I chảy từ bên phải n sang bên trái (ngược hướng của x )

Một số các điện tử được khuếch tán qua vùng cực gốc sẽ kết hợp với với các lỗ trống , là các hạt dẫn điện đa số trong vùng cực gốc Tuy nhiên, vì cực gốc thường rất mỏng, tỉ lệ các electron “bị mất” trong quá trình tái tổ hợp này khá nhỏ Tuy nhiên, sự tái tổ hợp trong vùng cực gốc làm dư thừa nồng độ các hạt dẫn điện thiểu số , dẫn tới đường đặc tính bị lệch khỏi đường thẳng và có hình dạng hơi lõm xuống biểu thị bởi đường nét đứt như trong Hình 5.4 Độ dốc của đường nồng độ tại tiếp giáp EBJ cao hơn một chút so với tại CBJ , bằng sự tính toán khác nhau cho thấy số lượng ít các hạt electron bị mất trong vùng cực gốc thông qua quá trình tái tổ hợp

Dòng điện cực góp Từ mô tả phía trên ta thấy rằng phần lớn các electron khuếch tán

sẽ đạt tới ranh giới của vùng nghèo góp-gốc Bởi vì cực góp dương hơn cực gốc ( bởi điện áp

CB

v ) , những electron này sẽ chạy qua vùng nghèo CJB vào cực góp Do đó chúng sẽ “tập

trung” lại để tạo thành dòng điện cực gópi Vì thế C i C I n, nó sẽ tạo ra một giá trị âm cho dòng i , cho thấy rằng dòng C i chảy ngược hướng của trục x (đó là từ phải sang trái) Chúng C

ta sẽ làm cho i chạy theo chiều dương , ta có thể bỏ dấu âm trong phương trình (5.2) Thực C

hiện việc này và thế n p(0) từ phương trình (5.1) vào, chúng ta có thể biểu diễn dòng điện i C

I S  E n p0/Thay n p0 n i2/N A, trong đó n là mật độ các hạt ở bên trong và i N là mật độ tạp A

chất trong cực gốc, ta có thể biểu diễn I bằng S

W N

n qD A I

A

i n E S

2

Một quan sát quan trọng có thể thấy ở đây là độ lớn của dòng i không phụ thuộc vào C

điện áp v Nghĩa là, miễn là cực góp dương so với cực gốc, các electron mà tiến đến phía CB

cực góp của vùng cực gốc sẽ chảy vào cực góp và được coi như dòng điện cực góp

Dòng điện bão hòa I tỷ lệ nghịch với độ rộng của cực gốc S W và tỷ lệ thuận với diện tích của tiếp giáp EBJ Giá trị điển hình của I nằm trong dải từ S 1012 A đến 1018 A (phụ thuộc vào diện tích của linh kiện ) Vì I tỉ lệ với S n , nó là một hàm số phụ thuộc mạnh vào i2

nhiệt độ, lên khoảng gấp đôi với mỗi khi nhiệt độ tăng lên 50C (Sự phụ thuộc của 2

i

n vào

nhiệt độ tham khảo phương trình 3.37)

Vì I tỷ lệ thuận với diện tích lớp tiếp giáp (nghĩa là kích thước linh kiện), nó cũng sẽ S

được gọi như là dòng điện tỷ lệ Hai transistor giống nhau ngoại trừ một cái có tiết diện EBJ

gấp đôi cái kia sẽ có một dòng điện bão hòa cũng với tỉ lệ đó (nghĩa là 2) Do đó đối với cùng giá trị v BE linh kiện lớn hơn sẽ có một dòng colectơ gấp đôi so với linh kiện nhỏ hơn Khái niệm này thường xuyên được được sử dụng trong việc thiết kế mạch tích hợp

Dòng điện cực gốc Dòng bazơ i bao gồm hai thành phần Thành phần đầu tiên B i B1

do các lỗ trống chảy từ vùng cực gốc vào vùng cực phát Thành phần dòng điện này tỉ lệ với

i p E

L N

n qD A

2

trong đó D là nồng độ lỗ trống khuếch tá n trong cực phát, P L là độ dài khuếch tán p

của lỗ trống trong cực phát, và N là nồng độ tạp chất trong cực phát D

Thành phần thứ hai của dòng điện cực gốc, i B2do các lỗ trống mà phải được cấp bởi mạch điện ngoài để thay thế các lỗ trống bị mất từ cực gốc trong quá trình tái hợp Biểu thức cho dòng i B2 có thể được xây dựng bằng cách lưu ý rằng nếu thời gian trung bình cho một hạt electron thiểu số tái hợp với một hạt đa số là lỗ trống trong cực gốc được ký hiệu b ( gọi là

thời gian tồn tại của các hạt thiểu số), thì trong b giây, điện tích các hạt dẫn điện thiểu số trong cực gốc, Q tái tổ hợp với các lỗ trống Tất nhiên ở trạng thái xác lập, n Q được bổ sung n

bởi electron chảy từ cực phát Để bổ sung lỗ trống, dòng điện i B2 phải cấp cho cực gốc một điện tích dương bằng Q sau mỗi n b giây,

b

n B

Q i





Điện tích các hạt thiểu số tích trữ trong vùng cực gốc, Q có thể được tìm thấy bằng n

cách tham khảo Hình 5.4 Rõ ràng Q được miêu tả bởi diện tích hình tam giác dưới đường n

thẳng phân bố trong cực gốc, do đó

W n q A

v BE V T

D

i E

N

qWn A

i E

N

qWn A

2 2

2

1



Kết hợp Phương trình (5.5) và (5.8) và sử dụng phương trình (5.4), ta có được biểu

thức tổng dòng điện cực gốc i B

v BE V T

b n p

D A n

p S

D

W L

W N

N D

D I

So sánh phương trình (5.3) và Phương trình (5.9), ta thấy rằng dòng i có thể được B

biểu diễn theo một tỷ lệ của dòng i : C

D A n

p

D

W L

W N

N D

Từ đó ta thấy rằng  là một hằng số đối với một transistor cụ thể Với các transistor

npn hiện đại,  nằm trong khoảng từ 50 đến 200 nhưng có thể bằng 1000 đối với các linh

kiện đặc biệt Với những lý do đó sẽ trở lên sáng tỏ sau, hằng số  được gọi là hệ số khuếch

đại dòng điện common-emitơ

Phương trình (5.12) chỉ ra rằng giá trị  bị ảnh hưởng lớn bởi hai yếu tố : độ rộng của

vùng cực gốc, W, và tỷ đối tạp chất trong vùng cực gốc và vùng cực phát (N / A N D) Để có

được một hệ số  lớn ( điều này rất mong muốn vì  đặc trưng cho một thông số hệ số

khuếch đại), cực gốc nên mỏng (W nhỏ) và nồng độ tạp chất thấp cò n cực phát nồng độ tạp

chất lớn (làm cho N / A N D nhỏ) Cuối cùng, ta lưu ý rằng các tranh luận đến nay đều với giả

thiết trong trường hợp lý tưởng, trong đó  là một hằng số đối với một transistor nhất định

Dòng điện cực phát Vì dòng điện đi vào transistor cần phải đi ra , nó có thể thấy được trong

Hình 5.3 dòng điện cực phát i bằng tổng của dòng điện cực góp E i và dòng điện cực gốc C i B

Ngoài ra, ta có thể biểu diễn Phương trình (5.14) ở dạng

i C i E (5.16) Trong đó hằng số  liên hệ với  bởi

Cuối cùng, chúng ta nên lưu ý rằng vì hệ số khuếch đại  và  tiêu biểu cho hoạt động của BJT trong chế độ tích cực (ngược lại chế độ tích cực ngược , ta sẽ thảo luận sau), Chúng thường kí hiệu là F và F Ta sẽ sử dụng  và F thay thế cho nhau và  và Fcũng tương tự

Hình 5.5 Các mô hình mạch điện tương đương tín hiệu lớn của transistor npn hoạt động ở chế độ

tích cực thuận

Các mô hình mạch điện tóm tắt và tương đương Ta đã trình bày một kiểu mô hình đầu

tiên của transistor npn hoạt động ở chế độ tích cực (hay chế độ phân cực thuận ) Nói chung,

điện áp phân cực thuận v tạo ra một dòng điện i quan hệ theo hàm số mũ chảy vào cực

góp Dòng điện cực góp i không phụ thuộc vào giá trị của điện áp cực góp miễn là lớp tiếp C

giáp góp-gốc duy trì phân cực ngược ; nghĩa là, v CB 0 Do đó trong chế độ tích cực, cực góp coi như là một nguồn dòng không đổi lý tưởng, trong đó giá trị của dòng điện được xác định bởi điện áp v Dòng điện cực gốc BE i là một hệ số B 1/F của dòng điện cực góp , và dòng điện cực phát bằng tổng của các dòng điện cực góp và dòng điện cực gốc Vì dòng i nhỏ B

hơn rất nhiều so với dòng i (nghĩa là C  ≫ 1), i E i C Chính xác hơn, dòng điện cực góp là một tỉ số F của dòng điện cực phát, với F nhỏ hơn nhưng rất gần bằng một

