Kỹ thuật điện tử - Chương 4: Transistor lưỡng cực

Nội dung text: Kỹ thuật điện tử - Chương 4: Transistor lưỡng cực

1. Chương 4: Transistor lưỡng cực • Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động của Transistor • Cỏc chế độ làm việc của Transistor • Cỏc cỏch mắc Transistor trong mạch khuếch đại • Phõn cực cho Transistor • Sơ đồ tương đương của Transistor • Một số ứng dụng của Transistor NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
2. Transistor lưỡng cực • Transistor lưỡng cực là linh kiện gồm cú 3 lớp bỏn dẫn và hai lớp tiếp giỏp p-n. Ba lớp bỏn dẫn được đưa ra ba cực là Emitter, Base, Collector – Nếu ba lớp bỏn dẫn lần lượt là p-n-p thỡ đú là transistor loại thuận – Nếu ba lớp bỏn dẫn lần lượt là n-p-n thỡ đú là transistror loại ngược NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
3. Cấu tạo của Transistor • Lớp Emitter được pha tạp với nồng độ cao nhất • Lớp Bazo được pha tạp với nồng độ thấp nhất và rất mỏng • Lớp Collector được pha tạp với nồng độ trung bỡnh – Tiếp giỏp giữa emitter và bazo gọi là tiếp giỏp emitter (JE) – Tiếp giỏp giữa collector và bazo gọi là tiếp giỏp collector (JC) NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
4. Nguyờn lý làm việc của Transistor • Khi chưa cấp điện ỏp đến cỏc cực của transistor thỡ cỏc tiếp giỏp JE, JC ở trạng thỏi cõn bằng nờn tổng dũng điện trong transistor bằng 0 • Để transistor làm việc, phải cấp điện ỏp một chiều thớch hợp (gọi là phõn cực cho transistor): – Chế độ ngắt (cutoff): Điện ỏp một chiều làm JE, JC đều phõn cực ngược – Chế độ dẫn bóo hũa (saturation): Điện ỏp một chiều làm JE, JC đều phõn cực thuận NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG – Chế độ tớch cực (linear): Điện ỏp một chiều làm JE phõn cực thuận cũn JC phõn cực ngược.
5. Chế độ ngắt của transistor • JC và JE đều phõn cực ngược, nờn trong transistor chỉ cú dũng ngược của hai tiếp giỏp đều rất nhỏ, nờn cú thể coi bằng 0. Điện trở của transistor rất lớn, UCE≈VCC NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
6. Chế độ dẫn bóo hũa của transistor • JE và JC đều phõn cực thuận nờn điện trở của transistor rất nhỏ và cú thể coi như cực C và E bị nối tắt và UCE xấp xỉ bằng 0 NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
7. NHATRANG UNIVERSITY Nguyờn lý làm việc của Transistor của lý làmviệc Nguyờn
8. Transistor làm việc ở chế độ tớch cực • Để transistor làm việc ở chế độ tớch cực (khuếch đại), thỡ phải phõn cực cho transistor theo nguyờn tắc JE phõn cực thuận, JC phõn cực ngược (UC>UB>UE: npn; UC<UB<UE: pnp) NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
9. Transistor làm việc ở chế độ tớch cực • Xột nguyờn lý hoạt động của transistor npn – JE phõn cực thuận nờn cú dũng electron từ miền E khuếch tỏn sang miền B→dũng IE – Cỏc electron từ miền E sang miền B bị tỏi hợp một phần với lỗ trống ở miền B, nhưng do miền B pha tạp rất thấp, và độ dày của nú rất nhỏ nờn lượng electron bị tỏi hợp rất ớt→dũng IB – Cỏc electron từ miền E khuếch tỏn qua miền B, đến được JC sẽ bị điện trường phõn cực ngược của JC cuốn sang miền C→dũng IC • Đối với transistor pnp cũng hoạt động tương tự như vậy, nhưng đổi vai trũ của electron thành lỗ NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG trống, và chiều của cỏc dũng điện ngược lại với transistor npn
10. I E = I B + IC I = C I E IC  = = hFE I B α: Hệ số truyền NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG đạt dũng điện β: Hệ số khuếch đại dũng điện
11. Cỏc cỏch mắc transistor trong sơ đồ khuếch đại • Một mạch điện tử xử lý tớn hiệu, thường được coi như một mạng bốn cực với hai đầu đưa tớn hiệu vào, và hai đầu lấy tớn hiệu ra • Transistor là một linh kiện 3 cực, nờn để khi sử dụng ta phải đặt một cực chung cho cả đầu vào và đầu ra. Nếu dựng chung cực B ta cú cỏch mắc B chung (BC); chung cực E ta cú cỏch mắc E chung (EC); chung cực C ta cú cỏch mắc C chung (CC) U1 (vao) T U2 (ra) NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG U U2 (ra) U 2 (ra) U1 (vao) U2 (ra) 1 (vao) U1 (vao) E B C
12. Phương trỡnh cỏc họ đặc tuyến của transistor • Coi transistor là một mạng bốn cực, người ta viết được hệ cỏc phương trỡnh mụ tả qua hệ giữa dũng điện, điện ỏp đầu vào, đầu ra của transistor từ đú xỏc định được cỏc đặc tuyến của transistor Tổng quát EC BC CC Đặc tuyến vào U =f(I )| U =f(I )| U =f(I )| U =f(I )| 1 1 U2 =const BE B UCE EB E UCE BC B UEC Đặc tuyến phản hồi U =f(U )| U =f(U )| U =f(U )| U =f(U )| 1 2 I1 =const BE CE IB EB CB IE BC EC IB Đặc tuyến truyền I =f(I )| I =f(I )| I =f(I )| I =f(I )| 2 1 U2 =const C B UCE C E UCB E B UEC NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG đạt Đặc tuyến ra I =f(U )| I =f(U )| I =f(U )| I =f(U )| 2 2 I1 =const C CE IB C CB IE E EC IB
13. Họ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu B chung • Dựng phương phỏp thực nghiệm, đo cỏc thụng số của mạch để vẽ họ đặc tuyến NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
14. Họ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu B chung IE mA UCB = 6V UCB = 1V UEB (vao) UCB(ra) 3 B UEB V UCB = 6V IC mA 1 IE =3mA U = 2V Họ đặc CB 3 tuyến vào IE =2mA IE =1mA NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG IE mA 3 -5 UCB V Họ đặc tuyến ra và họ đặc tuyến truyền đạt
15. Họ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu E chung • Dựng phương phỏp thực nghiệm, đo cỏc thụng số của mạch để vẽ họ đặc tuyến NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
16. Họ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu E chung IB A UCE = 2V UCE = 6V UCE (ra) 100 UBE (vao) E UCE = 6V UBE V IC mA 1 IB =60A Họ đặc UCE = 2V tuyến vào 4 IB =40A I =20A NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG B IB A 100 -5 U V Họ đặc tuyến ra và họ CE đặc tuyến truyền đạt
17. Họ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu C chung IB A UCE = 21V UCE(ra) 100 UCE =41V UCB(vao) C UCE = 6V IE mA I =60A UCB V B -4 IB =40A UCE = 2V 4 Họ đặc IB =20A tuyến vào IB A NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG 100 -5 UCE V Họ đặc tuyến ra và họ đặc tuyến truyền đạt
18. Phõn cực cho transistor • Đối với chế độ dẫn bóo hũa và chế độ khúa, chỉ cần cung cấp một điện ỏp phõn cực đủ lớn (nhỏ) để J , J cựng phõn cực thuận (ngược) E C • Đối với chế độ tớch cực (tuyến tớnh, khuếch đại), để tớn hiệu khuếch đại khụng bị mộo phải cung cấp cỏc điện ỏp, dũng điện một chiều ổn định đến cỏc cực của transistor (để khi cộng với tớn hiệu xoay chiều vào, transistor khụng bị rơi vào chế độ dẫn bóo hũa hoặc chế độ khúa) NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
