Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Chương 3: Transistor lưỡng cực

19-Feb-11

Chương 3

TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (Bipolar Junction Transistor-BJT)

3.1 Giới thiệu

BJT là mꢀt loꢁi linh kiꢂn bán dꢃn 3 cꢄc có khꢅ nꢆng khuꢇch ꢈꢁi tín

hiꢂu hoꢉc hoꢁt ꢈꢀng như mꢀt khóa ꢈóng mꢊ, rꢋt thông dꢌng trong

ngành ꢈiꢂn tꢍ.

Cấu tạo và hình dáng

E

C

n+

p

n

E: Emitter

C: Collector

B: Base

B

E

C

p+ n

p

Hình dáng BJT

1

Ký hiệu của BJT

C

E

C

n+

p

n

B

E

BJT loại NPN

C

E

C

E

C

B

p+

n

p

B

2

BJT loại PNP

1

19-Feb-11

3. 2 Chế độ làm việc của BJT

Tùy theo cách phân cꢄc cho transistor mà transistor sꢎ có các chꢇ

ꢈꢀ làm viꢂc khác nhau. Transistor có 3 chꢇ ꢈꢀ làm viꢂc cꢏ bꢅn:

Chế độ khuếch đại: J_Ephân cꢄc thuꢐn và J_Cphân cꢄc ngưꢑc.

- J_E: tiꢇp xúc PN giꢒa cꢄc phát (E) và cꢄc nꢓn (B).

- J_C: tiꢇp xúc PN giꢒa cꢄc thu (C) và cꢄc nꢓn (B).

Chế độ khóa (hay đóng mở): cꢅ 2 chuyꢔn tiꢇp J_Evà J_Cꢈꢓu ꢈưꢑc

phân cꢄc ngưꢑc.

Chế độ dẫn bảo hòa: cꢅ 2 chuyꢔn tiꢇp J_Evà J_Cꢈꢓu ꢈưꢑc phân

cꢄc thuꢐn.

3

* Chế độ khuếch đại

Qui ước về dòng trong BJT

I_E

I_C

I_E

I_C

I_B

NPN

PNP

V_EE

V_CC

Theo định luật Kirchhoff:

I_E= I_C+ I_B

I_C= I_{C (INJ)}+ I_CBO

I_C(INJ)

α =

Định nghĩa thông số α :

⇒ I_C= α I_E+ I_CBO

I_E

I_C

I_E

Vì I_CBOrất nhỏ, có thể bỏ qua :

α ≈

4

2

19-Feb-11

Ví dụ

Dòng cꢄc phát cꢕa mꢀt transistor NPN là 8.4 mA . Nꢇu hꢁt dꢃn bꢖ tái

hꢑp trong miꢓn nꢓn và dòng rò là 0.8%. Tìm:

a. Dòng base I_B.

b. Dòng collector I_C.

c. Giá trꢖ chính xác cꢕa α và giá trꢖ xꢋp xꢗ cꢕa α khi bꢘ qua dòng rò.

Hướng dẫn

a. I_B= 0.8 % I_E

b. I_C= I_E- I_B

c. I_{C (INJ)}= I_C– I_CBO⇒ α = I_{C (INJ)}/ I_E

Nếu bỏ qua I_CBO: α = I_C/ I_E

5

3.3 Ba sơ đồ cơ bản của BJT

3.3.1 Mạch B chung (Common Base – CB)

Cꢄc B là cꢄc chung cho mꢁch vào và ra.

- Dòng ꢈiꢂn ngõ vào là dòng I_E.

- Dòng ngõ ra là dòng I_C.

I_E

I_C

E

C

- ꢙiꢂn áp ngõ vào là V_EB.

- ꢙiꢂn áp ngõ ra là V_CB.

vi

R_L

B

•

Mạch CB đơn giản hóa

6

3

19-Feb-11

3.3.2 Mạch E chung (Common Emitter – CE)

Cꢄc E là cꢄc chung cho mꢁch vào và ra.

- Dòng ꢈiꢂn ngõ vào là dòng I_B.

- Dòng ngõ ra là dòng I_C.

I_C

- ꢙiꢂn áp ngõ vào là V_BE.

C

E

I_B

- ꢙiꢂn áp ngõ ra là V_CE.

B

R_L

vi

I_E

•

Mạch CE đơn giản hóa

7

3.3.3 Mạch C chung (Common Colletor – CC)

Cꢄc C là cꢄc chung cho mꢁch vào và ra.

- Dòng ꢈiꢂn ngõ vào là dòng I_B.

- Dòng ngõ ra là dòng I_E.

I_E

- ꢙiꢂn áp ngõ vào là V_BC.

- ꢙiꢂn áp ngõ ra là V_EC.

E

I_B

B

R_L

C

vi

I_C

•

Mạch CC đơn giản hóa

8

4

19-Feb-11

3.4 Đặc tuyến Vôn - Ampe

ꢙꢚ thꢖ diꢛn tꢅ các mꢜi tưꢏng quan giꢒa dòng ꢈiꢂn và ꢈiꢂn áp trên

BJT ꢈưꢑc gꢝi là đặc tuyến Vôn-Ampe (hay đặc tuyến tĩnh).

Ngưꢞi ta thưꢞng phân biꢂt thành 4 loꢁi ꢈꢉc tuyꢇn:

Đặc tuyến vào: nêu quan hꢂ giꢒa dòng ꢈiꢂn và ꢈiꢂn áp ꢊ ngõ vào.

Đặc tuyến ra: quan hꢂ giꢒa dòng và áp ꢊ ngõ ra.

Đặc tuyến truyền đạt dòng điện: nêu sꢄ phꢌ thuꢀc cꢕa dòng ꢈiꢂn

ra theo dòng ꢈiꢂn vào.

Đặc tuyến hồi tiếp điện áp: nêu sꢄ biꢇn ꢈꢟi cꢕa ꢈiꢂn áp ngõ vào

khi ꢈiꢂn áp ngõ ra thay ꢈꢟi.

9

3.4.1 Đặc tính B chung

3.4.1.a Họ đặc tuyến ngõ vào B chung:

I_E= f(V_BE)

V_CB=const

10

5

19-Feb-11

Ví dụ

Cho mꢁch BJT như hình bên, có ꢈꢉc

tuyꢇn ngõ vào như khꢅo sát:

C

E

Khi V_CC= 25 V thì I_C= 8.94mA.

B

1. Tìm α cꢕa BJT khi bꢘ qua I_CBO

2. Lꢉp lꢁi nꢇu I_C= 1.987 mA khi ngꢠn

mꢁch V_CC

.

Hướng dẫn

Khi bꢘ qua I_CBO: α = I_C/I_E.

Tìm I_Edꢄa vào ꢈꢉc tuyꢇn:

I_E= f(V_BE)

V_CB=const

⇒ Xác ꢈꢖnh giá trꢖ V_BEvà V_CBtrên mꢁch cꢌ thꢔ

⇒ I_E(V_BE= 0.7V; V_CB= 25V) và I_E(V_BE= 0.7V; V_CB= 0V)

11

9mA

•

2mA

•

V_BE=0.7V

V_CB=0V

V_BE=0.7V

V_CB=25V

12

6

19-Feb-11

Ví dụ

1. α ≅ I_C/I_E= 8,94 mA/ 9 mA = 0,9933

2. α ≅ I_C/I_E= 1,987 mA/ 2 mA = 0,9935

13

3.4.1.b Đặc tuyến ngõ ra B chung:

I_C= f(V_CB)

I_E=const

Đặc tuyến ngõ ra của transistor NPN.

Lưu ý là thang ứng với V_CBâm đã được mở rộng.

14

7

19-Feb-11

Ví dụ

Dꢄa vào các hꢝ ꢈꢉc tuyꢇn ngõ

vào và ngõ ra cꢕa mꢁch CB

ꢈã khꢅo sát, và vꢢi sꢏ ꢈꢚ

mꢁch như hình sau:

Tìm dòng cꢄc thu khi V_CB= 10V

và V_BE= 0.7V.

