Bài giảng Kỹ thuật điện tử C: Chương 4 - GV. Lê Thị Kim Anh

Khuếch đại là quá trình biến đổi một đại lượng dòng điện hoặc điện áp từ biên độ nhỏ thành biên độ lớn mà không làm thay đổi dạng của nó. Nhằm giúp các bạn hiểu hơn về vấn đề này, mời các bạn cùng tham khảo chương 4 Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT thuộc bài giảng Kỹ thuật điện tử C dưới đây.

Trang 1

Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử GV: Lê Thị Kim Anh

1

Chương 4

MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU

NHỎ DÙNG BJT

I ĐỊNH NGHĨA

- Khuếch đại là quá trình biến đổi một đại

lượng (dòng điện hoặc điện áp) từ biên độ nhỏ

thành biên độ lớn mà không làm thay đổi

dạng của nó.

2

Δin

I,V

BỘ KHUẾCH ĐẠI

Δout

I,V

Khi xét BJT hoạt động dưới điều kiện tín hiệu nhỏ (sự thay đổi của tín hiệu vào đủ

nhỏ) thì có thể xem BJT như một bộ khuếch đại ac.

3

) rms ( i

) rms ( i I

I A

i

o in

out

Δ

=

) rms ( v

) rms ( v V

V A

i

o in

out

Δ

=

- Độ lợi là tỉ số của một lượng tín hiệu (dòng

điện hoặc điện áp) thay đổi ở ngõ ra và ngõ vào

Ký hiệu là A i hoặc A V

+ Độ lợi dòng:

+ Độ lợi áp:

4

i v in

out

P

+ Độ lợi công suất:

A > 1 : bộ khuếch đại tín hiệu.

A < 1 : bộ suy giảm tín hiệu.

Nhắc lại:

+ giá trị rms: trị hiệu dụng (để tính cho tín hiệu ac).

+ giá trị amp: trị biên độ (hoặc đỉnh – peak).

2

) amp ( ) rms

Trang 2

5

Điện trở ngõ vào của một bộ khuếch đại là tổng

trở tương đương tại các đầu ngõ vào của nó.

) DC ( I

V R

in

in =

) ac ( i

v r

in

in =

6

Công suất ngõ vào ac

Định nghĩa tương tự cho điện trở và công suất ngõ ra.

in

2 in in

2 in

in in

in

r

* ) rms ( i r

) rms ( v

) rms ( i

* ) rms ( v P

=

7

Ảnh hưởng của điện trở nguồn đối với mạch

khuếch đại

A

v in s in s

r r

r v

v

+

=

s in s

in

r r

r v

+

=

v in

o A v

v

=

8

- Điện áp vào bộ KĐ:

s in s

in

r r

r

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +

=

⇒ Điện áp ra :

s in s

in v

r r

r A v A

⇒ Để có độ lợi áp là A v càng lớn thì r in >>r s

* Khuếch đại áp

Trang 3

9

* Khuếch đại dòng

s in s

s

r r

r i

+

=

i in s

s s

r r

r i

i

+

=

10

in s

s

r r

r

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +

=

⇒ Dòng ngõ ra :

s in s

s i

in i

r r

r A i.

A

i = = ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ⎟⎟ ⎠ ⎞

⇒ Để có độ lợi dòng là A i càng lớn thì r s >>r in

11

Ảnh hưởng của điện trở tải

dòng hoặc/và công suất cho một tải ở ngõ ra

- Tải có thể là loa, anten, còi, động cơ điện hoặc

bất kỳ 1 thiết bị hữu ích nào.

- Khi phân tích mạch này, ta thay thế bằng 1 điện

GV: Lê Thị Kim Anh

12

out L o

L

r r

r

v = ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ⎟⎟ ⎠ ⎞

Áp ra trên tải :

Xét cả ảnh hưởng của nguồn thì độ lợi áp từ nguồn đến tải:

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +

=

L o

L in

s

in V

s

L

r r

r r r

r A v

v

⇒ để có áp rơi tối đa trên tải thì r L >>r o

Trang 4

13

Một cách tương tự khi xét đến bộ khuếch đại

dòng, ta có:

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +

=

L o

o in

s

s i s

L

r r

r r r

r A i

i

out L o

o

r r

r

i = ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ⎟⎟ ⎠ ⎞

Dòng trên tải :

⇒ để có dòng tối đa trên tải thì ro>>rL.

Độ lợi dòng tổng :

14

Để truyền công suất cực đại thì cần có

sự phối hợp trở kháng:

- Từ nguồn tín hiệu đến bộ khuếch đại:

r s = r in

- Từ bộ khuếch đại đến tải: r out = r L

15

Mục đích phân cực DC

Khi thiết kế phân cực cho BJT đồng thời cũng

là chọn điểm làm việc cho BJT.

Khi đó, dạng sóng ở ngõ ra sẽ phụ thuộc vào

giá trị điểm phân cực và sự thay đổi của tín

hiệu ở ngõ vào.

v o (t) = V B + v in

V B : áp phân cực tĩnh

16

V max (maximum output valtage) : là giá trị max ở ngõ

ra khi BJT không dẫn gọi là áp cắt (cutoff), thường bằng áp nguồn cung cấp.

V min (minimum output valtage): là giá trị min ở ngõ ra khi BJT dẫn bảo hòa.

Trang 5

17

những thay đổi như sau:

18

Chế độ Maxswing

Là chế độ hoạt động khi áp ngõ ra đạt giá trị tối đa

mà không bị méo dạng tín hiệu

Để đạt được chế độ này thì điểm phân cực tĩnh phải được chọn nằm ở giữa giá trị V min ÷V max

Vmax

Vmin

VB

VO

t

19

Tụ ghép

-Tính chất của tụ là ngăn tín hiệu DC, thông

thường tụ sẽ được dùng để ngăn ảnh hưởng

của tín hiệu DC đối với nguồn hoặc tải.

- Các tụ này phải đủ lớn để có tổng trở thật

nhỏ đối với tín hiệu AC.

- Các tụ này được gọi là tụ ghép (coupling

capacitor) hoặc tụ chặn (blocking capacitor).

20

Trang 6

21

Đường tải một chiều và đường tải xoay chiều

Xét mạch khuếch đại CE:

RC

VCC

RC

RL

RB

22

- Đường tải DC là tập hợp tất cả các điểm làm việc tĩnh Q(I C ,V CE ), khi chưa

có tín hiệu AC.

- Đường tải AC là tập hợp tất cả các điểm (i C ,v CE ), bao gồm cả điểm Q.

23

I Q , V Q = Q(I C ,V CE )

i O , v O :giá trị i C và v CE

của đường tải AC.

- Phương trình đường tải AC:

L Q Q

o

Q L

Q

o

r I V

v

I r

V

i

+

=

+

=

24

- Đường tải AC có độ dốc ( ) lớn hơn đường tải DC ( ).

- Áp ngõ ra được quyết định bởi đường tải AC

sẽ nhỏ hơn nếu được quyết định bởi đường tải DC.

- Nếu Q dịch trên đường tải DC thì đường tải

AC sẽ dịch song song

L r

1

tg δ = −

L R

1

tg θ = −

Nhận xét

Trang 7

GV: Lê Thị Kim Anh

26

Đối với bài toán đã thiết kế sẵn thì giá trị maxswing(lý tưởng) của v out là:

v out = min[(0÷V CEQ ),(V CEQ ÷V CEQ +I CQ r L )]

ACLL

DCLL

Q(VCE,IC)

VCE

VCEQ

IC

δ

ICQ

(VCEQ+ ICQ.rL)

) r

V I L

CEQ

Q+

•

27

Chế độ A (Lớp A)

D

C

VCE

iC

IBmin

IBmax

iCmax

iCmin

•

• Q

iCQ

vCEQ

M

N

Khi chọn điểm Q nằm

khoảng giữa đoạn MN

trên đường tải xoay

chiều, ta nói phần tử

KĐ làm việc ở chế độ A

Đặc điểm của chế độ

này là:

- Dòng và áp tĩnh luôn khác không Biên độ dòng và áp xoay chiều

lấy ra tối đa chỉ bằng dòng và áp tĩnh Do đó hiệu suất thấp (25%).

- Khuếch đại trung thực, ít méo phi tuyến.

II CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA BJT TRONG MẠCH

KHUẾCH ĐẠI

28

Chế độ B (Lớp B)

Định nghĩa hiệu suất η : đo bằng tỷ số giữa công suất của tín hiệu xoay chiều đưa ra trên tải và tổng công suất tầng khuếch đại tiêu thụ của nguồn cung cấp.

Chế độ A thường dùng trong các tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ.

Khi chọn điểm Q nằm trùng với D (hoặc N) thì phần tử khuếch đại làm việc ở chế độ B lý tưởng (hoặc thực tế) Đặc điểm của chế độ này là:

- Méo phi tuyến trầm trọng.

- Hiệu suất cao ( ηBmax= 78.5%).

- Thường dùng trong các tầng khuếch đại công suất (tầng cuối

của các thiết bị khuếch đại) Để khắc phục méo phi tuyến, đòi hỏi mạch phải có 2 vế đối xứng thay phiên làm việc trong 2 nữa chu

kỳ (gọi là mạch “đẩy kéo”).

Trang 8

29

Thực tế, người ta còn dùng chế độ AB (trung gian giữa chế độ A

và B): điểm Q chọn ở phía trên điểm N và gần điểm này Lúc đó

phát huy được ưu điểm của mỗi chế độ, giảm bớt méo phi

tuyến, nhưng hiệu suất kém hơn chế độ B.

Chế độ khóa hay chế độ đóng ngắt (lớp D)

BJT có thể làm việc ở chế độ đóng ngắt (Switch BJT).

Tuỳ theo giá trị điện áp vào mà BJT có thể làm việc ở 2 trạng

thái đối lập:

-Trạng thái khóa (tắt): khi Q nằm ở phía dưới điểm N.

- Trạng thái dẫn bảo hòa (mở): khi Q nằm ở phía trên điểm M

(gần điểm C).

30

- Mục đích của việc chuyển về sơ đồ tương đương là làm cho mạch tính toán đơn giản và dễ dàng hơn.

- Khi sự biến thiên ở tín hiệu vào đủ nhỏ để tạo sự thay đổi

về dòng và áp ở ngõ ra nằm trong đặc tính giới hạn của BJT, ta có thể xem BJT là một phần tử 4 cực tuyến tính :

V2

I2

V1

I1

I1, V1(i1, v1): dòng và áp ở ngõ vào.

I2, V2(i2, v2): dòng và áp ở ngõ ra.

III SƠ ĐỒ TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA BJT

31

Tuỳ theo từng sơ đồ cụ thể của BJT (BC, EC hay CC) thì các

đại lượng trên sẽ là những điện áp hay dòng điện trên các cực

tương ứng, đồng thời tùy theo loại BJT( NPN hay PNP) mà

chúng có dấu hoặc chiều thích hợp.

Tuỳ theo việc chọn biến và hàm để mô tả mối quan hệ giữa

các ngõ vào và ra của BJT mà ta có các loại tham số đặc trưng

cho BJT.

V2,I2

V1,I1

I1,V2

V1,I2

I1,I2

V1,V2

Hàm

V1,I1

V2,I2

V1,I2

I1,V2

V1,V2

I1, I2

Biến

Tham số xoay chiều của BJT

Tham số z Tham số y Tham số h

32

Bộ tham số h

V1= f(I1,V2)

I2= f(I1,V2)

v1= h11i1+ h12v2

i2= h21i1+ h22v2

⇒

0 V 1

1 11

2

i

v ) hi ( h

=

Ý nghĩa của từng tham số

Trở kháng vào của BJT khi áp xoay chiều

ở ngõ ra bị ngắn mạch.

0 V 1

2 21

2

i

i ) hf ( h

=

= Hệ số khuếch đại dòng điện của BJT khi áp xoay chiều ở ngõ ra bị (độ lợi dòng)

ngắn mạch.

0 I 2

2 22

1

v

i ) ho ( h

=

= Điện dẫn ra ở ngõ vào bị hở mạch. của BJT khi dòng xoay chiều

0 I 2

1 12

1

v

v ) hr ( h

=

Hệ số truyền ngược về điện áp (hồi tiếp điện áp) của BJT khi dòng xoay chiều ở ngõ vào bị hở mạch.

⎪

⎪⎪

⎧

∂

∂ +

∂

=

∂

∂ +

∂

=

2 2 2 1 1 2 2

2 2 1 1 1 1 1

dV V I dI I I dI

dV V V dI I V dV

Trang 9

33

- Vì vậy, phẩm chất, tính năng của BJT sẽ thể hiện giá trị

các tham số hijcủa chúng.

- Các hijđược gọi là các tham số xoay chiều (hoặc tham số vi

phân) của BJT.

- Về đơn vị đo:

- h11(hoặc hi): điện trở ( Ω).

- h22(hoặc ho): điện dẫn (mho ( ) hoặc siemient).

- h12(hoặc hr) và h21(hoặc hf) chỉ là các hệ số nên

không có thứ nguyên.

Do đó, bộ tham số hij còn được gọi là tham số hỗn hợp

(hybrid).

- Tùy theo BJT mắc theo kiểu nào (BC, EC hay CC) mà các

tham số có thêm chỉ số tương ứng.

Ω

34

Mạch tương đương của BJT

v1= h11i1+ h12v2

i2= h21i1+ h22v2

h11(hi)

•

h12v2

h21i1

22

1

h

- Điện trở vào h11(hoặc hi).

-Nguồn điện áp h12v2 (hoặc hrvo): thể hiện sự hồi tiếp điện áp nội bộ của BJT Thực tế h12(hay hr) có giá trị rất bé(10-3÷10-4), vì vậy đại lượng h12v2 có thể bỏ qua.

- Nguồn dòng điện h21i1(hoặc hfii): phản ánh khả năng khuếch đại dòng.

- Điện dẫn ra h22(hoặc ho), thực tế giá trị này rất bé, nên điện trở

ra sẽ vô cùng lớn và có thể bỏ qua.

35

Mạch tương đương đơn giản hóa của BJT (toán học)

h11(hi)

•

h21i1 (hf)

Mạch tương đương đơn giản hóa của BJT mắc kiểu CE

hfEiB

hiE

•

E

C

B

36

Mạch tương đương của BJT mắc kiểu CE (vật lý)

iB

iCEO

iC

rB

rE

•

βiB

•

rCE

iE

riE

E

- rE: điện trở của vùng nghèo emitter đối với tín hiệu xoay chiều.

B’

] mA [ I ] mV [ 26 ] mA [ I ] mV [ 26 r

C E

Ở nhiệt độ thường:

- rB: điện trở bản thân của miền base đối với dòng IB Đối với các BJT công suất nhỏ rB= (100 ÷300)Ω.

- rC: điện trở của vùng nghèo collector, có giá trị rất lớn (hàng M Ω).

Trang 10

37

βiB

iB

iC

riE

•

E

rCE

ICEO

riE= rB+( β+1)rE

Mạch tương đương của BJT mắc kiểu CE (vật lý)

Mạch tương đương của BJT mắc kiểu CE (vật lý) đơn giản hơn

hfEiB= βiB

riE

•

E

Vì β>>1 và rB<< rE:

riE≅ βrE

38

C1

RS

vS

RB1

RB2

RC

RE

RL

C2

CE

IV PHÂN TÍCH MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ

1 Mạch khuếch đại mắc E chung

39

Các thông số của mạch khuếch đại đối với tín

hiệu xoay chiều:

- Điện trở vào.

- Điện trở ra

- Độ lợi dòng.

- Độ lợi áp.

40

C1

RS

vS

RB1

RB2

RC

RE

RL

C2

CE

VCC

Sơ đồ tương đương về mặt xoay chiều

RS

vS

RB1 RB2 rie≅ βr hie E hfeR iB C RL

hfe≅ β

Trang 11

41

RS

vS

hfe≅ β

Đặt: R B = R B1 // R B2 ; r L = R C // R L

R iE = R B // h iE

Nếu R B >> h iE thì R iE = h iE

- Nếu dùng mạch tương đương vật lý:

R iE = R B // βr E

r E = 0.026/I E (Ở nhiệt độ phòng)

RiE

Điện trở vào

42

RS

vS

hfe≅ β

RoE

- Điện trở ra :

R oE = R C

43

RS

vS

hfe≅ β

- Độ lợi dòng tổng : A iE = i L /i S

L

L B fE L L

B fE L L

r i h i r i h R

i

iE

iE B S iE B iE S

in

R

h i i h

i R

i

L L iE

iE fE E

r h

R h

A =

⇒

Nếu R B >> h iB :

L L L

L fE E

r R

r h

⇒

Vin

VL

44

RS

vS

rie≅ βrE

hfe≅ β

- Độ lợi áp : A VE = V L /V in

L B fE

iE

L iE

L fE E

r h

⇒

iE B

in i h

V =

Nhận xét: Áp ra ngược pha với áp vào.

Vin

VL

Trang 12

45

RS

vS

rie≅ βrE

hfe≅ β

- Độ lợi áp toàn phần : A TP = V L /V S

L B fE

V =

) R R ( i

V S = S S + iE

iE S

L iE

iE fE

r h

R h A

+

−

=

iE B S

R

h i

i =

Nếu R B >> h iE :

iE S

L fE P

r h A

+

−

=

⇒

46

2 Mạch khuếch đại mắc B chung

RL

RS

vS

VCC

Sơ đồ tương đương

RS

vS

RE

hiB hfBiE

47

RS

vS

RE

fBiE

RiB

R iB = R E // h iB Nếu R E >> h iB thì R iB = h iB Thông thường giá trị h iB rất nhỏ (khoảng vài chục Ω)

Vì vậy mạch khuếch đại B chung có điện trở vào rất bé.

48

RS

vS

RE

fBiE

RoB

R oB = R C

Điện trở ra

Trang 13

49

RS

vS

RE

hiB hfBiE

- Độ lợi dòng tổng : A iB = i L /i S

L

L E fB L L C L L E fB L

L

r i h i R //

R r

; r i h R

i

iB

iB E S iB E iB

S

in

R

h i i h

i R

i

L L iB

iB fB

B

r h

R h

A =

⇒

Nếu R E >> h iB :

L

L fB B

r h

A =

⇒

Trường hợp R L << R C thì r L = R L :

A iB = A iBmax = h fB ≅ α ≅ 1

50

- Độ lợi áp : A VB = V L /V in

L E fB L C fB

iB

L fB B

r h

⇒

iB E iB S

Nhận xét: Áp ra đồng pha với áp vào.

RS

vS

RE

hiB hfBiE

51

- Độ lợi áp toàn phần : A TP = V L /V S

L E fB

V =

iB S

L fB P

r h A

+

=

⇒

) R R ( i

V S = S S + iB

iB S

L iB

iB fB

r h

R h A

+

=

iB E S

R

h i

i =

Nếu R E >> h iB :

RS

vS

RE

hiB hfBiE

52

3 Mạch khuếch đại mắc C chung

RL

vS

RS

RB

RE

VCC

C1

C2

vS

hfeiB

hie

Sơ đồ tương đương

Trang 14

53

vS

hfeiB

hie E

C B

RS

RL

RE

hfeiB

hie

RB

vS

B

C

E

Vẽ lại sơ đồ tương đương

54

RS

RL

RE

hfeiB

hie

RB

vS

B

C

E

RiC

R iC = R B // r iC

riC

iB

V BC = V BE + V EC

V BC = i B h iE + i E r L (r L = R E // R L )

iE

V BC = i B h iE + (h fE + 1)i B r L

L fE iE B

BC

iC h ( h 1 ) r i

V

⇒ RiC≅ RB

B

BC

V r

; =

55

Điện trở ra

RS

RL

RE

hfeiB

hie

RB

vS

B

C

E

RoC

roC

R oC = R E // r oC

V EC = i B h iE + i B R’ S ; (R’ S = R S // R B )

1 h

' R h i

i ' R i h

i

V

r

E f

S iE E

B S B iE E

EC

+

=

+

=

⇒ RiC khoảng vài chục Ω

E

EC oC

i

V r

56

RS

RL

RE

hfeiB

hie

RB

vS

B

C

E

- Độ lợi dòng tổng : A iC = i L /i S

iL

L

L B fB L

L E L L B fE L E L L L

R

r i ) 1 h ( i

) R //

R r ( r i ) 1 h ( r i R i V

+

=

⇒

= +

=

) R //

r R ( R

r i R

r i i r i R i

iC

iC B iC

iC B S iC B iC S

L L iC

iC fE

C

r r

R ) 1 h (

⇒

Định dạng
Số trang	15
Dung lượng	390,07 KB