Ứng dụng transistor trong khuếch đại tín hiệu điện

Trờng đại học vinh
Khoa Vật lý
------***------

Mai Văn Bình

ứng dụng transistor trong khuếch đại
tín hiệu điện

Khoá luận tốt nghiệp
chuyên ngành Điện tư viƠn th«ng

1


Vinh 05/2006

Lời nói đầu

Để hoàn thành đề tài này, trớc hết tôi xin chân thành cảm ơn đến: thầy giáo,
TS. Nguyễn Hoa L ngời đà trực tiếp giao đề tài và tận tình hớng dẫn tôi trong suốt
thời gian thực hiện đề tài này. Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa vật lý
khoa công nghệ trờng Đại học Vinh, đà tạo mọi điều kiện tốt nhất cho việc
nghiên cứu và hoàn thành đề tài của mình.
Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đà cố gắng thể hiện nội dung mang tính
cơ bản. Các vấn đề đợc trình bày có hệ thống .
Do khoảng thời gian và điều kiện có hạn nên không tránh khỏi những thiếu
sót, rất mong đợc sự góp ý kiến của bạn đọc để đề tài đợc hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Vinh ngày 25 tháng 4 năm 2006
Sinh viên

Mai Văn Bình

2


Lý do chọn đề tài

Thế kỷ 21 là thế kỉ của khoa học kỹ thuật hiện đại. Kỹ thuật điện tử viễn
thông và công nghệ thông tin phát triển với tốc độ ngày càng nhanh.
Hiện nay, các linh kiện điện tử ngày càng trở nên gọn nhẹ, có độ tin cậy cao,
giá thành rẻ. Một trong những linh kiện đó là transistor bán dẫn, nó đợc ứng dụng
rộng rÃi trong các ngành điện tử viễn thông và công nghệ thông tin.

Việc

sử

dụng transistor công nghệ cao đà làm cho kích thớc của các máy vi tính, các thiết
bị truyền hình, truyền thanh trë nªn gän nhĐ, hiƯu st sư dơng cao, tốc độ
nhanh. Tín hiệu truyền đi với độ nhiễu giảm, hình ảnh đợc rõ nét, xử lý thông tin
rất nhanh.
Một trong những ứng dụng quan trọng của transistor là sử dụng nó trong
các mạng điện để khuếch đại điện áp hay dòng điện. Khuếch đại là quá trình nâng
cao công suất của tín hiệu mà không làm biến dạng nó. Thực chất của quá trình
biến đổi năng lợng có điều khiển, ở đây năng lợng của nguồn dòng một chiều
không có chứa tin tức sẽ biến thành năng lợng xoay chiều có quy luật biến đổi
mang thông tin cần thiết.
Để khuếch đại tín hiệu ngời ta sử dụng các tầng khuếch đại dùng transistor,
mỗi tầng khuếch đại bao giờ cũng có phần tử điều khiển đó là transistor. Một bộ

khuếch đại gồm có nhiều tầng khuếch đại. Đầu vào của bộ khuếch đại đợc nối với
nguồn tín hiệu còn đầu ra nối với tải.
Việc nghiên cứu, tìm hiểu bản chất khuếch đại của transistor có ý nghĩa thực
tiễn cao trong ®êi sèng x· héi. Do ®ã, t«i ®· chän ®Ị tài ứng dụng transistor
trong khuếch đại tín hiệu điện. Đề tài nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn, bởi lẽ nó
phục vụ trực tiếp cho công việc nghiên cứu, học tập của học sinh, sinh viên cũng
nh công tác giảng dạy của giáo viên phổ thông và các giảng viên ®¹i häc.

3


Nội dung chính của đề tài này bao gồm:
ChơngI . Cấu tạo, nguyên lý làm việc và các tham số cơ bản của transistor lỡng cực
Chơng II. Phân cực và ổn định chế độ làm việc cho transistor
Chơng III. Khuếch đại tín hiệu điện dùng transistor lỡng cực
Chơng IV. ứng dụng transistor trong mạch khuếch đại công suất

