Bài giảng Kỹ thuật tương tự

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BÀI GIẢNG KỸ THUẬT TƯƠNG TỰ Hưng Yên 2015 (Tài liệu lưu hành nội bộ) Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 1 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đòi hỏi công nghệ luôn luôn phải vận động để phù hợp với qúa trình phát triển đó. Tuy nhiên những kiến thức cơ bản để tính toán và phân tích cấu trúc của các mạch điện tử là hết sức cần thiết. Để phục vụ cho quá trình học tập của sinh viên và làm tài liệu tham khảo, chúng tôi đã biên soạn cuốn giáo trình Mạch điện tử 1, bao gồm tích hợp các nội dung kiến thức về lý thuyết và thực hành về mạch điện tử tƣơng tự để các bạn đọc tiện tham khảo. Bên cạnh đó hầu hết sau mỗi chƣơng có các bài tập ứng dụng (đƣợc đề cập ở cuối giáo trình) để các bạn thuận tiện hơn trong quá trình học tập. Do thời gian biên soạn có hạn cũng nhƣ trình độ còn nhiều hạn chế rất mong đƣợc sự đóng góp của các bạn đọc để những lần tái bản sau đƣợc hoàn chỉnh hơn. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 2 Chƣơng I: KHÁI NIỆM CHUNG VÀ CƠ SỞ PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN TỬ 1.1. Khái niệm mạch điện tử và nhiệm vụ của nó. Các mạch điện tử có nhiệm vụ gia công tín hiệu theo những thuật toán khác nhau và đƣợc phân loại theo dạng tín hiệu cần đƣợc xử lý. Trong thực tế tín hiệu thƣờng tồn tại dƣới hai dạng cơ bản: tín hiệu tƣơng tự (anolog) và tín hiệu số (digital). Tín hiệu tƣơng tự là loại tín hiệu biến thiên liên tục theo thời gian, còn tín hiệu số là loại tín hiệu đã đƣợc rời rạc hoá theo thời gian và lƣợng tử hoá về biên độ. Các tín hiệu (kể cả tín hiệu tƣơng tự và tín hiệu số) đều có thể đƣợc : khuếch đại; điều chế; ghi nhớ; điều khiển; tách sóng; biến dạng ... và các mạch điện tử có nhiệm vụ thực hiện các thuật toán trên. Trong nội dung của cuốn giáo trình này chúng ta chỉ đề cập tới các mạch điện tử tƣơng tự. Đối với tín hiệu tƣơng tự ngƣời ta đặc biệt quan tâm tới tỷ số S/N (Signal/Noise- Tín hiệu/Tạp âm) sao cho tỷ số này luôn lớn hơn 1. Để giải quyết vấn đề này ngƣời ta thƣờng quan tâm tới hai thông số chủ yếu là biên độ tín hiệu và độ khuếch đại tín hiệu. Biên độ tín hiệu thể hiện độ chính xác của quá trình gia công tín hiệu, xác định độ ảnh hƣởng của nhiễu tới hệ thống. Khi biên độ tín hiệu nhỏ thì nhiễu có thể sẽ lấn át t ín hiệu. Vì vậy khi thiết kế hệ thống điện tử cần nâng biên độ ngay ở tầng đầu. Khuếch đại tín hiệu là chức năng quan trọng nhất của mạch tƣơng tự, nó có thể thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các phần tử của hệ thống. Trong vài thập kỷ gần đây với sự ra đời của bộ khuếch đại thuật toán, các mạch tổ hợp đã mở ra cho ngành kỹ thuật điện tử nhiều thành công mới. Chúng không những đảm bảo thoả mãn yêu cầu kỹ thuật mà còn có độ tin cậy rất cao và giá thành hạ. Trong tƣơng lai các nhà thiết kế sẽ càng tạo ra các mạch điện tử tổ hợp trên chíp có các chức năng ngày một hoàn hảo hơn. Su hƣớng phát triển là giảm nhỏ kích thƣớc bên trong của mạch trong chế tạo bằng cách giảm số chủng loại, nhƣng tăng tính phổ biến của mạch trong ứng dụng hay tăng tính sử dụng của từng chủng loại. 1.2. Đặc tính cơ bản và các tham số của diode (Tính dẫn điện, chỉnh lƣu, ổn áp, đặc tuyến Vol - Ampe). Diode bán dẫn là phần tử một mặt ghép pn. Về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của diode đã đƣợc đề cập trong các giáo trình Linh kiện điện tử và Điện tử cơ bản. Trong phần này chỉ đề cập tới các ứng dụng của diode thông qua đặc tuyến Vol-Ampe của chúng. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 3 Đặc tuyến Vol-Ampe của diode đƣợc thể hiện trên hình 1.1 Đƣờng đặc tuyến Vol-Ampe của diode đƣợc chia làm ba vùng rõ rệt: - Vùng 1 gọi là vùng phân cực thuận, dòng điện IAK phụ thuộc vào điện áp phân cực thuận UAK. Giá trị của dòng IAK rất lớn đó chính là sự khuếch tán có hƣớng của các hạt đa số qua chuyển tiếp pn. Ứng dụng của vùng 1 để làm các diode chỉnh lƣu điện áp, dòng điện ... - Vùng 2 gọi là vùng phân cực ngƣợc. Giá trị của dòng IAK tăng rất nhỏ cho dù điện áp UAK tăng một lƣợng khá lớn. Sở dĩ dòng IAK tăng chậm nhƣ vậy là do sự chuyển động của các hạt thiểu số qua chuyển tiếp pn. Ứng dụng của vùng 2 để làm các mạch chỉnh lƣu điện áp, các mạch ghim điện áp... - Vùng 3 gọi là vùng đánh thủng tƣơng ứng khi tăng điện áp phân cực ngƣợc cho diode tới một giá trị ngƣỡng nào đó (UAKng) mà ở đó diện tích không gian của tiếp ráp pn có thể chiếm toàn bộ cả hai vùng bán dẫn p và n. Nếu tăng điện áp phân cực ngƣợc vƣợt quá giá trị điện áp ngƣỡng thì tiếp ráp pn bị đánh thủng hoàn toàn theo hiệu ứng thác lũ, cấu trúc một tiếp ráp pn của điốt không còn tồn tại. Ứng dụng của vùng 3 để làm các phần tử ổn áp (diode zener) (1) 0 (3) Đƣờng lý tƣởng Đƣờng thực tế UAK0 UAK IAK (2) -UAK ng Hình 1.1 Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 4 1.3. Đặc tính và các tham số cơ bản của transistor lƣỡng cực (BJT) 1.3.1. Đặc tính tĩnh và các phƣơng trình cơ bản. Có hai loại transistor là npn và pnp mà cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng đã đƣợc nghiên cứu trong chƣơng trình môn điện tử căn bản hoặc linh kiện điện tử. Phần này chỉ nhắc lại một số vấn đề cơ bản của chúng. Từ quá trình hoạt động của BJT ngƣời ta đƣa ra các họ đặc tuyến quan trọng của chúng. - Họ đặc tuyến vào: IB = f(UBE) khi giữ các tham số đầu ra cố định. - Họ đặc tuyến đầu ra: IC = f(UCE) khi giữ các tham số đầu vào cố định. - Họ đặc tuyến truyền đạt: IC = f(IB) khi giữ các tham số đầu ra cố định. Các BJT này có thể mắc theo emitter chung (EC), base chung (BC), collector chung (CC). Trong ba cách mắc trên thì cách mắc EC đƣợc ứng dụng rộng rãi nhất, vì vậy trong quá trình khảo sát đặc biệt quan tâm đến cách mắc này. Để điều khiển BJT có thể dùng dòng emitter IE hoặc dòng base IB. Nếu dùng dòng IE để điều khiển thì hệ số khuếch đại của BJT đƣợc tính theo biểu thức. )1.1( E C N I I A  Trong đó AN là hệ số khuếch đại (KĐ) dòng một chiều trong cách mắc BC và AN <1. Nếu dùng dòng IB để điều khiển thì hệ số khuếch đại của BJT đƣợc tính theo biểu thức )2.1( B C N I I B  Trong đó BN là hệ số KĐ dòng một chiều trong cách mắc EC và BN >>1. Vì IE = IB + IC, nên giữa BN và AN có các mối qua hệ sau: N N N N N N N N B A B B A A A B       1 1 1; 1 ; 1 Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 5 1.3.2. Sơ đồ tƣơng đƣơng tín hiệu nhỏ u1 h22 h11I1 I2 Hình 1.2 I1 h11 ~ u2 h12U2 Đối với tín hiệu nhỏ thì BJT đƣợc coi là mạng bốn cực tuyến tính, nên có thể dùng hệ phƣơng trình của mạng bốn cực (M4C) tuyến tính để biểu diễn giữa các dòng điện, điện áp vào và ra của BJT. Trong các hệ phƣơng trình của M4C, để mô tả cho BJT thƣờng hệ phƣơng trình tham số h và hệ phƣơng trình dẫn nạp tham số Y. Hệ phƣơng trình tham số h và hệ phƣơng trình dẫn nạp tham số Y của một M4C có dạng sau. )3.1( 2221212 2121111      UhIhI UhIhU )4.1( 2221212 2121111      UYUYI UYUYI Các tham số hij và Yij của các hệ phƣơng trình 1.3 và 1.4 đƣợc xác định theo bảng sau. Bảng 1.1 hij 02 1 1 11   UI U h 01 2 1 12   IU U h 02 1 2 21   UI I h 01 2 2 22   IU I h Yij 02 1 1 11   UU I Y 01 2 1 12   UU I Y 02 1 2 21   UU I Y 01 2 2 22   UU I Y 1.4. Đặc tính cơ bản và các tham số của transistor hiệu ứng trƣờng (FET) 1.4.1. Phân loại và các đặc tính cơ bản Để thuận tiện cho việc nghiên cứu và ghi nhớ chúng ta có thể phân loại FET (Field Effect Transistor) theo đồ hình 1.3. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 6 Theo sơ đồ phân loại hình 1.3 ta thấy có 6 loại transistor hiệu ứng trƣờng (FET). Ký hiệu và đặc tuyến của chúng đƣợc chỉ ra trong bảng 1.2. Nếu đặt vào cực cửa G (Gate) và cực nguồn S (Source) một tín hiệu, làm điện áp UGS thay đổi làm cho điện trở giữa cực máng D (Drain) và cực nguồn S thay đổi làm dòng điện cực máng ID thay đổi theo. Vậy FET là một dụng cụ khống chế điện áp. Trong thực tế, có nhiều FET đối xứng, nghĩa là có thể đổi lẫn cực máng và cực nguồn mà tính chất của FET không đổi. - Trong JFET, cực cửa G nối với kênh máng-nguồn qua mặt ghép pn hoặc np. Khi đặt điện áp phân cực UGS đúng chiều quy ƣớc (bảng 1.2) thì diode mặt ghép ngắt, ngƣợc lại nếu đổi chiều UGS thì diode mặt ghép thông, do đó dòng cực cửa IG khác không. - Với MOSFET thì cực cửa G và kênh máng-nguồn đƣợc cách ly bởi một lớp SiO2, do đó dòng cực cửa IG luôn luôn bằng không. (FET chuyển tiếp pn) JFET FET có cấu trúc kim loại-điện môi- bán dẫn (MOSFET) Kênh n Kênh p Kênh có sẵn Kênh cảm ứng Kênh n Kênh p Kênh n Kênh p FET D G S D G S D G S D G S D G S D G S UDS UGS ID FET tự dẫn FET tự ngắt Hình 1.3: Sơ đồ phân loại FET Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 7 Bảng 1.2: Ký hiệu và các họ đặc tuyến của FET Kênh Loại, ký hiệu Cực tính Đặc tuyến UDS ID UGS UP Truyền đạt Ra n JFET kênh n D G S UDS UGS ID >0 >0 <0 <0 ID 0 IDSS GSU)(offGS U ID 0 IDSS DSPU pU DSU 0GSU p JFET kênh p D G S 0 >0 ID GSU pU0 IDSS DSU 0 IDSS 0GSU 2GSU DSPU pU n MOSFET kênh đặt sẵn n D G S >0 >0 <0 <0 ID GSU0 IDSS pU ID DSU0 1GSU pU IDSS 0GSU 2GSU DSPU p MOSFET kênh đặt sẵn p D G S 0 >0 ID GSU pU0 IDSS ID DSU 0 1GSU IDSS 0GSU 2GSU DSPU pU n MOSFET kênh cảm ứng n D G S >0 >0 >0 >0 ID GSUpU0 pU2 IDSS ID DSU0 pGS UU 2 pU IDSS DSPU pGS UU 2 pGS UU  p MOSFET kênh cảm ứng D G S <0 <0 <0 <0 GSU 0 IDSS pU2 pU ID DSU 0 pGS UU 2 IDSS pGS UU 2 pGS UU  DSPU pU Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 8 Khi làm việc, dòng cực cửa IG của JFET cỡ 1 pA đến 10 nA, còn dòng cửa của MOSFET nhỏ hơn JFET cỡ 10-3 lần. Vì vậy điện trở trong của JFET nằm trong khoảng 10 101013  và của MOSFET cỡ khoảng 10131015 . Trong các FET kênh n, dòng điện cực máng ID giảm (về trị tuyệt đối) khi điện thế cực cửa giảm, còn trong FET kênh p thì ngƣợc lại. Để đơn giản, sau đây ta chỉ xét FET kênh n. Trƣờng hợp FET kênh p thì chỉ việc đảo chiều điện áp cung cấp (xem bảng 1.2). Nếu trong mạch có diode hoặc tụ hóa thì cũng phải đảo chiều mắc các linh kiện này. ID 0 pU IDSS PGSDSP UUU  UDST0 UDS0 Miền triốt Miền thắt 0GSU Hình 1.4. Các miền làm việc của FET JFET và MOSFET kênh đặt sẵn có dòng cực máng ID lớn khi điện áp UGS = 0, vì thế các loại FET này còn có tên chung là FET tự dẫn. Ngƣợc lại với MOSFET có dòng cực máng ID = 0 khi điện áp UGS = 0 gọi là FET tự ngắt. Trên đặc tuyến ra của FET hình 1.4 ta thấy khi UDS tăng quá lớn thì dòng cực máng ID tăng đột biến, khi đó xảy ra hiện tƣợng đánh thủng. Điện áp đánh thủng cỡ 20 50 V và đƣợc xác định theo biểu thức (1.5). )5.1( 0 GSDSToDST UUU GSU   Để thuận tiện cho việc phân tích, ngƣời ta chia đặc tuyến vol-ampe của FET ra làm hai miền: - Miền triốt có đặc điểm là điện áp máng UDS nhỏ và không có hiện tƣợng thắt - Miền thắt, ứng với trƣờng hợp UDSTo > UDS > (UGS - Up). Biểu thức gần đúng biểu diễn quan hệ giữa điện áp máng với các điện áp các cực trong hai miền nói trên đƣợc thể hiện trong bảng 1.3. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 9 Bảng 1.3 Loại FET Biểu thức toán học biểu diễn đặc tuyến Vol - Ampe của FET Miền triốt Miền thắt MOS- FET        2 ).( 2 2 2 DS DSPGS P DSS D U UUU U I I (1.6) ).()1( 2 2 2 P DSP DSS P GS DSSD U U I U U II  (1.7) J-FET                        2 3 2 3 0 )()( 3 2 PD GSD PD DGSDS PD DS D UU UU UU UUU UU U II (1.8)        2 ).( 2 2 2 DS DSPGS P DSS D U UUU U I I (1.9) Khi sử dụng FET, đặc biệt là MOSFET cần phải quan tâm đến điện áp cho phép cực đại UGSmax và UGDmax. Trong thực tế để bảo vệ cho MOSFET ngƣời ta thực hiện mắc giữa đầu G và đầu S một diode zener mà điện áp zener của nó lớn hơn điện áp nguồn cung cấp, sao cho diode đạt hiệu ứng zener khi UGS = UGsmax. Tuy nhiên diode zener sẽ làm giảm điện trở vào của MOSFET. Điện áp tạp âm của FET thƣờng nhỏ hơn điện áp tạp âm của transistor lƣỡng cực nhiều. Điện áp tạp âm của MOSFET ở tần số thấp lớn hơn điện áp tạp âm của JFET từ 10 đến 1000 lần. Vì vậy MOSFET chỉ thích hợp cho những sơ đồ ít tạp âm ở tần số cao. Ở tần số thấp chỉ dùng MOSFET khi yêu cầu điện trở vào lớn mà JFET không thể thỏa mãn đƣợc. 1.4.2. Sơ đồ tƣơng và tần số giới hạn Khi mắc FET với sơ đồ SC, ta có phƣơng trình biểu diễn quan hệ giữa dòng điện ra tức thời và điện áp các cực nhƣ sau: iD = f(uGS, uDS) (1.10) Vi phân toàn phần biểu thức 1.10 ta đƣợc: )11.1(.. DS DS D GS GS D D u u i u u i i        Từ biểu thức (1.11) suy ra biểu thức đối với tín hiệu nhỏ: iD = gm.uGS + gds.uDS (1.12) Trong đó: )13.1(.0 S u i u u i g constu GS D GSu GS D m DSDS         Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 10 )14.1(.0 constu DS D DSu DS D ds GSGS u i u u i g        Căn cứ vào họ đặc tuyến của FET và điểm làm việc cụ thể trên đó, có thể xác định đƣợc gm theo biểu thức (1.13) và gds theo biểu thức (1.14). Từ biểu thức (1.12) ta vẽ đƣợc sơ đồ tƣơng đƣơng tần số thấp của FET đối với tín hiệu bé nhƣ trên hình 1.5. Hình 1.5. Sơ đồ tƣơng đƣơng tần số thấp của FET D GSmUg DSUGSU + SS G ds ds r g 1  Ở tần số cao, ngƣời ta dùng sơ đồ tƣơng đƣơng hình 1.6, trong đó Cgs và Cgd là điện dung cửa-nguồn và điện dung cửa-máng kể cả điện dung phân bố; Cds là điện dung mặt ghép pn của máng và kênh hoặc nguồn và kênh. Các điện dẫn gm và gds xác định theo các biểu thức (1.13) và (1.14). Hình 1.6. Sơ đồ tƣơng đƣơng tần số cao của FET D GSmUg DSU GSU + SS G GI Cgd Cgs Cds DI yt = gt + jωCt ds ds r g 1  Bảng 1.4 cho biết giá trị đặc trƣng của các tham số của FET Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 11 Bảng 1.4: Tham số J-FET MOS-FET S = gm (1/) 0,1.10 -310.10-3 0,5.10-310.10-3 gds (1/) 10 -610-5 10-510-4 Cgd; Cds (pF) 0,12 0,12 Cgs (pF) 210 210 Để đặc trƣng cho tính chất của FET ở tần số cao, dùng tần số giới hạn fg. Tại tần số fg hệ số khuếch đại điện áp Ku của FET giảm 2 lần so với hệ số khuếch đại ở tần số thấp Kuo. 1.4.3. Đặc điểm của FET so với BJT và đèn điện tử, ứng dụng của FET. So với đèn điện tử thì FET có những ƣu điểm giống nhƣ transistor lƣỡng cực nhƣ kích thƣớc nhỏ, điện áp cung cấp nhỏ, công suất cung cấp nhỏ (vì không có sợi đốt), độ tin cậy cao. So với transistor lƣỡng cực, FET có những ƣu điểm đặc biệt là không yêu cầu dòng vào (trở kháng vào lớn) nhƣng nó lại có đặc điểm là độ dốc gm nhỏ và nhạy cảm đối với điện tích tĩnh. Vì những lý do đó FET ít đƣợc dùng trong mạch rời rạc. Dùng FET trong mạch tích hợp sẽ tiết kiệm đƣợc công suất cung cấp. Vì vậy trong mạch rời rạc FET chỉ đƣợc dùng khi yêu cầu trở kháng vào lớn và tạp âm nhỏ. Bảng 1.5 tóm tắt những ứng dụng cơ bản của FET. Bảng 1.5 Đặc điểm Phạm vi ứng dụng Trở kháng vào lớn Tầng khuếch đại sơ bộ nối với micro điện dung Tầng khuếch đại sơ bộ trong camera hình Tầng vào của các thiết bị mua Điện trở ra lớn (miền thắt) Mạch hạn dòng Mạch dao động Điện dung ghép hồi tiếp nhỏ Khuếch đại cao tần không có trung hòa Tạp âm nhỏ Khuếch đại điện áp nhỏ, đặc biệt đồi với nguồn tín hiệu có trở kháng trong lớn Đặc tuyến truyền đạt bậc hai Tầng trộn tần (giảm hài bậc cao) Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 12 Chƣơng II: MẠCH PHÂN CỰC VÀ KHUẾCH ÐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG BJT 2.1. Phân cực cố định Mạch cơ bản nhƣ hình 2.1 Ecc RB RC UCE UBE IB IC + + - Hình 2.1 Phƣơng pháp chung để phân tích mạch phân cực gồm ba bƣớc: - Bƣớc 1: Dùng mạch điện đầu vào để xác định dòng điện đầu vào (IB hoặc IE). - Bƣớc 2: Suy ra dòng điện đầu ra từ các quan hệ giữa các đại lƣợng IC = IB; IC = IE - Bƣớc 3: Dùng mạch điện đầu ra để tìm các thông số còn lại (điện áp tại các chân, giữa các chân của BJT...). Áp dụng vào mạch điện hình 2.1: - Mạch điện đầu vào của bộ khuếch đại ta có: Ecc = RB.IB + UBE B BEcc B R UE I   (2.1) Với UBE = 0,7 V nếu BJT là Si và UBE = 0,3 V nếu BJT là Ge Từ đó suy ra: IC = IB - Xét mạch điện đầu ra của bộ khuếch đại ta có; Ecc = IC.RC + UCE hay UCE = Ecc – RC.IC (2.2) Biểu thức (2.2) chính là phƣơng trình đƣờng tải tĩnh của bộ khuếch đại Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 13 * Sự làm việc bão hòa của BJT Sự liên hệ giữa các dòng điện IC và IB sẽ quyết định BJT có hoạt động trong vùng tuyến tính hay không. Ðể BJT hoạt động thì tiếp ráp B-C (Jc) phải phân cực ngƣợc. Ở BJT npn và cụ thể ở hình 2.1 ta phải có: UC > UB = UBE ít nhất là vài vol. Mà UC = Ecc – Rc.IC = UCE > UBE = 0,7 V Từ đó suy ra: )3.2( 7,0 C CC C R VE I   Nếu C CC C R VE I 7,0  thì BJT sẽ đi dần vào hoạt động trong vùng bão hòa. Từ điều kiện này và liên hệ IC = IB ta tìm đƣợc trị số tối đa của IB, từ đó chọn RB sao cho thích hợp. Nếu IC  C CC R E hay UCE  0 (thực ra chỉ khoảng 0,2 V) thì UC < UB, tiếp ráp B-C phân cực thuận, BJT hoàn toàn nằm trong vùng bão hòa và dòng điện: C CC C R E I  gọi là dòng điện colectơ bão hòa ICbh )4.2( C CC Cbh R E I  2.2. Phân cực ổn định bằng cực Emitter Mạch cơ bản giống mạch phân cực cố định, nhƣng ở cực emitter đƣợc mắc thêm một điện trở RE xuống mass. Cách tính phân cực cũng có các bƣớc giống nhƣ ở mạch phân cực cố định. Xem hình 2.2 Ecc RB RC UCE UBEIB IC Hình 2.2 REIE Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 14 - Ở mạch điện đầu vào ta có: Ecc = RB.IB + UBE + RE.IE Thay IE = (1+).IB   )5.2( β1 - EB BECC B RR UE I   Từ biểu thức 2.5 suy ra dòng điện IC từ liên hệ: IC = IB - Ở mạch điện đầu ra ta có: ECC = RC.IC + UCE + RE.IE Trong đó IE = IB + IC  IC   )6.2(CECccCE IRREU  * Sự bão hòa của BJT Tƣơng tự nhƣ trong mạch phân cực cố định, bằng cách cho nối tắt giữa cực collector và cực emitter ta tìm đƣợc dòng điện cực collector bão hòa ICbh )7.2( EB CC Cbh RR E I   Ta thấy khi thêm RE vào, ICbh nhỏ hơn trong trƣờng hợp phân cực cố định, tức BJT dễ bão hòa hơn. 2.3. Phân cực bằng cầu chia điện áp Mạch cơ bản có dạng hình 2.3. Dùng định lý Thevenin biến đổi thành mạch hình 2.3b UCE +Ecc R1 RC UCE UBEIB IC Hình 2.3 REIE R2 +Ecc RCIC IE RE RBB UBB + - IB  Trong đó:  9.2. )8.2( . // 21 2 21 21 21 RR R EU RR RR RRR CCBB BB     - Ở mạch điện đầu vào (mạch B-E) ta có: Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 15 UBB = RBBIB + UBE + REIE Thay: IE = (1+)IB Suy ra: )10.2( )1( EBB BEBB B RR UU I    Từ đó suy ra IC từ liên hệ: IC = IB - Ở mạch điện đầu ra (mạch C-E) ta có: UCE = ECC - ICRC - REIE Vì IC  IE nên: UCE = ECC - (RC + RE) IC (2.11) Ngoài ra: UC = ECC - RCIC UB = UBB - RB.IB UE = RE.IE  RE.IC * Sự bão hòa của BJT: Tƣơng tự nhƣ trƣớc ta có: ICbh = EBB cc RR E  Cách phân tích gần đúng: Trong cách phân cực này, trong một số điều kiện, ta có thể dùng phƣơng pháp tính gần đúng. Ðể ý là điện trở đầu vào của BJT nhìn từ phía cực bazơ B khi có RE là: IE = (1+)IBRE UBB + - IB  B (1+)IB IB  Ri = (1+)RE + - Ecc IB I2 I1 (a) (b) (c) Hình 2.4 R2 R1 Ta thấy, nếu xem nội trở của nguồn UBE không đáng kể so với (1+)RE thì Ri=(1+)RE. Nếu Ri>>R2 thì dòng IB << I2 nên I1  I2, nghĩa là R2//Ri  R2. Do đó điện áp tại chân B có thể đƣợc tính một cách gần đúng: 21 2. RR R EU ccB   Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 16 Vì Ri = (1+)RE  RE nên thƣờng trong thực tế ngƣời ta có thể chấp nhận cách tính gần đúng này khi RE  10R2. Khi xác định xong UB, UE có thể tính bằng: BEBE UUU  Và C E E E I R U I  CECccCE IRREU )(  Trong cách tính phân cực này, ta thấy không có sự hiện diện của hệ số . Ðiểm làm việc tĩnh Q đƣợc xác định bởi IC và UCE hoàn toàn độc lập với . Ðây là một ƣu điểm của mạch phân cực với điện trở cực emitơ RE vì hệ số  rất nhạy đối với nhiệt độ mặc dù khi có RE độ khuếch đại của BJT có suy giảm. Vì vậy, điện trở RE còn gọi là điện trở hồi tiếp và ổn định nhiệt cho bộ khuếch đại. 2.4. Phân cực bằng hồi tiếp điện áp Ðây cũng là cách phân cực cải thiện độ ổn định cho hoạt động của BJT (hình 2.5) - Xét mạch điện đầu vào của bộ khuếch đại. Ecc = RC.I + RB.IB + UBE + RE.IE Với I = IC + IB = IE  IC = IB )12.2( ))(1( - ECB BECC B RRR UE I    - Xét mạch điện đầu ra của bộ khuếch đại. Chú ý IC = IB UCE = Ecc – (RC + RE)IC (2.13) Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 17 IE RE IB Hình 2.5 RC RB + Ecc IC I 2.5. Một số dạng mạch phân cực khác Mạch phân cực bằng cầu chia điện áp và hồi tiếp điện áp rất thông dụng. Ngoài ra tùy trƣờng hợp ngƣời ta còn có thể phân cực BJT theo các dạng sau đây thông qua các bài tập áp dụng. 1. Xác định UC, UB của mạch hình 2.6 2. Xác định UCE, IE của mạch hình 2.7 3. Xác định UC, UB, UE của mạch hình 2.8 2.6. Thiết kế mạch phân cực Khi thiết kế mạch phân cực, ngƣời ta thƣờng dùng các định luật căn bản về mạch điện nhƣ định luật Ohm, định luật Kirchoff, định lý Thevenin..., để từ các thông số đã biết tìm ra các thông số chƣa biết của mạch điện. Sau đây là một vài thí dụ mô tả công việc thiết kế. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 18 2.6.1. Thí dụ 1: Cho mạch phân cực với đặc tuyến đầu ra của BJT nhƣ hình 2.9. Xác định ECC, RC, RB. Phƣơng trình đƣờng tải tĩnh: UCE = ECC - RCIC ta suy ra ECC = 20 V  kRmA R E I C C CC Cbh 5,28 Ngoài ra:       kR A R VV R UE I B BB BECC B 5,482 40 7,020  Ðể có các điện trở tiêu chuẩn ta chọn: RB = 470 k; RC = 2,4 k. 2.6.2. Thí dụ 2: Thiết kế mạch phân cực có dạng hình 2.10 với IC = 2 mA, UCE = 10 V. Điện trở RC và RE không thể tính trực tiếp từ các thông số đã biết. Việc đƣa điện trở RE vào mạch là để ổn định điều kiện phân cực. RE không thể có trị số quá lớn vì sẽ làm giảm UCE (làm giảm độ khuếch đại của transistor). Nhƣng nếu RE quá nhỏ thì độ ổn định của bộ khuếch đại sẽ kém. Bằng thực nghiệm ngƣời ta thƣờng chọn UE bằng khoảng 1/10 giá trị nguồn cung cấp ECC. IB RC RB + Ecc IC Si Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 19 IB Hình 2.10 RCRB + Ecc = 20V IC RE CE IE   150           M I UUE R mA I I k I UUE R k I U I U R VEU B EBECC B C B C ECECC C C E E E E CCE 3,1 10.33,13 4 1 2 10 1 3  Chọn: RB=1,2 M 2.6.3. Thiết kế mạch phân cực có dạng nhƣ hình 2.11 +Ecc = 20V R1 RC UCE = 10V UBEIB IC Hình 2.11 REIE R2 CE IC = 2mA min=80 Ta có: VUUU k mA V I UUE R k I U RVVU EBEB C ECECC C C E ECCE 7,2 4 2 8 12. 10 1      Ðiện trở R1, R2 không thể tính trực tiếp từ điện áp cực bazơ và điện áp nguồn cung cấp. Ðể mạch hoạt động tốt, ta phải chọn R1, R2 sao cho có điện áp UB mong muốn và sao cho dòng điện qua R1, R2 gần nhƣ bằng nhau và rất lớn đối với dòng điện base IB. Lúc đó  kRR E 8 10 1 2  Ta có thể chọn: VE RR R UkR CCB 7,2;8,6 21 2 2    Suy ra: R1  43,57 k Có thể chọn; R1 = 39 k hoặc 47 k Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 20 2.7. BJT hoạt động nhƣ một chuyển mạch. BJT không những chỉ đƣợc sử dụng trong các mạch điện tử thông thƣờng nhƣ khuếch đại tín hiệu, dao động... mà còn có thể đƣợc dùng nhƣ một chuyển mạch điện tử (Switch). Hình 2.12 là mô hình căn bản của một mạch đảo (inverter). IB Hình 2.12 RC = 820 RB = 68K Ecc= +5V IC   125 uv uc t t10 uv 5V t t10 uc 5V t2 t2 0V0V 0V Ta thấy điện áp đầu ra của UC là đảo pha đối với điện áp tín hiệu đƣa vào cực base của BJT (đầu vào). Lƣu ý là ở đây không có điện áp 1 chiều phân cực cho cực base mà chỉ có điện áp 1 chiều đƣa vào cực collector của BJT. Mạch đảo pha phải đƣợc thiết kế sao cho điểm làm việc tĩnh Q di chuyển từ trạng thái không dẫn (không hoạt động) sang trạng thái bão hòa và ngƣợc lại khi điện áp tác động của tín hiệu đầu vào thay đổi trạng thái (thay đổi cực tính). Ðiều này có nghĩa là IC = 0CE I  0 mA (đây chính là dòng điện ngƣợc collector do các hạt dẫn thiểu số chuyển động bên trong BJT), khi IB = 0 mA và UCE = UCEbh = 0 V khi IC = ICbh (thật ra UCEbh thay đổi khoảng từ 0,1 V đến 0,3 V). - Ở hình 2.12, Khi Ui = 5 V, BJT dẫn và phải thiết kế sao cho BJT dẫn bão hòa. Dòng điện ICbh đƣợc định nghĩa: C CC Cbh R E I  Giá trị của dòng điện IB để BJT hoạt động trong vùng bão hòa có thể đƣợc tính gần đúng:  Cbh B I I  min . Điều kiện để BJT bão hào là: IB>  CbhI Trên mạch 2.12, khi uv = 5 V thì trị số của IB là: A R Uu I B BEv B 63   Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 21 Và: mA R E I C CC Cbh 1,6 Thử điều kiện trên ta thấy: A I AI CbhB    8,4863  Nên thỏa mãn để BJT hoạt động trong vùng bão hòa. - Khi Uv = 0 V, IB = 0 A, BJT không dẫn và IC = ICEO  0 mA; điện áp giảm qua RC lúc này là 0 V, do đó: UC = VCC - RCIC = 5 V - Khi BJT bão hòa, điện trở tƣơng đƣơng giữa 2 cực C-E là:  0 1,6 0 mA V I U R Cbh CEbh CE ICbh UCEbh + -  C E RCE Hình 2.13 Nếu coi UCEbh có trị trung bình khoảng 0,15V ta có:  6,24 mA6,1 V0,15 CER Nhƣ vậy ta có thể coi RCE  0  khi nó đƣợc mắc nối tiếp với điện trở hàng k. - Khi Uv = 0 V, BJT ngƣng, điện trở tƣơng đƣơng giữa 2 cực C-E đƣợc ký hiệu là Rcut-off  00 CE CC CE CE offcut I E U U R Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 22 ICE0 UCE  ECC + -  C E R   Hình 2.14 Kết qủa là giữa hai cực C và E tƣơng đƣơng với mạch điện bị hở mạch Thí dụ: Xác định RC và RB của mạch điện hình 2.15 nếu ICsat= ICbh = 10 mA IB Hình 2.15 RC RB Ecc= +10V IC   250 uv uc t t10 uv 10V t t10 uc 10V t2 t2 0V0V 0V Khi bão hòa: kΩ1 mA10   Cbh CC C C CC C I E R R E I và μA40 DC Cbh B I I  Ta chọn IB = 60A để đảm bảo BJT hoạt động trong vùng bão hòa MΩ0,155 V0,7      B v B B BEv B I U R R UU I Chọn IB = 150 k (Giá trị tiêu chuẩn), vậy μA4062 150       CbhBEvB I A k UU I Vậy ta thiết kế: RC = 1 k RB = 150 k Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 23 Trong thực tế, BJT không thể chuyển tức thời từ trạng thái ngƣng sang trạng thái dẫn hay ngƣợc lại mà phải mất một thời gian. Ðiều này là do tác dụng của điện dung ở 2 tiếp ráp của BJT. Ta xem hoạt động của BJT trong một chu kỳ của tín hiệu (hình 2.16) - Khi chuyển từ trạng thái không dẫn sang trạng thái dẫn, BJT phải mất một thời gian là: ton = td + tr (2.14) td: Thời gian từ khi có tín hiệu vào đến khi dòng điện IC tăng đƣợc 10% giá trị cực đại tr: Thời gian để dòng điện IC tăng từ 10% đến 90% giá trị cực đại. - Khi chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái không dẫn, BJT phải mất một thời gian là: toff = ts+tf (2.15) ts: Thời gian từ khi mất tín hiệu vào đến khi dòng điện IC còn 90% so với trị cực đại tf: Thời gian từ khi dòng điện IC là 90% đến khi giảm còn 10% trị cực đại. Thông thƣờng toff > ton Thí dụ ở 1 BJT bình thƣờng: ts = 120 ns ; tr = 13 ns tf = 132 ns ; td = 25 ns Vậy: ton = 38 ns ; toff = 132 ns Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 24 So sánh với 1 BJT đặc biệt có chuyển mạch nhanh nhƣ BSV 52L ta thấy: ton = 12 ns; toff = 18 ns. Các BJT này đƣợc gọi là transistor chuyển mạch (switching transistor) 2.8. Tính khuếch đại của BJT Xem mạch điện hình 2.17 +Ecc R1 RC UCE UBEIB IC Hình 2.17 REIE R2 CE Uv Ur C1 C2 Giả sử ta đƣa một tín hiệu xoay chiều có dạng sin, biên độ nhỏ vào chân B của BJT nhƣ hình vẽ. Ðiện áp ở chân B ngoài thành phần phân cực UB còn có thành phần xoay chiều của tín hiệu uv(t) chồng lên. uB(t) = UB + ui(t) Các tụ C1 và C2 ở đầu vào và đầu ra đƣợc chọn nhƣ thế nào để có thể xem nhƣ nối tắt - dung kháng rất nhỏ - ở tần số của tín hiệu. Nhƣ vậy tác dụng của các tụ ghép nối tầng C1, C2 là cho thành phần xoay chiều của tín hiệu đi qua và ngăn thành phần phân cực một chiều. 0 0 t t uv(t) Hình 2.18: 0 t 0 t uB(t) uC(t) uD(t) Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 25 Khi uB(t) > UB là nửa chu kỳ dƣơng của tín hiệu vào, làm điện áp UBE tăng và dòng điện IB tăng theo. Do IC = IB nên dòng điện IC cũng tăng. Do vậy điện áp tại cực collector uc(t) = ECC - RC.ic(t) giảm hơn trị số của điện áp tĩnh UC. - Khi uB(t) < UB là nửa chu kỳ âm của tín hiệu vào, dòng điện IB giảm kéo theo dòng IC giảm và uC(t) tăng. Nhƣ vậy ở mạch trên ta có thể thấy điện áp uc(t) biến thiên ngƣợc chiều (ngƣợc pha) với điện áp vào uB(t). Hay điện áp tại đầu ra ur(t) biến thiên ngƣợc pha với điện áp vào uv(t). Ngƣời ta xác định đƣợc tỷ số )( )( tu tu A v r U  gọi là hệ số khuếch đại điện áp. Chìa khóa để phân tích và xác định các thông số của mạch là dựa vào sơ đồ tƣơng đƣơng xoay chiều của mạch. Xét về thành phần tín hiệu xoay chiều thì các tụ điện C1, C2, CE coi nhƣ nối tắt. Hình 2.19 là sơ đồ đƣơng xoay chiều của mạch hình 2.17. Chú ý là nguồn điện áp một chiều cũng coi nhƣ nối tắt vì khi xét về thành phần xoay chiều thì vai trò giữa âm nguồn và dƣơng nguồn là nhƣ nhau. Ngƣời ta định nghĩa các thông số chính của mạch là: - Hệ số khuếch đại điện áp: v u u u A r - Hệ số khuếch đại dòng điện: v i i i A r - Tổng trở đầu vào: v v i u Z v - Tổng trở đầu ra: r r i u Z r là tổng trở nhìn từ đầu ra khi nối tắt đầu vào (uv = 0) Hình 2.19 R1 R2 RC+ - + - Zv uv ur Zr ir iv Về BJT, ngƣời ta thƣờng dùng mạch tƣơng đƣơng kiểu mẫu re hay mạch tƣơng đƣơng theo thông số h. Hình 2.20 mô tả 2 loại mạch tƣơng đƣơng này ở 2 dạng đơn giản và đầy đủ Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 26 * Dạng đơn giản * Dạng đầy đủ Hình 2.20 Các liên hệ cần chú ý: 1 ; ; 2626       fb ibefe iee CE e h hrh hr I mV I mV r Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 27 Ngoài ra: bemb mb c c be b be e ugi gi i i u i u r . 1   Do đó nguồn phụ thuộc ib có thể thay thế bằng nguồn gm.vbe 2.9. Mạch khuếch đại cực Emitter chung (EC). 2.9.1. Mạch khuếch đại cực EC với kiểu phân cực cố định và ổn định cực emitơ. Mạch cơ bản nhƣ hình 2.21 và mạch tƣơng đƣơng xoay chiều nhƣ hình 2.22 iv Hình 2.22 RCRB + Ecc ir REIE  C2 urC1 uv B C RB RC RE re ib ir + - Zv uv iv Zb + - ur Zr ib Zv Zr E Hình 2.21 Trị số  do nhà sản xuất cho biết Trị số re đƣợc tính từ mạch phân cực: C e I r mV26  Từ mạch tƣơng đƣơng ta tìm đƣợc các thông số của mạch. * Hệ số khuếch đại điện áp: v r u u u A  Ta có: Cbr Riu .. bEbev iRiru .)1(..   Suy ra: )16.2( )1( Ee C v r u Rr R u u A     Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 28 Do  >> 1 nên: )17.2( Ee C u Rr R A   Nếu RE >> re )18.2( E C u R R A  Dấu (-) cho thấy ur và uv ngƣợc pha nhau. * Tổng trở vào: v v v i u Z  Ta đặt: EEe b bEbe b v b RRr i iRir i u Z      )( .).1(.. Suy ra: )19.2(// bBv ZRZ  * Hệ số khuếch đại dòng điện: v r i i i A  C v v r i v v v C r r R Z u u A Z u i R u i .;  Hay: )30.2(. C v ui R Z AA  * Tổng trở ra: r r r i u Z  Ðể tính tổng trở ra của mạch, đầu tiên ta nối tắt đầu vào (uv = 0); áp một nguồn giả tƣởng có trị số uo vào phía đầu ra nhƣ hình 2.23, xong lập tỉ số r r r Z i u  ERB RC RE re ib ir + - ur ib ~ Hình 2.23 uv=0 B C Khi uv = 0  ib = 0  ib = 0 (tƣơng đƣơng mạch hở) nên Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 29 )31.2(C r r r R i u Z  Chú ý: Trong mạch cơ bản hình 2.21 nếu ta mắc thêm tụ phân dòng CE (nhƣ hình 2.24) hoặc nối thẳng chân E xuống mass (nhƣ hình 2.25) thì trong mạch tƣơng đƣơng xoay chiều sẽ không còn sự hiện diện của điện trở RE (hình 2.26) RCRB + Ecc RE C2 urC1 uv RCRB + Ecc C2 urC1 uv Hình 2.24 Hình 2.25 CE + - uv E R2 RC re ib ir + - ur ib Hình 2.26 R1 Zv Zr B iv C Phân tích mạch ta sẽ tìm đƣợc: )35.2(. )34.2( )33.2(// i )32.2( u v v v r C v ui Cr eBv e C U R Z AA RZ rR u Z r Ru A      Thật ra các kết quả trên có thể suy ra từ các kết quả hình 2.22 khi cho RE = 0 Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 30 2.9.2. Mạch khuếch đại EC với kiểu phân cực bằng cầu chia điện áp và ổn định cực emitter Ðây là dạng mạch rất thông dụng do có độ ổn định tốt. Mạch cơ bản nhƣ hình 2.27 và mạch tƣơng đƣơng xoay chiều nhƣ hình 2.28. +Ecc R1 RC UCE UBEIB IC Hình 2.27 REIE R2 uv ur C1 C2 Hình 2.28  B C ER2 RC RE re ib ir + - Zv uv Zb + - ur Zr ib R1 iv So sánh hình 2.28 với hình 2.22 ta thấy hoàn toàn giống nhau nếu thay RB = R1//R2 nên ta có thể suy ra các kết quả: )36.2( E C Ee C u R R Rr R A    bv ZRRZ //// 21 vì )37.2()( EEeb RRrZ   )39.2(. )38.2( C v ui Cr R Z AA RZ   Chú ý: Trong mạch điện hình 2.27, nếu ta mắc thêm tụ phân dòng CE ở cực emitter E (hình 2.29) hoặc nối thẳng cực emitter E xuống mass (hình 2.30) thì trong mạch tƣơng đƣơng cũng không còn sự hiện diện của RE. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 31 CE +Ecc R1 RC Hình 2.29 RER2 uv ur C1 C2 +Ecc R1 RC R2 ur C1 C2 uv Hình 2.30 Các kết quả trên vẫn đúng khi ta cho RE = 0 )40.2( E C u R R A  )41.2(//// 21 ev rRRZ  )43.2(. )42.2( C v ui Cr R Z AA RZ   2.9.3. Mạch khuếch đại EC phân cực bằng hồi tiếp điện áp và ổn định cực emitter E Mạch tổng quát xem hình 2.31 và mạch tƣơng đƣơng xoay chiều đƣợc vẽ trong hình 2.32 RC RB + Ecc RE C2 ur C1 uv Hình 2.31 + - uv E RE RC re ib ir + - ur i’ Hình 2.32 Zv Zr Biv C ib RB Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 32 * Hệ số khuếch đại điện áp: v r u u u A  Ta có: ir = ib + i’  ib (Do RB thƣờng có giá trị rất lớn)  ur = -RCir = -RCib Mà: uv = reib + (1+)REib  ( re + RE)ib Suy ra: )44.2( E C Ee C v r u R R Rr R u u A    * Tổng trở vào: v v v i u Z  Ta có: uv = (re + RE)ib Với: B vr vvb R uu iiii   ' B vEe B rEe vEev R uRr R uRr iRru )()( )(       Thay ur = Auuv vào ta đƣợc: )1( )( 1 )( )1( )( 1)1( )( )( )()( )( u B Ee Ee v v v u B Ee vvu B Ee vvEe B vEe vu B Ee vEev A R Rr Rr i u Z A R Rr uuA R Rr uiRr R uRr uA R Rr iRru                           Nếu RE >> re thì )1(1 u B E E v A R R R Z     Do Au < 0  1 - Au = 1 + |A|  |Au| )45.2( uEB BE v ARR RR Z     Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 33 * Hệ số khuếch đại dòng điện: )46.2(: ;; C v ui C v v r v v C r v r i v v v C r r v r i R Z AAHay R Z u u u Z R u i i A Z u i R u i i i A   * Tổng trở đầu ra khi thực hiện nối tắt đầu vào (uv = 0)  ib = 0 và ib = 0  Zr = RC//RB (2.47) Chú ý: Cũng giống nhƣ phần trƣớc, ở mạch hình 2.31, nếu ta mắc thêm tụ phân dòng CE vào cực E của BJT hoặc mắc thẳng cực E xuống mass thì các thông số của mạch đƣợc suy ra khi cho RE = 0 C v uiBCr u B e e u B e e v e C u R Z AARRZ A R r r A R r r Z r R A      // 1)1(1     2.10. Mạch khuếch đại cực Col lector chung (CC) Dạng mạch căn bản nhƣ hình 2.33 và mạch tƣơng đƣơng xoay chiều vẽ ở hình 2.34 RE RB + Ecc C2 ur C1 uv Hình 2.33 + - uv E RE re ib ir + - ur ib Hình 2.34 Zv Zr Biv C RB Zb Nhƣ kết quả đƣợc thấy ở phần sau, điểm đặc biệt của mạch này là hệ số khuếch đại điện áp nhỏ hơn và gần bằng 1, tín hiệu vào và ra cùng pha (đồng pha), tổng trở vào rất lớn và tổng trở ra lại rất nhỏ nên tác dụng gần nhƣ biến áp. Vì các lý do trên, mạch CC thƣờng đƣợc dùng làm mạch đệm (Buffer) giúp cho việc truyền tín hiệu đạt hiệu suất cao nhất. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 34 * Tổng trở vào Zv. Đặt ).( .).1(.. Ee b bEbe b v b Rr i iRir i u Z      )48.2(.//).(// EBEeB v v v RRRrR i u Z   * Hệ số khuếch đại điện áp: )49.2(1 .).1(.. .).1(       Ee E bEbe bE v r u Rr R iRir iR u u A   * Tổng trở ra Zr Nối tắt đầu vào (uv = 0), áp một điện áp ur ở đầu ra uv = 0 E RE re ib ir ib Hình 2.35 Zv Biv C RB Zb + - ~ ur Zr Ta có: b E r bb E r r i R u ii R u i )1(   Với: r eE r eE r r e r b u rR u rR u i r u i ) 11 ( 1       )50.2(// 111 Eer eEr r r RrZ rRu i Z  )51.2(. C v u v v C r v r i R Z A Z u R u i i A    Chú ý: - Mạch khuếch đại CC cũng có thể đƣợc phân cực bằng cầu chia điện áp nhƣ hình 2.36. Các công thức trên thì việc phân tích mạch trên vẫn đúng, chỉ cần thay RB = R1//R2 Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 35 - Mạch cũng có thể đƣợc mắc thêm một điện trở RC nhƣ hình 2.37. Các công thức trên vẫn đúng khi thay RB = R1//R2. Tổng trở vào Zv và tổng trở ra Zr không thay đổi vì RC không làm ảnh hƣởng đến cực B và cực E. RC đƣa vào chỉ làm ảnh hƣởng đến việc xác định điểm làm việc tĩnh của mạch. 2.11. Mạch khuếch đại cực Base chung (BC). Dạng mạch thông dụng và mạch tƣơng đƣơng xoay chiều đƣợc thể hiện trên hình 2.38 uv = 0 C RC ie ir ie Hình 2.38 Zv Eiv B RE ur ZrCE Zv RB CB C2C1 RE uv ur RC +Ecc iv  Phân tích mạch tƣơng đƣơng ta tìm đƣợc: )55.2(1 )54.2( )53.2( )52.2(//       C e e C C v i v v C r v r i e C e C ee Ce v r u Cr eeEv R r r R R Z A Z u R u i i A r R r R ir Ri u u A RZ rrRZ  Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 36 Chƣơng III: MẠCH PHÂN CỰC VÀ KHUẾCH ÐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG FET 3.1. Phân cực JFET và MOSFET điều khiển theo kiểu nghèo động tử Vì khi điều khiển theo kiểu nghèo động tử, 2 loại FET này đều hoạt động ở điện áp cực máng D dƣơng so với cực nguồn S và điện áp cực cửa G âm hơn so với cực nguồn S (thí dụ ở kênh n), nên có cùng cách phân cực. Ðể tiện việc phân tích, ở đây ta khảo sát trên JFET kênh n. Việc DE-MOSFET điều khiển theo kiểu giầu động tử (điện áp cực cửa G dƣơng so với điện áp cực nguồn S) sẽ đƣợc phân tích ở phần sau của chƣơng này. 3.1.1. Phân cực cố định Dạng mạch nhƣ hình 3.1 Ta có: IG = 0; VGS = - RGIG - VGG  RG.IG = 0  VGS = -VGG (3.1) Thay VGS vào phƣơng trình Schockley 2 )( 1        offV V II GS GS DSSD ta xác định đƣợc dòng điện ID. Ðƣờng thẳng VGS = -VGG đƣợc gọi là đƣờng phân cực. Ta cũng có thể xác định đƣợc ID từ đặc tuyến truyền đạt. Ðiểm làm việc tĩnh Q chính là giao điểm của họ đặc tuyến đầu ra với đƣờng tải tĩnh. Từ mạch điện đầu ra ta có: VDS = VDD - RDID (3.2) Ðây là phƣơng trình đƣờng tải tĩnh. Ngoài ra: VS = 0 Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 37 VD = VDS = VDD - RDID VG = VGS = -VGG 3.1.2. Phân cực bằng phƣơng pháp tự phân cực Ðây là dạng phân cực thông dụng nhất cho JFET. Trong kiểu phân cực này ta chỉ dùng một nguồn điện một chiều VDD và có thêm một điện trở RS mắc ở cực nguồn nhƣ hình 3.3 Vì IG = 0 nên VG = 0 và ID = IS  VGS = VG - VS = -RSID (3.3) Ðây là phƣơng trình đƣờng tải. Trong trƣờng hợp này VGS là một hàm số của dòng điện cực máng ID và không cố định nhƣ trong mạch phân cực cố định. - Thay VGS vào phƣơng trình schockley ta tìm đƣợc dòng điện cực máng ID nhƣ sau: - Dòng ID cũng có thể đƣợc xác định bằng điểm làm việc tĩnh Q. Ðó là giao điểm của đƣờng tải với đặc tuyến ra truyền đạt. Mạch điện đầu ra ta có: VDS = VDD - RDID - RSIS = VDD - (RD + RS)ID (3.5) Ðây là phƣơng trình đƣờng đƣờng tải. Ngoài ra: VS = RSID ; VG = 0; VD = VDD - RDID Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 38 3.1.3. Phân cực bằng cầu chia điện áp Dạng mạch nhƣ hình 3.5 Ta có: VGS = VG - VS Do IG = 0 nên )6.3( 21 2 RR R VV DDG   VS = RSIS = RSID  VGS = VG - RSID (3.7) Ðây là phƣơng trình đƣờng tải. Do JFET điều khiển theo kiểu nghèo động tử nên phải chọn R1, R2 và RS sao cho VGS< 0. Hay. DSSDDG IRV RR R VV    21 2. IDQ và VGSQ chính là tọa độ giao điểm của đƣờng tải và họ đặc tuyến truyền đạt. Ta thấy khi RS tăng, đƣờng tải sẽ giảm độ dốc (nằm ngang hơn), tức VGS âm hơn và dòng ID nhỏ hơn. Từ điểm làm việc Q, ta xác định đƣợc VGSQ và IDQ. Mặt khác: VDS = VDD - (RD + RS)ID (3.8) VD = VDD - RDID (3.9) VS = RSID (3.10) 3.2. MOSFET điều khiển theo kiểu giầu động tử Ta xét ở D-MOSFET kênh n Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 39 Ðể điều khiển theo kiểu giầu động tử, ta phải phân cực sao cho VGS >0 nên ID >IDSS, do đó ta phải chú ý đến dòng điện cực máng cực đại IDmax mà DE-MOSFET có thể chịu đựng đƣợc. 3.2.1. Phân cực bằng cầu chia điện áp Ðây là dạng mạch phân cực thông dụng nhất. Nên chú ý là do điều khiển theo kiểu giầu động tử nên không thể dùng cách phân cực tự phân cực. Các điện trở R1, R2, RS phải đƣợc chọn sao cho VG>VS tức VGS >0. Thí dụ ta xem mạch phân cực hình 3.7. - Ðặc tuyến truyền đạt đƣợc xác định bởi: IDSS = 6 mA VGS(off) = -3 V - Ðƣờng tải đƣợc xác định bởi phƣơng trình: VGS = VG - RSID Vậy VGS(off) = 1,5 V - (ID mA)(0,15 k) Từ đồ thị hình 3.8 ta suy ra: IDQ = 7,6 mA VGSQ = 0,35 V VDS = VDD - (RS+RD)ID = 3,18 V Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 40 3.2.2. Phân cực bằng hồi tiếp điện áp Mạch cơ bản hình 3.9 - Ðặc tuyến truyền đạt giống nhƣ trên. - Ðƣờng tải đƣợc xác định bởi phƣơng trình: VGS = VDS = VDD - RDID (3.11) Vẽ hai đặc tuyến này ta có thể xác định đƣợc IDQ và VGSQ 3.3. Mạch phân cực E-MOSFET Do E-MOSFET chỉ phân cực theo kiểu giầu động tử (VGS >0 ở kênh n và VGS <0 ở kênh p), nên ngƣời ta thƣờng dùng mạch phân cực bằng cầu chia điện áp hoặc hồi tiếp điện áp. Ở E-MOSFET kênh n khi VGS còn nhỏ hơn VGS(th) thì dòng điện cực máng ID = 0, khi VGS >VGS(th) thì ID đƣợc xác định bởi: 2 )( ][k thGSGSD VVI  Hệ số k đƣợc xác định từ các thông số của nhà sản xuất. Thƣờng nhà sản xuất cho biết VGS(th) và một dòng ID(on) tƣơng ứng với một điện áp VGS(on). Suy ra: Ðể xác định và vẽ đặc tuyến truyền đạt ngƣời ta xác định thêm 2 điểm: một điểm ứng với VGS VGS(on) Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 41 3.3.1. Phân cực bằng hồi tiếp điện áp Vì IG = 0 nên VD = VG và VGS = VDS VGS = VDS = VDD - RDID (3.13) Phƣơng trình 3.13 chính là phƣơng trình đƣờng tải. Giao điểm của đƣờng tải và đặc tuyến truyền đạt là điểm làm việc tĩnh Q. 3.3.2. Phân cực bằng cầu chia điện áp Mạch này thông dụng hơn và có dạng nhƣ hình 3.13 Từ mạch cửa G nguồn S ta có: VG = VGS - RSID  VGS = VG - RSID (3.14) Ðây là phƣơng trình đƣờng phân cực. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 42 Do điều khiển theo kiểu giầu động tử nên ta phải chọn R1, R2, RS sao cho: VGS >VS = RSID tức VGS >0 Giao điểm của đặc tuyến truyền đạt và đƣờng tải tĩnh là điểm làm việc tĩnh Q. Từ đồ thị ta suy ra IDQ và VGSQ và từ đó ta có thể tìm đƣợc VDS, VD, VS ... 3.4. Mạch kết hợp BJT và FET Ðể ổn định điểm làm việc tĩnh điều khiển cho FET, ngƣời ta có thể dùng mạch phân cực kết hợp với BJT. BJT ở đây đóng vai trò nhƣ một nguồn dòng điện. Mạch phân cực cho BJT thƣờng dùng là mạch cầu chia điện áp hay ổn định cực emitter. Thí dụ ta xác định VD và VC của mạch hình 3.15. Ðể ý là: RE = 288 k >10R2 = 240 k nên ta có thể áp dụng phƣơng pháp tính gần đúng: Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 43 Ta có thể giải phƣơng trình trên để tìm VGS. Ðơn giản hơn ta dùng phƣơng pháp đồ thị. Cách vẽ đặc tuyến truyền đạt nhƣ ở phần trƣớc. Từ đồ thị ta suy ra: VGS = -3,7 V. Từ đó: VC = VB - VGS = 7,32 V Ngƣời ta cũng có thể dùng FET nhƣ một nguồn dòng điện để ổn định phân cực cho BJT nhƣ ở hình 3.17. Sinh viên thử phân tích để xác định VC, VD của mạch. 3.5. Thiết kế mạch phân cực dùng FET Công việc thiết kế mạch phân cực dùng FET thật ra không chỉ giới hạn ở các điều kiện phân cực. Tùy theo nhu cầu, một số các điều kiện khác cũng phải đƣợc để ý tới , nhất là việc ổn định điểm làm việc tĩnh. Từ các thông số của linh kiện và dạng mạch phân cực đƣợc lựa chọn, dùng các định luật Kirchoff, định luật Ohm... và phƣơng trình Schockley hoặc đặc tuyến truyền đạt, đƣờng tải tĩnh... để xác định các thông số chƣa biết. Tổng quát trong thực hành, để thiết kế một mạch phân cực dùng FET, ngƣời ta thƣờng chọn điểm làm việc nằm trong vùng hoạt động tuyến tính. Trị số tốt nhất thƣờng Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 44 đƣợc chọn là 2 DSS D I I  hoặc 2 )(offGS GS V V  . Ngoài ra, VDS cũng không đƣợc vƣợt quá trị số tối đa mà FET có thể chịu đựng đƣợc. Thí dụ: Trong mạch điện hình 3.18a, chọn ID = 2,5 mA, VD = 12 V. Dùng FET có IDSS = 6 mA, VGS(off) = -3 V. Xác định RD và RS. Từ đặc tuyến truyền đạt  Khi ID = 2,5 mA thì VGS = -1 V. Vậy: VGS = -RSID với RS = -VGS/ID = 0,4 k (chọn RS = 390 ) 3.6. Tính khuếch đại của FET và mạch tƣơng đƣơng xoay chiều tín hiệu nhỏ Ngƣời ta cũng có thể dùng FET để khuếch đại tín hiệu nhỏ nhƣ ở BJT. JFET và DE-MOSFET khi điều khiển theo kiểu nghèo động tử có dạng mạch giống nhau. Ðiểm khác nhau chủ yếu ở JFET và DE-MOSFET là tổng trở vào của DE-MOSFET lớn hơn nhiều (sinh viên xem lại giáo trình linh kiện điện tử). Trong lúc đó ở BJT, sự thay đổi dòng điện đầu ra (dòng điện collector IC) đƣợc điều khiển bằng dòng điện đầu vào (dòng điện base IB), thì ở FET, sự thay đổi dòng điện đầu ra (dòng cực máng ID) đƣợc điều khiển bằng một điện áp nhỏ ở đầu vào (hiệu điện áp cực cửa nguồn VGS). Ở BJT ta có hệ số khuếch đại dòng điện tĩnh  thì ở FET có độ truyền dẫn gm. Với tín hiệu nhỏ, mạch tƣơng đƣơng xoay chiều của FET nhƣ hình 3.19(a), trong đó r là tổng trở vào của FET. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 45 Ở JFET, r khoảng hàng chục đến hàng trăm M, trong lúc ở MOSFET thƣờng ở hàng trăm đến hàng ngàn M. Do đó, thực tế ngƣời ta có thể bỏ r trong mạch tƣơng đƣơng (hình 3.19b). rd là tổng trở ra của FET, đƣợc định nghĩa: GSV D DS d I V r    tức tùy thuộc vào điểm làm việc, rd có thể thay đổi từ vài chục K đến vài chục M. rd và gm thƣờng đƣợc nhà sản xuất cho biết dƣới dạng rd = 1/yos; gm= yfs ở một điểm làm việc nào đó. Nếu trong mạch thiết kế, RD (điện trở nối từ cực thoát lên nguồn) không lớn lắm (vài k), ta có thể bỏ rd trong mạch tƣơng đƣơng (hình 3.19(c)). 3.7. Mạch khuếch đại dùng JFET hoặc DE-MOSFET điều khiển theo kiểu nghèo động tử 3.7.1. Mạch cực nguồn chung Có thể dùng mạch phân cực cố định (hình 3.20), mạch phân cực tự động (hình 3.21) hoặc mạch phân cực bằng cầu chia điện áp (hình 3.22). Mạch tƣơng đƣơng xoay chiều vẽ ở hình 3.23. Trong đó Ri = RG ở hình 3.20 và 3.21; Ri = R1//R2 ở hình 3.22. Phân tích mạch ta tìm đƣợc: Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 46 - Tổng trở ra: Z0 = rd //RD (3.17) 3.7.2. Mạch cực nguồn chung với điện trở cực nguồn RS. Giả sử ta xem mạch hình 3.24 với mạch tƣơng đƣơng hình 3.25. 3.7.3. Mạch khuếch đại cực nguồn chung (SC) Ngƣời ta có thể dùng mạch phân cực tự động hoặc phân cực bằng cầu chia điện áp nhƣ hình 3.26 và hình 3.27 Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 47 Mạch tƣơng đƣơng xoay chiều đƣợc vẽ ở hình 3.28. Trong đó: Ri = RG trong hình 3.26 và Ri = R1//R2 trong hình 3.27. - Hệ số khuếch đại điện áp: Ta có: v0 = (gmvgs)(RS //rd) Vgs = vi - v0 - Tổng trở vào Zi = Ri (3.20) - Tổng trở ra: Ta thấy RS song song với rd và song song với nguồn dòng điện gmvgs. Nếu ta thay thế nguồn dòng điện này bằng một nguồn điện áp nối tiếp với điện trở 1/gm và đặt nguồn điện áp này bằng 0 trong cách tính Z0, ta tìm đƣợc tổng trở ra của mạch: Z0 = RS //rd // 1/gm (3.21) 3.7.4 . Mạch khuếch đại cực cửa chung (GC) Mạch căn bản và mạch tƣơng đƣơng xoay chiều nhƣ hình 3.29a và 3.29b. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 48 3.8. Mạch khuếch đại dùng E-MOSFET Do E-MOSFET chỉ điều khiển theo kiểu giầu động tử, nên thƣờng đƣợc phân cực bằng cầu chia điện áp hoặc hồi tiếp điện áp. Thí dụ: Ta xem mạch hình 3.30a có mạch tƣơng đƣơng xoay chiều hình 3.30b. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 49 Thông thƣờng gmRG >>1 nên AV = -gm(RG //rd //RD) Nhƣng RG thƣờng rất lớn nên AV  -gm(rd //RD) (3.25) - Xác định giá trị của gm: gm thƣờng đƣợc nhà sản xuất cho biết ở một số điều kiện phân cực đặc biệt, hay có thể đƣợc tính từ điểm làm việc tĩnh. Hoặc gm có thể đƣợc tính một cách gần đúng từ công thức: gm = 2k[VGS - VGS(th)] với k có trị số trung bình khoảng 0.3 mA/V. - Tổng trở vào: - Tổng trở ra: Z0 = RD //rd //RG (3.27) Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 50 3.9. Thiết kế mạch khuếch đại dùng FET. Vấn đề thiết kế mạch khuếch đại dùng FET ở đây giới hạn ở chỗ tìm các điều kiện phân cực, các trị số của linh kiện thụ động để có đƣợc các hệ số khuếch đại mong muốn. Thí dụ: Thiết kế mạch khuếch đại phân cực tự động dùng JFET nhƣ hình 3.31 sao cho hệ số khuếch đại điện áp bằng 10. RG nên chọn khá lớn để không làm giảm tổng trở vào của mạch. Thí dụ ta có thể chọn RG = 10 M. Bài tập cuối chƣơng. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 51 Chƣơng IV: ÐÁP ỨNG TẦN SỐ CỦA BJT VÀ FET Trong các chƣơng trƣớc ta đã phân tích các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT và FET. Việc phân tích đó chỉ đúng trong một dải tần số nhất định, ở đó ta giả sử các tụ liên lạc đầu vào, đầu ra và phân dòng có dung kháng không đáng kể và đƣợc xem nhƣ nối tắt ở tần số của tín hiệu. Ngoài ra ở dải tần số đó ảnh hƣởng của các điện dung ký sinh bên trong BJT và FET không đáng kể. Dải tần số này thƣờng đƣợc gọi là dải tần sển trung bình. Trong chƣơng này chúng ta sẽ khảo sát ảnh hƣởng của các tụ điện ghép, phân dòng (có điện dung lớn) ở tần số thấp và các tụ ký sinh (có điện dung nhỏ) ở tần số cao lên các thông số của mạch khuếch đại. Trƣớc khi đi vào chi tiết, ta cần biết qua một số khái niệm cần thiết nhƣ là một công cụ khảo sát. 4.1. Decibel (đề xi ben) Ta xem mạch tƣơng đƣơng 2 cực hình 4.1 Công suất đầu vào đƣợc định nghĩa: P i = vi.ii Công suất đầu ra đƣợc định nghĩa: P0 = v0.i0 Tỷ số iv iii P AA i i V V P P A .. 000  gọi là hệ số khuếch đại công suất của mạch Trong kỹ thuật ngƣời ta thƣờng đƣa ra một đơn vị là decibel (dB) để diễn tả độ lợi công suất. Ðơn vị căn bản ban đầu là Bel và đƣợc định nghĩa: Hình 4.1 Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 52 4.2. Mạch lọc thông cao Dạng mạch căn bản nhƣ hình 4.2 Tụ C đƣợc xem nhƣ nối tắt (short-circuit), kết quả là: v0  vi - Ở khoảng giữa 2 tần số này, hệ số khuếch đại điện áp AV = v0/vi thay đổi nhƣ hình 4.3. Khi tần số tăng, dung kháng của tụ C giảm và tín hiệu ở đầu ra v0 lớn dần. Ðiện áp đầu vào và đầu ra liên hệ với nhau bằng công thức: (4.1) (4.2) (4.3) (4.4) Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 53 Tại AV = 1 v0 = vi (trị tối đa) AV(dB)=20Log1= 0 dB Vậy tần số cắt là tần số tại đó độ lợi giảm đi 2 1 lần hay giảm đi 3 dB. Nếu phƣơng trình hệ số khuếch đại đƣợc viết dƣới dạng số phức: Khi f << fi, phƣơng trình trên có thể viết gần đúng: (4.5) Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 54 Với công thức gần đúng này ta thấy: Mạch lọc nêu trên có độ lợi giảm đi 20 dB khi tần số giảm đi 10 lần hay độ lợi giảm 6 dB khi tần số giảm phân nửa đƣợc gọi là mạch lọc 6dB/octave hay 20 dB/decade Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 55 4.3. Mạch lọc thông thấp RC Dạng mạch căn bản nhƣ hình 5.6. Ở khoảng giữa 2 tần số này, hệ số khuếch đại điện áp thay đổi nhƣ hình 5.7. Khi tần số tăng dần, dung kháng của tụ C càng giảm và v0 càng giảm. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 56 Tƣơng tự nhƣ mạch lọc thông thấp, khi f >> fi thì AV(dB) = -20log(f/fi) và độ dốc của giản đồ cũng là 20dB/decade. 4.4. Đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đại dùng BJT Trong đoạn này, ta phân tích mạch khuếch đại dùng cầu chia điện áp, nhƣng kết quả cũng có thể đƣợc áp dụng cho các mạch khác. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 57 Tại tần số cắt fLS, điện áp tín hiệu vi bằng 70.7 % so với giá trị đƣợc xác định bởi phƣơng trình (5.11) và nhƣ vậy ta thấy CS chỉ có ảnh hƣởng lên hệ số khuếch đại của mạch ở tần số thấp. Ở mạch khuếch đại nhƣ hình (5.8), khi phân tích ảnh hƣởng của CS; ta giả sử CE và CC có dung kháng khá lớn và xem nhƣ nối tắt ở tần số của tín hiệu. Với giả sử này, mạch tƣơng đƣơng xoay chiều ở đầu vào nhƣ hình 5.10. CC: Vì CC đƣợc nối giữa đầu ra của BJT và tải nên hình ảnh CC và RL, R0 nhƣ một mạch lọc thông cao. Tần số cắt do ảnh hƣởng của CC có thể đƣợc xác định bởi: Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 58 Giả sử rằng ảnh hƣởng của CS và CE không đáng kể, điện áp đầu ra sẽ giảm còn 70.7% so với v0 ở tần số giữa tại fLC. Mạch tƣơng đƣơng xoay chiều ở đầu ra nhƣ hình 5.12. Vậy R0 = RC //r0. CE: Ta có thể xem CE nhìn hệ thống nhƣ hình vẽ 5.13 Ðể xác định ảnh hƣởng của CE lên độ khuếch đại của mạch, ta xem mạch hình 5.16, trong đó độ khuếch đại đƣợc cho bởi: khi không có CE. Khi ta mắc CE vào mạch, nhận thấy: - Ở tần số thật thấp, dung kháng của CE lớn, CE có thể xem nhƣ hở mạch và hệ số khuếch đại điện áp sẽ nhỏ nhất đƣợc tính bằng công thức (5.17). - Khi tần số tín hiệu tăng dần, dung kháng của CE giảm và vì mắc song song với RE nên tổng trở nhìn ở chân E giảm nên độ khuếch đại tăng dần. - Khi tần số đủ lớn (tần số trung bình hay tần số cao) tụ CE xem nhƣ nối tắt và hệ số khuếch đại điện áp sẽ cực đại và . - Tại tần số fLE, hệ số khuếch đại điện áp sẽ giảm 3 dB so với tần số giữa. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 59 Nhƣ vậy ta thấy rằng đáp ứng ở tần số thấp của mạch là do ảnh hƣởng của CS, CC, CE. Tần số cắt thấp (tần số tại đó độ lợi giảm 3 dB) của mạch sẽ là tần số cắt thấp cao nhất của fLS, fLC và fLE. 4.5. Đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đại dùng FET Việc phân tích một mạch khuếch đại dùng FET ở tần số thấp cũng tƣơng tự nhƣ mạch khuếch đại dùng BJT ở đoạn trƣớc. Ba tụ điện tạo ảnh hƣởng đến độ lợi ở tần số thấp là CG, CC và CS. Ta xem một mạch khuếch đại dùng FET nhƣ hình 5.17. CG: Do tụ CG nối giữa nguồn tín hiệu và hệ thống linh kiện nên mạch tƣơng đƣơng nhƣ hình 5.18. Tần số cắt thấp do ảnh hƣởng của CG đƣợc xác định bởi: CC: Tụ liên lạc đầu ra CC đƣợc nối giữa linh kiện và tải nên mạch tƣơng đƣơng đầu ra nhƣ hình 5.19. Tần số thấp do ảnh hƣởng của CC đƣợc xác định bởi: Trong đó: R0 = RD //rd. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 60 CS: Tụ cực nguồn CS nhìn hệ thống nhƣ hình 5.20. Do đó tần số thấp do hiệu ứng của CS đƣợc xác định bởi: Ðể xác định Req, ta chú ý mạch tƣơng đƣơng ngõ ra của mạch dùng FET bên trên nhƣ sau: Ta chú ý là: vgs = vg - vS = vi - v0. Ta thay nguồn dòng gmvgs bằng nguồn điện áp và để tính Req ta cho đầu vào bằng 0 tức vi = 0. Mạch vẽ lại nhƣ hình 5.12b. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 61 4.6. Hiệu ứng Miller Ở vùng tần số cao, các điện dung lớn (tụ ghép nối, tụ phân dòng), đƣợc xem nhƣ nối tắt và không ảnh hƣởng đến các thông số của mạch. Ðiện dung ảnh hƣởng quan trọng đến hoạt động của mạch là các điện dung liên cực bên trong linh kiện và điện dung tạo bởi dây nối bên ngoài linh kiện. Xem một mạch khuếch đại đảo (dịch pha 180 0 giữa đầu vào và đầu ra). Ðiện dung ở đầu vào và đầu ra sẽ gia tăng bởi tác dụng của điện dung liên cực giữa đầu ra và đầu vào của linh kiện và nó sẽ làm thay đổi độ khuếch đại của mạch. Trong mô hình 5.22, điện dung “hồi tiếp” này đƣợc định nghĩa là Cf. Áp dụng định luật Kirchoff về dòng điện ta có: ii=i1+i2 Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 62 Từ phƣơng trình này ta vẽ lại mạch tƣơng đƣơng nhƣ hình 5.23. Các tụ liên cực ở đầu vào của mạch điện đƣợc xem nhƣ mắc song song với CM. Tổng quát, điện dung đầu vào hiệu ứng Miller đƣợc định nghĩa bởi: CMi = (1-AV)Cf (5.23) Nhƣ vậy ở tần số cao, hệ số khuếch đại điện áp AV là một hàm số theo CMi. Vì hệ số khuếch đại ở tần số trung bình là cực đại nên ta có thể dùng hệ số khuếch đại cực đại này để xác định CMi trong công thức (5.23). Hiệu ứng Miller cũng làm gia tăng điện dung ở đầu ra, chúng phải đƣợc để ý đến khi xác định tần số ngắt cao. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 63 4.7. Đáp ứng tần số cao của mạch khuếch đại dùng BJT Ở vùng tần số cao, có 2 vấn đề xác định điểm -3 dB: điện dung của hệ thống (ký sinh và liên cực) và sự phụ thuộc vào tần số của hfe hay . 4.7.1. Các thông số của hệ thống Ta xem mạch khuếch đại dùng BJT ở tần số cao nhƣ hình 5.25 Cbe, Cbc, Cce là các tụ liên cực của BJT do chế tạo. Cwi, Cw0 là các tụ ký sinh do hệ thống dây nối, mạch in ở đầu vào và đầu ra của BJT. Nhƣ vậy, mạch tƣơng đƣơng xoay chiều ở tần số cao có thể đƣợc vẽ lại nhƣ hình 5.26. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 64 Trong đó: Ci = Cwi + Cbe + CMi C0 = Cw0 + Cce + CM0 Chú ý sự vắng mặt của CS, CC, CE vì ở vùng tần số cao các tụ này xem nhƣ nối tắt. Thông thƣờng Cbe và Cce nhỏ nhất. Trong các sách tra cứu, nhà sản xuất thƣờng chỉ cho biết Cbe, Cbc mà bỏ qua Cce. Dùng định lý Thevenin biến đổi mạch ngõ vào và ngõ ra, ta đƣợc: Với: Rth1 = RS //R1 //R2 //Ri Tần số giảm 3dB do tác dụng của Ci là: Trong đó: Ci = Cwi + Cbe + CMi Ci= Cwi + Cbe + (1-AV)Cbc Ở tần số rất cao, ảnh hƣởng của Ci là làm giảm tổng trở vào của hệ thống, giảm biên độ tín hiệu đƣa vào hệ thống (giảm dòng ib) và do đó làm giảm độ lợi của mạch. Ở ngõ ra với: Rth2 = Rc //RL //r0 Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 65 Ở tần số rất cao, dung kháng của C0 giảm nên làm giảm tổng trở ra của hệ thống và kết quả là v0 bị giảm và v0 sẽ tiến dần về 0 khi XC0 càng nhỏ. Tần số cắt cao của mạch đƣợc xác định là tần số cắt thấp trong 2 tần số cắt fHi và fH0. Ngoài ra vì hfe (hay ) cũng giảm khi tần số tăng nên cũng phải đƣợc xem là một yếu tố để xác định tần số cắt cao của mạch ngoài fHi và fH0. 4.7.2. Sự biến thiên của hfe hay () theo tần số Ta chấp nhận sự biến thiên của hfe (hay ) theo tần số bằng hệ thức: ngƣời ta thƣờng dùng mạch tƣơng đƣơng của BJT theo thông số hỗn tạp  (lai ) ở tần số cao. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 66 Nếu sách tra cứu cho f thì ta có thể suy ra f từ công thức liên hệ: f = f(1-) Tích số độ lợi-băng tần đƣợc định nghĩa cho BJT bởi điều kiện: fT  hfe(mid).f (5.30) Chú ý là f  BW = băng tần; nên fT chính là tích độ lợi băng tần. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 67 4.8. Đáp ứng tần số cao của mạch khuếch đại dùng FET Việc phân tích một mạch khuếch đại dùng FET ở tần số cao cũng tƣơng tự nhƣ ở BJT. Với FET cũng có các điện dung liên cực Cgs, Cds, Cgd và tụ ký sinh đầu vào Cwi, đầu ra Cw0. Cgs và Cgd khoảng từ 1 pF đến 10 pF trong lúc Cds nhỏ hơn nhiều (từ 0,1 pF đến 1 pF). Ta xem mạch khuếch đại dùng FET nhƣ hình 5.32. Mạch tƣơng đƣơng xoay chiều nhƣ hình 5.33. Trong đó: Ci = CWi + CgS + CMi Với CMi = (1-AV)Cgd Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 68 Ðể xác định tần số cắt do ảnh hƣởng của Ci và C0 ta dùng mạch tƣơng đƣơng Thevenin ở đầu vào và đầu ra. Tần số cắt cao của mạch là tần số cắt có trị nhỏ của fHi và fH0. Bài tập cuối chƣơng. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 69 Chƣơng V: HỒI TIẾP Trong chƣơng này, chúng ta sẽ tìm hiểu về mạch khuếch đại có hồi tiếp âm và khảo sát ảnh hƣởng của loại hồi tiếp này lên các thông số cũng nhƣ tính chất của mạch khuếch đại. 5.1. Các định nghĩa cơ bản Hồi tiếp là quá trình ghép một phần tín hiệu ở đầu ra (điện áp hoặc dòng điện) của mạng 4 cực tích cực quay trở về đầu vào thông qua một mạng 4 cực khác gọi là mạch hồi tiếp. Sơ đồ của bộ khuếch đại có hồi tiếp đƣợc thể hiện trên hình 3.1 K+ Kht XrXhXv Xht Hình 5.1 Trong đó: K: là hệ số KĐ; Kht: hệ số hồi tiếp; Xv: tín hiệu vào; Xh: tín hiệu hiệu; Xr: tín hiệu ra; Xht: tín hiệu hồi tiếp Trong kỹ thuật mạch tƣơng tự, hồi tiếp đóng một vai trò hết sức quan trọng. Ngoài việc cải thiện các tính chất của bộ khuếch đại nhƣ: làm cho bộ khuếch đại ổn định không bị hoạt động tự kích (không thể trở thành một bộ dao động), mở rộng dải tần làm việc cho bộ khuếch đại và còn làm cho bộ khuếch đại có một số tính chất đặc biệt khác. Tín hiệu hồi tiếp thƣờng phân biệt hai loại cơ bản: hồi tiếp âm và hồi tiếp dƣơng. Trong đó tín hiệu hồi tiếp âm ngƣợc pha với tín hiệu vào nên làm yếu tín hiệu vào, còn tín hiệu hồi tiếp dƣơng cùng pha với tín hiệu vào nên làm mạnh tín hiệu vào nó có thể làm bộ khuếch đại mất ổn định. Ngoài ra còn cần phân biệt hồi tiếp một chiều và hồi tiếp xoay chiều. Trong đó hồi tiếp âm một chiều đƣợc dùng để làm ổn định chế độ công tác, còn hồi tiếp âm xoay chiều đƣợc dùng để ổn định các tham số của bộ khuếch đại. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 70 Mạch điện của bộ khuếch đại có hồi tiếp đƣợc phân làm 4 loại cơ bản. a/ Hồi tiếp nối tiếp - điện áp hình 5.2(a): tín hiệu hồi tiếp đƣa về đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu ban đầu và tỷ lệ với điện áp đầu ra. b/ Hồi tiếp song song - điện áp hình 5.2(b): tín hiệu hồi tiếp đƣa về đầu vào song song với nguồn tín hiệu ban đầu và tỷ lệ với điện áp đầu ra. c/ Hồi tiếp nối tiếp - dòng điện hình 5.2(c): tín hiệu hồi tiếp về đậu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu ban đầu và tỷ lệ với dòng điện đầu ra. d/ Hồi tiếp song song - dòng điện hình 5.2(d): tín hiệu hồi tiếp đƣa về đầu vào song song với nguồn tín hiệu ban đầu và tỷ lệ với dòng điện đầu ra. Trong các sơ đồ trên hình 5.2 thì: K là hàm truyền đạt của mạng 4 cực khuếch đại; Kht là hàm truyền đạt của mạng 4 cực có hồi tiếp. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 71 K Kht K Kht K Kht K Kht U1 U2 U1 U2 U1 U2 U1 U2 I2k I2I1 I1k U1k U1ht U2k U2ht I2htI1ht I2k I2I1 I1k U1k U1ht U2k U2ht I2htI1ht I2k I2I1 I1k U1k U1ht U2k U2ht I2htI1ht I2k I2I1 I1k U1k U1ht U2k U2ht I2htI1ht Hình 5.2: Các loại mạch hồi tiếp a) b) c) d) Hồi tiếp nối tiếp - điện áp Hồi tiếp song song - điện áp Hồi tiếp nối tiếp - dòng điện Hồi tiếp song song - dòng điện Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 72 5.2 Các phƣơng trình cơ bản của mạng bốn cực có hồi tiếp Tất cả các loại mạch hồi tiếp kể trên đều có thể quy về sơ đồ tổng quát của một mạch điều khiển nhƣ trên hình 5.3. Kn K Kht + Xv Xh Xht Xr Xn + - K’ Hình 5.3: Sơ đồ khối toàn phần của bộ khuếch đại có hồi tiếp Giả thiết các khối đều là các hệ tuyến tính và tín hiệu chỉ chạy theo chiều mũi tên. Từ sơ đồ khối ta rút ra đƣợc các mối quan hệ sau. Xr = K.Xh ; Xv = Kn.Xn ; Xh = Xv - Xht ; Xht = Kht.Xr Tổng hợp các phƣơng trình này cho ta phƣơng trình cơ bản của mạng 4 cực có hồi tiếp. )1.5( K.K1 K X X K' htv r   )2.5(K'.K X X K n n r tp  Trong đó K’ là hàm truyền đạt (hệ số khuếch đại) của mạng 4 cực (M4C) có hồi tiếp. Ktp là hàm truyền đạt (hệ số khuếch đại) toàn phần của nó. Kn Là hàm truyền đạt (hệ số khuếch đại) của khâu ghép giữa nguồ tín hiệu Xn và bộ khuếch đại. Gọi Kv = K.Kht gọi là hệ số khuếch đại vòng và g = 1 + K.Kht = 1 + Kv là độ sâu hồi tiếp. Các tham số Kv và g dùng để đánh giá mức độ thay đổi các tham số của bộ khuếch đại do hồi tiếp âm gây ra và đánh giá mức độ ổn định của bộ khuếch đại đó. - Khi 1K.K 1 ht  thì theo biểu thức (5.1) ta có KK'  tƣơng ứng với mạch hòi tiếp âm. - Khi 1K.K 1 ht  thì theo biểu thức (5.1) ta có KK'  tƣơng ứng với mạch hồi tiếp dƣơng. Đặc biệt khi 1K.KK htv  theo biểu thức 5.1 ta có )3.5( 1 ' htv r KX X K  Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 73 )4.5( ht n n r tp K K X X K  Kết luận: Một hệ thống khép kín có hệ số khuếch đại vòng rất lớn thì hàm truyền đạt của chúng hầu như không phụ thuộc vào các tính chất của M4C khuếch đại mà chỉ phụ thuộc vào tính chất của M4C có hồi tiếp. Sự thay đổi các tham số của phần tử tích cực và độ tạp tán của nó không ảnh hưởng đến các tính chất của bộ khuếch đại có hồi tiếp. Vì vậy, muốn xây dựng bộ khuếch đại chính xác thì phải dùng các linh kiện (chủ yếu là điện trở) chính xác trong khâu hồi tiếp. 5.3. Phƣơng pháp phân tích bộ khuếch đại có hồi tiếp. Để phân tích các mạch có hồi tiếp nhƣ tính hệ số khuếch đại, điện trở vào, điện trở ra, dải tần làm việc có thể dùng một số phƣơng pháp khác nhau. Trong đó có các phƣơng pháp hay dùng là: - Lý thuyết M4C - Các định luật kiếckhốp - Phƣơng pháp phân tích khối trong kỹ thuật điều khiển. Trong thực tế ngƣời ta thƣờng dùng phƣơng pháp phân tích khối trong kỹ thuật điều khiển, vì nguyên tắc này nhanh chóng nhận ra đƣợc nguyên tắc làm việc của mạch và dễ dàng chuyển cấu trúc của mạch điện có hồi tiếp về dạng cấu trúc chuẩn. Từ đó xác định và đánh giá các đại lƣợng của mạch. Trên cơ sở lý thuyết đó ngƣời ta có thể xây dựng đƣợc lƣu đồ tính toán các mạch khuếch đại có hồi tiếp (bảng 5.1). Phƣơng trình thứ nhất cho phép xác định đƣợc hàm truyền đạt K = Xr/Xh. Áp dụng nguyên lý xếp chồng, có thể thấy Xh gồm hai thành phần Xn và Xr. Xét riêng từng thành phần này sẽ xác định đƣợc Kv và Kht. Từ đó vẽ cấu trúc chuẩn và xác định các đại lƣợng mong muốn. Thí dụ: Tính mạch emitơ chung hồi tiếp âm dòng điện trên hình 5.4 (xem trang 30-31 tài liệu Kỹ thuật mạch điện tử-Phạm Minh Hà). Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 74 5.4. Ảnh hƣởng của hồi tiếp âm đến các tính chất của bộ khuếch đại . 5.4.1. Ảnh hƣởng của hồi tiếp âm đến độ ổn định của hệ số khuếch đại . Hệ số KĐ cần phải chính xác, có độ ổn định cao. Nguyên nhân làm hệ số KĐ mất ổn định là do thay đổi của nhiệt độ, thay đổi của điện áp nguồn, do độ tạp tán của transistor, bộ KĐ phải làm việc trong một thời gian dài. Start Xác định Xr Hồi tiếp điện áp: Xr = Ur Hồi tiếp dòng điện: Xr = Ir Chọn Xn, Xv, Xh - Nếu hồi tiếp là nối tiếp Xn: là điện áp không tải của nguồn tín hiệu. Biểu diễn nguồn tín hiệu bằng sơ đồ tƣơng đƣơng điện áp. Xv, Xn: chọn là điện áp - Nếu hồi tiếp là song song Xn: là dòng điện ngắn mạch của nguồn tín hiệu. Biểu diễn nguồn tín hiệu bằng sơ đồ tƣơng đƣơng dòng điện. Xv, Xn: chọn là dòng điện Xây dựng hệ phƣơng trình Xr = f1(Xh) Xh = f2(Xn, Xr) – áp dụng nguyên lý xếp chồng Vẽ sơ đồ tín hiệu theo cấu trúc chuẩn hình 5.3 Xác định K, Kht, Kv, g = 1+ K.Kht từ các biểu thức đã biết; tính Xác định tiếp các thông số cần thiết khác END Bảng 2.1 Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 75 a/ Ảnh hƣởng đến sai số của hệ số khuếch đại. Từ biểu thúc 5.2 có chú ý tới biểu thức 5.1 ta có )5.5( .1 . ht n tp KK KK K   Lấy vi phân toàn phần biểu thức (5.5) ta đƣợc: )6.5(dK K K dK K K dK K K dK tp ht ht tp n n tp tp          Chuyển biểu thức (5.6) sang dạng gia số ta có: )7.5(. 1 1 . 1 K K KKK K KK KK K K K K htht ht ht ht n n tp tp          K K là sai số tƣơng đối của hệ số KĐ khi chƣa có hồi tiếp và khi có hồi tiếp thì sai số tƣơng đối của hệ số KĐ sẽ giảm đi g lần. Lúc này sai số tƣơng đối của Kn và Kht là không thay đổi khi có hay không có hồi tiếp. Vì thế để có đƣợc bộ KĐ có hệ số KĐ có độ chính xác cao thì yêu cầu các linh kiện trong mạch hồi tiếp và trong mạch ghép phải có độ chính xác cao. b/ Ảnh hƣởng đến độ ổn định của hệ số khuếch đại. Khi có hồi tiếp âm, đặc biệt khi giá trị của g lớn. Lúc đó: const KX X K htv r  1 ' . Với Xr và Xv có thể là điện áp hoặc dòng điện. Có 4 khả năng ổn định, tƣơng ứng với nó có 4 loại mạch hồi tiếp và 4 loại mạch KĐ. Loại mạch hồi tiếp Đại lƣợng đƣợc ổn định Loại mạch khuếch đại Nối tiếp - điện áp v r U U KĐ điện áp Nối tiếp - dòng điện v r U I Biến đổi điện áp thành dòng điện Song song - điện áp v r I U Biến đổi dòng điện thành điện áp Song song - dòng điện v r I I KĐ dòng điện Chú ý: Bộ KĐ nhiều tầng, khi thực hiện hồi tiếp âm người ta có thể thực hiện hồi tiếp từng tầng riêng rẽ gọi là hồi tiếp âm bao từng tầng và cũng có thể thực hiện hồi tiếp âm đối với cả bộ KĐ hoặc một số tầng của bộ KĐ gọi là hồi tiếp âm bao nhiều tầng. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 76 5.4.2. Ảnh hƣởng của hồi tiếp âm đến trở kháng vào, ra của bộ khuếch đại . 5.4.2.1. Ảnh hƣởng của hồi tiếp âm đến trở kháng vào của bộ khuếch đại Khi thực hiện hồi tiếp (HT) âm làm trở kháng vào của bộ KĐ thay đổi, mức độ thay đổi tùy thuộc vào việc mắc tín hiệu HT về đầu vào theo cách nào. Có hai cách mắc tín hiệu HT vào đầu vào là mắc nối tiếp hoặc mắc song song. Nếu là mắc nối tiếp thì ta dùng sơ đồi tƣơng đƣơng điện áp để tính toán, nếu là mắc nối tiếp ta dùng sơ đồ tƣơng đƣơng dòng điện để tính. a/ Hồi tiếp nối tiếp. - Khi chƣa có HT: Kht.Xr = 0 )8.5( ' rhth v h v v v rr I UU I U Z    Thƣờng thì rh >> rrht nên Zv  rh - Khi có HT: Kht.Xr  0 )9.5(.. ).1( ..'.' grrgr I U I KKU I UKKUU I XKUU I U Z hrhtht v v v hth v hhth v rhth v v v        Kết luận: Khi thực hiện ht âm nối tiếp thì trở kháng vào tăng g lần so với khi không có HT b/ Hồi tiếp song song: - Khi chƣa có HT: Kht.Xr = 0 )10.5( 11'1 rhthv h v v v v rrU II U I Z Y    Vì rrht>>rh nên Yv  hv hv rZ rZ  11 - Khi có HT: )11.5( 1' . ').1( ..'.'1 rhthvv h vv hth v hhth v rhth v v v v rr g U I g U I U I U KKI U IKKII U XKII U I Z Y        ~ hU vU rh rrht Kht.Xr Kht K 'U Iv Hình 5.4 vU rh rrht Kht.Xr Kht Kv I hI 'I Hình 5.5 Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 77 Kết luận: Khi có hồi tiếp âm song song thì trở kháng vào bị giảm g lần so sới khi không có hồi tiếp 5.4.2.2. Ảnh hƣởng của hồi tiếp âm đến trở kháng ra của bộ khuếch đại. Khi có HT âm thì trở kháng ra của bộ KĐ sẽ thay đổi, mức độ thay đổi tùy thuộc vào việc mắc mạch HT ở đầu ra Xr = Ur Xr = Ir ht dòng điệnht điện áp Hình 5.6 Chú ý: - Để tính trở kháng ra của bộ KĐ thì phải cho Xv = 0 +/ Nếu tín hiệu HT nối tiếp thì Xv = Uv = 0 +/ Nếu tín hiệu HT song song thì Xv = Iv = 0 - Gọi Kh là hệ số truyền đạt của bộ KĐ khi chƣa có HT nhƣng hở mạch tải. Kh Tải Xv Xh Ký hiệu Kng là hệ số truyền đạt của bộ KĐ khi chƣa có HT nhƣng ngắn mạch tải Kh Tải Xv Xh Khi có ht thì các hệ số truyền đạt tƣơng ứng là K’h và K’ng - Biểu thức tính trở kháng ra: )12.5( rng rh R I U Z  a/ Hồi tiếp điện áp: - Khi chƣa có HT ZR = rr // rrht vì rrht >> rr nên ZR = rr - Khi có HT: Kht K ~ rr Rt 2 2 Kh?.Xhi?u rrht Hình 5.7 Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 78 )13.5( Rngm Rhm R I U Z  Mà RhmU = K’h.Xh suy ra h hth ht Rhm X KK K U . .1  Và r hh Rngm r XK I .  )14.5( .1.1 g r Z KK r KK r I U Z rR ht r hth r Rngm Rhm R      Kết luận: khi có HT điện áp thì trở kháng ra giảm đi g lần b/ Hồi tiếp dòng điện. - Khi chƣa có HT: Zr = rr + rvht  rr vì rr >> rvht - Khi có HT: )15.5(. )..1( .. . .1 .' rR rhtng Rng Rhm R rhngRhm h htng ng hngRng rgZ rKK I U Z rXKU X KK K XKI      Kết luận: Khi cố hồi tiếp âm dòng điện thì trở kháng ra tăng g lần. 5.4.3. Ảnh hƣởng của hồi tiếp âm đến dải động và méo phi tuyến của bộ khuếch đại. Xét một bộ KĐ có hồi tiếp với cấu trúc nhƣ hình 5.8 - Khi chƣa có HT: tín hiệu đặt vào bộ KĐ (K) là: Xv = Xh. Tức là toàn bộ tín hiệu đƣợc đặt vào bộ khuếch đại. - Khi có HT thì tín hiệu đặt vào bộ KĐ là: Xh = Xv – Xht = Xv – Kht.Xr = Xv – K.Kht.Xh )16.5( .1 g X KK X X v ht v h    Rt rr Kht K Hình 5.8 2 2 rvht Kng.Xh IR Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 79 K Kht + Xv Xh Xht Xr+ - Hình 5.9: Khi có ht thì tín hiệu đặt vào bộ KĐ giảm đi g lần, hay nói cách khác dải động của bộ KĐ tăng lên g lần. Dải động của bộ KĐ là khoảng biến đổi của tín hiệu vào về mặt biên độ để đảm bảo cho bộ KĐ làm việc đúng chỉ tiêu, đúng yêu cầu. Khi dải động cuar bộ KĐ tăng thì méo tín hiệu sẽ giảm. Đây là hai ƣu điểm lớn nhất của HT âm, nó cho phép nâng cao độ nhạy và tính ttrung thực của bộ KĐ 5.4.4. Ảnh hƣởng của hồi tiếp âm đến tạp âm của bộ khuếch đại. Giả thiết tạp âm ngoài đƣa vào giữa hai tầng của một bộ khuếch đại khi chƣa có hồi tiếp âm theo sơ đồ hình 5.10 K2+ Xr K1 Xh1 Xtạp âm Hình 5.10: Sơ đồ bộ mạch khuếch đại hai tầng khi chƣa có hồi tiếp âm Theo sơ đồ hình 5.10 ta có Xr tạp âm = Xtạp âm.K2 Khi thực hiện hồi tiếp âm bao cả hai tầng tầng khuếch đại. Xem cấu trúc hình 5.11 Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 80 K2 Kht + Xth Xh2 Xht Xr Hình 5.11: Sơ đồ để xác định ảnh hƣởng của hồi tiếp âm đến tạp âm K1+ + Xr1Xh1 Xtạp âm + + - Theo hình 5.11 ta có các biểu thức sau: Xh1 = Xth – Xht = Xth – Kht.Xr Xr1 = K1.Xh1 Xh2 = Xr1 + Xtạp âm   )17.5(.).( 21 KXXKXKX TArhtthr  Chuyển vế ta đƣợc: )18.5(. ..1 . ..1 . 21 2 21 21 TA ht th ht r X KKK K X KKK KK X     Nhìn vào biểu thức 5.18 ta có thể thấy ngay: TA ht rTAth ht rth X KKK K XvàX KKK KK X . ..1 ;. ..1 . 21 2 21 21     Kết luận: - Khi thực hiện hồi tiếp âm thì tạp âm đầu ra giảm 1+K1K2Kkt lần. - Lấy TA th rTA rth X XK X X .1 là tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở đầu ra khi có hồi tiếp âm tăng K lần. - Kết luận trên chỉ đúng khi tạp âm tác động vào giữa tầng khuếch đại còn nếu tạp âm XTA tác động vào trước K1 thì kết luận trên không đúng. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 81 5.4.5. Ảnh hƣởng của hồi tiếp âm đến đặc tần số và tính động của bộ khuếch đại. 5.4.5.1. Đặc tính tần số và đặc tính động của bộ khuếch đại. */ Đặc tính tần số: Bất kỳ một bộ KĐ nào trong thực tế đều có thể đƣợc biểu diễn bằng sơ đồ tƣơng đƣơng sau. KU0 1U 2UVU RU C1 R’1 R’2 1 2 1 2 Cp Hình 5.12 Trong sơ đồ tƣơng đƣơng trên gồm hai phần: - Khâu 11-22 là bộ KĐ lý tƣởng. 0 1 2 2211 UK U U K  Không phụ thuộc vào tần số - (C1, R’1), (C2, Rp) là các thành phần tính đến do ảnh hƣởng vào ra của phần tử tích cực gồm Zv, Zr, Cv, Cr. Để tính toán một cách cụ thể ta hãy xét sơ đồ tƣơng đƣơng của một bộ KĐ. 1UV U RU C1 R’1 R2 Cp Hình 5.13 Rv ~ Rr 1. 0 UKU 1UVU RU C1 Cp Hình 5.14 R1 ~ Rp 1. 0 UKU Ta có: R1 = (R’1//Rv) Rp = (R2//Rr) Từ hình 5.6 ta tính đƣợc hệ số khuếch đại điện áp là: Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 82 )19.5(. 1 1 U U U U U U K R VV R U  - Theo hình 5.6 ta tính đƣợc KU1: )20.5( 11 11 11 1 1 11 1 CRj CRj Cj R R U U K V U        Bằng cách biến đổi lapplact ta đƣợc: d U pT p K   11 Trong đó Td = R1C1 = dd f 2 11  gọi là hằng số thời gian của mạch R1C1. - Tính KU2: Ta có: )21.5( 1 1 1 .. 1 1 1 2 pp Uop p p Uo R U CRj K U Cj R Cj UK U U K        Bằng cách biến đổi lapplact ta thu đƣợc: t Uo U Tp K K .12   Trong đó: Tt = Rp.Cp = tt f 2 11  gọi là hằng số thời gian của mạch RpCp. )22.5( )1)(1( . . 0 21 td dU UUU pTpT pTK KKK   Thay p = jω vào biểu thức ta có đặc tính biên độ tần số của bộ khuếch đại là: )23.5( )(1.)(1 . )( 22 0 td dU U TT TK K      Tƣơng tự ta có đặc tính pha tần số của bộ khuếch đại là: )24.5()()( 2 td TacrtgTacrtg     Từ các biểu thức của đặc tính biên độ tần số và đặc tính pha tần số ta có đồ thị sau: Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 83 |Ku|  f f /2 /2 0 0 fd ftfTB 2 tbK tbK Ktb a/ b/ Hình 5.15: a/ Đặc tính biên độ tần số của bộ khuếch đại b/ Đặc tính pha tần số của bộ khuếch đại Xét tại tần số ω = ωd (hay f = fd) ta có: ωd. fd = 1   22 1 11 TB Ud K K CR f    Xét tại tần số ω = ωt (hay f = ft) ta có: ωt. ft = 1   22 1 TB U pp t K K CR f    Nhận xét: - Tại các tần số fd và ft làm hàm truyền đạt giảm 2 lần so với giá trị trung bình và các tần số tương ứng đó gọi là các tần số giới hạn dưới và tần số giới hạn trên của bộ khuếch đại - Độ rộng dải tần làm việc của bộ khuếch đại được tính bởi biểu thức: B = f t – fd. - Đặc tính biên độ tần số  UK và pha tần số  phụ thuộc vào tần số vì do ảnh hưởng của các tụ C1 và Cp gây ra méo tín hiệu (trong trường hợp này gọi là méo tuyến tính), nguyên nhân là do độ khong đồng đều của đặc tuyến biên độ và đặc tuyến pha tần số gây ra. Méo dao đặc tuyến biên độ tần số gây ra gọi là méo tần số và được thể hiện thông qua hệ số méo tần số: K K M TB  , đơn vị M(dB) = 20lgM Méo do đặc tuyến pha tần số gây ra gọi là méo pha . Vì đặc tuyến biên độ và đặc tuyến pha có liên hệ chặt chẽ với nhau. Người ta chứng minh được nếu méo tần số thỏa mãn được yêu cầu thì méo pha cũng thỏa mãn. Nên khi xét méo tuyến tính thì chỉ cần xét méo tần số. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 84 * Đặc tính động. Đặc tính động của bộ khuếch đại thể hiện sự méo dạng xung khi đƣa vào đầu vào bộ khuếch đại một xung hình chữ nhật thì ở đầu ra không còn dạng xung chữ nhật do hiện tƣợng xung bị méo dạng. t 0 t 0 A ttr2ttr1 tx t1 t2 UV UR Hình 5.16: K0UV Đặc tính động thể hiện qua ba tham số: - Thời gia xác lập tx. - Độ sụt đỉnh xung A. - Thời gian trễ: Trễ sƣờn trƣớc: ttr1. Trễ sƣờn trƣớc: ttr2. Trong thực tế thì thời gian trễ rất nhỏ nên có thể bỏ qua đƣợc. Để xác định tx, A thì phải tính đƣợc hàm quá độ h(p) khi tác động đầu vào là xung 1(t) – xung đirắc. Ta có: )25.5( ).1).(.1( .)(1).( )( 0 td dUU TpTp TK p tpK ph   Dùng biến đổi lapplact ngƣợc ta có: )26.5( 1 ).( )( 0 d t T t T t U T T eeK th td     Do vậy ta tính đƣợc thời gian xác lập tx, với điều kiện Td >> Tt. Mặt khác khi xét quá trình xác lập phải xét trong thời gian ngắn (t << Tt), nên từ biểu thức. ta có: )27.5()1.()( 0 tT t U eKth   Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 85 Định nghĩa: - Thời gian xác lập tx là khoảng thời gian mà giá trị của hàm h(t) biến đổi từ mức 0,1KU0 đến 0,9 KU0. Theo hình 5.8; tx đƣợc tính theo biểu thức: tx = t2 – t1. Trong đó: tại thời điểm t = t1 hàm truyền đạt h(t) = 0,1KU0; tại thời điểm t = t2 hàm truyền đạt h(t) = 0,9KU0. Từ đó tính đƣợc tx = t2 – t1  2,2Tt  2,2.1/2ft  0,35/ft. Như vậy: thời gian xác lập là tỷ lệ nghịch với tần số giới hạn trên của bộ khuếch đại. - Để tính A: với điều kiện Tt >> Td và phải tính trong thời gian dài, tính trong hầu hết khoảng thời gian tồn tại của xung đầu ra Tt << t << Td. Khi đó: )28.5(.)( 0 dT t U eKth   )()( max ththA  ứng với t = τ (τ – là độ rộng xung đầu ra) )29.5(..2)1(1   d dd f TTA A   Như vậy: độ sụt đỉnh xung tỷ lệ thuận với thời gian dưới của bộ khuếch đại. Nếu bộ khuếch đại là bộ khuếch đại một chiều thì không có độ sụt đỉnh xung. 5.4.5.2. Ảnh hƣởng của hồi tiếp âm đến đặc tính tần số và động của bộ khuếch đại * Đặc tính tần số: Khi có hồi tiếp thì hàm truyền đạt của bộ khuếch đại có dạng: )30.5( ...)1).(.1( .. )1).(.1( ... 1 )1).(.1( .. .1 0 0 0 0 ' dUhttd dU td dUht td dU htU U U TpKKpTTp TpK pTTp TpKK pTTp TpK KK K K         Lần lƣợt xét biểu thức 5.30 ứng với từng trƣờng hợp: tần số thấp và tần số cao - Xét phạm vi tần số thấp (f << ft hay ωTt << 1). Bỏ qua pTt trong biểu thức 5.30 ta sẽ có biểu thức gần đúng: )31.5( .1 . .1 ... ).1(.1 ... ....1 .. ' '' ' 0 0 0 0 0 0 d dU d d U Uhtd d U dUhtd dU U Tp TK gTp gTp g K KKTp gTp g K TpKKTp TpK K         Với: - g K K U U 0 0 '  : gọi là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại lý tƣởng khi có hồi tiếp. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 86 - gTpT dd .. '  : là hằng số thời gian mới của mạch R1, C1. - g f f dd  ' : là tần số giới hạn dƣới khi có hồi tiếp âm. - 0 .1 Uht KKg  : là độ sâu hồi tiếp. Kết luận: Khi có hồi tiếp âm thì tần số giới hạn dưới của bộ khuếch đại giảm đi g lần. - Xét phạm vi tần số cao (f >> fd hay ωTd >> 1). Coi 1 + p.Td  p.Td. Từ biểu thức 5.30 ta có: )32.5( 1 1 ).1( .1...)1.(. .. ' ' ' 0 0 0 0 0 0 0 0 t U t U tUht U Uhtt U dUhttd dU U pT K g T p g K pTKK K KKpT K TpKKpTTp TpK K            Với: - tT ' : là hằng số thời gian mới của mạch. - gff tt . '  : là tần số giới hạn trên của mạch. Kết luận: Khi có hồi tiếp âm thì dải tần số của bộ khuếch đại tăng g lần. Tuy nh iên hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại giảm đi g lần. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 87 Log f )(dBKU Log f 0 0 + 900 - 900  UK DdB /20DdB /20 )1( 0Uht KK  ht U K K 1'  hthtU U KKK K 1 1 0 0   dfdf ' tf tf ' 0U K 0 ' UK Có hồi tiếp Không có hồi tiếp Hình 5.17: Đồ thị Bode (dạng gần đúng) của bộ khuếch đại không có hồi tiếp và có hồi tiếp ________: Không có hồi tiếp ; _ _ _ _ _: Có hồi tiếp 1f Từ đồ thị Bode hình 5.17 ta có: t t U U tt UU f f K K ff KK ' ' ' ' 1 loglog loglog    Giả thiết ft >> fd nên B ’ >> B. Trong đó: - B’: là dải tần của bộ khuếch đại có hồi tiếp (B’ = f’t – f ’ d) - B: là dải tần của bộ khuếch đại hông có hồi tiếp (B = f t – fd) )33.5(.. '' ' ' BKBK B B K K UU U U  Kết luận chung: Từ biểu thức 5.33 ta thấy tích giữa hệ số truyền đạt và dải tần là không đổi. Vì vậy muốn mở rộng dải tần thì phải chấp nhận giảm hệ số khuếch đại và ng ược lại. * Đặc tính động. - Thời gia xác lập tx tỷ lệ nghịch với tần số ft. - Độ sụt đỉnh xung A tỷ lệ thuận với tần số fd. Vì vậy khi có hồi tiếp âm thì tx và A giảm vì vậy chất lƣợng của bộ khuếch đại sẽ tốt hơn Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 88 Chú ý: chú ý tới tham số méo tín hiệu. Nếu khâu hồi tiếp là thuần trở thì méo tín hiệu không thay đổi, còn nếu khâu hồi tiếp phụ thuộc vào tần số thì khi tính toán thích hợp độ méo sẽ iamr xuống. Bài tập cuối chƣơng Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 89 Chƣơng VI: CÁC DẠNG LIÊN KẾT CỦA BJT VÀ FET Ở các chƣơng trƣớc, chúng ta đã khảo sát các mạch khuếch đại riêng lẻ dùng BJT và FET. Thực tế, một thiết bị điện tử luôn là sự nối kết của các mạch căn bản để đạt đến mục tiêu nào đó. Trong chƣơng này chúng ta sẽ khảo sát các dạng ghép nối thông dụng thƣờng gặp trong mạch điện tử. 6.1. Liên kết trực tiếp. Ðây là sự liên kết thông dụng nhất của các tầng khuếch đại, mục đích là tăng độ khuếch đại áp. Về căn bản, một liên kết liên tiếp là đầu ra của tầng này đƣợc đƣa vào đầu vào của tầng kế tiếp. Hình 6.1 mô tả một cách tổng quát dạng liên kết này với các hệ thống 2 cổng. Trong đó Av1, Av2, ... là độ khuếch đại điện áp của mỗi tầng khi có tải. Nghĩa là Av1 đƣợc xác định với tổng trở vào Zi2 nhƣ là tải của tầng Av1. Với Av2, Av1 đƣợc xem nhƣ là nguồn tín hiệu. Ðộ khuếch đại điện áp tổng cộng nhƣ vậy đƣợc xác định bởi: AvT = Av1. Av2 . .... . Avn (6.1) Ðộ khuếch đại dòng áp đƣợc xác định bởi: Tổng trở vào: Zi = Zi1 Tổng trở ra : Z0 = Z0n 6.1.1. Liên kết bằng tụ điện. Hình 6.2 mô tả một liên kết liên tiếp giữa hai tầng khuếch đại dùng JFET. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 90 - Tổng trở vào của tầng thứ 2: Zi2 = RG2 - Ðộ khuếch đại điện áp của toàn mạch: AvT = Av1.Av2 với Av1 = -gm1(RD1 //Zi2) = -gm1(RD1 //RG2) thƣờng RG2 >>RD1  Av1  -gm1RD1 (6.3) và Av2 = -gm2RD2 nên AvT = Av1.Av2 AvT = gm1gm2RD1RD2 (6.4) - Tổng trở vào của hệ thống: Zi = Zi1 = RG1 - Tổng trở ra của hệ thống: Z0 = Z02 = RD2 Về mặt phân cực, do 2 mạch nối với nhau bằng tụ điện nên việc phân tích giống nhƣ sự phân tích ở mỗi tầng riêng lẻ. Hình 6.3 là mạch cascade dùng BJT. Cũng nhƣ ở FET, mục đích của mạch này là để gia tăng độ khuếch đại điện áp. - Ðộ khuếch đại điện áp của hệ thống: Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 91 - Tổng trở vào của toàn mạch: Zi = Zi1= R1 //R2 //1re1 (6.7) - Tổng trở ra của toàn mạch: Z0 = Z02 = RC2 (6.8) Hình 6.4 là mạch kết hợp giữa FET và BJT. Mạch này, ngoài mục đích gia tăng độ khuếch đại điện áp còn đƣợc tổng trở vào lớn. AvT = Av1. Av2 Với Av1 = -gm(RD //Zi2) (6.9) Trong đó Zi2 = R1 //R2 //re Zi = RG (rất lớn) Z0 = RC 6.1.2. Liên kết trực tiếp. Ðây cũng là một dạng liên kết liên tiếp khá phổ biến trong các mạch khuếch đại nhất là trong kỹ thuật chế tạo vi mạch. Hình 6.5 mô tả một mạch khuếch đại hai tầng liên kết trực tiếp dùng BJT. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 92 Ta thấy mạch liên kết trực tiếp có các lợi điểm: - Tránh đƣợc ảnh hƣởng của các tụ liên kết ở tần số thấp, do đó tần số giảm 3dB ở cận dƣới có thể xuống rất thấp. - Tránh đƣợc sự cồng kềnh cho mạch. - Ðiện áp tĩnh ra của tầng đầu cung cấp điện áp tĩnh cho tầng sau. Tuy thế, mạch cũng vấp phải một vài khuyết điểm nhỏ: - Sự trôi điểm làm việc tĩnh của tầng thứ nhất sẽ ảnh hƣởng đến việc phân cực của tầng thứ hai. - Nguồn điện áp phân cực thƣờng có trị số lớn nếu ta dùng cùng một loại BJT, vấn đề chính của loại liên kết trực tiếp là ổn định sự phân cực. Cách tính phân cực thƣờng đƣợc áp dụng trên toàn bộ mạch mà không thể tính riêng từng tầng. Thí dụ nhƣ ở hình 6.5 ta có: Phân cực: Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 93 Thông số mạch khuếch đại: Mạch phân cực nhƣ trên tuy đơn giản nhƣng ít đƣợc dùng do không ổn định (sự trôi điểm làm việc của Q1 ảnh hƣởng đến phân cực của Q2), do đó trong các mạch liên kết trực tiếp ngƣời ta thƣờng dùng kỹ thuật hồi tiếp một chiều nhƣ hình 6.6 Mạch tƣơng đƣơng Thevenin đầu vào đƣợc vẽ ở hình 6.7. Ta có: Thƣờng ta chọn số hạng đầu lớn để VE2 ổn định, từ đó VCE1, IC1, IC2 cũng ổn định. Ðể thấy rõ sự ổn định này ta để ý: Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 94 Dòng điện này độc lập đối với 2 và có thể xem nhƣ độc lập đối với 1 nếu ta chọn: thay đổi theo nhiệt độ và dòng IC2, nhƣng ảnh hƣởng này sẽ đƣợc giảm thiểu nếu ta chọn Về thông số của mạch khuếch đại cách tính cũng nhƣ mạch trƣớc. Liên kết trực tiếp dùng FET: Ở MOSFET loại giầu (E-MOSFET), do cực cửa G cách điện hẳn với cực nguồn S và cực máng D nên rất thuận tiện trong việc ghép trực tiếp. Cách tính phân cực giống nhƣ một tầng riêng lẻ. VGS1 =VDS1 = VGS2 AvT = (gmRD) 2 Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 95 Tầng khuếch đại cực nguồn chung và máng chung cũng thuận tiện trong cách ghép trực tiếp. Ðiện thế VGS của Q2 tùy thuộc vào RD, RS1 và RS2. Trong 2 cách ghép trên, FET chỉ hoạt động tốt khi 2 FET hoàn toàn giống hệt nhau. Thực tế, khi 2 FET không đồng nhất, sự trôi điểm làm việc của tầng trƣớc đƣợc tầng sau khuếch đại khiến cho tầng cuối cùng hoạt động trong vùng không thuận lợi. Ðể khắc phục ngƣời ta cũng dùng kỹ thuật hồi tiếp để ổn định phân cực nhƣ hình 6.10. Giả sử điện áp cực máng của Q1 lớn hơn bình thƣờng, lƣợng sai biệt này sẽ đƣợc khuếch đại bởi Q2 và Q3 và do đó điện áp tại cực cửa của Q1 lớn hơn. Ðiều này làm cho Q1 dẫn điện mạnh hơn, kéo điện áp ở cực máng giảm xuống. Tuy nhiên, RG cũng tạo ra một vấn đề mới. Nếu gọi AvT là độ khuếch đại điện áp của toàn mạch thì: v0 = -|AvT |.vi Nên điện áp ngang qua RG là: vi - v0 = vi + |AvT |vi = vi( 1+ |AvT |) Ðể khắc phục, ngƣời ta chia RG ra làm 2 nửa và dùng một tụ nối tắt tín hiệu xuống mass. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 96 6.2. Liên kết chồng. Trong sự liên kết này, một transistor ghép chồng lên một transistor khác. Hình 6.12 mô tả mạch liên kết ghép chồng với một tầng cực emitter chung ghép chồng lên một tầng cực base chung. Sự liên kết này phải đƣợc thiết kế sao cho tầng cực emitter chung có tổng trở ra (tổng trở vào của tầng cực basi chung) khá lớn và độ khuếch đại điện áp thấp cung cấp cho tầng cực basi chung để bảo đảm điện dung Miller ở đầu vào thấp nhất nên loại liên kết này hoạt động tốt ở tần số cao. Trong mạch trên, với cách phân tích phân cực nhƣ các chƣơng trƣớc ta tìm đƣợc: VB1 = 4,9 V VB2 = 10,8 V IC1  IC2 = 3,8 mA Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 97 6.3. Liên kết Darlington. Ðây là một dạng liên kết rất thông dụng giữa 2 transistor (BJT hoặc FET) nhƣ hình 6.13 và tƣơng đƣơng nhƣ hình 6.14. Sự liên kết giữa 2 transistor nhƣ vậy tƣơng đƣơng với một transistor duy nhất có độ khuếch đại dòng điện là D = 1. 2 Nếu hai transistor đồng nhất: 1 = 2 =  thì D =  2 Transistor Darlington: Vì dạng liên kết này rất thông dụng và thích hợp cho việc nâng công suất nên ngày nay ngƣời ta thƣờng chế tạo các liên kết này dƣới dạng một transistor duy nhất gọi là transistor darlington. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 98 chung nên cũng có tổng trở vào lớn, tổng trở ra nhỏ và độ khuếch đại điện áp xấp xỉ 1. 6.4. Liên kết cặp hồi tiếp. Liên kết này cũng gồm có 2 transistor và cũng có dạng gần giống nhƣ liên kết Darlington nhƣng gồm có 1 transistor pnp và một transistor npn. Cũng giống nhƣ liên kết Darlington, cặp hồi tiếp sẽ cho một độ khuếch đại dòng điện rất lớn (bằng tích độ khuếch đại dòng điện của 2 transistor). Mạch thực tế có dạng nhƣ hình 6.17 - Tính phân cực: Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 99 Từ đó suy ra đƣợc IC1, IB2, IC2 - Thông số xoay chiều: Mạch tƣơng đƣơng xoay chiều Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 100 6.5. Mạch CMOS. Một dạng mạch rất thông dụng trong mạch số là dùng 2 E-MOSFET kênh N và kênh P liên kết với nhau nhƣ hình 6.19 đƣợc gọi là CMOS (complementaryMOSFET). Trƣớc khi đi vào khảo sát hoạt động của CMOS, ta cần nhớ lại hoạt động của E- MOSFET. Ðặc tuyến truyền đạt của E-MOSFET kênh n và kênh p nhƣ hình 6.20 và 6.21. - Ở E-MOSFET kênh n, khi điện áp 0 V áp vào cửa nguồn, E-MOSFET kênh n không hoạt động (ID = 0), Khi VGS >VGS(th) thì E-MOSFET kênh N mới hoạt động. - Ở E-MOSFET kênh P, Khi VGS = 0 thì E-MOSFET kênh p cũng không hoạt động và chỉ hoạt động khi VGS < VGS(th). Phân tích mạch CMOS Ta xem mạch CMOS điều khiển khi Vi = 0 V hay khi Vi= +5 V - Khi Vi = 0 V đƣợc đƣa vào cực cửa của CMOS . Với Q1 (NMOS) VGS = 0   Q1 không hoạt động . Với Q2 (PMOS) VGS = -5 V  Q2 bảo hòa. Kết quả là V0 = 5 V Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 101 - Khi Vi = +5 V đƣa vào . Với Q1 (NMOS) VGS = 5 V  Q1 bão hòa . Với Q2 (PMOS) VGS = 0 V  Q2 không hoạt động Kết quả là V0 = 0 V 6.6. Mạch nguồn dòng điện. Nguồn dòng điện là một bộ phận cấp dòng điện mắc song song với điện trở R gọi là nội trở của nguồn. Một nguồn dòng điện lý tƣởng khi R =  ( và sẽ cung cấp một dòng điện là hằng số). Một nguồn dòng điện trong thực tế có thể đƣợc tạo bởi FET, BJT hoặc tổ hợp của 2 loại linh kiện này. Mạch có thể sử dụng linh kiện rời hoặc IC. 6.6.1. Nguồn dòng điện dùng JFET. Dạng đơn giản nhƣ hình 6.24 Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 102 6.6.2. Dùng BJT nhƣ nguồn dòng điện. Mạch cơ bản nhƣ hình 6.25 6.6.3. Nguồn dòng điện dùng BJT và zener. 6.7. Mạch khuếch đại visai . 6.7.1. Dạng mạch căn bản. Một mạch khuếch đại visai căn bản ở trạng thái cân bằng có dạng nhƣ hình 6.27 - Có 2 phƣơng pháp lấy tín hiệu ra: . Phƣơng pháp đầu ra visai: Tín hiệu đƣợc lấy ra giữa 2 cực collector. . Phƣơng pháp đầu ra đơn cực: Tín hiệu đƣợc lấy giữa một cực collector và mass. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 103 - Mạch đƣợc phân cực bằng 2 nguồn điện áp đối xứng (âm, dƣơng) để có các điện áp ở cực basi bằng 0 volt. Ngƣời ta phân biệt 3 trƣờng hợp: a/ Khi tín hiệu vào v1 = v2 (cùng biên độ và cùng pha) Do mạch đối xứng, tín hiệu ở đầu ra va = vb Nhƣ vậy: va = AC . v1 vb = AC . v2 Trong đó AC là hệ số khuếch đại của một transistor và đƣợc gọi là độ khuếch đại cho tín hiệu chung (common mode gain). Do v1 = v2 nên va = vb. Vậy tín hiệu đầu ra visai va - vb =0. b/ Khi tín hiệu vào có dạng visai: Lúc này v1 = -v2 (cùng biên độ nhƣng ngƣợc pha). Lúc đó: va = -vb. Do v1 = -v2 nên khi Q1 chạy mạnh thì Q2 chạy yếu và ngƣợc lại nên va  vb. Ngƣời ta định nghĩa: va - vb = AVS(v1 - v2) AVS đƣợc gọi là độ khuếch cho tín hiệu visai (differential mode gain). Nhƣ vậy ta thấy với đầu ra visai, mạch chỉ khuếch đại tín hiệu vào visai (khác nhau ở hai đầu vào) mà không khuếch đại tín hiệu vào chung (thành phần giống nhau). c/ Trƣờng hợp tín hiệu vào bất kỳ: Ngƣời ta định nghĩa: - Thành phần chung của v1 và v2 là: - Thành phần visai của v1 và v2 là: vVS = v1 - v2 Thành phần chung đƣợc khuếch đại bởi AC (đầu ra đơn cực) còn thành phần visai đƣợc khuếch đại bởi AVS. Thông thƣờng |AVS| >>|AC|. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 104 6.7.2. Mạch phân cực. Phƣơng trình này xác định điểm làm việc trên đƣờng tải tĩnh. Khi mạch tuần hoàn đối xứng, điện áp 2 chân B bằng 0V nên: 6.7.3. Khảo sát thông số. Ta thử tìm AC, AVS, tổng trở vào chung ZC, tổng trở vào visai ZVS. a/ Mạch chỉ có tín hiệu chung: Tức v1 = v2 và va = vb Do mạch hoàn toàn đối xứng, ta chỉ cần khảo sát nửa mạch, nên chú ý vì có 2 dòng emitter ie chạy qua nên phải tăng gấp đôi RE. Phân tích nhƣ các phần trƣớc ta tìm đƣợc: Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 105 b/ Mạch chỉ có tín hiệu visai: Tức v1 = -v2 và va = -vb Nhƣ vậy dòng điện tín hiệu luôn luôn ngƣợc chiều trong 2 transistor và do đó không qua RE nên ta có thể bỏ RE khi tính AVS và ZVS. Ngƣời ta thƣờng để ý đến tổng trở giữa 2 đầu vào cho tín hiệu visai hơn là giữa một đầu vào với mass. Giá trị này gọi là Z’VS. Khi có RB thì ZVS = Z’VS //2RB Hệ thức này chứng tỏ giữa 2 đầu vào chỉ có một dòng điện duy nhất chạy qua. Từ đó ngƣời ta định nghĩa: c/ Mạch có tín hiệu tổng hợp: Với v1, v2 bất kỳ ta có cả thành phần chung vC và thành phần visai AVS. - Nếu lấy tín hiệu giữa hai cực thì thành phần chung không ảnh hƣởng, tức là: va - vb = AVS( v1 - v2 ) - Nếu lấy tín hiệu từ một trong hai cực collector xuống mass: Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 106 Dấu (-) biểu thị hai thành phần visai ở hai cực collector luôn trái dấu nhau. d/ Hệ số truất thải tín hiệu chung λ1: (  càng lớn thì thành phần chung ít ảnh hƣởng đến đầu ra) e/ Phƣơng pháp tăng 1(nguồn dòng điện) Muốn tăng 1 phải giảm AC và tăng AVS. Nhƣ vậy phải dùng RE lớn. Tuy nhiên điều này làm cho VCC và VEE cũng phải lớn. Phƣơng pháp tốt nhất là dùng nguồn dòng điện. Nguồn dòng điện thay cho RE phải có 2 đặc tính: - Cấp 1 dòng điện không đổi. - Cho 1 tổng trở ZS nhìn từ cực collector của Q3 lớn để thay RE. 6.7.4. Trạng thái mất cân bằng. Khi mạch mất cân bằng thì không còn duy trì đƣợc sự đối xứng. Hậu quả trầm trọng nhất là thành phần chung có thể tạo ra tín hiệu visai ở đầu ra. * Một số nguyên nhân chính: - Các linh kiện thụ động nhƣ điện trở, tụ điện ... không thật sự bằng nhau và đồng chất. - Các linh kiện tác động nhƣ diode, transistor.. không hoàn toàn giống nhau. * Biện pháp ổn định: - Lựa chọn thật kỹ linh kiện. - Giữ dòng điện phân cực nhỏ để sai số về điện trở tạo ra điện thế visai nhỏ. - Thiết kế R1 có trị số thật lớn. - Thêm biến trở R’E để cân bằng dòng điện phân cực. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 107 - Chế tạo theo phƣơng pháp vi mạch. Bài tập cuối chƣơng. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 108 Chƣơng VII: CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI CHUYÊN DỤNG 7.1. Bộ khuếch đại chọn lọc. 7.1.1. Khái niệm chung. - Công dụng: bộ khuếch đại chọn lọc có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu trong một dải tần nhất định và nén tín hiệu ở ngoài dải tần đó. - Đặc điểm, ứng dụng: Trong bộ khuếch đại chọn lọc, điện trở tải đƣợc tahy thế bởi một mạch cộng hƣởng LC hoặc một mạch lọc. Đặc điểm: tại tần số cộng hƣởng của mạch dao động thì hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại chỉ phụ thuộc vào điện trở cộng hƣởng tƣơng đƣơng của mạch dao động mà không phụ thuộc vào các thành phần điện kháng. Vì vậy ảnh hƣởng của điện dung ký sinh (thí dụ: Cv, Cr của transistor), của điện cảm tạp tán (thí dụ: dây nối) đối với hệ số khuếch đại có thể bỏ qua. Tuy nhiên các thành phần ký sinh này đƣợc mắc một phần hoặc mắc toàn bộ vào mạch dao động. Vì thế có thể làm tần số cộng hƣởng biến đổi chút ít nên bộ khuếch đại cao tần cố thể làm việc đƣợc ở dải tần số cao. Phạm vi ứng dụng: dùng trong các tầng khuếch đại cao tần của máy phát hoặc máy thu vô tuyến điện hoặc tầng khuếcch đại trung tần của máy thu hoặc tầng trung gian của máy thu vô tuyến điện. - Phân loại: +/ Phân loại theo vị trí của mạch lọc. */ Bộ khuếch đại chọn lọc có tải phân bố. Lọc Lọc Hình 7.1 Trong cấu trúc hình 7.1 mạch lọc xen kẽ giữa các bộ khuếch đại. Cấu trúc này đƣợc sử dụng nhiều trong thực tế. Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự ThS-Nguyễn Vũ Thắng 109 */ Bộ khuếch đại chọn lọc có tải tập trung. Lọc Lọc Lọc Hình 7.2 Các bộ khuếch đại chọn lọc có tải tập trung đƣợc sử dụng trong các bộ khuếch đại trung tần trong máy thu vô tuyến. +/ Phân loại theo biên độ tín hiệu. */ Bộ khuếch đại chọn lọc tín hiệu nhỏ: chế độ hoạt động của các bộ khuếch đại chọn lọc loại này thƣờng làm việc ở chế độ A. Thƣờng đƣợc sử dụng trong các tầng khuếch đại trung tần hoặc cao tần của máy thu hoặc dùng ở các tầng khuếch đại trung gian của máy phát. */ Bộ khuếch đại chọn lọc tín hiệu lớn: thƣờng hoạt động ở chế độ AB, B hoặc C. Thƣờng dùng trong các bộ khuếch đại cao tần của máy phát. 7.1.2. Các chỉ tiêu chất lƣợng chính của bộ khuếch đại chọn lọc. - Hệ số khuếch đại: phải đủ lớn. Tuy nhiên nhƣ đã xét ở chƣơng V về tầm qua trọng của hồi tiếp, song việc ảnh hƣởng của hồi tiếp từ đầu ra về đầu vào bộ khuếch đại thông qua điện dung giữa các cực của phần tử khuếch đại. Đặc biệt trong bộ khuếch đại chọn lọc trở kháng tải rất lớn, do đó hệ số khuếch đại