Bài giảng Mạch điện tử 1 - Chương 2: Transistor hai lớp tiếp giáp

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

CHÖÔNG 2: TRANSISTOR HAI LÔÙP TIEÁP GIAÙP - BJT

2.1 Giôùi thieäu

2.2 Doøng chaûy trong BJT

2.3 Khueách ñaïi doøng trong BJT

2.4 Giaûi tích maïch BJT baèng ñoà thò

2.5 Tính toaùn coâng suaát

2.6 Tuï Bypass voâ haïn

2.7 Tuï gheùp voâ haïn

2.8 Maïch Emitter Follower

2.9 Môû roäng

“We make a living by what we get, we make a life by what we give”.

- Winston Churchill, Sir (1874-1965)

http://www.khvt.com

Chöông 2

1

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

2.1 Giôùi thieäu

x 1948: Transistor ñaàu tieân (Bell Lab)

x Caùc loaïi transistor (TST): BJT, FET

x BJT: Bipolar Junction Transistor: Transistor hai lôùp tieáp giaùp

2.2 Doøng chaûy trong BJT

x Caáu taïo vaø kyù hieäu

x Doøng chaûy trong BJT

EB: Phaân cöïc thuaän

CB: Phaân cöïc nghòch

I_C DI_Eꢀ I_CBO

I_E I_Bꢀ I_C

I_B (1ꢁD)I_Eꢁ I_CBO

I_CBO

1ꢁD

§

¨

©

·

¸

¹

I

I ꢁ

C

B

D

Ñaët: E

1ꢁD

Löu yù: Caáu hình B chung (CB – Common Base configuration)

http://www.khvt.com

Chöông 2

2

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

2.2.1 Moái noái Emitter – Base (EB)

Xem moái noái EB nhö moät Diode phaân cöc thuaän hoaït ñoäng ñoäc laäp (i_D= i_E; v_D= v_EB)

x DCLL vaø Ñaëc tuyeán EB

V_EE

R_e

1

R_e

DCLL: i_E ꢁ v_EBꢀ

x Maïch töông ñöông ñôn giaûn

v_E= V_EBQ= V_J(0.7V: Silicon;

0.2V: Germanium)

r_d= 0

V_EEꢁV_EBQ

I_EQ

R_e

http://www.khvt.com

Chöông 2

3

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

2.2.2 Moái noái Collector – Base (CB)

Töø quan heä: I_C DI_Eꢀ I_CBO, maïch töông ñöông cuûa moái noái CB:

I_E

I_C

I_E

I_C

C

E

V_EBQ

DI_E

I_CBO

Diode lyù

töôûng

I_B

B

VÍ du 1ï: Cho maïch ñieän nhö hình veõ: D | 1, I_CBO| 0; V_EE= 2V; R_e= 1k; V_CC= 50V; R_c

= 20k; v_i= 1sinZt. Tính i_Evaø v_CB.

R_e

C

E

1

3

V_EEꢀ v_iꢁV_EBQ

B

i_E

1.3ꢀ1.0sinZt (mA)

R_c

R_e

v_i

i_E

V_EE

V_CC

i_C

v_CB ꢁV_CCꢀ R_ci_C ꢁV_CCꢀ R_ci_E

E

C

V_EEꢁV_EBQ

R_c

ꢀ v_i

R_e

v_CB ꢁV_CCꢀ R_c

R_e

v_i

R_c

R_e

V_EBQ

v_CB ꢁ24 ꢀ 20sinZt (V)

Heä soá khueách ñaïi tín hieäu xoay chieàu: A_v= 20

B

V_EE

V_CC

http://www.khvt.com

Chöông 2

4

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

2.3 Khueách ñaïi doøng trong BJT

D

1ꢁD

Quan heä giöõa i_Cvaø i_B(boû qua I_CBO): i_C| E ui_Bvôùi E

Heä soá khueách ñaïi tín hieäu nhoû:

Suy ra:

'i_C E u 'i_Bꢀ 'E ui_B

'i_C

'i_B

'E

'i_B

E ꢀ

i_B h_fe

Xem gaàn ñuùng: h_fe| E { h_FE

Löu yù: E cuûa caùc TST cuøng loaïi coù theå thay ñoåi nhieàu theo töøng TST.

Ví du 2ï: Cho maïch ñieän nhö hình veõ. Xaùc ñònh heä soá khueách ñaïi doøng tín hieäu nhoû.

9 Caáu hình E chung (CE – Common Emitter configuration)

9 Transistor npn

V_BBꢀ v_iꢁV_BEQ

C

i_B

i_C

1

3

x Ngoõ vaøo: i_B

I_BQꢀ i_b

2

R_c

R_b

B

E

R_b

v_i

V_BBꢁV_BEQ

v_i

R_b

vôùi: I_BQ

vaø i_b

R_b

V_CC

x Ngoõ ra:

i_C| E ui_B E u(I_BQꢀ i_b) I_CQꢀ i_c

V_BB

i_c

i_b

Heä soá khueách ñaïi doøng tín hieäu nhoû: A E

i

http://www.khvt.com

Chöông 2

5

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

Ñaëc tuyeán VA ngoõ ra caáu hình E chung

x Vuøng baõo hoøa: v_CEd V_CEsat

Quan heä giöõa i_Cvaø i_Blaø khoâng tuyeán tính

x Vuøng chuû ñoäng: V_CEsatd v_CEd BV_CEO

Quan heä tuyeán tính:

E

i_C E ui_Bꢀ I_CBO

D

Giôùi haïn doøng: I_C-cutoffd i_Cd I_Cmax

Ví duï 3: V_CC= 10V, R_b= 10K, R_c= 1K. TST: E = 100, V_BE= 0.7V, V_CEsat= 0.1V. Tìm

ñieàu kieän laøm vieäc (I_Cvaø V_CE) cuûa TST khi: a) V_BB= 1.5V b) V_BB= 10.7V

V_BBꢁV_BE

I_B

; V_CE V_CCꢁ I_CR_c

3

R_b

2

1

R_c

a) I_B= 0.08mA; I_C= EI_B= 8mA

V_CE= 2V: TST hoaït ñoäng trong vuøng tích cöïc.

b) I_B= 1mA; Giaû söû I_C= EI_B= 100mA V_CE= -90 !!!

TST hoaït ñoäng trong vuøng baõo hoøa: V_CE= V_CEsat= 0.1

V_BB

V_CC

V_CCꢁV_CE

10 ꢁ 0.1

I_C

9.9mA

R_c

1K

http://www.khvt.com

Chöông 2

6

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

Maïch töông ñöông

i_c

1

C

+

v_ce

_

h_fei_b

R₀

E

2.4 Giaûi tích maïch BJT baèng ñoà thò

Maïch khueách ñaïi cô baûn

Maïng phaân cöïc

RL

R2

RL

B

1

3

R2

2

VCC

1

3

2

VCC

i_i

VCC

B

1

Rb

i_i

Re

R1

Re

R1

VBB

http://www.khvt.com

Chöông 2

7

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

x Maïng phaân cöïc (Maïch töông ñöông Thevenin):

R_b

R₁

R₁ꢀ R₂

V_BB

V_CC

Thieát keá: R₁

1ꢁV_BB/V_CC

V_CC

V_BB

R₁R₂

R₁ꢀ R₂

R_b

R₂ R_b

x Hoaït ñoäng cuûa maïch khueách ñaïi (DC)

9 Ngoõ ra:

V_CC v_CEꢀ i_CR_Lꢀ i_ER_e

Vôùi i_C= Di_E| i_E, suy ra: V_CC v_CEꢀ i_C(R_Lꢀ R_e): DCLL

9 Ngoõ vaøo:

V_BBꢁ i_BR_b v_BEꢀ i_ER_e

V_BBꢁ v_BE

R_eꢀ (1ꢁD)R_b

V_BBꢁ v_BE

Boû qua I_CBO: i_B= (1-D)i_E, suy ra: i_E

1

R_eꢀ

R_b

1ꢀ E

Ñeå loaïi boû söï thay ñoåi cuûa i_Edo E thay ñoåi, choïn R_e>> R_b/(1+E).

9 Tónh ñieåm Q (I_CQ, V_CEQ):

V_BBꢁV_BEQ

§ R_L·

I_CQ| I_EQ

; V_CEQ V_CCꢁ (V_BBꢁ 0.7)¨1ꢀ ¸

¨

¸

R_e

¹

©

http://www.khvt.com

Chöông 2

8

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

x Giaûi tích baèng ñoà thò

9 Tín hieäu nhoû: i_c i_Cꢁ I_CQvaø: v_ce v_CEꢁV_CEQ

9 Quan heä pha: i_btaêng, i_c, i_etaêng, v_cegiaûm

9 Ñieáu kieän ñeå i_Ccoù theå dao ñoäng cöïc ñaïi (max swing): (Giaû söû V_CEsat= 0 vaø

I

_C-cutoff= 0)

V_CC/ 2

R_Lꢀ R_e

I_CQ

V_CEQ V_CC/ 2

http://www.khvt.com

Chöông 2

9

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

Ví duï 4: Tìm Q ñeå coù max swing:

1

+9V

DCLL: 9 |V_CEQꢀ I_CQ(1000 ꢀ 200)

