Chuong 1 mo hinh tuong duong(20 7 15)

CHƯƠNG 1
MÔ HÌNH TƯƠNG ĐƯƠNG
CỦA BJT VÀ MOSFET KHI TÍN HIỆU NHỎ

Tương ứng với chương 13 trong sách Microelectronic Circuit Design_Richard C. Jaeger & Travis N. Blalock


Nội dung chương 1















1.1. Các tham số, chế độ hoạt động ở tín hiệu nhỏ của Diode
1.2. Cấu trúc của BJT, mô hình vận chuyển trong BJT npn
1.3. Biểu thức chung cho các chế độ phân cực của BJT npn
1.4. Cấu trúc của BJT pnp, biểu thức chung cho các chế độ phân cực của BJT pnp
1.5. Phân cực, mạch khuếch đại dùng BJT, tham số khuếch đại của BJT
1.6. Mô hình tương đương tín hiệu nhỏ của BJT
1.7. Chế độ hoạt động tín hiệu nhỏ của BJT
1.8. Mạch tương đương AC và DC của khuếch đại dùng MOSFET

1.9. Mô hình tín hiệu nhỏ của MOSFET
1.10. Chế độ hoạt động tín hiệu nhỏ của MOSFET
1.11. Mô hình tín hiệu nhỏ của JFET
1.12. Hiệu ứng thân trong MOSFET bốn cực

Tương ứng với chương 13 trong sách Microelectronic Circuit Design_Richard C. Jaeger & Travis N. Blalock
2


1.1. Các tham số, chế độ hoạt động ở tín hiệu nhỏ
của Diode


Hệ số góc của đường đặc tuyến của diode tại
Q-point được gọi là độ dẫn điện của diode
và được cho bởi công thức:

g
d
g
d


i

V

I
I I



D
S
S
D


exp 
 D
V
V
V

v
T
T
 T 
D Q  po int
I
I
D
D  40I


For ID>>IS
D
V
0.025V
T

Điện trở của diode được cho bởi công thức:
1
r 
d g
d
3


1.1. Các tham số, chế độ hoạt động ở tín hiệu nhỏ của
Diode







 v  
i  I exp D  1
D S
V  
 T  








V  v
I  i  I exp D d
D d S
 V
T


 
 1
 
 



2
3
 V  
v
 v
v 
v 







1
1




D
d
d
d
D
 I exp
1  I exp 
       ...

S
2 V  6 V 
 V  V
V   S

 T  T
 T 
 T 

 T  









Phân tích chuỗi
Maclaurin
Trừ hai vế của ID,















2














3















v
v
v
1
1
d
d
d  ...
i  (I  I )



D S V
d
2V
6V
T
T
T
Với id là hàm tuyến tính của tín hiệu điện áp vd, v  2VT  0.05V
d
Yêu cầu cho việc hoạt động ở tín hiệu nhỏ của diode.






v 
i  (I  I ) d   i  g v
D S V  d d d
d
T

i  I  g v
D D d d
4


1.1. Các tham số, chế độ hoạt động ở tín hiệu nhỏ của
Diode
Với tính tuyến tính, id tỉ lệ với vd

Yêu cầu cho việc hoạt động ở tín
hiệu nhỏ của diode.

Trong thực tế, ta chọn:
vd



2VT
10

 5mV
vd 

2


vd
v
 1  d 
VT
2  VT 
2
v 
vd
1
[1  d  ]  0
VT
2  VT 
vd

 2
VT
vd  2VT  50mV

ID
ID
id  g d vd 
5mV 
5mV  0.2 I D
VT
25mV
2VT
10

 5mV

id  0.2I D
5


Ví dụ 1 và 2: tính điện trở của Diode

• Ví dụ 1: Tìm các giá trị của điện trở của diode rd để một diode với IS =
1 fA hoạt động tại ID = 0,5 μA, 2 mA và 3 A

• Đáp án: 50K; 12.5; and 8.33 m
• Ví dụ 2: Tìm giá trị của điện trở của diode rd ở mô hình tín hiệu nhỏ tại
nhiệt độ phòng với ID = 1.5 mA và ở T = 100 oC.
• Đáp án: 16.7 , 21.4 

6


1.2. Cấu trúc của BJT, mô hình vận chuyển trong BJT
npn

Bao

gồm 3 lớp bán dẫn loại n và p, được gọi là vùng phát (emitter (E)), nền (base

(B)) và thu (collector (C)).
Phần

lớn dòng điện đi vào cực C, qua vùng nền (base) và ra ngoài qua cực E. Một

dòng điện nhỏ cũng sẽ đi vào cực B, qua liên kết BE và ra ngoài ở cực E.
Các

hạt tải nằm trong vùng nền ngày bên dưới vùng được pha đậm (n+) E điều khiển

đường đặc tính i-v của BJT.


1.2. Cấu trúc của BJT, mô hình vận chuyển
trong BJT npn




Lớp nền mỏng liên kết hai kết nối

pn lại với nhau.
Cực phát (emitter) phóng electron
vào vùng nền, hầu hết các electron
này sẽ đi qua lớp nền và được được
ra ngoài bởi cực thu

• Điện thế vBE và điện thế vBC
quyết định các dòng trong
transistor và có giá trị dương
khi các pn junction được phân
cực thuận.
• Dòng tại các cực là dòng thu
(iC), dòng nền (iB) và dòng phát
(iE).
• Sự khác nhau cơ bản giữa BJT
và FET là iB là đáng kể, trong
khi iG = 0.


1.2. Đặc tính phân cực thuận của BJT npn
Dòng nền:


v

i  F  S exp BE  1
B 
V  

T  

F
F
20    500
(Hệ số khuyếch đại CE)
F

I

i













Dòng phát được cho bởi công thức:


v






S
BE
i i i 
 1
exp 
E C B  
 V


T




F

I

Dòng vận chuyển thuận:








v


i  i  I exp BE  1
C F
S
V  
T  






0.95  

IS là dòng bão hòa

1018A  I 10 9 A
S

VT = kT/q =0.025 V ở nhiệt độ phòng

F





F  1.0
 1
F

(Hệ số khuếch đại
CB)

Trong vùng tích cực,

i
C 
F
i
B

i
C 
F
i
E


1.2. Đặc tính phân cực nghịch của BJT npn
(Hệ số khuyếch đại CE)

0    20
R

Dòng nền ở chế độ phân cực thuận và phân
cực nghịch là khác nhau do sự bất đối xứng
trong việc pha tạp ở vùng thu và vùng phát.
Dòng phát:
Dòng vận chuyển nghịch:









v

i  i  I exp BC  1
R
E
S
V  
T  

Dòng nền:



v

i  R  S exp BC  1
B 
V  

T  
R
R

i

I





















v






S
BC
i 
 1
exp 
C
 V


 
T



R

I

0 

R





R  0.95 (Hệ số khuyếch đại
 1
CB)
R

1.3. Biểu thức chung cho các chế độ phân cực của
BJT npn



v

v

I
v




i  I exp BE   exp  BC   S  exp BC
C
S
V 
 V

 V
T 
T   R 

 T

 

 1
 
 



v

v

I
v




i  I exp BE   exp  BC   S  exp BE
E
S
V 
 V

 V
T 
T   F 

 T


 

 1
 
 






























v

I
v



i  S exp BE  1  S  exp BC
B 
V    
 V
T



F
R
 T

I













 
 1
 
 


Tính toán các tham số:
Ví dụ 3

Ví dụ: Tính giá trị điện áp và dòng
điện tại các cực: vBE, vBC, iC, iE, iB.
 Biết: VBB = 0.75 V, VCC = 5.0 V, IS
=10-16 A, F =50, R =1
 Giả sử: Mạch hoạt động ở nhiệt độ
phòng, VT =25.0 mV.
 Phân tích mạch: VBE =?,
VBC = ?
Kiểm tra: F =?, R =?



Tính toán các tham số:
Ví dụ 3
VBC = VBB- VCC =0.75 V-5.00V=-4.25 V

Biểu thức của dòng điện tại các cực của transistor,
I
C  1.07mA  50
I 1.07mA


C
F I
0.0214mA
B
I 1.09mA
E
I
C  1.07mA  0.982


I  21.4A
F I
B
1.09mA
E


1.4. Cấu trúc của BJT pnp, biểu thức chung
cho các chế độ phân cực của BJT pnp


1.4. Tính chất phân cực thuận của BJT pnp









v


EB
i  i  I exp
 1
C F
S
V  
T  







v

I 




S
F
EB
i 

 1
exp 
B 
 V


 
T



F
F

i




















v

i  i  i  I 1
exp EB  1
E C B
S
V  

T  
F

1








1.4. Tính chất phân cực nghịch của BJT pnp









v


CB
i  i  I exp
 1
R
E
S
V  
T  













v  
i  R  S exp CB  1
B 
V  

T  
R
R
I

i


























v

i   I 1
exp CB  1
C
S
V  

T  
R

1








1.4. Cấu trúc của BJT pnp, biểu thức chung
cho các chế độ phân cực của BJT pnp



v

v

I
v




i  I exp EB   exp  CB   S  exp CB
C
S
V 
 V

 V
T 
T   R 

 T

 
 1
 
 




v

v

I
v




 EB
S
CB
EB
i  I exp
  exp 
 
 exp
E
S
V 
 V

 V
T 
T   F 

 T


 
 1
 
 































v

I
v



i  S exp EB  1  S  exp CB
B 
V    
 V
T



F
R
 T

I














 
 1
 
 


Tính toán các tham số:
Ví dụ 4

Tìm Ic, IE, và IB cho một pnp transistor nếu Is = 10-16 A, VEB =
0.75 V, và VCB = +0.70 V, βF=75, βR=0.40

Tìm Ic = ?mA, IE = ? mA, IB = ?mA


Tính toán các tham số:
Ví dụ 4
Tìm Ic, IE, và IB cho một pnp transistor nếu Is = 10-16 A, VEB =
0.75 V, và VCB = +0.70 V, βF=75, βR=0.40


v


v

I
v




 CB
S
CB
EB
i  I exp
  exp 
 
 exp
C
S
V 
 V

 V
T 
T   R 

 T

 
 1

 
 








v

v

I
v








S
EB
CB
EB
i  I exp 
1

  exp 
 
 exp
E
S
 V

 V

 V  
T 
T   F 



 T  








v

I 
I
v







S
S
CB
EB  1 
i 
1
 exp
exp 
B  
 V

 V  

 
T




F
R
 T  














Tính toán các tham số:
Ví dụ 4
Tìm Ic, IE, và IB cho một pnp transistor nếu Is = 10-16 A, VEB =
0.75 V, và VCB = +0.70 V, βF=75, βR=0.40


v

v

I
v




 CB
S
CB
EB

i  I exp
  exp 
 
 exp
C
S
V 
 V

 V
T 
T   R 

 T

 
 1
 
 








v

v


I
v








S
EB
CB
EB
i  I exp 
1
  exp 
 
 exp
E
S
 V

 V

 V  
T 
T   F 




 T  








v

I 
I
v






S
S
CB
EB  1 
i 
1
 exp
exp 

B  
 V

 V  

 
T




F
R
 T  












Đáp Án: Ic = 0.563 mA, IE = 0.938 mA, IB = 0.376 mA


1.5. Phân cực, mạch khuếch đại dùng BJT,

tham số khuếch đại của BJT








Mục đích của việc phân cực cho BJT là thiết lập một điểm làm việc tĩnh
(Q-point) và nhờ vào đó xác định vùng hoạt động ban đầu của transistor.
Đối với một BJT, Q-point được đại diện bởi (IC, VCE) cho npn transistor
hoặc là (IC, VCE) cho pnp transistor.
Q-point điểu khiển giá trị của điện dung khuếch tán, độ dẫn truyền, trở
kháng vào và trở kháng ra
Trong thực tế phân tích mạch, ta thường sử dụng các công thức toán đã
được đơn giản hóa cho mỗi vùng hoạt động và hiệu điện thế Early được
xem là rất lớn
Trong thực tế, hai mạch điện thường được dùng để phân cực BJT là:
– Mạch phân cực 4 điện trở
– Mạch phân cực 2 điện trở


1.5. Phân cực, mạch khuếch đại dùng BJT,
tham số khuếch đại của BJT




Phân tích mạch DC:

– Tìm sơ đồ tương đương dc bằng cách thay thế tất cả các tụ điện bằng
một mạch hở và các cuộn cảm bằng dây dẫn.
– Tìm Q-point của mạch tương đương dc bằng cách sử dụng mô hình
transistor cho tín hiệu lớn.
Phân tích mạch AC:
– Tìm sơ đồ mạch tương đương ac bằng cách thay thế tất cả tụ điện bằng
dây dẫn và cuộn cảm bằng mạch hở, nguồn điện áp một chiều được nối
đất và nguồn dòng một chiều được thay bằng mạch hở.
– Thay thế tất cả các transistor bằng mô hình tín hiệu nhỏ
– Sử dụng mô hình tín hiệu nhỏ cho mạch ac để phân tích các đặc tính của
mạch khuếch đại.
– Tổng hợp các kết quả phân tích trong mạch ac và dc để tìm các điện áp
và dòng điện trong mạch.
22


1.5. Phân cực, mạch khuếch đại dùng BJT,
tham số khuếch đại của BJT
C1 và C3 là những tụ liên lạc hoặc là tụ
được dùng để chặn các thành phần một
chiều, dung kháng của chúng rất nhỏ đối
với các tín hiệu lớn.





Các tụ liên lạc được sử dụng để đưa
tín hiệu một chiều vào mạch và trích
xuất tín hiệu ở đầu ra mà không làm

ảnh hưởng đến Q-point
Các tụ điện cung cấp một trở kháng
không đáng kể tại các tần số được
quan tâm và làm hở mạch đối với
dòng điện xoay chiều.

C2 là tụ lọc nhiễu cao tần, nó cung cấp
một đường rẽ có trở kháng nhỏ để dòng
điện chạy từ cực emitter tới mass, loại
bỏ RE (cần thiết để có một Q-point ổn
định) ra khỏi mạch khi ta tính đến các
tính hiệu xoay chiều.

23


1.5. Mạch tương đương AC và DC của mạch khuếch
đại dùng BJT



Tất cả các tụ điện ở mạch khuếch đại gốc được thay thế bởi mạch hở,
ngắt vI, RI, và R3 ra khỏi mạch.

24


1.5. Mạch tương đương AC và DC của mạch khuếch
đại dùng BJT

25