Bài giảng mạch điện tử - chương 2 pdf

Chương II MẠCH PHÂN CỰC VÀ KHUẾCH ÐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG BJT ******* 1. Mục tiêu. 2. Kiến thức cơ bản cần có khi học chương này. 3. Tài liệu tham khảo liên quan đến chương. 4. Nội dung: 2.1 Phân cực cố định. 2.2 Ph ân cực ổn định bằng cực phát. 2.3 Ph ân cực bằng cầu chia điện thế. 2.4 Ph ân cực bằng hồi tiếp điện thế. 2.5 M ột số dạng mạch phân cực khác. 2.6 Thi ết kế mạch phân cực. 2.7 BJT ho ạt động như một chuyển mạch. 2.8 T ính khuếch đại của BJT. 2.9 M ạch khuếch đại cực phát chung. 2.10 M ạch khuếch đại cực thu chung. 2.11 M ạch khuếch đại cực nền chung. 2.12 Ph ân giải theo thông số h đơn giản. 2.13 Ph ân giải theo thông số h đầy đủ. B ài tập cuối chương. 5. Vấn đề nghiên cứu của chương kế tiếp. Ta biết BJT có thể hoạt động trong 3 vùng: - Vùng tác động: (Vùng khuếch đại hay tuyến tính) với nối B-E phân cực thuận nối B-C phân cực nghịch - Vùng bảo hòa: Nối B-E phân cực thuận Nối B-C phân cực thuận - Vùng ngưng: Nối B-E phân cực nghịch Tùy theo nhiệm vụ mà hoạt động của transistor phải được đặt trong vùng nào. Như vậ y, phân cực transistor là đưa các điện thế một chiều vào các cực của transistor như thế nào để transistor hoạt động trong vùng mong muốn. Dĩ nhiên người ta còn phải thực hiện một số biệ n pháp khác để ổn định hoạt động transistor nhất là khi nhiệt độ của transistor thay đổi. Trong chương này, ta khảo sát chủ yếu ở BJT NPN nhưng các kết qủa và phương phá p MẠCH ĐIỆN TỬ Page 1 of 312 1/23/2000file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\2 phân tích vẫn đúng với BJT PNP, chỉ cần chú ý đến chiều dòng điện và cực tính của nguồn điệ n thế 1 chiều. 2.1. PHÂN CỰC CỐ ÐỊNH: (FIXED-BIAS) Mạch cơ bản như hình 2.1 Phương pháp chung để phân giải mạch phân cực gồm ba bước: - Bước1 : Dùng mạchđiện ngõ vào để xác định dòngđiệnngõvào(I B hoặc I E ). - Bước 2 : Suy ra dòng điện ngõ ra từ các liên hệ I C = β I B I C = α I E - Bước 3: Dùng mạch điện ngõ ra để tìm các thông số còn lại (điện thế tại các chân, giữ a các chân của BJT ) Áp dụng vào mạch điện hình 2.1 * Sự bảo hòa của BJT: Sự liên hệ giữa I C và I B sẽ quyết định BJT có hoạt động trong vùng tuyến tính hay không. Ðể BJT hoạt động trong vùng tuyến tính thì nối thu - nền phải phân cực nghịch. Ở BJT NPN v à cụ thể ở hình 2.1 ta phải có: Page 2 of 312 1/23/2000file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\2 thì BJT sẽ đi dần vào hoạt động trong vùng bão hòa. Từ điều kiện này và liên hệ I C = β I B ta tì m đượctrị số tốiđa của I B , từđóchọn R B saochothích hợp. 2.2. PHÂN CỰC ỔN ÐỊNH CỰC PHÁT: (EMITTER - STABILIZED BIAS) Mạch cơ bản giống mạch phân cực cố định, nhưng ở cực phát được mắc thêm một điện tr ở R E xuống mass. Cách tính phân cực cũng có các bước giống như ở mạch phân cực cố định. * Sự bảo hòa của BJT: Tương tự như trong mạch phân cực cố định, bằng cách cho nối tắt giữa cực thu và cự c phát ta tìm được dòng điện cực thu bảo hòa I Csat Page 3 of 312 1/23/2000file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\2 Ta thấy khi thêm R E vào, I Csat nhỏ hơn trong trường hợp phân cực cố định, tức BJT dễ bão hòa hơn. 2.3. PHÂN CỰC BẰNG CẦU CHIA ĐIỆN THẾ: (VOLTAGE - DIVIDER BIAS) Mạch cơ bản có dạng hình 2.3. Dùng định lý Thevenin biến đổi thành mạch hình 2.3b Trong đó: • Mạch nền - phát: V BB = R BB I B +V BE +R E I E Thay: I E =(1+ β )I B • Suy ra I C từ liên hệ: I C = β I B Page 4 of 312 1/23/2000file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\2 * Cách phân tích gần đúng: Trong cách phân cực này, trong một số điều kiện, ta có thể dùng phương pháp tính gầ n đúng. Ðể ý là điện trở ngõ vào của BJT nhìn từ cực B khi có R E là: Ta thấy, nếu xem nội trở của nguồn V BE không đáng kể so với (1+ β )R E thì R i =(1+ β )R E . N ếu R i >>R 2 thì dòng I B <<I 2 nên I 1 # I 2 , nghĩa là R 2 //R i # R 2 . Do đó điện thế tại chân B có th ể được tính một cách gần đúng: Vì R i =(1+ β )R E # β R E nên thường trong thực tế người ta có thể chấp nhận cách tính gần đúng này khi β R E ≥ 10R 2 . Khi xác định xong V B , V E có thể tính bằng: Page 5 of 312 1/23/2000file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\2 Trong cách tính phân cực này, ta thấy không có sự hiện diện của hệ số β . Ðiểm tĩnh điề u hành Q được xác định bởi I C và V CE như vậy độc lập với β. Ðây là một ưu điểm của mạch phâ n cực với điện trở cực phát R E vì hệ số β rất nhạy đối với nhiệt độ mặc dù khi có R E độ khuế ch đại của BJT có suy giảm. 2.4. PHÂN CỰC VỚI HỒI TIẾP ÐIỆN THẾ: (Dc Bias With Voltage Feedback) Ðây cũng là cách phân cực cải thiện độ ổn định cho hoạt động của BJT 2.5. MỘT SỐ DẠNG MẠCH PHÂN CỰC KHÁC Mạch phân cực bằng cầu chia điện thế và hồi tiếp điện thế rất thông dụng. Ngoài ra tù y trường hợp người ta còn có thể phân cực BJT theo các dạng sau đây thông qua các bài tập á p dụng. 2.5.1. Xác định V C , V B của mạch hình 2.6 2.5.2. Xác định V CE , I E của mạch hình 2.7 2.5.3. Xác định V C , V B , V E của mạch hình 2.8 Page 6 of 312 1/23/2000file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\2 2.6. THIẾT KẾ MẠCH PHÂN CỰC Khi thiết kế mạch phân cực, người ta thường dùng các định luật căn bản về mạch điện nh ư định luật Ohm, định luật Kirchoff, định lý Thevenin , để từ các thông số đã biết tìm ra cá c thông số chưa biết của mạch điện. Phần sau là một vài thí dụ mô tả công việc thiết kế. 2.6.1. Thí dụ 1: Cho mạch phân cực với đặc tuyến ngõ ra của BJT như hình 2.9. Xác đị nh V CC , R C , R B . Từ đường thẳng lấy điện: V CE =V CC -R C I C ta suy ra V CC =20V Ðể có các điện trở tiêu chuẩn ta chọn: R B =470K Ω ; R C =2.4K Ω . Page 7 of 312 1/23/2000file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\2 Chọn R B =1,2M Ω 2.6.3. Thiết kế mạch phân cực có dạng như hình 2.11 Page 8 of 312 1/23/2000file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\2 Ðiện trở R 1 , R 2 không thể tính trực tiếp từ điện thế chân B và điện thế nguồn. Ðể mạch hoạt động tốt, ta phải chọn R 1 , R 2 sao cho có V B mong muốn và sao cho dòng qua R 1 , R 2 gần như bằng nhau và rất lớn đối với I B . Lúc đó 2.7. BJT HOẠT ÐỘNG NHƯ MỘT CHUYỂN MẠCH BJT không những chỉ được sử dụng trong các mạch điện tử thông thường như khuếch đại tí n hiệu, dao động mà còn có thể được dùng như một ngắt điện (Switch). Hình 2.12 là mô hì nh căn bản của một mạch đảo (inverter). Ta thấy điện thế ngõ ra của V C là đảo đối với điện thế tín hiệu áp vào cực nền (ngõ và o). Lưu ý là ở đây không có điện áp 1 chiều phân cực cho cực nền mà chỉ có điện thế 1 chiều nố i vào cực thu. Mạch đảo phải được thiết kế sao cho điểm điều hành Q di chuyển từ trạng thái ngưng dẫ n sang trạng thái bảo hòa và ngược lại khi hiệu thế tín hiệu vào đổi trạng thái. Ðiều này có nghĩ a là I C =I CEO ≈ 0mA khi I B =0mA và V CE =V CEsat =0V khi I C =I Csat (thật ra V CEsat thay đổi t ừ 0,1V đến 0,3V) - Ở hình 2.12, Khi V i =5V, BJT dẫn và phải thiết kế sao cho BJT dẫn bảo hòa. Page 9 of 312 1/23/2000file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\2 Ở mạch trên, khi v i =5V thì trị số của I B là: Thử điều kiện trên ta thấy: nên thỏa mãn để BJT hoạt động trong vùng bảo hòa. - Khi v i =0V, I B =0mA, BJT ngưng và I C =I CEO =0mA; điện thế giảm qua R C lúc này là 0V, do đó: V C =V CC -R C I C =5V - Khi BJT bảo hòa, điện trở tương đương giữa 2 cực thu-phát là: Nếu coi V CEsat có trị trung bình khoảng 0,15V ta có: Page 10 of 312 1/23/2000file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\2 [...]... dien tu-Viet Nam \2 1 /23 /20 00 2 Page 27 of 31 m c xu ng mass) thì trong m ch tương ương s không có s hi n di n c a RE Các k t qu s là: 2. 12. 2 M ch khu ch i c c thu chung Xem m ch hình 2. 40a v i m ch tương ương 2. 40b - T ng tr vào: Zi=R1//R2//Zb - T ng tr ra: M ch tính t ng tr ra như hình 2. 40c file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam \2 1 /23 /20 00 2 Page 28 of 31... t các k t qu hình 2. 22 khi cho RE=0 2. 9 .2 M ch khu ch nh c c phát i c c phát chung v i ki u phân c c b ng c u chia i n th và n Ðây là d ng m ch r t thông d ng do có m ch tương ương xoay chi u như hình 2. 28 n nh t t M ch cơ b n như hình 2. 27 và file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam \2 1 /23 /20 00 2 Page 20 of 31 So sánh hình 2. 28 v i hình 2. 22 ta th y hoàn toàn... 2. 20 mô t 2 lo i m ch tương ương này 2 d ng ơn gi n và y file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam \2 1 /23 /20 00 2 Page 15 of 31 * D ng ơn gi n * D ng y Hình 2. 20 file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam \2 1 /23 /20 00 2 Page 16 of 31 Do ó ngu n ph thu c βib có th thay th b ng ngu n gm.vbe 2. 9 M CH KHU CH Ð I C C PHÁT CHUNG 2. 9.1... nh i m tĩnh i u hành 2. 11 M CH KHU CH Ð I C C N N CHUNG D ng m ch thông d ng và m ch tương ương xoay chi u như hình 2. 