Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito

Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito CHƯƠNG 1: MẠCH KHUẾCH ĐẠI TRANZITO GI I THI U CHUNG Ch ơng này cung cấp cho ng i học các kiến thức cơ b n về m ch khuếch đ i, bao gồm các vấn đề sau: - Định nghĩa m ch khuếch đ i, các chỉ tiêu và tham số chính của một bộ khuếch đ i: Hệ số khuếch đ i điện áp, hệ số khuếch đ i dòng điện, hệ số khuếch đ i công suất, tr kháng vào, tr kháng ra, méo tần số, méo phi tuyến, hiệu suất. - Nguyên tắc chung phân cực cho tranzito chế độ khuếch đ i. Với tranzito l ỡng cực thuận PNP cần cung cấp điện áp một chiều UBE < 0, UCE < 0. Với tranzito ng ợc NPN cần cung cấp điện áp một chiều UBE > 0, UCE > 0. M ch điện cung cấp nguồn một chiều phân cực cho tranzito có: bốn ph ơng pháp: ph ơng pháp định dòng cho cực gốc, ph ơng pháp định áp cho cực gốc, ph ơng pháp cung cấp và ổn định điểm làm việc dùng hồi tiếp âm điện áp một chiều, ph ơng pháp cung cấp và ổn định điểm làm việc dùng hồi tiếp âm dòng điện. - Vấn đề hồi tiếp, hồi tíêp trong các tầng khuếch đ i: hồi tiếp d ơng, hồi tiếp âm, hồi tiếp dòng điện, hồi tiếp điện áp, hồi tiếp mắc song song, hồi tiếp mắc nối tiếp. nh h ng của hồi tiếp đến các chỉ tiêu kĩ thuật của m ch. - Các sơ đồ khuếch đ i cơ b n dùng tranzito l ỡng cực: tầng khuếch đ i phát chung, tầng khuếch đ i góp chung và tầng khuếch đ i gốc chung. - Các sơ đồ khuếch đ i dùng tranzito tr ng xét hai lo i: tầng khuếch đ i cực nguồn chung, tầng khuếch đ i cực máng chung. - Tầng khuếch đ i đ o pha có: m ch khuếch đ i đ o pha chia t i, m ch khuếch đ i đ o pha ghép biến áp. - Ph ơng pháp ghép tầng trong bộ khuếch đ i: ph ơng pháp ghép tầng bằng tụ điện, ghép tầng bằng biến áp, ghép tầng trực tiếp. - Một số m ch khuếch đ i khác: m ch khuếch đ i Darlingtơn, m ch khuếch đ i Cascốt, m ch khuếch đ i gi i rộng, m ch khuếch đ i cộng h ng. - M ch khuếch đ i công suất: đặc điểm của m ch khuếch đ i công suất, các chế độ làm việc của tầng khuếch đ i A, B, AB, C. Yêu cầu của tầng khuếch đ i công suất cho công suất ra lớn, méo nhỏ và hiệu suất cao. M ch khuếch đ i công suất đơn làm việc chế độ A để gi m méo nh ng có hiệu suất thấp. M ch khuếch đ i công suất đẩy kéo dùng hai tranzito th ng cho làm việc chế độ AB (gần B) để có công suất ra lớn, méo nhỏ mà hiệu suất cao. M ch khuếch đ i công suất đẩy kéo dùng tranzito cùng lo i có m ch ghép biến áp, m ch không dùng biến áp. Các m ch khuếch đ i này cần có m ch khuếch đ i đẩy pha phía 3 Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito tr ớc. M ch khuếch đ i công suất đẩy kéo dùng tranzito khác lo i có u điểm không cần tầng khuếch đ i đ o pha. Kết thúc ch ơng 1 yêu cầu ng i học nắm đ ợc các m ch khuếch đ i đã nêu. Hiểu đ ợc tác dụng các linh kiện trong m ch. Chế độ cấp điện một chiều và nguyên lý làm việc của m ch. Tính toán đ ợc một số chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu theo điều kiện cho tr ớc. Khi phân tích tầng khuếch đ i tín hiệu nhỏ, ta dùng ph ơng pháp m ch điện t ơng đ ơng xoay chiều, tần số trung bình. Phần m ch khuếch đ i công suất, do tín hiệu vào lớn nên dùng ph ơng pháp đồ thị có độ chính xác cao. N I DUNG 1.1. Đ NH NGHƾA, CÁC CH TIÊU VÀ CÁC THAM S C B N C A M CH KHU CH Đ I 1.1.1. Đ nh nghƿa m ch khu ch đ i Một trong số những ứng dụng quan trọng nhất của tranzito là sử dụng nó trong các m ch để làm tăng c ng độ điện áp hay dòng điện của tín hiệu mà th ng gọi là m ch khuếch đ i.Thực chất khuếch đ i là một quá trình biến đổi năng l ợng có điều khiển, đó năng l ợng một chiều của nguồn cung cấp, không chứa thông tin, đ ợc biến đổi thành năng l ợng xoay chiều theo tín hiệu điều khiển đầu vào, chứa đựng thông tin, làm cho tín hiệu ra lớn lên nhiều lần và không méo. Phần tử điều khiển đó là tranzito. Sơ đồ tổng quát của m ch khuếch đ i nh hình 1-1, trong đó En là nguồn tín hiệu vào, Rn là điện tr trong của nguồn tín hiệu, Rt t i nơi nhận tín hiệu ra. Iv Uv Rn Uv t En ~ M ch khuyếch đ i Ir Ur Rt Ur t Nguồn cung cấp (EC) Hình 1-2 đ a ra cấu trúc nguyên lý để xây dựng một tầng khuếch đ i. Phần tử cơ b n là phần tử điều khiển tranzito có điện tr thay đổi theo sự điều khiển của điện áp hay dòng điện đặt tới cực điều khiển (cực gốc) của nó, qua đó điều khiển quy luật biến đổi dòng điện của m ch ra bao gồm tranzito và điện tr RC. T i lối ra giữa cực góp và cực phát, ng i ta nhận đ ợc một điện áp biến thiên cùng quy luật với tín hiệu vào nh ng độ lớn đ ợc tăng lên nhiều lần. Để đơn gi n, gi thiết điện áp đặt vào cực gốc có d ng hình sin. Từ sơ đồ hình 1-2 ta thấy rằng dòng điện và điện áp xoay chiều m ch ra (tỷ lệ với dòng điện và điện áp tín hiệu vào) cần ph i coi là tổng các thành phần xoay chiều dòng điện và điện áp trên nền của thành phần một chiều I0 và U0. Ph i đ m b o sao cho biên độ thành 4 Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito phần xoay chiều không v ợt quá thành phần một chiều, nghĩa là I0 ≥ ) và U0 ≥U . Nếu điều kiện đó không đ ợc tho mãn thì dòng điện, điện áp m ch ra trong từng kho ng th i gian nhất định sẽ bằng không và sẽ làm méo d ng tín hiệu. Nh vậy để đ m b o công tác cho tầng khuếch đ i (khi tín hiệu vào là xoay chiều) thì m ch ra của nó ph i t o nên thành phần dòng một chiều I0 và điện áp một chiều U0. Chính vì vậy, m ch vào của tầng, ngoài nguồn tín hiệu cần khuếch đ i, ng i ta cũng ph i đặt thêm điện áp một chiều UV0 (hay dòng điện một chiều IV0). Các thành phần dòng điện và điện áp một chiều đó xác định chế độ làm việc tĩnh của tầng khuếch đ i. Tham số của chế độ tĩnh theo m ch vào (IV0, UV0) và theo m ch ra (I0, U0) đặc tr ng cho tr ng thái ban đầu của sơ đồ khi ch a có tín hiệu vào. +E i Uv i RC Ur t C B PĐK R Ur ˆ t 0 ura I0 t Uv E Hình 1-2: ˆ U0 a. Nguyên lý xây d ng m t t ng khu ch đ i. t b. Biểu đ th i gian. b. 1.1.2. Các ch tiêu và tham s c b n c a m t t ng khu ch đ i Để đánh giá chất l ợng của một tầng khuếch đ i ng i ta đ a ra các chỉ tiêu và tham số cơ b n sau: 1.1.2.1. Hệ số khuếch đại. Đ i l ợng đầu ra (1-1) Đ i l ợng t ơng ứng đầu vào Nói chung vì tầng khuếch đ i có chứa các phần tử điện kháng nên K là một số phức. K = ⎢K ⎢exp(j.ϕk) Phần mô đun |K| thể hiện quan hệ về c ng độ (biên độ) giữa các đ i l ợng đầu ra và đầu vào, phần góc ϕk thể hiện độ dịch pha giữa chúng. Nhìn chung độ lớn của |K| và ϕk phụ thuộc vào tần số ω của tín hiệu vào. Nếu biểu diễn |K| = f1(ω) ta nhận đ ợc đ ng cong gọi là đặc tuyến biên độ - tần số của tầng khuếch đ i. Đ ng biểu diễn ϕk=f2(ω) gọi là đặc tuyến pha - tần số của nó. Th ng ng i ta tính |K| theo đơn vị logarit, gọi là đơn vị đề xi ben (dB) 5 Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito K(dB) = 20lgK (1-2) Khi ghép liên tiếp n tầng khuếch đ i với các hệ số khuếch đ i t ơng ứng là K1, K2,...Kn thì hệ số khuếch đ i chung của bộ khuếch đ i xác định theo: K = K1.K2...Kn. hay K(dB) = K1(dB) + K2(dB) +... + Kn(dB) (1-3) Đặc tuyến biên độ của tầng khuếch đ i là đ ng biểu diễn quan hệ Ura=f3(Uv) lấy một tần số cố định của gi i tần của tín hiệu vào. D ng điển hình của ⎢K ⎢=f1(ω) và Ura=f3(Uv) đối với một bộ khuếch đ i điện áp tần số thấp cho t i hình 1-3. 1.1.2.2. Trở kháng lối vào và lối ra Tr kháng vμo, trë kh¸ng ra của tầng khuếch đ i đ ợc định nghĩa (theo hình 1-1a) ZV = UV ; Zr = Ur (1-4) V r Nói chung chúng là các đ i l ợng phức: Z = R+jX. 1.1.2.3. Méo tần số Méo tần số là méo do độ khuếch đ i của m ch khuếch đ i bị gi m vùng hai đầu gi i tần. vùng tần số thấp có méo thấp Mt, vùng tần số cao có méo tần số cao MC. Chúng đ ợc xác định theo biểu thức: Mt = K0 ; MC = K0 (1-5) t C Trong đó: K0 là hệ số khuếch đ i vùng tần số trung bình. KC là hệ số khuếch đ i vùng tần số cao. Kt là hệ số khuếch đ i vùng tần số thấp. Méo tần số cũng có thể đ ợc tính theo đơn vị đề xi ben. |K| Ura (V) K0 K0 0 102 (a) f 0 104 2.104 (Hz) Uvào (b) (mV) Hình 1-3: a. Đặc tuy n biên đ - t n s b. Đặc tuy n biênđ (f= 1kHz)c a m t b khu ch đ i t n s th p Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito 1.1.2.4. Méo không đường thẳng (méo phi tuyến). Méo không đ ng thẳng do tính chất phi tuyến của các phần tử nh tranzito gây ra thể hiện trong tín hiệu đầu ra xuất hiện thành phần tần số mới (không có đầu vào). Khi uvào chỉ có thành phần tần số ω thì ura nói chung có các thành phần nω (với n = 0,1,2...) với các biên độ t ơng ứng là Ûn. Lúc đó hệ số méo không đ ng thẳng do tầng khuếch đ i gây ra đ ợc đánh giá là: γ = (U22 +U32 + ...+Un2 )1/ 2 % (1-6) 1 1.1.2.5. Hiệu suất của tầng khuếch đại Hiệu suất của một tầng khuếch đ i là đ i l ợng đ ợc tính bằng tỷ số giữa công suất tín hiệu xoay chiều đ a ra t i Pr với công suất một chiều của nguồn cung cấp P0. η = r 0 Trên đây đã nêu một số chỉ tiêu quan trọng của một tầng (hay một bộ khuếch đ i gồm nhiều tầng). Căn cứ vào các chỉ tiêu này ng i ta có thể phân lo i các bộ khuếch đ i với các tên gọi với đặc điểm khác nhau. Ví dụ theo hệ số khuếch đ i K có bộ khuếch đ i điện áp. Lúc này yêu cầu cơ b n là có KUmax, Zvào >> Znguồn và Zra << Zt i; bộ khuếch đ i dòng điện với Ki max, Zvào<< Znguồn, Zra >> Zt i hay bộ khuếch đ i công suất cần KPmax, Zvào ≈ Znguồn, Zra ≈Zt i. Cũng có thể phân lo i theo d ng đặc tuyến tần số ⎢K ⎢= f1(ω), từ đó có bộ khuếch đ i một chiều, bộ khuếch đ i tần số thấp, bộ khuếch đ i tần số cao, bộ khuếch đ i chọn lọc tần số...v.v. 1.2. PHÂN C C VÀ CH Đ LÀM VI C M T CHI U 1.2.1. Nguyên t c chung phân c c tranzito Muốn tranzito làm việc nh là một phần tử tích cực thì các tham số của nó ph i tho mãn điều kiện thích hợp. Những tham số này của tranzito nh phần cấu kiện điện tử đã nghiên cứu, chúng phụ thuộc rất nhiều vào điện áp phân cực các chuyển tiếp góp, phát. Nói một cách khác các giá trị tham số phụ thuộc vào điểm làm việc của tranzito. Một cách tổng quát, dù tranzito đ ợc mắc theo kiểu nào, muốn nó làm việc chế độ khuếch đ i cần có các điều kiện sau: chuyển tiếp gốc-phát luôn phân cực thuận, chuyển tiếp gốc - góp luôn phân cực ng ợc. Đối với tranzito n-p-n điều kiện phân cực để nó làm việc chế độ khuếch đ i là: UBE = UB - UE > 0 UCE = UC - UE > 0 (1-7) và UE < UB < UC Trong đó UE, UB, UC là điện thế các cực phát, gốc, góp của tranzito nh trên hình 1-3. Với tranzito p-n-p thì điều kiện phân cực có dấu ng ợc l i. 7 ... - tailieumienphi.vn