Phần mở đầu
Đặt vấn đề
Mạch khuếch đại cộng hưởng: Nêu định nghĩa linh kiện, tổng quan về linh kiện, ký hiệu, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các mạch phân cực, tín hiệu vào ra, các Mạch khuếch đại cộng hưởng, ứng dụng của linh kiện, cho ví dụ và mô phỏng mạch.
Nhiệm vụ của đề tài
Phân tích và tìm hiểu từ tổng quan đến chi tiết về Mạch khuếch đại cộng hưởng để đưa ra các ví dụ thực tế đối với mạch, thông qua đó nâng cao kiến thức cho bản thân.
Mục tiêu đề tài
Phân tích kỹ lưỡng về nội dung trọng tâm của Mạch khuếch đại cộng hưởng để đưa ra các ví dụ mô phỏng một cách hợp lý.
Phương pháp nghiên cứu
Cơ sở định hướng nghiên cứu dựa trên cơ sở môn học Mạch điện tử 2 trong thời gian học, các nghiên cứu của các chuyên gia, các phân tích của giảng viên bộ môn và các tài liệu giáo trình khác trên mạng liên quan đến môn học.
Giới hạn đề tài
Vì đây là một bài tiểu luận nên có sự giới hạn trong việc nghiên cứu đề tài nên chỉ tiếp cận và làm sáng tỏ được phần nào về Mạch khuếch đại cộng hưởng đơn, Mạch khuếch đại cộng hưởng đơn phối hợp trở kháng, Mạch khuếch đại cộng hưởng dùng BJT, Mạch khuếch đại cộng hưởng đơn dùng BJT transistor, Mạch khuếch đại biến áp dùng BJT thông dụng.
TỔNG QUAN VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CỘNG HƯỞNG
Mạch cộng hưởng nối tiếp
Cuộn cảm và tụ điện mắc nối tiếp tạo thành mạch cộng hưởng nối tiếp, như hình vẽ trong sơ đồ mạch điện sau đây. Ở tần số cộng hưởng, một mạch cộng hưởng nối tiếp cung cấp trở kháng thấp cho phép dòng điện cao chạy qua nó Một mạch cộng hưởng nối tiếp cung cấp trở kháng ngày càng cao đối với các tần số xa tần số cộng hưởng.
Mạch khuếch đại cộng hưởng song song
Cuộn cảm và tụ điện được kết nối song song tạo thành một mạch cộng hưởng song song, như thể hiện trong hình bên dưới. Ở tần số cộng hưởng, một mạch cộng hưởng song song cung cấp trở kháng cao không cho phép dòng điện cao chạy qua nó Một mạch cộng hưởng song song cung cấp trở kháng ngày càng thấp đối với các tần số xa tần số cộng hưởng.
2.1Đặc điểm của mạch cộng hưởng song song:
Tần số xảy ra cộng hưởng song song (tức là thành phần phản kháng của dòng điện mạch trở thành 0) được gọi là tần số cộng hưởng f r Các đặc điểm chính của mạch điều chỉnh như sau.
Tỉ số giữa điện áp cung cấp và cường độ dòng điện là tổng trở của đoạn mạch cộng hưởng Trở kháng được cung cấp bởi mạch LC được đưa ra bởi: khi cộng hưởng, dòng điện tăng trong khi trở kháng giảm.
Hình dưới đây biểu diễn đường cong trở kháng của mạch cộng hưởng song song.
Tổng trở của mạch giảm dần đối với các giá trị trên và dưới tần số cộng hưởng f r Do đó có thể lựa chọn một tần số cụ thể và loại bỏ các tần số khác. Để có được một phương trình cho trở kháng của mạch, ta có:
Do đó, trở kháng của mạch Z R thu được là:
Do đó khi cộng hưởng song song, trở kháng của mạch bằng L/CR.
Tại cộng hưởng song song, mạch hoặc dòng điện I bằng điện áp đặt vào chia cho tổng trở Z r là:
Bởi vì Z r rất cao, dòng điện I sẽ rất nhỏ.
Hệ số Q: là thước đo hiệu suất lưu trữ năng lượng của một cuộn cảm. Đối với mạch cộng hưởng song song, độ sắc nét của đường cong cộng hưởng xác định độ chọn lọc Điện trở của cuộn dây càng nhỏ thì đường cong cộng hưởng càng rõ Do đó cảm kháng và điện trở của cuộn dây quyết định chất lượng của mạch cộng hưởng.
