GIÁO TRÌNH MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ

GT ĐIỆN TỬ CƠ BẢN KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ Trong chương 5, ta xét mạch khuếch đại tín hiệu lớn, vO, vI tuân theo qui tắc bảo hoà, MOSFET vùng bảo hoà Hệ thức tín hiệu – tín hiệu vào cho: v =V − K ( vI − VTH ) R O S L hệ thức khơng tuyến tính vI vO (H.6.1) vO VS 5V vO = vI – VTH vO 1V vI VTH 1V 2V vI • • •  6.1 Khuếch đại tín hiệu nhỏ Hệ thức khơng tuyến tính gây khó khăn cho việc phân tích thiết lập mạch khuếch đại Để có mạch khuếch đại tuyến tính: Phân cực DC chọn tốt trung điểm vo dải hoạt động ngõ vào  điểm hoạt động VS Điểm hoạt động Đặt chồng tín hiệu nhỏ lên ( VI, VO) phía VI  Đáp ứng tín hiệu nhỏ xem gần tuyến tính • Ta xét chi tiết bằng: ∆vO - 1) Đồ thị - 2) Tốn học - 3) Nhìn từ mạch VTH ∆vI vI • • • 1) Phương pháp đồ thị Chọn điểm hoạt động tốt: trung điểm dải hoạt động ngõ vào Cho tín hiệu vào hữu ích (xem lại trước) vO VS VS Điểm hoạt động VO VI,VO RL Tín hiệu vào hửu ích vo • vO = vI - VTH + VTH vI vI Điện phân cực - (Điện offset) + VI - VI vI = VI + vi vO = VO + vo • • • • • • • • • Phương pháp toán học phương pháp khai triển chuổi Taylor hàm y=f(x) chung quanh x = Xo cho: df d2 f y = f ( x) = f ( Xo ) = ( x − Xo ) + ( x − X o ) + xo chung quanh2!điện dxSCS d xthếxophân cực VI Với VI tương ứng với Áp dụng vào phương trình MOSFET Xo, x tương ứng với VI + vi, x – Xo tương ứng với vi y tương ứng với iD = ID + id , ta được: iD = f ( VI + vi ) = K ( VI + vi ) − VTH  2 Nếu tín hiệu gia tăng vi đủ nhỏ để bỏ qua số hạng bậc hai,ta lại: K ( VI − VTH ) K = + K ( VI − VTH ) vi + vi2 2 Ta viết lại: K ( VI − VTH ) iD = + K ( VI − VTH ) vi 2 • Dưới dạng: K ( VI − VTH ) iD = I D + id = + K ( VI − VTH ) vi 2 • Với thành phần DC thành phần gia tăng: K V − V ( I TH ) , id = K ( VI − VTH ) vi ID = • Đồ thị biểu diễn: iDS Nhận xét: iD K ( VI − VTH ) = h.s., DCbias id = K ( VI − VTH ) vi = g m vi Ids ID = K ( vGS − VTH ) Điểm phân cực ID Vgs gm hệ số hỗ dẫn Vá: VGS = VI vTH VI vi vGS Với mạch khuếch đại, ta biểu diễn điện tổng cộng vO bằng: vO = VO + vo vO = VS − iD RL Do đó: VO + vo = VS − ( I D + id ) RL = VS − I D RL − id RL • • VO = VS − I D RL Độ lợi điện tín hiệu nhỏ: vo = −id RL = − g m vi RL vo Av = = − g m RL = h.s vi Độ lợi tín hiệu nhỏ: vO = VS − RL K ( vI − VTH vI = VI + vi ) R K VO =VS − L VI −VTH ( ) vi = VI RL K R K = VS − L R K = VS − L vO = VS − VO + vo = VS − ( [V + vi ] − VTH ) ( [V − VTH ] − vi ) ( [V − VTH ] + [ VI − VTH ] vi + vi2 RL K ( [ VI I I I ) − VTH ] − RL K [ VI − VTH ] vi ) vo = − RL K ( VI − VTH ) vi gm Độ lợi điện thế: • vo = − g m RL vi vo AV = = − g m RL vi • • Cách khác: Đạo hàm vO: vo = dvO d  RL K 2 = V − v − V ( ) I TH  S ÷ v = V vi dvI dvI   I I Độ dốc VI vo = − K ( vI − VTH ) RL vI = VI vi = − K ( VI − VTH ) RL vi • • = − g m RL vi Trùng hợp với kết cách tính Lưu ý: Mặc dầu độ lợi số gmRL, gm độ lợi phụ thuộc vào điểm phân cực mạch khuếch đại Điều chứng tỏ với nhỏ từ điểm hoạt động DC, kết có khuếch đại tuyến tính Kết tạo nên mơ hình tín hiệu nhỏ • Tóm lại, mơ hình tín hiệu nhỏ phát biểu kiểu đặc biệt phân giải tuyến tính mạch điện, chúng áp dụng đáp ứng mạch mong muốn tín hiệu mà biểu diễn xáo trộn trị số hoạt động DC, • Nói cách khác phát biểu kiểu đặc biệt trái với thông dụng mạch điện gọi qui tắc tín hiệu nhỏ, cho phép đạt tính chất tuyến tính từ mạch khơng tuyến tính dải nhỏ hoạt động • Mơ hình tín hiệu nhỏ  Đáp ứng mạch thay đổi nhỏ từ điểm hoạt động DC biết làm tuyến tính xấp xĩ tốt Một phương pháp có tính hệ thống để tìm đáp ứng gia tăng nhỏ tín hiệu dựa thảo luận trước liên quan đén hai bước: Tìm điểm hoạt động DC mạch điện sử dụng trị số DC hồn thành đ8ạc tính linh kiện Áp dụng phương pháp triển khai Taylor đáp ứng tín hiệu lớn để rút đáp ứng tín hiệu nhỏ Lần lượt thay mạch tín hiệu lớn mạch tín hiệu nhỏ với mơ hình tín hiệu nhỏ dựa vào khai triển Taylor để có đáp ứng tín hiệu nhỏ  Do mạch tuyến tính, ta áp dụng định luật, định lý tuyến tính để phân giải mạch 10 • Ta có: ids = = K ( vDS − VTH ) • • + VDS vds = K ( VDS − VTH ) vds vds r Trong cách khác: vds = • D diDS vds dvDS VDS r= ids K ( VDS − VTH ) K ( VDS − VTH ) S Lưu ý 1/K(VDS –VTH) số, vds tỉ lệ thuận với ids, hệ thức điện trở Đáng ý MOSFET với cực cổng cực thoát nối vào có tính chất giống điện trở với trị số điện trở 1/ K(VDS – VTH) vào tín hiệu nhỏ Mạch tín hiệu nhỏ tương đương cho phần tử nói rõ H Trên Vì tính chất điện trở tín hiệu nhỏ, MOSFET với điện trở lớn dễ chế tạo điện trở, MOSFET thường dùng điện trở tải mạch khuếch đại 16 6.4 Mạch tín hiệu nhỏ Mạch khuếch đại MOSFET Nhớ lại để triển khai mơ hình tín hiệu nhỏ liên quan đến bước sau: • • • Đặt nguồn vào trị điểm hoạt động, xác định điện dòng điện điểm nhánh hoạt động thành phần mạch Xác định tính chất tín hiệu tuyến tính hố, chọn thành phần tuyến tính để biểu diễn tính chất Thay thành phần ban đầu mạch với mạch tương đương tuyến tính hố ghi nhản lại mạch với biến nhánh tín hiệu nhỏ Mạch kết mơ hình tín hiệu nhỏ mong muốn - Ở bước thứ nhứt, xác định điểm hoạt động mạch khuếch đại MOSFET với điện phân cực sử dụng mơ hình mạch tín hiệu lớn SCS hình sau Giả sử điện phân cực ngõ vàolà VI, xác định dòng hoạt đơng ngõ ID điện hoạt động ngõ VO Chúng ta chứng tỏ nguồn cấp điện VS để dễ dàng dẫn suất mô hình tín hiệu nhỏ 17 • • • Dòng điện hoạt động ngõ ID tinh trực tiếp hệ thức đặc tính MOSFET như: K ( ) I D =ngõcung VI −cấp VTH có cách áp dụng định luật Kirchhoff cho vòng Điện hoạt động bao gồm nguồn, MOSFET, RL sau: vs vo RL vo • + iD=K(vi-VTH)2/2 vi + ids=K(VGS-VTH)vgs ids=gmvgs RL - vi - VO = VS − I D RL = VS − K ( VI − VTH ) RL 18 • Bước thứ hai, xác định mơ hình tín hiệu nhỏ tuyến tính hố cho phần tử Ta nhớ lại mơ hình tín hiệu nhỏ nguồn cung cấp nối tắt Mơ hình tín hiệu nhỏ cho điện trở giống mơ hình tín hiệu lớn Cuối cùng, mơ hình tín hiệu nhỏ tuyến tính hố cho MOSFET vùng bảo hồ nguồn dòng phụ thuộc điện mà dòng tín hiệu nhỏ liên hệ tuyến tính với điện cổng - nguồn tín hiệu nhỏ: • • Ở bước thứ ba, thay phần tử gốc mạch với tương đương tuyến tính hố ghi lại nhản mạch với biến nhánh tín hiệu nhỏ vi, vo, id nhu vẽ H sau i = K ( V −V )v Mơ hình mạch tín hiệu dnhỏ có thểGS phân TH tích gs để xác định đáp ứng mạch tín hiệu nhỏ Thí dụ, xác định độ lợi tín hiệu nhỏ mạch khuếch đại MOSFET Áp dụng KVL ngõ ra, ta đặt: • vo = −id RL = − K ( VI − VTH ) vi RL 19 • Do đó, độ lợi tính hiệu nhỏ cho: vo = − K ( VI − VTH ) RL vi • Với : vo = − g m RL + g m = K ( VGS − VTH ) • ids=K(VGS-VTH)vgs ids=gmvgs vi RL - Là hệ số hỗ dẫn MOSFET K ( vGS − VTH ) ⇒ ∂ K 2 ids = v − V ( ) GS TH  ∂vGS  iDS = vGS =VGS vgs = K ( VGS − VTH ) vgs = g m vgs 20 • • Thí dụ: Tính độ lợi tín hiệu nhỏ mạch khuếch đại có thơng số sau: VS = 10V , • • RL = 10k Ω, VT = 1V Giả sử điện phân cực chọn để có VI = 2V Tính : VO = VS − • K = 1mA / V , Độ lợi thế: K ( VI − VTH ) RL 1.10−3 = ( 2V − 1V ) 10.103 = 5V vo AV = = K ( VI − VTH ) RL vi = 10−1 ( 2V − 1V ) 10 = 10 21 6.3 Chọn điểm hoạt động • • Khi muốn chọn tín hiệu nhỏ, tiêu chuẩn khác quan trọng chọn lựa chọn điểm hoạt động dải động cực đại Một tiêu chuẩn độ lợi tín hiệu nhỏ mạchn khuếch đại Độ lợi tín hiệu nhỏ mạch khuếch đại phụ thuộc vào điện điểm hoạt động ngõ vào VI Độ lớn độ lợi tín hiệu nhỏ cho bởi: Av H 6.3 biểu diễn độ lớn v AV = o = K ( VI − VTH ) RL vi độ lợi thay đổi theo trị số VI 10 VTH = 1V VI 22 • • Thí dụ 2: Cho mạch khuếch đại có thông số: VS = 10V , K = 1mA / V , RL = 10k Ω, VT = 1V • Hảy xác định trị số điện điểm hoạt động VI cho có độ khuếch đại 12 • Thay trị số vào biểu thức độ lợi cho: Av = vo = K ( VI − VTH ) RL vi 12 = 1.10−3 ( VI − 1) 10.103 ⇒ • • 12 + 10 Điều có nghĩa VIrằng = với một= điện 2, 2Vthế DC ngõ vào 2,2 V cho kết độ lớn độ lợi 12 10 23 • • Xác định trị số đỉnh - đỉnh cực đại đu đưa tín hiệu sinus Theo tiêu chuẩn bảo hồ chương 5, dải trị số cực đại hợp lý (có hiệu lực) điện ngõ vào là: VTH • • −1 + + 2VS RL K → + VTH RL K Với thông số cho, dải hiệu lực điện ngõ vào từ 1V  2,32V Theo thảo luận chương 5, điện ngõ vào V MOSFET hoạt động vùng cutoff, điện ngõ vào 2,32V MOSFET hoạt động vùng triod Hoạt động vùng cutoff vùng bảo hoà kết dẫn tới biến dạng tín hiệu Vì điện offset vào(DC) 2,2 V điện vào cực đại hợp lý 2,32 V, trị số dương cực đại đu đưa MOSFET hoạt động vùng bảo hoà 2,32 V – 2,2 V = 0,12 V Do đó, trị số đỉnh-đỉnh cực đại đu đưa tín hiệu sinus ngõ vào 2X0,12V = 0,24V 24 • • • Lưu ý là, ta tác động giửa độ lợi dải động Để tăng độ lợi, ta phải phân cực mạch khuếch đại với điện vào lớn, điều liên quan đầu cuối phía cao dải tín hiệu vào Tuy nhiên, điện phân cực cao làm giới hạn đu đưa trị số đương tín hiệu Tiêu chuẩn quan trọng khác điện điểm hoạt động Điều quan trọng mạch khuếch đại phải thúc( drive) tầng mạch khác ghép chuổi điện điểm điều hành ngõ mạch khuếch đại xác định điện điểm điều hành ngõ vào tầng Thí dụ: Xét mạch khuếch đại ghép hai tầng H .Trong mạch VIA tạo điện phân cực cho tầng đầu Ngõ tầng VOA cung cấp điện chom tầng thứ hai Do VOA = VIB • Giả sử với thơng số sau: • Cho biết tầng đầu phân cực VIA = 2,2 V để có độ lợi 12 VS = 10V , K = 1mA / V , RL = 10k Ω, VT = 1V 25 • Xác định điện điểm hoạt động ngõ Vs tầng đầu cung cấp Vs điện phân cực ngõ R R vào hợp lý tầng thứ hai Điện điểm hoạt + động ngõ tầng đầu: + + VOA = VIB Vo =VOB K VIA VOA = VS − ( VIA − VTH ) R −3 Mà theo trên1.10 ta có dải hợp lý 1V  2,32V , nên VOA vượt trị số phiá ( 2,8V > 2,32V) = 10kết − luận − 1thứ ( 2,tầng ) 10.10 ta phải nhứt tạo điện phân cực ngõ vào hợp lý cho tầng phân cực tầng thừ nhứt 2,2 V Chúng ta điều chỉnh cách thứ hai điện gia tăng = 2,8VIA, V tăng trị số điện trở R tầng thứ nhứt 26 Một số mạch phân cực cho mạch khuếch đại MOSFET Thí dụ 3: Cho mạch khuếch đại MOSFET H MOSFET có VTH = 1V, K = 1mA/V Xác đònh đặc tính tín hiệu vào – cực đại mạch khuếch đại • Mạch phân cực cầu chia cho : R3 20k Và: VOA = VB = R1 84k 16 10V = 1, 6V 84 + 16 Vs - Để tránh R3 biến K dạng, ta chọn R−= 22k ( VOA − VTH ) = 10 − 1.10 Q 10V ta có trường hợp thí dụ trước vO = VS − + , có: ( 1, − 1) 2.10 + R2 16k = 2,8V VB - + vGS - + VO - R3 K 2 ( VOA − VTH ) = 10 − 1.10−3 ( 1, − 1) ( 2, 2.104 ) = 10V − 7,92V = 2, 08V vO = VS − 27 • • Thí dụ 4: Xét mạch khuếch đại MOSFET có trị số sau: VS = 5V , • K = 1mA / V , RL = 10k Ω, VT = 1V Vì mạch khuếch đại hoạt động điều kiện bảo hoà với điện ngõ vào dải 1V  1,9V, ta phải chọn điện điểm hoạt động ngõ vào trung điểm dải VIN = 1,45V Sự chọn lức biểu diễn sau: vO (x) Vs 5V (1,45V, 4V) vO > vIN - VTH VO 4V 0,9V • • • (y) vo = vIN – VTH 1V 1,45V 1,9V vo < vIN – VTH VTH VIN vIN 28 • Đồ thị: iDS 0,5 mA 0,41 mA vGS = 1,9 V Điểm hoạt động ( 4V, 0,1 mA) 0,1 mA vGS = 1,45 V mA • • • • vGS = 1V 0,9V 4V 5V vDS Như thấy, ngõ thay đổi 0,9V 5V điện ngõ 1V 1,9 V Theo mơ hình MOSFET SCS, cho: VIN − VTH ) ( VO = VS − K RL 2 ( 1, 45 − 1) = − 10−3 = 4V K I D = ( VIN − VTH ) 10−3 = 1, 45 − ( ) = 0,1mA 29 • Do đó, điểm hoạt động mạch khuếch đại xác định bởi: VIN = 1,45 V VO = 4V ID = 0,1 mA • • Điểm hoạt động làm cực đại điện vào đỉnh - đỉnh đu đưa cho mạch khuếch đại hoạt động điều kiện bảo hoà Mạch khuếch đại với điểm hoạt động chọn cho: - Điện vào cực đại đu đưa trị số dương 1,45V  1,9 V - Điện va cực đại đu đưa trị số âm 1,45V  V - Điện cực đại đu đưa 4V  0,9 V 4V  5V • • Mặc dầu chọn điểm hoạt động vào trung tâm dải điện vào, dải điện không đối xứng Sự không đối xứng độ lợi mạch khuếch đại không tuyến tính Sau ta xét trường hợp khuếch đại tuyến tính ( tín hiệu nhỏ) 30 ... thành đ8ạc tính linh kiện Áp dụng phương pháp triển khai Taylor đáp ứng tín hiệu lớn để rút đáp ứng tín hiệu nhỏ Lần lượt thay mạch tín hiệu lớn mạch tín hiệu nhỏ với mơ hình tín hiệu nhỏ dựa vào... muốn chọn tín hiệu nhỏ, tiêu chuẩn khác quan trọng chọn lựa chọn điểm hoạt động dải động cực đại Một tiêu chuẩn độ lợi tín hiệu nhỏ mạchn khuếch đại Độ lợi tín hiệu nhỏ mạch khuếch đại phụ thuộc... hết mạch điện nối tắt vào mass (ground) mạch gia tăng nhỏ Mơ hình tín hiệu nhỏ có nguồn dòng độc lập DC mạch hở Điện trở có tinh chất đồng cho tín hiệu lớn tín hiệu nhỏ Do mơ hình tín hiệu lớn tín