GT điện tử cơ bản khuếch đại mosfet tín hiệu lớn

GT ĐIỆN TỬ CƠ BẢN Ch7 Khuếch đại MOSFET tín hiệu lớn 5.1 Khuếch đại tín hiệu Sơ đồ mạch khuếch đại hai cảng(tứ cực) cho xử lý tương tự số Nguồn cấp điện IN AMP OUT Trong chương trước, ta xét độ khuếch đại mạch số đến hoàn thành chống nhiễu Trong chương ta xét khuếch đại tương tự Mạch khuếch đại thường có mặt thiết bò sử dụng đời sống máy tăng âm, điện thoại di động… Khuếch đại giúp làm giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu truyền thông tin Truyền tin khuếch đại nhiễu 10 mV mV Tín hiệu vào kênh truyền Truyền thông có khuếch đại AMP nhiễu kênh truyền tín hiệu khuếch đại Nguồn cấp điện cung cấp lượng cho thành phần bên mạch để hoàn thành khuếch đại tốt Mạch khuếch đại làm lớn điện dòng tín hiệu vào hai Ta có đònh nghóa: Độ lợi thế: vi ii io vo AMP Av  VO Vi AV  dB   20log  AV  Độ lợi dòng: AI  vi vo AMP Io Ii AI  dB   20 log  AI  Độ lợi công suất: Ap  AV AI  Vs Vo I o Vi I i AP  dB   10 log  Ap  Biến có độ lợi điện độ lợi công suất AMP vi vo ** Field Effect Transistors JFET MOSFET CMOS How a JFET transistor works? When the gate is negative ,it repels the electron in the N-channel So there is no way for electrons to flow from source to drain When the negative voltage is removed from Gate ,the electrons can flow freely from source to drain so the transistor is on How a MOSFET Transistor works? In MosFET, the Gate is insulated from p-channel or nchannel This prevents gate current from flowing, reducing power usage When the Gate is positive voltage ,it allows electrons to flow from drain to source In this case transistor is on How a CMOS transistor works? N-channel & P-channel MOSFETs can be combined in pairs with a common gate When Gate (input) is high ,electrons can flow in N-channel easily So output becomes low (opposite of input) When Gate (input) is low ,holes can flow in P-channel easily So output becomes high (opposite of input) 5.2 Nguồn nguồn dòng phụ thuộc Trong chương trước, ta xét nguồn độc lập nguồn nguồn dòng không tuỳ thuộc lẫn như: - + R I=V/R i=I I i Trước xét mạch khuếch đại, ta xét đến nguồn phụ thuộc như: - Nguồn dòng kiểm thế, : Cảng điều khiển ngõ vào + i1 vi io vo Cảng ngõ Nguồn dòng kiểm thế: I  f V  V  IR  Thí dụ: Hay: K V R + - K R V V I =f(V)=K/V 10-3 K= Amp Volt V2 = KR V  KR  103.103  1Volt + Vs Nguồn phụ thuộc khác iD  f  vi  K   vi  1 vi  otherwise iiN R iD + + vI ID Vo - Vậy Vo hàm số vi 10 Tính điện ngõ ra: vO  VS Và: vi  VTH   K 2 RL 3 1, 45  1   10 104  4V K 1.10  vi  VTH   2  0,1mA iD  3 1, 45  1 Do điểm hoạt động mạch khuếch đại: VI = 1,45V VO = 4V ID = 0,1 mA 5V 4V vo [1,45V,4V] 0,9 V vO=vI -VTH 45o 1V 1,45V 1,9V 0,45 0,45 vI Điểm hoạt động làm cực đại trò số đỉnh – đỉnh điện vào đu đưa (swing) mạch khuếch đại hoạt động điều kiện bảo hoà 44 5.6 Mô hình SU MOSFET (Switch unifield MOSFET) Để xác hơn, phải khai triển môt mô hình chi tiết cho hoạt động vùng triod MOSFET Từ bỏ phương pháp tuyến tính mảnh, điều mô hình mô tả chi tiết đặc tính MOSFET vùng triod điện trở không tuyến tính, mà đặc tính phụ thuộc vào vGS Khi kết hợp với mô hình SCS cho vùng bảo hoà, mô hình điện trở không tuyến tính vùng triod cho kết (set) liên tục đường cong MOSFET Mô hình kết tổ hợp vùng triod vùng bảo hoà gọi mô hình giao hoán thống hay mô hình SU MOSFET Mô hình SU tóm tắt sau: iDS    vDS K v  V v  ,     GS TH DS       K  vGS  VTH   ,  0,   vGS  VTH & vDS  vGS  VTH vGS  VTH & vDS  vGS  VTH vGS  VTH 45 Đặc tuyến mô hình SU ( Switch Unified Model) iDS vDS = VGS - VTH vùng Triod Vùng bảo hoà vGS < VTH vGS6 vGS5 vGS4 vGS > VTH vGS3 vGS2 vGS1 vDS vùng ngưng Đặc tuyến SU cho thấy có liên tục đường cong vùng triod vùng bảo hoà tạo nên phối hợp tốt với đặc tuyến thực MOSFET 46 Thí dụ 3: Cho mạch khuếch đại MOSFET H MOSFET có VTH = 1V, K = 1mA/V2 Xác đònh đặc tính tín hiệu vào – cực đại mạch khuếch đại Mạch phân cực cầu chia cho : 16 VB  10V  1, 6V 84  16 theo đònh luật KVL cho: vGS = VB – vI R3 K Và: vO  VS  VB  vI  VTH   10  10  0,6  vI  Khi vI =0  vO = 6,4V Ta có: vO  vI  VB  vI  VTH  Dải ngõ vào: MOSFET hoạt động vùng bảo hoà 0,3695V  vI  0,6V 0,6V  vO  10V Dải ngõ ra: * Vì VDS = Vo - Vi VB = VGS + Vi hay VGS = VB – Vi (theo hình ) • thay vào điều kiện bảo hòa : VDS VGS - VTH, cho kết 47 Thí dụ 3: Cho mạch H , với MOFET M1 có K = mA/V2, VTH = 1V, vI = 5V; M2 có: K = 64 mA/V2, VTH = 1V, vI = 2V = Chứng tỏ M1 hoạt động vùng bảo hoà, M2 hoạt động vùng triod Ta tính được: M1 hoạt động vùng bảo hoà, có vGS = – v(), thay vào: K  vGS  VTH  iD1   103   v()  2 M2 hoạt động vùng triod, nên cho:   vDS iD  K  vGS  VTH  vDS      v()2  3  64.10 v()     Đồng hai phương trình, cho:   v () 3 3 iD  10   v()   64.10  v()      33v()2  72v()  16  Giải cho : v() = 0,25V 48 Hoặc vẽ Kết cho thấy: vo = 0,25 V M1 vùng bảo hoà, M2 vùng triod VGS1=5-0,25 =4,75>VTH = 1V vDS = 10V-0,25V=9,75V > -1 =4V Và VGS2 >VTH vDS2 = 0,25V < vGS – VTH = 1V 49 Thí dụ mạch khuếch đại lớn • Cho mạch khuếch đại ráp cực nguồn chung (CS) theo hình:” • Tính được: VDD I D (max)  RD VDS 0 24V   1, A 20 VDD 24V RD 20 Q VDS (max)  VDD  RD I D  VDD   24V PD (max)  VDSQ I DQ 24  1.2      7.2W 2  50 • Thí dụ 2: Cho mạch khuếch đại ráp CS trên, với • VDD=10V, RD = k , MOSFET có tham số k= K/2 = 1mA/V2, VTH = 1V Giả sử tín hiệu dao động giới hạn dải điểm chuyển trạng thái vDS(max) = 9V để có biến dạng nhỏ Tính trị số VDS(bh) • Tính được: VDS  VDD  I D RD • VDS ( sat )  VGS  VTN I D  k VGS  VTN   I D  kV DS2 ( sat ) 2 VDS ( sat )  VDD  kRDVDS ( sat ) kRDVDS ( sat )  VDS ( sat )  VDD 51 • Giải phương trình bậc hai được: 1(5)VDS ( sat )  VDS ( sat )  10  VDS ( sat ) 13,18  1,318V 1     10  10   15,18  5  1,518 10 • Vậy điểm tĩnh Q phải trung điểm dải đường thẳng tải VDS = 1,318V VDS = 9V hay: VDSQ •  1,318  V  5,159V  5,16V để tín hiệu cực đại mà khơng bị biến dạng 52 • Trên đặc tuyến đường thẳng tải tĩnh ta có: • ID (mA) ID max VDS(sat) = VGS - VTN IDQ • VCEmin2 1,32V DCLL(-1/RD) Q VDSQ6 5,12V 10 VDS(max) VDS(V) 53 Phần B Transistor nối lưỡng cực BJT • Xem phần đầu chương 54 Phân tích tín hiệu lớn mạch khuếch đại vi sai • Cho mạch KDVS, M1,M2 chế độ bảo hồ: giả sử iD1 =0 55 • Hay: Giải: Chọn nghiệm dương cho: • Do đối xứng cho : • Ln MOSFET bảo hồ, dể tránh ngưng dẫn phài thoả: 56 • Phân tích tín hiệu lớn mạch khuếch đại thuật tốn (Op.Amp – Operational Amplifier) • Cho mạch với M3 MOSFET kênh p có: vGS, vDS, iD âm nên vùng bảo hồ 7.66 7.67 viết lại: Các trị vSG, vSD, -iD K dương, có VTH âm 57 • Xem hai M1 M2 đồng có thơng số MOSFET kênh n, cho : • Tầng khuếch đại CS với MOSFET kênh p cho: • Kết hợp 7.70 7.71, cho: • • Cuối cùng, để đạt u cầu vo = vi1 = vi2, phải có: • Vì M3 mạch chuyển mức điện 58 ... mạch khuếch đạïi cung cấp lượng độ lợi công suất tốt vùng bão hoà 30 5.5 Phân tích tín hiệu lớn mạch khuếch đại MOSFET  Phân tích tín hiệu lớn nghóa tìm tính chất mạch khuếch đại với thay đổi lớn. .. tiếp vào mạch khuếch đại mà cộng diện offset DC vào, MOSFET hoạt đông vùng ngưng với gần hết tín hiệu vào tín hiệu bò biến dạng lớn  gọi bò cắt H 7.27 29 Các điện DC tín hiệu vào tín hiệu quan... khuếch đại nhiễu 10 mV mV Tín hiệu vào kênh truyền Truyền thông có khuếch đại AMP nhiễu kênh truyền tín hiệu khuếch đại Nguồn cấp điện cung cấp lượng cho thành phần bên mạch để hoàn thành khuếch đại