Bài giảng mạch điện tử nâng cao ( combo full slides 5 chương )

Bài giảng mạch điện tử nâng cao Chương 1: Mạch khuếch đại hồi tiếp • Chương 2: Đ p ứng tần số của mạch khuếch đại • Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng • Chương 4: Mạch dao động (tần số thấp) • Chương 5: Mạch lọc (t ch cực)

Mạch điện tử nâng cao

1

• Chương 1: Mạch khuếch đại hồi tiếp

• Chương 2: Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại

• Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng

• Chương 4: Mạch dao động (tần số thấp)

• Chương 5: Mạch lọc (tích cực)

2

Tài liệu tham khảo

• [1] Tập các slides bài giảng

• [2] D.L Schilling, Charles Belove, "Electronic circuits: Discrete and Integrated", Mc Graw-Hill Inc, 1968

• [3] C.Savant, M.S Roden, G.L Carpenter, "Electronic design - circuits and systems", 1991

• [4] T.F Bogart, "Electronic devices and circuits", 1991

• [5] Sergio Franco, "Design with Operational amplifiers and Analog Integrated circuits", 1998

• [6] Lê Tiến Thường, “Giáo trình Mạch điện tử 1&2”

3

– Thiết kế lại các slides bài giảng.

– Giải các bài tập mạch điện tử nâng cao

– Thi công các mạch điện tử nâng cao

4

– Định luật Kirchhoff 1 (dòng) & 2 (áp)

– Kỹ thuật phân dòng & áp

– Biến đổi tương đương Thevenin – Norton

5

6

8

R

• Xác định độ lợi dòng.

Bài tập 1

13

Bài tập 2

• BJT (hfe = 100, hie = 1KΩ) Xác định độ lợi áp.

14

+ Vo _

Bài tập 3

• Xác định độ lợi áp.

15

Bài tập 4

• Xác định độ lợi áp.

16

Bài tập 5

17

Bài tập 6

18

Bài tập 7

19

Bài tập 8

20

R4 0.2k

Ri 1k

R5

6.8k

RL 10k

VL

R6 4.7k

R1 82k

R2 15k Vi

C

VCC

Q2 C

Q1

C

R3 1k

Bài tập 9

21

Bài tập 10

22

Bài tập 11

23

Bài tập 12

24

Bài tập 13

25

Bài tập 14

26

Bài tập 15

27

Bài tập 16

28

Bài tập 17

29

Bài tập 18

30

Bài tập 19

31

Bài tập 20

32

Bài tập 21

33

Bài tập 22

34

Bài tập 23

35

Bài tập 24

vo = -R2v3 /R1 +(1+R2)v2 /R1

36

Bài tập 25

Vo = A(v2 – v1) với A = (1+2R3/RG).(R2/R1)

37

Bài tập 26

38

Bài tập 27

39

Bài tập 28

40

Bài tập 29

41

Bài tập 30

42

Bài tập 31

43

Bài tập 32

44

Chương 1: MKĐ hồi tiếp

1

Nội dung

• Tổng quan về MKĐ hồi tiếp

– Hồi tiếp áp/dòng

– Sai lệch áp/dòng

– Hồi tiếp âm/dương

• Phân tích MKĐ hồi tiếp áp

– Sai lệch áp

– Sai lệch dòng

• Thiết kế MKĐ hồi tiếp áp

2

Mạch khuếch đại hồi tiếp

3

Hồi tiếp áp, sai lệch áp

• Lấy mẫu điện áp ở ngõ ra Vo và đưa ra điện áp hồi tiếp Vb về ghép nối tiếp với điện áp ngõ vào Vin của bản thân bộ khuếch đại.

9

10

Phân tích mạch

11

Theo định nghĩa, độ lợi áp thuận của mạch khuếch đại có hồi tiếp:

Theo định nghĩa, độ lợi áp thuận của mạch khuếch đại không có hồi tiếp:

12

Nhận xét :

T < < -1 : mong muốn hoạt động

Theo định nghĩa trở kháng ngõ vào nhìn từ nguồn áp:

13

Với :

14

Theo định nghĩa trở kháng ngõ ra :

Với:

15

Độ lợi vòng T :

Vậy :

16

Hồi tiếp áp, sai lệch dòng

• Lấy mẫu điện áp ở ngõ ra là Vo và đưa ra điện áp hồi tiếp Vb về ghép song song với dòng điện ngõ vào iin của bản thân bộ khuếch đại.

20

Phân tích mạch

21

Từ mạch trên ta có :

Dòng sai lệch :

Dòng tải :

22

Theo định nghĩa, độ lợi dòng thuận của mạch khuếch đại có hồi tiếp:

Theo định nghĩa, độ lợi dòng thuận của mạch khuếch đại không có hồi tiếp:

23

Độ lợi vòng T :

Vậy:

24

Nhận xét:

 0 < T < 1 : Hồi tiếp dương

Aif > A’i : tăng cường khuếch đại

 T = 1 : Aif = ∞ tạo xung dao động

=> ứng dụng trong mạch tạo sóng

 T< 0 : Hồi tiếp âm Aif < A’i

T < < -1 : mong muốn hoạt động

25

Theo định nghĩa trở kháng ngõ vào nhìn từ nguồn dòng:

Với Z’i là trở kháng ngõ vào khi không hồi tiếp : Gi = 0

26

Theo định nghĩa trở kháng ngõ ra :

27

Câu hỏi ôn tập

• Ứng dụng của hồi tiếp âm?

• Ảnh hưởng độ lợi của MKĐHT?

• Ảnh hưởng trở kháng vào/ra của MKĐHT?

31

Bài tập 1

32

Bài tập 2

33

Bài tập 3

V1

ii

RE221K

Rf10K

RC12K

RC22K

iL

RL10

+VCC

RE211K

T1

VL

34

R111K

RC11K

RE1100

R2210K

R1210K

RC22K

RE21K

35

Bài tập 5

R4 10

V i

R2 100k

V"L

R1 1k

hib3

0

R4 10

T2 1R1001 T1

0

T2

0

R7 1k

T3 2N1132

RB R1

1k

VCC

R3 1k

R6 10

+

0 0

0

T1 1R1001

R5 1k

0

R3 1k

36

R4 10k

VL

R6 1k R2

1k

R1

1k

R3 1k

C

C

R5 1k

0

VCC

37

Bài tập 7

VCC_CIRCLE

R3 100

0

Q1

R1 1k

ii

C1 C

R2

10k

IL

C2 C

R4 1k

38

Bài tập 8

0

R2 1k

Q1 1R1001

+

Q2 1R1001

C4 C

Ri

1k

VL

R6 10k

VCC_CIRCLE

C5 C V2

SOURCE VOLTAGE

R1 10k

R11

1k

C2 C

0

R8 500

R10 82

_

R3 500

0

R4 22

R9 22

0

R7 1k

39

T6 1K

C2

V i

T2 C1

1k

50 1M

Rf

1k

1k 1k

Bài tập 10

41

Bài tập 11

42

Bài tập 12

44

Bài tập 13

• BJT Q1 ( 1 = 100), Q2 ( 2 = 200) và Q3 ( 3 = 50)

45

a) Khi nguồn cung cấp Vdc = 15V, xác định dòng điện

tĩnh của mỗi BJT (ICQ1, ICQ2, ICQ3)?

b) Giả sử các BJT có hie1 = 2KΩ, hie2 = 20Ω, hie3 =

200Ω, vẽ sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ? Xác định

độ lợi dòng xoay chiều Ai = iL/ii?

c) Thực hiện 1 kết nối điện trở Rf (vị trí F) đến các vị

trí 1, 2 hoặc 3 để mạch đạt hồi tiếp âm? Khi đó, xác định tính chất sai lêch áp hay sai lệch dòng của

mạch khuếch đại hồi tiếp? Tính độ lợi vòng T?

46

Bài tập 14

• BJT (hfe1 = hfe2 = 100, hie1 = hie2 = 1KΩ)

47

a) Vẽ mạch tương đương tín hiệu nhỏ và xác định độ

lợi áp xoay chiều Av =Vo/Vi?

b) Xác định 1 kết nối thích hợp giữa điểm A và các vị

trí (1, 2, 3) để mạch đạt được hồi tiếp âm (kèm giải thích ngắn gọn)? Xác định tính chất của mạch hồi tiếp (hồi tiếp áp hay dòng, sai lệch áp hay dòng)

trong trường hợp này?

c) Trong trường hợp điểm A kết nối tới vị trí 3, tính độ

lợi vòng T và độ lợi áp xoay chiều Avf =Vo/Vi trong trường hợp này?

