Mach Dien Tu BJT FET don tang Mach Dien Tu BJT FET don tang

MDT C2A BJT FET don tang

1. 1 TS. Nguyễn Thanh Tuấn Bộ môn Viễn thông, Khoa Điện-Điện tử Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM ([email protected]) Chương 2: MKĐ BJT & FET

2. 2 Chương 2: MKĐ BJT & FET Nội dung 1. MKĐ BJT & FET đơn tầng 1.1 Tổng quan BJT 1.2 Tổng quan FET 1.3 Phân tích mạch BJT chế độ tín hiệu nhỏ 1.4 Phân tích mạch FET chế độ tín hiệu nhỏ 2. MKĐ BJT & FET đa tầng 2.1 Cascade 2.2 Vi sai 2.3 Darlington 2.4 Cascode 3. MKĐ hồi tiếp

3. 2.1.1 Tổng quan BJT Tên gọi Cấu tạo Phân loại Ký hiệu Các chế độ hoạt động Dòng chảy trong BJT chế độ khuếch đại 3

4. Tên gọi - Cấu tạo - Phân loại - Ký hiệu Tên gọi : B ipolar J unction T ransistor (1948 , Bell Labs) Cấu tạo : 2 lớp tiếp xúc p-n ghép đối đầu nhau Phân loại : npn & pnp Ký hiệu : 3 cực B, C và E 4

5. C và E không giống nhau hoàn toàn (nồng độ hạt dẫn bên E nhiều hơn)! Lưu ý: nồng độ <> (thể tích, diện tích, …) Cấu tạo thực tế 5

6. Hình dạng thực tế 1 BC546B TO-92 BC556B TO-92 2 2N3866 TO-39 3 BD140 TO-126 BD139 TO-126 4 IRF510 TO-220 6

7. Ví dụ 1 Xác định loại và các cực của BJT. 7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

8. Các chế độ hoạt động 8 B-C B-E Thuận (p+ & n-) Ngược (p- & n+) Thuận (p+ & n-) Bão hòa ( xung-số ) Tích cực ( khuếch đại ) Ngược (p- & n+) Tích cực ngược ( không dùng thực tế ) Tắt ( xung-số )

9. Dòng chảy trong BJT lý tưởng chế độ khuếch đại Quy ước dòng áp : mọi chế độ hoạt động Chế độ khuếch đại : với ,  là các hệ số khuếch đại dòng 9 α 0.9 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.98 0.99 β 9 10.1 11.5 13.3 15.7 19 49 99 (1) (2a) (2b)

10. Ví dụ 2 Cho BJT (  = 100) hoạt động ở chế độ khuếch đại với I E = 5 mA . Tìm I B và I C . Cho BJT (  = 100) hoạt động ở chế độ khuếch đại với I C = 5 mA . Tìm I B và I E . Cho BJT (  = 100) hoạt động ở chế độ khuếch đại với I B = 50 uA . Tìm I E và I C . Cho BJT (  = 99) hoạt động ở chế độ khuếch đại với I E = 5 mA . Tìm I B và I C . Cho BJT (  = 0,99) hoạt động ở chế độ khuếch đại với I E = 5 mA. Tìm I B và I C . 10

11. 2.1.2 Tổng quan FET Tên gọi Cấu tạo Phân loại Ký hiệu Đặc tuyến hoạt động Quan hệ dòng áp vùng bão hòa (khuếch đại) 11

12. FET Tên gọi - Cấu tạo - Phân loại Tên gọi: F ield E ffect T ransistor Cấu tạo: kênh bán dẫn được điều khiển bởi điện áp Phân loại: kênh p & kênh n JFET (Junction FET) MOSFET/IGFET ( M etal O xide S emiconductor/ I nsulated G ate FET) Kênh có sẵn Kênh cảm ứng (tăng cường) 12

13. NMOS kênh cảm ứng Cấu tạo 13 Chiều dài kênh L = 0.03 um  1 um C hiều rộng kênh W = 0.1 um  100 um Chiều dày lớp oxit t ox = 1n  10 nm Cực G: cách ly dòng điện, điều khiển bằng điện áp Các cực D và S: hình thành kênh bán dẫn khi có điện áp điều khiển từ cực G, thực tế đối xứng

14. MOSFET Ký hiệu 14 NMOS PMOS Quy ước V D > V S Quy ước V D < V S Kênh bán dẫn

15. Electron hoặc lỗ trống di chuyển từ cực S sang cực D (vào S ra D) 15

16. Electron hoặc lỗ trống di chuyển từ cực S sang cực D (vào S ra D) 16

17. Trong nhiều cấu tạo FET, có sự khác biệt ở cực D và cực S 17

18. Trong nhiều cấu tạo FET (MOSFET), có sự khác biệt ở cực D và cực S 18

19. 19

20. 20

21. 21

22. 22

23. 23

24. BJT FET Lưỡng cực (electron và lỗ trống) Đơn cực (electron hoặc lỗ trống) Điều khiển bởi dòng Điều khiển bởi áp Trở kháng vào nhỏ hơn Trở kháng vào lớn hơn Trở kháng ra lớn hơn Trở kháng ra nhỏ hơn Nhiễu nhiều hơn Nhiễu ít hơn 24

25. NMOS kênh cảm ứng Nguyên lý hoạt động 25 Khi điện áp điều khiển v GS lớn hơn điện áp ngưỡng V tn thì mới bắt đầu hình thành kênh cảm ứng giữa cực D và cực S  đặc tính kênh phụ thuộc vào điện áp lái v OV = v GS - V tn Khi điện áp kênh V DS tăng thì dòng qua kênh cũng tăng đến khi kênh bắt đầu bị nghẽn (pinch-off). Khi V DS tiếp tục tăng lớn hơn điện áp v OV thì dòng điện qua kênh duy trì không đổi I p = I sat . Cực G luôn cách ly về điện nên dòng I G = 0.

26. NMOS kênh cảm ứng Đặc tuyến hoạt động Tắt Điện trở Bão hòa (khuếch đại) 26

27. MOSFET kênh cảm ứng Đặc tính dòng áp chế độ bão hòa  = -  =   27 (1) = =    | = - |  =   (2) (3a) (3b) (4) (5)

28. Các thông số MOSFET là độ di chuyển của electron và lỗ trống trên bề mặt kênh (m 2 /V.s) là mật độ điện dung trên đơn vị diện tích (F/m 2 ) là hệ số truyền dẫn của NMOS và PMOS (A/V 2 )   28

29. 2.1.3 Phân tích mạch BJT tín hiệu nhỏ Mô hình tương đương BJT tín hiệu nhỏ Mô hình  ( dạng E chung ) Mô hình T (dạng B chung) Phân tích mạch khuếch đại dùng BJT Mạch CE Mạch CB Mạch CC Kỹ thuật phản ánh trong BJT: bảo toàn áp Mô hình tương đương mạch khuếch đại 29

30. Phân tích đường tải 30

31. Phân tích đường tải 31

32. Phân tích đường tải 32

33. Phân tích đường tải 33

34. Mạch khuếch đại dùng BJT Xem BJT lý tưởng ( tuyến tính trong vùng khuếch đại ) luôn hoạt động trong vùng khuếch đại  chế độ tín hiệu nhỏ (đáp ứng AC thay đổi đủ nhỏ quanh đáp ứng DC)  xếp chồng 34

35. Nguồn Khi triệt tiêu nguồn (độc lập) trong nguyên lý xếp chồng  nguồn = 0 Nguồn áp  v = 0  ngắn mạch Nguồn dòng  i = 0  hở mạch Lưu ý các ký hiệu đặc biệt của nguồn DC! 35

36. Phân tích mạch BJT tín hiệu nhỏ Khuếch đại tín hiệu AC biên độ nhỏ 36

37. Mô hình  không có điện trở ngõ ra 37  

38. Mô hình  có điện trở ngõ ra 38    

39. Mô hình BJT lý tưởng dạng E chung h ie = r be = r  g m = h fe / h ie 39

40. Mô hình T 40  

41. Mô hình BJT lý tưởng dạng B chung h ib = r e 41

42. Tóm tắt các thông số BJT 42

43. Ví dụ 3 Cho BJT có  = 100, V A = 100V và được phân cực với dòng I C = 1mA, V CE = 5V. Tìm các thông số của mô hình tương đương tín hiệu nhỏ? h ie = r be = r  = h ib = r e = g m = r o = h fe = h fb = 43

44. Ví dụ 3 (tham khảo) Cho BJT có  = 100, V A = 100V và được phân cực với dòng I C = 1mA, V CE = 5V. Tìm các thông số của mô hình tương đương tín hiệu nhỏ? h ie = r be = r  = 2.5k h ib = r e  25  g m = 40mA/V r o = 105k (  100k) h fe = 100 h fb = 0.99 (  1) 44

45. Mạch khuếch đại dùng BJT Độ lợi dòng (/ áp) Trở kháng vào (/ ra) 45

46. Ví dụ 4a (giải trực tiếp) 46

47. Ví dụ 4b (giải trực tiếp) 47

48. Mô hình mạch khuếch đại áp Trở kháng ngõ vào Độ lợi áp hở mạch Trở kháng ngõ ra 48          

49. Mô hình mạch khuếch đại dòng 49

50. Mạch khuếch đại E chung (E nối đất) 50

51. Mạch khuếch đại E chung (E nối đất) 51

52. Mạch khuếch đại E chung (E không nối đất) 52

53. Mạch khuếch đại E chung (E không nối đất) 53

54. Ví dụ 5  = 100 Tính dòng và áp DC? Vẽ sơ đồ tương đương AC? Tính v o /v i ? 54

55. Ví dụ 5 (tham khảo DC)  = 100 55

56. Ví dụ 5 (tham khảo AC) 56

57. C rất lớn (C  ∞) Nguồn DC: hở mạch Nguồn AC (với mọi tần số): ngắn mạch 57

58. Mạch khuếch đại E chung (dùng tụ C rất lớn) Chế độ AC 58

59. Mạch khuếch đại E chung (dùng tụ C rất lớn) Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ 59

60. Mạch khuếch đại E chung (dùng tụ C rất lớn) Chế độ AC 60

61. Mạch khuếch đại E chung (dùng tụ C rất lớn) Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ 61

62. Mạch khuếch đại E chung (dùng tụ C rất lớn) 62

63. Mạch khuếch đại E chung Chế độ DC 63

64. Mạch khuếch đại E chung Chế độ AC Ai < 0  ngược pha. |Ai| >> 1  mạch E chung là mạch khuếch đại dòng. 64

65. Mạch khuếch đại B chung 65

66. Mạch khuếch đại B chung 66

67. Ví dụ 6  = 100 Tính dòng và áp DC? Vẽ sơ đồ tương đương AC? Tính v o /v i ? 67

68. Ví dụ 6 (tham khảo DC) 68

69. Ví dụ 6 (tham khảo AC) 69

70. Mạch khuếch đại C chung (dùng sơ đồ tương đương) Mạch theo điện áp cực phát (Emitter Follower) R o (v i = 0): v o = -r e .i e  R o = v o /(-i e ) = r e R out (v sig = 0): v o = -r e .i e – R sig .i e /(1+ )  R out = v o /(-i e ) = r e + R sig /(1+) 70

71. Mạch khuếch đại C chung với tụ (dùng sơ đồ tương đương) 71

72. Kỹ thuật phản ánh với BJT Phản ánh về cực B: Cực B: giữ nguyên h ie = r be = r  Cực E * : thay đổi Trở kháng x (1 + h fe ). Nguồn dòng / (1 + h fe ). Nguồn áp giữ nguyên. Phản ánh về cực E: Cực E: giữ nguyên h ib = r e Cực B * : thay đổi Trở kháng / (1 + h fe ). Nguồn dòng x (1 + h fe ). Nguồn áp không đổi. 72

73. Mạch khuếch đại C chung (dùng kỹ thuật phản ánh) Phản ánh về cực B 73 Phản ánh về cực E

74. Ví dụ 7 Mạch theo điện áp cực phát (Emitter Follower) 74

75. Ví dụ 7 Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ 75

76. Ví dụ 7 Kỹ thuật phản ánh về cực B 76

77. Mạch đệm 77

78. So sánh các mạch khuếch đại dùng BJT 78

79. Ôn tập BJT Nhận biết ký hiệu, phân loại, cực tính, quy ước dòng áp của BJT. Nắm vững các đặc tuyến hoạt động của BJT và dòng chảy ở chế độ khuếch đại. Có khả năng phân cực cho BJT hoạt động ở chế độ khuếch đại. Có khả năng phân tích mạch BJT ở chế độ DC. Có khả năng phân tích và thiết kế điểm tĩnh Q để đạt dao động lớn nhất không méo (max-swing). Nắm vững các mô hình tương đương tín hiệu nhỏ tần số thấp của BJT. Có khả năng phân tích mạch BJT ở chế độ AC. Biết sử dụng kỹ thuật phản ánh trong BJT để phân tích nhanh mạch BJT ở chế độ AC. Có khả năng nhận biết, đánh giá và thiết kế 3 dạng mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ cơ bản dùng BJT. 79

80. Câu hỏi lý thuyết BJT Có thể đổi vai trò các chân E và C trong mạch dùng BJT không? Có thể thay thế BJT khác loại mà vẫn đảm bảo mạch hoạt động như cũ không? Có thể dùng BJT hoạt động như 1 diode được không? Có thể ghép 2 diode để có được hoạt động như BJT ở chế độ khuếch đại không? Những yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định phân cực của mạch dùng BJT? Giải pháp khắc phục? So sánh các đặc tính (độ lợi dòng/áp, trở kháng vào/ra) của 3 dạng mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ cơ bản dùng BJT? Nêu ứng dụng của mỗi dạng mạch? 80

81. 2.1.4 Phân tích mạch FET tín hiệu nhỏ Mô hình tương đương FET tín hiệu nhỏ Mô hình  ( dạng S chung ) Mô hình T (dạng G chung) Phân tích mạch khuếch đại dùng FET Mạch CS Mạch CG Mạch CD Kỹ thuật phản ánh trong BJT: bảo toàn dòng Mô hình tương đương mạch khuếch đại 81

82. Mô hình tương đương dạng  tín hiệu nhỏ tần số thấp 82          

83. Mô hình tương đương dạng T tín hiệu nhỏ tần số thấp 83

84. Các mạch khuếch đại dùng FET 84    

85. Phân tích mạch CS (cực S nối đất) 85    

86. Ví dụ 8 86 C , , , , , , , , . Tính độ lợi toàn mạch và các trở kháng ngõ vào/ngõ ra.  

87. Ví dụ 8 (tham khảo) 87 C , , , , , , , , . Tính độ lợi toàn mạch và các trở kháng ngõ vào/ngõ ra.  

88. Phân tích mạch CS (cực S không nối đất) 88      

89. Phân tích mạch CG 89     (hạn chế)

90. Ví dụ 9 90 Cho , , , , , , , . Tính độ lợi toàn mạch và các trở kháng ngõ vào/ngõ ra.  

91. Ví dụ 9 (tham khảo) 91 Cho , , , , , , , . Tính độ lợi toàn mạch và các trở kháng ngõ vào/ngõ ra.  

92. Phân tích mạch CD (SF) 92     Mạch đệm điện áp (buffer) Trở kháng ngõ vào lớn. Trở kháng ngõ ra nhỏ.

93. Ví dụ 10 93 C , , , , , , , , . Tính độ lợi toàn mạch và các trở kháng ngõ vào/ngõ ra.  

94. Ví dụ 10 (tham khảo) 94 C , , , , , , , , . Tính độ lợi toàn mạch và các trở kháng ngõ vào/ngõ ra.  

95. So sánh đặc tính mạch khuếch đại dùng FET 95

96. So sánh MKĐ dùng BJT và FET 96 Cách ghép Sơ đồ mạch CS vs CE CD vs CC CG vs CB

97. So sánh MKĐ dùng BJT và FET (tham khảo) 97 Cách ghép Sơ đồ mạch CS vs CE < < CD vs CC  1 > 0 CG vs CB > >

98. Phân tích mạch CD dùng kỹ thuật phản ánh 98 (1)   (2)

99. Kỹ thuật phản ánh với FET 99

100. Kỹ thuật phản ánh với FET 100

101. Phân tích mạch CD dùng kỹ thuật phản ánh 101

102. Phân tích mạch CD dùng kỹ thuật phản ánh 102

103. Phân tích mạch CG dùng kỹ thuật phản ánh 103

104. Phân tích mạch CG dùng kỹ thuật phản ánh 104      

105. Ví dụ 11 C , . Tính dòng và áp DC của FET. Tính thông số g m và r o của FET. Tính độ lợi toàn mạch và trở kháng ngõ vào   105

106. Ví dụ 11 (tham khảo mạch DC) 106

107. Ví dụ 11 (tham khảo mạch AC) 107

108. Ôn tập FET Nhận biết ký hiệu , phân loại , cực tính , quy ước dòng áp của FET. Nắm vững các đặc tuyến hoạt động của FET và quan hệ dòng áp ở chế độ bão hòa ( khuếch đại ). Có khả năng phân cực cho FET hoạt động ở chế độ bão hòa . Có khả năng phân tích mạch FET ở chế độ DC. Nắm vững các mô hình tương đương tín hiệu nhỏ tần số thấp của FET. Có khả năng phân tích mạch FET ở chế độ AC. Biết sử dụng kỹ thuật phản ánh trong FET để phân tích nhanh mạch FET ở chế độ AC. Có khả năng nhận biết , đánh giá và thiết kế 3 dạng mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ cơ bản dùng FET. Có khả năng so sánh các dạng mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ cơ bản dùng FET với BJT. 108

109. Câu hỏi lý thuyết FET Có thể đổi vai trò các chân S và D trong mạch dùng FET không? Có thể thay thế FET khác loại (kênh p hoặc kênh n) mà vẫn đảm bảo mạch hoạt động như cũ không? Có thể thay thế JFET và MOSFET cùng loại mà vẫn đảm bảo mạch hoạt động như cũ không? So sánh các đặc tính (độ lợi dòng/áp, trở kháng vào/ra) của 3 dạng mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ cơ bản dùng FET? Nêu ứng dụng của mỗi dạng mạch? Ư u nhược điểm của mạch khuếch đại dùng FET so với BJT? 109

110. Thông số mặc định của bài tập Với những mạch AC (yêu cầu xác định các độ lợi dòng/áp, trở kháng vào/ra), sử dụng thông số mặc định sau trong trường hợp không có thông tin: BJT:  = h fe = 100, h ie = r be = 1K FET: g m = 1mA/V, r ds = 100K 110

111. Bài tập 1 Tính giá trị ở các ô trống? 111

112. Bài tập 2 Tìm Vo? Tìm Ib ? Tìm Rin ? 112

113. Bài tập 3 Tìm Vo? Tìm Rin ? 113

114. Bài tập 4 Tìm Vo? Tìm Ib ? Tìm Rin ? 114

115. Bài tập 5 Tìm Vo1 và Vo2? 115

116. Bài tập 6 Tìm Ii? Tìm Rin? Tìm Vo? 116

117. Bài tập 7 Tìm Vo? 117

118. Bài tập 8 Tìm Rin ? Tìm Vo? 118

119. Bài tập 9 Tìm Vo? 119

120. Bài tập 10 Tìm Rin ? Tìm Vo? 120

121. Bài tập 11 Tìm Rin ? Tìm Vo? 121

122. Bài tập 12 Tìm Ii? Tìm Rin ? Tìm Io? Tìm Rout? 122

123. Bài tập 13 Cho Q: h fe = 50; V γ = 0.5V Tìm R 1 , R 4 để thỏa tĩnh điểm Q (1.5mA, 4V) Tìm A i , Z i , Z o 123

124. Bài tập 14 Tìm Rin ? Tìm Vo? 124

125. Bài tập 15 Các tụ rất lớn.  = 100. Tìm A v , Z i , Z o 125

126. Bài tập 16 Các tụ rất lớn.  = 100. Tìm A v , Z i , Z o 126

127. Bài tập 17 127

128. Bài tập 18 BJT ( h fe = 100, h ie = 1KΩ). Xác định độ lợi áp . 128 + Vo _

129. Bài tập 19 129

130. Bài tập 20 130

131. Bài tập 20 (tt) Tính điểm tĩnh I CQ và V CEQ ? Vẽ sơ đồ tương đương tín hiệu bé của mạch khuếch đại? Tính hệ số khuếch đại điện áp xoay chiều A v = v /v s , trở kháng ngõ vào Z i và trở kháng ngõ ra Z o ? Thiết kế (vẽ sơ đồ mạch và xác định giá trị cụ thể của các linh kiện sử dụng) 1 mạch khuếch đại sử dụng BJT pnp với nguồn tín hiệu ngõ vào (v s , R s ) và tải ngõ ra (R L ) không đổi sao cho đạt được các kết quả A v , Z i , Z o giống như câu c? 131

132. Bài tập 21 Cho BJT có β = h fe = 100, V  = 0.7V. V1 = V2 = 10V; R1 = 1KΩ; R2 = 390Ω; R3 = 2KΩ. Tụ C có giá trị điện dung rất lớn có thể bỏ qua ở chế độ tín hiệu nhỏ. 132

133. Bài tập 21 (tt) Khi khóa K ở vị trí 1 và Rx phân cực để BJT có thông số h ie = 2.5KΩ, tính độ lợi áp xoay chiều A v = v o / v i , trở kháng ngõ vào Z i và trở kháng ngõ ra Z o . Xác định giá trị của điện trở Rx để mạch hoạt động như nhau trong cả hai trường hợp khóa K ở vị trí 1 và 2. Vẽ lại sơ đồ mạch dùng BJT khác loại mà vẫn đảm bảo các tính chất như ở câu a . 133

134. Bài tập 22 , Vẽ sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ. Tìm v d /v i và v s /v i   134

135. Bài tập 23 Tính G v = v o /v sig Tính R in 135

136. Bài tập 24 , Vẽ sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ. Tìm G v = v o /v sig   136

137. Bài tập 25 Tính G v = v o /v sig Tính R in 137

138. Bài tập 26 Tính G v = v o /v i2 138

139. Bài tập 27 Giả sử FET có đặc tuyến i DS = 8(1+0.25v GS ) 2 ( mA ), tìm điện áp tĩnh DC của các ngõ ra Vo1 và Vo2? Giả sử FET có g m = 2.10 -3 mho và r ds = 40KΩ, vẽ sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ ? Tính các độ lợi áp Av1 = Vo1/Vi, Av2 = Vo2/Vi và tổng trở ngõ ra Zo1, Zo2? 139

140. Bài tập 28 Cho , , , , , , , , . Tính G v = v o /v sig , R in và R o   140

141. Bài tập 29 Cho , , , , , , , , . Tính G v = v o /v sig , R in và R o   141

142. Bài tập 30 R1 = 30K, R2 = 6K4, g m = 2 mA/V, r ds = 10K Tìm độ lợi áp, trở kháng ngõ vào và ngõ ra 142

143. Bài tập 30 (tham khảo) R1 = 30K, R2 = 6K4, g m = 2 mA/V, r ds = 10K Tìm độ lợi áp, trở kháng ngõ vào và ngõ ra 143    

144. 144

145. 145

146. 146

147. 147