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

Nội dung text: Bài giảng môn 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
2. 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) 3
3. Mạch tương đương tần số cao r, C (=Cbc): tương đương tín hiệu nhỏ của JC phân cực ngược r , C (=Cbe): tương đương tín hiệu nhỏ của JE phân cực thuận ro : điện trở của BJT CE rx : điện trở tại miền nền trung hòa (bỏ qua trong tần số trung bình) Các giá trị thực tế của các tham số: r rất lớn (có thể xem như hở mạch), C =1-5pF, C =5-50pF 5
4. 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 7
5. Thời gian đi qua miền nghèo ở miền thu (collector) Điện tử đi qua miền điện tích không gian B-C với tốc độ bão hòa của chúng trong transistor NPN Với xdc là bề rộng miền điện tích không gian B-C và vS là vận tốc bão hòa. Thời gian nạp điện dung ở collector với Điện trở nối tiếp ở miền thu Điện dung ở tiếp xúc JC Điện dung từ miền thu đến đế (substrate) của transistor 9
6. Tần số cắt beta Tần số cắt fT (tần số đơn vị) được định nghĩa là tần số mà ở đó biên độ của độ lợi dòng CE là 1 (ac=1). Chú ý: Hiện nay BJT có fT ~ 25GHz HBT có f ~ 350GHz (năm 2002) T 11
7. Ic 0 1 hfe  Ib 1 s(C C )r 1 s   2 20log  20log 1 (T  ) 0 2  1 (T  ) 20dB / decade T     1 Băng thông độ lợi đơn vị g m T   C C g m fT 2 (C C ) 13
8. V in V1 t = thời gian trễ t d tr = thời gian lên t = thời gian xả V s 2 điện tích chứa I B IB1 tf = thời gian xuống 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 t t ts tf d r t = 0 15
9.  Sau t = ts, điện áp emitter bắt đầu giảm và I B V2 VBE / RS I B 0 whenkhi VBE V2  Thời gian xả điện tích chứa là một trong những thời gian quan trọng nhất làm giới hạn tốc độ chuyển mạch của BJT. Để ước lượng thời gian này, ta thấy rằng BJT bị lái vào bão hòa khi IC VCC VCEsat / RL VCC / RL  Từ đó, BJT bị lái vào bão hòa khi VCC I B Iba RL hfe  Một khi bão hòa, dòng collector là IC=VCC/RL. Trong lúc xảy ra xả điện tích chứa, dòng collector giữ gần như không đổi cho đến khi BJT vào miền tích cực. Thời gian xả điệntích chứa (storage time) là thời gian cần cho điện tích trong miền nền Qbs giảm xuống giá trị của điện tích Qba tương ứng với chế độ tích cực. 17
10. Khóa điện tử dùng BJT a) Với BJT NPN a) Với BJT PNP 19
11. SWITCHING DELAYS IN A BJT (2/2) 21
12. Transistor Schottky • Diode Schottky là dụng cụ hạt dẫn đa số, có nghĩa là đáp ứng quá độ của nó nhanh hơn nhiều các dụng cụ lưỡng cực. • Người ta dùng các tính chất của diode để tăng tốc đáp ứng của BJT. • Kim loại tạo thành tiếp xúc Ohm với nền (base), nhưng tạo thành rào thế Schottky trên miền thu (collector). – Khi BJT đang ở chế độ tắt (hay tích cực thuận), JC và diode Schottky bị phân cực ngược. Như vậy diode Schottky không ảnh hưởng đến dụng cụ. – Khi BJT đi vào bão hòa, diode Schottky được phân cực thuận và sụt áp trên JC bị kẹp bởi sụt áp thuận phân cực của diode (VON của Schottky ~ 0.3V). • Điện áp ON của diode Schottky nhỏ hơn nhiều của JC. Diode cho phép dòng nền dôi ra đi qua nó. • Do đó BJT không vào chế độ bão hòa và sự rút điện tích dôi ra nhanh hơn chuyển mạch nhanh hơn. • Transistor Schottky là linh kiện quan trọng của logic lưỡng cực không bão hòa và nó được dùng trong các ứng dụng cần tốc độ chuyển mạch nhanh. 23
13. 5.7 Các mô hình của BJT 1. Mô hình tín hiệu lớn 1) Mô hình Ebers-Moll (mô tả cho bất cứ chế độ làm việc nào và là cơ sở cho mô hình BJT trong SPICE) 2) Mô hình Gummel-Poon (có kể đến sự tái hợp khi xét các dòng điện) 3) Xét từng chế độ làm việc khác nhau 2. Mô hình tín hiệu nhỏ (dùng cho chế độ khuếch đại, tín hiệu nhỏ) 25
14. Mô hình tín hiệu lớn của BJT – NPN (chế độ KĐ) 27
15. Hoạt động tín hiệu nhỏ và mô hình VBE/VT IC ISe IE IC/α IB IC/β VC VCE VCC ICRC Vforới activechế độ -tímodech cự coperation, thuận, phân cực VC VB 0.4 29
16. DBasedựa trên on dò "totalng toà current"n phần =DC DC +AC AC:: IC iC IC ic IC vbe VT DòTheng small thu tísignaln hiệ ucollector nhỏ là current is IC ic vbe gmvbe VT vwhereới hỗ thedẫn transcond gm là uctance gm is I i g C C m V v T BE iC IC Hoạt động tuyến tính của BJT dưới điều kiện tín hiệu nhỏ: Tín hiệu nhỏ vbe với dạng sóng tam giác được xếp chồng lên điện áp DC VBE. Nó làm xuất hiện dòng tín hiệu ở cực thu ic, cũng có dạng sóng tam giac, được xếp chồng lên dòng DC IC. Ở đây, ic = gmvbe, với gm là độ dốc của đường cong iC–vBE tại điểm tĩnh Q. 31
17. DòBaseng current nền và and đi ệnInput trở resistancevào ở miề atn ntheền base : i TheDòng total nền basetoàn phcurrentần là i C , thatnghĩ is,a là B β IC 1 IC iB vbe IB ib β β VT Therefore,Do đó dòng thenền smalltín hiệ-usignal nhỏ là base current is 1 IC gm ib vbe vbe β VT β The small-signal input resistance, denoted as r , is Điện trở vào tín hiệu nhỏ r là π vbe β β VT rπ  ib gm (IC/VT ) IB 1 iB VT OnMặ tthe khá otherc, ta cóhand, rπ . vbe IB 33
18. SinceVì vbe ibrπ iere ie Nhưthus v weậy tahave có rπ re (β 1) re ib • Voltage Độ lợi Gaináp (tí: n(small hiệu- signal)nhỏ) ĐiTheện átotalp toà collectorn phần tạ voltagei cực thu v làC is vC VCC iCRC VCC (IC ic )RC (VCC ICRC ) icRC VC icRC ĐiTheện ásmallp tín hisignalệu nhỏ voltage vC là vc is vc icRC (gmvbe )RC (gmRC )vbe NhưThus vậ they đ ộvoltage lợi áp AgainV củ aof mạ thisch amplifierkhuếch đạ Ai nàv isy là vc ICRC Av  gmRC vbe VT 35
19. Mô hình T Chú ý: cả hai mô hình được xem như (a) nguồn dòng được điều khiển bằng áp, và (b) nguồn dòng được điều khiển bằng dòng. 37
20. TD: Giả sử =100. Tìm độ lợi áp tín hiệu nhỏ vo/vi. Ở chế độ tích cực thuận |VBE|=0.7V IC 2.3mA gm 92mA/V VT 25mV β 100 rπ 1.09KΩ gm 92 rπ vbe vi 0.011vi rπ RBB vo gmvbeRC 3.04vi 39
21. Biến đổi mô hình 41
22. Xác định ac. IC IC i c ac IB i b h = dc beta Q FE IC hfe = ac beta IB IB 43
23. Mô hình pi hỗn hợp (tín hiệu nhỏ) của BJT Hỗ dẫn: I C gm  40I V C T Điện trở vào (hay hie):  V o T o • Mô hình tín hiệu nhỏ pi-hỗn r I g hợp là biểu diễn tần số thấp của C m BJT. Điện trở ra (hay 1/hoe) V V • Các tham số tín hiệu nhỏ bị A CE ro điều khiển bởi điểm Q. I C với VA là điện áp Early 45
24. Six Circuit-Parameter Models for Two- Port Systems Independent Dependent Circuit Parameters Variables Variables I1, I2 V1, V2 Impedance Z V1, V2 I1, I2 Admittance Y V1, I2 I1, V2 Inverse Hybrid g I1, V2 V1, I2 Hybrid h V2, I2 V1, I1 Transmission T V1, I1 V2, I2 Inverse Transmission T’ 47
25. 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 49
26. h-Parameters for CE Amp. • hie = the base input impedance • hfe = the base-to-collector current gain • hoe = the output admittance • hre = the reverse voltage feedback ratio vbe h ie i b h re v ce ic h fe i b h oe v ce 51
27. h-parameters of 2N3904 53
28. Determining h-Parameter Values Use geometric means if given max. and min. values. hie h ie(min) h ie (max) hfe h fe(min) h fe (max) 55
29. General amplifier models. Vin Vout Vin Vout 57
30. Example The symbol shown in Fig. 8.3 is a generic symbol for an amplifier. Calculate the voltage gain for the amplifier represented in the figure. 400 V 250mV A vout 250mV Av 625 vin 400μV 59
31. 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 61
32. BJT Amplifier Configurations • Common-emitter (CE) amplifier • Common-collector (CC) amplifier • Common-base (CB) amplifier 63
33. Common-emitter (CE) amplifier •Midrange values of voltage and current gain. •High power gain •Midrange input impedance •Midrange output impedance 65
34. Common-base (CB) amplifier • Midrange voltage gain • Extremely low current gain (slightly less than 1) • Low input impedance +VCC • High output impedance v in vout 20mV pp 2Vpp Load -V EE 67
35. BJT Terminal Connections Type Emitter Base Collector CE Common Input Output CC Output Input Common CB Input Common Output 69
36. Các lớp hoạt động IC IC A B t t IC IC ISAT C D Class A : Linear t t Class B, AB: Linear* (Complementary) Các hoạt động lớp A, B, và C (phân loại theo Class C: Nonlinear (RF, Tuned) dạng dòng collector trong 1 chu kỳ) Class D and E: Switching (Linear Audio) 71
37. 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. 73
38. Decibels (dB) Pout AAp(dB) 10log p 10log dB Pin dB Value Ap dB Value Ap 3 2 -3 1 / 2 6 4 -6 1 / 4 12 16 -12 1 / 16 20 100 -20 1 / 100 75
39. 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 77
40. 5.8.1 Cấu hình Darlington Làm cho độ lợi dòng  rất cao, thường dùng trong các mạch cần I IC,1 C,2 IB,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). 81
41. 5.8.3 Heterojunction bipolar transistors Chú ý: HBT được dùng các ứng dụng tốc độ cao/tần số cao 85
42. Cấu trúc của phototransistor Window Emitter Base n p-type n-type Collector 87
43. Phototransistor • Không nhanh bằng photodiode. • Sử dụng như transistor, ngoại trừ không cần dòng nền. 89
44. Phototransistor 91