Nguyên lý xây dựng tầng khuếch đạ ị

2. Transistor trường MOSFET loại có kênh tạo sẵn

3.1.1. Nguyên lý xây dựng tầng khuếch đạ ị

Một ứng dụng quan trọng nhất của transistor là dùng nó trong các mạch khuếch đạị Thực chất khuếch đại là một quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở đó 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). Nói cách khác, đây là một quá trình gia công xử lí thông tin dạng analog (tương tự).

Hình 3.1 đưa ra cấu trúc nguyên lí để xây dựng một tầng khuếch đạị Phần tử cơ bản của tầng khuếch đại là phần tử điều khiển (transistor) có điện trở thay đổi theo sự điều khiển của điện áp hay dòng điện đặt tới cực điều khiển base của nó, qua đó điều khiển quy luật biến đổi dòng điện của mạch ra bao gồm dòng

C B E UCE=Ur IC UV RC Rt +EC Hình 3.1: a) Cấu trúc nguyên lý một tầng khuyếch đại

b) Biểu đồ thời gian của điện áp và dòng điện tại mạch ra a) b) IC UCE t t ICm UCm IC0 ICE0 0 0 UBE UBE0 0 t UVm UBE

qua transistor và điện trở Rc và tại lối ra, ví dụ lấy giữa hai cực collector và emitter, người ta nhận được một điện áp biến thiên cùng quy luật với tín hiệu vào nhưng độ lớn được tăng lên nhiều lần. Để đơn giản, giả thiết điện áp vào cực điều khiển có dạng hình sin. Từ sơ đồ hình 3.1 b ta thấy rằng dòng điện và điện áp ở mạch ra (tỉ lệ với dòng điện và điện áp tín hiệu vào) cần phải coi như tổng các thành phần xoay chiều (dòng điện và điện áp) trên nền của thành phần một chiều IC0 và UC0. Phải đảm bảo sao cho biên độ thành phần xoay chiều không vượt quá thành phần một chiều, nghĩa là: IC0 ≥ ICmvà UC0≥ UCm.

Nếu điều kiện đó không được thoả mãn thì dòng điện, điện áp ở mạch ra trong từng khoảng thời gian nhất định sẽ bằng không và sẽ làm méo dạng tín hiệu rạ

Để đảm bảo công tác cho tầng khuyếch đại mạch ra của nó phải có thành phần một chiều IC0và điện áp một chiều UC0. Tương tự, ở mạch vào ngoài nguồn tín hiệu cần khuyếch đại, người ta đặt thêm nguồn điện áp một chiều Uv0 (hay là dòng điện một chiều Iv0) . Thành phần dòng điện và điện áp một chiều xác định chế độ tĩnh của tầng khuyếch đạị Tham số của chế độ tĩnh theo mạch vào (Iv0, Uv0) và theo mạch ra (IC0, UC0) đặc trưng cho trạng thái ban đầu của sơ đồ khi không có tín hiệu vàọ

3.1.2. Các chỉ tiêu cơ bản của một tầng khuyếch đại

Để đánh giá chất lượng của một tầng khuyếch đại, người ta căn cứ vào một số chỉ tiêu cơ bản sau:

ạ Hệ số khuếch đại K:

(3-1) Nói chung vì tầng khuếch đại có chứa các phần tử điện kháng nên K là một số phức: K. = K exp(jk)

Phần môđun K thể hiện quan hệ về cường độ (biên độ) giữa các đại lượng đầu ra và đầu vào, góc pha kthể hiện biên độ dịch pha giữa chúng. Nhìn chung độ lớn của K và k phụ thuộc vào tần số  của tín hiệu vàọ Nếu biểu diễn K = f1() ta nhận được đường cong gọi là tính biên độ – tần số, đường biểu diễn k= f2() được gọi là đặc tính pha - tần số của tầng khuyếch đạị

Nếu tính K theo logarit sẽ có đơn vị là đexiben (dB) :

= 20 lg (3-2)

K= Đại lượng đầu ra

Khi ghép liên tiếp n tầng khuyếch đại với các hệ số khuyếch đại tương ứng là k1…kn thì hệ số khuyếch đạ i tổng cộng của bộ khuyếch đạ i xá c định bởi:

K= k1, k2, … kn, hay:K (dB)= k1 (dB)+ … + kn (dB)

Đ ặc tính biên độ của tầng khuyếch đạ i là đư ờng biểu diễn quan hệ Ura= f3(Uvào) lấy ở một tần số của tín hiệu Uvào.

