Chuong 6 dap ung tan so cua mach KD(20 7 15)

CHƯƠNG 6
ĐÁP ỨNG TẦN SỐ CỦA MẠCH
KHUẾCH ĐẠI

1
Tương ứng với chương 17 trong sách Microelectronic Circuit Design_Richard C. Jaeger & Travis N. Blalock


Nội dung chương 6
 6.1. Các điện dung bên trong diode và BIT


6.2. Mạch tương đương của BJT ở tần số cao, tín hiệu nhỏ



6.3. Hệ số khuếch đại dòng điện khi ngắn mạch đầu ra



6.4. Đáp ứng tần số của mạch E chung khi ngắn mạch đầu ra



6.5. Định lý MILLER



6.6. Tính toán đáp ứng tần số của mạch sử dụng MOSFET



6.7. Tính toán đáp ứng tần số của mạch sử dụng BJT

8/6/2015

2


6.1. Các điện dung bên trong diode và BIT

ĐIỆN DUNG DO VÙNG NGHÈO TẠO RA:

Cj 

Wdo: độ rộng vùng nghèo

sA
Wdo (1 

A: diện tích thiết diện ngang

vD

j

)

ĐIỆN DUNG DO KHUẾCH TÁN

i D T

CD 
 gm T
VT

vD: điện áp diode

j: điện áp bên trong (build-in)
T = F :thời gian dịch chuyển
theo hướng thuận (hằng số)

3


6.1. Các điện dung bên trong diode và BJT
Các thông số của BJT ở tín hiệu nhỏ
gm 

IC

V
; r  F ; ro  A
VT
gm
IC

C b   F gm (diffusion capacitance)

sA

C je 

Wdo

(depletion capacitance)

VBE
1
VbiBE

 C  C b  C je
C   C jc 

sA
Wdo 1 

VBC
VbiBC

(depletion capacitance)

4


6.2. Mạch tương đương của BJT ở tần số cao,
tín hiệu nhỏ
If R1→0

VCC
R2

ii

io

io

C

r

ii

C

ro

R1

CCB = C = Cjc (điện dung do vùng nghèo dưới
tác dụng phân cực nghịch)
CBE = C = Cje (điện dung do vùng nghèo) + Cb (điện dung do khuếch
tán dưới tác dụng phân cực thuận)
5


6.3. Hệ số khuếch đại dòng điện khi ngắn mạch đầu ra
Ngắn mạch đầu ra để khảo sát đáp ứng tần số
của do các thành phần bên trong BJT tạo ra

v  ii [r / /
C

ii
r

v

io
ro

C

gmv



1
1
//
]
sC sC 

ii
1
 s ( C  C  )
r

io  gm v  v sC 
so :
gm  sC 
io

Ai  
1
ii
 s (C  C  )
r

6


6.4. Đáp ứng tần số của mạch E chung
khi ngắn mạch đầu ra
Quan hệ hệ số khuếch đại dòng điện theo tần số.

gmr
f2
f1

fT

1 s

Ai ( s )  gm r

Ngắn mạch đầu ra để
khảo sát đáp ứng tần số
của do các thành phần
bên trong BJT tạo ra

C

gm
1  sr (C  C  )

where: gm r   F  DC short-circuit current gain
f
f2
Ai ( f )  gm r
f
1 j
f1
1 j

1

 f1 

2r (C  C  )

 f2 

gm
 f1
2 C 
7


6.4. Đáp ứng tần số của mạch E chung
khi ngắn mạch đầu ra
1 s

Ai ( s )  gm r

C

gm
1  sr (C  C  )

where: gm r   F  DC short-circuit current gain
f  0; Ai  gm r


f  ; Ai  gm r

gmv

C

C 
gm

r (C  C  ) C  C 

f2
f1

fT

Tần số tương ứng với Ai=1:

fT 

gm
2 (C  C  )
8


ĐÁP ỨNG TẦN SỐ
fT phụ thuộc vào dòng điện và thường được cho trong sổ tay tra cứu BJT
fT

1
2 F

C  C b  C je   F gm  C je
 fT 

gm
2 ( F gm  C je  C  )

For very small bias levels:
fT 

gm
IC

2 (C je  C  ) 2 VT (C je  C  )

For "normal" bias levels:
fT 

gm

2 F gm



1
2 F

9


6.5. Định lý MILLER
Hệ số KĐ điện áp được Av biểu diễn:

iz
z

v2  Av v1

i2

1
V2 (1  )
V1 (1  Av )
Av
iz 

z
z

Network N

v1

i1

v2

Điều này đồng nhất với:
z
z1 
1  Av

i2
v1

Network N
i1

z1

z2

v2

z2 

z
1

1
Av
10


6.5. Định lý MILLER

VDD

RD

Sử dụng định lý Miller
xác định các tụ vào và ra
của mạch?

CF
Vi

VO
RS

M1

11


6.5. Định lý MILLER
Sử dụng định lý Miller, thay tụ CF
bằng 2 tụ tương đương Cin và Cout

VDD

VDD
RD
RD
CF
VO

Vi

VO
RS

M1

RS
Vi

M1

Cout

Cin

12


6.5. Định lý MILLER

VDD

RD

Cin  (1  Av )C F
VO

RS
Vi

M1

Cout

Cout  (1 

1
)C F
Av

Av  g m RD

Cin

13


6.5. Định lý MILLER

VDD

1
 in 
RS C in

RD


VO

and

 out 

RS
Vi

M1
Cin

Cout

1
RS (1  gm RD )C F
1
RDC out
1


RD (1 

1
)C F
gm RD

14


6.6. Tính toán đáp ứng tần số của mạch sử dụng
MOSFET
Calculate f in and f out , if gm  (150 )1 ,
VDD

RD  2k  , RS =1 k and C F  80 fF

C in  (1  gm RD )C F

RD
VO

RS

C out

Vi

M1
Cin

Cout

1 =??
 (1 
 2000)80 f
150
 1.15 pF
1
 (1 
)C F
gm RD
 (1 

1

=??

1
 2000
150
 86 fF

)80 f

15


6.6. Tính toán đáp ứng tần số của mạch sử dụng
MOSFET
Calculate f in and f out , if gm  (150 )1 ,
RD  2k  , RS =1 k and C F  80 fF

VDD

Lời giải
C in  (1  gm RD )C F

RD
VO
RS

C out

Vi

M1
Cin

1
 2000)80 f
150
 1.15 pF
1
 (1 
)C F
gm RD
 (1 

Cout

 (1 

1

1
 2000
150
 86 fF

)80 f

16


6.6. Tính toán đáp ứng tần số của mạch sử dụng
MOSFET
VDD

Calculate f in and f out , if gm  (150 )1 ,
RD  2k  , RS =1 k and C F  80 fF

RD
VO
RS

f in  ?
f out  ?

Vi

M1

Cout

Cin

17


6.6. Tính toán đáp ứng tần số của mạch sử dụng
MOSFET
Lời giải

VDD

f in 

RD
VO

RS

 1.38  108 Hz
f out 

Vi

M1

Cout

1

2 RS C in
1
2 RDC out

 9.2  108 Hz

Cin

18


6.7. Tính toán đáp ứng tần số của mạch sử dụng BJT
VBE ,on  0.7V ;VCE , sat  0.1V ;



Q1(2 N 3904)    100; F  150 ps;VA  100V ;
C  1 pF ; C  1 pF

jc
 je


VCC
R2

RC

Rs

C2
Q1

vo

C1
vi

R1

RE

CE

 Rs  100; R1  10k ; R2  100k ;

 RC  10k ; RE  1k ; RL  10k ;
C  C  C  10  F ;V  12V
2
E
CC
 1






19

6.7. Tính toán đáp ứng tần số của mạch sử dụng BJT

Có 3 vùng tần số:
Vùng tần số cao: (xem xét các tụ bên trong của BJT)
Vùng tần số thấp: (xem xét các tụ trong mạch điện)

Vùng tần số trung bình: (xem xét ảnh hưởng của 2 loại tụ trên)

20


Phân tích chế độ 1 chiều (DC)
VCC

RC

R2
Rs
vi

C2
Q1

vo

C1
R1

 Rs  100; R1  10k ; R2  100k ;


 RC  10k ; RE  1k ; RL  10k ;
C  C  C  10  F ;V  12V
2
E
CC
 1

RE

CE
 0.7V ;V

 0.1V ;

 BE ,on

CE , sat



 Q1(2 N 3904)    100; F  150 ps;VA  100V ;

C  1 pF ; C  1 pF


jc
 je



V

Bước1: Phân tích DC: xác định IC, IB, và VCE

IB=?; IC=? VCE=?
21


Phân tích chế độ 1 chiều (DC)
VCC
RC

R2
Rs
vi

C2
Q1

vo

C1
R1

 Rs  100; R1  10k ; R2  100k ;

 RC  10k ; RE  1k ; RL  10k ;
C  C  C  10  F ;V  12V
2
E

CC
 1

RE

CE
 0.7V ;V

 0.1V ;

 BE ,on

CE , sat



 Q1(2 N 3904)    100; F  150 ps;VA  100V ;

C  1 pF ; C  1 pF


jc
 je


V

Bước1: Phân tích DC: xác định IC, IB, và VCE
 I C  391 A; I B  3.91 A;



V

7.70
V
 CE

22


Xác định các thông số của mạch
C

Rs
C
vi

R1//R2

ro

r

RC

RL

gmv

Bước 2: Xác định các thông số khác

gm=?; r=?; ro=?; C=?; C=?
fT 

gm
 572
? MHz
2 (C   C )
23


Xác định các thông số của mạch
Bước 2: Xác định các thông số khác
 gm  15.6mS ; r  6.4k ; ro  256k  


C

2.34
pF
;
C

3.34
pF
;
C

1
pF



 b

gm
fT 
 572 MHz
2 (C   C )

24


Xác định các thông số của mạch
Bước 3: Phân tích mạch tín hiệu nhỏ:
Xác định hệ số khuếch đại điện áp
Rs

Ri
gmv

R1//R2

r

ro

RC

RL

vo

vi

Avs=?

25