V_CC/ 2

R2

RL

1k

Max swing: I_CEQ

=

= 3.75 mA

R_Lꢀ R_e

E = 100

V

_CEQ= V_CC/ 2 = 4.5 V

R1

Re

200

Ví duï 5: Tìm R₁vaø R₂trong ví duï 4 ñeå ñaït ñöôïc Max Swing

1

+9V

V_BQ= V_BE+ V_EQ= V_BE+ I_EQu R_e| V_BE+ I_CQu R_e

RL

1k

1

Choïn R_e>> R_b/(1+E), thöôøng choïn: R_b R_e(1ꢀ E ) = 2K

Rb

10

V_BB= V_Rb+ V_BQ= I_BQR_b+ V_BQ| (I_CQ/E)(0.1ER_e) + V_BE+ I_CQR_e

V_BB= V_BE+ I_CQ(1.1R_e) = 0.7 + (3.75E-3)(1.1)(200) = 1.525 V

R_b

E = 100

Re

200

VBB

Suy ra: R₁

= 2.4K

1ꢁV_BB/V_CC

V_CC

R₂ R_b

= 11.8K

V_BB

http://www.khvt.com

Chöông 2

10

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

2.5 Tính toaùn coâng suaát

x Coâng thöùc toång quaùt:

1 ^T

P V (t)I(t)dt

P (V ꢀ v(t))(I ꢀ i(t))dt

³

av

T

0

1 ^T

V(t) = V_av+ v(t)

I(t) = I_av+ i(t)

Trong ñoù:V_av, I_av: Giaù trò trung bình

P V I ꢀ v(t)i(t)dt

³

av av

T

0

v(t), i(t): Thaønh phaàn thay ñoåi

theo thôøi gian coù trung bình baèng 0.

x Coâng suaát trung bình tieâu taùn treân taûi (Coâng suaát xoay chieàu)

1 ^T

V_CC

2(R_Lꢀ R_e)

P i²R dt

MaxSwing: max(I_cm) = I_CQ=

³

L,ac

c L

T

0

V_C²_CR_L

8(R_Lꢀ R_e)²

Giaû söû i_claø tín hieäu sin: i_c= I_cmsinZt

Suy ra: max(P_L,ac) =

I_c²_mR_L

P_L,ac

2

Ñeå cöïc ñaïi hoùa coâng suaát tieâu taùn treân taûi:

Choïn R_L>> R_e

V_C²_C

Suy ra: max(P_L,ac) |

8R_L

http://www.khvt.com

Chöông 2

11

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

x Coâng suaát nguoàn cung caáp trung bình

1 ^T

V_CC

2(R_Lꢀ R_e)

V_C²_C

Max Swing: I_CQ=

Suy ra: P_CC=

P V i dt V (I ꢀ i )dt

³

CC

CC C

CC CQ

c

T

0

P_CC V_CCI_CQ

2(R_Lꢀ R_e)

V_C²_C

2R_L

Vôùi R_L>> R_e: P_CC|

x Coâng suaát trung bình treân Transistor

1 ^T

P v i dt

>

V ꢁ (R ꢀ R )i

@

i dt V i dt ꢁ (R ꢀ R ) i²dt

³

C

CE C

CC

L

e C C

CC C

L

e

C

T

0

P_C P_CCꢁ P_Lꢁ P_E: “Baûo toaøn naêng löôïng”

I_c²_m

2

1 ^T

2

ꢂ

ꢃ

Khai trieån:

i²dt

I_CQꢀ I_cmsinZt dt I_CQꢀ

³

C

T

0

I_c²_m

Suy ra: P_C P_CCꢁ (R_Lꢀ R_e)I_C²_Qꢁ (R_Lꢀ R_e)

2

TST tieâu thuï coâng suaát cöïc ñaïi khi khoâng coù tín hieäu:

http://www.khvt.com

Chöông 2

12

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

max(P_C) = P_CCꢁ

ꢂ

R_Lꢀ R_{e CQ}

ꢃ

I ²

V_C²_C

Max Swing: max(P_C) =

|

4(R_Lꢀ R_e) 4R_L

x Hieäu suaát

P_L,ac

9 Hieäu suaát: K

P_CC

I_c²_m

V_C²_C/ 2R_L

ꢂ

R_L/ 2

ꢃ

Max Swing: K

V_CC

2R_L

Hieäu suaát cöïc ñaïi khi I_cmcöïc ñaïi: max(I_cm) = I_CQ|

(Giaû söû R_L>> R_e)

V_C²_C/8R_L

V_C²_C/ 2R_L

Suy ra: max(K)

= 0.25

9 Tyû soá coâng suaát tieâu taùn TST cöïc ñaïi treân coâng suaát taûi xoay chieàu cöïc ñaïi:

(Thieát keá: Choïn TST coù chæ soá coâng suaát tieâu taùn cöïc ñaïi thích hôïp)

max(P_C) V_C²_C/ 4R_L

max(P_L,ac)

|

2:

V_C²_C/8R_L

http://www.khvt.com

Chöông 2

13

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

2.6 Tuï Bypass voâ haïn

R_e: + Taïo doøng phaân cöïc I_CQvaø taêng ñoä oån ñònh phaân cöïc (C3).

