Phân cực và ổn định nhiệt điểm công tác của tranzito

12.2.3. Phân cực và ổn định nhiệt điểm công tác của tranzito a. Nguyên tắc chung (nhắc lại) Chuyển tiếp emitơ - bazơ luôn phân cực thuận Chuyển tiếp colectơ - bazơ luôn phân cực ngược Vì vậy: • Hướng dòng điện và điện áp thực tế ở tranzitopnp luôn ngược so với ở tranzito npn. E C Nếu dùng tranzito loại pnp thì UC < UB < UE (+nguồn vào E) C E Nếu dùng tranzito loại npn thì UE < UB < UC (+ nguồn vào C) 2b. Đường tải tĩnh và điểm công tác tĩnh • Đường tải tĩnh được xác định trên họ đặc tuyến ra tĩnh • Điểm công tác tĩnh nằm trên đường tải tĩnh. Nó xác định giá trị dòng điện và điện áp trên tranzito khi chưa có tín hiệu vào. • Xét sơ đồ như hình vẽ. • Là một phương trình tuyến tính nên chỉ cần xác định hai điểm đặc biệt: khi IC=0 -> UCE= ECC và khi tranzito thông hoàn toàn UCE= 0 -> IC = ECC / Rt. 2 20 IB =0A IB = 20A IB =40A UCE V IC mA Phương trình đường tải: UCE= ECC - IC . Rt 3c. Ổn định điểm công tác tĩnh khi nhiệt độ thay đổi • Tranzito là linh kiện bán dẫn nhạy cảm với nhiệt độ. • Hai đại lượng nhạy cảm với nhiệt độ nhất là UBE và dòng ngược Icbo Do IC = IB + ( + 1) Icbo nên nhiệt độ thay đổi làm điểm công tác bị trôi. • Đánh giá độ ổn định nhiệt qua hệ số S=  IC /  Icbo • IB = (ECC- UBE) / Rb . Do UBE là điện áp phân cực thường có giá trị khoảng 0,3V đối với tranzito Ge và khoảng 0,6V với tranzito Si là nhỏ so với ECC nên ta có thể lấy gần đúng: IB  ECC / Rb -> IB cố định • Mạch điện đơn giản, độ ổn định nhiệt phụ thuộc hệ số k.đại dòng tĩnh của tranzito. • Mạch ứng dụng khi yêu cầu độ ổn định nhiệt không cao. d. Phân cực cho tranzito bằng dòng cố định 4e. Phân cực cho tranzi to bằng điện áp phản hồi • Rb được nối trực tiếp giữa colectơ và bazơ của tranzito • Ưu điểm: mạch có độ ổn định nhiệt cao hơn. • K. điểm: hệ số K. đại tín hiệu bị giảm vì tín hiệu ra ở C qua Rb tác động trở lại ngược pha với tín hiệu lối vào. • Khắc phục: Chia Rb thành hai điện trở. Mạch phân cực bằng dòng emitơ. • ECC = (IC + IB ). Rt + UCE hay ECC = (IC + IB ). Rt + IBRb + UBE Bỏ qua UBE ta có: ECC = (IC + IB ). Rt + IBRb . Ta giả sử nhiệt độ tăng làm IC tăng thì U Rt cũng tăng lên nên UCE giảm. Mặt khác: UCE = U Rb + UBE sẽ làm giảm dòng phân cực IB -> IC giảm. Nếu thiết kế mạch phù hợp sao cho sự tăng IC do nhiệt độ bằng sự giảm IC do cấu trúc của mạch phân cực ta có được độ ổn định nhiệt 5e. Phân cực cho tranzi to bằng dòng emitơ (tự phân cực) • Điện trở R1 và R2 là một bộ phân áp tạo nên UB cố định. • Nếu UB UBE thì ta có thể coi IE UB /RE và mạch điện có độ ổn định Giả sử nhiệt độ tăng làm IC tăng dẫn đến điểm là việc bị trượt lên trên đường đặc tuyến tĩnh. Do IE = IC + IB nên IE cũng tăng theo làm U RE tăng. Vì UB cố định = U RE + U BE nên U BE giảm -> IB giảm.• Kết quả là điểm làm việc được kéo xuống và giữ ổn định. • Muốn mạch hoạt động tốt phải chọn trị số R1, R2, RE phù hợp. • Đây là mạch có độ ổn định nhiệt cao nhưng RE đã gây sụt áp tín hiệu đưa vào mạch k. đại làm giảm hệ số K. ICUB IB IR2 CE • Nếu tín hiệu là xoay chiều thì khắc phục bằng cách nối song song tụ CE với RE. 62.2.4. Tranzito trường (FET) • Nguyên lý hoạt động: dựa vào hiệu ứng trường để điều khiển độ dẫn điện của đơn tinh thể bán dẫn. Dòng điện do một loại hạt dẫn đa số tạo ra. • Ưu điểm: Xử lí, gia công tín hiệu với độ tin cậy cao. Tiêu hao năng lượng cực bé. a. Cấu tạo loại cực cửa tiếp giáp JFET:Kênh bán dẫn Si-n được bao quanh bằng một lớp bán dẫn p và nối ra ngoài ba điện cực như hình vẽ. Hoạt động: Tuỳ theo giá trị UGS phân cực ngược mà lớp tiếp giáp có độ rộng khác nhau làm thay đổi tiết diện kênh dẫn DS nên điều khiển được dòng ID Gate G Si -n D Drain S Source p D S G - Kênh n D S G + Kênh p 7SỰ KHÁC NHAU VỀ ĐIỆN ÁP PHÂN CỰC D S G - Kênh n D S G + Kênh p E C UC < UB < UE (+nguồn vào E) C E UE < UB < UC (+ nguồn vào C) Tính tương đương giữa các cực:E  S; B  G; C  D 8• Đặc tuyến của JFET kênh n Vùng giữa AB (đặc tuyến nằm ngang) gọi là vùng thắt hay vùng bão hoà. Do UDS đủ lớn nên ID phụ thuộc mạnh vào UGS (tiết diện kênh dẫn). Vùng bên phải điểm B gọi là vùng đánh thủng. UDS lớn đã gây ion hoá thác lũ gần cực D làm mất t/c bán dẫn. Nếu điểm làm việc được chọn là giao giữa đường tải tĩnh và đặc tuyến lối ra thì thế phân cực UGS phải nhận giá trị âm (đây là điểm khác biệt cần lưu ý so với tranzito bipolar). Chú ý: Các loại FET khác nhau có mạch phân cực  UDS V 10 ID mA 10 UGS= 0V UGS= -1V UGS= -2V A BĐặc tuyến ra ID= f1(UDS)| UGS =CONST Vùng gần gốc UDS nhỏ ID tăng mạnh JFET giống điện trở thuần 9Đặc tuyến truyền đạt ID= f2(UGS)| UDS =CONST • Khi sử dụng tranzito trường cần chú ý hai nhóm các tham số: - Tham số giới hạn: IDmax; UGS max ; UGS0. - Tham số làm việc: Điện trở trong hay điện trở vi phân đầu ra ri =  UDS / IDkhi UGS=const. ri thể hiện độ dốc đặc tuyến trong vùng bão hoà. Độ hỗ dẫn của đặc tuyến truyền đạt. Điện trở vi phân đầu vào. Khả năng làm việc ở tần số cao nhất. ID mA -2-4 4 8 UGS V UDS = 10V UGS0 Nếu tăng UDS • Đặc tuyến truyền đạt của JFET có UGS nhận giá trị âm. • Khi UGS tăng thì ID cũng tăng gần như tỉ lệ với độ dẫn điện của kênh • Nếu tăng UDS sang giá trị lớn hơn thì đường đặc tuyến dịch trái, UGS0 có giá trị âm hơn. 10 b. Tranzito trường có cực cửa cách ly (MOSFET) • Cấu tạo: Trên đế Si - p tạo vùng bán dẫn n có nồng độ tạp chất cao hơn. Cực đế Si-p n+ S ±G +D Cực đế Si-p S +G +D Si 02 Kênh đặt sẵn Kênh cảm ứng n+n+ Ký hiệu tranzito trường có cực cửa cách li trong Work Bench • Nối ra ngoài các điện cực như hình vẽ. • Có hai loại MOSFET: - Kênh đặt sẵn - Kênh cảm ứng 11 2.3. KHUẾCH ĐẠI 2.3.1. Những vấn đề chung a. Nguyên lý xây dựng tầng K.đại -Phần tử cơ bản là Tranzito (điện trở điều khiển được sự biến đổi) -Phải đảm bảo biên độ thành phần xoay chiều (tín hiệu vào, ra) không vượt quá thành phần một chiều (điện áp nguồn nuôi). -Mạch điện có trạng thái ban đầu xác định. b. Các chỉ tiêu và tham số - Hệ số khuếch đại K= Đại lượng ra/Đại lượng vào, KU,KI - Đặc tính biên độ theo tần số K(f) |K| f K0 f - Trở kháng vào, trở kháng ra. - Độ méo. 0,7K0 12 c. Các chế độ làm việc của một tầng khuếch đại • Hai điều kiện cơ bản: - Phân cực cho phần tử K.đại - Ổn định nhiệt chế độ tĩnh • Chế độ làm việc là điểm P xác định trên đường tải. • Nếu P nằm ở giữa đường tải -> tầng K.đại làm việc ở chế độ A IB =0A IB0 IBmax ECC/ Rc//Rt ECC UCE V IC mA N M  P  UC0 IC0 • Nếu P nằm ngoài khoảng MN -> tầng K.đại làm việc ở chế độ khoá (Trên M: thông bão hoà. Dưới N: cấm bão hoà) • Nếu P nằm dịch về phía N -> tầng K.đại làm việc ở chế độ AB • Nếu P nằm tại N -> tầng K.đại làm việc ở chế độ B 13 d. Hồi tiếp trong các tầng khuếch đại • Tuỳ theo trường hợp cụ thể có các tên gọi: hồi tiếp điện áp, dòng điện; hồi tiếp dương, âm; hồi tiếp song song, nối tiếp... • Hệ số K.đại khi có hồi tiếp là một số phức: • Các trường hợp xẩy ra: 0 < Kβ < 1 hồi tiếp làm tăng hệ số K.đại (hồi tiếp dương). K Kβ 0 1 – + + k . jexpkK   jexp . • Hệ số K.đại khi có hồi tiếp   K1 KK ht . β • Hồi tiếp là đưa tín hiệu ra tác động trở lại lối vào. • Đặc trưng cho hồi tiếp là hệ số  Nếu Kβ  1 xẩy ra hiện tượng tự kích -> mạch dao động • Kβ < 0 hồi tiếp làm giảm hệ số K.đại (hồi tiếp âm), tăng ổn định, và mở rộng giải tần. 14 2.3.2a. Tầng khuếch đại E chung • Nhiệm vụ các linh kiện. • Trở vào: Rv=R1//R2//rv khoảng 1->3k • Trở ra: Rra = Rc. • Ki= . Rc//Rt/Rt có chỉ số tương đối lớn • Ku= . Rc//Rt/Rn + Rv khoảng 20->100 • Kp= Ku . Ki khoảng 200 -> 5000 lần IB =0A IB0 IBmax ECC/ Rc//Rt ECC UCE V IC mA P N M    UC0 IC0 15 Tần số tín hiệu? Hệ số khuếch đại điện áp? Pha của tín hiệu? 16 Suy giảm về phía tần số cao và thấp? Dải thông? 17 Độ lệch pha phụ thuộc tần số? 18 2.3.2b. Tầng khuếch đại C chung (lặp lại emitơ) • Ku= (1+). RE //Rt/Rn + Rv . Hệ số Ku  1 (luôn nhỏ hơn 1) • Kp= Ku . Ki nên KP  Ki. • Nhiệm vụ các linh kiện... • Trở vào: Rv=R1//R2//rv. Điện trở vào lớn là một trong những ưu điểm của mạch CC. Nó dùng để phối hợp trở kháng tốt với các nguồn tín hiệu có trở trong lớn. • Ki= (1+ ). RE//Rt/Rt Khi RE=RC thì Ki của mạch EC vàCC gần như nhau. • Trở ra: Rra = RE // rE. Trở ra nhỏ nên phối hợp tốt với trở tải nhỏ. 19 Tần số tín hiệu? Hệ số khuếch đại điện áp? Pha của tín hiệu? 20 Suy giảm về phía tần số thấp? Dải thông? 21 Độ lệch pha phụ thuộc tần số? 22 2.3.2c. Tầng khuếch đại B chung • Nhiệm vụ các linh kiện... • Trở vào: Rv=RE//[rE+(1-)rB] khoảng 10->50 (trở vào nhỏ) • Trở ra: Rra  Rc. • Ki=  . Rc//Rt/Rt ở đây  = IC/IE< 1 • Ku=  . Rc//Rt /Rn + Rv (nếu giảm trở trong của nguồn tín hiệu sẽ làm tăng hệ số khuếch đại điện áp của mạch BC).     tvn 2 tc2 vn tc t tc uip RRR R//R RR R//R . R R//R K.KK     23 Tần số tín hiệu? Hệ số khuếch đại điện áp? Pha của tín hiệu? 24 Suy giảm về phía tần số cao và thấp? Dải thông? 25 Độ lệch pha phụ thuộc tần số? 26 2.3.2d. Tầng khuếch đại đảo pha • Có thể k.đại đảo pha băng cách thay RC bằng một biến áp có thứ cấp gồm hai cuộn dây có số vòng bằng nhau, điểm giữa nối đất. Mạch dùng biến áp phối hợp trở kháng rất tốt. • Từ một nguồn tín hiệu vào tầng khuếch đại đảo pha tạo ra hai tín hiệu có biên độ bằng nhau nhưng pha ngược nhau 1800. • Ku1= -. RC //Rt1/Rn + Rv • Ku2= (1+). RE //Rt2/Rn + Rv • Nếu tử số hai biểu thức bằng nhau ta có hai tín hiệu với biên độ bằng nhau. • Dùng tranzito trường có các mạch SC, DC, GC 27 Điều kiện để biên độ bằng nhau và ngược pha nhau? 28 2.3.3. Khuếch đại dùng tranzito trường a. Khuếch đại cực nguồn chung • Sơ đồ (Sc  Ec) • R1,Rg,Rs làm nhiệm vụ phân cực (xác định UGSO ) ứng với chế độ của tầng K đại. • UGSO có thể dương, âm hay bằng không là do loại FET quyết định. • Rg thường chọn nhỏ hơn trở vào vài bậc để đảm bảo ổn định nhiệt (từ 1 đến 5 M). • Chọn Rs sao cho USO khoảng 0,1 đến 0,3 giá trị điện áp nguồn Ed. • Gọi R t = Rd//Rt và  là hệ số khuếch đại tĩnh của FET thì: • Ku = . R t / (ri + R t) = SRd với ri là điện trở của kênh dẫn. • Rv = R1//Rg • Rr = Rd//ri  Rd • Ki = ...? • Chú ý dòng vào -> 0 29 • Sơ đồ (Dc  Cc ) • Ku = S R t / (1+ S R t ) S là độ hỗ dẫn của FET • Rr  1/S Khoảng 100 đến 3000  • Điện dung vào của tầng Dc nhỏ hơn tầng Sc Vì sao? 1. Không xét cách mắc Gc? 2. Không tính Ki? 3. Không tính trở vào của tâng khuếch đại? b. Khuếch đại cực máng chung 30 2.3.4. Ghép giữa các tầng khuếch đại • Đặt vấn đề: Nguồn tín hiệu thường có biên độ hay công suất rất bé. Biên độ hay công suất cần cung cấp cho tải yêu cầu rất lớn. Một tầng k.đại không thể đảm bảo yêu cầu mà phải ghép nhiều tầng với nhau thành một bộ k.đại • Tuỳ theo tín hiệu vào và ra mà chọn cách ghép phù hợp. • Hệ số k.đại chung bằng tích các hệ số K.đại thành phần. K=K1. K2 . K3. Nếu tính bằng dB thì K(dB)=K1(dB)+K2(dB)+K3(dB) K1 K2 K3 31 a. Ghép tầng bằng điện dung • Sơ đồ mạch điện. Nhiệm vụ các linh kiện. • Tín hiệu một chiều không qua tụ nên Kthấp =0 tại f=0. • Ở tần số cao điện dung CBC (điện dung thông đường) làm K cao giảm. |K| f K0 f 32 b. Ghép tầng bằng biến áp • Sơ đồ mạch điện. Nhiệm vụ các linh kiện. • Méo tần số thấp và méo tần số cao. |K| f K0 f • Hệ số biến áp góp phần điều chỉnh được hệ số k.đại chung. 33 Bài thực tập số 1: Mạch khuếch đại * Mặt trước bảng mạch thí nghiệm 34 Bài thực tập số 1: Mạch khuếch đại * Mặt sau bảng mạch thí nghiệm 35 Bài thực tập số 1: Mạch khuếch đại ** • Biến áp ở mặt sau. • Chỉnh lưu bằng đi ốt, lọc bằng tụ, ổn áp bằng IC. • Phần trên là mạch dao động dùng IC thuật toán. VR1 chỉnh tần số. VR2 chỉnh biên độ. • Phần dưới là mạch k.đại gồm 3 tầng. Công tắc dùng để thay đổi trị số tụ nối tầng và tụ chống phản hồi âm ở emitơ. 36 Bài thực tập số 1: Mạch khuếch đại * • Mặt sau của bảng mạch thí nghiệm. • Mạch chỉnh lưu...? • Mạch dao động. • Mạch K đại. • Vị trí các linh liện theo ký hiệu trên sơ đồ. 37 Bài thực tập số 1: Mạch khuếch đại • Ba tầng khuếch đại. Bốn công tắc để thay đổi trị số các tụ truyền tín hiệu giữa các tầng và tụ CE chống phản hồi âm.