MẠCH KHUẾCH ĐẠI MOSFET

GT ĐIỆN TỬ CƠ BẢN Khuếch đại MOSFET 5.1 Khuếch đại tín hiệu • Sơ đồ mạch khuếch đại hai cãng) cho xử lý tương tự số Nguồn cấp điện • AMP IN 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 nhiễu AMP kênh truyền tín hiệu khuếch đại Mạch khuếch đ làm lớn điện dòng tín hiệu vào hai Ta có đònh nghóa: Độ lợi thế: AMP vi ii i o vo Av  VO Vi AV  dB   20log  AV  AMP vi Độ lợi dòng: vo AI  Io Ii AI  dB   20 log  AI  Độ lợi công suất: Ap  AV AI  Vo I o Vi I i A dB   10 log  Ap  vo P  Vs AMP vi 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 Cảng ngõ + i1 vi io vo • Nguồn dòng kiểm thế: I  f V   K V R K V  IR  R V Thí duï: K= 10 -3 + - V I =f(V)=K/V Amp Volt Hay: V2 = KR V  KR  103.103  1Volt • + Vs Nguồn phụ thuộc khác iD  f  vi   K v  i  R iiN vi �1 otherwise vI + iD + ID Vo - Vậy Vo hàm số vi • • Giải theo Đònh luaät Kirchhoff, cho: VS  iD RL  vo  vo  VS  K  vI  1 RL vI �1 v 1 V S I • Thí dụ: Cho mạch có nguồn dòng kiểm có dòng phụ thuộc điện áp vào io = f (v I) Giả sử phân tích mạch ngõ nguồn dòng phụ thuộc điện ra: iO = f (vI) = −gmvI Theo maïch cho ta: Do vo  io  f  vI  R f  v I    g m vI vI + RI iI - RL io=f(vI) • Thay vào trên, độ lợi thế: vO   g m RL kiện sau.] vI Av  [ triển khai khuếch với linh • io theoiI Ta coù: iO RL   g m RL iI RI iO   g m RI iI • Độ lợi dòng điện: Ai  • PO theo PI: iO   g m RI iI vI + RI iI - RL io=f(vI) f  v I    g m vI vO iO  g m2 RL RI vI iI PO  g m2 RL RI PI AP  PO  g m2 RL RI PI • Do đó, nguồn phụ thuộc tạo đôr5 lợi công suất g RL RI  m lốn đơn vò • Nguồn dòng kiểm dòng • Xét mạch điện cho ta vO theo vI giả sử ngõ dòng điện phụ thuộc vào dòng ñieän: iO  f  iI     iI Ta có: vO  iO  f  iI  RL Thay vào: vO  f  iI     iI RL v iI  I RI vO    Ta có độ lợi theá: RL vI RI vO  RL    khuếch đại A dùng BJT] V vI RI • [ xét mạch 5.3 Đặc tuyến MOSFET thực • Trong chương trước, ta xé MOSFET hoạt động giao hoán (on/off), Dưới ta xét đặc tuyến MOSFET hoạt động khuếch đại (tương tự) iDS i DS vGS �VTH vDS vuøng Triod R ON iDS vDS = vGS – VT v GS1 � vùng bảo hoà vGS2 vGS3 vDS VTH vGS < VTH vGS vDS vDS SR model Model SCS xác VTH GS < model Model SRvvà S vDS SCS Model MOSFET giống nguồn dòng 10 5.5 Mạch khuếch đại MOSFET tín hiệu lớn • Phân tích tín hiệu lớn nghóa tìm tính chất mạch khuếch đại nhưn với sữ thay đổi lớn tín hiệu vào, nói cách khác, làm thay đổi độ lớn thông số hoạt động mạch khuếch đại • Phân tích tín hiệu lớn xác đònh dải ngõ vào cho mạch khuếch đại theo qui tắc bảo hoà thảo luận • Ta áp dụng phương pháp phân giải đồ thò để phân giải • Với tín hiệu lớn, đường thẳng tải cắt vùng triod, cho bởi: vO  vI  VTH • Và giao điểm đó, vùng bảo hoà cho: • Thay vào, được: vO  VS  v V   K i TH 2 RL 19 • Đồng hai vế, cho: vi  VTH    VS  K RL 2 vO  vI  VTH Sắp xếp lại cho: K RL  vI  VTH    vI  VTH   VS  • Giải phương trình bậc hai được: vO  vI  VTH vI  VTH 1   KRLVS  KRL 1   KRLVS  KRL • Tóm lại: Dải điện ngõ vào cực dại là: • 1   KRLVS VTH � vI  VTH  KRL Dải điện áp cực đại: 1   KRLVS V � Dải sóng thoátS tương ứng: KRL K �  vI  VTH  20 • Phân tích đồ thò: iDS K iDS � vO2 K  v V  iD  i TH iDS  vI vI  VTH vO 1   KRLVS KRL 1   KRLVS vO  KRL iDS VS vO   RL RL VS v  O RL RL vI  VTH vO  VS , & iDS  21 Thí dụ1: Cho mạch khuếch đại MOSFET có:R L = 10 k VS= 5V, K = mA/V2,, VTH = V Xác đònh dải điện ngõ vào mạch khuếch đại Theo ta biết trò số thấp dải điện ngõ vào VTN = 1V Trò số tương ứng vo VS = V dòng điện iD= Tiếp đó, ta có trò số cao điện ngõ vào vùng hoạt động 1  bảo KRLVShoà mạch khuếch v  V  i max TH đại MOSFET có thay KRL trò số vào phương trình trên:  1 , 1    1.103   1.104     1.10   1.10  3  1,9V v  v V  1,9V  1V  0,9V O I TH số tương ứng v i : ta tính trò o o K 1.103 2 iD   vi  VTH   1,9     0, 41mA 2 22 • Tóm lại dải trò số cực đại điện vào: 1V  1,9 V • Và dải trò số cực đại ngõ ra: 5V  0,9 V • Dải dòng điện thoát tương ứng: mA  0,41 mA • Ta có đồ thò mạch khuếch sau: iDS 1,9 V • ( 0,9V, 0,41 mA) 0,5 mA v GS = vGS = 1V (5V, mA) 5V 0,9 vDS 23 • Tóm lại: Phân tích tín hiệu xác đònh đường cong chuyển vào – mạch khuếch đại giới hạn điện vào mạch khuếch đại hoạt động điều kiện bảo hoà • Đặc biệt, phân tích tín hiệu mạch khuếch đại bao gồm bước sau: Rút hệ thức vi vo điều kiện bảo hoà Lưu ý cách tổng quát điều phải phân tính tuyến tính hoàn toàn không tuyến tính Tính dải điện vào hợp lý dải điện hợp lý cho hoạt động bảo hoà Những giới hạn dải hợp lý xảy MOSFET vào vùng ngưng dẫn vùng triod Trong mạch phức tạp, bước đòi hỏi phải phân giải (phân tích toán học- giải tích) Một cách nghó khác, giới hạn xác đònh phân tích tín hiệu lớn dẫn tới cách xác đònh điểm hoạt động mạch khuếch đại, xèt đoạn tới 24 5.6 Chọn điểm điều hành • Theo thướng ta chọn điểm Q trung điểm đường tải tỉnh, để tín hiệu vào đu đưa quanh điểm Q ( tín hiệu có biên độ cực đại đối xứng quanh điểm Q): 25 • 5.6 Chọn điểm điều hành Theo thướng ta chọn điểm Q trung điểm đường tải tỉnh, để tín hiệu vào đu đưa vI iDS Vs/RL K iDS � vO2 A B quanh điểm Q (tín hiệu IDS có biên độ cực đại đối xứng quanh điểm Q): VS vDS V GS VDS • Điểm tỉnh di chuyển đường thẳng tải có tín hiệu tác động cực cổng 26 • Do phải dùng điện DC phân cực ngõ vào hay điện hoạt động ngõ vào Điện dòng điện tương ứng xác đònh điểm hoạt động mạch khuếch đại • Lưu ý trò số điểm hoạt động tỉnh v I, vO, iD VI, VO Và ID tương ứng Điểm hoạt động phải vò trí dài đường thẳng tải dải bảo hoà có hiệu lực giửa điểm cực tiểu (M) điểm (N) vùng triod • Có nhiều thừa số chi phối chọn lựa điểm hoạt động Ví dụ, - Điểm hoạt động quyét đònh dải động cực đại tín hiệu vào trò số dương âm mà MOSFET hoạt động vùng bảo hoà - Trò số điểm hoạt động tín hiệu vào chi phối độ lợi mạch khuếch đại Trong đoạn ta trọng vào việc chọn điểm hoạt động dựa làm cực đại dải tín hiệu vào hửu dụng Về hệ thức độ lợi mạch khuếch đại điểm hoạt động xét chương sau 27 • Thí dụ : • Cho mạch khuếch đại MOSFET thí dụ 1, MOSFET hoạt động điều kiện bảo hoà với dải điện vào 1V 1,9V, ta phải chọn điện vào điểm hoạt động trò số trung tâm dải động đó, gọi Vi = 1,45V Sự chọn lựa biểu diễn hình vẽ lại đây: iD(mA) 0,5 0,41 V GS = 1,9V Điểm hoạt động Q(4V, 0,1 mA) v GS = 1,45V vGS = V 0,1 0,9 v DS Ta biết ngõ thay đổi 0,9V 5V ngõ vào thay đổi giửa 1V 1,9V 28 • Tính điện ngõ ra: vO  VS vi  VTH   K • • Và:  4V • [1,45V,4V] • 2 RL 3  1, 45  1   10 2 104 5V 4V K 1.103 2 iD   vi  VTH    1, 45  1 2  0,1mA Do điểm hoạt động mạch khuếch đại: 1,9V 0,45 vo 0,9 V vI VI = 1,45V vO=vI -VTH 1V 1,45V 0,45 VO = 4V ID = 0,1 mA Điểm hoạt động làm cực đại trò số đỉnh – đỉnh điện vào đu đưa (swing) Để cho mạch khuếch đại hoạt động điều kiện bảo hoà 29 • 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 16cho : VB  10V  1, 6V 84  16 R1 84k Vs + Q 10V - theo đònh luật KVL cho: vGS = VB – vI Vaø: vO  VS  R3 20k + R2 16k VB - + vGS - + Vi - + VO - R3 K 2 V  v  V  10  10 0,6  v  B I TH   I Khi vI =0  vO = 6,4V Ta coù: vO  vI �VB  vI  VTH �0 vùng bảo hoà Dải ngõvào: 0,3695V �vI �0, 6V Dải ngõ ra: 0, 6V �vO �10V MOSFET hoạt động 30 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 � �gọi mô �hình giao hoán thống vDS bảo hoà K v  V v  vGS �VTH & vDS �vGS  VTH   TH DS � GS �, hay mô hình� SU MOSFET � � � • Mô hình SU � có K  v thể  V  tóm tắt sau: � iDS  � � �0, � � � GS TH , vGS �VTH & vDS �vGS  VTH vGS  VTH 31 • Đặc tuyến mô hình SU iDS vùng Triod vDS = VGS - VTH Vùng bảo hoà vGS6 vGS5 vGS4 vGS > VTH vGS3 vGS2 vGS1 vDS vùng ngưng vGS < VTH 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 32 • Thí dụ 3: • Cho mạch H , với MOFET M1 có K = mA/V2, VTH = 1V, v I = 5V; M2 coù: K = 64 mA/V2, VTH = 1V, v I = 2V = Chứng tỏ M1 hoạt động vùng bảo hoà, M2 hoạt động vùng triod • Ta tính được: • M1 hoạt động vùng bảo hoà, có v GS = – vO, thay vào: iD1  K  vGS  VTH   103   vO  Vs 10V • M2 hoạt động vùng triod, phải cho: iD � K�  vGS  VTH �  vDS M1 � vDS  � � + 5V • Đồng nhất� hai phương v � trình, cho: 3  64.10 - vO  O � � � � vo M2 + 2V � vO2 � iD  10   vO   64.10 �vO  � • Giaûi cho : � 2� • vO = 0,25V 33vO2  72vO  16  • • 3 3 - VGS1=5-0,25 =4,75>VTH = 1V vDS = 10V-0,25V=9,75V>5 -1 =4V VGS2 >VTH vDS2 = 0,25V