19. Điểm làm việc tĩnh và đường tải tĩnh • Điểm làm việc tĩnh là một điểm nằm trờn đặc tuyến ra tĩnh của transistor, nú xỏc định điện ỏp, dũng điện một chiều trờn cỏc cực của transistor NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
20. Điểm làm việc tĩnh và đường tải tĩnh • Tập hợp cỏc điểm làm việc tĩnh, ta được một đường thẳng gọi là đường làm tải tĩnh • Với sơ đồ phõn cực như hỡnh vẽ dưới thỡ: Đường tải tĩnh cắt trục tung tại điểm mà transistor làm việc ở chế độ dẫn bóo hũa; cắt trục hoành tại điểm mà transistor làm việc ở chế độ khúa; phương trỡnh đường tải tĩnh: IC=f(UCE) NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
21. Ổn định nhiệt cho điểm làm việc tĩnh • Transistor là linh kiện rất nhạy cảm với nhiệt độ (nhất là cỏc đại lượng ICB0 và UCE), khi nhiệt độ thay đổi thỡ sẽ làm cỏc tham số của trasistor thay đổi vỡ IC = αIE + Icbo nờn khi nhiệt độ thay đổi thỡ điểm làm việc tĩnh sẽ thay đổi • Để đỏnh giỏ độ ổn định nhiệt người ta sử dụng hệ số ổn định nhiệt: NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG S= IC / Icbo=dIC/dIcb0
22. Phõn cực cho transistor bằng dũng IB cố định Dũng IB EC −U BE I B = RB Độ ổn định nhiệt Từ cụng thức IC = I B + ( +1)ICB 0 Suy ra NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG I S = C =  +1 ICB 0
23. Phõn cực cho transistor bằng điện ỏp phản hồi Độ ổn định nhiệt  +1 S = R 1+  C RC + RB NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
24. Phõn cực bằng phõn ỏp Độ ổn định nhiệt R 1+ B R S = ( +1) E R (1+  ) + B NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG RE
25. Sơ đồ tương đương của Transistor làm việc ở chế độ tớn hiệu nhỏ, tần số thấp • Khi transistor làm việc ở chế độ tớn hiệu nhỏ, tần số thấp, người ta thường sử dụng sơ đồ tương đương tham số hỗn hợp h • Coi transistor là một mạng bốn cực tuyến tớnh, cỏc điện ỏp và dũng điện vào là u1, i1; điện ỏp ra và dũng điện ra là u2, i2. Ta cú phương trỡnh tham số hỗn hợp h như sau: i1 i2 u1 = h11i1 + h12u2 Mạng 4 cực u u1 2 NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG (BJT) i2 = h21i1 + h22u2
26. í nghĩa cỏc tham số u1 Trở khỏng vào khi ngắn mạch đầu ra (u =0) h11 = 2 i1 u2 =0 u 1 Độ khuếch đại điện ỏp nghịch đảo khi hở h12 = u2 mạch đầu vào (i1=0) i1 =0 i2 h21 = Hệ số khuếch đại dũng điện khi ngắn mạch i1 đầu ra (u2=0) NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG u2 =0 i2 h22 = Dẫn nạp đầu ra khi hở mạch đầu vào (i1=0) u2 i1 =0
27. Quy ước ký hiệu • Ký hiệu theo tiờu chuẩn của IEEE (Insitute of Electrical and Electronics Engineers): – i(in)=11: đầu vào o(out)=22: đầu ra – f(forward)=21: thuận r(reverse)=12: ngược • Với transistor cú cỏc kiểu mắc B-chung, C- chung, E-chung, nờn cú cỏc ký hiệu b,c,e ở sau tham số h để chỉ kiểu mắc đú – Vớ dụ: • hib=h11b: Trở khỏng vào theo cỏc mắc B-chung • h =h : Hệ số khuếch đại thuận dũng điện theo cỏch mắc E- chungfe 21e NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG • Đối với transistor, cỏc tham số hỗn hợp thường được nhà sản xuất cho trước trong datasheet của linh kiện
