Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Bài 4: Tranzito lưỡng cực

BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC 4.1 Cấu trúc vật lý 4.2 Mô hình truyền dẫn cho npn-pnp 4.3 Các vùng hoạt động 4.4 Đặc tuyến truyền đạt i-v 4.5 Đơn giản hóa mô hình truyền đạt 4.6 Hiệu ứng và điện áp Early 4.7 Phân cực thực tế BÀI 4 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (Là chương 5 trong giáo trình) 4.1 Cấu trúc vật lý Cấu trúc vật lý của tranzitor lưỡng cực BJT (Bipolar Junction Transistor) bao gồm ba lớp bán dẫn loại n và loại p xen kẽ nhau. Các lớp này ứng với các cực E (Emitter - cực phát), cực B (Base- cực gốc) và cực C (Collector - cực góp). Có 2 loại tranzitor lưỡng cực: npn và pnp. Cách hoạt động của thiết bị có thể xem trên mặt cắt ngang đơn giản của tranzitor npn ở hình 4.1.1. a) Hình 4.1.1 Mặt cắt ngang của một transistor npn với các dòng trong quá trình hoạt động bình thường Transistor = transfer resistor Trong quá trình hoạt động bình thường, phần lớn dòng sẽ đi vào cực C, đi qua vùng Base và đi ra ở cực E. Một lượng dòng nhỏ hơn đi vào từ cực B, đi qua tiếp giáp base-emitter của tranzitor và đi ra khỏi cực E. Phần quan trọng nhất của tranzitor lưỡng cực là vùng gốc tích cực (vùng base) nằm giữa hai đường nét đứt nằm bên dưới vùng emitter (n+). Lượng truyền dẫn tại vùng này ảnh hưởng tới đặc tuyến i-υ của BJT. Hình 4.1.2 minh hoạ cho cấu trúc vật lý phức tạp hơn đã được sử dụng để làm ra một tranzitor npn dạng mạch tổ hợp. b) Hình 4.1.2 Hình ảnh ba chiều của một mạch tổ hợp tranzitor tiếp giáp lưỡng cực npn Phần lớn cấu trúc trên hình 4.1.2 được sử dụng để chế tạo các miền tiếp xúc ngoài với các vùng collector, base và emitter và để tách các tranzitor lưỡng cực. Trong cấu trúc npn đó, dòng collector iC và dòng base iB đi vào từ cực C và cực B của tranzitor, và dòng emitter iE đi ra từ cực E. 4.2 Mô hình truyền dẫn cho npn và pnp 4.2.1 Transistor npn Hình 4.2.1 là mô hình vùng hoạt động của tranzitor tiếp giáp lưỡng cực npn. Hình 4.2.1 (a) Cấu trúc của tranzitor npn lý tưởng hoá trong trường hợp phân cực chung (b) Kí hiệu của tranzitor npn BJT có hai lớp tiếp giáp pn nối đấu lưng với nhau. Tuy nhiên, vùng trung tâm base rất mỏng (0.1 - 100 mm), khoảng cách quá gần của hai lớp tiếp giáp dẫn tới sự kết nối giữa hai điốt. Sự kết nối này là cốt lõi của các thiết bị lưỡng cực. Vùng bán dẫn loại n thấp hơn (emitter) đưa các electron đi vào vùng base (loại p). Trong các tranzitor silic hiện đại, phần lớn các electron này sẽ đi qua vùng base và được thu nhận bởi vùng bán dẫn loại n cao hơn (collector). Điện áp base-emitter (B-E) υBE và điện áp base-collector (B-C) υBC gắn vào hai tiếp giáp pn trên hình 4.2.1 sẽ xác định các dòng của tranzitor lưỡng cực, và được quy ước là dương khi chúng dịch chuyển về phía tiếp giáp pn tương ứng. Ba dòng điện cực là dòng collector iC, dòng emitter iE, và dòng base iB. Các mũi tên chỉ hướng của dòng dương trong các mạch npn. Kí hiệu của tranzitor npn có trên hình 4.2.1 (b), trong đó mũi tên xác định cực E và cho biết dòng đi ra khỏi cực E của tranzitor npn. Các đặc tính thuận Hình 4.2.2 Tranzitor npn nối với điện áp υBE còn υBC =0 Trên hình 4.2.2, chỉ có điện áp υBE được gắn vào tiếp giáp B-E, còn điện áp gắn vào tiếp giáp B-C bằng 0. Điện áp B-E xác lập dòng iE, bằng tổng các dòng đi qua tiếp giáp B-E: bao gồm hai thành phần. Phần lớn hơn là dòng truyền dẫn thuận iF, đi vào cực collector, đi qua hoàn toàn vùng base rất hẹp, và đi ra ở cực E. Dòng collector iC bằng với dòng iF, có dạng của một dòng điốt lý tưởng: iC = iF = IS (4.2.1) Tham số IS là dòng bão hoà của tranzitor lưỡng cực. IS tỷ lệ với diện tích mặt cắt ngang của vùng hoạt động cơ sở của tranzitor, và có thể có giá trị nằm trong một dải rộng: 10-18 A £ IS £ 10-9 A VT là điện áp nhiệt, VT = kT/q = 0.025 V tại nhiệt độ phòng. Ta thấy iF phải nhỏ hơn thành phần dòng đi qua tiếp giáp B-E. Dòng này có dạng tạo ra dòng iB của tranzitor, và nó tỷ lệ với iF: iB = = (4.2.2) Tham số bF được gọi là hệ số khuếch đại dòng E chung (common-emitter) thuận. F: Forward Giá trị của nó thường nằm trong phạm vi: 20 £ bF £ 500. Dòng phát iE có thể được tính: iC + iB = iE (4.2.3) Kết hợp công thức (4.2.1) và (4.2.2): iE = (4.2.4) Nó có thể được viết lại thành: iE = IS = (4.2.5) Tham số aF được gọi là hệ số khuếch đại dòng B chung (common base) thuận. Giá trị của nó thường nằm trong phạm vi: 0.95 £ aF £ 1.0 Tham số aF và bF quan hệ với nhau theo công thức: αF = hoặc βF = (4.2.6) Các công thức (4.2.1), (4.2.2) và (4.2.5) cho thấy đặc tính cơ bản của tranzitor lưỡng cực. Cả ba dòng cực đều phụ thuộc theo hàm mũ đối với điện áp B-E của tranzitor. Với cách phân cực như trên hình 4.2.2, tranzitor hoạt động thực sự trong vùng có hệ số khuếch đại dòng cao, được gọi là vùng hoạt động thuận. Hai quan hệ phụ nhưng vô cùng hữu ích đều hợp lệ trong vùng hoạt động thuận: Quan hệ thứ nhất được xác định từ tỷ số giữa dòng iC và dòng iB trong công thức (4.2.1) và (4.2.2): = βF hoặc iC = βFiB và iE = (βF + 1)iB (4.2.7) Dùng công thức (4.2.3), quan hệ thứ hai được xác định từ tỷ số giữa dòng iC và dòng iE trong công thức (4.2.1) và (4.2.5): = αF hoặc iC = αFiE (4.2.8) Công thức (4.2.7) cho thấy tầm quan trọng và sự hữu ích của tranzitor lưỡng cực: Tranzitor khuếch đại dòng base của nó với hệ số bF. Vì hệ số khuếch đại dòng bF>>1, nên việc có một dòng nhỏ đi vào vùng base của tranzitor sẽ tạo ra dòng rất lớn ở cả hai cực C và E. Công thức (4.2.8) cho thấy các dòng collector và emitter là giống hệt nhau vì aF » 1. Các đặc tính nghịch Hình 4.2.3 Tranzitor nối với điện áp υBC còn υBE =0 Bây giờ ta xem xét tranzitor trên hình 4.2.3, trong đó điện áp chung υBC được gắn với tiếp giáp B-C, còn tại tiếp giáp B-E thì bằng 0. Điện áp B-C thiết lập dòng iC, nó đi qua tiếp giáp B-C. Phần lớn nhất của dòng collector, dòng truyền dẫn nghịch iR, đi vào cực emitter, đi hoàn toàn qua vùng hẹp base và đi ra từ cực C. Dòng iR có dạng giống hệt iF: iR = IS và iE = –iR (4.2.9) ngoại trừ điện áp điều khiển bây giờ là υBC. Trong trường hợp này, một phần nhỏ của dòng iR được cung cấp tạo ra dòng base đi qua cực B: iB = = (4.2.10) Tham