4


Chơng I

Cấu tạo, nguyên lý làm việc và các tham số cơ
bản của Transistor lỡng cực

1.1. Cấu tạo và nguyên làm việc của transistor lỡng cực
1. Cấu tạo
Transistor là loại linh kiện bán dẫn có ba miền với các loại bán dẫn xen kẽ
nhau trong cùng một đơn tính thể bán dẫn. Đó là các miền bán dẫn p và n. Tuỳ
theo trình tự sắp xếp các miền p và n mà ta có hai loại cấu trúc điển hình là pnp và

npn. Các miền này đợc phân cách nhau bởi các chuyển tiếp p-n. Tơng ứng với mỗi
miền là một cực của transistor. Miền bán dẫn ở giữa hai chuyển tiếp p - n đợc gọi
là miền gốc (hay còn gọi là miền bazơ - kí hiệu là B). Miền này có nồng độ tạp
chất nhỏ nhất và độ dày của nó dày cỡ àm , điện cực nối với miền này gọi là cực
bazơ. Miền có khả năng truyền các hạt dẫn điện vào miền bazơ gọi là miền phát
(hay miền emitơ - kí hiệu là E). Miền emitơ có đặc điểm là có nồng độ tạp chất lớn
nhất, điện cực nối với miền này gọi là cực emitơ.
Miền còn lại có khả năng nhận đợc tất cả các hạt dẫn (lỗ trống - electron) đợc truyền từ emitơ qua bazơ, miền này gọi là miền góp (hay miền colectơ - kí hiệu
là C). Miền này có đặc điểm nồng độ tạp chất trung bình và điện cực nối với miền
này gọi là cực colectơ.
Tiếp giáp p n giữa emitơ và bazơ gọi là tiếp giáp emitơ (JE).
Tiếp giáp p n giữa miền bazơ và miền clectơ có tiếp giáp colectơ (JC).

Miền bazơ

5


MiỊn Baz¬

JE

JC

Cùc emit¬

p

E

n

p

MiỊn Enit¬

JE

Cùc colect¬
C

MiỊn colect¬

JC
colect¬

Emit¬

n

p

E

n

C

MiỊn colect¬

MiỊn emit¬
B

B Cùc baz¬

Baz¬

Colect¬

Colect¬

Baz¬

Baz¬

Emit¬

Emit¬

H. 1.Mô hình và ký hiệu của transistor lỡng cực
2. Nguyên lý làm việc.
Có hai loại transistor đó là transistor pnp và npn. Nhng nguyên lý làm việc
của cả hai loại này đều giống nhau. Để thuận tiện ta xét nguyên lý làm việc của
transistor pnp với những giả thiết sau:
+ Tất cả các quá trình vật lý xẩy ra trong một tinh thể bán dẫn có kích thớc
vô cùng lớn.
+ Transistor đợc chế tạo từ một tinh thể bán dẫn có bề mặt đợc gia công
hoàn hảo đến mức các hiện tợng xẩy ra trên bề mặt tinh thể không ảnh hởng gì đến
các quá trình vật lý xẩy ra ë trong transistor.
6

+ Các lớp tiếp xúc công nghệ của các chuyển tiếp emitơ và colectơ là những
mặt phẳng song song vô cùng lớn.
+ Các quá trình phân bố các chất trong tinh thể bán dẫn chỉ tiến hành theo
phơng x.
Để transistor làm việc, ngời ta phải đa điện áp một chiều tới các điện cực
của nó, gọi là phân cực cho transistor. ở đây JE đợc phân cực thuận và JC đợc phân
cực ngợc nh hình vẽ.

IC

IB

-

UBE

IE
E

+ UCB

+

H.2. Sự phân cực của transistor
Dòng các lỗ trống từ E (IEP) sẽ đợc chỉnh vào B do quá trình khuếch tán nhiệt
có xu hớng làm cân bằng nồng độ lỗ trống trong bazơ và vì thế dòng các lỗ trống
này sẽ dịch chuyển về phía C. Gọi W là độ rộng bazơ, còn Lpn là chiều dài khuếch
tán của các lỗ trống trong vùng bazơ. Nếu W << Lpn, các lỗ trống chuyển dời đến

chuyển tiếp colectơ sau khi vợt qua miền bazơ mà không có sự tái hợp đáng kể.
Đến chuyển tiếp colectơ, các hạt tải không cơ bản (lỗ trống) sẽ vợt qua dễ dàng
chuyển tiếp colectơ (lúc này là một điện trờng gia tốc đối với các hạt tải không cơ
bản) và ra mạch ngoài của C. Trên cực C sẽ xuất hiện một dòng điện lớn có giá trị
gần bằng dòng IE. Lúc này sẽ phân phối các hạt tải điện trong miền bazơ sẽ có quy
luật nh hình vÏ sau:

7


W
W
n

p

E

IEP

p

ICP

i e th

c
x

ien

b

P
pp

4

pp

3
2
1
0

x
X=0

X= W -

W

H.3. Sơ đồ mô tả nguyên lý làm việc của một transisto lỡng cực và phân bố
nồng độ các hạt dẫn không cân bằng trong vùng bazơ của các giá trị khác nhau của
dòng IE
ở điểm x = W W nồng độ các hạt tải điện đợc coi nh bằng không vì
chúng ta đà giả thiết rằng W << Lpn và tốc độ chuyển dời của các hạt tải không cơ
bản trong vùng bazơ là vùng vô cùng lớn. Đến chuyển tiếp colectơ chúng vợt qua
một cách dễ dàng bởi điện trờng gia tốc của chuyển tiếp colectơ.
Nếu bây giờ điện áp chuyển tiếp E đợc tăng lên (các đờng phân bố 2 và 3)
thì nồng độ các lỗ trống ở gần chuyển tiếp E sẽ tăng lên nữa dẫn đến gradien nồng

độ các hạt tải điện trong B sẽ tăng lên. Kết quả là dòng các lỗ trống chuyển dời đến
chuyển tiếp colectơ sẽ tăng lên. Tuy nhiên trong thực tế dù chiều dài của vùng B có
nhỏ đến đâu chăng nữa, vẫn xẩy ra sự tái hợp của một số lỗ trống trong vùng bazơ
và nh vậy dòng ICP sẽ bị mất đi một đại lợng bằng số các hạt tải điện bị tái hợp
trong vùng B của transistor. Khi đó: IEP = IEth + ICP

8


Với IEth là thành phần tái hợp của dòng IE.
IEP là dòng các điện tử từ bazơ.

Hệ số chuyển dời dòng E :

=

I CP
I CP
=
= 0,98 ữ 0,995
I EP I CP + I Eth

HÖ sè δ chØ ra cã bao nhiêu lỗ trống đến đợc C mà không bị tái hợp trong
vùng bazơ của transistor.
Hệ số truyền đạt tích phân dòng E của transistor:
i =

I CP I CP .I EP
=
= γ .δ = 0,95 ÷ 0,99

IE
I EP .I E

I
Trong ®ã: γ = IEP
E

gäi lµ hiƯu st cđa E.

HƯ sè i chỉ ra có bao nhiêu lỗ trống (hay điện tử) từ E đà đến đợc C. Nó
phụ thuộc vào chế độ làm việc của transistor. Sự phụ thuộc của i vào chế độ
dòng E của transistor đợc biểu diễn nh hình vẽ (H.4.) dới đây:
i

uc = const
1

ie
ie1 ie2

ie3

ie4

ma

H.4. Đồ thị phụ thuộc của hệ số i vào các chế độ dòng IE
Do đó transistor ở chế độ làm việc ta có các phơng trình mô tả mối quan hệ
giữa các dòng với nhau:
I E = I En + I EP

I B = I En + I Eth − I CO

9


I C = I CP + I CO

Trong ®ã:

I CP = i I E

là một phần của dòng IC và phụ thuộc vào dòng IE.

Dòng ICO thờng đợc gọi là dòng rò của transistor (hay dòng ngợc) là một
dòng độc lập, có giá trị rất nhỏ, không phụ thuộc vào dòng IE mà chỉ phụ thuộc vào
vật liệu bán dẫn làm transistor và nhiệt độ làm việc của transistor.
Nh vậy khi transistor ở chế độ làm việc thì IE = IB + IC.
1.2. Các tham số cơ bản của transistor
Để đánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán trong vùng bazơ ngời ta định
nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện của transistor:
=

ở đây i

IC
IE

= 0,95 ữ 0,99. Hệ

số xác định chất lợng của transistor. Nếu

Transistor có càng gần 1 thì transistor càng tốt. Để đánh giá tác dụng điều khiển
của dòng điện IB tới dòng colectơ IC, ngời ta định nghĩa hệ số khuếch đại dòng điện
của transistor.

