Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 5: Các mạch khuếch đại BJT tín hiệu nhỏ
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Chương 5: CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI BJT TÍN HIỆU NHỎ
5.1 Các nguyên tắc cơ bản về khuếch đại AC
Ở phần trước chúng ta đã biết về tín hiệu DC, điểm tĩnh, và đặc điểm transistor cũng
như cách xác định các điện áp, dòng DC ngõ ra ứng với ngõ vào là tín hiệu DC. Phần
này, chúng ta sẽ nghiên cứu đáp ứng ngõ ra trong trường hợp dòng hoặc điện áp ngõ
vào có sự thay đổi nhỏ. Ví dụ như nếu tăng điện áp ngõ vào VBE của một transitor
NPN được mắc CE sẽ làm tăng dòng IB dẫn đến dòng IC tăng theo vì IC = βIB. Cũng
như vậy, việc tăng điện áp ngõ vào làm tăng điện áp ngõ ra. Khi sự biến thiên ngõ vào
đủ nhỏ để tạo sự thay đổi vể dòng và áp ngõ ra nằm trong giới hạn của đặc tính
transitor, chúng ta nói rằng transitor đang hoạt động dưới điều kiện tín hiệu nhỏ.
Chính xác hơn, hoạt động tín hiệu nhỏ xuất hiện khi các sự biến thiên ngõ ra quá nhỏ
đến nỗi các thông số linh kiện thay đổi không đáng kể( như α, β,...). Chúng ta nghiên
cứu hoạt động tín hiệu nhỏ trên quan điểm xem transitor như một bộ khuếch đại ac.
Độ lợi bộ khuếch đại:
Khi 1 thiết bị có lượng thay đổi điện áp ngõ ra lớn hơn lượng thay đổi điện áp ngõ
vào, ta gọi thiết bị đó là bộ khuếch đại áp AC. Độ lợi áp AC, ký hiệu là Av, là tỉ số
giữa độ thay đổi áp ngõ ra và độ thay đổi áp ngõ vào:
∆V0
∆Vin
Av =
(5-1)
Vì vậy, một bộ khuếc đại AC sẽ có Av>1. Hình 5.1 minh họa khái niệm này. Chú ý
rằng trong hình 5.1, chỉ có các thành phần AC của ngõ vào và của ngõ ra được sử
dụng để tính độ lợi áp AC.
Hình 5.1: Một bộ khuếch đại áp AC, tổng lượng biến thiên áp
ngõ ra, ∆Vo , lớn hơn tổng lượng biến thiên áp ngõ vào, ∆Vin .
Trang 5.1
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Cả hai tín hiệu ngõ ra và ngõ vào được đặt lên trên các mức DC, nhưng các giá trị DC
này không được tính trong độ lợi áp AC. Các giá trị rms (hiệu dụng) của các thành
phần ngõ vào và ngõ ra AC có thể được tính như sau:
vo (rms)
vin (rms)
Av =
(5-2)
Nếu không cần thiết đề cập đến giá trị rms thì sau này, chúng ta sẽ bỏ kí hiệu rms, và
tự hiểu vo và vin là các giá trị rms.
Độ lợi dòng AC, Ai, được xác định là tỉ số của tổng lượng biến thiên dòng ngõ ra
và tổng lượng biến thiên dòng ngõ vào:
∆Io
io (rms)
A =
=
(5-3)
i
∆Iin iin (rms)
Thiết bị có Ai>1 gọi là bộ khuếch đại dòng. Tổng quát, một bộ khuếch đại AC có thể
có Av>1, hoặc Ai>1, hoặc cả hai; nói cách khác, có thể khuếch đại cả dòng hoặc áp
hoặc cả hai. Độ lợi công suất, Ap, được định nghĩa là tỉ số công suất ngõ ra trên công
suất ngõ vào, và có thể được tính bằng tích của độ lợi áp và độ lợi dòng:
Ap = P / P = Av A
(5-4)
o
in
i
Mặc dù từ “độ lợi” ngầm chỉ rằng có sự gia tăng mức tín hiệu, nhưng giá trị độ lợi
vẫn có thể bé hơn 1. Ví dụ, nếu một bộ khuếch đại có độ lợi áp là 0.5, thì có nghĩa là
sự biến thiên áp ngõ ra bằng một nửa của áp ngõ vào. Trong trường hợp này, chúng ta
nói rằng bộ khuếch đại làm suy giảm tín hiệu điện áp cung cấp cho nó.
Điện trỏ ngõ vào và ngõ ra
Điện trở ngõ vào một bộ khuếch đại là tổng trở tương đương tại các đầu ngõ vào của
nó. Điện trở ngõ vào DC, Rin, là điện trở mà nguồn DC “nhìn vào” khi được kết nối
với các đầu ngõ vào, và điện trở AC, rin, là điện trở mà nguồn ngõ vào AC nhìn các
đầu vào. Trong cả hai trường hợp, điện trở ngõ vào được tính là tỉ số của điện áp ngõ
vào và dòng điện ngõ vào:
Vin
Iin
vin
iin
Rin =
(DC)
r =
(ac)
(5-5)
in
Công suất ngõ vào AC được tính bằng cách sử dụng mối quan hệ công suất thông
thường sau:
vi2n (rms)
P = [vin (rms)][iin (rms)] =
= [ii2n (rms)]r
(5-6)
in
in
r
in
Trang 5.2
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Điện trở ngõ ra của một bộ khuếch đại là tổng trở tương đương tại các đầu ngõ ra.
