Nội dung bài giảng Điện tử cơ bản nghiên cứu các mạch điện tử chức năng mà trong đó đáp ứng được việc học tập của sinh viên ĐH công nghệ Điện-Điện tử. Tập bài giảng gồm 8 chương được trình bày như sau: ghép giữa các tầng khuếch đại, mạch khuếch đại có hồi tiếp, mạch khuếch đại tần số cao, khuếch đại vi sai, mạch giao động,...
Trang 1BỘ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI Trường đại học sư phạm kỹ thuật nam định
Nhúm tỏc giả: Th.s Nguyễn Thị Hũa
Th.s Trần Thanh Sơn Th.s Hoàng Thị Phương
Trang 2Lời Nói đầu
Ngày nay sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật và công nghệ, đặc biệt là công nghệ kỹ thuật điện tử đã mang lại nhiều thay đổi to lớn và sâu sắc trong
đời sống, trở thành công cụ quan trọng nhất của cuộc cách mạng kỹ thuật ở trình độ cao Các hệ thống điện tử như: truyền thanh, truyền hình, hệ thống thông tin, hệ thống
đo lường, hệ thống điều khiển tự động, hệ thống máy tính,…ngày một phát triển hơn
và là tập hợp của các mạch điện tử chức năng nhằm thực hiện một nhiệm vụ kỹ thuật nhất định
Nội dung học phần Điện tử cơ bản 2 nghiên cứu các mạch điện tử chức năng mà trong đó đáp ứng được việc học tập của sinh viên Đại học công nghệ Điện - Điện tử, nhóm chúng tôi đã biên soạn tập bài giảng Điện tử cơ bản 2 Tập bài giảng này có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành tự động hóa, tin học, và các sinh viên chuyên ngành khác quan tâm đến lĩnh vực điện tử
Tập bài giảng gồm 8 chương
- Chương 1: Ghép giữa các tầng khuếch đại
- Chương 2: Mạch khuếch đại có hồi tiếp
- Chương 3: Mạch khuếch đại tân số cao
- Chương 4: Mạch khuếch đại công suất
- Chương 5: Khuếch đại vi sai, Khuếch đại thuật toán
- Chương 6: Mạch dao động
- Chương 7: Mạch điều chế và giải điều chế
- Chương 8: Mạch cung cấp nguồn
Nội dung các chương cung cấp các kiến thức cơ bản về mạch điện, tác dụng linh kiện, nguyên lý làm việc, các tham số, đặc điểm và vận dụng của các mạch điện tử như mạch khuếch đại công suât âm tần, khuếch đại cao tần, khuếch đại vi sai, khuếch
đại thuật toán,…mạch dao động, mạch điều chế và giải điều chế, mạch cấp nguồn Cuối mỗi học trình đều có phần câu hỏi và bài tập giúp sinh viên ôn tập và hệ thống kiến thức
Trong quá trình biên soạn nhóm chúng tôi đã bám sát chương trình môn học được nhà trường ban hành, đã cố gắng thể hiện nội dung cơ bản, hiện đại gắn với công nghệ Tuy nhiên do khả năng có hạn, hạn chế về thời gian nên không tránh khỏi sai sót Rất mong nhận được sự đóng góp chân thành của đồng nghiệp và bạn đọc để tập bài giảng ngày càng hoàn thiện hơn
Nhóm tác giả
Trang 3Mục lục
Lời Nói đầu
Chương 1: Ghép giữa các tầng khuếch đại 1
1.1 Khái niệm 1
1.2 Ghép tầng bằng tụ điện (ghép RC) 2
1.2.1 Mạch điện 2
1.2.2 Đặc điểm, phạm vi ứng dụng 5
1.3 Ghép tầng bằng biến áp 6
1.3.1 Mạch điện 6
1.3.2 Đặc điểm, phạm vi ứng dụng 8
1.4 Ghép trực tiếp 9
1.4.1 Mạch điện 9
1.4.2 Đặc điểm, phạm vi ứng dụng 10
1.5 Ghép quang 11
1.5.1 Mạch điện 11
1.5.2 Đặc điểm, phạm vi ứng dụng 12
1.6 Sơ đồ Darlington 12
1.6.1 Sơ đồ 12
1.6.2 Đặc điểm, phạm vi ứng dụng 13
1.7 Sơ đồ Cascode 14
1.7.1 Mạch điện 14
1.7.2 Đặc điểm, phạm vi ứng dụng 16
Câu hỏi và bài tập chương 1 17
Chương 2 Mạch khuếch đại có hồi tiếp 18
2.1 Khái niệm 18
2.1.1 Định nghĩa 18
2.1.2 Phân loại 18
2.2 Phân tích tầng khuếch đại có hồi tiếp 20
2.3 ảnh hưởng của hồi tiếp âm lên các tham số của bộ khuếch đại 21
2.3.1 ảnh hưởng đến độ ổn định hệ số khuếch đại 21
2.3.2 ảnh hưởng đến dải tần của bộ khuếch đại 23
2.3.3 ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến trở kháng vào của bộ khuếch đại 24
2.3.4 ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến trở kháng ra của bộ khuếch đại 25
2.3.5 ảnh hưởng của hồi tiếp âm dến dải động và méo phi tuyến 27
2.4 Phân tích một số mạch khuếch đại có hồi tiếp âm 28
2.4.1 Mạch hồi tiếp âm dòng điện nối tiếp 28
Trang 42.4.2 Mạch hồi tiếp âm điện áp nối tiếp 29
2.4.3 Hồi tiếp âm dòng điện song song 30
2.4.4 Hồi tiép âm điện áp song song 31
Câu hỏi và bài tập chương 2 32
Chương 3: Mạch khuếch đại tần số cao 33
3.1 Đặc điểm của mạch khuếch đại tần số cao: 33
3.2 Tầng khuếch đại cao tần có tải không cộng hưởng 34
3.2.1 Đặc điểm 34
3.2.2 Sơ đồ mạch điện 35
3.3 Mạch khuếch đại cao có tải là mạch cộng hưởng 37
3.3.1 Mạch khuếch đại cao tần dùng BJT 38
3.3.2 KĐ cao tần dùng FET 42
3.4 Khuếch đại cao tần dải rộng 43
3.4.1 Đặc điểm 43
3.4.2.Các biện pháp mở rộng dải tần của bộ khuếch đại 44
Câu hỏi và bài tập chương 3 52
Chương 4 Mạch khuếch đại công suất 53
4.1 Khái niệm 53
4.1.1 Đặc điểm của tầng khuếch đại công suất 53
4.1.2 Các tham số của tầng khuếch đại công suất 53
4.1.3 Các chế độ công tác và định điểm làm việc cho tầng khuếch đại công suất 54 4.2 Khuếch đại công suất chế độ A 55
4.2.1 Khuếch đại công suất tải điện trở 55
4.2.2 Khuếch đại công suất tải biến áp 61
4.3 Khuếch đại công suất chế độ B, AB 63
4.3.1 Khuếch đại công suất đẩy kéo song song 63
4.3.2 Khuếch đại công suất mắc đẩy kéo song song dùng transistor cùng loại 69
4.3.3 Khuếch đại công suất mắc đẩy kéo nối tiếp dùng transistor bù 74
4.3.4 Tầng khuếch đại công suất có công suất ra lớn 80
4.4 IC khuếch đại công suất âm tần 80
4.4.1 Giới thiệu một số IC khuếch đại công suất âm tần 80
4.4.2 Một số mạch khuếch đại công suất dùng IC 84
4.5 Khuếch đại công suất ở chế độ khác 86
4.5.1 Khuếch đại công suất chế độ C 86
4.5.2 Khuếch đại công suất chế độ D 88
Câu hỏi và bài tập chương 4 90
Chương 5: KHUẾCH ĐẠI VI SAI, KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 92
Trang 55.1 Khuếch đại vi sai 92
5.1.1 Mạch điện 92
5.1.2 Chế độ 1 chiều 93
5.1.3 Chế độ đơn Error! Bookmark not defined 5.1.4 Chế độ vi sai 98
5.2 Khuếch đại thuật toỏn (OPAM) 99
5.2.1 Khỏi niệm về khuếch đại thuật toỏn 99
5.2.2 Mạch khuếch đại đảo 103
5.2.3 Mạch khuếch đại khụng đảo 104
5.2.4 Mạch khuếch đại so sỏnh 105
5.2.5 Mạch cộng 105
5.2.6 Mạch trừ 107
5.2.7 Mạch tớch phõn 108
5.2.8 Mạch vi phõn 109
5.2.9 Cỏc mạch biến đổi hàm số cơ bản 109
BÀI TẬP CHƯƠNG 5 110
Chương 6: Mạch dao động 115
6.1 Khái niệm 116
6.1.1 Điều kiện dao động 116
6.1.2 Đặc điểm mạch tạo dao động 118
6.1.3 ổn định tần số và biên độ dao động: 119
6.2 Mạch dao động tín hiệu dạng sin 121
6.2.1 Mạch tạo dao động LC 121
6.2.2 Mạch dao động thạch Anh 128
6.2.3 Mạch dao động RC 132
6.3 Mạch dao động xung 139
6.3.1 Khái niệm về tín hiệu xung 139
6.3.2 Mạch dao động đa hài dùng BJT 141
6.3.3 Mạch tạo xung vuông dùng KĐTT 144
6.3.5 Mạch dao động Blocking 148
6.3.6 Mạch tạo xung tam giác 151
6.4 VCO - Volgate Controlled Oscilator (Bộ tạo dao động có thể điều chỉnh tần số bằng điện áp) 155
6.4.1 Khái niệm 155
6.4.2 Mạch VCO 155
6.5 Mạch tổng hợp tần số ứng dụng PLL - Phase Locked Loop 156
Trang 66.5.2 Các khối chính của PLL 157
6.5.3 Các ứng dụng của PLL 158
Câu hỏi và bài tập chương 6 160
Chương 7: Mạch điều chế và giải điều chế 164
7.1 Điều chế (Modulation) 164
7.1.1 Khái niệm về điều chế 164
7.1.2 Điều chế biên độ (AM - Amplitude Modulation ) 164
7.1.3 Điều tần, điều pha 175
7.2 Giải điều chế (Tách sóng) 181
7.2.1 Khái niệm về giải điều chế (Demodulation) 181
7.2.2 Tách sóng điều biên 182
7.2.3 Tách sóng điều tần 186
Câu hỏi và bài tập chương 7 193
Chương 8 : Mạch cung cấp nguồn 194
8.1 Khái niệm về mạch cung cấp nguồn 194
8.2 Mạch chỉnh lưu 194
8.3 Lọc các thành phần xoay chiều của dòng điện ra tải 203
8.3.1 Khái niệm 203
8.3.2 Lọc bằng tụ điện 204
8.3.3 Lọc bằng cuộn cảm L 205
8.3.4 Lọc hỗn hợp 205
8.3.5 Mạch lọc tích cực 206
8.4 Mạch ổn áp bù 207
8.4.1 ổn áp tham số 207
8.4.2.Nguyên lý ổn áp bù tuyến tính 208
8.4.3 Mạch ổn áp bù dùng Transistor 209