=

IC
IB

Hệ số này có giá trị trong khoảng vài chục đến vài trăm.
Từ biểu thức:
I

I E = I B + I C = I B (1 + β )

I

β

C
C
Ta cã: I = I (1 + β ) = 1 +
E
B

Để transistor làm việc ở chế độ khuếch đại tín hiệu thì ta có thĨ m¾c
transistor nh sau:

10


b

ic

ib

E

c

c
u vào

u vào

ib

u ra

u ra

ib
b

E

ic

E
c

b
u vào

u ra

c
H.5. Sơ đồ mô tả transistor làm việc ở chế độ khuếch đại tín hiệu
Từ đó ta có các cặp phơng trình tuyến tính của transistor. Cặp phơng trình
trở kháng:

U 1 = f ( I1 , I 2 )

 U 2 = f ( I1 , I 2 )
Cặp phơng trình dẫn nạp:

Cặp phơng trình hỗn hợp:

I1 = f (U 1 ,U 2 )

 I 2 = f (U 1 ,U 2 )
 U 1 = f ( I1 ,U 2 )

 I 2 = f ( I1 ,U 2 )
11

Từ hệ phơng trình dẫn nạp, mạng 4 cực này là tuyến tính, do đó ta lấy vi
phân toàn phần ta cã:

I1 = y11. U1 + y12U2
I2 = y21U1 + y22U2

1. HÖ tham sè Y
y11 =

I1
U1

U 2 =0

y12 =

I1
U2

U1 =0

y 21 =

I2
U1

U 2 =0

y 22 =

I2
U2

U1 =0

gọi là dẫn nạp vào khi đầu ra ngắn mạch
gọi là dẫn nạp phản hồi trong của transistor
gọi là dẫn nạp truyền đạt của transistor
gọi là dẫn nạp ra của transistor

Căn cứ vào hệ phơng trình trở kháng, do 4 cực trong mạng là tuyÕn tÝnh.
nªn: U 1 = Z 11 .I 1 + Z 12 .I 2
U 2 = Z 21 .I 1 + Z 22 .I 2

2. HÖ tham sè Z
Z 11 =

U1
I1

I 2 =0

Z 12 =

U1
I2

I1 =0

Z 21 =

U2
I1

I 2 =0

Z 22 =

U2
I2

I1 =0

trở kháng vào khi đầu ra ngắn mạch
trở kháng phản hồi
trở kháng truyền đạt
gọi là trở kháng ra

Căn cứ vào hệ phơng trình hỗn hợp, do mạng 4 cực là tuyến tính nên:
U1 = h11.I1 + h12.U2
I2 = h21.I1 + h22.U2

3. HÖ tham sè lai (H)

12


U1
h11 =
I1 U 2 = 0

gọi là trở kháng vào khi đầu ra ngắn mạch

U1
h12 =
U 2 I1 = 0

gọi là hệ số phản hồi khi đầu vào hở mạch

I2
h21 =
I1 U 2 = 0

gọi là hệ số truyền đạt dòng khi ngắn mạch đầu ra

h22 =

I2
U 2 I1 = 0

gọi là dẫn nạp ra khi đầu vào hở mạch

Giữa các tham số trở kháng (Z), dẫn nạp (Y), và hỗn hợp (H) có mối liên hệ
và có thể chuyển ®ỉi tõ hƯ tham sè nµy sang hƯ tham sè khác.
1.3. Các chế độ làm việc của transistor
1. Chế độ ngắt
ở chế độ này các chuyển tiếp emitơ (JE) và colectơ (JC) đều phân cực ngợc.
Qua lớp chuyển tiếp chỉ có một dòng điện rất nhỏ đi qua, đó là dòng rò (dòng ngợc) của chuyển tiếp colectơ ICO. Còn dòng ngợc của chuyển tiếp emitơ IEO có thể bỏ
qua so với dòng ICO (nh hình vẽ H.6.a) .
Mạch emitơ chung đợc coi nh hở mạch, dòng trong mạch B sẽ có giá trị

bằng dòng ICO nhng ngợc dấu.
Trong nhiều trờng hợp chế độ ngắt của transistor cũng đợc sử dụng mà
không cần đến nguồn điện áp giữa bazơ và emitơ (nh hình vẽ H.6.b và H.6.c).

13


c
Ic=0
rc

ec

b

i

co

eb

E

a)

i rc

rc

i rc

rc

b

c

b

c

ec

ec

Ube=0

UcE

UcE

E

E

b)

c)

H.6. Sơ đồ làm việc của transistor ở chế độ ngắt

ở hình H. 6.b dòng IB = 0 và IC = ICO (1+ ) = IRC

a)

ở hình H. 6. c điện áp UBE = 0 sẽ làm xuất hiện dòng IRC rất nhỏ. Dòng IRC
về độ lớn có giá trị gần bằng ICO. Trong cả 2 trờng hợp ở hình H.6.b và H.6.c thì
điện áp giữa cực C và cực E đợc xác định nh sau:
U CE = EC − RC .I RC ≈ EC

vµ

U CE = EC RC .I RC EC

2. Chế độ bÃo hòa

14


Các chuyển tiếp colectơ và emitơ đều phân cực thuận. Điện áp UCE 0
dòng IC đợc xác định bởi điện áp EC và không phụ thuộc gì vào trong transistor khi
sử dụng.
I RC =

Ta có:

C

EC
RC

RC
IRC

+

EB +

UBE

0

EC

H.7. Sơ đồ làm việc của transistor ở chế độ bÃo hòa
Thực ra điện áp UCE vẫn có một giá trị nào đó rất nhỏ trong chế độ này, giá
trị này cỡ vài chục mV. Trên thực tế thì ngời ta sử dụng giá trị thông dụng UCE = 0,3
V.

ở chế độ này, transistor làm việc giống nh một phần tử tuyến tính của mạch
điện, không có quá trình khuếch đại dòng điện hay điện áp.
3. Chế độ khuếch đại
ở đây, lớp chuyển tiếp emitơ đợc phân cực thuận, còn lớp chuyển tiếp
colectơ đợc phân cực ngợc.

15


ở chế độ này, transistor làm việc với các quá trình điều khiển dòng và điện
áp. Trong mạch điện, transistor hoạt động nh một phần tử tích cực có khả năng
khuếch đại, phát tín hiệu Do đó đây là chế độ làm việc thông dụng nhất của

transistor.
c

rc

H. 8. Sơ đồ làm việc của
ec
eb

transistor ở chế độ khuếch đại

IC

Hệ số khuếch đại dòng truyền đạt: = I .
E
Nh vậy với IE = const thì dòng IC tăng lên một lợng .I E . ở đây điện áp UCE
đợc tăng lên so với UBE.
4. Đặc trng IC = f(UC) của transistor trong sơ đồ mạch điện bazơ chung
Trên hình H.9 là đồ thị đặc trng IC = f(UBC) với ranh giới các miền làm việc ở
các chế độ ngắt, chế độ bÃo hoà và chế độ khuếch đại với IE = const, dòng IC tăng
dần và bằng . IE một cách độc lập với UC. Hay nói cách khác, họ các đặc trng IC
=f (UCB) chính là một sự tịnh tiến đặc trng IE = 0 lên một đại lợng

16

.IE.


Ic (ma)
chế độ khuếch đại

chế độ bảo hoà

3

3ma

2

2ma

1

IE = 1ma
Ico

IE = 0 UCB

-1

V

chế độ ngắt

H.9. Đồ thị đặc trng

I C = f (U BC ) với

danh giới các miền làm việc ở chế độ ngắt,

chế độ bÃo hòa và chế độ khuếch đại với IE = const, dòng IC tăng dần và bằng

.I E một cách độc lập với UC

Để xem xét đặc trng

I C = f (U CB ) khi IE = 0.

Th× ta cã thĨ coi Transistor nh

mét đi ốt của lớp chuyển colectơ với hai miền làm việc khác nhau.
Miền làm việc UCB < 0: điốt đợc phân cực thuận, dòng qua điốt sẽ biến thiên
theo quy lt sau:


IC = ICO. e



q .U CB
−
KT


− 
1


(1.1)

MiỊn lµm viƯc UCB > 0: điốt đợc phân cực ngợc dòng IC sẽ bị giới hạn bởi
dòng ICO có giá trị nhỏ nhất. Dòng IC ở hai chế độ nối tiếp nhau là chế độ ngắt và

chế độ khuếch đại nh sau:
I C = α .I E − I CO .(e

− qU CB
KT

− 1)

(1.2)

biĨu thøc (1.2) cho thÊy, Transistor ë chÕ ®é ng¾t (IC = 0) khi:
α .I E = I CO .(e

qU CB
KT

1)

(1.3)

Điều kiện (1.3) là điều kiện cân bằng dòng của hai điốt của các lớp chuyển tiếp
colectơ và emitơ với UBE = - UCB.

