Giáo trình Mạch điện tử - 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 β 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 
Chương 3 2 
3.1 Giới thiệu 
9 Tĩnh điểm Q 
9 Sự thay đổi của tĩnh điểm Q: Nhiệt độ, β, nguồn cung cấp,  
3.2 Ảûnh hưởng của β lên tĩnh điểm Q 
Rb
Rc
Re
VBB
VCC
Lưu ý: Phân tích có thể 
dùng cho CB, CE, CC 
• Tổng quát: 
Khuếch đại dòng: CBOECBOBC IIIII +=++= αββ )1( 
KVL mối nối BE: eEBEbBBB RIVRIV ++= 
⇒ 
be
beCBOBEBB
CQ RR
RRIVVI
)1(
)()(
α
α
−+
++−= 
• Xét ảnh hưởng của β lên tĩnh điểm Q: 
Xem α ≈ 1; VBE ≈ 0.7(Si) và ICBO(Re + Rb) << (VBB - VBE) 
⇒ β/
7.0
be
BB
CQ RR
VI +
−≈ 
• Để giảm ảnh hưởng của β lên ICQ, chọn Re >> Rb / β 
⇒ 
e
BB
CQ R
VI 7.0−≈ 
Thiết kế: 1. Chọn tĩnh điểm Q 
 2. Chọn 
10
min e
b
RR β= ; tính toán mạch phân cực như trong chương 2 
Chương 3 3 
Các kỹ thuật phân cực sử dụng hồi tiếp (feedback) 
• Khái niệm hồi tiếp 
• Hồi tiếp dòng (current feedback) 
β/BE
BECC
CQ RR
VVI +
−= 
hay 
BE
BECC
BQ RR
VVI +
−= β 
• Hồi tiếp dòng và áp (current & voltage feedback) 
ECQBEFBQCCQCC RIVRIRIV +++≈ 
⇔ ECQBE
FCQ
CCQCC RIV
RI
RIV +++= β 
⇒ β/BEC
BECC
CQ RRR
VVI ++
−= 
hay: 
BEC
BECC
BQ RRR
VVI ++
−=
)(β 
Chương 3 4 
3.3 Aûnh hưởng của nhiệt độ lên tĩnh điểm Q 
• 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 
 ⇒ 
T
eI
T
II
T
I TKCBOCBOCBOCBO
∆
−=∆
−=∆
∆ ∆ )1(112 
• Tĩnh điểm Q: Xem α ≈ 1 và Re >> Rb / β; từ công thức tổng quát: 
⇒ )1(
e
b
CBO
e
BEBB
CQ R
RI
R
VVI ++−≈ 
⇒ 
T
I
R
R
T
V
RT
I CBO
e
bBE
e
CQ
∆
∆
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ ++∆
∆−=∆
∆
11 
⇒ ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
∆
−⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ ++=∆
∆ ∆
T
eI
R
R
R
k
T
I TK
CBO
e
b
e
CQ 11 1 
⇒ ( )11 1 −⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛ ++∆=∆ ∆TKCBOebeCQ eIRRRTkI 
• 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. 
Chương 3 5 
Tổng quát: ( )1
100
4001
100
)2555(105.2 )2555(07.0
1
3
−⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ++−×=∆ −×
−
eII CBOCQ 
 1
3 361075.0 CBOCQ II +×=∆ − 
a) Silicon: ICBO1 = 1 µA ⇒ ∆ICQ = 0.786 mA 
b) Germanium: ICBO1 = 100 µA ⇒ ∆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) 
• Bài toán: ICQ = ICQ(ICBO, VBE, β, ) sẽ thay đổi như thế nào khi các biến phụ thuộc thay đổi 
• Giả thuyết: Giả sử các biến phụ thuộc thay đổi một lượng nhỏ, sử dụng khai triển Taylor: 
...+⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
∂
∂+⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
∂
∂+⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
∂
∂= ββ d
I
dV
V
I
dI
I
I
dI CQBE
BE
CQ
CBO
CBO
CQ
CQ 
• Định nghĩa: Hệ số ổn định (stability factors) 
CBO
CQ
CBO
CQ
I I
I
I
I
S ∂
∂≈∆
∆= ; 
BE
CQ
BE
CQ
V V
I
V
I
S ∂
∂≈∆
∆= ; βββ ∂
∂≈∆
∆= CQCQ IIS 
 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; ∆β ≈ dβ 
 Suy ra: 
∆ICQ ≈ SI∆ICBO + SV∆VBE + Sβ∆β +  
Chương 3 6 
 Lưu ý 2: Thực tế, β thay đổi rất nhiều, khi đó ∆ICQ vẫn được tính từ công thức trên với Sβ 
được tính trực tiếp theo định nghĩa: ββ ∆
∆= CQIS 
• Xét mạch trong phần 3.2: 
be
beCBOBEBB
CQ RR
RRIVVI
)1(
)()(
α
α
−+
++−= 
Tính các hệ số ổn định: (Giả sử Re >> Rb / β ≈ (1-α)Rb ) 
9 
e
b
be
be
CBO
CQ
I R
R
RR
RR
I
I
S +≈−+
+=∂
∂= 1
)1( α 
9 
ebeBE
CQ
V RRRV
I
S 1
)1(
−≈−+
−=∂
∂= α
α
9 Tính Sβ: Tính trực tiếp từ định nghĩa, sử dụng β
βα += 1 và giả sử bỏ qua ICBO 
⇒ 
eb
EEBB
CQ RR
VVI
)1(
)(
++
−≈ β
β
⇒ 
eb
eb
CQ
CQ
RR
RR
I
I
)1(
)1(
2
1
1
2
1
2
++
++= β
β
β
β
 ⇒ [ ] eb
eb
CQ
CQ
CQ
CQCQ
RR
RR
I
I
I
II
)1(
)(
2111
12
++
+∆=∆=− ββ
β
⇒ ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
++
+
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛=∆
∆≡
eb
ebCQCQ
RR
RRIIS
)1( 21
1
ββββ 
Chương 3 7 
 Suy ra: ...
)1(
11
21
1 +∆⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
++
+
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛+∆⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛−∆⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ +≈∆ βββ eb
ebCQ
BE
e
CBO
e
b
CQ RR
RRIV
R
I
R
RI 
 Trong đó: )1(1 −=∆ ∆TKCBOCBO eII 
 TkVBE ∆−=∆ 
 12 βββ −=∆ 
• Mở rộng: eRCCVBEVCBOICQ RSVSSVSISI eCC ∆+∆+∆+∆+∆=∆ ββ 
Với 
CC
CQ
V V
I
S
CC ∂
∂≈ ; 
e
CQ
R R
I
S
e ∂
∂≈ 
• 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, β; 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(
)()(
α
α
−+
++−= = 10.6 mA 
b) ♦ Tính các hệ số ổn định: 
Chương 3 8 
be
be
I RR
RRS
)1( α−+
+= = 5.25 mA/mA 
e
V R
S 1−≈ = - 10 mA/V 
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
++
+
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛≈
eb
ebCQ
RR
RRIS
)1( 21
1
βββ = 0.0116 mA 
Tính SVcc và SRe, từ công thức tổng quát: 
be
beCBOBEBB
CQ RR
RRIVVI
)1(
)()(
α
α
−+
++−= , suy ra: 
21
1
)1()1( RR
R
RRV
V
RRV
I
S
beCC
BB
beCC
CQ
VCC +−+=∂
∂
−+=∂
∂= α
α
α
α
 = 0.91 mA/V 
[ ]2)1(
)(
be
BEBB
e
CQ
R
RR
VV
R
I
S
e α
α
−+
−−≈∂
∂= = - 0.1 mA/Ω 
♦ Xác định các đại lượng biến thiên: 
)1(1 −=∆ ∆TKCBOCBO eII = 0.11 mA 
TkVBE ∆−=∆ = -250 mV 
12 βββ −=∆ = 50 
CCV∆ = 4V 
eR∆ = 20 Ω 
♦ Suy ra độ dịch tĩnh điểm Q nhiều nhất 
eRCCVBEVCBOICQ RSVSSVSISI eCC ∆+∆+∆+∆+∆=∆ ββ = 9.3 mA 
Độ dịch tĩnh điểm Q xung quanh giá trị danh định ≈ 9.3 / 2 = ± 4.65 mA 
Chương 3 9 
3.5 Bổ chính nhiệt dùng Diode 
• Nhận xét: Thay đổ nhiệt độ ảnh hưởng lên dòng phân cực ICQ chủ yều do ∆VBE. 
⇒ Giảm SV: Tăng Re, tuy nhiên làm giảm dòng phân cực. 
 Giảm ∆VBE: Bổ chính nhiệt 
• Bổ chính nhiệt dùng Diode: 
Chọn Diode sao cho: 
T
V
T
V BED
∆
∆=∆
∆
Nguồn dòng: 
1++=+= β
EQ
DBQDBB
I
IIII 
Mặt khác: eEQBEQdDDB RIVRIVV +=+= 
Suy ra: 
)]1/([ ++
+−= βde
dBBBEQD
EQ RR
RIVV
I ⇒ 
)]1/([
//
++
∆∆−∆∆=∆
∆
βde
BEDEQ
RR
TVTV
T
I
 = 0 
• 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) 
Chương 3 10 
• 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 −<< 
⇒ 
d
DB
b
B
BB R
VV
R
VI −+≈ ⇒ ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
+⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ +=
db
db
d
D
BBB RR
RR
R
VIV 
⇒ ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −+++⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛=−= BEQ
db
bD
db
dCC
ee
BEQB
EQ VRR
RV
RR
RV
RR
VV
I 1 
Biến thiên theo nhiệt độ: ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
∂
∂−∂
∂
+⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛=∂
∂
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 −=∂
∂=∂
∂
, suy ra: 
dbe
EQ
RRR
k
T
I
/1
1
+=∂
∂
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: θjc = 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 β tại VCE = 4V, IC = 5A: 10 ≤ β ≤ 18 
7. Tần số cắt CE (cutoff frequency): fβ = 30 kHz