Bài giảng Kỹ thuật điện - Chương 2: Transistor

Chương 2: TRANSISTOR 2.1 Transistor lưỡng cực – BJT 2.1.1 Giới thiệu 2.1.2 Nguyên lý hoạt động 2.1.3 Đặc tuyến Vol – Ampe. 2.1.4 Các hệ số của BJT 2.1.5 Các chế độ làm việc của BJT. 2.1.6 Phân cực transistor. 2.1.7 Bài tập 2.2 Transistor MOSFET 2.2.1 Giới thiệu 2.2.2 Đặc tuyến Vol – Ampe. 2.2.3 Chế độ ON-OFF 1 2.1 Transistor lưỡng cực BJT. 2.1.1 Giới thiệu BJT. (BJT – Bipolar Junction Transistor) • Transistor lưỡng cực gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N. - Nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận. - Nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược. • Hình dạng thực tế: 2 2.1.1 Giới thiệu BJT. (tt) • Các cực được ký hiệu bằng các kí tự E (Emitter - cực phát), C (Collector - cực thu) và B (Base - cực nền). 3 2.1.1 Giới thiệu BJT (tt)  Các cách mắc: 4 2.1.1 Giới thiệu BJT. (tt)  Các cách mắc: (tt) 5 2.1.2 Nguyên lý hoạt động. • Điều kiện phân cực transistor : - Phân cực thuận mối nối B-E - Phân cực ngược mối nối B-C • Ta xét hoạt động transistor npn: - Do lớp bán dẫn P tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp bán dẫn N (cực E) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P(cực B) lớn hơn số lượng lỗ trống rất nhiều. - Một phần nhỏ trong số các điện tử đó đi xuyên qua cực B về dương nguồn VBE tạo thành dòng IB , còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp VCE => tạo thành dòng IC chạy qua Transistor. • Áp dụng ĐL K1: IE=IB+IC , với IB rất nhỏ so với IC 6 2.1.3 Đặc tuyến Vol – Ampe.  Đoạn AB - vùng bảo hòa. - Giả sử áp VBB được chỉnh để tạo ra giá trị IB bất kỳ và áp VCC=0V . Tại điều kiện này, các mối nối BE và BC phân cực thuận vì áp VBE=0,7V trong khi áp VCE=0V. Khi các mối nối BE và BC phân cực thuận, BJT hoạt động trong vùng bảo hòa. - Khi tăng áp VCC , áp VCE tăng dần khi dòng IC tăng.  Đoạn BC - vùng hoạt động. - Khi VCE vượt cao hơn giá trị 0.7 V, mối nối BC phân cực nghịch và transistor bắt đầu đi vào vùng hoạt động hay vùng tuyến tính. 7 2.1.3 Đặc tuyến Vol – Ampe.(tt) - Khi áp VCE tiếp tục gia tăng, dòng IC ngừng tăng và duy trì giá trị không đổi tương ứng với giá trị của dòng IB - Phần đặc tuyến BC (vùng hoạt động của BJT) thỏa quan hệ tuyến tính: 𝐈𝐂 = 𝛃𝐃𝐂. 𝐈𝐁  Bên phải điểm C – vùng đánh thủng - Khi VCE tăng đến mức đủ lớn, mối nối BC phân cực nghịch đạt đến trạng thái phá vỡ phân cực nghịch và dòng IC gia tăng rất nhanh. (vùng break down – vùng đánh thủng). 8 2.1.4 Các hệ số của BJT • Hệ số 𝛃𝐃𝐂 hay hFE được gọi là độ lợi dòng điện DC và được định nghĩa là tỉ số dòng DC qua cực thu IC so với dòng DC qua cực nền IB 𝛃 = 𝛃𝐃𝐂 = 𝐈𝐜 𝐈𝐁 Hệ số αDC là tỉ số dòng DC qua cực thu IC so với dòng DC qua cực phát IE . α =α𝐃𝐂= 𝐈𝐂 𝐈𝐄 < 1 Liên hệ giữa các hệ số: α= 𝛃 𝛃 + 𝟏 và 𝛃= α 𝟏 − α 9 2.1.5 Các chế độ làm việc của BJT. 2.1.5.1 Chế độ khuếch đại. • Nguồn áp Vin tạo ra dòng AC qua cực nền dẫn đến dòng AC qua cực thu. • Dòng AC qua cực thu tạo áp AC ngang qua điện trở RC. →Transistor khuếch đại tín hiệu AC cấp vào cực nền. Cần nhớ áp AC trên RC đảo pha so với áp AC cấp vào trên cực nền. • Do mối nối nền phát phân cực thuận nên điện trở nội 𝑟′𝑒 cực phát xét đối với tín hiệu AC có giá trị rất thấp. 10 2.1.5.1 Chế độ khuếch đại. (tt) Dòng cực phát tính đối với áp AC là: ie = vb r′e ≅ ic Áp AC trên cực thu là vc bằng với áp AC đặt ngang qua hai đầu điện trở RC: vc = RC. ic Độ lợi điện áp (hệ số khuếch đại áp) Av của mạch transistor : Av = vc vb = RC r′e Vì RC là điện trở ngoài và có giá trị rất lớn so với điện trở nội r′e → Điện áp ra luôn có biên độ rất lớn so với điện áp cấp vào. → Ứng dụng trong mạch ampli để khuếch đại âm thanh. 11 2.1.5 Các chế độ làm việc của BJT.(tt) 2.1.5.2 Chế độ ON-OFF.  Trạng thái ngưng dẫn: Khi IB=0 , transistor hoạt động trong vùng ngưng dẫn (cut off) vì mối nối nền phát không được phân cực thuận → IC=0 → Xem như cực thu và phát hở mạch và được ký hiệu bằng khóa điện tương đương hở mạch. → Áp tại cực thu: VC=VCC 12 2.1.5.2 Chế độ ON-OFF(tt)  Trạng thái bão hòa: • Khi mối nối nền phát phân cực thuận và dòng IB gia tăng, dòng cực thu IC cũng gia tăng theo quan hệ IC = βDC. IB → VCE= VCC − ICRC • Tóm lại, khi IB và IC tăng thì VCE giảm. Khi VCE giảm đến trạng thái giá trị bảo hòa VCEsat , mối nối BC bắt đầu phân cực thuận và dòng IC tăng nhanh. Tại lúc bảo hòa, quan hệ IC = βDC. IB không còn duy trì chính xác. Áp VCEsat thường được xác định tại điểm khuỷu của đặc tuyến cực thu và có giá trị khoảng VCEsat = 0,4V đến 0,5V ( Si ). • Gần đúng: VCEsat ≈ 0V. → Áp tại cực thu: VC=0. 13 2.1.5.2 Chế độ ON-OFF(tt)  Điều kiện trạng thái bão hòa: Khi mối nối nền phát phân cực thuận và dòng IB đủ lớn để tạo dòng IC cực đại, transistor đạt trạng thái bảo hòa. Khi đạt trạng thái bảo hòa, ta có quan hệ sau: 14 ICsat = VCC − VCEsat RC Giá trị cực tiểu của dòng IB đủ tạo trạng thái bảo hòa cho transistor là: IBmin = ICsat βDC Trong thực tế vận hành, ta tạo ra dòng IB có giá trị hơi lớn hơn giá trị IBmin xác định để duy trì tốt trạng thái bảo hòa cho transistor. 2.1.5.2 Chế độ ON-OFF(tt)  Ứng dụng: Xét mạch transistor đóng ngắt tải như hình. • Khi đóng khóa K: chọn các thông số của mạch sao cho BJT dẫn bão hòa → VCE=VCEsat=0,2V → cuộn dây của relay có điện → sinh ra từ trường đóng khóa KLoad. 