Kỹ thuật Điện tử tương tự và số Nguyễn Thị Thanh Nga Bộ môn KTMT – Viện CNTT & TT Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 1 Thông tin liên hệ § Giáo viên: Nguyễn Thị Thanh Nga § Bộ môn Kỹ thuật Máy tính, Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông § Phòng làm việc: B1 802 § Mobile: 0904567424 § Email: ngantt@soict.hust.edu.vn 2 2 1 Đề cương môn học § § § § IT3430 Lý thuyết: 45 tiết Bài tập: 15 tiết Tài liệu học tập: Bài giảng Một số tài liệu tham khảo: § Introductory Circuit Analysis, 10th edition, Boylestad § Electronic Device and Circuit Theory (2013), Robert L.Boylestad, Louis Nashelsky § Microelectronics circuit analysis and design, 4th edition, Donal A.Neamen § Digital Electronics: Principles, Devices and Applications (2017), Anil K.Maini Download tại: https://bit.ly/2krs8QU 3 3 Nội dung § Phần 1 Chương 1: Khái niệm chung về Điện tử cho CNTT Chương 2: Cấu kiện điện tử Chương 3: Mạch điện tử cơ bản § Phần 2 Chương 1: Cơ sở lý thuyết mạch số Chương 2: Các cổng logic cơ bản Chương 3: Các mạch tổ hợp Chương 4: Các mạch dãy 4 4 2 Chương 2: Cấu kiện điện tử Nội dung 1. Lý thuyết vùng năng lượng trong chất rắn 2. Linh kiện thụ động và ứng dụng 3. Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 5 5 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 1. Vật liệu bán dẫn và đặc tính 2. Điôt và ứng dụng 3. Transitor và ứng dụng 6 6 3 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng § § § § § § Cấu tạo Phân loại Chế độ hoạt động của transistor Phân tích 1 chiều Phân tích xoay chiều Ứng dụng transistor 7 7 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Transistor BJT § Transistor lưỡng cực BJT (Bipolar junction transistor) là một loại linh kiện bán dẫn gồm có hai tiếp xúc p-n được tạo nên bởi 3 miền bán dẫn loại p và n xếp xen kẽ nhau, có 3 cực: B (base - cực nền) C (collector - cực thu) E (emitter - cực phát) § Là một linh kiện vô cùng quan trọng và có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật điện tử. § Chia thành 2 loại: Transistor pnp Transistor npn 8 8 4 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Transistor BJT § Transistor npn § Transistor pnp 9 9 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Cấu trúc transistor BJT § Transistor npn § Mật độ tạp chất trong 3 vùng khác nhau 10 10 5 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.1 Vật liệu bán dẫn và đặc tính Lớp tiếp giáp pn phân cực thuận § Đặt một điện áp dương VD vào đầu p của lớp tiếp giáp pn § Hàng rào điện thế giảm → hạt dẫn đa số tràn qua hàng rào sang miền đối diện → tình trạng thiếu hạt dẫn trong vùng nghèo được giảm bớt → bề dày vùng nghèo thu hẹp → điện trở giảm § Dòng điện qua chuyển tiếp pn lớn và tăng nhanh theo điện áp. 11 11 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Hoạt động của transistor 𝑣" # 𝑣 "$ § 4 khả năng kết hợp phân cực → 4 vùng hoạt động Tích cực ngược Khóa Bão hòa Tích cực thuận 12 12 6 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Transistor npn - Chế độ hoạt động tích cực thuận § B-E phân cực thuận, B-C phân cực ngược 13 13 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Transistor npn - Chế độ hoạt động tích cực thuận § B-E phân cực thuận: dòng electron từ n phóng sang p → mật độ hạt dẫn thiểu số tăng mạnh ở p. § B-C phân cực ngược: mật độ electron vùng tiếp giáp ≈ 0. Dòng electron được phóng từ E, khuếch tán qua B, bị quét qua vùng tiếp giáp B-C, và được thu lại ở vùng C. 14 14 7 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Transistor npn - Dòng transistor § Dòng IE § Dòng IC § Dòng IB 15 15 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Transistor npn - Chế độ hoạt động tích cực thuận § B-E phân cực thuận: dòng electron từ n phóng sang p → mật độ hạt dẫn thiểu số tăng mạnh ở p. § B-C phân cực ngược: mật độ electron vùng tiếp giáp ≈ 0. Dòng electron được phóng từ E, khuếch tán qua B, bị quét qua vùng tiếp giáp B-C, và được thu lại ở vùng C. 16 16 8 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Transistor npn - Dòng IE § Do lớp tiếp giáp B-E phân cực thuận → dòng qua lớp tiếp giáp B-E tỉ lệ với điện áp phân cực B-E. § → Dòng cực phát IE được tính theo công thức: § Do đó: Tham số điện của lớp tiếp giáp 17 17 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Transistor npn - Chế độ hoạt động tích cực thuận § B-E phân cực thuận: dòng electron từ n phóng sang p → mật độ hạt dẫn thiểu số tăng mạnh ở p. § B-C phân cực ngược: mật độ electron vùng tiếp giáp gần bằng 0. Dòng electron được phóng từ E, khuếch tán qua B, bị quét qua vùng tiếp giáp B-C, và được thu lại ở vùng C. 18 18 9 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Transistor npn - Dòng IC § Số lượng electron tới cực C trong 1 đơn vị thời gian tỉ lệ với số lượng electron được phóng ra cực B (tỉ lệ với điện áp phân cực đặt trên B-E) § Dòng IC tỉ lệ với điện áp phân cực đặt trên B-E và độc lập với điện áp phân cực đặt trên B-C như sau: Dòng ở 1 cực được điều khiển bởi áp đặt trên 2 cực còn lại → Hoạt động chính của transistor 19 19 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Transistor npn - Chế độ hoạt động tích cực thuận § B-E phân cực thuận: dòng electron từ n phóng sang p → mật độ hạt dẫn thiểu số tăng mạnh ở p. § B-C phân cực ngược: mật độ electron vùng tiếp giáp gần bằng 0. Dòng electron được phóng từ E, khuếch tán qua B, bị quét qua vùng tiếp giáp B-C, và được thu lại ở vùng C. 20 20 10 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Transistor npn - Dòng IB § IB1 : Dòng lỗ trống từ B sang E tỉ lệ với điện áp phân cực B-E vì p-n phân cực thuận: § IB2 : Dòng lỗ trống kết hợp với electron từ cực E phát sang, tỉ lệ với điện áp phân cực B-E: § Dòng IB là tổng của IB1 và IB2 do đó cũng tỉ lệ với điện áp phân cực B-E: 21 21 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Transistor npn – Mối quan hệ giữa các dòng § Coi transistor là 1 nút đơn: § Ở chế độ tích cực thuận § Từ đó tính được: § Hay: 22 22 11 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Transistor BJT § Transistor npn § Transistor pnp 23 23 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Transistor pnp - Chế độ hoạt động tích cực thuận § B-E phân cực thuận: lỗ trống từ p phóng sang n → mật độ hạt dẫn thiểu số tăng mạnh ở n. § B-C phân cực ngược: mật độ lỗ trống vùng tiếp giáp ≈ 0. Dòng lỗ trống được phóng từ E, khuếch tán qua B, bị quét qua vùng tiếp giáp B-C, và được thu lại ở vùng C. 24 24 12 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Transistor pnp – Dòng transistor § IE tỉ lệ với điện áp phân cực đặt trên B-E Điện áp đặt trên cực E (+) hơn so với điện áp đặt trên cực B § IC tỉ lệ với điện áp phân cực đặt trên B-E, hướng ra ngoài § IB cũng tỉ lệ với điện áp phân cực đặt trên B-E 25 25 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Ký hiệu và quy ước § Transistor npn 26 26 13 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Ký hiệu và quy ước § Transistor pnp 27 27 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Ký hiệu và quy ước 28 28 14 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Đặc tính Volt - Ampere § Cấu hình B chung: Cực B nối đất Nguồn dòng cấp nguồn cho iE npn pnp 29 29 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Đặc tính Volt – Ampere mạch B chung Biểu diễn mối quan hệ giữa dòng iC và điện áp VCB ứng với §cácCấu chungnhau giáhình trị iEBkhác Lớp tiếp giáp BC phân cực ngược, IE không đổi Lớp tiếp giáp BC phân cực thuận trong khoảng 0.2-0.3V Điện áp phân cực thuận BC tiếp tục tăng, mối quan hệ tuyến tính giữa iC và iE không còn, dòng iC nhanh chóng sụt về 0 30 30 15 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Đặc tính Volt – Ampere mạch E chung § Cấu hình E chung Mạch pnp Mạch npn § Bao gồm: Cực E nối đất VBB phân cực cho lớp tiếp giáp B-E 31 31 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Đặc tính Volt – Ampere mạch E chung Biểu diễn mối § Cấu hình E quan chunghệ giữa dòng iC và điện áp VCE ứng với các giá trị iB khác nhau § Với Transistor ở chế độ tích cực thuận § Với Transistor không còn ở chế độ tích cực thuận, dòng iC nhanh chóng giảm về 0. 32 32 16 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Phân tích 1 chiều mạch transistor § Phân cực 1 chiều transistor là một phần quan trọng trong thiết kế các bộ khuếch đại lưỡng cực. § Sử dụng mô hình tuyến tính từng đoạn lớp tiếp giáp pn để phân tích 1 chiều cho các mạch transistor. § Transistor trong 1 bộ khuếch đại tuyến tính phải được phân cực ở chế độ tích cực thuận. § Sử dụng mạch E chung và đường tải cho mạch E chung. 33 33 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Phân tích 1 chiều mạch transistor npn E chung § Mạch E chung: B-E phân cực thuận → 34 34 17 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Phân tích 1 chiều mạch transistor pnp E chung § Mạch E chung: 35 35 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Phân tích một chiều mạch transistor E chung Đặc tính V-A tuyến tính từng đoạn lớp tiếp giáp B-E và đường tải Transistor npn E chung § VBB<VBE(on): B-E phân cực ngược → IB=0 § VBB>VBE(on): B-E phân cực thuận → VBB tăng → IB tăng 36 36 18 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Phân tích một chiều mạch transistor E chung Phương trình đường tải DC Đặc tính V-A tuyến tính từng đoạn lớp tiếp giáp B-E và đường tải Đặc tính Volt-Ampere mạch E chung 37 37 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Phân tích một chiều mạch transistor E chung 𝑽'' tăng → I' tăng → I) tăng I' tăng → I) không tăng Trạng thái bão hoà Điểm làm việc Q Đặc tính V-A tuyến tính từng đoạn lớp tiếp giáp B-E và đường tải Đặc tính transistor C-E và đường tải C-E 38 38 19 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Đặc tính Volt – Ampere mạch E chung Vùng bão hoà 𝑽)*(,-.) 𝟎. 𝟏 − 𝟎. 𝟑V 39 39 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Đặc tính Volt – Ampere mạch B chung 40 40 20 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Phân tích một chiều mạch transistor E chung 𝑽'' < V'* on ; I' = I) = 𝟎 Transistor khoá I' = I) = I* = 𝟎 𝑽)* = V)) Khoá Đặc tính V-A tuyến tính từng đoạn lớp tiếp giáp B-E và đường tải Đặc tính transistor C-E và đường tải C-E 41 41 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Đặc tính Volt – Ampere mạch E chung Vùng khoá 42 42 21 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Đặc tính Volt – Ampere mạch B chung 43 43 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Phương pháp phân tích 1 chiều lưỡng cực § Phân tích đáp ứng 1 chiều mạch transistor lưỡng cực cần biết chế độ hoạt động của transistor. 1. Giả thiết transistor ở chế độ tích cực thuận với: V'* = V'* on , I' > 0, I) = 𝛽I' . 2. Phân tích mạch “tuyến tính” với các giả thiết này. 3. Đánh giá kết quả • Nếu các giá trị tham số giả định ban đầu đúng và V)* > V)* sat , thì giả thiết ban đầu là đúng. • I' < 0, transistor có thể ở trạng thái khoá • V)* < 0, transistor có thể ở trạng thái bão hoà. 4. Nếu giả thiết ban đầu không đúng, thực hiện giả thiết mới, phân tích mạch tuyến tính mới và lặp lại bước 3. 44 44 22 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Ví dụ 2.3 § Cho: VEB (on) = 0.6V RB = 580kΩ β = 100 § Tìm: IB, IC , IE RC sao cho 𝑉$# = F 𝑉 G E 45 45 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Ví dụ 2.3 46 46 23 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Ví dụ 2.4 § Tính dòng và áp trong mạch khi transistor ở chế độ bão hoà. VBE (on) = 0.7V β = 100 VCE (sat) = 0.2V 47 47 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Ví dụ 2.4 48 48 24 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Ví dụ 2.4 § Nhận xét: Khi transistor ở trạng thái bão hoà 49 49 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Ví dụ 2.5 § Thiết kế mạch B chung như hình vẽ để IECQ = 0.5mA VECQ = 4.0V § Giả thiết: β= 120 VEB (on) = 0.7V 50 50 25 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Ví dụ 2.5 § Áp dung định luật Kirchoff cho vòng B-E (giả thiết ở trạng thái tích cực thuận): § Từ đó: 51 51 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Ví dụ 2.5 § Tìm được: § Áp dung định luật Kirchoff cho vòng C-E: § Tính được: 52 52 26 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Bài tập 2.3 § Cho: VBE (on) = 0.7V VCE (sat) = 0.2V β = 50 § Với VI =0.2V VI =3.6V § Tìm: VO, IB , IC 53 53 Chương 2: Cấu kiện điện tử 2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.3 Transistor và ứng dụng Bài tập 2.4 § Cho mạch như hình vẽ, biết Điện áp phân cực Điện áp đo được tại cực C: § Tìm: 54 54 27