CHƯƠNG 5 MẠCH KHUẾCH đại tín HIỆU NHỎ

Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ CHƯƠNG 5: MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ I Giới thiệu: Cấu trúc bản, kí hiệu đặc tính transistor giới thiệu chương Phân cực cho transistor trình bày chi tiết chương Bây khảo sát đáp ứng tín hiệu ac mạch khuếch đại transistor tín hệiu nhỏ Một vấn đề quan tâm trình phân tích mạch transistor biên độ tín hiệu ngỏ vào ngỏ Trước tiên cần phải xác định biên độ tín hiệu vào lớn hay nhỏ để kỹ thuật áp dụng Không có ranh giới để phân chia ứng dụng biên độ thay đổi liên quan đến đặc tính linh kiện Trong chương trình bày phần phân tích biên độ tính hiệu vào nhỏ Một mô hình thường sử dụng phân tích ac tín h hiệu nhỏ mạch transistor là: mô hình thông số lai -h (hybrid) II Mô hình BJT: Chìa khóa để phân tích mô hình tín hiệu nhỏ dùng mạch tương đương – gọi mô hình Một mô hình tổ hợp phần tử lựa chọn cách hợp lí mà gần xác với linh kiện bán dẫn thật số điều kiện đặc biệt Mạng cửa: Một mạng cửa tuyến tính đưa mô hình tương đương mô hình π , T hay mô hình h theo tham số vi phân y, z hay h Ở ta khảo sát mô hình h theo tham số h Xét mô hình mạng hai cửa tuyến tính hình 5.1 Hình 5.1: Mạng hai cửa Trong ii, vi: dòng điện điện áp ngỏ vào mạng hai cửa iO, vO: dòng điện điện áp ngỏ mạng hai cửa Ta có phương trỉnh theo tham số vi phân h mạng hai cửa tuyến tính là: vi = h11ii + h12 vO iO = h21ii + h22 vO Từ phương trình 1.1 1.2 , ta có: v h11 = i vo =0 = hi điện trở ngỏ vào ngỏ bị ngắn mạch ii v h12 = i ii =0 = h f hệ số khuếch đại dòng điện ngỏ bị ngắn mạch vo i h21 = o vo =0 = ho điện dẫn ngỏ ngỏ vào bị hở mạch ii i h22 = o ii =0 = hr hệ số truyền ngược điện áp vo Từ phương trình 5.1 5.2, ta vẽ mô hình h theo tham số h hình 5.2 (5.1) (5.2) (5.3) (5.4) (5.5) (5.6) 85 Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ Hình 5.2: Mô hình h theo thông số h mạng hai cửa tuyến tính Mô hình tương đương transistor: Khi BJT làm việc với tín hiệu nhỏ, có nghĩa sở điện áp chiều phân cực cho hai chuyển tiếp JE JC (xác định điểm làm việc tĩnh Q) có thêm tín hiệu xoay chiều ngỏ vào có biên độ nhỏ để BJT khuếch đưa tín hiệu xoay chiều ngỏ có biện độ lớn Ở trạng thái (trạng thái động tín hiệu nhỏ), cách gần coi BJT phần tử tuyến tính Điều hoàn toàn cho phép, ta thấy đường đặc tuyến vôn-ampe BJT chương xem đường thằng tuyến tính trong vùng lân cận điểm làm việc BJT năm vùng khuếch đại Mặc dù BJT có nhiệu cách mắc khác (C E, CB, CC) tất xem mạng hai cửa, thay BJT trạng thái động tín hiệu nhỏ mạng hai cửa tuyến tính Khi dùng mô hình tương đương mạng hai cửa cho mô hình tương đương BJT với tham số vi phân thể biến thiên nhỏ dòng hay áp BJT hoạt động gọi tham số vi phân BJT Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn đại lương phụ thuộc không phụ thuộc thông qua tham số để biễu diễn khả hoạt động BJT Lưu ý: tham số vi phân h tham số xoay chiều chúng biểu cho độ dốc (hoặc nghịch đảo độ dốc) đặc tuyến tĩnh tĩnh tương ứng, chúng thay đổi theo điểm làm việc tương ứng Mạch điện hình 5.2 áp dụng linh kiện điện tử cực tuyến tính hệ thống nguồn độc lập bên Do transistor có cấu hình mạch điện tương có dạng hình 5.2 Hình 5.3: Mạch mắc transistor a Mạch CE: Cấu hình mạch tương đương transistor cực E chung hình 5.4, thông số thêm vào chữ e để phân biệt cấu hình mạh tương đương cực E chung Chú ý dòng vào i i = ib dòng io = ic Dòng ie = ib + ic , điện áp vào vbe điện áp vce Mạch CE hình 5.4a mô hình tương đương BJT mắc CE hình 5.4b 86 Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ Hình 5.4 a Mạch CE; b mô h?nh tương đương mạch CE Phương trình mạch CE: vbe = hie ib + hre vce ic = h fe ib + hoe vce (5.7) (5.8) Trong tham số vi phân CE v hie = be vce =0 ib v hre = be ib =0 v ce i h fe = c vce =0 ib i hoe = c ib =0 v ce b Mạch CB Cấu hình mạch tương đương transistor cực B chung hình 5.6, thông số thêm vào chữ b để phân biệt cấu hình mạh tương đương cực B chung Chú ý dòng vào i i = ie dòng io = ic Điện áp vào vi= Veb điện áp vo= vcb Mạch CB hình 5.5a mô hình tương đương BJT mắc CE hình 5.5b Hình 5.5: a Mạch CB; b Mô hình tương đương mạch CB Phương trình mạch CE: v eb = hib ie + hrb v cb ic = h fb ie + hob vcb (5.9) (5.10) Trong tham số vi phân CB v hib = eb vcb =0 ie 87 Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ hrb = h fb = v eb v cb ic ie i hob = c vcb ie = vcb = ie = c Mạch CC Mô hình mạch CC BJT sử dụng, nên đầy không xây dựng mô hình cho mạch CC BJT Phương trình mạch CC: vbc = hic ib + hrc v ec ie = h fc ib + hoc v ec (5.11) (5.12) Trong tham số vi phân CC v hic = bc vec =0 ib v hrc = bc ib =0 v ec i h fc = e vec =0 ib i hoc = c ib =0 v ec Xác định giá trị thông số BJT đồ thị hie Xét đường đặc tuyến ngỏ vào cố định VCE =VCEQ hình 5.6 Hình 5.6 Từ hình 5.6 ta có: 88 Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ ∆vbe ∂vbe V ≅β T (5.13) VCEQ = ∆ib ∂ib I EQ nhiệt độ phòng t = 25oC 26mV hie = β (5.14a) I EQ Đặt V 26mV re = T = I EQ I EQ Vậy hie = βre (5.14b) Chú ý chữ e điện trở re chọn để nhấn mạnh dòng điện dc cực E xác định giá trị điện trở mối nối JE hre Xét đường đặc tuyến ngỏ vào cố định IB = IBQ hịnh 5.7 hie = Hịnh 5.7 Từ hình 5.7 ta có: ∆v ∂v hre = be I BQ = be ≅ ∆v ce ∂v ce hfe Xét đường đặc tuyến ngỏ ra, cố định VCE =VCEQ hình 5.8 (5.15) 89 Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ Hình 5.9 Từ hình 5.9 ta có: ∆i ∂i h fe = c VCEQ = c ≅ β ∆ib ∂ib hoe Xét đường đặc tuyến ngỏ ra, cố định IB =IBQ hình 5.10 (5.16) Hình 5.10 Từ hình 5.10 ta có: ∆i ∂i hoe = c VCEQ = c → (5.17) ∆v ce ∂v ce Đối với cấu hình cực E chung giá trị thông số h r đại lượng tương đối nhỏ xem hr ≅ nên hrV0 = 0, kết ngắm mạch phần tử Đại lượng 1/h o thường có giá trị lớn nên bỏ qua so sánh với điện trở tải kết mô hình tương đương gần transistor cấu hình cực E chung hình 5.11 Hình 5.11: Mô hình tương đương gần BJT 90 Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ Bảng chuyển đổi thông số dạng mạch CE CB BJT: hie hib = ≅ re + h fe hrb = hie × hoe − hre ≅ + h fe h fb = − h fe + h fe (5.18) (5.19) = −α ≅ −1 (5.20) hoe →0 + h fe Sơ đồ tương đương gần BJT mắc CB hình 5.12 hob = (5.21) Hình 5.12 Các tiêu khuếch đại: Hình 5.13: Sơ đồ khối mạch khuếch đại Từ sơ đồ khối khuếch đại, ta có: Tổng trở vào Zi: Tổng trở vào Zi xác định định luật Ohm có phương trình: V Zi = i (5.22) Ii Tổng trở Zo: Tổng trở thường xác định đầu ngỏ hoàn toàn khác với tổng trở Sự khác là: tổng trở xác định đầu ngỏ nhìn vào hệ thống tín hiệu ngỏ vào Tổng trở xác định theo phương trình: V ZO = O (5.23) IO Độ lợi điện áp: Một đặc tính quan trọng mạch khuếch đại độ lợi điện áp, tỷ số điện áp ngỏ ngỏ vào: V AV = O (5.24) VI Đối với hệ thống hình 5-13, độ lợi áp tòan mạch là: 91 Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ Vo Zi = AV (5.25) Vs Z i + Rs Độ lợi dòng điện: Độ lợi dòng điện xác định phương trình: I Ai = O (5.26) II Đối với hệ thống hình 5-13 dòng điện ngỏ vào dòng điện ngỏ xác đình: V V I i = i I O = − O Zi RL Khi độ lợi dòng điện: Vo Io VZ Z RL Ai = = − = − o i = − AV i (5.27) Vi Ii Vi RL RL Zi Độ lợi công suất: P V I AP = O = o O = Av Ai (5.28) PI Vi I i Mối quan hệ pha: Mối quan hệ pha tín hiệu vào tín hiệu dạng sin quan trọng Đối với mạch khuếch đại transistor dãi tần trung bình cho phép bỏ qua ảnh hưởng phần tử dung kháng, tín hiệu vào tín hiệu pha ngược pha 180° tùy theo đặc tính mạch AVs = Các ví dụ Các mô hình giới thiệu sử dụng để thực việc phân tích ac số cấu hình mạch chuẩn dùng transistor a Mạch CE: Xét mạch điện hình 5.14 Hình 5.14 Mạch điện tương đương phân tích sau: giả sử tín hiệu vào ac xác định Do xét đến tín hiệu ac nên tất nguồn dc xem ngắn mạch chúng xác định điện áp dc ngỏ mà không xác định biên độ dao động ngỏ Mạch điện tương đương hình 5-16 Các tụ liên lạc ac xem nối tắt C C2 tụ bypass C3 chọn cho có tổng trở nhỏ tần số tín hiệu nối tắt điện trở RE Sơ đồ mạch hình 5-14 vẽ lại hình 5-15 92 Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ Hình 5.15: Mạch điện xét tín hiệu xoay chiều Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ mạch hình 5.15 hình 5.16 Hình 5.16: Mạch tương đương tín hiệu nhỏ Xác định thông số: tổng trở vào, tổng trở ra, hệ số khuếch đại điện áp, hệ số khuếch đại dòng điện: Tổng trở vào: Zi = RB // hie (5.29) Nếu điện trở RB lớn hie gấp 10 lần xem: Zi = hie (5.30) Tổng trở ra: xác định tín hiệu vào Vi = 0, suy Ii = Ib = nên xem hở mạch nguồn dòng kết tổng trở ra: Zo = RC (5.31) Hệ số khuếch đại điện áp: Điện áp ra: Vo = − I o RC Suy điện áp Vo: Vo = −h fe I b RC (5.32) Điện áp vào: Vi = I b hie Hệ số khuếch đại điện áp: h fe I b RC h fe RC V Av = o = − =− (5.33) Vi I b hie hie Hệ số khuếch đại dòng: dòng điện ngỏ xác định: I Z RB Ai = O = − AV i = h fe (5.34) Ii RC R B + hie Nếu hie [...]... số của mạch khuếch đại được khảo sát dưới dạng giản đồ Bode hình 5. 36 Hình 5. 35: Giản đổ Bode của đáp ứng ầtn số của mạch khuếch đại Xét mạch khuếch đại như hình 5. 36 Hình 5. 36 1 Phân tích mạch khuếch đại ở tần số thấp Xét ảnh hưởng của các tụ liên lảc C1, C2 và CE, ta có đáp ứng tần số của mạch trong hình 5. 37 102 Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ Hình 5. 37: đáp ứng tần số cuaa mạch khuếch đại trong... của mạch khuếch đại bao gồm nhiều tầng khuếch đại như hình 5. 42 Hình 5. 42: Sơ đồ khối của mạch khuếch đại Khi ghép các tầng khuếch đại với nhau, phải bảo đảm các yêu cầu sau: 104 Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ - Các tầng khuếch đại phải ở trạng thái khuếch đại - Công suất của các tầng phải ổn định - Phải phối hợp tương đồng các hệ số khuếch đại của các tầtng khuếch đại để bảo đảm tín hiệu. .. tương tương của mạch 5. 33 trong hình 5. 33b Hình 5. 33 Độ lợi áp: V Av = O = g m R D (5. 75) Vi Vậy mạch CG có thông số giống như mạch mắc CB của BJT: độ lợi áp lớn, tín hiệu vào và ra cùng pha 101 Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ IV Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại Đáp ứng tần số là đường biểu diễn giữa hệ số khuếch đại và tần số của tín hiệu Hình 5. 34: Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại f ∈ [ 0,... O Vi =0 = R D // rd IO Vậy mạch CS có thông số giống như mạch mắc CE của BJT: độ lợi áp lớn, tín hiệu lệch pha 1800, nhưng mạch dùng FET có điện trở ngõ vào lớn hơn nhiều (5. 67) (5. 68) (5. 69) (5. 70) vào và ra b Mạch CD Xét mạch khuếch đại mắc như hình 5. 31, sơ đồ mạch tương đương của mạch hình 5. 31 trong hình 5. 32 100 Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ Hình 5. 31 Hình 5. 32 Độ lợi áp: g mV gs ( RS... AiT = Ai1 × Ai2 = − AVT i RL Đáp ứng tần số của mạch: 3 Mạch khuếch đại ghép trực tiếp Mạch hình 5. 47 là dạng mạch khuếch đại ghép trực tiếp, trong đó các tầng khuếch đại được liên lạc trực tiếp với nhau Hình 5. 47: Mạch khuếch đại ghép trực tiếp Đáp ứng tần số của mạch: 108 Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ 4 Mạch khuếch đại ghép Darlington Hình 5. 48 là dạng hai transistor npn ghép darlington... rất quan trọng Đối với các mạch khuếch đại transistor ở dãi tần trung bình cho phép bỏ qua ảnh hưởng của các phần tử dung kháng, tín hiệu vào và tín hiệu ra có thể cùng pha hoặc ngược pha nhau 180° tùy theo đặc tính của mạch 4.Các ví dụ a Mạch CS Xét mạch như hình 5. 29a, và sơ đồ mạch tương đương của mạch 5. 29a trong hình 5. 5.29b 99 Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ Hình 5. 29 Độ lợi áp: g mV gs (... 2 IO Hệ số khuếch đại điện áp: AVT = AV1 × AV2 Trong đó h fe1 ( RC1 // Z i 2 ) AV1 = − hie1 với Z i 2 = R1 // R2 // hie 2 h fe 2 ( RC 2 // R L ) AV2 = − hie 2 Hệ số khuếch đại dòng điện: Z AiT = Ai1 × Ai2 = − AVT i RL Đáp ứng tần số của mạch ghép RC: 2 Mạch khuếch đại ghép biến áp Mạch khuếch đại ghép biến áp như hình 5. 45 106 Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ Hình 5. 45: Mạch khuếch đại ghép biến.. .Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ b Mạch CC Xét mạch khuếch đại mắc CC như hình 5. 20 Hình 5. 20 Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ của mạch hình 5. 20 trong hình 5. 21 Hình 5. 21: Mạch tương đương tín hiệu nhỏ Tổng trở vào Zi: Tổng trở vào Zi được xác định bởi định luật Ohm có phương trình: V Z i = i = RB \ \ Z b Ii Với: Z b = hie + (h fe + 1) RE (5. 39) Tổng trở ra Zo: Tổng... có thể xem như tương đương một transistor nhưng transistor tương đương có hệ số β = β1 × β 2 Hình 5. 48: Hai transistor ghép Darlington 5 Mạch khuếch đại ghép Cascode Hình 5. 49: Mạch khuếch đại ghép cascode 6 Mạch khuếch đại ghép vi sai 109 Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ Hình 5. 50: Mạch khuếch đại ghép vi sai 110 ... nguyên nhân này làm giảm độ lợi băng thông của toàn mạch so với từng tầng thành viên Ngoài ra còn gây nên sự lệch pha giữa tín hiệu vào và ra được đặc tưng bởi độ méo pha Khảo sát mạch khuếch đại ghép RC như hình 5. 43, ta có sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ của mạch như hình 5. 44: 1 05 Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ Hình 5. 44: Sơ đồ tương đương tín hiêu nhỏ Tổng trở ngõ vào: V Z i = i = Z ií = hie1 ... dụng để khuếch đại tín hiệu, độ lệch pha tín hiệu vào 1800 94 Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ b Mạch CC Xét mạch khuếch đại mắc CC hình 5. 20 Hình 5. 20 Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ mạch. .. 92 Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ Hình 5. 15: Mạch điện xét tín hiệu xoay chiều Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ mạch hình 5. 15 hình 5. 16 Hình 5. 16: Mạch tương đương tín hiệu nhỏ Xác định... Hình 5. 48: Hai transistor ghép Darlington Mạch khuếch đại ghép Cascode Hình 5. 49: Mạch khuếch đại ghép cascode Mạch khuếch đại ghép vi sai 109 Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ Hình 5. 50: Mạch