Tài liệu Mạch điện tử phần 1 trình bày các nội dung chính sau: Những khái niệm chung và cơ sở phân tích mạch điện tử; Cung cấp và ổn định chế độ công tác cho các tầng dùng tranzistor; Các sơ đồ cơ bản của tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng tranzistor và mạch giữa các tầng; Các sơ đồ khuếch đại chuyên dụng và tạp âm trong bộ khuếch đại;... Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.
NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT PHẠM MINH HÀ KỸ THUÂT MACH ĐIÊN TỬ ỉn lần thứ 8, có sửa chửa TT !M’ IM' ĩ.’- ■' ; THƯ VlỄN NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI- 2006 Chịu trách nhiệm xuữtbảni PG-S.TS Tô Đăng Hải Biên tập : ' /’ ’ ị Đỗ Thị Cảnh ị HÍP V HJjfyeiifThi Ngọc Kh Vẽhìa : Đặng Ngọc (ịuang In 1.000 cuốn, khổ 19 X 27cm Xưởng in NXB Văn hoá Dẳn tộc Quyết định xuất số: 409-2006/CXB/63-33/KHKT ngày 10/8/2006 ìn xong nộp lưu chiểu Quý III năm 2006 LỜI NÓI ĐẦU Bộ sách "Kỹ thuật điện tử' dược viết dựa sỏ giáo trình tên dã dược dùng làm tài liệu giảng dạy nhiều năm gần Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trong lần xuất dầu tiên Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật năm 1992, sách in làm ba tập (và tái nhiều lẩn) Tập gồm sáu chương, trình bày Các vấn để sở mạch điện tử (cơ sở phân tích mạch điện tử, hồi tiếp âm mạch điện tử, vấn đề cung cấp ổn dinh chế độ công tác mạch điện tử) vả Các mạch rời rạc thực hiộn chức biến dổi tuyến tính (tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng tranzistơ), tầng khuếch dại chuyên dụng, tầng khuếch đại công suất) Tập gồm ba chương Bộ khuếch đại thuật toán ứng dụng Tập gồm sáu chương, nghiên cứu Các mạch ban thực chức biến đổi phi tuyển (tạo dao động, điều chế, tách sóng, chuyển đôi tương tự - số số - tương tự, chỉnh lưu ổn áp) Đe bạn đọc tiện sử dụng, lần xuất gộp thành Trong chương có sửa chữa bổ sung vân đề Phần tập giải mẫu trước bố trí sau tập, chuyển xuống cuối sách, với nhiều dạng tập«mới Sách dã dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành Điện tử - Viỗn thơng Sách bổ ích cho kỹ sư, cán kỷ thuật cơng nhân ngành có liên quan đến kỹ thuật điện tử viễn thông Trong trình biên soạn lại sách này, tác giả bạn dồng nghiệp góp nhiều ý kiến bổ ích, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật khuyến khích tạo điều kiện thuận lợi đê’ sách mắt kịp thời Chúng xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành giúp đỡ quý báu dó Mặc dù dã CỐ gắng sửa chửa, bổ sung cho sách hoàn chỉnh lần tái song không tránh khỏi thiếu sót, hạn ché Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp quý báu bạn dọc TÁC GIẢ Chương ĩ NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG VÀ Cơ Sỏ PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN TỦ Nhằm giúp sinh viên có sở nghiên cứu mạch điện tử để cập đến sách này, giành chương để tóm tắt số khái niệm cơng thức xét giáo trình khác, chủ yếu liên quan đến vật lý điện tử dụng cụ bán dẫn Đây vấn đề không thuộc đối tượng nghiỀn cứu môn học này, trình bày để giúp bạn đọc tra cứu công thức khái niệm cách thuận lợi 1.1 Khái niệm mạch điện tủ nhiêm vụ Các mạch điện tù có nhiệm vụ gia cơng tín hiệu theo thuật tốn khác Chúng phân loại theo dạng tín hiệu xử lý Tín hiệu số đo (điện áp, dòng điện) q trình, thay đổi tín hiệu theo thời gian tạo tin tức hữu ích Trên quan điêìn kỹ thuật; người ta phân biệt hai loại tín hiệu : tín hiệu tương tự tín hiệu số Tín hiệu tương tự tín hiệu biến thiên liên tục theo thời gian nhân giá trị khống biến thiên cùa Ngược lại, tín hiệu số tín hiệu rời rạc hóa vê thời gian lượng tử hóa bỉên độ Nố biểu diễn tập hợp xung điểm đo rời rạc Do đo' tín hiệu số lấy số hữu hạn gỉá trị khoảng biến thiên mà thơi Tín hiệu khuếch đại ; điểu chế ; tách sóng ; chỉnh lưu ; nhớ ; đo ; truyển đạt ; điều khiển ; biến dạng ; tính tốn (cộng, trừ, nhân, chia ), Các mạch điện tử co' nhiệm vụ thực thuật tốn ị Để gia cơng hai loại tín hiệu tương tự số, người ta dùng hai loại mạch : mạch tương tự mạch số để cập đến mạch điện tử tương tự Tuy năm gấn đây, kỹ thuật số phát triển mạnh mẽ đóng vai trị quan trọng việc gia cồng tín hiệu , tương lai chúng thay hoàn toàn mạch tương tự Thực tế có nhiểu thuật tốn khồng thể thực bàng mạch số thực mạch tương tự kinh tế hơn, ví dụ : khuếch đại tín hiệu nhỏ, đổi tẩn, chuyển đổi tương tự/số Ngay hệ thống số có nhiều phần tử chức tương tự, cần phải gia công tín hiệu tương tự khâu ? Ị Đối với mạch tương tự, người ta thường quan tâm đến hai thông số chủ yếu : biên độ tín hiệu độ khuếch đại tín hiệu T T ? Biên độ tín hiệu liên quan mật thiết đến độ xác q trình gia cơng tín hiệu xác định mức độ ảnh hưởng nhiễu đến hệ thống, Khi biên độ tín hiệu nhỏ (cỡ mV /zA) nhiễu có thể’ lấn át tín hiệu, thiết kế hệ thống điện tử cần lưu ý nâng cao biên độ tín hiệu tầng đẩu hệ thống Khuếch dại tín hiệu chức quan trọng mạch tương tự Nó thực trực tiếp gián tiếp phẩn tử chức nàng hệ thống Thông thường hệ thống tương tự, người ta phân biệt tẩng gia cơng tín hiệu tẩng khuếch đại công suất điện áp Trong gấn ba thập kỷ qua, đời khuếch đại thuật toán, mạch tổ hợp tương tự chiếm vai trò quan trọng kỹ thuật mạch điên tử Mạch tổ hợp tương tự đàm bảo thỏa mãn tiêu kỹ thuật mà cịn có độ tin cậy cao giá thành hạ Tuy nhiên chúng thường dùng chủ yếu phạm vi tẩn sổ thấp Sự đời khuếch đại thuật toán bước ngoặt quan trọng trình phát triển kỹ thuật mạch tương tự Trước đây, khuếch đại thuật toán chưa đời, có vơ số mạch chức tương tự khác Ngày nay, nhờ xuất khuếch đại thuật tốn, số lượng đà giảm xuống cách đáng kể, dùng khuếch đại thuật toán để thực nhiéu chức khác nhờ mắc mạch hổi tiếp ngồi thích hợp Trong nhỉểu trường hợp, dùng khuếch đại thuật toán tạo hàm đơn giản hơn, xác với giá thành rẻ dùng mạch khuếch đại rời rạc Xu hướng phát triển kỹ thuật mạch tương tự nâng cao độ tích hợp mạch (được đặc trưng mật độ linh kiện) Khi độ tích hợp tăng chế tạo hệ thống có chức nãng ngày hồn hảo chip Đối