1 Chương 10: Phân cực tranzito bằng dòng emit ơ (tự phân c ự c) Mạch phân cực tranzito bằng dòng emitơ có dạng như hình 2.42. Điện R 1, R 2 t ạ o thành một bộ phân áp cố đ ị nh tạo U B đặt vào Bazơ tranzito từ điện áp nguồn E CC. Đ i ệ n trở R E mắc nối tiếp với cực emitơ của tranzito có điện áp rơi trên nó là U E = I E R E Vậy: I E = (U B – U BE )/R E (2-76) Nếu thỏa mãn điều kiện U B ≥ U BE thì I E ≈ U BE /R E (2-77) và rất ổn đ ị nh . Đ ể tiện cho việc phân tích tiếp theo có thể vẽ sơ đồ tương đ ươ ng của hình 2.42 như hình 2.43 bằng cách áp dụng đ ị nh lý Tevenin trong đó : R B = R 1 . R 2 R 1 + R 2 (2-78) U B = R 1 . E cc R 1 + R 2 (2-79) 2 Hình 2.42: Phân cực bằng dòng I E Hình 2.43: Sơ đồ tương đương t ĩ nh Vấn đề ở đây là phải chọn R 1 và R 2 thế nào để đảm bảo cho U B ổn đ ị nh . Từ hình 2.42 thấy rõ phải chọn R 1 và R 2 sao cho R B không lớn hơn nhiều so với R E , nếu không sự phân cực của mạch lại tương tự như trường hợp phân cực dòng cố đ ị nh . Để có U B ổn đ ị nh cần chọn R 1 và R 2 càng nhỏ càng tốt, nhưng để đảm bảo cho điện trở vào c ủ a mạch đủ lớn thì R 1 và R 2 càng lớn càng tốt. Để dung hòa hai yêu cầu mâu thuẫn này trong thực tế thường chọn R B = R E . 3 Căn cứ vào sơ đồ tương đương (h.2.43) để phân tích mạch phân cực dòng emitơ. Tổng điện áp rơi trong mạch bazơ b ằ ng : U B = I B R B + U BE + (I C + I B )R E (2- 80) Trong đó đã thay I E = I C + I B nếu như biết h 21e có thể biến đổi (2-80) thành U B = I B [ R B +(h 21e + 1)R E ] + U BE + I CO (h 21e + 1) . R E (2-81) Trước khi phân tích hãy chú ý là điện áp U BE trong trường hợp phân cực này không thể bỏ qua như những trường hợp khác. Trong quá trình làm việc chuyển t i ế p emitơ luôn phân cực thuận cho nên tổng điện áp một chiều ở đầu vào của mạch này là U B . Trong hầu hết các trường hợp U B nhỏ hơn E CC nhiều lần. Trước đây có thể b ỏ qua U BE vì nó quá nhỏ so với E CC , nhưng trong trường hợp này U BE độ lớn vào cỡ U B cho nên không thể bỏ qua được. Số hạng cuối cùng trong (2-81) chứa I CO t h ườ ng được bỏ qua vì trong thực tế dòng ngược rất nhỏ (với tranzito silic dòng này ch ỉ có vài nano ampe ). Cũng từ sơ đồ tương đương hình 2.43 có điện áp giữa emitơ và đất bằng I E. R E. Dòng emitơ I E = I C + I B = (h 21e +1)I B (bỏ qua được dòng ngược I CO ). Như vậy điện áp giữa emitơ và đất có thể viết U E = (h 21e +1)I B .R E . Đại lượng (h 21e +1) là đại l ượ ng không thứ nguyên nên có thể liên hệ với I B tạo thành dòng (h 21e + 1) hoặc liên hợp v ớ i R E tạo thành điện trở (h 21e +1)I B . Nếu quan niệm như vậy thì có thể nói rằng điện áp giữa emitơ và đất là điện áp do dòng (h 21e +1)I B rơi trên điện trở R E hay do dòng I B r ơ i trên điện trở (h 21e +1)R E. Nếu thành phần điện áp gây ra bởi I CO trong biểu thức (2- 81) có thể bỏ qua thì biểu thức này có thể minh họa bằng sơ đồ tương đương hình 2.44. Ở đây điện trở R E - trong nhánh emitơ biến thành điện trở (h 21e +1)R E trong mạch bazơ. Một cách t ổ ng quát, bất kỳ một điện kháng nào trong mạch emitơ đều có thể biến đổi sang m ạ ch bazơ bằng cách nhân nó với (h 21e +1). Từ hình 2.44 và biểu thức (2-81) có thể tìm thấy dòng bazơ tại điểm phân c ự c . U U I BQ = Từ đó tính ra đ ượ c B BE R B + (h21e + 1)R E (2-82) I CQ = h 21e .I BQ (2- 83) Từ sơ đồ tương đương hình 2.44 trong mạch colectơ có 4 thể viết : E CC = I C .R t + U E + I E R E (2-86) Biết rằng I C thường lớn hơn I B rất nhiều lần cho nên ở đây có thể bỏ qua thành phần điện áp do I B gây ra trên R E . Như vậy (2-86) được viết thành : E CC = (R t + R E ). I C + U CE (2-87) 5 R B E Hình 2.44: Sơ đồ tương đương mạch Bc Biểu thức (2-87) chính là biểu thức đường tải tĩnh của mạch phân cực b ằ ng dòng emitơ. Nếu dòng E CQ và U CEQ là dòng điện và điện áp ứng với điểm công tác tĩnh thì có thể viết (2- 87) thành dạng : U ECQ = E cc - (R t + R E ). I CQ (2- 88) Căn cứ vào biểu thức (2-88) có thể tính được điều kiện phân cực tĩnh c ủ a tranzito khi biết hệ số khuếch đại h 21e và loại tranzito. Sau đây xét độ ổn đ ị nh nhiệt của mạch phân cực bằng dòng emitơ, có thể viết lại (2- 80) ở dạng : I C = U B - U BE - I B (R B R E + R E ) Do đ ó U U R I B = B B E I B (2-89) R B + R E C + R Lấy đạo hàm riêng biểu thức này theo I c và một lần nữa chú ý rằng U BE không đổi sẽ được : I B = R E = 1 I E R B + R E k 2 (2-90) Theo đ ị nh nghĩa của hệ số ổn đ ị nh nhiệt thì trong trường hợp này: 6 h + 1 S = 21e (2-91) 1+ (h 21e k 2 ) 60 Từ (2-91) thấy rằng hệ số ổn đ ị nh nhiệt tiến tới cực tiểu (độ ổn đ ị nh cao nhất) khi k 2 có giá tr ị nhỏ nhất. Điều ấy có nghĩa là để cho mạch ổn đ ị nh , phải thiết kế sao cho R E có giá tr ị càng lớn càng tốt, và giá tr ị R B càng nhỏ càng tốt. Hệ số k 2 không bao gi ờ nhỏ hơn 1, giá tr ị này ch ỉ dẫn tới 1 (ứng với trường hợp R E rất lớn và R B rất nhỏ ) t ừ đó suy ra rằng hệ số ổn đ ị nh S ch ỉ có thể giảm nhỏ tới giới hạn là 1. Một nhận xét quan trọng nữa là hệ số ổn đ ị nh S không phụ thuộc vào R t nghĩa là không phụ t hu ộ c vào điểm công tác. Hình 2.45:Dùng tụ ngăn hồi tiếp âm trên Re a) Ngắn mạch hoàn toàn b) Ngắn mạch một ph ầ n Hình 2.46: Dùng điôt bù nhi ệ t 61 Ở trên đã nói vấn đề nâng cao độ ổn đ ị nh nhiệt của loại mạch này bằng cách tăng R E và giảm R B . Bản chất của sự ổn đ ị nh nhiệt trong loại mạch này chính là dòng phản hồi âm qua điện trở R E. Tăng R E có nghĩa là tăng phản hồi âm do đó làm giảm tín hiệu khuếch đại xoay chiều của mạch. Để khắc phục mâu thuẫn này trong thực tế có thể dùng hai mạch như hình 2.45a,b. Dùng kiểu mạch này có thể loại trừ hoặc gi ả m nhỏ tác dụng phản hồi âm đối với tín hiệu xoay chiều (xem phần 2.3), do đó không làm giảm hệ số khuếch đại tín hiệu xoay chiều của mạch. Giá tr ị C E phân mạch ở đ ây phải chọn đủ lớn sao cho đối với tín hiệu xoay chiều thì trở kháng của nó gần nh ư bằng 0, ngược lại với dòng một chiều thì coi như hở m ạ ch . Thực tế thường gặp trường hợp phải thiết kế mạch phân cực khi biết các đ i ề u kiện phân cực cũng như hệ số khuếch đại của tranzito. Ở những phần trên ch ỉ xét ảnh hưởng của nhiệt độ đến dòng I CO . Sau đây s ẽ trình bày ảnh hưởng của nhiệt độ đến dòng U BE và hệ số khuếch đại h 21e . Đối với c ả hai loại tranzito, làm từ silic và gecmani, khi nhiệt độ tăng U BE giảm, còn h 21e lại t ă ng . Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các tham số của tranzito silic công tác trong khoảng - 65˚C đến +175˚C còn tranzito thì từ -63˚C đến +75˚C. Sự khác nhau nữa là tr ị số I CO và U BE của tranzito silic và tranzito gecmani biến thiên ngược nhau khi nhiệt độ thay đổi. Bảng (2-4) liệt kê những giá tr ị điển hình của I CO, U BE và h 21e của tranzito silic và gecmani ở những nhiệt độ khác nhau. Bảng 2 – 4 Giá tr ị điển hình của một tham số ch ị u ảnh hưởng của nhiệt độ Vật liệu làm t r an z i t o I CO (A) U BE (V) h 2 t, ˚ C Si G e Si G 10 − 6 10 − 3 10 − 2 0 . 8 0 . 4 0 . 6 20 15 50 50 10 0 - 6 . 5 - 6 . 5 + 2 5 Từ bảng 2- 4 có nhận xét: Ở nhiệt độ phòng đối với tranzito silic I CO ch ỉ cỡ nano ampe, cho nên nếu có thay đổi thì cũng không ảnh hưởng đáng kể đến I C và ả nh hưởng của nhiệt độ đến điêm công tác tĩnh của tranzito chủ yếu thông qua U BE . Đ ể khắc phục ảnh hưởng này trên thực tế thường mắc nối tiếp emitơ một điôt silic phân cực thuận có chiều ngược với chuyển 62 tiếp emitơ như hình 2.46. Bằng cách mắc nh ư vậy có thể thấy rằng sự thay đổi điện áp thuận trên 2 cực điôt có thể bù trừ sự bi ế n đổi U BE của tranzito do nhiệt độ gây ra. Điôt bù nhiệt ở sơ đồ này luôn được phân c ự c thuận bởi nguồn E DD cho nên điện trở thuận của nó rất nhỏ. Sơ đồ này hoàn toàn tương đương với sơ đồ phân cực bằng dòng emitơ đã xét ở phần trên. Đối v ớ i tranzito gecmani thì ngược lại, tại nhiệt độ phòng I CO khá lớn cho nên khi nhiệt độ thay đổi ảnh hưởng của dòng I CO đến tham số của tranzito chiếm ưu thế. Để ổn đ ị nh nhi ệ t 63 B độ cho sơ đồ, người thiết kế phải chú ý chủ yếu đến việc giảm hệ số ổn đ ị nh nhiệt độ S. Qua bảng (2-4) trên đây có thể thấy rằng hệ số khuếch đại dòng h 21e phụ t hu ộ c vào rất nhiều vào nhiệt độ. Hơn nữa ngay ở cùng một nhiệt độ, tranzito có cùng lo ạ i ký hiệu (được chế tạo như nhau) nhưng hệ số h 21e của từng chiếc có thể hơn kém nhau vài ba lần. Như đã biết hệ số h 21e ảnh hưởng nhiều đến điểm công tác tĩnh c ủ a tranzito. Bởi vậy để ổn đ ị nh điểm công tác tĩnh, người thiết kế phải chú ý đến sự thay đổi hệ số h 21e có thể có của loại tranzito dùng trong mạch điện. Để đ ị nh lượng sự ph ụ thuộc của I C vào h 21e , giả thiết rằng các giá tr ị của U CC và R t đã biết hệ số khuếch đ ạ i dòng của tranzito biến thiên từ h 21e1 đến h 21e2 bỏ qua I CO (gọi I C1 là dòng ứng v ớ i trường hợp hệ số khuếch đại h 21e1 và I C2 ứng với h 21e2 ) tính được : U U I C1 = h 21e1 B BE R B + (h 21e1 + 1)R E (2-92) U U I C2 = h 21e2 B BE R B + (h 21e1 + 1)R E (2-93) Lấy hiệu số của (2-92) và (2-93), đ ượ c : ( U B U BE )( h 21 e 2 h 21 e 1 )(R B + R E ) (2-94) I C = [ R + (h 21e 1 + 1)R E ][ R B + ( h 21 e 2 + 1)R E ] Đem chia biểu thức (2-94) cho (2-92) sẽ được biểu thức cho sự biến thiên t ươ ng đối của dòng I C . I C h 21e1 - h 21e2 (2-95) I C1 = h 2 1e 1 (1 + h 21e1 .R E ) R B + R E Nhận xét biểu thức (2-95) thấy nó có chứa số hạng gần giống như biểu thức đ ị nh nghĩa về sự ổn đ ị nh S; có thể biến đổi vế phải của (2-95) thành: [...]... nguồn điện áp ngoài là UDS > 0 và UGS < 0 như hình vẽ (với 65 kênh P, các chiều điện áp phân cực sẽ ngược lại, sao cho tiếp giáp p-n bao quanh kênh dẫn luôn được phân cực ngược) Do tác dụng của các điện trường này, trên kênh dẫn xuất hiện 1 dòng điện (là dòng điện tử với kênh n) hướng từ cực D tới cực S gọi là dòng điện cực máng ID Dòng ID có độ lớn tuỳ thuộc vào các giá trị UDS và UGS vì độ dẫn điện. .. là tranzito đơn cực FET) hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng trường, điều khiển độ dẫn điện của đơn tinh thể bán dẫn nhờ tác dụng của 1 điện trường ngoài Dòng điện trong FET chỉ do một loại hạt dẫn tạo ra Công nghệ bán dẫn, vi điện tử càng tiến bộ, FET càng tỏ rõ nhiều ưu điểm quang trọng trên hai mặt xử lý gia công tín hiệu với độ tin cậy cao và mức tiêu hao năng lượng cực bé Phần này sẽ trình bày... IDmax là dòng điện ứng với điểm B trên đặc tuyến ra (đường ứng với giá trị UGS = 0) ; Giá trị IDmax khoảng ≤ 50mA; • Điện áp máng - nguồn cực đại cho phép và điện áp của nguồn UGSmax UDSmax = UB/(1,2 ÷ l,5) (cỡ vài chục Vôn) 71 ở đây UB là điện áp máng nguồn ứng với điểm B • Điện áp khóa UGSO (hay Up) (bằng giá trị UDSO ứng với đường UGS = 0) 72 Tham số làm việc gồm có: • Điện trở trong hay điện trở vi... vì độ dẫn điện của kênh phụ thuộc mạnh cả hai điện trường này Nếu xét riêng sự phụ thuộc của ID vào từng điện áp khi giữ cho 66 điện áp còn lại không đổi (coi là một tham số) ta nhận được hai hệ hàm quan trọng nhât của JFET là : ID = GS = const f1(UDS)│U = const ID = GS f2(UGS)│U ID mA 10 UDS = 10V UGS= 0V UGS= -1V Tăng U 8 DS UGS= 2V ID mA 4 UDS V -4 10 -2 UG S0 UGS V Hình 2.48: Họ đặc tuyến ra và... dụng điều khiển của điện áp cực cửa tới dòng cực máng, giá trị điển hình với JFET hiện nay là S = (7 - 10) mA/V Cần chú ý giá trị hỗ dẫn S đạt cực đại S = So lúc giá trị điện áp UGS lân cận điểm 0 (xem dạng đặc tuyến truyền đạt của JFET hình 2.48b) và được tính bởi So = 2IDO/UGSO • Điện trở vi phân đầu vào: ∂U = rvào S G ∂I G r vào do tiếp giáp p-n quyết định, có giá trị khoảng 109 Ω • Ở tần số làm việc... cao hơn so với đế) và lấy ra hai điện cực là D và S Hai vùng này được nối thông với nhau nhờ một kênh dẫn điện loại n có thể hình thành ngay trong quá trình chế tạo (loại kênh đặt sẵn hình 2.50a) hay chỉ hình thành sau khi đã có 1 điện trường ngoài (lúc làm việc trong mạch điện) tác động (loại kênh cảm ứng - hình 2.50 b) Tại phần đối diện với kênh dẫn, người ta tạo ra điện cực thứ ba là cực cửa G sau... kể trên Ngoài ra biểu thức này còn cho phép người thiết kế tính được giá trị của điện trở cần thiết giữ cho dòng IC biến đổi trong một phạm vi nhất định khi h21e thay đổi 64 2.2.4 Tranzito trường (FET) Khác với tranzito lưỡng cực đã xét ở phần trên mà đặc điểm chủ yếu là dòng điện trong chúng do cả hai loại hạt dẫn (điện tử và lỗ trống tự do) tạo nên, qua một hệ thống gồm hai mặt ghép p-n rất gần nhau... vực gần cực D do điện áp ngược đặt lên tiếp giáp p-n tại vùng này là lớn nhất Qua đồ thị đặc tuyến ra, ta rút ra mấy nhận xét sau: 68 - Khi đặt trị số UGS âm dần, điểm uốn A xác định ranh giới hai vùng tuyến tính và bảo hoà dịch gần về phía gốc toạ độ Hoành độ điểm A (ứng với 1 trị số nhất định của UGS) cho xác định 1 giá trị điện áp gọi là điện áp bảo hoà cực máng UDS0 (còn gọi là điện áp thắt kênh)... tới điện dung giữa các cực CDS và CGD (cỡ pf) b - Tranzito trường có cực cửa cách li (MOSFET) - Cấu tạo và kí hiệu quy ước: Đặc điểm cấu tạo của MOSFET có hai loại cơ bản được thể hiện trên hình 2.50a và 2.50b Kí hiệu quy ước của MOSFET trong các mạch điện tử được cho trên hình 2.51 a, b, c và d Trên nền đế là đơn tinh thể bán đẫn tạp chất loại p (Si-p), người ta pha tạp chất bằng phương pháp công. .. thắt kênh giảm nhỏ Rõ ràng độ dẫn điện của kênh dẫn phụ thuộc cả hai điện áp UGS và UDS, còn sau khi có hiện tượng thắt kênh, dòng cực máng do các hạt dẫn (điện tử) phun từ kênh qua tiếp giáp p-n tới cực máng phụ thuộc yếu vào UDS và phụ thuộc chủ yếu vào tác dụng điều khiển của UGS tới chuyển tiếp p-n phân cực ngược, qua đó tới dòng điện cực máng ID 69 Hình 2.49a: Giải thích vật lý đặc tuyến của JFET . R E tạo thành điện trở (h 21e +1)I B . Nếu quan niệm như vậy thì có thể nói rằng điện áp giữa emitơ và đất là điện áp do dòng (h 21e +1)I B rơi trên điện trở R E hay do dòng I B r ơ i trên điện trở. trường, đ i ề u khiển độ dẫn điện của đơn tinh thể bán dẫn nhờ tác dụng của 1 điện trường ngoài. Dòng điện trong FET ch ỉ do một loại hạt dẫn tạo ra. Công nghệ bán dẫn, vi điện t ử càng tiến bộ,. giá tr ị điện áp thắt kênh giảm nhỏ. Rõ ràng độ dẫn điện c ủ a kênh dẫn phụ thuộc cả hai điện áp U GS và U DS , còn sau khi có hiện tượng thắt kênh, dòng cực máng do các hạt dẫn (điện tử) phun