Thông tin tài liệu
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Chương 6: Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Mạch khuếch đại đa tầng 6.1 Các quan hệ độ lợi mạch khuếch đại đa tầng Trong nhiều ứng dụng, mạch khuếch đại đơn cho tất độ lợi theo yêu cầu loại tải riêng biệt Ví dụ, hệ thống loa tải “nặng” hệ thống khuếch đại âm thanh, nhiều tầng khuếch đại đặt nhằm nâng mức tín hiệu gốc từ microphone đầu đọc băng từ lên đến mức hiệu cơng suất đủ lớn loa Ta biết đến mạch tiền khuếch đại, mạch khuếch đại công suất mạch khuyếch đại ngõ ra, mạch khuyếch đại mạch khuếch đại có cấu tạo nhiều tầng hệ thống Thật thân phận bao gồm nhiều tầng khuếch đại bán dẫn riêng Các mạch khuếch đại tạo độ lợi áp, dòng hay công suất thông qua việc sử dụng từ hai tầng trở lên gọi mạch khuếch đại đa tầng Khi ngõ tầng khuếch đại nối với ngõ vào tầng khuếch đại khác gọi ghép Cascade Hình 6.1: Hai tầng khuếch đại ghép cascade Tổng độ lợi áp hệ thống tính sau: Xem ngõ vào tầng 10 mV rms độ lợi áp tầng A1=A2=20, ngõ tầng A1vi1=20(10 mV rms)= 200 mV rms Như ngõ vào tầng 200 mV rms Tương tự ngõ tầng A2vi2=4 V rms Độ lợi tổng là: Av = vo 4Vrms = = 400 vi1 10mVrms ý Av = A1 A2 = (20)(20) = 400 Hình 6-2 hệ thống gồm n tầng ghép Cascade Ngõ tầng ngõ vào tầng ( vo1 = vi2, vo2 = vi3,…) Ta việc biểu diễn độ lợi áp tổng vo,n/vi1 theo độ lợi tầng A1, A2 ,…, An Xem độ lợi tầng giá trị độ lợi áp ngõ vào ngõ tầng tầng ghép với Trang 6.1 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Hình 6.2: n tầng khuếch đại ghép cascade Áp ngõ tầng ngõ vào tầng Theo định nghĩa: vo1 = A1vi1 vo = A2 vi = A2 vo1 thay vo1 từ (6-1) vào (6-2): vo = ( A1 A2 )vi1 Tương tự: vo = A3 vi = A3 vo từ (6-3): vo = ( A1 A2 A3 )vi1 Theo cách ta tìm được: v o , n = ( A n A n − A A ) v i (6-1) (6-2) (6-3) Từ đó: vo ,n = An An −1 A2 A1 (6-4) vi1 Phương trình 6-4 cho thấy tổng độ lợi áp n tầng cascade tích độ lợi tầng (khơng phải tổng) Tổng quát, hay nhiều tầng có độ lợi âm tầng gây đảo pha 180o Theo phương trình 6-4, mạch khuếch đại cascade có ngõ tầng cuối khơng pha với ngõ vào tầng thứ số tầng đảo pha số lẻ, pha số chẵn (hoặc 0) Để tìm độ lợi áp tổng hệ thống ghép Cascade theo Decibel, ta bỏ qua dấu đại số độ lợi tầng tính sau: v 20 log10 o ,n = 20 log10 ( An An−1 A2 A1 ) vi1 = 20 log10 An + 20 log10 An−1 + + 20 log10 A2 + 20 log10 A1 (6-5) = An (dB) + An−1 (dB) + + A2 (dB) + A1 (dB) Trang 6.2 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Mơn Kỹ Thuật Điện Tử Phương trình 6-5 cho thấy độ lợi áp tổng theo dB tổng độ lợi phần biểu diễn theo dB Tương tự ta dễ dàng tìm độ lợi dịng, độ lợi công suất tổng theo độ lợi tầng Kết phương trình 6-4 khơng tính đến ảnh hưởng điện trở nguồn điện trở tải lên độ lợi áp tổng Điện trở nguồn rs tạo phân áp đầu vào tầng thứ nhất, điện trở tải tạo phân áp điện trở tải tổng trở tầng cuối Trong trường hợp này, độ lợi áp tổng tải nguồn tín hiệu trở thành: rL v L ri1 An An −1 A2 A1 (6-6) = r +r v S rS + ri1 L o,n Với ri1 điện trở ngõ vào tầng ro,n điện trở ngõ tầng cuối Ví dụ 6-1: Hình 6-3 mạch khuếch đại tầng điện áp điểm mạch khuếch đại điện áp hiệu dụng AC Cho v1 điện áp nguồn tín hiệu khơng trở đầu vào v3 điện áp khơng tải Tìm độ lợi áp tầng độ lợi áp tổng v3/v1 Làm lại câu theo dB Tìm độ lợi áp tổng vL/vs mạch khuếch đại đa tầng có điện trở nguồn 2000Ω điện trở tải 25Ω Tầng có điện trở vào 1kΩ tầng có điện trở 50Ω Làm lại câu theo dB với độ lợi áp tầng thứ giảm xuống 6dB Tính độ lợi cơng suất theo dB với liệu câu Tính độ lợi dịng tổng iL/i1 câu Hình 6.3: (thí dụ -1) Giải: A1 = (36mV ) /(900µV ) = 40 A2 = (1.25V ) /(36mV ) = 34.722 A3 = (21V ) /(1.25V ) = 16.8 v3 / v1 = A1 A2 A3 = (40)(34.722)(16.8) = 23.333 Trang 6.3 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Chú ý tích độ lợi áp độ lợi áp tổng Trong ví dụ này, tính độ lợi áp tổng trực tiếp: v3 / v1 = (21V ) /(900µV ) = 23.333 A1 (dB ) = 20 log10 40 = 32.04dB A2 (dB) = 20 log10 (34.722) = 30.81dB A3 (dB) = 20 log10 (16.8) = 24.51dB v3 / v1 (dB) = A1 (dB) + A2 (dB) + A3 (dB) = 87.36dB Để ý 20 log10 (v3 / v ) = 20 log10 [21 / 900 x10 −6 )] = 20 log10 (23.333) = 87.36dB Từ phương trình 6-6: vL 1000 25 = (23.333) = 2592.5 v L 2000 + 1000 50 + 25 Độ lợi áp có nguồn tải 20 log10 (2592.5) = 68.27dB Do độ lợi tầng giảm 6dB nên độ lợi tổng là: (68.27dB) − (6dB) = 62.27dB Khi điện trở nguồn 2000Ω đưa vào ngõ vào v1 trở thành: 1000 v1 = (900 µV ) = 300µV 2000 + 1000 Cơng suất ngõ vào là: v (300 x10 −6 ) Pi = i = = 90 pW 1000 ri1 Khi điện áp qua tải 25Ω là: RL v L = v1 ( A1 A2 A3 ) ro + RL 25 = (300 µV )(40)(34.722)(16.8) = 2.33V 50 + 25 Cơng suất ngõ có tải v L2 (2.33) Po = = = 0.217W RL 25 Cuối cùng: P 0.217 Av (dB ) = 10 log10 o = 10 log10 = 93.82dB −12 P 90 x 10 i Nhắc lại A p = Av Ai Dùng kết câu 5, độ lợi công suất ngõ vào tầng thứ nhất, tải là: Trang 6.4 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Po 0.217 = = 2.14 x10 −12 Pi 90 x10 Độ lợi áp ngõ vào tầng thứ nhất, tải là: v 2.33V AV = L = = 7766 v1 300 µV Do đó: A p 2.14 x10 Ai = = = 3.1x10 Av 7766 Ap = Điều quan trọng cần nhớ phương trình độ lợi ta có dựa giá trị A1, A2… xác định mạch, nghĩa dựa độ lợi tầng tất tầng ghép với Do suy giá trị độ lợi tính vào tải tầng trước tải tính vào tầng Nếu biết độ lợi áp hở mạch giá trị tổng trở vào ra, ta tính độ lợi tổng cách tính tác động tải tầng lên tầng khác Về mặt lý thuyết, tải tầng cho trước phụ thuộc vào tất tầng nằm bên phải nó, tổng trở vào tầng phụ thuộc vào tổng trở tải ngõ tổng trở vào tầng Trong thực tế, ta bỏ qua tác động tải tích lũy tầng ngoại trừ tầng ghép với tầng xét, giả sử điện trở vào tải tầng kế cận Hình 6-4 mạch khuếch đại tầng, cho trước độ lợi áp hở mạch tầng A01,A02, A03, điện trở vào tầng Hình 6.4: Một khuếch đại tầng Ao1, Ao2, Ao3 độ lợi áp hở mạch (không tải) tầng Phân áp nút hệ thống ta có: r v1 = i1 v S rS + ri1 Kết hợp lại ta có: ri v = Ao1v1 + r r o ,1 i (6-7) Trang 6.5 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử ri v3 = Ao v + r r o i , rL v L = Ao v3 + r r o , L Kết hợp mối quan hệ này, ta có: v L ri1 ri ri rL Ao Ao1 Ao1 = v S rS + ri1 ro ,1 + ri ro , + ri ro ,3 + rL Phương trình 6-7 cho thấy độ lợi áp tổng mạch khuếch đại đa tầng phép nhân độ lợi hở mạch với tỷ số phân áp tính vào tải tầng Chú ý tỷ số phân áp tính cho tải cặp tầng khuếch đại Nói cách khác, khơng tính hiệu ứng tải hai lần: lần xem điện trở vào tải tầng trước lần thứ hai lại xem điện trở tầng trước điện trở nguồn tầng Ví dụ 6-2: Độ lợi áp hở mạch mạch khuếch đại tầng giá trị điện trở vào, cho bảng 6-1 Nếu tầng ghép Cascade tầng thứ có nguồn tín hiệu 10mV rms, điện trở nguồn 12k, tính điện áp qua tải 12Ω ghép vào ngõ tầng thứ Tầng khuếch đại Độ lợi áp không tải (dB) 24 20 12 Điện trở ngõ vào (k Ω ) 10 20 1.5 Điện trở ngõ (k Ω ) 4.7 1.5 0.02 Bảng 6.1: (Thí dụ – 2) Giải: 20 log10 Ao1 = 24 log10 Ao1 = 1.2 Ao1 = anti log(1.2) = 15.85 Tương tự: Ao = anti log(1) = 10 Ao = anti log(0.6) = 3.98 Từ phương trình 6-7: vL 10kΩ 20kΩ 1.5kΩ = 15.85 10 v S 12kΩ + 10kΩ 4.7kΩ + 20kΩ 1.5kΩ + 1.5kΩ 12kΩ X (3.98) = 43.53 20kΩ + 12kΩ Trang 6.6 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Do vậy: v L = 43.53v S = 43.53 (10mVrms) = 0.4353Vrms Đáp ứng tần số tầng ghép Cascade Tần số cắt thấp tầng khuếch đại đơn chịu ảnh hưởng không nhiều điểm gãy tần số khác nhau, có giá trị dựa thành phần RC thay đổi mạch Nếu điểm gãy tần số có giá trị khơng gần ta xem tần số cắt thấp thực tế mạch xấp xỉ với điểm gãy tần số lớn Tương tự, xem tần số cắt xấp xỉ với điểm gãy tần số nhỏ ảnh hưởng tới đáp ứng tần số mạch Áp dụng tương tự với tầng khuếch đại Cascade Nếu tần số cắt thấp tầng riêng lẻ không gần tần số cắt thấp chung mạch tần số cắt thấp lớn tầng Nếu tần số cắt cao tầng riêng lẻ không gần tần số cắt cao chung mạch tần số cắt cao nhỏ tầng Trong thực tế, mạch khuếch đại đa tầng có vài điểm gãy tần số thấp nhau, tương tự tần số cao Trong trường hợp này, tính tần số cắt thấp cắt cao mạch khuếch đai đa tầng vấn đề phức tạp Tần số cắt phải xác định thực nghiệm thơng qua chương trình máy tính tính tốn đáp ứng tần số chung Trong trường hợp đặc biệt tất tầng có tần số cắt thấp, cắt cao xác định, tần số cắt chung f1 (6-8) f1( overall ) = 21 / n − f ( overall ) = f 21 / n − (6-9) Trong đó: ƒ1(overall)= Tần số cắt thấp chung mạch đa tầng ƒ2(overall)= Tần số cắt cao chung mạch đa tầng n = Số tầng có tần số cắt thấp và/hay cao xác đinh ƒ1 =Tần số cắt thấp tầng ƒ2 = Tần số cắt cao tầng Bảng 6-2 giá trị ƒ1(overall) ƒ2(overall) theo ƒ1 ƒ2, với n có giá trị từ đến Chú ý số tầng khuếch đại nhiều, tần số cắt thấp lớn tần số cắt cao nhỏ Nói cách khác, tầng khuếch đại ghép Cascade có đáp ứng tần số xác định làm giảm băng thông chung mạch Khi n tầng có đáp ứng tần số xác định ghép Cascade, đáp ứng tần số chung mạch giảm tiệm cận với đường dốc 20n dB/decade (6n dB/octave) tần số nằm ngồi khoảng băng thơng Các điểm tần số gãy trường hợp với tần số cắt tầng đơn Trang 6.7 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Số tầng Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử f1(tổng) f1 1.55 f1 1.96 f1 2.30 f1 2.59 f1 f2(tổng) f2 0.64 f2 0.51 f2 0.43 f2 0.39 f2 Bảng – 2: Tần số cắt thấp cắt cao khuếch đại n tầng, tầng có tần số cắt thấp f1 tần số cắt cao f2 Ví dụ 6-3: Một mạch khuếch đại âm tầng có tần số cắt thấp chung tần số cắt cao chung 20Hz 20kHz Tính tần số cắt cao tần số cắt thấp tầng Giải: Từ bảng 6-2, với n=4, 2.3f1=20 0.43f2=20.103 Do đó, f1= 20/2.3=8.7Hz, f2=20.103/0.43=46.5kHz Như vậy, tầng phải có băng thơng xấp xỉ 46kHz đạt băng thông chung vào khoảng 20kHz 6.2 Các phương pháp ghép Lý thuyết mạch kết nối ngõ tầng mạch khuếch đại đa tầng ngõ vào tầng gọi phương pháp mắc hay nối mạch Trong chương trước ta đến phương pháp mắc tụ gọi ghép RC lý thuyết mạch liên tầng tương đương với mạch RC thượng thông Trong chương ta xét thêm hai cách mắc mạch khác mắc trực tiếp mắc biến Mục tiêu cách ghép RC để hạn dịng dc Thơng thường cần phải hạn dịng DC ngõ vào mạch khuếch đại tín hiệu nguồn ngõ tải Tương tự, cách ghép RC dùng để hạn dòng DC ngõ tầng khuếch đại ngõ vào tầng Ghép điện dung vào tầng khuếch đại làm cho có khả có điện áp phân cực ngõ tầng khác với điện áp phân cực tai ngõ vào tầng Ý tưởng đươc mơ tả hình 6-5, ngõ tầng khuếch đại nối với ngõ vào của tầng khác thông qua ghép tụ Cực C tầng 9V cực B tầng 3V Điện áp làm việc tụ 9-3=6V Trang 6.8 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Mơn Kỹ Thuật Điện Tử Hình 6-5: Tụ sử dụng phương pháp ghép RC làm thay đổi áp phân cực tĩnh tầng khuếch đại Chú ý áp tụ điện 6V cực dương nối với phân cực dương (9V) Ghép tụ cho phép dịng tín hiệu ac qua tầng, tạo tần số đủ cao để giữ cho giá trị điện kháng nhỏ Khuyết điểm cách ghép RC tác động đến đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại nên ta phải chọn giá trị điện dung lớn không thực tế tần số cắt thấp nhỏ vơ lý Ghép RC khơng dùng mạch tích hợp khó khơng kinh tế để