Bài giảng Điện tử cơ bản - ĐH Phạm Văn Đồng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ ...  ...

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CƠ BẢN

Bậc học: CAO ĐẲNG

Bộ môn: Điện - Điện tử

Giảng viên: Trần Thị Ánh Duyên Khoa: Kỹ thuật Công nghệ

Quảng Ngãi, năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ ...  ...

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CƠ BẢN

Bậc học: CAO ĐẲNG Số tiết: 45

Giảng viên: Trần Thị Ánh Duyên

Bộ môn: Điện - Điện tử Khoa: Kỹ thuật Công nghệ

Quảng Ngãi, năm 2017

LỜI NÓI ĐẦU

Bài giảng “Điện tử cơ bản” được biên soạn dùng làm tài liệu học tập cho sinh

viên bậc cao đẳng chính qui ngành Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử, Trường đại

học Phạm Văn Đồng. Bài giảng sẽ trình bày các lý thuyết cơ bản trong mạch điện

tử. Nội dung bài giảng được biên soạn đúng theo đề cương chi tiết môn học do

Trường đại học Phạm Văn Đồng ban hành. Bài giảng gồm 8 chương, trong đó:

Chương 1. Đại cương về chất bán dẫn

Chương 2. Diode bán dẫn và mạch ứng dụng

Chương 3. Đại cương về Transistor lưỡng cực - BJT

Chương 4. Transistor hiệu ứng trường - FET

Chương 5. Các mạch phân cực của transistor

Chương 6. Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Chương 7. Các mạch khuếch đại ghép tầng

Chương 8. Khuếch đại thuật toán và mạch ứng dụng.

Trong quá trình biên soạn bài giảng, tác giả đã cố gắng trình bày các nội dung

rất ngắn gọn và dễ hiểu. Ngoài ra ở cuối mỗi chương đều có các câu hỏi ôn tập

nhằm giúp các sinh viên dễ dàng hệ thống lại các kiến thức đã học.

Tuy nhiên, trong quá trình biên soạn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất

mong nhận được các góp ý về nội dung bài giảng để bài giảng ngày càng hoàn thiện

hơn. Các ý kiến đóng góp của bạn đọc xin gởi về địa chỉ: Bộ môn Điện - Điện tử,

Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Đại Học Phạm Văn Đồng.

Tác giả xin chân thành cảm ơn.

Tác giả

Th.S Trần Thị Ánh Duyên

Mục lục

Chƣơng 1. ĐẠI CƢƠNG VỀ CHẤT BÁN DẪN .................................. Trang 1

1.1. Giới thiệu sơ lược về chất bán dẫn ....................................................................... 1

1.2. Chất bán dẫn thuần ............................................................................................... 1

1.3. Chất bán dẫn tạp ................................................................................................... 3

1.4. Quá trình động trong chất bán dẫn ....................................................................... 4

1.5. Tiếp giáp P – N .................................................................................................... 5

Chƣơng 2. DIODE BÁN DẪN VÀ MẠCH ỨNG DỤNG .............................. 11

2.1. Cấu tạo, ký hiệu của diode ................................................................................. 11

2.2. Nguyên lý làm việc của diode ............................................................................ 11

2.3. Đặc tuyến Vôn – Ampe của diode .................................................................... 14

2.4. Các tham số của diode ........................................................................................ 16

2.5. Các thông số giới hạn của diode ........................................................................ 21

2.6. Phân loại diode ................................................................................................... 21

2.7. Giải tích mạch diode .......................................................................................... 24

2.8. Các mạch ứng dụng của diode ........................................................................... 25

Chƣơng 3. ĐẠI CƢƠNG VỀ TRANSISTOR LƢỠNG CỰC - BJT ........... 36

3.1. Cấu tạo và ký hiệu của BJT................................................................................ 36

3.2. Nguyên lý hoạt động của BJT ............................................................................ 36

3.3. Ba cách mắc cơ bản của BJT ............................................................................. 39

3.4. Đặc tuyến Vôn – Ampe của BJT ....................................................................... 39

3.5. Các thông số giới hạn của BJT .......................................................................... 44

Chƣơng 4. TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƢỜNG - FET ............................ 47

4.1. Sơ lược về FET .................................................................................................. 47

4.2. JFET ................................................................................................................... 47

4.3. MOSFET ............................................................................................................ 52

Chƣơng 5. CÁC MẠCH PHÂN CỰC CỦA TRANSISTOR ........................ 58

5.1. Giới thiệu chung ................................................................................................. 58

5.2. Phân tích đường tải ............................................................................................ 58

5.3. Các mạch phân cực cho BJT .............................................................................. 61

5.4. Hệ số ổn định nhiệt ............................................................................................ 68

5.5. Các mạch phân cực cho FET ............................................................................. 72

Chƣơng 6. MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ .................................... 84

6.1. Giới thiệu chung ................................................................................................. 84

6.2. Đặc trưng cơ bản của 1 tầng khuếch đại ............................................................ 84

6.3. Mô hình của BJT ................................................................................................ 85

6.4. Mô hình của FET ............................................................................................... 92

6.5. Các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ thông dụng dùng BJT ................................. 95

6.6. Các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ thông dụng dùng FET ............................... 103

Chƣơng 7. CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP TẦNG ............................. 111

7.1. Giới thiệu chung ............................................................................................... 111

7.2. Mạch khuếch đại ghép tầng trực tiếp ............................................................... 112

7.3. Mạch khuếch đại ghép tầng bằng tụ liên lạc (ghép RC) .................................. 114

7.4. Mạch khuếch đại ghép tầng bằng biến áp ........................................................ 117

7.5. Mạch khuếch đại ghép Darlington ................................................................... 119

7.6. Mạch khuếch đại ghép Cascode ....................................................................... 121

7.7. Mạch khuếch đại vi sai .................................................................................... 123

7.8. Mạch khuếch đại công suất .............................................................................. 127

Chƣơng 8. KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ MẠCH ỨNG DỤNG ...... 138

8.1. Giới thiệu chung ............................................................................................... 138

8.2. Mạch khuếch đại không đảo ............................................................................ 140

8.3. Mạch khuếch đại đảo ....................................................................................... 140

8.4. Mạch khuếch đại không đảo có phân áp ngõ vào ............................................ 141

8.5. Mạch khuếch đại cộng đảo ............................................................................... 142

8.6. Mạch khuếch đại cộng không đảo .................................................................... 142

8.7. Mạch tích phân ................................................................................................. 143

8.8. Mạch vi phân .................................................................................................... 146

Tài liệu tham khảo……………………………………………………………

Chƣơng 1

ĐẠI CƢƠNG VỀ CHẤT BÁN DẪN

1.1. Giới thiệu sơ lƣợc về chất bán dẫn

Tùy theo điện trở suất của vật chất, người ta chia vật chất ra thành 3 loại:

- Chất dẫn điện:

- Chất bán dẫn điện:

- Chất cách điện:

Hoặc người ta dựa vào cấu trúc vùng năng lượng để phân biệt các loại chất trên như trên hình 1.1.

E E

Vùng dẫn

Vùng cấm 5eV Eg > 5eV Eg

Vùng hóa trị

a) Chất cách điện b) Chất bán dẫn

E

Vùng dẫn (hoặc vùng tự do)

Vùng hóa trị

c) Chất dẫn điện

Hình 1.1. Giản đồ cấu trúc vùng năng lượng

Để chế tạo các linh kiện bán dẫn người ta thường sử dụng 2 chất bán dẫn là:

- Silic (Si) có Eg = 1,12eV.

- Germani (Ge) có Eg = 0,72eV.

Trên thực tế thì Silic là chất bán dẫn được sử dụng phổ biến nhất.

* Phân loại: Người ta phân chất bán dẫn thành 2 loại là bán dẫn thuần và bán dẫn tạp.

1.2. Chất bán dẫn thuần Xét chất bán dẫn loại Silic: Cấu hình electron của Si (Z = 14) là: 1s22s22p63s23p2. Từ cấu hình electron ta thấy: Silic có 3 lớp điện tử, lớp ngoài cùng có 4 điện tử hóa trị trong khi đó có thể chứa đến 8 nguyên tử nên lớp điện tử ngoài cùng là chưa hoàn thiện.

Trang 1

Các điện tử sẽ tham gia tác động lẫn nhau giữa các nguyên tử, chúng tạo thành tinh thể Silic hay phân tử hợp chất hóa học của Silic với các chất khác.

Hình 1.2. Cấu trúc nguyên tử của a. Germani; b.Silic

(a) (b)

Hình 1.3. a. Cấu trúc tinh thể đơn của Ge và Si; b. Cấu trúc mạng tinh thể của Si

Trong mạng tinh thể của Silic, mỗi nguyên tử Silic liên kết với 4 nguyên tử Silic khác nằm cạnh nó nhờ 4 liên kết cộng hóa trị như hình 1.3b.

Tính chất dẫn điện của kim loại là do sự tồn tại của các điện tử tự do (hay điện tử dẫn), chúng có mối liên kết rất yếu với các nguyên tử.

Nếu khối tinh thể Silic là hoàn toàn nguyên chất và trong điều kiện bình thường thì tất cả các điện tử hóa trị của nguyên tử sẽ liên kết với nhau nên không tồn tại điện tử tự do. Do vậy trong điều kiện bình thường thì tinh thể Silic không dẫn điện.

Nếu ta kích thích năng lượng bằng cách đốt nóng, chiếu chùm tia phóng xạ hoặc đặt một cường độ điện trường,… vào mạng tinh thể để làm tăng mức năng lượng của các điện tử thì các điện tử này có thể phá vỡ mối liên kết với nguyên tử, thoát ra ngoài thành điện tử tự do.

Trang 2

Ở mỗi liên kết vừa bị phá vỡ, điện tử thoát ra ngoài để lại 1 lỗ trống, lỗ trống này dễ bị 1 điện tử ở mối liên kết khác nhảy đến lấp chỗ trống và do vậy sẽ xuất hiện 1 lỗ trống mới ở nơi điện tử vừa đi khỏi.

Quá trình cứ tiếp tục như vậy, ta thấy điện tử di chuyển theo 1 chiều nhất định nào đó, lỗ trống không di chuyển nhưng ta thấy dường như nó di chuyển theo chiều ngược lại với chiều di chuyển của điện tử.

Ta nhận thấy rằng ở chất bán dẫn nguyên chất thì mật độ điện tử tự do bằng mật độ lỗ trống nên tính chất dẫn điện của chất bán dẫn phụ thuộc vào tác nhân bên ngoài kích thích các điện tử thoát khỏi mối liên kết với nguyên tử.

Gọi n là mật độ điện tử (số điện tử di chuyển trong 1 đơn vị thể tích), p là mật độ lỗ trống (số lỗ trống lần lượt xuất hiện trong 1 đơn vị thể tích). Ta có:

n = p = ni gọi là chất bán dẫn thuần.

Người ta đã chứng minh được rằng:

Trong đó:

A: là hằng số tỉ lệ T: nhiệt độ Kenvin (0K), (00C = 2730K) q = 1,6.10-19 C là điện tích điện tử

Eg: là năng lượng kích thích K = 1,38.10-23 J/0K = 8,816.10-5 eV/0K là hằng số Boltzman

1.3. Chất bán dẫn tạp

Mật độ điện tử tự do hay mật độ lỗ trống của chất bán dẫn có thể được tăng cường nếu ta pha thêm tạp chất, gọi là bán dẫn tạp.

Người ta phân bán dẫn tạp thành 2 loại là bán dẫn loại N và bán dẫn loại P.

Hai nhóm tạp chất dùng để pha trộn có hóa trị 3 và hóa trị 5.

Nguyên tố hóa trị 3 Nguyên tố hóa trị 5

Aluminum (Al) Phosphorus (P)

Gallium (Ga) Arsenic (As)

Boron (B) Antimony (Sb)

Indium (In) Bismuth (Bi)

a. Bán dẫn loại N

Xét chất bán dẫn Silic, nếu ta pha thêm 1 lượng nhỏ Phôtpho (P) hay Antimon (Sb), … thuộc nhóm 5 trong bảng hệ thống tuần hoàn, có 5 điện tử lớp ngoài cùng. Lúc này có 4 điện tử lớp ngoài cùng tạo thành mối liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên tử Silic nằm cạnh của tinh thể bán dẫn. Còn điện tử thứ 5 nằm tự do trong mạng tinh thể.

Trang 3

Người ta nói bán dẫn có tạp chất sao cho mật độ điện tử lớn hơn mật độ lỗ trống được gọi là bán dẫn điện tử hay bán dẫn loại N.

Hình 1.4. Chất bán dẫn loại N với tạp chất là nguyên tử Sb

Tỉ lệ pha tạp chất là: 108 nguyên tử Silic ứng với 1 nguyên tử Sb.

Gọi nN là mật độ điện tử trong bán dẫn loại N, pN là mật độ lỗ trống trong bán dẫn loại N thì: nN > pN. Trong bán dẫn loại N, điện tử là hạt đa số, lỗ trống là hạt thiểu số.

b. Bán dẫn loại P

Cũng với chất bán dẫn Silic, nếu ta pha thêm 1 lượng nhỏ Nhôm (Al), Bo (B), Gali (Ga)… thuộc nhóm 3 trong bảng hệ thống tuần hoàn, có 3 điện tử lớp ngoài cùng. Lúc này mỗi nguyên tử tạp chất thiếu 1 điện tử để tạo thành mối liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên tử Silic nằm cạnh của tinh thể bán dẫn, như vậy tạo thành 1 lỗ trống.

Người ta nói bán dẫn có tạp chất sao cho mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ điện tử được gọi là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn loại P.

Hình 1.5. Chất bán dẫn loại P có tạp chất là nguyên tử B

Tỉ lệ pha tạp chất là: 108 nguyên tử Silic ứng với 1 nguyên tử B.

Gọi nP là mật độ điện tử trong bán dẫn loại P, pP là mật độ lỗ trống trong bán dẫn loại P thì: nP < pP. Trong bán dẫn loại P, điện tử là hạt thiểu số, lỗ trống là hạt đa số.

1.4. Quá trình động trong chất bán dẫn

1.4.1. Thời gian sống của hạt mang điện

Trang 4

Băng dẫn (lớp dẫn)

Một electron nằm ở lớp hóa trị, khi nó được cung cấp một năng lượng vừa đủ để nhảy từ lớp hóa trị đến lớp dẫn, thì nó để lại một chỗ trống trong liên kết hóa trị, chỗ trống này xem như lỗ trống (hole) như hình 1.6.

Băng hóa trị.

Hình 1.6. Một cặp điện tử và lỗ trống tượng trưng

Sau khoảng vài s ở trạng thái điện tử tự do, electron này sẽ mất hết năng lượng và rơi vào 1 trong các lỗ trống nằm trong liên kết hóa trị. Quá trình này gọi là tái kết hợp. Thời gian từ khi electron trở thành điện tử tự do cho đến khi xảy ra việc tái hợp lại được gọi là thời gian sống của cặp điện tử – lỗ trống.

1.4.2. Chuyển động trôi

Như đã biết, nếu đặt điện tử hoặc lỗ trống vào môi trường chân không và khi có điện trường tác động, các hạt dẫn sẽ chuyển động có gia tốc (nhanh dần đều hoặc chậm dần đều). Ở trong mạng tinh thể của chất rắn, cách thức xảy ra không hoàn giống như vậy. Mạng tinh thể chứa rất nhiều nguyên tử (kể cả tạp chất), chúng luôn luôn dao động vì nhiệt. Vì vậy khi chịu tác động của điện trường, các hạt dẫn trên đường chuyển động có gia tốc sẽ va chạm với các nguyên tố của mạng tinh thể. Mỗi lần va chạm sẽ làm thay đổi trị số và chiều của vận tốc nghĩa là làm tán xạ chúng. Chuyển động của hạt dẫn trong mạng tinh thể chất rắn dưới tác động của điện trường như vậy được gọi là chuyển động trôi (hoặc chuyển động cuốn).

1.4.3. Chuyển động khuếch tán

Trong chất rắn, ngoài hình thức chuyển động trôi dưới tác động của điện trường, các hạt dẫn còn chuyển động khuếch tán. Dạng chuyển động này xảy ra cho mọi phần tử vật chất khi có sự phân bố không đồng đều trong thể tích.

Đối với chất bán dẫn, khi nồng độ điện tử hoặc lỗ trống phân bố không đều, chúng sẽ khuếch tán từ nơi nồng độ cao về nơi nồng độ thấp. Dòng điện do chuyển động có hướng này gây ra gọi là dòng điện khuếch tán.

1.5. Tiếp giáp P – N

Tiếp giáp p - n gồm một khối chất bán dẫn p và một khối chất bán dẫn n được ghép lại với nhau như hình 1.7.

p n

Hình 1.7. Tiếp giáp p - n

1.5.1. Tiếp giáp p - n khi chưa có địên trường ngoài đặt vào

Hình 1.8 trình bày các chất bán dẫn khi chưa ghép nối. Ta có thể thấy rằng chất bán dẫn n với hạt tải đa số là điện tử và chất bán dẫn loại p với hạt tải đa số là lỗ trống.

Trang 5

Hình 1.8. Chất bán dẫn loại n và chất bán dẫn loại p

Trước khi tiếp xúc, mỗi khối bán dẫn nằm ở trạng thái cân bằng (tổng điện tích âm bằng với tổng điện tích dương trong thể tích) đồng thời giả thiết rằng nồng độ hạt dẫn cũng như nồng độ tạp chất (acceptor, donor) phân bố đều.

Khi tiếp xúc nhau, các dãy dẫn và dãy hóa trị trùng lắp nhau. Do chênh lệch nồng độ sẽ xảy ra hiện tượng khuếch tán của các hạt dẫn đa số: lỗ trống khuếch tán từ p sang n, còn điện tử khuếch tán theo chiều ngược lại từ n sang p. Chúng tạo nên dòng điện khuếch tán (chiều từ p sang n).

Trên đường khuếch tán, các điện tích trái dấu sẽ tái hợp với nhau, hình thành 1 vùng hẹp ở 2 bên mặt ranh giới có nồng độ hạt tải giảm xuống rất thấp. Tại vùng hẹp, bên bán dẫn p hầu như chỉ còn lại các ion âm (acceptor), còn bên bán dẫn n hầu như chỉ còn lại các ion dương (donor), nghĩa là hình thành 2 lớp điện tích không gian khác dấu đối diện nhau như hình 1.9. Giữa hai lớp điện tích này sẽ có một sự chênh lệch điện thế (bên n dương hơn bên p) gọi là hiệu điện thế tiếp xúc Vtx. Nói cách khác: trong vùng lân cận mặt ranh giới đã xuất hiện một điện trường (hướng từ n sang p) gọi là điện trường tiếp xúc Etx.

Hình 1.9. Mối nối p - n khi chưa có địên trường ngoài

Vùng hẹp nói trên gọi là vùng nghèo hoặc vùng tiếp giáp p - n. Nồng độ hạt dẫn

trong vùng này còn rất thấp nên điện trở suất của nó rất lớn so với các vùng còn lại.

Do tồn tại điện trường tiếp xúc, các hạt tải thiểu số của 2 miền sẽ bị cuốn về phía đối diện: lỗ trống của bán dẫn n chạy về phía cực âm của điện trường, điện tử của bán dẫn p chạy về phía cực dương của điện trường. Chúng tạo nên dòng điện trôi ngược chiều với dòng khuếch tán của hạt tải đa số.

Nồng độ hạt tải đa số trong 2 khối bán dẫn càng chênh lệch thì hiện tượng khuếch tán càng mãnh liệt và quá trình tái hợp càng nhiều, dẫn đến điện trường tiếp xúc càng tăng và dòng điện trôi của hạt dẫn thiểu số cũng tăng. Vì vậy, chỉ sau một khoảng thời

Trang 6

gian rất ngắn, dòng trôi và dòng khuếch tán trở nên cân bằng nhau, triệt tiêu nhau và dòng tổng hợp qua mặt ranh giới bằng 0.

Ta nói tiếp giáp p - n đạt tới trạng thái cân bằng động. Ứng với trạng thái đó, hiệu điện thế tiếp xúc (hoặc điện trường tiếp xúc) giữa bán dẫn n và bán dẫn p có 1 giá trị nhất định.

Thông thường, hiệu điện thế tiếp xúc vào cỡ 0,2 -> 0,3V (đối với Germani) hoặc 0,6 -> 0,7V (đối với Silic). Hiệu thế này ngăn cản không cho hạt dẫn tiếp tục chuyển động qua mặt ranh giới, duy trì trạng thái cân bằng, nên được gọi là “điện thế hàng rào”.

1.5.2. Tiếp giáp p - n khi có điện trường ngoài đặt vào

a. Phân cực nghịch (VD < 0 ) Giả sử nguồn điện áp VD được kết nối như hình 1.10: p nối cực âm và n nối cực dương, gọi là phân cực nghịch cho tiếp giáp p - n. Giả thiết điện trở của chất bán dẫn ở ngoài vùng nghèo là không đáng kể. Lúc đó gần như toàn bộ điện áp VD sẽ đặt vào vùng nghèo, xếp chồng lên hiệu điện thế tiếp xúc Vtx làm cho tình trạng cân bằng trước đây không còn nữa.

Số lượng các ion dương trong vùng nghèo của chất bán dẫn loại n sẽ tăng lên phụ thuộc vào số lượng rất lớn các điện tích dương tự do lấy từ điện thế dương của nguồn điện áp cung cấp. Tương tự số lượng các ion âm sẽ tăng trong chất bán dẫn loại p.

Kết quả làm cho vùng nghèo nới rộng ra. Sự nới rộng của vùng nghèo sẽ thiết lập một rào cản làm cho các hạt tải đa số không thể nào băng qua được nên dòng khuếch tán là zero như được trình bày trong hình 1.10.

Hình 1.10. Phân cực nghịch mối nối p - n

Do vùng nghèo bị mở rộng, điện trở của nó tăng. Điện thế hàng rào trở thành:

Điện thế hàng rào tăng thêm giá trị VD, làm cho dòng trôi của hạt dẫn thiểu số thì tăng theo VD. Nhưng do nồng độ hạt tải thiểu số vốn rất ít, nên trị số dòng này rất nhỏ. Nó nhanh chóng đạt tới giá trị bão hòa Is ngay khi điện áp VD còn rất thấp.

Vậy:

b. Phân cực thuận (VD > 0 ) Khi nguồn điện áp VD được mắc như hình 1.11: p nối cực dương và n nối cực âm thì quá trình sẽ xảy ra ngược lại. Điện thế hàng rào giảm chỉ còn Vtx - VD. Số lượng các

Trang 7

ion dương trong vùng nghèo của chất bán dẫn loại n sẽ giảm xuống phụ thuộc vào số lượng rất lớn các điện tích âm tự do lấy từ điện thế âm của nguồn điện áp cung cấp.

Tương tự, số lượng các ion âm sẽ giảm trong chất bán dẫn loại p. Kết quả làm cho vùng nghèo thu hẹp lại. Sự thu hẹp của vùng nghèo sẽ làm cho hạt dẫn đa số của hai bán dẫn sẽ tràn qua hàng rào sang miền đối diện. Dòng do hạt dẫn đa số tăng nhanh theo điện áp VD, còn dòng trôi của hạt dẫn thiểu số thì giảm theo VD. Tuy nhiên, do dòng hạt tải thiểu số vốn rất bé nên có thể coi như không đổi. Khi đó dòng tổng hợp qua tiếp giáp p - n sẽ là:

Trong đó:

: dòng điện bão hòa

: hằng số phụ thuộc vào vật liệu: 1≤  ≤2

VT: là hiệu điện thế nhiệt:

Tk : nhiệt độ Kelvin Tk = Tc +273 q: điện tích. q = 1,6 x 10-19 C k: hằng số Boltzman, k = 1,38 x 10-23 J/0K

Hình 1.11. Phân cực thuận mối nối p - n Vẽ đồ thị của phương trình dòng điện qua tiếp giáp p - n ta được hình 1.12 chính là đặc tuyến Vôn - Ampe của tiếp giáp p - n.

Hình 1.12. Đặc tuyến Vôn - Ampe của tiếp giáp p - n

1.5.3. Hiện tượng đánh thủng tiếp giáp p- n

Khi tiếp giáp p - n bị phân cực ngược, nếu điện áp ngược tăng đến một giá trị khá lớn nào đó thì dòng điện ngược trở nên tăng vọt, nghĩa là tiếp giáp p - n dẫn điện mạnh

Trang 8

cả theo chiều nghịch, phá hỏng đặc tính van của nó. Hiện tượng này gọi là hiện tượng đánh thủng .

Nguyên nhân dẫn đến đánh thủng có thể do điện hoặc nhiệt, vì vậy người ta thường

phân biệt hai dạng đánh thủng về điện và đánh thủng về nhiệt.

a. Đánh thủng về điện: Đánh thủng về điện được chia làm 2 loại: - Đánh thủng thác lũ: Khi điện áp phân cực nghịch của tiếp giáp p - n tăng, vận tốc của các hạt tải thiểu số tương ứng với dòng điện bão hòa ngược IS cũng sẽ tăng. Khi đó vận tốc của nó và động năng kết hợp vừa đủ để giải phóng các hạt tải khác làm tăng số lượng hạt tải (gọi là các hạt tải mở rộng) thông qua sự va chạm với các cấu trúc ổn định của nguyên tử khác. Đó là một quá trình ion hóa sẽ dẫn đến các điện tử cân bằng hấp thụ đủ năng lượng để rời khỏi nguyên tử. Sau đó các hạt tải mở rộng có thể trợ giúp cho quá trình ion hóa đạt đến điểm mà dòng điện thác lũ cao được thiết lập và vùng đánh thủng thác lũ được xác định.

Vùng thác lũ (VZ) có thể dịch chuyển tới gần trục tung bằng cách tăng các mức độ kích thích trong chất bán dẫn loại n và p. Tuy nhiên khi VZ giảm đến mức rất thấp chẳng hạn như 5V, một cơ cấu khác – được gọi là đánh thủng zener – sẽ tham gia vào sự thay đổi đặc tính đột ngột. Điều này xảy ra do có một điện trường mạnh trong vùng mối nối mà nó có thể phá vỡ các mối liên kết của nguyên tử và tạo ra các hạt tải. Sự thay đổi đột ngột của đặc tính tại bất kỳ mức điện áp nào được gọi là vùng zener.

