Chương 5:TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT)

ThS. Nguyễn Bá Vương

1. Cấu tạo

• Transistor có cấu tạo gồm các miền bán dẫn p và n xen kẽ nhau

P n PE C

B

0.150 in

0.001 in

n p nE C

B

0.150 in

0.001 in

1. Cấu tạo • Miền bán dẫn thứ nhất của Transistor là

miền Emitter (miền phát) với đặc điểm là có nồng độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với miền này gọi là cực Emitter (cực phát).

• Miền thứ hai là miền Base (miền gốc) với nồng độ tạp chất nhỏ và độ dày của nó nhỏ cỡ µm, điện cực nới với miền này gọi là cực Base (cực gốc).

• Miền còn lại là miền Collector (miền thu) với nồng độ tạp chất trung bình và điện cực tương ứng là Collector (cực thu).

1. Cấu tạo • Tiếp giáp p-n giữa miền Emitter và Base gọi là

tiếp giáp Emitter (JE).• Tiếp giáp p-n giữa miền Base và miền Collector

là tiếp giáp Collector (JC).• Về kí hiệu Transistor cần chú ý là mũi tên đặt ở

giữa cực Emitter và Base có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n.

IE IC

IB

E C

B

IE IC

IB

E C

B

PNP NPN

1. Cấu tạo • Về mặt cấu trúc, có thể coi Transistor như 2

diode mắc đối nhau

1. Cấu tạo • Cấu tạo mạch thực tế của một Transistor n-p-n

2.Nguyên lý hoạt động

Để Transistor làm việc, người ta phải đưa điện áp 1 chiều tới các điện cực của nó, gọi là phân cực cho Transistor

npn

UBE>0

UCE>0CB

E

pnp

UBE<0

UCE<0CB

E

2.Nguyên lý hoạt động

sơ đồ phân cực trong BJTJE JC

sơ đồ phân cực trong BJTJE JC

Tham số• Hệ thức cơ bản về các dòng điện trong

Transistor • Hệ số truyền đạt dòng điện α của

Transistor

• Hệ số khuếch đại dòng điện β của Transistor

• Ta có hệ thức:

E B CI I I= +

C

E

II=α

C

B

II=β

(1 )E BI I= + β (1 )= +βα β

3. Các dạng mắc BJT

3.1 Mạch chung Emitter (EC)

CB

EUIn

UOut

EC

Họ đường đặc tuyến vàoIB = f(UBE) khi UCE = const

Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của sơ đồ EC Họ đường đặc tuyến ra: IC = f(UCE ) khi IB=const

Họ đường đặc tuyến truyền đạt: IC = f(IBE) khi UCE = const

Hệ số khuếch đạiTheo định luật Kiếchôp ta có

E B CI I I= +

( )0 0= + = + +C E CB C B CBI I I I I Iα αGiải phương trình với IC, chúng ta có mối quan hệ giữa IC và IB

( )0 0 0

11

1 1= + = + + = +

− −C B CB B CB B CBI I I I I I Iα β β β

α αTrong đó β = α(1-α) là hệ số khuếch đại CE ( thông thường α = 0,99; β = 99)

Một số mạch EC

R110k

R247k

R34k7

R51k

Q12N2222

C1

22uF

+10V

C3100u

C2

22uF

R410k

3.2 Mạch chung Base (BC)

Họ đường đặc tuyến vào

IE=f(UEB) khi điện áp ra UCB =const

Họ đường đặc tuyến ra và truyền đạtĐặc tuyến ra:IC= f(UCB) khi giữ dòng vào IE=constĐặc tuyến truyền đạt: IC=f(IE) khi khi UCB = const

0

2

4

6

8

246810 2 4 6 8 10IE(mA)

IC(mA)

UCB(V)

10

IB=1mA

IB=4mA

IB=3mA

IB=2mA

IB=5mA

UC

B =8V

UCB =2V

3.3 Mạch chung Collector (CC)

Họ đường đặc tuyến vào

Đặc tuyến ra của sơ đồ CC

0

2

4

6

8

2 4 6 8 10

IE(mA)

UEC(V)

10

IB=20μA

IB=80μA

IB=60μA

IB=40μA

IB=100μA

Đường thẳng lấy điện (Load line)

• Phương trình đường thẳng lấy điện : VCC=ICRC+VCE

viết lại: IC = ( VCC – VCE)/ RC = -VCE / RC + VCC /RC

Đường lấy điện đựợc vẽ trên đặc tuyến ra qua 2 điểm xác định sau:

• Điểm ngưng, IC = 0 VCE= VCC (Điểm M)

• Điểm bão hòa: VCE = 0 IC = VCC/ RC (Điểm N)

nối 2 điểm M và N lại ta có được đường lấy điện • Giao điểm đường lấy điện và đường phân cực IB chọn trước cho ta trị số điểm tĩnh Q.

0

IC(mA)

VCE(V)

IB(μA)

Q

N

M

ngưng

bão hòa

VCEQ

ICQ

Đường thẳng lấy điện cho EC

Vai trò của đường thẳng lấy điện

• Phân giải mạch Transistor.• Xác định điểm tĩnh điều hành Q.• Cho biết trạng thái hoạt động của

transistor ( tác động, bão hoà, ngưng).• Mạch khuếch đại có tuyến tính hay không.• Thiết kế mạch khuếch theo ý định ( chọn

trước điểm tĩnh Q , tính các trị số linh kiện)

Chú ý:• Độ lợi dòng điện thay đổi theo vị trí điểm

tĩnh điều hành Q.• Điểm tĩnh điều hành Q thay đổi vị trí theo

điện thế phân cực transistor và còn thay đổi theo tín hiệu xoay chiều ( AC) tác động vào mạch .

Phân giải bằng đồ thịIB(μA)

VBE (V)0

20

0.5 1

VC

E=

4 V

0

2

4

6

8

2 4 6 8 10

IC(mA)

UCE(V)

10

IB=20μA

IB=80μA

IB=60μA

IB=40μA

IB=100μA

40

60

80

100

VBEQ

t

tIBQ

Qt ICQ

IC+

IC-

UCEQ

UC+ UC

-

t

4. Phân cực của BJT

Vùng hoạt động của BJT:

•Vùng tác động: (Vùng khuếch đại hay tuyến tính) Mối ghép B-E phân cực thuận Mối ghép B-C phân cực nghịch

•Vùng bảo hòa: Mối ghép B-E phân cực thuận Mối ghép B-C phân cực thuận

•Vùng ngưng: Mối ghép B-E phân cực nghịch

Phương pháp chung để phân giải mạch phân cực gồm ba bước:

• Bước 1: Dùng mạch điện ngõ vào để xác định dòng điện ngõ vào (IB hoặc IE).

• Bước 2: Suy ra dòng điện ngõ ra từ các liên hệ IC=βIB hay IC=αIE

• Bước 3: Dùng mạch điện ngõ ra để tìm các thông số còn lại (điện thế tại các chân, giữa các chân của BJT...)

4.1 Phân cực cố định của BJT (Fixed – Bias)

VCE

+

-VBE

+

RCRB

Vcc

I C

I B

Phân cực cố định của BJT (Fixed – Bias)

• Mạch ngõ nền-phát (Base-Emitter):

Với VBE = 0.7V nếu BJT là Si và VBE = 0.3V nếu là Ge.

Suy ra : IC=βIB

Mạch ngõ ra thu-nền (Collector-Base): hay

0− − =CC B B BEV R I V

CC BEB

B

V VI

R

−⇒ =

= +CC C C CEV R I V = −CE CC C CV V R I

Đây là phương trình đường thẳng lấy điện.

Sự bảo hòa của BJT • Sự liên hệ giữa IC và IB sẽ quyết định BJT có hoạt động

trong vùng tuyến tính hay không. Ðể BJT hoạt động trong vùng tuyến tính thì nối thu - nền (CE) phải phân cực nghịch. Ở BJT NPN và cụ thể ở mạch vừa xét ta phải có:

C B C B BEV V V V V> ⇒ > = 0.7C CC C C CE BEV V R I V V V⇒ = − = > =

0.7CCC

C

VI

R

−⇒ <

0.7CCC

C

VI

R

−→Nếu

thì BJT sẽ đi dần vào hoạt động trong vùng bão hòa. Từ điều kiện này và liên hệ IC=βIB ta tìm được trị số tối đa của IB, từ đó chọn RB sao cho thích hợp.

CCC

C

VI

R=

CCCsat

C

VI

R=

Nếu

Thì VC≤VB, nối CB (thu-nền) phân cực thuận, BJT hoàn toàn nằm

trong vùng bão hòa và dòng điện

được gọi là dòng cực thu bão hòa ICsat

= CCC

C

VI

Rtức VCE = 0V (thực ra khoảng 0.2V)

4.2 Phân cực ổn định cực phát

VCE

+

-VBE

+

RCRB

Vcc

I C

I BREI

E

Mạch cơ bản giống mạch phân cực cố định, nhưng ở cực emitter được mắc thêm một điện trở RE xuống mass. Cách tính phân cực cũng có các bước giống như ở mạch phân cực cố định.

CC B B BE E EV R I V R I= + +

( )1E BI Iβ= + ( )1CC BE

BB E

V VI

R Rβ−⇒ =

+ +

CC C C CE E EV R I V R I= + +

E B C CI I I I= + =

( )CE CC C E CV V R R I⇒ = − +

Ta có:

Thay

Ở mạch CE(thu-phát):

Trong đó:

(suy ra IC từ liên hệ: IC=βIB)

Sự bảo hòa của BJT • Tương tự như trong mạch phân cực cố

định, bằng cách cho nối tắt giữa cực thu và cực phát ta tìm được dòng điện cực thu bảo hòa ICsat

CCCsat

C E

VI

R R=

+

Ta thấy khi thêm RE vào, ICsat nhỏ hơn trong trường hợp phân cực cố định, tức BJT dễ bão hòa hơn.

4.3 Phân cực bằng cầu chia điện thế

R1RC

Vcc

RE

R2

Dùng định lý Thevenin biến đổi thành mạch tương đương

Q1

RC

Vcc

RE

RBB

VBB

I C

IE

IB

1 2

1 2BB

R RR

R R=

+2

1 2BB CC

RV V

R R=

+

BB BB B BE E EV R I V R I= + +

( )1BB BE

BBB E

V VI

R Rβ−=

+ +C BI Iβ=

= − −CE CC C C E EV V R I R I

C EI I= ( )⇒ = − +CE CC C E CV V R R I

= −C CC C CV V R I

= −B BB B BV V R I

= =E E E E cV R I R I

Trong đó:

Thay: IE=(1+β)IB Suy ra:

Mạch CE (thu phát):

Vì

Mạch BE (nền phát):

Từ liên hệ

Ngoài ra:

Sự bảo hòa của BJT

Tương tự như phần trước:

CCCsat

C E

VI

R R=

+

4.4 Phân cực với hồi tiếp điện thế

VCE

+

-VBE

+

RC

RB

Vcc

I C

I B

REIE

I’C

Ðây cũng là cách phân cực cải thiện độ ổn định cho hoạt động của BJT

'= + + +CC C C B B E E BEV R I R I R I V

' = + = = =C C B E C BI I I I I Iβ

( )−⇒ =

+ +CC BE

BB C E

V VI

R R Rβ

=C BI Iβ

( )= − +CE CC C E CV V R R I

•Mạch nền phát:

Với

4.5 Một số dạng mạch phân cực khác

RB=100k

RC=1k

VPP=-9V

Q1

50 /= Siβ

RB=100k

RE=2k

Vpp=-12V

Q1

100 /= Siβ

R2=10k RE=2k

Vpp=-12V

Q1

100 /= Siβ

Rc=5k

Vcc=+12V

R1=40k

5. Thiết kế mạch phân cực

Khi thiết kế mạch phân cực, người ta thường dùng các định luật căn bản về mạch điện như định luật Ohm, định luật Kirchoff, định lý Thevenin..., để từ các thông số đã biết tìm ra các thông số chưa biết của mạch điện.

Thí dụ 1

• Cho mạch phân cực với đặc tuyến ngõ ra của BJT như hình dưới. Xác định VCC, RC, RB.

Q1

RCRB

VccI C

I B Si

0

2

4

6

8

10 20

IC(mA)

UCE(V)

IB=40μA

( ) ( )8 2.5= = ⇒ = ΩccCsat C

c

VI mA R k

R

( )20 0.740

− −= = =CC BEB

B B

V V V VI A

R Rµ

( )482.5⇒ = ΩBR k

Từ đường thẳng lấy điện: VCE =VCC-RCIC

•Tại trục trục tọa độ UCE , khi IB=0 ta suy ra IC=0 và VCE =20V thay

vào phương trình đường thẳng lấy điện ta có VCC=20V

•Ngoài ra: Transistor làm từ vật liệu thuần bán dẫn Si do đó VBE=0.7V và

Để có các điện trở tiêu chuẩn ta chọn: RB=470 KΩ, RC=2.4 KΩ..

Thí dụ 2 • Thiết kế mạch phân cực như hình dưới. IC=2mA, VCE=10V

2N4401

RCRB

Vcc=20V

I C

I B

REIE

150 /= Siβ

100μF

Điện trở RC và RE không thể tính trực tiếp từ các thông số đã biết. Việc đưa điện trở RE vào mạch là để ổn định điều kiện phân cực. RE không thể có trị số quá lớn vì như thế làm giảm VCE (sẽ làm giảm độ khuếch đại). Nhưng nếu RE quá nhỏ thì độ ổn định kém. Thực nghiệm người ta thường chọn VE khoảng 1/10VCC.

( )1 120 2

10 10= = =E CCV V V

( )21

2= = = = ΩE E

EE C

V V VR k

I I mA

( )20 10 24

2

− − − −= = = ΩC CE Ec

C

V V V V V VR k

I mA

( )1 12 13.333

150= = =B CI I Aµ

β

( )20 0.7 2 17.3= − − = − − =EB CC BE RV V V V V

( )17.31.3

13.333= = = ΩB

BB

V VR M

I Aµ

Chọn RB=1.2 MΩ

Thí dụ 3 • Thiết kế mạch phân cực có dạng như hình dưới

IC=2mA

RCR1

Vcc=20V

I C

REI

E

min 80 /= Siβ

100μFR2

IB

VCE=10V

( )1 120 2

10 10= = =E CCV V V

( )21

2= = = = ΩE E

EE C

V V VR k

I I mA

( )20 10 24

2

− − − −= = = ΩC CE Ec

C

V V V V V VR k

I mA

( )0.7 2 2.7= + = + =B BE EV V V V

Ta có:

Ðiện trở R1, R2 không thể tính trực tiếp từ điện thế chân B và điện thế nguồn. Ðể mạch hoạt động tốt, ta phải chọn R1, R2

sao cho có VB mong muốn và sao cho dòng qua R1, R2 gần như bằng nhau và rất lớn đối với IB. Lúc đó:

( )2

18

10≤ = ΩER R kβ

( )2 6,8= ΩR k

( )2

1 2

2.7⇒ = =+B CC

RV V V

R R

( )1 43.57⇒ = ΩR k

Ta có thể chọn:

Ta có thể chọn: R1=39kΩ hoặc 47kΩ

6. BJT hoạt động như một chuyển mạch

Q1

RB=68kΩ

RC=0.82kΩ

Vcc=+5V

VIn

VOut

βDC=125

0

5

t1

VIn(V)

t

t2 0

5

t1

VOut(V)

t

t2

ICE0

VCE=VCC ⇒C

E

R=∞

Thí dụ: Xác định RC và RB của mạch điện nếu ICsat=10mA

Q1

RB

RC

Vcc=+10V

VIn

VOut

βDC=250/Si

0

10

t1

VIn(V)

t

t2 0

10

t1

VOut(V)

t

t2

( )10= =CCCsat

C

VI mA

R( )1⇒ = = ΩCC

CCsat

VR k

I( )40= =Csat

BDC

II Aµ

βTa chọn IB=60μA để đảm bảo BJT hoạt động trong vùng bảo hòa

( )0.7155

− −= ⇒ = = ΩIn BE InB B

B B

V V VI R k

R I

Do đó ta thiết kế: RC=1kΩRB=150kΩ

0

10

t1

VOut(V)

t

t2

100%

IC

0

10%t1 t2

90%

td

tr

tstf

tOn tOff

t

Thí dụ ở 1 BJT bình thường: ts=120ns ; tr=13ns tf=132ns ; td=25ns

Vậy: ton=38ns ; toff=132ns

Một số ứng dụng của BJT hoạt động như một chuyển mạch

Using a transistor as a switch

NPN

PNP

Using a transistor switch with sensors

Đóng ngắt đèn

7. Tính khuếch đại của BJT

R2 RE

Q1

Rc

Vcc

R1C1

C2

CE

VIn(t)VOut(t)

• Giả sử ta đưa một tín hiệu xoay chiều Vin(t) có dạng sin, biên độ nhỏ vào chân B của BJT khi đó ta có:

VB(t)=VB+Vin(t)

• Các tụ liên lạc C1 và C2 được chọn như thế nào để có thể xem như nối tắt -dung kháng rất nhỏ - ở tần số của tín hiệu.

• Như vậy tác dụng của các tụ liên lạc C1, C2 làm cho thành phần xoay chiều của tín hiệu đi qua và ngăn thành phần phân cực một chiều.

0

VIn(t)

t

VB

VB(t)

t

VC

VC(t)

t

0

VOut(t)

t

• VB(t) >VB→IB↑ → IC ↑ →VC(t)=VCC-RCiC(t) ↓

• VB(t) <VB→IB↓ → IC↓

→VC(t)=VCC-RCiC(t) ↑

• VOut(t) ngược pha với VIn(t).

là độ khuếch đại hay độ lợi điện thế của mạch

( )

( )= Out

VIn

V tA

V t

• Chìa khóa để phân giải và xác định các thông số của mạch là mạch tương đương xoay chiều.

• Độ lợi điện thế:

• Độ lợi dòng điện:

• Tổng trở vào:

• Tổng trở ra:

oV

i

vA

v=

oV

i

iA

i=

ii

i

vZ

i=

oo

o

vZ

i=

R1 R2

Rczi

ii

vi

io zovo

+

--

+

Dạng mạch tương đương

kiểu mẫu re

Đơn giản Đầy đủ

Mạch tương đương

thông số h

Đơn giản Đầy đủ

Mạch cực Emitter và Collector chung

erβB

ib

E

ic

biβ

Dạng đơn giản

erβB

ib

E

ic

biβ

Dạng đầy đủ

kiểu mẫu re

Dạng đơn giản

Dạng đầy đủ

thông số h

iehB

ib

E

ic

fe bh .i

re CEh .v

B ib

E

ic

fe bh .i

C

00e

1r h=ieh

~

Mạch cực nền chung

Dạng đơn giản

Dạng đầy đủ

kiểu mẫu re

Dạng đơn giản

Dạng đầy đủ

thông số h

er

E ie

B

ic

eiα

C

00b

1r h=ieh

E ie

B

ic

fb eh .ire cbh .v ~ 0

0b

1r h=

iehE

ie

B

ic

fb eh .ier

E ie

B

ic

eiα

C

Các liên hệ cần chú ý:e

C E

26mV 26mVr

I I= =

e ier hβ = fehβ = e ibr h= fbh 1= −α = −

;

Ngoài ra:

be be ce b m be

b c b m

v v i 1r . i g .v

i i i gβ = = = β ⇒ β =

Do đó nguồn phụ thuộc βib có thể thay thế bằng nguồn gm.vbe

8. Mạch khuếch đại cực phát (E) chung

Trị số β do nhà sản xuất cho biết Trị số re được tính từ mạch phân cực:

eC

26mVr

I=

Từ mạch tương đương ta tìm được các thông số của mạch.

•Ðộ lợi điện thế: oV

i

vA

v=

o b Cv .i .R= −β ( )i e b E bv .r .i 1 R .i= β + + β

( ) ( )o b C C

Vi e b E b e E

v .i .R .RA

v .r .i 1 R .i .r 1 R

−β β= = = −β + + β β + + β

1β ?C

Ve E

RA

r R= −

+

E eR r?

= − CV

E

RA

R

Ta có:

Suy ra:

Do

nên

Nếu

thì

Dấu - cho thấy vo và vi ngược pha

ii

i

vz

i=

( ) ( ) ( )e b E bib e E e E E

b b

.r .i 1 R .ivz .r 1 R r R R

i i

β + + β= = = β + + β = β + = β

i B bz R // z=o

ii

iA

i=

oo

C

vi

R= − i

ii

vi

z= − .= − o i

ii C

v zA

v R.= − i

i VC

zA A

R

•Tổng trở vào:

Ta đặt:

Suy ra:

•Ðộ lợi dòng điện:

Hay

oo

o

vz

i=

oo

o

vz

i=•Tổng trở ra:

Ðể tính tổng trở ra của mạch, đầu tiên ta nối tắt ngõ vào (vi=0);

áp một nguồn giả tưởng có trị số vo vào phía ngõ ra như trên,

xong lập tỉ số

erβ

Bib

E

io

biβC

Rcv i=

0

Rb

Re

vo~-

+

Khi vi=0 ⇒ ib = 0 ⇒ βib=0 (tương đương mạch hở) nên

= =oo C

o

vz R

i

erβ

Bib

E

iobiβC

Rc

ii+

-

viRb

vo

+

-Zi Zo

Mạch tương đương

Trong trường hợp nối thêm CE hoặc nối chân E xuống mass

o CV

i e

v RA

v r= = −

ii B e

i

vz R // r

i= = β

o Cz R=

ii V

C

zA A

R= −

Phân giải mạch ta sẽ tìm được:

Mạch khuếch đại cực phát chung với kiểu phân cực bằng cầu chia điện thế và ổn định cực

phát

C CV

e E E

R RA

r R R= − = −

+i 1 2 bz R // R // z=

( )b e E Ez r R R= β + = β

o Cz R=ii V

C

zA A

R= −

Mạch tương đương

Trong trường hợp nối thêm CE hoặc nối chân E xuống mass

CV

E

RA

r= −

i 1 2 bz R // R // z=

b Ez r= β

o Cz R=i

i VC

zA A

R= −

Mạch khuếch đại cực phát chung phân cực bằng hồi tiếp điện thế và ổn định cực phát

erβ

Bib

E

iobiβC

Rc

ii+

-

vi

Rb

Re

vo

+

-

Zi Zo

i’

o C CV

i e E E

v R RA

v r R R= = − = −

+E B

iB E V

.R .Rz

R .R . A

β=+ β

ii V

C

zA A .

R= −

o C Bz R // R=

9. Phân giải theo thông số h đơn giản

liên hệ 2 mạch tương đương

ie eh r= β

feh = β

oeo

1h r=

ib eh r=

fbh = −α

Mạch khuếch đại cực phát chung

Mạch tương đương

oV

i

vA

v=

o fe b Cv h .i .R= −

( )i ie b fe E bv h .i 1 h R .i= + +

( ) ( )o fe b C fe C fe C

Vi ie b fe E b ie fe E ie fe E

v h .i .R h .R h .RA

v h .i 1 h R .i h 1 h R h h .R= = − = − = −

+ + + + +

ie fe Eh h .R=

Phân giải mạch tương đương ta tìm được •Tổng trở vào Zi=R1//R2//Zb

với: Zb=hie+(1+hfe)RE=hie+hfeRE

•Ðộ lợi điện thế:

Ta có:

Thường ⇒ = − CV

E

RA

R

oi

i

iA

i=

oo

C

vi

R= − i

ii

vi

z= −

o ii

i C

v zA .

v R= − i

i VC

zA A .

R= −

• Tổng trở ra: Zo=RC

• Ðộ lợi dòng điện:

Hay

10. MỘT SỐ ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI CỦA BJT

mạch khuếch đại micro dùng cho máy tăng âm

Mạch tạo dao động sóng hình sin

Mạch đa hài tự dao động dùng tranzito lưỡng cực

B2 1 B1 2

1 1f

T 0.69R C 0.69R C= =

+

Hình dạng thực của Transistor BJT