Chương 1 - Tầng khuếch đại tín hiệu dùng Transistor - Kỹ thuật điện tử

Chương 1
Tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng Transistor
Tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng Transistor
1.1. Khuếch đại và các thông số đặc trưng
1.2. Phân tích mạch khuếch đại bằng sơ đồ tương đương
1.2.1. Mạch tương đương của BJT
1.2.2. Sơ đồ mắc CE
1.2.3. Sơ đồ mắc CB
1.2.4. Sơ đồ mắc CC
1.3. Phân tích mạch khuếch đại dùng FET
1.3.1. Mạch tương đương của FET
1.3.2. Sơ đồ mắc CS
1.3.3. Sơ đồ mắc CD
1.3.4. Sơ đồ mắc CG
1.4. Các phương pháp ghép tầng khuếch đại
1.4.1. Ghép RC
1.4.2. Ghép biến áp
1.4.3. Ghép trực tiếp
1.4.5. Các kiểu ghép khác
1.5. Hồi tiếp
1.5.1. Khái niệm và phân loại
1.5.2. Các phương trình cơ bản
1.5.3. Ảnh hưởng của hồi tiếp đến các thông số của mạch
1.1. Khuếch đại và các thông số đặc trưng

Khuếch đại là một quá trình
biến đổi năng lượng có điều
khiển.

Quá trình khuếch đại sẽ tạo ra
trên tải một năng lượng biến

đổi theo quy luật của nguồn tín
hiệu nhưng cao hơn về dòng
điện, điện áp hoặc công suất.

Sơ đồ khối bộ khuếch đại
1.1. Khuếch đại và các thông số đặc trưng

Các thông số vào ra

Các thông số vào mạch khuếch đại gồm:
điện áp vào (Uv), dòng điện vào (Iv), trở
kháng vào (Zv), công suất vào (Pv).

Các thông số ra mạch khuếch đại gồm:
điện áp ra (Ur), dòng điện ra (Ir), trở
kháng ra (Zr), công suất ra (Pr)
•
Hệ số khuếch đại

Hệ số khuếch đại áp (Ku )

Hệ số khuếch đại dòng điện (Ki)

Hệ số khuếch đại công suất (Kp)

Hiệu suất: Hiệu suất của mạch khuếch đại là
tỷ số của công suất ra và công suất nguồn tín
hiệu 1 chiều tiêu thụ

Đặc tuyến biên độ tần số: thể hiện sự biến

thiên của biên độ tín hiệu khi tần số tín hiệu
vào thay đổi.

Đặc tuyến truyền đạt: Biểu thị mối quan hệ
giữa đại lượng đầu ra và đại lượng vào.

Đặc tuyến biên độ tần số của bộ
khuếch đại tần thấp

Đặc tuyến truyền đạt điện áp
Uv
Ur
B
A
Uvmin
Uvmax
U rmax
1.2. Phân tích mạch khuếch đại bằng sơ đồ tương đương
1.2.1. Mạch tương đương của BJT
1.2.2. Sơ đồ mắc CE
1.2.3. Sơ đồ mắc CC
1.2.4. Sơ đồ mắc CB
1.2.1. Mạch tương đương của BJT

Để giải các bài toán có liên quan đến các linh kiện tích cực,
ta phải đưa chúng về các dạng mạch điện tương đương
đơn giản.

Yêu cầu của các sơ đồ tương đương như sau:


Đơn giản, chủ yếu nên sử dụng quan hệ bậc 1.

Tính chính xác.

