Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Chương 4 - Khuếch đại

Khuếch đại là quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở đó năng lượng của nguồn cấp 1 chiều được biến đổi thành dạng năng lượng tín hiệu khác ở đầu ra (lớn hơn về mặt biên độ dòng điện hoặc điện áp). Để tìm hiểu sâu hơn về vấn đề này mời các bạn tham khảo Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Chương 4 - Khuếch đại.

Chương 4 : Khuếch đại

 Khuếch đại là quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở

đó năng lượng của nguồn cấp 1 chiều được biến đổi thành

dạng năng lượng tín hiệu khác ở đầu ra (lớn hơn về mặt biên

độ dòng điện hoặc điện áp)

 Phân loại theo tần số khuếch đại

 Khuếch đại tần số cực thấp(tín hiệu 1 chiều)

▪ Tần số trong khoảng 0-20Hz (tín hiệu điện tim)

 Khuếch đại tín hiệu tần số thấp

▪ Tần số trong khoảng 20-200kHz(tín hiệu âm thanh, siêu âm)

 Khuếch đại tín hiệu tần số cao

▪ Tần số trong khoảng 200kHz- 2GHz(sóng mang kênh thông tin radio, truyển hinh… )

ra u

u j

 Do các tâng khuếch đại thường có các phần tử điện kháng và cảm kháng nên |Ku| và |ψku| thay đổi theo tần số.

 là đặc tuyến biên độ – tần số của bộ khuếch đại

 là đặc tuyến pha – tần số của bộ khuếch đại

 Ví dụ về đặc tuyến biên độ - tần số của bộ khuếch đại được biểu diễn như hình vẽ sau:

) (

1 

f

K u 

) (

2 

ku  f

 Thường người ta tính biên độ hệ số khuếch đại |Ku| theo đơn vị decibel

 Trên thực tế,giá trị của không ổn định Độ bất ổn định của được định nghĩa như sau:

) lg(

u K

K

dK K

K

ra i

i

i

ki v

i j

 Trở kháng vào của mạch khuếch đại được định nghĩa như sau:

 nếu Zi>>Zv thì

 nếu Zi<<Zv thì

v

v v

i

U

v i

i u

Z Z

Z K

E

U U

U E

U K

 Trở kháng ra của mạch khuếch đại được định nghĩa là trở

kháng trong của nguồn tương đương nếu ta nhìn từ phía tải :

 nếu Zt>>Zr thì

 nếu Zt<<Zr thì

r

r r

i

U

Z 

r t

t r

r

Z Z

Z E

 Bộ khuếch đại điện áp lý tưởng có Ku rất lớn và không phụ thuộc vào nguồn và tải:

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

Z Z K

Z Z K

0

 Méo không đường thẳng:

transistor gây ra thể hiện ở việc xuất hiện những thành phần tần số lạ ở

đầu ra không chỉ xuất hiện thành phần tần số mà còn xuất hiện các thành phần tần số (n ), với n=2,3 Các thành phần tần số (n ), với

định nghĩa hệ số méo không đường thẳng như sau:

m

nm m

m

U

U U

U

1

2 2

 Méo tần số:

 Do tính phi tuyến đối với các tần số khác nhau của các phần

tử nên hệ số khuếch đại ở các tần số khác nhau sẽ khác

nhau Méo tần số tại tần số f0 được định nghĩa như sau:

) (

)

(

0

max 0

f K

K f

M

u u



 Dải động được định nghĩa là tỷ số giữa biên độ tín hiệu vào lớn nhất để méo không đường thẳng chưa vượt quá mức danh định và biên độ tín hiệu vào nhỏ nhất để chưa bị ảnh hưởng bởi tạp âm :

m in

m ax

v

v d

U U

 Để phần tử khuếch đại (transistor) làm việc bình thường, tin cậy ở một chế độ xác định thì cần hai điều kiện:

 Phân cực tính cho phần tử khuếch đại.

 Ổn định chế độ làm việc tĩnh đã được xác lập.

 Khi thỏa mãn hai điều kiện trên thì ta sẽ có:

 Khi Uv=0, phương trình đường tải tĩnh có dạng:

 Khi Uv≠0, phương trình đường tải xoay chiều như sau:CE C C C

E R

I

C t

C C

U  ( // ) 

 Nếu Q nằm trong khoảnh giữa M và N, trong đó M,

N là giao điểm đường thẳng tải với các đường đặc tuyến ra tĩnh ứng với các chế độ tới hạn UBEmax và

UBE=0 (IB=0), ta nói tầng khuếch đại làm việc ở chế

độ A Chế độ làm việc này có 2 đặc điểm cơ bản là: vùng làm việc gây ra méo nhỏ nhất và hiệu quả biến đổi năng lượng của tầng là thấp nhất

 Khi Q dịch dần về phía điểm N, tầng khuếch đại sẽ chuyển dần sang chế độ AB và lúc Q trùng với N, ta nói tầng khuếch đại làm việc ở chế độ B Đặc điểm của chế độ này là méo lớn.

 Khi Q nằm ngoài N và lân cận M ta nói tầng khuếch đại đang làm việc ở chế độ khóa.

 Phản hồi là dẫn tin hiệu từ đầu ra quay về điểm đầu vào

 Khối mạch khuếch đại K thực hiện khuếch đại tín hiệu vào Khối mạch B thực hiện đưa tín hiệu ra quay lại đầu vào

 Khi tín hiệu ra của khối phản hồi B cùng pha với tín hiệu vào thì sẽ làm tăng đầu vào, đầu ra sẽ tăng

 Đầu ra tăng sẽ làm đầu ra của khối phản hồi B tăng,

từ đó đầu vào khối phản hồi K tăng, lại làm cho đầu

ra tăng

 Quá trình cứ diễn ra như vậy, làm cho mạch không

ổn định Trường hợp này gọi là phản hồi dương

 Ứng dụng chính của phản hồi dương là các mạch tạo dao động.

 Khi tín hiệu ra của khối phản hồi B ngược pha với tín hiệu vào thì sẽ làm giảm đầu vào, từ đó làm giảm đầu

ra

 Trường hợp này được gọi là phản hồi âm hay còn gọi

là hồi tiếp âm

 Hồi tiếp âm cho phép cải thiện chất lượng một số

thông số của mạch khuếch đại vì thế nó được ứng

dụng rất rộng rãi

 Phản hồi điện áp nối tiếp

r vb

rk

U U

U

U U

U

U ph

vk

rk u

r

rb r

vk r

v

U

U U

U U

U





r vb

G

K B

K

K ph

K

B K

ph K

U

U U

U U

U

u u

u u

u u

vb

rb rk

vk r

) (

1 )

( 1

 Hệ số bất ổn định:

G

B ph

K

ph dK

) ( )

(

 Giả sử tín hiệu vào là hình sin tần số trung bình, vì vậy trở

kháng của tụ coi như bằng không, ảnh hưởng điện dung ký

sinh cũng như sự phụ thuộc hệ số của transistor vào tần số coi như không đáng kể

 Cp1 và Cp2 là các tụ ghép tầng Tụ Cp1 loại trừ ảnh hưởng lẫn nhau của nguồn tín hiệu và mạch vào về dòng một

chiều Mặt khác, nó đảm bảo cho điện áp tĩnh base UB0

không bị ảnh hưởng bởi điện trở trong của nguồn tín hiệu

Tụ Cp2 ngăn không cho thành phần 1 chiều mà chỉ cho

thành phần xoay chiều ra tải

 Cặp điện trở R1 và R2 để phân cực tĩnh cho transistor Mạch này tuân theo nguyên lý phân cực bằng dòng Emitter

 RC là tải một chiều

 Tụ điện CE là tụ rẽ nhánh, loại bỏ các thành phần xoay

chiều quay trở lại đầu vào để đảm bảo không làm giảm hệ

số khuếch đại tín hiệu xoay chiều do hồi tiếp âm

 RE đóng vai trò là phần tử hồi tiếp âm dòng điện có tác

dụng ổn định nhiệt, đồng thời cấp điện áp một chiều tới cực Emitter

 Rt là tải lấy tín hiệu đầu ra

 Chế độ tĩnh:

 Là chế độ dòng 1 chiều, các tụ coi như hở mạch, như vậy, mạch khuếch đại ở chế độ tĩnh thu được chính là mạch phân cực bằng dòng Emitter.

 Chế độ động:

 Ta sử dụng sơ đồ tương đương xoay chiều tín hiệu nhỏ của transistor, mạch khuếch đại được vẽ lại như sau:

 Trở kháng vào

nằm trong khoảng khoảng 1÷3KΩ Như vậy, trở kháng vào của mạch EC là trung bình.

be v

 Trở kháng ra:

 ut = ic.(RC//RL) = ib.(RC//RL)

 uv = ib.rbe

Tuy nhiên, điện áp ra ngược pha với điện áp vào.

o v

t u

r

R R

u u

 Hệ số khuếch đại dòng điện:

 Nếu ta coi Zv ≈ rbe thì ta có:

 Giá trị khuếch đại dòng điện có giá trị khá lớn,

v

be b v

be b be

v

Z

r i i

r i r

R R

i

.

)

L C

v

be b

L

L C

c

v

be b

L t v

t i

r

Z R

R R

Z

r i

R

R R

i

Z

r i

R u i

i

.

) //

 Hệ số khuếch đại công suất

nằm trong khoảng 200÷5000.

khuếch đại cả dòng điện và điện áp, trở kháng vào trung bình, trở kháng ra lớn

i u

 Tụ C1, C2 là tụ ghép tầng, nhằm ngăn dòng 1 chiều giữa các đầu của mạch.

 Chế độ tĩnh:

 Khi làm việc ở chế độ tĩnh, các tụ điện coi như hở mạch Tầng khuếch đại được vẽ lại như sau:

 Chế độ động:

 Đối với chế độ xoay chiều, có thể coi các tụ điện ngắn mạch Sơ đồ tương đương ở chế độ xoay chiều của tầng khuếch đại BC được mô

tả như sau:

 Trở kháng vào:

 trong đó Zx là trở kháng được tính như sau:

 thay lên trên ta có:

 Giá trị của trở kháng vào cho mạch khuếch đại BC là khá nhỏ, đây là nhược điểm chính của tầng khuếch đại này vì trở kháng vào nhỏ sẽ làm tín hiệu ra có hệ số méo lớn

x be

E

v R r Z

e be

b

b be c

eb

i

i r i

u



 .

e e

be E

v R r r r

 Trở kháng ra:

 Hệ số khuếch đại điện áp

 Hệ số khuếch đại dòng điện:

 Hệ số khuếch đại công suất:

be

L C

be b

L C

c u

r

R R

r

R R

r i

R R

i

.

) //

L c

L

i u

i

o i

R

r r

R R

R

Z K

i

i K

i u

 Chế độ tĩnh:

 Ở chế độ tĩnh, các tụ điện hở mạch Sơ đồ mạch tương đương

ở chế độ tĩnh được biểu diễn như sau:

R1

R2

E

Re

 Chế độ động:

 Sơ đồ tương đương ở chế độ động được biểu diễn như hình sau:

 Trở kháng vào:

 trong đó Zx là trở kháng của khối (ic,RE,RL) Trở kháng này có thể tính như sau:

 thay lên trên, ta có:

 Như vậy, giá trị điện trở vào của mạch CC là khá lớn Đây là một trong những ưu điểm quan trọng của tầng CC để làm tầng phối hợp với nguồn tín hiệu có điện trở trong lớn

).(

1(

)//

.(

L E

b

L E

e

i

R R

 Trở kháng ra:

CC là rất nhỏ.

y E

i

R R

(

R

Zr E be

 Hệ số khuếch đại điện áp:

 Như vậy, mạch khuếch đại CC không khuếch đại điện áp

 Hệ số khuếch đại dòng điện

 Hệ số khuếch đại dòng điện khá lớn

 Hệ số khuếch đại công suất:

1 )

//

).(

1 (

) //

).(

1 ( )

be

L E

x be

b

x b v

t u

R R

r

R R

Z r

i

Z i u

u K





L

v L

v u

i

R

Z R

Z K

i u

K 

be be

(

// be B S

E

R R