số bR được gọi là hệ số khuếch đại dòng E chung nghịch. (R: Reverse) Các công thức (4.2.1) và (4.2.9) cho thấy tính đối xứng vốn có ở dòng đi qua vùng base của tranzitor lưỡng cực. Tuy nhiên, các mức độ tạp chất khác nhau ở các vùng phát (emitter) và thu (collector) trong cấu trúc của BJT sẽ tạo ra sự bất đối xứng, điều này làm cho các dòng base trong các chế độ thuận và nghịch trở nên khác nhau rất nhiều. Đối với các BJT điển hình, bR nằm trong phạm vi: 0 < bR £ 20 trong khi: 20 £ bF £ 500 Dòng emitter trên hình 4.2.3 có thể được xác định bằng cách kết hợp các dòng collector và dòng base như đã làm đối với công thức (4.2.5): iC = – (4.2.11) trong đó tham số aR được gọi là hệ số khuếch đại dòng B chung nghịch: αR = hoặc βR = (4.2.12) Giá trị của của aR thường nằm trong phạm vi: 0 < aR £ 0.95 BẢNG 4.1 So sánh hệ số khuếch đại dòng collector và Base aF hoặc aR bF hoặc bR 0.1 0.11 0.5 1 0.9 9 0.95 19 0.99 99 0.998 499 Các giá trị của hệ số khuếch đại dòng base a và hệ số khuếch đại dòng phát b được so sánh trong bảng 4.1. Vì aF thường lớn hơn 0.95, bF có thể khá lớn. Các giá trị trong phạm vi từ 20 tới 500 là khá phổ biến đối với bF, mặc dù có thể chế tạo những tranzitor với mục đích đặc biệt có bF lớn hơn 5000. Ngược lại, aR thường nhỏ hơn 0.5, nên giá trị của bR thường nhỏ hơn 1. Các công thức của mô hình truyền dẫn hoàn chỉnh trong trường hợp phân cực tuỳ ý Kết hợp các biểu thức về các dòng colector, emittor, và base từ công thức (4.2.1), (4.2.11), (4.2.9) và (4.2.2), (4.2.10), ta sẽ có các biểu thức về các dòng colector, emittor, base tổng đối với tranzitor npn. Chúng hoàn toàn phù hợp với trường hợp điện áp phân cực chung trên hình 4.2.1: iC = IS - iE = IS + iB = + (4.2.13) Từ công thức này ta thấy ba tham số đặc trưng của mỗi BJT là IS, βF và βR.(chú ý rằng nhiệt độ cũng là một tham số quan trọng vì VT = kT/q). Số hạng thứ nhất trong cả hai biểu thức dòng emitter và collector ở công thức (4.2.13) là: iT = IS (4.2.14) Nó tương ứng với dòng truyền dẫn hoàn toàn qua vùng base của tranzitor. Công thức (4.2.14) giải thích tính đối xứng giữa điện áp B-E và điện áp B-C trong sự hình thành dòng chi phối của tranzitor lưỡng cực. 4.2.2 Transistor pnp Tranzitor pnp được chế tạo bằng cách hoán đổi các lớp của tranzitor như trên hình 4.2.4. Hình 4.2.4 (a) Cấu trúc của tranzitor pnp lý tưởng hoá trong trường hợp phân cực chung (b) Kí hiệu của tranzitor pnp Tranzitor được vẽ với cực E ở phía trên của sơ đồ, giống như trong phần lớn các mạch của giáo trình. Chiều mũi tên ứng với chiều của dòng điện dương trong tranzitor pnp. Các điện áp mắc vào các lớp tiếp giáp pn là điện áp E-B υEB và C-B υCB. Các điện áp này là dương khi chúng phân cực thuận đối với các tiếp giáp pn tương ứng. Dòng thu iC và dòng base iB đi ra khỏi các cực của tranzitor, còn dòng emitter iE đi vào thiết bị. Kí hiệu của tranzitor pnp như trên hình 4.2.4 (b). Mũi tên xác định cực E của tranzitor pnp và chiều của mũi tên chính là chiều dương của dòng emitter. Hình 4.2.5 (a) Tranzitor pnp nối với υEB còn υCB = 0 (b) Tranzitor pnp nối với υCB