Tài liệu Chương 3: Ổn định phân cực (Bias Stability) cho BJT pdf

Chương 3 1
CHƯƠNG 3: ỔN ĐỊNH PHÂN CỰC (Bias Stability) CHO BJT
3.1 Giới thiệu
3.2 nh hưởng của E 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
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 3 2
3.1 Giới thiệu
9 Tónh điểm Q
9 Sự thay đổi của tónh điểm Q: Nhiệt độ, E, nguồn cung cấp, …
3.2 Ảûnh hưởng của
E
lên tónh điểm Q
Rb
Rc
Re
VBB
VCC
Lưu ý
: Phân tích có thể
dùng cho CB, CE, CC
x Tổng quát:
Khuếch đại dòng:
CBO
E
CBO
B

C
IIIII  
D
E
E
)1(
KVL mối nối BE:
e
E
B
Eb
B
B
B
RIVRI
V


be
beCBOBEBB
CQ
RR
R
R
IVV
I
)1(
)()(
D
D




x Xét ảnh hưởng của E lên tónh điểm Q:
Xem D| 1; V
BE
| 0.7(Si) và I
CBO
(R
e
+ R
b
) << (V
BB
- V
BE
)

E
/
7.0
be
BB
CQ
RR
V
I


|

x Để giảm ảnh hưởng của E lên I
CQ
, chọn R
e
>> R
b
/ E

e
BB
CQ
R
V
I
7.0

|
Thiết kế
: 1. Chọn tónh điểm Q
2. Chọn
10
min e
b
R
R
E

; tính toán mạch phân cực như trong chương 2
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 3 3
Các kỹ thuật phân cực sử dụng hồi tiếp
(feedback)
x Khái niệm hồi tiếp
x Hồi tiếp dòng (current feedback)
E
/
B
E
BECC
CQ
RR
VV
I



hay
B
E
BECC
BQ
RR
VV
I



E
x Hồi tiếp dòng và áp (current & voltage feedback)

ECQBEFBQCCQCC
RIVRIRIV



|

ECQBE
FCQ
CCQCC
RIV
RI
RI
V

E

E
/
B
E
C
BECC
CQ
RRR
VV
I



hay:
B
E
C
BECC
BQ
RRR
VV
I



)(
E
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 3 4
3.3 nh hưởng của nhiệt độ lên tónh điểm Q
x nh hưởng của nhiệt độ:
9 Điện áp ngưỡng:
)(
1212
TTkVVV
B
E
B
E
B
E
  ' với k = 2.5 mV /

o
C (Si)
9 Dòng phân cực nghòch bão hòa:


)(
12
12
TTK
CBOCBO
eII

với K = 0.07 /
o
C

T
eI
T
II
T
I
TK
CBOCBOCBOCBO
'


'


'
'
'
)1(
112
x Tónh điểm Q: Xem D| 1 và R
e
>> R
b
/ E; từ công thức tổng quát:

)1(
e
b
CBO
e
BEBB
CQ
R
R
I
R
VV
I 

|

T
I
R

R
T
V
RT
I
CBO
e
b
BE
e
CQ
'
'
¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§

'
'

'
'
1
1


¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§
'

¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§

'
'
'
T
e
I
R
R
R
k
T

I
TK
CBO
e
b
e
CQ
1
1
1



11
1

¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§

'
'
'TK
CBO
e

b
e
CQ
eI
R
R
R
Tk
I
x Ví dụ: Xét mạch điện trong phần (3.2) với: R
b
= 400; R
e
= 100; I
CQ
= 10 mA tại 25
o
C. Tìm
sự thay đổi của I
CQ
khi nhiệt độ lên đến 55
o
C với a) Silicon; b) Germanium.
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 3 5
Tổng quát:


1

100
400
1
100
)2555(105.2
)2555(07.0
1
3

¸
¹
·
¨
©
§

u
'
u

eII
CBOCQ
1
3
361075.0
CBOCQ
II u '

a) Silicon: I
CBO1

= 1 PA 'I
CQ
= 0.786 mA
b) Germanium: I
CBO1
= 100 PA 'I
CQ
= 4.35 mA
Nhận xét: i) 'I
CQ (Silicon)
<< 'I
CQ(Germanium)
ii) Với Silicon, 'I
CQ
chủ yếu do 'V
BE
3.4 Phân tích hệ số ổn đònh (stability analysis)
x Bài toán: I
CQ
= I
CQ
(I
CBO
, V
BE
, E, …) sẽ thay đổi như thế nào khi các biến phụ thuộc thay đổi
x Giả thuyết: Giả sử các biến phụ thuộc thay đổi một lượng nhỏ, sử dụng khai triển Taylor:

¸
¸

¹
·
¨
¨
©
§
w
w

¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§
w
w

¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§
w
w

E
E
d
I
dV
V
I
dI
I
I
dI
CQ
BE
BE
CQ
CBO
CBO
CQ
CQ
x Đònh nghóa: Hệ số ổn đònh (stability factors)
CBO
CQ
CBO
CQ
I
I
I
I
I

S
w
w
|
'
'

;
B
E
CQ
B
E
CQ
V
V
I
V
I
S
w
w
|
'
'

;
EE
E
w

w
|
'
'

CQCQ
II
S
Lưu ý 1
: Các hệ số ổn đònh được tính tại điểm Q danh đònh (nominal Q)
Với các thay đổi nhỏ: 'I
CQ
| dI
CQ
; 'I
CBO
| dI
CBO
; 'V
BE
| dV
BE
; 'E | dE
Suy ra:
'I
CQ
| S
I
'I
CBO

+ S
V
'V
BE
+ S
E
'E + …
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 3 6
Lưu ý 2
: Thực tế, E thay đổi rất nhiều, khi đó 'I
CQ
vẫn được tính từ công thức trên với S
E
được tính trực tiếp theo đònh nghóa:
E
E
'
'

CQ
I
S
x Xét mạch trong phần 3.2:
be
beCBOBEBB
CQ
RR
R

R
IVV
I
)1(
)()(
D
D



Tính các hệ số ổn đònh: (Giả sử R
e
>> R
b
/ E| (1-D)R
b
)
9
e
b
be
be
CBO
CQ
I
R
R
RR
RR
I

I
S |



w
w
1
)1(
D
9
ebe
B
E
CQ
V
RRRV
I
S
1
)1(
|



w
w

D
D

9 Tính S
E
: Tính trực tiếp từ đònh nghóa, sử dụng
E
E
D


1
và giả sử bỏ qua I
CBO

eb
EEBB
CQ
RR
VV
I
)1(
)(


|
E
E

eb
eb
CQ
CQ

RR
RR
I
I
)1(
)1(
2
1
1
2
1
2



E
E
E
E

>@
eb
eb
CQ
CQ
CQ
CQCQ
RR
RR
I

I
I
II
)1(
)(
2111
12

'

'


EE
E

»
¼
º
«
¬
ª


¸
¸
¹
·
¨
¨

©
§

'
'
{
eb
eb
CQCQ
RR
RR
II
S
)1(
21
1
EEE
E
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 3 7
Suy ra:

)1(
1
1
21
1
'
»

¼
º
«
¬
ª


¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§
'
¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§
'
¸
¸
¹
·
¨

¨
©
§
|'
E
EE
eb
eb
CQ
BE
e
CBO
e
b
CQ
RR
RR
I
V
R
I
R
R
I
Trong đó:
)1(
1
 '
'TK
CBOCBO

eII
TkV
B
E
' '
12
E
E
E
 '
x Mở rộng:
eRCCVBEVCBOICQ
RSVSSVSISI
eCC
''''' '
E
E
Với
CC
CQ
V
V
I
S
CC
w
w
|
;
e

CQ
R
R
I
S
e
w
w
|
x Ví dụ: a) Tìm I
CQ
tại nhiệt độ phòng, sử dụng các giá trò danh đònh
b) Tính 'I
CQ
với các thay đổi trên V
CC
, R
e
, E; nhiệt độ thay đổi từ 25 – 125
o
C.
a)
21
1
RR
R
VV
CCBB


; R
b
= R
1
// R
2
Dùng công thức tổng quát:
be
beCBOBEBB
CQ
RR
RRIVV
I
)1(
)()(
D
D



= 10.6 mA
b) i Tính các hệ số ổn đònh:
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 3 8
be
be
I
RR
RR