17


Chơng II

Phân cực và ổn định chế độ làm việc cho
transistor

2.1. Nguyên tắc phân cực cho transistor
Muốn transistor làm việc nh một phần tử tích cực thì các tham số của
transistor phải thỏa mÃn điều kiện thích hợp. Những tham số này của transistor
nh ở chơng trớc đà biết, phụ thuộc rất nhiều vào điện áp phân cực các chuyển tiếp
colectơ và emitơ. Nói một cách khác các giá trị tham số phụ thuộc vào điểm công

18


tác của transistor. Một cách tổng quát, dù transistor đợc mắc theo kiểu nào, muốn
nó làm việc ở chế độ khuếch đại cần có các điều kiện sau:
- Chuyển tiếp emitơ (JE) luôn luôn phân cực thuận.
- Chuyển tiếp colectơ (JC) luôn luôn phân cực ngợc
ở đây ta xét transistor loại pnp.
Gọi UE, UB, UC lần lợt là điện thế của cực emitơ, bazơ, colectơ, căn cứ vào
điều kiện phân cực kể trên thì giữa các điện thế này phải thoả mÃn điều kiện: UE >
(1)

UB > UC

++C

--C
UCB

UCB

-

+

B

B
UBE

UBE

-

E

+ E

H.10. Nguyên lý phân cực tổng quát transistor
Bây giờ ta xét điều kiện phân cực cho từng loại mạch:

1. Mạch bazơ chung
IE

UE

UEB

UC

UB

IC

UCB

H. 11. Điện áp và dòng phân cực của transistor mắc BC
Chiều mũi tên là hớng dơng của điện áp và dòng diện, khi đó cực tích của
điện áp và dòng ®iƯn sÏ lµ:
UEB = UE – UB > 0,

IE > 0

UCB = UC – UB < 0, IC < 0.

19


Căn cứ vào điều kiện (1) thì điện áp UCB âm, dòng IC cũng âm có nghĩa là hớng thực tế của điện áp và dòng điện này ngợc với hớng mũi tên ở hình 11.
2. Mạch emitơ chung
UC

IB

IC
UB

UE

UCE

UBE

H.12. Điện áp và dòng phân cực của transistor mắc EC
Chiều mũi tên là chiều dơng của điện áp và dòng điện, khi đó cực tính của
điện áp và dòng điện nh sau:
UBE = UB – UE < 0 ,

IB < 0

UCE = UC UE < 0 ,

IC < 0

ở đây thoả mÃn điều kiện (1) và chiều mũi tên giữ nguyên.

3. Mạch colectơ chung
UE

IB

IE
UB

UC

UEC

UBC

H.13. Điện áp và dòng điện phân cực của transistor mắc CC
Dựa vào chiều quy định trên sơ đồ và điều kiện (1) ta có cực tính của điện
áp và dòng điện là:

UBC = UB UC > 0,

20

IB < 0


UEC = UE UC < 0,

IE < 0

Còn đối với transistor npn điều kiện phân cực để nó làm việc ở chế độ
khuếch đại là UE < UB < UC

(2)

Từ điều kiện (2) ta thấy hớng của dòng điện và điện áp thực tế trong npn
transistor ngợc với transistor npn.
2.2. Đờng tải tĩnh và điểm công tác tĩnh
1. Đờng tải tĩnh
Đờng tải tĩnh đợc vẽ trên đặc tuyến ra tĩnh của Transistor để nghiên cứu
dòng điện và điện áp khi nó mắc trong mạch cụ thể nào đó (khi có tải). Điểm công
tác (hay còn gọi là điểm tĩnh, điểm phân cực) là điểm nằm trên đờng tải tĩnh xác
định dòng điện và điện áp trên transistor khi không có tín hiệu vào, nghĩa là xác
định điều kiện phân cực tĩnh cho transistor.
Để hiểu rõ về đờng tải tĩnh và điểm công tác tĩnh, ta xét transistor npn mắc
emitơ chung nh sơ đồ sau:

IC
RB

+

Rt = 10 K
+

IB

EC = 20 V

+

UB

UCE

H.14. Sơ đồ mạch chung emitơ có tải
Phơng trình quan hệ dòng điện và điện áp ở mạch có dạng:
UCE = ECC- IC . Rt nếu nh điện áp phân cực UBE làm cho transistor khoá, khi ấy IC =
0 vµ

21


UCE = ECC – (0 . Rt) = ECC = 20 (V)

Nh vậy, điểm có toạ độ (IC = 0, UCE = 20V) là điểm A trên đặc tuyến ra. Giả
thiết rằng UBE tăng làm cho transistor mở và IC = 0,5 mA khi Êy UCE = 20 V – 0,5
mA. 10 K Ω = 20 V - 5 V = 15 V, trên đặc tuyến ra đó là điểm B có toạ độ (0,5 mA;

15V) bằng cách tăng UBE, làm tơng tự nh trên ta có thể vẽ đợc đặc tuyến ra tĩnh và
đờng tải tĩnh.
Một số toạ độ: §iĨm C øng víi IC = 1 mA, UCE =10 V.
§iĨm D øng víi IC = 1,5 mA, UCE = 5V.
§iĨm E øng víi IC = 2 mA,

UCE= 0 V.

Nèi các điểm A, B, C, D, E ta sẽ đợc một đờng thẳng đó là đờng tải tĩnh với
Rt = 10 K .

Nh vậy đờng tải tĩnh chính là đồ thị biến thiên của dòng IC theo điện áp UCE
ứng với điện trở tải Rt và điện áp nguồn ECC nhất định. Trong 3 giá trị IC, IB và UCE
chỉ cần biết một rồi căn cứ vào từng giá trị tải xác định 2 giá trị còn lại.
ở đây ta xét đờng tải tĩnh với điện áp nguồn ECC = 20 V vµ Rt = 10 K Ω

(mA)
IC

2,0

E

IB = 40 µ A

1,8

IB = 30 µ A

1,6

1,4
1,2
1,0

D

IB = 20 µ A

0,8
0,6
0,4
0,2

22


C

IB = 10 µ A
B

0 2 4

6 8

IB = 0 à A
A
10 12 14 16 18 20

UCE

(V)

H.15. Đồ thị biểu diễn đặc tuyến ra tĩnh và đờng tải tĩnh.
2. Điểm công tác tĩnh
Là điểm đợc chọn trên đờng tải tĩnh. Điểm công tác tĩnh có nhiệm vụ xác
định giá trị dòng IC và điện áp UCE khi không có tín hiệu vào. Khi có dòng tín hiệu
vào thì dòng IB biến đổi theo sự biến đổi biên độ của tín hiệu, dẫn tới IC biến đổi,
kết quả là điện áp ra trên tải biến đổi giống nh quy luật biến đổi của tín hiệu đầu
vào. Ta chọn nguyên lý nh ở phần 1 với đờng tải tĩnh là 10 K . Khi đó ta giả thiết
chọn điểm công tác tĩnh Q øng víi IB = 20 µ A, IC = 1 mA, UCE = 10 V. Trên hình vẽ
thì điểm Q trùng với điểm C.
Khi IB tăng 20 à A ®Õn 40 µ A khi ®ã IC = 1,95 mA vµ UCE = UCC – IC Rt = 20
(V) – 1,95 (mA). 10 (K Ω) = 0,5 (V) khi nµy IB = + 20 à A thì UCE = - 0,95 (V).

Còn khi IB giảm từ 20 à A đến 0 à A thì IC giảm xuống chỉ còn 0,05 mA
khi ®ã UCE = 20 (V) – 0,05 (mA) . 10 (K Ω) = 19,5 (V) do ®ã ∆IB = - 20 à A cho nên
UCE = + 9,5 (V). Nh vậy với Q là điểm công tác tĩnh thì ở đầu ra của mạch có thể

nhận đợc sự biến đổi cực đại điện áp UCE = 9,5 (V). Việc chọn điểm công tác
tĩnh trên hoặc dới điểm Q sẽ dẫn đến biến thiên cực đại của điện áp ra trên tải (đảm
bảo không méo dạng) đều nhỏ hơn 9,5 (V). Hay nói một cách khác là để có biên độ
điện áp cực đại không làm méo dạng tín hiệu, điểm công tác tĩnh phải chọn ở giữa
đờng tải tĩnh.
2.3. ổn định chế độ làm việc cho transistor khi nhiệt độ thay đổi
Transistor là một linh kiện rất nhạy cảm với nhiệt độ vì vậy trong những sổ
tay hớng dẫn sử dụng ngời ta thờng cho dải nhiệt độ làm việc cực đại của
transistor.
23