còn υEB = 0 Các công thức mô tả đặc tuyến i-υ tĩnh của tranzitor pnp có thể được xây dựng bằng cách xếp chồng các dòng bên trong cấu trúc giống như đối với tranzitor npn. Trên hình 4.2.5 (a), điện áp υEB được gắn với tiếp giáp E-B, và điện áp C-B được đặt bằng 0. Điện áp E-B tạo ra dòng truyền dẫn thuận iF (đi qua vùng hẹp base) và dòng iB (đi qua tiếp giáp E-B): iC = iF = IS iB = = (4.2.15) và iE = iC + iB = IS Trên hình 4.2.5 (b), điện áp υCB được gắn với tiếp giáp C-B, còn tiếp giáp E-B có điện áp bằng 0. Điện áp C-B tạo ra dòng truyền dẫn nghịch iR và dòng base iB: –iE = iR = IS iB = = (4.2.16) iC = –IS Dòng thu (collector) được tính bởi: iC = iE – iB. Với cách phân cực chung như trên hình 4.2.4, công thức (4.2.15) và (4.2.16) được kết hợp để thu được các dòng thu, phát và base tổng cộng của tranzitor pnp: iC = IS – iE = IS + iB = + (4.2.17) 4.3 Các vùng hoạt động Trong tranzitor lưỡng cực, mỗi tiếp giáp pn có thể phân cực thuận hoặc phân cực nghịch một cách độc lập, nên sẽ có bốn vùng hoạt động như liệt kê trong bảng 4.2. BẢNG 4.2 Các vùng hoạt động của tranzitor lưỡng cực Tiếp giáp B-E Tiếp giáp B-C Phân cực nghịch Phân cực thuận Phân cực thuận Vùng hoạt động thuận (Vùng hoạt động bình thường) (Khuếch đại tốt) Vùng bão hoà (Khoá đóng) Phân cực nghịch Vùng cắt (Khoá mở) Vùng hoạt động nghịch (Khuếch đại kém) Trong vùng hoạt động thuận (còn gọi là vùng hoạt động bình thường), tiếp giáp B-E được phân cực thuận và tiếp giáp B-C được phân cực nghịch, BJT có thể tạo ra hệ số khuếch đại lớn đối với dòng, điện áp và công suất. Vùng hoạt động thuận được sử dụng để thực hiện khuếch đại chất lượng cao. Thêm vào đó, dạng nhanh nhất của logic lưỡng cực, được gọi là logic cặp emitter, là sự chuyển đổi giữa vùng cắt và vùng hoạt động thuận của tranzitor. Trong vùng hoạt động nghịch, tiếp giáp B-E được phân cực nghịch, còn tiếp giáp B-C được phân cực thuận. Trong vùng này, tranzitor có hệ số khuếch đại dòng thấp, vùng này ít được sử dụng. 4.4 Đặc tuyến truyền đạt i-v Có hai dạng đặc tuyến i-υ của BJT tương ứng với đầu ra của thiết bị và đặc tuyến truyền dẫn. Đặc tuyến đầu ra tương ứng với quan hệ giữa dòng collector và điện áp C-E hoặc điện áp C-B của tranzitor Đặc tuyến truyền dẫn (đạt) thể hiện quan hệ giữa dòng collector và điện áp B-E. Hai đặc tuyến này là cơ sở để hiểu được cách thức hoạt động của tranzitor lưỡng cực. Đặc tuyến đầu ra. Các mạch để đo hoặc mô phỏng đặc tuyến đầu ra E chung được vẽ trên hình 4.4.1. Hình 4.4.1 Các mạch để xác định đặc tuyến đầu ra E chung (a) Tranzitor npn (b) Tranzitor pnp Hình 4.4.2 Đặc tuyến đầu ra E chung của tranzitor lưỡng cực (quan hệ của iC và υCE đối với tranzitor npn hoặc iC và υEC đối với tranzitor pnp) Sử dụng cách phân cực như trên hình 4.4.1 (b) cho tranzitor pnp, đặc tuyến đầu ra sẽ có dạng giống như trên hình 4.4.2, chỉ khác ở chỗ trục ngang sẽ là điện áp υEC thay vì υCE. Các mạch để đo hoặc mô phỏng đặc tuyến đầu ra B chung của tranzitor npn và pnp được vẽ trên hình 4.4.3. Hình 4.4.3 Các mạch để xác định đặc tuyến đầu ra B chung Trong các mạch này, cực phát của tranzitor được điều khiển bởi một nguồn dòng không đổi, đặc tuyến đầu ra là quan hệ giữa iC và υCB đối với tranzitor npn (hoặc là quan hệ giữa iC và υBC đối với tranzitor pnp), với dòng phát iE là tham số. Với υCB ³ 0 V trên hình 4.4.4, tranzitor ở trong miền hoạt động thuận, iC độc lập với υCB, và ta đã biết trước là iC » iE. Hình 4.4.4 Đặc tuyến đầu ra B chung của tranzitor lưỡng cực (là quan hệ giữa iC và υCB đối với tranzitor npn, hoặc quan hệ giữa iC và υBC đối với tranzitor pnp) Đặc tuyến truyền đạt Đặc tuyến truyền đạt E chung của BJT được định nghĩa bằng quan hệ giữa dòng collector và điện áp B-E của tranzitor. Đặc tính truyền đạt của tranzitor npn được vẽ trên hình 4.4.5, với các thang logarit và đường kẻ cho trường hợp υBC = 0. Đặc tuyến truyền đạt gần như giống hệt với một điốt tiếp giáp pn. Điều này cũng có thể biểu diễn dưới dạng toán học bằng cách đặt υBC = 0 vào biểu thức của dòng collector trong công thức 4.2.13: iC = IS (4.4.1) Hình 4.4.5 Đặc tuyến truyền dẫn của BJT trong vùng hoạt động thuận. Vì quan hệ hàm mũ trong công thức (4.4.1), biểu đồ logarit sẽ có độ dốc giống như của điốt tiếp giáp pn. Để thay đổi chỉ 60 mV đối với υBE thì phải thay đổi dòng thu khoảng 10 lần, và để dòng thu không đổi, điện áp B-E của BJT silic sẽ có hệ số nhiệt độ là –1.8 mV/oC. 4.5 ĐƠN GIẢN HOÁ MÔ HÌNH TRUYỀN ĐẠT Các công thức đầy đủ khá cồng kềnh. Bây giờ ta sẽ tìm cách đơn giản hoá chúng để có thể giảm bớt sự phức tạp trong việc mô tả mô hình cho mỗi vùng hoạt động đã liệt kê ở bảng 4.2. 4.5.1 Mô hình đơn giản hoá cho vùng cắt Vùng dễ nhất để tìm hiểu là vùng cắt, trong đó cả hai tiếp giáp đều phân cực ngược. Với tranzitor npn, vùng cắt đòi hỏi υBE ≤ 0 và υBC ≤ 0. Ta sẽ giả thiết thêm như sau: υBE < – và υBC < – với – = –0.1V Cả hai điều kiện này cho phép ta bỏ qua các số hạng dạng hàm mũ trong công thức (4.2.13), từ đó rút ra các công thức đơn giản hoá của các dòng cực trong vùng cắt đối với tranzitor npn: iC = IS - iE = IS + iB = + hay: iC = + iE = – iB = –– (4.5.1) Trong vùng cắt, cả ba dòng cực iC, iE, và iB đều là hằng số và thường nhỏ hơn dòng bão hoà IS của tranzitor. 4.5.2 Mô hình đơn giản hoá cho vùng hoạt động thuận Người ta cho rằng vùng hoạt động quan trọng nhất của BJT là vùng hoạt động thuận, trong đó tiếp giáp E-B được phân cực thuận và tiếp giáp C-B được phân cực ngược. Trong vùng này, tranzitor có thể tạo ra hệ số khuếch đại điện áp và dòng cao, rất có ích cho việc khuếch đại tín hiệu tương tự. Từ bảng 4.2, ta thấy rằng vùng hoạt động thuận của tranzitor npn tương ứng với υBE ≥ 0 và υBC ≤ 0. Trong phần lớn các trường hợp, vùng hoạt động thuận sẽ có: υBE > = 0.1 V và υBC < – = –0.1 V và ta có thể đơn giản hoá công thức (4.2.13) như sau: iC = IS – iE = IS + (4.5.2) iB = + hay: iC = IS + iE = + (4.5.3) iB = – – Số hạng có hàm mũ trong mỗi biểu thức thường rất lớn khi so sánh với các số hạng khác. Bằng cách loại bỏ các số hạng nhỏ, ta sẽ thu được công thức đơn giản hoá có ích nhất của mô hình BJT trong vùng hoạt động thuận: iC = IS iE = (4.5.4) iB = Trong vùng hoạt động thuận, các dòng cực đều có dạng của dòng điốt mà trong đó điện áp điều khiển là điện thế tiếp giáp B-E. Một chú ý quan trọng là các dòng đều độc lập với điện áp B-C υBC. Dòng collector iC có thể được mô hình hoá giống như một nguồn dòng điểu khiển bởi điện áp, điện áp điều khiển chính là υBE và độc lập với điện áp collector. Thực hiện phép chia các dòng cực trong công thức (4.5.4), ta thu được hai quan hệ phụ trong vùng hoạt động thuận: iC = αF iE và iC = βF iB (4.5.5) Nhận xét rằng iC + iB = iE , và sử dụng công thức (4.5.5) ta thu được kết quả: iE = (βF + 1)iB (4.5.6) 4.5.3 Mô hình đơn giản hoá cho vùng hoạt động nghịch Trong vùng hoạt động nghịch, vai trò của các cực E và C được đổi chỗ. Điốt B-C được phân cực thuận còn tiếp giáp B-E được phân cực nghịch. Công thức (4.5.7) cho thấy sự đơn giản hoá đối với cách phân cực này: iC = IS - iE = IS + (5.5.7) iB = + Sử dụng các công thức trên và loại bỏ các số hạng có giá trị không đáng kể dạng hàm mũ, ta thu được các biểu thức đơn giản hoá cho vùng hoạt động nghịch: iC = – iE = – IS (4.5.8) iB = Đem chia các công thức này cho nhau ta thu được: iE = –βRiB và iE = αRiC. 4.5.4 Mô hình hoá vùng bão hoà Vùng hoạt động thứ tư và là vùng cuối cùng được gọi là vùng bão hoà. Trong vùng này, cả hai tiếp giáp được phân cực thuận, và tranzitor thường hoạt động với một điện áp nhỏ giữa cực C và cực E. Trong vùng bão hoà, giá trị một chiều của υCE được gọi là điện áp bão hoà của tranzitor, và kí hiệu là: υCESAT đối với tranzitor npn hoặc υECSAT đối với tranzitor pnp. (sat: saturation – bão hòa). Để xác định υCESAT, ta giả thiết rằng cả hai tiếp giáp được phân cực thuận nên các dòng iC và iB từ công thức (4.2.13) có thể viết gần đúng như sau: iC = IS – iB = + (4.5.9) Kết hợp các công thức trên với biểu thức βR = αR/(1 – αR) để viết công thức tính các điện áp B-E và B-C: υBE = VT ln (4.5.10) υBC = VT ln υCE = υBE – υBC kết hợp với công thức (4.5.10) ta thu được công thức tính điện áp bão hoà của tranzitor npn: υCESAT = VT ln với iB > (4.5.11) 4.6 Hiệu ứng và điện áp Early Đặc tuyến đầu ra của tranzitor trên hình 4.4.2 và 4.4.4 cho thấy, dòng bão hoà tại một giá trị không đổi trong vùng hoạt động thuận. Tuy nhiên, trong một tranzitor thực sự, các đặc tuyến có một độ dốc dương, giống như trên hình 4.6.1. Dòng collector không thực sự độc lập với υCE. Độ dốc của đặc tuyến đầu ra lớn hơn 0, chứ không bằng không như đã nói trong các phân tích cơ bản. Các kết quả thực nghiệm cho thấy, khi đường cong ở đặc tuyến đầu ra trở lại điểm 0 của dòng collector, các đường cong đều gặp nhau tại một điểm chung, υCE = –VA. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Early, điện áp VA được gọi là điện áp Early, do James Early tại Phòng thí nghiệm Bell là người đầu tiên tìm ra. Hình 4.6.1 sử dụng một giá trị điện áp Early khá nhỏ (14 V) để phóng to đặc tuyến. Các giá trị của điện áp Early thường nằm trong phạm vi: 5 V ≤ VA ≤150 V Hình 4.6.1 Đặc tuyến đầu ra của tranzitor với điện áp Early VA. Mô hình hoá hiệu ứng EARLY Sự phụ thuộc của dòng collector vào điện áp C-E có thể được biểu diễn bởi mô hình toán học đơn giản hoá cho vùng hoạt động thuận của BJT, biến đổi công thức (4.5.4) ta có: iC = IS βF = βFO (4.6.1) iB = βFO tương ứng với giá trị của βF với VCE = 0. Trong biểu thức này, dòng collector và hệ số khuếch đại dòng cùng phụ thuộc vào υCE, nhưng dòng base vẫn độc lập với υCE. Điều này phù hợp với hình 4.30, trong đó sự tách biệt của các đường cong dòng base cố định trong vùng hoạt động thuận sẽ tăng lên khi υCE tăng, biểu thị sự tăng lên của hệ số khuếch đại dòng βF khi υCE tăng. Nguồn gốc của hiệu ứng EARLY Sự biến đổi của bề rộng vùng base WB của tranzitor bởi điện áp C-B là nguyên nhân gây ra hiệu ứng Early. Khi sự phân cực nghịch tại tiếp giáp C-B tăng lên, bề rộng của lớp cạn kiệt C-B tăng, và bề rộng WB giảm xuống. Kỹ thuật này, được gọi là sự biến đổi bề rộng vùng base, được mô tả trên hình 4.6.2, trong đó bề rộng của vùng điện tích trung gian, không gian nạp, giữa collector và base được vẽ với hai giá trị khác nhau của điện áp C-B, tương ứng với các bề rộng WB và WB’ của vùng base. Dòng collector tỷ lệ nghịch với bề rộng vùng base WB, nên việc giảm WB là kết quả của việc tăng dòng truyền dẫn iT. Việc giảm WB khi VCB tăng là nguyên nhân của hiệu ứng Early. Hình 4.6.2 Sự biến đổi bề rộng vùng base, hay hiệu ứng Early. Hiệu ứng Early làm giảm điện trở đầu ra của tranzitor lưỡng cực, và tạo một giới hạn cho hệ số khuếch đại của BJT. 4.7 Phân cực thực tế Mục đích của việc phân cực là thiết lập một điểm hoạt động định sẵn, hay còn gọi là điểm Q. Đối với tranzitor lưỡng cực npn, điểm Q tương ứng với các giá trị một chiều của dòng collector và điện áp C-E (IC, VCE), còn đối với tranzitor pnp thì sử dụng điện áp E-C (IC, VEC). Điểm Q sẽ khởi tạo vùng hoạt động cho tranzitor. Mạch phân cực dùng bốn điện trở. Một trong những mạch tốt nhất để ổn định điểm Q của tranzitor là mạng phân cực dùng bốn điện trở trên hình 4.7.1. R1 và R2 tạo ra một bộ chia điện áp đối với nguồn cấp (từ 12V tới 0 V) và cố gắng thiết lập một điện áp cố định tại cực base của tranzitor Q1. RE và RC được sử dụng để tạo dòng emitter và điện áp C-E của tranzitor. Hình 4.7.1 Mạch phân cực dùng bốn điện trở (giả thiết βF =75) Hình 4.7.2 (a) Mạch phân cực bốn điện trở với các nguồn tái tạo (b) Sự đơn giản hoá Thévenin của mạch phân cực bốn điện trở (giả thiết βF =75) Mục đích của ta là xác định điểm Q của tranzitor: (IC, VCE). Bước đầu tiên trong việc phân tích mạch trên hình 4.7.1 là chia nguồn cấp thành hai điện áp bằng nhau, như trên hình 4.7.2 (a), và sau đó đơn giản hoá mạch bằng cách thay thế mạch phân cực ở cực base bằng mạch tương đương Thévenin, như trên hình 4.7.2 (b). VEQ và REQ được tính bởi: VEQ = VCC , REQ = (4.7.1) Với các giá trị trên hình 4.7.2, VEQ = 4 V và REQ = 12kΩ. Phân tích chi tiết bắt đầu với giả thiết về vùng hoạt động để đơn giản hoá các công thức mô hình hoá BJT. Vì phần lớn các vùng hoạt động dùng cho mạch phân cực này là vùng hoạt động thuận, ta sẽ giả thiết tranzitor ở trong vùng này. Áp dụng định luật điện áp Kirchhoff cho vòng 1: VEQ = REQIB + VBE + REIE (4.7.2) hay: 4 = 12 000 IB + VBE + 16 000 IE (4.7.3) Vì ta giả thiết đây là vùng hoạt động thuận, ta có VBE = 0.7 V và IE = (βF + 1)/IB, và công thức (4.7.3) trở thành: 4 = 12 000 IB + 0.7 + 16 000 (βF + 1)IB (4.7.4) Sử dụng βF =75 và tính IB: IB = = 2.68 μA IC = βFIB = 201 μA IE = (βF + 1)IB = 204 μA Để tính VCE, sử dụng vòng 2: VCE = VCC – RCIC – REIE = VCC – (4.7.5) Vì IE = IC/αF, kết hợp với các giá trị trong mạch: VCE = 12 – 38 200 IC = 12 V – 7.68 V = 4.32 V (4.7.6) Tất cả các dòng tính được đều lớn hơn 0, sử dụng kết quả của công thức (4.7.6): VBC = VBE –VCE = 0.7 – 4.32 = – 3.62 V. Do đó, tiếp giáp B-C được phân cực ngược, và giả thiết về vùng hoạt động thuận là đúng. Điểm Q tính được là (201 μA, 4.32 V). Trước khi kết thúc ví dụ này, ta sẽ vẽ đường tải cho mạch và định vị điểm Q trên đặc tuyến đầu ra. Phương trình đường nạp của mạch này đã có ở công thức (4.7.5): VCE = VCC – = 12 – 38 200 IC (4.7.7) Cần có hai điểm để vẽ đường tải. Chọn IC = 0 ứng với VCE = 12 V, và VCE = 0 ứng với IC = 314 μA. Đường tải và đặc tuyến đầu ra của tranzitor mắc E chung được vẽ trên hình 4.7.3. Dòng base cũng đã được tính bằng 2.7 μA, và giao điểm của đặc tuyến IB = 2.7 μA với đường tải chính là điểm Q. Trong trường hợp này, ta phải ước lượng vị trí của đường cong IB = 2.7 μA. Hình 4.7.3 Đường tải của mạch phân cực bốn điện trở. Mục tiêu thiết kế của mạch phân cực bốn điện trở Ta vừa phân tích mạch phân cực bốn điện trở, ta sẽ tìm hiểu mục tiêu thiết kế của kĩ thuật phân cực này bằng cách xác định dòng emitter theo công thức (4.7.2): IE = ≈ với REQIB << (VEQ - VBE) (4.7.8) Giá trị của điện trở tương đương Thévenin REQ thường được thiết kế đủ nhỏ để điện áp rơi trên nó là không đáng kể khi có dòng base đi qua. Với điều kiện này, IE được thiết lập bởi sự kết hợp của VEQ, VBE và RE. Thêm vào đó, VEQ thường được thiết kế đủ lớn để sự biến đổi nhỏ của VBE (theo giả thiết) không làm ảnh hưởng tới giá trị của IE. Trong mạch phân cực nguyên bản ở hình 4.7.4, giả thiết điện áp rơi IBREQ <<(VEQ – VBE) tương đương với giả thiết IB <<I2 nên I1 ≈ I2. Trong trường hợp này, dòng base của Q1 không làm ảnh hưởng tới hoạt động của bộ chia điện áp R1 và R2. Sử dụng công thức gần đúng (4.7.8) để tính dòng emitter của mạch trên hình 4.7.2: IE = = 206 μA Giá trị trên, về cơ bản là giống với kết quả tính toán bằng các công thức chính xác hơn. Đây là kết quả đạt được nhờ sự thiết kế mạch phân cực hợp lý. Nếu điểm Q độc lập với IB, nó cũng sẽ độc lập với hệ số khuếch đại dòng β (một tham số điều khiển tranzitor). Dòng emitter sẽ gần như giống nhau dù tranzitor có hệ số khuếch đại dòng là 50 hay 500. Nói chung, có rất nhiều cách kết nối R1 và R2 làm ảnh hưởng tới giá trị của VEQ. Cần có sự khống chế để lựa chọn mô hình thiết kế. Một lựa chọn hữu ích là hạn chế dòng trong mạng chia điện áp ở cực base bằng cách chọn I2 ≤IC/5. Lựa chọn này đảm bảo rằng công suất hao phí trên các điện trở phân cực R1 và R2 nhỏ hơn 17% so với tổng công suất tiêu thụ của mạch, và cũng đảm bảo rằng I2 >>IB khi β ≥ 50. Hình 4.7.4 Các dòng trong mạng phân cực ở cực base.