1. Trang Chủ
  2. Kĩ thuật Viễn thông
  3. Mạch khuếch đại Tranzito

Mạch khuếch đại Tranzito

Chương này cung cấp cho người học các kiến thức cơ bản về mạch khuếch đại, bao gồm các vấn đề sau: - Định nghĩa mạch khuếch đại, các chỉ tiêu và tham số chính của một bộ khuếch đại: Hệ số khuếch đại điện áp, hệ số khuếch đại dòng điện, hệ số khuếch đại công suất, trở kháng vào, trở kháng ra, méo tần số, méo phi tuyến, hiệu suất. - Nguyên tắc chung phân cực cho tranzito ở chế độ khuếch đại. Với tranzito lưỡng cực thuận PNP cần cung cấp điện áp một chiều UBE ... Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito

Thể loại Tài liệu miễn phí Kĩ thuật Viễn thông

Số trang 49

Ngày tạo 8/29/2018 5:47:38 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước

Tên tệp

Tải Mạch khuếch đại Tranzito (.pdf)

Xem mẫu

  1. Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito CHƯƠNG 1: MẠCH KHUẾCH ĐẠI TRANZITO GIỚI THIỆU CHUNG Chương này cung cấp cho người học các kiến thức cơ bản về mạch khuếch đại, bao gồm các vấn đề sau: - Định nghĩa mạch khuếch đại, các chỉ tiêu và tham số chính của một bộ khuếch đại: Hệ số khuếch đại điện áp, hệ số khuếch đại dòng điện, hệ số khuếch đại công suất, trở kháng vào, trở kháng ra, méo tần số, méo phi tuyến, hiệu suất. - Nguyên tắc chung phân cực cho tranzito ở chế độ khuếch đại. Với tranzito lưỡng cực thuận PNP cần cung cấp điện áp một chiều UBE < 0, UCE < 0. Với tranzito ngược NPN cần cung cấp điện áp một chiều UBE > 0, UCE > 0. Mạch điện cung cấp nguồn một chiều phân cực cho tranzito có: bốn phương pháp: phương pháp định dòng cho cực gốc, phương pháp định áp cho cực gốc, phương pháp cung cấp và ổn định điểm làm việc dùng hồi tiếp âm điện áp một chiều, phương 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 đại: hồi tiếp dương, hồi tiếp âm, hồi tiếp dòng điện, hồi tiếp điện áp, hồi tiếp mắc song song, hồi tiếp mắc nối tiếp. ảnh hưởng của hồi tiếp đến các chỉ tiêu kĩ thuật của mạch. - Các sơ đồ khuếch đại cơ bản dùng tranzito lưỡng cực: tầng khuếch đại phát chung, tầng khuếch đại góp chung và tầng khuếch đại gốc chung. - Các sơ đồ khuếch đại dùng tranzito trường xét hai loại: tầng khuếch đại cực nguồn chung, tầng khuếch đại cực máng chung. - Tầng khuếch đại đảo pha có: mạch khuếch đại đảo pha chia tải, mạch khuếch đại đảo pha ghép biến áp. - Phương pháp ghép tầng trong bộ khuếch đại: phương pháp ghép tầng bằng tụ điện, ghép tầng bằng biến áp, ghép tầng trực tiếp. - Một số mạch khuếch đại khác: mạch khuếch đại Darlingtơn, mạch khuếch đại Cascốt, mạch khuếch đại giải rộng, mạch khuếch đại cộng hưởng. - Mạch khuếch đại công suất: đặc điểm của mạch khuếch đại công suất, các chế độ làm việc của tầng khuếch đại A, B, AB, C. Yêu cầu của tầng khuếch đại công suất cho công suất ra lớn, méo nhỏ và hiệu suất cao. Mạch khuếch đại công suất đơn làm việc ở chế độ A để giảm méo nhưng có hiệu suất thấp. Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo dùng hai tranzito thường cho làm việc ở chế độ AB (gần B) để có công suất ra lớn, méo nhỏ mà hiệu suất cao. Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo dùng tranzito cùng loại có mạch ghép biến áp, mạch không dùng biến áp. Các mạch khuếch đại này cần có mạch khuếch đại đẩy pha phía 3
  2. Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito trước. Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo dùng tranzito khác loại có ưu điểm không cần tầng khuếch đại đảo pha. Kết thúc chương 1 yêu cầu người học nắm được các mạch khuếch đại đã nêu. Hiểu được tác dụng các linh kiện trong mạch. Chế độ cấp điện một chiều và nguyên lý làm việc của mạch. Tính toán được một số chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu theo điều kiện cho trước. Khi phân tích tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ, ta dùng phương pháp mạch điện tương đương xoay chiều, ở tần số trung bình. Phần mạch khuếch đại công suất, do tín hiệu vào lớn nên dùng phương pháp đồ thị có độ chính xác cao. NỘI DUNG 1.1. ĐỊNH NGHĨA, CÁC CHỈ TIÊU VÀ CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA MẠCH KHUẾCH ĐẠI 1.1.1. Định nghĩa mạch khuếch đại Một trong số những ứng dụng quan trọng nhất của tranzito là sử dụng nó trong các mạch để làm tăng cường độ điện áp hay dòng điện của tín hiệu mà thường gọi là mạch khuếch đại.Thực chất khuếch đại là một quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở đó năng lượng một chiều của nguồn cung cấp, không chứa thông tin, được biến đổi thành năng lượng 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 mạch khuếch đại như ở hình 1-1, trong đó En là nguồn tín hiệu vào, Rn là điện trở trong của nguồn tín hiệu, Rt tải nơi nhận tín hiệu ra. Iv Ir Ur Uv Mạch Rn khuyếch đại Rt Uv Ur t En ~ t Nguồn cung cấp (EC) Hình 1-1: Sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại. Hình 1-2 đưa ra cấu trúc nguyên lý để xây dựng một tầng khuếch đại. Phần tử cơ bản là phần tử điều khiển tranzito có điện trở 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 mạch ra bao gồm tranzito và điện trở RC. Tại lối ra giữa cực góp và cực phát, người ta nhận được một điện áp biến thiên cùng quy luật với tín hiệu vào nhưng độ lớn được tăng lên nhiều lần. Để đơn giản, giả thiết điện áp đặt vào cực gốc có dạng hình sin. Từ sơ đồ hình 1-2 ta thấy rằng dòng điện và điện áp xoay chiều ở mạch ra (tỷ lệ với dòng điện và điện áp tín hiệu vào) cần phải coi là tổng các thành phần xoay chiều dòng điện và điện áp trên nền của thành phần một chiều I0 và U0. Phải đảm bảo sao cho biên độ thành 4
  3. Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito ) ) phần xoay chiều không vượt quá thành phần một chiều, nghĩa là I 0 ≥ I và U 0 ≥ U . Nếu điều kiện đó không được thoả mãn thì dòng điện, điện áp ở mạch ra trong từng khoảng thời gian nhất định sẽ bằng không và sẽ làm méo dạng tín hiệu. Như vậy để đảm bảo công tác cho tầng khuếch đại (khi tín hiệu vào là xoay chiều) thì ở mạch ra của nó phải tạo nên thành phần dòng một chiều I0 và điện áp một chiều U0. Chính vì vậy, ở mạch vào của tầng, ngoài nguồn tín hiệu cần khuếch đại, người ta cũng phải 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 đại. Tham số của chế độ tĩnh theo mạch vào (IV0, UV0) và theo mạch ra (I0, U0) đặc trưng cho trạng thái ban đầu của sơ đồ khi chưa có tín hiệu vào. +E i Uv Ur ˆ I i RC t I0 t C 0 B t PĐK ura R Ur Uv E ˆ U U0 0 Hình 1-2: a. Nguyên lý xây dựng một tầng khuếch đại. t a. b. Biểu đồ thời gian. b. 1.1.2. Các chỉ tiêu và tham số cơ bản của một tầng khuếch đại Để đánh giá chất lượng của một tầng khuếch đại người ta đưa ra các chỉ tiêu và tham số cơ bản sau: 1.1.2.1. Hệ số khuếch đại. Đại lượng đầu ra (1-1) K= Đại lượng tương ứng đầu vào Nói chung vì tầng khuếch đại 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 cường độ (biên độ) giữa các đại lượng 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 được đường cong gọi là đặc tuyến biên độ - tần số của tầng khuếch đại. Đường biểu diễn ϕk=f2(ω) gọi là đặc tuyến pha - tần số của nó. Thường người ta tính |K| theo đơn vị logarit, gọi là đơn vị đề xi ben (dB) 5
  4. Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito K (dB) = 20 lg K (1-2) Khi ghép liên tiếp n tầng khuếch đại với các hệ số khuếch đại tương ứng là K1, K2,...Kn thì hệ số khuếch đại chung của bộ khuếch đại 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 đại là đường biểu diễn quan hệ Ura=f3(Uv) lấy ở một tần số cố định của giải tần của tín hiệu vào. Dạng điển hình của ⎢K ⎢=f1(ω) và Ura=f3(Uv) đối với một bộ khuếch đại điện áp tần số thấp cho tại hình 1-3. 1.1.2.2. Trở kháng lối vào và lối ra Trở kháng vμo, trë kh¸ng ra của tầng khuếch đại được định nghĩa (theo hình 1-1a) UV Ur ZV = ; Zr = (1-4) IV Ir Nói chung chúng là các đại lượng phức: Z = R+jX. 1.1.2.3. Méo tần số Méo tần số là méo do độ khuếch đại của mạch khuếch đại bị giảm ở vùng hai đầu giải tần. ở vùng tần số thấp có méo thấp Mt, ở vùng tần số cao có méo tần số cao MC. Chúng được xác định theo biểu thức: K0 K0 Mt = ; MC = (1-5) Kt KC Trong đó: K0 là hệ số khuếch đại ở vùng tần số trung bình. KC là hệ số khuếch đại ở vùng tần số cao. Kt là hệ số khuếch đại ở vùng tần số thấp. Méo tần số cũng có thể được tính theo đơn vị đề xi ben. |K| Ura (V) K0 K0 Uvào f 0 2 4 4 0 10 (a) 10 2.10 (Hz) (b) (mV) Hình 1-3: a. Đặc tuyến biên độ - tần số b. Đặc tuyến biên độ6 = 1kHz) của một bộ khuếch đại tần số thấp (f
  5. Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito 1.1.2.4. Méo không đường thẳng (méo phi tuyến). Méo không đường thẳng do tính chất phi tuyến của các phần tử như tranzito gây ra thể hiện trong tín hiệu đầu ra xuất hiện thành phần tần số mới (không có ở 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 tương ứng là Ûn. Lúc đó hệ số méo không đường thẳng do tầng khuếch đại gây ra được đánh giá là: ) 2 ) 2 ) 2 ( U 2 + U 3 + ... + U n )1 / 2 γ= ) % (1-6) U1 1.1.2.5. Hiệu suất của tầng khuếch đại Hiệu suất của một tầng khuếch đại là đại lượng được tính bằng tỷ số giữa công suất tín hiệu xoay chiều đưa ra tải Pr với công suất một chiều của nguồn cung cấp P0. Pr η= P0 Trên đây đã nêu một số chỉ tiêu quan trọng của một tầng (hay một bộ khuếch đại gồm nhiều tầng). Căn cứ vào các chỉ tiêu này người ta có thể phân loại các bộ khuếch đại với các tên gọi với đặc điểm khác nhau. Ví dụ theo hệ số khuếch đại K có bộ khuếch đại điện áp. Lúc này yêu cầu cơ bản là có KUmax, Zvào >> Znguồn và Zra Ztải hay bộ khuếch đại công suất cần KPmax, Zvào ≈ Znguồn, Zra ≈ Ztải. Cũng có thể phân loại theo dạng đặc tuyến tần số ⎢K ⎢= f1(ω), từ đó có bộ khuếch đại một chiều, bộ khuếch đại tần số thấp, bộ khuếch đại tần số cao, bộ khuếch đại chọn lọc tần số...v.v. 1.2. PHÂN CỰC VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC MỘT CHIỀU 1.2.1. Nguyên tắc chung phân cực tranzito Muốn tranzito làm việc như là một phần tử tích cực thì các tham số của nó phải thoả mãn điều kiện thích hợp. Những tham số này của tranzito như ở 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 được mắc theo kiểu nào, muốn nó làm việc ở chế độ khuếch đại cần có các điều kiện sau: chuyển tiếp gốc-phát luôn phân cực thuận, chuyển tiếp gốc - góp luôn phân cực ngược. Đối với tranzito n-p-n điều kiện phân cực để nó làm việc ở chế độ khuếch đại 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 như trên hình 1-3. Với tranzito p-n-p thì điều kiện phân cực có dấu ngược lại. 7
  6. Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Hình 1-4 biểu diễn điện áp và dòng điện phân cực của tranzito ở chế độ khuếch đại IC IB IC U IB UCE >0 U UCE 0 E UBE
  7. Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Hình 1-5b cung cấp điện cho cực gốc theo phương pháp định áp nhờ bộ phân áp R1, R2 mắc song song với nguồn cung cấp cực góp EC. Điện áp tại điểm làm việc của cực gốc được xác định theo biểu thức: UBE0 = IP.R2 = EC -(IP+IB0).R1 (1-9) Trong đó IP là dòng phân áp chạy qua điện trở R1, R2. Thường chọn IP>>IB0, do đó biểu thức trên gần đúng: U BE ≈ E C − I p .R1 (1-10) Ta thấy UBE0 không phụ thuộc vào các tham số của tranzito và nhiệt độ nên ổn định. Rõ ràng dòng IP càng lớn UBE0 càng ổn định, nhưng khi đó R1, R2 phải có giá trị nhỏ. Thường chọn IP =(0,3÷3).IBmax (1-11) Trong đó IBmax là dòng xoay chiều trong mạch cực gốc với mức tín hiệu vào lớn nhất. Lúc này thiên áp UBE0 hầu như không phụ thuộc trị số dòng cực gốc IB0, do đó có thể dùng cho mạch khuếch đại tín hiệu lớn (chế độ B). Tuy nhiên khi trị số R1, R2 nhỏ thì công suất tiêu thụ nguồn cũng tăng. Để nâng cao độ ổn định điểm làm việc người ta hay dùng các mạch cung cấp điện áp phân cực sau. Hình 1-6 là sơ đồ cung cấp và ổn định điểm làm việc bằng hồi tiếp âm điện áp một chiều. +EC RB RC Hình 1-6: Mạch cung cấp và ổn định điểm làm việc bằng hồi tiếp âm điện áp Cp2 IB một chiều. Cp1 UCE0 UBE0 +EC R1 RC Cp1 Hình 1-7: Sơ đồ cung cấp và ổn Cp2 định điểm làm việc nhờ hồi tiếp âm dòng điện một chiều. UBE UR2 R2 UE RE CE Sơ đồ hình 1-6 chỉ khác sơ đồ hình 1-5a ở chỗ điện trở RB được nối lên cực góp. ở đây RB vừa làm nhiệm vụ đưa điện áp vào cực gốc bằng phương pháp ổn định dòng cực gốc, vừa dẫn điện áp hồi tiếp về mạch vào. Nguyên lý ổn định như sau: 9
  8. Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Nếu có một nguyên nhân mất ổn định nào đó làm cho dòng một chiều IC0 trên cực góp tăng lên thì điện thế UCE0 giảm làm UBE giảm, kéo theo dòng IB0 giảm làm cho IC0 giảm (vì IC0= β. I B 0 ), nghĩa là dòng IC0 ban đầu được giữ nguyên. Hình 1-7 là sơ đồ cung cấp và ổn định điểm làm việc nhờ hồi tiếp âm dòng điện một chiều. Trong sơ đồ này RE làm nhiệm vụ hồi tiếp âm dòng điện một chiều. Nguyên tắc ổn định như sau: khi IC0 tăng do nhiệt độ tăng hay do độ tạp tán tham số của tranzito thì điện áp hạ trên RE (UE0=IE0.RE) tăng. Vì điện áp UR2 lấy trên điện trở R2 hầu như không đổi nên điện áp UBE0 = UR2 - UE0 giảm, làm cho IB0 giảm, do đó IC0 không tăng lên được, tức là IC0 được