Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 3: Transistor lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor)
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
3
Transistor lưỡng cực
(Bipolar Junction
Transistor)
3-1 Giới thiệu
Transistor là một linh kiện rất quan trọng trong điện tử, bao gồm cả các mạch điện tử rời rạc và
các mạch tích hợp. Sự quan trọng của thiết bị này xuất phát từ khả năng của nó trong việc tạo ra các
bộ khuếch đại. Một mạch được xem là mạch khuếch đại khi nó có khả năng sử dụng các thay đổi
nhỏ của dòng hoặc áp ở ngõ vào để tạo ra các thay đổi lớn hơn ở ngõ ra. Tín hiệu nhỏ được xem là
ngõ vào của bộ khuếch đại, tín hiệu lớn nhận được là ngõ ra của bộ khuếch đại.
transistor quan trọng nhất là t(Bipolar Junction Transistor –
) và (Field Effect Transistor – ).
. Chúng ta sẽ tìm hiểu
BJT trong chương này. Hoạt động của FET sẽ được đề cập ở những chương sau.
BJT là loại transistor được phát triển đầu tiên và kể từ đó nó được sử dụng rộng rãi trong điện
tử. Ngày nay, BJT vẫn còn giữ một vai trò quan trọng trong công nghiệp bán dẫn. Tuy nhiên, kỹ
thuật FET ngày nay đã phát triển rất nhiều và thậm chí nó được sử dụng nhiều hơn cả BJT trong
các mạch tích hợp.
3-2 Lý thuyết hoạt động của BJT
Transistor lưỡng cực tính (BJT) là một linh kiện ba cực được tạo nên từ hai chuyển tiếp PN.
Nó có thể được tạo nên từ một thanh bán dẫn được kích thích sao cho mật độ hạt dẫn thay đổi dần
từ N sang P và trở lại N hoặc từ P chuyển sang N rồi trở lại P. Trong cả hai trường hợp, mỗi chuyển
tiếp sẽ được hình thành tại ranh giới của sự chuyển đổi tính chất bán dẫn từ loại N (hoặc P) sang
loại P (hoặc N). Hình 3-1 cho thấy hai dạng BJT.
Hình 3-1
Cấu trúc transistor NPN và PNP.
1/31
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
Khi BJT được tạo nên bằng cách đặt bán dẫn loại P giữa hai bán dẫn loại N như hình 3-1(a), nó
được gọi là BJT loại NPN. Ngược lại, hình 3-1(b) cho thấy cấu trúc của BJT loại PNP.
Vùng bán dẫn nằm giữa được gọi là . Hai vùng hai bên, một vùng được gọi là
và một vùng được gọi là . Ở các phần sau ta sẽ dùng cả
thuật ngữ tiếng Việt hoặc tiếng Anh để chỉ các cực và các miền của transistor. Thông thường, trong
các BJT rời, các miền này được gắn với các chân linh kiện nối ra bên ngoài để có thể thực hiện các
kết nối với mạch ngoài. Các BJT trong các mạch tích hợp có thể không có các chân kết nối này.
Các chân linh kiện được đặt theo tên của miền mà nó kết nối vào. Hình 3-2 trình bày các chân linh
kiện được kết nối với các vùng trong BJT.
Hình 3-2
Các cực base, emitter, collector của transistor NPN và PNP.
Trong thực tế, BJT được chế tạo với rất hẹp và trong nó cũng rất thấp
do nó được kích thích với rất ít tạp chất. Cả đối với một
transistor.
Vì cả hai loại BJT này đều có đặc tính giống nhau do đó ta chỉ xem xét trên loại NPN. Các tính
chất cả loại PNP có thể suy ra từ NPN bằng cách thay đổi loại hạt dẫn, cực tính của điện áp cũng
như chiều dòng điện như ta sẽ thấy trong phần sau. Để BJT có thể hoạt động bình thường trong chế
độ khuếch đại, cần phải phân cực cả hai chuyển tiếp của BJT. Chuyển tiếp giữa miền nền và
jvà chuyển tiếp giữa miền nền và .
Hình 3-3 trình bày cách thức phân cực cho cả hai chuyển tiếp.
Hình 3-3
Phân cực hai chuyển tiếp PN trong transistor NPN.
Ta có thể thấy là trong hình 3-3(a), chuyển tiếp jE được phân cực thuận bởi nguồn áp VEE .
Khi chuyển tiếp này được phân cực thuận, dòng khuếch tán của các electron tự do sẽ được “phát”
đi từ miền phát emitter, bề rộng vùng nghèo thu hẹp. Ta đã biết đến điều này khi xét phân cực của
một chuyển tiếp trong chương 2. Ta nói rằng hạt dẫn được phun (injected) từ emitter vào miền nền
base. Thật ra khi jE được phân cực thuận, còn có dòng lỗ trống đi từ base sang emitter, tuy nhiên
2/31
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
như ta đã đề cập ở phần trên, vì mật độ hạt dẫn trong miền nền rất thấp nên ta có thể bỏ qua dòng
này so với dòng electron tự do phát đi từ emitter.
Hình 3-3(b) trình bày phân cực ngược chuyển tiếp jC được thực hiện bằng nguồn VCC . Kết quả
của phân cực ngược là bề rộng vùng nghèo mở rộng, dòng điện chỉ có thể đi từ miền nền base sang
miền thu collector vì là dòng của các hạt dẫn thiểu số. Tuy nhiên, như phân tích ở phần trên, các
electron tự do được phun vào miền nền sẽ trở thành hạt dẫn thiểu số, các electron này sẽ tiếp tục
trôi sang miền thu collector dưới tác dụng của phân cực ngược.
Hình 3-4 cho thấy transistor NPN khi được phân cực đồng thời cả hai chuyển tiếp . Chú ý là
, tức là điểm có điện thế được qui ước là 0 volts.
i . Đây là điều kiện cần thiết
để phân cực thuận jE và phân cực ngược jC .
Hình 3-4
Transistor NPN khi có các
nguồn phân cực.
Vì miền nền hẹp và mật độ hạt dẫn rất thấp do đó rất ít electron bị tái hợp trong miền này. Các
electron này sẽ khuếch tán sang miền thu dưới tác dụng của phân cực ngược jC . Chúng ta kết luận
là dòng electron là dòng chi phối trong transistor NPN. Đối với transistor PNP, dòng lỗ trống sẽ là
dòng chi phối chủ yếu.
Trong thực tế, mặc dù mật độ lỗ trống trong miền nền rất thấp, quá trình tái hợp vẫn có thể xảy
ra. Khi mỗi electron tái hợp với một lỗ trống, một electron sẽ rời miền nền thông qua cực nền B
sinh ra một dòng nền rất nhỏ, giá trị của nó chỉ khoảng 2 % dòng electron phát đi từ emitter.
Trong hình 3-4, mũi tên được vẽ để chỉ hướng qui ước của dòng trong transistor NPN, hướng
này là ngược với hướng của dòng electron. Dòng qui ước chảy từ VCC vào cực C được gọi là dòng
cực thu, hoặc dòng collector IC . Dòng chảy vào cực nền được gọi là dòng nền, hoặc dòng base IB ,
và dòng từ VEE chảy vào cực phát được gọi là dòng cực phát, hoặc dòng emitter IE. Hình 3-5(a)
trình bày biểu tượng mạch của một transistor NPN. Hình 3-6(a) là biểu tượng của transistor PNP.
So sánh hình 3-5 và hình 3-6, chúng ta cần phải để ý chiều của mũi tên tại cực E, để dễ nhớ, ta có
thể xem là mũi tên này chỉ chiều qui ước của dòng điện. Hơn nữa, cực tính của nguồn VCC và VEE
là ngược nhau cho BJT loại NPN và PNP.
Hình 3-5
Sơ đồ transistor NPN
tương đương.
3/31
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
Hình 3-6
Sơ đồ transistor PNP
tương đương.
Để nhấn mạnh và làm rõ hơn hoạt động của BJT, hình 3-7 thay biểu tượng BJT bằng một khối
và chỉ rõ chiều dòng điện chảy vào và ra khỏi khối. Áp dụng định luật Kirchhoff ta có:
IE = IC + IB
(3-1)
Hình 3-7
Mỗi loại transistor được thay
bằng một hình vuông để chỉ
dòng vào và ra linh kiện.
3-2-1 Dòng ngược ICBO
Trong chương 2 ta đã biết là nếu một chuyển tiếp PN bị phân cực ngược thì trong chuyển tiếp
xuất hiện một dòng điện ngược rất nhỏ. Khi điện áp phân cực ngược tăng dần thì dòng ngược này
tiến tới giá trị bão hòa IS . Vì chuyển tiếp jC bị phân cực ngược nên cũng xuất hiện dòng điện
ngược, dòng điện này cùng chiều với dòng collector tạo ra do các hạt dẫn từ miền phát phun vào
miền nền. Do đó, dòng collector tổng cộng sẽ là tổng của dòng do hạt dẫn được phun vào miền nền
và dòng ngược.
Nếu ta E
. Dòng điện ngược này được
ký hiệu là ICBO do nó có chiều từ collector đến base khi hở mạch (Open) cực phát. Như vậy khi
BJT ở điều kiện hoạt động bình thường ta có:
C ) CBO
(3-2)
(
với IC(INJ ) là thành phần dòng cực thu do các hạt dẫn phun từ miền phát vào miền nền gây ra.
Hình 3-8
ICBO là dòng collector
khi emitter hở mạch.
Một thông số quan trọng của transistor là
α , được định nghĩa , do
các hạt dẫn được phun vào miền nền gây ra, :
IC INJ
(
)
α =
(3-3)
IE
4/31
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
. Rõ ràng
càng tốt. Điều đó có nghĩa là ta muốn transistor để IC
α
α
. Nói chung, ta luôn (càng gần 1)
α
xấp xỉ
INJ )
(
IE . Giá trị thông thường của
Từ biểu thức 3-3 ta có IC(INJ ) =αIE . Do đó:
α
nằm trong .
(3-4)
Biểu thức này chứng tỏ là dòng collector tổng cộng bằng một phần của dòng emitter đi qua
được miền nền cộng với dòng do bản thân phân cực ngược trên jC gây ra.
Trong các transistor ngày nay, đặc biệt là ,
. Tuy nhiên, cần phải nhớ là ICBO thực ra chính là dòng điện ngược của
chuyển tiếp PN. . Vì
chuyển tiếp jC của transistor thường được phân cực ngược với một điện áp khoảng vài volts hoặc
0
hơn nữa nên giá trị của ICBO thường xấp xỉ dòng ngược bão hòa IS . Khi nhiệt độ tăng 10 C, giá trị
của IS tăng gấp đôi do đó ICBO cũng chịu cùng một ảnh hưởng.
Trong transistor, I,
. các t,
này .
Vì ICBO rất nhỏ nên ta có thể viết
IC
α ≈
(3-5)
IE
Ví dụ 3-1
Dòng cực phát của một transistor NPN là 8.4 mA . Nếu 0.8 % hạt dẫn bị tái hợp trong miền nền và
dòng rò là 0.1 µA . Tìm (1) dòng base, (2) dòng collector, (3) giá trị chính xác của và (4) giá trị
xấp xỉ của khi bỏ qua dòng rò.
