Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito

Chia sẻ: Hà Minh Thắng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:49

Thêm vào BST

Báo xấu

89
lượt xem 18
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mời các bạn cùng tham khảo nội dung tài liệu chương 1 "Mạch khuếch đại Tranzito" để nắm băt được định nghĩa mạch khuếch đại, các chỉ tiêu và tham số chính của một bộ khuếch đại, nguyên tắc chung phân cực cho Tranzito chế độ khuếch đại, vấn đề hồi tiếp, hồi tiếp trong các tầng khuếch đại,... Hy vọng đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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 Ir Ur Uv M ch Rn khuyếch đ i Rt Uv Ur t En ~ t Nguồn cung cấp (EC) Hình 1-1: S đ tổng quát c a m ch khu ch đ i. 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 I 0 ≥ I và U 0 ≥ 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 Ur ˆI 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 d ng m t t ng khu ch đ i. t a. 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) K= 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) = 20 lg K (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 = Zr = UV Ur ; (1-4) IV Ir 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 = MC = K0 K0 ; (1-5) Kt KC 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 Uvào f 0 2 4 4 0 10 (a) 10 2.10 (Hz) (b) (mV) Hình 1-3: a. Đặc tuy n biên đ - t n s b. Đặc tuy n biên đ 6(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: ( U 2 + U 3 + ... + U n )1 / 2 ) 2 ) 2 ) 2 γ= ) % (1-6) U1 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= Pr P0 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 hay bộ khuếch đ i công suất cần KPmax, Zvào ≈ Znguồn, Zra ≈ Z t 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
Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Hình 1-4 biểu diễn điện áp và dòng điện phân cực của tranzito chế độ khuếch đ i IC IB IC U IB UCE >0 U UCE 0 E UBE
Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Hình 1-5b cung cấp điện cho cực gốc theo ph ơng pháp định áp nh bộ phân áp R1, R2 mắc song song với nguồn cung cấp cực góp EC. Điện áp t i điểm làm việc của cực gốc đ ợc xác định theo biểu thức: UBE0 = IP.R2 = EC -(IP+IB0).R1 (1-9) Trong đó IP là dòng phân áp ch y qua điện tr R1, R2. Th ng 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, nh ng khi đó R1, R2 ph i có giá trị nhỏ. Th ng chọn IP =(0,3÷3).IBmax (1-11) Trong đó IBmax là dòng xoay chiều trong m ch cực gốc với mức tín hiệu vào lớn nhất. Lúc này thiên áp UBE0 hầu nh không phụ thuộc trị số dòng cực gốc IB0, do đó có thể dùng cho m ch khuếch đ i 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 ng i ta hay dùng các m ch 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: M ch 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 nh 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 chỗ điện tr RB đ ợc nối lên cực góp. đây RB vừa làm nhiệm vụ đ a điện áp vào cực gốc bằng ph ơng pháp ổn định dòng cực gốc, vừa dẫn điện áp hồi tiếp về m ch vào. Nguyên lý ổn đ nh nh sau: 9
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 gi m làm UBE gi m, kéo theo dòng IB0 gi m làm cho IC0 gi m (vì IC0= β. I B 0 ), nghĩa là dòng IC0 ban đầu đ ợc giữ nguyên. Hình 1-7 là sơ đồ cung cấp và ổn định điểm làm việc nh 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 nh sau: khi IC0 tăng do nhiệt độ tăng hay do độ t p tán tham số của tranzito thì điện áp h trên RE (UE0=IE0.RE) tăng. Vì điện áp UR2 lấy trên điện tr R2 hầu nh không đổi nên điện áp UBE0 = UR2 - UE0 gi m, làm cho IB0 gi m, do đó IC0 không tăng lên đ ợc, tức là IC0 đ ợc giữ ổn định. Nếu nhiệt độ gi m làm IC0 gi m thì nh m ch hồi tiếp âm dòng điện một chiều, UBE0 l i tăng, làm cho IB0 tăng, IC0 tăng giữ cho IC0 ổn định. 1.3. H I TI P TRONG CÁC T NG KHU CH Đ I Hồi tiếp là việc thực hiện truyền tín hiệu từ đầu ra về đầu vào bộ khuếch đ i. Thực hiện hồi tiếp trong bộ khuếch đ i sẽ c i thiện hầu hết các chỉ tiêu chất l ợng của nó và làm cho bộ khuếch đ i có một số tính chất đặc biệt. D ới đây ta sẽ phân tích những quy luật chung khi thực hiện hồi tiếp trong bộ khuếch đ i. Điều này cũng đặc biệt cần thiết khi thiết kế bộ khuếch đ i bằng IC tuyến tính. Hình 1-8 là sơ đồ cấu trúc bộ khuếch đ i có hồi tiếp Đầu vào Đầu ra K β M ch hồi tiếp có hệ sốHình truyền đ St β,đchỉkhrõ iquan 1-8: ch đtham hệ giữa b khu i có số i ti p áp, dòng điện) h (điện của tín hiệu ra m ch đó với tham số (điện áp, dòng điện) của m ch ra bộ khuếch đ i. Hệ số khuếch đ i K và hệ số truyền đ t của m ch hồi tiếp β nói chung là những số phức. K = K.exp(jϕK) β = β.exp(jϕβ) Nghĩa là ph i chú ý đến kh năng dịch pha miền tần số thấp và tần số cao do tồn t i các phần tử điện kháng trong m ch khuếch đ i cũng nh m ch hồi tiếp. Nếu bộ khuếch đ i làm việc tần số trung bình, còn trong m ch 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 đ i 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 c dòng điện và điện áp. Iv Ir Rn Iv Ir Rn It It • ur Rt • En ~ uv uy K ~ uv uy K ur Rt En uht uht β 10 β It a. Hình 1-9: M t s m ch h i ti p thông d ng: β Iht Rn Ir
Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito b. Xét đầu vào, khi điện áp đ a 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 đ i song song với điện áp nguồn tín hiệu thì có hồi tiếp song song. Hai đặc điểm trên xác định một lo i m ch 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 ho một số thí dụ về những m ch hồi tiếp phổ biến nhất trong khuếch đ i. Nếu khi hồi tiếp nối tiếp nh h ng đến trị số điện áp vào b n thân bộ khuếch đ i uy, thì khi hồi tiếp song song sẽ nh h ng đến trị số dòng điện vào bộ khuếch đ i. Tác dụng của hồi tiếp có thể làm tăng, khi ϕK + ϕβ = 2nπ, hoặc gi m khi ϕκ + ϕβ = (2n +1).π (n là số nguyên d ơng) tín hiệu tổng hợp đầu vào bộ khuếch đ i đ ợc gọi là hồi tiếp d ơng và t ơng ứng gọi là hồi tiếp âm. Hồi tiếp âm cho phép c i thiện một số chỉ tiêu của bộ khuếch đ i, vì thế nó đ ợc dùng rất rộng rãi. Để đánh giá nh h ng của hồi tiếp đến các chỉ tiêu của bộ khuếch đ i ta sẽ xét thí dụ hồi tiếp điện áp nối tiếp hình 1-9a. Hệ số khuếch đ i khi có hồi tiếp: K ht = Ur UV U Y = U V + U ht (1-12) Chia c hai vế của (1-12) cho Ura, ta có: = + U Y U V U ht Ur Ur Ur = +β 1 1 hay (1-13) K K ht đây β = u ht là hệ số truyền đ t của m ch hồi tiếp. ur Từ (1-13) ta tìm đ ợc: 11
Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito K ht = K 1 − β .K (1-14) Để đơn gi n việc phân tích ta đ a vào trị số thực K và: K ht = 1 − K .β K (1-15) Theo (1-15) khi 1 > K.β > 0 thì hệ số khuếch đ i của bộ khuếch đ i có hồi tiếp Kht lớn hơn hệ số khuếch đ i của b n thân bộ khuếch đ i K. Đó chính là hồi tiếp d ơng, Uht đ a tới đầu vào bộ khuếch đ i cùng pha với điện áp vào Uv, tức là Uy = Uv +Uht. Điện áp ra bộ khuếch đ i khi có hồi tiếp d ơng là: Ur = K.(Uv + Uht) > K.Uv và do đó Kht >K Tr ng hợp K.β ≥ 1 (khi hồi tiếp d ơng) đặc tr ng cho điều kiện tự kích của bộ khuếch đ i. Lúc này đầu ra của bộ khuếch đ i 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 t ơng ứng với điều kiện tự kích một tần số cố định và tín hiệu đầu ra gần với d ng hình sin. Bộ khuếch đ i trong tr ng hợp này làm việc nh một m ch t o dao động hình sin. Khi K.β
Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito thuộc của hệ số khuếch đ i vào sự thay đổi các tham số trong bộ khuếch đ i. Khi đó trong mẫu số của (1-16) có thể bỏ qua 1 và hệ số khuếch đ i của nó do hệ số truyền đ t của m ch hồi tiếp quyết định. K ht ≈ β 1 (1-19) 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 K ht = = 100 β 1 Ý nghĩa vật lý của việc tăng độ ổn định của hệ số khuếch đ i có hồi tiếp âm là chỗ khi thay đổi hệ số khuếch đ i K thì điện áp hồi tiếp sẽ bị thay đổi dẫn đến thay đổi điện áp Uy (hình 1.9a) theo h ớng bù l i sự thay đổi điện áp ra của bộ khuếch đ i. Gi sử khi gi m K do sự thay đổi tham số bộ khuếch đ i sẽ làm cho Uht gi m và Ur gi m, điện áp Uy = Uv - Uht tăng dẫn đến Ur tăng, chính là ngăn c n sự gi m của hệ số khuếch đ i K (hình 1-9a). Tăng độ ổn định của hệ số khuếch đ i bằng hồi tiếp âm đ ợc dùng rộng rãi để c i thiện đặc tuyến biên độ, tần số (hình 1-10) của bộ khuếch đ i nhiều tầng ghép điện dung. Vì miền tần số thấp và cao hệ số khuếch đ i bị gi m. Tác dụng hồi tiếp âm miền tần số kể trên sẽ yếu vì hệ số khuếch đ i K nhỏ và sẽ dẫn đến tăng độ khuếch đ i gi i biên tần và m rộng gi i thông f của bộ khuếch đ i. K Ku Ku 2 Hình 1-10: nh h ng của hồi K uht Kuht tiếp âm đến đặc tuyến biên độ - 2 tần số Δf f Δfht 0 Hồi tiếp âm cũng làm gi m méo không đ ng thẳng của tín hiệu ra và gi m nhiễu (t p âm) trong bộ khuếch đ i. D ới đây ta sẽ kh o sát nh h ng của hồi tiếp âm đến điện tr vào bộ khuếch đ i. 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
Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito (1 + K .β ).U Y RVht = = RV .(1 + K .β ) (1-20) IV Nh vậy thực hiện hồi tiếp âm nối tiếp làm tăng điện tr vào của bộ khuếch đ i lên (1+K.β) lần. Điều này rất cần thiết khi bộ khuếch đ i nhận tín hiệu từ bộ c m biến có điện tr trong lớn hoặc bộ khuếch đ i dùng tranzito l ỡng cực. T ơng tự, điện tr ra của bộ khuếch đ i là: (1 + K .β ) Rr Rrht = (1-21) Nghĩa là gi m đi (1+K.β) lần. Điều này đ m b o điện áp ra của bộ khuếch đ i ít phụ thuộc vào sự thay đổi điện tr t i Rt. Từ những phân tích trên, có thể rút ra những quy luật chung nh h ng của hồi tiếp âm đến chỉ tiêu bộ khuếch đ i là: Mọi lo i hồi tiếp âm đều làm gi m tín hiệu trên đầu vào bộ khuếch đ i (Uy hay Iy) và do đó làm gi m hệ số khuếch đ i Kht, làm tăng độ ổn định của hệ số khuếch đ i của bộ khuếch đ i. Ngoài ra hồi tiếp âm nối tiếp hình 1-9a,b làm tăng điện tr vào. Hồi tiếp điện áp nối tiếp (hình 1-9a) làm ổn định điện áp ra, gi m điện tr ra Rrht. Còn hồi tiếp dòng điện nối tiếp (hình 1-9b) làm ổn định dòng điện ra It, tăng điện tr ra Rrht. Hồi tiếp âm song song (hình 1-9c) làm tăng dòng điện vào, làm gi m điện tr vào Rvht, cũng nh điện tr ra Rrht. Cần nói thêm là hồi tiếp d ơng th ng không dùng trong bộ khuếch đ i nh ng nó có thể xuất hiện ngoài ý muốn do ghép về điện bên trong hay bên ngoài gọi là hồi tiếp ký sinh, có thể xuất hiện qua nguồn cung cấp chung, qua điện c m hoặc điện dung ký sinh giữa m ch ra và m ch vào của bộ khuếch đ i. Hồi tiếp ký sinh làm thay đổi đặc tuyến biên độ - tần số của bộ khuếch đ i do làm tăng hệ số khuếch đ i các đo n riêng biệt của gi i tần hoặc thậm chí có thể làm cho bộ khuếch đ i bị tự kích nghĩa là xuất hiện dao động một tần số xác định. Để lo i bỏ hiện t ợng trên có thể dùng các bộ lọc thoát, dùng dây dẫn bọc kim, bố trí m ch in và các linh kiện hợp lý. D ới đây là các thí dụ về những m ch hồi tiếp âm th ng 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)
Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Hình 1-11: S đ các m ch h i ti p âm. a) Hồi tiếp dòng điện trên RE; b) Hồi tiếp điện áp nh khâu RC hình 1-11a trên điện tr RE có hồi tiếp âm dòng điện mắc nối tiếp. Trong m ch 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. Nh vậy trên RE1 có c hai lo i hồi tiếp âm điện áp và dòng điện. 1.4. CÁC S Đ C B N DÙNG TRANZITO L NG C C (BJT). D ới đây sẽ trình bày ph ơng pháp phân tích tầng khuếch đ i dùng tranzito l ỡng cực theo ba cách mắc m ch: phát chung (EC), góp chung (CC), và gốc chung (BC). Gi thiết tín hiệu vào là hình sin miền tần số trung bình vì vậy tr kháng của tụ coi nh bằng không, còn nh h ng điện dung ký sinh của sơ đồ và tranzito, cũng nh sự phụ thuộc về hệ số khuếch đ i dòng α, β của tranzito vào tần số coi nh không đáng kể. 1.4.1. T ng khu ch đ i phát chung (EC) M ch điện nguyên lý một tầng khuếch đ i EC cho trên hình 1-12. Trong sơ đồ này CP1, CP2 là các tụ nối tầng. Tụ Cp1 lo i trừ tác dụng nh h ng lẫn nhau của nguồn tín hiệu và m ch vào về dòng một chiều. Tụ CP2 ngăn thành phần một chiều và chỉ cho thành phần xoay chiều ra t i. R1, R2 để xác định chế độ tĩnh của tầng, cấp điện một chiÒu cho cực B. RC: t i một chiều của tầng. RE: điện tr ổn định nhiệt, CE tụ thoát thành phần xoay chiều xuống mát. En: nguồn tín hiệu vào, Rn: điện tr trong của nguồn tín hiệu. Rt: điện tr t i. +EC R1 RC CP2 I B0 IC IV CP1 T U Hình 1-12: T ng khu ch Rn UBE IP CE0 It Rt Ur đ i E chung IE0 R2 UE0 CE RE En ~ UV 15
Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Nguyên lý làm việc của tầng EC nh sau: khi đ a 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 m ch ra của tầng. Dòng này gây h áp xoay chiều trên điện tr RC. Điện áp đó qua tụ CP2 đ a đến đầu ra của tầng tức là tới Rt. Có thể thực hiện bằng hai ph ơng pháp cơ b n là ph ơng pháp đồ thị đối với chế độ một chiều và ph ơng pháp gi i tích dùng sơ đồ t ơng đ ơng đối với chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ. Ph ơng pháp đồ thị dựa vào đặc tuyến vào và ra của tranzito có u điểm là dễ dàng ) tìm đ ợc 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 đ ng t i một chiều (A-B). Sự phụ thuộc UCE0 = f(IC0) có thể tìm đ ợc từ ph ơng trình cân bằng điện áp m ch ra của tầng: α IC0 UCE0 = EC - IC0.RC - IE0RE = EC - IC0RC - .RE (1-22) Vì hệ số α gần đúng 1, nên có thể viết UCE0 = EC - IC0 (RC+RE) (1-23) Biểu thức (1-23) là ph ơng trình đ ng t i 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 đ ợc to độ điểm P là giao điểm của đ ng IB = IB0 với đ ng t i một chiều trên đặc tuyến ra hình 1-13a. Để xác định thành phần xoay chiều của điện áp ra và dòng ra cực góp của tranzito ph i dùng đ ng t i xoay chiều của tầng. Chú ý rằng điện tr xoay chiều trong m ch cực phát của tranzito bằng không (vì có tụ CE mắc song song với điện tr RE) còn t i Rt đ ợc mắc vào m ch cực góp, vì điện tr xoay chiều của tụ Cp2 rất nhỏ bỏ qua. IC PCCP D IB uC B ˆI P IB=IB0 ˆI P C B IB IB2 IC0 IB1 IB=0 C 0 uBE IC0(E) A uC 16 a) uˆ C b) uB uˆ v UC0 uB0 Hình 1-13: Xác đ nh ch đ tƿnh c a t ng EC
Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Nếu coi điện tr xoay chiều của nguồn cung cấp EC bằng không, thì điện tr xoay chiều của tầng gồm hai điện tr RC và Rt mắc song song, nghĩa là Rt~ =Rt//RC. Từ đó thấy rõ điện tr t i một chiều của tầng Rt==RC + RE lớn hơn điện tr t i xoay chiều Rt~. Khi có tín hiệu vào, điện áp và dòng điện là tổng của thành phần một chiều và xoay chiều, đ ng t i xoay chiều đi qua điểm tĩnh P. Độ dốc của đ ng t i xoay chiều lớn hơn độ dốc đ ng t i một chiều. Xây dựng đ ng t i 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 m ch 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 m ch cực góp cũng có thành phần dòng xoay chiều iC ∼ và điện áp xoay chiều Ura liên hệ với iC ∼ bằng đ ng t i xoay chiều. Khi đó đ ng t i xoay chiều đặc tr ng cho sự thay đổi giá trị tức th i dòng cực góp iC và điện áp trên tranzito UC hay ng i ta nói đó là sự dịch chuyển điểm làm việc. Điểm làm việc dịch từ P đi lên ứng với 1/2 chu kỳ d ơng 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 đ i không bị méo d ng. Việc chọn điểm làm việc tĩnh và tính toán sẽ đ ợc thực hiện theo một tầng khuếch đ i cụ thể. ) ) Những tham số ban đầu để tính toán là biên độ điện áp ra U r và dòng điện t i I t , công suất t i Pt và điện tr t i 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 l i. Để tín hiệu ra không bị méo d ng, các tham số của chế độ tĩnh ph i tho 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) đây ΔU C 0 là điện áp cực góp ứng với đo n 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 đ i, chính là độ cao của đ ng đặc tuyến ra tĩnh ứng với dòng IB=0. ) Quan hệ dòng I C với điện áp ra có d ng Λ Λ IC = = ) Ur Ur (1-26) R C // R t Rt ~ 17
Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Để tăng hệ số khuếch đ i của tầng, trị số RC ph i chọn lớn hơn Rt từ 3÷5 lần. Dựa vào dòng IC0 đã chọn, tính dòng cực gốc tĩnh: I C0 − I C0 (E) β IB0 = (1-27) từ đó dựa vào đặc tuyến vào của trazito tìm đ ợc điện áp U BE 0 ứng với I B 0 đã tìm đ ợc. 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 β (1-28) Khi chọn EC (nếu nh không cho tr ớc), cần ph i theo điều kiện: EC=UC0+IC0.Rc+UE0. (1-29) đây UE0 = IE0.RE Khi xác định trị số UE0 ph i 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 ph i tăng điện áp nguồn cung cấp EC. Vì vậy mà UE0 th ng chọn bằng (0,1÷0,3) EC Chú ý đến biểu thức (1-29) ta có: U C 0 + I C 0 .RC EC = 0,7 ÷ 0,9 (1-30) Điện tr RE có thể tính từ RE = U E0 (1-31) I C0 Khi tính các phần tử của bộ phân áp đầu vào cần l u 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) ph i ít nh h ng đến sự thay đổi điện áp UB0.Muốn vậy thì dòng phân áp IP qua bộ phân áp R1 R2 ph i lớn hơn dòng IB0 qua điện tr R1. Tuy nhiên với điều kiện IP >> IB0 thì R1, R2 sẽ ph i nhỏ và chúng sẽ gây ra rẽ m ch tín hiệu vào, làm gi m điện tr vào của tầng khuếch đ i. Vì thế khi tính các phần tử của bộ phân áp vào ta ph i h n chế theo điều kiện: R B = R1 // R2 = (2 ÷ 5)rV . (1-32) I P = (2 ÷ 5) I B 0 . (1-33) đây rV là điện tr vào của tranzito, đặc tr ng cho điện tr xoay chiều m ch gốc - phát (rV= ΔU BE / ΔI B ) Điện tr R1,R2 có thể tính theo: 18
Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito U B 0 U BE + U E 0 R2 = = (1-34) Ip Ip EC − U B 0 R1 = I p + I B0 (1-35) Khi chọn tranzito cần chú ý đến các tham số giới h n nh : d i tần số công tác (theo tần số fα hay fβ) cũng nh các tham số về dòng điện, điện áp và công suất. Dòng điện cực góp cho phép cực đ i IC.C.P ph i lớn hơn trị số tức th i lớn nhất trong khi làm việc, nghĩa là I C max = I CO + ˆI C < I C.C.P . Về mặt điện áp ng i ta th ng chọn tranzito theo UC0.C.P > EC. Công suất tiêu hao trên cực góp PC =UC0.IC0 ph i nhỏ hơn công suất cực đ i cho phép của tranzito PC.C.P. Đ ng cong công suất giới h n cho phép là đ ng hypecbon. Đối với mỗi điểm của nó ta có UC0.CP.IC.CP=PC.CP. Tóm l i việc tính chế độ của tầng khuếch đ i là gi i quyết nhiệm vụ chọn hợp lý các phần tử của sơ đồ để nhận đ ợc những tham số cần thiết của tín hiệu ra trên t i. Các hệ số khuếch đ i dòng điện Ki, điện áp Ku và công suất Kp cũng nh điện tr vào RV, điện tr ra Rr là những chỉ tiêu quan trọng của tầng khuếch đ i. Những chỉ tiêu đó có thể xác định đ ợc khi tính toán tầng khuếch đ i theo dòng xoay chiều. Ph ơng pháp gi i tích dựa trên cơ s thay thế tranzito và tầng khuếch đ i bằng sơ đồ t ơng đ ơng dòng xoay chiều chế độ tín hiệu nhỏ. Sơ đồ thay thế tầng EC vẽ trên hình 1-14, đây tranzito đ ợc thay bằng sơ đồ thay thế tham số vật lý. Tính toán theo dòng xoay chiều có thể thực hiện đ ợc khi sử dụng sơ đồ thay thế tranzito với các tham số r , trong đó rB là điện tr khối vùng cực gốc, rE là điện tr vi phân của tiếp giáp phát, rC điện tr vi phân của tiếp giáp góp. Để đơn gi n ta gi thiết tầng khuếch đ i đ ợc tính miền tần số trung bình, tín hiệu vào là hình sin và điện tr của nguồn cung cấp đối với dòng xoay chiều bằng không. Các tụ Cp1, Cp2, CE có tr kháng rất bé, xem nh bằng không. Dòng điện và điện áp trong sơ đồ tính theo trị số hiệu dụng. Điện tr vào của tầng: RV=R1//R2//rV (1-36) βIB IV rB > rE nên: U BE = I B .rB + I E .rE hay là Hình 1-14: S đ thay th t ng khu ch đ i EC bằng tham s v t lý. U BE = I B [ rB + (1 + β ).rE ] (1-37) 19
Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Chia c hai vế của ph ơng 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 v ợt quá (1÷3)KΩ Xác định hệ số khuếch đ i dòng điện của tầng: Ki = It/IV từ hình 1-14 có: I B = IV RV (1-38) rV Khi xác định dòng It qua IB thì không tính đến rE vì nó rất nhỏ so với điện tr của các phần tử m ch ra: I t = β .I B . r C ( E ) // RC // Rt (1-39) Rt Để ý đến biểu thức (1-38) ta có: I t = I V .β . RV rC ( E ) // RC // Rt . (1-40) rV Rt và hệ số khuếch đ i dòng xác định b i: Ki = β . RV rC ( E ) // RC // Rt . (1-41) rV Rt Hệ số khuếch đ i dòng Ki tỷ lệ với hệ số β của tranzito, các điện tr phân áp cấp điện một chiều cực gốc và điện tr 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 đ i dòng gần đúng. Ki = β . RC // Rt (1-42) Rt Nh vậy tầng EC có hệ số khuếch đ i dòng t ơng đối lớn, và nếu nh RC>> Rt thì nó gần bằng hệ số khuếch đ i β của tranzito. Xác định hệ số khuếch đ i điện áp của tầng Ku = Ur En − I t .Rt Ku = = − Ki . Rt I V .( Rn + RV ) Rn + RV (1-43) Thay (1-42) vào (1-43) ta có: Ku = − β . RC // Rt Rn + RV (1-44) 20
Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Từ (1-44) ta thấy nếu β càng lớn và điện tr m ch ra của tầng càng lớn so với điện tr m ch vào thì hệ số khuếch đ i càng lớn. Đặc biệt, hệ số khuếch đ i điện áp sẽ tăng khi điện tr trong của nguồn tín hiệu gi m. Tầng khuếch đ i EC thực hiện đ o 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, h áp trên Rc tăng làm gi m điện áp trên cực góp. Việc đ o pha trong tầng khuếch đ i EC đ ợc biểu thị bằng dấu “-” trong biểu thức Ku Hệ số khuếch đ i công suất K P = = Ku .Ki trong sơ đồ EC kho ng (0,2 ÷ 5).103 Pr PV lần. Điện tr ra của tầng. Rr = RC // rC ( E ) (1-45) Vì rC(E) >> RC nên Rr = RC 1.4.2. T ng khu ch đ i góp chung (CC) βIB + EC R1
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 th ng rất nhỏ hơn RE//Rt, còn rB nhỏ hơn số h ng thứ hai của vế ph i biểu thức (1-46), nên điện tr 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 tr vào sẽ lớn. Tuy nhiên khi đó không thể bỏ qua điện tr rC(E) mắc song song với m ch vào, nên điện tr vào ph i tính: R V = R 1 // R 2 // [ (1 + β).(R E // R t ) ]//rC(E) (1-48) Điện tr vào lớn là một trong những u điểm quan trọng của tầng góp chung, dùng để làm tầng phối hợp với nguồn tín hiệu có điện tr trong lớn. Việc xác định hệ số khuếch đ i dòng Ki cũng theo ph ơng pháp giống nh 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 d ng: I t = (1 + β).I B . R E // R t (1-49) Rt Và xét đến (1-39) ta có: I t = I V .(1 + β). R V R E // R t . (1-50) rV Rt Hệ số khuếch đ i dòng trong sơ đồ CC: K i = (1 + β). R V R E // R t . (1-51) rV Rt nghĩa là nó phụ thuộc vào quan hệ RV và rV, RE và Rt. Gi thiết RV=rV thì K i = (1 + β). R E // R t (1-52) Rt Khi RE = RC và điện tr Rt giống nhau thì hệ số khuếch đ i dßng ®iÖn trong sơ đồ phát chung và góp chung gần bằng nhau. Hệ số khuếch đ i điện áp tính theo (1-43) ta có: K u = (1 + β). R E // R t Rn + RV (1-53) Khi RV >> Rn và gần đúng RV ≈ (1 + β).(R E + R t ) thì Ku≈ 1. Nh vậy tầng khuếch đ i góp chung để khuếch đ i công suất tín hiệu trong khi giữ nguyên trị số điện áp của nó. Vì Ku=1 nên hệ số khuếch đ i Kp xấp xỉ bằng Ki về trị số. Điện tr ra của tầng CC: 22