Upload
others
View
28
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAKHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
11
CHƯƠNG 3
Bipolar Junction
Transitor
Bùi Minh Thành
Bộ môn Kỹ thuật Điện tử - ĐHBK Tp. HCM
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
Tài liệu tham khảo
[1] Theodore F.Bogart, JR, Electronic devices and
Circuits,2nd Ed. , Macmillan 1991
[2] Lê Phi Yên, Nguyên Như Anh, Lưu Phu, Ky thuât
điên tư, NXB Khoa hoc ky thuât
[3] Allan R. Hambley, Electrical Engineering:
Principles and Applications, Prentice Hall,4 edition
(2007)
[4] Slide bài giảng môn Ky thuât điên tư cô Lê Thị Kim
Anh
2
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
Nội dung
1. Cấu tạo
2. Nguyên tắc hoạt động.
3. Ba sơ đồ kết nối cơ bản
4. Phân cực cho BJT
4.1) Tính toán phân cực
4.2) Đường tải một chiều và đường tải xoay chiều
4.3) Dao động cực đại không méo dạng và điều kiện maxswing.
4.4) Thiết kế phân cực cho mạch.
3
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
Nội dung
5. Phân tích mạch tín hiệu nhỏ
5.1. Các chế độ làm việc của BJT trong mạch khuếch đại
5.2. Các tham số xoay chiều
5.3. Sơ đồ tương đương E chung
5.4. Sơ đồ tương đương B chung.
5.5. Sơ đồ tương đương C chung.
4
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
Nội dung
1. Cấu tạo
2. Nguyên tắc hoạt động.
3. Ba sơ đồ kết nối cơ bản
4. Phân cực cho BJT
4.1) Tính toán phân cực
4.2) Đường tải một chiều và đường tải xoay chiều
4.3) Dao động cực đại không méo dạng và điều kiện maxswing.
4.4) Thiết kế phân cực cho mạch.
5
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
4.2) Đường tải 1 chiều và xoay chiều
• Đường tải 1 chiều (DC Load Line - DCLL) là đường biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện 1 chiều qua BJT.
• Đường tải xoay chiều (AC Load Line – ACLL) là đường thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện tức thời qua BJT.
6
Quy ước:
iC(t), vCE(t): giá trị dòng điện và điện áp tức thời qua BJT
ICQ, VCEQ: giá trị dòng điện và điện áp DC qua BJT
ic(t), vce(t): giá trị dòng điện và điện áp xoay chiều (ac) qua BJT
iC(t) = ICQ + ic(t) vCE(t) = VCEQ + vce(t)
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
4.2) Đường tải 1 chiều và xoay chiều
7
Mục đích phân cực DC
Khi thiết kế phân cực cho BJT đồng thời cũng là chọn điểm làm việc cho
BJT.
Khi đó, dạng sóng ở ngõ ra sẽ phụ thuộc vào giá trị điểm phân cực và sự
thay đổi của tín hiệu ở ngõ vào.
vo(t) = VB + A sin t
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
4.2) Đường tải 1 chiều và xoay chiều
8
1
1 2
CCb
V RV
R R
1 2/ /bR R R
b
BQ
b E
V VI
R R
CQ BQI I
( )CEQ CQ C EV Vcc I R R ( , )CEQ CQQ V IĐiểm tĩnh
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
4.2) Đường tải 1 chiều và xoay chiều
• DCLL
• ACLL
9
( )CE CC C C EV V I R R
CE CC C DCV V I R DC C ER R R
( / / ) 0c L C cei R R v
0c ac cei R v / /ac L CR R R
( ) ( ) 0C CQ ac CE CEQi I R v V
( )CE CEQ C CQ acv V i I R
ACLL
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
4.2) Đường tải 1 chiều và xoay chiều
• DCLL
• ACLL
10
CE CC C DCV V I R
( )CE CEQ C CQ acv V i I R
vCE
iC
CCV
CC
DC
V
R
CEQV
CQI CEQ CQ acV I R
CEQ
CQ
ac
VI
R
ACLL
DCLL
O
Q
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
Nội dung
1. Cấu tạo
2. Nguyên tắc hoạt động.
3. Ba sơ đồ kết nối cơ bản
4. Phân cực cho BJT
4.1) Tính toán phân cực
4.2) Đường tải một chiều và đường tải xoay chiều
4.3) Dao động cực đại không méo dạng và điều kiện maxswing.
4.4) Thiết kế phân cực cho mạch.
11
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
4.3) Dao động cực đại không méo dạng và điều kiện maxswing.
12
vCE
iC
CCV
CC
DC
V
R
CEQV
CQI CEQ CQ acV I R
CEQ
CQ
ac
VI
R
ACLL
DCLL
O
Với mạch phân cực có sẵn, để dao
động cực đại không bị méo dạng thì
phải chon biên độ của dòng ic và vce
thỏa điều kiện:
min( , )
min( , )
CEQ
cm CQ
ac
cm CEQ CQ ac
Vi I
R
v V I R
Q
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
4.3) Dao động cực đại không méo dạng và điều kiện maxswing.
13
vCE
iC
CCV
CC
DC
V
R
CEQV
CQICEQ CQ acV I R
CEQ
CQ
ac
VI
R
ACLL
DCLL
O
Điều kiện maxswing: Là điều kiện để
cho mạch có dao động cực đại mà
không bị méo dạng:
Chon điểm Q là điểm nằm giữa
của đường tải ACLL
Q
CEQ CQ acV I R
CEQ CC CQ DCV V I R
CCCQ
DC ac
VI
R R
Từ phương trình DCLL:
Điều kiện maxswing:
CCCQ
DC ac
VI
R R
CEQ CQ acV I R
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
Nội dung
1. Cấu tạo
2. Nguyên tắc hoạt động.
3. Ba sơ đồ kết nối cơ bản
4. Phân cực cho BJT
4.1) Tính toán phân cực
4.2) Đường tải một chiều và đường tải xoay chiều
4.3) Dao động cực đại không méo dạng và điều kiện maxswing.
4.4) Thiết kế phân cực cho mạch.
14
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
4.4) Thiết kế phân cực cho mạch.
Tìm giá trị của R1, R2 để điểm tĩnh hoạt động của mạch Q(VCEQ, ICQ)
15
(1 )
b
CQ EQ
E b
V VI I
R R
(1 )E bR R
1 1
10(1 ) 10b E ER R R
Để ICQ không phụ thuộc vào khi
nhiệt độ thay đổi
1
10b ER R 2
CCb
b
VR R
V
1
1
b
b
CC
RR
V
V
Chọn
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
Nội dung
5. Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT
5.1 Giới thiệu
5.2. Các chế độ làm việc của BJT trong mạch khuếch đại
5.3. Các tham số xoay chiều
5.4. Sơ đồ tương đương E chung
5.5. Sơ đồ tương đương B chung.
5.6. Sơ đồ tương đương C chung.
16
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
5.1 Giới thiệu
17
in
I,V
- Khuếch đại là quá trình biến đổi một đại lượng (dòng điện hoặc điện áp) từ
biên độ nhỏ thành biên độ lớn mà không làm thay đổi dạng của nó.
- Khi xet BJT hoạt động dưới điều kiện tin hiệu nhỏ (sự thay đổi của tin hiệu
vào đủ nhỏ) thì có thể xem BJT như một bộ khuếch đại ac.
BÔ
KHUÊCH ĐAIout
I,V
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
5.1 Giới thiệu
18
)rms(i
)rms(i
I
IA
i
o
in
outi
)rms(v
)rms(v
V
VA
i
o
in
outv
iv
in
outP A.A
P
PA
- Đô lơi là ti sô của một lượng tin hiệu (dòng điện hoặc điện áp) thay đổi ở ngo ra
và ngo vào. Ky hiệu là Ai hoặc AV.
+ Đô lơi dong:
+ Đô lơi ap:
+ Đô lơi công suât:
A > 1: bô khuếch đại tín hiêu.
A < 1: bô suy giảm tín hiêu.
Nhăc lại:
+ gia tri rms: tri hiêu dụng (đê tính cho tín hiêu ac).
+ gia tri amp: tri biên đô (hoăc đinh – peak).
2
)amp()rms(
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
5.1 Giới thiệu
19
Điên trơ ngo vao cua môt bô khuếch đại la tông trơ tương đương tại cac đâu ngo
vao cua no.
)DC(I
VR
in
inin )ac(
i
vr
in
inin
Công suât ngo vao ac
Đinh nghia tương tự cho điên trơ va công suât ngo ra.
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
5.1 Giới thiệu
20
A
Ảnh hương cua điên trơ nguôn đối với mạch khuếch đại
- Điên áp vào bô KĐ:
s
ins
inin v.
rr
rv
Điên áp ra :
s
ins
invinvout v.
rr
r.Av.Av
Đê có đô lơi áp là Av thì rin >>rs .
* Khuếch đại áp
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
5.1 Giới thiệu
21
* Khuếch đại dòng
- Dòng ngõ vào bô KĐ:
s
ins
sin i.
rr
ri
Dòng ngõ ra :s
ins
siiniout i.
rr
r.Ai.Ai
Đê có đô lơi dòng là Ai thì rs >>rin .
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
5.1 Giới thiệu
22
Ảnh hưởng của điện trở tải
- Môt bô khuếch đại ac dùng đê cung
câp áp, dòng hoăc/va công suât cho
môt tải ơ ngõ ra.
- Tải có thê là loa, anten, còi, đông cơ
điên hoăc bât kỳ 1 thiết bi hữu ích nào.
- Khi phân tích mạch này, ta thay thế
bằng 1 điên trơ tải RL.
out
Lo
LL v.
rr
rv
Áp ra trên tải: đê có áp rơi tối đa trên tải
thì rL>>ro.
Xét cả ảnh hương cua nguôn thì đô lơi áp từ nguôn đến tải:
Lo
L
ins
inV
s
L
rr
r.
rr
r.A
v
v
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
5.1 Giới thiệu
23
Môt cách tương tự khi xét đến bô khuếch đại dòng, ta có:
Lo
o
ins
si
s
L
rr
r.
rr
r.A
i
i
Đê truyền công suât cực đại thì cân có sự phối hơp trơ kháng:
- Từ nguôn tín hiêu đến bô khuếch đại: rs = r in.
- Từ bô khuếch đại đến tải: rout = rL.
out
Lo
oL i.
rr
ri
Dong trên tải:
đê co ap rơi tối đa trên tải thì ro>>rL.
Đô lơi dong tông:
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
Nội dung
5. Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT
5.1 Giới thiệu
5.2. Các chế độ làm việc của BJT trong mạch khuếch đại
5.3. Các tham số xoay chiều
5.4. Sơ đồ tương đương E chung
5.5. Sơ đồ tương đương B chung.
5.6. Sơ đồ tương đương C chung.
24
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
5.2. Các chế độ làm việc của BJT trong mạch khuếch đại
25
Chế độ A (Lớp A)
D
C
VCE
iC
IBmin
IBmax
iCmax
iCmin
Q
ICQ
vCEQ
M
N
Khi chọn điểm Q nằm khoảng
giữa đoạn MN trên đường tải
xoay chiều, ta nói phần tử KĐ
làm việc ở chế độ A. Đặc điểm
của chế độ này là:
- Dong va ap tinh luôn khac không. Biên đô dong va ap xoay chiều lây ra tối đa chi
bằng dong va ap tinh. Do đo hiêu suât thâp (25%).
- Khuếch đại trung thực, ít méo phi tuyến.
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
5.2. Các chế độ làm việc của BJT trong mạch khuếch đại
26
Chế độ B (Lớp B)
Đinh nghia hiêu suât : đo bằng tỷ số giữa công suât
cua tín hiêu xoay chiều đưa ra trên tải và tông công
suât tâng khuếch đại tiêu thụ cua nguôn cung câp.
Chế đô A thường dùng trong các tâng khuếch đại tín
hiêu nhỏ.
Khi chọn điểm Q nằm trùng với D (hoặc N) thì
phần tử khuếch đại làm việc ở chế độ B lý tưởng
(hoặc thực tế). Đặc điểm của chế độ này là:
- Méo phi tuyến trâm trọng.
- Hiêu suât cao. (Bmax = 78.5%).
- Thường dùng trong các tâng khuếch đại công suât (tâng cuối cua các thiết bi
khuếch đại). Đê khăc phục méo phi tuyến, đoi hỏi mạch phải có 2 vế đối xứng thay
phiên làm viêc trong 2 nữa chu kỳ (gọi là mạch “đẩy kéo”).
D
C
VC
E
iC
IBmin
IBma
xiCma
x
iCmi
n
Q
iCQ
vCE
Q
M
N
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
5.2. Các chế độ làm việc của BJT trong mạch khuếch đại
27
Thực tế, người ta còn dùng chế độ AB (trung gian
giữa chế đô A và B): điểm Q chọn ở phía trên điểm
N và gần điểm này. Lúc đó phát huy được ưu điểm
của mỗi chế độ, giảm bớt méo phi tuyến, nhưng
hiệu suất kém hơn chế độ B.
Chế độ khóa hay chế độ đóng ngắt (lớp D)
BJT có thể làm việc ở chế độ đóng ngắt (Switch
BJT).
Tuỳ theo giá trị điện áp vào mà BJT có thể làm
việc ở 2 trạng thái đôi lập:
-Trạng thái khóa (tắt): khi Q nằm ở phía dưới
điểm N.
- Trạng thái dẫn bảo hòa (mở): khi Q nằm ở phía
trên điểm M (gần điểm C).
VCED
C
iC
IBmin
IBmaxiCmax
iCmin
Q
iCQ
vCEQ
M
N
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
Nội dung
5. Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT
5.1 Giới thiệu
5.2. Các chế độ làm việc của BJT trong mạch khuếch đại
5.3. Các tham số xoay chiều
5.4. Sơ đồ tương đương E chung
5.5. Sơ đồ tương đương B chung.
5.6. Sơ đồ tương đương C chung.
28
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
5.3. Các tham số xoay chiều
29
- Mục đich của việc chuyển về sơ đồ tương đương là làm cho mạch
tính toán đơn giản và dễ dàng hơn.
- Khi sự biến thiên ở tín hiệu vào đủ nhỏ để tạo sự thay đổi về dòng
và áp ở ngõ ra nằm trong đặc tính giới hạn của BJT, ta có thể xem
BJT là một phần tử 4 cực tuyến tính:
V2
I2
V1
I1
I1, V1(i1, v1): dòng và áp ở ngo
vào.
I2, V2(i2, v2): dòng và áp ở ngo ra.
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
5.3. Các tham số xoay chiều
30
Tuỳ theo từng sơ đồ cụ thể của BJT (BC, EC hay CC) thì các đại lượng
trên sẽ là những điện áp hay dòng điện trên các cực tương ứng, đồng
thời tùy theo loại BJT( NPN hay PNP) mà chúng có dấu hoặc chiều
thích hợp.
Tuỳ theo việc chọn biến và hàm để mô tả môi quan hệ giữa các ngõ
vào và ra của BJT mà ta có các loại tham sô đặc trưng cho BJT.
Biên I1, I2 V1,V2 I1,V2 V1,I2 v2,I2 V1,I1
Hàm V1,V2 I1,I2 V1,I2 I1,V2 V1,I1 V2,I2
Tham sô z Tham sô y Tham sô h
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
5.3. Các tham số xoay chiều
31
Bộ tham số h
V1 = f(I1,V2)
I2 = f(I1,V2)
v1 = h11i1 + h12 v2
i2 = h21i1 + h22 v2
2
111
1 0
( )
v
vh hi
i
Ý nghĩa của từng tham số
Trơ kháng vào cua BJT khi áp xoay chiều ơ ngõ ra bi
ngăn mạch.
2
221
1 0
( )
v
ih hf
i
Hê số khuếch đại dòng điên (đô lơi dòng) cua BJT khi
áp xoay chiều ơ ngõ ra bi ngăn mạch.
1
222
2 0
( )
i
ih ho
v
Điên dẫn ra cua BJT khi dong xoay chiều ơ ngo vao bi
hơ mạch.
1
112
2 0
( )
i
vh hr
v
Hê số truyền ngươc về điên áp (hôi tiếp điên áp) cua
BJT khi dòng xoay chiều ơ ngõ vào bi hơ mạch.
2
2
21
1
22
2
2
11
1
11
dVV
IdI
I
IdI
dVV
VdI
I
VdV
( )ih
fh
( )Oh S
rh
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
5.3. Các tham số xoay chiều
32
Bộ tham số h
V1 = f(I1,V2)
I2 = f(I1,V2)
v1 = h11i1 + h12 v2
i2 = h21i1 + h22 v2
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
5.3. Các tham số xoay chiều
33
v1
hi
h11
h12 . v2
h21 . i11/h22
v2
i1
i2Mạch tương đương của BJT
-h12.v2: Sự truyền điện áp theo
chiều ngược (hiện tượng hồi tiếp nội
bộ của BJT); h12 rất be ( )
nên có thể bỏ qua
-h21 . i1: Phản ánh khả năng
khuếch đại của BJT, nguồn này có
nội trở rất lớn
-Điện dẫn ra h22: độ dôc đặc tuyến
BJT. Thông thường h22 rất be
bỏ qua
4 310 10
22
1
h
v1
hihf . i1
v2
i1 i2
Sơ đồ tương đương đơn
giản hóa của BJT:
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
Nội dung
5. Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT
5.1 Giới thiệu
5.2. Các chế độ làm việc của BJT trong mạch khuếch đại
5.3. Các tham số xoay chiều
5.4. Sơ đồ tương đương E chung
5.5. Sơ đồ tương đương B chung.
5.6. Sơ đồ tương đương C chung.
34
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
5.4. Sơ đồ tương đương E chung
35
0ce
T febe Tie v
b BQ CQ
mV hv mVh
i I I
Ở nhiệt độ phòng VT = 25mV
25 fe
ie
CQ
hh
I
Sơ đồ tương đương:
Tính toán chi tiết sẽ được trình bày trên lớp
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
Nội dung
5. Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT
5.1 Giới thiệu
5.2. Các chế độ làm việc của BJT trong mạch khuếch đại
5.3. Các tham số xoay chiều
5.4. Sơ đồ tương đương E chung
5.5. Sơ đồ tương đương C chung.
5.6. Sơ đồ tương đương B chung.
36
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
5.5. Sơ đồ tương đương C chung.
37
Tính toán chi tiết sẽ được trình bày trên lớp
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
Nội dung
5. Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT
5.1 Giới thiệu
5.2. Các chế độ làm việc của BJT trong mạch khuếch đại
5.3. Các tham số xoay chiều
5.4. Sơ đồ tương đương E chung
5.5. Sơ đồ tương đương C chung.
5.6. Sơ đồ tương đương B chung.
38
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
5.6. Sơ đồ tương đương B chung.
39
VL
ICIE
B
E C
E2E1
RERC RLrs
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
5.6. Sơ đồ tương đương B chung.
40
Tính toán chi tiết sẽ được trình bày trên lớp