Mô phỏng mạch điện bjt và mosfet bằng phần mềm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỒ HỒ CHÍ MINH
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
----------------------------------

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Chế Viết Nhật Anh

Trần Hoàng Kha

Hồ Chí Minh, ngày 7 tháng 8 năm 2014

MSSV: 51101540


MỤC LỤC
I.

SƠ LƯỢC VỀ ORCAD VÀ CÁCH TẠO PROJECT MÔ PHỎNG VỚI PSPICE..................................... 5
1.

Giới thiệu .......................................................................................................................................... 5

2.

Cách tạo một project mô phỏng trong ORCAD.................................................................................. 5

3.

Thiết lập giá trị linh kiện và tiến hành mô phỏng................................................................................ 9

II. GIẢI BÀI TOÁN KHUẾCH ĐẠI BJT VỚI CỰC EMITTER CHUNG (KHÔNG ĐIỆN TRỞ Ở CỰC
EMITTER) ................................................................................................................................................. 11
III.
GIẢI BÀI TOÁN KHUẾCH ĐẠI BJT VỚI CỰC EMITTER CHUNG (CÓ ĐIỆN TRỞ Ở CỰC
EMITTER) ................................................................................................................................................. 18
IV.

GIẢI BÀI TOÁN KHUẾCH ĐẠI BJT VỚI CỰC BASE CHUNG ........................................................ 26

V.

GIẢI BÀI TOÁN KHUẾCH ĐẠI BJT VỚI CỰC COLLECTOR CHUNG................................................ 34

VI.

GIẢI BÀI TOÁN MOSFET VỚI CỰC SOURCE CHUNG (KHÔNG ĐIỆN TRỞ Ở CỰC SOURCE) . 41

VII.

GIẢI BÀI TOÁN MOSFET VỚI CỰC SOURCE CHUNG (CÓ ĐIỆN TRỞ Ở CỰC SOURCE) ......... 48

VIII.

GIẢI BÀI TOÁN MOSFET VỚI CỰC GATE CHUNG ...................................................................... 55

IX.

GIẢI BÀI TOÁN MOSFET VỚI CỰC DRAIN CHUNG ..................................................................... 63

1


Figure I.１Khởi động chương trình. ............................................................................................................. 5
Figure I.２Giao diện cơ bản của CAPTURE. ............................................................................................... 6
Figure I.３Tạo project mới. .......................................................................................................................... 7
Figure I.４Hộp thoại New Project................................................................................................................. 7
Figure I.５Hộp thoại Create PSpice Project. ................................................................................................ 8
Figure I.６Giao diện chính của chương trình mô phỏng. ............................................................................. 8
Figure I.７Nút chọn linh kiện........................................................................................................................ 8
Figure I.８Giao diện thay đổi giá trị cho linh kiện. ........................................................................................ 9
Figure I.９Tạo trình mô phỏng mới. ............................................................................................................. 9
Figure I.１０Hộp thoại New Simulation...................................................................................................... 10
Figure I.１１Khởi tạo giá trị cho chương trình mô phỏng........................................................................... 10
Figure I.１２Các nút điều khiển chương trình mô phỏng. .......................................................................... 10
Figure II.１Mạch BJT Emitter chung, không có điện trở cực emitter. ......................................................... 11
Figure II.２Mạch ở chế độ DC. .................................................................................................................. 11
Figure II.３Mạch ở chế độ DC rút gọn. ...................................................................................................... 12
Figure II.４Mạch ở chế độ AC theo mô hình pi. ......................................................................................... 12
Figure II.５Mạch mô phỏng. ...................................................................................................................... 14
Figure II.６Mạch mô phỏng với các giá trị điện áp. .................................................................................... 14
Figure II.７Mạch mô phỏng với các giá trị dòng điện. ................................................................................ 15
Figure II.８Đồ thị của mạch không méo dạng. ........................................................................................... 15
Figure II.９Đồ thị ngõ ra bị méo dạng trên. ................................................................................................ 16
Figure II.１０Đồ thị bị méo dạng cả trên và dưới....................................................................................... 17
Figure III.１Sơ đồ mạch BJT emitter chung, có điện trở ở cực emitter. ..................................................... 18
Figure III.２Mạch ở chế độ DC. ................................................................................................................. 19
Figure III.３Mạch ở chế độ DC thu gọn. .................................................................................................... 19
Figure III.４Mạch ở chế độ AC theo mô hình pi. ........................................................................................ 20

Figure III.５Sơ đồ mạch mô phỏng. ........................................................................................................... 21
Figure III.６Sơ đồ mạch mô phỏng với các giá trị điện áp. ........................................................................ 22
Figure III.７Sơ đồ mạch mô phỏng với các giá trị dòng điện...................................................................... 23
Figure III.８Đồ thị ngõ ra và ngõ vào của mạch mô phỏng. ....................................................................... 24
Figure III.９Đồ thị bị méo dạng dưới của điện áp ngõ ra ........................................................................... 25
Figure III.１０Đồ thị bị méo dạng cả trên và dưới của điện áp ngõ ra........................................................ 25
Figure IV.１Sơ đồ mạch BJT base chung. ................................................................................................. 26
Figure IV.２Sơ đồ mạch ở chế độ DC. ...................................................................................................... 27
Figure IV.３Sơ đồ mạch thu gọn ở chế độ DC. ......................................................................................... 27
Figure IV.４Sơ đồ mạch ở chế độ AC theo mô hình pi. ............................................................................. 28
Figure IV.５Mạch mô phỏng. ..................................................................................................................... 30
Figure IV.６.Mạch mô phỏng với các giá trị điện áp................................................................................... 31
Figure IV.７Mạch mô phỏng với các giá trị dòng điện................................................................................ 31
2


Figure IV.８Đồ thị điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch mô phỏng. .......................................................... 32
Figure IV.９Đồ thị ngõ ra bị méo trên.(đồ thị thứ ba) ................................................................................. 33
Figure V.１Sơ đồ mạch BJT collector chung. ............................................................................................ 34
Figure V.２Mạch ở chế độ DC................................................................................................................... 34
Figure V.３Mạch ở chế độ DC thu gọn. ..................................................................................................... 35
Figure V.４Mạch ở chế độ AC theo mô hình pi.......................................................................................... 35
Figure V.５Sơ đồ mạch mô phỏng. ........................................................................................................... 37
Figure V.６Sơ đồ mạch và các giá trị điện áp. ........................................................................................... 37
Figure V.７Sơ đồ mạch và các giá trị dòng điện. ....................................................................................... 38
Figure V.８Đồ thị ngõ vào và ngõ ra của mạch mô phỏng. ........................................................................ 38
Figure V.９Đồ thị ngõ ra bị méo dạng dưới. .............................................................................................. 39
Figure V.１０Đồ thị điện áp ngõ ra méo dạng cả trên và dưới................................................................... 40
Figure VI.１Sơ đồ mạch MOSFET source chung (không có điện trở ở cực source). ................................. 41
Figure VI.２Sơ đồ mạch ở chế độ DC. ...................................................................................................... 41

Figure VI.３Sơ đồ mạch ở chế độ AC theo mô hình pi. ............................................................................. 42
Figure VI.４Sơ đồ mạch mô phỏng. .......................................................................................................... 43
Figure VI.５Sơ đồ mạch mô phỏng và các giá trị điện áp. ......................................................................... 44
Figure VI.６Sơ đồ mạch mô phỏng và các giá trị dòng điện. ..................................................................... 44
Figure VI.７Đồ thị điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch mô phỏng. .......................................................... 45
Figure VI.８Đồ thị giá trị điện áp ngõ ra bị méo dạng trên.......................................................................... 46
Figure VI.９Đồ thị giá trị điện áp ngõ ra bị méo cả trên và dưới................................................................. 47
Figure VII.１Sơ đồ mạch MOSFET source chung (có điện trở ở cực source). .......................................... 48
Figure VII.２Sơ đồ mạch ở chế độ DC. ..................................................................................................... 48
Figure VII.３Sơ đồ mạch ở chế độ AC theo mô hình T. ............................................................................. 49
Figure VII.４Sơ đồ mạch mô phỏng. ......................................................................................................... 51
Figure VII.５Mạch mô phỏng và các giá trị điện áp. ................................................................................... 51
Figure VII.６Mạch mô phỏng và các giá trị dòng điện. ............................................................................... 52
Figure VII.７Đồ thị giá trị điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch mô phỏng. ................................................ 52
Figure VII.８Đồ thị giá trị điện áp ngõ ra bị méo dạng trên......................................................................... 53
Figure VII.９Đồ thị giá trị điện áp ngõ ra bị méo dạng cả trên và dưới. ...................................................... 54
Figure VIII.１Sơ đồ mạch MOSFET gate chung. ....................................................................................... 55
Figure VIII.２Sơ đồ mạch ở chế độ DC. .................................................................................................... 55
Figure VIII.３Sơ đồ mạch ở chế độ AC theo mô hình T. ............................................................................ 56
Figure VIII.４Sơ đồ mạch mô phỏng.......................................................................................................... 58
Figure VIII.５Mạch mô phỏng và các giá trị điện áp. .................................................................................. 59
Figure VIII.６Mạch mô phỏng và các giá trị dòng điện. .............................................................................. 60
Figure VIII.７Đồ thị giá trị điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch mô phỏng. ............................................... 61
Figure VIII.８Đồ thị giá trị điện áp ngõ ra bị méo dạng trên........................................................................ 62
Figure VIII.９Đồ thị giá trị điện áp ngõ ra bị méo dạng............................................................................... 62
3


