Tài liệu Chương 2: Transistor hai lớp tiếp giáp - BJT docx

Chương 2 1
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 thò
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)
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 2 2
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
x Cấu tạo và ký hiệu
x Dòng chảy trong BJT
EB: Phân cực thuận
CB: Phân cực nghòch
CBO
E
C
III 
D
C

B
E
III 

CBO
E
B
III  )1(
D
DD
D
CBO
CB
I
II 
¸
¹
·
¨
©
§


1
Đặt:
D
D
E


1
Lưu ý: Cấu hình B chung (CB – Common Base configuration)
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 2 3
2.2.1 Mối nối Emitter – Base (EB)
Xem mối nối EB như một Diode phân cưc thuận hoạt động độc lập (i
D
= i
E
; v
D
= v
EB
)
x DCLL và Đặc tuyến EB
DCLL:
e
EE
EB
e
E
R
V
v
R
i 
1
x Mạch tương đương đơn giản
v

E
= V
EBQ
= V
J
(0.7V: Silicon;
0.2V: Germanium)
r
d
= 0
e
EBQEE
EQ
R
VV
I


0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 2 4
2.2.2 Mối nối Collector – Base (CB)
Từ quan hệ:
CBO
E
C
III 
D
, mạch tương đương của mối nối CB:
VÍ du 1ï

: Cho mạch điện như hình vẽ: D| 1, I
CBO
| 0; V
EE
= 2V; R
e
= 1k; V
CC
= 50V; R
c
= 20k; v
i
= 1sinZt. Tính i
E
và v
CB
.
3
2
1
t
R
VvV
i
e
EBQiEE
E
Z
sin0.13.1 


(mA)
E
cC
C
C
cC
C
CB
iRViRVv  
i
e
c
e
EBQEE
cCCCB
v
R
R
R
VV
RVv 


tv
CB
Z
sin2024  (V)
Hệ số khuếch đại tín hiệu xoay chiều: A
v
= 20

E E
CC
B
B
I
E
I
E
I
C
I
C
I
B
I
B
V
EBQ
V
EBQ
Diode lý
tưởng
DI
E
DI
E
I
CBO
R
e

R
e
R
c
R
c
V
EE
V
EE
V
CC
V
CC
V
EBQ
v
i
v
i
E
E
C
C
B
B
i
E
i
C

0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 2 5
2.3 Khuếch đại dòng trong BJT
Quan hệ giữa i
C
và i
B
(bỏ qua I
CBO
):
B
C
ii u|
E
với
D
D
E


1
Hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ:
B
B
C
iii u''u '
E
E
Suy ra:

feB
B
B
C
hi
ii
i

'
'

'
'
E
E
Xem gần đúng:
FEfe
hh {|
E
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 đònh hệ số khuếch đại dòng tín hiệu nhỏ.
9 Cấu hình E chung (CE – Common Emitter configuration)
9 Transistor npn
1
2
3
x Ngõ vào:
bBQ
b

BEQiBB
B
iI
R
VvV
i 


với:
b
BEQBB
BQ
R
VV
I


và
b
i
b
R
v
i
x Ngõ ra:
cCQbBQBC
iIiIii  u u| )(
E
E
Hệ số khuếch đại dòng tín hiệu nhỏ:

E

b
c
i
i
i
A
R
b
R
c
v
i
V
BB
V
CC
i
B
i
C
B
E
C
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 2 6
Đặc tuyến VA ngõ ra cấu hình E chung
x Vùng bão hòa: v

CE
d V
CEsat
Quan hệ giữa i
C
và i
B
là không tuyến tính
x Vùng chủ động: V
CEsat
d v
CE
d BV
CEO
Quan hệ tuyến tính:
CBOBC
Iii
D
E
E
u
Giới hạn dòng: I
C-cutoff
d i
C
d I
Cmax
Ví dụ 3
: V
CC

= 10V, R
b
= 10K, R
c
= 1K. TST: E = 100, V
BE
= 0.7V, V
CEsat
= 0.1V. Tìm
điều kiện làm việc (I
C
và V
CE
) của TST khi: a) V
BB
= 1.5V b) V
BB
= 10.7V
3
2
1
b
BEBB
B
R
VV
I

;
cCCCCE

RIVV 
a) I
B
= 0.08mA; I
C
= EI
B
= 8mA
V
CE
= 2V: TST hoạt động trong vùng tích cực.
b) I
B
= 1mA; Giả sử I
C
= EI
B
= 100mA  V
CE
= -90 !!!
TST hoạt động trong vùng bão hòa: V
CE
= V
CEsat
= 0.1
mA
KR
VV
I
c

CECC
C
9.9
1
1.010





V
BB
V
CC
R
b
R
c
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 2 7
Mạch tương đương
1
1
2.4 Giải tích mạch BJT bằng đồ thò
Mạch khuếch đại cơ bản
1
2
3
RL

