dap ung tan so cua mach kd(20!7!15)

1

CHƯƠNG 6

ĐÁP ỨNG TẦN SỐ CỦA MẠCH

KHUẾCH ĐẠI

Tương ứng với chương 17 trong sách Microelectronic Circuit Design_Richard C. Jaeger & Travis N. Blalock

8/6/2015 2

6.1. Các điện dung bên trong diode và BIT

6.2. Mạch tương đương của BJT ở tần số cao, tín hiệu nhỏ

6.3. Hệ số khuếch đại dòng điện khi ngắn mạch đầu ra

6.4. Đáp ứng tần số của mạch E chung khi ngắn mạch đầu ra

6.5. Định lý MILLER

6.6. Tính toán đáp ứng tần số của mạch sử dụng MOSFET

6.7. Tính toán đáp ứng tần số của mạch sử dụng BJT

Nội dung chương 6

6.1. Các điện dung bên trong diode và BIT

(1 )

s

j

Ddo

j

AC

vW

ĐIỆN DUNG DO VÙNG NGHÈO TẠO RA:

ĐIỆN DUNG DO KHUẾCH TÁN

D TD m T

T

iC g

V

A: diện tích thiết diện ngang

Wdo: độ rộng vùng nghèo

vD: điện áp diode

j: điện áp bên trong (build-in)

T = F :thời gian dịch chuyển

theo hướng thuận (hằng số)

3

; ;

(diffusion capacitance)

(depletion capacitance)

(depletion capacitance)

1

1

C F Am o

T m C

b F m

s

je

BEdo

biBE

b je

s

jc

BCdo

biBC

I Vg r r

V g I

C g

AC

VW

V

C C C

AC C

VW

V

4

6.1. Các điện dung bên trong diode và BJT

Các thông số của BJT ở tín hiệu nhỏ

CBE = C = Cje (điện dung do vùng nghèo) + Cb (điện dung do khuếch tán dưới tác dụng phân cực thuận)

CCB = C = Cjc (điện dung do vùng nghèo dưới tác dụng phân cực nghịch)

If R1→0 VCC

io

R2

R1 ii

ii

C

r

C

ro

io

5

6.2. Mạch tương đương của BJT ở tần số cao,

tín hiệu nhỏ

6.3. Hệ số khuếch đại dòng điện khi ngắn mạch đầu ra

1 1[ / / / / ]

1( )

:

1( )

i

i

o m

mo

i

i

v i rsC sC

i

s C Cr

i g v v sC

so

g sCiA

is C C

r

ii

C

r

C

ro

io

v

gmv

6

Ngắn mạch đầu ra để khảo sát đáp ứng tần số

của do các thành phần bên trong BJT tạo ra

7

gmr

f1 fT

f2

where: short-circuit current gain

2

1

1

2 1

1

( )1 ( )

1

( )

1

1

2 ( )

2

m

i m

m F

i m

m

Cs

gA s g r

sr C C

g r DC

fj

fA f g r

fj

f

fr C C

gf f

C

6.4. Đáp ứng tần số của mạch E chung

khi ngắn mạch đầu ra

Quan hệ hệ số khuếch đại dòng điện theo tần số.

Ngắn mạch đầu ra để

khảo sát đáp ứng tần số

của do các thành phần

bên trong BJT tạo ra

1

( )1 ( )

0

;( )

m

i m

m F

i m

m

i m

Cs

gA s g r

sr C C

g r DC

f A g r

C

Cgf A g r

r C C C C

where: short-circuit current gain

;

Tần số tương ứng với Ai=1:

2 ( )

m

T

gf

C C

8

gmv

f1 fT

f2

6.4. Đáp ứng tần số của mạch E chung

khi ngắn mạch đầu ra

fT phụ thuộc vào dòng điện và thường được cho trong sổ tay tra cứu BJT

For very small bias levels:

For "normal" bias levels:

2 ( )

2 ( ) 2 ( )

1

2 2

b je F m je

m

T

F m je

m C

T

je T je

m

T

F m F

C C C g C

gf

g C C

g If

C C V C C

gf

g

fT

1

2 F

9

ĐÁP ỨNG TẦN SỐ


Hệ số KĐ điện áp được Av biểu diễn:

Điều này đồng nhất với:

1

2

1

11

v

v

zz

A

zz

A

z

Network N

v1 v2

i1

i2

iz

z1

Network N

v1 v2

i1

i2

z2

10

z

AV

z

AVi

vAv

vvz

v

)1

1()1(

2

1

12

Sử dụng định lý Miller

xác định các tụ vào và ra

của mạch?

VDD

RD

CF

M1

VO Vi

RS

11


VDD

RD

CF

M1

VO Vi

RS

Sử dụng định lý Miller, thay tụ CF

bằng 2 tụ tương đương Cin và Cout

VDD

RD

Cin

M1

VO

Vi

RS

Cout

12


VDD

RD

Cin

M1

VO

Vi

RS

Cout

13

Dmv

F

v

out

Fvin

RgA

CA

C

CAC

)1

1(

)1(


VDD

RD

Cin

M1

VO

Vi

RS

Cout

1

1

(1 )

1

1

1(1 )

in

S in

S m D F

out

D out

D F

m D

R C

R g R C

and

R C

R Cg R

14


VDD

RD

Cin

M1 Vi

RS

Calculate and if

=1 k and

1, (150 ) ,

2 , 80

in out m

D S F

f f g

R k R C fF

15

VO

Cout

(1 )

1(1 2000)80

150

1.15

1(1 )

1(1 )80

12000

150

86

in m D F

out F

m D

C g R C

f

pF

C Cg R

f

fF

=??

=??

6.6. Tính toán đáp ứng tần số của mạch sử dụng

MOSFET

VDD

RD

Cin

M1

VO

Vi

RS

Cout

Calculate and if

=1 k and

1, (150 ) ,

2 , 80

in out m

D S F

f f g

R k R C fF

(1 )

1(1 2000)80

150

1.15

1(1 )

1(1 )80

12000

150

86

in m D F

out F

m D

C g R C

f

pF

C Cg R

f

fF

16

Lời giải


MOSFET

VDD

RD

Cin

M1

VO

Vi

RS

Cout

Calculate and if

=1 k and

1, (150 ) ,

2 , 80

in out m

D S F

f f g

R k R C fF

17

?

?

out

in

f

f


MOSFET

VDD

RD

Cin

M1

VO

Vi

RS

Cout

8

8

1

2

1.38 10

1

2

9.2 10

in

S in

out

D out

fR C

Hz

fR C

Hz

18

Lời giải


MOSFET

VCC

vi

R2

R1

C1

C2

vo

Rs

RC

RE CE

Q1

, ,0.7 ; 0.1 ;

1(2 3904) 100; 150 ; 100 ;

1 ; 1

BE on CE sat

F A

je jc

V V V V

Q N ps V V

C pF C pF

12V

1 2

1 2

100 ; 10 ; 100 ;

10 ; 1 ; 10 ;

10 ;

s

C E L

E CC

R R k R k

R k R k R k

C C C F V

19


Có 3 vùng tần số:

Vùng tần số cao: (xem xét các tụ bên trong của BJT)

Vùng tần số thấp: (xem xét các tụ trong mạch điện)

Vùng tần số trung bình: (xem xét ảnh hưởng của 2 loại tụ trên)

20


Bước1: Phân tích DC: xác định IC, IB, và VCE

21

VCC

vi

R2

R1

C1

C2

vo

Rs

RC

RE CE

Q1

, ,0.7 ; 0.1 ;

1(2 3904) 100; 150 ; 100 ;

1 ; 1

BE on CE sat

F A

je jc

V V V V

Q N ps V V

C pF C pF

12V

1 2

1 2

100 ; 10 ; 100 ;

10 ; 1 ; 10 ;

10 ;

s

C E L

E CC

R R k R k

R k R k R k

C C C F V

IB=?; IC=? VCE=?

Phân tích chế độ 1 chiều (DC)

391 ; 3.91 ;

7.70

C B

CE

I A I A

V V

22

VCC

vi

R2

R1

C1

C2

vo

Rs

RC

RE CE

Q1

, ,0.7 ; 0.1 ;

1(2 3904) 100; 150 ; 100 ;

1 ; 1

BE on CE sat

F A

je jc

V V V V

Q N ps V V

C pF C pF

12V

1 2

1 2

100 ; 10 ; 100 ;

10 ; 1 ; 10 ;

10 ;

s

C E L

E CC

R R k R k

R k R k R k

C C C F V

Bước1: Phân tích DC: xác định IC, IB, và VCE

Phân tích chế độ 1 chiều (DC)

Bước 2: Xác định các thông số khác

23

5722 ( )

m

T

gf MHz

C C

gm=?; r=?; ro=?; C=?; C=?

?

r ro

gmv vi

R1//R2

Rs

RL RC

C

C

Xác định các thông số của mạch

15.6 ; 6.4 ; 256

2.34 ; 3.34 ; 1

m o

b

g mS r k r k

C pF C pF C pF

5722 ( )

m

T

gf MHz

C C

24


Bước 2: Xác định các thông số khác

Bước 3: Phân tích mạch tín hiệu nhỏ:

Xác định hệ số khuếch đại điện áp

r ro

gmv

vi

R1//R2

Rs

RL RC

vo

Ri

25

Avs=?


[ ( / / / / )]

3.76( 76.5) 74.5

3.86

i

vs m o C L

i s

RA g r R R

R R

k

k

r ro

gmv

vi

R1//R2

Rs

RL RC

vo

Ri

26


Bước 3: Phân tích mạch tín hiệu nhỏ:

Xác định hệ số khuếch đại điện áp

Các tần số trung bình và thấp: liên quan đến các tụ C1, C2, CE

Sử dụng phương pháp ngắn mạch để tìm giá trị mỗi tụ: Khi xác định một tụ thì ngắn mạch các tụ còn lại

Khi xét C1 thì cho C2 và CE ngắn mạch

r ro

gmv

vi

R1//R2

Rs

RL RC vo

C1 C2

RE CE

27

REQ1=?

f1=1/(2 REQ1C1)


, 1 1 2

1 , 1

1

1

/ / / / 3.86

1 38.6

14.12

2

EQ C s

EQ C

R R R R r k

R C ms

f Hz

28

r ro

gmv

vi

R1//R2

Rs

RL RC vo

C1 C2

RE CE



Sử dụng phương pháp ngắn mạch để tìm giá trị mỗi tụ: Khi xác định một tụ thì ngắn mạch các tụ còn lại


29

REQ2=?

f2=1/(2 REQ2C2)

r ro

gmv

vi

R1//R2

Rs

RL RC vo

C1 C2

RE CE



, 2

2 , 2

2

2

/ / 19.6

2 196

10.81

2

EQ C L C o

EQ C

R R R r k

R C ms

f Hz

30

r ro

gmv

vi

R1//R2

Rs

RL RC vo

C1 C2

RE CE




1 2

,

,

, 3 1 2

/ / / // /[ ]

1

1000 / /64.4 60.5

605

1263

2

268

s

EQ CE E

E EQ CE E

E

E

L dB E

r R R RR R

R C s

f Hz

f f f f Hz

f1

f2

fE 37.5

,vsA dB

f, log

31

r ro

gmv

vi

R1//R2

Rs

RL RC vo

C1 C2

RE

CE


Khi xét CE thì cho C1 và C2 ngắn mạch

1 2

,

,

, 3 1 2

/ / / // /[ ]

1

1000 / /64.4 60.5

605

1263

2

268

s

EQ CE E

E EQ CE E

E

E

L dB E

r R R RR R

R C s

f Hz

f f f f Hz

f1

f2

fE 37.5

,vsA dB

f, log

32


Khi xét CE thì cho C1 và C2 ngắn mạch

Sử dụng định lý Miller thay C thành C1 và C2

r ro

gmv vi

R1//R2

Rs

RL RC

C

C

r ro

gmv vi R1//R2

Rs

RL RC

C

C2 C1

33


Các tần số trung bình và cao: liên quan đến các tụ C và C

(1 )

3.34 1.0 (1 ( 76.5))

3.34 77.5 80.8

in vC C C A

pF

r ro

gmv vi R1//R2

RL RC

C

C2 C1

1(1 )

11.0 (1 )

76.5

1.01

out

v

C CA

pF

34


, 1 2

,

/ / / / / / 97.4

7.87

120.2

2

EQ in s

in EQ in in

in

in

R R R R r

R C ns

f MHz

,

,

1

, 3

/ / / / 4.9

4.95

132.2

2

1 1( ) 12.4

EQ out C L o

out EQ out out

out

out

H db

in out

R R R r k

R C ns

f MHz

f MHzf f

fin fout

37.5

,vsA dB

f, log

35


8/6/2015 36

Kết thúc chương 6

dap ung tan so cua mach kd(20!7!15)

Documents