Khuếch đại sử dụng BJT Nguyễn Quốc Cường, Đại học Bách Khoa Hà Nội

1 Khuếch đại sử dụng BJT Nguyễn Quốc Cường – 3I 2 Phân cực cho BJT • Để cho BJT có thể hoạt động ở chế độ khuếch đại, thì cần: Thiết lập các phân cực – V BE phân cực thuận – V BC phân cực ngược • Các tín hiệu ac sẽ được khuếch đại trên nền tín hiệu dc 3 Nhắc lại mô hình EbersMoll Mô hình EbersMoll của npn transistor 4 Ta rút ra quan hệ: với 5 Chế độ tích cực thuận • Trong chế độ tích cực thuận, vBE dương trong khoảng 0.6 đến 0.8V còn v BC âm. Ta có thể bỏ qua thành phần • Ta có Thường các thành phần IS có thể bỏ qua, ta sẽ có 6 Bảng tổng kết quan hệ dòng điện trong chế độ tích cực thuận 7 npn pnp 8 Phân cực sử dụng nguồn cung cấp đơn dấu Kiểu phân cực đơn giản sử dụng một nguồn đơn dấu: (a) mạch; (b) mạch tương đương sử dụng định lý Thevenin 9 • Ta có • Để cho dòng điện IE ít chịu ảnh hưởng của sự thay đổi của nhiệt độ (dẫn đến sự thay đổi của VBE )và của hệ số  thì ta chọn Câu hỏi: 1. Cần chọn VBB trong nào ? 2. Nếu chọn RB nhỏ thì sẽ có ảnh hưởng gì đến trở kháng vào của mạch khuếch đại ? 10 • V BB: cho điện áp nguồn cung cấp là VCC – V BB sẽ lớn nhất = VCC và nhỏ nhất là bằng VCCICRCVCB – Chúng ta cũng muốn ICRC là lớn để khoảng thay đổi tín hiệu của VC là lớn trước khi mà BJT chuyển qua trạng thái cutoff – Chúng ta cũng muốn VCB (cũng có nghĩa là VCE) lớn để khoảng thay đổi tín hiệu của VC là lớn trước khi BJT chuyển qua trạng thái bão hòa. – Hai điều kiện sau sẽ hạn chế chọn VBB lớn. – Có thể chọn VBB = VCB = ICRC = 13VCC • R B: – Nếu chọn RB nhỏ sẽ dẫn đến trở kháng vào của mạch khuếch đại nhỏ. Điều này không mong muốn khi mà một bộ khuếch đại cần trở kháng vào lớn, trở kháng ra nhỏ (để dễ ghép tầng các bộ khuếch đại). 11 Phân cực sử dụng điện trở phản hồi từ C đến B (a)mạch phân cực sử dụng điện trở phản hồi (b)mạch phân tích 12 • Có Để cho dòng IE ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và của sự thay đổi của  cần chọn Việc chọn giá trị của R_B phụ thuộc vào điều kiện khoảng điện áp thay đổi của V_C 13 Phân cực sử dụng nguồn dòng (a) mạch phân cực sử dụng nguồn dòng Ưu điểm: dòng IE không phụ thuộc RB và  do đó điện trở RB có thể lớn để tăng trở kháng vào của mạch mà không ảnh hưởng đến tính ổn định của mạch 14 (b) mạch ứng dụng thực tế Giả thiết Q1 và Q2 có các đặc tính giống nhau. Q1 và Q2 có cùng điện áp VBE do đó IC1 = IC2 Nếu hệ số  lớn ta có thể bỏ qua dòng IB do đó I = I C1 = IC2 ≈ IREF Mạch Q1 và Q2 được biết như là mạch gương dòng (current mirror) 15 Mô hình với tín hiệu nhỏ (a) mạch nguyên lý mô tả hoạt động của BJT trong chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ. (b) mạch (a) với nguồn vbe được loại bỏ để phân tích dc Tiếp giáp BE phân cực thuận nhờ nguồn VBE Tiếp giáp CE phân cực ngược nhờ nguồn VCC nối qua điện trở RC Điện áp cần khuếch đại vbe là xếp chồng với VBE 16 Dòng collector • Chế độ phân cực, vbe = 0, khi đó • Khi thiết lập vbe, thì điện thế vBE bằng • Như vậy dòng collector sẽ bằng • Nếu v be VB (¼ 0.7V)  BJT hoạt động ở chế độ tích cực thuận 32 Điện áp đầu ra Hệ số khuếch đại điện áp 33 Mô hình tín hiệu nhỏ của BJT có tính đến hiệu ứng Early • Hiệu ứng Early: giá trị dòng điện iC phụ thuộc không chỉ vào điện ap vBE mà còn phụ thuộc vào điện áp vCE. • Để tính đến ảnh hưởng của hiệu ứng Early, một điện trở đầu ra,ro, được thêm vào nguồn dòng có điều khiển. Với V A là điện áp Early, IC là dòng phân cực collector 34 Mô hình tín hiệu nhỏ hybrid  của BJT có tính đến hiệu ứng Early. Chú ý, ở đây chúng ta thay rbe bằng r để cho phù hợp với một số ký hiệu thường được sử dụng trong các sách. 35 Mô hình tín hiệu nhỏ T của BJT có tính đến hiệu ứng Early. 36 Khuếch đại sử dụng BJT • Trước khi xem xét các mạch khuếch đại một tầng sử dụng BJT, chúng ta sẽ định nghĩa các thông đặc trưng của một mạch khuếch đại thực 37 Các thông số 38 39 40 41 Các mạch tương đương • Với các thông số định nghĩa như trên, một mạch khuếch đại có thể biễu diễn dưới dạng các mạch tương đương sau: 42 43 Các quan hệ 44 Mạch khuếch đại E chung • Mạch CE (CommonEmitter) là mạch sử dụng nhiều nhất trong tất cả các mạch khuếch đại sử dụng BJT 45 • Mạch CE sử dụng nguồn dòng để phân cực. • Để tạo một điểm đất cho tín hiệu tai E, một tụ CE được sử dụng giả thiết là ngắn mạch đối với các tần số tín hiệu, và hở mạch với tín hiệu dc. Tụ CE được gọi là tụ bypass. (thường được chọn từ vài F đến vài chục F). • Để ngăn cách thành phần dc giữa mạch khuếch đại và nguồn tín hiệu, tụ CC1 được sử dụng. Tụ CC1 sẽ chỉ cho tín hiệu xoay chiều của nguồn đi qua, và chặn tín hiệu dc. Tụ CC1 được gọi là tụ coupling, tụ ghép tầng đầu vào. • Tín hiệu tại collector được với tải RL thông qua tụ CC2. Tụ này có tác dụng ngăn thành phần dc và chỉ cho thành phần tín hiệu đi qua. Như vậy điện áp vc = vo. 46 Mạch tương đương Tại đầu vào với r ib là điện trở vào của base Khi mà E nối đất (qua tụ bypass) thì Nếu chúng ta chọn RB >> r thì 47 hệ số khuếch đại áp Điện áp đặt vào đầu input của bộ khuếch đại là Với Ta có hệ số khuếch đại từ base đến collector Nếu hở tải R L = 1 thì Hiệu ứng Early, r_o, làm giảm hệ số khuếch đại của mạch. Nếu r_o >> R_C thì 48 Điện trở ra của mạch: để xác định điện trở ra, ngắn mạch nguồn tín hiệu v sig,  v = 0. Khi đó Nếu r o >> RC thì ta có Rout = RC Hệ số khuếch đại điện áp từ nguồn đến tải, Gv là Nếu R B >> r thì 49 • Nếu R sig >> r thì hệ số khuếch đại phụ thuộc nhiều vào , điều này là đặc tính không mong muốn khi mà hệ số  của BJT thay đổi trong một phạm vi lớn giữa các BJT cùng loại. • Nếu R sig > r thì Ais =  51 khuếch đại CE • Mạch khuếch đại CE có các đặc tính: – Có thể cung cấp hệ số khuếch đại dòng, và khuếch đại áp lớn. – Điện trở vào nhỏ, điện trở ra lớn (các đặc tính này thường không mong muốn cho một mạch khuếch đại) 52 Khuếch đại base chung Tín hiệu input đặt vào tại cực E. Tín hiệu output lấy ra tại cực C. Các tụ CC1 và CC2 là các tụ coupling 53 Mạch tương đương Ở đây chúng ta sử dụng mô hình tương đương tín hiệu nhỏ kiểu T. Để cho đơn giản trong phân tích hoạt động của mạch khuếch đại B chung, mô hình T sử dụng ở đây không có ro (trong thực tế mạch B chung sử dụng các phần tử rời thì ảnh hưởng của ro là không đáng kể). 54 hệ số khuếch đại áp, dòng Điện trở vào: Điện áp ra vo Với dòng điện ie Hệ số kđ Hệ số kđ hở mạch, RL = 1 Điện trở ra của mạch 55 hệ số khuếch đại dòng Điện áp đặt vào kđ Hệ số kđ từ nguồn đến tải Hệ số kđ dòng ngắn mạch 56 Khuếch đại CB • Mạch CB có đặc tính: 1. Điện trở vào thấp (re cỡ vài ohm đến vài chục ohm), điện trở ra lớn (RC) 2. Hệ số khuếch đại dòng ngắn mạch gần 1 (bằng ). 3. Hệ số kđ điện áp hở mạch bằng gmRC (tương tự mạch CE) Mạch CB thường được sử dụng làm mạch đệm dòng (current buffer): dòng tín hiệu tại đầu vào với điện trở thấp được chuyển thành dòng điện có điện trở ra cao tại collector. 57 Mạch C chung Tín hiệu input đặt vào B Tín hiệu output lấy ra tại E Có các tụ coupling CC1 và CC2 58 Mạch tương đương tín hiệu nhỏ Sử dụng mô hình tương đương tín hiệu nhỏ T với ro ( Ở đây việc có điện trở ro không làm phức tạp mạch vì ro được nối song song với tải) (b) sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ (c) sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ được vẽ lại với ro || RL 59 hệ số kđ, điện trở inout Điện trở vào từ base: Điện trở vào R vào phụ thuộc vào RL Hệ số kđ áp từ nguồn đến tải hệ số nhỏ hơn 1. thì hệ số Gv ¼ 1. Như vậy điện áp ra tại emitter gần bằng điện áp vào  chính vì thế mạch có tên lặp emitter, emitter follower Nếu và Hệ số kđ không tải, RL = 1 60 Điện trở ra của mạch kđ Thường thì điện trở r_o lớn, do đó 61 Sơ đồ tương đương sử dụng để tính Gv và vo khi có tải RL 62 khuếch đại CC Mạch kđ C chung có một số tính chất sau: 1. Điện trở vào lớn, điện trở ra nhỏ. Tính chất này được sử dụng để làm các mạch đệm đầu ra. 2. Hệ số khuếch đại áp gần 1 3. Hệ số khuếch đại dòng lớn 4. Vì điện áp giữa output và input chỉ sai khác bởi thành phần điện áp trên B và E, do đó mạch cho phép làm việc với một giải rộng biên độ tín hiệu đầu vào.

Khuếch đại sử dụng BJT

Nguyễn Quốc Cường – 3I

Nhắc lại mô hình Ebers-Moll

Mô hình Ebers-Moll của npn transistor

Ta rút ra quan hệ:

với

Bảng tổng kết quan hệ dòng điện trong chế độ tích

cực thuận

7

• Ta có

• Để cho dòng điện IE ít chịu ảnh hưởng của sự thay

đổi của nhiệt độ (dẫn đến sự thay đổi của VBE )và

– Có thể chọn VBB = VCB = ICRC = 1/3VCC

• RB:

– Nếu chọn RB nhỏ sẽ dẫn đến trở kháng vào của mạch khuếch đại nhỏ Điều này không mong muốn khi mà một bộ khuếch đại cần trở kháng vào lớn, trở kháng ra nhỏ (để dễ ghép tầng các bộ khuếch đại).

Phân cực sử dụng nguồn dòng

(a) mạch phân cực sử dụng nguồn dòng

Ưu điểm: dòng IE không phụ thuộc RB và 

do đó điện trở RB có thể lớn để tăng trở kháng vào của mạch mà không ảnh hưởng đến tính ổn định của mạch

I = IC1 = IC2 ≈ IREF

Mạch Q1 và Q2 được biết như là mạch gương dòng

(current mirror)

Mô hình với tín hiệu nhỏ

(a) mạch nguyên lý mô tả hoạt động của BJT trong chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ (b) mạch (a) với nguồn vbe được loại bỏ để phân tích dc

Tiếp giáp BE phân cực thuận nhờ nguồn VBE

Tiếp giáp CE phân cực ngược nhờ nguồn VCC nối qua điện trở RC

Điện áp cần khuếch đại vbe là xếp chồng với VBE

Dòng collector

• Chế độ phân cực, vbe = 0, khi đó

• Khi thiết lập vbe, thì điện thế vBE bằng

• Như vậy dòng collector sẽ bằng

• Nếu vbe << vT thì chúng ta có thể tính gần đúng

xấp xỉ tín hiệu nhỏ(để xấp xỉ chính xác giá trị v không vượt quá 10mV)

Hoạt động tuyến tính của transistor dưới điều kiện tín hiệu nhỏ: Một tín hiệu nhỏ vbevới dạng sóng tam giác được xếp chồng trên điện áp dc VBE Điều này cũng dẫn đến một dòng icthay đổi theo dạng sóng tam giác xếp chồng lên dòng dc IC Ở đây, ic= gmvbe với gmlà độ dốc của đường

iC-vBEtại điểm phân cực Q

chỉ đúng với điều kiện tín

hiệu nhỏ

Ta có điện trở base-emitter nhìn từ cực base, r

hay

Ta có quan hệ giữa re và r

Hay

Hệ số khuếch đại điện áp

Chúng ta có

có thể coi như mạch nguồn dòng điều khiển bằng điện áp

Để có đầu ra điện áp, dòng iC được chạy qua một điện trở RC

Ta có

với VC là điện áp phân cực dc

Như vậy để xem xét hoạt động của tín hiệu (thành

phần tín hiệu nhỏ) trong BJT, ta có thể áp dụng quy

tắc:

1) Các nguồn áp dc sẽ được coi là ngắn mạch

2) Các nguồn dòng dc sẽ coi như hở mạch

Chú ý, việc thay thế này chỉ áp dụng để xem xét sự thay

đổi của các dòng điện và điện áp tín hiêu qua BJT Nó

không phải là một mạch khuếch đại thực (tức là mạch

không thể hoạt động nếu không có mạch phân cực dc)

Hai mô hình khác nhau của mô hình hybrid-\pi cho hoạt động tín hiệu nhỏ của BJT.

Mạch tương đương (a) thể hiện BJT như là một nguồn dòng được điều khiển bằng điện áp Mạch tương đương (b) thể hiện BJT như một nguồn dòng điều khiển bằng dòng điện

Chú ý: Các tham số của các mô hình trên được đưa ra tại một điểm phân cực Thể hiện là cá giá trị gm, r phụ thuộc vào

dòng điện IC phân cực

Mô hình T

Hai kiểu khác nhau của mô hình T của BJT.

(a) Mô hình nguồn dòng điều khiển bằng điện áp.

(b) Mô hình nguồn dòng điều khiển bằng dòng điện.

Hai mô hình này thể hiện thông qua điện trở re hơn là điện trở r như trong

mô hình hybrid- 

28

4 Thay thế BJT với một trong các mô hình tương đương

tính hiệu nhỏ Tùy thuộc vào các mạch cụ thể việc sử

dụng các mạch tương đương phù hợp sẽ thuận tiện cho việc phân tích mạch

5 Phân tích mạch và tính các giá trị yêu cầu (hệ số khuếch

đại điện áp, điện trở vào)

Ví dụ

• Xác định hệ số khuếch đại điện áp của mạch BJT cho

trên hình vẽ, giả thiết \beta = 100

VC > VB ( ¼ 0.7V)  BJT hoạt động ở

chế độ tích cực thuận

Điện áp đầu ra

Hệ số khuếch đại điện áp

Mô hình tín hiệu nhỏ hybrid  của BJT có tính đến hiệu ứng Early.

Chú ý, ở đây chúng ta thay rbe bằng r để cho phù hợp với một số ký hiệu thường được sử dụng trong các sách.

Mô hình tín hiệu nhỏ T của BJT có tính đến hiệu ứng Early.

Khuếch đại sử dụng BJT

• Trước khi xem xét các mạch khuếch đại một tầng sử

dụng BJT, chúng ta sẽ định nghĩa các thông đặc trưng của một mạch khuếch đại thực

Các thông số

38

Các mạch tương đương

• Với các thông số định nghĩa như trên, một mạch khuếch đại có thể biễu diễn dưới dạng các mạch tương đương sau:

42

Các quan hệ

• Để ngăn cách thành phần dc giữa mạch khuếch đại và nguồn tín

hiệu, tụ CC1 được sử dụng Tụ CC1 sẽ chỉ cho tín hiệu xoay chiều của nguồn đi qua, và chặn tín hiệu dc Tụ CC1 được gọi là tụ coupling, tụ ghép tầng đầu vào.

• Tín hiệu tại collector được với tải RL thông qua tụ CC2 Tụ này có tác dụng ngăn thành phần dc và chỉ cho thành phần tín hiệu đi qua

Như vậy điện áp vc = vo.

Mạch tương đương

Tại đầu vào

với rib là điện trở vào của baseKhi mà E nối đất (qua tụ bypass) thì

Nếu chúng ta chọn RB >> r thì

Điện trở ra của mạch: để xác định điện trở ra, ngắn mạch nguồn tín

hiệu vsig,  v = 0 Khi đó

Nếu ro >> RC thì ta có R out = R C

Hệ số khuếch đại điện áp từ nguồn đến tải, Gv là

Nếu RB >> r thì

• Nếu Rsig >> r thì hệ số khuếch đại phụ thuộc nhiều vào

, điều này là đặc tính không mong muốn khi mà hệ số 

của BJT thay đổi trong một phạm vi lớn giữa các BJT

cùng loại

• Nếu Rsig << r thì ta có

Khuếch đại base chung

Tín hiệu input đặt vào tại cực E Tín hiệu output lấy ra tại cực C Các tụ CC1 và CC2 là các tụ coupling

tử rời thì ảnh hưởng của ro là không đáng kể).

Mạch C chung

Tín hiệu input đặt vào B

Tín hiệu output lấy ra tại E

Có các tụ coupling CC1 và CC2

Mạch tương đương tín hiệu nhỏ

Sử dụng mô hình tương đương tín hiệu nhỏ T với ro ( Ở đây việc có điện trở ro không làm phức tạp mạch vì ro được nối song song với tải)

(b) sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ

(c) sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ được vẽ lại với ro || RL

Điện trở ra của mạch kđ

Thường thì điện trở r_o lớn, do đó

Sơ đồ tương đương sử dụng để tính Gv và vo khi có tải RL