Giáo trình Vô tuyến điện tử: Phần 1

(NB)Giáo trình Vô tuyến điện tử: Phần 1 sau đây được biên soạn nhằm trang bị cho các bạn những kiến thức về linh kiện điện tử, mạch khuếch đại (hệ số khuếch đại, khuếch đại điện áp âm tần, khuếch đại cao tần, khuếch đại công suất,...). Mời các bạn tham khảo.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH PHAN THANH VÂN VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ  TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ - 2003 MỤC LỤC Mục lục Lời nói đầu Nguyên tắc liên lạc vô tuyến điện Chương I: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Bài 1: Vật liệu linh kiện điện tử I Cơ sở vật lý vật liệu linh kiện Cấu trúc mạng thể Các mức lượng nguyên tử II Thuyết vùng lượng III Phân biệt điện môi – chất bán dẫn – kim loại IV Chất bán dẫn Bài 2: Linh kiện điện tử thụ động 13 Điện trở .13 Tụ điện 14 Cuộn cảm 16 Biến áp 16 Bài 3: Linh kiện bán dẫn 17 I- Các tượng tiếp xúc 17 Tiếp xúc kim loại – bán dẫn 17 Tiếp xúc P-N 18 Tiếp xúc kim loại – điện môi – chất bán dẫn 19 II- Điốt bán dẫn 20 III- Transistor .27 Nguyên tắc hoạt động .28 Đo thử transistor 29 Cách đặt tên cho transistor 30 Các chế độ làm việc transistor 30 Phân cực 33 Các cách mắc mạch khuếch đại transistor 34 IV-Transistor trường 35 Transistor trường cổng tiếp giáp 35 Transistor trường cổng cách điện 37 Có bảo vệ 38 Mosfet loại cổng 39 Các loại mosfet khác 39 Cách đo 40 Những điều cần ý sử dụng Mosfet 40 Transistor quang trường 40 Các sơ đồ mắc transistor trường 41 V- Transistor đơn nối .42 VI- Thyristor 44 Điốt Silic chỉnh lưu có điều khiển 44 Triac, Diac .46 VII- Linh kiện biến đổi quang điện .51 Điốt phát quang 51 LED hồng ngoại 56 Laser bán dẫn 57 Photo – Điốt 59 Mặt thị tinh thể lỏng .59 Chương II: MẠCH KHUẾCH ĐẠI 61 I Hệ số khuếch đại 61 II Khuếch đại điện áp âm tần 61 Tầng khuếch đại điện áp âm tần đơn 62 Mạch khuếch đại điện áp âm tần gồm tầng ghép RC 63 Mạch khuếch đại điện áp âm tần gồm tầng ghép trực tiếp 65 Tần khuếch đại cảm kháng .66 Tầng khuếch đại ghép biến áp 67 III- Khuếch đại cao tần 67 Tầng khuếch đại cộng hưởng 67 Tầng khuếch đại giải tần 68 IV- Khuếch đại công suất 68 Tầng khuếch đại công suất đơn 68 Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo (Push-pull) .69 V- Mạch hồi tiếp .71 VI- Máy tăng âm 72 Chương III: MÁY PHÁT DAO ĐỘNG 135 I- Máy phát dao động điều hòa 135 Máy phát dao động điều hòa cao tần 135 Máy phát dao động điều hòa âm tần 137 Máy phát dao động 141 II- Máy phát dao động khơng điều hòa 143 Mạch dao động đa hài 143 Mạch dao động tạo điện áp cưa 146 Chương IV: BIẾN ĐIỆU VÀ TÁCH SÓNG 148 Bài 1: Biến điệu sóng cao tần 148 I- Biến điệu dao động 148 II- Biến điệu biên độ 149 Nguyên tắc 149 Hệ số biến điệu 151 Phổ dao động biến điệu 151 Công suất dao động biến điệu 152 Các sơ đồ thực biến điệu biên độ 153 Ưu khuyết điểm điều chế biên độ 153 III- Biến điệu tần số 154 Nguyên tắc 154 Phổ dao động biến điệu 155 Ưu khuyết điểm điều chế tần số 157 Bài 2: Tách sóng 158 I- Tách sóng biên độ 158 Nguyên tắc 158 Mạch điện tách sóng biên độ 160 II- Tách sóng tần số 162 Chương V: HỆ DAO ĐỘNG 166 I- Mạch dao động có thơng số tập trung 166 Dao động riêng 166 Dao động cưỡng – cộng hưởng 169 II- Hệ dao động có thơng sơ phân bố 173 Mạch dao động có thơng số phân bố 173 Chương VI: ĂNG-TEN VÀ SỰ TRUYỀN SĨNG VƠ TUYẾN ĐIỆN 178 I- Ăng-ten 178 Bức xạ lượng điện từ ăng-ten 178 Bức xạ định hướng ăng-ten 179 Ăng-ten thu thông dụng 181 III- Sự truyền sóng vơ tuyến điện 183 Chương VII: MÁY THU 188 Bài 1: Máy thu 188 I- Sơ đồ khối 189 II- Sơ đồ mạch điện 190 Bài 2: Máy thu hình 192 I- Máy phát hình 192 Nguyên tắc 192 Cách phân ảnh 193 Tần số tín hiệu thị tần 193 Tín hiệu thị tần hỗn hợp 194 II- Máy thu hình 196 Đèn hình 196 Lái tia electron 197 Sơ đồ khối 198 Mạch tích phân vi phân 201 Chương VIII: MÁY ĐO ĐIỆN – DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ 205 I- Nguyên tắc hoạt động 206 Ống phóng điện tử 206 Thấu kính điện tử 207 Bộ phận lái tia 210 II- Cấu tạo cách sử dụng 212 Cấu tạo 212 Cách sử dụng 215 Tài liệu tham khảo 219 LỜI NĨI ĐẦU Giáo trình Vơ tuyến điện tử biên soạn để phục vụ giảng dạy cho sinh viên khoa Vật Lý trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ chí minh, dựa chương trình mơn Vơ tuyến điện tử Giáo dục - Đào tạo soạn thảo dựa kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm qua Ngồi phần trọng tâm chương trình, chúng tơi có đưa phần đọc thêm có tính tham khảo để mở rộng kiến thức ứng dụng thực tế cho sinh viên ĐHSP Chắc chắn giáo trình nhiều thiếu sót, chúng tơi mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc gần xa PHAN THANH VÂN NGUYÊN TẮC LIÊN LẠC BẰNG VÔ TUYẾN ĐIỆN Hình vẽ minh họa cho thấy nguyên tắc liên lạc vô tuyến điện: * Máy phát: Gồm có mạch điện tạo dao động cao tần (1), nguồn tín hiệu cần truyền (tín hiệu âm hay tín hiệu hình ảnh ) (2), mạch điện điều chế gửi tín hiệu vào dao động cao tần (3), mạch khuếch đại cao tần (4) ăng-ten xạ dao động điều chế không gian (5) * Máy thu: Gồm có ăng-ten thu (6) nhận dao động cao tần điều chế vào máy thu, mạch cộng hưởng (7) chọn đài muốn thu, mạch tách sóng (8) tách tín hiệu khỏi dao động cao tần, mạch khuếch đại công suất (9) phận lặp lại tín hiệu (10) loa vơ tuyến truyền hay đèn hình vơ tuyến truyền hình Ngồi có mạch điện khác tầng khuếch đại, nguồn nuôi cung cấp lượng cho máy hoạt động Hệ thống thu phát vô tuyến điện Chúng ta đề cập đến phần sau đây: 1.- Cách tạo dao động điện từ 2.- Khuếch đại dao động điện từ 3.- Ăng-ten phát thu dao động điện từ 4.- Sự lan truyền sóng điện từ khơng gian 5.- Mạch điều chế tách sóng 6.- Máy thu thanh, máy thu hình Chương I LINH KIỆN ĐIỆN TỬ BÀI 1: VẬT LIỆU LINH KIỆN ĐIỆN TỬ I.- CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU LINH KIỆN 1.- Cấu trúc mạng thể Khi nghiên cứu tính dẫn điện vật rắn, ta chọn để xem xét vật rắn có nguyên tử xếp tạo nên mạng tuần hồn khơng gian chiều Ta khơng xét đến chất dẻo, thủy tinh, cao su chúng khơng có cấu trúc mạng Cấu trúc mạng tinh thể Silic Ví dụ: Carbon (dạng kim cương) Silic có cấu trúc tinh thể hồn tồn giống nhau, nguyên tử nằm đỉnh tâm khối lập phương (cấu trúc khối tâm) Mỗi nguyên tử liên kết với nguyên tử kế cận (Carbon dạng graphit có cấu trúc khác) Các liên kết nguyên tử Silic 2.- Các mức lượng nguyên tử Ta biết electron nguyên tử, chiếm tầng có mức lượng khác theo nguyên lý loại trừ Pauli: Có tối đa 2n2 electron tầng electron phân bố vân đạo s, p, d, f Ví dụ: Tầng 1: n = 1, có số electron tối đa Tầng 2: n = 2, có số electron tối đa [Vân đạo s Ĩ = 0) : chứa tối đa electron Vân đạo p Ĩ = 1) : chứa tối đa electron Vân đạo d Ĩ = 2) : chứa tối đa 10 electron ] Khi có đầy đủ số electron tối đa tầng, ngun tử có cấu bền Ví dụ: 2He, 10Ar có cấu bền 11Na có cấu khơng bền Ngồi electron chiếm vân đạo theo nguyên tắc sau đây: 1s n = 1, l = n = 2, l = 0, 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f n = 4, l = 0, 1, 2, 5s 5p 5d 5f n = 5, l = 0, 1, 2, 3, n = 3, l = 0, 1, Ví dụ: 6C : 1s2 2s2 2p2 2 2 14Si : 1s 2s 2p 3s 3p 2 6 10 4p2 32Ge : 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 2 11Na : 1s 2s 2p 3s Các mức lượng chưa bị electron chiếm gọi mức lượng trống Khi electron nhận lượng (do va chạm với electron khác với photon ) nhảy lên mức lượng cao II- THUYẾT VÙNG NĂNG LƯỢNG Ta thấy electron nguyên tử xếp mức lượng cố định: Ví dụ: 11Na : 1s2 2s2 2p2 3s1 2 6 29Cu : 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d Trong electron nằm sâu bên nguyên tử, bị giữ chặt hạt nhân electron tầng bên nên electron tầng linh động Khi nguyên tử tiến gần lại với cỡ số mạng “a”, mức lượng bị tách hợp thành dải Cuối mức lượng electron sâu bên nguyên tử electron bên ngồi hợp thành Vùng Hóa Trị BV (Bande Valence), tập hợp mức lượng trống hợp thành Vùng Dẫn BC (Bande Conduction), khoảng cách lượng dải gọi Vùng Cấm hay Khe Năng Lượng Eg (gap) E EC Vùng Dẫn Vùng Cấm Eg = EC - EV EV Vùng Hoá Trò Các vùng lượng nguyên tử ™ Nếu tất electron nằm Vùng Hóa Trị: khơng có electron dẫn điện ™ Khi electron Vùng Hóa Trị nhận lượng E > Eg, electron từ Vùng Hóa Trị nhảy lên Vùng Dẫn để tham gia dẫn điện Ví dụ: Si có Eg = 1,1 eV C (Kim cương) có Eg = 5,4 eV SiO2 có Eg = 8eV III- PHÂN BIỆT ĐIỆN MÔI-CHẤT BÁN DẪN-KIM LOẠI: Về cấu trúc vùng lượng: Chất bán dẫn điện mơi có cấu trúc giống nhau, chất lại khác Hiện nay, Si ( Eg = 1,1 eV) SiO2 (Eg = eV) dùng nhiều công nghệ bán dẫn E E Vùng Dẫn EC Vùng Dẫn Eg = eV EC Vùng Hóa Trò EV EV Eg = 1,1 eV Vùng Hóa Trò Các vùng lượng SiO2 Các vùng lượng Si a) Điện mơi: Điện mơi chất có Eg lớn, điều kiện bình thường electron Vùng Hóa Trị khơng thể vượt qua rào lượng Eg, để lên Vùng Dẫn Ta phải cung cấp lượng lớn E > Eg electron từ Vùng Hóa Trị nhận lượng nhảy lên Vùng Dẫn để tham gia dẫn điện b) Chất bán dẫn: Chất bán dẫn có Vùng Cấm Eg tương đối thấp, electron nhận lượng để từ Vùng Hóa Trị lên Vùng Dẫn tham gia dẫn điện Khi tăng nhiệt độ, số electron từ Vùng Hóa Trị nhận đủ lượng nhảy lên Vùng Dẫn nhiều, điện trở chất bán dẫn giảm c) Kim loại: Kim loai có Vùng Dẫn Vùng Hoá Trị sát gối lên nhau, nên điều kiện thường không cần cung cấp lượng có sẵn electron tự Vùng Dẫn tham gia dẫn điện Vì ta có Eg = E EV EC Vùng Dẫn Vùng Hóa Trò Các vùng lượng kim loại Ví dụ: 13Al : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 2s2 2p6 3s1 11Na: 1s Khi tăng nhiệt độ, dao động mạng tinh thể tăng, cản trở di chuyển electron nên điện trở kim loại tăng IV- CHẤT BÁN DẪN : (Semiconductor) Các nguyên tử hóa trị Germani (Ge); Silic (Si) chất bán dẫn 2s2 2p6 3s2 3p2 14Ge: 1s : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 Ta thấy tầng nguyên tử có electron, nên cần có thêm electron để đạt cấu bền, nghĩa phải tạo thêm liên kết cộng hóa trị với nguyên tử lân cận (mỗi liên kết cộng hóa trị có electron dùng chung cho nguyên tử ) Ví dụ: Mạng tinh thể chất bán dẫn Germani có cấu sau: 32Si E EC Ge Vùng Dẫn Eg = 0,72eV EV Vùng Hóa Trò Các mức lượïng chất bán dẫn Ge Mạng tinh thể chất bán dẫn Ge Tùy theo tạp chất pha vào chất bán dẫn mà ta có loại bán dẫn sau đây: A- Chất bán dẫn thuần: (Intrinsic semiconductor) Trong mạng tinh thể, có nguyên tử bán dẫn, ví dụ Germani (Ge), Silic (Si), khơng có ngun tử tạp chất lạ Ta xét dẫn điện loại bán dẫn theo nhiệt độ: ( Ở 00K: Không có dao động nhiệt mạng tinh thể, nguyên tử nằm yên nút mạng nên liên kết cộng hóa trị khơng thu lượng để đứt Chúng bền chắc: khơng có electron tự nên chất bán dẫn điện môi ( Ở nhiệt độ bình thường: Các nguyên tử bị dao động nhiệt quanh vị trí cân bằng, chúng cung cấp lượng cho liên kết cộng hóa trị Khi thu đủ lượng E ( Eg liên kết cộng hoá trị đứt cho electron tự chúng tham gia dẫn điện ( Ở nhiệt độ cao: Số liên kết cộng hóa trị bị đứt nhiều, nên số electron tự tạo lớn, độ dẫn điện tăng Cơ chế dẫn điện chất bán dẫn thuần: Khi đặt chất bán dẫn vào điện trường ngoài, liên kết cộng hóa trị thu đủ lượng bị đứt tạo electron tự do, chúng di chuyển phía cực dương điện trường để lại trạng thái lượng bị khuyết, ta gọi lổ trống Như nguyên tử Ge có lổ trống electron tầng ngồi, muốn nhận thêm electron để đạt cấu bền Các electron lân cận dễ dàng di chuyển lại chiếm lổ trống lại để lổ trống khác thế, ta thấy electron di chuyển ngược chiều điện trường, lổ trống di chuyển chiều điện trường Cả hai tham gia dẫn điện electron nhận lượng từ Vùng Hóa Trị nhảy lên Vùng Dẫn tham gia dẫn điện, lổ trống di chuyển Vùng Hóa Trị di dời electron đến lấp lổ trống Trong chất bán dẫn thuần, ta có: I = Ie + Ip số electron số lổ trống (ne = np) E BC EC Ge EV BV Ngoài nên vận hành điốt LASER 2/3 công suất phát sáng tối đa Photo – Điốt: Các photo-điốt dùng làm detector, phát diện ánh sáng Nếu ta mắc điện áp ngược vào đầu điốt Silic, dòng điện rĩ bé chạy qua Nhưng ta bóc trần vỏ điốt chiếu ánh sáng vào, dòng rò tăng lên mạnh (có thể đến 1mA) Tất lớp tiếp xúc P-N nhạy sáng vậy, nên dùng làm photo-điốt Mặt thị tinh thể lỏng: (LCD) Liquid Crystal Display ™ ĐẠI CƯƠNG: Bà Patricia E Claudis người Trung Quốc, sinh sống Vancouver Canada, làm việc phòng thí nghiệm AT&T Bell người tìm thấy tính chất độc đáo tinh thể lỏng Mặt thị tinh thể lỏng gọi LCD, có đời sống từ 10.000 100.000 giờ, dùng để thay mặt thị loại LED hay huỳnh quang LCD có lợi điểm sau đây: - Rất tốn điện: 10(A - Chữ số rõ ràng dễ đọc nơi có nhiều ánh sáng - Cấu trúc phẳng, dẹp có độ bền học cao - Có thể điều khiển trực tiếp linh kiện TTL hay CMOS - Có thể thị ký hiệu phức tạp Tuy nhiên có bất lợi: - Đời sống tương đối ngắn so với LED - Khi trời tối, đọc với ánh sáng đèn từ bên - Thời gian tắt, mở tương đối chậm - Khoảng nhiệt độ làm việc tương đối hẹp: Dưới O0C, tinh thể lỏng bị đóng băng 600C, LCD không làm việc ™ CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG: Tinh thể lỏng mặt thị LCD hợp chất hữu có phân tử dài, có đặc tính nematic Có nghĩa trục dọc phân tử nằm song song với Tùy theo nhiệt độ mà tinh thể lỏng có trạng thái khác Ở nhiệt độ thấp, có trạng thái rắn; từ nhiệt độ nóng chảy Tnc đổi sang trạng thái không đẳng hướng (mesophase) Tăng nhiệt độ đến Ttr gọi nhiệt độ suốt, tinh thể lỏng có trạng thái đẳng hướng Hiệu ứng quang học dùng cho LCD hạn chế khoảng mesophase mà (giới hạn khoảng nhiệt độ Tnc Ttr) ™ CẤU TRÚC: Mặt thị tinh thể lỏng cấu tạo kính cách khoảng 10 (m Ở phía mặt kính trên, có tráng điện cực suốt ZnO2, gồm hình ảnh, dấu hiệu cần thể Ở mặt kính phía có tráng lớp điện cực suốt ZnO2 Giữa lớp kính lớp tinh thể lỏng chung quanh hàn kín Tấm nhựa lọc có tính phân cực ánh sáng dán bên ngồi kính cho hình ảnh phản chiếu mặt thị nhìn rõ từ phía Hướng nhìn Điện cực ™ HOẠT ĐỘNG: Tấm nhựa phân cực Tấm kính Điện cực suốt Tinh thể lỏng Điện cực suốt Tấm kính Tấm nhựa phân cực Gương n chiếu Cấu trúc củaphaû LCD Trên mặt kính người ta mài thành rãnh thật bé song song nhau, rãnh kính thẳng góc với rãnh kính Các tinh thể lỏng xếp theo hướng rãnh Vì có lực tác dụng phân tử, nên phân tử xếp có hướng phân tử kế bên, nên hướng phân tử xoắn góc 900 từ kính xuống kính Bên ngồi kính dán lọc phân cực ánh sáng cho ánh sáng xuyên qua theo hướng, hướng hướng rãnh kính Vì mặt phẳng ánh sáng xun qua kính lọc phân cực xoay theo hướng trục phân tử tinh thể lỏng, mặt phẳng dao động ánh sáng xoay góc 900 nên xuyên qua kính lọc phân cực thứ hai Ở trạng thái khơng có điện áp đặt vào, ảnh suốt cho ánh sáng qua (hoặc phản xạ hướng cũ nhờ gương phản chiếu Dưới tác dụng điện trường, phân tử tinh thể lỏng định hướng theo chiều điện trường (thẳng góc với mặt phẳng kính), mặt phẳng ánh sáng không bị xoay nên không cho ánh sáng xun qua lọc phân cực thứ hai, khơng có ánh sáng ló ngồi Ta thấy màu đen chổ điện cực suốt có hình dạng cần thể Trong ảnh LCD màu, trước điểm ảnh (pixel picture element) kính lọc màu Ba điểm màu đỏ, xanh xanh dương tạo nên điểm ảnh màu Như thế, muốn ảnh LCD màu có độ phân giải LCD đen trắng phải có số điểm pixel gấp lần Các LCD dùng nhiều đồng hồ điện tử, mặt thị đồng hồ đo, máy tính cầm tay, hình máy vi tính xách tay chúng tiêu thụ lượng Chương II MẠCH KHUẾCH ĐẠI Một mạch khuếch đại thường gồm nhiều tầng, tầng gồm số linh kiện, ta phân loại theo nhiệm vụ nó: - Khuếch đại điện áp - Khuếch đại công suất Hoặc phân loại theo dải tần hoạt động: - Khuếch đại dòng chiều (các tín hiệu chiều hay biến thiên chậm theo thời gian - Khuếch đại tần số thấp (có tần số từ vài Hz đến vài chục KHz) - Khuếch đại tần số cao (có tần số từ vài chục KHz đến vài ngàn MHz) Hoặc phân loại theo chế độ hoạt động: - Khuếch đại hạng A: điểm làm việc nằm phần thẳng đặc tuyến, khuếch đại trung thực, thường dùng mạch khuếch đại điện áp, nhiên hiệu suất thấp dòng tiêu thụ có giá trị đáng kể - Khuếch đại hạng B: điểm làm việc nằm gốc đặc tuyến, nên có phần nhỏ đặc tuyến nằm đoạn cong gốc Thường dùng mạch khuếch đại cơng suất hiệu suất lớn nhiều so với chế độ A, có tín hiệu đến mạch có dòng điện đáng kể - Khuếch đại hạng C: điểm hoạt động nằm xa gốc đặc tuyến, biên độ tín hiệu phải lớn mạch khuếch đại được, hiệu suất tầng khuếch đại lớn khuếch đại chế độ B, nhiên độ méo dạng đáng kể I- HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI Hệ số khuếch đại cho ta biết tỉ số biên độ tín hiệu đầu so với đầu vào Hệ số khuếch đại điện áp: Ġ Hệ số khuếch đại dòng điện: Ġ Hệ số khuếch đại cơng suất tỉ số công suất công suất Pra lấy tải công suất Pvào đưa vào tầng khuếch đại P K p = Pvao Trong trường hợp mạch khuếch đại có nhiều tầng, hệ số khuếch đại K mạch là: K = K1 K2 K3 với Ki hệ số khuếch đại tầng thứ i Trong thực tế, độ lớn hệ số khuếch đại thường dùng đơn vị décibel (dB): Ku,i (dB) = 20 logKu,i Kp (dB) = 100 log Kp Bảng cho ta vài giá trị quan hệ trên: Ku,i 3,16 10 31,6 100 1000 Ku,i (dB) 10 20 30 40 60 10.00 100 Trong trường hợp mạch khuếch đại có nhiều tầng, hệ số khuếch đại K (dB) mạch là: K (dB0 = K1 (dB) + K2 (dB) + K3(dB) với Ki (dB) hệ số khuếch đại tầng thứ i II- KHUẾCH ĐẠI ĐIỆN ÁP ÂM TẦN Tầng khuếch đại điện áp nâng cao điện áp tín hiệu Tùy theo dải tần hoạt động, tầng khuếch đại điện áp chia thành nhiều loại: khuếch đại điện áp âm tần, cao tần, chiều Tuỳ theo tải lấy tín hiệu tuỳ theo cách nối tầng, ta có tầng khuếch đại ghép RC, tầng khuếch đại ghép biến áp, tầng khuếch đại tải cảm kháng, tầng khuếch đại ghép trực tiếp tầng khuếch đại ghép RC phổ biến Tầng khuếch đại điện áp âm tần đơn Tầng khuếch đại điện áp âm tần đơn dùng transistor thường mắc theo kiểu E chung B chung kiểu hệ số khuếch đại điện áp lớn Sơ đồ mạch khuếch đại gồm tầng, ta xét tầng vùng khoanh đường đứt nét Mạch điện gồm: + 12V RC R1 T1 C1 Uvaøo R2 RE C2 CE Tầng khuếch đại ghép RC • • • • • • Transistor PNP R1và R2: phân cực cho T RE bổ nhiệt cho T CE nâng hệ số khuếch đại C2: tụ điện liên lạc RC: điện trở tải Cần ý rằng, thành phần tín hiệu, tải cực C transistor T gồm điện trở RC mắc song song với trở kháng vào (ZC) tầng sau Để cho tín hiệu bị tiêu hao RC, người ta chọn RC lớn ZC nhiều a- Tính trị số linh kiện: Cho VCC =12V, tính R1, R2, RC, RE, CE để mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ,khuếch đại hạng A (trung thực) tiếp xúc BE phải phân cực thuận: VB > VE VB – VE = 0,6V (transistor Si) tiếp xúc BC phân cực nghịch VB < VC * Khuếch đại tín hiệu nhỏ, chọn dòng IC nhỏ để tạp âm : chọn IC từ ( 2mA * Chọn VCĠĠ * Chọn VB = 2V < VC Ġ VE = VB – 0,6V = 1,4VĠ Ġ V R1 VCC 12 * Tính R1, R2: VB = CC ⇒ = −1 = −1 = R1 R2 VB +1 R2 Nếu chọn R1 = 5ŋ R2 = 1ŋ Trong thực tế, ta chọn: RC = 5,6 ŋ; R1 = 5,1 ŋ; R2 = 1K Ω ; RE = 1,5 K Ω b- Mạch điện tương đương: Chú ý: * Đối với tín hiệu xoay chiều: tụ điện C nguồn chiều coi bị nối tắt * Đối với nguồn chiều: tụ điện C xem hở mạch Mạch điện tương đương transistor: iC B ≈ iB rbe ≅ β iB iC β ib rbe 26(mV ) I E (mA) E C Từ mạch điện tương đương transistor trên, ta vẽ lại mạch điện tương đương mạch khuếch đại điện áp dùng transistor: VCC = + 12V RC R1 T1 C1 Uvaøo R2 RE C2 ib R2 R1 RL CE rbe ~ - ic RC β ib RL Uvaøo Ta chọn R1 > R2 >> rbe RC > RL Trong thực tế, rbeĠ 1,5ŋ, RC khoảng vài chục ŋ Suy : R1 // R2 // Rbe Ġ rbe RC // R L ĠRL : Uvào = ib.rbe Ura = iCRL ib rbe ~ ic RL β ib Uvaøo Suy hệ số khuếch đại điện áp : K = β RL rbe Kết luận: Muốn hệ số khuếch đại điện áp lớn, ta chọn transistor cóĠ lớn điện trở tải mạch phía sau phải lớn RL R I (mA) = L E K =β 26 26 β (mA) IE Mạch khuếch đại điện áp âm tần gồm tầng ghép rc: Như phần trình bày, mạch khuếch đại gồm tầng ghép với R C, vẽ lại sơ đồ sau: + 12V R1 RC1 RB T1 C1 Uvaøo R2 RC2 C2 RE RL CE - Sơ đồ mạch khuếch đại ib1 ic1 rbe1 ~ ib2 ic2 β1 ib1 RB rbe2 RC2 β ib2 RL Uvaøo Mạch điện tương đương Nếu chọn RB >> rbe2 RC2 >> RL, ta có mạch điện tương đương sau: ib1 ic1 rbe1 ~ ic2 β1 ib1 rbe2 β ib2 RL Uvaøo Gọi K1 hệ số khuếch đại T1 K2 hệ số khuếch đại T2: i r r K1 = C1 be = β1 be ib1.rbe1 rbe1 i R R K2 = C L = β2 L ib rbe rbe vậy: Ġ R K = β1.β L rbe1 Với : Ġ ta có: Ġ * ĐẶC TUYẾN TẦN SỐ CỦA MẠCH KHUẾCH ĐẠI : Hình vẽ đặc tuyến tần số mạch khuếch đại âm tần ghép RC Chúng ta thấy, miền tần số trung bình đặc tuyến nằm ngang, nghĩa hệ số khuếch đại không phụ thuộc vào tần số Còn miền tần số thấp cao, ta thấy hệ số khuếch đại giảm rõ rệt, điều ảnh hưởng dung kháng tụ điện liên lạc, chúng phụ thuộc vào tần số Z C = Cω Định nghĩa giải thông : Giải thông mạch khuếch đại : Là giải tần số mạch khuếch đại [f1, f2], xác định tần số f1, f2 có hệ số khuếch đại bằngĠ K KM KM f1 f2 f Đặc tuyến tần số mạch khuếch đại K = g(f) hay K = g(logf) Mạch khuếch đại điện áp âm tần gồm tầng ghép trực tiếp Ta ghép trực tiếp tầng khuếch đại với mà không dùng tụ điện liên lạc Mạch điện vậy, đặc tuyến tần số mạch khuếch đại phẳng phía tần số thấp khơng có tụ điện liên lạc, đơn giản tốn Tuy nhiên thiết kế, phải ý điện áp tầng trước điện áp vào tầng sau để thoả mãn điện áp tiếp tế, phân cực cho transistor nên cân chỉnh phức tạp Sau mạch khuếch đại gồm transistor ghép trực tiếp, cho giải thông rộng, thường dùng để khuyếch đại tín hiệu nhỏ: RC1 C1 Uvaøo RC2 +VCC C2 R RE1 CE1 RE2 RL CE2 - Mạch khuếch đại liên lạc trực tiếp Trong sơ đồ trên, RC1 tải, RE1 điện trở bổ nhiệt cho transistor T1; RC2 tải, RE2 điện trở bổ nhiệt cho transistor T2 Các tụ điện liên lạc C1, C2 tụ điện phân dòng CE1, CE2 tải mạch khuếch đại RL R điện trở hồi tiếp âm, dùng để phân cực cho transistor Các điện trở phân cực mạch phải tạo điện áp sau: VB1 > VE1 ; VC1 > VB1 ; VC1 = VB2 ; VB2 > VE2 ; VC2 > VB2 a- Tính trị số linh kiện: Chọn VCC = 9V V VC1 = CC = khoaûng 2V VB1 khoảng 0,9V Dòng qua transistor T1 : IC1 = 0,5mA (chọn dòng nhỏ để tạp âm) Dòng qua transistor T2 : IC2 = 1mA (tín hiệu qua transistor T2 lớn T1) V −V 9−2 RC1 = CC C1 = = = 14 K Ω 0,5 0,5 I C1 VE1 = VB1 – 0,6 = 0,9 – 0,6 = 0,3V V V 0,3 RE1 = E1 = E1 = = 600Ω I E1 I C1 0,5 VCC − VC − 4,5 = = 4,5 K Ω IC VE2 = VB2 – 0,6 = VC1 – 0,6 = - 0,6 = 1,4V V V 1, RE = E = E = = 1, K Ω IE2 IC Còn điện trở R tìm từ thực nghiệm : lấy biến trở khoảng 100ŋ mắc vào vị trí R, điều chỉnh biến trở để có điện áp thiết kế Lấy biến trở R ngồi, đo Ohm-kế sau thay điện trở có trị số tương tự b- Tính hệ số khuếch đại: Đối với tín hiệu, tụ điện C1, C2, CE1 CE2 coi bị nối tắt (doĠ nhỏ) Ta có mạch điện tương đương sau : RC = ib1 ic1 R rbe1 ~ ib2 ic2 RC1 β1 ib1 rbe2 RC2 β ib2 RL Uvaøo Chọn R >> rbe1 nên R // rbe1 gần rbe1 RC1 >> rbe2 nên R // rbe2 gần rbe2 RC2 > RL nên RC2 // RL gần RL Ta có hệ số khuếch đại K = K1.K2 i r r K1 = C1 be = β1 be ib1.rbe1 rbe1 i R R K2 = C L = β2 L ib rbe rbe vậy: Ġ K = β1.β RL rbe1 Tầng khuếch đại cảm kháng Tầng khuếch đại điện áp âm tần ghép RC có ưu điểm gọn, nhẹ, đặc tuyến tần số tốt Nhược điểm loại mạch khó phối hợp trở kháng hiệu suất thấp ln ln có độ sụt áp chiều qua tải Để tăng hiệu suất cho tầng khuếch đại ta dùng mạch khuếch đaị với taỉ cảm kháng Cuộn cảm có điện trở nhỏ nên sụt áp chiều qua nhỏ, dòng biến thiên cảm kháng cuả lớn nên ta thu điện áp đủ lớn bảo đảm cho tầng khuếch đại có hệ số khuếch đại cao Tuy nhiên cảm kháng cuộn dây phụ thuộc vào tần số, nên hệ số khuếch đại cuả mạch phụ thuộc vào tần số (tăng theo tần số) Ngoài cuộn cảm có điện dung ký sinh, LC trở thành khung dao động đưa đến tượng cộng hưởng làm cho khuếch đại có tính lọc lựa Vì vập tầng khuếch đại cảm kháng dùng thực tế +VCC RB1 LC RB2 C1 CB Uvaøo - Tầng khuếch đại ghép biến áp Hệ số k cuả biến áp chọn để làm phù hợp trở kháng gữa tầng khuếch đại mạch phía sau Đặc tuyến tần số mạch khuếch đại ghép biến áp vẽ từ thực nghiệm có dạng hình vẽ Vùng tần số thấp hệ số khuếch đại bị giảm vùng tần số cao hệ số khuếch đại nâng cao đặc tính cuả cảm ứng điện từ biến áp Nên tầng khuếch đại dùng mạch khuếch đại cao tần Mạch khuếch đại ghép biến áp có ưu điểm sau: * Dễ dàng thực việc phối hợp trở kháng tầng khuếch đại trước sau * Dễ dàng thực mạch đối xứng (như tầng đảo pha mạch khuếch đại công suất Push-pull) * Sụt áp chiều cuộn sơ cấp cuả máy biến áp nhỏ, nên hiệu suất cuả mạch khuếch đại tăng (nhất khuếch đại với biên độ tín hiệu lớn) Tuy nhiên mạch khuếch đại ghép biến áp có nhược điểm: - Đặc tuyến tần số mạch khuếch đại xấu so với tầng ghép RC - Kích thước, trọng lượng lớn, kết cấu phức tạp giá thành cao RB1 +VCC T C1 C2 C RL Uvaøo RE CE Mạch khuếch đại ghép biến áp III- KHUẾCH ĐẠI CAO TẦN Nếu tầng khuếch đại âm tần ta cần mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại đặn giải tần rộng, tầng khuếch đại cao tần ta lại yêu cầu có hệ số khuếch đại lớn gải tần tương đối hẹp Vì ta goị tầng khuếch đại tầng khuếch đại giải hẹp, có tính chọn lọc Tầng khuếch đại cao tần thường sử dụng rộng rãi máy thu, máy phát vô tuyến điện dùng để khuếch đại dao động điện có tần số đài muốn thu muốn phát triệt dao động điện có tần số khác Tầng khuếch đại thường khuếch đại cộng hưởng cuả khung dao động, tải cuả tầng khuếch đại khung dao động Nếu có khung dao động, ta có mạch khuếch đại cộng hưởng đơn có khung dao động kép, ta có mạch khuếch đại cộng hưởng kép Tầng khuếch đại cộng hưởng Dưới tầng khuếch đại cộng hưởng dùng transistor mắc theo kiểu phát chung (có thể mắc theo kiểu gốc chung) RB1 L +VCC C C1 Uvaøo C2 N RE CE NC N1 N2 - Ta ý đến việc ghép tầng tầng khuếch đại: transistor mắc theo kiểu Phát chung nên tổng trở không lớn (cỡ vài chục ŋ), tổng trở vào tầng sau lại nhỏ (cỡ 1ŋ) để đỡ làm nhụt mạch cộng hưởng để phối hợp trở kháng ta nối thẳng đầu mạch dao động vào cực Góp transistor, nối tầng (qua tụ điện C2) từ đầu mạch dao động đến cực Gốc tầng sau, đầu (cực Góp) đấu vào phần số vòng cuộn dây mạch cộng hưởng Tỉ số Ġ cỡ từ 0,2 ( 0,8 tùy loại transistor Do tổng trở vào tầng sau nhỏ, nên tỉ số ghép Ġ vào khoảng 0,05 ( 0,1 K Nếu lấy p n lớn giải thơng đặc tuyến tần số rộng ra, đồng thời hệ số K khuếch đại giảm (vì đường M cong cộng hưởng bè ra) Ngoài để tăng hệ số khuếch đại tầng giữ giải thông cần thiết, ta dùng transistor coá hệ số khuếch đại lớn, mạch cộng hưởng có hệ số phẩm chất cao (dùng cuộn cảm có lỏi ferit, lỏi ferit làm tăng hệ số phẩm chất f0 f mạch dao động) Tầng khuếch đại giải tần: Tầng khuếch đại cao tần khuếch đại giải tần hẹp, hệ số khuếch đại lớn ứng với tần số cộng hưởng khung dao động, nghĩa hệ số khuếch đại không đồng giải tần mà khuếch đại Tầng khuếch đại giải tần cho phép ta khuếch đại tương đối đồng giải tần số hẹp Tầng khuếch đại trung tần máy thu thường dùng mạch khuếch đại kiểu Mạch khuếch đại giải tần dùng transistor mắc theo cực phát chung phải lưu ý đến chổ ghép tầng, phải phối hợp trở kháng tầng trước tầng sau Để phối hợp trở kháng, khỏi làm nhụt hệ số khuếch đại, đầu (cực Góp) transistor T1 đấu vào phần số vòng cuộn dây khung dao động sơ cấp (theo tỉ số p) lấy số vòng cuộn dây khung dao động thứ cấp (theo tỉ số n) đưa vào cực Gốc transistor T2 Tr1 Uvaøo R1 Tr2 K KM R2 +Vcc Mạch khuếch đại giải tần f0 f Đặc tuyến tần số IV- KHUẾCH ĐẠI CƠNG SUẤT Tầng khuếch đại cơng suất tầng cuối mạch khuếch đại, cung cấp cho tải công suất lớn Khác với tầng khuếch đại điện áp, tầng khuếch đại điện áp tín hiệu cần khuếch đại nhỏ, tầng khuếch đại cơng suất tín hiệu lớn trãi dài đường thẳng tải (trong đặc tuyến transistor) để khai thác hết công suất đồng thời phải giảm thiểu méo tầng khuếch đại gây (không vượt giới hạn điện áp, dòng điện, công suất transistor) Tầng khuếch đại công suất đơn Trong tầng khuếch đại này, mạch khuếch đại chế độ A Mạch khuếch đại dùng transistor phải dùng kiểu Phát chung, kiểu cho ta hệ số cơng suất lớn Vì mạch khuếch đại chế độ A nên chưa có tín hiệu đến có dòng chiều IC làm nóng transistor nên hiệu suất Trường hợp tải mạch khuếch đại gần tổng trở transistor, ta mắc trực tiếp tải vào mạch transistor (ví dụ loa kim hay ống nghe điện thoại mắc trực tiếp vào mạch tầng khuếch đại công suất âm tần) Thông thường, trở kháng tải khác xa tổng trở transistor Ví dụ tải loa điện động có trở kháng nhỏ mà mạch transistor có trở kháng lớn nên phải dùng biến áp giảm áp (hệ số biến áp k > 1) để phối hợp trở kháng Nếu trở kháng loa Zt trở kháng sơ cấp là: Z t' = k Z t Vì k > nênĠ điều kiện phối hợp trở kháng thực cách chọn hệ số biến áp thích hợp: k= Z t' Zt +VCC R1 C1 Uvaøo R2 RE1 CE1 - Mạch khuếch đại công suất đơn IC(m ICmax ICbh IB=0 UCEbh UCE ECC UCE(V) Khuếch đại hạng A Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo (push-pull) Trong tần khuếch đại công suất đẩy kéo, người ta dùng transistor giống hồn tồn, hoạt động chế độ A, B hay AB Ta thường gặp mạch khuếch đại công suất đẩy kéo hoạt động chế độ B dùng transistor giống nhau, transistor hoạt động nửa chu kỳ, muốn phải có thêm mạch đảo pha phía trước làm nhiệm vụ tạo tín hiệu có biên độ ngược pha để cung cấp cho transistor công suất Mạch khuếch đại theo chế độ B nên chưa có tín hiệu tới, transistor cơng suất hồn tồn khơng hoạt động, chúng dẫn điện thời gian có tín hiệu tới Vì transistor cơng suất nóng, hiệu suất mạch cao IC(mA) IC max IC bh IB = 0 UCEO UCE bh ECC UCE (V) Khuếch đại hạng B Có nhiều loại mạch đảo pha, dùng thêm transistor mắc theo phát chung, tín hiệu lấy C E ngược pha Nhưng thường thấy dùng biến đảo pha, sơ cấp có cn dây thứ cấp gồm cuộn dây có số vòng nhau, chiều quấn dây thích hợp ta có tín hiệu ngược pha để cấp cho chân B transistor công suất R1 R2 làm nhiệm vụ phân cực cho transistor Tr1 Tr2, RE điện trở bổ nhiệt Hai transistor khuếch đại cơng suất lớn nên nóng, để ổn định cơng suất cho transistor này, người ta mắc song song với R2 điện trở nhiệt Th (thermistor), điện trở nghịch biến với nhiệt độ Th đặt gần transistor để lấy nhiệt Khi nhiệt độ transistor tăng, Th nóng điện trở giảm nên điện áp phân cực cho transistor giảm, transistor bớt nóng T1 R1 R2 T2 +VCC RE Tầng khuếch đại công suất Push-pull T1 biến đảo pha, từ nguồn tín hiệu vào tạo nguồn tín hiệu ngược pha để cấp vào chân B transistor công suất T2 biến xuất âm, sơ cấp gồm cuộn dây có số vòng nhau, thứ cấp vòng để phối hợp trở kháng với loa Giả sử nửa chu kỳ đầu, transistor nhận tín hiệu dương, dẫn điện transistor phía nhận tín hiệu âm, ngưng dẫn Dòng điện từ nguồn VCC qua nửa biến xuất âm, CE transistor qua RE để nguồn âm Dòng điện qua biến xuất âm thay đổi theo qui luật tín hiệu vào nên cảm ứng qua cuộn thứ cấp để loa Nửa chu kỳ sau, transistor nhận tín hiệu âm, ngưng dẫn transistor phía nhận tín hiệu dương, dẫn điện Dòng điện từ nguồn VCC qua nửa biến xuất âm, CE transistor qua RE để nguồn âm Dòng điện qua biến xuất âm thay đổi theo qui luật tín hiệu vào nên cảm ứng qua cuộn thứ cấp để loa Vậy chu kỳ, transistor công suất thay phiên làm việc nghỉ nên bớt nóng, hiệu suất cao Trên tải có dòng điện mạnh thay đổi theo qui luật tín hiệu vào Ưu điểm mạch khuếch đại push-pull khuếch đại tín hiệu mạnh, sơ cấp cuộn biến xuất âm khơng có dòng điện chiều chạy qua nên nâng cao hiệu suất mạch khuếch đại Nhược điểm mạch transistor cơng suất phải hồn tồn giống nhau, khơng tín hiệu khuếch đại bị méo Trong mạch khuếch đại có biến làm giảm hệ số khuếch đại tần số thấp Người ta dùng mạch khuếch đại công suất theo kiểu OTL (Output transformerless) để bớt biến xuất âm (H 1) Hoặc dùng transistor cơng suất bù (một transistor NPN transistor PNP) để bỏ biến (H 2) T R1 +VCC Tr1 Tr1 +VCC R2 Tr2 Tr2 Hình Hình V- MẠCH HỒI TIẾP Hồi tiếp (Feedback) lấy phần lượng đầu mộ mạch khuếch đại đưa ngược ngã vào Có thể hồi tiếp tầng hay nhiều tầng mạch khuếch đại Phần lượng từ ngõ đưa lại ngõ vào điện áp dòng điện, ta có hồi tiếp điện áp, hồi tiếp dòng điện Ž Uvaøo U’vaøo Ura β Lấy phần điện áp ngõ đưa ngược ngõ vào với hệ số hồi tiếpĠ : Gọi K’ hệ số khuếch đại chưa có hồi tiếp:Ġ Gọi K hệ số khuếch đại có hồi tiếp: Ġ Ta có: U’vào = Uvào +ĠUra 1 Suy : = +β K' K K = K' 1− β K ' • NếuĠ < : K < K’ : điện áp đưa ngược ngõ vào ngược pha, ta có hồi tiếp âm Ưùng dụng làm mở rộng giải thông mạch khuếch đại, nhiên hệ số khuếch đại mạch bị giảm • NếuĠ > : K > K’ : điện áp đưa ngược ngõ vào đồng pha, ta có hồi tiếp dương Ứng dụng để làm tăng hệ số khuếch đại mạch khuếch đại đồng thời làm mạch khuếch đại ổn định • NếuĠK’ = : K trở nên lớn vô Mạch khuếch đại trở thành mạch dao động Trong thực tế dùng hệ thống khuếch âm, để micro loa đối đầu nhau, tín hiễu ngã loa trở ngõ vào micro pha, tượng hồi tiếp dương xảy Nếu hồi tiếp dương lớn dẫn đến dao động tự kích có tiếng hú lớn loa (hiệu ứng Larzen) VI- MÁY TĂNG ÂM Máy tăng âm gọi ampli (amplifier), dùng để khuếch đại âm từ nguồn micro hay đầu đọc máy ghi âm (cassette) để phát loa Một máy tăng âm gồm hay nhiều tầng khuếch đại điện áp tầng khuếch đại cơng suất Ngồi có mạch hồi tiếp âm, mạch tăng giảm âm sắc (tone), mạch tăng giảm âm lượng, tăng giảm tiếng trầm (bass), bổng (treble) Một mạch điện máy tăng âm đơn giản sau: +12V Micro AUX IN Mạch điện máy tăng âm Tầng mạch khuếch đại điện áp âm tần gồm transistor ghép trực tiếp để đặc tuyến tần số hệ số khuếch đại mạch phẳng (hệ số khuếch đại đồng giải tần) Tầng có tải biến đảo pha tầng khuếch đại công suất nhỏ kết hợp với tải làm nhiệm vụ đảo pha, tạo tín hiệu biên độ ngược pha để cấp cho tầng khuếch đại công suất push-pull Tầng cuối mạch khuếch đại công suất push-pull Ta thấy điện áp nguồn cung cấp cho tầng khuếch đại đầu lọc kỹ qua mạch lọc RC để tránh tượng hồi tiếp dương tầng với gây dao động tự kích Micro: biến đổi dao động thành dao động điện, tín hiệu âm tạo nhỏ đưa vào khuếch đại tầng AUX IN ngõ vào tín hiệu có biên độ lớn nên cần khuếch đại công suất Muốn tăng cơng suất cho máy tăng âm ta mắc nối tiếp thêm tầng khuếch đại công suất thay transistor công suất transistor khác mắc theo kiểu Darlington sau: ≈ β1 β2 β = β1.β Ta thấy: Mà IC1 = IB2, nên Ġ Ġ Ġ ... tụ điện sứ (ceramic), trị số thường ghi sau: 10 4 (10 .0000pF = 0 ,1 F) 10 3 (10 .000pF = 0, 01 F) 10 2 (10 .00pF = 0,0 01 F ) b) Điện áp làm việc: Là điện áp tối đa cho phép đặt vào cực tụ điện, điện. .. Micro Farad (àF) = 10 -6F Nano Farad (nF) = 10 -9F = 10 -3 àF = 10 3 pF Pico Farad (pF) = 10 -12 F = 10 -6 µF = 10 -3nF Các tham số : Tụ điện có tham số chính: a) Điện dung: Điện dung tụ điện phẳng tính... 1, 2, 5s 5p 5d 5f n = 5, l = 0, 1, 2, 3, n = 3, l = 0, 1, Ví dụ: 6C : 1s2 2s2 2p2 2 2 14 Si : 1s 2s 2p 3s 3p 2 6 10 4p2 32Ge : 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 2 11 Na : 1s 2s 2p 3s Các mức lượng chưa bị