ĐHQG Tp HCM – ĐHBK Khoa Điện-ĐT–Bộ môn Điện Tử Môn học: Dụng cụ bán dẫn GVPT: Hồ Trung Mỹ Chương Bài tập giải sẵn JFET–AY1112-S1 N-JFET có IDSS = 10mA VTH = –3V Hãy cho biết miền hoạt động JFET người ta đo điện D, G S so với đất trường hợp sau: a) VD = 6V, VG = 2V, VS = 1V b) VD = 6V, VG = 1V, VS = 4V c) VD = 6V, VG = 3.5V, VS = 2V ĐS Qui tắc chung để giải loại toán với N-JFET sau: VGS VTH : miền tắt ID=0 VGS > VTH : (với VDS,sat = VGS – VTH) < VDS < VDS,sat VD –VG < –VTH : miền tuyến tính (cịn gọi miền Ohm hay Triode) VDS VDS,sat VD –VG –VTH : miền bão hòa Áp dụng vào câu a), b), c), ta có kết sau: Trường hợp a) b) c) VGS [V] = VG–VS – = > –3 – = –3 = VTH 3.5 – = 1.5 > –3 VDS,sat [V] –(–3) = VDS [V] = VD–VS 6–1=5>4 1.5 –(–3) = 4.5 – = < 4.5 Miền hoạt động Bão hòa Tắt Triode Nếu xét VGS VDG ta có bảng sau: (cách có lợi hơn, khơng cần tính VDS,sat) Trường hợp a) b) c) VGS [V] = VG–VS – = > VTH = –3 – = –3 = VTH 3.5 – = 1.5 > VTH = –3 VDG [V] = VD–VG – = > –VTH = – 3.5= 2.5 < –VTH = Miền hoạt động Bão hịa Tắt Triode P-JFET có IDSS = 10mA VTH = 4V Hãy cho biết miền hoạt động JFET người ta đo điện D, G S so với đất trường hợp sau: a) VD = –5 V, VG = V, VS = V b) VD = V, VG = V, VS = V c) VD = –6 V, VG = V, VS = –1 V ĐS Qui tắc chung để giải loại toán với N-JFET sau: VGS VTH : miền tắt ID = VGS < VTH : (với VDS,sat = VGS – VTH) > VDS > VDS,sat VD –VG > –VTH : miền tuyến tính (cịn gọi miền Ohm hay Triode) VDS VDS,sat VD –VG –VTH : miền bão hịa Nếu xét VGS VDG ta có bảng sau: (cách có lợi hơn, khơng cần tính VDS,sat) Trường hợp a) b) c) VGS [V] = VG–VS – = < VTH = – = < VTH = – (–1) = = VTH VDG [V] = VD–VG –6 – = –8 < –VTH = –4 – > –VTH = –4 BT giải sẵn JFET–1 Miền hoạt động Bão hòa Triode Tắt Mạch hình với N-JFET có IDSS = 8mA VTH = –4V.Cho trước đặc tuyến JFET hình 2, tìm IDQ VDSQ (a) (b) (c) (d) Hình a) Đặc tuyến truyền đạt b) Đặc tuyến Hình ĐS Câu 3a&b: Nếu có đặc tuyến để tìm điểm tĩnh Q (điểm hoạt động DC) ta cần vẽ đường tải DC (DCLL = DC Load Line) ngõ JFET (ID= f(VDS) với VGS=const) đặc tuyến biết trước VGS ta biết giá trị IDQ VDSQ Gọi RD điện trở nối từ cực D lên VDD H.1(a) H.1(b) có chung dạng DCLL: VDD = IDRD + VDS ID = (VDD – VDS)/RD với VGS = Trong RD 1K với H.1(a) 3K với H.1(b) Vẽ DCLL đặc tuyến ta có kết Q1 cho H.1(a) Q2 cho H.1(b) Như vậy: a) Điểm tĩnh Q1 nằm miền bão hòa với IDQ = 8mA VDSQ = 7V b) Điểm tĩnh Q2 nằm miền triode với IDQ = 4.54 mA VDSQ = 1.37 V BT giải sẵn JFET–2 Câu 3c: Với H.1(c), gọi điện trở cực S, D, S RS, RD, RS ta có Phương trình đường tải cực cổng là: VGS = –IDRS ID = –VGS/RS (DCLL_c1) Phương trình đường tải cực máng là: ID = (VDD–VDS)/(RD + RS) (DCLL_c2) VDD = IDRD + VDS + IDRS Nếu JFET miền bão hịa giao DCLL_c1 với đặc tuyến truyền đạt cho ID VGS Sau ta vẽ đường thẳng song song với trục hoành cắt trục tung giá trị ID vừa tìm được, giao đường DCLL_c2 điểm nằm miền bão hịa giả thiết ta tìm VDS Như với H.1(c) JFET miền bão hòa với IDQ = mA, VGSQ = –2 V VDSQ = 7.6 V BT giải sẵn JFET–3 Câu 3d: Với H.1(d) ta biến đổi mạch chia áp cực cổng thành mạch đương tương Thévenin với nguồn áp Thévenin VGG = VDDR2/(R1 + R2) = 15Vx400K/(400K + 1.6M) = 3V điện trở Thévenin RGG = R1//R2 = 320 K Giả sử JFET miền bão hịa, cực cổng bị phân cực ngược dòng IG = Suy VG = VGG = 3V Ngoài VS = IDRS VGS = VGG–VS = 3V – IDRS Hay phương trình đường tải cực cổng là: ID = (3V–VGS)/RS Tìm giao đường thẳng với đặc tuyến truyền đạt ta tìm IDQ = 1.7 mA VGSQ = –2.15 V Tìm giao đường tải ngõ ID = (VDD–VDS)/(RD + RS) với đường ID =1.7 mA ta tìm giao điểm VDS = 4.75 V miền bão hòa Như với H.1(d) JFET miền bão hòa với IDQ = 1.7 mA, VGSQ = –2.15 V VDSQ = 4.75 V Tóm lại: Hình N-JFET miền IDQ [mA] VGSQ [V] VDSQ [V] (a) Bão hòa (b) Triode 4.54 1.37 (c) Bão hòa –2 7.6 (d) Bão hịa 1.7 –2.15 4.75 Mạch hình với N-JFET có IDSS = 8mA VTH = –4V Hãy tìm IDQ VDSQ khơng có đặc tuyến ĐS (a) Giả sử JFET bão hòa Gọi RD R D điện áp nguồn VDD Vì VGS = ID = IDSS (ở miền bão hịa) VDD = IDRD + VDS = IDSSRD + VDS VDS = VDD – IDSSRD = 15V – 8mA x 1K = 7V Kiểm chứng JFET miền bão hòa: VGS = > VTH= –4V VD–VG= 7V–0=7V > –VTH= 4V Như JFET miền bão hòa với IDQ = 8mA VDSQ = 7V (b) Giả sử JFET bão hịa Vì VGS = ID = IDSS (ở miền bão hòa) VDS = VDD – IDSSRD = 15V – 8mA x 3K = –9V ! (Vơ lý với mạch VDS 0) Và VGS = > VTH JFET miền triode, ta có dịng ID theo cơng thức sau: 2I VDS I D DSS V V V GS TH DS VTH Với VGS = 0, VDS = VDD – IDRD Sau thay VGS VDS vào phương trình ta có phương trình theo ID: V2 RD2 I D2 TH RD VDD VTH VDD 2VDDVTH I DSS Giải phương trình ta tìm nghiệm ID: ID1 = 4.54313 mA ID2 = 2.56798 mA Thay vào biểu thức VDS ta có: VDS1 = 1.3706 V (nhận VDS = 1.37 < VGS – VTH = –VTH = 4) VDS2 = 7.29606V (loại VDS = 7.3 > VGS – VTH = –VTH = 4) Như JFET miền triode với IDQ = 4.54 mA VDSQ = 1.37 V (c) Giả sử JFET bão hòa Gọi điện trở S, G, D RS, RG , RD ; điện áp nguồn VDD Theo mạch ta có VGS = –IDRS VDS = VDD – ID (RD+RS) Thay biểu thức vào phương trình ID miền bão hịa, ta có: V2 RS2 I D2 RSVTH TH I D VTH2 I DSS Thay số vào giải phương trình ta tìm nghiệm ID: ID1 = mA ID2 = mA Thay vào biểu thức VDS = VDD – ID (RD+RS) , ta có: VDS1 = –14.6 V (loại VDS phải > 0) VDS2 = 7.6 V (nhận VDS = 7.6 V > 0) Kiểm chứng lại: BT giải sẵn JFET–4 VGS = – IDRS = –2 mA x K = – V > VTH = –4 V VDS = 7.6 V > VDS,sat = VGS – VTH = –2 V + V = V Thỏa điều kiện để JFET miền bão hòa Như JFET miền bão hòa với IDQ = mA, VGSQ = –2 V VDSQ = 7.6 V Cách 2: Giải phương trình theo VGS: V2 V VGS2 TH 2VTH VGS VTH2 1 GG I DSS RS I DSS RS Thay số vào giải phương trình ta tìm nghiệm VGS: VGS1 = –8 V ( loại VGS < VTH = –4V) VGS2 = –2 V Thay trị số VGS = –2 V vào phương trình ID ID = mA Thay trị số ID vào phương trình VDS VDS = 7.6 V (d) Giả sử JFET bão hòa Gọi điện trở mạch chia áp từ xuống R1 R2, điện trở S D RS, RG , RD ; điện áp nguồn VDD Với H.1(d) ta biến đổi mạch chia áp cực cổng thành mạch đương tương Thévenin với nguồn áp Thévenin VGG = VDDR2/(R1 + R2) = 15Vx400K/(400K + 1.6M) = 3V điện trở Thévenin RGG = R1//R2 = 320 K Với giả thiết JFET miền bão hịa, cực cổng bị phân cực ngược dòng IG = Suy VG = VGG = 3V Ngoài VS = IDRS VGS = VGG–VS = 3V – IDRS Thay phương trình vào phương trình ID, ta có V2 RS2 I D2 RS VGG VTH TH I D VGG VTH I DSS Thay số vào giải phương trình ta tìm nghiệm ID: ID1 = 3.17305 mA ID2 = 1.71584 mA Thay vào biểu thức VDS = VDD – ID (RD+RS) , ta có: VDS1 = –4.03829 V (loại VDS phải > 0) VDS2 = 4.70496 V (nhận VDS = 4.7 V > 0) Kiểm chứng lại: VGS = VGG – IDRS = 3V – 1.72 mA x K = – 2.16 V > VTH = –4 V VDS = 4.7V > VDS,sat = VGS – VTH = –2.16 V + V = 1.84 V Thỏa điều kiện để JFET miền bão hòa Như JFET miền bão hòa với IDQ = 1.72 mA, VGSQ = –2.16 V VDSQ = 4.7 V Cách 2: Giải phương trình theo VGS: V2 V VGS2 TH 2VTH VGS VTH2 1 GG I DSS RS I DSS RS Thay số vào giải phương trình ta tìm nghiệm VGS: VGS1 = –6.51915 V ( loại VGS < VTH = –4V) VGS2 = –2.14752 V Thay trị số VGS = –2.15 V vào phương trình ID ID = 1.72 mA Thay trị số ID vào phương trình VDS VDS = 4.7 V Chú ý: Cách câu c) d) cho phép tính nhanh hơn! Mạch hình nguồn dịng IDSS với N-JFET có IDSS = mA VTH = –4 V a) Nếu RD = K, để mạch nguồn dịng VDD tối thiểu bao nhiêu? b) Nếu VDD = 10 V RD phải thuộc dải trị số để mạch nguồn dòng? c) Nếu VDD = 12 V RD = K phải chọn N-JFET có IDSS VTH để cung cấp dịng khơng đổi mA cho RD? BT giải sẵn JFET–5 Hình Hình Hình ĐS a) Nếu RD = K, để mạch nguồn dịng VDD tối thiểu bao nhiêu? Ta có: VDD = IDRD + VDS VDS = VDD – IDSSRD Để cho mạch nguồn dịng JFET miền bão hịa: VDS = VDD – IDSSRD VDS,sat = VGS – VTH = –VTH = –VTH VDD IDSSRD –VTH = mA x K – ( –4 V) = V VDD, = V b) Nếu VDD = 10 V RD phải thuộc dải trị số để mạch nguồn dịng? Để cho mạch nguồn dịng JFET miền bão hòa: VDS = VDD – IDSSRD VDS,sat = –VTH RD (VDD +VTH)/IDSS = (10 V + (–4 V)) / mA = K Như vậy: RD K c) Nếu VDD = 12 V RD = K phải chọn N-JFET có IDSS VTH để cung cấp dịng khơng đổi mA cho RD? Trong mạch N-JFET miền bão hòa dịng qua RD ID = mA = IDSS Ngồi miền bão hịa: VDS = VDD – IDSSRD VDS,sat = VGS – VTH = –VTH = –VTH VTH –VDD + IDSSRD = –12 V + mA x K = –8 V Như phải chọn N-JFET có IDSS = mA VTH –8 V (TD: chọn VTH = –5V) Hình BT giải sẵn JFET–6 Mạch hình với N-JFET (có IDSS = mA VTH = –4 V) cho làm việc miền bão hòa để cung cấp dòng ID < IDSS cho tải RD a) Nếu VDD = 12 V JFET có đặc tuyến truyền đạt hình 6, tính RS cần cho mạch có chức nguồn dòng mA cung cấp cho RD = K ? Khi có u cầu với RD mạch nguồn dòng? b) Làm lại câu a) khơng có đặc tuyến JFET c) Hãy tìm giá trị tối thiểu VDD để mạch nguồn dòng mA, biết RD = RS = K ĐS a) Khi có đặc tuyến truyền đạt: Dựa đặc tuyến truyền đạt (H.6) ta thấy chọn ID = mA VGS tương ứng –2 V Ngồi theo mạch ta có: VGS = –IDRS RS = –VGS/ID = –(–2 V)/ mA = K Như vậy: RS = K Đề N-JFET miền bão hòa: VDS = VDD – IDRD – IDRS VDS,sat = VGS – VTH RD (VDD – IDRS – VGS + VTH) / ID = (12V–2mAx1K –(–2V)+(–4V))/2mA = 8V/2mA = 4K Như RD 4K b) Khi khơng có đặc tuyến truyền đạt: Từ phương trình ID miền bão hịa, ta có: ID VGS VTH I DSS Thay ID = 2mA, IDSS=8mA VTH = –4V, ta có VGS = (1–1/2)(–4V) = –2V Ngồi theo mạch ta có: VGS = –IDRS RS = –VGS/ID = –(–2 V)/ mA = K Như vậy: RS = K Về RD tương tự a) c) Tìm VDD,min Để cho mạch nguồn dịng JFET miền bão hòa: VDS = VDD – ID(RD +RS) VDS,sat = VGS – VTH VDD VGS – VTH + ID(RD +RS) = –2V–(–4V) + 2mA x (1 K + K) = V Như VDD,min = 6V Xét mạch hình có R = K, giả sử VIN có giá trị đủ nhỏ N-JFET (có IDSS = mA VTH = –4V) xem điện trở hoàn toàn tuyến tính (VCR=Voltage Controlled Resistor = Điện trở điều khiển điện áp) Hãy tìm giá trị VGS VOUT/VIN = 0.8 ĐS Khi N-JFET miền triode điện trở hồn tồn tuyến tính phương trình ID có dạng: 2I VDS VTH2 I D DSS V V V R GS TH DS DS I D I DSS VGS VTH VTH2 Ngồi ta có: I V VTH VOUT RDS V2 1 0.8 DSS GS2 VGS TH VTH VIN RDS R RDS R VTH I DSS R Thay số vào, ta có: VGS = (–4V) / (8 x mA x K) + (–4 V) = V – V = –3 V Như phải phân cực VGS = –3 V để có VOUT/VIN = 0.8 BT giải sẵn JFET–7 ... H.1(c) JFET miền bão hòa với IDQ = mA, VGSQ = –2 V VDSQ = 7.6 V BT giải sẵn JFET? ??3 Câu 3d: Với H.1(d) ta biến đổi mạch chia áp cực cổng thành mạch đương tương Thévenin với nguồn áp Thévenin VGG... IDSSRD = 15V – 8mA x 1K = 7V Kiểm chứng JFET miền bão hòa: VGS = > VTH= –4V VD–VG= 7V–0=7V > –VTH= 4V Như JFET miền bão hòa với IDQ = 8mA VDSQ = 7V (b) Giả sử JFET bão hịa Vì VGS = ID = IDSS (ở miền... Kiểm chứng lại: BT giải sẵn JFET? ??4 VGS = – IDRS = –2 mA x K = – V > VTH = –4 V VDS = 7.6 V > VDS,sat = VGS – VTH = –2 V + V = V Thỏa điều kiện để JFET miền bão hòa Như JFET miền bão hòa với IDQ