GIÁO TRÌNH TRANSISTOR LƯỠNG CỰC NỐI - BJT

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.37 MB, 97 trang )

GT ĐIỆN TỬ CƠ BẢN
TRANSISTOR LƯỢNG CỰC NỐI - BJT

1

I.Mạch khuếch đại BJT
•

Transistor lưỡng cực nối (BJT -Bipolar Junction Transistor) là linh kiện có 3 cực có
tính khuếch và giao hoán tương tự MOSFET. BJT còn được sử dụng trong VLSI. So
sánh chức năng các cực như sau:

C

•

IB
B

+

IG= 0

VCE
-

G

ID
+

+

VDS

VGS

-

-

E

•
•
•

D

+

VBE

•

IC

IE

S

IS

Cực phát E tương tự cực nguồn S
Cực thu C tương tự cực thoát D
Cực nền B tương tực cực cổng G

2

I. Cấu tạo
•
•

Gồm 2 nối tiếp xúc ghép xen kẽ nhau.
Có 2 loại Transistor nối: npn và pnp (h. 1)

•
C

C

•

C

n

•

p

B

B

•

B

B

p

•

n

n

•

C

p

E

E

E

loại npn

E

loại pnp

•

•

loại npn

loại pnp

C

C
C
C
n

p

B

B
p

B

n
B

n +

p+
E

E

E
E

3

BJT Transistors:
NPN
Transisto
r

Sandwiching a
P-type layer
between two
n-type layers.

PNP
Transisto
r

Sandwiching a
N-type layer
between two
p-type layers.
4

•
•
•

Vùng phát E pha đậm,
Vùng nền rất hẹp và pha lợt ( nhẹ)
Vùng thu C lớn nhất và pha trung gian giửa vùng phát pha đậm
và vùng nền pha lợt ,

 Tên gọi nhằm ám chỉ:
Cực phát phát các hạt tải đến cực thu (góp) và dòng hạt tải này
được điều khiển bởi cực nền (gốc)

5

b. Đặc tuyến ra IC = f ( VCE ) IB =Cte
vùng bảo hoà

vùng tác động

IC ( mA)
60uA
6

IB = 50uA
40uA

4

QB

30uA

QA

20uA

2

10uA
0uA

0 0,2

5

10

15

20

25

VCE (V)

vùng ngưng ( cut off)

6

•

Mặc dầu đặc tuyến BJT gần giống đặc tuyến của MOSFET, nhưng vẫn có vài khác biệt:
- Thứ nhứt, dòng nền iB của BJT dùng để điều khiển thông số (điều khiển thông số của
MOSFET là vGS và dòng iG =0),
- Thứ hai, dòng thu của BJT là liên hệ tuyến tính với dòng nền ( trong khi MOSFET hoạt
động như nguồn dòng, dòng thoát của nó liên hệ bình phương điện thế cổng - nguồn)

•

Đặc tuyến của BJT có ba vùng hoạt động:
1. Khi iB >0 và vCE > 0,2 V, BJT hoạt động trong vùng tác động, Trong vùng này, đường
cong dòng thu nằm ngang biểu thị tính chất nguồn dòng. Vùng tác động là vùng ưu thế

cuả thiết kế mạch tương tự.

2. Khi iB =0, BJT trong vùng ngưng dẫn ( cutoff region).
3. Cuối cùng iB >0 và vCE 0 ( vùng bên trái đường đứt khoảng) dòng thu giảm thẳng đứng,
và BJT hoạt động trong vùng bảo hòa.
CHÚ Ý: Vùng bảo hoà của BJT khác với vùng boả hoà của MOSFET.

≤

7

•

Mô hình của BJT
D

Được biểu diễn ở H.

C

Mô hình gồm nguồn dòng
kiểm dòng và một cặp diod
iC

(diod nền- phát và diod

hFEiB'

nền – thu).

Dòng điện cung cấp bởi
B

nguồn phụ thuộc là

•

iB

iB'

là hằng số có trị tiêu

β iB

β iB D

biểu khoảng 100. ( xem iB = iB’).

β

(a) Mô hình BJT
E

•

Sự phân tích của chúng ta sẽ có ý nghĩa hơn nếu dùng mô hình tuyến tính từng mảnh ở hình
(b) trong đó diod thay thế bằng mô hình diod tyến tính từng mảnhgồm diod lý tưởng nối tiếp
nguồn thế. Trong hình (b) mô hình nguồn dòng phụ thuộc là đường nằm ngang vùng tác
động.

