Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito CHƯƠNG 1: MẠCH KHUẾCH ĐẠI TRANZITO GIỚI THIỆU CHUNG Chương cung cấp cho người học kiến thức mạch khuếch đại, bao gồm vấn đề sau: - Định nghĩa mạch khuếch đại, tiêu tham số khuếch đại: Hệ số khuếch đại điện áp, hệ số khuếch đại dòng điện, hệ số khuếch đại công suất, trở kháng vào, trở kháng ra, méo tần số, méo phi tuyến, hiệu suất - Nguyên tắc chung phân cực cho tranzito chế độ khuếch đại Với tranzito lưỡng cực thuận PNP cần cung cấp điện áp chiều UBE < 0, UCE < Với tranzito ngược NPN cần cung cấp điện áp chiều UBE > 0, UCE > Mạch điện cung cấp nguồn chiều phân cực cho tranzito có: bốn phương pháp: phương pháp định dòng cho cực gốc, phương pháp định áp cho cực gốc, phương pháp cung cấp ổn định điểm làm việc dùng hồi tiếp âm điện áp chiều, phương pháp cung cấp ổn định điểm làm việc dùng hồi tiếp âm dòng điện - Vấn đề hồi tiếp, hồi tíêp tầng khuếch đại: hồi tiếp dương, hồi tiếp âm, hồi tiếp dòng điện, hồi tiếp điện áp, hồi tiếp mắc song song, hồi tiếp mắc nối tiếp ảnh hưởng hồi tiếp đến tiêu kĩ thuật mạch - Các sơ đồ khuếch đại dùng tranzito lưỡng cực: tầng khuếch đại phát chung, tầng khuếch đại góp chung tầng khuếch đại gốc chung - Các sơ đồ khuếch đại dùng tranzito trường xét hai loại: tầng khuếch đại cực nguồn chung, tầng khuếch đại cực máng chung - Tầng khuếch đại đảo pha có: mạch khuếch đại đảo pha chia tải, mạch khuếch đại đảo pha ghép biến áp - Phương pháp ghép tầng khuếch đại: phương pháp ghép tầng tụ điện, ghép tầng biến áp, ghép tầng trực tiếp - Một số mạch khuếch đại khác: mạch khuếch đại Darlingtơn, mạch khuếch đại Cascốt, mạch khuếch đại giải rộng, mạch khuếch đại cộng hưởng - Mạch khuếch đại công suất: đặc điểm mạch khuếch đại công suất, chế độ làm việc tầng khuếch đại A, B, AB, C Yêu cầu tầng khuếch đại công suất cho công suất lớn, méo nhỏ hiệu suất cao Mạch khuếch đại công suất đơn làm việc chế độ A để giảm méo có hiệu suất thấp Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo dùng hai tranzito thường cho làm việc chế độ AB (gần B) để có công suất lớn, méo nhỏ mà hiệu suất cao Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo dùng tranzito loại có mạch ghép biến áp, mạch khơng dùng biến áp Các mạch khuếch đại cần có mạch khuếch đại đẩy pha phía Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito trước Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo dùng tranzito khác loại có ưu điểm khơng cần tầng khuếch đại đảo pha Kết thúc chương yêu cầu người học nắm mạch khuếch đại nêu Hiểu tác dụng linh kiện mạch Chế độ cấp điện chiều nguyên lý làm việc mạch Tính tốn số tiêu kỹ thuật chủ yếu theo điều kiện cho trước Khi phân tích tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ, ta dùng phương pháp mạch điện tương đương xoay chiều, tần số trung bình Phần mạch khuếch đại cơng suất, tín hiệu vào lớn nên dùng phương pháp đồ thị có độ xác cao NỘI DUNG 1.1 ĐỊNH NGHĨA, CÁC CHỈ TIÊU VÀ CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA MẠCH KHUẾCH ĐẠI 1.1.1 Định nghĩa mạch khuếch đại Một số ứng dụng quan trọng tranzito sử dụng mạch để làm tăng cường độ điện áp hay dịng điện tín hiệu mà thường gọi mạch khuếch đại.Thực chất khuếch đại q trình biến đổi lượng có điều khiển, lượng chiều nguồn cung cấp, khơng chứa thông tin, biến đổi thành lượng xoay chiều theo tín hiệu điều khiển đầu vào, chứa đựng thơng tin, làm cho tín hiệu lớn lên nhiều lần khơng méo Phần tử điều khiển tranzito Sơ đồ tổng quát mạch khuếch đại hình 1-1, En nguồn tín hiệu vào, Rn điện trở nguồn tín hiệu, Rt tải nơi nhận tín hiệu Iv Uv Rn t En ~ Uv Ir Mạch khuyếch đại Ur Rt Ur Nguồn cung cấp (EC) Hình 1-1: Sơ đồ tổng quát mạch khuếch đại Hình 1-2 đưa cấu trúc nguyên lý để xây dựng tầng khuếch đại Phần tử phần tử điều khiển tranzito có điện trở thay đổi theo điều khiển điện áp hay dòng điện đặt tới cực điều khiển (cực gốc) nó, qua điều khiển quy luật biến đổi dòng điện mạch bao gồm tranzito điện trở RC Tại lối cực góp cực phát, người ta nhận điện áp biến thiên quy luật với tín hiệu vào độ lớn tăng lên nhiều lần Để đơn giản, giả thiết điện áp đặt vào cực gốc có dạng hình sin Từ sơ đồ hình 1-2 ta thấy dòng điện điện áp xoay chiều mạch (tỷ lệ với dịng điện điện áp tín hiệu vào) cần phải coi tổng thành phần xoay chiều dòng điện điện áp thành phần chiều I0 U0 Phải đảm bảo cho biên độ thành t Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito ) ) phần xoay chiều không vượt thành phần chiều, nghĩa I ≥ I U ≥ U Nếu điều kiện khơng thoả mãn dịng điện, điện áp mạch khoảng thời gian định khơng làm méo dạng tín hiệu Như để đảm bảo công tác cho tầng khuếch đại (khi tín hiệu vào xoay chiều) mạch phải tạo nên thành phần dịng chiều I0 điện áp chiều U0 Chính vậy, mạch vào tầng, ngồi nguồn tín hiệu cần khuếch đại, người ta phải đặt thêm điện áp chiều UV0 (hay dòng điện chiều IV0) Các thành phần dòng điện điện áp chiều xác định chế độ làm việc tĩnh tầng khuếch đại Tham số chế độ tĩnh theo mạch vào (IV0, UV0) theo mạch (I0, U0) đặc trưng cho trạng thái ban đầu sơ đồ chưa có tín hiệu vào +E Uv i t Ur RC ˆI t I0 C B Uv i PĐK t ura R Ur E ˆ U U0 Hình 1-2: a a Nguyên lý xây dựng tầng khuếch đại b b Biểu đồ thời gian 1.1.2 Các tiêu tham số tầng khuếch đại Để đánh giá chất lượng tầng khuếch đại người ta đưa tiêu tham số sau: 1.1.2.1 Hệ số khuếch đại Đại lượng đầu (1-1) Đại lượng tương ứng đầu vào Nói chung tầng khuếch đại có chứa phần tử điện kháng nên K số phức K= K = ⎢K ⎢exp(j.ϕk) Phần mô đun |K| thể quan hệ cường độ (biên độ) đại lượng đầu đầu vào, phần góc ϕk thể độ dịch pha chúng Nhìn chung độ lớn |K| ϕk phụ thuộc vào tần số ω tín hiệu vào Nếu biểu diễn |K| = f1(ω) ta nhận đường cong gọi đặc tuyến biên độ - tần số tầng khuếch đại Đường biểu diễn ϕk=f2(ω) gọi đặc tuyến pha - tần số Thường người ta tính |K| theo đơn vị logarit, gọi đơn vị đề xi ben (dB) t Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito K (dB) = 20 lg K (1-2) Khi ghép liên tiếp n tầng khuếch đại với hệ số khuếch đại tương ứng K1, K2, Kn hệ số khuếch đại chung khuếch đại xác định theo: K = K1.K2 Kn hay K(dB) = K1(dB) + K2(dB) + + Kn(dB) (1-3) Đặc tuyến biên độ tầng khuếch đại đường biểu diễn quan hệ Ura=f3(Uv) lấy tần số cố định giải tần tín hiệu vào Dạng điển hình ⎢K ⎢=f1(ω) Ura=f3(Uv) khuếch đại điện áp tần số thấp cho hình 1-3 1.1.2.2 Trở kháng lối vào lối Trở kháng vμo, trë kh¸ng tầng khuếch đại định nghĩa (theo hình 1-1a) ZV = UV ; IV Zr = Ur Ir (1-4) Nói chung chúng đại lượng phức: Z = R+jX 1.1.2.3 Méo tần số Méo tần số méo độ khuếch đại mạch khuếch đại bị giảm vùng hai đầu giải tần vùng tần số thấp có méo thấp Mt, vùng tần số cao có méo tần số cao MC Chúng xác định theo biểu thức: Mt = K0 ; Kt MC = K0 KC (1-5) K0 hệ số khuếch đại vùng tần số trung bình Trong đó: KC hệ số khuếch đại vùng tần số cao Kt hệ số khuếch đại vùng tần số thấp Méo tần số tính theo đơn vị đề xi ben Ura |K| (V) K0 K0 f 10 (a) 4 10 2.10 Uvào (Hz) (b) (mV) Hình 1-3: a Đặc tuyến biên độ - tần số b Đặc tuyến biên độ6(f = 1kHz) khuếch đại tần số thấp Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito 1.1.2.4 Méo không đường thẳng (méo phi tuyến) Méo khơng đường thẳng tính chất phi tuyến phần tử tranzito gây thể tín hiệu đầu xuất thành phần tần số (khơng có đầu vào) Khi uvào có thành phần tần số ω ura nói chung có thành phần nω (với n = 0,1,2 ) với biên độ tương ứng Ûn Lúc hệ số méo không đường thẳng tầng khuếch đại gây đánh giá là: ) ) ) ( U + U + + U n )1 / (1-6) γ= % ) U1 1.1.2.5 Hiệu suất tầng khuếch đại Hiệu suất tầng khuếch đại đại lượng tính tỷ số cơng suất tín hiệu xoay chiều đưa tải Pr với công suất chiều nguồn cung cấp P0 η= Pr P0 Trên nêu số tiêu quan trọng tầng (hay khuếch đại gồm nhiều tầng) Căn vào tiêu người ta phân loại khuếch đại với tên gọi với đặc điểm khác Ví dụ theo hệ số khuếch đại K có khuếch đại điện áp Lúc yêu cầu có KUmax, Zvào >> Znguồn Zra Ztải hay khuếch đại công suất cần KPmax, Zvào ≈ Znguồn, Zra ≈ Ztải Cũng phân loại theo dạng đặc tuyến tần số ⎢K ⎢= f1(ω), từ có khuếch đại chiều, khuếch đại tần số thấp, khuếch đại tần số cao, khuếch đại chọn lọc tần số v.v 1.2 PHÂN CỰC VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC MỘT CHIỀU 1.2.1 Nguyên tắc chung phân cực tranzito Muốn tranzito làm việc phần tử tích cực tham số phải thoả mãn điều kiện thích hợp Những tham số tranzito phần cấu kiện điện tử nghiên cứu, chúng phụ thuộc nhiều vào điện áp phân cực chuyển tiếp góp, phát Nói cách khác giá trị tham số phụ thuộc vào điểm làm việc tranzito Một cách tổng quát, dù tranzito mắc theo kiểu nào, muốn làm việc chế độ khuếch đại cần có điều kiện sau: chuyển tiếp gốc-phát ln phân cực thuận, chuyển tiếp gốc - góp ln phân cực ngược Đối với tranzito n-p-n điều kiện phân cực để làm việc chế độ khuếch đại là: UBE = UB - UE > UCE = UC - UE > (1-7) UE < UB < UC Trong UE, UB, UC điện cực phát, gốc, góp tranzito hình 1-3 Với tranzito p-n-p điều kiện phân cực có dấu ngược lại Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Hình 1-4 biểu diễn điện áp dòng điện phân cực tranzito chế độ khuếch đại IC IB U UCE >0 C UB U UB U UCE 0 IC IB E UBE >IB0, biểu thức gần đúng: U BE ≈ E C − I p R1 (1-10) Ta thấy UBE0 không phụ thuộc vào tham số tranzito nhiệt độ nên ổn định Rõ ràng dòng IP lớn UBE0 ổn định, R1, R2 phải có giá trị nhỏ Thường chọn IP =(0,3÷3).IBmax (1-11) Trong IBmax dịng xoay chiều mạch cực gốc với mức tín hiệu vào lớn Lúc thiên áp UBE0 khơng phụ thuộc trị số dịng cực gốc IB0, dùng cho mạch khuếch đại tín hiệu lớn (chế độ B) Tuy nhiên trị số R1, R2 nhỏ cơng suất tiêu thụ nguồn tăng Để nâng cao độ ổn định điểm làm việc người ta hay dùng mạch cung cấp điện áp phân cực sau Hình 1-6 sơ đồ cung cấp ổn định điểm làm việc hồi tiếp âm điện áp chiều RB Hình 1-6: Mạch cung cấp ổn định điểm làm việc hồi tiếp âm điện áp chiều +EC RC Cp2 IB Cp1 UCE0 UBE0 +EC R1 RC Cp1 Hình 1-7: Sơ đồ cung cấp ổn định điểm làm việc nhờ hồi tiếp âm dòng điện chiều Cp2 UBE UR2 R2 UE RE CE Sơ đồ hình 1-6 khác sơ đồ hình 1-5a chỗ điện trở RB nối lên cực góp RB vừa làm nhiệm vụ đưa điện áp vào cực gốc phương pháp ổn định dòng cực gốc, vừa dẫn điện áp hồi tiếp mạch vào Nguyên lý ổn định sau: Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Nếu có nguyên nhân ổn định làm cho dịng chiều IC0 cực góp tăng lên điện UCE0 giảm làm UBE giảm, kéo theo dòng IB0 giảm làm cho IC0 giảm (vì IC0= β I B ), nghĩa dịng IC0 ban đầu giữ ngun Hình 1-7 sơ đồ cung cấp ổn định điểm làm việc nhờ hồi tiếp âm dòng điện chiều Trong sơ đồ RE làm nhiệm vụ hồi tiếp âm dòng điện chiều Nguyên tắc ổn định sau: IC0 tăng nhiệt độ tăng hay độ tạp tán tham số tranzito điện áp hạ RE (UE0=IE0.RE) tăng Vì điện áp UR2 lấy điện trở R2 không đổi nên điện áp UBE0 = UR2 - UE0 giảm, làm cho IB0 giảm, IC0 khơng tăng lên được, tức IC0 giữ ổn định Nếu nhiệt độ giảm làm IC0 giảm nhờ mạch hồi tiếp âm dịng điện chiều, UBE0 lại tăng, làm cho IB0 tăng, IC0 tăng giữ cho IC0 ổn định 1.3 HỒI TIẾP TRONG CÁC TẦNG KHUẾCH ĐẠI Hồi tiếp việc thực truyền tín hiệu từ đầu đầu vào khuếch đại Thực hồi tiếp khuếch đại cải thiện hầu hết tiêu chất lượng làm cho khuếch đại có số tính chất đặc biệt Dưới ta phân tích quy luật chung thực hồi tiếp khuếch đại Điều đặc biệt cần thiết thiết kế khuếch đại IC tuyến tính Hình 1-8 sơ đồ cấu trúc khuếch đại có hồi tiếp Đầu vào Đầu K β Mạch hồi tiếp có hệ sốHình truyền đạtSơβ,đồ chỉkhối rõ quan hệ giữađại tham 1-8: khuếch có số hồi(điện tiếp áp, dịng điện) tín hiệu mạch với tham số (điện áp, dòng điện) mạch khuếch đại Hệ số khuếch đại K hệ số truyền đạt mạch hồi tiếp β nói chung số phức K = K.exp(jϕK) β = β.exp(jϕβ) Nghĩa phải ý đến khả dịch pha miền tần số thấp tần số cao tồn phần tử điện kháng mạch khuếch đại mạch hồi tiếp Nếu khuếch đại làm việc tần số trung bình, cịn mạch hồi tiếp - khơng có thành phần điện kháng hệ số K β số thực Nếu điện áp hồi tiếp tỷ lệ với điện áp khuếch đại ta có hồi tiếp điện áp, tỷ lệ với dịng điện ta có hồi tiếp dịng điện Có thể hồi tiếp hỗn hợp dịng điện điện áp Iv Ir Rn Iv Ir Rn It • En ~ uv uy K ur Rt • En uht ~ uv uy ur K uht β 10 β It a Hình 1-9: Một số mạch hồi tiếp thông dụng: Rn Iht β Ir It Rt Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito b Xét đầu vào, điện áp đưa hồi tiếp nối tiếp với nguồn tín hiệu vào ta có hồi tiếp nối tiếp Khi điện áp hồi tiếp đặt tới đầu vào khuếch đại song song với điện áp nguồn tín hiệu có hồi tiếp song song Hai đặc điểm xác định loại mạch hồi tiếp cụ thể: hồi tiếp điện áp nối tiếp song song, hồi tiếp dòng điện nối tiếp song song, hồi tiếp hỗn hợp nối tiếp song song Hình 1-9 minh hoạ số thí dụ mạch hồi tiếp phổ biến khuếch đại Nếu hồi tiếp nối tiếp ảnh hưởng đến trị số điện áp vào thân khuếch đại uy, hồi tiếp song song ảnh hưởng đến trị số dòng điện vào khuếch đại Tác dụng hồi tiếp làm tăng, ϕK + ϕβ = 2nπ, giảm ϕκ + ϕβ = (2n +1).π (n số nguyên dương) tín hiệu tổng hợp đầu vào khuếch đại gọi hồi tiếp dương tương ứng gọi hồi tiếp âm Hồi tiếp âm cho phép cải thiện số tiêu khuếch đại, dùng rộng rãi Để đánh giá ảnh hưởng hồi tiếp đến tiêu khuếch đại ta xét thí dụ hồi tiếp điện áp nối tiếp hình 1-9a Hệ số khuếch đại có hồi tiếp: K ht = Ur UV U Y = U V + U ht (1-12) Chia hai vế (1-12) cho Ura, ta có: U Y U V U ht = + Ur Ur Ur hay 1 = +β K K ht β = u ht hệ số truyền đạt mạch hồi tiếp ur (1-13) Từ (1-13) ta tìm được: 11 Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito K K ht = (1-14) − β K Để đơn giản việc phân tích ta đưa vào trị số thực K và: K − K β K ht = (1-15) Theo (1-15) > K.β > hệ số khuếch đại khuếch đại có hồi tiếp Kht lớn hệ số khuếch đại thân khuếch đại K Đó hồi tiếp dương, Uht đưa tới đầu vào khuếch đại pha với điện áp vào Uv, tức Uy = Uv +Uht Điện áp khuếch đại có hồi tiếp dương là: Ur = K.(Uv + Uht) > K.Uv Kht >K Trường hợp K.β ≥ (khi hồi tiếp dương) đặc trưng cho điều kiện tự kích khuếch đại Lúc đầu khuếch đại xuất phổ tần số khơng phụ thuộc vào tín hiệu đầu vào Với trị số phức K β bất đẳng thức K β ≥ tương ứng với điều kiện tự kích tần số cố định tín hiệu đầu gần với dạng hình sin Bộ khuếch đại trường hợp làm việc mạch tạo dao động hình sin Khi K.β