mC(t) mt(t) 1 1
n=3 n=2 n=1 n=1n=2 n=3 H×nh 4.36
a) ω b) ω
Khuếch đại chọn lọc có tải là một hệ cộng hưởng đơn giản hoặc phức tạp ( xem Đ1.6 chương1 ) . Trường hợp đơn giản nhất mạch tải là một khung cộng
hưởng đơn LC như ở hình 4.37.
Đặc tính biên độ tần số của mạch khuếch đại đ−ợc quyết
định bởi đặc tính của khung cộng h−ởng. Thông th−ờng dải thông ∆F0,7 của mạch nhỏ hơn nhiều so với tần số cộng h−ởng f0 của mạch cộng h−ởng: ∆F0,7
<< f0 ; tần số biên trên fC và biên d−ới ft của dải thông không cách nhau là mấy (fC ≈ft). Do vậy khuếch đại cộng hưởng liệt vào loại khuếch đại dải thông hẹp, gọi tắt là khuếch đại dải hẹp. Mạch khuếch đại không chỉ phải đảm bảo độ khuếch đại trong dải thông ∆F0,7 mà còn phải đảm bảo độ chọn lọc nhất định. Độ chọn lọc này phụ thuộc vào dạng của hệ thống cộng h−ởng: khung cộng h−ởng
đơn, khung cộng hưởng ghép, khung cộng hưởng thạch anh, mạch lọc tập trung và hệ số phẩm chất Q của chúng.Khuếch đại cộng hưởng thường dùng khuếch đại các tín hiệu dải sóng vô tuyến.
Mạch hình 4.37 có tải là khung cộng hưởng đơn với tranzistor khuếch đại FET mắc cực nguồn S chung. Mạch cộng hưởng được hiệu chỉnh để cộng hưởng ở tần số tín hiệu vào và có dải thông ( tính đến các phần tử ký sinh) không nhỏ hơn bề rộng phổ của tín hiệu vào. Các điện trở RG và RS đặt điểm công tác tĩnh và ổn định nó trong quá trình làm việc của mạch. Tụ CS khử hồi tiếp âm trên RS trong cả dải thông ∆F0,7. Mạch Rl Cl cũng là mạch lọc nguồn ngăn cách ảnh h−ởng lẫn nhau của các tầng trong máy. Các tụ Cn1, Cn2 - nối tầng. Các phần tử kể trên không
ảnh hưởng đến tần số của mạch nên ta bỏ qua, lúc đó sơ đồ tương đương của mạch ra theo tần số có dạng nh− hình 4.38a. Trong đó S - hỗ dẫn của tranzistor ở tần số cộng h−ởng f0, gra, Cr - điện dẫn và điện dung ra của FET; g - điện dẫn của khung cộng h−ởng tại tần số cộng h−ởng:
. 2
1 1
ρ ρ
r Q
g R
Ch
=
=
= , Rt tải đầu ra, Ct - điện dung tải, CKS - điện dung ký sinh do lắp ráp. Các phần tử t−ơng đ−ơng là:
gt® = g2 + gt
Ct® = C2 + C KS + C + Ct
Nh− vậy mạch rút gọn có dạng hình 4.38b.
RL +Ucc LK Ck CL
Cn1 Cn2
UV RG Rt Ur RS CS Ct
Hình4.37.KĐ chọn lọc đơn trên tranzisto trường
115 Từ hình 4.38b dễ dàng tìm
đ−ợc:
SZtd Ytd
S Umv Ytd
UmV S
UmV Umr K
−
=
−
=
−
=
=
/ . ) (
. . . .
ω
) (ω
•
K
. (4.91) Trong đó:
.
1 ) (1 )
( ξ
ω ω j
gtd td L
C j td g
Y = td+ − ≈ + (4.92) Rt® =
gtd
1 - Điện trở thuần của khung cộng hưởng tính đến tổn hao trong và ngoài khung cộng h−ởng:
Rt® = Qt®.ρ ;
C
; L Q r
; gKgl gr td Q
Q = ρ ρ=
+ + 1
=
r - điện trở tổn hao của khung cộng hưởng;ξ- độ lệch cộng hưởng tổng quát.
ω
−ω ω
=ω ν ν
=
ξ o
o
; td.
Q - độ lệch cộng hưởng tương đối;
ω0 - tần số cộng h−ởng.
Nh− vËy:
) j td( g ) S .(
K ω =− 1+ ξ (4.93) a) SUV gr C lr Cr CK g L gt Ct Ur
b) SUV gtd L Ctd
Ur H×nh 4.38b.
Sơ đồ tương đương a)và Sơ đồ tương đương rút gọn b)
Tại tần số cộng h−ởng ω = ω0, ν= 0, ξ =0 nên:
SRtd Ko
gtd ) S o(
K. ω = = = (4.94)
Khi lệch cộng h−ởng:
ξ2
+
= 1 ω Ko
) .(
K (4.95)
Đặc tính biên độ tần số ( 4.95) chính là đặc tính( 4.30 ) đã xét.
Dải thông của mạch khuếch đại quyết định bởi hệ số phẩm chất của mạch ra Qt®:
dtd f Qtd
F0,7 = f0 = 0
∆ ;
Qtd dtd 1
= - Tổn hao của mạch ra.
Có thể tìm thấy hệ số chữ nhật ≈10
∆
= ∆
7 0
1 0
, ,
F cn F
K , nghĩa là mạch có độ
chọn lọc không cao. Nếu tải Rt ( trở kháng của tầng sau) khá lớn, trở kháng ra của FET
r gr
R = 1 cũng lớn thì hệ số khuếch đại và dải thông
∆F0,7 sẽ đ−ợc xác định bằng chÝnh tham sè của mạch cộng h−ởng g và Q, lúc đó độ chọn lọc sẽ cao hơn.
Trong các mạch khuếch đại dùng tranzistor lưỡng cực, khung cộng hưởng của tầng tr−ớc ghép trực tiếp tầng sau nh− hình 4.39. Vì trở kháng của tầng sau Rt - của tranzistor l−ỡng cực nhỏ nhiều so với trở kháng vào của FET nên hệ số phẩm chất giảm đáng kể. Để giảm ảnh hưởng trở khháng vào nhỏ của tầng sau đến độ chọn lọc của khung cộng h−ởng ng−ời ta chỉ mắc tải vào một phần của khung cộng h−ởng (không mắc vào điểm a trên hình 4.39 mà mắc vào điểm b - Một phần của cuộn L - cách mắc biến áp tự ngẫu).Vì trở kháng của tranzisto nhỏ nên tranzisto cũng chỉ mắc vào một phần của khung cộng h−ởng.
R
R
E
C C
R C
R
R'
n1 n2
1 L 1
2 R'2
L
a b c
a
b
c
Um
Um2 Um1
T1 T2
+ -
Hình 4.39.a)Khuếch đại chọn lọc đơn mắc emitơ chung b)Các điện áp trên khung cộng h−ởng
117 Gọi m1, m2 là hệ số ghép tranzisto và mạch ra ta có: m1 =
Um
U• m1, m2 =
Um U• m2
. Sơ đồtương đương của mạch hình 4.39 có dạng như hình 4.40a
Từ sơ đồ tương đương hình 4.40 a có thể đưa về sơ đồ tương đương hình 4.40b với gr'=m12gr
Cr'= m12(cr+C lr1) g'r =m22(g1'+g2'+gV) Cv'=m22(cv+Clr2)
Sơ đồ hình 4.40b lại đưa về sơ đồ tương đương gọn hơn hình 4.40c với Gt® = g+gr'+gv' ; Ct® = C+Cr'+Cv'
Sơ đồ này cũng tương tự như hình 4.38b
td r mv
m
Y U . S m m
U. 1
2
= −
K= g ( jξ)
m Sm Y
m . m ..
S Umv
U
td .
td r
m .
+
= 1
−
=
2 1 2
1 ;
ξ 2 2 1
ξ 1 ω
2 1 2
1
+
= +
=
Rtd . m . m . S
gtd m m . S ) (
K (4.96)
Tại tần số cộng h−ởng bằng ξ=0 nên
Ko=S.m1.m2.Rtd=
gv m gr m g
m m S
2
2 2
1
2 1.
+ +
•
(4.97)
Như vậy hệ số khuếch đại tại tần số cộng hưởng phụ thuộc vào tham số của tranzistor ( hỗ dẫn S), điện dẫn t−ơng đ−ơng của khung cộng h−ởng gtđ và hệ số ghép m1, m2. Hệ số này sẽ đạt cực đại khi m12gr + g = m22gv, tức là ghép hoà hợp phụ tải. Th−ờng tổn hao trên khung cộng h−ởng nhỏ g ≈0, g m2gr
<< 1 nên hòa hợp khim2gr m2gv
2
1 = . Để nhận đ−ợc hệ số khuếch đại lớn nhất trong dải thông
∆F0,7 cho tr−ớc các hệ số m1 và m2 nh− sau:
r v
g m g m gr
td F C
m 2 1
7 , 0
1 . . ;
∆ =
= π
(4.98) Tuy nhiên trong thực tế hệ số khuếch đại không đ−ợc chọn lớn hơn giá trị tới hạn ổn định Kô của nó:
Kô
12 12
21
45 ω 0
≈ 5
0
= .C
S. Y ,
, Y
o
. (4.99) ωoC12 - Dung dẫn của thành phần Y12 ở tần số cộng h−ởng ω0; ở tranzistor l−ỡng cực C12 là CbC , FET - C12 là CGD.
Khi cho K0 > Kô thì đặc tính biên độ tần số sẽ bị méo dạng ( dải thông co hẹp lại, đỉnh cực đại dịch về phía trái theo trục tần số); K0 >> Kô mạch khuếch đại biến thành mạch tự dao động, ta nói rằng mạch khuếch đại bị tự kích.
Để tăng tính chọn lọc tải của mạch khuếch đại có cấu trúc phức tạp hơn, hoặc là khung cộng h−ởng ghép, hoặc là mạch lọc tập trung, mạch lọc thạch anh.Hình 4.41
Là mạch khuếch đại FET có tải là hai khung cộng hưởng ghép qua điện dung Cgh.Sử dụng khung cộng hưởng ghép ở chế độ ghép tới hạn (xem ♣1.6 ) sẽ g C g1’ g2’ gV
SUmV gr Cr+CLr1 L CV+CLr2
b) m1SUmV gr’ Cr’ L g C gV’ CV’ Umr
c) m1SUmV gt® L Ct® Umr/m2 Hình4.40 Sơ đồ tương của
mạch 4.39a
119 cho hệ số chữ nhật tốt hơn của khung cộng hưởng đơn. Biểu thức hệ số khuếch đại khi ghép tới hạn có dạng:
4 0 4 = 4+ξ ξ
+
= 4
ω K
g S )
( K
td .
(4.100) Nếu so sánh hệ
số khuếch đại tại tần số cộng h−ởng của mạch khuếch đại
dùng khung cộng h−ởng ghép với
khung cộng h−ởng dùng khung đơn thì
trị số khuếch đại khi dùng khung ghép nhỏ hơn hai lần nh−ng dải thông lại rộng hơn
2 lÇn.