Mạch điện tử - Chương 3: Mạch khuếch đại FET

4/2/2013 1Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM • Nguyên lý hoạt động • Đặc điểm - Phân loại - Ký hiệu • Cấu tạo và hoạt động phân cực • Mạch phân cực (DC) • Mạch phân cực cho JFET Mạch phân cực cho MOSFET Mạch tín hiệu nhỏ (AC) 4/2/2013 2Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM • • • Mô hình tương đương của FET: dạng S chung • Phân tích mạch tín hiệu nhỏ (CS – CD – CG) • Đặc điểm - Phân loại - Ký hiệu • FET kênh n • FET kênh p • Cấu tạo và hoạt động phân cực • JFET MOSFET (IGFET) 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 3 • • Kênh bán dẫn được điều khiển bởi điện áp. • FET là nguồn dòng phụ thuộc áp • FET kênh p • FET kênh n • Gồm 3 cực Cực cổng G ~ cực Base 4/2/2013 4Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM • • Cực nguồn S ~ cực Emitter • Cực máng D ~ cực Collector • Phần tử phi tuyến PN 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 5 Vùng ñiện trở (i thay ñổi theo v ) • VGS= 0: dòng bão hòa IDSS
Điểm nghẽn kênh • Tăng VGS= -1
điểm nghẽn tại iD thấp hơn • VGS = -2 = -Vp0 : điện thế nghẽn với iD=0 D DS Vùng khuếch ñại (bão hòa) Vùng tắt (iD=0) • Họ đặc tuyến JFET kênh n và điều kiện hoạt động ở vùng dẫn khuếch đại (bão hòa). • - Vpo≤ VGS≤ 0 • Vp= Vpo+ VGS≤ VDS • 0 ≤ IDS = Ip ≤ Ipo 4/2/2013 6Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 7 • VGS= 0 • -Vp0< VGS< 0 • VGS> 0 Vùng ñiện trở. Vùng khuếch ñại (bão hòa). Vùng tắt. • Họ đặc tuyến MOSFET kênh n và điều kiện hoạt động ở vùng dẫn khuếch đại (bão hòa). • - Vpo ≤ VGS • Vp = Vpo + VGS ≤ VDS • 0 ≤ IDS = Ip ≤ Ipo 4/2/2013 8Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM Ví dụ: Cho FET có phương trình ñặc tính dòng áp là IDS = 2.10-4 (1+0.25 VGS )2 (A) a. Tìm dòng và áp nghẽn khi VGS =0. b. Tìm dòng và áp nghẽn khi VGS = -1, -2, -4 (V). c. Tìm dòng và áp nghẽn khi VGS =1, 2, 4 (V). 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 9 VGS = 0 thì I = 2.10-4 (1+0.25 . 0 )2 = 2.10-4 (A) = Ipo. IDS = 0 thì 2.10-4 (1+0.25 . VGS )2 = 0 giải PT ta ñược VGS = -4 (V)
Vpo = 4 (V). 4/2/2013 10Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM VGS -4 -2 -1 0 1 2 4 Ip= IDS 0 0.5 1.125 2.10-4 3.125 4.5 8 Vp= VDS 0 2 3 4 5 6 8 JFET MOSFET • Mạch phân cực cho JFET • Mạch phân cực cho MOSFET • Chế độ nghèo • Chế độ tăng cường 4/2/2013 11Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 12 Ta có: 0 = RG IG + VGS + RS ID = 0 + VGS + RS ID
ðường phân cực: VGS = - RS ID (1) Từ (1) và (2) cho ta hệ PT hai ẩn IDSQ và VGSQ. Giải hệ ta có ñiểm Q. ðặc tuyến truyền: IDS =ID = Ipo (2) Ví dụ: Cho mạch như hình vẽ: Ipo = 0.1 mA , Vpo = 4 V. Tìm Q? 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 13 Ta có: VGS = VG - VS = - VS = - RS IDQ (IG =0)
VGSQ = - RS IDQ (1) Mặt khác: IDQ = Ipo (2) Từ (1) và (2) ta có : 6.25x10-3 (VGSQ)2 + 1.05 VGSQ + 0.1 = 0 VGSQ = -0.095V VGSQ= - 168V ( Lọai vì < -Vpo)
VDS = VDD - IDQ (RS + RD )= 19.81 (V) Nhận xét: RG không ảnh hưởng ñến sự phân cực do IG =0. 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 14 VDS = VDD - ID (RS+ RD ) VG = VDD R2 / (R1+ R2) VG = RG IG+ VGS+ RS ID = 0 + VGS+ RS ID
VGS = VG - RS ID (Đường phân cực ) Đặc tuyến truyền: IDS =ID = Ipo Điểm tĩnh Q: IDQ = Ipo và VGSQ = VG - RS IDQ Giải hệ trên tìm được Q (IDQ , VGSQ ) 4/2/2013 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 15 VDS = VDD - ID RD Ðường phân cực : VGS = VDS = VDD –RDID (1) Đặc tuyến truyền đạt: IDS=ID= Ipo (2) Từ (1) và (2) ta có hệ PT hai ẩn IDSQ và VGSQ. Giải hệ ta có điểm Q Ví dụ: Cho mạch như hình vẽ: Ipo = 6mA , Vpo = 3V. Tìm Q? 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 16 Ta có : VG = VDD R2 / (R1 + R2) = 1.5 V VGSQ = VG - RS IDQ (1) Mặt khác: Từ (1) và (2) ta có : 0.1 (VGSQ)2 + 1.6 VGSQ -0.6 = 0 VGSQ = 0.366 V VGSQ= - 16.366 V (Lọai vì < -Vpo) IDQ = Ipo (2) Ví dụ: Cho mạch như hình vẽ : Ipo = 4mA, Vpo = 4V. Tìm Q? 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 17 Ta có: VGS = VDD –RDID – RGIG = VDD –RDID (IG =0)
VGSQ = VDD –RDIDQ (1) Mặt khác: IDQ = Ipo (2) Từ (1) và (2) ta có : 0.5(VGSQ)2 + 5 VGSQ – 10 = 0 VGSQ = 1.7 V VGSQ= - 11.7 V ( Lọai vì < -Vpo) Nhận xét: RG không ảnh hưởng ñến sự phân cực do IG =0. • Mô hình tương đương của FET: dạng S chung • Các thông số AC của FET • Mô hình nguồn dòng phụ thuộc áp • Mô hình nguồn áp phụ thuộc áp • Phân tích mạch tín hiệu nhỏ (CS – CD – CG) Tính toán độ lợi dòng-áp và trở kháng vào-ra 4/2/2013 18Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM • • Kỹ thuật phản ánh trong FET: bảo toàn dòng iDS • Mô hình tương đương của mạch khuếch đại : Tổng trở ra của FET : hỗ dẫn • Mô hình nguồn dòng phụ thuộc áp 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 19 ds ds ds v r i ∂ = ∂ mg V ∂ dsr : Hệ số khuếch ñại của FET• Mô hình nguồn áp phụ thuộc áp 0 0 0 1 | 2 1 ds GSQ Qm P gs P P i g I v V V = = + ∂   µ 4/2/2013 20Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 4/2/2013 21Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 22 1 2/ /iZ R R= 0 dZ R= 1 2 1 2 ) . . / / / / / / . . / / L v i m gsL L v i m gs i v ds d L m i v a A v g vv v A v g v v R R A r R R g R R r = = = × ⇒ = − + Thường chọn: 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 23 1 2 1 2 / / / / / / . . / /v ds d L m i R R A r R R g R R r = − + • :50k~100k (chọn 50k) • :khoảng 5k~10k • (chọn RL=3k) • Chọn R1 và R2 phải lớn hơn và ri phải nhỏ • Nhận xét: • Vậy tín hiệu ra ñược khuếch ñại và bị ñảo pha dsr dR 3 12.10mg − −Ω≈ 0, 1v vA A L dR R<≈ 1 2 1 2 / / 1 / / i R R R R r => ≈ + 3vA⇒ ≈ − 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 24 Nếu ta chuyển ñổi nguồn dòng phụ thuộc thành nguồn áp phụ thuộc thì .m dsg rµ =Với 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 25 1 2 1 2 / / / / ) . . ( / / ) ( / / ) gs d LL L v i gs i ds d L i v R Rv v R R a A v v v r R R r R R µ µ µ = = = − + + 1 2 1 2 1 2 0 0 0 0 / / / / / / . . / / ) / / ) ( 0 0) / / ds d L m i i i gs d L R R r R R g R R r b Z R R v c Z v v i Z R R = − + = = = => = => = Kết quả tương tự như trên. 4/2/2013 26Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 4/2/2013 27Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 28 ) . . . / / . L v i m d s g s d s d s S L d s v a A v g r v r i R R i µ µ = = = + . / . / . g s d s d s S L g sd sL L v i d s g s i v viv v A v i i r R v R v µ => = + => = = Nhận xét: sẽ tìm ñược nếu tìm ñược tỷ lệ (1) • Dễ làm hơn: tìm • Như vậy ta sẽ chuyển vgs thành vg 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 29 g i v v • Thay vào (1): ( ) ( ) ( ) / / . . / / . . (1 ). / / / / . g d gs g s g s L ds ds ds s L g s s d L L s ds s v v v v R R i i r R v i r R R R v R R i µ µ µ µ = − = − => + = − = + + => . .( / / ) / / g S L ds ds ds S L v R R i i r R R µ µ− => = + 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 30 ( ) 0 0 0 / / . (1 ). / / . . ) ) ( ) v S L ds s L gdsL L i ds g i i gs s viv v v i v v b Z v c Z v v v i A R R r R R µ µ = => = = = ∞ = = − = − = + + Áp dụng KVL, ta có ( ) ( ) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 / / 1 0 . (1 ) 1 . . . / 1 . 1 d ds S ds ds S S S ds ds ds S ds S s S v v i r v R r v r R i v R i R r i r r R r r Z R R µ µ µ µ µ   − + − − =    => = + + => = + + + => = = + + + • Thường chọn :Khoảng 50k~100k (chọn 50k) (Chọn 3k) 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 31 ( ) / / . (1 ). / /v S L ds s L A R R r R R µ µ = + +
mạch CD dùng làm mạch đệm, để cách ly áp giữa các tầng / / 1.5S LR R k=> ≈ 3 12.10 . 0 100 0 1 .8 m m ds v v vA g g r A A µ− −≈ Ω => = = • > • > ≈ ≈ = Nhận xét: 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 32 . . / /1 gs ds ds S L v i r R R µ = + . gi vµ = • Ta xét lại ví dụ ở mạch CD, từ phương trình của ids: (1) Nhận thấy ta có thể dễ dàng hơn bằng cách chuyển Vgs thành Vg (1 ). / /ds ds S Lr R Rµ++ (2) => Cùng với một dòng ids nhưng ñược biểu diễn theo 2 ñiện áp khác nhau. => Ta có thể chuyển ñổi qua lại 1 cách nhanh gọn giữa (1) và (2) không phải dùng KVL như trước bằng “kỹ thuật phản ánh FET” với nguyên lý bảo toàn dòng (ids ). • Từ những chỗ khác nhau giữa (1) và (2) ta đưa ra nguyên tắc phản ánh như sau: * Phản ánh về D (S giả): 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 33 + Mạch D  S* + Cực D: giữ nguyên + Cực S*: Trở kháng:
(µ + 1) Nguồn áp:
(µ + 1) Nguồn dòng giữ nguyên * Phản ánh về S (D giả): 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 34 + Cực S: giữ nguyên + Cực D*: Trở kháng: /(µ + 1) Nguồn áp : /(µ + 1) Nguồn dòng giữ nguyên 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 35 * * * (1 ) (1 ) (1 ) S S L L L L R R R R v v µ µ µ = = = + + + 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 36 * ** * / / ( / / )(1 )vi R R R Rv v µ+* * * * ) . . / / (1 ).( / / ) (1 ) 0 / / . (1 0 ).( / / ) gds L S S LL L v i ds g i ds L S ds v S L S L ds S v i g i L a A v i v v A R R r R r R R r R R A v v R Z µ µ µ µ µ µ = = = = + + + = = + = → = + + = ∞ b) 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 37 c) Tính Z0 chỉ cần bỏ nguồn ñộc lập * * 0 * 0 0 / / (1 / / 1) s ds ds s Z R r Z r Z R µµ = => = = + + Vì Z0 nằm trong vùng phản ánh nên: => Giống với kết quả ở trên! 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 38 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 39 (1 ) ) (1 ) / / . (1 ) v g L g i L S v v a v v R A R r µ µ µ µ µ µ + = = + + 0 / / (1 )( / / ) / / ( ) 1 / / 1 ) ) S L ds S L ds d L S i S s R R r R R r Z R R R b Z c µ µ µ µ = + + = + + = ∞ + => Giống với kết quả ở trên! 4/2/2013 40Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 4/2/2013 41Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 4/2/2013 42Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 43 0 0g gv vµ= ⇒ = / / ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 ) / / d LL L v R Rv v a v v R r R R A µ µ µ µ = = + = + + + + + * * 0 / / 1 1 / /[ ) (1 ) / ) / ) (1 ] 1 i i S ds d L i S ds d ds d L i S d ds S L i r R RZ R Z R r R b Z R r R R Z c µ µµ µ µ = + + + = = + + = + + + + + Do Zi nằm trong vùng phản ánh nên: 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 44 v * * 1 1 d d L L R R R R µ µ = + = + * 1 L Lv µ = + • Nhìn vào mạch ta có 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 45 * * * * / / ) (1 ) (1 ) (1 ) / / 1 / / d LL L dsi i S d L v R Rv v a rv v R R R R R A µ µ µ µ = = + = + + + + + * * (1 ) (1 ) / / ) / / 1 / / 1 1 d L S ds d L ds S ds d L i Sd L R r R R r b R R R r R R Z R µ µ µ µ µ = + + + + = + + = + + + ++ [ ] * 0 * 0 * 0 1 (1 (1 ) / /[ ]= / /) / ( 1 1 ) / 1 ds d S ds d d S S dsZ R R r r R R r Z R R Z µ µ µ µ µ µ  + +  = +  + +  = = ++ + + c) Do Z0 nằm trong vùng phản ánh nên: Mô hình tương đương của MKĐ dòng 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 46 0 0 0 0 0 0 . . .. . iL im iL L i i i Z r i A i Z R A Z Z Z r i R + + = = + 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 47 0 00 0. . . .. iL v i L L L v n iL i i ZR A v R R v A v R Z Z Z r+ + = = + Cách ghép Sơ ñồ mạch CS vs CE < 0 < 0 4/2/2013 48Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM CD vs CC > 0 CG vs CB > 0 > 0 • 5. 4/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 49