Thuyết Minh Mạch OTL Đơn (chi tiết)

Tài Liệu dùng để bảo vệ Đồ án môn Kỹ thuật mạch điện tử dùng cho sinh viên. Tài liệu trình bày những vấn đề cơ bản vàn nâng cao để sinh viên có thể tiếp thu nhanh và rõ ràng. Chương 1: Diode bán dẫn Chương 2: Transistor lưỡng cực BJT Chương 3: Hồi tiếp Chương 4: Khuếch đại tín hiệu nhỏ Chương 5: Khuếch đại công suất OTL. Chương 6: Một số vấn đề liên quan.

PHẦN 1

LÝ THUYẾT

Chương 1: Diode bán dẫn Chương 2: Transistor lưỡng cực BJT Chương 3: Hồi tiếp

Chương 4: Khuếch đại tín hiệu nhỏ Chương 5: Khuếch đại công suất Chương 6: Một số vấn đề liên quan

Diode thường và ký hiệu

Vật liệu chế tạo diode chủ yếu là Germanium (Ge) và Silic (Si)

Tuỳ theo phạm vi ứng dụng mà ta có các loại diode khác nhau như: diode chỉnh lưu, diode Zener, diode biến dung

1.2 Nguyên lý làm việc của diode

Vì diode có cấu tạo cơ bản dựa trên chuyển tiếp P – N, nên nguyên lý làm việc của diode dựa trên hiện tượng xảy ra trong chuuyển tiếp P - N

1.2.1 Khi chuyển tiếp P-N chưa có sự phân cực:

Ở bề mặt tiếp xúc bên bán dẫn P có các ion âm, bên bán dẫn N có ion dương, hình thành miền trung gian ở lớp tiếp xúc sinh ra điện trường tiếp xúc có chiều từ N

→ P Điện trường này gây ra Itrôi của các hạt tối thiểu số (điện tử ở bán dẫn P, lỗ trống

ở bán dẫn N) và làm cản chuyển động của dòng Ikt. Quá trình này cứ tiếp tục cho đến một lúc nào đó Itrôi = Ikt

Ta nói tiếp xúc P - N ở trạng thái cân bằng

Vậy dòng qua tiếp giáp P - N bằng 0

1.2.2 Khi tiếp xúc P - N phân cực thuận:

Khi đặt một hiệu điện thế (như hình vẽ) vào tiếp xúc P- N thì xuất hiện một điện trường ngồi cĩ chiều từ P - N Nên E tiếp xúc giảm, do đĩ dịng khuếch tán Ikt tăng

và Itrơi giảm Dịng chảy qua tiếp xúc P - N chủ yếu là dịng Ikt cĩ chiều từ P → N Biểu thức biểu dẫn mối quan hệ giữa dịng và điện áp

V: điện áp đặt lên hai đầu tiếp xúc P - N

Vậy dịng điện chảy trong tiếp xúc P-N trong trường hợp này phân cực thuận: là dịng Ikt cĩ chiều từ P → N đây là đặc trưng chỉnh lưu của tiếp xúc P - N

1.2.3 Khi tiếp xúc P - N phân cực nghịch:

P I Ikhuếch tántrôi N

+

-Etxúc

EngV

Khi tiếp xúc P - N được phân cực nghịch thì điện áp gây ra một điện trường Eng

cĩ chiều từ N → P Điện trường này cùng chiều với Etx nên tổng điện trường tại vùng tiếp xúc làm giảm dịng khuếch tán và tăng dịng trơi Nhưng nồng độ hạt thiểu số rất

bé nên dịng trơi cĩ giá trị rất nhỏ

I = Is (e KT

qV

−-1) ≈ -Is

1.3 Đặc tuyến Volt - Ampe

Vγ

VBR

V(v)

I(mA) Phân cực thuận

Phân cực nghịch

* Đặc tuyến V - A của diode

VBR: điện trở đánh thủng

Vγ: điện áp ngưỡng của diode

Vγ của điện áp Ge (nhiệt độ phịng) = 0,35 V

Vγ của điện áp Si (nhiệt độ phòng) = 0,7 V

Khi V > Vγ: diode dẫn (có dòng chạy qua)

BR

V

V ≥ : dòng do hạt thiểu số tạo ra tăng mạnh

1.4 Hiện tượng đánh thủng chuyển tiếp P - N

Khi chuyển tiếp P - N bị phân cực nghịch thì dòng ngược Is nhỏ Khi tăng điện

áp phân cực nghịch đến một giá trị nào đó thì dòng Is tăng mạnh làm cho chuyển tiếo P

- N dẫn điện được theo chiều ngược Chuyển tiếp P - N bị đánh thủng

* Đánh thủng về điện (có hai loại: đánh thủng thác lũ, đường hầm )

Khi Vpc nghịch lớn: điện trường nội lớn → gia tốc cho các hạt dẫn thiểu số (n là

lỗ trống và p là điện tử) Các hạt này chuyển động mạnh va chạm vào các điện tử khác làm phát sinh hạt dẫn điện mới Quá trình cứ tiếp diễn → Is tăng mạnh Ta nói chuyển tiếp P -N bị đánh thủng

Đối với chất bán dẫn Si có Vz = 5,6V (đánh thủng đường hầm)

1.5 Các thông số cơ bản của diode

1.5.1 Điện trở một chiều: (điện trở thuận, điện trở nghịch)

Rdc =

I V

V: điện áp giữa hai đầu diode

I: dòng chạy qua diode

1.5.2 Điện trở xoay chiều: (điện trở thuận, điện trở nghịch)

rAC =

I

V Δ Δ

ΔV: khoảng biến thiên điện áp

ΔI: khoảng biến thiên dòng điện

1.5.3 Dòng điện thuần IF:

Là dòng điện tối đa chảy qua diode khi diode được phân cực thuận

1.5.4 Điện áp ngưỡng (Vγ):

Là điện áp tối thiểu để diode dẫn

1.5.5 Điện áp ngưỡng cực đại: (Vng/max) - PIV

Là điện áp tối đa đặt lên diode mà diode không bị đáng thủng

Chương 2: GIỚI THIỆU VỀ TRANSISTOR LƯỠNG CỰC BJT

Nồng độ pha tạp của các miền là hoàn toàn khác nhau:

- Miền Emitter có nồng độ pha tạp lớn nhất 1019 ÷ 1021 nguyên tử

- Miền Base có nồng độ pha tạp thấp nhất Nồng độ pha tạp miền Base càng thấp càng lợi về hệ số truyền đạt

- Miền Collector có nồng độ pha tạp trung bình 1013 ÷ 1015 nguyên tử

Do có sự phân bố như vậy sẽ hình thành các lớp chuyển tiếp P-N gần nhau

- Chuyển tiếp Emitter (JE) giữa miền E-B

- Chuyển tiếp Collector (JC) giữa miền C-B

2.2 Nguyên lý hoạt động & khả năng khuếch đại của BJT

Xét BJT loại N-P-N làm ví dụ: Ta có sơ đồ mạch điện như hình vẽ:

Nguồn E1 (có sức điện động một vài vôn) làm cho chuyển tiếp JE phân cực thuận Nguồn E2 (thường cỡ 5 – 20 vôn) làm cho chuyển tiếp collector JC phân cực nghịch E1, E2 được gọi là các nguồn điện áp phân cực RE, RC là các điện trở phân cực

Khi chưa cấp nguồn tại các tiếp giáp P-N, do có sự chênh lệch về nồng độ pha tạp giữa các miền nên sinh ra các hiện tượng khuếch tán (sự khuếch tán của các hạt điện tích (điện tử và lỗ trống) nên bên trong nó hình thành hai tiếp giáp JE và JC cân bằng động Khi có nguồn E2, chuyển tiếp JC bị phân cực nghịch thì có dòng ICBo

chạy từ N sang P (chiều của lỗ trống) Dòng ICBo nhỏ cỡ 0,01 đến 0,1µA

Khi có nguồn E1 thì JE được phân cực thuận nên các điện tử ở miền N dễ dàng khuếch tán qua miền P Đồng thời lỗ trống ở miền P khuếch tán qua miền N Trên đường khuếch tán chúng tái hợp lại với nhau

Do nồng độ lỗ trống của miền P rất ít nên chỉ có một số điện tử được tái hợp, số còn lại di chuyển đến JC.Do JC được phân cực nghịch nên các điện tử từ miền P dễ dàng di chuyển qua JC đến miền C tạo nên dòng IC có chiều từ N đến P

Lượng điện tích từ dương nguồn E1 đến miền B để bù lại số lỗ trống bị tái hợp tạo nên dòng IB B

Ta có quan hệ:IB + IB C + ICBo = IE

IE tỷ lệ với số điện tử ở miền E phát xạ (đi vào) miền B

IB tỷ lệ với số điện tử tái hợp trong miền B

IC tỷ lệ với số điện tử từ miền E đến miền C

Gọi α = số điện tử đến được cực C/số điện tử từ miền E đi vào miền B

= IC/IE < 1

α gọi là hệ số truyền dòng điện (0,9 đến 0,99)

Gọi β = IC/IB >> 1 là hệ số khuyếch đại dòng điện B

Thông thường ICBo rất nhỏ nên IE = IB + IC

Mối quan hệ giữa α & β:

1 +

=α

αβ

Chế độ làm việc như trên của BJT (JE phân cực thuận, JC phân cực nghịch) gọi

là chế độ khuếch đại Ngoài ra, BJT còn làm việc ở chế độ khoá Ở chế độ đó, hoặc cả hai chuyển tiếp JE, JC đều phân cực nghịch, hoặc cả hai đều phân cực thuận

- Khi JE, JC đều phân cực nghịch (trạng thái khoá)

- Khi JE, JC đều phân cực thuận (trạng thái dẫn bảo hoà, còn gọi là trạng thái mở), BJT liên tục giao hoán giữa hai trạng thái này

2.2.1 Chế độ ngưng dẫn:

Tiếp giáp JC và JE phân cực ngược Ở chế độ này BJT được dùng như một khoá điện tử Do tiếp giáp JC và JE phân cực ngược nên chỉ có dòng phân cực ngược (dòng rò) rất nhỏ Nên xem như không có dòng chạy qua các tiếp giáp Ở chế độ này BJT tắt Điều kiện để BJT tắt là JE phân cực ngược, tương ứng VBE ≤ 0

B EC

2.2.2 Chế độ dẫn khuếch đại:

Ở chế độ này JC phân cực ngược và JE phân cực thuận

Tiếp giáp JE phân cực thuận nên hàng rào thế đối với các hạt dẫn đa số giảm, electron chuyển từ E sang B và lỗ trông dời từ B sang E Do bề dày miền B rất nhỏ nên phần lớn điện tử từ miền E sang đều tập trung tại tiếp giap JC tạo ra dòng IE rất lớn Một phần điện tử từ miền E sang miền B được tai hợp taọ thanh dòng IB.Tiếp giáp JC

được phân cực ngược nên kéo các hạt dẫn tiểu số ở vùng B là điện tử (do B là loại p) sang vùng C tạo nên dòng IC Như vậy dòng IE gồm hai thành phần là dòng IB và IC

Do nồng độ pha tạp của miền B rất nhỏ so với miền E, nên dòng IE rất lớn so với I cho nên có thể xem I ≈ I

Chế độ này sử dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật mạch tương tự Như vậy BJT làm việc ở chế độ khuếch đại từ tiếp giáp JE phân cực thuận còn tiếp giáp JC phân cực ngược

Hệ thức liên hệ giữa các dòng điện:

Ở chế độ này JE và JC đều phân cực thuận

Điều kiện BJT dẫn bảo hoà là: ib ≥

2.3.2 Mạch Emitter chung (EC):

Trong mạch này, cực E là cực chung giữa mạch vào và mach ra Dòng điện vào

là IB, dòng điện ra IC, điện áp vào VBE, điện áp ra VCE

Trong mạch này, tín hiệu cần khuếch đại đưa vào giữa cực B và C Tín hiệu sau khi khuếch đại lấy ra giữa cực E và C Nên C là nhánh chung của mạch vào và mạch

ra, do đó gọi là mạch collector chung

2.4 Đặc tuyến Vôn – Ampe của BJT

Đặc tuyến Vôn – Ampe là đồ thị diễn tả các mối tương quan giữa dòng điện và điện áp trên BJT

BJT có ba họ đặc tuyến cơ bản:

- Đặc tuyến vào: Nêu quan hệ giữa dòng và áp ở ngõ vào

- Đặc tuyến ra: Nêu quan hệ giưũa dòng và áp ở ngõ ra

- Đặc tuyến truyền đạt dòng điện: Quan hệ giữa dòng điện ra và dòng điện vào (khi áp ngõ ra = const)

- Đặc tuyến gần như song song với trục hoành, cắt trục tung ở các tung độ khác nhau

- Đường thấp nhất trên hình vẽ chỉ cách trục hoành một khoảng rất hẹp Tung

độ này chính là giá trị dòng ngược Collector (ICBo)

- Trị số IE càng tăng, đặc tuyến càng dịch lên phía trên, nghĩa là IC càng tăng theo

- Có thể chia họ đặc tuyến ra thành 3 vùng: Vùng khuếch đại, vùng bảo hoà và vùng đánh thủng

2.4.1.3 Đặc tuyến truyền đạt dòng điện:

Tương tự như mạch BC, mạch này cũng có 3 họ đặc tuyến cơ bản

2.4.2.1 Đặc tuyến vào: Phản ánh quan hệ giữa dòng và áp của chuyển tiếp JE ở ngõ vào Ta có họ đặc tuyến vào mắc kiểu EC:

EC bởi vì IE ≈ IC

IE = f(IB)

VCE = const

2.5 Phân cực và ổn định điểm làm việc cho BJT

2.5.1 Yêu cầu điểm làm việc tĩnh và tiêu chuẩn đánh giá:

Xét mạch phân cực cho BJT hoạt động ở chế độ khuếch đại Khi phân cực cho transistor thì tuỳ theo giá trị của các điện áp phân cực, ở trạng thái tĩnh mỗi dòng và áp trên BJT có một giá trị xác định Những tổ hợp giá trị đó xác định trên các đặc tuyến một điểm hoạt động nhất định gọi là điểm làm việc tĩnh Nhưng do ảnh hưởng của sự biến động điện áp nguồn, của nhiệt độ môi truờng và các nhân tố khác, điểm làm việc tính bị xê dịch Trong đó ảnh hưởng của nhiệt độ là đáng quan tâm nhất

Cụ thể, dòng ngược collector của BJT tăng nhanh theo nhiệt độ dẫn đến hệ số khuếch đại β cũng tăng theo nhiệt độ, điện áp trên chuyển tiếp emitter VBE ứng với một dòng điện IS = const giảm khi nhiệt dộ tăng

Trong ba ảnh hưởng trên, thì ảnh hưởng theo nhiệt độ của ICBo là lớn nhất Do

đó, để đánh giá độ ổn định người ta đưa ra hệ số S gọi là hệ số ổn định nhiệt

S = ∆IC/∆ICBo

Trường hợp lý tưởng, S = 1 mạch ổn định nhất Nếu S càng lớn mạch càng kém

ổn định

Ta có: IC = βIB + (1+β)ICBo

∆IC = β∆IB + (1+β)∆ICBo

Chia cả hai vế cho ∆IC ta có:

1 = β ∆IB/∆IC + (1+β) ∆ICBo/∆IC

- Tiếp giáp JE phân cực thuận, tiếp giáp Jc phân cực ngược

- Dòng IC phải lớn hơn rất nhiều so với dòng ngược ICO

- Phải đảm bảo yêu cầu về công suất, nhiệt độ

Mạch phân cực là mạch chia điện áp các cực E, B, C để BJT làm việc được đảm bảo tiếp giáp BE phân cực thuận,tiếp giáp BC phân cực ngược

Việc dùng cả EB và EB C trong một sơ đồ là không thuận tiện ta có thể bỏ EB B thay vào đó là các mạch điện trở cung cấp điện áp sao cho VBE =EB, gọi là mạch phân cực

Mạch phân cực có các dạng như sau:

- Mạch phân cực bằng dòng cố định

- Mạch phân cực bằng điện áp phản hồi

- Phân cực bằng cầu phân áp

+

β

β

_1

BE CC

R R

V V

++

−)

Ta có: VCC = (IB +IC).RC + IB.RB+ VB BE

= IB(RB C+RB) + IC.RC + VBE

→ IB = -

B C

C R R

R

BE CC

R R

V V

2

1

R R

R R

BE B

R n

R

V V

BE B C E B

E B

R R

V V I R R

R I

+

−++

B dI

dI I

E R R R

+

E R R

R

+ +

+ 1

1

Nếu thoã mãn điều kiện: RB << (1+β)RB E thì S = (RB B+RE)/RE

Nhận xét: Ta thấy RE càng lớn, RB càng nhỏ thì mạch càng ổn định Nhưng RB E

quá lớn sẽ gây sụt áp trên RE làm giảm biên độ tín hiệu ra Do đó phải mắc thêm tụ

CE//RE với giá trị đủ lớn để không ảnh hưởng đến tín hiệu xoay chiều

2.5.3 Đường tải tĩnh và điểm làm việc:

Đường tải tĩnh được vẽ trên đặc tuyến ra tĩnh của BJT để nghiên cứu dòng điện

và điện áp ra tĩnh khi nó mắc trong mạch cụ thể nào đó ( khi có tải) Khi tín hiệu vào vi

=0 thì các dòng IB, IC, IE là các dòng tĩnh, điện áp tại các cực B, C, E là điện áp cố

định Trạng thái tĩnh này gọi là trạng thái tĩnh một chiều Khi vi ≠ 0 thì các giá trị dòng

điện và điện áp đầu vào và đầu ra biến thiên trong phạm vi nhỏ quanh giá trị tĩnh ban

đầu Để khảo sát mạch ta sử dụng chế độ xoay chiều khi khi đó tải tĩnh sẽ dốc hơn và

đi qua điểm làm việc tĩnh Q

Điểm làm việc tĩnh là điểm nằm trên đường tải xác định trên dòng điện và điện

áp BJT khi không có tín hiệu đặc vào (vi =0) nghĩa là xác định điều kiện phân cực cho

Chế độ tĩnh của BJT mắc theo kiểu EC được xác định bởi 5 tham số IB, IC, IE,

VCE, VBE Trong đó có trước một tham số, các tham số khác được xác định dựa vào đặc

tuyến vào ra của BJT

Hệ số dặc tuyến vào: IB =f(B VBE) khi VCE =const

Hệ số đặc tuyến ra: IC =f(VCE) khi VBE = const

Quan hệ đó được xác định đặc trưng bởi đường tải tĩnh:

CE CC

C

R R

V V

Độ dốc đường tải tĩnh:

E C CE

C

R R dV

Mà: IC =ICQ + iC ⇒ iC =IC - ICQ

VCE =VCEQ+VCC ⇒ VCC =VCE – VCEQ

IC – ICQ =

-C R

Giao điểm giữa đường tải tĩnh và đặc tuyến ra ứng với dòng bảo hoà IBo

là điểm làm việc tĩnh Q, để biên độ VCE lớn nhất ta chọn VCE nằm giữa đoạn (0, VCEQ)

Do đó điểm làm việc Q nằm giữa đường tải động

Sau khi đã chọn được điểm tĩnh ta sẽ thiết lập vị trí của nó trên thực tế bằng cách đặt lên các cực BJT những điện áp một chiều, vấn đề còn lại là ổn định điểm làm việc tĩnh để đảm bảo yêu cầu chất lượng của mạch

Chương 3: HỒI TIẾP 3.1 Khái niệm

Mạch hồi tiếp là mạch lấy một phần năng lượng ở ngõ ra đưa về đầu vào để làm tăng độ ổn định của mạch và cải thiện chất lượng của mạch

Để phân loại hồi tiếp người ta dựa vào ba cơ sở

3.2.1 Theo dạng tín hiệu hồi tiếp:

Mạch hồi tiếp điện áp là mạch lấy điện áp ra để tạo điện áp hồi tiếp đưa trở lại đầu vào

Mạch hồi tiếp dòng điện là mạch lấy dòng điện ra để tạo điện áp hồi tiếp đưa trở lại đầu vào

3.2.2 Theo cách ghép với tín hiệu vào:

Hồi tiếp song song là khi điện áp nguồn tín hiệu và điện áp hồi tiếp ghép song song nhau, hay nói cách khác hồi tiếp song song là khi hai tín hiệu: tín hiệu nguồn và tín hiệu hồi tiếp cùng đưa vào một cực của một transistor

Hồi tiếp nối tiếp là khi điện áp nguồn tín hiệu và điện áp hồi tiếp ghép nối tiếp Nói cách khác hồi tiếp nối tiếp là khi tín hiệu nguồn và tín hiệu hồi tiếp đưa vào hai cực khác nhau của một transistor

3.2.3 Theo tác dụng khuếch đại:

Hồi tiếp âm là hồi tiếp mà tín hiệu đưa về ngược pha so với tín hiệu vào Hồi tiếp âm tuy làm giảm hệ số khuếch đại của mạch nhưng cải thiện chất lượng của bộ khuếch đại nên được dùng phổ biến trong lĩnh vực khuếch đại

Hồi tiếp dương có tín hiệu đưa về đồng pha với tín hiệu vào Hồi tiếp dương tuy làm tăng hệ số khuếch đại nhưng làm mất tính ổn định của mạch Hồi tiếp dương được dùng trong mạch dao động

Trong đồ án này, ta chỉ đề cập đến hồi tiếp âm

3.3 Lưu đồ chuẩn của bộ khuếch đại có hồi tiếp

Xn: là đại lượng đầu vào của mạch

Kn: là hàm truyền của mạch vào

Xv: là đại lượng ra của Xn cũng chính là đại lượng vào của mạch có hồi tiếp

Xh: là đại lượng trực tiếp vào bộ khuếch đại

K: là hệ số khuếch đại của mạch khi không có hồi tiếp

Xr: là đại lượng ra

Kht: là hệ số khuếch đại của mạch hồi tiếp

Xht: là đại lượng ra của mạch hồi tiếp

Khi không có hồi tiếp thì Ktp = Kn.K

Khi có hồi tiếp thì K’tp = Kn.K’

Ta có quan hệ:

Xr = K.Xh (3.1)

X =

) 1 (

.

K K X

X K ht h

h

K

1+

Hệ số khuếch đại toàn phần

K’tp = Kn.K’ =

ht

n K K

K K

1

Nếu ⎥ g⎥ > 1 thì ⎥ K’⎥ <⎥ K⎥ ⇒ hồi tiếp âm

Nếu ⎥ g⎥ < 1 thì ⎥ K’⎥ >⎥ K⎥ ⇒ hồi tiếp dương

- Hàm truyền toàn phần giảm đi g lần

- Như vậy hồi tiếp âm làm giảm hệ số khuếch đại của mạch

3.4 Ảnh hưởng của hồi tiếp âm dến mạch khuếch đại

3.4.1 Ảnh hưởng đến trở kháng vào Zv, trở kháng ra Zr của mạch khuếch đại:

Hồi tiếp âm làm thay đổi trở kháng vào của phần mạch nằm trong vòng hồi tiếp

Sự thay đổi này chỉ phụ thuộc vào phương pháp mắc mạch hồi tiếp về đầu vào mà không phụ thuộc vào phương pháp lấy tín hiệu ở đầu ra để đưa vào mạch hồi tiếp Vì vậy, để tính trở kháng vào của bộ khuếch đại có hồi tiếp ta phân biệt hai trường hợp: Hồi tiếp nối tiếp và hồi tiếp song song