Dạ ng điển hình của K = f1() và Ura= f3(Uvào) đối vớ i một bộ khuyếch đạ i điện á p tần số thấp cho trên hình 2.58.

b. Trở kháng lối vào và lối racủa tầng khuyếch đạ i đư ợ c định nghĩa: Zvao=

Iv

Uv; Zra=

Ira

Ura (3-3)

Nói chung chúng là cá c đạ i lư ợ ng phức: Z=R+jX

c. Méo không đường thẳng (γ): do tính chất phi tuyến của cá c phần tử trong mạ ch khuếch đạ i (như transistor, diode…) gây ra, thể hiện trong thành phần tần số đầu ra có xuất hiện tần số lạ (không có mặt ở đầu vào). Khi Uvàochỉ có thành phần tần số , Ura nói chung có cá c thành phần n (vớ i n=0,1,2….) vớ i cá c biên độ tư ơng ứng là Unm, lúc đó hệ số méo không đư ờng thẳng do tầng khuếch đạ i gây ra đư ợ c đá nh giá là:

% ) ... ( 1 2 / 1 2 2 3 2 2 m nm m m U U U U + + + =  (3-4)

Trên đây đã nêu một số chỉ tiêu quan trọng nhất của một tầng hay một bộ khuếch đạ i (gồm nhiều tầng).

3.1.3. Phân loại bộ khuếch đại

Că n cứ vào cá c chỉ tiêu trên ngư ời ta có thể phân loạ i cá c bộ khuếch đạ i vớ i cá c tên gọi và đặc điểm khá c nhaụ

|K| K0  K0 Ura 0 0 C  t  UV

Hình 3.2: a) Đặc tính biên độ tần số; b) Đặc tính biên độ (f = 1kHz ) của một bộ khuyếch đại tần số thấp.

Theo tính chất các đại lượng vật lý lấy ra:

- Bộ khuếch đạ i điện á p vớ i yêu cầu cơ bản là có Kumax, Zvào>>Znguồn và Zra<<Zvào.

- Bộ khuếch đạ i công suất (Kpmax, Zvào≈Znguồn, Zra≈Ztải). - Bộ khuếch đạ i dòng điện (vớ i Kimax, Zvào<<Znguồn, Zra>>Ztải)

Theo dải tần số cần khuếch đại: mạ ch khuếch đạ i một chiều (tín hiệu có f=0 hoặc rất thấp), mạ ch khuếch đạ i tần số thấp, mạ ch khuếch đạ i trung tần, cao tần …

Theo tín hiệu cần khuếch đại: khuếch đạ i tín hiệu liên tục, khuếch đạ i tín hiệu xung…

Theo đặc tuyến tần số: mạ ch khuếch đạ i cộng hư ởng, mạ ch khuếch đạ i dải hẹp, mạ ch khuếch đạ i dải rộng…

Theo tính chất của tải: khuếch đạ i điện trở, khuếch đạ i điện cảm…

3.1.4. Các chế độ làm việc cơ bản của một tầng khuếch đại

Đ ể phần tử khuếch đạ i (transistor) làm việc bình thư ờng tin cậy ở một chế độ xá c định cần hai điều kiện cơ bản:

- Xá c lập cho cá c điện cực base collector và emitter của nó những điện á p một chiều cố định, gọi là phân cực tĩnh cho phần tử khuếch đạ ị Đ iều này đạ t đư ợ c nhờ cá c phư ơng phá p phân cực kiểu định dòng hay kiểu định á p như đã trình bày ở chư ơng 2.

- ổn định chế độ tĩnh đã đư ợ c xá c lập để trong quá trình làm việc chế độ của phần tử khuếch đạ i chỉ phụ thuộc vào điện á p điều khiển đư a tớ i đầu vàọ Đ iều này thư ờng đư ợ c thực hiện nhờ cá c phư ơng phá p hồi tiếp âm thích hợ p.

Đường tải tĩnh đư ợ c vẽ trên đặc tuyến ra tĩnh của transistor để nghiên cứu dòng điện và điện á p khi nó mắc trong mạ ch cụ thể (có tải) khi chư a có tín hiệu đặt vàọ

Đ iểm công tá c (điểm làm việc tĩnh, điểm phân cực) là điểm nằm trên đư ờng tải tĩnh xá c định dòng điện và điện á p.

Ta có: UCE0 = EC- IC0RC (3-5) Phư ơng trình (3-5) cho ta xá c định 1 đư ờng thẳng trên họ đặc tuyến ra của transistor gọi là đư ờng tải 1 chiều của tầng khuyếch đạ i (hình 3.3).

Khi IC= 0, có UCE= EC, xá c định điểm A trên trục hoành: ĂEC, 0).

Khi UCE=0, có IC=EC/RC, xá c định điểm B trên trục tung:B(0,EC/RC).

bằng không thì điện trở xoay chiều của tầng khuếch đạ i bao gồm điện trở RC và Rt mắc song song, nghĩa là Rt~= Rt//RC. Như vậy Rt~< Rt=.

Xây dựng đư ờng tải xoay chiều theo tỉ số gia số của điện á p và dòng điện : ΔUCE=ΔIC(Rt//RC)

Khi có tín hiêụ vào, điện á p dòng điện là tổng của thành phần một chiều và xoay chiềụ Vì thế khi thành phần xoay chiều bằng không thì đư ờng tải xoay chiều đi qua điểm làm việc tĩnh P của một tải một chiềụ Đ ộ dốc của đư ờng tải xoay chiều sẽ lớ n hơn đư ờng tải một chiềụ

ýnghĩa của đư ờng tải xoay chiều: khi cung cấp UV thì trong mạ ch base sẽ xuất hiện thành phần xoay chiều iB~ và do đó xuất hiện thành phần iC~ và điện á p ra xoay chiều ura liên hệ vớ i dòng tải iC~ qua đặc tuyến tải xoay chiềụ Vậy đư ờng tải xoay chiều đặc trư ng cho sự thay đổi giá trị tức thời dòng ICvà điện á p trên transistor, hay đặc trư ng cho sự dịch chuyển điểm làm việc tĩnh.

Điểm làm việc tĩnh Pxá c định bởi cá c toạ độ (IC0, UCE0) hay (UCE0, UBE0). Tuỳ theo vị trí của P trên đư ờng thẳng tải, ngư ời ta phân biệt cá c chế độ làm việc khá c nhau của một tầng khuếch đạ i như sau:

- Chế độ A: nếu P nằm ở khoảng giữa hai điểm M và N là những giao điểm của đư ờng thẳng tải vớ i cá c đư ờng đặc tuyến ra tĩnh ứng vớ i cá c chế độ tớ i hạ n của transistor UBEmax (hay IBmax) và UBE = 0 (hay IB= 0) trên hình 3.3, ta nói tầng khuếch đạ i làm việc ở chế độ Ạ ởchế độ A ngoài việc chọn điểm làm việc cần phải chọn độ lớ n của tín hiệu vào không đư ợ c lớ n quá sao cho ứng vớ i một

Hình 3.3: Các chế độ làm việc của tầng khuếch đại trên đặc

tuyến tảị V UCE 0 M B mA IBmax IB= 5A IB= 0A IC N IB0= 15A IB= 25A P B UCE0 IC0 Đường tải xoay chiều Đường tải Một chiều EC Vùng bão hoà Vùng ngưng dẫn (khoá dòng)

chu kỳ của tín hiệu vào ta nhận đư ợ c một chu kỳ đầy đủ của tín hiệu rạ Chế độ A có hai đặc điểm cơ bản là: vù ng làm việc gây ra méo  nhỏ nhất và hiệu quả biến đổi nă ng lư ợ ng của tầng khuếch đạ i là thấp nhất.

- Chế độ B: khi điểm làm việc P trù ng vớ i N, ta nói tầng khuếch đạ i làm việc ở chế độ B, điểm làm việc ban đầu ứng vớ i IB= 0 (lúc đó cũng có IC = 0). ứng vớ i một chu kỳ của tín hiệu vào chỉ nhận đư ợ c một nửa chu kỳ tín hiệu rạ Đ ặc điểm chủ yếu của chế độ B là có méo  lớ n (do một phần tín hiệu ở mạ ch ra bị lúc cắt ở mạ ch vào dòng IB ≤0) và hiệu xuất biến đổi nă ng lư ợ ng của tầng tư ơng đối cao (vì dòng tĩnh nhỏ).

- Chế độ AB: Khi điểm công tá c P dịch dần về phía điểm N, tầng khuếch đạ i sẽ chuyển dần sang chế độ AB, đặc điểm của tầng khuếch đạ i ở chế độ này có méo không đư ờng thẳng nhỏ hơn chế độ A, hiệu suất nhỏ hơn chế độ B.

Khi P nằm ngoài đoạ n M-N, ta nói tầng khuếch đạ i làm việc ở chế độ khoá vớ i hai trạ ng thá i tớ i hạ n phân biệt của transistor: mở bã o hoà (lúc P nằm phía trên M), hay khoá dòng (lúc P nằm dư ớ i N). Chế độ này thư ờng gặp ở cá c mạ ch tạ o xung, cá c mạ ch điều khiển.

Cá c chế độ làm việc của tầng khuếch đạ i đư ợ c minh hoạ trên đặc tuyến truyền đạ t hình 3.4.

3.2. Khuếch đại dùng transistor lưỡng cực

Trong phần này sẽ trình bày phư ơng phá p phân tích tầng khuếch đạ i dù ng transistor lư ỡ ng cực theo ba cá ch mắc mạ ch: emitter chung (EC), collector chung

Hình 3.4: Minh hoạ chế độ công tác trên đặc tuyến truyền đạt

UBE0 Uvm Uv IC0 ICm IC Uco P UBE a) Chế độ A UBm Uv ICm IC Uco P UBE b) Chế độ B

trung bình vì vậy trở khá ng của tụ coi như bằng không, ảnh hư ởng điện dung kí sinh cũng như sự phụ thuộc hệ sốα của transistor vào tần số coi như không đá ng kể.

3.2.1. Tầng khuếch đại emitter chung (EC - Emitter common)

Mạ ch điện nguyên lí 1 tầng khuếch đạ i EC cho trên hình 3.5.

Trong sơ đồ này cá c tụ Cp1, Cp2là cá c tụ phân đư ờng (nối tầng).

Tụ Cp1 loạ i trừ tá c dụng ảnh hư ởng lẫn nhau của nguồn tín hiệu và mạ ch vào về dòng một chiềụ Mặt khá c nó đảm bảo cho điện á p Ub0trong chế độ tĩnh không phụ thuộc vào điện trở trong của nguồn tín hiệu Rn.

Tụ Cp2 ngă n không cho thành phần 1 chiều và chỉ cho thành phần xoay chiều ra tảị

Đ iện trở R1, R2, REđể xá c định chế độ tĩnh của tầng. Transistor lư ỡ ng cực đư ợ c điều khiển bằng dòng, nên dòng điện tĩnh của transistor (trong trư ờng hợ p này là dòng Ico) đư ợ c tạ o thành do dòng tĩnh emitter IE thông qua sự điều khiển của dòng base IB.

RClà điện trở tải một chiều và xoay chiều, Rtlà điện trở tải xoay chiều của tầng khuếch đạ ị

Tụ CEmắc ở cực E để thoá t xoay chiều ở cực Ẹ

Nguyên lí làm việc của tầng EC như sau: khi đư a điện á p xoay chiều tớ i đầu vào, xuất hiện dòng xoay chiều base của transistor và do đó xuất hiện dòng xoay chiều (dòng collector của transistor) ở mạ ch ra của tầng. Hạ á p trên RCtạ o

Hình 3.5: Tầng khuếch đại E chung

→ Ibo Uceo EN Iv Ube Uv Ueo Ieo Ur It Ic -Ec Cp2 Cp1 CE T RE Rn Rc R1 R2 Rt Ip

lên điện á p xoay chiều collector. Đ iện á p này qua tụ Cp2 đư ợ c đư a đến đầu ra của tầng (mạ ch tải).

Có thểphân tích sơ đồ bằng hai phư ơng phá p cơ bản là phư ơng phá p đồ thị và phư ơng phá p giải tích (sơ đồ tư ơng đư ơng) đối vớ i chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ.

Phư ơng phá p đồ thị dựa vào cá c đặc tuyến vào ra của transistor có ư u điểm là dễ dàng tìm thấy mối quan hệ giữa cá c giá trịbiên độ của thành phần xoay chiều (điện á p ra Urmvà dòng điện ra Icm) và là số liệu ban đầu để tính toá n. Sự phụ thuộc UCEO = f(IC0) có thể tìm đư ợ c từ phư ơng trình cân bằng điện á p ở mạ ch ra của tầng: UCE0= EC- IC0RC- IE0RE=EC- IC0RC-  0 Ic .RE (3-6) Vì hệ sốα gần bằng 1, nên có thể viết UCE0= EC– IC0( RC+ RE) (3-7)

Biểu thức (3-6) là phư ơng trình đư ờng tải một chiều của tầng. Dựa vào đặc tuyến vào Ib = f(UBE) ta chọn dòng base tĩnh cần thiết IB0, từ đó xá c định đư ợ c toạ độ P là giao điểm của hai đư ờng IB = IB0 vớ i đư ờng tải một chiều trên đặc tuyến ra hình 3.6.ạ

a) b)

Hình 3.6: Xác định chế độ tĩnh của tầng EC trên đặc tuyến ra (a); trên đặc tuyến vào (b)

UCE IB=0 IB1 IB2 IB0 IB4 PC IC d b Ico a p ICm ∆Uc o Uc o Ucm  ↔ Ico c ICmax IBmax UBE0 UVm Uv IB0 IBm IB Uco P UBE

Đ ể xá c định thành phần xoay chiều của điện á p ra và dòng collector của transistor phải dù ng đư ờng tải xoay chiềụ

Nếu coi điện trở đối vớ i thành phần xoay chiều của nguồn cung cấp Ec bằng không, thì điện trở tải xoay chiều của tầng gồm hai điện trở Rc và Rt mắc song song, nghĩa là Rt~= Rt//Rc. Từ đó thấy rõ điện trở tải một chiều của tầng Rt== Rc+Re lớ n hơn Rt~. Khi có tín hiệu vào, điện á p và dòng điện là tổng của thành phần một chiều và xoay chiều, đư ờng tải xoay chiều đi qua điểm tĩnh P (h.3.6.a). Đ ộ dốc của đư ờng tải xoay chiều sẽ lớ n hơn của đư ờng tải một chiềụ Xây dựng đư ờng tải xoay chiều theo tỉ số gia số của điện á p dòng điện:

∆Uce=∆Ic.( Rt//Rc)

Khi đư a điện á p uvvào đầu vào của tầng khuếch đạ i (hình 3.6a) thì trong mạ ch base sẽ xuất hiện thành phần dòng xoay chiều Ib~có liên quan dến điện á p uvtheo đặc tuyến vào của transistor (hình 3.6 b). Vì dòng collector tỉ lệ vớ i dòng base qua hệ số , trong mạ ch collector cũng có thành phần dòng xoay chiều Ic~ (hình 3.6a) và điện á p ra xoay chiều urliên hệ vớ i dòng Ic~ bằng đư ờng tải xoay chiềụ Khi đó đư ờng tải xoay chiều đặc trư ng cho sự thay đổi giá trị tức thời dòng collector Icvà điện á p trên transistor Uco, ngư ời ta nói đó là sự dịch chuyển điểm làm việc. Nếu chọn trị số tín hiệu vào thích hợ p và chế độ tĩnh đúng thì tín hiệu ra của tầng khuếch đạ i sẽ không bị méo dạ ng. Muốn vậy cá c tham số của chế độ tĩnh phải thoả mã n cá c điều kiện sau (hình 3.6a):

Uco> Urm+ ∆Uco (3-8)

Ico > Icm+ Ico(e) (3-9)

ở đây ∆Uco là điện á p collector ứng vớ i đoạ n đầu đặc tuyến ra transistor (còn gọi là điện á p UCEbã o hoà); Ico(E) là dòng điện collector ban đầu ứng vớ i nhiệt độ cực đạ i chính là độ cao của đư ờng đặc tuyến ra tĩnh ứng vớ i dòng IB= 0, Urmvà Icmlà biên độ á p và dòng rạ Quan hệ dòng Icmvớ i điện á p ra có dạ ng: Icm= Rt Rc Urm // = Rt~ Urm (3-10)

Đ ể tă ng hệ số khuếch đạ i của tầng, trị số Rcphải chọn lớ n hơn Rttừ 3ữ5 lần. Dựa vào dòng Icođã chọn, tính dòng base tĩnh:

IBo= 

Ico(E)

Ico− (3-11)

Từ đó dựa vào đặc tuyến vào của transistor (hình 3.6.b) tìm đư ợ c điện á p UBE0ứng vớ i IB0đã tính đư ợ c.

Dòng emitter có quan hệ vớ i dòng Ibovà Icotheo biểu thức: IE0=(1+)IB0 + IC0(E)=  ) (E Ico Ico− (1+ )+ IC0(E)=IC0 (3-12) Khi chọn Ec(nếu như không cho trư ớ c), cần phải theo điều kiện: