Thông tin tài liệu
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Chương 5: CÁC Bộ Mơn Kỹ Thuật Điện Tử MẠCH KHUẾCH ĐẠI BJT TÍN HIỆU NHỎ 5.1 Các nguyên tắc khuếch đại AC Ở phần trước biết tín hiệu DC, điểm tĩnh, đặc điểm transistor cách xác định điện áp, dòng DC ngõ ứng với ngõ vào tín hiệu DC Phần này, nghiên cứu đáp ứng ngõ trường hợp dịng điện áp ngõ vào có thay đổi nhỏ Ví dụ tăng điện áp ngõ vào VBE transitor NPN mắc CE làm tăng dòng IB dẫn đến dòng IC tăng theo IC = βIB Cũng vậy, việc tăng điện áp ngõ vào làm tăng điện áp ngõ Khi biến thiên ngõ vào đủ nhỏ để tạo thay đổi vể dòng áp ngõ nằm giới hạn đặc tính transitor, nói transitor hoạt động điều kiện tín hiệu nhỏ Chính xác hơn, hoạt động tín hiệu nhỏ xuất biến thiên ngõ nhỏ thông số linh kiện thay đổi không đáng kể( α, β, ) Chúng ta nghiên cứu hoạt động tín hiệu nhỏ quan điểm xem transitor khuếch đại ac Độ lợi khuếch đại: Khi thiết bị có lượng thay đổi điện áp ngõ lớn lượng thay đổi điện áp ngõ vào, ta gọi thiết bị khuếch đại áp AC Độ lợi áp AC, ký hiệu Av, tỉ số độ thay đổi áp ngõ độ thay đổi áp ngõ vào: ∆V (5-1) ∆Vin Vì vậy, khuếc đại AC có Av>1 Hình 5.1 minh họa khái niệm Chú ý hình 5.1, có thành phần AC ngõ vào ngõ sử dụng để tính độ lợi áp AC Av = Hình 5.1: Một khuếch đại áp AC, tổng lượng biến thiên áp ngõ ra, ∆Vo , lớn tổng lượng biến thiên áp ngõ vào, ∆Vin Trang 5.1 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Cả hai tín hiệu ngõ ngõ vào đặt lên mức DC, giá trị DC khơng tính độ lợi áp AC Các giá trị rms (hiệu dụng) thành phần ngõ vào ngõ AC tính sau: Av = v o (rms ) vin (rms ) (5-2) Nếu không cần thiết đề cập đến giá trị rms sau này, bỏ kí hiệu rms, tự hiểu vo vin giá trị rms Độ lợi dòng AC, Ai, xác định tỉ số tổng lượng biến thiên dòng ngõ tổng lượng biến thiên dòng ngõ vào: Ai = ∆I o i (rms ) = o ∆I in iin (rms ) (5-3) Thiết bị có Ai>1 gọi khuếch đại dòng Tổng quát, khuếch đại AC có Av>1, Ai>1, hai; nói cách khác, khuếch đại dịng áp hai Độ lợi cơng suất, Ap, định nghĩa tỉ số công suất ngõ cơng suất ngõ vào, tính tích độ lợi áp độ lợi dòng: A p = Po / Pin = Av Ai (5-4) Mặc dù từ “độ lợi” ngầm có gia tăng mức tín hiệu, giá trị độ lợi bé Ví dụ, khuếch đại có độ lợi áp 0.5, có nghĩa biến thiên áp ngõ nửa áp ngõ vào Trong trường hợp này, nói khuếch đại làm suy giảm tín hiệu điện áp cung cấp cho Điện trỏ ngõ vào ngõ Điện trở ngõ vào khuếch đại tổng trở tương đương đầu ngõ vào Điện trở ngõ vào DC, Rin, điện trở mà nguồn DC “nhìn vào” kết nối với đầu ngõ vào, điện trở AC, rin, điện trở mà nguồn ngõ vào AC nhìn đầu vào Trong hai trường hợp, điện trở ngõ vào tính tỉ số điện áp ngõ vào dòng điện ngõ vào: v V (5-5) Rin = in ( DC ) rin = in (ac) I in iin Công suất ngõ vào AC tính cách sử dụng mối quan hệ công suất thông thường sau: vin2 (rms) Pin = [vin (rms)][iin (rms)] = = [iin2 (rms)]rin rin (5-6) Trang 5.2 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Điện trở ngõ khuếch đại tổng trở tương đương đầu ngõ Điện trở ngõ tương tự với điện trở tương đương Thevenin mắc nối tiếp với ngõ khuếch đại thay mạch tương đương Thevenin Giống điện trở ngõ vào, điện trở ngõ xác định điện trở DC Ro, điện trở ac, ro Công suất ngõ tính phương trình 5-6, với thay o(out) cho in số hạng Thí dụ 5-1 Hình 5-2 biểu diễn biểu tượng thơng thường khuếch đại: khối tam giác với ngõ đỉnh Theo hình vẽ, áp ngõ vào khuếch đại vin = 0.7 + 0.008sin3t (V) Bộ khuếch đại có độ lợi dịng AC 80 Nếu dòng ngõ vào iin(t) = 2.8x10-5+4x10-6sin103t A, thành phần AC áp ngõ 0.4 Vrms, tính: (1) Av, (2) Rin, (3) rin, (4)io (rms), (5)ro, (6) Ap? Hình 5-2: thí dụ 5-1 Giải vin(rms) = 0.707(0.008 A-pk) = 5.66x10-3 V rms Av = v o (rms) 0.4V = = 70.7 vin (rms ) 5.66 x10 −3 V Điện trở DC ngõ vào tỉ số thành phần DC điện áp ngõ vào thành phần DC dòng ngõ vào Vin 0.7V = = 25kΩ I in 2.8 x10 −5 A Điện trở AC ngõ vào tỉ số thành phần AC áp ngõ vào dòng ngõ vào: Rin = rin = vin 0.008V − pk = 2kΩ = iin x10 −6 A − pk io(rms) = Aiiin (rms)= 80(0.707)(4x10-6 A-pk) = 0.226 mA rms Trang 5.3 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH ro = Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử vo (rms ) 0.4V = = 1770 io (rms ) 0.226 x10 −3 A Pin = Po = Ap = vin2 (rms) (5.66 x10 −3 V ) = = 1.6 x10 −8 W rin x10 Ω vo2 (rms) (0.4V ) = = 9.04 x10 −5 W ro 1770Ω p o 9.04 x10 −5 W = = 5650 pin 1.6 x10 −8 W Chú ý độ lợi công suất tính thí dụ tích độ lợi áp độ lợi dịng sau: Ap = AvAi = (70.7)80 = 5656 Sự sai khác nhỏ hai kết lỗi làm trịn mà thơi Điện trở nguồn Mỗi nguồn tín hiệu có điện trở nội (điện trở tương đương Thevenin nó), mà xem điện trở nguồn, rs Khi nguồn tín hiệu nối với ngõ vào khuếch đại, điện trở nguồn nối tiếp với điện trở ngõ vào, rin, khuếch đại Chú ý hình 5-3 rs rin hình thành mạch phân áp ngõ vào khuếch đại Áp ngõ vào khuếch đại r (5-7) vin = v S in rS + rin và, Cho nên r vo = Av vin = Av v S in rS + rin (5-8) Phương trình 5-8 cho thấy độ lợi áp tổng áp nguồn ngõ khuếch đại, vo/vs, với độ lợi áp khuếch đại giảm hệ số rin/(rs+rin) Nếu rin lớn rs rin/(rs+rin) ≈ 1, độ lợi áp tổng bị giảm lượng ảnh hưởng mạch phân áp Cho nên, tổng quát cho khuếch đại cần có điện trở ngõ vào lớn tốt Trang 5.4 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Hình – 3: rS rin phân chia điện áp ngõ vào khuếch đại Độ lợi áp từ nguồn tới ngõ bị giảm lượng rin/(rS+rin) Mặt khác, muốn khuếch đại dịng, khuếch đại phải có điện trở ngõ vào nhỏ tốt Khi rin nhỏ, phần lớn dòng nguồn phát phân phối tới ngõ vào khuếch đại Điều minh họa hình 5-4, với nguồn nguồn dịng tương đương (Norton), (để tính độ lợi, ngõ nối xuống đất; điều bảo đảm tất dòng khuếch đại đổ tới ngõ ra) Hình 5-4: Bộ khuếch đại dịng có điện trở ngõ vào nhỏ để tỉ số rs/(rs+rin) đạt gần Ở hình 5-4, dịng đổ vào ngõ vào vào khuếch đại dòng nguồn is giảm lượng rs/(rs+rin) Vì vậy, rin cần phải nhỏ rs rs/(rs+rin) gần Độ lợi dòng tổng từ nguồn tới ngõ là: r io (5-9) = Ai S iS r r + S in Thí dụ 5-2 Một khuếch đại cho hình 5-5 với: Av = 10 Ai = 10, lái nguồn có điện trở nguồn 1000 Ω Tính độ lợi áp tổng độ lợi dòng, từ nguồn đến ngõ ra, với: Trang 5.5 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử (1) rin = 10k Ω , (2) rin = 100 Ω (Giả sử ngõ hở tính độ lợi áp, nối đất tính độ lợi dịng) Hình 5-5 (Thí dụ 5-2) Giải rin = 10k Ω (rin = 10rs) rin = 100 Ω Thí dụ cho thấy rin = 10rs, độ lợi áp giảm 10% độ lợi dòng giảm 90%; rin=0.1rs, độ lợi áp giảm 90% độ lợi dòng giảm 10% Điện trở tải Một khuếch đại ac dùng để cung cấp áp, dịng hoặc/và cơng suất cho vài loại tải nối ngõ Tải loa, anten, cịi, động điện, thiết bị hữu ích khác Thông thường, tải ngõ vào cho khuếch đại AC khác Bộ khuếch đại phân tích cách thay tải điện trở tải tương đương (hoặc tổng trở) Khi điện trở tải RL nối với ngõ khuếch đại, có phân áp điện trở ngõ khuếch đại điện trở tải Hình – 6: Áp ngõ khuếch đại ac chia ro điện trở tải RL Trang 5.6 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Hình 5-6 cho thấy mạch tương đương Thevenin ngõ khuếch đại AC với áp ngõ vo có từ nguồn áp trở nội ro mắc nối tiếp Như thấy hình, áp tải vL là: RL v L = ro + RL vo (5-10) Đối với khuếch đại áp, ro nên nhỏ RL để có áp vo tối đa tải Bằng cách chuyển đổi ngõ khuếch đại thành mạch tương đương Norton, ta có được: ro io (5-11) i L = r R + L o Khi xét ảnh hưởng rs RL, độ lợi áp tổng từ nguồn đến tải là: R L r vL = Av in vS rS + rin ro + RL (5-12) Tương tự, độ lợi dòng tổng là: ro r iL = Ai S iS rS + rin ro + RL (5-13) với is dòng nguồn tương đương (Norton), vs/rs Nhắc lại thuyết truyền công suất cực đại công suất cực đại truyền từ nguồn đến tải điện trở nguồn điện trở tải Vì vậy, cơng suất cực đại truyền từ nguồn tín hiệu tới khuếch đại rs = rin Tương tự, công suất cực đại truyền từ khuếch đại tải RL = ro Vì vậy, độ lợi cơng suất tổng từ nguồn tải cực đại rs = rin RL = ro Bộ khuếch đại phối hợp với nguồn rs = rin, phối hợp với tải RL = ro Mục đích phân cực Trong hầu hết khuếch đại transitor đơn, áp ngõ phải dương âm Trong trường hợp đó, dạng sóng ngõ khơng thể dạng AC túy được, theo định nghĩa, sóng AC thay đổi dương âm Mục đích việc phân cực khuếch đại transitor thiết lập mức DC ngõ tầm có áp ngõ để dạng sóng AC xuất Hình 5-7 minh họa điều Ngõ vào AC làm cho áp ngõ thay đổi mức áp phân cực, giá trị tức thời ngõ ln ln dương (trong ví dụ này) Nói cách khác, dạng sóng ngõ là: vo (t ) = VB + A sin ωt (5-14) Trang 5.7 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử với VB áp phân cực, thành phần DC, ngõ ra, A giá trị đỉnh tín hiệu sin, thành phần AC Như biết, tầm giá trị từ VB – A đến VB + A Hình 5-7: Mục đích phân cực cung cấp mức dc mà biến thiên ac xuất Dễ thấy giá trị VB A phải bảo đảm cho VB + A không lớn giá trị cực đại (dương) áp ngõ VB – A không nhỏ giá trị nhỏ giá trị nhỏ (dương) áp ngõ Nếu điều kiện không thỏa, áp ngõ bị cắt (xén) Hình – minh họa xén âm xén dương VB lớn nhỏ, A lại lớn Với xén biên độ A lớn, hình – 8(c), người ta gọi khuếch đại bị lái q mức (overdriven) Hình – 8: Tín hiệu bị xén mức dc khơng thích hợp biên độ Nhiệm vụ khuếch đại tạo dạng sóng dạng khuếch đại sóng ngõ vào Vì vậy, xén tín hiệu cần tránh, cịn gọi làm méo tín hiệu, xén thí dụ xén biên độ Trong khuếch đại transitor, áp max ngõ áp bão hịa (saturation) áp cắt (cutoff) Vì vậy, giá trị ngõ áp bão hòa vài chục Volt, giá trị max ngõ áp cắt (cutoff) áp cung cấp Trang 5.8 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Tụ ghép Trong nhiều ứng dụng khuếch đại, nguồn tải, hai, bị ảnh hưởng áp DC không cho phép có dịng DC Ví dụ, loa thiết kế để đáp ứng với dao động AC hoạt động khơng tốt có dịng DC Để ngăn chặn dòng DC áp ngõ khuếch đại vào tải, người ta ghép tụ nối tiếp với tải Tương tự, đế chặn dòng DC từ khuếch đại vào nguồn tín hiệu, ngược lại, tụ ghép nối tiếp với nguồn Các kết nối tụ minh họa hình 5-9 Người ta gọi tụ ghép (coupling capacitor), tụ chặn (blocking capacitor), chúng chặn dịng DC Các tụ phải đủ lớn tổng trở thật nhỏ tín hiệu AC Hình 5-9: Sử dụng tụ ghép để chặn dòng DC khuếch đại nguồn tín hiệu khuếch đại tải 5.2 Phân tích đồ thị khuếch đại tín hiệu nhỏ CE Phần trước, phân tích khuếch đại dùng transitor mắc CE, cấu hình thường sử dụng Hình 5-10 cho ta thấy mạch