Mô hình kiểu đầu tiên này của transistor hoạt động ở chế độ tích cực thuận có thể được trình bày bằng mạch điện tương đương như trong Hình 5.5(a) Ở đây điốt D có một E

dòng tỷ lệ I SE bằng I S/F và do vậy cấp một dòng điện i phụ thuộc vào E v BE theo phương trình (5.18) Dòng của nguồn điều khiển, bằng với dòng cực góp được điều khiển bởi v BE

theo quan hệ hàm mũ , theo phương trình (5.3) Mô hình này về bản chất là một nguồn dòng điều khiển bằng điện áp phi tuyến Nó có thể chuyển đổi thành mô hình nguồn dòng được điều khiển bằng dòng điện như trong Hình 5.5(b) bằng cách biểu diễn dòng của nguồn được điều khiển là F i E Chú ý rằng mô hình này cũng không tuyến tính bởi vì mối quan hệ theo hàm số mũ của dòng điện i qua điốt E D và điện áp E v BE Từ mô hình này chúng ta thấy rằng nếu transistor được sử dụng như là mạng điện hai cửa với ngõ vào giữa E và B và ngõ ra giữa

C và B (nghĩa là với B như l à cực chung), thì hệ số khuếch đại dòng điện quan sát được bằng

F

 Vậy F được gọi là hệ số khuếch đại dòng điện bazơ chung

5.1.3 Cấu trúc của các transistor thực tế

Hình 5.6 chỉ ra một mặt cắt thực (nhưng vẫn đơn giản ) của một transistor lưỡng cực

npn Chú ý rằng cực góp thực tế bao quanh vùng cực phát, do đó làm cản trở các electron

chạy vào cực gốc mỏng để thoát khỏi bị thu thập Bằng cách này, kết quả là F gần bằng một, và F lớn Ngoài ra quan sát thấy rằng linh kiện này không đối xứng Để biết thêm chi tiết về cấu trúc vật lý của các linh kiện thực tế, người đọc tham khảo trong phụ lục A

Một thực tế là cấu trúc của transistor không đối xứng , nghĩa là nếu cực phát và cực góp đổi chỗ cho nhau và transistor hoạt động ở chế độ tích cực ngược , kết quả là các giá trị của  và  , kí hiệu là R và R, sẽ khác các giá trị ở chế độ tích cực thuận F và F Hơn nữa, vì cấu trúc được tối ưu cho hoạt động ở chế độ tích cực thuận , R và R sẽ thấp hơn nhiều với chế độ phân cực thuận của chúng Tất nhiên, R và R quan hệ bởi các phương trình giống hệt với quan hệ F và F Thông thường, R nằm trong khoảng từ 0.01 đến 0.5, và khoảng tương ứng của R là từ 0.01 đến 1

Cấu trúc trong Hình 5.6 cũng chỉ ra rằng CBJ có diện tích lớn hơn nhiều EBJ Theo đó nếu transistor hoạt động ở chế độ tích cực ngược ( nghĩa là CBJ phân cực thuận và EBJ phân cực ngược) và sự hoạt động được mô hình hóa theo kiểu Hình 5.5(b), ta có được mô hình thể hiện trong Hình 5.7 Ở đây điốt D biểu diễn lớp tiếp giáp góp-gốc và có một dòng tỷ lệ C I SC

lớn hơn nhiều so với dòng tỷ lệ I của điốt D Tất nhiên hai dòng điện I và I có cùng

tỉ lệ tiết diện của các lớp tiếp giáp tương ứng Hơn nữa, một công thức đơn giản và ngắn gọn liên quan đến dòng tỉ lệ I SC,I SE, và dòng I và các hệ số khuếch đại dòng điện S F và R, là

F I SE R I SC I S (5.20)

Hình 5.6 Mặt cắt của một transistor lưỡng cực npn

Hình 5.7 Mô hình của transistor npn khi hoạt động ở chế độ tích

cực ngược ( nghĩa là CBJ phân cực thuận và EBJ phân cực ngược)

Dòng tỉ lệ I SC lớn có ảnh hưởng tới cùng một dòng , CBJ có một điện áp rơi thấp hơn khi phân cực thuận so với điện áp rơi thuận của EBJ , V Điểm này sẽ bao hàm chế độ hoạt BE

động của BJT trong chế độ bão hòa

5.1.4 Mô hình Ebers-Moll (EM)

Mô hình của hình 5.5(a) có thể kết hợp với mô hình của Hình 5.7 để có được mô hình mạch điện thể hiện trong Hình 5.8 Lưu ý rằng ta đã ghi lại tên các dòng điện qua D và E D , C

và các dòng điều khiển tương ứng của các nguồn điều khiển , là i DE và i DC Ebers và Moll, hai công nhân đầu tiên trong lĩnh vực này, đã chỉ ra rằng mô hình tổng hợp này có thể được dùng

để dự báo hoạt động của BJT trong tất cả các chế độ có thể có của nó

Hình 5.8 Mô hình Ebers-Moll của transistor npn

Để xem bằng cách nào điều này có thể thực hiện được, ta xuất phát từ biểu thức của các dòng điện i , E i C và i theo các điện áp tiếp giáp B v BE và v BC Hướng đến mục đích đó , ta viết một biểu thức cho dòng điện tại mỗi nút trong 3 nút của mô hình trong Hình.5.8 như sau:

DC R DE

v F

v S

v F

e / nhỏ không đáng kể và có thể được bỏ qua để có được

     

F S

V v F

(5.31)

 /   1 1

R S V v S

đó, cụ thể là các Phương trình (5.18), (5.3) và (5.11)

Như vậy đến nay , ta đã đưa ra điều kiện để transistor hoạt động ở chế độ tích cực thuận khi v CB 0 để chắc chắn rằng CBJ được phân cực ngược Tuy nhiên trong thực tế, một lớp

tiếp giáp pn không trở lên hoàn toàn phân cực thuận cho đến khi điện áp thuận qua nó vượt

quá xấp xỉ 0.5V Theo đó có thể duy trì hoạt động chế độ tích cực thuận của một transis tor

npn với điện áp v âm giảm xuống xấp xỉ khoảng - 0.4V Điều này được minh họa trong CB

Hình 5.9, phác họa một dòng điện i phụ thuộc vào điện áp C v để một transistor npn hoạt CB

động với một dòng điên cực phát i không đổi Quan sát thấy rằng dòng E i vẫn là hằng số C

E

F I

 dù điện áp v tiến tới âm xấp xỉ - 0.4V Dưới giá trị này của điện áp CB v , CBJ bắt đầu CB

dẫn, transistor ra khỏi chế độ tích cực thuận và đi vào hoạt động ở trong chế độ bão hòa , ở đó dòng điện i giảm xuống Chúng ta sẽ nghiên cứu sự bão hòa của BJT ở phần tới Còn bây C

giờ, lưu ý rằng ta có thể sử dụng các phương trình EM để kiểm tra lại các thành phần chứa

T

BC V

v

e / vẫn nhỏ không đáng kể dù v cao bằng 0.4V CB

Hình 5.10 Đặc tính nồng độ của các hạt dẫn điện

thiểu số trong cực gốc (electrons) của một transistor

npn hoạt động trong chế độ bão hòa

5.1.5 Hoạt động ở chế độ bão hòa

Hinh 5.9 chỉ ra rằng điện áp v thấp hơn xấp xỉ dưới 0.4V, BJT bước vào hoạt động CB

trong chế độ bão hòa Một cách lý tưởng, điện áp v không ảnh hưởng đến dòng điện cực CB

góp trong chế độ tích cực thuận , nhưng trạng thái thay đổi đáng kể khi ở trong chế độ bão hòa: Tăng điện áp v theo chiều âm – nghĩa là, tăng điện áp phân cực thuận của CBJ – giảm CB

dòng i Để thấy rõ điều này, xét biểu thức Ebers-Moll cho dòng C i trong Phương trình (5.27) C

và, để đơn giản, bỏ qua thành phần hàm mũ không quan trọng để có

BE T v BC V T

R

S V v S

i  /   / (5.34) Thành phần đầu tiên bên tay phải là một kết quả của phân cực thuận EBJ, và thành phần thứ hai là kết quả của phân cưc thuận CBJ Thành phần thứ hai bắt đầu đóng vai trò khi điện áp v vượt quá khoảng 0.4V Khi CB v tăng, thành phần này trở lên lớn hơn và được trừ CB

với thành phần đầu tiên, dẫn đến dòng i giảm xuống, cuối cùng là bằng không Tất nhiên, C

transistor có thể hoạt động ở chế độ bão hòa tại bất kì giá trị nào của i nhỏ hơn C F I E Chúng ta sẽ nói thêm về chế độ hoạt động bão hòa trong phần tiếp theo Tuy nhiên, ở đây nó cung cấp cho ta kiến thức để nghiên cứu đặc tính nồng độ của các hạt dẫn điện thiểu số trong cực gốc của transistor hoạt động ở c hế độ bão hòa , như đã chỉ ra trong Hình 5.10 Quan sát thấy rằng bởi vì CBJ bây giờ được phân cực thuận, nồng độ electron tại vùng giáp với cực

góp của cực gốc không lớn hơn không là mấy; đúng hơn, nó là một giá trị tỉ lệ với e BC T Cũng cần lưu ý rằng độ dốc của đường nồng độ bị giảm xuống tương ứng vơi sự giảm xuống của dòng i C

