Bài giảng kỹ thuật tương tự

Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ Đối với tín hiệu nhỏ thì BJT được coi là mạng bốn cực tuyến tính, nên có thể dùng hệ phương trình của mạng bốn cực M4C tuyến tính để biểu diễn giữa các dòn

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT TƯƠNG TỰ

Hưng Yên 2015

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đòi hỏi công nghệ luôn luôn phải vận động để phù hợp với qúa trình phát triển đó Tuy nhiên những kiến thức cơ bản để tính toán

và phân tích cấu trúc của các mạch điện tử là hết sức cần thiết Để phục vụ cho quá trình học tập của sinh viên và làm tài liệu tham khảo, chúng tôi đã biên soạn cuốn giáo trình Mạch điện tử 1, bao gồm tích hợp các nội dung kiến thức về lý thuyết và thực hành về mạch điện tử tương tự để các bạn đọc tiện tham khảo Bên cạnh đó hầu hết sau mỗi chương

có các bài tập ứng dụng (được đề cập ở cuối giáo trình) để các bạn thuận tiện hơn trong quá trình học tập

Do thời gian biên soạn có hạn cũng như trình độ còn nhiều hạn chế rất mong được

sự đóng góp của các bạn đọc để những lần tái bản sau được hoàn chỉnh hơn

Chương I: KHÁI NIỆM CHUNG VÀ CƠ SỞ PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN TỬ 1.1 Khái niệm mạch điện tử và nhiệm vụ của nó

Các mạch điện tử có nhiệm vụ gia công tín hiệu theo những thuật toán khác nhau

và được phân loại theo dạng tín hiệu cần được xử lý

Trong thực tế tín hiệu thường tồn tại dưới hai dạng cơ bản: tín hiệu tương tự (anolog) và tín hiệu số (digital) Tín hiệu tương tự là loại tín hiệu biến thiên liên tục theo thời gian, còn tín hiệu số là loại tín hiệu đã được rời rạc hoá theo thời gian và lượng tử hoá về biên độ

Các tín hiệu (kể cả tín hiệu tương tự và tín hiệu số) đều có thể được: khuếch đại; điều chế; ghi nhớ; điều khiển; tách sóng; biến dạng và các mạch điện tử có nhiệm vụ thực hiện các thuật toán trên Trong nội dung của cuốn giáo trình này chúng ta chỉ đề cập tới các mạch điện tử tương tự

Đối với tín hiệu tương tự người ta đặc biệt quan tâm tới tỷ số S/N Tín hiệu/Tạp âm) sao cho tỷ số này luôn lớn hơn 1 Để giải quyết vấn đề này người ta thường quan tâm tới hai thông số chủ yếu là biên độ tín hiệu và độ khuếch đại tín hiệu

(Signal/Noise-Biên độ tín hiệu thể hiện độ chính xác của quá trình gia công tín hiệu, xác định độ ảnh hưởng của nhiễu tới hệ thống Khi biên độ tín hiệu nhỏ thì nhiễu có thể sẽ lấn át tín hiệu Vì vậy khi thiết kế hệ thống điện tử cần nâng biên độ ngay ở tầng đầu

Khuếch đại tín hiệu là chức năng quan trọng nhất của mạch tương tự, nó có thể thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các phần tử của hệ thống

Trong vài thập kỷ gần đây với sự ra đời của bộ khuếch đại thuật toán, các mạch tổ hợp đã mở ra cho ngành kỹ thuật điện tử nhiều thành công mới Chúng không những đảm bảo thoả mãn yêu cầu kỹ thuật mà còn có độ tin cậy rất cao và giá thành hạ Trong tương lai các nhà thiết kế sẽ càng tạo ra các mạch điện tử tổ hợp trên chíp có các chức năng ngày một hoàn hảo hơn Su hướng phát triển là giảm nhỏ kích thước bên trong của mạch trong chế tạo bằng cách giảm số chủng loại, nhưng tăng tính phổ biến của mạch trong ứng dụng hay tăng tính sử dụng của từng chủng loại

1.2 Đặc tính cơ bản và các tham số của diode (Tính dẫn điện, chỉnh lưu, ổn áp, đặc tuyến Vol - Ampe)

Diode bán dẫn là phần tử một mặt ghép pn Về cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Đặc tuyến Vol-Ampe của diode được thể hiện trên hình 1.1

Đường đặc tuyến Vol-Ampe của diode được chia làm ba vùng rõ rệt:

- Vùng 1 gọi là vùng phân cực thuận, dòng điện IAK phụ thuộc vào điện áp phân

cực thuận UAK Giá trị của dòng IAK rất lớn đó chính là sự khuếch tán có hướng của các

hạt đa số qua chuyển tiếp pn

Ứng dụng của vùng 1 để làm các diode chỉnh lưu điện áp, dòng điện

- Vùng 2 gọi là vùng phân cực ngược Giá trị của dòng IAK tăng rất nhỏ cho dù

điện áp UAK tăng một lượng khá lớn Sở dĩ dòng IAK tăng chậm như vậy là do sự chuyển

động của các hạt thiểu số qua chuyển tiếp pn

Ứng dụng của vùng 2 để làm các mạch chỉnh lưu điện áp, các mạch ghim điện áp

- Vùng 3 gọi là vùng đánh thủng tương ứng khi tăng điện áp phân cực ngược cho

diode tới một giá trị ngưỡng nào đó (UAKng) mà ở đó diện tích không gian của tiếp ráp pn

có thể chiếm toàn bộ cả hai vùng bán dẫn p và n Nếu tăng điện áp phân cực ngược vượt quá giá trị điện áp ngưỡng thì tiếp ráp pn bị đánh thủng hoàn toàn theo hiệu ứng thác lũ, cấu trúc một tiếp ráp pn của điốt không còn tồn tại

Ứng dụng của vùng 3 để làm các phần tử ổn áp (diode zener)

(1)

0

(3)

Đường lý tưởngĐường thực tế

1.3 Đặc tính và các tham số cơ bản của transistor lưỡng cực (BJT)

1.3.1 Đặc tính tĩnh và các phương trình cơ bản

Có hai loại transistor là npn và pnp mà cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng

đã được nghiên cứu trong chương trình môn điện tử căn bản hoặc linh kiện điện tử Phần này chỉ nhắc lại một số vấn đề cơ bản của chúng

Từ quá trình hoạt động của BJT người ta đưa ra các họ đặc tuyến quan trọng của chúng

- Họ đặc tuyến vào: IB = f(UBE) khi giữ các tham số đầu ra cố định

- Họ đặc tuyến đầu ra: IC = f(UCE) khi giữ các tham số đầu vào cố định

- Họ đặc tuyến truyền đạt: IC = f(IB) khi giữ các tham số đầu ra cố định

Các BJT này có thể mắc theo emitter chung (EC), base chung (BC), collector chung (CC) Trong ba cách mắc trên thì cách mắc EC được ứng dụng rộng rãi nhất, vì vậy trong quá trình khảo sát đặc biệt quan tâm đến cách mắc này

Để điều khiển BJT có thể dùng dòng emitter IE hoặc dòng base IB

Nếu dùng dòng IE để điều khiển thì hệ số khuếch đại của BJT được tính theo biểu thức

)1.1(E

C N

I

I

A 

Trong đó AN là hệ số khuếch đại (KĐ) dòng một chiều trong cách mắc BC và AN <1

Nếu dùng dòng IB để điều khiển thì hệ số khuếch đại của BJT được tính theo biểu thức

)2.1(

B

C N I

I

Trong đó BN là hệ số KĐ dòng một chiều trong cách mắc EC và BN >>1 Vì IE = IB +

IC, nên giữa BN và AN có các mối qua hệ sau:

N

N N

N N

N

N N

B

A B

B A

A

A B

;1

;1

1.3.2 Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ

Đối với tín hiệu nhỏ thì BJT được coi là mạng bốn cực tuyến tính, nên có thể dùng

hệ phương trình của mạng bốn cực (M4C) tuyến tính để biểu diễn giữa các dòng điện, điện áp vào và ra của BJT Trong các hệ phương trình của M4C, để mô tả cho BJT thường hệ phương trình tham số h và hệ phương trình dẫn nạp tham số Y

Hệ phương trình tham số h và hệ phương trình dẫn nạp tham số Y của một M4C

có dạng sau

)3.1(2

22 1 21 2

2 12 1 11 1

U h I h U

)4.1(2

22 1 21 2

2 12 1 11 1

U Y U Y I

Các tham số hij và Yij của các hệ phương trình 1.3 và 1.4 được xác định theo bảng sau

Bảng 1.1

hij

021

1 11





U I

U h

012

1 12





I U

U h

021

2 21





U I

I h

012

2 22





I U

I h

Yij

021

1 11





U U

I Y

012

1 12





U U

I Y

021

2 21





U U

I Y

012

2 22





U U

I Y

1.4 Đặc tính cơ bản và các tham số của transistor hiệu ứng trường (FET)

1.4.1 Phân loại và các đặc tính cơ bản

Để thuận tiện cho việc nghiên cứu và ghi nhớ chúng ta có thể phân loại FET (Field Effect Transistor) theo đồ hình 1.3

Theo sơ đồ phân loại hình 1.3 ta thấy có 6 loại transistor hiệu ứng trường (FET)

Ký hiệu và đặc tuyến của chúng được chỉ ra trong bảng 1.2

Nếu đặt vào cực cửa G (Gate) và cực nguồn S (Source) một tín hiệu, làm điện áp

UGS thay đổi làm cho điện trở giữa cực máng D (Drain) và cực nguồn S thay đổi làm dòng điện cực máng ID thay đổi theo Vậy FET là một dụng cụ khống chế điện áp Trong thực tế, có nhiều FET đối xứng, nghĩa là có thể đổi lẫn cực máng và cực nguồn mà tính chất của FET không đổi

- Trong JFET, cực cửa G nối với kênh máng-nguồn qua mặt ghép pn hoặc np Khi đặt điện áp phân cực UGS đúng chiều quy ước (bảng 1.2) thì diode mặt ghép ngắt, ngược lại

nếu đổi chiều UGS thì diode mặt ghép thông, do đó dòng cực cửa IG khác không

- Với MOSFET thì cực cửa G và kênh máng-nguồn được cách ly bởi một lớp

SiO2, do đó dòng cực cửa IG luôn luôn bằng không

(FET chuyển tiếp pn) JFET FET có cấu trúc kim loại-điện

môi- bán dẫn (MOSFET)

S

D G

S

U DS

U GS

ID

Bảng 1.2: Ký hiệu và các họ đặc tuyến của FET

Khi làm việc, dòng cực cửa IG của JFET cỡ 1 pA đến 10 nA, còn dòng cửa của MOSFET nhỏ hơn JFET cỡ 10-3

lần Vì vậy điện trở trong của JFET nằm trong khoảng

10101013 và của MOSFET cỡ khoảng 10131015

Trong các FET kênh n, dòng điện cực máng ID giảm (về trị tuyệt đối) khi điện thế cực cửa giảm, còn trong FET kênh p thì ngược lại Để đơn giản, sau đây ta chỉ xét FET

kênh n Trường hợp FET kênh p thì chỉ việc đảo chiều điện áp cung cấp (xem bảng 1.2)

Nếu trong mạch có diode hoặc tụ hóa thì cũng phải đảo chiều mắc các linh kiện này

I D

0 U p

IDSS

P GS

Hình 1.4 Các miền làm việc của FET

JFET và MOSFET kênh đặt sẵn có dòng cực máng ID lớn khi điện áp UGS = 0, vì thế các loại FET này còn có tên chung là FET tự dẫn Ngược lại với MOSFET có dòng

cực máng ID = 0 khi điện áp UGS = 0 gọi là FET tự ngắt

Trên đặc tuyến ra của FET hình 1.4 ta thấy khi UDS tăng quá lớn thì dòng cực

máng ID tăng đột biến, khi đó xảy ra hiện tượng đánh thủng Điện áp đánh thủng cỡ 20

50 V và được xác định theo biểu thức (1.5)

) 5 1 (

0 GS DSTo

Bảng 1.3

Loại

FET

Biểu thức toán học biểu diễn đặc tuyến Vol - Ampe của FET

(

2

DS DS P GS P

DSS D

U U U U U

I I

(1.6)

) (

) 1

2 2

P

DSP DSS P

GS DSS D

U

U I U

U I

3

3 2

P D

GS D P

D

D GS DS P

D

DS D

U U

U U U

U

U U U U

U

U I I

(

2

DS DS P GS P

DSS D

U U U U U

I I

(1.9)

Khi sử dụng FET, đặc biệt là MOSFET cần phải quan tâm đến điện áp cho phép

cực đại UGSmax và UGDmax Trong thực tế để bảo vệ cho MOSFET người ta thực hiện mắc

giữa đầu G và đầu S một diode zener mà điện áp zener của nó lớn hơn điện áp nguồn cung cấp, sao cho diode đạt hiệu ứng zener khi UGS = UGsmax Tuy nhiên diode zener sẽ làm giảm điện trở vào của MOSFET

Điện áp tạp âm của FET thường nhỏ hơn điện áp tạp âm của transistor lưỡng cực nhiều Điện áp tạp âm của MOSFET ở tần số thấp lớn hơn điện áp tạp âm của JFET từ 10 đến 1000 lần Vì vậy MOSFET chỉ thích hợp cho những sơ đồ ít tạp âm ở tần số cao Ở tần số thấp chỉ dùng MOSFET khi yêu cầu điện trở vào lớn mà JFET không thể thỏa mãn được

1.4.2 Sơ đồ tương và tần số giới hạn

Khi mắc FET với sơ đồ SC, ta có phương trình biểu diễn quan hệ giữa dòng điện

ra tức thời và điện áp các cực như sau:

iD = f(uGS, uDS) (1.10)

Vi phân toàn phần biểu thức 1.10 ta được:

)11.1(

DS

D GS

u

i u

u

i

GS u

DS

D DS

u DS

D

u

i u

+

S S

G

ds ds r

Ở tần số cao, người ta dùng sơ đồ tương đương hình 1.6, trong đó Cgs và Cgd là

điện dung cửa-nguồn và điện dung cửa-máng kể cả điện dung phân bố; Cds là điện dung

mặt ghép pn của máng và kênh hoặc nguồn và kênh Các điện dẫn gm và gds xác định theo các biểu thức (1.13) và (1.14)

Hình 1.6 Sơ đồ tương đương tần số cao của FET

U

+

S S

G I G C gd

C gs C ds

D I

y t = g t + jωC t

ds ds r

Bảng 1.4 cho biết giá trị đặc trưng của các tham số của FET

Để đặc trưng cho tính chất của FET ở tần số cao, dùng tần số giới hạn fg Tại tần

số fg hệ số khuếch đại điện áp Ku của FET giảm 2 lần so với hệ số khuếch đại ở tần số

thấp Kuo

1.4.3 Đặc điểm của FET so với BJT và đèn điện tử, ứng dụng của FET

So với đèn điện tử thì FET có những ưu điểm giống như transistor lưỡng cực như kích thước nhỏ, điện áp cung cấp nhỏ, công suất cung cấp nhỏ (vì không có sợi đốt), độ tin cậy cao So với transistor lưỡng cực, FET có những ưu điểm đặc biệt là không yêu cầu dòng vào (trở kháng vào lớn) nhưng nó lại có đặc điểm là độ dốc gm nhỏ và nhạy cảm đối với điện tích tĩnh Vì những lý do đó FET ít được dùng trong mạch rời rạc Dùng FET trong mạch tích hợp sẽ tiết kiệm được công suất cung cấp Vì vậy trong mạch rời rạc FET chỉ được dùng khi yêu cầu trở kháng vào lớn và tạp âm nhỏ Bảng 1.5 tóm tắt những ứng dụng cơ bản của FET

hiệu có trở kháng trong lớn Đặc tuyến truyền đạt bậc hai Tầng trộn tần (giảm hài bậc cao)

Chương II: MẠCH PHÂN CỰC VÀ KHUẾCH ÐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG BJT

-Hình 2.1

Phương pháp chung để phân tích mạch phân cực gồm ba bước:

- Bước 1: Dùng mạch điện đầu vào để xác định dòng điện đầu vào (IB hoặc IE)

- Bước 2: Suy ra dòng điện đầu ra từ các quan hệ giữa các đại lượng IC = IB; IC = IE

- Bước 3: Dùng mạch điện đầu ra để tìm các thông số còn lại (điện áp tại các chân,

giữa các chân của BJT )

B

R

U E

* Sự làm việc bão hòa của BJT

Sự liên hệ giữa các dòng điện IC và IB sẽ quyết định BJT có hoạt động trong vùng tuyến tính hay không Ðể BJT hoạt động thì tiếp ráp B-C (Jc) phải phân cực ngược Ở BJT npn và cụ thể ở hình 2.1 ta phải có:

R

V E

Nếu

C

CC C

R

V E

thì BJT sẽ đi dần vào hoạt động trong vùng bão hòa Từ điều

kiện này và liên hệ IC = IB ta tìm được trị số tối đa của IB, từ đó chọn RB sao cho thích hợp

R

E

I  gọi là dòng điện colectơ bão hòa ICbh

)4.2(

C

CC Cbh

R

E

2.2 Phân cực ổn định bằng cực Emitter

Mạch cơ bản giống mạch phân cực cố định, nhưng ở cực emitter được mắc thêm

một điện trở RE xuống mass Cách tính phân cực cũng có các bước giống như ở mạch phân cực cố định Xem hình 2.2

- Ở mạch điện đầu vào ta có: Ecc = RB.IB + UBE + RE.IE

Thay IE = (1+).IB

1 β (2.5)

-E B

BE CC B

R R

U E I

* Sự bão hòa của BJT

Tương tự như trong mạch phân cực cố định, bằng cách cho nối tắt giữa cực

collector và cực emitter ta tìm được dòng điện cực collector bão hòa ICbh

)7.2(

E B

CC Cbh

R R

E I





Ta thấy khi thêm RE vào, ICbh nhỏ hơn trong trường hợp phân cực cố định, tức BJT

dễ bão hòa hơn

2.3 Phân cực bằng cầu chia điện áp

Mạch cơ bản có dạng hình 2.3 Dùng định lý Thevenin biến đổi thành mạch hình 2.3b

IB



)8.2(

2 1

R R

R R R R

R BB







UBB = RBBIB + UBE + REIE

Thay: IE = (1+)IB

)1

BB

BE BB

B

R R

U U

cc

R R

E



Cách phân tích gần đúng:

Trong cách phân cực này, trong một số điều kiện, ta có thể dùng phương pháp tính

gần đúng Ðể ý là điện trở đầu vào của BJT nhìn từ phía cực bazơ B khi có RE là:

Ta thấy, nếu xem nội trở của nguồn UBE không đáng kể so với (1+)RE thì

Ri=(1+)RE Nếu Ri>>R2 thì dòng IB << I2 nên I1  I2, nghĩa là R2//Ri  R2 Do đó điện áp tại chân B có thể được tính một cách gần đúng:

2 1

2.

R R

R E

UB cc





Vì Ri = (1+)RE RE nên thường trong thực tế người ta có thể chấp nhận cách tính gần đúng này khi RE  10R2

Khi xác định xong UB, UE có thể tính bằng:

BE B

Trong cách tính phân cực này, ta thấy không có sự hiện diện của hệ số  Ðiểm làm

việc tĩnh Q được xác định bởi IC và UCE hoàn toàn độc lập với  Ðây là một ưu điểm của

mạch phân cực với điện trở cực emitơ RE vì hệ số  rất nhạy đối với nhiệt độ mặc dù khi

có RE độ khuếch đại của BJT có suy giảm Vì vậy, điện trở RE còn gọi là điện trở hồi tiếp

và ổn định nhiệt cho bộ khuếch đại

2.4 Phân cực bằng hồi tiếp điện áp

Ðây cũng là cách phân cực cải thiện độ ổn định cho hoạt động của BJT (hình 2.5)

- Xét mạch điện đầu vào của bộ khuếch đại

Ecc = RC.I + RB.IB + UBE + RE.IE

Với I = IC + IB = IE IC = IB

)12.2()

)(

1(

-E C B

BE CC B

R R R

U E I

2.5 Một số dạng mạch phân cực khác

Mạch phân cực bằng cầu chia điện áp và hồi tiếp điện áp rất thông dụng Ngoài

ra tùy trường hợp người ta còn có thể phân cực BJT theo các dạng sau đây thông qua các bài tập áp dụng

2.6.1 Thí dụ 1: Cho mạch phân cực với đặc tuyến đầu ra của BJT như hình 2.9 Xác

A R

V V

R

U E I B

B B

BE CC B

5 , 482

40 7

, 0

Ðể có các điện trở tiêu chuẩn ta chọn: RB = 470 k; RC = 2,4 k

2.6.2 Thí dụ 2: Thiết kế mạch phân cực có dạng hình 2.10 với IC = 2 mA, UCE = 10 V

Điện trở RC và RE không thể tính trực tiếp từ các thông số đã biết Việc đưa điện trở

RE vào mạch là để ổn định điều kiện phân cực RE không thể có trị số quá lớn vì sẽ làm

giảm UCE (làm giảm độ khuếch đại của transistor) Nhưng nếu R E quá nhỏ thì độ ổn định

của bộ khuếch đại sẽ kém Bằng thực nghiệm người ta thường chọn UE bằng khoảng 1/10

giá trị nguồn cung cấp ECC

U U E R

mA

I I

k I

U U E R

k I

U I

U R

V E

U

B

E BE CC B

C B

C

E CE CC C

C E E

E E

CC E

3 , 1

10 33 , 13

4 1

2 10

U U

k mA

V I

U U E R

k I

U R V

V U

E BE B

C

E CE CC C

C

E E CC

E

7,2

42

8

12

.101

Ðiện trở R1, R2 không thể tính trực tiếp từ điện áp cực bazơ và điện áp nguồn cung

cấp Ðể mạch hoạt động tốt, ta phải chọn R1, R2 sao cho có điện áp UB mong muốn và sao

cho dòng điện qua R1, R2 gần nhƣ bằng nhau và rất lớn đối với dòng điện base IB Lúc đó

R U

k

2 1

2.7 BJT hoạt động như một chuyển mạch

BJT không những chỉ được sử dụng trong các mạch điện tử thông thường như khuếch đại tín hiệu, dao động mà còn có thể được dùng như một chuyển mạch điện tử (Switch) Hình 2.12 là mô hình căn bản của một mạch đảo (inverter)

u v

5V

t

t 1 0

Mạch đảo pha phải được thiết kế sao cho điểm làm việc tĩnh Q di chuyển từ trạng thái không dẫn (không hoạt động) sang trạng thái bão hòa và ngược lại khi điện áp tác động của

tín hiệu đầu vào thay đổi trạng thái (thay đổi cực tính) Ðiều này có nghĩa là IC =

0

CE

mA (đây chính là dòng điện ngược collector do các hạt dẫn thiểu số chuyển động bên trong

BJT), khi IB = 0 mA và UCE = UCEbh = 0 V khi IC = ICbh (thật ra UCEbh thay đổi khoảng từ 0,1

Và: mA

R

E I

C

CC Cbh   6 , 1

Thử điều kiện trên ta thấy:

Nên thỏa mãn để BJT hoạt động trong vùng bão hòa

- Khi Uv = 0 V, IB = 0 A, BJT không dẫn và IC = ICEO  0 mA; điện áp giảm qua

0

mA

V I

U R

Cbh

CEbh CE

V 0,15

CE

R

Như vậy ta có thể coi RCE  0  khi nó được mắc nối tiếp với điện trở hàng k

- Khi Uv = 0 V, BJT ngưng, điện trở tương đương giữa 2 cực C-E được ký hiệu là

CE off

cut

I

E U

U R

Kết qủa là giữa hai cực C và E tương đương với mạch điện bị hở mạch

Thí dụ: Xác định RC và RB của mạch điện hình 2.15 nếu ICsat= ICbh = 10 mA

mA10

C

CC C

I

E R R

E I

DC

Cbh B

I I



Ta chọn IB = 60A để đảm bảo BJT hoạt động trong vùng bão hòa

MΩ0,155V

BE v B

I

U R R

U U

v B

I A k

U U I

Trong thực tế, BJT không thể chuyển tức thời từ trạng thái ngƣng sang trạng thái dẫn hay ngƣợc lại mà phải mất một thời gian Ðiều này là do tác dụng của điện dung ở 2 tiếp ráp của BJT

Ta xem hoạt động của BJT trong một chu kỳ của tín hiệu (hình 2.16)

-Khi chuyển từ trạng thái không dẫn sang trạng thái dẫn, BJT phải mất một thời gian là:

ton = td + tr (2.14)

td: Thời gian từ khi có tín hiệu vào đến khi dòng điện IC tăng đƣợc 10% giá trị cực đại

tr: Thời gian để dòng điện IC tăng từ 10% đến 90% giá trị cực đại

- Khi chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái không dẫn, BJT phải mất một thời gian là:

So sánh với 1 BJT đặc biệt có chuyển mạch nhanh nhƣ BSV 52L ta thấy: ton = 12 ns;

toff = 18 ns Các BJT này đƣợc gọi là transistor chuyển mạch (switching transistor)

2.8 Tính khuếch đại của BJT

Giả sử ta đƣa một tín hiệu xoay chiều có dạng sin, biên độ nhỏ vào chân B của

BJT nhƣ hình vẽ Ðiện áp ở chân B ngoài thành phần phân cực UB còn có thành phần xoay chiều của tín hiệu uv(t) chồng lên

uB(t) = UB + u i(t) Các tụ C1 và C2 ở đầu vào và đầu ra đƣợc chọn nhƣ thế nào để có thể xem nhƣ nối tắt - dung kháng rất nhỏ - ở tần số của tín hiệu Nhƣ vậy tác dụng của các tụ ghép nối tầng C1, C2 là cho thành phần xoay chiều của tín hiệu đi qua và ngăn thành phần phân cực một chiều

Khi uB(t) > UB là nửa chu kỳ dương của tín hiệu vào, làm điện áp UBE tăng và

dòng điện IB tăng theo Do IC = IB nên dòng điện IC cũng tăng Do vậy điện áp tại cực

collector uc(t) = ECC - RC.ic(t) giảm hơn trị số của điện áp tĩnh UC

- Khi uB(t) < UB là nửa chu kỳ âm của tín hiệu vào, dòng điện IB giảm kéo theo

dòng IC giảm và uC(t) tăng

Như vậy ở mạch trên ta có thể thấy điện áp uc(t) biến thiên ngược chiều (ngược pha) với điện áp vào uB(t) Hay điện áp tại đầu ra ur(t) biến thiên ngược pha với điện áp vào uv(t) Người ta xác định được tỷ số

)(

)(

t u

t u A

v

r

U  gọi là hệ số khuếch đại điện áp

Chìa khóa để phân tích và xác định các thông số của mạch là dựa vào sơ đồ tương đương xoay chiều của mạch Xét về thành phần tín hiệu xoay chiều thì các tụ điện C1, C2,

CE coi như nối tắt Hình 2.19 là sơ đồ đương xoay chiều của mạch hình 2.17 Chú ý là nguồn điện áp một chiều cũng coi như nối tắt vì khi xét về thành phần xoay chiều thì vai trò giữa âm nguồn và dương nguồn là như nhau Người ta định nghĩa các thông số chính của mạch là:

- Hệ số khuếch đại điện áp:

v u

* Dạng đơn giản

* Dạng đầy đủ

Hình 2.20 Các liên hệ cần chú ý:

26

Ngoài ra: b m be

m b c c be b

be

g i

i i

u i

u



Do đó nguồn phụ thuộc ib có thể thay thế bằng nguồn gm.vbe

2.9 Mạch khuếch đại cực Emitter chung (EC)

2.9.1 Mạch khuếch đại cực EC với kiểu phân cực cố định và ổn định cực emitơ

Mạch cơ bản như hình 2.21 và mạch tương đương xoay chiều như hình 2.22

Từ mạch tương đương ta tìm được các thông số của mạch

* Hệ số khuếch đại điện áp:

v

r u u

u

A 

Ta có: u r .i b.R C

b E b

e C v

r u

R r

R u

u A

Do  >> 1 nên: ( 2 17 )

E e

C u

R r

R A

e b

v

i

i R i

r i

i

C v v

r i v

v v C

r r

R

Z u

u A Z

u i R

R

Z A

* Tổng trở ra:

r

r r i

r Z i

) 31 2 (

C r

) 34 2 (

) 33 2 ( //

i

) 32 2 ( u

v v v r

C

v u i

C r

e B v

e

C U

R

Z A A

R Z

r R

u Z

r

R u

2.9.2 Mạch khuếch đại EC với kiểu phân cực bằng cầu chia điện áp và ổn định cực

emitter

Ðây là dạng mạch rất thông dụng do có độ ổn định tốt Mạch cơ bản như hình 2.27

và mạch tương đương xoay chiều như hình 2.28

So sánh hình 2.28 với hình 2.22 ta thấy hoàn toàn giống nhau nếu thay RB = R1//R2

nên ta có thể suy ra các kết quả:

) 36 2 (

E C E

e

C u

R

R R

) 38 2 (

C

v u i

C r

R

Z A A

R Z

C u

R

R

)41.2(//

) 42 2 (

C

v u i

C r

R

Z A A

R Z







2.9.3 Mạch khuếch đại EC phân cực bằng hồi tiếp điện áp và ổn định cực emitter E

Mạch tổng quát xem hình 2.31 và mạch tương đương xoay chiều được vẽ trong hình 2.32

* Hệ số khuếch đại điện áp:

v

r u

e C v

r u

R

R R

r

R u

b

R

u u i i i

r E e v

E e v

R

u R r R

u R r i

R r

Thay ur = Auu v vào ta đƣợc:

)1()(

1

)(

)1()(

1)

1()(

)(

)(

)(

)(

u B

E e

E e v

v v

u B

E e v

v u B

E e v

v E e

B

v E e v

u B

E e v

E e v

A R

R r

R r i

u Z

A R

R r u

u A R

R r u

i R r

R

u R r u

A R

R r i

R r u

B E

E v

A R

R

R Z







* Hệ số khuếch đại dòng điện:

) 46 2 ( :

;

;

C

v u i

C v v r v v C r v

r i v

v v C

r r v

r

i

R

Z A A Hay

R

Z u

u u

Z R

u i

i A Z

u i R

u i i

Chú ý: Cũng giống như phần trước, ở mạch hình 2.31, nếu ta mắc thêm tụ phân dòng CE

vào cực E của BJT hoặc mắc thẳng cực E xuống mass thì các thông số của mạch được

suy ra khi cho RE = 0

C

v u i B

C r

u B e e

u B

e

e v

e

C u

R

Z A A R

R

Z

A R r

r A

R r

r Z

r

R A

2.10 Mạch khuếch đại cực Col lector chung (CC)

Dạng mạch căn bản như hình 2.33 và mạch tương đương xoay chiều vẽ ở hình 2.34

* Tổng trở vào Zv

b

b E b

e b

v

i

i R i

r i

u

) 48 2 (

//

) (

B v

).

1 (

).

1 (

E b

e

b E v

r u

R r

R i

R i

r

i R u

r

R

u i i R

u

e E r e E

r r e

r

r R

u r R

u i r

1 1 1

E e r e E r r r

R r Z r R u

i



)51.2(

C

v u

v v C r

v

r i

R

Z A Z

u R u i

- Mạch cũng có thể được mắc thêm một điện trở RC như hình 2.37 Các công thức

trên vẫn đúng khi thay RB = R1//R2 Tổng trở vào Zv và tổng trở ra Zr không thay đổi vì RCkhông làm ảnh hưởng đến cực B và cực E RC đưa vào chỉ làm ảnh hưởng đến việc xác định điểm làm việc tĩnh của mạch

2.11 Mạch khuếch đại cực Base chung (BC)

Dạng mạch thông dụng và mạch tương đương xoay chiều được thể hiện trên hình 2.38

)54.2(

)53.2(

)52.2(//

v i v

C r

v

r

i

e C e C e

e

C e v

v

R

r r

R R

Z A u

R u i

i

A

r

R r

R i

r

R i u

Z





Chương III: MẠCH PHÂN CỰC VÀ KHUẾCH ÐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG FET 3.1 Phân cực JFET và MOSFET điều khiển theo kiểu nghèo động tử

Vì khi điều khiển theo kiểu nghèo động tử, 2 loại FET này đều hoạt động ở điện áp cực máng D dương so với cực nguồn S và điện áp cực cửa G âm hơn so với cực nguồn S

(thí dụ ở kênh n), nên có cùng cách phân cực Ðể tiện việc phân tích, ở đây ta khảo sát trên JFET kênh n Việc DE-MOSFET điều khiển theo kiểu giầu động tử (điện áp cực cửa

G dương so với điện áp cực nguồn S) sẽ được phân tích ở phần sau của chương này

V I

I

GS

GS DSS

VD = VDS = VDD - RDID

VG = VGS = -VGG

Ðây là dạng phân cực thông dụng nhất cho JFET Trong kiểu phân cực này ta chỉ

dùng một nguồn điện một chiều VDD và có thêm một điện trở RS mắc ở cực nguồn như hình 3.3

Vì IG = 0 nên VG = 0 và ID = IS

 VGS = VG - VS = -RSID (3.3) Ðây là phương trình đường tải

Trong trường hợp này VGS là một hàm số của dòng điện cực máng ID và không cố định như trong mạch phân cực cố định

- Thay VGS vào phương trình schockley ta tìm được dòng điện cực máng ID như sau:

- Dòng ID cũng có thể được xác định bằng điểm làm việc tĩnh Q Ðó là giao điểm của đường tải với đặc tuyến ra truyền đạt

Mạch điện đầu ra ta có:

VDS = VDD - RDID - RSIS = VDD - (RD + RS)ID (3.5) Ðây là phương trình đường đường tải

Ngoài ra: VS = RSID ; VG = 0; VD = VDD - RDID

3.1.3 Phân cực bằng cầu chia điện áp

Dạng mạch như hình 3.5

Ta có: VGS = VG - VS

2 1

2

R R

R V

Ðây là phương trình đường tải

Do JFET điều khiển theo kiểu nghèo động tử nên phải chọn R1, R2 và RS sao cho

VGS< 0 Hay

D S S DD

R R

R V





2 1

Ðể điều khiển theo kiểu giầu động tử, ta phải phân cực sao cho VGS >0 nên ID

>IDSS, do đó ta phải chú ý đến dòng điện cực máng cực đại IDmax mà DE-MOSFET có thể

chịu đựng đƣợc

3.2.1 Phân cực bằng cầu chia điện áp

Ðây là dạng mạch phân cực thông dụng nhất Nên chú ý là do điều khiển theo kiểu

giầu động tử nên không thể dùng cách phân cực tự phân cực Các điện trở R1, R2, RS phải

đƣợc chọn sao cho VG>VS tức VGS >0 Thí dụ ta xem mạch phân cực hình 3.7

- Ðặc tuyến truyền đạt đƣợc xác định bởi: