MẠCH KHUẾCH ĐẠI MOSFET

GT ẹIEN Tệ Cễ BAN
Khueỏch ủaùi MOSFET

1


5.1. Khuếch đại tín hiệu
• Sơ đồ mạch khuếch đại hai cãng) cho cả xử lý
tương tự và số
Nguồn cấp điện

•

AMP.

IN

OUT

• Trong chương trước, ta đã xét độ khuếch đại của
mạch số đến hoàn thành sự chống nhiễu.
• Trong chương này ta sẽ xét khuếch đại tương tự.
• Mạch khuếch đại thường có mặt trong các thiết
bò sử dụng trong đời sống như máy tăng âm,
trong điện thoại di động…
• Khuếch đại còn giúp làm giảm thiểu ảnh hưởng
nhiễu trong truyền thông tin.
2


• Truyền tin không có khuếch đại

nhiễu 10 mV
1 mV
Tín hiệu vào
kênh truyền
• Truyền thông có khuếch đại
nhiễu
AMP

kênh truyền
tín hiệu
khuếch đại

3


Mạch khuếch đ làm lớn điện thế hoặc dòng của tín
hiệu vào hoặc của cả hai
Ta có đònh nghóa:
1. Độ lợi thế:
AMP.
vi
ii
i o vo

Av 

VO
Vi

AV  dB   20log  AV 

AMP.
vi

2. Độ lợi dòng:
vo

AI 

Io
Ii

AI  dB   20 log  AI 
3. Độ lợi công suất:

Ap  AV AI 

Vo I o
Vi I i

A dB   10 log  Ap 
vo P 

Vs

AMP.

vi
4

5.2. Nguồn thế và nguồn dòng phụ
thuộc
• Trong các chương trước, ta đã xét nguồn độc
lập là những nguồn thế hoặc nguồn dòng
không tuỳ thuộc lẫn nhau như:
+
R
I=V/R

i=I
I

i

• Trước khi xét mạch khuếch đại, ta sẽ xét đến
nguồn phụ thuộc như: - Nguồn dòng kiểm
thế, :
Cảng
điều khiển
Cảng ngõ ra

+

i1
vi

io
vo
5

•

Nguồn dòng kiểm thế:

I  f V





K
V

R

K
V  IR 
R
V

Thí dụ:

K= 10

-3

+
-

V

I =f(V)=K/V

Amp. Volt

Hay:
V2 = KR

V  KR  103.103
 1Volt
•

+ Vs

Nguồn phụ thuộc khác

iD  f  vi 


0

K
2
v

1
i 
2

R

iiN

vi �1
otherwise

vI

+

iD
+
ID

Vo

-

Vậy Vo là hàm số của vi.
•
6


• Giải theo Đònh luật Kirchhoff, cho:

VS  iD RL  vo  0

vo 

VS 

K
2
 vI  1 RL
2

vI �1
v 1

V

S
I
• Thí dụ:
Cho mạch có nguồn dòng kiểm thế có dòng ra phụ
thuộc điện áp vào
io = f (v I). Giả sử đầu tiên phân
tích mạch khi ngõ ra của nguồn dòng phụ thuộc điện
thế ra:

iO = f (vI) = −gmvI.

Theo mạch cho ta:

Do

vo
 io  f  vI 
R

f  v I    g m vI

vI

+

RI
iI

-

RL
io=f(vI)

• Thay vào trên, được độ lợi thế:

vO
  g m RL
kiện ở sau.]
vI
Av 

[ sẽ triển khai khuếch với linh
7


• io theoiI
Ta có:

iO RL   g m RL .iI RI
iO   g m RI iI
• Độ lợi dòng điện:

Ai 
• PO theo PI:

iO
  g m RI
iI

vI

+

RI
iI

-

RL
io=f(vI)

f  v I    g m vI

vO iO  g m2 RL RI vI iI
PO  g m2 RL RI PI
AP 

PO

 g m2 RL RI
PI

• Do đó, nguồn phụ thuộc tạo ra một đôr5 lợi công suất
2
g
RL RI  1
m
lốn hơn đơn vò
•
8


Nguồn dòng kiểm dòng
• Xét mạch điện trên giờ cho ta vO theo vI giả sử
rằng ngõ ra là dòng điện phụ thuộc vào dòng
điện:

iO  f  iI     iI

Ta còn có:

vO
 iO  f  iI 
RL

vì

Thay vào:

vO
 f  iI     iI
RL
v
iI  I
RI
vO   

Ta có độ lợi thế:

RL
vI
RI

vO
 RL



khuếch đại A
dùng
BJT]
V
vI
RI
•

[ sẽ xét mạch

9

5.3. Đặc tuyến MOSFET thực
• Trong chương trước, ta chỉ xé MOSFET hoạt động giao hoán
(on/off),
Dưới đây ta xét đặc tuyến MOSFET hoạt động khuếch đại
(tương tự).
iDS
i DS

vGS

�VTH

vDS
vùng
Triod
R
ON
iDS

vDS = vGS – VT
v GS1

�
vùng bảo hoà

vGS2

vGS3

khi vDS

VTH

vGS < VTH

vGS

vDS

vDS
SR model

Model SCS chính xác hơn
VTH
GS < model
Model SRvvà
S

vDS

SCS Model

MOSFET giống như nguồn dòng

10


• Theo đặc tuyến MOSFET thực có ba vùng hoạt động
kể từ đường cong đứt khoảng biểu diễn q tích

những điểm có:

vDS  vGS  VTH
vGS  VTH

• MOSFET ngưng vdẫn
 V(cutoff) khi:
GS

•

TH

Vùng triod:
Vùng mà những
hoạt động nằm phía trái
vDS  điểm
vGS  VTH
đường cong đứt khoảng, tại đó:

vGS �VTH

•

Vùng bảo hoà:
Vùng mà những
điểm
động nằm phía phải
vDS �
vGS  Vhoạt

TH
đường cong đứt khoảng, tại đo thoả hai điều kiệnù:

vGS �vTH

11


• Model SCS
• Khi vGS < VTH, MOSFET ngưng

D

mạch cực thoát và cực nguồn
iG=0
hở, dòng iG =0

iD = f(vGS)
iDS

• Đường vDS = VGS – VTH, dòng iD
trở thành:
iDS 

2

S

K 2
vDS

2

vGS �VT

�
• Trong vùng bảo hoàvới
vDS
iDS

K  vGS  VT 

2

K  vGS  VTH 

2
0

VTH có:

2

vGS �VTH , vDS �vGS  VTH
vGS  VTH

• Thí dụ: MOSFET có: K = 1 mA/V2 và VTH = 1 V, VDS =
5V, hoạt động tại vùng bảo hoà lớn hơn v GS – VTH
( 2V – 1V= 1V). Thay2 vào được:
K  vGS  VTH 
1mA / V 2  2V  1V 

iDS 

 0,5mA
•

2

2

12


5.4 Mạch Khuếch đại MOSFET
vs

Vs

RL

RL

vo
vo
iD= K(vi-VTH)/2

+

+

vi

vi

-

-

iD 

K  vi  VTH 

2

2

Mặt khác, viết hệ thức nút:
iD 

Vs  vO
RL

vO  VS  iD RL

vD  VS

 v V 
 K i TH
2

2

RL
13


Độ lợi điện thế còn gọi là hàm số truyền:
vo
2
V

K
v

V

vO
S
i
TH  RL
•
Vs


vi

vi

cutoff
Biên độ của
vo

vùng (vi – VTH)
độ dốc lớn
Vs
�
hơn một
MOSFET trong vùng bảo �
hoà
vi
với ( vO > vi – VTH và vi

VTH

VTH)

Vùng diod (vo <(vi – VTH và vi
VTH

VTH)

vi



Thí dụ:
2 cóVs = 10V, K =1mA/V 2,
Cho mạch khuếch đại MOSFET
�
�
v


1


i
3
vO=1V,
 10  v
10.103
RL = 10 k VTH
V. Tính �
được:
 10
�
i = 2

�
�

2

 10  5  2  1  5V
2

�
�

14


• Nhận xét:

Ta có kết quả ở
bảng sau:
1. Rõ ràng là mạch khuếch đại có độ lợi thếvì dải
vi
vo
điện thế vào từ 1V đến 2,4 V làm ngõ ra thay đổi
1
từ 10V đến 0V.

10

1,4

9,2

2. Độ lợi không tuyến tính, khi ngõ vào thay đổi từ
1,5
2V đến 2,1V, ngõ ra thay đổi từ 5 V đến 4V, biểu
1,8
thò độ lợi cục bộ là 10. Tuy nhiên khi ngõ vào thay
đổi từ 1,4V đến 1,5V, ngõ ra thay đổi gần 0,4V, 1,9
biểu thò độ lợi là 4.

8,8
6,8
6,0

2,0

5,0

2,1gần
3. Chế độ bảo hoà chỉ đạt khi vi có trò giữa 1V và
2,3V. Còn khi vi nhỏ hơn 1V, MOSFET ngưng dẫn.
2,2
Tương tự, khi vi lớn hơn 2,3V, ngõ ra giảm nhiều hơn

4,0
2,8

2,3

1,6

2,32

1,3

thềm giảm thấp ngõ vào. Lưu ý rằng, khi v i là 2,32V,
ngõ ra là1,3V, điều này là nhiều hơn thềm giảm thấp
2,35
ngõ vào.

2,4

:

0,9
0

15


• Thí dụ 2:
Cho mạch khuếch đại MOSFET như hình trên, giả sử MOSFET
hoạt động trong vùng bảo hoà. MOSFET có các thông số sau:
K = 0,5mA/V2, VTH = 0,8V. Mạch có VS = 5V, tín hiệu vào vi = 2,5V.
Từ trò só vo , chứng tõ MOSFET ở trong vùng bảo hoà.
• Ta có:
•

K  vi  VTH  RL
�2,5  0,8 � 3
vO  VS 
 5  0,5.103 �
� 10 
2
� 2
�

•

 4,
28V bảo hoà, phải thoả hai điều kiện sau:
Với MOSFET ở
vùng

2

2

vGS �VTH
• Với mạch trên ta có:

vDS �vGS  VTH

Hai điều kiện trên thoả, vậy MOSFET là ở trong vùng bảo
hoà.
vGS  vi  2,5V �VTH  0,8V
• Nói cách khác, mạch khuếch đại phải thoả hai điều kiện
vDS gian.
 vO  4, 28V �vGS  VTH  2,5V  0,8V  1,7V
trên tại mọi thời

16


Phân tích mạch
1. Phân giải mạch:
xem vO= vDS

vs
RL
vo

vD  VS  iDS RL
vD  VS

B

 v V 
 K i TH

2

2

vI �VTH

RL

+
vi

vO�vI  VTH
vO  VS

-

vI  VTH

K
iDS � vO2
2

(MOSFET ngưng dẫn)
• 2. Phương pháp đồ thò:
2
•
K  vi  VTH 

K
iD 
� vO2 �
DCLL
A
2
2
• Từ
:
•
• Từ
vo

vO �

B

:

iDS

2iDS
K

A

iD= K(vi-VTH)/2

iDS

V
v
 S  O
RL RL

K 2
vO
2

VS
RL

iDS

A
B

vI

vGS= VTH
Vs
17


•

A
Bắt buộc

B và

phải gặp nhau
iDS

K
iDS � vO2
2

Vs/RL

vI

A

B
IDS

VI

VO

VS

vO
• Cho VI, tìm được VO, IDS.

18


5.5. Mạch khuếch đại MOSFET tín hiệu

lớn
• Phân tích tín hiệu lớn nghóa là tìm tính chất mạch khuếch
đại nhưn thế nào với sữ thay đổi lớn trong tín hiệu vào,
nói cách khác, đó là làm thay đổi của cùng độ lớn
như các thông số hoạt động của mạch khuếch đại.
• Phân tích tín hiệu lớn cũng xác đònh dải ngõ vào cho
mạch khuếch đại theo qui tắc bảo hoà như đã thảo luận
ở trên.
• Ta sẽ áp dụng phương pháp phân giải bằng đồ thò để
phân giải.
• Với tín hiệu lớn, đường thẳng tải sẽ cắt vùng triod, cho
bởi:

vO  vI  VTH

• Và ở giao điểm đó, trong vùng bảo hoà cho:

• Thay vào, được:

vO  VS

 v V 
 K i TH
2

2

RL

19

• Đồng nhất hai vế, cho:

vi  VTH 

 VS  K
RL
2
2

vO  vI  VTH
Sắp xếp lại cho:

K
2
RL  vI  VTH    vI  VTH   VS  0
2
• Giải phương trình bậc hai được:

vO  vI  VTH
vI  VTH

1  1  2 KRLVS

KRL

1  1  2 KRLVS

KRL

• Tóm lại:
Dải điện thế ngõ vào cực dại là:

•

1  1  2 KRLVS
VTH � vI  VTH 
KRL
Dải điện áp ra cực đại:
1  1  2 KRLVS
V
�
Dải sóng thoátS tương ứng:
KRL

K
2
0 �  vI  VTH 
2

20


• Phaân tích baèng ñoà thò:
iDS

K
iDS � vO2
2

K  v V 
iD  i TH
2

iDS 

vI

vI  VTH vO

1  1  2 KRLVS
KRL

1  1  2 KRLVS
vO 
KRL
iDS

2

VS
vO


RL
RL

VS
v
 O

RL RL

vI  VTH
vO  VS , & iDS  0

21


Thí dụ1: Cho mạch khuếch đại MOSFET có:R L = 10 k

VS= 5V,
K = 1 mA/V2,, VTH = 1 V. Xác đònh dải điện thế ngõ
vào của mạch khuếch đại.
Theo trên ta biết trò số thấp của dải điện thế
ngõ vào bằng VTN = 1V
. Trò số tương ứng của vo là VS = 5 V và dòng điện iD=
0.
Tiếp đó, ta có trò số cao nhất của điện thế ngõ
vào ở vùng hoạt động
1  1 bảo
2 KRLVShoà của mạch khuếch
v

V

i max được
TH
đại MOSFET có
khi thay
KRL các trò số vào phương

trình trên:
 1

,

1  1  2  1.103   1.104   5 

 1.10   1.10 
3

4

 1,9V

v  v V

 1,9V  1V  0,9V

O các
I
TH số tương ứng v và i :
ta tính được
trò
o
o

K
1.103
2
2

iD   vi  VTH  
1,9

1

  0, 41mA
2
2
22


• Tóm lại dải trò số cực đại của điện thế vào:
1V  1,9 V
• Và dải trò số cực đại ngõ ra:
5V  0,9 V
• Dải dòng điện thoát tương ứng:
0 mA  0,41 mA
• Ta có đồ thò của mạch khuếch như sau:
iDS
1,9 V

•

( 0,9V, 0,41 mA)

0,5 mA

v GS =

vGS = 1V

(5V, 0 mA)
5V
0,9

vDS
23


• Tóm lại:
Phân tích tín hiệu xác đònh đường cong chuyển vào – ra
của mạch khuếch đại và những giới hạn trên điện thế
vào tại đó mạch khuếch đại hoạt động dưới điều kiện
bảo hoà.
• Đặc biệt, phân tích tín hiệu của một mạch khuếch đại
bao gồm những bước sau:
1. Rút ra hệ thức giữa vi và vo dưới điều kiện bảo hoà.
Lưu ý rằng một cách tổng quát điều đó phải được
phân tính tuyến tính hoặc hoàn toàn không tuyến tính.
2. Tính dải điện thế vào hợp lý và dải điện thế ra hợp
lý cho hoạt động bảo hoà. Những giới hạn của dải
hợp lý xảy ra khi MOSFET đi vào vùng ngưng dẫn hoặc
vùng triod. Trong mạch phức tạp, bước này đòi hỏi phải
được phân giải (phân tích toán học- giải tích).
Một cách nghó khác, những giới hạn xác đònh trong
phân tích tín hiệu lớn dẫn tới cách xác đònh điểm hoạt
động của mạch khuếch đại, sẽ xèt trong đoạn tới.

24

5.6 Chọn điểm điều hành
• Theo trên thướng ta chọn điểm Q ở trung
điểm đường tải tỉnh, để tín hiệu vào đu đưa
quanh điểm Q ( tín hiệu ra có biên độ cực đại
đối xứng quanh điểm Q):

25