Giáo trình Mạch điện tử - Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET - Trương Văn Tám

VGS >0. Thí dụ ta xem mạch phân cực hình 3.7. 
Trương Văn Tám III-4 Mạch Điện Tử 
Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET 
 - Ðặc tuyến truyền được xác định bởi: 
 IDSS = 6mA 
 VGS(off) =-3v 
 - Ðường phân cực được xác định bởi: 
 VGS = VG-RSID 
 Vậy VGS(off) = 1.5volt - ID(mA). 0,15 (kΩ) 
 Từ đồ thị hình 3.8 ta suy ra: 
IDQ =7.6mA 
VGSQ = 0.35v 
VDS = VDD - (RS+RD)ID = 3.18v 
 3.2.2 Phân cực bằng mạch hồi tiếp điện thế: 
 Mạch cơ bản hình 3.9 
 - Ðặc tuyến truyền giống như trên. 
 - Ðường phân cực xác định bởi: 
 VGS = VDS = VDD - RDID (3.11) 
trùng với đường thẳng lấy điện. 
 Vẽ hai đặc tuyến này ta có thể xác định được IDQ và VGSQ 
Trương Văn Tám III-5 Mạch Điện Tử 
Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET 
3.3 MẠCH PHÂN CỰC E-MOSFET: 
 Do E-MOSFET chỉ phân cực theo kiểu tăng (VGS >0 ở kênh N và VGS <0 ở 
kênh P), nên người ta thường dùng mạch phân cực bằng cầu chia điện thế hoặc hồi tiếp 
điện thế. 
 Ở E-MOSFET kênh N khi VGS còn nhỏ hơn VGS(th) thì dòng thoát ID =0 mA, 
khi VGS >VGS(th) thì ID được xác định bởi: 
 Hệ số k được xác định từ các thông số của nhà sản xuất. Thường nhà sản 
xuất cho biết VGS(th) và một dòng ID(on) tương ứng với một điện thế VGS(on). 
 Suy ra: 
 Ðể xác định và vẽ đặc tuyến truyền người ta xác định thêm 2 điểm: một 
điểm ứng với VGS VGS(on)
3.3.1 Phân cực bằng hồi tiếp điện thế: 
 Vì IG = 0 nên VD = VG và VGS = VDS
 VGS = VDS = VDD - RDID (3.13) 
 Ta thấy đường phân cực trùng với đường thẳng lấy điện. Giao điểm của đường 
phân cực và đặc tuyến truyền là điểm điều hành Q. 
3.3.2 Phân cực bằng cầu chia điện thế: 
 Mạch này thông dụng hơn và có dạng như hình 3.13 
Trương Văn Tám III-6 Mạch Điện Tử 
Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET 
 Từ mạch cổng nguồn ta có: VG = VGS - RSID
 ⇒ VGS = VG - RSID (3.14) 
Ðây là phương trình đường phân cực. 
 Do điều hành theo kiểu tăng nên ta phải chọn R1, R2, RS sao cho: 
 VGS >VS = RSID tức VGS >0 
 Giao điểm của đặc tuyến truyền và đường phân cực là điểm điều hành Q. 
Từ đồ thị ta suy ra IDQ và VGSQ và từ đó ta có thể tìm được VDS, VD, VS ... 
3.4 MẠCH KẾT HỢP BJT VÀ FET: 
 Ðể ổn định điểm tĩnh điều hành cho FET, người ta có thể dùng mạch phân 
cực kết hợp với BJT. BJT ở đây đóng vai trò như một nguồn dòng điện. Mạch phân cực 
cho BJT thường dùng là mạch cầu chia điện thế hay ổn định cực phát. Thí dụ ta xác định 
VD và VC của mạch hình 3.15. 
Trương Văn Tám III-7 Mạch Điện Tử 
Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET 
 Ðể ý là: βRE = 288k >10R2 = 240k nên ta có thể áp dụng phương pháp tính gần 
đúng: 
 Ta có thể giải phương trình trên để tìm VGS. Ðơn giản hơn ta dùng phương pháp đồ 
thị. Cách vẽ đặc tuyến truyền như ở phần trước. Từ đồ thị ta suy ra: VGS=-3.7volt. Từ đó: 
 VC = VB - VB GS = 7.32v 
 Người ta cũng có thể dùng FET như một nguồn dòng điện để ổn định phân cực cho 
BJT như ở hình 3.17. Sinh viên thử phân giải để xác định VC, VD của mạch. 
3.5 THIẾT KẾ MẠCH PHÂN CỰC DÙNG FET: 
 Công việc thiết kế mạch phân cực dùng FET thật ra không chỉ giới hạn ở các điều 
kiện phân cực. Tùy theo nhu cầu, một số các điều kiện khác cũng phải được để ý tới, nhất 
là việc ổn định điểm tĩnh điều hành. 
