Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 5: Transitor

Nhập môn Điện tử Chương 5 Transitor 1 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử I. Tổng quan về transitor Transistor là một thiết bị đa cực có khả năng: + Tăng (khuếch đại) dòng + Tăng (khuếch đại) áp + Tăng (khuếch đại) tín hiệu – công suất Transistor lưỡng cực BJT (BJT- Bipolar Junction Transistor) là transistor thế hệ đầu tiên được phát minh năm 1947 bởi Bardeen, Brattain và Shockley. 2 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử I. Tổng quan về transitor Lịch sử phát triển của transistor 3 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử I. Tổng quan về transitor Logic Transistors nu Name Signification Year gates number[ mber[19] 20] small-scale SSI 1964 1 to 10 1 to 12 integration medium-scale MSI 1968 10 to 500 13 to 99 integration large-scale LSI 1971 500 to 20,000 100 to 9,999 integration very large-scale 20,000 to 10,000 to VLSI 1980 integration 1,000,000 99,999 ultra-large- 1,000,000 and 100,000 and ULSI scale 1984 more more integration 4 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử II. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của transitor II.1 Cấu trúc của transitor 0.150 in 0.150 in 0.001 in 0.001 in E C E C P n P n p n B B BJT (Bipolar Junction Transistor) được tạo nên từ các lớp bán dẫn p và n xen kẽ nhau. Ba vùng bán dẫn trong transistor được gọi là : vùng Phát (Emitter - E) ; Nền (Base - B) và Thu (Collector - C) . 5 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử II. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của transitor II.1 Cấu trúc của transitor Mối nối pn giữa vùng nền và vùng thu được gọi là mối nối nền-thu (BC) . Tương tự mối nối pn giữa vùng nền và vùng phát là mối nối nền phát (BE). 6 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử II. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của transitor II.1 Cấu trúc của transitor Về kí hiệu Transistor cần chú ý là mũi tên đặt ở giữa cực Emitter và Base có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n. 7 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử II.2 Nguyên lý hoạt động của transitor BJT Transistor BJT có thể hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau tuỳ thuộc vào cách phân cực các mối nối BE và CB. Chế độ BE CB Ngưng dẫn Phân cực nghịch Phân cực nghịch Tích cực Phân cực thuận Phân cực nghịch Bão hoà Phân cực thuận Phân cực thuận Trong các mạch khuếch đại tuyến tính chế độ tích cực thường sử dụng 8 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử II.2 Nguyên lý hoạt động của transitor BJT Chế độ tích cực ở transistor 9 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử II.2 Nguyên lý hoạt động của transitor BJT Xét hoạt động của transitior npn ở chế độ tích cực 10 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử II.2 Nguyên lý hoạt động của transitor BJT Xét hoạt động của transitior npn Khi mối nối B-E được phân cực thuận, vùng nghèo giữa lớp tiếp xúc p-n được thu hẹp lại, và do đó các electron (hạt mang điện đa số) khuếch tán dễ dàng từ n sang p 11 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử II.2 Nguyên lý hoạt động của transitor BJT Đồng thời dưới tác dụng của hiệu điện thế VBE , các lỗ trống di chuyển từ lớp p sang lớp n tạo thành dòng IB 12 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử II.2 Nguyên lý hoạt động của transitor BJT Khi mối nối B-C được phân cực nghịch, không có dòng tải đa số (dòng các electron) từ n sang p, nhưng theo chiều ngược lại, dưới tác dụng của nguồn VCB , có dòng các electron đi từ p sang n 13 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử II.2 Nguyên lý hoạt động của transitor BJT Các electron đi ngang qua vùng Thu C đến cực Thu (cực C) và đi về cực âm của nguồn áp ngoài đang cấp vào cực thu C . Điều này hình thành dòng cực thu IC . 14 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử II.2 Nguyên lý hoạt động của transitor BJT Các electron đi ngang qua vùng Thu C đến cực Thu (cực C) và đi về cực âm của nguồn áp ngoài đang cấp vào cực thu C . Điều này hình thành dòng cực thu IC . 15 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử II.2 Nguyên lý hoạt động của transitor BJT • Hệ thức cơ bản về các dòng điện trong Transistor IIIEBC 16 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử III. Các thông số của BJT Hệ số α Hệ số αdc được định nghĩa là tỉ số dòng DC qua cực thu C so với dòng DC qua cực phát E: Hệ số αdc có giá trị trong khoảng từ 0.90 đến 0.998 Ở chế độ xoay chiều ac, hệ số αac được định nghĩa 17 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử III. Các thông số của BJT Hệ số β Hệ số βdc được gọi là độ lợi dòng điện DC và được định nghĩa là tỉ số dòng DC qua cực thu C so với dòng DC qua cực nền B . Ta có: Hệ số βdc còn được gọi là hFE là thông số của transistor trong mạch tương đương tính theo thông số h, thường được áp dụng khi thiết kế các mạch khuếch đại dùng transistor. Giá trị của hệ số βdc trong phạm vi từ 20 đến 200 hay lớn hơn. Ở chế độ xoay chiều ac, hệ số βac được định nghĩa Công suất tiêu tán cực đại: 18 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử III. Các thông số của BJT Tóm tắt 19 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử III. Các thông số của BJT Ví dụ: Cho mạch phân cực transistor như hình vẽ. Biết transistor có hệ số βdc =150. Xác định các dòng điện IC, IB , IE và các áp VCE , VCB Giải: Áp dụng định luật Kirchhoff VVBB BE IB 0,43 mA RB IC DC. I B 64,5 mA IECB I  I  64,93 mA VVRIVCE CC . C  3,55 VVVVCB CE  BE  2,85 20 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử IV.Các kiểu mắc transistor - Đặc tuyến Volt- Ampere IV.1 Mạch cực B chung (Common Base) Mạch B chung là mạch mà trong đó cực B có điểm chung với cả cổng vào và cổng ra của mạch. Cực B là cực được nối đất hoặc gần thế nối đất nhất. 21 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử IV.1 Mạch cực B chung (Common Base) Họ đặc tuyến ngõ vào 22 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử IV.1 Mạch cực B chung (Common Base) Trong kiểu mắc B chung: - Tín hiệu vào E so với B, tín hiệu ra C so với B. - Pha giữa tín hiệu vào và ra: cùng pha. Họ đặc tuyến ngõ ra 23 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử IV.2 Mạch cực E chung (Common Emitter) Mạch E chung là mạch mà trong đó cực E có điểm chung với cả cổng vào và cổng ra của mạch. Cực E là cực được nối đất hoặc gần thế nối đất nhất. 24 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử IV.2 Mạch cực E chung (Common Emitter) Họ đặc tuyến ngõ vào 25 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử IV.2 Mạch cực E chung (Common Emitter) *Trong kiểu mắc E chung: - Tín hiệu vào B so với E, tín hiệu ra C so với E. - Pha giữa tín hiệu vào và ra: đảo pha. Họ đặc tuyến ngõ ra 26 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử IV.3 Mạch cực C chung (Common Collector) Mạch C chung là mạch mà trong đó cực C có điểm chung với cả cổng vào và cổng ra của mạch. Cực C là cực được nối đất hoặc gần thế nối đất nhất. 27 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử IV.3 Mạch cực C chung (Common Collector) V V V 0 0 0 4 2 3 = = = C C C E IB(μA) E E U U U 150 A E B V UOut 100 A C UIn V 50 CC 0 -3 -4.5 -6 VBC (V) Họ đặc tuyến ngõ vào 28 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử IV.3 Mạch cực C chung (Common Collector) IE(mA) *Trong kiểu mắc IB=100μA 10 C chung: - Tín hiệu vào B IB=80μA so với C, tín hiệu 8 ra E so với C. IB=60μA - Pha giữa tín 6 hiệu vào và ra: cùng pha. IB=40μA 4 IB=20μA 2 0 2 4 6 8 10 UEC(V) Họ đặc tuyến ngõ ra 29 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử V. Đường tải một chiều (đường tải tĩnh – dc load line) Đường tải một chiều là đường thẳng IC(mA) đựợc vẽ trên đặc tuyến ra qua 2 bão hòa điểm xác định sau: N IB(μA) • Điểm ngưng, IC = 0 Q  VCE= VCC (Điểm M) ICQ • Điểm bão hòa: VCE = 0  IC = VCC/ RC (Điểm N) nối 2 điểm M và N lại ta có được ngưng đường lấy điện. Phương trình đường tải một chiều: VCE(V) V =I R +V CC C C CE 0 V M Hay CEQ VV I  CC CE C R C 30 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử V. Đường tải một chiều (đường tải tĩnh – dc load line) Vai trò của đường tải một chiều • Phân giải mạch Transistor. • Xác định điểm tĩnh điều hành Q. • Cho biết trạng thái hoạt động của transistor ( tác động, bão hoà, ngưng). • Mạch khuếch đại có tuyến tính hay không. • Thiết kế mạch khuếch đại theo ý định ( chọn trước điểm tĩnh Q, tính các trị số linh kiện). 