8.5 Vi mạch ổn áp 213
8.5.1 Khái niệm 213
8.5.2 Sơ đồ ổn áp có điện áp ra cố định dùng IC 78XX và 79XX 213
8.6 ổn áp xung 215
8.6.1 Khái niệm ổn áp xung 214
8.6.2 Nguyờn lý ổn áp xung 215
Câu hỏi và bài tập chương 8 218 Tài liệu tham khảo
Trang 8Chương 1 Ghép giữa các tầng khuếch đại 1.1 Khái niệm
Ghép giữa các tầng khuếch đại là thực hiện truyền đạt tín hiệu từ một tầng sang tầng tiếp theo sao cho năng lượng tổn hao trên nó là nhỏ nhất Sơ đồ khối mô tả mạch ghép giữa các tầng như hình vẽ 1.1:
Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát mạch ghép giữa các tầng khuếch đại
Ngoài nhiệm vụ truyền đạt tín hiệu, mạch ghép tầng còn có nhiệm phối hợp trở kháng giữa các tầng
Điều kiện để phối hợp trở kháng giữa hai tầng:
M: Mức điện Z: Trở kháng Ngoài ra, để đáp ứng về hệ số khuếch đại trong thực tế người ta thường phải dùng nhiều tầng khuếch đại, do vậy phải ghép giữa các tầng khuếch đại với nhau Chẳng hạn thực hiện ghép n tầng như hình 1.1
Ví dụ một tăng âm với tín hiệu vào nhỏ (tín hiệu ở đầu từ là 200V, ở Micro là 2mV) thì tăng âm phải có ít nhất là 4 tầng khuếch đại Đầu tiên là tầng khuếch đại micro hay khuếch đại đầu từ (có mạch sửa đặc tuyến đầu từ) để cho ra mức 0dB Sau
đó là tầng tiền khuếch đại, tầng kích và cuối cùng là tầng khuếch đại công suất
Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại gồm nhiều tầng được tính như sau:
un ui u
Trang 10Giả sử tín hiệu vào có dạng sin:
+/ 1/2 chu kỳ đầu, tín hiệu vào ở pha dương lúc đó UbeQ 1 tăng lên dẫn đến Q1
tăng dẫn suy ra I 1 tăng lên dẫn đến UceQ 1 giảm đi do đó tụ C3 xả điện qua R6
Từ (+C3) qua r qua ceQ 1 R4 qua R6 về (C3) Khi tụ C3 xả gây sụt áp trên R6
(trên âm, dưới dương) làm cho V BQ 2 giảm dẫn đến UbeQ 2 giảm đi suy ra Q2 giảm dẫn làm cho dòng I 2 giảm đi dẫn đến UceQ 2 tăng lên do vậy tín hiệu ra ở pha dương
+/ 1/2 chu kỳ sau, tín hiệu vào ở pha âm lúc đó UbeQ 1 giảm đi dẫn đến Q1 giảm dẫn làm cho I 1 giảm đi dẫn đến UceQ 1 tăng lên do đó tụ C3 nạp điện:
Từ EC qua R3 qua C3 qua R6 về mass Khi tụ C3 nạp gây sụt áp trên R6 (trên dương, dưới âm) làm cho V BQ 2 tăng lên làm cho UbeQ 2 tăng lên dẫn đến Q2 tăng dẫn suy ra I 2 tăng lên làm cho UceQ 2 giảm đi, do vậy tín hiệu ra ở pha âm Cả 2 nửa chu
kỳ của tín hiệu vào đều có dòng qua tải
Trang 11Ib
UBE0
+/ Độ khuếch đại điện áp (Ku)
Ta có nguồn tín hiệu đưa vào en,
12
R R R
12
r U
n n
Trang 12 2 56 2 7 2
56 2
56
r U
g v
- Hiệu suất thấp
- Hệ số khuếch đại nhỏ vì khó phối hợp trở kháng giữa các tầng (phải thực hiện phối hợp trở kháng)
- Mạch không truyền đạt được tín hiệu có tần số quá thấp (Mfthấp giảm)
- Ghép bằng tụ điện gây ra di pha có thể ảnh hưởng đến tính ổn định của bộ khuếch đại
- Đặc tuyến biên độ tần số không rộng:
2 / 0 U K
0 U K
t
f f f c
0
U K
fHình 1.4 Đặc tuyến biên độ - tần số của mạch
- Khi f ft suy ra Ku giảm mạnh vì do ảnh hưởng của tụ ghép tầng C3 vì fthấp thì X 1/2fC có trị số lớn, do đó điện áp đưa đến tầng sau giảm
-Khi f fC tần số cao, do ảnh hưởng của tụ Cce (tụ ký sinh tiếp giáp CE của Transistor) coi như mắc song song mạch ra
Khi f cao thì XCce giảm làm cho trở kháng ra giảm dẫn đến Ku giảm (vì
t
t c
K // , khi XCce giảm, làm cho trở kháng ra giảm, dẫn đến Ku giảm)
Trang 13Mạch khuếch đại ghép RC thường chỉ dùng để khuếch đại tín hiệu nhỏ, thường dùng trong các mạch rời rạc, ít được dùng trong các mạch tổ hợp IC
1.3 Ghép tầng bằng biến áp
1.3.1 Mạch điện
Hình 1.5 Mạch khuếch đại ghép biến áp
a Tác dụng linh kiện
Trang 14Giả sử tín hiệu vào có dạng sin:
+/ 1/2 chu kỳ đầu, tín hiệu vào ở pha dương dẫn đến UbeQ 1 tăng lên dẫn đến Q1
tăng dẫn suy ra I 1 biến thiên tăng trên W1, trên W2 xuất hiện suất điện động cảm ứng cùng chiều với W1(
2 W
2 W
U như hình vẽ) làm cho VBQ 2 giảm đi dẫn đến 2
beQ
U giảm đi suy ra Q2 giảm dẫn dẫn đếnI 2giảm đi suy ra UceQ 1tăng lên, do đó tín
