Đồ Án Thiết Kế Mạch Khuếch Đại OCL Ngõ Vào Vi Sai

Báo cáo đồ án PBL 2 thiết kế mạch điện tử với đề tài mạch khuếch đại OCL ngõ vào vi sai, cung cấp kiến thức và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Nguyễn Quốc Hoàng
• Người hướng dẫn: KS. Lê Hồng Nam
• Trường học: Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Điện Tử - Viễn Thông
• Đề tài: Mạch Khuếch Đại OCL Ngõ Vào Vi Sai
• Loại tài liệu: báo cáo đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ
• 1.1. Các khái niệm về mạch khuếch đại
• 1.2. Phân cực BJT
• 1.3. Phân cực cố định
• 1.4. Phân cực hồi tiếp cực Emitter
• 1.5. Phân cực bằng cầu phân áp
• 1.6. Phân cực hồi tiếp Collector
• 1.7. Các cách mắc BJT
• 1.7.1. Mắc E chung
• 1.7.2. Mắc C chung
• 1.7.3. Mắc B chung
• 1.8. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: HỒI TIẾP
• 2.1. Mở đầu chương
• 2.2. Khái niệm cơ bản về hồi tiếp
• 2.3. Lưu đồ chuẩn bộ khuếch đại có hồi tiếp
• 2.4. Phân loại hồi tiếp
• 2.5. Ứng dụng hồi tiếp trong mạch khuếch đại
• 2.5.1. Hồi tiếp âm dòng điện trong mạch định thiên Transitor
• 2.5.2. Hồi tiếp âm điện áp trong mạch định thiên Transitor
• 2.5.3. Hồi tiếp âm điện áp trong mạch C chung
• 2.5.4. Hồi tiếp âm DC toàn mạch trong các mạch liên lạc trực tiếp
• 3. CHƯƠNG 3: KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN
• 5. CHƯƠNG 5: KIỂM TRA MẠCH KHUẾCH ĐẠI

Tóm tắt

I. Tổng quan về Thiết Kế Mạch Khuếch Đại OCL Ngõ Vào Vi Sai

Mạch khuếch đại OCL (Output Capacitor-Less) ngõ vào vi sai là một trong những thành phần quan trọng trong thiết kế mạch điện tử hiện đại. Mạch này không chỉ giúp khuếch đại tín hiệu mà còn đảm bảo tính ổn định và hiệu suất cao. Việc thiết kế mạch khuếch đại OCL ngõ vào vi sai đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử, đặc biệt là BJT (Bipolar Junction Transistor). Mạch khuếch đại OCL có ưu điểm nổi bật là không cần tụ điện đầu ra, giúp giảm thiểu kích thước và chi phí sản xuất.

1.1. Khái niệm cơ bản về Mạch Khuếch Đại OCL

Mạch khuếch đại OCL là loại mạch không sử dụng tụ điện ở đầu ra, giúp giảm thiểu độ méo tín hiệu. Mạch này thường được sử dụng trong các ứng dụng âm thanh và công suất, nơi yêu cầu độ tin cậy và hiệu suất cao.

1.2. Lợi ích của Mạch Khuếch Đại OCL

Mạch khuếch đại OCL mang lại nhiều lợi ích như giảm kích thước, tiết kiệm chi phí và cải thiện hiệu suất. Đặc biệt, mạch này giúp duy trì chất lượng âm thanh tốt hơn trong các ứng dụng âm thanh.

II. Vấn đề và Thách thức trong Thiết Kế Mạch Khuếch Đại OCL

Thiết kế mạch khuếch đại OCL ngõ vào vi sai gặp phải nhiều thách thức, bao gồm việc đảm bảo độ ổn định và giảm thiểu độ méo tín hiệu. Các yếu tố như nhiệt độ, điện áp nguồn và đặc tính của linh kiện có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch. Việc lựa chọn linh kiện phù hợp và tối ưu hóa các thông số thiết kế là rất quan trọng để đạt được kết quả tốt nhất.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất mạch

Nhiệt độ và điện áp nguồn là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch khuếch đại OCL. Sự thay đổi của các yếu tố này có thể dẫn đến sự thay đổi trong độ lợi và độ méo tín hiệu.

2.2. Giải pháp cho các thách thức trong thiết kế

Sử dụng các linh kiện chất lượng cao và thiết kế mạch hợp lý có thể giúp giảm thiểu các vấn đề liên quan đến độ ổn định và độ méo tín hiệu. Việc áp dụng các phương pháp hồi tiếp cũng là một giải pháp hiệu quả.

III. Phương Pháp Thiết Kế Mạch Khuếch Đại OCL Ngõ Vào Vi Sai

Thiết kế mạch khuếch đại OCL ngõ vào vi sai yêu cầu một quy trình chặt chẽ, từ việc lựa chọn linh kiện đến việc tính toán các thông số mạch. Các phương pháp thiết kế hiện đại thường sử dụng phần mềm mô phỏng để tối ưu hóa hiệu suất trước khi thực hiện lắp ráp thực tế.

3.1. Quy trình thiết kế mạch khuếch đại

Quy trình thiết kế bao gồm việc xác định yêu cầu kỹ thuật, lựa chọn linh kiện, tính toán các thông số mạch và mô phỏng để kiểm tra hiệu suất. Mỗi bước đều cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo mạch hoạt động ổn định.

3.2. Sử dụng phần mềm mô phỏng trong thiết kế

Phần mềm mô phỏng giúp các kỹ sư kiểm tra và tối ưu hóa thiết kế trước khi thực hiện lắp ráp. Điều này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu chi phí phát triển sản phẩm.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Mạch Khuếch Đại OCL

Mạch khuếch đại OCL ngõ vào vi sai được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ âm thanh đến viễn thông. Các sản phẩm như ampli âm thanh, thiết bị phát sóng và các hệ thống truyền thông đều sử dụng loại mạch này để đảm bảo chất lượng tín hiệu tốt nhất.

4.1. Ứng dụng trong âm thanh

Mạch khuếch đại OCL thường được sử dụng trong các ampli âm thanh, giúp khuếch đại tín hiệu âm thanh mà không làm giảm chất lượng. Điều này rất quan trọng trong các hệ thống âm thanh chuyên nghiệp.

4.2. Ứng dụng trong viễn thông

Trong lĩnh vực viễn thông, mạch khuếch đại OCL được sử dụng để khuếch đại tín hiệu truyền dẫn, đảm bảo tín hiệu được truyền đi xa mà không bị suy giảm.

V. Kết Luận và Tương Lai của Mạch Khuếch Đại OCL

Mạch khuếch đại OCL ngõ vào vi sai là một phần không thể thiếu trong thiết kế mạch điện tử hiện đại. Với những ưu điểm vượt trội, loại mạch này sẽ tiếp tục được phát triển và cải tiến trong tương lai. Các nghiên cứu mới về vật liệu và công nghệ sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc tối ưu hóa hiệu suất của mạch khuếch đại OCL.

5.1. Tương lai của công nghệ khuếch đại

Công nghệ khuếch đại sẽ tiếp tục phát triển với sự ra đời của các linh kiện mới và các phương pháp thiết kế tiên tiến. Điều này sẽ giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của mạch khuếch đại OCL.

5.2. Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực khuếch đại

Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc cải thiện độ ổn định và giảm thiểu độ méo tín hiệu trong mạch khuếch đại OCL. Những tiến bộ này sẽ giúp mở rộng ứng dụng của mạch trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh ngành Điện tử - Viễn thông phát triển mạnh mẽ, nhu cầu về các hệ thống khuếch đại âm thanh chất lượng cao ngày càng gia tăng. Tín hiệu âm thanh trong dải tần số từ 20 Hz đến 20 kHz đòi hỏi phải được khuếch đại trung thực, không gây méo dạng và đạt công suất đủ lớn để kích thích loa.

Đồ án PBL2 – Thiết Kế Mạch Điện Tử của nhóm sinh viên khoa Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng (năm học 2021–2022) tập trung vào thiết kế và thi công mạch khuếch đại âm thanh OCL (Output Capacitorless) với ngõ vào vi sai (differential input). Đây là kiến trúc khuếch đại công suất phổ biến trong hệ thống âm thanh chuyên nghiệp, khắc phục các nhược điểm cố hữu của mạch OTL (Output Transformer-Less) truyền thống như méo tần số thấp do tụ ghép ngõ ra.

Mục tiêu thiết kế cụ thể:

1. Công suất ngõ ra: 15 W trên tải loa 8 Ω
2. Kiểu ngõ vào: vi sai (differential)
3. Kiểu mạch: OCL (không dùng tụ điện ghép ngõ ra)
4. Trở kháng ngõ vào: 200 kΩ
5. Độ méo phi tuyến (THD): < 0,4%
6. Dải băng thông: 30 Hz – 15 kHz

Phạm vi và giới hạn: Đồ án tập trung vào thiết kế nguyên lý, tính toán linh kiện, mô phỏng bằng phần mềm và thi công thực tế tầng vi sai. Do giới hạn thời gian, phần thi công tầng công suất hoàn chỉnh chưa được hoàn thiện toàn bộ.

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Các topology mạch khuếch đại công suất phổ biến được so sánh như sau:

Tiêu chí	Chế độ A	Chế độ B (Push-Pull)	Chế độ AB (OCL)
Hiệu suất	~25%	~78%	60–75%
Méo tín hiệu	Rất thấp	Méo xuyên tâm cao	Rất thấp
Công suất tĩnh	Lớn	Nhỏ	Vừa phải
Ứng dụng	Tầng tiền khuếch đại	Ít dùng độc lập	Khuếch đại công suất âm thanh
Tụ ghép ngõ ra	Không bắt buộc	Cần (OTL)	Không cần (OCL)

Lý do chọn OCL ngõ vào vi sai:

• Ngõ vào vi sai (differential input) cho phép loại bỏ nhiễu chung (Common Mode Rejection), đặc biệt hữu ích trong môi trường nhiễu điện từ
• Không có tụ ghép ngõ ra → tránh méo pha ở tần số thấp, mở rộng băng thông thực tế
• Cấu trúc đẩy kéo (push-pull) Darlington cho phép cung cấp dòng đỉnh lớn (≥ 2 A) cho tải loa

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc 5 tầng:

Ngõ vào → [Tầng Vi Sai (Q7, Q8)] → [Nguồn Dòng (Q9)] 
        → [Tầng Thúc Q6] → [Tầng Darlington (Q3,Q4 + Q1,Q2)] → Loa 8Ω
                ↑_______________ Hồi Tiếp Âm (VR4, R7, R8) ________________|

Stack linh kiện chính:

Tầng	Linh kiện	Loại/Model	Vai trò
Tầng công suất	Q1, Q2	2SD718 / 2SB688	Cặp Darlington bổ phụ NPN/PNP
Tầng thúc	Q3, Q4	2SD718 / 2SB688	Khuếch đại dòng trung gian
Tầng thúc	Q5, Q6	2SA1013	Nguồn dòng ổn định + khuếch đại áp
Tầng vi sai	Q7, Q8	2SA1013	Cặp BJT vi sai đối xứng
Nguồn dòng vi sai	Q9	2SA1013	Ổn định dòng đuôi vi sai
Ghim áp phân cực	D1–D5	1N4007	Ghim áp phân cực chế độ AB
Bảo vệ quá dòng	Q10, Q11	—	Ngắt mạch khi I > 5 A

Yêu cầu nguồn cung cấp: ±20 VDC (đối xứng), hệ số sử dụng nguồn 0,8 cho chế độ AB.

---

Implementation và kết quả

Quá trình tính toán thiết kế

Tính toán tầng công suất:

Từ yêu cầu P_L = 15 W, R_L = 8 Ω:

VL = √(2 × PL × RL) = √(2 × 15 × 8) = 15,49 V
IL = √(PL/RL) = √(15/8) = 1,94 A (biên độ đỉnh)
VCC ≥ VL / 0,8 = 15,49 / 0,8 ≈ 20 V  → Chọn VCC = ±20 V

Thiết kế điện trở cân bằng nhiệt R1, R2:

Điều kiện: VR1/VL ≥ 1/20
→ VR1 > 15,49/20 = 0,7745 V
→ R1 = R2 = VR1 / IEp = 0,7745/2 = 0,387 Ω  → Chọn 0,47 Ω / 5W

Công suất tiêu tán của cặp Darlington Q1/Q2:

Ptt_max/Q1 = VCC/π × (2/π×IL) - (RL + R1) × IL²/4
           = 20/π × (2/π × 1,94) - (8 + 0,47) × 1,94²/4
           ≈ 4,38 W (AC) + 1 W (DC tĩnh) = 5,38 W

Từ đó chọn Q1 (2SD718) và Q2 (2SB688) với thông số: V_CE > 40 V, I_C > 4 A, P_C > 10,76 W.

Tính toán tầng vi sai:

Mạch vi sai sử dụng Q7, Q8 (2SA1013) làm việc chế độ A với dòng tĩnh I_C/Q7 = I_C/Q8 = 0,82 mA:

Chọn VR9 = VCC/10 = 2 V
R15 = R16 = VCC/(2 × IC/Q8) ≈ 1,5 kΩ
R11 = R18 = 200 kΩ  (đảm bảo trở kháng vào 200 kΩ)

Nguồn dòng đuôi Q9 cung cấp: I_C/Q9 = 2 × I_C/Q8 = 1,64 mA, được ổn định bởi cặp D6–D7 (1N4007) và biến trở VR3 (500 Ω).

Tính hệ số khuếch đại:

Hệ số KĐ vòng hở toàn mạch: Avt = Avt1 × Avt2 × 1 ≈ 1246,89
Hồi tiếp âm qua VR4:        β_f = R7/(R7 + VR4)
Hệ số KĐ vòng kín:          Av ≈ 1/β_f  (khi Avt >> 1)
                                  ≈ 1/10³ × Avt ≈ thực tế ~50–100 lần

Kiểm tra méo phi tuyến theo chuỗi Taylor:

Khai triển hàm truyền phi tuyến của BJT theo chuỗi Taylor:

IC = ICO × e^(VBEm×sinωt / VT)

y = 1 + (VBEm/VT)sinωt + (1/2)(VBEm/VT)²sin²ωt + ...

Với hồi tiếp âm sâu (Avt ≈ 1246,89), hệ số méo phi tuyến giảm xuống còn < 0,4%, đáp ứng yêu cầu đề ra.

Mạch lọc Zobel bảo vệ ngõ ra ở tần số cao:

R20 = RL = 8 Ω
C8 = L/RL² ≈ 0,1μH / 64 ≈ 1,56 nF  → Chọn 2,2 nF

Điều kiện ổn định: Z_td = R_L không phụ thuộc tần số khi XL tăng thì XC giảm tương ứng.

Mạch bảo vệ quá dòng kích hoạt khi I_E/Q1 > 5 A (2,5 lần dòng đỉnh danh định 2 A), sụt áp trên R1: V_R1 = 5 × 0,47 = 2,35 V → Q10/Q11 dẫn bão hòa, cắt dòng base tầng Darlington.

Kết quả kiểm tra mô phỏng và thi công

• Khi không có tín hiệu vào: Điện áp DC tại ngõ ra ≈ 0 V (đặc trưng của OCL), các điểm làm việc tĩnh Q ổn định
• Khi có tín hiệu vào: Dạng sóng ngõ ra không bị méo xuyên tâm, xác nhận chế độ AB hoạt động đúng
• Tầng vi sai đã thi công: Hoạt động đúng chức năng loại bỏ nhiễu chung, tín hiệu vi sai được khuếch đại chính xác
• Kiểm tra tổng thể: Hệ số khuếch đại toàn mạch đạt giá trị thiết kế, băng thông 30 Hz – 15 kHz đáp ứng yêu cầu

---

Đổi mới và đóng góp

So sánh với giải pháp truyền thống:

Tính năng	OTL cổ điển	Class A đơn giản	OCL Vi Sai (đồ án này)
Méo tần số thấp	Cao (do tụ ghép)	Thấp	Không có
Méo xuyên tâm	Có	Không	Không có (chế độ AB)
CMRR	Thấp	Thấp	Cao (ngõ vào vi sai)
Hiệu suất	40–60%	25%	60–75%
Bảo vệ quá dòng	Thường không có	Không	Có (Q10, Q11)

Đổi mới kỹ thuật nổi bật:

1. Tầng Darlington bốn transistor (Q1–Q4): Kết hợp cặp Darlington bổ phụ NPN/PNP giúp hệ số khuếch đại dòng β_eff = β1 × β2 ≈ hàng nghìn lần, cho phép dòng ra đỉnh 2 A với dòng điều khiển chỉ vài chục mA
2. Nguồn dòng tích cực (Q5, Q9): Thay thế điện trở tải thụ động bằng nguồn dòng transistor, tăng trở kháng tải AC lên hàng MΩ, nâng hệ số khuếch đại tầng thúc và vi sai đáng kể
3. Hồi tiếp âm hai vòng: Vòng DC qua R7+R8 ổn định điểm làm việc; vòng AC qua R7+VR4 kiểm soát độ lợi và giảm méo từ ~5% xuống < 0,4% (cải thiện trên 12 lần)
4. Mạch Zobel tích hợp: Bù trở kháng cảm tính của loa ở tần số cao, duy trì tải ổn định 8 Ω trên toàn dải băng thông

---

Ứng dụng thực tế và triển khai

Các trường hợp sử dụng thực tế:

• Amplifier âm thanh gia đình: Công suất 15 W đủ cho phòng nghe khoảng 20–30 m², kết hợp với loa 8 Ω tiêu chuẩn
• Hệ thống PA (Public Address) nhỏ: Phòng họp, lớp học quy mô vừa
• Prototype cho nghiên cứu: Nền tảng để phát triển lên công suất 50 W – 100 W bằng cách ghép song song cặp Darlington

Yêu cầu triển khai:

Nguồn cung cấp: ±20 VDC / 3A (mỗi ray)
Tản nhiệt:      Heatsink cho Q1–Q4: Rth ≤ 2°C/W
PCB:            2 lớp, copper pour GND, tách biệt analog và power ground
Kết nối:        Input jack 3.5mm/RCA, output binding post 8 Ω

Khả năng mở rộng: Tăng VCC lên ±35 V và thay cặp Darlington bằng MJ15003/MJ15004 → công suất ra tăng lên ~60 W với cùng topology, chi phí linh kiện tăng khoảng 150%.

---

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại:

• Thi công chỉ hoàn thiện tầng vi sai; tầng công suất chưa được lắp ráp và đo kiểm hoàn chỉnh do giới hạn thời gian học kỳ
• Chưa đo THD thực tế bằng thiết bị chuyên dụng (audio analyzer); kết quả méo < 0,4% dựa trên tính toán lý thuyết
• Chưa tối ưu bố trí PCB để giảm nhiễu xuyên âm (crosstalk) và điện từ

Hướng phát triển đề xuất:

1. Hoàn thiện thi công tầng công suất và đo kiểm THD, SNR, dải động thực tế
2. Tích hợp mạch lọc thụ động Butterworth bậc 2 ở ngõ vào để chặn nhiễu RF > 20 kHz
3. Nâng cấp lên Class D kết hợp tầng vi sai tương tự ở ngõ vào để tăng hiệu suất lên > 90%
4. Thiết kế PCB 4 lớp với plane GND/VCC riêng biệt, áp dụng tiêu chuẩn IPC-2221

---

Đối tượng hưởng lợi

• Sinh viên kỹ thuật điện tử: Tài liệu tham khảo về phân cực BJT, mạch vi sai, hồi tiếp âm và thiết kế mạch khuếch đại công suất thực tế; quy trình tính toán từng tầng rõ ràng và có thể tái hiện
• Kỹ sư thiết kế phần cứng: Ví dụ implementation đầy đủ từ spec → tính toán → chọn linh kiện (2SD718, 2SB688, 2SA1013, 1N4007) → mô phỏng, rút ngắn thời gian phát triển prototype
• Nhà nghiên cứu âm thanh: Cơ sở so sánh topology OCL vi sai với các kiến trúc hiện đại; dữ liệu công suất tiêu tán từng khối hữu ích cho thermal management
• Người học tự do (DIY Audio): Sơ đồ nguyên lý và danh sách BOM (Bill of Materials) đầy đủ, chi phí linh kiện ước tính 150.000–250.000 VNĐ cho bản prototype

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai mạch? Nguồn đối xứng ±20 VDC/3A ổn định, tản nhiệt đủ cho Q1–Q4 (Rth < 2°C/W), PCB với ground plane liên tục. Không yêu cầu thiết bị lập trình hay vi điều khiển.

2. Giới hạn mở rộng công suất? Topology hiện tại hỗ trợ đến ~25 W bằng cách điều chỉnh VCC lên ±25 V. Vượt ngưỡng này cần thay transistor công suất và tính lại hệ thống tản nhiệt.

3. Tích hợp với preamplifier hoặc DAC có được không? Có. Trở kháng vào 200 kΩ tương thích với hầu hết preamp op-amp và DAC thương mại. Chỉ cần đảm bảo ngõ ra DAC có thể drive 200 kΩ (thông thường ≤ 1 kΩ là đủ).

4. Bảo trì và kiểm tra định kỳ? Kiểm tra điện áp DC tại ngõ ra loa (phải ≈ 0 V ± 50 mV); đo dòng tĩnh I_C/Q1 (mục tiêu 50 mA); hiệu chỉnh VR2 nếu phát sinh méo xuyên tâm.

5. Chi phí và thời gian thi công? Linh kiện: 150.000–250.000 VNĐ. Thời gian: 2–3 tuần bao gồm thiết kế PCB, hàn và đo kiểm. ROI: không áp dụng trực tiếp, giá trị nằm ở kiến thức và kinh nghiệm thực hành.

---

Kết luận

Đồ án "Thiết Kế Mạch Khuếch Đại OCL Ngõ Vào Vi Sai" đã trình bày một cách hệ thống toàn bộ quy trình thiết kế mạch khuếch đại âm thanh công suất từ lý thuyết đến thực tế, bao gồm: phân cực BJT, lý thuyết hồi tiếp âm, so sánh các chế độ khuếch đại A/B/AB, và tính toán chi tiết từng tầng mạch.

Thành tựu kỹ thuật chính:

• Thiết kế đạt công suất 15 W / 8 Ω với độ méo lý thuyết < 0,4%
• Ứng dụng hồi tiếp âm hai vòng cải thiện độ ổn định hệ số khuếch đại và giảm méo hơn 12 lần so với mạch vòng hở
• Tích hợp đầy đủ mạch bảo vệ quá dòng và mạch lọc Zobel cho hệ thống hoàn chỉnh
• Tầng vi sai với nguồn dòng tích cực đảm bảo CMRR cao, phù hợp môi trường nhiễu

Công trình cung cấp nền tảng học thuật và thực tiễn vững chắc cho sinh viên ngành Điện tử muốn nghiên cứu sâu về khuếch đại công suất tương tự, đồng thời là điểm khởi đầu để phát triển các hệ thống âm thanh chuyên nghiệp công suất cao hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu chương. Trong cuộc sống hằng ngày, ta luôn cảm nhận được những âm thanh lan truyền đến tai chúng ta, chẳng hạn như âm thanh từ giọng nói, từ các thiết bị điện tử v. Thông thường, âm thanh đến tai chúng ta vừa đủ nghe trong khoảng tần số từ 20 Hz đến 20kHz, ngưỡng nghe nằm ở khoảng 130 dB nhưng khi đặt nguồn tạo âm thanh có âm lượng nhỏ ở khoảng cách xa hoặc trong một không gian rộng thì chúng ta không thể nghe rõ được. Đó chính là lý do phải khuếch đại tín hiệu lớn hơn.

Thêm vào đó, nhu cầu sử dụng âm thanh to rõ trong đời sống ngày càng nhiều nên việc nghiên cứu và chế tạo các loại mạch khuếch đại âm thanh ngày càng phổ biến và cần thiết. Trong mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ, thành phần quan trọng nhất là BJT, việc phân cực và biết cách mắc BJT vô cùng quan trọng. Dưới đây trình bày về các cách phân cực và mắc BJT. Các khái niệm về mạch khuếch đại.

- Khuếch đại là quá trình biến đổi một đại lượng (điện áp hoặc dòng điện) từ biên độ nhỏ thành biên độ lớn hơn mà không làm thay đổi hình dạng, tần số của nó. Khi xét BJT hoạt động dưới điều kiện tín hiệu nhỏ thì có thể xem BJT như một bộ khuếch đại xoay chiều. - Độ khuếch đại là khả năng của một mạch điện tử để tăng cường độ của tín hiệu. Khuếch đại tín hiệu là chức năng cơ bản nhất của tất cả các bộ khuếch đại.

Là so sánh giữa tín hiệu cung cấp vào bộ tín hiệu đối với tín hiệu ra của bộ khuếch đại. Phân cực BJT. Ta biết BJT có thể hoạt động trong 3 vùng: - Vùng khuếch đại với tiếp giáp B-C phân cực nghịch, tiếp giáp B-E phân cực thuận. - Vùng bão hoà với tiếp giáp B-E và B-C phân cực thuận.

- Vùng ngưng với tiếp giáp B-E phân cực nghịch. Phương pháp chung để giải các mạch phân cực gồm 3 bước: - Bước 1: Dùng mạch điện ngõ vào để xác định dòng điện ngõ vào. - Bước 2: Suy ra dòng điện ngõ ra từ liên hệ 𝐼𝑐 = 𝛽𝐼𝑏. - Bước 3: Dùng mạch ngõ ra để tìm các thông số còn lại.

Phân cực cố định. Định nghĩa: Là mạch gồm một BJT NPN, 2 điện trở 𝑅𝐵 𝑅𝐶 và một nguồn một chiều Vcc. Công thức: Giả sử BJT làm việc trong vùng tích cực: - Áp dụng KVL cho mạch ngõ vào: 𝑉𝐶𝐶 - 𝐼𝐵 𝑅𝐵 - 𝑉𝐵𝐸 – 𝐼𝐸 𝑅𝐸 = 0 với 𝑉𝐵𝐸 = 0,7V - Ta có: 𝐼𝐸 = (𝛽 + 1) 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸 - Suy ra: 𝐼𝐵 = 𝑅𝐵 + (β+1) 𝑅𝐸 - Dòng: 𝐼𝐶 = β𝐼𝐵 7 - Lưu ý: Trong vùng tích cực, dòng 𝐼𝐶 không phụ thuộc vào điện trở 𝑅𝐶. - Áp dụng KVl cho mạch ngõ ra: 𝑉𝐶𝐸 + 𝐼𝐶 𝑅𝐶 – 𝑉𝐶𝐶 = 0 => 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 – 𝐼𝐶 𝑅𝐶 - Như vậy, điểm Q = (𝐼𝐵 , 𝐼𝐶 , 𝑉𝐶𝐸 ) - Lưu ý: Cần kiểm tra lại giả thuyết BJT làm việc trong vùng tích cực.

- Phương trình đường tải được xác định bởi mạch ngõ ra nên chỉ phụ thuộc vào các thông số của mạch ngoài: 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 – 𝐼𝐶 𝑅𝐶 (*). - Phương trình (*) có đồ thị là đường thẳng với các biến 𝑉𝐶𝐸 và 𝐼𝐶. Đồ thị đường tải đi qua 2 điểm 𝐼𝐶 = 0 => 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 - Nếu ta biểu diễn đường tải và đặc tuyến của BJT trên cùng mặt đồ thị thì giao điểm giữa đường tải và đường đặc tuyến xác định bởi IBQ chính là điểm Q cần tìm 8 - Vị trí điểm Q trong vùng bão hòa thể hiện điện áp 𝑉𝐶𝐸 ≤ 𝑉𝐶𝐸 𝑆𝐴𝑇 , trong đó, 𝑉𝐶𝐸 𝑆𝐴𝑇 có giá trị rất nhỏ(khoảng vài trăm mV). - Để thuận tiện trong tính toán, trong vùng bão hòa, điện áp được xem như bằng 𝑉 0 0 (gần đúng): 𝑉𝐶𝐸 = 0.

Dẫn đến điện trở giữa 2 cực C và E bằng: 𝑅𝐶𝐸 = 𝐶𝐸 = = 𝐼𝐶 𝐼𝐶 𝑆𝐴𝑇 0. - Do đó, để tính gần đúng dòng Collector bão hòa, tức là dòng cllector cực đại đối với mạch cho trước, ta xem như nối tắt cực E và C, tương ứng với 𝑉𝐶𝐸 =0. - Đối với mạch phân cực cố định, dòng collector bão hòa được xác định bởi: 𝑉𝐶𝐶 −𝑉𝐶𝐸 𝑉 𝐼𝐶 𝑆𝐴𝑇 = = 𝐶𝐶. 𝑅𝐶 𝑅𝐶 - Dòng 𝐼𝐶 𝑆𝐴𝑇 là dòng điện cực đại có được đối với mạch ngõ ra cho trước.

- Như vậy, dòng collector bão hòa 𝐼𝐶 𝑆𝐴𝑇 không phụ thuộc vào đặc tính của BJT mà phụ thuộc vài mạch ngoài( VCC và RC). -Như vậy, để BJT hoạt động trong vùng bão hòa, dòng IB phải lớn hơn hoặc 𝐼 bằng giá trị 𝐼𝐵 𝑆𝐴𝑇 : 𝐼𝐵 ≥ 𝐼𝐵 𝑆𝐴𝑇 = 𝐶 𝑆𝐴𝑇 𝛽 hoặc β𝐼𝐵 = ≥ 𝐼𝐶 𝑆𝐴𝑇 - Lưu ý: Dòng 𝐼𝐵 trong vùng bão hòa lớn hơn 𝐼𝐵 trong vùng tích cực. Kết luận: Đối với mạch phân cực cố định, để BJT chuyển từ vùng tích cực sang làm việc trong vùng bão hòa. - Nếu giữ mạch ngõ ra không đổi, tức 𝑉𝐶𝐶 , 𝑅𝐶 và 𝐼𝐶 𝑆𝐴𝑇 không đổi, ta cần phải giảm 𝑅𝐵 nhằm tăng 𝐼𝐵 sao cho 𝐼𝐵 ≥ 𝐼𝐵 𝑆𝐴𝑇.

- Nếu giữ mạch ngõ vào không đổi, tức 𝑅𝐵 và 𝐼𝐵 không đổi, ta cần phải tăng 𝑅𝐶 nhằm giảm 𝐼𝐶 𝑆𝐴𝑇 sao cho β𝐼𝐵 ≥ 𝐼𝐶 𝑆𝐴𝑇. Ứng dụng: Dùng cho mạch khuếch đại chế độ A, role… 1. Phân cực hồi tiếp cực Emitter Định nghĩa: - Mạch phân cực hồi tiếp Emittor là mạch trong đó ta thêm điện trở RE mắc vào cực E của BJT trong mạch phân cực cố định. - Điện trở RE làm nhiệm vụ hồi tiếp, đưa tín hiệu ngõ ra về ngõ vào để ổn định điểm làm việc khi nhiệt độ thay đổi.

9 Công thức: - Giả sử BJT làm việc trong vùng tích cực. - Áp dụng KLV cho mạch ngõ vào: 𝑉𝐶𝐶 - 𝐼𝐵 𝑅𝐵 - 𝑉𝐵𝐸 - 𝐼𝐸 𝑅𝐸 = 0 với 𝑉𝐵𝐸 = 0,7V - Ta có: 𝐼𝐸 = (β+1) 𝐼𝐵. 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸 - Suy ra: 𝐼𝐵 = 𝑅𝐵 + (β+1) 𝑅𝐸 - Dòng: 𝐼𝐶 = β𝐼𝐵. - Áp dụng KVL cho mạch ngõ ra: 𝑉𝐶𝐶 - 𝐼𝐶 𝑅𝐶 - 𝑉𝐶𝐸 - 𝐼𝐸 𝑅𝐸 = 0.

- Ta có thể xấp xỉ 𝐼𝐸 ≈ 𝐼𝐶 để thuận tiện cho tính toán. - Phương trình đường tải được xác định bởi mạch ngõ ra nên chỉ phụ thuộc vào các thông số của mạch ngoài: 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 – 𝐼𝐶 (𝑅𝐶 + 𝑅𝐸 ) (*). - Phương trình (*) có đồ thị là đường thẳng với các biến 𝑉𝐶𝐸 và 𝐼𝐶. Đồ thị 𝑉𝐶𝐶 đường tải đi qua 2 điểm: 𝑉𝐶𝐸 = 0 => 𝐼𝐶 = và 𝐼𝐶 = 0 => 𝑉𝐶𝐸 =𝑉𝐶𝐶.

𝑅𝐶 + 𝑅𝐸 10 - Nếu ta biểu diễn đường tải và đặc tuyến của BJT trên cùng một đồ thị thì giao điểm đường tải và dược đặc tuyến xác định bởi 𝐼𝐵𝑄 chính là điểm Q cần tìm. Kết luận: - Mạch phân cực hồi tiếp Emittor đã khắc phục được nhược điểm của mạch phân cực cố định là không ổn định khi nhiệt độ thay đổi. Khi nhiệt đội thay đổi, các giá trị như β, ICEQ, và VBE sẽ thay đổi, dẫn đên các giá trị dòng và điện áp của điểm Q sẽ thay đổi theo. Như vậy, điểm Q sẽ không được cố định khi nhiệt độ thay đổi.

- Nhờ cơ chế hồi tiếp được thực hiện thông qua điện trở RE, sự thay đổi ở ngõ ra được đưa trở lại ngõ vào. Qua đó, điều chỉnh dòng IB để ổn định dòng IC, đồng nghĩa với ổn định điểm làm việc Q. Ứng dụng: Role, mạch hồi tiếp…. Phân cực bằng cầu phân áp: Định nghĩa: Mạch phân cực bằng phân áp là mạch sử dụng phân áp từ cực Base thông qua hai điện trở R1 và R2 để ổn định điểm làm việc.

Công thức: - Có hai phương pháp để phân tích mạch phân cực bằng phân áp: + Phương pháp chính xác: Được áp dụng với tất cả các mạch phân cực bằng phân áp. + Phương pháp gần đúng: Chỉ áp dụng trong các trường hợp cụ thể. Phương pháp gần đúng đơn giản hơn và cho phép thực hiện tính toán nhanh. Ngoài ra phương pháp gần đúng rất hữu ích trong thiết kế mạch phân cực bằng phân áp.

Do đó, phương pháp gần đúng cũng có vai trò quan trọng ngang bằng với phương pháp chính xác. 12 * Phương pháp chính xác: - Áp dụng Thevenin cho mạch ngõ vào với 2 điểm tại cực Base và nối mass. 𝑅1 𝑅2 𝑅1 - Ta có: REQ = và VEQ = 𝑉𝑐𝑐 𝑅1 +𝑅2 𝑅1 +𝑅2 - Như vậy, sau biến đổi Thevenin ta thu được mạch tương tự mạch phân cực hồi tiếp Emittor. - Giả sử BJT làm việc trong vùng tích cực.

- Áp dụng KVL cho mạch ngõ vào: 𝑉𝐸𝑄 - 𝐼𝐵 𝑅𝐸𝑄 - 𝑉𝐵𝐸 - 𝐼𝐸 𝑅𝐸 =0 với 𝑉𝐵𝐸 = 0,7V - Ta có: 𝐼𝐸 = (β+1) 𝐼𝐵. 𝑉𝐸𝑄 − 𝑉𝐵𝐸 - Suy ra: IB = 𝑅𝐸𝑄 +(𝛽+1)𝑅𝐸 - Dòng: 𝐼𝐶 = β𝐼𝐵 - Áp dụng KVL cho mạch ngõ ra: 𝑉𝐶𝐶 - 𝐼𝐶 𝑅𝐶 - 𝑉𝐶𝐸 - 𝐼𝐸 𝑅𝐸 = 0 - Xấp xỉ 𝐼𝐸 ≈ 𝐼𝐶. * Phương pháp gần đúng: - Điện trở 𝑅𝐸 được nhìn thẳng từ ngõ vào với hệ số khuếch đại (β+1). Khi đó, mạch ngõ vào có thể được biểu diễn lại như hình dưới: - Nếu RI= (β+1) 𝑅𝐸 ≈ β𝑅𝐸 >> R1, thì dòng IB chạy qua R1 nhỏ hơn rất nhiều lần so với dòng I, chạy qua R1.

Do đó, ta có thể xem I1 ≈ I2, tức là 2 điện trở R1 và R2 mắc nối tiếp. - RI ≈ β𝑅𝐸 ≥ 10R1 được xem là RI >> 𝑅𝐸. - Từ đó, ta có thể xác định gần đúng điện áp tại cực Base so với mass: 𝑅1 VB = 𝑉 𝑅1 +𝑅2 𝑐𝑐 - Điện áp tại cực E so với mass: 𝑉𝐸 = 𝑉𝐵 – 𝑉𝐵𝐸 = 𝑉𝐵 -0,7. - Áp dụng KVL cho mạch ngõ ra để xác định 𝑉𝐶𝐸 : 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 - 𝐼𝐶 (𝑅𝐶 + 𝑅𝐸 ) 13 - Trong các phương trình nêu trên không có mặt hệ số β và 𝐼𝐵 không được tính.

Do đó điểm Q không phụ thuộc vào β. *Phân tích đường tải : - Do mạch phân cực bằng phân áp sau khi biến đổi tương đương Thevenin sẽ có dạng mạch tương tự mạch phân cực hồi tiếp Emittor. Do đó, phương trình đường tải được xác định bởi mạch ngõ sai: 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 – 𝐼𝐶 (𝑅𝐶 + 𝑅𝐸 ) (*) - Phương trình (*) có đồ thị là đường thẳng với các biến VCE và IC. Đồ thị 𝑉𝑐𝑐 đường tải đi qua 2 điểm : 𝑉𝐶𝐸 = 0 => 𝐼𝐶 = 𝑅𝐶 +𝑅𝐸 𝐼𝐶 = 0 => 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶.

- Nếu ta biểu diễn đường tải và đặc tuyến của BJT trên cùng một đồ thị thì giao điểm giữa đường tải và đường đặc tuyến xác định bởi 𝐼𝐵𝑄 chính là điểm Q cần tìm.