Thực tập vô tuyến đại cương - Bài 6 docx

Dòng qua transistor trường là dòng các phân tử tải điện cơ bản chạy qua kênh dẫn được điều khiển bởi điện trường.. 1.2.2/ Các đặc trưng của JFET Đặc trưng I D = f U GS; gọi là đặc tuyến

Bài 6sơ đồ sử dụng transistor trường (jfet)

Mục đích: Nghiên cứu cấu trúc mạch và phân tích hoạt động của các mạch điện

tử sử dụng transistor trường loại JFET (mạch khuếch đại một chiều, xoay chiều

và các sơ đồ khóa nối tiếp, song song) Ngoài ra còn phân tích và khảo sát một số sơ đồ dùng transistor trường loại MOSFET

Phần lý thuyết

1 các vi mạch lôgíc dùng transistor trường

1.1 Khái niệm về Transistor trường

Transistor trường là một loại dụng cụ bán dẫn hoạt động dựa trên hiệu ứng trường Dòng qua transistor trường là dòng các phân tử tải điện cơ bản chạy qua kênh dẫn được điều khiển bởi điện trường Có 2 loại transistor trường:

- Loại JFET (Junction Field Effeet transistor): Điều khiển hạt tải điện qua kênh dẫn là lớp tiếp giáp pưn hoặc bằng hàng rào Shottky

- Loại MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effeet transistor):

Điều khiển hạt tải điện qua kênh dẫn bằng cửa cách điện

Các đặc điểm của transistor trường:

- Có điện trở vào rất lớn RV = ∞ (~ 1014 Ω) Dòng qua transistor trường

được điều khiển bằng điện áp (đây chính là điểm khác giữa transistor trường và transistor lưỡng cực)

- Transistor trường có tạp âm nội rất nhỏ

- Công suất tiêu tán trên transistor trường rất bé

1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của JFET

1.2.1/ Cấu tạo của JFET

Hình 6.1 trình bày cấu trúc, ký hiệu và cách mắc nguồn cho transistor trường JFET kênh n ở phần giữa của tấm bán dẫn loại n người ta tạo ra một lớp tiếp giáp để làm thành cực cửa điều khiển Khi đặt một điện áp phân cực ngược vào cực cửa sẽ làm thay đổi bề dày của vùng diện tích không gian lớp tiếp giáp Tiết diện của kênh dẫn n sẽ hẹp đi làm dòng qua kênh dẫn giảm Do đó khi thay đổi điện áp đặt vào G sẽ điều khiển được dòng điện qua transistor trường

n

pư

Kết quả là dòng máng sẽ phụ thuộc vào điện áp giữa cực máng và cực nguồn (UDS) và phụ thuộc cả vào điện áp điều khiển giữa cực cửa và cực nguồn (UGS):

( GS DS)

D f U U

b) Ký hiệu của JFET kênh N

Hình 6.1: Vẽ transistor JFET kênh n

1.2.2/ Các đặc trưng của JFET

Đặc trưng I D = f (U GS); gọi là đặc tuyến truyền đạt

Đường đặc trưng dòng máng phụ thuộc vào điện áp giữa cực cửa và cực nguồn khi UDS = const được trình bày trên hình 6.2 Đường đặc trưng trên được xác lập từ thực nghiệm

D

U

U I

dU

dI V

mA D

DS GS

dI

dU r

DS D

DS

Hình 6.2

H×nh 6.4

§Æc tr−ng I G = f(U GS):

Hình 6.5 biểu diễn đặc trưng dòng IG của JFET Khi điện áp VGS mắc theo chiều phân cực thuận (hình 6.5a) đặc trưng có dạng giống như diode chỉnh lưu

(a): Điện áp V GS phân cực thuận (b): Điện áp V GS phân cực ngược

Hình 6-5: Đặc trưng dòng ở lối vào của JFET kênh n

1.3 Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của transistor loại MOSFET

I.3.1/ Cấu trúc của MOSFET

Điểm khác biệt về cấu trúc giữa transistor trường loại JFET và MOSFET là cực cửa G của MOSFET bằng kim loại không tiếp giáp trực tiếp với bán dẫn, nó

