Chương 1: Transitor lưỡng cực (BJT) 1. Cấu tạo cơ bản của BJT Transitor lưỡng cực gồm hai mối nối pn nối tiếp nhau, được chế tạo trên cùng một mẫu bán dẫn Ge hoặc Si. Hình sau mô tả cấu trúc của hai loại BJT NPN và PNP Ta thấy rằng, tương ứng với mỗi miền bán dẫn là một cực của BJT, sự pha tạp (nồng độ của lỗ trống hay điện tích tự do) giảm dần từ cực E qua cực C, mà điện tích sẽ khuếch tán từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ thấp nên, lỗ trống/điện tích tự do sẽ phát từ E nên cực này được gọi là cực phát (Emitter), cực C nhận các điện tích nên gọi là cực thu (Collector), cực B chuyển tiếp giữa 2 miền nên được gọi là cực nền (Base). Ngoài ra, miền chuyển tiếp B có độ rộng nhỏ nhất, kế tiếp là miền phát và rộng nhất là miền thu.
Hoạt động - Tùy theo phân cực của các tiếp giáp mà ta có 3 vùng hoạt động Vùng ngắt: BE phân cực nghịch Vùng tích cực: BE phân cực thuận, BC phân cực nghịch Vùng bão hòa: BE phân cực thuận, BC phân cực thuận - Trong thực tế khi sử dụng BJT để khuếch đại tín hiệu, ta phân cực BJT ở vùng tích cực. - Xét BJT NPN hoạt động ở vùng tích cực (PNP tương tự) Mối nối BE phân cực thuận nên vùng nghèo ở lớp tiếp giáp hẹp lại, BC phân cực nghịch nên vùng nghèo rộng ra Nhiều điện tử tử cực âm nguồn đi vào cực phát và khuếch tán sang cực nền (do phân cực thuận) tạo ra dòng IE Ta đã biết tại vùng nền hẹp và ít lỗ trống nên hầu hết điện tử sẽ khuếch tán thẳng sang vùng thu tùy theo độ rộng của vùng nghèo BC và đi về cực dương nguồn tạo ra dòng IC. Mặt khác một ít điện tử tại cực nền sẽ đi về cực dương nguồn VEE tạo ra dòng IB rất nhỏ. 1 Tieu luan Như vậy theo định luật KCL: IE = IC + IB Do IB rất nhỏ nên IE ≈ IC Đặc tuyến của IC theo VCE và IB có dạng: 2 Tieu luan 3.
Các cách ráp và độ lợi dòng - Khi sử dụng, BJT được ráp theo 3 cách căn bản: cực phát chung, cực nền chung và cực thu chung. Cực chung là cực nối với đất (GND) và được sử dụng cho cả ngõ vào và ngõ ra. - Dưới đây là sơ đồ 3 kiểu mắc: Trong mỗi cách ráp, người ta định nghĩa độ lợi dòng: Ai = dòng ngõ ra / dòng ngõ vào - Độ lợi dòng điện của BJT thường dùng là độ lợi trong cách ráp cực E chung và B chung Với cực E chung: Ai = hfe = β = IC/IB IE = (β+1)IB Với cực B chung: Ai = hfb = α = IC/IE - β thường có giá trị từ vài chục đến vài trăm lần, α thường có giá trị từ 0.999 lần - Trong thực tế, β và α thường được nhà sản xuất cung cấp trong datasheet. - Từ định nghĩa và định lý Kirchoff về dòng điện ta rút ra công thức liên hệ: 𝛼 𝛽= 1−𝛼 3 Tieu luan 4.
Dòng rỉ trong transitor – điện áp tối đa - Vì mối nối BC thường được phân cực nghịch nên cũng có dòng ngược bão hòa ISAT chạy qua và được gọi là ICBO Trong trường hợp cực B để hở, ta đặt điện áp vào 2 đầu cực C và E cũng xuất hiện dòng điện, dòng này được gọi là ICEO. ICBO và ICEO thường được nhà sản xuất cung cấp - Ngoài ra, nhà sản xuất còn cung cấp thêm một số thông số khác như VCEO: điện áp VCE tối đa mà BJT chịu được VEBO: điện áp VBE/VEB tối đa BJT chịu đươc 5. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới BJT Nhiệt độ ảnh hưởng lớn tới các thông số của BJT: Vì sự thay đổi các thông số do nhiệt độ nên ổn định nhiệt được xem là ưu tiên hàng đầu khi thiết kế mạch khuyếch đại, một số phương pháp thường sử dụng trong mạch là hồi tiếp âm, bổ chính nhiệt dùng diode… 6. Phân cực điểm tĩnh cho BJT – Ổn định phân cực Trong bài phân tích là BJT NPN, nhưng các kết quả khảo sát vẫn đùng với BJT PNP, chỉ cần chú ý chiều dòng điện và cực tính nguồn cung cấp.
Phân cực cố định Cách tính toán: Bước 1: Áp đụng định lý KCL cho ngõ vào ra tính được IB: IB = (Vcc-0.7)/RB Bước 2: Sử dụng công thức liên hệ : IC = βIB Bước 3: Áp dụng KVl cho ngõ ra tính được VCE: Vce = Vcc – IC.RC (1) 4 Tieu luan Điểm làm việc tĩnh Qpoint(IC, VCE) và đồ thị phương trình (1) gọi là loadline (đường tải điện) - Điều kiện BJT hoạt động trong vùng tuyến tính: Mối nối BE phân cực thuận, Mối BC phân cực nghịch: Vc >VB VCE>VBE Vcc – IC.7)/RC > IC IB < (Vcc-0. Phân cực ổn định cực phát RE được thêm vào nhằm mục đích hồi tiếp âm ổn định phân cực Cách tính toán: Bước 1. Sử dụng KVL ngõ vào ta có: VCC = RB.IB + VBE + RE.IE Bước 2: Thay IE = (1+β.𝑅𝐸 Bước 3: Suy ra IC = β.IB 5 Tieu luan c. Phân cực bằng cầu chia điện thế Đây là cách được sử dụng phổ biến bởi độ ổn định và dễ tính toán.
Cách tính toán: Bước 1: Dùng định lý Thevenin biến đổi mạch Với RBB = R1 // R2 VBB = VCC.R2/(R1+R2) Bước 2: KVL cho mạch ngõ vào VBB = RBB.IB + VBE + RE.IE Bước 3: Thay IE = (1+β).𝑅𝐸 Bước 4: Suy ra IC = β. Thiết kế mạch phân cực dùng trong khuếch đại tín hiệu nhỏ Mục đích của việc phân cực cho BJT là thiết lập một điểm làm việc tĩnh (Qpoint) và nhờ đó xác định vùng hoạt động ban đầu của transistor - Khi thiết kế mạch phân cực cho BJT trong vùng tích cực, ta cần chú ý: 6 Tieu luan VCE > 0.2V Thực tế, VCE thường được phân cực dựa theo yêu cầu về độ lợi áp của mạch, nó phải lớn hơn VP của điện áp ngõ ra IPC << IC IPC là dòng chạy trong cầu phân áp cực B trong mạch phân cực bằng cầu phân áp Thông thường, để mạch hoạt động ổn định, ta cần IPC >> IB, nhưng IPC càng lớn thì hiệu suất càng thấp, thế nên ta chọn IPC = 10. Mô hình tín hiệu nhỏ Khi hoạt động trong chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ, BJT có thể được vẽ dưới dạng mô hình tương đương gồm các điện trở và nguồn dòng phụ thuộc. Có 2 bước phân tích mạch: - 1: Phân tích mạch DC Xác định sơ đồ DC bằng cách hở mạch tụ điện và ngắn mạch cuộn cảm Xác định Qpoint tùy theo phương pháp phân cực - 2: Phân tích mạch AC Xác định sơ đồ AC bằng cách nối tất cả nguồn về mass, nối tắt tụ và hở mạch cuộn cảm Thay thế tất cả transistor bằng mô hình tín hiệu nhỏ: Thông số: Điện dẫn gm = 40.IC Trở kháng vào rπ = β0/gm Trở kháng ra ro = VA/IC với VA là điện áp Early Dựa trên sơ đồ mạch AC tính toán tất cả các thông số dòng áp vào ra.
