Giới thiệu tổng quan về Mosfet, phân tích sơ đồ mạch có mosfet, mạch khuếch đại mosfet

giới thiệu tổng quan về mosfet, mô hình hóa để phân tích tham số đầu vào, đầu ra của mosfet, ứng dụng trên các mạch thực tế như: cổng AND, NAND, NOT, mạch khuếch đại sử dụng mosfet.... giúp cho các nhà thiết kế mạch có cái nhìn đúng đắn khi lựa chọn linh kiện cho mạch thực tế. Chương này giới thiệu về các linh kiện chuyển mạch và chứng minh các cổng logic số có thể được xây dựng bằng cách sử dụng các thiết bị chuyển mạch. Chương này cũng thảo luận một cách chung nhất về thực hiện chuyển mạch trong công nghệ VLSI(Very Large Scale Integrated) bằng cách sử dụng một thiết bị được gọi là MOSFET.

MOSFET Switch

Lý thuyết mạch nâng cao

Tài liệu tham khảo:

Agarwal and Lang (2005) Foundations of Analog and Digital

Giới thiệu chương

• Chương này giới thiệu về các linh kiện chuyển mạch và chứng minh các cổng logic số có thể được xây dựng bằng cách sử dụng các thiết bị chuyển mạch.

• Chương này cũng thảo luận một cách chung nhất về thực hiện chuyển

mạch trong công nghệ VLSI( Very Large Scale Integrated ) bằng

cách sử dụng một thiết bị được gọi là MOSFET.

6.1 Chuyển mạch

• Ta xem xét một hệ thống điện có mô hình mạch tham số tập trung của

nó như hình dưới đây:

• Khi ấn vào chuyển mạch, nó đóng và hoạt động giống như một dây dẫn và có dòng đi qua.

6.1 Chuyển mạch

• Theo đó, chuyển mạch có thể được mô hình hóa là một thiết bị ba cực được thể hiện như Hình 6.2:

Hình 6.2 Mô hình chuyển mạch 3 cực

6.1 Chuyển mạch

• Ngoài ra chúng ta còn có thể biểu diễn mối quan hệ giữa các cực trên

đồ thị Ví dụ như Hình 6.3

Hình 6.3 Đồ thì dòng điện theo điện áp, v-là điện

Áp rơi trên đầu vào và đầu ra của chuyển mạch, i-là dòng điện

chạy qua 2 cực tương ứng

6.1 Chuyển mạch

• Khi đầu vào điều khiển là mức logic 0 thì dòng điện qua chuyển mạch

là 0, không phụ thuộc vào điện áp được đặt vào.

• Ngược lại, chuyển mạch hoạt động giống như một ngắn mạch giữa các cực đầu vào và đầu ra khi đầu vào điều khiển mức logic là 1 Khi hoạt động như một ngắn mạch, điện áp trên cực đầu vào và đầu ra là

0, và dòng không bị giới hạn bởi chuyển mạch.

6.1 Chuyển mạch

• Biểu diễn dưới dạng đại số như sau:

• Mặc dù chuyển mạch là một thiết bị phi tuyến, các mạch có chứa một chuyển mạch và các thiết bị tuyến tính khác có thể được phân tích bằng cách xem xét hai mạch tuyến tính: một khi chuyển mạch ở trạng thái on và một cho chuyển mạch ở trạng thái OFF.

6.1 Chuyển mạch

• Hình 6.4 là ví dụ minh họa cho điều này.

• Phân tích 6.4a dễ thấy rằng dòng điện bằng không khi chuyển mạch ở trạng thái OFF.

• Tương tự, phân tích 6.4b, dòng điện được cho bởi I=V/R khi công tắc

ở trạng thái ON.

6.1 Chuyển mạch

• Ví dụ 6.1 Xác định dòng điện chạy qua điện trở R1 trong Hình 6.5a

• Mạch trong Hình 6.4a là phi tuyến vì nó có chứa một chuyển mạch.

Chúng ta có thể phân tích mạch này bằng cách xem xét hai mạch tuyến tính con được hình thành cho một trong hai trạng thái của chuyển mạch.