chế tạo tụ điện chip Ghép nối tiếp cách ghép mà ngõ tầng ghép trực tiếp với ngõ vào tầng Nói cách khác, áp AC DC ngõ tầng xác định so với gía trị ngõ vào tầng Rõ ràng trường hợp, áp DC ngõ tầng tạo thay đổi định áp DC ngõ vào tầng Do mạch khuếch đại ghép trực tiếp hoạt động giống mạch khuếch đại dòng nối tiếp Trong chương ta xét số ví dụ mạch khuếch đại ghép trực tiếp rời rạc Một phương pháp ghép tín hiệu ac từ tầng sang tầng khác mà trì cách ly DC chúng thông qua biến áp Cuộn sơ cấp biến áp ngõ tầng cuộn thứ cấp ngõ vào tầng Theo cách này, tín hiệu ac qua mà khơng bị ảnh hưởng dòng dc Ưu điểm ghép biến áp bao gồm việc triệt tiêu DC lẫn khả thiết kế tỷ số biến áp cho công suất chuyển đổi tầng cực đại Ta tìm hiểu số ví dụ việc sử dụng kết hợp với TST lưỡng cực Khuyết điểm ghép biến áp kích thước chi phí máy biến áp đặc điểm đáp ứng tần số Độ tự cảm biến áp số vòng dây có xu hướng làm giảm băng thơng sử dụng mạch khuếch đại Tuy nhiên, thường sử dụng ứng dụng có băng thơng hẹp mạch khuếch đại âm tần 6.3 Mạch khuếch đại BJT ghép RC Ví dụ 6-4: Hình 6-6 hai tầng khuếch đại E-C, tụ ghép Tín hiệu AC ngõ tầng thứ (cực C Q1) ghép với ngõ vào tầng thứ hai (cực B Q2) thơng qua tụ 0.85µF Giả sử BJT lý tưởng có β =100, rc=1M, re=25, xác định tín hiệu nhỏ, độ lợi áp độ lợi dòng giải giữa? Trang 6.9 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Mơn Kỹ Thuật Điện Tử Hình 6-6: (Thí dụ – 4) Giải: Điện trở vào tầng thứ là: rin ( stage1) = RB1 || β re = (1ΜΩ ) || (2.5ΚΩ) ≈ 2.5kΩ Điện trở tầng thứ (tại cực C Q1): ro ( stage1) = RC1 || (rc / β ) = (3.3 kΩ) || [(1ΚΩ) / 100] = 2.48kΩ Độ lợi áp không tải tầng thứ nhất: − r ( stage1) − 2.48kΩ Av1 = o = −99.2 = re 25Ω Điện trở vào tầng thứ 2: rin ( stage 2) = R1 || R2 || β (re + RE ) = (100kΩ) || (10kΩ) || (100[(25Ω) + (220kΩ)] = (9.09kΩ) || (24.5kΩ) = 6.63kΩ Điện trở tầng thứ ( cực C Q2): ro ( stage 2) = RC || (rc / β ) = (2.2 kΩ) || (1ΜΩ ) / 100) = 148kΩ Độ lợi áp không tải tầng thứ 2: − r ( stage 2) − 1.8kΩ Av = o = −7.35 = re (220Ω) + (25Ω) Mạch khuếch đại hai tầng biểu diễn hình 6-7 Trong hình khơng có tụ điện ta xét hoạt động dải tần Từ phương trình 6-7 ta tìm được: vL 2.5kΩ 6.63kΩ 50kΩ (−99.2) (−7.35) X = = 365.85 v S (1kΩ) + (2.5kΩ) (1.8kΩ) + (50kΩ) (2.48kΩ) + (6.63kΩ) Giá trị dương cho thấy vL pha với vS Cách khác để tìm độ lợi áp chung tìm độ lợi áp A1, A2 có tải tính điện trở tải ac rL tầng: Trang 6.10 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Mơn Kỹ Thuật Điện Tử Hình 6-6: Mạch tương đương khuếch đại tầng hình – 10 Trong đó, C E = C = 40 µF và: 3 rS || RB 100 || (150 x10 ) || (39 x10 ) Re = RE + re1 = (1.5 x10 ) + 15 ≈ 15Ω 180 β1 Do đó: f1 (C ) = = 265.3Hz 2π (15)(40 x10 −6 ) Để tìm tần số gãy theo C3 ta xem ro(tầng 1) điện trở nguồn rin(tầng 2) điện trở tải f1 (C3 ) = 2π [ro ( stage1) + rin ( stage2)]C3 = = 34.6 Hz 2π (4.7 x10 + 6.8 x10 )(0.4 x10 −6 ) Để tìm tần số cắt thấp theo tụ ghép C4 10µF ngõ ta phải tính r0(stage 2) có tính đến điện trở phân cực 68K Ω 47K Ω r || RB + re ro ( stage2) = Re = RE S β2 Trong đó: R B = 68kΩ || 47 kΩ = 27.8kΩ rS = ro ( stage1) = 4.7kΩ 4.7 x 10 || 27.8 x 10 ro ( stage2) = 10kΩ + 40Ω = 79.8Ω 100 Cuối cùng, 1 f1 (C ) = = = 122.6 Hz 2π [ro ( stage2) + RL ]C 2π (79.8 + 50)(10 x10 −6 ) Trang 6.15 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Mơn Kỹ Thuật Điện Tử Trong ví dụ tần số gãy lớn f1(C2)=265.3 Hz f1(C4)=122.6 Hz Ta kết luận tần số cắt thấp mạch phải lớn tần số lớn la 265.3 Hz, tần số không đủ cách xa để nói f1 = 265.3 Hz f1 phải có giá trị lớn 265.3 Hz Để tính giá trị phức tạp Trong ví dụ f1 thực tế 330 Hz Hình 6-12 phác hoạ giản đồ Bode