Hình 1.13. Vùng zener

- Đánh thủng xuyên hầm:

Xảy ra khi cấu trúc của tiếp giáp là những bán dẫn có nồng độ tạp chất rất lớn, khi đó điện trường trong vùng tiếp xúc rất lớn, có khả năng gây ra hiệu ứng “xuyên hầm”, tức là điện tử trong vùng hóa trị của bán dẫn p có khả năng chui qua hàng rào thế để chạy sang vùng bán dẫn n, làm cho dòng điện tăng vọt.

b. Đánh thủng về nhiệt Xảy ra do sự tích luỹ nhiệt trong vùng tiếp xúc. Khi có điện áp ngược lớn, dòng điện ngược tăng làm nóng chất bán dẫn, khiến nồng độ hạt dẫn thiểu số tăng và do đó làm dòng điện ngược tăng nhanh. Quá trình cứ tiến triển như thế khiến cho nhiệt độ vùng tiếp xúc và dòng điện ngược liên tục tăng nhanh, dẫn đến đánh thủng.

Hiện tượng đánh thủng này có trị số điện áp đánh thủng phụ thuộc vào dòng điện ngược ban đầu, nhiệt độ môi trường và điều kiện tỏa nhiệt của tiếp giáp p - n. Đánh thủng về nhiệt thường phá hỏng vĩnh viễn đặc tính chỉnh lưu của tiếp giáp p - n.

Trang 9

Điện áp phân cực nghịch lớn nhất mà có thể áp đặt tới lên tiếp giáp p - n được gọi là điện áp ngược đỉnh (peak inverse voltage: PIV).

Câu hỏi ôn tập

B. Từ 10-4Ωm đến 10+7Ωm D. Lớn vô cùng.

B. Lớn hơn D. Không thể so sánh.

Câu 1. Điện trở suất của chất bán dẫn có giá trị: A. Nhỏ hơn 10-4Ωm C. Lớn hơn 10+7Ωm Câu 2. Độ dẫn điện của chất bán dẫn thuần so với chất bán dẫn ngoại lai là: A. Bằng nhau C. Nhỏ hơn Câu 3. Các nguyên tố tạp chất pha thêm vào chất bán dẫn thuần để tạo ra chất bán dẫn loại P, có số electron ngoài cùng là:

B. 3 D. 5

A. 2 C. 4 Câu 4. Nguyên tố nào sau đây được pha thêm vào chất bán dẫn thuần để tạo chất bán dẫn tạp loại N:

B. In D. Al

A. Si C. P Câu 5. Nguyên tố nào sau đây được pha thêm vào chất bán dẫn thuần để tạo chất bán dẫn tạp loại P:

B. Sb D. Bo

A. Si C. P

Trang 10

Chƣơng 2 DIODE BÁN DẪN VÀ MẠCH ỨNG DỤNG

2.1. Cấu tạo, ký hiệu của diode Cho tiếp xúc 2 thỏi bán dẫn P và N của cùng 1 chất bán dẫn Si hoặc Ge bằng 1 công nghệ đặc biệt ta được 1 tiếp giáp P – N, gọi là diode bán dẫn. Cấu tạo và kí hiệu của diode như hình 2.1.

tiếp giáp P N

Anôt Katôt D A K + + + + + + + - + + + + - - + + + + - - - - - - + - - - - + - - - - +

b) Kí hiệu diode Ikt l0 Utx

a) Cấu tạo diode

Hình 2.1. Cấu tạo và ký hiệu của diode

2.2. Nguyên lý làm việc của diode

Ta đã biết bán dẫn loại P có mật độ lỗ trống cao hơn rất nhiều so với bán dẫn loại N, ngược lại bán dẫn loại N có mật độ điện tử lớn hơn rất nhiều so với bán dẫn loại P.

Khi cho 2 bán dẫn loại P và N tiếp xúc nhau, các hạt điện tử (hạt đa số) trong bán dẫn loại N có khuynh hướng di chuyển ngang qua mặt tiếp giáp để tái hợp với lỗ trống (hạt đa số) trong bán dẫn loại P.

Như vậy có sự dịch chuyển điện tử giữa 2 tiếp giáp hình thành nên dòng điện có chiều ngược với chiều dịch chuyển của các điện tử, gọi là dòng điện khuếch tán Ikt có chiều hướng từ P sang N.

Trên đường khuếch tán, các điện tích trái dấu sẽ tái hợp với nhau làm cho trong 1 vùng hẹp giữa 2 bên mặt ranh giới, nồng độ hạt dẫn giảm xuống rất thấp. Tại vùng đó (vùng có bề dày l0), bên bán dẫn P hầu như chỉ còn lại các ion âm acceptor, bên bán dẫn N hầu như chỉ còn lại các ion dương donor, nghĩa là hình thành 2 lớp điện tích trái ngược nhau.

Giữa 2 lớp điện tích này có 1 sự chênh lệch điện thế gọi là điện thế tiếp xúc Utx có chiều từ N sang P. Hay nói cách khác: trong vùng lân cận mặt ranh giới đã xuất hiện 1 điện trường hướng từ N sang P, gọi là điện trường tiếp xúc Etx.

Vùng hẹp l0 nói trên gọi là vùng nghèo hoặc vùng tiếp giáp P – N. Nồng độ hạt dẫn trong vùng này rất thấp nên điện trở suất của nó rất lớn so với các vùng khác.

Do tồn tại điện trường tiếp xúc nên các hạt dẫn thiểu số của 2 miền sẽ bị cuốn về phía đối diện: lỗ trống của bán dẫn N chạy về phía cực âm của điện trường, điện tử của bán dẫn P chạy về phía cực dương của điện trường. Chúng tạo nên dòng điện trôi ngược chiều với dòng điện khuếch tán.

Nồng độ hạt dẫn trong 2 khối bán dẫn càng chênh lệch thì hiện tượng khuếch tán càng mãnh liệt và quá trình tái hợp càng nhiều. Do đó điện trường tiếp xúc càng tăng và dẫn đến dòng điện trôi của hạt dẫn thiểu số càng tăng. Vì vậy sau 1 khoảng thời gian rất ngắn dòng điện trôi và dòng điện khuếch tán trở nên cân bằng nhau, triệt tiêu nhau, dòng điện tổng bằng không.

Trang 11

Lúc này ta nói tiếp giáp P – N đạt trạng thái cân bằng, ứng với trạng thái đó hiệu điện thế tiếp xúc giữa 2 bán dẫn P – N có 1 giá trị nhất định. Người ta chứng minh được rằng giá trị hiệu điện thế tiếp xúc này tỉ lệ với lượng chênh lệch nồng độ hạt dẫn trong 2 khối bán dẫn:

0,7V.

0,3V.

Điện thế tiếp xúc này gọi là hàng rào điện thế hay hàng rào thế năng. Tại nhiệt độ t = 26 0C (điều kiện chuẩn, hay 300 0K), người ta tính được: - Đối với bán dẫn Silic: Utx = 0,6 - Đối với bán dẫn Ge: Utx = 0,2 2.2.1. Phân cực thuận cho diode Ta nối nguồn điện áp 1 chiều V với diode sao cho: Anôt nối với cực dương, Katôt nối với cực âm như hình 2.2, gọi là phân cực thuận cho diode.

A K

- - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + +

E l - + - + - + l0 Utx

V Hình 2.2. Phân cực thuận cho diode

Giả sử điện trở của chất bán dẫn ở ngoài vùng nghèo là không đáng kể. Lúc đó gần như toàn bộ điện áp V đặt vào vùng nghèo, xếp chồng lên điện thế tiếp xúc Utx. Tình trạng cân bằng trước đây không còn nữa. Điện trường E do điện áp V gây ra ngược chiều với Etx, hàng rào điện thế giảm độ cao, chỉ còn Utx – V nên hạt dẫn đa số (điện tử miền N) tràn qua hàng rào sang miền đối diện (miền P), gọi là hiện tượng phun hạt dẫn. Tình trạng thiếu hạt dẫn trong vùng nghèo giảm bớt nên bề dày vùng nghèo lúc này thu hẹp lại (l < lo).

Lúc này có dòng điện chạy qua diode từ cực P sang cực N gọi là dòng điện thuận do các hạt dẫn đa số gây ra. Dòng điện qua diode lúc này được xác định bởi:

Ta thấy trị số của dòng điện phân cực thuận qua diode tăng nhanh theo điện áp đặt vào diode theo hàm mũ.

- Đối với các điện tử thiểu số từ miền P không thể di chuyển sang miền N vì bị khống chế bởi cực âm của nguồn V.

- Khi điện áp thuận càng tăng thì bề dày vùng nghèo càng giảm. Khi Utx = V thì hàng rào điện thế biến mất, dòng qua tiếp giáp P – N vô cùng lớn gây phá hỏng miền tiếp xúc. Đây là trạng thái cần tránh khi phân cực thuận cho diode.

2.2.2. Phân cực ngược cho diode Ta nối nguồn điện áp 1 chiều V với diode sao cho: Anốt nối với cực âm, Katôt nối với cực dương như hình 2.3, gọi là phân cực ngược cho diode.

Trang 12

A K

- - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + +

E l - + - + - + l0 Utx

V Hình 2.3. Phân cực ngược cho diode

Tương tự như trên nhưng lúc này điện trường ngoài do điện áp 1 chiều V gây ra ngược chiều với Etx, hàng rào điện thế tăng độ cao thành Utx + V khiến cho dòng khuếch tán của hạt dẫn đa số giảm xuống còn rất nhỏ, còn dòng trôi của hạt thiểu số thì tăng theo điện áp V. Nhưng nồng độ của hạt dẫn thiểu số vốn rất bé nên trị số dòng này rất nhỏ. Nó nhanh chóng đạt đến giá trị dòng bão hòa khi V còn rất bé.

Dòng điện tổng hợp qua tiếp giáp P – N có chiều từ N sang P có trị số âm và rất bé, gọi là dòng điện ngược hay dòng ngược bão hòa.

* Giải thích cách khác: a) Diode phân cực thuận - Đối với hạt đa số: Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các điện tử từ miền N có khuynh hướng di chuyển sang miền P để tái hợp với lỗ trống trong miền P, sau đó nó được hút về cực dương của nguồn.

Dòng điện ID do hạt đa số tạo ra, gọi là dòng điện thuận có chiều từ P sang N được xác định như sau:

- Đối với hạt thiểu số: Các điện tử thiểu số trong miền P không thể di chuyển sang miền N vì bị khống chế bởi cực âm của nguồn V.

Như vậy khi diode phân cực thuận chỉ có duy nhất dòng điện thuận IA chạy qua diode từ P sang N. Lúc này tình trạng thiếu hạt dẫn trong vùng nghèo được giảm bớt nên bề dày của vùng nghèo lo thu hẹp lại (l < lo), điện áp đặt trên vùng nghèo là Utx – V. Khi Utx = V thì hàng rào điện thế biến mất, dòng qua tiếp giáp P – N vô cùng lớn gây phá hỏng miền tiếp xúc. Đây là trạng thái cần tránh khi phân cực thuận cho diode.

b) Diode phân cực ngược

- Đối với hạt đa số: Do bị khống chế bởi cực âm của nguồn nên các hạt điện tử đa số trong miền N không thể di chuyển sang miền P để tái hợp với các lỗ trống trong miền này. Vì vậy không có dòng điện qua tiếp giáp P – N đối với hạt dẫn đa số.

- Đối với hạt thiểu số: Các hạt điện tử thiểu số từ miền P sẽ di chuyển sang vùng N để tái hợp với các lỗ trống thiểu số trong miền N, sau đó đi về cực dương của nguồn V.

Như vậy có 1 dòng điện được tạo ra bởi các hạt thiểu số có chiều từ N sang P, gọi

là dòng điện ngược Is (hay dòng ngược bão hòa)

I = - Is = 1nA = 10-9 A 0

Trang 13

Ngược lại với trường hợp phận cực thuận, lúc này bề dày của vùng nghèo được mở

rộng, điện áp đặt lên cùng nghèo là Utx + V.

* Kết luận: Vậy diode chỉ cho dòng điện qua nó theo 1 chiều nhất định từ P sang N khi nó phân cực thuận. Tính chất dẫn điện 1 chiều của diode gọi là tính chất chỉnh lưu hay tính chất van của diode.

2.3. Đặc tuyến Vôn – Ampe của diode 2.3.1. Đặc tuyến Vôn – Ampe của diode Xét mạch điện đơn giản như hình 2.4

ID R A

D V

K

Hình 2.4. Mạch điện gồm điện trở R và diode

Dòng điện thuận qua diode là:

Trong đó: m là hệ số hiệu chỉnh, thường có giá trị từ 1 -> 2, m phụ thuộc vào công nghệ chế tạo.

Với: q = 1,6.10-19 C là điện tích điện tử S là diện tích mặt tiếp xúc DN, DP là hệ số khuếch tán của điện tử, lỗ trống LN, LP là độ dài khuếch tán của điện tử, lỗ trống PN là số hạt thiểu số của bán dẫn N (tức lỗ trống) nP là số hạt thiểu số của bán dẫn P (tức điện tử)

Thông thường IS thường có giá trị rất nhỏ và tăng nhanh theo nhiệt độ nên còn được gọi là dòng điện nhiệt.

Hình 2.5. Đặc tuyến Vôn – Ampe của diode

Trang 14

Cho thay đổi giá trị nguồn 1 chiều V, tức thay đổi giá trị điện áp đặt vào 2 đầu diode, ta có các giá trị dòng qua diode khác nhau. Mối quan hệ giữa dòng điện theo điện áp 1 chiều UAK đặt trên diode gọi là đặc tuyến tĩnh của diode hay đặc tuyến Vôn – Ampe như hình 2.5. Dòng điện qua diode biến thiên theo qui luật hàm mũ.

Từ hình 2.5, ta thấy: - Khi điện áp thuận Vth nhỏ hơn giá trị

= 0,6 V đối với diode Silic (hoặc 0,2 V đối với diode Ge) thì dòng điện thuận còn bé, chưa đáng kể. Khi Vth vượt quá giá trị thì dòng điện thuận ID mới tăng nhanh theo điện áp. Đoạn đặc tuyến này điện áp mở gần như 1 đoạn thẳng với độ dốc không đổi.

- Dòng điện ngược có giá trị rất nhỏ, cỡ A. Khi điện áp ngược tăng, dòng điện ngược thực tế tăng dần và khi đạt đến giá trị điện áp đánh thủng VBR thì dòng điện ngược tăng vọt. Nếu không có biện pháp ngăn chặn sự tăng vọt của VBR thì sẽ gây ra quá trình đánh thủng làm hỏng diode.

trên tiếp giáp P

2.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên chế độ làm việc của diode - Khi diode phân cực thuận, nếu nhiệt độ tăng 1 0C thì điện áp – N giảm vài mV, gọi là hệ số nhiệt của diode. Diode có hệ số nhiệt âm.

+ Đối với Silic: -2,5 mV/ 0C + Đối với Ge: -1,8 mV/ 0C - Dòng điện ngược IS có hệ số nhiệt dương, nó phụ thuộc vào nhiệt độ theo biểu thức:

Nghĩa là khi nhiệt độ tăng lên 10 0C thì dòng điện ngược IS sẽ tăng lên gấp đôi. Dòng điện ngược IS còn gọi là dòng điện rỉ.

Ví dụ: Đối với diode Si, điều kiện để diode dẫn ở 25 0C là = 0,7V. Khi nhiệt độ

tăng lên thành 35 0C thì điện áp chuẩn để diode dẫn là bao nhiêu?

Giải: Điện áp chuẩn để diode dẫn là: 0,7.10+3 – 10.2,5 = 675 mV Vậy điện áp để diode Si dẫn ở nhiệt độ 35 0C là 0,675V. 2.3.3. So sánh diode Silic và diode Germani Diode Silic có PIV, dòng điện và dãy điện áp hoạt động lớn hơn diode Germani. Điện áp PIV đối với Silic khoảng chừng 1000V trong khi đó giá trị lớn nhất của Germani là 400V.

Silic có thể sử dụng trong các ứng dụng mà nhiệt độ có thể lên đến 200 0C trong khi đó nhiệt độ chịu đựng lớn nhất của Germani là 100 0C.

Tuy nhiên khuyết điểm của Silic so với Germani được xác định ở hình 2.5, trong đó điện áp phân cực thuận yêu cầu cao hơn để đạt đến vùng hoạt động.

Điện áp tại thời điểm bắt đầu dẫn được xem là điện áp ngưỡng (threshold) và kí hiệu là Vγ.

(Silic)

(Germani)

Rõ ràng về điện áp ngưỡng thì diode Germani lý tưởng hơn Silic nhưng các đặc tính khác của Silic so với Germani vẫn quan trọng hơn nhiều, chính vì thế loại Silic thường được dùng nhiều hơn.

Trang 15

2.4. Các tham số của diode

2.4.1. Điện trở tĩnh (hay điện trở dc)

Điện trở dc của diode tại điểm hoạt động có thể được tìm thấy một cách đơn giản bằng cách tìm các mức điện áp VD và dòng điện ID tương ứng với điện áp nguồn cung cấp dc được trình bày trong hình 2.6 và áp dụng phương trình sau:

Các mức điện trở dc tại vị trí uốn cong và phía dưới sẽ lớn hơn điện trở từ khúc uốn cong trở lên. Các mức điện trở trong vùng phân cực nghịch rất lớn.

Hình 2.6. Xác định điện trở dc của diode tại điểm làm việc

2.4.2. Điện trở động (điện trở ac)

Trong phương trình , ta thấy điện trở dc của diode không phụ thuộc vào

hình dạng đặc tính trong vùng xung quanh điểm tĩnh Q. Nếu xếp chồng một nguồn tín hiệu sin lên nguồn điện áp dc ở trên thì tín hiệu vào thay đổi sẽ làm điểm hoạt động thay đổi lên và xuống như hình 27.

Hình 2.7. Dạng sóng trên diode khi có tín hiệu nhỏ ac

Nếu tín hiệu biến thiên đưa đến bằng 0, điểm hoạt động sẽ là điểm Q xuất hiện trên hình 2.7 được xác định bởi các mức điện áp dc. Điểm gán chữ Q được rút ra từ chữ quiscent có nghĩa là mức không thay đổi hay còn gọi là điểm tĩnh.

Hình 2.8. Xác định điện trở ac tại điểm Q

Trang 16

Phương trình tính điện trở động của diode là:

Nếu vùng làm việc của diode được xem là tuyến tính thì điện trở động của diode

trong phương trình có thể được viết lại như sau:

Từ phương trình dòng qua diode, ta có:

Hay:

Vậy:

Khi phân cực thuận thì dòng nên rD có thể tính gần đúng như sau:

Trường hợp η = 1 và xét tại nhiệt độ phòng thì VT = 26mV:

Đến đây ta có thể tính điện trở ac mà không cần phải vẽ đường tiếp tuyến. Tuy nhiên, một điều quan trọng cần phải nhớ là phương trình tính rD chỉ chính xác khi vùng hoạt động của diode có thể được xem là tuyến tính và giá trị của ID nằm ở vùng thẳng đứng của đường cong.

Khi ID nằm từ điểm uốn trở xuống thì giá trị  = 2 (Silic) làm dòng ID giảm xuống phân nữa và kết quả là điện trở rD nhân thêm hệ số 2.

Tất cả các điện trở đã xác định là chưa tính đến điện trở của chính vật liệu bán dẫn và điện trở bởi các đầu nối giữa vật liệu bán dẫn và các dây dẫn kim loại bên ngoài. Các điện trở này được cộng lại và kí hiệu là rB và được tính thêm vào điện trở ac, kết quả điện trở rd’ gồm có điện trở động và điện trở rB:

Điện trở rB nằm trong khoảng từ 0,1 đối với các linh kiện công suất lớn cho đến 2 đối với các linh kiện công suất nhỏ.

2.4.3. Mạch điện tương đương của diode Một mạch điện tương đương là tổ hợp các phần tử được lựa chọn 1 cách hợp lý để biểu diễn các đặc tính của 1 linh kiện thật, 1 hệ thống hoặc 1 vùng hoạt động đặc biệt một cách tốt nhất.

Mạch điện tương đương tuyến tính phân đoạn: Một phương pháp để thành lập mạch điện tương đương cho diode bằng cách kẽ các đường thẳng gần giống như đường đặc tính như trong hình 2.9a. Mạch điện tương đương có được gọi là mạch điện tương đương tuyến tính phân đoạn. Đối với phần độ

Trang 17

dốc của đường cong tương thì điện trở ac trung bình chính là điện trở có trong mạch điện tương như hình 2.9b. Do diode Silic chỉ dẫn khi điện áp phân cực thuận VD bằng 0,7V (như hình 2.9a), một nguồn pin Vγ sẽ thay thế tương đương, kết quả ta có mạch điện tương đương như hình 2.9b.

(b )

(a) Hình 2.9.

a. Xác định mạch điện tương đương dùng các đường thẳng gần với đường đặc tính b. Mạch điện tương đương của diode

Mạch điện tương đương đơn giản: Trong hầu hết các ứng dụng, điện trở trung bình rav khá nhỏ nên có thể bỏ qua khi so sánh với các phần tử khác trong mạch. Khi bỏ điện trở rav khỏi mạch điện tương đương thì mạch điện và đường đặc tính có dạng như hình 2.10.

Hình 2.10. Mạch điện tương đương đơn giản của diode

Mạch điện tương đương lý tưởng: Sau khi bỏ qua giá trị điện trở trung bình rav khỏi mạch điện tương đương, bây giờ ta thực hiện thêm 1 bước nữa là điện áp 0,7V có thể bỏ qua nếu so sánh với mức điện áp tín hiệu cung cấp khá lớn. Trong trường hợp này mạch điện tương đương chỉ còn lại là 1 diode lý tưởng và đặc tính của nó như hình 2.11.

Hình 2.11. Diode lý tưởng và đặc tính của nó

Trang 18

2.4.4. Điện dung của diode Các linh kiện điện tử rất nhạy với tần số rất cao. Hầu hết các ảnh hưởng của điện

dung nối tiếp bị bỏ qua khi làm việc ở tần số thấp vì có giá trị rất lớn (tương

đương như hở mạch). Tuy nhiên không thể nào bỏ qua khi làm việc ở tần số cao. Vì giá trị Xc giảm nhỏ sẽ ngắn mạch các tín hiệu có tần số cao. Trong diode bán dẫn p - n, có 2 ảnh hưởng của điện dung cần phải xem xét đó là điện dung tiếp giáp và điện dung khuếch tán .

 CT là điện dung tiếp giáp (transistion)  CD là điện dung khuếch tán (diffusion)

Trong tiếp giáp p - n, vùng tiếp xúc mang tính chất như là chất cách điện giữa 2 lớp điện tích đối ngược nhau vì vậy nó tương đượng một tụ điện có điện dung gọi là điện dung tiếp giáp. Độ rộng vùng nghèo này tăng tỉ lệ với điện áp phân cực nghịch, vì vậy điện dung tiếp giáp sẽ bị thay đổi tuỳ thuộc vào điện áp phân cực nghịch cung cấp.

Trong đó:

  là hằng số điện môi của chất cách điện giữa các bản cực  A diện tích tiếp xúc của hai chất bán dẫn n và p  d: bề dày của vùng tiếp xúc

Mặc dù các ảnh hưởng ở trên cũng xảy ra đối với vùng phân cực thuận nhưng nó đã bị che lấp bởi ảnh hưởng trực tiếp của tụ điện phụ thuộc vào tốc độ các điện tích được phun vào các vùng nằm ngoài vùng nghèo. Dòng điện tăng sẽ làm tăng điện dung khuếch tán. Tuy nhiên khi tăng dòng điện sẽ làm giảm điện trở và kết quả là thời hằng  = RC – rất quan trọng trong các ứng dụng – trở nên thiếu.

; Q: điện tích miền nền của diode.

Hình 2.12. Điện dung tiếp giáp và khuếch tán tỉ lệ với điện áp phân cực Các ảnh hưởng vừa diễn tả ở trên được minh họa bằng 1 tụ điện mắc song song với 1 diode lý tưởng như hình 2.13. Trong các ứng dụng tần số từ trung bình trở xuống thì có thể bỏ qua ảnh hưởng của tụ.

Hình 2.13. Diode và điện dung của diode

Trang 19

2.4.5. Thời gian khôi phục ngược Một trong những thông số chưa xét đến là thời gian khôi phục ngược trr . Trong trạng thái phân cực thuận như đã trình bày ở trước có 1 số lượng lớn các hạt điện tử từ chất bán dẫn n khuếch tán sang chất bán dẫn loại p và một số lượng lớn các lỗ trống từ chất bán dẫn p khuếch tán sang chất bán dẫn n để thực hiện quá trình dẫn điện. Các điện tử trong chất bán dẫn loại p và lỗ trống trong chất bán dẫn n trở thành các hạt tải thiểu số trong mỗi chất bán dẫn và số lượng bây giờ rất lớn.

Nếu điện áp cung cấp đổi chiều làm diode chuyển sang trạng thái phân cực nghịch thì đối với diode lý tưởng sẽ chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái ngưng dẫn tức thời. Tuy nhiên, do một số lượng rất lớn các hạt tải thiểu số còn trong mỗi chất bán dẫn nên diode sẽ phân cực nghịch như hình 2.14 và thời gian lưu trữ ts, là thời gian để các hạt tải thiểu số trở về trạng thái hạt tải đa số của chúng ở chất bán dẫn đối diện. Điều này có ý nghĩa là diode vẫn còn ở trạng thái ngắn mạch với dòng Ireverse được xác định bởi các thông số của mạch.

Khi thời gian ts đã hết (các hạt tải đã về đúng trạng thái) dòng điện sẽ giảm về 0 ứng với trạng thái ngưng dẫn, khoảng thời gian chuyển trạng thái này được kí hiệu là tt . Thời gian khôi phục ngược là tổng của 2 thông số thời gian: trr = ts + tt .

Vấn đề này trở nên quan trọng trong các ứng dụng chuyển mạch tốc độ cao. Hầu

hết các diode chuyển mạch có thời hằng trr vào khoảng vài nano giây đến 1 s.

Hình 2.14. Xác định thời gian khôi phục ngược

2.4.6. Ảnh hưởng nhiệt độ Nhiệt độ có thể làm ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính của diode bán dẫn như hình 2.15. Qua các thí nghiệm người ta tìm được mối liên hệ như sau: “ Dòng điện bão hòa nghịch IS sẽ tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng lên 10C ”.

Hình 2.15. Các đặc tính khác nhau của diode khi nhiệt độ thay đổi

Trang 20

Đối với diode Germani với dòng IS vào khoảng 1 hoặc 2 A ở nhiệt độ 25C và có thể đạt đến 100A tại nhiệt độ 100C. Giá trị IS của diode Silic thấp hơn so với Germani với cùng một công suất và các mức dòng điện được trình bày ở hình 2.15. Kết quả là ngay khi ở nhiệt độ cao các mức dòng điện IS của diode Silic không bằng các mức dòng của diode Germani – đó chính là 1 nguyên nhân mà các linh kiện Silic được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi dòng lớn.

2.5. Các thông số giới hạn của diode Bảng thông số của các linh kiện bán dẫn thường được cung cấp bởi nhà chế tạo. Hầu hết bảng thông số cung cấp các thông số giới hạn cho phép. Ngoài ra, còn có thêm các đặc tính đã kiểm tra thông qua hình ảnh, bảng biểu… Các thông số này bao gồm:

1. Điện áp phân cực thuận VF tại dòng và nhiệt độ chỉ định. 2. Dòng phân cực thuận cực đại IF tại nhiệt độ chỉ định. 3. Dòng bão hòa ngược IR tại điện áp và nhiệt độ chỉ định. 4. Điện áp phân cực ngược đánh thủng PIV tại nhiệt độ chỉ định. 5. Mức công suất tiêu tán cực đại tại nhiệt độ đặc biệt 6. Điện dung của diode. 7. Thời gian khôi phục phân cực nghịch trr (reverse recover time) 8. Dãy nhiệt độ cho phép làm việc. Tùy thuộc vào từng loại diode sử dụng, bảng dữ liệu có thể được cung cấp thêm các thông số khác như dãy tần số làm việc, mức nhiễu, thời gian chuyển mạch, các mức điện trở ngưỡng và các giá trị đỉnh.

Công suất cực đại được tính như sau:

Nếu chúng ta sử dụng mô hình đơn giản đối với các ứng dụng thì có thể thay thế

VD = VT = 0,7V đối với diode Silic.

2.6. Phân loại diode

2.6.1. Diode chỉnh lưu Cấu tạo là một tiếp giáp p - n, tiếp xúc mặt. Do vậy diode chỉnh lưu có khả năng chịu được dòng tải lớn. Ứng dụng trong các mạch chỉnh lưu.

Hình 2.16. Kí hiệu của diode chỉnh lưu

2.6.2. Diode cao tần Cấu tạo là một tiếp giáp p - n, tiếp xúc điểm. Do vậy diode cao tần có điện dung tiếp xúc bé, hoạt động được ở tần số cao. Ứng dụng trong tách sóng cao tần.

Hình 2.17. Kí hiệu của diode cao tần

2.6.3. Diode zener Cấu tạo là một tiếp giáp p - n, nhưng được chế tạo bằng vật liệu chịu nhiệt và tỏa nhịêt tốt, do đó nó chịu được dòng ngược lớn. Hoạt động chủ yếu ở vùng phân cực ngược. Ứng dụng trong các mạch ổn áp, tạo điện áp chuẩn. Vùng zener đã được đề cập ở

Trang 21

phần trước một cách chi tiết có đường cong đặc tính rơi thẳng đứng tại VZ. Vùng đặc tính zener được sử dụng trong thiết kế chế tạo ra diode Zener.

Hình 2.18. Kí hiệu của diode zener

Hình 2.18b. Đặc tuyến của diode zener Vị trí của vùng zener có thể thay đổi được trong công nghệ chế tạo bằng cách thay đổi nồng độ tạp chất trong chất bán dẫn. Diode zener có thể chế tạo với các mức điện áp thay đổi từ 1,8V đến 200V với công suất tiêu tán từ ¼ W đến 50W. Do nhiệt độ cao và khả năng chịu dòng lớn nên Silic là chất bán dẫn chủ yếu để chế tạo diode zener.

Mạch điện tương đương của diode zener trong vùng zener gồm 1 điện trở động nhỏ và một nguồn pin tương đương với điện áp zener như hình 2.19a. Tuy nhiên trong các ứng dụng chúng ta xem điện trở bên ngoài lớn hơn điện trở zener rất nhiều nên mạch điện tương đương đơn giản chỉ còn lại nguồn pin như hình 2.19b.

Hình 2.19. Mạch điện tương đương của diode zener

Các thông số đặc trưng của diode zener: - Điện áp VZ

- Điện trở tương đương (điện trở động) tại điểm làm việc:

- Điện trở tĩnh:

- Hệ số ổn định nhiệt:

Trang 22

Trong đó VZ là sự thay đổi điện áp zener phụ thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ. Chú ý hệ số nhiệt có thể là dương, âm và có thể bằng 0 đối với các mức zener khác nhau. Với giá trị dương cho biết điện áp VZ trong vùng tăng theo nhiệt độ, trong khi giá trị âm VZ sẽ giảm khi nhiệt độ tăng.

2.6.4. Diode biến dung (varicap) Cấu tạo là tiếp giáp p - n, được chế tạo có điện dung thay đổi theo điện áp ngược đặt vào. Ứng dụng trong các mạch tự điều chỉnh tần số cộng hưởng…

Hình 2.20. Diode biến dung a. Mạch điện tương đương; b. kí hiệu

Hình 2.21. Đặc tuyến của diode biến dung

2.6.5. Diode tunnel (diode xuyên hầm) Cấu trúc cũng là tiếp giáp p - n, nhưng có nồng độ tạp chất rất cao. Ứng dụng trong các mạch tạo dao động siêu cao tần…

Hình 2.22. Diode tunnel a.mạch điện tương đương; b. kí hiệu

2.6.6. Diode phát quang (LED - Light Emitting Diode) Các bộ hiển thị trong máy tính số, trong đồng hồ số và trong một số thiết bị thường dùng led phát quang và LCD (liquid crytal display). Led phát quang là một diode phát ra ánh sáng khi nó được kích. Khi bất kỳ mối nối p - n phân cực thuận thì sẽ có sự tái hợp của lỗ trống và điện tử nằm trong cấu trúc và gần mối nối.

Sự tái hợp này đòi hỏi một năng lượng được chiếm hữu bởi các điện tử tự do phát ra sẽ chuyển sang 1 trạng thái khác. Trong tất cả các mối nối bán dẫn p - n, năng lượng này sẽ tạo ra nhiệt và một vài dạng hạt photons (hạt ánh sáng). Trong Silic và Germani càng tăng phần trăm sẽ tạo ra nhiệt và ánh sáng phát ra không đáng kể. Trong một số vật liệu khác chẳng hạn như gallium arsenide phosphide (GaAsP) hoặc gallium phosphide

Trang 23

(GaP), số lượng hạt ánh sáng tạo ra vừa đủ để tạo ra một nguồn phát sáng có thể thấy được.

Hình 2.23. Led a. cấu tạo; b. kí hiệu

2.7. Giải tích mạch diode

Xét mạch điện hình 2.24a sử dụng một diode có đặc tính như hình 2.24b.

Hình 2.24.Sơ đồ mạch và đặc tuyến của diode

Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho hình 2.23a, kết quả là:

Hay:

: Gọi là phương trình đường tải 1 chiều ngõ ra của diode. Hay

Từ phương trình trên có thể vẽ được đồ thị của nó trên đường đặc tính của diode hình 2.25.

Hình 2.25. Xác định điểm làm việc tĩnh Q của diode

Điểm giao nhau của đường tải và đường cong đặc tính của diode được gọi là điểm

tĩnh Q (VDQ, IDQ). Đường tải trên chính là đường tải 1 chiều DCLL.

Trang 24

2.8. Các mạch ứng dụng của diode 2.8.1. Chỉnh lưu (nắn điện) Mạch chỉnh lưu là loại mạch có nhiệm vụ biến đổi điện áp hoặc dòng điện xoay chiều thành dòng điện hoặc điện áp một chiều tương ứng.

~ AC Mạch chỉnh lưu + DC -

Hình 2.26. Mạch chỉnh lưu

Xét các loại mạch chỉnh lưu sau đây: a) Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ Xét mô hình mạch như hình 2.27: D A I T

R ut u2 u1

B

Hình 2.27. Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ

Hình 2.28. Mạch chỉnh lưu bán kỳ rút gọn

Trong đó: Biến áp T: dùng để biến đổi điện áp xoay chiều u1(t) thành điện áp xoay chiều u2(t) theo yêu cầu, u1(t) và u2(t) cùng tần số.

D: là diode chỉnh lưu. * Nguyên lý làm việc: - Trong khoảng thời gian 0 < t < T/2, ứng với bán kỳ dương của điện áp u2, điện áp đầu A dương hơn đầu B, diode D phân cực thuận, lúc này dòng I qua diode chính là dòng It qua R.

Hình 2.29. Khoảng thời gian dẫn của diode [0,T/2]

- Trong khoảng thời gian T/2 < t < T, ứng với bán kỳ âm của điện áp u2(t), điện áp đầu A dương hơn đầu B, diode D phân cực ngược, lúc này không có dòng qua diode nên không có dòng qua R.

Trang 25

Hình 2.30. Khoảng thời gian ngắt của diode [T/2, T]

* Dạng sóng ra trên tải như hình 2.31.

Hình 2.31. Dạng sóng tín hiệu trong mạch chỉnh lưu bán kỳ

Vậy tải R chỉ cho dòng điện qua nó theo 1 chiều nhất định, gọi là điện áp 1 chiều.

- Trị trung bình của điện áp đặt trên Rt là:

Trong đó: là giá trị biên độ của điện áp u2(t).

- Giá trị dòng điện chỉnh lưu trung bình:

- Giá trị điện áp hiệu dụng được xác định bằng công thức:

- Giá trị dòng điện hiệu dụng:

- Giá trị điện áp lớn nhất đặt lên diode là:

- Giá trị dòng điện lớn nhất qua diode là:

b) Mạch chỉnh lưu toàn chu kỳ dùng biến áp đôi Xét mô hình mạch như hình 2.32:

Hình 2.32. Mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng biến áp đôi

Trang 26

* Tác dụng linh kiện:

Biến áp T có đầu ra ở điểm giữa O, u2A và u2B ngược pha nhau. D1, D2: là 2 diode chỉnh lưu.

* Nguyên lý làm việc: - Ứng với bán kỳ dương của điện áp u1, giả sử u2A cùng pha với điện áp u1 thì u2B ngược pha với điện áp u1. Lúc này ta có D1 phân cực thuận, D2 phân cực ngược. Dòng I chạy trong mạch có chiều từ A qua D1, qua R xuống mass.

Hình 2.33. Dạng sóng vào ra và mạch tương đương ứng với bán kì dương của vi. - Ứng với bán kỳ âm của điện áp u1, u2A âm, u2B dương. Lúc này ta có D1 phân cực ngược, D2 phân cực thuận. Dòng I chạy B qua D2, qua R xuống mass.

Hình 2.34. Dạng sóng tín hiệu vào ra ở bán kì âm của vi Vậy trong cả 2 nửa chu kỳ của điện áp u1 đều có dòng điện qua R theo 1 chiều nhất định. Điện áp giữa 2 đầu R là điện áp 1 chiều: Ut = R.I (Giả sử 2 diode là hoàn toàn giống nhau thì dòng điện qua R trong 2 bán kỳ là giống nhau)

Hình 2.35. Dạng sóng vào ra của mạch chỉnh lưu toàn kì dùng biến áp đôi

- Giá trị điện áp trung bình trên Rt là:

- Giá trị dòng điện chỉnh lưu trung bình:

- Giá trị điện áp hiệu dụng được xác định bằng công thức:

Trang 27

- Giá trị dòng điện hiệu dụng:

- Giá trị điện áp lớn nhất đặt lên diode là:

- Giá trị dòng điện lớn nhất qua diode là:

c) Mạch chỉnh lưu toàn kỳ kiểu cầu Mắc sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu như hình 2.36.

Hình 2.36. Mạch chỉnh lưu cầu

* Nguyên lý làm việc: - Đối với bán kỳ dương [0, T/2] của vi(t), ta có: D2 và D3 phân cực thuận, D1 và D4 phân cực ngược. Lúc này dòng điện I chạy từ A qua D2, R, qua D3 đến B.

Hình 2.37. Mạch tương đương và dạng sóng vào ra ở [0,T/2]

- Đối với bán kỳ âm [T/2, T] của vi(t), ta có: D1 và D4 phân cực thuận, D2 và D3 phân cực ngược. Lúc này dòng điện I chạy từ B qua D1, R, qua D4 đến A.

Hình 2.38. Mạch tương đương và dạng sóng vào ra ở [0,T/2]

Như vậy, trong cả 2 chu kỳ đều có dòng chạy qua R theo 1 chiều nhất định. Điện áp nhận được trên tải R là điện áp 1 chiều.

. Dạng sóng Nếu D1 = D2 = D3 = D4 thì I1 = I2 = I nên điện áp trên tải là:

trên tải như hình 2.39.

Trang 28

Hình 2.39. Dạng sóng vào và ra trong một chu kì của mạch chỉnh lưu cầu

Giá trị điện áp trung bình trên R là:

- Giá trị dòng điện chỉnh lưu trung bình:

- Giá trị điện áp hiệu dụng được xác định bằng công thức:

- Giá trị dòng điện hiệu dụng:

- Giá trị điện áp lớn nhất đặt lên diode là:

- Giá trị dòng điện lớn nhất qua diode là:

2.8.2. Mạch lọc điện

a) Khái niệm: Điện áp hoặc dòng điện sau khi chỉnh lưu là điện áp hoặc dòng 1 chiều có cực tính không đổi, nhưng sau khi chỉnh lưu vẫn còn những gợn sóng. Những gợn sóng này gây nên sự nhiễu loạn trên tải và tiêu thụ năng lượng 1 cách vô ích. Vì vậy ta cần phải khử hiện tượng này bằng cách dùng mạch lọc điện.

b) Mạch lọc điện dùng tụ C - Mạch lọc dùng tụ C ứng với chỉnh lưu nửa chu kỳ:

D A I T

R ut u2 C u1 + -

B

Hình 2.40. Mạch lọc dùng tụ C

- Dạng sóng ra trên tải lúc này như hình 2.41.

ut

+ + +

0 t1 t2 t3 t4 t

Hình 2.41. Chỉnh lưu bán kỳ khi có tụ lọc C

Trang 29

- Tương tự đối với mạch chỉnh lưu toàn kỳ, ta có dạng sóng tương tự như trên hình 2.42.

ut

+ + +

0 t1 t2 t3 t4 t

Hình 2.42. Chỉnh lưu toàn kỳ khi có tụ lọc C

2.8.3. Các cấu hình diode mắc nối tiếp và song song

Trong phần này mạch tương đương được sử dụng để nghiên cứu các cấu hình mạch mắc nối tiếp các diode với tín hiệu vào một chiều dc.

Hình 2.43. Cấu hình diode mắc nối tiếp

Mạch điện nối tiếp trong hình 2.43, ta thay diode bằng một điện trở R như hình 2.44, khi đó chiều dòng điện chạy trong điện trở R cùng chiều với chiều dòng điện thuận của diode và nên diode ở trạng thái dẫn. Mạch điện được vẽ lại như hình 2.45.

Hình 2.44. Xác định trạng thái của diode Hình 2.45. Thay thế mạch tương đương Khi đó điện áp trên điện trở R:

Và dòng qua điện trở R là:

Hình 2.46. Mạch diode phân cực ngược

Trong hình 2.46 diode làm việc ở chế độ phân cực ngược. Thay thế diode bằng 1 điện trở như hình 2.47 và kết quả là chiều dòng điện ngược với chiều ký hiệu của diode nên diode ở trạng thái ngưng dẫn (OFF) và thay thế bằng mạch tương đương như hình 2.48. Do hở mạch nên dòng bằng 0A và điện áp rơi trên điện trở R bằng:

Trang 30

Hình 2.47. Xác định trạng thái của diode Hình 2.48. Thay thế mạch tương đương Ví dụ 2.1. Hãy xác định Vo và ID trong hình 2.49.

Hình 2.49. Mạch điện cho ví dụ 2.1

Giải: Nguồn E tạo ra dòng cùng chiều với ký hiệu của cả 2 diode và mạch điện tương đương hình 2.50.

Kết quả dòng điện và điện áp là:

Hình 2.50. Thay thế mạch tương đương

Ví dụ 2.2. Hãy xác định ID, VD2 và Vo trong hình 2.51.

Hình 2.51. Mạch điện cho ví dụ 2.2

Giải: Chỉ có diode Si cùng chiều dòng điện còn diode Germani thì ngược chiều xem như

hở mạch dẫn đến dòng ID = 0A và mạch tương đương như hình 2.52.

Kết quả:

Trang 31

Hình 2.52. Thay thế mạch tương đương

Ví dụ 2.3. Hãy xác định I, V1 , V2 và Vo trong hình 2.53.

Hình 2.53. Mạch điện cho ví dụ 2.3

Giải: Diode ở trạng thái dẫn và mạch tương đương như hình 2.54 với điện áp rơi trên

diode VD = 0,7V.

Hình 2.54. Thay thế mạch tương đương

Dòng điện I:

Điện áp V1:

Điện áp V2:

Áp dụng định luật Kirchhoff điện áp để tính điện áp ra Vo:

Hay:

Câu hỏi ôn tập

B. 3 D. 2

Câu 1. Diode là linh kiện bán dẫn có bao nhiêu mối nối P - N: A. 1 C. 4 Câu 2. Loại diode nào được sử dụng trong mạch ổn định điện áp: A. Diode chỉnh lưu C. Diode phát quang B. Diode Zener D. Diode thu quang.

Trang 32

B. 2 D. 4

Câu 3. Trong mạch chỉnh lưu toàn kỳ, người ta sử dụng ít nhất mấy diode: A. 1 C. 4 Câu 4. Mạch chỉnh lưu bán kỳ có u(t) = 18sin100πt(V), RL = 100Ω. Điện áp hiệu

B. 5,7V D. 9√2V

dụng trên RL là: A. 9V C. 18V Câu 5. Mạch chỉnh lưu bán kỳ có u(t) = 15√2sin100πt(V), RL = 100Ω. Dòng điện chỉnh lưu trung bình trên RL là:

B. 0,076A

A. 0,067A D. 0,1A C. 0,015 Câu 6. Mạch chỉnh lưu bán kỳ có u(t) = 15√2sin100πt(V), RL = 50Ω. Dòng điện hiệu dụng qua tải RL là:

B. 0,135A D. 0,12A

A. 0,42A C. 0,21 Câu 7. Nguồn tín hiệu xoay chiều u(t) = 15sin100πt(V) mắc nối tiếp với một diode

và một điện trở RL = 100Ω. Điện áp trung bình trên điện trở RL là:

B. 4,8V D. 15V

A. 7.5V C. 9.6V Câu 8. Mạch chỉnh lưu toàn kỳ kiểu cầu có u(t) = 12sin100πt(V), RL = 1KΩ. Điện áp chỉnh lưu trung bình trên tải RL là:

B. 4,5V D. 10√2V

A. 9V C. 10V Câu 9. Mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng biến áp đôi có u(t) = 18sin100πt(V), điện trở

tải RL = 20Ω. Điện áp hiệu dụng trên tải RL là:

B. 12,73V D. 18V

A. 11,45V C. 36V Câu 10. Hãy trình bày cấu tạo, ký hiệu, nguyên lý làm việc của diode. Câu 11. Vẽ sơ đồ mạch, nêu nguyên lý làm việc và vẽ dạng sóng tín hiệu vào/ ra của mạch chỉnh lưu bán kỳ.

Câu 12. Vẽ sơ đồ mạch, nêu nguyên lý làm việc và vẽ dạng sóng tín hiệu vào/ ra của mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng biến áp đôi.

Câu 13. Vẽ sơ đồ mạch, nêu nguyên lý làm việc và vẽ dạng sóng tín hiệu vào/ ra của mạch chỉnh lưu toàn kỳ kiểu cầu.

Câu 14. Hãy xác định Vo, I1, ID1 và ID2 trong hình BT2.1.

Hình BT2.1.

Câu 15. Hãy xác định I trong hình BT2.2.

Trang 33

Hình BT2.2.

Câu 16. Hãy xác định điện áp VO của mạch điện trong hình BT2.3.

Hình BT2.3.

Câu 17. Hãy xác định I1, I2 và ID2 của mạch điện trong hình BT2.4.

Hình BT2.4. Câu 18. Cho mạch chỉnh lưu bán kỳ với u1(t) = 110√2sin100πt(V), điện trở tải R = 100Ω như hình BT2.5.

Hình BT2.5.

Với tỉ số biến áp là 5:1. Hãy xác định:

a. Giá trị dòng điện và điện áp chỉnh lưu trung bình trên tải.

b. Giá trị dòng điện và điện áp chỉnh lưu hiệu dụng.

Câu 19. Cho mạch chỉnh lưu toàn kỳ kiểu cầu với u1(t) = 220√2sin100πt(V), điện trở tải R = 88Ω , tỉ số biến áp N:1 như hình BT2.6.

Với giá trị dòng điện hiệu dụng là 0,5A. Hãy xác định:

a. Giá trị N và điện áp chỉnh lưu hiệu dụng.

b. Giá trị dòng điện và điện áp chỉnh lưu trung bình.

c. Giá trị dòng điện và điện áp lớn nhất qua diode.

Trang 34

d. Nếu điện áp chỉnh lưu trung bình là 24.77V. Tính N.

Hình BT2.6.

Trang 35

Chƣơng 3

ĐẠI CƢƠNG VỀ TRANSISTOR LƢỠNG CỰC – BJT

(Bipolar Junction Transistor)

3.1. Cấu tạo và ký hiệu của BJT

BJT được tạo thành bởi 2 tiếp giáp P – N. Về mặt cấu tạo có thể xem BJT do 3 lớp bán dẫn tiếp xúc nhau tạo nên. Trong đó lớp ở giữa có bề dày rất bé và khác kiểu dẫn điện với 2 lớp bên cạnh. Từ đó hình thành 2 loại BJT khác nhau là NPN và PNP. Cấu tạo và kí hiệu như trên hình 3.1.

JE JC JE JC

E C E N+ P N C P+ N P

B B

C C

NPN PNP B B

E E

Hình 3.1. Cấu tạo và kí hiệu của Transistor NPN và PNP

- Nồng độ tạp chất trong 3 miền bán dẫn là không giống nhau: Miền có nồng độ tạp chất cao nhất, nghĩa là miền có nồng độ hạt dẫn đa số lớn nhất, kí hiệu là N+ hoặc P+ gọi là miền Emiter (hay miền phát). Miền đối diện có nồng độ tạp chất ít hơn gọi là miền Colector (hay miền thu). Miền ở giữa có nồng độ tạp chất rất thấp gọi là miền bazơ (hay miền nền, miền gốc).

- Ba sợi kim loại nối với 3 miền nói trên gọi là 3 cực của transistor, lần lượt là cực Emiter (E), cực Colector (C), cực bazơ (B).

- Do cấu tạo như trên nên hình thành 2 tiếp giáp P – N rất gần nhau:

+ Tiếp giáp thứ nhất ở ranh giới giữa miền Emiter và miền Bazơ gọi là tiếp giáp

(tiếp giáp) Emiter, kí hiệu JE.

+ Tiếp giáp thứ hai ở ranh giới giữa miền Colector và miền Bazơ gọi là tiếp giáp

(tiếp giáp) Colector, kí hiệu JC.

3.2. Nguyên lý hoạt động của BJT JE JC

N+ P N C IC E IE

RC RE B IB

VC VE

Hình 3.2. Nguyên lý làm việc của BJT NPN

Trang 36

Xét transistor NPN, điều kiện để transistor làm việc ở chế độ khuếch đại là tiếp giáp JE phân cực thuận và JC phân cực ngược. Sơ đồ phân cực cho transistor như hình 3.2.

Trong đó:

VE < VC : gọi là nguồn phân cực cho BJT. RE, RC là điện trở phân cực. Tiếp giáp JE phân cực thuận, tiếp giáp JC phân cực ngược.

Khi chưa có nguồn VE, VC tác dụng, cũng như quá trình xảy ra trong diode, mỗi vùng nghèo JE, JC sẽ tồn tại 1 điện trường tiếp xúc nhất định hướng từ P sang N, tương ứng với 1 hiệu điện thế tiếp xúc nào đó. Hiệu điện thế này đóng vai trò như 1 hàng rào điện thế duy trì trạng thái cân bằng của tiếp giáp (tức là cân bằng giữa dòng trôi của hạt dẫn thiểu số với dòng khuếch tán của hạt đa số làm cho dòng điện tổng hợp qua tiếp giáp bằng 0).

Khi có nguồn VC, JC phân cực ngược, hàng rào điện thế và điện trường tiếp xúc trong vùng này tăng. Tương tự như diode phân cực ngược, sẽ có 1 dòng rất nhỏ qua JC có chiều từ N sang P gọi là dòng ngược Colector ICBO.

Nếu có thêm nguồn VE, JE sẽ phân cực thuận. Hàng rào điện thế và điện trường tiếp xúc trong vùng này giảm (so với trạng thái cân bằng) làm cho điện tử đa số từ miền N+ chuyển sang miền P (hiện tượng phun hạt dẫn) tạo thành dòng IE hướng từ P sang N. Sau đó các hạt dẫn không cân bằng này tiếp tục khuếch tán. Trên đường khuếch tán chúng sẽ tái hợp với các lỗ trống trong miền P, nhưng do nồng độ hạt dẫn trong 2 miền chênh lệc nhau (nN > pP) nên trong số các điện tử từ miền N+ phun sang miền P, chỉ có 1 bộ phận rất ít bị tái hợp, tạo thành dòng IB, còn đa số sẽ khuếch tán qua miền Bazơ tới vùng nghèo JC. Khi tới vùng nghèo JC, các điện tử nói trên lập tức bị điện trường trong JC hút về phía cực Colector tạo nên dòng αIE, gọi là dòng Colector do hạt đa số gây nên.

Nếu gọi IE là dòng điện qua cực Emiter (tương ứng với chuyển động của điện tử từ miền N+ sang miền P) thì dòng điện tạo nên bởi số điện tử đa số chạy tới Colector là là tỉ số giữa lượng điện tử tới được Colector với tổng số điện tử phát IE. Trong đó đi từ Emiter.

gọi là hệ số truyền đạt dòng điện phát (0,95 0,99).

Như vậy dòng điện tổng trong mạch Colector gồm 2 thành phần:

Trong miền Bazơ, một số lỗ trống phun sang miền N+ và tái hợp với điện tử gây nên sự thiếu hụt của điện tích dương. Để bù lại, các điện tích dương sẽ từ nguồn VE chay vào miền Bazơ thông qua cực B tạo nên dòng IB, trị số dòng này rất nhỏ so với dòng IC, IE.

Theo định luật Kirchhoff 1, ta có:

Mà nên ta suy ra:

Trang 37

Hay

Đặt , suy ra . Từ đó ta có:

Vì dòng điện ICBO rất bé nên ta có thể bỏ qua, ta có hệ thức cơ bản sau:

Trong đó: gọi là hệ số khuếch đại dòng điện.

* Đối với BJT loại PNP, sơ đồ miêu tả nguyên lý hoạt động như sau:

Hình 3.3. a. Phân cực thuận mối nối BE b. Phân cực nghịch mối nối BC

Trong hình 3.3a, transistor pnp không có điện áp phân cực mối nối CB và chỉ có phân cực mối nối BE phân cực thuận và nó hoạt động giống như tiếp giáp p - n đã nói ở chương 1. Vùng nghèo giảm và chỉ có sự di chuyển của các hạt tải đa số từ p sang n.

Nếu mối nối BE không phân cực còn mối nối CB phân cực ngược như hình 3.3b thì khi đó nó hoạt động giống diode khi phân cực ngược – vùng nghèo sẽ mở rộng, dòng của các hạt tải đa số bằng 0 và chỉ còn dòng của các hạt tải thiểu số.

Trường hợp cả 2 mối nối được phân cực như hình 3.4: mối nối BE phân cực thuận, mối nối BC phân cực ngược. Do mối nối BE phân cực thuận nên một số lượng rất lớn các hạt tải đa số của chất bán dẫn p sẽ khuếch tán qua mối nối p - n vào chất bán dẫn n, do chất bán dẫn n ở chính giữa rất mỏng nên chỉ có một số lượng rất ít các hạt tải được tái hợp tạo nên dòng IB có giá trị rất nhỏ khoảng vài A. Do mối nối BC phân ngược nên một số lớn các hạt tải còn lại này tiếp tục di chuyển sang vùng chất bán dẫn p về cực C tạo nên dòng IC-majority.

Hình 3.4. Chiều các hạt tải đa số và thiểu số chạy trong transistor pnp

Áp dụng định luật Kirchhoff ta có:

Trang 38

Trong đó dòng IC được xem là tổng của 2 dòng: dòng của các hạt tải đa số IC-mạjority và dòng của các hạt tải thiểu số kí hiệu là ICBO-minority (dòng IC khi mối nối BE hở mạch):

Đối với các transistor thông dụng thì dòng IC đo được vào khoảng mA trong khi dòng ICBO có giá trị rất nhỏ nằm trong khoảng từ nA đến A. ICBO giống như dòng IS của diode khi phân cực ngược và rất nhạy với nhiệt độ nên cần phải khảo sát cẩn thận khi sử dụng trong các ứng dụng có tầm nhiệt độ rộng.

3.3. Ba cách mắc cơ bản của BJT

3.3.1. Cách mắc Bazơ chung (CB) E C

B Uv Ur

Hình 3.5. Mắc BC

Tín hiệu được đưa vào giữa cực E và cực B.

Tín hiệu được lấy ra giưa cực C và cực B.

B là cực chung giữa mạch ngõ vào và mạch ngõ ra nên gọi là mạch B chung.

3.3.2. Mắc Emitter chung (CE)

C B Ur

Uv

E

Hình 3.6. Mắc EC

Tín hiệu được đưa vào giữa cực B và cực E.

Tín hiệu được lấy ra giưa cực C và cực E.

E là cực chung giữa mạch ngõ vào và mạch ngõ ra nên gọi là mạch E chung.

3.3.3. Mắc Colector chung (CC)

E B Ur

Uv

C

Hình 3.7. Mắc CC

Tín hiệu được đưa vào giữa cực B và cực C.

Tín hiệu được lấy ra giưa cực E và cực C.

C là cực chung giữa mạch ngõ vào và mạch ngõ ra nên gọi là mạch E chung.

Trang 39

3.4. Đặc tuyến Vôn – Ampe của BJT

I1 I2

U1 U2 Mạng 4 cực (Mạng 2 cửa)

Hình 3.8. Mạng 2 cửa

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa các đại lượng dòng điện, điện áp trên ngõ vào và ngõ ra gọi là đặc tuyến Vôn – Ampe của BJT (hay gọi là đặc tuyến tĩnh). Người ta phân thành 4 loại đặc tuyến:

- Đặc tuyến vào (nêu quan hệ giữa dòng điện và điện áp ngõ vào).

- Đặc tuyến ra (nêu quan hệ giữa dòng điện và điện áp ngõ ra).

- Đặc tuyến truyền đạt dòng điện (nêu sự phụ thuộc của dòng điện ngõ ra theo dòng điện ngõ vào).

- Đặc tuyến hồi tiếp điện áp (nêu sự phụ thuộc của điện áp ngõ ra theo điện áp ngõ vào).

Thông thường người ta chỉ sử dụng 3 loại đặc tuyến là đặc tuyến vào, đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt của điện. Ta sẽ tìm hiểu kỹ từng loại đặc tuyến đối với từng loại mạch cơ bản CE, CB, CC.

3.4.1. Mạch CB

Mắc BJT theo sơ đồ CB ở trạng thái tĩnh như hình 3.9.

Hình 3.9. Mạch mắc CB ở chế độ tĩnh của BJT NPN và PNP

a) Đặc tuyến vào

Các đồng hồ mA (hoặc A) dùng để đo dòng điện, các vôn kế dùng để đo điện áp

giữa 2 cực.

Giữ điện áp VCB không đổi. Lần lượt thay đổi giá trị điện áp nguồn VE ta sẽ được các giá trị tương ứng là IE và VBE. Kết quả ta sẽ vẽ được đặc tuyến có dạng tổng quát là:

Tập hợp nhiều đặc tuyến vào (ứng với nhiều giá trị không đổi của VCB) gọi là họ đặc tuyến vào (hay họ đặc tuyến ngõ vào).

Trang 40

Hình 3.10. Họ đặc tuyến vào tĩnh của BJT mắc BC

b) Đặc tuyến ra

Nếu lần lượt giữ dòng IE ở các giá trị nhất định, thay đổi nguồn VC rồi xác định các cặp giá trị tương ứng IC và VCB ta sẽ có họ đặc tuyến ra của mạch CB. Phương trình của họ đặc tuyến ra là:

Hình 3.11. Họ đặc tuyến ra tĩnh của BJT mắc CB

Dựa vào họ đặc tuyến ta thấy: Đặc tuyến gần như song song với trục hoành và cắt trục tung tại những điểm có tung độ khác nhau. Điều này chứng tỏ rằng ngay cả khi VCB = 0 thì dòng IC vẫn có 1 giá trị khác 0 nào đó và việc tăng VCB ít ảnh hưởng đến giá trị dòng IC.

Trị số dòng IE càng tăng thì đặc tuyến càng dịch lên phía trên, nghĩa là dòng IC càng tăng theo. Đó là vì số hạt dẫn đa số của miền Emitter phun vào miền Bazơ càng lớn thì số hạt dẫn tới được cực Colector càng nhiều.

Đặc tuyến ra chia thành 3 vùng: vùng tích cực (active); vùng ngưng dẫn (cutoff) và vùng bão hòa (saturation). Vùng tích cực thường được sử dụng trong các mạch khuếch đại tuyến tính.

Chú ý trong họ đặc tuyến ra hình 3.11 ở vùng tích cực, dòng điện IC tăng gần bằng

dòng điện IE:

Trong vùng ngưng dẫn (cả 2 mối nối đều phân cực ngược), dòng IE = 0 và dòng điện cực C được xem như phụ thuộc vào dòng bão hòa ngược ICO có giá trị rất nhỏ khoảng vài A và xem như dòng IC = 0, mạch điện được vẽ lại như hình 3.11b.

Trang 41

Hình 3.11b. Khi dòng IE = 0

Trong vùng bão hòa (cả 2 mối nối đều phân cực thuận), điện áp VCB = 0. c) Đặc tuyến truyền đạt dòng điện

Đặc tuyến này có dạng gần tuyến tính (coi là không đổi), phù hợp với lý thuyết.

Trên thực tế là hằng số khi dòng IE tương đối nhỏ.

IC (mA) VCB = 10V VCB = 5V

VCB = 0V

IE (mA) O

Hình 3.12. Họ đặc tuyến truyền đạt tĩnh của BJT mắc BC

3.4.2. Mạch Emitter chung (CE)

Mạch cực E chung có dạng như hình 3.13 đối với cả 2 transistor pnp và npn. Gọi là cực E chung vì nó là một cực của tín hiệu vào và cũng là một cực của tín hiệu ra.

Hình 3.13. Mạch khuếch đại mắc cực E chung

Hai họ đặc tính vào và đặc tính ra được trình bày ở hình 3.14

Trang 42

Hình 3.14. Mạch mắc CE A. Đặc tuyến ngõ ra; B. Đặc tuyến ngõ vào

Mặc dù cấu hình mạch bị thay đổi nhưng mối liên hệ giữa các dòng điện đã được

thiết lập trong mạch B chung vẫn không thay đổi, nghĩa là: IE = IC + IB và IC = IE.

Đối với mạch cực E chung, đặc tuyến ngõ ra diễn tả mối quan hệ giữa dòng điện ra IC và điện áp ra VCE trong một dãy dòng điện ngõ vào IB khác nhau. Đặc tuyến ngõ vào diễn tả mối quan hệ giữa dòng điện vào IB và điện áp vào VBE trong một dãy điện áp ra VCE khác nhau.

Giá trị dòng điện IB vào khoảng A trong khi giá trị dòng điện IC vào khoảng mA. Trong vùng tích cực của mạch khuếch đại cực E chung thì mối nối CB phân cực ngược còn mối nối BE phân cực thuận.

Trong vùng tích cực của mạch cực E chung có chức năng khuếch đại điện áp và dòng điện.

Trong vùng ngưng dẫn, cho thấy dòng điện IB bằng 0 nhưng dòng điện IC khác 0. Đối với mạch cực B chung, khi dòng điện IE = 0 thì dòng điện IC bằng dòng điện bão hòa ngược ICBO.

Lý do sự khác nhau này có thể chứng minh được: Hình 3.14. Mạch mắc EC A. đặc tuyến ngõ ra; B. đặc tuyến ngõ vào.

Suy ra dòng IC:

Đặt: (*) (2-9)

Hình 3.15. Dòng rỉ ICEO Trang 43

Đối với các mục đích khuếch đại tuyến tính, vùng ngưng dẫn trong cấu hình cực E

chung sẽ được xác định bởi và được minh họa bằng hình 3.15.

Đối với đặc tuyến ngõ vào của mạch cực E chung giống như mạch cực B chung có thể tính gần đúng điện áp VBE = 0,7V khi BJT hoạt động ở vùng khuếch đại và bão hòa.

Hệ số :

Trong cấu hình DC, dòng điện IC và IB có mối liên hệ với nhau bởi hệ số beta, hay còn gọi là hệ số khuếch đại dòng điện dc, và xác định bởi phương trình:

Trong đó IB và IC là các dòng điện tại điểm làm việc trên các đường đặc tuyến. Đối với các linh kiện thực tế thì hệ số  nằm trong khoảng từ 50 đến 400. Nếu 1 linh kiện có hệ số  = 200 điều này có nghĩa là dòng điện IC lớn gấp 200 lần dòng điện IB.

Khi tra các thông số của transistor, hệ số dc thường được xem như là hFE.

Đối với tín hiệu ac thì hệ số ac được xác định như sau:

Khi tra các thông số của transistor thì hệ số ac chính là hệ số hfe. Chú ý sự khác

nhau giữa các thông số ac và dc, hFE và hfe. Mối quan hệ giữa hệ số alpha và beta:

Ta có:

Mà và ,

Thế vào phương trình trên được:

Suy ra: hay

Từ 2 phương trình trên ta suy ra:

Phương trình (*) được viết lại theo hệ số  như sau:

Ta suy ra được:

3.4.3. Mạch Colector chung (CC)

Cấu hình mạch cực C chung được trình bày như hình 3.16.

Trang 44

Hình 3.16. Mạch mắc CC ở chế độ tĩnh

Mạch cực C chung có tính chất là tổng trở vào lớn và tổng trở ra nhỏ ngược với cấu hình mạch cực B chung và cực E chung.

Đặc tuyến ngõ ra của cấu hình mạch cực C chung giống như mạch cực E chung do

IE = IC vì vậy có thể dùng chung đường đặc tuyến với mạch CE.

3.5. Các thông số giới hạn của BJT

Đối với mỗi transistor có một vùng hoạt động trên đặc tuyến, phải đảm bảo độ dao động cực đại không được vượt quá các vùng giới hạn này, lúc đó tín hiệu ngõ ra có độ méo dạng nhỏ nhất như vùng được xác định đối với các đặc tính của transistor ở hình 3.17.

Hình 3.17. Đặc tuyến ngõ ra của BJT npn và các vùng giới hạn của nó

Các giới hoạt động như dòng điện IC cực đại và điện áp cực C và E (thường ký hiệu là VCEO). Đối với hình 3.17, dòng điện Icmax được xác định là 50mA và điện áp VCEO là 20V.

Điện áp bão hòa VCEsat thường bằng 0,3V. Công suất tiêu tán cực đại được xác định bởi phương trình:

Đối với transistor ở hình 3.17 thì công suất tiêu tán là:

Trang 45

Trong hình 3.17, tại bất kỳ điểm nào trên đường đặc tuyến đều có công suất tiêu

tán là 300mW.

Nếu ta chọn IC = 50mA thì ta sẽ suy ra được điện áp VCE = 6V và nếu ta chọn điện áp VCE = 20V thì dòng IC = 15mA. Nếu ta chọn dòng điện IC nằm chính giữa là 25mA thì điện áp VCE = 12V.

Vùng ngưng dẫn được xác định bên dưới dòng điện IC = ICEO. Vùng ngưng dẫn cần phải tránh nếu không tín hiệu ra sẽ bị méo dạng.

Tóm lại, sự hoạt động của transistor trong vùng đã xác định trong hình 3.17 sẽ đảm bảo rằng độ méo dạng của tín hiệu ra là nhỏ nhất và các dòng điện, điện áp sẽ không làm hỏng transistor.

Nếu các đường cong đặc tuyến không cho trong bảng thông số thì phải chú ý đến

các thông số IC, VCE và công suất tiêu tán phải thỏa mãn:

Đối với mạch cực B chung thì đường cong của công suất tiêu tán xác định bởi phương trình:

Câu hỏi ôn tập

Câu 1. Transistor là linh kiện bán dẫn được tạo nên từ mấy lớp bán dẫn:

A. 1 B. 2

C. 3 D. 4

Câu 2. Hệ số truyền đạt dòng điện α của transistor là:

B. IB/IE D. IC/IE

A. IE/IB C. IC/IB Câu 3. Hệ số khuếch đại dòng điện β của transistor là:

B. IC/IE D. IB/IE

A. IC/IB C. IE/IB Câu 4. Hãy trình bày cấu tạo, ký hiệu, nguyên lý hoạt động và các hệ thức cơ bản của BJT loại NPN.

Câu 5. Hãy trình bày cấu tạo, ký hiệu, nguyên lý hoạt động và các hệ thức cơ bản của BJT loại PNP.

Trang 46

Chƣơng 4

TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƢỜNG – FET

(Field Effect Transistor)

4.1. Sơ lƣợc về FET

Có 2 loại FET được trình bày trong chương này là JFET (Transistor trường tiếp giáp -Junction FET) và MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET). MOSFET lại được chia làm 2 loại MOSFET: D-MOSFET (MOSFET kênh có sẵn – Deleption MOSFET) và E-MOSFET (MOSFET kênh cảm ứng – Enhancement MOSFET). MOSFET là một linh kiện rất quan trọng được sử dụng trong thiết kế và xây dựng các mạch điện tích hợp cho các máy tính

4.2. JFET

JFET là linh kiện bán dẫn 3 cực, cấu trúc và kí hiệu của JFET kênh n và JFET kênh p như hình 4.1.

Hình 4.1. Cấu trúc và kí hiệu của JFET kênh N và JFET kênh P

4.2.1. Cấu tạo và ký hiệu của JFET kênh N

Hình 4.2. Cấu tạo và ký hiệu của JFET kênh N

Chú ý rằng thành phần chủ yếu trong cấu trúc của JFET kênh N là chất bán dẫn n hình thành một kênh nằm chính giữa 2 chất bán dẫn loại p. Đỉnh trên của kênh chất bán dẫn n được nối với 1 dây kim loại và đưa ra ngoài tạo thành một cực D (Drain: cực Trang 47

máng), phía bên dưới tạo thành cực S (Source: cực nguồn). Hai chất bán dẫn loại p được nối chung với nhau tạo thành cực G (Gate: cực cổng).

4.2.2. Nguyên lý hoạt động

a. Trường hợp VGS = 0, VDS >0

Hình 4.3. Mạch phân cực cho JFET kênh n với VGS = 0

Ngay khi điện áp

dương được đặt vào 2 chân D và S, các điện tử đa số trong kênh dẫn N sẽ di chuyển từ cực nguồn S đến cực máng D thiết lập nên dòng điện với chiều dòng điện đi từ D sang S, được xác định như hình 4.3. Dòng điện chạy vào

cực D cũng chính là dòng điện chạy ra khỏi cực S, kết quả ta được .

Điều cần phải quan tâm là vùng nghèo rộng ra nằm gần đỉnh của 2 chất bán dẫn p do mối nối p - n bị phân cực ngược suốt cả chiều dài của kênh và kết qủa dòng điện

.

Khi điện áp

tăng, dòng điện ID sẽ tăng theo, nhưng khi VDS tăng đến 1 giá trị nhất định nào đó thì dòng điện ID không tăng nữa, nó đạt giá trị bão hòa IDSS, điện áp VDS tương ứng gọi là điện áp bão hòa cực máng VDSS và kết quả vẽ được dòng điện theo VDS như hình 4.4.

Hình 4.4. Dòng điện

Khi điện áp VDS tăng, dòng điện ID sẽ tăng. Nếu tiếp tục tăng VDS

đến 1 giá trị nhất định nào đó thì dòng điện IDS không tăng nữa, nó đạt giá trị bão hòa, gọi là dòng điện cực máng bão hòa IDSS. Điện áp VDS tương ứng với dòng IDSS gọi là điện áp cực máng bão hòa VDSS . Kí hiệu chính là dòng điện từ cực máng D đến cực S trong trường hợp ngắn

mạch (Short) G-S, quan sát đường cong đặc tính cho thấy:

Trang 48

IDSS là dòng điện cực máng cực đại của JFET và được xác định bởi điều kiện VGS=

0 và VDS>VDSS 

Chú ý trong hình 4.4, điện áp trên toàn bộ đường cong.

b. Trường hợp VGS < 0, VDS có giá trị dương:

Điện áp từ cực G đến cực S kí hiệu là

theo

đối với BJT, thì đường cong của dòng điện

chính là điện áp điều khiển của JFET. được thiết

đối với JFET.

Cũng giống như các giá trị khác nhau của đường cong dòng điện lập từ các giá trị khác nhau của dòng theo được thiết lập từ các giá trị khác nhau của của điện áp

để thiết lập các vùng nghèo giống như khi

Trong hình 4.5, một điện áp âm –1V được cung cấp cho cực G và cực S. Ảnh hưởng của điện áp phân cực âm nhưng giá trị của dòng điện cực máng bão hòa lúc này nhỏ hơn giá trị IDSS và giá trị điện áp cực máng bão hòa cũng nhỏ hơn VDSS.

Hình 4.5. Hình 4.6. Đặc tuyến Vôn- Ampe của JFET kênh n

Kết quả của việc cung cấp điện áp phân cực âm đến cực G để đạt giá trị bão hòa tại . Dòng điện bão hòa cực máng sẽ giảm

được trình bày trong hình 4.6 với giá càng âm. và sẽ tiếp tục giảm khi

Tóm lại: Giá trị của điện áp làm cho dòng

được xác định khi có giá trị điện áp âm đối với JFET kênh n và có giá trị điện áp dương

, với đối với JFET kênh p.

Đối với transistor BJT dòng điện ngõ ra IC và dòng điện điều khiển ngõ vào IB có mối liên hệ với nhau theo hệ số  và nó được xem là hằng số khi việc phân tích được thực hiện. Phương trình:

 là hằng số còn IB là biến điều khiển. Phương trình trên diễn tả mối quan hệ tuyến

tính giữa dòng điện IB và IC.

Còn đối với JFET thì mối quan hệ giữa dòng điện ID và VGS được xác định bởi phương trình Shockley:

Trang 49

Dấu mũ 2 trong phương trình cho thấy mối liên hệ giữa ID và VGS là không tuyến tính, tạo ra một đường cong tăng theo hàm mũ khi tăng giá trị của VGS.

Các đường cong chuyển có thể có được bằng cách dùng phương trình Shockley hoặc từ đặc tuyến ngõ ra như hình 4.7.

Hình 4.7. Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ngõ ra của JFET kênh n

* Các thông số của JFET:

- Điện áp cực đại

- Dòng điện cực đại

- Công suất tiêu tán cực đại.

- Các thông số đối với VDS và VDG

Bảng thông số và đường cong được xác định trên bởi các giá trị tại điểm thắt ứng với mỗi giá trị của VGS xác định vùng hoạt động khuếch đại tuyến tính được trình bày ở hình 4.8.

Hình 4.8. Vùng hoạt động cho phép của JFET

* So sánh giữa BJT và JFET:

Sự khác nhau cơ bản giữa 2 loại transistor là: Đối với transistor BJT là linh kiện được điều khiển bằng dòng như hình 4.9b trong khi đó transistor JFET là linh kiện được điều khiển bằng áp như hình 4.9a. Ngoài ra dòng điện IC là hàm của dòng IB, còn dòng ngõ ra của JFET là hàm của VGS cung cấp ở ngõ vào của mạch điện hình 4.9a.

Cũng giống như BJT có 2 loại là npn và pnp thì JFET cũng có 2 loại JFET kênh n và JFET kênh p. Tuy nhiên điều quan trọng cần phải nhớ là BJT là 1 linh kiện có cực tính (bipolar) – kí tự bi cho biết dòng điện là dòng của các hạt tải đa số: điện tử và lỗ

Trang 50

trống. Còn JFET là 1 linh kiện không có cực tính (unipolar) chỉ phụ thuộc vào các điện tử (kênh n) hoặc các lỗ trống (kênh p).

Một trong những đặc tính quan trọng nhất của FET là tổng trở vào rất cao. Tổng trở vào của FET có thể đạt tới vài trăm M - lớn hơn rất nhiều so với tổng trở vào của BJT – đây chính là một đặc tính quan trọng của FET trong thiết kế các hệ thống khuếch đại ac tuyến tính.

Ngược lại BJT có độ nhạy cao hơn về sự thay đổi tín hiệu cung cấp ngõ vào. Sự thay đổi dòng điện ngõ ra của BJT thường lớn hơn nhiều so với FET với cùng một điện áp tín hiệu vào. Chính vì lý do này mà độ lợi điện áp trung bình của mạch khuếch đại transistor BJT lớn hơn FET. Thường thì FET ổn định nhiệt độ hơn BJT và FET có cấu trúc nhỏ hơn BJT rất thích hợp cho việc chế tạo IC.

Các phương trình của JFET được xác định đối với cấu hình mạch điện hình 4.9a và các phương trình của BJT được xác định đối với cấu hình mạch điện như hình 4.9b:

(a) (b)

Hình 4.9. So sánh giữa JFET và BJT

JFET BJT

4.2.3. Đặc tuyến Vôn – Ampe

Đặc tuyến truyền đạt của JFET có thể có được bằng cách dùng phương trình Shockley hoặc từ đặc tuyến ngõ ra như hình 4.10.

Hình 4.10. Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ngõ ra của JFET kênh n

Trang 51

4.3. MOSFET

4.3.1. Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET kênh có sẵn loại N

MOSFET kênh có sẵn (D_MOSFET – Deleption MOSFET):

Cấu tạo và kí hiệu của MOSFET kênh có sẵn loại n được trình bày như hình 4.11.

Hình 4.11. Cấu tạo và kí hịêu của MOSFET kênh có sẵn loại n Trên nền đế của chất bán dẫn nền loại p, người ta tạo ra 2 vùng bán dẫn loại n, 2 điện cực nối với 2 vùng bán dẫn n thông qua lớp cách điện SiO2 tạo thành cực D và cực S. Hai vùng bán dẫn n này được nối thông với nhau nhờ kênh dẫn n. Kênh dẫn n này hình thành ngay trong quá trình chế tạo, gọi là MOSFET kênh có sẵn n.

Tại phần đối diện với kênh dẫn n, người ta tạo ra điện cực thứ 3 cách điện với kênh dẫn bởi lớp cách điện SiO2. Vì vậy MOSFET còn có tên gọi là FET có cực cửa cách ly.

CBD nền p được nối ra ngoài tạo thành cực SS. Thông thường cực SS được nối chung với cực S.

Hoàn toàn tương tự, ta có cấu tạo và kí hiệu của MOSFET kênh có sẵn loại p được trình bày như hình 4.12.

Hình 4.12. Cấu tạo và kí hịêu củaMOSFET kênh có sẵn loại p

Chất bán dẫn nền loại p hay n được nối ra ngoài tạo thành 1 cực tính có tên là SS (Substrate), cực D và cực S được kết nối đến chất bán dẫn loại n hay p. Cực G được nối đến bề mặt tiếp xúc kim loại nhưng được ngăn cách với chất bán dẫn kênh n hay p bằng một lớp dioxide Silic (SiO2). SiO2 là một vật liệu đặc biệt cách điện được xem như là chất điện môi.

Không có sự kết nối điện trực tiếp giữa cực G và kênh dẫn của MOSFET. Lớp cách điện SiO2 trong cấu trúc của MOSFET có thể làm thay đổi tổng trở vào của MOSFET theo mong muốn.

