Mạch khuếch đại sử dụng MOSFET

Mạch khuếch đại sử dụng MOSFET

Mạch khuếch đại bằng MOSFET sử dụng transistor silicon oxit kim loại được mắc theo kiểu S chung.

Trong hướng dẫn trước đây về Mạch khuếch đại FET, chúng ta đã thấy rằng các Mạch khuếch đại một giai đoạn đơn giản có thể được tạo ra bằng cách sử dụng transistor hiệu ứng trường hoặc JFET. Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ xem xét Mạch khuếch đại MOSFET.

Transistor hiệu ứng trường bán dẫn Metal Oxide, hay viết tắt là MOSFET, là một lựa chọn tuyệt vời cho các Mạch khuếch đại tuyến tính tín hiệu nhỏ vì trở kháng đầu vào của chúng rất cao rất dễ để phân cực. Nhưng đối với một mosfet để tạo ra sự khuếch đại tuyến tính, nó phải hoạt động trong vùng bão hòa, không giống như Transistor. Nhưng nó cũng giống như BJT, nó cũng cần được phân cực xung quanh điểm Q cố định ở trung tâm.

MOSFETS dẫn qua một vùng dẫn điện hoặc đường dẫn được gọi là “kênh”. Chúng ta có thể làm cho kênh dẫn điện này rộng hơn hoặc nhỏ hơn bằng cách áp dụng một điện áp tại cực G thích hợp. Một điện trường được tạo ra xung quanh cực G và điện áp tại cực G này ảnh hưởng đến các đặc tính điện của kênh, do đó có tên là transistor hiệu ứng trường .

Nói cách khác, chúng ta có thể kiểm soát cách thức hoạt động của MOSFET bằng cách tạo hoặc “tăng cường” kênh dẫn điện của nó giữa vùng S và D tạo ra một loại MOSFET thường được gọi là MOSFET chế độ tăng cường kênh n, điều đó đơn giản có nghĩa là trừ khi chúng ta phân cực dương trên G (âm đối với kênh p),còn không thì không có dòng qua kênh nào chạy qua.

Có sự khác biệt lớn về các đặc điểm của các loại mosfet khác nhau, và do đó phân cực của một mosfet phải được thực hiện riêng lẻ. Như với cấu hình mạch E chung của transistor lưỡng cực, Mạch khuếch đại mosfet S chung cần được phân cực ở một giá trị tĩnh thích hợp. Nhưng trước tiên chúng ta hãy nhắc lại về các đặc điểm và cấu hình cơ bản của mosfet.

MOSFET kênh N tăng cường

Lưu ý rằng sự khác biệt cơ bản giữa Transistor và FET là BJT có các cực là Collector, Emitter và Base, trong khi MOSFET có các cực Drain, Source và Gate tương ứng.

Ngoài ra, MOSFET khác với BJT ở chỗ không có kết nối trực tiếp giữa cực G và kênh, không giống như lớp tiếp giáp B-E của BJT, vì điện cực G kim loại được cách điện với kênh dẫn nên nó có tên phụ là Cổng cách điện Transistor hiệu ứng trường, hoặc IGFET.

Chúng ta có thể thấy rằng đối với MOSFET kênh n (NMOS) phía trên vật liệu bán dẫn nền là loại p , trong khi điện cực S và điện cực D là loại n . Điện áp cung cấp sẽ là dương. Phân cực dương của cực G sẽ hút các điện tử bên trong chất nền bán dẫn loại p dưới vùng G về phía nó.

Điều này làm cho quá nhiều điện tử tự do trong chất nền loại p gây ra một kênh dẫn điện xuất hiện hoặc phát triển khi các đặc tính điện của vùng loại p đảo ngược, thay đổi chất nền loại p thành vật liệu loại n cho phép dòng điện chạy qua .

Điều ngược lại cũng đúng đối với MOSFET kênh p (PMOS), trong đó điện áp tại cực G sẽ âm gây ra hình thành các lỗ trống dưới vùng G khi chúng bị hút bởi các điện tử ở mặt ngoài của điện cực G kim loại. Kết quả là chất nền loại n tạo ra kênh dẫn loại p.

Vì vậy, đối với Mosfet loại n của chúng ta, chúng ta đặt càng nhiều điện áp dương vào cực G thì sự tích tụ các điện tử xung quanh vùng G càng lớn và kênh dẫn điện càng rộng. Điều này giúp tăng cường dòng điện tử qua kênh cho phép nhiều dòng trong kênh chạy hơn từ D đến S và nó có tên gọi là MOSFET tăng cường .

Mạch khuếch đại MOSFET tăng cường

MOSFET tăng cường, hoặc eMOSFET, có thể được phân loại là thiết bị thường tắt (không dẫn điện), tức là chúng chỉ dẫn điện khi áp dụng điện áp dương từ G đến S phù hợp, không giống như các loại mosfet loại khuyết lập là thiết bị thường bật dẫn khi điện áp G bằng không.

Tuy nhiên, do cấu tạo và vật lý của một mosfet loại tăng cường, có một điện áp G-S tối thiểu, được gọi là điện áp ngưỡng VTH phải được đặt vào G trước khi nó bắt đầu dẫn cho phép dòng điện chạy qua.

Nói cách khác, một mosfet tăng cường không dẫn điện khi điện áp VGS nhỏ hơn điện áp ngưỡng VTH nhưng khi phân cực thuận điện áp cực G tăng lên, dòng ID (còn được gọi là dòng DS IDS ) cũng sẽ tăng lên, tương tự như transistor lưỡng cực, làm cho eMOSFET trở nên lý tưởng để sử dụng trong các mạch khuếch đại mosfet.

Các đặc tính của kênh dẫn MOSfet có thể được coi như một biến trở được điều khiển bởi cực G. Do đó, lượng dòng cực D chạy qua kênh n này phụ thuộc vào điện áp GS và một trong nhiều phép đo chúng ta có thể thực hiện bằng cách sử dụng mosfet là vẽ biểu đồ đặc tính truyền để thể hiện mối quan hệ IV giữa dòng Id và điện áp tại cực G như hình.

Đặc tuyến eMOSFET IV kênh N

Với điện áp VDS cố định được kết nối qua eMOSFET, chúng ta có thể vẽ biểu đồ các giá trị của dòng ID với các giá trị khác nhau của VGS để có được đồ thị của các đặc tính DC chuyển tiếp MOSFET. Những đặc điểm này cung cấp cho ta độ dẫn truyền gm.

Độ tdẫn truyền này liên hệ giữa dòng điện đầu ra với điện áp đầu vào đại diện cho độ lợi của Mosfet. Do đó, độ dốc của đường cong dẫn truyền tại bất kỳ điểm nào dọc theo nó được cho là: gm = ID / VGS với giá trị không đổi của VDS .

Vì vậy, ví dụ, giả sử một MOS có dòng ID là 2mA khi VGS  = 3v và một dòng ID 14mA khi V GS  = 7v. Sau đó:

Tỷ lệ này được gọi là độ dẫn tĩnh của mosfet hoặc độ dẫn điện một chiều, viết tắt của “độ dẫn truyền” và được cho là đơn vị của Siemens (S), là amps trên mỗi volt của nó. Độ lợi điện áp của Mạch khuếch đại mosfet tỷ lệ thuận với độ dẫn điện và giá trị của điện trở cực D.

Tại VGS  = 0 , không có dòng điện nào chạy qua kênh cảu mosfet vì hiệu ứng trường xung quanh cổng không đủ để tạo hoặc “mở” kênh loại n. Khi đó mosfet nằm trong vùng cắt của nó hoạt động như một công tắc mở. Nói cách khác, với điện áp cực G = 0V được áp dụng, eMOSFET kênh n được cho là thường tắt .

Khi chúng ta tăng dần điện áp dương VGS , hiệu ứng trường bắt đầu tăng cường độ dẫn của vùng kênh và trở thành điểm mà kênh bắt đầu dẫn điện. Điểm này được gọi là điện áp ngưỡng VTH . Khi chúng ta tăng VGS dương hơn, kênh dẫn trở nên rộng hơn (ít điện trở hơn) với lượng dòng qua nhiều hơn kết quả là ID tăng lên. Hãy nhớ rằng cực G không bao giờ dẫn bất kỳ dòng điện nào vì nó được cách ly điện khỏi kênh dẫn tạo cho Mạch khuếch đại mosfet một trở kháng đầu vào cực kỳ cao. Đến đây các bạn đã biết tại sao mosfet có điện trở đầu vào cực kỳ cao chưa ạ.