28. Mạch tương đương hỗn hợp i h 1 11 i2 Mạch h i u 21 1 u tương 1 h12u2 h22 2 đương hỗn hợp Mạng bốn cực của transistor u1 = h11i1 + h12u2 NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG i2 = h21i1 + h22u2
29. Sơ đồ tương đương hỗn hợp cỏch mắc EC i h b ie ic Mạch tương hfeib ube h u h uce đương re ce oe hỗn hợp của Mạng bốn cực transistor mắc EC ube = hieib + hreuce NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG ic = hfeib + hoeuce
30. Sơ đồ tương đương hỗn hợp cỏch mắc BC i h e ib ic Mạch tương hfbie ueb h u h ucb đương rb cb ob hỗn hợp của Mạng bốn cực transistor mắc BC ueb = hibie + hrbucb NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG ic = hfbie + hobucb
31. Sơ đồ tương đương hỗn hợp cỏch mắc CC i h b ic ie Mạch tương hfcib ubc h u h uec đương rc bc oc hỗn hợp của Mạng bốn cực transistor mắc CC ubc = hicib + hrcubc NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG ie = hfcib + hocuec
32. Sơ đồ tương đương vật lý của transistor • Trong mạch khuếch đại tớn hiệu nhỏ, tần số thấp transistor cũn được biểu thị bằng sơ đồ tương đương vật lý, hay cũn gọi là sơ đồ tương đương tham số r • Sơ đồ tương đương vật lý cú ưu điểm là đơn giản, dễ dàng xỏc định được tham số trở khỏng của transistor re: Điện trở vi phõn của tiếp giỏp EB và αi e miền E rb: Điện trở vi phõn NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG của miền B rce: Điện trở vi phõn của lớp tiếp giỏp CB
33. Sơ đồ tương đương vật lý của transistor • rb: cú giỏ trị rất nhỏ (vài Ω đến vài chục Ω), nờn cú thể coi là rb ngắn mạch • rce: cú giỏ trị rất lớn (vài trăm kΩ) nờn cú thể coi là hở mạch • re: là điện trở vi phõn của lớp tiếp tiếp giỏp EB nờn cú thể tớnh gần đỳng bằng cụng thức: re=26mv/IC i i e αie c αie ib NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG Sơ đồ tương đương vật lý Tớnh trở khỏng vào và ra của đơn giản transistor mắc kiểu EC, BC, CC?
34. Ứng dụng của transistor • Khuếch đại – Khi transistor làm việc ở chế độ tớch cực (JE phõn cực thuận, JC phõn cực ngược), thỡ nú cú khả năng khuếch đại tớn hiệu, tựy theo mục đớch sử dụng mà cú cỏc mạch khuếch đại: KĐ tớn hiệu nhỏ, KĐ cụng suất, KĐ vi sai, KĐ cộng hưởng, (sẽ học ở mụn học “Điện tử cơ bản”) NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG Mạch KĐ cụng suất Mạch KĐ tớn hiệu nhỏ
35. Ứng dụng của transistor • Tạo dao động – Khi transistor làm việc ở chế độ tớch cực, với một khung cộng hưởng, và chế độ hồi tiếp thớch hợp, transistor cú khả năng tạo dao động điều hũa: Dao động ba điểm điện cảm, dao động ba điểm điện dung, dao động ghộp biến ỏp, . NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG Mạch DĐ 3 điểm điện dung Mạch DĐ 3 điểm điện cảm
36. Ứng dụng của transistor • Mạch xung số – Khi transistor làm việc ở chế độ ngắt (cắt và dẫn bóo hũa), người ta sử dụng transistor trong cỏc mạch tạo xung, và cỏc mạch logic (họ TTL) Giải thớch nguyờn lý hoạt động??? NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG Mạch dao động đa hài
37. Ứng dụng của transistor Giả sử mức logic 1 ứng với 5V, mức logic 0 ứng với 0V NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG Hóy viết bảng chõn lý của cỏc hàm sau?