CHƯƠNG 1 MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANSISTOR 1. Định nghĩa, các chỉ tiêu và tham số cơ bản của mạch khuếch đại 1. Định nghĩa mạch khuếch đại Một trong số những ứng dụng quan trọng nhất của transistor là sử dụng nó trong các mạch để làm tăng cường độ điện áp hay dòng điện của tín hiệu mà thường gọi là mạch khuếch đại. Thực chất khuếch đại là một quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở đó năng lượng một chiều của nguồn cung cấp (không chứa thông tin), được biến đổi thành năng lượng xoay chiều theo tín hiệu điều khiển đầu vào (chứa đựng thông tin), làm cho tín hiệu ra lớn lên nhiều lần và không méo.
Phần tử điều khiển đó là transistor. Sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại hình 1-1, trong đó Un là nguồn tín hiệu vào, Rn là điện trở trong của nguồn tín hiệu, Rt tải nơi nhận tín hiệu ra. Iv Ir Rn Mạch khuếch Rt Uv Ur Un ~ đại Nguồn cung cấp (UCC) Hình 1-1. Sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại.
Hình 1-2 đưa ra cấu trúc nguyên lý để xây dựng một tầng khuếch đại. Phần tử cơ bản là phần tử điều khiển transistor có điện trở thay đổi theo sự điều khiển của điện áp hay dòng điện đặt tới cực điều khiển (cực gốc) của nó, qua đó điều khiển quy luật biến đổi dòng điện của mạch ra bao gồm transistor và điện trở RC. Tại lối ra giữa cực góp và cực phát, ta nhận được một điện áp biến thiên cùng quy luật với tín hiệu vào nhưng độ lớn được tăng lên nhiều lần. Để đơn giản, giả thiết điện áp đặt vào cực gốc có dạng hình sin.
Từ sơ đồ hình 1-2 ta thấy rằng dòng điện và điện áp ở mạch ra (tỷ lệ với dòng điện và điện áp tín hiệu vào) là tổng các thành phần xoay chiều (dòng điện và điện áp) trên nền của thành phần một chiều Ir0 và Ur0. Phải đảm bảo sao cho biên độ thành phần xoay chiều không ^ ^ vượt quá thành phần một chiều, nghĩa là I r 0 I r và U r 0 U r. Nếu điều kiện đó không được thoả mãn thì sẽ làm méo dạng tín hiệu ra. Như vậy để đảm bảo công tác cho tầng khuếch đại (khi tín hiệu vào là xoay chiều) thì ở mạch ra của nó phải tạo nên thành phần dòng một chiều Ir0 và điện áp một chiều Ur0.
Chính vì vậy, ở mạch vào của tầng, ngoài nguồn tín hiệu cần khuếch đại, người ta cũng phải đặt thêm điện áp một chiều Uv0 (hay dòng điện một chiều Iv0). Các thành phần dòng điện và điện áp một chiều đó xác định chế độ làm việc tĩnh của tầng khuếch đại. Tham số của chế độ tĩnh theo 7 by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 mạch vào (Iv0, Uv0) và theo mạch ra (Ir0, Ur0) đặc trưng cho trạng thái ban đầu của sơ đồ khi chưa có tín hiệu vào. +UCC Ir Uv Ur Iˆr i RC t t Ir0 C 0 B t PĐK Rt Ur Ur Uv E Uˆ r Ur0 0 t a.
Nguyên lý xây dựng một tầng khuếch đại. Biểu đồ thời gian. Các chỉ tiêu và tham số cơ bản của một tầng khuếch đại Để đánh giá chất lượng của một tầng khuếch đại người ta đưa ra các chỉ tiêu và tham số cơ bản sau: 1. Hệ số khuếch đại.
Đại lượng đầu ra K = Đại lượng tương ứng đầu vào (1-1) Nói chung vì tầng khuếch đại có chứa các phần tử điện kháng nên K là một số phức. k) Mô đun |K| thể hiện quan hệ về cường độ (biên độ) giữa các đại lượng đầu ra và đầu vào, phần góc k thể hiện độ dịch pha giữa chúng. Độ lớn của |K| và k phụ thuộc vào tần số của tín hiệu vào. Đồ thị hàm số |K| = f() được gọi là đặc tuyến biên độ - tần số của tầng khuếch đại. Đồ thị hàm số k = f() được gọi là đặc tuyến pha - tần số của nó.
Có thể tính |K| theo đơn vị logarit, gọi là đơn vị đề xi ben (dB) K (dB) 20 lg K Khi ghép liên tiếp n tầng khuếch đại với các hệ số khuếch đại tương ứng là K1, K2,.Kn thì hệ số khuếch đại chung của bộ khuếch đại xác định: KTP = K1. 8 by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Nếu tính theo đơn vị dB ta có: KTP(dB) = K1(dB) + K2(dB) +. + Kn(dB) Hình 1-3 là dạng của K = f() đối với một bộ khuếch đại điện áp tần số thấp. Đặc tuyến biên độ - tần số.
Trở kháng lối vào và lối ra Trở kháng vào, ra của tầng khuếch đại được định nghĩa: UV Ur ZV ; Zr (1-2) IV Ir Nói chung chúng là các đại lượng phức nên ta có thể viết: Z = R + jX. Méo tần số Méo tần số là méo do hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại bị giảm ở vùng hai đầu giải tần. ở vùng tần số thấp có méo thấp Mt, ở vùng tần số cao có méo tần số cao MC. Chúng được xác định theo biểu thức: K0 K0 Mt ; MC (1-3) Kt KC Trong đó: K0 là hệ số khuếch đại ở vùng tần số trung bình.
KC là hệ số khuếch đại ở vùng tần số cao. Kt là hệ số khuếch đại ở vùng tần số thấp. Méo tần số cũng có thể được tính theo đơn vị đề xi ben. Méo phi tuyến Méo phi tuyến do tính chất phi tuyến của các phần tử như transistor gây ra thể hiện trong tín hiệu đầu ra xuất hiện thành phần tần số mới (không có ở đầu vào).
Khi Uv chỉ có thành phần tần số thì Ur nói chung có các thành phần n (với n = 0,1,2.) với các biên độ tương ứng là Ûn. Lúc đó hệ số méo không đường thẳng do tầng khuếch đại gây ra được đánh giá là: 9 by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail. Hiệu suất của tầng khuếch đại Hiệu suất của một tầng khuếch đại là đại lượng được tính bằng tỷ số giữa công suất tín hiệu xoay chiều đưa ra tải Pr với công suất một chiều của nguồn cung cấp P0. Căn cứ vào các chỉ tiêu này người ta có thể phân loại các bộ khuếch đại với các tên gọi với đặc điểm khác nhau.
Có thể phân loại theo dạng đặc tuyến tần số K = f(), từ đó có bộ khuếch đại một chiều, bộ khuếch đại tần số thấp, bộ khuếch đại tần số cao, bộ khuếch đại chọn lọc tần số. Phân cực và chế độ làm việc một chiều của transistor trường và transistor lưỡng cực 1. Nguyên tắc chung phân cực transistor lưỡng cực Để transistor làm việc như là một phần tử tích cực thì các tham số của nó phải thoả mãn điều kiện thích hợp. Những tham số này của transistor phụ thuộc rất nhiều vào điện áp phân cực các chuyển tiếp góp, phát.
Nói một cách khác giá trị các tham số phụ thuộc vào điểm làm việc của transistor. Một cách tổng quát, dù transistor được mắc theo kiểu nào, muốn nó làm việc ở chế độ khuếch đại cần có các điều kiện sau: chuyển tiếp gốc-phát luôn phân cực thuận, chuyển tiếp gốc - góp luôn phân cực ngược. Đối với transistor n-p-n điều kiện phân cực để nó làm việc ở chế độ khuếch đại là: UBE = UB - UE > 0 UCE = UC - UE > 0 UE < UB < UC Hình 1-4 biểu diễn điện áp và dòng điện phân cực của transistor ở chế độ khuếch đại. IC IB IC UC IB UC UCE > 0 UCE < 0 UB UB UE UE IE IE UBE > 0 UBE <0 a.
Biểu diễn điện áp và dòng điện phân cực transistor n-p-n. 10 by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Trong đó UE, UB, UC là điện thế các cực phát, gốc, góp của transistor như trên hình 1- 4. Với transistor p-n-p thì điều kiện phân cực có dấu ngược lại. Mạch cung cấp điện áp phân cực cho transistor lưỡng cực 1.
Mạch cấp điện áp phân cực Có hai cách phân áp cho transistor là phương pháp định dòng Bazơ và định áp Bazơ, hình 1-5. +Ucc +Ucc Rc IP Rc RB Cr R1 Cr + IB0 + Cv Cv + Ur + Ur Uv Uv R2 a. Định dòng Bazơ b. Định áp Bazơ Hình 1-5.
Phương pháp cấp thiên áp cho transistor lưỡng cực Mạch điện hình 1-5a cấp điện áp cho cực gốc theo phương pháp định dòng. Điện áp UBE0 được lấy từ nguồn UCC dẫn qua điện trở RB vào cực gốc. Điện trở RB có trị số lớn hơn nhiều so với điện trở một chiều của mặt ghép gốc-phát, do đó dòng định thiên IB0 được xác định gần đúng. U CC U BE 0 U CC I B0 RB RB Dòng điện một chiều ở đầu ra (dòng cực góp) IC0 và điện áp một chiều ở đầu ra UCE0: IC0 = .IB0; UCE0 = UCC - IC0.RC Mạch này đơn giản nhưng độ ổn định điểm làm việc kém.
Mạch điện hình 1-5b cung cấp điện áp cho cực gốc theo phương pháp định áp nhờ bộ phân áp R1, R2. Thường chọn IP >> IB0, nên điện áp tại điểm làm việc của cực gốc được xác định theo biểu thức: U CC U BE0 .R 1 R 1 +R 2 Trong đó IP là dòng phân áp chạy qua điện trở R1, R2. 11 by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Ta thấy rằng UBE0 không phụ thuộc vào các tham số của transistor và nhiệt độ nên ổn định. Rõ ràng dòng IP càng lớn UBE0 càng ổn định, nhưng khi đó R1, R2 phải có giá trị nhỏ sẽ làm giảm trở kháng vào của mạch.
Điểm làm việc tĩnh của transistor lưỡng cực Các tham số UBE0, UCE0, IB0, IC0 thể hiện chế độ một chiều của transistor lưỡng cực, nếu biểu diễn chúng trên đường tải một chiều của transistor thì còn được gọi là điểm làm việc một chiều hay điểm làm việc tĩnh ( Điểm Q trên đường tải một chiều). IC +12V U CC +UCC RC RE IBmax R1 Rc + Cv Q IB0 IC0 Cr + Ur Uv R2 RE IBmin + CE UCC UCE U CE 0 Hình 1-6. Điểm làm việc tĩnh của transistor. Từ hình 1-6 ta xác định được: U CC U CE I C .RC I E RE vì I E I C nên ta có thể viết: U CE U CC I C ( RC RE ) (1-6) Biểu thức (1-6) là phương trình đường tải một chiều, nó được vẽ trên hình 1-7.
Trên đường tải điểm làm việc Q được xác định bằng các giá trị một chều IC0, UCE0. Hiện tượng trôi điểm làm việc và các phương pháp ổn định Trong quá tình làm việc của transistor điểm làm +UCC +12V việc tĩnh có thể bị dịch chuyển do nhiệt hay tạp tán của nó.