CHƯƠNG 6 TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG (FET)
6.4. TRANSISTOR TRƯỜNG LOẠI CỰC CỬA CÁCH LY – IGFET
5.4.5. Định thiên cho MOSFET: D-MOSFET, E-MOSFET
Với MOSFET làm việc ở chế độ xung số thường được phân áp để chúng làm việc ở vùng đặc tuyến khoá hoàn toàn và vùng ohmic hoặc gần bão hoà.
Khi MOSFET làm việc ở chế độ tích cực (chế độ khuếch đại tín hiệu) thì chúng được định thiên để làm việc ở vùng đặc tuyến bão hoà.
Trong phần này chủ yếu tính toán mạch định thiên để MOSFET làm việc ở chế độ tích cực.
+ Điểm làm việc tĩnh của MOSFET: Q(UGS, UDS, ID), điểm làm việc tích cực cần phải nằm trên vùng đặc tuyến bão hoà.
+ Đường tải tĩnh ra/vào của MOSFET: cũng được vẽ trên đặc tuyến ra/truyền đạt của MOSFET.
Có nhiều kiểu mạch phân cực khác nhau, tuy nhiên việc phân tích và tính toán mạch định thiên cho MOSFET sẽ được dựa trên các điều kiện và giả thiết sau:
- Dòng cực cổng rất nhỏ, bỏ qua, coi như cực cửa hở mạch IG=0.
- Điện áp UDS đủ lớn để JFET làm việc trong vùng bão hoà (vùng pinch-off), khi đó ID =IDbh≈ const ứng với mỗi giá trị UGS xác định, chiều của ID được quy ước theo chiều dương của nó.
+ ID=IS
+ Sử dụng phương trình Schockley cho đặc tuyến truyền đạt của D-MOSFET ở chế độ bão hòa:
0 2
0
0 2
0
1 :
1 :
GS GS GS
GS DSS
D
GS GS GS
GS DSS
D
U U U khi
I U I MOSFET pD
U U U khi
I U I MOSFET nD
⎟⎟ ≤
⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ −
=
−
⎟⎟ ≤
⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ −
=
−
Trong đó: (UGS0, IDSS): Tham số của D-MOSFET.
+ Sử dụng phương trình cho đặc tuyến truyền đạt của E-MOSFET ở chế độ bão hòa:
( )
( ( ) )
( )
( ( ) )2
2 2 2
0 )
.(
:
0 )
.(
:
T on GS
on D
T GS T
GS D
T on GS
on D
T GS T
GS D
U U k I
U U khi U U k I MOSFET pE
U U k I
U U khi U U k I MOSFET nE
= −
<
≤
−
=
−
= −
>
≥
−
=
−
Trong đó: (VT): Tham số của E-MOSFET Các mạch định thiên cho D-MOSFET:
• Tự định thiên.
• Định thiên cực cổng.
• Định thiên phân áp.
Các mạch định thiên cho E-MOSFET:
• Định thiên hồi tiếp.
• Định thiên phân áp
a. Các mạch định thiên cho D-MOSFET a.1. Tự định thiên
C1
C2
Vi V0
ED RD
RS
RG CS
UGS0 UGS0
(a) (b) Hình 6.37 – Mạch tự định thiên và đường tải vào tĩnh
Mạch tự định thiên của nD-MOSFET như Hình 6.37-a, sử dụng điện trở RG và RS
để tạo ra điện áp tự định thiên cho cực G..
Tham số của nD-MOSFET: (UGS0, IDSS).
Xác định điểm làm việc:
Giả sử nJFET làm việc ở vùng bão hòa: do IG rất nhỏ nên bỏ qua, IG=0, nên IS=ID. URs=IS.RS=ID.RS
+ Áp dụng KVL ta có: UGS+IDRS+IG.RG=0
=> UGS= - ID.RS (1) Như vậy UGS được tạo ra phụ thuộc phụ thuộc vào ID, do đó mạch định thiên đã cho được gọi là mạch tự định thiên và UGS<0V.
+ Phương trình đường tải đầu vào: UGS= - ID.RS – được vẽ trên đặc tuyến truyền đạt như Hình 6.37-b.
+ Viết phương trình Schockley:
2
0
1 ⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ −
=
GS GS DSS
D U
I U
I (2) Giải hệ phương trình (1)và (2) ta được các nghiệm ID và UGS, chọn nghiệm thỏa mãn điều kiện sau:
0<ID≤IDSS
UGS0≤UGS≤0 + Tính UDS:
UDS= ED-ID.RD- ID.RS
+ Kiểm tra lại chế độ làm việc của nD-MOSFET: Nếu UDS≈0V thì nD-MOSFET làm việc ở vùng ôm tính, nếu 0<<UDS<<ED thì nD-MOSFET làm việc ở vùng bão hòa, nếu UDS≈ED thì nD-MOSFET làm việc ở vùng khóa kênh.
