Chuong 2 cac mach kđ tin hieu nho(20 7 15)

Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại E chung: Mạch tương đương tín hiệu nhỏ  Mạch tương đương AC được xây dựng bằng cách giả sử rằng tất cả các tụ điện có trở kháng bằng 0 tại tần

CHƯƠNG 2

CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI

TÍN HIỆU NHỎ

Nội dung chương 2

 2.1 Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại E chung: Mạch tương đương tín hiệu nhỏ

 2.2.1 Mạch khuếch đại E chung: Hệ số khuếch đại điện áp

 2.2.2 Mạch khuếch đại E chung: Trở kháng vào

 2.2.3 Mạch khuếch đại E chung: Trở kháng ra

 2.2 Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại S chung: Mạch tương đương tín hiệu nhỏ

 2.2.1 Mạch khuếch đại S chung: Hệ số khuếch đại điện áp

 2.2.2 Mạch khuếch đại S chung: Trở kháng vào

 2.2.3 Mạch khuếch đại S chung: Trở kháng ra

 2.3 Mạch khuếch đại E chung có Re và S chung có Rs

 2.3.1 Hệ số khuếch đại điện áp

Nội dung chương 2

 2.4 Mạch khuếch đại C chung và D chung

 2.4.1 Hệ số khuếch đại điện áp tại cực ra

 2.4.2.Trở kháng vào và hệ số KĐ điện áp toàn mạch

 2.4.3.Trở kháng ra

 2.4.4 Hệ số khuếch đại dòng điện

 2.5 Mạch khuếch đại B chung và G chung

 2.5.1 Mô hình tín hiệu nhỏ cho mạch khuếch đại B chung

 2.5.2 Hệ số khuếch đại điện áp tại các cực và trở kháng vào

 2.5.3 Hệ số khuếch đại điện áp toàn mạch

Các loại mạch khuếch đại

 Tùy theo việc chọn các cực của BJT và FET làm các ngõ vào, ngõ ra, ta có ba loại mạch khuếch đại như sau:

– E chung (CE) với BJT/S chung (CS) với FET

– B chung (CB) với BJT/G chung (CG) với FET

– C chung (CC) với BJT/D chung (CD) với FET

 Sử dụng mạch phân cực bốn điện trở để thiết lập điểm làm việc tĩnh Q-point cho các mạch khuếch đại khác nhau

 Tụ liên lạc và tụ lọc nhiễu được dùng để thay đổi mạch tương đương ac

2.1 Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại E

chung: Mạch tương đương tín hiệu nhỏ

 Mạch tương đương AC được xây dựng bằng cách giả sử rằng tất cả các tụ điện có trở kháng bằng 0 tại tần số của tín hiệu vào và nguồn một chiều được nối đất

 Giả sử Q-point đã được cho trước

2

R B

R C

R o

g be

v o

v b

v c

v vt

R I

R

r B

R L

R m g v

A

i

v be

v vt

A i

v be

v be

v o

v i

v o

v v

A

2.1.1 Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại E

chung: Hệ số khuếch đại điện áp

 Ví dụ 1: Tính hệ số khuếch đại điện áp

 Với các thông số sau: bF =100, VA =75 V, Q-point (1.45

mA, 3.41V), R1 = 10 k W , R2 = 30 k W, R3 = 100 k W , RC = 4.3

k W, RI =1k W

 Giả sử: Transistor hoạt động trong vùng tích cực, bO = bF Tín hiệu vào đủ thấp để có thể xem là tín hiệu nhỏ