Trang 52

4.3.2. Nguyên lý hoạt động

Xét nguyên lý hoạt động của MOSFET kênh có sẵn loại N:

- Trường hợp 1: VDS > 0, VGS = 0

Hình 4.13. Trường hợp VGS = 0V Trong hình 4.13 điện áp VGS = 0V, điện áp cung cấp VDD được đưa đến 2 cực D và S. Kết quả các điện tử tự do của kênh n di chuyển và dòng điện được thiết lập giống như JFET.

- Trường hợp 2: VDS > 0, VGS < 0:

Hình 4.14. Trường hợp VGS < 0 Tuỳ thuộc vào biên độ điện áp âm được thiết lập bởi điện áp VGS mà mức độ tái hợp giữa các điện tử và lỗ trống sẽ xảy ra và sự tái hợp này sẽ làm giảm các điện tử tự do di chuyển trong kênh dẫn làm ảnh hưởng đến dòng điện chạy trong kênh dẫn. Điện áp phân cực càng âm thì tốc độ tái hợp càng tăng. Kết quả dòng điện cực máng giảm như được trình bày trong hình 4.15 với các giá trị điện áp VGS lần lượt bằng –1V, -2V

Trang 53

cho đến khi đạt giá trị điện áp thắt bằng -6V và cuối cùng ta thấy đặc tuyến chuyển giống như JFET.

- Trường hợp 3: VDS > 0, VGS > 0 : Khi giá trị điện áp VGS dương sẽ làm tăng thêm số lượng điện tử lấy từ chất bán dẫn nền loại p tùy thuộc vào dòng ngược. Khi điện áp VGS tiếp tục tăng theo chiều dương như trong hình 4.15 sẽ làm cho dòng điện cực máng tăng.

Trong hình 4.15 ta thấy khi áp đặt một điện áp VGS dương đến 2 cực G và S sẽ làm tăng các hạt tải tự do trong kênh dẫn nếu so sánh với khi điện áp VGS = 0V. Chính vì lí do này vùng điện áp dương trên cực máng hoặc trên đặc tuyến chuyển thường được xem như là vùng tăng (enhancement region), với vùng ngưng dẫn và vùng bão hòa IDSS được xem là vùng hiếm hoặc vùng giảm.

Phương trình Shockley 1 vẫn có thể áp dụng được đối với họ đặc tuyến của D_MOSFET trong cả 2 vùng giảm và vùng tăng.

Thay đổi các giá trị khác nhau của VGS ta được một họ đặc tuyến như hình 4.15.

Hình 4.15. Đặc tuyến truyền đạt và ngõ ra của D_MOSFET kênh n

4.3.3. Đặc tuyến Vôn – Ampe

Thay đổi các giá trị khác nhau của VGS ta được một họ đặc tuyến như hình 4.16.

Hình 4.16. Đặc tuyến truyền đạt và ngõ ra của D_MOSFET kênh n

Trang 54

4.3.4. Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET kênh cảm ứng loại N

Hình 4.17. Cấu tạo và kí hịêu của MOSFET kênh cảm ứng loại n

Hoàn toàn tương tự, ta có cấu tạo và ký hiệu của MOSFET kênh cảm ứng loại P như hình 4.18.

Hình 4.18. Cấu tạo và kí hịêu của MOSFET kênh cảm ứng loại p Cấu tạo của MOSFET kênh cảm ứng loại n và p được trình bày như hình 4.17 và 4.18. Chú ý cực D và cực S không được kết nối với nhau. Do đó có thể nói ngắn gọn là MOSFET kênh cảm ứng cũng giống như MOSFET kênh có sẵn ngoại trừ thiếu kênh dẫn nối 2 cực D và S.

4.3.5. Nguyên lý hoạt động

Nếu điện áp VGS = 0V và điện áp cung cấp đến 2 cực D và S, do thiếu kênh dẫn giữa 2 cực D và S nên dòng điện bằng 0 – kết quả này khác với JFET là ID = IDSS.

Khi điện áp VGS và VDS được thiết lập ở giá trị dương như hình 4.19 – dẫn đến có một sự chênh lệch điện áp giữa cực G , D so với cực S. Điện áp dương tại cực G sẽ tác động lên các lỗ trống trong chất bán dẫn nền loại p nằm dọc theo lớp oxide SiO2 để rời khỏi vùng này và đi vào vùng sâu hơn của chất nền loại p được trình bày như hình 4.19.

Hình 4.19. Hình thành kênh dẫn trong E_MOSFET kênh n (VGS > 0)

Trang 55

Kết quả tạo nên 1 vùng nghèo nằm gần lớp ngăn cách SiO2 không có lỗ trống. Tuy nhiên các điện tử trong chất nền p (thuộc hạt tải thiểu số) sẽ bị hút về cực G và tích lũy tạo thành 1 vùng gần bề mặt của lớp SiO2 . Lớp SiO2 và đặc tính cách điện của nó sẽ ngăn chặn các hạt tải mang điện tích âm di chuyển về cực G.

Khi điện áp VGS tăng thì số lượng các điện tử tập trung gần mặt phẳng lớp SiO2 càng tăng cho đến khi nó có thể tạo thành 1 kênh dẫn giữa 2 cực D và S – khi đó điện áp VGS đạt đến giá trị này gọi là điện áp ngưỡng VT. Do kênh dẫn không tồn tại khi điện áp VGS = 0V và nó sẽ dẫn khi cung cấp điện áp dương VGS chính vì thế ta gọi là MOSFET loại tăng.

Khi điện áp VGS tăng vượt qua điện áp ngưỡng thì mật độ của các hạt tải tự do chứa trong kênh dẫn sẽ tăng dẫn đến dòng điện cực máng tăng. Tuy nhiên nếu VGS là hằng số và tăng điện áp VDS, dòng điện cực máng sẽ tăng đến giá trị bão hòa giống như đã xảy ra đối với JFET và MOSFET kênh có sẵn.

Dòng điện ID sẽ dần về 0 khi đi vào vùng thắt do kênh dẫn hẹp tại đầu cực máng như hình 4.20.

Hình 4.20. Sự thay đổi bề rộng kênh dẫn khi VDS tăng và VGS được cố định Tương tự như JFET và D_MOSFET ứng với các giá trị VGS khác nhau ta được họ đặc tuyến của E_MOSFET.

Hình 4.21. Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ngõ ra của E_MOSFET kênh n

Khi giá trị điện áp VGS nhỏ hơn điện áp ngưỡng (VT) thì dòng điện cực máng của MOSFET loại kênh chưa có sẵn bằng 0.

Khi giá trị điện áp VGS lớn hơn VT thì dòng điện cực máng quan hệ không tuyến tính với điện áp VGS bằng phương trình:

Trang 56

Trong đó k là hằng số và có thể suy ra giá trị của k từ phương trình trên với ID(on) vàVGS(on) là các giá trị tại các điểm đặc biệt trên đường cong đặc tuyến của E_MOSFET trong hình 4.21:

4.3.6. Đặc tuyến Vôn – Ampe

Họ đặc tuyến của E_MOSFET như hình 4.22.

Hình 4.22. Đặc tuyến truyền đạt và ngõ ra của E_MOSFET kênh n

Câu hỏi ôn tập

Câu 1. Hãy vẽ sơ đồ phân loại FET.

Câu 2. Hãy trình bày cấu tạo, ký hiệu, nguyên lý hoạt động và các hệ thức cơ bản của JFET kênh N.

Câu 3. Hãy trình bày cấu tạo, ký hiệu, nguyên lý hoạt động và các hệ thức cơ bản của MOSFET kênh có sẵn loại N.

Câu 4. Hãy trình bày cấu tạo, ký hiệu, nguyên lý hoạt động và các hệ thức cơ bản của MOSFET kênh cảm ứng loại N.

Câu 5. Nêu những điểm giống nhau và khác nhau trong nguyên lý hoạt động của JFET và MOSFET kênh có sẵn.

Trang 57

Chƣơng 5

CÁC MẠCH PHÂN CỰC CỦA TRANSISTOR

5.1. Giới thiệu chung

Việc phân tích hay thiết kế một mạch khuếch đại đòi hỏi sự hiểu biết về đáp ứng dc và ac của hệ thống. Người ta thường nhầm lẫn rằng transistor là một linh kiện khuếch đại tín hiệu mà không cần nguồn năng lượng cung cấp. Thực ra việc khuếch đại tín hiệu ac là từ quá trình chuyển đổi năng lượng từ nguồn cung cấp dc. Do đó việc phân tích hay thiết kế bất kỳ 1 mạch khuếch đại điện tử đều chứa đựng 2 phần: phần dc và phần ac.

Các mức hoạt động dc của 1 transistor được điều khiển bởi 1 số các thông số bao gồm 1 dãy các điểm làm việc có thể có trên các đường đặc tính của transistor. Các dòng điện dc và các mức điện áp dc phải được xác định, một mạch điện phải được xây dựng mà nó sẽ thiết lập điểm làm việc mong muốn – các mạch điện này sẽ được phân tích trong chương này.

Hình 5.1. Đặc tuyến ngõ ra của BJT

Một hệ số phân cực khác rất quan trọng cần chú ý đến, đó là sự lựa chọn và phân cực cho transistor tại điểm làm việc mong muốn phải tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ. Nhiệt độ làm thay đổi các hệ số như ac và dòng điện ICEO . Nhiệt độ càng tăng thì dòng điện ICEO tăng làm thay đổi điểm làm việc Q. Do đó các mạch điện phải thiết kế có sự ổn định nhiệt độ để khi có sự thay đổi nhiệt độ thì sự thay đổi của điểm làm việc là nhỏ nhất. Sự ổn định của điểm làm việc được chỉ định bởi hệ số ổn định S để xác định mức độ thay đổi điểm làm việc phụ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ.

Đối với BJT việc phân cực để hoạt động trong vùng tuyến tính cần phải chú ý:

1. Mối nối B-E phải phân cực thuận với điện áp phân cực khoảng 0,6 đến 0,7V.

2. Mối nối B-C phải phân cực ngược với điện áp phân cực nằm trong giới hạn cực đại của transistor.

5.2. Phân tích đƣờng tải

5.2.1. Điểm làm việc tĩnh và đường tải 1 chiều

Xét mạch điện như hình 5.2.

Trang 58

Hình 5.2. Mạch khuếch đại phân cực cố định

* Đường tải dc (DCLL – DC load line)

Mạch điện hình 5.2 thiết lập một phương trình ngõ ra diễn tả mối liên hệ giữa 2

biến IC và VCE như:

Hay:

Phương trình trên chính là phương trình đường tải dc của mạch hình 5.2. Đồ thị đường tải DCLL của mạch hình 5.2 trên đường đặc tuyến ngõ ra của transistor như hình 5.3.

Hình 5.3. Đường tải DCLL

Nếu dòng điện IB thay đổi bởi các giá trị khác nhau của RB thì điểm tĩnh Q sẽ di chuyển lên hoặc di chuyển xuống như hình 5.4. Nếu điện áp Vcc và IB giữ cố định và điện trở Rc thay đổi thì đường tải sẽ dịch chuyển như hình 5.5.

Hình 5.4. Điểm Q thay đổi theo dòng IB Hình 5.5. Sự thay đổi RC

Trang 59

Nếu RC cố định và Vcc thay đổi thì đường tải dịch chuyển như hình 5.6.

Hình 5.6. Sự thay đổi của điện áp VCC

5.2.2. Đường tải xoay chiều

Ta có phương trình ngõ ra chỉ với tín hiệu ac:

ta có:

và

Vậy phương ngõ ra khi có nguồn tín hiệu ac là:

Khi =>

Khi =>

Đồ thị của phương trình đường tải ac chính là đường thẳng ACLL trên hình 5.7.

Nhận xét: ACLL và DCLL luôn luôn giao nhau tại điểm làm việc tĩnh Q.

Trang 60

Hình 5.7. Đường tải ACLL , DCLL và dạng sóng tín hiệu vào ra

* Tầm dao động cực đại của tín hiệu ngõ ra (maxswing):

Maxswing có nghĩa là ta chọn giá trị nhỏ

nhất của trong 2 đại lượng và để tín hiệu ra không bị méo dạng.

Trong đó đối với mạch hình 5.2.

5.3. Các mạch phân cực cho BJT

5.3.1. Mạch phân cực cố định

Mạch khuếch đại phân cực cố định như hình 5.7 sử dụng transistor npn.

Hình 5.7. Mạch phân cực cố định

Sơ đồ mạch hình 5.7 có thể chia nguồn cung cấp dc Vcc thành 2 nguồn như hình 5.8.

Hình 5.8. Tách nguồn cung cấp

Trang 61

Xét mạch vòng BE:

Xét mạch vòng phân cực mối nối B-E của hình 5.9.

Hình 5.9. Mạch ngõ vào

Áp dụng định luật Kirchhoff:

=>

Suy ra dòng điện IB:

=>

Xét mạch vòng CE:

Mạch vòng phân cực mối nối C-E được vẽ lại như hình 5.10.

Hình 5.10. Mạch ngõ ra

Mối liên hệ giữa dòng IB và IC:

Áp dụng định luật Kirchhoff:

Phương trình điện áp VCE:

Trong đó VCE là điện áp của 2 điểm C và E còn điện áp VC và VE là điện áp điểm C và E so với mass. Trong mạch điện trên thì điện áp điểm E bằng không (VE=0V) nên phương trình được viết lại:

Phương trình điện áp VBE:

Trang 62

Với VE = 0 nên:

Hoạt động bão hòa của transistor:

Đối với transistor hoạt động ở vùng bão hòa thì dòng điện đạt giá trị cực đại trong mạch điện đó. Khi thay đổi thiết kế thì dòng bão hòa tương ứng có thể tăng hoặc giảm và dĩ nhiên giá trị dòng điện bão hòa lớn nhất được xác định bởi dòng điện IC cực đại được cung cấp trong bảng thông số của transistor.

Các trường hợp bão hòa thường nên tránh bởi vì mối nối CB không còn phân cực ngược dẫn đến tín hiệu ngõ ra bị méo dạng. Điểm hoạt động trong vùng bão hòa trình bày ở hình 5.11a. Chú ý rằng trong vùng bão hòa thì các đường cong đặc tính được nối lại với nhau và điện áp CE nằm tại mức hoặc thấp hơn mức điện áp VCesat. Dòng điện Ic có giá trị tương đối lớn trên đường cong đặc tính.

Hình 5.11. Điểm làm việc ở vùng bão hòa

Nếu ta dùng các đường cong xấp xỉ như hình 5.11b để xác định nhanh các mức giá trị trong vùng bão hòa. Trong hình 5.11, dòng điện tương đối cao còn điện áp VCE xem như bằng 0V. Áp dụng định luật Ohm để tính điện trở mối nối CE:

Áp dụng kết quả trên ta vẽ lại mạch có cấu hình như hình 5.12.

Đối với mạch phân cực cố định khi transistor ở chế độ bão hòa thì sơ đồ mạch như

hình 5.13, điện áp rơi trên R chính bằng Vcc và dòng điện IC bão hòa có giá trị:

Hình 5.12. Xác định ICsat Hình 5.13. Xác định ICsat của mạch phân cực Trang 63

5.3.2. Mạch phân cực ổn định cực Emiter

Mạch phân cực dc hình 5.14 có thêm 1 điện trở tại cực Emitter để cải thiện mức độ ổn định của cấu hình mạch phân cực cố định.

Hình 5.14. Mạch phân cực BJT có thêm điện trở cực E Hình 5.15. Nhánh BE

- Xét mạch vòng BE:

Hình 5.14 có thể vẽ lại như hình 5.15, áp dụng định luật Kirchhoff được phương trình:

Ta có:

Thế vào phương trình trên, ta được:

Rút gọn và suy ra dòng điện IB:

Chú ý rằng chỉ có 1 sự khác nhau trong phương trình dòng điện IB so với mạch

phân cực cố định là thành phần (+1)RE.

Từ phương trình IB ta có mạch điện tương đương như hình 5.16. Nếu nhìn từ phía điện áp VBE thì điện trở RE phản hồi trở lại dòng điện ngõ vào IB bởi hệ số (+1). Mặc khác điện trở cực E – là một phần của mạch vòng cực CE – có giá trị (+1)RE đối với mạch vòng BE. Do  thường có giá trị vào khoảng 50 hoặc cao hơn nên điện trở cực E sẽ trở thành một điện trở thật lớn đối với ngõ vào cực BE như hình 5.17.

Điện trở ngõ vào:

Hình 5.16.Sơ đồ mạch Hình 5.17.Mạch ngõ vào Hình 5.18.Mạch ngõ ra

Trang 64

- Xét mạch vòng CE:

Mạch vòng phân cực mối nối C-E được vẽ lại như hình 5.18. Áp dụng định luật Kirchhoff về điện áp:

Thay thế IE  IC và suy ra điện áp VCE:

Điện áp cực Emitter VE:

Điện áp cực Collector VC:

Hay:

Điện áp cực Base VB:

Hay:

5.3.3. Mạch phân cực bằng điện áp hồi tiếp từ Collecter

Xét mạch phân cực hồi tiếp điện áp như hình 5.19.

Hình 5.18. Mạch khuếch đại hồi tiếp cực C Hình 5.19. Sơ đồ tương đương

- Xét mạch vòng BE:

Hình 5.18 có thể vẽ lại như hình 5.19, áp dụng định luật Kirchhoff được phương trình:

Có thể xem:

Thế vào phương trình trên được:

Suy ra dòng điện IB:

Tổng quát, phương trình dòng IB có dạng như sau:

Trang 65

Do IC = IB nên:

Do R’ lớn hơn RB rất nhiều nên có thể xem:

Cho thấy ICQ không phụ thuộc vào hệ số .

- Xét mạch vòng CE:

Hình 5.20. Mạch vòng CE

Áp dụng định luật Kirchhoff được phương trình:

Do và nên:

Hay:

5.3.4. Mạch phân cực kiểu phân áp

Mạch phân cực bằng cầu phân áp dc hình 5.21. Có 2 phương pháp phân tích mạch: phân tích chính xác và phân tích gần đúng.

Hình 5.21. Mạch phân cực bằng cầu phân áp

Phân tích chính xác:

Mạch điện ngõ vào có thể vẽ lại như hình 5.22. Dùng mạch tương đương Thevenin

và cần xác định điện trở tương đương Thevenin và điện áp Thevenin:

Trang 66

Xác định điện trở Thevenin RThbằng cách ngắn mạch nguồn điện áp như hình 5.23.

Xác định điện áp Thevenin Eth bằng sơ đồ mạch điện như hình 5.24.

Mạch đương tương Thevenin như hình 5.25, dòng điện IB có thể xác định bằng định luật Kirchhoff:

Thay thế dòng IE = ( + 1) IB vào suy ra dòng IB:

Hình 5.23. Xác định RTh Hình 5.24. Xác định ETh Hình 5.25. Mạch tương đương Phương trình mạch vòng CE không có gì thay đổi – kết quả được:

Phân tích gần đúng:

Cấu hình mạch phân áp ngõ vào có thể thay thế bằng mạch điện hình 4.26. Điện trở Ri là điện trở tương đương giữa cực B và mass – đã xác định ở phần trước bằng (+1)RE . Nếu Ri lớn hơn nhiều so với R2 thì dòng IB nhỏ hơn dòng qua R2 rất nhiều có nghĩa là dòng I1 xấp xỉ bằng dòng I2. Khi đó điện áp trên R2 bằng điện áp VB xác định bởi phương trình:

Có thể xem Ri = ( + 1) RE  RE thì điều kiện để thỏa mãn phép tính gần đúng là:

Xác định điện áp VE:

Xác định dòng điện IE:

Và có thể xem:

Điện áp VCEQ:

Điểm tĩnh Q không phụ thuộc vào hệ số .

Trang 67

Hình 5.26.Cách xác định VB

5.4. Hệ số ổn định nhiệt

Các yếu tố gây bất ổn định điểm làm việc đó là: điện áp nguồn cung cấp, nhiệt độ…. Ở đây ta chỉ xét đến yếu tố nhiệt độ vì nó liên quan đến vấn đề phân cực cho transistor. Khi nhiệt độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến các thông số của transistor, thể hiện bởi các tham số sau:

- Dòng rỉ:

là độ biến thiên nhiệt độ làm dòng điện bão hòa ngược tăng gấp đôi, Trong đó thường bằng 10oC.

- Hệ số truyền đạt dòng điện α, β :

- Điện áp VBE ứng với IB = const:

Vậy khi nhiệt độ làm việc của transistor bị thay đổi làm các thông số trên của transistor thay đổi theo kết quả là điểm làm việc Q bị dịch chuyển trên đặc tuyến ngõ ra hình 5.27.

Hình 5.27. Điểm làm việc Q bị dịch chuyển khi nhiệt độ thay đổi a. 25oC, b. 1000C

Tiêu chuẩn đánh giá sự bất ổn định của mạch theo nhiệt độ là S, các hệ số bất ổn định là:

Trang 68

Ví dụ 5.1: Xét sự bất ổn định nhiệt của mạch hình 5.28:

Hình 5.28. Mạch phân cực bằng dòng cố định

Giải: Xét mạch vòng BE hình 5.28b:

Hình 5.28b. Mạch ngõ vào

Theo định luật Kirchhoff 2 cho mạch ngõ vào:

ta có:

Thay các công thức trên vào biểu thức VCC:

Trang 69

Suy ra:

Thay vào biểu thức trên:

Từ công thức tính hệ số bất ổn định nhiệt, ta có:

Hình 5.29. Đồ thị của S(ICO) theo RB/RE

- Nếu thì ta có:

- Nếu thì ta có:

- Nếu thì ta có :

Và cũng từ công thức trên, ta có:

Trang 70

Từ công thức trên ta thấy các hệ số bất ổn định nhiệt này có giá trị biên độ lớn nhất

khi khi có giá trị nhỏ và có giá trị càng lớn. Vậy RE đóng vai trò ổn

định nhiệt cho mạch.

Tóm lại, sự thay đổi của dòng IC theo các thông số của transistor khi nhiệt độ thay đổi là:

Ví dụ 5.2: Xét sự bất ổn định nhiệt của mạch hình 5.30:

Hình 5.30. Sơ đồ mạch khuếch đại bằng điện áp hồi tiếp

Giải:

Xét mạch vòng BE:

Lấy vi phân biểu thức IB theo IC, ta được:

Từ đó ta tính hệ số bất ổn định nhiệt:

Khi mạch không có RE thì:

B

Nếu R << R thì S -> 1. S càng nhỏ thì độ ổn định càng cao. Tuy nhiên độ ổn định C trong mạch này không thể nhỏ hơn 1 được.

Ví dụ 5.3: Xét sự bất ổn định nhiệt của mạch hình 5.31:

Trang 71

Hình 5.31. Sơ đồ mạch khuếch đại bằng cầu phân áp

Giải:

Sơ đồ mạch tương đương như hình 5.32.

Hình 5.32. Sơ đồ mạch khuếch đại bằng cầu phân áp tương đương

Xét mạch vòng BE:

Lấy vi phân biểu thức IB theo IC, ta được:

Từ đó ta tính hệ số bất ổn định nhiệt:

Khi RE càng lớn, RB càng bé thì S càng gần giá trị 1. Ta thấy S xấp xỉ 1 và luôn lớn hơn 1. Hơn nữa, hệ số S không phụ thuộc vào RC nghĩa là không phụ thuộc vào điểm làm việc tĩnh Q của mạch.

5.5. Các mạch phân cực cho FET

Đối với transistor trường thì mối quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra không tuyến tính phụ thuộc vào các thành phần trong phương trình Shockley. Mối quan hệ không tuyến tính giữa ID và VGS có thể phức tạp nếu dùng phương pháp toán học để phân tích cấu

Trang 72

hình mạch dc của FET. Phương pháp đồ thị giúp khảo sát nhanh các mạch khuếch đại dùng FET nhưng bị giới hạn về sai số.

Một sự khác nhau rõ rệt giữa phân tích transistor BJT và transistor FET là đối tượng điều khiển đối với transistor BJT là dòng điện còn đối với transistor FET là điện áp. Tuy nhiên trong cả 2 trường hợp tín hiệu ra là dòng điện và sẽ xác định điện áp ra.

Mối quan hệ tổng quát có thể được áp dụng để phân tích dc cho tất cả các mạch khuếch đại dùng FET:

Đối với JFET và MOSFET loại hiếm thì phương trình Shockley có thể áp dụng để diễn tả mối quan hệ giữa các đại lượng vào ra:

Đối với MOSFET loại tăng thì phương trình sau có thể áp dụng được:

5.5.1. Các mạch phân cực cho JFET

a. Mạch phân cực cố định

Mạch phân cực cố định sử dụng JFET kênh n như hình 5.33. Trong đó tụ C1 và tụ C2 là các tụ liên lạc đối với tín hiệu vào và tín hiệu ra, khi phân tích dc thì các các tụ điện này xem như hở mạch, điện trở RG có tác dụng đối với tín hiệu vào mạch khuếch đại FET khi phân tích ac. Khi phân tích dc thì:

Hình 5.33. Mạch phân cực cố định Hình 5.34. Mạch để phân tích dc

Điện áp trên điện trở RG bằng 0V nên có thể bỏ điện trở RG ra khỏi mạch, mạch điện còn lại như hình 5.34. Kết quả điện áp tại 2 cực GS như sau:

Do VGG là điện áp cung cấp cố định nên điện áp VGS cũng có giá trị cố định nên mạch được gọi là mạch phân cực cố định.

Dòng điện ID được xác định bởi phương trình:

Trang 73

Phân tích bằng đồ thị đòi hỏi phải vẽ đồ thị của phương trình Shockley được trình bày như hình 5.35.

Hình 5.35. Đồ thị của phương trình Shockley Hình 5.36. Xác định điểm Q

Trong hình 5.36 ta vẽ đường thẳng tại điểm có giá trị điện áp VGS = -VGG , đường thẳng này cắt đồ thị của phương trình Shockley tại 1 điểm – điểm này còn được gọi là điểm làm việc Q. Điểm tĩnh Q có tọa độ VGS và ID.

Điện áp VDS có thể được xác định:

Vì cực S nối mass nên:

Suy ra:

b. Mạch tự phân cực

Mạch tự phân cực sẽ loại bỏ bớt 1 nguồn cung cấp dc. Điện áp điều khiển cực GS

được xác định bằng điện áp rơi trên điện trở RS như trong hình 5.37.

