Bài giảng Mạch điện tử 1 - Chương 3: Ổn định phân cực (Bias stability) cho BJT

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

CHÖÔNG 3: OÅN ÑÒNH PHAÂN CÖÏC (Bias Stability) CHO BJT

3.1 Giôùi thieäu

3.2 Aûnh höôûng cuûa E leân tónh ñieåm Q

3.3 Aûnh höôûng cuûa nhieät ñoä leân tónh ñieåm Q

3.4 Phaân tích heä soá oån ñònh

3.5 Boå chính nhieät duøng Diode

3.6 Aûnh höôûng cuûa nhieät ñoä vaø caùc thoâng soá kyõ thuaät

Chöông 3

1

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

3.1 Giôùi thieäu

9 Tónh ñieåm Q

9 Söï thay ñoåi cuûa tónh ñieåm Q: Nhieät ñoä, E, nguoàn cung caáp, …

3.2 AÛûnh höôûng cuûa E leân tónh ñieåm Q

x Toång quaùt:

Rc

Khueách ñaïi doøng: I_C EI_Bꢀ (E ꢀ1)I_CBO DI_Eꢀ I_CBO

KVL moái noái BE: V_BB I_BR_bꢀV_BEꢀ I_ER_e

VCC

D(V_BBꢁV_BE) ꢀ I_CBO(R_eꢀ R_b)

R_eꢀ (1ꢁD)R_b

x Xeùt aûnh höôûng cuûa E leân tónh ñieåm Q:

Rb

I_CQ

Re

VBB

Xem D | 1; V_BE| 0.7(Si) vaø I_CBO(R_e+ R_b) << (V_BB- V_BE)

V_BBꢁ 0.7

R_eꢀ R_b/ E

I_CQ|

Löu yù: Phaân tích coù theå

duøng cho CB, CE, CC

x Ñeå giaûm aûnh höôûng cuûa E leân I_CQ, choïn R_e>> R_b/ E

V_BBꢁ 0.7

I_CQ|

R_e

Thieát keá: 1. Choïn tónh ñieåm Q

E_minR_e

2. Choïn R_b

; tính toaùn maïch phaân cöïc nhö trong chöông 2

10

Chöông 3

2

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

Caùc kyõ thuaät phaân cöïc söû duïng hoài tieáp (feedback)

x Khaùi nieäm hoài tieáp

x Hoài tieáp doøng (current feedback)

V_CCꢁV_BE

I_CQ

R_Eꢀ R_B/ E

V_CCꢁV_BE

hay I_BQ

ER_Eꢀ R_B

x Hoài tieáp doøng vaø aùp (current & voltage feedback)

V_CC| I_CQR_Cꢀ I_BQR_FꢀV_BEꢀ I_CQR_E

I_CQR_F

V_CC I_CQR_Cꢀ

ꢀV_BEꢀ I_CQR_E

E

V_CCꢁV_BE

R_Cꢀ R_Eꢀ R_B/ E

V_CCꢁV_BE

I_CQ

hay: I_BQ

E(R_Cꢀ R_E) ꢀ R_B

Chöông 3

3

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

3.3 Aûnh höôûng cuûa nhieät ñoä leân tónh ñieåm Q

x Aûnh höôûng cuûa nhieät ñoä:

9 Ñieän aùp ngöôõng: 'V_BE V_B
E2ꢁV_BE1 ꢁk(T₂ꢁ T₁) vôùi k = 2.5 mV / ^oC (Si)

K(T ꢁT )

o

2

1

ꢂ

e

ꢃ

9 Doøng phaân cöïc nghòch baõo hoøa: I_CBO2 I_CBO1

vôùi K = 0.07 / C

'I_CBOI_CBO2ꢁ I_CBO1I_CBO1(e^K'Tꢁ1)

'T

x Tónh ñieåm Q: Xem D | 1 vaø R_e>> R_b/ E; töø coâng thöùc toång quaùt:

R_b

ꢀ I_CBO(1ꢀ )

R_e

V_BBꢁV_BE

I_CQ|

R_e

'I_CQ

'V_BE§ R_b· 'I_CBO

1

ꢁ

ꢀ ¨1ꢀ ¸

¨

¸

'T

R_e'T

R_e

'T

©

¹

K'T

'I_CQ

§

·

¸

¹

§ R_b·

k

R_e

e

ꢁ1

¨

©

ꢀ ¨1ꢀ ¸I_CBO1

¨

¸

'T

R_e

'T

©

¹

§ R_b·

k'T

R_e

'I

ꢀ ¨1ꢀ ¸I_CBO1

ꢂ

e^K'Tꢁ1

ꢃ

CQ

¨

¸

R_e

¹

©

x Ví duï: Xeùt maïch ñieän trong phaàn (3.2) vôùi: R_b= 400; R_e= 100; I_CQ= 10 mA taïi 25 ^oC. Tìm

söï thay ñoåi cuûa I_CQkhi nhieät ñoä leân ñeán 55 ^oC vôùi a) Silicon; b) Germanium.

Chöông 3

4

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

2.5u10^ꢁ3(55 ꢁ 25)

400

100

§

©

·

¸

¹

0.07u(55ꢁ25)

ꢂ

e

ꢃ

ꢁ1

Toång quaùt: 'I_CQ

ꢀ 1ꢀ

I

¨

CBO1

100

'I_CQ 0.75u10^ꢁ3ꢀ 36I_CBO1

a) Silicon: I_CBO1= 1 PA 'I_CQ= 0.786 mA

b) Germanium: I_CBO1= 100 PA 'I_CQ= 4.35 mA

Nhaän xeùt:

i) 'I_{CQ (Silicon)}<< 'I_{CQ(Germanium)}

ii) Vôùi Silicon, 'I_CQchuû yeáu do 'V_BE

3.4 Phaân tích heä soá oån ñònh (stability analysis)

x Baøi toaùn: I_CQ= I_CQ(I_CBO, V_BE, E, …) seõ thay ñoåi nhö theá naøo khi caùc bieán phuï thuoäc thay ñoåi

x Giaû thuyeát: Giaû söû caùc bieán phuï thuoäc thay ñoåi moät löôïng nhoû, söû duïng khai trieån Taylor:

wI

§

·

§

·

§

·

CQ

¨

¸

¨

¸

¨

¸

dI_CQ

dI_CBO

ꢀ

dV_BEꢀ

dE ꢀ ...

wI_CBO

wV_BE

wE

©

¹

©

¹

©

¹

x Ñònh nghóa: Heä soá oån ñònh (stability factors)

'I_CQ

wI_CQ

'I_CQwI_CQ

S_I

|

;

S_V

|

;

S_E

|

'I_CBOwI_CBO

'V_BEwV_BE

'E

wE

Löu yù 1: Caùc heä soá oån ñònh ñöôïc tính taïi ñieåm Q danh ñònh (nominal Q)

Vôùi caùc thay ñoåi nhoû: 'I_CQ| dI_CQ; 'I_CBO| dI_CBO; 'V_BE| dV_BE; 'E | dE

Suy ra:

'I_CQ| S_I'I_CBO+ S_V'V_BE+ S_E'E + …

Chöông 3

5

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

Löu yù 2: Thöïc teá, E thay ñoåi raát nhieàu, khi ñoù 'I_CQvaãn ñöôïc tính töø coâng thöùc treân vôùi S_E

'I_CQ

ñöôïc tính tröïc tieáp theo ñònh nghóa: S_E

'E

D(V_BBꢁV_BE) ꢀ I_CBO(R_eꢀ R_b)

R_eꢀ (1ꢁD)R_b

Tính caùc heä soá oån ñònh: (Giaû söû R_e>> R_b/ E | (1-D)R_b)

x Xeùt maïch trong phaàn 3.2: I_CQ

wI_CQ

R_eꢀ R_b

wI_CBOR_eꢀ (1ꢁD)R_b

wI_CQ

R_b

R_e

⁹S_I

⁹S_V

| 1ꢀ

ꢁD

wV_BER_eꢀ (1ꢁD)R_b

1

| ꢁ

R_e

E

1ꢀ E

9 Tính S_E: Tính tröïc tieáp töø ñònh nghóa, söû duïng D

vaø giaû söû boû qua I_CBO

E(V_BBꢁV_EE)