8

•
•
•
•
•
•
•

Mô hình tuyến tính từng mảnh của BJT
DIODE

Trạng thái của hai diod

+

(cả hai cùng dẫn- ON,
cả hai cùng ngưng- OFF,

hFEiB
vCE

và ,một dẫn một ngưng)
iB

dẫn tới sự phân biệt vùng

+

tuyến tính từng mảnh
của hoạt động của BJT.

iB'

B
DIODE
-

H.b

vBE

+

0,6V
iE

-

1. Khi cả hai diod cùng ngưng

E

(OFF), và nguồn dòng cùng

C

0,4V

+

•
•
•

C

0,4V

+

•

ngưng (h.c), biểu thị mô hình

+

BJT tương ứng trong vùng cutoff.
iB = iB’ vì diod nền – thu ngưng.

H.c

vCE
iB

iB'

B
+
vBE

+

0,6V
iE

E

9

2. Khi iB >0 và vCE > vBE - 0,4V

•

Diod phát ON và diod thu OFF,
và BJT hoạt động trong vùng

C

+

0,4V

+

tác động . Ta có: iB = iB’

trong vùng tác động, mô hình

tuyến tính từng phần BJT cho:

hFEiB
vCE
iB

 β iB
= phát:
vàiC
dòng
0

iB > 0 & vCE > vBE − 0, 4V
khac

iB'

B
+
-

H.c

vBE

+

iE

-

3. Khi cả hai diod nền – thu và diod nền – phát cùng dẫn (ON)

iE = iC + iB = ( β + 1) iB

0,6V

E

BJT hoat động trong vùng bảo hoà (H.d)

10

Khi iB >0 và vCE = vBE – 0,4 V
Hoặc tương đương nếu:

C

0,4V

+

•
•
•
•
•

•
•
•
•
•
•
•
•

+

vBE = 0,4V hoặc: vCE = 0,2V
Trong vùng bảo hoà, mô hình
BJT thôi không còn xem là
vCE

nguồn dòng, và thay vào là
cặp điện trở có trị số rất bé
từ cực nền và cực thu và cực

iB

iB'

B
+

phát cho bởi hai diod

-

phân cực thuận. Vì trị số thấp
của chúng, đường đi của dòng
điện được xác định bởi mạch

vBE

+

H.d
-

0,6V
iE

ngoài. Tổng cộng điện thế dọc theo đường E,B,C chúng ta có điện thế thu – Ephát vCE = 0,2V
không tuân theo của dòng iC.

11

•

•
•
•
•

Mô hình của chúng ta không hoàn toàn đầy đủ. Đó là, một trạng thái thêm vào trong đó
diod phát OFF và diod thu là ON, như có thể hy vọng khi điện thế nền – thu là 0,4 V, và điện

thế nền – phát nhỏ hơn 0,6 V. Vùng hoạt động đó, được gọi là vùng tiêm ngược. Trong vùng
đó, đặc tính của BJT là diod phân cực thuận giửa nền và cực thu, và mạch hở tại cực phát.
Để đơn giản, chúng ta chưa nghiên cứu cả vùng tiêm nghịch và vùng bảo hoà. Một cách
thích hợp,
mạch BJT sẽ được thiết tính để tránh
hoàn toàn những vùng đó.

Theo những thảo luận ở trên, với
giả thiết đó, mọi mạch BJT trong

C

giáo trình sẽ không có diod cực thu

ic

+

như biểu diễn ở H.e
hFEIB
vCE

iB
B
+

DIODE
vBE

+

0,6V
iE

E

12

•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

•
•
•

Thí dụ: Mạch khuếch đại BJT
Cho mạch khuềch đại BJT

Vs

ráp cực phát chung (H. )

=Vcc

Dùng mô hình tuyến tính

RL

Từng mảnh của BJT,
Xác định hệ thức giũa vO và vI

RI

giả sử BJT hoạt động trong
vùng tác động. Dùng hệ thức đó

Giải:

vI

, RL = 10 k

H.

-

+
vO

+

Tính vo khi vI = 1 V, 1,1 V, 1,2 V.
Cho RI = 100 k

NPN

Ω

-

Ω

Ω

β = 100, V = 10V

Ta dùng mạch tương
đương tuyên tính từng mảnh sau:
S

iB =

vIg − 0, 6
RI
13

•

Mạch tương đương:

iC =

VS − vO
= β iB
RL

1k

ic

vO = VS − RL β iB
= VS
•

vI − 0, 6 )
(
−
βR
RI

Thay các trị số vào, cho:

vo

hFEIB
iB

L

vCE

1k

+ Vs
-

DIODE
+
10V

vO = 16 − 10vI
•
•

-

+

0,6V
iE

Với vI = 1 V, 1,1 V, 1,2 V lần lượt cho vO = 6V, 5 V, 4 V.
Xa hơn, ta sẽ xác định BJT ở trong vùng hoạt động. Điện thế vào lớn nhất là 1,2 V, và điện áp ra vO = 4V,
điện thế nền – thu:

vBC = vBE − vCE = 0, 6 − 4 = −3, 4V
nhỏ hơn 0,4 V. Do đó, diod thu ngưng (OFF). (Tương tự, vì vCE >0,2V, diod thu ngưng dẫn). Điều này xác
nhận BJT ở trong vùng tác động.

•

14

•
•
•

•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

Thí dụ 2: Phân tích mạch khuếch đại BJT tín hiệu lớn
Cho mạch khuếch đại BJT như h. trên, với các trị số
RI = 100 k

, RL = 10 k

,

Ω

β = 100, VS = 10V

Ωvà vI,
1. Cho biết biểu thức liên hệ vo

2. cho biết dải trị số vào hợp lý, với BJT hoạt động trong vùng tác động, và dải trị số ra tương ứng .
Giải:
Ta có biểu thức liên hệ:

vO

BJT vùng cutoff

Vs
BJT trong
Vs

( v − 0, 6 ) β R
− I

transistor ngưng (cutoff )

v =V

Khi vI =0, iB =0

vùng tác động

vO = Vs
O
S
vI <0,6V , transistor

OFF

vCE > vBE – 0,4V

L

RI

Khi vI vượt quá 0,6V một chút:
diod dẫn, có dòng qua RI, BJT

•
•

vùng bảo hoà
0,2V
0 0,6

vO = VS −

BJT trong

cho:

vCE = vBE–0,4V
1,58

vIN

( vI − 0, 6 ) β R

RI

L

15

•
•

Hệ thức này hiện diện như đường thẳng có độ dốc –
trong đồ thị vo theo vI và vẽ trong h.

Và

β RL RI

. Do đó,

vI = 0, 6V
iB = 0

•
•
•
•
•

Là các thông số ngõ vào tại biên trị thấp nhất của vùng tác động.
hệ thức vo theo vI trong vùng tác động cho thấy vo giảm tuyến tính khi vI tăng. Biên trị

cao nhất (và tuân theo điện thế ngõ vào) của vùng tác động đạt được khi vI trở nên lớn,
và vo đủ nhỏ mà điều kiện
vCE > vBE – 0,4V
không bao lâu đạt được. Vì vCE = vO được ghim tại 0,6 V (từ vùng tác động), vO đạt điểm
biên của vùng tác động khi
vO = 0,6 – 0,4 = 0,2 V

16

•

Trị tương ứng của iC cho

iC =

•

VS − 0, 2V 10V − 0, 2V
=
= 980µ A
RL
10.103 Ω

Điện thế vào tương ứng với điện thế ra xác định bằng cách giải vI theo hệ thức vO ở trên
như sau

0, 2 = 10 −

•

•
•

vI = 1,58V

vI − 0, 6V
100 ( 10k Ω ) ⇒
100k Ω

Đó là biên trị trên của vùng tác động (tuân theo vI) được chỉ ở đồ thị trên.Trị số IB tương
ứng được tính bởi

vI − 0, 6
RI

1,58V − 0, 6V
100k Ω

iBở=vùng tác động
= và đi vào vùng
= bảo
9,8µhoà
A
Một khi BJT hiện diện
mô hình bảo hoà của BJT biểu diễn ở H.

. Là mô hình tốt nhất của mạch

khuếch đại.

•

(vI ≥ 1,58V )

17

•

Áp dụng trực tiếp định luật KVL tính được:
vO = 0,6 – 0,4 = 0,2 V
Nói cách khác, vO được ghim ở 0,2V
bởi BJT trong vùng bảo hoà

RL

khi vI vượt quá 1,58V . Sự kiện này,
được vẽ đường thẳng nằm ngang

0,4V
+

vo

tại vO = 0,2V trên đồ thị.
Tóm lại, những giới hạn trên
iB

ngõ vào của vùng tác động là:

RI

vCE

+ Vs
-

và

+ vI

Những giới hạn ngõ ra tương ứng:

0, 6V < vI < 1,58V

H.

-

+

0,6V
iE

và:

10V > vO > 0, 2V
0 < iB < 9,8µ A
980 µ A > iC > 0 A

18

•
•

•
•
•

Thí dụ 3: Chọn điểm hoạt động
Cho mạch khuếch đại BJT ở thí dụ trên, chọn điểm hoạt động của mạch sao cho điện thế vào đu đưa
cực đại , và điện thế ra đu đưa cực đại. Điện thế ra đu đưa đối xứng chuing quang điểm hoạt động là
bao nhiêu?

Mạch khuếch đại được vẽ lại

Vs

như sau

=Vcc

Theo thí dụ 2 ta có:

RL
RI

•
•

•
•

0, 6C < v < 1,58V
ngõ vào bằng cách phân cực ngõ vào
< icủa
B 9,8
tại điểm 0
giữa
hợpµlýA
ngõ vào

+

Ta có thể đạt trị số đuI đưa cực đại

Nói cách khác, ta chọn

•

vI
+

H.

VB

+
vO

-

-

1,58V + 0, 6V
= 1, 09V
2
9,8
IB =
= 4,9 µ A
2

VB =

19

•

Và trị số tương ứng của điện thế ra vO của điểm hoạt động cho bởi

VO = VS

VB − 0, 6V )
(
−
βR
RI

L

= 5,1V

•

Tương tự, trị số dòng điện ra IC điểm hoạt động cho bời

•

Theo thí dụ 2, điện thế ra đu đưa trong vùng tác động là

I C = β I B = 100 ( 4,9 ) = 490 µ A

10V > vO >0,2 V

•

Điểm hoạt động được chọn tại 5,1 V nằm điểm giữa của dải, và do đó, điện thế ra đu đưa là
đối xứng chung quang điểm hoạt động 5,1 V. Sự đối xứng dẫn tới kết quả trực tiếp từ sự
tuyến tính hoà của BJT gtrong vùng tác động. Trái với kết quả của MOSFET, ngõ ra đu đưa
không đối xứng vì tính chất không đối xứng của MOSFET trong vùng bảo hoà của nó.

20

Mô hình tín hiệu nhỏ của BJT

•
•

Ta triển khai mô hình tín hiệu nhỏ của BJT bằng cách tuyến tính hoá mô hình tuyến tính từng mảnh ở
trên.
Xét h.

.
C
C

iC
= hFEiB

hFEiB
iB
B

vCE
+

B
+

•

(a) Mô hình tuyến tính từng phần

iB

0,6V

iEhình
(b) Mô

iE
tín hiệu nhỏ

E

•

Do nối tắt nên bỏ qua 0,6V và cho

•
ic =

d ( β iB )
diC
ib =
ib
diB iB − IB
diB iB − IB

= β ib
21

•
•

Thí dụ: Cho lại thí dụ 2 và 3

Tính được

RL

VO = VS

•
•

( V − 0, 6 ) β R
− I
RI

L

C

= 0, 6V

vo

VCE = VO = 0, 6V > VBE − 0, 4V = VI − 0, 6V
Độ lợi thế mô hình tín hiệu nhỏ

iC
= hFEiB

Tại nút ngõ ra:

vO

= − β ib
RL
v
ib = i
RI
vo
RL
=
−
β
• Thay trị số vvào, được R
i
I

RI

iB

+

iE

vi
vI

+ VI

E

-

Av = - 10

22

•
•
•
•

Thí dụ 2: Độ khuếch đại tín hiệu nhỏ của BJT
Cho mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ BJT như ở thí dụ trước
Ta lần lượt có :
Trong mô hình tín hiệu nhỏ

io + ic +

RL
C

vo
=0
RL

io + β ib − β ib

vo

RL Rout