Bài giảng Mạch điện tử 2 pdf

Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa Công Nghệ Điện Tử Bài giảng Tp.HCM 08-2008 L' T2 S2 C' T1 S1 L' C' + - i r i i r v g R L R L v  - Mục lục Chương 1: Đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đại ghép RC 3 1.1 Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại 3 1.2 Phương pháp khảo sát đáp ứng tần số của mạch khuếch đại 3 1.3 Khảo sát đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đại BJT ghép RC 6 1.4 Khảo sát đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đại FET ghép RC 11 Bài tập chương 1 16 Chương 2: Đáp ứng tần số cao của mạch khuếch đại ghép RC 19 2.1 Bộ khuếch đại transistor ở tần số cao 19 2.2 Phân tích mạch khuếch đại BJT ở tần số cao 21 2.3 Phân tích mạch khuếch đại FET tần số cao 26 2.4 Mạch khuếch đại đa tần RC dùng BJT 29 2.5 Mạch khuếch đại đa tần RC dùng FET 31 2.6 Tích số độ lợi khổ tần GBW 32 Bài tập chương 2 35 Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng 38 3.1 Mạch cộng hưởng đơn dùng BJT transistor 38 3.2 Mạch cộng hưởng đơn dùng FET 43 3.3 Mạch khếch đại ghép biến áp dùng BJT thông dụng 46 3.4 Mạch khuếch đại điều hợp đồng bộ dùng FET 47 3.5 Mạch khuếch đại điều hợp đồng bộ dùng FET ghép 2 tầng 49 Bài tập chương 3 51 Chương 4: Mạch lọc thụ động 54 4.1 Mục đích ứng dụng 54 4.2 Phân loại mạch lọc 54 4.3 Lý thuyết cơ sở về mạch lọc 55 4.4 Mạch lọc thụ động 55 Phần II: Thiết kế và mô phỏng 59 Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio 73 5.1 Đặc điểm của mạch khuếch đại công suất 74 5.2 Mạch khuếch đại công suất ghép tải trực tiếp (lớp A) 74 5.3 Mạch khuếch đại công suất ghép tụ ra tải(lớp A) 76 5.4 Mạch khuếch đại công suất ghép biến áp (lớp A) 77 5.5 Khảo sát mạch khuếch đại công suất lớp B 79 5.6 Các dạng mạch công suất lớp B 82 Bài tập chương 5 91 Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại Chương 1 ĐÁP TUYẾN TẦN SỐ THẤP CỦA MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP RC 1.1. Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại • Mỗi mạch khuếch đại đều có một khoảng tần số hoạt động nhất định, gọi là băng thông (Band width) hoạt động của hệ thống. Ký hiệu: BW = [f H – f L ] (Hz) • Mạch khuếch đại được đặc trưng bởi hàm truyền hệ số khuếch đại, được gọi là A i hay A v . • Đáp tuyến băng thông của mạch khuếch đại )(dBA x f(Hz) A 2 m A f L f H M idband 1.2. Phương pháp khảo sát đáp ứng tần số của mạch khuếch đại Các bước khảo sát: i. Bước 1: Vẽ mạch tương đương ở vùng tần số hoạt động ii. Bước 2: Thiết lập biểu thức của hàm truyền hệ số KĐ iii. Bước 3: Vẽ biểu đồ Bode cho tần số và pha Ví dụ: Cho mạch điện tương đương sau 0 Vo I1 ie C R1 R2 Rc V1 vi + - Ta có jwC 1 R jwC 1 R R 1 Rc v i i Rci Vi Vo A 2 2 1 i e e e v + × + ×−=×−== 1 Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại )R//R(jwC1 )jwCR1( RR Rc jwC )RR( RR ) jwC 1 R( RcA 21 2 21 21 21 2 v + + × + −= + + + ×−= Vậy )R//R(jwC1 )jwCR1( RR Rc A 21 2 21 v + + × + −= Đặt )R//R(C 1 w, CR 1 w 21 2 2 1 == => ) w w j1( ) w w j1( RR Rc A 2 1 21 v + + × + −= Vậy: 2 2 2 1 21 v ) w w (1 ) w w (1 RR Rc A + + × + = (1) và ) w w (arctg) w w (arctg 21 −=θ (2) • V u đồ Bode cho tần số tín hiệu Khai triển decibel ta được: ẽ biể () 2 2 2 121 v v lg20A + ) w w (1lg20) w w (1) RR Rc lg(20Alg20dB +−+ + == (dB) Hay 210v AAA)dB(A + += Xấp xĩ gần đúng ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ >> = = ≈+= )ww( w w lg20 )Ww(dB3 )0w(dB0 ) w w (1lg20A 1 1 1 2 1 1 Biểu đồ Bode cho A1 2 Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại Biểu đồ Bode cho các A0, A1, A2 )(dBA 1 w(rad/s) Biểu đồ Bode tổng của Av • Biểu đồ Bode cho pha tín hiệu Ta có ) w w (arctg) w w (arctg −=θ 21 Đặt 21 θ+ θ =θ Xấp xĩ gần đúng ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ > <<+ << =θ )w10w(,90 )w10w 10 w (), w w lg1(45 )ww(,0 1 o 1 1 1 1 o 1 ểu đồ Bode cho θ1, θ2 Bi w 10w 20 20dB/deca )(dBA x w(rad/s) W 1 10w 1 20 20dB/deca W 2 10w 2 A1 A2 A0 )(dBA v w(rad/s) W 1 A 20dB/deca M id-bank W 2 3 Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại Biểu đồ Bode cho góc pha tổng θ 1.3. Khả BJT ghép RC 2 loại ass cực E transistor (Emitter bypass capacitor). Khảo ¾ Lưu o sát đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đạ i • Phương pháp khảo sát: Để đơn giản cho việc khảo sát ta tách ra ghép RC riêng biệt ¾ Ghép tụ byp sát đáp tuyến tần số trên mạch này như các bước đã nêu trên Ghép tụ ngõ vào và ra (Coupling capacitor) ý:  Do đặc điểm chức năng của mỗi loại tụ ghép trong mà nó quyết định  n các giá trị C coupling sao cho • Ví dụ: khảo sát đáp tuyến tần số thấp c a mạch khuếch đại sau sự ảnh hưởng đến hoạt động của mạch khuếch đại. Tụ Emitter quyết định tần số cắt dưới của mạch. Tụ coupling chỉ đóng vai trò là tụ lien lạc giữa ngõ vào và ra. Khi thiết kế mạch ta chọ )coupling(L)terBypassemit(L ff >> ủ 45 o 10 1 w 1 w 1 10w 10 2 w 2 w 2 10w w(Rad/s) - 45 o - 90 o θ θ 90 o 10 1 w 1 10w 10 2 w 2 10w w(rad/s) θ o 4 Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại Vcc 0 Re Rc Cc R2 Ce R1 Cb ri RLi 1K 60 2k 2k 10k 100 Beta = 100 hie = 1K a. Đáp ứng của tụ Bypass Bỏ qua ảnh hưởng của các tụ Coupling bằng cách nối tắt chúng, xét mạch tương đương tín hiệu nhỏ như sau: i i b i β b i β i i Rc 1k Re 60 hie Rb 1k ri 10k RL 100 Ce i i b i β b i β i ri 10k hie Rb 1k Rc 1k Re 60 Ce RL 100 b i β i b i L iBi iRr )//( Rc 1k Re 60 ri//Rb hie RL 100 Ce 5 Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại Rc 1k RL 100 Re 60 Ce i L i e iBi iRr )//( β )//( ieBi hRr + Ta có, i bii bii e e L i L i i )R//r(i )R//r(i i i i i i A ××== )R//r( Cj 1 R Cj 1 R )hr//R( 1 RR R bi e e e e ieiB LC C × ω + ω × + β + × + −= e e e i ei e e LC biC Cj R Cj R RR Cj 1 R RR )R//r(R ω + ω + ω + × + −= , với Ω= β + = 20 )hr//R( R ieiB i [] )R//R(jC1)RR( RCj1 RR )R//r(R eieei ee LC biC ×ω++ ω + × + −= Hay, [] )R//R(jC1 RCj1 )RR)(RR( )R//r(R A eie ee eiLC biC i ×ω+ ω + × ++ −= 2 1 j1 j1 )6020)(100K1( )K1//K10(K1 ω ω + ω ω + × ++ −= , Với ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ==ω ==ω s/Rad23.133 C)R//R( 1 s/Rad3.33 CR 1 eie 2 ee 1 6 Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại Vậy, 2 1 i j1 j1 33.10A ω ω + ω ω + ×= , hoặc 2 1 i f f j1 f f j1 33.10A + + ×= , với ⎩ ⎨ ⎧ = = Hzf Hzf 25.21 3.5 2 1 2 2 2 1 dB i 1log201log2020A ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ω ω ++ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ω ω ++= (dB) Độ lợi trung tần (hệ số khuếch đại trung tần): Được định nghĩa là giá trị của hệ số khuếch đại tại tần số cắt dưới của mạch, hay . )f(AA Liim = Biểu đồ Bode 20 )(dBA i 33.3 20dB/decade 133.23 Mid-bank gain 32dB L ω w(rad/s) )(dBA i w(Rad/s) w 1 10w 1 20 20dB/decade w 2 10w 2 A 1 A 2 A 0 Theo tính chất của biểu đồ Bode tần số cắt dưới của mạch , hay s/Rad23.133 L =ω Hz25.21f L = Biểu đồ pha 45 o 10 1 w 1 w 1 10w 10 2 w 2 w 2 10w w(Rad/s) 90 o - 45 o - 90 o θ θ Biểu đồ pha tổng hợp 7 Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại ứng của tụ coupling b. Đáp ypass bằng cách nối tắt nó, ta xét mạch tương Bỏ qua ảnh hưởng của tụ B đương tín hiệu nhỏ như hình dưới. Dùng phép biến đổi tương đương Thevenin ta được (error: nguồn áp, thiếu ký hiệu i 0 ) Ta có, i ii ii 0bbLL i iiiii A ××× 0bbi i ir iriiii β ×== β i ieb b i ieB B C LC C r h//R Cj 1 r 1 hR R Cj 1 RR R × + ω + × + ×β× ω ++ −= [][ ] )h//Rr(Cj1)RR(Cj1 CjCj hR rRR iebibCLC bC ieb ibC +ω+×+ω+ ω × ω × + β −= 45 o 10 1 w 1 w 1 10w 10 2 w 2 w 2 10w w(rad/s) 90 - 45 o - 90 o θ 1 θ 2 o 0 27 Rc 1k RL 100 Rb 1k ri 10k hie Cb Ce i b b i β i L i i Cb Ce ri Rc 1k hie RL 100 Rb 1k 10k i b b i β i L ii ir 8 [...]... trên của mạch là fH = 1 (Hz) 2 R b′e (C b′e + C M ) Đáp tuyến tần số Ai dB f fH 2. 2.3 Ví dụ: Xác định đáp ứng tần số cao của mạch sau 21 Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại VCC=12V Rc R1 33k ri 100mVac Cc Q1 Cb 1k V4 1k 1u 1u Q2SC1815 6.8k 0 22 0 0 RL Ce Re R2 10u 0 470 0 0 Mạch tương đương DC : VCC=12V VCC=12V Rc Rc R1 1k 1k 33k Q3 Q2 RB Q2SC1815 R2 0 Re Re VBB 22 0 6.8k Q2SC1815 0 22 0 0 0 33Kx... ⎛ − g m R c 2 ⎞⎜ − g m R 2 ⎟ ⎢ ⎝ 2 ⎠ ⎥ ≈⎜ ⎜ R + R ⎟⎜ ⎟ s ⎟⎢ ⎛ 1 ⎞ ⎛ s 2 ⎞⎛ C b 'e + C b 'c ⎞ ⎥ 1 L ⎠ 1+ ⎝ c2 ⎟⎥ 1 + s⎜ + ⎜ ⎜ ω ω ⎟ + ⎜ ω ω ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ 2 ⎟⎢ C1 ⎝ ⎠⎣ ⎢ ⎝ 1 ⎝ 1 2 ⎠⎝ ⎠⎥ 2 ⎠ ⎦ Trong đó: 1 1 ; ω1 = R 1 C1 R 2C2 C1 = C b 'e + (1 + g m R 2 )C b 'c ω1 = Tần số cắt được xác định từ phương trình: ⎡ w2 h 1− ⎢ ⎣ w1w 2 2 2 ⎛ C b 'e + C b 'c ⎞⎤ ⎛ 1 1 ⎞ ⎜ ⎟⎥ + w 2 ⎜ + ⎟ =2 h ⎜ ⎜ ⎟ ω1 2 ⎟ C1 ⎝ ⎠⎦... C1 ⎝ ⎠⎦ ⎝ ⎠ Giải ra ta được: 2 ⎫ ⎤ ⎡ 2 ω1 ⎤ ⎛ ω1 2 ⎞⎧ ⎡ 2 ω1 ⎪ 2 ⎪ ωh = ⎜ ⎜ 2q 2 ⎟⎨− ⎢ ω + ω + 2( 1 − q )⎥ + ⎢ ω + ω + 2( 1 − q )⎥ + 4q ⎬ ⎟ ⎝ ⎠⎪ ⎣ 1 ⎦ ⎣ 1 2 2 ⎦ ⎪ ⎩ ⎭ C + C b 'c Với q = b 'e C1 2. 5 Mạch khuếch đại đa tần RC dùng FET Vdd Rd C c1 → ∞ Rd Cc2 → ∞ ri + V Vi Rg L RL Rg - 29 Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại C gd ri C gd R d // R g // rds + g m Vg 2s R g C gs Vi C gs g m Vg1s... tầng khuếch đại: 31 n Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại n 1 2 3 4 5 f h / f1 1.0 0.64 0.51 0.44 0.39 32 Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại Bài tập chương 2 2.1 Cho mạch như hình Biết độ lợi băng thông giữa i L i i là 32dB, tần số 3dB trên là 800KHz và dòng tĩnh emitter 2mA, giả sử rbb ' = C b 'c = 0 Tìm h fe , rb 'e , C b 'e Vcc 1K IL 1K Ii VBB 2. 2 Cho mạch như hình Biết w T = 10... = 12 x = 2. 1V 33K + 6.8K RB = VBB Transistor C1815 có β = 300 VBB − VBE 2. 1 − 0.7 = ≈ 5.8mA 5.6K RB + 0 .22 K + RE 300 β VCE = VCC − I C (R C + R E ) = 12 - 5.8(1 + 0 .22 ) = 5V > 0 (Transsistor làm việc ở chế độ KĐ) IC = Mạch tương đương tần số cao: 22 Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại r b'e ri ii Rb Trong đó: i i = rb 'e = h ie = β CM gm vb'e R C Rb'e ii Cb'e Cb'e CM gm vb'e L R' vi ri 25 mV... −1+ w H1 V A v = L = A vm w Vi 1+ w H2 26 Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại ⎧ ⎪ 1 ⎧ ⎪A vm = g m (rds // R d // R L ) ⎪f H1 = 2 C (r // R // R ) ⎪ d L 1 gd ds ⎪ Trong đó: ⎪w H1 = ⇒⎨ ⎨ C gd (rds // R d // R L ) ⎪f = g m ⎪ ⎪ H 2 2πC gd ⎪ gm ⎩ ⎪w H 2 = C gd ⎪ ⎩ Biểu đồ Bode: AV f H1 f H2 f 2. 4 Mạch khuếch đại đa tần RC dùng BJT 27 Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại Trở kháng Miler Z AA... = YAA ' = sC b 'c + 1 / sC b 'c g m R 2 + C 2 / g m C b 'c Z AA ' Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại đa tần: Trong đó: R 1 = ri // R b1 // rb 'e R 2 = R c1 // R b 2 // rb 'e C 2 = C b 'e + [1 + g m ( R c 2 // R L )]C b 'c Độ lợi dòng điện: 28 Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại Ai = i L ⎛ i L ⎞⎛ v b ' 2 ⎞⎛ v b '1 ⎞ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ =⎜ i i ⎜ v b ' 2 ⎟⎜ v b '1 ⎟⎜ i i ⎟ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠⎝ ⎤ ⎛ s ⎞... K ), g m = h ib rb 'e 0. 025 Tóm tắt các phần tử mạch tương đương PI: • rbb’ ≈ 10 ÷ 50Ω • rb 'e = 0. 025 h fe I EQ • gm = I h fe ≈ EQ = 40I EQ rb 'e 0. 025 18 Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại • C b 'e = 40I EQ g m h fe = = w T rb 'e wT wT • C b 'c tỉ lệ (Vcb ' )− p với p=1 /2 đến 1/3 Ta tham khảo datasheet của BJT C1815 2. 2 Phân tích mạch khuếch đại BJT ở tần số cao 2. 2.1 Đặc tính Transistor... = −37 ω ri 1 1+ j ω 1+ j ωH ωH Biểu đồ bode: Av db ⎛w = 20 × lg A v = 20 lg 37 − 20 lg 1 + ⎜ ⎜w ⎝ H ⎛w ⎞ =31.4- 20 lg 1 + ⎜ ⎜w ⎟ ⎟ ⎝ H⎠ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ 2 2 Av(dB) 31,4 1 ,2 f(MHz) 2. 3 Phân tích mạch khuếch đại FET tần số cao Ở tần số cao các điện dung ở các mối nối trong FET là C gs và C gd C gs tỷ lệ với (− VGS ) −1 / 2 C gd tỷ lệ với (− VGD ) −1 / 2 VGS ≤ 0 VGD ≤ 0 Vì VGD >> VGS do đó C gd . )R//R(jwC1 )jwCR1( RR Rc jwC )RR( RR ) jwC 1 R( RcA 21 2 21 21 21 2 v + + × + −= + + + ×−= Vậy )R//R(jwC1 )jwCR1( RR Rc A 21 2 21 v + + × + −= Đặt )R//R(C 1 w, CR 1 w 21 2 2 1 == => ) w w j1( ) w w j1( RR Rc A 2 1 21 v + + × + −= . cao 21 2. 3 Phân tích mạch khuếch đại FET tần số cao 26 2. 4 Mạch khuếch đại đa tần RC dùng BJT 29 2. 5 Mạch khuếch đại đa tần RC dùng FET 31 2. 6 Tích số độ lợi khổ tần GBW 32 Bài tập chương 2. Vậy: 2 2 2 1 21 v ) w w (1 ) w w (1 RR Rc A + + × + = (1) và ) w w (arctg) w w (arctg 21 −=θ (2) • V u đồ Bode cho tần số tín hiệu Khai triển decibel ta được: ẽ biể () 2 2 2 121 v v lg20A