5.1.6 Transistor pnp

Transistor pnp hoạt động theo cách thức tương tự như hoạt động của transistor npn đã

mô tả ở trên Hình 5.11 cho thấy một transistor pnp đã phân cực để hoạt động ở chế độ tích

cực thuận Ở đây điện áp V làm điện thế tại cực phát loại p lớn hơn điện thế tại cực gốc loại EB

n, do đó phân cực thuận lớp tiếp giáp gốc-phát Lơp tiếp giáp góp-gốc được phân cực ngược

bởi điện áp V BC , điện áp này giữ cho điện thế tại cực góp loại p thấp hơn điện thế tại cực gốc loại n

Không giống như transistor npn , dòng điện trong linh kiện pnp phần lớn được dẫn bởi

các lỗ trống phun từ cực phát vào cực gốc như là một kết quả của điện áp phân cực thuận V EB Vì thành phần của dòng điện cực phát đóng góp bởi các electron phun từ cực gốc tới cực phát được duy trì nhỏ bằng cách sử dụng một cực gốc ít pha tạp, hầu hết dòng cực phát sẽ do các lỗ trống tạo ra Các electron phun từ cực gốc đến cực phát làm tăng thành phần thứ nhất của dòng bazơ, i Đồng thời, số lỗ trống được phun vào cực gốc sẽ tái hợp với các hạt dẫn điện B1

đa số trong cực gốc (electrons) và do đó sẽ bị mất Các điện tử cực gốc biến mất sẽ phải được thay thế từ mạch điện bên ngoài , làm tăng thành phần thứ hai của dòng cực gốc , i B2 Các lỗ trống mà thành c ông trong việc đạt tới ranh giới vùng nghèo của lớp tiếp giáp góp -gốc sẽ được hút bởi điện áp âm trên cực góp Do vậy các lỗ trống này sẽ được quét qua vùng nghèo vào cực góp và làm xuất hiện dòng điện cực góp

Hình 5.11 Dòng điện chạy trong một transistor npn được phân cực để hoạt động ở chế độ tích cực

Hình 5.12 Mô hình tín hiệu lớn cho một transistor pnp hoạt động trong chế độ tích cực

Có thể dễ dàng thấy rằng từ mô tả ở trên, các mối quan hệ dòng áp trong transistor pnp

sẽ giống với transistor npn ngoại trừ là v phải được thay thế bằng BE v EB Ngoài ra sự hoạt

động ở chế độ tích cực với tín hiệu lớn của transistor pnp có thể được mô hình bởi mạch điện

mô tả trong Hình 5.12 Như trong hợp của transistor npn , một phiên bản khác của mạch điện

tương đương này có thể sử dụng trong đó nguồn dòng được thay thế bởi với một nguồn dòng điều khiển bằng dòng điện F i E Cuối cùng , ta lưu ý rằng transistor pnp có thể làm việc ở chế độ bão hòa theo cách tương tự với những gì đã mô tả về linh kiện npn

5.2 Đặc tuyến dòng điện – điện áp (đặc tuyến V-A)

5.2.1 Các ký hiệu mạch và các quy ƣớc

Cấu trúc vật lý được sử dụng để giải thích hoạt động của transistor là khá cồng kềnh

để sử dụng trong sơ đồ nguyên lý hoặc trong các mạch có nhiều transistor May thay , một mạch được mô tả và tiện lợi đó là sử dụng ký hiệu cho BJT Hình 5.13(a) chỉ ra ký hiệu cho

transistor npn; ký hiệu của loại pnp cho trong hình 5.13 (b) Trong cả hai ký hiệu trên , cực

emitơ được ký hiệu bởi một mũi tên có đầu hẹp Sự phân biệt này rất quan trọng bởi vì , như chúng ta thấy ở phần trước, trong thực tế BJT không phải là các linh kiện đối xứng

Các cực của transistor npn hoặc pnp được xác định bởi chiều mũi tên của cực emitơ

Đầu của các mũi tên này chỉ hướng của dòng điện chạy của cực emitơ , nó cũng xác định hướng thuận của lớp tiếp giáp gốc -phát Do đó chúng ta có thể coi dòng điện là đi từ trên xuống dưới, chúng ta sẽ luôn vẽ các transistor pnp theo kiểu minh họa trong hình 5.13 (nghĩa là cực emitơ ở bên trên)

Hình 5.13 Các ký hiệu của BJTs

Hình 5.14 Điện áp phân cực và dòng điện chạy trong transistor ở chế độ tích cực

Hình 5.14 minh họa sự phân cực các transistor npn và pnp để chúng hoạt động ở chế

độ tích cực Một điều cần đề cập tới trong sơ đồ phân cực , đó là sử dụng hai nguồn điện một chiều, chứ không phải là một nguồn một chiều thông thường và được sử dụng ở đây chỉ đơn thuần để minh họa hoạt động của transistor Sơ đồ phân cực thực tế sẽ được trình bày trong phần 5.5 Hình 5.14 cũng chỉ rõ hướng quy chiếu và hướng thực tế của dòng điện chạy qua transistor Ký hiệu mà chúng ta quy ước cũng trùng với chiều dòng điện chạy Do đó chúng ta không thể gặp các giá trị âm của i , hoặc E i B i C

Để thích hợp vẽ mạch điện chúng ta phải chấp nhận điều hiển nhiên từ hình 5.14 Lưu

ý rằng các dòng điện đi từ trên xuống dưới và các điện áp từ nơi có thế cao hơn xuống dưới Đầu mũi tên ở cực emitơ cũng chỉ điện áp phân cực emitơ – bazơ sao cho phân cực thuận cho tiếp giáp emitơ – bazơ Ví dụ hướng mũi tên trong ký hiệu của transistor pnp chỉ ra rằng

chúng ta phải tạo điện áp ở emitơ cao hơn điện áp ở cực bazơ (v EB) để tạo nên dòng điện đi vào cực emitơ (hướng xuống) Lưu ý ký hiệu v EB có nghĩa là điện áp tại cực emitơ (E) là cao

hơn ở cực bazơ (B) Do đó, một transistor pnp hoạt động ở chế độ tích cực thì v EB là dương,

trong khi transistor npn thì có v BE là dương

Từ phần 5.1 ta thấy một transistor npn mà tiếp giáp EB (EBJ) là phân cực thuận sẽ hoạt

động ở chế độ tích cực miễn là điện áp ở cực colectơ không giảm xuống dưới mức 0.4V so với cực bazơ Nói cách khác , transistor rời khỏi chế độ tích cực (khuếch đại) và đi vào vùng làm việc bão hòa

Bảng 5.2 Tổng kết mối quan hệ dòng điện – điện áp ở chế độ khuếch đại

i      /

T

BE V v S C

1(

E

C

i i i

i

B E

 tại nhiệt độ phòng

Với cách thức song song , transistor pnp sẽ hoạt động ở chế độ khuếch đại nếu EBJ là

phân cực thuận và điện áp trên cực colectơ không được phép tăng lên quá 0.4V hoặc hơn so với cực bazơ

Để dễ dàng đối chiếu , chúng ta có Bảng 5.2 tổng kết các mối quan hệ dòng áp trong chế độ khuếch đại (tích cực) Chú ý, để đơn giản hóa chúng ta thường sử dụng  và  hơn

là F và F

Hằng số n Trong phương trình điốt (Chương 3) chúng ta sử dụng một hằng số n trong mô

hình hàm mũ và lưu ý đến giá trị của nó nằm trong khoảng giữa 1 và 2 Đối với các transistor

lưỡng cực hiện đại , hằng số n là gần như bằng 1 trừ một số trường hợp đặc biệt : (1) tại các

dòng điện cao (ví dụ, tỷ đối cao so với khoảng dòng điện thông thường của một transistor thông thường) quan hệ i C v BE minh họa một giá trị n gần tới 2, và (2) tại các dòng điện thấp

quan hệ i Bv BE minh họa một giá trị n xấp xỉ 2 Chú ý, với mục đích của chúng ta , chúng ta

sẽ luôn giả thiết rằng n=1

Dòng điện ngƣợc colectơ – bazơ (I CBO) Trong phần thảo luận của chúng ta về dòng điện

chạy trong transistor , chúng ta bỏ qua các dòng điện ngược nhỏ được tạo bởi các hạt mang nhiệt thiểu số Mặc dù, các dòng điện này có thể bỏ qua được với các transistor hiện đại , dòng điện ngược qua tiếp giáp colectơ – bazơ vẫn cần được nói đến Dòng điện này , ký hiệu là

CBO

I , là dòng điện ngược chạy từ colectơ tới bazơ với cực emitơ hở mạch (do đó ký hiệu bởi

chỉ số dưới O) Dòng điện này thông thường nằm trong khoảng nA, một giá trị có thể lớn hơn nhiều lần so với giá trị dự tính lý thuyết Như với dòng ngược của điốt, I CBO gồm một thành

phần dò, và giá trị của nó phụ thuộc vào v CB I CBO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ , nó tăng

gần gấp đôi khi nhiệt độ tăng lên mỗi 10o

C

5.2.2 Biểu diễn đồ thị các đặc tính của transistor

Đôi khi rất hữu ích để mô tả đặc tính iv của transistor bằng phương pháp đồ thị Hình 5.15 biểu diễn đặc tính i C v BE, với mối quan hệ hàm mũ:

T

BE V v S

Hình 5.15 Đặc tính i C v BE của transistor npn

Chúng giống với quan hệ iv của điốt (nhưng không có giá trị hằng số n) Các đặc

tính i Ev BE và i Bv BE cũng là dạng hàm mũ nhưng khác nhau về tỷ lệ dòng I S/ cho i E

và I S / cho i Bởi vì hằng số của đặc tính mũ, 1/V B T, là khá lớn (≈40), đường cong tăng lên khá nhanh (đột ngột) Với v BE nhỏ hơn khoảng 0.5V, dòng điện là nhỏ không đáng kể Tương

tự, với đa số dòng điện thông thường khoảng v BE là từ 0.6V tới 0.8V Trong việc thực hiện các tính toán một chiều, chúng ta thường giả sử rằng V BE 0.7V , điều này tương tự xấp xỉ với

đặc tính của điốt (Chương 3) Với transistor pnp, đặc tính i Cv EB sẽ tương tự giống như hình 5.15 với v BE được thay thế bởi v EB

Như trong các điốt làm bằng silic , điện áp qua tiếp giáp emitơ – bazơ giảm xuống khoảng 2mV mỗi khi nhiệt độ tăng lên 1o

C, cung cấp tới lớp tiếp giáp đang hoạt động với dòng điện không đổi Hình 5.17 minh họa sự phụ thuộc nhiệt độ của đường cong i C v BE tại 3

nhiệt độ khác nhau cho một transistor npn

Hình 5.16 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới đường đặc tính

Họ đặc tuyến bazơ chung Một cách để minh họa hoạt động của một transistor là vẽ một

quan hệ giữa dòng i và C v với các giá trị CB i khác nhau Chúng ta đã gặp một đồ thị như trên, E

trong hình 5.9, hình này được sử dụng để giới thiệu về chế độ hoạt động bão hòa của transistor Một khái niệm dựa vào những kinh nghiệm đo đạc được và xây dựng nên đường đặc tuyến như trong hình 5.17(b) Xét thấy trong các lần đo này , điện áp bazơ được giữ không đổi, ở đây là tại điện thế của đất và do đó cực bazơ như một điểm chung giữa đầu vào và đầu

ra Vì vậy , họ các đường đặc tuyến như trong hình 5.17(b) được gọi là họ đặc tuyến chung bazơ

Hình 5.17 Các đường đặc tính i Cv CB của một transistor npn

Trong miền hoạt động tích cực của transistor , đạt được với v CB 0.4Vhoặc gần đúng, đường đặc tính i CCB lệch hướng với hướng mong muốn theo hai hướng Đầu tiên ,

các đường cong không theo đường thẳng nằm ngang nhưng chỉ ra một độ nghiêng dương nhỏ , chứng tỏ rằng i ít phụ thuộc vào C v CE ở trong chế độ tích cực (khuếch đại) Chúng ta sẽ thảo luận một chút về hiện tượng này Thứ hai, tại các giá trị lớn của v , dòng điện colectơ tăng CB

lên nhanh chóng, gây ra hiện tượng đánh thủng mà chúng ta sẽ xem xét ở phần sau

Như chỉ ra trong hình 5.17(b), mỗi đường đặc tính cắt trục tung tại một dòng điện có mức bằng I E, khi đó I là dòng điện emitơ không đổi tại mỗi đường cong riêng biệt được E

đo đạc Kết quả của quá trị  là tổng hoặc tín hiệu lớn  ; nghĩa là  i / C i Eở đây, i và C

E

i gọi là tổng các dòng qua colectơ và emitơ tương ứng Ở đây, chúng ta nhớ lại rằng  được

gọi là hệ số khuếch đại dòng bazơ chung Một sự gia tăng hoặc tín hiệu nhỏ  có thể được xác định bằng việc đo sự thay đổi của i , C i Cnhận được bởi sự thay đổi dòng i bằng cách E

tăng một lượng i E,  i C/i E Kết quả đo thường được thực hiện tại một điện áp v CB

không đổi, như chỉ ra trong hình 5.17(b) Thông thường, các giá trị tăng thêm và tổng  khác nhau rất ít, nhưng chúng ta sẽ không phân biệt trong cuốn sách này

Cuối cùng , chúng ta chuyển sang vùng bão hòa , phương trình Ebers – Moll có thể được sử dụng để đạt được sự biểu diễn cho đường cong i Cv CB trong vùng bão hòa (với

I

i  ),

v BC V T

F R S F F

i    1   /



Chúng ta có thể sử dụng phương trình này để xác định giá trị v BCtại điểm i giảm tới C

0 Nhớ rằng lớp tiếp giáp CBJ lớn hơn nhiều tiếp giáp EBJ , điện áp rơi thuận v BC sẽ nhỏ hơn

BE

v , kết quả điện áp colectơ – emitơ , v CElà 0.1V tới 0.3V trong vùng bão hòa

5.2.3 Sự phụ thuộc của i C vào điện áp colectơ – Hiệu ứng sớm

Khi hoạt động ở vùng khuếch đại , BJT thực tế chỉ ra rằng sự phụ thuộc của dòng colectơ vào điện áp cực colectơ , với kết quả là họ đặc tuyến của chúng i Cv CB không hoàn toàn là các đường thẳng Để quan sát sự phụ thuộc này rõ ràng hơn, xét mạch cơ bản trong

hình 5.18(a) Transistor được nối kiểu emitơ chung; ở đây cực emitơ là cực chung giữa đầu

vào và đầu ra Điện áp V có thể thiết lập bằng cách điều chỉnh nguồn một chiều nối giữa BE

bazơ và emitơ Với mỗi giá trị V , tương ứng một đường đặc tuyến BE i C v CE có thể đo điểm tới điểm bằng cách thay đổi nguồn một chiều nối giữa colectơ và emitơ và đo tương ứng dòng điện colectơ Kết quả là họ đặc tính i C v CE minh họa trong hình 5.18(b) và được gọi là họ đặc tuyến emitơ chung

Tại các giá trị nhỏv CE, khi điện áp colectơ thấp hơn cực bazơ 0.4V, lớp tiếp giáp colectơ – bazơ sẽ phân cực thuận và transistor chuyển từ chế độ khuếch đại sang chế độ bão hòa Chúng ta sẽ nghiên cứu một chút về đặc tính i C v CE tại vùng bão hòa Tuy nhiên , tại thời điểm này , chúng ta mong muốn nghiên cứu chi tiết đặc tính trong vùng khuếch đại Chúng ta chú ý các đường đặc tính , mặc dù là đường thẳng nhưng cũng có độ dốc xác định Thực thế, khi ngoại suy, các đường đặc tuyến sẽ gặp n hau tại một điểm trên trục âm v CE, tại

A

v  Điện áp V là một số dương , là một thông số của transistor BJT , giá trị thông A

thường của chúng nằm trong khoảng từ 50V tới 100V Nó được gọi là điện áp sớm (Early voltage), theo J M Early, nhà khoa học đầu tiên nghiên cứu về hiện tượng này

Tại một giá trị v BE, sự tăng lên của v làm tăng điện áp phân cực ngược trên lớp tiếp CE

giáp colectơ – bazơ và do đó tăng độ rộng vùng nghèo của lớp tiếp giáp này (xem hình 5.3)

Kết quả này làm giảm ảnh hưởng độ rộng vùng bazơ W(effective bazơ width W) Nhớ lại

S

I tỷ lệ nghịch với W (phương trình 5.4), chúng ta thấy rằng I sẽ tăng và S i sẽ tăng tỉ lệ C

theo Đây là hiệu ứng sớm

Hình 5.18 (a) Mạch cơ bản để xây dựng đặc tính i C v BE của BJT (b) Đặc tính i C v BE của BJT

thực tế

Sự phụ thuộc tuyến tính của i vào C v CEcó thể được tính toán bằng cách giả sử I là S

hằng số và gồm thừa số (1v CE/V A)trong phương trình tính i như sau: C

   

A

CE V

v S C

V

v e

I

Độ dốc không bằng 0 của các đường thẳng i C v BE chứng tỏ rằng điện trở đầu ra

nhìn từ cực colectơ là hữu hạn Hơn nữa, nó là vô hạn được định nghĩa bởi

C o

I

V V

Hình 5.19 Các mô hình mạch tương đương tín hiệu lớn của transistor BJT npn hoạt động ở chế độ

khuếch đại với cách mắc emitơ chung

Điện trở đầu ra r có thể bao chứa trong mô hình mạch của transistor Điều này được o

minh họa trong hình 5.19, nơi mà chúng ta biểu diễn các mô hình mạch tín hiệu lớn của

transistor npn nối kiểu emitơ chung và hoạt động ở chế độ khuếch đại Xét các mô hình điốt

dòng i B Ở đây, cần lưu ý rằng  biểu diễn hệ số khuếch đại dòng lý tưởng (nghĩa là khi bỏ qua r ) trong cách mắc emitơ chung , đó là lí do tại sao chúng có tên là o hệ số khuếch đại dòng emitơ chung

5.2.4 Họ đặc tuyến Emitơ chung

Một cách khác để biểu diễn họ đặc tuyến của transistor mắc kiểu emitơ chung được minh họa trong hình 5.20 Ở đây dòng bazơ i được dùng như một thông số hơn là điện áp B

bazơ – emitơ v BE Do đó, mỗi đường đặc tính i C v CE được xác định với dòng bazơ I được B

cấp là một hằng số Các đường đặc tuyến thu được giống như trong hình 5.18 ngoại trừ ở đây chúng ta thấy hiện tượng đánh thủng , và chúng ta sẽ thảo luận ở phần sau Chúng ta cũng cần đề cập đến mặc dù chúng không quan sát rõ ràng trong đồ thị , độ nghiêng của các đường đặc tuyến tại vùng tích cực khác với độ n ghiêng tương ứng trong hình 5.18 Tuy nhiên, điểm này khá tinh tế và vượt quá sự quan tâm của chúng ta vào thời điểm này

Hệ số khuếch đại dòng điện Emitơ chung  : Một thông số quan trọng của transistor là hệ số khuếch đại dòng emitơ chung F hay đơn giản là  Do đó, chúng ta định nghĩa  là một tỷ số của tổng dòng điện ở cực colectơ với tổng dòng điện ở cực bazơ , và chúng ta giả thiết rằng  là hằng số với một transistor xác định , phụ thuộc vào các điều kiện hoạt động Trong phần sau, chúng ta nghiên cứu hai điểm này chi tiết hơn

Xét một transistor hoạt động ở vùng khuếch đại tại điểm ký hiệu là Q trong hình 5.20, nghĩa là tại một dòng điện colectơ I CQ , một dòng bazơ I BQ và một điện áp colectơ – emitơ

V Tỷ số của dòng colectơ và dòng bazơ là tín hiệu lớn hay  một chiều,

BQ

CQ dc

(xem phần phụ lục B)

Hình 5.20 Các đặc tuyến emitơ chung Chú ý rằng tỷ lệ theo phương ngang được mở rộng so với

nguyên gốc để minh họa vùng bão hòa chi tiết hơn

Một cách khác có thể định nghĩa  từ sự gia tăng hoặc các đại lượng tín hiệu nhỏ Tìm kiếm trên hình 5.20 chúng ta thấy, khi giữ là hằng số tại giá trị , thay đổi từ tới (), kết quả là tăng lên từ tới (I CQi C) Do đó chúng ta có thể

định nghĩa sự gia tăng hoặc  xoay chiều, ac là :

const v B

C ac

giữa colectơ và emitơ – nó được biết đến là hệ số khuếch đại dòng điện emitơ chung ngắn mạch

Giá trị của  phụ thuộc vào dòng điện hoạt động của transistor và quan hệ với biên dạng như trong hình 5.21 Quá trình vật lý đưa ra sự tăng quan hệ này là vượt quá phạm vi của cuốn sách này Hình 5.21 cũng mô tả sự phụ thuộc vào nhiệt độ của 

CE

BQ

Hình 5.21 Sự phụ thuộc của  vào I C và vào nhiệt độ với transistor silic npn trong mạch tích

hợp hiện đại với vùng hoạt động quanh điểm 1 mA

Điện áp bão hòa V CEsat và điện trở bão hòa R Cesat Quan sát rộng hơn tới các đặc tuyến emitơ chung trong vùng bão hòa như minh họa trong hình 5.22 Thực tế, các đường cong được “nhóm” lại với nhau ở vùng bão hòa kéo theo sự tăng  là thấp hơn ở vùng khuếch đại Điểm hoạt động có thể trong vùng bão hòa được đánh dấu là X Chúng được mô tả bởi dòng

điện bazơ I B và dòng điện colectơ I Csat, và một điện áp colectơ – emitơ V CEsat Lưu ý rằng

Tỷ số F và forcedđược biết đến là hệ số khởi động nhanh (overdrive factor) Hệ số

khởi động nhanh càng lớn, transistor rơi vào vùng bão hòa càng sâu và điện áp V CEsat càng trở nên thấp hơn

Hình 5.22 Một điểm quan sát rộng hơn về họ đặc tuyến emitơ chung trong vùng bão hòa

Các đường cong i C v CEtrong vùng bão hòa là khá dốc , chỉ ra rằng transistor bão hòa ở một điện trở colectơ – emitơ R CEsat thấp,

Csat C C B I i i i C

CE CEsat

i

v R

Giá trị R CEsatnằm trong khoảng vài Ôm tới vài chục Ôm

Hình 5.23(b) minh họa một đường đặc tính i Cv CEcủa transistor bão hòa như trong hình 5.23(a) Chúng ta cần chú ý đến điểm giao của đường đặc tuyến với trục v CEtại

của một transistor bão hòa có thể minh họa gần đúng bởi mạch tương đương như trong hình 5.23(c) Tại phía colectơ, transistor được biểu diễn bởi một điện trở R CEsat nối tiếp với nguồn

CEoff

V

Do đó điện áp bão hòa V CEsat có thể tìm thấy được từ :

CEsat Csat CEoff

Thông thường, V CEsat rơi trong khoảng từ 0.1V tới 0.3V Với rất nhiều ứng dụng bằng các mô hình đơn giản như trong hình 5.23(d) đều được thỏa mãn Điện áp lệch (offset) của một transistor bão hòa , mặc dù nhỏ , làm cho BJT kém hấp dẫn hơn khi sử dụng như một chuyển mạch so với MOSFET, khi mà đặc tính i v sẽ đi qua gốc của mặt phẳng i v

Hình 5.23 (a) Một transistor npn hoạt động ở chế độ bão hòa với dòng điện bazơ I B không đổi

(b) Đường cong đặc tính i C v CEtương ứng với i B I B Đường cong này có thể xấp xỉ đường thẳng

có độ dốc 1/R CEsat (c) Minh họa mạch điện tương đương với một transistor bão hòa (d) Một mô hình

mạch điện tương đương đơn giản của transistor bão hòa

Một điều thú vị để sử dụng mô hình Ebers – Moll để phân tích các biểu thức cho đặc tính của transistor bão hòa Cuối cùng, chúng ta sử dụng phương trình (5.28) và (5.27), thế

R

S V v S

R

V v

B F C

T CE

T CE

e

e I i

Đây là phương trình của đường cong đặc tính i C v CEthu được khi bazơ có dòng điện

Hình 5.24 Đồ thị của i Cphụ thuộc vào v CE với transistor npn có F 100và R 0.1 Đây là

đồ thị của phương trình (5.47), chúng nhận được từ việc sử dụng mô hình Ebers – Moll

Các thông số quan trọng khác của một đồ thị chuẩn được trình bày trong hình 5.24 Cuối cùng, chúng ta có thể thu được một biểu thức cho V CEsat bằng cách thế

B forced

1

/)1(

1

F forced

R forced

T CEsat V V

5.2.5 Transistor đánh thủng

Điện áp lớn nhất có thể đặt lên một transistor bị giới hạn bởi hiệu ứng đánh thủng các lớp tiếp giáp EBJ và CBJ , mà theo sau bởi cơ chế đánh thủng thác lũ mô tả trong phần 3.7.4 Trước hết ta xem xét kiểu mắc bazơ chung Họ đặc tuyến i C v CB trong hình 5.18(b) cho thấy với I 0(nghĩa là với hở mạch emitơ ) lớp tiếp giáp colectơ – bazơ giảm xuống một điện áp

đánh thủng ký hiệu là BV CBO Với i E 0, sự đánh thủng xuất hiện ở điện áp nhỏ hơn BV CBO

Thông thường BV CBOlớn hơn 50V

Tiếp theo xét họ đặc tuyến emitơ chung trong hình 5.21, mà chỉ ra rằng sự đánh thủng xảy ra tại điện áp BV CEO Ở đây, mặc dù điểm đánh thủng là loại thác lũ , các ảnh hưởng trên

họ đặc tuyến phức tạp hơn so với kiểu mắc bazơ chung Chúng ta không giải thích chi tiết quá; nó là đủ tới điểm mà BV CEO là khoảng một nửa BV CBO Trong datasheet của transistor,

CEO

BV đôi khi được so với điện áp duy trì LV CEO

Sự đánh thủng của CBJ trong cách mắc bazơ chung hoặc emitơ chung không bị phá hủy miễn là công suất tiêu hao trong thiết bị được giữ nhỏ hơn giá trị an toàn tối đa Tuy nhiên, điều này không đúng với tiếp giáp emitơ – bazơ EBJ bị đánh thủng thác lũ tại một điện

áp BV EBO nhỏ hơn nhiều so với BV CBO Thông thường, BV EBO nằm trong khoảng từ 6V tới 8V, và tại điểm đánh thủng , hệ số  của transistor là giảm vĩnh viễn Điều này không ngăn cản việc sử dụng tiếp giáp EBJ như một điốt zener để tạo ra các điện áp tham chiếu trong thiết kế IC Trong nhiều ứng dụng , điều này không liên quan tới sự suy giảm hệ số  Một cách mắc mạch để ngăn cản sự đánh thủn g tiếp giáp EBJ trong các mạch khuếch đại dùng IC sẽ được thảo luận trong chương 9 Transistor đánh thủng và công suất tiêu thụ lớn nhất cho phép là các thông số quan trọng trong thiết kế các bộ khuếch đại công suất (Chương 14)

Hoạt động trong chế

độ tích cƣ̣c (đối với

các ứng dụng khuếch

đại

Các điều kiện:

1 EBJ phân cực thuận

Mô hình mạch tương

đương tín hiệu lớn (có

chứa hiệu ứng sớm)

T

BE V v S

v S C

V

v e

I

i BE/ T 1

) //( V BE V T S A

r 

T

EB V v S

v S C

V

v e

I

i EB/ T 1

) /

/( V EB V T

S A

 v BC V T SC

i

)1

 v EB V T SE

i

)1( / 

 v CB V T SC

i

S SC R SE

F I  I I



EBJ tich Dien

CBJ tich Dien I

I

R F SE





Hoạt động trong chế

độ bão hòa

Các điều kiện:

1 EBJ phân cực thuận

2 CBJ phân cực thuận

v EC  ECsat 0.10.2



Dòng điện

B forced

I 

F forced 

Các mạch tương

F forced

T CEsat V V

/)1(

1ln

Với forced F/2; R CEsat 1/10F I B

5.3 Các mạch BJT ở chế độ một chiều

Bây giờ ta đã sẵn sàng để xem xét việc phân tích các mạch BJT mà chỉ được cung cấp bởi các điện áp một chiều Trong các ví dụ sau ta sẽ sử dụng mô hình đơn giản trong đó transistor dẫn khi V BE bằng 0,7V và V CE của transistor khi bão hòa là 0,2V, và chúng ta sẽ bỏ qua hiệu ứng Sớm Tất nhiên, các mô hình tốt hơn có thể được sử dụng để nhận được những kết quả chính xác hơn Tuy nhiên, thường thì điều này chỉ đạt được khi phải đáp ứng các chi phí của việc phân tích mạch, và quan trọng hơn , nó có thể làm cản trở khả năng của người thiết kế mạch để nhận được một cái nhìn sâu sắc về đáp ứng mạch Những kết quả chính xác

sử dụng các mô hình phức tạp có thể nhận được thông qua việc mô phỏng mạch với SPICE, như ta sẽ thấy trong Phần 5.11 Điều này hầu như luôn được áp dụng ở công đoạn cuối của quá trình thiết kế và tất nhiên là trước khi chế tạo mạch Tuy nhiên mô phỏng bằng máy tính không thể thay thế cho bước phân tích mạch nhanh bằng giấy bút , một kỹ năng cần thiết mà người thiết kế mạch cần phải có Một loạt các ví dụ sau đây là một bước theo hướng này

Như sẽ được thấy, trong việc phân tích một mạch điện câu hỏi đầu tiên được đặt ra mà chúng ta phải trả lời là : Transistor làm việc ở chế độ nào? Trong một số trường hợp, câu trả lời sẽ rất rõ ràng Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp , lại không hề đơn giản Không cần thiết phải nói rằng, khi người đọc có kiến thức thực tế và kinh nghiệm trong việc phân tích và thiết kế mạch transistor, câu trả lời sẽ trở nên rõ ràng hơn trong một tương quan lớn hơn nhiều của các vấn đề Tuy nhiên câu trả lời có thể luôn được xác định thông qua quá trình như sau:

Giả thiết rằng transistor đang làm việc ở vùng tích cực, và tiến hành xác định các điện áp khác nhau và các dòng điện tương ứng của chúng Tiếp đó đối chiếu các kết quả với giả thiết rằng transistor đang làm việc ở chế độ tích cực; tức là, v của một transistor npn lớn CB

hơn –0,4V (hay v của transistor pnp nhỏ hơn 0,4V) hay không? Nếu câu trả lời là có, thì CB

nhiệm vụ của chúng ta đã hoàn thành Còn nếu câu trả lời là không, thì giả thiết rằng transistor làm việc ở chế độ bão hòa , và tiến hành xác định các dòng điện và điện áp và tiếp

đó kiểm tra tính nhất quán của các kết quả với giả thiết chế độ làm việc bão hoà Ở đây các phép kiểm tra thường là tính toán tỷ lệ I / C I B và kiểm tra rằng nó nhỏ hơn giá trị  của transistor; tức là forced  Vì  của một transistor cho trước thay đổi trên một khoảng rộng, nên sử dụng giá trị  nhỏ nhất cho việc kiểm tra này Cuối cùng, chú ý rằng thứ tự của hai giả thiết này có thể đảo ngược lại

5.4 BJT hoạt động ở chế độ khuếch đại và chế độ chuyển mạch

Với những nghiên cứu về các đặc tính của BJT , bây giờ chúng ta có thể khả o sát hai lĩnh vực ứng dụng chính của nó là : hoạt động như một bộ khuếch đại tín hiệu và như một chuyển mạch mạch số Cơ sở cho ứng dụng khuếch đại là dựa trên thực tế khi BJT vận hành ở chể độ tích cực, nó hoạt động như một nguồn dòng điều khiển bằng điện áp : Sự thay đổi điện áp bazơ – emitơ v BE dẫn đến những thay đổi của dòng colectơ i Do đó trong chế độ tích C

cực BJT có thể được sử dụng để tạo ra một bộ khuếch đại hỗ cảm (xem Phần 1.5) Sự khuếch đại điện áp có thể nhận được một cách đơn giản bằng cách cho dòng cực góp chạy qua một điện trở R , như chúng ta sẽ thấy ngay sau đây C

Vì chúng ta đặc biệt mong muốn sự khuếch đại là tuyến tính , nên ta sẽ phải nghĩ ra một cách để đạt được điều này khi đối mặt với đáp ứng phi tuyến ở mức độ cao của transistor,

cụ thể, mối quan hệ giữa dòng colectơ i và C v BE là mối quan hệ theo hàm mũ Ta sẽ sử dụng

phương pháp đã được mô tả ở Phần 1.4 Đặc biệt, chúng ta sẽ phân cực cho transistor để hoạt

động với điện áp một chiều bazơ – emitơ V và dòng điện cực góp một chiều BE I tương ứng C

Tiếp đó ta sẽ xếp chồng tín hiệu được khuếch đại, v , trên điện áp một chiều be V Bằng việc BE

giữ cho biên độ của tín hiệu v ở giá trị nhỏ, ta sẽ có thể khống chế transistor làm việc ở một be

đoạn ngắn, gần như tuyến tính của đặc tuyến i C v BE; do đó, sự thay đổi của dòng cực góp,

C

i , sẽ quan hệ tuyến tính với v Ta sẽ nghiên cứu sự hoạt động với tín hiệu nhỏ của BJT ở be

cuối của phần này và chi tiết hơn nữa ở Phần 5.5 Tuy nhiên, trước tiên, chúng ta hãy nhìn vào

“bức tranh tổng thể”: Chúng ta sẽ nghiên cứu tổng thể hay quá trình hoạt động với tín hiệu lớn của một bộ khuếch đại dùng BJT Từ đặc tuyến truyền đạt của mạch , ta sẽ có thể thấy một cách rõ ràng vùng làm việc mà ở đó mạch điện có thể hoạt động như một bộ khuếch đại tuyến tính Ta cũng sẽ có thể thấy được làm thế nào BJT có thể được sử dụng như một khóa chuyển mạch

5.4.1 Hoạt động với tín hiệu lớn – Đặc tuyến truyền đạt

Hình 5.24(a) thể hiện cấu trúc phân cực cơ bản của mạch khuếch đại dùng BJT phổ

biến nhất, với cực phát nối đất hay mạch phát chung (CE) Điện áp vào tổng v (phân cực I

+ tín hiệu) được đặt vào giữa cực gốc và cực phát; tức là, v BE v I Điện áp ra tổng v (phân O

cực + tín hiệu) được lấy giữa cực góp và đất ; tức là v O v CE Điện trở R có hai chức năng : C

để thiết lập một điện áp phân cực một chiều mong muốn ở cực góp , và để biến đổi dòng tín hiệu cực góp i Cthành điện áp ra v hay CE v Điện áp nguồn cung cấp O V CCcần thiết để phân cực BJT cũng như để cung cấp nguồn điện cần cho sự hoạt động của mạch khuếch đại

Hình 5.24(b) chỉ ra đặc tuyến truyền đạt của mạch mắc kiểu phát chung (CE) ở Hình 5.24(a) Để hiểu các đặc tính này được xây dựng như thế nào, trước tiên ta biểu diễn v như O

sau:

v O v CE V CC R C i C (5.48) Tiếp theo, ta quan sát thấy rằng vì v BE v I, transistor sẽ hoàn toàn bị khóa lại khi

V

v I 0.5 hay trong khoảng đấy Do đó, với khoảng 0v I 0.5V, i nhỏ không đáng kể, và C

O

v sẽ bằng với điện áp nguồn cung cấp V CC(đoạn XY của đặc tuyến truyền đạt )

Ngay khi v vượt quá 0,5V thì transistor bắt đầu dẫn, và I i tăng Từ phương trình C

(5.48), chúng ta thấy rằng v giảm Tuy nhiên, ban đầu O v sẽ lớn, BJT sẽ hoạt động ở chế độ O

tích cực, mà tạo ra một đoạn dốc đột ngột YZ của đặc tuyến truyền đạt điện áp Biểu thức cho đoạn đặc tuyến này có thể thu được bằng cách thay vào phương trình (5.48) cách biểu diễn của i ở chế độ tích cực, nghĩa là, C

T I

T BE

V v S

V v S C

e I

e I i

Ta quan sát thấy rằng số hạng dạng hàm số mũ trong biểu thức này tạo ra sườn dốc đứng của đoạn YZ trên đặc tuyến truyền đạt Chế độ hoạt động tích cực kết thúc khi điện áp colectơ (v hay O v ) giảm xuống tới mức 0.4V hoặc nhỏ hơn điện áp ở bazơ ( CE v hay I v BE) Ở điểm này, CBJ thông (turn on) và transistor chuyển sang vùng bão hòa Điều này thể hiện bởi điểm Z trên đặc tuyến truyền đạt

Hình 5.25: (a) Mạch khuếch đại emitơ chung cơ bản (b) Đặc tuyến truyền đạt của mạch điện

(a) Bộ khuếch đại được phân cực ở điểm Q và một tín hiệu điện áp nhỏ v i được xếp chồng trên điện áp phân cực một chiều V BE Tín hiệu đầu ra cuối cùng v o xuất hiện được xếp chồng trên điện áp colectơ một chiều V CE Biên độ của v o lớn hơn biên độ của v imột hệ số khuếch đại điện áp A v

Quan sát thấy rằng v tăng thêm nữa sẽ khiến cho BE v chỉ giảm một lượng không CE

đáng kể: Trong vùng bão hòa, v CE V CEsat, mà chỉ giảm trong một khoảng hẹp từ 0,1V tới 0,2V Giá trị V CEsat gần như là hằng số mà tạo ra vùng làm việc này của BJT được gọi là vùng bão hòa Dòng colectơ cũng sẽ vẫn gần như không đổi ở giá trị I Csat,

C

CEsat CC

Csat

R

V V

bởi dòng bazơ

5.4.2 Hệ số khuếch đại

Để sử dụng BJT như một bộ khuếch đại tuyến tính, thì nó phải được phân cực ở một

điểm trong vùng tích cực Hình 5.25(b) chỉ ra một điểm phân cực như vậy , có tên là Q (điểm làm việc tĩnh), và được mô tả bởi điện áp một chiều bazơ – emitơ V và điện áp một chiều BE

colectơ – emitơ V Nếu dòng colectơ tại giá trị của CE V được ký hiệu là BE I , tức là, C

T

BE V V S

thì từ mạch điện trong Hình 5.25(a) ta có thể viết

C C CC

V   (5.52) Bây giờ nếu tín hiệu được khuếch đại, v i, được xếp chồng lên V BEvà giữ ở giá trị đủ nhỏ, như được thể hiện trong Hình 5.25(b), điểm làm việc tức thời sẽ bị giới hạn trong một đoạn tương đối ngắn và đoạn gần như tuyến tính của đặc tuyến truyền đạt quanh điểm phân

cực Q Độ dốc của đoạn tuyến tính này sẽ bằng với độ dốc của tiếp tuyến với đặc tuyến truyền đạt tại điểm Q Một biểu thức cho hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ A có thể được xác v

định bằng cách lấy vi phân biểu thức trong Phương trình (5.49) và tính toán đạo hàm tại điểm

Q ; nghĩa là, cho v V ,

I V v I v

dv

dv A

C C v

V

V V

R I

A   (5.54)

Trong đó V RClà điện áp một chiều rơi trên R , C

CE CC

Quan sát thấy rằng bộ khuếch đại CE là bộ khuếch đại đảo, tức là tín hiệu đầu ra lệch pha 180o so với tín hiệu vào Biểu thức đơn giản trong Phương trình (5.54) chỉ ra rằng hệ số khuếch đại điện áp của bộ khuếch đại emitơ chung là tỷ lệ của điện áp rơi trên R với điện thế C

nhiệt V ( T 25mVở nhiệt độ phòng) Theo đó để tối đa hóa hệ số khuếch đại ta nên sử dụng điện áp rơi trên R lớn nhất có thể Với giá trị C V CCcho trước, Phương trình (5.55) chỉ ra rằng

để tăng V RC transistor phải hoạt động với một điện áp V thấp hơn Tuy nhiên, căn cứ theo CE

Hình 5.25(b) ta nhận thấy rằng với V nhỏ hơn thì đồng nghĩa với điểm phân cực Q gần với CE

phần cuối của vùng tích cực , nghĩa là phải không rời phần âm của tín hiệu đầu ra khi bộ khuếch đại không nằm trong vùng bão hòa Nếu điều này xảy ra, đỉnh âm của dạng sóng v sẽ o

trở nên bằng phẳng Thực vậy, cần cho phép đủ không gian cho phạm vi của tín hiệu đầu ra

đồng nghĩa với việc xác định vị trí hiệu quả nhất của điểm phân cực Q trên vùng tích cực ,

YZ, của đặc tuyến truyền đạt Đặt điểm Q quá cao trên đoạn này không chỉ làm giảm hệ số

khuếch đại (vì V RCthấp hơn) mà còn có thể giới hạn phạm vi dao động có thể của phần tín hiệu dương Ở cuối đầu ra dương, sự giới hạn được bổ xung bởi chế độ đóng của BJT , mà khi

đó thậm chí việc biên độ đầu ra dương bị x én bớt xuống mức bằng với V CC Cuối cùng, cần chú ý rằng hệ số khuếch đại A lớn nhất theo lý thuyết đạt được bởi phân cực BJT ở biên của v

vùng bão hòa, tất nhiên nó không dành không gian cho phần âm của tín hiệu Hệ số khuếch đại đầu ra được cho bởi

T

CEsat CC

v

V

V V

Xu hướng trong thực tế hiện nay là sử dụng điện áp nguồn cung cấp ngày càng thấp hơn nữa , hiện nay là gần 1V hoặc trong khoảng ấy Ở các điện áp cung cấp thấp như vậy , giá trị hệ số khuếch đại lớn có thể nhận được bằng cách thay thế điện trở R bởi một nguồn dòng không C

đổi, như sẽ được thấy trong Chương 6

5.4.3 Phân tích bằng đồ thị

Mặc dù các phương pháp đồ thị thường là ít có giá trị thực tế trong việc phân tích và thiết kế hầu hết các mạch transistor , nhưng nó vẫn có thể minh họa bằng đồ thị chế độ hoạt động của một mạch khuếch đại transistor đơn giản Xét mạch điện trong Hình 5.26, nó giống với mạch điện mà ta đã và đang nghiên cứu ngoại trừ có mắc thêm một điện trở ở cực bazơ ,

B

R Phân tích bằng đồ thị sự hoạt động của mạch này có thể được thể hiện như sau : Trước tiên, ta phải xác định điểm phân cực một chiều Tiếp theo ta cho v i 0 và sử dụng phương pháp được minh họa trong Hình 5.27 để xác định dòng một chiều bazơ I Tiếp đó chúng ta B

chuyển sang đặc tính i C V CE, được thể hiện trong Hình 5.28 Ta biết rằng điểm làm việc sẽ nằm trên đường cong i C V CE tương ứng với giá trị của dòng bazơ mà ta đã xác định (đường cong ứng với i B I B) Điểm làm việc này nằm ở đâu trên đường cong sẽ được xác định bởi mạch colectơ Cụ thể, mạch colectơ sẽ có phương trình

v CE V CC i C R C

mà có thể được viết lại như sau

CE C C

CC

R R

V

i   1

Nó mô tả mối quan hệ tuyến tính giữa v CE và i Quan hệ này có thể được biểu diễn C

bởi một đường thẳng , như chỉ ra trong Hình 5.28 Vì R có thể được xem như tải của bộ C

khuếch đại, đường thẳng có độ dốc 1/R Cđược biết đến như đường tải

Hình 5.26 Mạch điện thể hiện quá trình hoạt động được phân tích bằng đồ thị

Hình 5.27 Đồ thị xác định dòng một chiều bazơ trong mạch điện của Hình 5.26

Hình 5.28 Đồ thị xác định dòng một chiều colectơ I Cvà điện áp giữa colectơ và emitơ V CEtrong

mạch điện Hình 5.26

Điểm phân cực một chiều, hay điểm làm việc tĩnh, Q sẽ nẵm ở điểm giao nhau của đường tải

và đường cong i Cv CE tương ứng với dòng bazơ I Tọa độ của điểm Q cho ta dòng một B

chiều colectơ và điện áp một chiều colectơ – emitơ V Quan sát thấy rằng trong hoạt động CE của bộ khuếch đại , điểm Q nên nằm trong vùng tích cực và hơn nữa nó nên được đặt ở chỗ

mà cho phép một phạm vi tín hiệu hợp lý khi tín hiệu đầu vào v được đặt Điều này sẽ được i

giải thích rõ ràng hơn ở phần sau

Trường hợp khi v được đặt vào được minh họa trong Hình 5.29 Trước tiên hãy xem i

xét Hình 5.29(a), trong đó mô tả một tín hiệu v có dạng sóng hình tam giác được xếp chồng i

lên điện áp một chiều V Tương ứng với mỗi giá trị tức thời của BB V BBv i (t), ta có thể vẽ một đường thẳng với độ dốc 1/R B Đường tải một chiều tức thời này giao với đường cong

BE

i  ở một điểm mà tọa độ của nó cho ta biết giá trị tức thời tổng của i và B v BE tương ứng với một giá trị cụ thể của V BBv i (t) Như một ví dụ, Hình 5.29(a) chỉ ra một đường thẳng tương ứng với v 0, v tại đỉnh dương của nó, và v tại đỉnh âm của nó Bây giờ, nếu biên độ

của v đủ nhỏ thì điểm làm việc tức thời được giới hạn trong một đoạn gần như tuyến tính của i

đường cong i Bv BE, khi đó, dạng sóng các tín hiệu i và b v sẽ có dạng tam giác , như được be

chỉ ra trong hình Tất nhiên điều này là phép xấp xỉ tín hiệu nhỏ Nói tóm lại, cấu trúc đồ thị trong Hình 5.29(a) có thể được sử dụng để xác định giá trị tổng tức thời của i tương ứng với B

mỗi giá trị của v i

Tiếp theo ta chuyển sang đặc tính i Cv CE ở Hình 5.29(b) Điểm làm việc sẽ di chuyển dọc theo đường tải có độ dốc 1/R Ckhi i đi qua các giá trị tức thời được xác định từ Hình B

5.29(a) Cho ví dụ, khi v iở đỉnh dương của nó, i B i B2 (từ Hình 5.29(a)), và điểm làm việc tức thời ở mặt phẳngi Cv CEsẽ nằm ở giao điểm của đường tải và đường cong tương đương với i B i B2 Theo cách này , ta có thể xác định các dạng sóng của i và C v CEvà do đó có thể xác định thành phần tín hiệu i và C v CE, như được chỉ ra trong Hình 5.29(b)

Ảnh hưởng của vị trí điểm phân cực đến phạm vi tín hiệu cho phép Vị trí điểm phân cực

một chiều trong mặt phẳng i C v CEảnh hưởng đáng kể tới phạm vi cho phép tối đa của tín hiệu ở colectơ Tham khảo Hình 5.29(b) và quan sát thấy rằng đỉnh dương của v không thể ce

vượt quá V CC, nói cách khác, transistor bước vào vùng làm việc cắt dòng Tương tự như thế, đỉnh âm của v cekhông thể mở rộng xuống phía dưới của một vài phần mười volt (thường là 0,3V), nói cách khác, transistor bước vào vùng làm việc bão hòa Vị trí của điểm phân cực trong Hình 5.29(b) cho phép một phạm vi xấp xỉ nhau theo mỗi hướng

Hình 5.29 Mô tả bằng đồ thị của các thành phần tín hiệu v be,i b,i cvà v ce khi một thành phần tín

hiệu v i được xếp chồng lên điện áp một chiều V BB (xem Hình 5.26)

Hình 5.30 Ảnh hưởng của vị trí điểm phân cực đến phạm vi tín hiệu cho phép: Đường tải A dẫn

đến điểm phân cực Q A với V CEtương ứng có giá trị gần bằng V CCvà do đó giới hạn phần dương của

CE

giới hạn phần âm của v CE

Tiếp theo ta xem xét Hình 5.30 Ở đây ta chỉ ra hai đường tải tương đương với hai giá trị của R Đường A tương đương với giá trị C R nhỏ và dẫn đến kết quả là điểm làm việc C Q , A

trong đó giá trị của V rất gần với CE V CC Do đó phạm vi dương của v sẽ bị giới hạn một ce

cách khắt khe; trong trường hợp này , được gọi là không đủ “không gian trên” Mặt khác, đường B, tương đương với R lớn, kết quả là có điểm làm việc C Q , mà B V của nó là quá CE

thấp Do đó, với đường B, dù có không gian rộng cho sai lệch dương của v (có nhiều không ce

gian trên), phạm vi tín hiệu âm bị giới hạn đáng kể bởi ở gần với vùng bão hòa (không đủ

“không gian dưới”) Rõ ràng chúng ta cần quan tâm tới một sự cân bằng giữa giữa hai trường hợp này

5.4.4 BJT hoạt động ở chế độ chuyển mạch

Để BJT hoạt động như một khóa chuyển mạch , ta sử dụng các chế độ hoạt động cắt dòng và bão hòa Để minh họa cho điều này , một lần nữa ta lại xét một mạch emitơ chung được chỉ ra trong Hình 5.31 với đầu vào thay đổi v Cho I v nhỏ hơn khoảng 0,5V, transistor I

sẽ bị khóa ; do đó i B 0,i C0và v C V CC Ở trạng thái này , điểm C bị ngắt kết nối với đất ; chuyển mạch ở vị trí mở

Để mở transistor, ta phải tăng v quá 0,5V Trong thực tế, với dòng đáng kể chạy qua, I

BE

v sẽ khoảng 0,7V và v nên đặt lớn hơn Dòng bazơ sẽ là I

B

BE I B

R

V v

i  

và dòng colectơ sẽ là