🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Giáo trình kỹ thuật mạch điện tử Ebooks Nhóm Zalo PGS. TS. ĐẶNG VĂN CHUYÊT (Chủ biên) ThS. BỔ QUỐC BẢO - ThS. PHẠM XUÂN KHÁNH ThS. NGUYỄN VIẾT TUYÊN GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ Sách dùng cho sinh viên hê Cao đẳng ( T á i b ả n lẩ n th ứ ba) NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM LỜI NÓI ĐẦU H iện nay c ô n g n g h ệ kỹ ih u ật d iện tử đã và đ an g đ ó n g vai trò th en ch ố t tro n g cu ộ c c ác h m ạn g k h o a học kỹ th u ật. K ỹ th u ật m ạch đ iện tử là k iến thức c ơ bản, q u a n trọ n g đê tiế p cận với c ô n g n g h ệ đ iện tử. Đ ẽ đáp ứng nhu cầu tìm h iểu về c ô n g n g h ệ kỹ th u ật đ iện tử, n h ó m tác g iả xin được giớ i th iệu tới các bạn c u ố n g iáo trb ih K ỹ th u ậ t m ạ ch đ iện tử. N ội d u n g c ủ a g iá o trìn h g ồ m 9 chương: C liương 1. K h u ếch đ ại tín hiệu nhỏ d ù n g tra n sisto r lư ỡng cực - BJT. ClìKơng 2. K h u ế c h đ ại tín h iệu n hỏ d ù n g tra n sisto r trư ờ ng - FE T . C h ư ơ n g 3. G h é p tần g k h u ếch đại và các m ạch k h u ếch đ ại đặc b iệt. C hư ơng 4. K h u ế ch đại cô n g suất. C hư ơng 5. K h u ếch đ ại th u ật toán. C hư ơng 6. N g u ồ n đ iệ n m ộ t ch iều . C hương 7. D ao đ ộ n g đ iều hoà. C hư ơng 8. B iến đ ổ i tín h iệu tương tự - số và số - tư ơ ng tự. C h ư ơ n g 9. Đ iều c h ế - tách só n g - trộ n tần. T ài liệu này đã dược sứ d ụ n g đ ế g iản g dạy trong n h ữ n g n ăm q u a ch o sinh v iên hệ C ao đ án g n g àn h Đ iện tử. V ới nội d u n g cô đ ọ n g , dề h iểu , k h ô n g q u á đi sâu yào các vấn đề lý th u y ết phức tạp, các ch ư ơ n g đ ều có n h iều ví dụ m inh hoạ. C u ố n sách là tài liệu học tập, n g h iên cứu bổ ích k h ô n g ch i th o sin h viên, kỹ th u ật viên n g àn h Đ iện úr m à còn» c h o các n g à n h k h ác như: Đ iện , V iễn th ô n g , C ô n g n g h ệ phần cứ ng m áy tín h ... 3 C húng tôi đã rất cố gắng khi biên soạn giáo trình này, tuy n h iên có thể còn những thiếu sót, rất m ong nhận được những ý kiến đóng góp xây dựng của quý bạn đọc. Các ý kiến xin gửi về C òng ty cổ phần Sách Đại học - Dạy nghề, N hà xuất bản Giáo dục Việt Nam - 25, H àn Thuyên - H à Nội, đ iện thoại: 0 4 .3 8 2 6 4 9 7 4 . X in chán thành cảm ơn! C Á C T Á C GIẢ 4 Chương 1 KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG TRANSISTOR LƯỠNG cực - BJT 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG Bộ khuếch đại điện tử (hình 1.1) là một mạch điện tử mà tín hiệu đầu ra cùa mạch lớn gấp K lần tín hiệu đầu vào cùa mạch và dạng tín hiệu ở đầu ra giống dạng của tín hiệu ở đầu vào. Tín hiệu của m ạch là dòng điện i(t), điện áp u(t) hoặc công suất p(t). Tín hiệu cũng có thể là điện trường E(t) hoặc từ trường B(t). K 1 1 z.>z, 1 ___11L__ 1 Hình 1.1. Bộ khuếch đại điện tử Trong sơ đồ, ký hiệu hình ^ mô tả đây là bộ khuếch đại. K gọi là hệ số khuếch đại cùa bộ khuếch đại. Hệ số này là tỷ số giữa giá trị tín hiệu ra chia cho giá trị tín hiệu vào. Nếu các tín hiệu vào, ra là điện ấp thì chúng ta có hệ số khuếch đại điện áp. Nếu các tín hiệu vào, ra là dòng điện thì chúng ta có hệ số khuếch đại dòng điện: Hình 1.2. Đặc tĩnh biên độ của bộ khuếch dại 5 Nếu các tín hiệu vào ra là công suất thì ta có hệ số khuếch đại công suất: Ở dây Ur, Ir, Pr là diện áp, dòng điện, còng suất trên đầu ra bộ khuếch đại và Uv, Iv, Pv lần lượt là điện áp, dòng điện và công suất đặt vào bộ khuếch đại. Trên hình 1.1 e„ và z„ là sức diện động và trờ kháng trong cùa tín hiệu đặt vào bộ khuếch đại. Zv là trờ kháng vào tương đương của bộ khuếch đại: Zr là trở kháng ra của bộ khuếch đại: Đặc tính biên độ cùa một bộ khuếch dại là quan hệ giữa đầu ra và đầu vào của bộ khuếch đại, xét ở một tần số xác định. Quan hệ này có thể là quan hệ Ur theo Uv hoặc Ir theo Iv. Hình 1.2 chỉ ra đặc tính biên độ tần số thấp. Đặc tính tần số của bộ |K | 1 ‘ khuếch dại là sự phụ thuộc của hệ sô' khuếch đại cùa bộ khuếch đại vào tần số. Hình 1.3 là đặc tính tần số điển hình cùa một bộ khuếch đại. Méo phi tuyến (không đường thẳng) của bộ khuếch đại là sự thay đổi dạng của tín hiệu ra so với tín hiệu vào do tính phi tuyến của các phần tử Hình 1.3. Đặc tính tần số của bộ khuếch dại ữong mạch gây ra, méo này được tính là tỷ số cùa tổng bình phương các thành phần bậc cao phát sinh khi đầu vào chỉ có thành phần tần số. z, là trờ kháng tải cùa bộ khuếch đại. Đây chính là phẩn tử tiêu thụ tín hiệu ra cùa bộ khuếch đại hay bộ khuếch đại cần phải cung cấp tín hiệu cần thiết cho phần tử này. Trong rất nhiều trường hợp thực tế các trở kháng này là thuần trờ. Để bộ khuếch đại làm việc tốt chúng ta phải phối hợp trở kháng: Nếu bộ khuếch đại có K, = 1 và Ku> 1 thì chúng ta gọi nó là bộ khuếch đại điện áp. 6 Nếu bộ khuếch đại có K „» 1 và Kị > 1 thì chúng ta gọi nó là bộ khuếch đại dòng điện, bô khuếch đại này còn được gọi là bộ lặp lại điện áp. Nếu bộ khuếch đại có Ki > 1 và K u > 1 thì chúng ta gọi nó là bộ khuếch đại công suất. H ệ s ố kh u ếch đại công suất deciBen: Đ ể th u ận lợi tro n g tín h to án người ta tín h hệ số k h u ế c h đ ại cô n g su ất th eo d eciB en Kp(dB) với cô n g thức: Kp(dB) = lOlgKp = 101g— H ệ sô 'k h u ếch đại điện áp deciBen: Hệ sô' khuếch đại điện áp deciBen Ku(dB) được tính theo deciBen (dB) với công thức: K u(dB) = 201gKu = 20 l g ^ 1.2. CÁC KIẾN THỨC c ơ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 1.2.1. Mô hình nguồn Norton và Thevenin Mõi nguồn điện năng đều có thể được biểu diễn dưới dạng nguồn điện áp hoặc nguồn dòng. Hình 1.4 là dạng cùa nguồn áp và nguồn dòng lý tưởng. N guổn điện áp lý tưởng được giả định tạo ra điện áp us không phụ thuộc vào dòng chạy qua nguồn. Nguồn dòng điện lý tường được giả định tạo ra dòng điện is không phụ thuộc vào điện áp trên nguồn. Các nguồn thực tế có thể dược mô hình hoá nhờ tổ hợp nguồn lý tường và m ột hay nhiều thành phần mạch thụ động. H ình 1.4b là mô hình nguồn thực tế Thevenin và Norton. Có thể biến đổi từ mô hình này sang mõ hình kia. Dòng is ờ mổ hình N orton liên hệ với điện áp us ở Nguồn điện áp -oNguồn dòng điện -o mô hình Thevenin: b) 1S = Us/Rs Hinh 1.4. Các mô hình nguồn điện 7 Dòng is là dòng được tính khi ngắn mạch đầu ra. Trái lại u, liên hệ với i»: us = Rs- i, Điện áp u, là điện áp dược xấc định khi hò mạch ở đầu ra. Định lý Thevenin: Có thể thay thế tương đương một mạng hai cực tuyến tính bằng nguồn áp với điện áp là điện áp hở mạch mắc nối tiếp với trờ kháng Thevenin. Địnlì lý Norton: Có thể thay thế tương đương một mạng hai cực tuyến tính bằng nguồn dòng với dòng điện là dòng ngắn mạch mắc song song với trở kháng Thevenin. Trở kháng Thevenin được xác định bằng công thức: Z lh = (với u hm là điện áp hở mạch, Inm là dòng điện ngắn mạch). 1.2.2. Định luật Kirchhoff 1 Định luật Kirchhoff 1 (hình 1.5) được áp dụng vối dòng diện và được phát biểu như sau: "Tổng đại số dòng điện tại một nút bất kỳ bằng không". N Ẻ i k = 0 k=l Trong đó có thể quy ước các dòng điện đi vào nút mang dấu dương (+), các dòng điện đi ra khỏi nút mang dấu âm (-) hoặc có thể quy ước ngược lại. Khi chưa biết chính xác chiều cùa dòng điện có thể giả thiết chiều dòng điện di vào nút hoặc đi ra khỏi nút, sau khi tính toán nếu giá trị dòng điện âm thì có nghĩa là chiều giả thiết là sai. Với hình 1.5, áp dụng định luật Kirhhoff 1 ta có: *1 + >2 - *3 - *4 = 0 hay i| + i2 = i3 + i4 1.2.3. Định luật Kirchhoff 2 Định luật Kirchhoff 2 áp dụng với điện áp (hình 1.6) và được phát biểu như sau: "Tổng đại sô' cùa các diện áp trên các phần tử dọc theo tất cà các nhánh của một vòng kín bằng không".Hình 1.6 Dấu của điện áp được xác định dựa theo chiều cùa vòng, cùng chiều vòng m ang dấu dương (+), ngược chiều vòng mang dấu (-). Chiểu cùa vòng có thê chọn tuỳ ý. Á p dụng định luật K irchhoff cho vòng 1 (V ị) ta có: - Ũ | + U R1 + U R3 = 0 Áp dụng định luật K irchhoff cho vòng 2 (V 2) ta có: ~UR, + U R2 - u 2 = 0 1.3. PHÂN cực CHO TRANSISTOR LƯỠNG cực - BJT 1.3.1. Giổi thiệu Để transistor lưỡng cực hoạt động ta phải phân cực cho nó, nghĩa là đưa một điện áp một chiều từ bên ngoài vào chuyển tiếp em itter và collector với giá trị và cực tính phù hợp. Đ iện áp một chiều này sẽ thiết lập chế độ m ột chiều cho transistor. Khi phân cực nếu: - Chuyển tiếp em itter phàn cực thuận, chuyển tiếp collector phân cực nguợc transistor sẽ hoạt động trong vùng tích cực. Khi tính toán chế độ m ột chiều trong vùng này ta thường sừ dụng các cổng thức: U BE = 0,7V (áp dụng với transistor npn Si), I E = ( P + l ) I B « I c Ic = PIb - Chuyển tiếp em itter phân cực ngược, transistor sẽ làm việc trong vùng cắt. - Chuyển tiếp em itter và collector đều phân cực thuận, transistor sẽ làm việc trong vùng bão hoà. Chú ý rằng, để transistor khuếch đại tín hiệu, phải phân cực cho nó hoạt động ờ vùng tích cực. * Đ iểm làm việc tĩnh Khi phân cực cho transistor, dòng điện và diện áp m ột chiều sẽ thiết lập cho transistor một điểm làm việc cố định trên đặc tuyến ra, điểm này gọi là điểm !àm việc tĩnh (còn gọi là điểm công tác tĩnh và thường ký hiệu là điểm Q). Để transistor khuếch dại được tín hiệu, điểm làm việc tĩnh Q phải nằm trong vùng tích cực, nếu chọn được điểm Q thích hợp thì biên độ tín hiệu ra có thể lớn mà không bị m éo (thường là giữa đặc tuyến ra). * Đường tải tĩnh Đường tải tĩnh là đường quan hệ giữa dòng điện ra và điện áp ra trong chế độ một chiều. Đường tải tĩnh được vẽ trên đặc luyến ra, điểm làm việc tĩnh Q sẽ nằm trên đường này. 9 1.3.2. Các mạch phân cực cơ bản 1.3.2.1. Mạch phàn cụt cố định Sơ đổ mạch phân cực cố dịnh như hình 1.7. - u c Hình 1.7. Mạch phân cực cô' định a) Transistor npn; b) Transistor pnp Ta sẽ thiết lập các công thức tính điện áp và dòng điện tại các cực củí transistor loại npn, với transistor pnp, cách tính hoàn toàn tương tự. Xét vòng base - emitter (111nil 1.8): Viết định luật Kirchhoff cho vòng điện áp ta dược: ■ 0 I _ Ucc Ube B R n Theo công thức trên, điện áp u cc, UBE luôn không đổi, vì thế giá trị R„ sẽ quyết định giá trị dòng IB, và dòng IB này sẽ không đổi (vì vậy nên gọi là phân cực cố định). Xét vòng collector - emitter (hìnli 1.9): Giá trị dòng Ic chạy qua điện trờ Rc được tính theo công thức: Ic = Chú ý rằng, dòng IB phụ thuộc vào giá trị RB. mà Ic tỳ lệ với IB theo mộ hằng số p, vì vậy giá trị của Ic không phụ thuộc vào điện trỏ Rc. Khi thay đc 10 Rc dòng IB và Ic không đổi. Tuy vậy, ta sẽ thấy giá trị cùa Rc quyết định giá trị UCE mả Uce là m ột tham số rất quan trọng. Áp dụng định luật K irchhoff cho vòng collector - em itter (hình 1.9) ta có: Uce + Ic^c — Ucc = 0 Uce = Ucc — ICRC Ta có: Uch = u c - UE Với u c, UE lần lượt là điện thế của các cực collector và em itter. Trong trường hợp này: U E = o v , nên Uce = u c Hình 1.9. Vòng collector - emitter Ngoài ra, U BE = U B - u E suy ra U BE = U B. V í dụ 1.1: Cho m ạch điện như hình 1.10. Hãy tính các giá trị của chế độ môt chieu Ip, Ic, U(^£, U f, U|Ịf. B ài giải: AR1 2 V - 0 .7 V I U ẹc — U BE R b 240kQ = 47,08fiA Ic = p iB = 50.47,08|J.A = 2,35mA U CE = u cc - I C.RC = 6,83V U B = U BE = 0.7V u c = U CE = 6-83V U B U R - u c = 0 ,7 - 6 , 8 3 = -6 .1 3 V . Hình 1.10 Giá trị U BC âm , chứng tỏ chuyển tiếp collector phãn cực ngược. Đối với sơ đồ m ạch như hình 1.9, quan hệ giữa dòng điện ra Ic và điện áp ra UCE khi có tải R c: UCE = u cc — IC.RC Phương trình trên chính là phương trình dường tải tĩnh. Để vẽ đường tải tĩnh ta cần xác định hai điểm: Điểm thứ nhất ta cho Uce = 0 suy ra Ic = ——, điểm thứ ° c hai ta cho Ic = 0 suy ra UCT = Ucc 11 Với hai điểm này ta vẽ dược đường tải tĩnh như hình 1.10. Nếu thay đổi giá trị của điện trờ Rh sẽ làm cho IB thay đổi, khi đó đường tải tĩnh không đổi. nhưng điểm làm việc tĩnh Q sẽ dịch lèn hoặc xuống (hình 1.11). Ví dụ 1.2: Cho mạch phân cực cô' định có đường tải tĩnh và điểm làm việc tinh Q như hình 1.12. Hãy tính các giá trị ƯCX-, RB, Rc. Bài giải: Từ hình 1.12 ta có: Tại = 15V Tại u r = 0 Uo = 6mAu,cc 15V R c 6mA= 2 ,5 k n . Lấy u 0 Rb 0,7V, ta có: U Rp 1 5 V -0 .7 V 3nA4.77MQ * Transistor bao lioà Theo đặc tuyến ra cùa transistor, khi transistor bão hoà thì UCT; = 0 do đó dòn diện collector bão hoà ICbh sẽ là dòng ICmax và được tính theo công thức: U m ^Chh _ ^Cmax Rr 1.3.2.2. Mạch phân cụt; ổn định cực emitter Mạch phàn cực ổn định cực emitter như hình 1.13. Điện trờ RE được mắc thêm để tăng độ ổn định hơn so với mạch phãn cực cố định. Để tính các tham số một chiều, trước L hết xét vòng emitter - collector. Theo định luật Kirchhoff ta có phương trình: Hình 1.13. Sơ đõ phân cực ổn định emitter 12 + u cc — IbRb — U BE — IeRe = 0 Ta đã biết IE= (P +1)IB Thay vào phương trình trên ta có: + u c — IbRr — Ube — (P + 1)IrRe = 0 Rút IR ta dược: IB =Ucc Ugg R B + (P + 1 )R E Với công thức trên ta có thể vẽ một m ạch nối tiếp như hình 1.14. Trong trường hợp này, điện áp Uịiptừ base đến emitter được điện trở RE phản hồi trở về đầu vào với hệ số (P +1). Nói cách khác điện trở cực E là linh kiện trong vòng emitter - collector xuất hiện với R, = (P +1)RE trong vòng base - collector. Xét vòng em itter — collector Theo định luật K irchhoff ta có kết quả: IeR r + UCE + ICR C — Ucc = 0 Thay thế IE« Ic và nhóm các số hạng ta có : U ce = Ucc — IC(R C + Re) Điện áp U E được xác định bằng: U e = I eR e Trong khi điện áp từ cực c tới mát là: hoac: — ^“^cc Hình 1.14. Mạch mõ tả công thức tính I a Điện áp tại cực B có thể xác định từ: u„ = ucc - IBR B hoặc U H = U BE + UE * Mức bão hoà Mức bão hoà cực c hoặc dòng cực c cực đại với mạch phàn cực em itter có thể xác định tương tự như m ạch phân cực cố định: Unr ^Cbh ^Cmax Rr + Rp vc T 1VE * Đ ường tả i tĩn h Phương trình đường tải tĩnh: UCE = ucc - Ic(Rc+ Re) V í dụ 1.3: Với m ạch phân cực em itter như hình 1.15 xác định: UCE, U BC, u f . UẼ. u'c, I b , i e. B à i giải: u r u BE___ _ 20 V - 0 .7 V Ih = r b + ( P + d r e 430kQ + 51kQ= 40,12nA Ir = pi„ = (50)(40,lnA ) = 2,01 mA U CE = U c c - Ic (Rc + Rl) = 2 0 V -(2 ,0 1 m A )(2 k Q + lk íĩ) = 13,97V. 13 Uc = ucc - ICRC = 20V - (2,01mA)(2kf2) = 20V - 4,02V = 15.98V Ue= U c- U ce = 15.98V-13,97V = 2,01V hoặc ta có thể tính theo cồng thức: Ue = Ie-Re = Ic-Re = (2,01m A )(lkfi) = 2,01V u„ = UBE + UE = 0,7V + 2,01V = 2,71V UBC = U „ -U C = 2 ,7 1 V - 15,98V = -13,27V Hình 1.15. Mạch phân cực emitter So sánh thông số cùa hai mạch phân cực cô' định và phân cực ổn định cực emitter (hình 1.10 và hình 1.15) khi p = 50 và p = 100 ta có kết quả như bảng 1.1. BẢNG 1.1. CÁC TH Ô N G s ố C Ủ A HAI M ẠCH PH ÂN c ự c pIb(mA) lc(mA) U « (V ) Hình 1.10 Hình 1.15 Hình 1.10 Hình 1.15 Hình 1.10 Hình 1.15 50 47,08 40,12 2,35 2,01 6,83 13,97 100 47,08 36,35 4,71 3,64 1,64 9,1 Từ bảng 1.1 ta có nhận xét sau: - Mạch phân cực cố định dòng Ic tăng 100%, IB không đổi khi (3 tăng 100%. - Mạch phân cực ổn định cực emitter dòng Ic tăng nhỏ hơn 100%, IB giảm khi p tảng 100%. Qua nhận xét này, ta thấy mạch phãn cực ổn định cực emitter có độ ổn định với nhiệt độ (vì p là một tham sô' phụ thuộc nhiệt độ) cao hơn mạch phân cực cố định. 1.3.2.3. Mạch phân áp Trong các mạch phân cực trước, sự phân cực dòng điện IcgVà điện áp UcEy là một hàm sô' cùa hệ số khuếch dại dòng điện ((3). Trong khi đó, p là nhạy cảm với nhiệt độ, dặc biệt là chất silicon, giá trị thực tế của p thường không được xác định chính xác. Vì thế, xây dựng được một mạch phân cực mà ít phụ thuộc, hoặc độc lập với p là vô cùng quan trọng. Với sơ dồ cùa mạch phàn áp như hình 1.16, nếu chọn được các tham sô' của mạch hoàn hảo thì dòng điện ICg và diện áp UreyCÓ thể hoàn toàn độc lập với p. 14 * Tính toán các tham s ố của Itiạcli Đ ầu vào của sơ đổ hình 1.16 có thể vẽ lại như hình 1.17. Sử dụng định lý Thevenin ta có thể tính được dòng IB nhu sau: Ngắn mạch nguồn cấp u cc (hình 1.18) ta có: R,J = R 1//R 2 Ri Hình 1.17. Mạch đơn giản của hinh 1.16 Nguồn tương đương U,J (hình 1.19): R , .u,-r IT = TI = 2 cc u ul - UK2 — Rị + R2 R, '-----0 Ỵ -r 2 u,„ ’-----0 Hình 1.18. Xác định Rtll u,d " i Hình 1.19. Xác định utd Hinh 1.20. Sơ đố tưdng đương Thevenir Từ sơ đồ tương đương Thevenin (hình 1.20) ta có: u „ - Ir.R„ ' U be Ie-Re - 0 Ir =u „ - U B B R,J + (ị3 + l)R E Với IB tính được theo công thức trên ta có thể xác dinh được Ic, từ đó Xí định được U CE theo công thức: U CE = u cc — IC(RC + Re) * T ransistor bão hoà Dòng Icbh trong m ạch phân áp tương tự như mạch phân cực em itter. KI transistor bão hoà, U CE = ov, do đó: Irhh — Irr c + r e * Đường lái tĩnli Phương trình đường tải tĩnh: UCE = u cc - IC(R C+ Re) 1 V í dụ 1.4: Cho sơ đồ như hình 1.21. Xác định Uce và Ic. Bài giải: = 22 V _ R; u cc (3,9kfì)(22V) _ u, ■2^cc 'd R ,+ R 2 39kQ + 3 ,9 k n Ị U|d ~ UạE__ B R l d + (P + 1)RE _ ---^ ------- _ 605 A 3,55kQ + (141X1,5kn) ^ Ic = p iB= ( 140)(6,05|iA) = 0,85mA Hình 1.21. Mạch phân áp UCE= UCC- I C(RC + R E) = 12,22V. của ví dụ 1.4 Nếu cho p = 70, sẽ tính được Ic = 0,83mA và UCE = 12,46. Từ kết quả này ta thấy khi p tàng 100%, Ic và UCE chỉ thay đổi 3%. 1.3.2.4. Mạch phân cực dùng hồi tiếp diện áp Mạch phân cực dùng hổi tiếp điện áp được cho trên hình 1.22. Một đường hổi tiếp từ cực c về cực B làm cho mạch đạt được sự ổn định đáng kể. Tuy nhiên điểm làm việc Q (được xác định bởi Ity và Uceq) không hoàn toàn độc lặp p, nhưng ổn định hơn so với mạch phãn cực cố định hoặc phân cực emitter. Vòng base - emitter (liìnli 1.23) Hình 1.22. Mạch phân cực hồi tiếp điện Hình 1.23. Vòng base - emitter Theo định luật Kirchhoff ta có kết quả sau: u cc — Ic Rc — IrR„ — UBE — IeRe = 0 Mặt khác: Ic = Ic + IB. Tuy nhiên, dòng Ic và 1^ quá lớn so với IB nên Ic = I( Thay thế Ic ~ Ic X piB và IE » Ic sẽ có kết quả là: U oc - P I bR c - I bR b - U k - P I b R ^ O 16 Rút gọn ta có: Ucc - U BE - (3Ib(Rc+Re) - IbRb = 0 Vậy dòng IB là: Ucc ~ UạE I» =■ B Rb +(3(Rc + R e ) Kết quả trên cho ta thấy phản hồi của điện trở Rc trở lại đẩu vào, tương đương với sự phản hồi cùa R E. * C h ế độ bão lioà Lấy xấp xỉ I c « Ic, phương trình của dòng bão hoà giống như mạch phân áp và phân cực em itter đó là: 1=1 = Ucc__ ACbh Cmax + R * Đường tài tĩnh Nếu 1^ « Ic, đường tải tĩnh của m ạch hồi tiếp điện áp được xác định tương tự như m ạch phán áp và m ạch phân cực emitter. Chú ý: Với các cách phân cực trên ta có một phương trình tổng quát tính IB như sau: I- = U ' R b + PR ' trong đó: U ’ = u cc - U BE; R ’ — R c + R : và U CE = u cc - IC(R C + Re ) Bạn đọc có thể tự kiểm chứng lại biểu thức trên. V í dụ 1.5: Xác định Ic và U CE trong hình 1.24. B ài giải: U cc U beR b 250kQ : 10V Rc 4,7kn 10nF Ib = r b + ( P + 1 ) ( R E + r c ) 9,3V 250kfi + 531kO 1 0 | i F uv 0 ^ h - íe ^ Ụ r íp = 90 Re 1,2kn Ic = p iR = (90)(1 l,9 1 |iA ) = l,07m A UCEg = u cc — Ic (R c + Re) = 3,69V 1.3.3. Thiết kế mạch phân cực Hình 1.24 Khi thiết kế m ạch phân cực, người ta thường dùng các định luật căn bản về mạch điện như định luật O hm , định luật K irchoff, định lý Thevenin... để từ các thông số dã biết tìm ra các thông số chưa biết cùa mạch điện. 2 G TK T M ACH ĐIÊN TỪ 17 V í dụ 1.6: Cho mạch phân cực với đặc tuyến ra của BJT như hình 1.25. Xác định ucc, Rc, R„. Bài giải: Từ đường tải tĩnh suy ra: u cc= 20V Icbh = 8mA = suy ra Rc = 2,5kf2 Kc a) b) Hình 1.25. Mạch phân cực V í dụ 1.7: Thiết kế mạch phân cực kiểu phân áp để có Ic = 2mA, Ucp = 10V. Biết transistor có p = 80, Ucc= 20V. Bài giải: Điện trờ RE trong thực tế thường được chọn để UE = 1/10UCC= 2V U E= I E.RE = 2 V = > R E = lk Q Điện trờ R| và R2 được chọn sao cho R, < — BR| 10 Chọn R2 = 6,8kíỉ tính toán được Rị = 43,57kD => chọn R! = 39kQ hoặc 47kfi. 1.4. KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG TRANSISTOR LƯỠNG cực 1.4.1. Giói thiệu Các kiểu phân cực đã được giới thiệu ờ phần trước sẽ được sừ dụng để phân tích tín hiệu xoay chiều nhỏ. Các mạch được phân tích sau đây là những mạch điện thực tế thường được sử dụng. Khi sử dụng Iransistor làm mạch khuếch đại có 3 cách mắc cơ bản: - Emitter chung (EC). 18 - C ollector chung (CC). - Base chung (BC). Để phân tích bộ khuếch đại tín hiêu nhỏ dùng BJT người ta dtmg sơ đồ ương đương dể phân tích. Khi vẽ sơ đồ tương đương đối với tín hiệu xoay chiêu :ần chú ý hai điểm sau: - T hiết lặp tất cả các nguồn cấp một chiều ở mức điện th ế o v (ngắn mạch Ìguồn cấp); - N gắn m ạch tất cả các tụ điện. 1.4.1.1. Sơ đồ tương đương của mạch BC Trên hình 1.26a lả sơ đồ cách mắc BC của transistor npn. N hư đã biết ransistor được cấu tạo bời ba lớp bán dẫn, tạo nên hai chuyển tiếp PN, vì thế ta :oi chuyển tiếp em itter (giữa cực B và E) là m ột diode, ngoài ra vì Ic = a IE nên úữa cực B và cực c được thay th ế bằng một nguồn dòng có giá trị là aIE. Với sự hay thế đó ta có thể vẽ được sơ đổ tương đương như hình 1.26b. Eo= -o c E o - D, B o - -° B B O - -o c ( p . c = otlp “° B a) b) Hình 1.26. Sơ đổ BC a) Cách mắc BC; b) Sơ đồ tương đương Khi transistor được phân cực và hoạt động ở vùng tích cực thì chuyển tiếp ỉm itter phân cực thuận, khi đó diode D, (trong sơ đồ tương đương) tương đương /ới một điện trở có giá trị bằng điện trở thuận của diode, điện trở này được ký liệu là rc và được tính theo công thức: r = H x. If ỉr c IE Với UT là điện th ế nhiệt, ở ìhiệt độ bình thường UT = 26m V , io đó: 26m V fe ~~ ĩ aF E O - - o c Q ) Ic = a IE B °---------- Hình 1.27. Sơ đồ tương đương của cách mắc BC N hư vậy, sơ đồ tương đương cùa mạch CB được vẽ lại như hình 1.27. Với ;ơ đồ tương đương hình 1.27 ta có thể tính được trờ kháng vào và ra cùa mạch ZB như sau: z v = re Giá trị r. rất nhỏ, tối đa là 5 0 0 . 19 T ra khang ra duac tinh khi cho tin hieu vao bang khong, vi the IE = 0 n6 Ic = ctIE = 0, nghla la d iu ra cua hinh 1.27 ha mach, do do: Zr = 00 Thirc te, tra khang ra cua mach BC cor vai MQ. 1.4.1.2. So do tuong duong cua mach EC Tuang tir vai cach mac BC, ta co the ve ducrc so do tuong duong cua mac EC nhu hinh 1.28. C B o -< a) Hinh 1.28 a) Cach mac EC; b) So do tirong di/ong Theo so do tren ta co: = Uv = PJflie. _ , _ Bb _ ''■ B 'C _ o , Ic(mA) Do doc=1/rn i. T T ‘ B XB So do tuang duang hinh 1.28b khong xac dinh duac tra khang ra, thuc te tra khang ra duoc xac dinh theo do doc cua duang dac tuyen ra (hinh 1.29). Gia sir tra khang. ra cua mach CE la Z, = r0. Voi tra khang vao la Prc, tra khang ra la r„ ta ve lai duac so dd Hinh 1.29. Xac djnh r0 cua mach EC 1r Bo^ -o ( Pfe PIB tuang duang cua mach EC nhu hinh 1.30. E o Hinh 1.30. So do tuong duong cua cach mac ( 1.4.1.3. So do tuong duong cua mach CC Tuang tu nhu cach mac EC, ta se co sa do tuang duang cua mach CC. ! d6 tuang duang nay se duac ve trong cac mach cu the 6 phan sau. 20 1.4.2. Các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ cơ bản dùng BJT 1.4.2.1. Mạch emitter chung (EC) Tuỳ theo cách phân cực ta sẽ có các m ạch EC khác nhau. Hình 1.31 là m ạch EC phân cực kiểu cố định. Tín hiệu vào Uv được đưa dến cực B cùa transistor trong khi U' đầu ra Ur lấy từ cực c. Dễ dàng nhận ra dòng Iv là dòng nguồn không phải đòng cực B, trong khi -3 h Ucc —o Hẻ u r —o Í H Cz dòng ra I, lại là dòng cực c. Với tín hiệu xoay chiều (AC), bò qua ảnh hường cùa các tụ điện và nguồn cấp ta có thể vẽ lại sơ đồ như hình 1.32. Đây là m ạch mắc theo kiểu EC nẽn ta có thế vẽ sơ đổ tương đương như hình 1.33. Chú ý rằng, hệ số ß, r0, rL đuợc tra từ bảng các thông số kỹ Hình 1.31. Mạch phân cực cố định mắc E chung o ur Hình 1.32. Sơ đồ 1.31 khi bỏ ảnh hưởng của ucc và C.Ị, c 2 thuật hoặc đặc tuyến ra. Như vậy ß, rc và r„ coi như đã biết. Từ hình 1.33 cho thấy: Trở kháng vào cùa mạch z v = IV/ßiv Với giá trị R b thường lớn hơn uv z v ' b > ßre le © ßlß î 1'*— ■Re' 10 lần ßr,., do dó cho phép tính gẩn đúng: z v * ßrc Hình 1.33. Sơ đố tương đương Trừ kháng ra Z, được xác định khi cho U v = 0. Trên hình 1.33 khi U v = 0, Iv = I B = 0, với m ột m ạch hở nguồn dòng ta có: Z, = Rc//r„ Nếu r„ > 10RC => Rc//r„ « Rc thì: Zr « Rc Hệ số khuốch đại diện áp K„ được tính như sau: Uv u,- -ß IB (R r//r(l) nhưng l ị , ßre 21 do dó: nên u r = - p K = H l = _ Ku u : (R c//r0) (Rc //r0) Nếu r0 > 10 Rc thì Ku --------— Trong phương trình trên, không có p, tuy nhiên giá trị cùa p được dùng c xác định re, dấu trừ thể hiện điện áp ra ngược pha vói điện áp vào. Hệ số khuếch đại dòng điện được xác định theo cách sau: Theo luật phân dòng cho đẩu vào và đầu ra. (r„)(PIB) I, r0P lr~ . , D n e n T “ . . D *i> + Rc với Kết quả: (R b)(Iv) b = R b 1b R B + p re ì" R B + (3rc ÍIrỴ U { r„p Y Rữ ) pRBr„ 1 Iv U + r c Ẵ R b +P>c J (r0 + Rc )(R B + P re) Nếu r(| > 10RC và R„ > 10pre thì: K, _ I I ~ PRBr0 _ 3 1 Iv ~ (r0)(RB) p Quan hệ giữa Ku và Kị được thể hiện qua công thức sau: Ki = - K u| ^ V í dụ 1.8. Với sơ đồ hình 1.34 1. Xác định re; 2. Tìm zv, zr, Ku, Kj vối r„ = co Q; 3. Tìm Zv, Zr,K u, Kị với r0 = 50kQ rồi so sánh kết quả. Bài giải: 1. Ở chế độ một chiều (DC). \ í — ° l Hình 1.34 U CC- U BE 12V - 0,7V A IR = —^ -----5Ẽ. = — — = 24,04nA R„ 470kfì IE = (p + 1) IB = (101) (24,04nA) = 2,428mA 26mV 2,428mAI0 ,7 in 22 26mV Ip 2. Pr, = (100) (10,71Q ) = l,071kQ z v = R ^ /p r, = 4 7 0 k Q //l,0 7 1 k n = l,0 6 9 k fi Zr = Rc = 3kfi 3kQ ĩ.: -280,11 K u = = 10,710 V ì Rb > 10 Prc (470kfỉ > 10,71kQ) Kj = p = 100 3. z r = r(y/Rc = 5 0 k n //3 k fỉ = 2,83kQ so sánh với 3kO K „ = - K , rọ//RC 2,83kO 'l0 ,7 1 f ì P IV () = -26 4 ,2 4 so sánh với -280,11 (100)(470kQ)(50kQ) (r0 + Rc )(Rb + Ị3re ) (50kfí + 3kQ )(470kn + l,071kQ ) = 94,13 so sánh với 100 Qua ví dụ này cho thấy việc lấy r0 = 00 và r„ = 5 0 k fi để tính Z v, Zr,K u, K sai lẹch nhau không đáng kể. Vì vậy khi tính toán mach cho đơn giản có thể co r0 = 00 để tính các tham số. 1.4.2.2. Mạch mắc collector chung (CC) Khi đầu ra được lấy từ cực E cùa transistor như hình 1.35. Sơ đồ được mắc cực c chung. Điện áp ra luôn nhỏ hơn tín hiệu vào chút ít bời vì tiêu hao trên cực B tới cực E, do đó K0 * 1, không giống như điện áp cực c, điện áp cực E cùng pha với Uv và điện áp Ur ~ Uv. Với trờ kháng vào lớn và trờ kháng ra nhỏ, sơ đồ này thường được sử dụng để phối hợp trờ kháng. Hiệu quả của m ạch có thể đạt dược tương đương với m ột biến áp. Bỏ qua ảnh hường cùa r„ta vẽ được m ạch tương dương như hình 1.36. Anh hường của r„ sẽ được xét sau. Trờ kháng vào được xác dịnh như c o o Rb v + 0 'll Y c , ° J ịc , * zv t i r Hình 1.35. Mạch c c -oUr Zr các mạch trên với: z v = Rb//Z„ Hình 1.36. Sơ đố tương đương 2: Với Z„ = PrL. + (p + 1)Re s PRe Zr: Trờ kháng ra được xác định qua phương trình dòng IB I sau đó nhân với ((3 + 1) để có IE. Ta có: IE = ( P + 1)I„ = (P+ 1) Thay ZB = PRE (P+1)ƯV E Pre +(P+1)RE [Ị3re/(P+1)] + RE nhưng (P + 1) = p và = rc do đó: I eu,+ Rp Với dòng IE được xác định theo công thức trẽn ta có thể vẽ được mạch như hình 1.37. Trờ kháng ra dược xác định khi Uv = 0 suy ra: zr = R,//r, Vì Re thường lớn hơn r,., do đó: Zr = rL. Hệ số khuếch đại điện áp Ku được tính: u RẹŨv ' RE + re Do đó: Ku = ^ = - 5 s _ u v Re + re Vì Re thường lớn hơn rL. nên RE + re = RE do đó: K = u , sl “ Ưv = Hệ số khuếch đại dòng điện K,: Hình 1.37. Xác định z, R b[v Ir = - I E = - ( P + 1)I„ nên ị - = - ( p + l) ẵB 24 Ta có và do đó: vì K = Ì - = -Ĩl I b. _ _ ( ß + 1) Iv IB Iv rb + (ß + 1) s ß nên K| =R B + Q uan hệ giữa Kị và Ku: Kị = - Ku -jp ke Xét ànli hường cùa r„: Bằng việc tính toán chi tiết sẽ có z • Z B = ßrc + (ß + Ị)R E r0 Nếu điều kiện r„ > 10 RE dược thoả mãn nên có thể coi 1 + 1, vì vậy: Zß — ßrc + (ß + 1) Re - ß (rc + Re) z r: z r= r,//RE//- ß re (P +l) Coi ß + 1 = ß, zr = r„ // R E//rc và vì r„ » rc, Zr = RE//rc (ß + 1)Rë /Z b K„: K„ = 1 + r e r0 Nếu điẻu kiện r,i > 10 R|£ được thoả mãn và coi ß + 1 = ß K.IS nhưng Z B = ß (rc + R E) dođÓ K “ - ß C rf+ R ,) - rc + Re V í dụ 1.9: Cho sơ đồ hình 1.38 xác định: r.- z,- Z,- K„ K, khi bò qua r„, khi r„ = 25kfì 1 và so sánh kết quà. B ài giải: + Khi bỏ qua r„: In Ucc- U be r b + ( p + d r e 12V Hình 1.38 1 2 V -0 .7 V 220kQ + (101)3,3kQ = 20,42|iA IE = (p +1) I„ = (101) (20,42|iA ) = 2,062mA 26mV 26mV rc = I f 2,062 m A1 2 ,6 1 0 2 : ZR = Prc + (P + 1)Re = (100) (12,610) + (101) (3.3kíì) = 334,56kn = PRE zv = Rb//Z„ = 220kn//334;56kQ = 132,72kíì zr= RE//rc = 3 ,3 k n //1 2 ,6 in = 12,560 = rc K u r _ R e _ 3,3kfì K; = u v R e + re PRB _ 3,3kQ + 12,610 (100)(220kn) = -39,67 R b + Z B 220kfì + 334,56kn 132,72kfi'\ K ' = - K ^ = - (0 - 9^ w r J = - 4 0 ’06 + Khi r„ = 25kQ: Điéu kiện r0 > 10 RE không thoả mãn nên: . Rp= (100)(12,6in) + (100+ 1)3,3 kn : p rc +(P + 1)Rẹ 1 +3,3kn 25kíì = 295,7kfi với zv = R ^/Z b = 22 0 k n // 295,7kn = 126,15kn so sánh với 132,72kn có dược trước đó. Zr = RE//rc = 12,56Q như có dược truớc đó. K„ (P + 1)Re/Z b _ (100 + Ị)(3,3kO)/295,7kfl 1 + • 1 +3,3kfì 25kíl = 0,996 = 1 Phù hợp với kết quả trước. Tuy nhiên vối điều kiện r0 > 10 RE không thoả mãn, kết quả của Zr, K„ nhu nhau, Zv giảm không dáng kể. Từ đó ta thấy, thực tế có thể bò qua ảnh hường cùa r0 với sơ đổ này. 1.4.2.3. Mạch base chung (BC) Mạch base chung đặc trưng là trờ kháng vào nhỏ, trở kháng ra lốn và hệ số khuếch đại dòng nhỏ hơr. mạch EC, trong khi hệ số khuếch dại điện áp rất lớn. Sơ đồ như hình 1.39a là mạch BC phãn cực theo kiểu phân áp. Sơ đồ tương dương như hình 1.39b. Theo sơ đồ hình 1.39b: Trờ kháng vào: Zv = RE//rc Trờ kháng ra: Zr = Rc 26 Hệ số khuếch đại điện áp được tính như sau: Ur = - I rRc = - I c Rc = - a I ERc với Ie —_H v. re do đó: u , = ■ f t -} Rc và K u =u r _ u v a R c Rc re re Hệ sô khuếch đại dòng điện K¡: coi R e » rc I e = —I v và I, = aIE = -a lv suy ra: K; = -p- = - a = -1. ly Chú ý: Với kiểu phân cực khác nhau sẽ có các m ạch EC, © ale ti, ^_ Rn Z' u cc, BC khác nhau, cách phân tích cũng tương tự như trên. Hình 1.39b. Sơ đồ tương dương 1.4.3. Ảnh hưỏng của nội trở nguồn tín hiệu (Rn) và điện trở tc R, đến mạch khuếch đại Trong các tính toán trước ta dã bỏ qua nội trở nguồn tín hiệu R„ (coi nguồ lý tưởng) và điện trở tải Rị. Thực tế, nguồn tín hiệu luôn có nội trỏ và mạc khuếch đại luôn có tái, hai thông số này sẽ ảnh hưởng đến các tham số củ mạch khuếch đại. 1.4.3.1. Mô hình hoá mạch khuếch đại M ột mạch khuếch đại (khi chưa xét tới nội trờ nguồn và điện trở tải) có thể coi là m ột mạng 4 cực nhir hình 1.40. Trong dó, K,,, và K|„ lần lượt là hệ số khuếch đại điện áp và dòng điện khi không có tải va bỏ Hinh 1-40- Mò hình khuếch đại qua nội trở nguồn. Àp dụng định lý Thevenin cho đầu ra ta có: 2’ Trờ kháng Thevenin: z,„ = zr Điện áp Thevcnin là điện áp hờ mạch đẩu ra Ulh = ur ' Mà Ku>. = - jj- = > U r = K U(,.U vnên U.I, = Kuo.Uv. Nhu vậy, ta có thể dùng nguồn Thevenin Ulh = K ul, ,U V để biếu diẻn đầu ra. Đẩu vào được mò hình u v bâng giá trị Zv = —— . Mô hình I, z, 1, K z „ — - |z » — u, z, mạch khuếch đại được biểu diẻn như Hình 1.41 hình 1.41. 1.4.3.2. Ảnh hưởng của nội trở nguồn tín hiệu (RJ và diện trở tái R, đến mạch khuếch đại Khi xét nội trờ nguồn tín hiệu và điện trở tải, mô hình mạch khuếch dại dược biểu diễn như hình 1.42. Tại đầu vào ta có: u, Z , + R„ -u. Tại đầu ra: R u..=R, +z.Kll0.uv Hệ số khuếch đại điện áp cùa mạch được tính theo công thức: K„ =u r R. u„ Z v + R „ R ,+ Z r Tính toán tương tự. ta tính được hệ số khuếch đại dòng diện toàn mạch là: K, = - K ,R n±z. R. Như vậy, khi có nội trờ nguồn và điện trở tải hệ số khuếch đại diện áp và dòng điện đều giảm. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1 B ài 1: Hãy thiết lập một bảng so sánh ba cách mắc cơ bàn (EC, BC, CC) cùa transistor lưỡng cực về cách mắc, trò kháng vào, trờ kháng ra, hệ số khuếch dại điện áp, hệ số khuếch đại dòng điện. 28 B ài 2: Thiết k ế mạch phân cực kiểu cố định sừ dụng transistor Si có ß = 120 và nguồn cấp u cc = 18V để ICy = 4mA và UcEy = 9V. Sử dụng các điện trở có giá trị chuẩn. B à i 3: Thiết kế mạch phân cực kiểu phân áp sử dụng transistor Si có ß = 150 và nguồn cấp u cc = 20V để ICy = 4,5mA và UŒy = 10V. Sừ dụng các điện trờ có giá trị chuẩn. B ài 4: Cho mạch điện như hình 1. Biết transistor Si có ß = 120, ucc = 18V (bỏ qua r„). u cc 1. Biết R ,= 120kn, R , = 2,2kQ , Uce= 9 V , Ic = 4mA. Tính R 2 và R 4. 2. Cho R, = 350kQ , R 2 = lOOkn, R , = 3,3kQ , R 4 = lk Q . a) Tính Ic, UCB; b) Nếu R2 dứt, U CE = ? c) Biết U v = 3mV, tính điện áp tín hiệu, Z v, Z r; d) Biết Uv = 3mV và có nội irờ R „= 150Q. Tính U r; ; R, 12V e) Nếu tụ c , đứi U r thay đổi như thế nào? Tại sao? B ùi 5: Cho mạch diện như < V c ’ 4Ó0k h k c 2 iï 0 '•\[ ° hình 2. T làm bằng Si có ß = 99 (bò qua r0). a) Tính các giá trị phân cực Ic và ƯCE; b) Vẽ sơ đồ tương đươna cùa mạch ờ chế độ tín hiệu nhỏ; c) Tính trở kháng vào, trờ kháng ra, hệ số khuếch đại điện áp và dòng điện của mạch. 5 J| T 10mF 10mF ] { R 2 'R, ' 1Õ0k " c UEE= -12V Hình 2 29 ucc = 12V o Bài 6: Cho mạch điện như hình 3. Biết T làm bằng Ge có ß = 99. a) Tính Kul = Url/U v; b) Tính Ku2 = ur2/uv; c) Nhận xét Url và Ur2. Bài 7: Cho mạch điện như hình 4. Biết Ku = -160, Kị = -1 9 . Hãy xác định u cc, R c, Rp. Bài 8: Cho mạch điện như hình 5. Biết T làm bằng Si có p = 18 (bò qua r„). a) Tính các giá trị phân cực Ic, Ucr, UŒ; b) Vẽ dường tải tĩnh và xác định điểm làm việc tĩnh Q trên đặc tuyến ra; c) Vẽ sơ đồ tương đương ở chế độ tín hiệu nhỏ và tính trờ kháng vào, trờ kháng ra, hệ sô' khuếch đại điện áp và dòng điện. Bài 9: Cho mạch điện như hình 6. Biết u œ = 12V, Rc = 3,3kn, Rfi = Rf2 = lOOkn, transistor loại Ge có ß = 120. 30 Upc = 12V Hinh 5 a) Tính giá trị điện áp và dòng điện một chiều tại các cực cùa transistor; t>) Vẽ sơ đồ tương đương cùa mạch ờ chế độ tín hiệu nhỏ; c) Tính trở kháng vào, trờ kháng ra, hệ số khuếch đại điện áp và dòng điện, iết u v = l,2m V . ucc Hình 6 B ài 10: Cho m ạch điện như hình 7, transistor loại Si có ß = 99. a) Vẽ sơ đổ tương đương của mạch ờ chế độ tín hiệu nhỏ; b) Tính trờ kháng vào, trở kháng ra, hệ số khuếch đại điện áp và dòng điện, o sánh vói trường hợp hờ tải và bỏ qua nội trở nguồn tín hiệu. 31 Chương 2 KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG TRANSISTOR TRƯỜNG - FET 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG Khác với transistor lưỡng cực mà đặc điểm chù yếu là dòng diện trong chúng do cả hai loại hạt dẫn (điện tử và lỗ trống) tạo nên, transistor trường (Field Effect Transistor - FET) hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng trường, điều khiển dộ dẫn diện cùa đơn tinh thể bán dẫn nhờ tác dụng cùa một diện trưòng ngoài. Dòng điện trong FET chi do một loại điện lích tạo nên. Cõng nghệ bán dãn, VI diện tư cãng tiến bộ, FET càng tò rõ ưu điềm quan trọng trên mặt xừ lý gia công tín hiệu với độ tin cậy cao và mức tiêu hao năng lượng cực bé. Sự khác nhau cơ bản giữa BJT và FET dược chì rõ ờ hình 2.1. Transistor hiệu ứng trường FET gồm có hai loại chính: - FET điều khiển bằng tiếp xúc p - n (liay gọi là FET mối nối đơn) Junction FET, viết tắt là JFET. - FET có cực cửa cách diện: Insulated Gate FET viết tắt là IGFET. Thônị thường lớp cách diện là lớp ôxít nên gọi là Metal Oxide Semiconductor FE1 (MOSFET hay MOS). Trong loại transistor trường có cực cửa cách điện lại chi: làm hai loại là MOS có kênh sẵn và MOS có kênh cảm ứng. Mỗi loại FET lại dược chia làm hai loại, kênh N và kênh p. Transistor trường có ba chân cực: cực nguồn (Source) ký hiệu là s, cự cổng (Gcire) ký hiệu là G và cực máng D (Drain). - Cực nguồn là nơi mà các hạt dẫn đa số đi vào kênh và tạo ra dòng diệ nguồn Is. 32 - Cực m áng D là nơi các hạt dẫn đa số đi ra khỏi kênh. - Cực cửa G là cực diều khiển dòng diện chạy qua kênh. T ransistor trường có những ưu điểm nổi bật so với transistor lưỡng cực BJT là dòng điện qua FET chi do một loại hạt dẫn đa số tạo nên, do vậy FET là linh kiện một loại hạt dẫn. FET có trở kháng vào rất cao, tiếng ồn trong FET ít hơn nhiều so với BJT. Nó không bù diện áp tại vùng Iu = 0 và do đó nó là phần từ ngắt diện, FET có độ ổn định về nhiệt cao và có tần sô' làm việc cao. Tuy nhicn nó có nhược điểm là hệ số khuếch đại thấp hơn nhiều so với BJT. 2.1.1. Câu tạo và đặc tính của JFET 1. C ấu tạo và k ý hiệu JFET được gọi là FET có mối nối đơn, có hai loại là JFET kênh N và JFET <ênh p. JFET kênh N có cấu tạo gồm thanh bán dẫn loại N, hai dẩu nối với hai dây a gọi là cực m áng D và cực nguồn s. Hai bên thanh bán dẫn loại N là hai vùng rán dẫn loại p tạo thành mối nối p - N như diode. Hai vùng này dược nối với ìhau gọi là cực cổng (cửa) G (hình 2.2). JFE T kênh p có cấu tạo tương tự nhưng chất bán dẫn ngược lại với JFET ;ẽnh N. Ký hiệu c ủ a JET như hình 2.3a (kênh N) và 2.3b (kênh P). Cực máng (D rain): D Kênh N Cực cổng (G ate): G nghèo Cực nguồn (Source): s [ l ií > s - a) b) Hình 2.2. Cấu tạo transistor trưòng JFET 2. Đặc tín h Hình 2.3. Ký hiệu JFET Xét .ĩ F ET kênli có cực D nối với dương nguồn, s nối với âm nguồn như inh 2.4. g t k t m a c h đ ié n t ứt33 a) Klii cực G hở fUGS = o v ) Lúc này (hình 2.4) dòng điện sẽ đi qua kênh theo chiểu từ cực dương của nguồn vào cực D và ra ờ cực s để trờ về âm nguồn của uuu, kênh có tác dụng như một điện trở. Nếu tăng điện thế uus từ ov lên thì dòng II, tăng lên nhanh nhưng sau đó đến một điện thế giới hạn thì dòng Iu không tăng được nữa gọi là dòng điện bão hoà Iuss. Điện thế uus có Iuss gọi là điện thế ngắt Up (pinch - off). b) Khi cực G có điện th ế âm fUcs< OV) như hình 2.5 Khi cực G có điện thế ãm nối vào chất bán dẫn loại p, trong kênh N có dòng điện chạy qua nên có điện thế dương ờ giữa chất bán dẫn N sẽ làm cho mối nối p - N bị phân cực ngược làm điện tử trong chất bán dần cùa kênh N bị đẩy và làm thu hẹp tiết diện kênh, nên diện trờ kênh dẫn tăng lên, dòng Iu = OA G o - UGS = - 1V : >0 giảm xuống. Khi tăng điện thế âm ờ cực G thì mức phân cực ngược càng lớn làm dòng Iu càng giảm nhó và đến một giá trị giới hạn thì dòng Iu gần như không còn. Điện thế này ờ cực G gọi là điện thế ngắt Up. Hình 2.6 là dặc tuyến ra cùa JFET kênh N để chi sự thay dổi cùa Iu theo Uus ứng với từng diện thế UGS lc(m A) Hinh 2.5. JFET khi cực G có điện thê ãm v ù n g bão hoá UGS= -3 V U-S = -»V —L_ 15 25 UDS (V) ờ cực G (gọi là họ đặc tuyến yUus). 34 Hình 2.6. Đặc tuyến ra của JFET kê rh N D ối với JF E T kênh P: JFET :ênh p có m ạch thí nghiệm như lìn h 2 .7 với n g u ồ n - Uuu cu n g ắp cho Uus, diện th ế cung cấp cho •ực G bây giờ là điện th ế dương UG > u s). JFET kênh p cũng có lặc tuyến ra giống như JFET kênh >1 nhưng có các dòng điện và diện hếngư ợc dấu. 3. Đ ặc tu yến truyền dán Đ ối với transistor lưỡng cực ỈJT thì dòng điện ra Ic và dòng liều khiến In quan hệ với nhau theo lệ số P: Ic = f(IB) = p.I„ Hinh 2.8. Đặc tuyến ra của JFET kênh p ở đây p là hằn° sô' còn I„ là biến điều khiển. Mối quan hệ này dược biểu hi là m ột đường thẳng. Còn đối với JFET, quan hệ giữa Iu và UGS được dặc trưng (hình 2.8) bời ông thức Shockley: Iu = Iuss-( 1 — U 0s/Up) ở c ô n 0 thức Shockley, IDSS và Up là các hằng số, còn ucs là biến điều hiến Phươn» trình trên biểu thị mối quan hệ giữa dòng điện Iu và diện áp UGS. ồ thi biểu diễn cùa nó là m ột đường có dạng gần như đường cong parabol, gọi I dăc tuyến điều khiển hay đặc tuyến truyền đạt. Quan hệ này được thể hiện ằn° hàm ID = f(UGS) khi diện áp Uus không dổi. Ta có thể vẽ được đường đặc ìyen truyền dạt này bằng cách suy từ dặc tuyến ra (hình 2.9), hoặc vẽ trực tiếp leo phương trình Shocklev. 35 Hình 2.9. Cách vẽ đặc tuyến truyền đạt từ đặc tuyến truyền dẫn Qua đường đặc tuyến truyền đạt ta thấy: khi thay đổi diện áp trẽn cực cổng thì bể dày cùa lớp tiếp xúc p - N sẽ thay dổi, làm cho tiết diện cùa kênh cũng thay đổi theo. Do dó điện trờ cùa kênh thay đổi và cường dộ dòng điện qua kênh cũng thay đổi. Như vậy điện áp trẽn cực cổng UGSdã điều khiển dược dòng diện ở cực máng Iu. Theo lý thuyết, khi UGS = Up thì bề rộng cùa kênh giảm xuống 0 và dòng điện máng bão hoà IDS,= 0- Nhưng với linh kiện thực tế thì có một sò' dòng rò vẫn chảy qua kênh ngay cả khi ờ điều kiện ngắt I UGSI > I Up I . Dòng điện ngược cực cổng Ics là dòng điện chạy từ cực cổng đến cực nguồn khi cực máng ngắn mạch với cực nguồn trong trường hợp I UGSI > I Up I . Thông thường dòng I GS bằng khoảng vài nA đối với FET chế tạo bằng Silic. 4. N hững m ối quan hệ giữa B JT và JF E T (hình 2.10) Hình 2.10. Quan hệ giữa BJT và JFET 2.1.2. Cấu tạo và đặc tính của MOSFET MOSFET được chia làm hai loại là MOSFET kênh liên tục và MOSFET kênh gián đoạn. Mỗi loại kênh liên tục (kênh đặt sẵn) hay gián đoạn (căm ứng) 36 tiếu có phân loại Iheo chất bán dẫn là kênh N hay p. Ta chỉ xét các loại MOSFKT kẽnh N và suy ra cấu tạo ngược lại cho kênh p. 2.1.2.1. Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET kênh liên tục Người ta chế tạo sẩn kênh dần điện gổm hai vùng bán dản loại N có nồng dộ tạp chái cao duợc nối lién nhau bằng một kênh dản là bán dán loại N có nồng độ tạp chất thấp hơn. Các lớp bán dẫn này dược khuếch tán trên một nén là chất bán dẫn loại p, phía trẽn kênh dần diện có phú lớp ôxít cách diện S i0 2. Hai dây dản xuyên qua lớp cách diện nối vào hai vùng bán dần N nồng độ cao gọi là cực s và D. Cực G có tiếp xúc kim loại bẽn ngoài lớp ôxít nhung vần cách diện với kênh dản. Ihường cực ss được nối chung với nén p. Cưc máng D (Drain)Kênh N Cực cổng G Kênh N D 3 s s Kênh p ss G £s s (Gate) Cực nguồn s (Source) (Substrate) s s Hinh 2.11a. MOSFET liên tục kênh N Hình 2.11b. Ký hiệu MOSFET 2.1.2.2. Đặc tính của MOSFET kênh liên tục 1. K h i ƯGS = o v Trường hợp này kônh dẫn diện có lác dụng như mội điện trớ, khi tăng diệi áp Uus thì dòng Iu tâng lèn đến mộl trị số giới hạn là Ioss (dòng Iu bão hoà; Điện áp u„s trị số Iuss cũng gọi là điện áp ngắt UH giống JFET. 2. K h i u,,s < 0 V 1 .úc này cực G có diện thế âm nên dấy các diện từ ớ kênh N vào vùng nền làm Ihu hẹp tiết diện kênh dẫn diện N và dòng Iu bị giảm xuống do điện tr kênh dẫn diện tăng lên. Khi tăng diện thế âm ớ cực G thì dòng Iu càng nhò V đốn một trị sô giới hạn dòng lu gần như không còn. diện thế này ờ cực G gọi 1 diện the ngắt UH. 3. K h i u,,s > o v Khi phân cực cho cực G có diện Ihẽ dương thì các điện từ thiêu số ớ miền bị hút vào vùng N nên làm tăng tiết diện kênh, diện trờ kênh bị giâm xuống và dòng Iu tãng cao hơn trị số bão hoà Iuss. Trường hợp này dòng Iu lớn dễ làm hòng MOSFET nên ít được sử dụng. Hình 2.12 là đặc tuyến ra Iu/Uos và đặc tuyến truyền đạt Iu/Úc* cùa MOSFET liên tục kênh N. Hình 2.12. Các đặc tuyến của MOSFET Mèn tục kênh N 2.1.2.3. MOSFET liên tục kênh p Cấu tạo và các đặc tính cùa MOSFET kênh liên tục p được mô tả trên hình 2.13. Hình 2.13. Cãu tạo và đặc tuyên của MOSFET liên tục kênh p 2.1.2.4. cấu tạo và ký hiệu của MOSFET kênh gián đoạn (cám úng) Hình 2.14 giới thiệu cấu tạo cùa MOSFET kênh gián đoạn, hình 2.15 là ký hiệu cùa chúng. 38 Kênh N II n Kênh p S i SJ Hình 2.14. MOSFET gián đoạn kênh N Hinh 2.15. Ký hiệu của MOSFET gián doạ Trong M OSFET gián doạn thì hai vùng bán dẫn loại N pha nồng độ ca không dính liền nhau nên gọi là kênh gián đoạn, mặt trên kênh dẫn điện cũn được phù một lớp ôxít cách điện S i0 2. Hai dây dản xuyên qua lớp cách điện nc vào vùng bán dẫn N gọi là cực s và D. Cực G có tiếp xúc kim loại bên ngoài lớ ôxít và cách điện đối với cực D và s. 2.1.2.5. Đặc tính của MOSFET kênh gián đoạn Hình 2.16 mô tả đặc tính của MOSFET kênh gián đoạn. Do cấu tạo kênh bị gián đoạn nên bình thường không có dòng diện qua kênh, ID = 0 và diện trờ giữa D và s rất lớn. Khi phán cực cho G có UGS> ov thì điện tích dương ở cực G sẽ hút các điện tử cùa nền p về phía giữa của hai vùng bán dẫn N và khi lực hút đù lớn thì số điện tử bị hút nhiều hơn, đù để nối liền hai vùng bán dẫn N và kênh được liên tục. Khi dó có dòng điện lu đi từ D sang s, điện thế phãn cực cho cực G càng tăng thì dòng IƯ càng lớn. Điện thế Ucs đù lớn đế tạo thành kênh dần điện gọi là điện thế ngưỡng UGS (T) hay UT. Khi UGS < u r thì dòng cực máng ID = OmA hay không có dòng điện chạy qua kênh (kênh dẫn chưa được tạo thành). Bắt đầu ngắt Hinh 2.16. Đặc tính của MOSFET kênh gián đoạn 3 Đặc tuyến ra và đặc tuyến truyển đạt cùa MOSFET gián đoạn kênh N được biểu thị ờ hình 2.17, khi UGS> UT thì dòng Iu và Uqs quan hệ với nhau theo còng thức: Iu = k(Ucs — ƯT)2 đây chính là phương trình cùa đặc tuyến truyền đạt và được biểu diỗn như hình 2.17b. Hệ số k là một hằng số, nó được xác định nhờ các giá trị Iu và Ưcs tương ứng trẽn đặc tuyến ra. ứng với mồi một điểm bất kỳ trên đạc tuyến ra ta có một cặp (ID, UGS) tương ứng gọi là IU(„„, và UCS(„n), khi đó: I , _ _______ ^D (on)_______ ^GS(i«t) - UT)2 Ví dụ ờ hình 2.17b với IU(„n) = 4mA khi UGS(„n) = 5V => k = (4mA)/(5V - 2V)2 = l,75m A/V 2 = > IU= 1,75. (UCS- 2 V ) 2 mA 2.1.2.6. MOSFET gián đoạn kênh p Tương tự như MOSFET gián đoạn kênh N, hình 2 .l7 a - mô tả cấu tạo, b - đặc tuyến truyền dạt và c - đặc tuyến ra cùa MOSFET gián đoạn kênh p. Hình 2.17. Cấu tạo và các đặc tuyến của MOSFET gián đoạn kênh p 2.2. PHÂN cực CHO FET 2.2.1. Giói thiệu Ta đã biết rằng mức dộ phân cực cho một transistor luỡng cực có thể được thiết lập bằng cách sừ dụng các công thức (xét loại transistor NPN, có cấu tạo là Si): Ube = 0,7V; Ic = ß IB và Ic ~ IE 40 Q uan hệ giữa đầu ra và dầu vào được đặc trưng bời hệ sô' ß, nó là một hàng ô' thiết lập mối quan hệ tuyến tính giữa Ic và IB. Đối với transistor trường, mối |uan hệ giữa đầu ra và đẩu vào lại không tuyến tính, sự liên hệ không tuyến tính ;iữa Iu và UG, có thể làm phức tạp hoá khi phân tích FET ờ ch ế dộ một chiều. Sự khác biệt nữa giữa BJT và FET là: biến điều khiển dầu vảo cho BJT là lòng diện, trong khi ờ FET là diộn áp. Các công thức chung dối với FET: IGa 0 và ID= I, Đối với JFE T và M OSFET kênh đặt sẩn thì công thức Shocklcy cho quan lệ giữa dầu vào và đầu ra là: ỈL>— IuSsO “ UClS/ưp) Còn đối với M OSFET kcnh cảm ứng: Iu = k(U cs - UT)2 Điều quan trọng lả tất cả các cồng thức trẽn dây là đặc trưng cho linh kiện, húng không thay đổi trong quá trình làm việc. Mức độ thay đổi cùa mạch diện lược coi như sự thay đổi cùa dòng điện và điện áp kết hợp với điểm làm việc |ua phương trình cùa nó. Î.2.2. Sơ đồ phân cực cô định Ớ chế dộ tĩnh (khi chưa có tín hiệu xoay chiểu): ICl » 0 và Ư K G = IcRg = O-Rg = 0. ớ chế độ này (hình 2.18), mạch tương đương dược vẽ lại như hình 2.19. Áp dụng định luật K irchhoff ta có: - Ư0G- UGS= 0 hay UGS = — UGG Hình 2.18. Sơ đồ phân cực cố định cho JFET Hình 2.19. Sơ đồ tương đương ỏ chè độ tĩnh 41 Vì u cc là nguồn một chiều ổn định nên Uos cũng không thay dổi. Do đó người ta gọi là “sơ đồ phân cực cố định". Dòng cực máng Iu được tính theo công thức Shockley: I d = I . , s s ( 1 ~ ƯGS/Up)2 Đổ thị biểu diễn mối quan hệ trong phương trình Shockley được thể hiện à hình 2.20. Cho UGS = Up/2 thì dòng Iu = IDSS/4. Đường cong đi qua 3 điểm: (0, Iuss), (Up, 0) và (Up/2, Idss/4) chính là đường cong biểu diễn phương trình Shockley. Io(mA) UGs(V) '~ 'G S Q -------W GG Io(mA) 0 Ú g s(V) Hình 2.20. Đặc tuyên tĩnh Hình 2.21. Tim điểm làm việc ở hình 2.21, mức cố định UGS được biểu thị là một đường thẳng dứng có phương trình: u cs = -UGG. Tại bất kỳ điểm nào trên đường này ta cũng có -Uco, tù đó dễ dàng xác định được mức ID tương ứng. Điểm giao nhau cùa 2 đường gọi là diểm làm việc tĩnh Q. Theo Kirchhoff: u us= U u u -IDRU Vì cực s nối đất nên u s= 0 suy ra Uu = U us và u c = UGS Nhược điểm chính cùa cách phân cực này là cần 2 nguồn phân cực, chính vì vậy nó ít dược sử dụng trong thực tế và sẽ ít được đề cập trong hầu hết các mục tiếp theo. V í dụ 2.1: Cho các số liệu ờ hình 2.22, tính: UGSQ, Iuy, u us, u u, u c, u s. Bài giải: U GSU = —U oc — —2 V I l > 0 = I l > s s ( 1 — U ClSAJp) 42 = 10mA[l - (-2V )/(-8V )]2 = 10mA(l - 0,25)2 = 10mA(0,75)2 = 5,625mA. u us= u uu- IuRu = 16V - (5,625m A).(2 kQ ) = 4.75V Uu = U us= 4,75 V uc = ucs= - 2V u, = 0. Với các kết quả vừa tính được, điểm làm việc tĩnh Q được biểu diễn trên lình 2.23. 16VT I q s s = 1 0 m A Up = -8 V Hình 2.22 2.2.3. Sơ đổ tự phân cực lo(mA) ỈD S S = 1 0 m A IDQ = 5,6mA I dss^ = 2,5mA Up = -8 V U p/2= 4V UGSQ = UGG = -2 V Hinh 2.23. Biểu diễn điểm làm việc tĩnh Q Sơ dồ tự phân cực sẽ loại trừ yêu cầu 2 nguồn một chiều. Điện áp diều chiển u cs bây giờ dược xác ciịnh bời diện áp dặt trẽn điện trờ Rs đưa vào cực s ìhir ờ hình 2.24. Hình 2.24. Sơ đố tự phân cực JFET Hình 2.25. Phân tích ỏ chê độ một chiêu 4 3 ơ chế độ tĩnh (một chiều), tụ điện có thể thay thế bàng hở mạch và diện trờ Rc được ngán mạch vì IG= 0. Kết quà ta có sơ đồ tương đương như hình 2.25. Dòng chạy qua Rs là dòng Is, nhưng Is= II, nên: Uks= IuRs Chọn chiều cùa vòng như hình 2.25, ta có: —Ư(;s—ƯKS= 0 hay u ns= - Ư K S Suy ra phương trình tải tĩnh: Uos=-IuRs Lưu ý ờ dãy u cs là hàm của dòng diện ra I„ và không cô' định như sơ đồ phân cực cố dịnh. Từ U(-lS= - I yRs, thay vào phương trình Shockley ta có: Iu= Ius,(l - Ùa/Úp)2 = W (1 - (-IưRs)AJp]2 l | J = I d S s O + l u K . s / U p ) ' Đây là một tam thìrc bậc 2 dối với Iu, dạng tổng quát của nó: lị, + K |I|, + K; = 0 chính là phương trình cùa 1 đường cong Parabol - gọi là đặc tuyến tình (dặc tuyến truyền dạt) (hình 2.26). Ta sẽ biểu diễn dồ thị cùa phương trình u c;s= - I ưRs, dây là phương trình của 1 đường thảng nên cần xác dinh 2 diêm: Điếm thứ nhất: cho Iư = 0 I 0 ( m A ) ỈD S S / - I o s s M U g s = ° - ID = 0. (U l ^ l l i 1 1 U p U p / 2 0 U G S ( V ) Hình 2.26. Đặc tuyến tĩnh Ucs= - I uRs= 0 và điểm thứ hai: cho Iu= Iuss/2 u cs= —IURS= —Idss.Rs/2. Nối 2 diếm này sẽ được đường tài tĩnh. Giao điểm cùa dường này với đường cong dặc trưng của linh kiện - dường dặc tuyến lĩnh, chính là điềm làm việc tĩnh. Mức UDS có thể được xác định bời định luật Kirchhoff: u Rs + U u s+ u Rd- u ou = 0 và U Rs = ISRS, URd = IuRo, 1|)= I, 44 Uds~ Uuu- Iu (Rs + Ru). u s = IuRs u0 = 0 Ul> = u us + us = Uuư — Urd V í dụ 2.2: Cho các giá trị biếu điền ờ hình 2.27. Tính: UGS, Iưg, Uus, us, ưc„ u„. I0 = 8mA. UGS = - 8V B ài giải: Trong ví dụ này ta sẽ sử dụng phương pháp đồ thị (hình 2.28) đè’ xác định các tham số. Ta có: UGS= - I DR S(phương trình đường tài tĩnh). Chọn Iu = 4mA => u c s= (-4m A ) (lk Q ) = -4 V Với phương trình Shockley ta vẽ được phương trình đặc tuyến tĩnh hình 2.29. G iao điểm cùa dường tải tĩnh và đặc tuyến tĩnh là điểm làm việc tĩnh Q, to; dộ cùa diêm này là: UGsy = -2 .6 V , IUy = 2.6m A , H ình 2.30 m inh họa điểm làm việc tĩnh Q = 20V - (2,6 mA). ( l k n + 3,3kQ ) = 8.82V u s = IUR S = (2,6m A). (lk Q ) = 2,6V Uc = 0 U D = U DS + u s = 8,82V + 2,6V = 11,42V 4 lD(mA) lo(mA) Hinh 2.29. Cách tính dùng đồ thị Hình 2.30. Điểm làm việc Q 2.2.4. Sơ đồ phân cực phân áp Hình 2.31. Mạch phân cực phân áp Hình 2.32. Sđ đồ tương đương Ở Sơ đồ phân cực phân áp đối với transistor FET (hình 2.31), các linh kiện dược bố trí giống như phân cực phân áp cho BJT, nhưng ở trạng thái tĩnh sự phàn tích đối với hai sơ đồ hầu như khấc nhau. Đối với FET, IG = 0, nhưng độ lớn I|Ị của sơ đổ chung emitter dối với BJT lại ảnh hường đến cả dòng và áp ỉị đầu vào và dầu ra cùa mạch. Dòng I|, trong sơ đồ phân cực phân áp đối với BJT chính là đại lượng liên kết giữa cứa vào và cừa ra, còn đối với FET thì vai trò này lại là ucs. ò chế độ tĩnh, ta có sơ dồ tương dương như hình 2.32. Khi IG = 0 thì I|,| = IK, và điện áp chính là điện áp đặt trên R,: 1J _ R?Upp c' R 1 + R 2 46 Theo K irchoff: UG- UGS Ucs = Ug- I uRs (*) Phirơng trình (*) chính là phương trình đường tải tĩnh, bieu diễn mối quan hệ giữa Ugs và IUf nó cũng là một đường thảng. Để xác dịnh đường thảng này trên đặc tuyến truyền đạt ta cũng xác định 2 điểm như hình 2.33. Giao điểm của đường tải tĩnh với đặc tuyến tĩnh (đặc tuyến truyền đạt) chính là điểm làm việc tĩnh Q các giá trị tĩnh tương ứng cùa nó là Iuy và UGSy. Khi các giá trị này được xác định thì ta có: Uus = U uu— Iu (R u + R s) Uu = UDU — IyRu Us = I0R S UKS= 0 mà U rs = ISRS= luRs I0(mA) I d s s UGS - UG- IdR s / / U G S = 0, Io= Ug/Rs = 0(UGS = UG) Uo 0 + UG UGS(V) Hình 2.33. Xác định điểm làm việc + 16V = ỈR2 u r R, + R 2 V í dụ 2.3: Cho sơ dồ hình 2.34, tính: = F 20ụF a) Idq 'à UCSq: b) u u d) u' c) Us; e) Uu B ùi giải: a) Đối với đặc tuyến truyền dạt N ếu Iu = 1™. 8mA : 2mA Ta vẽ được dặc tuyến này như hình 2.35. Ta có: R ,U dd _ (270kfì)(16V) = 1.28V Khi Khi Uo = (R| + R 2) U gs = Uc-,— I 0R S Iu = 0 : Ũos = + 1.28V Uos = 0: (2,1 MO + 0.27MQ) l,2 8 V -Iu(l,5kíỉ) Iu = 1,28/1.5 = 0.85mA 47 Ta xác định được dường tải tĩnh như hình 2.35 và điểm làm việc tĩnh có giá trị: Iug = 2,4mA, U0Sy = -l,8 V . b) Ul)= u uu- IuRd = 16 - 2,4.2 4 = 10.24V c) u s= IURS = (2,4mA).(l,5kf2) = 3.6V d )U us = Uuu- I u(Ru + R s)= 1 6 -2 ,4 (2 .4 + 1,5) = 6,64V e )U UG = Uu - U G= 1 0 ,2 4 - 1,82 = 8.42V. Hình 2.35. Đồ thị xác định đưòng tài tĩnh và điểm làm việc tĩnh 2.2.5. Các loại MOSFET kênh đặt sẵn Đặc tuyến truyền dạt cùa các loại MOSFET kênh đặt sẵn cũng tương tự như đối với JFET nên ờ chế độ ũnh các phân tích cũng tương tự. Chi khác là đối với đặc tuyến truyền đạt, khi UClS> 0 thì Iu vượt quá giá trị bão hoà. V í dụ 2.4: Cho sơ đồ phân cực cùa M 03FET kênh N đặt sẵn với các giá trị như hình 2.36. Tính: a) ĩ DỤ và UGSy; b) u us. Bài giải: a) Đế vẽ đặc tuyến truyền dẫn, ta xác định điểm: Iu = Iuss/4 = 6mA/4 = l,5mA. : Up/2 = -3 V /2 = -1 ,5 V Ta cần xác dịnh 1 điểm nữa khi UGS> 0, cho UGS= IV 48 Iu — I|JSS (1 ~ U cs /U |,)2 = 6m A [l - (+ lV )/(-3 V ) ]2 = 10,67m A . Ta xác định được đặc tuyến truyền đạt như hình 2.37. Áp dụng các công thức tương tự như JFET, ta có: Ư = 10MQ(18V) = ° 10MÍ1 + 110MQ Đ iện áp UGS: U 0S= U C- I URS= 1 , 5 - I U.750 ID = 0 m A => UGS = UG = 1,5V u os = 0 V = > I U= U C/R S = 1,5/750 = 2mA. ID(mA) Hình 2.37. Đặc tuyến tĩnh và cách xác dịnh điểm Q Từ đó ta xác định được đường tải tĩnh và điểm làm việc tĩnh: I0y = 3 ,lm A , UGSQ= -0 ,8 V b) U us= U 0D- M R u + R s) = 18V - (3 ,lm A )(l,8 k Q .7 5 0 Q ) a 10,1V. 2.2.6. Các loại MOSFET kênh cảm ứng Đặc tuyến truyền đạt của các loại MOSFET kênh cảm ứng hầu hết đều khác với JFET và M OSFET kênh đặt sẵn. Đối với M OSFET kênh N thì dòng Iu = 0 khi UGS < ƯGscn,, (điện áp ngưỡng - Threshold). Khi u cs > UCS(Th) thì Iu = k(U GS- UGS(Th)) Khi đã xác định được rõ diện áp ngưỡng và 1 mức cùa dòng cực máng (IW, J và u cs„n, tương úng thì ta sẽ xác định được hệ số k. Rg c 2 1. P hân cục bằng h ồ i tiếp M ột cách phân cực cho D c,,ểệ II, M OSFET kênh cảm ứng như hình 2.38. 0 chc độ tĩnh, khi lc = 0 và U R = 0, la vẽ lại sơ đồ như hình 2.39. Uv+--11- 7s kênh cảm ứng 4 ú T KT M A C H ĐIE N TỬ 49 Hình 2.39. So đồ tương dưang Hình 2.40. Đưàng tải và điểm lãm việc tĩnh Một Sự kết nối giữa cực D và G sẽ được tạo ra, kết quả là u u= UG và Uus = UGS Ở đầu ra: Uus= Uuu - IưRu => u cs = Uuu - IuRl, (**) Phương trình (**) là phương trình cùa một đường thẳng, chính là đường tải tĩnh, đế xác định nó ta cũng xác định 2 điểm: Ugs= Udu I Iu = 0 Il> = I Ưcs = 0 Xác định giao điểm cùa đường thẳng này với đặc tuyến tĩnh ta sẽ xác định được diêm làm việc tĩnh (hình 2.40). 2. Phân cực bằng điện áp phán áp (liìnli 2.41) Hinh 2.41. Sơ đố phản cực phân áp Hình 2.42. 50 Với IG= 0, ta có: U gs = — I d^ s Uus= Urs- Url> Suy ra: ưus = ƯDU— Iư(Rs + Rd) V í dụ 2.5: Tính I|,y, UCSy và Uus với các số liệu ở hình 2.42. Bụa đọc tự tính dựa vào công thức và ví dụ dã có. 2.2.7. Các loại FET kênh p Ở các phần trẽn ta mới chi xét sự phân cực cho các loại JFET kênh N. Đối với các loại FET kênh p thì dặc tuyến truyền đạt sẽ nầm dối xứng so với loại kênh N qua trục I|, như hình 2.43. Chú ý ràng ờ mỗi sơ dồ hình 2.43, chiều cùa các điện áp nguồn cung cấp và chiều các dòng diện thì ngược lại so với FET kênh N. Trong trường hợp FET kênh p thì Uos(V) Uos luôn dươne (có thể dương hoặc âm dối với M OSFET có kênh dặt sẩn), còn u us thì luôn âm. Hình 2.433 51 0 UGS (V) Hình 2.43C Ví dụ 2.6: Tính IUQ, UGS đối với JFET cho ở hình 2.44. „ [20kQ(-20V)l _ Bài giải: u c = rr» . = -4.55V s c [20kn + 68kfi] Có Ugs = u c + IƯRS Chọn Iu = 0 => u cs = UG = -4.55V Un, = 0 lo ( m A ) 8 \>DSS 6 i r ^ Q Id q 3mA 4 / ^ 2 --1 1 1 1 _ ! 1 1 > r - 5 - 3 0 2 4 11 Up A M H Un ■ í ,4V Hình 2.44. Hình 2.45. Xác định điểm Q Kết quà ta vẽ được đường tải tĩnh như hình 2.45. Từ đó ta xác định được toạ độ điểm làm việc tĩnh: Iqq = 3,4mA UGSy = 1,4V Theo Kirchoff: - IuR, + UDS - IuRu + Uuu= 0 => U us= - U u u + U R u + Rs) = -20V + (3,4 m A )(2,7kn + 18kO) = -4.7V Ug s(V ) 2.3. THIẾT KẾ MẠCH PHÂN cực DÙNG FET Công việc thiết kế mạch phân cực dùng FET thật ra không chí giới hạn ở các diều kiện phân cực. Tùy theo nhu cầu, một sô' các điều kiện khác cũn£ phải được để ý tới, nhất là việc ổn định điếm làm việc tĩnh. Từ các thông sô' của linh kiện và dạng mạch phân cực được lựa chọn, dùng các dinh luật K irchhoff, dịnh luật Ohm... và phương trình Schockley hoặc đặc tuyến truyền, đường phân cực... để xác dịnh các thông số chưa biết. T ổng quát trong thực hành, để thiết kế một m ạch phân cực dùng FET, người ta thường chọn điểm điều hành nằm trong vùng hoạt động tuyến tính. Trị số tốt nhất thường được chọn là Iu = hoặc UGS = ^ GS0IT . Ngoài ra, U DS cũng không dược vượt quá trị sô' tối da mà FET có thể chịu đựng được. 2.4. KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG FET 2.4.1. Giói thiệu K huếch đại dùng FET có dộ lợi điện áp tốt với đặc trưng trở kháng đầu vào cao. Chúng cũng được sử dụng trong các sơ đồ có tiêu hao năng lượng thấp với dải tần số thích hợp vả kích thước, trọng lượng nhỏ. Cả hai loại JFET và M OSFET kênh đặt sẵn đều dược thiết kế dễ dàng với độ lợi điện áp như vậy. Tuy nhiên mạch dùng M OSFET kênh đặt sẩn thường có trở kháng vào cao hơn so với sơ đồ sừ dụng JFET tương ứng. Trong khi ờ BJT dòng diện đầu ra (dòng collector) được điều khiên bằng một dòng diện ờ đầu vào (dòng base), thì ở FET dòng điện đầu ra (dòng cực máng) lại được diều khiển bàng điện áp ở đầu vào (điện áp cổng). Nói chung, BJT là một linh kiện được điều khiển bằng một dòng điện và FET là linh kiện được điều khiên bằng điện áp. Ở cả hai trường hợp, chú ý rằng dòng điện là đại lượng biến thiên được điều khiển. Do FET có đặc trưng trờ kháng đầu vào lớn nên các sơ đồ tương đương cùa nó ờ chế độ xoay chiều dù sao cũng đơn giản hơn so với BJT. Trong khi hệ số đặc trưng cho chế độ khuếch đại cùa BJT là p thì ò FET là độ hỗ dẫn gnr FET có thế được sử dụng như một bộ khuếch dại tuyến tính hoặc một linh kiện số trong các mạch logic. Thực tế MOSFET kênh cảm ứng xuất hiện khá phổ biến trong các mạch số, đặc biệt là trong các mạch CMOS yêu cầu tiêu thụ năng lượng rất thấp. Cũng như BJT, các thông số đặc trưng cho sự khuếch đại cùa FET đươc 53 phán tích trong chương này bao gồm độ lợi (liệ s ổ khuếch d ạ i) diện áp. tri kháng vào và trà kháng ra. 2.4.2. Mô hinh của FET ở chế độ tín hiệu nhỏ Trong ch ế dộ tín hiệu nhỏ, một tính chất của FET được ứng dụng là dìtnị ctiện áp dặt giữa cực cổng và cục nguồn dê diêu khiên dòng diện cliạy lừ cực máng vê cực nguồn (dòng điện trong kênh dần). Ta đã biết rằng ờ ch ế độ tĩnh, diện áp u cs diều khiển dòng m ội chiều ly thông qua quan hệ được biểu diễn theo phương trình Shockley: Khi thay đổi điện áp u c, sẽ làm thay đổi dòng cực m áng Iu. sự thay dổi này dược đặc trưng bởi dộ hỗ dẫn gm: Độ hỗ dẳn g m có đơn vị là Siem ens, ký hiệu là s, nhưng thường g m có giá trị là mS. 2.4.2.1. Cách xác định độ hỗ dẩn ( g j bằng phưong pháp hình học Xét đặc tuyến truyền dạt iD(mA) trẽn hình 2.46, ta thấy rằng e m chính là độ dốc cùa dặc tuyến tại điểm làm việc. Đ ó là: Ay = AIp 8m Ax AUCS T rên đường cong dặc tuyến truyền đạt, rõ ràng là độ dốc cùa nó (chính là g m) tăng lẽn khi điểm làm việc thay đổi từ diểm Up đến Iuss, hay nói theo cách khác, khi U GS tãna dần đến 0 thì độ lớn của g,„ cũng tãng lên. U g s ( V ) Hinh 2.46. Xác dịnh gm nhò đặc tuyến truyền đạt V í dụ 2.7: X ác định gm cùa m ột JFE T với Ioss = 8mA và U p= —4V tại các điểm phân cực: a) U GS= - 0 ,5 V; b) UGS= - 1 ,5V; c) U gs= - 2 .5 V . 54 B ài giải: Trước tiên ta phài vẽ (hình 2.47) đặc tuyến truyền dạt cùa JFET, phương trình của dặc tuyến là: 1-U „ lD (mA) 2,1mA lD = 8mA I Iu = I dss u n hay: I„ = Sm A ^l Ta xác dịnh được 3 điểm trên dặc tuyến ứng với u cs= -0 ,5 V, -1,5V và -2 ,5 V . UGS(V) 1,0V Hình 2.47 a) g„, = b) g„, = c) gm = AI D _ a u gs l,8 m A 0,7V l,5m A 1,0V 2 ,lm A 0,6V = 3,5mS; : 2,57mS; = l,5m S. 2.4.2.2. Tính độ hỗ dẩn gm bằng biểu thức toán học Phuơng pháp dùng đặc tuyến truyền đạt để xác định gm có ưu điểm là trực quan, đơn giàn nhưng thường cho giá trị không chính xác một cách tuyệt đối. Vì vậy người ta có thể xác định gm từ các biểu thức toán học dựa vào tính chất: dạo liàm tại m ột điểm cliínli là độ dốc (hệ s ố góc) của tiếp tuyến tại điểm đó. AId dID 1 Q. o A U 0S Iq d U GS IQ dƯosI r Sau khi tính đạo hàm và biến đổi ta được: 2Ir u„1u c ở dày I UH I biểu thị giá trị cùa gm là luôn dương. Từ công thức tính g„„ ta thấy gm đạt giá trị lớn nhất tại u cs = 0, giá trị đó được tính bằng cống thức: _ -Ipss ...... |Up| 55 Khi đó, công thức tính gm được viết gọn lại như sau: u „ êm êm 1Up V í dụ 2.8: Cho JFET có đặc tuyến truyền đạt như hình 2.47. a) Tìm giá trị lớn nhất cùa gm; b) Tính gm tại các điểm trong ví dụ trước, so sánh kết quả. Bài giải: = 2 ^ 1 = 4mS (so với 3,5mS) b) Tại Uos= - 0,5V; gm = 4mS[l - (-0,5V)/(-4V)] = 3,5mS (so với 2,57mS) Uos = - 2,5V; gm = 4mS[l - (-2,5V)/(-4V)] = l,5mS (so với l,5mS) 2.4.2.3. Ảnh hưởng của lD tới gm Mối quan hệ toán học giữa gm và dòng phàn cực tĩnh ID sẽ được xác dịnh từ phương trình Shockley và được viết dưới dạng sau: 1Uọs _ |_Ịd_ u„ ểm Sm() 'p V DSS Một SỐ giá trị dặc biệt cùa ID: 1He; Up Sm()\ + Nếu ‘ °-7078- I d D.S.S' êm ẽm(t + Nếu Id = ^ ; g m= = 0 ,5 gmn 2.4.2.4. Trở kháng vào z v của FET Trở kháng vào của FET là rất lớn và có thể coi gần đúng nó là trờ kháng ở cửa vào cùa một hờ mạch: ZV(FET) = ooQ Với JFET, Z ^ lO 'ln , còn đối với MOSFET thì Zv = 1012+10l5n . 2.4.2.5. Trở kháng ra Zr Trờ kháng ra của FET thường được biểu diễn với tham số đặc trưng là dẵn nạp ra y„s(o là biểu thị đầu ra output, s biểu thị lấy ra ỡ cực nguồn), đơn vị cùa y„ thường là |iS: y 0s 56 Zr(FET) = rd Trờ kháng ra được xác định 'ên đặc tuyến hình 2.48, nó hình là độ dốc của đặc tuyến 3 với đường nằm ngang tại 8 iêm làm việc, đặc tuyến càng 7 ằm ngang thì trờ kháng ra càng 6 'm. Ta có: 5 4 AUn„ rd = —— U GS = constant 3 2 Điện trớ máng rj biểu thị sự nh hường của diện áp cực láng uus tới dòng điện cực láng ID khi điện áp trẽn cực ổng không đổi. N hư vậy, diện Ip(mA) UGS = ov u gs = u t = -6 V u 0S(V) Hinh 2.48. Xác định trỏ kháng ra rở máng rd chính là trở kháng ra cùa FET ở chế dộ xoay chiều trên cực máng. !.4.2.6. Mạch tương đương của FET ở chê độ xoay chiều Ở sơ đồ tương đương của FET (hình 2.49), sự điều khiển của điện áp UGS Si dòng Iu được biểu thị bằng nguồn dòng gmUGS được nối giữa cực D và s, hiều của nguồn dòng này là chiều từ D đến s, nó thiết lập một sự đào pha 180° ;iữa điện áp đầu vào và dầu ra khi FET làm việc. G D s s Hình 2.49. Sơ đồ tương đương Trờ kháng vào được chi ra bằng hở mạch ờ cừa vào và trờ kháng ra chính là liện trờ rd giữa m áng và nguồn. Trong những trường hợp khi ĨJ không được nhắc đến (giả sử đù lớn tương rng với hở m ạch) thì sơ đổ tương đương sẽ đơn giàn là một nguồn dòng mà độ ớn của nó được điều khiển bằng điện áp UGS và tham số gm. ( 4.3. Sơ đồ phân cực cô định của JFET Sơ đồ phân cực cố định đối với JFET dượt biểu diễn trên hình 2.50, sơ đồ ương đương hình 2.51. 57 Khi các giá trị gm và Tj được xác định từ sự phân cực thì mạch thay thế tương dương với ngắn mạch vì điện kháng x c = l/(2nfC) là rất nhó so với các trờ kháng khác cùa mạch, đồng thời các nguồn một chiều UGG và UUL) đều được đặt ờ giá trị 0 bằng ngắn mạch tương ứng. Chiều phân cực cùa UGS xác dịnh chiều cùa nguồn dòng g,„ucs, nếu UGS là âm thì chiều của nguồn dòng là chiéu ngược lại. Tín hiệu vào ký hiệu là Uv và tín hiệu ra dạt trên ĨJ ký hiệu là Ur. + Zv: hình 2.51 dã chi rõ rằng: Zv = Rc + Zr: cho Uv = 0 như định nghĩa cùa Zr sẽ cho UGS : 0 . Hình 2.51. Sơ đố tương đương của mạch hình 2.50 Kết quà là: g„,UGs = OmA, do đó nguồn dòng có thể được thay thế bằng một hờ mạch tương đương như hình 2.52. Trở kháng ra khi này sẽ là: z, = R Jlĩò Nếu rd > 10R|J => rd//R u = Ru. Khi dó: Zr = Ru • gmuGS = o Ro z, Hình 2,52. Mạch tính Z, + K„: u r = - g mUcs(rJ//R u) mà UGS = Uv =>U r= - g mUv(rd//R u) => Ku = - ^ = - g m(rd//R D). 58 Neu fj > 1 OR.,: K„ Giá trị âm của biêu thức tính Ku chi rõ rằng diện áp vào và ra lệch pha nhau 180". Ví dụ 2.9: Q io sơ dổ phân cục như hình 2.53 với Utvy = - 2V và lug = 5,625mA, w = 10mA. Up = - 8 V, y„s = 40|is. a) T ính gm? b) Tính Tj ? c) Tìm Z v Z, và Ku. B ài giải: „ - I T /T T _ 2(10mA) c p a) §11111 - 2I|)ss/UH — ĨĨT7 — 2,5mS 8V trin gn = l , 8 8 mS. b) 1 _ 1 y OS 4 ị.ls zv= RCi= lM fi. : 25kfì. z r = R|j//rd = 2kQ //25kQ = l,85kQ K u = - g m(R,V/rƯ) = - ( 1,8 8 mS)( 1,85kQ) = -3 ,4 8 . 2.4.4. Sơ đổ tự phân cực JFET * Trường liợp có m ắc ĩ ụ cs (liìnli 2.54) Sơ dồ phân cực cố định có bất lợi là cần phải có hai nguồn cung cấp một chiều để thiết lập diêm làm việc m ong m uốn. Ớ ch ế độ xoay chiều, tụ coi như ngắn mạch và R s xem như dược nối đất, do vậy ta có m ạch tương đương JFET z, như hình 2.55 và dược vẽ lại chi tiết ớ hình 2.56. Vì sơ dồ tương dương có dạng như hình 2.55 ncn các công thức của z v, z r và Ku cũng tương tự: c, Hình 2.54. Sđ đố tự phân cực JFET 5' Hình 2.55. Sơ đõ tương dương + z v: z v = Rg + z r: z r = ự /R u nếu rd > 10Rd thì: Zr « Ru + K U: Ku = - g m(rj//Ru) n ế u rd > 1 0 R u: Ku= - g mRu Dấu âm cùa biểu thức Ku chỉ ra rằng tín hiệu vào Uv và tín hiệu ra u , lệch pha nha» 180“. G D * Tnrờng liợp bó tụ cs Nếu bò tụ c s ở hình 2.54 thì điện trờ Rs sẽ là một phần cùa mạch hình 2.57. 60 Trong trường hợp nảy, dể xác định Zv, Zr và Ku, một cách đơn giản nhất với chú ý vé sự phàn cực và chiểu của chúng, trước tiên rd sẽ được bỏ qua để hình thành một trường hợp cơ bản để phân tích. + Zv: dựa vào diều kiện hờ mạch giữa cực G và mạch đầu ra thì đẩu vào còn lại như sau: z v= z c + Z r: trờ kháng ra Zr = —L|u =0 Với Uv = 0 ờ hình 2.57 thì cực G coi như dược nối dất (OV) điện áp trên R0 sẽ là 0 và Rc coi như được ngắn mạch. Áp dụng định luật K irchhoff về dòng điện: Ir + Iu = gmUGS Với UGS = -(I, + IU)RS => Ir+ Iu = “ g m (I, + IU)RS = —gm I, R .s- g m Iu Rs hay: I,( 1 + gm R.s) = - I D( 1 + gm R.s) => I, = - I u (do gm Rs = 0 ) Nếu tính đến cả ĨJ trong mạch thì sơ đồ tương đương sẽ như hình 2.58. G D L lộ + ío Hình 2.58. Sơ đố tương đương khi tính đến rd Theo K irchhoff: Ir = gm u cs+ I,J - Iu mà: u,, = ur + ucs ld — u r U GS ■=> í| = g,n I| - Sm U C;s U C;s + (U, + UGC + (U, + u ũs)/rd - Iu Với 61 Uc.s = - d u + I,)RS => Ir = -(g m + l/rj)(Iu + Ir)Rs - I J x , - Iư => I, = gmUos + (U, + Uos)/r„ - [u Với UGS = -d u + I,)RS => 1, = - ( g n , + l/rd)(Iu + I,)RS - Iu R,v'rd - ID _^ J = z jp j l + £in^s + Rs / + Rp / ru ) 1 + S m R S + R S / rd => z r= Ur/I,= r 1 + ? m R S + 7 1 z , = — — ¿ R„ 1 + g,nRs + —rj nếu rd > 10R|, => (1 + g„, Rs + Rs/rj) » Rs/rd => 1 + g,n R.s + Rs/r.1 + R|A ) a 1 + gm Rs + Rs/rd khi dó Z, = Ru + K„: đối với sơ đổ hình 2.58 ứng dụng dịnh luật Kirchhoff ờ mạch ra: Uc.s = u v — Iu Rs Điện áp dặt trên rd là: u, - U|(S và với I’ = (U, - URS)/rd Áp dụng dịnh luật Kirchhoff với dòng diện cho kết quà: Il>= ểm ^CS + (^r — U ks)Aj = êtn(^v R.o — 0 l> Ru + R.s)/rd , = _______g ^ v D , r, RD + Rs 1 + g,„Rs + —— — - Mà diện áp dầu ra Ur = -Iu Ru _______ gmRD K „=u,/uv: 1 + SmR S + (Rs + R ũ )/rj nếu rd> 10(Ru + Rs) K„ = U../U. = - lẵ e £ p - 1 + gmR 0 Quan hệ về pha: từ cõng thức tính K„ cho ta biết Uv và Ur vẫn lệch plia nhaa 180". V í dụ 2.10: Cho sơ dồ phản cực như hình 2.59, biết điêm làm việc tĩnh: UClSy = -2,6V ; IUy = 2,6mA với Iuss = 8 mA và Up = - 6V, y„v = 20^s. a) Xác dịnh gm; 62 t>) Tìm rd; c) Tìm Zv; d) Tính z, trong trường hợp có và khô.ig có rj. So sánh kết quả; e ) Tính K„ trong trường hợp có và khổng có rd. So sánh kết quà. B ài giải: SinU = 2 IUSS/ I Ưp I = 2,8mA/ỔV = 4,67mS Sm = 8 m(l( 1 — U Gsy / U p ) 3,3kn ' D ' c, . II ? .H ủ. h z, *' 1MQ 1kQ< L J 20V ^o$s = 10mA ũp = - 6V = 2,67(1 - 2 ,6 / 6 ) = 1,52mS b) rd = I/y„s = l/2 0 n S = 50kfi C )Z V = R0 = 1MÍ2 d) + Trường hợp có rd: rd = 50kfỉ >10R,j = 3,3kQ =>Z, = R u = 3 ,3 k n + Nếu không có rd: z, = Ru = 3,3kO e) Nếu có rd: Hình 2.59 K„ g,„R n l,51m S.3,3kn 1 + g mRs + (R s + KD)/rd 1 + 1,51.1+ (3,3 + 0 /5 0= -1 ,9 2 + Nếu không có rd: Ku= - g m r J ( 1 + gm R.s) = -1 ,9 8 Các kết quả trên cho thấy ảnh hưởng của ru là rất nhỏ nếu rd> 10(Ru + Rs). 2.4.5. Sơ đố phân áp JFET Sơ dổ phàn áp phổ biến dối với các [oại BJT cũng đirợc áp dụng cho JFET như hình 2.60. Sơ đồ tương đương ờ ch ế độ xoay :hiều cho JFET như hình 2.61. Thay thế Iguồn một chiều U uu bằng ngắn mạch ương đương, tức là RI và Ru được nối lất. Khi đó R| coi như mắc song song /ới R2 và Ru có thể cũng được dưa cuống nối đất nhưng ờ m ạch ra trẽn ĨJ. Vlạch tương đương ờ ch ế độ xoay chiều ;ẽ đirợc dưa về dạng cơ bán của vài nach đã dược phân tích (hình 2.62).Hình 2.60. Sơ đõ phân cực phân áp cho JFET 63 + 2^: R, và kJ được mắc song song với hờ mạch tương ứng của JFET, kết quả là: z v = r , / / r 2 + z, cho Uv = 0 sẽ có UGS và g,„ bang 0 => zr= ự/Ru nếu ĨJ > lORut zt a Ru u. R,Q ) 9mUos r- > Rd Hình 2.62 + Tính Ku: u cs = Uv và u , = - g m UGS(rd//R u) Suy ra Ku = uyu, = - g m(rj//Ru) Nếu ĨJ> 10RU: Ku * - g m Rd Chú ý rằng công thức đối với Ku và z, cũng như trường hợp phản cực cố định và tự phân cực (khi rẽ nhánh R J, chi khác nhau ờ công thức cho Z, do ảnh hướng cùa sự song song kết hợp giữa R, và R,. 2.4.6. Sd đồ lặp cực nguồn Tương đương với sơ đổ lặp emitter của BJT là sơ đó lặp cực nguồn cùa JFET như hình 2.63. chú ý rằng đầu ra được lấy trẽn cực nguồn và khi nguồn một chiều cung cấp dược thay thè' bằng ngắn mạch tươna ứng cực m áns nối dất và vì thế gọi là mána chung. Thay thế mạch tươna đươna JFET sẽ cho ta sơ dồ 2.64. nguồn điều khiên và trớ khána ra của JFET nối đất tại diêm cuối và nối với Rs tại điềm kia. 64 với u , đặt Irên Rs. Với gmUGS, Rs, rd được nối với nhau và nối đất, chúng có thê’ ciược nối song song như hình 2.65, nguổn dòng sẽ có chiểu ngược lại nhưng UGS thì vần đặt giữa G và s. Hinh 2.64. Sơ đồ tưdng đương hinh 2.63 Hình 2.65. Tính z r + Zv: Hình 2.64 đã chi ra rằng: Zv= Rc. + Zr: Cho Uv = o v thì cực G coi như nối đất nhu hình 2.65, thực tế UGS và Ur được nối song song và Ur = - U cs. Áp dụng định luật K irchhoff về dòng diện: Ir + 8 m UGS= IKU + I|(s= Ur/rd + U,/Rs => Ir = u r(l/rd+ 1/RS) - g mu cs = u r(l/rd+ l/Rs)-gm(-Ur) => I, =u,(l/r'+ l/Rs + gJ ■ 1 z r = U A =1 1 RD + Rs +gm Đây là biểu thức cho 3 điện trở mắc song song, do đó: Z, = ự /R s //l/g m Nếu rd > 10RS: Zr * R s //(l/g J + Ku Điện áp ra u, được xác định: u r = gm-Uo.círy/Rs) Xéi hình 2.64 ta có: u v = ucs + ur => u ' = u y g J R ^ /R .s ) + u r „(r.//R s) , , „ I Nếu rd > 10RS: KU = U,AJV ê m R S 1 + gmRS 5 g t k t m a c h đ iê n t ử 65 Quan hệ vể pha: Biểu thức K„ là một số dương nên Ur và Uv đồng pha trong sơ đổ lặp cực nguồn. Mặt khác Ku< 1, tức là Ur< Uv. Ví dụ 2.11: Cho hình 2.66 với U GS = -2.86V và IUQ = 4,56mA a) Tính gm; b) Tìm rd; c) Tính Zv; d) Tính Zr khi có và không có rd. Bài giải: a) gm(, = 2IDSS/IUpl = 2.(16mA)/14V = 8mS gm = gm0(l - Ugm/ƯF) = 8mS[l - (-2,86V )/(-4V )] = 2,28mS. b) rd = l/y os= 1/25HS = 40kn. c) Zv= R g = 1MO: zr = rd//R s//l/g m = 40kn//2,2kQ //l/2,28m S + Khi bỏ qua rd: Z, = R s//(l/gm) = 2,2kn//438,6n = 365,9 6 n Như vậy ta thấy rdchỉ có ảnh hưởng rất nhỏ đến Z, d) Nếu c o r,: - (2 ,2m S)(40kn//2,2kQ ) = 0,83 1 + (rj//R s) 1 + (2,28m S)(40kn//2,2kfì) giá trị này nhỏ hơn 1 như đã dự đoán ờ trên. + Bỏ qua rd: K„ g,„Rs (2,28mS)(2,2kf2)0,83 l + gmRs 1 +(2,28m S)(2,2kn) Điều này chứng tỏ rd có ảnh hường rất nhò đến hệ số khuếch đại cùa sơ đó. 2.4.7. Sơ đồ JFET cực cổng chung Sơ đổ cuối cùng của JFET được phân tích chi tiết là sơ đổ cực cổng chung như hình 2.67, tương tự như sơ đồ base chung ở BJT. Sơ đồ trên được thay thế bằng mạch tương đương như hình 2 .6 8 , chú ý rằng yéu cầu nguồn diéu khiển gmUGS được nối từ D đến s với I\, mấc song song, sự cách ly độc lập giữa mạch vào và mạch ra rõ ràng đã bị mất đi khi cực G được nối đất. Hơn nữa, điện trờ được nối giữa cực vào không còn là Rc nhưng là điện trờ Rs giữa cực s và đất. Cho răng vị trí cùa điện áp điều khiến UGS thực sự đã xuất hiện ưực tiêp đặt trên Rs. 66 + Zv: Trirớc hết ta tính Zv’ trên hình 2.68 và Zv được coi như trờ kháng tương đương cùa Z v’ và R s mắc song song. Ta vẽ lại mạch như hình 2.69 với U’ = -u cs. Theo Kirchoff: U ’ - Urj - I’.rd= 0 => U rJ = U ’ - r . rd. Áp dụng định luật K irchhoff về dòng điện#ờ nút a: I’ + gm-Uc,S= Ird => I’ = IrJ - gm-ưcs = (U ' - I’.Ru)/rj - gm.u0 hay: I’ = U 7 rd - I’R iA i - gm[ - U ’] => I’[l + R u/rJ = U ’[l/rd+ g j => Z’v = U ’/ r = [1 + Ro/rJ / [g„, + l / r j hay: z v = U ’/U = rd + Ru/1 + gm.rd Do đó: : Rs//Z> z v = Rs// + Rọ 1 + êmrd 67 Nếu r„> 10Ro: - 1 + Rp/fj => Ro/rd« 1 và 1/ r j « g; Z ’ = - « l/g m gm + >/rJ => z v’ * Rs//l/gn, gm + > /rJ + Zr: với Uv = o v ờ hình 2.69 sẽ coi như ngắn mạch Rs và UGS nối dất => gm.UGS = 0 và ÍJ mắc song song với Ru. Zr = Ru//i\i Nếu Tj> 10RU: => Z, « Ru + Tính K„: hình 2.69 chỉ ra rằng Uv = - UGS và u , = Ip.Ru Điện áp dặt trên Ru là: UrJ= u , - Uv và: I,j = (U ,- Uv)/rd Áp dụng định luật Kirchhoff về dòng điện ờ nút b hình 2.68: I«| + Id + gm-Uos= 0 => u , = u v Suy ra ID = (Uv - Ur)/ rd + gm.Uv mà u , = ID.RU Suy ra Ku = U /U v = [gm.R„ + Rb/tJ / I 1 + R u/rJ Nếu rd > 10RU thì Ru/ rd ~ 0 Do đó: Ku = g„,.Ru Quan hệ về pha: Ku là một số dirơng nên Ur và Uv là dồng pha ờ sơ đổ cổng chung. 2.4.8. MOSFET kênh đặt sẵn (D - MOSFET = Depletion MOSFET) Thực tế cho thấy cõng thức Shockley được áp dụng cho MOSFET kénh dặt sẩn cũng cho ra công ihức tương tự đối với gm. Thật ra các mẫu xoay chiều tương ứng cho MOSFET kênh đặt sẵn giống một cách chính xác như trường hợp dùng cho JFET ờ hình 2.70. Sự khác nhau duy nhất tạo ra ờ D - MOSFET là UGSyCÓ thê dương cho loại kênh N và âm cho loại kênh p. 68 Kết quả là g„, có thê lớn hơn gm„ được minh hoạ bằng ví dụ ở dưới đây. V í dụ 2.12: Cho sơ dổ hình 2.71 với: UOSQ = 1.45V và log = 7,6mA. a) Tính gm và so sánh với gm0; b) Tim rđ: c) Vẽ sơ dồ tirơng đương chế dộ xoay chiều; d) Tim Zv; e) T ính z ; f) Tim Ku. B ài giải: a ) g m„ = 2 w l u , , | = 2(6m A)/3V = 4m S[l - (0 ,3 5 V /(- 8 V)] = 4,175mS. b)rd = l/y,„= 1/lOụS = lOOkO. c) Sơ đồ tương dương như hình 2.72. d) z v = R,//Rj = 10MQ//110MQ = 9,17Mn. G Hình 2.71 _ J v Z ” 1 0 M S 1 1 1 0 M C Ỉ + U G S ^ ^ l ũ O k n . 4 , 4 7 . 1 0 ’ 3 U g s ' u , . 1 , 8 k f i ' * à ~ s s Hình 2.72. So đồ tưong dưong cùa hinh 2.71 e) Áp dụne công thức: z, = ru//R u = l 0 0 k n / / l , 8 kQ * ! , l 7 kQ. f) Áp dụng công thức: K„ = -g,„.R „ = -(4 .l7 5 m S )(l,8 k n ) = 7,515. 2.4.9. MOSFET kênh cảm ứng (E - MOSFET = enhancem ent mosfet) M OSFET kênh cùm ứng có thể là loại kênh N hoặc p như hình vẽ 2.7; M ạch tương dương ờ cá hai loại trên hình 2.73 cho ra hờ mạch giữa G và kên DS và một nguồn dòng lừ D về có độ lớn phụ thuộc điện áp giữa G và s. Đối với E - MOSI-ET, mối liên hệ giữa dòng ra và điện áp điều khiển dirc xác định: 6 Iu - k[UGS — UGS(Thl] 2 Với gm vẫn được xác định bởi công thức gm = AỰAUgs, ta có thể lấy nguồn từ phương trình truyền dẫn để tính gm cũng như điểm làm việc: gm =di D dUGS = 2k(U, dUr - k (Ư GS — U GS(TI|)) — dUr(Uo ‘ UGSÍTh)) G S ' Ucsohl) . D G | J 5 J £ j pMOS S G I Ị-*j nMOS ft»uGS. < i i | -:'ÂĨ ị » Hình 2.73. MOSFET kênh cảm ứng chế độ tín hiệu nhỏ Nhắc lại là hằng số k được xác định từ điểm làm việc dặc trưng. Ở các trường hợp cụ thể khác, việc phân tích chế độ xoay chiều cũng giống như sơ đồ đối với JFET hay D - MOSFET. Chú ý rằng dối với E - MOSFET thì sự phân cực cũng chí giới hạn ở một số cách đặc trưng. 2.4.10. Sơ đổ hồi tiếp cực máng MOSFET kênh cảm ứng Sơ đổ hồi tiếp cực máng G E - MOSFET là hình 2.74. Nhắc lại từ tính toán ờ chế độ tĩnh rằng, RG có thể dược thay thế bởi mộ’, ngắn mạch tương đương khi IG = 0 và do đó U|JG = 0, tuy nhiên, ờ chế độ xoay chiều nó cung cấp một trở kháng cao quan trọng giữa Ur và Uv. Mặt khác, cực ra và vào được nối trực tiếp và ur = uv. Sơ dồ tương đương được vẽ lại ờ hình 2.75. E - MOSFET + Zv: áp dụng Kirchhoff về dòng điện tại nút D hình 2.75 I, = gm UGS + U,y(rd//Ru) và UGS = u v => Iv = gm uv + Ur/(rV/Ru) => ur= (rd//R u)(Iv - gm Uv) Với Iv = (Uv - Ur)/R,,= [U, - (ru//R u)(Iv - gm U JJ/R, 70 => Iv Rk = uv - (rd//R |j)Iv + (rd//Ru)gmUv => u v [ 1 + gm(rJ//R D)J = Iv(R h + ự /R u ) => z v = uv / Iv = (R F + rj//R D)/[ 1 + g m(rd//R 0)] Vì R, » ự /R u nén: Zv = Rp/(1 + gm(rd//R u)) Hinh 2.75. Sơ đổ tưdng dương của hình 2.74 Nếu rd> lORu Zv* R k/( 1 + g m Ru) + Zr: thay Uv = 0 => UGS = 0 và gm ƯGS = 0 với phần ngắn mạch từ còng tới nguồn như hình 2.76. Rf Rf, T j , R d mắc song song nên: z , = R,.//rd//R0. Bình thường R, » rd//R D và với ĨJ> 10RU nên z, a R 0. + K. : áp dụng định luật Kirchhoff tại nút D hình 2.75. Is = g m UGS + U /d y /R ,,) mà Uos = Ư, và lv = (Uv Ur)/R,. => u r= |l/(rJ//Ru)+ 1 /R ,] = 1/R, g m] =* Ku = ư y ư , = I l/R, - gm]/[ l/(rd//R u) + 1/Rp] 71 Nhưng l/(rj//R u) + 1/R f = l/(rd//Ru//RF) => K„ = - gm(rJ//R u//RF) Vì Rf » rd//R D và nếu >10Ru thì: Ku* - gm Ru Quan hệ về pha: biểu thức Ku là sô' ãm nên Ur và Uv lệch pha nhau 180". 2.5. THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG FET Vấn đề thiết kế mạch dùng FET ờ đây giới hạn ờ chỗ tìm các điểu kiện phân cực, các trị số của linh kiện thụ :ìộng để có được hệ số khuếch dại diện áp mong muốn. V í dụ 2.13: Thiết kế mạch khuếch đại phàn cực tự động dùng JFET như hình 2.78 sao cho hệ sô' khuếch dại điện áp là 10. Bài giải: loss = 10mA Ugsoh “ r„ = *> Hình 2.78 72 Vì là mạch tự phãn cực ncn UCS = 0 do đó: 2 1 , êm êmO gm=gm<> = - DSS- = 5mS GSoíT [T|à Ku = - gm.R u = -1 0 suy ra Ru = 2kfi Đ ể cho không ảnh hướng tới trờ kháng vào thì la phải chọn RG lớn. Ví dụ :ó thế chọn RG = IO M Q . 2.6. ẢNH HƯỞNG CỦA Hổl TIẾP ĐẾN MẠCH KHUẾCH ĐẠI 2.6.1. Khái niệm Hổi tiếp là lấy một phần tín hiệu đáu ra dưa trở lại đầu vào, làm thay đổi dầu vào. Trong chương cung cấp nguồn và ổn định chế độ cõng tác cho transistor, chúng ta dã xét trường hợp đặc biệt cùa hổi tiếp dó là hồi tiếp dòng điện. Tuỳ thuộc cực tính của tín hiệu tác động về dầu vào mà người la chia thành hồi tiếp âm và hồi tiếp dương. Hồi tiếp âm làm giảm nhò điện áp dầu vào, và để ổn định điểm làm việc tĩnh. Ngược lại hồi tiếp dương làm tăng điện áp đầu vào, sử dụng vào mạch tạo dao dộng. Trong phần này nghiên cứu chù yếu là hồi tiếp âm. Vậy khi nói den hổi tiếp ta ngầm dịnh đó là hồi tiếp âm. Sơ đồ tổng quát cùa mạch hổi tiếp như hình 2.79. u„ 4. uv u r Trong đó: u„ — Tín hiệu vào; Tín hiệu vào' K Tin hiệu ra Uv - Tín hiệu vào khâu khuếch dại; u r - Tín hiệu hồi tiếp; u, - Tín hiệu ra; 0 - Hệ số hồi tiếp; K - Hàm truyền đạt cùa khâu khuếch đại. Uf Hinh 2.79. Sơ đố tổng quát của mạch hồi tiếp Tín hiệu vào khâu khuếch dại bao gồm tín hiệu vào và tín hiệu hồi tiếp. Khi tín hiệu vào và tín hiệu hồi tiếp ngược pha nhau thì được gọi là hổi tiếp âm. Khi có hồi liếp ãm, m ạch sẽ có tính chất sau: - Trờ kháng vào lớn. - Tín hiệu ra ổn định hơn. - Cúi thiện đáp ứng tần số. - Trớ kháng ra nhò. - M ờ rộng vùng hoạt dộng luyen tính. - Giảm được nhiều. 73 2.6.2. Phân loại hồi tiếp Dựa vào cách lấy tín hiệu thành: hổi tiếp đòng diện và hổi Dựa vào cách ghép tín hiệu hồi tiếp về đầu vào mà người ta chia thành: hồi tiếp nối tiếp và hồi tiếp song song. Cụ ihc chia thành bốn loại như sau: 1. Hồi tiếp điện áp nối tiếp (hình 2.80): Tín hiệu hồi tiếp lỷ lệ với điện áp đầu ra và nối tiếp với tín hiệu vào. 2. Hồi tiếp diện áp song song (hình 2.81): Tín hiệu hổi tiếp tỷ lệ với điện áp đẩu ra và song song với tín hiệu vào. 3. Hổi tiếp dòng diện nối tiếp (hình 2.82): Tín hiệu hổi tiếp lý lệ với dòng điện dầu ra và nối tiếp với tín hiệu vào. 4. Mồi tiếp dòng điện song song (hình 2.83): Tín hiệu hồi tiếp tỷ lệ với dòng điện đầu ra và song song với đầu ra dưa hổi tiếp lại đầu vào mà người ta chia tiếp điện áp. Hình 2.80. Hói tiếp diện áp nối tiếp < t )K = UA+ 1 u,- >Rt + L_ If = |ỈUr m Hình 2.81. Hối tiếp diện áp song song 'r = 't K - ựuv li. r í . tín hiệu vào. Hồi tiếp nối tiếp làm + Uf = pi, :Uỵ tăng trỏ kháng vào, còn hổi tiếp sons sons làm giảm trờ kháng vào. Hổi tiếp điện áp làm giảm trờ kháng ra, còn hồi tiếp dòna diện làm tăng trờ khá na ra. Trờ kháns vào lớn và trờ kháng dáu ra nhò dó là mona muốn cùa hầu hốt các tans khuếch dại. Cà hai yêu cầu dược đáp ứns trong hồi tiếp diện áp nối tiếp. 74 Hình 2.82. Hổi tiếp dòng điện nôi tiếp lr = I. :«t Hình 2.83. Hối tiếp dòng điện song song ỉ.6.3. Ảnh hưởng của hồi tiếp đến mạch khuêch đại Gọi K là hệ số khuếch dại điện áp khi không có hồi tiếp, Kf là hệ số khui lại điện áp khi có hồi tiếp, p là hệ số hổi tiếp của khâu hồi tiếp. Căn cứ vào < lình từ hình 2.80 dến hình 2.84 chúng ta có bảng 2.1 là các công thức gốc ính các tham sô' cùa mạch có hổi tiếp. Phẩn này, sẽ xét lần lượt ảnh hường ( ác loại hồi tiếp dến các tham số cùa mạch khuếch đại. BẢNG 2.1. CÔNG THỨC Gốc ĐỂ TÍNH CÁC THAM số MẠCH HỔI TIẾP Các tham sốĐiện áp nối tiếp Hệ số khuếch đại