48

Bài tập 15

49

Bài tập 16

50

Bài tập 17

51

Bài tập 18

52

Bài tập 19

53

Bài tập 20

54

Bài tập 21

55

Chương 2: Đáp ứng tần số

1

• Nguyên nhân của việc đáp ứng tần số là do:

– Bên ngoài: tụ ghép và tụ bypass (vùng tần số thấp)

– Bên trong: điện dung ký sinh giữa các chân BJT (vùng tần số cao)

Đáp ứng tần số dạng tổng quát

• Ở dãy tần số thấp: các tụ gắn bên ngoài.

• Ở dãy tần dãy giữa: không xét ảnh hưởng của tụ.

• Ở dãy tần số cao: các điện dung ký sinh bên trong của linh kiện.

Tần số giữa

Tần số cao

Tần số thấp

Trở kháng tương đương RC

9

Mô hình tương đương của BJT/FET

tín hiệu nhỏ tần số thấp

11

Ảnh hưởng của tụ thoát

12

1 1

Giản đồ bode của hàm truyền: ωz1 < ωp1

2 1

2

17

Ảnh hưởng của tụ ghép

18

 Giả sử ta có ωp1 < ωp2

|A im |

21

L im im

Ảnh hưởng của tụ thoát và tụ ghép

23

R R R

Mô hình tương đương của BJT/FET

tín hiệu nhỏ tần số cao

28

Mạch CE tần số cao

30

• Để tăng tính ổn định, người ta thường gắn thêm 1 tụ

CBC từ cực B sang cực C có giá trị tầm vài nF để hồitiếp âm Khi đó tổng điện dung giữa cực B và E là

C = Cbe + C’Mvới C’M là điện dung Miller có được khi áp dụng định

lý Miller với Cbc//CBC

C’M = (CBC+Cbc)( 1 + gmR’L )

sẽ được ảnh hưởng nhiều nhất bởi tụ CBC, do đó ta chủđộng điều chỉnh được đáp ứng của mạch khuếch đạibằng cách điều chỉnh CBC

C’M ≈ CBC( 1 + gmR’L )

Mạch CS tần số cao

33

gd

m d

ds

g R

r

1

M gs

i h

M gs

i

d ds

m i

d

v

C C

r

f

C C

r j

R r

g v

1

||

khi

m

d ds

gd

m gd

d ds

m i

d

v

R r

g

R r

C j

g C

j R

r

g v

v

A

Mạch CD tần số cao

36

s ds

m gs

s ds

gd

C j

R

r i

v

gd s

ds

s ds

gd i

C C

R r

j

R r

C j C

j

Z

1 '

1

||

1 1

||

'

1 1

1

gd i

m gs

i gs gd

m v

o

i o

C r j g

C j

r C

C j

g i

v

Z

i

1/

1

11

0 '

'

i

g g

s i

s v

v

v v

v v

v A

1

||

vì 1

s ds m

s ds gs

m gs

s ds m

s ds m

g

R r

g

R r

C j

g

C j

R r

g

R r

g

v

v

gs m

s ds

m gs

gd i

i

g

C

g R

r g C

C r j v

v

/

khi

||

( 1

/ 1

1

Mạch tương đương SF ở tần số cao

gs m

s ds i

gd

s ds

i

i i

g

C

g R

r r C j

R r

r r

v

v

/

hoac

Bài tập 1

• Cho Q1: hfe=80; hie=2,5KΩ, Cb’e=250pF, Cb’c=0

• Q2: hfe=60; hie=2KΩ, Cb’e=200pF, Cb’c=20pF

41

a) Vẽ sơ đồ tương đương ở tín hiệu nhỏ tần số

thấp Thành lập biểu thức Ai ở tần số thấp Vẽ biểu đồ Bode |Ai| ở tần số thấp.

b) Vẽ sơ đồ tương đương ở tín hiệu nhỏ tần số

cao Thành lập biểu thức Ai ở tần số cao Vẽ biểu đồ Bode |Ai| ở tần số cao.

c) Từ câu a) và câu b) Tính bănh thông -3dB:

BW-3dB, độ lợi dãy giữa Aim và tích số độ lợi khổ tần GBW của mạch khuếch đại trên.

42

Bài tập 2

• BJT (hfe = 100, hie = 1KΩ)

43

a) Trong trường hợp C1 = 1µF và C2 có giá trị rất lớn,

xác định biểu thức và vẽ biên độ của độ lợi áp xoay chiều |Av = vo/vi |theo tần số (dựa trên phương pháp tiệm cận gần đúng)

b) Trong trường hợp C1 có giá trị rất lớn và C2 = 10µF,

tìm tần số cắt thấp (-3dB) của mạch trên

c) Xác định giá trị của C1 và C2 để mạch có tần số cắt

thấp (-3dB) fL = 300Hz

44

Bài tập 3

• FET (gm = 5.10-3 mho, rds = 20KΩ, Cgs = 100pF)

45

a) Vẽ sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao của

mạch trên

b) Xác định biểu thức của độ lợi áp xoay chiều Av =

vo/vi và tìm tần số cắt cao (-3dB) của mạch trên

c) Tìm lại tần số cắt cao (-3dB) của mạch trên trong

trường hợp FET có thêm tụ ký sinh Cgd = 10pF

46

Bài tập 8

Tìm độ lợi dòng dãy giữa và tần số cắt trên 3dB

51

Bài tập 11

Tính và vẽ |Yo|.

54

Bài tập 12

• hfe = 100

• hie = 1KΩ

55

a) Giải thích ngắn gọn vai trò và ảnh hưởng của các tụ điện C1

d) Trong trường hợp tụ C1 có giá trị rất lớn và tụ C2 = 10uF, xác

định biểu thức và vẽ (theo phương pháp tiệm cận) đáp ứng

(theo Hz) của mạch?

56

Chương 3: MKĐ cộng hưởng

1

Nội dung

• Mạch cộng hưởng RLC.

• Song song

• Nối tiếp

• Khuếch đại cộng hưởng đơn tầng.

• Khuếch đại cộng hưởng đồng bộ.

• Khuếch đại cộng hưởng dùng biến áp.

• Khuếch đại cộng hưởng dạng Cascode.

• Thiết kế mạch khuếch đại công hưởng.

2

Khuếch đại cộng hưởng

4

5

Khuếch đại cộng hưởng đơn tầng

A

RC



2 1

6

R g i

f f

Ảnh hưởng r bb’

8

1k 10k

9

Khuếch đại cộng hưởng dùng biến áp

10

   

2 '

' 2 0

0 0

||

||

where

/ /

1

1

a

R R

r

R

C a C

C

RC Q

jQ

R

ag i

i

A

b p

i

b i

i

m i

RC BW

C L

1

2 0

Khuếch đại cộng hưởng nối tiếp

Khuếch đại cộng hưởng đồng bộ

10k

100 i

C1 i

' i

/ri

n:n

1 1

Rg C1

V

C3 Rd2

Rg C

Rd1

C2

C r

Vi

j N

j

m

N

R g

a

j .

2N422 3

Rg

1k L2

L1

15

Tác dụng:

- Điện dung ngỏ vào thấp do điện dung Miller của

tầng 1 thấp.

- Điện cảm tại tần số cộng hưởng đủ lớn => điện trở

song song của L đủ lớn => Q cao

17

23 RFC

15V

Cc2

RFC

+ 15V

Cc3

10K V

18

hib có trị số thấp

CM có trị số bé

Rp lớn

19

a) Vẽ sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ.

b) Tìm tỉ số biến áp

c) Tìm băng thông của mạch này

d) Xác định hệ số khuếch đại dòng tại tần số cộng

hưởng và viết hàm truyền Ai

21

Bài tập 2

• BJT (hfe =  = 100, hie = rbe = 2.5KΩ)

• Tỉ số biến áp N1:N2 = 1:2

22

a) Vẽ sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ?

b) Tính tần số cộng hưởng?

c) Tính độ lợi áp Av = Vo/Vi tại tần số cộng hưởng?

d) Tính hệ số phẩm chất và xác định tần số cắt thấp (-3dB) và tần số cắt cao

(-3dB) của toàn mạch cộng hưởng?

e) Xác định giá trị của tụ điện C1 và cuộn dây L1?

f) Làm lại câu e trong trường hợp cuộn dây L2 có hệ số phẩm chất Qc = 20? g) Làm lại câu e trong trường hợp BJT có tụ ký sinh Cbe = 1000pF?

23

Bài tập 3

24

Bài tập 4

• BJT (hfe =  = 100, hie = rbe = 2.5KΩ)

26

a) Vẽ sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ?

b) Tính giá trị tần số cộng hưởng theo Hz?

c) Tính hệ số phẩm chất và băng thông của toàn mạch cộng hưởng?

d) Tính độ lợi áp Av = Vo/Vi tại tần số cộng hưởng và tại tần số 1MHz?

e) Xác định giá trị của tụ điện C1 và cuộn dây L1?

f) Làm lại câu e trong trường hợp cuộn dây L2 có hệ số phẩm chấtQc = 20?

27

Chương 4: Mạch dao động

1

Nội dung

• Mạch dao động hình sin tần số thấp: MKĐ hồi tiếp có độ lợi vòng T=1 (hồi tiếp dương) tại 1 tần số và |T|<1 tại các tần số khác.

– Mạch dao động dịch pha RC

– Mạch dao động cầu Wien

• Thiết kế mạch dao động tần số thấp.

2

Nguyên lý dao động

• Tiêu chuẩn Barkhausen:

3

Tiêu chuẩn Barkhausen

4

Mạch dao động dịch pha RC

• Trễ hay sớm pha?

• Cần tối thiểu bao nhiêu tầng RC?

5

• Tính chính xác

6

• Rf = 29Ri

7

10

Mạch dao động cầu Wien

12

• Nếu độ lợi vòng hở (AC) bằng 1 V/V thì mạch dao động tại tần số đó.

16

Chỉnh tần số dao động

17

Bài tập 1

• Vẽ 1 sơ đồ mạch dao động (dạng sóng sin) tần

số 1KHz, biết rằng chỉ có 1 Op-Amp lý tưởng, các điện trở (xác định giá trị) và

a) 3 tụ điện C1 = 0.1uF, C2 = 0.2uF, C3 = 0.3uF b) 3 tụ điện C1 = 0.16uF, C2 = 0.2uF, C3 =

0.8uF.

20

Bài tập 2

21

Bài tập 3

22

Chương 5: Mạch lọc

1

Phân loại mạch lọc

3

Mạch lọc thông thấp thụ động

4

Mạch lọc thông thấp tích cực

5

Mạch lọc thông thấp tích cực (tt)

• Sallen & Key 2

8

• Sallen & Key 3

9

Mạch lọc thông cao thụ động

10

Mạch lọc thông cao tích cực

11

Mạch lọc thông cao tích cực (tt)

12

Mạch lọc thông dải thụ động

13

Mạch lọc thông dải tích cực

14

Độ dốc bộ lọc ghép liên tầng

15

Tiêu chuẩn tối ưu

• Dải thông phẳng cực đại  Butterworth

• Khoảng dịch chuyển dải thông-dải chắn nhỏ

 Tschebyscheff

• Pha tuyến tính  Bessel

17

Thiết kế bộ lọc Butterworth

18

Thiết kế bộ lọc Butterworth (tt)

19

Thiết kế bộ lọc Butterworth (tt)

20

Lọc thông cao

• Thay s bởi 1/s

• Thay R bởi C và ngược lại

24

Lọc thông dải

• Thay s bởi

• Nối tiếp lọc thông thấp với lọc thông cao

25

Lọc thông dải bậc 2

26

Bộ lọc chắn dải

• Thay s bởi

28

Mạch lọc chắn dải cầu đôi T

29

Mạch lọc chắn dải Wien-Robison

30

Mạch lọc toàn dải

31

Bài tập 1

• Vẽ 1 sơ đồ mạch dùng các Op-Amp lý tưởng, điện trở và tụ điện (xác định giá trị các linh kiện) để mạch có dạng lọc thông thấp Butterworth bậc 3 với tần số cắt (-3dB) là 1KHz và độ lợi lớn nhất là 10, biết rằng hàm truyền tổng quát của mạch lọc thông thấp Butterworth bậc 3 chuẩn hóa với tần số cắt 1rad/s

33

A0 = 1 + R4/R3

Bài tập 2

34

Bài tập 3

a) Trong trường hợp R1 = 1KΩ, R2 = 2KΩ, R3 = R4 = 12KΩ, C1 = C2 =

μF, tính tần số cắt (-3dB) của mạch lọc trên?

b) Vẽ 1 sơ đồ mạch và xác định giá trị các linh kiện để mạch có dạng lọc

thông thấp Butterworth bậc 2 với tần số cắt (-3dB) là 1KHz và độ lợi lớn nhất là 10, biết rằng hàm truyền của mạch lọc thông thấp Butterworth bậc

2 chuẩn hóa với tần số cắt 1rad/s có dạng: G0/ )

35

A0 = 1 + R4/R3