II. MẠCH KHUẾCH ĐẠI BJT
5. Phân tích mạch tín hiệu nhỏ tần số thấp CE, CB, cc
5.2.2. Điện trở ra của tầng khuếch đại CB
í Rob 1 \ Rc 1OB / 5.2.3. Độ lọi dịng LiB 1, (1.70) (1.71) Mà điện áp trên tải ngõ ra xác định bởi:
Vl = IlRl = hfßlER, (1-72)
cho nên: IL = h(tìIE— (1.73)
X
Tưcmg tự, điện áp giữa 2 điểm E, B trong ngõ vào xác định bàng:
Veb = IsR-iB = ỈEhịB (1-74)
Do đĩ: 1S = IE— (1.75) Thay (1.73), (1.75) vào (1.71) sẽ cĩ: A¡B = hfB^ - X (1.76) h ,B r l Nếu áp dụng (1.68) thì: A, B = h m— (1. 77) r l Trng hp R| ô Rỗ (v trng hỗyp riờng: ti ngn mch, RL = 0) thì R^ = RL nên: Ajß = AiBmax = hfB (1-78)
nghĩa là hFB là giá trị lớn nhất cĩ thể của độ lợi dịng tầng CB.
5.2.4. Độ lọi áp của tầng khuếch đại base chung
Avb= t t- (1.79)
T hay ( 1.72) và ( 1.74) vào sẽ cĩ:
AĩB = hB Ị L (1.80)
h|B
Hệ số này dương, thể hiện điện áp ra của mạch CB đồng pha với điện áp vào.
5.2.5. Độ lợi áp tồn phầnA = ỵ_L _ U A = ỵ_L _ U A tp - ự - - n , R R s + ^ |B (1.81)
So sánh vế phải của (1.80) với giá trị AvE xác định theo (1.59) hoặc (1.62) đồng thời chú ý đến (1.47) ta dễ dàng nhận thấy trị sổ độ lợi áp tầng khuếch đại CB và CE là xấp xỉ bàng nhau.
Hình 1.27. Mạch tưong đưong vật lý của tầng khuếch đại CB
về quan hệ phụ thuộc tần số của các độ lợi áp và dịng ở tầng khuếch đại CB, ta vẫn cĩ nhận xét tương tự như ở mạch CE (phạm vi tần số thấp: các tụ C], c2, CB khơng thể coi là ngắn mạch, RB2 gây hồi tiếp âm; phạm vi tần số cao: điện dung liên cực cùa BJT và hệ số hfB giảm theo tần số gây ảnh hưởng). Vì vậy dáp tuyến tần số của mạch CB vẫn bị giảm ở vùng tần số thấp và vùng tần sổ cao, chỉ cĩ điều tần số giới hạn của mạch CB cao hơn của mạch CE.
5.3. Tầng khuếch đại dùng BJT mắc cc
Trên hình 1.28 giới thiệu tầng khuếch đại dùng BJT mắc cc, làm việc với một nguồn cấp điện. Điện trở phân cực cho mạch vào là Rbi, RB2 (thường ít dùng RB2 để khơng làm giảm nhiều điện trở vào của tầng). Tải RL mấc giữa cực E và đất. Điện trở
Re là tải đối với dịng một chiều (đồng thời thực hiện hồi tiếp âm dịng một chiều đổ ổn định điểm tĩnh). Cực c coi như nổi đất về phương diện tín hiệu xoay chiều.
Hình 1.28. Tầng khuếch đại collector chung
Việc xác định điểm làm việc tĩnh tiến hành tương tự như tầng CE, theo phương pháp giải tích hoặc đồ thị. Đe tính tốn các tham số xoay chiều, thay BJT bằng sơ đồ tương đương, kết quả cĩ mạch như hình 1.29. Từ đây ta xác định được các tham số xoay chiều:
lỉình 1.29. Mạch tưoìig dưưng của tầng khuếch đại cc
5.3.1. Điện trở vào của tầng
Ric = (R B //riC) (1.82)
trong đĩ r,c là điện trở vào của BJT mắc c.c (diện trở nhìn từ hai điểm B-M trên hình 1.22). Cũng theo hình này:
V[3C = VBE + VEC
~ Iò ã h¡E + IE R-
= 1B hiE + (hfE + 1)IBR_ (1.83)
với R _ = Re // Rl
Do đĩ: riC = - ^ - h j E +(hfl£ + 1)R_ (1.84) 1 B
Thay hjE theo (1.40), đồng thời lưu ý rằng hệ số ß ở đây đồng nhất với hfE thì cịn cĩ dạng khác:
hc = rB + (hfE + 1) (rE + R~) « hf£ (1.85)
Hộ thức (1.84) và (1.85) chứng tơ điện trở vào của BJT mắc cc cĩ giá trị rất krn (thường hàng chục đến hàng trăm kQ). Vì vậy, theo (1.82):
Rie = (Rß h hc) ~ Rò ( 1 ã 86)
R,c lớn, phải chọn RB lớn và như trên đã nĩi, thường chỉ dùng một điện trở Rbi đảm nhận vai trị phân cực.
Như vậy, so với tầng CE hoặc CB, tầng khuếch đại cc cĩ điện trở vào lớn hon rất nhiều. Đây là một ưu điểm của tầng này và thường dược sử dụng làm tầng đầu tiên của các thiết bị cần cĩ nội trở lớn.
5.3.2. Điện trở ra của tầng cc (điện trở nhìn từ hai đầu tải RL về phía trước,
khi vs = 0)
Theo hình 1.29:
Roc = (Re/ /*Ec) (1.87)
với rFc là điện trở nhìn từ hai điểm E-C về phía trước. Theo hình vẽ: r _ = + RS1B _ hjE + Rs ^ ị
1e 1 e h f E + 1
trong dĩ Rs = (Rs / / RB) (1.89)
Giá trị rEc rất nhỏ, vì vậy R<x: thường chỉ cỡ mấy chục n . Điện trở ra rất nhỏ cũng là một đặc điểm dáng lưu ý của tầng khuếch đại cc.
5.3.3. Độ lợi dịng điện
Aic= ^ (1.90)
ở ngõ ra, điện áp xác định bởi:
Vl - II Rl — If. R ~ “ (hfH + 1) Ib R - 0 . 9 1 )
,. R p .R. với R_ = —■ ■■■ _ Re + Rl
(1.92)
(bỏ qua vai trị hoe)
Do đĩ: II - (hfE + 1) Ib JL-— (hnz + 1) Ib
r l
(1.93) Tương tự, điện áp vào xác định theo Is hoặc theo IB
V, = IsRic = IbOc (1.94)
(1.95) Thay (1.93), (1.95) vào (1.90) sẽ cĩ:
Aic = (hfE+ l ) J k Ị L riC R L
Neu cĩ điều kiện Ru » Pc thì RjC ~ ĩịc và: A,c ~ (hfE + 1)
R,
(1.96)
(1.97)
Như vậy mạch khuếch đại cc cĩ đội lợi dịng khá lớn. Dạng của (1.96) và (1.97) gần giống dạng của (1.54) và (1.55) của mạch CE.
5.3.4. Độ lọi áp
Điều này cĩ nghTa là ở tầng cc, điện áp ra đồng pha và xấp xỉ trị số với điện áp vào. Bởi lý do này, tầng khuếch đại cc cịn gọi là tầng lặp lại điện áp hoặc tầng bám
theo emitter (emitter follower).
Tĩm lại, tầng khuếch đại c c cĩ điện trở vào rất lớn, điện trờ ra rất nhỏ, độ lợi dịng lớn, cịn độ lợi áp xấp xỉ bàng 1. Nĩ thường được dùng làm tầng vào (cĩ Rị lớn), làm tâng đệm (để phối hợp với tầng phía trước cĩ điện trơ ra lớn, và tầng phía sau cĩ
Thay (1.91), (1.94), đồng thời chú ý đến quan hệ (1.84) sẽ cĩ: A _ (h|ĩ + 1)R~ (hfc + 1)R_ R_
^VC — — ,
riC 1^ lE + (h fE + 1)R- R + IẸẹ
(1.99)
điện trở vào nhỏ) hoặc dùng làm tầng khuếch đại cơng suất ghép tải trực tiếp (khơng qua biến áp).
Đặc tính tần số của tầng cc cũng xấp xỉ như tầng CE. Các nguyên nhân gây giảm điện áp ra ở vùng tần số thấp và vùng tần số cao vẫn tưomg tự.
III. MẠCH KHUẾCH ĐẠI FET
1. Chế độ làm việc DC và phân cực FET
1.1. Chế độ làm việc DC: xem mục 4.1 trong phần II.
1.2. Phân cực FET
1.2.1. Phân cực cho JFET kiểu tự cấp
Các JFET thường được tự phân cực nhờ điện trở Rs mắc giữa cực nguồn và đất (hình 1.30, vẽ cho trường hợp JFET kênh N). Dịng máng ID sẽ hạ trên điện trở đĩ một điện áp VSM = IdRs. Chính điện áp này phân cực nghịch cho chuyển tiếp p - N giữa cực cửa và kênh dẫn, bởi vì dịng qua R<.j xấp xỉ bàng khơng cho nên điểm G gần như dẳng thế với điểm M.
Vgs = - IdRs (1.100)
Ớ ngõ ra, điện áp VDS tạo bởi nguồn ED giảm áp qua RD và Rs:
Các điện áp VGS, Vds này sẽ quyết định dịng điện trên các cực, nĩi cách khác: xác định nên điểm làm việc tĩnh.
Ta cĩ thể xác định điểm làm việc tĩnh Q bằng đồ thị. Thật vậy, giả sử đã cĩ đặc tuyến truyền đạt ID = f(VGS) của JFET như ở hình 1.31 (đường sổ 1). Đặc tuyến này thường được mơ phỏng bằng biểu thức:
Id - Idss v r
Vp /
Mặt khác, từ (4.3.37) rút ra:
( 1.102)
(1.103)
Đơ thị biểu diễn quan hệ này là dường thẳng OL trên hình 1.31. Giao điểm Q của hai đồ thị nĩi trên xác định cặp giá trị cần tìm: VGSQ và IDQ.
Ở ngõ ra, giả sử đã cĩ họ đặc tuyến máng của JFET như hình 1.32. Mặt khác, từ (1.10 ĩ ) suy ra hàm giải tích của đường tải:
En I n - -
Rd + Rsv , , + Rd + Rs (1.104)
thể hiện bằng đường MN, trên hình vẽ. Giao điểm của đường này với đặc tuyến tĩnh ứng với VGS = Vgsq sẽ xác định trị số dịng và áp tĩnh trong mạch ra.
Người ta cũng cĩ thể xác định điểm tĩnh Q theo phương pháp giải tích, khi đã biết các tham số Vp, IDSS, RD, Rs,...
Thật vậy, thay (1.100) vào biểu thức giải tích (1.102) của đặc tuyến, sau vài biến đổi đơn giản, sẽ đi đến:
r R v v V p, I 1 DSS 1 DI - R I ^ 2, — +1 K 1 D I DSS — 0 (1.105)
Đây là phương trình bậc hai đổi với ID. Nghiệm của nĩ chính là I[)Ọ. Từ đĩ, áp dụng (1.100), (1.101) sẽ xác định được VGSQ và V DSQ.
Ví dụ 1.5: 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 = -4V, IDSS = 8mA, RD = l,5kQ, Rs =
1 kQ, Ed = 15V, (R o= 1MQ).
Giải: Dùng phương pháp giải tích, áp dụng phương trình 1.105, sau khi thay các giá trị bằng số ta cĩ:
0,5.103.1 D - 5 I0 +8.10'3 = 0 (đơn vị mA)
Phương trình bậc 2 này cĩ 2 nghiệm là 8 mA và 2 mA, trong đĩ chỉ cĩ nghiệm IDỌ = 2mA là thích hợp.
Từ đĩ:
Vgsq = -RsIdq = -103.2.10-3 = -2V Vdsq = Ed- Idq(Rs + Rd) = 1 5 - 2 ( 1 ,5 + 1)= 10V
1.2.2. Phân cực cho JFET (hoặc MOSFET) kiểu phân áp
ỉ lai điện trở R<iị, R<J2 tạo nên bộ phân áp. Do IG ~ 0 cho nên:
VGM = Ep - R°* = const (1.106)
Ro. + Rg2
Hình 1.33. Phân cực cho JFET kỉểu phân áp
Hình 1.34. Xác định điểm tĩnh tầng đị thị
Vì vậy điện áp phân cực ở ngõ vào xác định bởi:
Vgs = VGM - IdRs (1.108)
và ở ngõ ra:
Vds = Ed — Ip(R[) + R-s) (1.109)
Muốn xác định điểm làm việc tĩnh bằng đồ thị, từ ( 1.108) ta rút ra:
1 V .
ID = - — VCS+-1^L
Rs GS Rs
Quan hệ này (dạng y = ax + b) thể hiện đường thẳng AB trên hình 1.34 (cắt trục
V
hồnh tại hồnh độ VGM, căt trục tung tại tung đ ộ —— ). Giao diêm cùa đường nàv với R c
đặc tuyển truyền đạt ID = f(VGS) sẽ là điểm tĩnh Q.
2. Phân tích mạch tín hiệu nhỏ, tần số thấp cs, CD2.1. Tầng khuếch đại dùng JFET mắc nguồn chung cs 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.