Hướng dẫn

I_C= f(V_CB)

I_E= f(V_BE)

Ta có:

Mà:

I_E=const

V_CB=const

Tꢡ ꢈꢉc tuyꢇn ngõ vào, trên ꢈưꢞng V_CB= 10V tꢁi ꢈiꢔm có V_BE= 0.7V ⇒ I_E=4mA.

Tꢡ ꢈꢉc tuyꢇn ngõ ra, trên ꢈưꢞng I_E= 4mA, tꢁi ꢈiꢔm có V_CB= 10V

15

⇒ I_C=3.85mA.

4mA

•

0.7V

16

Họ đặc tuyến ngõ vào CB

8

19-Feb-11

3.85mA

•

V_CB=10 V

17

Đặc tuyến ngõ ra của transistor NPN.

3.4.1.c Đánh thủng BJT

Do chuyꢔn tiꢇp J_Cꢈưꢑc phân cꢄc ngưꢑc nên có thꢔ xꢅy ra ꢈánh

thꢕng nꢇu ꢈiꢂn áp phân cꢄc ngưꢑc ꢈꢕ lꢢn.

Đặc tuyến ngõ ra CB bao gồm vùng đánh thủng

18

9

19-Feb-11

3.4.2 Đặc tính E chung

3.4.2.a Dòng I_CEOvà β

Ta có: I_C= α I_E+ I_CBO⇒ α I_E= I_C- I_CBO

Chia 2 vế cho α, ta có:

I_CI_CBO

αI_B

I_CBO

−

= I_E

⇒

−

= I_B+I_C

⇒

I_C=

+

1− α 1− α

α

I_CBO

Khi V_BEhở mạch, ta có:

I_C= I_CEO

=

I_CBO

1− α

α

Đặt:

β =

⇒ I_C= βI_B+

= βI_B+I_CEO

1− α

I_C≈ βI_B(xem I_CEO≈ 0)

Vì I_CEOlà rất nhỏ:

19

3.4.2.b Đặc tuyến ngõ vào E chung:

I_B= f(V_BE)

V_CE=const

20

Đặc tuyến ngõ vào CE.

10

19-Feb-11

3.4.2.b Đặc tuyến ngõ ra E chung:

I_C= f (V_CE)

I_B=const

21

Đặc tuyến ngõ ra CE

Ví dụ

Một BJT có đặc tuyến ngõ ra CE như vừa khảo sát.

1. Tìm độ thay đổi của β khi V_CEthay đổi từ 2.5V đến 10V với I_Blà

40µA.

2. Tìm độ thay đổi của β khi I_Bthay đổi từ 10 µA đến 50µA khi V_CElà

7.5V.

Hướng dẫn

1. Độ thay đổi β:

β_10V−β_2.5V

x100%

β_2.5V

I_C= βI_B

Với I_B= 40µA, I_C(V_CE= 2.5V) và I_C(V_CE= 10V) được xác định từ

đặc tuyến ngõ ra, trên đường I_B= 40µA.

2. Được tính tương tự, với I_Cđược xác định từ đặc tuyến ngõ

ra tại V_CE= 7.5V, trên 2 đường I_B= 10µA và I_B= 50µA

22

11

19-Feb-11

5.2mA

•

4.2mA

3.8mA

•

0.8mA

V_CE=2.5V

V_CE=10V

V_CE=7.5V

23

Đặc tuyến ngõ ra CE

Ví dụ

1. β_10V= 3,8 mA / 40 µA = 95

β_2,5V= 4,2 mA / 40 µA = 105

β_10V

−

β_2.5V

105−95

×100% =

×100% =10,53%

β_2.5V

95

2. β_10µA= 0,8 mA / 10 µA = 80

β_50µA= 5,2 mA / 50 µA = 104

β₁₀

− β₅₀

µ

104 −80

µA

^A×100% =

×100% = 30%

β₅₀

80

µA

24

12

19-Feb-11

3.4.3 Đặc tính C chung

3.4.3.a Họ đặc tuyến ngõ vào C chung:

I_B= f(V_CB)

V_CE=const

25

Đặc tuyến ngõ vào CC.

