Ứng dụng của transistor lưỡng cực BJT

Lịch sử của transistor lưỡng cực

Transistor lưỡng cực (BJT) không phải là thiết bị ba cực đầu tiên. Trước khi transistor ra đời, ống chân không đã được sử dụng. Trong lĩnh vực điện tử, diode ống chân không đã được sử dụng gần nửa thế kỷ trước thời BJT. Bóng đèn do Thomas Edison phát minh vào đầu những năm 1880 là một trong những ứng dụng đầu tiên của ống chân không. Triode ống chân không được sử dụng trong các thiết kế máy tính khác nhau cho đến đầu năm 1950. Nhưng vấn đề chính là khi sự phức tạp của các mạch tăng lên cần nhiều triode tích hợp hơn. Vào những ngày đó, một máy tính lớn sẽ có nhiều giá đỡ chứa đầy các ống, gần như chiếm một căn phòng lớn. Tuy nhiên kích thước không phải là vấn đề duy nhất, các ống tiêu thụ điện năng lớn và đôi khi bị rò rỉ.

Do đó, các nhà khoa học và kỹ sư bắt đầu nghĩ cách tạo ra một số loại thiết bị ba cực khác. Thay vì điều khiển một electron trong chân không, họ bắt đầu nghĩ cách để điều khiển nó trong vật liệu rắn. Năm 1947, hai nhà vật lý John Bardeen và Walter Brattain làm việc tại phòng thí nghiệm Bell nhận thấy rằng bằng cách tạo hai điểm tiếp xúc rất gần nhau, họ có thể tạo ra một thiết bị ba cực. Do đó, transistor tiếp xúc điểm đầu tiên được tạo ra bằng cách sử dụng gecmani, kẹp giấy và lưỡi dao cạo.

Sau đó Shockley đã phát triển transistor lưỡng cực (BJT) bằng cách ép các lát mỏng của vật liệu bán dẫn khác nhau lại với nhau. Các transistor đã thay thế các ống chân không và tạo ra một sự thay đổi đáng kể trong thế giới điện tử. Bardeen và Brattain cùng với William Shockley được trao giải Nobel Vật lý năm 1956 vì phát minh ra hiệu ứng transistor. Trong nhiều năm, transistor được sản xuất dưới dạng các linh kiện riêng lẻ cho đến cuối năm 1950, sau đó các mạch tích hợp (IC) ra đời, đặt tất cả các linh kiện trên một chip duy nhất. Đây chỉ là một phần trong lịch sử rất dài của BJT.

Các ứng dụng của transistor lưỡng cực

Có hai loại ứng dụng của transistor lưỡng cực, công tắc và khuếch đại.

Transistor làm công tắc

Đối với các ứng dụng làm công tắc, transistor được phân cực để hoạt động trong vùng bão hòa hoặc vùng cắt (cutoff). Transistor trong vùng cắt sẽ hoạt động như một công tắc mở trong khi ở trạng thái bão hòa sẽ hoạt động như một công tắc đóng.

Công tắc mở

Trong vùng cắt (cả hai điểm nối đều bị phân cực ngược) điện áp qua điểm nối CE rất cao. Điện áp đầu vào bằng 0 nên cả dòng điện cực gốc và dòng điện cực góp đều bằng 0, do đó điện trở được cung cấp bởi BJT rất cao (lý tưởng là vô hạn).

Công tắc đóng

Ở trạng thái bão hòa (cả hai điểm nối đều được phân cực thuận) một điện áp đầu vào cao được được đặt vào cực gốc. Giá trị của điện trở cực gốc được điều chỉnh sao cho dòng điện cực gốc lớn chạy qua. Có một điện áp rơi nhỏ qua đường giao nhau của cực góp cực phát từ 0,05 đến 0,2 V và dòng điện cực góp rất lớn. Một sự sụt giảm điện áp rất nhỏ diễn ra trên BJT và tương đương với một công tắc đóng.

BJT làm Bộ khuếch đại

Bộ khuếch đại CE kết hợp RC một tầng

Hình dưới một bộ khuếch đại CE một tầng. C1 và C3 là các tụ điện ghép nối (coupling), chúng được sử dụng để chặn thành phần DC và chỉ cho phần xoay chiều đi qua. Chúng cũng đảm bảo các điều kiện phân cực DC của BJT không thay đổi ngay cả khi đầu vào được đặt. C2 là tụ điện bypass làm tăng độ lợi điện áp và bỏ qua điện trở R4 cho tín hiệu AC.

BJT được phân cực trong vùng hoạt động bằng cách sử dụng các thành phần phân cực cần thiết. Điểm Q được tạo ra ổn định trong vùng hoạt động của transistor. Khi đầu vào được đặt như hình dưới đây, dòng điện cực gốc bắt đầu thay đổi lên và xuống, do đó dòng điện cực góp cũng thay đổi khi IC = β × IB. Do đó điện áp trên R3 thay đổi khi dòng điện cực góp đi qua nó. Điện áp trên R3 là điện áp được khuếch đại và cách nhau 180o so với tín hiệu đầu vào. Do đó điện áp trên R3 được ghép nối với tải và quá trình khuếch đại diễn ra. Nếu điểm Q được duy trì ở tâm tải thì sẽ có rất ít hoặc không xảy ra hiện tượng méo dạng sóng. Điện áp cũng như độ lợi dòng điện của bộ khuếch đại CE cao (độ lợi là hệ số mà điện áp của dòng điện tăng từ đầu vào đến đầu ra). Nó thường được sử dụng trong radio và làm bộ khuếch đại điện áp tần số thấp.

Để tăng độ lợi hơn nữa thì các bộ khuếch đại đa tầng sẽ được sử dụng. Chúng được kết nối thông qua tụ điện, biến áp điện, R-L hoặc ghép nối trực tiếp tùy thuộc vào ứng dụng. Độ lợi tổng thể đến từ độ lợi của các tầng riêng lẻ.