CHƯƠNG 1: MẠCH KHUẾCH ĐẠI TRANZITO

- Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito CHƯƠNG 1: MẠCH KHUẾCH ĐẠI TRANZITO GIỚI THIỆU CHUNG Chương này cung cấp cho người học các kiến thức cơ bản về mạch khuếch đại, bao gồm các vấn đề sau.
- Định nghĩa mạch khuếch đại, các chỉ tiêu và tham số chính của một bộ khuếch đại: Hệ số khuếch đại điện áp, hệ số khuếch đại dòng điện, hệ số khuếch đại công suất, trở kháng vào, trở kháng ra, méo tần số, méo phi tuyến, hiệu suất.
- Nguyên tắc chung phân cực cho tranzito ở chế độ khuếch đại.
- Với tranzito lưỡng cực thuận PNP cần cung cấp điện áp một chiều UBE < 0, UCE < 0.
- Với tranzito ngược NPN cần cung cấp điện áp một chiều UBE > 0, UCE > 0.
- Mạch điện cung cấp nguồn một chiều phân cực cho tranzito có: bốn phương pháp: phương pháp định dòng cho cực gốc, phương pháp định áp cho cực gốc, phương pháp cung cấp và ổn định điểm làm việc dùng hồi tiếp âm điện áp một chiều, phương pháp cung cấp và ổn định điểm làm việc dùng hồi tiếp âm dòng điện.
- Vấn đề hồi tiếp, hồi tíêp trong các tầng khuếch đại: hồi tiếp dương, hồi tiếp âm, hồi tiếp dòng điện, hồi tiếp điện áp, hồi tiếp mắc song song, hồi tiếp mắc nối tiếp.
- ảnh hưởng của hồi tiếp đến các chỉ tiêu kĩ thuật của mạch.
- Các sơ đồ khuếch đại cơ bản dùng tranzito lưỡng cực: tầng khuếch đại phát chung, tầng khuếch đại góp chung và tầng khuếch đại gốc chung.
- Các sơ đồ khuếch đại dùng tranzito trường xét hai loại: tầng khuếch đại cực nguồn chung, tầng khuếch đại cực máng chung.
- Tầng khuếch đại đảo pha có: mạch khuếch đại đảo pha chia tải, mạch khuếch đại đảo pha ghép biến áp.
- Phương pháp ghép tầng trong bộ khuếch đại: phương pháp ghép tầng bằng tụ điện, ghép tầng bằng biến áp, ghép tầng trực tiếp.
- Một số mạch khuếch đại khác: mạch khuếch đại Darlingtơn, mạch khuếch đại Cascốt, mạch khuếch đại giải rộng, mạch khuếch đại cộng hưởng.
- Mạch khuếch đại công suất: đặc điểm của mạch khuếch đại công suất, các chế độ làm việc của tầng khuếch đại A, B, AB, C.
- Yêu cầu của tầng khuếch đại công suất cho công suất ra lớn, méo nhỏ và hiệu suất cao.
- Mạch khuếch đại công suất đơn làm việc ở chế độ A để giảm méo nhưng có hiệu suất thấp.
- Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo dùng hai tranzito thường cho làm việc ở chế độ AB (gần B) để có công suất ra lớn, méo nhỏ mà hiệu suất cao.
- Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo dùng tranzito cùng loại có mạch ghép biến áp, mạch không dùng biến áp.
- Các mạch khuếch đại này cần có mạch khuếch đại đẩy pha phía 3 Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito trước.
- Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo dùng tranzito khác loại có ưu điểm không cần tầng khuếch đại đảo pha.
- Kết thúc chương 1 yêu cầu người học nắm được các mạch khuếch đại đã nêu.
- Khi phân tích tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ, ta dùng phương pháp mạch điện tương đương xoay chiều, ở tần số trung bình.
- Phần mạch khuếch đại công suất, do tín hiệu vào lớn nên dùng phương pháp đồ thị có độ chính xác cao.
- ĐỊNH NGHĨA, CÁC CHỈ TIÊU VÀ CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA MẠCH KHUẾCH ĐẠI 1.1.1.
- Định nghĩa mạch khuếch đại Một trong số những ứng dụng quan trọng nhất của tranzito là sử dụng nó trong các mạch để làm tăng cường độ điện áp hay dòng điện của tín hiệu mà thường gọi là mạch khuếch đại.Thực chất khuếch đại là một quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở đó năng lượng một chiều của nguồn cung cấp, không chứa thông tin, được biến đổi thành năng lượng xoay chiều theo tín hiệu điều khiển đầu vào, chứa đựng thông tin, làm cho tín hiệu ra lớn lên nhiều lần và không méo.
- Sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại như ở hình 1-1, trong đó En là nguồn tín hiệu vào, Rn là điện trở trong của nguồn tín hiệu, Rt tải nơi nhận tín hiệu ra.
- Iv Ir Ur Uv Mạch Rn khuyếch đại Rt Uv Ur t En ~ t Nguồn cung cấp (EC) Hình 1-1: Sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại.
- Hình 1-2 đưa ra cấu trúc nguyên lý để xây dựng một tầng khuếch đại.
- Phần tử cơ bản là phần tử điều khiển tranzito có điện trở thay đổi theo sự điều khiển của điện áp hay dòng điện đặt tới cực điều khiển (cực gốc) của nó, qua đó điều khiển quy luật biến đổi dòng điện của mạch ra bao gồm tranzito và điện trở RC.
- Tại lối ra giữa cực góp và cực phát, người ta nhận được một điện áp biến thiên cùng quy luật với tín hiệu vào nhưng độ lớn được tăng lên nhiều lần.
- Để đơn giản, giả thiết điện áp đặt vào cực gốc có dạng hình sin.
- Từ sơ đồ hình 1-2 ta thấy rằng dòng điện và điện áp xoay chiều ở mạch ra (tỷ lệ với dòng điện và điện áp tín hiệu vào) cần phải coi là tổng các thành phần xoay chiều dòng điện và điện áp trên nền của thành phần một chiều I0 và U0.
- Phải đảm bảo sao cho biên độ thành 4 Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito.
- Nếu điều kiện đó không được thoả mãn thì dòng điện, điện áp ở mạch ra trong từng khoảng thời gian nhất định sẽ bằng không và sẽ làm méo dạng tín hiệu.
- Như vậy để đảm bảo công tác cho tầng khuếch đại (khi tín hiệu vào là xoay chiều) thì ở mạch ra của nó phải tạo nên thành phần dòng một chiều I0 và điện áp một chiều U0.
- Chính vì vậy, ở mạch vào của tầng, ngoài nguồn tín hiệu cần khuếch đại, người ta cũng phải đặt thêm điện áp một chiều UV0 (hay dòng điện một chiều IV0).
- Các thành phần dòng điện và điện áp một chiều đó xác định chế độ làm việc tĩnh của tầng khuếch đại.
- Nguyên lý xây dựng một tầng khuếch đại.
- Các chỉ tiêu và tham số cơ bản của một tầng khuếch đại Để đánh giá chất lượng của một tầng khuếch đại người ta đưa ra các chỉ tiêu và tham số cơ bản sau: 1.1.2.1.
- Hệ số khuếch đại.
- Đại lượng đầu ra (1-1) K= Đại lượng tương ứng đầu vào Nói chung vì tầng khuếch đại có chứa các phần tử điện kháng nên K là một số phức.
- f1(ω) ta nhận được đường cong gọi là đặc tuyến biên độ - tần số của tầng khuếch đại.
- Thường người ta tính |K| theo đơn vị logarit, gọi là đơn vị đề xi ben (dB) 5 Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito K (dB.
- 20 lg K (1-2) Khi ghép liên tiếp n tầng khuếch đại với các hệ số khuếch đại tương ứng là K1, K2,...Kn thì hệ số khuếch đại chung của bộ khuếch đại xác định theo: K = K1.K2...Kn.
- Dạng điển hình của ⎢K ⎢=f1(ω) và Ura=f3(Uv) đối với một bộ khuếch đại điện áp tần số thấp cho tại hình 1-3.
- Trở kháng lối vào và lối ra Trở kháng vμo, trë kh¸ng ra của tầng khuếch đại được định nghĩa (theo hình 1-1a) UV Ur ZV.
- Méo tần số Méo tần số là méo do độ khuếch đại của mạch khuếch đại bị giảm ở vùng hai đầu giải tần.
- MC = (1-5) Kt KC Trong đó: K0 là hệ số khuếch đại ở vùng tần số trung bình.
- KC là hệ số khuếch đại ở vùng tần số cao.
- Kt là hệ số khuếch đại ở vùng tần số thấp.
- Đặc tuyến biên độ6(f = 1kHz) của một bộ khuếch đại tần số thấp Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito 1.1.2.4.
- Lúc đó hệ số méo không đường thẳng do tầng khuếch đại gây ra được đánh giá là.
- Hiệu suất của tầng khuếch đại Hiệu suất của một tầng khuếch đại là đại lượng được tính bằng tỷ số giữa công suất tín hiệu xoay chiều đưa ra tải Pr với công suất một chiều của nguồn cung cấp P0.
- Căn cứ vào các chỉ tiêu này người ta có thể phân loại các bộ khuếch đại với các tên gọi với đặc điểm khác nhau.
- Ví dụ theo hệ số khuếch đại K có bộ khuếch đại điện áp.
- Znguồn và Zra Ztải hay bộ khuếch đại công suất cần KPmax, Zvào ≈ Znguồn, Zra ≈ Ztải.
- f1(ω), từ đó có bộ khuếch đại một chiều, bộ khuếch đại tần số thấp, bộ khuếch đại tần số cao, bộ khuếch đại chọn lọc tần số...v.v.
- Những tham số này của tranzito như ở phần cấu kiện điện tử đã nghiên cứu, chúng phụ thuộc rất nhiều vào điện áp phân cực các chuyển tiếp góp, phát.
- Một cách tổng quát, dù tranzito được mắc theo kiểu nào, muốn nó làm việc ở chế độ khuếch đại cần có các điều kiện sau: chuyển tiếp gốc-phát luôn phân cực thuận, chuyển tiếp gốc - góp luôn phân cực ngược.
- Đối với tranzito n-p-n điều kiện phân cực để nó làm việc ở chế độ khuếch đại là: UBE = UB - UE > 0 UCE = UC - UE > 0 (1-7) và UE < UB < UC Trong đó UE, UB, UC là điện thế các cực phát, gốc, góp của tranzito như trên hình 1-3.
- 7 Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Hình 1-4 biểu diễn điện áp và dòng điện phân cực của tranzito ở chế độ khuếch đại IC IB IC U IB UCE >0 U UCE 0 E UBE >IB0, do đó biểu thức trên gần đúng: U BE ≈ E C − I p .R1 (1-10) Ta thấy UBE0 không phụ thuộc vào các tham số của tranzito và nhiệt độ nên ổn định.
- Lúc này thiên áp UBE0 hầu như không phụ thuộc trị số dòng cực gốc IB0, do đó có thể dùng cho mạch khuếch đại tín hiệu lớn (chế độ B).
- Để nâng cao độ ổn định điểm làm việc người ta hay dùng các mạch cung cấp điện áp phân cực sau.
- Hình 1-6 là sơ đồ cung cấp và ổn định điểm làm việc bằng hồi tiếp âm điện áp một chiều.
- +EC RB RC Hình 1-6: Mạch cung cấp và ổn định điểm làm việc bằng hồi tiếp âm điện áp Cp2 IB một chiều.
- Cp1 UCE0 UBE0 +EC R1 RC Cp1 Hình 1-7: Sơ đồ cung cấp và ổn Cp2 định điểm làm việc nhờ hồi tiếp âm dòng điện một chiều.
- ở đây RB vừa làm nhiệm vụ đưa điện áp vào cực gốc bằng phương pháp ổn định dòng cực gốc, vừa dẫn điện áp hồi tiếp về mạch vào.
- Nguyên lý ổn định như sau: 9 Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito Nếu có một nguyên nhân mất ổn định nào đó làm cho dòng một chiều IC0 trên cực góp tăng lên thì điện thế UCE0 giảm làm UBE giảm, kéo theo dòng IB0 giảm làm cho IC0 giảm (vì IC0= β.
- Hình 1-7 là sơ đồ cung cấp và ổn định điểm làm việc nhờ hồi tiếp âm dòng điện một chiều.
- Trong sơ đồ này RE làm nhiệm vụ hồi tiếp âm dòng điện một chiều.
- Nguyên tắc ổn định như sau: khi IC0 tăng do nhiệt độ tăng hay do độ tạp tán tham số của tranzito thì điện áp hạ trên RE (UE0=IE0.RE) tăng.
- Vì điện áp UR2 lấy trên điện trở R2 hầu như không đổi nên điện áp UBE0 = UR2 - UE0 giảm, làm cho IB0 giảm, do đó IC0 không tăng lên được, tức là IC0 được giữ ổn định.
- Nếu nhiệt độ giảm làm IC0 giảm thì nhờ mạch hồi tiếp âm dòng điện một chiều, UBE0 lại tăng, làm cho IB0 tăng, IC0 tăng giữ cho IC0 ổn định.
- HỒI TIẾP TRONG CÁC TẦNG KHUẾCH ĐẠI Hồi tiếp là việc thực hiện truyền tín hiệu từ đầu ra về đầu vào bộ khuếch đại.
- Thực hiện hồi tiếp trong bộ khuếch đại sẽ cải thiện hầu hết các chỉ tiêu chất lượng của nó và làm cho bộ khuếch đại có một số tính chất đặc biệt.
- Dưới đây ta sẽ phân tích những quy luật chung khi thực hiện hồi tiếp trong bộ khuếch đại.
- Điều này cũng đặc biệt cần thiết khi thiết kế bộ khuếch đại bằng IC tuyến tính.
- Hình 1-8 là sơ đồ cấu trúc bộ khuếch đại có hồi tiếp Đầu vào Đầu ra K β Mạch hồi tiếp có hệ sốHình truyền đạtSơβ,đồ 1-8: chỉkhối rõ quan hệ giữađại bộ khuếch tham có số hồi(điện tiếp áp, dòng điện) của tín hiệu ra mạch đó với tham số (điện áp, dòng điện) của mạch ra bộ khuếch đại.
- Hệ số khuếch đại K và hệ số truyền đạt của mạch hồi tiếp β nói chung là những số phức.
- K = K.exp(jϕK) β = β.exp(jϕβ) Nghĩa là phải chú ý đến khả năng dịch pha ở miền tần số thấp và tần số cao do tồn tại các phần tử điện kháng trong mạch khuếch đại cũng như mạch hồi tiếp.
- Nếu bộ khuếch đại làm việc ở tần số trung bình, còn trong mạch hồi tiếp - không có thành phần điện kháng thì hệ số K và β là những số thực.
- Nếu điện áp hồi tiếp tỷ lệ với điện áp ra của bộ khuếch đại ta có hồi tiếp điện áp, nếu tỷ lệ với dòng điện ra ta có hồi tiếp dòng điện.
- Có thể hồi tiếp hỗn hợp cả dòng điện và điện áp.
- Hình 1-9: Một số mạch hồi tiếp thông dụng: β Iht Rn Ir Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito b.
- Xét ở đầu vào, khi điện áp đưa về hồi tiếp nối tiếp với nguồn tín hiệu vào thì ta có hồi tiếp nối tiếp.
- Khi điện áp hồi tiếp đặt tới đầu vào bộ khuếch đại song song với điện áp nguồn tín hiệu thì có hồi tiếp song song.
- Hai đặc điểm trên xác định một loại mạch hồi tiếp cụ thể: hồi tiếp điện áp nối tiếp hoặc song song, hồi tiếp dòng điện nối tiếp hoặc song song, hồi tiếp hỗn hợp nối tiếp hoặc song song.
- Hình 1-9 minh hoạ một số thí dụ về những mạch hồi tiếp phổ biến nhất trong khuếch đại.
- Nếu khi hồi tiếp nối tiếp ảnh hưởng đến trị số điện áp vào bản thân bộ khuếch đại uy, thì khi hồi tiếp song song sẽ ảnh hưởng đến trị số dòng điện vào bộ khuếch đại.
- Tác dụng của hồi tiếp có thể làm tăng, khi ϕK + ϕβ = 2nπ, hoặc giảm khi ϕκ + ϕβ = (2n +1).π (n là số nguyên dương) tín hiệu tổng hợp ở đầu vào bộ khuếch đại được gọi là hồi tiếp dương và tương ứng gọi là hồi tiếp âm.
- Hồi tiếp âm cho phép cải thiện một số chỉ tiêu của bộ khuếch đại, vì thế nó được dùng rất rộng rãi.
- Để đánh giá ảnh hưởng của hồi tiếp đến các chỉ tiêu của bộ khuếch đại ta sẽ xét thí dụ hồi tiếp điện áp nối tiếp ở hình 1-9a.
- Hệ số khuếch đại khi có hồi tiếp: Ur K ht = UV U Y = U V + U ht (1-12) Chia cả hai vế của (1-12) cho Ura, ta có: U Y U V U ht.
- Ur Ur Ur 1 1 hay = +β (1-13) K K ht u ht ở đây β = là hệ số truyền đạt của mạch hồi tiếp.
- ur Từ (1-13) ta tìm được: 11 Chương 1: Mạch khuếch đại Tranzito K K ht β .K Để đơn giản việc phân tích ta đưa vào trị số thực K và: K K ht K .β Theo (1-15) khi 1 > K.β > 0 thì hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại có hồi tiếp Kht lớn hơn hệ số khuếch đại của bản thân bộ khuếch đại K.
- Đó chính là hồi tiếp dương, Uht đưa tới đầu vào bộ khuếch đại cùng pha với điện áp vào Uv, tức là Uy = Uv +Uht.
- Điện áp ra bộ khuếch đại khi có hồi tiếp dương là: Ur = K.(Uv + Uht.
- K.Uv và do đó Kht >K Trường hợp K.β ≥ 1 (khi hồi tiếp dương) đặc trưng cho điều kiện tự kích của bộ khuếch đại.
- Lúc này đầu ra của bộ khuếch đại xuất hiện một phổ tần số không phụ thuộc vào tín hiệu đầu vào.
- Bộ khuếch đại trong trường hợp này làm việc như một mạch tạo dao động hình sin