giữ ổn định. Nếu nhiệt độ giảm làm IC0 giảm thì nhờ mạch hồi tiếp âm dòng điện một chiều, UBE0 lại tăng, làm cho IB0 tăng, IC0 tăng giữ cho IC0 ổn định. 1.3. HỒI TIẾP TRONG CÁC TẦNG KHUẾCH ĐẠI Hồi tiếp là việc thực hiện truyền tín hiệu từ đầu ra về đầu vào bộ khuếch đại. Thực hiện hồi tiếp trong bộ khuếch đại sẽ cải thiện hầu hết các chỉ tiêu chất lượng của nó và làm cho bộ khuếch đại có một số tính chất đặc biệt. Dưới đây ta sẽ phân tích những quy luật chung khi thực hiện hồi tiếp trong bộ khuếch đại. Điều này cũng đặc biệt cần thiết khi thiết kế bộ khuếch đại bằng IC tuyến tính. Hình 1-8 là sơ đồ cấu trúc bộ khuếch đại có hồi tiếp Đầu vào Đầu ra K β Mạch hồi tiếp có hệ số truyền đạt β,đồ khốiquan hệ giữađại có số (điện áp, dòng điện) Hình 1-8: Sơ chỉ rõ bộ khuếch tham hồi tiếp của tín hiệu ra mạch đó với tham số (điện áp, dòng điện) của mạch ra bộ khuếch đại. Hệ số khuếch đại K và hệ số truyền đạt của mạch hồi tiếp β nói chung là những số phức. K = K.exp(jϕK) β = β.exp(jϕβ) Nghĩa là phải chú ý đến khả năng dịch pha ở miền tần số thấp và tần số cao do tồn tại các phần tử điện kháng trong mạch khuếch đại cũng như mạch hồi tiếp. Nếu bộ khuếch đại làm việc ở tần số trung bình, còn trong mạch hồi tiếp - không có thành phần điện kháng thì hệ số K và β là những số thực. Nếu điện áp hồi tiếp tỷ lệ với điện áp ra của bộ khuếch đại ta có hồi tiếp điện áp, nếu tỷ lệ với dòng điện ra ta có hồi tiếp dòng điện. Có thể hồi tiếp hỗn hợp cả dòng điện và điện áp. Iv Ir Rn Iv Ir Rn It It • ~ uv ur Rt • ~ uv ur Rt En uy K uy K En uht uht β 10 β It a. Hình 1-9: Một số mạch hồi tiếp thông dụng: β Iht Rn Ir
  9. Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito b. Xét ở đầu vào, khi điện áp đưa về hồi tiếp nối tiếp với nguồn tín hiệu vào thì ta có hồi tiếp nối tiếp. Khi điện áp hồi tiếp đặt tới đầu vào bộ khuếch đại song song với điện áp nguồn tín hiệu thì có hồi tiếp song song. Hai đặc điểm trên xác định một loại mạch hồi tiếp cụ thể: hồi tiếp điện áp nối tiếp hoặc song song, hồi tiếp dòng điện nối tiếp hoặc song song, hồi tiếp hỗn hợp nối tiếp hoặc song song. Hình 1-9 minh hoạ một số thí dụ về những mạch hồi tiếp phổ biến nhất trong khuếch đại. Nếu khi hồi tiếp nối tiếp ảnh hưởng đến trị số điện áp vào bản thân bộ khuếch đại uy, thì khi hồi tiếp song song sẽ ảnh hưởng đến trị số dòng điện vào bộ khuếch đại. Tác dụng của hồi tiếp có thể làm tăng, khi ϕK + ϕβ = 2nπ, hoặc giảm khi ϕκ + ϕβ = (2n +1).π (n là số nguyên dương) tín hiệu tổng hợp ở đầu vào bộ khuếch đại được gọi là hồi tiếp dương và tương ứng gọi là hồi tiếp âm. Hồi tiếp âm cho phép cải thiện một số chỉ tiêu của bộ khuếch đại, vì thế nó được dùng rất rộng rãi. Để đánh giá ảnh hưởng của hồi tiếp đến các chỉ tiêu của bộ khuếch đại ta sẽ xét thí dụ hồi tiếp điện áp nối tiếp ở hình 1-9a. Hệ số khuếch đại khi có hồi tiếp: Ur K ht = UV U Y = U V + U ht (1-12) Chia cả hai vế của (1-12) cho Ura, ta có: U Y U V U ht = + Ur Ur Ur 1 1 hay = +β (1-13) K K ht u ht ở đây β = là hệ số truyền đạt của mạch hồi tiếp. ur Từ (1-13) ta tìm được: 11
  10. Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito K K ht = (1-14) 1 − β .K Để đơn giản việc phân tích ta đưa vào trị số thực K và: K K ht = (1-15) 1 − K .β Theo (1-15) khi 1 > K.β > 0 thì hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại có hồi tiếp Kht lớn hơn hệ số khuếch đại của bản thân bộ khuếch đại K. Đó chính là hồi tiếp dương, Uht đưa tới đầu vào bộ khuếch đại cùng pha với điện áp vào Uv, tức là Uy = Uv +Uht. Điện áp ra bộ khuếch đại khi có hồi tiếp dương là: Ur = K.(Uv + Uht) > K.Uv và do đó Kht >K Trường hợp K.β ≥ 1 (khi hồi tiếp dương) đặc trưng cho điều kiện tự kích của bộ khuếch đại. Lúc này đầu ra của bộ khuếch đại xuất hiện một phổ tần số không phụ thuộc vào tín hiệu đầu vào. Với trị số phức K và β bất đẳng thức K .β ≥ 1 tương ứng với điều kiện tự kích ở một tần số cố định và tín hiệu ở đầu ra gần với dạng hình sin. Bộ khuếch đại trong trường hợp này làm việc như một mạch tạo dao động hình sin. Khi K.β
  11. Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito thuộc của hệ số khuếch đại vào sự thay đổi các tham số trong bộ khuếch đại. Khi đó trong mẫu số của (1-16) có thể bỏ qua 1 và hệ số khuếch đại của nó do hệ số truyền đạt của mạch hồi tiếp quyết định. 1 K ht ≈ (1-19) β Nghĩa là thực tế không phụ thuộc vào K và mọi sự thay đổi của nó. Ví dụ K = 104 và β = 10-2 thì 1 K ht = = 100 β Ý nghĩa vật lý của việc tăng độ ổn định của hệ số khuếch đại có hồi tiếp âm là ở chỗ khi thay đổi hệ số khuếch đại K thì điện áp hồi tiếp sẽ bị thay đổi dẫn đến thay đổi điện áp Uy (hình 1.9a) theo hướng bù lại sự thay đổi điện áp ra của bộ khuếch đại. Giả sử khi giảm K do sự thay đổi tham số bộ khuếch đại sẽ làm cho Uht giảm và Ur giảm, điện áp Uy = Uv - Uht tăng dẫn đến Ur tăng, chính là ngăn cản sự giảm của hệ số khuếch đại K (hình 1-9a). Tăng độ ổn định của hệ số khuếch đại bằng hồi tiếp âm được dùng rộng rãi để cải thiện đặc tuyến biên độ, tần số (hình 1-10) của bộ khuếch đại nhiều tầng ghép điện dung. Vì ở miền tần số thấp và cao hệ số khuếch đại bị giảm. Tác dụng hồi tiếp âm ở miền tần số kể trên sẽ yếu vì hệ số khuếch đại K nhỏ và sẽ dẫn đến tăng độ khuếch đại ở giải biên tần và mở rộng giải thông f của bộ khuếch đại. K Ku Ku 2 Hình 1-10: ảnh hưởng của hồi K uht Kuht tiếp âm đến đặc tuyến biên độ - 2 tần số Δf f 0 Δfht Hồi tiếp âm cũng làm giảm méo không đường thẳng của tín hiệu ra và giảm nhiễu (tạp âm) trong bộ khuếch đại. Dưới đây ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến điện trở vào bộ khuếch đại. UV RV = IV Hình 1-9a thực hiện hồi tiếp âm nối tiếp. U V = U Y + U ht . Mặt khác ta có U ht = K .β .U Y . Vì vậy: 13
  12. Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito (1 + K .β ).U Y RVht = = RV .(1 + K .β ) (1-20) IV Như vậy thực hiện hồi tiếp âm nối tiếp làm tăng điện trở vào của bộ khuếch đại lên (1+K.β) lần. Điều này rất cần thiết khi bộ khuếch đại nhận tín hiệu từ bộ cảm biến có điện trở trong lớn hoặc bộ khuếch đại dùng tranzito lưỡng cực. Tương tự, điện trở ra của bộ khuếch đại là: Rr Rrht = (1-21) (1 + K .β ) Nghĩa là giảm đi (1+K.β) lần. Điều này đảm bảo điện áp ra của bộ khuếch đại ít phụ thuộc vào sự thay đổi điện trở tải Rt. Từ những phân tích trên, có thể rút ra những quy luật chung ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến chỉ tiêu bộ khuếch đại là: Mọi loại hồi tiếp âm đều làm giảm tín hiệu trên đầu vào bộ khuếch đại (Uy hay Iy) và do đó làm giảm hệ số khuếch đại Kht, làm tăng độ ổn định của hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại. Ngoài ra hồi tiếp âm nối tiếp hình 1-9a,b làm tăng điện trở vào. Hồi tiếp điện áp nối tiếp (hình 1-9a) làm ổn định điện áp ra, giảm điện trở ra Rrht. Còn hồi tiếp dòng điện nối tiếp (hình 1-9b) làm ổn định dòng điện ra It, tăng điện trở ra Rrht. Hồi tiếp âm song song (hình 1-9c) làm tăng dòng điện vào, làm giảm điện trở vào Rvht, cũng như điện trở ra Rrht. Cần nói thêm là hồi tiếp dương thường không dùng trong bộ khuếch đại nhưng nó có thể xuất hiện ngoài ý muốn do ghép về điện ở bên trong hay bên ngoài gọi là hồi tiếp ký sinh, có thể xuất hiện qua nguồn cung cấp chung, qua điện cảm hoặc điện dung ký sinh giữa mạch ra và mạch vào của bộ khuếch đại. Hồi tiếp ký sinh làm thay đổi đặc tuyến biên độ - tần số của bộ khuếch đại do làm tăng hệ số khuếch đại ở các đoạn riêng biệt của giải tần hoặc thậm chí có thể làm cho bộ khuếch đại bị tự kích nghĩa là xuất hiện dao động ở một tần số xác định. Để loại bỏ hiện tượng trên có thể dùng các bộ lọc thoát, dùng dây dẫn bọc kim, bố trí mạch in và các linh kiện hợp lý. Dưới đây là các thí dụ về những mạch hồi tiếp âm thường gặp (hình 1-11) +E R1 RC R1 RC1 RC2 +E R3 C CP1 CP1 CP2 CP2 CP3 Rn Rn 14 R Ur T1 Ur Uv Uv En R2 RE R2 RE1 R4 RE2 ~ En ~ a) b)
  13. Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Hình 1-11: Sơ đồ các mạch hồi tiếp âm. a) Hồi tiếp dòng điện trên RE; b) Hồi tiếp điện áp nhờ khâu RC Ở hình 1-11a trên điện trở RE có hồi tiếp âm dòng điện mắc nối tiếp. Trong mạch hình 1-11b ta thấy, nếu xét từng tầng riêng biệt thì trên RE1 , RE 2 đều thực hiện hồi tiếp âm dòng điện mắc nối tiếp. Ngoài ra còn có hồi tiếp âm điện áp nối tiếp lấy từ cực góp của tranzito T2 về cực phát của tranzito T1 qua C và R. Như vậy trên RE1 có cả hai loại hồi tiếp âm điện áp và dòng điện. 1.4. CÁC SƠ ĐỒ CƠ BẢN DÙNG TRANZITO LƯỠNG CỰC (BJT). Dưới đây sẽ trình bày phương pháp phân tích tầng khuếch đại dùng tranzito lưỡng cực theo ba cách mắc mạch: phát chung (EC), góp chung (CC), và gốc chung (BC). Giả thiết tín hiệu vào là hình sin ở miền tần số trung bình vì vậy trở kháng của tụ coi như bằng không, còn ảnh hưởng điện dung ký sinh của sơ đồ và tranzito, cũng như sự phụ thuộc về hệ số khuếch đại dòng α, β của tranzito vào tần số coi như không đáng kể. 1.4.1. Tầng khuếch đại phát chung (EC) Mạch điện nguyên lý một tầng khuếch đại EC cho trên hình 1-12. Trong sơ đồ này CP1, CP2 là các tụ nối tầng. Tụ Cp1 loại trừ tác dụng ảnh hưởng lẫn nhau của nguồn tín hiệu và mạch vào về dòng một chiều. Tụ CP2 ngăn thành phần một chiều và chỉ cho thành phần xoay chiều ra tải. R1, R2 để xác định chế độ tĩnh của tầng, cấp điện một chiÒu cho cực B. RC: tải một chiều của tầng. RE: điện trở ổn định nhiệt, CE tụ thoát thành phần xoay chiều xuống mát. En: nguồn tín hiệu vào, Rn: điện trở trong của nguồn tín hiệu. Rt: điện trở tải. +EC R1 RC CP2 I B0 IC IV CP1 T U Hình 1-12: Tầng khuếch UBE Rn IP CE0 It Rt Ur đại E chung IE0 R2 UE0 CE RE En ~ UV 15
  14. Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Nguyên lý làm việc của tầng EC như sau: khi đưa điện áp xoay chiều tới đầu vào xuất hiện dòng xoay chiều cực gốc của tranzito và do đó xuất hiện dòng xoay chiều cực góp ở mạch ra của tầng. Dòng này gây hạ áp xoay chiều trên điện trở RC. Điện áp đó qua tụ CP2 đưa đến đầu ra của tầng tức là tới Rt. Có thể thực hiện bằng hai phương pháp cơ bản là phương pháp đồ thị đối với chế độ một chiều và phương pháp giải tích dùng sơ đồ tương đương đối với chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ. Phương pháp đồ thị dựa vào đặc tuyến vào và ra của tranzito có ưu điểm là dễ dàng ) tìm được mối quan hệ giữa các giá trị biên độ của thành phần xoay chiều (điện áp ra U r và ) dòng điện ra I r ) và là số liệu ban đầu để tính toán. Trên đặc tuyến hình (1-13a), vẽ đường tải một chiều (A-B). Sự phụ thuộc UCE0 = f(IC0) có thể tìm được từ phương trình cân bằng điện áp ở mạch ra của tầng: IC0 UCE0 = EC - IC0.RC - IE0RE = EC - IC0RC - .RE (1-22) α Vì hệ số α gần đúng 1, nên có thể viết UCE0 = EC - IC0 (RC+RE) (1-23) Biểu thức (1-23) là phương trình đường tải một chiều của tầng. Dựa vào đặc tuyến vào IB = f(UBE) ta chọn dòng cực gốc tĩnh cần thiết IB0, chính là xác định được toạ độ điểm P là giao điểm của đường IB = IB0 với đường tải một chiều trên đặc tuyến ra ở hình 1-13a. Để xác định thành phần xoay chiều của điện áp ra và dòng ra cực góp của tranzito phải dùng đường tải xoay chiều của tầng. Chú ý rằng điện trở xoay chiều trong mạch cực phát của tranzito bằng không (vì có tụ CE mắc song song với điện trở RE) còn tải Rt được mắc vào mạch cực góp, vì điện trở xoay chiều của tụ Cp2 rất nhỏ bỏ qua. IC PCCP D IB uC B ˆ IC P IB=IB0 ˆ P IB IB IB2 IC0 IB1 IB=0 C 0 uBE IC0(E) A uC 16 a) ˆ uC b) uB ˆ uv UC0 uB0 Hình 1-13: Xác định chế độ tĩnh của tầng EC
  15. Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Nếu coi điện trở xoay chiều của nguồn cung cấp EC bằng không, thì điện trở xoay chiều của tầng gồm hai điện trở RC và Rt mắc song song, nghĩa là Rt~ =Rt//RC. Từ đó thấy rõ điện trở tải một chiều của tầng Rt==RC + RE lớn hơn điện trở tải xoay chiều Rt~. Khi có tín hiệu vào, điện áp và dòng điện là tổng của thành phần một chiều và xoay chiều, đường tải xoay chiều đi qua điểm tĩnh P. Độ dốc của đường tải xoay chiều lớn hơn độ dốc đường tải một chiều. Xây dựng đường tải xoay chiều theo tỷ số số gia của điện áp và dòng điện ΔU CE = ΔI C .(RC // Rt). Khi cung cấp điện áp vào tới đầu vào của tầng thì trong mạch cực gốc xuất hiện thành phần dòng xoay chiều ib ∼ liên quan đến điện áp vào Uv theo đặc tuyến vào của tranzito.Vì dòng cực góp tỷ lệ với dòng cực gốc qua hệ số β, trong mạch cực góp cũng có thành phần dòng xoay chiều iC ∼ và điện áp xoay chiều Ura liên hệ với iC ∼ bằng đường tải xoay chiều. Khi đó đường tải xoay chiều đặc trưng cho sự thay đổi giá trị tức thời dòng cực góp iC và điện áp trên tranzito UC hay người ta nói đó là sự dịch chuyển điểm làm việc. Điểm làm việc dịch từ P đi lên ứng với 1/2 chu kỳ dương và dịch chuyển đi xuống ứng với 1/2 chu kỳ âm của tín hiệu vào. Nếu chọn trị số tín hiệu vào thích hợp và chế độ tĩnh đúng thì tín hiệu ra của tấng khuếch đại không bị méo dạng. Việc chọn điểm làm việc tĩnh và tính toán sẽ được thực hiện theo một tầng khuếch đại cụ thể. ) ) Những tham số ban đầu để tính toán là biên độ điện áp ra U r và dòng điện tải I t , công suất tải Pt và điện trở tải Rt. Giữa những tham số này có quan hệ chặt chẽ với nhau, nên về nguyên tắc chỉ cần biết hai trong những tham số đó là đủ để tính các tham số còn lại. Để tín hiệu ra không bị méo dạng, các tham số của chế độ tĩnh phải thoả mãn những điều kiện sau: (hình 1-13a). ) U C 0 > U r + ΔU C 0 (1-24) ) I C0 > I C + I C0 (E) (1-25) Ở đây ΔU C 0 là điện áp cực góp ứng với đoạn đầu của đặc tuyến ra (còn gọi là điện áp UCE bão hoà) I C 0 ( E ) là dòng cực góp ban đầu ứng với nhiệt độ cực đại, chính là độ cao của đường đặc tuyến ra tĩnh ứng với dòng IB=0. ) Quan hệ dòng I C với điện áp ra có dạng Λ Λ ) Ur Ur IC = = (1-26) R C // R t Rt ~ 17
  16. Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Để tăng hệ số khuếch đại của tầng, trị số RC phải chọn lớn hơn Rt từ 3÷5 lần. Dựa vào dòng IC0 đã chọn, tính dòng cực gốc tĩnh: I C0 − I C0 (E) IB0 = (1-27) β từ đó dựa vào đặc tuyến vào của trazito tìm được điện áp U BE 0 ứng với I B 0 đã tìm được. Dòng cực phát tĩnh có quan hệ với dòng I B 0 và IC0 theo biểu thức. I C0 − I C0 (E) I E 0 = (1 + β ).I B 0 + I C 0 ( E ) = .(1 + β ) + I C 0 ( E ) = I C 0 (1-28) β Khi chọn EC (nếu như không cho trước), cần phải theo điều kiện: EC=UC0+IC0.Rc+UE0. (1-29) ở đây UE0 = IE0.RE Khi xác định trị số UE0 phải xuất phát từ quan điểm tăng điện áp UE0 sẽ làm tăng độ ổn định nhiệt cho chế độ tĩnh của tầng (vì khi RE lớn sẽ làm tăng độ sâu hồi tiếp âm một chiều của tầng), tuy nhiên lúc đó cần phải tăng điện áp nguồn cung cấp EC. Vì vậy mà UE0 thường chọn bằng (0,1÷0,3) EC Chú ý đến biểu thức (1-29) ta có: U C 0 + I C 0 .RC EC = (1-30) 0,7 ÷ 0,9 Điện trở RE có thể tính từ U E0 RE = (1-31) I C0 Khi tính các phần tử của bộ phân áp đầu vào cần lưu ý với quan điểm ổn định nhiệt cho chế độ tĩnh của tầng, sao cho sự thay đổi của dòng cực gốc tĩnh IB0 (do độ không ổn định nhiệt của điện áp UBE0) phải ít ảnh hưởng đến sự thay đổi điện áp UB0.Muốn vậy thì dòng phân áp IP qua bộ phân áp R1 R2 phải lớn hơn dòng IB0 qua điện trở R1. Tuy nhiên với điều kiện IP >> IB0 thì R1, R2 sẽ phải nhỏ và chúng sẽ gây ra rẽ mạch tín hiệu vào, làm giảm điện trở vào của tầng khuếch đại. Vì thế khi tính các phần tử của bộ phân áp vào ta phải hạn chế theo điều kiện: R B = R1 // R2 = (2 ÷ 5)rV . (1-32) I P = (2 ÷ 5) I B 0 . (1-33) ở đây rV là điện trở vào của tranzito, đặc trưng cho điện trở xoay chiều mạch gốc - phát (rV= ΔU BE / ΔI B ) Điện trở R1,R2 có thể tính theo: 18
  17. Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito U B 0 U BE + U E 0 R2 = = (1-34) Ip Ip EC − U B 0 R1 = (1-35) I p + I B0 Khi chọn tranzito cần chú ý đến các tham số giới hạn như: dải tần số công tác (theo tần số fα hay fβ) cũng như các tham số về dòng điện, điện áp và công suất. Dòng điện cực góp cho phép cực đại IC.C.P phải lớn hơn trị số tức thời lớn nhất trong khi làm việc, nghĩa là I C max = I CO + ˆ C < I C.C.P . Về mặt điện áp người ta thường chọn tranzito theo UC0.C.P > EC. I Công suất tiêu hao trên cực góp PC =UC0.IC0 phải nhỏ hơn công suất cực đại cho phép của tranzito PC.C.P. Đường cong công suất giới hạn cho phép là đường hypecbon. Đối với mỗi điểm của nó ta có UC0.CP.IC.CP=PC.CP. Tóm lại việc tính chế độ của tầng khuếch đại là giải quyết nhiệm vụ chọn hợp lý các phần tử của sơ đồ để nhận được những tham số cần thiết của tín hiệu ra trên tải. Các hệ số khuếch đại dòng điện Ki, điện áp Ku và công suất Kp cũng như điện trở vào RV, điện trở ra Rr là những chỉ tiêu quan trọng của tầng khuếch đại. Những chỉ tiêu đó có thể xác định được khi tính toán tầng khuếch đại theo dòng xoay chiều. Phương pháp giải tích dựa trên cơ sở thay thế tranzito và tầng khuếch đại bằng sơ đồ tương đương dòng xoay chiều ở chế độ tín hiệu nhỏ. Sơ đồ thay thế tầng EC vẽ trên hình 1-14, ở đây tranzito được thay bằng sơ đồ thay thế tham số vật lý. Tính toán theo dòng xoay chiều có thể thực hiện được khi sử dụng sơ đồ thay thế tranzito với các tham số r , trong đó rB là điện trở khối vùng cực gốc, rE là điện trở vi phân của tiếp giáp phát, rC điện trở vi phân của tiếp giáp góp. Để đơn giản ta giả thiết tầng khuếch đại được tính ở miền tần số trung bình, tín hiệu vào là hình sin và điện trở của nguồn cung cấp đối với dòng xoay chiều bằng không. Các tụ Cp1, Cp2, CE có trở kháng rất bé, xem như bằng không. Dòng điện và điện áp trong sơ đồ tính theo trị số hiệu dụng. Điện trở vào của tầng: RV=R1//R2//rV (1-36) βIB IV B rB > rE nên: Hình 1-14: Sơ đồ thay thế tầng khuếch đại EC bằng tham số vật lý. U BE = I B .rB + I E .rE hay là U BE = I B [ rB + (1 + β ).rE ] (1-37) 19
  18. Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Chia cả hai vế của phương trình (1-37) cho IB ta có: rV= rB + (1+β).rE. Tính gần đúng bậc một của RV theo rV và giá trị có thể của rB, β, rE với điều kiện R1//R2 ≥ (2÷3)rV ta sẽ có RV của tầng EC không vượt quá (1÷3)KΩ Xác định hệ số khuếch đại dòng điện của tầng: Ki = It/IV từ hình 1-14 có: RV I B = IV (1-38) rV Khi xác định dòng It qua IB thì không tính đến rE vì nó rất nhỏ so với điện trở của các phần tử mạch ra: r C ( E ) // RC // Rt I t = β .I B . (1-39) Rt Để ý đến biểu thức (1-38) ta có: RV rC ( E ) // RC // Rt I t = I V .β . . (1-40) rV Rt và hệ số khuếch đại dòng xác định bởi: RV rC ( E ) // RC // Rt Ki = β . . (1-41) rV Rt Hệ số khuếch đại dòng Ki tỷ lệ với hệ số β của tranzito, các điện trở phân áp cấp điện một chiều ở cực gốc và điện trở RC, Rt. Biểu thức (1-41) cho ta thấy cần chọn R1//R2 >>rV và RC > Rt. Nếu coi RV ≈ rV và rC(E) >>RC//Rt thì hệ số khuếch đại dòng gần đúng. RC // Rt Ki = β . (1-42) Rt Như vậy tầng EC có hệ số khuếch đại dòng tương đối lớn, và nếu như RC>> Rt thì nó gần bằng hệ số khuếch đại β của tranzito. Xác định hệ số khuếch đại điện áp của tầng Ur Ku = En − I t .Rt Rt Ku = = − Ki . (1-43) I V .( Rn + RV ) Rn + RV Thay (1-42) vào (1-43) ta có: RC // Rt Ku = − β . (1-44) Rn + RV 20
  19. Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Từ (1-44) ta thấy nếu β càng lớn và điện trở mạch ra của tầng càng lớn so với điện trở mạch vào thì hệ số khuếch đại càng lớn. Đặc biệt, hệ số khuếch đại điện áp sẽ tăng khi điện trở trong của nguồn tín hiệu giảm. Tầng khuếch đại EC thực hiện đảo pha của điện áp ra đối với điện áp vào. Việc tăng điện áp vào sẽ làm tăng dòng cực gốc và dòng cực góp của tranzito, hạ áp trên Rc tăng làm giảm điện áp trên cực góp. Việc đảo pha trong tầng khuếch đại EC được biểu thị bằng dấu “-” trong biểu thức Ku Pr Hệ số khuếch đại công suất K P = = Ku .Ki trong sơ đồ EC khoảng (0,2 ÷ 5).103 PV lần. Điện trở ra của tầng. Rr = RC // rC ( E ) (1-45) Vì rC(E) >> RC nên Rr = RC 1.4.2. Tầng khuếch đại góp chung (CC) βIB + EC R1
  20. Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Chia UV cho IB ta có: rV = rB + (1 + β).(rE + R E // Rt ). (1-46) Từ biểu thức (1-46) ta thấy rV của tranzito trong sơ đồ CC lớn hơn trong sơ đồ EC. Vì rE thường rất nhỏ hơn RE//Rt, còn rB nhỏ hơn số hạng thứ hai của vế phải biểu thức (1-46), nên điện trở vào của tầng lặp cực phát E bằng: R V ≈ R 1 // R 2 //(1 + β).(R E // R t ). (1-47) Nếu chọn bộ phân áp đầu vào R1, R2 lớn thì điện trở vào sẽ lớn. Tuy nhiên khi đó không thể bỏ qua điện trở rC(E) mắc song song với mạch vào, nên điện trở vào phải tính: R V = R 1 // R 2 // [ (1 + β).(R E // R t ) ]//rC(E) (1-48) Điện trở vào lớn là một trong những ưu điểm quan trọng của tầng góp chung, dùng để làm tầng phối hợp với nguồn tín hiệu có điện trở trong lớn. Việc xác định hệ số khuếch đại dòng Ki cũng theo phương pháp giống như sơ đồ EC. Công thức (1-38) đúng với tầng CC. Vì dòng It đây chỉ là một phần của dòng IE nên biểu thức (1-39) có dạng: R E // R t I t = (1 + β).I B . (1-49) Rt Và xét đến (1-39) ta có: R V R E // R t I t = I V .(1 + β). . (1-50) rV Rt Hệ số khuếch đại dòng trong sơ đồ CC: R V R E // R t K i = (1 + β). . (1-51) rV Rt nghĩa là nó phụ thuộc vào quan hệ RV và rV, RE và Rt. Giả thiết RV=rV thì R E // R t K i = (1 + β). (1-52) Rt Khi RE = RC và điện trở Rt giống nhau thì hệ số khuếch đại dßng ®iÖn trong sơ đồ phát chung và góp chung gần bằng nhau. Hệ số khuếch đại điện áp tính theo (1-43) ta có: R E // R t K u = (1 + β). (1-53) Rn + RV Khi RV >> Rn và gần đúng RV ≈ (1 + β).(R E + R t ) thì Ku≈ 1. Như vậy tầng khuếch đại góp chung để khuếch đại công suất tín hiệu trong khi giữ nguyên trị số điện áp của nó. Vì Ku=1 nên hệ số khuếch đại Kp xấp xỉ bằng Ki về trị số. Điện trở ra của tầng CC: 22
nguon tai.lieu . vn
Kiến trúc - Xây dựng Tự động hoá Điện - Điện tử Kĩ thuật Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Năng lượng Hoá dầu Hoá học Sinh học