phân cực CE bổ sung thêm nguồn tín hiệu AC nối tiếp với cực nền, ta thêm vào tụ ghép, giả sử thời gian xét đủ lớn để bỏ qua ảnh hưởng (của tụ) tải Trang 5.9 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Hình 5-10: Bộ khuếch đại E chung Bộ Mơn Kỹ Thuật Điện Tử Hình – 11: Một khuếch đại ac phân tích đồ thị Chú ý hình 5-10 kí hiệu áp dòng ngõ ra, ngõ vào ký tự thường để tín hiệu AC Nguồn tín hiệu gây biến đổi nhỏ áp ngõ vào transitor, làm cho dòng cực (base) bị biến động nhỏ Khi dòng cực tăng giảm, dòng cực thu (collector) Bởi dịng cực thu xấp xỉ β lần dòng cực nền, nên dễ dàng tính độ lợi dịng ngõ ngõ vào Rất hữu ích quan sát biến thiên ngõ vào ngõ đường tải vẽ chung với đặc tính ngõ transitor Đối với ví dụ trên, phân tích đồ thị hình 5-11 Để xác định tổng biến thiên cực gây nguồn tín hiệu hình 5-11, sử dụng đặc tính ngõ vào hình 5-12 Ở đây, bỏ qua ảnh hưởng hồi tiếp VCE đặc tính ngõ vào mà trình bày đặc tính IB – VBE transitor Giả sử mối nối BE phân cực thuật 0.65V, biến thiên ± 0.03 V vS làm cho VBE thay đổi 0.62 – 0.68 Ở hình 5-12 cho thấy thay đổi áp ngõ vào làm cho IB dao động 20 µ A 40 µ A Đường tải hình 5-11 cắt trục VCE VCC = 18V cắt trục IC (18V)/3(k Ω ) = 6mA Đặc tính ngõ vẽ hình 5-13 Điểm Q giao điểm đường tải đường cong ứng với dòng vS = Theo định nghĩa, điểm Q xác định giá trị phân cực VCE IC, giá trị ngõ khơng có tín hiệu AC Trên hình 5-12, IB = 30 µ A VBE = 0.65V (vS = 0), điểm Q giao điểm đường tải với đường cong IB=30 µ A Chúng ta thấy transitor phân cực với VCE = 9V IC = mA Trang 5.10 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử rin ( stage ) RL RC RB || ( βre ) RL vL = Av = vS rs + rin ( stage ) RL + RC re rs + RB || ( β re ) RL + RC ( – 42) r || RB RC rS || RB RC iL = Ai S = Ai iS rs || RB + rin RL + RC rs || RB + β re RL + RC ( – 43) với iS = vS/rS Các phương trình – 44 tổng kết lại tất phương trình phân tích tín hiệu nhỏ cho tầng khuếch đại mắc CE: Hình – 33 Tầng khuếch đại E chung có điện trở nguồn điện trở tải Các phương trình tín hiệu nhỏ mắc E chung 0.026 Ω (tại nhiệt độ phòng) IE rin = ( β + 1)re = rπ ≈ β re re = rin ( stage) = RE || rin ≈ RB || ( β re ) ro = rc / β ro ( stage) = Rc || (rc / β ) ≈ RC − r ( stage) − RC Av ≈ o ≈ re re (5 – 44) (output open) RB || ( βre ) RL vL = Av vS r R r β + || ( ) B e R L + RC S r RC ≈ Av e rS + re RL + RC Ai = α ≈ (output shorted ) r iL ≈ Ai S iS rS + re RC RC + RL , iS = vS rS Trang 5.28 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Thí dụ – Tìm áp ngõ mạch khuếch đại hình – 34, giả sử rS = Hình – 34 (Thí dụ – 5) Giải Để tìm re, ta phải tính dòng tĩnh cực thu: V − 0.7 14.3 I B = CC = = 71.5à A RB 200 ì103 I E ≈ I C = β I B = 100(71.5µ A) = 7.15mA Vì vậy, re = 0.026/(7.15x10-3)=3.64 Ω Từ phương trình 5-39, Av = -RC/re = -103/3.64 = -274.7 Do rS = 0, phương trình 5-43 trở thành RL vL 10k Ω = Av = −274.7 = −249.7 vS (10k Ω) + (1k Ω) RL + RC Nên, biên độ vLlà vL = (249.7)(20mA rms) = 4.99V rms Ảnh hưởng điện trở tải AC Cịn cách khác để xét phương trình độ lợi áp xem độ lợi hàm điện trở tải AC rL Để tập trung xét riêngvấn đề này, giả sử khuếch đại CE lái nguồn có nội trở rS = 0, phương trình 5-42 trở thành: vL − RC RL = vS re RL + RC Phương trình viết lại: vL −1 RL RC − RL || RC − rL = = = vS re RL + RC re re (5 – 45) (5-46) Trang 5.29 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Áp dụng phương trình 