Kỹ thuật mạch điện tử - Chương 2 pps

Các “inh nahia cơ bản Hồi tiếp là ghép một phần tín hiệu ra điện áp hoặc dòng điện của mạng bốn cực tích cực về đầu vào thông qua một mạng bốn cực gọi là mạng hồi tiếp hình 2.1.. Hồi ti

Chương 2

HỒI TIẾP

2.1 Các “inh nahia cơ bản

Hồi tiếp là ghép một phần tín hiệu ra (điện áp hoặc dòng điện) của mạng bốn cực tích cực về đầu vào thông qua một mạng bốn cực gọi là mạng hồi tiếp (hình 2.1)

trọng trong kỹ thuật mạch tương tự

Hồi tiếp cho phép cải thiện các tính

chất của bộ khuếch đại, nâng cao chất

lượng của bộ khuếch đại

Người ta phân biệt hai loại hổi

tiếp cơ bản : hồi tấp am va hồi tiếp

dương Tín hiệu hồi tiếp âm ngược pha

K pt

Hình 2.1 Sơ đồ khối bộ khuếch đại có hồi tiếp

K : hệ số khuếch đại ; Kụt : hệ số hồi tiếp ; Xv : tín hiệu vào ;

vào Ngược lại, tín hiệu hồi tiếp dương Xh : tín hiệu hiệu ; X: : tín hiệu ra ; X§: : tín hiệu

hồi tiếp

với tín hiệu vào, nên làm yếu tín hiệu

đồng pha với tín hiệu vào do đó nó

làm mạnh tín hiệu vào Hồi tiếp dương thường làm cho bộ khuếch đại mất ổn định và trước hết nó được sử dụng để tạo dao động

Ngoài ra, còn phân biệt hồi tiếp một chiếu và hồi tiếp xoay chiều Hồi tiếp âm một chiều được dùng để ổn định chế độ công tác, còn hồi tiếp âm xoay chiều được dùng để

ổn định các tham số của bộ khuếch đại

Trong chương này, ta sẽ chỉ xét hồi tiếp âm xoay chiều Hồi tiếp dương sẽ được xét cụ thể trong chương 10

Mạch điện của bộ khuếch đại có hồi tiếp được phân làm bốn loại :

a) Hồi tiếp nối Hiếp - diện úp (hình 2.2a) : tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào nối

tiếp với nguồn tín hiệu ban đầu và tỷ lệ với điện áp ở đầu ra

b) Hồi tiếp song song điện ớp (hình 2.2b) : tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào song song với nguồn tín hiệu ban đầu và tỷ lệ với điện áp ra

c) Hồi tiếp nối tiếp — dòng diện (hình 2.2c) : tín hiệu hồi tiếp về đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu ban đầu và tỷ lệ với dòng điện ra

ở) Hồi tiếp song song ~ dòng điện (hình 2.2d) : tín hiệu hồi tiếp về đầu vào song song với nguồn tín hiệu ban đầu và tỷ lệ với dòng điện ra

2.2 Các phương trình cơ bản của mạng bốn cực có hồi tiếp

Tất cả bốn loại mạch hồi tiếp trên đây đều có thể quy về sơ đồ khối tổng quát của một mạch điểu khiển như trên hình

2.3

Giả thiết các khối đều là các hệ

tuyến tính và tín hiệu chỉ chạy theo

chiều mũi tên

Từ sơ đồ khối, rút ra các quan hệ

sau đây :

X, = KX, 3 X, = KpX,

Xy = Xe ~ Ẩm ¡ Ấm: = Aner

Tổ hợp các phuong trinh nay cho

ta phương trỉnh cơ bản của mạng bốn

K, - hàm truyền đạt của khâu ghép

giữa nguồn tín hiệu X, và bộ khuếch

độ thay đổi các tham số của bộ khuếch

đại do hồi tiếp âm gây ra và đánh giá

mức độ ổn định của bộ khuếch đại đó

Khi |1 + KK,,| > 1 thi theo (2.1)

|K’| < |K|, tương ứng có hồi tiếp âm

Ngược lại, khi |1 + KẾ,| < 1

thi |K’| > |K|, nghĩa là mạch có hồi

K : hàm truyền đạt của mạng bốn cực khuếch đại ;

Km : hàm truyền đạt của mạng bốn cực hồi tiếp.

Hình 2.3 Sơ đồ khối toàn phần của bộ khuếch đại có hồi tiếp

Vậy, một hệ thống khép kín có hệ số khuếch đại vòng rất lớn, thì hàm truyền đạt

của nó hầu như không phụ thuộc vào các tính chất của mạng bốn cực khuếch đại mà

chỉ phụ thuộc vào tính chất của mạng bốn cực hồi tiếp Sự thay đổi các tham số của

phần tử tích cực và độ tạp tán của nó không ảnh hưởng đến các tính chất của bộ khuếch

đại có hồi tiếp Vi vậy, muốn xây dựng các bộ khuếch đại chính xác, phải dùng linh kiện

(chủ yếu là điện trở) chính xác trong khâu hồi tiếp

2.3 Phương pháp phân tích bộ khuếch đại có hồi tiếp

Để phân tích các mạch có hồi tiếp (ví dụ : tính hệ số khuếch đại, điện trở vào, điện trở ra, dải tần làm việc, .) cố thể dùng một số phương pháp khác nhau Các

phương pháp hay dùng nhất là áp dụng :

- Lý thuyết mạng bốn cực ;

- Các định luật Kiéc-khép ;

- Phương pháp phân tích khối trong kỹ thuật điều khiển

Ỏ đây để đơn giản ta dùng phương pháp phân tích khối trong kỹ thuật điều khiển,

vì phương pháp này cho phép nhanh chóng nhận ra được nguyên tác làm việc của mạch

va dé dàng chuyển tất cả các mạch có hồi tiếp về một "cấu trúc chuẩn" Trên cơ sở đó

xác định và đánh giá các đại lượng của mạch

Vấn đề cơ bản ở đây là tìm cách biến đổi mạch điện cần phân tích về dang chuẩn của một mạch điều khiển trên hình 2.3 Xuất phát từ đó sẽ lần lượt thực hiện quá trình phân tích theo bảng 2.1

Trong báng 2.1., Z, là đại lượng ra (Ư, hoặc ï,) được hồi tiếp về đầu vào Đại lượng

X, hoặc X, duge chon la dién óp nếu mạch có hồi tiếp nối tiếp và được chọn là dòng

điện nếu mạch có hồi tiếp song song Thường chọn X, cùng thứ nguyên uới X, Tuy

nhiên, điều đó không bắt buộc, X„ tuỳ theo cách chọn có thể là dòng hay áp đều được (xem ví dụ)

Cấu trúc của sơ đồ khối hình 2.3 được miêu tả bởi các phương trình X, = ƒ¡ ft)

và Xụ = /#(„, 2U)

29

Bảng 2.I Lưu đồ tính toán các mạch điện có hồi tiếp

Start )

Xác định X,

Hồi tiếp điên ap: X, = UL 1

Hồi tiếp dòng điện : X, = 7,

Hỏi tiếp song song :

X„ : dòng điện ngắn mạch của nguồn tín hiệu Biểu diễn nguồn tín hiệu

bằng sơ đồ tương đương dòng điện X.„X„ : dòng điện

Xây dựng hệ phương trình :

định các đại lượng mong muốn

Ví dụ : Tính mạch emito chung hồi tiếp âm dòng điện trên hình 2.4

Bước 1 : VÌ là mạch hồi tiếp dòng điện nên X, = Ï,

Bước 2 : Vì là mạch hồi tiếpnối tiếp , nền X„ là điện áp không tải của nguồn

tin hiéu, X, = U, ; X, = 1, (thuận lgi hon 1a chon X, = Up, vì trong mạch tương

đương của tranzistor, ta có đïp là đại lượng điều khiển)

30

2.4 Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến các tính chất của bộ khuếch đại

2.4.1 Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến độ ổn định của hệ số khuếch đại

Trong thực tế, có nhiều trường hợp người ta cẩn dùng các bệ khuếch đại có hệ số khuếch đại ổn định, không phụ thuộc vào nhiệt độ, vào các biết: đổi của điện áp nguồn, vào thời gian sử dụng cũng như vào độ tạp tán của tranzistor Bằng tính toán sau đây,

ta thấy bộ khuếch đại dùng hồi tiếp âm có thể đáp ứng được c4“ yêu cầu đó

Gọi sai số hệ số khuếch đại toàn phần của bộ khuếch đại có hổi tiếp là AK,, ; cla

bộ khuếch đại không có hồi tiếp la AK, vi phan biéu thie (2.2) theo K, K,, va K,, ta

Từ biểu thức (2.5) ta thấy rằng : Sai số tương dối hệ số khuếch dại có hồi tiếp

am nhỏ hơn (1 + KK,U lần so uới sai số tương dối hệ số khuếch dại của bộ khuếch dại khi không có hồi tiến

Trong khi đó, sai số của X„ và Kị, của bộ khuếch đại có hồi tiếp và không có hồi tiếp giống nhau Vì vậy, để có được các bộ khuếch đại chính xác, các phần tử thụ động cia mach (tạo nên mạch hồi tiếp và mạch ghép vào) phải có độ chính xác cao

Bảng 2.2

Loại mạch hồi tiếp Đại lượng được ồn định Loại mạch khuếch đại

v 2 v ý U,

Hồi tiếp âm nối tiếp-điện áp HIệ số khuếch đại điện áp : a Mạch khuếch đại điện áp

Hồi tiếp âm nổi tiếp-đòng điện Điện dân truyền đạt : i Mach biến đối áp dòng U — 7

32

Đối với bộ khuếch đại nhiều tầng, có thể thực hiện hồi tiếp từng tầng riêng biệt -

gọi là hồi tiếp bao một tầng hoặc hồi tiếp qua nhiều tầng gọi là hồi tiếp bao nhiều tầng (hinh 2.5)

Hình 2.5 Bộ khuếch đại nhiều tầng có hồi tiếp

a) hồi tiếp bao một tầng ; b) hồi tiếp bao nhiều tâng

Hồi tiếp bao nhiều tầng cho độ ổn định của hệ số khuếch đại cao hơn hồi tiếp bao

một tầng Thật vậy, nếu có bộ khuếch đại œ tầng, hệ số khuếch đại mỗi tầng là K và

hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại khi có hồi tiếp là K' thì với bộ khuếch đại dùng hồi tiếp âm bao từng tầng riêng rẽ (hỉnh 2.5a) ta co :

Từ (2.6) và (2.7) suy ra sai số tương đối hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại có

hồi tiếp 4m bao từng riêng rẽ :

2.4.2 Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến trở khóng vào

Hồi tiếp âm làm thay đổi trở kháng vào của phần mạch nằm trong vòng hồi tiếp

Sự thay đổi này chỉ phụ thuộc vào phương pháp mắc mạch hồi tiếp về đầu vào (nối tiếp hay song song) mà không phụ thuộc phương pháp lấy tín hiệu ở đầu ra để đưa vào mạch hồi tiếp Vi vậy, để tính trở kháng vào của bộ khuếch đại có hồi tiếp ta phân biệt hai trường hợp : hồi tiếp nối tiếp và hồi tiếp song song Sơ đồ tương đương đầu vào của

bộ khuếch đại có hồi tiếp nối tiếp và hồi tiếp song song được biểu diễn trên hình 2.6

Để đơn giản khi tính toán, ta dùng sơ đồ tương dương điện úp cho mạch hồi tiếp nối tiép va SƠ @gồ tương dương dòng diện cho mạch hồi tiếp song song (hình 2.6a uờ 3.6)

Hình 2.6 Sơ đồ tương đương đầu-vào của bộ khuếch đại có hồi tiếp (dùng đẻ tính trở kháng vào)

a) hồi tiếp nối tiếp ; b) mạch hồi tiếp song song

Tình 2.7 Sơ đồ tương đương đầu ra của bộ khuếch đại có hồi tiếp

a) hồi tiếp điện áp : b) hồi tiếp dòng điện.

Các đầu øa` trên hình 2.6 là các đầu ra của mạch hồi tiếp; rụ, là điện trở ra của

mạch hồi tiếp, chính là điện trẻ giữa hai đầu za'ˆ khi X, = 0 nghía là với mạch hồi tiếp điện áp ŒX, = Ư,) thì ngắn mạch các đầu 22” của bộ khuếch đại (hình 2.7a) ; với mạch

hồi tiếp dòng điện (X, = ï,) thì ngược lại, hở mạch đầu ra 22’ trên hình 2.7b

d) Trở kháng vào của bộ khuếch đại có hồi tiếp đm nối tiếp (hình 2.6q)

+ Khi không cố hồi tiếp (K,X, = 0) :

b) Trở kháng vào của bộ khuếch đại có hồi tiếp âm song song (hình 2.6b)

+ Khi không có hồi tiếp :

"hy Ủy U Th Ache

+ Khi có hồi tiếp :

2.4.3 Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến trở kháng ra

Trở kháng ra của một mạch được xác định theo biểu thức sau :

ở đây, AU; va Al, là lượng biến đổi của điện áp và dòng điện trên tải, tương ứng với

cùng một lượng biến thiên AZ, của trở kháng tải Nếu sơ đồ chỉ gồm các linh kiện tuyến

tỉnh thì có thể viết lại biểu thức (2.12a) dưới dạng :

với Ưm, - điện áp ra khi hở mạch tải ;

Img - dòng điện ra khi ngắn mạch tải

Hồi tiếp âm cũng làm biến đổi trở kháng ra của bộ khuếch đại Khác với trường hợp trở kháng vào, sự biến đổi này không phụ thuộc vào phương pháp dẫn tín hiệu hồi tiếp về đầu vào mà chỉ phụ thuộc phương pháp nối đầu ra bộ khuếch đại với đầu vào mạch hồi tiếp Do đơ, đế tính trở kháng ra ta phân biệt các trường hợp hồi tiếp điện

áp, hồi tiếp dòng điện và vẽ sơ đồ tương đương điện úp cho mạch hồi tiếp diện úp, sơ

đồ tương đương dòng điện cho mạch hồi Hếp dòng điện (hình 2.7)

Trên hỉnh 2.7, các đầu öö' là đầu vào của mạch hồi tiếp Để đơn giản, giả thiết

mạch hồi tiếp chỉ dẫn tín hiệu theo chiều mũi tên (từ phải sang trái) Nghĩa là ta bỏ

qua ảnh hưởng của phản tác dụng từ đầu ra (dau aa’) vé dau uào (đầu 6b’) Sai

số do giả thiết đó gây ra không đáng kể Theo giả thiết này, để xác định điện trở của

mạch hồi tiếp rvụ, phải cho X4, = 0 (nếu ÄX, # 0 thì trong mạch hồi tiếp sẽ cố một điện

áp không tái giữa bb) Vậy, với mạch hồi tiếp nối tiép X, = UY = 0 (ngắn mạch các dau 11' trên hình 2.6a) và với mạch hồi tiếp song song X, = l„ = 0 (ngắn mạch đầu 11' trên hình 2.6b) K, là hàm truyền của bộ khuếch dại không hồi tiếp khi hỏ mạch

tải (đầu 22’) ; Ky, 1 hàm truyền khi ngấn mạch tải Tương đương như vậy, ta có K’,

và K”,„ ứng với bộ khuếch đại có hồi tiếp

a) Trở kháng ra của bộ khuếch đại có hồi tiếp âm điện áp (hình 2.74)

+ Khi không có hồi tiếp : từ hình 2.7a xác định được

2, = ryirrp, ; thường ry << rvụ, nên

6 day, g, la độ sâu hồi tiếp khi hở mạch đầu ra 22'

Vậy hồi tiếp âm điện áp làm gđuảin diện trở ra của phần mạch nằm trong uòng hồi

tiếp g lin

b) Trở kháng ra của bộ khuếch đại có bồi tiếp âm dòng điện (hinh 2.76)

+ Khi không có hồi tiếp

Từ hình 2.7h rút ra :

36

Nhờ hồi tiếp âm, dải động của bộ khuếch đại được mở rộng Thật vậy, khi không

có hồi tiếp thÌ toàn bộ tín hiệu dược đưa đến đầu vào bộ khuéch dai, do dé X, = X, Khi có hồi tiếp, chỉ có một phần tín hiệu được đặt vào bộ khuếch đại :

Xy = Ay - Ky, = X - KKy Xp suy ra

%

8 Ngoài ra, vì tín hiệu vào của bộ khuếch đại có hồi tiếp Xụ nhỏ hơn tín hiệu vào của bộ khuếch đại không hồi tiếp X\L là ø lần, nên méo phi tuyến (xem biểu thức 1.57)

do độ cong đường đặc tính truyền đạt của bộ khuếch đại gây ra, tương ứng cũng giảm

đi Ít nhất là bấy nhiêu lần

Đó là một trong những ưu điểm lớn nhất của hồi tiếp âm vì nhờ đó có thể nâng cao tính chân thực và độ nhạy của bộ khuếch đại

xX, =

2.4.5 Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến tạp âm

Giả thiết tạp âm ngoài đưa vào giữa hai tầng của một bộ khuếch đại Từ sơ đồ

khối hình 2.8 viết được biểu thức

Từ (2.19) ta thấy : trong mạch có hồi tiép, tap 4m 4 ddu ra X,,,, giam di K,K,Ky,

lần Từ (2.19) rút ra tỷ số :

Xna 7 Xe 20)

Theo (2.20), tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở đầu ra càng l6n khiK, cang lén va chỉ

có thể khử loại tạp âm xuất hiện sau tầng thứ nhất, không thể giảm nhỏ loại tạp âm

xuất hiện ở ngay đầu vào bộ khuếch đại

2.4.6 Ảnh hưởng của hồi tiếp đến đặc tính động của bộ khuếch đại

Giả thiết, hệ số khuếch

đại (giữa hai điểm 1, 2)

Hình 2.9 Bộ khuếch đại xoay chiều dải rộng

a) sơ đồ khối ; b) và c) sơ đồ tương đương

Rị = R//RV ; Rp = Rea//R2

38