ReR1
R2
VCC
Mạng phân cực
R2
R1
VCC
VBB
Rb
1
1
VCC
1
2
3
RL
Rb
Re
VBB
E
h
fe
i
b
R
0
i
c
C
v

ce
+
_
i
i
i
i

B
B
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 2 8
x Mạng phân cực (Mạch tương đương Thevenin):
CCBB
V
RR
R
V
21
1


21
21
RR
RR
R
b


Thiết kế:
CCBB
b
VV
R
R
/1
1


BB
CC
b
V
V
RR
2
x Hoạt động của mạch khuếch đại (DC)
9 Ngõ ra:
e
E
L
C
C
E
C
C
RiRiv
V


Với i
C
= Di
E
| i
E
, suy ra: )(
e
L
CCECC
RRivV  : DCLL
9 Ngõ vào:
e
E
B
E
bBBB
RivRi
V
 
Bỏ qua I
CBO
: i
B
= (1-D)i
E
, suy ra:
be
BEBB

be
BEBB
E
RR
vV
RR
vV
i
E
D







1
1
)1(
Để loại bỏ sự thay đổi của i
E
do E thay đổi, chọn R
e
>> R
b
/(1+E).
9 Tónh điểm Q (I
CQ
, V

CEQ
):
e
BEQBB
EQCQ
R
VV
II

| ;
¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§

e
L
BBCCCEQ
R
R
VVV 1)7.0(
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 2 9
x Giải tích bằng đồ thò
9 Tín hiệu nhỏ:

CQCc
Iii  và:
CEQCEce
Vvv 
9 Quan hệ pha: i
b
tăng, i
c
, i
e
tăng, v
ce
giảm
9 Điếu kiện để i
C
có thể dao động cực đại (max swing): (Giả sử V
CEsat
= 0 và
I
C-cutoff
= 0)
e
L
CC
CQ
RR
V
I


2/
2/
CCCEQ
V
V

0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 2 10
Ví dụ 4
: Tìm Q để có max swing:
R1
R2
Re
200
RL
1k
1
DCLL:
)2001000(9 |
CQCEQ
IV
Max swing: I
CEQ
=
e
L
CC
RR
V


2/
= 3.75 mA
V
CEQ
= V
CC
/ 2 = 4.5 V
Ví dụ 5
: Tìm R
1
và R
2
trong ví dụ 4 để đạt được Max Swing
1
Rb
Re
200
RL
1k
VBB
V
BQ
= V
BE
+ V
EQ
= V
BE
+ I

EQ
u R
e
| V
BE
+ I
CQ
u R
e
Chọn R
e
>> R
b
/(1+E), thường chọn:
)1(
10
1
E

eb
RR = 2K
V
BB
= V
Rb
+ V
BQ
= I
BQ
R

b
+ V
BQ
| (I
CQ
/E)(0.1ER
e
) + V
BE
+ I
CQ
R
e
V
BB
= V
BE
+ I
CQ
(1.1R
e
) = 0.7 + (3.75E-3)(1.1)(200) = 1.525 V
Suy ra:
CCBB
b
VV
R
R
/1
1



= 2.4K
BB
CC
b
V
V
RR
2
= 11.8K
E = 100
+9V
E = 100
+9V
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 2 11
2.5 Tính toán công suất
x Công thức tổng quát:
³

T
dttItV
T
P
0
)()(
1
V(t) = V

av
+ v(t)
I(t) = I
av
+ i(t)
Trong đó:V
av
, I
av
: Giá trò trung bình
v(t), i(t): Thành phần thay đổi
theo thời gian có trung bình bằng 0.
³

T
avav
dttiItvV
T
P
0
))())(((
1
³

T
avav
dttitv
T
IVP
0

)()(
1
x Công suất trung bình tiêu tán trên tải (Công suất xoay chiều)
³

T
LcacL
dtRi
T
P
0
2
,
1
Giả sử i
c
là tín hiệu sin: i
c
= I
cm
sinZt
2
2
,
Lcm
acL
RI
P
MaxSwing
: max(I

cm
) = I
CQ
=
)(2
e
L
CC
RR
V

Suy ra: max(P
L,ac
) =
2
2
)(8
e
L
LCC
RR
RV

Để cực đại hóa công suất tiêu tán trên tải:
Chọn R
L
>> R
e
Suy ra: max(P
L,ac

)
L
CC
R
V
8
2
|
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 2 12
x Công suất nguồn cung cấp trung bình
³³

TT
cCQCCCCCCC
dtiIV
T
dtiV
T
P
00
)(
11
CQCCCC
IVP
Max Swing
: I
CQ
=

)(2
e
L
CC
RR
V

Suy ra: P
CC
=
)(2
2
e
L
CC
RR
V

Với R
L
>> R
e
: P
CC
L
CC
R
V
2
2

|
x Công suất trung bình trên Transistor
>@
³³³³
 
TT
CeLCCCC
T
CeLCC
T
CCEC
dti
T
RRdtiV
T
dtiiRRV
T
dtiv
T
P
00
2
00
1
)(
1
)(
11
E
L

