Các phần tử trong mạch cũng giống như trong các sơ đồ trên
Điện trở vào của tầng được xác định chủ yếu bằng điện trở rE vào khoảng (10 ÷ 50)Ω. Điện trở vào nhỏ là một nhược điểm cơ bản của tầng BC vì tầng đó là tải lớn đối với nguồn tín hiệu vào.
Đối với thành phần xoay chiều thì hệ số khuếch đại dòng của Transistor là α=IC/IE <1. Hệ số khuếch đại dòng của tầng là:
Ki = α t t C R R R //
Hệ số khuếch đại điện áp là: Ku = α V n t C R R R R + //
Rn là điện trở nội của nguồn tín hiệu. hệ số này nhỏ thì KU
lớn.
Một điều cần chú ý là đặc tuyến tĩnh của Transistor mắc BC có độ tuyến tính lớn nên nó có thể dùng với điện áp cực góp lớn hơn sơ đồ EC, Chính vì vậy tầng khuếch đại BC được dùng khi cần điện áp ở đầu ra lớn.
2.6. Tầng khuếch đại đảo pha
Tầng đảo pha dùng để khuếch đại tín hiệu vào và cho ra hai tín hiệu có biên độ bằng nhau và ngược pha nhau. Hia tín hiệu lấy ra từ cực phát và từ cực góp.
Nếu chọn RC =RE; Rt1=Rt2 thì hai tín hiệu ra có biên độ bằng nhau. Và sơ đồ này gọi là mạch đảo pha chia tải.
2.7. Các sơ đồ khuếch đại dùng Transistor trường (FET)
Transistor hiệu ứng trường hoạt động dựa trên tác động của điện trường lên chuyển động của các hạt tải điện trong một kênh bán dẫn loại p hoặc n. Có hai loại transistor trường: loại JFET và loại MOSFET.
Hình 2.23. tầng khuếch đại đảo pha
Ura1
(a) (b) Hình 2.24. Cáu trúc và đặc tính truyền đạt của transistor trường JFET.
Trên một thanh bán dẫn silicon loại n, người ta tạo nên một kênh dẫn điện N
với các phần tử tải điện cơ bản là điện tử n được giới hạn bởi một lớp bán dẫn loại
p bao xung quanh. Có 3 điện cực được gắn lên đó: cực nguồn S (source), cực cửa
G (gate) và cực máng D (drain). Vị trí và nguồn điện cấp cho các cực được cho như trên hình. Transistor JFET kênh N gọi là N-JFET. Khi hoạt động, ta thấy lớp tiếp giáp p-n giữa cực cửa G và cực nguồn S được phân cực ngược bởi thế UGS, còn tải tiêu thụ được mắc nối tiếp với kênh dẫn và dòng qua tải chính là dòng cực máng ID.
Như đã biết về đặc tính của lớp tiếp giáp p-n, sự biến đổi giá trị của điện áp phân cực ngược trên cực cửa UGS sẽ làm thay đổi độ rộng của miền nghèo phần tử tải. Điều đó dẫn đến làm thay đổi thiết diện ngang của kênh dẫn N và làm thay đổi dòng cực máng ID chảy qua kênh. Như vậy dòng cực máng phụ thuộc vào thế cực cửa và do đó cực cửa còn được gọi là cực điều khiển. Điện áp mà tại đó dòng cực máng ID nhận giá trị cực tiểu (≈ 0) gọi là điện áp ngưỡngUP.Đặc tuyến truyền đạt được mô tả bởi phương trình
2 1 − = P GS DS D U U I I và có dạng như trên hình 4.44.b,
trong đó IDS là dòng cực máng khi UGS = 0. Transistor trường JFET có tác dụng khuếch đại như transistor lưỡng cực. Họ đặc trưng lối ra của một transistor N- JFET có dạng như hình 4.45 gồm 3 vùng:
- Vùng bão hoà (UD > Ubh): trong đó ID không phụ thuộc vào UDS mà chỉ phụ thuộc vào UGS. Đây là vùng sử dụng cho khuếch đại với dòng ID được điều khiển bởi thế vào UGS.
VGS (V) ID (mA)
- Vùng tuyến tính (UD < Ubh): trong đó UD có giá trị nhỏ và phụ thuộc tuyến tính vào ID.
- Vùng đánh thủng: trong đó dòng ID đột ngột tăng khi UDS đủ lớn để đánh thủng lớp tiếp giáp p-n gần điện cực máng.
Hình 2.25. Họ đặc trưng lối ra của JFET.
Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của transistor trường P-JFET về nguyên tắc cũng giống như loại N-JFET. Hình 4.46 là tóm tắt ký hiệu và dạng đặc tính truyền đạt của hai loại này.
Chữ MOS-FET là viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Metal-Oxyt Semiconductor FET
có nghĩa là transistor hiệu ứng trường có cực cửa cách điện bằng vật liệu ô-xit kim loại. Cấu trúc của một transistor MOS-FET được biểu diễn trên hình 4.47.a.
Linh kiện cũng gồm có 3 cực: cực nguồn S và cực máng D nối với hai đầu kênh dẫn, cực cửa G nối với bản kim loại được cách điện cao với kênh qua một lớp cách điện, thường là ô-xit nhôm có điện trở rất cao. Với cấu trúc như vậy, tồn tại một tụ điện MOS nằm giữa cực nguồn và cực máng. Thí dụ, transistor MOS-FET kênh N sử dụng đế silicon loại p, cực nguồn và cực máng là silicon N+. Một hiệu điện thế dương đủ lớn đặt lên cực cửa sẽ làm đảo ngược tính bán dẫn của đế P và làm hình thành trong đế một kênh dẫn N. Các điện tử trong kênh dẫn sẽ chuyển dịch từ cực nguồn sang cực máng khi có một hiệu thế dương UDS đặt giữa cực máng và cực nguồn. Như vậy cũng bằng cách biến đổi giá trị của thế đặt vào cực cửa ta có thể biến đổi giá trị của dòng chảy qua cực máng. Transistor trường MOS- FET cũng có thể dùng để khuếch đại dòng điện. Do tính cách điện cao của lớp ô- xit kim loại nên transistor MOS-FET có đặc điểm rất quý là có trở vào rất cao, dòng dò lối vào rất nhỏ.
Hình 2.27. Cấu trúc của transistor MOS-FET.
Trong mỗi loại kênh P hay N, transistor trường MOS-FET còn được phân biệt thành 2 loại:
- Loại kênh có sẵn (hoạt động trong enhancement-mode): trong đó ngay tại thế
UGS = 0 đã tồn tại sẵn kênh dẫn N (nếu đế loại P) hay kênh dẫn P (nếu đế loại N). Khi thế UGS < 0 sẽ làm nghèo nồng độ hạt tải của kênh và giảm độ dẫn kênh, giảm dòng ID.
- Loại kênh không có sẵn (hoạt động trong deplete - mode): trong đó khi UGS = 0, độ dẫn của kênh rất nhỏ, hầu như bằng 0. Chỉ khi đặt một thế dương (với loại kênh N, đế loại P) hay thế âm (với loại kênh P, đế loại N) mới hình thành kênh dẫn điện. Sự tăng giảm của UGS trên giá trị điện áp ngưỡng sẽ làm thay đổi nồng độ hạt
§Õ P Kªnh N N N G S D +VGS +VDS +Ecc ID RT
tải điện của kênh, làm thay đổi độ dẫn kênh và tương ứng là dòng cực máng chạy qua kênh.
Hình 2.28 là tóm tắt ký hiệu và dạng đặc tính truyền đạt của 4 loại này.
Nói chung các sơ đồ hoạt động của transistor trường FET cũng tương tự như transistor lưỡng cực BJT, tức là cũng có các sơ đồ mắc theo kiểu nguồn chung (source chung), cửa chung (gate chung) hay máng chung (drain chung).
Hình 2.29. Định điểm làm việc cho transistor J-FET kênh N qua trở cực nguồn RS.
Nguyên lý xây dựng các tầng khuếch đại dùng Transistor trường cũng giống như dùng Transistor lưỡng cực. Điểm khác nhau là Transistor trường điều khiển bằng điện áp. Khi chọn chế độ tĩnh của Transistor trường cần đưa tới đầu vào (cực cửa G) một điện áp một chiều có giá trị và cực tính cần thiết.
2.7.2. Tầng khuếch đại cực nguồn chung (SC)
Tải RD được mắc vào cực máng D, các điện trở R1, RG, RS dùng để xác lập UGS0 ở chế độ tĩnh điện trở Rs dùng để hồi tiếp âm dòng điện một chiều để ổn định chế độ tĩnh khi thay đổi nhiệt độ và do tính tản mạn của tham số Transistor. Tụ CS dùng để khử hồi tiếp âm xoay chiều. Cp1 dùng để ghép tầng với nguồn tín hiệu vào nguyên tắc chọn chế độ tĩnh giống như ở Transistor lưỡng cực
Điểm làm việc tĩnh P dịch chuyển theo đường táỉ một chiều sẽ qua điểm A và B. Đối với điểm A: IDS=0, UDS=+ED, Đối với điểm B: UDS=0, ID=ED/(RD+RS).
Trong chế độ tĩnh:
UDS0 = ED – ID0(RD + RS)
Trong đó: ID0 là dòng cực máng tĩnh
UDS0 là điện áp cực máng - nguồn tĩnh.
Điện áp UGS0 là tham số của đặc tuyến ra tĩnh đi qua điểm P.
Dựa vào đặc tuyến của FET, ta thấy ở chế độ tĩnh điện áp cực G có thể là âm, dương hoặc có thể bằng 0
Khảo sát trường hợp UGS0<0
Điện trở RS và RG để xác định điện áp UGS0<0 trong chế độ tĩnh. Trị số và cực tính của điện áp trên RS là do dòng điện IS0 = ID0 chạy qua nó quyết định RS= UGS0/ID0
Điện trở RG để dẫn điện áp UGS0 lấy trên RS lên cực G của FET. Điện trở RG phải chọn nhỏ hơn điện trở vào. Điều này rất cần thiết loại trừ ảnh hưởng của tính không ổn điịnh theo nhiệt độ và tính tản mạn của các tham số mạch vào đến điện
Hình 2.20 a) sơ đồ khuếch đại SC
b) Xác định chế độ tĩnh của tầng EC UGS P ID UDS B A IC 0 UDS min UDS0 D C ^ r U UD S UG 0 UGs Us0
trường hợp này phải bù điện áp US0 bằng cách cung cấp cho cực cửa điện áp UG0 qua điện trở R1. UGS0 = US0 - UG0 = ID0.RS – EDR R1 R G G + (2.8) R1 = G GS S G D R U U R E − − 0 0 (2.9)
Điện áp nguồn cung cấp ED =UDS0 + US0 +ID0.RD (2.10)
Trị số RD có ảnh hưởng đến đặc tuyến tần số của tầng, nó được tính theo tần số trên của dải tần. Với quan điểm mở rộng giải tần thì phải giảm RD. Sau khi đã chọn điện trở trong của Transistor ri thì ta có thể chọn RD = (0.05 ÷ 0.15) ri.
Việc chọn US0 cũng giống như điện áp UE0 trong tầng EC, nghĩa là tăng điện áp Us0
sẽ làm tăng độ ổn định của điểm làm việc tĩnh do tăng Rs tuy nhiên khi đó phải tăng ED, vì thế thường chọn Us0 trong khoảng (0.1÷ 0.3)ED.
Khi UGS0 ≥0 thì phải mắc RS để đạt yêu cầu về ổn định chế độ tĩnh. Lúc đó bát buộc phải mắc R1. Chọn các phần tử dựa vào các công thức (2.8 2.10) khi đó 2.8, 2.9 phải chọn UGS=0 hoặc là thay đổi dấu của điện áp UGS. Chế độ UGS>0 là chế độ điển hình của MOSFET có kênh cảm ứng loại n. Vì thế nếu thực hiện đổi dấu UGS0
trong công thức 2.8, 2.9 ta có thể tính mạch thiên áp R1,RG của tầng nguồn chung. Chọn loại FET phải chú ý đến các tham số dòng máng cực đại IDmaxx, điện áp máng cực đại UDmax, và công suất tiêu tán cực đại của Transistor PDmax. Giống như EC tầng nguồn chung cũng làm đảo pha tín hiệu vào.
Sơ đồ khuếch đại máng chùng gầng giống với sơ đồ CC. điện trở R1, RG, và RS dùng để xác định chế độ làm việctĩnh cho Transistor. việc chọn và tính toán đảm bảo chế độ tĩnh được cũng giống như tầng SC. Tải một chiều là Rmc =RS còn trở tải xoay chiều là RtXC =RS//Rt
Đối với tầng DC thì tín hiệu vào cùng pha với tín hiệu vào. Điện trở lối vào rất lớn cở 107 đến 1012Ω. Hệ số khuếch đại điện áp nhỏ hơn 1.
2.7.4. Mạch khuếch đại dùng IC
2.8. Phương pháp ghép các tầng khuếch đại
Một bộ khuếch đại thường gồm nhiều tầng mắc nối tiếp nhau như dưới vì thực tế một tầng khuếch đại không đảm bảo đủ hệ số khuếch đại cần thiết. Ở đây tín hiệu ra của tầng đầu hay tầng trung gian bất kì sẽ là tín hiệu vào của tầng cho tầng sau nó và tải
Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại máng chung UV
Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại sẽ là tích hệ số khuếch đại của các tầng. KU =KU1.KU1.KU2….KUN
Việc ghép giữa các tầng có thể được thực hiện bằng tụ điện, biến áp hay ghép trực tiếp.
2.8.1. Ghép tầng bằng tụ điện
Xuất phát từ hệ số khuếch đại yêu cầu. Việc tính toán các tầng ( chọn và đảm bảo chế độ tĩnh, tính tióan chế độ xoay chiều phải tuân theo thứ tự từ tầng cuối cùng trở về tầng đầu tiên.
Trước hết tầng này phải đảm bảo đưa ra tải Rt công suất tín hiệu yêu cầu. Dựa vào hệ số khuếch đại tầng cuối cùng, ta xác định các hệ số tín hiệu vào của nó, và đó là cơ sở để tính toán cho tầng sau đó cứ như vậy ta tính toán cho các tầng còn lại của bộ khuếch đại
Như đã đề cập ở các phần trước các bộ khuếch đại đều có hệ số khuếch đại giảm về hai phía là tần số thấp và tần số cao. Ở miền tần số thấp, khi tải thuần trở thì hệ số khuếch đại giảm là do tụ điện trong sơ đồ quyết định còn ở tần số cao thì chủ yếu là do các tham số của Transistor quyết định cụ thể:
Ở tần số thấp: Khi tần số giảm thì độ dẫn điện của các tụ nối tầng sẽ giảm. Do đó có hạ áp trên các tụ nên điện áp của nguồn tín hiệu đặt vào tầng đầu tiên hay điện áp ra tâng trước đặt vào tầng sau sẽ bị giảm. Hạ áp làm giảm biên độ tín hiệu lối ra của
các tầng của bộ khuếch đại nói chung tức là giảm hệ số khuếch đại ở miền tần số thấp
Tụ CE cũng làm giảm hệ số khuếch đại ở mìên tần thấp vì nó làm tăng mức độ hồi tiếp âm dòng điện xoay chiều trên RE.
Việc giảm môđun của hệ số khuếch đại ở tần số thấp được đặc truwng bởi hệ số méo tần số thấp của bộ khuếch đại.
Mt =
t
K K0
Đó chính là hệ số méo tần số của mỗi tầng trong bộ khuếch đại Mt = Mt1.Mt2….Mtn hệ số méo tần số tính theo: Mt = 1 ( 1 )2 t tτ ϖ +
Đối với tụ Cp1 thì ta có hằng số thời gian τ =Cp1(Rn+Rv1) trong đó Rn là điện trở nguồn tín hiệu vào, Rv1 là điện trở vào của tầng đầu tiên. Tương tự như vậy ta có thể tính được hằng số thời gian cho các tầng còn lại.
Ở miền tần số thấp có tụ điện nên dòng điện nhanh pha hơn điện áp. Như vậy sự dịch pha của điện áp ra so với điện áp vào ở tần số thấp có đặc tính vượt trước. Góc dịch pha của bộ khuếch đại bằng tổng góc dịch pha của mỗi tụ và góc dịch pha của mỗi tụ được tính t t t acrtg τ ω ϕ = 1
Đặc điểm công tác của bộ khuếch đại ở miền tần số cao là sự phụ thuộc hệ số khuếch đại β cảu Transistor vào sự tồn tại điện dung mặt ghép góp CCE. Những nhân tố này ảnh hưởng đến đặc tuyến tần số ở tần số cao. Ở miền tấn số cao sự giảm môđun β của Transistor cũng như tác dụng rẽ mạch của tụ CCE làm giảm hệ số khuếch đại
ϕC =ϕC1 +ϕC2 +…ϕCn
2.8.2. Ghép tầng bằng biến áp
Cuộn sơ cấp W1 mắc vào cực góp T1 , cuộn thứ cấp W2 mắc vào cực gốc T2 qua tụ Cp2. Ghép tầng bằng biến áp cách ly được điện áp một chiều giữa các tầng và có thể làm tăng hệ số khuếch đại chung về điện áp hay dòng điện phụ thuộc vào biến áp tăng hay giảm.
Ưu điểm của mạch này là nguồn cung cấp cho cực góp của Transistor lớn vì điện áp một chiều cuộn dây bé do đó cho phép nguồn có điện áp thấp. Ngoài ra ghép biến áp còn dễ dàng phối hợp trở kháng và thay đổi cực tính điện áp tín hiệu trên các cuộn dây. Tuy nhiên có nhược điểm là đặc tuyến tần số không bằng phẳng trong giải tần, kết cấu mặch nặng nề, cồng kềnh, hư hỏng thay thế phức tạp.