Giáo trình Mạch điện tử - Chương 2: Transistor hai lớp tiếp giáp BJT

Chương 2 1 
CHƯƠNG 2: TRANSISTOR HAI LỚP TIẾP GIÁP - BJT 
2.1 Giới thiệu 
2.2 Dòng chảy trong BJT 
2.3 Khuếch đại dòng trong BJT 
2.4 Giải tích mạch BJT bằng đồ thị 
2.5 Tính toán công suất 
2.6 Tụ Bypass vô hạn 
2.7 Tụ ghép vô hạn 
2.8 Mạch Emitter Follower 
2.9 Mở rộng 
“We make a living by what we get, we make a life by what we give”. 
- Winston Churchill, Sir (1874-1965)
Chương 2 2 
2.1 Giới thiệu 
• 1948: Transistor đầu tiên (Bell Lab) 
• Các loại transistor (TST): BJT, FET 
• BJT: Bipolar Junction Transistor: Transistor hai lớp tiếp giáp 
2.2 Dòng chảy trong BJT 
• Cấu tạo và ký hiệu 
• Dòng chảy trong BJT 
EB: Phân cực thuận 
CB: Phân cực nghịch 
CBOEC III += α 
CBE III += 
⇒ CBOEB III −−= )1( α 
 αα
α CBO
CB
III −⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ −= 1 
Đặt: α
αβ −= 1 
Lưu ý: Cấu hình B chung (CB – Common Base configuration) 
Chương 2 3 
2.2.1 Mối nối Emitter – Base (EB) 
Xem mối nối EB như một Diode phân cưc thuận hoạt động độc lập (iD = iE; vD = vEB) 
• DCLL và Đặc tuyến EB 
DCLL: 
e
EE
EB
e
E R
Vv
R
i +−= 1 
• Mạch tương đương đơn giản 
vE = VEBQ = Vγ (0.7V: Silicon; 
0.2V: Germanium) 
rd = 0 
e
EBQEE
EQ R
VV
I
−= 
Chương 2 4 
2.2.2 Mối nối Collector – Base (CB) 
Từ quan hệ: CBOEC III +=α , mạch tương đương của mối nối CB: 
VÍ du 1ï: Cho mạch điện như hình vẽ: α ≈ 1, ICBO ≈ 0; VEE = 2V; Re = 1k; VCC = 50V; Rc 
= 20k; vi = 1sinωt. Tính iE và vCB. 
3
2
1
t
R
VvV
i
e
EBQiEE
E ωsin0.13.1 +=−+= (mA) 
EcCCCcCCCB iRViRVv +−=+−= 
i
e
c
e
EBQEE
cCCCB vR
R
R
VV
RVv +−+−= 
tvCB ωsin2024 +−= (V) 
Hệ số khuếch đại tín hiệu xoay chiều: Av = 20 
E E C C 
B B 
IE IE IC IC 
IB IB 
VEBQ 
VEBQ Diode lý 
tưởng 
αIE αIE ICBO 
Re 
Re 
Rc 
Rc 
VEE 
VEE 
VCC 
VCC 
VEBQvi 
vi 
E 
E C 
C 
B 
B 
iE iC 
Chương 2 5 
2.3 Khuếch đại dòng trong BJT 
Quan hệ giữa iC và iB (bỏ qua ICBO): BC ii ×≈ β với α
αβ −= 1 
Hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ: BBC iii ×∆+∆×=∆ ββ 
 Suy ra: feB
BB
C hi
ii
i =∆
∆+=∆
∆ ββ 
Xem gần đúng: FEfe hh ≡≈ β 
Lưu ý: β của các TST cùng loại có thể thay đổi nhiều theo từng TST. 
Ví du 2ï: Cho mạch điện như hình vẽ. Xác định hệ số khuếch đại dòng tín hiệu nhỏ. 
9 Cấu hình E chung (CE – Common Emitter configuration) 
9 Transistor npn 
1
2
3
• Ngõ vào: bBQ
b
BEQiBB
B iIR
VvV
i +=−+= 
với: 
b
BEQBB
BQ R
VV
I
−= và 
b
i
b R
vi = 
• Ngõ ra: cCQbBQBC iIiIii +=+×=×≈ )(ββ 
Hệ số khuếch đại dòng tín hiệu nhỏ: β==
b
c
i i
iA 
Rb 
Rc 
vi 
VBB 
VCC 
iB iC 
B
E 
C 
Chương 2 6 
Đặc tuyến VA ngõ ra cấu hình E chung 
• Vùng bão hòa: vCE ≤ VCEsat 
Quan hệ giữa iC và iB là không tuyến tính 
• Vùng chủ động: VCEsat ≤ vCE ≤ BVCEO 
Quan hệ tuyến tính: 
CBOBC Iii α
ββ +×= 
Giới hạn dòng: IC-cutoff ≤ iC ≤ ICmax 
Ví dụ 3: VCC = 10V, Rb = 10K, Rc = 1K. TST: β = 100, VBE = 0.7V, VCEsat = 0.1V. Tìm 
điều kiện làm việc (IC và VCE) của TST khi: a) VBB = 1.5V b) VBB = 10.7V 
3
2
1
b
BEBB
B R
VVI −= ; cCCCCE RIVV −= 
a) IB = 0.08mA; IC = βIB = 8mA 
VCE = 2V: TST hoạt động trong vùng tích cực. 
b) IB = 1mA; Giả sử IC = βIB = 100mA ⇒ VCE = -90 !!! 
TST hoạt động trong vùng bão hòa: VCE = VCEsat = 0.1 
mA
KR
VVI
c
CECC
C 9.91
1.010 =−=−= 
VBB VCC 
Rb 
Rc 
Chương 2 7 
Mạch tương đương 
1
1
2.4 Giải tích mạch BJT bằng đồ thị 
Mạch khuếch đại cơ bản 
1
2
3
RL
ReR1
R2
VCC
Mạng phân cực 
R2
R1
VCC
VBB
Rb
1
1
VCC
1
2
3
RL
Rb
Re
VBB
E
hfeib 
R0 
ic
C
vce
+
_
ii 
ii 
⇔ 
B
B
Chương 2 8 
• Mạng phân cực (Mạch tương đương Thevenin): 
CCBB VRR
RV
21
1
+= 
21
21
RR
RRRb += 
Thiết kế: 
CCBB
b
VV
RR
/11 −= 
BB
CC
b V
VRR =2 
• Hoạt động của mạch khuếch đại (DC) 
9 Ngõ ra: 
eELCCECC RiRivV ++= 
Với iC = αiE ≈ iE, suy ra: )( eLCCECC RRivV ++= : DCLL 
9 Ngõ vào: 
eEBEbBBB RivRiV +=− 
Bỏ qua ICBO: iB = (1-α)iE, suy ra: 
be
BEBB
be
BEBB
E
RR
vV
RR
vVi
β
α
++
−=−+
−=
1
1)1(
Để loại bỏ sự thay đổi của iE do β thay đổi, chọn Re >> Rb/(1+β). 
9 Tĩnh điểm Q (ICQ, VCEQ): 
e
BEQBB
EQCQ R
VV
II
−=≈ ; ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ +−−=
e
L
BBCCCEQ R
RVVV 1)7.0( 
Chương 2 9 
• Giải tích bằng đồ thị 
9 Tín hiệu nhỏ: CQCc Iii −= và: CEQCEce Vvv −= 
9 Quan hệ pha: ib tăng, ic, ie tăng, vce giảm 
9 Điếu kiện để iC có thể dao động cực đại (max swing): (Giả sử VCEsat = 0 và 
IC-cutoff = 0) 
eL
CC
CQ RR
VI +=
2/
2/CCCEQ VV = 
Chương 2 10 
Ví dụ 4: Tìm Q để có max swing: 
R1
R2
Re
200
RL
1k
1
DCLL: )2001000(9 ++≈ CQCEQ IV 
Max swing: ICEQ = 
eL
CC
RR
V
+
2/
 = 3.75 mA 
 VCEQ = VCC / 2 = 4.5 V 
Ví dụ 5: Tìm R1 và R2 trong ví dụ 4 để đạt được Max Swing 
1
Rb
Re
200
RL
1k
VBB
VBQ = VBE + VEQ = VBE + IEQ × Re ≈ VBE + ICQ × Re 
Chọn Re >> Rb/(1+β), thường chọn: )1(10
1 β+= eb RR = 2K 
VBB = VRb + VBQ = IBQRb + VBQ ≈ (ICQ/β)(0.1βRe) + VBE + ICQRe 
VBB = VBE + ICQ(1.1Re) = 0.7 + (3.75E-3)(1.1)(200) = 1.525 V 
Suy ra: 
CCBB
b
VV
RR
/11 −= = 2.4K 
BB
CC
b V
VRR =2 = 11.8K 
β = 100
+9V
β = 100 
+9V
Chương 2 11 
2.5 Tính toán công suất 
• Công thức tổng quát: 
∫=
T
dttItV
T
P
0
)()(1 
V(t) = Vav + v(t) 
I(t) = Iav + i(t) 
Trong đó:Vav, Iav: Giá trị trung bình 
 v(t), i(t): Thành phần thay đổi 
theo thời gian có trung bình bằng 0. 
∫ ++=
T
avav dttiItvVT
P
0
))())(((1 
∫+=
T
avav dttitvT
IVP
0
)()(1 
• Công suất trung bình tiêu tán trên tải (Công suất xoay chiều) 
∫=
T
LcacL dtRiT
P
0
2
,
1
Giả sử ic là tín hiệu sin: ic = Icmsinωt 
2
2
,
Lcm
acL
RIP = 
MaxSwing: max(Icm) = ICQ = )(2 eL
CC
RR
V
+ 
Suy ra: max(PL,ac) = 2
2
)(8 eL
LCC
RR
RV
+ 
Để cực đại hóa công suất tiêu tán trên tải: 
Chọn RL >> Re 
Suy ra: max(PL,ac) 
L
CC
R
V
8
2
≈ 
Chương 2 12 
• Công suất nguồn cung cấp trung bình 
∫ ∫ +==
T T
cCQCCCCCCC dtiIVT
dtiV
T
P
0 0
)(11
CQCCCC IVP = 
Max Swing: ICQ = )(2 eL
CC
RR
V
+ 
Suy ra: PCC = )(2
2
eL
CC
RR
V
+ 
Với RL >> Re: PCC 
L
CC
R
V
2
2
≈ 
• Công suất trung bình trên Transistor 
[ ] ∫ ∫∫∫ +−=+−==
T T
CeLCCCC
T
CeLCC
T
CCEC dtiT
RRdtiV
T
dtiiRRV
T
dtiv
T
P
0 0
2
00
1)(1)(11
ELCCC PPPP −−= : “Bảo toàn năng lượng” 
Khai triển: ( )
2
sin11
2
2
0
2
0
2 cm
CQ
T
cmCQ
T
C
IIdttII
T
dti
T
+=+= ∫∫ ω 
Suy ra: 
2
)()(
2
2 cm
eLCQeLCCC
IRRIRRPP +−+−= 
TST tiêu thụ công suất cực đại khi không có tín hiệu: 
Chương 2 13 
max(PC) = ( ) 2CQeLCC IRRP +− 
Max Swing: max(PC) = 
L
CC
eL
CC
R
V
RR
V
4)(4
22
≈+ 
• Hiệu suất 
9 Hiệu suất: 
CC
acL
P
P ,=η 
Max Swing: 
( )
LCC
Lcm
RV
RI
2/
2/
2
2
=η 
Hiệu suất cực đại khi Icm cực đại: max(Icm) = ICQ 
L
CC
R
V
2
≈ (Giả sử RL >> Re) 
Suy ra: max(η)
LCC
LCC
RV
RV
2/
8/
2
2
 = 0.25 
9 Tỷ số công suất tiêu tán TST cực đại trên công suất tải xoay chiều cực đại: 
(Thiết kế: Chọn TST có chỉ số công suất tiêu tán cực đại thích hợp) 
2
8/
4/
)max(
)max(
2
2
,
=≈
LCC
LCC
acL
C
RV
RV
P
P
: 
Chương 2 14 
2.6 Tụ Bypass vô hạn 
Re: + Tạo dòng phân cực ICQ và tăng độ ổn định phân cực (C3). 
 _ Giảm hiệu suất; Giảm hệ số khuếch đại đối với tín hiệu nhỏ xoay chiều (C4) 
⇒ Sử dụng tụ bypass (Giả sử Ce→∝, đối với tín hiệu xoay chiều: ZC = 1/(jCω) → 0) 
VBB
Re
RL
Rb
VCC
Ce
DCLL: eLDC RRR += 
DC
CC
CE
DC
C R
VV
R
I +−= 1 
ACLL: cLce iRv −= 
 Lac RR = 
 ⇒ ce
ac
c vR
i 1−= (Gốc tọa độ Q) 
“Destiny is what we make”. 
- Anonymous 
ii 
iB iC 
iE 
Chương 2 15 
Max Swing: Q trung điểm ACLL 
⇒ acCQCEQ RIV = 
Thay vào DCLL: 
( )
DC
CC
acCQ
DC
CQ R
VRI
R
I +−= 1 
⇒ 
acDC
CC
CQ RR
VI += 
acDC
CC
CEQ RR
VV
/1+= 
2.7 Tụ ghép (coupling capacitor) vô hạn 
Tụ ghép: Ngăn dòng DC qua tải. 
DCLL: RDC = Re + Rc 
ACLL: Rac = Rc // RL 
Max Swing: 
acDC
CC
CQ RR
VI += 
acDC
CC
CEQ RR
VV
/1+= 
Dòng qua tải (AC): c
cL
c
L iRR
Ri += 
Rb
Re
Rc
RL
Ce
Cc
VBB
VCC
1
ii 
iB iC
iE
iL 
Chương 2 16 
2.8 Mạch Emitter Follower 
Cb
R2
R1 Re
VCC
vi
Rb
Re
VCC
Cb
VBB
vi
 a) Mạch Emitter Follower b) Mạch tương đương 
vB = vBE + vE 
Xem vBE ≈ VBE = 0.7 
vi = vb ≈ ve: “Follower” 
VCC
Cb
Re
Rbvi
VBB
Ce
RL
c) Mạch Emitter Follower với tải AC 
DCLL: RDC = Re 
ACLL: Rac = Re // RL 
vE vE 
vL
Chương 2 17 
2.9 Mở rộng 
2.9.1 Mạch phân cực Base – Injection 
Xét mạch Emitter Follower với mạch phân cực Base – Injection sau: 
vi
R2
Cb
Re
VCC
RL
Ce
• Tính toán mạch phân cực: 
Ngõ vào: VCC = VR2 + VBEQ + VRe 
VCC ≈ R2(ICQ/β) + VBEQ + ReICQ 
 β/2RR
VV
I
e
BEQCC
CQ +
−= 
Ngõ ra: VCEQ = VCC - ReICQ 
• Thiết kế mạch phân cực: 
Chọn tĩnh điểm Q 
Tính R2 = β/CQ
CQeBEQCC
I
IRVV −−
vL
Chương 2 18 
2.9.2 Nguồn của mạch khuếch đại 
Có thể thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho mạch khuếch đại để thay đổi mức DC 
của ngõ ra (Vẫn bảo đảm TST phân cực đúng). 
Ví dụ 6: Xét mạch CE sau 
Cb
R2
R1 Re
+VCC
vi
Rc
-VEE 
DCLL: RDC = Rc + Re 
DC
EECC
CE
DC
C R
VVV
R
I ++−= 1 
ACLL: Rac = Rc + Re 
Với tín hiệu ac, các nguồn một chiều 
(VCC, VEE) ngắn mạch: Phân tích như 
các phần trước. 
Ví dụ: Chọn RCICQ = VCC 
Mức DC ngõ ra: v0-DC = 0 (Không cần 
dùng tụ coupling ngõ ra) 
vo