+ Từ 00C đến 550C: Dải nhiệt độ làm việc của các hệ thống điện tử dân
dụng.
+ Từ - 250C đến 750C: Dải nhiệt độ làm việc của các hệ thống điện tử công
nghiệp.
+ Từ - 600C đến 1250C: Dải nhiệt độ làm việc của các hệ thống điện tử dùng
cho mục đích quân sự.
ở đây hệ thống sẽ làm việc ở một môi trờng nhiệt độ không thay đổi và ổn
định. Chúng ta có thể ổn định bằng cách điều khiển điểm làm việc của transistor
theo một tiêu chuẩn kỹ thuật định trớc. Nếu môi trờng nhiệt độ thay đổi và không
ổn định, để cho hệ thống đảm bảo độ tin cậy thì chúng ta phải:
- Giảm đến mức thấp nhất có thể các hiệu ứng gây nên bởi các thông số
nhạy cảm với nhiệt độ của transistor nh , UBE, ICO.
- Giảm bớt các thăng giáng có thể có của các nguồn nuôi sử dụng.
- Giảm bớt sự phân tán giữa các linh kiện sử dụng.
- Thực hiện các biện pháp bù nhiệt.
Ngoài giới hạn nhiệt độ kể trên thì transistor sẽ bị hỏng không làm việc.
Ngay cả trong khoảng nhiệt độ cho phép transistor làm việc bình thờng thì sự biến
thiên nhiệt độ nhất là điện áp emitơ - bazơ UBE và dòng ngợc ICO.
Ví dụ: Đối víi transistor si lic, hƯ sè nhiƯt ®é cđa UBE ( U BE

[

Là - 2,2 mV

0

C

]

.

[

Đối với transistor gecmami là: -1,8 mV

0

C

]

T

)

.

Khi transistor làm việc, dòng ngợc ICO chạy qua chuyển tiếp này nh đà biết
rất nhạy cảm với nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì sự phát xạ cặp điện tử lỗ trống
tăng, khi đó dòng ICO tăng lªn.
Ta cã:

24


IC = IB + ( α + 1 ). ICO
ICO tăng làm IC tăng ( I , không đổi). Dòng IC tăng nghĩa là mật độ các hạt

dẫn qua chuyển tiếp colectơ tăng lên làm cho sự va chạm giữa các hạt với mạng
tinh thể tăng, sự va chạm này làm nhiệt độ tăng hơn nữa kéo theo dòng ICO tăng,
chu kỳ lặp lại nh trên làm dòng IC và nhiệt độ của transistor tăng mÃi. Hiện tợng
này gọi là hiệu ứng quá nhiệt. Hiệu ứng này đa tới làm thay đổi điểm công tác tĩnh
và nếu không có biện pháp hạn chế thì sự tăng nhiệt độ có thể làm hỏng transistor.
Do nhiệt độ thay đổi ảnh hởng rất lớn đến dòng IC mà chủ yếu là do ICO tăng. Vì
vậy ta phải hạn chế sự tăng dòng ICO để transistor làm việc ở chế độ ổn định.
Để làm đợc điều đó ngời ta đa ra hệ số ổn định nhiệt của transistor, kí hiệu
I C

là S :

S = ∆I
CO

(2.1)

Trong ®ã: IC = β. IB + (1 + β) ICO

(2.2)

Ta biÕn ®ỉi biĨu thøc (2.2) ta cã:
∆I C
β +1
=
S = ∆I CO 1 − β . ∆I B
I C

(2.3)

Nh vậy S càng nhỏ tính ổn định nhiệt càng cao.

2.4. Phân cực cho transistor bằng dòng cố định
Đối với trờng hợp phân cực này thì có 2 cách: dùng mạch một nguồn và
mạch 2 nguồn.
Sơ đồ mạch:
RB

Rt

Rt

RB

EC C

UCE

UBE

UBE

UCE

UBB

25

.

EC