với mạch tổ hợp tương tự, nhà thiết kế thường lưu ý giảm số chủng loại, lại tăng khả sử dụng chủng loại Tóm lại/ nói : có hai hướng phát triển cùa kỹ thuật mạch tương tự : giảm nhỏ kích thước bên mạch chế tạo táng tính phổ biến mạch ứng dụng Trong sách quan tâm nhiêu đến vấn đề ứng dụng mạch 1.2 Đặc tính tham số tranzistor lưỡng cực 1.2.1 Câc đặc tính tĩnh phương trình bàn Có hai loại tranzistor : loại npn loại pnp Nguyên lý tác dụng nghiên cứu kỹ giáo trình vật lý điện tử dụng cụ bán dản minh họa họ đặc tuyến vào = /(tZBE), đặc tuyến Ic = /(Ỉ7CE) đặc tuyến truyển đạt Ic ~ /(ZB) (xem hình 1.1) Các tranzistor mắc bazo chung, emito chung eolecto chung (bảng 1.1) Trong ba cách mắc này, mắc emito chung dùng nhiểu nhất, trình khảo sát sau ta quan tâm đặc biệt đến cách mắc Để điểu khiển tranzistor, dùng dịng emito ZE dòng bazo ZB Nếu dùng dòng emito để điều khiển (trong cách mắc bazo chung) hệ số khuếch đại tranzistor AN, xác định theo biểu thức (1.1) ỉc (1.1) AN = ~ -AN hệ số khuếch đại dòng chiêu cách mắc bazo chung Vì dịng colecto zc ln ln nhỏ dịng emito, nên AN < Nếu dùng dòng bazọ, để điểu khiển (trong cách mắc emito chung) hệ số khuếch đại dòng điện chiểu BN xác định theo biểu thức (1.2a) Bảng 1.1 BN = “ 2b (1.2a) Vì tranzistor kết cấu cho tổn hao bazo nhỏ, tức ZB nhỏ, nên ZB > VI ZE = Ic + ZB, nên AN BN có mối quan hệ sau : An Bn = B Bn ’ An = +bn b) 1-A"=ĨT^ (L2b) Có thể coi tranzistor lưỡng cực Hình 1.2 Sơ đổ tương đương điot tranzistor a) loại npn; b) loại pnp gổm hai điot mắc ngược chiêu cđ chung tiếp giáp p n sơ đớ hình 1.2 Tuy sơ đồ khồng cho biết đầy đù tính chất tranzistor lưỡng cực, qua nhận biết điện áp phân cực đặt mặt ghép tranzistor Tùy thuộc vào chiêu điện áp phân cực đó, người ta phàn biệt bốn miển làm việc tranzistor bàng 1.2 Bảng 1.2 Diot emito Diot coỉecto Miển lànt việc ứng dụng Phân cực ngược Phân cực thuận Phân cực ngược Phân cực ngược Khóa Khuếch đại Phân cực ngược Phân cực thuận Phân cực thuận Phân cực thuận Miển cắt Mién khuếch đại (mién tích cực) Miển tích cực ngược Miển bẫo hịa Trường hợp Khóa Sau đặc biệt lưu ý đến trường hợp thtì hai bảng 1.2, trường hợp dùng nhíểu kỹ thuật mạch tương tự Xét phương trình theo Ebers - Moll cho tranzistor npti Từ suy phương trình tranzistor pnp bàng cách đổi dấu dòng điện điện áp đặt vào cửa tranzistor theo quy ướọ vể chiều điện áp vã dịng điện bảng 1.1 Dịng điện nơi tranzistor gổm dòng điện thành phán sau : dòng qua mặt ghép emito bazo /’E, dòng qua mặt ghép colecto-bazo Z’c, dùng xuất phát từ mặt ghép bazo-emito đến colecto ZCd dòng xuất phát từ mặt ghép bazoHình 1,3 Sơ đồ tương đương Ebers-Moll tranzistor npn (a) pnp (b) colecto đến emito ZEd Các biểu thức (1.3) -ỉ- (1.6) cho biết quan hệ dịng điện điện áp phân cực mặt ghép tranzistor npn UB’E’ E = ^Ebh nên y/b\ RC =—— 2#g K = Kdo = - 2ĩĩf^C 189 Thay RC vào, ta có: K = - -í- (8.65) Theo (8.65), K chi phụ thuộc vào ữp 6p Như độ lớn K xác định loại mạch lọc Thay ơị ỏ! cho ứng với loại mạch lọc vào biểu thúc (8.65) ta xác định K tương ứng với loại mạch lọc đổ Với K = ữj = biểu thức (8.64) viết lại sau: K K (8.66) + P2w|fí2C2 - Q2w2K2C2 Rõ ràng Q = tức f — f K = eo, nghĩa mạch tự dao động tần Vì khí K — khó thực mạch lọc loại Tuy nhiên mạch có 2jíRC ưu điểm loại lọc hoàn toàn xác định K mà linh kiện RC Do dễ dàng thay đổi t&n số giới hạn f cùa mạch bàng cách thay đổi RC mà khơng ảnh hưởng đến tính chất Ịọc số f Mạch lọc thõng cao bậc hai Để thực mạch lọc thơng cao bậc hai dùng tất dạng sơ đ& mạch lọc thơng thấp hình 8.43, phải đổi chỗ vị trí R với c ví dụ mạch lọc thơng cao hồi tiếp đương vịng có dạng hlnh 8.44 Để tìm hàm truyền đạt, áp dụng biểu thức (8.61), thay p „ , „ 1 —; c R R c, ta cớ Hình 8.44 Sơ đồ mạch lọc thơng cao bậc hai vịng hồi tiếp dương K Kứ = d ! R2(Cl + c2) + - - K) + 1 U)JR{R2C1C2 p P2 (8.67) íữ2C1C2RĩR2 Tương tự mạch lọc thơng thấp, cho K — Cj = C2 = c, ta co' Kd = :— - : - d 1 + — - + —p ^RịC p2 (8.68) —-—-—— aịC2R{R2 Hệ số truyền đạt tần số cao Kd00 = ữi = - - , 190 Rí =—-—- ịị = -, wjC2J?lP2 aỵ R2 = - Á7tffbỵ Trường hợp cho Rỵ = R2 = R Cỵ = C2 = c ta lại có RC = : -MgV'F] 8.8.3 Thục mạch lọc thông thấp thông cao bộc cao, n > Trường hợp đặc tính biên độ - tần số lọc khơng đủ vng góc, người ta phải thực lọc bậc cao hai, Muốn vậy, mắc nối tiếp mạch lọc bậc bậc hai biết Lúc đặc tính tần số mạch tích đặc tính tằn số cùa mạch riêng rẽ Muốn có loại mạch lọc đố bậc > phải viết biểu thức hàm truyền phức tổng qt dạng (8.56) cho mạch tìm hệ số a- bị, tích đặc tuyến truyền đạt phức hai lọc bậc hai loại khơng phải hàm truyền phức lọc bậc bốn loại nghĩa hàm ■^do , , , , _ ^do - Z Z— khác với hàm r_ (1 + OjP + í>jP2)(l + a2P + Ễ>2P2) (1 + QjP + 6jP2)2 Cần ý tính tốn phậi coi f tần số giới hạn tồn lọc khơng phải tần số giới hạn tùng khâu lọc riêng rẽ Nói chung, khâu lọc có tần số giới hạn khác với tần số giới hạn toàn mạch lọc Về nguyên tấc, việc nối ghép khâu lọc không càn để ý đến thứ tự, cần lưu ý đặc điểm sau: Để không khâu lọc làm việc trạng thái bao hịa mắt lọc bố trí từ đàu vào đến đầu theo thứ tự tần số giới hạn f j tăng dần Hình 8.45 biểu diễn hàm truyền đạt lọc Tschebyscheff bậc mười, cấu tạo năm khâu lọc bậc hai: rõ ràng, chọn thứ tự nối ghép lọc ngược Hình 8.45 Hàm truyền đạt bí) lọc i scacbyscheff bậc mirịi lại f = /g, năm khâu lọc bật hai tương ứng điện áp 191 lọc đầu vào lớn nhất, lọc nàỵ làm việc ỏ trạng thái bão hòa mắt lọc sau làm việc khu vực khuếch đại Tuy nhiên xét theo quan điểm tạp âm nên xếp mát lọc theo thứ tự ngược lại mát lọc cuối có tằn số giới hạn thấp làm suy giảm tạp âm mắt lọc đầu vào 8.8.4 Mạch lọc chọn lọc mạch lọc thông dải Nếu mắc xâu chuỗi khâu lọc thông thấp với khâu lọc thông cao, ta nhận lọc thơng dải Đặc tính tần số tích đặc tính tần số hai khâu lọc riêng rẽ Độ dốc đặc tính tần số f > /gt (/gt: tần số giới hạn trên) f < fgd t/gcp tần sổ giới hạn dưới) phụ thuộc vào bậc loại lọc thông thấp thồng cao đựợc dung Nếu mạch lọc thơng dải /gt = fgd — fa thỉ ta cá mạch lọc chọn lọc Để đơn giản, ta xét lọc chọn lọc cấu tạo từ mạch lọc thơng cao tích cực bậc mạch lọc thơng thấp tích cực bậc mắc nối tiếp Hàm truyền đạt phức lọc: _ ^dRC 195 + P2 Ky - ■■■—— - _ + 4P + p2 (8.86) Biểu thức tương đương với biểu thức (8.70), A= , /3 = Khi f < < fo f > > fo tức p < < j p > > j KT = X"To = A, f - f o tức p = j Ky = Tương tự đđi với mạch lọc chọn lọc, ta tính Q2, 1 CỈ2 Thay (8.87) vào (8.70) ta có biểu thức Hỉnh 8.49 Sơ đồ mạch nén chọn lọc: a) dùng mạch lọc T kép; b) dùng mạch cãu Viên 196 (8.87) So sánh với (8.86), rút Từ (8.88) tính mođyn KT *to(1 - n2) g-i „(Ị - Q2) (8.89) T (1 - Q2)2 + 1.^,1 A + Q2(^T V Vq2 - , _A \ + Q4 / Trong phấn trẽn ta tính hệ số phẩm chất mạch T kép ộ = ị Co' thể tâng Q cách mác mạch T kép vào mạch hổi tiếp khuếch đại tht tốn tạo thành mạch lọc tích cực hình 8,49a tẩn số cao tẩn số thấp, tính chất truyền đạt mạch T kép khơng có thay đổi, điện áp ur — Kũị Tại tẩn số cộng hưởng ur = 0, lúc coi đầu R/2 nối đất, tẩn số cộng hưởng xác định theo biểu thức (8.90) = ãảõ (8.90) Hàm truyên đạt phức mạch điện hình 8.49a : Kã = K(1 + p2) » -• * „2 (8.91) + 2(2 - K)P + p1 Do ATJ(1 = K Q = * 2(2 - X) Khi K = Q = 0,6 Khi K = q - 00 Củng giống mạch T kép, mạch cấu Viên có hệ sổ phẩm chất nhỏ Do để tăng hệ số phẩm chất mác mạch cầu Viên vào mạch hổi tiếp khuếch đại thuật toán để tạo thành mạch lọc tích cực hình 8.49b Đấu mạch cầu Viên nối vởi mạch khuếch đại hiệu mà hàm truyền đạt no' tính theo biểu thức (8.92) 197 1 i = so sánh (8.92) với (8.88) ta rút Q = — 2ĩtR2C Để tăng đặc tính chọn ỉọc dùng thêm khuếch đại đầu vào ngoái tần số cộng hưởng K’á = K ũr ũị Nếu K đủ lớn hệ số khuếch đại toàn mạch u'j = -Uj vi Tại f = f , tác dụng cầu Viên nên ũr = không phụ thuộc K không phụ thuộc vào biên độ ũp Ỏ ta áp dụng biểu thức gần K.=K=—— cho cà dải tần, K thay đổi theo tàn số Ta áp dụng biểu thức (8.6) xét, suy Kj = - ũr K’j + aK*d ủị (8.93) Thay (8.92) vào (8.93), nhận biểu thức (8.94) 2+aK(] + p2) Kd= ,6 d.d2 (8.94) Z7 p + p 2+aK +77“ So sánh số (8.94) với (8.88) để rút f(y = 2jĩR2C K = + aK + aK Trên hình (8.50) đặc tuyến để minh họa tính chất nén mạch nén chọn lọc vói hệ số phẩm chất khác 198 ỉ ỉ ình 8.50 Dạc lính biên độ - tan số mạch nén chọn iọc vói mức nén khác nhau; (?3 > Q2 > ... = hỵỵlỵ + Zi12t72 /2 = Ã21A + ^22^2 *1 = ^11 ^1 + yi2^2 ^2 = ^ 21^ 1 + 3''22^2 (1. 12) (1. 13) Các tham số /ijj yịj (1. 12) (1. 13) xác định theo bàng 1. 5 11 a ;1^ L hĩ2 = =” 12 II r7F ■ II 71 ij _ ^ |5... Hình 1. 23 Sơ đổ tương đương tần sổ can cùa (10 10 0) MHz) Fei ịf Bảng ỉ .11 Tham sổ JFet MỈS-Fa s = (1/ íỉ) ểds (VQ) cgd ;^(píì 0 ,1. 10 ''1 -ĩ- 10 .10 ’-'' 10 ''6 10 ‘5 0 ,1+ 2 +10 0.5 .10 ''3 + 10 .10 ''3 10 ''5... = \h = AIZ \ /ỉ- 21 ft22/ / 711 712 X "L, ''7 21 722'' yHy22 ” 71^ 21 ; hỈỊh22 - ^12 ^ 21- = 1, -y,2, Ay / / -Ai2x ’ ] A/l / yH \ 7 21 (h ^11 ''" 21 (11 5) ỏ tần số cao, dịng điện điện áp thường khơng pha,