hiệu ra ở pha dương Cả 2 nửa chu kỳ của tín hiệu vào đều có dòng qua tải
c Các thông số của mạch
Gọi N1: số vòng cuộn sơ cấp biến áp
N2: số vòng cuộn thứ cấp cấp biến áp
Z1: trở tải phần sơ cấp biến áp
Zt: trở tải phần thứ cấp biến áp
1 2
Trang 161.4 Ghép trực tiếp
1.4.1 Mạch điện
Hình 1.7 Mạch khuếch đại ghép trực tiếp
a Tác dụng linh kiện
Trang 17Giả sử tín hiệu vào có dạng sin:
+/ 1/2 chu kỳ đầu, tín hiệu vào ở pha dương dẫn đến UbeQ 1 tăng lên dẫn đến Q1
tăng dẫn suy ra dòngI 1tăng lên làm cho UceQ 1 giảm đi dẫn đến VBQ2 giảm dẫn đến
tăng lên dẫn đến Q2 tăng dẫn suy ra I 2tăng lên suy ra UceQ 1 giảm đi, do đó tín hiệu
ra ở pha âm Cả 2 nửa chu kỳ của tín hiệu vào đều có dòng qua tải
1.4.2 Đặc điểm, phạm vi ứng dụng
Mạch có kích thước nhỏ, gọn
Truyền đạt được cả tín hiệu một chiều và xoay chiều
Hiệu suất của mạch cao
Độ méo ở tần số thấp giảm
Nhược điểm
Do chế độ làm việc giữa các tầng có liên quan đến nhau nên:
+/ Việc tính toán và điều chỉnh mạch phức tạp
+/ ảnh hưởng lẫn nhau về độ ổn nhiệt ở mỗi tầng do vậy cần phải có mạch ổn
định chế độ làm việc và ổn nhiệt bằng hồi tiếp âm ở emitter hoặc từ ngõ ra về ngõ vào Nếu mạch dùng từ 3 tầng trở lên thì dễ gây tự kích ở tần số cao, bởi vậy phải có mạch chống tự kích, thường là mắc thêm tụ có giá trị vài chục pF ở CB của transistor
Mạch khuếch đại ghép tầng trực tiếp thường được dùng phổ biến, đặc biệt trong
Trang 181.5 Ghép quang
1.5.1 Mạch điện
Mạch ghép quang không chỉ thực hiện truyền đạt tín hiệu mà nó còn được thực hiện với mục đích cách ly điện thế giữa các tầng
Hình 1.8 Mạch khuếch đại ghép quang
*/ Tác dụng linh kiện
Trang 19Tín hiệu được đưa vào đầu vào Q1, được Q1 khuếch đại Điện áp sau khi được Q1
khuếch đại được ghép qua OPTO đưa vào Q2 khuếch đại, Q2 khuếch đại, tín hiệu được lấy ra trên Collector Q2
Hiệu suất của mạch cao, méo nhỏ, giảm nhiễu, tạp âm
Tuy nhiên có nhược điểm là do phần tử ghép là quang điện, có sai số phi tuyến tương đối lớn, nên độ chính xác của mạch ghép có giới hạn Nếu dùng mạch ghép này trong sơ đồ đẩy kéo thì sai số phi tuyến được bù một phần
Mạch ghép bằng phần tử quang chủ yếu được dùng để truyền đạt tín hiệu số, được dùng khi cần có sự cách ly về điện giữa hai mạch khuếch đại, hoặc để truyền dẫn tín hiệu bằng cáp quang
Tuy nhiên trên thực tế, mạch ghép bằng phần tử quang còn được dùng để ghép cách ly các mức điện thế khác nhau giảm nhiễu, như hình 1.9
Hình 1.9 Mạch điều khiển động cơ giao tiếp bằng Relay tín hiệu mức TTL
1.6 Sơ đồ Darlington
1.6.1 Sơ đồ
Trang 20Hình 1.10 Sơ đồ mắc Darlington dùng transistor cùng loại Tác dụng linh kiện
Q : Transistor công suất - quyết định công suất của mạch
Darlington có hệ số khuếch đại dòng 12
Trong các mạch thực tế thrường mắc thêm điện trở tải R tạo ra UR 0,4V để Q2
chuyển từ khóa sang mở nhanh hơn
Sơ đồ Darlington dùng 2 Transistor khác loại như hình 1.11
Hình 1.11 Sơ đồ mắc Darlington dùng transistor khác loại
1.6.2 Đặc điểm, phạm vi ứng dụng
Mạch đơn giản, dễ tính toán
Điện trở vào lớn (r 2v rBE), điện trở ra nhỏ
Độ khuếch đại dòng lớn
Độ khuếch đại điện áp 1 trên tải Emitter
Trở kháng vào lớn để phối hợp trở kháng với tầng trước
Độ ổn định điểm làm việc cao
Méo nhỏ
Trang 21Sơ đồ Darlington có thể dùng trong mạch lặp Emitter, hệ số khuếch đại dòng điện không đủ lớn hoặc khi có yêu cầu tăng trở kháng vào của mạch
Sơ đồ Darlington được gọi là sơ đồ phức hợp thường dùng trong các mạch driver
và tầng công suất cuối cùng, dùng với tải nhỏ
Sơ đồ Darlington còn được cải tiến hoạt động ở 2 chế độ AB, B ở dạng mắc đối xứng nhằm giảm méo xuyên tâm và khóa nhanh ở tần số thấp để bảo vệ cặp BJT cuối cùng
Sơ đồ Darlington còn được tích hợp để cho loại BJT có công suất lớn
1.7 Sơ đồ Cascode
