1. Chương 5: TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT)
ThS. Nguyễn Bá Vương

2. 1. Cấu tạo
Transistor có cấu tạo gồm các miền bán dẫn p và n xen kẽ nhau

3. 1. Cấu tạo
Miền bán dẫn thứ nhất của Transistor là miền Emitter (miền phát) với đặc điểm là có nồng độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với miền này gọi là cực Emitter (cực phát).
Miền thứ hai là miền Base (miền gốc) với nồng độ tạp chất nhỏ và độ dày của nó nhỏ cỡ m, điện cực nới với miền này gọi là cực Base (cực gốc).
Miền còn lại là miền Collector (miền thu) với nồng độ tạp chất trung bình và điện cực tương ứng là Collector (cực thu).

4. 1. Cấu tạo
Tiếp giáp p-n giữa miền Emitter và Base gọi là tiếp giáp Emitter (JE).
Tiếp giáp p-n giữa miền Base và miền Collector là tiếp giáp Collector (JC).
Về kí hiệu Transistor cần chú ý là mũi tên đặt ở giữa cực Emitter và Base có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n.
PNP
NPN

5. 1. Cấu tạo
Về mặt cấu trúc, có thể coi Transistor như 2 diode mắc đối nhau

6. 1. Cấu tạo
Cấu tạo mạch thực tế của một Transistor n-p-n

7. 2.Nguyên lý hoạt động
Để Transistor làm việc, người ta phải đưa điện áp 1 chiều tới các điện cực của nó, gọi là phân cực cho Transistor

8. 2.Nguyên lý hoạt động

9. sơ đồ phân cực trong BJT JE JC

10. sơ đồ phân cực trong BJT JE JC

11. Tham số Hệ thức cơ bản về các dòng điện trong Transistor
Hệ số truyền đạt dòng điện α của Transistor
Hệ số khuếch đại dòng điện β của Transistor
Ta có hệ thức:

12. 3. Các dạng mắc BJT

13. 3.1 Mạch chung Emitter (EC)

14. Họ đường đặc tuyến vào IB = f(UBE) khi UCE = const

15. Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của sơ đồ EC Họ đường đặc tuyến ra: IC = f(UCE ) khi IB=const Họ đường đặc tuyến truyền đạt: IC = f(IBE) khi UCE = const

16. Hệ số khuếch đại Theo định luật Kiếchôp ta có
Giải phương trình với IC, chúng ta có mối quan hệ giữa IC và IB
Trong đó β = (1-) là hệ số khuếch đại CE
( thông thường  = 0,99; β = 99)

17. Một số mạch EC

19. 3.2 Mạch chung Base (BC)

20. Họ đường đặc tuyến vào IE=f(UEB) khi điện áp ra UCB =const

21. Họ đường đặc tuyến ra và truyền đạt Đặc tuyến ra:IC= f(UCB) khi giữ dòng vào IE=const Đặc tuyến truyền đạt: IC=f(IE) khi khi UCB = const

22. 3.3 Mạch chung Collector (CC)

23. Họ đường đặc tuyến vào

24. Đặc tuyến ra của sơ đồ CC

25. Đường thẳng lấy điện (Load line)
Phương trình đường thẳng lấy điện : VCC=ICRC+VCE
viết lại: IC = ( VCC – VCE)/ RC = -VCE / RC + VCC /RC
Đường lấy điện đựợc vẽ trên đặc tuyến ra qua 2 điểm xác định sau:
Điểm ngưng, IC = 0  VCE= VCC (Điểm M)
Điểm bão hòa: VCE = 0  IC = VCC/ RC (Điểm N)
nối 2 điểm M và N lại ta có được đường lấy điện
Giao điểm đường lấy điện và đường phân cực IB chọn trước cho ta trị số điểm tĩnh Q.

26. Đường thẳng lấy điện cho EC

27. Vai trò của đường thẳng lấy điện
Phân giải mạch Transistor.
Xác định điểm tĩnh điều hành Q.
Cho biết trạng thái hoạt động của transistor ( tác động, bão hoà, ngưng).
Mạch khuếch đại có tuyến tính hay không.
Thiết kế mạch khuếch theo ý định ( chọn trước điểm tĩnh Q , tính các trị số linh kiện)

28. Chú ý: Độ lợi dòng điện thay đổi theo vị trí điểm tĩnh điều hành Q.
Điểm tĩnh điều hành Q thay đổi vị trí theo điện thế phân cực transistor và còn thay đổi theo tín hiệu xoay chiều ( AC) tác động vào mạch .

29. Phân giải bằng đồ thị

30. 4. Phân cực của BJT

31. Vùng hoạt động của BJT:
Vùng tác động: (Vùng khuếch đại hay tuyến tính)
Mối ghép B-E phân cực thuận
Mối ghép B-C phân cực nghịch
Vùng bảo hòa:
Mối ghép B-C phân cực thuận
Vùng ngưng: Mối ghép B-E phân cực nghịch

32. Phương pháp chung để phân giải mạch phân cực gồm ba bước:
Bước 1: Dùng mạch điện ngõ vào để xác định dòng điện ngõ vào (IB hoặc IE).
Bước 2: Suy ra dòng điện ngõ ra từ các liên hệ IC=βIB hay IC=αIE
Bước 3: Dùng mạch điện ngõ ra để tìm các thông số còn lại (điện thế tại các chân, giữa các chân của BJT...)

33. 4.1 Phân cực cố định của BJT (Fixed – Bias)

34. Phân cực cố định của BJT (Fixed – Bias)
Mạch ngõ nền-phát (Base-Emitter):
Với VBE = 0.7V nếu BJT là Si và VBE = 0.3V nếu là Ge.
Suy ra : IC=βIB
Mạch ngõ ra thu-nền (Collector-Base):
hay
Đây là phương trình đường thẳng lấy điện.

35. Sự bảo hòa của BJT
Sự liên hệ giữa IC và IB sẽ quyết định BJT có hoạt động trong vùng tuyến tính hay không. Ðể BJT hoạt động trong vùng tuyến tính thì nối thu - nền (CE) phải phân cực nghịch. Ở BJT NPN và cụ thể ở mạch vừa xét ta phải có:
Nếu
thì BJT sẽ đi dần vào hoạt động trong vùng bão hòa. Từ điều kiện này và liên hệ IC=βIB ta tìm được trị số tối đa của IB, từ đó chọn RB sao cho thích hợp.

36. được gọi là dòng cực thu bão hòa ICsat
Nếu
tức VCE = 0V (thực ra khoảng 0.2V)
Thì VC≤VB, nối CB (thu-nền) phân cực thuận, BJT hoàn toàn nằm trong vùng bão hòa và dòng điện
được gọi là dòng cực thu bão hòa ICsat

37. 4.2 Phân cực ổn định cực phát
Mạch cơ bản giống mạch phân cực cố định, nhưng ở cực emitter được mắc thêm một điện trở RE xuống mass. Cách tính phân cực cũng có các bước giống như ở mạch phân cực cố định.

38. Ở mạch CE(thu-phát): Ta có: Thay (suy ra IC từ liên hệ: IC=βIB)
Trong đó:

39. Sự bảo hòa của BJT
Tương tự như trong mạch phân cực cố định, bằng cách cho nối tắt giữa cực thu và cực phát ta tìm được dòng điện cực thu bảo hòa ICsat
Ta thấy khi thêm RE vào, ICsat nhỏ hơn trong trường hợp phân cực cố định, tức BJT dễ bão hòa hơn.

40. 4.3 Phân cực bằng cầu chia điện thế
Dùng định lý Thevenin biến đổi thành mạch tương đương

41. Trong đó:
Mạch BE (nền phát):
Thay: IE=(1+β)IB Suy ra:
Từ liên hệ
Mạch CE (thu phát): Vì
Ngoài ra:

42. Sự bảo hòa của BJT
Tương tự như phần trước:

43. 4.4 Phân cực với hồi tiếp điện thế
Ðây cũng là cách phân cực cải thiện độ ổn định cho hoạt động của BJT

44. Mạch nền phát:
Với

45. 4.5 Một số dạng mạch phân cực khác

46. 5. Thiết kế mạch phân cực

47. Khi thiết kế mạch phân cực, người ta thường dùng các định luật căn bản về mạch điện như định luật Ohm, định luật Kirchoff, định lý Thevenin..., để từ các thông số đã biết tìm ra các thông số chưa biết của mạch điện.

48. Thí dụ 1
Cho mạch phân cực với đặc tuyến ngõ ra của BJT như hình dưới. Xác định VCC, RC, RB.

49. Từ đường thẳng lấy điện: VCE =VCC-RCIC
Tại trục trục tọa độ UCE , khi IB=0 ta suy ra IC=0 và VCE =20V thay vào phương trình đường thẳng lấy điện ta có VCC=20V
Ngoài ra: Transistor làm từ vật liệu thuần bán dẫn Si do đó VBE=0.7V và
Để có các điện trở tiêu chuẩn ta chọn: RB=470 K, RC=2.4 K..

50. Thí dụ 2
Thiết kế mạch phân cực như hình dưới. IC=2mA, VCE=10V

51. Điện trở RC và RE không thể tính trực tiếp từ các thông số đã biết
Điện trở RC và RE không thể tính trực tiếp từ các thông số đã biết. Việc đưa điện trở RE vào mạch là để ổn định điều kiện phân cực. RE không thể có trị số quá lớn vì như thế làm giảm VCE (sẽ làm giảm độ khuếch đại). Nhưng nếu RE quá nhỏ thì độ ổn định kém. Thực nghiệm người ta thường chọn VE khoảng 1/10VCC.

52. Chọn RB=1.2 MΩ

53. Thí dụ 3
Thiết kế mạch phân cực có dạng như hình dưới

54. Ta có:
Ðiện trở R1, R2 không thể tính trực tiếp từ điện thế chân B và điện thế nguồn. Ðể mạch hoạt động tốt, ta phải chọn R1, R2 sao cho có VB mong muốn và sao cho dòng qua R1, R2 gần như bằng nhau và rất lớn đối với IB.
Lúc đó:

55. Ta có thể chọn:
Ta có thể chọn: R1=39kΩ hoặc 47kΩ

56. 6. BJT hoạt động như một chuyển mạch

60. Thí dụ: Xác định RC và RB của mạch điện nếu ICsat=10mA
Ta chọn IB=60μA để đảm bảo BJT hoạt động trong vùng bảo hòa
Do đó ta thiết kế: RC=1kΩ
RB=150kΩ

62. Thí dụ ở 1 BJT bình thường:
ts=120ns ; tr=13ns
tf=132ns ; td=25ns
Vậy: ton=38ns ; toff=132ns

63. Một số ứng dụng của BJT hoạt động như một chuyển mạch

64. Using a transistor as a switch
PNP
NPN

65. Using a transistor switch with sensors

66. Đóng ngắt đèn

67. 7. Tính khuếch đại của BJT

68. Giả sử ta đưa một tín hiệu xoay chiều Vin(t) có dạng sin, biên độ nhỏ vào chân B của BJT khi đó ta có:
VB(t)=VB+Vin(t)
Các tụ liên lạc C1 và C2 được chọn như thế nào để có thể xem như nối tắt -dung kháng rất nhỏ - ở tần số của tín hiệu.
Như vậy tác dụng của các tụ liên lạc C1, C2 làm cho thành phần xoay chiều của tín hiệu đi qua và ngăn thành phần phân cực một chiều.

69. VB(t) >VB→IB↑ → IC ↑ →VC(t)=VCC-RCiC(t) ↓
VOut(t) ngược pha với VIn(t).
là độ khuếch đại hay độ lợi điện thế của mạch

70. Chìa khóa để phân giải và xác định các thông số của mạch là mạch tương đương xoay chiều.
Độ lợi điện thế:
Độ lợi dòng điện:
Tổng trở vào:
Tổng trở ra:

71. Dạng mạch tương đương

72. Mạch cực Emitter và Collector chung
kiểu mẫu re
thông số h
Dạng đơn giản
Dạng đơn giản
Dạng đầy đủ
Dạng đầy đủ

73. Mạch cực nền chung kiểu mẫu re thông số h Dạng đơn giản Dạng đơn giản
Dạng đầy đủ
Dạng đầy đủ

74. Do đó nguồn phụ thuộc βib có thể thay thế bằng nguồn gm.vbe
Các liên hệ cần chú ý:
Ngoài ra: ;
Do đó nguồn phụ thuộc βib có thể thay thế bằng nguồn gm.vbe

75. 8. Mạch khuếch đại cực phát (E) chung

76. Trị số β do nhà sản xuất cho biết
Trị số re được tính từ mạch phân cực:
Từ mạch tương đương ta tìm được các thông số của mạch.

77. Ðộ lợi điện thế:
Ta có:
Suy ra: Do
nên
Nếu
thì
Dấu - cho thấy vo và vi ngược pha

78. Tổng trở vào:
Ta đặt:
Suy ra:
Ðộ lợi dòng điện:
Hay

79. Tổng trở ra:
Ðể tính tổng trở ra của mạch, đầu tiên ta nối tắt ngõ vào (vi=0);
áp một nguồn giả tưởng có trị số vo vào phía ngõ ra như trên,
xong lập tỉ số
Khi vi=0 ⇒ ib = 0 ⇒ βib=0 (tương đương mạch hở) nên

80. Trong trường hợp nối thêm CE hoặc nối chân E xuống mass
Mạch tương đương

81. Phân giải mạch ta sẽ tìm được:

82. Mạch khuếch đại cực phát chung với kiểu phân cực bằng cầu chia điện thế và ổn định cực phát

83. Trong trường hợp nối thêm CE hoặc nối chân E xuống mass
Mạch tương đương

84. Mạch khuếch đại cực phát chung phân cực bằng hồi tiếp điện thế và ổn định cực phát

85. 9. Phân giải theo thông số h đơn giản

86. liên hệ 2 mạch tương đương

87. Mạch khuếch đại cực phát chung
Mạch tương đương

88. Phân giải mạch tương đương ta tìm được
Tổng trở vào Zi=R1//R2//Zb
với: Zb=hie+(1+hfe)RE=hie+hfeRE
Ðộ lợi điện thế:
Ta có:
Thường

89. Tổng trở ra: Zo=RC
Ðộ lợi dòng điện:
Hay

90. 10. MỘT SỐ ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI CỦA BJT

91. mạch khuếch đại micro dùng cho máy tăng âm

92. Mạch tạo dao động sóng hình sin

93. Mạch đa hài tự dao động dùng tranzito lưỡng cực

94. Hình dạng thực của Transistor BJT