Transistor lưỡng cực thường dùng 2 kiểu sơ đồ tương đương
khi phân tích mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ, tần số thấp:

Sơ đồ tương đương theo tham số vật lý (re)

Sơ đồ tương đương theo tham số h (tham số hỗn hợp)
Sơ đồ tương đương theo tham số h

Cặp phương trình hỗn hợp

h11 (hi) là trở kháng vào khi đầu
ra ngắn mạch.

h12 (hr )là hệ số hồi tiếp điện áp
khi đầu vào hở mạch.

h21 (hr) là hệ số khuếch đại dòng
điện khi đầu ra ngắn mạch.

h22 (ho)là hệ số dẫn nạp khi đầu
vào hở mạch,
Lo¹i m¹ch Th«ng sè h
E chung (CE) hie, hre, hfe, hoe
C chung (CC) hic, hrc, hfc, hoc
B chung (BC) hib, hrb, hfb,
hob

2221212
2121111

.
UhIhI
UhIhU
+=
+=
BJT th«ng dông m· 2N3904:
Sơ đồ tương đương vật lý

Mô hình kiểu này được gọi là mô hình tương đương π hay còn gọi là sơ đồ tương
đương vật lý

Trong đó re là điện trở khuếch tán Emitter, được tính theo công thức sau:

UT: Điện áp nhiệt, có giá trị bằng 26mV ở 250C
T T
e
EQ CQ
U U
r
I I
≈ ≈
Phân tích mạch khuếch đại bằng sơ đồ tương đương vât lý

Nguyên tắc chung

Phân tích chế độ một chiều (DC): Coi toàn bộ các tụ điện hở mạch và
dùng các phương pháp phân tích tìm điểm công tác tĩnh như trong

giáo trình Linh kiện điện tử.

Phân tích chế độ xoay chiều (AC):

Bỏ tất cả các nguồn 1 chiều (ngắn mạch nguồn áp và hở mạch nguồn dòng).

Coi tất cả các tụ điện ngắn mạch tại tần số tín hiệu. Các tụ này sẽ được xét ảnh
hưởng khi tính tần số cắt thấp của mạch.

Thay BJT bằng mô hình tương đương tín hiệu nhỏ tần số thấp.

Giải các phương trình để tìm các thông số của mạch khuếch đại như hệ số
khuếch đại dòng, hệ số khuếch đại áp, trở kháng vào, trở kháng ra.

Dưới đây sẽ phân tích một số mạch căn bản của BJT dùng sơ đồ
tương đương vật lý (re)
1.2.2. Sơ đồ mắc CE

Trong đó UV là điện áp vào, iv là dòng
điện vào, Ur là điện áp ra, ir là điện áp
ra.

Hệ số khuếch đại điện áp:

Hệ số khuếch đại dòng điện:

Trở kháng vào:

Trở kháng ra Zr được tính khi đầu
vào bằng không (Uv = 0):


Chú ý: Zr của một mạch khuếch đại
không phụ thuộc vào tải. Zr được tính
bằng cách ngắn mạch đầu vào (Uv =
0), thay thế tải đầu ra bằng một
nguồn giả định Ur và lấy Zr = Ur/Ir .
r
u
v
U
K
U
=
r
i
v
i
K
i
=
v
v
v
U
Z
I
=
0
v
r

r
r
U
U
Z
I
=
=
.
. .
b C C
u
b e e
i R R
K
i r r
β
β
−
= = −
( )
. .
//
( )
v b e e B
v B e
v b v B B e
U i r r R
Z R r
i i V R R r

β β
β
β
= = = =
+ +
0
v
r
r C
r
U
U
Z R
I
=
= =
.
b
r B
i
b e
v B e
b
B
i
i R
K
i r
i R r
i

R
β
β
β
β
= = =
+
+
. .
r C v v
r r
i u
v v v v C C
U R Z Z
i U
K K
i U Z U R R
−
= = = − = −
1.2.2. Sơ đồ mắc CE

Nhận xét sau về các tính chất của mạch CE:

Ku < 0 nên điện áp vào và ra ngược pha nhau hay còn
gọi mạch CE là mạch khuếch đại đảo.

Mạch CE thường có hệ số khuếch đại dòng và áp lớn,
trở kháng vào nhỏ vài trăm Ω (Zv ≈
β
re) và trở kháng

ra lớn hàng k
Ω
(Zr= RC).

