Bài giảng Cấu kiện điện tử: Chương 4

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

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

Transistor lưỡng cực

thuận

– Nếu ba lớp bán dẫn lần lượt là n-p-n thì đó là transistror loại

ngược

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

• 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

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

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

• 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)

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

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

làm JE, JC đều phân cực thuận

– Chế độ tích cực (linear): Điện áp một chiều làm JE

phân cực thuận còn JC phân cực ngược.

Chế độ ngắt của transistor

• JC và JE đều phân cực ngược, nên trong transistor 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

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

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

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

Nguyên lý làm việc của Transistor

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

Transistor làm việc ở chế độ tích cực

• Để transistor làm việc ở chế độ tích cực (khuếch theo thì phải phân cực cho transistor đại), nguyên tắc JE phân cực thuận, JC phân cực ngược (UC>UB>UE: npn; UC

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

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

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

• Đối với transistor pnp cũng hoạt động tương tự như vậy, nhưng đổi vai trò của electron thành lỗ trống, và chiều của các dòng điện ngược lại với transistor npn

– 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









I I





h FE

I I

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

α: Hệ số truyền đạt dòng điện β: Hệ số khuếch đại dòng điện

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)

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

T U2 (ra) U1 (vao)

U2 (ra) U2 (ra) U1 (vao) U2 (ra) U1 (vao) U1 (vao)

E B C

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

Tæng qu¸ t

EC

BC

CC

§ Æc tuyÕn vµo

U 1=f(I 1)| U2 =const

U BE=f(I B)| UCE

U EB=f(I E)|UCE

U BC=f(I B)|UEC

§ Æc tuyÕn ph¶n håi

U 1=f(U 2)| I 1 =const

U BE=f(U CE)|I B

U EB=f(U CB)| I E

U BC=f(U EC)|I B

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

I 2=f(I 1)| U2 =const

I C=f(I B)| UCE

I C=f(I E)| UCB

I E=f(I B)| UEC

§ Æc tuyÕn truyÒn ®¹ t

§ Æc tuyÕn ra

I 2=f(U 2)| I 1 =const

I C=f(U CE)| I B

I C=f(U CB)| I E

I E=f(U EC)| I B

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

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

Họ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu B chung

IE mA

UCB = 6V

UCB = 1V

UEB (vao) UCB(ra)

UEB V

UCB = 6V

IC mA

IE =3mA

UCB = 2V

IE =2mA

IE =1mA

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

IE mA

UCB V

-5

Họ đặc tuyến vào

Họ đặc tuyến ra và họ đặc tuyến truyền đạt

Họ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu E chung

• Dùng phương pháp thực nghiệm, đo các thông số của

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

mạch để vẽ họ đặc tuyến

Họ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu E chung

IB A

UCE = 2V

UCE = 6V

100

UCE (ra) UBE (vao)

UCE = 6V

UBE V

IC mA

IB =60A

UCE = 2V

IB =40A

Họ đặc tuyến vào

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

IB =20A

IB A

UCE V

100

-5 Họ đặc tuyến ra và họ đặc tuyến truyền đạt

Họ đặc tuyến của transistor mắc theo kiểu C chung

IB A

UCE = 21V

100

UCE(ra)

UCE =41V

UCB(vao)

UCE = 6V

IE mA

IB =60A

UCB V

-4

IB =40A

UCE = 2V

IB =20A

IB A

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

Họ đặc tuyến vào

UCE V

100

-5

Họ đặc tuyến ra và họ đặc tuyến truyền đạt

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 JE, JC cùng phân cực thuận (ngược)

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

• 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 tín hiệu xoay chiều vào, transistor (để khi cộng với transistor không bị rơi vào chế độ dẫn bão hòa hoặc chế độ khóa)

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

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

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

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

• 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)

Ổn định nhiệt cho điểm làm việc tĩnh

• Transistor là linh kiện rất nhạy cảm với lượng ICB0 và nhiệt độ (nhất là các đại 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

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

dụng hệ số ổn định nhiệt: S= IC / Icbo=dIC/dIcb0

Phân cực cho transistor bằng dòng IB cố định

Dòng IB E



 R

Độ ổn định nhiệt Từ công thức



 

 I 1 CB

Y T I S R E V N U G N A R T A H N



 

  I I C Suy ra I  I 

Phân cực cho transistor bằng điện áp phản hồi

Độ ổn định nhiệt











1 R C 

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

R C

R B

Phân cực bằng phân áp

Độ ổn định nhiệt



R B R



 (



 )



Y T I S R E V N U G N A R T A H N

R B R

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 u1, i1; điện áp ra và dòng điện ra là u2, i2. Ta có phương trình tham số hỗn hợp h như sau:





Y T I S R E V N U G N A R T A H N

Mạng 4 cực (BJT)





ih 111 ih 121

uh 12 uh 22

u  1  i  2

Ý nghĩa các tham số



h 11

u 1 i 1



h 12

u 1 u

Trở kháng vào khi ngắn mạch đầu ra (u2=0)



i 1



h 21

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

i 2 i 1

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)

h 22

i 2 u



i 1

Dẫn nạp đầu ra khi hở mạch đầu vào (i1=0)

Quy ước ký hiệu

• Ký hiệu theo tiêu chuẩn của IEEE (Insitute of

Electrical and Electronics Engineers): – i(in)=11: đầu vào – f(forward)=21: thuận

• 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 • hfe=h21e: Hệ số khuếch đại thuận dòng điện theo cách mắc E-

chung

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

• Đối với transistor, các tham số hỗn hợp thường được nhà sản xuất cho trước trong datasheet của linh kiện

o(out)=22: đầu ra r(reverse)=12: ngược

Mạch tương đương hỗn hợp

i1 h11 i2

h21i1 u1 u2 h12u2 h22

Mạng bốn cực

Mạch tương đương hỗn hợp của transistor





Y T I S R E V N U G N A R T A H N





ih 111 ih 121

uh 12 uh 22

u  1  i  2

Sơ đồ tương đương hỗn hợp cách mắc EC

ib hie ic

hfeib ube uce hreuce hoe

Mạng bốn cực

Mạch tương đương hỗn hợp của transistor mắc EC





Y T I S R E V N U G N A R T A H N

ih bie 

be 

ih bfe

uh re uh oe

u   i  c

Sơ đồ tương đương hỗn hợp cách mắc BC

ie hib ic

hfbie ueb ucb hrbucb hob

Mạng bốn cực

Mạch tương đương hỗn hợp của transistor mắc BC





Y T I S R E V N U G N A R T A H N

eb 

ih e ib  ih fb e

uh rb uh ob

u   i  c

Sơ đồ tương đương hỗn hợp cách mắc CC

ib hic ie

hfcib ubc uec hrcubc hoc

Mạng bốn cực

Mạch tương đương hỗn hợp của transistor mắc CC





Y T I S R E V N U G N A R T A H N

ih bic 

bc 

ih bfc

uh rc uh oc

u   i  e

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

αie

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

• 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 miền E rb: Điện trở vi phân của miền B rce: Điện trở vi phân của lớp tiếp giáp CB

•

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

αie

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

Sơ đồ tương đương vật lý đơn giản

Tính trở kháng vào và ra của transistor mắc kiểu EC, BC, CC?

Ứng dụng của transistor

– 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”)

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

• Khuếch đại

Mạch KĐ công suất Mạch KĐ tín hiệu nhỏ

Ứng dụng của transistor

• Tạo dao động

Y T I S R E V N U G N A R T A H N

– 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,….

Mạch DĐ 3 điểm điện dung Mạch DĐ 3 điểm điện cảm