Mô phỏng mạch điện bjt và mosfet bằng phần mềm
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỒ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - - Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Chế Viết Nhật Anh Trần Hoàng Kha Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 MSSV: 51101540 MỤC LỤC I SƠ LƯỢC VỀ ORCAD VÀ CÁCH TẠO PROJECT MÔ PHỎNG VỚI PSPICE Giới thiệu Cách tạo project mô ORCAD Thiết lập giá trị linh kiện tiến hành mô II GIẢI BÀI TOÁN KHUẾCH ĐẠI BJT VỚI CỰC EMITTER CHUNG (KHÔNG ĐIỆN TRỞ Ở CỰC EMITTER) 11 III GIẢI BÀI TOÁN KHUẾCH ĐẠI BJT VỚI CỰC EMITTER CHUNG (CÓ ĐIỆN TRỞ Ở CỰC EMITTER) 18 IV GIẢI BÀI TOÁN KHUẾCH ĐẠI BJT VỚI CỰC BASE CHUNG 26 V GIẢI BÀI TOÁN KHUẾCH ĐẠI BJT VỚI CỰC COLLECTOR CHUNG 34 VI GIẢI BÀI TOÁN MOSFET VỚI CỰC SOURCE CHUNG (KHÔNG ĐIỆN TRỞ Ở CỰC SOURCE) 41 VII GIẢI BÀI TOÁN MOSFET VỚI CỰC SOURCE CHUNG (CÓ ĐIỆN TRỞ Ở CỰC SOURCE) 48 VIII GIẢI BÀI TOÁN MOSFET VỚI CỰC GATE CHUNG 55 IX GIẢI BÀI TOÁN MOSFET VỚI CỰC DRAIN CHUNG 63 Figure I.１Khởi động chương trình Figure I.２Giao diện CAPTURE Figure I.３Tạo project Figure I.４Hộp thoại New Project Figure I.５Hộp thoại Create PSpice Project Figure I.６Giao diện chương trình mô Figure I.７Nút chọn linh kiện Figure I.８Giao diện thay đổi giá trị cho linh kiện Figure I.９Tạo trình mô Figure I.１０Hộp thoại New Simulation 10 Figure I.１１Khởi tạo giá trị cho chương trình mô 10 Figure I.１２Các nút điều khiển chương trình mô 10 Figure II.１Mạch BJT Emitter chung, điện trở cực emitter 11 Figure II.２Mạch chế độ DC 11 Figure II.３Mạch chế độ DC rút gọn 12 Figure II.４Mạch chế độ AC theo mô hình pi 12 Figure II.５Mạch mô 14 Figure II.６Mạch mô với giá trị điện áp 14 Figure II.７Mạch mô với giá trị dòng điện 15 Figure II.８Đồ thị mạch không méo dạng 15 Figure II.９Đồ thị ngõ bị méo dạng 16 Figure II.１０Đồ thị bị méo dạng 17 Figure III.１Sơ đồ mạch BJT emitter chung, có điện trở cực emitter 18 Figure III.２Mạch chế độ DC 19 Figure III.３Mạch chế độ DC thu gọn 19 Figure III.４Mạch chế độ AC theo mô hình pi 20 Figure III.５Sơ đồ mạch mô 21 Figure III.６Sơ đồ mạch mô với giá trị điện áp 22 Figure III.７Sơ đồ mạch mô với giá trị dòng điện 23 Figure III.８Đồ thị ngõ ngõ vào mạch mô 24 Figure III.９Đồ thị bị méo dạng điện áp ngõ 25 Figure III.１０Đồ thị bị méo dạng điện áp ngõ 25 Figure IV.１Sơ đồ mạch BJT base chung 26 Figure IV.２Sơ đồ mạch chế độ DC 27 Figure IV.３Sơ đồ mạch thu gọn chế độ DC 27 Figure IV.４Sơ đồ mạch chế độ AC theo mô hình pi 28 Figure IV.５Mạch mô 30 Figure IV.６.Mạch mô với giá trị điện áp 31 Figure IV.７Mạch mô với giá trị dòng điện 31 Figure IV.８Đồ thị điện áp ngõ vào ngõ mạch mô 32 Figure IV.９Đồ thị ngõ bị méo trên.(đồ thị thứ ba) 33 Figure V.１Sơ đồ mạch BJT collector chung 34 Figure V.２Mạch chế độ DC 34 Figure V.３Mạch chế độ DC thu gọn 35 Figure V.４Mạch chế độ AC theo mô hình pi 35 Figure V.５Sơ đồ mạch mô 37 Figure V.６Sơ đồ mạch giá trị điện áp 37 Figure V.７Sơ đồ mạch giá trị dòng điện 38 Figure V.８Đồ thị ngõ vào ngõ mạch mô 38 Figure V.９Đồ thị ngõ bị méo dạng 39 Figure V.１０Đồ thị điện áp ngõ méo dạng 40 Figure VI.１Sơ đồ mạch MOSFET source chung (không có điện trở cực source) 41 Figure VI.２Sơ đồ mạch chế độ DC 41 Figure VI.３Sơ đồ mạch chế độ AC theo mô hình pi 42 Figure VI.４Sơ đồ mạch mô 43 Figure VI.５Sơ đồ mạch mô giá trị điện áp 44 Figure VI.６Sơ đồ mạch mô giá trị dòng điện 44 Figure VI.７Đồ thị điện áp ngõ vào ngõ mạch mô 45 Figure VI.８Đồ thị giá trị điện áp ngõ bị méo dạng 46 Figure VI.９Đồ thị giá trị điện áp ngõ bị méo 47 Figure VII.１Sơ đồ mạch MOSFET source chung (có điện trở cực source) 48 Figure VII.２Sơ đồ mạch chế độ DC 48 Figure VII.３Sơ đồ mạch chế độ AC theo mô hình T 49 Figure VII.４Sơ đồ mạch mô 51 Figure VII.５Mạch mô giá trị điện áp 51 Figure VII.６Mạch mô giá trị dòng điện 52 Figure VII.７Đồ thị giá trị điện áp ngõ vào ngõ mạch mô 52 Figure VII.８Đồ thị giá trị điện áp ngõ bị méo dạng 53 Figure VII.９Đồ thị giá trị điện áp ngõ bị méo dạng 54 Figure VIII.１Sơ đồ mạch MOSFET gate chung 55 Figure VIII.２Sơ đồ mạch chế độ DC 55 Figure VIII.３Sơ đồ mạch chế độ AC theo mô hình T 56 Figure VIII.４Sơ đồ mạch mô 58 Figure VIII.５Mạch mô giá trị điện áp 59 Figure VIII.６Mạch mô giá trị dòng điện 60 Figure VIII.７Đồ thị giá trị điện áp ngõ vào ngõ mạch mô 61 Figure VIII.８Đồ thị giá trị điện áp ngõ bị méo dạng 62 Figure VIII.９Đồ thị giá trị điện áp ngõ bị méo dạng 62 Figure IX.１Sơ đồ mạch MOSFET drain chung 63 Figure IX.２Sơ đồ mạch chế độ DC 64 Figure IX.３Sơ đồ mạch chế độ AC theo mô hình T 65 Figure IX.４Sơ đồ mạch mô 66 Figure IX.５Sơ đồ mạch mô giá trị điện áp 67 Figure IX.６Sơ đồ mạch mô giá trị dòng điện 67 Figure IX.７Đồ thị điện áp ngõ vào ngõ mạch mô 68 Figure IX.８Đồ thị điện áp ngõ méo dạng 69 Figure IX.９Đồ thị điện áp ngõ méo dạng 69 I SƠ LƯỢC VỀ ORCAD VÀ CÁCH TẠO PROJECT MÔ PHỎNG VỚI PSPICE Giới thiệu SPICE chương trình mô phát triển đại học California, Berkeley PSPICE số sản phẩm từ SPICE phát triển thêm MicroSim Corporation (hiện Cadence với tên ORCAD) Cách tạo project mô ORCAD Bước 1: chạy chương trình cách vào Start ORCAD (tuỳ theo phiên bản, phiên 10.5) Capture CIS (hoặc Capture) Figure I.１Khởi động chương trình Bước 2: Sau mở giao diện chương trình Chọn File New Project Figure I.２Giao diện CAPTURE Figure I.３Tạo project Bước 3: Nhập tên project vào khung Name Chọn vào “Analog or Mixed A/D” Bấm OK Figure I.４Hộp thoại New Project Bước 4: Xuất hộp thoại Create Pspice Project, chọn Create a blank project Bấm OK Figure I.５Hộp thoại Create PSpice Project Bước 5: Giao diện làm việc để thiết kế mạch sau: Figure I.６Giao diện chương trình mô Chọn vào biểu tượng Place part để chọn linh kiện Figure I.７Nút chọn linh kiện Thiết lập giá trị linh kiện tiến hành mô Để thiết lập giá trị cho điện trở, tụ điện… ta double-click vào linh kiện tương ứng thay đổi giá trị value Figure I.８Giao diện thay đổi giá trị cho linh kiện Sau hoàn thành thiết lập mạch điện thông số.Ta tiến hành mô PSPICE cách chọn menu PSpice New Simulation Profile Figure I.９Tạo trình mô Xuất hộp thoại New Simulation Nhập tên vào khung Name sau bấm Create VIII GIẢI BÀI TOÁN MOSFET VỚI CỰC GATE CHUNG Cho mạch hình, với thông số sau: R1 400k , R2 200k , RD 2k , RS 1k , RL 1k , RSig 1k , Vcc 12V , VT 0.255V , K n 0.25 tụ điện có giá trị lớn Tính Ri, Ro độ lợi điện áp Av vo , giá trị điện áp để ngõ không vi RSig méo Figure VIII.１Sơ đồ mạch MOSFET gate chung Giải Lý thuyết: Ở chế độ DC: tụ điện hở ra, ta có mạch hình sau: Figure VIII.２Sơ đồ mạch chế độ DC 55 đó, RTH R1 || R2 7.5 k , VTH R2 Vcc V R1 R2 K n VTH VT I D RS 2 VTH VT I D RS VTH VT RS I D Kn VGS VTH I D RS 12.906*1 9.906 I D 12.906 VGS VTH I D RS 0.584 *1 2.416 I D 0.584 VDS Vcc I D RD I D RS 10.249 ID I D 0.584 Qua kết phương trình ta nhận nghiệm VDS 10.294 V 2.416 GS gm 2ID 0.540 mA / V VGS VT Ở chế độ AC: tụ điện nối tắc, nguồn áp độc lập nối tắc Biến đổi mạch theo mô hình pi, ta mạch sau: Figure VIII.３Sơ đồ mạch chế độ AC theo mô hình T Khi đó: 56 Ri RS || 0.649k gm Ro RD 2k Av g m RD || RL 0.360 Gv vo vo vi Ri Av 0.142 vsig vi vsig Ri RSig Để xác định điện áp ngõ lớn không méo, trước tiên xét: vds id RD || RL gm , ID Vcc VDS RD RS iD id I D id iD I D vDS VDS RD || RL iD I D gm vDS VDS RD || RL gm Suy dòng điện I D max để điện áp ngõ lớn không méo có giá trị là: I D max VDS 0.584;4.071 584.786 A I D ; RD || RL g m Vậy giá trị điện áp ngõ lớn không méo là: VO max I D max RD || RL 389.191 mV Từ giá trị giá trị điện áp ngõ vào lớn để ngõ không méo là: VSig m ax VO max 2.745V Gv Mô phỏng: Sử dụng phần mềm Orcad tạo project thiết lập mạch điện thông số cho linh kiện hình Nguồn áp vào có giá trị 100mV 57 Figure VIII.４Sơ đồ mạch mô Sau đó, bắt đầu chạy mô ta kết sau: 58 Figure VIII.５Mạch mô giá trị điện áp 59 Figure VIII.６Mạch mô giá trị dòng điện 60 Figure VIII.７Đồ thị giá trị điện áp ngõ vào ngõ mạch mô Theo đồ thị, đường màu đỏ biểu thị giá trị điện áp ngõ vào, đường màu lục biểu thị giá trị điện áp ngõ mạch mô Qua đồ thị ta thấy độ lợi điện áp có khác biệt với tính lý thuyết (ở Gv1 12.980mV 12.733mV 0.130 phía trên, Gv2 0.127 phía dưới) Do giá trị 100mV 100mV điện áp ngõ vào đạt giá trị sau để đồ thị điện áp ngõ không méo: Đồ thị méo phía (trên/dưới) vSig max I D RD || RL 2.994 V Gv1 VDS Đồ thị ngõ bị méo phía vSig max RD || RL gm Gv2 RD || RL 21.369 V Trong trường hợp cho nguồn áp vào có giá trị 5V, đồ thị bị méo hình sau 61 Figure VIII.８Đồ thị giá trị điện áp ngõ bị méo dạng Trong trường hợp cho nguồn áp vào có giá trị 30V, đồ thị hình sau Figure VIII.９Đồ thị giá trị điện áp ngõ bị méo dạng 62 IX GIẢI BÀI TOÁN MOSFET VỚI CỰC DRAIN CHUNG Cho mạch hình, với thông số sau: R1 400 k , R2 200k , RS 1k , RL 1k , RSig 1k , Vcc 12V , VT 0.255V , K n 0.25 tụ điện có giá trị lớn Tính Ri, Ro độ lợi điện áp Av vo , giá trị điện áp để ngõ không vi méo Figure IX.１Sơ đồ mạch MOSFET drain chung Giải Lý thuyết: Ở chế độ DC: tụ điện hở ra, ta có mạch hình sau: 63 Figure IX.２Sơ đồ mạch chế độ DC đó, RTH R1 || R2 7.5 k , VTH R2 Vcc V R1 R2 K n VTH VT I D RS 2 VTH VT I D RS VTH VT RS I D K n VGS VTH I D RS 12.906*1 9.906 I D 12.906 VGS VTH I D RS 0.584 *1 2.416 I 0.584 D VDS Vcc I D RD I D RS 10.249 ID I D 0.584 Qua kết phương trình ta nhận nghiệm VDS 10.294 V 2.416 GS gm 2ID 0.540 mA / V VGS VT Ở chế độ AC: tụ điện nối tắc, nguồn áp độc lập nối tắc Biến đổi mạch theo mô hình pi, ta mạch sau: 64 Figure IX.３Sơ đồ mạch chế độ AC theo mô hình T Khi đó: Ri R1 || R2 7.5k Ro RS || 0.649k gm Av g m RS || RL 0.213 g m RS || RL Gv vo vo vi Ri Av 0.188 vsig vi vsig Ri RSig Để xác định điện áp ngõ lớn không méo, trước tiên xét: id vds Vcc VDS , ID RS || RL RS iD id I D id iD I D iD I D vDS VDS RS || RL vDS VDS RS || RL Suy dòng điện I D max để điện áp ngõ lớn không méo có giá trị là: V I D max I D ; DS 0.584; 22.832 584.786 A RS || RL Vậy giá trị điện áp ngõ lớn không méo là: VO max I D max RD || RL 389.191 mV 65 Từ giá trị giá trị điện áp ngõ vào lớn để ngõ không méo là: VSig m ax VO max 2.074V Gv Mô phỏng: Sử dụng phần mềm Orcad tạo project thiết lập mạch điện thông số cho linh kiện hình Nguồn áp vào có giá trị 100mV Figure IX.４Sơ đồ mạch mô Sau đó, bắt đầu chạy mô ta kết sau: 66 Figure IX.５Sơ đồ mạch mô giá trị điện áp Figure IX.６Sơ đồ mạch mô giá trị dòng điện 67 Figure IX.７Đồ thị điện áp ngõ vào ngõ mạch mô Theo đồ thị, đường màu lục biểu thị giá trị điện áp ngõ vào đường màu đỏ biểu thị giá trị điện áp ngõ mạch mô Qua đồ thị ta thấy độ lợi điện áp có khác biệt với tính lý thuyết (ở Gv1 17.286mV 16.803mV 0.173 phía trên, Gv2 0.168 phía dưới) Do giá trị 100mV 100mV điện áp ngõ vào đạt giá trị sau để đồ thị điện áp ngõ không méo: I D RS || RL 1.687 V Gv1 Đồ thị méo phía (trên/dưới) vSig max Đồ thị ngõ bị méo phía vSig max VDS 67.954 V Gv2 Trong trường hợp cho nguồn áp vào có giá trị 5V, đồ thị bị méo hình sau 68 Figure IX.８Đồ thị điện áp ngõ méo dạng Trong trường hợp cho nguồn áp vào có giá trị 80V, đồ thị hình sau Figure IX.９Đồ thị điện áp ngõ méo dạng 69 [...]... RSig Mô phỏng: Sử dụng phần mềm Orcad tạo project mới và thiết lập mạch điện và các thông số cho linh kiện như hình Nguồn áp vào có giá trị 1V 29 Figure IV. Mạch mô phỏng Sau đó, bắt đầu chạy mô phỏng ta sẽ được kết quả như sau: 30 Figure IV.６ .Mạch mô phỏng với các giá trị điện áp Figure IV. Mạch mô phỏng với các giá trị dòng điện 31 Figure IV.８Đồ thị điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch mô phỏng Đường... project mới và thiết lập mạch điện và các thông số cho linh kiện như hình Nguồn áp vào có giá trị 100mV Figure III.５Sơ đồ mạch mô phỏng Sau đó, bắt đầu chạy mô phỏng ta sẽ được kết quả như sau: 21 Figure III.６Sơ đồ mạch mô phỏng với các giá trị điện áp 22 Figure III.７Sơ đồ mạch mô phỏng với các giá trị dòng điện 23 Figure III.８Đồ thị ngõ ra và ngõ vào của mạch mô phỏng Đường màu lục là giá trị điện áp... thiết lập mạch điện và các thông số cho linh kiện như hình Nguồn áp vào có giá trị 25mV 13 Figure II. Mạch mô phỏng Sau đó, bắt đầu chạy mô phỏng ta sẽ được kết quả như sau: Figure II. Mạch mô phỏng với các giá trị điện áp 14 Figure II. Mạch mô phỏng với các giá trị dòng điện Figure II.８Đồ thị của mạch không méo dạng 15 Đường màu lục là giá trị điện áp ngõ ra, đường màu đỏ là giá trị điện áp ngõ vào Theo... phép thiết lập các thông số cần thiết cho chương trình mô phỏng Chọn Time Domain (Trasient) và các giá trị như hình Figure I.１１Khởi tạo giá trị cho chương trình mô phỏng Bấm nút Run Spice để bắt đầu mô phỏng Figure I.１２Các nút điều khiển chương trình mô phỏng 10 II GIẢI BÀI TOÁN KHUẾCH ĐẠI BJT VỚI CỰC EMITTER CHUNG (KHÔNG ĐIỆN TRỞ Ở CỰC EMITTER) Cho mạch như hình, với các thông số như sau: R1 400k ,... 149.9, VBE 0.7593V các tụ điện có giá trị rất lớn Tính Ri, Ro và độ lợi điện áp Av vo , giá trị điện áp để ngõ ra không vi méo Vcc RC R1 + RSig RL R2 v_sig vo - Ri Ro Figure II. Mạch BJT Emitter chung, không có điện trở cực emitter Giải Lý thuyết: Ở chế độ DC: các tụ điện hở ra, ta có mạch như hình sau: RC R1 R2 Figure II. Mạch ở chế độ DC 11 hay Figure II. Mạch ở chế độ DC rút gọn trong đó,... RSig 1k , Vcc 12V , 149.9, VBE 0.743V các tụ điện có giá trị rất lớn Tính Ri, Ro và độ lợi điện áp Av vo , giá trị điện áp để ngõ ra không méo vi Figure IV.１Sơ đồ mạch BJT base chung Giải Lý thuyết: Ở chế độ DC: các tụ điện hở ra, ta có mạch như hình sau: 26 Figure IV.２Sơ đồ mạch ở chế độ DC VTH Vcc RC RTH RE hay Figure IV.３Sơ đồ mạch thu gọn ở chế độ DC trong đó, RTH R1 || R2 7.5... dòng điện I C max để điện áp ngõ ra lớn nhất không méo có giá trị là: V I C max min IC ; CE min 3.643; 7.070 3.643 mA RC || RL Vậy giá trị điện áp ngõ ra lớn nhất không méo là: VO max I C max RC || RL 2.429 V Từ giá trị trên thì giá trị điện áp ngõ vào lớn nhất để ngõ ra không méo là: VIm ax VO max 25mV Av Mô phỏng: Sử dụng phần mềm Orcad tạo project mới và thiết... xuống lần lượt là điện áp ngõ ra (ở trên) và điện áp ngõ vào (ở dưới), với các giá trị cực đại được đánh dấu trên đồ thị Qua đồ thị ta thấy được độ lợi điện áp có sự khác biệt với những gì tính được trên lý thuyết (ở đây Gv1 1.0236V 1.2902V 41.281 đối với phía trên, và Gv2 52.033 đối với phía dưới) Do vậy, 24.796mV 24.796mV khi sử dụng mạch BJT mắc emitter chung không điện trở ở cực emitter... và dưới như hình sau 16 Figure II.１０Đồ thị bị méo dạng cả trên và dưới 17 III GIẢI BÀI TOÁN KHUẾCH ĐẠI BJT VỚI CỰC EMITTER CHUNG (CÓ ĐIỆN TRỞ Ở CỰC EMITTER) Cho mạch như hình, với các thông số như sau: R1 82 k , R2 58k , RC 2k , RL 2k , RE1 100, RE 2 1k , RSig 1k , Vcc 12V , 100, VBE 0.683V các tụ điện có giá trị rất lớn Tính Ri, Ro và độ lợi điện áp Av vo , giá trị điện. .. dòng điện I C max để điện áp ngõ ra lớn nhất không méo có giá trị là: I C max VCE min IC ; R RC || RL E1 min 2.956;5.258 2.956 mA 20 Vậy giá trị điện áp ngõ ra lớn nhất không méo là: VO max I C max RC || RL 2.956 V Từ giá trị trên thì giá trị điện áp ngõ vào lớn nhất để ngõ ra không méo là: VIm ax VO max 323.564mV Av Mô phỏng: Sử dụng phần mềm Orcad ... VI.４Sơ đồ mạch mô 43 Sau đó, bắt đầu chạy mô ta kết sau: Figure VI.５Sơ đồ mạch mô giá trị điện áp Figure VI.６Sơ đồ mạch mô giá trị dòng điện 44 Figure VI.７Đồ thị điện áp ngõ vào ngõ mạch mô Theo... III.５Sơ đồ mạch mô Sau đó, bắt đầu chạy mô ta kết sau: 21 Figure III.６Sơ đồ mạch mô với giá trị điện áp 22 Figure III.７Sơ đồ mạch mô với giá trị dòng điện 23 Figure III.８Đồ thị ngõ ngõ vào mạch mô Đường... VIII.４Sơ đồ mạch mô 58 Figure VIII. Mạch mô giá trị điện áp 59 Figure VIII. Mạch mô giá trị dòng điện 60 Figure VIII.７Đồ thị giá trị điện áp ngõ vào ngõ mạch mô