38 file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam \2 1 /23 /20 00 2 Page 25 of 31 Phân gi i m ch tương ương ta tìm ư c: 2. 12 PHÂN GI I THEO THÔNG S h ÐƠN GI N 2. 12. 1 M ch khu ch i c c phát chung 2. 12. 2 M ch khu ch i c c thu chung 2. 12. 3 M ch khu ch i c c... chi u ư c v nh c c hình 2. 32 file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam \2 1 /23 /20 00 2 Page 21 of 31 * Ð l i i n th : file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam \2 1 /23 /20 00 2 Page 22 of 31 * T ng tr ra: : n i t t ngõ vào (vi=0) ⇒ ib=0 và βib=0 ⇒ Zo=RC//RB (2. 47) Chú ý: Cũng gi ng như ph n trư c, m ch hình 2. 31, n u ta m c thêm... ta c n nh n các liên h gi a 2 m ch tương ương 2. 12. 1 M ch khu ch i c c phát chung Thí d ta xem m ch hình 2. 39a và m ch tương ương hình 2. 39b file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam \2 1 /23 /20 00 2 Page 26 of 31 Phân gi i m ch tương ương ta tìm ư c - T ng tr vào Zi=R1//R2//Zb v i: (2. 56) Zb=hie+(1+hfe)RE#hie+hfeRE - T ng tr ra: Zo=RC (2. 57) Ghi chú: Trư ng h p ta... ra như hình 2. 23, xong l p t s Khi vi=0 ⇒ ib = 0 ⇒ βib=0 (tương ương m ch h ) nên Chú ý: Trong m ch cơ b n hình 2. 21 n u ta m c thêm t phân dòng CE (như hình 2. 24) ho c n i th ng chân E xu ng mass (như hình 2. 25) thì trong m ch tương ương xoay chi u s không còn s hi n di n c a i n tr RE (hình 2. 26) file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam \2 1 /23 /20 00 2 Page 19... Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam \2 1 /23 /20 00 2 Page 24 of 31 Chú ý: - M ch khu ch i c c thu chung cũng có th ư c phân c c b ng c u chia i n th như hình 2. 36 Các công th c trên m ch phân gi i trên v n úng, ch c n thay RB=R1//R2 - M ch cũng có th ư c m c thêm 1 i n tr RC như hình 2. 37 Các công th c trên v n úng khi thay RB=R1//R2 T ng tr vào Zi và t ng tr ra Z0 không thay i vì... file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam \2 1 /23 /20 00 2 Page 17 of 31 Tr s re ư c tính t m ch phân c c: T m ch tương ương ta tìm ư c các thông s c a m ch * Ð l i i n th : D u - cho th y vo và vi ngư c pha file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam \2 1 /23 /20 00 2 Page 18 of 31 Ð tính t ng tr ra c a m ch, u tiên ta n i t t ngõ vào... dien tu-Viet Nam \2 1 /23 /20 00 2 Page 28 of 31 Thông thư ng hie . hình 2. 27 và mạch tương đương xoay chiều như hình 2. 28 Page 19 of 3 12 1 /23 /20 00file://D:My DocumentsMy eBooksStudyCac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam 2 So sánh hình 2. 28 với hình 2. 22. qua các bài tập á p dụng. 2. 5.1. Xác định V C , V B của mạch hình 2. 6 2. 5 .2. Xác định V CE , I E của mạch hình 2. 7 2. 5.3. Xác định V C , V B , V E của mạch hình 2. 8 Page 6 of 3 12 1 /23 /20 00file://D:My. định. 2. 2 Ph ân cực ổn định bằng cực phát. 2. 3 Ph ân cực bằng cầu chia điện thế. 2. 4 Ph ân cực bằng hồi tiếp điện thế. 2. 5 M ột số dạng mạch phân cực khác. 2. 6 Thi ết kế mạch phân cực. 2. 7 BJT