Mạch điện tử - Chương 7

.Mạch điện tử cơ bản là giáo trình được biên soạn theo đề cương do Sở Giáo dục và Đào tạo thành phố Hà Nội xây dựng và thông qua. Đây là giáo trình dành cho chuyên ngành đào tạo hệ kỹ thuật v

Chương 7: MẠCH KHUẾCH ĐẠI HỒI TIẾP

7.1 Giới thiệu

7.2 Khái niệm cơ bản về mạch hồi tiếp

7.3 Độ lợi của mạch khuếch đại hồi tiếp điện áp

7.4 Trở kháng ngõ vào và ngõ ra

7.5 Ví dụ về phân tích mạch khuếch đại hồi tiếp

7.6 Mạch khuếch đại hồi tiếp và các hàm độ nhạy

7.7 Kỹ thuật thiết kế mạch khuếch đại hồi tiếp

7.8 Các ứng dụng khác của kỹ thuật hồi tiếp

7.1 Giới thiệu

Mạch khuếch đại lý thuyết

Mạch khuếch đại thực tế

Ÿ Kỹ thuật hồi tiếp

7.2 Khái niệm cơ bản về mạch hồi tiếp

4 cấu hình mạch hồi tiếp cơ bản:

Hồi tíêp điện áp, sai lệch dòng điện (voltage feedback and current error)

Hồi tiếp điện áp, sai lệch điện áp (voltage feedback and voltage error)

Hồi tiếp dòng điện, sai lệch dòng điện (current feedback and current error)

Hồi tiếp dòng điện, sai lệch điện áp (current feedback and voltage error)

Thành phần chung:

1 Bộ khuếch đại: Ri, ro, Ai’ (hoặc Av’)

2 Mạch hồi tiếp E: RE, Rf, nguồn dòng (áp) phụ thuộc

3 Mạch cộng hay trừ điện áp (hoặc dòng điện)

Định nghĩa:

1 Độ lợi toàn bộ (overall) hay ngoài (external) của mạch khuếch đại có hồi tiếp:

Độ lợi dòng: Aif = iL / ii (hình a và c) Độ lợi áp: Avf = vL / vi (hình b và d)

2 Độ lợi thuận (forward) hay trong (internal) của mạch khuếch đại không hồi tiếp:

Độ lợi dòng:

0

i if i

K or G

A

Độ lợi áp:

0

K A A

v vf

7.3 Độ lợi của mạch khuếch đại hồi tiếp điện áp

7.3.1 Hồi tíêp điện áp, sai lệch dòng điện

Mạch hồi tiếp: RE >> RL

Mạch tương đương: (Với mạch hồi tiếp, thay v L bằng v L ’ )

Giả sử trở kháng nhìn từ mạch hồi tiếp vào mạch trừ rất nhỏ so với Rf, suy ra: if = GivL’

Dòng sai lệch (Giả sử Rf >> Ri): ie = ii – if = ii – GivL’

Dòng tải (Giả sử RL << ro): iL = Ai’ie = Ai’(ii – GivL’)

Để tính độ lợi toàn bộ, thay vL bằng vL’, suy ra: vL = iLRL = RLAi’(ii – GivL)

Độ lợi dòng toàn bộ: Aif = iL / ii =

L i i

i

R G A

A

' 1

'

Nhận xét: Ai’ đủ lớn: Aif | 1 / (GiRL) không phụ thuộc vào mạch khuếch đại (Ai’)

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

'

i if

G A

L

i v

v T

Theo định nghĩa trên, khi ii = 0 và giả sử Rf rất lớn: ie = -if = -GivL’

Ở ngõ ra: vL = iLRL = Ai’ieRL = -Ai’GiRLvL’

Ÿ T = -Ai’GiRL

9 T<0: Hối tiếp âm (negative feedback)

9 T>0: Hối tiếp dương (positive feedback)

Ví dụ 1: Xác định Aif của mạch khuếch đại hồi tiếp áp – sai lệch dòng sau:

Đưa điện trở Rf về ngõ vào và ra, mạch tương đương (Chú ý: Thay vL bằng vL’ ở ngõ vào)

Biền đổi tương đương Norton – Thevenin:

Thông thường: Ai >> Ri / Rf và Rf >> RL Ÿ Ngõ ra: Rf xem như không ảnh hưởng

x Độ lợi dòng thuận khi không có hồi tiếp (vL’ = 0):

i

f i

i L

i

L

i

R R

r

R

r A

v i

i

A

) //

(

) //

( 0

' '

x Độ lợi vòng T:

f

L i f

i

f i

i i

L

L

R

R R R

r

R

r A

i v

(

) //

( 0

' '

x Độ lợi toàn mạch:

x Nhận xét: Nếu –T >> 1 Ÿ Aif | Ai / (-T) = - Rf / RL Ÿ Nếu T đủ lớn:

9 Aif chỉ phụ thuộc vào tỷ số của điện trở mạch hồi tiếp (Rf) và điện trở tải (RL)

9 Avr chỉ phụ thuộc vào tỷ số của điện trở mạch hồi tiếp (Rf) và điện trở nguồn (RL) [2]

Ví dụ 2: Tính độ lợi dòng thuận không có hồi tiếp và độ lợi vòng của mạch khuếch đại sau

x Tính độ lợi dòng thuận không có hồi tiếp Ai:

Mạch tương đương (vL’ = 0):

f i

f i

L c

c fe

i L

i

L i

R h

R r

R r R

R

R h

A v

i

i A

2 ) //

(

) //

( )

( 0

' '

x Tính độ lợi vòng T: Mạch tương đương (ii = 0):

f i

f i

i c

c fe

i f

L i

L

L

R h

R r

R r R

R

R h

A R

R i

v

v

T

2 ) //

(

) //

( )

( 0

' '

x Độ lợi toàn mạch:

7.3.2 Hồi tiếp điện áp, sai lệch điện áp

Mạch hồi tiếp:

Mạch tương đương: (Giả sử mạch hồi tiếp không ảnh hưởng đến ngõ ra)

Chú ý: Thay vL bằng vL’

Giả sử Rf không ảnh hưởng mạch trừ Ÿ vf = KvvL’

Aùp sai lệch: ve = vi – vf = vi - KvvL’

Điện áp ngõ ra: (giả sử ro << RL): vL = Av’ve = Av’(vi - KvvL’)

Để tính độ lợi áp toàn bộ, thay vL’ bằng vL Ÿ

'

'

v i

L vf

A K

A v

v A

Nếu tính theo độ lợi áp thuận khi không có hồi tiếp (Av) và độ lợi vòng T:

v vf

K A A

L

v v v

Ví dụ 3: Tính Avf của mạch khuếch đại hồi tiếp sau Giả sử ro << R2.

Mạch tương đương:

Mạch tương đương tín hiệu nhỏ:

Độ lợi áp thuận khi không có hồi tiếp:

L v

L i

L

v

R h

r R R

h r

R

R A

//

( 0

' '

Độ lợi vòng T:

L v

i

L

L

R h

r R R

R R

R h r

R

R A

//

(

1 '

7.4 Trở kháng ngõ vào và ngõ ra

7.4.1 Trở kháng ngõ vào (input impedance)

i) Sai lệch dòng

Xét mạch sau:

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

i

f i

f

L i

e

R r R

R r R

v i

R

Zif i i f

 1

i

f i

f

L i

R r R

R r R

R A T

Ÿ Tổng quát: Trở kháng ngõ vào nhìn từ nguồn dòng:

T: Độ lợi vòng

Chú ý: Công thức trên chỉ đúng trong trường hợp ri mắc song song Trong trường hợp ri

mắc nối tiếp như hình vẽ dưới, trở kháng ngõ vào được tính theo các bước sau:

a) Biến đồi tương đương Thevenin o Norton, khi này ri sẽ mắc song song

b) Tính Zif theo công thức hồi tiếp trên

c) Zif gồm ri mắc song song với Zif’ Ÿ

'

1 1

1

if i

d) Với mạch ban đầu: Zifv = ri + Zif’

ii) Sai lệch áp

Xét mạch trong ví dụ 3:

Theo định nghĩa, trở kháng ngõ vào:

1

i ifv

i

L i

b

h R

r

v R R

R v

i ifv

A R R

R

h R

r Z

)]

/(

[ 1

2

2 1

R

T  ¨¨ © §  ¸¸ ¹ ·

2 1

T

T R R

)]

1 /(

[ 1

2

ie f

i

ie f

i

T T

h R

Khi không có hồi tiếp (vL’ = 0) : Zi = ri + Rf + 2hie

Ÿ Tổng quát: Trở kháng ngõ vào nhìn từ nguồn áp: Zifv = (1-T)Zi

Với: Zi: Trở kháng ngõ vào khi không có hồi tiếp

T: Độ lợi vòng

Chú ý: Công thức trên chỉ đúng trong trường hợp ri mắc nối tiếp

7.4.2 Trở kháng ngõ ra (output impedance)

i) Hối tiếp áp – Sai lệch dòng

Xét mạch hồi tiếp áp – Sai lệch dòng sau:

Theo định nghĩa, trở kháng ngõ ra:

0

i o

L of

v i

v Z

Giả sử Rf không ảnh hưởng đến ngõ ra Ÿ io = iL + Ai’ie

Trên tải: iL = vL / RL

Ở ngõ vào:

f i

i

f i

f

L e

R r R

R r R

v i

i i

f i

f

i L

of

of

R

T R

r R

R r R

A R

Ÿ Trở kháng ngõ ra:

Ÿ Tổng quát: Trở kháng ngõ ra:

T: Độ lợi vòng

ii) Hồi tiếp áp – Sai lệch áp

Xét mạch hồi tiếp áp – sai lệch áp sau:

Trở kháng ngõ ra:

0

i o

L of

v i

v

o

e v L

L

L o

r

v A v

R

v i

'





Ở ngõ vào:  c i

ie i

f L

fe

h r

R

v R R

L v

i c ie

i f

fe

R r

R A

R R

h r

R R

1

//

2 1

L o

L v

R r

R A

T v

1 1

1

T r

R R

r R r

T r

R Z

Y

o L L

o L o o L of

Ÿ Tổng quát: Trở kháng ngõ ra:

T: Độ lợi vòng

7.5 Ví dụ về phân tích mạch khuếch đại hồi tiếp

Ví dụ 4: Xác định Avf, Aif, T, Zif, Zof của mạch KĐ hồi tiếp sau, giả sử các TST giống nhau có

hre = hoe = 0

Vì Rf >> RL, chuyền Rf về ngõ vào, mạch tương đương: Mạch hồi tiếp áp – sai lệch áp

x Mạch tương đương tín hiệu nhỏ để tính độ lợi vòng T (vi = 0):

c fe L

fe i

L

L

h r

R R

R

R

h R

h v

v

v A

L i

L

i

R r

A ¨¨ © § ¸¸ ¹ ·

x Trờ kháng ngõ vào: Xét mạch tương đương tín hiệu nhỏ, trở kháng ngõ vào khi không có hồi tiếp nhìn từ nguồn áp: Ziv = ri + Rf + 2hie1

Hồi tiếp áp – sai lệch áp Ÿ Trở kháng ngõ vào nhìn từ nguồn áp: Zifv = Ziv(1-T)

Ÿ Trở kháng ngõ vào nhìn từ nguồn dòng: Zifi = ri // (Zifv – ri)

x Trở kháng ngõ ra:

Trở kháng ngõ ra khi không có hồi tiếp:

) 1 (

2 //

fe

c ib

L o

h

R h

R Z

Ÿ Trở kháng ngõ ra:

T

Z

Zof o

 1

Ví dụ 5: Xác định T, Aif, Zif, Zof của mạch sau

Chuyển Rf về ngõ vào, mạch tương đương: Mạch hồi tiếp áp – sai lệch áp:

x Mạch tương đương tín hiệu nhỏ để tính độ lợi vòng T (vi = 0):

i ie

c

c fe

L c

fe fe i

L

L

R h

r h

R

R h

R R

h h v

v

v

T

1 3

1

1 2

1 2

) //

)(

1 (

0

x Mạch tương đương tín hiệu nhỏ để tính độ lợi áp thuận Av (vL’ =0):

T v

v

v A

L i

L

0

'

x Trở kháng ngõ vào:

Trở kháng ngõ vào khi không có hồi tiếp nhìn từ nguồn áp: Zi = ri + Rf + 2hie

Mạch hồi tiếp áp – sai lệch áp Ÿ Trở kháng ngõ vào: Zif = Zi (1-T)

x Trở kháng ngõ ra:

Trở kháng ngõ ra khi không có hồi tiếp: Zo = Rc2 // RL

Ÿ Trở kháng ngõ ra:

Ví dụ 6: Xác định độ lợi áp Avf1 = vo1 / vi; Avf2 = vo2 / vi; trở kháng ngõ vào Zif và trở kháng ngõ

ra Zof1 và Zof2 của mạch KĐ hồi tiếp sau:

Mạch tương đương tín hiệu nhỏ: Mạch hồi tiếp áp – sai lệch dòng

x Độ lợi vòng T: Không phụ thuộc ngõ ra là vL1 hay vL2

f ie f

b i

f b

i ie

b c

b c

fe L

c fe i

L

L

R h R

R r

R R

r h

R R

R R

h R

R h v

( 0

2

' 1

x Độ lợi áp:

Độ lợi áp thuận:

9 Ngõ ra là vL1:

i

f L

i

L v

r

T R v

v

v A

0

' 1

1 1

9 Ngõ ra là vL2: Mạch tương đương tín hiệu nhỏ (đưa nguồn vL2’ vào mạch hồi tiếp)

Biến đổi tương đương Norton – Thevenin:

i ie b

f i

b f

i ie

b c

fe L

i

L v

r h R

R r

R R

r h

R R

h v

//

( 0

' 2

2 2

2 2

x Trở kháng ngõ vào:

Mạch hồi tiếp áp – sai lệch dòng Ÿ Biến đổi Thevenin – Norton nguồn áp vi – ri

Trở kháng ngõ vào nhìn từ nguồn dòng khi không có hồi tiếp: Zi = ri//Rb//Rf//hie

Trở kháng ngõ vào nhìn từ nguồn dòng:

T

Z

Zif i

 1

Do Zif = ri // Zif’ Ÿ

if i

i if if

Z r

r

Z Z



'

Ÿ Trở kháng ngõ vào nhìn từ nguồn áp: Zifv = ri + Zif’

x Trở kháng ngõ ra:

9 Nhìn từ vL1: Trở kháng ngõ ra khi không có hồi tiếp: Zo1 = RL // RC

1 1

9 Nhìn từ vL2: Trở kháng ngõ ra khi không có hồi tiếp: Zo2 = Rc // Rb // hie

2 2

7.6 Mạch khuếch đại hồi tiếp và các hàm độ nhạy

Thực tế: Ai (Av) rất lớn Ÿ Độ lợi toàn mạch chỉ phụ thuộc vào mạch hồi tiếp

x Độ nhạy của sự thay đổi độ lợi (sensitivity to gain variations):

Định nghĩa:

i i

if if

A A

A dA

x Giảm nhiễu nội (reduction of internal disturbances):

Xét sơ đồ khối của mạch hồi tiếp với nhiễu nội id như sau: Giả sử mạch hồi tiếp có Rf o f;

R A

i

T

R A A

i T

R A i

2 1

Độ lớn của nhiễu nội ở ngõ ra phụ thuộc vào vị trí của id trong mạch KĐ (A2):

9 id xuất hiện ở tầng cuối: A2 = 1 Ÿ id bị giảm (1-T) ở ngõ ra

9 id xuất hiện ở ngõ vào: A2 = Ai: Nhiễu và tín hiệu vào cùng được khuếch đại

Ví dụ 7: Độ dợn sóng (ripple voltage) của nguồn là vcc, tính độ dợn sóng ngõ ra

Mạch tương đương tín hiệu nhỏ (Giả sử ri >> Rf >> RL): Mạch hồi tiếp áp – sai lệch dòng

ie f

f L

fe cc

h R

R R

h v

L fe L

L

h R

R h v

v T

R R h T

v v

7.7 Kỹ thuật thiết kế mạch khuếch đại hồi tiếp

7.8 Các ứng dụng khác của kỹ thuật hồi tiếp

Xem TLTK [1], [2]