Figure IX.１Sơ đồ mạch MOSFET drain chung. ........................................................................................ 63
Figure IX.２Sơ đồ mạch ở chế độ DC. ...................................................................................................... 64

Figure IX.３Sơ đồ mạch ở chế độ AC theo mô hình T............................................................................... 65
Figure IX.４Sơ đồ mạch mô phỏng. .......................................................................................................... 66
Figure IX.５Sơ đồ mạch mô phỏng và các giá trị điện áp. ......................................................................... 67
Figure IX.６Sơ đồ mạch mô phỏng và các giá trị dòng điện. ..................................................................... 67
Figure IX.７Đồ thị điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch mô phỏng. .......................................................... 68
Figure IX.８Đồ thị điện áp ngõ ra méo dạng dưới...................................................................................... 69
Figure IX.９Đồ thị điện áp ngõ ra méo dạng cả trên và dưới. .................................................................... 69

4


I.

SƠ LƯỢC VỀ ORCAD VÀ CÁCH TẠO PROJECT MÔ PHỎNG VỚI
PSPICE

1. Giới thiệu
SPICE là một chương trình mô phỏng được phát triển bởi đại học California, Berkeley. PSPICE là một
trong số các sản phẩm từ SPICE và được phát triển thêm bởi MicroSim Corporation (hiện nay là Cadence
với tên là ORCAD).

2. Cách tạo một project mô phỏng trong ORCAD
Bước 1: chạy chương trình bằng cách vào Start  ORCAD (tuỳ theo phiên bản, ở đây là phiên bản 10.5)
 Capture CIS (hoặc Capture).

Figure I.１Khởi động chương trình.

5

Bước 2: Sau khi mở giao diện chương trình. Chọn File New  Project.

Figure I.２Giao diện cơ bản của CAPTURE.

6


Figure I.３Tạo project mới.

Bước 3: Nhập tên project vào khung Name. Chọn vào “Analog or Mixed A/D”. Bấm OK.

Figure I.４Hộp thoại New Project.

7


Bước 4: Xuất hiện hộp thoại Create Pspice Project, chọn Create a blank project. Bấm OK.

Figure I.５Hộp thoại Create PSpice Project.

Bước 5: Giao diện làm việc để thiết kế mạch như sau:

Figure I.６Giao diện chính của chương trình mô phỏng.

Chọn vào biểu tượng Place part để chọn linh kiện.

Figure I.７Nút chọn linh kiện.

8

3. Thiết lập giá trị linh kiện và tiến hành mô phỏng
Để thiết lập giá trị cho các điện trở, tụ điện… ta double-click vào linh kiện tương ứng và thay đổi giá trị của
value.

Figure I.８Giao diện thay đổi giá trị cho linh kiện.

Sau khi hoàn thành thiết lập mạch điện cũng như các thông số.Ta tiến hành mô phỏng bằng PSPICE bằng
cách chọn trên thanh menu PSpice New Simulation Profile.

Figure I.９Tạo trình mô phỏng mới.

Xuất hiện hộp thoại New Simulation. Nhập tên vào khung Name sau đó bấm Create.

9


Figure I.１０Hộp thoại New Simulation.

Một hộp thoại xuất hiện cho phép thiết lập các thông số cần thiết cho chương trình mô phỏng. Chọn Time
Domain (Trasient) và các giá trị như hình.

Figure I.１１Khởi tạo giá trị cho chương trình mô phỏng.

Bấm nút Run Spice để bắt đầu mô phỏng.

Figure I.１２Các nút điều khiển chương trình mô phỏng.

10

II.

GIẢI BÀI TOÁN KHUẾCH ĐẠI BJT VỚI CỰC EMITTER CHUNG
(KHÔNG ĐIỆN TRỞ Ở CỰC EMITTER)

Cho mạch như hình, với các thông số như sau:

R1  400k , R2  200k , RC  2k , RL  1k , RSig  1k , Vcc  12V ,   149.9, VBE  0.7593V
các tụ điện có giá trị rất lớn. Tính Ri, Ro và độ lợi điện áp Av 

vo
, giá trị điện áp để ngõ ra không
vi

méo.
Vcc

RC
R1
+
RSig

RL
R2

v_sig

vo
-

Ri

Ro

Figure II.１Mạch BJT Emitter chung, không có điện trở cực emitter.

Giải
Lý thuyết:
Ở chế độ DC: các tụ điện hở ra, ta có mạch như hình sau:

RC
R1

R2

Figure II.２Mạch ở chế độ DC.

11


hay
Figure II.３Mạch ở chế độ DC rút gọn.

trong đó, RTH  R1 || R2  133.333  k   , VTH 

 IB 

VTH  VBE
 24.305   A

RTH

 r 

VT
25

 1.029  k  
I B 2.143

R2
.Vcc  4 V 
R1  R2

 VCE  Vcc  IC .RC  Vcc   I B .RC  4.713(V )
Ở chế độ AC: các tụ điện nối tắc, các nguồn áp độc lập nối tắc. Biến đổi mạch theo mô hình pi, ta được
mạch như sau:

Figure II.４Mạch ở chế độ AC theo mô hình pi.

Khi đó:

12


Ri  R1 || R2 || r  1.021k 
Ro  RC  2k 
Av 

vo    RC || RL 


 97.156
vi
r

Gv 

vo vo vi
Ri
 .
 Av.
 49.083
vsig vi vsig
Ri  RSig

Để xác định điện áp ngõ ra lớn nhất không méo, trước tiên xét:

ic 

vce
Vcc  VCE
, IC 
RC || RL
RC

iC  ic  IC  ic  iC  I C  
 iC  IC 

vCE  VCE
RC || RL

vCE  VCE
RC || RL

Suy ra dòng điện I C max để điện áp ngõ ra lớn nhất không méo có giá trị là:



V
I C max  min  IC ; CE   min  3.643; 7.070   3.643  mA
RC || RL 

Vậy giá trị điện áp ngõ ra lớn nhất không méo là: VO max  I C max .  RC || RL   2.429 V  .
Từ giá trị trên thì giá trị điện áp ngõ vào lớn nhất để ngõ ra không méo là: VIm ax 

VO max
 25mV
Av

Mô phỏng:
Sử dụng phần mềm Orcad tạo project mới và thiết lập mạch điện và các thông số cho linh kiện như hình.
Nguồn áp vào có giá trị 25mV.

13


Figure II.５Mạch mô phỏng.

Sau đó, bắt đầu chạy mô phỏng ta sẽ được kết quả như sau:

Figure II.６Mạch mô phỏng với các giá trị điện áp.

14


Figure II.７Mạch mô phỏng với các giá trị dòng điện.

Figure II.８Đồ thị của mạch không méo dạng.

15


Đường màu lục là giá trị điện áp ngõ ra, đường màu đỏ là giá trị điện áp ngõ vào.
Theo đồ thị từ trên xuống lần lượt là điện áp ngõ ra (ở trên) và điện áp ngõ vào (ở dưới), với các giá trị cực
đại được đánh dấu trên đồ thị.
Qua đồ thị ta thấy được độ lợi điện áp có sự khác biệt với những gì tính được trên lý thuyết (ở đây

Gv1 

1.0236V
1.2902V
 41.281 đối với phía trên, và Gv2 
 52.033 đối với phía dưới). Do vậy,
24.796mV
24.796mV

khi sử dụng mạch BJT mắc emitter chung không điện trở ở cực emitter thì độ lợi về áp lớn.
Do đó giá trị điện áp ngõ vào có thể đạt các giá trị sau để đồ thị điện áp ngõ ra không méo:

 I C . RC || RL 

 60.565  mV 
Gv1



Đồ thị méo 1 phía (trên/dưới) nếu vSig max 



Đồ thị ngõ ra sẽ bị méo cả 2 phía nếu vSig max 

VCE
 90.583  mV 
Gv2

Trong trường hợp cho nguồn áp vào có giá trị 80mV, đồ thị sẽ bị méo trên như hình sau

Figure II.９Đồ thị ngõ ra bị méo dạng trên.

Trong trường hợp cho nguồn áp vào có giá trị 100mV, đồ thị sẽ bị méo cả trên và dưới như hình sau

16


Figure II.１０Đồ thị bị méo dạng cả trên và dưới.

17


III.

GIẢI BÀI TOÁN KHUẾCH ĐẠI BJT VỚI CỰC EMITTER CHUNG (CÓ
ĐIỆN TRỞ Ở CỰC EMITTER)

Cho mạch như hình, với các thông số như sau:

R1  82 k , R2  58k , RC  2k , RL  2k , RE1  100, RE 2  1k , RSig  1k , Vcc  12V ,   100, VBE  0.683V
các tụ điện có giá trị rất lớn. Tính Ri, Ro và độ lợi điện áp Av 

vo
, giá trị điện áp để ngõ ra không
vi

méo.

Figure III.１Sơ đồ mạch BJT emitter chung, có điện trở ở cực emitter.

Giải
Lý thuyết:
Ở chế độ DC: các tụ điện hở ra, ta có mạch như hình sau:

18


Figure III.２Mạch ở chế độ DC.

hay
Figure III.３Mạch ở chế độ DC thu gọn.

trong đó, RTH  R1 || R2  33.971 k   , VTH 

 IB 
 r 

RTH

R2
.Vcc  4.971V 
R1  R2

VTH  VBE
 29.561  A
    1 RE1  RE 2 

VT
25

 0.846  k  
I B 29.561

 VCE  Vcc  I C .RC  I E .  RE1  RE 2   Vcc   I B .RC     1 RE1  RE 2   5.789(V )
19


Ở chế độ AC: các tụ điện nối tắc, các nguồn áp độc lập nối tắc. Biến đổi mạch theo mô hình pi, ta được
mạch như sau:

Figure III.４Mạch ở chế độ AC theo mô hình pi.

Khi đó:

Ri  R1 || R2 ||  r     1 .RE1   6.285k 
Ro  RC  2k 
Av 

   RC || RL 
vo

 9.136
vi r     1 .RE1

Gv 

vo vo vi
Ri
 .
 Av.
 7.882
vsig vi vsig
Ri  RSig

Để xác định điện áp ngõ ra lớn nhất không méo, trước tiên xét:

vce

ic 

RC || RL 

RE1



, IC 

Vcc  VCE
R
RC  E1



iC  ic  IC  ic  iC  IC  

vCE  VCE
R
RC || RL  E1



 iC  I C 

vCE  VCE
R
RC || RL  E1



Suy ra dòng điện I C max để điện áp ngõ ra lớn nhất không méo có giá trị là:

I C max



VCE
 min  IC ;
R

RC || RL  E1





  min  2.956;5.258   2.956  mA 



20


Vậy giá trị điện áp ngõ ra lớn nhất không méo là: VO max  I C max .  RC || RL   2.956 V  .
Từ giá trị trên thì giá trị điện áp ngõ vào lớn nhất để ngõ ra không méo là: VIm ax 

VO max
 323.564mV
Av

Mô phỏng:
Sử dụng phần mềm Orcad tạo project mới và thiết lập mạch điện và các thông số cho linh kiện như hình.
Nguồn áp vào có giá trị 100mV.

Figure III.５Sơ đồ mạch mô phỏng.

Sau đó, bắt đầu chạy mô phỏng ta sẽ được kết quả như sau:

21


Figure III.６Sơ đồ mạch mô phỏng với các giá trị điện áp.

22


Figure III.７Sơ đồ mạch mô phỏng với các giá trị dòng điện.

23


Figure III.８Đồ thị ngõ ra và ngõ vào của mạch mô phỏng.

Đường màu lục là giá trị điện áp ngõ ra, màu đỏ là giá trị điện áp ngõ vào.
Qua đồ thị ta thấy được độ lợi điện áp có sự khác biệt với những gì tính được trên lý thuyết (ở đây

Gv1 

810.392mV
791.353mV
 8.104 đối với phía trên, và Gv2 
 7.914 đối với phía dưới). Do đó
100mV

100mV

giá trị điện áp ngõ vào có thể đạt các giá trị sau để đồ thị điện áp ngõ ra không méo:


Đồ thị méo 1 phía (trên/dưới) nếu vSig max 

 IC . RC || RL 
 364.768  mV 
Gv1

VCE
RC || RL 


Đồ thị ngõ ra sẽ bị méo cả 2 phía nếu vSig max 

RE1


Gv2

 RC || RL 
 664.392  mV 

Trong trường hợp cho nguồn áp vào có giá trị 400mV, đồ thị sẽ bị méo dưới như hình sau

24