Điện trở ngõ ra tương tự với điện trở tương đương Thevenin mắc nối tiếp với ngõ ra
nếu bộ khuếch đại được thay thế bằng mạch tương đương Thevenin. Giống như điện
trở ngõ vào, điện trở ngõ ra có thể được xác định là điện trở DC Ro, hoặc điện trở ac,
ro. Công suất ngõ ra được tính bằng phương trình 5-6, với thay thế o(out) cho in trong
mỗi số hạng.
Thí dụ 5-1
Hình 5-2 biểu diễn biểu tượng thông thường của một bộ khuếch đại: một khối tam
giác với ngõ ra tại một đỉnh. Theo hình vẽ, áp ngõ vào bộ khuếch đại là vin = 0.7 +
0.008sin3t (V). Bộ khuếch đại có độ lợi dòng AC là 80. Nếu dòng ngõ vào là iin(t) =
2.8x10-5+4x10-6sin103t A, và thành phần AC của áp ngõ ra là 0.4 Vrms, tính:
(1) Av, (2) Rin, (3) rin, (4)io (rms), (5)ro, và (6) Ap?
Hình 5-2: thí dụ 5-1
Giải
1. vin(rms) = 0.707(0.008 A-pk) = 5.66x10-3 V rms
vo (rms)
vin (rms)
0.4V
Av =
=
= 70.7
5.66x10−3V
2. Điện trở DC ngõ vào là tỉ số thành phần DC của điện áp ngõ vào và thành phần
DC của dòng ngõ vào
Vin
Iin
0.7V
Rin =
=
= 25kΩ
2.8x10−5 A
3. Điện trở AC ngõ vào là tỉ số các thành phần AC của áp ngõ vào và dòng ngõ vào:
vin
iin
0.008V − pk
r =
=
= 2kΩ
in
4x10−6 A − pk
4. io(rms) = Aiiin (rms)= 80(0.707)(4x10-6 A-pk) = 0.226 mA rms
Trang 5.3
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
vo (rms)
io (rms)
0.4V
5. ro =
=
= 1770
0.226x10−3 A
vi2n (rms)
(5.66x10−3V )2
2x103 Ω
P =
=
= 1.6x10−8W
in
r
in
vo2 (rms)
(0.4V )2
1770Ω
6. P =
=
= 9.04x10−5W
o
ro
9.04x10−5W
1.6x10−8W
po
pin
Ap =
=
= 5650
Chú ý rằng độ lợi công suất cũng có thể được tính ở thí dụ này là tích của độ lợi
áp và độ lợi dòng như sau: Ap = AvAi = (70.7)80 = 5656. Sự sai khác nhỏ giữa hai
kết quả này do lỗi làm tròn mà thôi.
Điện trở nguồn
Mỗi nguồn tín hiệu đều có điện trở nội (điện trở tương đương Thevenin của nó), mà
chúng ta xem như là điện trở nguồn, rs. Khi nguồn tín hiệu được nối với ngõ vào bộ
khuếch đại, điện trở nguồn là nối tiếp với điện trở ngõ vào, rin, của bộ khuếch đại.
Chú ý trong hình 5-3 rằng rs và rin hình thành mạch phân áp ớ ngõ vào bộ khuếch đại.
Áp ngõ vào tại bộ khuếch đại là
r
in
S
vin = v
(5-7)
rS + r
in
và,
r
in
S
Cho nên
vo = Avvin = Avv
(5-8)
rS + r
in
Phương trình 5-8 cho thấy độ lợi áp tổng giữa áp nguồn và ngõ ra bộ khuếch đại,
vo/vs, bằng với độ lợi áp bộ khuếch đại giảm đi 1 hệ số là rin/(rs+rin).
Nếu rin lớn hơn rs thì rin/(rs+rin)≈1, vì vậy độ lợi áp tổng bị giảm một lượng là do
ảnh hưởng của mạch phân áp. Cho nên, tổng quát cho bộ khuếch đại cần có điện trở
ngõ vào càng lớn càng tốt.
Trang 5.4
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Hình 5 – 3: rS và rin phân
chia điện áp ở ngõ vào bộ
khuếch đại. Độ lợi áp từ
nguồn tới ngõ ra bị giảm 1
lượng rin/(rS+rin).
Mặt khác, nếu muốn khuếch đại dòng, thì bộ khuếch đại phải có điện trở ngõ vào
càng nhỏ càng tốt. Khi rin nhỏ, phần lớn dòng được nguồn phát ra sẽ được phân phối
tới ngõ vào bộ khuếch đại. Điều này được minh họa ở hình 5-4, với nguồn là nguồn
dòng tương đương (Norton), (để tính độ lợi, ngõ ra được nối xuống đất; điều này bảo
đảm rằng tất cả dòng khuếch đại được đổ tới ngõ ra).
Hình 5-4: Bộ khuếch đại dòng có điện trở ngõ vào nhỏ để tỉ số
rs/(rs+rin) đạt gần bằng 1.
Ở hình 5-4, dòng đổ vào ngõ vào vào bộ khuếch đại là dòng nguồn is được
giảm 1 lượng rs/(rs+rin). Vì vậy, rin cần phải nhỏ hơn rs để cho rs/(rs+rin) gần bằng 1.
Độ lợi dòng tổng từ nguồn tới ngõ ra là:
io
iS
rS
rS + r
= A
(5-9)
i
in
Thí dụ 5-2
Một bộ khuếch đại được cho như hình 5-5 với: Av = 10 và Ai = 10, được lái bởi một
nguồn có điện trở nguồn 1000Ω . Tính độ lợi áp tổng và độ lợi dòng, từ nguồn đến
ngõ ra, với:
Trang 5.5
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
(1) rin = 10kΩ , và (2) rin = 100Ω . (Giả sử rằng ngõ ra hở khi tính độ lợi áp, và nối
đất khi tính độ lợi dòng).
Hình 5-5 (Thí dụ 5-2)
Giải
1. rin = 10kΩ (rin = 10rs)
2. rin = 100Ω
Thí dụ này cho thấy khi rin = 10rs, độ lợi áp giảm đi 10% và độ lợi dòng giảm 90%;
khi rin=0.1rs, độ lợi áp giảm 90% và độ lợi dòng giảm 10%.
Điện trở tải
Một bộ khuếch đại ac luôn được dùng để cung cấp áp, dòng hoặc/và công suất cho
một vài loại tải được nối ở ngõ ra. Tải này có thể là 1 loa, anten, còi, động cơ điện,
hoặc bất kỳ các thiết bị hữu ích nào khác. Thông thường, tải là ngõ vào cho một bộ
khuếch đại AC khác. Bộ khuếch đại được phân tích bằng cách thay thế tải của nó
bằng điện trở tải tương đương (hoặc tổng trở). Khi một điện trở tải RL được nối với
ngõ ra một bộ khuếch đại, thì cũng có phân áp giữa điện trở ngõ ra bộ khuếch đại và
điện trở tải.
Hình 5 – 6: Áp ngõ ra của 1
bộ khuếch đại ac chia giữa
ro và điện trở tải RL
Trang 5.6
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Hình 5-6 cho thấy một mạch tương đương Thevenin ngõ ra của một bộ khuếch đại
AC với áp ngõ ra là vo có được từ nguồn áp trở nội ro mắc nối tiếp. Như đã thấy trên
hình, áp trên tải vL là:
RL
ro + RL
vL =
vo
(5-10)
Đối với một khuếch đại áp, ro nên nhỏ hơn RL để có được áp vo tối đa trên tải. Bằng
cách chuyển đổi ngõ ra bộ khuếch đại thành mạch tương đương Norton, ta có được:
ro
iL =
io
(5-11)
ro + RL
Khi xét ảnh hưởng của cả rs và RL, độ lợi áp tổng từ nguồn đến tải là:
vL
vS
r
RL
ro + RL
in
= Av
(5-12)
rS + r
in
Tương tự, độ lợi dòng tổng là:
iL
iS
rS
rS + r
ro
= A
(5-13)
i
ro + RL
in
với is là dòng nguồn tương đương (Norton), vs/rs.
Nhắc lại rằng thuyết truyền công suất cực đại chỉ rằng công suất cực đại được
truyền từ nguồn đến tải khi điện trở nguồn bằng điện trở tải. Vì vậy, công suất cực đại
truyền từ nguồn tín hiệu tới bộ khuếch đại khi rs = rin. Tương tự, công suất cực đại
truyền từ bộ khuếch đại ra tải khi RL = ro. Vì vậy, độ lợi công suất tổng từ nguồn ra
tải sẽ cực đại khi rs = rin và RL = ro. Bộ khuếch đại phối hợp với nguồn khi rs = rin, và
phối hợp với tải của nó khi RL = ro.
Mục đích phân cực
Trong hầu hết các bộ khuếch đại transitor đơn, áp ngõ ra phải luôn dương hoặc luôn
âm. Trong trường hợp đó, dạng sóng ngõ ra không thể là dạng AC thuần túy được, vì
theo định nghĩa, sóng AC thay đổi giữa dương và âm. Mục đích việc phân cực trong
bộ khuếch đại transitor là thiết lập mức DC ngõ ra ở giữa tầm có thể có của áp ngõ ra
để một dạng sóng AC xuất hiện trên nó. Hình 5-7 minh họa điều này. Ngõ vào AC
làm cho áp ngõ ra thay đổi trên dưới mức áp phân cực, nhưng các giá trị tức thời của
ngõ ra luôn luôn dương (trong ví dụ này). Nói cách khác, dạng sóng ngõ ra là:
vo (t) = VB + Asinωt
(5-14)
Trang 5.7
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
với VB là áp phân cực, hoặc là thành phần DC, của ngõ ra, và A là giá trị đỉnh của tín
hiệu sin, thành phần AC. Như đã biết, tầm giá trị này từ VB – A đến VB + A.
Hình 5-7: Mục đích phân cực là cung cấp mức dc mà tại đó sự
biến thiên ac có thể xuất hiện
Dễ thấy rằng giá trị VB và A phải bảo đảm sao cho VB + A không lớn hơn giá trị
cực đại (dương) của áp ngõ ra và VB – A không nhỏ hơn giá trị nhỏ nhất giá trị nhỏ
nhất (dương) của áp ngõ ra. Nếu 2 điều kiện trên không thỏa, thì áp ngõ ra sẽ bị cắt
(xén). Hình 5 – 8 minh họa xén âm và xén dương do VB quá lớn hoặc quá nhỏ, và A
lại quá lớn. Với xén do biên độ A quá lớn, hình 5 – 8(c), người ta gọi bộ khuếch đại
bị lái quá mức (overdriven).
Hình 5 – 8: Tín hiệu bị
xén là do mức dc không
thích hợp và do quá biên
độ
Nhiệm vụ bộ khuếch đại là tạo ra dạng sóng là 1 dạng khuếch đại sóng ngõ vào.
Vì vậy, xén tín hiệu cần tránh, còn gọi là làm méo tín hiệu, và xén là một thí dụ của
xén biên độ. Trong bộ khuếch đại transitor, áp min và max của ngõ ra là áp bão hòa
(saturation) và áp cắt (cutoff). Vì vậy, giá trị min ngõ ra có thể là 1 áp bão hòa vài
chục Volt, và giá trị max ngõ ra có thể là áp cắt (cutoff) bằng áp cung cấp.
Trang 5.8
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Tụ ghép
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Trong nhiều ứng dụng khuếch đại, nguồn hoặc tải, hoặc cả hai, không thể bị ảnh
hưởng bởi áp DC hoặc không cho phép có dòng DC. Ví dụ, loa được thiết kế để chỉ
đáp ứng với các dao động AC và hoạt động không tốt nếu có dòng DC. Để ngăn chặn
dòng DC ở áp ngõ ra bộ khuếch đại đi vào tải, người ta sẽ ghép một tụ nối tiếp với tải.
Tương tự, đế chặn dòng DC từ bộ khuếch đại vào nguồn tín hiệu, hoặc ngược lại, một
tụ được ghép nối tiếp với nguồn. Các kết nối tụ như trên được minh họa ở hình 5-9.
Người ta gọi đây là tụ ghép (coupling capacitor), hoặc tụ chặn (blocking capacitor),
bởi vì chúng chặn dòng DC. Các tụ này phải đủ lớn tổng trở thật nhỏ đối với tín hiệu
AC.
Hình 5-9: Sử dụng các tụ ghép để chặn dòng DC giữa bộ khuếch đại và
nguồn tín hiệu và giữa bộ khuếch đại và tải
5.2 Phân tích đồ thị bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ CE
Phần trước, chúng ta đã phân tích bộ khuếch đại dùng transitor mắc CE, bởi vì cấu
hình này rất thường được sử dụng. Hình 5-10 cho ta thấy một mạch phân cực CE
được bổ sung thêm một nguồn tín hiệu AC nối tiếp với cực nền, ta cũng thêm vào tụ
ghép, nhưng giả sử rằng thời gian xét đủ lớn để có thể bỏ qua ảnh hưởng (của tụ) trên
tải.
Trang 5.9
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Hình 5-10: Bộ khuếch đại E chung
Hình 5 – 11: Một bộ khuếch đại ac được
phân tích bằng đồ thị
Chú ý ở hình 5-10 rằng kí hiệu áp và dòng ngõ ra, ngõ vào bằng ký tự thường để
chỉ đó là tín hiệu AC. Nguồn tín hiệu gây ra biến đổi nhỏ ở áp ngõ vào transitor, làm
cho dòng cực nền (base) cũng bị biến động nhỏ. Khi dòng cực nền tăng giảm, dòng
cực thu (collector) cũng vậy. Bởi vì dòng cực thu xấp xỉ bằng β lần dòng cực nền,
nên chúng ta dễ dàng tính được độ lợi dòng giữa ngõ ra và ngõ vào.
Rất hữu ích nếu chúng ta quan sát sự biến thiên ngõ vào và ngõ ra trên đường tải
được vẽ chung với đặc tính ngõ ra transitor. Đối với ví dụ trên, chúng ta sẽ phân tích
đồ thị như hình 5-11.
Để xác định tổng biến thiên ở cực nền gây ra bởi nguồn tín hiệu trong hình 5-11,
chúng ta sẽ sử dụng đặc tính ngõ vào như ở hình 5-12. Ở đây, bỏ qua ảnh hưởng hồi
tiếp của VCE trên đặc tính ngõ vào mà chỉ trình bày đặc tính IB – VBE của transitor.
Giả sử rằng mối nối BE được phân cực thuật là 0.65V, sự biến thiên ± 0.03 V của vS
làm cho VBE thay đổi giữa 0.62 – 0.68. Ở hình 5-12 cho thấy thay đổi áp ngõ vào làm
cho IB dao động giữa 20 µ A và 40 µ A.
Đường tải trên hình 5-11 cắt trục VCE tại VCC = 18V và cắt trục IC tại
(18V)/3(kΩ ) = 6mA. Đặc tính ngõ ra cũng được vẽ ở hình 5-13. Điểm Q là giao
điểm của đường tải và đường cong ứng với dòng nền khi vS = 0. Theo định nghĩa,
điểm Q xác định giá trị phân cực của VCE và IC, là các giá trị ngõ ra khi không có tín
hiệu AC. Trên hình 5-12, IB = 30 µ A khi VBE = 0.65V (vS = 0), điểm Q là giao điểm
của đường tải với đường cong IB=30 µ A. Chúng ta thấy rằng transitor được phân cực
với VCE = 9V và IC = 3 mA.
Trang 5.10
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Hình 5 – 12: Điện áp trên BE
biến thiên từ 0.62V đến 0.68V
khi vS thay đổi ±0.03V với áp
phân cực VBE=0.65V. Sự biến
đổi áp ngõ vào làm IB thay đổi
giữa 20µA và 40µA.
Hình 5 – 13: Khi dòng cực nền
biến thiên giữa 20µA và 40µA,
áp trên CE thay đổi giữa 6V và
12V và IC biến thiên giữa 2mA
và 4mA
Cần nhắc lại rằng đường tải là đường tập hợp các kết hợp có thể có của IC và VCE.
Vì vậy, khi dòng nền thay đổi từ 20 µ A đến 40 µ A, giá trị của IC và VCE thay đổi dọc
theo đường tải giữa các giao điểm của nó với 2 đường cong IB = 20 µ A và IB =40 µ A.
Trên hình 5-13, dòng cực thu thay đổi giữa IC = 2mA và IC = 4mA khi cực nền biến
thiên từ 20 µ A và 40 µ A. Vì dòng cực nền biến thiên theo hình sin, nên dòng cực thu
cũng vậy, dạng sóng sin ic như trên hình.
Chúng ta cũng thấy trên hình 5-13 giá trị VCE thay đổi từ 6V đến 12V khi dòng
cực nền thay đổi giữa 20 µ A và 40 µ A. Chú ý, VCE giảm khi IB và IC tăng, và ngược
Trang 5.11
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
lại. Vì vậy, áp vce hình sin ngược pha 180o với dòng ib và ic hình sin. Vì ib cùng pha
với vbe nên suy ra vce cũng ngược pha 180o với vbe. Hay nói cách khác, áp ngõ ra ac
từ bộ khuếch đại mắc CE sẽ ngược pha 180o với pha của áp ngõ vào AC. Điều này
được biểu diễn bằng phương trình đường tải như sau:
VCC
RC
−1
RC
IC =
VCE
+
(5-15)
Từ phương trình trên, ta thấy nếu IC thì VCE sẽ giảm. Vì vậy, khi áp ngõ vào tăng, IB
tăng, IC tăng, và VCE giảm. Người ta nói rằng bộ khuếch đại áp CE gây ngược pha,
hay là đảo ngược điện áp.
Ta có thể sử dụng các giá trị đã vẽ trên đồ thị để tính các đặc tính quan trọng của
bộ khuếch đại. Độ lợi dòng là:
2×10−3
io ∆IC
iin ∆IB (40µA) − (20µA)
(4mA) − (2mA)
A =
=
=
=
= 100
i
20×10−6
(việc tính toán trên bỏ qua dòng điện rất nhỏ sinh ra do vS trong hình 5-11, được đổ
qua điện trở cực nền 576 kΩ và vì vậy không chảy vào cực nền transitor). Độ lợi áp
Av là:
vo ∆VCE
vin ∆VBE (0.68 − 0.62)V 0.06V
(6 −12)V
− 6V
Av =
=
=
=
= −100
Trong phép tính Av, chú ý rằng sự biến thiên VCE là ∆VCE = (6-12)V = -6V, không
phải ∆VCE=(12-6)V = +6V. VCE = 6V khi VBE = 0.68V và VCE = 12V khi VBE
=
0.62V. Trong biểu thức này AV có giá trị âm. Dấu âm chỉ rằng đặc tính bộ khuếch đại
này là đảo pha. Độ lớn AV là 100, nghĩa là áp ac ngõ ra gấp 100 lần áp ngõ vào. Đừng
nhầm lẫn độ lợi AV âm với giá trị AV bé hơn 1.
Chú ý cả độ lợi dòng và độ lợi áp luôn lớn hơn 1 trong mạch khuếch đại mắc CE,
nghĩa là nó khuếch đại cả dòng và áp. Độ lợi công suất bộ khuếch đại trong thí dụ này
là Ap = (100)(100) = 10,000. Để ý rằng độ lớn của AV được sử dụng trong phép tính
trên, vì độ lợi công suất luôn dương.
Điện trở ngõ vào của bộ khuếch đại:
vin ∆VBE
0.06V
20µA
r =
=
=
= 3000Ω
in
iin
∆IB
Điện trở ngõ ra:
ro =
vo ∆VCE
6V
2mA
=
=
= 3000Ω
io
∆IC
Trang 5.12
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Ảnh hưởng của vị trí điểm Q đối với hoạt động AC
Chúng ta sẽ xét ảnh hưởng của điểm Q đối với hoạt động AC của bộ khuếch đại. Giả
sử rằng giá trị điện trở RB trong hình 5-11 thay đổi từ 576kΩ đến 3.47MΩ . Giá trị
tĩnh của dòng nền là :
(18 − 0.65)V
IB =
= 5µA
3.47×106 Ω
Hình 5.14 chỉ điểm Q trong trường hợp này được dịch xuống đường tải xuống giao
điểm với đường cong có IB = 5 µ A. Tại điểm Q mới này, IC = 0.5 mA và VCE = 16.5
V. Khi dòng nền tăng 10 µ A trên Q đến 15 µ A, có thể thấy trên hình 5-14 dòng cực
thu tăng đến 1.5mA và VCE giảm còn 13.5V. Tuy nhiên, khi dòng cực nền giảm
10 µ A dưới điểm Q (1 lượng -5 µ A), transitor sẽ vào vùng cắt (cutoff). Rõ ràng IC
không thể nhỏ hơn 0 và VCE không thể lớn hơn VCC = 18V.
Hình 5 – 14: Khi điện trở cực
nền tăng, điểm tĩnh Q di chuyển
xuống dưới đường tải và tín
hiệu khuếch đại bị xén
Trang 5.13
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
a)Điểm Q nằm quá gần vùng bão
hòa và áp ngõ ra bị xén âm
b) Tín hiệu vào quá lớn gây ra
xén âm và xén dương
Hình 5-15
Như đã chỉ trên hình, dòng ngõ ra sớm bằng 0, tức bị xén. Cùng lúc đó, VCE đặt giới
hạn 18V và dạng sóng ngõ ra bị xén dương. Với vị trí điểm Q mới, sự thay đổi áp ngõ
ra không vượt quá 18-16.5 = 1.5V mà không có xén dương xảy ra. Vì vậy, áp ngõ ra
đỉnh - đỉnh là 2x1.5 = 3V, và chúng ta nói rằng bộ khuếch đại đạt được dao động ngõ
ra lớn nhất là 3V. Điều này cho thấy sự quan trọng của việc định điểm Q phải gần
giữa đường tải.
Nếu điểm Q được chọn ở trên quá xa đường tải, dao động ngõ ra sẽ bị giới hạn
bởi điểm bắt đầu bão hòa. Điều này được minh họa trên hình 5-15(a). Ở đây, sự gia
tăng quá lớn của dòng nền làm cho transitor bị bão hòa. Dòng cực thu không thể vượt
quá giá trị bão hòa và VCE lại luôn lớn hơn 0. Chính vì vậy, áp ngõ ra có dạng sóng bị
xén âm, như trên hình.
Ngay cả khi điểm Q nằm giữa đường tải, xén âm và xén dương vẫn có thể có nếu
tín hiệu vào quá lớn. Hình 5 – 15 (b) minh họa trường hợp dòng cực nền quá lớn làm
cho transitor vào trạng thái bão hòa và bị xén. Ta thấy rằng cả xén âm và dương xuất
hiện khi bộ khuếch đại bị lái qua mức (overdriven).
Tuyến tính và méo dạng
Một bộ khuếch đại tốt phải có dạng sóng ngõ ra là một bản sao “thật giống” với dạng
sóng ngõ vào (hoặc là bản sao nhưng ngược pha với ngõ vào). Dĩ nhiên điều này
không cho phép xén xảy ra. Nếu không xét đến xén, việc sóng ngõ ra có giống sóng
ngõ vào hay không còn phụ thuộc vào độ tuyến tính mạch khuếch đại. Tuyến tính
nghĩa là bất kỳ sự biến thiên nào của ngõ ra đều phải tỉ lệ trực tiếp với sự biến thiên
ngõ vào. Thí dụ, ∆Vo =1V khi ∆V =0.01V, ∆Vo bằng 2V khi ∆V =0.02V, và
in
in
∆Vo =0.5V khi ∆Vin =0.005V. Độ tuyến tính của transitor được quyết định bằng cách
tính phạm vi mà tương đương với việc tăng dòng cực nền áp ứng với các đường cong
Trang 5.14
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
trên đặc tính ngõ ra CE. Nếu chúng ta giả sử rằng dòng ngõ vào tỉ lệ với áp ngõ vào
(xem như mối nối B-E là tuyến tính), thì sự thay đổi áp ngõ vào sẽ gây nên áp ngõ ra
thay đổi trong phạm vi tỉ lệ dọc trên đường tải. Điều này chỉ xảy ra chỉ khi các đường
cong ứng với dòng nền cố định được đặc ngang bằng nhau. Hình 5 -16 minh họa điều
này, một đặc tính ngõ ra CE cố ý méo dạng để cho thấy rõ các khoảng cách không
đồng dạng. Chú ý rằng khoảng cách giữa các đường cong tăng lớn hơn các giá trị của
dòng cực nền. Trong hình vẽ, dòng cực nền được cho là thay đổi sin trên dưới 20 µ A
với giá trị tĩnh là 50 µ A. Sự thay đổi từ 50 µ A đến 70 µ A làm cho IC biến thiên từ
4mA đến 6mA, nhưng sự thay đổi từ 50 µ A đến 30 µ A chỉ làm cho IC thay đổi trong
tầm 4mA đến 2mA. Tương tự, sự thay đổi của VCE từ (12.5V) – (2.5V) = 10V khi IB
tăng đến 70 µ A, nhưng VCE chỉ thay đổi (17.5V) – (12.5V) = 5V khi IB giảm còn
30 µ A. Ta thấy rõ rằng ngõ ra bị méo dạng, dạng sóng không đồng dạng.
Hình 5 – 16
Khi IB tăng khoảng đều thì đặc tuyến lại dịch khoảng không bằng nhau, nghĩa là phi
tuyến, gây ra sái dạng ở ngõ ra.
Vùng tích cực của đặc tính ngõ ra transitor là vùng mà các đường cong dòng cực
nền thường xấp xỉ hoặc bằng nhau. Vì vậy, vùng tích cực thường được gọi là vùng
tuyến tính. Dĩ nhiên, đường đặc tính như hình 5 – 16 rõ ràng là không tuyến tính.
Trong thí dụ này, phi tuyến là do thông số thiết bị (như β ) thay đổi đáng kể trong
vùng hoạt động. Phân tích tín hiệu nhỏ linh kiện này vì vậy sẽ được giới hạn trong
phạm vi nhỏ dọc trên đường tải.
Trang 5.15
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Ảnh hưởng điện trở tải trong hoạt động AC
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Chúng ra sẽ xét xem ảnh hưởng của điện trở tải RL được nối vào ngõ ra mạch khuếch
đại CE. Hình 5 – 17 cho thấy 1 tụ điện được ghép với 1 điện trở tải 6kΩ . Chú ý rằng
khi xét AC, thì điện trở RL sẽ song song với RC. Nguồn áp DC bị ngắn mạch khi phân
tích tín hiệu AC, cho nên điện trở 3kΩ trên hình 5 – 17 bị nối đất qua nguồn 18V, và
áp AC tại cực thu “nhìn” 3kΩ song song với 6kΩ . Nói tóm lại, cần để ý rằng khi
phân tích AC, như nguồn vs, chúng ta ngắn mạch tất cả nguồn áp DC.
Hình 5 – 17: Bộ khuếch đại
CE của hình 5 – 11, được bổ
sung thêm tụ ghép vào điện
trở tải
Điện trở tải ac, kí hiệu là rL, chính là RC song song với RL:
RC RL
RC + RL
rL = RC || RL =
(5 – 16)
Trong thí dụ này, rL = (3kΩ )//(6kΩ ) = 2kΩ . Dĩ nhiên là điện trở tải DC vẫn là
3kΩ , bởi vì tụ điện đã ngăn không cho dòng DC qua điện trở 6kΩ .
Sự khác nhau giữa điện trở tải ac và DC có nghĩa là chúng ta không tính áp ngõ ra
bằng đường tải với RC = 3kΩ . Thay vào đó, chúng ta sẽ dùng đường tải ac, với
rL=2kΩ . Đường tải dựa trên RC được gọi là đường tải DC. Bởi vì đường tải ac là tập
hợp tất cả các điểm kết hợp giữa dòng và áp cực thu, nên nó phải gồm cả điểm mà
ngõ vào ac = 0. Điểm này chính là điểm Q của đường tải DC, suy ra là đường tải ac
và DC giao nhau tại điểm Q. Hình 5 – 18 cho thấy đường tải DC và ac cùng được vẽ
trên 1 đặc tính ngõ ra.
Chú ý là đường tải ac dốc hơn đường tải DC. Nhớ rằng độ dốc đường DC là -
1/RL, trong khi của đường ac là -1/rL, mà rL<RL. Phương trình đường tải ac:
VQ
Io =
+ IQ
(5 – 17)
(5 – 18 )
rL
Vo = VQ + IQ rL
Trang 5.16
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Hình 5 – 18: Đường tải DC và ac
với
IQ là giá trị tĩnh của IC
VQ là giá trị tĩnh của VCE
Io và Vo là giá trị dòng IC và áp VCE của đường tải AC trên trục tọa độ.
Đối với thí dụ này, ta có:
9V
Io =
+ 3×10−3 A = 7.5mA
2×103 Ω
Vo = 9V + (3×10−3 A)(2×103 Ω) = 15V
Cần nhắc lại rằng đường tải ac là tập hợp tất cả các trường hợp kết hợp có thể có của
áp CE và dòng cực thu, và đường tải DC thì không có điều này. Rất dễ nhầm lẫn rằng
đường tải DC chi phối áp qua RC và đường tải ac lại chi phối áp qua RL. Cần nhớ rằng
dòng và áp trên RL có dạng sóng thuần ac gồm phần dương và âm, vì tụ chặn đã ngăn
thành phần DC của sóng cực thu. Sự khác nhau duy nhất giữa vL và áp cực thu là
thành phần DC!
Một điều nữa là đường tải ac làm cho biên độ của áp ac ngõ ra nhỏ hơn so với áp ngõ
ra do đường tải DC. Điều này được minh họa trong hình 5 – 19, với các điện áp ngõ
ra đều được vẽ dựa trên cả 2 đường tải ac và DC. Sự biến thiên dòng cực nền đều như
nhau trong 2 trường hợp, và dễ thấy rằng đường tải ac có độ dốc hơn làm cho biên độ
ngõ ra nhỏ hơn. Việc nối 1 tải ac vào ngõ ra bộ khuếch đại luôn luôn làm giảm biên
độ ngõ ra ac của nó.
Trang 5.17
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Hình 5 – 19: áp ngõ ra được quyết định
bởi đường tải ac sẽ nhỏ hơn nếu như
Hình 5 – 20: Nếu điểm Q dịch trên
đường tải dc, thì đường tải ac sẽ dịch
song song
được quyết định bởi đường tải dc
Nếu điện trở nền RB thay đổi, điểm Q sẽ dịch đến 1 vị trí mới trên đường tải DC.
Do đường tải ac cũng đi qua điểm Q nên nó cũng sẽ bị dịch theo. Như trên hình 5 –
20, các đường tải ac song song ứng với các điểm Q khác nhau, vì chúng có cùng độ
dốc là -1/rL.
5.3 Phân tích mạch khuếch đại sử dụng các mô hình tín hiệu nhỏ
Các thông số tín hiệu nhỏ
Các mạch transitor thường được phân tích bằng đại số hơn là bằng phương pháp đồ
thị, cho nên rất thuận tiện nếu transitor được thay thế bằng một mạch tương đương
nào đó. Có nhiều loại mạch tương đương đã được dùng cho transitor, mỗi loại có
những điểm riêng mà nó sẽ tốt hơn hoặc chính xác hơn cho mỗi kiểu phân tích. Dạng
mạch tương đương sẽ dựa trên các thông số transitor được chọn làm cơ sở cho mạch.
Một thông số transitor là một đặc tính hoặc đặc trưng nào đó mà có thể được biểu
diễn bằng giá trị số. Ví dụ, α và β là các thông số transitor. Chúng được tính từ mối
quan hệ số giữa 2 lượng (trong trường hợp này là tỉ số của 2 dòng). Các thông số
transitor cũng là các đặc tính vật lý cố hữu đặc biệt, chẳng hạn như điện trở vùng nền,
hoặc độ rộng của vùng nghèo CB.
Các giá trị của thông số tín hiệu nhỏ được xác định dưới điều kiện hoạt động tín
hiệu nhỏ (AC). Thí dụ, giá trị tín hiệu nhỏ β là:
ic
ib
β =
(5 - 19)
VCE =cons tan t
Phương trình trên chỉ rằng β là tỉ số dòng AC cực thu và dòng nền AC với VCE cố
định. β tín hiệu nhỏ được xác định từ tập hợp các đặc tính cực thu bằng cách xây
dựng đường thẳng đứng ( một đường với VCE là hằng số) và tìm ∆ IC /∆ IB. (như một
Trang 5.18
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
bài tập, dùng hình 5 -13 tìm β tín hiệu nhỏ tại VCE = 10V khi IB thay đổi từ 20 µ A
đến 40 µ A.). Cho đến giờ, chúng ta xấp xỉ β bằng cách lấy tỉ số 2 dòng DC:
β ≈IC/IB. Để phân biệt giá trị này với giá trị tín hiệu nhỏ, nhiều người sử dụng kí
hiệu β DC để chỉ rằng đó là tỉ số các dòng DC. Trong hầu hết các ứng dụng thực tế,
giá trị tín hiệu nhỏ và DC của β xấp xỉ gần bằng nhau, và về sau chúng ta sẽ sử dụng
ký hiệu β DC chỉ khi cần nhấn mạnh rằng đó là giá trị DC. Tương tự như β tín hiệu
nhỏ, α tín hiệu nhỏ được định nghĩa từ các dòng ac như sau:
ic
ie
α =
(5 – 20)
VCB =cons tan t
Một thông số vật lý quan trọng của transitor là điện trở tín hiệu nhỏ từ cực phát
đến cực nền (EB), được gọi là điện trở cực phát re. Điện trở này giống như điện trở
ngõ vào tín hiệu nhỏ của transitor trong mô hình cực nền chung (CB):
vbe
ie
re =
(5 – 21)
VCE =cons tan t
Vì mối nối E-B có thể được xem là 1 diode phân cực thuận, nên giá trị xấp xỉ re có thể
được tính tương tự như chúng ta tính điện trở động của diode (chương 3). Nhắc lại
rằng rD ≈ VT/I 0.026/I tại nhiệt độ phòng, với I là dòng DC trong diode. Tương tự,
≈
0.026
IE
re ≈
Ω
(5 – 22)
với IE là dòng DC cực phát.
Điện trở cực thu tín hiệu nhỏ rc là điện trở AC từ cực thu đến cực nền. Nó tương
tự như điện trở ngõ ra của transitor trong mô hình cực nền chung (CB) và thường có
giá trị vài megohms, vì nó đi qua mối nối phân cực ngược:
vcb
rc =
=cons tan t Ω
(5 – 23)
IE
ic
Mô hình mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ CB
Hình 5 – 23 cho thấy một transitor trong cấu hình cực nền chung (CB) và mô hình
xấp xỉ tín hiệu nhỏ. Nhớ rằng tất cả các dòng và áp đều là AC.
a) Cấu hình B chung
b) Mô hình tín hiệu nhỏ của cấu hình CB
Hình 5 – 23: Một transitor mắc kiểu CB và mô hình tín hiệu nhỏ của nó
Trang 5.19
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Trong mô hình 5 – 23 bao gồm nguồn điều khiển dòng AC cho 1 dòng điện α ie. Vì
vậy, dòng cực thu ic bằng α ie, cho nên mô hình tương đối bị ảnh hưởng bởi mối quan
hệ giữa ie và ic. Mô hình không trình bày ảnh hưởng hồi tiếp như đã đề cập ở chương
4; đó là, không thể hiện sự phụ thuộc ie vào VCB. Trong chương sau, chúng ta sẽ đề
cập mô hình hybrid phức tạp và chính xác hơn và cũng bao gồm cả ảnh hưởng hồi
tiếp. Đối với hầu hết các bài tập phân tích và thiết kế thực tế, hồi tiếp được bỏ qua.
Rõ ràng là điện trở ngõ vào transitor bằng re trong mô hình xấp xỉ CB. Giá trị này
tương đối nhỏ, thường nhỏ hơn 100Ω .
rin = re
(5 – 24)
Mặt khác, điện trở ngõ ra transitor có thể được xem là bằng rc:
ro = rc
( 5 – 25)
Để minh họa làm cách nào có thể sử dụng mô hình tín hiệu nhỏ để phân tích mạch
khuếch đại thực tế, chúng ta sẽ kết hợp nó trong mô hình mạch khuếch đại CB như
trong hình 5-24(a). Hình 5-24(b) trình bày mạch tương đương hình (a) bên ngoài
transitor. Để ý rằng tất cả các nguồn DC đều bị ngắn mạch khi xét mạch tương đương
AC. Cuối cùng, hình 5-24(c) cho thấy toàn bộ tương đương AC khi transitor được
thay thế bởi mô hình tín hiệu nhỏ của nó
vS = vin = iere và vo = ic RC = αie RC
(5 – 26)
vì α ≈1,vo ≈ iere nên độ lợi áp là:
vo ie RC RC
Av =
≈
=
(5 – 27)
vin
ie re
re
Bộ khuếch đại CB được lái bởi nguồn tín hiệu nhỏ, vS
a)
Trang 5.20
Tải về để xem bản đầy đủ
42 trang
19840
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 5: Các mạch khuếch đại BJT tín hiệu nhỏ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_ky_thuat_dien_tu_chuong_5_cac_mach_khuech_dai_bjt.pdf
