Mạch transistor đóng vai trò trung tâm trong công nghệ thiết kế mạch điện tử hiện đại. Mặc dù ngày nay nhiều mạch tích hợp được sử dụng, nhưng thiết kế mạch transistor cơ bản vẫn rất cần thiết trong nhiều lĩnh vực.

Mặc dù việc sử dụng các linh kiện điện tử rời rạc thay vì transistor đòi hỏi nhiều linh kiện hơn, nhưng vẫn có thể tinh chỉnh mạch để đạt được chức năng cần thiết. Do đó, các mạch sử dụng transistor rời rạc và một vài linh kiện điện tử bổ sung là yếu tố cốt lõi trong thiết kế mạch điện tử.

Điều này có nghĩa là việc hiểu biết về thiết kế mạch transistor vẫn rất quan trọng, vì nó không chỉ cho phép thiết kế các mạch transistor cơ bản mà còn cung cấp sự hiểu biết sâu sắc hơn về hoạt động của các mạch tích hợp sử dụng công nghệ transistor lưỡng cực.

Thông tin cơ bản về transistor lưỡng cực.

Rõ ràng, thành phần điện tử quan trọng nhất trong mạch transistor chính là bản thân transistor. Các linh kiện điện tử này có thể được mua dưới dạng rời rạc hoặc được tích hợp trong các mạch tích hợp.

Transistor được sản xuất với nhiều hình dạng khác nhau và có thể được sử dụng để thực hiện nhiều vai trò đa dạng, từ tín hiệu nhỏ đến tín hiệu lớn, từ âm thanh đến tần số vô tuyến (RF) và chuyển mạch.

Chúng cũng có dạng transistor PNP và transistor NPN – trong đó transistor NPN được sử dụng rộng rãi hơn vì chúng thường phù hợp với các hệ thống nối đất âm thông dụng và hiệu suất của chúng cũng tốt hơn về tốc độ.

Mặc dù transistor NPN được sử dụng rộng rãi, điều đó không có nghĩa là transistor PNP không được sử dụng. Chúng thường được ứng dụng để bổ sung cho transistor NPN và một số mạch khác.

Lưu ý về các thiết bị bán dẫn lưỡng cực:

Transistor lưỡng cực là thiết bị ba cực cung cấp hệ số khuếch đại dòng điện khi dòng điện cực góp bằng B lần dòng điện cực gốc. Transistor lưỡng cực được sử dụng rộng rãi và hiệu suất của chúng đã được tối ưu hóa trong nhiều năm.

Transistor lưỡng cực đã có mặt trên thị trường hơn bảy mươi năm – công nghệ của chúng đã được khẳng định vững chắc, và mặc dù công nghệ transistor hiệu ứng trường có thể được sử dụng rộng rãi trong các mạch tích hợp, transistor lưỡng cực vẫn được sử dụng với số lượng lớn trong nhiều mạch tương tự và kỹ thuật số khác nhau, cả trong các mạch tích hợp và dưới dạng các linh kiện điện tử rời rạc.

Transistor lưỡng cực được phát minh lần đầu tiên vào năm 1949 bởi một nhóm các nhà khoa học làm việc tại Bell Labs ở Hoa Kỳ. Phát hiện này đã tạo nên những bài nghiên cứu thú vị.

Ghi chú về lịch sử của bóng bán dẫn:

Transistor lưỡng cực được phát minh bởi ba nhà nghiên cứu làm việc tại Phòng thí nghiệm Bell: John Bardeen, Walter Brattain và William Schockley. Họ đang nghiên cứu một khái niệm sử dụng hiệu ứng trường để điều khiển dòng điện trong chất bán dẫn, nhưng họ không thể làm cho khái niệm này hoạt động. Họ chuyển sang một khả năng khác và chế tạo một thiết bị ba cực sử dụng hai điểm tiếp xúc cách đều nhau trên một tấm wafer germanium. Khái niệm này đã hoạt động và họ đã chứng minh được rằng nó mang lại kết quả vào cuối năm 1949.

Các thông số thiết kế mạch transistor

Trước khi bắt đầu thiết kế mạch điện tử cho mạch transistor, cần phải xác định các yêu cầu của mạch: một số thông số quan trọng liên quan đến mạch transistor.

Có thể có một số thông số cần thiết trong bản đặc tả kỹ thuật để thiết kế mạch transistor:

• Hệ số khuếch đại điện áp:   Hệ số khuếch đại điện áp thường là một yêu cầu quan trọng trong thiết kế mạch điện tử. Hệ số khuếch đại điện áp của một mạch là sự tăng điện áp từ đầu vào đến đầu ra của mạch. Về mặt toán học, hệ số khuếch đại điện áp Δv _bằng điện áp đầu ra chia cho điện áp đầu vào.
• Tăng điện áp là một trong những mục tiêu chính của nhiều mạch điện, vì nó giúp "điều chỉnh tỷ lệ" kích thước của chúng.
• Hệ số khuếch đại dòng điện:   Hệ số khuếch đại dòng điện của một mạch thường rất quan trọng trong thiết kế mạch điện tử, đặc biệt là khi điều khiển các tải trở kháng thấp. Thông thường, các mạch không cần tăng điện áp chỉ cần hệ số khuếch đại dòng điện, cho phép các mạch có trở kháng đầu ra tương đối cao điều khiển các mạch khác có trở kháng thấp hơn.
• Có rất nhiều ví dụ về điều này: Các mạch dao động RF thường yêu cầu các tầng đệm để đảm bảo mạch dao động không bị quá tải, nhưng tín hiệu đầu ra lại cần thiết để điều khiển các mạch khác. Mạch khuếch đại dòng điện cũng được sử dụng trong các mạch nguồn, nơi mà thành phần truyền nối tiếp của bộ điều chỉnh điện áp cần cung cấp một lượng dòng điện đáng kể, nhưng lại sử dụng điện áp tham chiếu có dòng điện thấp. Còn rất nhiều ví dụ khác nữa cần đến mạch khuếch đại dòng điện.
• Tương tự như hệ số khuếch đại điện áp, hệ số khuếch đại dòng điện của một mạch so sánh mức đầu vào và đầu ra, nhưng xét về dòng điện, hệ số khuếch đại dòng điện bằng dòng điện đầu ra chia cho dòng điện đầu vào.
• Trở kháng đầu vào:   Trở kháng đầu vào của mạch transistor luôn rất quan trọng, quyết định tải ở bước trước đó, và cũng rất quan trọng trong các mạch RF, nơi việc phối hợp trở kháng là một thông số then chốt.
• Trong nhiều thiết kế mạch điện tử, trở kháng đầu vào cao là điều mong muốn vì nó có nghĩa là tầng trước đó không bị quá tải. Nếu trở kháng đầu vào của mạch transistor quá thấp, nó sẽ gây tải cho trở kháng của tầng trước đó, làm giảm mức tín hiệu và có thể gây méo tín hiệu. Trong một số trường hợp, việc cấu hình tầng transistor để đạt được trở kháng đầu vào tối ưu là một yếu tố quan trọng trong quá trình thiết kế mạch điện tử.
• Trở kháng đầu ra: Trở kháng đầu ra cũng rất quan trọng. Nếu mạch điều khiển bằng transistor có trở kháng thấp, thì đầu ra cũng phải có trở kháng thấp; nếu không, sẽ xảy ra hiện tượng sụt áp lớn ở tầng đầu ra của transistor, và trong một số trường hợp, có thể gây ra méo tín hiệu.
• Nếu trở kháng tải thấp, thường cần một mạch có hệ số khuếch đại dòng điện cao, và có thể lựa chọn thiết kế mạch phù hợp trong quá trình thiết kế mạch điện tử. Nếu cho phép trở kháng đầu ra cao hơn, mạch có hệ số khuếch đại điện áp cao hơn thường phù hợp hơn.
• Đáp ứng tần số: Đáp ứng tần số là một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến thiết kế mạch transistor. Thiết kế mạch transistor tần số thấp hoặc mạch nhiễu khác biệt đáng kể so với các mạch được sử dụng cho các ứng dụng tần số vô tuyến (RF). Hơn nữa, việc lựa chọn các linh kiện điện tử trong mạch kiểm soát đáp ứng: transistor, cũng như giá trị của tụ điện và điện trở trong thiết kế mạch điện tử, đều ảnh hưởng đến đáp ứng tần số.
• Trong giai đoạn đầu thiết kế mạch, cần phải xác định rõ các yêu cầu về đáp ứng tần số cần thiết; chỉ khi đó mạch mới có thể được thiết kế theo các yêu cầu đó.
• Điện áp và dòng điện:   Một trong những thông số quan trọng nhất của bất kỳ mạch điện nào là yêu cầu về công suất, xét về điện áp và dòng điện. Điều này đảm bảo rằng khả năng điện áp và dòng điện phù hợp được đáp ứng trong quá trình thiết kế mạch điện tử.
• Công suất tiêu tán: Một thông số khác liên quan đến điện áp và dòng điện cung cấp cho mạch là công suất tiêu tán. Nếu công suất tiêu tán cao, cần có các biện pháp làm mát, nói chung là loại bỏ nhiệt khỏi mạch và đặc biệt là bất kỳ linh kiện điện tử nào có thể tỏa ra lượng nhiệt đáng kể. Thông thường đó là các bóng bán dẫn, nhưng các linh kiện khác cũng có thể tỏa nhiệt.

Chức năng của mạch transistor

Mạch transistor có thể thực hiện nhiều chức năng khác nhau; thông thường, có các khối tiêu chuẩn cho các chức năng phổ biến như bộ khuếch đại, bộ dao động, bộ lọc nguồn dòng, bộ khuếch đại vi sai, và nhiều chức năng khác nữa.

Các sơ đồ mạch tiêu chuẩn này được sử dụng rộng rãi và có tính ứng dụng cao, còn giá trị của các linh kiện điện tử được xác định trong quá trình thiết kế mạch điện tử.

Các mạch này thường tuân theo các thiết kế đã được chứng minh và sử dụng trong nhiều năm. Chúng thường sử dụng công nghệ ống chân không hoặc van nhiệt điện tử cũ và hoạt động tốt với các bóng bán dẫn lưỡng cực, cũng như các bóng bán dẫn hiệu ứng trường (FET), và đôi khi thậm chí cả các bộ khuếch đại chức năng.

Các mẫu cơ bản được áp dụng và các giá trị được gán cho các linh kiện điện tử để đạt được hiệu suất mong muốn. Thông thường, điều này đòi hỏi một số thử nghiệm và sai sót, nhưng ngày nay phần mềm mô phỏng mạch có thể mô phỏng chính xác hoạt động của mạch, nhờ đó các giá trị của linh kiện điện tử có thể được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất và chức năng mong muốn.

Cấu hình mạch hoặc cấu trúc mạch transistor.

Bất kể chức năng tổng thể của mạch là gì, cấu trúc mạch phải được xem xét ngay từ đầu quá trình thiết kế mạch điện tử.

Mạch transistor có thể được thiết kế bằng nhiều cấu trúc khác nhau, mỗi cấu trúc có những đặc điểm riêng biệt, đặc biệt là về trở kháng đầu vào và đầu ra.

Cấu trúc mạch của các thiết kế này được lựa chọn theo yêu cầu thiết kế mạch điện tử và bao gồm mạch phát chung, mạch thu chung hoặc mạch theo dõi phát chung, và mạch gốc chung.

Quy trình thiết kế mạch bán dẫn

Quá trình thiết kế transistor bao gồm nhiều bước, thường được thực hiện theo trình tự logic, nhưng các bước này thường được xem xét lại để tối ưu hóa các thông số của các linh kiện điện tử khác nhau nhằm đạt được hiệu suất tổng thể mong muốn.

• Xác định yêu cầu: Xác định các yêu cầu cụ thể là một bước quan trọng, và nếu làm đúng thì khái niệm về chu trình sẽ không thay đổi sau này.
• Xác định chức năng và cấu trúc mạch:   Sau khi đã quyết định các yêu cầu tổng thể cho thiết bị điện tử hoàn chỉnh, cần phải đưa ra quyết định về mạch transistor thực tế. Ví dụ, có rất nhiều mạch dao động, mạch lọc, mạch khuếch đại, v.v., dành cho transistor, và có thể chọn loại phù hợp nhất với nhu cầu cụ thể. Điều này thường quyết định cấu trúc của mạch thực tế, chẳng hạn như sử dụng cực phát chung, cực thu chung, cực gốc chung. Tuy nhiên, nếu không, đây cũng có thể là một phần của quyết định tổng thể ở giai đoạn này, vì tải, độ khuếch đại dao động, trở kháng đầu ra và các yếu tố tương tự có thể được xem xét ở giai đoạn này.
• Thiết lập điều kiện phân cực:   Trong bất kỳ mạch điện nào, một trong những đặc điểm chính của thiết kế mạch điện tử là đảm bảo mức phân cực cho thiết bị hoạt động: trong trường hợp này, transistor lưỡng cực được thiết lập chính xác; nếu phân cực không chính xác, mạch transistor sẽ không hoạt động. Cấu hình các linh kiện điện tử (chủ yếu là điện trở) xác định phân cực là một trong những bước quan trọng trong thiết kế.
• Cài đặt mặc định cho các linh kiện điện tử: Ngoài việc thiết lập các điều kiện phân cực, các linh kiện điện tử khác cũng phải được cấu hình để mạch hoạt động. Phần này của quy trình thiết kế mạch điện tử diễn ra song song với việc thiết lập điều kiện phân cực, vì một giá trị ảnh hưởng đến giá trị khác và ngược lại.
• Kiểm tra lại giá trị các linh kiện điện tử để đảm bảo độ lệch và chức năng: Sau khi thiết lập mạch, việc điều chỉnh nhỏ luôn cần thiết để cân bằng các yêu cầu về độ lệch và chức năng tổng thể của mạch; quá trình này thường được lặp đi lặp lại.
• Kiểm tra mạch: Kiểm tra mạch là một yếu tố quan trọng trong bất kỳ thiết kế nào. Thông thường, nhiều phòng thí nghiệm có phần mềm mô phỏng mạch, vì vậy mạch có thể được mô phỏng trước khi chế tạo để loại bỏ hầu hết các vấn đề. Tuy nhiên, thử nghiệm cuối cùng là chế tạo và vận hành mạch trong điều kiện càng gần với điều kiện hoạt động thực tế càng tốt.
• Sửa đổi và nâng cấp: Thường thì cần phải sửa đổi các mạch điện tử. Nếu cần, hãy lắp ráp lại và kiểm tra với các linh kiện điện tử mới, bố trí lại mạch, v.v.

Đây là một số thông số mạch quan trọng cần thiết cho thiết kế mạch transistor. Việc nắm rõ các thông số này cho phép kiểm soát việc lựa chọn mạch và do đó, kiểm soát cấu hình linh kiện cũng như nhiều yếu tố khác.

Do đó, cần phải nắm rõ các thông số điều khiển hoạt động của mạch transistor trước khi bắt đầu thiết kế.