›
›

Đề cương mạch điện tử I - ThS Nguyễn Vũ Thắng

doc 207 trang phuongnguyen 4330
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đề cương mạch điện tử I - ThS Nguyễn Vũ Thắng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • docde_cuong_mach_dien_tu_i_ths_nguyen_vu_thang.doc

Nội dung text: Đề cương mạch điện tử I - ThS Nguyễn Vũ Thắng

  1. Đề cương mạch điện tử I 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 tương tự để các bạn đọc tiện tham khảo. Bên cạnh đó hầu hết sau mỗi chương có các bài tập ứng dụng (được 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 như trình độ còn nhiều hạn chế rất mong được sự đóng góp của các bạn đọc để những lần tái bản sau được hoàn chỉnh hơn. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 1
  2. Đề cương mạch điện tử I Chương 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 được phân loại theo dạng tín hiệu cần được xử lý. Trong thực tế tín hiệu thường tồn tại dưới hai dạng cơ bản: tín hiệu tương tự (anolog) và tín hiệu số (digital). Tín hiệu tương tự là loại tín hiệu biến thiên liên tục theo thời gian, còn tín hiệu số là loại tín hiệu đã được rời rạc hoá theo thời gian và lượng tử hoá về biên độ. Các tín hiệu (kể cả tín hiệu tương tự và tín hiệu số) đều có thể được: 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 tương tự. Đối với tín hiệu tương tự người 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 người ta thường 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 hưởng của nhiễu tới hệ thống. Khi biên độ tín hiệu nhỏ thì nhiễu có thể sẽ lấn át tín 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 tương 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 tương 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 hướng phát triển là giảm nhỏ kích thước bên trong của mạch trong chế tạo bằng cách giảm số chủng loại, nhưng 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 lưu, 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 được 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. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 2
  3. Đề cương mạch điện tử I Đặc tuyến Vol-Ampe của diode được thể hiện trên hình 1.1 Đường lý tưởng IAK Đường thực tế (1) -UAK ng 0 UAK0 UAK (2) (3) Hình 1.1 Đường đặc tuyến Vol-Ampe của diode được chia làm ba vùng rõ rệt: - Vùng 1 gọi là vùng phân cực thuận, dòng điện I AK phụ thuộc vào điện áp phân cực thuận U AK. Giá trị của dòng I AK rất lớn đó chính là sự khuếch tán có hướng của các hạt đa số qua chuyển tiếp pn. Ứng dụng của vùng 1 để làm các diode chỉnh lưu điện áp, dòng điện - Vùng 2 gọi là vùng phân cực ngược. Giá trị của dòng I AK tăng rất nhỏ cho dù điện áp UAK tăng một lượng khá lớn. Sở dĩ dòng I AK tăng chậm như 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 lưu điện áp, các mạch ghim điện áp - Vùng 3 gọi là vùng đánh thủng tương ứng khi tăng điện áp phân cực ngược cho diode tới một giá trị ngưỡng 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 ngược vượt quá giá trị điện áp ngưỡng 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) ThS-Nguyễn Vũ Thắng 3
  4. Đề cương mạch điện tử I 1.3. Đặc tính và các tham số cơ bản của transistor lưỡng cực (BJT) 1.3.1. Đặc tính tĩnh và các phương trình cơ bản. Có hai loại transistor là npn và pnp mà cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng đã được nghiên cứu trong chương 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 người ta đưa 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 được 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 I E để điều khiển thì hệ số khuếch đại của BJT được tính theo biểu thức. I C AN (1.1) I E Trong đó AN là hệ số khuếch đại (KĐ) dòng một chiều trong cách mắc BC và AN >1. Vì IE = IB + IC, nên giữa BN và AN có các mối qua hệ sau: AN BN 1 BN ; AN ; 1 AN 1 AN 1 BN 1 BN ThS-Nguyễn Vũ Thắng 4
  5. Đề cương mạch điện tử I 1.3.2. Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ. I1 I2 h12U2  h11I1 u1 h22 u2 h11 Hình 1.2 Đối với tín hiệu nhỏ thì BJT được coi là mạng bốn cực tuyến tính, nên có thể dùng hệ phương 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 phương trình của M4C, để mô tả cho BJT thường hệ phương trình tham số h và hệ phương trình dẫn nạp tham số Y. Hệ phương trình tham số h và hệ phương trình dẫn nạp tham số Y của một M4C có dạng sau. U1 h11I1 h12U 2 (1.3) I 2 h21I1 h22U 2 I1 Y11U1 Y12U 2 (1.4) I 2 Y21U1 Y22U 2 Các tham số hij và Yij của các hệ phương trình 1.3 và 1.4 được xác định theo bảng sau. Bảng 1.1 U U I I h 1 h 1 h 2 h 2 hij 11 I 12 U 21 I 22 U 1 U2 0 2 I1 0 1 U2 0 2 I1 0 I I I I Y 1 Y 1 Y 2 Y 2 Yij 11 U 12 U 21 U 22 U 1 U2 0 2 U1 0 1 U2 0 2 U1 0 1.4. Đặc tính cơ bản và các tham số của transistor hiệu ứng trường (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. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 5
  6. Đề cương mạch điện tử I Theo sơ đồ phân loại hình 1.3 ta thấy có 6 loại transistor hiệu ứng trường (FET). Ký hiệu và đặc tuyến của chúng được 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 ước (bảng 1.2) thì diode mặt ghép ngắt, ngược 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 được cách ly bởi một lớp SiO2, do đó dòng cực cửa IG luôn luôn bằng không. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 6
  7. Đề cương mạch điện tử I FET (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 D D ID Kênh n Kênh p Kênh n Kênh p G UDS G UGS S S D D D D G G G G S S S S FET tự dẫn FET tự ngắt Hình 1.3: Sơ đồ phân loại FET ThS-Nguyễn Vũ Thắng 7
  8. Đề cương mạch điện tử I Bảng 1.2: Ký hiệu và các họ đặc tuyến của FET Cực tính Đặc tuyến Kênh Loại, ký hiệu UDS ID UGS UP Truyền đạt Ra JFET kênh n ID ID D U DSP IDSS U GS 0 ID IDSS n G UDS >0 >0 0 >0 U GS 0 IDSS IDSS U DSP S MOSFET kênh ID ID đặt sẵn n U DSP U GS 1 D IDSS U GS 0 n >0 >0 0 >0 U GS 0 IDSS U GS 1 I G DSS U DSP S MOSFET kênh ID ID cảm ứng n U DSP U GS 2U p D IDSS IDSS n >0 >0 >0 >0 U GS 2U p G U GS U p U p 0 2U p UGS U p S 0 U DS MOSFET kênh ID 2U p U p cảm ứng 0 U p 0 U GS D U DS p <0 <0 <0 <0 U GS U p U GS 2U p G IDSS U GS 2U p I S U DSP DSS ThS-Nguyễn Vũ Thắng 8
  9. Đề cương mạch điện tử I Khi làm việc, dòng cực cửa I G 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 1010 1013  và của MOSFET cỡ khoảng 1013 1015 . Trong các FET kênh n, dòng điện cực máng I D giảm (về trị tuyệt đối) khi điện thế cực cửa giảm, còn trong FET kênh p thì ngược lại. Để đơn giản, sau đây ta chỉ xét FET kênh n. Trường 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 U DSP U GS U P Miền triốt Miền thắt U GS 0 IDSS UDS0 0 U p UDST0 Hình 1.4. Các miền làm việc của FET JFET và MOSFET kênh đặt sẵn có dòng cực máng I D lớn khi điện áp U GS = 0, vì thế các loại FET này còn có tên chung là FET tự dẫn. Ngược 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 U DS tăng quá lớn thì dòng cực máng ID tăng đột biến, khi đó xảy ra hiện tượng đánh thủng. Điện áp đánh thủng cỡ 20 50 V và được xác định theo biểu thức (1.5). U DST U DSTo UGS (1.5) UGS 0 Để thuận tiện cho việc phân tích, người 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 tượng thắt - Miền thắt, ứng với trường 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 được thể hiện trong bảng 1.3. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 9
  10. Đề cương mạch điện tử I Bảng 1.3. Loại Biểu thức toán học biểu diễn đặc tuyến Vol - Ampe của FET FET Miền triốt Miền thắt 2 2 2I DSS U DS UGS 2 U DSP MOS- I D 2 (U GS U P ).U DS I D I DSS ( 1) I DSS .( 2 ) U P 2 U P U P FET (1.6) (1.7) 3 3 2 U 2 U U U U U  2I U I I DS ( DS GS D ) 2 ( D GS ) 2 DSS DS D 0  I D 2 (U GS U P ).U DS U D U P 3 U D U P U D U P  U 2 J-FET P (1.8) (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 người 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 U GS = UGsmax. Tuy nhiên diode zener sẽ làm giảm điện trở vào của MOSFET. Điện áp tạp âm của FET thường nhỏ hơn điện áp tạp âm của transistor lưỡng 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 được. 1.4.2. Sơ đồ tương và tần số giới hạn. Khi mắc FET với sơ đồ SC, ta có phương trình biểu diễn quan hệ giữa dòng điện ra tức thời và điện áp các cực như sau: iD = f(uGS, uDS) (1.10) Vi phân toàn phần biểu thức 1.10 ta được: iD iD iD  . uGS . uDS (1.11) uGS uDS Từ biểu thức (1.11) suy ra biểu thức đối với tín hiệu nhỏ: iD = gm.uGS + gds.uDS (1.12) Trong đó: ThS-Nguyễn Vũ Thắng 10
  11. Đề cương mạch điện tử I i i g D . u D S (1.13) m u DS 0 GS u DS const uGS uGS i i g D . u D (1.14) ds uGS 0 DS uGS const uDS uDS Căn cứ vào họ đặc tuyến của FET và điểm làm việc cụ thể trên đó, có thể xác định được gm theo biểu thức (1.13) và gds theo biểu thức (1.14). Từ biểu thức (1.12) ta vẽ được sơ đồ tương đương tần số thấp của FET đối với tín hiệu bé như trên hình 1.5. G D + 1 GS U DS U GS gmU gds rds S S Hình 1.5. Sơ đồ tương đương tần số thấp của FET Ở tần số cao, người ta dùng sơ đồ tương đương hình 1.6, trong đó C gs và C gd là điện dung cửa-nguồn và điện dung cửa-máng kể cả điện dung phân bố; C ds 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). G D I G Cgd I D + U DS yt = gt + jωCt U GS Cgs Cds 1 g U GS gds m rds S S Hình 1.6. Sơ đồ tương đương tần số cao của FET Bảng 1.4 cho biết giá trị đặc trưng của các tham số của FET ThS-Nguyễn Vũ Thắng 11
  12. Đề cương mạch điện tử I Bảng 1.4: Tham số J-FET MOS-FET -3 -3 -3 -3 S = gm (1/) 0,1.10 10.10 0,5.10 10.10 -6 -5 -5 -4 gds (1/) 10 10 10 10 Cgd; Cds (pF) 0,12 0,12 Cgs (pF) 210 210 Để đặc trưng cho tính chất của FET ở tần số cao, dùng tần số giới hạn f g. Tại tần số fg hệ số khuếch đại điện áp K u 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 ưu điểm giống như transistor lưỡng cực như kích thước nhỏ, điện áp cung cấp nhỏ, công suất cung cấp nhỏ (vì không có sợi đốt), độ tin cậy cao. So với transistor lưỡng cực, FET có những ưu điểm đặc biệt là không yêu cầu dòng vào (trở kháng vào lớn) nhưng 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 được dùng trong mạch rời rạc. Dùng FET trong mạch tích hợp sẽ tiết kiệm được công suất cung cấp. Vì vậy trong mạch rời rạc FET chỉ được 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 Tầng khuếch đại sơ bộ nối với micro điện dung Trở kháng vào lớn Tầng khuếch đại sơ bộ trong camera hình Tầng vào của các thiết bị mua Mạch hạn dòng Điện trở ra lớn (miền thắt) Mạch dao động Điện dung ghép hồi tiếp nhỏ Khuếch đại cao tần không có trung hòa Khuếch đại điện áp nhỏ, đặc biệt đồi với nguồn tín Tạp âm nhỏ hiệu có trở kháng trong lớn Đặc tuyến truyền đạt bậc hai Tầng trộn tần (giảm hài bậc cao) ThS-Nguyễn Vũ Thắng 12
  13. Đề cương mạch điện tử I Chương II: MẠCH PHÂN CỰC VÀ KHUẾCH ÐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG BJT 2.1. Phân cực cố định. Mạch cơ bản như hình 2.1 Ecc R R B IC C + + UCE IB - UBE Hình 2.1 Phương pháp chung để phân tích mạch phân cực gồm ba bước: - Bước 1: Dùng mạch điện đầu vào để xác định dòng điện đầu vào B( Ihoặc IE). - Bước 2: Suy ra dòng điện đầu ra từ các quan hệ giữa các đại lượng CI = IB; IC = IE - Bước 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 Ecc U BE I B (2.1) RB 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 phương trình đường tải tĩnh của bộ khuếch đại ThS-Nguyễn Vũ Thắng 13
  14. Đề cương mạch điện tử I * Sự làm việc bão hòa của BJT: Sự liên hệ giữa các dòng điện I C và IB sẽ quyết định BJT có hoạt động trong vùng tuyến tính hay không. Ðể BJT hoạt động thì tiếp ráp B-C (J c) phải phân cực ngược. 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 ECC 0,7V Từ đó suy ra: IC (2.3) RC ECC 0,7V Nếu IC thì BJT sẽ đi dần vào hoạt động trong vùng bão hòa. Từ điều RC kiện này và liên hệ IC = IB ta tìm được trị số tối đa của IB, từ đó chọn RB sao cho thích hợp. ECC Nếu IC  hay UCE  0 (thực ra chỉ khoảng 0,2 V) thì UC < UB, tiếp ráp B-C phân RC cực thuận, BJT hoàn toàn nằm trong vùng bão hòa và dòng điện: E I CC C gọi là dòng điện colectơ bão hòa ICbh RC ECC ICbh (2.4) RC 2.2. Phân cực ổn định bằng cực Emitter. Mạch cơ bản giống mạch phân cực cố định, nhưng ở cực emitter được mắc thêm một điện trở R E xuống mass. Cách tính phân cực cũng có các bước giống như ở mạch phân cực cố định. Xem hình 2.2 Ecc R R B IC C UCE IB UBE RE IE Hình 2.2 ThS-Nguyễn Vũ Thắng 14
  15. Đề cương mạch điện tử I - Ở mạch điện đầu vào ta có: Ecc = RB.IB + UBE + RE.IE Thay IE = (1+).IB ECC -U BE I B (2.5) RB 1 β RE 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 U CE Ecc RC RE IC (2.6) * Sự bão hòa của BJT: Tương tự như trong mạch phân cực cố định, bằng cách cho nối tắt giữa cực collector và cực emitter ta tìm được dòng điện cực collector bão hòa ICbh ECC ICbh (2.7) RB RE Ta thấy khi thêm RE vào, ICbh nhỏ hơn trong trường 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 +Ecc +Ecc RC R R IC 1 IC C UCE UCE IB UBE IB RBB R R 2 RE E IE + IE U BB - Hình 2.3 R1.R2 RBB R1 // R2 (2.8) R1 R2 Trong đó: R2 U BB ECC . 2.9 R1 R2 - Ở mạch điện đầu vào (mạch B-E) ta có: ThS-Nguyễn Vũ Thắng 15
  16. Đề cương mạch điện tử I UBB = RBBIB + UBE + REIE Thay: IE = (1+)IB U BB U BE Suy ra: I B (2.10) RBB (1  )RE 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 Ecc * Sự bão hòa của BJT: Tương tự như trước ta có: ICbh = RBB RE Cách phân tích gần đúng: Trong cách phân cực này, trong một số điều kiện, ta có thể dùng phương pháp tính gần đúng. Ðể ý là điện trở đầu vào của BJT nhìn từ phía cực bazơ B khi có RE là: UBB + - B I1 R1 IB IB IB (1+)IB E + R I = (1+)I cc I R = (1+)R E E B - 2 R2 i E (a) (b) (c) Hình 2.4 Ta thấy, nếu xem nội trở của nguồn U BE 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 được tính một cách gần đúng: R2 U B  Ecc . R1 R2 ThS-Nguyễn Vũ Thắng 16
  17. Đề cương mạch điện tử I Vì Ri = (1+)RE  R E nên thường trong thực tế người ta có thể chấp nhận cách tính gần đúng này khi RE 10R2. Khi xác định xong UB, UE có thể tính bằng: U E U B U BE U E Và I E I C RE U CE Ecc (RC RE )I C Trong cách tính phân cực này, ta thấy không có sự hiện diện của hệ số . Ðiểm làm việc tĩnh Q được xác định bởi IC và UCE hoàn toàn độc lập với . Ðây là một ưu điểm của mạch phân cực với điện trở cực emitơ R E 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 R E 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 ECC -U BE I B (2.12) RB (1  )(RC RE ) - Xét mạch điện đầu ra của bộ khuếch đại. Chú ý IC = IB UCE = Ecc – (RC + RE)IC (2.13) ThS-Nguyễn Vũ Thắng 17
  18. Đề cương mạch điện tử I + Ecc I RC RB IC IB IE RE Hình 2.5 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 trường hợp người 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, người ta thường dùng các định luật căn bản về mạch điện như định luật Ohm, định luật Kirchoff, định lý Thevenin , để từ các thông số đã biết tìm ra các thông số chưa biết của mạch điện. Sau đây là một vài thí dụ mô tả công việc thiết kế. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 18
  19. Đề cương mạch điện tử I 2.6.1. Thí dụ 1: Cho mạch phân cực với đặc tuyến đầu ra của BJT như hình 2.9. Xác định ECC, RC, RB. + Ecc RC RB IC Si IB Phương trình đường tải tĩnh: UCE = ECC - RCIC ta suy ra ECC = 20 V ECC ICbh 8 mA RC 2,5 k RC ECC U BE 20 V 0,7 V I B 40 A Ngoài ra: RB RB RB 482,5 k 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 đưa điện trở RE vào mạch là để ổn định điều kiện phân cực. R E không thể có trị số quá lớn vì sẽ làm giảm UCE (làm giảm độ khuếch đại của transistor). Nhưng nếu RE quá nhỏ thì độ ổn định của bộ khuếch đại sẽ kém. Bằng thực nghiệm người ta thường chọn UE bằng khoảng 1/10 giá trị nguồn cung cấp ECC. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 19
  20. Đề cương mạch điện tử I + E = 20V 1 cc U E 2 V E 10 CC U E U E RE  1 k R I E IC RB IC C ECC UCE U E RC 4 k IC   I I I C 13,33.10 3 mA B B  RE E U U IE CC BE E CE RB 1,3 M I B Chọn: RB=1,2 M Hình 2.10 2.6.3. Thiết kế mạch phân cực có dạng như hình 2.11 Ta có: +E = 20V cc 1 U E U E .VCC 2 V RE 1 k R R IC = 2mA 10 IC 1 IC C min=80 E U U 8 V R CC CE E 4 k C I 2 mA UCE = 10V C I U B BE U B U BE U E 2,7 V R 2 RE IE CE Hình 2.11 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 như bằng nhau và rất lớn đối với dòng điện base IB. Lúc đó 1 R R 8 k 2 10 E R2 Ta có thể chọn: R2 6,8 k; U B ECC 2,7 V R1 R2 Suy ra: R1  43,57 k Có thể chọn; R1 = 39 k hoặc 47 k ThS-Nguyễn Vũ Thắng 20
  21. Đề cương mạch điện tử I 2.7. BJT hoạt động như một chuyển mạch. BJT không những chỉ được sử dụng trong các mạch điện tử thông thường như khuếch đại tín hiệu, dao động mà còn có thể được dùng như một chuyển mạch điện tử (Switch). Hình 2.12 là mô hình căn bản của một mạch đảo (inverter). Ecc= +5V uv uc I RC = 820 5V C 5V uc RB = 68K 0V 0V t   0V t 0 t1 t2 uv 0 t1 t2 IB Hình 2.12 Ta thấy điện áp đầu ra của U C là đảo pha đối với điện áp tín hiệu đưa vào cực base của BJT (đầu vào). Lưu ý là ở đây không có điện áp 1 chiều phân cực cho cực base mà chỉ có điện áp 1 chiều đưa vào cực collector của BJT. Mạch đảo pha phải được 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 ngược lại khi điện áp tác động của tín hiệu đầu vào thay đổi trạng thái (thay đổi cực tính). Ðiều này có nghĩa là I = I 0 C CE0 mA (đây chính là dòng điện ngược 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. ECC Dòng điện ICbh được định nghĩa: ICbh RC Giá trị của dòng điện I B để BJT hoạt động trong vùng bão hòa có thể được tính ICbh gần đúng: I B . min  ICbh Điều kiện để BJT bão hào là: IB>  Trên mạch 2.12, khi uv = 5 V thì trị số của IB là: uv U BE I B 63 A RB ThS-Nguyễn Vũ Thắng 21
  22. Đề cương mạch điện tử I ECC Và: ICbh 6,1 mA RC Thử điều kiện trên ta thấy: I I 63 A Cbh 48,8 A B  Nên thỏa mãn để BJT hoạt động trong vùng bão hòa. - Khi U v = 0 V, IB = 0 A, BJT không dẫn và I C = 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 tương đương giữa 2 cực C-E là: U CEbh 0 V RCE 0  ICbh 6,1 mA ICbh C + R UCEbh CE - E Hình 2.13 Nếu coi UCEbh có trị trung bình khoảng 0,15V ta có: 0,15 V R 24,6  CE 6,1 mA Như vậy ta có thể coi RCE  0  khi nó được mắc nối tiếp với điện trở hàng k. - Khi Uv = 0 V, BJT ngưng, điện trở tương đương giữa 2 cực C-E được ký hiệu là Rcut-off U CE ECC Rcut off  U CE0 ICE0 ThS-Nguyễn Vũ Thắng 22
  23. Đề cương mạch điện tử I ICE0 C + UCE ECC - R  E Hình 2.14 Kết qủa là giữa hai cực C và E tương đương với mạch điện bị hở mạch Thí dụ: Xác định RC và RB của mạch điện hình 2.15 nếu ICsat= ICbh = 10 mA Ecc= +10V uv uc I RC 10V C 10V uc RB 0V 0V t   0V t 0 t1 t2 uv 0 t1 t2 IB Hình 2.15 Khi bão hòa: ECC IC 10 mA RC ECC RC 1 k ICbh ICbh và I B 40 A  DC Ta chọn IB = 60A để đảm bảo BJT hoạt động trong vùng bão hòa U v U BE U v 0,7 V I B RB 0,155 M RB I B U U I Chọn I = 150 k (Giá trị tiêu chuẩn), vậy I v BE 62 A Cbh 40 A B B 150 k  Vậy ta thiết kế: RC = 1 k RB = 150 k ThS-Nguyễn Vũ Thắng 23
  24. Đề cương mạch điện tử I Trong thực tế, BJT không thể chuyển tức thời từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn hay ngược 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 I C tăng được 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 I C 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 thường toff > ton Thí dụ ở 1 BJT bình thường: ts = 120 ns ; tr = 13 ns tf = 132 ns ; td = 25 ns Vậy: ton = 38 ns ; toff = 132 ns ThS-Nguyễn Vũ Thắng 24
  25. Đề cương mạch điện tử I So sánh với 1 BJT đặc biệt có chuyển mạch nhanh như BSV 52L ta thấy: t on = 12 ns; toff = 18 ns. Các BJT này được gọi là transistor chuyển mạch (switching transistor) 2.8. Tính khuếch đại của BJT. Xem mạch điện hình 2.17 +Ecc R R 1 IC C C2 Ur C1 UCE U v IB UBE R 2 RE IE CE Hình 2.17 Giả sử ta đưa một tín hiệu xoay chiều có dạng sin, biên độ nhỏ vào chân B của BJT như hình vẽ. Ðiện áp ở chân B ngoài thành phần phân cực U B 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 được chọn như thế nào để có thể xem như nối tắt - dung kháng rất nhỏ - ở tần số của tín hiệu. Như 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. uv(t) 0 t uB(t) 0 t uC(t) 0 t uD(t) 0 t Hình 2.18: ThS-Nguyễn Vũ Thắng 25
  26. Đề cương mạch điện tử I Khi u B(t) > U B là nửa chu kỳ dương của tín hiệu vào, làm điện áp U BE tăng và dòng điện I B tăng theo. Do I C = IB nên dòng điện I C 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 u B(t) < U B là nửa chu kỳ âm của tín hiệu vào, dòng điện I B giảm kéo theo dòng IC giảm và uC(t) tăng. Như vậy ở mạch trên ta có thể thấy điện áp u c(t) biến thiên ngược chiều (ngược pha) với điện áp vào uB(t). Hay điện áp tại đầu ra u r(t) biến thiên ngược pha với điện áp ur (t) vào uv(t). Người ta xác định được tỷ số AU gọi là hệ số khuếch đại điện áp. uv (t) Chìa khóa để phân tích và xác định các thông số của mạch là dựa vào sơ đồ tương đương xoay chiều của mạch. Xét về thành phần tín hiệu xoay chiều thì các tụ điện C 1, C2, CE coi như nối tắt. Hình 2.19 là sơ đồ đương xoay chiều của mạch hình 2.17. Chú ý là nguồn điện áp một chiều cũng coi như nối tắt vì khi xét về thành phần xoay chiều thì vai trò giữa âm nguồn và dương nguồn là như nhau. Người ta định nghĩa các thông số chính của mạch là: ur - Hệ số khuếch đại điện áp: Au uv ir - Hệ số khuếch đại dòng điện: Ai iv uv - Tổng trở đầu vào: Zv iv ur - Tổng trở đầu ra: Z r là tổng trở nhìn từ đầu ra khi nối tắt đầu vào (uv = 0) ir + ir iv ur + RC R R uv 1 2 - - Zv Zr Hình 2.19 Về BJT, người ta thường dùng mạch tương đương kiểu mẫu r e hay mạch tương đương theo thông số h. Hình 2.20 mô tả 2 loại mạch tương đương này ở 2 dạng đơn giản và đầy đủ ThS-Nguyễn Vũ Thắng 26
  27. Đề cương mạch điện tử I * Dạng đơn giản * Dạng đầy đủ Hình 2.20 Các liên hệ cần chú ý: 26mV 26mV re  ; re hie IE IC  hfe ; re hib hfb  1 ThS-Nguyễn Vũ Thắng 27
  28. Đề cương mạch điện tử I ube ube ic 1 Ngoài ra: re  ib gm .ube ib ic ib gm 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 như hình 2.21 và mạch tương đương xoay chiều như hình 2.22 + E cc iv B C + ib + i R RC r B re C2 ib ir uv ur ur RB E RC iv C1 R uv E Zv Zr - - IE RE Zv Zb Zr Hình 2.21 Hình 2.22 Trị số  do nhà sản xuất cho biết Trị số re được tính từ mạch phân cực: 26 mV re  IC Từ mạch tương đương ta tìm được các thông số của mạch. * Hệ số khuếch đại điện áp: ur Au uv Ta có: ur .ib .RC uv .re .ib (1  )RE .ib ur RC Suy ra: Au (2.16) uv re (1  )RE ThS-Nguyễn Vũ Thắng 28
  29. Đề cương mạch điện tử I RC Do  >> 1 nên: Au  (2.17) re RE RC Nếu RE >> re Au  (2.18) RE Dấu (-) cho thấy ur và uv ngược pha nhau. uv * Tổng trở vào: Z v iv uv .re .ib (1  ).RE .ib Ta đặt: Zb   (re RE )  RE ib ib Suy ra: Z v RB // Zb (2.19) ir * Hệ số khuếch đại dòng điện: Ai iv ur uv ur Zv ir ; iv Ai . RC Zv uv RC Zv Hay: Ai Au . (2.30) RC ur * Tổng trở ra: Zr ir Ðể tính tổng trở ra của mạch, đầu tiên ta nối tắt đầu vào (u v = 0); áp một nguồn giả tưởng có trị số uo vào phía đầu ra như hình 2.23, xong lập tỉ số ur Zr ir ib ib ir re + uv=0 RB RC ur RE  - E Hình 2.23 Khi uv = 0 ib = 0 ib = 0 (tương đương mạch hở) nên ThS-Nguyễn Vũ Thắng 29
  30. Đề cương mạch điện tử I ur Z r RC (2.31) ir Chú ý: Trong mạch cơ bản hình 2.21 nếu ta mắc thêm tụ phân dòng C E (như hình 2.24) hoặc nối thẳng chân E xuống mass (như hình 2.25) thì trong mạch tương đương xoay chiều sẽ không còn sự hiện diện của điện trở RE (hình 2.26) + Ecc + Ecc R R RB C RB C C2 C2 ur ur C1 C1 uv uv RE CE Hình 2.24 Hình 2.25 iv B ib C + + i b ir re uv u R1 R2 RC r - E - Zv Zr Hình 2.26 Phân tích mạch ta sẽ tìm được: ur RC AU (2.32) u v re uv Z v RB // re (2.33) i v Z r RC (2.34) Z v Ai Au . (2.35) RC Thật ra các kết quả trên có thể suy ra từ các kết quả hình 2.22 khi cho RE = 0 ThS-Nguyễn Vũ Thắng 30
  31. Đề cương mạch điện tử I 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 như hình 2.27 và mạch tương đương xoay chiều như hình 2.28. iv B C +Ecc + ib + R IC C R1 ir C2 re ur C1 ib uv ur U RC CE R2 R1 E u v IB UBE RE R 2 RE IE - - Z Z v b Zr Hình 2.27 Hình 2.28 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: RC RC Au  (2.36) re RE RE Zv R1 // R2 // Zb vì Zb  (re RE )  RE (2.37) Z r RC (2.38) Z v Ai Au . (2.39) RC Chú ý: Trong mạch điện hình 2.27, nếu ta mắc thêm tụ phân dòng C E ở cực emitter E (hình 2.29) hoặc nối thẳng cực emitter E xuống mass (hình 2.30) thì trong mạch tương đương cũng không còn sự hiện diện của RE. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 31
  32. Đề cương mạch điện tử I +Ecc +Ecc RC RC R1 R1 C2 C2 ur ur C1 C1 uv uv R2 R R2 E CE Hình 2.29 Hình 2.30 Các kết quả trên vẫn đúng khi ta cho RE = 0 RC Au  (2.40) RE Z v R1 // R2 // re (2.41) Z r RC (2.42) Z v Ai Au . (2.43) RC 2.9.3. Mạch khuếch đại EC phân cực bằng hồi tiếp điện áp và ổn định cực emitter E. Mạch tổng quát như hình 2.31 và mạch tương đương xoay chiều được vẽ ở hình 2.32 + Ecc RC i’ C2 iv B C u + RB r R + i B ib i b re r E C1 uv u RC r uv RE - - RE Zv Zr Hình 2.31 Hình 2.32 * Hệ số khuếch đại điện áp: ThS-Nguyễn Vũ Thắng 32
  33. Đề cương mạch điện tử I ur Au uv Ta có: ir = .ib + i’  .ib (Do RB thường có giá trị rất lớn) u r = -RC.ir = -.RC.ib Mà: uv = .re.ib + (1+).RE.ib  ( re + RE).ib ur RC RC Suy ra: Au  (2.44) uv re RE RE uv * Tổng trở vào: Zv iv Ta có: uv = .(re + RE).ib ur uv Với: ib iv i' iv RB .(re RE ).ur .(re RE )uv uv .(re RE ).iv RB RB Thay ur = Au.uv vào ta được: .(re RE ) .(re RE )uv uv .(re RE ).iv .Au .uv RB RB .(re RE ) .(re RE ) .(re RE ).iv uv .(1 Au ).uv uv . 1 .(1 Au ) RB RB uv .(re RE ) Zv iv .(re RE ) 1 .(1 Au ) RB .RE Nếu RE >> re thì Zv  .RE 1 .(1 Au ) RB Do Au <0 1-Au = 1+|A|  |Au| .RE .RB Zv  (2.45) RB .RE . Au * Hệ số khuếch đại dòng điện: ThS-Nguyễn Vũ Thắng 33
  34. Đề cương mạch điện tử I ir ur u v ir ur Zv ur Zv Ai ; ir ; iv Ai . . iv RC Zv iv RC u v u v RC Zv Hay : Ai Au . (2.46) RC * 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 như phần trước, ở mạch hình 2.31, nếu ta mắc thêm tụ phân dòng C E vào cực E của BJT hoặc mắc thẳng cực E xuống mass thì các thông số của mạch được suy ra khi cho RE = 0 R .r .r A C Z  e  e u v .r .r re e e 1 .(1 Au ) 1 . Au RB RB Zi Z r RC // RB Ai Au . RC 2.10. Mạch khuếch đại cực Collector chung (CC). Dạng mạch căn bản như hình 2.33 và mạch tương đương xoay chiều vẽ ở hình 2.34 + Ecc ib iv B E + + RB re ir uv RB ib u C1 RE r uv C2 C ur - - R E Zv Zb Zr Hình 2.33 Hình 2.34 Như kết quả được 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 như biến áp. Vì các lý do trên, mạch CC thường được dùng làm mạch đệm (Buffer) giúp cho việc truyền tín hiệu đạt hiệu suất cao nhất. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 34
  35. Đề cương mạch điện tử I * Tổng trở vào Zv. uv .re .ib (1  ).RE .ib Đặt Z b .(re RE ) ib ib uv Z v RB // .(re RE ) RB // .RE (2.48) iv * Hệ số khuếch đại điện áp: ur (1  ).RE .ib RE Au 1 (2.49) uv .re .ib (1  ).RE .ib re RE * Tổng trở ra Zr Nối tắt đầu vào (uv = 0), áp một điện áp ur ở đầu ra ib iv B E ir re + uv = 0 RB ib  ur RE - C Zv Zb Zr Hình 2.35 ur ur Ta có: ir ib ib (1  )ib RE RE ur ur 1  1 1 Với: ib ir ur  ( )ur re RE re RE re 1 ir 1 1 Z r re // RE (2.50) Z r ur RE re u r ir RC Z v Ai Au . (2.51) iv uv RC Z v Chú ý: - Mạch khuếch đại CC cũng có thể được phân cực bằng cầu chia điện áp như hình 2.36. Các công thức trên thì việc phân tích mạch trên vẫn đúng, chỉ cần thay RB = R1//R2 ThS-Nguyễn Vũ Thắng 35
  36. Đề cương mạch điện tử I - Mạch cũng có thể được mắc thêm một điện trở R C như 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 hưởng đến cực B và cực E. R C đưa vào chỉ làm ảnh hưởng 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 tương đương xoay chiều được thể hiện trên hình 2.38 +Ecc iv E C RE C1 iv C2 ie ir uv ur uv = 0 RE ie ur RC RC R B C B B Zv Zv Zr CE Hình 2.38 Phân tích mạch tương đương ta tìm được: Zv RE // re  re (2.52) Zr RC (2.53) ur .ie.RC .RC RC Au  (2.54) uv re.ie re re u r i R Z R r A r C A v  C . e 1 (2.55) i u i iv v RC re RC Zv ThS-Nguyễn Vũ Thắng 36
  37. Đề cương mạch điện tử I Chương 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 dương 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 dương so với điện áp cực nguồn S) sẽ được phân tích ở phần sau của chương này. 3.1.1. Phân cực cố định. Dạng mạch như hình 3.1 Ta có: IG = 0; VGS = - RGIG - VGG RG.IG = 0 VGS = -VGG (3.1) 2 VGS Thay VGS vào phương trình Schockley I D I DSS 1 ta xác định được VGS (off ) dòng điện ID. Ðường thẳng V GS = -VGG được gọi là đường phân cực. Ta cũng có thể xác định được I D từ đặc tuyến truyền đạt. Ðiểm làm việc tĩnh Q chính là giao điểm của họ đặc tuyến đầu ra với đường tải tĩnh. Từ mạch điện đầu ra ta có: VDS = VDD - RDID (3.2) Ðây là phương trình đường tải tĩnh. Ngoài ra: VS = 0 ThS-Nguyễn Vũ Thắng 37
  38. Đề cương mạch điện tử I VD = VDS = VDD - RDID VG = VGS = -VGG 3.1.2. Phân cực bằng phương 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 V DD và có thêm một điện trở R S mắc ở cực nguồn như hình 3.3 Vì IG = 0 nên VG = 0 và ID = IS VGS = VG - VS = -RSID (3.3) Ðây là phương trình đường tải. Trong trường hợp này V GS là một hàm số của dòng điện cực máng I D và không cố định như trong mạch phân cực cố định. - Thay VGS vào phương trình schockley ta tìm được dòng điện cực máng ID như sau: - Dòng ID cũng có thể được xác định bằng điểm làm việc tĩnh Q. Ðó là giao điểm của đường 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 phương trình đường đường tải. Ngoài ra: VS = RSID ; VG = 0; VD = VDD - RDID ThS-Nguyễn Vũ Thắng 38
  39. Đề cương mạch điện tử I 3.1.3. Phân cực bằng cầu chia điện áp. Dạng mạch như hình 3.5 Ta có: VGS = VG - VS R2 Do IG = 0 nên VG VDD. (3.6) R1 R2 VS = RSIS = RSID VGS = VG - RSID (3.7) Ðây là phương trình đường tải. Do JFET điều khiển theo kiểu nghèo động tử nên phải chọn R 1, R2 và RS sao cho VGS< 0. Hay. R2 VG VDD. VS RS .I D R1 R2 IDQ và VGSQ chính là tọa độ giao điểm của đường tải và họ đặc tuyến truyền đạt. Ta thấy khi RS tăng, đường tải sẽ giảm độ dốc (nằm ngang hơn), tức V GS âm hơn và dòng ID nhỏ hơn. Từ điểm làm việc Q, ta xác định được 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 DE-MOSFET kênh n. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 39
  40. Đề cương mạch điện tử I Ðể điều khiển theo kiểu giầu động tử, ta phải phân cực sao cho V GS >0 nên I D >IDSS, do đó ta phải chú ý đến dòng điện cực máng cực đại I Dmax mà DE-MOSFET có thể chịu đựng được. 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 R 1, R2, RS phải được chọn sao cho VG>VS tức VGS >0. Thí dụ ta xem mạch phân cực hình 3.7. - Ðặc tuyến truyền đạt được xác định bởi: IDSS = 6 mA VGS(off) = -3 V - Ðường tải được xác định bởi phương 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 ThS-Nguyễn Vũ Thắng 40
  41. Đề cương mạch điện tử I 3.2.2. Phân cực bằng hồi tiếp điện áp. Mạch cơ bản hình 3.9 - Ðặc tuyến truyền đạt giống như trên. - Ðường tải được xác định bởi phương trình: VGS = VDS = VDD - RDID (3.11) Vẽ hai đặc tuyến này ta có thể xác định được 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 VGS(th) thì ID được xác định bởi: 2 I D k[VGS VGS (th)] Hệ số k được xác định từ các thông số của nhà sản xuất. Thường nhà sản xuất cho biết VGS(th) và một dòng ID(on) tương ứng với một điện áp VGS(on). Suy ra: Ðể xác định và vẽ đặc tuyến truyền đạt người ta xác định thêm 2 điểm: một điểm ứng với VGS VGS(on) ThS-Nguyễn Vũ Thắng 41
  42. Đề cương mạch điện tử I 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) Phương trình 3.13 chính là phương trình đường tải. Giao điểm của đường 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 như hình 3.13 Từ mạch cửa G nguồn S ta có: VG = VGS - RSID VGS = VG - RSID (3.14) Ðây là phương trình đường phân cực. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 42
  43. Đề cương mạch điện tử I 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 đường tải tĩnh là điểm làm việc tĩnh Q. Từ đồ thị ta suy ra IDQ và VGSQ và từ đó ta có thể tìm được VDS, VD, VS 3.4. Mạch kết hợp BJT và FET. Ðể ổn định điểm làm việc tĩnh điều khiển cho FET, người ta có thể dùng mạch phân cực kết hợp với BJT. BJT ở đây đóng vai trò như một nguồn dòng điện. Mạch phân cực cho BJT thường 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 phương pháp tính gần đúng: ThS-Nguyễn Vũ Thắng 43
  44. Đề cương mạch điện tử I Ta có thể giải phương trình trên để tìm VGS. Ðơn giản hơn ta dùng phương pháp đồ thị. Cách vẽ đặc tuyến truyền đạt như ở phần trước. Từ đồ thị ta suy ra: V GS = -3,7 V. Từ đó: VC = VB - VGS = 7,32 V Người ta cũng có thể dùng FET như một nguồn dòng điện để ổn định phân cực cho BJT như 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 được để ý tới, nhất là việc ổn định điểm làm việc tĩnh. Từ các thông số của linh kiện và dạng mạch phân cực được lựa chọn, dùng các định luật Kirchoff, định luật Ohm và phương trình Schockley hoặc đặc tuyến truyền đạt, đường tải tĩnh để xác định các thông số chưa biết. Tổng quát trong thực hành, để thiết kế một mạch phân cực dùng FET, người ta thường chọn điểm làm việc nằm trong vùng hoạt động tuyến tính. Trị số tốt nhất thường ThS-Nguyễn Vũ Thắng 44
  45. Đề cương mạch điện tử I V I DSS GS (off ) được chọn là I hoặc V . Ngoài ra, VDS cũng không được vượt quá trị số D 2 GS 2 tối đa mà FET có thể chịu đựng được. Thí dụ: Trong mạch điện hình 3.18a, chọn I D = 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 tương đương xoay chiều tín hiệu nhỏ. Người ta cũng có thể dùng FET để khuếch đại tín hiệu nhỏ như 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 I C) được điều khiển bằng dòng điện đầu vào (dòng điện base I B), thì ở FET, sự thay đổi dòng điện đầu ra (dòng cực máng I D) được điều khiển bằng một điện áp nhỏ ở đầu vào (hiệu điện áp cực cửa nguồn V GS). Ở BJT ta có hệ số khuếch đại dòng điện tĩnh  thì ở FET có độ truyền dẫn gm. Với tín hiệu nhỏ, mạch tương đương xoay chiều của FET như hình 3.19(a), trong đó r là tổng trở vào của FET. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 45
  46. Đề cương mạch điện tử I Ở JFET, r khoảng hàng chục đến hàng trăm M, trong lúc ở MOSFET thường ở hàng trăm đến hàng ngàn M. Do đó, thực tế người ta có thể bỏ r trong mạch tương đương (hình 3.19b). VDS rd là tổng trở ra của FET, được định nghĩa: rd tức tùy thuộc vào điểm I D VGS làm việc, rd có thể thay đổi từ vài chục K đến vài chục M. r d và gm thường được nhà sản xuất cho biết dưới dạng rd = 1/yos; gm= yfs ở một điểm làm việc nào đó. Nếu trong mạch thiết kế, R D (điện trở nối từ cực thoát lên nguồn) không lớn lắm (vài k), ta có thể bỏ rd trong mạch tương đương (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 tương đương xoay chiều vẽ ở hình 3.23. Trong đó R i = RG ở hình 3.20 và 3.21; R i = R1//R2 ở hình 3.22. Phân tích mạch ta tìm được: ThS-Nguyễn Vũ Thắng 46
  47. Đề cương mạch điện tử I - 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 tương đương hình 3.25. 3.7.3. Mạch khuếch đại cực nguồn chung (SC). Người ta có thể dùng mạch phân cực tự động hoặc phân cực bằng cầu chia điện áp như hình 3.26 và hình 3.27 ThS-Nguyễn Vũ Thắng 47
  48. Đề cương mạch điện tử I Mạch tương đương xoay chiều được 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 R S 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 Z 0, ta tìm được 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 tương đương xoay chiều như hình 3.29a và 3.29b. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 48
  49. Đề cương mạch điện tử I 3.8. Mạch khuếch đại dùng E-MOSFET. Do E-MOSFET chỉ điều khiển theo kiểu giầu động tử, nên thường được phân cực bằng cầu chia điện áp hoặc hồi tiếp điện áp. Thí dụ: Ta xem mạch hình 3.30a có mạch tương đương xoay chiều hình 3.30b. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 49
  50. Đề cương mạch điện tử I Thông thường gmRG >>1 nên AV = -gm(RG //rd //RD) Nhưng RG thường rất lớn nên AV -gm(rd //RD) (3.25) - Xác định giá trị của gm: gm thường được nhà sản xuất cho biết ở một số điều kiện phân cực đặc biệt, hay có thể được tính từ điểm làm việc tĩnh. Hoặc gm có thể được 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) ThS-Nguyễn Vũ Thắng 50
  51. Đề cương mạch điện tử I 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 được các hệ số khuếch đại mong muốn. Thí dụ: Thiết kế mạch khuếch đại phân cực tự động dùng JFET như 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 chương. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 51
  52. Đề cương mạch điện tử I Chương IV: ÐÁP ỨNG TẦN SỐ CỦA BJT VÀ FET Trong các chương trước 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 được xem như nối tắt ở tần số của tín hiệu. Ngoài ra ở dải tần số đó ảnh hưởng của các điện dung ký sinh bên trong BJT và FET không đáng kể. Dải tần số này thường được gọi là dải tần sển trung bình. Trong chương này chúng ta sẽ khảo sát ảnh hưởng 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. Trước khi đi vào chi tiết, ta cần biết qua một số khái niệm cần thiết như là một công cụ khảo sát. 4.1. Decibel (đề xi ben). Ta xem mạch tương đương 2 cực hình 4.1 Hình 4.1 Công suất đầu vào được định nghĩa: Pi = vi.ii Công suất đầu ra được định nghĩa: P0 = v0.i0 P0 V0 i0 Tỷ số AP . Av .Ai gọi là hệ số khuếch đại công suất của mạch Pi Vi ii Trong kỹ thuật người ta thường đưa ra một đơn vị là decibel (dB) để diễn tả độ lợi công suất. Ðơn vị căn bản ban đầu là Bel và được định nghĩa: ThS-Nguyễn Vũ Thắng 52
  53. Đề cương mạch điện tử I (4.1) (4.2) (4.3) (4.4) 4.2. Mạch lọc thông cao. Dạng mạch căn bản như hình 4.2 Tụ C được xem như nối tắt (short-circuit), kết quả là: v0  vi - Ở khoảng giữa 2 tần số này, hệ số khuếch đại điện áp A V = v0/vi thay đổi như hình 4.3. Khi tần số tăng, dung kháng của tụ C giảm và tín hiệu ở đầu ra v 0 lớn dần. Ðiện áp đầu vào và đầu ra liên hệ với nhau bằng công thức: ThS-Nguyễn Vũ Thắng 53
  54. Đề cương mạch điện tử I (4.5) Tại AV = 1 v0 = vi (trị tối đa) AV(dB)=20Log1= 0 dB 1 Vậy tần số cắt là tần số tại đó độ lợi giảm đi lần hay giảm đi 3 dB. Nếu 2 phương trình hệ số khuếch đại được viết dưới dạng số phức: Khi f << fi, phương trình trên có thể viết gần đúng: ThS-Nguyễn Vũ Thắng 54
  55. Đề cương mạch điện tử I 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 được gọi là mạch lọc 6dB/octave hay 20 dB/decade ThS-Nguyễn Vũ Thắng 55
  56. Đề cương mạch điện tử I 4.3. Mạch lọc thông thấp RC. Dạng mạch căn bản như hình 5.6. Ở khoảng giữa 2 tần số này, hệ số khuếch đại điện áp thay đổi như hình 5.7. Khi tần số tăng dần, dung kháng của tụ C càng giảm và v0 càng giảm. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 56
  57. Đề cương mạch điện tử I Tương tự như mạch lọc thông thấp, khi f >> f i 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, nhưng kết quả cũng có thể được áp dụng cho các mạch khác. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 57
  58. Đề cương mạch điện tử I Tại tần số cắt f LS, điện áp tín hiệu vi bằng 70.7 % so với giá trị được xác định bởi phương trình (5.11) và như vậy ta thấy C S chỉ có ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của mạch ở tần số thấp. Ở mạch khuếch đại như hình (5.8), khi phân tích ảnh hưởng của C S; ta giả sử C E và CC có dung kháng khá lớn và xem như nối tắt ở tần số của tín hiệu. Với giả sử này, mạch tương đương xoay chiều ở đầu vào như hình 5.10. CC: Vì CC được nối giữa đầu ra của BJT và tải nên hình ảnh C C và RL, R0 như một mạch lọc thông cao. Tần số cắt do ảnh hưởng của CC có thể được xác định bởi: ThS-Nguyễn Vũ Thắng 58
  59. Đề cương mạch điện tử I Giả sử rằng ảnh hưởng của C S và CE không đáng kể, điện áp đầu ra sẽ giảm còn 70.7% so với v0 ở tần số giữa tại f LC. Mạch tương đương xoay chiều ở đầu ra như hình 5.12. Vậy R0 = RC //r0. CE: Ta có thể xem CE nhìn hệ thống như hình vẽ 5.13 Ðể xác định ảnh hưởng của C E lên độ khuếch đại của mạch, ta xem mạch hình 5.16, trong đó độ khuếch đại được cho bởi: khi không có CE. Khi ta mắc CE vào mạch, nhận thấy: - Ở tần số thật thấp, dung kháng của C E lớn, CE có thể xem như hở mạch và hệ số khuếch đại điện áp sẽ nhỏ nhất được tính bằng công thức (5.17). - Khi tần số tín hiệu tăng dần, dung kháng của C E 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 C E xem như 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. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 59
  60. Đề cương mạch điện tử I Như vậy ta thấy rằng đáp ứng ở tần số thấp của mạch là do ảnh hưởng của C S, 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 tương tự như mạch khuếch đại dùng BJT ở đoạn trước. Ba tụ điện tạo ảnh hưởng đến độ lợi ở tần số thấp là C G, CC và CS. Ta xem một mạch khuếch đại dùng FET như hình 5.17. CG: Do tụ CG nối giữa nguồn tín hiệu và hệ thống linh kiện nên mạch tương đương như hình 5.18. Tần số cắt thấp do ảnh hưởng của CG được xác định bởi: CC: Tụ liên lạc đầu ra C C được nối giữa linh kiện và tải nên mạch tương đương đầu ra như hình 5.19. Tần số thấp do ảnh hưởng của CC được xác định bởi: Trong đó: R0 = RD //rd. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 60
  61. Đề cương mạch điện tử I CS: Tụ cực nguồn C S nhìn hệ thống như hình 5.20. Do đó tần số thấp do hiệu ứng của CS được xác định bởi: Ðể xác định R eq, ta chú ý mạch tương đương ngõ ra của mạch dùng FET bên trên như 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 như hình 5.12b. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 61
  62. Đề cương mạch điện tử I 4.6. Hiệu ứng Miller. Ở vùng tần số cao, các điện dung lớn (tụ ghép nối, tụ phân dòng), được xem như nối tắt và không ảnh hưởng đến các thông số của mạch. Ðiện dung ảnh hưởng 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 được định nghĩa là C f. Áp dụng định luật Kirchoff về dòng điện ta có: ii=i1+i2 ThS-Nguyễn Vũ Thắng 62
  63. Đề cương mạch điện tử I Từ phương trình này ta vẽ lại mạch tương đương như hình 5.23. Các tụ liên cực ở đầu vào của mạch điện được xem như mắc song song với C M. Tổng quát, điện dung đầu vào hiệu ứng Miller được định nghĩa bởi: CMi = (1-AV)Cf (5.23) Như vậy ở tần số cao, hệ số khuếch đại điện áp A V 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 được để ý đến khi xác định tần số ngắt cao. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 63
  64. Đề cương mạch điện tử I 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 như hình 5.25 Cbe, Cbc, Cce là các tụ liên cực của BJT do chế tạo. C wi, Cw0 là các tụ ký sinh do hệ thống dây nối, mạch in ở đầu vào và đầu ra của BJT. Như vậy, mạch tương đương xoay chiều ở tần số cao có thể được vẽ lại như hình 5.26. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 64
  65. Đề cương mạch điện tử I 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 như nối tắt. Thông thường Cbe và Cce nhỏ nhất. Trong các sách tra cứu, nhà sản xuất thường chỉ cho biết Cbe, Cbc mà bỏ qua Cce. Dùng định lý Thevenin biến đổi mạch ngõ vào và ngõ ra, ta được: 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 hưởng của C i là làm giảm tổng trở vào của hệ thống, giảm biên độ tín hiệu đưa vào hệ thống (giảm dòng ib) và do đó làm giảm độ lợi của mạch. Ở ngõ ra với: Rth2 = Rc //RL //r0 ThS-Nguyễn Vũ Thắng 65
  66. Đề cương mạch điện tử I Ở tần số rất cao, dung kháng của C 0 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 được xác định là tần số cắt thấp trong 2 tần số cắt Hif và fH0. Ngoài ra vì hfe (hay ) cũng giảm khi tần số tăng nên cũng phải được 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: người ta thường dùng mạch tương đương của BJT theo thông số hỗn tạp (lai ) ở tần số cao. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 66
  67. Đề cương mạch điện tử I 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 được 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. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 67
  68. Đề cương mạch điện tử I 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 tương tự như ở BJT. Với FET cũng có các điện dung liên cực C gs, Cds, Cgd và tụ ký sinh đầu vào C wi, 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 như hình 5.32. Mạch tương đương xoay chiều như hình 5.33. Trong đó: Ci = CWi + CgS + CMi Với CMi = (1-AV)Cgd ThS-Nguyễn Vũ Thắng 68
  69. Đề cương mạch điện tử I Ðể xác định tần số cắt do ảnh hưởng của Ci và C0 ta dùng mạch tương đương 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 chương. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 69
  70. Đề cương mạch điện tử I Chương V: HỒI TIẾP Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về mạch khuếch đại có hồi tiếp âm và khảo sát ảnh hưởng của loại hồi tiếp này lên các thông số cũng như 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 được thể hiện trên hình 3.1 X X Xv h r + K Xht Kht 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 tương tự, hồi tiếp đóng một vai trò hết sức quan trọng. Ngoài việc cải thiện các tính chất của bộ khuếch đại như: 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 thường phân biệt hai loại cơ bản: hồi tiếp âm và hồi tiếp dương. Trong đó tín hiệu hồi tiếp âm ngược pha với tín hiệu vào nên làm yếu tín hiệu vào, còn tín hiệu hồi tiếp dương 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 được dùng để làm ổn định chế độ công tác, còn hồi tiếp âm xoay chiều được dùng để ổn định các tham số của bộ khuếch đại. Mạch điện của bộ khuếch đại có hồi tiếp được phân làm 4 loại cơ bản. a/ Hồi tiếp nối tiếp - điện áp hình 5.2(a): tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu ban đầu và tỷ lệ với điện áp đầu ra. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 70
  71. Đề cương mạch điện tử I b/ Hồi tiếp song song - điện áp hình 5.2(b): tín hiệu hồi tiếp đưa 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 đưa 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. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 71
  72. Đề cương mạch điện tử I I1 I1k I2k I2 a) U1k K U2k Hồi tiếp nối tiếp - điện áp U1 U2 I1ht I2ht U1ht Kht U2ht I1 I1k I2k I2 b) U1k K U2k Hồi tiếp song song - điện áp U1 U2 I1ht I2ht U1ht Kht U2ht c) I1 I1k I2k I2 U1k K U2k Hồi tiếp nối tiếp - dòng điện U1 U2 I1ht I2ht U1ht Kht U2ht d) I1 I1k I2k I2 U1k K U2k Hồi tiếp song song - dòng điện U1 U2 I1ht I2ht U1ht Kht U2ht Hình 5.2: Các loại mạch hồi tiếp ThS-Nguyễn Vũ Thắng 72
  73. Đề cương mạch điện tử I 5.2 Các phương 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 như trên hình 5.3. Xn Xv Xh Kn + K + - Xr Xht Kht 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 được các mối quan hệ sau. Xr = K.Xh ; Xv = Kn.Xn ; Xh = Xv - Xht ; Xht = Kht.Xr Tổng hợp các phương trình này cho ta phương trình cơ bản của mạng 4 cực có hồi tiếp. X K K' r (5.1) Xv 1 K.Kht Xr K tp K'.Kn (5.2) Xn 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 X n và bộ khuếch đại. Gọi Kv = K.Kht gọi là hệ số khuếch đại vòng và g = 1 + K.K ht = 1 + Kv là độ sâu hồi tiếp. Các tham số K v 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 1 K.K ht 1 thì theo biểu thức (5.1) ta có K' K tương ứng với mạch hòi tiếp âm. - Khi 1 K.K ht 1 thì theo biểu thức (5.1) ta có K' K tương ứng với mạch hồi tiếp dương. Đặc biệt khi K v K.Kht 1 theo biểu thức 5.1 ta có X 1 K' r  (5.3) X v Kht ThS-Nguyễn Vũ Thắng 73
  74. Đề cương mạch điện tử I X r K n Ktp (5.4) X n K ht 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. Phương pháp phân tích bộ khuếch đại có hồi tiếp. Để phân tích các mạch có hồi tiếp như tính hệ số khuếch đại, điện trở vào, điện trở ra, dải tần làm việc có thể dùng một số phương pháp khác nhau. Trong đó có các phương pháp hay dùng là: - Lý thuyết M4C - Các định luật kiếckhốp - Phương pháp phân tích khối trong kỹ thuật điều khiển. Trong thực tế người ta thường dùng phương pháp phân tích khối trong kỹ thuật điều khiển, vì nguyên tắc này nhanh chóng nhận ra được 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 lượng của mạch. Trên cơ sở lý thuyết đó người ta có thể xây dựng được lưu đồ tính toán các mạch khuếch đại có hồi tiếp (bảng 5.1). Phương trình thứ nhất cho phép xác định được hàm truyền đạt K = Xr/Xh. Áp dụng nguyên lý xếp chồng, có thể thấy X h gồm hai thành phần X n và Xr. Xét riêng từng thành phần này sẽ xác định được K v và Kht. Từ đó vẽ cấu trúc chuẩn và xác định các đại lượng 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). ThS-Nguyễn Vũ Thắng 74
  75. Đề cương mạch điện tử I 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 tương đương 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 tương đương dòng điện. Xv, Xn: chọn là dòng điện Xây dựng hệ phương 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 5.4. Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến các tính chất của bộ khuếch đại. 5.4.1. Ảnh hưởng 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. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 75
  76. Đề cương mạch điện tử I a/ Ảnh hưởng đến sai số của hệ số khuếch đại. Từ biểu thúc 5.2 có chú ý tới biểu thức 5.1 ta có K n .K Ktp (5.5) 1 K.K ht Lấy vi phân toàn phần biểu thức (5.5) ta được: Ktp Ktp Ktp dKtp dKn dKht dK (5.6) Kn Kht K Chuyển biểu thức (5.6) sang dạng gia số ta có: K K KK K 1 K tp n ht . ht . (5.7) Ktp Kn 1 KKht Kht 1 KKht K K là sai số tương đối của hệ số KĐ khi chưa có hồi tiếp và khi có hồi tiếp thì sai số K tương đối của hệ số KĐ sẽ giảm đi g lần. Lúc này sai số tương đối của K n và Kht là không thay đổi khi có hay không có hồi tiếp. Vì thế để có được 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 hưởng đến độ ổn định của hệ số khuếch đại. X 1 Khi có hồi tiếp âm, đặc biệt khi giá trị của g lớn. Lúc đó: K' r  cons . t X v Kht Với Xr và Xv có thể là điện áp hoặc dòng điện. Có 4 khả năng ổn định, tương ứng với nó có 4 loại mạch hồi tiếp và 4 loại mạch KĐ. Loại mạch hồi tiếp Đại lượng được ổn định Loại mạch khuếch đại U Nối tiếp - điện áp r KĐ điện áp U v I Biến đổi điện áp thành dòng Nối tiếp - dòng điện r U v điện U Biến đổi dòng điện thành Song song - điện áp r Iv điện áp I Song song - dòng điện r KĐ dòng điện Iv 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. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 76
  77. Đề cương mạch điện tử I 5.4.2. Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến trở kháng vào, ra của bộ khuếch đại. 5.4.2.1. Ảnh hưởng 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 tương đương điện áp để tính toán, nếu là mắc nối tiếp ta dùng sơ đồ tương đương dòng điện để tính. a/ Hồi tiếp nối tiếp. - Khi chưa có HT: I v K Kht.Xr = 0 U v U h rh U v U h U ' Zv rh rrht (5.8) Iv Iv Thường thì rh >> rrht nên Zv  rh K U ' rrht ht - Khi có HT: ~ Kht.Xr Kht.Xr 0 U v U h U ' Kht .X r U h U ' Kht .K.U h Zv Iv Iv Iv Hình 5.4 U h (1 Kht .K) U v rht .g rrht  rh.g (5.9) Iv Iv Kết luận: Khi thực hiện ht âm nối tiếp thì trở kháng vào tăng g lần so với khi không có HT I I b/ Hồi tiếp song song: v h K - Khi chưa có HT: U v Kht.Xr = 0 rh 1 Iv Ih I' 1 1 Yv (5.10) Zv Uv Uv rh rrht Kht 1 1 Vì rrht>>rh nên Yv  Zv rh I' Zv rh rrht - Khi có HT: Kht.Xr 1 Iv I h I' Kht .X r I h I' K.Kht .I h Yv Zv U v U v U v I (1 K.K ) I' I I' g 1 h ht h .g (5.11) Hình 5.5 U v U v U v U v rh rrht ThS-Nguyễn Vũ Thắng 77
  78. Đề cương mạch điện tử I 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 hưởng 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 điện áp ht dòng điện 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 chưa có HT nhưng hở mạch tải. Xv Xh Kh Tải Ký hiệu Kng là hệ số truyền đạt của bộ KĐ khi chưa có HT nhưng ngắn mạch tải Xv Xh Kh Tải K 2 Khi có ht thì các hệ số truyền đạt tương ứng là K’h và K’ng rr U rh Rt - Biểu thức tính trở kháng ra: Z R (5.12) I rng 2 a/ Hồi tiếp điện áp: Kh?.Xhi?u ~ - Khi chưa có HT ZR = rr // rrht vì rrht >> rr nên ZR = rr Kht - Khi có HT: rrht ThS-Nguyễn Vũ Thắng 78 Hình 5.7
  79. Đề cương mạch điện tử I U Rhm Z R (5.13) I Rngm Kht Mà U Rhm = K’h.Xh suy ra U Rhm .X h 1 Kh .Kht Kh .X h Và I Rngm rr U Rhm rr rr rr ZR  ZR (5.14) I Rngm 1 Kh.Kht 1 K.Kht g Kết luận: khi có HT điện áp thì trở kháng ra giảm đi g lần b/ Hồi tiếp dòng điện. K - Khi chưa có HT: IR 2 Zr = rr + rvht  rr vì rr >> rvht R Kng.Xh t - Khi có HT: rr Kng 2 I Rng K'ng .X h .X h 1 Kng .Kht Kht U Rhm Kng .X h.r r rvht U Rhm ZR (1 Kng .Kht ).rr I Rng Hình 5.8 ZR  g.rr (5.15) Kết luận: Khi cố hồi tiếp âm dòng điện thì trở kháng ra tăng g lần. 5.4.3. Ảnh hưởng 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 như hình 5.8 - Khi chưa có HT: tín hiệu đặt vào bộ KĐ (K) là: X v = Xh. Tức là toàn bộ tín hiệu được đặt vào bộ khuếch đại. - Khi có HT thì tín hiệu đặt vào bộ KĐ là: X v X v Xh = Xv – Xht = Xv – Kht.Xr = Xv – K.Kht.Xh X h (5.16) 1 K.Kht g ThS-Nguyễn Vũ Thắng 79
  80. Đề cương mạch điện tử I Xv Xh + K + - Xr Xht Kht 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 ưu điểm lớn nhất của HT âm, nó cho phép nâng cao độ nhạy và tính ttrung thực của bộ KĐ 5.4.4. Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến tạp âm của bộ khuếch đại. Giả thiết tạp âm ngoài đưa vào giữa hai tầng của một bộ khuếch đại khi chưa có hồi tiếp âm theo sơ đồ hình 5.10 Xtạp âm Xh1 K1 + K2 Xr Hình 5.10: Sơ đồ bộ mạch khuếch đại hai tầng khi chưa 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 ThS-Nguyễn Vũ Thắng 80
  81. Đề cương mạch điện tử I Xtạp âm X Xth + Xh1 Xr1 + + h2 + K1 + K2 - Xr Xht Kht Hình 5.11: Sơ đồ để xác định ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến tạp âm Theo hình 5.11 ta có các biểu thức sau: Xh1 = Xth – Xht = Xth – Kht.Xr Xr1 = K1.Xh1 Xh2 = Xr1 + Xtạp âm X r K1 (X th K ht .X r ) X TA .K 2 (5.17) Chuyển vế ta được: K1.K2 K2 Xr .Xth .XTA (5.18) 1 K1.K2.Kht 1 K1.K2.Kht Nhìn vào biểu thức 5.18 ta có thể thấy ngay: K1.K2 K2 Xrth .Xth; và XrTA .XTA 1 K1.K2.Kht 1 K1.K2.Kht Kết luận: - Khi thực hiện hồi tiếp âm thì tạp âm đầu ra giảm 1+K1K2Kkt lần. X K .X - Lấy làr ttỷh số 1tínth hiệu trên tạp âm ở đầu ra khi có hồi tiếp âm tăng K lần. XrTA XTA - 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. 5.4.5. Ảnh hưởng 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: ThS-Nguyễn Vũ Thắng 81
  82. Đề cương mạch điện tử I Bất kỳ một bộ KĐ nào trong thực tế đều có thể được biểu diễn bằng sơ đồ tương đương sau. C1 1 2 KU0 U V R’1 R’2 U 1 U 2 U R Cp 1 2 Hình 5.12 Trong sơ đồ tương đương trên gồm hai phần: - Khâu 11-22 là bộ KĐ lý tưởng. U 2 K K Không phụ thuộc vào tần số 11 22 U0 U 1 - (C1, R’1), (C2, Rp) là các thành phần tính đến do ảnh hưởng vào ra của phần tử tích cực gồm Zv, Zr, Cv, Cr. Để tính toán một cách cụ thể ta hãy xét sơ đồ tương đương của một bộ KĐ. C1 Rr U V R’1 Rv  K .U 1 R2 U 1 U 0 U R Cp Hình 5.13 C1 Rp U V R1 U 1  K .U 1 U 0 U R Cp Hình 5.14 Ta có: R1 = (R’1//Rv) Rp = (R2//Rr) Từ hình 5.6 ta tính được hệ số khuếch đại điện áp là: U R U 1 U R KU . (5.19) U V U V U 1 - Theo hình 5.6 ta tính được KU1: ThS-Nguyễn Vũ Thắng 82
  83. Đề cương mạch điện tử I U 1 R jR C K 1 1 1 (5.20) U1 1 U V 1 jR1C1 R1 jC1 p Bằng cách biến đổi lapplact ta được: K U1 1 pTd 1 1 Trong đó Td = R1C1 = gọi là hằng số thời gian của mạch R1C1. d 2 fd - Tính KU2: 1 KUo .U 1. jC p 1 Rp U R jC K Ta có: K p Uo (5.21) U2 U 1 U 1 1 jRpC p K Bằng cách biến đổi lapplact ta thu được: K Uo U2 1 p.Tt 1 1 Trong đó: Tt = Rp.Cp = gọi là hằng số thời gian của mạch RpCp. t 2 ft K .pT K K .K U 0 d (5.22) U U1 U2 (1 pTd )(1 pTt ) Thay p = jω vào biểu thức ta có đặc tính biên độ tần số của bộ khuếch đại là: K .T K () U 0 d (5.23) U 2 2 1 (Td ) . 1 (Tt ) Tương tự ta có đặc tính pha tần số của bộ khuếch đại là: acrtg(T ) acrtg(T ) (5.24) 2 d t Từ các biểu thức của đặc tính biên độ tần số và đặc tính pha tần số ta có đồ thị sau: ThS-Nguyễn Vũ Thắng 83
  84. Đề cương mạch điện tử I |Ku| tb Ktb K tb 2 a/  fd fTB ft f  b/  f  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: 1 KTB ωd. fd = 1 f d KU  2 R1C1 2 Xét tại tần số ω = ωt (hay f = ft) ta có: 1 KTB ωt. ft = 1 ft KU  2 RpC p 2 Nhận xét: - Tại các tần số f d và ft làm hàm truyền đạt giảm lần2 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 = ft – fd. - Đặc tính biên độ tần số KU  và pha tần số phụ thuộc vào tần số vì do ảnh hưởng của các tụ C 1 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 K qua hệ số méo tần số: M TB , đơn vị M(dB) = 20lgM K 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. * Đặc tính động. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 84
  85. Đề cương mạch điện tử I Đặc tính động của bộ khuếch đại thể hiện sự méo dạng xung khi đưa vào đầu vào bộ khuếch đại một xung hình chữ nhật thì ở đầu ra không còn dạng xung chữ nhật do hiện tượng xung bị méo dạng. UV  t UR K0UV A  t1 t2 t t tr1 ttr2 tx Hình 5.16: Đặc tính động thể hiện qua ba tham số: - Thời gia xác lập tx. - Độ sụt đỉnh xung A. - Thời gian trễ: Trễ sườn trước: ttr1. Trễ sườn trước: ttr2. Trong thực tế thì thời gian trễ rất nhỏ nên có thể bỏ qua được. Để xác định tx, A thì phải tính được hàm quá độ h(p) khi tác động đầu vào là xung 1(t) – xung đirắc. K ( p).1(t) K .T Ta có: h( p) U U 0 d (5.25) p (1 p.Td ).(1 p.Tt ) t t K .(e Td e Tt ) Dùng biến đổi lapplact ngược ta có: h(t) U 0 (5.26) T 1 t Td Do vậy ta tính được 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: t Tt h(t) KU 0.(1 e ) (5.27) ThS-Nguyễn Vũ Thắng 85
  86. Đề cương mạch điện tử I Định nghĩa: - Thời gian xác lập t x 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 được 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 được t x = 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: t Td h(t) KU 0.e (5.28) A h(t)max h(t) ứng với t = τ (τ – là độ rộng xung đầu ra) A   1 (1 ) 2 . fd . (5.29) A Td Td 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 hưởng 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: K .p.T U0 d K .p.T ' KU (1 p.Td ).(1 pTt ) U0 d K U (5.30) 1 K .K K ht .KU .p.Td (1 p.T ).(1 pT ) K .K .p.T U ht 1 0 d t ht U0 d (1 p.Td ).(1 pTt ) Lần lượt xét biểu thức 5.30 ứng với từng trường 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: K K U 0 .p.T .g U 0 .p.T .g K .p.T d d ' ' ' U 0 d g g K U 0 .T d U K    ' (5.31) 1 p.T K .K .p.T 1 p.T (1 K .K ) 1 p.T g 1 p.T d d ht U 0 d d ht U 0 d Với: K ' U0 - K U : gọi là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại lý tưởng khi có hồi tiếp. 0 g ThS-Nguyễn Vũ Thắng 86
  87. Đề cương mạch điện tử I ' -T d p.Td .g : là hằng số thời gian mới của mạch R1, C1. ' fd - f d : là tần số giới hạn dưới khi có hồi tiếp âm. g - g 1 K .K : là độ sâu hồi tiếp. ht U0 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: K .p.T K ' U 0 d U 0 K U  p.T .(1 pT ) K .K .p.T 1 pT K .K d t ht U 0 d t ht U 0 K U 0 K ' U 0 g K U 0 ' (5.32) (1 K .K ) pT Tt 1 pT t ht U 0 t 1 p g ' Với: - T t : là hằng số thời gian mới của mạch. ' - f t ft .g : 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 nhiên hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại giảm đi g lần. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 87
  88. Đề cương mạch điện tử I KU (dB) KU K U0 ' 1 20dB / D K U 20dB / D K (1 K ht KU ) ' ht 0 K U0 K U 0 1 f 1 K K K 1 U 0 ht ht 0 ' f ' f d f d t f t Log f + 900 Có hồi tiếp 0 Log f - 900 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 Từ đồ thị Bode hình 5.17 ta có: ' ' log K U log KU K U ft ' 1 ' log f t log ft KU f t ’ 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 = ft – fd) ' K U B ' ' ' K U .B KU .B (5.33) KU B 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 ngược 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 lượng của bộ khuếch đại sẽ tốt hơn ThS-Nguyễn Vũ Thắng 88
  89. Đề cương mạch điện tử I 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 chương ThS-Nguyễn Vũ Thắng 89
  90. Đề cương mạch điện tử I Chương VI: CÁC DẠNG LIÊN KẾT CỦA BJT VÀ FET Ở các chương trước, 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 chương này chúng ta sẽ khảo sát các dạng ghép nối thông dụng thường 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 được đưa 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 được xác định với tổng trở vào Z i2 như là tải của tầng A v1. Với A v2, Av1 được xem như là nguồn tín hiệu. Ðộ khuếch đại điện áp tổng cộng như vậy được xác định bởi: AvT = Av1. Av2 . . Avn (6.1) Ðộ khuếch đại dòng áp được 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. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 90
  91. Đề cương mạch điện tử I - 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) thường 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 như sự phân tích ở mỗi tầng riêng lẻ. Hình 6.3 là mạch cascade dùng BJT. Cũng như ở FET, mục đích của mạch này là để gia tăng độ khuếch đại điện áp. - Ðộ khuếch đại điện áp của hệ thống: ThS-Nguyễn Vũ Thắng 91
  92. Đề cương mạch điện tử I - 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 được 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. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 92
  93. Đề cương mạch điện tử I Ta thấy mạch liên kết trực tiếp có các lợi điểm: - Tránh được ảnh hưởng của các tụ liên kết ở tần số thấp, do đó tần số giảm 3dB ở cận dưới có thể xuống rất thấp. - Tránh được 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 hưởng đến việc phân cực của tầng thứ hai. - Nguồn điện áp phân cực thường 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 thường được áp dụng trên toàn bộ mạch mà không thể tính riêng từng tầng. Thí dụ như ở hình 6.5 ta có: Phân cực: ThS-Nguyễn Vũ Thắng 93
  94. Đề cương mạch điện tử I Thông số mạch khuếch đại: Mạch phân cực như trên tuy đơn giản nhưng ít được dùng do không ổn định (sự trôi điểm làm việc của Q1 ảnh hưởng đến phân cực của Q2), do đó trong các mạch liên kết trực tiếp người ta thường dùng kỹ thuật hồi tiếp một chiều như hình 6.6 Mạch tương đương Thevenin đầu vào được vẽ ở hình 6.7. Ta có: Thường ta chọn số hạng đầu lớn để V E2 ổn định, từ đó V CE1, IC1, IC2 cũng ổn định. Ðể thấy rõ sự ổn định này ta để ý: ThS-Nguyễn Vũ Thắng 94
  95. Đề cương mạch điện tử I Dòng điện này độc lập đối với 2 và có thể xem như độc lập đối với 1 nếu ta chọn: thay đổi theo nhiệt độ và dòng IC2, nhưng ảnh hưởng này sẽ được giảm thiểu nếu ta chọn Về thông số của mạch khuếch đại cách tính cũng như mạch trước. 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 như một tầng riêng lẻ. VGS1 =VDS1 = VGS2 2 AvT = (gmRD) ThS-Nguyễn Vũ Thắng 95
  96. Đề cương mạch điện tử I 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 trước được tầng sau khuếch đại khiến cho tầng cuối cùng hoạt động trong vùng không thuận lợi. Ðể khắc phục người ta cũng dùng kỹ thuật hồi tiếp để ổn định phân cực như hình 6.10. Giả sử điện áp cực máng của Q 1 lớn hơn bình thường, lượng sai biệt này sẽ được khuếch đại bởi Q2 và Q3 và do đó điện áp tại cực cửa của Q 1 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 Av T 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, người ta chia RG ra làm 2 nửa và dùng một tụ nối tắt tín hiệu xuống mass. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 96
  97. Đề cương mạch điện tử I 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 được 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 như các chương trước ta tìm được: VB1 = 4,9 V VB2 = 10,8 V IC1  IC2 = 3,8 mA ThS-Nguyễn Vũ Thắng 97
  98. Đề cương mạch điện tử I 6.3. Liên kết Darlington. Ðây là một dạng liên kết rất thông dụng giữa 2 transistor (BJT hoặc FET) như hình 6.13 và tương đương như hình 6.14. Sự liên kết giữa 2 transistor như vậy tương đương với một transistor duy nhất có độ khuếch đại dòng điện là D = 1. 2 2 Nếu hai transistor đồng nhất: 1 = 2 =  thì D =  Transistor Darlington: Vì dạng liên kết này rất thông dụng và thích hợp cho việc nâng công suất nên ngày nay người ta thường chế tạo các liên kết này dưới dạng một transistor duy nhất gọi là transistor darlington. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 98
  99. Đề cương mạch điện tử I 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 như liên kết Darlington nhưng gồm có 1 transistor pnp và một transistor npn. Cũng giống như 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 như hình 6.17 - Tính phân cực: ThS-Nguyễn Vũ Thắng 99
  100. Đề cương mạch điện tử I Từ đó suy ra được IC1, IB2, IC2 - Thông số xoay chiều: Mạch tương đương xoay chiều ThS-Nguyễn Vũ Thắng 100
  101. Đề cương mạch điện tử I 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 như hình 6.19 được gọi là CMOS (complementaryMOSFET). Trước 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 như 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 V GS = 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 được đưa 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 ThS-Nguyễn Vũ Thắng 101
  102. Đề cương mạch điện tử I - Khi Vi = +5 V đưa 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 tưởng khi R = ( và sẽ cung cấp một dòng điện là hằng số). Một nguồn dòng điện trong thực tế có thể được 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 như hình 6.24 ThS-Nguyễn Vũ Thắng 102
  103. Đề cương mạch điện tử I 6.6.2. Dùng BJT như nguồn dòng điện. Mạch cơ bản như 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 như hình 6.27 - Có 2 phương pháp lấy tín hiệu ra: . Phương pháp đầu ra visai: Tín hiệu được lấy ra giữa 2 cực collector. . Phương pháp đầu ra đơn cực: Tín hiệu được lấy giữa một cực collector và mass. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 103
  104. Đề cương mạch điện tử I - Mạch được phân cực bằng 2 nguồn điện áp đối xứng (âm, dương) để có các điện áp ở cực basi bằng 0 volt. Người ta phân biệt 3 trường 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 Như vậy: va = AC . v1 vb = AC . v2 Trong đó AC là hệ số khuếch đại của một transistor và được 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 nhưng ngược pha). Lúc đó: va = -vb. Do v1 = -v2 nên khi Q1 chạy mạnh thì Q2 chạy yếu và ngược lại nên va vb. Người ta định nghĩa: va - vb = AVS(v1 - v2) AVS được gọi là độ khuếch cho tín hiệu visai (differential mode gain). Như 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/ Trường hợp tín hiệu vào bất kỳ: Người 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 được khuếch đại bởi A C (đầu ra đơn cực) còn thành phần visai được khuếch đại bởi AVS. Thông thường |AVS| >>|AC|. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 104
  105. Đề cương mạch điện tử I 6.7.2. Mạch phân cực. Phương trình này xác định điểm làm việc trên đường 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 như các phần trước ta tìm được: ThS-Nguyễn Vũ Thắng 105
  106. Đề cương mạch điện tử I b/ Mạch chỉ có tín hiệu visai: Tức v1 = -v2 và va = -vb Như vậy dòng điện tín hiệu luôn luôn ngược chiều trong 2 transistor và do đó không qua RE nên ta có thể bỏ RE khi tính AVS và ZVS. Người ta thường 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 người 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 hưởng, tức là: va - vb = AVS( v1 - v2 ) - Nếu lấy tín hiệu từ một trong hai cực collector xuống mass: ThS-Nguyễn Vũ Thắng 106
  107. Đề cương mạch điện tử I 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 hưởng đến đầu ra) e/ Phương pháp tăng 1(nguồn dòng điện) Muốn tăng 1 phải giảm AC và tăng AVS. Như vậy phải dùng RE lớn. Tuy nhiên điều này làm cho VCC và VEE cũng phải lớn. Phương 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 được 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 như điện trở, tụ điện không thật sự bằng nhau và đồng chất. - Các linh kiện tác động như 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. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 107
  108. Đề cương mạch điện tử I - Chế tạo theo phương pháp vi mạch. Bài tập cuối chương. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 108
  109. Đề cương mạch điện tử I Chương 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 được tahy thế bởi một mạch cộng hưởng LC hoặc một mạch lọc. Đặc điểm: tại tần số cộng hưởng của mạch dao động thì hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại chỉ phụ thuộc vào điện trở cộng hưởng tương đương của mạch dao động mà không phụ thuộc vào các thành phần điện kháng. Vì vậy ảnh hưởng của điện dung ký sinh (thí dụ: C v, 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 được mắc một phần hoặc mắc toàn bộ vào mạch dao động. Vì thế có thể làm tần số cộng hưởng biến đổi chút ít nên bộ khuếch đại cao tần cố thể làm việc được 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 được sử dụng nhiều trong thực tế. */ Bộ khuếch đại chọn lọc có tải tập trung. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 109
  110. Đề cương mạch điện tử I Lọc Lọc Lọc Hình 7.2 Các bộ khuếch đại chọn lọc có tải tập trung được 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 thường làm việc ở chế độ A. Thường được 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: thường hoạt động ở chế độ AB, B hoặc C. Thường dùng trong các bộ khuếch đại cao tần của máy phát. 7.1.2. Các chỉ tiêu chất lượng chính của bộ khuếch đại chọn lọc. - Hệ số khuếch đại: phải đủ lớn. Tuy nhiên như đã xét ở chương V về tầm qua trọng của hồi tiếp, song việc ảnh hưởng 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 của mạch đòi hỏi phải rất lớn làm tăng điện áp hồi tiếp về đầu vào có thể dẫn đến hiện tượng tự kích của mạch. Biết rằng, hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại có hồi tiếp được xác định theo biểu thức (5.1), theo đó nếu. 1 K.K ht 1 (7.1) Thì mạch có hồi tiếp dương. Từ điều kiện (7.1) ta suy ra điều kiện tự kích của mạch: K.K ht 1 (7.2) Như vậy hệ số khuếch đại của mạch càng lớn thì mạch càng kém ổn định ThS-Nguyễn Vũ Thắng 110
  111. Đề cương mạch điện tử I Từ điều kiện 7.2 người ta chứng minh được rằng: giới hạn của hệ số khuếch đại để đảm bảo ổn định có thể xác định theo điều kiện (7.3) S K s (0,45  0,63) (7.3) .C12 Trong đó: Ks – là hệ số khuếch đại ổn định (hệ số khuếch đại cho phép) S – hỗ dẫn của phần tử tích cực. ω – Tần số công tác. C12 – Điện dung hồi tiếp từ đầu ra về đầu vào. Để mạch làm việc ổn định thì hệ số khuếch đại K của nó phải luôn luôn nhỏ hơn hoặc bằng hệ số khuếch đại ổn định K s, và tần số càng cao thì càng khó đạt được hệ số khuếch đại lớn nếu cần đảm bảo ổn định. - Dải tần công tác: phải khuếch đại toàn bộ dải tần của tín hiệu đầu vào từ fs = (fmin  fmax). - Dải thông của bộ khuếch đại: là phạm vi tần số mà ở ngoài phạm vi đó hệ số khuếch đại giảm đi lần2 K Y K max 1 1 2 f 0 f D Hình 7.3: Dải thông của bộ khuếch đại Trên hình 7.3, dải thông của bộ khuếch đại là D nó đặc trưng cho khả năng truyền qua của tín hiệu có ích. - Độ chọn lọc: độ chọn lọc của bộ khuếch đại là đặc trưng cho khả năng chọn lọc tín hiệu có ích và nén các thành phần tín hiệu không mong muốn. Đánh giá độ chọn lạc người ta thường dùng khái niệm hệ số chữ nhật ThS-Nguyễn Vũ Thắng 111
  112. Đề cương mạch điện tử I D N 0,01 (7.4) D D N 0,1 (7.5) D Hệ số chữ nhật là tỷ số giữa dải tần cuar bộ khuếch đại ứng với hệ số khuếch đại ở y mức (trongK0 đó y = 0,01; 0,1). Xem hình 7.4. Từ hình 7.4 ta thấy: N luôn nhỏ hơn hoặc bằng 1. Khi N tiến dần tới 1 thì khả năng chọn lọc tín hiệu có ích càng tốt, đặc biệt khi N = 1 tương ứng với trường hợp mạch cộng hưởng chữ nhật. Trong các biểu thức (7.4) và (7.5) thì biểu thức (7.4) dùng cho các bộ khuếch đại chất lượng cao còn biểu thức (7.5) dùng cho các bộ khuếch đại trung bình. K Y K max 1 1 0,7 2 0,1 0,01 f 0 f D D0,1 D0,01 Hình 7.4. - Hiệu quả khuếch đại: Hiệu quả khuếch đại của bộ khuếch đại được đánh giá bằng biểu thức: H K 01.D (7.6) Trong đó: K01 là hệ số khuếch đại của một tầng ThS-Nguyễn Vũ Thắng 112
  113. Đề cương mạch điện tử I Ý nghĩa: Hiệ quả khuếch đại chỉ phụ thuộc vào phần tử khuếch đại (transistor hoặc đèn điện tử)i chứ không phụ thuộc vào các yếu tố khác. Nói cách khác với phần tử tích cực đã chọn thì hiệu quả khuếch đại là một hằng số. Hiệu quả khuếch đại đặc trưng cho khả năng khuếch đại của bộ khuếch đại thực tế gần hay không gần với giá trị lớn nhất cho phép của nó. - Độ ổn định công tác của bộ khuếch đại chọn lọc: Sự mất ổn định công tác cho bộ khuếch đại chọn lọc gồm hai nguyên nhân chính +/ Nguyên nhân khách quan: sự mất ổn định có thể do sự thay đổi của nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, nguồn cung cấp Khắc phục bằng cách sử dụng mạch ổn định nhiệt độ, mạch bù nhiệt, mạch chống ẩm, mạch ổn áp +/ Nguyên nhân chủ quan: bộ khuếch đại có thể bị mất ổn định do tự bản thân nó gây ra. Ví dụ: sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình hoạt động. Trong trường hợp bộ khuếch đại gồm nhiều tầng (n tầng), giả sử một tầng khuếch đại khi khuếch đại tín hiệu đầu ra so với đầu vào có một lượng di pha thì n tầng khuếch đại lượng di pha sẽ là n . Nếu n = 2k (với k z) thì tín hiệu ra đồng pha với tín hiệu vào và bộ khuếch đại trở thành bộ dao động (làm việc ở trạng thái tự kích). Để khắc phục hiện tượng này thì phai sử dụng các mạch hồi tiếp âm trong bộ khuếch đại (hồi tiếp một tầng hoặc hồi tiếp nhiều tầng) 7.2. Bộ khuếch đại dải rộng. 7.2.1. Đặc điểm. Các bộ khuếch đạ tần số thấp thường làm việc trong dải tần từ vài chục Hz đến vài chục kHz. Các bộ khuếch đại video làm việc trong dải tần rộng hơn, từ 0 Hz đến vài chục hoặc hàng trăm MHz. Về nguyên tắc có thể dùng các sơ đồ khuếch đại đã xét ở các chương trước để khuếch đại tín hiệu dải rộng. Tuy nhiên khi thiết kế phải chú ý các biện pháp nâng cao caoong tác của mạch. Booj khuếch đại dải rộng thường có điện trở tải khá nhỏ (nhỏ hón 1 K). Điện trở này cùng với điện trở mắc song song với nó xác định tần số giới hạn trên của mạch. Tần số giới hạn dưới của bộ khuếch đại phụ thuộc vòa mạch ghép cua nó với tầng trước và được sác định bởi biểu thức. 1 fd (7.7) 2 .R1C1 7.2.2. Các biện pháp mở rộng dải tần của bộ khuếch đại. Để mở rộng dải tần công tác của bộ khuếch đại có thể dùng nhiều biện pháp như dùng mạch hồi tiếp âm, mạch base chung, mạch khuếch đại vi sai có điện trở tải nhỏ. Ngoài ra còn có một số mạch đặc biệt khác. ThS-Nguyễn Vũ Thắng 113