huong dan thiet ke phan khuech dai

Nguyên lý mạch khuếch đại Trong hình 2.3, R1, R2 là hai điện trở phân cực, Rc là điện trở tải cực góp, Re là điện trởđịnh thiên, Rn là điện trở nguồn tín hiệu, C1, C2 là hai tụ nối tầng

CHƯƠNG 2: HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ KHUẾCH ĐẠI XOAY CHIỀU

$1 KHÁI NIỆM CHUNG

)(.)

(t K x t

Yêu cầu một bộ khuếch đại tốt là:

- Công suất tín hiệu ra lớn hơn công suất tín hiệu vào

- Không gây méo tín hiệu

- Phổ tín hiệu không chồng chéo nhau

Nếu ta coi tín hiệu xoay chiều là tín hiệu điều hòa, thì thay vì biến đổi trong miền thờigian, ta có thể biến đổi trong miền tần số, khi đó:

)()

()(jω K ω eϕ ( ω )X jω

Nếu đặt

) (

) ()()

(

)()(

ω ϕ

ω ϕωω

ωω

y

x j

j

e Y j

Y

e X j

)(

)()(

)()

()

ω

ωω

ωω

e X

Y j

X

j Y e

K j

x K

2 Mô hình toán học của bộ khuếch đại

Mô hình toán học(mathematical modeling) trong kĩ thuật là các mô tả toán học một đốitượng vật lí(physical modeling) dưới dạng các phương trình giải tích Việc xây dựng mô hìnhtoán học được tiến hành theo các nguyên tắc mô tả vật lí Mỗi thiết bị luôn có quán tính, đượcthể hiện dưới dạng hằng số thời gian quán tính, nên một bộ khuếch đại thực cũng gồm mộtkhâu quán tính nối tiếp khâu khuếch đại lí tưởng Xét ví dụ trong mạch điện như hình 2.2

idt c Ri

1)()

(

1)

(

)(

1)

()

(

1)

(

ωω

ω

ωω

ωω

ω

j I C j j U s I sC s

U

j I C j R j

U s

I sC R s

U

c j s c

v j s v

(

)()(

+

=

=

T j j

U

j U j

W

v

c

ωω

(

)()(

+

=

=

T j

K j

U

j U j

K

v

c

ωω

ω

Đây là dạng mô hình đơn giản nhất khi sử dụng để tính toán các mạch điều khiển, đolường Những dạng mạch phức tạp hơn sẽ được trình bày tính toán cụ thể sau

3 Đặc tính tần số của bộ khuếch đại

Đặc tính tần số dùng để mô tả quan hệ modul và góc pha của bộ khuếch đại khi tần sốbiến thiên Đối với bộ khuếch đại như (2.9), đặc tính tần số biên-pha có dạng:

)()(1

1)

ω

ωω

T

T K j T

K j

+

−+

Nếu ta biểu diễn quan hệ các thành phần thực và ảo trong (2.10) dưới dạng:

4)(2

)(4

)()()

(

2 2

2 2

2

Q

K P

K KP

Hình 2.3: Các đặc tính tần số của bộ khuếch đại thực tế

Đây là phương trình mô tả đường tròn tâm (K/2;0) bán kính K/2, hình 2.3a Đặc tính tần thểhiện trong hệ tọa độ ω và hệ logω Những vấn đề về đặc tính sẽ còn được trình bày sâu hơntrong lý thuyết điều khiển tự động Nhìn vào đặc tính ta sẽ thấy khi tần số tăng đến vô cùng,biên độ hệ số khuếch đại giảm về zero và góc pha tiến đến -900 Điều đó thể hiện một khâukhuếch đại quán tính thực tế không bao giờ làm mất độ ổn định của tín hiệu ra Đặc tính L(ω)trong hình 2.3b chỉ là đường tiệm cận với độ sai lệch tại tần số gãy là 3dB.

$2 MẠCH KHUẾCH ĐẠI E-C

1 Nguyên lý mạch khuếch đại

Trong hình 2.3, R1, R2 là hai điện trở phân cực, Rc là điện trở tải cực góp, Re là điện trởđịnh thiên, Rn là điện trở nguồn tín hiệu, C1, C2 là hai tụ nối tầng để độc lập dòng phân cực vớitín hiệu xoay chiều CE là tụ thoát xoay chiều để tránh phản hồi âm dòng điện tín hiệu, Rt là tảixoay chiều

Tín hiệu xoay chiều từ nguồn e(t) được đưa vào cực gốc của BJT, làm thay đổi dòng Ib nêndòng Ic sẽ thay đổi theo, dẫn đến điện áp trên chân C của BJT thay đổi theo tín hiệu e(t) Phầnđiện áp xoay chiều tại chân C được đưa qua tụ C2 để ra tải Rt

1.1 Bài toán thuận:

* Nguyên tắc chung phân cực transitor: Muốn transitor làm việc như 1 phần tử tích cực thìcác tham số của transitor phải thoả mãn điều kiện tích hợp Những tham số này của transitornhư ở mục trước đã biết, phụ thuộc rất nhiều vào điện áp phân cực các chuyển tiếp colectơ vàemitơ Nói một cách khác các giá trị tham số phụ thuộc vào điểm công tác của transitor Mộtcách tổng quát, dù transitor được mắc mạch theo kiểu nào, muốn nó làm việc ở chế độ khuếchđại cần có các điều kiện sau:

- Chuyển tiếp emitơ – bazơ luôn phân cực thuận

- Chuyển tiếp colectơ – bazơ luôn phân cực ngược

- Điện áp tín hiệu đặt lên tiếp giáp B-E phải đủ lớn để thắng được thế tiếp xúc, để có thểtạo được dòng điện đầu vào

Ta có thể minh họa điều này bằng mạch khuếch đại kiểu EC

Hình 1.54: Sơ đồ phân cực kiểu áp cho khuếch đại EC

Trong hình 1.45, nếu e(t)<UtxBE thì không thể có dòng Ib, điều đó có nghĩa là BJT không thểkhuếch đại với tín hiệu nhỏ này (cỡ 0,2 vôn với Ge và 0,6vôn với Si) Nhưng thực tế thì e(t) cóthể nhỏ hơn rất nhiều lần (có thể đến vài microvôn) Vậy thì làm thế nào để khuếch đại? Đểthực hiện điều đó, ta dùng một nguồn phụ U0 để bù ảnh hưởng của UtxBE, khi đó chỉ còn lại e(t)trong mạch tín hiệu Tuy nhiên, nếu một mạch khuếch đại phải dùng một nguồn U0 riêng thì sốnguồn bù sẽ rất lớn khi số tầng khuếch đại nhiều, ví dụ như trong các vi mạch thì số lượngtransitor có thể lên đến hàng chục(trong các IC đơn chức năng như OA, TTL), hàng nghìn

(như trong các bộ nhớ EEROM), hàng triệu (chip CPU Intel Duo Core hiện nay chứa 291 triệutransitor trong một nền đế Si), do vậy việc dùng U0 là không thực tế Cách khả thi là dùngchính nguồn nuôi để tạo các điện áp bù, bằng cách dùng các điện trở, đó chính là các mạchphân cực.

* Phân cực bằng điện áp: Xét một mạch phân cực bằng phân áp cho BJT kiểu npn như hình1.46 Ở đây thay vì dùng nguồn U0, ta dùng hai điện trở R1 và R2 để tạo điện áp tương đương

U0 Để cho thuận tiện, ta kí hiệu các điện áp hay dòng điện có chỉ số “0” dưới chân là tín hiệuphân cực một chiều Các trạng thái làm việc một chiều của BJT được gọi là chế độ tĩnh hayđiểm công tác tĩnh Viết các phương trình dòng điện:

0 0

0 2

1

b c

b

I I

I I

- Sau đó chọn dòng I2 = (3 -:-10)Ib0 Dòng I2 chọn càng lớn thì điện áp phân cực càng

ổn định, tuy nhiên khi đó tổn thất một chiều sẽ tăng, làm giảm hiệu suất làm việc của mạch

- Chọn điện áp trên RE cỡ UBE0

Bước 2:

Ta có:

UB0 = UBE0 + URE = 2UBE0

0 2

U U

I do ảnh hưởng của nhiệt độ dòng I cBo tăng lên khiến I cũng tăng lên Nhưng nếu lợi dụng c

sự tăng của dòng I này làm giảm dòng c I khiến dòng B I giảm bớt thì kết quả là dòng c I trở c

lại giá trị ban đầu

Việc mắc transitor như hình 1.48 sẽ thoả mãn điều kiện trên Cách phân cực transitor nhưvậy gọi là phân cực bằng colectơ Như thấy trên sơ đồ, điện trở R được nối trực tiếp giữa cực B

colectơ và cực bazơ Sự khác nhau cơ bản giữa mạch phân cực bằng điện áp phản hồi bao hàm

cơ chế dòng I cảm biến theo điện áp (hoặc dòng điện) ở mạch ra, còn trong mạch phân cực0dòng cố định thì không có điều này Điểm công tác tĩnh được xác định như sau:

Từ hình 2.40, quan hệ điện áp trong mạch ra có dạng:

V I

Tính toán có xét đến ảnh hưởng nhiệt độ

Bây giờ hãy xác định đặc tính ổn định nhiệt độ của mạch phân cực dùng điện áp phảnhồi

R dI

=

Từ biểu thức (2-75) có nhận xét răng hệ số ổn định nhiệt S trong mạch phân cực bằng điện

áp phản hồi khong cố định mà phụ thuộc vào giá trị các điện trở R và b R Trong trường hợp c c

b R

R 〈〈 thì S gần tới 1đơn vị, điều này nói lên rằng dù có mạch R thì hệ số ổn định nhiệt độ S b

không giảm xuống nhỏ hơn 1

Điện áp phản hồi âm qua điện trở R trong mạch phân cực làm tăng độ ổn định nhiệt b

độ đồng thời lại làm giảm hệ số khuếch đại tín hiệu xoay chiều Như trên đã nói để tăng tính

ổn định nhiệt độ, phải giảm điện trở R nhưng khi đó hệ số khuếch đại của mạch cũng giảm b

đi, ở đây có mâu thuẫn giữa độ ổn định nhiệt của mạch và hệ số khuếch đại

Ở những phần trên mới chỉ xét ảnh hưởng của nhiệt độ đến dòng I Sau đây sẽ trình co

bày ảnh hưởng của nhiệt độ đến dòng U và hệ số khuếch đại BE h21e Đối với cả 2 loại transitor,

làm từ silic và gecmany, khi nhiệt độ tăng U giảm, còn BE h21e lại tăng Ảnh hưởng của nhiệt

độ đến các tham số của transitor silic công tác trong khoảng nhiệt độ từ −65o C đến +175o C,

còn transitor thì từ -63 C o đến +75 C o Sự khác nhau nữa là trị số I và co U của transitor BE

silic và transitor gecmani biến thiên ngược nhau khi nhiệt độ thay đổi

Các bước tính toán thông số xoay chiều (áp dụng cho phân cực điện áp)

Các thông số xoay chiều trong mạch khuếch đại E-C bao gồm:

- Tổng trở vào Rv

- Tổng trở ra Rr

- Hệ số khuếch đại dòng điện Ki

- Hệ số khuếch đại điện áp Ku

- Hệ số khuếch đại công suất Kp

Các bước tính lần lượt như sau:

Bước 6:

Tổng trở vào được xác đinh bằng cách bỏ nguồn tín hiệu ra Khi đó mạch vào còn lạicác điện trở phân cực lối vào và tiếp giáp B-E của BJT Lưu ý lúc này điện trở hồi tiếp âmdòng điện RE đã bị tụ CE ngắn mạch xoay chiều nên bị loại ra

v v

e b b t

r b v

t i

R

R R R

R R

R R I R

R I I

r t v v

t t n

r u

R

R K R I

R I R I

R I e

v v

v

R

R R I R

t e I R

t e

(2.22)

e b c

b c

c t

c c c t

R R

t e R

I R

I U

R I V

Bài toán ngược tính toán thông số phân cực

Việc tính toán phân cực kiểu thuận đã trình bày ở trên Ở đây sẽ trình bày một phương pháptính toán ngược để có được các thông số mong muốn hệ số khuếch đại β, dòng điện Ic cực đại,điện áp nguồn Vc Gọi dòng điện cực gốc là Ib0, dòng cực góp tương ứng là Ic0 = βIb0 Đối vớiBJT, qui ước UBE0 là 0,6V đối với loại Si và 0,3V đối với loại Ge Gọi γ là hệ số phân cực:

Phương trình thứ ba là phương trình cân bằng áp mạch E-C

(β +1)R E I b0+U CE0+βR C I b0 =V c (2.15)

2 Tính toán phân cực một chiều

ba phương trình (2.13), (2.14), (2.15) đủ để tìm ra nghiệm tính toán Nếu cho trước các điệntrở, ta sẽ xác định được các dòng điện và điện áp Ngược lại nếu chọn trước các điện áp vàdòng điện Ib0 ta sẽ xác định được các điện trở Để cụ thể ta xét ví dụ sau:

Ví dụ 2.1: Cho mạch khuếch đại như hình 2.4, với BJT loại Si, β=150, R1 = 68k, R2 = 12k, Rc

= 2,2k, RE = 330Ω, VC = 12V Xác định dòng điện và điện áp các cực

Hình 2.4: Mạch khuếch đại E-CGiải: sử dụng các phương trình (2.13)-(2.15), chọn UBE0 = 0,6V Ta viết được:

=+

+

=+

++

12

2200.150

330

151

12

12000.68000

.1

12

330.1516,068000.1

0 0

0

0 0

0 0

b CE

b

b b

b b

I U

I

I I

I I

γγ

γ

giải ra ta có: Ib0 = 19,99 µA; γ = 6,6537; UCE0 = 4,407V

Hình 2.5: Kết quả mô phỏng của ví dụ 2.1Theo kết quả mô phỏng bằng phần mềm EWB, ta thấy số liệu tính toán được và mô phỏng khágiống nhau Sự khác nhau chút ít là do BJT ta tính toán bị bỏ qua một số tham số cài đặt nhưtrong thư viện của EWB Điều đó chứng tỏ phương pháp tính có độ tin cậy tốt

Phương pháp thứ hai là tính toán trên đặc tính V-A vào và ra.

Hình 2.6: Các đặc tính của BJT loại 2SD468Dựa theo đặc tính truyền đạt, ta thấy dù BJT có thể chịu được 1A nhưng khoảng làmviệc tuyến tính chỉ từ 0-:- 300mA với nhiệt độ 250C-:-750C Ở đây ta chọn trước UBE0, IC0, từ

đó sẽ suy ra Ib0

Ví dụ theo đặc tính, chọn IC0 = 100mA, tương ứng ta có β = 150, UBE0 = 0,65V Để ổn định phân cực, ta chọn γ = (5-:-10)Ib0 Sau đó dựa theo hệ phương trình (2.13)-(2.15) để xác định các điện trở Có thể chọn trước RE hoặc RC Trong phần phản hồi sẽ chỉ rõ cách chọn tham số này

Với các tham số chọn trước, bằng các phương trình mạch điện cơ bản, ta dễ dàng xác định các tham số còn lại

Khi tính toán trong sơ đồ xoay chiều, do tụ thoát CE ngắn mạch điện trở RE nên đặctính làm việc sẽ dốc hơn do dòng IC tăng cao và UCE giảm xuống Sự thay đổi độ dốc phụthuộc độ lớn RE

a) b)Hình 2.7: Mô phỏng tín hiệu vào-ra mạch

Về lý thuyết, tín hiệu vào và ra ngược pha nhau, tuy nhiên theo kết quả mô phỏng hình 2.7,nếu phân cực cho chân B quá lớn (R1 = 82kOhm, R2 = 22 kOhm) thì tín hiệu ra bị méo (2.7a).Nếu giảm phân cực (R1 = 82kOhm, R2 = 10kOhm) thì tín hiệu ra không méo (2.7b) Đồngthời góc lệch pha không đúng 1800 như tính toán Do đó trong các mạch khuếch đại thực tế, có

có các mạch bù trễ pha để cải thiện độ lệch này Đối với các mạch phát xung điều khiển, ta cóthể thêm mạch quán tính bậc 1 để hiệu chỉnh ảnh hưởng sớm pha do các tụ vi phân C1 và C2gây nên Kết quả hiệu chỉnh tích phân được thể hiện ở hình 2.8

Hình 2.8: Tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào khi đã hiệu chỉnh tích phân

$3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI B-C

1 Cấu tạo và nguyên lý

Sơ đồ nguyên lý của mạch khuếch đại B-C như hình 2.8

C của BJT.

Tín hiệu vào được đưa vào giữa chân E-B Tín hiệu ra lấy giữa chân C và B, do vậychân B đóng vai trò chân tín hiệu chung vào-ra Các tụ C1, C2, C3 được coi như ngắn mạchxoay chiều ở tần số trung bình Nguồn tín hiệu vào V2 có điện trở Rn

Việc tính tóan phân cực cũng tương tự như với mạch EC

Sơ đồ xoay chiều tương đương như hình 2.9 Với các điện trở tương đương:

t c

V1

I1

Hình 2.9: Sơ đồ tương đương mạch BC

• Hệ số khuếch đại dòng điện:

R

r i

( c C B t) B t

R

i R r

v

V B t

B t B C c

v

t i

R

R r

R r R R

r i R

i R r

R I

) (

αβ

β

=+

R

R R

Như vậy hệ số khuếch đại dòng điện nhở hơn 1

• Hệ số khuếch đại điện áp:

t c v

n

t t

t B C c V

v v

n v

t t t

u

R R

R R R

R

R R

R r

R r

R R

R I

R I e

U

K

+

≈+

=+

=

mạch khuếch đại điện áp nếu tổng trở vào nhỏ

• Hệ số khuếch đại công suất:

i u v

1 Sơ đồ và nguyên lí làm việc

Sơ đồ nguyên lý của mạch khuếch đại C-C như hình 2.10

Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lí và tương đương mạch C-CTín hiệu vào e(t) được đưa đến cực B của BJT, dòng điện vào là dòng Ib, dòng ra là Ie Dokhông có tụ thoát xoay chiều nên thành phần xoay chiều sẽ đi qua RE gây nên hiệu ứng phảnhồi đầu ra, làm tăng tổng trở vào và giảm tổng trở ra Do thành phần xoay chiều gánh trên REnên ta có:

b e E

v v

t i

R

R R R R R R

R I

++

t t t u

R

R K R I

R I t e

p K K

Các kết quả mô phỏng với mạch cũng tương tự mạch EC và BC

$2 GHÉP TẦNG TRONG BỘ KHUẾCH ĐẠI

1 Khái niệm

Một bộ khuếch đại dùng một BJT, nếu thiết kế thật cẩn thận, cũng chỉ có thể đạt đến hệ sốkhuếch đại vài chục lần, song thực tế phần lớn cần độ khuếch đại cao hơn nhiều Để giải quyếtvấn đề này, ta không thể mắc phản hồi dương để làm tăng hệ số khuếch đại vì mạch sẽ mất ổnđịnh Khi đó người ta giải quyết bằng cách ghép nhiều tầng khuếch đại với nhau

Nguyên tắc để ghép các tầng khuếch đại là chỉ để liên lạc về mặt tín hiệu xoay chiều, cách

li thành phần một chiều Dựa theo đó, có một số kiểu ghép tầng: dùng tụ điện, biến áp và ghépquang

2 Ghép tầng bằng tụ điện

Hình 2.14: Ghép tầng bằng điện dungTrong hình 2.14, tầng khuếch đại đại Q1 là tầng đầu, tầng khuếch đại Q2 là tải của tầngQ1 Như vậy tổng trở vào của tầng Q2 đóng vai trò tải các thành phần một chiều đượcngăn cách bằng tụ C1 Như vậy tín hiệu xoay chiều được dẫn từ tầng trước ra tầng sauthông qua C1

Đối với các mạch khuếch đại xoay chiều cộng hưởng, thường dùng trong kĩ thuật radiođổi tần hay TV, biến áp được ghép song song với tụ cộng hưởng và có thể điều chỉnh đượcđiện cảm như hình 2.16

như lựa chọn linh kiện rất liên quan đến tổn hao năng lượng trong mạch và độ lớn nguồn cungcấp Những nguồn công suất lớn với độ ổn định cao giá thành rất đắt và khó chế tạo gọn nhẹ.Trong mạch khuếch đại EC, tổng trở ra của mạch xấp xỉ bằng tải cực góp Rc Điều đó cónghĩa để phối hợp trở kháng với tải (hòa hợp tải) thì tổng trở tải cũng bằng tổng trở ra Với cáctín hiệu xung hay xoay chiều, do tần số thay đổi nên khó hòa hợp tải ở mọi dải tần Việc tínhtoán được dựa trên tần số cơ bản.

Xét mạch khuếch đại 2.4, với dòng điện cực góp phân cực ban đầu là Ic0 ta có biểu đồ tínhiệu hoạt động như hình 2.18

Hình 2.18: Biến thiên tín hiệu dòng và áp trên cực C mạch ECNhìn vào hình 2.18 ta thấy để mạch khuếch đại truyền dủ tín hiệu xoay chiều ra tải thì tínhiệu phân cực phải tối thiểu bằng biên độ tín hiệu xoay chiều đưa ra Ta xét một số chế độphân cực của khuếch đại công suất

2 Chế độ A

Là chế độ khuếch đại cả hai nửa chu kỳ tín hiệu Tuy nhiên không thể chọn tín hiệu phâncực như hình 2.18 vì tính phi tuyến của đặc tính V-A vào và ra của BJT Hình 2.19 mô tả quan

hệ tín hiệu vào-ra của tầng khuếch đại khi chọn tín hiệu phân cực bằng

Hình 2.19: Méo phi tuyến trong chế độ A

đúng biên độ xoay chiều, hiện tượng méo phi tuyến thấy rõ trên đồ thị mô phỏng Nếu gọi

Ic0 là dòng phân cực cực góp, thì khi chưa có tín hiệu xoay chiều, bản thân BJT và Rc đã cómột công suất một chiều tổn thất:

( ) 2

0 ) (

Hình 2.20: Mạch khuếch đại đẩy kéo chế độ B

Sử dụng phần mềm mô phỏng Multisim, ta có kết quả như hình 2.21

Hình 2.21: Kết quả mô phỏng tầng đảo pha trước