5-46 cho thí dụ 5-5, ta có: vL −(10 ×103 Ω) || (1× 103 Ω) = = −249.7 3.64Ω vS Vì vậy, biên độ vL vL = (249.7)vS = 249.7(20mV rms) = 4.99 V rms Phương trình 5-46 chứng tỏ độ lợi áp mạch khuếch đại tỉ lệ trực tiếp với điện trở tải rL = RL||RC Vì RL||RC < RC, nên mắc thêm RL vào mạch khuếch đại làm giảm độ lợi áp Ảnh hưởng tương tự phân tích đồ thị mạch khuếch đại CE (xem hình 5-19 thí dụ 5-3) Hình – 35 Đường tải ac giới hạn dao động áp ngõ khoảng nhỏ VQ IQrL Một kết việc mắc điện trở tải RL ghép tụ giảm dao động áp ngõ cực đại khuếch đại Ta thấy từ phương trình 5-17, 5-18 đường tải AC giao với trục VCE Vo = VQ+IQrL giao với trục IC Io = IQ + VQ/rL, với IQ VQ tọa độ điểm Q Chính vậy, dễ thấy biên độ dương áp ngõ vượt áp phân cực lượng lớn IQrL (xem hình 5-35) Áp ngõ dao động điểm Q lượng IQrL điểm Q lượng VQ Suy ra, biến thiên lớn áp ngõ VQ IQrL Bởi vì, ngõ dao động dương IQrL, đỉnh dương bị xén, ngõ dao động VQ , đỉnh âm bị xén Thí dụ 5-6 Tìm áp đỉnh-đỉnh cực đại mà nguồn hình 5-36 cung cấp mà không gây xén ngõ khuếch đại Trang 5.30 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Hình 5-36 (Thí dụ – 6) Giải Trước tiên, tính giá trị tĩnh: (15 0.7)V IB = = 51.1à A 280 ì 103 Ω I C = I Q = β I B = 100(51.1µ A) = 5.11mA VQ = VCC − I Q RC = 15V − (5.11mA)(1.5k Ω) = 7.34V rL = RC || RL = (1.5k Ω) || (2.2k Ω) = 892Ω Vì vậy, áp ngõ dao động lớn VQ=7.34V IQrL=(5.11mA)(892 Ω )=4.56V Vì VQ = 7.34V, dao động cực đại ngõ quanh điểm Q min(4.56V, 7.34V)=4.56V Do vậy, biên độ đỉnh - đỉnh AC lớn ngõ × 4.56=9.12Vp-p Để xác định áp nguồn cung cấp 9.12Vp-p ngõ ra, phải tìm độ lợi tầng khuếch đại IE ≈ IC = 5.11 mA 0.026 0.026 rE = = = 5.09Ω 5.11× 10−3 A IE Để áp dụng phương trình độ lợi áp (5-42), phải tính rin(stage) = RB||( β re): rin ( stage) = (280 × 103 Ω) || (100)(5.09)Ω = (280 × 103 Ω) || 509Ω ≈ 509Ω Áp dụng phương trình 5-42, ta có: vL −1.5 ×103 509 2.2 ×103 = = −146.45 3 5.09 100 + 509 1.5 × 10 + 2.2 × 10 vS Vì vậy, áp nguồn đỉnh – đỉnh cực đại là: v (max, p − p ) vS (max, p − p ) = L = 62.27mVp − p 146.45 Trang 5.31 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Mơ hình khuếch đại tín hiệu nhỏ mắc CC (C chung) Hình 5-39(a) cho thấy mạch khuếch đại mắc C chung (collector) hình 5-39(b) trình bày mạch đáp ứng tương đương tín hiệu nhỏ Chú ý cực thu hình 5-39(b) nối đất, nguồn VCC nối trực tiếp với cực thu nguồn DC ngắn mạch xét AC Điện trở tải RL không xét phần Như mô hình CE, điện trở cực (B) cực phát (E) β re, xem xấp xỉ rπ = ( β + 1) re Điện trở tổng ngõ vào cực transitor (giữa đất) là: v v rin = in = in (5-51) iin ib (a) Một khuếch đại C chung (b) Mạch tương đương tín hiệu nhỏ (a) Hình – 39 Bộ khuếch đại C chung mạch tương đương tín hiệu nhỏ Để ý mạch CC vin áp AC cực (B) cực thu (C), có nghĩa áp cực đất Dịng ngõ vào iin ib Tạm thời thay β re hình 5-39(b) giá trị xác ( β +1)re Dùng định luật Kirchhoff áp cho cực B đất hình 5-39(b), ta có: Trang 5.32 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử = ib ( β + 1)re + ie R E vin = ib ( β + 1)re + ib ( β + 1) RE (5-52) = ib ( β + 1)(re + RE ) Thay (5-52) vào (5-51), ta được: rin = ib ( β + 1)(re + RE ) = ( β + 1)(re + RE ) ib với β +1 ≈ β , ta có: rin = ( β + 1)(re + RE ) ≈ β (re + RE ) (5-53) (5-54) Trong nhiều mạch thực tế,RE >> re, nên rin xấp xỉ là: rin ≈ β RE (5-55) Từ hình 5-39(b), dễ thấy rằng: rin ( stage) = RB || rin ≈ RB || β RE (5-56) Phương trình 5-43, 5-55 cho thấy đặc điểm quan trọng khuếch đại CC ứng dụng thực tế là: điện trở ngõ vào lớn so với mơ hình khác Ví dụ, với RE = 1k Ω β =100, có rin ≈ 100k Ω Nhớ lại chương áp ngõ mơ hình CC áp CE Vì cực C nối đất, áp AC ngõ áp cực E đất (xem hình 5-39(b)) Vì vậy, độ lợi áp Transitor CC là: v iR (5-57) Av = o = e E vin vin Thay vin vào phương trình 5-52, ta có: ie R E = Av ib ( β + 1)(re + RE ) (5-58) ib ( β + 1) RE RE = = ib ( β + 1)(re + RE ) re + RE Do re+RE > RE, phương trình 5-58 chứng tỏ transitor ln ln có độ lợi áp nhỏ Như đề cập trên, thường sử dụng RE>>re, ta có xấp xỉ sau: RE R (5-59) Av = ≈ E =1 re + RE R E Phương trình 5-59 cho thấy vo/vin xấp xỉ 1, có nghĩa vo ≈ vin , tức áp ngõ áp ngõ vào: ngõ ngõ vào bị “chia cắt” điện trở AC mối nối BE phân cực thuận Hay nói cách khác, áp ngõ vào (cực B với đất) giống với áp ngõ (cực E Trang 5.33 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử với đất), ngoại trừ bị lượng nhỏ mối nối Chú ý khơng có đảo pha ngõ ngõ vào Dòng ngõ vào dòng ngõ ib ie, ta có độ lợi dịng sau: ( β + 1)ib i = β +1 ≈ β (5-60) Aii = e = ib ib Do vậy, độ lợi áp CC bé 1, độ lợi dịng lại lớn 1, suy độ lợi công suất: A p = Av Ai ≈ Ai (5-61) Ta có: ie = ( β + 1)ib , suy điện trở nhìn vào cục lớn gấp ( β +1) lần điện trở thực nối cực B đất (phương trình 5-54) Ngược lại, điện trở nhìn vào cực E nhỏ ( β +1) lần điện trở từ cực E trở nguồn tín hiệu Điện trở ngõ tầng CC hình 5.39, ro(stage), điện trở nhìn vào cực E song song với RE Vì vậy, ta có: ( β + 1)re + R B' (5-62) ro ( stage) = R E || β +1 với R’B điện trở nhìn từ cực B trở nguồn tín hiệu Hình 5.40 cho thấy R’B xác định mạch tương đương AC cực B R’B tính cách ngắn mạch nguồn tín hiệu xuống đất, nên: R B' = RB || rS (5-63) Lấy (5-63) trừ cho (5-62) ta được: ( β + 1)re + RB || rS ro ( stage) = RE || β +1 (5-64) RB || rS RB || rS ≈ RE || re + = RE || re + β + β Hình 5-40 R’B điện trở tương đương Thevenin nhìn từ cực trở nguồn R’B = RB||rS Phương trình 5-64 cho thấy điện trở ngõ dẫn cực E nhỏ Thí dụ, với RE = 1k Ω , re = 25 Ω , RB = 100k Ω , rS = 50 Ω β =100, ta có: ro ( stage) ≈ (1×103 ) ||{25 + [(100 × 103 ) || 50] /100} = (1× 103 ) || (25 + 0.5) = (1×103 ) || 25.5 ≈ 25Ω Khi rS = 0, ý RB||rS = 0và phương trình 5-64 trở thành: Trang 5.34 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử ro ( stage) ≈ RE || re (5-65) Hình 5-41 cho thấy điện trở tải ghép cực E thơng qua tụ ghép Vì tổng trở AC nối cực E đất rL = RE||RL, nên điện trở ngõ vào từ phương trình 5-54 5-56 trở thành: rin = ( β + 1)(re + rL ) ≈ β (re + rL ) rin ( stage) = RB || ( β + 1)(re + rL ) ≈ RB || β (re + rL ) Sự xấp xỉ phương trình β + ≈ β (5-66) (5-67) (5-68) Hình – 41 Mạch theo cực phát với điện trở tải RL Độ lợi áp tổng tầng khuếch đại, tính điện trở tải điện trở nguồn, xác định sau: vL rL rin ( stage) (5-69) = v S re + rL rS + rin ( stage) với rL = RE || RL Với rS nhỏ, phương trình 5-69 tính gần sau: vL RE ≈ v S re + RE RL R L + ro (stage) (5-70) (Phương trình 5-69 xác rS=0) Mặc dù theo cực phát có độ lợi nhỏ 1, sử dụng để cải thiện độ lợi áp hệ thống khuếch đại lớn Bởi điện trở ngõ vào lớn, nên khơng “tải gánh nặng” cho ngõ khuếch đại khác Nói khác cách, tải có mạch theo cực phát nối với khuếch đại khác rõ ràng khơng có giảm độ lợi áp khuếch đại Tương tự, với điện trở ngõ theo cực phát nhỏ nên lái tải “nặng” (điện trở nhỏ), tải làm giảm độ lợi áp khơng có điện trở ngõ nhỏ Vì lý đó, khuếch đại Trang 5.35 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử theo cực phát hữu ích tầng trung gian khuếch đại tải Khi đó, gọi khuếch đại đệm, khuếch đại cách ly, cách ly hiệu khuếch đại khác với ảnh hưởng tải RL Điều minh họa với thí dụ sau Thí dụ 5-9 Một khuếch đại có điện trở ngõ 1k Ω lái tải 50 Ω , hình 5-42(a) Giả sử độ lợi khuếch đại Av = 140 (khi khơng có tải) , tính: 1) Độ lợi áp có tải, 2) Độ lợi áp khuếch đại theo cực phát đưa vào khuếch đại tải, hình 5-42(b) Giải 1) Độ lợi áp có tải 50 Ω là: RL vL 50 = Av = 140 = 6.67 vS 1000 + 50 ro + RL Rõ ràng tải 50 Ω giảm đáng kể độ lợi áp 2) Để tính điện trở ngõ vào khuếch đại theo cực phát, ta phải tính re, tức phải tính dịng phân cực DC IE: IB = VCC − 0.7 9.3V = = 11.58µ A RB + ( β + 1) RE 470 × 10 Ω + 101(3.3 × 103 Ω) I E = ( β + 1) I B = 101(11.58µ A) = 1.16mA (a) Trang 5.36 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Hình 5-42 (Thí dụ – 9) Vì vậy, 0.026 0.026 = = 22.4Ω 1.16 × 10−3 A IE Điện trở tải AC khuếch đại theo cực phát là: rL = RE || RL = (3.3k Ω) || (50Ω) ≈ 50Ω Từ phương trình 5-67, rin ( stage) = (470 × 103 ) ||100(22.4 + 50) = (470 × 103 Ω) || (7.24 × 103 Ω) = 7.13k Ω Điện trở nguồn điện trở ngõ (1k Ω ) khuếch đại lái Vì vậy, từ phương trình 5-69, độ lợi áp tổng khuếch đại theo cực phát là: vL 50 7.13 ×103 = = 0.605 3 vS 22.4 + 50 1× 10 + 7.13 × 10 re = Độ lợi hệ thống từ khuếch đại đến tải (0.605)(140)=85.7 Dễ thấy việc đưa khuếch đại theo phát cải thiện đáng kể độ lợi áp từ 6.67 lên tới 84.7, tăng 1170% Trang 5.37 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Các phương trình mạch C chung tín hiệu nhỏ 0.026 (tại nhiệt độ phòng), Ω IE rin = ( β + 1)(re + RE ) ≈ β (re + RE ) re = rin ( stage) = ( β + 1)(re + + rL ) || RB ≈ β (re + rL ) || RB ≈ β rL || RB (rL >> re ) (rL = RE || RL ) (5 – 71) R || r ro ( stage) = RE || (re + B S ) β +1 (rS = 0) = RE || re ≈ re ( RE >> re ) RE re + RE (output open) Ai = β Av = ≈ ( RE >> re ) vL rL = v S re + rL = rL re + rL ≈1 rin ( stage) rS + rin ( stage) (rS = 0) (rL >> re ) vL RE RL ≈ v S re + RE RL + ro ( stage) (rS = 0) 5.4 Sự phụ thuộc điều kiện phân cực DC vào thông số tín hiệu nhỏ Độ dẫn điện qua lại Như biết phần trước, thông số quan trọng sử dụng mơ hình transitor, điện trở cực phát re, phụ thuộc dòng phân cực mối quan hệ sau: V 0.026 Ω (nhiệt độ phòng) re = T ≈ IE IE Thực ra, tất thơng số tín hiệu nhỏ phụ thuộc điều kiện hoạt động DC Mục đích phát triển mơ hình transitor mà phản ánh tính độc lập mô Trang 5.38 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Mơn Kỹ Thuật Điện Tử hình phần trước Một thuận lợi mô hình cho phép thực phân tích tín hiệu nhỏ dựa tồn kiến thức đặc tính DC transitor Để bắt đầu, làm quen với thơng số tín hiệu mới, độ dẫn điện, tính (xấp xỉ) cách sử dụng đặc tính DC Độ dẫn điện ký hiệu gm, xác định tỉ lệ dịng tín hiệu nhỏ ngõ áp tín hiệu nhỏ ngõ vào, với áp DC ngõ số: gm = io Vo = cons tan t vin (5-72) Bởi gm tỉ số dòng chia cho áp, nên đơn vị điện dẫn (siemens) Nó gọi độ dẫn điện liên quan đến chất lượng ngõ vào ngõ (qua linh kiện) Đối với BJT, điện dẫn định nghĩa cấu hình e chung; nghĩa là, áp ngõ vào vbe dòng ngõ ic: i (5-73) g m = c VCE = cons tan t vbe Khi vbe nhỏ 10mV, thấy gm xấp xỉ sau: IC I ≈ C (tại nhiệt độ phòng) (5-74) VT 0.026 với IC dòng DC cực thu VT điện áp nhiệt kT/q Do IE ≈ IC, nên g m ≈ I E / 0.026 = 1/ re (từ phương trình 5-22) gm ≈ Điện trở ngõ Điện trở ngõ transitor CE (E chung) xác định cách sử dụng giá trị phân cực DC ro = v ce I B = cons tan t ic (5-75) Phương trình 5-75 cho thấy điện trở ngõ nghịch đảo độ dốc đường đặc tính ngõ CE (với dịng cực B số) hình 5-43 Trang 5.39 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Figure 5-43 Điện trở ngõ mạch E chung Từ hình 5-43, dễ thấy rằng: ro = V A + VQ (5-76) IQ với VA VQ IQ = = = điện áp đầu điện áp tĩnh dịng tĩnh Thay dùng điện trở ngõ ra, người ta sử dụng điện dẫn ngõ go nhiều mơ hình transitor: go = IQ = ro V A + VQ (5-77) Mơ hình BJT sử dụng điện dẫn Hình 5-44 trình bày mơ hình transitor CE dựa thông số đề cập phần trước Chú ý nguồn dòng cực thu C gmvbe (do từ phương trình 5-73, có ic=gmvbe) Bởi sử dụng gm nên mơ hình gọi mơ hình điện dẫn Hình – 44: Mơ hình điện dẫn transitor mắc CE Trang 5.40 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Thí dụ 5-10 Sử dụng mơ hình điện dẫn hình 5-44, xác định áp tải mạch hình 5-45 giả sử β =80 VA=140V Hình – 45: (thí dụ – 10) Giải VCC − 0.7 10 − 0.7 = = 25.83µA RB 360 × 10 Ω I Q = I C = β I B = 2.07mA ≈ I E IB = 0.026 0.026 = = 12.56Ω IE 2.07 × 10 −3 A rπ ≈ βre ≈ 1kΩ re = Từ phương trình – 74 , I 2.07 × 10 −3 A gm = C = = 79.6mS 0.026 0.026 VQ = VCC − I Q RC = 10V − (2.07mA)(2.2kΩ) = 5.45V Từ phương trình – 76, ro = V A + VQ IQ = (140 + 5.45)V = 70.26kΩ 2.07 × 10 −3 A Hình 5-46 cho thấy mạch ac tương đương khuếch đại kết hợp với mơ hình điện dẫn Điện trở ngõ tương đương (70.26k Ω) || (2.2k Ω) || (10k Ω) ≈ (1.8k Ω) Vì vậy, áp tải là: vL = ( 79.6 ×10−3 vbe )(1.8k Ω) = (79.6 ×10−3 )(5mVrms)(1.8 × 103 ) = 0.716Vrms Trang 5.41 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Hình – 46: Mạch ac tương đương hình – 44 (thí dụ – 10) Các kết thí dụ trước tính độ lợi áp khuếch đại là: v L −0.716V = = −143.2 vS ×10−3V dấu trừ ngược pha Sử dụng phương trình 5-46, tính độ lợi áp dựa mơ hình phát triển trước đó, ta có: vL −rL −1.8 × 103 ≈ = = −143.3 12.56Ω vS re BÀI TẬP Bài 5-1 Một khuếch đại có độ lợi áp 55 độ lợi cơng suất 456.6 Dịng ac ngõ 24.9mA rms điện trở ac ngõ vào 200 Ω Tính: a b c d e f Độ lợi dòng, Giá trị hiệu dụng (rms) dòng ac ngõ vào, Giá trị hiệu dụng (rms) áp ac ngõ vào, Giá trị hiệu dụng (rms) áp ac ngõ ra, Điện trở ac ngõ ra, Công suất ngõ ra? Bài 5-2 Một khuếch đại có độ lợi dịng 0.95 độ lợi áp 100 Áp ac ngõ vào 120mV rms điện trở ac ngõ vào 25 Ω Tính cơng suất ngõ ra? Bài 5-3 Một nguồn tín hiệu nội trở 1.2k Ω nối với ngõ vào khuếch đại ac Độ lợi áp khuếch đại từ ngõ vào đến ngõ 140 Giá trị nhỏ điện trở ngõ vào khuếch đại để độ lợi áp (từ nguồn tín hiệu đến ngõ khuếch đại) tối thiểu 100? Trang 5.42 ... RE (5- 52) = ib ( β + 1)(re + RE ) Thay (5- 52) vào (5- 51), ta được: rin = ib ( β + 1)(re + RE ) = ( β + 1)(re + RE ) ib với β +1 ≈ β , ta có: rin = ( β + 1)(re + RE ) ≈ β (re + RE ) (5- 53) (5- 54)... tế,RE >> re, nên rin xấp xỉ là: rin ≈ β RE (5- 55) Từ hình 5- 39(b), dễ thấy rằng: rin ( stage) = RB || rin ≈ RB || β RE (5- 56) Phương trình 5- 43, 5- 55 cho thấy đặc điểm quan trọng khuếch đại CC... || (100) (5. 09)Ω = (280 × 103 Ω) || 50 9Ω ≈ 50 9Ω Áp dụng phương trình 5- 42, ta có: vL −1 .5 ×103 50 9 2.2 ×103 = = −146. 45 3 5. 09 100 + 50 9 1 .5 × 10 + 2.2 × 10 vS Vì vậy, áp
Ngày đăng: 27/12/2022, 08:24
Xem thêm:
