Bài giảng kỹ thuật điện tử và tin học P2
Điện áp 1 chiều lúc vào hở mạch Rt. (2-22) Urao = 2U2 - 2UD Với UD là điện áp thuần trên các van mở. · Điện áp 1 chiều lúc có tải Rt: Ura ¥ = Urao 1 - Ri /2R v (2-23) Với Ri là nội trở tương đương của nguồn xoay chiều Ri = [(U2o /U2) – 1] U2/ I2 các giá trị U2I2 là điện áp và dòng điện cuộn thứ cấp biến áp. RV là điện trở tương đương của tải Rv = Ura ¥ / Ira · Công suất danh định của biến áp...
· Điện áp 1 chiều lúc vào hở mạch Rt.
Urao = 2U2 - 2UD (2-22)
Với UD là điện áp thuần trên các van mở.
· Điện áp 1 chiều lúc có tải Rt:
( )
Ura ¥ = Urao 1 - Ri /2R v (2-23)
Với Ri là nội trở tương đương của nguồn xoay chiều
Ri = [(U2o /U2) – 1] U2/ I2 các giá trị U2I2 là điện áp và dòng điện cuộn thứ cấp biến
áp.
RV là điện trở tương đương của tải Rv = Ura ¥ / Ira
· Công suất danh định của biến áp nguồn
Pba = 1,2 Ira ( Ura ¥ + 2UD) (2-24)
Điện áp ngược cực đại trên van khóa:
Ungcmax = 2U2 = (π/2)Ura0 (2-15)
Khi có tải điện dung, mạch làm việc ở chế độ xung liên quan tới thời gian phóng
của tụ C lúc các van đều khóa và thời gian nạp lúc một cặp van mở giống như đã
phân tích với mạch chỉnh lưu hai nửa chu kì. Lúc đó, dòng điện xung qua cặp van mở
nạp cho tụ C là:
U - Ura ¥ Urao
ID = rao = (2-26)
Ri 2.R iR v
Có phụ thuộc vào nội trở Ri của nguồn xoay chiều và càng lớn khi Ri càng nhỏ.
Điện áp ra tối thiểu lúc này xác định bởi:
Uramin = Ura ¥ - 2U gs max / 3 (2-27)
Trong đó Ugsmax là điện áp gợn sóng cực đại:
U gs max = Ira ( 1- Ri / 2 Rv )
4 (2-28)
Mạch hình 2.8c cho phép nhận được 1 điện áp ra 2 cực tính đối xứng với điểm
chung, có thể phân tích như hai mạch hình 2.8a làm việc với 2 nửa thứ cấp của biến
áp nguồn có điểm giữa nối đất.
Mạch hình 2.8d cho phép nhận được điện áp 1 chiều có giá trị gấp đôi điện áp ra
trong các mạch đã xét trên và có tên là mạch chỉnh lưu bội áp. Ở nửa chu kì đầu (nửa
chu kì âm) của U2, van D1 mở nạp cho tụ C1 tới điện áp Uc1 » U2m = 2 U2. Ở nửa chu
kì tiếp sau (nửa chu kì dương) D2 mở và điện áp nạp cho tụ C2 có giá trị đỉnh:
Uc2 » Uc1 + U2m » U2m = 2 2 U2
Nếu để ý các điều kiện thực tế (khi độ lớn của C1, hữu hạn) giá trị điện áp 1 chiều
sau bộ chỉnh lưu bội áp có độ lớn cỡ hai lần giá trị này ở bộ chỉnh lưu cầu tải điện
dung.
Ngoài ứng dụng trong các mạch chỉnh lưu như đã kể trên, điôt còn được sử dụng
trong lĩnh vực chỉnh lưu công suất lớn.
b- Các mạch ghim
Một ứng dụng điển hình khác của điốt bán dẫn là sử dụng trong các mạch ghim
(mạch hạn chế biên độ).
31
Hình 2.11: Các mạch hạn chế nối tiếp
Hình 2.11 là các mạch hạn chế nối tiếp (Điôt hạn chế mắc nối tiếp với mạch tải).
Xét trong trường hợp đơn giản khi Uvào là một điện áp hình sin không có thành
phần 1 chiều và giả thiết điôt là lí tưởng (ngưỡng mở khóa xảy ra tại giá trị điện áp
giữa 2 cực của nó bằng không Uđ = 0).
Khi Ud ³ 0 điôt mở và điện áp ra bằng:
R R th + Rng
Ura1 = Uv + E (2-30)
R + R th + R ng R + R th + Rng
Với Rth là giá trị trung bình của điện trở thuận điôt, Rng là điện trở trong của nguồn
U vào
Khi Uđ < 0 điôt khóa điện áp ra bằng:
R Rngc + Rng
Ura2 = Uv + E (2-31)
R + Rngc + R ng R + Rngc + R ng
Với Rngc là giá trị trung bình của điện trở ngược điôt.
Nếu thực hiện điều kiện Rth + Rng 0 có Ura1 = Uvào
khi Uv < E , Uđ < 0 có Ura2 = E
Khi thay đổi giá trị E ngưỡng hạn chế sể thay đổi trong một dải rộng từ - Uvmax < E <
Uvmax với Uvmax và biên độ của điện áp vào.
32
Trường hợp riêng khi chọn E = 0 ta có mạch hạn chế mức 0 (mạch ghim lấy 1 cực
tính của tín hiệu vào hay mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ đã xét trước).
Cũng có thể mắc điốt song song với mạch ra như hình 2. 12 lúc đó ta có mạch hạn
chế kiểu song song.
Từ điều kiện: Rth £ Ro £ Rt £ Rngc có
Với mạch hình 2.12a Khi Uv ³ E , Uđ > 0 có Ura = E
khi Uv < E , Uđ < 0 có Ura = Uvào
mạch hạn chế 2.12b có: Khi Uv ³ E , Uđ < 0 có Ura = Uvào
khi Uv < E , Uđ > 0 có Ura = E
Hình 2.12: Các mạch hạn chế trên (a) và mạch hạn chế dưới (b)
Lưu ý rằng nếu để ý đến ngưỡng mở của điôt thực thể (loại Si cỡ + 0,6V và loại
Ge cỡ + 0,3V) thi ngưỡng hạn chế của các mạch trên bị thay đổi đi 1 giá trị tương ứng
với các mức này.
c - Ổn định điện áp bằng điốt Zener
Điốt ổn áp làm việc nhờ hiệu ứng thác lũ của chuyển tiếp p-n khi phân cực ngược.
Trong các điôt thông thường hiện tượng đánh thủng này sẽ làm hỏng điôt, nhưng
trong các điốt ổn định do được chế tạo đặc biệt và khi làm việc mạch ngoài có điện trở
hạn chế dòng ngược (không cho phép nó tăng quá dòng ngược cho phép) nên điôt
luồn làm việc ở chế độ đánh thủng nhưng không hỏng. Khác với điốt thông dụng, các
điôt ổn định công tác ở chế độ phân cực ngược. Những tham số kĩ thuật của điôt
Zener là:
- Điện áp ổn định Uz (điện áp Zener) là điện áp ngược đặt lên điốt làm phát sinh ra
hiện tượng đánh thủng. Trên thực tế đối với mọi điốt ổn áp chỉ có một khoảng rất hẹp
mà nó có thể ổn định được. Khoảng này bị giới hạn một mặt bởi khoảng đặc tuyến
của điôt từ phạm vi dòng bão hòa sang phạm vi đánh thủng làm dòng tăng đột ngột,
mặt khác bởi công suất tiêu hao cho phép. Hay dòng cực đại cho phép.
- Điện trở động rdz của điốt Zener được định nghĩa là độ dốc đặc tuyến tĩnh của điốt tại
điểm lâm việc.
dU2
rdz = (2-32)
dIz
33
Hình 2.13: Khảo sát ổn áp bằng diốt Zener
Căn cứ vào (2-32) có thể thấy rằng độ đốc của đặc tuyến ở phần đánh thủng có
tác dụng quyết định đến chất lượng ổn định của điốt. Khi điện trở động bằng không
(lúc đó phần đặc tuyến đánh thủng song song với trục tung) thì sự ổn định điện áp đạt
tới mức lí tưởng.
Như hình 2.13a, để thực hiện chức năng ổn định người ta thường mắc nối tiếp
với điôt Zener một điện trở và tác dụng ổn định được chứng minh bằng đồ thị trên
hình 2.13b.
Có thể thiết lập quan hệ hàm số giữa điện trở động và điện áp ổn định của điôt.
Ví dụ đối với đlôt Zener Si, công suất tiêu hao 0,5W có dạng đồ thị như hình 2.13c. Từ
đồ thị này thấy điện trở động cực tiểu khi điện áp vào khoảng 6 đến 8V. Trong khoảng
điện áp này xuất hiện đồng thời hiện tượng đánh thủng Zener và đánh thủng thác lũ
làm cho dòng ngược tăng lên đột ngột.
Điện trở tĩnh Rt được tính bằng tỉ số giữa điện áp đặt vào và dòng điện đi qua
điôt.
Rt = UZ / IZ (2-33)
Dòng điện và điện áp kể trên được xác định từ điểm công tác của điôt (h.2.13b).
Điện trở tĩnh phụ thuộc rất nhiều vào dòng chảy qua điôt.
34
Hệ số ổn định được định nghĩa bằng tỉ số giữa các biến đổi tương đối của dòng
điện qua điôt và điện áp rơi trên điôt do dòng này gây ra:
Z = (dIz / Iz) (dUz / Uz) = R / rdz = Rt / rdz (2-34)
I
V
Hình 2.14:Bù nhiệt dùng hai điôt Hình 2.15: Đặc tuyến bù nhiệt
Chúng ta thấy hệ số này chính bằng tỉ số giữa điện trở tĩnh và điện trở động tại
điểm công tác của điôt.
Để đạt hệ số ổn định cao, với một sự biến đối đòng điện qua điôt đã cho trước,
điện áp rơi trên điôt (do dòng này gây ra) phải biến đổi nhỏ nhất. Các điôt ổn định Si
thường có Z ³ 100. Trở kháng ra của mạch ổn định cũng là một thông số chủ yếu
đánh giá chất lượng của mạch:
Rra = DUra / DIra
Ở đây DUra là gia số của điện áp ra, gây ra bởi gia số DIra của dòng tải.
Rõ ràng tỉ số vế phải càng nhỏ thì chất lượng mạch ổn định càng cao, vì thế các
mạch ổn định dùng điốt Zener có điện trở ra càng nhỏ càng tốt. (Điều này phù hợp với
vai trò một nguồn điện áp lí tưởng).
- Hệ số nhiệt độ của điện áp ổn định qt, hệ số này cho biết sự biến đổi tương đối của
điện áp ổn định khi nhiệt độ thay đổi 1oC :
qt =(1 / Uz)(duz / dt) | lz = const (2-35)
Hệ số này xác định bởi hệ số nhiệt độ của điện áp đánh thủng chuyển tiếp p-n.
Sự phụ thuộc của điện áp ổn định vào nhiệt độ có dạng
Uz = Uzo [1 + qT (T - To)] (2-36)
Trong đó: Uzo là điện áp ổn định của điôt Zener ở nhiệt độ To
Hệ số nhiệt độ qt có giá trị âm nếu hiện tượng đánh thủng chủ yếu do hiệu ứng
Zener gây ra. Nó có giá trị dương nếu hiện tượng đánh thủng chủ yếu do hiện tượng
thái lũ gây ra.
35
Hệ số nhiệt dương của đlôt Zener có thể bù trừ cho hệ số nhiệt độ âm của điôt
chỉnh lưu ở nhiệt độ thông thường và có hệ số nhiệt của cả tổ hợp có thể đạt đến
0,0005%/OC.
Cần chú ý là hệ số nhiệt độ của điện áp ổn định tại một giá trị điện áp nào đó
trong khoảng từ 5 đến 7V, bằng 'không. Sở dĩ như vậy là vì trong khoảng nhiệt độ này
tồn tại cả hai hiện tượng đánh thủng là Zener và thác lũ mà hệ số nhiệt của hai hiệu
ứng này lại ngược dấu cho nên có chỗ chúng triệt tiêu lẫn nhau. Đây là một đặc điểm
rất đáng quý, chỉ xuất hiện tại đểm công tác của từng điôt Zener trong khoảng từ 5
đến 7V. Trên hình 2.15 trình bày đặc tuyến của 3 điốt đo ở hai nhiệt độ khác nhau.
Những vòng tròn đánh đấu điểm công tác của điốt tại đó hệ số nhiệt bằng không.
Thực hiện bài thực tập về “Khảo sát mạch chỉnh lưu” qua mô phỏng
36
2.2. PHẦN TỬ HAI MẶT GHÉP P-N
Nếu trên cùng một đế bán dẫn lần lượt tạo ra hai tiếp giáp công nghệ p-n gần
nhau thì ta được một dụng cụ bán dẫn 3 cực gọi là tranzito bipolar, có khả năng
khuếch đại tín hiệu điện. Nguyên lí làm việc của tranzito dựa trên đặc tính điện của
từng tiếp giáp p-n và tác dụng tương hỗ giữa chúng.
2.2.1. Cấu tạo, nguyên lí làm việc, đặc tuyến và tham số của tranzito
bipolar
a) Cấu tạo: tranzito có cấu tạo gồm các miền bán dẫn p và n xen kẽ nhau, tùy theo
trình tự sắp xếp các miền p và n mà ta có hai loại cấu tạo điển hình là pnp và npn như
trên hình 2.16. Để cấu tạo ra các cấu trúc này người ta áp dụng những phương pháp
công nghệ khác nhau như phương pháp hợp kim, phương pháp khuếch tán, phương
pháp epitaxi...
p n p n p n
E C E C
JE JC JE JC
B B
a) b)
Hình 2.16 : Mô hình lí tưởng hóa cùng kí hiệu của tranzito pnp (a) và npn (b)
miền bán dẫn thứ nhất của tranzito là miền emitơ với đặc điểm là có nồng độ tạp chất
lớn nhất, điện cực nối với miền này gọi là cực emitơ. Miền thứ hai là miền bazơ với
nồng độ tạp chất nhỏ và độ dày của nó nhỏ cỡ mm, điện cực nới với miền này gọi là
cực bazơ. Miền còn lại là miền colectơ với nồng độ tạp chất trung hình .và điện cực
tương ứng là colectơ. Tiếp giáp p-n giữa miền emitơ và bazơ gọi là tiếp giáp emitơ
(JE) tiếp giáp pn giữa miền bazơ và miền colectơ là tiếp giáp colectơ (JC) Về kí hiệu
tranzito cần chú ý là mũi tên đặt ở giữa cực emitơ và bazơ có chiều từ bán dẫn p
sang bán dẫn n. Về mặt cấu trúc, có thể coi tranzito như 2 điôt mắc đối nhau như hình
2.17. (Điều này hoàn toàn không có nghĩa là cứ mắc 2 đốt như hình 2-17 là có thể
thực hiện được chức năng của tranzito. Bởi vì khi đó không có tác dụng tương hỗ lẫn
nhau của 2 tiếp p-n. Hiệu ứng tranzito chỉ xảy ra khi khoảng cách giữa 2 tiếp giáp nhỏ
hơn nhiều so với độ dài khuếch tán của hạt dẫn).
37
n p n
E C
B
Hình 2.17: Phân tích cấu tạo tranzito thành hai điốt và mạch tương hỗ
b) Nguyên lí làm việc: Để tranzito làm việc, người ta phải đưa điện áp 1 chiều tới các
điện cực của nó, gọi là phân cực cho tranzito. Đối với chế độ khuếch đại thì JE phân
cực thuận và JC phân cực ngược như hình 2-18.
Hình 2.18: Sơ đồ phân cực của tranzito npn (a) và pnp (b) ở chế độ khuếch đại
Để phân tích nguyên lí làm việc ta lấy tranzito pnp làm ví dụ. Do JE phân cực thuận
các hạt đa số (lỗ trống) từ miền p phun qua JE tạo nên dòng emitơ (IE). Chúng tới
vùng bazơ trở thành hạt thiểu số và tiếp tục khuếch tán sâu vào vùng bazơ hướng tới
JC. Trên đường khuếch tán mộ t phần nhỏ bị tái hợp với hạt đa số của bazơ tạo nên
dòng điện cực bazơ (IB). Do cấu tạo miền bazơ mỏng nên gần như toàn bộ các hạt
khuếch tán tới được bờ của JC và bị trường gia tốc (do JC phân cực ngược) cuộn qua
tới được miền colectơ tạo nên dòng điện colectơ (IC) Qua việc phân tích trên rút ra
được hệ thức cơ bản về các dòng điện trong tranzito (hệ thức gần đúng do bỏ qua
dòng ngược của JC)
IE = IB + IC (2-37)
Để đánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán trong vùng bazơ người ta định nghĩa
hệ số truyền đạt dòng điện a của tranzito.
a = IC / IE (2-38)
hệ số a xác định chất lượng của tranzito và có giá trị càng gần 1 với các tranzito loại
tốt.
38
Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng điện IB tới dòng colectơ IC người ta
định nghĩa hệ số khuếch đại dòng điện b của tranzito.
b = IC / IB (2:39)
b thường có giá trị trong khoảng vài chục đến vài trăm. Từ các biểu thức (2-37), (2-
38), (2-39) có thể suy ra vài hệ thức hay được sử dụng đối với tranzito:
IE = IB (1 + b) (240)
a = b / (1+ b) (2-41)
c) Cách mắc tranzito và tham số ở chế đố tín hiệu nhỏ
Khi sử dụng về nguyên tắc có thể lấy 2 trong sô 3 cực của tranzito là đầu vào và
cực thứ 3 còn lại cùng với một cực đầu vào làm đầu ra. Như vậy có tất cả 6 cách mắc
mạch khác nhau. Nhưng dù mắc thế nào cũng cần có một cực chung cho cả đầu vào
và đầu ra. Trong số 6 cách mắc ấy chỉ có 3 cách là tranzito có thể khuếch đại công
suất đó là cách mắc chung emitơ (EC), chung bazơ (BC), chung colectơ (CC) như hình
2.19. Ba cách mắc còn lại không có ứng dụng trong thực tế.
U2 (ra) U2 (ra)
U1 (vao) U1 (vao) U2 (ra)
U1 (vao)
Echung Bchung Cchung
Hình 2.19: Phương pháp mắc tranzito trong thực tế
Từ trái sang phải : Chung emitơ, chung bazơ, chung colectơ
Từ cách mắc được dùng trong thực tế của tranzito về mặt sơ đồ có thể coi
tranzito là một phần tử 4 cực gần tuyến tính có 2 đầu vào và 2 đầu ra (h.2.20).
U1 (vao) T U2 (ra)
Hình 2.20: Tranzito như mạng bốn cực
Có thể viết ra 6 cặp phương trình mô tả quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của
mạng 4 cực trong đó dòng điện và điện áp là những biến số độc lập. Nhưng trong
thực tế tính toán thường dùng nhất là 3 cặp phương trình tuyến tính sau:
Cặp phương trình trở kháng có được khi coi các điện áp là hàm, các dòng điện là
biến có dạng sau:
U1 = f(I1 , I2) = r11 I1 + r12 I2
U2 = f(I1 , I2) = r21 I1 + r22 I2
39
Cặp phương trình dẫn nạp có được khi coi các dòng điện là hàm của các biến điện áp
I1 = f(U1 , U2) = g11 . U1 + g12 . U2
I2 = f(U1 , U2) = g21 . U1 + g22 . U2
Cặp phương trình hỗn hợp
U1 = f(I1 , U2) h11 h12 I1
U2 = f(I1 , U2) h21 h22 U2
trong đó rij , gij , và hij tương ứng là các tham số trở kháng dẫn nạp và hỗn hợp của
tranzito.
Bằng cách lấy vi phân toàn phần các hệ phương trình trên, ta sẽ xác định được
các tham số vi phân tương ứng của tranzito. Ví dụ :
∂ U2 1
r22 = = gọi là điện trở ra vi phân (2-42)
∂I2 I1
= const h22
∂I 2 1
g22 = = = S được gọi là hỗ dẫn truyền đạt (2-43)
∂U 2 U2 =
const r12
∂U1
r11 = = h11 là điện trở vào vi phân (2-44)
∂I1 I2
=const
∂I 2
h21 = = β là hệ số khuếch đại dòng điện vi phân (2-45)
∂I2 U2
=const
Khi xác định đặc tuyến tĩnh (chế độ chưa có tín hiệu đưa tới) của tranzito, dùng
hệ phương trình hỗn hợp là thuận tiện vì khi đó dễ dàng xác định các tham số của hệ
phương trình này.
d) Đặc tuyến tĩnh dựa vào các hệ phương trình nêu trên có thể đưa ra các tuyến tĩnh
của tranzito khi coi một đại lượng là hàm 1 biến còn đại lượng thứ 3 coi như một tham
số. Trong trường hợp tổng quát có 4 họ đặc tuyến tĩnh:
Đặc tuyến vào U1 = f(I1) |U2=const
Đặc tuyến phản hồi U1 = f(U2) |I1=const (2-46)
Đặc tuyến truyền đạt I2 = f(I1)│U2=const
Đặc tuyến ra I2 = f(U2) │I1=const
Tùy theo cách mắc tranzito mà các quan hệ này có tên gọi cụ thể dòng điện và điện
áp khác nhau, ví dụ với kiểu mắc EC : đặc tuyến vào là quan hệ IB = f(UBE)│UCE =
const hay đặc tuyến ra là quan hệ IC = f(UCE)│IB = const …
Bảng (2.1) dưói đây cho các phương trình của họ đặc tuyến tương ứng suy ra từ
hệ phương trình hỗn hợp trong các trường hợp mắc mạch BC, EC và CC.
40
Bảng 2.1. Quan hệ hàm xác định họ đặc tuyến tĩnh của tranzito
Tổng quát BC EC CC
U1= f(I1)│U2=const UEB = f(IE)│UCB UBE = f(IB)│UCE UBC = f(IB)│UEC
U1= f(U2)│I1=const UEB = f(UCB)│IE UBE = f(UCE)│IB UBC = f(UEC)│IB
I2 = f(I1)│U2=const IC= f(IE)│UCB IC = f(IB)│UCE IE = f(IB)│UEC
I2 = f(U2)│I1=const IC = f(UCB)│IB IC = f(UCE)│IB IE = f(UEC)│IB
Có thể xây dựng sơ đồ tương đương xoay chiều tín hiệu nhỏ của tranzito
theo hệ phương trình tham số hỗn hợp
∆U1 = h11∆I1 + h22∆U2 (2-47)
∆I2 = h2∆I1 + h22∆U2
Dạng như trên hình 2.21.
Hình 2.12: Sơ đồ tương đương mạng 4 cực theo tham số h
Chú ý: đối với các sơ đồ EC, BC, CC các đại lượng ∆I1, ∆U1, ∆I2, ∆U2 tương
đương với các dòng vào (ra), điện áp vào (ra) của từng cách mắc. Ngoài ra còn có thể
biểu thị sơ đồ tương đương của tranzito theo các tham số vật lý. Ví dụ với các kiểu
mắc BC có sơ đồ 2.22
Hình 2.22: Sơ đồ tương đương mạch BC
41
Ở đây:
- rE là điện trở vi phân của tiếp giáp emitơ và chất bán dẫn làm cực E.
- rB điện trở khối của vùng bazơ.
- rC(B) điện trở vi phân của tiếp giáp colectơ.
- CC(B) điện dung tiếp giáp colectơ.
- aIE nguồn dòng tương đương của cực emitơ đưa tới colectơ.
Mối liên hệ giữa các tham số của hai cách biểu diễn trên như sau khi ∆U2 = 0 với
mạch đầu vào ta có : ∆U1 = ∆I1 [rE + (1- a)rB]
hay h11 = ∆U1/∆I1 = [rE + (1- a)rB ]
với mạch đầu ra : ∆I2 = a.∆I1 do đó a = h21 khi ∆I1 = 0
Dòng mạch ra ∆I2 = ∆U2 /(rC(B)+ rB) ≈ ∆U2 /tC(B) do đó
h22 = 1/r c(B)
và ∆U1 = ∆I2.rB nên ta có h12 = rB / rC(B)
∆U2 = ∆I2.rC(B)
2.2.2. Các dạng mắc mạch cơ bản của tranzito
a - Mạch chung emitơ (EC)
Trong cách mắc EC, điện áp vào được mắc giữa cực bazơ và cực emitơ, còn
điện áp ra lấy từ cực colectơ và cực emitơ. Dòng vào, điên áp vào và dòng điện ra
được đo bằng các miliampe kế và vôn kế mắc như hình 2.23. Từ mạch hình 2.23, có
thể vẽ được các họ đặc tuyến tĩnh quan trọng nhất của mạch EC :
IB mA
UCE = 2V
UCE = 6V
UCE (ra)
UBE (vao) 10
E UBE V
1
Hình 2.23: Sơ đồ Ec Hình 2.24: Họ đặc tuyến vào Ec
42
Để xác định đặc tuyến vào, cần giữ nguyên điện áp UCE, thay đổi trị số điện áp
UBE ghi các trị số IB tương ứng sau đó dựng đồ thị quan hệ này, sẽ thu được kết quả
như hình 2.24. Thay đổi UEC đến một giá trị cố định khác và làm lại tương tự sẽ được
đường cong thứ hai. Tiếp làm tục như vậy sẽ có một họ đặc tuyến vào của tranzito
mắc chung emitơ.
Từ hình 2.24, có nhận xét đặc tuyến vào của tranzito mắc chung emitơ giống
như đặc tuyến của chuyến tiếp p-n phân cực thuận, vì dòng IB trong trường hợp này là
một phần của dòng tổng IE chảy qua chuyển tiếp emitơ phân cực thuận (h 2.23). Ứng
với một giá trị UCE nhất định dòng IB càng nhỏ khi UCE càng lớn vì khi tăng UCE tức là
tăng UCB (ở đây giá trị điện áp là giá trị tuyệt đối) làm cho miền điện tích không gian
của chuyến tiếp colectơ rộng ra chủ yếu về phía miền bazơ pha tạp yếu. Diện áp UCB
càng lớn thì tỉ lệ hạt dẫn đến colectơ càng lớn, số hạt dẫn bị tái hợp trong miền bazơ
và đến cực bazơ để tạo thành dòng bazơ càng ít, do đó dòng bazơ nhỏ đi.
Để vẽ đặc tuyến ra của tranzito mắc CE, cần giữ dòng IB ở một trị số cố định nào
đó, thay đổi điện áp UCE và ghi lại giá trị tương ứng của dòng IC kết quả vẽ được
dường cong sự phụ thuộc của IC vào UCE với dòng IC coi dòng IB là tham số như hình
2.25. Từ họ đặc tuyến này có nhận xét sau : Tại miền khuyếch đại độ dốc của đặc
tuyến khá lớn vì trong cách mắc này dòng IE không giữ cố định khi tăng UCE độ rộng
hiệu dụng miền bazơ hẹo lại làm cho hạt dẫn đến miền colectơ nhiều hơn do đó dòng
IC tăng lên. Klhi UCE giảm xuống 0 thì IC cũng giảm xuống 0 (các đặc tuyến đều qua
gốc tọa độ ). Sở dĩ như vậy vì điện áp ghi trên trục hoành là UCE= UCB + UBE như vậy
tại điểm uốn của đặc tuyến, UCB giảm xuống 0, tiếp tục giảm UCE sẽ làm cho chuyển
tiếp colectơ phân cực thuận. Điện áp phân cực này đẩy những hạt dẫn thiểu số tạo
thành dòng colectơ quay trở lại miền bazơ,kết quả khi UCE = 0 thì IC cũng bằng 0.
ngược lại nếu tăng UCE lên quá lớn thì dòng IC sẽ tăng lên đột ngột (đường đứt đoạn
trên hình 2.25), đó là miền đánh thủng tiếp xúc (điốt) JC của tranzito.(Tương tự như
đặc tuyến ngược của điốt, khi UCE tăng quá lớn tức là điện áp phân cực ngược UCB
lớn lớn tới một giá trị nào đó, tại chuyển tiếp colectơ sẽ sảy ra hiện tương đánh thủng
do hiệu ứng thác lũ và hiệu ứng Zener làm dòng IC tăng đột ngột ). Bởi vì khi tranzito
làm việc ở điện áp UCE lớn cần có biện pháp hạn chế dòng IC để phồng tránh tranzito
bị hủy bởi dòng IC quả lớn.
UCE = 6V
IC mA
UCE = 2V IB =60mA
4 IB =40mA
IB mA IB =20mA
100 5 UCE V
Hình 2.25: Đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt của tranzito mắc Ec
43
Đặc tuyến truyền đạt biểu thị mối quan hệ giữa dòng ra (IC) và dòng vào IB khi
UCE cố định. Đặc tuyến này có thể nhận được bằng cách giữ nguyên diện áp UCE, thay
đổi dòng bazơ IB ghi lại giá trị tương ứng IC trên trục tọa độ, thay đổi các giá trị của
UCE làm tương tự như trên có họ đặc tuyến truyền đạt, cũng có thể suy ra họ đặc
tuyến này từ các đặc tuyến ra (h 2.25). Cách làm như sau : tại vị trí UCE cho trước trên
đặc tuyến ra vẽ đường song song với trục tung, đường này cắt họ đặc tuyến ra ở
những điểm khác nhau. Tương ứng với các giao điểm này tìm được giá trị IC. Trên hệ
tạo độ IC, IB có thể vẽ được nhữnh điểm thảo mãn cặp trị số IC, IB vừa tìm được, nối
các điểm này với nhau sẽ được đặc tuyến truyền đạt cần tìm.
b - Mạch chung bazơ
Tranzito nối mạch theo kiểu chung bazơ là cực bazơ dùng chung cho cả đầu vào
và đầu ra. Tín hiệu vào được đặt giữa hai cực emitơ và bazơ, còn tín hiệu ra lấy từ
cực colectơ và bazơ. Để đo điện áp ở đầu ra và đầu vào từ đó xác định các họ đặc
tuyến tĩnh cơ bản của tranzito mắc chung bazơ (BC) người ta mắc những vôn kế và
miliampe kế như hình 2.26.
IE mA
UCB = 6V
UEB (vao) UCB(ra) UCB = 1V
3
B
UBEV
-1
Hình 2.26: Sơ đồ Bc Hình 2.27: Họ đặc tuyến vào Bc
Dựng đặc tuyến vào trong trưòng hợp này là xác định quan hệ hàm số IE =f(UEB)
khi điện áp ra UCB cố định. Muốn vậy cần giữ UCB ở một giá trị không đổi, thay đổi giá
trị UBE sau đó ghi lại giá trị dòng IE tương ứng. Biểu diễn kết quả này trên trục tọa độ IE
(UEB) sẽ nhận được đặc tuyến vào ứng với trị UCB đã biết. Thay đổi các giả trị cố định
của UCB làm tương tự như trên sẽ được họ đặc tuyến vào như hình 2.27.
Vì chuyển tiếp emitơ luôn phân cực thuận cho nên đặc tuyến vào của mạch
chung bazơ cơ bản giống như đặc tuyến thuận của điốt. Qua hình 2.26 còn thấy rằng
ứng với điện áp vào UEB cố định dòng vào IE càng lớn khi điện áp UCB càng lớn, vì điện
áp UCB phân cực ngược chuyển tiếp colectơ khi nó tăng lên làm miền điện tích không
gian rộng ra, làm cho khoảng cách hiệu dụng giữa emitơ và colectơ ngắn lại do đó làm
dòng IE tăng lên.
Đặc tuyến ra biểu thị quan hệ IC= f(UCB) khi giữ dòng vào IE ở một giá trị cố định.
Căn cứ vào hình 2.26, giữ dòng IE ở một giá trị cố định nào đó biến đổi giá trị của UCB
ghi lại các giá trị IC tương ứng, sau đó biểu diễn kết quả trên trục tọa độ IC – UCB sẽ
được đặc tuyến ra. Thay đổi các giá trị IE sẽ được họ đặc tuyến ra như hình 2.28.
Từ hình 2.28 có nhận xét là đối với IE cố định, IC gần bằng IE. Khi UCB tăng lên IC
chỉ tăng không đáng kể điều này nói lên rằng hầu hết các hạt dẫn được phun vào miền
bazơ từ miền emitơ đều đến được colectơ. Dĩ nhiên dòng IC bao giờ cũng phải nhỏ
44
hơn dòng IE. Khi UCB tăng làm cho đọ rộng miền điện tích không gian colectơ lớn lên,
độ rộng hiệu dụng của miền bazơ hẹp lại, số hạt dẫn đến được miền colectơ so với
khi UCB nhỏ hơn, nên dòng IC lớn lên. Cũng từ hình 2.28 còn nnhận xét rằng khác với
trường hợp đặc tuyến ra mắc CE khi điện áp tạo ra UCB giảm tới 0. Điều này có thể
giải thích như sau :
Khi điện áp ngoài UCB giảm đến 0, bản thân chuyển tiếp chuyển tiếp colectơ vẫn
còn điện thế tiếp xúc, chính điện thế tiếp xúc colectơ đã cuốn những hạt dẫn từ bazơ
sang colectơ làm cho dòng IC tiếp tục chảy. Để làm dừng hẳn IC thì chuyển tiếp
colectơ phải được phân cực thuận với giá trị nhỏ nhất là bằng điện thế tiếp xúc, khi ấy
điện thế trên chuyến tiếp colectơ sẽ bằng 0 hoặc dương lên,làm cho các hạt dẫn từ
bazơ không thể chuyển sang colectơ (IC= 0).
UCB = 6V IC mA
IE =3mA
UCB = 2V 3
IE =2mA
IE =1mA
IE mA
3 5 UCB V
Hình 2.29: Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của sơ đồ Bc
Miền đặc trưng trong đó chyển tiếp colectơ phân cực thuận gọi là miền bão hòa.
Nếu tăng điện áp ngược UCB đến một giá trị nhất định nào đó (gọi là điện áp
đánh thủng ) dòng IC tăng lên đột ngột có thể dẫn đến làm hỏng tranzito hiện tượng
đánh thủng này do mọt trong hai nguyên nhân : Hoặc là do hiệu ứng thác lũ hoặc hiệu
ứng Zener như trưnờng hợp điốt, hoặc là do hiện tượng xuyên thủng (do điện áp
ngược UCB lớn làm miền điện tích không gian của miền chuyển tiếp colectơ mở rộng
ra tới mức tiếp xúc với miền điện tích không gian chuyển tiếp emitơ, kết quả làm dòng
IC tăng lên đột ngột ).
Đặc tuyến truyền đạt chỉ rõ quan hệ hàm số giữa dòng ra và dòng vào IC=f(IE) khi
điện áp ra giữ cố định. Để vẽ đặc tuyến này có thể làm bằng hai cách : hoặc bằng
thực nghiệm áp dụng sơ đồ (2.25), giữ nguyên điện áp UCB thay đổi dòng vào IE, ghi
lại các kết quả tương ứng dòng IC, sau đó biểu diễn các kết quả thu được trên tạo độ
IC – IE sẽ được đặc tuyến truyền đạt. Thay đổi giá trị cố định UCB sẽ được họ đặc tuyến
truyền đạt như hình 2.29. Hoặc bằng cách suy ra từ đặc tuyến ra : từ điểm UCB cho
trước trên đặc truyến ta vẽ đường song song với trục tung, đường này sẽ cắt họ đặc
tuyến ra tại các điểm ứng với IE khác nhau từ các giao điểm này có thể tìm được trên
45
trục tung các giá trị IC tương ứng. Căn cứ vào các cặp giá trị IE, IC này có thể vẽ đặc
tuyến truyền đạt ứng với một điện áp UCB cho trước, làm tương tự với các giá trị UCB
khác nhau sẽ được họ đặc tuyến truyền đạt như hình 2.29.
c - Mạch chung colectơ (CC)
Mạch chung colectơ có dạng như hình 2.30, cực colectơ dung chung cho đầu
vào và đầu ra.
Để đo điện áp vào, dòng vào, dòng ra qua đó xác các đặc tuyến tĩnh cơ bản của
mạch CC dung các vôn kế và miliampe kế được mắc như hình 2.30.
IB mA
UEC = 21V
100 UEC =41V
UEC(ra)
UBC(vao)
C UBC V
-4
Hình 2.30: Sơ đồ Cc Hình 2.31: Họ đặc tuyến vào Cc
Đặc tuyến vào của mạch chung colectơ (CC) IB= f(UCB) khi điện áp ra UCE không
đổi có dạng như hình 2.31 nó có dạng khác hẳn so với các đặc tuyến vào của hai
cách mắc EC và BC xét trước đây. Đó là vì trong kiểu mắc mạch này điện áp vào UCB
phụ thuộc rất nhiều vào điện áp ra UCE (khi làm việc ở chế độ khuyếch đại điện áp
UCB đối với tranzito silic luôn giữ khoảng 0.7V, còn tranzito Gecmani vào khoảng 0.3V
trong khi đó điện áp UCE biến đổi trong khoảng rộng ). Ví dụ trên hình 2.31 hãy xét
trường hợp UEC = 2V tại IB = 100mA UCB = UCE –UBE = 2V – 0.7 V =1,3V
UEC = 6V IE mA
IB =60mA
UEC = 2V IB =40mA
4
IB =20mA
IB mA
100 5 UEC V
Hình 2.29: Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của sơ đồ Cc
46
Khi điện áp vào UCB tăng điện áp UBE giảm làm cho IB cũng giảm.
Đặc tuyến ra của tranzito mắc CC mô tả quan hệ giữa dòng IE và điện áp UCE khi
dòng vào IB không đổi. Đặc tuyến truyền đạt trong trường hợp này mô tả quan hệ giữa
dòng ra IE và dòng vào I B khi điện áp UCE không đổi. Trong thực tế có thể coi IC ≈ IE
cho nên đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt (trường hợp mắc chung colectơ ) tương
tự như trường hợp mắc chung emitơ (h 2.32).
2.2.3. Phân cực và ổn định nhiệt điểm công tác của tranzito
a – Nguyên tắc chung phân cực tranzito
Muốn tranzito làm việc như một phần tử tích cực thì các phần tử của tranzito phải
thảo mãn điều kiện thích hợp. những tham số này của tranzito như ở mục trước đã
biết, phụ thuộc rất nhiều vào điện áp phân cực các chuyển tiếp colectơ và emitơ. Nói
một cách khác các giá trị tham số phụ thuộc vào điểm công tác của tranzito. Một cách
tổng quát, dù tranzito được mắc mạch theo kiểu nào, muốn nó làm việc ở chế độ
khuyếch đại cần có các điều kiện sau:
- Chuyển tiếp emitơ – bazơ luôn phân cực thuận.
- Chuyển tiếp bazơ – colectơ luôn phân cực ngược.
Có thể minh họa điều này qua ví dụ xet tranzito, loại pnp (h.2.33). Nếu gọi UE,
UB, UC lần lượt là điện thế của emitơ, bazơ, colectơ, căn cứ vào các điều kiện phân
cực kể trên thì giữa các điện thế này phải thảo mãn điều kiện:
UE > UB >UC (2-48)
Hãy xết điều kiện phân cực cho từng loại mạch.
-Từ mạch chung bazơ hình 2.34 với chiều mũi tên là hướng dương của điện áp
và dòng điện, có thể xác định được cực tính của điện áp và dòng điện các cực khi
tranzito mắc CB như sau:
UEB = UE – UB > 0 IE > 0
UCB = UC – UB > 0 IC < 0 (2-49)
Căn cứ vào điều kiện (2-48) điện áp UCB âm, dòng IC cũng âm có nghĩa là hướng
thực tế của điện áp và dòng điện này ngược với hướng mũi tên trên hình 2.34.
- Từ mạch chung emitơ hình 2.35, lý luận tương tự như trên, có thể xác định
được cực tính của điện áp và dòng điện các cực như sau:
UBE = UB – UE < 0 IB < 0
UCE = UC – UE < 0 IC < 0 (2-50)
- Với mạch chung colectơ hình 2.36, căn cứ vào chiều qui định trên sơ đồ và điề
kiện 2-48 có thể viết:
UB – UC > 0 IB < 0
UCE = UC – UE < 0 IE < 0 (2-51)
47
Đối với tranzito npnđiều kiện phân cực để nó làm việc ở chế độ khuyếch đại là
UE < UB < UC (2-52)
Từ bất đẳnh thức (2-52) có thể thấy rằng hướng dòng điện và điện áp thực tế
trong tranzito pnp.
b - Đường tải tĩnh và điểm công tác tĩnh
Đường tải tĩnh được vẽ trên đặc tuyến ra tĩnh của tranzito để nghiên cứu dòng
điện và điện áp khi nó mắc trong mạch cụ thể nào đó (khi có tải ). Điểm công tác (hay
còn gọi là điểm tĩnh, điểm phân cực) là điểm nằm trên đường tải tĩnh xác định dòng
điện vào trên điện áp tranzito khi không có tìn hiệu đặt vào, nghĩa là xác định điều kiện
phân cực của tranzito.
Để hiểu rõ về đường tải tĩnh và điểm công tác tĩnh, ta hãy xét trường hợp tranzito
loại npn mắc chung emitơ như hình 2.37. Phương trình quan hệ ở dòng và áp ở mạch
có dạng:
UCE = ECC -ICRt (2-53)
Nếu như điện áp phân cực UBE làm cho tranzito khóa, khi ấy IC = 0 và UCE = ECC
– (0.Rt) = ECC = 20V. Như vậy điểm có tọa độ (IC = 0, UCE= 20V) là điểm A trên đặc
tuyến ra. Giả thiết rằng UBE tăng làm cho tranzito mở và IC= 0,5mA khi ấy UCE = 20V –
0,5mA.10kΩ = 20V – 5V = 15V, trên đặc tuyến ra đó là điểm B có tọa độ (0,5mA ; 15V)
Bằng cách tăng UBE, làm tương tự như trên có thể vẽ được ví dụ ứng với các tọa độ
sau :
Điểm C ứng với IC = 1mA ; UCE = 10V
Điểm D ứng với IC = 1,5mA ; UCE =5V
Điểm E ứng với IC = 2 mA ; UCE = 0V
Nối các điểm trên đây với nhau ta sẽ được một đường thẳng đó là đường tải tĩnh
với Rt =10 kW.
Có thể vẽ được bằng cách chọn 2 điểm đặc biệt, điểm cắt trục tung E (UCE = 0 ;
IC= UCC/Rt =2mA) và điểm cắt trục hoành A (UCE= UCC =20V ; IC=0A). Qua những điểm
phân tích trên thấy rằng đường tải chính là đường biến thiên của dòng IC theo điện áp
UCE ứng với điện trở tải Rt và điện áp nguồn ECC nhất định. Trong ba giá trị IB, IC và
UCE chỉ cần biết một rồi căn cứ vào từng giá trị tải xác định hai giá trị còn lại. Cần nhấn
mạnh là đường tải vẽ ở hai trường hợp trên chỉ đúng trong trường hợp UCC = 20V và
Rt = 10kW. Khi thay đổi các điều kiện này phải vẽ các đường tải khác.
Khi thiết kế mạch, điểm công tác tĩnh là điểm được chọn trên đường tải tĩnh. Như
trên đã nói, điểm này xác định giá trị dòng Ic và điện áp UCE khi không có tín hiệu đặt
vào. Khi có tín hiệu đặt vào, dòng IB biến đổi theo sự biển đối của biên độ tín hiệu, dẫn
48
tới dòng Ic biến đổi, kết quả là điện áp ra trên tải biến đổi giống như quy luật biến đổi
của tín hiệu đầu vào.
IC mA
ECC/ Rc//Rt
IBmax
M
·
P IB0
IC0 ·
N IB =0mA
·
UCE V
UC0 ECC
Hình 2.38: Chọn điểm công tác tĩnh
Với sơ đồ nguyên lí như hình 2.37a trên đường tải tĩnh 10kW giả thiết chọn điểm
công tác tĩnh Q như hình 2.38. ứng với điểm Q này IB = 20mA ; Ic = 1mA và UCE = 10V.
Khi IB tăng từ 20mA đến 40mA, trên hình 2.38 thấy Ic có giá trị bằng l,95mA và UCE
= Ucc - ICRT = 20V - l,95mA . 10kW = 0,5V. Có thể thấy rằng khi DIB = + 20mA dẫn tới
DUCE = -9,5V. Khi IB giảm từ 20mA xuống 0 thì Ic giảm xuống chỉ còn O,05mA và UCE =
20V - (0,05mA.10kW) = 19,5V, tức là khi IB giảm đi một lượng là DIB = 20mA làm cho
Uc tăng lên một lượng DUc = + 9,5V.
Tóm lại, nếu chọn điểm công tác tĩnh Q như trên thì ở đầu ra của mạch có thể
nhận được sự biến đổi cực đại điện áp DUc = + 9,5V. Nếu chọn điểm công tác tĩnh
khác. Ví dụ Q' tại đó có Ic . = 0,525 mA ; UCE = 14,75V. Tính toán tương tự như trên ta
có DIB = ± 10mA và DUc = 14,75V. Nghĩa là biên độ biến đổi cực đại của điện áp ra
đảm bảo không méo dạng lúc này chỉ là ±4,75V.
49
Như vậy việc chọn điểm công tác tĩnh trên hoặc dưới điểm Q sẽ dẫn tới biến
thiên cực đại của điện áp ra trên tải (đảm bảo , không méo dạng) đểu nhỏ hơn 9,5v,
hay để có biên độ điện áp ra cực đại, không làm méo dạng tín hiệu, điểm công tác tĩnh
phải chọn ở giữa đường tải tĩnh. Cũng cần nói thêm là khi điện áp ra không yêu cầu
nghiêm ngặt về độ méo thì điểm công tác tĩnh có thể chọn ở những điểm thích hợp
trên đường tải.
Mạch thí nghiệm: Khảo sát ba cách mắc tranzito
c - Ổn định điểm công tác tĩnh khi nhiệt độ thay đổi
Tranzito là một linh kiện rất nhạy cảm với nhiệt độ vì vậy trong những sổ tay
hướng dẫn sử dụng người ta thường cho dải nhiệt độ làm việc cực đại của tranzito.
Ngoài giới hạn nhiệt độ kể trên tranzito sẽ bị hỏng hoặc không làm việc. Ngay cả trong
khoảng nhiệt độ cho phép tranzito làm việc bình thường thì sự biến thiên nhiệt độ
cũng ảnh hưởng đến tham số của tranzito. Hai đại lượng nhạy cảm với nhiệt độ nhất
là điện áp emitơ-bazơ UBE và dòng ngược ICBO (Xem phần 2.1). Ví dụ đối với tranzito
silic, hệ số nhiệt độ của UBE (DUBE/DT) là 2,2mV/OC, còn đối với tranzito gecmani là
-l,8mV/OC. Đối với ICBO nói chung khi nhiệt độ tăng lên 10OC giá trị dòng ngược này
tăng lên hai lần.
50
