Mạch điện tử - Chương 2

.Mạch điện tử cơ bản là giáo trình được biên soạn theo đề cương do Sở Giáo dục và Đào tạo thành phố Hà Nội xây dựng và thông qua. Đây là giáo trình dành cho chuyên ngành đào tạo hệ kỹ thuật v

CHƯƠNG 2: TRANSISTOR HAI LỚP TIẾP GIÁP - BJT

2.1 Giới thiệu

2.2 Dòng chảy trong BJT

2.3 Khuếch đại dòng trong BJT

2.4 Giải tích mạch BJT bằng đồ thị

2.5 Tính toán công suất

2.6 Tụ Bypass vô hạn

2.7 Tụ ghép vô hạn

2.8 Mạch Emitter Follower

2.9 Mở rộng

“We make a living by what we get, we make a life by what we give”

- Winston Churchill, Sir (1874-1965)

2.1 Giới thiệu

x 1948: Transistor đầu tiên (Bell Lab)

x Các loại transistor (TST): BJT, FET

x BJT: Bipolar Junction Transistor: Transistor hai lớp tiếp giáp

2.2 Dòng chảy trong BJT

EB: Phân cực thuận CB: Phân cực nghịch

CBO E

C B

Ÿ IB ( 1  D ) IE  ICBO

D D

C B

I I

¹

·

¨

©

§  1

Đặt:

D

D E

 1

Lưu ý: Cấu hình B chung (CB – Common Base configuration)

2.2.1 Mối nối Emitter – Base (EB)

Xem mối nối EB như một Diode phân cưc thuận hoạt động độc lập (iD = iE; vD = vEB)

x DCLL và Đặc tuyến EB

DCLL:

e

EE EB

e

E

R

V v

R

x Mạch tương đương đơn giản

vE = VEBQ = VJ (0.7V: Silicon; 0.2V: Germanium)

rd = 0

e

EBQ EE

EQ

R

V V

2.2.2 Mối nối Collector – Base (CB)

Từ quan hệ: IC D IE  ICBO, mạch tương đương của mối nối CB:

VÍ du 1ï: Cho mạch điện như hình vẽ: D | 1, ICBO | 0; VEE = 2V; Re = 1k; VCC = 50V; Rc

= 20k; vi = 1sinZt Tính iE và vCB

3

1

t R

V v

V i

e

EBQ i

EE

E c CC

C c CC

i e

c e

EBQ EE

c CC

R

R R

V

V R V

t

vCB  24  20 sin Z (V) Hệ số khuếch đại tín hiệu xoay chiều: Av = 20

VEBQ

VEBQ Diode lý

tưởng

R e

R e

R c

R c

V EE

V EE

V CC

V CC

V EBQ

v i

v i

E

C B

B

2.3 Khuếch đại dòng trong BJT

Quan hệ giữa iC và iB (bỏ qua ICBO): iC | E u iB với

D

D E



1

Hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ: ' iC E u ' iB  ' E u iB

B B

i i

i

'

'

 '

Xem gần đúng: hfe | E { hFE

Lưu ý: E của các TST cùng loại có thể thay đổi nhiều theo từng TST

Ví du 2ï: Cho mạch điện như hình vẽ Xác định hệ số khuếch đại dòng tín hiệu nhỏ

9 Cấu hình E chung (CE – Common Emitter configuration)

9 Transistor npn

1 2

3

b

BEQ i

BB

R

V v

V

với:

b

BEQ BB

BQ

R

V

V

và

b

i b

R

v i

x Ngõ ra: iC | E u iB E u ( IBQ  ib) ICQ  ic

Hệ số khuếch đại dòng tín hiệu nhỏ: E

b

c i

i

i A

Rb

Rc

vi

VBB

VCC

B

E C

Đặc tuyến VA ngõ ra cấu hình E chung

x Vùng bão hòa: vCE d VCEsat Quan hệ giữa iC và iB là không tuyến tính

x Vùng chủ động: VCEsat d vCE d BVCEO Quan hệ tuyến tính:

CBO B

i

D

E

Giới hạn dòng: IC-cutoff d iC d ICmax

Ví dụ 3: VCC = 10V, Rb = 10K, Rc = 1K TST: E = 100, VBE = 0.7V, VCEsat = 0.1V Tìm điều kiện làm việc (IC và VCE) của TST khi: a) VBB = 1.5V b) VBB = 10.7V

3 2

1

b

BE BB

B

R

V V

; VCE VCC  ICRc

a) IB = 0.08mA; IC = EIB = 8mA

VCE = 2V: TST hoạt động trong vùng tích cực

b) IB = 1mA; Giả sử IC = EIB = 100mA Ÿ VCE = -90 !!! TST hoạt động trong vùng bão hòa: VCE = VCEsat = 0.1

mA K

R

V V

I

c

CE CC

1

1 0

10 



CC

Rb

Rc

Mạch tương đương

1

1

2.4 Giải tích mạch BJT bằng đồ thị

Mạch khuếch đại cơ bản

1 2 3 RL

Re R1

R2

VCC

Mạng phân cực

R2

R1 VCC

VBB

Rb

1

VCC 1

2 3 RL

Rb

Re

VBB

E

hfeib

R0

ic

C

vce

+ _

B B

x Mạng phân cực (Mạch tương đương Thevenin):

CC

R R

R V

2 1

1



2 1

2 1

R R

R R

Rb



Thiết kế:

CC BB

b

V V

R R

/ 1

BB

CC b

V

V R

R2

x Hoạt động của mạch khuếch đại (DC)

9 Ngõ ra:

e E L

C CE

Với iC = DiE | iE, suy ra: VCC vCE  iC ( RL  Re): DCLL

9 Ngõ vào:

e E BE

b B

Bỏ qua ICBO: iB = (1-D)iE, suy ra:

b e

BE BB

b e

BE BB

E

R R

v V

R R

v V

i

E

D













1

1 )

1 (

Để loại bỏ sự thay đổi của iE do E thay đổi, chọn Re >> Rb/(1+E)

9 Tĩnh điểm Q (ICQ, VCEQ):

e

BEQ BB

EQ CQ

R

V

V I

¹

·

¨¨

©

§ 





e

L BB

CC CEQ

R

R V

V

x Giải tích bằng đồ thị

9 Tín hiệu nhỏ: ic iC  ICQ và: vce vCE  VCEQ

9 Quan hệ pha: ib tăng, ic, ie tăng, vce giảm

9 Điếu kiện để iC có thể dao động cực đại (max swing): (Giả sử VCEsat = 0 và

IC-cutoff = 0)

e L

CC CQ

R R

V I



2 /

2 /

CC

V

Ví dụ 4: Tìm Q để có max swing:

R1 R2

Re 200

RL 1k

1

DCLL: 9 | VCEQ  ICQ( 1000  200 )

Max swing: ICEQ =

e L

CC

R R

V



2 /

= 3.75 mA

VCEQ = VCC / 2 = 4.5 V

Ví dụ 5: Tìm R1 và R2 trong ví dụ 4 để đạt được Max Swing

1

Rb

Re 200

RL 1k

VBB

VBQ = VBE + VEQ = VBE + IEQ u Re | VBE + ICQ u Re Chọn Re >> Rb/(1+E), thường chọn: ( 1 )

10

1 e  E

VBB = VRb + VBQ = IBQRb + VBQ | (ICQ/E)(0.1ERe) + VBE + ICQRe

VBB = VBE + ICQ(1.1Re) = 0.7 + (3.75E-3)(1.1)(200) = 1.525 V Suy ra:

CC BB

b

V V

R R

/ 1

BB

CC b

V

V R

E = 100

+9V

E = 100

+9V

2.5 Tính toán công suất

x Công thức tổng quát:

³

T

dt t I t

V T

P

0

) ( ) ( 1

V(t) = Vav + v(t)

I(t) = Iav + i(t)

Trong đó:Vav, Iav: Giá trị trung bình

v(t), i(t): Thành phần thay đổi theo thời gian có trung bình bằng 0

T

av

V T

P

0

)) ( ))(

( (

1

³

 T

av

T

I V P

0

) ( ) ( 1

x Công suất trung bình tiêu tán trên tải (Công suất xoay chiều)

³

T

L c ac

T

P

0

2 ,

1

Giả sử ic là tín hiệu sin: ic = IcmsinZt

2

2

ac L

R I

P

MaxSwing: max(Icm) = ICQ =

) (

CC

R R

V



Suy ra: max(PL,ac) =

2

2

) (

L CC

R R

R V



Để cực đại hóa công suất tiêu tán trên tải: Chọn RL >> Re

Suy ra: max(PL,ac)

L

CC

R

V

8

2

|

x Công suất nguồn cung cấp trung bình

c CQ

CC C

CC

T

dt i

V T

P

) (

1 1

CQ CC

P

Max Swing: ICQ =

) (

CC

R R

V



Suy ra: PCC =

) (

2

2

e L

CC

R R

V



Với RL >> Re: PCC

L

CC

R

V

2

2

|

x Công suất trung bình trên Transistor

³

T

C CE

T

R R

dt i

V T

dt i i R R

V T

dt i

v T

P

2 0

0

1 ) (

1 )

( 1

1

E L

CC

P   : “Bảo toàn năng lượng”

2 sin

1

0

2 0

CQ

T

cm CQ

T C

I I

dt t I

I T

dt

i

Suy ra:

2

) (

) (

2

e L

CQ e

L CC

C

I R R

I R R

P

TST tiêu thụ công suất cực đại khi không có tín hiệu:

max(PC) = 2

CQ e

L

Max Swing: max(PC) =

L

CC e

L

CC

R

V R

R

V

4 ) (

4

2 2

|



x Hiệu suất

9 Hiệu suất:

CC

ac L

P

P ,

K

L CC

L cm

R V

R I

2 /

2 /

2

2

K

Hiệu suất cực đại khi Icm cực đại: max(Icm) = ICQ

L

CC

R

V

2

| (Giả sử RL >> Re)

Suy ra: max(K)

L CC

L CC

R V

R V

2 /

8 /

2

2

= 0.25

9 Tỷ số công suất tiêu tán TST cực đại trên công suất tải xoay chiều cực đại: (Thiết kế: Chọn TST có chỉ số công suất tiêu tán cực đại thích hợp)

2 8

/

4 / )

max(

) max(

2

2

,

|

L CC

L CC

ac L

C

R V

R V

P P

:

2.6 Tụ Bypass vô hạn

Re: + Tạo dòng phân cực ICQ và tăng độ ổn định phân cực (C3)

_ Giảm hiệu suất; Giảm hệ số khuếch đại đối với tín hiệu nhỏ xoay chiều (C4)

Ÿ Sử dụng tụ bypass (Giả sử Ceov, đối với tín hiệu xoay chiều: ZC = 1/(jCZ) o 0)

VBB

Re

RL

Rb

VCC

Ce

DCLL: RDC RL  Re

DC

CC CE

DC

C

R

V V

R

ACLL: vce  RLic

L

R

ac

R

i  1 (Gốc tọa độ Q)

“Destiny is what we make”

- Anonymous

ii

iB iC

iE

Max Swing: Q trung điểm ACLL

Ÿ VCEQ ICQRac Thay vào DCLL:

DC

CC ac

CQ DC

CQ

R

V R

I R

Ÿ

ac DC

CC CQ

R R

V I



ac DC

CC CEQ

R R

V V

/

1 

2.7 Tụ ghép (coupling capacitor) vô hạn

Tụ ghép: Ngăn dòng DC qua tải

DCLL: RDC = Re + Rc

ACLL: Rac = Rc // RL

Max Swing:

ac DC

CC CQ

R R

V I



ac DC

CC CEQ

R R

V V

/

1 

c L

c

R R

R i



Rb

Re

Rc

RL

Ce

Cc

VBB

VCC

ii

iB iC

iE

iL

2.8 Mạch Emitter Follower

Cb

R2

VCC

vi

Rb

Re

VCC

Cb

VBB vi

a) Mạch Emitter Follower b) Mạch tương đương

vB = vBE + vE Xem vBE | VBE = 0.7

vi = vb | ve: “Follower”

VCC

Cb

Re

Rb vi

VBB

Ce

RL

c) Mạch Emitter Follower với tải AC

DCLL: RDC = Re ACLL: Rac = Re // RL

vL

2.9 Mở rộng

2.9.1 Mạch phân cực Base – Injection

Xét mạch Emitter Follower với mạch phân cực Base – Injection sau:

vi

R2

Cb

Re VCC

RL Ce

x Tính toán mạch phân cực:

Ngõ vào: VCC = VR2 + VBEQ + VRe

VCC | R2(ICQ/E) + VBEQ + ReICQ

E

/

2

R R

V

V I

e

BEQ CC



Ngõ ra: VCEQ = VCC - ReICQ

x Thiết kế mạch phân cực:

Chọn tĩnh điểm Q Tính R2 =

E

/

CQ

CQ e BEQ

CC

I

I R V

vL

2.9.2 Nguồn của mạch khuếch đại

Có thể thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho mạch khuếch đại để thay đổi mức DC của ngõ ra (Vẫn bảo đảm TST phân cực đúng)

Ví dụ 6: Xét mạch CE sau

Cb

R2

+VCC

vi

Rc

-VEE

DCLL: RDC = Rc + Re

DC

EE CC

CE DC

C

R

V V

V R



 1

ACLL: Rac = Rc + Re

Với tín hiệu ac, các nguồn một chiều (VCC, VEE) ngắn mạch: Phân tích như các phần trước

Ví dụ: Chọn RCICQ = VCC

Mức DC ngõ ra: v0-DC = 0 (Không cần dùng tụ coupling ngõ ra)

vo

2. 9 .2 Nguồn mạch khuếch đại

Có thể thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho mạch khuếch thay đổi mức DC ngõ (Vẫn bảo đảm TST phân cực đúng)

Ví dụ 6: Xét mạch. .. 17

2. 9 Mở rộng

2. 9.1 Mạch phân cực Base – Injection

Xét mạch Emitter Follower với mạch phân cực Base – Injection... class="text_page_counter">Trang 16

2. 8 Mạch Emitter Follower

Cb

R2

VCC

vi