Hồi tiếp âm nối tiếp: Zv tăng g lần (g = 1 + Kht.K)

Hồi tiếp âm song song: Zv giảm g lần

hồi tiếp dòng hay hồi tiếp điện áp

Hồi tiếp âm cũng làm biến đổi trở kháng ra của bộ khuếch đại Sự biến đổi này không phụ thuộc vào phương pháp dẫn tín hiệu hồi tiếp về đầu vào mà chỉ phụ thuộc phương pháp nối đầu ra bộ khuếch đại với đầu vào mạch hồi tiếp Do đó, để tính trở kháng ta phân biệt trường hợp hồi tiếp điện áp và hồi tiếp dòng điện

Hồi tiếp âm dòng điện làm tăng Zr

Hồi tiếp âm điện áp làm giảm Zr

vào hồi tiếp nối tiếp hay song song

3.4.2 Ảnh hưởng đến dải rộng của tín hiệu và méo phi tuyến:

Nhờ hồi tiếp âm dòng điện dải động của bộ khuếch đại được mở rộng Khi không có hồi tiếp âm thì toàn bộ tín hiệu được đưa đến đầu vào bộ khuếch đại, do đó

Xh = Xv Khi có hồi tiếp âm chỉ có một phần tín hiệu được đặt vào bộ khuếch đại:

Xh = Xv – Xht = Xv – Kht.Xr = Xv – Kht.Xh.K

⇒

g

X K K

Chương 4: MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ

Rt: điện trở tải xoay chiều

CP1, CP2: Tụ liên lạc ngõ vào và ngõ ra

CE: Tụ thoát xoay chiều emitter

Rn: nội trở của nguồn tín hiệu xoay chiều

Un: Nguồn tín hiệu xoay chiều cần khuếch đại

Sự thay đổi của vo theo tín hiệu Un sẽ được tụ CP2 dẫn đến ngõ ra và vo đó chính

là điện áp xoay chiều có biên độ lớn hơn rất nhiều so với Un

4.1.4 Tính toán các tham số của mạch:

Sơ dồ tương đương:

βib nguồn dòng được phản ánh từ cực B về cực C của BJT

C

B

E

Nguyên tắc:

- Nguồn cung cấp xem như nối mạch

- Các tụ xem như nối tắt

u

=rb + (1+β )re) Trở kháng vào: Rv =(R1 // R2) //[r b +(1+β)r e]

R R i

R i

t

R R

t

R R

R

+ .r be v R

Nếu chọn (R1//R2) >> rbe thì ku =

Rt R

t

r R

R

Nhận xét: Mạch khuếch đại EC vừa khuếch đại dòng vừa khuếch đại áp và có điện áp

ra ngược pha với điện áp vào

Ở bản kỳ (+) tín hiệu vào làm ie↓ →ic↓ → uc↑ → tín hiệu ra tăng

Ở bản kỳ (-) tín hiệu vào làm ie↑ →ic↑ → uc↓ → tín hiệu ra giảm 4.2.3 Sơ đồ mạch tương đương tín hiệu bé:

4.2.4 Tính toán các tham số của mạch:

rbelà điện trở vi phân tiếp xúc BE từ vài ôm đến vài chục ôm

b

r

(nhỏ) → Rv = RE // (re +

β

+1

b

r

) 4.2.4.2 Trở kháng ra của mạch:

i

=

v

e e

c c

t

i

i i

i i i

C R R

R

+

.α

eb

v r

R

< 1 4.2.4.4 Hệ số khuếch đại điện áp k :

ku = ki.

v n

t

R R

R

v

r R

Nhận xét:

- Mạch khuếch đại BC thường có hệ số khuếch đại áp lớn, khuếch đại dòng bé

Do đó, khuếch đại công suất Kp = ku ki không lớn Vì vậy, không sử dụng mạch BC làm mạch khuếch đại công suất

- Mạch BC thường được dùng làm việc ở tần số cao

- Tín hiệu vào và tín hiệu ra ở mạch BC đồng pha

Ở bản kỳ (+) tín hiệu vào làm ib↑ →ie↑ →UE↑ → tín hiệu ra tăng

Ở bản kỳ (-) tín hiệu vào làm ib↓ →ie↓ →UE↓ → tín hiệu ra giảm

4.3.3 Sơ đồ tương đương đương tín hiệu bé:

b

i

R R r

i ( + ( 1 +β)( // ))

= rbe + (1+β )(RE // Rt) Nếu chọn R1//R2 >>rv thì Rv = rv

4.3.4.2 Trở kháng ra:

+ 1

'

b

be R r

i

=

v

b b

e e

t

i

i i

i i

i

=

t

t E

R

R

R // )(

.(1+β).

v

v

r R

Nên ki =

t

t E

R

R

R // ))(

4.3.4.4 Hệ số khuếch đại điện áp:

t

R R

//

n v

t E

R R

R R

Chương 5: KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

5.1 Khái niệm

Mạch khuếch đại công suất là mạch khuếch đại ở tầng cuối cùng của bộ khuêch đại, để tạo ra công suất cung cấp cho tải Công suất cung cấp cho tải thường khoảng vài Walt đến vài trăm Walt, công suất này cấp cho tải thường có mức điện áp khá cao hay cường độ dòng điện lớn

Do mạch khuếch đại công suất ở tầng cuối cùng nên tín hiệu đưa vào mạch công suất có biên dộ lớn vì đã qua nhiều tầng khuếch đại Khi khuếch đại tín hiệu có biên độ lớn thì transistor không được xem là mạch khuếch đại tuyến tính, do đó không thể dùng mạch tương đương theo thông số h phân tích, tính toán cho mạch khuếch đại công suất mà người ta thường dùng phương trình đồ thị

5.2 Hạng khuếch đại trong mạch công suất

Transistor hoạt động có ba trạng thái: trạng thái ngưng dẫn, trạng thái khuếch đại và trạng thái bão hoà

Khi tính toán các điện trở phân cực cho transistor có nghĩa là chọn điểm hoạt động tĩnh Q cho transistor đó Khi có tín hiệu xoay chiều tác động ở ngõ vào thì điểm

Q sẽ bị dịch chuyển và làm thay đổi các thông số khác của mạch Dựa vào điểm hoạt động tĩnh của Q người ta chia mạch khuếch đại ra các hạng khuếch đại: hạng A, hạng

Vùng ngưng dẫ

t

Uce Đường tải tĩnh

Phân tích trên đặc tuyến ngõ vào IB/VB CE của transistor, mạch khuếch đại hạng A

có điểm làm việc tĩnh Q ở khoảng giữa của đặc tuyến và có VBE = 0.65 đến 0.7V (BJT loại Si) và VBE = 0.2 đến 0.25V (BJT loại Ge) Khi transistor nhận được tín hiệu xoay chiều ở cực B thì dòng điện IB sẽ thay đổi theo tín hiệu xoay chiều này

Phân tích đặc tuyến ngõ ra IC/VCE của transistor, mạch khuếch đại hạng A có điểm hoạt động tĩnh Q ở giữa đường tải và VCE = VCC Khi dòng điện IB bị thay đổi theo tín hiệu xoay chiều sẽ làm cho dòng điện I

C bị thay đổi và kéo theo điện áp VCE

cũng thay đổi

Các đặc điểm của khuếch đại hạng A:

- Khuếch đại trung thực tín hiệu xoay chiều (khuếch đại cả hai bán kỳ của tín hiệu xoay chiều hình sin)

- Dùng cho các mạch khuyếch đại tín hiệu có biên độ nhỏ

Phân tích trên đặc tuyến ngõ vào IB/VBE thì mạch khuếch đại hạng B có điểm hoạt động tĩnh Q nằm ở điểm VBE = 0 V nên IB = 0 và IC = 0 Khi transistor nhận được tín hiệu xoay chiều ở cực B thì chỉ có một bán kỳ được khuếch đại, Vi làm phân cực thuận mối nối BE và IB tăng lên, còn một bán kỳ làm giảm phân cực mối nối BE xuống vùng ngưng dẫn nên không được khuếch đại

Các đặc điểm của mạch khuếch đại hạng B:

- Khi không có tín hiệu thì transistor không dẫn

- Mỗi transistor chỉ khuếch đại được một bán kỳ nên muốn có đủ nguyên chu kỳ thì phải dùng hai transistor để khuếch đại luân phiên cho hai bán kỳ

- Dùng cho các mạch khuếch đại tín hiệu có biên độ lớn

- Hiệu suất cao do công suất tiêu thụ điện nhỏ

- Tín hiệu ra bị biến dạng xuyên tâm

5.2.3 Khuếch đại hạng C:

- Khi không có tín hiệu thì transistor không dẫn (IB = 0, IB C = 0)

- Trasistor chỉ khuếch đại được một phần của bán kỳ nên tín hiệu ra bị biến dạng rất lớn

- Mạch khuếch đại hạng C dùng trong mạch cắt bỏ phần dưới của các tín hiệu mạch cắt góc hay trong mạch dao động, nhân tần số

5.2.4 Khuếch đại hạng AB:

Trên đặc tuyến ngõ vào điểm làm việc tĩnh Q ở giữa hạng A và B Khi transistor nhận được tín hiệu xoay chiều ở cực B thì bán kỳ âm được rơi vào vùng dưới Vγ nên transistor không dẫn và không có tín hiệu ra

Trên đặc tuyến ngõ ra điểm hoạt động tĩnh Q nằm trong vùng gần ngưng dẫn nên VCE ≈ VCC Ở điểm hoạt động tĩnh này chỉ có bán kỳ dương của tín hiệu được khuếch đại vì làm dòng điện IC tăng lên Tín hiệu ra bị đảo pha so với tín hiệu ngõ vào nên chỉ có bán kỳ âm của tín hiệu ở ngõ ra

Đặc điểm của mạch khuếch đại hạng AB:

- Khi không có tín hiệu thì các dòng điện IB, IC có trị số rất nhỏ so với hạng A

- Mỗi transistor chỉ khuếch đại được một bán kỳ (bán kỳ âm rơi vào vùng ngưng dẫn nên biên độ ra bằng 0

- Dùng cho các mạch khuếch đại tín hiệu có biên độ lớn

- Hiệu suất cao do công suất điện tiêu thụ nhỏ

- Tín hiệu ra không bị biến dạng xuyên tâm

5.3 Các tham số của tầng khuếch đại công suất

5.3.1 Hệ số khuếch đại công suất: Kp

Là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào:

5.4 Công suất tiêu tán cực đại của transistor P Dmax

Là một thông số quan trọng đối với mạch khuếch đại công suất Đây là công suất lớn nhất mà transistor có thể chịu đựng liên tục nếu được giải nhiệt đầy đủ PDmax

có đường đặc tuyến dạng hyperbol mà PDmax = VCE.IC

5.5 Mạch khuếch đại công suất

5.5.1 Mạch khuếch đại công suất hạng A:

5.5.1.1 Trường hợp tải ghép trực tiếp:

*Đường tải: Đường tải tĩnh

Ta vẽ thấp hơn tiến tới PDH và điểm tiếp xúc là điểm phân cực thuận, cắt trục tung tại điểm ICH =

L

CC R

U

, Q là trung điểm của UCC và ICH

Đường tải tĩnh cắt trục tung tại điểm ICH =

L

CC R

Đường tải động trùng với đường tải tĩnh

t

Icmax

Ic

Uce

U U

.22

.2

P 100% = 2 2 2

L L

CC

U

R R

' điện trở xoay chiều phản ánh từ R

2 1

N N

U

= '

L

CC R

CH

I

.22

Áp ra có biên độ là:

U = 2'

L

CC

R U

Công suất của tín hiệu trao tải: '

CC CC

R

U U

= 2'

CC

R U

L L

CC

U

R R

* Ở bán kỳ dương tín hiệu vào BJT dẫn nên có tín hiệu ra

* Ở bán kỳ âm tín hiệu vào BJT khoá nên không có tín hiệu ra

* Ở bán kỳ dương khi biên độ tín hiệu lớn hơn Ut thì BJT mới thực sự dẫn

5.5.3 Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo hạng B:

Mạch dùng một biến thế đảo pha, một biến thế ra và 2 BJT mắc theo kiểu đẩy kéo

Ở bán kỳ dương tín hiệu vào làm cho BJT T1 dẫn tạo ra dòng IC1 chạy từ +UCC

qua nửa biến thế ra qua T1 xuống mass

Ở bán kỳ âm tín hiệu vào làm cho BJT T2 dẫn tạo ra dòng IC2 chạy từ +UCC qua nửa biến thế ra qua T2 xuống mass

Nhờ có biến thế ra nên có tín hiệu được trao đầy đủ cho tải

*Đường tải tĩnh: Từ điểm UCC trên trục hoành ta vẽ đường thẳng song song với trục

tung, đường này là đường tải tĩnh, đường này cắt IB = 0 tại Q

*Đường tải động: Đường thẳng qua Q và tiếp xúc với đường PDH đường này cắt trục tung tại

L

CC CH

R

U I

2 1

N N

* Tín hiệu ra:

Dòng ra có biên độ là ICN →

L

CC CN

o

R

U I

I

'

2

CH

TB

R

U I

t d t I

2

1

ππωωπ

'

2 '

2

2

L

CC L

CC CC

U R

'

22

CC CC L

CC o

o

U U

R

U U

2

L L

CC

U

R R

* Chú ý: Khuếch đại công suất đẩy kéo hạng B tuy có hiệu suất cao nhưng tín hiệu ra

bị méo xuyên tâm

5.6 Méo xuyên tâm và biện pháp khắc phục

Méo xuyên tâm

* Để khắc phục hiện trạng xuyên tâm người ta tạo ra khuếch đại công suất hạng

AB, nghĩa là BJT được phân cực trước sao cho khi tín hiệu vào thì BJT dẫn ngay

Với mạch trên ta dùng 2 điện trở R1 và R2 như sau:

ηA< η < AB η B