Giới thiệu tổng quan về Mosfet, phân tích sơ đồ mạch có mosfet, mạch khuếch đại mosfet

Lý thuyết mạch nâng cao

MOSFET Switch
Tài liệu tham khảo:
Agarwal and Lang (2005) Foundations of Analog and Digital


Giới thiệu chương
• Chương này giới thiệu về các linh kiện chuyển mạch và chứng minh
các cổng logic số có thể được xây dựng bằng cách sử dụng các thiết bị
chuyển mạch.
• Chương này cũng thảo luận một cách chung nhất về thực hiện chuyển
mạch trong công nghệ VLSI(Very Large Scale Integrated) bằng
cách sử dụng một thiết bị được gọi là MOSFET.


6.1 Chuyển mạch
• Ta xem xét một hệ thống điện có mơ hình mạch tham số tập trung của
nó như hình dưới đây:

• Khi ấn vào chuyển mạch, nó đóng và hoạt động giống như một dây
dẫn và có dịng đi qua.


6.1 Chuyển mạch
• Theo đó, chuyển mạch có thể được mơ hình hóa là một thiết bị ba cực
được thể hiện như Hình 6.2:

Hình 6.2 Mơ hình chuyển mạch 3 cực

6.1 Chuyển mạch
• Thiết bị ba cực bao gồm:
• Một điều khiển.
• Một cực vào.
• Một cực ra.

• Khi thiết bị cực điều khiển có trạng thái TRUE hoặc một tín hiệu logic 1
trên nó, đầu vào được kết nối với đầu ra thông qua một đoạn ngắn mạch,
và chuyển mạch được cho là ở trạng thái ON. Nếu không, chúng ta có
một hở mạch giữa đầu vào và đầu ra, và chuyển mạch được cho là ở
trạng thái OFF.


6.1 Chuyển mạch
• Ngồi ra chúng ta cịn có thể biểu diễn mối quan hệ giữa các cực trên
đồ thị. Ví dụ như Hình 6.3

Hình 6.3 Đồ thì dịng điện theo điện áp, v-là điện
Áp rơi trên đầu vào và đầu ra của chuyển mạch, i-là dòng điện
chạy qua 2 cực tương ứng


6.1 Chuyển mạch
• Khi đầu vào điều khiển là mức logic 0 thì dịng điện qua chuyển mạch
là 0, khơng phụ thuộc vào điện áp được đặt vào.
• Ngược lại, chuyển mạch hoạt động giống như một ngắn mạch giữa
các cực đầu vào và đầu ra khi đầu vào điều khiển mức logic là 1. Khi
hoạt động như một ngắn mạch, điện áp trên cực đầu vào và đầu ra là
0, và dịng khơng bị giới hạn bởi chuyển mạch.

6.1 Chuyển mạch
• Biểu diễn dưới dạng đại số như sau:

• Mặc dù chuyển mạch là một thiết bị phi tuyến, các mạch có chứa một
chuyển mạch và các thiết bị tuyến tính khác có thể được phân tích
bằng cách xem xét hai mạch tuyến tính: một khi chuyển mạch ở trạng
thái on và một cho chuyển mạch ở trạng thái OFF.


6.1 Chuyển mạch
• Hình 6.4 là ví dụ minh họa cho điều này.

• Phân tích 6.4a dễ thấy rằng dịng điện bằng khơng khi chuyển mạch ở
trạng thái OFF.
• Tương tự, phân tích 6.4b, dịng điện được cho bởi I=V/R khi công tắc
ở trạng thái ON.


6.1 Chuyển mạch
• Ví dụ 6.1 Xác định dịng điện chạy qua điện trở R1 trong Hình 6.5a

• Mạch trong Hình 6.4a là phi tuyến vì nó có chứa một chuyển mạch.
Chúng ta có thể phân tích mạch này bằng cách xem xét hai mạch
tuyến tính con được hình thành cho một trong hai trạng thái của
chuyển mạch.


6.1 Chuyển mạch
• Hình 6.5b cho thấy mạch tuyến tính được hình thành khi chuyển

mạch ở trạng thái ON.

• Khi này dòng điện chạy qua điện trở R1 được xác định theo công thức
sau:


6.1 Chuyển mạch
• Hình 6.5c cho thấy mạch tuyến tính được hình thành khi chuyển mạch
ở trạng thái OFF.

• Trong trường hợp này dòng chạy qua R1 là:


6.2 Hàm logic sử dụng các chuyển mạch
• Tiếp theo, hãy xem xét các mạch bóng đèn với một cặp thiết bị
chuyển mạch kết nối liên tiếp như mô tả trong hình 6.6a.

Hình 6.6a Mạch bóng đèn với switch cấu hình 1 cổng AND
• Bóng đèn chỉ có thể được bật chỉ bằng cách đóng cả hai switch A và
B.


6.2 Hàm logic sử dụng trong chuyển mạch

• Tương tự như vậy, hình 6.6b cho thấy một mạch với một cặp của các
thiết bị chuyển mạch kết nối theo kiểu song song.

Hình 6.6b Mạch bóng đèn với switch cấu hình 1 cổng OR
• Trong cấu hình thứ hai, bóng đèn có thể được bật bằng cách đóng một
trong hai switchA or switch B.

6.2 Hàm logic sử dụng trong chuyển mạch

• Vậy việc kết nối chuyển mạch nối tiếp thực hiện chức
năng 1 cổng logic AND và thiết bị chuyển mạch kết nối
song song thực hiện chức năng OR. Chuyển mạch có thể
kết hợp cấu hình AND- OR để thực hiện chức năng phức
tạp hơn.
• Trong các ví dụ trên ta xét với các chuyển mạch cơ, chúng
có nhiều hạn chế như kích thước lớn, chỉ phản ứng với áp
lực cơ học tại cực điều khiển. Điều này gây khó khăn cho
việc xây dựng các mạch logic. MOSFET là một thiết bị
chuyển mạch thay thế được thực hiện với chi phí thấp
trong cơng nghệ VLSI.


6.3 BÁN DẪN TRƯỜNG MOSFET VÀ MƠ HÌNH CỦA NĨ

• MOSFET thuộc về một loại linh kiện điện tử, gọi là bóng bán
dẫn trường. MOSFET có ba chân (cực) với một chân điều
khiển, một đầu vào và một đầu ra.

Hình 6.7 Hình ảnh thực tế của một số loại MOSFET


6.3 BÁN DẪN TRƯỜNG MOSFET VÀ MƠ HÌNH CỦA NĨ

• Nó được ký hiệu như hình 6.8. Trong đó: G là cực cổng (cực điều khiển); D
là cực máng (đầu vào); S là cực nguồn (đầu ra)

Hình 6.8 Ký hiệu của một bán dẫn trường
• Đối với mục đích của chúng ta, chúng ta có thể gán cực Nguồn và cực Máng
một cách đối xứng(có thể đổi chỗ cho nhau).
• Tuy nhiên chúng ta gán sao cho dòng điện chạy từ cực Máng tới cực Nguồn.
Lúc này kênh có điện áp cao hơn được gán là cực Máng.


6.3 BÁN DẪN TRƯỜNG MOSFET VÀ MƠ HÌNH CỦA NĨ

• Như mơ tả trong hình 6.9, gọi điện áp trên cực Cổng và cực
Nguồn của MOSFET là VGS, và điện áp trên cực Máng và
Nguồn được VDS. Thì dịng điện qua cổng G được gọi là iG và
dòng qua cực DS gọi là iDS.

Hình 6.9 Định nghĩa của VGS, VDS, and iDS.


6.3 BÁN DẪN TRƯỜNG MOSFET VÀ MƠ HÌNH CỦA NĨ

• Một mơ hình mạch đơn giản cho một loại MOSFET được gọi là
MOSFET kênh-N được mơ tả trong Hình 6.10.

Hình 6.10 Mơ hình S của MOSFET
• Mơ hình này dựa trên chuyển mạch đơn giản được gọi là mơ hình chuyển
mạch của MOSFET, gọi tắt là mơ hình S.
• Chuyển mạch ở trạng thái làm việc “ON” khi VGS vượt điện áp ngưỡng
VT nếu khơng thì nó ở trạng thái ngắt “OFF”. Giá trị thông thường của VT
cho bán dẫn trường kênh N là 0,7V, nhưng nó có thể thay đổi theo
phương pháp sản xuất.

6.3 BÁN DẪN TRƯỜNG MOSFET VÀ MƠ HÌNH CỦA NĨ

• Trong trạng thái “ON”, chế độ “S” coi như xấp xỉ ngắn mạch
giữa cực Máng và cực Nguồn.Trong thực tế, tồn tại điện trở
khác không giữa cực máng và cực nguồn, nhưng chúng ta coi
như bỏ qua điện trở này trong chế độ chuyển mạch “S”.
Trong phần 6.6 sẽ thảo luận về điện trở trong chế độ chuyển
mạch, kèm theo việc tính tốn điện trở này.
• Trong trạng thái “OFF”, sẽ tạo ra hở mạch giữa cực Máng
và cực Nguồn minh họa trong Hình 6.10, một hở mạch tồn
tại giữa Cổng và Nguồn,và giữa Cổng và Máng vào mọi lúc.
Như vậy, iG luôn luôn bằng “0” (iG =0).


6.3 BÁN DẪN TRƯỜNG MOSFET VÀ MƠ HÌNH CỦA NĨ

• Khi chúng ta cho chuyển mạch đủ nhiều, chúng ta có thể vẽ
đồ thị đặc tính giữa điện áp-dịng điện (v-i) của cực D và cực
S của MOSFET tương ứng với giá trị thay đổi của điện áp
cực G và cực S dùng trong chế độ chuyển mạch “S”.

Hình 6.11 Đặc tính MOSFET trong chế độ chuyển mạch“S”.


6.3 BÁN DẪN TRƯỜNG MOSFET VÀ MƠ HÌNH CỦA NĨ

• Chúng ta có thể tổng hợp chế độ chuyển mạch của MOSFET
theo trạng thái của đặc tuyến v-i như sau:

• Khi VGS• Khi VGS ≥ VT thì VDS = 0.

• Chúng ta xem xét một MOSFET như là một thiết bị ba-cực.
Lưu ý rằng, MOSFET được điều khiển bởi điện áp trên một
cặp cực cụ thể là G và S. Chúng ta quan tâm đến điện áp và
dịng điện qua, cực D và cực S.
• Như thể hiện trong Hình 6.12, chúng ta có thể xem xét các
cặp cực G và S như cổng đầu vào (cổng điều khiển) và cặp
cực D và S là cổng đầu ra của MOSFET.


6.3 BÁN DẪN TRƯỜNG MOSFET VÀ MƠ HÌNH CỦA NĨ

Hình 6.12: Biểu diễn cổng của MOSFET
• Nếu chúng ta chọn cách biểu diễn lôgic 1 là biểu diễn giá trị
lớn hơn 1V, thì MOSFET hoạt động trong chế độ “ON” khi
điện áp giữa cổng G và S có mức lơgic 1.


6.3 BÁN DẪN TRƯỜNG MOSFET VÀ MƠ HÌNH CỦA NĨ

• Hình 6.13 cho thấy mạch điện điều khiển đèn sử dụng MOSFET để
thực hiện chức năng chuyển mạch AND. Trong mạch này, bóng đèn
bật lên chỉ khi cả hai A và B là 1.

Hình 6.13 Mạch điều khiển bóng đèn bằng cách sử dụng các
MOSFET

6.4 THỰC HIỆN CHUYỂN MẠCH MOSFET CỦA CÁC CỔNG LOGIC

• Phần này chúng ta đi xây dựng cổng logic sử dụng các
MOSFET.
• Xem mạch hiển thị trong Hình 6.14, trong đó bao gồm một
MOSFET và một điện trở tải được cung cấp bởi một điện áp
cung cấp VS. Đầu vào tới mạch được nối với cực Cổng của
MOSFET, Nguồn được gắn với đất, và cực Máng được gắn
với VS nối tiếp qua một điện trở tải RL( Và được gắn Vs nối
tiếp với một tải trọng RL).
• Mạch tương tự được vẽ lại bên phải sử dụng các ký hiệu viết
tắt cho Nguồn và Đất.