Chương 5
CÁC SƠ ĐỒ KHUẾCH ĐẠI CHUYÊN DỤNG VÀ TẠP ÂM
TRONG BO KHUECH DAI
5.1 B6 khuéch dai chon loc 5.1.1 Khái niệm nàn
Bộ khuếch đại chọn lọc có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu trong một dải tân và nên tin
hiệu ngoài đải tần đó ”
Trong các bộ khuếch đại chọn lọc, điện trở tả: được thay thế bởi một mạch cộng hướng hoặc một mạch lọc Các điện dụng ra của tầng, song song với mạch cộng hưởng sẽ
làm thay đối chút ít tần số cộng hưởng, nhưng không ảnh hưởng đến hệ số khuếch đại của mạch ở tần số cao như trong bộ khuếch đại tải diện trở Do đó bộ khuếch đại chọn lọc có thể khuếch đại tin hiệu có tần số cao bơn so với bộ khuếch đại tải điện trở
Bộ khuếch đại chọn lọc thường được dùng trong các tầng cao tan cua may thu thanh,
được dùng để khuêch đại tải tin trong máy phát thanh Các tầng khuếch đại trung gian trong máy thu thanh, thu hình cũng là các bộ khuếch đại chọn lọc '
Các chỉ tiêu cơ bản đặt ra đối với một bộ khuếch đại chon lọc là độ khuếch đại, tinh chọn lọc về tần sô, tính ổn định, tạp âm, méo phi tuyến Ngoài những chỉ tiêu trên còn có thể đưa ra những yêu cầu khác, như yêu cầu về khả năng tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại để đảm bảo mức độ tin hiệu ra không đổi khi mức tin hiệu vào thay đổi, về khả năng tự động điều chỉnh tân số và tự điều chỉnh dải thông
5.1.2 Vấn đề chọn lọc tần số khuếch đại Dé dam bao tinh chon loc a)
—i [> | LocRIc >_ | LocRttl— về tân sô của bộ khuếch đại, có thể thực hiện mạch theo một trong ba dang sau (hinh 5.1) - Mắc xen kế một số mắt py lọc RLC với vai tang khuéch dai Lọc tập trung IS (lọc phân bô) - Mắc một mạch lọc gồm nhiều mắt lọc với một bộ khuếch 9 đại nhiều tầng (lọc tập trung)
: eae ` o—\ Khâu lọc RC —
- Ghép hối tiếp từ đầu ra , >
về đầu vào bộ khuếch đại thông
qua các khâu lọc RC (lọc tích cực Hình 5.1 Các dạng sơ đồ khuếch đại chọn lục
RC) a) bo khuếch đại chọn lọc phân bố; b) bộ khuếch đại chọn lọc tap
trung; c)bộ lọc tích cực RẺ
Trang 2Thường cố gắng mắc các phần tử chọn lọc ngay ở đầu vào bộ khuếch đại để tránh quá áp và tránh điều chế giao thoa
5.1.3 Vấn đề 6n định của bộ khuếch đại
Như đã xét trong chương 4, ở tần số cao, phải kể đến ảnh hưởng của hồi tiếp từ
đầu ra về đầu vào bộ khuếch đại (hông qua diện dung giữa cục của phần tử khuếch đại Đặc biệt trong bộ khuếch dại chọn lọc trở khóng tải rất lớn, do đó hệ số khuếch
đại của mạch rất lớn làm đăng điện óp hồi tiếp về đầu vào có thể 'dẫn đến hiện tượng tự kích của mạch
Biết rằng, hệ số khuếch đại của một bộ khuếch đại có hồi tiếp được xác định theo biểu thức (2.1) Theo đó, nếu
jl + KK,,| <1 _ (5.1)
thì mạch có hồi tiếp dương Từ (ð.1) suy ra điều kiện tự kích của mạch :
KK,, 2 1 , (5.2)
Vậy hệ số khuếch đại của mạch càng lớn thì mạch càng kém ổn định Từ điều kiện (5.2); theo [4], người ta đã chứng mỉnh được rằng : giới hạn của hệ số khuếch đại để
đâm bảo ổn định, có thể xác định theo điều kiện (5.3) :
K, = (0,45 + 0,63)\ Sl@C\; , _ (5.8)
trong đó K, - hệ số khuếch đại ổn định ; Š -hỗ dẫn của phần tử tích cực ; œ ~ tần số công tác ;
C;; - điện dung hồi tiếp từ đầu ra về đầu vào
Để mạch làm việc ổn định, hệ số khuếch đại K của nó phải luôn luôn nhỏ hơn hoặc tối đa là bằng hệ số khuếch đại ổn định K
Tan số làm uiệc càng cao, càng khó dạt dược hệ số khuếch dại lớn, nếu cần dảm bảo ổn dinh
Hạn chế hệ số khuếch đại không phải là một biện pháp tích cực, nhưng được áp dụng rộng rãi trong các bộ khuếch đại dùng đèn điện tử Với các tranzistor, dùng biện pháp này không cớ lợi, vì C¡; của tranzistor lớn, do đó K; nhỏ và hệ số khuếch đại K cũng buộc phải nhỏ
Một biện pháp tích cực để đâm bảo ổn định mà không làm giảm hệ số khuếch đại là biện pháp trung hòa Ò đây người ta dùng một mạch hồi tiếp bên ngoài để khử tác
dụng hồi tiếp bên trong Mạch đó được gọi là mạch trung hòa Mạch trung hòa là một
mạng bốn cực mắc từ đầu ra về đầu vào và song song với mạng bốn cực khuếch đại,
do đố dẫn nạp của một mạng bốn cực khuếch đại có trung hòa được xác định như sau :
Yj” = Yụ tợyyp - (5.4)
Yj" - dẫn nạp của phần tử khuếch đại có trung hòa ; Y¡ - dẫn nạp của mạng bốn cực khuếch đại ;
¡ — dẫn nạp của mạng bốn cực trung hòa
Khảo sát sơ đồ tương đương và các phương trình của nó, đã cho thấy chính Ÿ¡; gây ra hồi tiếp từ đầu ra về đầu vào, do đó mạch trung hòa có nhiệm vụ làm triệt tiêu
Tạ, sao cho : :
Trang 3Yị = Yp+ yp = 0 (5.5) Có thể minh họa hiện tượng hồi tiếp gây ra mất ổn định và quá trình trung hòa bởi sơ đồ trên hình ð.2 (so sánh với hình 4.6b) , Xbc I¢ Yep Uce 5) S # wr } \ +Ứcc qd)
Hình 5.2 Minh hoa vấn dé trung hòa trong các bộ khuếch đại chọn lọc
a) so dé tương đương cao tần của bộ khuếch đại ; b) sơ đồ tương đương của a) ;
c) biến áp ghép hồi tiếp ; đ) sơ đồ bộ khuếch đại dùng tranzistor có trung hòa
Trong sơ đồ hình ð.2a để đơn giản, ta bỏ qua điện trở mặt ghép bazo rạụ›, điều này về cơ bản không ảnh hưởng đến kết quả tính
Goi Yre Yoo Va Yee 1a dfn nạp giữa ba mặt ghép bazơ, emito va colecto (hinh 5.2b), theo định luật Ôm ta xác định được ;
Ty = YoeU ve + Yc re ~ Uc) = oe + Yoo) be ~ Yoo’ ce
Từ đó suy ra dẫn nạp hồi tiếp
Tị¿ = -Ÿẹc = — (= + joe.)
Pbc
Ta thấy rằng, mạng bốn cực hồi tiếp là một mạch di pha z và mang tính chất dung kháng Trong thực tế, mạch trung hòa được xây dựng thông qua một biến áp như hình 5.2c Dẫn nạp của cuộn dây được biểu diễn bởi Y,p Nếu coi biến áp là lý tưởng, ta có U, = -mU’, , theo dinh luat Om có thể viết :
Trang 4Vậy dẫn nạp Y„y gồm hai thành phần một tụ điện Cụ, = my
: một điện trở lạ = r2 song song với
Trong thực tế, điện trở Z2 là điện trở tương đương của cuộn dây biến áp và người
ta chỉ mắc thêm một tụ diện trung hòa Cy, vào mạch Biến áp dùng trong mạch trung hòa thực chất là biến áp ra của một bộ khuếch đại (hình 5.2d) Trên biến áp thứ cấp
có thêm một đầu ra phụ để mắc phần tử trung hòa Cụ + Uee _ ¬ # | F ! | _— 1 | 1, Uy 7” At 3 Ur a ]R ba | ° S — ———
Hình 5.3 Sở đồ bộ khuếch đại đối xứng tải cộng hưởng có mắc mạch trung hòa
Nơi chung, các bộ khuếch đại công suất cao tần, chế độ C thường được thực hiện
theo sơ đồ bazo chung trên hình 5.3 Vi bazo được nối đất về cao tần, nên nó đóng vai trò như một màn ngăn tính điện giữa colecto và emito, điều đó cho phép bộ khuếch đại làm việc ở tần số rất cao Nhờ mác tranzistor theo kiểu đẩy kéo mà có thể tăng công suất ra lên gấp đôi trong khi công suất kích thích không thay đổi O day tụ điện trung hòa Cụ, được mắc từ cuộn sơ cấp biến áp ra
về đầu vào Sơ đồ này có thể làm việc ổn định ở tần số rất cao 5.1.4 Một số sơ đồ khuếch đại chọn lọc dùng tranzistor lưỡng cực và tranzistor trường Trong thực tế, người ta đã sản xuất một, số vi mạch dùng làm mạch khuếch đại chọn»
loc Vi du vi mach MA3005 hoac M A3006 của Tiệp Khác cũ là các vỉ mạch được dùng phổ biến (hình 5.4) Loại này có thể làm việc
tới tần số 120MNH¿z Đây là một bộ khuếch
đại vi sai gồm 7T), T; nối với nguồn dòng T3
hệ số khuếch đại của nó được điều khiển bởi
Trang 5Cũng có thể mắc mạch trên thành sơ đồ Kaskode, rất thích hợp với bộ khuếch đại chọn lọc vỉ điện kháng hồi tiếp của sơ đồ Kaskode Y¡; ~= 0 Nếu nối các chân / và 7 của vỉ mạch nới trên với một
điện áp xoay chiều, để thay đổi hệ số khuếch đại của mạch, đồng thời đưa điện áp vào chân 3 và lấy điện áp ra ở chân 10 va 11, ta sẽ cố mạch Easkode
Nếu điện thế chân 7 và 7 bằng
nhau, thì dòng tinh qua T, va T7; có thể coi là bằng nhau, nếu điện thế của chúng chênh lệch nhau Ít nhất là 120 mV thì một trong hai tranzistor ngắt, tranzistor còn lại dẫn toàn bộ dòng của 7+ Như vậy sự thay đổi hệ số khuếch đại trong trường hợp này không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của 7 Cũng với vi mạch MA3005/MA3006 có thể xây dựng một bộ trộn tần bằng
cách đưa một tín hiệu vào cửa 3, tín hiệu còn lại hoặc vào cửa 7 hoặc vào cửa 1 I a) + T b) Gy otl2v 2 10pE # Lm 0 O.15 MH Â)
Hinh Đ.5 C4c b khuếch đại chọn Ioc ding Fet a) sơ đồ nguồn chung ; b) sơ đồ cửa chung ; c) sơ đồ Kaskode
dùng MISFET 4 cực (BF900)
Trên hình 5.5 là một số sơ đổ khuếch đại chọn lọc dùng Fei Các loại JFet (SFET)
Trang 6nguồn chung hoặc cửa chung Với sơ đồ cửa chung, lượng hồi tiếp rất nhỏ, do đó không
cần mạch trung hòa Tuy nhiên hỗ dẫn của Fet khó bé, nên hệ số khuếch dại của các
mạch dùng Fet cũng bé Đặc biệt loại MISFET' 4 cực có điện dung hồi tiếp giữa cực
máng D và cực cửa G¡ rất nhỏ, khoảng 0,025pF, nên cớ thể dùng cả ở khu vực siêu
cao tẩn
Trên hình ð.õc là một sơ đồ như vậy, loại Fe được dùng ở đây là BF900, có tần số làm việc ƒ = 200 MH¿ và hệ số khuếch đại K = 164 = 22,2 dB Để điều chỉnh hệ
số khuếch đại, người ta thay đổi diện áp một chiều dạt lên Gị và G¿; hoặc thay đổi điện áp từng cực riêng rẽ
Hình 5.6 biểu diễn sơ đồ mạch khuếch đại trung tần hình, nó là một phần của vỉ mạch
A240D Mạch có hệ số khuếch đại K ~ (60 +
70) dB, tần số giới hạn trên ~ 50 MHz (n6i
với bộ lọc có tần số trung tâm =~ 38MHz va
dải tần 7,6MHz), điện áp vào cực tiểu của mạch
là 190V, khả năng thay đổi hệ số khuếch đại : 62 dB Tầng ra của mạch gồm 7); Tịa mắc theo sơ đồ lặp - Darlington
Các tầng T+/T¿ và 7+/Tạ là các tầng khuếch
đại có hệ số khuếch đại thay đổi Nguyên lý
làm việc của các tầng đó được mỉnh họa trên Hình 5.7 Bộ khuếch đại vi sai có hệ
hình 5.7 Khi dòng điều khiển I, thay déi thi khuếch đại điểu khiển được theo ïđ
điểm làm việc của D; D„ thay đổi, do đó điện trở thông của đỉiot thay đổi làm cho mức hồi tiếp âm của bộ khuếch đại thay đổi và hệ số khuếch đại thay đổi theo Các bộ khuếch dai tai emito : T,/T>, T;/Tg va T,,/T\ dung dé ghép các tầng với nhau Nhờ đó có thể mở rộng dải tần công tác của bộ khuếch đại và giảm được ảnh hưởng của quá trình điều chỉnh hệ số khuếch đại đến các tham số của bộ khuếch đại Để định điểm làm việc, dùng hồi tiếp âm từ tầng ra đưa về tầng vào Đối với tín hiệu hữu ích, mạch hồi tiếp này được nối tắt qua điện dung mắc giữa chân 2 và chân lố
0 Ucc
5.2 Bộ khuếch đại dải rộng
5.2.1 Đặc điểm
Các bộ khuếch đại đồn số ¿hấp thường làm việc trong dải tần từ uời chục Hz dến Uời chục kHz Các bộ khuếch đại video làm việc trong dải tần rộng hơn, từ 0 Hz đến vài chục hoặc một trăm MHz Về nguyên tắc, có thể dùng các sơ đồ khuếch đại đã xét ở chương 4 để khuếch đại tín hiệu dải rộng Tuy nhiên, khi thiết kế phải chú ý dùng các biện pháp để nâng cao dải tần công tác của mạch
Bộ khuếch đại đđi rộng thường có diện trỏ tải khó nhỏ (nhỏ hơn 1kQ)Ố Điện trở này cùng với các tụ điện mắc song song với nó xác định tần số giới hạn trên của mạch Tần số giới bạn dưới của bộ khuếch đại phụ thuộc vào mạch ghép của nó với tầng trước
và được xác định bởi biểu thức (2.22c)
Trang 75.2.2 Các biện pháp mở rộng dải tần của bộ khuếch đại
Để mở rộng dải tần công tác của bộ khuếch đại cớ thể dùng nhiều biện phớp như dùng mạch hồi tiếp ôm (mục 2.4.6), dùng mạch Kaskode (mục 4.9), mốc mạch theo kiểu
bazo chung hoặc dùng cóc bộ khuếch dại oi sai có diện trỏ tải nhỏ Ngoài ra còn có
một số mạch đặc biệt khác Sau đây sẽ xét một số mạch như vậy _ 5.2.2.1 Cac biện pháp nhằm giảm tần số giới hạn dưới
Trén hinh 5.8 là sơ đồ một bộ khuếch đại áp dụng mạch bù nối tiếp nhằm giảm
tần số giới hạn dưới của bộ khuếch đại Trong mạch điện này, thành phần
tần số thấp bị phân áp qua tụ điện ghép
C¡ và điện trủ vào 8 ¡ sẽ được bù lại nhờ
mắc thêm mạch bù #C nối tiếp với điện
tré R’ cia mach Ỏ tấn số cao,điện trở
ra cia mach la R’, 6 tần số thấp phải kể , +Upp đến cả phần trở kháng do C (R << If{jwC)
tao nên Dể đâm bảo mạch bù làm việc Hình 5.8 Mạch khuếch đại dùng mạch bù nối tiếp
` để giảm tần số giới hạn dưới
Rys
hiệu quả trong dai tan công tác, mạch
phải thỏa mãn điều kiện (5.6) trong đó, #, là điện trở trong của phần tử khuếch đại ;
R,, điện trở vào tầng sau: |
1
|R’ + jo! << Ri Rys , : (5.6)
Với điều kiện (5.6), điện trở ra của mạch không phụ thuộc vào điện trở trong cũng như không phụ thuộc vào điện trở vào tầng sau Điều kiện (5.7) là điều kiện để dam
bảo bù hoàn toàn: cóc
Cũng có thể dùng mạch bù song song trên hình 5.9 để mở rộng dải tần công
tác của bộ khuếch đại về phía tần số thấp ca |
Do mác thêm phần mạch #C song song o— c
với điện trở ra #, nên ở tần số cao trở Ry
kháng ra của mạch giảm Với mach này, R R? điều kiện để bù hoàn hoàn cũng được xác _
định bởi biểu thức (5.7) Nguyên tắc bù † Upp của các mạch trên đây là dùng một mạch
lọc thông thấp (R’C) dé bù lại hiệu ứng Hình 5.9 Mạch khuếch đại dùng bù song song để
giảm tần số giới hạn dưới
của một mach loc théng cao (RC)
Dé -.giam tan s6 giéi han duéi, ngudi ta cdn ding mach khuéch đại có hiệu ứng
Bootstrap (hình 4.6c) Nhờ hiệu ứng Bootstrap trở kháng vào của mạch tăng, do đó tần số giới hạn được xác định theo biểu thức (2.22c) giảm ©
Ngồi ra, các vi mạch khuếch đại một chiều và các mạch khuếch đại ghép điện áp
Trang 85.2.2.2 Các biện pháp nhằm tăng số giới bạn trên
Ngoài biện pháp dùng hồi Hiếp âm, để nông cao tần số giới hợn trên (chương 2 và chương 3) và các cách mắc bazo chung, Kaskode, còn có thể dùng một số mạch
khác Hình ð.10 biểu diễn một số mạch như vậy
Có thể dùng điện cảm L để bù ảnh hưởng của Cp ở phạm vỉ cao tần như trên hình ð.l0a Lúc này L, Cy va R tao thanh một mạch cộng hưởng song song, tại tần số cộng hưởng, trở kháng của mach ¿ = q# ; q thường lấy giá trị từ 1/3 đến 1/2, lúc đơ L = qR2C (5.8) Một biện pháp khác thường được áp dụng là dùng mạch hồi tiếp âm phụ thuộc tần số như trên hình 5.10b Điện dung Cp mắc song song
với điện trở hồi tiếp RE cd tac
dụng nâng cao tần số giới hạn
trên của mạch Điều kiện bù được viết như sau : R,.R CyRp = R,+R Cy (5.9) | Dé tăng tần số giới hạn trên, người ta còn mắc mạch như trên hình 5.10c Tu Cy được chỉa thành 2 phần C¡ và C;¿ bởi một mạch đệm mắc
theo kiểu mạch lấp emito Vì oe
điện dung vào của tầng tải Hình 5.10 Các sơ đồ mình họa các biện pháp nhằm nâng cao emito hơn điện dung ra của tần số giỏi hạn trên
nó Ø lần, hơn nửa C¿ luôn
Trang 9Ngày nay, người ta đã sản xuất được các vi mạch khuếch đại dải rộng Vi mạch trên hình 5.4 cũng co thé ding để khuếch đại tín hiệu video Lúc đó phải thay thế mạch cộng hưởng bởi một tải diện trở có trở kháng thấp uà phải chọn nguồn tín hiệu có diện trỏ trong nhỏ
5.3 Tạp âm khuếch đại
Các bộ khuếch đại lý tưởng, có hệ số khuếch đại đủ lớn, có thể khuếch đại được
mọi tín hiệu dù tín hiệu đó yếu đến đâu Điều đố không đúng đối với các bộ khuếch đại thực, vì trong bộ khuếch đại thực, bên cạnh tín hiệu hữu Ích còn có tạp âm Tợp âm sẽ lấn út tin hiệu hữu ích có biên dộ nhỏ, hạn chế khả năng khuếch dại tín hiệu này
túc là làm giảm độ nhạy của bộ khuếch đợi Có hai loại tạp âm : tạp âm ngoài và tạp
âm nội bộ Tạp âm ngoài còn gọi là nhiễu, sinh ra do các trường điện (nhiễu do nguồn cung cấp, nhiễu công nghiệp) tạp âm nội bộ là những đột biến về điện áp và dòng điện xây ra trong các phần tử và các mạch điện 7œ chi quan tam dén tap âm nội bộ là loại tạp âm thuộc phạm u¡ có thể khống chế được Trong tạp âm nội bộ, ta phân biệt :
tạp âm nhiệt, tạp âm điện dẫn xáo động, tạp âm phân bố dòng điện và tạp âm bán
dẫn
VÌ đặc tính tỉnh của tạp âm không thay đổi theo thời gian, do đó có thể dùng trị trung bình theo thai gian dể biểu diễn dặc tính tỉnh của tạp âm ort
5.3.1 Điện áp phố tạp âm, dòng điện phổ tạp âm
Tạp âm trắng là tạp âm có mật độ phổ công suất dp/dƒ không phụ thuộc tần số
Ngược lại các loại tạp am khác, có mật độ phổ công suất phụ thuộc tần số
Trong nhiều trường hợp, người ta thường dùng điện úp phổ tap âm uà dòng diện phổ tạp âm dề tính toán cho dơn giản
Điện áp phổ tạp âm ø„„, dòng điện phổ tạp âm i,, là ứrị hiệu dụng của điện úp
tạp âm hoặc dòng diện tap âm trong dải tần có dộ rộng B = 1H¿ Có thể định nghĩa các tham số đó một cách chính xác hơn như sau :
Bình phương điện áp phổ tạp âm là vi phân bình phương trị hiệu dụng của điện áp tạp âm theo tần số, cũng có thể định nghĩa cho dòng điện phổ tạp âm tương tự như vậy Nghĩa là 2 £ , 2 _ ota hay U,, = \ ( 2a 5.10 ui, = df ay ta Địa f (5.10) t Hoặc ar’ \ Ie it, = T hay lạ = lá df (5.11) ft
trong đó u,,, i,, là điện áp và dòng điện phổ tạp âm có thứ nguyên VA Hz và AN Hz
U„Ð), Ta la tri hiéu dung cua dién 4p tap 4m va dong dién tap 4m trong
dai tan B = f.-f, - f„ ƒ là tần số cao nhất và thấp nhất của dải tần, tinh
theo Hz
Trang 108.3.2 Sơ đồ tương đương tạp âm của bộ khuếch đại
Trong một bộ khuếch đại nhiều tầng, có rất nhiều nguồn tạp âm Tơ coi như bộ khuếch dại không có tạp ôm dề tính toán, mắc ỏ đầu uào bộ khuếch dại một nguồn
diện áp tạp âm uờ một nguồn dòng diện tạp êm (hình 5.12) Bằng cách đó, có thể so sánh tạp âm với tín hiệu và tỉm được tỷ số tín hiệu/tạp âm một cách dễ dàng Khi ngón mạch đầu uùo bộ khuếch dại nguồn diện óp tạp âm Ủ,, tạo nên trên đầu ra một tạp âm bằng tạp âm bộ khuếch đại £h/c uề biên độ va pha Bộ Kb không co fop am , Vig 1 ! ra 7 3 ° — tot 7! 1 l 2 2 ta | | 4 oo e— L———— —+—© b)
Hình 5.12 Sơ đồ tương đương tạp âm của bộ khuếch đại
a) với đầu vào đối xứng ; b) với đầu vào không đối xứng
Tương tự như vậy, khi hở mạch đầu 0uào bộ khuếch đại, nguồn dòng điện tap am lạ, lạ; tạo nên trên đầu ra một tạp âm bằng tạp âm của bộ khuếch đại ¿c Ảnh hưởng của tạp âm (đến công tác của bộ khuếch đại) còn phụ thuộc uào điện trỏ trong của nguồn tín hiệu Lúc đó ngoài nguồn điện áp tạp âm Ủ,, còn thành phần tạp ôm do ha ớp của dòng l,, trên điện trở trong nguồn tin hiệu
Tạp âm của bộ khuếch đại nhiều tầng chủ yếu do tầng uào quyết dịnh Vì uậy khi điện trỏ trong của nguồn tín hiệu nhỏ (<< 50kQ) thi tầng vào nên dùng tranzistor
lưỡng cục, ngược lại nếu điện trỏ trong lớn thì dùng tranzistor trường 6 tang vao
5.3.3 Phân tích tạp âm
Như đã nơi ở trên, cố nhiều nguyên nhân gây ra tạp âm trong bộ khuếch đại Đại diện cho mỗi loại tạp âm là một nguồn tạp âm Ta giả thiết các nguồn tạp âm này độc lộp uới nhau Trong trường hợp này ta coi bình phương tạp êm ở dầu ra là tổng bình phương cóc tạp ôm đầu uào, vi công suốt tạp âm dầu rơ là tổng công suốt tạp ôm dau uờo Trong thực tế, ngay cả khi các nguồn tạp âm này không hoàn toàn độc lập, thỉ sai
số khi tính toán như vậy cũng rất nhỏ và có thể bỏ qua
Các bước phân tích tạp âm của một hệ thống tuyến tính có thế tóm tắt như sau : Bước 1 : Cho tất cả các nguồn tín hiệu và nguồn điện áp cung cấp bằng không Bước 3 : Vẽ sơ đồ tương đương xoay chiều
Trang 11i
Bước 4 : Tính điện áp phổ tạp âm u„„ ở đầu ra như sau :
~ Tính các tạp âm thành phần |¿¿„¡|, |Z4arz|, |⁄¿a;a| của các nguồn tạp âm khác
nhau theo biểu thức (5.12) ,
Uae = K(Putra (5.12)
trong dd, K(f) la ham truyền đạt của bộ khuếch đại
Rhi tính toán coi như nguồn tạp âm là một đại lượng hình sin - Lập tổng bỉnh phương các tạp âm thành ,„ ẩn, sẽ nhận được :
2 2
Hy = \Ị Wrarl | + | Urar2| + + | Urarn| (5.13)
Bước ð : Xác định trị hiệu dụng của điện áp tạp âm ra theo biểu thức (5.10) Bước 6 : Xác định điện áp phổ tạp âm tương đương ở đầu vào tương ứng với điện áp tạp âm tổng ở đầu ra theo thứ tự sau :
- Tính hàm truyền đạt của phần mạch mắc giữa nguồn tín hiệu vào và đầu ra - „¡a là thương của điện áp phổ tạp âm ở đầu ra u,,, và trị tuyệt đối của bàm truyền đạt
- Tri hiéu dung U,,,g của điện áp tạp âm vào tương đương tính được theo biể:
thiic (5.10) bang cach thay u”,,, bdi u2.4 va Ug, boi U* ag
Ví dụ : yêu cầu tính điện áp tạp âm vào tương đương của sơ đồ trên hình 5.13 Giả thiết rằng các điện áp phổ tạp âm u,,) va u,,2 cing nhu dong dién phé tap 4m i,, không phụ thuộc tần số (tạp âm trắng)
Bước 1 đến bước 3 : chuyển từ sơ đồ 5.13a sang sơ đồ 5.13b Bước 4 : Z Z iar = \ IKON { tin + “id | ga | te | gee |} (619 Bước 5 : fe Oar = fu2,, df ft 1 Rn Yp Un&
Hình 5.13 Tính điện áp tạp âm tương đương đầu vào a) mạch điện ; b) sơ đồ tương đương tạp âm của a)
Trang 12Bước 6 : Hàm truyền đạt giữa nguồn tín hiệu và đầu ra v 0.0, «4 K* = =F — — = U Kz +R, a - Yu?, tuệ, +i2R2 +u2,+i2R (5.15) Kiatd = | K* + 2 2 2 Da = J uinaf = Vw, + Ha + ize )Ức — fy) t trong do (f, - f,) la dai phổ tạp âm, tính được từ hàm truyền đạt của bộ khuếch đại K*(p
Ngoai ra khi tính tạp âm, còn phải lưu ý đến các quan hệ sau đây :
1) Điện áp tạp âm tổng của một mạch gồm n nguồn điện tạp âm độc lập mắc nối
tiếp là căn của tổng bình phương các điện áp tạp âm thành phần
_ 1 2 2
Urata ~ Una + Dụa + t + Dụn
Do đó
Các nguồn điện áp tạp âm có giá trị nhỏ hơn ft nhất là một phần ba giá trị của các nguồn điện áp tạp âm khác đều có thể bỏ qua, sai số phạm phải trong trường hợp này nhỏ hơn 5% 2) Tính trị số hiệu dụng của điện áp tạp âm với hệ số 6,6 là giá trị đỉnh của điện áp tạp âm 3) Điện áp tạp âm của một điện trở được xác định theo biểu thức (5.16) 40nV B (5.16) R Uw = ra Ý 100xQ
4) Dé giữ cho tạp âm ra của bộ khuếch đại nhỏ, chọn dải tần công tác của bộ khuếch đại nhỏ vừa đủ đối với tín hiệu hữu ích và nên chọn dùng các điện trở trị số
nhỏ và ít tạp âm
5.3.4 Dải tần của tạp âm, tỷ số tín hiệu trên tạp âm, hệ số tạp âm
1 Ddi tần tương dương tạp âm Bụa là dải tần của một bộ lọc thông dải ly tưởng
ma trị trung bình bình phương điện úp tạp ôm ỏ dầu ra của nó khi dột ỏ đầu 0uào một
nguồn điện úp tạp ôm trắng bằng trị trung bình của hệ thống thực
Định nghĩa trên đây cho thấy diện tích A; của hệ thống thực bằng diện tích A¡ của bộ lọc lý tưởng trên hình 5.14:
U" amaxBiad -J ur (pdf (5.17)
hoac KB = h roi df (5.18)
/=0
KŒ) - hệ số khuếch đại của hệ thống ;
Trang 132 Usg max 8 tg q)
Hình 5.14 Minh họa định nghĩa về dải tần tạp Am a) tương đương biêu thức (5.17) ; b) tướng ứng biêu thức (5.18)
2 Tỷ số tín hiệu trên tạp êm SJ/N Mục đích của việc nghiên cứu tạp âm là dé tim cách hạn chế nó ở mức độ nhỏ so với tín hiệu hữu Ích Để so sánh tạp Am với tín hiệu ' người ta dùng tỷ số S/N Tỷ số tín hiệu trên tạp âm dược xác định theo biểu thức (5.19)
S Pu Xh
N= P„ = xã (5.19)
Py, - công suất tín hiệu ; Pụ/ - công suất tạp âm ;
Xi, — tri hiéu dung cua tin hiéu (Uy, hoặc lạ) ; X,, — tri hiéu dung cau tap 4m (U,, hoac I,,)
Có thể tính toán tỷ số S/N của sơ đồ trên hình ð.13 như sau : S_ Uẩy |KÈÖ#U? Us Us N ˆ User ˆ IK*?Uãu ~ f ~ Utar Big "ru J w2, +2 + ZR af fi , 3 Hé sé tap am F Hé s6 tap 4m F 1a ty s6 S/N & dau vao véi tỷ số S/N ở đầu ra
= „(khi bản thân bộ khuếch đại không có tạp âm) (5.21)
Pin ~ Cong sudt tin hiéu vao ;
Pia — Cong sudt tap 4m vao ;
Pi, ~ Cong sudt tin hiéu ra ; Pụy — Công suất tạp âm ra ;
Trang 14Ky - Hệ số khuếch đại công suất
Hệ số tạp âm thường được tính theo dB :
F[dB] = 10logF
Hệ số tạp âm thường được dùng để so sánh tạp âm nhiều bộ khuếch đại với nhau
trong cùng những điều kiện như nhau Tuy nhiên, không phải khi nào hệ số tạp âm cực tiểu cũng là tốt, vì F giảm cá khi tạp âm đầu vào P,uv tăng Vấn đề mấu chốt vẫn là
phải tăng tỷ số S/N Si ,
5.3.5 Tạp âm trong bộ khuếch đại nhiều tầng
Khi có nhiều tầng khuếch đại mắc nối tiếp, thì tính chất tạp âm của cả bộ khuếch đại chủ yếu được quyết định bởi tính chất tạp âm của tầng đầu Ta sẽ chứng minh điều đó bằng cách tính tạp âm cho bộ khuếch đại gồm hai tầng khuếch đại trên hình 5.15,
Ta coi hai bộ khuếch đại
đều không có tạp âm Tạp âm nội của chúng được biểu diễn bởi hai nguồn tạp âm Đụ; và Pụ¿ ở đầu vào Trên hình 5.1 co P, là công suất tạp âm đưa
đến đầu vào các bộ khuếch
dai, con P,,,; va Py» là các
-_ công suất tạp âm sinh ra trong
hai tầng khuếch đại Pray Praga Hình 5.15 Tạp âm trong bộ khuếch đại nhiều tầng Ta có Pụn = (Py + PravKpu Pir = (Prari + Pụ¿) Kp2 Kpi, Xp¿ - hệ số khuếch đại công suất của hai tầng khuếch đại Cũng có thể viết
Prag = (Py + Pra + PualEp; = (P, + PrapKpiKp2 + Pra2Kp2 (5.22) Chia cả (5.22) cho tích hệ số khuếch đại công suất Kpifp; ta nhận được ;
P tar2 =P +P +—— P ta2 : (5.23) Ky Kp2 v tai Km
Hai thành phần cuối của vế phải biểu thức (5.23) biểu diễn công suất tạp âm nội
bộ xét đối với đầu vào của 2 tầng khuếch đại mắc nối tiếp trên hình 5.15 Từ đó ta
nhận thấy công suất tạp âm của bộ khuếch đại thứ hai giảm đi Km lần trong biểu thức tạp âm của toàn hệ thống Vậy tính chất tạp âm của bộ khuếch đại chủ yếu do tầng
đầu quyết định :