Phân cực transistor là quá trình thiết lập điện áp hoặc dòng điện DC của transistor về mức chính xác để bất kỳ tín hiệu AC đầu vào nào cũng có thể được khuếch đại đúng cách bởi transistor.

Hoạt động ổn định của transistor lưỡng cực phụ thuộc rất nhiều vào dòng điện cực gốc, điện áp cực góp và dòng điện cực góp. Do đó, để transistor hoạt động chính xác như một bộ khuếch đại tuyến tính, nó phải được phân cực đúng cách xung quanh điểm hoạt động của nó. Phân cực transistor không đúng cách sẽ dẫn đến méo tín hiệu đầu ra.

Việc xác định điểm hoạt động chính xác đòi hỏi phải chọn điện trở phân cực và điện trở tải để có được dòng điện đầu vào và điện áp cực góp phù hợp. Điểm phân cực chính xác cho các transistor lưỡng cực, dù là NPN hay PNP, thường nằm giữa hai cực hoạt động, tại đó transistor ở trạng thái "mở hoàn toàn" hoặc "đóng hoàn toàn" hướng về phía tải DC. Điểm hoạt động trung tâm này được gọi là "điểm hoạt động yên tĩnh" hoặc đơn giản là điểm Q.

Khi một transistor lưỡng cực được phân cực sao cho điểm Q của nó nằm gần điểm giữa của dải hoạt động, xấp xỉ giữa điểm cắt và điểm bão hòa, transistor hoạt động như một bộ khuếch đại Class A. Chế độ hoạt động này cho phép điện áp đầu ra tăng và giảm xung quanh điểm Q của bộ khuếch đại mà không bị méo mó khi tín hiệu đầu vào dao động qua một chu kỳ. Nói cách khác, tín hiệu đầu ra có sẵn trong suốt 360 độ của chu kỳ đầu vào.

Làm thế nào để thiết lập độ lệch điểm Q của một transistor? – Việc thiết lập độ lệch chính xác cho một transistor được thực hiện bằng một quy trình thường được gọi là thiết lập độ lệch cực gốc (base biasing).

Nhưng trước khi xem xét các cách bố trí phân cực transistor khác nhau, chúng ta hãy xem lại mạch transistor đơn cơ bản với điện áp và dòng điện như hình trên.

Chức năng của "mức phân cực DC" là thiết lập điểm Q chính xác của transistor bằng cách đặt dòng điện cực góp (IC) ở một giá trị không đổi và ổn định mà không cần bất kỳ tín hiệu đầu vào bên ngoài nào được áp dụng vào cực gốc của transistor.

Điểm hoạt động ổn định hoặc điểm hoạt động DC này được thiết lập bởi điện áp mạch DC (Vcc) và bất kỳ điện trở phân cực nào được kết nối với cực gốc của transistor.

Vì dòng điện phân cực gốc của transistor là dòng điện một chiều không đổi, việc sử dụng đúng cách các tụ ghép nối và tụ bỏ qua giúp ngăn chặn dòng điện phân cực từ các transistor khác ảnh hưởng đến trạng thái phân cực của các transistor tiếp theo. Mạch phân cực gốc có thể được sử dụng với các transistor mắc chung cực gốc (CB), chung cực góp (CC) hoặc chung cực phát (CE). Trong hướng dẫn phân cực transistor đơn giản này, chúng ta sẽ xem xét các cách bố trí phân cực khác nhau có sẵn cho các mạch khuếch đại mắc chung cực phát.

Sơ đồ phân cực điển hình của transistor ECL

Mạch phân cực được sử dụng phổ biến nhất cho các mạch transistor là mạch tự phân cực của mạch phân cực cực phát, sử dụng một hoặc nhiều điện trở phân cực để thiết lập điện áp DC ban đầu cho dòng điện của ba transistor (IB), (IC) và (IE).

Hai chế độ phân cực phổ biến nhất cho transistor lưỡng cực là phụ thuộc vào hệ số beta và không phụ thuộc vào hệ số beta. Điện áp phân cực của hầu hết các transistor phụ thuộc vào giá trị beta (β) của transistor; do đó, thiết lập phân cực cho một transistor có thể không giống với thiết lập cho transistor khác, vì giá trị beta của mỗi transistor có thể khác nhau. Việc phân cực transistor có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một điện trở hồi tiếp đơn hoặc bằng cách sử dụng một mạng chia điện áp đơn giản để thu được điện áp phân cực mong muốn.

Dưới đây là năm ví dụ về cấu hình phân cực cực gốc của transistor từ một nguồn duy nhất (Vcc).

Mạch phân cực cố định của transistor.

Mạch điện được thể hiện ở đây được gọi là "mạch phân cực gốc cố định" vì dòng điện gốc của transistor (IB) vẫn không đổi đối với một giá trị Vcc nhất định. Do đó, điểm hoạt động của transistor cũng phải không đổi. Mạng phân cực hai điện trở này được sử dụng để tạo ra vùng hoạt động ban đầu của transistor bằng cách sử dụng dòng điện phân cực không đổi.

Cách bố trí phân cực của loại transistor này cũng phụ thuộc vào hệ số beta, vì điều kiện hoạt động ổn định là một hàm của giá trị beta của transistor. Do đó, điểm phân cực sẽ thay đổi trong một phạm vi rộng đối với cùng một loại transistor, vì đặc tính của các transistor không hoàn toàn giống nhau.

Điốt phát của transistor được phân cực thuận bằng cách cấp điện áp phân cực dương mong muốn vào cực gốc thông qua điện trở giới hạn dòng RB. Giả sử một transistor lưỡng cực tiêu chuẩn, điện áp rơi giữa cực gốc và cực phát sẽ là 0,7V. Do đó, giá trị của RB là: (VCC – VBE)/IB, trong đó IB được định nghĩa là IC/β.

Cách bố trí điện trở phân cực đơn này dẫn đến điện áp và dòng điện phân cực không ổn định trong quá trình hoạt động của transistor, có thể thay đổi đáng kể. Hơn nữa, nhiệt độ hoạt động của transistor ảnh hưởng tiêu cực đến điểm hoạt động.

Ý kiến ​​của những nhà sưu tập có thành kiến.

Cấu hình phản hồi cực góp tự phân cực này là một phương pháp phân cực phụ thuộc vào beta khác, yêu cầu hai điện trở để cung cấp điện áp phân cực DC cần thiết cho transistor. Cấu hình phản hồi cực góp-cực gốc đảm bảo rằng transistor luôn được phân cực trong vùng hoạt động bất kể giá trị beta (β). Điện áp phân cực DC ở cực gốc được tính toán từ điện áp cực góp VC, do đó mang lại độ ổn định tốt.

Trong mạch này, điện trở phân cực gốc RB được nối với tụ điện C của transistor, thay vì với điện áp nguồn Vcc. Khi dòng điện qua tụ tăng, điện áp trên tụ giảm, làm giảm điện áp điều khiển cực gốc. Điều này tự động làm giảm dòng điện qua tụ để duy trì điểm Q của transistor. Do đó, phương pháp phân cực ngược bằng tụ điện này tạo ra phản hồi âm xung quanh transistor, vì có phản hồi trực tiếp từ đầu ra đến đầu vào thông qua điện trở RB.

Vì điện áp phân cực được tạo ra bởi điện áp giảm trên điện trở tải RL, nếu dòng điện tải tăng, điện áp giảm trên RL sẽ tăng, và điện áp cực góp VC sẽ giảm tương ứng. Hiệu ứng này sẽ làm cho dòng điện cực gốc IB cũng giảm, dẫn đến IC trở lại trạng thái bình thường.

Phản ứng ngược lại xảy ra khi dòng điện cực góp của transistor giảm; do đó, phương pháp phân cực này được gọi là tự phân cực. Độ ổn định của các transistor sử dụng mạng phân cực phản hồi kiểu này nhìn chung phù hợp với hầu hết các thiết kế mạch khuếch đại.

Transistor phân cực phản hồi kép

Việc thêm một điện trở bổ sung vào mạng phân cực cơ sở của cấu hình trước đó giúp cải thiện độ ổn định so với việc thay đổi beta (β) bằng cách tăng dòng điện chạy qua điện trở phân cực cơ sở.

Nhìn chung, dòng điện chạy qua R B1 được đặt ở mức xấp xỉ 10% dòng điện cực góp (I C ). Rõ ràng, dòng điện này phải lớn hơn dòng điện cực gốc cần thiết để đạt được hệ số beta tối thiểu (β).

Một ưu điểm của cấu hình tự phân cực này là hai điện trở cung cấp cả phân cực tự động và phản hồi (Rƒ) cùng một lúc.

Cấu hình cài đặt phản hồi của bộ phát.

Kiểu phân cực transistor này, thường được gọi là phân cực tự phát, sử dụng cả phản hồi từ cực phát và cực gốc-cực thu để ổn định dòng điện cực thu tốt hơn. Điều này là do các điện trở RB1 và ​​RE, cũng như mối nối cực gốc-cực phát của transistor, được mắc nối tiếp với điện áp VCC.

Một nhược điểm của cấu hình phản hồi này đối với cực phát là nó làm giảm độ khuếch đại đầu ra do sự kết nối của điện trở cực gốc. Điện áp cực góp quyết định dòng điện chạy qua điện trở phản hồi RB1, gây ra hiện tượng được gọi là "phản hồi suy biến".

Dòng điện chạy từ cực phát I E (là sự kết hợp của I C + I B ) gây ra sự sụt giảm điện áp trên RE theo hướng đảo ngược chiều giữa mối nối cực gốc-cực phát.

Do đó, nếu dòng điện cực phát tăng lên do dòng điện cực thu tăng, thì điện áp giảm trên I*R E cũng sẽ tăng lên. Vì cực tính của điện áp này gây ra sự phân cực ngược tại mối nối cực gốc-cực phát, IB sẽ tự động giảm. Vì vậy, dòng điện cực phát sẽ tăng ít hơn so với trường hợp không có điện trở phân cực tích hợp.

Nhìn chung, giá trị các điện trở được thiết lập sao cho điện áp trên điện trở phát RE xấp xỉ 10% của VCC và dòng điện chạy qua điện trở RB1 bằng 10% dòng điện cực góp.

Do đó, cấu hình phân cực transistor kiểu này hoạt động tốt nhất ở điện áp nguồn tương đối thấp.

Bộ chia điện áp transistor phân cực

Ở đây, cấu hình transistor mắc chung cực phát được phân cực bằng mạng chia điện áp để ổn định. Tên gọi của cấu hình phân cực này xuất phát từ thực tế là hai điện trở, RB1 và ​​RB2, tạo thành một mạng chia điện áp, hay điện áp đặt vào nguồn điện, với điểm nối ở giữa được nối với các cực gốc của transistor, như hình vẽ.

Cấu hình phân áp này là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để phân cực transistor. Điốt phát của transistor được phân cực thuận bởi điện áp đặt vào điện trở RB2. Hơn nữa, việc phân cực bằng mạng phân áp giúp mạch transistor không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của beta, vì điện áp phân cực đặt tại các cực gốc, cực phát và cực góp của transistor không phụ thuộc vào các thông số mạch bên ngoài.

Để tính toán điện áp giữa điện trở R B2 và điện áp đặt vào các cực gốc, ta chỉ cần sử dụng công thức chia điện áp cho các điện trở mắc nối tiếp.

Nhìn chung, điện áp giảm trên điện trở RB2 nhỏ hơn nhiều so với điện áp giảm trên điện trở RB1. Rõ ràng, điện áp cơ sở VB của transistor so với đất sẽ bằng điện áp giảm trên RB2.

Dòng điện phân cực chạy qua điện trở R B2 thường được đặt gấp 10 lần dòng điện cơ bản mong muốn I B, sao cho nó đủ cao để không ảnh hưởng đến dòng điện chia điện áp hoặc sự thay đổi beta.

Mục tiêu của việc phân cực transistor là thiết lập một điểm hoạt động tĩnh đã biết, hay điểm Q, để các transistor lưỡng cực hoạt động hiệu quả và tạo ra tín hiệu đầu ra không bị méo mó. Việc phân cực DC chính xác cho transistor cũng giúp xác định ranh giới hoạt động AC ban đầu, bắt đầu từ mạch phân cực thực tế, sử dụng mạng phân cực hai hoặc bốn điện trở.

Trong các mạch transistor lưỡng cực, điểm Q được ký hiệu là (VEC , IC ) đối với transistor NPN hoặc (VEC , IC ) đối với transistor PNP. Nói chung, độ ổn định của mạng phân cực cơ sở và điểm Q được đánh giá bằng cách xem xét dòng điện cực góp như một hàm của cả beta (β) và nhiệt độ.

Trong bài viết này, chúng ta đã xem xét năm sơ đồ "phân cực transistor" khác nhau sử dụng mạng điện trở. Tuy nhiên, chúng ta cũng có thể phân cực transistor bằng cách sử dụng điốt silicon, điốt Zener hoặc mạng điện trở chủ động, tất cả đều được kết nối với các cực gốc của transistor. Hơn nữa, chúng ta có thể phân cực transistor một cách chính xác từ nguồn điện áp kép nếu muốn.