Chuong 1 mo hinh tuong duong(20 7 15)

Phân cực, mạch khuếch đại dùng BJT, tham số khuếch đại của BJT  Mục đích của việc phân cực cho BJT là thiết lập một điểm làm việc tĩnh Q-point và nhờ vào đó xác định vùng hoạt động ban

Nội dung chương 1

 1.1 Các tham số, chế độ hoạt động ở tín hiệu nhỏ của Diode

 1.2 Cấu trúc của BJT, mô hình vận chuyển trong BJT npn

 1.3 Biểu thức chung cho các chế độ phân cực của BJT npn

 1.4 Cấu trúc của BJT pnp, biểu thức chung cho các chế độ phân cực của BJT pnp

 1.5 Phân cực, mạch khuếch đại dùng BJT, tham số khuếch đại của BJT

 1.6 Mô hình tương đương tín hiệu nhỏ của BJT

 1.7 Chế độ hoạt động tín hiệu nhỏ của BJT

 1.8 Mạch tương đương AC và DC của khuếch đại dùng MOSFET

 1.9 Mô hình tín hiệu nhỏ của MOSFET

 1.10 Chế độ hoạt động tín hiệu nhỏ của MOSFET

 1.11 Mô hình tín hiệu nhỏ của JFET

 1.12 Hiệu ứng thân trong MOSFET bốn cực

2

Tương ứng với chương 13 trong sách Microelectronic Circuit Design_Richard C Jaeger & Travis N Blalock

 Hệ số góc của đường đặc tuyến của diode tại

Q-point được gọi là độ dẫn điện của diode

và được cho bởi công thức:

 Điện trở của diode được cho bởi công thức:

D I D

I T

V D

I d g

T

I D I T

V D

V T

V S I po

Q D v D

i d

g

40 V

025 0

exp int

r  1

3

1.1 Các tham số, chế độ hoạt động ở tín hiệu nhỏ

của Diode

2 2

1 exp

1 exp

1 exp

I T

V D

V S

I

T V d

v D

V S

I d

i D

v S

1

22

1)

(

T

V d

v T

V d

v T

V d

v S

I D

I d i

Với i d là hàm tuyến tính của tín hiệu điện áp v d,

Yêu cầu cho việc hoạt động ở tín hiệu nhỏ của diode

V05.0



T

V d

v

d

v d

g d

i T

V d

v S

I D

I d

4

d

v d

g D

I D

5

mV T

V d

v T

V d v

T

V d

v T

V d v

T

V d

v T

V d v

502

2

0]

22

11[

22

d

mV

I mV

V

I v

V d

Với tính tuyến tính, id tỉ lệ với vd

Yêu cầu cho việc hoạt động ở tín

hiệu nhỏ của diode

1.1 Các tham số, chế độ hoạt động ở tín hiệu nhỏ của

Diode

Ví dụ 1 và 2: tính điện trở của Diode

6

• Ví dụ 1: Tìm các giá trị của điện trở của diode r d để một diode với IS =

1 fA hoạt động tại ID = 0,5 μA, 2 mA và 3 A

• Đáp án: 50K; 12.5; and 8.33 m

• Ví dụ 2: Tìm giá trị của điện trở của diode r d ở mô hình tín hiệu nhỏ tại

nhiệt độ phòng với ID = 1.5 mA và ở T = 100 oC

• Đáp án: 16.7 , 21.4 

1.2 Cấu trúc của BJT, mô hình vận chuyển trong BJT

Các hạt tải nằm trong vùng nền ngày bên dưới vùng được pha đậm (n +) E điều khiển

đường đặc tính i-v của BJT

1.2 Cấu trúc của BJT, mô hình vận chuyển

trong BJT npn

 Lớp nền mỏng liên kết hai kết nối

pn lại với nhau

 Cực phát (emitter) phóng electron

vào vùng nền, hầu hết các electron

này sẽ đi qua lớp nền và được được

ra ngoài bởi cực thu

• Điện thế v BE và điện thế v BC

quyết định các dòng trong transistor và có giá trị dương khi các pn junction được phân cực thuận

1.2 Đặc tính phân cực thuận của BJT npn

I F

i

C

i

A 9 10 A

18

S I

F

F

i B

i C

i E

i



0

1 1

95

i C

i





F E

i C

i





I E

i



95

0 1

Dòng nền ở chế độ phân cực thuận và phân cực nghịch là khác nhau do sự bất đối xứng trong việc pha tạp ở vùng thu và vùng phát

1.2 Đặc tính phân cực nghịch của BJT npn

1.3 Biểu thức chung cho các chế độ phân cực của

R

S I

I C

F

S I

I E

R

S I

i





Tính toán các tham số:

Ví dụ 3

Biểu thức của dòng điện tại các cực của transistor,

982

0mA09.1

mA07.1

50mA

0214

0

mA07.1

I F

B I C

I F



mA

07 1



C

I

mA 09 1



E

I

A 4

21 



B I

V BC = V BB - V CC =0.75 V-5.00V=-4.25 V

1.4 Cấu trúc của BJT pnp, biểu thức chung

cho các chế độ phân cực của BJT pnp

1.4 Tính chất phân cực thuận của BJT pnp

I F

i C i

F

F

i B

I B

i C

i E i



I E

i R

I C

S I R

R

i B

i





1.4 Tính chất phân cực nghịch của BJT pnp

1.4 Cấu trúc của BJT pnp, biểu thức chung

cho các chế độ phân cực của BJT pnp

R

S I

I C

F

S I

I E

R

S I

i





S I

I C

F

S I

I E

R

S I

S I

I C

F

S I

I E

R

S I

1.5 Phân cực, mạch khuếch đại dùng BJT,

tham số khuếch đại của BJT

 Mục đích của việc phân cực cho BJT là thiết lập một điểm làm việc tĩnh (Q-point) và nhờ vào đó xác định vùng hoạt động ban đầu của transistor

 Đối với một BJT, Q-point được đại diện bởi (IC, VCE) cho npn transistor hoặc là (IC, VCE) cho pnp transistor

 Q-point điểu khiển giá trị của điện dung khuếch tán, độ dẫn truyền, trở kháng vào và trở kháng ra

 Trong thực tế phân tích mạch, ta thường sử dụng các công thức toán đã được đơn giản hóa cho mỗi vùng hoạt động và hiệu điện thế Early được xem là rất lớn

 Trong thực tế, hai mạch điện thường được dùng để phân cực BJT là:

– Mạch phân cực 4 điện trở

– Mạch phân cực 2 điện trở

1.5 Phân cực, mạch khuếch đại dùng BJT,

tham số khuếch đại của BJT

 Phân tích mạch DC:

– Tìm sơ đồ tương đương dc bằng cách thay thế tất cả các tụ điện bằng một mạch hở và các cuộn cảm bằng dây dẫn

– Tìm Q-point của mạch tương đương dc bằng cách sử dụng mô hình

transistor cho tín hiệu lớn

 Phân tích mạch AC:

– Tìm sơ đồ mạch tương đương ac bằng cách thay thế tất cả tụ điện bằng dây dẫn và cuộn cảm bằng mạch hở, nguồn điện áp một chiều được nối đất và nguồn dòng một chiều được thay bằng mạch hở

– Thay thế tất cả các transistor bằng mô hình tín hiệu nhỏ

– Sử dụng mô hình tín hiệu nhỏ cho mạch ac để phân tích các đặc tính của mạch khuếch đại

– Tổng hợp các kết quả phân tích trong mạch ac và dc để tìm các điện áp

và dòng điện trong mạch

22

1.5 Phân cực, mạch khuếch đại dùng BJT,

tham số khuếch đại của BJT

 Các tụ liên lạc được sử dụng để đưa

tín hiệu một chiều vào mạch và trích

xuất tín hiệu ở đầu ra mà không làm

ảnh hưởng đến Q-point

 Các tụ điện cung cấp một trở kháng

không đáng kể tại các tần số được

quan tâm và làm hở mạch đối với

dòng điện xoay chiều

C1 và C3 là những tụ liên lạc hoặc là tụ được dùng để chặn các thành phần một chiều, dung kháng của chúng rất nhỏ đối với các tín hiệu lớn

C2 là tụ lọc nhiễu cao tần, nó cung cấp một đường rẽ có trở kháng nhỏ để dòng điện chạy từ cực emitter tới mass, loại

bỏ RE (cần thiết để có một Q-point ổn định) ra khỏi mạch khi ta tính đến các tính hiệu xoay chiều

23

1.5 Mạch tương đương AC và DC của mạch khuếch

đại dùng BJT

 Tất cả các tụ điện ở mạch khuếch đại gốc được thay thế bởi mạch hở,

ngắt v I , R I , và R3 ra khỏi mạch

24

1.5 Mạch tương đương AC và DC của mạch khuếch

đại dùng BJT

26

1.5 Mạch tương đương AC và DC của mạch khuếch

đại dùng BJT

27

Viết các biểu thức thể hiện vC(t), vE(t), iC(t) và vB(t) dựa trên dạng sóng được

cho trong hình

1.5 Mạch tương đương AC và DC của mạch khuếch

đại dùng BJT

29

1.5 Mạch tương đương AC và DC của mạch khuếch

đại dùng BJT

30

1.5 Mạch tương đương AC và DC của mạch khuếch

đại dùng BJT

3.43

kΩ30kΩ102

R R B

R

31

1.5 Mạch tương đương AC và DC của mạch khuếch

đại dùng BJT

Mạch khuếch đại AC dùng BJT

BJT được phân cực ở vùng tích cực bởi hiệu điện thế V BE Q-point được đặt

tại (I C , V CE )=(1.5 mA, 5 V) với I B = 15 A

Tổng điện áp giữa hai cực base và emitter :

be

v BE

V BE

Điện áp giữa hai cực collector và emitter:

R C

i CE

v 10

32

Đặc tuyến mạch khuếch đại dùng BJT

33

8 mV thay đổi ở v BE dẫn đến 5 A sự

thay đổi của i B và 0.5 mA thay đổi ở i C

0.5 mA thay đổi ở i C dân đến 1.65 V

thay đổi ở v CE

Nếu sự thay đổi trong các dòng điện

và điện thế hoạt động là đủ nhỏ, thì

dạng sóng của I C và V CE là không đổi so với tín hiệu vào

Sự thay đổi nhỏ về điện thế ở cực base sẽ gây ra sự thay đổi lớn về điện thế ở cực collector

Hệ số khuếch đại điện thế:

Dấu âm chỉ ra sự đảo pha 1800 giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra

206 180

206 0

008 0

180 65

1 be v ce

34

Đặc tuyến mạch khuếch đại dùng BJT

35

Ví dụ 5: Hệ số khuếch đại dòng điện CE (F)

của transistor lưỡng cực được định nghĩa bằng công thức: F = ic/ib

(a) Xác định giá trị F của transistor ở hình

bên

(b) Dòng thu dc của BJT hoạt động ở vùng

tích cực được cho bởi công thức /Ic =

Is.exp(V BE/ V T ).Dựa trên những dữ liệu

được cho của Q-point để tìm dòng bão hòa

ls của transistor ở hình bên

Ví dụ 5

Ví dụ 5

36

Ví dụ 5:(c) Tỉ số của vbe/ib đại diện

cho trở kháng vào Rin của BJT Tìm

giá trị của điện trở đó trong hình bên (d) BJT có tiếp tục hoạt động trong vùng tích cực với tất cả điện áp đầu

vào tại cực collector?

Ví dụ 5

37

Đáp án: F = 100; Is = 1.04 x 10~15 A;

Rin = 1.6 k; Có

1.6 Mô hình tương đương tín hiệu nhỏ của BJT

Sử dụng hệ thống 2 cổng như hình trên,

Các tham số tại các cổng có thể chỉ phần

thay đổi theo thời gia của tổng điện áp và

các dòng điện hoặc là những sự thay đổi

nhỏ bên ngoài giá trị của Q-point

ce

v22be

y y

C I BE

v B

i g

0 ce v be v b i

0 0

be v ce v b i

point Q

i r

g

T

V C

I BE

v C

i m

ce v be v

c i

CE V A

I CE

v C

i o

be v ce v

c i

o là hệ số khuếch đại dòng điện CE của BJT

ce v be

v c

i

ce v be

v b

i

o g m

g

r g

 Mô hình tín hiệu nhỏ hybrid-pi

đại diện cho các tần số thấp nội

tại của BJT

 Các tham số tín hiệu nhỏ được

điều khiển bởi Q-point và độc

lập với hình dạng của BJT

Độ hỗ dẫn:

C

I T

V C

I y

o C

I T

V o y

111

Trở kháng ra:

C I A V C

I CE

V A V g

y o

0

122

1

39

1.6 Mô hình tương đương tín hiệu nhỏ của BJT

 Nguồn dòng phụ thuộc điện áp g m v be có thể được biến đổi thành nguồn dòng phụ thuộc dòng điện,

 Mối quan hệ ic=ib là hữu dụng trong việc phân giải mạch dc và ac khi BJT hoạt động trong vùng tích cực

bice

vb

ic

i

b

ib

ibe

vb

ibev

o o

r o

o r

m g m

po Q

C i

F F

C I

F r

V A V C

I CE

V A V T V C

I o r m g f

A

V T

V A

Hiệu ứng Early và hiệu điện thế Early

 Khi phân cực nghịch trên tiếp nối collector-base tăng lên, độ rộng vùng hiếm giữa cực thu và cực nền tăng lên, độ rộng cực nền giảm xuống

 Trong thực tế, ở miền hoạt động tích cực thì dòng thu không độc lập với vCE

 Hiệu ứng Early: khi đặc tính ngõ ra được ngoại suy về điểm iC = 0, các đồ thị cắt nhau tại một điểm VCE = -VA nằm từ khoảng 15 V đến 150V

T V BE

v S

I C

v FO

FO

S

I B



1.7 Chế độ hoạt động tín hiệu nhỏ của BJT

1

2 2

1 1

exp exp

I c

i C

I C i

v S

1

2 2

I C

I C

g C

I be

v T

V C

I C

I T

V be

v C

I C

Thay đổi trong i c tương ứng với chế độ hoạt động tín hiệu nhỏ:

200

0025.0

005

v be

v C I

m g C I

c i

44

mV T

V be

v T

V be v

T

V be

v T

V be v

T

V be

v T

V be v

502

2

0]

22

11[

22

m

mV

I mV

V

I v

V be

1.8 Mạch tương đương AC và DC của mạch khuếch đại dùng

MOSFET

Mạch tương đương DC

Mạch tương đương AC

46

Mạch khuếch đại AC dùng MOSFET

MOSFET được phân cực trong vùng tích cực bởi một hiệu điện thế V GS

Q-point được đặt tại (I D , V DS )=(1.56 mA, 4.8 V) với V GS =3.5 V

Tổng điện áp giữa hai cực gate và source: v GS V GS v gs

1 V p-p thay đổi ở v GS dẫn đến 1.25 mA p-p thay đổi ở i D

và 4 V p-p thay đổi ở v DS

47

Mạch khuếch đại AC dùng MOSFET

MOSFET được phân cực trong vùng tích cực bởi một hiệu điện thế dc V GS

Q-point được đặt tại (I D , V DS )=(1.56 mA, 4.8 V) với V GS =3.5 V

Tổng điện áp giữa hai cực gate và source: v GS V GS v gs

1 V p-p thay đổi ở v GS dẫn đến 1.25 mA p-p thay đổi ở i D và 4 V p-p thay đổi ở v DS

48

1.9 Mô hình tín hiệu nhỏ của MOSFET

50

1.9 Mô hình tín hiệu nhỏ của MOSFET

51

1.9 Mô hình tín hiệu nhỏ của MOSFET

• Vì cực gate được cách li khỏi kênh

bởi cổng-trở kháng vào của

transistor là rất lớn

• Các tham số tín hiệu nhỏ được điều

khiển bởi Q-point

• Với cùng một điểm hoạt động,

MOSFET có độ hỗ dẫn cao hơn và

trở kháng ra thấp hớn so với BJT

Độ hỗ dẫn:

D

I n

K TN

V GS

I m

I

DS

V o

I

DS

V o

r m

g f

21

53

1.9 Mô hình tín hiệu nhỏ của MOSFET

54

For  VDS<<1 1.9 Mô hình tín hiệu nhỏ của MOSFET

1.10 Chế độ hoạt động tín hiệu nhỏ của MOSFET

i D

I D

K D

i

Vì tính tuyến tính, i d tỉ lệ với v gs

Vì MOSFET có để được phân cực bởi (V GS - V TN) lên đến vài volts, nó

có thể xử lí các giá trị của v gs lớn hơn các giá trị tương ứng của v be cho BJT

Thay đổi trong dòng mán tương ứng với chế độ hoạt động tín hiệu nhỏ:

4.02

)(

2.0

V GS

V gs

v D I

m g D I d i

i

GS

v DS

V gs

v 0.2

56

với Q-point (25 mA, 10 V) Tìm giá trị lớn nhất của vgs ở chế độ hoạt động tín hiệu nhỏ Nếu một BJT được phân cực ở cùng Q-point, tìm giá trị tương ứng lớn nhất của vbe

Ví dụ 8

57

Ví dụ 8: Một MOSFET transistor với Kn = 2.0 mA/V2 và λ = 0 hoạt động với Q-point (25 mA, 10 V) Tìm giá trị lớn nhất của vgs ở chế độ hoạt động tín hiệu nhỏ Nếu một BJT được phân cực ở cùng Q-point, tìm giá trị tương ứng lớn nhất của vbe

Đáp án: 1 V, 0.005 V

Ví dụ 8

60

μA, 5 V) và (5 mA, 10 V) b) Phân tích sơ đồ được cho để tìm giá trị

Ví dụ 9

1.11 Mô hình tín hiệu nhỏ của JFET

Vì JFET thường hoạt động với

gate được phân cực ngược,

V gs

v 0.2

D I DSS I

P

V P

V GS V

DS

V o

r m

1.11 Các tham số tín hiệu nhỏ của JFET

T V SG

I G I GS

v G

i y

11

1



) (

2 2

2 point

Q 21

P

V GS

V P

V DSS I

P

V GS

I GS

v D

i y

m g

D I DS

v D

i y

1

point Q

V GS

v DSS

I

D

2 1

v SG

I G

i

62

Dòng mán phụ thuộc vào điện áp ngưỡng và điện

áp ngưỡng phụ thuộc vào v SB

Back-gate transconductance:

0<η<1 is called back-gate tranconductance parameter

Bulk terminal là một diode được phân cực nghịch

Vì vậy, sự dẫn sẽ không diễn ra từ cực bulk tới các cực khác



 g m m

g SB

v TN V TN

V D i

SB v D i BS

v D

i mb

g

po Q

po Q po

int

int int

1.12 Hiệu ứng thân trong MOSFET bốn cực

64

1.12 Hiệu ứng thân trong MOSFET bốn cực

• Trong nhiều mạch điện, đặc biệt là IC, cực bulk và cực source

của MOSFET bằng cách thay đổi điện áp ngưỡng Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng thân(Body Effect)

65

Kết thúc chương 1