Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 6: Mạch khuếch đại đa tầng
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Chương 6: Mạch khuếch đại đa tầng
6.1 Các quan hệ độ lợi trong mạch khuếch đại đa tầng
Trong nhiều ứng dụng, một mạch khuếch đại đơn không thể cho tất cả mọi độ lợi theo yêu cầu
của từng loại tải riêng biệt. Ví dụ, một hệ thống loa là một tải “nặng” trong hệ thống khuếch
đại âm thanh, nhiều tầng khuếch đại được đặt ra nhằm nâng mức tín hiệu gốc từ microphone
hoặc đầu đọc băng từ lên đến mức hiệu quả để có thể cho ra công suất đủ lớn tại loa. Ta đã biết
đến các mạch tiền khuếch đại, mạch khuếch đại công suất và mạch khuyếch đại ngõ ra, các
mạch khuyếch đại này đều là các mạch khuếch đại có cấu tạo nhiều tầng trong một hệ thống.
Thật ra bản thân mỗi bộ phận này có thể bao gồm nhiều tầng khuếch đại bán dẫn riêng. Các
mạch khuếch đại tạo ra độ lợi áp, dòng hay công suất thông qua việc sử dụng từ hai tầng trở lên
gọi là mạch khuếch đại đa tầng.
Khi ngõ ra của một tầng khuếch đại được nối với ngõ vào của một tầng khuếch đại khác thì gọi
là ghép Cascade
Hình 6.1: Hai tầng khuếch đại ghép cascade
Tổng độ lợi áp của hệ thống được tính như sau: Xem ngõ vào tầng 1 là 10 mV rms và độ lợi áp
của mỗi tầng là A1=A2=20, ngõ ra tầng 1 là A1vi1=20(10 mV rms)= 200 mV rms. Như vậy ngõ
vào tầng 2 là 200 mV rms. Tương tự ngõ ra tầng 2 là A2vi2=4 V rms. Độ lợi tổng sẽ là:
vo2
4Vrms
Av =
=
= 400
vi1 10mVrms
chú ý là Av = A A2 = (20)(20) = 400
1
Hình 6-2 là một hệ thống gồm n tầng ghép Cascade. Ngõ ra của mỗi tầng chính là ngõ
vào của tầng kế tiếp ( vo1 = vi2, vo2 = vi3,…). Ta sẽ bắt đầu từ việc biểu diễn độ lợi áp tổng
vo,n/vi1 theo từng độ lợi tầng A1, A2 ,…, An. Xem độ lợi mỗi tầng như là giá trị độ lợi áp giữa
ngõ vào và ngõ ra của tầng đó khi các tầng được ghép với nhau.
Trang 6.1
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Hình 6.2: n tầng khuếch đại được ghép cascade. Áp ngõ ra của mỗi tầng là ngõ vào
của tầng kế tiếp
Theo định nghĩa:
vo1 = A vi1
(6-1)
(6-2)
1
vo2 = A2vi2 = A2vo1
thay vo1 từ (6-1) vào (6-2):
vo2 = (A A2 )vi1
(6-3)
1
Tương tự:
vo3 = A3vi3 = A3vo2
từ (6-3):
vo3 = (A A2 A3 )vi1
1
Theo cách này ta tìm được:
v o ,n = ( An An −1 .......... ... A2 A1 )v i1
Từ đó:
vo,n
vi1
= An An−1.............A2 A
(6-4)
1
Phương trình 6-4 cho thấy tổng độ lợi áp của n tầng cascade là tích độ lợi từng tầng (không
phải tổng). Tổng quát, bất kỳ một hay nhiều tầng có độ lợi âm thì tầng đó gây ra một sự đảo
pha 180o. Theo phương trình 6-4, mạch khuếch đại cascade sẽ có ngõ ra ở tầng cuối cùng
không cùng pha với ngõ vào ở tầng thứ nhất nếu số tầng đảo pha là số lẻ, và cùng pha nếu là số
chẵn (hoặc bằng 0).
Để tìm độ lợi áp tổng của hệ thống ghép Cascade theo Decibel, ta bỏ qua dấu đại số của độ lợi
mỗi tầng và tính như sau:
v
vi1
o,n
10
20log
= 20log10 (An An−1.............A2 A )
1
= 20log10 An + 20log10 An−1 +....................+ 20log10 A2 + 20log10 A
(6-5)
1
= An (dB) + An−1(dB) +....................+ A2 (dB) + A (dB)
1
Trang 6.2
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Phương trình 6-5 cho thấy độ lợi áp tổng theo dB là tổng các độ lợi từng phần biểu diễn theo
dB. Tương tự ta có thể dễ dàng tìm được độ lợi dòng, độ lợi công suất tổng theo độ lợi các
tầng.
Kết quả của phương trình 6-4 không tính đến ảnh hưởng của điện trở nguồn và điện trở
tải lên độ lợi áp tổng. Điện trở nguồn rs tạo ra phân áp ở đầu vào của tầng thứ nhất, và điện trở
tải tạo ra phân áp giữa điện trở tải và tổng trở ra của tầng cuối cùng.
Trong trường hợp này, độ lợi áp tổng giữa tải và nguồn tín hiệu trở thành:
vL
vS
r
rL
i1
=
An An−1.............A2 A
(6-6)
1
rS + r
ro,n + rL
i1
Với ri1 là điện trở ngõ vào tầng đầu tiên và ro,n là điện trở ngõ ra tầng cuối.
Ví dụ 6-1:
Hình 6-3 là một mạch khuếch đại 3 tầng và điện áp tại các điểm trong mạch khuếch đại là điện
áp hiệu dụng AC. Cho v1 là điện áp nguồn tín hiệu không trở ở đầu vào và v3 là điện áp ra
không tải
1.
2.
3.
Tìm độ lợi áp mỗi tầng và độ lợi áp tổng v3/v1.
Làm lại câu 1 theo dB
Tìm độ lợi áp tổng vL/vs khi mạch khuếch đại đa tầng có điện trở nguồn là 2000Ω và
điện trở tải là 25Ω. Tầng 1 có điện trở vào là 1kΩ và tầng 3 có điện trở ra là 50Ω.
Làm lại câu 3 theo dB với độ lợi áp ở tầng thứ 2 được giảm xuống 6dB.
Tính độ lợi công suất theo dB với dữ liệu của câu 3.
Tính độ lợi dòng tổng iL/i1 ở câu 3.
4.
5.
6.
Hình 6.3: (thí dụ 6 -1)
Giải:
1.
A = (36mV ) /(900µV ) = 40
1
A2 = (1.25V ) /(36mV) = 34.722
A3 = (21V ) /(1.25V ) = 16.8
v3 / v1 = A A2 A3 = (40)(34.722)(16.8) = 23.333
1
Trang 6.3
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Chú ý rằng tích các độ lợi áp bằng độ lợi áp tổng. Trong ví dụ này, có thể tính độ lợi áp tổng
trực tiếp: v3 / v1 = (21V ) /(900µV ) = 23.333.
2.
A (dB) = 20log10 40 = 32.04dB
1
A2 (dB) = 20log10 (34.722) = 30.81dB
A3 (dB) = 20log10 (16.8) = 24.51dB
v3 / v1 (dB) = A (dB) + A2 (dB) + A3 (dB) = 87.36dB
1
Để ý là 20log10 (v3 /v1) = 20log10[21/900x10−6 )] = 20log10 (23.333) = 87.36dB
3.
Từ phương trình 6-6:
vL
vL
1000
2000 +1000
25
50 + 25
=
(23.333)
= 2592.54.
4. Độ lợi áp có nguồn và tải là 20log10 (2592.5) = 68.27dB . Do độ lợi tầng 2 giảm đi 6dB nên
độ lợi tổng là: (68.27dB) − (6dB) = 62.27dB
5. Khi điện trở nguồn là 2000Ω được đưa vào ngõ vào thì v1 trở thành:
1000
2000 +1000
v =
(900µV ) = 300µV
1
Công suất ngõ vào là:
vi2
(300x10−6 )2
P =
=
= 90pW
i
r
1000
i1
Khi đó điện áp qua tải 25Ω là:
RL
ro3 + RL
vL = v1 (A A2 A3 )
1
25
50 + 25
= (300µV )(40)(34.722)(16.8)
= 2.33V
Công suất ngõ ra có tải là
vL2
(2.33)2
25
P =
=
= 0.217W
o
RL
Cuối cùng:
P
0.217
90x10
10 o
Av (dB) =10log
=10log
= 93.82dB
10
−12
P
i
6. Nhắc lại Ap = Av A . Dùng kết quả câu 5, độ lợi công suất giữa ngõ vào và tầng thứ nhất, và
i
tải là:
Trang 6.4
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
P
0.217
Ap =
=
= 2.14x109
o
90x10−12
P
i
7.
Độ lợi áp giữa ngõ vào và tầng thứ nhất, và tải là:
vL
2.33V
AV =
=
= 7766
v1 300µV
Do đó:
2.14x109
7766
Ap
Av
A =
=
= 3.1x105
i
Điều quan trọng cần nhớ là phương trình độ lợi ta có được là dựa trên giá trị A1, A2… xác định
trong mạch, nghĩa là dựa trên các độ lợi tầng khi tất cả các tầng được ghép với nhau. Do đó suy
ra rằng mỗi giá trị độ lợi được tính vào tải của tầng trước đó và tải thì tính vào tầng kế tiếp.
Nếu biết độ lợi áp hở mạch và giá trị tổng trở vào và ra, ta có thể tính được độ lợi tổng bằng
cách tính tác động của tải của mỗi tầng lên các tầng khác. Về mặt lý thuyết, tải của một tầng
cho trước phụ thuộc vào tất cả các tầng nằm bên phải nó, tổng trở vào của một tầng bất kỳ phụ
thuộc vào tổng trở tải ngõ ra của nó cũng là tổng trở vào của tầng tiếp theo. Trong thực tế, ta có
thể bỏ qua tác động tải tích lũy của các tầng ngoại trừ một tầng ghép ngay với tầng đang xét,
hoặc giả sử rằng điện trở vào là tải của một tầng kế cận.
Hình 6-4 là một mạch khuếch đại 3 tầng, cho trước độ lợi áp hở mạch của các tầng là A01,A02,
và A03, điện trở vào và ra của mỗi tầng.
Hình 6.4: Một bộ khuếch đại 3 tầng. Ao1, Ao2, và Ao3 là 3 độ lợi áp hở mạch (không tải) của
các tầng
Phân áp tại các nút trong hệ thống ta có:
r
i1
v1 =
vS
rS + r
i1
Kết hợp lại ta có:
r
i2
v2 = Ao1v
(6-7)
1
ro,1 + r
i2
Trang 6.5
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
r
i3
v3 = Ao2v
vL = Ao3v
2
i3
ro,2 + r
rL
3
ro,3 + rL
Kết hợp các mối quan hệ này, ta có:
vL
vS
r
r
r
rL
ro,3 + rL
i1
i2
i3
=
A
A
A
o1
o2
i3 o1
ro,2 + r
rS + r
ro,1 + r
i1
i2
Phương trình 6-7 cho thấy độ lợi áp tổng của mạch khuếch đại đa tầng là phép nhân độ lợi hở
mạch với tỷ số phân áp tính vào tải của mỗi tầng. Chú ý rằng tỷ số phân áp tính cho tải giữa
các cặp tầng khuếch đại. Nói cách khác, không được tính hiệu ứng tải hai lần: một lần xem
điện trở vào như là tải của tầng trước đó và lần thứ hai lại xem điện trở ra của tầng trước đó là
điện trở nguồn của tầng tiếp theo.
Ví dụ 6-2:
Độ lợi áp hở mạch của mạch khuếch đại 3 tầng và các giá trị điện trở vào, ra được cho trong
bảng 6-1. Nếu 3 tầng ghép Cascade và tầng thứ nhất có nguồn tín hiệu 10mV rms, điện trở
nguồn là 12k, tính điện áp qua tải 12Ω ghép vào ngõ ra của tầng thứ 3.
Tầng khuếch đại
Độ lợi áp không tải
Điện trở ngõ vào
Điện trở ngõ ra
(dB)
24
(kΩ )
10
(kΩ )
4.7
1
2
3
20
20
1.5
12
1.5
0.02
Bảng 6.1: (Thí dụ 6 – 2)
Giải:
20log10 Ao1 = 24
log10 Ao1 = 1.2
Ao1 = antilog(1.2) = 15.85
Tương tự:
Ao2 = antilog(1) = 10
Ao3 = antilog(0.6) = 3.98
Từ phương trình 6-7:
vL
vS
10kΩ
20kΩ
4.7kΩ + 20kΩ
1.5kΩ
1.5kΩ +1.5kΩ
=
15.85
10
12kΩ +10kΩ
12kΩ
20kΩ +12kΩ
X (3.98)
= 43.53
Trang 6.6
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Do vậy:
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
vL = 43.53vS = 43.53(10mVrms) = 0.4353Vrms
Đáp ứng tần số của các tầng ghép Cascade
Tần số cắt thấp của một tầng khuếch đại đơn chịu ảnh hưởng của không nhiều hơn 3 điểm gãy
tần số khác nhau, có giá trị dựa trên các thành phần RC thay đổi trong mạch. Nếu các điểm gãy
tần số có giá trị không gần nhau ta có thể xem như tần số cắt thấp thực tế trong mạch xấp xỉ
bằng với điểm gãy tần số lớn nhất. Tương tự, xem tần số cắt trên xấp xỉ với điểm gãy tần số
nhỏ nhất ảnh hưởng tới đáp ứng tần số trong mạch. Áp dụng tương tự với các tầng khuếch đại
Cascade. Nếu tần số cắt thấp của các tầng riêng lẻ không gần nhau thì tần số cắt thấp chung của
cả mạch bằng tần số cắt thấp lớn nhất của các tầng. Nếu tần số cắt cao của các tầng riêng lẻ
không gần nhau thì tần số cắt cao chung của cả mạch bằng tần số cắt cao nhỏ nhất của các
tầng.
Trong thực tế, một mạch khuếch đại đa tầng có thể có một vài điểm gãy tần số thấp bằng nhau,
tương tự đối với tần số cao. Trong trường hợp này, tính tần số cắt thấp và cắt cao của một
mạch khuếch đai đa tầng là một vấn đề phức tạp. Tần số cắt phải được xác định bằng thực
nghiệm thông qua một chương trình máy tính tính toán đáp ứng tần số chung.
Trong các trường hợp đặc biệt khi tất cả các tầng có tần số cắt thấp, cắt cao xác định, thì tần số
cắt chung là
f1
f1(overall)
=
(6-8)
(6-9)
21/ n −1
f2(overall) = f1 21/ n −1
Trong đó:
ƒ
1(overall)= Tần số cắt thấp chung của mạch đa tầng
2(overall)= Tần số cắt cao chung của mạch đa tầng
n = Số tầng có tần số cắt thấp và/hay cao xác đinh
ƒ1 =Tần số cắt thấp của mỗi tầng
ƒ
ƒ2 = Tần số cắt cao của mỗi tầng
Bảng 6-2 là giá trị của ƒ1(overall) và ƒ2(overall) theo ƒ1 và ƒ2, với n có giá trị từ 1 đến 5. Chú ý rằng
số tầng khuếch đại càng nhiều, tần số cắt thấp càng lớn và tần số cắt cao càng nhỏ. Nói cách
khác, các tầng khuếch đại ghép Cascade có đáp ứng tần số xác định làm giảm băng thông
chung của cả mạch. Khi n tầng có đáp ứng tần số xác định ghép Cascade, thì đáp ứng tần số
chung của cả mạch sẽ giảm tiệm cận với đường dốc 20n dB/decade (6n dB/octave) tại tần số
nằm ngoài khoảng băng thông giữa. Các điểm tần số gãy trong mọi trường hợp đều bằng với
tần số cắt của một tầng đơn.
Trang 6.7
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Số tầng
f1(tổng)
f2(tổng)
1
2
3
4
5
f1
f2
1.55 f1 0.64 f2
1.96 f1 0.51 f2
2.30 f1 0.43 f2
2.59 f1 0.39 f2
Bảng 6 – 2: Tần số cắt thấp và cắt cao của một bộ khuếch đại n tầng, mỗi tầng có tần số cắt
thấp f1 và tần số cắt cao f2
Ví dụ 6-3:
Một mạch khuếch đại âm thanh 4 tầng có tần số cắt thấp chung và tần số cắt cao chung là 20Hz
và 20kHz. Tính tần số cắt cao và tần số cắt thấp của mỗi tầng.
Giải:
Từ bảng 6-2, với n=4, 2.3f1=20 và 0.43f2=20.103. Do đó, f1= 20/2.3=8.7Hz, và
f2=20.103/0.43=46.5kHz. Như vậy, mỗi tầng phải có băng thông xấp xỉ 46kHz mới đạt được
băng thông chung vào khoảng 20kHz
6.2 Các phương pháp ghép
Lý thuyết mạch kết nối ngõ ra của một tầng trong một mạch khuếch đại đa tầng và ngõ vào của
tầng kế tiếp gọi là phương pháp mắc hay nối mạch. Trong chương trước ta đã đến phương pháp
mắc tụ gọi là ghép RC vì lý thuyết mạch liên tầng tương đương với mạch RC thượng thông.
Trong chương này ta sẽ xét thêm hai cách mắc mạch khác là mắc trực tiếp và mắc biến thế.
Mục tiêu của cách ghép RC là để hạn dòng dc. Thông thường cần phải hạn dòng DC giữa ngõ
vào của một mạch khuếch đại và tín hiệu nguồn cũng như giữa ngõ ra và tải. Tương tự, cách
ghép RC dùng để hạn dòng DC giữa ngõ ra của một tầng khuếch đại và ngõ vào của tầng kế
tiếp. Ghép điện dung vào giữa các tầng khuếch đại làm cho nó có khả năng có điện áp phân
cực tại ngõ ra của 1 tầng khác với điện áp phân cực tai ngõ vào của tầng kế tiếp. Ý tưởng này
đươc mô tả trong hình 6-5, ngõ ra của một tầng khuếch đại nối với ngõ vào của của một tầng
khác thông qua ghép tụ.
Cực C của tầng 1 là 9V và cực B của tầng 2 là 3V. Điện áp làm việc của tụ là 9-3=6V.
Trang 6.8
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Hình 6-5: Tụ được sử dụng trong
phương pháp ghép RC có thể làm
thay đổi áp phân cực tĩnh các tầng
khuếch đại. Chú ý rằng áp trên tụ
điện là 6V và cực dương của nó được
nối với phân cực dương hơn (9V).
Ghép tụ cho phép dòng tín hiệu ac đi qua các tầng, tạo tần số đủ cao để giữ cho giá trị điện
kháng nhỏ. Khuyết điểm của cách ghép RC là nó tác động đến đáp ứng tần số thấp của mạch
khuếch đại nên đôi khi ta phải chọn một giá trị điện dung lớn không thực tế và một tần số cắt
thấp nhỏ vô lý. Ghép RC không dùng trong mạch tích hợp vì nó khó và không kinh tế để chế
tạo tụ điện trên chip.
Ghép nối tiếp là cách ghép mà ngõ ra của một tầng được ghép trực tiếp với ngõ vào của tầng kế
tiếp. Nói cách khác, cả áp AC và DC tại ngõ ra của một tầng là xác định so với các gía trị đó tại
ngõ vào của tầng kế tiếp. Rõ ràng trong mọi trường hợp, áp DC tại ngõ ra của một tầng tạo ra
một thay đổi nhất định trong áp DC tại ngõ vào của tầng tiếp theo. Do đó mạch khuếch đại
ghép trực tiếp hoạt động giống mạch khuếch đại dòng nối tiếp. Trong chương này ta sẽ xét một
số ví dụ của các mạch khuếch đại ghép trực tiếp rời rạc.
Một phương pháp nữa là ghép tín hiệu ac từ một tầng sang tầng khác mà vẫn duy trì cách ly
DC giữa chúng thông qua một biến áp. Cuộn sơ cấp của biến áp ở ngõ ra của một tầng và cuộn
thứ cấp ở ngõ vào của tầng kế tiếp. Theo cách này, tín hiệu ac đi qua mà không bị ảnh hưởng
của dòng dc. Ưu điểm của ghép biến áp bao gồm cả việc triệt tiêu DC lẫn khả năng thiết kế
một tỷ số biến áp cho công suất chuyển đổi giữa các tầng là cực đại. Ta cũng tìm hiểu một số
ví dụ về việc sử dụng kết hợp với các TST lưỡng cực. Khuyết điểm của ghép biến áp là kích
thước và chi phí của máy biến áp và đặc điểm đáp ứng tần số kém. Độ tự cảm biến áp và số
vòng dây có xu hướng làm giảm băng thông sử dụng được của các mạch khuếch đại này. Tuy
nhiên, nó thường được sử dụng trong các ứng dụng có băng thông hẹp như các mạch khuếch
đại âm tần.
6.3 Mạch khuếch đại BJT ghép RC
Ví dụ 6-4:
Hình 6-6 là hai tầng khuếch đại E-C, tụ ghép. Tín hiệu AC ở ngõ ra của tầng thứ nhất (cực C
của Q1) được ghép với ngõ vào của tầng thứ hai (cực B của Q2) thông qua một tụ 0.85µF. Giả
sử BJT lý tưởng có β =100, rc=1M, re=25, xác định tín hiệu nhỏ, độ lợi áp và độ lợi dòng giải
giữa?
Trang 6.9
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Hình 6-6: (Thí dụ 6 – 4)
Giải:
1.
Điện trở vào của tầng thứ nhất là:
in
r (stage1) = RB1 || βre = (1ΜΩ) || (2.5ΚΩ) ≈ 2.5kΩ
Điện trở ra của tầng thứ nhất (tại cực C của Q1):
ro (stage1) = RC1 || (rc / β) = (3.3kΩ) ||[(1ΚΩ) /100] = 2.48kΩ
Độ lợi áp không tải của tầng thứ nhất:
− ro (stage1)
− 2.48kΩ
25Ω
Av1 =
=
= −99.2
re
Điện trở vào tầng thứ 2:
r (stage2)
= R1 || R2 || β(re + RE2 ) = (100kΩ) || (10kΩ) || (100[(25Ω) + (220kΩ)]
= (9.09kΩ) || (24.5kΩ) = 6.63kΩ
in
Điện trở ra của tầng thứ 2 ( tại cực C của Q2):
ro (stage2) = RC2 || (rc / β) = (2.2kΩ) || (1ΜΩ) /100) = 148kΩ
Độ lợi áp không tải của tầng thứ 2:
− ro (stage2)
−1.8kΩ
(220Ω) + (25Ω)
Av2 =
=
= −7.35
re
Mạch khuếch đại hai tầng bây giờ được biểu diễn như hình 6-7. Trong hình này không có tụ
điện vì ta đang xét hoạt động ở dải tần giữa. Từ phương trình 6-7 ta tìm được:
vL
vS
2.5kΩ
(1kΩ) + (2.5kΩ)
6.63kΩ
(2.48kΩ) + (6.63kΩ)
50kΩ
(1.8kΩ) + (50kΩ)
=
(−99.2)
(−7.35)X
= 365.85
Giá trị dương cho thấy vL cùng pha với vS
Cách khác để tìm độ lợi áp chung là tìm độ lợi áp A1, A2 có tải và tính điện trở tải ac rL của
mỗi tầng:
Trang 6.10
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
rL (stage1) = ro (stage1) || r (stage2) = (2.48kΩ) || (6.63kΩ) = 1.8kΩ
in
rL (stage1) = ro (stage1) || RL = (1.8kΩ) || (50kΩ) = 1.74kΩ
Độ lợi áp có tải là:
− rL1
re
−1.8kΩ
25Ω
A ≈
=
= −72
−1.74kΩ
1
− rL2
re + RE2 (25Ω) + (220Ω)
A2 =
=
= −7.1
Hình 6-7: (Thí dụ 6 – 4) Bộ khuếch đại 2 tầng của hình 6 – 6
Khi đó, độ lợi áp chung là:
vL
vS
r (stage1)
2.5kΩ
(2.5kΩ) + (1kΩ)
in
=
A A2 =
(−72)(−7.1) = 365.1
1
r (stage1) + rS
in
Bỏ qua sai số do làm tròn thì cách này cũng cho kết quả tương tự.
2. Để xác định độ lợi dòng cả mạch, ta đưa về mạch tương đương tín hiệu nhỏ, và tìm dòng ac
chạy trong mạch khuếch đại. Áp dụng luật phân dòng tại mỗi nút để xác định dòng qua tải.
Hình 6-8 là mạch tương đương tín hiệu nhỏ của tầng thứ nhất. Áp dụng luật phân dòng ở phía
đầu vào của tầng thứ nhất trong hình 6-8 ta có:
1ΜΩ
(2.5kΩ) + (1ΜΩ)
ib1 =
iS = 0.9975iS
Kết quả này cho thấy mọi dòng điện từ nguồn đều đổ vào cực base của Q1. Tại ngõ ra của tầng
thứ nhất ta có:
ic1 = βib1 = 100ib1 = 100(0.9975iS ) = 99.75iS
Trang 6.11
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Hình 6-8: (Thí dụ 6 – 4) Mạch tương đương tín hiệu nhỏ cho tầng đầu tiên của bộ khuếch đại
trong hình 6 – 6. Mạch này được dùng để tính dòng ib1 theo iS.
Để tìm βib1 đổ vào cực base của Q2 ta phải xét tất cả các nhánh song song trong mạch trong
mạch liên tầng giữa Q1 và Q2. Hình 6-9 là mạch tương đương của tầng thứ 2 và ngõ ra của tầng
thứ 1. chú ý rằng r0 song song với rc/β và Rc1 và khối này lại song song với R1 và R2 tại ngõ
vào tầng thứ 2. Tổng trở tương đương tại ngõ vào của Q2 là:
rSH = ro (stage1) || R1 || R2 = (2.48kΩ) || (100kΩ) || (10kΩ) = 1.95kΩ
Dòng ib2 vào cực base của Q2 theo quy tắc phân dòng là:
rSH
1.95kΩ
ib2 = 99.75iS
= 99.75iS
= 7.35iS
rSH + β(re + RE )
(1.95kΩ) + (24.5kΩ)
Hình 6-9: (Thí dụ 6 – 4) Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của ngõ ra tầng 1 được nối với tầng
2. Mạch này được sử dụng tính iL theo iS.
Suy hao dòng trong mạch liên tầng là do các nhánh rẽ xuống mass: chưa tới 1/10 ic1 tới được
cực base của Q2.
ic2 = βib2 = 100(7.35iS ) = 735iS
Do Rc2, rc/β và RL song song nên:
Trang 6.12
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
735iS
(rc / β) || RC2
RL + (rc / β) || RC2
(10kΩ) || (2.2kΩ)
iL = βib2
=
(50kΩ) + (10kΩ) || (2.2kΩ)
1.8kΩ
51.8kΩ
=
735i = 25.54i
S
S
Độ lợi dòng từ nguồn tới tải là:
iL
iS
= 25.54
Ví dụ này cho thấy độ lợi dòng của mạch khuếch đại BJT hai tầng có thể tìm được bằng tương
quan sau:
iL
iS
RB1
r + RB1
rSH
rSH + r
ro (stage2)
RL + ro (stage2)
β1
=
β2
(6-10)
in1
in2
Trong đó:
rin1, rin2 = điện trở nhìn từ ngõ vào của Q1 và Q2
rSH = r0(stage 1) || RB2
RB1, RB2 = tổng trở tương đương ngõ vào của tầng 1 và 2
Ví dụ 6-5
Hình 6-10 là mạch khuếch đại đa tầng gồm có một tầng EC và một tầng E chung. Transitor có
các giá trị sau:
Q1 : re1 = 15Ω, β1 = 180,ro ≈ ∞
Q2 : re2 = 40Ω, β2 = 100
Độ lợi áp dải giữa vL/vs và tần số cắt thấp.
Hình 6-10: (Thí dụ 6 – 5)
Trang 6.13
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Giải:
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
1. Điện trở cực E ở tầng 1 được bỏ qua do tác dụng của tụ nên điện trở vào của tầng thứ nhất
là:
r (stage1) = R1 || R2 || β1re1 = (150kΩ) || (39kΩ) || (180)(15kΩ) = 2.48kΩ
in
Điện trở ra của tầng thứ nhất, coi ro1 = ∞ là:
ro (stage1) = ro1 || RC1 ≈ RC1 = 4.7kΩ
độ lợi áp không tải tầng thứ nhất là:
− Rc1
re1
− 4.7kΩ
15Ω
Av1 ≈
=
= −313.3
Tải của tầng thứ hai là rL= (10K)// (50)= 50, nên tổng trở vào tầng 2 là:
r (stage2)
= R1 || R2 || β2 (re2 + rL )
in
= (68kΩ) || (47kΩ) || (100)[(40Ω) + (50Ω)] = 6.8kΩ
Chú ý rằng tác dụng của điện trở phân cực 68K lên độ lợi của mạch khuếch đại khi ta xét đến
phân áp giữa tầng thứ nhất và tầng thứ 2. Do vậy ta không tính đến tác dụng phân áp tại ngõ ra
của mạch E chung. Nghĩa là ta bỏ qua giá trị RB// rs/(ß+1) trong phương trình tính tổng trở ra
của tầng thứ 2. Tổng trở ra của tầng thứ 2 chỉ bao gồm RE// re2 = 10K//40≈40.
Độ lợi áp không tải ở tầng 2 là:
RE
re2 + RE (40Ω) + (10kΩ)
10kΩ
Av2 =
=
= 0.996
Hình 6-6 là mạch khuếch đại 2 tầng tương đương.
vL
vS
2.48kΩ
6.8kΩ
=
(−313.3)
(100kΩ) + (2.48kΩ)
(4.7kΩ) + (6.8kΩ)
50Ω
(40Ω) + (50Ω)
X (0.996)
= −98.46
Điện áp tải ngược pha với điện áp nguồn. Tính lại độ lợi có tải và xác định rằng độ lợi cả mạch
có giá trị như đã tìm được ở trên.
2. Để tìm tần số cắt thấp ta phải tìm tần số gãy theo các tụ C1, C2, C3 và C4 trong hình 6-10. Từ
phương trình 10-16,
1
1
f1 (C1 ) =
=
= 10.3Hz
2π (2.48 x103 +100)6 x10−6
2π[r (stage1) + rS ]C1
in
1
f1 (C2 ) =
2πReCE
Trang 6.14
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Hình 6-6: Mạch tương đương của bộ khuếch đại 2 tầng trong hình 6 – 10
Trong đó, CE = C2 = 40µF và:
3
3
rS || RB
100|| (150x10 ) || (39x10 )
3
Re = RE
Do đó:
+ re1 = (1.5x10 )
+15 ≈15Ω
β1
180
1
f1 (C2 ) =
= 265.3Hz
2π (15)(40 x10−6 )
Để tìm tần số gãy theo C3 ta xem ro(tầng 1) như là điện trở nguồn và rin(tầng 2) như là điện trở
tải.
1
f1(C3 ) =
2π[ro (stage1) + r (stage2)]C3
in
1
=
= 34.6Hz
2π (4.7 x103 + 6.8x103 )(0.4x10−6 )
Để tìm tần số cắt thấp theo tụ ghép C4 10µF ở ngõ ra ta phải tính r0(stage 2) và có tính đến điện
trở phân cực 68KΩ và 47KΩ .
rS || RB2
e2
ro (stage2) = Re2 = RE2
+ r
β2
Trong đó:
RB2 = 68kΩ || 47kΩ = 27.8kΩ
rS = ro (stage1) = 4.7kΩ
3
3
4.7 x10 || 27.8 x10
ro (stage2) = 10kΩ
+ 40Ω = 79.8Ω
100
Cuối cùng,
f1 (C4 ) =
1
1
=
= 122.6Hz
2π (79.8 + 50)(10 x10−6 )
2π[ro (stage2) + RL ]C4
Trang 6.15
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Trong ví dụ này tần số gãy lớn nhất là f1(C2)=265.3 Hz và f1(C4)=122.6 Hz. Ta có thể kết luận
tần số cắt thấp của mạch phải lớn hơn tần số lớn hơn la 265.3 Hz, nhưng do 2 tần số không đủ
cách xa nhau để có thể nói f1 = 265.3 Hz. f1 phải có giá trị nào đó lớn hơn 265.3 Hz. Để tính
giá trị này rất phức tạp. Trong ví dụ này f1 thực tế là 330 Hz
Hình 6-12 là phác hoạ giản đồ Bode. Chú ý rằng độ lợi giảm xuống với một tỷ lệ tăng theo
20dB/decade phía dưới tần số gãy đã tìm được trong ví dụ trên.
Hình 6-12: Biểu đồ Bode của độ lợi mạch khuếch đại đa tầng trong hình 6 – 10. Chú ý đường
tiệm cận tăng độ dốc mỗi đoạn 20dB/decade tại các tần số gãy.
6.4 Mạch khuếch đại BJT ghép trực tiếp
Trong chương 6 đã đề cập đến phương pháp phản ánh dòng để loại trừ tụ ghép trong mạch tích
hợp. Hình 6-14 là ví dụ của mạch khuếch đại ghép trực tiếp sử dụng các phương pháp phân cực
thông thường. Ngõ ra của tầng thứ nhất (cực thu Q1) được ghép trực tiếp vào ngõ vào của tầng
thứ 2 (cực nền Q2). Trước tiên, phân tích phân cực DC của mạch rồi xét đến đáp ứng AC.
Dòng qua RC1 là tổng của IC1 và IB2. Để đơn giản hoá ta xem như IB2 nhỏ hơn đáng kể so với
IC1.
Trang 6.16
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Hình 6-14: Các tầng khuếch đại CE
ghép trực tiếp dùng các phương pháp
thông thường
Giả sử tầng thứ 1 xác lập, điện áp cực base VB1 xác định theo phân áp R1-R2 như sau:
R2
R1 + R2
VB1 ≈
VCC
(6-12)
Ta cũng có:
VE1 ≈ VB1 − 0.7
(6-13)
Khi đó, IC1=IE1=VE1/RE1. Với giả thiết IB2 không đáng kể so với IC1, dòng qua RC1 là: IC1+IB2 ˜
IC1, do đó điện áp tĩnh giữa cực C và mass là:
VC1 ≈VCC − IC1RC1
(6-14)
(6-15)
Giá trị tĩnh của VCE1 là: VCE1 = VC1 −VE1
Vì VC1=VB2 nên:
VE2 = VC1 − 0.7
(6-16)
Nên C2 ≈ IE2 =VE2 / RE2 và điện áp tĩnh cực thu ở tầng 2 là:
VC2 = VCC − IC1RC 2
(6-17)
(6-18)
VCE2 = VC2 −VE2
Phân tích DC hoàn toàn không phức tạp, chỉ việc áp dụng nguyên tắc phân cực đã học. Điểm
quan trọng cần chú ý là VC1=VB2. Phân tích độ lợi AC cũng dễ hiểu.
Độ lợi áp của tầng 1 là:
− ro (stage1) || r (stage2)
in
Av1 =
(6-19)
re1 + RE1
trong đó, r0(stage 1) ≈RC1 và rin(stage 2) ≈ β 2(re2+RE2). Độ lợi áp tầng 2 là:
− ro (stage2)
re2 + RE2
− RC2
re2 + RE2
Av2 ≈
Độ lợi cả mạch là:
≈
(6-20)
(6-21)
Av(overall) = Av1 Av2
Trang 6.17
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Nếu tải được ghép trực tiếp giữa ngõ ra ( cực C của Q2) và mass thì tải AC ở tầng 2 là rL =
RC2//RL và phương trình 6-20 trở thành:
− RC2 || RL
Av2 ≈
(6-22)
re2 + RE2
Ghép trực tiếp tải ngõ ra làm thay đổi giá trị DC của VC2 và VCE2. Xem transitor như một
nguồn dòng cố định như trong hình 6-15(b), áp dụng nguyên lý chồng chập tính VL theo từng
nguồn trong mạch, xem hình 6-15(c) và 6-15(d). Kết hợp tác dụng của mỗi nguồn dẫn tới:
RL
RL + RC
VL = VC =
(VCC − IC RC )
(6-23)
a) Tầng ngõ ra với tải ghép
trực tiếp
b) Mạch tương đương DC của a)
c) Áp DC trên RL theo VCC
d) Áp DC trên RL theo IC
Bằng phép chồng chất điện áp, ta có:
Hình 6-15: Tính áp DC trên tải ghép trực tiếp RL, sử dụng phép chồng chất điện áp.
Phương trình 6-23 cho thấy điện áp cực thu bằng với giá trị điện áp không tải ( VCC - ICRC )
chia cho phân áp qua RL và RC. Khi VCE=VC-VE, một giá trị RL rất nhỏ có thể làm giảm VC tới
điểm mà VCE tiến gần tới 0.
Trang 6.18
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Ví dụ 6-7
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Transitor trong hình 6-16 có các thông số sau:
Q1 : β1 =100,reù = 6Ω,rc1 ≈ ∞
Q2 : β2 = 60,re2 = 10Ω,rc2 ≈ ∞
1.
2.
3.
tìm giá trị tĩnh của VCE1, IC2, IT, VC2 và VCE2
Tìm độ lợi áp vo/vi
Làm lại (1) và (2) nếu mắc trực tiếp một tải 10KΩ giữa cực thu của Q2 và mass.
Hình 6-16: (Thí dụ 6 – 7)
Giải:
1.
Điện trở DC ngõ vào nhìn từ cực base của Q1 là:
Rin1 ≈ β1RE1 = 100(75) = 7.5kΩ
Khi điện trở này không quá lớn so với điện trở phân áp 11KΩ ở cực B ta phải tính đến tác
dụng của tải nó gây ra trên phân áp. Từ phương trình 6-18:
R2 || Rin1
R1 + R2 || Rin1
VL =
VCC
(11kΩ) || (7.5kΩ)
(100kΩ) + (11kΩ) || (7.5kΩ)
=
(2.4V ) = 1.02V
Suy ra,
VE1 ≈ VB1 − 0.7 = 1.02 − 0.7 = 0.32V
IC1 ≈ IE1 = VE1 / RE1 = (0.32V ) /(75Ω) = 4.26mA
Bỏ qua dòng IB2 và VC1, thì
VC1 ≈ VCC − IC1RC1 = 24 − (4.26mA)(4.7kΩ) = 3.95V
Trang 6.19
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Khi đó: VCE1 = VC1 −VE1 = 3.95 − 0.32 = 3.63V
Cho VC1 = VB2 , ta có:
VE2 ≈ VC1 − 0.7 = 3.95 − 0.7 = 3.25V
Do đó,
VE2
RE2
3.25V
RE2
IC2 ≈ IE2
=
=
= 3.25mA
Khi không mắc tải ở Q2, IT=IC2=3.25mA
(Chú ý: vì IB2=IC2/ β2 =(3.25mA)/60=0.054mA rất nhỏ so với IC1=4.26mA)
Áp VC2 và VCE2 là:
VC 2 = VCC − IC 2 RC 2 = 24 − (3.25mA)(3.3kΩ) = 13.3V
VCE2 = VC2 −VE2 = 13.3 − 3.25 = 10.05V
− RC1 || β2 (RE2 + re2 )
RE1 + re1
− (4.7kΩ) || (60[(1kΩ) + (10Ω)]
(75Ω + 6Ω)
2.
Av1 ≈
Av2 ≈
=
= −53.8
− RC2
− 3.3kΩ
=
= −3.3
re2 + RE2 (1kΩ) + (10Ω)
Av(overall) = Av1 Av2 = (−53.8)(−3.3) =177.5
Giá trị tĩnh của VCE1 không bị ảnh hưởng bởi điện trở tải ghép vào cực C của Q2 nên
3.
VCE1=3.63 V, IC2=3.25mA ( như câu 1). Từ phương trình 6-23:
10kΩ
VL = VC2
=
[24 − (3.25mA)(3.3kΩ)] =10V
(10kΩ) + (3.3kΩ)
Do đó:
VCE2 = VC2 −VE2 = 10 − 3.25 = 6.75V
VL
10V
IL =
=
= 1mA
RL 10kΩ
nên,
IT = IC2 + IL = (3.25mA) + (1mA) = 4.25mA
Độ lợi áp ở tầng 1 vẫn là -53.8. Độ lợi áp ở tầng 2 là:
− RC2 || RL
RE2 + re2
− (3.3kΩ) || (10kΩ)
(1kΩ + (10Ω)
Av2 ≈
=
= −2.48
Độ lợi áp cả mạch với tải 10K là Av(overall) = (−53.8)(−2.48) =133.4
Điện áp cực thu của transitor NPN luôn dương hơn điện áp cực base. Khi TST ghép nối tiếp,
áp cực thu của một tầng bằng với áp cực base của tầng kế tiếp. Do đó, áp cực thu của mọi tầng
Trang 6.20
Tải về để xem bản đầy đủ
29 trang
17300
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 6: Mạch khuếch đại đa tầng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_ky_thuat_dien_tu_chuong_6_mach_khuech_dai_da_tang.pdf
