Bài giảng Mạch điện tử - Chương 3: Mạch khuếch đại FET

4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 1 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 2 • 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) • Mô hình tương đương của FET: dạng S chung • Phân tích mạch tín hiệu nhỏ (CS – CD – CG) 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 3 • 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 ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 4 • 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 • Cực nguồn S ~ cực Emitter • Cực máng D ~ cực Collector N P • Phần tử phi tuyến 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 5 • VGS = 0: dòng bão hòa I DSS
Điểm nghẽn kênh • Tăng V GS = -1
điểm nghẽn tại i D thấp hơn • VGS = -2 = -Vp0 : điện thế nghẽn với i D=0 Vùng ñin tr (i D thay ñi theo v DS ) Vùng khuch ñi (bão hòa) Vùng tt (i D=0) 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 6 • Họ đặc tuyến JFET kênh n và điều kiện hoạt động ở vùng dẫn khuếch đại (bão hòa). • -Vpo ≤ V GS ≤ 0 • Vp = V po + V GS ≤ V DS • 0 ≤ IDS = Ip ≤ Ipo 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 7 • VGS = 0 • -Vp0 < V GS < 0 • VGS > 0 Vùng ñin tr. Vùng khuch ñi (bão hòa). Vùng tt. 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 8 • Họ đặc tuyến MOSFET kênh n và điều kiện hoạt động ở vùng dẫn khuếch đại (bão hòa). • Vpo ≤ V GS • Vp = V po + V GS ≤ V DS • 0 ≤ IDS = I p ≤ Ipo 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 9 Ví dụ: Cho FET có phương trình ñc tính dòng áp là 4 2 IDS = 2.10 (1+0.25 V GS ) (A) a. Tìm dòng và áp nghn khi V GS =0. b. Tìm dòng và áp nghn khi V GS = 1, 2, 4 (V). c. Tìm dòng và áp nghn khi V GS =1, 2, 4 (V). 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 10 4 2 4 VGS = 0 thì I = 2.10 (1+0.25 . 0 ) = 2.10 (A) = I po . 4 2 IDS = 0 thì 2.10 (1+0.25 . V GS ) = 0 gii PT ta ñưc V GS = 4 (V)
Vpo = 4 (V). JFET VGS 4 2 1 0 1 2 4 4 Ip= I DS 0 0.5 1.125 2.10 3.125 4.5 8 Vp= V DS 0 2 3 4 5 6 8 MOSFET 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 11 • Mạch phân cực cho JFET • Mạch phân cực cho MOSFET • Chế độ nghèo • Chế độ tăng cường 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 12 Ta có: 0 = R G IG + V GS + R S ID = 0 + V GS + R S ID
ðưng phân cc: VGS = RS ID (1) ðc tuyn truyn: IDS =I D = I po (2) T (1) và (2) cho ta h PT hai n IDSQ và V GSQ . Gii h ta có ñim Q. 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 13 Ví dụ: Cho mch như hình v: I po = 0.1 mA , V po = 4 V. Tìm Q? Ta có: V GS = V G VS = VS = RS IDQ (I G =0)
VGSQ = RS IDQ (1) Mt khác: IDQ = I po (2) T (1) và (2) ta có : 3 2 6.25x10 (V GSQ ) + 1.05 V GSQ + 0.1 = 0 VGSQ = 0.095V VGSQ = 168V ( Lai vì < Vpo )
VDS = V DD IDQ (R S + R D )= 19.81 (V) Nhn xét: RG không nh hưng ñn s phân cc do I G =0. 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 14 VDS = V DD -ID (R S + R D ) VG = V DD R2 / (R 1 + R 2) VG = R G IG + V GS + R S ID = 0 + V GS + R S ID
VVVV GS= = V G V -=RRRSSS IIIDDD (Đường phân cực ) Đặc tuyến truyền: IDS =I D = I po Điểm tĩnh Q: IDQ = I po và V GSQ = V G -RS IDQ Giải hệ trên tìm được Q (I DQ , V GSQ ) 4/2/2013 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 1515 15 VDS = V DD -ID RD Ðường phân cực : VGS = V DS = V DD –RDID (1) Đặc tuyến truyềnạđ đạt:đạ ạđt:t:t: IDS =I D = I po (2) Từ (1) và (2) ta có hệ PT hai ẩn I DSQ và V GSQ . Giải hệ ta có điểm Q 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 16 Ví dụ: Cho mch như hình v: I po = 6mA , V po = 3V. Tìm Q? Ta có : VG = V DD R2 / (R 1 + R 2) = 1.5 V VGSQ = V G RS IDQ (1) Mt khác: IDQ = I po (2) T (1) và (2) ta có : 2 0.1 (V GSQ ) + 1.6 V GSQ 0.6 = 0 VGSQ = 0.366 V VGSQ = 16.366 V (Lai vì < Vpo ) 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 17 Ví dụ: Cho mch như hình v : I po = 4mA, V po = 4V. Tìm Q? Ta có: VGS = V DD –RDID –RGIG = V DD –RDID (I G =0)
VGSQ = V DD –RDIDQ (1) Mt khác: IDQ = I po (2) T (1) và (2) ta có : 2 0.5(V GSQ ) + 5 V GSQ – 10 = 0 VGSQ = 1.7 V VGSQ = 11.7 V ( Lai vì < Vpo ) Nhn xét: RG không nh hưng ñn s phân cc do I G =0. 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 18 • 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 • Kỹ thuật phản ánh trong FET: bảo toàn dòng iDS • Mô hình tương đương của mạch khuếch đại 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 19 • Mô hình nguồn dòng phụ thuộc áp rds : Tng tr ra ca FET ∂vds rds = ∂ids gm: h dn ∂ids VGSQ  1 gm=|Q = 2 I P 0  1 +  ∂vgs  VP0  V P 0 • Mô hình nguồn áp phụ thuộc áp : H s khuch ñi ca FET 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 20 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 21 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 22 Zi = R1/ / R 2 Z0 = R d vL a) A v = vi g. v vL v L m gs Av = = × vi gv mgs. v i R1/ / R 2 ⇒Av = − r ds// R d // Rg Lm . . R1/ / R 2 + r i 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 23 R1/ / R 2 Av= − r ds// R d // Rg L . m . R1/ / R 2 + r i Thưng chn: • rds :50k~100k (chn 50k) • Rd :khong 5k~10k • RL<≈ R d (chn R L=3k) R1/ / R 2 • Chn R 1 và R 2 phi ln hơn và r i phi nh => ≈ 1 −3 − 1 R1/ / R 2 + r i gm ≈2.10 ⇒Av ≈ − 3 • Nhn xét: Av 1 • Vy tín hiu ra ñưc khuch ñi và b ño pha 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 24 Nu ta chuyn ñi ngun dòng ph thuc thành ngun áp ph thuc thì Vi = gm. r ds 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 25 v vvL L gs Rd/ / R L RR1/ / 2 a) A v == =− . . vi vv gs i rRR ds+( d //) L rRR i + (//)1 2 R1/ / R 2 = − rds// R d // Rg L . m . R1/ / R 2 + r i bZ)i = R1 / / R 2 v cZ)=0 ( v = 0 => v = 0) 0 i i gs Kt qu0 tương t như trên. =>Z0 = Rd/ / R L 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 26 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 27 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 28 v L a) A v = v i = gm. r d s .vgs= ri dsds . + R S //. Ri Lds .v g s (1) = >id s = rds+ R S/ / R L v vL v L id s g s = > Av = = . . vi i dsv gsv i Nhn xét: s tìm ñưc nu tìm ñưc t l 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 29 vg • D làm hơn: tìm vi • Như vy ta s chuyn v gs thành v g vgs= vv g − s = v g − R s/ / Ri L . ds .v− .( R // Ri ) =>i = g S L ds ds r+ R/ / R • Thay vào (1): ds S L =>idsds.()() r + R s //R L = . v g − RRi s / /L . d s .vg => ids = rds+(1 + ).() R s / / R L 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 30 v vL v L ids g =>==Av . . = vi i ds v g v i = RS/ / R L . rds+(1 + ).() R sL / / R b) Z i = ∞ v0 cZ)0 = ( vgs =− v s =− v 0 ) Áp dng KVL, ta có i0 v0  −+−vi0 0  rvds −= 0 0 R S  rds v0 rRds. S =>=++i0(1 ) v 0 => = RS i0 ()1+ . RrirS + ds ..0 ds r/() + 1 . R r =>=Zds S = R / / ds 0 r S ds + R + 1 + 1 S 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 31 Av= R S/ / R L . rds+(1 + ).() R sL / / R • Thưng chn :Khong 50k~100k (chn 50k) (Chn 3k) =>RS/ / R L ≈ 1.5 k −3 − 1 gm≈2.10 => = g mds . r = 100 =>Av ≈ 0.8 Nhn xét: •Av > 0
mạch CD dùng làm mạch đệm, để cách • Av ≈1 ly áp giữa các tầng 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 32 • Ta xét li ví d mch CD, t phương trình ca i ds: .vgs ids = (1) rds+1. R S / / R L Nhn thy ta có th d dàng hơn bng cách chuyn V gs thành V g .v i = g ds (2) rds+ (1+ ) .R S / / R L => Cùng vi mt dòng i ds nhưng ñưc biu din theo 2 ñin áp khác nhau. => Ta có th chuyn ñi qua li 1 cách nhanh gn gia (1) và (2) không phi dùng KVL như trưc bng “k thut phn ánh FET” vi nguyên lý bo toàn dòng (i ds ). 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 33 • Từ những chỗ khác nhau giữa (1) và (2) ta đưa ra nguyên tắc phản ánh như sau: * Phản ánh về D (S giả): + Mch D  S* + Cc D: gi nguyên Tr kháng:
( + 1) + Cc S*: Ngun áp:
( + 1) Ngun dòng gi nguyên 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 34 * Phản ánh về S (D giả): + Cc S: gi nguyên Tr kháng: /( + 1) + Cc D*: Ngun áp : /( + 1) Ngun dòng gi nguyên 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 35 * RS= R S (1+ ) * RL= R L (1+ ) * vL= v L (1+ ) 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 36 * * v * * * vL v L idsg RR L/ / S ( RR S / / L )(1+ ) a) A v == . . =* * = vi i ds v g v irRR ds+ L// S r ds + (1 + ).( RRS //) L * Av Av= = R S/ / R L . (1+ ) rds+(1 + ).( R S / /RL ) b) vi=0 → v g = 0 Zi = ∞ 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 37 c) Tính Z 0 ch cn b ngun ñc lp Vì Z0 nm trong vùng phn ánh nên: * * Z0 = Rs/ / r ds Z * r =>Z =0 = R / / ds 0 (1 + ) s +1 => Ging vi kt qu trên! 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 38 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 39 v g v (1+ ) a)A = L v v v g i (1+ ) R / / R = L S . r ds + R/ / R (1 + ) (1+ ) L S = RSL/ / R rds+(1 + )( R S / / R L ) b) Z i = ∞ r c)Z= R / / ds 0 S +1 => Ging vi kt qu trên! 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 40 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 41 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 42 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 43 vg=0 ⇒ v g = 0 vL v L Rd/ / R L a)Av == (1 += ) (1 + ) vvii(1+ ) R S (1 +++ ) rRR dsdL / / b) Do Z i nm trong vùng phn ánh nên: * ZRi= S(1 + ) ++ rRR ds d / / L Z * r R/ / R Z=i = R + ds+ d L i1+ S 1+ 1 + c)Z0 = Rd/ /[ r ds+ R S (1 + ) ] 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 44 v v* = L L 1+ R R * = d d 1 + R R * = L L 1 + 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 45 • Nhìn vào mch ta có * * vL v L Rd/ / R L a)Av == (1 += ) (1 + ) v v (1+ ) r * * i i R+ds + R/ / R S1+ d L R/ / R =d L (1 + ) RS(1+ ) + rRR ds + d / / L r r R/ / R bR)Z=+ds + RR* / / * = R +ds + d L i S 1+ d L S 1+ 1 + c) Do Z 0 nm trong vùng phn ánh nên: * * rds RR d S(1 + ) + r ds Z0 = Rd / /[ R S + ]= / /   1+ 1+ 1 +  * Z0 =Z0 (1 + ) = RRd/ / [] S (1+ ) + r ds 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 46 Mô hình tương đương của MKĐ dòng Z Z r i=A .i . 0 = A.0 .i . i Li0 m i 0 i Z0 + RL Z0 + R Lr i + Zi 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 47 RL RL Zi vL=. A v0. v i n = Av0. . . v i RL + Z 0 RL +Z0 Zi + r i 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 48 Cách ghép Sơ ñ mch CS vs CE < 0 < 0 CD vs CC > 0 CG vs CB > 0 > 0 4/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 49 • 5.