Bài giảng Vi sai xử lý

ộ tăng thu năng lượng đủ bứt ra trở thành điện tử tự do để lại lỗ trống. Điện tử hóa trị bên cạnh dễ dàng nhảy vào lấp lỗ trống và để lại lỗ trống chuyển động ngược chiều nhau. Tổng các dòng trong bán dẫn bằng không. - Nếu bắt microampe kế ta thấy có dòng rất nhỏ chạy qua chất bán dẫn. Nguyên nhân: các điện tử có sẵn trong chất bán dẫn chuyển động đến dương nguồn thì có bấy nhiêu điện tử đi khỏi âm nguồn để bù vào lỗ khuyết của mạng tinh thể. Chiều của dòng điện từ dương nguồn đến microampe kế qua bán dẫn đến âm nguồn. Với quá trình này làm tiêu hao năng lượng của nguồn. *.2> Chất bán dẫn tạp: Chất bán dẫn tạp là chất bán dẫn được tạo thành nhờ pha các nguyên tố nhóm III hoặc nhóm V vào. Bán dẫn tạp gồm có hai loại đó là: bán dẫn loại p và loại n. Bán dẫn loại n được tạo thành nhờ pha tạp nguyên tố nhóm V trong bảng phân loại tuần hoàn vào mạng liên kết của mạng tinh thể nguyên chất Silic. Do có 5 điện tích hóa trị nên khi liên kết trong mạng tinh thể Si thì có 4 điện tử liên kết còn một điện tử không liên kết trong mạng liên kết rất yếu với hạt nhân. Như vậy sau khi pha tạp nguyên tố nhóm V vào thì bán dẫn giàu điện tử. Chất pha tạp cho điện tử nên nguyên tử pha tạp gọi là Donor( chất cho). Tương tự như bán dẫn n bán dẫn p được tạo thành nhờ pha tạp nguyên tố nhóm III vào. Do có ba điện tử hóa trị nên khi pha tạp sẽ thiếu một điện tử tạo thành lỗ trống . Lỗ trống này sẽ hút các điện tử ở mạng liên kết tạo thành lỗ trống mới. Cứ như vậy các lỗ trong liên tục được hình thành. Bán dẫn sau khi pha tạp ta được một bán dẫn thiếu điện tử. Chất pha tạp nhận điện tử nên gọi là Acceptor (chất nhận). **> Tiếp giáp p-n: Bán dẫn p: lỗ trống là hạt dẫn đa số, điện tử là hạt dẫn thiểu số. Bán dẫn n: điện tử là hạt dẫn đa số, lỗ trống là hạt dẫn thiểu số. Khi cho hai bán dẫn p và n tiếp xúc nhau do chênh lệch về nồng độ pha tạp giữa hai bán dẫn nên co hiện tượng khuyếch tán hạt dẫn điện đa số về hai phía. Kết quả là để lại một lớp ion + và ion – trên bề mặt tiếp giáp gọi là lớp chuyển tiếp. Khi lớp chuyển tiếp được hình thành thì sự khuyếch tán của các hạt mang điện đa số bị cản trở nhưng điện trường trong có tác dụng hút các hạt thiểu số chuyển động trôi qua lớp chuyển tiếp và tạo thành dòng còn chuyển động khuyếch tán của các hạt đa số tạo thành dòng thuận. Tại tiếp giáp có sự cân bằng động như sơ đồ dưới đây: cân bằng động. Muốn có dòng qua bán dẫn thì phải phá vỡ trạng thái cân bằng động. Muốn phá vỡ trạng thái cân bằng động bằng cách phân cực. **.1> Phân cực thuận, phân cực nghịch: **.1.1> Phân cực thuận: Nếu Ec>0.5V ngược chiều làm cho bề dày lớp chuyển tiếp co lại, chiều cao hàng rào điện thế giảm đối với hạt dẫn đa số, chúng chuyển động sang phía đối diện tạo thành dòng gọi là . Trong đó:: Dòng điện ngược bão hòa. **.1.2> Phân cực ngược: cùng chiều với làm cho tăng lên. Khi tăng lên thì bề dày lớp chuyển tiếp tăng lên ngăn cản sự chuyển động của các hạt dẫn điện đa số. Dòng. Chỉ có các hạt thiểu số chuyển động về hai phía tạo thành dòng. Chiều của Ing từ dương nguồn đến bán dẫn p qua bán dẫn n đến âm nguồn. Chỉ số của dòng rất nhỏ vì các hạt thiểu số vốn có ở điều kiện thường rất ít. **.2> Đặc tuyến V-A của tiếp giáp p-n: **.3> Hiện tượng đánh thủng của tiếp giáp p-n: Nếu đủ lớn thì tăng đủ mức làm cho vận tốc của các hạt dẫn qua lớp chuyển tiếp làm ion hóa các nguyên tử trong lớp chuyển tiếp tạo thành các cặp điện tử và điện tử trái dấu thứ cấp. Các điện tử, lỗ trống thứ cấp tiếp tục chuyển động làm ion hóa các nguyên tử khác. Hiện tượng này tạo ra số lượng hạt dẫn tăng vọt gọi là hiện tượng đánh thủng kiểu thác lũ. Khi xảy hiện tượng đánh thủng do phân cực ngược hoặc dòng điện lớn khi phân cực thuận thì nhiệt lượng bề mặt lớp tiếp xúc tăng lên làm cho nhiệt độ tại tiếp xúc tăng lên. Nếu không cân bằng nhiệt( tỏa nhiệt ra môi trường) thi sẽ xảy ra hiện tượng đánh thủng về nhiệt do hiệu ứng nhiệt độ ( khi nhiệt độ tăng quá cao thì các điện tử thứ cấp sẽ bức ra tạo thành điện tử tự do. Chất bán dẫn trở thành chất dẫn điện). Khi xảy ra hiện tượng đánh thủng kiểu thác lũ khi phân cực ngược thì khi cắt điện thì bề mặt tiếp xúc p-n trở lại bình thường. Nếu đánh thủng về nhiệt thì tiếp xúc p-n vẫn bị hủy hoại. Chính vì vậy những điôt, trasistor, dụng cụ bán dẫn nói chung làm việc với dòng điện lớn luôn luôn có kích thước bè mặt lớn để tăng cường diện tích bề mặt tỏa nhiệt, có thể gắn thêm phiến tản nhiệt nhất là những linh kiện công suất. **.4> Diode: Diode là linh kiện bán dẫn gồm một tiếp giáp p-n. Vì vậy, tính chất của một diode thường có đầy đủ tính chất của một tiếp giáp p-n. Ở đây ta chỉ xét diode chỉnh lưu. Trong mạch ta sử dụng diode chỉnh lưu nhưng giữ vai trò ghim áp như một diode Zenner. Muốn như vậy ta phải chọn điểm làm việc của diode sao cho khi dòng thay đổi lớn nhưng áp gần như không đổi. Như vậy, ta chọn điểm làm việc của diode nằm trong đoạn tuyến tính nhất của đặc tuyến truyền đạt (đoạn nằm trong gạch chéo ở đặc tuyến trên). Chương 1: Transistor lưỡng cực: (Bipolar Juntion Transistor) Cấu tạo: BJT là một loại linh kiện bán dẫn gồm các lớp bán dẫn loại p và n đặt xen kẽ nhau trong cùng một đơn tinh thể bán dẫn. Các miền này được phân cách bởi hai lớp chuyển tiếp p-n. Tùy theo thứ tự bố trí các lớp bán dẫn p và n mà ta có BJT loại npn hay pnp. Tương ứng với mỗi miền là một cực của BJT. Miền bán dẫn ở giữa hai lớp chuyển tiếp p-n gọi là miền gốc (Base – B). Hai miền còn lại bất đối xứng sao cho một miền có khả năng kích hoạt các hạt tải điện vào miền Base, miền này là miền phát (Emitter-E), miền kia là miền thu (Collector-C) có khả năng nhận được tất cả các hạt điện kích từ miền Emitter sang Base. Nồng độ pha tạp của các miền khác nhau, trong đó: Miền Emitter có nồng độ pha tạp lớn nhất, ¸ nguyên tử. Miền Base có nồng độ pha tạp thấp nhất . Nồng độ pha tạp miền Base càng thấp càng lợi về hệ số truyền đạt. Miền Collector có nồng độ pha tạp trung bình¸ nguyên tử. Do có sự phân bố như vậy nên sẽ hình thành hai lớp chuyển tiếp pn gần nhau: Chuyển tiếp Emitter() giữa miền E-B. Chuyển tiếp Collector () giữa miền C-B. 2> Nguyên lý làm việc và khả năng khuyếch đại: Tùy theo thứ tự sắp sếp các miền bán dẫn mà ta chia BJT thành hai loại là PNP hoặc NPN. Nguyên lý làm việc của 2 loại BJT này là giống nhau. Ta xét nguyên lý làm việc của NPN. 2.1> Nguyên lý làm việc: Xét BJT loại NPN: Khi chưa cấp áp nguồn tại các tiếp giáp p-n do có độ chênh lệch về nồng độ pha tạp giữa các miền mà sinh ra hiện tượng khuyếch tán ( sự khuyếch tán của các hạt điện tích (điện tử và lỗ trống)) nên bên trong nó hình thành hai lớp tiếp giáp và cân bằng động. Phân cực thuận cho tiếp giáp , giảm chiều cao hàng rào thế đối với các hạt đa số giảm, vọt từ E sang B. Nếu C để hở mạch thì di chuyển từ E sang B như dòng phạt xạ bình thường của một điôt tạo thành dòng từ B sang E như một tiếp giáp p-n thông thường. Để được kéo sang miền C ta tăng của tiếp giáp khi đó đượckéo sang C tạo thành dòng. Khi điện tử từ E sang B đại đa số đi thẳng về C tạo thành dòng một số ít được tái hợp tại B tạo thành dòng 2.2> Chế độ làm việc của BJT: BJT có 3 chế độ àm việc đó là: ngưng dẫn, khuyếch đại, dẫn bão hòa. 2.2.1> Chế độ ngưng dẫn: Tiếp giáp và tiếp giáp phân cực ngược như hình vẽ. Ở chế độ này BJT được dùng như khóa điện tử. Ở chế độ này do tiếp giáp và tiếp giáp phân cực ngược nên chỉ có dòng phân cực ngược( dòng rò) rất nhỏ. Xem như không dòng chạy qua các tiếp giáp. Ở chế độ này BJT tắt tương ứng với khóa đóng. Điều kiện để BJT tắt là phân cực ngược. Vbe<=0 2.2.2> Chế độ dẫn khuyếch đại: Ở chế độ này tiếp giáp phân cực ngược và tiếp giáp được phân cực thuận như hình vẽ. Tiếp giáp được phân cực thuận nên hàng rào thế đối với các hạt dẫn đa số giảm. từ E vọt sang B và lỗ trông chuyển dời từ B sang E. Do bề dày miền B rất nhỏ nên phần lớn điện tử từ miền E sang đều tập trung tại tiếp giáp tạo ra dòng rất lớn. Một phần điện tử từ miền E sang miền B được tái hợp tạo thành dòng. Tiếp giáp phân cực ngược nên kéo các hạt dẫn thiểu số ở vùng B là điện tử (do vùng B là bán dẫnloại p) sang vùng C tạo nên dòng. Như vậy dòng gồm hai thành phần đó là dòng và dòng. Do nồng độ pha tạp của miền B rất nhỏ so với miền E nên dòng rất lớn so với dòng vì thế có thể xem . Chế độ này được sử dụng rộng rải trong kỹ thuật mạch tương tự. Như vậy để BJT làm việc ở chế độ khuyếch đại thì tiếp giáp phân cực thuận, phân cực ngược. Hệ thức liên hệ giữa các dòng điện: Hệ thức truyền đạt dòng điện: Hệ số khuyếch đại dòng điện: Mối quan hệ giữa a và b: 2.2.3> Chế độ dẫn bão hòa: Ở chế độ này và đều phân cực thuận. Điều kiện để BJT dẫn bão hòa là: Các sơ đồ ghép của BJT và đặc tuyến của BJT: Có ba dạng mạch dựa theo cách mắc Emitter chung, Base chung, Collector chung. 3.1> Cách mắc EC: Transistor dược mắc theo kiểu Emitter chung (EC) nghĩa là cực E dùng chung cho cả đầu vào và đầu ra. Tín hiệu vào được đưa vào cực B và E còn tín hiệu ra lấy trên cực C và E. Sơ đồ này cho ta hệ số khuyếch đại điện áp lớn, hệ số khuyếch đại dòng lớn , trở kháng vào có giá trị trung bình. Tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào. Trong ba sơ đồ thì sơ đồ EC là sơ đồ có hế số khuyếch đại dòng, khuyếch đại áp lớn nhất, hệ số khuyếch đại công suất lớn. Trở kháng vào ra có giá tri trung bình thuận tiện cho việc ghép tải và nguồn tín hiệu. Tuy nhiên sơ đồ này có nhược điểm đó là dễ bị tác động của nhiễu. Cần phải có mạch ổn định. Sơ đồ mạch: Đặc tuyến ngõ vào: Biễu diễn mối quan hệ phụ thuộc giữa dòng vào và điện áp vào . Đặc tuyến ngõ ra: Biểu diễn mối quan hệ giữa dòng ra và điện áp ra . Đặc tuyến truyền đạt: Biểu diễn mối quan hệ giữa dòng ra và dòng vào . 3.2> Cách mắc BC: Transistor mắc kiểu Base chung (BC) là cực B được dùng chung cho cả đầu vào và đầu ra. Tín hiệu ra lấy trên cực B và cực C. Tín hiệu được đưa vào cực B và cực E. Hệ số khuyếch đại điện áp lớn, không có khuyếch đại về dòng điện (hệ số khuyếch đại <1), hệ số khuyếch đại công suất trung bình. Trở kháng ra lớn, trở kháng vào nhỏ, điện áp vào cùng pha với tín hiệu vào. Sơ đồ này được dùng trong khuyếch đại điện áp cao tần. Sơ đồ mạch: Đặc tuyến ngõ vào: Biễu diễn mối quan hệ giữa dòng vào và điện áp vào khi . Đặc tuyến ngõ ra: Biễu diễn mối quan hệ giữa dòng ra và áp ra khi . 3.3> Cách mắc CC: Transistor mắc kiểu C chung là cực C dùng chung cho cả đầu vào và đầu ra. Dòng và điện áp vào được đưa vào cực B và cực C. Dòng và điện áp ra được lấy ra ở cực E và cực C. Hệ số khuyếch đại dòng lớn không có khuyếch đại về điện áp (hệ số khuyếch đại <1), hệ số khuyếch đại công suất trung bình. Trở kháng ra nhỏ, trở kháng vào lớn, tín hiệu ra cùng pha với tín hiệu vào. Sơ đồ này thường được dùng phối hợp trở kháng tải thấp với nguồn tín hiệu có trở kháng cao. Thường dùng làm bộ khuyếch đại đệm. Sơ đồ mạch: Đặc tuyến ngõ vào: Biễu diễn mối quan hệ dòng vào và điện áp vào khi . Đặc tuyến ngõ ra: Biễu diễn mối quan hệ giữa dòng ra và điện áp ra khi . Tham số giới hạn và thông số của của transistor: 4.1> Dòng cực C cho phép: Khi transistor làm việc ở điều kiện thì hệ số b bị giảm mạnh. Do đó, để có hệ số ß đủ lớn khi chọn dòng làm việc nên lấy . 4.2> Điện áp đánh thủng : Khi điện áp thì transistor bị đánh thủng, dòng ( hay) tăng cao, đây là hiện tượng đánh thủng kiểu thác lũ. Trasistor bị đánh thủng thường bị hỏng vĩnh viễn hoặc tính năng yếu. Do đó, lúc làm việc transistor luôn đặt trong điều kiện .(co sai khong, vi sao vce>vce0) 4.3> Công suất tiêu tán cực đại tại cực C (): Khi dòng chạy qua tiếp xúc thì sẽ làm nóng cực C với công suất . Khi BJT làm việc với thị BJT bị quá nhiệt và dễ bị hỏng vĩnh viễn. Tóm lại, không được để BJT làm việc quá lâu nên để BJT làm việc với . 4.4> Thông số cơ bản của BJT: Xét mô hình BJT tham số vật lý. Vì miền C,E có nồng độ pha tạp cao nên với là điểm bất kỳ trong miền E,C. Miền B có nồng độ pha tạp thấp nên thường thì . Do vậy mô hình tham số vật lý của BJT là: : Điện trở thuận của tiếp giáp BE . :khoảng cỡ vài chục đến vài trăm Omh. Trong đó là điện áp nhiệt. Đối với Si thì . Điện trở ngược của tiếp giáp BC. có giá trị rất lớn. Điện dung tạo ra do lớp chuyển tiếp sinh ra. có dung kháng rất bé . Giả sử BJT làm việc ở tần số . rất lớn so với bỏ qua . Điện dung tạo ra do lớp chuyển tiếp sinh ra. nên bỏ qua Điện dung ra. Vì rất nhỏ nên bỏ qua . Với Mạch chuẩn của BJT tham số vật lý là: 5> Phân cực và ổn định điểm làm việc: 5.1> Phân cực: Về nguyên tắc, việc phân cực cho BJT làm việc trong chế độ khuyếch đại phải đảm bảo các yêu cầu sau: Tiếp giáp phân cực thuận và tiếp giáp phân cực nghịch. Dòng phải lớn hơn rất nhiều so với dòng ngược . - Phải đảm bảo các yêu cầu về công suất, nhiệt độ. Mạch phân cực là mạch chia điện áp ở các cực E, B, C để BJT làm việc được đảm bảo tiếp giáp BE phân cực thuận và tiếp giáp BC phân cực ngược. Việc dùng cả và trong một sơ đồ là không thuận tiện, ta có thể bỏ thay vào đó là các mạch điện trở cùng cấp điện áp sao cho gọi là mạch phân cực. Mạch phân cực có các dạng như sau: - Mạch phân cực bằng dòng cố định. - Mạch phân cực bằng cầu chia áp. - Mạch phân cực dung hồi tiếp âm điện áp. 5.1.1> Mạch phân cực bằng dòng cố định; Sơ đồ mạch: dẫn điện áp dương từ đến cực B làm cho tương đương với nguồn . Phương trình điện áp cực B: Phương trình điện áp cực C: Để BJT làm việc được thì . Điểm làm việc tĩnh Q. Hệ số ổn định nhiệt Hệ số ổn định nhiệt phụ thuộc vào b. Trong khi đó b của BJT thường rất lớn nên hệ số ổn định nhiệt của mạch lớn nên mạch có độ ổn định nhiệt thấp. Mạch không ổn định, khi dòng đi qua BJT thì sinh nhiệt làm cho các hạt dẫn phụ tăng lên nên các dòng tự động tăng lên. Để ổn định thì ta mắc thêm . Tuy nhiên khi đầu vào có tín hiệu thì sụt áp trên là ngược pha với với tín hiệu vào làm giảm hệ số khuyếch đại. Để khắc phục ta mắc thêm vào tụ song song với để ngăn sụt áp xoay chiều trên điện trở . Sơ đồ mạch: Tính toán mạch khi có: Phương trình điện áp cực B: (1) Phương trình điện áp cực C: coi Để BJT làm việc được thì . Điểm làm việc tĩnh Q. Từ (1) Khi các dòng tăng do nhiệt độ thì giảm. Khi giảm (áp phân cực giảm) dòng giảm kéo theo dòng và dòng giảm. Như vậy dòng trong mạch ổn định Þmạch ổn định nhiệt. 5.1.2> Mạch phân cực bằng hồi tiếp âm điện áp: Sơ đồ mạch: dẫn điện áp dương từ cực Collector về cực Base làm cho tương đương nguồn . (phân cực thuận cho BJT). Khi nhiệt độ tăng các dòng tăng làm áp phân cực giảm.Khi áp phân cực giảm làm cho dòng giảm về giá trị ban đầu. được xác định bằng công thức sau: Phương trình mạch chân B: Phương trình mạch chân C: Điểm làm việc tĩnh Q. Hệ số ổn định nhiệt: Như vậy điện áp phản hồi qua điện trở trong mạch phân cựclàm tăng độ ổn định nhiệt đồng thời làm giảm hệ số khuyếch đại tín hiệu xoay chiều. Ta thấy rằng, không thể nâng độ ổn định nhiệt lên cao được vì điểm công tác tĩnh và độ ổn định nhiệt nhiệt độ của mạch phụ thuộc lẫn nhau. 5.1.3> Mạch phân cực kiểu cầu chia điện thế: Sơ đồ mạch: Dòng chạy qua và gây ra sụt áp trên là có cực tính âm đưa vào cực Emitter. đóng vai trò như nguồn . Áp dụng định lý Thyvenin và định lý Norton ta biến đổi mạch thành mạch tương đương sau: Trong đó và được xác định như sau: Phương trình mạch chân B: Phương trình mạch chân C: vì . Điểm làm việc tĩnh Q. Chú ý dòng phải » để ổn định khi thay đổi. Tính toán : Vì » nên chọn cho trước và chọn khi thiết kế. Mạch không ổn định nhiệt. Khi nhiệt độ tăng các hạt dẫn phụ tăng lên nên các dòng tự tăng lên. Để ổn định nhiệt ta mắc thêm . Tuy nhiên khi đầu vào có tín hiệu thì sụt áp trên là ngược pha với với tín hiệu vào làm giảm hệ số khuyếch đại. Để khắc phục ta mắc thêm vào tụ song song với để ngăn sụt áp xoay chiều trên điện trở. Hệ số ổn định nhiệt: Nếu » thì S® 1. Như vậy để mạch ổn định phải thiết kế sao cho càng lớn càng tốt. Nhưng nếu quá lớn thì sụt áp xoay chiều trênsẽ làm giảm hệ số khuyếch đại của mạch. Để khắc phục ta mắc tụsong song với . Tụcó trị số sao cho đối với tín hiệu xoay chiều thì trở kháng của nó gần bằng 0 còn đối với tín hiệu một chiều thì nó xem như hở mạch. Ưu điểm của mạch phân cực này là hệ số ổn định nhiệt không phụ thuộc vào nghĩa là không phụ thuộc vào điểm công tác. 5.2> Đường tải tĩnh và điểm làm việc: Đường tải tĩnh được vẽ trên đặc tuyến ra tĩnh của BJT để nghiên cứu dòng điện và điện áp ra tĩnh khi nó mắc trong mạch cụ thể nào đó. (Khi có tải). Khi tín hiệu vào thì các dòng là các dòng tải tĩnh, điện áp tại các cực B, C, E là điện áp cố định. Trạng thái tĩnh này gọi là trạng thái tĩnh một chiều. Khi thì các giá trị dòng điện và điện áp đầu vào và đầu ra biến thiên trong phạm vi nhỏ quanh giá trị tĩnh ban đầu. Để khảo sát mạch ta phải sử dụng chế độ xoay chiều khi đó đường tải tĩnh sẽ dốc hơn và đi qua điểm làm việc tĩnh Q. Điểm làm việc tĩnh là điểm nằm trên đường tải xác định dòng điện và điện áp trên transistor khi không có tín hiệu đặt vào, nghĩa là xác định điều kiện phân cực cho transistor. Xét sơ đồ BJT mắc theo kiểu EC. Sơ đồ mạch: Chế độ tĩnh của BJT mắc kiểu EC được xác định bởi 4 tham số . Trong đó, thường có trước một tham số, các tham số khác được xác định dựa vào đặc tuyến vào ra của BJT. Họ đặc tuyến vào: khi . Họ đặc tuyến ra: khi . Quan hệ ràng buộc đó được đặc trưng bởi đường tải tĩnh: Theo sơ đồ trên ta có phương trình đường tải tĩnh: Suy ra (1) xem như Theo biễu thức (1) ta vẽ được đường tải tĩnh như sau: Độ dốc đường tải tĩnh: Về phương diện xoay chiều tụ xem như nối tắt: Suy ra Mà: (2) là dòng tĩnh. (2) chính là phương trình đường tải động. Độ dốc đường tải động: Giao điểm đường tải tĩnh và đặc tuyến ra ứng với dòng vào là điểm làm việc tĩnh Q. Để biên độ lớn nhất thì chọnnằm giữa đoạn (0,). Do đó điểm tĩnh Q nằm giữa đường tải động. Sau khi đã chọn được điểm tĩnh ta sẽ thiết lập vị trí của nó trên thực tế bằng cách: Đặt lên các cực BJT những điện áp một chiều vấn đề còn lại là ổn định điểm làm việc tĩnh để đảm bảo yêu cầu chất lượng của mạch. 5.3> Hiện tượng trôi điểm làm việc: Đặc tính của BJT làm việc trong miền tích cực được đặc trưng bởi ba tham số . Sự thay đổi của ba tham số này là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi của điểm làm việc tĩnh. Do đó, ổn định điểm làm việc chỉ có độ ổn định dòng là có lợi hơn vì khi hay nhiệt độ thay đổi thì điểm làm việc không đổi, chỉ có dòng thay đổi. Nếu biết được quan hệ ) của mạch thì ta có thể tính toán được lượng thay đổi của theo các tham số của nó như biểu thức sau: Các thành phần vi phân gọi là hệ số ổn định. là đại lượng trôi, chúng đều phụ thuộc vào nhiệt độ. Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của điện áp trôi đến điện áp ra, ta có hệ số khuyếch đại điện áp trôi: : Lượng biến đổi điện áp một chiều giữa đầu ra bộ khuyếch đại và đất. Độ lợi toàn mạch càng cao thì mức trôi càng lớn. Như vậy, hiện tượng trôi điểm làm việc tĩnh là sự thay đổi điểm làm việc ban đầu đã được phân cực do ảnh hưởng của nhiệt độ. Hệ số ổn định nhiệt: Khi nhiệt độ thay đổi thì thay đổi nhưng dòng thay đổi nhiều nhất với BJT Si nên ta có thể bỏ qua sự thay đổi của . Để xét tính ổn định của một mạch khi nhiệt độ thay đổi ta dùng hệ số ổn định nhiệt S: S càng nhỏ thì BJT càng ổn định nhiệt. Để điểm làm việc tĩnh ổn định thì khi phân cực phải làm giảm ảnh hưởng của nhiệt độ. 6> Sơ đồ cung cấp và ổn định nhiệt cho BJT: 6.1> Cung cấp và ổn định điểm làm việc bằng hồi tiếp âm dòng điện một chiều: Xét sơ đồ EC: Dùng định lý Thyvenin ta có sơ đồ tương đương như hình trên. Phương trình mạch chân B: Tính toán sao cho > Vγ làm cho tiếp giáp JE phân cực thuận. Nguyên tắc ổn định: Khi tăng do nhiệt độ mặt ghép tăng hoặc do nồng tạp chất trong BJT tăng, thì dòng tăng nên điện áp rơi trên :tăng. Điện áp tại cực cực B do cầu chia điện áp hầu như không đổi nên giảm. kéo dòng về giá trị ban đầu. Ngược lại, khi kéo dòng trở về giá trị ban đầu. Trong sơ đồ mạch trên, giữ nhiệm vụ hồi tiếp âm dòng điện một chiều để ổn định điểm làm việc tĩnh. Để tránh hồi tiếp âm xoay chiều tín hiệu trên làm giảm hệ số khuyếch đại của mạch ta mắc tụ song song với để ngăn chặn sụt áp xoay chiều vì tụ về phương diện xoay chiều xem như nối tắt. Thường chọn . Hệ số ổn định nhiệt: 6.2> Cung cấp và ổn định nhiệt bằng hồi tiếp âm điện áp: Sơ đồ mạch: vừa là điện trở phân cực vừa là điện trở hồi tiếp. Chọn thích hợp để BJT làm việc ở chế độ khuyếch đại. Ta có: Hệ số ổn định nhiệt: Nếu chọn » thì . là điện trở tải không được quá lớn. 6.3> Ảnh hưởng của các thông số đến độ ổn định của mạch: 6.3.1> Ảnh hưởng của : Xét sơ đồ mạch như hinh vẽ mục 6.1: Phương trình mạch chân B: Coi dòng thì dòng sẽ không phụ thuộc vào nếu Thực tế thì điều kiện này luôn thỏa mãn vì khi thiết kế. 6.3.2> Ảnh hưởng của : Thường thì đối với BJT Ge ít phụ thuộc vào mà chỉ phụ thuộc vào . Chỉ có BJT Si thì phụ thuộc khá lớn vào , ít phụ thuộc vào . Xét mạch ở mục 6.1: Từ phương trình mạch chân B ta có: Khi nhiệt độ tăng dòng tăng lên. Chọn có thể bỏ qua sự ảnh hưởng của . Khi nhiệt độ tăng dòng tăng nên . Khi theo lý thuyết dụng cụ bán dẫn thì áp phân cực cho tiếp giáp BE giáp nên dòng . Như vậy, đối với mạch trên thì mạch ít phụ thuộc vào nhiệt độ. Chương2: Khuyếch đại tín hiệu nhỏ Mạch EC: Sơ đồ mạch: Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ: Chức năng các linh kiện: , : Điện trở phân cực cho BJT. : Điện trở tải cưc C của BJT. : Điện trở ổn định nhiệt. : Điện trở tải. : Nội trở nguồn tín hiệu. : Nguồn tín hiệu. : Tụ ngăn sụt áp xoay chiều trên RE. : Tụ liên lạc ngõ vào. : Tụ liên lạc ngõ ra. Trở kháng vào của mạch: Trở kháng vào của BJT: Theo mô hình tương đương vật lýcủa BJT ta có: Trở kháng vào của mạch: Với Do Rb» bỏ qua Rb. Trở kháng ra của mạch: . Vì rất lớn so với nên bỏ qua Hệ số khuyếch đại dòng điện: Hệ số khuyếch đại điện áp: Khi » và Hệ số khuyếch đại công suất:() Hệ số ổn định nhiệt: Mối quan hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào: Ở bán kì dương của tín hiệu vào dòng ib­®­®¯®tín hiệu ra giảm. Ở bán kì âm của tín hiệu vào dòng tín hiệu tăng. Như vậy, đối với sơ đồ EC thì tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào. Mạch BC: Sơ đồ mạch: Sơ đồ tương đương tín hiệu bé: 2.1>Trở kháng vào của mạch: Trở kháng vào của BJT: Trở kháng vào của mạch: // Vì RE» : nhỏ 2.2> Trở kháng ra của mạch: vì ». 2.3> Hệ số khuyếch đại dòng điện: Mạch khuyếch đại BC không khuyếch đại điện áp. 2.4> Hệ số khuyếch đại điện áp: 2.5> Mối quan hệ giữa tín hiệu ra với tín hiệu vào: Ở bán kì dương của tín hiệu vào dòng ¯(là dòng điện của tín hiệu)®tín hiệu ra tăng. Ở bán kì âm của tín hiệu vào dòng ­(là dòng điện của tín hiệu)®tín hiệu ra giảm. Như vậy, đối với sơ đồ BC tín hiệu ra cùng pha tín hiệu vào. Mạch CC: Sơ đồ mạch: Sơ đồ tương đương tín hiệu bé: 3.1> Trở kháng vào của mạch: Trở kháng vào của BJT: Ta có: Trở kháng vào của mạch: nếu » 3.2> Hệ số khuyếch đại điện áp: nếu (1+b)» . 3.3> Hệ số khuyếch đại dòng điện: 3.4> Trở kháng ra của mạch: 3.5> Mối quan hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào: Ở bán kì dương của tín hiệu vào dòng tín hiệu ra tăng. Ở bán kì dương của tín hiệu vào dòng tín hiệu ra giam Như vậy, sơ đồ mạch CC có tín hiệu ra cùng pha với tín hiệu vào. Nhận xét: Mạch khuyếch đại CC có trở kháng vào lớn và trở kháng ra nhỏ phù hợp cho việc phối hợp trở kháng giữa trở kháng nhỏ của tải và trở kháng lớn của nguồn tín hiệu. Mạch CC có hệ số khuyếch đại dòng lớn và không khuyếch đại điện áp. Mạch CC thường được dùng phối hợp trở kháng ra nhỏ của tải và trở kháng vào lớn của nguồn tín hiệu, hoặc dùng làm khuyếch đại đệm, khuyếch đại công suất đơn chế độ A đầu ra không có biến áp. Mạch khuyếch đại BC có hệ số khuyếch đại điện áp lớn, trở kháng vào nhỏ, trở kháng ra lớn, không khuyếch đại dòng. Thường được dùng làm tầng ra của bộ khuyếch đại. Mạch khuyếch đại EC có hệ số khuyếch đại dòng và khuyếch đại điện áp lớn nên thường được dùng làm tầng khuyếch đại công suất. Bảng tham số của các mạch EC, BC, CC: Tham số BC EC CC Nhỏ(0.98) Lớn(-47.2) Lớn(48.2) Lớn(72) Lớn(-72) Nhỏ(0.99) Nhỏ(20.4) Trung bình(986) Lớn(73K) Lớn(1.03M) Trung bình(52.6K) Nhỏ(32) Quan hệ pha Ngược pha Ngược pha Cùng pha Chương3: Hồi tiếp 1>Định nghĩa và phân loại: Hồi tiếp là lấy một phần tín hiệu ra (dòng điện hoặc điện áp) của mạch tích cực về đầu vào thông qua một mạch bốn cực gọi là mạch hồi tiếp. Hồi tiếp đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật mạch tương tự. Hồi tiếp cho phép cải thiện các tính chất của bộ khuyếch đại. Có hai loại hồi tiếp cơ bản: Hồi tiếp âm: Tín hiệu hồi tiếp âm ngược pha với tín hiệu vào nên làm yếu tín hiệu vào, làm giảm hệ số khuyếch đại công suất. Hồi tiếp âm một chiều làm ổn định chế độ công tác của mạch. Hồi tiếp âm xoay chiều làm ổn định các thông số của bộ khuyếch đại. Hồi tiếp dương: Tín hiệu hồi tiềp dương đồng pha tín hiệu vào, do đó làm mạnh tín hiệu vào. Hồi tiếp dương làm tăng hệ số khuyếch đại của mạch. Hồi tiếp dương làm bộ khuyếch đại mất ổn định, thường được dùng trong mạch dao động. Tùy theo tín hiệu đưa về tỉ lệ với điện áp hay dòng điện ma ta chia thành hòi tiếp dòng điện hay hồi tiếp điện áp: Hồi tiếp điện áp là hồi tiếp mà phần năng lượng đưa về tỉ lệ với điện áp ra. Hồi tiếp dòng điện là hồi tiếp mà phần năng lượng đưa về tỉ lệ với dòng điện. Ngoài ra còn phân biệt hồi tiếp một chiều và hồi tiếp xoay chiều. Hồi tiếp âm DC: Dùng ổn định chế độ làm việc. Hồi tiếp âm AC : Dùng ổn định các tham số của bộ khuyếch đại. Mạch của bộ khuyếch đại có hồi tiếp được phân làm bốn loại: Hồi tiếp song song điện áp. Hồi tiếp nối tiếp điện áp. Hồi tiếp song song dòng điện. Hồi tiếp nối tiếp dòng điện. Hồi tiếp nối tiếp là hồi tiếp mà phần năng lượng đưa về mắc nối tiếp với tín hiệu vào. Hồi tiếp song song là hồi tiếp mà phần năng lượng đưa về mắc song song với tín hiệu vào. Dạng mạch tổng quát của hồi tiếp điện áp song song và hồi tiếp dòng điện nối tiếp, hồi tiếp nối tiếp điện áp,hồi tiếp song song dòng điện: Hồi tiếp điện áp song song: Hồi tiếp nối tiếp dòng điện: Hồi tiếp nối tiếp điện áp: Hồi tiếp song song dòng điện: Cả bốn sơ đồ trên có thể qui về một sơ đồ tổng quát như sau: Hồi tiếp âm: 2.1> Các phương trình cơ bản của mạch bốn cực: Sơ đồ toàn phần của bộ khuyếch đại có hồi tiếp âm: Xn: Tín hiệu đầu vào(u,i). Kn: Hàm truyền đạt mạch vào. Xv: Tín hiệu vào bộ khuyếch đại có hồi tiếp. Xht: Đại lượng hồi tiếp. Xh: Tín hiệu vào trực tiếp bộ khuyếch đại. K: Hệ số khuyếch đại (Độ lợi vòng hở). Kht: Hàm truyền đạt hồi tiếp. Xr: Tín hiệu ra. Ta có quan hệ: ; ; ; (2.1) Với K’: Hàm truyền đạt của mạch bốn cực có hồi tiếp. Khi qua nhiều tầng khuyếch đại thì K rất lớn do vậy ÞHệ số khuyếch đại của mạch không phụ thuộc vào bản thân của mạch khuếch đại mà chỉ phụ thuộc vào mạch hồi tiếp. Hàm truyền đạt toàn phần (Ktp): Gọi : Hệ số khuyếch đại vòng. : Độ sâu hồi tiếp. Khi . Theo công thức (2.1) suy ra |K’|<|K|: Hồi tiếp âm. . Theo công thức (2.1) suy ra |K’|>|K|: Hồi tiếp dương. Với »1. Theo công thức (2.1) suy ra . (2.3) Để phân tích mạch hồi tiếp ta có phương pháp thường gặp sau: Lý thuyết mạch bốn cực. Các định luật Kiêc-khốp. Phương pháp phân tích khối trong kĩ thuật điều khiển. Trong các phương pháp trên thì phương pháp phân tích khối trong kĩ thuật điều khiển là dễ dàng và đơn giản nhất vì phương này cho phép nhanh chóng nhận ra được nguyên tắc làm việc của các mạch và dễ dàng chuyển tất cả các mạch có hồi tiếp về “cấu trúc chuẩn”.Trên cơ sở đó xác định và đánh giá các đại lượng của mạch. 2.2> Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến tính chất của bộ khuyếch đại: 2.2.1> Ảnh hưởng đến hệ số khuyếch đại của mạch: Sai số tương đối của bộ khuyếch đại có hồi tiếp âm nhỏ hơn () lần so với sai số tương đối của hệ số khuyếch đại khi không có hồi tiếp âm. : Hệ số khuyếch đại khi có hồi tiếp giảm nhưng băng tần được mở rộng. Hồi tiếp âm bao nhiều tầng cho độ ổn định của hệ số khuyếch đại cao hơn hồi tiếp bao từng tầng đối với bộ khuyếch đại nhiều tầng. 2.2.2> Ảnh hưởng đến chế độ ổn định: Ta có Biểu thức trêncho thấy: Sai số tương đối của hệ số khuếch đại có hồi tiếp âm nhỏ hơn (1+K.Kht) lần so với sai số tương đối của hệ số khuyếch đại khi không có hồi tiếp âm. Trong khi đó, sai số của Kn và Kht của bộ khuyếch đại có hồi tiếp và không hồi tiếp là như nhau. Vì vậy, để có bộ khuyếch đại chính xác, các phần tử thụ động của mạch cần có độ chính xác cao. Từ công thức (2.3) suy ra: Hồi tiếp âm giữ cho quan hệ ổn định (nghĩa là ). Đại lượng ra hoặc đại lượng có thể là điện áp hoặc là dòng điện. Như vậy, tùy thuộc vào loại mạch hồi tiếp sẽ có những đại lượng khác nhau được ổn định. Loại mạch hồi tiếp Đại lượng được ổn định Loại mạch khuyếch đại Hồi tiếp âm nối tiếp-điện áp Hệ số khuyếch đại điện áp: Mạch khuyếch đại điện áp. Hồi tiếp âm nối tiếp dòng điện Điện dẫn truyền đạt: Mạch biến đổi áp-dòng U®I Hồi tiếp âm song song điện áp Điện trở truyền đạt: Mạch biến đổi dòng-áp I®U Hồi tiếp âm song song dòng điện Hệ số khuyếch đại dòng: Mạch khuyếch đại dòng điện Đối với bộ khuếch đại dùng hồi tiếp âm bao từng tầng riêng lẽ. với n là số tầng của bộ khuyếch đại. Đối với bộ khuyếch đại dùng hồi tiếp âm bao tất cả các tầng: với n là số tầng của bộ khuyếch đại. Vậy hồi tiếp bao nhiều tầng cho độ ổn định cao hơn hệ số khuyếch đại bao từng tầng riêng lẽ. 2.2.3> Ảnh hưởng đến trở kháng vào: Sự thay đổi trở kháng vào khi có hồi tiếp chỉ phụ thuộc vào phương pháp mắc mạch hồi tiếp ở đầu vào nối tiếp hay song song mà không phụ thuộc vào phương pháp lấy tín hiệu đầu ra để đưa vào mạch hồi tiếp. Vì vậy có thể tinh trở kháng vào của bộ khuyếch đại hồi tiếp có hai trường hợp: - Hồi tiếp nối tiếp. - Hồi tiếp song song. Hồi tiếp nối tiếp: Khi chưa có hồi tiếp:( chọn » Khi có hồi tiếp: Kết luận: Khi