Transistor lưỡng cực

Cấu tạo tranzitor lưỡng cực

Transistor Bipolar Junction (transistor lưỡng cực) là một thiết bị bán dẫn có thể được sử dụng để chuyển mạch hoặc khuếch đại.

Trong các hướng dẫn về diode, chúng ta đã thấy rằng các điốt đơn giản được tạo thành từ hai mảnh vật liệu bán dẫn để tạo thành một điểm nối pn đơn giản và chúng ta cũng đã tìm hiểu về các tính chất và đặc điểm của chúng.

Nếu bây giờ chúng ta kết hợp hai điốt tín hiệu riêng lẻ lại với nhau, điều này sẽ cung cấp cho chúng ta hai điểm nối PN được kết nối với nhau thành chuỗi có chung một đầu cuối P hoặc N. Sự hợp nhất của hai điốt này tạo ra một thiết bị ba lớp, hai đường giao nhau, ba thiết bị đầu cuối tạo thành cơ sở của bóng bán dẫn kết nối lưỡng cực , gọi tắt là BJT .

Bóng bán dẫn là ba thiết bị hoạt động đầu cuối được làm từ các vật liệu bán dẫn khác nhau có thể hoạt động như một chất cách điện hoặc chất dẫn điện bằng cách sử dụng một điện áp tín hiệu nhỏ. Khả năng thay đổi giữa hai trạng thái này của bóng bán dẫn cho phép nó có hai chức năng cơ bản: “chuyển mạch” (điện tử kỹ thuật số) hoặc “khuếch đại” (điện tử tương tự). Sau đó, các bóng bán dẫn lưỡng cực có khả năng hoạt động trong ba vùng khác nhau:

  • Vùng hoạt động    – bóng bán dẫn hoạt động như một bộ khuếch đại và Ic = β * Ib
  • Độ bão hòa    – bóng bán dẫn “BẬT hoàn toàn” hoạt động như một công tắc và Ic = I (bão hòa)
  • Cắt    – bóng bán dẫn ở trạng thái “TẮT hoàn toàn” hoạt động như một công tắc và Ic = 0

Một Transistor lưỡng cực điển hình

Từ Transistor là sự kết hợp của hai từ Transfer Varistor mô tả phương thức hoạt động của chúng trong những ngày đầu phát triển điện tử. Có hai loại cấu tạo bóng bán dẫn lưỡng cực cơ bản, PNP và NPN , mô tả cơ bản sự sắp xếp vật lý của vật liệu bán dẫn loại P và loại N mà chúng được tạo ra.

Cấu trúc cơ bản của Transistor lưỡng cực bao gồm hai điểm nối PN tạo ra ba đầu cuối kết nối với mỗi đầu cuối được đặt một tên để xác định nó với hai đầu kia. Cả ba thiết bị đầu cuối được biết đến và được dán nhãn là Emitter ( E ), các cơ sở ( B ) và Collector ( C ) tương ứng.

Transitor lưỡng cực là thiết bị điều chỉnh dòng điện kiểm soát lượng dòng điện chạy qua chúng từ Đầu phát đến đầu cực Thu tương ứng với lượng điện áp xu hướng được đặt vào đầu cuối cơ sở của chúng, do đó hoạt động giống như một công tắc điều khiển dòng điện. Khi một dòng điện nhỏ chạy vào cực cơ sở sẽ điều khiển dòng điện góp lớn hơn nhiều tạo thành cơ sở hoạt động của bóng bán dẫn.

Nguyên lý hoạt động của hai loại bóng bán dẫn PNP và NPN , hoàn toàn giống nhau, chỉ khác là về xu hướng của chúng và cực tính của bộ nguồn cho từng loại.

Cấu tạo tranzitor lưỡng cực

Cấu tạo tranzitor lưỡng cực

Cấu trúc và ký hiệu mạch cho cả bóng bán dẫn lưỡng cực PNP và NPN được đưa ra ở trên với mũi tên trong ký hiệu mạch luôn hiển thị hướng của “dòng điện thông thường” giữa đầu nối cơ sở và đầu cuối phát của nó. Hướng của mũi tên luôn hướng từ vùng loại P dương sang vùng loại N âm đối với cả hai loại bóng bán dẫn, hoàn toàn giống với ký hiệu diode tiêu chuẩn.

Cấu hình bóng bán dẫn lưỡng cực

Vì Transistor lưỡng cực là một thiết bị ba đầu cuối, về cơ bản có ba cách có thể để kết nối nó trong một mạch điện tử với một đầu cuối chung cho cả đầu vào và đầu ra. Mỗi phương pháp kết nối đáp ứng khác nhau với tín hiệu đầu vào của nó trong mạch vì đặc tính tĩnh của bóng bán dẫn thay đổi theo từng cách sắp xếp mạch.

  • Cấu hình cơ sở chung    – có Tăng điện áp nhưng không có Tăng dòng điện.
  • Cấu hình Bộ phát chung    – có cả Độ tăng dòng điện và Điện áp.
  • Cấu hình Bộ thu chung    – có Tăng dòng điện nhưng không Tăng điện áp.

Cấu hình Cơ sở Chung (CB)

Như tên gọi của nó, trong cấu hình cơ sở chung hoặc cơ sở nối đất, kết nối BASE chung cho cả tín hiệu đầu vào VÀ tín hiệu đầu ra. Tín hiệu đầu vào được áp dụng giữa đế bóng bán dẫn và các cực phát, trong khi tín hiệu đầu ra tương ứng được lấy từ giữa đế và cực thu như hình minh họa. Đầu cuối cơ sở được nối đất hoặc có thể được kết nối với một số điểm điện áp chuẩn cố định.

Dòng điện đầu vào chảy vào bộ phát là khá lớn vì nó là tổng của cả dòng điện cơ bản và dòng điện thu, do đó, đầu ra dòng điện bộ thu nhỏ hơn đầu vào dòng điện phát dẫn đến mức tăng dòng điện cho loại mạch này là “1” (thống nhất) hoặc ít hơn, nói cách khác là cấu hình cơ sở chung “làm suy giảm” tín hiệu đầu vào.

Mạch bán dẫn cơ bản chung

Mạch bán dẫn cơ bản chung

Loại cấu hình bộ khuếch đại này là một mạch khuếch đại điện áp không nghịch đảo, trong đó điện áp tín hiệu Vin và Vout là “cùng pha”. Kiểu sắp xếp bóng bán dẫn này không phổ biến lắm do đặc tính tăng điện áp cao bất thường của nó. Đặc tính đầu vào của nó đại diện cho đặc tính của một diode phân cực thuận trong khi các đặc tính đầu ra đại diện cho một diode quang được chiếu sáng.

Ngoài ra, loại cấu hình bóng bán dẫn lưỡng cực này có tỷ lệ cao giữa điện trở đầu ra và điện trở đầu vào hoặc quan trọng hơn là điện trở “tải” (  RL  ) với điện trở “đầu vào” (  Rin  ) tạo cho nó một giá trị là “Độ lợi kháng”. Khi đó, độ lợi điện áp (  Av  ) đối với cấu hình cơ sở chung do đó được đưa ra là:

Tăng điện áp cơ sở chung

Tăng điện áp cơ sở chung

Trong đó: Ic / Ie là mức tăng dòng điện, alpha (  α  ) và RL / Rin là mức tăng kháng.

Mạch cơ sở chung thường chỉ được sử dụng trong các mạch khuếch đại tầng đơn như bộ khuếch đại tiền micrô hoặc bộ khuếch đại tần số vô tuyến (  Rƒ  ) do đáp ứng tần số cao rất tốt của nó.

Cấu hình Bộ phát chung (CE)

Trong cấu hình Bộ phát chung hoặc bộ phát nối đất, tín hiệu đầu vào được áp dụng giữa đế và bộ phát, trong khi đầu ra được lấy từ giữa bộ thu và bộ phát như hình minh họa. Loại cấu hình này là mạch được sử dụng phổ biến nhất cho các bộ khuếch đại dựa trên bóng bán dẫn và đại diện cho phương pháp “bình thường” của kết nối bóng bán dẫn lưỡng cực.

Cấu hình bộ khuếch đại cực phát chung tạo ra dòng điện và độ lợi công suất cao nhất trong cả ba cấu hình bóng bán dẫn lưỡng cực. Điều này chủ yếu là do trở kháng đầu vào THẤP khi nó được kết nối với điểm nối PN phân cực thuận, trong khi trở kháng đầu ra CAO vì nó được lấy từ điểm nối PN phân cực ngược.

Mạch khuếch đại phát điện chung

Mạch khuếch đại phát điện chung

Trong kiểu cấu hình này, dòng điện chạy ra khỏi bóng bán dẫn phải bằng dòng điện đi vào bóng bán dẫn vì dòng phát được cho là Ie = Ic + Ib .

Khi điện trở tải (  R L  ) được mắc nối tiếp với bộ thu, độ lợi dòng điện của cấu hình bóng bán dẫn cực phát chung là khá lớn vì nó là tỷ lệ Ic / Ib . Độ lợi dòng điện của bóng bán dẫn được ký hiệu tiếng Hy Lạp là Beta , (  β  ).

Vì dòng phát cho cấu hình phát chung được định nghĩa là Ie = Ic + Ib , tỷ lệ Ic / Ie được gọi là Alpha , với ký hiệu tiếng Hy Lạp là α . Lưu ý: giá trị của Alpha sẽ luôn nhỏ hơn giá trị thống nhất.

Vì mối quan hệ điện giữa ba dòng điện này, Ib , Ic và Ie được xác định bởi cấu tạo vật lý của chính bóng bán dẫn, bất kỳ thay đổi nhỏ nào trong dòng điện cơ bản (  Ib  ), sẽ dẫn đến sự thay đổi lớn hơn nhiều trong dòng điện thu (  Ic  ) .

Sau đó, những thay đổi nhỏ trong dòng điện chạy trong đế do đó sẽ điều khiển dòng điện trong mạch cực thu. Thông thường, Beta có giá trị từ 20 đến 200 cho hầu hết các bóng bán dẫn mục đích chung. Vì vậy, nếu một bóng bán dẫn có giá trị Beta là 100, thì cứ 100 điện tử sẽ có một điện tử chảy ra từ đầu cực cơ sở giữa đầu cực thu-phát.

Bằng cách kết hợp các biểu thức cho cả Alpha , α và Beta , β , mối quan hệ toán học giữa các tham số này và do đó độ lợi dòng điện của bóng bán dẫn có thể được đưa ra là:

các biểu thức cho cả Alpha , α và Beta

 

các biểu thức cho cả Alpha , α và Beta

Trong đó: “ Ic ” là dòng điện đi vào cực thu, “ Ib ” là dòng điện đi vào cực gốc và “ Ie ” là dòng điện đi ra từ cực phát.

Sau đó, để tóm tắt một chút. Loại cấu hình bóng bán dẫn lưỡng cực này có trở kháng đầu vào, dòng điện và độ lợi công suất lớn hơn cấu hình cơ bản chung nhưng độ lợi điện áp của nó thấp hơn nhiều. Cấu hình bộ phát phổ biến là một mạch khuếch đại đảo. Điều này có nghĩa là tín hiệu đầu ra kết quả có độ lệch pha 180 o so với tín hiệu điện áp đầu vào.

Cấu hình Bộ thu thập chung (CC)

Trong cấu hình Bộ thu chung hoặc bộ thu nối đất, bộ thu được kết nối với đất thông qua nguồn cung cấp, do đó đầu nối bộ thu chung cho cả đầu vào và đầu ra. Tín hiệu đầu vào được kết nối trực tiếp với đầu cuối cơ sở, trong khi tín hiệu đầu ra được lấy từ điện trở tải của bộ phát như hình minh họa. Loại cấu hình này thường được gọi là mạch Follower hoặc Emitter Follower .

Cấu hình bộ thu chung, hoặc cấu hình theo bộ phát rất hữu ích cho các ứng dụng kết hợp trở kháng vì trở kháng đầu vào rất cao, trong vùng hàng trăm nghìn Ohms trong khi có trở kháng đầu ra tương đối thấp.

Mạch Transistor Collector Chung

Mạch Transistor Collector Chung

Cấu hình bộ phát chung có độ lợi dòng điện xấp xỉ bằng giá trị β của chính bóng bán dẫn. Tuy nhiên trong cấu hình bộ thu chung, điện trở tải được mắc nối tiếp với cực phát nên dòng điện của nó bằng dòng điện cực phát.

Vì dòng điện phát là sự kết hợp của bộ thu VÀ dòng cơ bản kết hợp, nên điện trở tải trong loại cấu hình bóng bán dẫn này cũng có cả dòng thu và dòng đầu vào của đế chạy qua nó. Khi đó mức tăng dòng điện của mạch được cho là:

Thu nhập dòng điện của bộ thu chung

Thu nhập dòng điện của bộ thu chung

Thu nhập dòng điện của bộ thu chung

 

Loại cấu hình bóng bán dẫn lưỡng cực này là một mạch không đảo trong đó điện áp tín hiệu của Vin và Vout là “cùng pha” . Cấu hình bộ thu chung có độ lợi điện áp khoảng “1” (độ lợi hợp nhất). Vì vậy, nó có thể được coi là một bộ đệm điện áp vì độ lợi điện áp là thống nhất.

Điện trở tải của bóng bán dẫn cực thu chung nhận được cả dòng điện cơ sở và dòng điện cực góp tạo ra độ lợi dòng điện lớn (như với cấu hình bộ phát chung) do đó, cung cấp khả năng khuếch đại dòng điện tốt với độ lợi điện áp rất ít.

Sau khi xem xét ba loại cấu hình bóng bán dẫn lưỡng cực khác nhau, bây giờ chúng ta có thể tóm tắt các mối quan hệ khác nhau giữa các bóng bán dẫn dòng điện một chiều riêng lẻ chạy qua mỗi chân và mức tăng dòng điện một chiều của nó được đưa ra ở trên trong bảng sau.

Mối quan hệ giữa Dòng điện DC và Khuếch đại

Mối quan hệ giữa Dòng điện DC và Khuếch đại

Lưu ý rằng mặc dù chúng ta đã xem xét các cấu hình Transistor lưỡng cực NPN ở đây, các bóng bán dẫn PNP cũng hợp lệ để sử dụng trong mỗi cấu hình vì các phép tính sẽ giống nhau, như đối với tín hiệu khuếch đại không đảo. Sự khác biệt duy nhất sẽ là ở các cực điện áp và hướng dòng điện.

Tóm tắt bóng bán dẫn lưỡng cực

Sau đó, tóm lại, hoạt động của bóng bán dẫn lưỡng cực trong mỗi một trong các cấu hình mạch trên là rất khác nhau và tạo ra các đặc tính mạch khác nhau liên quan đến trở kháng đầu vào, trở kháng đầu ra và cho dù đây là mức tăng điện áp, mức tăng dòng điện hay mức tăng công suất và đây là tóm tắt trong bảng dưới đây.

Cấu hình bóng bán dẫn lưỡng cực

 

Cấu hình bóng bán dẫn lưỡng cực

với các đặc điểm tổng quát của các cấu hình bóng bán dẫn khác nhau được đưa ra trong bảng sau:

Đặc tính Cơ sở chung Common
Emitter
Bộ sưu tập chung
Trở kháng đầu vào Thấp Trung bình Cao
Trở kháng đầu ra Rất cao Cao Thấp
Chuyển pha 0 o 180 o 0 o
Tăng điện áp Cao Trung bình Thấp
Lợi ích dòng điện Thấp Trung bình Cao
Tăng sức mạnh Thấp Rất cao Trung bình

Trong hướng dẫn tiếp theo về Transistor lưỡng cực , chúng ta sẽ xem xét chi tiết hơn về Transistor NPN khi được sử dụng trong cấu hình bộ phát phổ biến như một bộ khuếch đại vì đây là cấu hình được sử dụng rộng rãi nhất do tính linh hoạt và độ lợi cao. Chúng tôi cũng sẽ vẽ biểu đồ các đường cong đặc tính đầu ra thường được kết hợp với các mạch khuếch đại như một hàm của dòng điện cực thu đối với dòng điện cơ bản.