Hướng dẫn
1. I = 0.8%I = 0.008 8.4 mA = 67.2 µA
α
α
(
E ) ( )(
)
B
2. Từ biểu thức 3-1, IC = IE − IB = 8.4 mA − 0.0672 mA = 8.3328 mA
3. Từ biểu thức 3-2, IC
= IC − ICBO 8.3328 8.3327 mA
10−3 10−7
=
×
−
=
(
INJ )
Dùng 3-3, α = IC(INJ ) I = 8.3327 mA 8.4 mA
= 0.9919881
(
)
E
4. Dùng biểu thức xấp xỉ 3-5, α ≈ I I = 1.3328 mA 8.4 mA
= 0.992
)
C
E
3-3 Đặc tính B chung (Common-Base)
Trong phần trước, ta đã thấy một mạch phân cực (hình 3-4) trong đó cực nền được nối với đất,
tức là điểm tham khảo chung của mạch. Cách phân cực này được gọi là cấu hình B chung (CB) của
transistor. Đây chỉ là một trong ba cách có thể để thiết kế phân cực cho transistor theo nguyên tắc
jE phân cực thuận và jC phân cực ngược, vì bất kỳ cực nào cũng có thể làm điểm tham khảo
chung.
Ý nghĩa của việc có điểm tham khảo chung trong mạch là điểm này được dùng như điểm tham
khảo cho cả ngõ vào (input) và ngõ ra (output) cho transistor. Trong cấu hình CB, điện áp emitter-
5/31
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
base được xem như ngõ vào và điện áp collector-base được xem như ngõ ra, xem hình 3-9. Đối với
một transistor NPN, VBE dương và đối với PNP, VEB là dương. Tương tự, VCB là dương đối với
transistor NPN và VBC là dương đối với transistor PNP. Dòng emitter là dòng ngõ vào và dòng
collector là dòng ngõ ra.
Hình 3-9
Điện áp vào ra trong cấu hình CB của transistor NPN và PNP.
Trong phần phân tích này ta chỉ sử dụng các nguồn phân cực DC để tạo ngõ vào và ngõ ra cho
cấu hình phân cực CB. Ta sẽ xem xét đáp ứng của mạch dưới tác động của những thay đổi nhỏ
trong ngõ vào sau. Mục tiêu trong phần này chỉ là tìm các mối liên hệ giữa dòng điện và điện áp
ngõ vào và ngõ ra. Đặc tuyến ngõ vào sẽ cho thấy mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp ngõ vào,
và đặc tuyến ngõ ra sẽ cho thấy mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp ngõ ra.
3-3-1 Đặc tuyến ngõ vào B chung
Trong phần này ta sẽ xây dựng đặc tuyến của ngõ vào CB của một transistor NPN. Vì ngõ vào
là trên chuyển tiếp jE phân cực thuận nên đặc tuyến sẽ trình bày mối quan hệ giữa dòng ngõ vào
IE và điện áp ngõ vào VBE . Tuy nhiên, đặc tuyến này còn phụ thuộc vào điện áp ngõ ra VCB . Lý do
là nếu VCB càng lớn thì lượng hạt dẫn đi qua được miền nền càng nhiều dẫn đến sự gia tăng trong
dòng hạt dẫn từ cực phát đến cực thu và kết quả là gia tăng dòng emitter. Hình 3-10 trình bày họ
đặc tuyến ngõ vào cho cấu hình CB. Mặc dù việc tính toán dùng các đặc tuyến này trong thực tế rất
ít, tuy nhiên, khi hiểu được đặc tuyến ta sẽ có một cái nhìn sâu hơn về hơn về hoạt động của
transistor. Trong hình 3-10, mỗi đặc tuyến tương ứng với một giá trị VCB khác nhau, chúng cho
thấy mối quan hệ của dòng emitter và hiệu điện thế giữa cực nền và cực phát tại một giá trị VCB cố
định. Họ đặc tuyến này có thể được xác định bằng cách đặt một giá trị VCB cố định, thay đổi VBE và
đo dòng IE tương ứng. Mỗi lần thay đổi giá trị VCB là tương ứng với việc vẽ một đặc tuyến mới
trong họ đặc tuyến.
6/31
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
Hình 3-10
Đặc tuyến ngõ vào của cấu
hình B chung.
Trong hình 3-10, mỗi đường cong đặc tuyến có dạng đặc tuyến diode phân cực thuận. Đối với
một giá trị VBE cho trước, ta có thể thấy là IE tăng khi VCB tăng. Tuy nhiên sự thay đổi này chỉ rõ
rệt khi VCB thay đổi nhiều, do đó, ảnh hưởng của VCB lên đặc tuyến ngõ vào có thể bỏ qua trong
thực tế. Lúc đó, có thể dùng đặc tuyến “trung bình” để tính toán.
Đặc tuyến ngõ vào CB của một transistor PNP có dạng giống như của transistor NPN, tuy
nhiên, điện áp ngõ vào dương phải là VEB chứ không phải VBE
.
Ví dụ 3-2
Transistor trong hình 3-11 có đặc tuyến như trong hình 3-10. Khi VCC là 25 V , dòng
IC = 8.94 mA .
Hình 3-11
Ví dụ 3-2
1. Tìm
α
của transistor (bỏ qua ICBO ).
2. Lặp lại nếu IC =1.987 mA khi ngắn mạch VCC
Hướng dẫn
.
1. Trong hình 3-11 ta thấy là VBE
=
0.7 V . Từ hình 3-10, đường thẳng tương ứng với VBE
= 0.7 V
cắt đường cong VCB = 25 V tại IE = 9 mA . Do đó, α ≈ I I = 8.94 mA 9.0 mA
=
0.9933
) (
)
C
E
7/31
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
2. Khi ngắn mạch nguồn VCC
,
VCB = 0 V . Từ hình 3-10, IE = 2 mA tại VCB = 0 V và VBE
0.9935
= 0.7 V .
Do đó, α ≈ I I = 1.987 mA 2.0 mA
=
(
) (
)
C
E
3-3-2 Đặc tính ngõ ra B chung
Bây giờ ta thử một thí nghiệm trong đó dòng collector (dòng ngõ ra) được đo khi thay đổi VCB
(điện áp ngõ ra) tương ứng với một giá trị dòng emitter (dòng ngõ vào) cố định. Hình 3-12 vẽ sơ đồ
mạch và qui trình có thể được dùng trong thí nghiệm cho một transistor NPN. Lưu ý là sơ đồ mạch
trong hình 3-12 không phải là một mạch thực tế, mạch này chỉ được sử dụng để xây dựng đặc tuyến
cho transistor. Các mạch transistor thực tế phải chứa các điện trở phân cực, do đó, điện áp ngõ vào
và ngõ ra của transistor khác với các nguồn điện áp phân cực trong mạch. Tuy nhiên, đến lúc này ta
chỉ tập trung vào việc tìm hiểu sự liên quan giữa dòng điện và điện áp của linh kiện, chưa cần phải
quan tâm nhiều đến các mạch phân cực bên ngoài. Khi IC được vẽ theo VCB với các giá trị IE khác
nhau, chúng ta có họ đặc tuyến được trình bày trong hình 3-13. Chúng được gọi là họ đặc tuyến
ngõ ra của cấu hình CB.
1. Đặt VCB = −1 V , thay đổi VBE để IE =1 mA . Đo và ghi lại IC
2. Tăng VCB những bước nhỏ, mỗi lần như vậy ta đo lại C . Thay đổi VBE khi cần để
giữ giá trị ban đầu của E . Tiếp tục cho đến khi VCB đạt đến 20 V . Vẽ IC theo VCB
.
I
I
.
3. Lặp lại bước 1, với VBE được thay đổi để tạo ra giá trị IE mới lớn hơn một chút.
Sau đó lặp lại bước 2.
4. Lặp lại bước 3 cho đến khi giá trị IE cố định đạt đến 9 mA
.
Hình 3-12
Thí nghiệm được dùng để vẽ đặc tuyến ngõ ra trên hình 3-13.
8/31
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
Hình 3-13
Đặc tuyến ngõ ra của transistor NPN. Lưu ý là thang ứng với VCB âm đã được mở rộng.
Đầu tiên, trong hình 3-13, ta có thể thấy là mỗi đặc tuyến bắt đầu tại IC = 0 , sau đó tăng lên rất
nhanh đối với những thay đổi nhỏ của
với việc tỉ số IC IE cũng gia tăng. Ta đã biết α = IC IE , như vậy
sẽ bắt đầu từ 0 sau đó tăng dần khi VCB tăng. Lý do là vì chỉ một phần rất nhỏ của các hạt dẫn
VCB . Vì IE được giữ cố định nên điều này cũng đồng nghĩa
α
không phải là một hằng số.
α
phát đi từ cực E sẽ đến được cực C cho đến khi điện áp phân cực ngược VCB đủ lớn để gia tốc cho
các hạt dẫn này vượt qua miền nền B. Khi VCB đang có giá trị âm thì chuyển tiếp jC đang phân cực
thuận, nên dòng điện IC lúc này phụ thuộc trực tiếp vào
VCB . Quá trình này tiếp tục xảy ra cho đến
khi VCB không còn phân cực thuận chuyển tiếp C .
j
.
.
Một khi VCB đủ lớn để đảm bảo là phần lớn hạt dẫn đi vào được trong miền thu thì với một giá
trị IE cố định, dòng collector duy trì ở một giá trị không đổi, độc lập với giá trị
VCB . Trong đặc
tuyến ta cũng có thể thấy giá trị của IC khi là hằng số thì xấp xỉ với E . Điều này cho thấy giá trị
I
α rất gần với 1 và là một hằng số. Vùng này được gọi là vùng tích cực (active). Trong vùng tích
cực này, BJT có những đặc tính như ta đã phân tích trong phần trước.
Trong đặc tuyến còn có một vùng khác, vùng này tương ứng với
. Đặc tuyến này nằm rất gần với trục hoành, vì
khi này chuyển tiếp jE bị hở mạch nên dòng điện IC chỉ là dòng điện ngược do phân cực ngược
9/31
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
trên jC gây ra. Đó chính là dòng ICBO như ta đã thấy ở phần trước. Một transistor làm việc trong
vùng tắt khi cả hai chuyển tiếp đều bị phân cực ngược.
Ví dụ 3-3
Một transistor NPN có đặc tuyến ngõ vào CB như trong hình 3-10 và đặc tuyến ngõ ra như trong
hình 3-13.
1. Tìm dòng cực thu khi VCB =10 V và VBE
2. Lặp lại khi VCB = 5 V và IE = 5.5 mA .
Hướng dẫn
= 0.7 V .
1. Từ hình 3-10, ta thấy là IE = 4 mA tại VBE
= 0.7 V và VCB =10 V . Trong hình 3-13, đường
thẳng VCB =10 V cắt đường cong IE = 4 mA tại IC = 3.85 mA .
2. Với các điều kiện đã cho, ta có thể suy ra rằng đặc tuyến ngõ ra nằm giữa hai đường ứng với
IE = 5 mA và IE = 6 mA . Giao điểm của đường cong này với đường VCB = 5 V cho kết quả IC
xấp xỉ 5.4 mA . Phương pháp này không thể đạt độ chính xác cao, trong thực tế, ta có thể xem
IC = IE = 5.5 mA .
3-3-3 Đánh thủng BJT
Cũng như đối với diode khi phân cực ngược, chuyển tiếp jC với phân cực ngược trên nó có thể
bị đánh thủng nếu điện áp phân cực ngược đủ lớn. Sự gia tăng dòng điện này thường xuất hiện do
cơ chế đánh thủng thác lũ như đã khảo sát trong phần trước. Tuy nhiên, một transistor còn có thể bị
đánh thủng bởi một hiện tượng được gọi là punch through. Dạng đánh thủng này xảy ra khi bề rộng
vùng nghèo, trên chuyển tiếp jC bị phân cực ngược, đủ lớn làm cho vùng nghèo này mở rộng đến
vùng nghèo của chuyển tiếp jE được phân cực thuận. Lúc này, miền phát và miền thu bị ngắn
mạch và do đó xuất hiện một dòng điện lớn. Hiện tượng punch through còn đặt ra một giới hạn về
nồng độ tạp chất cũng như bề rộng miền nền khi thiết kế BJT. Hình 3-14 trình bày họ đặc tuyến
ngõ ra bao gồm cả đoạn đánh thủng của đặc tuyến.
Hình 3-14
Đặc tuyến ngõ ra CB bao gồm
vùng đánh thủng.
3-4 Đặc tính E chung (Common-Emitter)
Trong phần này ta sẽ xem xét cấu hình phân cực E chung được minh họa trong hình 3-15. Cần lưu
ý là nguồn VBB được sử dụng để phân cực thuận cho chuyển tiếp jE và nguồn VCC được dùng để
phân cực ngược cho chuyển tiếp
.
jC . Biên độ của CC
10/31
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
Hình 3-15
Cấu hình phân cực
E chung (CE).
Hình 3-16 chứng tỏ là điện áp ngõ vào trong cấu hình CE là điện áp giữa cực nền và cực phát
VBE đối với NPN và VEB đối với PNP), và điện áp ngõ ra là điện áp giữa cực thu và cực phát (VCE
(
đối với NPN và VEC đối với PNP). Dòng ngõ vào là dòng IB và dòng ngõ ra là IC . Cấu hình CE là
cấu hình được sử dụng rộng rãi nhất do đó chúng sẽ được xem xét một cách chi tiết trong phần này.
Hình 3-16
Điện áp và dòng điện vào ra cho transistor NPN và PNP trong cấu hình CE.
3-4-1 ICEO và
β
Trước khi xây dựng đặc tuyến vào ra cho cấu hình CE ta sẽ xây dựng mối quan hệ giữa IC và
CBO .
I
. Biểu thức 3-4
IC =
α
IE + ICBO
hay
IC − ICBO
=α
IE
IC ICBO
Chia hai vế cho α , ta có:
−
= IE
α
α
IC ICBO
Thay IE
:
−
= IB + IC
α
α
αCBO
=
+
(3-6)
1
−α
Sử dụng biểu thức 3-6 ta có thể có một biểu thức cho dòng rò ngược trong cấu hình CE. Hình
3-17 trình bày các transistor NPN và PNP trong đó ngõ vào BE bị hở mạch. Lúc này dòng ở ngõ ra
chỉ có dòng ngược trên chuyển tiếp C . Dòng này đi từ miền thu C qua miền nền B và vào miền
phát E. Nó được ký hiệu là CEO . Vì IB phải là 0 khi hở mạch ngõ vào nên ta có
1−α
j
I
11/31
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
⎛
CEO
(3-7)
1
Vì α rất gần 1 nên 1 (1−α) là khá lớn. Do đó, biểu thức 3-7 cho ta thấy dòng rò CE lớn hơn
nhiều so với dòng rò CB. Điều này cũng có nghĩa là dòng rò CB được khuếch đại lên trong cấu
hình CE. Kết quả này có thể gây ra các vấn đề khi mạch hoạt động ở nhiệt độ cao, đặc biệt là đối
với các transistor loại germanium.
Hình 3-17
Dòng rò collector-emitter ICEO
Trở lại biểu thức 3-6, ta thấy có một tham số quan trọng khác của tranistor đó là :
α
1α
β
(3-8)
β
α
α
β .
Khi đó, biểu thức 3-6 có thể viết lại là:
ICBO
(3-9)
1
α
IC
Mặc dù ICEO lớn hơn rất nhiều so với
IB . Do đó, giá trị này có thể bỏ qua trong các tính toán mạch thực tế.
CEO
(3-10)
I
CBO , nói chung, giá trị này là khá nhỏ khi so sánh với
β
I≈
β
I
I
=
(3-11)
(
)
Ví dụ 3-4
Một transistor có ICBO
1. Tìm và ICEO
2. Tìm giá trị chính xác của dòng collector khi IB
=
48 nA và α = 0.992 .
β
.
=
30 µA .
3. Tìm giá trị xấp xỉ của dòng collector khi bỏ qua dòng rò.
Hướng dẫn
α
0.992
β =
=
=124
1
−α 0.008
ICBO 48
1.
×
10−9
ICEO
=
=
= 6 µA
1
−α
0.008
12/31
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
2. IC = β IB
3. IC ≈ β IB
+
=
ICEO
=
124 30
µA + 6 µA=3.726 mA
(
)
124 30
µ
A = 3.72 mA
)
(
Biểu thức 3-8 cho ta công thức tính
dụng quan hệ sau
β
của một transisotor khi biết
α
của nó và ngược lại sử
β
β
α
(3-12)
3-4-2 Đặc tuyến ngõ vào E chung
Vì ngõ vào của một transistor trong cấu hình CE là ngang qua chuyển tiếp jE (hình 3-16), đặc
tính ngõ vào CE là các đường đặc tuyến của diode phân cực thuận. Một tập hợp các đường đặc
tuyến ngõ vào của cấu hình CE được vẽ trong hình 3-18. Chú ý là IB tăng khi VCE giảm nếu giữ cố
định
VBE . Giá trị VCE lớn sẽ làm cho phân cực ngược trên jC mạnh hơn, do đó vùng nghèo mở
rộng và miền nền trở nên nhỏ hơn. Khi miền nền càng nhỏ, khả năng tái hợp hạt dẫn trong miền
này càng ít và do đó dòng nền giảm xuống. Đặc tuyến ngõ vào CE thường được gọi là đặc tuyến
nền.
Hình 3-18
Đặc tuyến ngõ vào CE.
3-4-3 Đặc tuyến ngõ ra CE
Đặc tuyến ngõ ra CE biểu diễn dòng cực thu IC theo điện áp VCE cho các giá trị IB cố định
khác nhau. Đặc tuyến này thường được gọi là đặc tuyến collector. Hình 3-19 cho thấy một tập hợp
các đặc tuyến ra tiêu biểu cho cấu hình CE.
Giá trị xấp xỉ của
bằng cách tính IC IB tại điểm đó. Hình 3-19 minh họa điều này, tại VCE
trị của IC là 5 mA , do đó giá trị của tại điểm này là β = IC IB (5 mA) (50
ràng không phải là hằng số như , giá trị của nó phụ thuộc vào vùng làm việc của transistor.
Vùng đặc tuyến gần như nằm ngang được gọi là vùng tích cực trong cấu hình CE. Trong vùng này,
gần như là hằng số, tuy nhiên, sẽ tăng theo VCE khi đặc tuyến nâng lên phía trên.
β
có thể được xác định tại một điểm bất kỳ trên đặc tuyến trong hình 3-19
5 V và IB 50 A , giá
A) 100. Rõ
=
=
µ
β
=
µ
=
β
α
β
β
13/31
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
Khi IB
= 0 (hở mạch ngõ vào), điện áp VCE tại điểm đánh thủng được ký hiệu là BVCEO . Giá
trị này là luôn luôn nhỏ hơn BVCBO đối với cùng một transistor.
Khi quan sát đặc tuyến trong hình 3-19, cần phải nhớ là các đặc tuyến này được vẽ tương ứng
với giá trị VBE nhỏ (khoảng 0.7 V đối với silicon). Hình 3-20 minh họa điều này.
Hình 3-19
Đặc tuyến ngõ ra CE
Hình 3-20
VCE
≈VCB + 0.7 V đối với
silicon. Khi VCE giảm
xuống khoảng 0.7 V thì
VCB
≈ 0 và chuyển tiếp
collector-base không còn
được phân cực ngược.
Chú ý là trong hình 3-20, VCE
khoảng 0.7 V
thể thấy trong hình 3-19, ta thấy là các đặc tuyến gần như phẳng trong vùng tích cực cho đến khi
điện áp VCE giảm xuống xấp xỉ 0.5 V đến 0.7 V . Nếu tiếp tục giảm CE , dòng IC bắt đầu giảm
xuống. Transistor được coi là bão hòa khi chuyển tiếp jC được phân cực thuận. Giá trị bão hòa của
CE , ký hiệu là VCE ) , khoảng 0.1 V đến 0.3 V tùy theo giá trị của dòng IB
=
VCB
+
VBE
≈
VCB
+
0.7 V . Vì vậy, nếu VCE giảm xuống còn
,
VCB sẽ tiến đến 0 và chuyển tiếp jC sẽ không còn phân cực ngược. Kết quả này có
V
V
.
(
sat
14/31
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
Trong hình 3-19, dòng IC khác không mặc dù IB là 0. Đây chính là thành phần dòng ngược
I
CEO . Vùng nằm dưới IB
= 0 được gọi là vùng cắt (cutoff).
Cũng trong hình 3-19, các đường đặc tuyến tương ứng với giá trị IB lớn sẽ tăng nhanh hơn khi
VCE tăng so với các đặc tuyến có IB nhỏ. Nếu các đường này được kéo dài sang bên trái như hình
3-21 chúng sẽ giao nhau tại cùng một điểm trên trục hoành. Điểm này được ký hiệu là VA và được
gọi là điện áp Early. Dĩ nhiên là một transistor không bao giờ hoạt động với VCE bằng điện áp
Early, VA chỉ đơn giản là một thông số khác của transistor. Nó rất hữu dụng cho các chương trình
mô phỏng mạch như SPICE.
Hình 3-21
Điện áp Early, VA , là giao
điểm của các đường đặc
Ví dụ 3-6
Một transistor có đặc tuyến ngõ ra như hình 3-19.
1. Tìm độ thay đổi của
2. Tìm độ thay đổi của
Hướng dẫn
β
β
khi VCE thay đổi từ 2.5 V đến 10 V với IB là 40
µA .
khi IB thay đổi từ 10 đến 50 khi VCE là 7.5 V .
µ
A
µA
1. Tại giao điểm của đường thẳng VCE
Do đó, β ≈ 3.8 mA 40 95.
=
2.5 V với đường cong IB
=
40
µ
A , ta có IC
≈
=
3.8 mA .
10 V , ta
µ
A =
)
(
) (
Đi dọc theo đường cong IB
4.2 mA . Do đó, β ≈ 4.2 mA 40
=
40
µA đến giao điểm của nó với đường thẳng VCE
có IC
≈
µ
A
=105 .
(
)
105−95
Độ thay đổi của
β
là
×
100%
=
10.53%
95
2. Tại giao điểm của đường thẳng VCE
đó, β ≈ 0.8 mA 10 80 .
=
7.5 V với đường cong IB
=10 µA , ta có IC ≈ 0.8 mA . Do
µ
A =
(
) (
Đi dọc theo đường thẳng VCE
5.2 mA . Do đó, β ≈ 5.2 mA 50
)
=
7.5 V đến giao điểm của nó với đường cong IB
104 .
= 50 µA , ta
có IC
≈
µ
A
=
(
80
)
104
−
Độ thay đổi của
β
là
×
100%
=
30%
80
3-5 Đặc tính C chung (Common-collector)
Trong cách phân cực thứ ba này, cực thu được chọn làm điểm tham khảo chung. Cấu hình phân cực
CC được trình bày trong hình 3-22. Ta có:
(3-13)
15/31
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
Hình 3-22
Cấu hình phân cực CC.
Trong đó, VCE
với phân cực thuận jE (khoảng 0.7 V đối với silicon), nên:
Như vậy, để giữ chuyển tiếp jC phân cực ngược thì VBB phải lớn hơn VCC
=
VCC
,
VCB
=
V
BB , vì vậy VBB
=
VCC
−
V
BE . Vì VBE thường nhỏ và là hằng số đối
(3-14)
−
0.7 V .
Hình 3-23 cho thấy điện áp base-collector là điện áp ngõ vào và dòng base là dòng ngõ vào. Điện
áp emitter-collector là điện áp ngõ ra và dòng emitter là dòng ngõ ra.
Hình 3-23
Điện áp và dòng điện vào ra của cấu hình CC.
Hình 3-24
Đặc tuyến ngõ vào CC.
Hình 3-24 biểu diễn một tập hợp tiêu biểu của các đặc tuyến ngõ vào cho một transistor loại
NPN trong cấu hình CC. Rõ ràng là chúng không phải là đặc tuyến của một chuyển tiếp PN phân
cực thuận. Chúng ta có thể thấy là mỗi đường cong được vẽ cho một giá trị VCE cố định khác nhau,
và với mỗi đường dòng base sẽ giảm xuống 0 rất nhanh khi VCB tăng. Điều này có thể giải thích là
16/31
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
do VBE phải xấp xỉ trong khoảng 0.5 V đến 0.7 V thì mới có dòng base, nhưng từ biểu thức 3-13
ta có:
VBE
=
VCE
−
VCB
(3-15)
Do đó, nếu VCB tăng đến một giá trị gần VCE thì VBE tiến đến 0 và không có dòng base. Hình 3-
25 biểu diễn một tập hợp các đặc tuyến ngõ ra cho transistor loại NPN trong cấu hình CC. Chúng
biểu diễn dòng emitter IE theo VCE với IB được giữ cố định. Các đặc tuyến này có dạng gần giống
với các đặc tuyến ngõ ra trong cấu hình CE ở hình 3-19. Điều này rõ ràng là vì IE
≈ IC .
Hình 3-25
Đặc tuyến ngõ ra CC.
E
1
)
(3-16)
(
B
Biểu thức 3-16 biểu diễn quan hệ giữa dòng ngõ vào và dòng ngõ ra trong cấu hình CC.
3-6 Các dạng mạch phân cực
Trong phần phân tích trước, ta đã dùng từ “phân cực” (bias) để chỉ việc ta dùng một điện áp
bên ngoài đặt lên chuyển tiếp PN nhằm xác định cực tính của nó. Ta cũng đã nhấn mạnh là chuyển
tiếp jE giữa base và emitter phải phân cực thuận và chuyển tiếp jC giữa base và collector phải
phân cực ngược. Dưới tác động của các nguồn phân cực này có thể xác định được một giá trị cụ thể
của điện áp và của dòng điện ngõ ra, ta nói là ta đã định điểm phân cực ngõ ra tại các giá trị đó.
3-6-1 Mạch phân cực B chung
Trong thực tế, phân cực được điều khiển bằng cách dùng các điện trở mắc nối tiếp với các
nguồn VEE và VCC . Từ đó ta có thể thay đổi giá trị của điện trở thay vì thay đổi giá trị điện áp của
nguồn để điều khiển dòng và áp tĩnh (dc) trong mạch. Mạch được sử dụng khi này được gọi là
mạch phân cực. Hình 3-26 trình bày cấu hình mạch phân cực CB trong đó điện trở được mắc nối
tiếp với emitter và điện trở RC được mắc nối tiếp với collector. Lưu ý là ngõ vào và ngõ ra vẫn giữ
nguyên như trong phân tích ở phần trước về cấu hình phân cực CB (hình 3-9). Sự khác biệt ở dạng
mạch phân cực này là điện áp ngõ vào không còn là VEE bởi vì có điện áp rơi trên điện trở
RE , và
điện áp ngõ ra không còn là VCC do điện áp rơi trên C . Các nguồn VEE và VCC được gọi là các
R
nguồn cung cấp. Dĩ nhiên là đặc tuyến ngõ vào và ngõ ra vẫn giữ nguyên trong việc biểu diễn mối
quan hệ của dòng và áp ngõ vào và ngõ ra.
17/31
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
Hình 3-26
Các mạch phân cực CB thực tế.
Từ hình 3-26 ta có:
C
CB
(3-17)
(3-18)
1
VCC
C
Khi ta xem IC và VCB là biến, VCC và RC là hằng số, ta có thể thấy là biểu thức 3-18 biểu diễn
phương trình của một đường thẳng. Nếu vẽ trên đồ thị có hệ trục là IC CB , đường thẳng này có
độ dốc là RC và giao với trục IC tại VCC RC . Biểu thức 3-18 là biểu thức đường tải (load line)
−
V
−
1
cho cấu hình CB (NPN). Đường tải này có cách hiểu hoàn toàn giống như đường tải của diode mà
ta đã biết trong chương 3: nó là tập hợp của tất cả các tổ hợp có thể có của IC và VCB trong mạch.
Điểm phân cực thật sự phải nằm trên đường tải này. Vị trí chính xác của điểm phân cực phụ thuộc
vào dòng và áp ngõ vào IE và VBE
.
Từ biểu thức 3-18 có thể thấy là đường tải giao với trục VCB tại
VCC . Do đó, đường tải có thể
được vẽ bằng cách vẽ một đường đi qua hai điểm VCB
=
0, IC
=
VCC RC và IC 0,VCB VCC
=
=
.
Ví dụ 3-7
Xác định và vẽ đường tải cho mạch trong hình 3-27.
Hình 3-27
Ví dụ 3-7
Hướng dẫn
−
RC
1
VCC
RC
IC
=
=
VCB +
−
1
103
20
103
10−3
VCB
+
4
×
4×
+
= −2.5
Đường tải có độ dốc
3-28 vẽ đường tải này.
×
10−4VCB
5
×
A
−2.5
×
10−4 S , giao với trục IC tại 5 mA , và giao với trục VCB tại 20 V . Hình
18/31
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
Hình 3-28
Đường tải của mạch phân
cực trong hình 4-27.
Ta có thể xác định điểm phân cực bằng cách vẽ đường tải trên đặc tuyến ngõ ra của transistor
được sử dụng trong mạch. Để minh họa, đường tải được xác định trong ví dụ 3-8 được vẽ trên một
tập hợp các đặc tuyến ngõ ra của cấu hình CB trong hình 3-29.
Hình 3-29
Đường tải và họ đặc tuyến ngõ ra của cấu hình CB. Điểm phân cực
Q
là giao điểm của đường tải với đặc tuyến IE = 2 mA .
Để có thể xác định được điểm phân cực trên đường tải được vẽ trong hình 3-29, chúng ta phải
xác định dòng IE trong mạch của hình 3-27. Một cách để tìm IE là viết phương trình đường tải
ngõ vào trên một đặc tuyến ngõ vào và xác định giá trị của IE dựa vào giao điểm của hai đường
này. Cách này giống với cách đã làm đối với diode để tìm dòng và áp phân cực tĩnh cho diode. Tuy
nhiên phương pháp này không thực tế vì đặc tuyến ngõ vào thường không có sẵn.
Cách thường dùng nhất để xác định IE là xem như chuyển tiếp jE phân cực thuận có điện áp
rơi là khoảng 0.7 V (Si) và tìm dòng qua chuyển tiếp như ta đã biết. Trong hình 3-30 ta có
19/31
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
VEE −0.7
IE =
(3-19)
RE
Chú ý là ta đã bỏ qua ảnh hưởng hồi tiếp (feedback) của VCB lên đặc tuyến ngõ vào. Cũng cần
phải lưu ý là vì VEE có cực dương nối đến điểm tham khảo chung (tức là ground) nên ta thường
xem nó như nguồn âm. Tuy nhiên, khi tính toán trong biểu thức 3-19 giá trị của VEE phải được xem
như là độ lớn của nguồn. Trở lại ví dụ trong hình 3-27, áp dụng biểu thức 3-19 ta có:
VEE −0.7
IE =
.
RE
Trong hình 3-29, điểm phân cực, điểm Q, được xem là giao điểm của đường tải và đường đặc
tuyến có IE 2 mA . Tại điểm đó, IC 2 mA và VCB 12 V .
=
≈
=
Hình 3-30
Để tính IE , phía ngõ vào của
transistor trong cấu hình CB
có thể được xem như một
diode phân cực thuận.
Điểm phân cực thường được gọi là điểm tĩnh (quiescent point), điểm Q, hoặc điểm hoạt động.
Nó xác định điện áp và dòng ngõ ra dc khi không có điện áp ac trên ngõ vào. Mạch được sử dụng
như một bộ khuếch đại ac bằng cách kết nối một nguồn áp ac nối tiếp với cực phát. Khi điện áp ac
thay đổi, dòng cực phát IE cũng thay đổi theo, kết quả là dòng và áp ngõ ra thay đổi dọc theo
đường tải trên giới hạn được xác định bởi sự thay đổi giá trị của IE
.
Đặc tuyến ngõ vào và ngõ ra của transistor rất tiện lợi để có thể nhìn thấy hoạt động bên trong
của transistor và khi sử dụng đường tải, chúng giúp thấy được sự thay đổi trong dòng và áp ngõ ra.
Tuy nhiên, cách này ít khi được sử dụng để thiết kế hoặc phân tích các mạch dùng transistor. Một
lý do là vì không phải tất cả các transistor cùng kiểu đều có cùng đặc tính, do đó, các nhà chế tạo
linh kiện không đưa ra một tập hợp các đường đặc tuyến có thể sử dụng được trong thiết kế. Hơn
nữa, độ chính xác khi sử dụng xấp xỉ và phương pháp phân tích đại số thường đủ cho các ứng dụng
trong thực tế. Ta đã thấy phương pháp tính xấp xỉ khi ta xem ngõ vào của transistor CB tương tự
như một diode được phân cực thuận. Bây giờ ta sẽ phân tích toàn bộ mạch phân cực mà không
dùng đặc tuyến.
Vì α ≈1 và IC = α
thể tính xấp xỉ được C . Sau đó, ta có thể dùng biểu thức 3-17 để tìm VCB
C
IE , do đó IC ≈ IE . Ta đã xác định được IE dùng biểu thức 3-19, do đó có
I
(3-20)
Ví dụ 3-8
Xác định điểm phân cực cho mạch trong hình 3-27 mà không sử dụng đặc tuyến.
Hướng dẫn
Ta đã có I
mA .
20/31
Tải về để xem bản đầy đủ
31 trang
17720
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 3: Transistor lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_ky_thuat_dien_tu_chuong_3_transistor_luong_cuc_bi.pdf