Hình 5.37. JFET với cấu hình tự phân cực Hình 5.38. Phân tích mạch

Khi phân tích tín hiệu dc thì các tụ điện xem như hở mạch và điện trở RG xem như ngắn mạch vì dòng qua RG bằng 0A. Khi đó mạch điện được vẽ lại như hình 5.38.

Dòng điện chạy qua điện trở RS là dòng IS và IS = ID:

Điện áp VGS được xác định:

Trang 74

Chú ý trong trường hợp này điện áp VGS là hàm biến thiên theo dòng điện ID nên biên độ sẽ không cố định so với mạch phân cực cố định.

Thay giá trị điện áp VGS vào phương trình Shockley 1 được:

Bình phương 2 vế và sắp xếp phương trình theo biến ID được phương trình có dạng như sau:

Giải phương trình tìm dòng điện ID. Phương pháp vừa trình bày ở trên là phương pháp toán học, sau đây sẽ trình bày

phương pháp đồ thị để xác định dòng điện ID.

Ta phải vẽ đặc tính truyền đạt như hình 5.39.

Hình 5.39. Đặc tuyến truyền đạt của transistor

Hình 5.40. Đường tải DCLL trên đặc tuyến truyền đạt

Đồ thị của phương trình đường tải tĩnh cắt đặc tính truyền đạt tại 1 điểm và đó

chính là điểm tĩnh cần xác định dòng điện ID và điện áp VGS. Điện áp VDS có thể xác định bằng phương trình:

Điện áp VS:

Điện áp VG:

Điện áp VD:

Trang 75

c. Mạch phân cực bằng cầu phân áp

Mạch phân cực bằng cầu phân thế của FET thì cũng giống như mạch đã áp dụng đối với BJT có cấu hình mạch như hình 5.41.

Hình 5.41. Mạch khuếch đại phân áp Hình 5.42. Tách nhánh ngõ vào

Đối với BJT thì dòng điện ngõ vào IB có ảnh hưởng đến các mức điện áp dc còn đối với FET thì dòng điện ngõ vào IG bằng 0A. Khi đó ta vẽ lại mạch như hình 5.42.

Điện áp cực G được xác định bởi phương trình:

Suy ra điện áp VGS:

Đồ thị của phương trình trong hình 5.43.

Hình 5.43. Xác định điểm Q

Các giá trị của điểm tĩnh Q cũng được xác định giống như mạch tự phân cực với các thông số như sau:

Trang 76

5.5.2. Các mạch phân cực cho MOSFET

a. MOSFET kênh có sẵn

Sự giống nhau giữa các đường cong của JFET và MOSFET kênh có sẳn cho phép phân tích phân cực dc giống nhau.

Sự khác nhau cơ bản là MOSFET kênh có sẳn cho phép các điểm hoạt động với

các giá trị dương của VGS và ID lớn hơn giá trị IDSS.

Trong thực tế đối với tất cả các cấu hình đã khảo sát thì việc phân tích JFET có thể thay thế bằng MOSEFET kênh có sẳn.

b. MOSFET kênh cảm ứng

Các đặc tính của MOSFET kênh chưa có sẵn hoàn toàn khác với JFET và MOSFET kênh có sẳn ở điểm là dòng điện cực máng của MOSFET kênh chưa có sẳn bằng 0 khi điện áp VGS nhỏ hơn điện áp ngưỡng VTh như được trình bày trong hình 5.44. Khi điện áp VGS lớn hơn VTh thì dòng điện cực máng xác định theo phương trình Shockley 2:

Do bảng thông số của MOSFET thường cung cấp giá trị điện áp ngưỡng của dòng điện ID(on) và giá trị điện áp VGS(on) tương ứng. Hai điểm này được xác định trong hình và từ các giá trị đã cho ta tính hệ số k theo 5.44, từ phương trình phương trình:

Khi thông số k đã xác định thì các giá trị khác của dòng ID có thể xác định đối với các giá trị đã chọn của VGS.

Hình 5.44. Đặc tuyến truyền đạt của E_MOSFET

b1. Mạch phân cực hồi tiếp

Sơ đồ mạch phân cực như hình 5.45. Do dòng IG = 0 mA nên VRG = 0V khi đó mạch điện tương đương như hình 5.46.

Trang 77

Hình 5.45. Mạch khuếch đại có hồi tiếp cực G Hình 5.46. Mạch rút gọn

Đối với mạch điện ngõ ra ta có phương trình:

Có thể thay VGS = VDS ta được:

Vẽ đồ thị của 2 phương trình trên như hình 5.47 ta xác định được điểm tĩnh Q và

xác định được dòng điện ICQ và điện áp VGSQ.

Hình 5.47. Xác định điểm tĩnh Q

b2. Mạch phân cực bằng cầu phân áp

Sơ đồ mạch như hình 5.48.

Hình 5.48. Mạch phân cực bằng cầu phân áp

Dòng điện IG = 0mA nên điện áp VG được xác định theo công thức:

Trang 78

Áp dụng định luật Kirchhoff suy ra điện áp VGS:

Vẽ đồ thị của 2 phương trình như hình 5.49, xác định được điểm tĩnh Q và xác

định được dòng điện ICQ và điện áp VGSQ.

Áp dụng định luật Kirchhoff đối với ngõ ra tính được:

.

Hình 5.49. Xác định điểm Q

Câu hỏi ôn tập

B

Câu 1. Cho sơ đồ mạch như hình vẽ BT5.1. Biết BJT loại Silic, β = 80, R =

CC

300kΩ, R = 18V. = 2kΩ và V C

Hình BT 5.1

a. Xác định điểm làm việc tĩnh Q của mạch. b. Vẽ đồ thị.

c. Xác định điện áp trên các chân của BJT. Câu 2. Cho sơ đồ mạch như hình vẽ BT5.2. Biết BJT loại Silic, β = 120, RB =

470kΩ, RC = 2,2kΩ, RE = 0,56kΩ và VCC = 20V. a. Xác định điểm làm việc tĩnh Q của mạch. b. Vẽ đồ thị. c. Xác định điện áp trên các chân của BJT.

Trang 79

Hình BT5.2.

Câu 3. Cho sơ đồ mạch như hình vẽ BT5.3.

Hình BT5.3.

Biết BJT loại Silic, β = 90, RB = 250kΩ, RC = 4,7kΩ, RE = 1,2kΩ và VCC = 10V. a. Xác định điểm làm việc tĩnh Q của mạch. b. Xác định điện áp trên các chân của BJT. Câu 4. Cho sơ đồ mạch như hình vẽ BT5.4. Biết BJT loại Silic, β = 125, R1 =

40kΩ, R2 = 4kΩ, RC = 20kΩ, RE = 2kΩ và VCC = 22V. a. Xác định điểm làm việc tĩnh Q của mạch. b. Vẽ đồ thị. c. Xác định điện áp trên các chân của BJT.

Hình BT5.4.

Trang 80

Câu 5. Cho sơ đồ mạch như hình vẽ BT5.5. Biết JFET kênh N có: IDSS = 10mA, VP

= - 8V, RD = 2kΩ, RG = 1MΩ và VDD = 16V, VGG = 2V. a. Xác định điểm làm việc tĩnh Q của mạch. b. Xác định điện áp trên các chân của JFET.

Hình BT5.5. Câu 6. Cho sơ đồ mạch như hình vẽ BT5.6. Biết JFET kênh N có: IDSS = 10mA, VP = - 3V, RD = 2,7kΩ, RS = 452Ω, RG = 1MΩ và VDD = 15V.

a. Xác định điểm làm việc tĩnh Q của mạch. b. Xác định điện áp trên các chân của JFET.

Hình BT5.6.

Câu 7. Cho sơ đồ mạch như hình vẽ BT5.7.

Hình BT5.7.

Biết JFET kênh N có: IDSS = 10mA, VP = - 3V, RD = 2,7kΩ, RS = 452Ω, RG = 1MΩ và VDD = 15V.

Trang 81

a. Xác định điểm làm việc tĩnh Q của mạch. b. Xác định điện áp trên các chân của JFET. Câu 8. Cho đặc tính của transistor như hình BT5.8a, hãy xác định Vcc, RB và RC của mạch hình BT5.8b.

Hình BT5.8. Đặc tính và mạch khuếch đại

Câu 9. Cho ICQ = 2mA và VCEQ = 10V , hãy xáx định R1 và RC của mạch điện như hình BT5.9.

Hình BT5.9. Mạch khuếch đại phân cực bằng cầu phân áp

Câu 10. Cấu hình mạch phân cực hình BT5.10 có các thông số cho trước ICQ = ½

ICSat , ICSat = 8mA và  = 110. Hãy xác định RC, RE và RB.

Hình BT5.10. Mạch phân cực ổn định cực E

Câu 11. Hãy xác định các giá trị điện trở của mạch điện hình BT5.11 với điểm làm

việc và điện áp nguồn cung cấp cho trong mạch và .

Trang 82

Hình BT5.11. Mạch khuếch đại ổn định cực E

Trang 83

Chƣơng 6

MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ

6.1. Giới thiệu chung

Cấu trúc cơ bản, kí hiệu và các đặc tính của transistor đã được giới thiệu ở chương 3. Phân cực cho transistor đã trình bày chi tiết ở chương 4. Bây giờ sẽ khảo sát đáp ứng tín hiệu ac của mạch khuếch đại transistor đối với tín hiệu nhỏ.

Một trong những vấn đề quan tâm trong quá trình phân tích các mạch transistor là biên độ của tín hiệu ngõ vào và ngõ ra. Trước tiên cần phải xác định biên độ tín hiệu vào lớn hay nhỏ để kỹ thuật nào được áp dụng. Không có một ranh giới nào để phân biệt nhưng trong các ứng dụng biên độ có thể thay đổi liên quan đến các đặc tính của linh kiện. Trong chương này sẽ trình bày phần phân tích biên độ tính hiệu vào nhỏ.

Một mô hình thường được sử dụng trong phân tích ac tín hiệu nhỏ của mạch transistor là: mô hình thông số lai -h (hybrid).

6.2. Đặc trƣng cơ bản của một tầng khuếch đại

Hình 6.1. Sơ đồ khối của mạch khuếch đại

Từ sơ đồ khối của bộ khuếch đại, ta có:

- Tổng trở vào Zi: Tổng trở vào Zi được xác định bởi định luật Ohm có phương trình:

- Tổng trở ra Zo: Tổng trở ra thường được xác định tại các đầu ngõ ra nhưng hoàn toàn khác với tổng trở ngõ vào: tổng trở ra được xác định tại các đầu ngõ ra nhìn vào hệ thống khi không có tín hiệu ở ngõ vào.

Tổng trở ra xác định theo phương trình:

- Độ lợi điện áp:

Một trong những đặc tính quan trọng nhất của mạch khuếch đại là độ lợi điện áp, chính là tỷ số điện áp ngõ ra và ngõ vào:

Đối với hệ thống hình 6.1, độ lợi áp toàn mạch là:

Trang 84

- Độ lợi dòng điện:

Độ lợi dòng điện được xác định bởi phương trình:

Đối với hệ thống như hình 6.1 dòng điện ngõ vào và dòng điện ngõ ra được xác định:

và

Khi đó độ lợi dòng điện:

- Độ lợi công suất:

- Mối quan hệ về pha:

Mối quan hệ và pha của tín hiệu vào và tín hiệu ra dạng sin rất quan trọng. Đối với các mạch khuếch đại transistor ở dãi tần trung bình cho phép bỏ qua ảnh hưởng của các phần tử dung kháng, tín hiệu vào và tín hiệu ra có thể cùng pha hoặc ngược pha nhau 180 tùy theo đặc tính của mạch.

6.3. Mô hình của BJT

6.3.1. Mạng 2 cửa

, T Một mạng 2 cửa tuyến tính có thể đưa về mô hình tương đương là mô hình hay mô hình h theo các tham số vi phân y, z hay h. Ở đây ta chỉ khảo sát mô hình mạng 2 của theo tham số h.

Xét mô hình mạng hai cửa tuyến tính như hình 6.2.

Hình 6.2. Mạng hai cửa

Trong đó

- , : là dòng điện và điện áp ngõ vào của mạng hai cửa.

Trang 85

- , : là dòng điện và điện áp ngõ ra của mạng hai cửa.

Ta có phương trình theo tham số vi phân h của mạng hai cửa tuyến tính là:

Từ 2 phương trình trên ta suy ra được:

là điện trở ngõ vào khi ngõ ra bị ngắn mạch

là hệ số truyền ngược điện áp khi ngõ vào hở mạch

là hệ số truyền thuận dòng điện khi ngõ ra ngắn mạch

là điện dẫn ngõ ra khi ngõ vào hở mạch

Từ 2 phương trình hik ta vẽ được mô hình theo tham số hik như hình 6.3.

Hình 6.3. Mô hình theo thông số h của mạng hai cửa tuyến tính

6.3.2. Mô hình tương đương của BJT

(Xét cho từng mạch CE, CB, CC)

Khi BJT làm việc với tín hiệu nhỏ, có nghĩa là trên cơ sở điện áp một chiều phân cực cho hai tiếp giáp JE và JC (xác định điểm làm việc tĩnh Q) khi có thêm tín hiệu xoay chiều ở ngõ vào có biên độ nhỏ thì BJT khuếch đại để đưa tín hiệu xoay chiều này đến ở ngõ ra nhưng có biên độ lớn hơn. Ở trạng thái đó (trạng thái động tín hịêu nhỏ), một cách gần đúng có thể coi BJT như một phần tử tuyến tính. Điều này hoàn toàn cho phép, vì ta đã thấy trên các đường đặc tuyến vôn-ampe của BJT ở chương 3 có thể xem là một đường thẳng tuyến tính trong những vùng lân cận của điểm làm việc của BJT nằm trong vùng khuếch đại.

Mặc dù BJT có nhiều cách mắc khác nhau (CE, CB, CC) nhưng tất cả có thể xem là một mạng hai cửa, vậy có thể thay BJT ở trạng thái động tín hiệu nhỏ bằng một mạng hai cửa tuyến tính. Khi đó có thể dùng mô hình tương đương của mạng hai cửa cho mô hình tương đương của BJT với các tham số vi phân được thể hiện bằng sự biến thiên nhỏ của dòng hay áp khi BJT hoạt động được gọi là tham số vi phân của BJT. Tùy theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn đại lượng phụ thuộc và không phụ thuộc thông qua các tham số để biễu diễn khả năng hoạt động của BJT.

Trang 86

Lưu ý: Các tham số vi phân hik chính là các tham số xoay chiều, chúng biểu thị cho độ dốc (hoặc nghịch đảo độ dốc) của các đặc tuyến tĩnh tương ứng, vì vậy chúng thay đổi theo điểm làm việc tương ứng.

Mạch điện hình 6.3 có thể áp dụng đối với bất kỳ linh kiện điện tử 3 cực tuyến tính hoặc các hệ thống không có nguồn độc lập bên trong. Do đó đối với transistor có 3 cấu hình cơ bản thì mạch điện tương cũng có dạng như hình 6.4.

Hình 6.4. Cấu hình mạch tương đương của transistor

a. Mạch CE

, điện áp vào là và dòng ra . Dòng

Cấu hình mạch tương đương của transistor cực E chung như hình 6.5, trong đó các thông số được thêm vào chữ e để phân biệt đây là cấu hình mạch tương đương cực E và chung. Chú ý dòng vào điện áp ra là .

Mạch CE trong hình 6.5a và mô hình tương đương của BJT mắc CE như hình 6.5b.

Hình 6.5. a. Mạch CE; b. Mô hình tương đương của mạch CE

Phương trình của mạch CE:

Trong đó các tham số vi phân của CE

Trang 87

* Xác định các giá trị thông số của BJT bằng đồ thị

- Xác định hie: Sử dụng thông số rik ở mạch tương đương vật lý như hình 6.6 để xác định thông số hik:

Hình 6.6. Mô hình rik

Trong đó:

Xét đường đặc tuyến ngõ vào khi cố định như hình 6.7

Hình 6.7. Đặc tuyến ngõ vào trong mạch CE

Từ hình 6.7 ta có:

Tại nhiệt độ phòng t = 25oC:

Đặt

Vậy:

Trang 88

được chọn để nhấn mạnh rằng dòng điện dc tại cực E

Chú ý chữ e trong điện trở xác định giá trị điện trở của mối nối JE.

- Xác định hre: hre.uCE là 1 nguồn áp, nó thể hiện ảnh hưởng của điện áp ngõ ra đối với điện áp ngõ vào, tức thể hiện sự truyền đạt điện áp theo chiều ngược. Trên thực tế, hre có giá trị rất bé nên nguồn áp này được xem như có giá trị bằng 0, có thể bỏ qua đại lượng này.

Xét đường đặc tuyến ngõ vào khi cố định như hình 6.8

Hình 6.8. Đặc tuyến ngõ vào trong mạch CE

Từ hình 6.8 ta có:

- Xác định hfe:

Xét đường đặc tuyến ngõ ra, khi cố định như hình 6.9.

Hình 6.9. Đặc tuyến ngõ ra trong mạch CE

Từ hình 6.9 ta có:

- Xác định hoe:

Xét đường đặc tuyến ngõ ra, khi cố định như hình 6.10

Trang 89

Hình 6.10. Đặc tuyến ngõ ra trong mạch CE

Từ hình 6.10 ta có:

, kết quả là ngắn mạch phần tử này. Đại lượng nên nhỏ có thể xem Đối với cấu hình cực E chung thì giá trị của thông số hr là một đại lượng tương đối

thường có giá trị rất lớn nên có thể bỏ qua nếu so sánh với 1 điện trở tải, kết quả mô hình tương đương gần đúng của transistor cấu hình cực E chung như hình 6.11

Hình 6.11. Mô hình tương đương gần đúng của BJT

Thông thường người ta cũng sử dụng mô hình gần đúng của BJT như hình 6.12.

Hình 6.12. Mô hình gần đúng của BJT

b. Mạch CB Cấu hình mạch tương đương của transistor cực B chung như hình 6.13a, trong đó các thông số được thêm vào chữ b để phân biệt đây là cấu hình mạch tương đương cực B và điện áp ra là chung. Chú ý dòng vào . Điện áp vào là và dòng ra

.

Mạch CB trong hình 6.13a và mô hình tương đương của BJT mắc CE như hình 6.13b.

Trang 90

Hình 6.13. a. Mạch CB; b. Mô hình tương đương của mạch CB

Phương trình của mạch CB:

Trong đó các tham số vi phân của CB

- Xác định thông số hib: Sử dụng thông số rik ở mạch tương đương vật lý như hình 6.14 để xác định thông số hie:

Hình 6.14. Mô hình mạch CB

- Xác định thông số hrb:

Trang 91

- Xác định thông số hfb:

- Xác định thông số hob:

Sơ đồ tương đương gần đúng của BJT mắc CB trong hình 6.15.

Hình 6.15. Mô hình tương đương gần đúng của mạch CB

Bảng chuyển đổi thông số giữa các dạng mạch CE và CB cùng BJT:

c. Mạch CC

Mô hình mạch CC của BJT ít được sử dụng, nên ở đây không xây dựng mô hình cho mạch CC của BJT. Đối với mạch CC, sử dụng mô hình BJT giống mạch EC.

6.4. Mô hình của FET

Cũng tương tự như BJT, để thực hiện việc phân tích ac của mạch dùng FET, cần phải xây dựng mô hình tương đương của FET. Có nhiều dạng mạch khuếch đại dùng FET (CS, CD và CG) nhưng đều có thể coi tương đương như một mạng hai cửa và khi FET hoạt động với tín hiệu nhỏ thì hoàn toàn tương đương mạng hai cửa tuyến tính. Vì

Trang 92

vậy ta có thể áp dụng mô hình tương đương của mạng hai cửa tuyến tính để mô hình hóa FET.

Hình 6.16. Mô hình tương đương của FET

6.4.1. JFET

Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ của JFET mắc SC như sau:

Hình 6.17. Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ của JFET mắc SC

Trong đó thông số độ xuyên dẫn gm được định nghĩa:

Với là độ xuyên dẫn của JFET tại .

Hình 6.18. Xác định gm trên đặc tuyến truyền đạt

Và rd điện trở máng nguồn:

Trang 93

Hình 6.19. Xác định rd trên đặc tuyến ngõ ra

Đối với JFET, mối quan hệ giữa dòng điện ngõ ra và điện áp ngõ vào là:

6.4.2. MOSFET

a. D_MOSFET

Do phương trình truyền đạt của D_MOSFET cũng giống như JFET nên các thông số tính toán trong mô hình cũng tương tự như JFET.

b. E_MOSFET

Hình 6.20. Xác định gm trên đặc tuyến truyền đạt

Trang 94

6.4.3. Các chỉ tiêu của bộ khuếch đại dùng FET

Các mạch khuếch đại dùng FET chỉ có 3 thông số:

- Tổng trở vào Zi: Tổng trở vào Zi được xác định bởi định luật Ohm có phương trình:

- Tổng trở ra Zo: Tổng trở ra thường được xác định tại các đầu ngõ ra nhưng hoàn toàn khác với tổng trở.

Sự khác nhau đó là: tổng trở ra được xác định tại các đầu ngõ ra nhìn vào hệ thống khi không có tín hiệu ở ngõ vào.

Tổng trở ra xác định theo phương trình:

- Độ lợi điện áp:

Một trong những đặc tính quan trọng nhất của mạch khuếch đại là độ lợi điện áp, chính là tỷ số điện áp ngõ ra và ngõ vào:

Đối với hệ thống hình 6.1, độ lợi áp toàn mạch là:

Mối quan hệ về pha:

Mối quan hệ và pha của tín hiệu vào và tín hiệu ra dạng sin rất quan trọng. Đối với các mạch khuếch đại transistor ở dãi tần trung bình cho phép bỏ qua ảnh hưởng của các phần tử dung kháng, tín hiệu vào và tín hiệu ra có thể cùng pha hoặc ngược pha nhau 180 tùy theo đặc tính của mạch.

6.5. Các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ thông dụng dùng BJT

6.5.1. Mạch khuếch đại CE

Mạch khuếch đại Emitter chung như hình 6.21.

Hình 6.21. Mạch khuếch đại CE

Trang 95

En là nguồn tín hiệu xoay chiều cần khuếch đại. Rn là điện trở trong của nguồn En; Rt là điện trở tải. C1 là tụ liên lạc ngõ vào, tụ C1 có tác dụng cho tín hiệu xoay chiều đi qua, đồng thời ngăn thành phần tín hiệu 1 chiều ảnh hưởng đến nguồn xoay chiều.

C2 là tụ liên lạc ngõ ra, tụ C2 có tác dụng cho tín hiệu xoay chiều đi qua tải, đồng thời ngăn thành phần tín hiệu 1 chiều ảnh hưởng đến điện trở tải Rt.

Sơ đồ mạch tương đương tín hiệu nhỏ như hình 6.22.

Hình 6.22. Mạch tương đương tín hiệu nhỏ

Xác định các thông số của mạch gồm: tổng trở vào, tổng trở ra, hệ số khuếch đại điện áp, hệ số khuếch đại dòng điện.

- Tổng trở vào:

Trong đó:

- Tổng trở ra:

Được xác định khi tín hiệu vào en = 0, suy ra ii = ib = 0 nên có thể xem là hở mạch nguồn dòng như hình 6.23.

Hình 6.23. Mạch xác định tổng trở ngõ ra khi vi = 0 Kết quả là tổng trở ra:

- Tính hệ số khuếch đại dòng điện:

Trong đó:

Trang 96

Lập tỉ số:

Suy ra:

- Tính hệ số khuếch đại điện áp:

Trong đó:

Lập tỉ số:

Nếu Rn = 0 thì:

Hay Av có thể xác định theo Ai như sau:

Nếu Rn = 0 thì:

Xét mạch điện như hình 6.24:

Hình 6.24. Mạch khuếch đại E chung

Mạch điện tương đương được phân tích như sau: giả sử tín hiệu vào là ac đã được xác định. Do chỉ xét đến tín hiệu ac nên tất cả các nguồn dc có thể xem như ngắn mạch do chúng chỉ xác định điện áp dc ở ngõ ra mà không xác định biên độ dao động ngõ ra. Trang 97

Mạch điện tương đương như hình 6.25. Các tụ liên lạc ac xem như nối tắt C1 và C2 và tụ bypass C3 được chọn sao cho có tổng trở rất nhỏ tại tần số của tín hiệu và nối tắt điện trở RE.

Sơ đồ mạch hình 6.24 được vẽ lại như hình 6.25.

Hình 6.25. Mạch điện khi chỉ xét tín hiệu xoay chiều

Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ của mạch hình 6.25 như hình 6.26.

Hình 6.26. Mạch tương đương tín hiệu nhỏ

Xác định các thông số: tổng trở vào, tổng trở ra, hệ số khuếch đại điện áp, hệ số khuếch đại dòng điện:

- Tổng trở vào:

- Tổng trở ra: Được xác định khi tín hiệu vào , suy ra nên có thể

xem là hở mạch nguồn dòng.

Kết quả tổng trở ra là:

- Hệ số khuếch đại điện áp:

Điện áp ra:

Suy ra điện áp ra vo:

Điện áp vào:

Hệ số khuếch đại điện áp:

- Hệ số khuếch đại dòng:

Nếu thì:

Trang 98

Mối liên hệ về pha: dấu trừ “-” trong hệ số khuếch đại áp chứng tỏ tín hiệu ra đảo

pha 180 so với tín hiệu vào như hình 6.27:

Hình 6.27. Minh họa tín vào và ra đảo pha

Ảnh hưởng của điện trở ( hay ): nếu xét thêm điện trở ( trường hợp nếu

không lớn hơn điện trở hơn 10 lần) thì trong mạch điện hình 6.27 phần

điện trở ngõ ra có dạng như hình 6.28.

Hình 6.28. Xét ảnh hưởng của

Khi đó tổng trở ra Zo được xác định:

Khi đó hệ số khuếch đại điện áp:

Hệ số khuếch đại dòng điện:

Dòng điện ngõ ra:

Suy ra hệ số khuếch đại:

Vậy mạch khuếch đại CE có độ lợi áp và độ lợi dòng lớn nên thường được sử dụng để khuếch đại tín hiệu, độ lệch pha giữa tín hiệu vào và ra là 1800.

6.5.2. Mạch khuếch đại CB Xét mạch mắc CB như hình 6.29.

Trang 99

Hình 6.29. Mạch khuếch đại cực B chung

Ta có sơ đồ mạch tương đương như hình 6.30.

Hình 6.30. Mạch tương đương CB

- Tổng trở ngõ vào:

- Tổng trở ngõ ra: Tổng trở ra (khi không xét đến tải Rt), lúc này RE và hib bị ngắn mạch do vi = 0.

- Độ lợi điện áp:

=>

- Độ lợi dòng điện:

Vậy mạch CB có đặc điểm là độ lợi điện áp lớn nhưng độ lợi dòng bé, tín hiệu vào và ra cùng pha. Nhưng tổng trở mạch này khá bé do vậy phải cải thiện tổng trở ngõ vào của mạch. Ứng dụng được sử dụng trong các mạch khuếch đại tần số cao.

6.5.3. Mạch khuếch đại CC Xét mạch khuếch đại mắc CC như hình 6.31.

Trang 100

Hình 6.31. Mạch khuếch đại CC

Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ của mạch hình 6.31 trong hình 6.32.

Hình 6.32. Mạch tương đương tín hiệu nhỏ

Hình 6.33. Mạch tương đương tín hiệu nhỏ rút gọn

- Tổng trở vào Zi: Tổng trở vào Zi được xác định bởi định luật Ohm có phương trình:

Với:

Hay

- Tổng trở ra Zo:

Trang 101

Tổng trở ra xác định theo phương trình:

ta có:

hay

Từ công thức trên, ta vẽ lại mạch hình 6.32 như hình 6.34.

Hình 6.34. Mạch tính tổng trở ra

Vậy:

Nếu RE lớn hơn nhiều lần re thì:

* Hoặc ta có thể tính tổng trở ngõ ra theo sơ đồ mạch hình 6.35

Hình 6.35. Mạch tương đương tín hiệu nhỏ khi vi = 0

- Độ lợi điện áp:

Trang 102

Một trong những đặc tính quan trọng nhất của mạch khuếch đại là độ lợi điện áp ac tín hiệu nhỏ được xác định bởi phương trình:

Vậy mạch CC không khuếch đại điện áp và có độ lệch pha giữa tín hiệu vào và ra bằng 0.

- Độ lợi dòng:

Vậy mạch CC có điện áp vào và ra cùng pha, độ lợi áp xấp xỉ bằng 1 có nghĩa là mạch CC là mạch lặp (lặp lại tín hiệu) nhưng do mạch có tổng trở ngõ vào lớn và tổng trở ra bé nên được sử dụng làm mạch đệm (cách ly ngõ vào và ra).

6.6. Các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ thông dụng dùng FET 6.6.1. Mạch CS Xét mạch SC như hình 6.36.

Hình 6.36. Mạch khuếch đại SC

Sơ đồ mạch SC đối với tín hiệu nhỏ:

Hình 6.37. Mạch tương đương tín hiệu nhỏ

Sơ đồ rút gọn:

Trang 103

Hình 6.38. Mạch tương đương tín hiệu nhỏ rút gọn

- Tổng trở ngõ vào:

- Tổng trở ngõ ra:

Hình 6.39. Mạch tính tổng trở ngõ ra

Vậy mạch CS có thông số giống như mạch mắc CE của BJT: độ lợi áp lớn, tín hiệu vào và ra lệch pha 1800, nhưng mạch dùng FET có điện trở ngõ vào lớn hơn nhiều.

- Độ lợi áp:

Suy ra hệ số khuếch đại áp là:

Nếu lớn hơn rất nhiều thì:

6.6.2. Mạch CD

Xét mạch khuếch đại mắc như hình 6.40, sơ đồ mạch tương đương của mạch hình 6.40 trong hình 6.41.

Trang 104

Hình 6.40. Mạch khuếch đại CD Hình 6.41. Mạch tương đương CD

- Tổng trở ngõ vào:

- Tổng trở ngõ ra:

Hình 6.42. Mạch xác định tổng trở ngõ ra trong mạch CD

Ta có:

Vậy tổng trở ra là:

Vậy mạch CD có thông số giống như mạch mắc CC của BJT: độ lợi áp bằng 1, tín hiệu vào và ra cùng pha, ứng dụng nó là mạch khuếch đại đệm.

- Độ lợi áp:

Trang 105

Ta có:

Suy ra hệ số khuếch đại áp là:

Nếu rd lớn hơn rất nhiều RS thì:

6.6.3. Mạch CG

Xét mạch khuếch đại CG như hình 6.43, sơ đồ tương tương hình 6.44.

Hình 6.43. Mạch khuếch đại CG

Hình 6.44. Mạch tương đương CG

- Tổng trở ngõ vào:

- Tổng trở ngõ ra:

- Độ lợi áp:

Ta có:

Suy ra hệ số khuếch đại áp là:

Vậy mạch CG có thông số giống như mạch mắc CB của BJT: độ lợi áp lớn, tín hiệu vào và ra cùng pha.

Trang 106

Câu hỏi ôn tập

Câu 1. Cho sơ đồ mạch khuếch đại như hình BT6.1. Đây là mạch khuếch đại mắc kiểu:

A. Emitter chung B. Base chung

C. Collector chung D. Chưa xác định.

Hình BT6.1.

Câu 2. Cho sơ đồ mạch khuếch đại như hình BT6.2. Đây là mạch khuếch đại mắc

kiểu:

A. Emitter chung B. Base chung

C. Collector chung D. Chưa xác định.

Hình BT6.2.

Câu 3. Cho sơ đồ mạch khuếch đại như hình BT6.3. Đây là mạch khuếch đại mắc kiểu:

A. Emitter chung B. Base chung

C. Collector chung D. Chưa xác định.

Hình BT6.3.

Câu 4. Cho sơ đồ mạch điện như hình vẽ BT6.4. Giá trị tổng trở ngõ vào được xác định bằng biểu thức nào sau:

A. B.

Trang 107

C. D.

Hình BT6.4.

Câu 5. Cho sơ đồ mạch điện như hình vẽ BT6.5. Giá trị hie được xác định bằng biểu thức nào sau:

A. B.

C. D.

Hình BT6.5.

Câu 6. Cho sơ đồ mạch điện như hình vẽ BT6.6. Giá trị tổng trở ngõ ra được xác định bằng biểu thức nào sau:

A. B.

C. D.

Hình BT6.6.

Câu 7. Cho sơ đồ mạch điện như hình vẽ BT6.7. Hệ số khuếch đại dòng điện trong mạch được xác định bằng biểu thức nào sau:

Hình BT6.7.

A. B.

Trang 108

C. D.

Câu 8. Cho sơ đồ mạch điện như hình vẽ BT6.8. Hệ số khuếch đại điện áp trong mạch được xác định bằng biểu thức nào sau:

A. B.

C. D.

Hình BT6.8.

Câu 9. Cho sơ đồ mạch điện như hình vẽ BT6.9. Giá trị hfe được xác định bằng biểu thức nào sau:

A. B.

C. D.

Hình BT6.9.

Câu 10. Cho sơ đồ mạch khuếch đại Emitter chung như hình BT6.10.

Hình BT6.10.

B1

B2

E

Biết BJT loại Silic, β = 100, R = 48kΩ, R = 12kΩ, R = 500Ω, V = 2kΩ, R C CC = 2kΩ. = 20V, R t

a. Xác định điểm làm việc tĩnh Q của mạch.

Trang 109

b. Vẽ sơ đồ tương đương đối với tín hiệu xoay chiều.

, Z c. Tính Z i . o

B1

B2

oe = 3kΩ, R

fe = 300Ω, V E

CC

re = 100Ω. n

t

= 2,2kΩ, R = 10kΩ, R =β= 60, h = 0, R = h Silic có h d. Tính hệ số khuếch đại dòng điện, điện áp. Câu 11. Cho sơ đồ mạch khuếch đại Emitter chung như hình BT6.11. Biết BJT loại = C = 600Ω, h E 1,2kΩ, R = βr ie = 9V, R

a. Xác định điểm làm việc tĩnh Q của mạch. b. Vẽ sơ đồ tương đương đối với tín hiệu xoay chiều.

, Z c. Tính Z i . o

d. Tính hệ số khuếch đại dòng điện, điện áp.

Hình BT6.11.

Câu 12. Cho sơ đồ mạch khuếch đại Emitter chung như hình BT6.12 với các thông số như trên hình vẽ.

Hình BT6.12.

a. Nêu chức năng của các tụ trong mạch. b. Xác định điểm làm việc tĩnh Q ở chế độ 1 chiều. c. Vẽ sơ đồ mạch tương đương đối với tín hiệu xoay chiều.

i

O

d. Tính Z , Z và hệ số khuếch đại dòng điện, điện áp.

Trang 110

Chƣơng 7

CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP TẦNG

Các mạch điện tử thường bao gồm nhiều tầng khuếch đại ghép nối tiếp nhau để nâng hệ số khuếch đại của mạch hay để phối hợp trở kháng,…, mỗi một tầng khuếch đại có thể dùng một hay nhiều transistor để thực hiện nhiệm vụ riêng. Để ghép nối tiếp nhiều tầng khuếch đại ta có thể dùng một trong ba cách ghép như sau:

- Ghép bằng tụ liên lạc (ghép RC). - Ghép biến áp. - Ghép trực tiếp. Sơ đồ khối của mạch khuếch đại bao gồm nhiều tầng khuếch đại như hình 7.1.

7.1. Giới thiệu chung Như chúng ta đã biết, hình thức mạch điện của các tầng khuếch đại có thể là không giống nhau, sử dụng các linh kiện khác nhau... nhưng tổng quát chúng có thể được coi là những mạng 4 cực. Mỗi mạng 4 cực được đặc trưng bằng các thông số trở kháng vào, trở kháng ra, hệ số khuếch đại dòng điện, điện áp,...

Hình 7.1. Sơ đồ khối của mạch khuếch đại ghép nhiều tầng Khi ghép các tầng khuếch đại với nhau, phải bảo đảm các yêu cầu sau:- - Thỏa điều kiện phối hợp trở kháng, tức trở kháng ra của tầng trước phải bằng trở kháng vào của tầng sau.

- Băng thông của bộ khuếch đại bằng tổng độ rộng băng thông của các tầng khuếch đại.

- Các tầng khuếch đại phải ở trạng thái khuếch đại . - Công suất của các tầng phải ổn định. - Phải phối hợp tương đồng các hệ số khuếch đại của các tầng khuếch đại để bảo đảm tín hiệu ngõ ra không bị méo.

- Phối hợp các dãi thông của các tầng khuếch đại tương đương nhau. Các thông số của mạch khuếch đại ghép nhiều tầng khuếch đại: Hệ số khuếch đại điện áp:

Hệ số khuếch đại dòng điện:

Tổng trở ngõ vào:

Tổng trở ngõ ra:

* Chú ý: - Trở kháng vào của tầng đầu tiên chính là trở kháng vào của mạch. - Trở kháng ra của tầng cuối cùng chính là trở kháng ra của mạch. Trang 111

- Trở kháng vào của tầng sau chính là trở kháng ra của tầng trước.

7.2. Mạch khuếch đại ghép tầng trực tiếp

Mạch hình 7.2 là dạng mạch khuếch đại ghép trực tiếp, trong đó các tầng khuếch đại được liên lạc trực tiếp với nhau.

Hình 7.2. Mạch khuếch đại ghép trực tiếp

* Xét tầng khuếch đại Q2: ii2 ic2 B C ib2

hfe2.ib2

hie2

1/hoe2

vi2 io RL vo RC2

E

Zi2 RE2 Zo

- Tổng trở vào của tầng 2:

Hình 7.3. Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của tầng Q2

- Tổng trở ra của tầng 2:

- Hệ số khuếch đại điện áp tầng 2:

- Hệ số khuếch đại dòng điện tầng 2:

Trang 112

* Xét tầng khuếch đại Q1: ii ic1 B C ib1

hfe1.ib1

hie1

1/hoe1

io1=ii2

R1 vo1 RC1 Zo1=Zi2 R2

E

Zi RE1

vi

Hình 7.4. Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của tầng Q1 - Tổng trở vào của tầng 1:

- Hệ số khuếch đại điện áp tầng 1:

- Hệ số khuếch đại dòng điện tầng 1:

Đáp ứng tần số của mạch:

Hình 7.5. Đáp ứng tần số của mạch

Vậy các thông số trong mạch là: - Tổng trở vào của mạch chính là tổng trở vào tầng 1:

- Tổng trở ra của mạch chính là tổng trở ra của tầng 2:

Trang 113

- Hệ số khuếch đại điện áp:

- Hệ số khuếch đại dòng điện:

7.3. Mạch khuếch đại ghép tầng bằng tụ liên lạc (ghép RC) Mạch khuếch đại ghép RC như hình 7.6.

Hình 7.6. Các mạch khuếch đại ghép bằng RC Các tụ liên lạc có trị số phụ thuộc vào tần số của tín hiệu được khuếch đại trong mạch. Đối với tín hiệu âm tần thì tụ liên lạc thường có trị số từ 1µF đến 10µF, các tụ phân dòng hay tụ bypass (CE) có trị số phụ thuộc vào RE thường từ 10µF đến 100µF đối với tín hiệu âm tần.

Dạng ghép này có ưu điểm là cách ly dc giữa các tầng khuếch đại và khuyết điểm là do đặc tuyến tần số là tổng hợp các đặc tuyến tần số của từng tầng do đó nguyên nhân này làm giảm độ lợi băng thông của toàn mạch so với từng tầng thành viên. Ngoài ra còn gây lệch pha giữa tín hiệu vào và ra được đặc tưng bởi độ méo pha.

Khảo sát mạch khuếch đại ghép RC như hình 7.6, ta có sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ của mạch như hình 7.7:

Hình 7.7. Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ

- Tổng trở ngõ vào:

- Tổng trở ngõ ra:

- Hệ số khuếch đại điện áp:

+ Tính hệ số khuếch đại áp tầng 2:

Trang 114

+ Tính hệ số khuếch đại áp tầng 1:

Trong đó:

- Hệ số khuếch đại dòng điện:

+ Tính hệ số khuếch đại dòng tầng 2:

+ Tính hệ số khuếch đại dòng tầng 1:

- Đáp ứng tần số của mạch ghép RC:

Hình 7.8. Đáp ứng tần số của mạch Ví dụ 7.1. Hãy xác định các thông số trở kháng ngõ vào, trở kháng ngõ ra, hệ số khuếch đại điện áp, hệ số khuếch đại dòng điện của mạch. Biết BJT Q1 loại Silic, β1 = 50, hie1 = 1kΩ, BJT Q2 loại Silic, β2 = 40, hie2 = 700kΩ và các thông số mạch như trên hình 7.9.

Trang 115

2

= 1kΩ, BJT Q

Hình 7.9. Mạch khuếch đại ghép RC Ví dụ 7.2. Hãy xác định các thông số trở kháng ngõ vào, trở kháng ngõ ra, hệ số khuếch đại điện áp, hệ số khuếch đại dòng điện của mạch hình 7.10. Biết BJT Q1 loại loại Silic, β2 = 40, hie2 = 700kΩ, RB1 = 4kΩ, RC1 = Silic, β1 = 50, hie1 4kΩ, R1 = 20kΩ, R2 = 5kΩ, RC2 = 2kΩ, RL = 3kΩ, Vcc = 12V.

Hình 7.10. Mạch khuếch đại ghép RC

Ví dụ 7.3. Cho sơ đồ mạch điện như hình 7.11.

Hình 7.11. Mạch khuếch đại ghép RC

Biết BJT Q1 ,Q2 loại Silic, β1 = β2 = 150, RB1 = R1 = 24kΩ, RB2 = R2 = 6,2kΩ, RC1 = RC2 = 5,1kΩ, RE1 = RE2 = 1,5kΩ, VCC = 15V.

a. Tính dòng điện và điện áp phân cực tại mỗi tầng. b. Xác định các thông số trở kháng ngõ vào, trở kháng ngõ ra, hệ sô khuếch đại

điện áp, hệ số khuếch đại dòng điện của mạch.

Trang 116

tín hiệu qua tầng khuếch đại thứ hai bằng máy biến áp a1.

7.4. Mạch khuếch đại ghép tầng bằng biến áp Mạch khuếch đại ghép biến áp như hình 7.12. Trong đó tầng khuếch đại thứ nhất truyền

Hình 7.12. Mạch khuếch đại ghép biến áp Ưu điểm: là dạng ghép này là cách ly dc rất tốt và ghép biến áp có hiệu quả hơn ghép RC do RC trong mạch ghép biến áp gần như bằng không do đó hiệu suất của mạch được cải tiến.

Khuyết điểm: là kích thước mạch lớn và đáp ứng tần số của mạch bị giảm do cảm kháng của cuộn dây, giá thành cao.

Đặc điểm của máy biến áp: Xét máy biến áp như hình 7.13.

Hình 7.13. Biến áp

Ta có:

Mà:

Lập tỉ số:

Qua phép biến đổi trên ta thấy điện trở RL mắc sau biến áp có thể được thay thế tương đương bằng điện trở a2RL phía trước biến áp, trong đó k = 1/ a được gọi là hệ số biến áp.

Trang 117

Xét mạch khuếch đại ghép biến áp như hình 7.12, mạch điện tương đương với tín hiệc ac như hình 7.14

Hình 7.14. Mạch điện tương đương khi xét với tín hịêu ac

Các thông số của mạch:

Tổng trở vào:

Tổng trở ngõ ra:

Hệ số khuếch đại điện áp:

Hệ số khuếch đại dòng điện:

- Xét tầng khuếch đại Q2:

Hình 7.15. Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của tầng Q2

- Xét tầng khuếch đại Q1:

Hình 7.16. Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của tầng Q1

Trang 118

Vậy hệ số khuếch đại điện áp toàn mạch là:

Vậy hệ số khuếch đại dòng điện toàn mạch là:

Trong đó:

Đáp ứng tần số của mạch:

Hình 7.17. Đáp ứng tần số của mạch

7.5. Mạch khuếch đại ghép Darlington

Hình 7.18a là dạng hai transistor npn ghép darlington với nhau, khi đó có thể xem tương đương như một transistor có các cực B, C và E như hình 7.18b

(a) (b)

Hình 7.18. a. Hai transistor ghép Darlington b. Transistor tương đương

Trang 119

Để đi tìm các thông số của transsitor tương đương, ta có dòng điện chạy trong hai transistor như hình 7.19.

Hình 7.19. Dòng điện chạy trong BJT ghép Darlington Giả sử β1, β2 là hệ số khuếch đại dòng điện dc của transistor Q1 và Q2, khi đó ta có:

Nhưng IE1 = IB2 nên:

Mà IB = IB1 nên:

Vậy transistor tương đương có hệ số  là:

Chúng ta thấy rằng hai transistor mắc darlington sẽ tương đương một transistor có

hệ số khuếch đại dòng điện rất lớn (“super-”).

Bây giờ chúng ta xét đến giá trị điện trở ngõ vào giữa cực B và E (re) đối với tín hiệu nhỏ của transistor tương đương. Ta có:

tại nhiệt độ phòng

Vì , ta có:

mà

Vậy

Điện trở nhìn vào từ cực B của Q2:

Và

Vậy

Trang 120

Tổng điện trở nhìn vào từ cực B và E của transistor tương đương, hay điện trở ngõ

vào của transistor tương đương là:

Hay

Vậy ưu điểm thứ hai của mạch ghép darlington là có điện trở ngõ vào rất lớn. Trong trường hợp mạch mắc CC nếu sử dụng hai transistor mắc darlington sẽ cho điện trở ngõ vào lớn hơn nhiều so với trường hợp sử dụng một transistor.

E E

B Q1 Q B

Q2 C C

Hình 7.20. Transistor PNP Q1 và NPN Q2 ghép Darlington Trong cách ghép Darlington, transistor Q1 quyết định loại transistor tương đương. 7.6. Mạch khuếch đại ghép Cascode

Đây cũng là một dạng ghép trực tiếp nhưng gồm một transistor mắc CE lái trực tiếp một transistor mắc CB. Loại mạch này có nhiều lợi điểm ở tần số cao. Một ví dụ cho mạch ghép cascode ở hình 7.21.

Hình 7.21. Mạch khuếch đại ghép cascode

Để phân tích đặc điểm của mạch này ta vẽ lại sơ đồ tương tương tín hiệu nhỏ như hình 7.22. Zi2

ii

ie2hfb2

RC

hib2

RB1

RB2

io

hie1

vi vo RL

Zi

ib1. hfe1 E Hình 7.22. Sơ đồ tương tương tín hiệu nhỏ

Trang 121

- Tổng trở vào toàn mạch:

- Tổng trở vào tầng 2:

- Hệ số khuếch đại điện áp tầng 1:

Nếu re2 << RC thì:

- Hệ số khuếch đại điện áp tầng 2:

- Hệ số khuếch đại điện áp toàn mạch:

Nếu 2 transistor Q1 và Q2 có cùng thông số, thì:

- Hệ số khuếch đại điện áp toàn mạch:

- Hệ số khuếch đại dòng điện toàn mạch:

Ta có:

- Hệ số khuếch đại dòng điện tầng 1:

Từ công thức trên ta thấy rằng mạch CB đóng vai trò là khuếch đại điện áp. Còn mạch CE đóng vai trò khuếch đại dòng điện.

* Cách khác: Tính hệ số khuếch đại điện áp và dòng điện toàn mạch: Ta có: Trang 122

Lập tỉ số:

Hệ số khuếch đại điện áp toàn mạch:

Hệ số khuếch đại dòng điện toàn mạch:

7.7. Mạch khuếch đại vi sai

Mạch khuếch đại vi sai cũng là một dạng ghép trực tiếp đặc biệt, một dạng cơ bản của mạch khuếch đại vi sai như hình 7.23.

Hình 7.23. Mạch khuếch đại ghép vi sai

Đặc điểm của mạch khuếch đại vi sai: Gồm hai mạch khuếch đại đối xứng nhau và cực E của 2 transistor nối chung với nhau.

Có hai ngõ vào có các tín hiệu vào gồm: - Tín hiệu cách chung (common): nếu hai tín hiệu ngõ vào giống hệt nhau (cùng

pha và cùng biên độ):

- Tín hiệu vi sai (differential): nếu hai tín hiệu ngõ vào ngược pha với nhau và

cùng biên độ:

Hay:

Có hai ngõ ra đơn cực ( ). , ) vàø một ngõ ra vi sai (

Hầu hết các mạch khuếch đại vi sai dùng hai nguồn điện áp, nhưng nó cũng có thể hoạt động khi sử dụng nguồn đơn.

- Điện áp có thể được lấy ra giữa 2 cực Collector vo12 (gọi là ngõ ra vi sai) hoặc lấy ra trên mỗi Collector đối với đất vo1 , vo2 (gọi là ngõ ra đơn cực)

Trang 123

- Tùy theo cách đưa tín hiệu vào mà ta có các chế độ mạch khác nhau gồm: chế độ đơn, chế độ vi sai và chế độ đồng pha.

+ Chế độ đơn: Tín hiệu được đưa vào 1 đầu vào vi, 1 đầu vào còn lại nối đất. + Chế độ vi sai: Hai đầu vào được đưa 2 tín hiệu khác nhau, cùng biên độ và ngược

pha: vid = vid1 – vid2 = 2vid1 = -2vid2.

+ Chế độ đồng pha: Hai đầu vào được đưa vào 2 tín hiệu giống nhau, cùng biên độ

và cùng pha: vic1 = vic2 = vic.

Để xét đặc điểm của mạch khuếch đại này trước hết ta xét phân cực DC của mạch như hình 7.24:

Hình 7.24. Phân cực DC của mạch khuếch đại vi sai Do 2 vế của mạch khuếch đại hoàn toàn đối xứng, nên ta chỉ cần tính toán mạch

phân cực 1 chiều cho 1 vế như sơ đồ mạch hình 7.25. Theo định luật Kirchhoff 2 cho ngõ vào:

Hình 7.25. Mạch ngõ ra

Theo định luật Kirchhoff 2 cho ngõ ra:

- Từ đó suy ra điện áp phân cực trên các chân của BJT. Ví dụ: Cho mạch khuếch đại vi sai như hình 7.26.

Trang 124

Biết: RC = 2kΩ, RE = 5kΩ, RB = 50kΩ, BJT Q1, Q2 (Si) có β = 100, VCC = 12V , VEE = 12V.

- Tính các giá trị dòng điện, điện áp phân cực 1 chiều trong mạch. - Xác định điện áp trên các chân của BJT.

Hình 7.26. Mạch khuếch đại vi sai

Theo định luật Kirchhoff 2 cho ngõ vào:

Theo định luật Kirchhoff 2 cho ngõ ra:

ib2hfe2

ib1. hfe1

RL

RC

RC

- Từ đó suy ra điện áp phân cực trên các chân của BJT. Hoạt động của mạch với tín hiệu ac . Xét với tín hiệu cách chung, ta có mạch tương đương như hình 7.27. io ii

hie1

vo1 hie2

RE

vi

Zi Hình 7.27. Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của mạch vi sai với tín hiệu vào là cách chung

Ta có:

và hệ số khuếch đại đối với tín hiệu cách chung là:

Trang 125

ib2hfe2

ib1. hfe1

RC

RC

ii io

hie1

RE

vo1 hie2 vi

Zi

Xét mạch khuếch đại vi sai như hình 7.28. Hình 7.28. Mạch tương đương tín hiệu nhỏ với tín hiệu vào là vi sai

Ta có hệ số khuếch đại đối với tín hiệu vi sai của tầng 1:

và hệ số khuếch đại đối với tín hiệu vi sai của tầng 2:

Đặt:

Vì vậy:

Suy ra:

Trong hoạt động với tín hiệu cách chung (common mode): kết quả tín hiệu ở ngõ ra vi sai bằng zero, vì tín hiệu ở hai cực collector của hai transistor đối xứng nhau đối với tín hiệu này.

Và trong hoạt động với tín hiệu vi sai cho độ lợi lớn hơn rất nhiều so với tín hiệu cách chung.

Tỉ số triệt tín hiệu đồng pha (CMRR: Common Mode Rejection Ratio) Trong khuếch đại vi sai thì một bộ khuếch đại vi sai lý tưởng có

thì

, hay nói cách khác tín hiệu nhiễu tại mỗi ngõ ra đơn cực phải bằng không, nhưng thực tế khó đạt được vì để . Để đo sự sai lệch so với lý tưởng người ta định nghĩa một hệ số gọi là tỉ số triệt tín hiệu đồng pha (CMRR):

Biện pháp làm tăng hệ số CMRR: Để tăng CMRR biện pháp thường dùng là thay bằng một nguồn dòng như hình

7.29.

Trang 126

Hình 7.29. Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng

7.8. Mạch khuếch đại công suất Mạch khuếch đại công suất thường được sử dụng để nâng công suất tín hiệu lên cao trước khi đưa ra tải, thường sử dụng cho tải có điện trở thấp. Thông số để đánh giá mạch KHUẾCH ĐẠI công suất chính là hiệu suất, :

Hiệu suất được định nghĩa là tỷ số công suất tín hiệu ngõ ra trên tải với công suất nguồn cung cấp cho mạch.

Một mạch khuếch đại công suất là lí tưởng khi hiệu suất bằng 100%, có nghĩa là toàn bộ năng lượng nguồn cung cấp cho mạch được chuyển đổi thành năng lượng tín hiệu ra tải.

Trên thực tế, do năng lượng một phần bị tiêu tán trên các linh kiện hoạt động trong mạch nên hiệu suất của mạch luôn luôn nhỏ hơn 100%.

Mạch công suất làm việc với biên độ tín hiệu lớn ở ngõ vào, do đó ta không thể dùng mạch tương đương tín hiệu nhỏ để khảo sát như trong các chương trước mà thường dùng phương pháp đồ thị. Tùy theo chế độ làm việc của transistor, người ta thường phân mạch khuếch đại công suất ra thành các loại chính như sau:

- Mạch khuếch đai công suất chế độ A là mạch khuếch đai mà transistor có điểm làm việc Q nằm trong vùng khuếch đai và nó dẫn trong toàn chu kì của tín hiệu ngõ vào. - Mạch khuếch đai công suất chế độ B là mạch khuếch đai mà transistor có điểm làm việc Q nằm trong vùng tắt do đó transistor chỉ dẫn trong một bán kì của của tín hiệu ngõ vào.

- Mạch khuếch đai công suất chế độ AB là mạch khuếch đai mà transistor có điểm làm việc Q nằm trong vùng khuếch đai gần vùng tắt do đó transistor dẫn hơn một bán kì và ít hơn một chu kì của của tín hiệu ngõ vào.

- Mạch khuếch đai công suất chế độ C là mạch khuếch đai mà transistor có điểm làm việc Q nằm sâu trong vùng tắt do đó transistor dẫn ít hơn một bán kì của của tín hiệu ngõ vào.

Dạng sóng dòng iC của bốn dạng mạch khuếch đại công suất với tín hiệu ngõ vào có dạng sin trong hình 7.30.

Trang 127

Hình 7.30. Tín hiệu ra trong các chế độ mạch khuếch đại công suất Mạch khuếch đại công suất chế độ D là mạch có hiệu suất rất cao transistor chủ yếu hoạt động ở chế độ xung.

Các mạch khuếch đại công suất khác: có nhiều mạch khuếch đại công suất khác như G, H, S…Hầu hết chúng là biến thể của mạch khuếch đại công suất chế độ AB, tuy nhiên chúng cho hiệu suất rất cao được sử dụng cho những thiết kế có công suất ngõ ra lớn. Nhưng trong phần này chúng ta chủ yếu chỉ khảo sát ba dạng cơ bản dùng trong mạch khuếch đại công suất tín hiệu âm tần là A, B và AB.

7.8.1. Mạch khuếch đại công suất chế độ A a. Mạch khuếch đại ghép trực tiếp

Hình 7.31. Mạch khuếch đại công suất chế độ A ghép trực tiếp

- Phân cực DC:

Dòng phân cực IB là:

Dòng phân cực IC và điện áp VCE:

Trang 128

Khi có tín hiệu AC: ở ngõ vào, tín hiệu ra sẽ biến thiên theo tín hiệu ngõ vào từ giá

trị dòng và áp phân cực dc như hình 7.32.

Hình 7.32. Sự biến thiên tín hiệu ra theo tín hiệu vào có dạng sin

- Công suất ngõ ra:

- Công suất nguồn cung cấp:

- Hiệu suất của mạch:

Công suất tiêu tán trên transistor:

Ta thấy rằng đối với mạch khuếch đại công suất chế độ A thì công suất tiêu tán trên transistor lớn nhất khi không có tín hiệu ra tải và nhỏ nhất khi tín hiệu ra tải là lớn nhất.

* Hiệu suất cực đại trong mạch: Đối với mạch khuếch đại công suất chế độ A, hiệu suất của mạch đạt cực đại khi điện áp và dòng điện trên tải đạt cực đại (biến thiên cực đại), khi đó nếu điểm làm việc tĩnh Q của transistor nằm giữa đường tải ac thì :

và:

Trang 129

Công suất nguồn cung cấp khi đó:

Vậy hiệu suất cực đại của mạch là:

Kết luận: hiệu suất cực đại của mạch khuếch đại công suất chế độ A ghép trực tiếp chỉ đạt được tối đa là 25%.

b. Mạch khuếch đại ghép LC Để cung cấp ra tải một công suất lớn thông thường đòi hỏi dòng và áp lớn. Vì vậy trong mạch CE điều này yêu cầu thay RC bằng một cuộn dây để giảm tiêu hao trên RC. Cuộn dây này bị ngắn mạch đối với dòng dc nhưng hở mạch với tín hiệu ac tại những tín hiệu có tần số cao.

Hình 7.33. a. Mạch khuếch đại công suất chế độ A ghép LC;

b. Đường tải ac và dc của transistor Từ hình 7.33a, ta được các đường tải ac và dc ở hình 7.33b, trong đó bỏ qua điện trở của cuộn dây. Nếu điện trở RE rất nhỏ có thể bỏ qua và để tầm dao động của tín hiệu ngõ ra đạt cực đại, thì điểm làm việc Q có :

Vậy công suất ngõ ra cực đại là:

Công suất nguồn cung cấp lúc này là (bỏ qua sự tiêu tán trên R1 và R2):

Khi đó hiệu suất cực đại của mạch sẽ là:

Trang 130

Vậy trong mạch khuếch đại công suất chế độ A nếu thay RC bằng cuộn dây thì hiệu suất cực đại sẽ tăng lên gấp đôi.

c. Mạch khuếch đại ghép biến áp Để thiết kế một mạch khuếch đại ghép LC đạt được hiệu suất cao rất khó khăn vì nó phụ thuộc vào sự liên quan của điện áp nguồn cung cấp VCC và điện trở tải RL. Vì thế có thể thay điện trở tải bằng cách sử dụng một máy biến áp có tỉ số vòng dây quấn sơ cấp và thứ cấp thích hợp.

Hình 7.34. Mạch khuếch đại ghép biến áp Mạch khuếch đại công suất chế độ A ghép biến áp như trong hình 7.34a, có đường tải ac và dc tương ứng trong hình 7.25.

Hình 7.25. Đường tải ac và dc Vậy để tầm dao động của tín hiệu ngõ ra đạt cực đại, thì xét điểm làm việc Q nằm giữa đường tải ac, khi đó :

Vậy công suất ngõ ra cực đại là:

Công suất nguồn cung cấp lúc này là (bỏ qua sự tiêu tán trên R1 và R2):

Khi đó hiệu suất cực đại của mạch sẽ là: Trang 131

Vậy trong mạch khuếch đại công suất chế độ A sử dụng máy biến áp thì hiệu suất cực đại có khả năng đạt được chỉ là 50%.

7.8.2. Mạch khuếch đại công suất chế độ B

Mạch khuếch đại công suất chế độ B có đặc điểm là transistor có điểm làm việc nằm trong vùng tắt, có nghĩa là transistor chưa được phân cực. Do đó nó chỉ dẫn điện trong một nữa chu kì của tín hiệu, trong nữa chu kì này điện áp tín hiệu vào sẽ phân cực thuận cho transistor.

Vậy để tín hiệu ra không bị méo 50% hay được khuếch đại toàn chu kì của tín hiệu vào thì phải sử dụng hai transistor và mỗi transistor sẽ dẫn trong một bán kì. Khi đó một transistor có nhiệm vụ đẩy (push) tín hiệu lên cao trong nữa chu kì đầu và transistor còn lại có nhiệm vụ kéo (pull) tín hiệu xuống thấp trong nữa chu kì còn lại, kết quả ta được tín hiệu toàn kì ở ngõ ra và mạch này gọi là mạch khuếch đại đẩy kéo (push-pull).

Hình 7.35. Sơ đồ khối của mạch khuếch đại đẩy kéo Ví dụ: Mạch khuếch đại đẩy kéo công suất chế độ B ghép biến áp như hình 7.36.

Hình 7.36. Mạch khuếch đại đẩy kéo công suất chế độ B ghép biến áp

Nguyên tắc hoạt động: Ở bánkỳ dương của tín hiệu, qua biến áp đảo pha làm điện áp tại cực base của Q1 dương và Q2 âm, khi đó Q1 dẫn làm dòng i1 biến thiên và iL biến thiên theo, xuất hiện tín hiệu ra tải ở bán kì dương.

Trang 132

Ở bán kỳ âm của tín hiệu cũng tương tự, tín hiệu qua máy biến áp đảo pha làm điện áp tại cực base của Q1 âm và Q2 dương, khi đó Q2 dẫn làm dòng i2 biến thiên và iL biến thiên theo, xuất hiện tín hiệu ra tải ở bán kì âm.

Máy biến áp xuất âm có chức năng ghép tín hiệu ra tải khi hai transistor Q1 và Q2 luân phiên nhau dẫn.

Từ hình 7.36 ta có đường tải ac và dc của transistor Q1 và Q2 như hình 7.37.

Hình 7.37. Đường tải ac và dc

Công suất nguồn cung cấp:

Trong đó:

Vậy:

Công suất ngõ ra:

Khi tầm dao động tín hiệu ra đạt cực đại khi đó:

7.8.3. Mạch khuếch đại công suất chế độ AB Mạch khuếch đại công suất chế độ AB là mạch khuếch đại được kết hợp những ưu điểm của mạch khuếch đại công suất chế độ B và A. Mạch có hiệu suất cao của mạch chế độ B và tín hiệu ra ít méo của chế độ A.

Mạch khuếch đại công suất chế độ AB cũng giống mạch khuếch đại công suất chế độ B chỉ khác là hai transistor của mạch khuếch đại công suất chế độ AB được phân cực có điểm làm việc nằm trong vùng khuếch đại gần vùng tắt để bảo đảm tín hiệu ra không bị méo khi tín hiệu vào bé đồng thời đạt hiệu suất cao.

Trang 133

Hình 7.38. Mạch khuếch đại đẩy kéo công suất chế độ AB Trong mạch khuếch đại đẩy kéo hình 7.38, hai điện trở R1 và R2 phân cực cho hai transistor Q1 và Q2 nằm trong vùng khuếch đại, vì vậy hai transistor này hoạt động ở chế độ AB.

Trong mạch khuếch đại công suất đẩy kéo do mỗi transistor dẫn trong một bán kì nên phải sử dụng một tầng đảo pha, để giảm bớt tầng này người ta sử dụng hai transistor bổ phụ (là hai transistor có cùng thông số đặc tính nhưng khác loại) và để thay biến áp xuất âm ở ngõ ra người ta dùng nguồn đôi (OCL) hình 7.39a, hay dùng nguồn đơn nhưng có thêm tụ xuất âm ở ngõ ra (OTL) hình 7.39b.

Hình 7.39. Sơ đồ mạch khuếch đại đẩy kéo a. Dùng hai nguồn cung cấp (OCL); b. Dùng một nguồn cung cấp (OTL)

- Xét mạch OCL như hình 7.40:

Hình 7.40. Mạch khuếch đại đẩy kéo công suất chế độ AB (OCL)

Trang 134

Nguyên tắc hoạt động của mạch: Ở bán kì dương của tín hiệu transistor Q1 được phân cực thuận và Q2 bị phân cực ngược nên Q1 dẫn và Q2 ngắt, xuất hiện dòng ic1 biến thiên trên tải theo dòng ngõ vào làm điện áp trên tải biến thiên theo. Tương tự như vậy, ở bán kì âm của tín hiệu transistor Q1 bị phân cực ngược và Q2 được phân cực thuận nên Q2 dẫn và Q1 ngắt, xuất hiện dòng ic2 biến thiên trên tải theo dòng ngõ vào làm điện áp trên tải biến thiên theo. Vậy tín hiệu ra trên tải được khuếch đại ở cả bán kì âm và bán kì dương của tín hiệu.

Để sử dụng nguồn cung cấp đơn thay cho nguồn đôi của mạch OCL, người ta dùng thêm một tụ xuất âm và để giảm điện trở ngõ ra và nâng cao hệ số khuếch đại dòng ra tải người ta sử dụng thêm các transistor mắc darlington hình 7.41.

Hình 7.41. Mạch OTL

Trong đó biến trở R2 được chỉnh sao cho tín hiệu ra bị méo thấp nhất. 7.8.4. Mạch khuếch đại công suất chế độ C Mạch khuếch công suất chế độ C không sử dụng được trong các mạch khuếch đại công suất âm tần mà chỉ thường được sử dụng trong truyền thông. Transistor trong mạch khuếch đại chế độ C có điểm làm việc nằm sâu trong vùng tắt vì vậy hiệu suất của nó cao hơn mạch khuếch đại chế độ B.

Hình 7.42. Mạch khuếch đại chế độ C

Trang 135

Hình 7.43. Đường tải ac của mạch khuếch đại chế độ C

Câu hỏi ôn tập Câu 1. Hãy xác định các thông số trở kháng ngõ vào, trở kháng ngõ ra, hệ số khuếch đại điện áp, hệ số khuếch đại dòng điện của mạch. Biết BJT Q1 loại Silic, β1 = 50, hie1 = 1kΩ, BJT Q2 loại Silic, β2 = 40, hie2 = 700kΩ và các thông số mạch như trên hình BT7.1.

ie1

1

2

= 1kΩ, BJT Q loại Silic, β1 = 50, h

Hình BT7.1. Câu 2. Cho sơ đồ mạch điện như hình BT7.2. Hãy xác định các thông số trở kháng ngõ vào, trở kháng ngõ ra, hệ số khuếch đại điện áp, hệ số khuếch đại dòng điện của loại Silic, β2 = 40, mạch hình BT7.2. Biết BJT Q hie2 = 700kΩ, RB1 = 4kΩ, RC1 = 4kΩ, R1 = 20kΩ, R2 = 5kΩ, RC2 = 2kΩ, RL = 3kΩ, Vcc = 12V.

Hình BT7.2.

Câu 3. Cho sơ đồ mạch điện như hình BT7.3.

Trang 136

Hình BT7.3.

Biết BJT Q1 ,Q2 loại Silic, β1 = β2 = 150, RB1 = R1 = 24kΩ, RB2 = R2 = 6,2kΩ, RC1 = RC2 = 5,1kΩ, RE1 = RE2 = 1,5kΩ, VCC = 15V.

a. Tính dòng điện và điện áp phân cực tại mỗi tầng. b. Xác định các thông số trở kháng ngõ vào, trở kháng ngõ ra, hệ sô khuếch đại điện áp, hệ số khuếch đại dòng điện của mạch.

Trang 137

Chƣơng 8 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ MẠCH ỨNG DỤNG

8.1. Giới thiệu chung Bộ khuếch đại thuật toán, viết tắt là op-amp (Operational Amplifier) là bộ khuếch đại 1 chiều dc có hệ số khuếch đại AVOL rất lớn, trở kháng ngõ vào lớn, trở kháng ngõ ra nhỏ. Op – amp được chế tạo dưới dạng mạch tích hợp. Kí hiệu op-amp: có 2 ngõ vào nhận tín hiệu (còn ) và

(còn được kí hiệu là ) và 1 ngõ ra, có độ lợi điện áp vi sai lớn như hình 8.1. được kí hiệu là

Hình 8.1. Kí hiệu của op-amp và mạch tương đương

Ở chương trước ta đã dùng kí hiệu là độ lợi điện áp vi sai, và từ đây về sau

chúng ta gọi chúng là hệ số KHUẾCH ĐẠI vòng hở và kí hiệu là AVOL (open loop).

Ta có:

Điện áp ra:

Hay:

8.2. Mạch khuếch đại không đảo

Sơ đồ mạch khuếch đại có hồi tiếp như hình 8.2.

Hình 8.2. Mạch khuếch đại có hồi tiếp âm

Hãy xác định độ lợi điện áp vòng kín và tổng trở vào và tổng trở ra của mạch.

- Xác định độ lợi điện áp vòng kín: Để đơn giản ta kí hiệu

Ta tính điện áp ra:

Trang 138

Hay

Suy ra độ lợi điện áp vòng kín:

Đối với 1 op-amp lý tưởng thì độ lợi vòng hở (rất lớn ) khi đó hệ

số khuếch đại vòng sẽ là:

- Xác định tổng trở vào :

Ta có sơ đồ mạch tương đương để tính tổng trở vào như hình 8.3.

Hình 8.3. Sơ đồ mạch tương đương để tính tổng trở

Ta có:

Mặc khác ta có:

Ta có:

Suy ra:

Tổng trở vào:

Trong đó:

Xác định tổng trở ra: :

Ta có sơ đồ tương đương để tính tổng trở ra như hình 8.4.

Trang 139

Hình 8.4. Sơ đồ mạch tương đương để tính tổng trở ra

Để tính tổng trở ra thì ngõ vào + phải nối mass. Ta có:

Suy ra:

=>

Vậy tổng trở ra là:

8.3. Mạch khuếch đại đảo Giả định về dòng điện: “đối với op-amp lý tưởng thì xem như tổng trở vào

nên có thể xem như không có dòng điện chạy vào trong op-amp”.

Mạch khuếch đại đảo có sơ đồ mạch như hình 8.5.

Hình 8.5. Sơ đồ mạch khuếch đại đảo

Hãy xác định độ lợi điện áp của mạch. Có 2 cách để xác định: Cách 1: cách tính chính xác:

Ta có:

Trang 140

Với

Thay vào phương trình trên:

Suy ra hệ số khuếch đại của mạch là:

Vì hệ số khuếch đại vòng hở của op-amp lý tưởng rất lớn nên có thể xem

và nên hệ số khuếch đại sẽ là:

Cách 2: cách tính gần đúng dùng các giả định:

Theo giả định về dòng điện ta có:

Theo giả định về áp ta có

=>

8.4. Mạch khuếch đại không đảo có phân áp ngõ vào Mạch khuếch đại không đảo có phân áp ở ngõ vào có sơ đồ mạch như hình 8.6.

Hình 8.6. Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo có phân áp ngõ vào

Hãy xác định độ lợi điện áp của mạch: Ta có:

<=>

Điện áp ra:

Hệ số khuếch đại:

Điện áp ra bị suy giảm do cầu phân áp dùng điện trở.

Trang 141

8.5. Mạch khuếch đại cộng đảo Mạch khuếch đại cộng đảo có 3 tín hiệu vào có sơ đồ mạch như hình 8.7.

Hình 8.7. Sơ đồ mạch khuếch đại cộng đảo

Ta có:

Dòng điện:

Điện áp ra:

8.6. Mạch khuếch đại cộng không đảo Mạch khuếch đại cộng không đảo trung bình có 3 tín hiệu vào có sơ đồ mạch như hình 8.8.

Hình 8.8. Sơ đồ mạch khuếch đại cộng không đảo trung bình

Ta có:

<=>

Trang 142

<=>

Suy ra:

Trong đó:

Ta có:

Suy ra điện áp ra:

Nếu cho:

Thì:

Hay

Điện áp ra:

Vậy điện áp ra bằng trung bình cộng của 3 tín hiệu ngõ vào nhân với hệ số khuếch

đại của mạch khuếch đại không đảo.

8.7. Mạch tích phân Sơ đồ mạch tích phân như hình 8.9.

Hình 8.9. Sơ đồ mạch tích phân

Theo giả định 1 ta có:

Trang 143

=>

Vậy:

Trong đó : điện áp ban đầu của tụ tại thời điểm thì .

Ta có:

Nên ta có phương trình điện áp ra:

Mạch tích phân cũng chính là mạch lọc thông thấp với điểm cực là

Ta có:

Suy ra:

<=>

Với

Thay vào phương trình trên ta được:

Tần số cắt của mạch tích phân là tại tần số khi tín hiệu ra bị giảm -3dB tức thay

Hay:

a. Trường hợp tín hiệu vào mạch là tín hiệu dc: Khi tín hiệu vào mạch tích phân là tín hiệu dc thì điện áp ra được tính theo công thức:

b. Trường hợp tín hiệu vào mạch là tín hiệu ac: Giả sử điện áp vào mạch tích phân có dạng

Điện áp ra:

Trang 144

Tín hiệu ra chính là tín hiệu vào bị lệch pha đi .

Dạng sóng tín hiệu vào và tín hiệu ra như hình 8.10:

Hình 8.10. Dạng sóng tín hiệu vào và tín hiệu ra

c. Trường hợp tín hiệu vào là sóng vuông Cho tín hiệu vào mạch tích phân là tín hiệu sóng vuông thì tín hiệu ra là tín hiệu sóng tam giác có dạng sóng như hình 8.11.

Hình 8.11. Dạng sóng tín hiệu vào và tín hiệu ra

Giả sử điện áp vào mạch tích phân có dạng

trong khoảng thời gian từ [0 -> ]

trong khoảng thời gian từ [ -> ]

Và biên độ sóng vuông là hằng số nên khi tính tích phân ta có thể tính một cách dễ dàng, phương trình điện áp ra

Trong khoảng thời gian từ [0 -> ] thì nên phương trình điện áp ra:

Đây là phương trình của hàm dốc giảm nên dạng sóng chính là cạnh xuống của dạng sóng tam giác.

Trong khoảng thời gian từ [ -> ] thì nên phương trình điện áp ra:

Đây là phương trình của hàm dốc tăng nên dạng sóng chính là cạnh lên của dạng sóng tam giác.

Trang 145

Khi tín hiệu vào ở trạng thái

thì tín hiệu ra là hàm dốc tăng cho đến khi tín thì tín hiệu ra chuyển sang hàm dốc giảm cho

hiệu vào chuyển sang trạng thái đến khi tín hiệu vào chuyển sang trạng thái … mạch lặp lại trạng thái.

8.8. Mạch vi phân Sơ đồ mạch vi phân như hình 8.12.

Hình 8.12. Sơ đồ mạch vi phân

Theo giả định 1 ta có:

Suy ra:

Theo giả định 1 ta có:

Nên ta có phương trình điện áp ra:

Ta có:

Suy ra:

<=>

Điểm cực là điểm làm cho mẫu số = 0 tương ứng với giá trị:

Theo giản đồ Bode ta thấy mạch vi phân có băng thông rộng, độ lợi của mạch lớn khi tần số càng lớn sẽ làm cho mạch không ổn định dễ gây dao động, dễ bị nhiễu tác động, do đó cần phải giới hạn băng thông của mạch.

Trang 146

Để tránh các vấn đề trên ta phải giới hạn băng thông bằng cách gắn thêm vào mạch vi phân một mạch tích phân để giới hạn tần số cao của mạch vi phân như hình 8.13.

Hình 8.13 Mạch vi phân đã được giới hạn tần số cao

Tính hệ số khuếch đại điện áp ta dùng mạch tương đương như hình 8.14.

Hình 8.14. Mạch tương đương để tính hệ số khuếch đại

Ta có:

Hệ số khuếch đại:

Hay:

Trang 147

Nếu cho:

Thì:

a. Hoạt động của mạch vi phân: Điện áp ra của mạch vi phân bằng đạo hàm của điện áp vào nhân với thời hằng RC.

- Đối với tín hiệu vào là hằng số ở bất kì biên độ nào thì điện áp ra bằng 0V.

- Khi điện áp vào là hàm bậc thang thì điện áp ra là hằng số ngược cực tính. Mạch vi phân thường được dùng ở trường hợp 2, được sử dụng để đo tốc độ thay

đổi của điện áp vào và tìm được điện áp ra tỉ lệ với tốc độ. b. Trường hợp tín hiệu vào mạch là tín hiệu ac: Giả sử điện áp vào mạch tích phân có dạng

Điện áp ra:

Tín hiệu ra chính là tín hiệu vào bị lệch pha đi .

Dạng sóng tín hiệu vào và tín hiệu ra như hình 8.15.

Hình 8.15. Dạng sóng tín hiệu vào và tín hiệu ra

Câu hỏi ôn tập Câu 1. Một op-amp làm việc trong mạch khuếch đại đảo có RI = RF = 1k. Hãy tính độ lợi vòng kín trong 2 trường hợp A = 100000 và A = 10.

Hình BT8.1.

Câu 2. Một mạch trộn tín hiệu âm thanh có 10 ngõ vào như hình BT8.2. Điện trở mỗi ngõ vào là R1 = R2 = ... = R10 = 1kΩ và điện trở RF = 10kΩ, điện áp tất cả các ngõ

Trang 148

= 20mV, các ngõ vào đều cùng pha, cho AOL = vào đều bằng nhau v1 = v2 = ... = v10 50000.

Hãy xác định: a. Điện áp ra vo. b. Hãy xác định độ lợi vòng kín.

c. Tìm hệ số:

Hình BT8.2. Câu 3. Hãy thiết kế mạch dùng op-amp lý tưởng thực hiện phép tính: .

Câu 4. Hãy thiết kế mạch dùng op-amp lý tưởng thực hiện phép tính:

Trang 149

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] TS. Đặng Văn Chuyết, Giáo trình kỹ thuật mạch điện tử, Nhà xuất bản Giáo

dục, 2004.

[2] Đỗ Xuân Thụ, Kỹ thuật điện tử, Nhà xuất bản Đại học và giáo dục chuyên

nghiệp, 1990.

[3] Đỗ Xuân Thụ, Bài tập Kỹ thuật điện tử, Nhà xuất bản Đại học và giáo dục

chuyên nghiệp, 1990.

[4] Lê Phi Yến, Lưu Phú, Nguyễn Như Anh, Kỹ thuật điện tử, Nhà xuất bản Đại

học Quốc gia TPHCM, 2005.

[5] Lê Tiến Thường, Mạch điện tử 1, 2, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TPHCM,

2004.

Trang 150