Bài giảng Transistor Lưỡng Cực

CHƯƠNG III: Transistor Lưỡng Cực MỤC TIÊU THỰC HIỆN: Học xong bài này học viên có khả năng: Hiểu được cấu trúc của Transistor lưỡng cực. Biết cách phân cực cho Transistor Biết được nguyên lý mạch khuếch đại. 1. Cấu tạo tạo của Transistor. Tuỳ theo cách sắp xếp thứ tự các vùng bán dẫn người ta chế ra hai loại transistor là transistor PNP và NPN. I. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ VẬN CHUYỂN CỦA TRANSISTOR: . 2. Nguyên lý vận chuyển của Transistor: a. Xét Transistor loại NPN: Do cực B để hở nên electron từ vùng bán dẫn N của cực E sẽ không thể sang vùng bán dẫn P của cực nền B nên không có hiện tượng tái hợp giữa electron và lỗ trống và do đó không có dòng điện qua transistor. IE = IB + IC b. Xét transistor loại PNP IE = IB + IC II. KÝ HIỆU – HÌNH DÁNG – CÁCH THỬ  1. Ký Hiệu: Để phân biết hai loại transistor NPN và PNP người ta dùng ký hiệu mũi tên lên ở cực E để chỉ chiều dòng điện IE b. Hình dáng: Hình dáng các transistor thông dụng: c. Cách thử: Để xác định trạng thái tốt hay hư của transistor có thể dùng ohm kế thang đo Rx100 lần lượt đo các cặp chân BE, BC và CE, mỗi cặp chân đo hai lần bằng cách đổi hai que đo của ohm kế III. ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦATRANSISTOR 1. Đặc tuyến ngõ vào IB/VBE : Đặc tuyến IB/VBE có dạng giống như đặc tuyến của diode, sau khi điện áp VBE tăng đến trị số điện áp thềm V thì bắt đầu có dòng điện IB và dòng điện IB cũng tăng lên theo hàm số mũ như dòng I­D của diode. Cứ mỗi điện áp VBE thì dòng điện IB có trị số khác nhau, ví dụ như sau: VBE = 0,5V , IB =10uA VBE = 0,55V , IB =20uA VBE = 0,6V , IB =30uA VBE = 0,65V , IB = 40uA 2. Đặc tuyến truyền dẫn IC/VBE: Đặc tuyến IC/VBE­ có dang giống như đặc tuyến IE/VBE­ nhưng dòng truyền điện IC có trị số lớn hơn I­B nhiều lần.\ Cứ mỗi điện áp VBE thì dòng điện IC có trị số khác nhau ví dụ như sau: VBE = 0,5V , IC = 1mA VBE = 0,55V , IC = 2mA VBE = 0,6V , IC = 3mA VBE = 0,65V , IC = 4mA Tỉ số: Thí dụ: ở điện áp VBE = 0,55V thì IB = 20uA, IC = 2mA Suy ra: Trong phần nguyên lý vận chuyển của transistor ta đã có: IE = IB + IC Thay IC = β.IB vào công thức trên ta có: IE = IB + β.IB = (β + 1)IB Do >> 1 nên trong tính toán gần đúng ta có thể lấy IE ≈ β IB hay IE ≈ IC 3. Đặc tuyến ngõ ra IC/VCE ­ Nếu ở cực B không có điện áp phân cực đủ lớn (VB < V) thì dòng điện IB = 0 và IC = 0 , do đó, đầu tiên phải tạo điện áp phân cực VBE để tạo dòng I­B , sau đó tăng điện áp VCE , để đo dòng điện IC. - Khi tăng VCE từ 0V lên, dòng địên IC tăng nhanh và sau khi đạt trị số IC = . IB thì gần như IC­ không thay đổi mặc dù VCE ­tiếp tục tăng cao. Muốn dòng điện IC tăn cao hơn thì phải tăng phân cực ở cực B để có IB tăng cao hơn, khi đó dòng IC sẽ tăng theo VCE trên đường đặc tuyến cao hơn. IV. CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA TRANSISTOR 1. Độ khuếch đại dòng điện : Hình 1cho thấy khi dòng điện iC nhỏ thì thấp, dòng điện IC tăng thì tăng đến giá trị cực đại max nếu tiếp tực tăng I­C đến mức bảo hoà thì giảm Ic max trong các sách tra đặc tính kỹ thuật của transistor thường chỉ ghi giá trị max hay ghi trong một khoảng từ mức thấp nhất đến tối đa. Thí dụ: = 80 đến 200. 2. Điện áp giới hạn: Điện áp đánh thủng BV (Breakdown Voltage) là điện áp ngược tối đa đặt vào giữa các cặp cực, nếu quá điện áp này thì transistor sẽ bị hư Có ba loại điện áp giới hạn: - BVCEO : điện áp đánh thủng giữa C và E khi cực B hở - BVCBO : điện áp đánh thủng giữa C và B khi cực E hở - BVEBO : điện áp đánh thủng giữa E và B khi cực C hở 3. Dòng điện giới hạn: Dòng điện qua transistor pảhi được giới hạn ở một mức cho phép, nếu quá trị số này thì transistor sẽ bị hư. Ta có: ICmax là dòng điện tối đa ở cực C và IBmax là dòng điện tối đa ỡ cực B 4. Công suất giới hạn: Khi có dòng điện qua transistor sẽ sinh ra một công suất nhệit làm nóng transistor, công suất sinh ra được tính theo công thức: PT = IC.VCE . mỗi transistor đều có một công suất giới hạn được gọi là công suất tiêu tán tối đa PDmax (Dissolution). Nếu công suất sinh ra trên transistor lớn hơn công suất PDmax thì transistor sẽ bị hư. 5. Tần số cắt (thiết đoạn): Tần số thiết đoạn (fcut-off) là tần số mà transistor có độ khuếch đại công suất là 1. Thí dụ: transistor 2SC458 có các thông số kỹ thuật như sau: β = 230, BVCEO = 30V , BVCEO = 30V, BVCEO = 6V, PDmax = 200mW. fcut-off = 230MHz , I­Cmax = 100mA, loại NPN chất Si. Chú Ý: Xét transistor PNP Trong phần nói về nguyên lý vận chuyển của transistor ta đã biết transistor PNP được phân cực với các điện áp ngược đối với transistor NPN, đồng thời các loại transistor NPN thông thường làm bằng chất Si trong khi transistor PNP thông thường làm bằng chất Ge. Transistor PNP cũng có các đặc tuyến ngõ vào và đặc tuyến truyền dẫn, đặc tuyến ngõ ra và các thông số kỹ thuật tương tự như transistor NPN nhưng các giá trị điện áp và dòng điện đều là trị số âm. III. Phân cực transistor. 1. ĐẠI CƯƠNG Transistor có rất nhiều ứng dụng trong các thiết bị điện tử, tuỳ theo từng ứng dụng cụ thể mà transistor cần phải được cung cấp điện áp và dòng điện cho từng chân một cách thích hợp. Việc chọn điện áp nguồn và điện trở ở các chân transistor gọi là phân cực cho transistor. 2. PHÂN CỰC BẰNG HAI NGUỒN ĐIỆN RIÊNG a. Trường hợp không có RE Xét mạch điện hình 7.1 là mạch phân cực cho transistor có độ khuếch đại dòng điện = 100 và VBE = 0,7V. Ở ngõ vào nguồn V­BB cung cấp dòng điện IB cho cực B qua điện trở RB Suy ra dòng điện ở cực thu là: IC =β . IB = 100 20uA =2mA. VCE1=2V – (2mA 3k) = 6V Trên transistor có dòng điện IC qua và chịu áo VCE nên tiêu hao một công suất là P = VCE. IC = 6V 2mA = 12mW Từ các trị số dòng điện và điện áp trên ta có thể xác định điểm làm việc của transistor trên đặc tuyến ngõ ra. Từ công thức tính VCE ta có ,thể suy ra công thức tính IC như sau: Nếu I­C = 0 thì VCE = VCC nếu VCE = 0 thì Đường thẳng nối hai điểm VCE = VCC và gọi là đường tải tĩnh theo công thức: gọi là phương trình đường tải tĩnh. B. Trường hợp có RE 3. PHÂN CỰC BẰNG NGUỒN ĐIỆN CHUNG a. Phân cực cho cực B bằng điện trở R­B Trong mạch điện hình 7.5 cực B dùng nguồn VCC gảim áp bằng điện trở RB nên dòng điện ngõ vào được tính theo công thức: VCC = IB. RB + VBE + IE.RE VCC = IB. RB + VBE + .IB.RE VCC = IB(RB + .RE) + VBE Suy ra: Dòng điện cực thu ở ngõ ra: IC = β.IB = 100 20A = 2mA IE IC = 2mA Tính điện áp các chân: VE = IE.RE = 2mA 0,5k = 1V VB = VE + VBE = 11V + 0,7V = 1,7V VC = VCC – (IC.RC) = 12V – (2mA 2,5k) = 7V Điện áp VB có thể tính theo công thức xét ở ngõ vào: VB = VCC – (IB.RB) = 12V – (20A 520k) 1,6V Phương trình đường tải tĩnh là: Trong mạch điện hình 7.5 có điện trở RE và RC giống như trong mạch điện 7.3 nên mạch này cũng có đường tải tĩnh và điểm làm việc giống như hình 7.4. b. Phân cực cho cực B bằng cầu phân áp 3. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐỐI VỚI CÁC THÔNG SỐ CỦA TRANSISTOR Hầu hết các thông số của transistor đều bị thay đổi theo nhiệt độ, trong đó ba thông số chịu ảnh hưởng lớn nhất là dòng điện rỉ ICBO, độ khuếch đại , điện áp phân cực VBE. Ảnh hưởng đối với ICBO Ảnh hưởng đối với độ khuếch đại Ảnh hưởng đối với phân cực VBE 4. CÁC BIỆN PHÁP ỔN ĐỊNH NHIỆT Dùng điện trở RE để ổn định nhiệt Dùng điện trở RB hồi tiếp từ cực C Dùng cầu phân áp có điện trở nhiệt IV. MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANSISTOR 1. Mạch khuếch đại đơn giản Trong sơ đồ mạch khuếch đại hình 8.1 transistor có các điện trở RC để lấy tín hiệu ở ngõ ra, điện trở RE để ổn định nhiệt, cầu phân áp RB1-RB2 phân cực một chiều cho cực B để chọn điểm làm việc tĩnh Q trên đặc tuyến ngõ ra. Các tụ điện C1 , C2 gọi là tụ điện liên lạc có tác dụng cách ly điện áp một chiều giũa các chân B và C của transistor với nguồn tín hiệu ở ngõ vào và mạch điện ở ngõ ra. Tụ điện CE ghép song song điện trở RE gọi là tụ phân dòng để lọc bỏ tín hiệu xoay chiều trên cực E xuống mass. Các tụ điện C1 , C2 , CE có trị số được chọn sao cho có dung kháng rất nhỏ so với trị số các điện trở trong mạch ở tần số của tín hiệu khuếch đại. Điện trở RS là nội trở của nguồn tín hiệu V­S . Nguồn tín hiệu VS ,có biên độ hiệu dụng nhỏ ở mức vài milivôn đến vài chục milivôn. a. Xét trạng thái tĩnh điện Mạch điện hình 8.1 giống như mạch phân cực cho cực B bằng cầu phân áp hình 7.6 nên việc tính toán các dòng điện và điện áp ở mỗi transistor cũng giống như vậy. Ta .có : trong đó VBB­ và RB được tính theo định lý Thevenin. Suy ra: I­C = IE = 2mA VC = 7V , VE = 1V , VB = 1,7V V­BE = 0,7V , VCE = 6V Tương tự, ta có thể vẽ đường tải tĩnh như đặc tuyến ngõ ra hình 8.2b theo phương trình đường tải là: b. Xét trạng thái xoay chiều * Tác dụng của các tụ điện Dung kháng XC1 , XC2 và XCE có giá trị rất nhỏ so với các trị số điện trở trong mạch nên được coi như nối tắt. Mặt khác, điệp áp nguồn VCC cũng có một tụ lọc nguồn trị số rất lớn nên nguồn VCC cũng được coi như nối tắt xuống mass đối với xoay chiều (gọi là mass xoay chiều). Như vậy, ở trạng thái xoay chiều mạch điện hình 8.1 có thể vẽ lại như hình 8.3: * Tổng trở ngõ vào: Trong mạch tương đương ở trạng thái xoay chiều hình 8.3 thì ri là điện trở ngõ vào của transistor xét từ cực B đến cực E. ba điện trở RB1 , RB2 và ri song song với nhau gọi là tổng trở ngõ vào Ri trong đó RB1 và R­B2 song song chính là RE . Đường tải rộng: Xét sự biến thiên của tín hiệu: Xét góc pha của các tín hiệu: Tính độ khuếch đại Độ khuếch đại dòng điện: Độ khuếch đại điện áp: 2. BA CÁCH RÁP CĂN BẢN Mạch khuếch đại hình 8.1 có tín hiệu ở vào cực B và tín hiệu lấy ra ở cực C, cực E có tụ phân dòng CE xuống mass nên cực E không có tín hiệu xoay chiều được gọi là cực chung. Mạch này gọi là mạch khuếch đại ráp kiểu E chung, tương tự. Transistor có có thể ráp theo kiểu cực B chung hay C chung. a. Mạch khuếch đại ráp kiểu E chung(CE: common Emitter) b. Mạch khuếch đại ráp kiểu C chung(CE: common Emitter) Trong mạch transistor ráp kiểu C chung thì cực C ráp thẳng lên nguồn VCC (được gọi là mass xoay chiều) nên cực C không có tín hiệu. Tín hiệu vào ở cực B và lấy ra ở cực E. c. Mạch khuếch đại ráp kiểu B chung (CB:Common Base)