 Từ các thông số của linh kiện và dạng mạch phân cực được lựa chọn, dùng các 
định luật Kirchoff, định luật Ohm... và phương trình Schockley hoặc đặc tuyến truyền, 
đường phân cực... để xác định các thông số chưa biết. 
Trương Văn Tám III-8 Mạch Điện Tử 
Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET 
 Tổng quát trong thực hành, để thiết kế một mạch phân cực dùng FET, người ta 
thường chọn điểm điều hành nằm trong vùng hoạt động tuyến tính. 
Trị số tốt nhất thường được chọn là hoặc . Ngoài ra, VDS cũng 
không được vượt quá trị số tối đa mà FET có thể chịu đựng được. 
 Thí dụ: Trong mạch điện hình 3.18a, chọn ID = 2.5 mA, VD = 12v. Dùng FET có 
IDSS = 6mA, VGS(off) =-3v. Xác định RD và RS. 
 Từ đặc tuyến truyền ⇒ Khi ID = 2.5mA thì VGS=-1v. 
 Vậy: VGS=-RSID (RS =-VGS/ID =0.4kΩ (chọn RS = 390Ω) 
3.6 TÍNH KHUẾCH ÐẠI CỦA FET VÀ MẠCH TƯƠNG 
ÐƯƠNG XOAY CHIỀU TÍN HIỆU NHỎ: 
 Người ta cũng có thể dùng FET để khuếch đại tín hiệu nhỏ như ở BJT. 
JFET và DE-MOSFET khi điều hành theo kiểu hiếm có dạng mạch giống nhau. Ðiểm 
khác nhau chủ yếu ở JFET và DE-MOSFET là tổng trở vào của DE-MOSFET lớn hơn 
nhiều (sinh viên xem lại giáo trình linh kiện điện tử). Trong lúc đó ở BJT, sự thay đổi 
dòng điện ngõ ra (dòng cực thu) được điều khiển bằng dòng điện ngõ vào (dòng cực nền), 
thì ở FET, sự thay đổi dòng điện ngõ ra (dòng cực thoát) được điều khiển bằng một điện 
thế nhỏ ở ngõ vào (hiệu thế cổng nguồn VGS). Ở BJT ta có độ lợi dòng điện β thì ở FET 
có độ truyền dẫn gm. 
 Với tín hiệu nhỏ, mạch tương đương xoay chiều của FET như hình 3.19a, 
trong đó rπ là tổng trở vào của FET. 
Trương Văn Tám III-9 Mạch Điện Tử 
Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET 
Ở JFET, rπ khoảng hàng chục đến hàng trăm MΩ, trong lúc ở MOSFET thường ở 
hàng trăm đến hàng ngàn MΩ. Do đó, thực tế người ta có thể bỏ rπ trong mạch tương 
đương (hình 3.19b). 
 rd là tổng trở ra của FET, được định nghĩa: 
 tức tùy thuộc vào điểm điều hành, rd có thể thay đổi từ vài chục kΩ 
đến vài chục MΩ. 
 rd và gm thường được nhà sản xuất cho biết dưới dạng rd=1/yos; gm=yfs ở một điểm 
điều hành nào đó. 
 Nếu trong mạch thiết kế, RD (điện trở nối từ cực thoát lên nguồn) không lớn lắm 
(vài kΩ), ta có thể bỏ rd trong mạch tương đương (hình 3.19c). 
3.7 MẠCH KHUẾCH ÐẠI DÙNG JFET HOẶC DE-
MOSFET ÐIỀU HÀNH THEO KIỂU HIẾM: 
3.7.1 Mạch cực nguồn chung: 
 Có thể dùng mạch phân cực cố định (hình 3.20), mạch phân cực tự động (hình 
3.21) hoặc mạch phân cực bằng cầu chia điện thế (hình 3.22). Mạch tương đương xoay 
chiều vẽ ở hình 3.23. 
Trương Văn Tám III-10 Mạch Điện Tử 
Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET 
 Trong đó Ri=RG ở hình 3.20 và 3.21; Ri=R1 //R2 ở hình 3.22. Phân giải 
mạch ta tìm được: 
 - Tổng trở ra: Z0 = rd //RD (3.17) 
 3.7.2 Ðộ lợi điện thế của mạch khuếch đại cực nguồn chung với điện trở 
RS : 
 Giả sử ta xem mạch hình 3.24 với mạch tương đương hình 3.25. 
Trương Văn Tám III-11 Mạch Điện Tử 
Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET 
 3.7.3 Mạch khuếch đại cực thoát chung hay theo nguồn(Common Drain 
or source follower) 
 Người ta có thể dùng mạch phân cực tự động hoặc phân cực bằng cầu chia 
điện thế như hình 3.26 và hình 3.27 
Trương Văn Tám III-12 Mạch Điện Tử 
Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET 
 Mạch tương đương xoay chiều được vẽ ở hình 3.28. Trong đó: 
 Ri=RG trong hình 3.26 và Ri = R1 //R2 trong hình 3.27. 
 - Ðộ lợi điện thế: 
 Ta có: v0 = (gmvgs)( RS //rd) 
 Vgs = vi - v0 
 - Tổng trở vào Zi = Ri (3.20) 
 - Tổng trở ra: Ta thấy RS song song với rd và song song với nguồn dòng 
điện gmvgs. Nếu ta thay thế nguồn dòng điện này bằng một nguồn điện thế nối tiếp với 
điện trở 1/gm và đặt nguồn điện thế này bằng 0 trong cách tính Z0, ta tìm được tổng trở ra 
của mạch: 
 Z0 = RS //rd // 1/gm (3.21) 
3.7.4 Mạch khuếch đại cực cổng chung: ( Common-gate circuit) 
 Mạch căn bản và mạch tương đương xoay chiều như hình 3.29a và 3.29b. 
Trương Văn Tám III-13 Mạch Điện Tử 
Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET 
3.8 MẠCH KHUẾCH ÐẠI DÙNG E-MOSFET: 
 Do E-MOSFET chỉ điều hành theo kiểu tăng, nên thường được phân cực 
bằng cầu chia điện thế hoặc hồi tiếp điện thế. 
 Thí dụ: Ta xem mạch hình 3.30a có mạch tương đương xoay chiều hình 
3.30b. 
Trương Văn Tám III-14 Mạch Điện Tử 
Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET 
 Thông thường gmRG >>1 nên AV = -gm(RG //rd //RD) 
 Nhưng RG thường rất lớn nên AV ≠ -gm(rd //RD) (3.25) 
- Xác định giá trị của gm: 
 gm thường được nhà sản xuất cho biết ở một số điều kiện phân cực đặc biệt, 
hay có thể được tính từ điểm tĩnh điều hành. Hoặc gm có thể được tính một cách gần đúng 
từ công thức: gm = 2k[VGS - VGS(th)] 
 với k có trị số trung bình khoảng 0.3mA/V2. 
 - Tổng trở vào: 
 - Tổng trở ra: 
 Z0 = RD //rd //RG (3.27) 
3.9 THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ÐẠI DÙNG FET: 
 Vấn đề thiết kế mạch khuếch đại dùng FET ở đây giới hạn ở chỗ tìm các 
điều kiện phân cực, các trị số của linh kiện thụ động để có được độ lợi điện thế mong 
muốn. 
 Thí dụ: Thiết kế mạch khuếch đại phân cực tự động dùng JFET như hình 
3.31 sao cho độ lợi điện thế bằng 10. 
Trương Văn Tám III-15 Mạch Điện Tử 
Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET 
 RG nên chọn khá lớn để không làm giảm tổng trở vào của mạch. Thí dụ ta 
có thể chọn RG= 10MΩ. 
BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG III 
Bài 1: Xác định ID, VDS, VD và VS của mạch hình 3.32 
Bài 2: Ở mạch hình 3.33, cho VDS = 8v. Xác định ID, VD, VS, VGS. 
Bài 3: Hãy thiết kế một mạch phân cực tự động dùng JFET có IDSS=8mA; VGS(off)=-6v và 
điểm điều hành Q ở IDQ = 4mA với nguồn cung cấp VDD= +14v. Chọn RD = 3RS. 
 Bài 4: Thiết kế một mạch phân cực bằng cầu chia điện thế dùng DE-MOSFET với IDSS = 
10mA, VGS(off) = -4v có điểm điều hành Q ở IDQ = 2.5mA và dùng nguồn cấp điện 
VDD=24v. Chọn VG=4v và RD=2.5RS với R1=22MΩ. 
Bài 5: Tính Zi, Z0 và AV của mạch điện hình 3.34 
Trương Văn Tám III-16 Mạch Điện Tử 
Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET 
Bài 6: Xác định giá trị của RD và RS trong mạch điện hình 3.35 khi được phân cực ở VGSQ 
= 1/2VGS(off) và VDSQ = 1/2VDD. Tính độ lợi điện thế trong trường hợp này. 
Bài 7: Thiết kế mạch khuếch đại dùng JFET có dạng như hình 3.36, sao cho độ lợi điện 
thế là 8. Ðể giới hạn bước thiết kế, cho VGSQ gần trị số tối đa của gm, thí dụ như ở 
VGS(off)/4. 
Bài 8: Thiết kế mạch khuếch đại dùng JFET có dạng hình 3.37 sao cho độ lợi điện thế 
bằng 5. Chọn VGSQ=VGS(off)/4. 
Trương Văn Tám III-17 Mạch Điện Tử 
Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET 
Trương Văn Tám III-18 Mạch Điện Tử