CHƯƠNG 5 MẠCH KHUẾCH đại tín HIỆU NHỎ

Một mô hình thường được sử dụng trong phân tích ac tín h hiệu nhỏ của mạch transistor là: môhình thông số lai -h hybrid.. Mô hình của BJT: Chìa khóa để phân tích mô hình tín hiệu nhỏ là

Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

CHƯƠNG 5: MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ

I Giới thiệu:

Cấu trúc cơ bản, kí hiệu và các đặc tính của transistor đã được giới thiệu ở chương 3 Phân cựccho transistor đã trình bày chi tiết ở chương 4 Bây giờ sẽ khảo sát đáp ứng tín hiệu ac của mạchkhuếch đại transistor đối với tín hệiu nhỏ Một trong những vấn đề quan tâm trong quá trình phântích các mạch transistor là biên độ của tín hiệu ngỏ vào và ngỏ ra Trước tiên cần phải xác định biên

độ tín hiệu vào lớn hay nhỏ để kỹ thuật nào được áp dụng Không có một ranh giới nào để phân chianhưng trong các ứng dụng biên độ có thể thay đổi liên quan đến các đặc tính của linh kiện Trongchương này sẽ trình bày phần phân tích biên độ tính hiệu vào nhỏ

Một mô hình thường được sử dụng trong phân tích ac tín h hiệu nhỏ của mạch transistor là: môhình thông số lai -h (hybrid)

II Mô hình của BJT:

Chìa khóa để phân tích mô hình tín hiệu nhỏ là dùng mạch tương đương – còn gọi là mô hình.Một mô hình là một tổ hợp của các phần tử được lựa chọn một cách hợp lí mà nó gần chính xácvới linh kiện bán dẫn thật trong một số điều kiện đặc biệt

ii, vi: là dòng điện và điện áp ngỏ vào của mạng hai cửa

iO, vO: là dòng điện và điện áp ngỏ ra của mạng hai cửa

Ta có phương trỉnh theo tham số vi phân h của mạng hai cửa tuyến tính là:

O i

O i

Từ phương trình 1.1 và 1.2 , ta có:

i v i

i

i

i h

o =

21 là điện dẫn ngỏ ra khi ngỏ vào bị hở mạch (5.5)

r i o

v

i

h22 = i=0 = là hệ số truyền ngược về điện áp (5.6)

Từ phương trình 5.1 và 5.2, ta vẽ được mô hình h theo tham số h như hình 5.2

Hình 5.2: Mô hình h theo thông số h của mạng hai cửa tuyến tính.

2 Mô hình tương đương của transistor:

Khi BJT làm việc với tín hiệu nhỏ, có nghĩa là trên cơ sở điện áp một chiều phân cực cho haichuyển tiếp JE và JC (xác định điểm làm việc tĩnh Q) khi có thêm tín hiệu xoay chiều ở ngỏ vào cóbiên độ nhỏ để BJT khuếch đại để đưa tín hiệu xoay chiều này ở ngỏ ra nhưng có biện độ lớn hơn

Ở trạng thái đó (trạng thái động tín hiệu nhỏ), một cách gần đúng có thể coi BJT như một phần tửtuyến tính Điều này hoàn toàn cho phép, vì ta đã thấy trên các đường đặc tuyến vôn-ampe của BJT

ở chương 3 có thể xem là một đường thằng tuyến tính trong trong những vùng lân cận của điểm làmviệc của BJT năm trong vùng khuếch đại

Mặc dù BJT có nhiệu cách mắc khác nhau (CE, CB, CC) nhưng tất cả có thể xem là một mạng haicửa, vậy có thể thay BJT ở trạng thái động tín hiệu nhỏ bằng một mạng hai cửa tuyến tính Khi đó

có thể dùng mô hình tương đương của mạng hai cửa cho mô hình tương đương của BJT với cáctham số vi phân được thể hiện bằng sự biến thiên nhỏ của dòng hay áp khi BJT hoạt động được gọi

là tham số vi phân của BJT Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn đại lương phụ thuộc và không phụthuộc thông qua các tham số để biễu diễn khả năng hoạt động của BJT

Lưu ý: các tham số vi phân h chính là các tham số xoay chiều chúng biểu thì cho độ dốc (hoặcnghịch đảo độ dốc) của các đặc tuyến tĩnh tĩnh tương ứng, vì vậy chúng thay đổi theo điểm làm việctương ứng

Mạch điện hình 5.2 có thể áp dụng đối với bất kỳ linh kiện điện tử 3 cực tuyến tính hoặc các hệthống không có nguồn độc lập bên trong Do đó đối với transistor có 3 cấu hình cơ bản thì mạchđiện tương cũng có dạng như hình 5.2

Hình 5.3: Mạch mắc transistor.

a Mạch CE:

Cấu hình mạch tương đương của transistor cực E chung như hình 5.4, trong đó các thông sốđược thêm vào chữ e để phân biệt đây là cấu hình mạh tương đương cực E chung Chú ý dòng vào ii

= ib và dòng ra io = ic Dòng ie = ib + ic , điện áp vào là vbe và điện áp ra là vce

Mạch CE trong hình 5.4a và mô hình tương đương của BJT mắc CE như hình 5.4b

Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 5.4 a Mạch CE; b mô h?nh tương đương của mạch CE

Phương trình của mạch CE:

ce re b

ie

ce oe b

= ie và dòng ra io = ic Điện áp vào là vi= Veb và điện áp ra là vo= vcb

Mạch CB trong hình 5.5a và mô hình tương đương của BJT mắc CE như hình 5.5b

Hình 5.5: a Mạch CB; b Mô hình tương đương của mạch CB

Phương trình của mạch CE:

cb rb e

ib

cb ob e

ec oc b

Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

EQ

T b

be V

v i

T

e

I

mV I

Đối với cấu hình cực E chung thì giá trị của thông số hr là một đại lượng tương đối nhỏ có thểxem hr ≅ 0 nên hrV0 = 0, kết quả là ngắm mạch phần tử này Đại lượng 1/ho thường có giá trị rấtlớn nên có thể bỏ qua nếu so sánh với 1 điện trở tải kết quả mô hình tương đương gần đúng củatransistor cấu hình cực E chung như hình 5.11

Hình 5.11: Mô hình tương đương gần đúng của BJT

Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Bảng chuyển đổi thông số giữa các dạng mạch CE và CB cùng BJT:

e fe

h

h h

4 Các chỉ tiêu của bộ khuếch đại:

Hình 5.13: Sơ đồ khối của mạch khuếch đại.

Từ sơ đồ khối của bộ khuếch đại, ta có:

Tổng trở ra thường được xác định tại các đầu ngỏ ra nhưng hoàn toàn khác với tổng trở

Sự khác nhau đó là: tổng trở ra được xác định tại các đầu ngỏ ra nhìn vào hệ thống khi không cótín hiệu ở ngỏ vào

V s i

i s

o

R Z

Z V

i o

i i L o

V

Z V Z

V R V I

I

Độ lợi công suất:

i v i

O i

o I

O

I

I V

V P

P

Mối quan hệ về pha:

Mối quan hệ và pha của tín hiệu vào và tín hiệu ra dạng sin rất quan trọng Đối với các mạchkhuếch 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

Sơ đồ mạch hình 5-14 được vẽ lại như hình 5-15

Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 5.15: Mạch điện khi chỉ xét tín hiệu xoay chiều.

Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ của mạch hình 5.15 như hình 5.16

Hình 5.16: Mạch tương đương tín hiệu nhỏ.

Xác định các thông số: tổng trở vào, tổng trở ra, hệ số khuếch đại điện áp, hệ số khuếch đạidòng điện:

Tổng trở vào:

Zi = RB // hie (5.29) Nếu điện trở RB lớn hơn hie gấp 10 lần thì có thể xem:

b

C b fe i

o

v

h

R h h

I

R I h V

V

Hệ số khuếch đại dòng: dòng điện ngỏ ra được xác định:

ie B

B fe C

i V i

O

i

h R

R h R

Z A I

Hình 5-17.

Ảnh hưởng của điện trở r 0 ( hay 1/h oe ): nếu xét thêm điện trở r0 ( trường hợp nếu điện trở rokhông lớn hơn điện trở RC hơn 10 lần) thì trong mạch điện hình 5-16 mạch điện phần ngỏ ra códạng như hình 5-18

Hình 5-18.

Khi đó tổng trở ra Zo được xác định:

C O

v

h

r R h

Hệ số khuếch đại dòng điện:

Dòng điện ngõ ra:

C o

o b

fe

r I

B C o

o fe i

O

i

h R

R R r

r h I

I

A

++

=

Vậy mạch khuếch đại CE có độ lợi áp và độ lợi dòng lớn nên thường được sử dụng để khuếchđại tín hiệu, độ lệch pha giữa tín hiệu vào và ra là 1800

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 Z i :

Tổng trở vào Zi được xác định bởi định luật Ohm có phương trình:

b B i

Hình 5.22.

Vậy

e E fe

ie E V

1(

)1()

1(

)1(

≅+

+

+

=+

E fe b

fe E

b ie

b fe E

i

O

V

R h h

R h I

h R I h

I h R V

B

Z R

I = =(1+ )

b B

B fe i

b b

O i

O

i

Z R

R h

I

I I

I I

I

A

++

Ảnh hưởng r o : do cấu hình mạch này ro mắc song song với RE, vì vậy nó sẽ ảnh hưởng đối vớiđệin trở ngỏ vào và ra

Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 5.24

Tổng trở ngõ vào:

e E ib E i

C fb e

ib

C e fb i

O

V

r

R h

R h I

h

R I h V

=+

−

=

=

e E E

e E

ib E

e fb i

O

i

r R

R I

R

h R

I h I

III.Mô hình của FET

Cũng tương tự như BJT, để thực hiện việc phân tích ac của mạch dùng FET, cần phải xây dựng

mô hình tương đương của FET Có nhiều dạng mắc FET để nó hoạt động (CS, CD và CG) nhưngđều có thể coi tương đương một mạng hai cửa và khi nó hoạt động với tín hiệu nhỏ thì hoàn toàntoàn tương đương mạng hai cửa tuyến tính Vì vậy ta có thể áp dụng mô hình tương đương củamạng hai cửa tuyến tính để mô hình hóa FET

Hình 5.25: Mô hình tương đương của FET.

1 JFET

Trong đó thông số độ xuyên dẫn gm được định nghĩa

DSS

D mo P

GS mo

gs

d gs

d m

I

I g V

V g

v

i V

DSS mo

ds V

d

ds d

y i

v I

yos điện dẫn ngõ ra

Thường rd nằm trong khoảng 30÷100KΩ

Hình 5.27: xác định rd trên đặc tuyến ngõ ra.

gs

d gs

d

v

i V

Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 5.28 Xác định gm trên đặc tuyến truyền đạt

Các chỉ tiêu của bộ khuếch đại dùng FET:

Các mạch khuếch đại dùng FET chỉ có 3 thông số:

Tổng trở ra thường được xác định tại các đầu ngỏ ra nhưng hoàn toàn khác với tổng trở

Sự khác nhau đó là: tổng trở ra được xác định tại các đầu ngõ ra nhìn vào hệ thống khi không cótín hiệu ở ngõ vào

i s

o

R Z

Z V

Mối quan hệ về pha:

Mối quan hệ và pha của tín hiệu vào và tín hiệu ra dạng sin rất quan trọng Đối với các mạchkhuếch 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

Hình 5.29

Độ lợi áp:

)

\()

\(

d D m gs

d D gs m i

O

V

r R V g V

V

Nếu rd lớn hơn rất nhiều RD thì:

D m

Điện trở ngỏ vào:

G i

Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Độ lợi áp:

1)

\

\(1

)

\()

\

\(

)

\(

≅+

=+

=

=

d S m

d S m d

S gs m gs

d S gs m i

O

v

r R g

r R g r

R V g V

r R V g V

S m

v

R g

R g

Điện trở ngõ vào:

G i

O

O

O

g r R I

V

Vậy mạch CD có thông số giống như mạch mắc CC của BJT: độ lợi áp bằng 1, tín hiệu vào và

ra cùng pha, ứng dụng nó là mạch khuếch đại đệm

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, : Vùng tần số thấp của mạch khuếch đại

),

fL: tần số cắt dưới của mạch khuếch đại

fH: tần số cắt trên của mạch khuếch đại

Tần số cắt dưới bị ảnh hưởng bởi các tụ liên lạc và tụ bypass(CE) và tần số cắt trên bị ảnh hưởng bởi các tụ liên cực trong các chuyển tiếp pn của transistor

Thường đáp ứng tần 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

Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 5.37: đáp ứng tần số cuaa mạch khuếch đại trong vùng ầtn số thấp.

2 Phân tích mạch khuếch đại tại vùng tần số trung bình

Tại vùng tần số trung bình là vùng tần số tại đó các tụ liên lạc có giá trị trở kháng thấp nên xemnhư bị ngắn mạch (không ảnh hưởng) và các điện dung kí sinh có giá trị trở kháng cao (xem như hởmạch) Tại vùng tần số này ta đã xét đến hệ số khuếch đại của mạch ở phần II dối với BJT và III đốivới FET

3 Phân tích mạch khuếch đại tại vùng tần số cao

Xét ảnh hưởng của các tụ kí sinh hình 5.38

Hình 5.38: Xét ảnh hưởng của điện dung kí sinh trong transistor.

Mô hình tương đương của transistor ở tần số cao trong hình 5.39

Hình 5.39: Mô hình tương đương của BJT ở tần số cao.

Vậy sơ đồ tương đương của mạch ở tần số cao như hình 5.40

Hình 5.40: Sơ đồ mạch tương đương của mạch khuếch đại tại vùng tần số cao

Đáp ứng tần số của mạch tong hình 5.41

Hình 5.41: Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại.

V Các kiểu ghép tầng khuếch đại.

Các mạch điện tử thường bao gồm nhiều tầng khuếch đại ghép nối tiếp nhau để nâng hệ sốkhuếch đại của mạch hay để phối hợp trở kháng…mỗi một tầng khuếch đại có thể dùng một haynhiều transistor để thực hiện nhiệm vụ riêng Để ghép nối tiếp nhiều tầng khuếch đại có thểdùng một trong ba cách ghép như sau:

- Ghép bằng tụ liên lạc (ghép RC)

- Ghép biến áp

- Ghép trực tiếp

Sơ đồ khối 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:

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 ngỏ ra không bị méo

- Phối hợp các dãi thông của các tầng khuếch đại tương đương nhau

Các thông số của mạch khuếch đại ghép nhiều tầng khuếch đại:

Hệ số khuếch đại điện áp:

Hệ số khuếch đại dòng điện:

L

i V i

i i i

i

R

Z A A

A A A

A T = × × ×× n =− T

3 2 1

Tổng trở ngõ vào:

í

i i

1 Mạch khuếch đại ghép bằng tụ liên lạc (ghép RC)

Mạch khuếch đại ghép RC như hình 5.43

Hình 5.43: Mạch khuếch đại ghép RC.

Các tụ liên lạc có trị số tuỳ thuộc vào tần số của tín hiệu được khuếch đại trong mạch Đối vớitín hiệu âm tần thì tụ liên lạc thường có trị số từ 1µF đến 10µF, các tụ phân dòng hay tụ bypass(CE) có trị số phụ thuộc vào REthường từ 10µF đến 100µF đối với tín hiệu âm tần Dạng ghép này

có ưu điểm là cách ly dc giữa các tầng khuếch đại và khuyết điểm là do đặc tuyến tần số là tổnghợp các đặc tuyến tần số của từng tầng do đó nguyên nhân này làm giảm độ lợi băng thông của toànmạch so với từng tầng thành viên Ngoài ra còn gây nên sự lệch pha giữa tín hiệu vào và ra đượcđặc 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:

Hình 5.44: Sơ đồ tương đương tín hiêu nhỏ.

Tổng trở ngõ vào:

1

1// B

ie i i

V O

1

ie

i C fe

V

h

Z R h

A =−

với

2 2 1

V

h

R R h

A =−

Hệ số khuếch đại dòng điện:

L

i V i

i

i

R

Z A A

A

A T = 1× 2 =− T

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

Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 5.45: Mạch khuếch đại ghép biến áp.

Ưu điểm là dạng ghép này là cách ly dc rất tốt và ghép biến áp có hiệu quả hơn ghép RC do RC trong mạch ghép biến áp gần như bằng không dó đó hiệu suất của mạch được cải tiến

Khuyết điểm: là kích thước mạch lớn và đáp ứng tần số của mạch bị giảm do cảm kháng của cuộn dây, giá thành cao

Đặc điểm của máy biến áp:

Xét máy biến áp như hình 5.46

Hình 5.46.

a N

2 2

2 2 0

a

r Z I

V

O V

2 1 1

1

ie

ie O

fe

V

h

h a r h

A =−

2

2 2 2

2

ie

L O

fe

V

h

R a r h

A =−

Hệ số khuếch đại dòng điện:

L

i V i

i

i

R

Z A A

A

A T = 1× 2 =− T

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:

Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

4 Mạch khuếch đại ghép Darlington

Hình 5.48 là dạng hai transistor npn ghép darlington với nhau, khi đó có thể xem như tương đương

một transistor nhưng transistor tương đương có hệ số β =β1×β2

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.

Hình 5.50: Mạch khuếch đại ghép vi sai.