được cách điện hoàn toàn với chất bán dẫn nhờ một lớp điện môi là lớp ôxit bán dẫn Tùy theo cấu trúc của MOSFET chúng được chia thành hai loại:

- Loại có kênh cảm ứng

- Loại có kênh tạo sẵn

1 Transistor trường MOSFET loại có kênh cảm ứng

a) Cấu trúc của Transistor trường có kênh cảm ứng:

Cấu trúc và ký hiệu của Transistor trường MOSFET kênh n cảm ứng được trình bày trên hình 6.6

Trên một đế bán dẫn Si loại p có điện trở suất rất cao, người ta tạo một lớp

điện môi SiO2 cách điện bằng cách nung nóng ở nhiệt độ cao 1000oC trong môi trường ôxy

Bằng phương pháp quang khắc, người ta tạo hai cửa sổ để rồi qua đó bằng phương pháp khuyếch tán tạo ra hai vùng bán dẫn loại n pha tạp mạnh (n+) Hai miền này có điện trở suất nhỏ tạo thành cực máng và cực nguồn

Để tạo cực cửa, người ta phủ lớp kim loại lên lớp oxide nằm giữa hai miền

S và D Lối ra lấy trên điện cực kim loại này gọi là cực cửa G

b) Kí hiệu MOSFET - n a) Cấu trúc của MOSFET kênh n

Hình 6.6: Cấu trúc và ký hiệu của transistor MOSFET

Như vậy ta thấy giữa cực cửa và đế bán dẫn có một lớp điện môi rất mỏng

là SiO2

Hình 6.7 là hình ảnh minh họa tạo thành kênh cảm ứng khi có điện áp phân cực đặt vào cực cửa G

b) Nguyên tắc hoạt động của Transistor trường MOSFET kênh cảm ứng

Sơ đồ mắc nguồn điện phân cực cho Transistor trường MOSFET kênh cảm ứng được trình bày trên hình 6.7 Khi chưa có điện áp đặt vào cực cửa, cực đế và cực nguồn thì kênh dẫn giữa S và D chưa được hình thành Khi ta nối cực cửa với cực dương và nối đế và cực S với cực âm của nguồn điện VGS Do cách cấu tạo như trên mà giữa cực cửa và cực đế hình thành một tụ điện với khoảng cách giữa hai bản tụ là chiều dầy lớp điện môi SiO2

Do đó phần bên trong đế, ngay sát bề mặt cực cửa sẽ hình thành một lớp

điện tích âm trái dấu Lớp điện tích này sẽ tạo thành một kênh dẫn loại n nối liền hai cực nguồn S và cực máng D Điện trường giữa hai cực cửa và đế càng lớn thì tiết diện của kênh cảm ứng càng lớn, do đó dòng điện giữa cực S và cực D càng lớn Vì vậy thay đổi điện áp điều khiển tác dụng lên cực cửa ta có thể điều khiển dòng qua transistor

Hình 6.7: Sự hình thành kênh cảm ứng khi có điện áp phân cực

Trên hình 6.8 trình bày đặc trưng Von - Ampe biểu diễn sự phụ thuộc của dòng máng vào điện thế giữa cực máng và cực nguồn Transistor trường MOSFET kênh cảm ứng

2 Transistor trường MOSFET loại có kênh tạo sẵn

Quy trình chế tạo MOSFET có kênh được tạo sẵn cũng trải qua các bước tương tự như chế tạo MOSFET có kênh cảm ứng Trên hình 6.9 trình bày cấu trúc của MOSFET kênh n được tạo sẵn

b) Kí hiệu MOSFET - n

a) Cấu trúc của MOSFET kênh n được tạo sẵn

Nguyên tắc hoạt động của transistorMOSFET có kênh tạo sẵn

Hình 6.10 là sơ đồ mắc nguồn nuôi cho Transistor MOSFET có kênh tạo sẵn

Khi nối cực cửa với nguồn điện thế âm (Hình 6-10b), trong kênh n sẽ hình thành lớp nghèo phần tử tải điện Do đó, nó làm giảm tiết diện của kênh và làm tăng điện trở của kênh dẫn và làm cho dòng IDS giảm

Đặt điện thế dương vào cực cửa (Hình 6.10a), tiết diện của kênh dẫn tăng lên, điện trở của kênh dẫn giảm làm cho dòng IDS tăng lên Như vậy, thay đổi thế phân cực đặt vào cực cửa ta sẽ thay đổi được tiết diện của kênh dẫn, và do đó thay đổi được dòng điện giữa D và S

(a) (b) Hình 6.10: Sơ đồ mắc nguồn nuôi cho transistor MOSFET có kênh tạo sẵn

Đặc trưng Von-Ampe I D = f(U DS) của MOSFET kênh tạo sẵn được trình

bày trên hình 6.11

Hình 6.11: Họ đặc trưng Von-ampe I D = f(U DS)Hình 6.11 là đặc trưng I D = f(U DS) ứng với các giá trị điện áp khác nhau

giữa cực cửa và cực nguồn UDS Dựa vào các đường đặc trưng ta có thể xác định

điểm làm việc ban đầu cho các tầng khuếch đại dùng MOSFET kênh tạo sẵn

Đặc trưng hình 6.12 cho chúng ta thấy khi đế và cực nguồn nối tắt với

nhau UDS =0) đường đặc trưng có dạng tuyến tính và độ dốc tốt nhất nên trong

thực tế người ta hay nối cực đế với cực nguồn S

Hình 6.12

Vi mạch lôgic họ MOS

Transistor trường MOSFET được dùng để tạo các mạch lôgic Các mạch lôgic thuộc họ MOS có công suất tiêu thụ nhỏ, ngày nay các mạch vi điện tử cỡ lớn LSI thường dùng MOSFET

Các kí hiệu khác nhau của transistor trường MOSFET thường gặp trong các tài liệu nước ngoài được nêu trên hình 6.13

Hình 6.13: Kí hiệu Transistor trường MOSFET

2.Đặc tính cơ bản và tham số của transistor hiệu ứng trường Phân loại và các đặc điểm cơ bản

Transistor hiệu ứng trường thường được phân loại theo sơ đồ sau:

FET (field effect transistor)

FET cã cöa c¸ch ®iÖn MOSSFET (Metal - oxide - Semi conduetor field effect transistor)

FET cã líp chuyÓn tiÕp p - n

điện tử điều khiển bằng điện áp giống nh− triốt chân không

Trong thực tế có nhiều FET đối xứng, tức là có thể đổi cực máng và cực

nguồn mà tính chất của FET không đổi

- Trong JFET cực cửa nối với cực máng- nguồn qua mặt ghép n-p hoặc p-n Trong hoạt động lớp tiếp xúc p-n này luôn phân cực ngược

- Với MOSFET thì cực cửa và kênh máng-nguồn được cách ly bởi lớp SiO2

do đó dòng của cực cửa luôn bằng không

Khi làm việc dòng cửa của JFET cỡ 1pA đến 10nA, còn dòng cửa của MOSFET nhỏ hơn của JFET cỡ 103lần Vì vậy điện trở vào của JFET nằm trong khoảng từ 1010 ữ 1013Ω và của MOSFET từ 1013 ữ 1015Ω

JFET và MOSFET có kênh tạo sẵn dòng máng lớn khi UGS = 0 vì vậy các loại transistor trường này còn có tên chung là JFET tự dẫn Ngược lại FET có kênh cảm ứng, UGS = 0 dòng máng ID = 0 do đó gọi là FET tự ngắt Thông thường

đối với MOSFET cực đế được nối với cực nguồn

Trên đặc tuyến ra I D = f(U DS) ta nhận thấy khi UDS quá lớn thì dòng máng ID tăng đột biến, lúc đó sẽ xẩy ra hiện tượng đánh thủng Điện áp đánh thủng cỡ 20 ữ 50V

3 Các sơ đồ khuếch đại sử dụng transistor JFET

3.1 Mạch khuếch đại một chiều dùng JFET nối kiểu source chung

Sơ đồ cách mắc như trên hình 6.1 (phần c) Sơ đồ này tương đương với kiểu mắc emitter chung của transistor lưỡng cực, tuy nhiên để điều khiển được dòng qua transistor trường JFET kênh n này thì nguồn thế vào điều khiển phải là thế âm (thế cực G là âm so với thế ở cực nguồn - S)

Mạch khuếch đại này nhằm khảo sát mối quan hệ giữa thế vào UV (thế giữa cực G và cực S) với dòng qua transistor trường ID và khảo sát quan hệ giữa

được thế Uv là âm ta phải sử dụng nguồn ư12V và nối J1, J2 Việc khảo sát được tiến hành từng bước được nêu trong phần thực nghiệm và ghi kết quả vào bảng 6-1

3.2 Mạch khuếch đại xoay chiều dùng JFET: (kênh n)

Để mạch làm việc được với tín hiệu lối vào là xoay chiều ta phải xác lập chế độ mạch khuếch đại ở chế độ điều khiển được, tức là phân áp cho cực G phải âm và điểm làm việc của transistor ở vùng tuyến tính Tín hiệu xung lối vào

được đưa qua tụ Sơ đồ thực nghiệm vẫn là hình A6-1 (phần thực nghiệm) Việc

khảo sát mạch này được tiến hành từng bước và gồm 2 nội dung chính là:

- Đo biên độ tín hiệu ra tương ứng với các giá trị biên độ tín hiệu vào từ 10mV ữ 500mV theo bảng A6-2 và tính giá trị hệ số khuếch đại thế K =U r U v

- Khảo sát đặc trưng tần số f : Thay đổi tần số tín hiệu vào Đo biên độ

xung ra, tính K =U r U v và vẽ sự phụ thuộc của K vào f (tần số)

4 Các sơ đồ khoá dùng transistor trường

4.1 Sơ đồ khoá nối tiếp: xem hình 6.14 (phần a)

R

+

= ∗

4.2 Sơ đồ khoá song song: xem hình 6.2 (phần b)

Khi khóa K mở : Ura = Uvào

Khi khoá K đóng (nối): Ura = 0

Trong bài này khoá K được sử dụng làm từ transistor trường JFET kênh n

Do đó, khoá K sẽ ở trạng thái mở (R = ∞) khi thế cực cửa (Date) là âm so với cực nguồn (Sourse) và khoá K ở trạng thái đóng (R = 0) khi thế này UGS ≥ 0 Để điều khiển khoá ta dùng các thế 1 chiều hoặc máy phát xung Tín hiệu đưa vào các lối vào mạch (giá trị Uvào) có thể là các thế một chiều hoặc xoay chiều tần số thấp (so với tín hiệu điều khiển khoá)

Uvào là các giá trị một chiều được đo và ghi vào các bảng 6-4 (với khoá nối tiếp)

và bảng 6-5 (cho khoá song song) Khi Uvào là các giá trị xoay chiều thì các kết

quả (tín hiệu điều khiển, tín hiệu ra) được quan sát trên dao động ký và được vẽ lại

5 Các sơ đồ khuếch đại sử dụng MOSFET

Tương tự như transistor lưỡng cực, với transistor MOSFET ta có 3 kiểu mắc khuếch đại là:

- Kiểu source chung (tương ứng với kiểu emitter chung dùng transistor lưỡng cực)

- Kiểu drain chung (tương ứng với kiểu collector chung)

- Kiểu Gate chung (tương ứng với kiểu base chung)

Điểm khác chủ yếu của các sơ đồ dùng MOSFET so với khi dùng JFET kênh n là ta không cần phân cực âm cho cực cửa

Các sơ đồ thực nghiệm này được trình bày trên các hình A6.4a, hình

A6.4b và hình A6.4c Việc khảo sát chủ yếu là khảo sát quan hệ Ura = f (Uvào) và tính hệ số khuếch đại Ngoài ra, với sơ đồ kiểu emitter chung ta còn khảo sát đặc

trưng tần số (sự phụ thuộc của K vào tần số f )

Phần thực nghiệm

A Thiết bị sử dụng:

1 Thiết bị chính cho thực tập tương tự (Khối đế nguồn)

2 Panel thí nghiệm AE - 106N về transistor trường (Gắn lên khối đế nguồn)

3 Dao động ký 2 chùm tia

4 Dây nối cắm 2 đầu

B Cấp nguồn và nối dây

Panel thí nghiệm AE - 106N chứa 4 mảng sơ đồ A6- 1 A6- 4, với các chốt cắm nguồn riêng Khi sử dụng mảng nào thì cấp nguồn cho mảng sơ đồ đó

Đất (GND) của các mảng sơ đồ đất được nối sẵn với nhau Do đó chỉ cần nối đất chung cho toàn khối đế

1 Bộ nguồn chuẩn DC POWER SUPPLY của thiết bị cung cấp các thế

chuẩn ±5V, ±12V cố định

2 Bộ nguồn điều chỉnh DC ADJUST POWER SUPPLY của thiết bị cung

cấp các giá trị điện thế một chiều 0 +15V và 0 ư15V Khi vặn các biến trở chỉnh nguồn, cho phép định giá trị điện thế cần thiết Sử dụng đồng hồ đo thế DC trên thiết bị chính để xác định điện thế đặt

3 Khi thực tập, cần nối dây từ các chốt cấp nguồn của khối đế tới trạm

nguồn của mảng sơ đồ cần khảo sát

(Chú ý: Cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo)

C Các bài thực tập

1 Sơ đồ transitor trường nối kiểu source chung

1.1 Khuếch đại một chiều (DC)

- Đồng hồ đo sụt thế trên cực máng của transistor trường: Nối các chốt

đồng hồ đo (V) của mạch A6-1 với đồng hồ đo thế hiện số DIGITAL VOLTMETER của thiết bị chính (khối đế) Khoảng đo đặt ở 20V

- Đồng hồ đo dòng cực máng ID của transistor trường: Nối các chốt đồng

hồ đo (mA) của mạch A6-1 với đồng hồ đo dòng hiện số DIGITAL mAMETER của thiết bị chính (khối đế) Khoảng đo đặt ở 20mA

(Chú ý: Cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo)

JFET AMPLIFIER: bộ khuếch đại dùng jfet

1.1.3 Nối J3, không nối J1, J2 - đế nối cực gate T1 qua trở R3 và P1 xuống

đất (không cấp thế nuôi cho cổng của JFET)

1.1.4 Bật điện nguồn nuôi cho thiết bị chính

1.1.5 Ghi giá trị dòng và thế trên của transistor trường Chỉnh P2 để dòng

ID qua T1 ~ 1mA

1.1.6 Nêu đặc điểm khác biệt giữa transistor trường (yếu tố điều khiển

bằng thế) và transistor lưỡng cực (yếu tố điều khiển bằng dòng)

1.1.7 Ngắt J3, nối J1, J2 để phân cực thế cho cổng của JFET

1.1.8 Vặn biến trở P1 từng bước từ giá trị cực tiểu tới giá trị cực đại

Sử dụng đồng hồ DIGITAL V-A METER để đo thế điều khiển Uv từ biến trở P1

Ghi giá trị dòng và thế trên transistor trường tại mỗi giá trị P1 vào bảng 6-1

Bảng 6-1 P1

I

U

1.1.9 Biểu diễn trên đồ thị các giá trị đo được giữa dòng I (trục y) và thế

1.2.3 Đặt máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATOR của thiết bị chính

(khối đế) ở chế độ phát dạng vuông góc (công tắc FUNCTION ở vị trí vẽ đường vuông góc), tần số 1KHz (công tắc khoảng RANGE ở vị trí 1K và chỉnh bổ sung biến trở chỉnh tinh FREQUENCY), biên độ ra 10mV (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE)

Nối lối ra máy phát xung với lối vào IN(A) của sơ đồ A6-1

1.2.4 Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký kênh 1 ở 50mV cm và kênh 2 ở 1V cm, thời gian quét của dao động ký ở 1ms cm

Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng phần trên và phần dưới của màn dao

động ký

Nối kênh 1 dao động ký vào lối vào A Nối kênh 2 dao động ký vào lối ra C

1.2.5 Thay đổi biên độ tín hiệu vào từ 10mV đến 500mV Đo biên độ tín

hiệu ra tương ứng Ghi các kết quả vào bảng A6-2

1.2.7 Giữ biên độ tín hiệu vào ở 100mV Vẽ dạng tín hiệu ra.1.2.8 Đổi

chế độ phát từ phát xung vuông góc sang phát xung dạng hình sin Giữ nguyên biên độ xung vào, thay đổi tần số xung vào từ cực tiểu đến cực đại (bằng cách chỉnh tần số máy phát của khối đế)