Ứng dụng transistor trong khuếch đại tín hiệu điện

Trờng đại học vinh Khoa Vật lý *** Mai Văn Bình ứng dụng transistor khuếch đại tín hiệu điện Khoá luận tốt nghiệp chuyên ngành Điện tử viễn thông Vinh 05/2006 Lời nói đầu Để hoàn thành đề tài này, trớc hết xin chân thành cảm ơn đến: thầy giáo, TS Ngun Hoa L ngêi ®· trùc tiÕp giao ®Ị tài tận tình hớng dẫn suốt thời gian thực đề tài Tôi xin cảm ơn thầy cô giáo khoa vật lý khoa công nghệ trờng Đại học Vinh, đà tạo điều kiện tốt cho việc nghiên cứu hoàn thành đề tài Trong trình thực đề tài đà cố gắng thể nội dung mang tính Các vấn đề đợc trình bày có hệ thống Do khoảng thời gian điều kiện có hạn nên không tránh khỏi thiếu sót, mong đợc góp ý kiến bạn đọc để đề tài đợc hoàn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! Vinh ngày 25 tháng năm 2006 Sinh viên Mai Văn Bình Lý chọn đề tµi ThÕ kû 21 lµ thÕ kØ cđa khoa häc kỹ thuật đại Kỹ thuật điện tử viễn thông công nghệ thông tin phát triển với tốc độ ngày nhanh Hiện nay, linh kiện điện tử ngày trở nên gọn nhẹ, có độ tin cậy cao, giá thành rẻ Một linh kiện transistor bán dẫn, đợc ứng dụng rộng rÃi ngành điện tử viễn thông công nghệ thông tin Việc sử dụng transistor công nghệ cao đà làm cho kích thớc máy vi tính, thiết bị truyền hình, truyền trở nên gọn nhẹ, hiƯu st sư dơng cao, tèc ®é nhanh TÝn hiƯu truyền với độ nhiễu giảm, hình ảnh đợc rõ nét, xử lý thông tin nhanh Một øng dơng quan träng cđa transistor lµ sư dơng nã mạng điện để khuếch đại điện áp hay dòng điện Khuếch đại trình nâng cao công suất tín hiệu mà không làm biến dạng Thực chất trình biến đổi lợng có điều khiển, lợng nguồn dòng chiều chứa tin tức biến thành lợng xoay chiều có quy luật biến đổi mang thông tin cần thiết Để khuếch đại tín hiệu ngời ta sử dụng tầng khuếch đại dùng transistor, tầng khuếch đại có phần tử điều khiển transistor Một khuếch đại gồm có nhiều tầng khuếch đại Đầu vào khuếch đại đợc nối với nguồn tín hiệu đầu nối với tải Việc nghiên cứu, tìm hiểu chất khuếch đại cđa transistor cã ý nghÜa thùc tiƠn cao ®êi sống xà hội Do đó, đà chọn đề tài ứng dụng transistor khuếch đại tín hiệu điện Đề tài nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn, lẽ phục vụ trực tiếp cho công việc nghiên cứu, học tập học sinh, sinh viên nh công tác giảng dạy giáo viên phổ thông giảng viên đại học Nội dung đề tài bao gồm: ChơngI Cấu tạo, nguyên lý làm việc tham số transistor lỡng cực Chơng II Phân cực ổn định chế độ làm việc cho transistor Chơng III Khuếch đại tín hiệu điện dùng transistor lỡng cực Chơng IV ứng dụng transistor mạch khuếch đại công suất Chơng I Cấu tạo, nguyên lý làm việc tham số Transistor lỡng cực 1.1 Cấu tạo nguyên làm việc transistor lỡng cực Cấu tạo Transistor loại linh kiện bán dẫn có ba miền với loại bán dẫn xen kẽ đơn tính thể bán dẫn Đó miền bán dẫn p n Tuỳ theo trình tự xếp miền p n mà ta có hai loại cấu trúc điển hình pnp npn Các miền đợc phân cách chuyển tiếp p-n Tơng ứng với miền cực transistor Miền bán dẫn hai chuyển tiếp p - n đợc gọi miền gốc (hay gọi miền bazơ - kí hiệu B) Miền có nồng độ tạp chất nhỏ độ dày dày cỡ àm , điện cực nối với miền gọi cực bazơ Miền có khả truyền hạt dẫn điện vào miền bazơ gọi miền phát (hay miền emitơ - kí hiệu E) Miền emitơ có đặc điểm có nồng độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với miền gọi cực emitơ Miền lại có khả nhận đợc tất hạt dẫn (lỗ trống - electron) đợc truyền từ emitơ qua bazơ, miền gọi miền góp (hay miền colectơ - kí hiệu C) Miền có đặc điểm nồng độ tạp chất trung bình điện cực nối với miền gọi cực colectơ Tiếp giáp p n emitơ bazơ gọi tiếp giáp emitơ (JE) Tiếp giáp p n miền bazơ miền clectơ có tiếp giáp colectơ (JC) Miền bazơ Miền Bazơ JE JC Cùc emit¬ p E n p MiỊn Enit¬ JE Cùc colect¬ C MiỊn colect¬ JC colect¬ Emit¬ n p E n C MiỊn colect¬ MiỊn emit¬ B B Cùc baz¬ Bazơ Colectơ Colectơ Bazơ Bazơ Emitơ Emitơ H 1.Mô hình ký hiệu transistor lỡng cực Nguyên lý làm việc Có hai loại transistor transistor pnp npn Nhng nguyên lý làm việc hai loại giống Để thuận tiện ta xét nguyên lý làm việc transistor pnp với giả thiết sau: + Tất trình vật lý xÈy mét tinh thĨ b¸n dÉn cã kÝch thớc vô lớn + Transistor đợc chế tạo từ tinh thể bán dẫn có bề mặt đợc gia công hoàn hảo đến mức tợng xẩy bề mặt tinh thể không ảnh hởng đến trình vật lý xẩy transistor + Các lớp tiếp xúc công nghệ chuyển tiếp emitơ colectơ mặt phẳng song song vô lớn + Các trình phân bố chất tinh thể bán dẫn tiến hành theo phơng x Để transistor làm việc, ngời ta phải ®a ®iƯn ¸p mét chiỊu tíi c¸c ®iƯn cùc cđa nó, gọi phân cực cho transistor JE đợc phân cực thuận JC đợc phân cực ngợc nh h×nh vÏ IC IB - UBE IE E + UCB + H.2 Sự phân cực transistor Dòng lỗ trống từ E (IEP) đợc chỉnh vào B trình khuếch tán nhiệt có xu hớng làm cân nồng độ lỗ trống bazơ dòng lỗ trống dịch chuyển phía C Gọi W độ rộng bazơ, Lpn chiều dài khuếch tán lỗ trống vùng bazơ Nếu W RV ®Ĩ K u >> Thờng Rt lớn hàng chục, hàng trăm RV 41 Ki = α + HÖ sè khuÕch đại công suất: K p = K u K i K u U + Trở kháng vào: RV = ∆I E rÊt nhá cì tõ 10 ÷50(Ω) E ∆U C + Trë kh¸ng ra: Rr = ∆I rÊt lín cì tõ 100 KΩ÷1MΩ C + Pha cđa tÝn hiƯu: Điện áp pha với điện áp vào Mạch bazơ chung có tần số làm việc lớn có độ méo phi tuyến nhỏ Vì thờng đợc sử dụng mạch khuếch đại siêu cao tần 3.2.3 Tầng khuếch đại colectơ chung (CC) Sơ đồ khối tầng khuếch đại CC - EC CP1 Rn en ~ R1 R2 CP2 RE Rt §iƯn trở RE sơ đồ đóng vai trò nh RC sơ đồ EC Tụ CP2 có nhiệm vụ truyền tải thành phần xoay chiều tín hiệu Điện trở R1, R2 dùng để xác định chế độ tĩnh tầng Để tăng điện trở vào, không mắc điện trở R2 Nguyên lý làm việc tầng khuếch đại CC Khi đa điện áp xoay chiều tới đầu vào xuất dòng xoay chiều bazơ Transistor xuất dòng xoay chiều (dòng emitơ Transistor) mạch tầng Hạ áp RE tạo nên điện áp xoay chiều emitơ Điện áp qua tụ CP2 đợc đa tới đầu tầng tức tới mạch tải Các tham số tầng khuếch đại CC 42 + Hệ số khuếch đại dòng tĩnh: = 1+ ≈ β ∆ IE γ= ∆ I B U E = const (rất lớn) + Hệ số khuếch đại dòng ®éng: Ki = ∆ IE = Ki ∆ IB cña mạch EC U + Hệ số khuếch đại điện áp: K u = ∆U E < ( ≈ ) B U + Trở kháng vào: RV = I B (hàng trăm K ) lớn B U + Trở kháng ra: Rr = I E (30 ữ 100) rÊt nhá E + Pha cđa tÝn hiƯu: Gi¶ sư e n tăng lên tiếp giáp emitơ đợc phân cực thuận lớn nên IB tăng, kéo theo IE tăng Ur tăng Có nghĩa điện áp pha với điện áp vào Vì trở kháng vào tầng CC lớn nên thờng đợc sử dụng tầng đầu máy đo để khỏi ảnh hởng đến kết đo Ngoài đợc sử dụng mạch phối hợp trở kháng (mạch điện) 3.2.4 Tầng khuếch đại đảo pha Sơ đồ khối tầng nguyên lý làm việc - EC Cp1 R1 Rn en ∼ R R2 C CP2 Rt1 CP3 RE Rt2 + 43 TÇng đảo pha (tầng phân tải) dùng để nhận đợc hai tÝn hiÖu lÖch pha 1800 TÝn hiÖu lấy từ colectơ emitơ transistor Tín hiệu Ur2 lấy từ emitơ đồng pha với tín hiệu vào UV, tín hiệu Ur1 lấy từ colectơ ngợc pha với tín hiệu vào UV Các tham số + Hệ số khuếch đại điện áp: ( RC // Rt1 ) Rn + RV - K u1 = − β - K u = (1 + β ) NÕu ( RE // Rt ) Rn + RV (1 + β ).( R E // Rt ) = −β ( RC // Rt1 ) th× hai hƯ số khuếch đại giống Khi hai tín hiệu có biên độ nhng ngợc pha 3.3 Khuếch đại công suất Tầng khuếch đại công suất tầng cuối mắc với tải để nhận đợc công suất tối u theo yêu cầu tải, với độ méo nhỏ Vì tầng làm việc chế độ tín hiệu lớn nên cần ý đến tiêu lợng thông số giới hạn transistor Ba chế độ làm việc thờng dùng tầng khuếch đại công suất là: Chế độ A, chế độ B chế độ AB chế độ A đợc dùng tầng khuếch đại công suất đơn, đảm bảo tín hiệu với ®é mÐo Ýt nhÊt nhng hiƯu st nhá nhÊt kho¶ng 20%, công suất tải không vợt vài W (oát) Trong chế độ B điểm làm việc tĩnh chọn điểm mút bên phải đờng tải tĩnh chiều Chế độ tĩnh tơng ứng với điện áp UBE = Khi có tín hiệu vào, dòng colectơ chØ xt hiƯn øng víi nưa chu kú, cßn nưa chu kú sau transistor ë chÕ ®é khãa Khi ®ã hiệu suất lợng tầng cao (60 ữ 70%) có khả cho công suất tải lớn, nhiên méo phi tuyến với chế độ lớn cần khắc phục cách mắc transistor thích hợp 44 Chế độ AB trung gian chế độ A chế độ B, đạt đợc cách dịch chuyển điểm tĩnh lên phía điểm B Khi méo không đờng thẳng giảm khác nhiều so với chế độ B 3.3.1 Tầng khuếch đại công suất đơn (chế độ A) Sơ đồ mạch ®iÖn +E r1 rt cp ba Uv r2 re ce Nguyên lý làm việc tầng BA biến áp (xuất), làm nhiệm vụ phối hợp trở kháng loa trở kháng transistor Việc xác định điều kiện chế độ làm việc cho transistor tức đa công suất lớn mà không bị méo Vì tầng khuếch đại làm việc chế độ A, dòng ICO lớn cực colectơ Ta có công suất tiêu hao: PCO = ICO UCO công suất làm nóng ttransistor, nóng làm hỏng transistor Vì để transistor làm việc bình thờng ta phải có PC max PCO PC max ( công suất tổn hao cho phép colectơ Transistor) Trên thực tế: PCO = 0,8.PC max Trong trình làm việc điện áp cực colectơ lên xấp xỉ 2UCO Vì để transistor làm việc phải thoả mÃn điều kiện: 2UCO UCCf (UCCf điện áp tối đa cho phép colectơ) 45 Do ta xác định điểm làm viÖc nh sau: Khi UCO = UCCf , từ điểm 2UCO kẻ đờng tiếp tuyến với đờng công suất hypebol điểm Q điểm làm việc tĩnh transistor Vì tầng khuếch đại đa công suất lớn không bị méo: IC 2ICO Q ICO UCO 2UCO UC H.23 Sơ đồ xác định điểm làm việc tĩnh trasistor tầng khuếch đại công suất đơn (chế độ A) Pr = PC = U Cm I Cm 1 U CO I CO = U CO I CCf Pr = (ICO = I CCf ) v× hiệu suất tầng là: = Pt Pc Pt = = ηC ηBA Po Po Pc Trong ®ã: C = PC hiệu suất tầng khuếch đại tính đến sơ cấp biến Po áp (tức colectơ transistor) BA = Pt Pc hiệu suất biến áp (đại từ 0,8 ữ 0,9) 46 Vì tầng làm việc chế độ A nên có u điểm độ méo nhỏ, nhng hiệu suất làm việc thấp thờng dới 40% Vì tầng khuếch đại đợc dùng máy cho công suất nhỏ 3.2 Tầng khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo Trong tầng ngời ta sư dơng transistor cã tham sè gièng hƯt làm việc chế độ B AB 3.3.2.1 Mạch đẩy kéo mắc song song (có biến áp ra) Sơ đồ mạch điện nh hình vẽ dới: +E r1 t1 a Ic1 b Uv r2 c ba1 t2 IC2 BA2 BA1 ghép với tầng trớc đợc gọi biến áp đảo pha có nhiệm vụ tạo hai biến áp ngợc pha có biên độ đa vào Transistor Ngoài nhiệm vụ phối hợp trở kháng với tầng trớc cuộn thứ cấp đợc lấy điểm điểm B điểm Còn BA2 gọi biến áp (bát suất) làm nhiệm vụ phối hợp trở kháng loa công suất, cuộn sơ cấp đợc lấy điểm, điểm nối với nguồn Các điện trở R1, R2 điện trở định thiên chung cho T1 T2 Ta giả sử nửa chu kỳ đầu tín hiệu A dơng so với B, C âm so với B, tiếp giáp emitơ T1 đợc phân cực thuận có dòng IC1 chạy từ + E qua nửa cuộn sơ cấp BA2, qua T1 trở E (mát) nửa chu kỳ sau tín hiệu ngợc lại ta thấy T1, T2 tắt (+ 47 E qua nưa díi cn s¬ cÊp cđa BA2, qua T2 E (mát) Vì dòng ngợc pha sơ cấp biến áp, thứ cấp biến áp nhận đợc dòng điện giống đầu vào Vì điện áp chiều cuộn sơ cấp biến áp nhỏ ngời ta xem UCO = E, biên độ thành phần xoay chiều colectơ đạt đợc UCm = UCO Vì transistor làm việc chế độ B ta cã thÓ coi IC0 ≈ Do dòng điện cực colectơ đạt đợc ICm = ICmax = ICCf Vì công suất lấy transistor: 1 2 P’ = Pra = U Cm I Cm = U CO I CCf C«ng suÊt lÊy cđa tÇng: Pra = 2P’ra= U CO I CCf Có nghĩa công suất tầng khuếch đại gấp đôi tầng khuếch đại đơn Nhng tín hiệu không tiêu hao lợng ICO= nên hiệu suất tầng cao đạt tới 75% nhng nhợc điểm mạch có kích thớc lớn, giá thành cao chế tạo dới dạng vi mạch 3.3.2.2 Mạch đẩy kéo mắc nối tiếp (không có biến áp ra) Sơ đồ mạch ®iƯn nh h×nh vÏ díi: r1 t1 r2 r3 Uv IE1 Ic2 t2 r4 BA biến áp đảo pha R1, R2 định thiên cho T1 48 e1 e2 R3, R4 định thiên cho T2, E1 nguån cung cÊp cho T1, E2 lµ nguån cung cÊp cho T2 Để cho mạch hoàn toàn cân xứng R1= R3, R2 = R4, E1 = E2 Gi¶ sư nửa chu kỳ đầu tín hiệu T1 thông, T2 tắt qua loa có dòng IC2 => IE1 IC2 chạy ngợc chiều loa, loa ta thu đợc dòng điện có dạng tín hiệu vào Loại mạch đơn giản nhng hệ số khuếch đại thấp hơn, hiệu suất thấp không phối hợp trở kháng phải bảo đảm nguồn Để khắc phục phải sử dụng nguồn điện ta cải tiến thành sơ đồ mạch điện nh sau: +E r1 t1 r2 c Uv r3 t2 r4 tụ C có giá trị lớn (500 ữ 1000 F ) tín hiệu T1, T2 tắt, tụ C đợc nạp điện, điện áp E , T2 làm việc, T1 tắt tụ C đóng vai trò nguồn điện Còn T1 làm việc, T2 tắt dòng qua tải (loa) đồng thời tụ C nạp lại cho tụ phần lợng đà nửa chu kỳ trớc Chơng IV 49 ứng dụng Transistor mạch khuếch đại công suất 4.1 Khuếch đại công suất đẩy kéo Sơ đồ mạch điện t1 t a1 t a2 rb1 re1 W 11 gen W 12 C1 re2 W21 rt W22 ua=9Vdc 8,2 Ω rb2 t2 r1 100 Ω Cơ sở lý thuyết Đây tầng khuếch đại công suất đẩy kéo có biến áp Tải đợc mắc với tầng khuếch đại qua biến áp TA2 Mạch colectơ transistor đợc mắc tới w w nửa sơ cấp biến áp Tỉ số biến ¸p lµ n2 = w21 = w22 BiÕn ¸p vµo TA1, cã t t w w v v hƯ số biến áp n1 = w = w , đảm bảo cung cấp tín hiệu vào mạch bazơ 11 12 transistor Tầng đẩy kéo làm mét chÕ ®é B hay AB Trong chÕ ®é AB thiện áp bazơ hai transistor đợc từ nguồn UA phân áp RB1, RB2 Trong chế độ B thiện áp ban đầu không có, nên không cần RB1 Khi điện trở RB2 đợc dùng 50 để đảm bảo công tác cho mạch vào transistor chế độ gần với chế độ nguồn dòng Xét sơ ®å nã lµm viƯc ë chÕ ®é B: Khi tín hiệu vào điện áp bazơ hai transistor emitơ chúng không Nếu không tính đến dòng điện ngợc colectơ coi dòng điện dòng khuếch đại không Điện áp tải không Trên colectơ transistor có điện áp chiều điện ¸p mét chiỊu b»ng ®iƯn ¸p ngn UA Khi cã tín hiệu vào, nửa chu kì dơng, lúc cuộn thứ cấp w11 biến áp TA1 có nửa chu kỳ điện áp âm điểm chung cuộn dây, cuộn w12 có nửa chu kỳ điện áp dơng Kết transistor T2 tiếp tục khoá có dòng colectơ T1 chảy qua nên T1 mở Trên cuộn w21 tạo nên U điện áp U21 Trên tải có nửa sóng điện áp dơng U t = n21 Khi tÝn hiƯu vµo chun sang nửa chu kỳ âm, cực tính điện áp cuộn thứ cấp biến áp vào đổi dấu, lúc T1 khoá, T2 mở Trên cuộn w22 có dòng T2 chảy qua tạo nên điện áp có trị số nhng cực tính ngợc lại cuộn tải wt Trên tải có nửa sóng điện áp âm Nh trình khuếch đại tín hiệu vào đợc thực theo hai nhịp nửa chu kỳ: nửa chu kỳ đầu có Transistor làm việc, nửa chu kỳ thứ hai transistor lại làm việc Việc chọn transistor theo điện áp cần phải ý hình thành điện áp 2 sóng cuộn w2 lại hình thành điện áp nh đợc cộng với điện áp nguồn UA để xác định điện áp ngợc cho transistor khoá Trị số điện áp ngợc đặt transistor 2UA 51 Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo có hai tín hiệu vào biên độ nhng ngợc pha nhau, tín hiệu vào qua mạch đợc khuếch đại đợc kết hợp lại thành tín hiệu Thực nghiệm Cho nguồn nuôi chiều V vào mạch Bật nguồn dao động ký máy phát tín hiệu hình sin, điều chỉnh máy phát tín hiệu hình sin cho tÝn hiƯu vµo: UV = VP – P , tÇn sè KHZ UV 2 UVrms = = 3 = 2 (V) Uv t 3Vp-p - TÝn hiÖu trªn W11 t - TÝn hiƯu trªn W12 52 0,8Vp-p 0,8Vp-p t - TÝn hiƯu ë colect¬ cđa T1: Uc1 t 9Vp-p - TÝn hiƯu ë colect¬ cđa T2: Uc2 t 53 9Vp-p - TÝn hiÖu ë t¶i Rt = 8,2 Ω: Ura 2,8Vp-p t - Dïng dao đồng ký đo giá trị điện áp sụt ®iƯn trë R1 ta ®ỵc UR1 = 12 mVP-P = 12 10-3 VP-P Khi dòng điện vào hiệu dơng sÏ lµ: IVrms = U R1rms = R1 12.10 −3 100 2.2 = 10 −5 (A) Khi công suất tín hiệu vào là: PV = IVrms UVrms = 10 −5 = 10 −5 (W) - Dïng dao động ký đo giá trị điện áp tín hiệu điện trở Rt = 8,2 ta có: Ur = 2,8 VP-P Ta cã: ®ã: Irrms = Ur 2,8 = =0,7 2 2 Urrms = U rrms 0,7 = Rt 8,2 (A) Do công suất tín hiệu lµ: Pr = Irrms Urrms = 0,7 0,49 0,7 = 8,2 4,1 54 (W) (V) ... thấp (khuếch đại âm tần) - Tầng khuếch đại tín hiệu tần số cao (khuếch đại cao tần) - Tầng khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm (khuếch đại tín hiệu chiều) 34 3.1.2 Các đặc trng tầng khuếch đại. .. thiết Để khuếch đại tín hiệu ngời ta sử dụng tầng khuếch đại dùng transistor, tầng khuếch đại có phần tử điều khiển transistor Một khuếch đại gồm có nhiều tầng khuếch đại Đầu vào khuếch đại đợc... hệ số transistor dùng mạch khuếch đại 33 Chơng III Khuếch đại tín hiệu điện dùng Transistor lỡng cực 3.1 Phân loại tầng khuếch đại đặc trng tầng khuếch đại 3.1.1 Phân loại tầng khuếch đại Dựa