S
)1(
D



= 5.25 mA/mA
e
V
R
S
1
|
= - 10 mA/V
»
¼
º
«
¬
ª


¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§

|
eb
eb
CQ
RR
RR
I
S
)1(
21
1
EE
E
= 0.0116 mA
Tính S
Vcc
và S
Re
, từ công thức tổng quát:
be
beCBOBEBB
CQ
RR
R
R
IVV
I
)1(
)()(
D

D



, suy ra:
21
1
)1()1( RR
R
RRV
V
RRV
I
S
beCC
BB
beCC
CQ
V
CC


w
w


w
w

D

D
D
D
= 0.91 mA/V
>@
2
)1(
)(
be
BEBB
e
CQ
R
RR
VV
R
I
S
e
D
D


|
w
w

= - 0.1 mA/:
i Xác đònh các đại lượng biến thiên:
)1(

1
 '
'TK
CBOCBO
eII
= 0.11 mA
TkV
B
E
' ' = -250 mV
12
E
E
E
 '
= 50
CC
V'
= 4V
e
R' = 20 :
i Suy ra độ dòch tónh điểm Q nhiều nhất
eRCCVBEVCBOICQ
RSVSSVSISI
eCC
''''' '
E
E
= 9.3 mA
Độ dòch tónh điểm Q xung quanh giá trò danh đònh | 9.3 / 2 = r 4.65 mA

0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 3 9
3.5 Bổ chính nhiệt dùng Diode
x Nhận xét: Thay đổ nhiệt độ ảnh hưởng lên dòng phân cực I
CQ
chủ yều do 'V
BE
.
 Giảm S
V
: Tăng R
e
, tuy nhiên làm giảm dòng phân cực.
Giảm 'V
BE
: Bổ chính nhiệt
x Bổ chính nhiệt dùng Diode:
Chọn Diode sao cho:
T
V
T
V
BED
'
'

'
'
Nguồn dòng:

1
 
E
EQ
DBQDBB
I
IIII
Mặt khác:
eEQBEQdDDB
RIVRIVV  
Suy ra:
)]1/([ 


E
de
dBBBEQD
EQ
RR
RIVV
I

)]1/([
//

''''

'
'
E

de
BED
EQ
RR
TVTV
T
I
= 0
x Cấu hình thực tế:
- Giải quyết được bài toán lựa chọn Diode
thích hợp (matching) với TST
- Sử dụng trong các mạch tích hợp
(Integrated Circuit)
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 3 10
x Ví dụ: Xác đònh ảnh hưởng của nhiệt độ lên tónh điểm Q
Mạch tương đương:
BQ
d
DB
b
B
BB
I
R
VV
R
V
I 


 ; giả sử
b
B
BQ
R
V
I 
và
d
DB
B
R
VV
I



d
DB
b
B
BB
R
VV
R
V
I

|


¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§

¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§

db
db
d
D
BBB
RR
RR
R
V
IV


¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§




¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§



BEQ
db
bD
db
dCC
ee
BEQB

EQ
V
RR
RV
RR
RV
RR
VV
I
1
Biến thiên theo nhiệt độ:
¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§
w
w

w
w

¸
¸
¹
·
¨

¨
©
§

w
w
T
V
T
V
RR
R
RT
I
BEQ
D
db
b
e
EQ
1
Vì hai TST là giống nhau:
k
T
V
T
V
BEQ
D


w
w

w
w
, suy ra:
dbe
EQ
RRR
k
T
I
/1
1


w
w
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 3 11
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: T
jc
= 0.7
o
C/W
2. Công suất tiêu tán tối đa với bộ tản nhiệt lý tưởng tại 25
o

C: P
C
= 150 W
3. Nhiệt độ mối nối tối đa: T
j,max
= 140
o
C
4. Các thông số cực đại tuyệt đối tại 25
o
C:
1) I
C
= 7.5 A
2) I
B
= 5 A
3) Breakdown voltage:
a) BV
CBO
= 30 V
b) BV
EBO
= 25 V
c) BV
CEO
= 30 V
5. Dòng I
CBO
cực đại tại điện áp V

CB
cực đại tại 25
o
C = 10 mA
6. Hệ số khuếch đại dòng E tại V
CE
= 4V, I
C
= 5A: 10 dEd 18
7. Tần số cắt CE (cutoff frequency): f
E
= 30 kHz
0ҥFKÿLӋQWӱ