Điện tử viễn thông chapter 3 khotailieu

CHƯƠNG 3: ỔN ĐỊNH PHÂN CỰC (Bias Stability) CHO BJT
3.1 Giới thiệu
3.2 nh hưởng của β lên tónh điểm Q
3.3 nh hưởng của nhiệt độ lên tónh điểm Q
3.4 Phân tích hệ số ổn đònh
3.5 Bổ chính nhiệt dùng Diode
3.6 nh hưởng của nhiệt độ và các thông số kỹ thuật

Chương 3

1


3.1 Giới thiệu
9 Tónh điểm Q
9 Sự thay đổi của tónh điểm Q: Nhiệt độ, β, nguồn cung cấp, …

3.2 Ảûnh hưởng của β lên tónh điểm Q
• Tổng quát:
Khuếch đại dòng: I C
KVL mối nối BE: V BB

Rc

VCC

⇒ I CQ

Rb
VBB

Re

α (V BB

• Xét ảnh hưởng của β lên tónh điểm Q:
Xem α ≈ 1; VBE ≈ 0.7(Si) và ICBO(Re + Rb) << (VBB - VBE)
⇒ I CQ

Lưu ý: Phân tích có thể
dùng cho CB, CE, CC

Thiết kế: 1. Chọn tónh điểm Q
2. Chọn

Rb =

≈

V BB − 0.7
R e + Rb / β

• Để giảm ảnh hưởng của β lên ICQ, chọn Re >> Rb / β
⇒ I CQ

Chương 3

=

= βI B + ( β + 1) I CBO = αI E + I CBO
= I B Rb + V BE + I E Re

− V BE ) + I CBO ( Re + Rb )
Re + (1 − α ) Rb

β min Re
10

≈

V BB − 0.7
Re

; tính toán mạch phân cực như trong chương 2
2


Các kỹ thuật phân cực sử dụng hồi tiếp (feedback)
• Khái niệm hồi tiếp
• Hồi tiếp dòng (current feedback)

VCC − V BE
RE + RB / β
VCC − V BE
hay I BQ =
βR E + R B
I CQ =

• Hồi tiếp dòng và áp (current & voltage feedback)

VCC ≈ I CQ RC + I BQ R F + V BE + I CQ R E
I CQ R F

⇔ VCC = I CQ RC +
+ V BE + I CQ R E

β

⇒ I CQ
hay:

Chương 3

=

I BQ

VCC − V BE
RC + R E + R B / β
VCC − V BE
=
β ( RC + R E ) + R B
3


3.3 nh hưởng của nhiệt độ lên tónh điểm Q
• nh hưởng của nhiệt độ:
9 Điện áp ngưỡng: ∆V BE

= V BE 2 − V BE1 = − k (T2 − T1 ) với k = 2.5 mV / oC (Si)

9 Dòng phân cực nghòch bão hòa: I CBO 2

(

)

= I CBO1 e K (T2 −T1 ) với K = 0.07 / oC

∆I CBO I CBO 2 − I CBO1 I CBO1 ( e K∆T − 1)
⇒
=
=
∆T
∆T
∆T

• Tónh điểm Q: Xem α ≈ 1 và Re >> Rb / β; từ công thức tổng quát:

R
V BB − V BE
+ I CBO (1 + b )
Re
Re
∆I CQ
1 ∆V BE ⎛ Rb ⎞ ∆I CBO
⎟⎟
⇒
=−
+ ⎜⎜1 +
R e ∆T
∆T
⎝ R e ⎠ ∆T

∆I CQ
⎛ e K∆T − 1 ⎞
k ⎛ Rb ⎞
⎟
⎟⎟ I CBO1 ⎜⎜
=
+ ⎜⎜1 +
⇒
⎟
Re ⎝ Re ⎠
∆T
⎝ ∆T ⎠
k ∆T ⎛ Rb ⎞
⎟⎟ I CBO1 e K∆T − 1
+ ⎜⎜1 +
⇒ ∆I CQ =
Re ⎝ Re ⎠
⇒ I CQ

≈

(

)

• Ví dụ: Xét mạch điện trong phần (3.2) với: Rb = 400; Re = 100; ICQ = 10 mA tại 25 oC. Tìm
sự thay đổi của ICQ khi nhiệt độ lên đến 55 oC với a) Silicon; b) Germanium.

Chương 3

4


∆I CQ

Tổng quát:

∆I CQ

2.5 × 10 −3 (55 − 25) ⎛ 400 ⎞
0.07×( 55− 25)
−1
=
+ ⎜1 +
⎟ I CBO1 e
100
⎝ 100 ⎠
= 0.75 × 10 −3 + 36 I CBO1

(

)

a) Silicon: ICBO1 = 1 µA ⇒ ∆ICQ = 0.786 mA
b) Germanium: ICBO1 = 100 µA ⇒ ∆ICQ = 4.35 mA
Nhận xét:
i) ∆ICQ (Silicon) << ∆ICQ(Germanium)
ii) Với Silicon, ∆ICQ chủ yếu do ∆VBE

3.4 Phân tích hệ số ổn đònh (stability analysis)

• Bài toán: ICQ = ICQ(ICBO, VBE, β, …) sẽ thay đổi như thế nào khi các biến phụ thuộc thay đổi
• Giả thuyết: Giả sử các biến phụ thuộc thay đổi một lượng nhỏ, sử dụng khai triển Taylor:

dI CQ

⎛ ∂I CQ
= ⎜⎜
⎝ ∂I CBO

⎞
⎛ ∂I CQ
⎟⎟dI CBO + ⎜⎜
⎠
⎝ ∂V BE

• Đònh nghóa: Hệ số ổn đònh (stability factors)

SI =

∆I CQ

∆I CBO

≈

∂I CQ

∂I CBO

;

SV =

∆I CQ

∆V BE

≈

⎞
⎛ ∂I CQ
⎟⎟dV BE + ⎜⎜
⎠
⎝ ∂β

∂I CQ
∂V BE

;

⎞
⎟⎟dβ + ...
⎠
Sβ =

∆I CQ
∆β

≈

∂I CQ
∂β

Lưu ý 1: Các hệ số ổn đònh được tính tại điểm Q danh đònh (nominal Q)
Với các thay đổi nhỏ: ∆ICQ ≈ dICQ; ∆ICBO ≈ dICBO; ∆VBE ≈ dVBE; ∆β ≈ dβ
Suy ra:
∆ICQ ≈ SI∆ICBO + SV∆VBE + Sβ∆β + …
Chương 3

5


Lưu ý 2: Thực tế, β thay đổi rất nhiều, khi đó ∆ICQ vẫn được tính từ công thức trên với Sβ
được tính trực tiếp theo đònh nghóa:
• Xét mạch trong phần 3.2: I CQ

=

Sβ =

α (V BB

∆I CQ

∆β
− V BE ) + I CBO ( Re + Rb )
Re + (1 − α ) Rb

Tính các hệ số ổn đònh: (Giả sử Re >> Rb / β ≈ (1-α)Rb )

∂I CQ

R e + Rb
Rb
9 SI =
≈ 1+
=
∂I CBO Re + (1 − α ) Rb
Re
∂I CQ
−α
1
=
≈−
9 SV =
∂V BE Re + (1 − α ) Rb
Re

9 Tính Sβ: Tính trực tiếp từ đònh nghóa, sử dụng α
⇒ I CQ
⇒

β (V BB − V EE )
Rb + ( β + 1) Re
β R + ( β1 + 1) Re
= 2 b
β1 Rb + ( β 2 + 1) Re

=

β
1+ β

và giả sử bỏ qua ICBO

≈

I CQ 2
I CQ1

⇒

I CQ 2 − I CQ1
I CQ1

=

∆I CQ
I CQ1

=

∆β ( Rb + R e )
β1 [Rb + ( β 2 + 1]) Re

∆I CQ

⎛ I CQ1 ⎞ ⎡
Rb + R e

⎤
⎟⎟ ⎢
= ⎜⎜
⇒ Sβ ≡
⎥
∆β
β
R
(
β
1
)
R
+
+
2
e⎦
⎝ 1 ⎠⎣ b
Chương 3

6


⎛ I CQ1 ⎞ ⎡
Rb + R e
⎛ Rb ⎞
⎛ 1 ⎞
⎤
⎟⎟ ⎢
⎟⎟ ∆I CBO − ⎜⎜ ⎟⎟ ∆V BE + ⎜⎜

Suy ra: ∆I CQ ≈ ⎜⎜1 +
⎥ ∆β + ...
β
(
β
1
)
R
R
R
R
+
+
⎝
⎝ e⎠
2
e⎦
e⎠
⎝ 1 ⎠⎣ b
∆I CBO = I CBO1 ( e K∆T − 1)
Trong đó:
∆V BE = − k∆T
∆β = β 2 − β 1
• Mở rộng: ∆I CQ = S I ∆I CBO + SV ∆V BE + S β ∆β + SV ∆VCC + S R ∆Re
CC
e
∂I CQ
∂I CQ
≈
Với SV

; SR ≈
CC
e
∂VCC
∂Re

• Ví dụ: a) Tìm ICQ tại nhiệt độ phòng, sử dụng các giá trò danh đònh
b) Tính ∆ICQ với các thay đổi trên VCC, Re, β; nhiệt độ thay đổi từ 25 – 125 oC.
a) V BB

= VCC

R1
; Rb = R1 // R2
R1 + R2

Dùng công thức tổng quát:

I CQ =

α (V BB − V BE ) + I CBO ( Re + Rb )
= 10.6 mA
Re + (1 − α ) Rb

b) ♦ Tính các hệ số ổn đònh:
Chương 3

7

R e + Rb
= 5.25 mA/mA
Re + (1 − α ) Rb
1
SV ≈ −
= - 10 mA/V
Re
⎛ I CQ1 ⎞ ⎡
Rb + Re
⎤
⎟⎟ ⎢
= 0.0116 mA
S β ≈ ⎜⎜
⎥
⎝ β1 ⎠ ⎣ Rb + ( β 2 + 1) Re ⎦

SI =

α (V BB − V BE ) + I CBO ( Re + Rb )
, suy ra:
Re + (1 − α ) Rb
R1
α
= 0.91 mA/V
=
Re + (1 − α ) Rb R1 + R2

Tính SVcc và SRe, từ công thức tổng quát: I CQ

SVCC =

S Re

∂I CQ

α

∂V BB
=
Re + (1 − α ) Rb ∂VCC
− α (V BB − V BE )

=

∂VCC
∂I CQ
=
≈
= - 0.1 mA/Ω
2
∂Re
[Re + (1 − α ) Rb ]

♦ Xác đònh các đại lượng biến thiên:

∆I CBO = I CBO1 ( e K∆T − 1)
∆V BE = − k∆T = -250 mV

= 0.11 mA

∆β = β 2 − β1 = 50
∆VCC = 4V

∆Re = 20 Ω

♦ Suy ra độ dòch tónh điểm Q nhiều nhất

∆I CQ = S I ∆I CBO + SV ∆V BE + S β ∆β + SVCC ∆VCC + S Re ∆Re

= 9.3 mA

Độ dòch tónh điểm Q xung quanh giá trò danh đònh ≈ 9.3 / 2 = ± 4.65 mA
Chương 3

8


3.5 Bổ chính nhiệt dùng Diode
• Nhận xét: Thay đổ nhiệt độ ảnh hưởng lên dòng phân cực ICQ chủ yều do ∆VBE.
⇒ Giảm SV: Tăng Re, tuy nhiên làm giảm dòng phân cực.
Giảm ∆VBE: Bổ chính nhiệt
• Bổ chính nhiệt dùng Diode:
Chọn Diode sao cho:

Suy ra:

I EQ =

V D − V BEQ + I BB Rd
Re + [ Rd /( β + 1)]

• Cấu hình thực tế:

⇒

∆V D ∆V BE
=
∆T
∆T

I EQ

Nguồn dòng:

I BB = I D + I BQ = I D +

Mặt khác: V B

= V D + I D Rd = V BEQ + I EQ Re

∆I EQ
∆T

=

β +1

∆V D / ∆T − ∆V BE / ∆T
=0
Re + [ Rd /( β + 1)]

- Giải quyết được bài toán lựa chọn Diode
thích hợp (matching) với TST
- Sử dụng trong các mạch tích hợp
(Integrated Circuit)

Chương 3

9


• Ví dụ: Xác đònh ảnh hưởng của nhiệt độ lên tónh điểm Q

VB VB − VD
V
V − VD
+
+ I BQ ; giả sử I BQ << B và I B << B
Rb
Rd
Rb
Rd
V D ⎞ ⎛ Rb R d ⎞
VB VB − VD
⎛
⎟⎟
⎟⎟⎜⎜
⇒ I BB ≈
⇒ V B = ⎜⎜ I BB +
+

Rb
Rd
R d ⎠ ⎝ Rb + R d ⎠
⎝
V B − V BEQ ⎛ 1 ⎞⎛ VCC Rd
V R
⎞
= ⎜⎜ ⎟⎟⎜⎜
+ D b − V BEQ ⎟⎟
⇒ I EQ =
Re
⎠
⎝ R e ⎠ ⎝ Rb + R d Rb + R d
∂I EQ ⎛ 1 ⎞⎛ Rb ∂V D ∂V BEQ ⎞
⎟⎟
Biến thiên theo nhiệt độ:
−
= ⎜⎜ ⎟⎟⎜⎜
∂T ⎠
∂T
⎝ Re ⎠⎝ Rb + Rd ∂T
∂I EQ
∂V D ∂V BEQ
1
k
=
Vì hai TST là giống nhau:
=
= − k , suy ra:
∂T

R e 1 + Rb / R d
∂T
∂T
Mạch tương đương:

Chương 3

I BB =

10


3.6 nh hưởng của nhiệt độ và các thông số kỹ thuật
Ví dụ: Transistor 2N1016, Silicon npn
1. Điện trở nhiệt tối đa: θjc = 0.7 oC/W
2. Công suất tiêu tán tối đa với bộ tản nhiệt lý tưởng tại 25 oC: PC = 150 W
3. Nhiệt độ mối nối tối đa: Tj,max = 140 oC
4. Các thông số cực đại tuyệt đối tại 25 oC:
1) IC = 7.5 A
2) IB = 5 A
3) Breakdown voltage:
a) BVCBO = 30 V
b) BVEBO = 25 V
c) BVCEO = 30 V
5. Dòng ICBO cực đại tại điện áp VCB cực đại tại 25 oC = 10 mA
6. Hệ số khuếch đại dòng β tại VCE = 4V, IC = 5A: 10 ≤ β ≤ 18
7. Tần số cắt CE (cutoff frequency): fβ = 30 kHz

Chương 3

11