Bài Giảng Vi sai xử lý potx

Bài Giảng
Vi sai xử lý
Phần lớn các linh kiện điện tử đều được cấu tạo từ các chất bán dẫn gọi là linh
kiện điện tử bán dẫn. Như vậy để xét cấu tạo nguyên lý hoat động của các linh
kiện khác nhau thì ta phải xét các loại bán dẫn.
* Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện:
*.1> Chất bán dẫn thuần:
Chất bán dẫ thuần được chế tạo từ Ge, Si (nhóm 4 trong bảng phân loại tuần
hoàn).
Mạng liên kết đồng hóa trị Si:
- Ở -2730 C (00K)
−
e
nằm trong mối liên kết bền vững. Độ linh động j=0.
- Khi nhiệt độ tăng
−
e
thu năng lượng đủ bứt ra trở thành điện tử tự do để
lại lỗ trống. Điện tử hóa trị bên cạnh dễ dàng nhảy vào lấp lỗ trống và để lại
lỗ trống chuyển động ngược chiều nhau. Tổng các dòng trong bán dẫn bằng
không.
- Nếu bắt microampe kế ta thấy có dòng rất nhỏ chạy qua chất bán dẫn.
Nguyên nhân: các điện tử có sẵn trong chất bán dẫn chuyển động đến dương
nguồn thì có bấy nhiêu điện tử đi khỏi âm nguồn để bù vào lỗ khuyết của
mạng tinh thể. Chiều của dòng điện từ dương nguồn đến microampe kế qua
bán dẫn đến âm nguồn. Với quá trình này làm tiêu hao năng lượng của
nguồn.
*.2> Chất bán dẫn tạp:
Chất bán dẫn tạp là chất bán dẫn được tạo thành nhờ pha các nguyên tố
nhóm III hoặc nhóm V vào. Bán dẫn tạp gồm có hai loại đó là: bán dẫn loại p
và loại n.

Bán dẫn loại n được tạo thành nhờ pha tạp nguyên tố nhóm V trong bảng
phân loại tuần hoàn vào mạng liên kết của mạng tinh thể nguyên chất Silic.
Do có 5 điện tích hóa trị nên khi liên kết trong mạng tinh thể Si thì có 4 điện
tử liên kết còn một điện tử không liên kết trong mạng liên kết rất yếu với hạt
nhân. Như vậy sau khi pha tạp nguyên tố nhóm V vào thì bán dẫn giàu điện
tử. Chất pha tạp cho điện tử nên nguyên tử pha tạp gọi là Donor( chất cho).
Tương tự như bán dẫn n bán dẫn p được tạo thành nhờ pha tạp nguyên tố
nhóm III vào. Do có ba điện tử hóa trị nên khi pha tạp sẽ thiếu một điện tử tạo
thành lỗ trống . Lỗ trống này sẽ hút các điện tử ở mạng liên kết tạo thành lỗ
trống mới. Cứ như vậy các lỗ trong liên tục được hình thành. Bán dẫn sau khi
pha tạp ta được một bán dẫn thiếu điện tử. Chất pha tạp nhận điện tử nên gọi
là Acceptor (chất nhận).
**> Tiếp giáp p-n:
Bán dẫn p: lỗ trống là hạt dẫn đa số, điện tử là hạt dẫn thiểu số.
Bán dẫn n: điện tử là hạt dẫn đa số, lỗ trống là hạt dẫn thiểu số.
Khi cho hai bán dẫn p và n tiếp xúc nhau do chênh lệch về nồng độ pha tạp
giữa hai bán dẫn nên co hiện tượng khuyếch tán hạt dẫn điện đa số về hai
phía. Kết quả là để lại một lớp ion + và ion – trên bề mặt tiếp giáp gọi là lớp
chuyển tiếp. Khi lớp chuyển tiếp được hình thành thì sự khuyếch tán của các
hạt mang điện đa số bị cản trở nhưng điện trường trong có tác dụng hút các
hạt thiểu số chuyển động trôi qua lớp chuyển tiếp và tạo thành dòng
ng
I
còn
chuyển động khuyếch tán của các hạt đa số tạo thành dòng thuận
th
I
)(
kt
I

. Tại
tiếp giáp có sự cân bằng động như sơ đồ dưới đây:


⇒
cân bằng động.
.0=
∑
i
Muốn có dòng qua bán dẫn thì phải phá vỡ trạng thái cân bằng động. Muốn
phá vỡ trạng thái cân bằng động bằng cách phân cực.
**.1> Phân cực thuận, phân cực nghịch:
**.1.1> Phân cực thuận:
Nếu Ec>0.5V ngược chiều
tr
E
làm cho bề dày lớp chuyển tiếp co lại,
chiều cao hàng rào điện thế giảm đối với hạt dẫn đa số, chúng chuyển
động sang phía đối diện tạo thành dòng
th
I
gọi là
)(
ktE
II
.

