BJT (Bipolar Junction Transistor)

BJT dùng để khuếch đại hoặc chuyển mạch tín hiệu điện tử

BJT được tạo thành từ 2 diode kết hợp. Các cực của BJT:

• Base (B): điều khiển dòng điện giữa Emitter và Collector
• Emitter (E): Cực phát, nơi dòng điện đi vào hoặc đi ra khỏi transistor
• Collector (C): Cực thu, nơi dòng điện đi vào hoặc đi ra khỏi transistor

Có 2 loại BJT chính:

• NPN: 1 lớp bán dẫn loại P kẹp giữa 2 lớp bán dẫn loại N
• PNP: 1 lớp bán dẫn loại N kẹp giữa 2 lớp bán dẫn loại P

"Common" (Chung) trong các mạch khuếch đại BJT có nghĩa là cực đó làm điểm chung cho cả tín hiệu vào và tín hiệu ra, đồng thời được nối về Đất về mặt xoay chiều (AC Ground). Vì các nguồn điện áp DC lý tưởng có trở kháng xoay chiều bằng 0, nên đối với tín hiệu AC, Nguồn DC (V_CC , V_EE , -V_CC , -V_EE) và Đất (GND) có vai trò hoàn toàn như nhau - đều được coi là đất xoay chiều (AC Ground).

BJT có 3 cách mắc chính:

• Common Base (CB): Cực Base là điểm tham chiếu chung của đầu vào và đầu ra. (Tín hiệu đưa vào E, lấy ra ở C).

  • Cực Base (B) nối trực tiếp xuống Đất (GND) hoặc nối qua một tụ dập C_B xuống Đất để làm điểm tựa điện áp cố định cho tín hiệu vào ở cực E và tín hiệu ra ở cực C.

Hình 1. Cách mắc CB cho BJT NPN (trái) và PNP (phải)

• Common Emitter (CE): Cực Emitter là điểm tham chiếu chung của đầu vào và đầu ra. (Tín hiệu đưa vào B, lấy ra ở C).

  • Cực Emitter (E) luôn nối về Đất (GND) về mặt tín hiệu AC. Nếu có điện trở định thiên R_E, người ta sẽ mắc một tụ thoát C_E song song với R_E để đưa tín hiệu AC ở cực E xuống thẳng Đất.

Hình 1. Cách mắc CE cho BJT NPN (trái) và PNP (phải)

• Common Collector (CC): Cực Collector là điểm tham chiếu chung của đầu vào và đầu ra. (Tín hiệu đưa vào B, lấy ra ở E).

  • BJT NPN: Cực Collector (C) nối trực tiếp vào Nguồn dương (+V_CC ). Do V_CC là điện áp DC cố định (biên độ AC = 0), cực C trở thành đất xoay chiều (AC Ground).

  • BJT PNP: Cực Collector (C) nối vào Nguồn âm (-V_CC ) hoặc Đất (GND) tùy theo sơ đồ cấp nguồn. Tương tự NPN, đây cũng là điểm đất xoay chiều của mạch.

Hình 3. Cách mắc CC cho NPN (trái) và PNP (phải)

Các chế độ hoạt động của BJT:

• Chế độ khuếch đại (Active Mode): Tiếp giáp Emitter-Base được phân cực thuận, tiếp giáp Collector-Base được phân cực ngược. Dòng I_B là tín hiệu điều khiển mức độ mở của BJT.

I_E = I_B + I_C

I_C = β . I_B (với β là hệ số khuếch đại dòng điện)

• • Cách mắc CE: Tín hiệu vào ở cực B, tín hiệu ra ở cực C. Mạch CE có khả năng khuếch đại cả điện áp và dòng điện, do đó có hệ số khuếch đại công suất lớn nhất.
    • Hệ số khuếch đại điện áp:

• • • Trong đó:
      • Dòng I_C chạy qua điện trở tải R_C ở đầu ra
    • Tín hiệu đầu ra bị đảo pha 180 độ so với đầu vào.
  • Cách mắc CC: Tín hiệu vào ở cực B, tín hiệu ra ở cực E. Cực Emitter nối với một điện trở tải R_E. Trở kháng đầu vào rất cao và trở kháng đầu ra rất thấp. Thường dùng làm mạch đệm (buffer) để phối hợp trở kháng giữa các tầng.

Z_in = β.R_E

• • • Trong đó: R_source: mọi trở kháng từ nguồn tín hiệu ở ngõ vào
    • Điện áp đầu ra xấp xỉ điện áp đầu vào. 
    • Hệ số khuếch đại đòng điện:

• • Cách mắc CB: Tín hiệu vào ở cực E, tín hiệu ra ở cực C. Đáp ứng tần số rất cao, thường dùng trong các mạch khuếch đại tần số vô tuyến (RF). Trở kháng đầu vào rất nhỏ, trở kháng đầu ra rất lớn.
    • Hệ số dòng điện:

• • • Hệ số khuếch đại điện áp:

• • • Trong đó:
      • R_out: Trở kháng đầu ra
      • R_in: Trở kháng đầu vào
• Dùng BJT làm công tắc số (Chuyển đổi qua lại giữa Saturation và Cut-off):

  • Chế độ bão hòa (Saturation Mode - Trạng thái ON): Cả hai tiếp giáp Emitter-Base (BE) và Collector-Base (BC) đều được phân cực thuận. Ở trạng thái này, dòng điện chảy qua transistor đạt mức tối đa và bị giới hạn bởi điện trở của mạch ngoài chứ không còn phụ thuộc vào I_B. BJT hoạt động như một công tắc được đóng kín.

    • V_CE(sat) là thông số đầu tiên quyết định việc có cần gắn nhôm tản nhiệt cho mạch hay không. V_CE(sat) ≈ 0.2V đến 0.3V (đối với các BJT tín hiệu nhỏ), nhưng mức điện áp này sẽ lớn hơn nếu dùng các BJT công suất lớn.
    • Nhiệt lượng sinh ra trên thân transistor:

P = V_CE(sat) . I_C

• • • Nếu đóng ngắt một bóng đèn nhỏ 100mA: P = 0.2V x 0.1A = 0.02{W} (BJT mát rượi)

    • Nhưng nếu dùng nó đóng ngắt một động cơ 10A: P = 0.2V x 10A = 2(W}. Trông thì nhỏ, nhưng với một linh kiện bé bằng móng tay, 2W đủ sức nung nó nóng rực lên hơn 100° C và bốc khói nếu không được gắn phiến tản nhiệt bằng nhôm.

• • Chế độ ngắt (Cut-off Mode - Trạng thái OFF): Cả hai tiếp giáp BE và BC đều bị phân cực ngược. Hầu như không có dòng điện nào chạy qua transistor (dòng I_C ≈ 0). BJT lúc này hoạt động như một công tắc mở, hoàn toàn ngăn dòng điện đi qua.

  • Thực tế người ta gần như chỉ sử dụng duy nhất cấu hình Common Emitter (CE). Cấu hình CE cho phép dùng một điện áp/dòng điện nhỏ ở cực Base để đóng/cắt hoàn toàn một dòng tải lớn ở cực Collector một cách dễ dàng và hiệu quả nhất.
•