Mạch khuếch đại E chung

Hệ số khuếch đại điện áp: Ví dụ 1

R I

R

r B

R L

R m g v

A

mS0.58)

mA45.1(40



C

I m

g

kΩ72

1mA

45.1

)V025.0(

54mA

45.1

V14.3V

V A

V o r

kΩ5.72

 R R B

R

kΩ83.3

3 

C

R o

r B

R I

R i

v

Mạch khuếch đại E chung

Hệ số khuếch đại điện áp: Ví dụ 1

 Nếu ta giả sử

 Nhìn chung R 3 >> R C và điện trở tải << r o Nếu ta giả sử I C R C = ζV CC

với 0<ζ<1

Trong trường hợp này, ζ=1/3 vì 1/3 nguồn cung cấp thường được đặt

trên R C khi thiết kế Giả thích rõ ràng hơn cho các xấp xỉ dẫn đến kết quả này, ta dùng:

 Nếu điện trở tải phải gần bằng r o , R C và R 3 là rất lớn, hệ số khuếch đại



r B

R I

R o

r m

g L

R m

g vt

V C

R C

I C

R m

g vt

A v

CC

V v

2.1.1 Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại E

chung: Hệ số khuếch đại điện áp

2.1.2 Mạch khuếch đại E chung: Trở kháng vào

 Trở kháng vào, tổng điện trở nhìn

vào mạch điện ở tụ liên lạc C1 đại diện cho tổng điện trở đưa đến nguồn







r R R r

B R R

r B R

2

1x

ix

vin

)(

xixv









 Trở kháng rai là tổng điện trở tương đương nhìn vào ngõ ra của mạch khuếch

đại tại tụ liên lạc C3 Nguồn vào được đưa

về 0 và một nguồn thử được đặt tại ngõ

ra

C

R o

r C R R

m

g o

r C

vout

bevx

vx

vx

As r o >> R C 2.1.3 Mạch khuếch đại E chung: Trở kháng ra

Phân tích mạch khuếch đại E chung

the Q-point, mạch tương

đương dc được vẽ lại

μA 245 66

μA 241 65

μA 71 3

I

B

I C

I B I

5 ) 4 10 6

1 ( ) 1 (

5

B

I F

BE

V B

V67.3

0)5()

4106.1(4

105

E

I CE

V C I

Phân tích mạch khuếch đại E chung

Ví dụ 2

Ta vẽ lại mạch tương đương

ac và rút gọn:

0.84in

in)

3out

R

R R

R m g i

v

o

v v A

S31064.9



C

I m

g

kΩ64.6





C I T

V o



kΩ223







C I CE

V A

V

o

r

kΩ23.6

B R R

kΩ57.9

C R R

Phân tích mạch khuếch đại E chung

Ví dụ 2

2.2 Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại S chung:

Mạch tương đương tín hiệu nhỏ

 Mạch tương ac được vẽ lại bằng cách giả sử tất cả tụ điện có trở kháng bằng 0 tại tần số của tín hiệu vào và nguồn điện áp dc đại diện cho nối đất ac

 Giả sử Q-point được cho trước

2

R G

R D

R o

g gs

v o

v g

v d

v vt

R

G

R L

R m g v

A

i

v gs

v vt

A i

v gs

v gs

v o

v i

v o

v v

A

2.2.1 Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại S chung:

Hệ số khuếch đại điện áp

Hệ số khuếch đại điên áp của mạch khuếch đại S chung:

Ví dụ 3

 Ví dụ 3: Tính hệ số khuếch đại điện

áp

 Biết: Kn = 0.5 mA/V2, VTN = 1V, l = 0.0133 V-1, Q-point (1.45 mA, 3.86

Hệ số khuếch đại điên áp của mạch khuếch đại S chung:

Ví dụ 3

dB 4 13 69

R

G

R L

R m

g v

A

mS 23 1 ) 1

I n

K m

kΩ 5 54

DS

V o

r l

kΩ

243 2

 R R G

R

kΩ 83

r L

R

V 48 0

2 2 0 2

I TN

V GS

V i

v

 Nếu ta giả sử

 Nhìn chung R D << R 3 và R D << r o Vì vậy, tổng trở của tải trên cực

drain là R D Trong trường hợp này, 1/2 nguồn cung cấp được đặt trên

R o

r m

g L

R m

g vt

V GS

R D

I D

R m g v

2

2.2.1 Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại S chung:

Hệ số khuếch đại điện áp

 Trở kháng vào của mạch khuếch đại S chung lớn hơn nhiều so với mạch khuếch đại E chung

G R R

2.2.2 Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại S chung:

Trở kháng vào

 Với các điểm phân cực có thể so sánh được, trở kháng ra của mạch khuếch đại

E chung và S chung là giống nhau

D

R o

r D R



xix

vout

Trong trường hợp này, vgs=0

As r o >> R D 2.2.3 Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại S chung:

Trở kháng ra

Phân tích mạch khuếch đại S chung

 Phân tích mạch: mạch tương

đương DC được vẽ lại

6 10 5

1  

DS

V I

) 1 (

4 10 2

D

I DS

V 5

2 ) 4

0 ( 2

TN

V DS V n

K D

I

V 2



GS

D I

Phân tích mạch khuếch đại S chung

Ví dụ 4

Ta vẽ lại và rút gọn mạch

tương đương ac

93.7in

in)

3out

R

R R

R m g i

v

o

v v A

MΩ1

21

G

R G R R

kΩ2.183

G

R D

R o r R

S41020.5)1

I n

K

m

kΩ260

V o

r l

Phân tích mạch khuếch đại S chung

Ví dụ 4

Bảng tổng kết đặc tính

của mạch KĐ E chung và S chung

2.3 Mạch khuếch đại E chung có Re và S chung có Rs

Sơ đồ mạch khuếch đại E chung

có RE

Sơ đồ mạch khuếch đại S chung

có RS

Sơ đồ tương đương AC cho mạch

khuếch đại E chung có RE

Sơ đồ tương đương AC cho mạch khuếch đại S chung có RS

2.3 Mạch khuếch đại E chung có Re và S chung có Rs

Sử dụng một nguồn v b để điều chỉnh cực nền của

transistor, bỏ qua r o,

E

R m g

L

R m

g

A CE vt

E

R o

m

g o

L

R o b

Đối với mạch khuếch đại S chung, giới hạn của hệ số

khuếch đại của mạch khi

L

R m

2.3.1 Điều kiện biên độ tín hiệu vào

Đối với mô hình tín hiệu nhỏ, độ lớn của v be đặt trên r ở mô hình tín hiệu

nhỏ phải nhỏ hơn 5 mV

Nếu , v b sẽ tăng lên trên giới hạn 5 mV

Đối với FET, độ lớn của v gs phải nhỏ hơn 0.2(V GS - V TN)

Điện trở R S làm tăng giá trị được phép của v g





r E

R E

R m g

be

v

V)1

(005.01

005.0

E

R m

g o

E

R E

R m

g b

2

0

S

R m g

g

v gs

g TN

V GS

V g

2.3.1 Điều kiện để g m R >>1

 Điều kiện này giúp rút gọn biểu thức tính độ lợi và được

dùng để ổn định độ lợi điện thế, đạt được trở kháng vào và

trở kháng ra lớn và tăng biên độ tín hiệu vào

 Với BJT:

 Với MOSFET:

V025.0

T V E

R E I

T V E

R C

I E

R m g

12

TN

V GS

V R

I

TN

V GS V

S

R D

I S

R m g

2.3.2 Trở kháng vào và hệ số KĐ điện áp toàn mạch

Trở kháng vào nhìn về cực nền được cho

bởi công thức:

Đối với mạch khuếch đại S chung,

)

)1(

E

R m g r

RiB

E

R o

r i b

v RiB

R I

R

RiB B

R

A CE vt

i v b

v

A CE vt i

v b v

b v o v i

v o

R Avt

A CS v

Đối với mạch khuếch đại S chung,

Hình 14.7

Hệ số khuếch đại điện áp (ví dụ 5)

Hệ số khuếch đại điện áp (ví dụ 5)

 Ví dụ 5: Tính hệ số khuếch đại điện áp toàn mạch

 Biết: Giá trị của Q-point và giá trị của R I , R 1 , R 2 , R 3 , R 7 ,đối với cả

BJT và FET cũng như giá trị của R E và R S

 Giả sử: Hoạt động ở mô hình tín hiệu nhỏ

 Phân giải mạch: Đối với mạch khuếch đại C-E,

K

g m

o r

S C

I gm

V CE

V

mA C

I

mS 10.2

100

m8.940x0.245mA

40

39.3

;245

.0

8

 Ví dụ 5: Tính hệ số khuếch đại điện áp toàn mạch

 Biết: Giá trị của Q-point và giá trị của R I , R 1 , R 2 , R 3 , R 7 ,đối với cả

BJT và FET cũng như giá trị của R E và R S

 Giả sử: Hoạt động ở mô hình tín hiệu nhỏ

 Phân giải mạch: Đối với mạch khuếch đại E chung,

kΩ18kΩ

100kΩ

223

kΩ313kΩ

3(101)kΩ

10)

1(

kΩ104kΩ

300kΩ

1602

R L

R

E

R o

r RiB

R R B

R

b



75.5)

kΩ18(

Đáp án

Đáp án

Mạch khuếch đại S chung có R S

Sơ Đồ Tương Đương của Mạch Khuếch Đại S Chung có RS

 Phân giải mạch: Đối với mạch khuếch đại S chung,

kΩ18kΩ

100kΩ

227

kΩ892MΩ

2.2.5MΩ

121

R L

R

R

R G

R

46

4)

kΩ2(mS)491.0(1

)kΩ18(mS)491.0(

R m

g

A CS vt

45.4

2.3.3 Trở kháng ra tại cực thu của BJT

RiC

Trở kháng đầu ra của toàn mạch khuếch đại E chung 2.3.3 Trở kháng ra tại cực thu của BJT

bo g m r

Giả sử và , với

…… với

Hệ số khuếch đại dòng điện hữu hạn của BJT đặt ra một giới hạn trên cho

kích thước của trở kháng đầu ra R được mắc song song với R E nếu R th

được bỏ qua Nếu ta cho R E là rất lớn, trở kháng đầu ra cực đại được cho bởi công thức:

Trở kháng đầu ra của mạch khuếch đại S chung được cho bởi công thức,

th

R E

R

)(

iCout

)(

)(

1iC

out

E R r f R

R

E R r f o

r E

R r m

g o

r R

R

m

E R r m

o r o

g o

r R

R E

R o o

r R

iCout

2.3.3 Trở kháng ra của mạch EC và SC

Hệ số khuếch đại dòng điện

 Độ lợi dòng tại cực là tỉ số giữa dòng điện được đưa tới điện trở

tiêu thụ đối với dòng điện được cung cấp đến cực nền

o

A CE it b A CS 

it

Tóm tắt

 Mạch khuếch đại E chung và S chung có cùng độ lợi điện thế

 Mạch khuếch đại S chung cung cấp một trở kháng vào rất lớn nhưng trở kháng vào của mạch khuếch đại E chung cũng rất đáng kể bởi mf R E

 Trở kháng ra của mạch khuếch đại E chung cao hơn rất nhiều so với mạch

khuếch đại S chung vì mf của BJT lớn hơn so với của FET

 Biên độ tín hiệu vào của mạch khuếch đại E chung cũng cao hơn của mạch khuếch đại S chung

 Các hệ số khuếch đại dòng điện của hai mạch giống với hệ số khuếch đại của từng transistor

 Các phương trình biến đổi sau đây được sử dụng để phân giải mạch bằng cách

kết hợp R E (or R S ) vào transistor (Đối với FET, hệ số khuếch đại dòng điện và trở kháng vào rất lớn)

E

R m g m

g m

r o

o r

m g

b ' ' ' mf 'g m'r o'mf

Ví dụ 7

• Ví dụ 7: Tính hệ số khuếch đại điện áp, trở kháng vào, trở kháng

ra của mạch khuếch đại E chung, nếu transistor có βF = 100, VA = 75V, λ = 0,0133 V-1, Q-point (0.245 mA, 3.39 V) Tìm giá trị cực

đại của vi thõa mãn các điều kiện tín hiệu nhỏ

• Biết: RI = 1 kΩ, R1 = 160 kΩ, R2 = 300 kΩ, RC = 22 kΩ, RE = 3

kΩ, R4 = 10 kΩ và R3 = 100 kΩ

• Giả sử: Hoạt động trong vùng tích cực và β0 = βF Điều kiện tín

hiệu nhỏ Bỏ qua r0

Ví dụ 7

Ví dụ 7

MẠCH KHUẾCH ĐẠI C CHUNG (CC) MẠCH KHUẾCH ĐẠI D CHUNG (CD)

2.4 Mạch khuếch đại C chung

và mạch khuếch đại D chung

Sơ đồ tương đương AC cho

mạch khuếch đại C Chung

Sơ đồ tương đương AC cho mạch khuếch đại D Chung 2.4 Mạch khuếch đại C chung

và mạch khuếch đại D chung

2.4.1 Hệ số khuếch đại điện áp tại cực ra

Bỏ qua r o,

L

R m g L

R m

g

A CC vt

L

R o

r

L

R o

b v

o

v vt A

)1(

b

b

Đối với mạch khuếch đại D chung, giới hạn

của độ lợi điện thế của mạch khuếch đại C

Điện thế ngõ ra theo điện thế ngõ vào, vì vậy

mạch này được gọi là mạch follower Độ lợi

R m

2.4.1 Hệ số khuếch đại điện áp tại cực ra

2.4.1 Điều kiện biên độ tín hiệu vào để có KĐ tuyến

tính

Khi hoạt động với tín hiệu nhỏ, độ lớn của vbe đặt trên hai đầu

điện trở r ở mô hình tín hiệu nhỏ phải nhỏ hơn 5 mV

Nếu , vb có thể vượt quá giới hạn 5 mV Vì chỉ một

phần nhỏ của tín hiệu vào xuất hiện trên base-emitter hoặc các cực gate-source, mạch follower có thể được dùng với các tín

hiệu vào tương đối lớn mà không làm ảnh hưởng đến giới hạn của mô hình tín hiệu nhỏ

Đối với FET, độ lớn của vgs phải nhỏ hơn 0.2(VGS - VTN)





r L

R L

R m g

be

v

V)1

(005.01

005.0

L

R m

g o

L

R L

R m

g b

)(

2

0

L

R m g

g

v gs

g TN

V GS

V g

2.4.2.Trở kháng vào và hệ số KĐ điện áp toàn mạch

được cho bởi công thức:

Đối với mạch khuếch đại D chung,

L R o

r i

b

v RiB   (b 1)







Độ lợi điện thế toàn mạch,

Đối với mạch khuếch đại D chung,

R I

R

RiB B

R

A CC vt

i v b

v

A CC vt i

v b v b v

o v i

v

o v

A CC v

Tính hệ số khuếch đại điện áp (ví dụ 8)

 Ví dụ 8: Tìm hệ số khuếch

đại điện áp toàn mạch

 Biết: Giá trị của Q-point và

giá trị của RI, R1, R2, R4, R7:

Q-p(245 m A; 3.64V)

r=10.2K W ;

 Giả sử: hoạt động trong

điều kiện tín hiệu nhỏ

 Phân giải mạch: Đối với

mạch khuếch đại C chung,

ACC v ACC vt ;

2.10)

1(

kΩ5.117

4

kΩ1042

0kΩ

117

)kΩ5.11(101)

1(

A CC vt

b

97.0

R I

R

RiB B

ACD v ACD vt ;

 Ví dụ 9: Tìm hệ số khuếch

đại điện áp toàn mạch

 Biết: Giá trị của Q-point và

giá trị của RI, R1, R2, R4, R7:

Q-p(241 m A; 3.81V)

gm=0.491mS;

 Giả sử: hoạt động trong

điều kiện tín hiệu nhỏ

 Phân giải mạch: Đối với

mạch khuếch đại D chung,

Tính hệ số khuếch đại điện áp (ví dụ 9)

 Phân tích mạch:

Đối với mạch khuếch đại D

chung,

kΩ7.107

4

892kΩ2

R

R R G

R

840

0)kΩ7.10(mS)491.0(1

)kΩ7.10(mS)491.0(

R m

g

A CD vt

838.0

2.4.3.Trở kháng ra

11

1

)1

(x

v)

i(1x

r o

r th

R RiE Rout

o r

th R o

g RiE

Đối với FET,

Điện trở tương đương nhìn vào cực

emitter hoặc cực source của transistor gần

bằng 1/ gm

m g

RiS Rout   1

2.4.3.Trở kháng ra

2.4.4 Hệ số khuếch đại dòng điện

iB B

B i

b b

e e

o i

o

CC

i

R R

R R

R

R i

i i

i i

i i

TÓM TẮT

Tính toán mạch CC và CD (Ví dụ 10)

B b

e o o

CC

i

R R

R R

R

R i

i i

i i

i i

Tính toán mạch CC và CD (Ví dụ 10)

 Trở kháng ra của mạch khuếch đại C chung thấp hơn của mạch khuếch đại D chung vì độ dẫn truyền của BJT cao hơn của FET đối với một dòng cho trước

 Cả mạch khuếch đại C chung và D chung có thể xử lí các tín hiệu đầu vào khá lớn

 Hệ số khuếch đại dòng điện của FET là rất lớn, trong khi của BJT bị hạn chế bởi giá trị của b

MẠCH KHUẾCH ĐẠI B CHUNG (CB)

MẠCH KHUẾCH ĐẠI G CHUNG (CG)

Tương ứng với chương 13 và 14 trong sách Microelectronic Circuit Design_Richard C Jaeger & Travis N Blalock

2.5 Mạch khuếch đại B chung và G chung

Sơ đồ tương đương AC cho mạch Sơ đồ tương đương AC cho mạch

R6

R6

a) Mô Hình Tín Hiệu Nhỏ Cho Mạch Khuếch

Đại C chung

b) Mô hình rút gọn bỏ qua điện trở ro và đảo

chiều của nguồn dòng 2.5.1 Mô hình tín hiệu nhỏ cho mạch khuếch đại B chung

2.5.2 Hệ số khuếch đại điện áp tại các cực và trở kháng vào

Các cực của vbe nguồn dòng

phụ thuộc gmvbe đều bị

nghịch đảo, nguồn tín hiệu

được chuyển sang mạch

Norton tương đương ro

A CG vt 



m

g o

r i

e

v RiE

2.5.2 Điều kiện biên độ tín hiêu vào để mạch KĐ tuyến tính

Đối với tín hiệu nhỏ,

Đối với FET,

Kích thước tương đối của g m và R I quyết định giới hạn của việc xử lí tín

hiệu

)1

(005

)(

(2.0

I

R m

g TN

V GS

V i

)1

(sg

vi

v

I

R m g





74

I R R

for

I R m g eb

v i v I R m

g R

R I R iE

R R

iE R R I R eb v i

v

R R

( 1

6

6 (

6

) 6

(

) (

2.5.3 Hệ số khuếch đại điện áp toàn mạch

6(

1

66

R I R

R R

I

R m

g

L

R m

g

RiE R

I R

RiE

R ACB vt

i v

e v e v

o v i

v

o

v

ACB v

Hệ số khuếch đại điện áp toàn mạch:

Với mạch khuếch đại S chung,

6(

R R

I

R m g

L

R m

g ACG v

L

R m

L

R m g

A CG vt 

L

R m g

I R L