)1(
0
−=

KT
qV
SE
eII

Trong đó:
S
I
0
: Dòng điện ngược bão hòa.
**.1.2> Phân cực ngược:
C
E
cùng chiều với
tr
E
làm cho
tr
E
tăng lên. Khi
tr
E
tăng lên thì bề
dày lớp chuyển tiếp tăng lên ngăn cản sự chuyển động của các hạt
dẫn điện đa số. Dòng
0=
kt
I
. Chỉ có các hạt thiểu số chuyển động về
hai phía tạo thành dòng

ng
I
. Chiều của Ing từ dương nguồn đến bán
dẫn p qua bán dẫn n đến âm nguồn. Chỉ số của dòng
ng
I
rất nhỏ vì
các hạt thiểu số vốn có ở điều kiện thường rất ít.
**.2> Đặc tuyến V-A của tiếp giáp p-n:

**.3> Hiện tượng đánh thủng của tiếp giáp p-n:
Nếu
C
E
đủ lớn thì
tr
E
tăng đủ mức làm cho vận tốc của các hạt dẫn
qua lớp chuyển tiếp làm ion hóa các nguyên tử trong lớp chuyển tiếp tạo
thành các cặp điện tử và điện tử trái dấu thứ cấp. Các điện tử, lỗ trống
thứ cấp tiếp tục chuyển động làm ion hóa các nguyên tử khác. Hiện
tượng này tạo ra số lượng hạt dẫn tăng vọt gọi là hiện tượng đánh thủng
kiểu thác lũ.
Khi xảy hiện tượng đánh thủng do phân cực ngược hoặc dòng điện lớn
khi phân cực thuận thì nhiệt lượng bề mặt lớp tiếp xúc tăng lên làm cho
nhiệt độ tại tiếp xúc tăng lên. Nếu không cân bằng nhiệt( tỏa nhiệt ra
môi trường) thi sẽ xảy ra hiện tượng đánh thủng về nhiệt do hiệu ứng
nhiệt độ ( khi nhiệt độ tăng quá cao thì các điện tử thứ cấp sẽ bức ra tạo
thành điện tử tự do. Chất bán dẫn trở thành chất dẫn điện).
Khi xảy ra hiện tượng đánh thủng kiểu thác lũ khi phân cực ngược thì

khi cắt điện thì bề mặt tiếp xúc p-n trở lại bình thường. Nếu đánh thủng
về nhiệt thì tiếp xúc p-n vẫn bị hủy hoại. Chính vì vậy những điôt,
trasistor, dụng cụ bán dẫn nói chung làm việc với dòng điện lớn luôn
luôn có kích thước bè mặt lớn để tăng cường diện tích bề mặt tỏa nhiệt,
có thể gắn thêm phiến tản nhiệt nhất là những linh kiện công suất.
**.4> Diode:
Diode là linh kiện bán dẫn gồm một tiếp giáp p-n. Vì vậy, tính chất
của một diode thường có đầy đủ tính chất của một tiếp giáp p-n.
Ở đây ta chỉ xét diode chỉnh lưu. Trong mạch ta sử dụng diode chỉnh
lưu nhưng giữ vai trò ghim áp như một diode Zenner. Muốn như vậy
ta phải chọn điểm làm việc của diode sao cho khi dòng thay đổi lớn
nhưng áp gần như không đổi. Như vậy, ta chọn điểm làm việc của
diode nằm trong đoạn tuyến tính nhất của đặc tuyến truyền đạt (đoạn
nằm trong gạch chéo ở đặc tuyến trên).
Chương 1: Transistor lưỡng cực: (Bipolar Juntion
Transistor)
1> Cấu tạo:
BJT là một loại linh kiện bán dẫn gồm các lớp bán dẫn loại p và n đặt xen kẽ
nhau trong cùng một đơn tinh thể bán dẫn. Các miền này được phân cách bởi hai
lớp chuyển tiếp p-n. Tùy theo thứ tự bố trí các lớp bán dẫn p và n mà ta có BJT
loại npn hay pnp.



B
C
E

E
C

B
Tương ứng với mỗi miền là một cực của BJT. Miền bán dẫn ở giữa hai lớp
chuyển tiếp p-n gọi là miền gốc (Base – B). Hai miền còn lại bất đối xứng sao
cho một miền có khả năng kích hoạt các hạt tải điện vào miền Base, miền này là
miền phát (Emitter-E), miền kia là miền thu (Collector-C) có khả năng nhận
được tất cả các hạt điện kích từ miền Emitter sang Base.
Nồng độ pha tạp của các miền khác nhau, trong đó:
- Miền Emitter có nồng độ pha tạp lớn nhất,
19
10
÷
21
10
nguyên tử.
- Miền Base có nồng độ pha tạp thấp nhất . Nồng độ pha tạp miền Base
càng thấp càng lợi về hệ số truyền đạt.
- Miền Collector có nồng độ pha tạp trung bình
13
10
÷
15
10
nguyên tử.
Do có sự phân bố như vậy nên sẽ hình thành hai lớp chuyển tiếp pn gần nhau:
- Chuyển tiếp Emitter(
e
J
) giữa miền E-B.
- Chuyển tiếp Collector (
c

J
) giữa miền C-B.
2> Nguyên lý làm việc và khả năng khuyếch đại:
Tùy theo thứ tự sắp sếp các miền bán dẫn mà ta chia BJT thành hai loại là PNP
hoặc NPN. Nguyên lý làm việc của 2 loại BJT này là giống nhau. Ta xét
nguyên lý làm việc của NPN.
2.1> Nguyên lý làm việc:
Xét BJT loại NPN:
Khi chưa cấp áp nguồn tại các tiếp giáp p-n do có độ chênh lệch về nồng
độ pha tạp giữa các miền mà sinh ra hiện tượng khuyếch tán ( sự khuyếch tán
của các hạt điện tích (điện tử và lỗ trống)) nên bên trong nó hình thành hai lớp
tiếp giáp
e
J
và
c
J
cân bằng động. Phân cực thuận cho tiếp giáp
e
J
,
tr
E
giảm
chiều cao hàng rào thế đối với các hạt đa số giảm,
−
e
vọt từ E sang B. Nếu C
để hở mạch thì
−

e
di chuyển từ E sang B như dòng phạt xạ bình thường của
một điôt tạo thành dòng từ B sang E như một tiếp giáp p-n thông thường.
Để
−
e
được kéo sang miền C ta tăng
ng
E
của tiếp giáp
c
J
khi đó
−
e
được
ng
E
kéo sang C tạo thành dòng
C
I
.

