kỹ thuật mạch điện tử

kỹ thuật mạch điện tử tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận án, đồ án, bài tập lớn về tất cả các lĩnh vực kinh t...

HäC VIÖN Kü THuËT QU¢N Sù

Bé M¤N C¬ Së Kü THUËT V¤ TUYÕN - KHOA V« TUYÕn §IÖN Tö

Pgs ts tr−¬ng v¨n cËp (chñ biªn) Ths NguyÔn Duy chuyªn - ts trÇn h÷u vþ Ths LuyÖn quang minh - ts nguyÔn huy hoµng - ts T¹ chÝ hiÕu

Kü thuËt m¹ch ®iÖn tö

PhÇn mét

Hµ néi - 2008

3.3 Các mạch khuếch đại và tạo hàm phi tuyến dùng

khuếch đại thuật toánUT 132

Lời nói đầu

Bộ sách “Kỹ THUậT MạCH ĐIệN Tử” bao gồm hai phần đ−ợc dùng làm tài liệu giảng dạy môn học cùng tên sử dụng ở Học Viện Kỹ thuật Quân Sự Phần

I bao gồm các nội dung mở rộng dùng chung cho nhiều chuyên ngành có liên quan Phần II gồm các nội dung chuyên sâu, sử dụng riêng cho hai lĩnh vực với

đặc thù khác nhau của các chuyên ngành điện tử viễn thông và Rađa, Tên lửa, Tác chiến điện tử

Ngoài việc dùng làm tài liệu học tập và tham khảo cho các học viên chuyên ngành Vô tuyến điện tử, bộ sách cũng có thể dùng làm tài liệu tham khảo bổ ích cho các kỹ s−, cán bộ kỹ thuật của các ngành có liên quan đến kỹ thuật điện và

điện tử

Tham gia biên soạn bộ sách có các giảng viên thuộc Bộ môn cơ sở kỹ thuật vô tuyến - Khoa vô tuyến điện tử

Trong quá trình biên soạn chúng tôi đã nhận đ−ợc nhiều ý kiến đóng góp rất

bổ ích Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành về sự giúp đỡ quý báu đó Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nh−ng vì xuất bản lần đầu nên chắc chắn sẽ còn nhiều hạn chế và thiếu sót Chúng tôi rất mong nhận đ−ợc các ý kiến đóng góp quý báu gửi về Khoa VTĐT – Học Viện KTQS

10

Chương 1 Những khái niệm chung và các vấn đề cơ sở

của mạch điện tử

1.1 Khái niệm về mạch điện tử và nhiệm vụ của nó

Các mạch điện tử có nhiệm vụ gia công tín hiệu theo các thuật toán khác nhau Ví dụ: tín hiệu có thể được khuếch đại, điều chế, tách sóng, chỉnh lưu, nhớ,

đo, truyền đạt, điều khiển, biến dạng, tính toán…

Trên quan điểm kỹ thuật, người ta phân biệt hai loại tín hiệu: tín hiệu tương

tự và tín hiệu số Để gia công chúng, có hai loại mạch điện tử cơ bản tương ứng: Mạch tương tự và mạch số Trong thời gian gần đây, kỹ thuật xử lý tín hiệu số đã phát triển mạnh mẽ và đóng vai trò rất quan trọng trong việc gia công tín hiệu Tuy vậy mạch số cũng không thể thay thế hoàn toàn mạch tương tự vì trong thực

tế có nhiều thuật toán không thể thực hiện được bằng các mạch số hoặc nếu thực hiện bằng mạch tương tự thì tiện lợi hơn Ngay cả trong hệ thống số, cũng có nhiều phần tử chức năng tương tự ở một số khâu nào đó

Mạch số được nghiên cứu trong môn học kỹ thuật số, còn đối tượng của môn học kỹ thuật mạch điện tử chủ yếu chỉ nghiên cứu các mạch tương tự Trong thời gian gần đây, các mạch tổ hợp tương tự đã đóng vai trò rất quan trọng trong

kỹ thuật mạch điện tử Chúng không những đảm bảo tốt việc thoả mãn các chỉ tiêu kỹ thuật mà còn có độ tin cậy cao và giá thành hạ Trong đó, sự ra đời của bộ khuếch đại thuật toán đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong quá trình phát triển của kỹ thuật mạch điện tử Trước đây, để gia công tín hiệu theo nhiều thuật toán, đã có vô số các mạch chức năng khác nhau Ngày nay, có thể dùng một số lượng hạn chế các mạch chức năng dùng khuếch đại thuật toán để thực hiện nhiều thuật toán khác nhau nhờ mắc mạch hồi tiếp ngoài thích hợp

Xu hướng phát triển của kỹ thuật mạch tương tự là nâng cao độ tích hợp của mạch (giảm số chủng loại nhưng lại tăng khả năng sử dụng của từng chủng loại) Khi độ tích hợp tăng thì có thể chế tạo những hệ thống có chức năng ngày càng hoàn thiện hơn trên một chíp Tóm lại, có hai hướng phát triển của kỹ thuật mạch tương tự, đó là: Giảm nhỏ kích thước bên trong của mạch trong chế tạo và tăng tính phổ biến của mạch trong ứng dụng

1.2 Hồi tiếp trong bộ khuếch đại

1.2.1 Định nghĩa và phân loại:

Hồi tiếp là quá trình ghép một phần tín hiệu ra của mạng 4 cực tích cực về

đầu vào thông qua một mạng 4 cực khác gọi là mạng hồi tiếp (hình 1.1) Hồi tiếp

đóng vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật mạch tương tự Nó có khả năng làm thay đổi thuật toán khi gia công tín hiệu đồng thời cho phép cải thiện các tính chất của bộ khuếch đại

ht

K

Hình 1.1: Sơ đồ khối bộ khuếch đại có hồi tiếp

K: Khâu khuếch đại; KBhtB: khâu hồi tiếp; XBvB: tín hiệu vào; XBrB tín hiệu ra; XBhB : tín

hiệu hiệu (hoặc tổng); XBhtB: tín hiệu hồi tiếp

Có thể phân loại hồi tiếp theo một số căn cứ như sau:

a) Theo pha giữa X ht và X v ta có hai loại:

- Hồi tiếp âm: X ht ngược pha với X v Khi đó X hlà tín hiệu hiệu, nhỏ hơn

v

X và hệ số khuếch đại của mạch giảm

Hồi tiếp âm có thể cải thiện được các tính chất của bộ khuếch đại

b) Căn cứ vào tín hiệu hồi tiếp ta có hai loại hồi tiếp một chiều và hồi tiếp xoay chiều

- Hồi tiếp âm một chiều được dùng để ổn định chế độ công tác

- Hồi tiếp âm xoay chiều được dùng để ổn định các tham số của bộ khuếch

đại

c) Mạch điện của bộ khuếch đại có hồi tiếp được phân thành 4 loại:

- Hồi tiếp nối tiếp - điện áp: tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào nối tiếp với

nguồn tín hiệu ban đầu và tỷ lệ với điện áp ra

- Hồi tiếp song song - điện áp: Tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào song song với nguồn tín hiệu ban đầu và tỷ lệ với điện áp ra

- Hồi tiếp nối tiếp - dòng điện: tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào nối tiếp với

nguồn tín hiệu ban đầu và tỷ lệ với dòng điện ra

- Hồi tiếp song song - dòng điện: tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào song song

với nguồn tín hiệu ban đầu và tỷ lệ với dòng điện ra

1.2.2 Phương trình cơ bản của mạng bốn cực có hồi tiếp

Sơ đồ khối toàn phần của bộ khuếch đại có hồi tiếp chỉ ra trên hình 1.2

ht X

h X v X

r X K

ht K

n K n

X

Hình 1.2 Sơ đồ khối toàn phần của bộ khuếch đại có hồi tiếp

KBnB: Khâu ghép với nguồn tín hiệu

XBnB: tín hiệu nguồn đưa đến bộ khuếch đại

Giả thiết các khối đều là các hệ tuyến tính và tín hiệu chỉ chạy theo chiều mũi tên Từ sơ đồ hình 1.2 ta rút ra các quan hệ sau:

ht ht

h n

n

v X K X X K X X K

X = ; γ = ; = γ. và X h = X v ư X ht (ở chương này chủ yếu xét hồi tiếp âm) Từ các quan hệ này, ta có thể rút ra phương trình cơ bản của mạng bốn cực có hồi tiếp:

ht V

r KK

K X

X K

K K X

Như vậy có thể xảy ra hai trường hợp:

*g = 1 + KK ht < 1 khi đó theo (1.1) K′ > K , ta có hồi tiếp dương và hệ số

khuếch đại của mạch tăng so với khi không có hồi tiếp

r K X

X

K′ = ≈ 1 và:

ht

n n

r tp

K

K X

X

Trường hợp đặc biệt này được gọi là hồi tiếp âm sâu

Như vậy, trong một hệ thống khép kín với hồi tiếp âm sâu, khi hàm số truyền đạt vòng có giá trị rất lớn, thì hàm truyền đạt của nó hầu như không phụ thuộc vào các tính chất của bộ khuếch đại mà chỉ phụ thuộc vào tính chất của khâu hồi tiếp Sự thay đổi các tham số của phần tử tích cực và độ tạp tán của nó không ảnh hưởng tới các tính chất của bộ khuếch đại có hồi tiếp Vì vậy có thể lựa chọn khâu hồi tiếp một cách thích hợp để thay đổi thuật toán khi gia công tín

hiệu Đây chính là một ứng dụng rất quan trọng của hồi tiếp âm

1.2.3 Phương pháp phân tích bộ khuếch đại có hồi tiếp:

Để nhận biết được nguyên tắc làm việc của các mạch điện tử một cách thuận tiện và nhanh chóng, cũng như có thể dễ dàng chuyển tất cả các mạch có hồi tiếp về dạng “cấu trúc chuẩn” (thể hiện trên hình 1.2), trong mục này sẽ trình bày phương pháp phân tích khối (thường dùng trong kỹ thuật điều khiển) để phân tích bộ khuếch đại có hồi tiếp Lưu đồ thuật toán để thực hiện quá trình phân tích bao gồm 6 bước như chỉ ra ở bảng 1.1

* Bước 1: Xác định Xγ

- Chọn đại lượng ra là điện áp nếu mạch có hồi tiếp điện áp hoặc là dòng

điện nếu mạch có hồi tiếp dòng điện

Thường chọn X h cùng thứ nguyên với X n(không bắt buộc)

* Bước 3: Xây dựng hệ hai phương trình mô tả quá trình xử lý tín hiệu trong các khâu của bộ khuếch đại có hồi tiếp

Xγ = f1(X h) v à X h = f2(X n,Xγ)

Riêng phương trình f2 nếu áp dụng nguyên lý xếp chồng để xây dựng thì

có thể thực hiện đơn giản hơn

* Bước 4: Vẽ sơ đồ khối theo cấu trúc chuẩn (hình 1.2)

* Bước 5: Xác định các hệ số truyền đạt K,K ht,K n và độ sâu hồi tiếp

ht

KK

* Bước 6: Xác định các thông số cần thiết khác

Xét một ví dụ đơn giản để minh hoạ phương pháp phân tích đã xét Trên

hình 1.3a trình bày một bộ khuếch đại dùng tranzistor lưỡng cực mắc E chung, có

điện trở R E đóng vai trò hồi tiếp âm dòng điện; hình 1.3b là sơ đồ tương đương

của nó

1 + +

n be E

ht I

B

I

be r

B

I

β

C R

c) Cấu trúc chuẩn mô tả theo lưu đồ thuật toán

Bước 1: Chọn X r =I C vì mạch có hồi tiếp âm dòng điện

Bước 2: Chọn X n =U n vì mạch có hồi tiếp nối tiếp

Chọn X h = I B sẽ thuận lợi hơn cho việc phân tích

Bước 3: I C = βI B và

be E n

E C n B

r R R

R I U I

+ +

=

E be n

E ht

R r R

R K

C C n

r u

R

R U

R I U U

1.3 ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến các tính chất của

bộ khuếch đại

1.3.1 ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến độ ổn định của hệ số khuếch đại:

Trong thực tế, hệ số khuếch đại là một đại lượng phụ thuộc vào nhiệt độ, vào sự thay đổi của điện áp nguồn cung cấp, vào thời gian sử dụng cũng như vào

độ tạp tán của tranzistor Bằng tính toán sau đây ta có thể chứng minh rằng: Sử dụng hồi tiếp âm có thể khắc phục được các ảnh hưởng trên và đảm bảo hệ số khuếch đại ổn định hơn

Trước hết, lấy vi phân toàn phần hai vế biểu thức (1.2) và bỏ qua các thành phần vô cùng bé bậc cao, ta nhận được biểu thức:

KK

K dK

KK

K K

K dK KK

K dK

ht

n ht

ht n

n ht

) 1 (

ư +

K KK

KK K

K K

K

ht ht

ht ht

ht n

n tp

+ +

∆ +

Từ đó, kết hợp với biểu thức (1.3) suy ra: Hồi tiếp âm giữ cho quan hệ

Xγ

≈ hằng số) Đại lượng X ;γ X v có thể là điện áp

Hồi tiếp nối tiếp - điện áp Hệ số khuếch đại điện

áp U r U V

Khuếch đại điện áp

Hồi tiếp nối tiếp - dòng điện Điện dẫn truyền đạt

V

r U I

Biến đổi U →I

Hồi tiếp song song - điện áp Điện trở truyền đạt

V

r I U

1.3.2 ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến trở kháng vào

Hồi tiếp âm làm thay đổi trở kháng vào toàn phần của bộ khuếch đại Sự thay đổi này chỉ phụ thuộc vào phương pháp mắc mạch hồi tiếp về đầu vào (nối tiếp hoặc song song) Vì vậy ta chỉ cần phân biệt hai trường hợp như chỉ ra trên sơ

đồ tương đương đầu vào (Hình 1.4.)

a) Trở kháng vào của bộ khuếch đại có hồi tiếp âm nối tiếp (hình 1.4a)

Coi nội trở của sơ đồ tương đương điện áp của khâu hồi tiếp có giá trị khá nhỏ (với sai số có thể chấp nhận được): r rht <<r h, ta có thể tính trở kháng vào khi

có hồi tiếp âm:

V V

ht h

V

r ht h V

V

I

K K U

I

X K U I U

Z′ = ≈ + = (1+ . )= (1.6)

h

r

h U

K

ht K

Hình 1.4 Sơ đồ tương đương đầu vào bộ khuếch đại có hồi tiếp

a) Hồi tiếp nối tiếp; b) Hồi tiếp song song

b) Trở kháng vào của bộ khuếch đại có hồi tiếp âm song song ( hình 1.4b.)

Coi nội trở của sơ đồ tương đương dòng điện của khâu hồi tiếp có giá trị khá lớn: r rht >>r h, ta có thể tính được dẫn nạp vào toàn phần khi có hồi tiếp âm:

Z Z

1.3.3 ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến trở kháng ra:

Hồi tiếp âm cũng làm thay đổi trở kháng ra Ngược lại với trở kháng vào, sự thay đổi này chỉ phụ thuộc vào phương pháp mắc đầu ra của khâu khuếch đại với

đầu vào của khâu hồi tiếp (hồi tiếp điện áp hay hồi tiếp dòng điện) Như vậy, ta cũng chỉ cần phân biệt hai trường hợp như chỉ ra trên sơ đồ tương đương đầu ra (Hình 1.5.)

vht r

Hình 1.5 Sơ đồ tương đương đầu ra của bộ khuếch đại có hồi tiếp

a) Hồi tiếp điện áp; b) Hồi tiếp dòng điện

Để tính trở kháng ra, ta cần xác định các đại lượng: Điện áp ra hở mạch U rh

và dòng điện ra ngắn mạch I rng :

rng

rh r I

U

a) Trở kháng ra của bộ khuếch đại có hồi tiếp âm điện áp (hình 1.5a)

Ta có nhận xét: Khi ngắn mạch đầu ra 2 − 2 ′ ở sơ đồ hình 1.5a, sẽ không có

điện áp đưa về đầu vào khâu hồi tiếp - mạch hồi tiếp không có tác dụng và

h rng

r

KX r

KX

I = = và

ht

v vht

r

Vht h rh

KK

KX r

r

r KX U

+

≈ +

r I

U

ht

r rng

r h rng

r v r h rh

KK

KX r

r

r KX I

r KX r KX U

+

≈+

Như vậy, hồi tiếp âm điện áp làm giảm trở kháng ra của bộ khuếch đại g

lần, trong khi hồi tiếp âm dòng điện làm tăng trở kháng ra của bộ khuếch đại cũng bấy nhiêu lần

1.3.4 ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến dải động và méo phi tuyến của bộ khuếch đại

Khi không có hồi tiếp âm, toàn bộ tín hiệu X vđược đưa đến đầu vào bộ khuếch đại X h=X v; ngược lại, khi có hồi tiếp âm, chỉ có một phần tín hiệuX v

được đặt vào đầu vào bộ khuếch đại:

X h =X v ưK ht X r=X vưKK ht X h

Như vậy:

g

X KK

điện C1,C2) Do vậy căn cứ vào sơ đồ tương đương hình 1.6b, ta xác định được

hàm số truyền đạt phức:

1 ( ) ( )

f và f d được xác định ở các tần số, tại đó K u giảm 2 lần (3db) so với

giá trị K uo (giá trị cực đại) Khoảng tần số từ f d đến f t được gọi là dải thông (dải tần làm việc) của bộ khuếch đại

Như vậy, do tính chất tần số của các thành phần điện kháng trong mạch

điện, dẫn đến hệ số truyền đạt của bộ khuếch đại phụ thuộc vào tần số Hiện tượng đó gây méo dạng tín hiệu khi truyền qua bộ khuếch đại Loại méo này

được gọi là méo tuyến tính Trong đó méo do mođun hệ số khuếch đại gây ra gọi

là méo tần số, còn méo do sự lệch pha của tín hiệu khi truyền qua bộ khuếch đại gọi là méo pha Thông thường trong dải thông méo pha khá nhỏ và ít ảnh hưởng

Do vậy ta chỉ quan tâm tới đặc tuyến pha khi cần xác định tính ổn định của bộ khuếch đại

u K uo K

Hình 1.8 Dạng xung vào (a) và ra (b) của bộ khuếch đại dải rộng

Đặc tính động của bộ khuếch đại được đánh giá qua các tham số sau của xung ra:

- Thời gian xác lập t x

- Độ xụt đỉnh xung ∆A

- Thời gian trễ (trước và sau)t tr1;t tr2

Đặc tính tần số và đặc tính động có quan hệ chặt chẽ với nhau Thật vậy, giữa các tham số của đặc tính động đã nêu và các tham số của đặc tính tần số (f ; t f d) có mối liên quan ràng buộc

Giả thiết đưa vào đầu vào bộ khuếch đại hình 1.6 hàm đơn vị 1(t)

Từ biểu thức (1.12), ta xác định được hàm quá độ h ( P)

) 1

)(

1 (

1 ) ( ) (

d t

d uo P

P

PT PT

T K P

K h

+ +

Với bộ khuếch đại dải rộng T d >>T t.

* Khi xét quá trình quá độ để xác định t x, có thể coi t <<T d và biểu thức gần đúng của (1.17) có dạng:

( 1 / )

T t uo

h ≈ ư ư (1.18) Nếu coi t Xlà khoảng thời gian mà xung ra h (t) tăng từ giá trị h t=t1 = 0 , 1K uo

đến giá trị h t=t2 = 0 , 9K uo , thì:

) 1

2

35 , 0 2

2 , 2 2 , 2 ) 1 , 0 ln 9 , 0 (ln

t t t t

x

f f T T

t t

π Vì dải thông B= f tư f d ≈ f t(do f t >> f d)

Nên: t x.B≈ 0 , 35 (1.19)

Như vậy, thời gian t Xcủa quá trình quá độ của một bộ khuếch đại dải rộng

tỷ lệ nghịch với tần số giới hạn trên của bộ khuếch đại đó

* Để quan sát độ xụt đỉnh xung, ta xét đặc tính xung trong khoảng thời gian tương đối dài, vì quá trình xụt đỉnh diễn biến chậm Như vậy biểu thức (1.17) với

Như vậy, độ xụt đỉnh xung tỷ lệ thuận với tần số giới hạn dưới của bộ khuếch đại

1.3.5.2 ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến các đặc tính tần số và đặc tính

động

a) Trường hợp với bộ khuếch đại dải rộng

Trong trường hợp này, hàm số truyền đạt (1.12) có chứa 2 điểm cực: một

điểm cực ở tần số thấp P1= ư 1/T d và một điểm cực ở tần số cao P2= ư 1 /T t , với các tần số này cách khá xa nhau (f t >> f d) Đồ thị Bode của bộ khuếch đại đó

được biểu diễn bởi đường liền nét trên hình 1.9 (a: Đặc tuyến biên độ; b: Đặc

K PT K

Hình 1.9 Đồ thị Bode lý tưởng hoá của bộ khuếch đại dải rộng

( Không có hồi tiếp; -: có hồi tiếp)

Tức là hồi tiếp âm làm giảm tần số giới hạn dưới g lần

* ở tần số tương đối cao (f >> fd hay ωT d >> 1 )

Tức là, hồi tiếp âm làm tăng tần số giới hạn trên g lần

Từ (1.23) và (1.25) ta kết luận: hồi tiếp âm có tác dụng mở rộng dải thông của bộ khuếch đại Với khuếch đại dải rộng B= f tư f d ≈ f t thì dải thông tăng lên

g lần Tương ứng méo tần số và méo pha cũng giảm Tuy nhiên khi có hồi tiếp

âm, phải chấp nhận hệ số khuếch đại trong dải thông giảm

g

K K K

K

ht uo

ở đây f1 là tần số tại đó K u = 1(0 )db , gọi là tần số đơn vị

Nhận xét: Tích K uo B của một bộ khuếch đại không phụ thuộc vào độ sâu hồi tiếp, nó là một hằng số và bằng tần số đơn vị của bộ khuếch đại đó

Với quan hệ giữa đặc tính tần số và đặc tính động như chỉ ra ở trên, ta nhận thấy khi có hồi tiếp âm, thời gian xác lập t x và độ sụt đỉnh xung sẽ cùng giảm g

lần so với khi không có hồi tiếp

b) Trường hợp với bộ khuếch đại tổng quát

Ta xét trường hợp khi hàm số truyền đạt của bộ khuếch đại viết dưới dạng:

) 1

(

) 1

PT

K K

+ +

+

= (1.28)

Tức là có thể có n điểm cực 1

i i

P T

= ư với i= 1 , 2 , 3 ,n) Trường hợp này có ý nghĩa thực tế lớn, vì hầu như tất cả các bộ khuếch đại

đều có hàm số truyền đạt gần với dạng (1.28) Tiến hành đánh giá ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến các tính chất của bộ khuếch đại cũng được thực hiện theo phương

pháp đã nêu ở trên (xem [1]) Trong mục này ta không nghiên cứu chi tiết, chỉ nêu một vài nhận xét sau:

* Trường hợp hàm số(1.28) có hai điểm cực:

Khi tăng dần độ sâu hồi tiếp g , hệ số phẩm chất Q của bộ khuếch đại tăng, tương ứng hệ số suy giảm D= 1 / 2Q sẽ giảm, các điểm cực P1; P2 có thể chuyển từ giá trị thực thành giá trị phức, đặc tính xung có thời gian xác lập ngắn, nhưng thay vào đó có hiện tượng dao động (hình 1.10 và 1.11)

Hình1.10 Đồ thị Bode của Hình1.11 Đặc tuyến quá độ

hệ thống tuyến tính bậc 2 của hệ thống tuyến tính bậc 2

* Trường hợp nhiều điểm cực:

Với hệ thống tuyến tính bậc 2, các nghiệm của phương trình đặc trưng đều nằm bên trái mặt phẳng phức với mọi giá trị của D nên hệ thống luôn ổn định Tuy nhiên khi D nhỏ, mức an toàn của hệ thống không cao

Ngược lại ở các hệ thống tuyến tính bậc cao (n> 2 ), quỹ tích nghiệm của

ph-ương trình đặc trưng có thể cắt trục tung trong mặt phẳng phức làm cho hệ thống mất ổn định và cần phải sử dụng các biện pháp đảm bảo tính ổn định của hệ thống

1.4 ổn định chế độ công tác cho các tầng dùng tranzistor lưỡng cực

1.4.1 Đặt vấn đề:

Trong các tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ, điểm làm việc nằm trong miền tích cực của Tranzistor lưỡng cực (với các tầng khuếch đại tín hiệu lớn ta xét riêng trong

vào, trên các cực của Tranzistor có các dòng điện tĩnh : I C0;I B0;I E0 cũng như điện

áp một chiều giữa các cực: U BE0;U CE0 Điểm làm việc ứng với chế độ này gọi là

điểm làm việc tĩnh

Khi có tín hiệu vào thì các điện áp và dòng điện thay đổi xung quanh giá trị tĩnh Để đảm bảo cho các tầng làm việc bình thường trong các điều kiện khác nhau, ngoài việc cung cấp điện áp thích hợp cho các cực, còn cần phải ổn định

điểm làm việc tĩnh đã chọn Trong trường hợp ngược lại, khi điểm làm việc tĩnh không ổn định, chỉ tiêu chất lượng (độ méo, hệ số khuếch đại điện áp và dòng

điện, công suất ra ) của tầng sẽ bị giảm

Thực chất của vấn đề ổn định là làm cho điểm công tác tĩnh ít phụ thuộc vào độ tạp tán tham số của tranzistor, vào nhiệt độ, vào điện áp nguồn cung cấp

Cụ thể là áp dụng các phương pháp giữ cho dòng colectoI C0 không đổi

1.4.2 Hiện tượng trôi điểm làm việc:

Từ sơ đồ tương đương của tranzistor làm việc trong miền tích cực, ta nhận thấy đặc tính của tranzistor được đặc trưng chủ yếu bởi các tham số: Hệ số truyền

đạt dòng điện β hoặc α; Dòng điện ngượcI CB0(hoặc I CE0=βI CB0) và điện áp

BE

U Sự thay đổi các tham số này là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi điểm làm

việc tĩnh , tức là khi có sự thay đổi của nhiệt độ, điện áp nguồn, độ tạp tán của tranzistor và của các linh kiện khác thì sẽ dẫn tới hiện tượng trôi điểm làm việc tĩnh

Để đánh giá ảnh hưởng của các tham số đặc trưng đã nêu ở trên tới sự thay

đổi của dòng điện colecto I C, ta xác định lượng biến đổi ∆Ic qua biểu thức vi phân toàn phần:

∆Ι Ι

∂

Ι

∂ +

0 0

(1.29) Trong (1.29), các lượng biến đổi ∆U BE, ∆ΙCB0, ∆β gọi là các đại lượng trôi, còn các đạo hàm riêng

Hiện tượng trôi có tác hại nhất là trôi nhiệt

Bảng (1.3) cho ví dụ để minh hoạ hiện tượng này

Bảng (1.3): Sự phụ thuộc các tham số của tranzistor vào nhiệt độ

Qua bảng 1.3, ta có nhận xét: đối với tranzistor giecmani, sự phụ thuộc của

điểm làm việc vào nhiệt độ chủ yếu được quyết định bởi dòng điện ngược I CB0

Đối với tranzistor silic, dòng điện ngược tăng nhanh theo nhiệt độ, nhưng giá trị của dòng này khá nhỏ và có thể bỏ qua ảnh hưởng của nó Vì vậy, tranzistor silic thường được dùng ở nhiệt độ cao có khả năng ổn định hơn Khi đó cần quan tâm

đến ảnh hưởng của sự thay đổi điện áp U BE theo nhiệt độ

Để tính toán ảnh hưởng của điện áp trôi U BE ta dùng sơ đồ hình 1.12, trong

c

I

BE U

BEO

U E

Hình 1.12 a) Sơ đồ tương đương của tranzistor do trôi nhiệt ∆U BE ;

b) Sự thay đổi điểm làm việc do trôi nhiệt

ảnh hưởng của nhiệt độ đến chế độ công tác của tranzistor qua hình 1.12b,

có thể được giải thích như sau: muốn cho dòng I c ổn định, thì khi nhiệt độ thay

đổi một lượng ∆t0, U BE cũng phải thay đổi tương ứng theo biểu thức:

⎝ ⎠ (1.31)

Trong đó, I Eo là dòng emito khi ∆U BE=0

Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của điện áp trôi đến điện áp ra, ta dùng hệ

số khuếch đại điện áp trôi K tr, xác định theo biểu thức:

BE

CO tr

U

U K

∆

∆

= (1.32) Với ∆U CO là lượng biến đổi điện áp một chiều ở đầu ra

Hình 1.13

Cung cấp và ổn định điểm làm việc bằng hồi tiếp âm điện áp một chiều a) Mạch E chung; b) Mạch b chung; c) Sơ đồ tương đương

Trên các sơ đồ 1.13a và b, việc cung cấp thiên áp cho bazơ cũng được lấy từ

nguồn chung với mạch cung cấp điện áp một chiều cho colecto (U CC), tuy nhiên

điện trở R1 làm nhiệm vụ đưa thiên áp về bazơ được nối với colecto chứ không phải với nguồn cung cấp, để dẫn điện áp hồi tiếp về đầu vào

Nguyên tắc ổn định có thể được giải thích như sau: Khi dòng điện một chiều

CO

I tăng (hoặc giảm) do các nhân tố không ổn định gây ra, thì điện áp U CEO giảm (hoặc tăng), dẫn tới thiên áp U BEO giảm (hoặc tăng) theo và điều đó ngăn cản sự biến đổi của I CO Như vậy điểm làm việc tĩnh ổn định hơn

Sử dụng nguồn điện áp tương đương thay cho mạch cung cấp thiên áp một

chiều, ta có sơ đồ tương đương hình 1.13c Khi bỏ qua dòng điện ngược I CBO có giá trị khá nhỏ, ta tính được:

2 1 2 2

1

1 2 2

1

2

R I R I U R R

R R

R

R R I R R

R U

+

= +

ư +

R R

R R U

U I

C

BEo CC

- Chọn tranzistor có β lớn, sao cho:

βR c >>R1 và I co ít phụ thuộc vào β

R

R U

U K

U BEo =U CEo ưI Bo.R1 (1.35)

b) ổn định làm việc nhờ hồi tiếp âm dòng điện một chiều (Hình 1.14)

Điện trở R E mắc trên emito đóng vai trò phần tử hồi tiếp âm dòng điện

Nguyên tắc ổn định được giải thích như sau:

Khi I Co tăng (hoặc giảm) do hiện tượng trôi, thì điện áp hạ trên điện trở R E

)

.

(U Eo =I Eo R E tăng (hoặc giảm), dẫn tới thiên áp giữa bazơ và emito

) (U BEo =U Bo ưU Eo giảm (hoặc tăng) Điều đó ngăn cản sự thay đổi của dòng

colecto và như vậy điểm làm việc tĩnh ổn định hơn

Theo sơ đồ tương đương hình 1.14d, ta xác định được quan hệ:

BEo CC

n Bo Eo

R R

R U

R I I

+

= +

2 1

2 1

2 1

R R

R R

1 (1.37)

Hình 1.14 Cung cấp và ổn định điểm làm việc bằng hồi tiếp âm dòng điện một

chiều

a) Mạch E chung; b) Mạch B chung; c) Mạch C chung;

d) Sơ đồ tương đương một chiều của mạch E chung

Tương tự, theo (1.37), để mạch làm việc ổn định khi sử dụng hồi tiếp âm dòng điện một chiều, cần phải đảm bảo các điều kiện sau:

- Chọn điện trở hồi tiếp R Ecó giá trị đủ lớn, khi đó R E >>R n ( 1 +β) và I C ít phụ thuộc vào β

- Coi dòng điện dư I CBo đủ nhỏ thì chỉ có sự thay đổi của U BEo ảnh hưởng tới dòng I Co Ảnh hưởng này cũng nhỏ nếu ∆U BE nhỏ

Hệ số khuếch đại điện áp trôi được xác định theo biểu thức:

E

C BE

C Co BE

Co tr

R

R U

R I U

30 ữ Tuy nhiên, nhược điểm của các sơ đồ này là hệ số khuếch đại giảm

Để tránh hồi tiếp âm xoay chiều, thường mắc song song với R Emột tụ điện C E có

trị số điện dung lớn

1.4.4 Các sơ đồ ổn định phi tuyến:

Trong các sơ đồ này, người ta dùng phương pháp bù nhiệt nhờ các phần tử

có tham số phụ thuộc vào nhiệt độ để chống lại ngay hiện tượng trôi nhiệt Phương pháp này thường dùng trong các mạch tổ hợp và trong các tầng khuếch

đại công suất Các phần tử có tham số phụ thuộc vào nhiệt độ như điôt, tranzistor,

điện trở nhiệt dùng để ổn định điểm làm việc, được trình bày trên hình 1.15

Trên hình 1.15a, nếu điôt D và tranzistor T đều được chế tạo từ cùng một

loại bán dẫn như nhau và nếu nhiệt độ mặt ghép của chúng giống nhau, thì đặc tính nhiệt của U BE và U D có thể bù trừ lẫn nhau do chúng mắc ngược chiều nhau

Để điôt được phân cực thuận giống như mặt ghép B ưE của tranzistor, ta dùng thêm một nguồn phụ ưE Sơ đồ hình 1.15b cũng làm việc theo nguyên tắc tương

tự Tuy nhiên ở sơ đồ này còn ổn định được thiên áp cho transistor, do mạch phân

áp gồm R1; R2và một số điôt mắc nối tiếp được phân cực thuận Khi R2 <<R1 thì

điện áp đưa đến bazơ hầu như không phụ thuộc vào nguồn cung cấp U CC

Sơ đồ hình 1.15c dùng điện trở nhiệt có hệ số nhiệt độ âm để bù Khi nhiệt

độ tăng thì R tgiảm, do vậy điện áp U E tăng làm cho dòng I C có xu hướng giảm,

bù lại sự tăng của nó theo nhiệt độ Tương tự, có thể mắc R T(ư)song song với R2

hoặc một điện trở có có hệ số nhiệt độ đương R T(+) song song với R1

Hình 1.15 Các sơ đồ ổn định phi tuyến

a) Sơ đồ bù ∆U BE b) Sơ đồ bù ∆U BE và bù nguồn cung cấp; c) Sơ đồ bù dùng điện trở nhiệt

1.4.5 ổn định điểm làm việc trong các mạch tổ hợp tương tự

Trong các mạch tổ hợp tương tự, để ổn định điểm làm việc, thường dùng các nguồn dòng điện, vì phương pháp này dễ thực hiện dưới dạng mạch tổ hợp

Nguồn dòng điện dùng để ổn định điểm làm việc trong các mạch tổ hợp tương tự được trình bày trên hình 1.16

Giả thiết các tranzistor T1;T2 của sơ đồ hình 1.16a có tham số hoàn toàn

giống nhau và ở cùng nhiệt độ, khi đó vì U BE1=U BE2 nên I B1=I B2 và I C1=I C2; như vậy:

β 2

2 2 2

2 1 1

1

2

C B C B B C

I I

I I

I I I

a) Mạch đơn giản; b) Mạch dùng khi yêu cầu dòng I C2 nhỏ

Như vậy, có thể dùng I1 để điều khiển giá trị của dòng điện I C2 Để có được

1

I ổn định, cách đơn giản nhất là nối điểm P của mạch tổ hợp tương tự với nguồn

điện áp một chiều ổn định ( +U CC) qua điện trở R(I1 ≈U CC R do U BE khá nhỏ) Biểu thức (1.39) được áp dụng không những cho thành phần một chiều mà còn cho cả thành phần tín hiệu Khi yêu cầu cần có nguồn dòng bé thì yêu cầu R

cần có giá trị lớn (khi đó khó chế tạo vì nó chiếm thể tích lớn), ta chuyển sang sử

dụng sơ đồ hình 1.16b Lúc này, theo biểu thức gần đúng đối với đặc tuyến vào

của transistor ta có:

T

C E BE Ebh

T

BE Ebh

C

U

I R U I

U

U I

C

C

U

I R I

I I

2

1 2

1 ≈ = exp với U T ≈26mv là điện áp nhiệt

Như vậy, Nhờ mắc thêm điện trở hồi tiếp R E2 nên I C2<<I1 và sơ đồ hình

1.16b dùng để điều khiển một dòng colecto ổn định, có trị số nhỏ hơn trị số của

1

I nhiều

1.5 ổn định chế độ công tác cho các tầng dùng tranzistor hiệu ứng trường

1.5.1 Chế độ tĩnh

Về nguyên tắc, việc cung cấp và ổn định chế độ công tác đối với các tầng dùng tranzistor hiệu ứng trường cũng tương tự như đối với tranzistor lưỡng cực Trong trường hợp khuếch đại tín hiệu, FET làm việc trong miền thắt ở chế độ tĩnh , trên các cực của FET có các dòng tĩnh I Do,I Go,I So và giữa các cực có các

điện áp một chiều U GSo và U DSo Thực chất của vấn đề ổn định cũng là áp dụng các biện pháp giữ cho dòng điện máng I Do ít biến đổi theo nhiệt độ, theo thời gian, ít phụ thuộc vào độ tạp tán tham số của FET và sự biến đổi của nguồn cung cấp

So với tranzistor lưỡng cực, FET có ưu điểm đặc biệt là không yêu cầu dòng vào lớn (trở kháng vào cực lớn), do vậy nguồn tín hiệu chỉ cần công suất nhỏ, tức

là hệ số khuếch đại công suất của tầng dùng FET lớn Ngoài ra, điện dung ghép hồi tiếp nhỏ nên làm việc ổn định

Nhược điểm của FET là hỗ dẫn nhỏ và các tham số: U P(điện áp thắt) và

Hình 1.17 Cung cấp và ổn định cho các tầng dùng FET với hồi tiếp âm dòng

điện a) Mạch dùng JFET ; b) Mạch dùng MIS ưFET kênh có sẵn; c) Mạch dùng

FET MIS ư kênh chưa có sẵn

(Kênh có sẵn)( hình 1.17b), hoặc JFET (hình 1.17a), có thể bỏ R1 (R1=∞), lúc

đó điện áp cực cửa so với cực nguồn chính là mạch thiên áp tự cấp, với giá trị:

2

R R

R U

D R dU dI

tgα= − = 1 (1.42)

Nh− vậy, thiên áp và điện trở R S phải đ−ợc chọn sao cho dòng máng I D ít thay đổi khi thay FET , và điểm làm việc nằm trong đoạn thẳng của đặc tuyến truyền đạt

b) ổn định điểm làm việc dùng hồi tiếp âm điện áp (hình 1.19)

Hình 1.19 Cung cấp và ổn định cho các tầng dùng MOS-FET với hồi tiếp âm

điện áp

Thiên áp lấy từ cực máng qua bộ phân áp điện trở, để tránh hồi tiếp âm xoay chiều, mắc thêm tụ điện C′ có giá trị điện dung đủ lớn