a) Sơ đồ nguyên lý
Tầng khuếch đại EC có sơ đồ nguyên lý như hình 5.7.
93
Hình 5.7. Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại EC Trong sơ đồ:
- Các tụ C1, C2 là các tụ nối tầng:
+ Tụ C1 ngăn ảnh hưởng của nguồn tín hiệu đến chế độ làm việc tĩnh của tầng khuếch đại theo dòng một chiều đồng thời dẫn tín hiệu xoay chiều đến cực gốc của transistor;
+ Tụ C2 để ngăn thành phần một chiều không cho qua tải và dẫn tín hiệu xoay chiều từ cực góp ra tải.
- Bộ phân áp R1, R2 để xác định chế độ tĩnh của tầng (xác định UB0).
- Điện trở RE để tạo phản hồi âm theo thành phần dòng một chiều IE để ổn định điểm làm việc tĩnh của tầng KĐ khi nhiệt độ thay đổi.
- Tụ CE để ngăn phản hồi âm theo thành phân dòng xoay chiều iE, là phản hồi làm giảm hệ số khuếch đại của tầng khuếch đại.
- Dòng điện tĩnh của phần tử điều khiển IC0 được tạo thành do dòng điện tĩnh IE0 thông qua sự điều khiển của RE và dòng IB0.
Hình 5.8. Xác định chế độ tĩnh của tầng khuếch đại EC
94 b) Nguyên lý hoạt động
Việc tính toán chế độ một chiều của tầng khuếch đại là giải quyết nhiệm vụ lựa chọn một cách hợp lý các phần tử trên sơ đồ để nhận được các tham số cần thiết.
Có thể xác định các tham số đầu ra Irm và Urm khi biết tín hiệu vào bằng phương pháp đồ thị.
- Khi chưa có tín hiệu vào (uv = 0) thì tầng khuếch đại làm việc ở chế độ tĩnh với phụ tải tĩnh. Khi đó dòng điện trong tầng khuếch đại và điện áp giữa các điểm là dòng điện và điện áp một chiều, ura = 0. Khi đó phương trình đường tải tĩnh là:
UCE0 = EC – IC0RC – IE0RE EC – IC0 (RC +RE); α
Phương trình đường tải tĩnh đi qua 2 điểm A (EC, 0) và B (0, EC/(RC +RE), điện trở phụ tải tĩnh là:
t C E
R R R
- Khi có tín hiệu xoay chiều đưa tới đầu vào của tầng khuếch đại thì nó sẽ chuyển sang làm việc ở chế độ động với phụ tải động.
Điện áp xoay chiều của tín hiệu vào sẽ làm xuất hiện dòng xoay chiều bazơ iB ~ và do đó xuất hiện dòng xoay chiều ở mạch ra của tầng (iC). Hạ áp trên điện trở RC tạo nên điện áp xoay chiều trên Colectơ. Điện áp này thông qua tụ C2 sẽ đưa tới phụ tải.
Khi có tín hiệu vào (uvào thì dòng iB thay đổi, iB gồm hai thành phần:
Thành phần một chiều IB0 (xác lập trong chế độ tĩnh) và thành phần xoay chiều do uvào tạo ra:
iB = IB0 + iB
Kết quả là dòng iC thay đổi theo với hệ số β lần dòng iB.
Dòng iC tạo nên trên điện trở RC một lượng điện áp biến thiên, chính điện áp biến thiên này được đưa tới đầu ra. Do đó, đường tải động phải đi qua điểm làm việc tĩnh. Đường tải động biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp cực góp với thành phần xoay chiều của dòng điện cực góp:
uC = UCE0 + iC (RC // Rt) Trong đó: ic = IC0 + iC
Vì điện trở phụ tải của thành phần xoay chiều nhỏ hơn điện trở phụ tải đối với thành phần một chiều do đó đường tải xoay chiều dốc hơn đường tải một chiều.
95
Với cách xây dựng như vậy, đường tải xoay chiều đặc trưng cho sự thay đổi giá trị tức thời của dòng điện và điện áp trên cực góp của transistor (uCE) khi giá trị tức thời của tín hiệu sẽ dao động xung quanh điểm làm việc tĩnh. Từ đó ta thấy nếu muốn tín hiệu ra không bị méo so với tín hiệu vào thì điểm làm việc trong chế độ động (ứng với tín hiệu vào là lớn nhất hoặc bé nhất) không được rơi vào vùng bão hòa cũng như vùng cắt dòng trên đặc tuyến). Tức là:
0 0
0 0
C rm CE
C rm CE
U U U
I I I
Trong đó: ΔUCE0 là điện áp colectơ ứng với đoạn đầu của đặc tuyến ra (UCE
bão hòa hay khi đó dòng điện cực góp không phụ thuộc dòng điện cực gốc), ICE0 là dòng điện cực góp ban đầu, Urm, Irm là biên độ điện áp và dòng điện đầu ra. Urm, Irm
có mối quan hệ:
/ /
rm rm
rm
C t t
U U
I R R R
Hình 5.9. Đồ thị thời gian minh họa sự hoạt động của tầng khuếch đại EC
96 c) Tính chọn giá trị các linh kiện - Tính chọn RC:
Để tăng hệ số khuếch đại thường chọn giá trị của điện trở RC lớn hơn Rt từ 3 - 5 lần.
Dựa vào dòng IC0 đã chọn tính ra dòng bazơ, emitơ tĩnh:
0 0 0
0 0 0
I = B IC ICE IC ; E C I I
Từ đó chỉ số nguồn EC được chọn theo:
0 0 0 0 0( )
C CE C C E E CE C C E
E U I R I R U I R R
Điện trở của khâu ổn định nhiệt RE càng lớn thì khả năng ổn định nhiệt cho điểm làm việc tĩnh càng cao, tuy nhiên nếu chọn RE lớn thì hiệu suất giảm, do đó thường chọn sao cho sụt áp rơi trên RE bằng (0,1 ÷ 0,3) điện áp nguồn.
0
(0,1 0,3) C
E
C
R E
I
Khi tính đến khâu phân áp đầu vào: Để ổn định nhiệt cho điểm làm việc tĩnh thì phải đảm bảo sao cho sự thay đổi của dòng IB0 ít ảnh hưởng đến UB0. Muốn vậy thì dòng IP >> IB0 (IP là dòng điện qua điện trở R2), tức là (R1.R2) phải nhỏ. Mặt khác trong chế độ xoay chiều thì R1 nối song song với R2 và song song với mạch vào của transistor gây ra tác dụng rẽ mạch ảnh hưởng xấu đến đầu vào của bộ khuếch đại. Do đó thường chọn:
R1 // R2 = (2÷5)rv
Với rv là điện trở đầu vào của transistor đối với thành phần xoay chiều:
=> IP = (2÷5)IB0
0 0 0
2
0 1
0
B BE E
P P
C B
P B
U U U
R I I
E U
R I I
d) Phương pháp giải tích để tính chế độ xoay chiều tín hiệu bé
Các tham số quan trọng của tầng khuếch đại như hệ số khuếch đại dòng KI, hệ số khuếch đại áp KU, hệ số khuếch đại công suất KP, tổng trở đầu vào Rv, tổng trở
97
đầu ra Rr được xác định khi tính toán cho tầng khuếch đại ở chế độ xoay chiều.
Phương pháp tính dựa trên cơ sở thay thế transistor tương đương bằng sơ đồ hình T trong chế độ tín hiệu bé (hình 5.10).
Hình 5.10. Sơ đồ tương đương của tầng khuếch đại EC
Khi các tầng khuếch đại làm việc với tín hiệu hình sin với tần số trung bình thì trở kháng các tụ C1, C2 nhỏ; CE, CC, CP lớn, do đó có thể bỏ qua ảnh hưởng của các tụ này trong sơ đồ thay thế.
+ Rv = R1 // R2 // rv với rv là điện trở đầu vào của transistor.
BE B B E E
v
B B
U I r I r
r I I
Thường chọn R1//R2 khá lớn nên:
(1 )
V B E
R r r
+ Điện trở đầu ra:
/ / ; r
C C C C C
Rr R r R R
+ Hệ số khuếch đại dòng:
/ / / /
t t C . C t C t C
I
v B B t t C t
I I I R R R R R
K I I I R R R R
+ Hệ số khuếch đại áp:
.
( )
t t t
U I
V n V n V
I R R
K K
I R R R R
+ Hệ số khuếch đại công suất: KP = KU.KI; thường khoảng (0,2 ÷5).103
Tầng khuếch đại có hệ số khuếch đại dòng và áp khá lớn, nếu chọn RC đủ lớn thì KI do đó hệ số khuếch đại công suất lớn. Đây là tầng khuếch đại đảo pha, tín hiệu ra ngược pha so với tín hiệu vào.
98 e) Đặc điểm
Điện áp ra ngược pha so với điện áp vào. Giả sử việc tăng điện áp vào theo chiều dương sẽ làm tăng dòng bazơ iB → dòng iC tăng, hạ áp trên RC tăng → làm giảm điện áp trên Colectơ (tức là giảm điện áp có cực tính dương trên cực Colectơ) hay là xuất hiện ở đầu ra nửa chu kỳ âm điện áp.
- Hệ số khuếch đại dòng Ki >> 1.
- Hệ số khuếch đại điện áp Ku >> 1.
- Hệ số khuếch đại công suất Kp >> 1.
Đây là tầng khuếch đại cơ bản hay dùng trong thực tế.
5.2.2. Tầng khuếch đại CC a) Sơ đồ nguyên lý
Tầng khuếch đại CC có sơ đồ nguyên lý như hình 5.11.
Hình 5.11. Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế tương đương của tầng khuếch đại CC
Trong sơ đồ: Các điện trở phân áp R1, R2 làm nhiệm vụ chọn điểm làm việc tĩnh. Các tụ C1, C2 là các tụ nối tầng. Điện trở RE dùng để tạo điện áp rơi xoay chiều từ đó dẫn qua tụ CP2 sang phụ tải.
Việc tính toán chế độ một chiều của tầng khuếch đại CC giống như tính toán trong tầng khuếch đại EC. Việc tính toán chế độ xoay chiều trong chế độ tín hiệu bé được dựa trên sơ đồ thay thế tương đương. Để đơn giản, giả thiết tầng khuếch đại làm việc ở tần số trung bình, khi đó bỏ qua sự ảnh hưởng của các tụ điện.
+ Điện trở vào: Rv = R1// R2//rv với rv là điện trở đầu vào của transistor.
( / / ) _
(1 )( / / )
B B E E E t
BE
v B E E t
B B
I r I r R R
r U r r R R
I I
99
Vì rE << (RE//Rt) và nếu chọn R1 // R2 đủ lớn thì ta có:
(1 )( / / )
V B E t
R r r R
+ Điện trở ra: vì rC rất nhỏ và (1+β) rất lớn nên ta có:
1/ / 2 / /
/ /( / / / /
1
B n
r E E C E E E
r R R R
R R r r R r r
+ Hệ số khuếch đại dòng:
/ / / /
. (1 )
t t E E t E t E
I
v B B t t E t
I I I R R R R R
K I I I R R R R
+ Hệ số khuếch đại áp:
. (1 )( / / ) (1 )( / / )
( ) (1 )( / / )
t t E t E t
U
V n V n V n B E t
I R R R R R
K I R R R R R r R R
Nếu Rn << thì KU →1.
+ Hệ số khuếch đại công suất: KP = KU.KI KI.
Như vậy, bộ khuếch đại CC có hệ số khuếch đại dòng lớn, hệ số khuếch đại áp xấp xỉ bằng 1, điện áp ra gần như lặp lại điện áp vào cả về biên độ và góc pha. Vì vậy, bộ khuếch đại CC còn có tên gọi là bộ khuếch đại lặp phát. Mạch có tổng trở vào lớn, tổng trở ra nhỏ, thường được sử dụng làm tầng đệm để phối hợp giữa tầng khuếch đại có tổng trở đầu ra lớn và tầng khuếch đại sau nó có tổng trở đầu vào nhỏ hoặc khi muốn giữ nguyên điện áp, tăng dòng điện.
Hình 5.12. Đồ thị thời gian minh họa sự hoạt động của tầng khuếch đại CC
100 b) Đặc điểm
- Mạch khuếch đại CC có điện trở đầu vào lớn do đó dễ dàng phối hợp với tầng phía trước (hay với nguồn tín hiệu có điện trở trong lớn), điện trở ra nhỏ do đó được dùng làm tầng đệm.
- Mạch khuếch đại CC tuy không khuếch đại được điện áp nhưng vẫn khuếch đại được công suất, do đó nó thường được mắc ở tầng ra của mạch khuếch đại công suất để dễ dàng phối hợp với trở kháng.
- Điện áp ra vẫn giữ nguyên pha như ở đầu vào, biên độ coi như bằng biên độ điện áp vào (được gọi là mạch khuếch đại lặp lại).
5.2.3. Tầng khuếch đại BC
- Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại BC như hình 5.13.
Hình 5.13. Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại BC
Trong sơ đồ các phần tử Ec ,Re để xác định dòng tĩnh IE. Các phần tử còn lại có chức năng giống sơ đồ EC. Về nguyên lý để thực hiện sơ đồ BC. Ta có thể chỉ dùng một nguồn Ec.
Để tính toán các tham số của sơ đồ BC ta cần phải xây dựng sơ đồ tương đương như hình 5.14.
Hình 5.14. Sơ đồ biến đổi tương đương và sơ đồ thay thế tương đương của tầng khuếch đại BC
101
Vị trí của điểm làm việc tĩnh được chọn bằng phương pháp dòng điện cực gốc ổn định với điện trở RB. Tụ C1 đảm bảo trên điện trở RB chỉ có thành phần một chiều. Việc tính toán tầng khuếch đại gốc chung theo thành phần xoay chiều đối với tín hiệu bé được thực hiện trên sơ đồ thay thế tương đương. Để đơn giản, giả thiết tầng khuếch đại làm việc ở tần số trung bình, khi đó bỏ qua sự ảnh hưởng của các tụ điện.
+ Điện trở vào:
(1 )
BE E E B B
V E B
E E
U I r I r
R r r
I I
+ Điện trở đầu ra:
/ / ; r
r C C C C C
R R r R R
+ Hệ số khuếch đại dòng:
/ / / /
. 1
t t E C t C t C
I
v E E t t C t
I I I R R R R R
K I I I R R R R
+ Hệ số khuếch đại áp:
( / / ) / /
( )
E C t C t
U
E n V n V
I R R R R
K I R R R R
Nhận xét: Tầng khuếch đại BC có các đặc tuyến ra tĩnh có độ tuyến tính cao, do đó có thể đưa ra tín hiệu xoay chiều với biên độ lớn hơn so với tầng khuếch đại EC mà vẫn đảm bảo méo không đường thẳng nhỏ. Ngoài ra, vì nối chung các cực gốc nên tầng khuếch đại làm việc ổn định với tần số cao. Nhược điểm của tầng khuếch đại BC là tổng trở vào nhỏ nên khi ghép tầng khuếch đại nó sẽ là tải lớn đối với tầng khuếch đại trước nó.
Đặc điểm:
+ Mạch khuếch đại BC không làm đảo pha tín hiệu vào;
+ Điện trở đầu vào nhỏ, khoảng (10 ÷ 50)Ω.