Giáo trình Mạch điện tử - Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET

Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET

Chương 3

MẠCH PHÂN CỰC VÀ KHUẾCH ÐẠI TÍN HIỆU NHỎ

DÙNG FET

Ở FET, sự liên hệ giữa ngõ vào và ngõ ra không tuyến tính như ở BJT. Một sự khác

biệt nữa là ở BJT người ta dùng sự biến thiên của dòng điện ngõ vào (I_B) làm công việc

điều khiển, còn ở FET, việc điều khiển là sự biến thiên của điện thế ngõ vào V_GS.

Với FET các phương trình liên hệ dùng để phân giải mạch là:

I_G= 0A (dòng điện cực cổng)

I_D= I_S(dòng điện cực phát = dòng điện cực nguồn).

FET có thể được dùng như một linh kiện tuyến tính trong mạch khuếch đại hay

như một linh kiện số trong mạch logic. E-MOSFET thông dụng trong mạch số hơn, đặc

biệt là trong cấu trúc CMOS.

3.1 PHÂN CỰC JFET VÀ DE-MOSFET ÐIỀU HÀNH

THEO KIỂU HIẾM:

Vì khi điều hành theo kiểu hiếm, 2 loại FET này đều hoạt động ở điện thế

cực thoát dương so với cực nguồn và điện thế cực cổng âm so với cực nguồn (thí dụ ở

kênh N), nên có cùng cách phân cực. Ðể tiện việc phân giải, ở đây ta khảo sát trên JFET

kênh N. Việc DE-MOSFET điều hành theo kiểu tăng (điện thế cực cổng dương so với

điện thế cực nguồn) sẽ được phân tích ở phần sau của chương này.

3.1.1 Phân cực cố định:

Dạng mạch như hình 3.1

Trương Văn Tám

III-1

Mạch Điện Tử

Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET

Ta có: I_G= 0; V_GS= -R_GI_G- V_GG

⇒ R_GI_G= 0 ⇒ V_GS= -V_GG

(3.1)

Ðường thẳng V_GS=-V_GGđược gọi là đường phân cực. Ta cũng có thể xác định được

I_Dtừ đặc tuyến truyền. Ðiểm điều hành Q chính là giao điểm của đặc tuyến truyền với

đường phân cực.

Từ mạch ngõ ra ta có:

V_DS= V_DD- R_DI_D

Ðây là phương trình đường thẳng lấy điện. Ngoài ra:

V_S= 0

(3.2)

V_D= V_DS= V_DD- R_DI_D

V_G= V_GS= -V_GG

3.1.2 Phân cực tự động:

Ðây là dạng phân cực thông dụng nhất cho JFET. Trong kiểu phân cực này ta chỉ

dùng một nguồn điện một chiều V_DDvà có thêm một điện trở RS mắc ở cực nguồn như

hình 3.3

Trương Văn Tám

III-2

Mạch Điện Tử

Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET

Vì I_G= 0 nên V_G= 0 và I_D= I_S

⇒ V_GS= V_G- V_S= -R_SI_D

Ðây là phương trình đường phân cực.

(3.3)

Trong trường hợp này V_GSlà một hàm số của dòng điện thoát I_Dvà không

cố định như trong mạch phân cực cố định.

- Thay V_GSvào phương trình schockley ta tìm được dòng điện thoát I_D.

- Dòng I_Dcũng có thể được xác định bằng điểm điều hành Q. Ðó là giao điểm của

đường phân cực với đặc tuyến truyền.

Mạch ngõ ra ta có:

V_DS= V_DD-R_DI_D-R_SI_S= V_DD-(R_D+ R_S)I_D

Ðây là phương trình đường thẳng lấy điện.

Ngoài ra: V_S=R_SI_D; V_G= 0; V_D= V_DD-R_DI_D

3.1.3 Phân cực bằng cầu chia điện thế:

Dạng mạch như hình 3.5

(3.5)

Trương Văn Tám

III-3

Mạch Điện Tử

Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET

Ta có: V_GS= V_G- V_S

V_S= R_SI_S= R_SI_D

⇒ V_GS= V_G- R_SI_D

Ðây là phương trình đường phân cực.

(3.7)

Do JFET điều hành theo kiểu hiếm nên phải chọn R₁, R₂và R_Ssao cho V_GS

< 0 tức

truyền.

I_DQvà V_GSQchính là tọa độ giao điểm của đường phân cực và đặc tuyến

Ta thấy khi R_Stăng, đường phân cực nằm ngang hơn, tức V_GSâm hơn và

dòng I_Dnhỏ hơn. Từ điểm điều hành Q, ta xác định được V_GSQvà I_DQ. Mặt khác:

V_DS= V_DD- (R_D+ R_S)I_D

V_D= V_DD- R_DI_D

V_S= R_SI_D

(3.8)

(3.9)

(3.10)

3.2 DE-MOSFET ÐIỀU HÀNH KIỂU TĂNG:

Ta xét ở DE-MOSFET kênh N.

Ðể điều hành theo kiểu tăng, ta phải phân cực sao cho V_GS>0 nên I_D>I_DSS,

do đó ta phải chú ý đến dòng thoát tối đa I_Dmaxmà DE-MOSFET có thể chịu đựng được.

3.2.1 Phân cực bằng cầu chia điện thế:

Ðây là dạng mạch phân cực thông dụng nhất. Nên chú ý là do điều hành theo kiểu

tăng nên không thể dùng cách phân cực tự động. Các điện trở R₁, R₂, R_Sphải được chọn

sao cho V_G>V_Stức V_GS>0. Thí dụ ta xem mạch phân cực hình 3.7.

Trương Văn Tám

III-4

Mạch Điện Tử

Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET

- Ðặc tuyến truyền được xác định bởi:

I_DSS= 6mA

V_GS(off) =-3v

- Ðường phân cực được xác định bởi:

V_GS= V_G-R_SI_D

Vậy V_GS(off) = 1.5volt - I_D(mA). 0,15 (kΩ)

Từ đồ thị hình 3.8 ta suy ra:

I_DQ=7.6mA

V_GSQ= 0.35v

V_DS= V_DD- (R_S+R_D)I_D= 3.18v

3.2.2 Phân cực bằng mạch hồi tiếp điện thế:

Mạch cơ bản hình 3.9

- Ðặc tuyến truyền giống như trên.

- Ðường phân cực xác định bởi:

V_GS= V_DS= V_DD- R_DI_D

(3.11)

trùng với đường thẳng lấy điện.

Vẽ hai đặc tuyến này ta có thể xác định được I_DQvà V_GSQ

Trương Văn Tám

III-5

Mạch Điện Tử

Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET

3.3 MẠCH PHÂN CỰC E-MOSFET:

Do E-MOSFET chỉ phân cực theo kiểu tăng (V_GS>0 ở kênh N và V_GS<0 ở

kênh P), nên người ta thường dùng mạch phân cực bằng cầu chia điện thế hoặc hồi tiếp

điện thế.

Ở E-MOSFET kênh N khi V_GScòn nhỏ hơn V_GS(th)thì dòng thoát I_D=0 mA,

khi V_GS>V_GS(th)thì I_Dđược xác định bởi:

Hệ số k được xác định từ các thông số của nhà sản xuất. Thường nhà sản

xuất cho biết V_GS(th)và một dòng I_D(on)tương ứng với một điện thế V_GS(on).

Suy ra:

Ðể xác định và vẽ đặc tuyến truyền người ta xác định thêm 2 điểm: một

điểm ứng với V_GS<V_GS(on)và một điểm ứng với V_GS>V_GS(on)

3.3.1 Phân cực bằng hồi tiếp điện thế:

Vì I_G= 0 nên V_D= V_Gvà V_GS= V_DS

V_GS= V_DS= V_DD- R_DI_D

(3.13)

Ta thấy đường phân cực trùng với đường thẳng lấy điện. Giao điểm của đường

phân cực và đặc tuyến truyền là điểm điều hành Q.

3.3.2 Phân cực bằng cầu chia điện thế:

Mạch này thông dụng hơn và có dạng như hình 3.13

Trương Văn Tám

III-6

Mạch Điện Tử

Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET

Từ mạch cổng nguồn ta có: V_G= V_GS- R_SI_D

⇒ V_GS= V_G- R_SI_D

(3.14)

Ðây là phương trình đường phân cực.

Do điều hành theo kiểu tăng nên ta phải chọn R₁, R₂, R_Ssao cho:

V_GS>V_S= R_SI_Dtức V_GS>0

Giao điểm của đặc tuyến truyền và đường phân cực là điểm điều hành Q.

Từ đồ thị ta suy ra I_DQvà V_GSQvà từ đó ta có thể tìm được V_DS, V_D, V_S...

3.4 MẠCH KẾT HỢP BJT VÀ FET:

Ðể ổn định điểm tĩnh điều hành cho FET, người ta có thể dùng mạch phân

cực kết hợp với BJT. BJT ở đây đóng vai trò như một nguồn dòng điện. Mạch phân cực

cho BJT thường dùng là mạch cầu chia điện thế hay ổn định cực phát. Thí dụ ta xác định

V_Dvà V_Ccủa mạch hình 3.15.

Trương Văn Tám

III-7

Mạch Điện Tử

Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET

Ðể ý là: βR_E= 288k >10R2 = 240k nên ta có thể áp dụng phương pháp tính gần

đúng:

Ta có thể giải phương trình trên để tìm V_GS. Ðơn giản hơn ta dùng phương pháp đồ

thị. Cách vẽ đặc tuyến truyền như ở phần trước. Từ đồ thị ta suy ra: V_GS=-3.7volt. Từ đó:

V_C= V_B- V_GS= 7.32v

Người ta cũng có thể dùng FET như một nguồn dòng điện để ổn định phân cực cho

BJT như ở hình 3.17. Sinh viên thử phân giải để xác định V_C, V_Dcủa mạch.

3.5 THIẾT KẾ MẠCH PHÂN CỰC DÙNG FET:

Công việc thiết kế mạch phân cực dùng FET thật ra không chỉ giới hạn ở các điều

kiện phân cực. Tùy theo nhu cầu, một số các điều kiện khác cũng phải được để ý tới, nhất

là việc ổn định điểm tĩnh điều hành.

Từ các thông số của linh kiện và dạng mạch phân cực được lựa chọn, dùng các

định luật Kirchoff, định luật Ohm... và phương trình Schockley hoặc đặc tuyến truyền,

đường phân cực... để xác định các thông số chưa biết.

Trương Văn Tám

III-8

Mạch Điện Tử

Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET

Tổng quát trong thực hành, để thiết kế một mạch phân cực dùng FET, người ta

thường chọn điểm điều hành nằm trong vùng hoạt động tuyến tính.

Trị số tốt nhất thường được chọn là

hoặc .

Ngoài ra, V_DScũng

không được vượt quá trị số tối đa mà FET có thể chịu đựng được.

Thí dụ: Trong mạch điện hình 3.18a, chọn I_D= 2.5 mA, V_D= 12v. Dùng FET có

_DSS= 6mA, V_GS(off)=-3v. Xác định R_Dvà R_S.

I

Từ đặc tuyến truyền ⇒ Khi I_D= 2.5mA thì V_GS=-1v.

Vậy: V_GS=-R_SI_D(R_S=-V_GS/I_D=0.4kΩ (chọn R_S= 390Ω)

3.6 TÍNH KHUẾCH ÐẠI CỦA FET VÀ MẠCH TƯƠNG

ÐƯƠNG XOAY CHIỀU TÍN HIỆU NHỎ:

Người ta cũng có thể dùng FET để khuếch đại tín hiệu nhỏ như ở BJT.

JFET và DE-MOSFET khi điều hành theo kiểu hiếm có dạng mạch giống nhau. Ðiểm

khác nhau chủ yếu ở JFET và DE-MOSFET là tổng trở vào của DE-MOSFET lớn hơn

nhiều (sinh viên xem lại giáo trình linh kiện điện tử). Trong lúc đó ở BJT, sự thay đổi

dòng điện ngõ ra (dòng cực thu) được điều khiển bằng dòng điện ngõ vào (dòng cực nền),

thì ở FET, sự thay đổi dòng điện ngõ ra (dòng cực thoát) được điều khiển bằng một điện

thế nhỏ ở ngõ vào (hiệu thế cổng nguồn V_GS). Ở BJT ta có độ lợi dòng điện β thì ở FET

có độ truyền dẫn gm.

Với tín hiệu nhỏ, mạch tương đương xoay chiều của FET như hình 3.19a,

trong đó r_πlà tổng trở vào của FET.

Trương Văn Tám

III-9

Mạch Điện Tử

Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET

Ở JFET, r_πkhoảng hàng chục đến hàng trăm MΩ, trong lúc ở MOSFET thường ở

hàng trăm đến hàng ngàn MΩ. Do đó, thực tế người ta có thể bỏ r_πtrong mạch tương

đương (hình 3.19b).

r_dlà tổng trở ra của FET, được định nghĩa:

tức tùy thuộc vào điểm điều hành, rd có thể thay đổi từ vài chục kΩ

đến vài chục MΩ.

r_dvà g_mthường được nhà sản xuất cho biết dưới dạng r_d=1/y_os; g_m=y_fsở một điểm

điều hành nào đó.

Nếu trong mạch thiết kế, R_D(điện trở nối từ cực thoát lên nguồn) không lớn lắm

(vài kΩ), ta có thể bỏ r_dtrong mạch tương đương (hình 3.19c).

3.7 MẠCH KHUẾCH ÐẠI DÙNG JFET HOẶC DE-

MOSFET ÐIỀU HÀNH THEO KIỂU HIẾM:

3.7.1 Mạch cực nguồn chung:

Có thể dùng mạch phân cực cố định (hình 3.20), mạch phân cực tự động (hình

3.21) hoặc mạch phân cực bằng cầu chia điện thế (hình 3.22). Mạch tương đương xoay

chiều vẽ ở hình 3.23.

Trương Văn Tám

III-10

Mạch Điện Tử

Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET

Trong đó R_i=R_Gở hình 3.20 và 3.21; R_i=R₁//R₂ở hình 3.22. Phân giải

mạch ta tìm được:

- Tổng trở ra: Z₀= r_d//R_D

(3.17)

3.7.2 Ðộ lợi điện thế của mạch khuếch đại cực nguồn chung với điện trở

R_S:

Giả sử ta xem mạch hình 3.24 với mạch tương đương hình 3.25.

Trương Văn Tám

III-11

Mạch Điện Tử

Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET

3.7.3 Mạch khuếch đại cực thoát chung hay theo nguồn(Common Drain

or source follower)

Người ta có thể dùng mạch phân cực tự động hoặc phân cực bằng cầu chia

điện thế như hình 3.26 và hình 3.27

Trương Văn Tám

III-12

Mạch Điện Tử

Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET

Mạch tương đương xoay chiều được vẽ ở hình 3.28. Trong đó:

R_i=R_Gtrong hình 3.26 và R_i= R₁//R₂trong hình 3.27.

- Ðộ lợi điện thế:

Ta có: v₀= (g_mv_gs)( R_S//r_d)

V_gs= v_i- v₀

- Tổng trở vào Z_i= R_i

(3.20)

- Tổng trở ra: Ta thấy R_Ssong song với r_dvà song song với nguồn dòng

điện g_mv_gs. Nếu ta thay thế nguồn dòng điện này bằng một nguồn điện thế nối tiếp với

điện trở 1/g_mvà đặt nguồn điện thế này bằng 0 trong cách tính Z₀, ta tìm được tổng trở ra

của mạch:

Z₀= R_S//r_d// 1/g_m

(3.21)

3.7.4 Mạch khuếch đại cực cổng chung: ( Common-gate circuit)

Mạch căn bản và mạch tương đương xoay chiều như hình 3.29a và 3.29b.

Trương Văn Tám

III-13

Mạch Điện Tử

Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET

3.8 MẠCH KHUẾCH ÐẠI DÙNG E-MOSFET:

Do E-MOSFET chỉ điều hành theo kiểu tăng, nên thường được phân cực

bằng cầu chia điện thế hoặc hồi tiếp điện thế.

Thí dụ: Ta xem mạch hình 3.30a có mạch tương đương xoay chiều hình

3.30b.

Trương Văn Tám

III-14

Mạch Điện Tử

Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET

Thông thường g_mR_G>>1 nên A_V= -g_m(R_G//r_d//R_D)

Nhưng R_Gthường rất lớn nên A_V≠ -g_m(r_d//R_D)

(3.25)

- Xác định giá trị của g_m:

g_mthường được nhà sản xuất cho biết ở một số điều kiện phân cực đặc biệt,

hay có thể được tính từ điểm tĩnh điều hành. Hoặc g_mcó thể được tính một cách gần đúng

từ công thức: g_m= 2k[V_GS- V_GS(th)

với k có trị số trung bình khoảng 0.3mA/V2.

- Tổng trở vào:

]

- Tổng trở ra:

Z₀= R_D//r_d//R_G

(3.27)

3.9 THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ÐẠI DÙNG FET:

Vấn đề thiết kế mạch khuếch đại dùng FET ở đây giới hạn ở chỗ tìm các

điều kiện phân cực, các trị số của linh kiện thụ động để có được độ lợi điện thế mong

muốn.

Thí dụ: Thiết kế mạch khuếch đại phân cực tự động dùng JFET như hình

3.31 sao cho độ lợi điện thế bằng 10.

Trương Văn Tám

III-15

Mạch Điện Tử

Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET

R_Gnên chọn khá lớn để không làm giảm tổng trở vào của mạch. Thí dụ ta

có thể chọn R_G= 10MΩ.

BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG III

Bài 1: Xác định I_D, V_DS, V_Dvà V_Scủa mạch hình 3.32

Bài 2: Ở mạch hình 3.33, cho V_DS= 8v. Xác định I_D, V_D, V_S, V_GS.

Bài 3: Hãy thiết kế một mạch phân cực tự động dùng JFET có I_DSS=8mA; V_GS(off)=-6v và

điểm điều hành Q ở I_DQ= 4mA với nguồn cung cấp V_DD= +14v. Chọn R_D= 3R_S.

Bài 4: Thiết kế một mạch phân cực bằng cầu chia điện thế dùng DE-MOSFET với I_DSS

=

10mA, V_GS(off)= -4v có điểm điều hành Q ở I_DQ= 2.5mA và dùng nguồn cấp điện

V_DD=24v. Chọn V_G=4v và R_D=2.5R_Svới R₁=22MΩ.

Bài 5: Tính Z_i, Z₀và A_Vcủa mạch điện hình 3.34

Trương Văn Tám

III-16

Mạch Điện Tử

Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET

Bài 6: Xác định giá trị của R_Dvà R_Strong mạch điện hình 3.35 khi được phân cực ở V_GSQ

= 1/2V_GS(off)và V_DSQ= 1/2V_DD. Tính độ lợi điện thế trong trường hợp này.

Bài 7: Thiết kế mạch khuếch đại dùng JFET có dạng như hình 3.36, sao cho độ lợi điện

thế là 8. Ðể giới hạn bước thiết kế, cho V_GSQgần trị số tối đa của gm, thí dụ như ở

V_GS(off)/4.

Bài 8: Thiết kế mạch khuếch đại dùng JFET có dạng hình 3.37 sao cho độ lợi điện thế

bằng 5. Chọn V_GSQ=V_GS(off)/4.

Trương Văn Tám

III-17

Mạch Điện Tử

Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET

Trương Văn Tám

III-18

Mạch Điện Tử

Giáo trình Mạch điện tử - Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET - Trương Văn Tám