3.4.3.b Họ đặc tuyến ngõ ra C chung:

I_E= f (V_CE)

I_B=const

26

Đặc tuyến ngõ ra CC

13

19-Feb-11

3.5 Phân cực cho BJT

3.5.1 Mạch phân cực B chung

Phương trình đường tải tĩnh: biꢔu diꢛn mꢜi quan hꢂ giꢒa ꢈiꢂn

áp và dòng ꢈiꢂn ꢊ ngõ ra.

I_C(mA)

- V_CC+ I_CR_C+ V_CB= 0

V_CC

R_C

•

1

V_CC

R_C

⇒ I_C= −

V_CB+

R_C

Điểm phân cực (làm việc):

Q(I_C,V_CB

)

Là giao cꢕa ꢈưꢞng tꢅi vꢢi ꢈꢉc tuyꢇn

ngõ ra tưꢏng ꢣng vꢢi I_E= const.

•

V_CC

V_CB(V)

27

Một số lưu ý

- Giá trị V_BElà 1 hằng số trong các mạch phân cực cho BJT.

V_BE= 0.7V (Si) ; V_BE= 0.3V (Ge)

- Công thức về dòng có thể dùng xấp xĩ khi tính toán:

I_E= I_C+ I_B≈ I_C

- Đối với các mạch sử dụng BJT loại PNP có thể dùng công thức

của BJT loại NPN bằng cách đảo cực của điện áp V_BEvà V_CB

thành V_EBvà V_BC.

- Các giá trị nguồn cung cấp được tính theo độ lớn.

28

14

19-Feb-11

Ví dụ

E

Cho mꢁch khuꢇch ꢈꢁi dùng BJT

như hình bên:

I_E

1. Viꢇt phưꢏng trình và vꢎ

ꢈưꢞng tꢅi.

B

2. Xác ꢈꢖnh ꢈiꢔm phân cꢄc Q.

Hướng dẫn

1. Viꢇt phưꢏng trình và vꢎ ꢈưꢞng tꢅi.

1

V_CC

R _C

⇒ I_C= −

V_CB+

R _C

2. Xác ꢈꢖnh ꢈiꢔm phân cꢄc Q:

Q(I_C,V_CB) theo I_E

V_BE+ I_Ex R_E– V_EE= 0 ⇒ I_E= 2 mA

Xem I_C≈ I_E= 2 mA thay vào phưꢏng trình ꢈưꢞng tꢅi ⇒ V_CB= 12V

ꢙiꢔm Q(2mA, 12V)

29

Sử dụng đặc tuyến

2mA

•

12V

Đường tải và họ đặc tuyến ngõ ra của cấu hình CB.

30

15

19-Feb-11

3.5.2 Mạch phân cực E chung

Phương trình đường tải tĩnh:

1

V_CC

R_C

- V_CC+ I_CR_C+ V_CE= 0

⇔ I_C= −

V_CE+

R_C

V_CC− V_BE

- V_CC+ I_BR_B+ V_BE= 0

⇔ I_B=

R_B

I_C= β I_B

Điểm phân cực (làm việc):

Q(I_C,V_CE

)

31

Là giao cꢕa ꢈưꢞng tꢅi vꢢi ꢈꢉc tuyꢇn ngõ ra tưꢏng ꢣng vꢢi I_B= const.

Ví dụ

Trong mꢁch hình bên, BJT loꢁi Si có β = 100:

a. Giꢅ sꢍ BJT có ꢈꢉc tuyꢇn ngõ ra như hình vꢎ, tìm ꢈiꢔm phân cꢄc

bꢤng cách dùng ꢈꢚ thꢖ.

b. Tìm ꢈiꢔm phân cꢄc dꢄa vào mꢁch ꢈiꢂn.

c. Lꢉp lꢁi câu a và b khi R_B= 161.43KΩ

+12V

2KΩ

376.67KΩ

32

16

19-Feb-11

Hướng dẫn

V_CC− V_CE

I_C=

a. Viꢇt và vꢎ pt ꢈưꢞng tꢅi tꢥnh trên cùng ꢈꢚ thꢖ cꢕa ꢈꢉc tuyꢇn:

R_C

= 30µA

V_CC− V_BE

Xác ꢈꢖnh giá trꢖ cꢕa I ꢈꢔ tìm ꢈiꢔm phân cꢄc Q1:

I_B=

B

R_B

33

b. Dꢄa vào mꢁch ꢈiꢂn, xác ꢈꢖnh giá trꢖ I_Bgiꢜng câu a : I_B= 30 µA.

Sꢍ dꢌng: I_C= βI_B⇒ I_C= 3mA. Thay vào phưꢏng trình ꢈưꢞng tꢅi: V_CE= 6 V.

c. Khi R_Bthay ꢈꢟi không làm ꢅnh hưꢊng ꢈꢇn pt ꢈưꢞng tꢅi, nhưng I_B= 70 µA.

Lúc này ꢈiꢔm phân cꢄc Q2 sꢎ là giao cꢕa ꢈưꢞng tꢅi vꢢi ꢈưꢞng I_B= 70 µA.

Q2 (I_{C sat}= 5.7mA, V_{CE sat}= 0.5V), BJT hoꢁt ꢈꢀng ꢊ vùng bão hòa.

34

17

19-Feb-11

3.5.3 Mạch phân cực C chung

Phương trình đường tải tĩnh:

1

V_CC

R_E

⇔ I_E= −

V_CE+

- V_CC+ V_CE+ I_ER_E= 0

Với: I_E= I_C+ I_B= (β + 1) I_B

- V_CC+ I_BR_B+ V_BE+ I_ER_E= 0

R_E

Điểm phân cực (làm việc):

Q(I_E,V_CE

)

35

3.6 Thiết kế mạch phân cực

Viꢂc thiꢇt kꢇ ꢈưꢑc tính toán trên các giá trꢖ nguꢚn cung cꢋp là cꢜ ꢈꢖnh.

Tꢡ yêu cꢦu vꢓ ꢈiꢔm làm viꢂc ta phꢅi xác ꢈꢖnh các giá trꢖ ꢈiꢂn trꢊ trên

mꢁch.

Vì trên thꢄc tꢇ các ꢈiꢂn trꢊ sꢎ ꢈưꢑc chꢝn theo giá trꢖ chuꢧn, do ꢈó khi

chꢝn phꢅi phù hꢑp vꢢi sai sꢜ cho phép.

Ví dụ

Mꢀt mꢁch phân cꢄc B chung ꢈưꢑc thiꢇt kꢇ dùng transistor NPN silicon.

Các nguꢚn phân cꢄc có giá trꢖ +15V và -5V . ꢙiꢔm phân cꢄc là I_C= 1.5mA

và V_CB= 7.5V.

1. Thiꢇt kꢇ mꢁch dùng các ꢈiꢂn trꢊ chuꢧn dung sai 5%.

2. Giá trꢖ phân cꢄc thꢐt sꢄ khi dùng các các ꢈiꢂn trꢊ chuꢧn là bao nhiêu?

3. Tìm giꢢi hꢁn cꢕa I_Evà V_CBkhi tính cꢅ sai sꢜ trên ꢈiꢂn trꢊ.

36

18

19-Feb-11

Hướng dẫn

1. Sꢏ ꢈꢚ mꢁch phân cꢄc CB:

Vòng (I):

- V_EE+ V_BE+ I_ER_E= 0

- V_CC+ I_CR_C+ V_CB= 0

II

I

Vòng (II):

⇒ R_E= 2867 Ω ; R_C= 5000 Ω

Với sai số 5%, có thể chọn:

R_E= 3KΩ ; R_C= 5.1KΩ

Một số giá trị R chuẩn

10, 12, 15, 18,

22, 27,

2. Vꢢi các R ꢈã chꢝn, thay vào

các biꢔu thꢣc ꢈꢔ tính lꢁi các giá

trꢖ cꢕa ꢈiꢔm phân cꢄc.

33, 39,

43, 47,

3. Tìm giꢢi hꢁn cꢕa I_Evà V_CB

:

51, 56,

R giới hạn = R chuẩn 5% * R chuẩn

68, 75, 82, 91.

Thay vào các biꢔu thꢣc ꢈꢓ tìm giꢢi hꢁn cꢕa I_Evà V_CB.

37

Ví dụ cho thiết kế phân cực E chung

Mꢀt transistor silicon NPN có β tꢜi ưu là 100, ꢈưꢑc sꢍ dꢌng trong mꢁch

phân cꢄc CE vꢢi V_CC= 12V. ꢙiꢔm phân cꢄc là I_C= 2mA và V_CE= 6V.

1. Thiꢇt kꢇ mꢁch dùng các ꢈiꢂn trꢊ chuꢧn 5%.

2. Tìm giꢢi hꢁn có thꢔ có cꢕa ꢈiꢔm phân cꢄc nꢇu β cꢕa transistor thay ꢈꢟi

tꢡ 50 ꢈꢇn 150 (mꢀt giꢢi hꢁn thưꢞng gꢉp trong thꢄc tꢇ). Giꢅ sꢍ là các ꢈiꢂn

trꢊ có giá trꢖ tꢜi ưu.

Hướng dẫn

1. - V_CC+ I_CR_C+ V_CE= 0

- V_CC+ I_BR_B+ V_BE= 0

I_C= β I_B; V_BE= 0.7V

⇒ R_B= 565KΩ ; R_C= 3KΩ chꢝn 560 KΩ và 3KΩ

2. Tính lꢁi I_Btheo sꢄ thay ꢈꢟi cꢕa β, ꢣng vꢢi R_B

ꢈã chꢝn. Tꢡ ꢈó tìm giꢢi hꢁn cꢕa ꢈiꢔm phân cꢄc.

38

19

19-Feb-11

Ví dụ cho thiết kế phân cực C chung

Mꢀt transistor silicon NPN có β =100, ꢈưꢑc sꢍ dꢌng trong cꢋu hình CC

vꢢi V_CC= 24V. ꢙiꢔm phân cꢄc là I_E= 4mA và V_CE= 16V.

1. Thiꢇt kꢇ mꢁch dùng các ꢈiꢂn trꢊ chuꢧn 5%.

2. Tìm ꢈiꢔm phân cꢄc thꢐt sꢄ khi các ꢈiꢂn trꢊ chuꢧn 5% ꢈưꢑc sꢍ dꢌng,

giá sꢍ là chúng có các giá trꢖ tꢜi ưu.

Hướng dẫn

1. - V_CC+ V_CE+ I_ER_E= 0

- V_CC+ I_BR_B+ V_BE+ I_ER_E= 0

Với: I_E= I_C+ I_B= (β + 1) I_B

⇒ R_E= 2KΩ ; R_B= 386.325Ω chꢝn 2 KΩ và 390Ω

2. Vꢢi các R ꢈã chꢝn, thay vào các biꢔu thꢣc ꢈꢔ

tính lꢁi ꢈiꢔm phân cꢄc.

39

3.7 BJT Inverter

BJT được ứng dụng như một chức năng đảo trạng thái.

- Khi ꢈiꢂn áp ꢊ ngõ vào là 5V: R_Bvà R_C

ꢈưꢑc thiꢇt kꢇ sao cho BJT hoꢁt ꢈꢀng ꢊ

chꢇ ꢈꢀ bão hòa.

+ Khi ꢈó V_CE≈ 0 (khoꢅng 0.1V) ꢈưꢑc

gꢝi là V_{CE sat}(saturation), tưꢏng ꢣng:

V_CC

I_C= I_{C sat}

=

R_C

I_{C sat}

V_HI− V_BE

R_B

I_B=

=

β

- Khi ꢈiꢂn áp ꢊ ngõ vào là 0V: BJT

không dꢃn ⇒ V_CE= + 5V.

Kết luận:

V in = 5V ⇒ V out = 0V.

40

Inverter

V in = 0V ⇒ V out = 5V.

20

Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Chương 3: Transistor lưỡng cực - Lê Chí Thông