Để đảm bảo cho mạch hoạt động trong vùng tín hiệu nhỏ, có một số yêu cầu sau: |vbe| <= 2VT/10 = 5mV |ic| <= 0.2IC 7 Tieu luan Chương 2: Các mạch ứng dụng 1. Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ a. Mạch khuếch đại E chung (có RE) Sơ đồ mạch: Phân tích mạch: - Ngõ vào tín hiệu v1 tại cực B, tín hiệu lấy ra tại cực C - C1 C3 là các tụ liên lạc xoay chiều, mục đích là ngăn dòng 1 chiều DC đi qua - R1, R2, R3, RE, R6 là các trở phân cực. Ngoài ra, R6 có vai trò ổn định 1 chiều, RE có vai trò ổn định cả 1 chiều lẫn xoay chiều - C2: tụ thoát xoay chiều.
Do RE càng lớn, AV mạch càng giảm, mà RE quá nhỏ thì Qpoint lại không ổn định nên người ta mắc thêm tụ C2 nhằm đảm bảo RE phù hợp mà Qpoint vẫn ổn định. 8 Tieu luan Bằng các phương pháp tính toán ta rút ra công thức tổng quát cho mạch: Đặc điểm của mạch: - Mạch chủ yếu khuếch đại điện áp - Ỏn định, ít biến thiên theo nhiệt độ - Làm việc ở chế độ A nên tín hiệu ra chuẩn - Thường được sử dụng với mục đích khuếch đại biên độ tín hiệu b. Mạch khuếch đại C chung Phân tích mạch: - Ngõ vào tín hiệu tại cực B, tín hiệu lấy ra tại cực E - Do tín hiệu lấy ra tại cực E nên ta có thể xác định mạch này không khuếch đại điện áp 9 Tieu luan - Tụ C1, C3 là tụ liên lạc xoay chiều. - R1, R2, R4 là các trở phân cực tĩnh Bằng các phương pháp tính toán ta rút ra công thức cho mạch: Đặc điểm của mạch: - Không khuếch đại điện áp tín hiệu mà khuếch đại dòng điện - Chấp nhận tín hiệu đầu vào lớn - Do các đặc điểm trên nên thường được dùng để khuếch đại công suất 10 Tieu luan 2.
Mạch khuếch đại nhiều tầng – ghép nối BJT - Trong thực tế, một mạch amply công suất gồm nhiều tầng kết nối với nhau, mỗi tầng có một chức năng xác định: • Tầng tiền khuếch đại: là tầng nhận tín hiệu vào, khuếch đại sơ, chống méo tín hiệu. Nó cung cấp một trở kháng vào lớn do công suất tín hiệu vào khuếch đại rất nhỏ. Trong thực tế, tầng này thường dùng mạch vi sai, mạch này có ưu điểm rất lớn do thiết kế đối xứng loại bỏ được các loại nhiễu đồng pha. Nhưng đồ án này sử dụng mạch ngõ vào đơn E chung nên không đề cập tới.
• Tầng thúc: là tầng kế tiếp tầng tiền khuếch đại, được liên kết gián tiếp bằng tụ hoặc liên kết trực tiếp. Thông thường đây là mạch C chung nên cung cấp độ lợi điện áp lớn. • Tầng công suất: là tầng xuất tín hiệu ra tải, cách li tải có trở kháng nhỏ ra khỏi các tầng trước, nhận tín hiệu tử tầng thúc nên biên độ tín hiệu rất lớn, đồng thời tải trở kháng nhỏ nên để biên độ tín hiệu không suy giảm, AI phải đủ lớn, phù hợp với yêu cầu trên chỉ có mạch C/D chung. Trong thực tế, người ta mắc theo kiểu đẩy kéo và dùng mạch Darlington để tăng độ lợi dòng.
- Khó khăn khi thiết kế mạch amply nhiều tầng thường đến từ khâu ghép nối liên tầng.