Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Chương 4: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT - Lê Chí Thông
19-Feb-11
Chương 4
MꢀCH KHUꢁCH ꢂꢀI TÍN HIꢃU NHꢄ DÙNG BJT
I. ꢂꢅNH NGHꢆA
- Khuếch đại là quá trình biꢇn ꢈꢉi mꢊt ꢈꢋi lꢌꢍng (dòng ꢈiꢎn
hoꢏc ꢈiꢎn áp) tꢐ biên ꢈꢊ nhꢑ thành biên ꢈꢊ lꢒn mà không làm
thay ꢈꢉi dꢋng cꢓa nó.
- Khi xét BJT hoꢋt ꢈꢊng dꢌꢒi ꢈiꢔu kiꢎn tín hiꢎu nhꢑ (sꢕ thay
ꢈꢉi cꢓa tín hiꢎu vào ꢈꢓ nhꢑ) thì có thꢖ xem BJT nhꢌ mꢊt bꢊ
khuꢇch ꢈꢋi ac.
I,V
I,V
Bꢗ
KHUꢁCH
ꢂꢀI
∆
∆
out
in
1
- Độ lợi là tꢘ sꢙ cꢓa mꢊt lꢌꢍng tín hiꢎu (dòng ꢈiꢎn hoꢏc ꢈiꢎn áp)
thay ꢈꢉi ꢚ ngõ ra và ngõ vào. Ký hiꢎu là Ai hoꢏc AV.
∆Iout io (rms)
+ Độ lợi dòng:
+ Độ lợi áp:
Ai =
Av =
=
∆Iin
ii (rms)
∆Vout vo (rms)
=
∆V
vi (rms)
in
P
AP = out =Av.Ai
+ Độ lợi công suất:
P
in
A > 1: bộ khuếch đại tín hiệu.
A < 1: bộ suy giảm tín hiệu.
Nhắc lại:
+ giá trị rms: trị hiệu dụng (để tính cho tín hiệu ac).
+ giá trị amp: trị biên độ (hoặc đỉnh – peak).
(amp)
(rms) =
2
2
1
19-Feb-11
Điện trở ngõ vào của một bộ khuếch đại là tổng trở tương đương
tại các đầu ngõ vào của nó.
V
vin
iin
in
Rin =
(DC)
r =
(ac)
in
Iin
Công suất ngõ vào ac
Định nghĩa tương tự cho điện trở và công suất ngõ ra.
3
Ảnh hưởng của điện trở nguồn đối với mạch khuếch đại
A
* Khuếch đại áp
- Điện áp vào bộ KĐ:
r
in
vin =
.vs
r +r
s
in
⇒ Điện áp ra :
r
in
vout = Av .vin = Av .
.vs
r +r
s
in
4
⇒ Để có độ lợi áp là Av thì rin >>rs .
2
19-Feb-11
* Khuếch đại dòng
- Dòng ngõ vào bộ KĐ:
r
s
iin =
.is
r +r
s
in
⇒ Dòng ngõ ra :
r
s
iout = Ai .iin = Ai .
.is
r +r
s
in
5
⇒ Để có độ lợi dòng là Ai thì rs >>rin .
Ảnh hưởng của điện trở tải
- Một bộ khuếch đại ac dùng để
cung cấp áp, dòng hoặc/và công
suất cho một tải ở ngõ ra.
- Tải có thể là loa, anten, còi,
động cơ điện hoặc bất kỳ 1 thiết
bị hữu ích nào.
- Khi phân tích mạch này, ta
thay thế bằng 1 điện trở tải RL.
rL
vL =
.vout
Áp ra trên tải:
⇒ để có áp rơi tối đa trên tải
thì rL>>ro.
ro + rL
Xét cả ảnh hưởng của nguồn thì độ lợi áp từ nguồn đến tải:
vL
vs
r
rL
in
= AV .
.
rs + r
ro + rL
in
6
3
19-Feb-11
Một cách tương tự khi xét đến bộ khuếch đại dòng, ta có:
ro
iL =
.iout
Dòng trên tải:
ro + rL
⇒ để có áp rơi tối đa trên tải thì ro>>rL.
Độ lợi dòng tổng:
iL
is
rs
ro
= Ai .
.
rs + r
ro + rL
in
Để truyền công suất cực đại thì cần có sự phối hợp trở kháng:
- Từ nguồn tín hiệu đến bộ khuếch đại: rs = r in.
- Từ bộ khuếch đại đến tải: rout = rL.
7
Mục đích phân cực DC
Khi thiꢇt kꢇ phân cꢕc cho BJT ꢈꢛng thꢜi cꢝng là chꢞn ꢈiꢖm
làm viꢎc cho BJT.
Khi ꢈó, dꢋng sóng ꢚ ngõ ra sꢟ phꢠ thuꢊc vào giá trꢡ ꢈiꢖm phân
cꢕc và sꢕ thay ꢈꢉi cꢓa tín hiꢎu ꢚ ngõ vào.
vo(t) = VB + A sin ωt
8
4
19-Feb-11
Tùy thuꢊc vào giá trꢡ cꢓa VB mà ꢈiꢎn áp ra sꢟ có nhꢢng thay
ꢈꢉi nhꢌ sau:
9
Tụ ghép
-Tính chꢣt cꢓa tꢠ là ngꢤn tín hiꢎu DC, thông thꢌꢜng tꢠ sꢟ
ꢈꢌꢍc dùng ꢈꢖ ngꢤn ꢥnh hꢌꢚng cꢓa tín hiꢎu DC ꢈꢙi vꢒi
nguꢛn hoꢏc tꢥi.
- Các tꢠ này phꢥi ꢈꢓ lꢒn ꢈꢖ có tꢉng trꢚ thꢦt nhꢑ ꢈꢙi vꢒi tín
hiꢎu AC.
- Các tꢠ này ꢈꢌꢍc gꢞi là tꢠ ghép (coupling capacitor) hoꢏc
tꢠ chꢏn (blocking capacitor).
10
5
19-Feb-11
Đường tải một chiều và đường tải xoay chiều
VCC
RC
RC
RB
RL
Xét mꢋch khuꢇch ꢈꢋi CE:
- ꢂiꢎn trꢚ tꢥi DC: RL = RC.
- ꢂiꢎn trꢚ tꢥi AC: rL = RL // RC.
11
- ꢂꢌꢜng tꢥi DC là tꢦp hꢍp tꢣt cꢥ các ꢈiꢖm làm viꢎc tꢧnh
Q(IC,VCE), khi chꢌa có tín hiꢎu AC.
- ꢂꢌꢜng tꢥi AC là tꢦp hꢍp tꢣt cꢥ các ꢈiꢖm (iC,vCE), bao gꢛm cꢥ
ꢈiꢖm Q.
- Phꢌơng trình ꢈꢌꢜng tꢥi AC:
IQ, VQ = Q(IC,VCE)
IO, VO:giá trꢡ iC và vCE cꢓa
ꢈꢌꢜng tꢥi AC.
12
6
19-Feb-11
- ꢂꢌꢜng tꢥi AC có dꢙc hơn ꢈꢌꢜng tꢥi DC.
- Áp ngõ ra ꢈꢌꢍc quyꢇt ꢈꢡnh bꢚi ꢈꢌꢜng tꢥi AC sꢟ nhꢑ hơn nꢇu
ꢈꢌꢍc quyꢇt ꢈꢡnh bꢚi ꢈꢌꢜng tꢥi DC.
- Nꢇu Q dꢡch trên ꢈꢌꢜng tꢥi DC thì ꢈꢌꢜng tꢥi AC sꢟ dꢡch song
song.
13
II. CÁC CHꢁ ꢂꢗ LÀM VIꢃC CꢫA BJT TRONG MꢀCH
iC
KHUꢁCH ꢂꢀI
IBmax
Chế độ A (Lớp A)
C
M
•
Khi chꢞn ꢈiꢖm Q nꢨm
khoꢥng giꢢa ꢈoꢋn MN
trên ꢈꢌꢜng tꢥi xoay
chiꢔu, ta nói phꢩn tꢪ
Kꢂ làm viꢎc ꢚ chꢇ ꢈꢊ A.
ꢂꢏc ꢈiꢖm cꢓa chꢇ ꢈꢊ
này là:
iCmax
Q
iCQ
•
N
IBmin
iCmin
•
VCE
vCEQ
D
- Khuếch đại trung thực, ít méo phi tuyến.
- Dòng và áp tĩnh luôn khác không. Biên độ dòng và áp xoay chiều
lấy ra tối đa chỉ bằng dòng và áp tĩnh. Do đó hiệu suất thấp (25%).
14
7
19-Feb-11
Định nghĩa hiệu suất η: đo bằng tỷ số giữa công suất của tín hiệu
xoay chiều đưa ra trên tải và tổng công suất tầng khuếch đại tiêu
thụ của nguồn cung cấp.
Chế độ A thường dùng trong các tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ.
Chế độ B (Lớp B)
Khi chꢞn ꢈiꢖm Q nꢨm trùng vꢒi D (hoꢏc N) thì phꢩn tꢪ khuꢇch
ꢈꢋi làm viꢎc ꢚ chꢇ ꢈꢊ B lý tꢌꢚng (hoꢏc thꢕc tꢇ). ꢂꢏc ꢈiꢖm cꢓa
chꢇ ꢈꢊ này là:
- Méo phi tuyến trầm trọng.
- Hiệu suất cao. (ηBmax = 78.5%).
- Thường dùng trong các tầng khuếch đại công suất (tầng cuối
của các thiết bị khuếch đại). Để khắc phục méo phi tuyến, đòi hỏi
mạch phải có 2 vế đối xứng thay phiên làm việc trong 2 nữa chu
15
kỳ (gọi là mạch “đẩy kéo”).
Thꢕc tꢇ, ngꢌꢜi ta còn dùng chꢇ ꢈꢊ AB (trung gian giữa chế độ A
và B): ꢈiꢖm Q chꢞn ꢚ phía trên ꢈiꢖm N và gꢩn ꢈiꢖm này. Lúc ꢈó
phát huy ꢈꢌꢍc ꢌu ꢈiꢖm cꢓa mꢬi chꢇ ꢈꢊ, giꢥm bꢒt méo phi
tuyꢇn, nhꢌng hiꢎu suꢣt kém hơn chꢇ ꢈꢊ B.
Chế độ khóa hay chế độ đóng ngắt (lớp D)
BJT có thꢖ làm viꢎc ꢚ chꢇ ꢈꢊ ꢈóng ngꢭt (Switch BJT).
Tuꢮ theo giá trꢡ ꢈiꢎn áp vào mà BJT có thꢖ làm viꢎc ꢚ 2 trꢋng
thái ꢈꢙi lꢦp:
-Trꢋng thái khóa (tꢭt): khi Q nꢨm ꢚ phía dꢌꢒi ꢈiꢖm N.
- Trꢋng thái dꢯn bꢥo hòa (mꢚ): khi Q nꢨm ꢚ phía trên ꢈiꢖm M
(gꢩn ꢈiꢖm C).
16
8
19-Feb-11
III. Sꢱ ꢂꢲ TꢳꢱNG ꢂꢳꢱNG CꢫA BJT
- Mꢠc ꢈích cꢓa viꢎc chuyꢖn vꢔ sơ ꢈꢛ tꢌơng ꢈꢌơng là làm
cho mꢋch tính toán ꢈơn giꢥn và dꢰ dàng hơn.
- Khi sꢕ biꢇn thiên ꢚ tín hiꢎu vào ꢈꢓ nhꢑ ꢈꢖ tꢋo sꢕ thay ꢈꢉi
vꢔ dòng và áp ꢚ ngõ ra nꢨm trong ꢈꢏc tính giꢒi hꢋn cꢓa
BJT, ta có thꢖ xem BJT là mꢊt phꢩn tꢪ 4 cꢕc tuyến tính:
I1
I2
I1, V1(i1, v1): dòng và áp ꢚ
ngõ vào.
V1
V2
I2, V2(i2, v2): dòng và áp ꢚ
ngõ ra.
17
Tham số xoay chiều của BJT
Tuꢮ theo tꢐng sơ ꢈꢛ cꢠ thꢖ cꢓa BJT (BC, EC hay CC) thì các
ꢈꢋi lꢌꢍng trên sꢟ là nhꢢng ꢈiꢎn áp hay dòng ꢈiꢎn trên các cꢕc
tꢌơng ꢴng, ꢈꢛng thꢜi tùy theo loꢋi BJT( NPN hay PNP) mà
chúng có dꢣu hoꢏc chiꢔu thích hꢍp.
Tuꢮ theo viꢎc chꢞn biꢇn và hàm ꢈꢖ mô tꢥ mꢙi quan hꢎ giꢢa
các ngõ vào và ra cꢓa BJT mà ta có các loꢋi tham sꢙ ꢈꢏc trꢌng
cho BJT.
Biꢇn
V1,I2 v2,I2 V1,I1
Hàm I1,V2 V1,I1 V2,I2
Tham sꢙ y
Tham sꢙ h
Tham sꢙ z
18
9
19-Feb-11
Bꢊ tham sꢙ h
V1 = f(I1,V2)
I2 = f(I1,V2)
∂ V
∂ I
∂ V
∂ V
1
1
2
dV
dI
=
dI
+
dV
dV
v1 = h11i1 + h12 v2
i2 = h21i1 + h22 v2
1
1
2
1
⇒
∂ I
∂ I
2
2
=
dI
+
1
2
2
∂ I
∂ V
1
2
Ý nghꢧa cꢓa tꢐng tham sꢙ
v
1
Trở kháng vào của BJT khi áp xoay chiều
ở ngõ ra bị ngắn mạch.
h (hi) =
11
i
1
V2 =0
V2 =0
I1 =0
Hệ số khuếch đại dòng điện (độ lợi dòng)
của BJT khi áp xoay chiều ở ngõ ra bị
ngắn mạch.
i
2
1
h (hf ) =
21
i
i
2
Điện dẫn ra của BJT khi dòng xoay chiều
ở ngõ vào bị hở mạch.
h (ho) =
22
v
2
Hệ số truyền ngược về điện áp (hồi tiếp
v
v
1
2
h (hr) =
12
điện áp) của BJT khi dòng xoay chiều ở
19
I1=0
ngõ vào bị hở mạch.
- Vì vꢦy, phꢵm chꢣt, tính nꢤng cꢓa BJT sꢟ thꢖ hiꢎn giá trꢡ
các tham sꢙ hij cꢓa chúng.
- Các hij ꢈꢌꢍc gꢞi là các tham số xoay chiều (hoặc tham số vi
phân) cꢓa BJT.
- Vꢔ ꢈơn vꢡ ꢈo:
- h11(hoꢏc hi): ꢈiꢎn trꢚ (Ω).
Ω
- h22(hoꢏc ho): ꢈiꢎn dꢯn (mho ( ) hoꢏc siemient).
- h12(hoꢏc hr) và h21(hoꢏc hf) chꢘ là các hꢎ sꢙ nên
không có thꢴ nguyên.
Do ꢈó, bꢊ tham sꢙ hij còn ꢈꢌꢍc gꢞi là tham số hỗn hợp
(hybrid).
- Tùy theo BJT mꢭc theo kiꢖu nào (BC, EC hay CC) mà các
tham sꢙ có thêm chꢘ sꢙ tꢌơng ꢴng.
20
10
19-Feb-11
Mạch tương đương của BJT
i1
i2
•
•
v1 = h11i1 + h12 v2
h11(hi)
h12v2
1
v2
i2 = h21i1 + h22 v2
v1
h21i1
h
22
•
•
- ꢂiꢎn trꢚ vào h11 (hoꢏc hi).
-Nguꢛn ꢈiꢎn áp h12v2 (hoꢏc hr vo): thꢖ hiꢎn sꢕ hꢛi tiꢇp ꢈiꢎn áp nꢊi
bꢊ cꢓa BJT. Thꢕc tꢇ h12 (hay hr) có giá trꢡ rꢣt bé(103 ÷104), vì vꢦy
ꢈꢋi lꢌꢍng h12v2 có thꢖ bꢑ qua.
- Nguꢛn dòng ꢈiꢎn h21i1(hoꢏc hfii): phꢥn ánh khꢥ nꢤng khuꢇch
ꢈꢋi dòng.
- ꢂiꢎn dꢯn ra h22(hoꢏc ho), thꢕc tꢇ giá trꢡ này rꢣt bé, nên ꢈiꢎn trꢚ
21
ra sꢟ vô cùng lꢒn và có thꢖ bꢑ qua.
Mạch tương đương đơn giản hóa của BJT (toán học)
i1(ii)
•
i2(io)
•
v2(vo)
v1(vi)
h11(hi)
h21i1 (hf)
•
•
Mạch tương đương đơn giản hóa của BJT mắc kiểu CE
iB(ii)
•
iC(io)
B
C
hiE = (β+1)rE ≈ βrE
rE = VT/IE
•
vCE(vo)
hfEiB
vBE(vi)
hiE
hfE = β
22
•
•
E
11
19-Feb-11
Mạch tương đương của BJT mắc kiểu CE (vật lý)
βiB
iB
iC
rB
C
B’
B
•
•
•
iCEO
rCE
rE
riE
iE
•
E
•
•
- rE: ꢈiꢎn trꢚ cꢓa vùng nghèo emitter ꢈꢙi vꢒi tín hiꢎu xoay chiꢔu.
26[mV] 26[mV]
rE =
≈
ꢶ nhiꢎt ꢈꢊ thꢌꢜng:
IE[mA] IC[mA]
- rB: ꢈiꢎn trꢚ bꢥn thân cꢓa miꢔn base ꢈꢙi vꢒi dòng IB. ꢂꢙi vꢒi các
BJT công suꢣt nhꢑ rB = (100÷300)Ω.
- rC: ꢈiꢎn trꢚ cꢓa vùng nghèo collector, có giá trꢡ rꢣt lꢒn (hàng MΩ).
23
Mạch tương đương của BJT mắc kiểu CE (vật lý)
iC
C
B
iB
•
•
ICEO
βiB
rCE
riE
riE= rB+(β+1)rE
•
•
E
Mạch tương đương của BJT mắc kiểu CE (vật lý) đơn giản hơn
iB
iC
B
C
•
•
Vì β>>1 và rB << rE:
riE ≅ βrE
hfEiB=βiB
riE
24
•
•
E
12
19-Feb-11
IV. PHÂN TÍCH MꢀCH KHUꢁCH ꢂꢀI CꢷC PHÁT CHUNG
1.Phương pháp đồ thị
Xét mꢋch khuꢇch ꢈꢋi CE:
- Dòng ngõ vào iB.
- Dòng ngõ ra iC.
- ꢂꢊ lꢍi dòng: Ai = iC/iB= β
Giꢥ sꢪ VBE phân cꢕc thuꢦn ꢚ
0.65V. Khi:
vS = - 0.03V ÷ +0.03V
thì VBE = -0.62V ÷ +0.68V
25
Xét trên ꢈꢏc tuyꢇn ngõ vào:
VBE = - 0.62V ÷ + 0.68V
IB = 20µA ÷ 40 µA
Khi BJT dꢯn ꢚ VBE =0.65V:
IB = 30µA
Phꢌơng trình ꢈꢌꢜng tꢥi:
IC. 3.103 + VCE = 18
⇒ ꢂꢌꢜng tꢥi cꢭt trꢠc IC, VCE
trên ꢈꢏc tuyꢇn ra tꢋi:
IC = 6mA; VCE = 18V
26
13
19-Feb-11
Xét trên ꢈꢏc tuyꢇn ngõ ra:
IB = 30µA ⇒ Q(3mA;9V)
Phꢌơng trình ꢈꢌꢜng tꢥi:
Dꢕa vào ꢈꢏc tuyꢇn:
IB = 20µA ÷ 40µA
⇒IC = 2mA ÷ 4mA
Vì iB biꢇn thiên theo hình
sin nên iC cꢝng biꢇn thiên
theo hình sin.
27
Viꢇt lꢋi phꢌơng trình ꢈꢌꢜng tꢥi tꢉng quát:
1
VCC
RC
IC = −
VCE +
RC
Nꢇu áp ngõ vào tꢤng: IB tꢤng ⇒ IC tꢤng ⇒ VCE giꢥm và ngꢌꢍc
lꢋi. Do ꢈó, áp ngõ ra và ngõ vào ngꢌꢍc pha nhau.
Dꢕa vào ꢈꢛ thꢡ, ta có thꢖ tính các thông sꢙ sau:
vout ∆VCE
(6−12)V
vin ∆VBE (0.68−0.62)V
iout ∆IC (4mA)−(2mA) 20.10−3
Av =
Ai =
=
=
= −100
=
=
=
iin ∆IB (40µA)−(20µA) 20.10−6
28
14
19-Feb-11
ꢂiꢎn trꢚ ngõ vào cꢓa bꢊ khuꢇch ꢈꢋi:
vin ∆VBE 0.06V
r =
=
=
= 3000Ω
in
iin
∆IB
20µA
ꢂiꢎn trꢚ ngõ ra cꢓa bꢊ khuꢇch ꢈꢋi:
vout ∆VCE
6V
r =
=
=
= 3000Ω
in
iout
∆IC
2mA
29
2. Phương pháp sơ đồ tương đương
Xét mꢋch khuꢇch ꢈꢋi EC, vꢒi kiꢖu phân cꢕc cꢙ ꢈꢡnh và ꢉn
VCC
ꢈꢡnh cꢕc phát
RC
RB
vo
C2
vi
Mꢋch tꢌơng ꢈꢌơng
C1
RE
C
B
RB
E
RE
30
15
19-Feb-11
Mꢋch tꢌơng ꢈꢌơng
C
B
RB
E
RE
vo
vi
ꢂꢊ lꢍi ꢈiꢎn áp:
Av =
vi = β.iB .rE + (β + 1).iB .R E
v = −β.iB .R C
0
vo
βiBRC
⇒ Av =
= −
vi
βiBrE +(β+1)iBRE
31
RC
⇒ Av = −
Do β >> 1, nên:
Nꢇu RE >> rE :
rE + RE
RC
⇒ Av = −
RE
Dấu (-) cho thấy vo và vi ngược pha nhau.
vi
Tꢉng trꢚ vào:
Zi =
ii
vi
ꢂꢏt: Zb =
iB
βiBrE + (β +1)iBRE
⇒ Zb =
≈ β(rE + RE ) ≈ βRE
iB
Suy ra: Zi = RB // Zb
32
16
19-Feb-11
io
ii
ꢂꢊ lꢍi dòng ꢈiꢎn:
Ai =
vo
io = −
RC
vi
ii =
Zi
vo Zi
Zi
⇒
Ai = −
.
= −AV .
vi RC
RC
33
vo
io
Tꢉng trꢚ ra:
Zo =
Khi ngꢭn mꢋch ngõ vào:
vi = 0 ⇒iB = 0 ⇒ βiB = 0 (hꢚ mꢋch)
vo
⇒ Zo =
= RC
io
34
17
19-Feb-11
Trꢌꢜng hꢍp mꢭc thêm tꢠ phân dòng song song vꢒi ꢈiꢎn trꢚ
RE, hoꢏc không có ꢈiꢎn trꢚ RE ꢚ cꢕc phát thì mꢋch tꢌơng
ꢈꢌơng vꢔ xoay chiꢔu sꢟ không có ꢈiꢎn trꢚ RE.
35
Mꢋch tꢌơng ꢈꢌơng xoay chiꢔu nhꢌ sau:
Tính toán tꢌơng tꢕ:
36
18
18 trang
20940
Free
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Chương 4: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT - Lê Chí Thông", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_ky_thuat_dien_tu_chuong_4_mach_khuech_dai_tin_hieu.pdf
