Bài giảng Kỹ thuật xung - Chương 3: Chuyển mạch điện tử

oại n đối với loại PNP, hai bán dẫn loại n và một bán dẫn loại p đối với 
loại NPN. 
Sơ đồ ký hiệu của Transistor được mô tả ở hình 1.8. 
Chiều dòng điện được qui ước theo chiều của mũi tên. 
Ký hiệu 
B
E
C
NPN
 Ký hiệu 
B
C
E
PNP
Hình 3.5 
I 
V
ΔI 
ΔV 
Vγ 
Vz 
Vγ 
Mô hình 
PCN 
Mô hình 
PCT 
Vz
Rz 
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 48 
Đường cong đặc tính của Transistor được biểu diễn như sau 
Hình 3.6 
Đường đặc tính này là đường cong đặc tính Collector – Emitter, với thông số 
ngõ vào là dòng iB và vBE theo quan hệ như sau iB = f(vBE) và thông số ngõ ra 
là iC và vCE theo quan hệ như sau iC = f(vCE). 
Nhìn trên đường đặc tính ta có thể phân thành ba vùng làm việc của 
Transistor như sau : 
Vùng tắt 
Transistor rơi vào vùng hoạt động này khi thõa mãn điều kiện sau: Mối nối 
BE phải được phân cực nghịch . Khi đó, các thông số ngõ ra là dòng iC gần 
như bằng 0 và điện áp vCE gần bằng VCC . 
` 
Hình 3.7 
Transistor được xem là tắt hoàn toàn nếu IE = 0 
IE = 0 
B
C
E
ICO 
RL RL
C
VccVcc 
Vout = Vcc neu RL >> RcRb 
E
RcRc
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 49 
Xét trường hợp khi IB = 0 transistor có tắt không? 
Đối với transistor, có quan hệ 
IC = -αIE + ICo 
IB + IC = IE 
Khi IB = 0 α−=→ 1
CO
C
I
I 
• Nếu BJT thuộc họ Ge: 1≈α → IC rất lớn: không tắt 
Để BJT tắt ta phải cưỡng bức bằng cách phân cực nghịch mối nối BE 
• Nếu BJT thuộc họ Si: 0≈α → IC = ICO :tắt 
Vùng khuếch đại 
Transistor hoạt động trong vùng khuếch đại khi mối nối BE được phân cực 
thuận (VB > VE ) và mối nối BC được phân cực nghịch (VC >VB). 
 Ở chế độ này thì IB = β IC 
Với β là hệ số độ lợi dòng DC, giá trị điển hình của β biến thiên trong 
phạm vi từ 20 đến 800 tùy theo loại Transistor. 
Vùng khyếch đại đã được khảo sát trong các tài liệu về điện tử 1, 2. Trong 
phần chuyển mạch sẽ chỉ khảo sát ở 2 chế độ tắt và bão hòa 
Vùng bão hòa 
Transistor làm việc ở vùng bão hòa cần thõa mãn các điều kiện sau: 
• Mối nối BC và mối nối BE đều được phân cực thuận. 
Hình 3.8 
B
C
E
Vcc
Rc
C
RL RtE
Rb 
Rc
Vcc
Vout = 0 
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 50 
Transistor rơi vào vùng bão hòa khi ngõ vào phải được cung cấp tín hiệu đủ 
lớn sao cho điện áp tại cực nền (VB) lớn hơn một mức ngưỡng để Transistor 
phân cực bão hòa. Mức điện áp ngưỡng này là VBEsat , nó có trị số tùy thuộc 
vào từng loại chất bán dẫn . 
• VBEsat = 0,7V đến 0,8V , Transistor loại Si 
• VBEsat = 0.3V , Transistor loại Ge 
Khi sử dụng ở chế độ chuyển mạch, Transistor thông thường mắc theo dạng E 
chung ( mắc CE ). 
Khảo sát một dạng mạch mắc CE làm việc ở chế độ bão hòa. 
Hình 3.9 
Ở trạng thái bão hòa : VC = VCEsat ≈ 0.1 ÷ 0.2V 
ICsat được tính theo công thức sau : ICsat = Rc
VV CEsatCC − . 
Khi đã có dòng điện tải IC , ta phải tính dòng điện cần thiết cấp cho cực nền 
B, nhằm chọn trị số RB thích hợp. Ta xác định IBsat theo biểu thức : 
 IBsat = β
1 .ICsat 
Trường hợp cần cho Transistor làm việc ở chế độ bão hòa sâu, thì có thể tính 
IB theo công thức: IBsat = β
CsatI .k ,Trong đó, k là hệ số bão hòa sâu (k = 
2 ÷ 5). 
Khi Transistor bão hòa, các giá trị IBsat và ICsat , đều do mạch ngoài quyết 
định 
Ta có thể xác định RB theo công thức sau 
RB = 
Bsat
BEsat
I
VV −
Rb
0
Vbb
0
Vcc
Rc
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 51 
4. OpAmp (Operational-Amplifier) 
Op-amp là loại linh kiện được ứng dụng phổ biến trong lĩnh vực điện tử. Gần 
như mọi chức năng trong lĩnh vực này đều có thể dùng Op-amp để thực hiện. 
Chẳng hạn, thực hiện các phép tính: Cộng, trừ , tích phân trong máy tính 
tương tự, làm thành phần nồng cốt trong các mạch khuếch đại, mạch đo, bộ 
dao động, mạch tạo âm, mạch cảm biến. 
Op-amp là loại linh kiện được tích hợp, gồm hai ngõ vào: Đảo và không đảo, 
một ngõ ra. Op-amp hoạt động được phải cần cung cấp cặp nguồn điện áp 
đối xứng dương và âm, điểm giữa của cặp nguồn này được xem là mass 
(0V). Do vậy, tín hiệu ở ngõ ra của bộ khuếch đại thuật toán có thể biến đổi 
cả về phía dương hay phía âm so với mass. 
Ký hiệu và sơ đồ tương đương của OpAmp như sau: 
Hình 3.10 
Mô hình gồm một nguồn áp phụ thuộc (phụ thuộc vào điện áp ngõ vào), trở 
kháng ngõ vào (Rin) và trở kháng ngõ ra (Ro). 
Điện áp vào vi sai vd = v+ - v- 
Trở kháng ngõ vào của Op-amp tương đương như một điện trở. 
Điện áp ngõ ra tỉ lệ thuận với điện áp ngõ vào, và ta biểu thị hệ số tỉ lệ này 
là độ lợi vòng hở (G). Vì vậy, điện áp ngõ ra khuếch đại G lần điện áp vào 
vi sai và được xác định theo công thức sau: 
vo = G (v+ - v-) = G .vd 
Op-amp lý tưởng có những đặc điểm như sau: 
Trở kháng ngõ vào, Rin = ∞ 
Trở kháng ngõ ra, Ro = 0 
Độ lợ vòng hở, G → ∞ 
Băng thông BW → ∞ 
vo = 0, khi v+ = v- 
Ta có v+ - v- = vo /G (*) 
Vì G → ∞, do đó phương trình (*) được viết lại như sau: v+ - v- = 0 → v+ = v- 
Bởi điện trở ngõ vào Rin → ∞, nên dòng điện chạy vào hai ngõ vào đảo và 
không đảo là zero i+ = i- = 0 
-Vcc
V+ 
V- 
Vout
+ 
-
+Vcc Ro
V+
Rin Vout
V-
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 52 
Tùy thuộc điện áp ở hai ngõ vào này so sánh với nhau mà Op-amp sẽ làm 
việc một trong hai trạng thái sau: 
• Nếu v+ > v- thì vo = +V, gọi là trạng thái bão hòa dương . 
• Nếu v+ < v- thì vo = -V, gọi là trạng thái bão hòa âm. 
Hai trạng thái bão hòa này tương đương với ngõ ra của Op-amp ở hai mức 
điện áp cao và điện áp thấp, để tạo ra các xung điện. 
Đặc tuyến truyền được thể hiện như sau 
Hình 3.11 
II. CHẾ ĐỘ QUÁ ĐỘ 
Trong phần này chủ yếu nghiên cứu các hiện tượng xảy ra trong quá trình 
chuyển mạch (lúc quá độ). Sẽ không đi quá sâu về bản chất vật lý mà chủ 
yếu nêu hiện tượng và đề ra biện pháp cải thiện dạng sóng ra 
1. Diode bán dẫn PN 
a. Đại cương 
Hình 3.12 
Do ảnh hưởng của hạt tải điện thiểu số trong thời gian T1 nên diode chưa tắt 
hoàn toàn, dạng của dòng điện như hình bên 
VV ID 
t
Vv
+V
-V
0
t
ID
T
R
R
V+
0
T
R
R
V−
I0 
T1 T2
Aûnh hưởng do hat 
tải điện thiểu số 
Aûnh hưởng do 
điện dung CD 
RL
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 53 
Thời gian T1 khoảng 0.1 sμ và tăng khi 
tR
V lớn 
T2 gấp vài lần T1 
b. Cải thiện 
• Tốt nhất nên dùng diode chuyển mạch (switching diode) 
• Nếu không, thêm tụ C (thường do nhà chế tạo cung cấp thông số) để giảm 
ảnh hưởng của tụ Cd như sau 
Hình 3.13 
2. Transistor 2 mối nối 
Quá trình quá độ xảy ra trong BJT là phức tạp. Ở đây chỉ khảo sát các yếu tố 
gây nên sự méo dạng của xung ra 
a. Thời gian chuyển mạch 
 Hình 3.14 
Thời gian mở (3) bao gồm 
• Thời gian trễ td (1) là thời gian cần thiết để Vv tăng từ 0 đến Vγ 
• Thời gian lên tr (2) chủ yếu phụ thuộc điện dung ngõ vào CV của BJT 
t
Vr
0
I0 
t
Vv
V1
-V2
0
t
IB
V1
-V2
0
t
IC
1
0.9ICbh
2
3
4 5 
6 
0.1ICbh
ICbh
Cd 
CRL
VV 
V1 
-V2 
0
Rc
Vcc
Rb 
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 54 
Thời gian tắt (6) bao gồm 
• Thời gian tồn trữ tS (4), thời gian cần thiết để xả điện tích thừa khi bão 
hòa. Bão hòa càng sâu thì tS càng lớn 
• Thời gian xuống tf (5) chủ yếu do ảnh hưởng điện dung CV ngõ vào của 
BJT 
b. Cải thiện sóng ra 
• Sử dụng BJT chuyển mạch, hay BJT cao tần có fT cao 
• Có thể cải thiện thời gian trễ td nếu VV là dạng sóng vuông sắc cạnh 
• Cải thiện tr và tf. Ngoài việc VV là sóng vuông có cạnh lên và cạnh 
xuống sắc cạnh ta có thể dùng tụ tăng tốc (speed up capacitor) mắc song 
song với RB (giống ý niệm cầu phân áp) 
Hình 3.15 
 Giá trị của Cb cỡ vài pF và thường được nhà sản xuất cung cấp 
• Cải thiện thời gian tồn trữ tS bằng cách không cho BJT bão hòa sâu, nội 
dung của PP này là 
Khi BJT bão hòa, cả 2 mối nối BC và BE đều phân cực thuận, như vậy 
 VB > VC hay VB ≥ VC + Vγ 
Mắc thêm 1 mạch ghim điện áp (sẽ học ở chương 4) như sau 
0
Vcc
Rb
Cb
Cv
0
Rc
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 55 
Hình 3.16 
Mạch ghim có tác dụng ngăn không cho VBC tăng quá làm cho BJT bão 
hòa sâu 
Ngoài ra còn sử dụng diode Schottky hay transistor Schottky để tăng tốc 
độ chuyển mạch 
0.3V
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 56 
Bài tập chương 3 
1. Cho mạch như sau 
IB = 0.2mA 
a. Xác định minβ để BJT bão hòa 
b. Nếu thay RC = 220 và sử dụng transistor có minβ =60 tại IC = 50mA. Mạch 
có bão hòa không 
2. Nếu BJT của bài 1 có minβ =60, ICo = 50nA, RC = 1K 
Tìm công suất nhiệt của BJT khi 
a. BJT tắt 
b. BJT bão hòa 
c. VCE =2V 
3. Tìm quan hệ Y theo A, B. Biết diode có 0;6,0 == DrVγ 
Rb
0
Vcc=10V
Rc=1K
(a) 
0
R
A 
B Y
(b)A
B
+5V
Y 
R 
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 57 
4. Tìm quan hệ Y theo A, B biết BJT là loại Si, Vγ = 0.6, β = 100 
(a) 
A 
Y
0 
10K 
Vcc=+5V
Rc=1K
(b) 
10K
A
0 
Vcc=+5V 
Rc=1K 
10K
B
Y 
(c)10K
Rc=1KRc=1K
0
B
0
A
10K
Vcc=+5V
Y