_ Giaûm hieäu suaát; Giaûm heä soá khueách ñaïi ñoái vôùi tín hieäu nhoû xoay chieàu (C4)

Söû duïng tuï bypass (Giaû söû C_eov, ñoái vôùi tín hieäu xoay chieàu: Z_C= 1/(jCZ) o 0)

DCLL: R_DC R_Lꢀ R_e

RL

V_CC

R_DC

1

R_DC

I_C ꢁ

V_CEꢀ

i_C

i_B

VCC

i_E

ACLL: v_ce ꢁR_Li_c

i_i

Rb

R_ac R_L

Re

Ce

1

VBB

i_c ꢁ

v_ce(Goác toïa ñoä Q)

R_ac

“Destiny is what we make”.

- Anonymous

http://www.khvt.com

Chöông 2

14

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

Max Swing: Q trung ñieåm ACLL

V_CEQ I_CQR_ac

Thay vaøo DCLL:

V_CC

R_DC

1

R_DC

ꢂ

ꢃ

I_CQ ꢁ

I_CQR_acꢀ

V_CC

I_CQ

R_DCꢀ R_ac

V_CC

V_CEQ

1ꢀ R_DC/ R_ac

2.7 Tuï gheùp (coupling capacitor) voâ haïn

Tuï gheùp: Ngaên doøng DC qua taûi.

DCLL: R_DC= R_e+ R_c

VCC

Rc

ACLL: R_ac= R_c// R_L

Cc

V_CC

Max Swing: I_CQ

R_DCꢀ R_ac

i_C

i_E

i_B

i_L

V_CC

i_i

Rb

RL

V_CEQ

1ꢀ R_DC/ R_ac

VBB

Re

Ce

R_c

Doøng qua taûi (AC): i_L

i_c

R_Lꢀ R_c

http://www.khvt.com

Chöông 2

15

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

2.8 Maïch Emitter Follower

VCC

R2

v_B= v_BE+ v_E

Xem v_BE| V_BE= 0.7

v_i= v_b| v_e: “Follower”

Cb

Rb

vi

Re

R1

Re

v_E

VBB

a) Maïch Emitter Follower

b) Maïch töông ñöông

VCC

DCLL: R_DC= R_e

ACLL: R_ac= R_e// R_L

Cb

Ce

Rb

vi

v_L

Re

RL

VBB

c) Maïch Emitter Follower vôùi taûi AC

http://www.khvt.com

Chöông 2

16

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

2.9 Môû roäng

2.9.1 Maïch phaân cöïc Base – Injection

Xeùt maïch Emitter Follower vôùi maïch phaân cöïc Base – Injection sau:

VCC

x Tính toaùn maïch phaân cöïc:

Ngoõ vaøo: V_CC= V_R2+ V_BEQ+ V_Re

R2

V_CC| R₂(I_CQ/E) + V_BEQ+ R_eI_CQ

V_CCꢁV_BEQ

Cb

I_CQ

Ce

R_eꢀR₂/ E

Ngoõ ra: V_CEQ= V_CC- R_eI_CQ

x Thieát keá maïch phaân cöïc:

vi

Re

v_L

RL

Choïn tónh ñieåm Q

V_CCꢁV_BEQꢁ R_eI_CQ

Tính R₂=

I_CQ/ E

http://www.khvt.com

Chöông 2

17

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

2.9.2 Nguoàn cuûa maïch khueách ñaïi

Coù theå thay ñoåi ñieän aùp nguoàn cung caáp cho maïch khueách ñaïi ñeå thay ñoåi möùc DC

cuûa ngoõ ra (Vaãn baûo ñaûm TST phaân cöïc ñuùng).

Ví duï 6: Xeùt maïch CE sau

+VCC

DCLL:

R_DC= R_c+ R_e

V_CCꢀV_EE

1

R_DC

I_C ꢁ

V_CEꢀ

R2

R1

Rc

R_DC

ACLL:

R_ac= R_c+ R_e

Cb

Vôùi tín hieäu ac, caùc nguoàn moät chieàu

(V_CC, V_EE) ngaén maïch: Phaân tích nhö

caùc phaàn tröôùc.

v_o

vi

Re

Ví duï:

Choïn R_CI_CQ= V_CC

Möùc DC ngoõ ra: v_0-DC= 0 (Khoâng caàn

duøng tuï coupling ngoõ ra)

-VEE

http://www.khvt.com

Chöông 2

18

Bài giảng Mạch điện tử 1 - Chương 2: Transistor hai lớp tiếp giáp - BJT