Tỷ số giữa điện kháng cảm ứng của cuộn dây khi cộng hưởng với điện trở của nó được gọi là hệ số Q
Giá trị Q càng cao, đường cong cộng hưởng càng sắc nét và độ chọn lọc càng tốt.
2.4Ưu điểm của mạch khuếch đại cộng hưởng:
Việc sử dụng các thành phần phản kháng như L và C, giảm thiểu tổn thất điện năng, giúp các bộ khuếch đại được điều chỉnh hoạt động hiệu quả.
Độ chọn lọc và độ khuếch đại của tần số mong muốn cao, bằng cách cung cấp trở kháng cao hơn ở tần số cộng hưởng.
Một nguồn cung cấp bộ thu nhỏ hơn VCC sẽ làm được, vì điện trở nhỏ của nó trong mạch điều chỉnh song song. Điều quan trọng cần nhớ là những ưu điểm này không thể áp dụng khi có tải bộ thu điện trở cao.
2.5Nhược điểm của bộ khuếch đại điều chỉnh:
Tổng thể mạch điện tốn kém cũng như cồng kềnh do sự hiện diện của các cuộn cảm và tụ điện trong các mạch điều chỉnh.
Không thể đạt được sự khuếch đại trong dải tần số âm thanh.
Tăng băng thông dẫn đến phức tạp trong mạch.
2.6Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại cộng hưởng: Để một mạch khuếch đại hoạt động hiệu quả, độ lợi của nó phải cao Độ lợi điện áp này phụ thuộc vào β, trở kháng đầu vào và tải thu Tải thu trong bộ khuếch đại đã điều chỉnh là một mạch đã được cộng hưởng.
Mức tăng điện áp của một mạch khuếch đại như vậy được cho bởi:
Trong đó: Z C : tải thuhiệu dụng ;
Z ¿ : trở kháng đầu vào của mạch khuếch đại
Giá trị của Z C phụ thuộc vào tần số của mạch khuếch đại được điều chỉnh Vì
ZC đạt cực đại ở tần số cộng hưởng, nên độ khuếch đại của mạch khuếch đại là cực đại ở tần số cộng hưởng này.
Dải tần số mà tại đó mức tăng điện áp của mạch khuếch đại đã cộng hưởng giảm xuống 70,7% mức tăng tối đa được gọi là băng thông của nó.
Dải tần số giữa f1 và f2 được gọi là băng thông bộ mạch khuếch đại đã điều chỉnh Băng thông của bộ khuếch đại đã điều chỉnh phụ thuộc vào Q của mạch LC, tức là, độ sắc nét của đáp ứng tần số Giá trị của Q và độ rộng băng tần tỷ lệ nghịch.
Hình bên dưới mô tả chi tiết về băng thông và tần số đáp ứng của bộ khuếch đại đã điều chỉnh.
2.8Mối quan hệ giữa Q và băng thông:
Hệ số Q của băng thông được định nghĩa là tỷ số của tần số cộng hưởng trên băng thông, nghĩa là: Q= f r
Nói chung, một mạch thực tế có giá trị Q của nó lớn hơn 10.
Trong điều kiện này, tần số cộng hưởng khi cộng hưởng song song được cho bởi f r = 1
Mạch khuếch đại cộng hưởng đơn
Mạch khuếch đại có phần bộ cộng hưởng duy nhất nằm ở cực thu của mạch khuếch đại được gọi là mạch khuếch đại cộng hưởng đơn.
Một mạch khuếch đại bóng bán dẫn đơn giản bao gồm một mạch cộng hưởng song song trong tải thu của nó, tạo thành một mạch khuếch đại cộng hưởng đơn Chọn các giá trị của điện dung và độ tự cảm của mạch cộng hưởng sao cho tần số cộng hưởng của nó bằng tần số cần khuếch đại.
Sơ đồ mạch sau đây cho thấy một mạch khuếch đại cộng hưởng đơn:
Có thể lấy đầu ra từ tụ ghép CC như hình trên hoặc từ cuộn thứ cấp đặt tại L.
Tín hiệu tần số cao cần được khuếch đại được đưa vào đầu vào của bộ khuếch đại Tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng song song bằng tần số của tín hiệu ứng dụng bằng cách thay đổi giá trị điện dung của tụ điện C trong mạch cộng hưởng. Ở giai đoạn này, mạch cộng hưởng cung cấp trở kháng cao đối với tần số tín hiệu, giúp cung cấp đầu ra cao trên mạch cộng hưởng Vì trở kháng cao chỉ được cung cấp cho tần số đã điều chỉnh, nên tất cả các tần số khác có trở kháng thấp hơn sẽ bị loại bỏ bởi mạch cộng hưởng Do đó bộ khuếch đại đã cộng hưởng sẽ chọn và khuếch đại tín hiệu tần số mong muốn.
