Lession 4 transistor

1 Lession 4 Transistor 2 Néi dung 1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc 1.1. Cấu tạo BJT loại NPN, PNP 1.2. Nguyên lý làm việc của BJT 1.3. Hệ số truyền ñạt dòng ñiện của BJT 2. Các cách mắc BJT và các họ ñặc tuyến tương ứng 3. Các tham số cực ñại và giới hạn vùng làm việc của BJT 4. Phân cực cho BJT 4.1. Chế ñộ làm việc của BJT 4.2. Các dạng phân cực 4.3. Xác ñịnh ñiểm công tác tĩnh 5. Sơ ñồ tương ñương của BJT ở chế ñộ khuếch ñại tín hiệu nhỏ 5.1. Sơ ñồ mạng 4 cực dùng cho BJT 5.2. Sơ ñồ tương ñương vật lý 6. BJT làm việc ở chế ñộ chuyển mạch 6.1. Nguyên lý làm việc 6.2. Các tham số của BJT chuyển mạch 7. Darlington BJT 8. BJT công suất lớn 3 CÊu t¹o cña BJT 4 Nguyªn lý lµm viÖc cña BJT 5 Amplifier Out In Gain = In Out 6 Moore’s law • Moore founded Intel with Robert Noyce in 1968 and served as its CEO from 1975 to 1987. Since 1997, he has served as Chairman Emeritus of the company. • While working for Fairchild Semiconductor in 1965, he coined the now famous Moore's Law as he was preparing an article for Electronics magazine. At that time, the law stated that the number of transistors on a chip doubles every year. In 1975, he amended it to say it doubles every two years. • "If you asked me in 1980, I would have missed the PC. I didn't see much future for it" ( 7 N P N NPN Transistor Structure The collector is lightly doped. C The base is thin and is lightly doped. B The emitter is heavily doped. E 8 The C-B junction is reverse biased. N P N NPN Transistor Bias C B E No current flows. 9 The B-E junction is forward biased. N P N NPN Transistor Bias C B E Current flows. 10 When both junctions are biased.... N P N C B E Current flows everywhere. Most of the emitter carriers diffuse through the thin base region since they are attracted by the collector. Note that IB is smaller than IE or IC. IC IB IE NPN Transistor Bias 11 N P N C B E Although IB is smaller it controls IE and IC. IC IB IE Note: when the switch opens, all currents go to zero. Gain is something small controlling something large (IB is small). 12 XÐt BJT lµm viÖc ë vïng tÝch cùc 13 • Do tiÕp gi¸p Emit¬ ph©n cùc thuËn, ®iÖn ¸p tæng trªn tiÕp gi¸p gi¶m ®i vµ b»ng U∑(E) = UtxE – UEB • TiÕp gi¸p colect¬ ph©n cùc ng−îc nªn tæng ®iÖn ¸p trªn tiÕp gi¸p lµ U∑(C) = UtxC + UCB • Dßng dß : IC0 (phô thuéc nhiÖt ®é) • IC∑ = IC + IC0 • IC0 << IC v× vËy dßng IC∑ ≅ IC 14 IE, IB, IC vµ c¸c hÖ sè truyÒn ®¹t dßng ®iÖn α, β • IE = IC + IB • Trong ®ã, th«ng th−êng IB << IC vµ IE • HÖ sè truyÒn ®¹t dßng ®iÖn Emit¬ α: Lµ tû sè gi÷a dßng Colect¬ vµ dßng Emit¬. αdc - HÖ sè truyÒn ®¹t dßng ®iÖn Emit¬ mét chiÒu αac - HÖ sè truyÒn ®¹t dßng ®iÖn Emit¬ xoay chiÒu E C dc I I =α 1-EiEi 1-CiCi E C E C ac II II I I dI dI = − − =≅ ∆ ∆ α 15 • Do IB << IC vµ IE nªn cã thÓ coi IC ≅ IE • Trªn thùc tÕ αdc th−êng kh«ng kh¸c nhiÒu αac tøc lµ αdc ≅ αac vµ cã gi¸ trÞ gÇn b»ng 1 • α cã gi¸ trÞ kho¶ng tõ 0,9 ÷ 0,998 • α Ýt phô thuéc vµo dßng IC vµ tÇn sè tÝn hiÖu 16 I I = B C cdβ • HÖ sè truyÒn ®¹t dßng ®iÖn Colect¬ β: Cßn gäi lµ hÖ sè khuyÕch ®¹i dßng ®iÖn. • Ph©n biÖt chÕ ®é mét chiÒu hay xoay chiÒu còng cã kh¸i niÖm: βdc - HÖ sè khuÕch ®¹i dßng ®iÖn mét chiÒu βac - HÖ sè khuÕch ®¹i dßng ®iÖn xoay chiÒu • Hai gi¸ trÞ βdc vµ βac còng kh«ng kh¸c nhau nhiÒu βdc ≅ βac 1-BiBi 1-CiCi B CC ca II II I I dI dI = − − =≅ ∆ ∆ β B 17 18 • Quan hÖ gi÷a α, β ®−îc x¸c ®Þnh nh− sau: IE = IB + IC β1 β α + = α-1 α β = ( ) α α β β β α αα β β 1- = +1 = I I + I=I I 1+=I I = I I + I =I EC0EC BE BC BCE ≅ 19 N P C B E IC = 99 mA IB = 1 mA IE = 100 mA β = IC IB The current gain from base to collector is called β. 99 mA 1 mA = 99 20 N P C B E IC = 99 mA IB = 1 mA IE = 100 mA IE = IB + IC 99 mA= 1 mA + = 100 mA Kirchhoff’s current law: 21 C B E IC = 99 mA IB = 1 mA IE = 100 mA In a PNP transistor, holes flow from emitter to collector. Notice the PNP bias voltages. 22 Transistor Currents Quiz β is the ratio of collector current to ______ current. base The sum of the base and collector currents is the __________ current. emitter In NPN transistors, the flow from emitter to collector is composed of _______. electrons In PNP transistors, the flow from emitter to collector is composed of _______. holes Both NPN and PNP transistors show __________ gain. current 23 C¸c d¹ng m¾c m¹ch c¬ b¶n cña BJT • Cã 3 d¹ng m¾c c¬ b¶n: Baz¬ chung - Ký hiÖu CB (Common Base) Emit¬ chung - Ký hiÖu CE (Common Emitter) Colect¬ chung - Ký hiÖu CC (Common Colector) 24 M¹ch Baz¬ chung - BC constCBUBEE UfI == )( constEICBC UfI == )( M¹ch vµo: IE - dßng vµo, UBE - ®iÖn ¸p vµo → kh¶o s¸t ®Æc tuyÕn tÜnh M¹ch ra: IC - dßng ra UCB - §iÖn ¸p ra → kh¶o s¸t ®Æc tuyÕn tÜnh 25 26 27 • Vïng tÝch cùc: (Active - Region) ®©y lµ vïng khuÕch ®¹i tÝn hiÖu • Vïng b+o hoµ: (Saturation Region) khi UCB ≤ 0. C¶ hai tiÕp xóc Emit¬ vµ Colect¬ ®Òu ph©n cùc thuËn • Vïng c¾t dßng: (Cutoff - Region) víi gi¸ trÞ IE ≤ 0. Vïng nµy tiÕp xóc Emit¬ ph©n cùc ng−îc, dßng IE = 0. T¹i vïng c¾t dßng c¶ hai tiÕp xóc ph©n cùc ng−îc • Vïng ®¸nh thñng: (Breakdown - Region) nÕu UCB qu¸ lín sÏ g©y nªn hiÖn t−îng ®¸nh thñng tiÕp gi¸p Colect¬ lµm dßng IC t¨ng ®ét ngét (®¸nh thñng Zener hay ®¸nh thñng th¸c lò hoÆc c¶ hai) • Chó ý: §èi víi m¹ch m¾c kiÓu Base chung th−êng cã hÖ sè khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p tõ 50 ®Õn 300, hÖ sè khuÕch ®¹i dßng ®iÖn < 1 (do IC /IE = α, α th−êng < 1 ). 28 M¹ch Emit¬ chung - CE 29 30 31 • Vïng tÝch cùc: (hay cßn gäi lµ vïng khuÕch ®¹i) khi tiÕp xóc Emit¬ ph©n cùc thuËn vµ tiÕp xóc Colector ph©n cùc ng−îc. • Vïng b+o hoµ: Khi c¶ hai tiÕp xóc Emit¬ vµ Colect¬ ph©n cùc thuËn. Khi nµy dßng IC t¨ng rÊt nhanh. §iÖn ¸p b+o hoµ UCE bh ≈ 0,3V. • Vïng c¾t dßng: N»m d−íi ®Æc tuyÕn øng víi IB = 0 øng víi c¶ hai tiÕp xóc Emit¬ vµ Colect¬ ph©n cùc ng−îc. Víi IB = 0, cã dßng d− - gäi lµ ICE0. Dßng nµy ®−îc x¸c ®Þnh nh− trªn víi cùc Baz¬ hë (IB = 0). • Vïng ®¸nh thñng: Khi UCE qu¸ lín ®Õn mét gi¸ trÞ nµo ®ã lµm ®¸nh thñng tiÕp xóc Colect¬. Khi ®ã dßng IC t¨ng vät. 32 M¹ch Colect¬ chung - CC 33 34 Giíi h¹n vïng lµm viÖc cña BJT 35 • UCE bh : §iÖn ¸p b}o hoµ Colect¬ - Emit¬ th−êng UCE bh ≅ 0,3V ⇒ ph¶i chän UCE > UCE bh • IC max : Dßng ®iÖn Colect¬ cùc ®¹i. ⇒ ph¶i chän IC < ICmax • ICE0 : Dßng d− cña Colect¬ øng víi IB = 0 dßng nµy giíi h¹n vïng c¾t dßng. • UCE max : §iÖn ¸p cùc ®¹i trªn Colect¬ - Emit¬ ®Ó tiÕp xóc Colect¬ kh«ng bÞ ®¸nh thñng. • PCmax : t¹i nhiÖt ®é nhÊt ®Þnh th−êng lµ T = 25 0C. 36 37 • UCE bh ≤ UCE ≤ UCEmax • ICE0 ≤ IC ≤ ICmax • ICUCE ≤ PCmax 38 • VÝ dô 3-1: Cho BJT 2N4123 cã PCmax = 625mW ë nhiÖt ®é T0 = 25 0C. HÖ sè γPCmax PCmax = 5mW/ 0C. H}y x¸c ®Þnh gi¸ trÞ c«ng suÊt PCmax t¹i nhiÖt ®é T = 125 0C. 39 Ph−¬ng tr×nh ®−êng t¶i vµ ®iÓm lµm viÖc tÜnh 40 Ph©n cùc cho BJT • Víi chÕ ®é khuÕch ®¹i, c¸c ®iÖn ¸p cung cÊp cho BJT ph¶i ®¶m b¶o cho BJT lµm viÖc t¹i vïng khuÕch ®¹i
TiÕp gi¸p Emit¬ - Baz¬: Ph©n cùc thuËn
TiÕp gi¸p Colect¬ - Baz¬: Ph©n cùc ng−îc • C¸c kiÓu ph©n cùc – Ph©n cùc b»ng dßng cè ®Þnh (hay ph©n cùc Baz¬) – Ph©n cùc b»ng dßng Emit¬ (hay ph©n cùc Emit¬) – Ph©n cùc b»ng ph©n ¸p – Ph©n cùc b»ng håi tiÕp Colect¬ – KÕt hîp cña c¸c ph−¬ng ph¸p ph©n cùc trªn. 41 Ph©n cùc Baz¬ (hay ph©n cùc b»ng dßng cè ®Þnh) 42 • X¸c ®Þnh ®iÓm lµm viÖc tÜnh Q • ChÕ ®é bo hoµ vµ c¾t dßng 43 Sù xª dÞch ®iÓm lµm viÖc tÜnh Q khi nhiÖt ®é thay ®æi VÝ dô : EC = +8V ; RB = 360KΩ ;RC = 2,2KΩ βdc = hFE = 100 ë T = 250C βdc = hFE = 150 ë T = 1000C T×m ®iÓm lµm viÖc tÜnh Q t¹i nhiÖt ®é T = 250C vµ T = 1000C (BJT lµ lo¹i Si) 44 NhËn xÐt m¹ch ph©n cùc Baz¬: - M¹ch ®¬n gi¶n - Cã nh−îc ®iÓm: §iÓm lµm viÖc tÜnh Q phô thuéc nhiÒu vµo nhiÖt ®é. -øng dông: Chñ yÕu trong chÕ ®é chuyÓn m¹ch. 45 Ph©n cùc Emit¬ 46 • XÐt ®iÓm lµm viÖc tÜnh • ChÕ ®é bo hoµ vµ c¾t dßng • Sù xª dÞch ®iÓm lµm viÖc tÜnh Q khi nhiÖt ®é thay ®æi E BEC CQ R UEI −≅ 47 Ph©n cùc b»ng ph©n ¸p 48 • XÐt ®iÓm lµm viÖc tÜnh • ChÕ ®é bo hoµ vµ c¾t dßng • Sù xª dÞch ®iÓm lµm viÖc tÜnh Q khi nhiÖt ®é thay ®æi E BEth CQ R UE I − ≅ 49 VÝ dô : Cho m¹ch ph©n cùc b»ng ph©n ¸p c¸c gi¸ trÞ sau: RC = 10KΩ, RE = 1,5KΩ R1 = 39KΩ, R2 = 3,9KΩ EC = +22V, β = 140, tranzito lo¹i Si T×m ®iÓm lµm viÖc tÜnh cña m¹ch. Q(IBQ = 6,0µA; ICQ = 0,85mA; UCEQ = 12,22V) 50 51 • C¸c m¹ch ph©n cùc b»ng dßng Emit¬, ph©n ¸p hay håi tiÕp ®Òu cã mét ®iÓm chung lµ cã ®iÖn trë RE t¹i cùc Emit¬. • ChÝnh ®iÖn trë nµy t¹o thµnh håi tiÕp ©m trong m¹ch nªn ®+ c¶i thiÖn ®¸ng kÓ nhiÒu th«ng sè vµ lµm m¹ch æn ®Þnh h¬n khi nhiÖt ®é thay ®æi 10 C R EU E = 52 53 54 dc Cbh bhB II β= C C bhC R EI = UCEoff = EC bhC bhCE bh I U R = CEO C off I ER = 55 C¸c tham sè chÝnh cña BJT chuyÓn m¹ch 56 57 • VÝ dô 3-6: Cho BJT lµm viÖc ë chÕ ®é xung cã c¸c tham sè β = hFE = 250, EC = 10V, UV = 10V, ICbh = 10mA, ICEO = 10µA, UCEbh = 0,3V. TÝnh gi¸ trÞ cña RB, RC, Rbh, Roff 58 M« h×nh t−¬ng ®−¬ng cña BJT DC DE C E B DC DE C E B 59 Qui ®Þnh chiÒu dßng ®iÖn 60 M« h×nh t−¬ng ®−¬ng tÝn hiÖu nhá • hai tham sè vµo lµ dßng i1 vµ ®iÖn ¸p vµo u1; • hai tham sè ra lµ dßng i2 vµ ®iÖn ¸p u2 61 M« h×nh tham sè Z    +== +== 222121212 212111211 ),( ),( iziziifu iziziifu 62 Tham sè z 01 1 11 2 = = ii u z 02 2 22 1= = ii u z 02 1 12 1= = ii u z 01 2 21 2 = = ii u z 63 M« h×nh tham sè Y    +== +== 222121212 212111211 ),( ),( uyuyuufi uyuyuufi 64 M« h×nh t−¬ng ®−¬ng tham sè H    +== +== 222121212 212111211 ),( ),( uhihuifi uhihuifu 65 01 1 11 2 = = u i uh 02 2 22 1= = iu ih 02 1 12 1= = iu uh 01 2 21 2 = = u i ih 66 • h11 - thay b»ng hi: gäi lµ ®iÖn trë vµo; • h12 - thay b»ng hr: gäi lµ hÖ sè truyÒn ®¹t ®iÖn ¸p ng−îc; • h21 - thay b»ng hf: gäi lµ hÖ sè truyÒn ®¹t dßng ®iÖn thuËn (hÖ sè khuyÕch ®¹i dßng ®iÖn); • h22 - thay b»ng ho: gäi lµ dÉn n¹p ra. 67 M« h×nh t−¬ng ®−¬ng tham sè h dïng cho BJT • Emit¬ chung (EC): hie, hre, hfe, hoe • Baz¬ chung (BC): hib, hrb, hfb, hob • Colect¬ chung (CC): hic, hrc, hfc, hoc     = = feac fbac h h β α 68 69 70 B¶ng tham sè h 71 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng rót gän 72 X¸c ®Þnh tham sè h ConstICE C ce c ra ra oe ConstUB C b c v ra fe ConstICE BE ce be ra v re ConstUB BE b be v v ie B CE B CE u i u i u ih i i i i i ih U U u u u uh i U i u i uh = = = = ∆ ∆ ≅ ∂ ∂ = ∂ ∂ = ∆ ∆ ≅ ∂ ∂ = ∂ ∂ = ∆ ∆ ≅ ∂ ∂ = ∂ ∂ = ∆ ∆ ≅ ∂ ∂ = ∂ ∂ = 73 M« h×nh t−¬ng ®−¬ng vËt lý (M« h×nh tham sè re) • M¹ch BC: re tõ vµi Ω ®Õn 50Ω; rc tõ 1MΩ ®Õn 2MΩ. • M¹ch EC: re tõ vµi Ω ®Õn 50Ω; rc tõ 40KΩ ®Õn 50KΩ. 74 M« h×nh tham sè re )1( −= T EB U U SEE eII E EB e I U r ∂ ∂ = EE T e I mV I U r 26 ≅≅ )( )( ECConstI BCConstIC C c B EI U r = =∂ ∂ = 75 fe fe ac ac acfeac fe oe re ieb oe re c oe re e h h h h h hhr h h r h h r + = + == +−= + == 11 ; )1( 1 ; β β αβ 76 BC • Trë kh¸ng vµo: rv = re • Trë kh¸ng ra: rra = rc 77 EC ee b eb b ee b BE v rri ri i ri i U r βββ ≅+=+=== )1()1( rra = rc 78 CC 79 CC b Ebeb b Eeeb b B v v v i Riri i Riri i U i u r )1( ++ = + === βββ rv = βre + (β+1)RE ≅ βRE 80 CC • v v b r ui = Ee v v v be Rr u r u ii )1( )1()1()1( ++ + =+=+= ββ βββ Ee v e Rr ui + ≅ rra = RE//re ≅ re 1≈ + == eE E v ra u rR R u u K ββ ≈+=== b b b e v ra i i i i i i i K )1( 81 VÝ dô • Dïng m« h×nh t−¬ng ®−¬ng tham sè re ®Ó tÝnh c¸c tham sè sau cña m¹ch khuÕch ®¹i dïng BJT: §iÖn trë vµo rv, ®iÖn trë ra rra, hÖ sè khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p Ku, hÖ sè khuÕch ®¹i dßng ®iÖn Ki. RE CE C1 C2R1 R2 RC ura uv +EC 82 v v v i u r = rv = R1// R2// βre rra = Rc// rc 83 e cc eb ccb v ra u r rR ri rRi u u K //)//)(( −= − == β β e c u r R K −≅ v b b ra v ra i i i i i i i K == cc c b ra cc cb ra Rr r i i Rr rii + =→ + = ββ ev b e v b rRR RR i i rRR iRR i ββ +=→+= 21 21 21 21 // // // )//( )//)(( )//( 21 21 ecc c i rRRRr rRR K β β ++ = e i rRR RR K β β + = 21 21 // )//( Ki ≅ β 84 Sù phô thuéc cña hfe vµo tÇn sè 85 C¸c tham sè cùc ®¹i 86 Transistor Structure and Bias Quiz The heaviest doping is found in the ___________ region. emitter The thinnest of all three regions is called the ____________. base The collector-base junction is ___________ biased. reverse The base-emitter junction is ____________ biased. forward The majority of the emitter carriers flow to the ___________. collector 87