6.2 Hàm logic sử dụng các chuyển mạch

• Tiếp theo, hãy xem xét các mạch bóng đèn với một cặp thiết bị chuyển mạch kết nối liên tiếp như mô tả trong hình 6.6a.

Hình 6.6a Mạch bóng đèn với switch cấu hình 1 cổng AND

• Bóng đèn chỉ có thể được bật chỉ bằng cách đóng cả hai switch A và B.

6.2 Hàm logic sử dụng trong chuyển mạch

• Tương tự như vậy, hình 6.6b cho thấy một mạch với một cặp của các thiết bị chuyển mạch kết nối theo kiểu song song.

Hình 6.6b Mạch bóng đèn với switch cấu hình 1 cổng OR

• Trong cấu hình thứ hai, bóng đèn có thể được bật bằng cách đóng một trong hai switchA or switch B.

6.2 Hàm logic sử dụng trong chuyển mạch

• Vậy việc kết nối chuyển mạch nối tiếp thực hiện chức năng 1 cổng logic AND và thiết bị chuyển mạch kết nối song song thực hiện chức năng OR Chuyển mạch có thể kết hợp cấu hình AND- OR để thực hiện chức năng phức tạp hơn.

• Trong các ví dụ trên ta xét với các chuyển mạch cơ, chúng

có nhiều hạn chế như kích thước lớn, chỉ phản ứng với áp lực cơ học tại cực điều khiển Điều này gây khó khăn cho

việc xây dựng các mạch logic MOSFET là một thiết bị

chuyển mạch thay thế được thực hiện với chi phí thấp trong công nghệ VLSI.

6.3 BÁN DẪN TRƯỜNG MOSFET VÀ MÔ HÌNH CỦA NÓ

• MOSFET thuộc về một loại linh kiện điện tử, gọi là bóng bán dẫn trường MOSFET có ba chân (cực) với một chân điều

khiển, một đầu vào và một đầu ra.

Hình 6.7 Hình ảnh thực tế của một số loại MOSFET

6.3 BÁN DẪN TRƯỜNG MOSFET VÀ MÔ HÌNH CỦA NÓ

• Nó được ký hiệu như hình 6.8 Trong đó: G là cực cổng (cực điều khiển); D

là cực máng (đầu vào); S là cực nguồn (đầu ra)

Hình 6.8 Ký hiệu của một bán dẫn trường

• Đối với mục đích của chúng ta, chúng ta có thể gán cực Nguồn và cực Mángmột cách đối xứng(có thể đổi chỗ cho nhau)

• Tuy nhiên chúng ta gán sao cho dòng điện chạy từ cực Máng tới cực Nguồn Lúc này kênh có điện áp cao hơn được gán là cực Máng.

6.3 BÁN DẪN TRƯỜNG MOSFET VÀ MÔ HÌNH CỦA NÓ

• Như mô tả trong hình 6.9, gọi điện áp trên cực Cổng và cực

Nguồn của MOSFET là VGS, và điện áp trên cực Máng và

Nguồn được VDS Thì dòng điện qua cổng G được gọi là iG và

dòng qua cực DS gọi là iDS.

Hình 6.9 Định nghĩa của VGS, VDS, and iDS.

6.3 BÁN DẪN TRƯỜNG MOSFET VÀ MÔ HÌNH CỦA NÓ

• Một mô hình mạch đơn giản cho một loại MOSFET được gọi là

MOSFET kênh-N được mô tả trong Hình 6.10.

Hình 6.10 Mô hình S của MOSFET

• Mô hình này dựa trên chuyển mạch đơn giản được gọi là mô hình chuyển mạch của MOSFET, gọi tắt là mô hình S.

• Chuyển mạch ở trạng thái làm việc “ON” khi VGSvượt điện áp ngưỡng

VTnếu không thì nó ở trạng thái ngắt “OFF” Giá trị thông thường của VTcho bán dẫn trường kênh N là 0,7V, nhưng nó có thể thay đổi theo

phương pháp sản xuất.

6.3 BÁN DẪN TRƯỜNG MOSFET VÀ MÔ HÌNH CỦA NÓ

• Trong trạng thái “ON”, chế độ “S” coi như xấp xỉ ngắn mạch giữa cực Máng và cực Nguồn.Trong thực tế, tồn tại điện trở

khác không giữa cực máng và cực nguồn, nhưng chúng ta coi

như bỏ qua điện trở này trong chế độ chuyển mạch “S” Trong phần 6.6 sẽ thảo luận về điện trở trong chế độ chuyển

mạch, kèm theo việc tính toán điện trở này.

• Trong trạng thái “OFF”, sẽ tạo ra hở mạch giữa cực Máng

và cực Nguồn minh họa trong Hình 6.10, một hở mạch tồn tại giữa Cổng và Nguồn,và giữa Cổng và Máng vào mọi lúc Như vậy, iGluôn luôn bằng “0” (iG =0).

6.3 BÁN DẪN TRƯỜNG MOSFET VÀ MÔ HÌNH CỦA NÓ

• Khi chúng ta cho chuyển mạch đủ nhiều, chúng ta có thể vẽ

đồ thị đặc tính giữa điện áp-dòng điện (v-i) của cực D và cực

S của MOSFET tương ứng với giá trị thay đổi của điện áp

cực G và cực S dùng trong chế độ chuyển mạch “S”.

Hình 6.11 Đặc tính MOSFET trong chế độ chuyển mạch“S”.

6.3 BÁN DẪN TRƯỜNG MOSFET VÀ MÔ HÌNH CỦA NÓ

• Chúng ta có thể tổng hợp chế độ chuyển mạch của MOSFET theo trạng thái của đặc tuyến v-i như sau:

• Khi VGS<VT thì iDS = 0

• Khi VGS ≥ VT thì VDS = 0

• Chúng ta xem xét một MOSFET như là một thiết bị ba-cực.

Lưu ý rằng, MOSFET được điều khiển bởi điện áp trên một cặp cực cụ thể là G và S Chúng ta quan tâm đến điện áp và dòng điện qua, cực D và cực S.

• Như thể hiện trong Hình 6.12, chúng ta có thể xem xét các cặp cực G và S như cổng đầu vào (cổng điều khiển) và cặp cực D và S là cổng đầu ra của MOSFET.

6.3 BÁN DẪN TRƯỜNG MOSFET VÀ MÔ HÌNH CỦA NÓ

Hình 6.12: Biểu diễn cổng của MOSFET

• Nếu chúng ta chọn cách biểu diễn lôgic 1 là biểu diễn giá trị lớn hơn 1V, thì MOSFET hoạt động trong chế độ “ON” khi điện áp giữa cổng G và S có mức lôgic 1.

6.3 BÁN DẪN TRƯỜNG MOSFET VÀ MÔ HÌNH CỦA NÓ

• Hình 6.13 cho thấy mạch điện điều khiển đèn sử dụng MOSFET để

thực hiện chức năng chuyển mạch AND Trong mạch này, bóng đèn bật lên chỉ khi cả hai A và B là 1.

Hình 6.13 Mạch điều khiển bóng đèn bằng cách sử dụng các

MOSFET

6.4 THỰC HIỆN CHUYỂN MẠCH MOSFET CỦA CÁC CỔNG LOGIC

• Phần này chúng ta đi xây dựng cổng logic sử dụng các MOSFET.

• Xem mạch hiển thị trong Hình 6.14, trong đó bao gồm một

MOSFET và một điện trở tải được cung cấp bởi một điện áp cung cấp VS Đầu vào tới mạch được nối với cực Cổng của MOSFET, Nguồn được gắn với đất, và cực Máng được gắn với VS nối tiếp qua một điện trở tải RL( Và được gắn Vs nối

tiếp với một tải trọng RL).

• Mạch tương tự được vẽ lại bên phải sử dụng các ký hiệu viết

tắt cho Nguồn và Đất.

6.4 THỰC HIỆN CHUYỂN MẠCH MOSFET CỦA CÁC CỔNG LOGIC

Hình 6.14a Bộ đảo Mosfet Hình 6.14b Mạch đảo tương tự sử dụng ký

hiệu viết tắt cho nguồn và đất

• Hình 6.15 cho thấy mối quan hệ giữa các cực của mạch đảo MOSFET và

từ đó rút ra cổng đảo.

6.4 THỰC HIỆN CHUYỂN MẠCH MOSFET CỦA CÁC CỔNG LOGIC

Hình 6.15 Mô tả cổng đảo và mạch điện bên trong của nó IN và OUT là các giá

trị logic đại diện cho Vin và Vout

• Phía bên tay trái của Hình 6.16 cho thấy tương ứng bộ đảo rút ra

với các kết nối nguồn, và phía bên tay phải cho thấy rút ra bộ

đảo như chúng ta biết với các kết nối nguồn ẩn.

6.4 THỰC HIỆN CHUYỂN MẠCH MOSFET CỦA CÁC CỔNG LOGIC

Hình 6.16 Bộ đảo được hiển thị với các kết nối nguồn rõ ràng và ẩn

• Việc rút ra các bộ đảo ẩn nguồn cung cấp một mô hình sử

dụng đơn giản cho người sử dụng cổng logic đảo Các chi tiết nội bộ không liên quan đến thiết kế mức cổng logic.

6.4 THỰC HIỆN CHUYỂN MẠCH MOSFET CỦA CÁC CỔNG LOGIC

• Chúng ta hãy phân tích hoạt động của mạch bằng cách thay

thế MOSFET bằng mô hình S tương đương của nó Hình

6.17 hiển thị mô hình tương đương cho mạch thể hiện trong Hình 6.14 Giả sử rằng một mức cao được biểu diễn bằng 5

V và một mức thấp sử dụng 0 V.

Hình 6.17 Mô hình mạch S của bộ đảo MOSFET kênh N

6.4 THỰC HIỆN CHUYỂN MẠCH MOSFET CỦA CÁC CỔNG LOGIC

• Như Hình 6.17, khi đầu vào VIN mức cao, MOSFET ở trạng thái ON (giả định rằng mức điện áp cao nằm trên ngưỡng

VT), do đó kéo điện áp đầu ra đến một giá trị thấp.

• Ngược lại, khi đầu vào là thấp, MOSFET ở trạng thái OFF và đầu ra được nâng lên đến một giá trị cao bởi RL Từ đây chúng ta thấy được tác dụng của RL, nó cung cấp cho đầu ra mức logic 1 khi MOSFET tắt Hơn nữa, RL thường được chọn là lớn nên dòng điện là rất nhỏ khi MOSFET mở Bởi vì điện trở giữa cực Cổng với cực Nguồn và cực Máng tới cự Nguồn của MOSFET là vô cùng trong mô hình S, dòng Iincoi như bằng 0.

6.4 THỰC HIỆN CHUYỂN MẠCH MOSFET CỦA CÁC CỔNG LOGIC

• Chúng ta có thể viết các mối quan hệ đầu vào-đầu ra trong một bảng chân lý như được hiển thị trong Bảng 6.1

Bảng 6.1 Bảng chân lý cho mạch MOSFET.

6.5 PHÂN TÍCH TĨNH SỬ DỤNG CHẾ ĐỘ S

• Đường cong truyền từ đầu vào đến đầu ra (hoặc đặc tính) cho bộ đảo được chỉ ra trong Hình 6.19, bao gồm tất cả các thông tin cần thiết để xác định liệu bộ đảo có thỏa mãn một nguyên tắc tĩnh hay không Hãy nhớ rằng nguyên tắc tĩnh cho một cổng logic đảm bảo rằng các đầu ra của cổng sẽ phụ thuộc vào các ràng buộc (được quy định bởi các nguyên tắc), việc cung cấp đầu vào của nó thỏa mãn các ràng buộc đầu vào Hơn nữa, cần nhớ rằng một nguyên tắc tĩnh với các ngưỡng điện áp liên quan của

nó là cần thiết để thiết lập một tiêu chuẩn đại diện cho các thiết bị logic từ một số nhà cung cấp, qua đó có thể hoạt động với nhau một cách chính xác Tương tự, người dùng muốn xây dựng một hệ thống có thể chọn các thiết bị tốt nhất từ một số nhà cung cấp miễn là chúng đáp ứng các ngưỡng điện áp được thiết lập bởi nguyên tắc tĩnh được thông qua bởi người dùng.

6.5 PHÂN TÍCH TĨNH SỬ DỤNG CHẾ ĐỘ S

• Các mức điện áp đầu ra thường chặt chẽ hơn các mức điện áp đầu vào (cao hơn so với đầu vào cao tương ứng và thấp hơn đầu vào thấp tương ứng) để cung cấp khi có nền nhiễu Hình 6.26 minh họa sự bất đối xứng giữa đầu vào và đầu ra.

6.5 PHÂN TÍCH TĨNH SỬ DỤNG CHẾ ĐỘ S

• Ở đầu vào của cổng, mọi mức điện áp thấp hơn VIL được công nhận là mức thấp xác định và bất kỳ điện áp nào cao hơn VIH đều là mức cao xác định Tại đầu ra của nó, cổng đảm bảo tạo ra mức điện áp cao hơn VOHcho mức cao xác định và mức điện áp thấp hơn VOL cho mức thấp xác định Các mức điện áp giữa VIL và VIH không xác định ở đầu vào và các mức giữa VOL và VOH không xác định ở đầu ra Bởi vì các mức đầu

ra nghiêm ngặt hơn ngưỡng đầu vào, nên nguyên tắc tĩnh cung cấp đối với cả nền nhiễu.

• Dựa trên đặc tính bộ đảo (trong Hình 6.27 ), chúng ta có thể xác định xem

bộ đảo có thỏa mãn một nguyên tắc tĩnh nhất định hay không Ví dụ, chúng ta hãy xác định xem bộ đảo thỏa mãn một nguyên tắc tĩnh với các ngưỡng điện áp sau:

• VOH = 4,5 V, VOL = 0,5 V, VIH = 4 V và VIL = 0,9 V

6.5 PHÂN TÍCH TĨNH SỬ DỤNG CHẾ ĐỘ S

• Hình 6.28 cho thấy các ngưỡng điện áp cho nguyên tắc tĩnh đã được thêm vào trong chức năng chuyển của bộ đảo Hãy kiểm tra từng đầu ra và ngưỡng đầu vào.

- VOH: Bộ đảo tạo ra mức đầu ra cao 5 V Rõ ràng, đầu ra này với mức điện áp cho logic 1 lớn hơn mức đầu ra 4,5V ngưỡng yêu cầu của nguyên tắc tĩnh.

- VOL: Bộ đảo tạo ra mức đầu ra thấp 0 V Điện áp đầu ra này là thấp hơn ngưỡng thấp đầu ra 0,5 V theo yêu cầu của nguyên tắc tĩnh.

- VIH: Đối với nguyên tắc tĩnh của chúng ta, VIH = 4 V Để tuân theo nguyên tắc

tĩnh bộ đảo phải thể hiện, bất kỳ điện áp nào trên 4 V là logic 1 Đây là chắc chắn đúng cho bộ đảo của chúng ta Bộ đảo của chúng ta bật khi đầu vào điện áp lớn hơn VT = 1 V

và kéo đầu ra xuống mức điện áp thấp xác định Do đó, nó thể hiện bất kỳ điện áp trên

1 V là logic 1.

- VIL: Đối với nguyên tắc tĩnh của chúng ta, VIL = 0,9 V Điều này có nghĩa là để tuân theo nguyên tắc tĩnh bộ đảo phải hiểu bất kỳ điện áp nào dưới 0,9 V là logic 0 Điều này đúng với bộ đảo của chúng ta Bộ đảo tắt khi nó điện áp đầu vào dưới VT = 1 V, và đầu

ra của nó ở mức 5 V Vì bộ đảo tạo ra một điện áp đầu ra cao xác định (đầu ra) cho đầu vào điện áp dưới 0,9 V, nó đáp ứng nguyên tắc tĩnh.

6.5 PHÂN TÍCH TĨNH SỬ DỤNG CHẾ ĐỘ S

• Ví dụ 6.4 về nguyên tắc tĩnh Chúng ta hãy kiểm tra xem liệu bộ đảo của chúng ta có thỏa

mãn nguyên tắc tĩnh được sử dụng bởi Disco Systems Inc Giả sử rằng một số hệ thống của Disco tuân thủ nguyên tắc tĩnh với điện áp sau ngưỡng:

- Khi xuất ra 0 logic, điện áp đầu ra của chúng phải không lớn hơn hơn VOL= 1 V Vì các bộ

bộ đảo của chúng ta tạo ra đầu ra 0V cho 0 hợp lý, chúng thỏa mãn điều kiện này một cách dễ dàng.

- Ở đầu vào của chúng, bộ bộ đảo phải nhận ra điện áp lớn hơn VIH = 3,5 V là logic 1 Vì các

bộ bộ đảo của chúng ta nhận ra điện áp trên 1 V là logic 1, nên chúng thỏa mãn điều kiện này

là tốt.

- Cuối cùng, tại đầu vào của chúng, bộ bộ đảo phải nhận ra điện áp nhỏ hơn VIL= 1,5V dưới dạng logic 0 nếu chúng thảo mãn nguyên tắc tĩnh của Disco Thật không may, bộ đảo của chúng ta có thể nhận ra điện áp chỉ dưới 1 V là 0 và do đó không thỏa mãn điều kiện này.

6.5 PHÂN TÍCH TĨNH SỬ DỤNG CHẾ ĐỘ S

• Chúng ta cũng có thể tiến hành phân tích tĩnh các mạch MOSFET kỹ

thuật số khác, chẳng hạn như mục 6.4 Khi chế độ S cho MOSFET được

sử dụng, ngưỡng điện áp đầu vào và đầu ra cho NAND và các mạch kỹ thuật số khác có đầu ra giống với những bộ đảo Do đó, kết quả

của phân tích tĩnh cho các mạch này là giống hệt với các mạch cho bộ đảo Ví dụ, giống như bộ đảo, mạch NAND thỏa mãn nguyên tắc tĩnh với các điều sau đây với ngưỡng điện áp:

6.6 CHẾ ĐỘ SR CỦA MOSFET

• Chế độ S cho MOSFET được thảo luận cho đến lúc này thực sự là một cách nhìn đơn giản

về thuộc tính thực tế của MOSFET Đặc biệt, trong thực tế MOSFET khi chuyển trạng thái

ON, có sự hiện diện một điện trở khác không giữa các cực D và S Theo đó, một chế độ chính xác hơn một chút cho MOSFET là sử dụng điện trở RON được đặt thay cho việc nối giữa tắt D và S khi MOFET bật Hình 6.29 trình bày chế độ Switch-Resistor (hoặc chế độ SR) của MOSFET kênh n.

• Khi MOSFET tắt, không có kết nối giữa cổng và nguồn Nếu điện áp υGS giữa cổng và cực nguồn ở trên VT, MOSFET bật và có điện trở RON giữa D và S Như trước đây, có một mạch

hở giữa cổng - cực nguồn và cổng - cực máng của MOSFET, vì vậy iG = 0 Chế độ SR là một xấp xỉ tốt hơn về trạng thái của MOSFET so với chế độ chế độ S.

• Trên thực tế, dễ dàng nhận thấy rằng chế độ SR giảm xuống chế độ S nếu RON bằng

không Tuy nhiên, chế độ SR vẫn là một đơn giản hóa tổng thể về trạng thái của

MOSFET Đặc biệt, mặc dù MOSFET thể hiện trạng thái có điện trở khi υDS << υGS- VT, lúc này điện trở RON không cố định Thay vào đó, nó là một hàm của υGS Hơn nữa, khi υDScó thể bằng hoặc lớn hơn υGS- VT, trạng thái cực máng đến cực nguồn không có trở kháng, thay vào đó là một nguồn dòng.