C
C
C
PPPP 
: “Bảo toàn năng lượng”
Khai triển:

2
sin
11
2
2
0
2
0
2
cm
CQ
T
cmCQ
T
C
I
IdttII
T
dti
T
 
³³
Z

Suy ra:
2
)()(
2
2
cm
eLCQeLCCC
I
RRIRRPP 
TST tiêu thụ công suất cực đại khi không có tín hiệu:
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 2 13
max(P
C
) =

2
CQeLCC
IRRP 
Max Swing
: max(P
C
) =
L
CC
e
L
CC
R

V
RR
V
4)(4
22
|

x Hiệu suất
9 Hiệu suất:
CC
acL
P
P
,

K
Max Swing
:

L
CC
Lcm
RV
RI
2/
2/
2
2

K

Hiệu suất cực đại khi I
cm
cực đại: max(I
cm
) = I
CQ
L
CC
R
V
2
| (Giả sử R
L
>> R
e
)
Suy ra: max(K)
L
CC
LCC
RV
RV
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
LCC
acL
C
RV
RV
P
P
:
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 2 14
2.6 Tụ Bypass vô hạn
R
e
: + Tạo dòng phân cực I
CQ
và tăng độ ổn đònh phân cực (C3).
_ Giảm hiệu suất; Giảm hệ số khuếch đại đối với tín hiệu nhỏ xoay chiều (C4)
 Sử dụng tụ bypass (Giả sử C
e

ov, đối với tín hiệu xoay chiều: Z
C
= 1/(jCZ) o 0)
VBB
Re
RL
Rb
VCC
Ce
DCLL:
e
L
D
C
RRR 
DC
CC
CE
DC
C
R
V
V
R
I 
1
ACLL:
c
L
ce

iRv 
L
ac
RR

ce
ac
c
v
R
i
1

(Gốc tọa độ Q)
“Destiny is what we make”.
- Anonymous
i
i
i
B
i
C
i
E
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 2 15
Max Swing
: Q trung điểm ACLL


acCQCEQ
RI
V

Thay vào DCLL:

DC
CC
acCQ
DC
CQ
R
V
RI
R
I 
1

acDC
CC
CQ
RR
V
I


acDC
CC
CEQ
RR

V
V
/1 

2.7 Tụ ghép (coupling capacitor) vô hạn
Tụ ghép: Ngăn dòng DC qua tải.
DCLL: R
DC
= R
e
+ R
c
ACLL: R
ac
= R
c
// R
L
Max Swing
:
acDC
CC
CQ
RR
V
I


acDC
CC

CEQ
RR
V
V
/1 

Dòng qua tải (AC)
:
c
c
L
c
L
i
RR
R
i


Rb
Re
Rc
RL
Ce
Cc
VBB
VCC
1
i
i

i
B
i
C
i
E
i
L
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chöông 2 16
2.8 Maïch Emitter Follower
Cb
R2
R1 Re
VCC
vi
Rb
Re
VCC
Cb
VBB
vi
a) Maïch Emitter Follower b) Maïch töông ñöông
v
B
= v
BE
+ v
E

Xem v
BE
| V
BE
= 0.7
v
i
= v
b
| v
e
: “Follower”
VCC
Cb
Re
Rb
vi
VBB
Ce
RL
c) Maïch Emitter Follower vôùi taûi AC
DCLL: R
DC
= R
e
ACLL: R
ac
= R
e
// R

L
v
E
v
E
v
L
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 2 17
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: V
CC
= V
R2
+ V
BEQ
+ V
Re
V

CC
| R
2
(I
CQ
/E) + V
BEQ
+ R
e
I
CQ
E
/
2
RR
VV
I
e
BEQCC
CQ



Ngõ ra: V
CEQ
= V
CC
- R
e
I

CQ
x Thiết kế mạch phân cực:
Chọn tónh điểm Q
Tính R
2
=
E
/
CQ
CQeBEQCC
I
IRVV 
v
L
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 2 18
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
R1 Re
+VCC
vi
Rc
-VEE
DCLL: R

DC
= R
c
+ R
e
DC
EECC
CE
DC
C
R
VV
V
R
I


1
ACLL: R
ac
= R
c
+ R
e
Với tín hiệu ac, các nguồn một chiều
(V
CC
, V
EE
) ngắn mạch: Phân tích như

các phần trước.
Ví dụ: Chọn R
C
I
CQ
= V
CC
Mức DC ngõ ra: v
0-DC
= 0 (Không cần
dùng tụ coupling ngõ ra)
v
o
0ҥFKÿLӋQWӱ