điện tử tương tự mosfet

tài liệu uy tín được biên soạn bởi giảng viên đại học Bách Khoa TPHCM, thuận lợi cho qua trình tự học, nghiên cứu bộ tự động hóa, điện tử, cơ điện tử, cơ khí chế tạo máy, lập trình nhúng, Tài liệu được kiểm duyệt bởi giảng viên, phòng đào tạo trường đại học bách khoa, lưu hành nội bộ

Điện tử tương tự ứng dụng Chương Transistor hiệu ứng trường MOSFET Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Transistor hiệu ứng trường MOSFET • MOSFET: Transistor hiệu ứng trường cấu trúc MOS (metal-oxidesemiconductor field-effect transistor) • Trong MOSFET, dòng điện điều khiển trường điện áp dụng vng góc với bề mặt bán dẫn lẫn chiều dòng điện • Ngun tắc transistor: điện áp hai cực điều khiển dòng điện qua cực thứ ba Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Cấu trúc MOSFET • MOSFET linh kiện có cực: cổng (G, gate), nguồn (S, source), máng (D, drain) thân (B, body) • Hai loại MOSFET: kênh-n (NMOS) kênh-p (PMOS) • Về bản, cấu trúc linh kiện đối xứng máng nguồn • Các cực nguồn máng rõ điện áp hoạt động Kim loại Nguồn S Cổng G Oxide (SiO2) (bề dày tox) Máng D Kim loại Oxide (SiO2) Miền kênh dẫn Miền nguồn Đế (thân) loại p Đế (hay thân) loại p Miền kênh dẫn Thân B Miền máng Cấu trúc MOS 2-cực • Tụ điện MOS (metal-oxidesemiconductor): trái tim MOSFET • tox : bề dày lớp oxide • εox : số điện môi oxide Cực cổng Kim loại Cách điện (oxide) Nền (đế, thân) bán dẫn Cực (đế, thân) Loại p (Trường E) Tụ điện MOS với phân cực cổng âm Loại p Lớp tích lũy lỗ Cấu trúc MOS 2-cực Ảnh hưởng phân cực cổng dương: Loại p Loại p Miền Induced nghèonegative hạt mang điện space-charge đa số tạo region Loại p Miền nghèo hạt Induced negative mang điện đa số space-charge tạo region Lớp nghịch chuyển điện tử Hoạt động với điện áp cổng khơng • Với điện áp phân cực khơng đặt vào cực cổng, hai cực nguồn máng tách biệt miền p ⇒ hai tiếp giáp pn (S-B) (D-B) kết nối hai diode đâu lưng • Hai cực nguồn máng cách ly hai miền nghèo hạt mang điện đa số nên khơng dẫn điện ⇒ dòng điện không Cực cổng G Cực nguồn S Cực máng D Loại p Cực đế hay thân B Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Tạo kênh dẫn cho luồng dòng điện • Điện áp dương lớn đặt vào cổng • Các điện tích dương tích lũy cổng điện áp dương đặt vào điện cực cổng • Trường điện tạo nên miền nghèo hạt mang điện đa số cách đẩy lỗ thân-p rời xa khỏi bề mặt Điện cực cổng Kênh dẫn n Thân loại p Miền nghèo Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Tạo kênh dẫn cho luồng dòng điện • Điện áp cổng vượt q điện áp ngưỡng (threshold voltage) vGS > Vt: điện tử bắt đầu tích lũy bề mặt thân • Điện áp dương vGS > Vt sử dụng để tạo kênh dẫn linh kiện gọi MOSFET kênh-n loại tăng cường • Miền-n tạo Điện cực cổng hình thành kênh dẫn cho phép dòng điện chạy từ máng đến Kênh dẫn n nguồn • Kênh tạo cách nghịch chuyển bề mặt thân từ loại p sang loại n -> lớp nghịch chuyển Thân loại p • Trường điện điều khiển lượng Miền nghèo điện tích kênh dẫn xác định dẫn suất kênh dẫn Điện áp máng nhỏ • Điện áp vDS nhỏ đặt vào cực máng: điện tử tự di chuyển từ nguồn đến máng ngang qua kênh dẫn n • Dòng kết iD chạy từ máng đến nguồn (ngược chiều dòng điện tích âm [điện tử]) vDS nhỏ Kênh n tạo Thân loại p Độ dốc • Dòng điện tỉ lệ thuận với lượng hạt mang điện kênh dẫn • Kênh điều khiển điện áp thực tế hay điện áp tăng tốc (overdrive) : vOV = vGS - Vt Tăng điện áp máng • Khi vDS tăng, điện áp dọc theo kênh tăng từ đến vDS , điện áp cổng điểm dọc theo kênh giảm từ vGS đầu cuối nguồn đến (vGS - vDS) đầu cuối máng • Do lớp nghịch chuyển phụ thuộc vào sai biệt điện áp ngang qua cấu trúc MOS, việc tăng vDS dẫn đến kết kênh dẫn hẹp dần • Điện trở tăng kênh dẫn hẹp dần đường cong iD-vDS khơng tiếp tục đường thẳng Điện tích nghịch chuyển kênh Loại p Điện áp vDS nhỏ Miền nghèo Loại p Điện áp vDS lớn Điện tích nghịch chuyển kênh 10 Phân cực mạch khuếch đại MOSFET • Phân cực cách ổn định điện áp cổng kết nối điện trở nguồn: – Điều kiện phân cực : – Dòng máng có dung sai tốt thay đổi thông số linh kiện Linh kiện Linh kiện Độ dốc = -1/RS 24 Phân cực mạch khuếch đại MOSFET • Phân cực sử dụng điện trở hồi tiếp máng đến cổng : – Cần nguồn cấp điện đơn – RG bảo đảm MOSFET chế độ bão hòa (VGS = VDS) – Điểm hoạt động MOSFET: VDS – Giá trị điện trở hồi tiếp RG ảnh hưởng đến độ lợi tín hiệu nhỏ 25 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Phân cực mạch khuếch đại MOSFET • Phân cực sử dụng nguồn dòng điện khơng đổi: – MOSFET phân cực với nguồn dòng điện khơng đổi I – Điện trở RD chọn để vận hành MOSFET chế độ tích cực – Nguồn dòng thường gương dòng điện – Mạch gương dòng điện: • MOSFET Q1 Q2 chế độ bão hòa • Dòng tham chiếu IREF = I = ID – Khi áp dụng cho mạch khuếch đại, điện áp VD2 cần đủ lớn để bảo đảm Q2 chế độ bão hòa 26 Hoạt động tín hiệu nhỏ mơ hình • Điểm phân cực DC: – MOSFET miền bão hòa • Dòng điện máng: • Điện áp máng: VDS = VDD - IDRD > VOV • Các thơng số mạch tín hiệu nhỏ xác định điểm phân cực 27 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ mơn Điện tử - ĐHBK TP HCM Hoạt động tín hiệu nhỏ mơ hình Hoạt động tín hiệu nhỏ: Dòng điện máng tín hiệu nhỏ: Độ hỗ dẫn gm: mô tả cách id thay đổi theo vgs 28 Hoạt động tín hiệu nhỏ mơ hình Hoạt động tín hiệu nhỏ: Độ lợi điện áp tín hiệu nhỏ: Điện trở ngõ ro: mô tả cách id thay đổi theo vds 29 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Hoạt động tín hiệu nhỏ mơ hình Mơ hình hỗn hợp π: Độ hỗ dẫn: Điện trở ngõ ra: 30 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Hoạt động tín hiệu nhỏ mơ hình TD: Xác định độ lợi điện áp tín hiệu nhỏ, điện trở ngõ vào mạch khuếch đại MOSFET sau Transistor có Vt = 1.5V, kn = 0.25mA/V2 VA = 50V rin 31 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Hoạt động tín hiệu nhỏ mơ hình Mơ hình mạch tương đương hình T 32 Hoạt động tín hiệu nhỏ mơ hình Mơ hình mạch tương đương hình T 33 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Các mạch khuếch đại MOSFET Nguồn chung CS Máng chung CD Cổng chung CG 34 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Mạch khếch đại nguồn chung CS rin ro 35 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Mạch khuếch đại CS với điện trở cực nguồn rin ro 36 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Mạch khếch đại cổng chung CG ro rin 37 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Mạch khếch đại máng chung CD rin ro 38 Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM