Bài giảng Phần 2: Kỹ thuật mạch tương tự

Mời các bạn cùng tìm hiểu các linh kiện điện tử cơ bản; mạch khuếch đại; mạch dao động; mạch nguồn được trình bày cụ thể trong Bài giảng Phần 2: Kỹ thuật mạch tương tự.

Phần 2:

Kỹ thuật mạch tương tự

2

Mục lục

Chương 1 Các linh kiện điện tử cơ bản 4

1.1 Linh kiện tích cực : 4

1.2 Linh kiện thụ động: 6

1.2.1 Điện trở : 6

1.2.2 Tụ điện 8

1.2.3 Cuộn cảm 11

1.3 Linh kiện bán dẫn 12

1.3.1 Giới thiệu về chất bán dẫn 12

1.3.2 Các ứng dụng của chất bán dẫn 14

1.4 Kết luận 21

Chương 2 Mạch khuếch đại 22

2.1 Khái niệm và phân loại khuếch đại 22

2.2 Các thông số cơ bản của mạch khuếch đại 23

2.2.1 Hệ số khuếch đại 23

2.2.2 Đặc tính biên độ tần số và pha tần số 23

2.2.3 Đặc tính biên độ 25

2.2.4 Hiệu suất η của mạch khuếch đại: 26

2.2.5 Trở kháng vào, trở kháng ra của mạch khuếch đại 26

2.3 Khuếch đại tần thấp dùng transistor 28

2.3.1 Khuếch đại mắc Emitơ chung 28

2.3.2 Khuếch đại mắc bazơ chung 32

2.3.3 Khuếch đại colectơ chung 33

2.3.4 Khuếch đại dùng transistorr trường FET 34

2.3.5 Ví dụ xây dựng mạch khuếch đại mắc Emito chung 37

2.3.6 Một số cách mắc transistor đặc biệt dùng trong khuếch đại 40

2.4 Khuếch đại dùng vi mạch thuật toán 41

2.4.1 Vi mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amp) 41

2.4.2 OpAmp lý tưởng và thực tế: 41

2.4.3 Mạch khuếch đại: 43

2.4.4 Mạch cộng trừ: 45

2.4.5 Mạch vi tích phân: 48

2.4.6 Bài tập: 50

2.5 Khuếch đại công suất 51

2.5.1 Tầng khuếch đại công suất đơn dùng biến áp làm việc ở chế độ A 52

2.5.2 Khuếch đại công suất đẩy kéo có biến áp 53

2.5.3 Khuếch đại công suất đẩy kéo không biến áp 56

Chương 3 Mạch dao động 59

3.1 Mạch dao động tạo xung 59

3.1.1 Đa hài tạo xung vuông 59

3.1.2 Mạch tạo xung tuyến tính 59

3.2 Mạch dao động tạo sin 59

3.2.1 Khái niệm chung 59

3.2.2 Tạo dao động hình sin LC ghép hỗ cảm 61

3.2.3 Tạo dao động hình sin kiểu 3 điểm 63

3.2.4 Tạo dao động RC 67

Chương 4 Mạch nguồn 70

4.1 Nguồn chỉnh lưu 70

4.1.1 Mạch chỉnh lưu 1 nửa chu kỳ: 70

4.1.2 Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ: 72

4.1.3 Mạch chỉnh lưu cầu: 74

4.1.4 Chỉnh lưu bội áp 75

4.1.5 Lọc san bằng 76

4.2 Nguồn ổn áp 1 chiều tuyến tính 76

4.2.1 Các tham số ổn áp một chiều 77

4.2.2 Ổn áp một chiều bù tuyến tính 77

4.2.3 Các IC ổn áp tuyến tính 80

4.2.4 Nguyên lý ổn áp xung 82

- Nguồn dòng cố định: cho dòng ra ổn định và không thay đổi

- Nguồn dòng phụ thuộc: cho dòng ra tỷ lệ với một áp điều khiển đầu vào

- Nguồn chính xác hơn có thể ráp bằng OpAmp

Hình 1.1.1.2 Sơ đồ mạch nguồn dòng dung OpAmp

- Các nguồn dòng cố định có thể dùng các IC tạo dòng chuyên nghiệp

- Nguồn áp lý tưởng có trở kháng nguồn là 0 Ohm, còn thực tế thì rất nhỏ, dưới 1 Ohm

6

- Nguồn dòng ngược lại có trở kháng nguồn là vô cùng lớn (lý tưởng)

- Trong trường hợp nguồn áp được làm từ một số transistor, ở tần số thấp, điện trở nguồn cỡ vài Mega Ohm

- Về nguyên tắc, tải của nguồn dòng không được là một giá trị vô cùng lớn

và tải của nguồn áp kô đc là ngắn mạch

b) Phân loại

Do đặc trung chính của điện trở là cản trở dòng điện nên khi dòng điện chạy qua

nó sẽ tiêu thụ một lượng năng lượng , cụ thể ở đây là điện năng theo phương trình

P = I2R Với P : Công suất tổn hao trên điện trở (W)

I : Cường độ dòng điện chạy qua điện trở (A)

R : Trở kháng của điện trở (Ω) Chính vì vậy khi phân loại điện trở trên thực tế ngưởi ta phân loại theo công suất tiêu thụ tối đa của điện trở :

- Điện trở công suất lớn ( > 1W)

- Điện trở công suất trung bình (1/4W-1W)

- Điện trở công suất nhỏ (1/8W – 1/4W) Tuy nhiên, do ứng dụng thực tế và do cấu tạo riêng của các vật chất tạo nên điện trở nên thông thường, điện trở được chia thành 2 loại:

- Điện trở: là các loại điện trở có công suất trung bình và nhỏ hay là các điện trở chỉ cho phép các dòng điện nhỏ đi qua

- Điện trở công suất: là các điện trở dùng trong các mạch điện tử có dòng điện lớn đi qua hay nói cách khác, các điện trở này khi mạch hoạt động

sẽ tạo ra một lượng nhiệt năng khá lớn Chính vì thế, chúng được cấu tạo nên từ các vật liệu chịu nhiệt

c) Cách xác định giá trị điện trở:

Cách đọc giá trị các điện trở này thông thường cũng được phân làm 2 cách đọc, tuỳ theo các ký hiệu có trên điện trở Dưới đây là hình về cách đọc điện trở theo vạch màu trên điện trở

Hình 1.2.1.1 Bảng các vạch màu trên thân trở

Đối với các điện trở có giá trị được định nghĩa theo vạch màu thì chúng ta có 3 loại điện trở: Điện trở 4 vạch màu và điện trở 5 vạch màu và 6 vạch màu Loại điện trở 4 vạch màu và 5 vạch màu được chỉ ra trên hình vẽ Khi đọc các giá trị điện trở 5 vạch màu và 6 vạch màu thì chúng ta cần phải để ý một chút vì có sự khác nhau một chút về các giá trị Tuy nhiên, cách đọc điện trở màu đều dựa trên các giá trị màu sắc được ghi trên điện trở 1 cách tuần tự:

 Đối với điện trở 4 vạch màu

- Vạch màu thứ nhất: Chỉ giá trị hàng chục trong giá trị điện trở

- Vạch màu thứ hai: Chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở

- Vạch màu thứ ba: Chỉ hệ số nhân với giá trị số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở

- Vạch màu thứ 4: Chỉ giá trị sai số của điện trở

 Đối với điện trở 5 vạch màu

- Vạch màu thứ nhất: Chỉ giá trị hàng trăm trong giá trị điện trở

- Vạch màu thứ hai: Chỉ giá trị hàng chục trong giá trị điện trở

Tương tự điện trở 5 vạch màu có các màu lần lượt là: Đỏ/cam/tím/đen/nâu sẽ tương ứng với các giá trị lần lượt là 2/3/7/0/1% Như vậy giá trị điện trở chính

là 237x100=237Ω, sai số 1%

a) Khái niệm và đặc trưng vật lý

Tụ điện theo đúng tên gọi chính là linh kiện có chức năng tích tụ năng lượng điện Chúng thường được dùng kết hợp với các điện trở trong các mạch định thời bởi khả năng tích tụ năng lượng điện trong một khoảng thời gian nhất định Đồng thời tụ điện cũng được sử dụng trong các nguồn điện với chức năng làm giảm độ gợn sóng của nguồn trong các nguồn xoay chiều, hay trong các mạch lọc bởi chức năng của tụ nói một cách đơn giản đó là tụ ngắn mạch (cho dòng điện đi qua) đối với dòng điện xoay chiều và hở mạch đối với dòng điện

1 chiều

Để đặc trưng cho khả năng tích trữ năng lượng điện của tụ điện, người ta đưa

ra khái niệm là điện dung của tụ điện Điện dung càng cao thì khả năng tích trữ năng lượng của tụ điện càng lớn và ngược lại Giá trị điện dung được đo bằng đơn vị Fara (kí hiệu là F) Giá trị F là rất lớn nên thông thường trong các mạch điện tử, các giá trị tụ chỉ đo bằng các giá trị nhỏ hơn như micro fara (μF), nano Fara (nF) hay picro Fara (pF)

c) Cách nhận biết các loại tụ điện

 Tụ phân cực : thường là các tụ điện một chiểu

 Tụ hóa :

- Tụ hóa là một loại tụ có phân cực Chính vì thế khi sử dụng tụ hóa yêu cầu người sử dụng phải cắm đúng chân của tụ điện với điện áp cung cấp Thông thường, các loại tụ hóa

thường có kí hiệu chân cụ thể cho người sử Hình 1.2.2.1 Tụ hóa

dụng bằng các ký hiệu + hoặc - tương ứng với chân tụ

- Có hai dạng tụ hóa thông thường đó là tụ hóa có chân tại hai đầu trụ tròn của tụ (tụ có ghi 220μF trên hình ) và loại tụ hóa có 2 chân nối ra cùng 1 đầu trụ tròn (tụ có ghi giá trị 10μF trên hình )

- Trên các tụ hóa, người ta thường ghi kèm giá trị điện áp cực đại mà tụ có thể chịu được Nếu trường hợp điện áp lớn hơn so với giá trị điện áp trên

tụ thì tụ sẽ bị phồng hoặc nổ tụ tùy thuộc vào giá trị điện áp cung cấp Thông thường, khi chọn các loại tụ hóa này người ta thường chọn các loại

tụ có giá trị điện áp lớn hơn các giá trị điện áp đi qua tụ để đảm bảo tụ hoạt động tốt và đảm bảo tuổi thọ của tụ hóa

 Tụ Tatanli

Tụ Tantali cũng là loại tụ hóa nhưng có điện

áp thấp hơn so với tụ hóa Chúng khá đắt nhưng nhỏ thường được dùng khi yêu cầu về

tụ có điện dung lớn nhưng kích thước nhỏ

Các loại tụ Tantali hiện nay thường ghi rõ trên

nó giá trị tụ, điện áp cũng như cực của tụ Các loại tụ Tantali ngày xưa sử dụng mã màu để phân biệt Chúng thường có 3 cột màu

Hình 1.2.2.2 Tụ Tantali

(biểu diễn giá trị tụ, một cột biểu diễn giá trị điện áp) và một chấm màu đặc trưng cho số các số không sau dấu phẩy tính theo giá trị μF Chúng cũng dùng mã màu chuẩn cho việc định nghĩa các giá trị nhưng đối với các điểm màu thì điểm màu xám có nghĩa là giá trị tụ nhân với 0,01; trắng nhân 0,1 và đen là nhân 1 Cột màu định nghĩa giá trị điện áp thường nằm ở gần chân của tụ và có các giá trị như sau:

Màu được định nghĩa cũng tương tự như đối với màu trên điện trở 3 màu trên cùng lần lượt chỉ giá trị tụ tính theo pF, màu thứ

4 là chỉ dung sai và màu thứ 5 chỉ ra giá trị điện áp

Ví dụ : tụ có màu nâu/đen/cam có nghĩa là 10000pF= 10nF= 0.01uF

Chú ý rằng ko có khoảng trống nào giữa các màu nên thực tế khi có 2 màu cạnh nhau giống nhau thì nó tạo ra một mảng màu rộng Ví dụ Dải đỏ rộng/vàng= 220nF=0.22uF

 Tụ xoay và tụ chặn :

- Tụ xoay : thường được sử dụng trong các

mạch điều chỉnh radio Chúng thường có các giá trị rất nhỏ, thông thường nằm trong khoảng

từ 100pF đến 500pF

Rất nhiều các tụ xoay có vòng xoay ngắn nên chúng không phù hợp cho các dải biến đổi rộng như là điện trở hoặc các chuyển mạch xoay

Chính vì thế trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong các mạch định thời hay các mạch điều chỉnh thời gian thì người ta thường thay các tụ xoay bằng các điện trở xoay và kết hợp với 1 giá trị tụ điện xác định

Chúng thường được gắn trực tiếp lên bản mạch điẹn tử và điều chỉnh sau khi mạch đã được chế tạo xong Tương tự các biến trở hiện này thì khi điều chỉnh các tụ chặn này người ta cũng dùng các tuốc nơ vít loại nhỏ để điều chỉnh Tuy nhiên do giá trị các tụ này khá nhỏ nên khi điều chỉnh, người ta thường phải rất cẩn thận và kiên trì vì trong quá trình điều chỉnh có sự ảnh hưởng của tay và tuốc nơ vít tới giá trị tụ

Các tụ chặn này thường có giá trị rất nhỏ, thông thường nhỏ hơn khoảng 100pF Có điều đặc biệt là không thể giảm nhỏ được các giá trị tụ chặn về 0 nên chúng thường được chỉ định với các giá trị

tụ điện tối thiểu, khoảng từ 2 tới 10 pF

1.2.3 Cuộn cảm

a) Khái niệm và đặc trưng vật lý

Cuộn cảm là một phần tử thụ động trong mạch điện có tính chất ngăn cản dòng điện xoay chiều đối với dòng điện một chiều thì cuộn cảm lúc đó được coi đơn giản như một đoạn dây nối (ngắn mạch)

Tính chất của cuộn cảm : Cuộn cảm hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ

Hình 1.2.3.1 Quy tắc bàn tay trái

Thực tế, trong các đường dây điện th ng bình thường, khi có dòng điện chạy qua thì xung quanh đường dây xuất hiện một từ trường, chiều của từ trường này được xác định bằng quy tắc bàn tay trái:

Để tăng từ trường lên, chúng ta cuộn các đoạn dây thành vòng, nhờ đó mà các từ trường kết hợp lại với nhau tạo nên cuộn cảm có từ trường mạnh hơn rất nhiều

Khi cung cấp cho cuộn cảm một dòng điện chạy qua nó thì trong cuộn cảm xuất hiện một từ trường Hình ảnh minh hoạ sau sẽ nói lên điều đó:

Trị số của cuộn cảm phụ thuộc vào dòng điện, số vòng dây và cấu tạo của cuộn cảm

Đơn vị đo : Henri (H) Tuy nhiên trên thực tế các cuộn cảm thường

có giá trị rất nhỏ nên đơn vị hay được sử dụng là mH = 10-3

H

Hình 1.2.3.2 Từ trường của cuộn dây b) Phân loại:

Cuộn cảm được phân thành 2 loại chính:

 Cuộn cảm có điện dung biến đổi

 Cuốn cảm có điện dung xác đinh Thực tế hiện nay trên thị trường linh kiện điện tử các cuộn cảm thường không có trị số chính xác vì vậy trong các ứng dụng thu phát Radio (RF) cần các cuộn cảm có độ chính xác cao nhiều khi ta phải tự cuốn lấy cuộn cảm

Hình 1.2.3.4 Một số hình ảnh nam châm điện

Micro điện động, loa điện động

Chất bán dẫn ( Semiconductor) là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất

cách điện Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng Gọi là "bán dẫn" (chữ "bán" theo nghĩa Hán Việt có nghĩa

là một nửa), có nghĩa là có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở một điều kiện khác sẽ không dẫn điện

b Vùng năng lượng trong chất bán dẫn

Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng năng

lượng Như ta biết điện tử tổn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián đoạn (các trạng thái dừng) Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành các khối, thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành các vùng năng lượng và sẽ có ba vùng chính

Hình 1.3.1.1 Các vùng năng lượng của chất rắn

 Vùng hóa trị (valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động

 Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng

 Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không

có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp) Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap) Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ

mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện

Như vậy, tính dẫn điện của các chất rắn và tính chất của chất bán dẫn có thể lý giải một cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng năng lượng như sau:

 Kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không có vùng cấm) do đó luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn vì thế mà kim loại luôn luôn dẫn điện

 Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định Ở không độ tuyệt đối (0 K) mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ

nhận được năng lượng nhiệt (k B T với k B là hằng số Boltzmann) nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nên điện tử vẫn ở vùng hóa trị Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tử nhận được năng lượng

14

dẫn điện Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng lên, do đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ (hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ) Một cách gần đúng, có thể viết sự phụ thuộc của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau:

Với: R0 là hằng số, ΔE g là độ rộng vùng cấm

Ngoài ra, tính dẫn của chất bán dẫn có thể thay đổi nhờ các kích thích năng lượng khác, ví dụ như ánh sáng Khi chiếu sáng, các điện tử sẽ hấp thu năng lượng từ photon, và có thể nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủ lớn Đây chính là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về tính chất của chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng (quang-bán dẫn)

1.3.2 Các ứng dụng của chất bán dẫn

a Điốt (Diode)

từ electrode, có nghĩa là điện cực, là một trong những linh kiện điện tử Một công cụ

dùng để chỉnh lưu dòng điện Khi Điốt dẩn điện, Điốt chỉ cho dòng điện chảy theo một chiều từ Cực âm sang Cực dương

Điốt được tạo bởi 2 chất bán dẫn Khi ghép một bán dẫn điện âm (bán dẫn N), với một bán dẫn điện dương (bán dẫn P) lại với nhau ta được một Điốt Bán dẫn điện âm thường cấu tạo từ Si Bán dẫn điện dương

thường cấu tạo từ Ge Từ đó ta được một linh

kiện điện tử hai chân Chân dương (Anode) là

chân nối với bán dẫn điện dương, Chân âm

(Cathode) là chân nối với bán dẫn điện âm

Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do

mang điện tích dương nên khi ghép với khối

bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ

trống này có xu hướng chuyễn động khuếch tán

sang khối n Cùng lúc khối p lại nhận thêm các

điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang

Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ

trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống) Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp,

một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng

tiến lại Hình 1.3.2.1 Điện áp tiếp xúc

gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau

tạo thành các nguyên tử trung hòa Quá trình

này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh

sang (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần

đó)

Sự tích điện âm bên khối p và dương bên khối n

hình thành một điện áp gọi là điện áp tiếp xúc

(UTX) Điện trường sinh ra bởi điện áp có

hướng từ khối n đến khối p nên cản trở chuyển

động khuếch tán và như vậy sau một thời gian

kể từ lúc ghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá

Hình 1.3.2.2

Điện áp ngoài ngược chiều

trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn

tại điện áp tiếp xúc Lúc này ta nói tiếp xúc P-N

ở trạng thái cân bằng Điện áp tiếp xúc ở trạng

thái cân bằng khoảng 0.6V đối với điốt làm

bằng bán dẫn Si và khoảng 0.3V đối với điốt

làm bằng bán dẫn Ge

Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên quá trình tái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hòa Vì vậy vùng

biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện

tự do nên được gọi là vùng nghèo Vùng này Hinh 1.3.2.3 Điện áp ngoài cùng chiều

không dẫn điện tốt, trừ phi điện áp tiếp xúc được cân bằng bởi điện áp bên ngoài Đây là cốt lõi hoạt động của điốt

Nếu đặt điện áp bên ngoài ngược với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của các điện tử

và lỗ trống không bị ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giáp dẫn điện tốt Nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của các điện tử và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt dẫn điện tự

do Nói cách khác điốt chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện áp theo một hướng nhất định

 Đặc trưng Voltage – Ampe của Diode

Hình 1.3.2.4 Đặc trưng Voltage-Ampe của Diode

 Phân loại Điốt

Điốt được chia ra nhiều loại tùy theo vùng hoạt động của Điốt

16

Điốt phân cực thuân: Chỉ cần một điện áp dương đủ để cho Điốt dẩn điện Điốt sẻ

cho dòng điện đi qua theo một chiều từ Cực Âm đến Cực Dương và sẻ cản dòng điện

đi theo chiều ngược lại Thí dụ : Điốt Bán dẩn, LED

Điốt phân cực nghịch: Chỉ cần một điện áp âm đủ để cho Điốt dẩn điện Điốt sẻ cho

dòng điện đi qua theo 2 chiều Thông thường, dẩn điện tốt hơn trong chiều nghịch Thí dụ : Điốt Zener, Điốt biến dung

 Điốt bán dẫn: cấu tạo bởi chất bán dẫn Silic và Gecmani có pha thêm một số chất

để tăng thêm electron tự do Loại này dùng chủ yếu để chỉnh lưu dòng điện

 Điốt Schottky: Ở tần số thấp, điốt thông thường có thể dễ dàng khóa lại (ngưng dẫn) khi chiều phân cực thay đổi từ thuận sang nghịch, nhưng khi tần số tăng đến một ngưỡng nào đó, sự ngưng dẫn không thể đủ nhanh để ngăn chặn dòng điện suốt một phần của bán kỳ ngược Điốt Schottky khắc phục được hiện tượng này

 Điốt Zenner, còn gọi là "điốt đánh thủng": là loại điốt được chế tạo tối ưu để hoạt động tốt trong miền đánh thủng Đây là cốt lõi của mạch ổn áp

Hình 1.3.2.5 Mốt số loại Điốt

Hình 1.3.2.6 Điốt phát quang

 Điốt phát quang : hay còn gọi là LED (Light Emitting Diode) là các điốt có khả

năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Cũng giống như điốt bán dẫn, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n

 Điốt quang : (photodiode): là loại nhạy với ánh sáng, có thể biến đổi ánh sáng vào

thành đại lượng điện

 Điốt biến dung (varicap): Có tính chất đặc biệt, đó là khi phận cực nghịch, điốt giống như một tụ điện, loại này được dùng nhiều cho máy thu hình, máy thu sóng

FM và nhiều thiết bị truyền thông khác

 Điốt ổn định dòng điện: là loại điốt hoạt động ngược với Điốt Zener Trong mạch điện điốt này có tác dụng duy trì dòng điện không đổi

 Điốt Step Recovery : Ở bán kỳ dương, điốt này dẫn điện như loại điốt Silic thông thường, nhưng sang bán kỳ âm, dòng điện ngược có thể tồn tại một lúc do có lưu trữ điện tích, sau đó dòng điện ngược đột ngột giảm xuống còn 0

 Điốt ngược: Là loại điốt có khả năng dẫn điện theo hai chiều, nhưng chiều nghịch tốt hơn chiều thuận.

b Transistor

Transistor là một linh kiện điện tử bán dẫn được chế tạo từ Ge và Si dùng để khuyếch đại tín hiệu hoặc đóng mở mạch điện như một Rơle Người ta pha các tạp chất khác nhau để tạo các bán dẫn loại P và loại N Các bán dẫn này được sắp xếp theo 3 miền p-n-p hoặc n-p-n Từ 3 miền khác nhau này người ta lấy ra 3 cực khác nhau là emitơ (E) , bazơ (B) và colectơ (C) Tùy theo thứ tự sắp xếp mà ta có loại transistor p-n-p hay n-p-n

Do có 3 miền bán dẫn khác nhau nên trong transistor có 2 lớp tiếp giáp p-n là lớp tiếp giáp BE và BC Để transistor làm việc được ở chế độ khuếch đại tín hiệu thì giữa BE người ta đặt một điện áp một chiều đấu theo chiều phân cực thuận, giữa BC đặt một điện áp phân cực ngược Trên ký hiệu của transistor chiều mũi tên là chiều phân cực thuận

18

Hình 1.3.2.7 Cấu trúc và cách mắc nguồn Transistor thuận và nghịch

Để khảo sát sự phân cực cho transistor, người ta thường dùng mạch điện đơn giản

dưới đây

Ba trạng thái của transistor được mô ta trên đặc tuyến ngõ ra của transistor Hình

Hình 1.3.2.8 Sơ đồ mạch và nguyên lý hoạt động của Transistor

Tuỳ theo mức phân cực mà transistor có thể làm việc ở một trong ba trạng thái là

ngưng dẫn, khuếch đại tuyến tính và bão hoà

Trạng thái ngưng dẫn:

Nếu phân cực cho transistor có V BE < VZ ( VBE =0 v – 0.4 v ) thì transistor ngưng

dẫn, dòng điện IB =0, IC =0 và VCE =+VCC

Lúc đó chỉ có dòng điện dò qua transistor rất nhỏ không đáng kể

Trạng thái khuếch đại

Nếu phân cực cho transistor có VBE =0,5 V - 0,7 V thì transistor dẫn điện và có dòng điện IB dòng điện IC tăng theo IE qua hệ số khuếch đại hfe Lúc đó, điểm làm việc của transistor sẽ nằm trên đường tải tĩnh và khi IB tăng thì IC tăng và VCE giảm

Trạng thái bão hoà:

Nếu phân cực cho transistor có VBE = 0,8 V thì transistor sẽ dẫn rất mạnh gọi là bão

hoà Lúc đó IB tăng cao làm IC tăng cao đến mức gần bằng và điện thế VCE

giảm còn rất nhỏ ( 0,2 V ) gọi là điện thế VCE Sat (saturation) hay là VCE bão hoà

Transistor cũng có thể dùng như một khoá điện tử bằng việc phân cực cho

transistor chỉ hoạt động ở hai mức ngưng dẫn và dẫn bão hoà Hiện nay đã chế tạo transistor chuyên dụng làm khoá điện tử, những transistor này thường có mức điện

áp phân cực từ trạng thái ngưng dẫn sang bão hoà rất gần nhau khiến cho việc

chuyển trạng thái từ không dẫn điện sang dẫn điện rất dễ dàng Khoá điện tử dùng transistor có một ưu điểm lớn là có thể hoạt động ở tần số cao, do đó có thể tạo ra được một dãy xung điện ở tần số rất cao Chính nhờ đặc điểm đó mà transistor được ứng dụng rất nhiều trong ngành kĩ thuật xung, số

Trong thực tế, khi sử dụng chúng ta cần phải kiểm tra xem transistor của chúng ta có còn tốt hay không, lúc đó chúng ta cần kiểm tra như sau:

t tr ns stor

Để xác định trạng thái tốt hay hỏng của một transistor có thể dùng đồng hồ vạn năng

ở thang đo R x 100 lần lượt đo các cặp chân BE, BC và CE, mỗi cặp chân đo hai lần bằng cách đổi hai que đo của đồng hồ

20

Hình trên là trường hợp đo điện trở thuận của các cặp chân của transistor đối với loại NPN Muốn đo điện trở ngược thì đổi đầu hai que đo

BE Vài KΩ Vô cực Ω Vài trăm Ω Vài trăm K Ω

BC Vài K Ω Vô cực Ω Vài trăm Ω Vài trăm K Ω

CE Vô cực Ω Vô cực Ω Vài chục K Ω Vài trăm K Ω

Bảng 1.3.2.1 kết quả đo trị số điện trở thuận nghịch các cặp chân của transistor

 Phân loại transistor

Hình 1.3.2.10 Một số loại Transistor

Hình 1.3.2.11 Sơ đồ chân của một số loại transistor

 BJT(Biopolar Junction Transistor) – Transistor lưỡng cực (hình a)

Loại transistor thường hay được sử dụng trong cuộc sống

Một số đặc tính của transistor lưỡng cực

Transistor điều khiển bằng điện áp , khi kệnh G có điện áp > 0 (0,8V) thì transistor

mở toàn phần , dòng ID phu thuộc vào điện áp VDS và tải của mạch\

1.4 Kết luận

Các kiến thức đã học và cần nhớ trong chương 1

- Phân biệt các loại linh kiện trong mạch điện

- Phân biệt nguồn dòng và nguồn áp

- Biết cách xác định giá trị của các linh kiện thụ động (điện trở, tụ điện, cuộn cảm)

- Phân biệt một số loại linh kiện bán dẫn: các loại diode, các loại transistor

- Biết cách đo và xác định chân của transistor, chiều của diode

 Khái niệm và phân loại khuếch đại

 Các thông số kỹ thuật cơ bản của mạch khuếch đại

 Bố khuếch đại tần thấp dùng transistor

 Khuếch đại dung vi mạch thuật toán

 Khuếch đại công suất

2.1 Khái niệm và phân loại khuếch đại

2.1.1 Khái niệm

Trong qúa trình biến đổi xử lý tín hiệu thường phải xử lý với tín hiệu biên độ rất nhỏ, công suất thấp không đủ kích thích cho tầng tiếp theo làm việc Như vậy, cần phải gia tăng công suất cho tín hiệu Mạch điện cho phép ta nhận ở đầu ra ở tín hiệu có dạng như tín hiệu đầu vào nhưng

có công suất lớn hơn gọi là mạch khuếch đại

Quá trình khuếch đại là quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển ở đó năng lượng của nguồn một chiều ( không chứa đựng thông tin ) được biến đổi thành năng lượng xoay chiều của tín hiệu có mang tin đây là một quá trình gia công xử lý tín hiệu analog

Mạch khuếch đại có mặt hầu hết các thiết bị điện tử Trong mạch khuếch đại điện tử có phần tử khuếch đại (transistor,IC ), nguồn một chiều và các phần tử thụ động RLC Chương này nghiên cứu các mạch khuếch đại điện tử thông dụng

2.1.2 Phân loại khuếch đại

Mạch khuếch đại ( hay bộ khuếch đại ) có thể phân loại theo các dấu hiệu sau:

 Theo phần tử khuếch đại: có khuếch đại dùng đèn điện tử 3,4 hoặc 5 cực, khuếch đại dùng transistor lưỡng cực , khuếch đại dùng transistor trường, khuếch đại dùng diode tunen, khuếch đại tham số, khuếch đại IC( vi mạch)

 Theo dải tần số làm việc : Có khuếch đại âm tần, khuếch đại cao tần, khuếch đại siêu cao tần

 Theo bề rộng của dải tần số khi cần khuếch đại : khuếch đại dải rộng, khuếch đại dải hẹp

 Theo dạng tải : Khuếch đại cộng hưởng (hay chọn lọc) có tải là mạch cộng hưởng , khuếch đại điện trở(không cộng hưởng )

 Theo đại lượng cần khuếch đại: khuếch đại điện áp, khuếch đại dòng điện, khuếch đại công suất

2.2 Các thông số cơ bản của mạch khuếch đại

Để đánh giá chất lượng của một mạch khuếch đại ta thường sử dụng các tham số và đặc tính sau :

Là tỷ số giữa đại lượng điện ở đầu ra và đầu vào của mạch khuếch đại

Các đại lượng đó là điện áp, dòng điện hoặc công suất , tương ứng có hệ số khuếch đại điện áp

u

.

K , hệ số khuếch đại dòng điện K. I và hệ số khuếch đại công suất KP Hệ số khuếch đại điện

áp (hay dòng điện) là tỷ số giữa biên độ phức của điện áp (dòng điện ) ở đầu ra và đầu vào của mạch khuếch đại:

.

.

.

.

U U

U K K

.I

.I

K 

Vì trong mạch tồn tại phần tử quán tính (cảm kháng, dung kháng ) nên tổng quát mà nói KU và

KI là các hàm số phức của biến tần số  (  = 2f ), tức là phụ thuộc vào tần số của tín hiệu cần khuếch đại

Hệ số khuếch đại công suất KP cho ta thấy công suất trung bình ( tác dụng) ra tải của mạch khuếch đại lớn hơn bao nhiêu lần công suất trung bình ( tác dụng) ở đầu vào của nó

V

R P

Trong mạch khuếch đại dùng transistorr trường FET việc xét hệ số khuếch đại dòng điện là

không thực tế vì dòng vào cực nhỏ, do vậy người ta chỉ xét hệ số khuếch đại điện áp .

Ku Ở khuếch đại dùng transistorr lưỡng cực có thể dùng cả ba hệ số K u

Quá trình khuếch đại tín hiệu thường đi kèm với quá trình gây méo dạng của tín hiệu Méo tín

hiệu có hai dạng là méo tuyến tín và méo p tuyến

24

Mộo tuyến tớnh phỏt sinh do trở khỏng của phần tử cảm khỏng và dung khỏng phụ thuộc vào tần số (ZC = 1/jc, ZL=jL) Do vậy cỏc thành phần tần số khỏc nhau(cỏc súng hài) sẽ được khuếch đại khỏc nhau, đồng thời quan hệ pha giữa chỳng ở đầu ra so với đầu vào cũng thay đổi Mộo tuyến tớnh được đỏnh giỏ qua đặc tớnh biờn độ tần số (ĐTBT), đặc tớnh pha tần số( ĐTPT) và đặc tớnh quỏ độ (ĐTQĐ)

Vỡ hệ số khuếch đại điện ỏp là đại lượng phức nờn ta cú

K ( j ) K ( j ) ej ( ) K ( ) ej ( )

. ω  ω φ ω   φ ω (4.5)

 vào tần số của tớn hiệu Dạng của

ĐTBT điển hỡnh trỡnh bày trờn hỡnh 2.2.2.1a Tất nhiờn ĐTBT cú thể biểu diễn bằng đồ thị

URm (f) hoặc U Rm () khi Uvào =const Khi phõn tớch khuếch đại người ta thường dựng ĐTBT quy chuẩn m = K( j ω ) / Ko, trong đú K0 là giỏ trị cực đại của hệ số khuếch đại.Từ đặc tớnh hỡnh 2.2.2.1a ta thấy nếu tớn hiệu cú tần số quỏ thấp hoặc quỏ cao thỡ khi đi qua mạch khuếch đại nú

sẽ được khuếch đại ớt hoặc khụng được khuếch đại.Vỡ vậy người ta chỉ coi tớn hiệu nằm trong

dả t ụng được khuếch đại ,cũn nằm ngoài dải thụng bị loại bỏ Dải thụng là dải tần số mà

trong đú hệ số khuếch đại khụng nhỏ hơn 2 lần giỏ trị cực đại K0.Cũng trờn hỡnh này dải thụng là thấpcao hay tc

ĐTPT chỉ sự phụ thuộc của lượng dịch pha giữa tớn hiệu đầu ra và đầu vào của mạch khuếch đại vào tần số của tớn hiệu

ĐTQĐ phản ỏnh quỏ trỡnh quỏ độ trong mạch khuếch đại ĐTQĐ ký hiệu là h(t), là điện ỏp ở đầu ra của mạch khuếch đại biểu diễn heo thời gian khi tỏc động đầu vào là tỏc động bậc thang đơn vị

Tỏc động bậc thang đơn vị là suất điện động e(t) :

0 0

t khi

t khi

tớnh này sẽ quyết định hai đặc

tớnh cũn lại, tuy nhiờn tuỳ theo

chức năng của mạch khuếch

đại mà người ta quan tõm đến

t Hình 2.2.2.1 a) một dạng Đ TBT của khuếch đại b) một dạng Đ TQĐ của khuếch đại

Méo phi tuyến là sự méo dạng tín hiệu trong bộ khuếch đại đo đặc tuyến VOLTAGE – AMPERE của phần tử khuếch đại không phải là tuyến tính ( mà là phi tuyến) Do đặc tuyến của phần tử khuếch đại không tuyến tính nên một tần số đưa tới đầu vào của bộ khuếch đại sẽ làm xuất hiện ở đầu ra những sóng hài bậc cao Méo phi tuyến hay méo không đường th ng được đánh giá bằng hệ số hài :

%100

1

2 3

2 2 2

%

m

mn m

m h

U

UU

U

Trong đó Um1, Um2, Um3, Umn là biên độ của điện áp tần số cơ bản và biên độ các hài bậc 2,

3, n ở đầu ra của mạch khuếch đại

Tuỳ theo chức năng của mạch khuếch đại mà Kh% có định mức khác nhau trong các mạch kỹ thuật

Đó là sự phụ thuộc của biên độ điện áp đầu ra vào biên độ điện áp đầu vào của bộ khuếch đại

Ura = f(Uvào)

Dạng của nó được trình bày trên hình 2.2.3.1a

Thực tế khi điện áp vào bằng không ( không có tín hiệu vào) thì vẫn tồn tại một điện áp ( tuy rất nhỏ ), đó là tạp âm nội bộ của mạch khuếch đại Còn khi biên độ điện áp vào quá lớn thì biên

độ điện áp ra sẽ không tăng vì tính phi tuyến của phần tử khuếch đại

Hình 2.2.3.1 a)đặc tính biên độ của các mạch khuếch đại b)đặc tính biên độ của khuếch đại công suất

Khi biên độ tín hiệu vào nằm trong khoảng UVmin  UVmax thì mạch khuếch đại có thể coi là một mạng bốn cực tuyến tính Lúc đó nói dải động của mạch khuếch đại là :

min V

max V

26

η được tính bằng tỷ số giữa công suất ra tải ( công suất hữu ích ) và công suất tiêu thụ nguồn

của toàn mạch:

0

ηP

PRa



PRa - công suất ra tải

P0 - công suất tiêu thụ nguồn

Tổng trở hoặc tổng dẫn đầu vào và đầu ra cũng là một tham số quan trọng của mạch khuếch đại, chúng đặc trưng cho khả năng phối hợp với nguồn cấp tín hiệu ở đầu vào và phối hợp với tải ở đầu ra của mạch khuếch đại.Tổng trở đầu vào ( hoặc đầu ra ) là tỷ số giữa biên độ phức

của điện áp và dòng điện ở đầu vào (hoặc đầu ra )của bộ khuếch đại:

Rm

Rm R

; I

U

Rm

Rm V

R R Vm

Vm V

V

U

.IZZY

;.U

.IZZ

U

Z 

v i

i u v v v r v

r u

Z Z

Z K E

U U

U E

U K







 *.Như vậy, nếu Zi>>Zv thì *

u

u K

nếu Zi<<Zv thì K u  0

Trở k ng r của mạch khuếch đại được định nghĩa là trở kháng trong của nguồn tương đương

nếu ta nhìn từ phía tải:

r

r r i

U

Z 

r t

t r r

Z Z

Z E U



 Như vậy, nếu Zt>>Zr thì U r E r

Bộ khuếch đại dòng điện lý tưởng Ki rất lớn không phụ thuộc vào nguồn và tải:

K

0

Tất cả các tham số và đặc tính vừa nêu trên đều quan trọng đối với một mạch khuếch đại, tuy nhiên tuỳ theo chức năng của từng mạch cụ thể mà các tham số đó có thể có các yêu cầu khác nhau Ngoài ra các tham số trên còn cần phải kể đến độ ổn định của hệ số khuếch đại, hệ số tạp

âm, tạp âm nhiệt, các tham số khai thác

28

2.3 Khuếch đại tần thấp dựng transistor

Ở đõy chỳng ta sẽ chỉ xem xột cỏc mạch khuếch đại với tớn hiệu đầu vào cú tần số thấp và cõc

mạch khuếch đại điện trở

Khuếch đại điện trở là mạch khuếch đại cú tải là thuần trở (điện trở thuầnRt) Tuy nhiờn trong cỏc mạch khuếch đại ngoài tải là điện trở Rt cũn được mắc thờm cỏc phần tử cảm khỏng

và dung khỏng để thay đổi đặc tớnh tần số, tuy nhiờn vẫn cú thể coi đú cũng là cỏc mạch khuếch đại điện trở, với tải là trở khỏng phức Cỏc mạch khuếch đại thuần trở dựng để khuếch đại tớn hiệu yếu, mạch làm việc ở chế độ A Mạch cú thể là mạch emitơ chung, bazơ chung hoặc colectơ chung

Khuếch đại hỡnh 2.3.1.1 mắc emitơ chung là mạch thụng dụng hơn cả Trước hết ta xột tỏc dụng của linh kiện trong mạch Điện trở R1, R2 và RE cú tỏc dụng định thiờn và ổn định chế độ cụng tỏc ( ổn định nhiệt) cho transistorr

Tụ điện CE được chọn sao cho trong toàn dải tần số làm

việc của mạch khuếch đại nú gần như ngắn mạch hoàn

toàn cỏc thành phần tớn hiệu sụt trờn RE để triệt bỏ hồi

tiếp õm theo tần số tớn hiệu trờn RE Điện trở RL và CL

tạo thành mạch lọc nguồn vừa ngăn cỏch ảnh hưởng

lẫn nhau giữa cỏc tầng dựng chung nguồn ECC, vừa khử

sụt ỏp xoay chiều trờn nội trở nguồn ECC Muốn vậy

RI

UE

dụng sơ đồ tương đương của transistorr (xem giỏo trỡnh ấu k ện đ ện t )ta lập được sơ đồ

tương đương của mạch như ở hỡnh 4.17

Sơ đồ tương đương này chỉ tớnh đến cỏc điện dung ký sinh ở đầu ra của mạch khuếch đại Cỏc

tụ Cn1 và Cn2 là cỏc tụ nối tầng, thụng cỏc thành phần tần số tớn hiệu, ngăn cỏch thành phần một chiều từ tầng trước sang tầng sau Tải thuần trở là Rt.ở đõy Cra - điện dung đầu ra của transistorr ( C ra= CCE),điện dung ký sinh CKS=CV+CLr1+CLr2;Clr1 và C lr2 - điện dung ký sinh do lắp rỏp ở đầu ra của tầng đang xột và đầu vào của tầng tiếp theo(tải),CV điện dung của đầu vào của tầng tiếp theo.Trong mạch khuếch đại Cn lớn hơn nhiều so với Clr1, Clr2, Cra, CV và ảnh hưởng của chỳng ở cỏc vựng tần số là khỏc nhau Người ta phõn thành ba vựng tần số: Vựng tần số thấp, trung bỡnh và vựng tần số cao Xột đặc tớnh tần số của khuếch đại trong cỏc vựng đú

Hình 2.3.1.1 Sơ đồ nguyên lý khuếch đạ i điện trở mắc Emitơ chung

Ở vùng tần số trung bìn :trở kháng của Cn2 không đáng kể, (

n

tbC

1

 nhỏ) nên nó được thay thế gần đúng bằng dây dẫn, lúc đó

Ctđ = Cr + CM1 + CM2 + CV Với trở kháng của điện dung tương đương cực lớn (

V

ggg

Sg

SU

Ở vùng tần số o :trở kháng của Cn2 càng nhỏ, nhưng trở kháng của Cra ,Clr , Cv cùng bậc với

Rt, rCE , và RC nên không thể bỏ qua Lúc đó sơ đồ tương đương mạch ra sẽ có dạng như ở hình

30

td V Ra

td td C

td td

C td

RCj1

RC

jg

Ra Cao

c

0 td

c

td C

j1

KR

j1

RSSZ

U

UKK

0 c

C

1

1K

Đặc tính biên độ tần số này trình bày trên hình 2.3.1.4

Tần số giới hạn trên của dải thông C được xác định theo biểu thức (*) có trị số bằng





= 0,707

=



, tức là cc=1 Từ đó ta có :

c=

td td

11

Người ta đưa ra khái niệm "diện tích khuếch đại" bằng tích của Kovà C:

SKĐ= 0 c =

td

C

S

Từ công thức ta thấy diện tích khuếch đại được xác định chủ yếu bởi các tham số của transistor (hỗ dẫn S và các điện dung ký sinh)

Ở vùng tần số t ấp: trở kháng của Cra, Clr1,Clr2 , C rất lớn so với Rt và RC nên sơ đồ tương đương mạch ra ở vùng tần số thấp có dạng như ở hình 2.3.1.3 c

Từ hình này ta tìm được :

t t

vï ng tÇn sè thÊp vï ng tÇn sè trung b×nh vï ng tÇn sè cao

     t

c

c 2

Rr

RrC

t t

từ đó t =

t





S ,  - hằng số thời gian của mạch vào

32

 = (Cbe+ Cb'e) be b

e b b b

e b b

r r

r r

' '

j t j

S

' 0 0

11

Như vậy ở vùng tần số cao trong mạch khuếch đại điện trở Transistor lưỡng cực hệ số khuếch đại bị giảm do hai nguyên nhân :

1 Tần số càng cao thì hỗ dẫn của Transistor càng giảm ,

2 Do điện dung ký sinh lắp ráp, điện dung mạch ra, điện dung tải đấu song song với tải ở mạch ra

Tổng trở đầu vào: ta chỉ xét ở vùng tần số trung bình Theo sơ đồ tương đương hình 2.3.1.2 thì

C t

t C v

t

RR

RR

RRI

Như vậy mạch khuếch đại điện trở Emitơ

chung khuếch đaị cả điện áp và dòng điện và

cho hệ số khuếch đại công suất khá lớn (0,2

5)103, có trở kháng vào tương đối lớn , trở

kháng ra xác định bởi điện trở colectơ RC ,

điện áp đầu ra ngược pha so với điện áp đầu

vào Do các đặc điểm trên mà khuếch đại

emitơ chung được sử dụng khá phổ biến

trong kỹ thuật

Mạch khuếch đại bazơ chung có sơ đồ

nguyên lý trên hình 2.3.2.1 Tín hiệu vào đặt

ở giữa cực E và cực B, tín hiệu ra lấy giữa cực C và cực B Các điện trở R1,R2 và RE xác định điểm công tác tĩnh của tầng Tụ Cb nối cực B của Transistor xuống "mát" để khử hồi tiếp âm trên R2 Cách xét các đặc tính của mạch cũng tương tự như mạch emitơ chung đã xét

Ở đây ta không xét tỉ mỉ mà chỉ nhấn mạnh một số đặc điểm chính của mạch này như sau Trở kháng vào của sơ đồ nhỏ ( vì dòng vào là IE lớn)

Zv RE // rb (4.46) Trở kháng này có chỉ số chỉ vài chục ôm (20  50) , đó là nhược điểm lớn của

R

RR

Hệ số khuếch đại điện áp:

K =

v n

t C

RR

RR

Ở vùng tần số cao điện dung vào của tầng emitơ chung khá lớn, nó là tổng điện dung Cbe và điện dung ghép giữa mạch ra và mạch vào (CbC )phản ánh về mạch vào C‟bC = K.CbC, nó cỡ 10pF -100pF Còn ở tầng bazơ chung điện dung vào

chỉ là điện dung bazơ - emitơ cỡ vài pF Điện dung

này cùng với điện trở trong của nguồn tín hiệu tạo

thành mạch lọc thông thấp với tần số giới hạn trên

lớn hơn tần số giới hạn trên của sơ đồ emitơ chung

khá nhiều Do vậy sơ đồ bazơ chung thường được

dùng để làm việc ở vùng tần số cao

Sơ đồ nguyên lý trình bày trên sơ đồ hình 2.3.3.1

Ta cũng xét các tham số của mạch ở vùng tần số

trung bình Tín hiệu vào đưa vào giữa cực B và cực

E, tín hiệu ra lấy trên RE, tức là giữa cực E và cực C

Nếu xây dựng sơ đồ tương đương rồi tìm các quan

hệ ta có:

ZV = Rb // rV

rV = rb+ (1+)(rd + RE // Rt) Thường Rd << RE // Rt nên

E I

RR

R)(K

Các sơ đồ khuếch đại dùng FET cũng có tính chất giống như transistor lưỡng cực Nhưng vì hỗ dẫn của FET nhỏ hơn của transistor lưỡng cực nên hệ số khuếch đại của nó nhỏ hơn khuếch đại dùng transistorr lưỡng cực FET kênh dẫn n thường dùng trong phạm vi tần số rất cao Các mạch khuếch đại dùng FET chỉ mắc nguồn chung hoặc máng chung

2.3.4.1 Khuếch đại FET mắc cực nguồn chung.

Hình 2.3.4.1.1a là sơ đồ nguyên lý khuếch đại dùng transistor trường MOSFET kênh dẫn n đặt sẵn, tương tự như sơ đồ emitơ chung hình 2.3.1.1 Hình 2.3.4.1.1.a khuếch đại điện trở cực nguồn cung và 2.3.4.1.1.b là đường tải trên họ đặc tuyến

Tín hiệu cần khuếch đại đưa vào cực cửa G và cực nguồn S qua Cn1 , tín hiệu ra lấy giữa cực máng D và cực nguồn S qua tụCn2 , tức là trên Rt Chế độ tĩnh của tầng được xác định bởi RS và

R2 ( có thể cả R1) Hình 2.3.4.1.1b là họ đặc tính ra của transistor trường với các đường tải Nguyên tắc chọn chế độ tĩnh giống như ở mạch emitơ chung Chọn để có:

UDS 0> Ura m+UDS

Đường tải tĩnh một chiều ab cũng dựng tương tự như ở mạch emitơ chung theo phương trình tải:

UDS = UD = ED - ID(RD + RS) Điểm a ứng với UDS = ED, ID = 0, điểm b ứng với UDS = 0,

D S

D D

RR

EI



 Điểm công tác tĩnh 0 chọn trên đường tải tĩnh ab ứng với điểm UGS0 , UDS0 , ID0 Đường tải xoay chiều xác định theo

Rt~ = RD // Rt Nếu tải cũng là một tầng khuếch đại như Hình 2.3.4.1.1a thì coi Rt  và đường tải xoay chiều trùng với đường tải tĩnh

Khác với transistor lưỡng cực, ở FET chế độ tĩnh có thể có UGS0 là âm, dương hoặc bằng 0

- Trường hợp UGSO < 0 Điện trở R2 và RS xác định UGSO <0 ( xem tiết 4.4,3,c)

UGS0 = - IDO.RS Điện trở RS được xác định:

DO

O S D S

2

R R

R

ED



R1=

0 0

2 GS s

D

U U

R E

 - R2 Như vậy phải chọn nguồn

ED = UDS 0+US0 + ID.RDĐiện trở RD chọn:

0 0

, ,

R I U

36

Tương tự như Transistor lưỡng cực , ở transistor trừơng cần quan tõm đến UDS max , ID max,

PD max (xem Hỡnh 2.3.4.1.1b)

Để xỏc định cỏc tham số của tầng khuyếch đại cần dựng sơ đồ tương đương hỡnh 2.3.4.1.2

Ở đõy ta chỉ phõn tớch ở vựng tần số trung bỡnh, bỏ qua cỏc điện dung ký sinh trong mạch, ta cú:

2.3.4.2 Sơ đồ cực mỏng chung hay lặp cực nguồn

Sơ đồ lặp cực nguồn giống như sơ đồ lặp emitơ nhưng trở khỏng vào của nú rất lớn

( 107  1012) Sơ đồ hỡnh 2.3.4.2.1

Hệ số khuếch đại điện ỏp

 1

mV mra

U

UKTrở khỏng vào :

Colectơ chung (CC)

Bazơ chung (BC)

Nguồn chung (SC)

Mỏng chung (DC)

Cửa chung ( GC)



Nhỏ Lớn Lớn Nhỏ

0

Lớn Nhỏ Nhỏ Lớn

0

T bỡnh Rất lớn Rất lớn T.bỡnh



Nhỏ Rất lớn Rất lớn Nhỏ

0

T.bỡnh Nhỏ Nhỏ Lớn

0

R

RR

SUV

Hình 2.3.4.1.2 Sơ đồ tuơng đuơng của khuếch

đại tranzisto truờng mắc cực nguồn chung

Từ bảng trên có thể thấy:

Mạch khuếch đại emitơ chung có hệ số khuếch đại công suất lớn nhất ( vì Ku và Ki đều lớn ),

trở kháng vào và trở kháng ra của nó có giá trị trung bình nên ghép với nguồn tín hiệu và tải

khá tốt Vì vậy sơ đồ này được sử dụng rộng rãi hơn cả Trong khi đó tầng FET muốn

có Ku lớn cần có Rt lớn, làm giảm tần số giới hạn trên của mạch

- Mạch lặp Emitơ chung và lặp nguồn thường dùng để phối hợp trở kháng với tải nhỏ

và nguồn tín hiệu vào có trở kháng lớn

- Mạch Emitơ chung có hồi tiếp âm trên RE thường được dùng để làm nguồn dòng,

mạch lặp emitơ dùng làm nguồn áp

- Mạch dùng FET có hệ số khuếch đại điện áp nhỏ vì hỗ dẫn nhỏ, mạch lặp cực nguồn

có trở kháng ra lớn hơn mạch lặp emitơ

- Các mạch dùng FET có ưu điểm lớn là trở kháng vào rất lớn

- ở tần số cao mạch bazơ chung có nhiều ưu điểm hơn so với mạch emitơ chung và

colectơ chung

Xét ví dụ tính toán một mach khuếch đại tín hiệu âm tần sau đây

a Số l ệu b n đầu :

Để tính toán một mạch khuếch đại điện tở ta căn cứ vào số liệu ban đầu sau

- Biên độ điện áp ra Umr ,thường nhỏ hơn 1v

- Biên độ điện áp vào Umv ,thường dưới 1mv

- Điện trở Rt , vài trăm  đến vài k

- Dải thông ft fC từ vài chục hz đến vài chục khz

Mt, Mc - hệ số méo biên độ ở tẩn số thấp ft và tần số cao fC

ECC - điện áp nguồn, có thể cho trước hoặc tự chọn

Trong ví dụ cho trước :

Rt = 280 ; Umra = 220mv; Um v = 18mv

ft = 200 hz ; fC = 9khz ; Mt = MC =

c t

Đây là khuếch đại tuyến tính làm việc ở chế độ A dùng transistor công suất nhỏ tần số thấp

(âm tần)để đảm bảo độ khuếch đại cần thiết

Đối với transistor công suất dưới 1w thì h11 = 300  3000 

ví dụ thử chọn h11 e = 1k ; KSRt = Rt

h

h

11 21

38

Tra sổ tay ta thấy cú nhiều transistor õm tần cụng suất nhỏ cú   42 Vớ dụ chọn M - 37  -

búng Nga cú P = 150mw, fg = 1Mhz ,  = 50

Khi chọn transistor nờn chọn loại rẻ tiền, sẵn cú Nếu đặc tuyến của transistor đó chọn khụng

cho trong cỏc sổ tay ta cú thể lấy đặc tuyến của nú bằng thực nghiệm Transistor M - 37  -

Theo đặc tuyến chọn ICmin = 1mA như vậy ICo  2mA Để cú tuyến tớnh tốt ta chọn ICo= 7mA ,

ứng với IBo = 0,2 mA (xem hỡnh 4.25b), UCE0=5v.Chọn Ic0 nhỏ như vậy vỡ biờn độ tớn hiệu nhỏ

và để đỡ tiờu hao cụng suất.Cụng suất tiờu tỏn (toả nhiệt) trờn colectơ là :

Po= UCE0 IC0= 7[mA] 5 [v]= 35mw nhỏ hơn 150mw, cho trong sổ tay của M - 37 

Như vậy transistor khụng bị núng.Theo đặc tuyến hỡnh 2.3.5.1 ứng với IB0=0,2 mA ta xỏc định

RE chọn sao cho URE =(0,02  0,1) URc.Thường theo kinh nghiệm chọn RE cú trị số: 20 < RE

< 100.Chọn RE = 30 thỡ uRE = 30.7.10-3 = 0,21v.Do vậy UBO = UBEO+ UREO = 0,16 + 0,21

URR

B

6060

3702

0 2

,I

I

UEccR

B R

B

5620060

370150 2

0 1

Như vậy theo cỏch chọn và tớnh toỏn trờn ta cú:

R1 =56K; R2 = 6K; RC = 1K; RE = 30

0 2 4 6 8 10 12 U

1020

U =-5V

C C

C(âm)

Hình 2.3.5.1 Họ đặc tuyến của tranzisto M   37 

V

e Tín t m số ủ mạ k uế đạ

Để tính khuếch đại của tầng cần xác định

h11e, h21e Chúng có thể đo hoặc xác định

trên họ đặc tuyến hình 2.3.5.1

B

BE e

I

U h

Khi UBEo = 0,16V thì IB = 0,2mA

Khi UBEo = 0,18V thì IB = 0,3mA 

Ω2002

0

3

0

16018

,,

(

)V)(

,,

(

h e

const U B

~tR.ehe

h

200

3511



Như vậy sơ đồ bảo đảm K lớn hơn 12 theo yêu cầu Nghĩa là còn dư hệ số khuếch đại nên cũng

có thể tạo hồi tiếp âm để tăng độ ổn định của mạch

Trở kháng vào tính theo công thức:

112

ehReh.RR.R

eh.R.RV

f Tín to n tụ đ ện : Chọn tụ nối tầng Cn1 và Cn2 thoả mãn :

, C

C

; Rv , ,

0 1 0

1

2 1

Chọn Cn1=Cn2=15F - 15v

, E C

; E R , , E C t

0 1 0 1

Chọn CE = 100F - 16v

Tụ lọc nguồn CL chọn 1 0,1 0,3r0

C E t

15 15

Như vậy hai transistor mắc Darlington

hỡnh 2.3.6.1.1a tương đương với một transistor cú hệ số khuếch đại dũng tĩnh  = 12 Hỡnh

2.3.6.1.1b,c dựng hai transistor khỏc tớnh đểbự nhiệt Cỏc transistor mắc Darlington cú cỏc đặc

điểm sau đõy :

 Dũng dư của transistor mắc Darlington lớn (Dũng ngược ICE0) vỡ dũng dư của T1

được T2 khuếch đại nờn khỏ lớn ,vỡ vậy khụng mắc thờm tầng thứ ba

 Vỡ mặt ghộp emitơ - bazơ của hai transistor, tức hai điụt , ghộp nối tiếp nờn điện ỏp

một chiều cũng như mức trụi của điện ỏp này lớn gấp đụi so với trường hợp dựng

một transistor

Mạch kackot dựng hai transistor lưỡng cực T1 mắc emitơ chung

T2 mắc bazơ chung như ở hỡnh 4.28 để kết hợp ưu điểm của cả

hai cỏch mắc Tầng ra T2 làm nhiệm vụ ngăn cỏch ảnh hưởng

giữa mạch vào và mạch ra Mạch Emitơ chung cú trở khỏng vào

lớn, tải của nú là tầng bazơ chung cú trở khỏng vào nhỏ nờn tần

số làm việc tăng cao(4.4.1).Mặt khỏc điện dung vào của tầng

bazơ chung nhỏ nờn tầng emitơ chung làm việc ở tần số cao như

tầng bazơ chung Muốn vậy người ta thiết kế tầng T1 cú hệ số

khuếch đại điện ỏp K1 = - 1 , Tầng T2 cú hệ số khuếch đại điện ỏp

II

C1 C

C

TT

1 2

UUU

r' r

v

R

TR

T

c 1

2 2

1

Hình 2.3.6.2.1 Sơ đồ

kackot

Ucc+