1/ Nguyên tắc chung phân cực Tranzitor
4.3.1. Ghép các tầng khuếch đại
Do yêu cầu về điện áp, công suất, dòng điện nên người ta phải dùng nhiều tầng khuếch đại ghép với nhau, tín hiệu đầu ra của tầng này là tín hiệu đầu vào của tầng kia, cứ tiếp tục như thế cho đến tầng khuếch đại cuối cùng được nối với tải.
Hệ số khuếch đại
K = K1.K2… Kn
2/ Các mạch ghép tầng cơ bản a. Ghép tầng bằng tụ điện
* Mạch điện
Mạch gồm 2 tần khuếch đại ghép với nhau Q1, Q2 mắc EC, ghép thông qua C2.
Hình 4.8. Ghép tầng bằng tụ điện * Tác dụng linh kiện: R1, R2 cầu phân áp Q1. R4 ổn định nhiệt. R3 tải Q1. C1, C2 tụ ghép.
C4 , C5 tụ thoát xoay chiều.
* Ưu điểm:
Ghép tầng bằng tụ điện có ưu điểm là đơn giản giải tần làm việc rộng, kích thước nhỏ, và giá thành hạ nên được dùng phổ biến.
khuếch đại không lớn.
b. Ghép tầng bằng biến áp
* Mạch điện
Mạch điện có hai tầng khuếch đại Q1, Q2
Hình 4.9. Ghép tầng bằng biến áp
* Tác dụng linh kiện:
- R1, R2 cầu phân áp phân cực Q1
- R3 ổn định nhiệt độ - C1 tụ thoát Q1
- TR2: tải của Q1
- R4, R5 cầu phân áp phân cực Q2
- R6 ổn định nhiệt độ - C2 Tụ thoát
- TR3 tải của Q2
*Ưu điểm: Cách li các tầng về dòng 1 chiều, dễ phối hợp trở kháng. Hệ số khuếch đại tăng có thể lấy ra hai tín hiệu hoàn toàn đối xứng nhưng ngược pha, dùng nguồn điện áp thấp.
*Nhược điểm:
Cồng kềnh, đắt tiền, ít trong trong thực tế.
c. Ghép tầng bằng trực tiếp
Tín hiệu đầu ra của tầng 1 được ghép trực tiếp vào đầu vào của tầng hai mạch ghép trực tiếp có đặc điểm chế độ công tác của các tầng liên quan tới nhau, do vậy việc điều chỉnh rất phức tạp và số tầng ghép không tăng được nhiều, mạch đơn giản hiệu suất truyền đạt cao, khuếch đại cả tín hiệu một chiều và xoay chiều mạch thường được dùng trong các IC.
Hình 4.10. Ghép tầng trực tiếp d. Ghép tầng bằng bộ ghép quang
Trong một số tầng khuếch đại cần cách ly của tầng trước với mạch của tầng sau. Có thể dùng kiểu ghép biến áp để cách ly. Đương nhiên hiện nay trong nhiều thiết bị điện tử người ta sử dụng mạch ghép tầng bằng bộ ghép quang. Trong đó Led bên trong bộ ghép quan chính là tải đầu ra của tầng trước. Khi có tín hiệu đầu vào tầng khuếch đại Q1, Q2, dòng điện qua Led sẽ thay đổi theo tín hiệu sẽ làm thay đổi tranzitor, tín hiệu vào làm thay đổi dòng chạy qua Tranzitor quang, nhờ Tranzitor quang phát tín hiệu đầu ra được đưa tới.
Hình 4.11. Ghép tầng bằng bộ ghép quang 4.3.2. Mạch khuếch đại Cascade
Hình 4.12. Mạch khuếch đại Cascade
Tín hiệu vào đưa vào đầu vào của Q1
Tín hiệu lấy ra ở đầu ra của Q2
Về mặt phương diện một chiều Q1 và Q2 mắc nối tiếp
Q1 là tầng vào mắc theo sơ đồ EC có tổng trở vào tương đối lớn, là việc ở chế độ điện áp thấp để giảm tạp âm
Q2 tầng ra mắc theo sơ đồ BC để làm việc ở tần số cao, giảm tạp âm, có trở kháng ra lớn
2/ Đặc điểm của mạch
Mạch có tạp âm nhỏ, hệ số khuếch đại tương đối lớn. Mạch có trở kháng vào lớn, trở kháng ra cũng lớn. Mạch làm việc ổn định.
Nhược điểm điều chỉnh chế độ một chiều phức tạp.
Thường được dùng trong các mạch khuếch đại cao tần của băng VHF, UHF, hoặc khuếch đại Micrô của các tăng âm.
BÀI TẬP THỰC HÀNH Bài 1
Cho R1 = 6,8kΩ, R2 = 5,6kΩ,R3 = 1kΩ , R4 = 1.5kΩ Tụ C1 = 10µF, Tụ C2 = 100µF, Tụ C3 = 100µF, +Ec= 12V
Hãy lắp ráp mạch và đo các thông số của mạch ở chế độ tĩnh ( Điện áp và dòng điện tại các cực ) . Tính hệ số khuếch đại của Tranzor
Cho Uvào là tín hiệu hình sin với giá trị là 5V. Hãy xác định pha của tín hiệu vào và tín hiệu ra bằng máy hiện sóng.
4.3.3. Mạch khuếch đại Darlington1/ Đặc điểm 1/ Đặc điểm
Darlington có tổng trở vào lớn hệ số khuếch đại dòng điện lớn.Sơ đồ Darlington thường dùng trong các tầng khuếch đại công suất lớn để có hệ số khuếch đại dòng lớn và công suất ra lớn, hoặc dùng trong các trường hợp khuếch đại tín hiệu nhỏ có độ nhậy cao.
2/ Các kiểu đấu Darlington
- Có 2 dạng sơ đồ Darlington:
+ Sơ đồ Darlington chuẩn: 2 Tranzitor cùng loại mắc phức hợp + Sơ đồ Darlington bù: 2 Tranzitor khác loại mắc phức hợp - Sơ đồ Darlington chuẩn:
+ Q1 có β1:Q2 có β2
+ Q1 Tranztor kích thích công suất nhỏ quyết định tính chất của Tranzitor tương đương .
+ Q2 Tranzitor công suất quyết định công suất ra của mạch. + Hai cực C của Q1 và Q2 được đấu với nhau.
- Đặc điểm của sơ đồ Tranzitor tương đương có: Hệ số khuếch đại dòng điện tĩnh : β = β1. β2
Điện trở đầu vào : RV = 2RBE1
Điện trở đầu ra : Rra = 2/3 RCE2
- Sơ đồ Darlington bù: Dùng 2 Tranzitor khác loại mắc thành 1 Tranzitor tương đương loại NPN hoặc PNP
+ Q1 có β1:Q2 có β2
+ Q1 Tranzitor kích thích công suất nhỏ quyết định tính chất của Tranzitor tương đương.
+ Q2 Tranzitor công suất quyết định công suất ra của mạch. + Hai cực E của Q1 và cực C của Q2 được đấu với nhau. - Đặc điểm của sơ đồ Tranzitor tương đương có:
+ Hệ số khuếch đại dòng điện tĩnh : β = β1. β2
+ Điện trở đầu ra : Rra = 1/2 RCE2
4.3.4. Bộ khuếch đại vi sai
Nhiều các thiết bị điện tử đòi hỏi một bộ khuếch đại đầu vào có chất lượng cao, làm việc ổn định ( dòng ra phải ổn định dưới sự tác dụng của nhiệt độ ) và khả năng chống nhiễu cao. Bộ khuếch đại vi sai đã đáp ứng được các yêu cầu đó
1/ Mạch điện
Tầng khuếch đại vi sai làm việc theo nguyên tắc cầu cân bằng song song 2 nhánh cầu là 2 điện trở RC1 và RC2
2 nhánh cầu còn lại của cầu là 2 Tranzitor Q1 và Q2 được chế tạo trong cùng một điều kiện nên tham số giống nhau
Q3 và Q4 và R1 R2 tạo thành mạch ổn định dòng điện ( thường được gọi là gương dòng điện) giữ cho dòng IE1 và IE2 của Q1, Q2 luôn luôn ổn định khi nhiệt độ thay đổi để mạch làm việc ổn định
Nguồn cung cấp gồm 2 nguồn EC1 và EC2 mắc nối tiếp nhau, điểm giữa nối mass thường EC1 = EC2.
Hình 4.13. a, Mạch khuếch đại vi sai b, Mạch khuếch đại vi sai rút gọn
Tín hiệu đưa và tầng khuếch đại vi sai có thể từ 2 nguồn riêng biệt hoặc từ một nguồn và có thể đấu như hình trang sau.
Hình 4.14. a, Tín hiệu đưa vào một đầu vào b, Tín hiệu đưa vào 2 đầu vào
Tín hiệu ra có thể lấy ra bằng 2 cách:
+ Kiểu không đối xứng Ura1 = UC1 lấy ra giữa cực C của Q1 và điểm mass Ura2 = UC2 lấy ra giữa cực C của Q2 và điểm mass
2/ Khả năng làm việc ổn định của tầng khuếch đại vi sai
- Xét nguyên lý làm việc của mạch ổn dòng. Trong đó Q4 đấu thành Điôt để ổn định nhiệt cho Q3
- Nếu ta bỏ qua IB rất nhỏ so với IE3
IE3 = IE = IE1 + IE2 UBEQ3 + IE.R3 =I1.R2 + UBEQ4 Với I1 = 2 4 2 1 2 1 2 C BEQ C E U E R R R R − ≈ + + 1 1 4 3 3 . BE BE E I R U U I R + − ⇒ =
Từ (2-3) ta suy ra : I1R2 >> UBE4 –UBE3
- Do IE được xác định chủ yếu bởi độ lớn của R1, R2, EC2. Đây là các phần tử không phụ thuộc nhiệt độ. Do vậy có thể coi IE không phụ thuộc vào nhiệt độ.
- Mặt khác ta thấy UBE3 và UBE4 phụ thuộc vào nhiệt độ nhưng IE phụ thuộc vào hiệu của 2 điện áp đó, khi nhiệt độ thay đổi UBE3 và UBE4 thay đổi cùng gia số. Do vậy sự phụ thuộc của IE vào nhiệt độ là không đáng kể.
- Tổng hợp lại: IE có trị số ổn định – hầu như không phụ thuộc vào nhiệt độ do vậy mạch khuếch đại vi sai làm việc ổn định.
4.4. MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT
4.4.1 Những vấn đề chung về mạch khuếch đại công suất
Mạch khuếch đại công suất là tầng khuếch đại cuối cùng trong hệ thống khuếch đại có nhiệm vụ đưa ra công suất đủ lớn để kích thích cho tải công suất ra có thể từ vài trăm mW đến vài chục W, trăm W hoặc vài nghìn W có nhiệm vụ phối hợp trở kháng giữa tầng ra và tải, có thể dùng IC hoặc tranzitor công suất phải được bắt cánh tỏa nhiệt.
1/ Các tham số của tầng khuếch đại công suất
Với tầng khuếch đại công suất ngoài việc quan tâm đến các tham số như bộ khuếch đại thông thường ( trở kháng vào, trở kháng ra, KU, Ki, độ méo, …) cần phải lưu ý 2 tham số sau:
+ Hệ số khuếch đại công suất KP
KP là tỷ số giữa công suất ra vầ công suất đưa vào đầu vào bộ khuếch đại KP = R
V P P
Trong đó: PR công suất đưa ra tải
PV công suất đưa vào đầu vào bộ khuếch đại + Hiệu suất : η
Hiệu suất là tỉ số giữa công suất ra và công suất một chiều của nguồn cung cấp cho bộ khuếch đại
η= R O P P
Trong đó: Po công suất của nguồn cung cấp
Hiệu suất càng cao thì công suất tổn hao trên collector của Tranzitor công suất càng giảm .
2/ Chế độ công tác cho tầng khuếch đại công suất
Hình 4.15. Vị trí điểm làm việc tĩnh trên đặc tuyến ra trong chế độ làm việc A, B, AB
Chế độ A được dùng trong khuếch đại công suất đơn, đảm bảo tín hiệu méo ít nhất nhưng hiệu suất nhỏ nhất khoảng 20%, và công suất ở tải không vượt quá vài W.
Trong chế độ B điểm làm việc tĩnh chọn ở điểm mút phải đường tải một chiều. Chế độ tĩnh tương ứng với điện áp UBE = 0. Khi có tín hiệu vào, dòng Colector chỉ xuất hiện ứng với nửa chu kỳ, còn nửa chu kỳ sau Tranzitor ở chế độ khóa. Khi đó hiệu suất năng lượng của tầng ra cao (60 – 70%) và có khả năng cho một công suất ra tải lớn, tuy nhiên méo với chế độ này lớn cần khắc phục bằng cách mắc Tranzitor thích hợp.
Chế độ AB là trung gian giữa chế độ A và B đạt được bằng cách dịch chuyển điểm tĩnh lên phía trên điểm B. Méo không đường thẳng sẽ giảm khác nhiều so với chế độ B.
4.4.2. Mạch khuếch đại công suất đơn1/ Mạch điện 1/ Mạch điện
RC : Tải của bộ khuếch đại Tụ C ghép tầng đầu vào Q: khuếch đại công suất
Nguyên lý làm việc:
Khi có tín hiệu vào giả sử dòng Iblà hình sin + ở 1/2 chu kỳ đầu dòng Ib tăng →Ic tăng →UCE giảm .
+ ở 1/2 chu kỳ sau dòng Ib giảm →Ic giảm →UCE tăng Dòng IC biến đổi xung quanh giả trị ICo từ IC max ÷ ICmin
Điện áp UCE biến đổi xung quanh giả trị UCEO từ UCE min ÷UCEmax
2/ Các tham số của tầng KĐCS đơn
Công suất ra tải: PR=
2 2 m. . 2 2 2 CE Cm CEm Cm t t U I U I R R = =
Dòng IC biến thiên từ ICmax đến ICmin
Điện áp UCE biến thiên từ UCEmax đến UCEmin . Do đó:
PR = ( max min)( max min) 8
CE CE C C
U −U I −I
PR đạt giá trị cực đại ( PRmax) khi:
UCEmax – UCEmin ≈ VCC ICmax – ICmin = 2 Ico Pmax= .2 8 C co E I = 2 . 4 8 C Co E I C t E R =
Ta thấy muốn tăng công suất phải tăng điện áp nguồn cung cấp EC
+ Công suất nguồn một chiều cung cấp Po:
Công suất nguồn một chiều cung cấp được xác định: PO = Ec.Io
Trong đó Io là dòng điện trung bình qua tải, dòng qua tải bao gồm thành phần 1 chiều Ico và thành phần xoay chiều :
+ Hiệu suất của mạch khuếch đại
η= max . 1 1 . 25% 4 4 R c co o c co P E I P = E I = =
+ Công suất tiêu tán trên mặt ghép collector (PC) PC = Po – PR= EC.ICo- .
2
CEm Cm U I
Công suất tiêu tán trên mặt ghép collector phụ thuộc vào biên độ tín hiệu ra. Khi không có tín hiệu ra thì PC có giá trị cực đại : PCmax = Po
suất chịu đựng lớn nhất của Tranzitor phải lớn hơn Po: PCmax > Po
Tầng KĐCS đơn có hiệu suất thấp, công suất ra không lớn thường khoảng vài W. Tầng KĐCS đơn có thể ghép điện dung hoặc ghép biến áp với tải như hình vẽ sau:
Mạch khuếch đại công suất đơn sử dụng 1 tranzitor để khuếch đại công suất ra nhỏ, hiệu suất thấp, ít được sử dụng.
4.4.3. Mạch khuếch đại đẩy kéo1/ Mạch KĐCS đẩy kéo song song 1/ Mạch KĐCS đẩy kéo song song a. Mạch điện
Hình 4.16. Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo song song b.Tác dụng linh kiện
Q1 và Q2 là 2 Tranzitor cùng loại có tham số giống nhau. R1 phân cực cho Q1.
R2 phân cực cho Q2.
T1biến áp đảo pha – tạo ra ở thứ cấp 2 tín hiệu có độ lớn bằng nhau ghép ngược pha để đưa vào cực B của Q1 và Q2.
T2 biến áp ra ghép tín hiệu đã được khuếch đại với tải và phối hợp trở kháng với tải. Cuộn sơ cấp của T2 gồm 2 nửa đối xứng nhau ghép tầng 2.
c. Nguyên lý làm việc
+ Tầng KĐCS làm việc ở chế độ B hay AB. Để tiện cho việc nghiên cứu ta giả thiết tầng KĐCS làm việc ở chế độ B do vậy điện áp phân cực:
UR2 = UBE1 = UBE2 =0,4V + Khi chưa có tín hiệu vào: UR2 = UBE1 = UBE2 =0,4V
+ Do vậy dòng IB1= IB2 = 0 nên IC1 = IC2 = 0 Không có tín hiệu ra loa. + Giả sử tín hiệu vào là hình sin: UV = UVmsin ωt
Ở ½ chu kỳ đầu điện áp thứ cấp T1 có chiều dương trên, âm dưới UBEQ1 = UR2 + U21 do vậy UBEQ1 tăng lên → Q1 mở UBEQ2 = UR2 - U22 do vậy UBEQ2 giảm đi → Q2 khóa
Do Q1 mở có dòng IC1từ dương nguồn qua nửa trên cuộn sơ cấp T2 qua Q1 qua R3 về âm nguồn EC. Độ lớn của của dòng IC1 biến thiên theo qui luật của tín hiệu vào. Do vậy ở thứ cấp của T2 có điện áp cấp cho tải
Ở nửa chu kỳ sau của tín hiệu vào, điện áp thứ cấp T1 đổi chiều , âm trên, dương dưới. UBEQ1 = UR2- U21 do vậy UBEQ1 giảm đi → Q1 khóa
UBEQ2 = UR2 + U22 do vậy UBEQ2 tăng lên → Q2 mở
Do Q2 mở có dòng IC2từ dương nguồn qua nửa dưới cuộn sơ cấp T2 qua Q2 qua R3 về âm nguồn EC. Độ lớn của của dòng IC2 biến thiên theo qui luật của tín hiệu vào. Do vậy ở thứ cấp của T2 có điện áp cấp cho tải.
Ta thấy trong 1 chu kỳ của tín hiệu vào Q1 và Q2 thay nhau làm việc, khi Q1 khóa thì Q2
mở và ngược lại. Do vậy trên tải nhận được chu kỳ đầy đủ của tín hiệu vào .
Các tham số:
+ Điện trở tải qui về sơ cấp biến áp Rt = 2
. t
n R với n = 1
2
N N
N1 số vòng dây ở nửa cuộn sơ cấp T2
N2 số vòng dây ở nửa cuộn thứ cấp T2 + Dòng điện qua sơ cấp biến áp:
ICm = Cm
T U
R
+ Công suất đưa ra tải :
Pr = 1 . 2UCm ICm
+ Công suất đưa ra tải lớn nhất khi UCm= EC : Pr max= 2 2 2 C t E n R
+ Khi tính đến hiệu suất của biến áp Tr2 (ηba2) thì công suất đưa ra tải :