Giáo trình Kỹ thuật điện tử - chương 3

Giáo trình Kỹ thuật điện tử được biên soạn dựa theo nhiều tài liệu của những tác giả đã được xuất bản, cập nhật thông tin trên mạng sau đó chọn lọc, tổng hợp mà đặc biệt là bài giảng m

Chương - Mạch khếch đại Chương MẠCH KHUẾCH ĐẠI 4-1 CÁC CHỈ TIÊU CƠ BẢN CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI Khuếch đại, theo nghóa đen danh từ này, trình biến đổi đại lượng (dòng điện điện áp) từ biên độ nhỏ thành biên độ lớn mà không làm thay đổi dạng io ii Ở chương 2, khảo sát nguyên lý làm việc BJT (hoặc FET), ta có khái niệm tầng khuếch đại Nguồn tín hiệu vS đưa hai ngõ vào BJT (hoặc Rs FET) Nhờ vai trò hoạt động phần tử (chúng Vi Vo RL thường phân cực nguồn điện áp chiều E1, E2 EG, ED), hai ngõ nhận tín hiệu es khuếch đại Như vậy, cách tổng quát, hình dung tầng khuếch đại (hay tổng quát hơn: khuếch đại) mạng bốn cực với ngõ vào, ngõ hình Hình 4.1.1 Mạng bốn cực đại diện cho khuếch đại 4-1-1 Phần tử khuếch đại “nuôi” dòng điện điện áp nguồn chiều E1, E2 có nhiệm vụ “biến” tín hiệu vào vS biên độ nhỏ thành tín hiệu biên độ lớn Xét theo quan điểm lượng, trình khuếch đại thực chất trình điều khiển: tín hiệu vào vS khống chế nguồn lượng chiều E1, E2 (thông qua hoạt động BJT FET), bắt nguồn sản sinh nguồn điện điện áp (biến thiên theo quy luật tín hiệu vS với biên độ lớn hơn) đưa đến tải ngõ ra, để từ ta nhận tín hiệu với lượng lớn tín hiệu vào Tuỳ theo dạng tín hiệu cần khuếch đại mà người ta phân ra: khuếch đại (BKĐ) tín hiệu chiều (tổng quát hơn: tín hiệu biến thiên chậm), khuếch đại tín hiệu xoay chiều Loại thứ hai lại thường chia BKĐ tần số thấp (âm tần) BKĐ tần số cao Nếu dựa vào phạm vi tần số tín hiệu truyền qua (tức giải thông) thường phân biệt: BKĐ giải hẹp, BKĐ giải rộng Về BKĐ tín hiệu chiều, ta đề cập chương Chương chủ yếu xét BKĐ xoay chiều, đồng thời khuôn khổ hạn chế giáo trình, xét BKĐ tần số thấp thường gặp Để đơn giản, giả thiết tín hiệu cần khuếch đại có dạng hình sin đồng thời qua khuếch đại, tín hiệu lấy tải gần hình sin Trong điều kiện đó, đại lượng xoay chiều tín hiệu gây mạch, điện áp vào vi, dòng điện vào ii, điện áp vo, dòng điện io, v.v… đại lượng hình sin (hoặc gần hình sin) biểu thị số phức tương ứng Vi , I i , Vo , I o , v.v… Mỗi số phức có modul argument đại diện cho biên độ góc pha tín hiệu tương ứng (còn tần số quay quanh gốc toạ độ vector phức đại diện cho tần số góc tín hiệu) 1) Tỷ số điện áp vo điện áp vào vi, mà viết dạng phức: V Av = o (4-1-1) Vi Gọi hệ số khuếch đại điện áp khuếch đại (hoặc độ lợi áp) 60 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Mạch khếch đại 2) Tương tự, A i = Io Ii (4-1-2) hệ số khuếch đại dòng điện (hoặc độ lợi dòng) BKĐ P VI 3) Cũng vậy: AP = o = o o Pi Vi I i (4-1-3) hệ số khuếch đại công suất (hoặc độ lợi công suất) BKĐ Do Vi , I i , Vo , I o đại lượng phức (nói cách khác: điện áp dòng điện ngõ vào ngõ ra, số hàng có biên độ góc pha riêng mình) độ lợi nói biểu thị số phức Chẳng hạn độ lợi áp A v số phức, có modulo AV argument ϕ: (4-1-4) A v = A v exp( jϕ) 4) Khi tần số hiệu thay đổi, nói chung AV ϕ thay đổi Đồ thị nêu quan hệ thay đổi modulo AV theo tần số gọi đáp tuyến biên độ - tần số độ khuếch đại (gọi tắt: đáp ứng tần số) Đồ thị nêu quan hệ ϕ tần số gọi đáp tuyến pha - tần số (gọi tắt: đáp ứng pha) Dòng điện hình đáp ứng tần số đáp ứng pha thường gặp BKĐ h 4-1-2 a b Av(dB) ϕ π/2 Avf Avo lg f lg f 0 (a) (b) Hình 4.1.2 Đáp tuyến tần số (a) đáp tuyến pha (b) khuếch đại 5) Từ đáp ứng tần số cho thấy: tần số khác tín hiệu, khuếch đại có độ lợi khác Thông thường, phạm vi tần số thấp tần số cao, độ lợi giảm so với tần số trung bình Nếu gọi Avo giá trị độ lợi áp tần số trung bình, Avf độ lợi áp tần số f thì: A (4-1-5) M = VO A Vf gọi độ méo tần số (hoặc sái dạng tần số) tần số f 6) Độ méo tần số modulo độ lợi định nghóa xác định tỷ số hai đại lượng đơn vị, thứ nguyên Trên thực tế chúng biểu thị theo đơn vị déciBel (viết tắt: dB) Ví dụ độ lợi áp tính theo dB xác định sau: AV [dB] = 20 lg AV (4-16) Bài giảng Kỹ thuật điện tử 61 Chương - Mạch khếch đại Bảng 4-1 minh hoạ số giá trị thường gặp: A AV [dB] 10 20 100 40 1000 60 0,1 -20 Như khuếch đại tầng, tầng có độ lợi áp AV1 = 100, AV2 = 10 toàn mạch có độ lợi tổng là: AV = AV1 AV2 = 1000 hay AV = 40 dB + 20 dB = 60 dB Nếu AV1 = 100, AV2 = 0,1 thì: AV = 100 0,1 = 10 hay AV = 40 dB – 20 dB = 20 dB 7) Đối với BKĐ lý tưởng (hoàn toàn trung thực), ký hiệu vào hình sin (ví dụ tần số ω) tín hiệu lấy hình sin tần số ω Các BKĐ thực tế khó lòng bảo đảm cách tuyệt đối quan hệ tuyến tính này, nghóa tín hiệu qua khuếch đại không hoàn toàn hình sin Hiện tượng gọi sái dạng phi tuyến (hoặc méo phi tuyến) Như giới thiệu ch 1, tín hiệu ngõ không hoàn toàn hình sin coi tổng vô số thành phần hình sin, có tần số ω, 2ω, 3ω, …, nω biên độ tương ứng V1m, V2m, V3m, …, Vnm (khai triển Fourier) Mức độ sai dạng thể việc xuất thêm thành phần bậc 2, bậc 3, bậc 4, v.v… (bên cạnh sóng tần số ω) Cho nên, để đặc trưng cho tượng méo phi tuyến, người ta dùng tỷ số: γ= V22m + V32m + + Vnm × 100% V1m (2-1-7) γ gọi độ méo phi tuyến Sở dó có tượng méo dạng khuếch đại có chứa phần tử phi tuyến (tức phân tử mà quan hệ điện áp dòng điện ngõ vào ngõ chúng hàm bậc nhất) Ví dụ BJT, FET có đặc tuyến đường cong 8) Độ lợi BKĐ không phụ thuộc tần số mà phụ thuộc vào biên độ (hoặc cường độ) tín hiệu vào Đồ thị quan hệ biên độ điện áp biên độ điện áp vào BKĐ (lấy tần số cố định tín hiệu) gọi đặc tuyến Vo biên độ BKĐ Dạng điển hình đặc tuyến h 4-1B Trong phạm vi AB, đặc tuyến gần tuyến tính, thể hệ số AV gần không đổi Trong vùng bên phải điểm B, tham số khuếch đại α, β BJT (hoặc gm FET) bị giảm tín hiệu lớn nên độ lợi áp tầng khuếch đại giảm, khiến biến áp tăng chậm theo điện áp vào tiến tới bão hoà Còn vùng bên trái điểm A, tín hiệu ký sinh (gọi chung nhiễu) chèn ép, lấn át tín hiệu hữu ích A Vimin Bài giảng Kỹ thuật điện tử Vimax Hình 4.1.1 Đặc tuyến biên độ khuếch đại 4-2 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MỘT TẦNG KHUẾCH ĐẠI 62 lg f Chương - Mạch khếch đại 4-2-1 Điểm làm việc tónh đường tải chiều Hãy xét tầng khuếch đại đơn giản, chẳng hạn tầng khuếch đại dùng BJT mắc emitter chung (E.C) hình 4-2-1 Sơ đồ ngõ có điện trở RC làm kiêm nhiệm vụ tải dòng chiều tải tín hiệu xoay chiều Tầng khuếch đại sau gọi tầng khuếch đại tải trở Như biết từ chương 2, để BJT có khả khuếch đại tín hiệu, chuyển tiếp JE phải phân cực thuận, chuyển tiếp JC phải phân cực nghiïch Ở mạch này, nguồn E1 điện trở RB tạo điện áp chiều đề làm cho chuyển tiếp JE phân cực thuận mức định, nghóa làm cho dòng IB điện áp VBE mạch vào có giá trị xác định IBQ, VBEQ Trên đặc tuyến vào BJT (hình 4-2-2), gặp giá trị IBQ, VBEQ toạ độ điểm Q, gọi điểm làm việc tónh ngõ vào BJT (gọi tắt: điểm tónh) Tương tự, nguồn E2 điện trở EC tạo điểm áp chiều làm phân cực nghịch chuyển tiếp JC, khiến cho dòng IC điện áp VCE ngõ có giá trị xác định: ICQ, VCEQ Trên đặc tuyến BJT (hình 4-2-3), cặp giá trị ICQ, VCEQ xác định điểm Q, gọi điểm làm việc tónh ngõ ICQ C1 RS RB es E1 IBQ B C E VBEQ IB RC VCEQ IE E1 A RB IBQ VCE =VCEQ (1) Q E2 γ VBEQ VBE E1 B Hình 4.2.1 Tầng khuếch đại đơn giản Hình 4.2.2 Đặc tuyến vào đường tải mạch vào Như vậy, với transistor cho, nguồn E1, E2 điện trở phân cực RB, RC định giá trị tức thời dòng điện điện áp BJT, nói cách khác: chúng định vị trí điểm làm việc tónh BJT đặc tuyến Ta tìm giá trị tức thời nói dòng áp nhờ phương pháp đồâ thị Thật vậy, mạch vào, dòng IB áp VBE liên hệ với theo đặc tuyến vào tónh BJT (h 4-2-2, đường số 1) Mặt khác chúng phải tuân thủ định luật Ohm mạch đó: E1 = IBRB + VBE hay IB = VBE E1 + RB RB (4-2-1) Đồ thị hàm (dạng y = ax + b) đường thẳng AB h 4-2-2 (cắt trục hoành E1, cắt trục tung E1/RB) Bài giảng Kỹ thuật điện tử 63 Chương - Mạch khếch đại Giao điểm hai đồ thị nói thoả mãn đồng thời hai quan hệ nên xác định giá trị tức thời dòng áp mạch (IBQ, VBEQ) Đó điểm làm việc tónh Q ngõ vào định nghóa AB gọi đường tải chiều mạch vào IC Cũng vậy, mạch ra, dòng IC áp VCE có quan hệ với theo đặc tuyến E2 M IB2 BJT (hình 4-2-3, đường số 1, ứng với dòng IB = RC (2) IBQ) Mặt khác chúng phải thoả mãn định luật Q2 IB = IBQ Ohm mạch này: IBQ Q E2 = ICRC + VCE IB3 (1) E Q3 hay (4-2-2) IC = − VCE + θ V (3) RC RC BE E2 N VBEQ Đường biểu diễn hàm đường −1 thẳng MN, có độ dốc tgθ = cắt trục hoành Hình 4.2.3 Đặc tuyến đường tải mạch RC E hoành độ E2, cắt trục tung tung độ (hình 4-2-3) có tên đường tải chiều Rc mạch Giao điểm hai đồ thị điểm làm việc tónh ngõ ra, có toạ độ dòng áp tức thời ICQ, VCEQ Tóm lại tầng khuếch đại xét (h 4-2-1), cặp giá trị dòng IB áp VBE (hoặc IC VCE) thoả mãn định luật Ohm mạch vào (hoặc mạch ra) Giao điểm đường tải chiều với đặc tuyến tónh tương ứng BJT điểm làm việc tónh mà toạ độ giá trị dòng áp tức thời mạch Ta nhận xét rằng: đường tải AB mạch vào có độ dốc là: tgγ = − RB (4-2-3a) Đường tải MN mạch có độ dốc: tgθ = − RC (4-2-3b) Như cách tổng quát, độ dốc đường tải chiều có giá trị tuyệt đối nghịch đảo điện trở tải tương ứng Điều hoàn toàn dựa sở định luật Ohm Cuối cần lưu ý rằng: Mạch phân cực dùng hai nguồn E1, E2 điện trở RB, RC h 4-2-1 ví dụ đơn giản Trên thực tế, BJT làm việc với nhiều dạng mạch khác Các mạch thường tiết kiệm bớt nguồn, đảm bảo điện áp phân cực cần thiết cho hai chuyển tiếp JE, JC, ta xét tới 4-3-2 sau 4-2-2 Trạng thái động - Đồ thị thời gian Trạng thái làm việc BJT (hoặc FET) có tín hiệu xoay chiều đưa đến ngõ vào (và xuất điện áp xoay chiều dòng điện xoay chiều ngõ ra) gọi trạng thái động Như giới thiệu chương 2, lúc tín hiệu xoay chiều vS xếp chồng lên điện áp phân cực vốn có trạng 64 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Mạch khếch đại thái tónh, làm cho dòng áp mạch vào mạch bị tăng giảm theo tín hiệu Trên hình 4-2-4 minh hoạ đồ thị thời gian dòng trạng thái tónh hình (4-2-5) dòng tương ứng trạng thái động vS hình sin Vs Vs Trạng thái tónh Trạng thái động Vs = t t 0 IBQ iB IBQ t iB t iC iC = βiC+ICEO ICQ ICQ t t 0 Hình 4.2.4 Các dòng điện trạng thái tónh Hình 4.2.5 Đồ thị thời gian dòng điện trạng thái động Ta thấy dòng điện tức thời trạng thái động coi tổng đại số hai thành phần: Thành phần chiều (ứng với trạng thái tónh) thành phần xoay chiều tín hiệu vS gây (xem minh hoạ trường hợp dòng collector hình 4-2-6) IC iC~ iC ICQ t (a) t (b) t (c) iC(t) = ICQ + iC~ Hình 4.2.6 Các thành phần dòng điện tức thời Để vẽ nên dạng sóng dòng điện iB, iC h 4-25, ta dựa vào nguyên lý hoạt động BJT dựa theo định luật Ohm Đồ thị thời gian điện áp suy luận tương tự Chẳng hạn mạch ra: vCE(t) = E2 – iC(t) RC (4-2-4) Do đó, từ dạng sóng iC(t) h 4-2-5c ta vẽ dạng sóng vCE(t) h 4-2-7a Cũng trên, coi điện áp vCE(t) tổng hai thành phần: thành phần chiều VCEQ thành phần xoay chiều vCE VCE(t) = VCEQ + vCE~ Như hình minh hoạ h 4-2-7b c Bài giảng Kỹ thuật điện tử 65 Chương - Mạch khếch đại vCE = E2-iCRC VCE VCE~ VCEm VCEQ t (a) t (b) t Hình 4.2.7 Các thành phần điện áp tức thời vCE (c) 4-2-3 Đường tải xoay chiều (còn gọi: đường tải động) Hãy trở lại hình 4-2-3 trạng thái tónh Như nếu, đường tải MN đồ thị hàm (4-2-2), phản ánh định luận Ohm mạch Nếu dòng chiều ngõ vào IBQ (đặc tuyến số 1) giao điểm đặc tuyến với đường MN xác định nên điểm làm việc tónh Q Khi điện áp phân cực thay đổi (ví dụ E1 RB thay đổi), dòng chiều ngõ vào trở thành IB2 IB3, v.v… (đặc tuyến số số 3, v.v…) điểm làm việc tónh tương ứng giao điểm Q2 Q3, v.v… vậy, đường tải MN tập hợp tất vị trí điểm làm việc tónh Nói cách khác điểm đường tải chiều MN xác định cặp giá trị tương ứng dòng IC điện áp VCE Đối với trạng thái động, ta có khái niệm tương tự Khi có nguồn tín hiệu xoay chiều vS tác động, cặp giá trị tương ứng dòng áp tức thời IC(t), cCE(t) ngõ xác định nên đặc tuyến việc làm việc động Khi biên độ vS thay đổi, điểm làm việc động xê dịch Nó đồ thị thể định luật Ohm loại lượng IC(t) vCE(t) mạch Gọi R~ điện trở tải tín hiệu xoay chiều maïch ra: v R ~ = CE ~ i C~ (4-2-6) iC vCE thành phần xoay chiều dòng áp mạch (xem hình 4-2-6c 4-2-7c) Dựa vào nhận xét đường tải chiều (hệ thức 4-2-3) Cũng dựa sở định luận Ohm, ta suy ra: độ dốc đường tải xoay chiều phải là: (4-2-7) tgδ = R~ δ góc mà đường tải xoay chiều làm với trục hoành VCE Mặt khác, coi trạng thái tónh trường hợp riêng (ứng với biên độ vS không) trạng thái động Khi biên độ vS thay đổi, điểm làm việc động di chuyển đường tải xoay chiều Khi biên độ vS không, điểm làm việc động trở trùng với điểm làm việc tónh Điều chứng tỏ điểm làm việc tónh điểm đặc biệt đường tải xoay chiều, nằm nằm đường tải xoay chiều Như vậy, đường tải chiều lẫn xoay chiều chứa điểm làm việc tónh, hay nói cách khác: điểm làm việc tónh Q giao điểm hai đường tải Từ nhận xét ta suy ra: đường tải xoay chiều đường thẳng qua điểm làm việc tónh Q có độ dốc xác định (4-2-7) Khái niệm đường tải xoay chiều vai trò quan trọng Nó giúp ta phân tích hoạt động tầng khuếch đại rõ ràng, xác minh hoạ cách lựa chọn tải, lựa chọn biên độ biên độ tín hiệu vào, tín hiệu cho phát huy tất vai trò phần tử khuếch đại 66 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Mạch khếch đại Dưới giới thiệu đường tải xoay chiều mạch vài trường hợp cụ thể: 1) Trường hợp tầng khuếch đại tải điện trở (hình 4-2-1) Ở mạch này, điện trở RC vừa tải dòng chiều, vừa tải tín hiệu xoay chiều: R= = R~ = RC Vì đường tải chiều MN mạch (hình 4-2-3) trùng với đường tải xoay chiều mạch Độ dốc đường tải: tgθ = − −1 = R~ RC 2) Trường hợp tầng khuếch đại có tải phép qua tụ điện (còn gọi: tải C-R) (h 4-2-8) Mạch khác mạch h 4-2-1 chỗ có thêm tụ C2 nối tiếp với tải RL ngõ Tụ C2 ngăn dòng chiều ICQ chạy qua tải RL, thành phần xoay chiều iC điện dung C2 lớn (nghóa trở kháng quay chiều tụ nhỏ) dòng quay chiều coi ngắn mạch qua tụ (Vai trò tụ C1 tương tự: C1 ngắn mạch dòng xoay chiều tín hiệu VS truyền vào cực base, đồng thời ngăn cản dòng chiều IBQ chạy ngược qua nguồn VS Do tác dụng C1, C2 gọi tụ ghép tầng tụ phân đường) iC C1 RS RB es E1 iB B C E2 RC RC VCEQ E VBEQ C2 iE RL ICQ IC C A IB =IBEQ Q E2 δ Hình 4.2.8 Tầng khuếch đại có tải ghép qua tụ VCEQ θ V CE D E2 B Hình 4.2.9 Đường tải chiều xoay chiều Như tải dòng chiều ngõ R= = RC Đường tải chiều đường thẳng AB hình 42-9 đường cách trục hoành hoành độ E2 có độ dốc là: tgθ = −1 RC (4-2-9) Đối với tín hiệu xoay chiều, tụ C2 ngắn mạch Nguồn E2 có nội trợ không đáng kể Vì dễ dàng suy điện trở tải tín hiệu xoay chiều ngõ là: R ~ = (R C // R L ) = R CR L RC + RL (4-2-10) Đường tải xoay chiều đường thẳng CD qua Q có độ dốc: tg∂ = −1 R C + R L = R~ R CR L (4-2-11) (xem h 4-2-9) Do trị số R~ nhỏ điện trở chiều RC góc δ nhỏ góc θ, nghóa chân D đường tải xoay chiều nằm phía bên trái điểm B Bài giảng Kỹ thuật điện tử 67 Chương - Mạch khếch đại Hoành độ điểm D tìm cách áp dụng định lý Thévenin thay phận mạch hai điểm C-M hình 4-2-8 (hoặc vẽ lại h 4-2-10a) mạch tương đương gồm RT ET hình 4.2.10b đó: VCEQ C RC B + C2 C R~ B I1 RT VCE RL ET E2 M M (b) (a) Hình 4.2.10 Thay phần mạch tầng khuếch đại mạch tương đương Thevenil RT = (RC // RL) = R (4-2-12) Còn ET điện áp hai điểm C-M nhánh colector hở mạch Để đơn giản, giả thiết tụ C2 lớn, điện áp chiều hai cực coi không đổi điện áp tónh VCEQ Lúc tính được: ET = E2 – I1RC = E2 Theo h 4-2-10b, ta coù: hay E − VCEQ RC + RL (4-2-13) RC vCE(t) = ET - iC(t)R~ IC(t) = E −1 v CE ( t ) + T R~ R~ (4-2-14) Đây biểu thức đường tải xoay chiều CD Rõ ràng đường cắt trục hoành hoành độ ET [xác định theo (4-2-13)], qua Q có độ dốc –1 / R~ vs Trên trường hợp điện trở tải xoay chiều R~ nhỏ điện trở tải chiều R= Trong kỹ thuật, ta gặp trường hợp ngược lại, ví dụ tầng khuếch đại ghép biến áp, có R~ > R= ta kết hợp đến vấn đề 4-7 Đối với tầng khuếch đại dùng JFET MOSFET, khái niệm điểm làm việc, đường tải v.v… hoàn toàn tương tự i IB2 B IB1 Hình 4-2-11 4-2-11 minh hoạ ứng dụng quan trọng đường tải xoay chiều: vẽ dạng sóng dòng áp ngõ dạng sóng ngõ vào vS(t) (xét cho tầng khuếch đại E.C ôû h 4-2-8) 68 t IBQ IB3 IB4 t t1 t2 t3 t4 Hình 4.2.11 Từ dạng sóng tín hiệu vào suy dạng sóng dòng iB Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Mạch khếch đại Thật vậy, từ đồ thị vS(t), ta có dạng sóng iB(t) h 4-2-11: thời điểm to = 0, t1, t2, t3, t4, iB có giá trị IBQ, IB1, IB2, IB3, IB4 Giả sử giá trị xác định được, đồng thời có họ đặc tuyến BJT ứng với giá trị IB (h 4-2-12a) Trên hình này, AB đường tải chiều, CD đường tải xoay chiều Giao điểm đường tải xoay chiều với đặc tuyến ứng với giá trị IB nói theo ký tự ký hiệu Q, E, F, G, H ta dựa vào toạ độ điểm để vẽ dạng sóng IC(t) vaø vCE(t) IC IB2 C iC IB1 F E ICQ ICQ IBQ Q IB3 G H t t1 t2 t3 t4 (b) IB4 D VCEQ VCE ET E2 VCE (a) t1 t2 t3 t4 (c) t Hình 4.2.12 Ứng dụng đường tải xoay chiều để vẽ dạng sóng dòng iC điện áp vCE Như biết, trạng thái tónh, iB = IBQ mạch BJT làm việc điểm tónh đường thẳng song song với trục thời gian t (vẽ nét đứt h 4-2-12b c) Ở trạng thái động, tác dụng vS t1, t2, t3, t4, ib lấy giá trị IBQ, IB1, IB2, IB3, IB4 điểm làm việc ngõ E, F, G, H (h 4-2-12a) Toạ độ điểm xác định giá trị IC vCE tương ứng, từ điểm E, F, G, H chiếu lên hai trục, ta xây dựng đồ thị iC(t) (h 4-2-12b) vCE(t) (h 4-2-12c) Rõ ràng Ib(t) thay đổi theo quy luật hình sin, chọn vị trí điểm tónh Q đường tải quay chiều CD thích hợp (thường chọn Q nằm điểm đường AB đường CD để khuếch đại méo phi tuyến, đồng thời có biên độ tín hiệu xoay chiều ngõ đủ lớn), dạng dòng áp ngõ tầng khuếch đại gần hình sin (Với tầng khuếch đại kiểu E.C, hình 4-2-12c cho thấy: điện áp vCE ngược pha với tín hiệu vào vS) Bài giảng Kỹ thuật điện tử 69 Chương - Mạch khếch đại Khi R4 >> Ri2 thì: R L2 R i1 AV ≈ hfE1 hfE2 (4-6-11) Trong RL2 tải tầng Q2, Ri1 điện trở vào tầng Q1 Bài tập 4-14 Cho khuếch đại tần số thấp (f = 1000 Hz), hai tầng ghép trực tiếp h 4-6-13 VCC = 12V Q1 có β1 = 50, làm việc với IC1 = mA, VCE1 = 4V Q2 coù β2 = 40, IC2 = 1,5 mA, VCE2 = 4V tải R8 = 5K Hãy xác định điện trở mạch tính độ lợi áp khuếch đại R4 C1 R5 C4 Q2 Q1 R1 Vi R3 R2 + Vcc C2 Ip R7 R6 R8 Vo C3 Hình 4.6.13 Giải Xuất phát từ yêu cầu ổn định điểm làm việc; chọn điện cực emitter Q1 (so với đất) VE1 = 1V Giả sử Q1, Q2 có VBE = 0,7V đó: VB1 = VÉ1+ VBE1 = + 0,7 = 1,7V VC1 = VE1 + VCE1 = + = 5V VE2 = VB2 - VBE2 = 5v – 0,7v = 4,3V VC2 = VE2 + VCE2 = 4,3 + = 8,3V R5 = VCC − VC 12 − 8,3 = ≈ 2,5kΩ I C2 1,5 Giả thiết dòng IP qua R1 nhỏ so với dòng IÈ2(bỏ qua tác dụng rẻ dòng R1) thì: E6 + R7 ≈ VE VE 4,3 ≈ = = 2,86KΩ I E2 I C 1,5 Tụ C3 ngắn mạch điện áp xoay chiều R6, R7 có tác dụng hồi tiếp tín hiệu xoay chiều Chọn R7 = 60Ω (R7 lớn, tác dụng hồi tiếp âm mạnh, tính độ ổn định Bài giảng Kỹ thuật điện tử 111 Chương - Mạch khếch đại điểm làm việc, độ méo phi tuyến v.v…càng cải thiện, độ lợi áp giảm) Do R6 ≈ 2,8 KΩ Điện áp hạ R6: VR6 = IE2 R6 = 1,5 2,8 = 4,2V Doøng IB1= I C1 1mA = 0,02mA β1 50 Để đảm bảo Q1 làm việc ổn định, thường chọn dòng qua R1, R2 IP = (5 ÷ 10)IB1 chẳng hạn chọn IP = 0,2 mA R2 = VB1 V 1,7 ≈ B1 = = 8,5kΩ I P − I B1 IP 0,2 R1 = VR − VB1 4,2 − 1,7 = = 12,5kΩ IP 0,2 R3 = VE1 1v = = 1kΩ I E1 1mA Nếu coi dòng IB2 > hiE Do tính điện trở vào theo công thức : Ri ≈ hfE kết AV = -hfE R~ R~ R 1,6 ≈ = −26 ) Áp dụng cho hình 4-6-14: AV2 = - ~ = − Ri RE R7 0,06 Sơ đồ tương đương tầng Q1 nhö h 4-6-15 B1 C1 IB V i R1 R2 hfE1IB hiE1 R4 Ri2 E1 R~1 Hình 4.6.15 Mạch tương đương tầng Q1 Tải xoay chiều tầng này: R~1 = (R4 // Ri2) = (7KΩ // 3,14KΩ) = 2,16KΩ Độ lợi áp AV1: AV1 = -hfE1 R ~1 2,16 = −50 = −86 h íE 1,25 Trong hiE1 ≈ (β1 + 1) 25 25 = 50 = 1,25k I E1 Vậy độ lợi áp toàn khuếch đại : AV = AV1 AV2 = 86 20,3 = 1745 Điện trở vào tầng Q1 (cũng toàn mạch): Ri = (R1 // R2 // hiE1) = (12,5 // 8,5 // 1,25) ≈ Nếu tụ C2, R3 gây hồi tiếp dòng điện Tính toán tương tự làm tầng − R ~1 = −2,16; AV = 43,8; Điện trở vào Q1 (chưa kể vai trò R1, R2) ri1 ≈ β1R3 Q2 thấy: AV1 ≈ R3 = 50K, điện trở vào chung khuếch đại: Bài giảng Kỹ thuật điện tử 113 Chương - Mạch khếch đại Ri = (R1 // R2 // ri1) = (12,5 // 8,5 //50) ≈ 5KΩ Như vai trò hồi tiếp âm R3 làm giảm độ lợi áp tăng điện trở vào tầng 4-6-4 Ghép phức hợp (ghép Darlington) Để nâng cao hệ khuếch đại điện trở vào, nhiều người ta ghép hai (hoặc ba) transistor h 4-6-16a Tổ hợp đóng vai trò transistor N-P-N (h 4-6-16b), gọi transistor phức hợp transistor ghép Darlington Tải RL thường mắc cực E đó, h 4-6-16, transistor phức hợp hoạt động tầng khuếch đại mắc C.C + Vcc RB Is C C IB1 Q1 B Rs Vs Is IB2 E R IE2 C C B Rs Q2 + Vcc RB E Vs RL RL M (a) (b) Hình 4.6.16 Tầng khuếch đại dùng BJT ghép phức hợp Người ta ghép transistor P-N-P với transistor N-P-N h 4-6-17a Tổ hợp đóng vai trò transistor loại P-N-P (h.4-6-17b) Như vậy, cách ghép phức hợp, transistor Q1 đóng vai trò định loại dẫn điện (N-P-N hay P-N-P) transistor phức hợp, Q2 làm nhiệm vụ khuếch đại dòng + Vcc + Vcc E Is C B Rs Vs E Is C Q1 RL C Vs Q C C B Rs Q2 RB C RL RB (b) (a) Hình 4.6.17 Ghép phức hợp để tạo transistor P-N-P Hãy xét mạch h 4-6-16a làm ví dụ Tầng Q2, mắc C.C, có điện trở vào lớn: Ri2 = hiE2 + (1+hfE2) RL ≈ hfE2 RL 114 Bài giảng Kỹ thuật điện tử (4-6-12) Chương - Mạch khếch đại Độ lợi dòng : Ai2 = I E2 = + h fE ≈ h fE I B2 (4-6-13) Áp dụng mạch tương đương BJT mắc C.C (h 4-5-8b) ta vẽ sơ đồ tương đương xoay chiều tầng Q1 h.4-6-18 Điện trở vào transistor phức hợp (nhìn từ cực B1), xác định theo (4-5-38): ⎞ ⎞ ⎛ ⎛ R i2 ri = h iE1 + (h fE1 + 1)⎜ // R i ⎟ ≈ h fE1 ⎜ // R i ⎟ = h fE1 ⎟ ⎟ ⎜h ⎜h + R i h OE1 ⎠ ⎠ ⎝ OE1 ⎝ OE1 Ở Ri2 lớn nên bỏ qua vai trò mắc song song h OE1 thay giá trị gần của Ri2 theo (4-6-12) ta coù: RL + h fE ⋅ h OE1 R L ri ≈ h fE1 ⋅ h fE Khi hfE2 hOE1 (4-6-14a) RL