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.