Khuếch đại OTL ngõ vào đơn PHẦN LÝ THUYẾT Chương 1: Chương 2: Chương 3: Chương 4: Chương 5: Chương 6: Đồ án môn học Kỹ thuật mạch Điện tử Diode bán dẫn Transistor lưỡng cực BJT Hồi tiếp Khuếch đại tín hiệu nhỏ Khuếch đại cơng suất Một số vấn đề liên quan Khuếch đại OTL ngõ vào đơn Chương 1: DIODE BÁN DẪN 1.1 Cấu tạo diode bán dẫn Gồm miền tiếp xúc hai bán dẫn khác loại: bán dẫn loại P bán dẫn loại N, có tính chất dẫn điện theo chiều định, thường gọi chuyển tiếp P-N Chuyển tiếp P-N với hai điện cực nối phía miền P gọi anơt, phía miền N gọi Katôt Anôt P N A Katôt K Diode thường ký hiệu Vật liệu chế tạo diode chủ yếu Germanium (Ge) Silic (Si) Tuỳ theo phạm vi ứng dụng mà ta có loại diode khác như: diode chỉnh lưu, diode Zener, diode biến dung 1.2 Nguyên lý làm việc diode Vì diode có cấu tạo dựa chuyển tiếp P – N, nên nguyên lý làm việc diode dựa tượng xảy chuuyển tiếp P - N 1.2.1 Khi chuyển tiếp P-N chưa có phân cực: Ikhuếch tán Itrôi N P PP nP Etxúc + - nn Pn Do có chênh lệch nồng độ Pp >> Pn điện tử np Vγ: diode dẫn (có dịng chạy qua) V ≥ VBR : dòng hạt thiểu số tạo tăng mạnh 1.4 Hiện tượng đánh thủng chuyển tiếp P - N Khi chuyển tiếp P - N bị phân cực nghịch dịng ngược Is nhỏ Khi tăng điện áp phân cực nghịch đến giá trị dòng Is tăng mạnh làm cho chuyển tiếo P - N dẫn điện theo chiều ngược Chuyển tiếp P - N bị đánh thủng * Đánh thủng điện (có hai loại: đánh thủng thác lũ, đường hầm ) * Đánh thủng nhiệt * Đánh thủng nhiệt điện Đánh thủng thác lũ xảy chuyển tiếp P - N có nồng độ pha tạp thấp (vùng điện tích khơng gian lớn) Đánh thủng đường hầm xảy chuyển tiếp P - N có nồng độ pha tạp cao (vùng điện tích khơng gian hẹp) Khi Vpc nghịch lớn: điện trường nội lớn → gia tốc cho hạt dẫn thiểu số (n lỗ trống p điện tử) Các hạt chuyển động mạnh va chạm vào điện tử khác làm phát sinh hạt dẫn điện Quá trình tiếp diễn → Is tăng mạnh Ta nói chuyển tiếp P -N bị đánh thủng Đối với chất bán dẫn Si có Vz = 5,6V (đánh thủng đường hầm) 1.5 Các thông số diode 1.5.1 Điện trở chiều: (điện trở thuận, điện trở nghịch) Rdc = V I V: điện áp hai đầu diode I: dòng chạy qua diode 1.5.2 Điện trở xoay chiều: (điện trở thuận, điện trở nghịch) rAC = ΔV ΔI ΔV: khoảng biến thiên điện áp ΔI: khoảng biến thiên dòng điện 1.5.3 Dòng điện IF: Là dòng điện tối đa chảy qua diode diode phân cực thuận 1.5.4 Điện áp ngưỡng (Vγ): Là điện áp tối thiểu để diode dẫn 1.5.5 Điện áp ngưỡng cực đại: (Vng/max) - PIV Là điện áp tối đa đặt lên diode mà diode không bị đáng thủng Đồ án môn học Kỹ thuật mạch Điện tử Khuếch đại OTL ngõ vào đơn Chương 2: GIỚI THIỆU VỀ TRANSISTOR LƯỠNG CỰC BJT 2.1 Cấu tạo BJT tạo thành hai chuyển tiếp P-N nằm gần nhau, có ba lớp bán dẫn tuỳ theo trình tự xếp P-N mà ta có hai loại BJT PNP NPN E N P N C E P N P C B B C B B E E Lớp bán dẫn thứ gọi lớp Emitter (miền Emitter), cực lấy từ miền Emitter gọi cực Emitter (cực E) Lớp bán dẫn thứ hai gọi miền Base (gốc), cực lấy từ miền cực Base (cực B) Lớp bán dẫn thứ ba gọi miền Collector (thu), cực lấy từ miền cực Collector (cực C) Nồng độ pha tạp miền hồn tồn khác nhau: - Miền Emitter có nồng độ pha tạp lớn 1019 ÷ 1021 nguyên tử - Miền Base có nồng độ pha tạp thấp Nồng độ pha tạp miền Base thấp lợi hệ số truyền đạt - Miền Collector có nồng độ pha tạp trung bình 1013 ÷ 1015 ngun tử Do có phân bố hình thành lớp chuyển tiếp P-N gần - Chuyển tiếp Emitter (JE) miền E-B - Chuyển tiếp Collector (JC) miền C-B 2.2 Nguyên lý hoạt động & khả khuếch đại BJT Xét BJT loại N-P-N làm ví dụ: Ta có sơ đồ mạch điện hình vẽ: JE JC IC C E N P N IE RE ICBo B IB E2 E1 Nguồn E1 (có sức điện động vài vôn) làm cho chuyển tiếp JE phân cực thuận Nguồn E2 (thường cỡ – 20 vôn) làm cho chuyển tiếp collector JC phân cực nghịch E1, E2 gọi nguồn điện áp phân cực RE, RC điện trở phân cực Khi chưa cấp nguồn tiếp giáp P-N, có chênh lệch nồng độ pha tạp miền nên sinh tượng khuếch tán (sự khuếch tán hạt điện tích (điện tử lỗ trống) nên bên hình thành hai tiếp giáp JE JC cân động Khi có nguồn E2, chuyển tiếp JC bị phân cực nghịch có dịng ICBo chạy từ N sang P (chiều lỗ trống) Dịng ICBo nhỏ cỡ 0,01 đến 0,1µA Đồ án mơn học Kỹ thuật mạch Điện tử Khuếch đại OTL ngõ vào đơn Khi có nguồn E1 JE phân cực thuận nên điện tử miền N dễ dàng khuếch tán qua miền P Đồng thời lỗ trống miền P khuếch tán qua miền N Trên đường khuếch tán chúng tái hợp lại với Do nồng độ lỗ trống miền P nên có số điện tử tái hợp, số lại di chuyển đến JC Do JC phân cực nghịch nên điện tử từ miền P dễ dàng di chuyển qua JC đến miền C tạo nên dịng IC có chiều từ N đến P Lượng điện tích từ dương nguồn E1 đến miền B để bù lại số lỗ trống bị tái hợp tạo nên dòng IB Ta có quan hệ:IB + IC + ICBo = IE IE tỷ lệ với số điện tử miền E phát xạ (đi vào) miền B IB tỷ lệ với số điện tử tái hợp miền B IC tỷ lệ với số điện tử từ miền E đến miền C Gọi α = số điện tử đến cực C/số điện tử từ miền E vào miền B = IC/IE < α gọi hệ số truyền dòng điện (0,9 đến 0,99) Gọi β = IC/IB >> hệ số khuyếch đại dịng điện Thơng thường ICBo nhỏ nên IE = IB + IC B B B Mối quan hệ α & β : α β= α +1 Chế độ làm việc BJT (JE phân cực thuận, JC phân cực nghịch) gọi chế độ khuếch đại Ngoài ra, BJT cịn làm việc chế độ khố Ở chế độ đó, hai chuyển tiếp JE, JC phân cực nghịch, hai phân cực thuận - Khi JE, JC phân cực nghịch (trạng thái khoá) - Khi JE, JC phân cực thuận (trạng thái dẫn bảo hồ, cịn gọi trạng thái mở), BJT liên tục giao hoán hai trạng thái 2.2.1 Chế độ ngưng dẫn: Tiếp giáp JC JE phân cực ngược Ở chế độ BJT dùng khoá điện tử Do tiếp giáp JC JE phân cực ngược nên có dịng phân cực ngược (dịng rị) nhỏ Nên xem khơng có dịng chạy qua tiếp giáp Ở chế độ BJT tắt Điều kiện để BJT tắt JE phân cực ngược, tương ứng VBE ≤ B +VCC C E 2.2.2 Chế độ dẫn khuếch đại: Ở chế độ JC phân cực ngược JE phân cực thuận Tiếp giáp JE phân cực thuận nên hàng rào hạt dẫn đa số giảm, electron chuyển từ E sang B lỗ trông dời từ B sang E Do bề dày miền B nhỏ nên phần lớn điện tử từ miền E sang tập trung tiếp giap JC tạo dòng IE lớn Một phần điện tử từ miền E sang miền B tai hợp taọ dòng IB.Tiếp giáp JC phân cực ngược nên kéo hạt dẫn tiểu số vùng B điện tử (do B loại p) sang vùng C tạo nên dòng IC Như dòng IE gồm hai thành phần dòng IB IC Do nồng độ pha tạp miền B nhỏ so với miền E, nên dòng IE lớn so với IB xem IC ≈ IE Đồ án môn học Kỹ thuật mạch Điện tử Khuếch đại OTL ngõ vào đơn Chế độ sử dụng rộng rãi kỹ thuật mạch tương tự Như BJT làm việc chế độ khuếch đại từ tiếp giáp JE phân cực thuận tiếp giáp JC phân cực ngược Hệ thức liên hệ dòng điện: IE =IC + IB Hệ thức truyền đạt dòng điện: α= IC IE Hệ số khuếch đại dòng điện: β= IC IB 2.2.3 Chế độ dẫn bão hòa: Ở chế độ JE JC phân cực thuận Điều kiện BJT dẫn bảo hoà là: ib ic ≥ β 2.3 Ba sơ đồ BJT Như biết, BJT có điện cực: Emitter, Base, Collector Tuỳ theo việc chọn điện cực làm nhánh chung cho mạch vào mạch mà có sơ đồ sau: 2.3.1 Mạch Base chung (BC): IE IC * Transistor NPN mắc kiểu BC VBE IB VCB Trong mạch này, tín hiệu cần khuếch đại đưa vào cực E cực B, tín hiệu sau khuếch đại lấy cực C B Rõ ràng cực B nhánh chung mạch vào mạch 2.3.2 Mạch Emitter chung (EC): IB * Transistor NPN mắc kiểu EC IC VCE VBE IE Trong mạch này, cực E cực chung mạch vào mach Dòng điện vào IB, dòng điện IC, điện áp vào VBE, điện áp VCE 2.3.3 Mạch Collector chung (CC): IB VBC IE * Transistor NPN mắc kiểu CC VCE IC Đồ án môn học Kỹ thuật mạch Điện tử Khuếch đại OTL ngõ vào đơn Trong mạch này, tín hiệu cần khuếch đại đưa vào cực B C Tín hiệu sau khuếch đại lấy cực E C Nên C nhánh chung mạch vào mạch ra, gọi mạch collector chung 2.4 Đặc tuyến Vôn – Ampe BJT Đặc tuyến Vôn – Ampe đồ thị diễn tả mối tương quan dịng điện điện áp BJT BJT có ba họ đặc tuyến bản: - Đặc tuyến vào: Nêu quan hệ dòng áp ngõ vào - Đặc tuyến ra: Nêu quan hệ giưũa dòng áp ngõ - Đặc tuyến truyền đạt dòng điện: Quan hệ dòng điện dòng điện vào (khi áp ngõ = const) 2.4.1 Mạch Base chung (BC): 2.4.1.1 Đặc tuyến vào: Mô tả quan hệ dòng vào IE với điện áp đầu vào VBE ứng với giá trị điện áp khác áp VCB Ta có họ đặc tuyến vào mạch BC: IE = f(VBE) VCB = const IE (mA) VCB1 VCB2 (VCB1 > VCB2) vBE (V) Họ đặc tuyến vào tĩnh BJT mắc BC 2.4.1.2 Họ đặc tuyến ra: Ta có họ đặc tuyến BC: IC = f(VCB) IE = const IC(mA) Vùng khuếch đại IE = mA Vùng dẫn bão hoà IE = mA Vùng đánh thủng chuyển tiếp JC IE = mA IE = mA ICBo Họ đặc tuyến tĩnh BJT mắc BC Họ đặc tuyến có đặc điểm sau: Đồ án mơn học Kỹ thuật mạch Điện tử VCB(V) Khuếch đại OTL ngõ vào đơn - Đặc tuyến gần song song với trục hoành, cắt trục tung tung độ khác - Đường thấp hình vẽ cách trục hoành khoảng hẹp Tung độ giá trị dịng ngược Collector (ICBo) - Trị số IE tăng, đặc tuyến dịch lên phía trên, nghĩa IC tăng theo - Có thể chia họ đặc tuyến thành vùng: Vùng khuếch đại, vùng bảo hoà vùng đánh thủng 2.4.1.3 Đặc tuyến truyền đạt dòng điện: IC (mA) VCB1 ( VCB1 > VCB2) VCB2 IE (mA) Họ đặc tuyến truyền đạt dòng điện BJT mắc BC 2.4.2 Mạch Emitter chung (EC): Tương tự mạch BC, mạch có họ đặc tuyến 2.4.2.1 Đặc tuyến vào: Phản ánh quan hệ dòng áp chuyển tiếp JE ngõ vào Ta có họ đặc tuyến vào mắc kiểu EC: IB = f(VBE) VCE = const 2.4.2.2 Đặc tuyến ra: So với đặc tuyến mạch BC, họ đặc tuyến mạch EC có vài điểm khác: - Đường thấp phản ánh giá trị dòng điện ngược Collector (ICEo) ICEo > ICBo Vùng dẫn Bão hoà IC(mA) Vùng khuếch đại Ib=100μA Ib=80μA Ib=60μA Ib=40μA Vùng đánh thủng Ib=20μA Ib=0μA VCE(V) Họ đặc tuyến tĩnh BJT mắc kiểu EC 2.4.2.3 Đặc tuyến truyền đạt dịng điện: Đồ án mơn học Kỹ thuật mạch Điện tử Khuếch đại OTL ngõ vào đơn IC = f(IB) VCE = const 2.4.3 Mạch Collector chung (CC): Họ đặc tuyến vào có tính chất lý thuyết mạch CC, thực tế dùng: IB = f(VBC) VCE = const Họ đặc tuyến ra: IE = f(VEC) IB = const Đặc tuyến truyền đạt dịng điện gần giống đặc tuyến tương ứng mạch EC IE ≈ IC IE = f(IB) VCE = const 2.5 Phân cực ổn định điểm làm việc cho BJT 2.5.1 Yêu cầu điểm làm việc tĩnh tiêu chuẩn đánh giá: Xét mạch phân cực cho BJT hoạt động chế độ khuếch đại Khi phân cực cho transistor tuỳ theo giá trị điện áp phân cực, trạng thái tĩnh dòng áp BJT có giá trị xác định Những tổ hợp giá trị xác định đặc tuyến điểm hoạt động định gọi điểm làm việc tĩnh Nhưng ảnh hưởng biến động điện áp nguồn, nhiệt độ môi truờng nhân tố khác, điểm làm việc tính bị xê dịch Trong ảnh hưởng nhiệt độ đáng quan tâm Cụ thể, dòng ngược collector BJT tăng nhanh theo nhiệt độ dẫn đến hệ số khuếch đại β tăng theo nhiệt độ, điện áp chuyển tiếp emitter VBE ứng với dòng điện IS = const giảm nhiệt dộ tăng Trong ba ảnh hưởng trên, ảnh hưởng theo nhiệt độ ICBo lớn Do đó, để đánh giá độ ổn định người ta đưa hệ số S gọi hệ số ổn định nhiệt S = ∆IC/∆ICBo Trường hợp lý tưởng, S = mạch ổn định Nếu S lớn mạch ổn định Ta có: IC = βIB + (1+β)ICBo ∆IC = β∆IB + (1+β)∆ICBo Chia hai vế cho ∆IC ta có: = β ∆IB/∆IC + (1+β) ∆ICBo/∆IC Suy ra: S = ∆IC/∆ICBo = (1+β)/(1-β.∆IB/∆IC) 2.5.2 Phân cực cho BJT: Về nguyên tắc, việc phân cực cho BJT làm việc chế độ khuếch đại phải đảm bảo yêu cầu sau: - Tiếp giáp JE phân cực thuận, tiếp giáp Jc phân cực ngược - Dòng IC phải lớn nhiều so với dòng ngược ICO - Phải đảm bảo yêu cầu công suất, nhiệt độ Mạch phân cực mạch chia điện áp cực E, B, C để BJT làm việc đảm bảo tiếp giáp BE phân cực thuận,tiếp giáp BC phân cực ngược Việc dùng EB EC sơ đồ không thuận tiện ta bỏ EB thay vào mạch điện trở cung cấp điện áp cho VBE =EB, gọi mạch phân cực B B B Mạch phân cực có dạng sau: Đồ án mơn học Kỹ thuật mạch Điện tử 10 ... Nhận xét: Mạch khuếch đại EC vừa khuếch đại dòng vừa khuếch đại áp có điện áp ngược pha với điện áp vào Đồ án môn học Kỹ thuật mạch Điện tử 19 Khuếch đại OTL ngõ vào đơn 4.2 Mạch khuếch đại BC 4.2.1... Khi đại lượng đặt trực tiếp vào khuếch đại giảm g lần dải rộng tăng lên g lần Đồ án môn học Kỹ thuật mạch Điện tử 17 Khuếch đại OTL ngõ vào đơn Chương 4: MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ 4.1 Mạch khuếch. .. môn học Kỹ thuật mạch Điện tử Khuếch đại OTL ngõ vào đơn Trong mạch này, tín hiệu cần khuếch đại đưa vào cực B C Tín hiệu sau khuếch đại lấy cực E C Nên C nhánh chung mạch vào mạch ra, gọi mạch