Chuong 8 điện tử cơ bản

điện tử cơ bảnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn

Mục Lục Chương 8

8.1 GIỚI THIỆU 1

8.1.1 Tổng quan 1

8.1.2 Các thông số của mạch khuếch đại ghép nhiều tầng khuếch đại 1

8.2 MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP BẰNG TỤ LIÊN LẠC (GHÉP RC) 2

8.2.1 Giới thiệu 2

8.2.2 Khảo sát các thông số của mạch ở chế độ AC 2

8.2.3 Ảnh hưởng của điện trở RS và RL đến mạch 3

8.2.4 Đáp ứng tần số của mạch ghép RC 3

8.2.5 Ưu và nhược điểm của mạch khuếch đại ghép tầng RC 3

8.2.6 Bài tập ứng dụng 3

8.3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP BIẾN ÁP 6

8.3.1 Giới thiệu 6

8.3.2 Các thông số của mạch ở chế độ AC 6

8.3.3 Ảnh hưởng của điện trở RS và RL đến mạch 7

8.3.4 Đáp ứng tần số của mạch ghép biến áp 7

8.3.5 Ưu và nhược điểm của mạch ghép biến áp 8

8.3.6 Bài tập ứng dụng 8

8.4 MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP TRỰC TIẾP 10

8.4.1 Giới thiệu 10

8.4.2 Đáp ứng tần số của mạch 11

8.4.3 Ưu và nhược điểm của mạch ghép tầng trực tiếp 11

8.5 MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP DARLINGTON 11

8.5.1 Giới thiệu 11

8.5.2 Phân tích mạch ở chế độ DC 12

8.5.3 Phân tích mạch ở chế độ AC 12

8.6 MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP CASCODE 13

8.7 MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP VI SAI 14

8.7.1 Đặc điểm của mạch khuếch đại vi sai cơ bản ở trạng thái cân bằng 14

8.7.2 Phân cực mạch ở chế độ DC 15

8.7.3 Khảo sát thông số của mạch ở chế độ AC 16

8.7.4 Tỉ số triệt tín hiệu đồng pha (CMRR: Common Mode Rejection Ratio) 17

8.8 BÀI TẬP 18

1

CHƯƠNG 8

MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP LIÊN TẦNG

8.1 GIỚI THIỆU 8.1.1 Tổng quan Các mạch điện tử thường bao gồm nhiều tầng khuếch đại ghép nối tiếp nhau để nâng hệ số khuếch đại của mạch hay để phối hợp trở kháng…mỗi một tầng khuếch đại có thể dùng một hay nhiều transistor để thực hiện nhiệm vụ riêng Để ghép nối tiếp nhiều tầng khuếch đại có thể dùng một trong ba cách ghép như sau:

- Ghép bằng tụ liên lạc (ghép RC)

- Ghép biến áp

- Ghép trực tiếp

Sơ đồ khối của mạch khuếch đại bao gồm nhiều tầng khuếch đại như hình 8.1

Hình 8.1: Sơ đồ khối của mạch khuếch đại

Khi ghép các tầng khuếch đại với nhau, phải bảo đảm các yêu cầu sau:

- Các tầng khuếch đại phải ở trạng thái khuếch đại

- Công suất của các tầng phải ổn định

- Phải phối hợp tương đồng các hệ số khuếch đại của các tầtng khuếch đại để bảo đảm tín hiệu ngõ ra không bị méo

- Phối hợp các dãi thông của các tầng khuếch đại tương đương nhau

8.1.2 Các thông số của mạch khuếch đại ghép nhiều tầng khuếch đại

Hệ số khuếch đại điện áp:

ZAAAAAA

T n

T 1 2 3 

(8.2) Tổng trở ngõ vào:

í i i i

n

V O

O

IV

Z  0

(8.4)

2

8.2 MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP BẰNG TỤ LIÊN LẠC (GHÉP RC)

8.2.1 Giới thiệu Mạch khuếch đại ghép RC như hình 8.2

Hình 8.2: Mạch khuếch đại ghép RC

Các tụ liên lạc có trị số tuỳ thuộc vào tần số của tín hiệu được khuếch đại trong mạch Đối với tín hiệu âm tần thì tụ liên lạc thường có trị số từ 1µF đến 10µF, các tụ phân dòng hay tụ bypass (C ) E

có trị số phụ thuộc vào R thường từ 10µF đến 100µF đối với tín hiệu âm tần E

8.2.2 Khảo sát các thông số của mạch ở chế độ AC Khảo sát mạch khuếch đại ghép RC như hình 8.2, ta có sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ của mạch như hình 8.3

Hình 8.3: Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ

Tổng trở ngõ vào

1

1// B ie i i i

I

V

Z   í Tổng trở ngõ ra

2 2

V O O

1( // )

1 ie i C fe V

hZRh

với Z i 2 R1//R2//hie 2

2 2

2( // )

2 ie L C fe V

hRRh

Hệ số khuếch đại dòng điện

3

L i V i i L i i i

ZAV

ZxR

VxAAI

I

2 1 0

8.2.3 Ảnh hưởng của điện trở RS và RL đến mạch

Từ định nghĩa của Z và A ta thấy chúng không bị ảnh hưởng (nhưng tổng trở ra có thể bị ảnh i Vhưởng bởi RS)

Từ (hình 8-3) ta có:

S i

i S

ZxVV



Suy ra:

S i i V S i V S i i S

ZxAV

VAV

VxV

VV

VAv

ZAV

ZxR

VI

I

A  0 0 

và

i S S i

VII





Suy ra: A = AI IS Như vậy dòng điện ngõ vào cũng nhỏ vì ảnh hưởng của RS, đồng thời cả R và RS L đều làm giảm

độ lợi

8.2.4 Đáp ứng tần số của mạch ghép RC

Hình 8.4: Đáp ứng tần số của mạch ghép RC 8.2.5 Ưu và nhược điểm của mạch khuếch đại ghép tầng RC

Ưu điểm Dạng ghép này có ưu điểm là cách ly dc giữa các tầng khuếch đại

Nhược điểm

Do đặc tuyến tần số là tổng hợp các đặc tuyến tần số của từng tầng do đó nguyên nhân này làm giảm độ lợi băng thông của toàn mạch so với từng tầng thành viên Ngoài ra còn gây nên sự lệch pha giữa tín hiệu vào và ra được đặc trưng bởi độ méo pha

8.2.6 Bài tập ứng dụng Cho mạch ghép tầng RC như hình vẽ

4

Với Q là transistor loại Si, β = 1001 ; Q2 có IDSS = 9mA ; V = -4.5V.P

a Tìm điểm làm việc của Q , Q 1 2

b Viết phương trình đường tải DCLL, ACLL của Q 2

c Tìm Z , Z , A i o v

d Tìm biên độ tín hiệu ngõ ra cực đại khi chưa bị méo dạng

Bài giải

a Phân tích mạch ở chế độ DC Xét tầng 1: Mạch tương đương Thevenin:

VC C

Q 1

Vx

RRRxV

47101016

2 1

)9.7)(

)(6.5

2 2 2 2

2 2 2 1

2 2 2 2 2

VREIVV

mARRVVI

RIVRIV

C CQ CC CEQ

E B BE BB CQ

E E BE B B BB

Découvre plus de :

Chương 3 | mạch xác lập điều hoà, giải full bt

p GS DSS D

S D S D S G GS

V

VII

RIRIVVV

mAV

I

RR

VRR

VI

DS D

S D DD S D DS D

I

IR

VR

VI

DS D

DQ ac DSQ ac DS D

)(73.45.52626

rhImVr

e ie EQ e

V

VV

I12

6

1012)4(53.253(

4//

12)//

(

53.253)//

(

2 1 2 2 2

1 1 1 1 1 1

AA

RRV

VV

IV

RRVgV

VA

IhRRxIhVVA

V V V

L D p GS p DSS gs

L D gs m i O V

b ie C G b fe i O V

d Maxswing = 2min[VDSQ, I xRac] = 2[7.5 ; 3.2x1.7] = 10.88(V) DQ8.3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP BIẾN ÁP

8.3.1 Giới thiệu Mạch khuếch đại ghép biến áp như hình 8.5 Trong đó tầng khuếch đại thứ nhất truyền tín hiệu qua tầng khuếch đại thứ hai bằng máy biến áp a 1

Hình 8.5: Mạch khuếch đại ghép biến áp

Đặc điểm của máy biến áp Xét máy biến áp như hình 8.6

Hình 8.6: Đặc điểm của máy biến áp a

N

Nvv

S p s

L L S

rZIV

O V O

O

Hệ số khuếch đại điện áp:

2 1112

A

a V

Trong đó

1 2 2 1

1

ie ie O fe

harh

2

2 2

2

ie L O fe V

hRarh

Hệ số khuếch đại dòng điện:

L i V i i

ZAaAaA

A 1 1 2 2 8.3.3 Ảnh hưởng của điện trở RS và RL đến mạch

Từ định nghĩa của Z và A ta thấy chúng không bị ảnh hưởng (nhưng tổng trở ra có thể bị ảnh i Vhưởng bởi RS)

Từ (hình 8-7) ta có:

S i

i S

ZxVV



Suy ra:

S i i V S i V S i i S

ZxAV

VAV

VxV

VV

VAv

ZAV

ZxR

VI

I

A  0 0 

và

i S

S i

VII





Suy ra: A = AI IS Như vậy dòng điện ngõ vào cũng nhỏ vì ảnh hưởng của RS, đồng thời cả R và RS L đều làm giảm

độ lợi

8.3.4 Đáp ứng tần số của mạch ghép biến áp

8

Hình 8.8 : Đáp ứng tần số của mạch ghép biến áp 8.3.5 Ưu và nhược điểm của mạch ghép biến áp

Ưu điểm: dạng ghép này cách ly DC rất tốt và ghép biến áp có hiệu quả hơn ghép RC do R Ctrong mạch ghép biến áp gần như bằng không do đó hiệu suất của mạch được cải tiến

Khuyết điểm: kích thước mạch lớn và đáp ứng tần số của mạch bị giảm do cảm kháng của cuộn dây, giá thành cao

8.3.6 Bài tập ứng dụng Cho mạch điện như hình vẽ

Cho V = 12V; Q , Q là transistor loại Si, β = β = 100 ; Biến áp lý tưởng có hệ số vòng CC 1 2 1 2dây quấn a :1 = 5 :1

a Tìm điểm làm việc của Q , Q 1 2

b Viết phương trình đường tải DCLL, ACLL của Q 2

c Tìm Z , Z , A , A i o v I

d Tìm biên độ tín hiệu ngõ ra cực đại khi chưa bị méo dạng Bài giải

a Phân tích mạch ở chế độ DC Xét tầng 1: Mạch tương đương Thevenin

RL 10K

Vi

a:1 47KΩ

9

Vx

RRRxV

47101012

2 1 2

47104710//

2 1 2 1 2 1

)(8.1047.05.212

)(5.247.010025.87.01.2

1 1 1

1 1 1

1 1 1 1 1

Vx

RIVV

mAR

RVVI

RIVRIV

E CQ CC CEQ

E B BE BB CQ

E E BE B B BB

Vx

RR

RxVV

4710

1012

2 1 2 1

47104710//

4 3 4 3 4 3 2

)(5.247.010025.87.01.2

2 2 2 2

2 2 2 2 1

2 2 2 2 2

Vx

REIVV

mAR

RVVII

RIVRIV

C CQ CC CEQ

E B BE BB CQ CQ

E E BE B B BB

b

(DCLL) 0.4 4.858( )

47.2

1247.2

2 2

2 2 2 2 2 2 2

mAV

I

VRR

VRR

VI

CE C

CE E C CC E C CE C

RE2

10

(ACLL)

)(85.56.0

)(5.27.17.57.1

2 2

2 2

2

mAV

I

mAV

IR

VR

VI

CE C

CE CQ ac CEQ ac CE C

e ie ie EQ e e

04,14.10100

)(4.105.22626

1 2 1

1 2 1

817305

)46.163(2500(5

46.163104.107.1)//

()//

(

250010025)(

2 1

3 2

2 2

2 2 2 2 2 2 2

1 1 2 2 1 1 1 1 1

ZAA

xxA

AA

xr

RRI

hRRxIhV

VA

xI

hhxIhV

VA

L i V I

V V V

e L C b

ie L C b fe i O V

b ie ie b fe i O V

d Maxswing = 2min[VCEQ2, ICQ2xRac] = 2[5.7 ; 2.5x1.7] = 8.5(V) 8.4 MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP TRỰC TIẾP

8.4.1 Giới thiệu Mạch hình 8.9 là dạng mạch khuếch đại ghép trực tiếp, trong đó các tầng khuếch đại được liên lạc trực tiếp với nhau

Vi

11

Hình 8.9: Mạch khuếch đại ghép trực tiếp

8.4.2 Đáp ứng tần số của mạch

Hình 8.10: Đáp ứng tần số của mạch ghép tầng trực tiếp 8.4.3 Ưu và nhược điểm của mạch ghép tầng trực tiếp

- Nguồn điện thế phân cực thường có trị số lớn nếu ta dùng cùng một loại BJT, vấn

đề chính của loại liên lạc trực tiếp là ổn định sự phân cực Cách tính phân cực thường được

áp dụng trên toàn bộ mạch mà không thể tính riêng từng tầng

8.5 MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP DARLINGTON

8.5.1 Giới thiệu Hình 8.11a là dạng hai transistor npn ghép darlington với nhau, khi đó có thể xem như tương đương một transistor có các cực B, C và E như hình 8.11b

I 

1 1

1 ( 1) B

I   nhưngI E1 IB2, nên:

1 1 2 2 2

I   Và:

1 2 1 2 1 1 1 2 1 1 2

B C

1 1

026.0

E e

Ir

1 2 2 2

026.0

e E

I

r  Tổng điện trở nhìn vào từ cực B và E của transistor tương đương, hay điện trở ngõ vào của transistor tương đương là:

2 2 1 2 2 1

2

e e ie

8.6 MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP CASCODE

Đây cũng là một dạng ghép trực tiếp nhưng gồm một transistor mắc CE lái trực tiếp một transistor mắc CB Loại mạch này có nhiều lợi điểm ở tần số cao Một ví dụ cho mạch ghép Cascode ở hình 8.13

14

Hình 8.13: Mạch khuếch đại ghép Cascode

Để phân tích đặc điểm của mạch này ta vẽ lại sơ đồ tương tương tín hiệu nhỏ như hình 8.14

Hình 8.14: Sơ đồ tương tương tín hiệu nhỏ của mạch hình 8.13

Ta có: Zin 2hib 2re 2

Mà: R L 1 Zin 2

Vậy:

1 1 1 1

)//

(

ie C L fe v

hRRh

A Nếu re2 << R , thì: C

1 2 2 2 1 1

1 1 1

)//

(

e e ie e fe ie

C L fe v

r

rhrhh

RRh

Nếu 2 transistor Q và Q1 2 có cùng thông số, thì: Av1 1

Và

2 2 e L v

r

R

Vậy: AvAv 1Av 2 Av 2 (8.10) Và:

1 2

8.7 MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP VI SAI

Mạch khuếch đại vi sai cũng là một dạng ghép trực tiếp đặc biệt, một dạng cơ bản của mạch khuếch đại vi sai như hình 8.13

Hình 8.15: Mạch khuếch đại ghép vi sai

8.7.1 Đặc điểm của mạch khuếch đại vi sai cơ bản ở trạng thái cân bằng

- RC1 = R = RC2 C

- Q1 giống Q2

- 2 ngõ vào V , V i1 i2

- 2 ngõ ra đơn cực (V , V ) và một ngõ ra vi sai (V ) o1 o2 o12

- Hai mạch khuếch đại đối xứng nhau và cực E của 2 transistor nối chung với nhau

Có 2 phương pháp lấy tín hiệu ra

- Phương pháp ngõ ra vi sai: tín hiệu được lấy ra giữa 2 cực thu

- Phương pháp ngõ ra đơn cực: tín hiệu được lấy ra giữa cực thu và mass

Người ta phân biệt 3 trường hợp a/ Tín hiệu cách chung (common): nếu hai tín hiệu ngõ vào giống hệt nhau (cùng pha và cùng biên độ) vic 1 vic 2 vic

Do mạch đối xứng, tín hiệu ở ngõ ra V = VO1 O2 Vậy tín hiệu ngõ ra vi sai V - V = 0 O1 O2 Như vậy: V = AO1 VC1 V i1

V = AO2 VC2 V i2Trong đó A là độ khuếch đại của một transistor và được gọi là độ lợi cho tín hiệu VCcách chung (common mode gain)

b/ Khi tín hiệu vào có dạng visai (differential): nếu hai tín hiệu ngõ vào ngược pha với nhau và cùng biên độ

2 1 2

c/ Trường hợp tín hiệu vào bất kỳ Người ta định nghĩa:

- Thành phần chung của v1 và v2 là: V = ½ (V + V ) OC 1 2

- Thành phần visai của v1 và v2 là: V = V - V Od 1 2Thành phần chung được khuếch đại bởi AC (ngõ ra đơn cực) còn thành phần vi sai được khuếch đại bởi A Vd

Thông thường |A | >>|AvVd C|

8.7.2 Phân cực mạch ở chế độ DC

Để xét đặc điểm của mạch khuếch đại này trước hết ta xét phân cực DC của mạch như hình 8.16