CHƯƠNG 5 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT)
5.5. PHÂN CỰC CHO BJT
5.5.1. Khái niệm phân cực cho các chế độ làm việc của BJT
Muốn BJT làm việc ở chế độ mong muốn (ví dụ như một phần tử tích cực) thì các tham số của BJT phải thỏa mãn điều kiện thích hợp, những tham số này phụ thuộc nhiều vào điện áp phân cực các chuyển tiếp Collector và Emitter. Như vậy các tham số của BJT phụ thuộc nhiều vào điện áp định thiên ban đầu (điểm làm việc tĩnh) của nó.
Xét ảnh hưởng của chế độ làm việc đến điện áp ra của mạch ứng dụng dùng BJT.
Hình 5.30 – Minh họa sự thay đổi các chế độ làm việc của BJT
Xét mạch như hình 5.30-a, mạch khuếch đại dùng BJT mắc CE, trong đó VCC
nguồn định thiên 1 chiều, vI là điện áp vào, v0 là điện áp ra.
Như theo mạch điện ta có vBE=vI, và v0=vCE=VCC-RC.iC
Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của điện áp ra v0 theo điện áp vào vI được minh họa như Hình 5.30-b. Trên đồ thị cho ta thấy rõ sự khác biệt khi BJT làm việc ở các chế độ khác nhau:
- Khi 0V< vI <0,5V, tiếp giáp BE chưa phân cực thuận hoàn toàn, dòng iB≈0, BJT làm việc ở chế độ ngắt (cut-off) – đoạn đặc tuyến XY. Trong trường hợp này vO=VCC=const. Trong chế độ này điện trở giữa C và E rất lớn (có thể coi giữa C và E hở mạch – khóa điện tử mở hoàn toàn).
- Khi 0,5V<vI<VBE(Z), tiếp giáp BE phân cực thuận, BJT chuyển sang chế độ làm việc tích cực (Active Mode) – đoạn đặc tuyến YZ. Khi đó:
th I th
BE v V
S v V
S
C I e I e
i = =
Dòng iC tăng nhanh theo hàm mũ của điện áp vào vI.
=> th
IV v S C CC
O V R I e
v = −
Như vậy vO giảm rất nhanh theo hàm mũ của điện áp vào vI, chế độ làm việc tích cực kết thúc khi v0=0,2V hoặc nhỏ hơn, tại những điểm này (điểm Z) BJT chuyển sang chế độ bão hòa (Saturation).
- Nếu vI tiếp tục tăng, thì vO giảm rất chậm và nhanh chóng đạt giá trị bão hòa vO=vCE(Sat)=(0,1V÷0,2V) (thường chọn xấp xỉ bằng 0V). Và khi đó dòng iC cũng không thay đổi và đạt giá trị bão hòa:
const R
V I V
C Sat CE CC Sat
C − =
= ( )
) (
BJT trong chế độ bão hòa có điện trở giữa E và C rất nhỏ (có thể coi giữa C và E ngắt mạch hoàn toàn – khóa điện tử đóng hoàn toàn).
Tóm lại tùy theo mạch ứng dụng mà BJT có thể làm việc theo 2 chức năng như sau:
+ Phần tử khuếch đại (Amplifier): hay chức năng điều khiển dòng, khi đó BJT làm việc ở chế độ tích cực, chuyển tiếp B-E phân cực thuận, chuyển tiếp B-C phân cực ngược (BJT npn: UE<UB<UC, BJT pnp: UE>UB>UC). Điện áp phân cực cho chuyển tiếp BE thay đổi (hay thay đổi dòng iB) và làm cho dòng iC thay đổi theo, điều ngược lại không đúng.
+ Phần tử chuyển mạch (Switch): BJT làm việc như một chuyển mạch điện tử, có trạng thái làm việc là đóng (dẫn) hoàn toàn – khi đó BJT làm việc ở chế độ bão hòa, và trạng thái mở (ngắt) hoàn toàn – khi đó BJT làm việc ở chế độ ngắt.
Khi tính toán, phân tích, thiết kế mạch ứng dụng dùng BJT có thể phân chia thành 2 chế độ làm việc tĩnh (chế độ 1 chiều) và chế độ làm việc động (chế độ xoay chiều).
Thông thường chế độ tĩnh được tính toán sao cho khi BJT làm việc chế độ động, chức năng của BJT (khuếch đại hay chuyển mạch) không bị thay đổi.
+ Chế độ một chiều: Mạch ứng dụng BJT khi chưa có tín hiệu vào (nguồn điện áp vào hở mạch, nguồn dòng vào ngắn mạch), mạch chỉ có các nguồn không đổi để tạo ra các điện áp và dòng điện định thiên ban đầu cho BJT, mạch điện trong chế độ này được gọi là mạch định thiên (Biasing circuit) hay mạch phân cực cho BJT. Khi tính toán chế độ 1 chiều sử dụng chữ in hoa để ký hiệu dòng áp trên BJT: IB, IC, IE, UBE, UCE, UBC hay VBE, VCE, VBC...
+ Chế độ động (chế độ xoay chiều): Mạch ứng dụng BJT khi có nguồn tín hiệu đầu vào tác động, đáp ứng của mạch trong chế độ động không chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vào mà còn phụ thuộc vào chế độ một chiều ban đầu của mạch, khi phân tích mạch trong chế độ này thường dựa vào các sơ đồ tương tương xoay chiều của mạch (Với sơ đồ tương đương của nguồn không đổi trong mạch được thay thế như sau: Nguồn áp ngắn mạch, nguồn dòng hở mạch). Khi tính toán chế độ xoay chiều sử dụng chữ thường để ký hiệu dòng áp trên BJT: ib, ic, ie, ube, uce, ubc hay vb, vce, vbe...
+ Chế độ tín hiệu lớn: là chế độ tổng quát hay chế độ thực của BJT, trong chế độ này dòng và điện áp trên BJT được ký hiệu như sau : iB, iC, iE, uBE, uCE, uBC hay vBE, vCE, vBC...
b. Đường tải tĩnh, điểm làm việc tĩnh
Khái niệm Đường tải tĩnh, điểm làm việc tĩnh đã được trình bày trong phần 1.5.2 - chương 1. Chúng có thể được sử dụng để phân tích định tính cũng như hỗ trợ thiết kế mạch ứng dụng dùng BJT, nhất là quá trình xác định cũng như chọn chế độ làm việc của BJT. Có thể xác định các đường tải vào/ra tĩnh, cũng như điểm làm việc tĩnh của các mạch mắc CE, CB, CC khác nhau. Tuy nhiên có thể sử dụng khái niệm đường tải tĩnh và điểm làm việc tĩnh chung cho cả 3 cách mắc như sau:
+ Đường tải tĩnh: Phương trình quan hệ giữa IC và UCE viết theo nhánh mạch điện của các phần tử tuyến tính mắc với BJT f(IC, UCE)=0.
+ Điểm làm việc tĩnh: Q(IB, IC, UCE) – giao điểm của đường tải tĩnh và đặc tuyến
IB
CE
C f u
i = ( )
Trong phần này tập trung tính mạch định thiên của BJT với chức năng là phần tử khuếch đại (chế độ làm làm việc tích cực).
Để minh họa xét ví dụ với mạch khuếch đại dùng BJTnpn mắc CE, xác định đường tải tĩnh và điểm làm việc của chúng?
uout uin
C1 C2
Ec
T1 RC RB
IB IC
UCE
+
uout uin
C1 C2
Ec
T1 RC RB
IB IC
UCE
+
Hình 5.31 – Mạch phân áp cho BJT - Phương trình đường tải tĩnh:
EC=UCE+IC.RC
Đồ thị đường tải tĩnh với RC khác nhau như Hình 5.31.
- Điểm làm việc tĩnh Qi(UCEi,ICi,IBi) là giao điểm của đường tải tĩnh và đặc tuyến ra tương ứng với dòng phân cực iB=IBi.
Với mạch khuếch đại, khi có tín hiệu đặt vào uin, iB biến đổi, dẫn tới iC biến đổi, kết quả là điện áp ra uout biến đổi. Cần phải chọn điểm làm việc tĩnh Q để điện áp ra không bị méo. Thông thường để biên độ điện áp ra cực đại, và không bị méo dạng tín hiệu, điểm làm việc tĩnh thường được chọn ở giữa đường tải tĩnh, khi đó UCE=EC/2.
EC/RC3
IB0=0 IB1 IB2 IB3 iC(mA)
uCE(V) EC
Q2 Q1 Q3
Điểm làm việc tĩnh Qi(UCEi,ICi,IBi)
IC3
IC2 IC1
UCE3 UCE2 UCE1 ICmax
UCEmax Pmax
Đường tải tĩnh ΔIB2
-ΔIB2
ΔIB1 -ΔIB1
-ΔUCE2 ΔUCE2
-ΔUCE1 ΔUCE1 EC/RC2
Điểm bão hòa
Điểm cắt EC/RC3
IB0=0 IB1 IB2 IB3 iC(mA)
uCE(V) EC
Q2 Q1 Q3
Điểm làm việc tĩnh Qi(UCEi,ICi,IBi)
IC3
IC2 IC1
UCE3 UCE2 UCE1 ICmax
UCEmax Pmax
Đường tải tĩnh ΔIB2
-ΔIB2
ΔIB1 -ΔIB1
-ΔUCE2 ΔUCE2
-ΔUCE1 ΔUCE1 EC/RC2
Điểm bão hòa
Điểm cắt
Hình 5.32 – Đường tải tĩnh
Chú ý khi chọn điểm làm việc tĩnh cần quan tâm đến các giá trị danh định của BJT như: PCmax, UCmax, ICmax, UBEmax, dải nhiệt độ làm việc Tmin÷Tmax.
Công suất tỏa nhiệt của BJT ra môi trường ngoài: Pheat-out=K.ΔT trong đó:
(ΔT=Tdivice- Tevironment)
Công suất điện tiêu thụ trên BJT: Pelec-in=iC.uCE+iB.uBE
Nhiệt độ trên BJT tăng đến khi thỏa mãn điều kiện cân bằng trao đổi nhiệt:
Pelec-in= Pheat-out
Vậy: Pelec-in < Pmax= Pheat-outmax=K.(Tmax- Teviroment).
Vậy điểm làm việc tĩnh phải lựa chọn nằm trong giới hạn đường Pmax, ICmax, UCEmax.
c. Ổn định điểm làm việc tĩnh và ổn định nhiệt
BJT rất nhạy cảm với nhiệt độ, nhất là UBE và ICB0, nên khi nhiệt độ thay đổi điểm làm việc tĩnh cũng thay đổi. Như vậy điểm làm việc cũng nhạy cảm với nhiệt độ.
Do IC thay đổi lớn theo ICB0, do dó để đánh giá độ ổn định của điểm làm việc theo nhiệt độ là sử dụng Độ ổn định nhiệt được định nghĩa như sau:
0 CB
C
dI S= dI
Ta đã có IC = α0IE + ICB0 = α0(IB+IC) + ICB0 <=> IC= α0 IB/(1-α0)+ICB0/(1-α0), <=> IC= β0.IB+ICB0/(1-α0),
Đạo hàm 2 vế phương trình trên theo IC, rút gọn ta có:
C B
dI S dI
0 0
1 1
β β
−
= +
Giá trị của S càng nhỏ thì độ ổn định của điểm làm việc càng tăng.
d. Các bước để tính toán phân cực cho BJT
Tính toán mạch phân cực cho BJT để nó làm việc ở chế độ, điểm làm việc như mong muốn, thực hiện qua các bước sau đây:
+ Từ yêu cầu về độ ổn định, yêu cầu về chế độ hoạt động AC, trở kháng vào, trở kháng ra, độ khuếch đại…chọn cách mắc mạch định thiên hợp lý.
+ Xác định đặc vào tĩnh, đặc tuyến ra tĩnh tương ứng của BJT.
+ Từ yêu cầu hoạt động của mạch dùng BJT (yêu cầu về chế độ làm việc, yêu cầu điện áp, dòng điện vào ra khi hoạt động, yêu cầu điểm làm việc…), chọn vị trí điểm làm việc hợp lý và vẽ đường tải một chiều ví dụ chọn điểm làm việc Q(UCE, IC, IB).
+ Tính toán mạch định thiên để có điểm làm việc theo yêu cầu.
+ Tính toán lại các tham số khác và đánh giá độ ổn định điểm làm việc…
Chú ý: Các tính toán phân cực được trình bày ở phần tiếp theo là tính toán cho BJT làm việc ở chế độ tích cực, các chế độ bão hòa và ngắt sinh viên có thể tự suy ra.
e. Mô hình tương đương một chiều
Khi tính toán phân cực cho BJT có thể sử dụng mô hình tương đương một chiều.
Thường sử dụng mô hình Ebers-Moll. Trong mỗi chế độ làm việc cụ thể sử dụng sơ đồ tương đương Ebers-Moll đơn giản.
Tóm lại khi tính toán chế độ 1 chiều để đơn giản có thể sử dụng các công thức sau:
+ Chế độ tích cực:
( npnSi pnpSi)
cont
UBE ≈ 0,7− −0,7− β0
B
C I
I =
+ Chế độ bão hòa
≈0 UCE
βC0 B
I ≥ I
+ Chế độ ngắt:
≈0
IB , IC ≈0,IE ≈0