Chú ý độ lợi giảm xuống với tỷ lệ tăng theo 20dB/decade phía tần số gãy tìm ví dụ Hình 6-12: Biểu đồ Bode độ lợi mạch khuếch đại đa tầng hình – 10 Chú ý đường tiệm cận tăng độ dốc đoạn 20dB/decade tần số gãy 6.4 Mạch khuếch đại BJT ghép trực tiếp Trong chương đề cập đến phương pháp phản ánh dòng để loại trừ tụ ghép mạch tích hợp Hình 6-14 ví dụ mạch khuếch đại ghép trực tiếp sử dụng phương pháp phân cực thông thường Ngõ tầng thứ (cực thu Q1) ghép trực tiếp vào ngõ vào tầng thứ (cực Q2) Trước tiên, phân tích phân cực DC mạch xét đến đáp ứng AC Dòng qua RC1 tổng IC1 IB2 Để đơn giản hoá ta xem IB2 nhỏ đáng kể so với IC1 Trang 6.16 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Hình 6-14: Các tầng khuếch đại CE ghép trực tiếp dùng phương pháp thông thường Giả sử tầng thứ xác lập, điện áp cực base VB1 xác định theo phân áp R1-R2 sau: R2 VCC (6-12) V B1 ≈ R R + Ta có: V E1 ≈ V B1 − 0.7 (6-13) Khi đó, IC1=IE1=VE1/RE1 Với giả thiết IB2 khơng đáng kể so với IC1, dịng qua RC1 là: IC1+IB2 ˜ IC1, điện áp tĩnh cực C mass là: VC1 ≈ VCC − I C1 RC1 (6-14) (6-15) Giá trị tĩnh VCE1 là: VCE1 = VC1 − VE1 Vì VC1=VB2 nên: V E = VC1 − 0.7 (6-16) Nên I C ≈ I E2 = VE / RE điện áp tĩnh cực thu tầng là: VC = VCC − I C1 RC VCE = VC − VE (6-17) (6-18) Phân tích DC hồn tồn khơng phức tạp, việc áp dụng nguyên tắc phân cực học Điểm quan trọng cần ý VC1=VB2 Phân tích độ lợi AC dễ hiểu Độ lợi áp tầng là: − r ( stage1) || rin ( stage 2) Av1 = o (6-19) re1 + R E1 đó, r0(stage 1) ≈ RC1 rin(stage 2) ≈ β 2(re2+RE2) Độ lợi áp tầng là: − RC − r ( stage 2) Av ≈ o ≈ (6-20) re + R E re + R E Độ lợi mạch là: Av ( overall ) = Av1 Av (6-21) Trang 6.17 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Nếu tải ghép trực tiếp ngõ ( cực C Q2) mass tải AC tầng rL = RC2//RL phương trình 6-20 trở thành: − RC || R L Av ≈ (6-22) re + R E Ghép trực tiếp tải ngõ làm thay đổi giá trị DC VC2 VCE2 Xem transitor nguồn dòng cố định hình 6-15(b), áp dụng nguyên lý chồng chập tính VL theo nguồn mạch, xem hình 6-15(c) 6-15(d) Kết hợp tác dụng nguồn dẫn tới: RL V L = VC = R L + RC (VCC − I C RC ) a) Tầng ngõ với tải ghép trực tiếp c) Áp DC RL theo VCC (6-23) b) Mạch tương đương DC a) d) Áp DC RL theo IC Bằng phép chồng chất điện áp, ta có: Hình 6-15: Tính áp DC tải ghép trực tiếp RL, sử dụng phép chồng chất điện áp Phương trình 6-23 cho thấy điện áp cực thu với giá trị điện áp không tải ( VCC - ICRC ) chia cho phân áp qua RL RC Khi VCE=VC-VE, giá trị RL nhỏ làm giảm VC tới điểm mà VCE tiến gần tới Trang 6.18 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Mơn Kỹ Thuật Điện Tử Ví dụ 6-7 Transitor hình 6-16 có thơng số sau: Q1 : β1 = 100, reù = 6Ω, rc1 ≈ ∞ Q2 : β = 60, re = 10Ω, rc ≈ ∞ tìm giá trị tĩnh VCE1, IC2, IT, VC2 VCE2 Tìm độ lợi áp vo/vi Làm lại (1) (2) mắc trực tiếp tải 10K Ω cực thu Q2 mass Hình 6-16: (Thí dụ – 7) Giải: Điện trở DC ngõ vào nhìn từ cực base Q1 là: Rin1 ≈ β RE1 = 100(75) = 7.5kΩ Khi điện trở không lớn so với điện trở phân áp 11K Ω cực B ta phải tính đến tác dụng tải gây phân áp Từ phương trình 6-18: R2 || Rin1 VCC V L = + R R || R in1 (11kΩ) || (7.5kΩ) = (2.4V ) = 1.02V (100kΩ) + (11kΩ) || (7.5kΩ) Suy ra, V E1 ≈ V B1 − 0.7 = 1.02 − 0.7 = 0.32V I C1 ≈ I E1 = VE1 / RE1 = (0.32V ) /(75Ω) = 4.26mA Bỏ qua dòng IB2 VC1, VC1 ≈ VCC − I C1 RC1 = 24 − (4.26mA)(4.7kΩ) = 3.95V Trang 6.19 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Khi đó: VCE1 = VC1 − VE1 = 3.95 − 0.32 = 3.63V Cho VC1 = VB , ta có: V E ≈ VC1 − 0.7 = 3.95 − 0.7 = 3.25V Do đó, V 3.25V IC2 ≈ I E2 = E2 = = 3.25mA RE RE Khi không mắc tải Q2, IT=IC2=3.25mA (Chú ý: IB2=IC2/ β =(3.25mA)/60=0.054mA nhỏ so với