bài giảng điện tử công nghiệp, chương 17 ppt

1 Chương 17: KHẾCH ĐẠI BIẾN THIÊN CHẬM a- Khái niệm chung. Mạch khuếch đại ghép trực t i ế p Bộ khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm (tín hiệu một chiều) làm việc với những tín hiệu có tần số gần bằng không và có đặc tuyến biên độ tần số như hình 2.93. Việc ghép giữa nguồn tín hiệu với đầu vào bộ khuếch đại và giữa các tầng không thể dùng tụ hay biến áp vì khi đó đặc tuyến biên độ tần số sẽ có dạng như hình 2.76a, tức là f = 0 khi K = 0. Ku f Hình 2.93: Đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại một chi ề u Để truyền đạt tín hiệu biến đổi chậm cần phải ghép trực tiếp theo dòng một chi ề u giữa nguồn tín hiệu với mạch vào bộ khuếch đại và giữa các tầng với nhau. Vì ghép trực tiếp nên việc chọn điểm làm việc có đặc điểm riêng so với các bộ khuếch đại đ ã khảo sát trước đây. Chẳng hạn, trong bộ khuếch đại ghép điện dung thì chế độ m ộ t chiều của mỗi tầng (chế độ tĩnh) được xác đ ị nh ch ỉ do những phần tử của tầng quy ế t đ ị nh và các tham số của nó được tính riêng biệt đối với từng tầng. Tụ điện ghép t ầ ng sẽ cách ly thành phần một chiều theo bất kỳ một nguyên nhân nào của tầng này s ẽ không ảnh hưởng đến chế độ một chiều của tầng kia. Trong bộ khuếch đại ghép trực tiếp, không có chấn tử để cách ly thành phần m ộ t chiều. Vì vậy, điện áp ra không những ch ỉ được xác đ ị nh bằng tín hiệu ra có ích mà còn cả tín hiệu giả do sự thay đổi chế độ một chiều của các tầng theo thời gian, theo nhiệt độ hay 1 nguyên nhân lạ nào khác. Tất nhiên, cần đặc biệt quan tâm đến nh ữ ng tầng đầu vì sự thay đổi chế độ một chiều ở đây sẽ được các tầng sau khuếch đại t i ế p t ụ c . Sự thay đổi một cách ngẫu nhiên của điện áp ra trong bộ khuếch đại một chi ề u khi tín hiệu vào không đổi ∆ U vào = 0 gọi là sự trôi điểm không của bộ khuếch đ ạ i . Nguyên nhân trôi là do tính không ổn đ ị nh của điện áp nguồn cung cấp, của tham s ố tranzito và điện trở theo nhiệt độ và thời gian. Gia số của điện áp trôi ở đầu ra ∆ U tr.r được xác đ ị nh khi ngắn mạch đầu vào bộ khuếch đại (e n = 0). 2 Chất lượng bộ khuếch đại một chiều được đánh giá theo điện áp trôi quy về đ ầ u vào của nó: ∆ U tr.v = ∆ U tr.r / K , ở đây K là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại. Độ trôi quy về đầu vào đặc trưng cho tr ị số tín hiệu là ở đầu vào bộ khuếch đại có hệ s ố khuếch đại là K. Khi xác đ ị nh dải biến đổi của điện áp vào e n phải chú ý đến ∆ U tr.r sao 3 cho ∆ U tr.r là một phần không đáng kể so với tín hiệu ra có ích. Tùy thuộc vào yêu c ầ u của bộ khuếch đại mà tr ị số nhỏ nhất cũng phải lớn hơn ∆ U tr.v hàng chục hoặc hàng trăm l ầ n . Hình 2.94: Khuếch đại tín hiệu biến thiên ch ậ m Việc ghép trực tiếp các tầng trong bộ khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm quy ế t đ ị nh những đặc điểm tính toán chế độ tĩnh của nó (điện áp và dòng điện khi e n = 0). Tính toán tham số chế độ tĩnh của tầng phải chú ý đến các phần tử thuộc về mạch ra của tầng trước và mạch vào của tầng sau. Dưới đây ta sẽ khảo sát mạch khuếch đại một chiều hình 2.94 gồm 3 tầng ghép trực t i ế p . Trong sơ đồ này colectơ của Tranzito trước được nối trực tiếp với bazơ c ủ a tranzito sau. Khi đó điện trở R E nhờ dòng I EO tạo nên điện áp cần thiết U BEO cho ch ế độ tĩnh của mỗi tầng. Điều đó đạt được bằng cách tăng điện thế âm trên emitơ c ủ a mỗi tranzito. Chẳng hạn, đối với tầng thứ hai U BEO2 = U c01 - U EO2 = U co 1 – I EO2 R E2 (2-213) 4 ở mạch vào bộ khuếch đại (h.2.94a) người ta lắc một nguồn điện áp bù đầu vào e bv nối tiếp với nguồn tín hiệu vào sao cho khi e n = 0, dòng qua nguồn bằng không. Mu ố n thế phải chọn điện áp bù e bv bằng U BO1. 5 1 R R E 1 R Có thể tạo ra điện áp bù U BV nhờ R B1 và R B2 theo sơ đồ (h: 2.94b) ở đ ây U = U = E C .R B2 BV B o1 R B1 + R B2 Tương tự trên mạch ra, tải R t (h: 2.94a) mắc vào đường chéo một mạch cầu g ồ m các phần tử mạch ra tầng cuối và các điện trở R 3 R 4 . Khi đó sẽ đảm bảo điều kiện U t = 0 khi e n = 0 điện trở R 3 R 4 đóng vai trò một bộ phân áp để tạo nên điện áp bù b ằ ng U co3 cho mạch ra của tầng khi e n = 0. U = E C .R 4 (2-214) br 3 + R 4 = U CO3 Dưới đây sẽ khảo sát các ch ỉ tiêu đặc trưng cho bộ khuếch đại về dòng xoay chiều (đối với gia số điện áp tín hiệu vào). Nếu chọn R 1 và R 2 đủ lớn, thì điện trở vào của tầng có thể tính được t ừ : R v = r b + (1 + β) (r E + R E ) ≈ β 1 R E (2-215) Để xác đ ị nh hệ số khuếch đại của mỗi tầng ta giả thiết R c // R v = R c ; R v1 > R n khi đó các hệ số khuếch đại tương ứng của mỗi tầng sẽ là: K = β R C1 // R V 2 = β R C1 R = C 1 (2-216) 1 1 V 1 1 β .R R E1 K 2 = β 2 R C2 // R V 3 R = β R C2 2 β R R = C 2 R (2-217) V 2 2 E2 E2 K = β R C3 //(R t + R 3 // R 4 ) = R C3 //(R t + R 3 // R 4 ) (2-218) 3 3 V 3 R E3 6 Rõ ràng hệ số khuếch đại của từng tầng t ỉ lệ ngh ị ch với điện trở emitơ của nó. Điện trở R E1 tính theo chế độ ổn đ ị nh nhiệt của tầng đầu có tr ị số từ vài trăm đ ế n vài kΩ. Điện trở R E của những tầng sau vừa để ổn đ ị nh nhiệt độ, vừa để đảm bảo t r ị số U BEO yêu cầu tương ứng trong chế độ tĩnh. Khi ghép trực tiếp (h.2.94a) thì điện áp trên emitơ cũng như trên colectơ của mỗi tầng sau phải tăng dần lên (về tr ị số t uy ệ t đối trong trường hợp dùng tranzito pnp). Điều đó dẫn tới phải tăng R E ở mỗi tầng sau để có được U EO yêu cầu và do đó theo các hệ thức (2-216) + (2-218) làm giảm hệ s ố khuếch đại của chúng (K 3 < K 2 < K 1 ) và hệ số khuếch đại chung. Thiếu sót của sơ đồ hình 2.94a có thể khắc phục bằng cách dùng các sơ đồ (94c,d). Trong sơ đồ (h.94c) điện trở R E có thể chọn nhỏ đi vì điện trở R p , tạo thêm một dòng điện phụ chạy qua R E . Theo công thức (2-213) ta có (h.2.94a). 7 R E 2 U - = c 01 I U B E02 (2-219) đối với sơ đồ (h.2.94c) E02 R E 2 U - = c 01 I E 02 U B E02 + I P (2-220) Cũng có thể thực hiện theo sơ đồ (h.2.94d) bằng cách mắc vào mạch emitơ m ộ t điôt ổn áp ở mức U z khi đó : R E 2 U - = c 01 U BE02 - U D I E02 (2-221) 8 Các mạch khuếch đại một chiều ghép trực tiếp có đặc điểm là đơn giản, nh ư ng hệ số khuếch đại không cao (khoảng vài chục lần) ch ỉ dùng khi tín hiệu vào tương đố i lớn 0,05 + 0,1V và độ trôi đòi hỏi không chặt chẽ. Muốn có hệ số khuếch đại lớn h ơ n (hàng trăm và hàng nghìn lần) thì cách ghép tầng như trên không thể được vì sẽ xu ấ t hiện độ trôi không cho phép và việc bù nhiệt độ cũng khó khăn. Các mạch khuếch đ ạ i vi sai xét dưới đây sẽ khắc phục được các nhược điểm vừa nêu. . cầu g ồ m các phần tử mạch ra tầng cuối và các điện trở R 3 R 4 . Khi đó sẽ đảm bảo điều kiện U t = 0 khi e n = 0 điện trở R 3 R 4 đóng vai trò một bộ phân áp để tạo nên điện áp bù b ằ ng U co3 cho. bằng cách dùng các sơ đồ (94c,d). Trong sơ đồ (h.94c) điện trở R E có thể chọn nhỏ đi vì điện trở R p , tạo thêm một dòng điện phụ chạy qua R E . Theo công thức (2-213) ta có (h.2.94a). 7 R E 2 U - = c 01 I U B E02 (2-219) đối. bazơ c ủ a tranzito sau. Khi đó điện trở R E nhờ dòng I EO tạo nên điện áp cần thiết U BEO cho ch ế độ tĩnh của mỗi tầng. Điều đó đạt được bằng cách tăng điện thế âm trên emitơ c ủ a mỗi