Bài giảng mạch điện tử phần 1 trường đại học thái bình

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH TRƯỜNG ĐẠI HỌC THÁI BÌNH BÀI GIẢNG MẠCH ĐIỆN TỬ Chủ nhiệm đề tài: Th.s Nguyễn Thị Thu Hà Thành viên: Th.s Tống Thị Lan Th.s Đào Thị Mơ Th.s Đàm Đức Cường Th.s Nguyễn Thị Bảo Thư Th.s Nguyễn Văn Nhương Thái Bình, năm 2021 Contents Chương 1: MẠCH PHÂN CỰC VÀ KHUẾCH ÐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG BJT 1.1 PHÂN CỰC CỐ ÐỊNH: (FIXED-BIAS) 1.2 PHÂN CỰC ỔN ÐỊNH CỰC PHÁT: (EMITTER - STABILIZED BIAS) 1.3 PHÂN CỰC BẰNG CẦU CHIA ĐIỆN THẾ: (VOLTAGE - DIVIDER BIAS) 1.4 PHÂN CỰC VỚI HỒI TIẾP ÐIỆN THẾ: (Dc Bias With Voltage Feedback) 10 1.5 MỘT SỐ DẠNG MẠCH PHÂN CỰC KHÁC 11 1.6 THIẾT KẾ MẠCH PHÂN CỰC 11 1.6.1 Thí dụ 1: 11 1.7 BJT HOẠT ÐỘNG NHƯ MỘT CHUYỂN MẠCH 12 1.8 TÍNH KHUẾCH ÐẠI CỦA BJT 15 1.9 MẠCH KHUẾCH ÐẠI CỰC PHÁT CHUNG 17 1.9.1 Mạch khuếch đại cực phát chung với kiểu phân cực cố định ổn định cực phát 17 1.9.2 Mạch khuếch đại cực phát chung với kiểu phân cực cầu chia điện ổn định cực phát 20 1.9.3 Mạch khuếch đại cực phát chung phân cực hồi tiếp điện ổn định cực phát 22 1.10 MẠCH KHUẾCH ÐẠI CỰC THU CHUNG 24 1.11 MẠCH KHUẾCH ÐẠI CỰC NỀN CHUNG 26 1.12 PHÂN GIẢI THEO THÔNG SỐ h ÐƠN GIẢN 26 1.12.1 Mạch khuếch đại cực phát chung 27 1.12.2 Mạch khuếch đại cực thu chung 28 1.12.3 Mạch khuếch đại cực chung 28 1.13 PHÂN GIẢI THEO THÔNG SỐ h ÐẦY ÐỦ 29 CHƯƠNG 2: MẠCH PHÂN CỰC VÀ KHUẾCH ÐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG FET 34 2.1 PHÂN CỰC JFET VÀ DE-MOSFET ÐIỀU HÀNH THEO KIỂU HIẾM: 34 2.1.1 Phân cực cố định 34 2.1.2 Phân cực tự động 35 2.1.3 Phân cực cầu chia điện 36 2.2 DE-MOSFET ÐIỀU HÀNH KIỂU TĂNG: 37 2.2.1 Phân cực cầu chia điện 37 2.2.2 Phân cực mạch hồi tiếp điện 38 2.3 MẠCH PHÂN CỰC E-MOSFET: 38 2.3.1 Phân cực hồi tiếp điện 38 2.3.2 Phân cực cầu chia điện 39 2.4 MẠCH KẾT HỢP BJT VÀ FET: 40 2.5 THIẾT KẾ MẠCH PHÂN CỰC DÙNG FET: 41 2.6 TÍNH KHUẾCH ÐẠI CỦA FET VÀ MẠCH TƯƠNG ÐƯƠNG XOAY CHIỀU TÍN HIỆU NHỎ 42 2.7 MẠCH KHUẾCH ÐẠI DÙNG JFET HOẶC DE-MOSFET ÐIỀU HÀNH THEO KIỂU HIẾM: 43 2.7.1 Mạch cực nguồn chung: 43 2.7.2 Ðộ lợi điện mạch khuếch đại cực nguồn chung với điện trở RS 44 2.7.3 Mạch khuếch đại cực thoát chung hay theo nguồn(Common Drain or source follower) 44 2.7.4 Mạch khuếch đại cực cổng chung: ( Common-gate circuit) 45 2.8 MẠCH KHUẾCH ÐẠI DÙNG E-MOSFET: 46 2.9 THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ÐẠI DÙNG FET: 47 CHƯƠNG 3: CÁC DẠNG LIÊN KẾT CỦA BJT VÀ FET 51 3.1 LIÊN KẾT LIÊN TIẾP: (cascade connection) 51 3.1.1 Liên kết tụ điện: 51 3.1.2 Liên lạc cascade trực tiếp: 54 3.2 LIÊN KẾT CHỒNG: (cascode connection) 58 3.3 LIÊN KẾT DARLINGTON: 59 3.4 LIÊN KẾT CẶP HỒI TIẾP: 61 3.5 MẠCH CMOS: 63 3.6 MẠCH NGUỒN DÒNG ÐIỆN: 64 3.6.1 