IC1=4.26mA) Áp VC2 VCE2 là: V C = V CC − I C R C = 24 − (3 25 mA )( 3kΩ ) = 13 3V VCE = VC − VE = 13.3 − 3.25 = 10.05V − RC1 || β ( R E + re ) − (4.7 kΩ) || (60[(1kΩ) + (10Ω)] = = −53.8 R E1 + re1 (75Ω + 6Ω) − RC − 3.3kΩ = −3.3 Av ≈ = re + R E (1kΩ) + (10Ω) Av ( overall ) = Av1 Av = (−53.8)(−3.3) = 177.5 Av1 ≈ Giá trị tĩnh VCE1 không bị ảnh hưởng điện trở tải ghép vào cực C Q2 nên VCE1=3.63 V, IC2=3.25mA ( câu 1) Từ phương trình 6-23: 10kΩ V L = VC = [24 − (3.25mA)(3.3kΩ)] = 10V (10kΩ) + (3.3kΩ) Do đó: VCE = VC − VE = 10 − 3.25 = 6.75V IL = VL 10V = = 1mA R L 10kΩ nên, I T = I C + I L = (3.25mA) + (1mA) = 4.25mA Độ lợi áp tầng -53.8 Độ lợi áp tầng là: − RC || R L − (3.3kΩ) || (10kΩ) = = −2.48 Av ≈ R E + re (1kΩ + (10Ω) Độ lợi áp mạch với tải 10K Av ( overall ) = (−53.8)(−2.48) = 133.4 Điện áp cực thu transitor NPN dương điện áp cực base Khi TST ghép nối tiếp, áp cực thu tầng với áp cực base tầng Do đó, áp cực thu tầng Trang 6.20 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử NPN phải lớn áp cực thu tầng NPN kế cận Khi số TST ghép nối tiếp tăng lên, áp cực thu tăng theo Trong thực tế, số tầng ghép trực tiếp ghép Cascade trước làm áp cực thu bị tăng không hợp lý vượt điện áp nguồn cung cấp Để giải vấn đề này, dùng TST thay loại (NPN, PNP) ghép cascade nối tiếp Trong ứng dụng này, TST gọi bổ sung hình 6-17 ví dụ tầng Cách ghép hoạt động tốt cực Base TST PNP phải tích cực cực C nó, ngược với điều kiện TST NPN Hình 6-17: Ghép trực tiếp sử dụng transitor bổ phụ Chú ý transitor PNP phân cực cách nối nguồn áp dương vào phía cực E Điện áp dương cung cấp đưa vào cực E TST cực C nối mass TST PNP có áp cực E mass 0.7V lớn áp cực Base mass Do đó, VE2=19.4+0.7=20.1 V Sụt áp điện trở cực E là: VCC − VE = 24 − 20.1 = 3.9V I E = (3.9V ) /(1kΩ) = 3.9mA ≈ I C Rõ ràng: VC = I C RC = (3.9mA)(2.7 kΩ) = 10.5V Cặp BJT ghép Darlington Khi cực C BJT ghép chung cực E TST ghép nối tiếp với cực B TST hình 6-18, ta có cách ghép Darlington Trang 6.21 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Hình 6-18: Cặp Darlington sử dụng transitor đơn có cực thu, cực nền, cực phát C, B, E Phân tích cách ghép Darlington để thấy hệ số β TST mà đại diện vài đặc tính tín hiệu nhỏ Gọi β1 β hệ số β Q1 Q2 Theo định nghĩa, I C1 = β I B1 I E1 = ( β + 1) I B1 Nhưng IE1=IB2 nên: I C = β I B = β ( β + 1) I B1 I C = I C1 + I C = β1 I B1 + β ( β1 + 1) I B1 = [ β1 β + ( β + β )]I B1 Khi I B1 = I B , ta có I C = [ β1 β + ( β + β )]I B1 hay, β DP = I C / I B = β1 β + β1 + β (6-24) Hệ số β cặp Darlington phương trình 6-24 tổng hệ số β thành phần Ta ln có β1 β >> β1 + β nên: β DP = β1 β + β1 + β ≈ β β (6-25) Cặp Darlington thường làm chip cho đặc tính Q1 Q2 phù hợp Khi β1 = β = 100 ta có : β DP = β + 2β ≈ β (6-26) Ví dụ, nêú β1 = β = 100 , β DP = 10000+200 ≈ 10000 Cặp Darlington xem TST có hệ số β vơ lớn Trong phân tích biểu diễn dòng DC hệ số β , phân tích tín hiệu nhỏ cho thấy giá trị tín hiệu nhỏ β DP tổng giá trị tín hiệu nhỏ β1 β Ta kết luận giá trị tín hiệu nhỏ giá trị DC β Xác định hệ số tín hiệu nhỏ điện trở vào từ cực B đến cực E, rin(DP), điện trở cực E, re(DP), TST ghép nào? Từ phương trình 5-22: V 0.026 re ≈ T ≈ Ω (6-27) IE IE Trang 6.22 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Mơn Kỹ Thuật Điện Tử Vì I C ≈ I E ta có: 0.026 Ω (6-28) re ≈ IC2 Theo hình 6-18, thấy I C = I C1 + I C ≈ I C I C >> I C1 nên (6-28) viết lại thành: 0.026 Ω (6-29) re ≈ IC Điện trở ac nhìn từ cực B Q2 là: rin ( base ) ≈ β re (6-30) 0.026 Ω (6-31) re1 ≈ I E1 I E ≈ β I B = β I E1 ta có: I (6-32) I E1 ≈ E β2 thay (6-32) vào (6-31) ta được: 0.026 = β re re1 ≈ β I E2 Hệ số tín hiệu nhỏ tín hiệu vào cặp Darlington rin ( DP ) = β1 (re1 + rin (base ) ) ≈ β1 (re1 + β re ) (6-33) (6-34) thay vào phương trình (6-33): rin ( DP ) ≈ β1 ( β re + β re ) = 2β1 β re (6-35) Do β DP ≈ β β , nên hệ số điện trở cực E, re(DP) là: rin ( DP ) β1 β re re ( DP ) ≈ = = 2re (6-36) β DP β1 β Ví dụ 6-8: Một cặp Darlington có dịng cực C tổng 2mA Nếu β1 =110 β =100, tìm giá trị β DP , rin(DP), re(DP) nhiệt độ phòng Giải: β DP = β β + β + β = (110)(100) + 110 + 100 = 11,210 Từ phương trình 6-29, 0.026 re ≈ = 13Ω x 10 −3 Từ phương trình 6-35, rin ( DP ) ≈ 2(110)(100)13 = 286kΩ Từ phương trình 6-36, re ( DP ) ≈ 2(13) = 26Ω Trang 6.23 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Ví dụ cho thấy cặp Darlington sử dụng để làm tăng đáng kể điện trở vào BE so với BJT thông thường Cặp Darlington thường sử dụng với dạng E chung khả đệm tốt trở kháng cao nguồn trở kháng thấp tải Với điện trở tải ac ghép vào cực E, tổng trở vào là: rin = rin ( DP ) + β DP rL (6-37) Khi mạch E chung tích cực, độ lợi dịng từ cực Base Q1 tới cực E Q2 Ai = ie2/ib1 Do ie1=ib2, ta có: i i i (6-38) Ai = e = e e1 = ( β + 1)( β + 1) ≈ β1 β ib1 ib ib1 Ví dụ sau mơ tả trường hợp cần có khả đệm tốt điện trở nguồn KΩ điện trở tải 10 Ω Ví dụ 6-9: Hình 6-19 tầng CE mắc Darlington mạch E chung Transistor có: β1 =200, β =100 β =100 tìm vL/vS Tìm vL/vS khơng có cặp Darlington trở tải 10 ghép với tụ cực C Q1 Hình 6-19: (thí dụ – 9) Giải: R2 10kΩ VCC = V B1 ≈ (15kΩ) = 2.6V + ( 47 Ω ) + ( 10 Ω ) R R k k V E1 = V B1 − 0.7 = 2.6 − 0.7 = 1.9V V 1.9V I C ≈ I E1 = E1 = = 1.9mA RE1 1kΩ 0.026 0.026 = = 13.7Ω re1 ≈ 1.9mA I E1 Trang 6.24 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử rin ( stage1) = R1 || R2 || β1 re1 = (10kΩ) || (47kΩ) || 200(13.7Ω) = 2.1kΩ cực C Q1 ghép trực tiếp với cực base Q2 cặp Darlington nên: V B = VC1 = VCC − I C1 RC1 = 15V − (1.9mA)(3.3kΩ) = 8.7V Áp DC cực E Q3 1.4V nhỏ áp cực B Q2, có hai mối nối BE phân cực thuận hai điểm: V E = VB − 1.4 = 8.7 − 1.4 = 7.3V V 7.3V I C3 ≈ I E3 = E3 = = 7.3mA R E 1kΩ Thấy Q1 Q2 phân tích trước Q3 Q4, từ phương trình 6-28 ta có: 0.026 0.026 = = 3.6Ω re ≈ 7.3mA IC3 Từ 6-36, re ( DP ) ≈ 2(3.6) = 7.2Ω từ 6-26 β DP = (100) + 200 = 10,200 từ 6-35: rin ( DP ) ≈ 2(100)(100)(3.6) = 72kΩ từ 6-37, tổng trở nhìn vào cặp Darlington có tải là: rin = (72kΩ) + (10.200)[(1kΩ) || (10Ω)] ≈ 174kΩ Giá trị điện trở vào lớn so với điện trở cực thu Q1 nên: − Rc1 − 3.3kΩ Av1 ≈ = = −241 re1 13.7Ω Độ lợi áp tầng E chung ( từ 5-59) − rL (1kΩ) || 10Ω) = ≈ 0.58 Av ( DP ) ≈ re ( DP ) + rL (7.2Ω) + (1kΩ) || (10Ω) Đưa rS vào tính tốn tải độ lợi áp mạch là: vL vS r ( stage1) 2.1kΩ = in Av Av ( DP ) = (−241)(0.58) (5kΩ) + (2.1kΩ) rS + rin ( stage1 = −41.3 Với tải 10 Ω nối với cực C Q1, tải ac Q1 là: rL1 = (3.3kΩ) || (10Ω) ≈ 10Ω đó: Trang 6.25 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Av1 ≈ Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử − rL1 − 10 = = −0.73 re1 13.7 Độ lợi mạch là: vL 2.1kΩ (−0.73) = −0.22 = v S (5kΩ) + (2.1kΩ) Nếu khơng có cặp Darlington đệm áp ngõ nhỏ ½ mức tín hiệu vào, khơng cịn chức khuếch đại Cặp Darlington tăng độ lợi áp lện 41.3/0.22=187.7 lần Mạch khuếch đại ghép Cascode Một ví dụ khác ghép nối tiếp Transistor khuếch đại cascode gồm TST CE TST CB Hình 6-20 ví dụ Q1 tầng CE dùng RB1 để khắc phục phân cực Tụ CB nối đất tín hiệu ac từ cực base Q2, Q2 tầng CB Nó hoạt động tải cực thu Q1 Q1 ghép nối tiếp vào ngõ vào Q2 ngõ mạch khuếch đại Cascode cực thu Q2 Các điện trở R1 R2 tạo phân áp cho Q2 Hình 6-20: Một ví dụ mạch khuếch đại cascode Q1 tầng E chung nối trực tiếp với tầng B chung Q2 Ưu điểm cách ghép cascode có điện dung nhỏ, yêu cầu quan trọng cho mạch khuếch đại tần sồ cao Điện dung vào nhỏ độ lợi áp Q1 gần 1, nghĩa điện dung Millers bị thu nhỏ Mọi độ lợi áp thu từ tầng CB Độ lợi áp Q1 nhỏ điện trở tải mạch thu điện trở đầu vào nhỏ tầng CB Tính dịng áp phân cực: V − V BE I B1 = CC (6-39) R B1 I C1 = I E1 = I C = β1 I B1 (6-40) Trang 6.26 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH R2 V B = R1 + R2 VCC VC1 = VE1 = VB − VBE VC = VCC − I C RC VCE = VC − VE Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử (6-41) (6-42) (6-43) (6-44) Q1 phân cực cách dùng phương pháp phân áp điện trở phát Hình 6-21 mạch tương đương tín hiệu nhỏ mạch khuếch đại Cascode Hình 6-21: Mạch tương đương tín hiệu nhỏ khuếch đại cascode Theo mạch tương đương ta có: rin ( stage1) = RB1 || β1 re1 (6-45) Điện trở vào Q2 điện trở phát re2 tầng CB Nhánh song song rc1/ ß1 re2 tạo thành tải ac cực thu Q1 rc1/ β >> re2 , r rL1 = c1 re1 ≈ re β1 (6-46) vậy: Av1 ≈ − rL1 − re = = −1 re1 re1 (6-47) Phương trình 6-47 cho thấy độ lợi áp Q1 gần 1, tức IE2 = IE1 làm cho re2 = re1 Tải AC cực thu Q2 là: rL = rc || RC || RL ≈ RC || RL Do độ lợi áp tầng thứ là: − RC || RL −r Av ≈ L = re re Độ lợi áp mạch Cascode là: (6-48) (6-49) Trang 6.27 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Av = Av1 Av ≈ − Av Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử (6-50) Phương trình 6-50 cho thấy tầng CB cung cấp độ lợi áp Độ lợi dòng mạch khuếch đại Cascode khơng kể đến phân dịng ngõ vào ngõ là: Ai = β1α ≈ β1 α ≈ (6-51) Tổng trở mạch khuếch đại : ro ( stage) = rc || RC ≈ RC (6-52) Ví dụ 6-10 Transistor hình 6-22 có thông số sau: Q1 : β1 = 100, rc1 ≈ ∞, C bc = pF , C be = 10 pF Q2 : α ≈ 1, , rc ≈ ∞ Tìm: Dịng áp DC: IC1 ,IC2, VC1, VC2 Độ lợi áp tín hiệu nhỏ vL/vS Tần số gãy f2(CA) điện dung rẽ nhánh ngõ vào Q1 Hình 6-22: (thí dụ – 10) Giải: Điện áp cực B va mass tầng vào (Q1) xác định phân áp đó: 10kΩ || 100kΩ V B1 ≈ (12V ) = 2.6V (10kΩ) || 100kΩ) + (33kΩ) Do đó: V E1 = V B1 − 0.7 = 2.6 − 0.7 = 1.9V V 1.9V I C ≈ I E1 = E1 = = 1.9mA = I E ≈ I C R E1 1kΩ Áp cực B mass Q2 : Trang 6.28 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử 10kΩ VB = (12V ) = 6V (10kΩ) + (10kΩ) Do đó: VC1 = VE1 = VB − 0.7 = − 0.7 = 5.3V VC = VCC − I C RC = 12 − (1.9mA)(2kΩ) = 8.2V Khi IE1=IE2, 0.026 0.026 = = 13.7Ω re ≈ re1 = 1.9mA I E1 rin ( stage1) = (33kΩ) || (10kΩ) || 100(13.7Ω) = 1.16kΩ −r Av1 = e ≈ −1 re1 r (2kΩ) || (10kΩ) = 121.6 Av = L = 13.7Ω re v L rin ( stage1) 1.07 kΩ = Av Av ( DP ) = (−1)(121.6) = −112 v S rS + rin ( stage1 (100Ω) + (1.07 kΩ) Điện dung Miller ngõ vào Q1 xác định độ lợi áp tầng 1: C M = C bc (1 − Av1 ) = (4 pF )(2) = pF Tổng điện dung vào là: C A = C M + C bc = (8 pF ) + (10 pF ) = 18 pF Khi đó: 1 f (C A ) = = = 96.7 MHz 2π [rS || rin ( stage1)C A 2π [100 || (1.07 x 10 )](18 x10 −12 ) Tần số gãy điện dung vào gây lớn Mạch khuếch đại Cascode loại trừ vấn đề nguồn suy hao tần số cao thông qua điện dung Miller ngõ vào Trang 6.29 ... phương trình 6- 28 ta có: 0.0 26 0.0 26 = = 3 .6? ?? re ≈ 7.3mA IC3 Từ 6- 36, re ( DP ) ≈ 2(3 .6) = 7.2Ω từ 6- 26 β DP = (100) + 200 = 10,200 từ 6- 35: rin ( DP ) ≈ 2(100)(100)(3 .6) = 72kΩ từ 6- 37, tổng trở... 6. 2: n tầng khuếch đại ghép cascade Áp ngõ tầng ngõ vào tầng Theo định nghĩa: vo1 = A1vi1 vo = A2 vi = A2 vo1 thay vo1 từ (6- 1) vào (6- 2): vo = ( A1 A2 )vi1 Tương tự: vo = A3 vi = A3 vo từ (6- 3):... = 11,210 Từ phương trình 6- 29, 0.0 26 re ≈ = 13Ω x 10 −3 Từ phương trình 6- 35, rin ( DP ) ≈ 2(110)(100)13 = 286kΩ Từ phương trình 6- 36, re ( DP ) ≈ 2(13) = 26? ?? Trang 6. 23 Người soạn: NGUYỄN NGỌC
Ngày đăng: 27/12/2022, 08:26
Xem thêm:
