1 Chương 14: Khuếch đại dùng tranzito tr ườ ng (FET) Nguyên lí xây dựng tầng khuếch đại đùng tranzito trường cũng giống như t ầ ng dùng tranzito lưỡng cực, điểm khác nhau là tranzito trường điều khiển bằng điện áp. Khi chọn chế độ tĩnh của tầng dùng tranzito trường cần đưa tới đầu vào (cực c ử a) một điện áp một chiều có tr ị số và cực tính cần thi ế t. a - Khuếch đại cực nguồn chung (SC) Hình 2.71a: Sơ đồ tầng khuếch đại cực nguồn chung (SC) 2 I D m A I Dmax P Dmax d D I D0 U GS P • U Pmax U DS0 C U DS V Hình 2.71b: Đồ th ị xác đ ị nh chế độ t ĩ nh của tầng khuếch đại cực nguồn chung (SC) Sơ đồ khuếch đại SC dùng MOSFET có kênh n đặt sẵn cho trên hình 2.71a. Tải R Đ được mắc vào cực máng, các điện trở R 1 , R G , R S dùng để xác lập U GSO ở chế độ tĩnh. Điện trở R S sẽ tạo nên hồi tiếp âm dòng một chiều để ổn đ ị nh chế độ tĩnh khi thay đổ i nhiệt độ và do tính tản mạn của tham số tranzito. Tụ C S để khử hồi tiếp âm dòng xoay chiều. Tụ C p1 để ghép tầng với nguồn tín hiệu vào. Nguyên tắc chọn chế độ tĩnh c ũ ng giống như sơ đồ dùng tranzito lưỡng cực (h.2.64). Công thức (2.119) và (2.120), ở đây có thể viết đước d ạ ng . U Dso > U rm + ∆ U DS (2- 3 158) I Do > I Dm (2- 159) Điểm làm việc tĩnh P d ị ch chuyển theo đường tải một chiều sẽ qua điểm a và b (h.2.71). Đối với điểm a, I D = 0, U PS = +E D, đối với điểm b, U DS = 0, I D = E D (R D + R S ). Đường tải xoay chiều xác đ ị nh theo điện trở R t~ = R D //R t . Trong bộ khuếch đại nhi ề u 4 tầng thì tải của tầng trước chính là mạch vào của tầng sau có điện trở vào R v đủ l ớ n . Trong những trường hợp như vậy thì tải xoay chiều của tầng xác đ ị nh chủ yếu b ằ ng điện trở R D (được chọn tối thiểu cũng nhỏ hơn R V một bậc nữa). Chính vì vậy đối v ớ i tầng tiền khuếch đại thì độ dốc của đường tải xoay chiều (đường c-d) không khác l ắ m so với đường tải một chiều và trong nhiều trường hợp người ta coi chúng là ở chế độ tĩnh có : U DSO = E D – I DO (R D + R S ) (2-160) trong đó I DO là dòng máng tĩnh. U DSO là điện áp cực máng - nguồn tĩnh. Điện áp U GSO chính là tham số của đặc tuyến ra tĩnh (máng) đi qua điểm tĩnh P (h.2.71). Dựa vào đặc tuyến của FET ta thấy ở chế độ tĩnh, điện áp phân cực có thể có c ự c tính dương hoặc âm đối với cực nguồn và thậm chí có thề bằng không. Khảo sát trường hợp U GSO < 0 Điện trở R S và R G (h.2.71) để xác đ ị nh điện áp U GSO < 0 trong chế độ tĩnh. Tr ị số và cực tính của điện áp trên điện trở R S là do dòng điện I SO = I DO chảy qua nó quyết đ ị nh , điện trở R S được xác đ ị nh bởi : R S = U GSO / I DO (2-161) Điện trở R G để dẫn điện áp U GSO lấy trên R S lên cực cửa của FET. Điện trở R G ph ả i chọn nhỏ hơn điện trở vào vài bậc nữa. Điều này rất cần thiết để loại trừ ảnh h ưở ng của tính không ổn đ ị nh theo nhiệt độ và tính tản mạn của các tham số mạch vào đ ế n điện trở vào của tầng. Tr ị số R S thường chọn từ 1 ÷ 5MΩ. Ngoài việc đảm bảo điện áp yêu cầu U GSO , điện trở R S còn tạo ra hồi tiếp âm dòng 1 chiều trong tầng, ngăn cản sự thay đổi dòng I DO do tác dụng của nhiệt độ và tính t ả n mạn của tham số tranzito và vì thế ổn đ ị nh chế độ tĩnh của tầng. Để tăng tính ổn đ ị nh thì cần tăng R S nhưng phải đảm bào giá tr ị U GSO .Trong trường hợp này phải bù đ i ệ n áp U SO bằng cách cung cấp cho cực cửa điện áp U GO qua điện trở R 1 . U GSO = U S O − U G O = I D O .R S R G − E D . R + R (2-162) G 5 1 R 1 = E D . R G U SO − U GSO − R G (2-163) Điện áp nguồn cung c ấ p E D = U DSO + U SO + I DO .R D (2-164) Tr ị số R D có ảnh hưởng đến đặc tính tần số của tầng, nó được tính theo tần số trên của dải tần. Với quan điểm mở rộng dải tần thì phải giảm R D . Sau khi đã chọn điện t r ở trong của tranzito r i , thì ta có thể chọn R D = (0,05 ÷ 0,15)r i Việc chọn điện áp U SO cũng theo những điều kiện giống như điện áp U EO trong t ầ ng EC, nghĩa là tăng điện áp U SO sẽ làm tăng độ ổn đ ị nh của điểm làm việc tĩnh do R S 6 U i t ~ tăng, tuy nhiên khi đó cần tăng E D . Vì thế U SO thường chọn khoảng (0 , 1 ÷ 0,3)E D . C ũ ng tương tự (2-125) ta có : E = U DO + I DO R D D 0.7 ÷ 0.9 (2-165) Khi U GSO ≥ 0 phải mắc điện trở R S để đạt yêu cầu về độ ổn đ ị nh chế độ tĩnh. Lúc đ ó bắt buộc phải mắc R 1 . Chọn các phần tử dựa vào các công thức (2-162) đến (2-165), khi đó công thức (2-162), (2-163) cần phải hoặc cho U GSO = 0, hoặc là thay đổi d ấ u trước điện áp U GSO . Chế độ U GSO > 0 là chế độ điển hình cho MOSFET có kênh c ả m ứng loại n. Vì thế nếu thực hiện việc đổi dấu trước U GSO trong công thức (2-162), (2- 163) có thể dùng chúng để tính mạch thiên áp của tầng nguồn chung. Chọn loại FET phải chú ý đến các tham số tương tự như trong tầng EC. Phải tính đến dòng máng cực đại I Dmax , điện áp cực đại U DSmax và Công suất tiêu tán cực đ ạ i trong tranzito P Dmax (h.271), và U Dsmax . Giống như sơ đồ EC dùng tranzito lưỡng cực, tầng nguồn chung cũng làm đảo pha tín hiệu khuếch đại. Ví dụ đặt vào đầu vào nửa chu kì điện áp dương (h. 2.71) sẽ làm tăng dòng máng và giảm điện áp máng ; ở đầu ra sẽ nhận được nửa chu kì điện áp cực tính âm. Dưới đây ta sẽ phân tích tầng khuếch đại về mặt xoay chi ề u . Sơ đồ thay thế tầng SC vẽ trên hình 2.72a có tính đến điện dung giữa các điện c ự c của tranzito. Sơ đồ thay thế dựa trên cơ sở sử dụng nguồn dòng ở mạch ra. Điện trở R D , R t m ắ c song song ở mạch ra xác đ ị nh tải R t~ = R D // R t . Điện trở R 1 và R G cũng được m ắ c song song. Vì điện trở vào thường lớn hơn điện trở R n nhiều, nên điện áp vào c ủ a tầng coi như bằng En. Tụ phân đường C p1 , C p2 và tụ C S khá lớn nên điện trở xoay chiều coi như bằng không. Vì thế trong sơ đồ thay thế không vẽ những tụ đ ó . Hệ số khuếch đại điện áp ở tần số trung bình hay là U t K u = U V = SU v ( r i //R t~ ) = S ( r //R ) v (2-166) K 7 = Sr i . R t~ u r + R (2-167) i t~ Tích số S.r i gọi là hệ số khuếch đại tĩnh µ của FET. Thay µ = Sr i vào (2.167) ta có : K u = µ.R t ~ r + R (2-168) i t~ Dựa vào (2-168) có thể vẽ sơ đồ thay thế của tầng SC với nguồn điện áp µU v (h.2.72b). Trong trường hợp nếu tầng SC là tầng tiền khuếch đại trong bộ khuếch đại nhi ề u tầng thì R t~ =R D // R V = R D . Nếu như tính đến R D << r i thì hệ số khuếch đại điện áp c ủ a tầng được tính gọn là: 100 K u = S R D ( 2 - Điện trở vào của tầng SC là: R v = R 1 // R G R r = R D / / r i ≈ R D (2- 170 ) Khi chuyển sang miền tấn số cao thì phải chú ý đến điện dung vào và ra của t ầ ng , nghĩa là cần chú ý đến điện dung giữa các điện cực C GS , C GD của tranzito (h.2.72a), cũng như điện dung lắp ráp mạch vào C L (điện dung của linh kiện và dây dẫn m ạ ch vào đối với cực âm của nguồn cung c ấ p) . a) b) Hình .2.72: Sơ đồ thay thế tầng S C a) Nguồn dòng ; b) Nguồn áp Ở tần số cao những điện đáng kể trên sẽ tạo nên thành phần kháng của dòng đ i ệ n mạch vào. I CV = I CGS + I CGD + I CL (2-172) Dòng I CGS , I CL xác đ ị nh bằng điện áp vào U v’ , còn dòng I CGD xác đ ị nh bằng điện áp cực máng - cửa. Vì điện áp cực máng ngược pha với điện áp vào, nên điện áp gi ữ a cực cửa và máng sẽ bằng : . . . Dòng điện vào điện dung của t ầ ng U V + U = ( 1 + K u ) U V . . . . . . . . hay là 101 I cv = J w C GS .U v + J wC GD ( 1 + K u ) . U V + J wC L .U v . . . I VC ≈ Jw U v [ C GS + ( 1 + K U ) C G D + C L ] = JwC v .U v ở đây C v là điện dung vào của t ầ ng C v = C GS + ( 1+ K u )C GD + C L (2-173) 102 Điện dung ra của tầng phụ thuộc vào điện dung giữa các điện cực ở khoảng máng- nguồn và máng - cửa, cũng như điện dung lắp ráp mạch ra. Tính điện dung ra c ũ ng theo phương pháp như đã tính đối với điện dung vào, có kết quả : 1 + K U C r = C DS + K U .C GD + C S (2-174) e. Khuếch đại cực máng chung DC (lặp lại cực ngu ồ n) Hình 2.73 là sơ đồ DC dùng FET có kênh đặt sẵn. Điện trở R 1 , R G cùng với R s dùng để xác đ ị nh chế độ làm việc tĩnh của tranzito. Hình 273 : Sơ đồ DC dùng FET có kênh đặt s ẵ n Việc chọn và đảm bảo chế độ tĩnh được tiến hành tương tự như tầng SC. Tải m ộ t chiều của tầng là R S còn tải xoay chiều là R t~ = R S //R t Đối với tầng DC thì điện áp tải trùng pha với điện áp vào U t = U v – U GS (2-175) Theo sơ đồ thay thế thì U t lại là hàm số của U GS tác dụng lên đầu vào của tranzito [...]... tầng DC có điện trở vào Rv lớn (tới vài MΩ) hơn tầng SC Điện dung vào của tầng DC sẽ nhỏ hơn của tầng SC 105 Đối với tầng lặp lại cực nguồn thì cần thiết phải tính đến thành phần dòng điện dùng vào mạch cửa - máng và cửa nguồn của tranzito, cũng như thành phần dòng điện dung lắp ráp ở mạch vào của tầng Vì điện áp cực máng không đổi, thành phần dòng điện dung CGD và C1 được xác định bằng điện áp vào... định bằng điện áp vào Uv Thành phần dòng điện điện dung CGS phụ thuộc vào điện áp ŮGS = Ův – Ut =(1 – Ku)Ův Dòng vào tổng là Icv = jωUv[CGD + CGS( 1-Ku) + CL] từ đó Cv = CGD + CGS (1 – Ku) + CL (2-182) 106 So sánh (2-182) với (2-173) thấy điện dung vào của tầng DC nhỏ hơn trong sơ đồ SC Từ (2-182) trong tầng DC nếu Ku ≈1 thì ảnh hưởng của điện dung CGS đến điện dung vào sẽ giảm 107 ... (1+ µ)R t~ (2.179) u Chia cả tử số là mẫu số vế phải của công thức (2-179) cho 1+µ và thay Ku = Ut/Uv, ta có Rt µ U (2-180) Ut = v ~ 1+ µ ri (1+ µ)+ R t~ Dựa vào (2-180) ta vẽ được sơ đồ thay thế của tầng (h.2.73b) Ở mạch ra của sơ đồ thay thế có nguồn điện áp tương đương µ U 1+ µ 104 V với điện trở tương đương ri/(1 + µ) Mạch vào của sơ đồ thay thế (h.2.73b) gồm 3 phần tử giống nhau như sơ đồ thay... SC Dựa vào sơ đồ hình 2.73b xác định được điện trở ra của tầng DC 1 ≈1 (2-181) Rr = R s //1+ µ S Điện trở ra của tầng DC nhỏ hơn tầng SC, và vào khoảng 100 ÷3000Ω Vì điện áp giữa cực cửa và cực nguồn của tranzito trong sơ đồ lặp lại cực nguồn bằng hiệu Uv – Ur, nên dòng điện vào bản thân của tranzito sẽ nhỏ hơn trong sơ đồ SC, và độ không ổn định nhiệt độ của điện trở khoảng giữa cửa và nguồn nhỏ Do... đại điện áp của tầng tính theo 103 KU = = S(τ i //R t Ut ~) 1+ S τ ( ~ ) Uv //Ri t (2-177) vì ri >> Rt~ nên Κ U SΡ t (2-178) ~ = 1+ Sht~ Hệ số khuếch đại Ku phụ thuộc vào độ hỗ đẫn S của tranzito và tải xoay chiều của tầng Hệ số khuếch đại sẽ tiến tới 1 khi tăng S và Rt~ Vì vậy đối với tầng DC nên dùng tranzito có độ hỗ dẫn lớn Để tìm được các tham số tương đương của sơ đồ thay thế, biến đổi công . 0 Điện trở R S và R G (h.2.71) để xác đ ị nh điện áp U GSO < 0 trong chế độ tĩnh. Tr ị số và cực tính của điện áp trên điện trở R S là do dòng điện I SO = I DO chảy qua nó quyết đ ị nh , điện. dòng I CGD xác đ ị nh bằng điện áp cực máng - cửa. Vì điện áp cực máng ngược pha với điện áp vào, nên điện áp gi ữ a cực cửa và máng sẽ bằng : . . . Dòng điện vào điện dung của t ầ ng U V + U = ( 1 + K u ) U V phải chú ý đến điện dung vào và ra của t ầ ng , nghĩa là cần chú ý đến điện dung giữa các điện cực C GS , C GD của tranzito (h.2.72a), cũng như điện dung lắp ráp mạch vào C L (điện dung của linh