Nguồn dòng điện dùng JFET: 65 3.6.2 Dùng BJT nguồn dòng điện: 65 3.6.3 Nguồn dòng điện dùng BJT zener: 66 3.7 MẠCH KHUẾCH ÐẠI VISAI: (differential amplifier) 66 3.7.1 Dạng mạch bản: 66 3.7.2 Mạch phân cực: 68 3.7.3 Khảo sát thông số mạch: 68 3.7.4 Trạng thái cân bằng: 71 Chương OP-AMP-KHUẾCH ÐẠI VÀ ỨNG DỤNG 72 4.1 VI SAI TỔNG HỢP: 72 4.1.1 Các tầng giữa: 72 4.1.2 Tầng cuối: 73 4.1.3 Một ví dụ 75 4.2 MẠCH KHUẾCH ÐẠI OP-AMP CĂN BẢN: 76 4.2.1 Mạch khuếch đại đảo: (Inverting Amplifier) 77 4.2.2 Mạch khuếch đại không đảo: (Non_inverting Amplifier) 78 4.2.3 Op-amp phân cực nguồn đơn: 79 4.3 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA OP-AMP: 79 4.3.1 Mạch làm toán: 79 4.3.2 Mạch so sánh: 84 4.3.3 Mạch lọc tích cực: (Active filter) 95 Chương MẠCH KHUẾCH ÐẠI CÔNG SUẤT 107 (Power Amplifier) 107 5.1 MẠCH KHUẾCH ÐẠI CÔNG SUẤT LOẠI A: 108 5.2 MẠCH KHUẾCH ÐẠI CÔNG SUẤT LOẠI A DÙNG BIẾN THẾ 112 5.3 KHẢO SÁT MẠCH KHUẾCH ÐẠI CÔNG SUẤT LOẠI B 116 5.4 DẠNG MẠCH CÔNG SUẤT LOẠI B: 118 5.4.1 Mạch khuếch đại công suất Push-pull liên lạc biến 119 5.4.2 Mạch công suất kiểu đối xứng - bổ túc: 121 5.4.3 Khảo sát vài dạng mạch thực tế 123 5.4.3.1 Mạch công suất với tầng khuếch đại điện transistor: 123 5.4.3.2 Mạch công suất với tầng khuếch đại điện op-amp 124 5.4.3.3 Mạch công suất dùng MOSFET: 126 5.5 IC CÔNG SUẤT: 126 LỜI NÓI ĐẦU Mạch điện tử kiến thức bản, để thiết kế ứng dụng mạch áp dụng vào nhiều lĩnh vực Việc tính tốn thiết kế mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ cần thiết để phát triển lên mạch khuếch đại có cơng suất lớn Do mạch điện tử vô cần thiết sinh viên đào tạo ngành kỹ thuật Đối với sinh viên ngành Điện tử, kiến thức mạch điện tử sở để nghiên cứu lĩnh vực thuộc chuyên ngành Bài giảng mạch điện tử cung cấp cho sinh viên kiến thức mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ, cách ghép tâng khuếch đại ảnh hưởng tầng khuếch đại Đối với chương có phân tích tính tốn mạch cụ thể giúp sinh viên hiểu nguyên lý tính tốn thơng số mạch khuếch đại Bài giảng gồm chương, trình bày chi tiết Khi tìm hiểu giảng sinh viên biết cách tính tốn thơng số cần quan tâm thực tế Từ phân tích ứng dụng thực tế Đây môn học sở Trong q trình soạn khơng tránh khỏi thiếu sót, mong đóng góp ý kiến đồng nghiệp em sinh viên Trân trọng cám ơn! Người soạn Nguyễn Thị Thu Hà Chương 1: MẠCH PHÂN CỰC VÀ KHUẾCH ÐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG BJT 1.1 PHÂN CỰC CỐ ÐỊNH: (FIXED-BIAS) Ta biết BJT hoạt động vùng: - Vùng tác động: (Vùng khuếch đại hay tuyến tính) - Với nối B-E phân cực thuận - Nối B-C phân cực nghịch - Vùng bảo hòa: Nối B-E phân cực thuận Nối B-C phân cực thuận - Vùng ngưng: Nối B-E phân cực nghịch Tùy theo nhiệm vụ mà hoạt động transistor phải đặt vùng Như vậy, phân