Chương 1: Khuếch đại tín hiệu nhỏ Để cho BJT hoạt động đúng với điểm làm việc mà chúng ta đề ra, chúng ta phải phân cực chính xác cho BJT đó. Đối với mỗi cách mắc BJT sẽ có những ưu nhược điểm khác nhau để ứng dụng tùy vào nhu cầu của người sử dụng. Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các cách phân cực cho BJT, các cách mắc BJT thường gặp, ưu nhược điểm và các ứng dụng của chúng trong thực tế. 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 = 𝐼𝑏. - Bước 3: Dùng mạch ngõ ra để tìm các thông số còn lại.
Phân cực cố định 𝑉𝑐𝑐−𝑉𝑏𝑒 𝐼𝑏 = với Vbe = 0,7V nếu là loại Silic, Vbe = 0,3V nếu là loại Ge. 𝑅𝑏 Trong vùng khuếch đại Ic = β. Ib Phương trình đường tải tĩnh Vce = Vcc – Ic. Rc 𝑉𝑐𝑐 𝐼𝑐𝑠𝑎𝑡 = 𝑅𝑐 Ưu điểm: Dòng ra lớn, dễ thiết kế.
Nhược điểm: Khi nhiệt độ thay đổi, các đại lượng như β, Vceo, Ib thay đổi dẫn đến điểm làm việc bị sai lệch. Ứng dụng: Sử dụng ở các tầng công suất lớn. Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào đơn 4 2. Phân cực hồi tiếp cực Emitter 𝑉𝑐𝑐−𝑉𝑏𝑒 𝐼𝑏 = 𝑅𝑏+(𝛽+1)𝑅𝑒 Trong vùng khuếch đại Ic = β Ib Phương trình đường tải tĩnh Vce = Vcc – (Rc + Re).
Ic 𝑉𝑐𝑐 𝐼𝑐𝑠𝑎𝑡 = 𝑅𝑐+𝑅𝑒 Ưu điểm: Có trở hồi tiếp cực E, tăng độ ổn định của điểm làm việc tĩnh. Nhược điểm: Việc xác định điểm làm việc vẫn còn phụ thuộc nhiều vào β. Ứng dụng: Sử dụng ở các tầng công suất. Phân cực bằng cầu phân áp 𝑅2 𝑉𝑏𝑏 = 𝑉𝑐𝑐.
𝑅1+𝑅2 Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào đơn 5 Rbb = R1//R2 𝑉𝑏𝑏−𝑉𝑏𝑒 𝐼𝑏 = 𝑅𝑏𝑏+(𝛽+1)𝑅𝑒 Ic = β. Ib ở vùng khuếch đại Vce = Vcc – (Rc + Re). Ic 𝑉𝑐𝑐 𝐼𝑐𝑠𝑎𝑡 = 𝑅𝑐+𝑅𝑒 Ưu điểm: Việc xác định điểm làm việc tĩnh Q ít phụ thuộc vào hệ số β. Nhược điểm: Thiết kế và tính toán phức tạp.
Ứng dụng: Sử dụng phổ biến trong các mạch khuếch đại, các mạch công suất lớn, BJT hoạt động ở nhiệt độ cao. Phân cực hồi tiếp Collector 𝑉𝑐𝑐−𝑉𝑏𝑒 𝐼𝑏 = 𝑅𝑏+ 𝛽(𝑅𝑐+𝑅𝑒) 𝐼𝑐 = 𝛽. 𝐼𝑏 trong vùng khuếch đại Vce = Vcc – (Rc + Re). Ic Ưu điểm: Khả năng hồi tiếp tốt hơn hồi tiếp cực Emitter, cải thiện độ ổn định của BJT.
Nhược điểm: Khó thiết kế và tính toán. Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào đơn 6 Như vậy, với cách phân cực cố định, dòng ra lớn nên thường được ứng dụng trong các tầng công suất lớn. Với cách phân cực hồi tiếp cực Emitter, có điện trở hồi tiếp Re nên tăng độ ổn định của mạch hơn. Còn với phân cực bằng cầu phân áp, nhờ vào ưu điểm là việc xác định điểm làm việc tĩnh Q ít phụ thuộc β mà thường được sử dụng phổ biến trong các mạch khuếch đại.
Phân cực hồi tiếp dòng Collector thì mang lại khả năng hồi tiếp tốt hơn hồi tiếp cực E. Các cách mắc BJT 1. Mắc E chung Sơ đồ tương đương xoay chiều Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào đơn 7 𝑅𝑖𝑛 Hệ số khuếch đại điện áp: 𝐴𝑣 = −𝑔𝑚. với Rin = R1 // R2 // 𝑟𝜋 𝑅𝐼 +𝑅𝑖𝑛 𝑅 +𝑅𝑖𝑛 Hệ số khuếch đại dòng: 𝐴𝑖 = 𝐴𝑣.
𝐼 𝑅3 Hệ số khuếch đại công suất: Ap = Av. Ai 𝑅𝑜𝑢𝑡 = 𝑟0 //Rc 𝑅 +𝑅 Điều kiện của 𝑣𝑖 để mạch hoạt động tuyến tính: 𝑣𝑖 ≤ 0,005. 𝐼 𝑖𝑛 𝑅𝑖𝑛 Tín hiệu vào và ra ngược pha nhau. Ưu điểm: Khuếch đại đồng thời cả áp và dòng.
Nhược điểm: Hệ số khuếch đại ở mức trung bình. Ứng dụng: Sử dụng ở các tầng đầu vào và tầng thúc của mạch khuếch đại công suất. Mắc C chung Sơ đồ tương đương xoay chiều Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào đơn 8 𝑔𝑚 .𝑅𝑖𝑛 Hệ số khuếch đại điện áp: 𝐴𝑣 = (1+ 𝑔𝑚. 𝑅𝐿 ) // Rb 𝑅 +𝑅𝑖𝑛 Hệ số khuếch đại dòng: 𝐴𝑖 = 𝐴𝑣.
𝐼 𝑅7 Hệ số khuếch đại công suất: Ap = Av. Ai 1 𝑅 //Rb 𝑅𝑜𝑢𝑡 = ( + 𝐼 ) // R4 𝑔𝑚 𝛽+1 𝑅 +𝑅𝑖𝑛 Điều kiện 𝑣𝑖 để mạch hoạt động tuyến tính 𝑣𝑖 ≤ 0,005. (1 + 𝑔𝑚 𝑅𝐿 ) 𝑅𝑖𝑛 Tín hiệu vào và ra đồng pha. Ưu điểm: Hệ số khuếch đại dòng cao, xử lí tín hiệu vào lớn.
Nhược điểm: Hệ số khuếch đại áp xấp xỉ bằng 1. Ứng dụng: Sử dụng trong các tầng yêu cầu dòng ra cao, tầng công suất. Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào đơn 9 3. Mắc B chung Sơ đồ tương đương xoay chiều 𝑔𝑚 .𝑅𝑖𝑛 Hệ số khuếch đại điện áp: 𝐴𝑣 = (𝑅𝐼 +𝑅𝑖𝑛) 1 Rin = // R6 𝑔𝑚 𝑅 +𝑅𝑖𝑛 Hệ số khuếch đại dòng: 𝐴𝑖 = 𝐴𝑣.
𝐼 𝑅7 Hệ số khuếch đại công suất: Ap = Av. (𝑅𝐼 //R6)) 𝑅 +𝑅𝑖𝑛 Điều kiện 𝑣𝑖 để mạch hoạt động tuyến tính 𝑣𝑖 ≤ 0,005. 𝐼 𝑅𝑖𝑛 Tín hiệu vào và ra đồng pha. Ưu điểm: Hệ số khuếch đại áp lớn, trở kháng vào mạch lớn.
Nhược điểm: Không khuếch đại dòng. Ứng dụng: Sử dụng trong các mạch yêu cầu áp ra cao. Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào đơn 10 Như vậy, đối với các cách mắc BJT, cách mắc EC đem lại khả năng khuếch đại cả áp và dòng nhưng hệ số khuếch đại chỉ ở mức trung bình. Cách mắc CC mang lại hệ số khuếch đại dòng lớn nhưng lại không khuếch đại áp.
Cách mắc BC thì ngược lại với cách mắc CC. *Tổng kết: Trong chương vừa rồi, chúng ta đã tìm hiểu được về các cách phân cực và các cách mắc thông dụng của BJT cùng với ưu nhược điểm và ứng dụng của chúng trong thực tế. Nhưng để cải thiện độ ổn định của mạch thì như thế là chưa đủ. Vì vậy, chương sau sẽ làm rõ một trong những thành phần giúp cải thiện độ ổn định cũng như nâng cao hệ số khuếch đại của mạch, đó chính là Hồi Tiếp.
Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào đơn 11 Chương 2: Hồi tiếp I. Khái niệm: Mạch hồi tiếp là mạch lấy một phần năng lượng ngõ ra đưa về đầu vào để làm tăng độ ổn định của mạch và cải thiện chất lượng của mạch. Phân loại: Để phân loại hồi tiếp, người ta dựa vào 3 cơ sở: 1. Theo tác dụng khuếch đại: - Hồi tiếp âm: là hồi tiếp mà tín hiệu ra đưa về ngược pha tín hiệu vào Ưu điểm: Cải thiện độ ổn định, chất lượng của mạch.
Nhược điểm: Giảm hệ số khuếch đại mạch. Ứng dụng: Sử dụng phổ biến trong lĩnh vực khuếch đại. - Hồi tiếp dương: là hồi tiếp mà tín hiệu đưa về cùng pha tín hiệu vào. Ưu điểm: Tăng hệ số khuếch đại.
Nhược điểm: Mất tính ổn định của mạch. Ứng dụng: Sử dụng phổ biến trong các mạch dao động. Theo dạng tín hiệu hồi tiếp: - Hồi tiếp điện áp là lấy điện áp ra, tạo điện áp hồi tiếp đưa về lại đầu vào. - Hồi tiếp dòng là lấy dòng ra tạo hồi tiếp đưa về lại đầu vào.
Theo cách ghép với tín hiệu vào - Hồi tiếp song song là khi lấy áp (dòng) đầu vào mắc song song với áp (dòng) hồi tiếp. - Hồi tiếp nối tiếp là khi áp (dòng) đầu vào mắc nối tiếp với áp (dòng) hồi tiếp. Lưu đồ chuẩn bộ khuếch đại có hồi tiếp - Khi không có hồi tiếp thì 𝐾𝑡𝑝 = 𝐾. 𝐾𝑛 - Khi có hồi tiếp thì 𝐾 ′ 𝑡𝑝 = 𝐾𝑛.
𝐾′ 𝑋𝑟 𝐾 - Hệ số khuếch đại khi có hồi tiếp 𝐾 ′ = = 𝑋𝑣 1+𝐾 .𝐾 - Hệ số khuếch đại toàn phần: 𝐾𝑡𝑝 = 𝐾𝑛. 𝐾 = 𝑔 |𝑔| < 1 𝑡ℎì |𝐾 ′ | > |𝐾|: 𝐻ồ𝑖 𝑡𝑖ế𝑝 𝑑ươ𝑛𝑔 ′ |𝑔| > 1 𝑡ℎì |𝐾 | < |𝐾|: 𝐻ồ𝑖 𝑡𝑖ế𝑝 â𝑚 Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào đơn 12 - Nhận xét: + Một hệ thống khép kín có hệ số khuếch đại vòng rất lớn, K’ hầu như không phụ thuộc vào tính chất của mạch mà chỉ phụ thuộc vào tính chất của mạch hồi tiếp. Vì vậy, muốn xây dựng bộ khuếch đại chính xác, phải dùng linh kiện chính xác trong khâu hồi tiếp (điện trở). + Hàm truyền toàn phần giảm đi g lần.
Như vậy hồi tiếp âm làm giảm hệ số khuếch đại của mạch. Tác dụng hồi tiếp lên mạch khuếch đại 1. Hồi tiếp âm - Đối với hệ số khuếch đại: Giảm hệ số khuếch đại. - Đối với độ ổn định: Tăng độ ổn định.
- Đối với nhiễu: Giảm tác dụng ngõ vào Giảm nhiễu. - Méo: Giảm méo. - Đối với tổng trở vào: Hồi tiếp âm nối tiếp làm tăng tổng trở vào. Hồi tiếp âm song song làm giảm tổng trở vào.
- Đối với tổng trở ra: Hồi tiếp âm điện áp làm giảm tổng trở ra. Hồi tiếp âm dòng điện làm tăng tổng trở ra. Hồi tiếp dương - Đối với hệ số khuếch đại: Tăng hệ số khuếch đại. - Đối với độ ổn định: Giảm độ ổn định.
- Đối với nhiễu: Tăng hệ số khuếch đại Tăng nhiễu. - Méo: Tăng độ méo dạng. - Đối với tổng trở vào: Hồi tiếp dương nối tiếp làm giảm tổng trở vào. Hồi tiếp dương song song làm tăng tổng trở vào.
- Đối với tổng trở ra: Hồi tiếp dương điện áp làm tăng tổng trở ra. Hồi tiếp dương dòng điện làm giảm tổng trở ra. Ứng dụng hồi tiếp trong mạch khuếch đại 1. Hồi tiếp âm dòng điện trong mạch định thiên Transitor - Điện trở Re thực chất là điện trở lấy tín hiệu dòng.
Dòng qua Rc và Rt sẽ thể hiện qua Re, tạo nên sụt áp trên Re. Đây là mạch hồi tiếp dòng, có tín hiệu áp hồi tiếp tỉ lệ dòng ngõ ra. Điện áp này thàm thay đổi Vbe của BJT nên xem như hồi tiếp nối tiếp. Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào đơn 13 2.