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 (IB) làm công việc
điều khiển, còn ở FET, việc điều khiển là sự biến thiên của điện thế ngõ vào V
B
GS.
Với FET các phương trình liên hệ dùng để phân giải mạch là:
I
G = 0A (dòng điện cực cổng)
I
D = IS (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; VGS = -RGIG - VGG
⇒ RGIG = 0 ⇒ VGS = -VGG (3.1)
Ðường thẳng VGS=-VGG được gọi là đường phân cực. Ta cũng có thể xác định được
ID từ 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 = VDD - RDID (3.2)
Ðây là phương trình đường thẳng lấy điện. Ngoài ra:
V
S = 0
V
D = VDS = VDD - RDID
V
G = VGS = -VGG
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 VDD và 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 VG = 0 và ID = IS
⇒ VGS = VG - VS = -RSID (3.3)
Ðây là phương trình đường phân cực.
Trong trường hợp này VGS là một hàm số của dòng điện thoát ID và không
cố định như trong mạch phân cực cố định.
- Thay VGS vào phương trình schockley ta tìm được dòng điện thoát ID.
- Dòng ID cũng 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:
VDS = VDD-RDID-RSIS = VDD-(RD + RS)ID (3.5)
Ðây là phương trình đường thẳng lấy điện.
Ngoài ra: VS=RSID ; VG = 0; VD = VDD-RDID
3.1.3 Phân cực bằng cầu chia điện thế:
Dạng mạch như hình 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 = VG - VS
V
S = RSIS = RSID
⇒ VGS = VG - RSID (3.7)
Ðây là phương trình đường phân cực.
Do JFET điều hành theo kiểu hiếm nên phải chọn R1, R2 và RS sao cho VGS
< 0 tức
IDQ và VGSQ chính là tọa độ giao điểm của đường phân cực và đặc tuyến
truyền.
Ta thấy khi RS tăng, đường phân cực nằm ngang hơn, tức VGS âm hơn và
dòng ID nhỏ hơn. Từ điểm điều hành Q, ta xác định được VGSQ và IDQ. Mặt khác:
V
DS = VDD - (RD + RS)ID (3.8)
V
D = VDD - RDID (3.9)
V
S = RSID (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 VGS >0 nên ID >IDSS,
do đó ta phải chú ý đến dòng thoát tối đa IDmax mà 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 , RS phải được chọn
sao cho VG>VS tức VGS >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 = VG-RSID
Vậy VGS(off) = 1.5volt - ID(mA). 0,15 (kΩ)
Từ đồ thị hình 3.8 ta suy ra:
IDQ =7.6mA
VGSQ = 0.35v
VDS = VDD - (RS+RD)ID = 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 = VDS = VDD - RDID (3.11)
trùng với đường thẳng lấy điện.
Vẽ hai đặc tuyến này ta có thể xác định được IDQ và VGSQ
Trương Văn Tám III-5 Mạch Điện Tử