Giáo trình Mạch điện tử 1 - Chương 3: Ổn định phân cực (Bias Stability) cho BJT

Chương 3 1
CHƯƠNG 3: ỔN ĐỊNH PHÂN CỰC (Bias Stability) CHO BJT 
3.1 Giới thiệu 
3.2 Aûnh hưởng của E lên tĩnh điểm Q 
3.3 Aûnh hưởng của nhiệt độ lên tĩnh điểm Q 
3.4 Phân tích hệ số ổn định 
3.5 Bổ chính nhiệt dùng Diode 
3.6 Aûnh hưởng của nhiệt độ và các thông số kỹ thuật 
0ҥFKÿLӋQWӱ
Chương 3 2
3.1 Giới thiệu 
9 Tĩnh điểm Q 
9 Sự thay đổi của tĩnh điểm Q: Nhiệt độ, E, nguồn cung cấp,  
3.2 Ảûnh hưởng của E lên tĩnh điểm Q
Rb
Rc
Re
VBB
VCC
Lưu ý: Phân tích có thể 
dùng cho CB, CE, CC 
x Tổng quát: 
Khuếch đại dòng: CBOECBOBC IIIII   DEE )1(
KVL mối nối BE: eEBEbBBB RIVRIV  
Ÿ
be
beCBOBEBB
CQ RR
RRIVVI
)1(
)()(
D
D


x Xét ảnh hưởng của E lên tĩnh điểm Q: 
Xem D | 1; VBE | 0.7(Si) và ICBO(Re + Rb) << (VBB - VBE)
Ÿ
E/
7.0
be
BB
CQ RR
VI


|
x Để giảm ảnh hưởng của E lên ICQ, chọn Re >> Rb / E
Ÿ
e
BB
CQ R
VI 7.0|
Thiết kế: 1. Chọn tĩnh điểm Q 
 2. Chọn 
10
min e
b
RR E ; tính toán mạch phân cực như trong chương 2 
0ҥFKÿLӋQWӱ
Chương 3 3
Các kỹ thuật phân cực sử dụng hồi tiếp (feedback) 
x Khái niệm hồi tiếp 
x Hồi tiếp dòng (current feedback) 
E/BE
BECC
CQ RR
VVI


hay
BE
BECC
BQ RR
VVI


E
x Hồi tiếp dòng và áp (current & voltage feedback) 
ECQBEFBQCCQCC RIVRIRIV |
œ ECQBE
FCQ
CCQCC RIV
RI
RIV  
E
Ÿ
E/BEC
BECC
CQ RRR
VVI


hay:
BEC
BECC
BQ RRR
VVI


)(E
0ҥFKÿLӋQWӱ
Chương 3 4
3.3 Aûnh hưởng của nhiệt độ lên tĩnh điểm Q 
x Aûnh hưởng của nhiệt độ: 
9 Điện áp ngưỡng: )( 1212 TTkVVV BEBEBE   ' với k = 2.5 mV / oC (Si) 
9 Dòng phân cực nghịch bão hòa:  )(12 12 TTKCBOCBO eII  với K = 0.07 / oC
Ÿ
T
eI
T
II
T
I TKCBOCBOCBOCBO
'

'

'
' ' )1(112
x Tĩnh điểm Q: Xem D | 1 và Re >> Rb / E; từ công thức tổng quát: 
Ÿ )1(
e
b
CBO
e
BEBB
CQ R
RI
R
VVI |
Ÿ
T
I
R
R
T
V
RT
I CBO
e
bBE
e
CQ
'
'
¸¸
¹
·
¨¨
©
§

'
'
 
'
'
1
1
Ÿ ¸¸
¹
·
¨¨
©
§
'

¸¸
¹
·
¨¨
©
§
 
'
' '
T
eI
R
R
R
k
T
I TK
CBO
e
b
e
CQ 1
1 1
Ÿ  11 1 ¸¸
¹
·
¨¨
©
§
' ' 'TKCBO
e
b
e
CQ eIR
R
R
TkI
x Ví dụ: Xét mạch điện trong phần (3.2) với: Rb = 400; Re = 100; ICQ = 10 mA tại 25 oC. Tìm 
sự thay đổi của ICQ khi nhiệt độ lên đến 55 oC với a) Silicon; b) Germanium. 
0ҥFKÿLӋQWӱ
Chương 3 5
Tổng quát:  1
100
400
1
100
)2555(105.2 )2555(07.0
1
3
¸
¹
·
¨
©
§ u ' u

eII CBOCQ
1
3 361075.0 CBOCQ II u '

a) Silicon: ICBO1 = 1 PAŸ 'ICQ = 0.786 mA 
b) Germanium: ICBO1 = 100 PAŸ 'ICQ = 4.35 mA 
Nhận xét: i) 'ICQ (Silicon) << 'ICQ(Germanium)
 ii) Với Silicon, 'ICQ chủ yếu do 'VBE
3.4 Phân tích hệ số ổn định (stability analysis) 
x Bài toán: ICQ = ICQ(ICBO, VBE, E, ) sẽ thay đổi như thế nào khi các biến phụ thuộc thay đổi 
x Giả thuyết: Giả sử các biến phụ thuộc thay đổi một lượng nhỏ, sử dụng khai triển Taylor: 
...¸¸
¹
·
¨¨
©
§
w
w
¸¸
¹
·
¨¨
©
§
w
w
¸¸
¹
·
¨¨
©
§
w
w
 E
E
d
I
dV
V
I
dI
I
I
dI CQBE
BE
CQ
CBO
CBO
CQ
CQ
x Định nghĩa: Hệ số ổn định (stability factors) 
CBO
CQ
CBO
CQ
I I
I
I
I
S
w
w
|
'
'
 ;
BE
CQ
BE
CQ
V V
I
V
I
S
w
w
|
'
'
 ;
EEE w
w
|
'
'
 CQCQ
II
S
 Lưu ý 1: Các hệ số ổn định được tính tại điểm Q danh định (nominal Q) 
 Với các thay đổi nhỏ: 'ICQ | dICQ; 'ICBO | dICBO; 'VBE | dVBE; 'E | dE
 Suy ra: 
'ICQ | SI'ICBO + SV'VBE + SE'E +  
0ҥFKÿLӋQWӱ
Chương 3 6
 Lưu ý 2: Thực tế, E thay đổi rất nhiều, khi đó 'ICQ vẫn được tính từ công thức trên với SE
được tính trực tiếp theo định nghĩa: 
EE '
'
 CQ
I
S
x Xét mạch trong phần 3.2: 
be
beCBOBEBB
CQ RR
RRIVVI
)1(
)()(
D
D


Tính các hệ số ổn định: (Giả sử Re >> Rb / E | (1-D)Rb ) 
9
e
b
be
be
CBO
CQ
I R
R
RR
RR
I
I
S |


w
w
 1
)1( D
9
ebeBE
CQ
V RRRV
I
S 1
)1(
|

 
w
w
D
D
9 Tính SE: Tính trực tiếp từ định nghĩa, sử dụng E
ED

1
 và giả sử bỏ qua ICBO
Ÿ
eb
EEBB
CQ RR
VVI
)1(
)(


|
E
E
Ÿ
eb
eb
CQ
CQ
RR
RR
I
I
)1(
)1(
2
1
1
2
1
2


E
E
E
E
Ÿ > @ eb
eb
CQ
CQ
CQ
CQCQ
RR
RR
I
I
I
II
)1(
)(
2111
12

'
'

EE
E
Ÿ »
¼
º
«
¬
ª


¸¸
¹
·
¨¨
©
§
'
'
{
eb
ebCQCQ
RR
RRIIS
)1( 21
1
EEEE
0ҥFKÿLӋQWӱ
Chương 3 7
 Suy ra: ...
)1(
1
1
21
1 '»
¼
º
«
¬
ª


¸¸
¹
·
¨¨
©
§
'¸¸
¹
·
¨¨
©
§
'¸¸
¹
·
¨¨
©
§
|' E
EE eb
ebCQ
BE
e
CBO
e
b
CQ RR
RRIV
R
I
R
RI
 Trong đó: )1(1  '
'TK
CBOCBO eII
TkVBE ' '
12 EEE  '
x Mở rộng: eRCCVBEVCBOICQ RSVSSVSISI eCC ''''' ' EE
Với 
CC
CQ
V V
I
S
CC w
w
| ;
e
CQ
R R
I
S
e w
w
|
x Ví dụ: a) Tìm ICQ tại nhiệt độ phòng, sử dụng các giá trị danh định 
 b) Tính 'ICQ với các thay đổi trên VCC, Re, E; nhiệt độ thay đổi từ 25 – 125 oC.
a)
21
1
RR
RVV CCBB 
 ; Rb = R1 // R2
Dùng công thức tổng quát: 
be
beCBOBEBB
CQ RR
RRIVVI
)1(
)()(
D
D


 = 10.6 mA 
b)i Tính các hệ số ổn định: 
0ҥFKÿLӋQWӱ
Chương 3 8
be
be
I RR
RRS
)1( D

 = 5.25 mA/mA 
e
V R
S 1| = - 10 mA/V 
»
¼
º
«
¬
ª


¸¸
¹
·
¨¨
©
§
|
eb
ebCQ
RR
RRIS
)1( 21
1
EEE
 = 0.0116 mA 
Tính SVcc và SRe, từ công thức tổng quát: 
be
beCBOBEBB
CQ RR
RRIVVI
)1(
)()(
D
D


 , suy ra: 
21
1
)1()1( RR
R
RRV
V
RRV
I
S
beCC
BB
beCC
CQ
VCC 
w
w

w
w
D
D
D
D
 = 0.91 mA/V 
> @2)1(
)(
be
BEBB
e
CQ
R
RR
VV
R
I
S
e D
D


|
w
w
 = - 0.1 mA/:
i Xác định các đại lượng biến thiên: 
)1(1  '
'TK
CBOCBO eII = 0.11 mA 
TkVBE ' ' = -250 mV 
12 EEE  ' = 50 
CCV' = 4V 
eR' = 20 :
i Suy ra độ dịch tĩnh điểm Q nhiều nhất 
eRCCVBEVCBOICQ RSVSSVSISI eCC ''''' ' EE = 9.3 mA 
Độ dịch tĩnh điểm Q xung quanh giá trị danh định | 9.3 / 2 = r 4.65 mA 
0ҥFKÿLӋQWӱ
Chương 3 9
3.5 Bổ chính nhiệt dùng Diode 
x Nhận xét: Thay đổ nhiệt độ ảnh hưởng lên dòng phân cực ICQ chủ yều do 'VBE.
Ÿ Giảm SV: Tăng Re, tuy nhiên làm giảm dòng phân cực. 
 Giảm 'VBE: Bổ chính nhiệt 
x Bổ chính nhiệt dùng Diode: 
Chọn Diode sao cho: 
T
V
T
V BED
'
'
'
'
Nguồn dòng: 
1
  
E
EQ
DBQDBB
I
IIII
Mặt khác: eEQBEQdDDB RIVRIVV   
Suy ra: 
)]1/([ 

Ede
dBBBEQD
EQ RR
RIVV
I Ÿ
)]1/([
//

''''
'
'
Ede
BEDEQ
RR
TVTV
T
I
 = 0 
x Cấu hình thực tế: 
- Giải quyết được bài toán lựa chọn Diode 
thích hợp (matching) với TST 
- Sử dụng trong các mạch tích hợp 
(Integrated Circuit) 
0ҥFKÿLӋQWӱ
Chương 3 10
x Ví dụ: Xác định ảnh hưởng của nhiệt độ lên tĩnh điểm Q 
Mạch tương đương: BQ
d
DB
b
B
BB IR
VV
R
VI  ; giả sử 
b
B
BQ R
VI  và 
d
DB
B R
VVI 
Ÿ
d
DB
b
B
BB R
VV
R
VI | Ÿ ¸¸
¹
·
¨¨
©
§
¸¸¹
·
¨¨
©
§
 
db
db
d
D
BBB RR
RR
R
VIV
Ÿ ¸¸
¹
·
¨¨
©
§



¸¸¹
·
¨¨
©
§

 BEQ
db
bD
db
dCC
ee
BEQB
EQ VRR
RV
RR
RV
RR
VV
I 1
Biến thiên theo nhiệt độ: ¸¸
¹
·
¨¨
©
§
w
w

w
w
¸¸¹
·
¨¨
©
§
w
w
T
V
T
V
RR
R
RT
I BEQD
db
b
e
EQ 1
Vì hai TST là giống nhau: k
T
V
T
V BEQD  
w
w
w
w
, suy ra: 
dbe
EQ
RRR
k
T
I
/1
1

w
w
0ҥFKÿLӋQWӱ
Chương 3 11
3.6 Aûnh hưởng của nhiệt độ và các thông số kỹ thuật 
Ví dụ: Transistor 2N1016, Silicon npn 
1. Điện trở nhiệt tối đa: Tjc = 0.7 oC/W
2. Công suất tiêu tán tối đa với bộ tản nhiệt lý tưởng tại 25 oC: PC = 150 W 
3. Nhiệt độ mối nối tối đa: Tj,max = 140 oC
4. Các thông số cực đại tuyệt đối tại 25 oC:
1) IC = 7.5 A 
2) IB = 5 A 
3) Breakdown voltage: 
a) BVCBO = 30 V 
b) BVEBO = 25 V 
c) BVCEO = 30 V 
5. Dòng ICBO cực đại tại điện áp VCB cực đại tại 25 oC = 10 mA 
6. Hệ số khuếch đại dòng E tại VCE = 4V, IC = 5A: 10 d E d 18 
7. Tần số cắt CE (cutoff frequency): fE = 30 kHz 
0ҥFKÿLӋQWӱ