Hiện tượng cộng hưởng song song xảy ra ở tần số cộng hưởng f r khi mạch có tần số cao Q tần số cộng hưởng f r cho bởi f r = 1
2 πf √ LC Đồ thị sau đây cho thấy đáp ứng tần số của một mạch khuếch đại cộng hưởng. Ở tần số cộng hưởng fr, tổng trở của mạch cộng hưởng song song rất lớn và thuần là điện trở Do đó điện áp trên RL đạt cực đại khi điều chỉnh mạch đến tần số cộng hưởng Do đó mức tăng điện áp là cực đại ở tần số cộng hưởng và giảm xuống trên và dưới tần số đó.Q càng cao thì đường cong càng hẹp.
Mạch khuếch đại cộng hưởng đôi
Một mạch khuếch đại có phần bộ cộng hưởng đôi nằm ở cực thu của mạch khuếch đại được gọi là mạch khuếch đại bộ cộng hưởng đôi.
Cấu tạo của mạch khuếch đại cộng hưởng đôi được hiểu bằng cách xem hình sau Đoạn mạch này gồm hai mạch điều chỉnh L1 C1 và L2 C2 trong phần thu của bộ khuếch đại Tín hiệu ở đầu ra của mạch cộng hưởng L1 C1 được ghép với mạch cộng hưởng khác L2 C2 thông qua phương pháp ghép nối lẫn nhau Các chi tiết mạch còn lại giống như trong mạch khuếch đại cộng hưởng đơn, như trong sơ đồ mạch điện sau đây.
Tín hiệu tần số cao cần được khuếch đại được đưa đến đầu vào của bộ khuếch đại Mạch cộng hưởng L1 C1 được cộng hưởng đến tần số tín hiệu đầu vào Ở điều kiện này, mạch cộng hưởng cung cấp điện trở cao đối với tần số tín hiệu Do đó, công suất lớn xuất hiện ở đầu ra của mạch điều chỉnh L1 C1 , sau đó được ghép nối với mạch cộng hưởng khác L2 C2 thông qua cảm ứng lẫn nhau Các mạch cộng hưởng đôi này được sử dụng rộng rãi để ghép nối các mạch khác nhau của máy thu vô tuyến và truyền hình.
4.2Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại cộng hưởng đôi:
Bộ khuếch đại cộng hưởng đôi có tính năng đặc biệt là ghép nối , điều này rất quan trọng trong việc xác định đáp tuyến tần số của bộ khuếch đại Độ tự cảm lẫn nhau giữa hai đầu mạch cộng hưởng nói lên mức độ ghép nối, xác định tần số đáp ứng của mạch. Để có ý tưởng về đặc tính điện cảm lẫn nhau, chúng ta hãy xem xét nguyên tắc cơ bản.
Khi cuộn dây mang dòng điện tạo ra một số từ trường xung quanh nó, nếu một cuộn dây khác được đưa đến gần cuộn dây này, sao cho nó nằm trong vùng từ thông của cuộn sơ cấp, thì từ thông thay đổi tạo ra EMF trong cuộn thứ hai Nếu cuộn dây đầu tiên này được gọi là cuộn sơ cấp, thì cuộn thứ hai có thể được gọi là cuộn thứ cấp.
Khi EMF cảm ứng trong cuộn thứ cấp do từ trường của cuộn sơ cấp thay đổi, thì hiện tượng đó được gọi là cảm kháng lẫn nhau
Hình dưới đây cho ta một ý tưởng về điều này.
Dòng điện i s trong hình ghi rõ nguồn hiện tại trong khi tôi ind chỉ ra dòng điện cảm ứng Từ thông đại diện cho từ thông tạo ra xung quanh cuộn dây Điều này cũng lan truyền đến cuộn dây thứ cấp.
Với việc áp dụng các điện áp, dòng điện i s dòng và thông lượng được tạo ra Khi hiện nay là thay đổi các thông lượng bị thay đổi, sản xuất i ind trong cuộn thứ cấp, do thuộc tính điện cảm lẫn nhau.
Theo khái niệm của sự kết hợp điện cảm kháng lẫn nhau sẽ như trong hình dưới đây.
Khi các cuộn dây được đặt cách nhau, các liên kết từ thông của cuộn sơ cấp L1 sẽ không liên kết với cuộn thứ cấp L2 Ở điều kiện này, các cuộn dây được cho là có khớp nối lỏng Điện trở phản xạ từ cuộn thứ cấp ở điều kiện này nhỏ và đường cong cộng hưởng sẽ sắc nét và mạch Q ở mức cao như hình bên dưới.