cực transistor đưa điện chiều vào cực transistor để transistor hoạt động vùng mong muốn Dĩ nhiên người ta phải thực số biện pháp khác để ổn định hoạt động transistor nhiệt độ transistor thay đổi Trong chương này, ta khảo sát chủ yếu BJT NPN kết qủa phương pháp phân tích với BJT PNP, cần ý đến chiều dịng điện cực tính nguồn điện chiều Mạch hình 1.1 Phương pháp chung để phân giải mạch phân cực gồm ba bước: Bước : Dùng mạch điện ngõ vào để xác định dòng điện ngõ vào (IB IE) Bước 2: Suy dòng điện ngõ từ liên hệ I =βI I =αI C B C E Bước 3:Dùng mạch điện ngõ để tìm thơng số lại (điện cácchân, chân BJT ) Áp dụng vào mạch điện hình 1.1 Mạch ngõ vào – phát: +Vcc – RBIB – VBE = V I  V  CC BE B R B  Với VBE = 0.7V BJT Si VBE = 0.3V GeSuy IC = β.IB Mạch ngõ thu – : Vcc = RCIC + VCE Hay VCE = VCC – RCIC Đây phương trình đường thẳng lấy điện Sự bảo hòa BJT: Sự liên hệ I I định BJT có hoạt động vùng tuyến tính hay C B khơng Ðể BJT hoạt động vùng tuyến tính nối thu - phải phân cực nghịch Ở BJT NPN cụ thể hình 1.1 ta phải có: VC > VB => VC > VB = VBE =>VC = VCC – RCIC = VCE> VBE = 0.7V => I C VCC  0.7V RC Nếu I C   VCC  0.7V BJT dần vào hoạt động vùng bão hòa Từ điều RC kiện liên hệ I =β.I ta tìm trị số tối đa I C B cho thích hợp Nếu I C  Từ ta chọn RB B, VCC tức VCE ≠0V (thực khoảng 0.2 V) Vc < VB, nối RC thu – phân cực thuận, BJT hoàn toàn nằm vùng bão hòa dòng điện V V I  CC gọi dòng cực thu bão hòa ICSAT I  CC C Csat RC RC 1.2 PHÂN CỰC ỔN ÐỊNH CỰC PHÁT: (EMITTER - STABILIZED BIAS) Mạch giống mạch phân cực cố định, cực phát mắc thêm điện trở R xuống mass Cách tính phân cực có bước giống mạch E phân cực cố định Ta có Vcc = RBIB + VBE + REIE Thay IE = (1+β)IB I  B VCC  VBE RB  (1   )RE  Từ Ic = βIB  Ở mạch thu – phát Vcc = RBIB + VBE + REIE Trong IE = IB +IC # IC Suy VCE = VCC – (RC + RE)IC Hình 1.2 Sự bảo hịa BJT: Tương tự mạch phân cực cố định, cách cho nối tắt cực thu cực phát ta tìm dòng điện cực thu bảo hòa I Csat V ICsat  R CCR C Ta thấy thêm R vào, I E E nhỏ trường hợp phân cực cố định, tức BJT dễ Csat bão hòa 1.3 PHÂN CỰC BẰNG CẦU CHIA ĐIỆN THẾ: (VOLTAGE - DIVIDER BIAS) Mạch có dạng hình 1.3 Dùng định lý Thevenin biến đổi thành mạch hình 1.3 Hình 1.3 R BB  R // R  R1 R2 R1  R2 V V BB CC R2 R1  R2 Trong đó: Mạch - phát: V = R I + VBE + IE.RE BB BB B Thay: I =(1+β)I E B VBB  VBE I  B Suy RBB  (1   )RE  Từ Ic = βIB  Ở mạch thu – phát VCE = VCC.RC.IC - RCIE Vì IC # IE Suy VCE = VCC – (RC + RE)IC Ngoài VC = VCC – RC.IC VB = VBB - RBIB VE = IE.RE = IC.RE Sự bão hòa BJT V ICsat  R CCR C E Cách phân tích gần đúng: Trong cách phân cực này, số điều kiện, ta dùng phương pháp tính gần Ðể ý điện trở ngõ vào BJT nhìn từ cực B có R là: E Ta thấy, xem nội trở nguồn VBE không đáng kể so với (1+β)RE Ri=(1+β)RE Nếu Ri>>R2 dòng IB|A | VS C 67 3.7.2 Mạch phân cực: Ta có Vcc + VEE = RCIC + VCE + REIE Xem IC = IE =>VCE = (VCC+VEE) – (RC + 2RE)IC Phương trình xác định đường thẳng lấy điện đồ thị Ic = f(VC) Ngoài ra: RBIB + VBE + 2REIE – VEE = IE   VEE  VBE R  IC 2RE   B  Phương trình xác định điểm điều hành đường thẳng lấy điện Khi mạch tuần hoàn đối xứng, điện chân B 0V nên: RB I B   I E  VEE  VBE 2R E 3.7.3 Khảo sát thơng số mạch: Ta thử tìm A , A C , tổng trở vào chung Z , tổng trở vào visai Z VS C VS a/ Mạch có tín hiệu chung: Tức v1 = v2 va = vb Do mạch hoàn toàn đối xứng, ta cần khảo sát mạch, nên ý có dịng ie chạy qua nên phải tăng gấp đơi RE 68 Phân giải phần trước ta tìm được: A C  A  C R V0   RC  C VI ro  2RE 2RE v0 RC r  2R  v1 e RC 2R E E ' Z C  RB// Z Với ZC '   C vi   (re  2RE ) ib b/ Mạch có tín hiệu visai: Tức v = -v v = -vb a Như dịng điện tín hiệu ln ln ngược chiều transistor khơng qua R nên ta bỏ R tính A Z E E  v0 Ta có Suy ra: VS  i  b1 RC Và ib1  VS v1 re v0  RC v1 re Ngoài A VS   vo v1  RC re RC vo  vb 2v v  a  a  re v1  v 2v1 v1 Người ta thường để ý đến tổng trở ngõ vào cho tín hiệu visai ngõ vào với mass Giá trị gọi Z’ VS Khi có R Z = Z’VS //2R B VS B v2 Cần ý là: ib2  re  ib1 69 Hệ thức chứng tỏ ngõ vào có dịng điện chạy qua Từ người ta định nghĩa:   Z 'VS v1  v2 2v   2re ib1 ib1 c/ Mạch có tín hiệu tổng hợp: Với v1, v2 ta có thành phần chung vC thành phần visai AVS - Nếu lấy tín hiệu hai cực thu thành phần chung khơng ảnh hưởng, tức là: v -v =A (v-v ) a b VS - Nếu lấy tín hiệu từ hai cực thu xuống mass: v  A v a cc v  A v b  cc  2 A v VS vs A v VS vs Dấu - biểu thị hai thành phần visai hai cực thu ln trái dấu d/ Hệ số truất thải tín hiệu chung λ : Định nghĩa 1  Avs AC ( λ lớn thành phần chung ảnh hưởng đến ngõ ra) e/ Phương pháp tăng λ (nguồn dòng điện) Muốn tăng λ phải giảm A tăng A Như phải dùng R lớn Tuy nhiên điều C VS E làm cho V V phải lớn Phương pháp tốt dùng nguồn dòng CC EE điện Nguồn dòng điện thay cho R phải có đặc tính: E - Cấp dịng điện khơng đổi - Cho tổng trở ZS nhìn từ cực thu Q3 lớn để thay RE 70 3.7.4 Trạng thái cân bằng: Khi mạch cân khơng cịn trì đối xứng Hậu trầm trọng thành phần chung tạo tín hiệu visai ngõ * Một số nguyên nhân chính: - Các linh kiện thụ động điện trở, tụ điện không thật đồng chất - Các linh kiện tác động diode, transistor khơng hồn tồn giống * Biện pháp ổn định: - Lựa chọn thật kỹ linh kiện - Giữ dòng điện phân cực nhỏ để sai số điện trở tạo điện visai nhỏ - Thiết kế (1 có trị số thật lớn - Thêm biến trở R’ để cân dòng điện phân cực E - Chế tạo theo phương pháp vi mạch Hệ số truất thải tín hiệu chung λ2 Định nghĩa: λ2 = Số lượng tín hiệu chung vào để tạo thành đơn vị vi sai / Số lượng tín hiệu vi sai vào để tạo thành đơn vị vi sai 71