Trong một số mạch khuếch đại của băng VHF, UHF hoặc ở các tầng khuếch đại Micro có một số đặc điểm là khuếch đại tín hiệu rất nhỏ với mức tạp âm thấp Muốn thỏa mãn đòi hỏi phải chọn BJT có hệ số tạp âm thấp hoặc dùng FET Như vậy giá thành cao hơn và không phải lúc nào cũng sẵn có để thay thế Trong các trường hợp đó thường dùng mạch Cascode
1.7.1 Mạch điện
- Sơ đồ Cascode dùng 2 Transistor cùng loại
Hình 1.12 Sơ đồ mắc Cascode dùng transistor cùng loại
a Tác dụng linh kiện
1
Q: khuếch đại đầu vào
Q2 : khuếch đại đầu ra
Về phương diện một chiều Q1,Q2 mắc nối tiếp
Trang 22C : Nối mass cho chân B của Q2để đảm bảo Q2mắc theo BC
Mặt khác C3có khả năng khử nhiễu ở tần số cao giúp cho mạch khuếch đại mắc Cascode làm việc ổn định ở tần số cao
Giả sử tín hiệu vào có dạng sin:
+/ 1/2 chu kỳ đầu, tín hiệu vào ở pha dương dẫn đến UbeQ 1 tăng lên dẫn đến Q1
tăng dẫn suy ra dòng I 1 tăng lên làm cho UceQ 1 giảm đi dẫn đến VEQ2 giảm dẫn đến
2
Q tăng dẫn suy ra dòng I 2 tăng lên dẫn đến UceQ 1 giảm đi do đó tín hiệu ra ở pha
âm
Trang 23+/ 1/2 chu kỳ sau, tín hiệu vào ở pha âm làm cho UbeQ 1 giảm đi dẫn đến Q1 giảm dẫn dẫn đến I 1 giảm đi suy ra UceQ 1 tăng lên dẫn đến VEQ2 tăng lên dẫn đến Q2 giảm dẫn suy raI 2giảm đi suy ra UceQ 1 tăng lên , do đó tín hiệu ra ở pha dương Cả 2 nửa
chu kỳ của tín hiệu vào đều có dòng qua tải
- Sơ đồ Cascode dùng 2 Transistor khác loại
Hình 1.12 Sơ đồ mắc Cascode dùng transistor khác loại
Nhược điểm: Điều chỉnh ở chế độ 1 chiều phức tạp
Thường dùng trong các mạch khuếch đại cao tần của băng VHF, UHF, hoặc khuếch đại Micro của các tăng âm
Trang 24Câu hỏi và bài tập chương 1
Câu 1: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện, phân tích nguyên lý làm việc của mạch ghép tầng bằng tụ điện Cho biết đặc điểm và phạm vi ứng dụng của cách ghép trên
Câu 2: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện, phân tích nguyên lý làm việc của mạch ghép tầng bằng biến áp Cho biết đặc điểm và phạm vi ứng dụng của cách ghép trên
Câu 3: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện, phân tích nguyên lý làm việc của mạch ghép tầng trực tiếp Cho biết đặc điểm và phạm vi ứng dụng của cách ghép trên
Câu 4: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện, phân tích nguyên lý làm việc của mạch ghép tầng dùng ghép quang Cho biết đặc điểm và phạm vi ứng dụng của cách ghép trên
Câu 5: Vẽ sơ đồ Darlington, nêu đặc điểm, ứng dụng của sơ đồ đó
Câu 6: Vẽ sơ đồ mạch Cascode, nêu tác dụng linh kiện, phân tích nguyên lý làm việc của mạch Cho biết đặc điểm, ứng dụng của cách mắc đó
Câu 7: Cho mạch khuếch đại ghép tầng bằng tụ như hình 1.13
Hình 1.13 Xây dựng biểu thức tính các tham số của mạch: Trở kháng vào, trở kháng ra, hệ
số khuếch đại dòng điện, điện áp
Trang 25Chương 2 Mạch khuếch đại có hồi tiếp
2.1 Khái niệm
2.1.1 Định nghĩa
Hồi tiếp là ghép một phần tín hiệu ra (điện áp hoặc dòng điện) của mạng bốn cực tích cực về đầu vào thông qua một mạng bốn cực
K: hệ số khuếch đại của phần mạch khuếch đại
: hệ số truyền đạt của phần mạch hồi tiếp
X : tín hiệu hiệu đưa vào phần mạch khuếch đại
Hồi tiếp đóng vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật mạch tương tự Hồi tiếp cho phép cải thiện các tính chất của bộ khuếch đại như: trở kháng vào, trở kháng ra, băng thông …, nâng cao chất lượng của bộ khuếch đại
sử dụng để tạo dao động
Ngoài ra còn phân biệt hồi tiếp một chiều và hồi tiếp xoay chiều Hồi tiếp âm một chiều được dùng để ổn định chế độ công tác, còn hồi tiếp âm xoay chiều được dùng để
ổn định các tham số của bộ khuếch đại Trong chương này chúng ta chỉ xét hồi tiếp âm xoay chiều, hồi tiếp dương sẽ xét cụ thể trong chương 6
Mạch điện của bộ khuếch đại có hồi tiếp được phân làm 4 loại:
Trang 26+/ Håi tiÕp nèi tiÕp ®iÖn ¸p: TÝn hiÖu håi tiÕp ®a vÒ ®Çu vµo nèi tiÕp víi tÝn hiÖu ban ®Çu vµ tû lÖ víi ®iÖn ¸p ë ®Çu ra (H×nh vÏ 2.2a)
H×nh 2.2a Håi tiÕp nèi tiÕp ®iÖn ¸p +/ Håi tiÕp song song ®iÖn ¸p: TÝn hiÖu håi tiÕp ®a vÒ ®Çu vµo song song víi tÝn hiÖu ban ®Çu vµ tû lÖ víi ®iÖn ¸p ë ®Çu ra (H×nh vÏ 2.2b )
H×nh 2.2b Håi tiÕp song song ®iÖn ¸p +/ Håi tiÕp nèi tiÕp dßng ®iÖn: TÝn hiÖu håi tiÕp ®a vÒ ®Çu vµo nèi tiÕp víi tÝn hiÖu ban ®Çu vµ tû lÖ víi dßng ®iÖn ra (H×nh vÏ 2.2c)
Trang 27Hình 2.2d Hồi tiếp song song dòng điện
2.2 Phân tích tầng khuếch đại có hồi tiếp
Xét mạch khuếch đại có hồi tiếp nối tiếp điện áp
Gọi K là hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại khi chưa có hồi tiếp
Ta có:
k
r k
k
UUU
UK
1 1
Chia cả hai vế của biểu thức (2.4) cho Urcó
r r
v r
k
U
UU
UU
Để đơn giản ta coi K, là những số thực, ta thấy:
+/ Khi K 0 Kht K Lúc đó hệ số khuếch đại được tính như sau:
K
K
K ht 1 Hệ số khuếch đại khi có hồi tiếp nhỏ hơn khi không có hồi tiếp, đó
là hồi tiếp âm (Uht ngược pha Uv, điện áp tổng hợp ở đầu vào của bộ khuếch đại giảm
đi)
Hồi tiếp âm làm cho hệ số khuếch đại giảm nhưng cải thiện được chất lượng của
Trang 28+/ Khi 1 K 0 Kht K Lúc đó hệ số khuếch đại được tính như sau:
1 Hệ số khuếch đại khi có hồi tiếp lớn hơn khi không có hồi tiếp, đó
là hồi tiếp dương (Uht cùng pha Uv, điện áp tổng hợp ở đầu vào của bộ khuếch đại tăng lên)
+/ Đặc biệt khi K 1 Kht Lúc này đầu ra của bộ khuếch đại xuất hiện một phổ tần số không phụ thuộc vào tín hiệu vào Mạch khuếch đại làm việc ở chế độ
Mạch khuếch đại có hồi tiếp âm ta có:
Biến đổi (2.8) ta được:
)1(dKK/K
Ví dụ: Khi 20 %
K
dK và ( 1 K) 100, thì sự thay đổi tương đối của hệ số
khuếch đại khi có hồi tiếp âm giảm 100 lần 0,2%
ht
ht
KdK
Trang 29Tính chất này đặc biệt quan trọng vì trong quá trình làm việc bộ khuếch đại chịu
sự tác động của nhiều yếu tố làm cho hệ số khuếch đại không ổn định: sự tác động của nhiệt độ môi trường, sự già hóa của các linh kiện, nguồn cấp không ổn định …
Nếu hệ số khuếch đại lớn và hồi tiếp âm sâu(nghĩa là K rất lớn), có thể loại trừ
sự ảnh hưởng của các yếu tố tác động lên sự ổn định của hệ số khuếch đại
Ta có K 1 khi đó K ht 1 Điều đó có nghĩa Kht không phụ thuộc vào K và mọi sự thay đổi của nó
ý nghĩa vật lý của việc tăng độ ổn định hệ số khuếch đại khi có hồi tiếp âm là ở chỗ khi thay đổi hệ số khuếch đại K thì điện áp hồi tiếp đưa về đầu vào thay đổi, dẫn
đến thay đổi đầu vào Uv theo hướng bù lại sự thay đổi của điện áp ra của bộ khuếch đại (Giả sử khi giảm K do sự thay đổi tham số bộ khuếch đại sẽ làm cho Uht giảm
và Ur giảm), điện áp U 1 k U v U 1 tăng, dẫn đến tăng Ur chính là ngăn cản sự giảm của hệ số khuếch đại K)
Tăng độ ổn định của hệ số khuếch đại bằng hồi tiếp âm được ứng dụng rộng rãi để cải thiện đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại nhiều tầng gộp điện dung vì ở miền tần số thấp và cao hệ số khuếch đại bị giảm, như hình vẽ 2.3
2 /
0 ht
K
0 U
K
2 / 0 U K
t
Hình 2.3 Đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại
có và không có hồi tiếp âm Tác dụng của hồi tiếp âm ở miền tần số kể trên sẽ yếu vì hệ số khuếch đại K nhỏ và sẽ dẫn đến tăng hệ số khuếch đại ở biên dải tần và mở rộng dải thông
Trang 30của bộ khuếch đại Hồi tiếp âm cũng làm giảm méo không đường thẳng của tín hiệu ra
2.3.2 ảnh hưởng đến dải tần của bộ khuếch đại
Hồi tiếp âm mở rộng dải tần của bộ khuếch đại Thật vậy:
Hệ số khuếch đại của các mạch khuếch đại thường là một hàm theo tần số
ở tần số cao:
H
m
ffj
K K
H
m H m
ht
ffjKK
ffj
Kf
fjKK
KK
(1
)1
m ht
f
Kfj
K
KK
)1
(1)1
m ht
f
Kfj
K
K K
) 1
( 1
1 1
) 1
( 1
) 1
K K
Trang 31) 1
2.3.3 ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến trở kháng vào của bộ khuếch đại
a/ Hồi tiếp nối tiếp
Xét mạch hồi tiếp nối tiếp điện áp:
Hình 2.4 Hồi tiếp nối tiếp điện áp Gọi Zvlà trở kháng vào của mạch khuếch đại khi chưa có hồi tiếp
Z
Khi có hồi tiếp âm ta có:
1
U k v U v U 1 k U 1 (2.17) Chia cả hai vế của 2.17 cho Iv ta có
v v
k v
v
I
UI
UI
v v
UZ
Z 2
v
k v
Z 2
v
k v
Z 1
Trang 32)1( K
Z
Từ 2.19 ta thấy trở kháng vào của mạch khuếch đại khi có hồi tiếp âm nối tiếp tăng ( 1 K)lần so với khi chưa có hồi tiếp
b/ Hồi tiếp song song
Xét mạch hồi tiếp song song điện áp:
Hình 2.5 Hồi tiếp song song điện áp
k
r k
k
I
UI
UK
1 1
k
Z
1 1
I UI
U Z
k
v v
v
k r
k v v
( K lần so với khi chưa có hồi tiếp
2.3.4 ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến trở kháng ra của bộ khuếch đại
Nếu sơ đồ chỉ gồm các linh kiện tuyến tính thì ta có
Trang 33rh
Với Urh: điện áp ra khi hở mạch tải
I rng: dòng điện ra khi ngắn mạch tải
a Hồi tiếp âm điện áp
Xét mạch hồi tiếp nối tiếp điện áp:
Gọi Zrlà trở kháng vào của mạch khuếch đại khi chưa có hồi tiếp
Gọi Zrhtlà trở kháng vào của mạch khuếch đại khi có hồi tiếp
Từ (2.18) có
rng
v rng
v ht rng
k
Z
) 1 ( )
1 ( 1 2
Từ biểu thức (2.30) ta thấy trở kháng ra của bộ khuếch đại khi có hồi tiếp âm điện
áp nối tiếp giảm ( 1 K)lần so với khi chưa có hồi tiếp
b/ Hồi tiếp âm dòng điện
Xét mạch hồi tiếp nối tiếp dòng điện:
Hình 2.6 Hồi tiếp nối tiếp dòng điện
Để xác định trở kháng ra lúc có hồi tiếp, đưa một tín hiệu V với ngõ vào ngắn mạch thì ta có Uv U1 k
k r
r
Z U
Trang 34 1
KU Z
Khi có hồi tiếp dòng điện, trở kháng ra tăng một lượng ( 1 K)
2.3.5 ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến dải động và méo phi tuyến
Nhờ có hồi tiếp âm, dải động của bộ khuếch đại được mở rộng Thật vậy:
Khi không có hồi tiếp thì toàn bộ tín hiệu được đưa đến đầu vào của bộ khuếch
v
)1(
Trang 35Bảng 2.1: Tóm tắt ảnh hưởng của hồi tiếp âm lên tham số của bộ khuếch đại
Hồi tiếp dòng
điện nối tiếp
Hồi tiếp điện
Trở kháng
vào(Zvht) Tăng Zv(1K)
Tăng
)1( K
Tăng
)1( K
Zv
2.4 Phân tích một số mạch khuếch đại có hồi tiếp âm
2.4.1 Mạch hồi tiếp âm dòng điện nối tiếp
Hình 2.7 Mạch khuếch đại có hồi tiếp âm dòng điện nối tiếp
(trường hợp không có tụ C4 và có tụ C4)
Từ các lý luận của mạch Emitter ta thấy rõ là tín hiệu hồi tiếp là điện thế qua
điện trở RE và là cách mắc nối tiếp
Để thử loại hồi tiếp ta cho Vr = 0 (RL = 0) Việc làm này không tạo cho điện thế qua RE trở thành 0v Như vậy mạch này không hồi tiếp điện thế
Bây giờ nếu cho Ir =0 (RL = ) nghĩa là dòng cực thu bằng 0 nên điện thế qua
Trang 36RE cũng bằng 0 Như vậy mạch hồi tiếp dòng điện ngõ ra Đây là mạch hồi tiếp dòng
điện nối tiếp
R4 là phần tử thực hiện hồi tiếp Uht IER4
Điện áp đặt vào đầu vào bộ khuếch đại
ht v
4
RIU
UBE v E
Uv và Uht có dấu ngược nhau, mà Uht tỉ lệ thuận với dòng điện do vậy coi là hồi tiếp âm dòng điện nối tiếp
Mạch hồi tiếp dòng điện nối tiếp làm việc ổn định, trở kháng vào tăng, trở kháng
ra tăng Tuy nhiên, để cho hệ số khuếch đại tín hiệu xoay chiều không bị giảm, người
ta mắc thêm tụ điện song song với điện trở chân E (C4 //R4), lúc đó XC<<R4 đối với thành phần xoay chiều XCE 0, thành phần xoay chiều không hồi tiếp âm Do vậy hệ số khuếch đại đối với thành phần xoay chiều không giảm
2.4.2 Mạch hồi tiếp âm điện áp nối tiếp
Hình 2.8 Mạch khuếch đại có hồi tiếp âm điện áp nối tiép
Rx, Cx là phần tử hồi tiếp, đưa một phần điện áp ở đầu ra trở lại đầu vào
Mạch vào được tìm bằng cách cho Vr = 0, Vậy Rx song song với R5 Đầu
ra được tìm bằng cách cho Ik = 0 Vậy đầu ra R5 nối tiếp với Rx Điện thế hồi tiếp qua R5 tỉ lệ với điện thế được lấy mẫu Vr nên:
x r
Trang 37Như vậy mạch thực hiện hồi tiếp điện áp nối tiếp Để rõ hơn về pha tín hiệu hồi tiếp so với tín hiệu vào, chúng ta xét nguyên lý của mạch
Giả sử tín hiệu vào có dạng sin:
+/ 1/2 chu kỳ đầu, tín hiệu vào ở pha dương dẫn đến UbeQ 1 tăng lên dẫn đến Q1
tăng dẫn suy ra I 1 tăng lên làm cho UceQ 1 giảm đi dẫn đến tụ C2 xả điện qua R7
2
C r ceQ 1 R4R5 R7Rg C2 Khi tụ C2 xả gây sụt áp trên R7 (trên
âm, dưới dương) làm cho V BQ 2 giảm dẫn đến UbeQ 2 giảm đi làm cho Q2 giảm dẫn suy
ra I 2 giảm đi, điện áp UceQ 2 tăng lên, điện áp ra ở pha dương, đưa hồi tiếp nối tiếp về
đầu vào ở chân E (ngược pha điện áp ở chân E)
+/ 1/2 chu kỳ sau, tín hiệu vào ở pha âm làm cho UbeQ 1 giảm đi dẫn đến Q1 giảm dẫn suy ra I 1 giảm đi dẫn đến UceQ 1 tăng lên do đó tụ C2 nạp điện:
I tăng lên suy ra UceQ 2 giảm đi điện áp ra ở pha âm, đưa hồi tiếp nối tiếp về đầu
vào chân E (ngược pha điên áp vào) Như vậy nhánh Rx, Cx thực hiện hồi tiếp âm điện
áp nối tiếp
2.4.3 Hồi tiếp âm dòng điện song song
Hình 2.9 Mạch khuếch đại có hồi tiếp âm dòng điện song song
Để xác định loại hồi tiếp, ta cho Ir = 0 (R5 = ), dòng Iht sẽ bằng 0, vậy mạch hồi tiếp dòng điện Như vậy mạch hình 2.9 là một mạch hồi tiếp dòng điện
Trang 38đầu vào và đầu ra đều bị giảm
Như vậy để hiểu rõ hơn về pha tín hiệu đưa về hồi tiếp, ta phân tích nguyên lý làm việc và chỉ ra pha tín hiệu đưa về hồi tiếp ngược pha với tín hiệu vào
Để xác định mạch hồi tiếp là song song hay nối tiếp có thể dựa vào sơ đồ về cách mắc
Trang 39Câu hỏi và bài tập chương 2
Câu 1: Khái niệm hồi tiếp, phân tích tầng khuếch đại có hồi tiếp từ đó chỉ rõ thế nào là hồi tiếp dương, hồi tiếp âm?
Câu 2: Phân tích ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến các tham số của bộ khếch đại
Câu 3: Vẽ một sơ đồ mạch khuếch đại có hồi tiếp âm, phân tích để làm rõ đó là mạch hồi tiếp âm loại gì?
Câu 4: Vẽ sơ đồ mạch khuếch đại có hồi tiếp âm, điện áp song song? Phân tích
để làm rõ ?
Câu 5: Vẽ sơ đồ mạch khuếch đại có hồi tiếp âm, dòng điện song song? Phân tích để làm rõ ?
Trang 40Chương 3 Mạch khuếch đại tần số cao
3.1 Đặc điểm của mạch khuếch đại tần số cao:
- Thông tin vô tuyến điện, sóng cao tần có tần số hàng trăm KHZ trở lên Các mạch khuếch đại hoạt động ở dải tần số này gọi là khuếch đại cao tần Trong các máy thu thanhTransistor loại thường, ít khi có tầng khuếch đại cao tần, nhưng trong các máy thu thanh transistor chất lượng cao có thể lắp thêm một tầng khuếch đại cao tần giữa mạch vào và tầng đổi tần
- Tầng khuếch đại cao tần có thể là tầng khuếch đại đầu tiên của máy thu Sau khi nhận tín hiệu cao tần từ mạch vào đưa đến tầng khuếch đại cao tần làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu cao tần lên cho đủ lớn để đưa sang tầng sau Ngoài ra tầng khuếch đại cao tần cũng có thể làm tầng khuếch đại cuối cùng của máy phát cao tần
- Tác dụng chủ yếu của tầng khuếch đại cao tần là để nâng cao độ nhạy thực
tế và độ chọn lọc tần số ảnh cho máy thu Ngoài ra tầng khuếch đại cao tần còn làm giảm ảnh hưởng giữa mạch vào và mạch ngoại sai, tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc đổi tần cũng như giảm nhỏ độ ghép tín hiệu ngoại sai ra Anten
- Thông tin trong dải sóng cao tần thường được thiết lập trong một vùng tần số hẹp xung quanh một tần số nào đó gọi là sóng mang Đó là các kênh thông tin do các đài phát sóng phát đi
- Do đó một yêu cầu thực tế là cần có các bộ khuếch đại tín hiệu thu chỉ khuếch đại chọn lọc tín hiệu có tần số sóng mang và các tín hiệu lân cận, còn loại bỏ các tần số xa sóng mang Đó là các bộ khuếch đại chọn lọc cao tần thường dùng khung cộng hưởng làm điện trở tải nên còn gọi là bộ khuếch đại cộng hưởng
- Các yêu cầu chủ yếu đối với tầng khuếch đại cao tần là:
+ Hệ số khuếch đại tín hiệu trong cả dải tần số phải lớn và không gây méo + Cùng với mạch vào đảm bảo được độ chọn lọc tần số ảnh
+ Độ ổn định làm việc phải cao
+ Mức tạp âm phải nhỏ nhất
+ Chế tạo, lắp ráp điều chỉnh và sử dụng phải dễ dàng
Ngoài các yêu cầu trên còn đưa ra những yêu cầu khác như khả năng tự động
điều chỉnh hệ số khuếch đại để đảm bảo mức tín hiệu ra không đổi khi tín hiệu vào thay đổi, tự động điều chỉnh dải thông
- Vấn đề chọn lọc tần số bộ khuếch đại: