Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 5: BJT - Phần 3 - Hồ Trung Mỹ

Nội dung text: Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 5: BJT - Phần 3 - Hồ Trung Mỹ

1. ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT BMĐT GVPT: Hồ Trung Mỹ Môn học: Dụng cụ bán dẫn Chương 5 BJT 1 5.6 Đáp ứng tần số và hoạt động chuyển mạch của BJT 5.6.1 Đáp ứng tần số • Mạch tương đương tần số cao • Tần số cắt (cutoff frequency) 2 1
2. Hybrid-pi model a useful small signal equivalent circuit 5 Các giới hạn tần số hoạt động Các yếu tố làm trễ Thời hằng tổng cộng từ E đến C hay thời gian trễ với thời gian nạp điện dung tiếp xúc jE thời gian đi qua miền nền thời gian đi qua miền nghèo ở miền thu (collector) thời gian nạp điện dung ở collector 6 3
3. Tần số cắt (cutoff frequency) của transistor Độ lợi dòng CB Độ lợi dòng CB tần thấp Tần số cắt alpha 9 Tần số cắt beta Tần số cắt fT được định nghĩa là tần số mà ở đó biên độ của độ lợi dòng CE là 1. Chú ý: Hiện nay BJT có fT ~ 25GHz HBT có f ~ 175GHz T 10 5
4. 5.6.2 Hoạt động chuyển mạch của BJT  BJT có thể hoạt động như một khóa (công tắc) giữa trạng thái dòng thấp-áp cao và trạng thái dòng cao-áp thấp.  Trạng thái tắt (OFF) tương ứng với chế độ tắt của BJT, trái lại trạng thái dẫn (ON) tương ứng với chế độ bão hòa.  Mạch tiêu biểu để đo đặc tính chuyển mạch như sau: +VCC RL RS Vin 13 V in V1 t = thời gian trễ t d tr = thời gian lên t = thời gian xả V s 2 điện tích chứa I t = thời gian xuống B IB1 f t t = t + t I on d r B2 t = t + t I off s f C IC 0.9 ICsat 0.1 ICsat t   s  d r t = 0 f 14 7
5.  Khi BJT ở chế độ tích cực , IC giảm theo thời gian. Hiệu số của dòng nền ở chế độ bão hòa và tích cực là: Ibs Ibs Iba I bs VCC / hfe RL  Từ phương trình điều khiển điện tích Ibs Qbs / sr d Qbs / dt người ta có thể ước lượng thời gian xả điện tích chứa là: Ib1 Ib 2  s  sr ln Iba I b2  Khi t > s, phương trình điều khiển điện tích trở thành: Qb dQb VBE /VT I b Qb AqnpoWe / 2  nl dt 17 Khóa điện tử dùng BJT 18 9
6. SWITCHING DELAYS IN A BJT (2/2) 21 Large-signal switching Ký hiệu 22 11
7. Schottky transistor •MOTIVATION: Do not let the transistor go into deep saturation during switching. 25 5.7 Các mô hình của BJT 1. Mô hình tín hiệu lớn – Mô hình Ebers-Moll – Mô hình Gummel-Poon 2. Mô hình tín hiệu nhỏ (dùng cho chế độ khuếch đại, tín hiệu nhỏ) 26 13
8. 2.3 The BJT as an Amplifier Device Operation: 29 30 15
9. Graphical Analysis of I-V relationships: •Need both iB – vBE and ic – vCE plots 33 Figure 5.30 Graphical determination of the signal components vbe, ib, ic, and vce when a signal component vi is superimposed on the dc voltage VBB (see Fig. 5.27). 34 17
10. Base current and Input resistance at the base : i The total base current i C , that is, B β IC 1 IC iB vbe IB ib β β VT Therefore, the small -signal base current is 1 IC gm ib vbe vbe β VT β The small -signal input resistance, denoted as rπ , is vbe β β VT rπ  ib gm (IC/VT ) IB 1 iB VT On the other hand, rπ . vbe IB 37 Emitter current and the Input Resistance at the Emitter: The total emitter current iE is i I i i C C c I i E α α α E e That is, the small-signal emitter current is ic IC IE ie vbe vbe α α VT VT If we denote a small-signal resistance between base and emitter, looking into the emitter, by re , it can be defined by vbe veb VE α 1 re  ( ) ie ie IE gm gm 38 19
11. Note: both models can be viewed as (a) voltage-controlled current source, and [ T Model ] (b) current-controlled current source types. Figure 5.52 Two slightly different versions of what is known as the T model of the BJT. The circuit in (a) is a voltage-controlled current source representation and that in (b) is a current-controlled current source representation. These models explicitly show the emitter resistance re rather than the base resistance r featured in the hybrid- model. 41 Steps to doing small-signal analysis: 1. Determine the dc operation point (for a given  ) and get the DC collector current IC. 2. Calculate the parameter values of IC  VT gm ; r ; re VT gm IE gm 3. Eliminate the DC sources by : Voltage source short circuit Current source open circuit 4. Replace the BJT with one of its small -signal model. 5. Analyze the resulting circuit to determine the required quantities, say, the voltage gain Av gmRC 42 21
12. Model transformation 45 AC Emitter Resistance r’e or re 25mV re IE where r’e = ac emitter resistance IE = the dc emitter current, found as VE / RE for example. 46 23
13. Các đại lượng AC trong bảng dữ liệu Bốn tham số h truyền thống: • hfe là độ lợi dòng AC (mắc CE) • hie = r là tổng trở vào (mắc CE) • ac = hfe ’ • re = hie/hfe • hre và hoe không cần cho các thiết kế cơ bản và troubleshooting 49 Mô hình pi hỗn hợp (tín hiệu nhỏ) của BJT Hỗ dẫn: I g C  40I m V C T Điện trở vào (hay hie):  V o T o r • Mô hình tín hiệu nhỏ pi- I g hỗn hợp là biểu diễn tần số C m Điện trở ra (hay 1/h ) thấp của BJT. oe V V r A CE • Các tham số tín hiệu nhỏ o I bị điều khiển bởi điểm Q. C với VA là điện áp Early 50 25
14. Equations for Hybrid Model V1 h 11 I 1 h 12 V 2 I2 h 21 I 1 h 22 V 2 Let V1 = Vi, I1 = Ii, V2 = Vo, and I2 = Io. Then Vi h11 I i h 12 V o Io h21 I i h 22 V o 53 Equivalent Circuit for Hybrid Model Vi h11 I i h 12 V o h i I i h r V o Io h21 I i h 22 V o h f I i h o V o 54 27
15. Hybrid Model for CE Configuration vin ic hie (output shorted) hoe (input open) ib vce May be neglected. ic vbe hfe (output shorted) hre (input open) ib vce 57 h-parameters of 2N3904 58 29
16. Typical amplifiers BJT JFET Amplifier Amplifier Op-Amp Based Amplifier 61 General amplifier models. Zout Vout Vin Zin A Vin Vout Zin A Zout 62 31
17. Voltage amplifier model. Z R v v in v A v v v L in S RZ outv in L out S in ZRout L vL Av(eff ) vS 65 Combined effects of the input and output circuits RS Zout 20 250 v Z R S v in v v L 15mV in 980 out L 1.2k Av=340 Zin 980Ω RL 1.2kΩ vin vS 15mV vL vout 5V RZS in 1kΩ ZRout L 1.45kΩ 14.7mV 4.14V vout Av v in 340 14.7mV vL 4.14V Av eff 276 5V vS 15mV 66 33
18. Property ranges Property Low Midrange High Gain 1000 Impedance 10k 69 Common-emitter (CE) amplifier +VCC •Midrange values of voltage and v out current gain. vin •High power gain 4Vpp •Midrange input Load 20mVpp impedance •Midrange output impedance 70 35
19. A comparison of CE, CC, and CB circuit characteristics Type Av Ai Ap Zin Zout CE Midrange Midrange High Midrange Midrange CC < 1 Midrange Ai High Low CB Midrange < 1 Av Low High AAAp v i 73 BJT Terminal Connections Type Emitter Base Collector CE Common Input Output CC Output Input Common CB Input Common Output 74 37
20. Class A Amplifiers Conduction: Transistor conducts during 360 deg. of ac input. Maximum theoretical eff.: 25% Distortion: Little (subject to nonlinear distortion.) 77 Class B Amplifiers Conduction: Each transistor conducts for 180 deg. of ac input. Maximum theoretical eff.: 78.5% Distortion: Little. Crossover distortion is most common. 78 39
21. dB gains are additive 81 The dBm Reference P A 10log p(dBm) 1mW dB Voltage Gain 2 Pout v outRRin v out in Ap(dB) 10log 10log2 20log 10log Pin R out v in v in R out vout AAARRp(dB) v (dB) 20log v 20log out in vin 82 41
22. 5.8 Các BJT khác • Darling ton Transistor • Polysilicon emitter Transistor • Heterojunction bipolar transistor (HBT)=transistor lưỡng cực chuyển tiếp dị thể • Phototransistor = transistor quang 85 5.8.1 Cấu hình Darlington Làm cho độ lợi dòng  rất cao, thường dùng trong các mạch cần I I IC,1 C,2 B,1 dòng IC cao (nhiều Amperes), và ta muốn điều khiển nó với dòng nền nhỏ. Và  cũng làm cho điện trở IB,2= IE,1 vào cao. IE,2 Ta có thể nối 2 BJT rởi thành 1 transistor Darlington hay mua loại người ta đã chế tạo sẵn. Với hình trên ta thấy rằng quan hệ giữa IB1 và IC2 là IC2=IB1 với  = 12 VBE tương đương là 2xVON ( 1.4V) và VCEsat lớn hơn (thường thì ~1 V). 86 43
23. 5.8.2 Polysilicon emitter BJT • PET được dùng IC 89 5.8.3 Heterojunction bipolar transistors Chú ý: HBT được dùng các ứng dụng tốc độ cao/tần số cao 90 45
24. Phototransistors • Photodiode với mạch KĐ (transistor) • Ánh sáng chiếu vào tiếp xúc B-E (JE). • Dòng Collector IC là hàm tuyến tính của sự tới bức xạ (giả sử =const). • Dãi tuyến tính thì hẹp hơn nhiều so với photodiode hay quag trở. • Đặc tuyến IC theo VCE được vẽ theo các bước của sự tới bức xạ. • Độ nhạy của phototransistor (RE) tốt hơn photodiode 93 Phototransistor • Không nhanh bằng photodiode. • Sử dụng như transistor, ngoại trừ không cần dòng nền. 94 47