M¹ch khuÕch ®¹i kh«ng håi tiÕp.[r]
(1)Vro Vr
Hµ néi 5/ 2005 Vâ Quang S¬n
-
-Bài giảng
Kỹ thuật mạch điện tử
(2)BomonKTDT-ĐHGTVT
(3)Lời nói đầu:
Bài giảng Kỹ thuật Mạch Điện tử đợc biên soạn dựa giáo trình tài liệu tham khảo nay, đợc dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành: Kỹ thuật Viễn thơng, Kỹ thuật Thơng tin, Tự động hố, Trang thiết bị điện, Tín hiệu Giao thơng
Trong q trình biên soạn, tác giả đợc đồng nghiệp đóng góp nhiều ý kiến, cố gắng sửa chữa, bổ sung cho sách đợc hoàn chỉnh hơn, song chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, hạn chế Chúng tơi mong nhận đ-ợc ý kiến đóng góp bạn đọc!
(4)BomonKTDT-§HGTVT
(5)Chơng I Những khái niệm chung sở phân tích mạch điện tử
I Mạch điện tử:
Mch in t l loi mạch có nhiệm vụ gia cơng tín hiệu theo thuật toán khác nhau, chúng đợc phân loại theo dạng tín hiệu đợc xử lý
Tín hiệu: số đo điện áp huặc dịng điện q trình, thay đổi tín hiệu theo thời gian tạo tin tức hữu ích
Tín hiệu đợc chia làm loại tín hiệu tơng tự Anolog tín hiệu só Digital Tín hiệu tơng tự tín hiệu biến thiên liên tục theo thời gian nhận giá trị khoảng biến thiên
Tín hiệu số: tín hiệu đợc rời rạc hoá mặt thời gian lợng tử hố mặt biên độ, đợc biểu diễn tập hợp xung điểm đo rời rạc
Tín hiệu đợc khuếch đại; điều chế; tách sóng; chỉnh lu; nhớ; đo ; truyền đạt; điều khiển; biến dạng; tính tốn mạch điện tử
Để gia công loại tín hiệu số tơng tự dùng loại mạch bản: mạch t-ơng tự mạch số, khuôn khổ giáo trình xem xét mạch tt-ơng tự
Vi mch in tử tơng tự, quan tâm tới thông số: biên độ tín hiệu độ khuếch đại tín hiệu
Biên độ tín hiệu: liên quan mật thiết đến độ xác q trình gia cơng tín hiệu xác định mức độ ảnh hởng nhiễu đến hệ thống Khi biên độ tín hiệu nhỏ mV, huặc àV, nhiễu lấn át tín hiệu, thiết kế hệ thống điện tử cần lu ý nâng cao biên độ tín hiệu tầng đầu hệ thống
Khuếch đại tín hiệu chức quan trọng mạch tơng tự, thực trực tiếp huặc gián tiếp phần tử chức hệ thống, thông thờng hệ thông lại chia thành tầng gia công tín hiệu, tầng khuếch đại cơng suất
Hiện mạch tổ hợp(IC) tơng tự đợc dùng phổ biến, đảm bảo tiêu kỹ thuật mà cịn có độ tin cậy cao chi phí thấp, nhiên chúng đợc dùng chủ yếu cho tín hiệu có phạm vi tần số thấp
Xu hớng phát triển kỹ thuật mạch điện tử tơng tự nâng cao độ tích hợp, khả ứng dụng ca mch
II Các kiến thức transistor
Xem lại giáo trình Cấu kiện Điện tử, nội dung sau: 1- Cấu tạo, nguyên lý hot ng,
2- Có cách mắc b¶n cđa BJT(FET) : EC(SC); CC(DC); BC(GC)
3- Các ứng dụng BJT FET, tuỳ theo việc phân cực mà T làm việc theo chế độ sau:
+ Chế độ khuếch đại tín hiệu: phân cực chế độ khuếch đại + Làm việc chế độ khố: miền bão hồ miền cắt
4- Các sơ đồ tơng đơng T 5- Đặc tính tần số T
6- Sơ đồ cách tính tốn cuả T khuếch đại tín hiệu nhỏ 7- So sánh BJT FET,
(6)BomonKTDT-§HGTVT
Fet có u điểm kích thớc điện áp cung cấp(dẫn đến công suất tiêu thụ) nhỏ độ tin cậy cao BJT, nhng Fet lại có nhợc điểm điện dẫn g nhỏ nhạy cảm với điện tích tĩnh, Fet thờng đợc tích hợp mạch IC, cịn BJT thờng dùng cho mạch rời
III Mạch cấp nguồn ổn định chế độ làm việc 1 Đặt vấn đề:
Trong tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ, điểm làm việc nằm miền tích cực BJT, miền thắt FET, chế độ tĩnh, cực T có dịng điện tĩnh Ic(TD); IB(IG) điện áp chiều UCE(UDS); UBE(UGS) Điểm làm việc tơng ứng với chế độ điểm làm việc tĩnh Q
Khi có tín hiệu vào điện áp dòng điện thay đổi xung quanh giá tri tĩnh, để đảm bảo cho tầng làm việc bình thờng điều kiện khác nhau, ngồi việc cung cấp điện áp thích hợp cho cực, cịn cần phải ổn định điểm làm việc tĩnh chọn, không chất lơng làm việc tầngbị giảm sút
2 Víi BJT.
a Sơ đồ ổn đinh tuyến tính:
Sơ đồ phổ biến sơ đồ hồi tiếp- chiều: nhằm biến đổi điện áp mạch vào T cho hạn chế di chuyển điểm tĩnh đặc tuyến ra, gây nên yếu tố ổn định Sơ đồ nh sau:
VÝ dơ h×nh a:
6
Vcc
Uv
R1
Rc
C5 R2
Vcc
Ur Uv
Q3
Ur C2 Q2
C1 R1
Re Uv
Ur
R2
R1
C2
C1 Q1 Rc Vcc
Ic I1
I1
h.a h.b
h.c
(7)Nguyên tắc ổn định: có ngun nhân ổn định làm cho dịng chiều ICEo colector tăng điện UCEo giảm, dịng định thiên IBo= UCEo/R1 giảm theo, làm ICEo giảm xuống, nghĩa dòng tĩnh ban đầu giữ nguyên
Cũng dùng sơ đồ hồi tiếp dòng điện: Nguyên tắc ổn định nh sau:
Khi IC tăng, điện áp UEo=Ie Re, tăng điện áp Ue lấy phân áp R1 R2 không đổi, nên UBEo=IBR2- UEo giảm làm cho IB giảm, IC khơng tăng Tụ Ce có tác dụng tránh hồi tiếp - xoay chiều
a Sơ đồ ổn đinh phi tuyến :
áp dụng phơng pháp bù nhiệt nhờ phần tử có tham số phụ thuộc vào nhiệt độ nhứ T, D, Điện trở nhiệt, phơng pháp thích hợp cho mạch tổ hợp
- Nếu D T nh hình a đợc sản xuất từ loại bán dẫn nh nhau, nhiệt độ mặt ghép chúng nh nhau, đặc tính nhiệt điện áp B-E điện áp hạ D nh nhau; UBE; UD có chiều ngợc nhau, nên ảnh hởng nhiệt độ đợc bù hồn tồn
- Sơ đồ hình B làm việc theo nguyên tắc đó, mắc nối tiếp R2 với D phân cực thuận, R1, R2, D tạo thành mạch phân áp đa điện áp vào B, chọn R2<<R1 UB hầu nh khơng phụ thuộc nguồn Vcc
- Sơ đồ hình c: dùng điện trở có hệ số nhiệt - để bù, nhiệt độ tăng RT giảm, điện áp UE tăng làm IC giảm cho bù lại tăng IC theo nhiệt độ
Các mạch loại có u điểm có tổn hao phụ không đáng kể, không gây ảnh hởng đến áp
Rc
Re 1k
R2 Ce
Re
R1
C 1uF R2
Vcc
Ur Uv
Q3
Ur C2 Vcc
Q2
C1 R1
Re Uv
Ur Uv
R2 R1 C2
C1 Q1 Rc Vcc
ha
hb
hc
(8)BomonKTDT-§HGTVT
c ổn định mạch tổ hợp tơng tự
Dùng nguồn điện để ổn định nguồn dịng dễ chế tạo dới dạng tổ hợp, sơ đồ dới đây, giả thiết IC không phụ thuộc UCE Q1, Q2 có tham số hồn tồn giống nhiệt độ, đó:
IC1=IC2 IB1=IB2= IC1/BN Theo sơ đồ hình a: I1=IC1+ 2IB2 = IC2+ 2IC2/BN
Từ suy ra: IC2= I1/(1+2/BN)≈ I1 BN>>2
Từ ta thấy dùng I1 để điều khiển trị số IC2 Để I1 ổn định, đơn giản nối A với Vcc qua R
Trong mạch tổ hợp, tránh chế tạo điện trở có trị số lơn, khó có dịng I1 nhỏ, để đạt đợc I1 nhỏ thờng dùng sơ đồ bên phải
3 víi FET
Vấn đề ổn định nhiệt FET làm cho điểm làm việc không phụ thuộc vào độ tạp tán tham số FET, không phụ thuộc nhiệt độ, thời gian, biến đổi điện áp nguồn cung cấp, giống BJT biện pháp ổn định nhiệt FET dùng nguyên tắc hồi tiếp - dịng điện điện áp ví dụ:
Các loại sơ đồ hồi tiếp - dịng điện thơng qua RS có dạng nh hình sau:
Nếu coi IG=0, ta có U'G=IDRS + UGS; biểu thức cho biết dạng đờng điện trở Rs với độ dốc:
8 Rt (-) Vcc Rc Q3 C2 C1 R1 R2 Uv Ur Re D2 Re1 Ur Uv R2 R1 C3 C4 Q2 Rc1 Vcc -Vcc R3 D1 Re Ur Uv R2 R1 C2 C1 Q1 Rc Vcc
ha Sơ đồ bù UBE hb Sơ đồ bù UBE nguồn cấp Hình c Sơ đồ bù điện trở nhiệt
(9)tgα=-(dID/dUGS)
(10)BomonKTDT-§HGTVT
chơng Hồi tiếp
I Khái niệm: 1 Định nghÜa:
Hồi tiếp ghép phần tín hiệu ra(điện áp huặc dịng điện) mạng cực tích cực(phần tử khuếch đại- Transistor huặc KĐTT) đầu vào thông qua mạng cực, mạng cực gọi mạng hồi tiếp
Hồi tiếp đóng vai trò quan trọng kỹ thuật mạch điện tử tơng tự, cho phép cải thiện tính chất khuếch đại nh: trở kháng vào, trở kháng ra, bng thụng,
2 Phân loại:
Theo tác dụng hồi tiếp có hai loại hồi tiếp b¶n: - Håi tiÕp (-) : TÝn hiƯu håi tiÕp ngợc pha với tín hiệu vào - Hồi tiếp (+): TÝn hiƯu håi tiÕp – cïng pha víi tÝn hiƯu vµo
Trong loại hồi tiếp ta lại quan tâm: tín hiệu hồi tiếp chiều hay xoay chiều, hồi tiếp âm chiều đợc dùng để ổn định chế độ cơng tác, cịn hồi tiếp âm xoay chiều đợc dùng để ổn định tham số khuếch đại Quan tâm đến cách ghép nối tip hay song song
Tổng hợp ta có lo¹i nh sau:
+ Hồi tiếp nối tiếp điện áp: tín hiệu hồi tiếp đa đến đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu ban đầu tỷ lệ với điện áp đầu
+ Hồi tiếp song song điện áp: tín hiệu hồi tiếp đa đến đầu vào song song với nguồn tín hiệu ban đầu tỷ lệ với điện áp đầu
+ Hồi tiếp nối tiếp dịng điện: tín hiệu hồi tiếp đa đến đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu ban đầu tỷ lệ với dòng điện đầu
+ Hồi tiếp song song dịng điện: tín hiệu hồi tiếp đa đến đầu vào song song với nguồn tín hiệu ban đầu tỷ lệ với dòng điện đầu
10
K
Kht
+(-)
XV XR
Xht Xh
XV: tÝn hiƯu vµo
XR: tÝn hiÖu
Xht: tÝn hiÖu håi tiÕp
K: Hệ số khuếch đại mạch Khuếch đại
Kht: Hệ số khuếch đại mạch hồi tiếp
(11)K
Kht
uV uR
uht
Hình Sơ đồ khối hồi tiếp nối tiếp điện áp
K
Kht
uV uR
uht
Hình Sơ đồ khối hồi tiếp nối tiếp dòng điện
iht
K
Kht
u V
uR
uht
Hình Sơ đồ khối hồi tiếp song song điện áp
K
Kht
u V
uR
u ht
Hình Sơ đồ khối hồi tiếp song song dịng điện
(12)BomonKTDT-ĐHGTVT
3 Các phơng trình bản:
T s suy cỏc quan hệ: + XR = KXh + Xv = KnXn
+ Xh = Xv - Xht tín hiệu vào(Xh) tín hiệu hồi tiếp Xht đồng pha (Xv = Xh + Xht)
+ Xh = Xv + Xht nÕu tÝn hiƯu vµo(Xh) vµ tÝn hiƯu håi tiÕp Xht ngỵc pha (Xv = Xh - Xht)
+ Xht = KhtXr
n n
R tp ht V
R K K
X X K KK K X
X
K ; '
1
' = =
± = =
K’ : Hàm truyền đạt mạng cực tích cực có hồi tiếp Ktp: Hàm truyền đạt tồn phần
Kn: Hàm truyền đạt toàn phần khâu ghép - Gọi Kv= KKht hệ số khuếch đại vòng
- Gọi g = ± Kv=1 ± KKht độ sâu hồi tiếp(dấu – hồi tiếp song song, dấu + hồi tiếp nối tiếp)
Các tham số dùng để đánh giá mức độ thay đổi tham số khuếch đại Phân biệt trờng hợp sau:
• g >1, tức K’<K, tức mạch hồi tiếp mắc vào làm giảm hệ số khuếch đại, ta có hồi tiếp (-)
12
K
Kht
+ XV
XR
Xht Xh
XV: tÝn hiƯu vµo
XR: tÝn hiƯu
Xht: tÝn hiÖu håi tiÕp
K: Hệ số khuếch đại mạch Khuếch đại
Kht: Hệ số khuếch đại mạch hồi tiếp
X
n: tín hiệu từ tầng trước
Kn: Hệ số khuếch đại mạch ghép
Hình Sơ đồ khối tổng quát khuếch đại có hồi tiếp
Kn
Xn
+
(13)-• g <1, tức K’ >K, tức mạch hồi tiếp mắc vào làm tăng hệ số khuếch đại, ta có hồi tiếp (+)
• g=1, tức K’ = K, mạch trở thành mạch dao ng(xem chng mch dao ng)
III Phơng pháp phân tích mạch có hồi tiếp:
Phõn tớch l việc tìm thơng số bản: Zv, Zr, K, B Cơ giống nh mạch điện tử khác, chủ yếu dùng kiến thức lý thuyết mạch điện để phân tích, ngồi cịn kết hợp với lý thuyết khác nh lý thuyết điều khiển tự động
Hồi tiếp + xem xét chơng dao động, sau xét cho cỏc trng hp hi tip
-Sau ví dụ trờng hợp, phần tử tích cực Transistor: a, Hồi tiếp âm dòng điện, ghép nối tiếp
Chọn giá trị tụ điện cho trở kháng với tần số tín hiệu làm việc mạch nhỏ, để coi tín hiệu đợc nối tắt mà khơng qua Re sơ đồ khơng hồi tiếp
Với sơ đồ có hồi tiếp, khơng dùng Re, nên dịng ngõ ie≈ic, qua Re tạo điện áp xoay chiều, điện áp hồi tiếp Vht=Ve=Re.ie(phải tính điện áp tín hiệu Xh tín hiệu áp-Vs)
Hệ số khuếch đại hồi tiếp:
Kht=Xht/Xr = Vht/Vc=(iB..Re) /(-iB..Rc)= - Re/Rc Từ kết ta tình tiếp thông số khác
ur
Vs
Vcc
C2 C1
R2 R1
Re=Rht
Rc
hình Mạch khuếch đại hồi tiếp
ie
(14)BomonKTDT-§HGTVT
b, Håi tiếp âm điện áp, ghép nối tiếp
Cặp điện trở Rht Re1 tạo thành cặp phân áp lấy tín hiệu áp ur đầu vào, điện áp hồi tiếp lấy điện trở Re1, có giá trị:
Rht u
Vht K u Rht
Vht r ñ
+ = =
= > +
=
1 Re
1 Re /
'
1 Re
1 Re
Từ công thức ta thấy hệ số khuếch đại hồi tiếp phụ thuộc vào điện trở Re1 Rht, nhng để đảm bảo chế độ thiên áp chiều cho Q1, Re1 khơng thể thay đổi phạm vi lớn, hệ số khuếch đại hồi tiếp phụ thuộc chủ yếu vào Rht
14
Vcc
Q2 Rc2 R2
C3
ur C2
C1
R1 Rc1
Q1
Vs
Hình Mạch khuếch đại không hồi tiếp
Ce
ur Vs
Vcc
C2 C1
R2 R1
Re Rc
(15)c, Hồi tiếp âm điện áp, ghép song song
Điện trở Rht thay Rb phân áp cho B Transistor, đồng thời Rht lấy điện áp hồi tiếp
Rht kÕt hỵp với tổng trở ngõ vào tạo thành mạch phân áp, điện áp hồi tiếp đ-ợc xac đinh:
Rht hie
hie u
Vht K u Rht hie
hie
Vht r ñ
+ = =
= > +
= ' /
Re1
Rht
Vcc
Q2 Rc2 R2
C3
ur C2
C1
R1 Rc1
Q1
Vs
Hình Mạch khuếch đại hồi tiếp điện áp nối tiếp
+
+
-+
Vht
Rht
Ur Vcc
Vs
C2 C1
Rc
Q1
H×nh Håi tiếp âm điện áp song song
hie
(16)BomonKTDT-ĐHGTVT
d, Hồi tiếp âm dòng điện, ghÐp song song
Mạch hồi tiếp dùng Rht lấy Ve2 để phân cực cho B1 đồng thời lấy tín hiệu ic2≈ ie2 qua Re2 tạo tín hiệu dịng iht
Dòng điện hồi tiếp iht phản ánh thành điện áp hồi tiếp Vht qua điện trở Rht đa n u vo
Hệ số hồi tiếp dòng điện: Ki=(Re2+Rht)/Re2
16
U r
Re2 Q2 Rc2
C3
Rb
Rb1
Vc c
Vs
C2
C
Rc1
Q1
Rht
iht
Mạch hồi tiếp âm dßng, ghÐp song song
hie
i e2
Ur Vcc
Vs
C2 C1
Rb Rc
Q1
(17)IV ảnh hởng hồi tiếp đến thống số mạch.
ảnh hởng hồi tiếp đợc tóm tắt theo bảng sau: Các thông số kỹ
thuËt
Håi tiÕp âm
dòng điện nối tiếp
Hồi tiếp âm điện áp nối tiếp
Hồi tiếp âm điện áp song song
Hồi tiếp âm dòng điện song song
Tỉng trë ngâ vµo: Zv
Zi.g Zi.g Zi /g Zi /g
Tæng trë ngâ ra: Zr
Zo.g Zo /g Zi /g Zi.g
Độ khuếch đại điện áp: KU
Ku/g Ku/g Ku/g Ku/g
Độ rộng băng thông: B
B.g B.g B.g B.g
Trong g =1± K.Kht
Các mạch khuếch đại hồi tiếp âm làm tăng tổng trở ngõ vào thờng dùng cho tầng tiền khuếch đại, để khơng làm giảm biên độ tín hiệu hữu ích, mạch hồi tiếp âm làm giảm tổng trở ngõ thờng dùng cho tầng cuối(công suất), để tăng khả cấp dịng cho tải
Ngồi thơng số thống kê trên, mạch hồi tiếp cịn có tác dụng giảm biên độ nhiễu, giảm độ méo phi tuyến méo tần số
Ce2 Re2
Q2 Rc2
C3
Rb2
Rb1
Vcc
Vs
C2 C1
Rc1
Q1
(18)BomonKTDT-§HGTVT
Chơng Các sơ đồ tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng Transistor
- Với tín hiệu nhỏ thờng dùng sơ đồ tơng đơng để phân tích, biểu diễn phần tử tích cực sơ đồ tơng đơng Π, huặc sơ đồ tơng đơng mạng cực I Khái niệm
- Transisor linh kiện phi tuyến, nhng xét với tín hiệu phạm vi biến thiên nhỏ mức độ phi tuyến ảnh hớng khơng lớn, nên xem nh mạch tuyến tính, T đợc vẽ thành mạch tơng đơng gồm R, nguồn dịng, để tính tốn phân tích theo nguyên lý Lý thuyết mạch, biểu diễn sơ đồ tơng đơng Π, huặc sơ đồ tơng đơng mạng cực
- Việc tính tốn, phân tích mạch khuếch đại dùng T bao gồm phần sau:
+ Tính tốn chế độ chiều
+ Tính tốn tham số chế độ xoay chiều(chế độ động)
Phần tính tốn chế độ chiều ta xem xét phần Cấu kiện Điện tử, nghiên cứu chế độ động
II Phân tích mạch khuếch đại sơ đồ tơng đơng 1 Mạch tơng đơng Transistor
Điều kiện để T dẫn phân cực thuận với tiếp giám BE phân cực ng-ợc với tiếp giám BC, mạch tơng đơng T nh sau:
Trong ú:
+ Rb điện trở đoạn từ cực B vùng bán dẫn cực B + Re điện trở thuận trạng thái xoay chiỊu cđa mèi nèi BE:
Re=26mV/IE(mA)
+ Rc điện trở nghịch mối nối BC
Mạch tơng đơng T dùng thông số ma trận H:
trong đó: 18
E Re B Rb
Rc C
ie ic
C
Ic=β.ib Re
Rb Ib B
Ie
E
(19)+ ib: dòng điện tín hiệu ngõ vào, giá trị phụ thuộc vào Rb, Re + ic : dòng điện tín hiệu ngõ ra, ic=ib
Phng trình đặc trng theo ma trận H: Ube=h11.ib+h12.Uce
ic = h21.ib +h22.Uce + h11=Ube/Ib: điện trở ngõ vào + h21=Ic/Ib: hệ số khuếch đại dòng
+ h12=Ube/Uce: độ khuếch đại điện áp ngợc + h22=Ic/Uce: dẫn nạp ngõ
2 Mạch tơng đơng kiểu EC:
- Tỉng trë ngâ vµo: h11= hie=Ri= ib re ib rb ib ib re ie rb ib Ib
Vi = + = + β
- Tæng trë ngâ ra: ro=1/h22
- Độ khuếch đại dòng: Ki=h21=β
- Độ khuếch đại điện áp: Ku= Rbe Rc h Ube Uce 12 β − = =
3 Mạch tơng đơng kiểu BC: - Tổng trở ngõ vào:
h11= hie=Ri=
β β re re ie
rb ib re
ie + = +
=
- Tỉng trë ngâ ra: ro=Vo/ic
(20)BomonKTDT-§HGTVT
4 Mạch tơng đơng kiểu CC: - Tổng trở ngõ vào:
h11= hie=Ri= rb re R1
ib R ie re ie rb ib β β + + = + + =
- Tổng trở ngõ ra: ro=re+1/β(rs+rb) - Độ khuếch đại dòng: Ki=ie/ib=β+1
- Độ khuếch đại điện áp:
Ku= 1 ≈ + + = R ie re ie rb ib R vb ve β