Do đó, mosfet tăng cường kênh n sẽ ở chế độ cắt khi điện áp V GS nhỏ hơn mức điện áp ngưỡng của nó, V TH và kênh của nó dẫn hoặc bão hòa khi V GS trên mức ngưỡng này. Khi mosfet đang hoạt động trong vùng bão hòa(để biết hơn về vùng hoạt động các bạn có thể xem tại đây : chế độ bão hòa), dòng ID được cho bởi:

Dòng ID của eMOSFET

Lưu ý rằng các giá trị của k (tham số dẫn) và V TH (điện áp ngưỡng) thay đổi từ eMOSFET này sang eMOSFET tiếp theo và không thể thay đổi về mặt vật lý. Điều này là do chúng là đặc điểm kỹ thuật cụ thể liên quan đến vật liệu và hình học thiết bị được tích hợp sẵn trong quá trình chế tạo mosfet.

Đường đặc tuyến truyền tĩnh ở hình bên trên thường có dạng parabol và sau đó là tuyến tính. Sự gia tăng dòng ID đối với sự gia tăng nhất định của điện áp VGS xác định độ dốc hoặc độ dốc của đường cong đối với các giá trị không đổi của VDS .

Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng việc chuyển eMosfet( mosfet chế độ tăng cường ) “BẬT” là một quá trình dần dần và để chúng ta sử dụng MOSFET như một Mạch khuếch đại, chúng ta phải phân cực cho cực G của nó tại một số điểm trên mức điện áp ngưỡng của nó.

Có nhiều cách khác nhau để chúng ta có thể làm điều này từ việc sử dụng hai nguồn cung cấp điện áp riêng biệt, để phân cực phản hồi, phân cực diode zener, v.v. Nhưng dù sử dụng phương pháp phan cực nào, chúng ta phải đảm bảo rằng điện áp VGS lớn hơn VTH . Trong phần hướng dẫn khuếch đại mosfet này, chúng ta sẽ sử dụng mạch phân cực phân áp phổ thông quen thuộc hiện nay.

Để xem chi tiết các cách phân cực : Méo giao điểm của bộ khuếch đại 

Phân cực DC cho MOSFET

Mạch phân cực phân áp là một kỹ thuật phân cực phổ biến được sử dụng để thiết lập điều kiện hoạt động điện áp DC mong muốn của Mạch khuếch đại transistor lưỡng cực cũng như Mạch khuếch đại mosfet. Ưu điểm của mạng phân cực phân áp là có thể được phân cực từ một nguồn cung cấp DC duy nhất. Nhưng trước tiên chúng ta cần biết vị trí đặt điện áp phân áp cho Mạch khuếch đại MOSFET của chúng ta.

Mosfet có ba vùng hoạt động khác nhau. Các vùng này được gọi là: vùng Ohmic / Triode , vùng bão hòa / tuyến tính và vùng cắt . Để một mosfet hoạt động như một Mạch khuếch đại tuyến tính, chúng ta cần thiết lập một điểm hoạt động tĩnh được xác định rõ hay còn gọi là điểm Q (xem về điểm Q của bộ khuếch đại ), vì vậy nó phải được phân cực để hoạt động trong vùng bão hòa của nó. Điểm Q cho MOSFET được biểu diễn bằng các giá trị DC, ID và VGS định vị điểm hoạt động ở vị trí trung tâm trên đường đặc tính đầu ra của MOSFET.

Như chúng ta đã thấy ở trên, vùng bão hòa bắt đầu khi VGS nằm trên mức ngưỡng VTH . Do đó, nếu chúng ta áp dụng một tín hiệu AC nhỏ được chồng lên thành phân cực DC này ở đầu vào cực G, thì MOSFET sẽ hoạt động như một Mạch khuếch đại tuyến tính như được hiển thị.

Điểm phân cực của eMOSFET 

Mạch Mosfet kênh N E chung trên cho thấy điện áp đầu vào hình sin, Vi Mắc nối tiếp với nguồn một chiều. Điện áp tại cực G (DC) này sẽ được thiết lập bởi mạch phân cực. Khi đó tổng điện áp GS sẽ là tổng của VGS và Vi .

Các đặc tuyến DC và Q-point (điểm hoạt động) phụ thuộc vào điện áp VGS , điện áp VDD và điện trở tải RD .

Mosfet được phân cực trong vùng bão hòa để thiết lập dòng Id mong muốn sẽ xác định điểm Q của mosfet. Khi giá trị tức thời của VGS tăng lên, điểm phân cực di chuyển lên trên đường cong như thể hiện cho phép dòng Id lớn hơn chạy khi VDS giảm.

Tương tự, khi giá trị tức thời của VGS giảm (trong nửa âm của sóng sin đầu vào), điểm phân cực di chuyển xuống đường cong và V GS nhỏ hơn dẫn đến dòng Id nhỏ hơn và VDS tăng .

Sau đó, để thiết lập một dao động đầu ra lớn, chúng ta phải phân cực mosfet trên mức ngưỡng để đảm bảo rằng mosfet ở trạng thái bão hòa trong chu kỳ đầu vào hình sin đầy đủ. Tuy nhiên, có một giới hạn về lượng phân cực tại G và dòng Id mà chúng ta có thể sử dụng. Để cho phép biến động điện áp tối đa của đầu ra, điểm Q phải được đặt ở vị trí khoảng nửa giữa điện áp nguồn VDD và điện áp ngưỡng VTH .

Vì vậy, ví dụ, giả sử chúng ta muốn xây dựng một Mạch khuếch đại S chung NMOS một tầng. Điện áp ngưỡng, VTH của eMOSFET là 2,5 volt và điện áp cung cấp, VDD là +15 volt. Khi đó điểm phân cực DC sẽ là 15 – 2,5 = 12,5 v hoặc 6 vôn đến giá trị nguyên gần nhất.

Đặc tuyến IV của MOSFET 

Chúng ta đã thấy ở trên chúng ta có thể xây dựng một đồ thị của MOSFETs bằng cách giữ cho việc cung cấp điện áp, VDD liên tục và tăng điện á VG . Nhưng để có được đồ thị hoàn chỉnh về hoạt động của Mosfet tăng cường loại n để sử dụng trong mạch khuếch đại mosfet, chúng ta cần hiển thị các đặc tuyến đầu ra cho các giá trị khác nhau của cả VDD và VGS .

Giống như với Transistor NPN , chúng ta có thể xây dựng một tập hợp các đường đặc tuyến đầu ra hiển thị dòng  I D để tăng các giá trị dương của VG đối với mosfet chế độ tăng cường kênh n như hình minh họa.

Đường cong đặc tuyến eMOSFET loại N

Lưu ý rằng thiết bị eMOSFET kênh p sẽ có một bộ đường cong đặc tuyến dòng Id rất giống nhau nhưng cực tính của điện áp G sẽ bị đảo ngược.

Mạch khuếch đại MOSFET S chung cơ bản

Trước đây chúng ta đã xem xét cách thiết lập điều kiện hoạt động DC mong muốn để phân cực eMOSFET loại n. Nếu chúng ta áp dụng một tín hiệu thay đổi thời gian nhỏ cho đầu vào, thì trong những trường hợp thích hợp, mạch mosfet có thể hoạt động như một Mạch khuếch đại tuyến tính cung cấp điểm Q của transistor ở đâu đó gần trung tâm của vùng bão hòa và tín hiệu đầu vào đủ nhỏ để đầu ra vẫn tuyến tính. Hãy xem xét mạch khuếch đại mosfet cơ bản dưới đây.

Mạch khuếch đại MOSFET cơ bản

Cấu hình Mạch khuếch đại mosfet S chung chế độ tăng cường đơn giản này sử dụng một nguồn cung cấp duy nhất tại cực D và tạo ra điện áp VG bằng cách sử dụng bộ chia điện trở. Chúng ta nhớ rằng đối với MOSFET, không có dòng điện nào chạy vào cực cổng và từ đó chúng ta có thể đưa ra các giả định cơ bản sau đây về điều kiện hoạt động DC của Mạch khuếch đại MOSFET.

Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng:

và điện áp tại V GS được cho là:

Như chúng ta đã thấy ở trên, để mosfet hoạt động tốt, điện áp GS này phải lớn hơn điện áp ngưỡng của mosfet, đó là V GS  > V TH . Vì I S  = I D , điện áp Vgs và VG cũng bằng nhau:

Để đặt điện áp cực G Mạch khuếch đại MOSFET thành giá trị này, chúng ta chọn các giá trị của các điện trở, R1 và R2 trong mạng phân áp cho các giá trị chính xác. Như chúng ta đã biết ở trên, “không có dòng điện” nào chạy vào cực G của MOSFET vì vậy công thức phân chia điện áp được đưa ra như sau:

Điện áp phân cực cổng Mạch khuếch đại MOSFET

Lưu ý rằng phương trình phân áp này chỉ xác định tỷ số của hai điện trở phân cực, R1 và R2 chứ không phải giá trị thực của chúng. Ngoài ra, nên làm cho giá trị của hai điện trở này càng lớn càng tốt để giảm tổn thất công suất I^2 * R của chúng và tăng điện trở đầu vào của Mạch khuếch đại mosfet.

Ví dụ về Mạch khuếch đại MOSFET 

Một Mạch khuếch đại mosfet S chung được xây dựng bằng cách sử dụng eMOSFET kênh n có hệ số dẫn là 50mA / V^2 và điện áp ngưỡng là 2,0 volt. Nếu điện áp cung cấp là +15 vôn và điện trở tải là 470 Ohms, hãy tính giá trị của các điện trở cần thiết để phân cực Mạch khuếch đại MOSFET ở 1/3 (V DD ). Vẽ sơ đồ mạch điện.

Các giá trị đã cho: VDD  = + 15v , VTH  = + 2.0v , k = 50mA / V^2 và RD  = 470Ω .

1. Dòng điện ID

2. Điện áp VGS

3. Điện áp V G

Do đó, áp dụng KVL trên mosfet, điện áp V DS được đưa ra là:

4. Điện trở nguồn, R S

Tỷ số của các điện trở phân áp, R1 và R2 cần thiết để cung cấp cho 1 / 3VDD được tính như sau:

Nếu ta chọn: R1 = 200kΩ và R2 = 100kΩ thì điều này sẽ thỏa mãn điều kiện: VG  = 1 / 3V DD . Ngoài ra, sự kết hợp của các điện trở phân cực này sẽ cung cấp điện trở đầu vào cho Mạch khuếch đại mosfet khoảng 67kΩ .

Chúng ta có thể thực hiện thiết kế này thêm một bước nữa bằng cách tính toán các giá trị của các tụ ghép đầu vào và đầu ra. Nếu chúng ta giả sử một tần số cắt thấp hơn cho Mạch khuếch đại mosfet của chúng ta, ví dụ, 20Hz, thì giá trị của hai tụ điện có tính đến trở kháng đầu vào của mạng phân cực được tính như sau:

Sau đó, mạch cuối cùng cho mạch Mạch khuếch đại MOSFET một tầng được cho là:

Mạch khuếch đại MOSFET một tầng

Tóm tắt Mạch khuếch đại MOSFET

Mục tiêu chính của Mạch khuếch đại MOSFET, hoặc bất kỳ Mạch khuếch đại nào cho vấn đề đó, là tạo ra tín hiệu đầu ra là sự tái tạo trung thực của tín hiệu đầu vào của nó nhưng được khuếch đại về cường độ. Tín hiệu đầu vào này có thể là dòng điện hoặc điện áp, nhưng để mosfet hoạt động như một Mạch khuếch đại, nó phải được phân cực để hoạt động trong vùng bão hòa.

Có hai loại MOSFET chế độ tăng cường cơ bản, kênh n và kênh p và trong hướng dẫn Mạch khuếch đại mosfet này, chúng ta đã xem xét MOSFET tăng cường kênh n thường được gọi là NMOS, vì nó có thể hoạt động với điện áp phân cực dương và điện áp Id liên quan đến nguồn trái ngược với PMOS kênh p được vận hành với điện áp phân cực âm.

Vùng bão hòa của mosfet là vùng dòng điện không đổi của nó trên ngưỡng điện áp VTH . Sau khi được phân cực chính xác trong vùng bão hòa, dòng ID thay đổi do điện áp VGS chứ không phải bởi điện áp VDS và dòng ID được gọi là bão hòa.

Trong MOSFET chế độ tăng cường, trường tĩnh điện được tạo ra bằng cách đặt điện áp cực G sẽ tăng cường độ dẫn của kênh, thay vì làm hẹp kênh như trong trường hợp MOSFET ở chế độ nghèo (khuyết lập).

Điện áp ngưỡng là điện áp tối thiểu cần thiết để cho phép hình thành kênh giữa D và S. trên giá trị này, dòng ID tăng tương ứng với (V GS – V TH )^2 trong vùng bão hòa cho phép nó hoạt động như một Mạch khuếch đại.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

Back to top button