Các biện pháp mở rộng dải tần của bộ khuếch đại

Chương 3: Mạch khuếch đại tần số cao

3.4 Khuếch đại cao tần dải rộng

3.4.2. Các biện pháp mở rộng dải tần của bộ khuếch đại

Để mở rộng dải tần công tác của bộ khuếch đại có thể dùng nhiều biện pháp như

dùng mạch hồi tiếp âm, dùng mạch Cascode, mắc mạch theo kiểu base chung hoặc dùng các bộ khuếch đại vi sai có điện trở tải nhỏ. Sau đây ta thực hiện một số các biện pháp mở rộng dải tần.

1. Các biện pháp nhằm giảm tần số giới hạn dưới

Trên hình 3.10 là sơ đồ một bộ khuếch đại dùng mạch bù nối tiếp nhằm giảm tần số giới hạn dưới của bộ khuếch đại.

Hình 3.10 Mạch khuếch đại dùng mạch bù nối tiếp

Trong mạch điện này, thành phần tần số thấp bị phân áp qua tụ ghép C1 và điện trở vào R1 sẽ được bù lại nhờ mắc thêm mạch bù RC nối tiếp với điện trở RD của mạch.

ở tần số cao điện trở ra của mạch là RD, ở tần số thấp nhất phải kể đến cả phần trở kháng do C (R<<1/jC) tạo nên. Để đảm bảo mạch bù làm việc có hiệu quả trong dải tần công tác, mạch phải thỏa mãn điều kiện:

vs i

D R R

C

R  j1  ,

 (3.7)

Trong đó Ri là điện trở trong của phần tử khuếch đại, Rvs là điện trở vào tầng sau.

Theo điều kiện (3.7), điện trở ra của mạch không phụ thuộc vào điện trở trong cũng như không phụ thuộc vào điện trở tầng sau. Điều kiện (3.8) là điều kiện đảm bảo bù hoàn toàn.

1 1R C CRD k

a   

 (3.8)

Cũng có thể dùng mạch bù song song trên hình 3.11 để mở rộng dải tần công tác của bộ khuếch đại về phía tần số thấp. Do mắc thêm phần mạch R’C song song với điện

trở ra RD, nên ở tần số cao trở kháng ra của mạch giảm. Với mạch này điều kiện bù hoàn toàn cũng được xác định như trên. Nguyên tắc bù của mạch trên đây là dùng một mạch lọc thông thấp (RC) để bù lại hiệu ứng của mạch lọc thông cao (R1C1)

Hình 3.11 Mạch khuếch đại có hiêu ứng Bootstrap

Để giảm tần số giới hạn dưới, người ta còn dùng mạch khuếch đại có hiệu ứng Bootstrap. Nhờ hiệu ứng Bootstrap trở kháng vào của mạch tăngdo đó tần số giới hạn

được xác định giảm.

2. Các biện pháp nhằm tăng tần số giới hạn trên

Ngoài biện pháp dùng hồi tiếp âm, các mạch base chung, mắc Casode, để nâng cao tần số giới hạn trên, người ta còn dùng một số mạch đặc biệt khác:

Có thể dùng điện cảm L để bù ảnh hưởng của CP ở phạm vi cao tần như hình 3.12

Hình 3.12 Tầng khuếch đại dùng điện cảm L

Khi đó L, CP và Rc tạo thành mạch cộng hưởng song song, tại tần số cộng hưởngtrở kháng của mạch Rtd qR, q thường lấy giá trị từ 1/3 đến 1/2, lúc đó cãLqR2C

Để tăng tần số giới hạn trên, người ta còn mắc mạch như sau:

Hình 3.13 Mạch đệm kiểu lặp Emito

Tụ CP được chia thành 2 phần C1, C2 bởi một mạch đệm lắp theo kiểu mạch lặp emito. Vì điện dung vào của tầng tải nhỏ hơn  lần, hơn nữa C2 luôn luôn lớn hơn C1, nên do cách mắc này tần số giới hạn trên có thể tăng lên 2 đến 3 lần.

ở tầng siêu cao tần, để tăng tần số giới hạn trên, người ta dùng bộ khuếch đại phân số mà mạch ghép giữa các tầng là ghép RLC.

Hơn nữa, ngày naydùng vi mạch khuếch đại dải rộng. Lúc đó phải thay thế mạch cộng hưởng bởi một tải điện trở có trở kháng thấp và phải chọn nguồn tín hiệu có điện trở trong nhỏ.

Để rõ hơn về biện pháp mở rộng dải tần cho bộ khuếch đại sau đây ta đi phân tích nguyên lý của một mạch thực hiện mở rộng dải tần bằng biện pháp giảm tần số giới hạn dưới và tăng tần số giới hạn trên.

* Mạch điện:

+Ec

Uv IN

Ur

C1 Q1

C3

Cce

C2

Q2

Lsc

Cst

CT2

Cks

CT1

Rst

Rb1 Rc2

Rt

Rb2

Rc1

Hình 3.14 Mạch khuếch đại mở rộng dải tần

* Tác dụng linh kiện:

Q1, Q2: 2 tầng khuếch đại

Rb1, Rb2: điện trở phân cực cho Q1, Q2 C3: tô ghÐp tÇng

C1, C2: tụ ghép tín hiệu đầu vào/ra

Cst, Rst: mạch bù nối tiếp nhằm giảm tần số giới hạn dưới của bộ khuếch đại.

Lsc, Rc1, Cce, Cks, CT2: tạo thành mạch cộng hưởng song song nhằm tăng tần số giới hạn trên.

CT1, CT2: điện dung lối vào của Q1, Q2

Cce: điện dung ký sinh ở tiếp giáp CE của TZT

Cks : điện dung ký sinh do đi dây trong mạch gây nên.

* Nguyên lý làm việc

2

0/ KU

0

KU

f 0 

KU

tb f



t c

Hình 3.15 Đặc tuyến biên độ tần sồ khi chưa mở rộng dải tần

Từ đặc tuyến biên độ tần số của mạch khuếch đại như trên với dải tần là f, ta thực hiện mở rộng dải tần (f’>f) bằng cách giảm tần số giới hạn dưới và tăng tần số giới hạn trên. Thật vậy:

Trước hết ta có hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại khi chưa thực hiện giảm tần số giới hạn dưới hay tăng tần số giới hạn trên là:

1 1 1 1

BE

u rRc

K 

(3.9) +/ Xét mạch hoạt động ở tần số thấp: Tác dụng giảm tần số giới hạn dưới của mạch bù nối tiếp Cst, Rst

 t<<tb: trở kháng của cuộn Lsc rất nhỏ (ZLsc0)

Rv2

Rst Cst Rc1 Q1

Hình 3.16 Trở kháng tải của tầng khuếch đại Q1 Chọn giá trị Rst, Cst sao cho ở dải tần số này thỏa mãn điều kiện

st Cst

R 1 , lóc

đó dung kháng của tụ Cst nhỏ làm ngắn mạch Rst xuống thấp  trở tải của tầng khuếch

đại Q1 vẫn là Rc1. Bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại vẫn giữ nguyên, mạch không thực hiện giảm tần số giới hạn dưới.

 tgiá trị dung kháng của tụ Cst trở nên đáng kể và bằng vô cùng khi tần số giảm xuống 0  trở tải của tầng khuếch đại Q1 gồm 1 ( // 1 )

st st

cnt R j C

R  .

Khi đó trở tải của tầng khuếch đại tăng thêm 1 lượng so với khi không thực hiện giảm tần số giới hạn dưới là: ( // 1 )

st j Cst

R  . Do vậy KU1 tăng  mạch được mở rộng dải tần về phía tần số giới hạn dưới. Giả sử tần số giới hạn dưới giảm đến tần số ’t . Điều này được thể hiện rõ trên đặc tuyến biên độ tần số như hình vẽ 3.17.

 0trở tải của tầng khuếch đại Q1 cực đại bằng (Rc1 nt Rst). Do vậy hệ số khuếch đại của tầng khuếch đại Q1 sẽ tăng cao về phía tần số thấp hơn ’t. Đặc tuyến biên độ tần số không bằng phẳng.

+/ Xét mạch hoạt động ở tần số cao:

 tb< <c

Giá trị của cuộn cảm Lsc được chọn sao cho ở vùng tần số trung bình trở xuống, cảm kháng của nó nhỏ không đáng kể coi như bằng 0 (ZLsc0)  trở tải của tầng khuếch đại Q1 vẫn là Rc1.Bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại vẫn giữ nguyên, mạch không thực hiện tăng tần số giới hạn trên.

 >c ; ZLsc0

Do dung kháng tại dải tần số này của các tụ rất nhỏ nên có thể bỏ qua ảnh hưởng Rst, Cst, C3 trong sơ đồ tương đương khuếch đại xoay chiều. Nhưng ở tần số cao xuất hiện các điện dung ký sinh (Cce, CT2, Cks mắc song song với nhau), cùng với Lsc, Rc1 tạo

thành một khung cộng hưởng, khi đó tổng trở ZC1 giữ vai trò trở tải cho tầng khuếch

đại Q1

Gọi C CceCksCT2 (3.10)

1 ) (

) 1 (

1 1 1









 

L C j R

C L j

j Z R

sc c

sc C

C

 

 

(3.11)

Như vậy trở kháng của tầng khuếch đại Q1 tăng lên dẫn đến KU1 tăng, do đó mạch

được mở rộng dải tần về phía tần số giới hạn trên. Giả sử tần số giới hạn trên tăng đến tần số ’c . Điều này được thể hiện rõ trên đặc tuyến biên độ tần số như hình vẽ 3.17.

2

0/ KU

0

KU

f 0 

KU

) (f



c c'

t t'



f'



tb ch

Hình 3.17 Đặc tuyến biên độ tần sồ khi đã thực hiện mở rộng dải tần Khung có trở kháng cực đại tại tần số cộng hưởng của khung



 LscC

ch 1

 . Khi đó hệ số khuếch đại của tầng khuếch đại Q1 cũng đạt cực đại tại tần số đó. Do vậy hệ số khuếch đại của tầng khuếch đại Q1 sẽ đạt cực đại tại ch về phía tần số cao hơn ’c. Đặc tuyến biên độ tần số không bằng phẳng.

Như vậy đáp ứng tần số khi chưa thực hiện mở rộng dải tần là đường (a), khi thực hiện mở rộng dải tần là các đường (b), (c). Khi chọn các thông số của mạch đúng đắn như trường hợp có đường đặc tuyến (b), dải tần của bộ khuếch đại được mở rộng từ (tc) đến (’t’c) và không xuất hiện các vùng có dạng hệ số khuếch đại quá cao (dạng bướu) như ở đặc tuyến (c)

Kết luận: ở phía dải tần số thấp không thể giảm t xuống quá một giới hạn nào

đó được vì đáp ứng sẽ xuất hiệ dạng bướu, vả lại do tụ C3 nên về nguyên tắc không thể giảm  xuống tới 0Hz. Thường chọn hằng số thời gian của mạch thực hiện mở rộng

dải tần về phía giới hạn tần số thấp căn cứ vào t (

t t st st

T R C T



    2 ). Sau đó chọn 6 1

,1 c

st R

R  thì đường đáp ứng sẽ không suất hiện bướu. Trong vùng tần số cao cũng do có thể xuất hiện bướu nên việc chọn giá trị thích hợp cho hệ số phẩm chất



 CL Q R sc

c1

1 là quan trọng. Chẳng hạn nếu Q0,4 thì hầu như không có bướu còn với các Qtừ 0,5 trở lên đường bướu xuất hiện rõ.

Ngoài ra để thực hiện mở rộng dải tần với mức điện đồng đều trên toàn băng sóng, người ta dùng mạch khuếch đại cao tần dùng khung cộng hưởng kép.

3. Mạch khuếch đại cộng hưởng dải rộng.

a. Sơ đồ.

Để mở rộng dải tần, trong thực tế người ta dùng khung cộng hưởng kép và mắc thêm điện trở shunt song song với khung cộng hưởng như thể hiện hình 3.18

Hình 3.18. Mạch khuếch đại cộng hưởng dải rộng c. Nguyên lý.

Theo tính chất khung cộng hưởng, hệ số phẩm chất của khung là 2

2 3

td C

Q R L L

 ;

Điện trở tương đương của khung sơ cấp khi cộng hưởng là: Rtd  Q. ;  là trở kháng

đặc tính của khung

Khi mắc điện trở shunt, điện trở tương đương của khung (Rtd' )

' 1 1

1 1

. .

td s s

td

td s td s

R R Q R

R  R R  R R

 

(3.12)

Suy ra hệ số phẩm chất của khung là:

'

1

1

td td

td s

R Q

Q R

R

 

 

(3.13)

Theo biểu thức (3.13) khi điện trở shunt càng lớn, không ảnh hưởng đến hệ số phẩm chất của khung. Khi điện trở shunt nhỏ hệ số phẩm chất của khung giảm, tính lựa chọn

đối với tần số thấp nhưng giải thông được mở rộng

Mặt khác với khung cộng hưởng kép có dải thông được mở rộng:

Điều chỉnh tụ C, tín hiệu có tần số thay đổi từ min đến max sao cho toàn bộ mức điện

đồng đều trên toàn bộ băng sóng.

1

2 3 2

1 (L L C).

  

(3.14a)

2

3 2

1 .

  L C (3.14b)

0

4 3

1 .

  L C ; 0 min min

  2

  (3.14c)

Do có sự cộng hưởng kép trên khung cộng hưởng tải do đó dải tần được mở rông như

thể hiện giản đồ dưới .

max2 U Umax

U

Hình 3.19. Dải tần của mạch được mở rộng

Câu hỏi và bài tập chương 3

Câu 1: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện, phân tích nguyên lý làm việc của mạch khuếch đại tải điện trở. Nêu đặc điểm của mạch

Câu 2: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện, phân tích nguyên lý làm việc của mạch khuếch đại tải cuộn cảm. Nêu đặc điểm của mạch

Câu 3: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện, phân tích nguyên lý làm việc của mạch khuếch đại cộng hưởng tần số cao dùng BJT, nêu khả năng ứng dụng của sơ đồ.

Câu 4: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện, phân tích nguyên lý làm việc của mạch khuếch đại cộng hưởng tần số cao dùng FET, nêu khả năng ứng dụng của sơ đồ.

Câu 5: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện. Vẽ đặc tuyến biên độ tần số của mạch, phân tích nguyên lý mở rộng dải tần của mạch. Cho biết đặc điểm của mạch.