III. MẠCH KHUẾCH ĐẠI FET
2. Phân tích mạch tín hiệu nhỏ, tần số thấp cs, CD
2.1. Tầng khuếch đại dùng JFET mắc nguồn chung cs
Trên hình 1.35 là tầng khuếch đại dùng JFET kênh N mắc cs, phân cực theo kiểu tự cấp (nhờ Rs). Vai trị các tụ cI, c2, cs cũng tương tự như các tụ ở mạch khuếch đại CE của BJT và ở phạm vi tần số khơng quá thấp, coi như chúng ngắn mạch đối với dịng xoay chiều.
Chế độ tĩnh của tầng cĩ thể xác định theo phương pháp đồ thị hoặc giải tích. Đối với tín hiệu xoay chiều biên độ nhỏ, ta thay thể JFET bằng sơ đồ tương đương, do dĩ cĩ mạch như hình 1.36. Từ đĩ sẽ xác định được các tham số đặc trưng cho tầng khuếch đại.
2.1.1. Điện trở vào
Ris = (Rg 11 r.) ~ Rg (1.110)
trong đĩ, r, là điện trở vào của JFET (tức điện trở của chuyển tiếp P-N giữa cửa và nguồn) thường rất lớn vì chuyển tiếp này phân cực nghịch (IG ~ 0).
Trên thực tế, R¡s thường cỡ một vài MU.
2.1.2. Điện trở ra (điện trở nhìn từ hai đầu tải RL về phía trước)Ros = (Ro H I'd) ~ Rd Ros = (Ro H I'd) ~ Rd
với rD là điện trở vi phân ngõ ra của JFET, thường cĩ giá trị cỡ (0,5 - 1) MQ.
2.1.3. Độ lợi áp
AvS = — = - gm (Rd // Rl // I'd) (1.111)
''GS Nếu rD » Rd thì:
A vS a - gm (Rd // Rl) = - g m R . (1.112)
Dấu từ thể hiện điện áp ra của mạch cs ngược pha với điện áp vào.
Neu xét hoạt động của mạch ở phạm vi tần số thấp thì, cũng giống như tầng khuêch đại CE, khơng thể coi C|, c2, cs là ngan mạch, trên trở kháng của các tụ này sẽ cĩ sự mất mát tín hiệu hữu ích. Mặt khác, điện trở Rs gây hồi tiếp âm dịng điện xoay chiều. Kết quả là điện áp ra bị giảm, nghĩa là gây sái dạng tần số thấp.
Tương tự, ở phạm vi tần số cao, các điện dung liên cực Cgs, Cds, nhất là CDG, cùng các điện dung ký sinh khác sẽ gây ảnh hưởng, đồng thời hệ số gm bị giảm theo tần số và hậu quả là điện áp ra giảm.
Như vậy đáp tuyến tần số của tầng khuếch đại dùng JFET (hoặc MOSFET) sẽ bị giảm ở phạm vi tần số thấp và tần số cao (giống như hình 1.24).
2.2. Tầng khuếch đại dùng JFET mắc cực máng chung CD
Sơ đồ tầng khuếch đại cực máng chung gần giống sơ đồ cs. Hình 1.37 vẽ sơ đồ DC dùng FET cĩ kênh đặt sẵn. Điện trở R], R2 cùng Rs dùng dể xác định chế độ làm việc tĩnh của transistor.
Hình 1.37: Tầng khuếch đại cực máng chung
Chế độ tĩnh của tầng cĩ thể xác định theo phương pháp đồ thị hoặc giải tích. Đối với tín hiệu xoay chiều biên độ nhỏ, ta thay thế JFET bằng sơ đồ tương đương, do đĩ cĩ mạch như hình 1.38. Từ đĩ sẽ xác định được các tham số đặc trưng cho tầng khuếch đại.
Hình 1.38. Mạch tương đương của tầng khuếch đại dùng JFET kiểu CD 2.2.1. Điện trở vào
RiS - R] // R-2 ~ Rg (1.113)
2.2.2. Điện trở ra (điện trở nhìn từ hai đầu tải RL về phía trước)
Ros = (Rs // i*d) ~ Rd
với rD là diện trở vi phân ngồ ra của JFET, thường cĩ giá trị cỡ (0,5 1) MQ.
2.2.3. Độ lợi áp
Vos = Vị - V L V L V _ V L _ ë m(rD//R s //R L) gm(rD//R s //R L) ' L vD V, l + g m(rD//R s //R L) Nếu rD » Rs thì rD//R s //R L * R S//R L= H _ . A a gm(Rs //R L) gn,R~ vD l + gm(Rs //R L) l + gmR, (1.115) (1.114)
BÀI TẬP
1. Cho tầng khuếch đại như hình 1.15. Biết V CC = 12V, Rc = 1KQ, RE = 200Q, RL =
3KQ. Giả thiết C|, C2, C3 cĩ điện dung vơ cùng lớn. Hãy chọn điểm làm việc tĩnh của mạch sao cho khuếch đại ít méo dạng và biên độ tín hiệu ra tương đối lớn.
2. Tầng khuếch đại CE phân cực kiểu phân áp như hình 1.17. BJT thuộc loại silic
NPN, cĩ p = 100, ICEO*0, vcc = 15V. Biết RB1= 32KQ, RB2 = 6,8KQ, RE = 1,5KQ,
Rc = 3KQ Hãy xác định điểm làm việc tĩnh.
3. Cho mạch diện như hình 1.17, vcc = 9V. BJT thuộc loại silic cĩ [3 = 60, làm việc ở điểm tĩnh Q (VCE = 4,5V, Ic = 3mA). Hãy xác định các điện trở trong mạch, và dựng đường tải một chiều trên đặc tuyến ra.
4. Cho tầng khuếch đại hình 1 biết các tham số của mạch Ec = +12V.
R, = 30OkQ; R2 = 2,7 kQ; p = 99, chọn VBE = 0,6V.
a. Xác định các giá trị dịng điện và điện áp một chiều trên các cực của transistor ? b. Biết Rt = 2,7kQ, xác định tải một chiều và tải xoay chiều của tầng khuếch đại ? Vẽ đường tải một chiều và xác định điểm làm việc tĩnh Q ?
5. Xác định điểm làm việc tĩnh của JFET kênh N mắc theo mạch nguồn chung, phân cực tự cấp (hình 1.30) biết rằng Vp = -5V, IDSS = mA, RD = l,5kQ, Rs = 1 kQ, Eo =
6. Cho tầng khuếch đại hình 2. Biết Ec = +12V, R| = 20kQ, R2 = 4kQ, R3 = 4kQ, R^ = lkQ, p = 99.
a. Xác định chê độ dịng điện và điện áp một chiều trên các cực của transisitor ?
b. Biết Rt = 8kQ, xác dịnh giá trị tải một chiều, tải xoay chiều của tầng khuếch đại. Vẽ đường tải một chiều và xác định điểm làm việc Q ?
7. Cho tầng khuếch đại CE, phân cực kiểu phân áp như hình 1.23a. Biết RB1 = 10 kQ, RB2 = 5 kQ, Rc = 2,2 kQ, RE = 3,2 KQ, RL = 2 kQ. BJT cĩ hlE « p = 70, hiE = 900 Q, hfE ss hOE ~ 0. Nội trở nguồn tín hiệu Rs = 200 Q. Hây xác định các thơng số cơ bản của tầng khuếch đại.
8. Cho mạch điện như hình 3, giả sử hfE = 50. Xác định:
a. Điểm làm việc tĩnh Q
b. Mạch tương đương tín hiệu nhỏ, giả sử bỏ qua hoE và hrE c. Độ lợi dịng Aị = iL / iị
d. Trở kháng ngõ vào nhìn từ nguồn dịng e. Trở kháng ngõ ra nhìn từ tải 1KQ
+24V —»
R|_ = IKQ
Hình 3
9. Cho mạch điện như hình 3, tìm độ lợi dịng của mạch khuếch đại trong ví dụ 1 giả sử hrC = 10"4 và hoE = 10'4 mho.
Chương 2: MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN
Mục tiêu: Giúp người học nắm được các khái niệm và tính chất của mạch khuếch đại thuật tốn, nhận dạng và phân tích được các mạch thuật tốn thơng dụng.
Chương này nêu các tính chất của bộ khuếch đại thuật tốn, tầng khuếch đại vi sai và các mạch điện ứng dụng bộ khuếch đại thuật tốn. Nội dung của chương gồm: Khái niệm và tính chất của mạch khuếch đại thuật tốn, mạch so sánh điện áp, mạch khuếch đại đảo, mạch khuếch đại khơng đảo, mạch cộng đảo và khơng đảo, mạch trừ, mạch tích phân và vi phân.
Kết thúc chương 2 yêu cầu người học vận dụng lý thuyết làm tốt các bài tập . Qua đĩ hiểu bài sâu sắc hơn, nhớ mạch điện chính xác hơn.
I. K1IÁI NIỆM VÀ TÍNH CHÁT CỦA MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN 1. Khái niệm
Khuếch đại thuật tốn (KĐTT), cịn gọi là OP-AMP (viết tắt từ Operational Amplifier), là một bộ khuếch đại DC cĩ hệ số khuếch đại Av rất cao và thường được chế tạo dưới dạng tích hợp (IC: Intergrated Circuit).
KĐTT vốn được dùng để thực hiện các thuật tốn trong máy tính tương tự cho nên cĩ tên gọi như vậy. Ngày nay, KĐTT được ứng dụng trong rất nhiều lãnh vực khác nhau, với tầm tần số rất rộng từ DC đến hàng GHz.
Cấu trúc cơ bản của một bộ KĐTT như hình 2.1. Ngõ vào là tầng khuếch đại vi sai; tiếp theo là các tầng khuếch đại trung gian (cĩ thể là tàng đệm hoặc khuếch vi sai), tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC ở ngõ ra; cuối cùng là tầng đệm để khuếch đại dịng và cĩ trở kháng ra thấp, tạo tín hiệu bất đối xứng ở ngõ ra. Các tầng khuếch đại đều ghép trực tiếp với nhau.
Hình 2.1. Sơ đồ khối của một bộ KĐTT
Hình 2.2 giới thiệu sơ đồ chi tiết của một bộ khuếch đại thuật tốn. Cặp transitor Qị và Q2 tạo thành mạch khuếch đại vi sai ở ngõ vào. Tín hiệu ra từ cực c của Ql và
Q2 được đưa đến cực B của Q3 và Q4. Cặp transistor này tạo thành mạch khuếch đại vi sai thứ hai. Tín hiệu ra lấy trên cực c Q4, đưa vào cực B Q5. Q5 và ọ6 tạo thành mạch ghép Darlington để dịch mức DC, tăng hệ số khuếch đại dịng và với kiểu mắc c
chung để cĩ trở kháng ra thấp. Tín hiệu ra lẩy trên R4, điện trở phân cực E của Q6.
Q7 là nguồn dịng cho cặp vi sai Qi và Q2. R 7, R$, Di và R-5 tạo thành mạch phân cực và ổn định nhiệt cho Q7. Tương tự, mạch phân cực và ổn định nhiệt cho Qg gồm
R|0, Rọ, D 2 và Rịj.
Điện áp ra V0 cùng dấu (hoặc cùng pha) với điện áp vào trên cực B Qi, khác dấu (hoặc ngược pha) với điện áp vào trên cực B Q2. Vì vậy hai ngõ vào này theo thứ tự gọi là ngõ vào khơng đảo (hoặc ngõ vào thuận, ký hiệu: dấu +) và ngõ vào đảo (ký hiệu: dấu -).
2. Tỉnh chất của mạch khuếch đại thuật tốn
Hình 2.3a minh hoạ ký hiệu của một bộ KĐTT thơng dụng. Ta thấy cĩ hai ngõ vào (ngõ vào đảo cĩ điện áp V ,', ngõ vào khơng đảo cĩ điện áp v,+ ) một ngõ ra (cĩ điện áp V0), và nguồn cấp điện ± v cc. Trạng thái ngõ ra khơng cĩ mạch hồi tiếp về ngõ vào như ở hình 2.4a gọi là trạng thái vịng hở. Hệ số khuếch đại điện áp của KĐTT trong trạng thái đĩ, ký hiệu Av0, được gọi là hệ số khuếch đại vịng hở (Opened - loop gain).
Hình 2.3. Kí hiệu và đặc tính truyền đạt điện áp vịng hở của một bộ KĐTT
Ta cĩ đáp ứng tín hiệu ra V0 theo các cách đưa tín hiệu vào như sau: • Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo: V0 = - Av0 V "
* Dưa tín hiệu vào ngõ vào khơng đảo: V0 = Av0 V+ (2.1)
• Đưa tín hiệu vào đồng thời cả hai ngõ (gọi là tín hiệu vào vi sai) V0 = Avo( v ; - v ~ ) = Av0AV,. ở trạng thái tĩnh, V(+ = v~ = 0, suy ra V0 = 0.
Hình 2.3b minh hoạ đặc tuyến truyền đạt điện áp vịng hở của KĐTT. Theo dặc tuven này, cĩ 3 vùng làm việc:
* Vùng khuếch đại: V0 = AvoAVj,
AV, = V/ - V ' nằm trong khoảng ± v s • Vùng bão hồ dương: V0 = + v cc, AVj > v s * Vùng bão hồ âm: V0 = - v cc, AV, < - v s
± vs là các mức ngưỡng cùa điện áp vào, giới hạn phạm vi mà quan hệ V0 (AVj) cịn là tuyến tính. Các KĐTT thường cĩ vs khoảng từ vài chục pV đến vài trăm |iV.
Trong thực tể, người ta rất ít sử dụng KĐTT ở trạng thái vịng hở vì tuy Avo rất lớn nhưng tầm điện áp vào bị giới hạn quá bé (trong khoảng ± vs). Chỉ cần trơi nhiệt, hoặc nguồn khơng ổn định, hoặc nhiễu biên độ rất bé cũng đủ tạo được AVj vượt ra ngồi tầm ± vs làm ngõ ra bão hồ dương hoặc bão hồ âm. Mạch khuếch đại vịng hở thường chỉ sử dụng trong chế độ xung. Trong chế độ khuếch đại tuyến tính, người ta phải dùng hồi tiếp âm để tạo sự làm việc ổn định cho bộ khuếch đại, đồng thời vùng làm việc của tín hiệu vào tương ứng sẽ được mở rộng hơn (hình 2.4). Trạng thái KĐTT cĩ thêm mạch hồi tiếp âm như vậy được gọi là trạng thái vịng kín.
Hình 2.4. Đặc tính bộ KĐTT khi cĩ hồi tiếp âm (vịng kín)
Một bộ KĐTT lý tưcYng cĩ các thơng số cơ bản như sau: • Hệ số khuếch đại vịng hở: Avo —► 00 (thực tế Avo > 10.000) • Tổng trở vào R, —> 00 (loại BJT R, > 1 MÍ2, loại FET Rị > 104 Q )
• Tổng trở ra Ru ~ 0 (thường Ro < 1Q)
• Dịng phân cực ngõ vào: I,b = 0 (thực tế Iib từ vài chục nA đến hàng trăm nA) Để đơn giản trong việc lập các cơng thức tính tốn ở phần sau, ta xem bộ KĐTT là lý tường.
Các cơng thức tính chỉ là gần đúng nhưng kết quả khá chính xác, thường được áp dụng trong thực tế.
II. MẠCH SO SÁNH ĐIỆN ÁP
Ngõ vào áp kiểm tra o- Ngõ vào điện áp chuẩn O'
Hình 2.5. KĐTT được dùng làm mạch so sánh
Khơng cĩ hồi tiếp, KĐTT cĩ thể được xem như là một khuếch đại vi sai đom giản với độ lợi bằng độ lợi vịng hở.
Ví dụ 2.1: Áp chuẩn là 5V, cấp nguồn ±15V và Avo = 200000. Nếu tín hiệu vào là 5 .IV, điện áp vi sai là 0 .IV, dương tương ứng với ngõ vào đảo. KĐTT sẽ khuếch đại áp này lên 200000 lần, áp ra thật là -14V = vsat (với nguồn cấp ±15V ). Nĩi cách khác với bất kỳ diện áp nào lớn hơn điện áp chuẩn đều dẫn đến bão hịa âm vsat, và ngược lại cho bão hịa dương.
III. MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẢO
Tín hiệu ra đảo pha với tín hiệu vào (hình 2.6) Do R, —> 00, lị ~ 0 nên v + = V » 0
Từ đĩ, dịng qua R| : I = — = R, R2
Hê số khuếch đai: Av (2.2) V, R|
Hình 2.6. Tầng khuếch đại đảo pha
Tổng trở vào: Zj = — ~ R] (2.3)
Ví dụ 2.2: Mạch khuếch dại dảo pha cĩ các thơng sổ như hình 2.7.
r2 ÌOOKQ
Vị = o,
Hình 2.7
a. Điện áp ngõ ra khi KĐTT là lý tưởng
Vo = AvVí 100 A - _ ậ i Av R 10 = -10 V 0 = -10 X 0,2 = -2V b. Tổng trở vào Zj = Rj = 10KQ
IV. MẠCH KHUẾCH ĐẠI KHƠNG ĐẢO
Tín hiệu ra đồng pha với tín hiệu vào - Hệ số khuếch đại:
Do nội trở Rj —► GO, I, ~ 0 nên dịng qua R |, R2 là bằng nhau.
I = V v„ RI RI + R 2 Mặt khác, coi v,+ « V“ = V,. Từ đĩ rút ra : Av = — = *-+ - -- = 1 + (2.4) V. R, FT R,
với p
Hlnh 2.9
- Tổng trở vào: Để tính Zj vẽ lại mạch như hình 2.9
Vi = AV, + p Vo, R,I _ _ J _ R J + R 2 A V 0 = A voAVj AVị = IịR, R,: Tổng trở bộ KĐTT Thay vào biểu thức Vị
V, = IjRj + ^ I,R,
A . .
Zi = — = R 1 + (2.5) Vậy mạch này cĩ tổng trở rất lớn.
V. MẠCH CỘNG ĐẢO VÀ KHƠNG ĐẢO1. Mạch cộng đảo 1. Mạch cộng đảo
Dùng phương pháp xếp chồng, lẩn lượt tính v 0|, Vo2, V03 theo các kích thích ngõ vào độc lập 1], I2, 13 do Vị Ị, v i2, Vị3 tạo ra như khuếch đại đảo dấu.
R V02= - ^ - V,R R, V o 3 = Từ đĩ : _Rj R. Vi v ft = v ol + o2 + v n1= -' V 03 Ạ v + Ị - V R 11 R 12 R ,3 V^ll K12 (2.6) Nếu chọn R n = R|2 = RI3 = R i thì: V „ = - ^ - ( V „ + Vi2 + Vl3) (2.7) Kl
Các cơng thức (2.6) và (2.7) cĩ thể được mở rộng đển n ngõ vào tuỳ ý.
2. Mạch cộng khơng đảo
Hình 2.11. Mạch cộng khơng đảo dấu
Tương tự như mạch khuếch đại khơng đảo, Vị là xếp chồng hai tín hiệu VịI và v i2. Giả sử V,2 = 0, ta tim dược điện áp ra V0| tương ứng với Vj|:
v 0,=
( D D
1 + — *1Ị-..
V ^1 A ^ n + ^12
V,
v o2 = 1 +R V R, Rl A R ll + Rlỉ )
Vậy khi cĩ cả Vj|, vi2 và giả thiết Rị I = R]2 thì: v „ = v 0l + v n, =o2 ( R )1 _L. R2 ívi,+v,0củ V l 2 J (2.8a) Nếu cĩ Rn = R]2 = R| = R2 thì:
V0 = V01 + Vo2 = Vil + Vi2 (2.8b)
Cơng thức (2.8) cĩ thể được mở rộng đến n ngõ vào tuỳ ý.
VI. MẠCH TRỪ
Theo hình 2.8, Vjị áp vào ngõ vào đảo, Vị2 áp vào ngõ vào khơng đào. Áp dụng phương pháp xếp chồng cho từng kích thích ngõ vào, ngắn mạch ngõ vào cịn lại, ta được: v„, = - ^ - v R Vo2 = V + R2 jy Hình 2.12. Mạch trừ v R N 1 + v o = vo2 + v ol = r3 R V. V V R , + R 2 A 1 +R i R3 V _ 5 ± v ' 2 r3 " Nếu ta chọn Rị = R2 = R-3 = R4 t h ì : Vo = Vi2- V M (2.9) (2.10) 59
Ví dụ 2.3: M ạch đo nhiệt độ dùng K Đ TT như hình 2.13.
Rr - Ro AT
Rt là một cảm biến nhiệt thay đổi giá trị điện trở theo nhiệt độ: RT = Ry + ÀRT, với Rq điện trở nhiệt độ T0, ART biến thiên điện trở theo nhiệt độ, ART = aT (T: °c, a:
hằng sổ). Chửng minh rằng điện áp ngõ ra là một hàm tuyến tính theo T.
Giải: