Bài giảng Cấu kiện điện tử - Chương 4: Transistor lưỡng cực

Nội dung text: Bài giảng Cấu kiện điện tử - Chương 4: Transistor lưỡng cực

1. Chương 4: Transistor lưỡng cực • Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Transistor • Các chế độ làm việc của Transistor • Các cách mắc Transistor trong mạch khuếch đại • Phân cực cho Transistor • Sơ đồ tương đương của Transistor • Một số ứng dụng của Transistor NHATRANG UNIVERSITY
2. Transistor lưỡng cực • Transistor lưỡng cực là linh kiện gồm có 3 lớp bán dẫn và hai lớp tiếp giáp p-n. Ba lớp bán dẫn được đưa ra ba cực là Emitter, Base, Collector – Nếu ba lớp bán dẫn lần lượt là p-n-p thì đó là transistor loại thuận – Nếu ba lớp bán dẫn lần lượt là n-p-n thì đó là transistror loại ngược NHATRANG UNIVERSITY
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 bình – Tiếp giáp giữa emitter và bazo gọi là tiếp giáp emitter (JE) – Tiếp giáp giữa collector và bazo gọi là tiếp giáp collector (JC) NHATRANG UNIVERSITY
4. Nguyên lý làm việc của Transistor • Khi chưa cấp điện áp đến các cực của transistor thì các tiếp giáp JE, JC ở trạng thái cân bằng nên tổng dòng điện trong transistor bằng 0 • Để transistor làm việc, phải cấp điện áp một chiều thích hợp (gọi là phân cực cho transistor): – Chế độ ngắt (cutoff): Điện áp một chiều làm JE, JC đều phân cực ngược – Chế độ dẫn bão hòa (saturation): Điện áp một chiều làm JE, JC đều phân cực thuận NHATRANG UNIVERSITY – Chế độ tích cực (linear): Điện áp một chiều làm JE phân cực thuận còn JC phân cực ngược.
5. Chế độ ngắt của transistor • J và J đều phân cực ngược, nên trong transistorC E chỉ có dòng ngược của hai tiếp giáp đều rất nhỏ, nên có thể coi bằng 0. Điện trở của transistor rất lớn, UCE≈VCC NHATRANG UNIVERSITY
6. Chế độ dẫn bão hòa của transistor • JE và JC đều phân cực thuận nên điện trở của transistor rất nhỏ và có thể coi như cực C và E bị nối tắt và UCE xấp xỉ bằng 0 NHATRANG UNIVERSITY
7. NHATRANG UNIVERSITY Nguyên lýlàmviệccủaTransistor
8. Transistor làm việc ở chế độ tích cực • Để transistor làm việc ở chế độ tích cực (khuếch đại), thì phải phân cực cho transistor theo nguyên tắc JE phân cực thuận, JC phân cực ngược (UC>UB>UE: npn; UC<UB<UE: pnp) NHATRANG UNIVERSITY
9. Transistor làm việc ở chế độ tích cực • Xét nguyên lý hoạt động của transistor npn – JE phân cực thuận nên có dòng electron từ miền E khuếch tán sang miền B→dòng IE – Các electron từ miền E sang miền B bị tái hợp một phần với lỗ trống ở miền B, nhưng do miền B pha tạp rất thấp, và độ dày của nó rất nhỏ nên lượng electron bị tái hợp rất ít→dòng IB – Các electron từ miền E khuếch tán qua miền B, đến được JC sẽ bị điện trường phân cực ngược của JC cuốn sang miền C→dòng IC • Đối với transistor pnp cũng hoạt động tương tự như vậy, nhưng đổi vai trò của electron thành lỗ NHATRANG UNIVERSITY trống, và chiều của các dòng điện ngược lại với transistor npn
10. α: Hệ số truyền NHATRANG UNIVERSITY đạt dòng điện β: Hệ số khuếch đại dòng điện
11. Các cách mắc transistor trong sơ đồ khuếch đại • Một mạch điện tử xử lý tín hiệu, thường được coi như một mạng bốn cực với hai đầu đưa tín hiệu vào, và hai đầu lấy tín hiệu ra • Transistor là một linh kiện 3 cực, nên để khi sử dụng ta phải đặt một cực chung cho cả đầu vào và đầu ra. Nếu dùng chung cực B ta có cách mắc B chung (BC); chung cực E ta có cách mắc E chung (EC); chung cực C ta có cách mắc C chung (CC) U1 (vao) T U2 (ra) NHATRANG UNIVERSITY U U2 (ra) U 2 (ra) U1 (vao) U2 (ra) 1 (vao) U1 (vao) E B C
12. Phương trình các họ đặc tuyến của transistor • Coi transistor là một mạng bốn cực, người ta viết được hệ các phương trình mô tả qua hệ giữa dòng điện, điện áp đầu vào, đầu ra của transistor từ đó xác định được các đặc tuyến của transistor NHATRANG UNIVERSITY
13. Họ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu B chung • Dùng phương pháp thực nghiệm, đo các thông số của mạch để vẽ họ đặc tuyến NHATRANG UNIVERSITY
14. Họ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu B chung IE mA UCB = 6V UCB = 1V U U 3 EB (vao) CB(ra) B U V EB UCB = 6V I mA 1 C IE =3mA Họ đặc UCB = 2V 3 I =2mA tuyến vào E IE =1mA NHATRANG UNIVERSITY 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 • Dùng phương pháp thực nghiệm, đo các thông số của mạch để vẽ họ đặc tuyến NHATRANG UNIVERSITY
16. Họ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu E chung IB A UCE = 2V UCE = 6V 100 UCE (ra) UBE (vao) E UCE = 6V UBE V IC mA 1 IB =60A Họ đặc UCE = 2V 4 I =40A tuyến vào B I =20A NHATRANG UNIVERSITY 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 I =20A Họ đặc B tuyến vào IB A NHATRANG UNIVERSITY 100 -5 UCE V Họ đặc tuyến ra và họ đặc tuyến truyền đạt
18. Phân cực cho transistor • Đối với chế độ dẫn bão hòa và chế độ khóa, chỉ cần cung cấp một điện áp phân cực đủ lớn (nhỏ) để J , J cùng phân cực thuận (ngược) E C • Đối với chế độ tích cực (tuyến tính, khuếch đại), để tín hiệu khuếch đại không bị méo phải cung cấp các điện áp, dòng điện một chiều ổn định đến các cực của transistor (để khi cộng với tín hiệu xoay chiều vào, transistor không bị rơi vào chế độ dẫn bão hòa hoặc chế độ khóa) NHATRANG UNIVERSITY
19. Điểm làm việc tĩnh và đường tải tĩnh • Điểm làm việc tĩnh là một điểm nằm trên đặc tuyến ra tĩnh của transistor, nó xác định điện áp, dòng điện một chiều trên các cực của transistor NHATRANG UNIVERSITY
20. Điểm làm việc tĩnh và đường tải tĩnh • Tập hợp các điểm làm việc tĩnh, ta được một đường thẳng gọi là đường làm tải tĩnh • Với sơ đồ phân cực như hình vẽ dưới thì: Đường tải tĩnh cắt trục tung tại điểm mà transistor làm việc ở chế độ dẫn bão hòa; cắt trục hoành tại điểm mà transistor làm việc ở chế độ khóa; phương trình đường tải tĩnh: IC=f(UCE) NHATRANG UNIVERSITY
21. Ổn định nhiệt cho điểm làm việc tĩnh • Transistor là linh kiện rất nhạy cảm với nhiệt độ (nhất là các đại lượng ICB0 và UCE), khi nhiệt độ thay đổi thì sẽ làm các tham số của trasistor thay đổi vì IC = αIE + Icbo nên khi nhiệt độ thay đổi thì điểm làm việc tĩnh sẽ thay đổi • Để đánh giá độ ổn định nhiệt người ta sử dụng hệ số ổn định nhiệt: NHATRANG UNIVERSITY S= IC / Icbo=dIC/dIcb0
22. Phân cực cho transistor bằng dòng IB cố định Dòng IB Độ ổn định nhiệt Từ công thức Suy ra NHATRANG UNIVERSITY
23. Phân cực cho transistor bằng điện áp phản hồi Độ ổn định nhiệt NHATRANG UNIVERSITY
24. Phân cực bằng phân áp Độ ổn định nhiệt NHATRANG UNIVERSITY