Khi điện tử từ E sang B đại đa số đi thẳng về C tạo thành dòng
C
I
một
số ít được tái hợp tại B tạo thành dòng
B
I

CBE
III +=
2.2> Chế độ làm việc của BJT:
BJT có 3 chế độ àm việc đó là: ngưng dẫn, khuyếch đại, dẫn bão hòa.
2.2.1> Chế độ ngưng dẫn:
Tiếp giáp
C
J
và tiếp giáp
E
J
phân cực ngược như hình vẽ. Ở chế độ
này BJT được dùng như khóa điện tử.
Ở chế độ này do tiếp giáp
C
J
và tiếp giáp
E
J
phân cực ngược nên chỉ
có dòng phân cực ngược( dòng rò) rất nhỏ. Xem như không dòng chạy
qua các tiếp giáp. Ở chế độ này BJT tắt tương ứng với khóa đóng.

Điều kiện để BJT tắt là
E
J
phân cực ngược.
Vbe<=0
2.2.2> Chế độ dẫn khuyếch đại:

Ở chế độ này tiếp giáp
C
J
phân cực ngược và tiếp giáp
E
J
được
phân cực thuận như hình vẽ.
Tiếp giáp
E
J
được phân cực thuận nên hàng rào thế đối với các hạt
dẫn đa số giảm.
−
e
từ E vọt sang B và lỗ trông chuyển dời từ B sang E.
Do bề dày miền B rất nhỏ nên phần lớn điện tử từ miền E sang đều tập
trung tại tiếp giáp
C
J
tạo ra dòng
E
I
rất lớn. Một phần điện tử từ miền
E sang miền B được tái hợp tạo thành dòng
B
I
. Tiếp giáp
C
J

phân cực
ngược nên kéo các hạt dẫn thiểu số ở vùng B là điện tử (do vùng B là
bán dẫnloại p) sang vùng C tạo nên dòng
C
I
. Như vậy dòng
E
I
gồm
hai thành phần đó là dòng
B
I
và dòng
C
I
.

Do nồng độ pha tạp của miền B rất nhỏ so với miền E nên dòng
E
I
rất
lớn so với dòng
B
I
vì thế có thể xem
EC
II =
.
Chế độ này được sử dụng rộng rải trong kỹ thuật mạch tương tự.
Như vậy để BJT làm việc ở chế độ khuyếch đại thì tiếp giáp

E
J
phân
cực thuận,
C
J
phân cực ngược.
Hệ thức liên hệ giữa các dòng điện:

CBE
III +=
Hệ thức truyền đạt dòng điện:

E
C
I
I
=
α
Hệ số khuyếch đại dòng điện:


B
C
I
I
=
β
Mối quan hệ giữa α và β:

1+
=
α
α
β

2.2.3> Chế độ dẫn bão hòa:
Ở chế độ này
E
J
và
C
J
đều phân cực thuận.
Điều kiện để BJT dẫn bão hòa là:

min
β
c
b
i
i ≥
3> Các sơ đồ ghép của BJT và đặc tuyến của BJT:
Có ba dạng mạch dựa theo cách mắc Emitter chung, Base chung, Collector
chung.
3.1> Cách mắc EC:
Transistor dược mắc theo kiểu Emitter chung (EC) nghĩa là cực E dùng
chung cho cả đầu vào và đầu ra. Tín hiệu vào được đưa vào cực B và E còn
tín hiệu ra lấy trên cực C và E. Sơ đồ này cho ta hệ số khuyếch đại điện áp
lớn, hệ số khuyếch đại dòng lớn , trở kháng vào có giá trị trung bình. Tín hiệu

ra ngược pha với tín hiệu vào.
Trong ba sơ đồ thì sơ đồ EC là sơ đồ có hế số khuyếch đại dòng, khuyếch
đại áp lớn nhất, hệ số khuyếch đại công suất lớn. Trở kháng vào ra có giá tri
trung bình thuận tiện cho việc ghép tải và nguồn tín hiệu.
Tuy nhiên sơ đồ này có nhược điểm đó là dễ bị tác động của nhiễu. Cần phải
có mạch ổn định.
Sơ đồ mạch:

Đặc tuyến ngõ vào: Biễu diễn mối quan hệ phụ thuộc giữa dòng vào
b
i
và
điện áp vào
)( constVV
CEBE
=
.

constVVfi
CEBEb
== )(

Đặc tuyến ngõ ra: Biểu diễn mối quan hệ giữa dòng ra
c
i
và điện áp ra
)( constiV
bCE
=
.

constiVfi
bCEc
== )(

Đặc tuyến truyền đạt: Biểu diễn mối quan hệ giữa dòng ra và dòng vào
)(
bc
ifi =
.
bc
ii .
β
=

3.2> Cách mắc BC:
Transistor mắc kiểu Base chung (BC) là cực B được dùng chung cho cả đầu
vào và đầu ra. Tín hiệu ra lấy trên cực B và cực C. Tín hiệu được đưa vào
cực B và cực E. Hệ số khuyếch đại điện áp lớn, không có khuyếch đại về
dòng điện (hệ số khuyếch đại <1), hệ số khuyếch đại công suất trung bình.
Trở kháng ra lớn, trở kháng vào nhỏ, điện áp vào cùng pha với tín hiệu vào.
Sơ đồ này được dùng trong khuyếch đại điện áp cao tần.
Sơ đồ mạch:

Đặc tuyến ngõ vào: Biễu diễn mối quan hệ giữa dòng vào
b
i
và điện áp
vào
BE

V
khi
constV
CB
=
.

constVVfi
CBEBb
== )(

Đặc tuyến ngõ ra: Biễu diễn mối quan hệ giữa dòng ra
c
i
và áp ra
CE
V
khi
consti
E
=
.

constiVfi
ECBc
== )(

3.3> Cách mắc CC:
Transistor mắc kiểu C chung là cực C dùng chung cho cả đầu vào và đầu
ra. Dòng và điện áp vào được đưa vào cực B và cực C. Dòng và điện áp ra

được lấy ra ở cực E và cực C. Hệ số khuyếch đại dòng lớn không có
khuyếch đại về điện áp (hệ số khuyếch đại <1), hệ số khuyếch đại công suất
trung bình. Trở kháng ra nhỏ, trở kháng vào lớn, tín hiệu ra cùng pha với tín
hiệu vào. Sơ đồ này thường được dùng phối hợp trở kháng tải thấp với
nguồn tín hiệu có trở kháng cao. Thường dùng làm bộ khuyếch đại đệm.
Sơ đồ mạch:

Đặc tuyến ngõ vào: Biễu diễn mối quan hệ dòng vào
b
i
và điện áp vào
BC
V
khi
constV
BE
=
.

constVVfi
ECBCb
== )(

Đặc tuyến ngõ ra: Biễu diễn mối quan hệ giữa dòng ra
b
i
và điện áp ra
CE
V
khi

consti
b
=
.

constiVfi
bCEe
== )(

4> Tham số giới hạn và thông số của của transistor:
4.1> Dòng cực C cho phép:
Khi transistor làm việc ở điều kiện
maxCC
II >
thì hệ số β bị giảm mạnh. Do
đó, để có hệ số ß đủ lớn khi chọn dòng làm việc
C
I
nên lấy
maxCC
II <
.
4.2> Điện áp đánh thủng
0CE
V
:
Khi điện áp
0CECE
VV >
thì transistor bị đánh thủng, dòng

E
I
( hay
C
I
) tăng
cao, đây là hiện tượng đánh thủng kiểu thác lũ. Trasistor bị đánh thủng thường
bị hỏng vĩnh viễn hoặc tính năng yếu. Do đó, lúc làm việc transistor luôn đặt
trong điều kiện
0CECE
VV >
.(co sai khong, vi sao v
ce
>v
ce0
…)
4.3> Công suất tiêu tán cực đại tại cực C (
maxC
P
):
Khi dòng chạy qua tiếp xúc
C
J
thì sẽ làm nóng cực C với công suất
CCEC
IVP .=
.
Khi BJT làm việc với
maxCC
PP >

thị BJT bị quá nhiệt và dễ bị hỏng vĩnh viễn.
Tóm lại, không được để BJT làm việc quá lâu nên để BJT làm việc với
maxCC
PP <
.
4.4> Thông số cơ bản của BJT:
Xét mô hình BJT tham số vật lý.
Vì miền C,E có nồng độ pha tạp cao nên
''
E,0,0 ≡≡⇒≈≈ ECCRR
EC
với
''
,CE
là điểm bất kỳ trong miền
E,C.
Miền B có nồng độ pha tạp thấp nên
0≠
b
r
thường thì
Ω÷= 3020
b
r
.
Do vậy mô hình tham số vật lý của BJT là:

•
e
r

: Điện trở thuận của tiếp giáp BE .

E
T
e
I
V
r =
:
e
r
khoảng cỡ vài chục đến vài trăm Omh.
Trong đó
T
V
là điện áp nhiệt. Đối với Si thì
mVV
T
25=
.
•
:
C
r
Điện trở ngược của tiếp giáp BC.
C
r
có giá trị rất lớn.
•
:

'
eb
C
Điện dung tạo ra do lớp chuyển tiếp
E
J
sinh ra.
'
be
C
có dung kháng rất bé
pF100<
.
Giả sử BJT làm việc ở tần số
KHz1
.
MX
eCb
6,1
2
10
10.100.1000.2
1
7
12
'
===
−
π
π

rất lớn so với
e
r
bỏ
qua
eb
C
'
.
•
:
'
cb
C
Điện dung tạo ra do lớp chuyển tiếp
C
J
sinh ra.

ebcb
CC
''
<
nên bỏ qua
cb
C
'
•
:
0

C
Điện dung ra. Vì
0
C
rất nhỏ nên bỏ qua
0
C
.

[ ]
bebe
bb
bee
bb
bb
rirRiririV .)1(
''
=++=+=
β
Với
E
T
ee
bb
be
I
V
rrRr
βββ
=≈++= .))1((

'
Mạch chuẩn của BJT tham số vật lý là:

5> Phân cực và ổn định điểm làm việc:
5.1> Phân cực:
Về nguyên tắc, việc phân cực cho BJT làm việc trong chế độ khuyếch đại phải
đảm bảo các yêu cầu sau:
- Tiếp giáp
E
J
phân cực thuận và tiếp giáp
C
J
phân cực nghịch.
- Dòng
C
i
phải lớn hơn rất nhiều so với dòng ngược
0C
i
.
- Phải đảm bảo các yêu cầu về công suất, nhiệt độ.
Mạch phân cực là mạch chia điện áp ở các cực E, B, C để BJT làm việc được
đảm bảo tiếp giáp BE phân cực thuận và tiếp giáp BC phân cực ngược.
Việc dùng cả
b
E
và
c
E

trong một sơ đồ là không thuận tiện, ta có thể bỏ
b
E
thay vào đó là các mạch điện trở cùng cấp điện áp sao cho
bBE
EV =
gọi là
mạch phân cực.
Mạch phân cực có các dạng như sau:
- Mạch phân cực bằng dòng cố định.
- Mạch phân cực bằng cầu chia áp.
- Mạch phân cực dung hồi tiếp âm điện áp.
5.1.1> Mạch phân cực bằng dòng cố định;
Sơ đồ mạch:

b
R
dẫn điện áp dương từ
CC
V
đến cực B làm cho
EB
V
tương đương với
nguồn
b
E
.
Phương trình điện áp cực B:

0. =−−
BEBBCC
VRIV

B
BECC
B
R
VV
I
−
=⇒

BC
II .
β
=
Phương trình điện áp cực C:

0. =−−
CECCCC
VRIV

CCCCCE
RIVV .−=
Để BJT làm việc được thì
VV
BE
7,06,0 ÷=
.

Điểm làm việc tĩnh Q
),(
CCE
IV
.
Hệ số ổn định nhiệt

0==
∆
∆
C
B
I
I
C
B
d
d
I
I

β
β
β
+=
∆
∆
−
+
=⇒ 1

1
1
C
B
I
I
S
Hệ số ổn định nhiệt phụ thuộc vào β. Trong khi đó β của BJT thường
rất lớn nên hệ số ổn định nhiệt của mạch lớn nên mạch có độ ổn định
nhiệt thấp.
Mạch không ổn định, khi dòng đi qua BJT thì sinh nhiệt làm cho các
hạt dẫn phụ tăng lên nên các dòng tự động tăng lên. Để ổn định thì ta
mắc thêm
E
R
.
Tuy nhiên khi đầu vào có tín hiệu thì sụt áp trên
E
R
là
E
R
V
ngược
pha với với tín hiệu vào làm giảm hệ số khuyếch đại. Để khắc phục ta
mắc thêm vào tụ
E
C
song song với
E

R
để ngăn sụt áp xoay chiều trên
điện trở
E
R
.
Sơ đồ mạch:

Tính toán mạch khi có
E
R
:
Phương trình điện áp cực B:

0 =−−−
EEBEBBCC
RIVRIV
(1)

( )
0.1. =+−−−
EBEBBCC
RVRIV
β

EB
BECC
B
RR
VV

I
)1(
β
++
−
=⇒

BC
II .
β
=
Phương trình điện áp cực C:

0 =−−−
EECECCCC
RIVRIV

).(
ECCCCCE
RRIVV +−=
coi
EC
II ≈
Để BJT làm việc được thì
VV
BE
7,06,0 ÷=
.
Điểm làm việc tĩnh Q
),(

CCE
IV
.
Từ (1)
)(
ECCCCBE
RRIVV +−=⇒

Khi các dòng
ECB
III ,,
tăng do nhiệt độ thì
BE
V
giảm. Khi
BE
V
giảm
(áp phân cực giảm) dòng
B
I
giảm kéo theo dòng
BC
II .
β
=
và dòng
BE
II )1(
β

+=
giảm. Như vậy dòng trong mạch ổn định ⇒mạch ổn
định nhiệt.
5.1.2> Mạch phân cực bằng hồi tiếp âm điện áp:
Sơ đồ mạch:

F
R
dẫn điện áp dương từ cực Collector về cực Base làm cho
0>
BE
V
tương đương nguồn
b
E
. (phân cực thuận cho BJT).
Khi nhiệt độ tăng các dòng
CBE
III ,,
tăng làm áp phân cực
BE
V
giảm.Khi áp phân cực giảm làm cho dòng
CBE
III ,,
giảm về giá trị ban
đầu.

F
R

được xác định bằng công thức sau:
Phương trình mạch chân B:

0.).( =−++−
BEFBCCBCC
VRIRIIV

0 ).1( =−++−
BEFBCBCC
VRIRIV
β

CF
BECC
B
RR
VV
I
).1(
β
++
−
=⇒

BC
II .
β
=
Phương trình mạch chân C:

0.).( =−−+−
CEEECCBCC
VRIRIIV

).(
ECECCCE
RRIVV +−=⇒
Điểm làm việc tĩnh Q
),(
CCE
IV
.
Hệ số ổn định nhiệt:

FC
EC
C
B
C
B
FC
EC
FC
BECC
FC
CC
B
EEBECCFCBCC
EEBEFBCCBCC
RR

RR
dI
dI
I
I
RR
RI
RR
VV
RR
IR
I
RIVRIRRIV
RIVRIRIIV
+
+
−==
∆
∆
⇒
+
−
+
−
+
+
−=⇒
++++=
++++=
α

α
.
.).(
.).(

1
.1
1
→
+
+
+
+
=⇒
FC
EC
RR
RR
S
α
β
β
Như vậy điện áp phản hồi qua điện trở
F
R
trong mạch phân cựclàm tăng
độ ổn định nhiệt đồng thời làm giảm hệ số khuyếch đại tín hiệu xoay chiều.
Ta thấy rằng, không thể nâng độ ổn định nhiệt lên cao được vì điểm công
tác tĩnh và độ ổn định nhiệt nhiệt độ của mạch phụ thuộc lẫn nhau.
5.1.3> Mạch phân cực kiểu cầu chia điện thế:

Sơ đồ mạch:

Dòng
pa
I
chạy qua
1
R
và
2
R
gây ra sụt áp trên
2
R
là
22
RIV
paR
=
có cực
tính âm đưa vào cực Emitter.
2R
V
đóng vai trò như nguồn
b
E
.
Áp dụng định lý Thyvenin và định lý Norton ta biến đổi mạch thành mạch
tương đương sau:

Trong đó
B
R
và
B
V
được xác định như sau:

21
2
.
RR
RV
V
CC
B
+
=

21
21
21
//
.
RR
RR
RR
I
V
V

R
ngmt
CC
B
B
=
+
==

Phương trình mạch chân B:

EBBEBBB
EEBEBBB
RIVRIV
RIVRIV
β
−−−
=−−− 0.


EB
BEB
B
RR
VV
I
.
β
+
−

=

BC
II .
β
=
Phương trình mạch chân C:

0. =−−−
EECECCCC
RIVRIV

)(
ECCCCCE
RRIVV +−=⇒
vì
CE
II ≈
.
Điểm làm việc tĩnh Q
),(
CCE
IV
.
Chú ý dòng
pa
I
phải »
B
I.10

để
B
V
ổn định khi
B
I
thay đổi.
Tính toán
21
, RR
:
Vì
pa
I
»
B
I.10
nên chọn
Bpa
II .10=

β
C
B
B
B
pa
B
I
V

I
V
I
V
R
.10
.10
2
===

β
C
B
B
B
Bpa
BCC
I
V
I
V
II
VV
R
.10
.10
1
==
+
−

=

C
I
cho trước và
B
V
chọn khi thiết kế.
Mạch không ổn định nhiệt. Khi nhiệt độ tăng các hạt dẫn phụ tăng
lên nên các dòng tự tăng lên. Để ổn định nhiệt ta mắc thêm
E
R
. Tuy
nhiên khi đầu vào có tín hiệu thì sụt áp trên
E
R
là
E
R
V
ngược pha
với với tín hiệu vào làm giảm hệ số khuyếch đại. Để khắc phục ta
mắc thêm vào tụ
E
C
song song với
E
R
để ngăn sụt áp xoay chiều
trên điện trở

E
R
.
Hệ số ổn định nhiệt:

EB
E
C
B
C
B
EB
BEB
EB
CE
B
ECBEEBBB
EEBEBBB
RR
R
dI
dI
I
I
RR
VV
RR
IR
I
RIVRRIV

RIVRIV
+
−==
∆
∆
⇒
+
−
+
+
−=⇒
+++=
++=
.
.).(


EB
E
RR
R
S
+
+
+
=⇒
.1
1
β
β

Nếu
E
R
»
B
R
thì S→ 1.
Như vậy để mạch ổn định phải thiết kế sao cho
E
R
càng lớn càng tốt. Nhưng
nếu
E
R
quá lớn thì sụt áp xoay chiều trên
E
R
sẽ làm giảm hệ số khuyếch đại
của mạch. Để khắc phục ta mắc tụ
E
C
song song với
E
R
. Tụ
E
C
có trị số sao
cho đối với tín hiệu xoay chiều thì trở kháng của nó gần bằng 0 còn đối với
tín hiệu một chiều thì nó xem như hở mạch.

Ưu điểm của mạch phân cực này là hệ số ổn định nhiệt không phụ thuộc vào
C
R
nghĩa là không phụ thuộc vào điểm công tác.
5.2> Đường tải tĩnh và điểm làm việc:
Đường tải tĩnh được vẽ trên đặc tuyến ra tĩnh của BJT để nghiên cứu dòng
điện và điện áp ra tĩnh khi nó mắc trong mạch cụ thể nào đó. (Khi có tải).
Khi tín hiệu vào
0=
i
v
thì các dòng
ECB
III ,,
là các dòng tải tĩnh, điện áp
tại các cực B, C, E là điện áp cố định. Trạng thái tĩnh này gọi là trạng thái tĩnh
một chiều. Khi
0≠
i
v
thì các giá trị dòng điện và điện áp đầu vào và đầu ra
biến thiên trong phạm vi nhỏ quanh giá trị tĩnh ban đầu. Để khảo sát mạch ta
phải sử dụng chế độ xoay chiều khi đó đường tải tĩnh sẽ dốc hơn và đi qua
điểm làm việc tĩnh Q.
Điểm làm việc tĩnh là điểm nằm trên đường tải xác định dòng điện và điện
áp trên transistor khi không có tín hiệu đặt vào, nghĩa là xác định điều kiện
phân cực cho transistor.
Xét sơ đồ BJT mắc theo kiểu EC.
Sơ đồ mạch:

Chế độ tĩnh của BJT mắc kiểu EC được xác định bởi 4 tham số
BECEECB
VVIII ,,,,
. Trong đó, thường có trước một tham số, các tham số
khác được xác định dựa vào đặc tuyến vào ra của BJT.
Họ đặc tuyến vào:
)(
BEB
VfI =
khi
constV
CE
=
.
Họ đặc tuyến ra:
)(
CEC
VfI =
khi
constI
B
=
.
Quan hệ ràng buộc đó được đặc trưng bởi đường tải tĩnh:

)(
CEC
VfI =
Theo sơ đồ trên ta có phương trình đường tải tĩnh:

0=−−−
EECECCCC
RIVRIV
Suy ra
EC
CECC
C
RR
VV
I
+
−
=
(1) xem như
EC
II ≈
Theo biễu thức (1) ta vẽ được đường tải tĩnh như sau:

Độ dốc đường tải tĩnh:
ECCE
C
RRdV
dI
+
−=
1
Về phương diện xoay chiều tụ
E
C
xem như nối tắt:

0=+
CCCC
RiV
Suy ra
C
CC
C
R
V
i −=

Mà:

CEQCECCCCCCE
CQCCCCQC
VVVVVV
IIiiII
−=⇒+=
−=⇒+=
EQ

)(
1
CEQCE
C
CQC
VV
R
II −−=−

(2)

:
CQ
I
là dòng tĩnh.
(2) chính là phương trình đường tải động.
Độ dốc đường tải động:
ECC
RRR +
>
11
Giao điểm đường tải tĩnh và đặc tuyến ra ứng với dòng vào
0
B
I
là điểm
làm việc tĩnh Q. Để biên độ
CE
V
lớn nhất thì chọn
CE
V
nằm giữa đoạn (0,
CEQ
V
). Do đó điểm tĩnh Q nằm giữa đường tải động.
Sau khi đã chọn được điểm tĩnh ta sẽ thiết lập vị trí của nó trên thực tế
bằng cách: Đặt lên các cực BJT những điện áp một chiều vấn đề còn lại là
ổn định điểm làm việc tĩnh để đảm bảo yêu cầu chất lượng của mạch.

5.3> Hiện tượng trôi điểm làm việc:
Đặc tính của BJT làm việc trong miền tích cực được đặc trưng bởi ba tham
số
BEC
VI ,,
0
β
. Sự thay đổi của ba tham số này là nguyên nhân dẫn đến sự
thay đổi của điểm làm việc tĩnh.
Do đó, ổn định điểm làm việc chỉ có độ ổn định dòng
0C
I
là có lợi hơn vì
khi
β
hay nhiệt độ thay đổi thì điểm làm việc không đổi, chỉ có dòng
0C
I
thay đổi.
Nếu biết được quan hệ
β
,,(
0CBEC
IVfI =
) của mạch thì ta có thể tính
toán được lượng thay đổi của
C
I
theo các tham số của nó như biểu thức sau:

BE
BE
CC
C
C
C
C
V
V
II
I
I
I
I ∆
∂
∂
+∆
∂
∂
+∆
∂
∂
=∆
0
0
β
β
Các thành phần vi phân gọi là hệ số ổn định.
β
∆∆∆∆ ,,,

0 CCBE
IIV
là đại
lượng trôi, chúng đều phụ thuộc vào nhiệt độ.
Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của điện áp trôi đến điện áp ra, ta có hệ số
khuyếch đại điện áp trôi:

0
0
BE
C
tr
V
V
K
∆
∆
=


0C
V∆
: Lượng biến đổi điện áp một chiều giữa đầu ra bộ khuyếch đại
và đất.
Độ lợi toàn mạch càng cao thì mức trôi càng lớn.
Như vậy, hiện tượng trôi điểm làm việc tĩnh là sự thay đổi điểm làm việc
ban đầu đã được phân cực do ảnh hưởng của nhiệt độ.
Hệ số ổn định nhiệt: Khi nhiệt độ thay đổi thì
β
,,

0CBE
IV
thay đổi nhưng
dòng
0C
I
thay đổi nhiều nhất với BJT Si nên ta có thể bỏ qua sự thay đổi
của
β
,
BE
V
.
Để xét tính ổn định của một mạch khi nhiệt độ thay đổi ta dùng hệ số ổn
định nhiệt S:

C
B
CB
C
T
I
I
I
I
S
∆
∆
−
+

=
∆
∆
=
β
β
1
1
0
S càng nhỏ thì BJT càng ổn định nhiệt.
Để điểm làm việc tĩnh ổn định thì khi phân cực phải làm giảm ảnh
hưởng của nhiệt độ.
6> Sơ đồ cung cấp và ổn định nhiệt cho BJT:
6.1> Cung cấp và ổn định điểm làm việc bằng hồi tiếp âm dòng điện một
chiều:
Xét sơ đồ EC:

Dùng định lý Thyvenin ta có sơ đồ tương đương như hình trên.
Phương trình mạch chân B:

0 =−−−
EEBbBEB
RIRIVV
Tính toán sao cho
BE
V
> Vγ làm cho tiếp giáp JE phân cực thuận.
• Nguyên tắc ổn định:
Khi
C

I
tăng do nhiệt độ mặt ghép tăng hoặc do nồng tạp chất trong BJT
tăng, thì dòng
E
I
tăng nên điện áp rơi trên
E
R
:
EER
RIV
E
=
tăng. Điện áp tại
cực cực B do cầu chia điện áp
21
, RR
hầu như không đổi nên
BE
V
giảm.
↓↓→↓→
CBBE
IIV
kéo dòng
C
I
về giá trị ban đầu.
Ngược lại, khi
↑↑→↑→↓→=↓→↓→

CBBEEEREC
IIVRIVII
E
kéo
dòng
C
I
trở về giá trị ban đầu.
Trong sơ đồ mạch trên,
E
R
giữ nhiệm vụ hồi tiếp âm dòng điện một chiều
để ổn định điểm làm việc tĩnh. Để tránh hồi tiếp âm xoay chiều tín hiệu trên
E
R
làm giảm hệ số khuyếch đại của mạch ta mắc tụ
E
C
song song với
E
R
để ngăn chặn sụt áp xoay chiều vì tụ
E
C
về phương diện xoay chiều xem
như nối tắt. Thường chọn
VV
RE
21÷=
.

Hệ số ổn định nhiệt:

β
β
β
+=
∆
∆
−
+
= 1
1
1
C
B
T
I
I
S
6.2> Cung cấp và ổn định nhiệt bằng hồi tiếp âm điện áp:
Sơ đồ mạch:


B
R
vừa là điện trở phân cực vừa là điện trở hồi tiếp.
Chọn
B
R
thích hợp để BJT làm việc ở chế độ khuyếch đại.

Ta có:
CB
C
C
B
C
B
CB
CC
CB
BECC
B
BECCCBBCC
BEBBCCBCC
RR
R
dI
dI
I
I
RR
IR
RR
VV
I
VRIRRIV
VRIRIIV
+
−==
∆

∆
+
−
+
−
=⇒
+++=
+++=
)(
)(
Hệ số ổn định nhiệt:

CB
C
T
RR
R
S
+
+
+
=
β
β
1
1
Nếu chọn
C
R
»

B
R
thì
1=
T
S
.
C
R
là điện trở tải không được quá lớn.
6.3> Ảnh hưởng của các thông số
BEC
VI ,,
0
β
đến độ ổn định của mạch:
6.3.1> Ảnh hưởng của
β
:
Xét sơ đồ mạch như hinh vẽ mục 6.1:
Phương trình mạch chân B:

β
β
+
+
+−
=⇒
=+−−
+

−
=+−−−
1
.
0.
1
0
0
0
0
B
E
BCBEB
E
BCEEBEB
E
B
BCEEBEBBB
R
R
RIVV
I
RIRIVR
I
V
RIRIVRIV
Coi dòng
CE
II ≈
thì dòng

C
I
sẽ không phụ thuộc vào
β
nếu
β
+
>>
1
B
E
R
R
Thực tế thì điều kiện này luôn thỏa mãn vì
B
R>>+
E
)R1(
β
khi thiết
kế.
6.3.2> Ảnh hưởng của
CBE
IV
0
,
:
Thường thì đối với BJT Ge ít phụ thuộc vào
BE
V

mà chỉ phụ thuộc vào
C
I
0
. Chỉ có BJT Si thì phụ thuộc khá lớn vào
BE
V
, ít phụ thuộc vào
C
I
0
.
Xét mạch ở mục 6.1:
Từ phương trình mạch chân B ta có:
BCE
B
EBBE
RIR
R
IVV .)
1
(
0
++
+
−=
β
Khi nhiệt độ tăng dòng
CE
II

0
,
tăng lên. Chọn
BCB
RIV .
0
>>
có thể bỏ
qua sự ảnh hưởng của
C
I
0
. Khi nhiệt độ tăng dòng
E
I
tăng nên
↓−=
EEBBE
RIVV .
. Khi
↓
BE
V
theo lý thuyết dụng cụ bán dẫn thì áp phân
cực cho tiếp giáp BE giáp nên dòng
↓↓→
EB
II
. Như vậy, đối với mạch
trên thì mạch ít phụ thuộc vào nhiệt độ.

Chương2: Khuyếch đại tín hiệu nhỏ
1> Mạch EC:
Sơ đồ mạch:

Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ:

Chức năng các linh kiện:
1
R
,
2
R
: Điện trở phân cực cho BJT.
C
R
: Điện trở tải cưc C của BJT.
E
R
: Điện trở ổn định nhiệt.
t
R
: Điện trở tải.
n
R
: Nội trở nguồn tín hiệu.
n
E
: Nguồn tín hiệu.
E
C

: Tụ ngăn sụt áp xoay chiều trên RE.
1
C
: Tụ liên lạc ngõ vào.
2
C
: Tụ liên lạc ngõ ra.
1.1> Trở kháng vào của mạch:
Trở kháng vào của BJT:
Theo mô hình tương đương vật lýcủa BJT ta có:

ebbev
rrrr )1(
β
++==

Trở kháng vào của mạch:

bennvbv
rRRrRR +≈+= //
Với
ebbe
rrrRR )1(),//(R
21b
β
++==
Do Rb»
be
r
bỏ qua Rb.

1.2> Trở kháng ra của mạch:
tCcer
RRrR ////=
. Vì
ce
r
rất lớn so với
t
R,R
C
nên bỏ qua
ce
r
tC
RR //R
r
=⇒
1.3> Hệ số khuyếch đại dòng điện:
tC
C
t
tC
bt
tCb
b
t
r
v
t
i

RR
R
R
RR
iR
RRi
i
R
u
i
i
K
+
=====
βββ
)//(
.
)//(

1.4> Hệ số khuyếch đại điện áp:

)1(

)//(
)//()////(
b
be
bv
b
be

bbebb
bv
bbenvv
tCbcetCbr
v
r
u
R
r
ii
R
r
iIriRI
iIi
RrRiu
RRirRRiu
u
u
K
+=⇒
=⇒=
+=
+=
−≈−=
=
ββ
)//)(1(
)//(
)//)(1(
)//(

)//)(1(
bben
b
be
tC
bben
b
be
b
tCb
v
r
u
bben
b
be
bv
RrR
R
r
RR
RrR
R
r
i
RRi
u
u
K
RrR

R
r
iu
++
−=
++
−==⇒
++=⇒
ββ
Khi
B
R
»
bebbebe
rRrr ≈⇒ //
và
11 ≈+
b
be
R
r

ben
tC
u
rR
RR
K
+
−=⇒

)//(
β
1.5> Hệ số khuyếch đại công suất:(
P
K
)
uip
KKK .=

1.6> Hệ số ổn định nhiệt:
tC
C
T
RR
R
S
+
+
+
=
.
1
1
β
β
1.7> Mối quan hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào:
Ở bán kì dương của tín hiệu vào dòng ib↑→
bC
ii .
β

=
↑→
CcCCc
RiVv .−=
↓→tín hiệu ra giảm.
Ở bán kì âm của tín hiệu vào dòng
↑→−=↓→=↓→
CCCCCbCb
RiVviii
β
tín hiệu tăng.
Như vậy, đối với sơ đồ EC thì tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào.
2> Mạch BC:
Sơ đồ mạch: