71 Khi s ử d ụ ng FET trong các m ạ ch đ i ệ n t ử , c ầ n l ư u ý t ớ i m ộ t s ố đặ c đ i ể m chung nh ấ t sau đ ây: - Vi ệ c đ i ề u khi ể n đ i ệ n tr ở kênh d ẫ n b ằ ng đ i ệ n áp U GS trên th ự c t ế g ầ n nh ư không làm t ổ n hao công su ấ t c ủ a tín hi ệ u, đ i ề u này có đượ c do c ự c đ i ề u khi ể n h ầ u nh ư cách li v ề đ i ệ n v ớ i kênh d ẫ n hay đ i ệ n tr ở l ố i vào c ự c l ớ n (10 9 ÷10 13 Ω so v ớ i lo ạ i tranzito bipolal dòng đ i ệ n dò đầ u vào g ầ n nh ư b ằ ng không, v ớ i công ngh ệ CMOS đ i ề u này g ầ n đạ t t ớ i lí t ưở ng. Nh ậ n xét này đặ c bi ệ t quan tr ọ ng v ớ i các m ạ ch đ i ệ n t ử analog ph ả i làm vi ệ c v ớ i nh ữ ng tín hi ệ u y ế u và v ớ i m ạ ch đ i ệ n t ử digital khi đ òi h ỏ i cao v ề m ậ t độ tích h ợ p các ph ầ n t ử cùng v ớ i tính ph ả n ứ ng nhanh và chi phí n ă ng l ượ ng đ òi h ỏ i th ấ p c ủ a chúng. - Đ a s ố các FET có c ấ u trúc đố i x ứ ng gi ữ a 2 c ự c máng (D) và ngu ồ n (S). Do đ ó các tính ch ấ t c ủ a FET h ầ u nh ư không thay đổ i khi đổ i l ẫ n vai trò hai c ự c này. - v ớ i JFET và MOSFET ch ế độ nghèo, dòng c ự c máng đạ t c ự c đạ i I D I Dmax , lúc đ i ệ n áp đặ t vào c ự c c ử a b ằ ng không U GS = 0. Do v ậ y chúng đượ c g ọ i chung là h ọ FET th ườ ng m ở . Ng ượ c l ạ i, v ớ i MOSFET ch ế độ gi ầ u, dòng I D =0 lúc U GS = 0 nên nó m ớ i đượ c g ọ i là h ọ FET th ườ ng khoá. Nh ậ n xét này có ý ngh ĩ a khi xây d ự ng các s ơ đồ khoá ( m ạ ch lôgic s ố ) d ự a trên công ngh ệ MOS. -Trong vùng g ầ n g ố c c ủ a h ọ đặ c tuy ế n ra c ủ a FET khi U DS ≤ 1,5V, dòng c ự c máng I D t ỉ l ệ v ớ i U GS . Lúc đ ó, FET t ươ ng đươ ng nh ư m ộ t đ i ệ n tr ở thu ầ n có giá tr ị thay đổ i đượ c theo U GS . Dòng I D càng nh ỏ khi khi U GS càng âm v ớ i lo ạ i kênh n, ho ặ c ng ượ c l ạ i I D càng nh ỏ khi U GS > 0 càng nh ỏ v ớ i lo ạ i kênh p. Hình 2.54 mô t ả h ọ đặ c tuy ế n ra c ủ a FET trong vùng g ầ n g ố c. Hình 2.54a: Đặc tuyến ra vùng gần gốc I D U DS U GS 72 Hình 2.54b: Dạng đóng vỏ MOSFET trong thực tế S ử d ụ ng tính ch ấ t này c ủ a FET, có th ể xây d ự ng các b ộ ph ậ n áp có đ i ề u khi ể n đơ n gi ả n nh ư hình 2.55. Khi đ ó h ệ s ố chia áp là: η = vao ra U U = )U(r+R )U(r dKDS dKDS (2-98b) ph ụ thu ộ c vào đ i ệ n áp đ i ề u khi ể n U dK , th ườ ng ch ọ n R>> r DS0 để d ả i η đủ r ộ ng. L ư u ý là khi U DS > 1V tính ch ấ t tuy ế n tính gi ữ a I D và U DS ( v ớ i các U GS khác nhau ) không còn đ úng n ữ a. N ế u s ử d ụ ng c ả vùng xa g ố c h ơ n 1V, c ầ n tuy ế n tính hoá theo m ạ ch hình 2.55b. Đ i ệ n tr ở R 2 đư a m ộ t ph ầ n đ i ệ n áp U DS t ớ i c ự c c ử a b ổ sung cho U GS bù l ạ i ph ầ n cong c ủ a r DS . Khi ch ọ n R 2 = R 3 >> r DS thì U GS = 2 1 (U dK + U DS ) (2-99) và h ọ đặ c tuy ế n ra đượ c tuy ế n tính hoá trong m ộ t đ o ạ n U DS t ừ 1V t ớ i 1,5V. 73 Hình 2.55: Nguyên lí bộ phân áp có điều khiển dùng JFET -T ươ ng t ự nh ư v ớ i tranzito l ưỡ ng c ự c, t ồ n t ạ i 3 ki ể u m ắ c FET trong các m ạ ch khu ế ch đạ i là máng chung MC, ngu ồ n chung NC và c ử a chung. Tuy nhiên m ạ ch c ử a chung r ấ t ít g ặ p trong th ự c t ế . Hai d ạ ng MC và NC cho trên hình 2.56 v ớ i các tham s ố tóm t ắ t c ủ a t ừ ng lo ạ i trong ý ngh ĩ a là m ộ t t ầ ng khu ế ch đạ i đ i ệ n áp (xem thêm ở m ụ c 2.3). M ạ ch ngu ồ n chung M ạ ch máng chung H ệ s ố khu ế ch đạ i đ i ệ n áp K u = [ ] )//(1 1 DSS rRS+ K u = -S(R D //r DS ) = -SR D Đ i ệ n tr ở vào R vào = r GS → ∞ R vào = r GS ∞ → Đ i ệ n tr ở ra R ra = (R D //r DS ) R ra = R S //(1/S) (2-100) (2-101) -Khi thay th ế các FET kênh n b ằ ng lo ạ i FET kênh p trong các m ạ ch đ i ệ n, c ầ n thay đổ i c ự c tính các đ i ệ n áp ngu ồ n c ũ ng nh ư c ự c tính các đ iôt và t ụ hoá đượ c s ử d ụ ng trong đ ó. Lúc đ ó các ch ứ c n ă ng ch ủ y ế u c ủ a m ạ ch không thay đổ i, c ũ ng gi ố ng nh ư v ớ i hai lo ạ i tranzito l ưỡ ng c ự c npn và pnp t ươ ng ứ ng đ ã xét. 74 Hình 2.56: Nguyên lí mạch Sc và Dc 2.3. KHUẾCH ĐẠI 2.3.1. Những vấn đề chung a – Nguyên lý xây dựng một tầng khuếch đại M ộ t ứ ng d ụ ng quan tr ọ ng nh ấ t c ủ a tranzito là s ử d ụ ng nó trong các m ạ ng để làm t ă ng c ườ ng độ đ i ệ n áp hay dòng đ i ệ n c ủ a tín hi ệ u (mà th ườ ng g ọ i là m ạ ch khu ế ch đạ i). Th ự c ch ấ t khuy ế ch đạ i là m ộ t quá trình bi ế n đổ i n ă ng l ượ ng c ủ a ngu ồ n cung c ấ p 1 chi ề u (không ch ứ a đự ng thông tin) đượ c bi ế n đổ i thành d ạ ng n ă ng l ượ ng xoay chi ề u (có quy lu ậ t bi ế n đổ i m ạ ng thông tin c ầ n thi ế t).Nói cách khác, đ ây là m ộ t quá trình gia công x ử lí thông tin d ạ ng analog. Hình 2.57 đư a ra c ấ u trúc nguyên lí để xây d ự ng m ộ t t ầ ng khu ế ch đạ i.Ph ầ n t ử c ơ b ả n là ph ầ n t ử đ i ề u khi ể n (tranzito) có đ i ệ n tr ở thay đổ i theo s ự đ i ề u khi ể n c ủ a đ i ệ n áp hay dòng đ i ệ n đặ t t ớ i c ự c đ i ề u khi ể n baz ơ c ủ a nó, qua đ ó đ i ề u khi ể n quy lu ậ t bi ế n đổ i dòng đ i ệ n c ủ a m ạ ch ra bao g ồ m tranzito và đ i ệ n tr ở R C và t ạ i l ố i ra ví d ụ l ấ y gi ữ a 2 c ự c colect ơ và emit ơ , ng ườ i ta nh ậ n đượ c m ộ t đ i ệ n áp bi ế n thiên cùng quy lu ậ t v ớ i tín hi ệ u vào nh ư ng độ l ớ n đượ c t ă ng lên nhi ề u l ầ n. Để đơ n gi ả n, gi ả thi ế t đ i ệ n áp vào c ự c đ i ề u khi ể n có d ạ ng hình sin. T ừ s ơ đ ò hình 2.57, ta th ấ y r ằ ng dòng đ i ệ n và đ i ệ n áp ở m ạ ch ra (t ỉ l ệ v ớ i dòng đ i ệ n và đ i ệ n áp tín hi ệ u vào) c ầ n ph ả i coi nh ư là t ổ ng các thành ph ầ n xoay chi ề u (dòng đ i ệ n và đ i ệ n áp) trên n ề n c ủ a thành ph ầ n m ộ t chi ề u I O và U O (h.2.57). Ph ả i đả m b ả o sao cho biên độ thành ph ầ n xoay chi ề u không v ượ t quá thành ph ầ n m ộ t chi ề u, ngh ĩ a là I 0 ≥ I m và U 0 ≥ U m . N ế u đ i ề u ki ệ n đ ó không đượ c tho ả mãn thì dòng đ i ệ n ở m ạ ch ra trong t ừ ng kho ả ng th ờ i gian nh ấ t đị nh s ẽ b ằ ng không và s ẽ làm méo tín hi ệ u d ạ ng ra. 75 Hình 2.57: Nguyên lý xây dựng tầng khuếch đại Để đả m b ả o công tác cho t ầ ng khu ế ch đạ i m ạ ch ra c ủ a nó ph ả i có thành ph ầ n dòng m ộ t chi ề u I 0 và đ i ệ n áp m ộ t chi ề u U 0 . T ươ ng t ự , ở m ạ ch vào, ngoài ngu ồ n tín hi ệ u c ầ n khu ế ch đạ i, ng ườ i ta đặ t thêm đ i ệ n áp m ộ t chi ề u U V0 (hay là dòng đ i ệ n m ộ t chi ề u I vo ). Thành ph ầ n dòng đ i ệ n và đ i ệ n áp m ộ t chi ề u xác đị nh ch ế độ t ĩ nh c ủ a t ầ ng khu ế ch đạ i. Tham s ố c ủ a ch ế độ t ĩ nh theo m ạ ch vào (I vo , U vo ) và theo m ạ ch ra (I o , U o ) đặ c tr ư ng cho tr ạ ng thái ban đầ u c ủ a s ơ đồ khi không có tín hi ệ u vào. b – Các chỉ tiêu và tham số cơ bản của một tầng khuếch đại Để đ ánh giá ch ấ t l ượ ng c ủ a 1 t ầ ng khuy ế ch đạ i, ng ườ i ta đị nh ngh ĩ a các ch ỉ tiêu và tham s ố c ơ b ả n sau: H ệ s ố khu ế ch đạ i K= Đạ i l ượ ng đầ u ra / Đạ i l ượ ng đầ u vào Nói chung vì t ầ ng khu ế ch đạ i có ch ứ a các ph ầ n t ử đ i ệ n kháng nên K là m ộ t s ố ph ứ c: K= K exp(j ) k ϕ Ph ầ n mô đ un K th ể hi ệ n quan h ệ v ề c ườ ng độ (biên độ ) gi ữ a các đạ i l ượ ng đầ u ra và đầ u vào, ph ầ n góc pha k ϕ th ể hi ệ n độ d ị ch pha gi ữ a chúng và nhìn chung độ l ớ n c ủ a K và k ϕ ph ụ thu ộ c vào t ầ n s ố ω c ủ a tín hi ệ u vào. N ế u bi ể u di ễ n K = f 1 ( ω ) ta nh ậ n đượ c đườ ng cong g ọ i là đặ c tính biên độ - t ầ n s ố c ủ a t ầ ng khu ế ch đạ i. Đườ ng bi ể u di ễ n k ϕ =f 2 ( ω ) đượ c g ọ i là đặ c tính pha - t ầ n s ố c ủ a nó. Th ườ ng ng ườ i ta tính K theo đơ n v ị logarit g ọ i là đơ n v ị đ exiben (dB) 76 K (dB) = 20lg K (2-103) Khi ghép liên ti ế p n t ầ ng khu ế ch đạ i v ớ i các h ệ s ố khu ế ch đạ i t ươ ng ứ ng là k 1 …k n thì h ệ s ố khu ế ch đạ i t ổ ng c ộ ng c ủ a b ộ khu ế ch đạ i xác đị nh b ở i: K= k 1 ,k 2 ,…,k n Hay K (dB) = 1 k (dB) + … + n k (dB) (2-104) Hình 2.58: Đặc tuyến biên độ - tần số và pha của tầng khuếch đại • Đặ c tính biên độ c ủ a t ầ ng khu ế ch đạ i là đườ ng bi ể u di ễ n quan h ệ U ra =f 3 (U vào ) l ấ y ở m ộ t t ầ n s ố c ố đị nh c ủ a d ả i t ầ n s ố tín hi ệ u U vào . D ạ ng đ i ể n hình c ủ a K = f 1 ( ω ) và U ra = f 3 (U vào ) đố i v ớ i m ộ t b ộ khu ế ch đạ i đ i ệ n áp t ầ n s ố th ấ p cho trên hình 2.58: • Tr ở kháng l ố i vào và l ố i ra c ủ a t ầ ng khu ế ch đạ i đượ c đị nh ngh ĩ a: Z vào = vao vao I U ; Z ra = ra ra I U (2-105) Nói chung chúng là các đạ i l ượ ng ph ứ c : Z= R + jX • Méo không đườ ng th ẳ ng do tính ch ấ t phi tuy ế n các ph ầ n t ử nh ư tranzito gây ra th ể hi ệ n trong thành ph ầ n t ầ n s ố đầ u ra là t ầ n s ố l ạ (không có m ặ t ở đầ u vào). Khi U vào ch ỉ có thành ph ầ n t ầ n s ố ω , U ra nói chung có các thành ph ầ n n ω (n = 0,1,2…) 77 v ớ i các biên độ t ươ ng ứ ng là U nm lúc đ ó h ệ s ố méo không đườ ng th ẳ ng do t ầ ng khu ế ch đạ i gây ra đượ c đ ánh giá là: γ = m1 2 1 2 nm 2 m3 2 m2 U )U+ +U+U( % (2-106) Trên đ ây nêu m ộ t s ố ch ỉ tiêu quan tr ọ ng nh ấ t c ủ a 1 t ầ ng hay (m ộ t b ộ khu ế ch đạ i g ồ m nhi ề u t ầ ng). C ă n c ứ vào các ch ỉ tiêu này, ng ườ i ta có th ể phân lo ạ i các b ộ khu ế ch đạ i v ớ i các tên g ọ i và đặ c đ i ể m khác nhau. Ví d ụ theo h ệ s ố K có b ộ khu ế ch đạ i đ i ệ n áp (v ớ i yêu c ầ u c ơ b ả n là có K umax , Z vào >> Z nguồn và Z ra << Z tải , b ộ khu ế ch đạ i công su ấ t (K pmax ,Z vào ≈ Z nguồn , Z ra ≈ Z tải ) hay b ộ khu ế ch đạ i dòng đ i ệ n (v ớ i K imax ,Z vào << Z nguồn , Z ra >> Z tải ). C ũ ng có th ể phân lo ạ i theo d ạ ng đặ c tính K = f 1 ( ω ), t ừ đ ó có các b ộ khu ế ch đạ i 1 chi ề u, khu ế ch đạ i t ầ n s ố th ấ p, b ộ khu ế ch đạ i t ầ n s ố cao , b ộ khu ế ch đạ i ch ọ n l ọ c t ầ n s ố … ho ặ c theo các ph ươ ng pháp ghép t ầ ng… c – Các chế độ làm việc cơ bản của một tầng khuếch đại Để ph ầ n t ử khu ế ch đạ i (tranzito) làm vi ệ c bình th ườ ng, tin c ậ y ở m ộ t ch ế độ xác đị nh c ầ n hai đ i ề u ki ệ n c ơ b ả n: • Xác l ậ p cho các đ i ệ n c ự c baz ơ , colect ơ và emit ơ c ủ a nó nh ữ ng đ i ệ n áp 1 chi ề u c ố đị nh, g ọ i là phân c ự c tính cho ph ầ n t ử khu ế ch đạ i. Đ i ề u này đạ t đượ c nh ờ các ph ươ ng pháp phân c ự c ki ể u dòng hay ki ể u đị nh áp nh ư đ ã trình bày ở ph ầ n 2.2.3 khi nói t ớ i tranzito. • Ổ n đị nh ch ế độ t ĩ nh đ ã đượ c xác l ậ p để trong quá trình làm vi ệ c, ch ế độ c ủ a ph ầ n t ử khu ế ch đạ i ch ỉ hoàn toàn ph ụ thu ộ c vào đ i ệ n áp đ i ề u khi ể n đư a t ớ i l ố i vào. Đ i ề u này th ườ ng đượ c th ự c hi ệ n nh ờ các ph ươ ng pháp h ồ i ti ế p âm thích h ợ p (s ẽ nói t ớ i ở ph ầ n ti ế p sau). • Khi tho ả mãn hai đ i ề u ki ệ n trên, đ i ể m làm vi ệ c t ĩ nh c ủ a tranzito s ẽ c ố đị nh ở 1 v ị trí trên h ọ đặ c tuy ế n ra xác đị nh đượ c b ằ ng cách sau: T ừ hình v ẽ 2.57 có ph ươ ng trình đ i ệ n áp cho m ạ ch ra lúc U vào =0 là: U Ceo = I co R c = E c (2-107) Khi U vào ≠ 0 U CE + I c E c (2-108) Ph ươ ng trình (2-107) cho ta xác đị nh 1 đườ ng th ẳ ng trên h ọ đặ c tuy ế n ra c ủ a tranzito g ọ i là đườ ng t ả i 1 chi ề u c ủ a t ầ ng khu ế ch đạ i. Ph ươ ng trình (2-108) cho xác đị nh đườ ng th ẳ ng th ứ hai g ọ i là đườ ng t ả i xoay chi ề u đặ c tuy ế n ra độ ng c ủ a t ầ ng khuy ế ch đạ i (h.2.59). Đ i ể m làm vi ệ c t ĩ nh P xác đị nh b ở i các t ọ a độ (I co U CEO ) hay (U CEO , U BEO ) tùy theo v ị trí c ủ a P trên đườ ng th ẳ ng t ả i, ng ườ i ta phân bi ệ t các ch ế độ làm vi ệ c khác nhau c ủ a m ộ t t ầ ng khu ế ch đạ i nh ư sau: . ] )//(1 1 DSS rRS+ K u = -S(R D //r DS ) = -SR D Đ i ệ n tr ở vào R vào = r GS → ∞ R vào = r GS ∞ → Đ i ệ n tr ở ra R ra = (R D //r DS ) R ra = R S //(1/S) ( 2-1 00) ( 2-1 01) -Khi thay th ế . áp cho m ạ ch ra lúc U vào =0 là: U Ceo = I co R c = E c ( 2-1 07) Khi U vào ≠ 0 U CE + I c E c ( 2-1 08) Ph ươ ng trình ( 2-1 07) cho ta xác đị nh 1 đườ ng th ẳ ng trên h ọ đặ c tuy ế n. đườ ng cong g ọ i là đặ c tính biên độ - t ầ n s ố c ủ a t ầ ng khu ế ch đạ i. Đườ ng bi ể u di ễ n k ϕ =f 2 ( ω ) đượ c g ọ i là đặ c tính pha - t ầ n s ố c ủ a nó. Th ườ ng ng ườ i