1.3. TRANSISTOR LlTONG CUC (BJT)
1.3.5. Phân cực cho BJT
- Tùy theo mục đích sử dụng, BJT có 2 chế độ làm việc:
+ Chế độ khuếch đại: Je phân cực thuận, Jc phân cực ngược.
+ Chế độ khóa (chuyển mạch): có 2 trạng thái là:
- Trạng thái mở (bão hòa): Jevà Jc đều phân cực thuận.
- Trạng thái ngắt (cắt): Je và Jc đều phân cực ngược.
- Điều kiện phân cực BJT ở chế độ khuếch đại là:
+ Đối với BJT loại p-n-p: Ue > ƯB > U c
+ Đối với BJT loại n-p-n: Ue< Ub < Uc
- Mạch điện phần cực (hay mạch định thiên) có nhiệm vụ tạo ra điện áp phân cực cân thiết cho các chuyển tiếp Je và Jc ở chê độ làm việc xác định. Tùy theo yêu câu ôn đinh nhiệt cho BJT, người ta dùng 4 kiểu mạch phân cực sau:
+ Phân cực bằng dòng Base cố định.
+ Phân cực ổn định nhiệt cực Emitter.
+ Phân cực bằng điện áp phản hồi Collector.
+ Phân cực bằng cầu chia áp.
1.3.5.1. Phân cực bằng dòng Base cố định
- Dòng điện vào: Áp dụng định luật K irchhoff 2 cho mạch vòng B-E:
IbRb + Ub e- Ecc = 0 => IB = Ec c~ Ube (1.30) Chọn Ub e = 0,7V (đối với Si) và 0,3V (đối với Ge), ta xác định được Ib.
- Dòng điện ra: Ic = P-Ib (1.31)
- Điện áp ra: Áp dụng định luật K irchhoff 2 cho mạch vòng C-E:
IcRc + Ư C E - Ecc = 0 => Ư C E = Ecc - IcRc ( 1 -32) Các thông sổ Ib, Ic, Ube, Uceđặc trưng cho chế độ một chiều của tầng khuếch đại.
+ECC +ECC
Hình 1.36. Phân cực Base cổ định Hình 1.37. Phân cực ổn nhiệt Emitter 1.3.5.2. Phân cực ổn định nhiệt cực Emitter
- Dòng điện vào: Từ mạch vòng B-E ta có:
IbRb + Ube + IeRe - Ecc = 0 = > IbRb + Ube + (p + 1 )IbR E - Ecc = 0
= >ĩ r = _ Ec c~ Ube (1.33)
B R B +(P + 1)RE
- Dòng điện ra: Ic = P-Ib (1 .34)
- Điện áp ra: IcRc + Ư C E + IeRe- Ecc = 0 => Uce= Ecc - IcRc - IeRe
= Ecc - Ic(Rc + Re) (coi a ~ 1) (1.35) Điện trở Reờchân Emitter giúp cho mạch giữ ổn định khi nhiệt độ môi trường thay đôi.
Tính toán cho thấy, mạch càng ổn định khi RE càng lớn [7], [8].
1.3.5.3. Phân cực bằng điện áp phản hồi Collector - Dòng điện vào: Từ mạch vòng B-E, ta có:
Ecc U BE (1.36)
R b +(P + 1)Rc
1’cRc + IbRb + Ub e - Ecc — 0
( I c + Ib) Rc + IbRb + Ube - Ecc = 0 = > l B =
(1.37) - Dòng điện ra: Ic = P-Ib
- Điện áp ra: Từ mạch vòng C-Ẹ, ta có:
(Ic + Ib)Rc + Ư C E - E c c = 0 = > Ư C E = E cc - IeRc (1 -3 8 ) Trong mạch phân cực băng điện áp phản hôi Collector, điện trở Rc đóng vai trò ôn đinh nhiệt. Mạch càng ổn định khi Rc càng lớn [7], [8],
Ở chế độ xoay chiều, kiểu phân cực này làm tăng hồi tiếp âm, dẫn đến làm giảm hệ số khuếch đại. Để khắc phục nhược điểm này, người ta dùng tụ thoát Cb để khử hồi tiếp âm đối với tín hiệu xoay chiều như Hình 1.39.
+ E CC
Hình 1.38. Phản cực bằng điện áp Hình 1.39. Dùng tụ Cbkhử hồi tiếp âm
phản hồi Collector tín hiệu xoay chiêu
ỉ.3.5.4. Phân cực bằng cầu chia áp
Mạch phân cực bằng cầu chia áp được cho như Hình 1.40a.
Hình 1.40. Biến đổi Thevenin mạch phân cực bằng cầu chia áp
- Vẽ lại mạch điện như Hình 1.40b và áp dụng định lý Thevenin biến đổi tương đương phần mạch bên trái 2 điểm B-M ta được Hình 1.40c, trong đó:
+ Trở kháng Thevenin: R Th = Rị IIR2 = (1-39)
Rị + R2
+ Sức điện động Thevenin: ETh = Ec c .— — — (1-40)
R ị + R 2 - Dòng điện vào:
Áp dụng định luật K irchhoff 2 cho vòng B-E, ta được:
IeRTh + Ube + IeRe - E-rh = 0 => IB = ~ (1.41)
R Th + (P + 1) R E
- Dòng điện ngõ ra: Ic = P.Ib ' (1-42)
- Điện áp ra: Áp dụng định luật K irchhoff 2 cho mạch vòng C-E, ta được:
Ư C E - Ecc - Ic(Rc + Re)
Để tăng độ ổn định nhiệt, người ta chọn Re thỏa mãn điều kiện:
(1.43)
Rrh<<: (p + 1)Re (1.44)
Chọn Re càng lớn, tác dụng phản hồi âm càng mạnh, điểm làm việc càng ổn định. Tuy nhiên, nếu chọn Re lớn quá, nguồn cung cấp Ecc phải đủ lớn (để đảm bảo phân cực hợp lý) [8].
Khi thiết kế mạch phân cực, người ta chọn Re sao cho:
U E = Ecc (1.45)
Cũng không thể chọn Rrh quá nhỏ, vì sẽ làm giảm trở kháng vào của mạch. Thực tế, người ta chọn:
RTh
10 (p + l)R j (1.46)
Khi điều kiện (1.44) thỏa mãn, biểu thức (1.41) trở thành:
J ^ 13 Th — Uẹẹ
(P + 1)Re
Do đó: lc = P - lB * - ThD~ UBE
Re
(1.47)
(1.48) nghĩa là, dòng Ic hầu như không phụ thuộc vào p và sự biến động của tham số này.
- Tác dụng hồi tiếp âm dòng điện một chiều của RE làm tăng độ ổn định điểm tĩnh, nhưng lại làm giảm hệ số khuếch đại tín hiệu xoay chiều (xem mục 2.4.2.1). Để tránh tác dụng này, người ta dùng tụ điện CE có điện dung khá lớn mắc song song Re đế ngắn mạch dòng điện xoay chiều xuống đất (Hình 1.40a).
* Bài toán thiết kế mạch phân cựe ■ •
• •
Bài toán: Cho biết nguồn .cung, cấp Ecc, transistor (P, chất liệu chế tạo). Hãy tính chọn các điện trở mạch phân cực Ri, R.2, Re, Rc để BJT làm việc ở chế độ xác định với Ư C E v à l c .
Các bước tính, chọn:
- Tính E-m từ biểu thức (1.41) hoặc tính gần đủng bằng biểu thức (1.48) - Tính Ri, R2 từ các biểu thức (1.39) và (1.40).
Sau khi tính, chọn các giá trị điện trờ, ta thực hiện bài toán thuận để kiểm fra yêu cầu bài toán thiết kế đặt ra.