Trong phần trên, chúng ta biết rằng MOSFET kênh gián đoạn N-channetl hoạt động dựa trên điện áp dương đặt vào ngõ vào cực G và nĩ cĩ trở kháng ngõ vào rất lớn (gần như vơ cực. Điều này rất phù hợp để giao tiếp với các cổng logic hay các bộ driver cĩ ngõ ra là điện áp dương
Với trở kháng ngõ vào tại cực G rất lớn. Chúng ta cĩ thể mắc song song với các MOSFET khác cho đến khi chúng đạt được dịng như yêu cầu
Trong khi kết nối song song với các MOSFET khác nhau cho phép chúng ta chuyển mạch với dịng điện ngõ ra và áp tải cao hơn. Việc làm như vậy sẽ tốn chi phí và khơng thực tế cho cả linh kiện và khơng gian trong bản mạch
Trong phần này chúng ta sẽ sử dụng MOSFET kênh gián đoạn như làm một cơng tắc (Switch). Các transistor này địi hỏi phải cĩ một điện áp dương đặt vào cực cổng để bật (ON) và điện dáp bằng khơng để tắt (OFF) để dễ giàng hiểu và giao tiếp với các cổng logic
Sự hoạt động của MOSFET kênh gián đoạn hay e-MOSFET cĩ thể được mơ tả tốt nhất qua đặc tính I-V được biểu diễn như hình phía dưới. Khi ngõ vào điện áp (Vin) của cực cổng lớn hơn khơng, MOSFET khơng dẫn điện và điện áp ngõ ra (VOUT) bằng với điện áp VDD. Lúc này MOSFET ngắt “OFF” và nĩ hoạt động trong vùng ngưng dẫn “cut-off”
2019 TRANG 79
Hình 5.10 Đặc tính I-V của MOSFET
Điện áp kích dẫn thấp nhất tại cực cổng được yêu cầu để đảm bảo rằng MOSFET mở “ON” và dịng điện cực máng được lựa chọn theo đặc tuyến I-V như hình trên. Khi VIN cao hay bằng VDD, Điểm Q của MOSFET di chuyển tới điểm A dọc theo đường tải.
Dịng điện cực máng ID tăng tới giá trị cực đại vì trở kháng của kênh giảm. Giá trị của ID trở thành hằng số và độc lộc với VDD và chỉ phụ thuộc vào VGS. Vì thế Transistor hoạt động giống như cơng tắc nhưng trở kháng lúc mở khơng giảm hồn tồn về khơng mà cĩ một giá trị RDS(on), nhưng cĩ giá trị rất nhỏ
Tương tự như vậy, khi VIN nhỏ hay giảm về khơng, Điểm Q của MOSFET di chuyển từ điểm A về điểm B dọc theo đường tải. Điện trở của kênh dẫn lúc này rất lớn vì vậy transistor hoạt động giống như hở mạch và khơng cĩ dịng điện chạy trong kênh dẫn. Vì vậy nếu điện áp cực cổng thay đổi giữa hai giá trị CAO và THẤP, thì MOSFET được xem là một cơng tắc đơn cực “single-pole single-throw” (SPST) và hoạt động này được định nghĩa như sau
Vùng ngưng dẫn (Cut-off Characteristics)
Điều kiện hoạt động là điện áp ngõ vào ở cực cổng bằng khơng (VIN), dịng điện cực máng ID bằng khơng và ngõ ra điện áp VDS=VDD. Vì vậy MOSFET kênh gián đoạn được xem là một cơng tắc hở mạch “OFF”
2019 TRANG 80
Hình 5.11: Đặc điểm vùng ngưng dẫn
Chúng ta cĩ thể định nghĩ vùng ngưng dẫn hay “OFF mode” khi dử dụng e-MOSFET như là một cơng tắc. Điện áp ngõ vào, VGS<VTH vì vậy ID=0. Đối với MOSFET gián đoạn kênh P. Cực cổng phải dương hơn so với cực nguồn.
Vùng bão hịa (Saturation Region)
Trong vùng bảo hịa hay vùng tuyến tính, transistor sẽ được phân cực với điện áp ngõ vào lớn nhất và kết quả điện trở kênh dẫn RDS(on) sẽ trở nên nhỏ với dịng điện cực máng lớn nhất đi qua cơng tắc MOSFET. Vì vậy kênh dẫn của MOSFET mở và thiết bị được chuyển sang trạng thái “ON”.
Hình 5.12: Đặc điểm vùng bảo hịa
Chúng ta cĩ thể định nghĩa vùng bảo hịa hay vùng “ON mode” khi sử dụng e-MOSFET như là cơng tắc, lúc đĩ điện áp cực cổng và cực nguồn VGS>VTH và ID=Cực đại. Đối với MOSFET Kênh gián đoạn loại P, Điện áp cực cổng G phải âm hơn so với cực nguồn S
2019 TRANG 81
Bằng cáp áp dụng phương pháp điều khiển thích hợp cho cực cổng của FET, trở kháng của kênh D-S là RDS(on) cá thể thay đổi từ trở kháng “OFF- Resistane” với nhiều trăm kilo ohm khi hở mạch tới trạng thái “ON-Resistance” với điện trỡ nhỏ hơn 1 ohm, lúc này hoạt động như ngắn mạch
Khi sử dụng MOSFET như là một cơng tắc, chúng ta phải điều khiển (drive) MOSFET chuyển trạng thái sang “ON” nhanh hơn hay chậm hơn để cho qua dịng điện cao hơn hay thấp hơn. Chúng ta cĩ thể điều khiển cơng suất của MOSFET bằng cách tắt hay mở cơng tắc nhanh hơn và hiệu quả hơn nhiều so với transistor BJT
Ví dụ sử dụng MOSFET như là một cơng tắc
Trong mạch phía dưới sử dụng MOSFET kênh gián đoạn loại kênh N để bật tắt một bĩng đèn bật (ON) hay tắt (OFF) (cĩ thể sử dụng LED thay thế cho bĩng đèn)
Hình 5.13: MOSFET điều khiển đèn
Điện áp ngõ vào VGS được đặt vào điện áp dương để bật thiết bị và vị vậy đèn sáng “ON” (VGS = +ve) hoặc điện áp bằng khơng để tắt đèn “OFF” (VGS = 0V)
Nếu tải là cuộn dây hay relay mà khơng phải là bĩng đèn thì phải gắn thêm diode hồi năng lượng (flywheel diode) song song với tải để bảo vệ MOSFET từ suất điện động từ cuộn dây hồi về
2019 TRANG 82
Hình 5.13 thể hiện một mạch đơn giản ứng dụng MOSFET như là một cơng tắt với tải là đèn dây tĩc hoặc LED. Nhưng khi sử dụng MOSFET cơng suất để bật tắt tải cảm hay tải điện dung thì một số dạng bảo vệ phải được áp dụng để ngăn chặn việc làm hư hỏng MOSFET. Điều khiển một tải cảm phải bảo vệ MOSFET ngược lại với điều khiển tải điện dung
Đối với tải là một tụ điện, nếu chưa tích điện thì xem như ngắn mạch, kết quả là là cĩ sự dịng điện rất lớn đi qua tải tại thời điểm ban đầu cịn đối với tải cảm khi loại ngắt điện áp đặt vào tải cảm thì sẽ làm xuất hiện một điện áp ngược sinh ra từ cuộn dây, kết quả là sẽ cĩ một suất điện động lớn tác động vào MOSFET gây ra hư hỏng
Chúng ta cĩ thể tĩm tắt đặc điểm chuyển mạch của MOSFET kênh P và N như bảng sau
Chúng ta giả sử rằng bĩng đen cĩ điện áp là 6V, cơng suất 24W và khi ở trạng thái mở hồn tồn điện trở của MOSFET RDS(on) là 0.1 ohm. Tính tốn cơng suất tiêu thụ trong việc chuyển mạch của MOSFET
Dịng điện chạy qua đèn được tính như sau P=VxID
ID= P/V = 24/6= 4 Ampe Khi đĩ cơng thức tiêu thụ của MOSFET được tính
P=I2 x R PD=ID2 x RDS
2019 TRANG 83
PD=42 x 0.1=1.6 Wat
Đối với tải trở thì mọi việc cĩ thể dễ dàng, nhưng nếu dùng MOSFET điều khiển một động cơ DC hay một tải điện cĩ dịng khởi động lớn thì việc mở MOSFET rất quan trọng. Lấy ví dụ như, MOSFET điều khiển động cơ DC với dịng khởi động ban đầu cho động cơ lớn vì động cơ cĩ nội trở nhỏ
Trong mối quan hệ P=I2xR và nếu điện trỡ RDS(on) cao sẽ dẫn đến ơng suất tiêu tán trên MOSFET lớn và làm nhiệt độ tăng cao, nếu khơng cĩ phương pháp điều khiển hợp lý thì sẽ gây ra quá nhiệt cho MOSFET và gây hư hỏng
Nếu Giá trị điện trở RDS(on) của kênh dẫn nhỏ là thơng số giúp giảm điện áp bảo hịa (VDS(sat) = ID x RDS(on)) đặt trên MOSFET và vì vậy MOSFET sẽ hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn. Cơ suất của MOSFET sinh ra từ RDS(on) nhỏ hơn 0.01Ω điều này cho phép chúng cĩ thể mát hơn, làm tăng tuổi thọ cho linh kiện Một trong những giới hạn khi sử dụng MOSFET như là một linh kiện chuyển mạch là dịng điện cực máng cực đại. Vì vậy thơng số RDS(on) là thơng số quan trọng để đạt được hiệu quả chuyển mạch và được đơn giản hĩa bằng tỉ số VDS/ID khi transistor chuyển mạch sang trong thái “ON”
Khi sử dụng MOSFET ở bất kỳ loại nào như là một cơng tắc đơn cực phải luơn luơn chọn MOSFET cĩ điện trở RDS(on) thấp nhất cĩ thể và cĩ gắn tản nhiệt để giảm tổn hao, giảm hư hỏng do nhiệt độ. Các MOSFET cơng suất được sử dụng như cơng tắc thường cĩ bộ phận bảo vệ dịng tăng đột biến bên trong chúng.
Điều khiển động cơ dùng MOSFET cơng suất
Bởi vì cĩ trở kháng ngõ vào rất lớn mà MOSFET chuyển mạch với tốc độ rất nhanh và dễ dàng giao tiếp với opamp hay với cổng logic. Tuy nhiên phải cẩn thận và đảm bảo rằng điện áp đầu vào của cực VGS phải chính xác bởi vì khi sử dụng MOSFET như là cơng tắc thì phải đạt được trở kháng RDS(on) tỉ với điện áp ngõ vào cực cổng
MOSFET cơng suất cĩ thể dùng để điều khiển chuyển động của động cơ DC hay động cơ bước khơng chổi than một cách trực tiếp từ máy tính hay sử
2019 TRANG 84
dụng xung PWM (pulse-width modulation) từ các bộ điều khiển. Khi động cơ DC khởi động cần monen lớn và việc này tì lệ thuận với dịng điện, MOSFET chuyển mạch với xung PWM là phương pháp tốt nhất để điểu khiển tốc độ động cơ 1 cách mượt mà nhất
Bộ điều khiển động cơ dùng MOSFET đơn giản
Như chúng ta đã biết, tải của động cơ là tải cảm, một diode hồi năng lượng (flywheel diode) được kết nối dọc theo tải cảm để hồi về suất điện động tạo ra từ motor khi MOSFET ngắt. Một mạng kẹp được hành thành bởi diode zenner nối tiếp với diode thường cĩ thể được sửa dụng để cho phép chuyển mạch nhanh hơn và điều khiển tốt hơn thơng qua việc kiểm sốt điện áp ngược cực đại và thời gian rơi
Hình 5.14: Bộ điều khiển tốc độ động cơ.
Để tăng thêm sự an tồn một diode zener D1 cũng được đặt giữ kênh dẫn của MOSFET khi sử dụng tải cảm như động cơ, relay, solenoids… để triệt tiêu xung điện áp trong quá trình quá độ và nhiễu. Chúng ta cĩ thể thêm các biện pháp bảo vệ khác cho MOSFET nếu cần. Điện trở RGS được sử dụng như là điện trở kéo xuống giúp kép mức điện áp ngõ ra theo chuẩn TTL xuống 0V khi MOSFET ngắt
2019 TRANG 85
Chuyển mạch MOSFET kênh P
Như chúng ta đã tìm hiểu đối với MOSFET kênh N, được xem như là một cơng tắc và được đặt giữa tải và đất (Ground). Điều này cĩ phép cực cổng của MOSFET điều khiển hay chuyển mạch dựa vào sự so sánh với đất (low-side switching)
Nhưng trong một số ứng dụng chúng ta phải sử dụng MOSFET kênh dán đoạn loại P trong trường hợp tải nối trực tiếp với đất. Trong trường hợp này MOSFET được kết nối giữa tải và cực dương của nguồn cung cấp (high-side switching) như trong trường hợp transistor PNP
Hình 5.15: Cơng tắc MOSFET kênh P
Trong linh kiện kênh P chiều quy ước của dịng điện cực máng là chiều âm vì vậy điện áp âm VGS được đưa vào cực để chuyển mạch cho transistor hoạt động “ON”
Chúng ta cĩ thể kết nối thêm một MOSFET kênh N phía trên MOSFET kênh P để tạo ra một cặp đĩng ngắt bán cầu với nguồn đơi
Bộ điều khiển động cơ sử dụng bán cầu MOSFET (Complementary MOSFET Motor Controller)
2019 TRANG 86
Hình 5.16: Bán cầu FET điều khiển động cơ
Hai MOSFET được cấu hình để tạo ra cơng tắc hai chiều từ nguồn đơi với động cơ được mắc giữa cực máng và đất. Khi ngõ vào ở mức THẤP, MOSFET kênh P được bật và mối nối G-S được phân cực âm vì vậy động cơ quay theo một hướng. Chỉ cĩ điện nguồn dương +VDD cấp để điều khiển động cơ quay.
Khi ngõ vào ở mức CAO, MOSFET kênh P sẽ tắt và MOSFET kênh N sẽ dẫn khi đĩ mối nối G-S được phân cực dương. Động cơ quay với chiều ngược lại vì cực điền áp cấp cho động cơ bị đảo ngược và lúc này điện áp nguồn -VDD sẽ cấp cho động cơ hoạt động
Cĩ nhiều cấu hình khác nhau của MOSFET để điều khiển nhiều ứng dụng. Cả MOSFET kênh N và kênh P đều cĩ thể được điều khiển bằng IC tại cực cổng như hình
Đơi khi, để tách sự trùng dẫn của hai MOSFET tại cùng một thời điểm, làm ngắn mạch nguồn cung cấp, cần phải cĩ một khoảng thời gian ở giữa sự chuyển mạch ngắt và dẫn của hai linh kiên. Một cách để tránh tình trạng này là điều khiển hai linh kiện này một cách riêng lẽ tại cực cổng của nĩ. Sau đĩ cĩ một khoảng thời gian dừng cho cả hai MOSFET đều tắt. Chúng ta cũng cĩ thể sử dụng IC chuyên dụng
2019 TRANG 87
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
1. Ký hiệu, tên chân và phân cực cho JFet kênh N và kênh P dẫn điện. 2. Cho nhận xét về đặc tuyến của JFet kênh N và kênh P
3. Vẽ mạch và dạng tín hiệu vào, ra của JFet kênh N và kênh M mắc CD, CS, CG.
4. Ký hiệu, tên chân và phân cực cho MosFet kênh N và kênh P loại cảm ứng dẫn điện.
5. So sánh MosFet kênh N loại liên tục và gián đoạn.
6. Hãy vẽ mạch cơng suất giao tiếp, điều khiển động cơ DC và nêu vai trị các linh kiện trong mạch
2019 TRANG 88 CHƯƠNG 6
MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN
6.1 Giới thiệu
Mạch khuếch đại tuật tốn hay OPAMP (Operational amplifier) là linh kiện tuyến tính và cĩ tất cả các đặc tính cần thiết cho việc khuếch đại DC gần như lý tưởng và vì vậy được sử dụng rộng rãi trong điều chỉnh tín hiệu, lọc hay thực hiện các phép tính tốn học như cộng, trừ, tích phân, vi phân
Một bộ khuếch đại thuật tốn hay OPAMP về cơ bản là thiết bị khuếch đại điện dáp được thiết kế sử dụng với các thành phần hồi tiếp từ bên ngồi như điện trở, tụ điện được nối giữa các đầu vào và đầu ra của OPAMP. Những linh kiện cĩ vai trị hồi tiếp này xác định các hàm chứng năng hay các phép tốn cho bộ khuếch đại và nhờ các thành phần hồi tiếp này mà bộ khếch đại cĩ thể thực hiện hiều hoạt động khác nhau và tạo ra cái tên “Mạch khuếch đại thuật tốn”
Một OPAMP cơ bản cĩ ba chân (ngõ) gồm cĩ 2 ngõ vào cĩ trở kháng cao. Một ngõ vào cĩ tên gọi là ngõ vào đảo (Inverting Input), được ký hiệu bằng dấu trừ (-). Ngõ cịn lại được gọi là ngõ vào khơng đảo (Non-Inverting Input), được ký hiệu bằng dấu cộng (+)
2019 TRANG 89
Ngõ thứ ba đại diện cho ngõ ra cĩ thể ở dạng cấp dịng và rút dịng (sink and source) cho cả điện áp và dịng điện. Trong mạch khuếch đại thuật tốn tuyến tính, tín hiệu ngõ ra phụ thuộc vào hệ số khuếch đại được (A) được nhân với tín hiện ngõ vào và phụ thuộc vào bản chất của các tín hiệu đầu vào và đầu ra. Cĩ thể phân loại thành 4 loại khuếch đại khá nhau như sau:
Điện áp – Điện áp “vào” và điện áp “ra”
Dịng điện – Dịng điện “vào” và dịng điện “ra”
Transconductance – Điện áp “vào” và Dịng điện “ra”
Transresistance - Dịng điện “vào” và Điện áp “ra”
Hầu hết các mạch khếch đại làm việc với chế độ khuếch đại điện áp. Nên chúng ta sẽ giới hạn chương này chỉ nĩi về khuếch đại điện áp với (Vin và Vout) Tín hiệu điện áp ngõ ra từ OPAMP là sự sai lệch tín hiệu giữa hai chân ngõ vào riêng lẽ. Hay nĩi cách khác tín hiệu ngõ ra của OPAMP là sự khếch đại vi sai giữa 2 chân ngõ vào.
Mạch khuếch đại vi sai (Differential Amplifier)
Mạch điện phía dưới là một dạng mạch khuếch đại vi sai với hai ngõ vào được ký hiệu là V1 và V2. Hai transistor giống nhau hồn tồn là TR1 và TR2 và cả hai được phân cực với cùng mốt điểm với cực phát được kết nối lại với nhau và nối đến -VEE thơng qua điện trở RE
Mạch điện hoạt động với nguồn cung cấp đơi cố định là +VCC va -VEE. Điện áp xuất hiện ở ngõ ra, VOUT là sự sai lệch giữ hai tín hiệu ngõ vào tại cực B của mỗi transistor và ngược pha với ngõ vào
Vì vậy khi phân cực thuận cho transistor TR1 tăng thì phân cực thuận của TR2 giảm và ngược lại. sau đĩ nếu hai transistor kết hợp hồn hảo thì dịng điện chạy qua điện trở RE chung sẽ khơng thay đổi