+ Nếu hệ phương trình vô nghiệm, hoặc nghiệm không thỏa mãn điều kiện trên nghĩa là giả thiết nD-MOSFET làm việc ở chế độ bão hòa không đúng, trường hợp này cần biện luận để tìm ra được chế độ làm việc của nD-MOSFET và tính toán lại điểm làm việc.
+ Phương trình đường tải ra tĩnh: ED- ID(RD+RS)-UDS = 0 + Nếu điểm làm việc nằm giữa đường tải tĩnh thì: UDS=ED/2
Nhận xét: Mạch định thiên tự cấp của nD-MOSFET chỉ có thể chọn điểm làm việc rơi vào đoạn đặc tuyến truyền đạt UGS0≤UGS≤0.
a.2. Định thiên cực cổng
C1
C2
Vi
V0 ED RD
EG
UGS IDSS
ID(mA)
UGS0 EG1 0 EG2 Q1
Q2
UGS IDSS
ID(mA)
UGS0 EG1 0 EG2 Q1
Q2
(a) (b)
Hình 6.38 – Mạch định thiên cực cổng và chọn điểm làm việc
Mạch tự định thiên của nD-MOSFET như Hình 6.38-a, sử dụng điện trở nguồn áp độc lập EG để tạo ra điện áp tự định thiên cho cực G.
Xác định điểm làm việc:
+ Ta có: UGS= EG
+ Nếu EG <UGS0<0 – nD-MOSFET làm việc ở vùng khóa kênh do đó: ID=0, UDS=ED.
+ Nếu UGS0≤ EG, giả thiết nD-MOSFET làm việc ở vùng bão hòa, tính ID theo phương trình Schockley:
2
0 2
0
1
1 ⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ −
⎟⎟ =
⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ −
=
GS G DSS
GS GS DSS
D U
I E U
I U I
UDS=ED-ID.RD
+ Kiểm tra lại chế độ làm việc của nD-MOSFET: Nếu UDS≈0V thì nD-MOSFET làm việc ở vùng ôm tính, nếu 0<<UDS<<ED thì nD-MOSFET làm việc ở vùng bão hòa, nếu UDS≈ED thì nD-MOSFET làm việc ở vùng khóa kênh.
+ Phương trình đường tải ra tĩnh: ED- ID.RD-UDS = 0
+ Nếu điểm làm việc nằm giữa đường tải ra tĩnh thì: UDS=ED/2.
Nhận xét: Mạch định thiên cực cổng có thể chọn điểm làm việc ở bất kỳ vị trí nào trên đặc tuyến truyền đạt của nD-MOSFET, tuy nhiên nhược điểm là phải dùng 2 nguồn áp.
a.3. Định thiên phân áp
C2 Vi C1
R1 RD
RS
V0
CS R2
ED
UGS IDSS
ID(mA)
UGS0 UGS1 UGS1 RS1 Q1
RS2 Q2
UG UGS IDSS
ID(mA)
UGS0 UGS1 UGS1 RS1 Q1
RS2 Q2
UG
(a) (b) Hình 6.39 – Mạch định thiên phân áp và đường tải vào tĩnh
Mạch định thiên phân áp cho nD-MOSFET như Hình 6.39-a, sử dụng cặp điện trở R1, R2 để tạo ra điện áp trên cực G.
Tính điểm làm việc
+ Giả thiết nD-MOSFET làm việc ở vùng bão hòa.
+ Do IG rất nhỏ nên bỏ qua, IG=0, như vậy ta có điện áp phân áp trên cực G:
UG= ED.R2/(R1+R2) URs=IS.RS=ID.RS
+ Áp dụng điện áp vòng KVL ta có :
UG=UGS+ID.RS (1) Phương trình trên cũng là phương trình đường tải vào, được vẽ trên đặc tuyến truyền đạt, ứng với các giá trị RS khác nhau như Hình 6.39-b.
+ Viết phương trình Schockley:
2
0
1 ⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ −
=
GS GS DSS
D U
I U
I (2) Giải hệ phương trình (1) và (2) ta được các nghiệm ID và UGS, chọn nghiệm thỏa mãn điều kiện sau:
ID>0 và UGS>UGS0
+ Tính UDS:
UDS= ED-ID.RD- ID.RS
+ Kiểm tra lại chế độ làm việc của nD-MOSFET: Nếu UDS≈0V thì nD-MOSFET làm việc ở vùng ôm tính, nếu 0<<UDS<<ED thì nD-MOSFET làm việc ở vùng bão hòa, nếu UDS≈ED thìnD-MOSFET làm việc ở vùng khóa kênh.
+ Nếu hệ phương trình vô nghiệm, hoặc nghiệm không thỏa mãn điều kiện trên nghĩa là giả thiết nD-MOSFET làm việc ở chế độ bão hòa không đúng, trường hợp này cần biện luận để tìm ra được chế độ làm việc của nD-MOSFET và tính toán lại điểm làm việc.
+ Phương trình đường tải ra tĩnh: ED- ID(RD+RS)-UDS = 0 + Nếu điểm làm việc nằm giữa đường tải tĩnh thì: UDS=ED/2
b. Các mạch định thiên cho E-MOSFET b.1. Định thiên hồi tiếp
C1
C2
Vi
V0 ED
RD
RG
UT ED
ED
UT ED
ED
(a) (b) Hình 6.40 – Mạch định thiên hồi tiếp
Mạch định thiên hồi tiếp cho nE-MOSFET như Hình 6.40-a, sử dụng cặp điện trở RG để tạo điện áp hồi tiếp về cung cấp cho cực G.
Tính điểm làm việc
+ Giả sử nE-MOSFET làm việc ở chế độ bão hòa.
+ Dòng điện một chiều trên RG cũng bằng IG mà IG=0, do đó: UGS=UDS
+ Mặt khác ta có phương trình đường tải ra tĩnh là:
ED=ID.RD+UDS
=>ED= ID.RD+UGS (1)
+ Phương trình truyền đạt: ID=k.(UGS-UT)2
(2)
+ Giả hệ 2 phương trình (1) và (2) xác định được nghiệm ID và UGS, chọn nghiệm thỏa mãn điều kiện sau:
ID>0 và UT<UGS<ED
+ Tính UDS:
UDS= ED-ID.RD
+ Kiểm tra lại chế độ làm việc của nE-MOSFET: Nếu UDS≈0V thì nD-MOSFET làm việc ở vùng ôm tính, nếu 0<<UDS<<ED thì nE-MOSFET làm việc ở vùng bão hòa, nếu UDS≈ED thìnE-MOSFET làm việc ở vùng khóa kênh.
+ Nếu hệ phương trình vô nghiệm, hoặc nghiệm không thỏa mãn điều kiện trên nghĩa là giả thiết nE-MOSFET làm việc ở chế độ bão hòa không đúng, trường hợp này cần biện luận để tìm ra được chế độ làm việc của nE-MOSFET và tính toán lại điểm làm việc.
+ Phương trình đường tải vào tĩnh: ED- IDRD-UGS = 0 b.2. Định thiên phân áp
C2 Vi C1
R1 RD
RS
V0
CS R2
ED
Hình 6.41 – Mạch định thiên phân áp
Mạch định thiên phân áp cho nE-MOSFET như Hình 6.41-a, sử dụng cặp điện trở R1, R2 để tạo ra điện áp trên cực G.
Tính điểm làm việc
+ Do IG rất nhỏ nên bỏ qua, IG=0, như vậy ta có điện áp phân áp trên cực G:
UG= ED.R2/(R1+R2) URs=IS.RS=ID.RS
+ Nếu UGS≤ VT thì nE-MOSFET làm việc ở vùng khóa kênh, do đó ID=0, UDS=ED. + Nếu UGS> VT, giả thiết nE-MOSFET làm việc ở vùng bão hòa.
+ Ta có:
UG=UGS+ID.RS (1) Phương trình trên cũng là phương trình đường tải vào
+ Viết phương trình truyền đạt:
ID=k.(UGS-UT)2 (2) Giải hệ phương trình (1) và (2) ta được các nghiệm ID và UGS, chọn nghiệm thỏa mãn điều kiện sau:
ID>0 và UGS>UT
+ Tính UDS:
UDS= ED-ID.RD- ID.RS
+ Kiểm tra lại chế độ làm việc của nE-MOSFET: Nếu UDS≈0V thì nE-MOSFET làm việc ở vùng ôm tính, nếu 0<<UDS<<ED thì nE-MOSFET làm việc ở vùng bão hòa, nếu UDS≈ED thìnE-MOSFET làm việc ở vùng khóa kênh.
+ Nếu hệ phương trình vô nghiệm, hoặc nghiệm không thỏa mãn điều kiện trên nghĩa là giả thiết nE-MOSFET làm việc ở chế độ bão hòa không đúng, trường hợp này cần biện luận để tìm ra được chế độ làm việc của nE-MOSFET và tính toán lại điểm làm việc.