BTL thầy Hùng, đề Thiết kết, thi công và mô phỏng mạch khuếch đại, đáp ứng yêu cầu sau: Trở kháng ngõ vào: > 10 K. Trở kháng ngõ ra: < 1K. Nguồn ngõ vào trở kháng 600 Ohm, biên độ max 1Vpp. Độ lợi áp: 10. Băng thông: 340 Hz - 4000 Hz.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Mạch khuếch đại ghép B chung (Common – Emitter – CE)
Là mạch khi xét ở chế độ AC có dạng:
Tổng trở vào ( R i ) cở vài chục Ω.
Tổng trở ra ( R 0) vài trăm kΩ.
Hệ số khuếch đại dòng điện ( A i ): nhỏ, xấp xỉ 1.
Hệ số khuếch đại điện áp ( A v ): lớn cỡ hàng trăm lần.
Điện áp ra ( V 0) cùng pha so với điện áp vào ( V i ).
Dải thông của mạch rộng.
Mạch khuếch đại ghép E chung (Common - Base - CB)
Là mạch khi xét ở chế độ AC có dạng:
Tổng trở ra ( R 0) từ vài chục kΩ đến vài trăm kΩ.
Hệ số khuếch đại dòng điện ( A i ): lớn từ vài chục đến hàng trăm lần.
Hệ số khuếch đại điện áp ( A v ): lớn cỡ hàng trăm lần.
Điện áp ra ( V 0) ngược pha so với điện áp vào ( V i ).
Dải thông của mạch hẹp.
Mạch khuếch đại ghép C chung (Common - Colector - CC)
Là mạch khi xét ở chế độ AC có dạng:
Tổng trở vào ( R i ) cở vài kΩ.
Tổng trở ra ( R 0) khoảng vài chục Ω.
Hệ số khuếch đại dòng điện ( A i ): lớn, từ vài chục đến hàng trăm lần.
Hệ số khuếch đại điện áp ( A v ): nhỏ, xấp xỉ 1.
Điện áp ra ( V 0) cùng pha so với điện áp vào ( V i ).
Dải thông của mạch trung bình.
Khái niệm về khuếch đại đa tầng
Các tầng khuếch đại đơn có thể được ghép lại với nhau theo một cách nào đó để tạo nên mạch khuếch đại đa tầng nhằm đạt đến mục tiêu thiết kế cụ thể (chẳng hạn như đáp ứng về độ lợi, cải thiện đáp tuyến tần số, pha, triệt nhiễu, phối hợp trở kháng,
Độ lời tổng cộng của mạch:
THIẾT KẾ MẠCH, TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT, CÁC THÔNG SỐ
Ý tưởng thiết kế
Sử dụng một mạch khuếch đại liên tầng gồm 2 tầng CE mắc với nhau để vừa tạo trở kháng đầu vào cao, trở kháng đầu ra thấp và có độ lợi áp đạt yêu cầu như thiết kế.
Ta sẽ phân cực cho 2 tầng hoàn toàn giống nhau ở chế độ DC Tầng thứ nhất ta sẽ tính toán giá trị các điện trở sao cho thỏa điều kiện phân cực và trở kháng ngõ vào lớn hơn hoặc bằng 10kΩ Để có trở kháng đầu vào cao ta sẽ không cần tụ bypass ở cực E Khi đó độ lớn của tầng thứ nhất đã cố định Ta sẽ sử dụng thêm các điện trở và tụ để điều chỉnh độ lợi áp ,
A v2 trở kháng ngõ vào của tầng thứ hai (vì độ lợi áp A v của cả mạch khuếch đại còn phụ thuộc vào trở kháng ngõ ra của tầng 1 – đã cố định và trở kháng ngõ vào của tầng 2) và băng thông của mạch khuếch đại.
Sơ đồ nguyên lý
Để đáp ứng điện trở vào cao ( Z i ≥ 10kΩ), điện trở ngõ ra thấp ( Z 0 ≤ 1kΩ) với độ lợi Av
= 10 (không quá lớn) Ta sử dụng mạch khuếch đại Cascade CE-CE.⇒ Ta sử dụng mạch khuếch đại Cascade CE-CE.
Từ ý tưởng trên ta có sơ đồ mạch như sau:
Các bước phân tích thiết kế
a Chọn BJT để thiết kế
Trong mạch thiết kế này chia làm 2 tầng làm việc:
Tầng đệm (Mạch CE): Chỉnh trở kháng ngõ vào với yêu cầu Z i ≥ 10KΩ, vào ngược pha điện áp vào.
Mạch khuếch đại CE (tầng khuếch đại) có độ lợi Av = 10, khuếch đại điện áp ngõ vào nhỏ thành điện áp ngõ ra lớn hơn Tín hiệu ngõ ra đảo pha so với ngõ vào, nghĩa là cùng pha với điện áp ngõ vào Tầng khuếch đại đóng vai trò như tầng đệm, nằm giữa tầng khuếch đại khác trong mạch khuếch đại đa tầng Quá trình khảo sát AC của mạch khuếch đại CE cho phép xác định đặc tính tần số của mạch, gồm tần số thấp và tần số cao.
MÔ PHỎNG MẠCH, ĐO ĐẠC BẰNG PHẦN MỀM LTSPICE
Đo phân cực tĩnh DC
Để đo các dòng điện I C , I B , I E ta tiến hành chọn các voltage (cho bằng 0V) mắc nối tiếp với các chân BJT và xem voltage như ampe kế để đo đạc dòng điện Đối với điện áp
V c ,V B ,V E ta đặt label C, B, E tại các chân BJT Ở chế độ DC thì ta hở mạch tụ điện, nguồn sine Vi.
Trên Tab chọn Edit Text Configure Analysis DC op pnt: để mô phỏng ở chế độ DC.
Sơ đồ mạch điện LTspice đo phân cực tĩnh DC:
Chênh lệch áp giữa 2 chân B và E đo được: V BE =V B −V E ≈7.14e −1(V).
Điện áp phân cực tĩnh V CEQ =V C −V E ≈1.05e+1(V).
Dòng I CQ đo được: I CQ ≈14.6mA
Điểm làm việc Q3( I CQ ;V CEQ ) = ( 14.6mA ; 1.05e+1 V ¿
Chênh lệch áp giữa 2 chân B và E đo được: V BE =V B −V E ≈7.26e −1(V).
Điện áp phân cực tĩnh V CEQ =V C −V E ≈1.11e+1(V).
Dòng I CQ đo được: I CQ ≈20.51mA
Điểm làm việc Q4( I CQ ;V CEQ ) = (20.51mA ;1.11e+1V¿.
Đo độ lợi Av
Tiến hành đặt Label ở ngõ vào là “in”, ngõ ra là “out” để đo điện áp V i và V 0 Sau đó lấy ¿V op − p ∨ ¿ ¿V ip − p ∨¿ ¿¿ta được A v Lựa chọn sóng ngõ vào V i có biên độ 100mV, f = 10kHz.
Trên Tab chọn Edit Text Configure Analysis Transient: đo đạc ở AC và chọn mục Stop time là “10m”.
Đo Trở kháng vào Zi và Trở kháng ra Z 0
Công thức xác định như sau: Z i = V I ( ⅈn n )
Ta tiến hành nối tắt nguồn DC, và đo điện áp và dòng điện ở ngõ vào để tìm Z i
Sơ đồ mạch thí nghiệm LTspice :
Ta thấy Z i 22 K >10 K thỏa điều kiện.
Ta tiến hàng nối tắt nguồn DC, đo điện áp và dòng điện ở ngõ ra để tìm Z o
Sơ đồ mạch thí nghiệm LTspice:
Trên Tab chọn Edit Text Configure Analysis AC Analysis: chọn thông số như hình dưới:
Tiến hành chạy mô phỏng, ta lấy tỷ số Vout/Vin Xác định độ lợi Av theo đơn vị dB, từ điểm đó ta dịch sang trái để tìm điểm có (Av – 3dB) để tìm tần số cắt thấp và dịch sang phải tìm điểm có (Av – 3dB) để tìm tần số cắt cao.
Sơ đồ mạch thí nghiệm trên LTspice:
Bảng tần số cắt cao:
Bảng tần số cắt thấp:
Chuyển độ lợi qua thang đo dB:
Khi đó để xác định tần số cắt thấp f L và tần số cắt cao f H tại:
So sánh kết quả thu được:
Thông số Yêu cầu Tính toán Mô phỏng
Đo đáp ứng tần số
Các điện trở, tụ điện
4.2 Các giá trị của trở và tụ điện
Vì không có các trở và tụ thực có giá trị tưởng ứng với mô phỏng nên các linh kiện được thay thế bằng các giá trị tưởng đương.
MÔ PHỎNG THỰC TẾ
Cấu tạo mạch
Các điện trở, tụ điện
Các giá trị của trở và tụ điện
Vì không có các trở và tụ thực có giá trị tưởng ứng với mô phỏng nên các linh kiện được thay thế bằng các giá trị tưởng đương.
Khảo sát độ lợi Av
Khảo sát băng thông
HƯỚNG PHÁT TRIỂN, ỨNG DỤNG VÀ KẾT LUẬN
Hướng phát triển
Trong thế giới công nghệ không ngừng tiến triển, các mạch khuếch đại sử dụng BJT đang được cải tiến để đáp ứng nhu cầu đa dạng Thông số thiết kế theo yêu cầu tối ưu hóa băng thông linh hoạt từ 340 Hz đến 4000 Hz Tiến bộ này nâng cao hiệu suất và đáp ứng tốt hơn các yêu cầu về xử lý tín hiệu và âm thanh.
Các ứng dụng của mạch khuếch đại dùng BJT
Được ứng dụng lắp đặt tại các hệ thống tái tạo âm thanh dùng cho những rạp hát, hay rạp hát gia đình, nhạc cụ khuếch đại âm thanh như guitar điện, bộ gõ điện.
Được sử dụng khuếch đại tín hiệu vào từ các sensor
Bộ khuếch đại đóng một vai trò quan trọng trong giao tiếp không dây.
Khuếch đại transistor được dùng trong khuếch đại tín hiệu vô tuyến.
Có thể được sử dụng trong liên lạc đường dài vì cường độ của tín hiệu thu được ở đầu ra sẽ cao.
Bằng việc kết hợp các ứng dụng của mạch khuếch đại transistor mang lại một lợi ích không nhỏ trong thực tế, giúp chúng ta khai thác tối đa công suất của hệ thống điều khiển, hệ thống âm thanh,… Trong tương lai với sự phát triển của ngành vi mạch, bộ khuếch đại có thể sẽ được dùng trong nhiều lĩnh vực hơn trong cuộc sống.
