Mô phỏng mạch điện bjt và mosfet bằng phần mềm

Mô phỏng mạch điện bjt và mosfet bằng phần mềm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỒ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

MỤC LỤC

I SƠ LƯỢC VỀ ORCAD VÀ CÁCH TẠO PROJECT MÔ PHỎNG VỚI PSPICE 5

1 Giới thiệu 5

2 Cách tạo một project mô phỏng trong ORCAD 5

3 Thiết lập giá trị linh kiện và tiến hành mô phỏng 9

II GIẢI BÀI TOÁN KHUẾCH ĐẠI BJT VỚI CỰC EMITTER CHUNG (KHÔNG ĐIỆN TRỞ Ở CỰC EMITTER) 11

III GIẢI BÀI TOÁN KHUẾCH ĐẠI BJT VỚI CỰC EMITTER CHUNG (CÓ ĐIỆN TRỞ Ở CỰC EMITTER) 18

IV GIẢI BÀI TOÁN KHUẾCH ĐẠI BJT VỚI CỰC BASE CHUNG 26

V GIẢI BÀI TOÁN KHUẾCH ĐẠI BJT VỚI CỰC COLLECTOR CHUNG 34

VI GIẢI BÀI TOÁN MOSFET VỚI CỰC SOURCE CHUNG (KHÔNG ĐIỆN TRỞ Ở CỰC SOURCE) 41 VII GIẢI BÀI TOÁN MOSFET VỚI CỰC SOURCE CHUNG (CÓ ĐIỆN TRỞ Ở CỰC SOURCE) 48

VIII GIẢI BÀI TOÁN MOSFET VỚI CỰC GATE CHUNG 55

IX GIẢI BÀI TOÁN MOSFET VỚI CỰC DRAIN CHUNG 63

Figure I.１Khởi động chương trình 5

Figure I.２Giao diện cơ bản của CAPTURE 6

Figure I.３Tạo project mới 7

Figure I.４Hộp thoại New Project 7

Figure I.５Hộp thoại Create PSpice Project 8

Figure I.６Giao diện chính của chương trình mô phỏng 8

Figure I.７Nút chọn linh kiện 8

Figure I.８Giao diện thay đổi giá trị cho linh kiện 9

Figure I.９Tạo trình mô phỏng mới 9

Figure I.１０Hộp thoại New Simulation 10

Figure I.１１Khởi tạo giá trị cho chương trình mô phỏng 10

Figure I.１２Các nút điều khiển chương trình mô phỏng 10

Figure II.１Mạch BJT Emitter chung, không có điện trở cực emitter 11

Figure II.２Mạch ở chế độ DC 11

Figure II.３Mạch ở chế độ DC rút gọn 12

Figure II.４Mạch ở chế độ AC theo mô hình pi 12

Figure II.５Mạch mô phỏng 14

Figure II.６Mạch mô phỏng với các giá trị điện áp 14

Figure II.７Mạch mô phỏng với các giá trị dòng điện 15

Figure II.８Đồ thị của mạch không méo dạng 15

Figure II.９Đồ thị ngõ ra bị méo dạng trên 16

Figure II.１０Đồ thị bị méo dạng cả trên và dưới 17

Figure III.１Sơ đồ mạch BJT emitter chung, có điện trở ở cực emitter 18

Figure III.２Mạch ở chế độ DC 19

Figure III.３Mạch ở chế độ DC thu gọn 19

Figure III.４Mạch ở chế độ AC theo mô hình pi 20

Figure III.５Sơ đồ mạch mô phỏng 21

Figure III.６Sơ đồ mạch mô phỏng với các giá trị điện áp 22

Figure III.７Sơ đồ mạch mô phỏng với các giá trị dòng điện 23

Figure III.８Đồ thị ngõ ra và ngõ vào của mạch mô phỏng 24

Figure III.９Đồ thị bị méo dạng dưới của điện áp ngõ ra 25

Figure III.１０Đồ thị bị méo dạng cả trên và dưới của điện áp ngõ ra 25

Figure IV.１Sơ đồ mạch BJT base chung 26

Figure IV.２Sơ đồ mạch ở chế độ DC 27

Figure IV.３Sơ đồ mạch thu gọn ở chế độ DC 27

Figure IV.４Sơ đồ mạch ở chế độ AC theo mô hình pi 28

Figure IV.５Mạch mô phỏng 30

Figure IV.６.Mạch mô phỏng với các giá trị điện áp 31

Figure IV.８Đồ thị điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch mô phỏng 32

Figure IV.９Đồ thị ngõ ra bị méo trên.(đồ thị thứ ba) 33

Figure V.１Sơ đồ mạch BJT collector chung 34

Figure V.２Mạch ở chế độ DC 34

Figure V.３Mạch ở chế độ DC thu gọn 35

Figure V.４Mạch ở chế độ AC theo mô hình pi 35

Figure V.５Sơ đồ mạch mô phỏng 37

Figure V.６Sơ đồ mạch và các giá trị điện áp 37

Figure V.７Sơ đồ mạch và các giá trị dòng điện 38

Figure V.８Đồ thị ngõ vào và ngõ ra của mạch mô phỏng 38

Figure V.９Đồ thị ngõ ra bị méo dạng dưới 39

Figure V.１０Đồ thị điện áp ngõ ra méo dạng cả trên và dưới 40

Figure VI.１Sơ đồ mạch MOSFET source chung (không có điện trở ở cực source) 41

Figure VI.２Sơ đồ mạch ở chế độ DC 41

Figure VI.３Sơ đồ mạch ở chế độ AC theo mô hình pi 42

Figure VI.４Sơ đồ mạch mô phỏng 43

Figure VI.５Sơ đồ mạch mô phỏng và các giá trị điện áp 44

Figure VI.６Sơ đồ mạch mô phỏng và các giá trị dòng điện 44

Figure VI.７Đồ thị điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch mô phỏng 45

Figure VI.８Đồ thị giá trị điện áp ngõ ra bị méo dạng trên 46

Figure VI.９Đồ thị giá trị điện áp ngõ ra bị méo cả trên và dưới 47

Figure VII.１Sơ đồ mạch MOSFET source chung (có điện trở ở cực source) 48

Figure VII.２Sơ đồ mạch ở chế độ DC 48

Figure VII.３Sơ đồ mạch ở chế độ AC theo mô hình T 49

Figure VII.４Sơ đồ mạch mô phỏng 51

Figure VII.５Mạch mô phỏng và các giá trị điện áp 51

Figure VII.６Mạch mô phỏng và các giá trị dòng điện 52

Figure VII.７Đồ thị giá trị điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch mô phỏng 52

Figure VII.８Đồ thị giá trị điện áp ngõ ra bị méo dạng trên 53

Figure VII.９Đồ thị giá trị điện áp ngõ ra bị méo dạng cả trên và dưới 54

Figure VIII.１Sơ đồ mạch MOSFET gate chung 55

Figure VIII.２Sơ đồ mạch ở chế độ DC 55

Figure VIII.３Sơ đồ mạch ở chế độ AC theo mô hình T 56

Figure VIII.４Sơ đồ mạch mô phỏng 58

Figure VIII.５Mạch mô phỏng và các giá trị điện áp 59

Figure VIII.６Mạch mô phỏng và các giá trị dòng điện 60

Figure VIII.７Đồ thị giá trị điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch mô phỏng 61

Figure VIII.８Đồ thị giá trị điện áp ngõ ra bị méo dạng trên 62

Figure VIII.９Đồ thị giá trị điện áp ngõ ra bị méo dạng 62

Figure IX.１Sơ đồ mạch MOSFET drain chung 63

Figure IX.２Sơ đồ mạch ở chế độ DC 64

Figure IX.３Sơ đồ mạch ở chế độ AC theo mô hình T 65

Figure IX.４Sơ đồ mạch mô phỏng 66

Figure IX.５Sơ đồ mạch mô phỏng và các giá trị điện áp 67

Figure IX.６Sơ đồ mạch mô phỏng và các giá trị dòng điện 67

Figure IX.７Đồ thị điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch mô phỏng 68

Figure IX.８Đồ thị điện áp ngõ ra méo dạng dưới 69

Figure IX.９Đồ thị điện áp ngõ ra méo dạng cả trên và dưới 69

I SƠ LƯỢC VỀ ORCAD VÀ CÁCH TẠO PROJECT MÔ PHỎNG VỚI

PSPICE

1 Giới thiệu

SPICE là một chương trình mô phỏng được phát triển bởi đại học California, Berkeley PSPICE là một trong số các sản phẩm từ SPICE và được phát triển thêm bởi MicroSim Corporation (hiện nay là Cadence với tên là ORCAD)

2 Cách tạo một project mô phỏng trong ORCAD

Bước 1: chạy chương trình bằng cách vào Start  ORCAD (tuỳ theo phiên bản, ở đây là phiên bản 10.5)

 Capture CIS (hoặc Capture)

Figure I.１Khởi động chương trình

Bước 2: Sau khi mở giao diện chương trình Chọn File New  Project

Figure I.２Giao diện cơ bản của CAPTURE

Figure I.３Tạo project mới

Bước 3: Nhập tên project vào khung Name Chọn vào “Analog or Mixed A/D” Bấm OK

Figure I.４Hộp thoại New Project

Bước 4: Xuất hiện hộp thoại Create Pspice Project, chọn Create a blank project Bấm OK

Figure I.５Hộp thoại Create PSpice Project

Bước 5: Giao diện làm việc để thiết kế mạch như sau:

Figure I.６Giao diện chính của chương trình mô phỏng

Chọn vào biểu tượng Place part để chọn linh kiện

3 Thiết lập giá trị linh kiện và tiến hành mô phỏng

Để thiết lập giá trị cho các điện trở, tụ điện… ta double-click vào linh kiện tương ứng và thay đổi giá trị của value

Figure I.８Giao diện thay đổi giá trị cho linh kiện

Sau khi hoàn thành thiết lập mạch điện cũng như các thông số.Ta tiến hành mô phỏng bằng PSPICE bằng cách chọn trên thanh menu PSpice New Simulation Profile

Figure I.９Tạo trình mô phỏng mới

Xuất hiện hộp thoại New Simulation Nhập tên vào khung Name sau đó bấm Create

Figure I.１０Hộp thoại New Simulation

Một hộp thoại xuất hiện cho phép thiết lập các thông số cần thiết cho chương trình mô phỏng Chọn Time Domain (Trasient) và các giá trị như hình

Figure I.１１Khởi tạo giá trị cho chương trình mô phỏng

Bấm nút Run Spice để bắt đầu mô phỏng

Figure I.１２Các nút điều khiển chương trình mô phỏng

II GIẢI BÀI TOÁN KHUẾCH ĐẠI BJT VỚI CỰC EMITTER CHUNG

(KHÔNG ĐIỆN TRỞ Ở CỰC EMITTER)

Cho mạch như hình, với các thông số như sau:

 , giá trị điện áp để ngõ ra không méo

Figure II.１Mạch BJT Emitter chung, không có điện trở cực emitter

+ vo -

hay Figure II.３Mạch ở chế độ DC rút gọn

Vậy giá trị điện áp ngõ ra lớn nhất không méo là: V Omax I Cmax.R C ||R L2.429 V

Từ giá trị trên thì giá trị điện áp ngõ vào lớn nhất để ngõ ra không méo là: Im Omax 25

Figure II.５Mạch mô phỏng

Sau đó, bắt đầu chạy mô phỏng ta sẽ được kết quả như sau:

Figure II.６Mạch mô phỏng với các giá trị điện áp

Figure II.７Mạch mô phỏng với các giá trị dòng điện

Figure II.８Đồ thị của mạch không méo dạng

Đường màu lục là giá trị điện áp ngõ ra, đường màu đỏ là giá trị điện áp ngõ vào

Theo đồ thị từ trên xuống lần lượt là điện áp ngõ ra (ở trên) và điện áp ngõ vào (ở dưới), với các giá trị cực đại được đánh dấu trên đồ thị

Qua đồ thị ta thấy được độ lợi điện áp có sự khác biệt với những gì tính được trên lý thuyết (ở đây

1

1.0236

41.281 24.796

V Gv

mV



   đối với phía dưới) Do vậy, khi sử dụng mạch BJT mắc emitter chung không điện trở ở cực emitter thì độ lợi về áp lớn

Do đó giá trị điện áp ngõ vào có thể đạt các giá trị sau để đồ thị điện áp ngõ ra không méo:

 Đồ thị méo 1 phía (trên/dưới) nếu  

 max

1

60.565

C C L Sig

Trong trường hợp cho nguồn áp vào có giá trị 80mV, đồ thị sẽ bị méo trên như hình sau

Figure II.９Đồ thị ngõ ra bị méo dạng trên

Trong trường hợp cho nguồn áp vào có giá trị 100mV, đồ thị sẽ bị méo cả trên và dưới như hình sau

Figure II.１０Đồ thị bị méo dạng cả trên và dưới

III GIẢI BÀI TOÁN KHUẾCH ĐẠI BJT VỚI CỰC EMITTER CHUNG (CÓ

ĐIỆN TRỞ Ở CỰC EMITTER)

Cho mạch như hình, với các thông số như sau:

R  k R  k R  k R  k R   R  k R  kVcc V   V  V các tụ điện có giá trị rất lớn Tính Ri, Ro và độ lợi điện áp o

i

v Av v

 , giá trị điện áp để ngõ ra không méo

Figure III.１Sơ đồ mạch BJT emitter chung, có điện trở ở cực emitter

Giải

Lý thuyết:

Ở chế độ DC: các tụ điện hở ra, ta có mạch như hình sau:

Figure III.２Mạch ở chế độ DC

hay Figure III.３Mạch ở chế độ DC thu gọn

25

0.846 29.561

TH BE B

Ở chế độ AC: các tụ điện nối tắc, các nguồn áp độc lập nối tắc Biến đổi mạch theo mô hình pi, ta được

Vậy giá trị điện áp ngõ ra lớn nhất không méo là: V Omax I Cmax.R C ||R L2.956 V

Từ giá trị trên thì giá trị điện áp ngõ vào lớn nhất để ngõ ra không méo là: Im Omax 323.564

Figure III.５Sơ đồ mạch mô phỏng

Sau đó, bắt đầu chạy mô phỏng ta sẽ được kết quả như sau:

Figure III.６Sơ đồ mạch mô phỏng với các giá trị điện áp

Figure III.７Sơ đồ mạch mô phỏng với các giá trị dòng điện

Figure III.８Đồ thị ngõ ra và ngõ vào của mạch mô phỏng

Đường màu lục là giá trị điện áp ngõ ra, màu đỏ là giá trị điện áp ngõ vào

Qua đồ thị ta thấy được độ lợi điện áp có sự khác biệt với những gì tính được trên lý thuyết (ở đây

1

810.392

8.104 100

mV Gv

1

364.768

C C L Sig

C L Sig

Figure III.９Đồ thị bị méo dạng dưới của điện áp ngõ ra Trong trường hợp cho nguồn áp vào có giá trị 700mV, đồ thị sẽ bị méo cả trên và dưới như hình sau

Figure III.１０Đồ thị bị méo dạng cả trên và dưới của điện áp ngõ ra

IV GIẢI BÀI TOÁN KHUẾCH ĐẠI BJT VỚI CỰC BASE CHUNG

Cho mạch như hình, với các thông số như sau:

 , giá trị điện áp để ngõ ra không méo

Figure IV.１Sơ đồ mạch BJT base chung

Giải

Lý thuyết:

Ở chế độ DC: các tụ điện hở ra, ta có mạch như hình sau:

Figure IV.２Sơ đồ mạch ở chế độ DC

hay Figure IV.３Sơ đồ mạch thu gọn ở chế độ DC

25 1.755 14.249

Ở chế độ AC: các tụ điện nối tắc, các nguồn áp độc lập nối tắc Biến đổi mạch theo mô hình pi, ta được

Vậy giá trị điện áp ngõ ra lớn nhất không méo là: V Omax I Cmax.R C ||R L1.424 V

Từ giá trị trên thì giá trị điện áp ngõ vào lớn nhất để ngõ ra không méo là:

Figure IV.５Mạch mô phỏng

Sau đó, bắt đầu chạy mô phỏng ta sẽ được kết quả như sau:

Figure IV.６.Mạch mô phỏng với các giá trị điện áp

Figure IV.７Mạch mô phỏng với các giá trị dòng điện

Figure IV.８Đồ thị điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch mô phỏng

Đường màu lam là giá trị điện áp ngõ vào, đường màu lục là giá trị điện áp ngõ ra

Qua đồ thị ta thấy được độ lợi điện áp có sự khác biệt với những gì tính được trên lý thuyết (ở đây

1

810.392

0.579 1

mV Gv

V

1

mV Gv

1

2.459

C C L Sig

Figure IV.９Đồ thị ngõ ra bị méo trên.(đồ thị thứ ba)

V GIẢI BÀI TOÁN KHUẾCH ĐẠI BJT VỚI CỰC COLLECTOR CHUNG

Cho mạch như hình, với các thông số như sau:

 , giá trị điện áp để ngõ ra không méo

Figure V.１Sơ đồ mạch BJT collector chung

Giải

Lý thuyết:

Ở chế độ DC: các tụ điện hở ra, ta có mạch như hình sau:

RSig v_sig

hay Figure V.３Mạch ở chế độ DC thu gọn

25 1.786 14.000

Vậy giá trị điện áp ngõ ra lớn nhất không méo là: V Omax I Emax.R E ||R L0.199 V

Từ giá trị trên thì giá trị điện áp ngõ vào lớn nhất để ngõ ra không méo là:

Figure V.５Sơ đồ mạch mô phỏng

Sau đó, bắt đầu chạy mô phỏng ta sẽ được kết quả như sau:

Figure V.６Sơ đồ mạch và các giá trị điện áp

Figure V.７Sơ đồ mạch và các giá trị dòng điện

Trong đồ thị trên, đường màu đỏ biểu thị cho điện áp ngõ vào, đường màu lục biểu thị cho điện áp ngõ ra

Qua đồ thị ta thấy được độ lợi điện áp có sự khác biệt với những gì tính được trên lý thuyết (ở đây

1

76.088

0.761 100

mV

  đối với phía dưới) Mạch BJT mắc kiểu collector chung thì độ lợi về điện áp nhỏ hơn hoặc bằng 1

Do đó giá trị điện áp ngõ vào có thể đạt các giá trị sau để đồ thị điện áp ngõ ra không méo:

 Đồ thị méo 1 phía (trên/dưới) nếu  

 max

1

261.211

E E L Sig

V

Gv

Trong trường hợp cho nguồn áp vào có giá trị 400mV, đồ thị sẽ bị méo dưới như hình sau

Figure V.９Đồ thị ngõ ra bị méo dạng dưới

Trong trường hợp cho nguồn áp vào có giá trị 45V, đồ thị sẽ bị méo cả trên và dưới như hình sau

Figure V.１０Đồ thị điện áp ngõ ra méo dạng cả trên và dưới

VI GIẢI BÀI TOÁN MOSFET VỚI CỰC SOURCE CHUNG (KHÔNG ĐIỆN

 , giá trị điện áp để ngõ ra không méo

Figure VI.１Sơ đồ mạch MOSFET source chung (không có điện trở ở cực source)

Giải

Lý thuyết:

Ở chế độ DC: các tụ điện hở ra, ta có mạch như hình sau:

Figure VI.２Sơ đồ mạch ở chế độ DC

Vậy giá trị điện áp ngõ ra lớn nhất không méo là: V Omax I Dmax.R D||R L174.333mV

Từ giá trị trên thì giá trị điện áp ngõ vào lớn nhất để ngõ ra không méo là: max

Sau đó, bắt đầu chạy mô phỏng ta sẽ được kết quả như sau:

Figure VI.５Sơ đồ mạch mô phỏng và các giá trị điện áp

Figure VI.６Sơ đồ mạch mô phỏng và các giá trị dòng điện

Figure VI.７Đồ thị điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch mô phỏng

Theo đồ thị, đường màu đỏ biểu thị cho giá trị điện áp ngõ vào, đường màu lục biểu thị cho giá trị điện áp

mV Gv

1

624.851

D D L Sig

Figure VI.８Đồ thị giá trị điện áp ngõ ra bị méo dạng trên

Trong trường hợp cho nguồn áp vào có giá trị 100mV, đồ thị sẽ bị méo cả trên và dưới như hình sau

Figure VI.９Đồ thị giá trị điện áp ngõ ra bị méo cả trên và dưới

VII GIẢI BÀI TOÁN MOSFET VỚI CỰC SOURCE CHUNG (CÓ ĐIỆN TRỞ Ở

 , giá trị điện áp để ngõ ra không méo

Figure VII.１Sơ đồ mạch MOSFET source chung (có điện trở ở cực source)

Giải

Lý thuyết:

Ở chế độ DC: các tụ điện hở ra, ta có mạch như hình sau:

RSig v_sig

+ vo -

GS TH D S D

D DS GS

I V V

Vậy giá trị điện áp ngõ ra lớn nhất không méo là: V Omax I Dmax.R D||R L389.191mV

Từ giá trị trên thì giá trị điện áp ngõ vào lớn nhất để ngõ ra không méo là: m Omax 1.886

Figure VII.４Sơ đồ mạch mô phỏng

Sau đó, bắt đầu chạy mô phỏng ta sẽ được kết quả như sau:

Figure VII.５Mạch mô phỏng và các giá trị điện áp

Figure VII.６Mạch mô phỏng và các giá trị dòng điện

Figure VII.７Đồ thị giá trị điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch mô phỏng