I_CQ|

R_bꢀ (E ꢀ1)R_e

I_CQ2ꢁ I_CQ1'I_CQ

I_CQ2

'E(R_bꢀ R_e)

R_bꢀ (E₂ꢀ1 )R_e

R_bꢀ (E₁ꢀ1)R_e

E₂

I_CQ1E₁R_bꢀ (E₂ꢀ1)R_e

I_CQ1

E₁

>

@

'I_CQ

I

CQ1

§

·

R_bꢀ R_e

ª

º

»

¨

¸

S_E{

«

'E

E₁

R ꢀ (E ꢀ1)R

¬

¼

b

2

e

©

¹

Chöông 3

6

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

I

§

·

R_b

R_e

ª

R R

ꢀ

º

§

·

§ ·

1

CQ1

b e

¨

¸

Suy ra: 'I_CQ| ¨1ꢀ ¸'I_CBOꢁ ¨ ¸'V_BEꢀ

'E ꢀ ...

«

»

¨

¸

¨ ¸

R

© ¹

E₁

R ꢀ (E ꢀ1)R

©

¹

¬

¼

e

b 2 e

©

¹

Trong ñoù:

'I_CBO I_CBO1(e^K'Tꢁ1)

'V_BE ꢁk'T

'E E₂ꢁ E₁

x Môû roäng: 'I_CQ S_I'I_CBOꢀ S_V'V_BEꢀ S_E'E ꢀ S_V'V_CCꢀ S_R'R_e

CC

e

wI_CQ

Vôùi S_V

|

; S_R|

e

CC

wV_CC

wR_e

x Ví duï: a) Tìm I_CQtaïi nhieät ñoä phoøng, söû duïng caùc giaù trò danh ñònh

b) Tính 'I_CQvôùi caùc thay ñoåi treân V_CC, R_e, E; nhieät ñoä thay ñoåi töø 25 – 125 ^oC.

R₁

R₁ꢀ R₂

a) V_BB V_CC

; R_b= R₁// R₂

Duøng coâng thöùc toång quaùt:

D(V_BBꢁV_BE) ꢀ I_CBO(R_eꢀ R_b)

I_CQ

= 10.6 mA

R_eꢀ (1ꢁD)R_b

b) i Tính caùc heä soá oån ñònh:

Chöông 3

7

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

R_eꢀ R_b

R_eꢀ (1ꢁD)R_b

S_I

= 5.25 mA/mA

1

R_e

S_V| ꢁ

= - 10 mA/V

I

§

·

ª

R_bꢀ R_e

º

CQ1

¨

¸

S_E|

= 0.0116 mA

«

»

E₁

R ꢀ (E ꢀ1)R

¬

¼

b

2

e

©

¹

D(V_BBꢁV_BE) ꢀ I_CBO(R_eꢀ R_b)

R_eꢀ (1ꢁD)R_b

Tính S_Vccvaø S_Re, töø coâng thöùc toång quaùt: I_CQ

, suy ra:

wI_CQ

wV_BB

R₁

wV_CCR_eꢀ (1ꢁD)R_bwV_CCR_eꢀ (1ꢁD)R_bR₁ꢀ R₂

wI_CQ

D

S_V

= 0.91 mA/V

CC

ꢁD(V_BBꢁV_BE)

S_R

|

= - 0.1 mA/:

e

2

wR_e

>

R_eꢀ (1ꢁD)R_b

@

i Xaùc ñònh caùc ñaïi löôïng bieán thieân:

'I_CBO I_CBO1(e^K'Tꢁ1) = 0.11 mA

'V_BE ꢁk'T = -250 mV

'E E₂ꢁ E₁= 50

'V_CC= 4V

'R_e= 20 :

i Suy ra ñoä dòch tónh ñieåm Q nhieàu nhaát

'I_CQ S_I'I_CBOꢀ S_V'V_BEꢀ S_E'E ꢀ S_V'V_CCꢀ S_R'R_e= 9.3 mA

CC

e

Ñoä dòch tónh ñieåm Q xung quanh giaù trò danh ñònh | 9.3 / 2 = r 4.65 mA

Chöông 3

8

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

3.5 Boå chính nhieät duøng Diode

x Nhaän xeùt: Thay ñoå nhieät ñoä aûnh höôûng leân doøng phaân cöïc I_CQchuû yeàu do 'V_BE.

Giaûm S_V: Taêng R_e, tuy nhieân laøm giaûm doøng phaân cöïc.

Giaûm 'V_BE: Boå chính nhieät

x Boå chính nhieät duøng Diode:

'V_D'V_BE

Choïn Diode sao cho:

'

T

'

T

I_EQ

Nguoàn doøng: I_BB I_Dꢀ I_BQ I_Dꢀ

E ꢀ1

Maët khaùc: V_B V_Dꢀ I_DR_d V_BEQꢀ I_EQR_e

V_DꢁV_BEQꢀ I_BBR_d

R_eꢀ [R_d/(E ꢀ1)]

'I_EQ

'T

'V_D/ 'T ꢁ 'V_BE/ 'T

R_eꢀ [R_d/(E ꢀ1)]

Suy ra: I_EQ

= 0

x Caáu hình thöïc teá:

- Giaûi quyeát ñöôïc baøi toaùn löïa choïn Diode

thích hôïp (matching) vôùi TST

- Söû duïng trong caùc maïch tích hôïp

(Integrated Circuit)

Chöông 3

9

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

x Ví duï: Xaùc ñònh aûnh höôûng cuûa nhieät ñoä leân tónh ñieåm Q

V_BV_BꢁV_D

V_B

R_b

V_BꢁV_D

Maïch töông ñöông: I_BB

ꢀ

ꢀ I_BQ; giaû söû I_BQꢄꢄ

vaø I_Bꢄꢄ

R_b

R_d

V_BV_BꢁV_D

§

V ·§ R_bR_d·

I_BB|

I_EQ

ꢀ

V_B ¨ I_BBꢀ ^D¸¨

¸

¨

¸¨

R_b

R_d

R_dR ꢀ R

©

¹©

¹

b

d

V_BꢁV_BEQ

§ ·§ V R

V_DR_b

R_bꢀ R_d

·

1

CC d

¨ ¸¨

ꢀ

ꢁV_BEQ

¸

R_e

R R ꢀ R

¹

e

b

d

wI_EQ

wV_BEQ

§

·

R_b

§ ·

wV_D

1

¨

¸

Bieán thieân theo nhieät ñoä:

¨ ¸

ꢁ

wT

R R ꢀ R wT

wT

© ¹

e

b

d

©

¹

wV_BEQ

wI_EQ

wT

wV_D

wT

k

1

Vì hai TST laø gioáng nhau:

ꢁk , suy ra:

wT

R_e1ꢀ R_b/ R_d

Chöông 3

10

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

3.6 Aûnh höôûng cuûa nhieät ñoä vaø caùc thoâng soá kyõ thuaät

Ví duï: Transistor 2N1016, Silicon npn

1. Ñieän trôû nhieät toái ña: T_jc= 0.7 ^oC/W

2. Coâng suaát tieâu taùn toái ña vôùi boä taûn nhieät lyù töôûng taïi 25 ^oC: P_C= 150 W

3. Nhieät ñoä moái noái toái ña: T_j,max= 140 ^oC

4. Caùc thoâng soá cöïc ñaïi tuyeät ñoái taïi 25 ^oC:

1) I_C= 7.5 A

2) I_B= 5 A

3) Breakdown voltage:

a) BV_CBO= 30 V

b) BV_EBO= 25 V

c) BV_CEO= 30 V

5. Doøng I_CBOcöïc ñaïi taïi ñieän aùp V_CBcöïc ñaïi taïi 25 ^oC = 10 mA

6. Heä soá khueách ñaïi doøng E taïi V_CE= 4V, I_C= 5A: 10 d E d 18

7. Taàn soá caét CE (cutoff frequency): f_E= 30 kHz

Chöông 3

11

http://www.khvt.com