2.1. Mạch khuếch đại.
Một mạch khuếch đại thường gồm nhiều tầng, mỗi tầng gồm một số linh kiện, có thể phân loại theo nhiệm vụ của nó:
- Khuếch đại điện áp. - Khuếch đại công suất.
- Khuếch đại dòng một chiều( các tín hiệu một chiều) Hoặc phân loại theo dải tần hoạt động:
- Khuếch đại tần số thấp ( vài Hz đến vài chục Hz).
- Khuếch đại tần số cao ( vài chục KHz đến vài ngàn MHz) Hoặc phân loại theo chế độ hoạt động:
- Khuếch đại hạng A: điểm làm việc nằm trên phần thẳng của đặc tuyến, khuếch đại trung thực, dùng trong mạch khuếch đại điện áp. Khuyết điểm: hiệu suất thấp do dòng I tiêu thụ lớn.
- Khuếch đại hạng B: điểm làm việc nằm ở gốc của đặc tuyến nên có một phần nhỏ đặc tuyến nằm trên đoạn cong ở gốc. Dùng trong các mạch khuếch đại công suất, hiệu suất lớn hơn nhiều ở chế độ A, có tín hiệu đến mạch thì dòng I mới đáng kể.
- Khuếch đại hạng C: điểm hoạt động nằm xa gốc của đặc tuyến, biên độ tín hiệu phải lớn mạch mới khuếch đại được, hiệu suất lớn hơn ở chế độ B, độ méo dạng đáng kể.
Khuếch đại là một quá trình biến đổi năng lượng của nguồn cung cấp một chiều (không chứa đựng thông tin) được biến đổi thành dạng năng lượng xoay chiều (có quy luật biến đổi mang thông tin cần thiết).
2.2. Nguyên lý xây dựng một tầng khuếch đại:
Phần tử điều khiển (transistor) có điện trở thay đổi theo sự điều khiển của điện áp hay dòng điện đặt tới cực gốc của nó,qua đó điều khiển quy luật biến đổi
dòng điện của mạch ra. Tại lối ra người ta nhận được một điện áp biến thiên cùng quy luật với tín hiệu vào nhưng độ lớn được tăng lên nhiều lần.
Giả thiết điện áp đặt vào cực B có dạng hình sin. Ta thấy điện áp, dòng ra ở mạch tỉ lệ với điện áp, dòng điện của tín hiệu vào. Cụ thể là:
- Dòng điện ra coi như là tổng đại số của hai thành phần: thành phần một chiều (ứng với trạng thái tĩnh) và thành phần xoay chiều do tín hiệu xoay chiều VS gây ra.
- Điện áp ra UCE(t) coi như là tổng của hai thành phần : thành phần một chiều UCEQ và thành phần xoay chiều UCE.
Một điểm cần lưu ý là: phải đảm bảo sao cho biên độ thành phần xoay chiều không vượt quá thành phần một chiều, nghĩa là I0 ≥ Im, U0 ≥ Um. Nếu điều kiện này không được thỏa mãn thì dòng điện ở mạch ra trong từng khoảng thời gian nhất định sẽ bằng không và sẽ làm méo dạng tín hiệu ra.
Minh họa như hình vẽ:
Hình 2. 1: Các thành phần của dòng điện ra và điện áp ra 2.3. Các chếđộ làm việc của tầng khuếch đại.
Tùy theo vị trí điểm làm việc tĩnh Q trên đường tải xoay chiều, người ta phân biệt các chế độ làm việc sau đây:
2.3.1. Chếđộ A:
Chọn điện áp phân cực sao cho điểm tĩnh Q nằm ở khoảng giữa đoạn MN trên đường tải xoay chiều (M,N lần lượt là giao điểm của đường thẳng tải với đặc tuyến ra ứng với dòng cực đại Imax, và dòng cực tiểu Imin).
Xem hình vẽ.
Hình 2. 2: Điểm làm việc ở chếđộ A
Đặc điểm của chế độ này là:
- Khuếch đại trung thực, vùng làm việc gây ra méo nhỏ nhất.
- Dòng tĩnh và áp tĩnh luôn khác 0, nghĩa là ngay ở trạng thái tĩnh, tầng khuếch đại đã tiêu hao một năng lượng đáng kể. Biên độ dòng và áp xoay chiều lấy ra (Icm, UCEm) tối đa chỉ bằng dòng và áp tĩnh. Vì vậy chế độ A có hiệu suất thấp.
Chế độ A thường dùng trong các tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ.
2.3.2. Chếđộ B.
Chọn điện áp phân cực sao cho vị trí điểm tĩnh Q trùng với điểm D hoặc điểm N. Ta nói phần tử khuếch đại làm việc ở chế độ B.
Hình 2. 3: Điểm làm việc ở chếđộ B (a) cùng dạng sóng tương ứng của dòng điện (b) và điện áp (c)
Đặc điểm của chế độ này:
- Khi dòng điện vào hoặc điện áp vào có dạng hình sin thì dòng điện ra hoặc điện áp ra chỉ còn nửa (hoặc già nửa) hình sin, nói cách khác: méo phi tuyến trầm trọng.
- Ở trạng thái tĩnh, dòng ICQ gần bằng 0, do đó năng lượng tiêu thụ bởi tầng khuếch đại rất nhỏ.Chỉ ở trang thái động, dòng điện mới tăng dần theo biên độ tín hiệu vào. Do đó, năng lượng tiêu thụ cũng tỉ lệ với biên độ tín hiệu xoay chiều lấy ra. Như vậy chế độ B có hiệu suất cao.
Chế độ B thường dùng trong các tầng khuếch đại công suất ( các tầng cuối của thiết bị khuếch đại). Để khắc phục méo phi tuyến, nó đòi hỏi mạch phải có hai 2 vế đối xứng, thay phiên nhau làm việc trong hai nửa chu kì (mạch push- pull).
Trên thực tế người ta còn dùng chếđộ AB: Điểm Q chọn trên điểm N và gần điểm này. Lúc đó phát huy được ưu điểm của mỗi chế độ, giảm méo phi tuyến nhưng hiệu suất kém hơn ở chế độ B.
2.3.3. Chếđộ khóa (còn gọi là chếđộđóng mở hay chếđộ D).
Tầng khuếch đại làm việc ở một trong hai trạng thái đối lập: trạng thái khóa (hoặc trạng thái tắt) khi Q nằm dưới điểm N, trạng thái dẫn bão hòa (hoặc trạng thái mở) khi Q nằm phía trên điểm M (gần điểm C). Chế độ thường gặp ở các mạch xung.
2.4. Mạch hồi tiếp.
2.4.1. Định nghĩa.
Hồi tiếp là hiện tượng đưa tín hiệu ở ngõ ra của bộ khuếch đại (hoặc tầng khuếch đại) ngược trở về ngõ vào, nghĩa là trái với đường truyền thông thường của quá trình khuếch đại.
.
Hình 2. 4: Mạch hồi tiếp
2.4.2. Phân loại.
Gọi K là hệ số khuếch đại khi chưa có hồi tiếp, K’ là hệ số khuếch đại khi có hồi tiếp.
- Nếu K’< K : Tín hiệu ra ngược pha tín hiệu vào. Ta có hồi tiếp âm. Tuy hệ số khuếch đại K’ giảm nhưng dải thông được mở rộng cả hai phía fthấp, fcao.
- Nếu K’ > K: Tín hiệu ngã ra đồng pha tín hiệu ngã vào gọi là hồi tiếp dương.
Hệ số khuếch đại K’ tăng nhưng mạch khuếch đại kém ổn định. Trong trường hợp K’ rất lớn thì mạch khuếch đại trở thành mạch dao động.
* Nhận xét:
Hồi tiếp âm rất thông dụng trong các mạch khuếch đại. Nó cải thiện nhiều tính năng của mạch. Trái lại hồi tiếp dương thường làm bộ khuếch đại giảm sút chất lượng, thậm chí phá hỏng trạng thái ổn định của nó, do đó rất cần tránh. Hồi tiếp dương chỉ được dùng trong các mạch dao động mà thôi.
ra U β ' vào U Ura Uvà β >