Giáo trình Điện tử cơ bản - Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Nội dung text: Giáo trình Điện tử cơ bản - Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

1. Giáo trình Điện tử cơ bản Chương 5. Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ
2. I. Mạch khuếch đại Transistor Khi cho tín hiệu (ac) tác động vào mạch khuếch đại đã được phân cực trước (H.1) • Các dòng điện và điện thế sẽ thay đổi chung quanh điểm tĩnh điều hành Q (H.2), • Các dòng iB, iC gồm có thành phần DC và cả thành phần AC • Các điện thế vBE , vCE gồm có cả thành phần DC và cảả thành phần AC H.1
3. • Khuếch đại tín hiệu nhỏ iC ic iB ICQ ib IBQ 0 t + Vcc ICQ 0 t Rc +icb R1 Co Ci IBQ +ib + vo VCEQ +vce + VBEQ _ vBE +vbe _ + vbe R2 vCE vce vi + RE IEQ CE - VBEQ +ie VCEQ 0 t 0 t
4. • Các trị số dòng điện và điện thế đều là tổng cộng thành phần xoay chiều ( AC) với thành phần 1 chiều ( DC), và được viết như sau: iB I BQ i b (1a ) iC I CQ i c (1b ) vC E V C E Q v c e 1 c vB E V B E Q v b e 1 d • ib, ic, vbe, vce là trị số tức thời của thành phần xoay chiều ( AC). • iB, iC. vBE, vCE là trị số tức thời tổng cộng gồm cả thành phần AC và thành phần DC . • IBQ, ICQ, VBEQ, VCEQ là thành phần DC ( là trị số điểm tĩnh điều hành Q)
5. Phân giải bằng đồ thị iC ( mA) iB (uA) 6 IB= 60uA 60 ic 4 40 40 ib ICQ3 Q IBQ Q 30 2 20 20 0,68 0 5 6 10 15 20 vCE(V) 0 0,65 V BEQvBE(V) VCEQ VCC vbe 0,665 vce
6. • Ta có các trị sau: Điểm tĩnh điều hành Q (IB=30uA; ICQ=3mA; VCEQ= 9V ) Các trị số thay đổi ( ac): vbe = 0,68V – 0,65V= 0,030V = 30mV ib = 40uA – 20uA= 20uA ic = 4mA – 2mA = 2mA vce= 6V – 12V = 6V • Tính được: Độ lợi dòng: Ai=  = ic/ib = 2mA/20uA = 100 Độ lợi thế: Av =vce/vbe=- 6V/ 0,03V = - 200 Tổng trở vào Ri = vbe/ib=60mV/ 20uA=3k Tổng trở ra : Ro = vce/ic = 6V/2mA = 3k
7. Ic 2mA V o 6V Ai 100 Av 200 Ib 20A V i 0,03V Phân giải bằng đồ thị iC ( mA) iB (uA) 6 IB= 60uA 60 ic 4 40 40 ib ICQ3 Q IBQ Q 30 2 20 20 0,68 0 5 6 10 15 20 vCE(V) 0 0,65 V BEQvBE(V) VCEQ VCC vbe 0,665 vce
8. Mạch tương đương của mạch khuếch đại điện thế R S Rout + + v Av in + S + _ vin _ RL vL R in – –
9. 2.Sơ đồ đơn giản mạch khuếch đại RS + + _ vS (t) Gain, A RL vL (t) – Source Amplifier Load
10. III.Mạch tương đương trong chế độ động • Theo mạch điện ở h.1,vùngnền-phát cho VBB+vs = iBRB+vBE (2) VBB+vs = (IBQ+ib)RB+ (VBEQ+vbe) (3) sắp xếp lại: VBB-IBQ-VBEQ= ibRB+vbe-vs (4) khi cho vế phải của (4) bằng zero, còn lại: vs = ibRB + vbe (5) là phương trình vòng nền-phát với mọi số hạng DC cho bằng zero. • Tương tự với phương trình vòng thu – phát:
11. VCC=iCRC + vCE (6) VCC = (ICQ+ic)RC+ ( VCEQ+vce) (7) Hay: VCC – ICQRC- VCEQ = ic+vce (8) Cho vế bên phải (8) bằng zero ta có: icRC+vce = 0 (9) vce = - icRC (10) là phương trình vòng thu-phát với mọi số hạng DC bằng zero. Phương trình (5) và (10) liên quan đến các thông số ac trong mạch. Các phương trình này có được trực tiếp bằng cách cho tất cả các dòng và thế DC bằng zero.
12. • Lưu ý rằng : Mạch nối tắt cho điện thế bằng zero V=0 Mạch hở cho dòng điện bằng không I =0. Những kết quả trên là hệ quả trực tiếp của sự áp dụng nguyên lý chồng chập vào mạch tuyến tính. • Kết quả ta có mạch tương đương ở chế độ ac, và mọi trị số dòng và thế là tín hiệu thay đổi theo thời gian.
13. • Mạch điện ở chế độ động (AC) vo Q + RC vi RB - • Để có thể áp dụng các định luật Ohm và định luật Kirchhoff,ta phải thay transistor bằng mô hình thông số(vật lý hoặc toán học)
14. Mô hình thông số của Transistor •Có nhiều loại mô hình thông số như: Mô hình chử T ( thông số r ). Mô hình thông số hỗn tạp . Mô hình thông số hỗn tạp h. Mô hình thông số y. • Tất cả các mô hình trên chỉ áp dụng trong trường hợp khuếch đại tuyến tính với tín hiện nhỏ. Sau đây ta sẽ xét đến 3 mô hình thường gặp là thông số chử T, hỗn tạp , hỗn tạp h.
15. 1. Mô hình thông số r ( chử T) • Do phân cực thuận,nên nối nền phát có điện trở động cho bới: re = VT / ICQ • Do phân cực nghịch nên nối thu – phát có điện trở nghịch rc rất lớn ,và có dòng ic chạy qua: B C + ic B rbb c + + rc ic ib + vbe ib rbe Bib rc vce ie re vbe vce - - - - e E Do: vbe = rbbib+reie = reie_=(  +1) reib=rbeib vce = rcic+ reie = rc ic =  rc ib
16. 2.Mô hình thông số hỗn tạp • Xem transistor có tính tuyến tính ở chế độ tín hiệu nhỏ , theo lý thuyết tứ cực ta có: • Ở mạch nền – phát : vb e V T r  r e  i b I CQ • Ở mạch thu – phát: ic i c v be • g mr ib v be i b ic I CQ g m vbe V T • ro =. VA+VCQ)/ICQ rất lớn VA điện thế Early gm được gọi là hệ sồ truyền dẫn
17. 3.Mô hình thông số hỗn tạp h • Xét các hàm sau: VBE = f ( IB , VCE) (1) IC = f ( IB , VCE) (2) Đạo hàm riêng phần cho: VVBE  BE dVVBE dIB d CE IB hs. VCE hs. VCE IB IICC  dIIC d b dVCE IB hs. VCE hs. VCE IB trong đó: dVBE =vbe ; dIB = ib ; dIC = ic; dVCE = vce
18. Đặt: • VBE v be tổng trở vào nối tắt (  ) h ie  I B h s i b vce 0 V CE tỉ số điện thế nghich mạch hở VBE v be h re VCE h. s . v ce ib 0 I B IC i c độ lợi dòng thuận nối tắt h fe IB h s i b vce 0 V CE IC i c hoe tổng dẫn ra mạch hở ( S ) VCE h. s . v ce ic 0 I C
19. • Thay vào trên ta có: vb e h i e i b h r e v c e (1 ) ic h f e i b h o e v c e ( 2 ) • và được biểu diễn bởi mạch sau: • Thông số hỗn tạp h có thể tính được từ các đặc tuyến • Thông số hỗn tạp h thay đổi theo nhiệt độ. • Thông sô hỗn tạp h được cho bởi nhà sản xuất , có trị chính xác trong phân giải mạch và cho các biễu thức dễ nhớ. • Có thể suy ra các thông số từ thông số hỗn tạp h.
20. Nhận xét: • Thay mô hình thông số transistor vào mạch tương đương , áp dụng các định luật mạch điện để phân giải mạch ở chế độ động (ac). a.Trong trường hợp gần đúng ( cho hre = 0 ) thì các mô hình thông số giống nhau :  Ta có : rbe r hie; h fe ; r o r c 1/ h oe Nếu có thêm điều kiện hoe rất nhõ, ta có phép gần đúng thứ 2.
21. IV. Phân giải mạch khuếch đại với thông số h • Xét mạch khuếch đại ráp cực phát chung (CE): Vcc • Vai trò các linh kiện klhác: Rc Tụ Ci , Co là tụ liên lạc Co R1 ( ngăn dòng dc cho Ci Q dòng ac qua ) vo + Tụ hoá C có trị số lớn Rs E vi R2 + + là tụ phân dòng ( bypass)vs RE CE - - nối tắt ở chế độ ac. Xc = 1/ ( wC )= 1 0  2 f C
22. • Mạch điện tương đương ở chế độ động (ac) Zs Q Rs + io Rc ic R1 + is ib + vi vo Rc Rs RB NPN vs = ZL - - - + vs R2 E - Rs(Zs) hie + + + is ib + ic vo Rc vs vi RB hrevo hfeib 1/hoe (ZL) - - - -
23. • Giải mạch : Vi V b e h ieI b h re V o (1) IIIo C hfe b h o e V o ( 2 ) • Từ (1): VVVi be o Z i hie h re (3) IIIi b b VVVo ce ZIIYL o o L o (4 ) VoYIL h f e i h o e V o ( 5 ) • Thay (4) vào (2): V o h f e ( 6 ) IYoh o e L • Thay (5) vào (3): hfe h re h fe h re Z L Z i hie h ie (7 & 8) hoe YZLL1 h oe
24. • Độ lợi dòng điện: Thay (4) vào (2): IIZIIZIo hfe i h oe L o o 1 h oe L h fe i (9) I o hfe h feY L Ai (10 &11) IZi1 hoe L h oe Y L • Độ lợi đện thế: Thay (9) vào (1): 1 h oe Z L Vi h ie I o h re V o (12) h fe Thay (4) vào (12): 1 hoeZ L V o Vi h ie h re V o h fe Z L hie 1 h oe Z L Vo h re V i (13) h fe Z L
25. Hay: Vo hfeZZLL h fe AV Vi h re h feZLL h ie h oeZ h ie h ie h oe h re hfe hfeZL AV (14) hie hZL V o • Tổng trở ra: Z o I o V s 0 , Z L Theo mạch ta có: Vs = 0 h 0 Vs RIs h ie i re V o hre V o I i (19) R s h ie Thay (19) vào (2): hfe h re V o h fe h re IIo ho V o o h o V o (20) RRs hie s h ie
26. • Hay: 1 Rs hie Z o (21) hfe h reR s h o h ho Rs hie • Chú ý: a. Các thông số và các công thức trên đều áp dụng chung cho các cách ráp với lưu ý về chỉ số sau:  Cách ráp cực nền chung : hib, hrb, hfb, hob.  Cách ráp cực thu chung : hic, hrc, hfc,hoc. b. Trong Data chỉ cho các thông số hie,hre.hfe,hoe nên ta phải chuyển đổi sang các thông số của cách ráp tương ứng ( xem bảng chuyển đổi trong giáo trình)
27. • Các trường hợp khác : • 1. Có tải riệng RL: Vẫn áp dụng các công thức (8), (10),(14).(21) nhưng thay ZL=Rc bằng trị số ZL = Rc// RL. 2. Khi kể đến điện trở RB thì các công thức trở thành: ZiB= RB// Zi 3.Nếu điện thế nguồn Vs có Rs thì: Zis = Rs+ZiB Avs = ( ZiB / Zs + ZiB) Av Ais = (Io/IS)=(Io/Ii)(Ii/Is)= Ai [ Zs/(Zs+Zi)] 4. Khi Zo quá lớn thì tính Zo= Rc//Zo
28. Cách tính gần đúng thứ nhứt: Khi hre = 0 (8) Zi = hie hoặc Zi ’ = RB//Zi (10) Ai = hfe/(1+hoeZL) (14) Av = -hfeZL/ [ hie( 1+ hoeZL)] (21) Zo = 1/ hoe và Zo’ = Rc//Zo= Rc// (1/hoe) Ta có thể tính trực tiếp các công thức trên từ mạch tương đương gần đúng trên:
29. Từ mạch điện gần đúng ta tính được: • Tổng trở vào: Vi = Zi Ii Zi = Vi/Ii = hie và Zi’=RB//hie Độ lợi dòng : Io = {( 1/ hoe) / [(1/hoe)+ZL]} hfeIb = = hfeIb / [1+hoeZL] = hfeIi / [1+hoeZL] Ai = Io / Ii = hfe / [1+hoeZL] Độ lợi thế: Vo = -IoZL = -ZLhfeIi / [1+hoeZL] Av = Vo/Vi = - hfeZL / { hie[1+hoeZL ] } Tổng trở ra : Vs=0 và ZL oo Vo = - Io (1/ hoe) Zo = 1/ hoe và Zo’ = [ Rc // (1/ hoe) ]
30. b.Cách tính gần đúng khi: hre=0vàhoeZL < 1 (8) Zi = hie hoặc Zi’ = RB //hie (10) Ai = hfe hoặc AiB = hfeRB / (RB + hie) (14) Av= - hfeZL / hie hoặc Av= - hfeRc / hie (21) Zo oo ( vô cực) Zo’ = Rc Rs(Zs) C + + + is ib hie ic vo Rc vs vi RB (ZL) B hfeib - - - E Ta có thể tính trực quan từ mạch điện tương đương gần đúng này.
31. 2.Mạch khuếch đại phân cực hồi tiếp R : 10V B +V • Tụ CB nối tắt nên ta có mạch tương ie đương: RC Co RB1 RB2 Zi = RB1 // hie + CB ic vo Ci Av = Vo / Vi = ib Q vi = -hfeZL / hie Với: B + ZL = (1/hoe)// RB2 // RC ic ie+ ib hfeib RB1 vo Ai = Io / Ii = hfe vbe hie 1/hoeRB2 RC - ( do 1/hoe ; RB rất lớn) - E Zo = (1/ hoe) // RC • Cách giải đầy đủ xem ở giáo trình
32. Ứng dụng • Mạch tiền khuếch đại Micro • Av = 50 –150; BW = 30 Hz –250 Hz • Ri = 3k – 8 kohm; RO = 4 kohm
33. • Hoặc:
34. Mạch khuếch đại cực phát chung không có tụ phân dòng CE. Vcc Mạch điện + Vì không có tụ Rc Co R1 Phân dòng C E Ci + Nên mạch tương Rs + đương có dạng: + Vo RL Vs Vi R2 - RE - - Cách giải đầy đủ xem trong giáo trình
35. Mạch tương đương ( hre=0 và hoeRL<1) B C ic ii ib io Rs hie hfeib 1/hoe E Vi Vce RL + RB Vbe ie ve =Vo Vs - RE • Ta có: Vi=Vbe + Ve Ve = REIe
36. • Giải được: Vi = hieIb +IeRE= [hie+ (hie+1)RE]Ib Zi = Vi/Ii = hie + (hie+1)RE Zi’= RB// Zi AV = Vo/Vi = - hfeZL hie+(hfe+1)RE AI= Io/Ii =hfe Zo= [(1/hoe)+ RE] Zo’ = Zo// Rc =Rc
37. 3.Phân giải mạch ráp CC bằngthông số hxe • Mạch tương đương: Ta có kết quả tương tự như ở mạch ráp CE nhưng không có tụ C và điện trở Ci E RB Q RC = 0. Co • Tổng trở vào: vi vo Zi = hie + (hfe+1) RE rất RE lớn ( thường chọn R rất lớn để (Zs)B B Rs C không làm giảm Zi). + + + hie • Độ lợi thế: vs vbe hfeib Av = Vo / Vi = - vi RB - E = (hfe+1)RE / [ hie + + vo (h +1) R ] - fe E RE - = 1 • Độ lợi dòng: Ai = Io / Ii = hfe+ 1
38. • Tổng trở ra: ZO = VO / IO VS = 0 và RE oo V = [ hie + (RS// RB ) ] Ib hie Rs RB E I = ( hfe + 1 ) Ib Z = V / I = + o I V [ (RS// RB ) +hie ] - ( hfe + 1 ) = ( RS + hie ) / ( hfe + 1 ) ( nếu RB lớn) có trị rất nhỏ. Nhận xét : Mạch ráp CC hay EF có : * Tổng trở vào rất lớn ( vài trăm kOhm ) * Đô lơi thế gần bằng 1. * Độ lợi dòng lớn * Tổng trở ra rất nhỏ ( vài chục Ohm )
39. V. Sự tương đương giửa các thông số • Mạch khuếch đại chu phát chung : Trong điều kiện gần đúng ta có các mạch tương đương B C giốngB ib nhau: + + ib ic + ic + vi= vi= rbe hie vceRc Bib vce Rc vbe hfeib vbe - - - E - E Zi = hie = rbe AV = -hfeRC / hie = - RC / re Ai = hfe =  Zo = RC = RC
40. • Mạch khuếch đại cực phát chung không có tụ CE: Zi r  1 R E A i  RRCC A V re R E R E ZROC • Mạch khuếch đại ráp theo cực thu chung (CC,EF) Zi r b e  1 R E A i  1  1 R E A V 1  1 R r b e E RS r b e Z O  1
41. V. Thiết tính mạch khuếch đại Transistor Cách 1 Chọn trước: • Dạng mạch cần ráp ( phân cực VDB) • Vcc • Trị số Q: ICQ = 1 mA, VCQ = Vcc/2 • SI = 11 • Av
42. •Tính trị số linh kiện 1. Tính RC Av = -hfeRC/hie RC= AV hie/hfe (1) 2. Tính RE RE+RC =( Vcc- VCEQ)/ ICQ RE (2) 3. Tính RB SI=1+ RB/RE =11 RB = 10 RE (3) 4. Tính VBB, R1, R2 VBB=RBIB+VBE+REIE =VBE+{RB+RE(hfe+1)}(IC/hfe) R1 = RBVCC/VBB ; R2= RB/ [(1-VBB/VCC)]
43. Cách 2 1.Chọn trước: • Mạch phân cực Cầu chia thế • VCC • ICQ  m i n • hFEmin= • VE = 0,1 VCC • VCE = 0,5 VCC • VRC = 0,4 VCC • RB = hFE RE /10
44. 2.Tính trị sô linh kiện Áp dụng qui tắc 10 1. RE = VE/IEQ= VE/ICQ 2. RC = 4 RE 3. RB = hFEminRE/10 4. VBB = VBE+VE+RBIC/hFEmin 5. R1 = RBVCC/VBB 6. R2= RB /[1-(VBB/VCC)]