tài liệu điện tử cơ bản chương 4

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐIỆN TỬ CƠ BẢN TS NGUYỄN LINH NAM Chương 4: FET VÀ MẠCH ỨNG DỤNG Mục tiêu chương: - Trình bày cấu tạo, ký hiệu, đặc tuyến, nguyên lý hoạt động tham số FET - Giải thích khác loại FET, FET BJT - Giải thích tính tốn mạch điện tử ứng dụng dùng FET - Áp dụng kiến thức FET thực tế Giới thiệu chung FET Dòng vào BJT phần tử điều khiển dòng Bộ khuếch đại Dòng Điện áp vào FET phần tử điều khiển áp Bộ khuếch đại Dòng Ưu nhược điểm FET so với BJT Một số ưu điểm:  Dòng điện qua FET loại hạt dẫn đa số tạo nên Do FET loại cấu kiện đơn cực (unipolar device)  FET có trở kháng vào cao  Tiếng ồn FET nhiều so với transistor lưỡng cực  Do khơng bù điện áp dòng ID = nên FET có khả ngắt điện tốt  Có độ ổn định nhiệt cao  Tần số làm việc cao Một số nhược điểm: Nhược điểm FET hệ số khuếch đại thấp nhiều so với BJT Giống khác FET so với BJT Giống nhau:  Sử dụng làm khuếch đại  làm thiết bị đóng ngắt bán dẫn  Thích ứng với mạch trở kháng Một số khác nhau:  BJT phân cực dòng, FET phân cực điện áp  BJT có hệ số khuếch đại cao FET thấp  FET có trở kháng vào lớn  FET nhạy cảm với nhiệt độ, nên thường sử dụng IC tích hợp  Trạng thái ngắt FET tốt so với BJT Phân loại FET FET JFET N MOSFET P DE-MOSFET N P E-MOSFET N P -Junction Field Effect Transistor (JFET): Transistor trường điều khiển tiếp xúc P-N (hay gọi transistor trường mối nối) -Insulated-gate Field Effect Transistor (IGFET): Transistor có cực cửa cách điện Thơng thường lớp cách điện dùng lớp oxit nên gọi metal-oxide- semiconductor transistor (viết tắt MOSFET), chia làm loại: + MOSFET kênh có sẵn (DE-MOSFET) + MOSFET kênh cảm ứng (E-MOSFET) ký hiệu N SFET kênh sẵn PP NN JFET a).a).JFET P P N N P MOSFET kênh c) MO b).b) MOSFET kênh sẵnsẵn c) MOSF P N c) MOSFET kênh cảm ứng Sơ đồ phân cực cố định (2)  PT Krichoff cho vòng đầu vào ta có: VGG  U GS  U GSQ  VGG  UGS = const  phân cực cố định  Đường thẳng UGS = -VGG gọi đường phân cực  Xác định IDQ qua PT truyền đạt   U GSQ I DQ  I DSS 1    U GS ( off )    PT Krichoff cho vòng đầu  PT đường tải tĩnh VDD  I D RD  U DS  U DSQ  VDD  I DQ RD Sơ đồ phân cực cố định (3)  Minh hoạ điểm công tác tĩnh đồ thị Đặc tuyến Đặc tuyến truyền đạt IDmax=10mA UGS= 0V UGS= -1V Đường phân cực UGS = -VGG=-2V Q IDQ Đường tải tĩnh Q UGS= UGSQ=-2V UGS= -3V UGS= - 4V UGS= - 6V -2V UGS(off) UDSQ= 8,75V UGS= UGS(off)=-8V UDSmax= 20V Sơ đồ tự phân cực (1)  Sơ đồ tự phân cực cho JFET VDD VDD RD RD C2 Ur C1 Uv RG RG RS a) sơ đồ tự phân cực cho JFET CS RS b) sơ đồ tương đương chế độ tĩnh  Chỉ dùng nguồn chiều VDD để phân cực cho JFET  Dùng thêm điện trở RS, điện áp RS đưa vào cực nguồn S  Tạo UGS < Sơ đồ tự phân cực (2)  PT Krichoff cho vòng đầu vào:  Mà IG  0A nên ta có IG RG  U GS  I D RS  U GS   I D RS (1)  phương trình đường phân cực  Để xác định dòng IDQ UGSQ ta kết hợp (1) PT hàm truyền đạt Shockley:   U  GS I D  I DSS 1    U GS ( off )   (2)  Để xác định UDSQ ta dùng PT Krichoff cho vòng đầu VDD  I D ( RD  RS )  U DS  U DSQ  VDD  I DQ ( RD  RS ) I Đường phân cực U GS   I D RS I DQ U GSQ Đ ặc tuyến truyền đạ t D max  V DD R R D S Đường tải tĩnh I DQ U GS  U GSQ U DSQ § Ỉc tun Sơ đồ tự phân cực (3) VDD=20V  Ví dụ: RD =3,3k C2 Uv VDD=20V RD =3,3k Ur C1 IDSS=6mA Up=-6V RG=10M RG=10M RS=3,3k a) sơ đồ tự phân cực cho JFET CS RS=3,3k b) sơ đồ tương đương chế độ tĩnh  Xác định điểm làm việc tĩnh Q đặc tuyến truyền đạt đặc tuyến Sơ đồ tự phân cực (4) Đặc tuyến Đặc tuyến truyền đạt IDSS = 6mA Đường phân cực UGS = -IDRS UGS= 0V 3,03 Đường tải tĩnh Q -6V UGS(off) -3,465V UGSQ 1,05 Q UDSQ= 13,07V UGS= UGS(off)=-6V UGS= UGSQ=-3,465V UDSmax= 20V Ví dụ: thiết kế mạch phân cực cho JFET với tĩnh điểm Q (VDSQ=15V, IDQ=3.5mA) Thay vào DCLL: R D  RS  VDD  VDSQ 30  15   4.3KW ID Từ đặc tuyến VA: với VGSQ=-1V →RS= VGSQ/ID=1/3.5=286Ω →RD=4KΩ Ví dụ: Cho Vp=-5V, IDSS=10mA Xác định tĩnh điểm Q, biết RG=1MΩ, RD=6.2KΩ, RS=1KΩ, VDD=24V Đặc tuyến truyền đạt FET:  VGS   I D  I DSS 1    V p   Phương trình phân cực: VGS  I D R S 2  IDR S    101  I D   I D  I DSS 1   Vp   -5  Giải phương trình ta xác định dòng ID=1.6mA Thay vào DCLL: VDS  VDD  I D R D  R S   24  1.66.2  1  12.5V Vậy Q: IDQ=1.6mA, VDSQ=12.5V Sơ đồ phân cực phân áp (1)  Sơ đồ phân cực phân áp cho JFET kênh N VDD VDD RD RD C2 R1 Ur R1 C1 Uv UG R2 R2 RS a) sơ đồ tự phân cực phân áp RS CS b) sơ đồ tương đương chế độ tĩnh  Trong sơ đồ này, hai điện trở R1 R2 tạo cầu chia điện áp, cung cấp điện áp cho cực cửa G: UG  R2 VDD R1  R2 Sơ đồ phân cực phân áp (2)  PT Krichoff cho vòng đầu vào:  Để xác định dòng IDQ U G  U GS  I D RS  U GS  U G  I D RS (1) UGSQ ta kết hợp (1) PT hàm truyền đạt Shockley:  U GS  I D  I DSS 1    U GS ( off )   (2)  Để xác định UDSQ ta dùng PT Krichoff cho vòng đầu VDD  I D ( RD  RS )  U DS  U DSQ  VDD  I DQ ( RD  RS ) I Đường phân cực U GS  U G  I D RS I DQ D max  V DD R R D S Đường tải tĩnh I DQ U GS  U GSQ UG RS U GSQ Đ ặc tuyến truyền đạ t UG U DSQ Đ ặc tuyến Phõn cực cầu phân áp: VGG  R1  VDD    R1  R  R G  R1 // R  R1R R1  R DCLL: VDD  VDS  I D R D  R S  KII: VGG  IG R G  VGS  I D R S  VGS  I D R S dòng IG≈0  VGS  VGG  I D R S Thay vào đặc tuyến VA:  VGS   I D  I DSS 1   Vp   →ta xác định ID(Q) Có ID thay vào DCLL xác định VDS(Q) Hai giá trị điểm tĩnh Q Sơ đồ phân cực phân áp (3) VDD=16V VDD=16V  Ví dụ R1=2,1M Uv RD=2,4k C2 RD=2,4k Ur R1=2,1M C1 UG IDSS=8mA UP=-4V R2=270k R2=270k RS=1,5k a) sơ đồ tự phân cực phân áp CS RS=1,5k b) sơ đồ tương đương chế độ tĩnh  Xác định điểm làm việc tĩnh Q đặc tuyến truyền đạt đặc tuyến Sơ đồ phân cực phân áp (4) IDSS=8mA UGS= 0V Đường phân cực U GS  U G  I D RS Đường tải tĩnh 4,1mA Q IDQ=2,4mA Q UGSQ=-1,8V 1,21mA -4V UGSQ=-1,8V Đặ c tuyến truyền đạ t UG=-1,82V UDSQ=6,64V VDD=16V Đặ c tuyến Phân cực hồi tiếp âm (1)  Sơ đồ mạch VDD=12V  Xác định hệ số k hàm truyền đạt: Có: I D  k (UGS  UT )  Cặp điểm làm việc E-MOSFET: UGS(on) ID(on) nên tính hệ số k: RD =2k C2 k I D ( on) (U GS ( on)  U T )  Ur RG=10M Uv C1 6mA  , 24 mA / V (8V  3V )  PT Krichoff cho vòng đầu vào: VDD  I D RD  I G RG  U GS IG =  U GS  VDD  I D RD  Kết hợp với PT hàm truyền đạt : I D  k (UGS  UT )2  PT Krichoff cho vòng đầu ra: VDD  I D RD  U DS   Xác định Q có thơng số: IDQ, UGSQ, UDSQ UT = 3V ID(on)=6mA UGS(on)=8V Phân cực hồi tiếp âm (2)  Điểm làm việc tĩnh Q đặc tuyến truyền đạt đặc tuyến ID(mA) 6mA 6mA IDQ=2,8mA IDQ=2,8mA Q Q UGS = UGSQ=6,4V UUGS U(V) GS GS(V) UT=3V U T=3V UGSQ=6,4V UT UGSma 12V x Đ ặc tuyến truyền đạ t UDS(V) UDSQ=6,4V 12V Đ Æc tuyÕn .. .Chương 4: FET VÀ MẠCH ỨNG DỤNG Mục tiêu chương: - Trình bày cấu tạo, ký hiệu, đặc tuyến, nguyên lý hoạt động tham số FET - Giải thích khác loại FET, FET BJT - Giải thích tính tốn mạch điện tử. ..  Khi UGS = kênh dẫn có tác dụng điện trở tăng UDS Khi UDS tăng đến điện áp xác định, dòng ID đạt giá trị bão hồ (IDSS)  Khi UGS