Bipolar Junction Transistor BJT T Vng 1 Active

Bipolar Junction Transistor (BJT)

Từ Vựng (1) • • • Active region = miền tích cực Base (B) = (miền/cực) nền Bipolar transistor = transistor lưỡng cực Breakdwon region = miền đánh thủng Collector (C) = (miền/cực) thu (hay góp) Collector diode = diode tạo bởi JC Common base (CB) = nền chung Common collector (CC) = thu chung Common emitter (CE) = phát chung

Từ Vựng (2) Current gain = độ lợi dòng Curve tracer = máy vẽ đặc tuyến Cutoff region = miền tắt Emitter (E) = (miền/cực) phát Emitter diode = diode tạo bởi JE H parameter = tham (thông) số hỗn hợp H (Hybrid) • Integrated circuit = vi mạch = mạch tích hợp = IC • • •

Từ Vựng (3) Heat sink = tản nhiệt, giải nhiệt Junction trasistor = trasistor tiếp xúc Power trasistor = trasistor công suất Saturation region = miền bão hòa Small-signal trasistor = trasistor tín hiệu nhỏ Switching circuit = mạch chuyển mạch, mạch xung • Thermal resistance = nhiệt trở • • •

Nội dung chương 6 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Transistor chưa phân cực Transistor có phân cực Các dòng điện trong transistor Mắc E chung (CE) Đặc tuyến ở cực nền Đặc tuyến ở cực thu Xấp xỉ transistor Đọc bảng dữ liệu Troubleshooting

Transistors (Transfer Resistor) Transistors Bipolar transistors NPN, PNP Field Effect Transistors Junction-FETs (JFETS) N-channel, P-channel Insulated Gate FET’s MOSFETs Enhancement, Depletion N-channel, P-channel

Giới thiệu về BJT • BJT = transistor tiếp xúc lưỡng cực = transistor 2 mối nối (hay 2 tiếp xúc) • Lưỡng cực: do dòng điện chính được tạo bởi 2 hạt dẫn điện tử (-) và lỗ (+) • BJT được phát minh vào năm 1948 do Bardeen, Brattain và Shockley • BJT là dụng cụ có 3 cực: phát (E), nền (B) và thu (C). • Người ta gọi tiếp xúc PN giữa B và E là JE, giữa B và C là JC. • Có 2 loại: NPN và PNP

Cấu tạo và ký hiệu BJT

Cấu tạo và ký hiệu BJT NPN C N P N+ C B E B E C Arrow always points away from base and toward emitter My pneumonic: No Point i. N PNP C P N P+ B C B E E B E C Arrow always points away from emitter towards base My pneumonic: Points IN

Bipolar junction transistor (BJT) • The BJT is a “Si sandwich” Pnp (P=p+, p=p-) or Npn (N=n+, n=n-) • BJT action: npn Forward Active when VBE > 0 and VBC < 0 E B P n VEB C p VCB Depletion Region Charge neutral Region

Schematic representation of pnp and npn BJTs Emitter is heavily doped compared to collector. So, emitter and collector are not interchangeable. The base width is small compared to the minority carrier diffusion length. If the base is much larger, then this will behave like back-to-back diodes.

BJT circuit symbols IE = IB + IC and VEB + VBC + VCE = 0 VCE = VEC As shown, the currents are positive quantities when the transistor is operated in forward active mode.

BJT circuit configurations and output characteristics

BJT biasing modes

BJT Operation Characteristics • IC vs. VCE graph allows us to determine operating region. • Works for any IB or VCE • VBE tops out around ~0. 7 V

BJT Operation Regions Operation Region Cutoff Saturation IB or VCE Char. IB = Very small VCE = Small Active Linear VCE = Moderate Break-down VCE = Large BC and BE Junctions Reverse & Reverse Forward & Forward Reverse & Forward Beyond Limits Mode Open Switch Closed Switch Linear Amplifier Overload

Cutoff NPN BJT Collector current C n V 2 Base current Reverse Biased B +++ p Reverse biased V 1 n Emitter current E

Saturated NPN BJT Collector current C Base current B ++ V 1 ---- n V 2 Forward biased - Forward biased p n Emitter current E

Active Linear NPN BJT Collector current C n V 2 ++ V 1 Reverse Biased --- Base current Forward biased --p n Emitter current E

Hoạt động của transistor NPN Large current

Các phương trình dòng trong BJT (xét chế độ tích cực từ hình trước) Với: IS = dòng ngược bão hòa của JC. β là độ lợi dòng CE; α là độ lợi dòng CB

Possible Uses for BJT’s • Can act as Signal Current Switch (Cutoff Mode) • Can act as Current Amplifier (Active Region) • Where: – Beta = intrinsic amp property (20 - 200)

Khảo sát đặc tuyến của BJT mắc CE IC IB Output circuit Input circuit IE

Đặc tuyến vào (đặc tuyến ở base) với mắc CE IB IB VBE 0. 7 V • Hoạt động như diode • VBE 0. 7 V (Si)

Đặc tuyến ra (đặc tuyến ở C) với mắc CE IC IC IB = 40 m. A IB = 30 m. A IB = 20 m. A IB = 10 m. A VCE Early voltage Cutoff region • At a fixed IB, IC is not dependent on VCE • Slope of output characteristics in linear region is near 0 (scale exaggerated)

Biasing a transistor • We must operate the transistor in the linear region. • A transistor’s operating point (Q-point) is defined by IC, VCE, and IB.

Transconductance IB ac output signal DC output signal A small ac signal vbe is superimposed on the DC voltage VBE. It gives rise to a collector signal current ic, superimposed on the dc current IC. The slope of the ic - v. BE curve at the bias point Q is the transconductance gm: the amount of ac current produced by an ac voltage. (DC input signal 0. 7 V) ac input signal

6 -7 Xấp xỉ transistor Hình 6 -13. Xấp xỉ BJT: (a) Dụng cụ gốc; (b) Xấp xỉ lý tưởng; (c) Xấp xỉ bậc 2

6 -8 Đọc bảng dữ liệu • BJT có công suất tiêu tán PD: < 1 W BJT tín hiệu nhỏ > 1 W BJT công suất • • • Định mức đánh thủng: VCB, VCEO, VEB Dòng và công suất cực đại: IC, PD@TA, PD@TC Hệ số giảm định mức [của công suất] Tản nhiệt Độ lợi dòng: h. FE = βdc (h. FE phụ thuộc IC)

Cơ bản về BJT

Từ Vựng (1) • Amplifying transistor circuit = mạch transistor khuếch đại (KĐ) • Base bias = phân cực [bằng dòng] nền [hằng] • Base-emitter voltage = điện áp nền-phát • Base voltage = điện áp (ở cực) nền • Circuit value = giá trị mạch • Collector voltage = điện áp (ở cực) thu • Correction factor = hệ số hiệu chỉnh • Cutoff point = điểm cắt

Từ Vựng (2) • • Emitter bias = phân cực [bằng dòng] phát [hằng] Emitter voltage = điện áp (ở cực) phát Fixed base current = dòng nền cố định Fixed emitter current = dòng phát cố định Hard saturation = bão hòa sâu Load line (LL) = đường tải; ex: DC LL Photodiode = diode quang

Từ Vựng (3) • • • Phototransistor = transistor quang Quiescent point = điểm tĩnh Saturation = bão hòa Soft saturation = bão hòa ít Switching circuit = mạch chuyển mạch, mạch xung Two-state circuit = mạch 2 trạng thái

Nội dung chương 7 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. Những thay đổi trong độ lợi dòng Đường tải Điểm làm việc (điểm hoạt động) Phát hiện bão hòa Khóa BJT Phân cực phát Mạch lái LED Hiệu ứng của những thay đổi nhỏ Troubleshooting Nói thêm về dụng cụ quang ĐT Transistor loại SMT

Giới thiệu • Có 2 cách để thiết lập điểm làm việc của BJT: – Phân cực [dòng] nền [hằng] – Phân cực [dòng] phát [hằng] • Phân cực nền thường được dùng trong các mạch xung/số (BJT làm khóa ĐT) • Phân cực phát thường được dùng trong các mạch KĐ (BJT ở chế độ KĐ)

7 -1 Những biến đổi trong độ lợi dòng • βdc phụ thuộc: BJT, dòng IC, và nhiệt độ H. 7 -1 Sự biến đổi của độ lợi dòng

7 -2 Đường tải H. 7 -2 Phân cực nền (a) mạch; (b) đường tải Cho trước RB và βdc , ta có thể tìm được điểm làm việc (IC, VCE) như sau: • Gần đúng (khi BJT hoạt động ở chế độ KĐ): IC= β IB = β (VBB - VBE)/RB VCE = 15 V - ICRC • Đồ thị: dùng DC LL với phương trình: IC = (VCC - VCE)/RC (thí dụ này có VCC=15 V và RC=3 K)

Điểm bão hòa và điểm cắt H. 7 -3 Tìm 2 đầu của DC LL : (a) mạch; (b) tính dòng bão hòa cực thu IC(sat); (c) tính điện áp cắt VCE(cutoff) • Điểm bão hòa: IC(sat) = VCC/RC (VCE=0) • Điểm cắt: VCE(cutoff)=VCC (IC=0)

Ảnh hưởng của RC đến DC LL (1/2)

Ảnh hưởng của RC đến DC LL (2/2)

7 -3 Điểm làm việc Q (điểm tĩnh) H. 7 -6 Tính điểm Q: (a) mạch; (b) điểm Q thay đổi do biến động ở độ lợi dòng Các công thức tính điểm Q:

7 -4 Phát hiện bão hòa • Có 2 loại mạch cơ bản: KĐ và chuyển mạch (xung/số) – Mạch KĐ: điểm Q phải luôn ở trong miền tích cực thuận (KĐ) – Mạch xung/số: điểm Q ở bão hòa (ON) hay cắt (OFF)

Các câu trả lời không thể có • Để xác định BJT ở miền tích cực hay bão hòa, người ta dùng cách sau: 1. Giả sử rằng BJT ở miền tích cực 2. Tính dòng và áp 3. Nếu trong các tính toán có kết quả không thể có thì giả thiết sai BJT bão hòa; còn tất cả tính toán hợp lý thì BJT ở tích cực.

Thí dụ phát hiện bão hòa H. 7 -7 (a) mạch phân cực nền; (b) DC LL Phương pháp dòng bão hòa: IC(sat)=20 V/10 K=2 m. A IB lý tưởng =0. 1 m. A IC= 50 IB= 5 m. A > IC(sat) (không thể có) BJT bão hòa Phương pháp điện áp ở cực thu IC= 50 IB = 5 m. A VCE = 20 V - 5 m. A * 10 K = – 30 V không thể có vì BJT tích cực có VCE>0 BJT bão hòa.

Bão hòa sâu • Ở miền bão hòa độ lợi dòng giảm: βdc(sat) = IC(sat)/IB < βdc ở chế độ KĐ TD: H. 7 -7 có βdc(sat) = 2 m. A/0. 1 m. A=20 < 50 • Bão hòa sâu: khi βdc(sat) = 10 • Bão hòa ít: βdc(sat) nhỏ hơn βdc ở chế độ KĐ không nhiều

Phát hiện nhanh bão hòa H. 7 -8 (a) Bão hòa sâu; (b) Đường tải • Khi VBB = VCC thì BJT bão hòa sâu khi: RB/RC = 10 Tại sao?

7 -6 Phân cực [bằng dòng] phát Ta có: IE = VE/RE = (VBB-VBE)/RE = VBB/RE = const nếu VBB >= 20 VBE Suy ra điểm tĩnh Q: ICQ = IEQ=VBB/RE = const VCEQ = VCC - ICQ(RC+RE) = const điểm Q ổn định khi β thay đổi. Thực tế cũng bị ảnh hưởng nhưng rất ít! H. 7 -9 Phân cực [dòng] phát [hằng]

7 -7 Mạch lái LED H. 7 -12 (a) Phân cực nền; (b) Phân cực phát H. 7 -12 (a) Phân cực nền: BJT là khóa điện tử • Muốn thay đổi dòng qua LED: thay đổi RC và/hoặc VCC Vì ILED=(VCC – VLED – VCESAT)/RC • Nếu RB =10 RC thì có bão hòa sâu H. 7 -12 (b) Phân cực phát: BJT KĐ khi khóa đóng • Muốn thay đổi dòng qua LED: thay đổi RE và/hoặc VBB vì ILED = IC = IE= VBB/RE = const

Phân cực BJT

Từ Vựng (1) • Collector-feedback bias = phân cực hồi tiếp cực thu • Emitter-feedback bias = phân cực hồi tiếp cực phát • Firm voltage divider = cầu chia áp • PNP transistor • Prototype = [sản phẩm] mẫu • Q point = điểm [tĩnh] Q • Self-bias = tự phân cực • Stage = tầng

Từ Vựng (2) • Stiff voltage divider = mạch chia áp hằng • Two-supply emitter bias (TSEB) = phân cực phát với 2 nguồn cấp điện • Voltage-divider bias = phân cực bằng mạch chia áp

Nội dung chương 8 1. 2. 3. 4. Phân cực bằng mạch chia áp (VDB) Phân tích VDB chính xác Đường tải VDB và điểm Q Phân cực dòng phát hằng với 2 nguồn cấp điện 5. Các kiểu phân cực khác 6. Troubleshooting 7. Transistor PNP

8 -1 Phân cực bằng mạch chia áp (VDB)

Phân cực bằng mạch chia áp (VDB) { R 1 +VCC RC R 1 and R 2 tạo thành mạch chia áp H. 8 -1 a) Mạch phân cực VDB R 2 RE

+VCC Phân tích mạch chia áp R 1 VBB = R 2 R 1 + R 2 VCC GIẢ THIẾT: Dòng nền nhỏ hơn nhiều dòng qua mạch chia áp +VBB R 2

Mạch VDB đơn giản hóa +VCC Hoàn tất phân tích: IE = VBB - VBE RC RE IC @ IE VC = VCC - ICRC VCE = VC - VE VBB RE

Quá trình 6 bước 1. Tính điện áp nền VB bằng phương trình mạch chia áp. 2. Trừ 0. 7 V để có điện áp phát VE. 3. Chia cho điện trở phát RE để có được dòng phát IE. 4. Xác định sụt áp trên điện trở ở cực thu RC. 5. Trừ vào VCC có được điện áp thu VC. 6. Tính sụt áp C-E: VCE = VC – VE.

8 -2 Phân tích VDB chính xác

Mạch chia áp có phải là nguồn hằng không? { +VCC R 1 RC Tìm điện trở Thevenin RTH = R 1 R 2 RE

Mô hình Thevenin của mạch phân cực: +VCC RC RTH VBB RE

Áp dụng qui tắc 100: 1 vào mạch phân cực: RTH < 0. 01 RIN +VCC RC RTH RIN VBB Khi đạt quy tắc này, mạch chia áp không đổi RE

Đôi khi mạch chia áp không đổi được chọn theo: R 1 R 2 < 0. 1 bdc. RE +VCC R 1 RC Xấp xỉ gần hơn: VBB - VBE IE = R 1 R 2 RE + bdc R 2 RE

8 -3 Đường tải VDB và điểm Q • Vì VDB xuất phát từ phân cực phát nên Q không bị ảnh hưởng bởi độ lợi dòng. • Thay đổi điểm Q bằng cách thay đổi điện trở phát RE.

8 -4 Phân cực [dòng] phát [hằng] với 2 nguồn cấp điện (TSEB)

Mạch TSEB IE = VEE - 0. 7 V 3. 6 k. W 10 V RE Giả sử VB=0 V 2. 7 k. W IE = 2 V - 0. 7 V 1 k. W = 1. 3 m. A 1 k. W 2 V

Tìm các điện áp: 3. 6 k. W 10 V VC = 10 V - (1. 3 m. A)(3. 6 k. W) = 5. 32 V VCE = 5. 32 V - (-0. 7 V) = 6. 02 V 2. 7 k. W 1 k. W 2 V

8 -5 Các kiểu phân cực khác

Phân cực [dòng] nền [hằng] RB • Khó biết trước • Điểm Q di chuyển khi thay BJT • Điểm Q di chuyển theo nhiệt độ • Không thực tế +VCC RC

Phân cực hồi tiếp [cực] phát (Emitter-feedback bias) RB • Tốt hơn phân cực nền • Điểm Q vẫn di chuyển • Không phổ biến +VCC RC RE

Phân cực hồi tiếp [cực] thu (Collector-feedback bias) RB • Tốt hơn hồi tiếp phát • Điểm Q vẫn di chuyển • Ứng dụng hạn chế +VCC RC

Phân cực hồi tiếp thu và phát (Collector- and emitter -feedback bias) RB • Tốt hơn phân cực phát • Không tốt bằng VBD • Ứng dụng hạn chế +VCC RC RE

Phân cực phát 2 nguồn (Two-supply emitter bias) • Rất ổn định • Cần 2 nguồn cấp điện

+VCC Phân cực mạch chia áp (Voltage divider bias) R 1 • Rất ổn định • Cần 1 nguôn cấp điện • Phổ biến nhất R 2 RC RE

8 -7 Transistor PNP

PNP Transistors IB IC IE Electron flow IB IC IE Conventional flow

Phân cực PNP +VEE R 2 R 1 RE RC (A) Với nguồn dương R 1 R 2 -VCC RC RE (B) Với nguồn âm