25. Sơ đồ tương đương của Transistor làm việc ở chế độ tín hiệu nhỏ, tần số thấp • Khi transistor làm việc ở chế độ tín 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 tính, các điện áp và dòng điện vào là u , i ; điện áp ra và dòng điện ra là u , i . Ta có1 phương1 trình tham số hỗn hợp h như2 sau:2 i1 i2 Mạng 4 cực u2 u1 NHATRANG UNIVERSITY (BJT)
26. Ý nghĩa các tham số Trở kháng vào khi ngắn mạch đầu ra (u2=0) Độ khuếch đại điện áp nghịch đảo khi hở mạch đầu vào (i1=0) Hệ số khuếch đại dòng điện khi ngắn mạch đầu ra (u2=0) NHATRANG UNIVERSITY Dẫn nạp đầu ra khi hở mạch đầu vào (i1=0)
27. Quy ước ký hiệu • Ký hiệu theo tiêu 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 có các kiểu mắc B-chung, C- chung, E-chung, nên có các ký hiệu b,c,e ở sau tham số h để chỉ kiểu mắc đó – Ví dụ: • hib=h11b: Trở kháng vào theo các mắc B-chung • h =h : Hệ số khuếch đại thuận dòng điện theo cách mắc E- chungfe 21e NHATRANG UNIVERSITY • Đối với transistor, các 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 NHATRANG UNIVERSITY
29. Sơ đồ tương đương hỗn hợp cách 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 NHATRANG UNIVERSITY
30. Sơ đồ tương đương hỗn hợp cách 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 NHATRANG UNIVERSITY
31. Sơ đồ tương đương hỗn hợp cách 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 NHATRANG UNIVERSITY
32. Sơ đồ tương đương vật lý của transistor • Trong mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ, tần số thấp transistor còn được biểu thị bằng sơ đồ tương đương vật lý, hay còn gọi là sơ đồ tương đương tham số r • Sơ đồ tương đương vật lý có ưu điểm là đơn giản, dễ dàng xác định được tham số trở kháng của transistor re: Điện trở vi phân của tiếp giáp EB và αi e miền E rb: Điện trở vi phân NHATRANG UNIVERSITY của miền B rce: Điện trở vi phân của lớp tiếp giáp CB
33. Sơ đồ tương đương vật lý của transistor • rb: có giá trị rất nhỏ (vài Ω đến vài chục Ω), nên có thể coi là rb ngắn mạch • rce: có giá trị rất lớn (vài trăm kΩ) nên có thể coi là hở mạch • re: là điện trở vi phân của lớp tiếp tiếp giáp EB nên có thể tính gần đúng bằng công thức: re=26mv/IC ie ic αie αie ib NHATRANG UNIVERSITY Sơ đồ tương đương vật lý Tính trở kháng 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 tích cực (JE phân cực thuận, JC phân cực ngược), thì nó có khả năng khuếch đại tín hiệu, tùy theo mục đích sử dụng mà có các mạch khuếch đại: KĐ tín hiệu nhỏ, KĐ công suất, KĐ vi sai, KĐ cộng hưởng, (sẽ học ở môn học “Điện tử cơ bản”) NHATRANG UNIVERSITY Mạch KĐ công suất Mạch KĐ tín hiệu nhỏ
35. Ứng dụng của transistor • Tạo dao động – Khi transistor làm việc ở chế độ tích cực, với một khung cộng hưởng, và chế độ hồi tiếp thích hợp, transistor có khả năng tạo dao động điều hòa: Dao động ba điểm điện cảm, dao động ba điểm điện dung, dao động ghép biến áp, . NHATRANG UNIVERSITY 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 bão hòa), người ta sử dụng transistor trong các mạch tạo xung, và các mạch logic (họ TTL) Giải thích nguyên lý hoạt động??? NHATRANG UNIVERSITY 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 Hãy viết bảng chân lý của các hàm sau?