Ngược lại, khi cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp được đưa lại gần nhau, chúng có Mối ghép chặt chẽ Trong điều kiện đó, điện trở phản xạ sẽ lớn và mạch Q thấp hơn Người ta thu được hai vị trí của cực đại khuếch đại, một ở trên và một ở dưới tần số cộng hưởng.
4.5Băng thông của mạch cộng hưởng đôi:
Hình trên nói rõ rằng băng thông tăng theo mức độ ghép nối Yếu tố quyết định trong một mạch điều chỉnh kép không phải là Q mà là sự ghép nối.
Chúng tôi hiểu rằng, đối với một tần số nhất định, khớp nối càng chặt chẽ thì băng thông càng lớn.
Phương trình cho băng thông được đưa ra là:
Trong đó BWdt : băng thông cho mạch điều chỉnh kép,
K : hệ số ghép f r : tần số cộng hưởng.
4.6Mạch khuếch đại cộng hưởng Stagger:
Các mạch khuếch đại này chỉ hữu ích để khuếch đại tín hiệu cho một dải tần số cụ thể Nhiều băng thông tần số hơn trong cộng hưởng đôi so với cộng hưởng đơn. Nhưng có một quá trình phức tạp trong việc căn chỉnh đôi điều chỉnh Vì vậy, để khắc phục điều này nên sẽ có mạch khuếch đại cộng hưởng Stagger.
Mạch khuếch đại này là một tầng của các bộ khuếch đại được cộng hưởng đơn lẻ Các bộ khuếch đại này ở dạng tầng có băng thông nhất định và tần số cộng hưởng của chúng được đặt thành băng thông bằng nhau của mỗi giai đoạn Loại bộ khuếch đại này cho nhiều băng thông hơn Điều cần thiết là bộ khuếch đại tầng kép cho nhiều băng thông hơn nhưng việc căn chỉnh là một quá trình phức tạp Những bộ khuếch đại này được giới thiệu để giúp dễ dàng hơn và có được băng thông phẳng Ưu điểm chính của bộ điều chỉnh âm sắc là nó có đặc tính tần số phẳng, tốt hơn và rộng hơn Hình dưới đây cho thấy phạm vi phủ sóng vùng băng thông của các bộ khuếch đại giống như một bộ điều chỉnh duy nhất và bộ khuếch đại được điều chỉnh.
4.7Các ứng dụng của bộ khuếch đại cộng hưởng này gồm:
Các bộ khuếch đại này được sử dụng để chọn một dải tần số cụ thể như trong đĩa, radio, …
Các bộ khuếch đại này được sử dụng để khuếch đại tín hiệu mong muốn lên mức cao.
Các bộ khuếch đại này thích hợp hơn trong các hệ thống truyền thông không dây.
Các kênh truyền thanh và truyền hình rất hữu ích để chọn một dải tần số cụ thể.
Do đó, bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại này, chúng ta có thể tăng mức biên độ ở tần số cao hơn Và cũng có thể chọn dải tần mong muốn để khuếch đại nó và tránh dải tần không mong muốn bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại này.
PHẦN B : MẠCH KHUẾCH ĐẠI CỘNG HƯỞNG DÙNG TRANSISTOR
Bộ khuếch đại là một mạch dùng để khuếch đại một tín hiệu Tín hiệu vào một bộ khuếch đại là dòng điện (hay điện áp) và ngõ ra sẽ là bản khuếch đại của tín hiệu ngõ vào Một mạch khuếch đại sẽ được thiết kế bởi các transistor, các transistor có trong mạch sẽ được gọi là các transistor khuếch đại Mạch khuếch đại transistor được ứng dụng để thiết kế mạch phát sóng radio,phát thanh,… Các mạch dùng transistor sẽ mắc theo 3 kiểu cấu hình chính, mắc B chung (CB), mắc C chung (CC), mắc E chung (CE) Mạch mắc B chung có độ lợi thấp hơn mức độ lợi tối thiểu để thiết kế mạch khuếch đại, mạch mắc C chung sẽ có độ lợi gần bằng mức tối thiểu, nhưng mắc kiểu E chung sẽ có độ lợi lớn hơn mức tối thiểu nên các mạch khuếch đại sẽ tận dụng cách mắc này.
Một mạch khuếch đại transistor tốt phải đáp ứng đủ các yêu cầu: trở kháng đầu vào cao, độ rộng băng tần lớn, độ lợi lớn, độ tuyến tính cao, …
Trở kháng đầu vào: là tổng trở khi ta quan sát từ ngõ vào điện áp nối đến ngõ vào của mạch khuếch đại transistor Để ngăn mạch khuếch đại transistor tải điện áp từ ngõ vào thì mạch khuếch đại này phải có trở kháng cao.
Transistor
Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N , nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận, nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược Về phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau.
Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực, lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là
B (Base), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp
Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter) viết tắt là E, và cực thu hay cực góp (Collector) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được
Xét hoạt động của Transistor NPN:
Cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn vào cực C và (-) nguồn vào cực E
+ Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B và E , trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E
+ Khi công tắc mở , ta thấy rằng, mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua mối C E ( lúc này dòng IC = 0 )
Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy từ (+) nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về cực (-) tạo thành dòng IB
+ Ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn phát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB
+ Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo công thức IC = β.IB
Xét hoạt động của Transistor PNP:
Sự hoạt động của Transistor PNP hoàn toàn tương tự Transistor NPN nhưng cực tính của các nguồn điện UCE và UBE ngược lại Dòng IC đi từ E sang C còn dòng
Điện trở
Định Nghĩa: Được hiểu đơn giản là linh kiện gây giảm dòng điện hoặc là cản trở dòng điện chạy trong mạch ( Hạn chế cường độ dòng điện )
Giá trị điện trở càng lớn thì dòng điện trong mạch càng nhỏ. Định luật Ohm: Dòng điện I của ampe kế (A) bằng điện áp V của điện trở tính bằng vôn (V) chia cho điện trở R tính bằng ohms (Ω):):
2.1Các thông số của điện trở: a) - Giá trị của điện trở:
Giá trị điện trở đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của điện trở.
Yêu cầu cơ bản ít phụ thuộc thay đổi do thời gian, nhiệt độ, độ ẩm. Điện trở có giá trị càng nhỏ thì dẫn điện càng tốt và ngược lại.
Giá trị điện trở phụ thuộc vào vật liệu cản điện, kích thước và nhiệt độ của môi trường.
Sai số là độ chênh lệch tương đối giữa giá trị thực tế của điện trở và giá trị danh định, được tính theo % δ = R tt − R dd
Công suất tiêu thụ của điện trở P tính bằng watt (W) bằng với I hiện tại của điện trở trong ampe (A) nhân điện áp V của điện trở tính bằng vôn (V):
Công suất tiêu thụ của điện trở P tính bằng watt (W) bằng với giá trị bình phương của dòng điện I của điện trở trong ampe (A) nhân điện trở R của điện trở trong ohms (Ω):): P = I 2 × R
Công suất tiêu thụ của điện trở P tính bằng watt (W) bằng với giá trị bình phương của điện áp V của điện trở tính bằng vôn (V) chia cho điện trở R của điện trở trong Ohms (Ω):):
- Cách đọc điện trở: Đối với các điện trở có kích thước nhỏ không thể ghi trực tiếp các thông số khi đó người ta thường vẽ các vòng màu lên thân điện trở
3 vòng màu: o 2 vòng đầu biểu diễn 2 chữ số có nghĩa thực o Vòng thứ 3 biểu diễn số chữ số 0 (bậc của lũy thừa 10) o Sai số δ %
4 vòng màu o 2 vòng đầu biểu diễn 2 chữ số có nghĩa thực o Vòng thứ 3 biểu diễn số chữ số 0 (bậc của lũy thừa 10) o Vòng thứ 4 biểu diễn dung sai (tráng nhũ)
5 vòng màu: o 3 vòng đầu biểu diễn 3 chữ số có nghĩa thực o Vòng thứ 4 biểu diễn số chữ số 0 (bậc của lũy thừa 10) o Vòng thứ 5 biểu diễn dung sai (tráng nhũ)
Bảng quy ước vòng màu:
2.2Ứng dụng của điện trở:
+ Được sử dụng để chế tạo các vật dụng sinh hoạt hằng ngày : bàn ủi, bếp điện, bóng đèn,…
+ Được sử dụng chế tạo các thiết bị công nghiệp như máy sấy, máy sưởi,…. + Đóng vai trò làm phần tử hạn dòng trong các thiết bị có dòng điện cao
+ Điện trở được sử dụng trong các mạch phân áp để phân cực cho Transistor đảm bảo cho mạch khuếch đại hoặc dao động hoạt động với hiệu suất cao nhất.
Tụ điện
Định nghĩa: Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động, là một hệ hai vật dẫn và ngăn cách nhau bởi một lớp cách điện Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu.
3.2Công dụng: Nếu một tụ bypass được nối song song với điện trở emitter thì độ lợi điện áp của bộ khuếch đại CE tăng lên và nếu loại bỏ tụ điện thì sự suy giảm cực độ được tạo ra trong mạch khuếch đại và độ lợi điện áp sẽ là giảm.
3.3Chức năng: Làm ngắn tín hiệu AC xuống đất, để loại bỏ mọi nhiễu AC có thể có trên tín hiệu DC, tạo ra tín hiệu DC sạch và tinh khiết hơn nhiều.
3.4Ứng dụng chung của tụ điện:
+ Trong lĩnh vực kỹ thuật điện và điện tử tụ điện được sử dụng rất phổ biến. + Tụ điện được cấu tạo sử dụng trong hệ thống âm thanh của các loại xe hơi cao cấp Bởi vì tụ có công dụng tích tụ năng lượng điện cho bộ khuếch đại hoạt động được ổn định.
+ Ngoài ra tụ điện có thể sử dụng để xây dựng bộ nhớ kỹ thuật số cho các máy tính nhị phân.
+ Tụ điện còn được ứng dụng trong chế tạo các loại máy phát điện, máy hút bụi công nghiệp
+ Đặc biệt ứng dụng thiết thực nhất của máy hút bụi chính là tích trữ năng lượng điện.
+ Trong vấn đề xử lý thông tín, tín hiệu, khởi động động cơ và mạch điều chỉnh tụ điện cũng đóng một vai trò quan trọng.
Nguồn điện
Khái niệm: nguồn điện là các thiết bị điện có khả năng cung cấp dòng điện lâu dài cho thiết bị sử dụng điện hoạt động Mỗi nguồn điện sẽ có 2 cực là cực âm (-) và cực dương (+) Các thiết bị được coi là nguồn điện đó là pin, ắc quy, máy phát điện,…
4.1Phân loại: để thuận lợi cho quá trình nghiên cứu và sử dụng, người ta phân nguồn điện ra thành 3 loại chính:
Nguồn điện 1 chiều (DC): là nguồn cung cấp cho dòng điện 2 chiều Ở nguồn điện này bao gồm 1 chiều có cực âm và cực dương, không bị biến đổi theo thời gian Chẳng hạn như: Máy phát điện 1 chiều, pin, ắc quy…
Nguồn điện xoay chiều : là nguồn cung cấp dòng điện xoay chiều Nó cũng có cực âm và cực dương, biến đổi theo thời gian tuy nhiên không cố định như nguồn điện 1 chiều Ở những thời điểm khác nhau thì một cực có thể đóng vai trò cực âm lại có lúc đóng vai trò cực dương Hay nói cách khác, tại thời điểm t1 cực này đóng vai trò là cực dương nhưng tại thời điểm t2 lại là cực âm Ví dụ như là: ổ điện 220V trong nhà, máy phát điện xoay chiều, …
Nguồn điện 3 pha : bao gồm 4 pha nóng và 1 pha lạnh Nguồn điện này thường dùng cho các xí nghiệp, nhà máy lớn nhằm chạy động cơ có công suất cực đại điển hình như: Máy sát gạo, máy lạnh và mô tơ điện công suất lớn
4.2Chức năng chung của nguồn điện: ngoài chức năng cung cấp điện, thì nguồn điện có tác dụng tạo ra và duy trì sự chênh lệch điện thế (hiệu điện thế) giữa hai đầu mạch điện.
NỘI DUNG TRỌNG TÂM
Mạch khuếch đại cộng hưởng đơn
Mạch khuếch đại như hình vẽ (bỏ qua các thành phần phân cực):
C’ là điện dung ngoài bao gồm cả điện dung cuộn cảm.
Trước khi tiến hành tính toán, giả sử:
Từ mạch tương đương với C = C’ + Cb’e + (1 + gmRL)Cb’c
C’ là điện dung bên ngoài được cộng vào.
Cuộn dây được xem là tương đương với một L và một điện trở rc mắc nối tiếp tiêu biểu cho sự mất mát Hệ số phẩm chất tiêu biểu cho cuộn dây là: Q c ≡ ωLL r c ≫ 1 Điện dẫn tương đương của cuộn dây:
Cuộn dây được xem tương đương với một L và rc mắc nối tiếp Điện trở Rp là một hàm ωL 2 nếu rc và L là hằng số. Đặt R trùng với ri // Rp // rb’e Độ lời dòng điện của bộ khuếch đại là:
Chúng ta định nghĩa hệ số phẩm chất ngõ vào điều hợp ở tần số cộng hưởng ωL 0 là:
Q i = R ωL 0 L =ωL 0 RC Giải tích mạch và các vấn đề thiết kế ở trên giải sử rằng Qi và Qc lớn hơn 5.
1+ jωLQ i [ ( ωL ωL 0 ) − ( ωL ωL 0 ) ] Đạt cực đại tại tần số ωL=ωL 0 và bằng Aim=-gmR
Băng thông của mạch khuếch đại được xác định bằng cách cho:
√ 2 ta được phương trình sau:
Giải phương trình này ta sẽ được hai nghiệm đó là ωL h và ωL L
Băng thông 3dB có thể được xác định:
Tích số độ lợi khổ tần:
So sánh tích số của độ lợi khổ tần trong các chương trình trước ta thấy tỉ số độ lợi khổ tần giống như trường hợp ghép RC và chỉ phụ thuộc và gm của transistor và tổng số điện dung ngõ vào Do đó việc them vào cuộn dây điều hợp có hệ số phẩm chất Q cao chỉ có tác dụng chuyển đường cong đáp ứng của bộ khuếch đại RC (có cùng độ lợi) dọc theo trục tần số mà không làm giảm độ rộng của đường cong tính bằng Hz.
Ảnh hưởng của r bb ' trên đáp ứng của bộ KĐ cộng hưởng:
Trường hợp 1: ωL h ≪ 1/ r b ' e C b ' Khi thoả điều kiện này transistor hoạt động ở dãy giữa, các điện dung bên trong có thế được bỏ qua Đây là điều kiện chung khi sử dụng linh kiện có GBW lớn hơn nhiều so với yêu cầu Thí dụ nếu một transistor có GBW0MHz và được dung để khuệc đại điều hợp
10 Mhz với độ lợi là 10 thì tất cả các điện dung bên trong có thể bỏ qua. Độ lợi của bộ khuếch đại là:
Với R = ri // Rp // r bb ' + r b ' e vàC ≈ C '
Nhận xét rằng độ lợi dãy và băng thông cũng giảm so với trường hợp r bb ' =0
Trong vùng này r b ' e có thể bỏ qua Mạch tương đương như sau:
Nếu r bb ' ≫ ωL 1 h C b ' , điện dung Cb’ có thể được bỏ qua.
Tuy nhiên vì rbb’ nhỏ, băng thông của mạch sẽ lớn và độ lợi sẽ nhỏ.
Vùng này là vùng hoạt động không thực tế.
Nếu r bb ' ≪ ωL 1 h C b ' dùng kỹ thuật chuyển cuộn cảm thành mạch song song ta được mạch tương đương đương sau khi áp dụng cho trở và tụ nối tiếp ở tần số giữa:
Nếu băng thông nhỏ so với ωL 0, ta có thể đặt: r bb '
1+ jωLQ i [ ( ωL/ ωL 0) − ( ωL 0 / ωL )] Đối với mạch này thường tìm được giá trị các phần tử không thực tế và độ lợi thấp bởi vì ảnh hưởng của điện trở rbb’, hệ số phẩm chất thấp do đó sẽ khó để đạt được dãy thông hẹp Một phương pháp thường được dùng là cuộn cảm như là một biến thể tự ngẫu để chuyển điện trở thấp thành giá trị nào đó.
Mạch khuếch đại cộng hưởng đơn phối hợp trở kháng
Trở kháng của mạch transistor bao gồm Rb’ và Cb’ được phản ánh từ ngõ vào Kết quả cho ra là mạch song song RLC:
Cách tính độ lợi, tần số trung tâm và băng thông của mạch khuếch đại giống phần 1. Kết quả:
Tích số độ lợi khổ tần:
Kết luận: dùng biến áp đạt được độ lợi rất cao, băng thông hẹp và GBW giảm.
Mạch khuếch đại dùng BJT
3.1Mạch khuếch đại cộng hưởng dùng BJT tần số cao:
Sơ đồ mạch tương đương:
Lưu ý: R và C chỉ dùng để tính trở kháng ngõ ra
2 πf R b ' e (C b 'e +C M ) Đáp tuyến tần số là:
3.2Mạch khuếch đại cộng hưởng dùng BJT tần số thấp:
Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ tần số thấp:
Hàm truyền độ lợi áp: A V = V o
1− jωLR ωLL + jωLωLRC Tần số cộng hưởng : ωL 0 = 1
Mạch cộng hưởng đơn dùng BJT transistor
Sơ đồ mạch lý thuyết:
Mạch tương đương tín hiệu nhỏ:
Mạch tương đương tín hiệu nhỏ dạng rút gọn:
(bỏ qua thành phần R-C giữa cực C và E)
4.1Các thông số liên quan:
Thông số của Transistor 2SC1815: fT= 80MHz; C 0 b = 2 pF; hFE= 300
Giá trị cảm kháng của cuộn L được tính theo công thức sau:
Trong đó: r: bán kính vòng dây (cm) n: số vòng dây l: chiều dài cuộn dây (cm) L: cảm kháng cuộn dây (uH)
R p = (wL) 2 r c =wL Q C =r C Q C 2 rC là nội trở của cuộn dây
QC là hệ số phẩm chất của cuộn dây (thường QC = 100) Điện dung tổng tương đương: C=C ' +C b ' c +C M
Tại tần số cắt ta có:
Phương trình có 2 nghiệm dương: w H = w 1
Băng thông 3dB được xách định:
4.5 Tích số độ lợi khổ tần:
4.6Tần số cộng hưởng đạt giá trị cực đại:
Tính toán các giá trị trên lý thuyết:
Biểu đồ Bode lý thuyết:
Dựa vào biểu thức trên ta nhận ra rằng:
Khi w= w 0 tức là lúc giá trị trong biểu thức trong căn tiến về 0
Khi w càng xa w 0 lúc này biểu thức trong căn có giá trị rất lớn
=> A i có giá trị rất bé
Dựa vào yếu tố ta vẽ được biểu đồ Bode cho mạch cộng hưởng:
Mạch khuếch đại ghép biến áp dùng BJT thông dụng
CHO VÍ DỤ VÀ MÔ PHỎNG
Ví dụ 1: Thiết kế bộ mạch khuếch đại đơn tần hoạt động ở tần số giữa là 455 kHz có băng thông 10kHz Transistor có các thông số sau g m =0.04 ( Ω 1 ) , h fe 0, C b' e 00 pF và C b ' c pF Mạch phân cực và điện trở vào được chỉnh để r1=5kΩ và R L P0Ω
Mạch tương đương: Để có băng thông 10kHz, áp dụng công thức ta có:
Với R= ri // Rp // rb’e và ri=5KΩ, rb’e= h g fe m
1 −45.5 / Q c Điện dung tổng cổng ngõ vào:
Việc lựa chọn giá trị Q để thoả mãn phương trình này phải lớn hơn 45.5 để có điện
Ta chọn Q = 100, do đú C’=0.016pF và C=0.018àF Chỳ ý rằng điện dung vào C thì giá trị điện cảm L được tính:
Ta có thể tính Rp: Rp = Q c ωL 0 L≈ 2 KΩ
Vì thế R = ri // Rp // rb’e = 910Ω Độ lợi dãy giữa:
Mạch khuếch đại cộng hưởng đơn có phối hợp trở kháng để tăng độ lợi.
Ví dụ 2: Một mạch điều hợp đơn hoạt động tại tần số f 0 = 455 kHz và có băng thông
10kHz, L ' =6.9 μHH , r b ' e = R b ' =1 KΩ ,r i =5 KΩ , R p =2 KΩ ,C b ' e 00 pF , g m =0.1 Ω −1 , R L P0 Ωvà C b ' c = 4 pF
Tìm tỷ số biến áp a và dòng điện dãy giữa.
Từ mạch tương đương, ta có: ωL 0 2 =(2 πf f 0 ) 2 = 4 πf 2 455 2 10 6 = 1
Và R 1 = 930 1 = (10 −4 ) (7+10 a 2 ) ⇒ a 2 ≈ 0.4 ⇒ a ≈ 0.63 Độ lợi dãy giữa là:
Ta thấy lợi điểm của việc dung biến áp Trong ví dụ trước rb’e= h g fe m
%00 Ω , g m =0.04( h fe 0) Độ lợi dãy giữa là 36.4 (BWkHz) Trong ví dụ này rb’e=1 K
Ω , g m =0.1(h fe 0), điện trở rb’e được nhân lên bởi hệ số 1/ a 2 =2.5 Do đó độ lợi tăng lên 36.4 59 =1.6 lần so với cùng băng thông 3dB là 10kHz.
Lưu ý nếu không dung biến áp, rb’e=1K Ω , g m =0.1Ω −1 , ộ lợi dãy giữa là:độ lợi dãy giữa là:
Tuy nhiên băng thông là:
Vì thế ta thấy rằng độ lợi đạt nhưng băng thông sẽ tăng lên.