Mạch phân cực của transistor

Việc phân tích hay thiết kế một mạch khuếch đại đòi hỏi sự hiểu biết về đáp ứng dc và ac của hệ thống. Người ta thường nhầm lẫn rằng transistor là một linh kiện khuếch đại tín hiệu mà không cần nguồn năng lượng cung cấp. Thực ra việc khuếch đại tín hiệu ac là từ quá trình chuyển đổi năng lượng từ nguồn cung cấp dc. Do đó việc phân tích hay thiết kế bất kỳ 1 mạch khuếch đại điện tử đều chứa đựng 2 phần: phần dc và phần ac.

MẠCH PHÂN CỰC

CỦA TRANSISTOR

TRƯỜNG ĐH PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

Chương 5

5.1 Giới thiệu

Việc phân tích hay thiết kế một mạch khuếch đại đòi hỏi sự hiểu biết về đáp ứng dc và ac của hệ thống Người ta thường nhầm lẫn rằng transistor là một linh kiện khuếch đại tín hiệu mà không cần nguồn năng lượng cung cấp Thực ra việc khuếch đại tín hiệu ac là từ quá trình

chuyển đổi năng lượng từ nguồn cung cấp dc Do đó việc phân tích hay thiết kế bất kỳ 1 mạch khuếch đại điện tử đều chứa đựng 2 phần: phần dc

và phần ac

Các mức hoạt động dc của 1 transistor được điều khiển bởi 1 số các thông số bao gồm 1 dãy các điểm làm việc có thể có trên các đường đặc tính của transistor Các dòng điện dc và các mức điện áp dc phải được xác định, một mạch điện phải được xây dựng mà nó sẽ thiết lập

5.1 Giới thiệu

Hình 5.1 Đặc tuyến ngõ ra của BJT.

Một hệ số phân cực khác rất quan trọng cần chú ý đến: sự

lựa chọn và phân cực cho

transistor tại điểm làm việc mong

muốn phải tính đến ảnh hưởng

của nhiệt độ Nhiệt độ làm thay

đổi các hệ số như βac và dòng

điện I CEO Nhiệt độ càng tăng thì

dòng điện ICEO tăng làm thay đổi

điểm làm việc Q

Do đó các mạch điện phải thiết kế có sự ổn định nhiệt độ để khi

có sự thay đổi nhiệt độ thì sự thay đổi của điểm làm việc là nhỏ nhất Sự

ổn định của điểm làm việc được chỉ định bởi hệ số ổn định S để xác định mức độ thay đổi điểm làm việc phụ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ.

5.2 PHÂN TÍCH ĐƯỜNG TẢI

5.2.1 Điểm làm việc tĩnh và đường tải 1 chiều

Xét 1 tầng khuếch đại đơn giản như hình 5.2

Hình 5.2 Tầng khuếch đại đơn giản.

BJT làm việc ở chế độ khuếch đại tín hiệu khi:

- Tiếp giáp J E phân cực thuận.

- Tiếp giáp J C phân cực ngược.

* Xác định điểm làm việc tĩnh Q bằng đồ thị

- Từ đó, ta được:

- Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho ngõ vào, ta có:

BE B

B

B

R

VV

- Từ đó, ta được:

Hình 5.4 Điểm Q ngõ ra.

- Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho ngõ ra, ta có:

CE C

C

C

R

VV

việc tĩnh ngõ ra của mạch Q(VCEQ, ICQ)

5.2 PHÂN TÍCH ĐƯỜNG TẢI

gọi là đường tải 1 chiều ngõ ra của mạch

Nếu dòng điện IB thay đổi bởi các giá trị khác nhau của RB thì điểm tĩnh Q sẽ di chuyển lên hoặc di chuyển xuống như hình 5.5 Nếu điện áp VCC và IB giữ cố định và điện trở RC thay đổi thì đường tải sẽ dịch chuyển như hình 5.6

5.2 PHÂN TÍCH ĐƯỜNG TẢI

Nếu RC cố định và VCC thay đổi thì đường tải dịch chuyển như hình 5.7.

5.2 PHÂN TÍCH ĐƯỜNG TẢI

Hình 5.7 Điểm Q thay đổi theo điện áp V CC .

5.2 PHÂN TÍCH ĐƯỜNG TẢI

5.2.2 Đường tải xoay chiều

Ta có phương trình ngõ ra chỉ với tín hiệu ac:

i : Dòng điện cực Collector đối với cả tín hiệu xoay chiều và tín

0 v

) R //

R (

ic C L + ce =

ce L

C

) R //

R (

5.2 PHÂN TÍCH ĐƯỜNG TẢI

Vậy phương ngõ ra khi có nguồn tín hiệu ac là:

Phương trình trên chính là phương trình đường tải ac của mạch

) V v

( ) R //

R (

1 )

I i

L C

CQ

CQ L

C

CEQ CE

L C

) R //

R (

V v

) R //

R (

CEQ

)R//

R(

V

Khi iC = 0 thì vCE = ICQ ( R C // R L ) + VCEQ

5.2 PHÂN TÍCH ĐƯỜNG TẢI

Nhận xét: ACLL và DCLL luôn luôn giao nhau tại điểm làm việc tĩnh Q

5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT 5.3.1 Mạch khuếch đại phân cực cố định.

Mạch kđ phân cực cố định như hình 5.9 sử dụng transistor npn

Hình 5.9 Mạch phân cực cố định.

Sơ đồ mạch hình 5.9 có thể chia nguồn cung cấp dc Vcc thành 2 nguồn như hình 5.10

Hình 5.10 Tách nguồn cung cấp.

R

V V

V = +

E C

5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT

Ví dụ 5.3: Cho sơ đồ mạch như hình vẽ 5.15.

Biết BJT loại Silic, β = 80, IB = 40μA, RC = 2,5kΩ và VCC = 20V

a Xác định giá trị điện trở RB

b Tính dòng điện IC

c Tính VCE

* Ho ạt động bão hòa của BJT

Đối với transistor hoạt động ở vùng bảo hòa thì dòng điện đạt giá trị cực đại trong mạch điện đó

Các trường hợp bảo hòa thường nên tránh bởi vì mối nối CB không còn phân cực ngược dẫn đến tín hiệu ngõ ra bị méo dạng

Trong vùng bão hòa thì các đường cong đặc tính được nối lại với nhau và điện áp CE nằm tại mức hoặc thấp hơn mức điện áp VCEsat Dòng điện IC có giá trị tương đối lớn trên đường cong đặc tính

Hình 5.16 Điểm làm việc ở vùng bảo hòa.

* Ho ạt động bão hòa của BJT

Ta dùng các đường cong xấp xỉ như hình 5.16b để xác định nhanh các mức giá trị trong vùng bão hòa, thì dòng điện IC tương đối lớn còn điện áp VCE xem như bằng 0V Áp dụng định luật Ohm để tính điện trở mối nối CE:

Đối với mạch phân cực

cố định khi transistor ở chế độ

bão hòa thì sơ đồ mạch như hình

5.17, điện áp rơi trên R chính

CE CE

I

V I

V R

5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT 5.3.2 Mạch phân cực cố định ổn định cực emitter

Mạch phân cực dc hình 5.18 có thêm 1 điện trở tại cực Emitter để cải thiện mức độ ổn định của cấu hình mạch phân cực cố định

Hình 5.18 Mạch phân cực BJT có

thêm điện trở cực E Hình 5.19 Nhánh BE Hình 5.20 Nhánh CE

B B

B B

V = + + (β + 1 )

Rút gọn và suy ra dòng điện I : V −V Hình 5.19.

E E

E E

Thay IC = ICQ vào biểu thức trên ta được điện áp VCEQ là:

) R R

( I V

VCE = CC − CQ C + EVậy ta xác định được tọa độ điểm làm việc tĩnh Q(V , I )

Hình 5.19

5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT

Ví dụ 5.4: Cho sơ đồ mạch như hình vẽ 5.21.

Biết BJT loại Silic, β = 80, RB

5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT

5.3.3 Mạch phân cực bằng điện áp hồi tiếp từ collector

Xét mạch phân cực hồi tiếp điện áp như hình 5.23

1 (

R

V

V I

E C

B

BE CC

B

+ +

B B C

C

E B BE

B B C

B CE

E E

CC I R V ( I I ) R

) R R

)(

I I

( V

VCE = CC − B + C C + E

)RR

(I)1

(V

VCE = CC − + B C + E

<=> β

Hình 5.25 Mạch vòng CE.

Ví dụ 5.6 Cho mạch điện như hình 5.26

Ví dụ 5.7 Cho mạch điện như hình 5.27

5.3 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT

5.3.3 Mạch phân cực bằng cầu phân áp:

Xét mạch phân cực bằng cầu phân áp như hình 5.28

Hình 5.28 Mạch phân cực kiểu phân áp Hình 5.29 Mạch tương đương

Thêvênin

5.2 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO BJT

2 1

2 1 2

1 Th

RR

R

RR

hình 5.30

- Xác định điện áp Thevenin EThnhư mạch điện như hình 5.31

2 2

R R

R V

E Th

BE Th

B

R R

V E

I

) 1 ( + +

−

=

β

Phương trình mạch vòng CE không có gì thay đổi – kết quả được:

Đây chính là giá trị dòng điện IBQ, từ đó suy ra dòng điện ICQ:

Thay I = I vào biểu thức trên ta được điện áp V

b Xác định điện áp trên các chân của BJT.

b Xác định điện áp trên các chân của BJT.

5.4 HỆ SỐ ỔN ĐỊNH NHIỆT

Các yếu tố gây bất ổn định điểm làm việc đó là: điện áp nguồn cung cấp, nhiệt độ… Ở đây ta chỉ xét đến yếu tố nhiệt độ vì nó liên quan đến vấn đề phân cực cho transistor

Khi nhiệt độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến các thông số của transistor, thể hiện bởi các tham số sau:

1 2

2)()

( 2 1 T

T T CO

5.4 HỆ SỐ ỔN ĐỊNH NHIỆT

Vậy khi nhiệt độ làm việc của transistor bị thay đổi làm các thông

số trên của transistor thay đổi theo kết quả là điểm làm việc Q bị dịch chuyển trên đặc tuyến ngõ ra hình 5.34

Tiêu chuẩn đánh giá sự bất ổn định của mạch theo nhiệt độ là S, các hệ số ổn định là:

CO

C CO

I

I I

V

I V

Ta thấy S càng nhỏ thì độ ổn định nhiệt của mạch càng cao

Trong trường hợp lý tưởng, ΔICO ≠ 0 nhưng ΔIC =0 Lúc này, S =

0 Thực tế không tồn tại trưởng hợp này

5.4 HỆ SỐ ỔN ĐỊNH NHIỆT

Thông thường ảnh hưởng của ICO đến dòng IC là nhiều nhất nên khi nói đến ảnh hưởng của nhiệt độ đến điểm công tác tĩnh, người ta chỉ quan tâm đến ảnh hưởng của ICO

CO

C CO

I

I I

Trong đó: IC = β IB + ( 1 + β ) ICO

) 1

5.4 HỆ SỐ ỔN ĐỊNH NHIỆT

Hình 5.34 Sơ đồ mạch phân cực bằng dòng cố định

Ví dụ 5.10 Xét sự ổn định nhiệt trong mạch sau.

)I

I1

(

)1

(I

I)

I(S

C

B CO

C CO

Ta thấy ΔIB = 0 (dòng IB luôn

cố định), nên hệ số ổn định của mạch

là:

) 1

( )

I (

Hệ số khuếch đại của mạch trong trường hợp này phụ thuộc vào hệ

số khuếch đại dòng điện tĩnh β

Nghĩa là muốn thay đổi độ ổn định của mạch chỉ còn cách thay đổi transítor, tuy nhiên hệ số β của transistor thường rất lớn

5.4 HỆ SỐ ỔN ĐỊNH NHIỆT

Ví dụ 5.11 Xét sự ổn định nhiệt trong mạch sau.

5.4 HỆ SỐ ỔN ĐỊNH NHIỆT

Ta có: VCC = IB RB + VBE + IE RE

CO E

C E

CO BE

E B

C

E

CO C

BE B

C

CO C

CC

RR

IV

RR

1I

R

I

IV

RI

I

IV

−+

α

α α

5.4 HỆ SỐ ỔN ĐỊNH NHIỆT

Thay

Ta được:

1 +

=

β

βα

CO E B

B E

E B

BE CC

R R

R

R R

R

V

V I

) 1 (

) 1

( )

1 (

)

(

+ +

+ +

+ +

β

- Độ ổn định nhiệt tính theo ICO:

E B

B

E CO

R R

R

R I

S

) 1 (

) 1 (

)

(

+ +

+ +

=

β β

BR

1 +

1 < < β +

E

B R

R

E

B CO

R

R I

(I CO − >

S

- Độ ổn định nhiệt tính theo VBE:

E B

BE

R R

V

S

)1(

1)

(

++

(

)1

()

(

2 1

1

B E

B C

R R R

R I

S

++

+

=

ββ

β

5.4 HỆ SỐ ỔN ĐỊNH NHIỆT

Từ công thức tính độ ổn định nhiệt trên, ta thấy các hệ số bất ổn định nhiệt này có giá trị biên độ lớn nhất khi RE có giá trị nhỏ và RB có giá trị càng lớn Vậy RE đóng vai trò ổn định nhiệt cho mạch

Tóm lại sự thay đổi của dòng IC theo các thông số của transistor khi nhiệt độ thay đổi là:

β

β ∆ +

∆ +

∆

=

∆ IC S ( ICO) ICO S ( VBE) VBE S ( )

5.4 HỆ SỐ ỔN ĐỊNH NHIỆT

Ví dụ 5.12 Xét sự ổn định nhiệt trong mạch sau.

Hình 5.36 Mạch phân cực bằng điện áp hồi tiếp

- Xét mạch vòng BE:

C E C

B

E C

E C

B

BE CC

R R

R

R

R R

R R

V

V I

+ +

+

− +

B B C

C

E B BE

B B C

(I)RR

R(IV

VCC − BE = B B + C + E + C C + E

⇔

5.4 HỆ SỐ ỔN ĐỊNH NHIỆT

Từ đó ta tính độ ổn định nhiệt S của mạch:

Khi mạch không có RE thì:

)RR

)(

1(R

)RR

R)(

1(

)RR

R

R

R1

(

)1

()

I

I1

(

)1

(I

I)

I(S

E C

B

E C

B

E C

B

E C

C

B CO

C CO

++

+

++

+

=

++

++

β

β β

β

C B

C B

CO

R)1

(R

)RR

)(

1

()

I(

S

β

β

++

+

+

=

- Nếu RB << RC thì S -> 1 S càng nhỏ thì độ ổn định càng cao Tuy nhiên độ ổn định trong mạch này không thể nhỏ hơn 1 được

5.4 HỆ SỐ ỔN ĐỊNH NHIỆT

Hình 5.37 Mạch phân cực kiểu phân áp Hình 5.38 Mạch tương đương

5.4 HỆ SỐ ỔN ĐỊNH NHIỆT

Ví dụ 5.13 Xét sự ổn định nhiệt trong mạch sau.

E B

E C

E B

BE Th

B

R R

R

I R

R

V

E I

+

− +

E C

B

R R

R dI

E C

B CO

C CO

RR

R1

)1

()

I

I1

(

)1

(I

I)

I(S

++

β

Khi RE càng bé, RB càng lớn thì S càng gần giá trị 1

Ta thấy S xấp xỉ 1 và luôn nhỏ hơn 1 Hơn nữa, hệ số S không phụ thuộc vào RC nghĩa là không phụ thuộc vào điểm làm việc tĩnh S của mạch

5.5 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO FET

Đối với transistor trường thì mối quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra không tuyến tính phụ thuộc vào các thành phần trong phương trình Shockley

Mối quan hệ không tuyến tính giữa ID và VGS có thể phức tạp nếu dùng phương pháp toán học để phân tích cấu hình mạch dc của FET Phương pháp đồ thị giúp khảo sát nhanh các mạch khuếch đại dùng FET nhưng bị giới hạn về sai số

Một sự khác nhau rõ rệt giữa phân tích transistor BJT và transistor FET là đối tượng điều khiển đối với transistor BJT là dòng điện còn đối với transistor FET là điện áp

5.5 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CHO FET

Mối quan hệ tổng quát có thể được áp dụng để phân tích dc cho tất cả các mạch khuếch đại dùng FET:

- Đối với JFET và MOSFET kênh có sẵn thì phương trình

Shockley 1 được áp dụng để diễn tả mối quan hệ giữa các đại lượng vào

D

V

V I

I

V V

k

5.5.1 JFET

a Mạch phân cực cố định

Hình 5.39 Mạch phân cực cố định Hình 5.40 Mạch phân tích dc.

5.5.1 JFET

Do VGG là điện áp cung cấp cố định nên điện áp VGS cũng có giá trị cố định nên mạch được gọi là mạch phân cực cố định

Hình 5.41 Đồ thị phương trình Shockley Hình 5.42 Xác định điểm Q.

Dòng điện ID được xác định bởi phương trình:

D

V

V I

I

Phân tích bằng đồ thị đòi hỏi phải vẽ đồ thị của phương trình Shockley được trình bày như hình 5.41

5.5.1 JFET

Trong hình 5.42 ta vẽ đường thẳng tại điểm có giá trị điện áp VGS

= -VGG , đường thẳng này cắt đồ thị của phương trình Shockley tại 1 điểm – điểm này còn được gọi là điểm làm việc Q Điểm tĩnh Q có tọa

VGS + D S =

GS D

R

V

I = −

<=>

V

V 1

I I

Ví dụ 5.15 Cho mạch điện như hình 5.46

Hình 5.46 Mạch tự phân cực.

b Vẽ đặc tuyến

Ví dụ 5.16 Cho mạch điện như hình 5.47

Hình 5.47 Mạch tự phân cực.

b Vẽ đặc tuyến

5.5.1 JFET

c Mạch phân cực bằng cầu phân áp

Hình 5.48 Mạch tự phân cực Hình 5.49 Mạch tự phân cực.

DD 2

Th

R R

V

R V

+

Th

R R

R

R R

+

=

5.5.1 JFET

S

GS Th

G S

D

V

V 1

I I

Ví dụ 5.17 Cho mạch điện như hình 5.50

Hình 5.50 Mạch tự phân cực.

b Vẽ đặc tuyến

5.5.2 MOSFET KÊNH CÓ SẴN

Sự giống nhau giữa các đường cong của JFET và MOSFET kênh

có sẵn cho phép phân tích phân cực dc giống nhau

Sự khác nhau cơ bản giữa JFET và MOSFET kênh có sẵn là MOSFET kênh có sẵn cho phép các điểm hoạt động với các giá trị dương của VGS và ID lớn hơn giá trị IDSS

Trong thực tế đối với tất cả các cấu hình đã khảo sát thì việc phân tích JFET có thể thay thế bằng MOSEFET kênh có sẵn

5.5.3 MOSFET KÊNH CẢM ỨNG

Các đặc tính của MOSFET kênh cảm ứng (kênh chưa có sẵn) hoàn toàn khác với JFET và MOSFET kênh có sẵn, đó là dòng điện cực máng ID của MOSFET kênh chưa có sẵn bằng 0 khi điện áp VGS nhỏ hơn điện áp ngưỡng VT

Khi điện áp VGS lớn hơn VTthì dòng điện cực máng xác định

theo phương trình:

T GS

D k V V

T )

ON ( GS

) ON ( D

V V

I k

−

=

Hình 5.51 Đặc tuyến truyền đạt của MOSFET kênh cảm ứng.

5.5.3 MOSFET KÊNH CẢM ỨNG

a Mạch phân cực hồi tiếp

Hình 5.53 Mạch rút gọn Hình 5.52 Mạch có hồi tiếp cực G

D D D

GS D

R

V R

V

I = − +

<=>

D D

Mặc khác, ta có:

5.5.3 MOSFET KÊNH CẢM ỨNG

b Mạch phân cực bằng cầu phân áp