15 • Khóa K mở: IB=0 → BJT ngưng dẫn → cuộn dây relay không có điện → khóa KLoad hở mạch. Diode được sử dụng để dẫn dòng ngược khi cuộn dây relay phóng điện. 2.1.5.3 Công suất cực đại của BJT.  Công suất tiêu tán trên BJT: 𝐏𝐃 = 𝐈𝐂𝐕𝐂𝐄 + 𝐈𝐁𝐕𝐁𝐄 Trong trường hợp đơn giản, ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của dòng IB (xem IB<<IC) 𝐏𝐃 ≈ 𝐈𝐂𝐕𝐂𝐄 Công suất tiêu tán PD không được vượt quá công suất tiêu tán cực đại cho phép PDmax 16 2.1.5.4 Ví dụ Ví dụ 1: Cho mạch transistor như hình, biết áp bảo hòa VCEsat=0,2V. Hãy xác định trạng thái hoạt động của transistor ? 17 ĐS: [IC=ICsat=9,8mA; bão hòa] 2.1.5.4 Ví dụ (tt) Ví dụ 2: Cho mạch transistor như hình, tính: a. Áp VCE khi VIN=0V. b. Dòng IBmin để BJT hoạt động trong vùng bảo hòa, biết βDC=200, bỏ qua giá trị áp VCEsat . c. Giá trị cực đại của điện trở RB khi VIN=5V mà vẫn bảo đảm cho BJT dẫn bão hòa. 18 ĐS: [10V; 50μA;86K] 2.1.5.4 Ví dụ (tt) Ví dụ 3: Cho: VCC=9V; VCEsat=0,3V; RC=270Ω; RB=3,3KΩ; βDC=50. Cho dòng điện qua LED khi phát sáng là 30 mA. Áp cấp vào cực nền có dạng xung chữ nhựt. Xác định biên độ của sóng xung chữ nhựt đủ để transistor bảo hòa. Khi tính toán chọn dòng điện qua cực nền bằng 2 lần giá trị IBmin để đảm bảo BJT bảo hòa hoàn toàn. 19 ĐS: [4.95V] 2.1.6 Phân cực transistor. 2.1.6.1 Điểm làm việc DC (điểm Q). a. Phân cực DC. • Phân cực là thao tác xác định điểm làm việc DC cho các bộ khuếch đại hoạt động trong vùng tuyến tính. • Nếu bộ khuếch đại không được phân cực đúng điểm làm việc DC, có thể dẫn đến quá trình ngưng dẫn hay bảo hòa khi cấp tín hiệu vào bộ khuếch đại. 20 b. Giải tích mạch dùng đồ thị. Xét mạch điện: 21 Khi thay đổi áp VCC và VBB, ta có đặc tuyến cực thu: Phân cực để xác định điểm làm việc Q của transistor, ta có: VCE = VCC − ICRC b. Giải tích mạch dùng đồ thị.(tt) 22 d. Vùng làm việc tuyến tính. • Vùng dọc theo đường tải DC từ vị trí bảo hòa đến vị trí ngưng dẫn được gọi là vùng làm việc tuyến tính của transistor. • Khi transistor hoạt động trong vùng này, điện áp ra được tái tạo một cách tuyến tính với điện áp vào. 23 e. Sự sái dạng. • Nên chọn điểm làm việc Q ngay vị trí trung điểm trên đường tải DC để tránh sự sái dạng áp ra sau khi được khuếch đại (hình a,b). 24 • Tuy nhiên sự sái dạng áp ngõ ra còn phụ thuộc biên độ của áp ngõ vào trên cực nền (hình c). f. Ví dụ. • Ví dụ 4: Khi chưa cấp áp Vin vào cực nền, điểm làm việc Q được xác định như sau: IBQ = VBB − VBE RB = 300 μA → ICQ = βDC. IBQ = 30 mA → VCEQ = VCC − ICQRC = 3,4 V 25 f. Ví dụ.(tt) Ví dụ 4: (tt) Giả sử áp sin ngõ vào Vin tạo dòng sin tại cực nền có biên độ là 100μA. Trường hợp này dẫn đến dòng cực thu có biên độ là 10mA dao động quanh điểm làm việc Q có dòng ICQ=30mA. →Áp giữa cực thu và phát có biên độ là 2,2V dao động quanh điểm làm việc Q có VCEQ=3,4V. 26 f. Ví dụ.(tt) Ví dụ 5: Cho mạch điện như hình. Biết βDC=200. a. Xác định điểm làm việc Q. b. Xác định biên độ đỉnh của dòng cực nền để mạch vẫn còn hoạt động trong vùng tuyến tính. ĐS: [0,105mA] 27 2.1.6.2 Mạch phân cực transistor. b. Phân cực dùng cầu phân áp. 28 a. Phân cực cực nền. c. Phân cực cực phát. d. Phân cực hồi tiếp cực thu. 2.1.6.2 Mạch phân cực transistor.(tt) 29 Tùy theo từng phương pháp phân cực, ta áp dụng định luật Kirchoff để tìm điểm làm việc Q. 2.1.7 Transistor ghép Darlington. 30 Xét transistor NPN ghép darlington như hình a). Ta có: IC=IC1+IC2=β1IB+ β2IB2= β1IB+ β2(β1+1).IB=(β1+ β1β2+ β2).IB → Dòng ngõ ra IC được khuếch đại với hệ số rất lớn so với dòng ngõ vào IB 2.1.7 Bài tập (tt)  BT 2.1: Cho dòng điện IB=50 μA và áp đặt ngang qua hai đầu điện trở RC là 5V. Xác định hệ số βDC và hệ số αDC? ĐS:[100 ; 0,99] 31 2.1.7 Bài tập (tt)  BT 2.2: Cho mạch phân cực BJT như hình. Xác định: dòng IB,IC,IE và hệ số khuếch đại dòng βDC? ĐS:[ 0,702mA; 34,04mA ; 34,74mA ; 48,48] 32 2.1.7 Bài tập (tt)  BT 2.3: Cho mạch phân cực BJT như hình. Xác định : a. Các điện áp VBE; VCE và VCB. b. BJT hoạt động trong vùng tuyến tính hay vùng bảo hòa. ĐS:[0,7V ; 5,08V ; 4,38V ] 33 2.1.7 Bài tập (tt)  BT 2.4: Cho mạch phân cực BJT như hình. Xác định : a. Các điện áp VEB; VEC và VBC. b. BJT hoạt động trong vùng tuyến tính hay vùng bảo hòa. ĐS:[0,7V ; 3,85V ; 3,15V ] 34 2.1.7 Bài tập (tt)  BT 2.5: Cho mạch phân cực BJT như hình. Xác định các dòng điện IB,IC,IE biết αDC=0,98. ĐS:[ 26μA ; 1,274mA ; 1,3mA ] 35 2.1.7 Bài tập (tt)  BT 2.6: Cho mạch như hình. a. Xác định các giao điểm của đường tải DC với hệ trục tọa độ của đặc tuyến cực thu. b. Xác định điểm làm việc Q. 36 c. Nếu muốn phân cực lại BJT với dòng IB=20μA, ta cần chỉnh nguồn áp VBB có giá trị bao nhiêu? Tính lại điểm làm việc. ĐS:[ a) 2mA ; 20V; b) 0,465A ; 15,35 V ; c) 20,7V] 2.1.7 Bài tập (tt)  BT 2.7: Cho mạch như hình. a. Xác định các giao điểm của đường tải DC với hệ trục tọa độ của đặc tuyến cực thu. b. Xác định điểm làm việc Q. ĐS:[ a) 20,5mA ; 8V ; b) 6mA ; 5,66V] 37 2.1.7 Bài tập (tt)  BT 2.8: Cho mạch như hình. βDC=110. a. Tính điện thế tại các cực transistor so với điểm Gnd của mạch. b. Tính công suất tiêu tán trên transistor (bỏ qua IB). ĐS:[ VB=1,496V ; VE=2,196V ; VC= -4,57V ; PD=0,1113W ] 38 2.1.7 Bài tập (tt)  BT 2.9: Cho mạch transistor phân cực cực nền có hồi tiếp như hình, xác định: a. Điểm làm việc của BJT. b. Điện thế tại các cực BJT so với điểm Gnd của mạch. c. Tìm giá trị RC để giảm dòng IC thấp xuống 25%. 39 d. Công suất tiêu tán trên transistor tính theo câu a và c (bỏ qua IB). ĐS:[ a) 1,052mA ; 1,086V ; b) VB=0,7V ; VE=0V ; VC=1,086V ; c) 2,52KΩ ; d) 1,14mW ; 0,78mW ] 2.1.7 Bài tập (tt) • BT 2.10: Cho mạch phân cực BJT như hình. Biết βDC=100 , VCEsat=0.1 , VBE=1V. Tính IB, IC, công suất qua transistor, hiệu suất toàn mạch? a. Với RB = 10kΩ, RC= 1kΩ, VCC = 5V, VBB = 3V. b. RB = 50kΩ, RC = 1kΩ, VCC = 5V, VBB = 3V. 40 ĐS:[ a)IB=0,2mA ; IC=4,9mA ; PBJT=0,69mW ; η=95,66% b)IB=0,04mA ; IC=4mA ; PBJT=4,04mW ; η=79,52% ] 2.1.7 Bài tập (tt)  BT 2.11: Xác định điểm làm việc của mạch phân cực dùng cầu phân áp như hình. Biết hệ số khuếch đại hFE=100. ĐS: [4,8mA ; 2,49V] 41 2.1.7 Bài tập (tt)  BT 2.12: Xác định giá trị RC và R1 biết điểm làm việc Q của BJT có ICQ= 2mA, VCEQ=10 V. (Xem như IB<<IC) ĐS: [2,8 kΩ ; 86,52 kΩ] 42 2.2 Transistor MOSFET. 2.2.1 Giới thiệu. • Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor : Transistor bán dẫn ô-xít kim loại hiệu ứng trường. • MOSFET là linh kiện 3 chân (D, S, G) điều khiển bằng điện áp, thường được sử dụng để đóng ngắt tải. 43 BJT MOSFET Emitter (E) Source (S) Base (B) Gate (G) Collector (C) Drain (D) 2.2.1 Giới thiệu. (tt) 44 BJT MOSFET Điều khiển bằng dòng Điều khiển bằng áp 2 loại: pnp và npn 2 loại: kênh n và kênh p Linh kiện có cực tính (bipolar) Không có cực tính (unipolar) Tổng trở vào rất cao. Sự thay đổi dòng điện ngõ ra lớn so với tín hiệu ngõ vào Sự thay đổi dòng điện ngõ ra nhỏ hơn BJT Hoạt động ổn định khi nhiệt độ thay đổi Cùng kích thước thì MOSFET có khả năng chịu dòng tải lớn hơn BJT nhiều lần. 2.2.1 Giới thiệu. (tt) 45 • Phân loại:  D-MOSFET : MOSFET kênh có sẵn (Deletion Type).  E-MOSFET : MOSFET kênh cảm ứng (Enhancement Type). 2.2.2 Đặc tuyến Vol – Ampe. 46 • D-MOSFET :  Vùng điện trở (Ohmic): Là vùng có đường thẳng nghiêng từ gốc 0. Giữa D và S chỉ là một điện trở rất bé (≤0.2Ω). Rơi áp giữa D và S gần như bằng 0.  Vùng bão hòa: Là vùng mà dòng điện ID không đổi khi VDS thay đổi. ID chỉ phụ thuộc vào điện áp phân cực VGS theo hàm phi tuyến:  2 )(thGSGSD VVKI  K là hằng số ; VGS(th) là điện áp ngưỡng đóng khóa, với VGS(th) có thể nhận giá trị dương hoặc âm.  Vùng ngưng dẫn: Là vùng mà điện áp VGS nhỏ hơn VGS(th). Giữa D và S là điện trở rất lớn làm cho MOSFET không dẫn điện. 2.2.2 Đặc tuyến ngõ ra.(tt) 47 • E-MOSFET: tương tự D-MOSFET, chỉ khác ở điểm: VGS(th) ≥ 0. 2.2.3 Chế độ ON-OFF. • Tín hiệu ngõ vào Vin nối mass VGS=0 VGS<VTH → MOSFET không dẫn điện (cut OFF) → ID=0 → VOUT=VDS=VDD. → Xem như khóa mở. 48 2.2.3 Chế độ ON-OFF.(tt) • Tín hiệu ngõ vào Vin và cực cổng nối VDD • VGS>VTH → MOSFET hoạt động trong vùng bão hòa (fully ON). → Dòng qua cực máng đạt giá trị max: ID=VDD/RL → VDS=0 (lý tưởng) → Điện trở RDS(on)<0,1Ω. →Vout=VDS=0,2V. → Xem như khóa đóng. 49