31 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử V. Đường tải một chiều (đường thẳng lấy điện – dc load line) Điểm tĩnh điều hành Q Giao điểm đường lấy điện và đường phân cực IB chọn trước cho ta trị số điểm tĩnh Q (quiesent operating point). Độ lợi dòng điện thay đổi theo vị trí điểm tĩnh điều hành Q. Điểm tĩnh điều hành Q thay đổi vị trí theo điện thế phân cực transistor và còn thay đổi theo tín hiệu xoay chiều ( AC) tác động vào mạch . 32 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử V. Đường tải một chiều (đường thẳng lấy điện – dc load line) Điểm tĩnh điều hành Q 33 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử V. Đường tải một chiều (đường thẳng lấy điện – dc load line) Điểm tĩnh điều hành Q Ví dụ: Tìm điểm Q cho mạch như hình vẽ và vẽ đường tải 1 chiều. Cho =200 34 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử VI. Phân cực transistor BJT có rất nhiều ứng dụng trong các thiết bị điện tử, tùy theo từng ứng dụng cụ thể mà BJT cần cung cấp điện thế và dòng điện cho từng chân một cách thích hợp. Phân cực (định thiên) là áp đặt hiệu điện thế cho các cực BJT. Phân cực BJT là chọn nguồn điện DC và điện trở sao cho IB , IC , VCE có trị số thích hợp theo yêu cầu hoạt động của BJT theo các vùng hoạt động của transistor. 35 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử VI. Phân cực transistor Phương pháp chung để phân giải mạch phân cực gồm ba bước: Bước 1: Dùng mạch điện ngõ vào để xác định dòng điện ngõ vào (IB hoặc IE). Bước 2: Suy ra dòng điện ngõ ra từ các liên hệ IC=βIB hay IC=αIE Bước 3: Dùng mạch điện ngõ ra để tìm các thông số còn lại (điện thế tại các chân, giữa các chân của BJT...) 36 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử VI.1 Phân cực cố định (Fixed – Bias) Mạch ngõ vào BE (Base-Emitter): VRIV CC B B BE => VV I  CC BE B R B Với VBE = 0.7V nếu BJT là Si và VBE = 0.3V nếu là Ge. Suy ra : IC=βIB 37 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử VI.1 Phân cực cố định (Fixed – Bias) Mạch ngõ ra BC (Collector-Base): VRIVCC C C CE Hay VVRICE CC C C VVCC CE => IC  RC Đây là phương trình đường tải một chiều Dòng cực thu bão hoà: VCC ICsat  RC 38 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử VI.1 Phân cực cố định của BJT (Fixed – Bias) Ví dụ 1: Cho mạch điện như hình vẽ, tính giá trị IB , IC , IE , VCE ĐS IBCE47,08 A , I  2,35 mA , I  2,397 mA VVCE  4,245 39 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử VI.1 Phân cực ổn định cực phát Mạch cơ bản giống mạch phân cực cố định, nhưng ở cực emitter được mắc thêm một điện trở RE xuống mass. Cách tính phân cực cũng có các bước giống như ở mạch phân cực cố định. Mạch ngõ vào BE VRIVRICC B B  BE  E E Thay: II1   EB => VVCC BE IB  RRBE1   Suy ra : IC=βIB 40 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử VI.1 Phân cực ổn định cực phát Mạch ngõ ra BC (Collector-Base): VRIVRICC C C  CE  E E Dòng điện cực thu bảo hòa ICsat VCC ICsat  RRCE 41 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử VI.1 Phân cực ổn định cực phát Ví dụ 2: Cho mạch điện như hình vẽ, tính giá trị IB , IC , IE , VCE 63 ĐS IAIABC36,35.10 , 3,635.10 3 IAVVE3,671.10 , CE 9 42 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử VI.3 Phân cực bằng cầu chia thế Mạch ngõ vào BE VVVVIB BE  E  BE  E.R E Hay R2.VCC VB  ()RR12 Mạch ngõ ra BC: VIRVVCC C C  CE  E Dòng điện cực thu bảo hòa ICsat VCC ICsat  RRCE 43 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử VI.3 Phân cực bằng cầu chia thế Ví dụ 3: Cho mạch điện như hình vẽ, tính giá trị IB , IC , IE , VCE .Biết VBE =0,7V, IE ≃ IC 3 ĐS VVVVIIABECE2 ,  1,3 , ;  0,867.10 VVVVC13,33 , CE 12,03 44 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử VI.4 Phân cực với hồi tiếp điện thế Mạch ngõ vào BE VIIRIRVCC C  B C  B B  BE Thay: IC=βIB VVCC BE IB  RRBC 1 Mạch ngõ ra CE VIIRVCC C  B C  CE 45 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử I.4 Phân cực với hồi tiếp điện thế Ví dụ 4: Cho mạch điện như hình vẽ, tính giá trị IB , IC , IE , VCE .Biết VBE =0,7V Giải Mạch ngõ vào BE VIIRIRVCC C  B C  B B  BE Thay: IC=βIB VVCC BE IB  RRBC 1 Mạch ngõ ra CE VIIRVCC C  B C  CE 46 Chương 5: Transitor Nhập môn Điện tử VI.4 Phân cực với hồi tiếp điện thế Ví dụ 5: Cho mạch điện như hình vẽ, tính giá trị IB , IC , IE , VCE .Biết VBE =0,7V 47 Chương 5: Transitor