Mạch CE có hệ số khuếch đại dòng, áp và công suất
lớn thường được sử dụng để khuếch đại tín hiệu nhỏ
trong xử lý và gia công tín hiệu tương tự ở tần số thấp
và trung bình.

Nhận xét ảnh hưởng tụ CE

Điện trở RE có tác định ổn định điểm công tác cho
mạch phân cực BJT (xem trong giáo trình Linh kiện
điện tử). Tuy nhiên nó lại làm giảm hệ số khuếch đại do
hồi tiếp âm thành phần xoay chiều.

Để khắc phục dùng tụ CE có tác dụng ngắn mạch
thành phần hồi tiếp âm xoay chiều thì trong mạch
tương đương xoay chiều có RE = 0 và hệ số khuếch
đại của mạch sẽ tăng lên.

Xét ảnh hưởng của tụ CE
)()(
.
Ee
C
Ee
C
Ebeb
Cb

u
Rr
R
Rr
R
Riri
Ri
K
+
−=
+
−=
+
−
=
β
β
ββ
β
)(
).(
EeB
BEe
B
i
b
Ebeb
i
i
i

RrR
RRr
R
V
i
Riri
i
V
Z
++
+
=
+
+
==
β
βββ
1.2.2. Sơ đồ mắc CE

Dành cho Sinh viên: Tương tự hãy tính các thông số
khuếch đại của một số mạch CE trên hình(2-13).
1.2.3. Sơ đồ mắc CC

Sơ đồ tính trở kháng ra

Trở kháng ra: được tính bằng
khi nối tắt đầu vào (UV =0) và
mắc nguồn Ur ở đầu ra:
( 1)
1

. . ( 1). .
b E
r E
u
v b e b E e E
i R
U R
K
U i r i R r R
β
β β
+
= = ≈ ≈
+ + +
. . ( 1). .
// ( )
v b e b E
v B e E
v
v
b
B
U i r i R
Z R r R
U
i
i
R
β β
β

+ +
= = = +
+
1
//
1 1
r e E
r
e E
Ur
Z r R
i
r R
= = =
+
( 1)
( 1)
b
r
i
v b
i
i
K
i i
β
β
+
= ≈ = +
.

v
r r E
i u
v v v E
Z
i U R
K K
i U Z R
−
= = = −
1
//
1 1
r e E
r
e E
Ur
Z r R
i
r R
= = =
+
( 1)
r b b b
E E
Ur Ur
i i i i
R R
β β
= − − = − +

(1 )
b o
e E e
Ur Ur Ur
i i
r R r
β
β β
+
= − ⇒ = +
1.2.3. Sơ đồ mắc CC
Nhận xét:

Hệ số khuếch đại điện áp nhỏ hơn và gần bằng 1 nên mạch không có khả năng
khuếch đại áp. Mạch CC có điện áp ra gần bằng điện áp vào, tín hiệu vào và ra
đồng pha với nhau (Ku >0) nên còn được gọi là mạch lặp Emitter (tín hiệu ra lặp
lại tín hiệu vào ở cực Emitter.

Tổng trở vào rất lớn và trở kháng ra nhỏ (giống biến thế) nên thường được sử
dụng để phối hợp trở kháng.

Tầng khuếch đại C chung có trở kháng vào lớn, trở kháng ra nhỏ và hệ số
khuếch đại áp ≈ 1, Ur và Uv đồng pha nhau nên thường được dùng làm tầng lặp
hay tầng đệm, được mắc ở đầu vào các máy đo và đầu ra các máy phát để phối
hợp trở kháng.

Mạch C chung có hệ số khuếch đại dòng và hệ số khuếch đại công suất lớn nên
được sử dụng để khuếch đại dòng, công suất.

Tầng khuếch đại C chung có tần số giới hạn làm việc cao tương đương tần số

giới hạn của transistor.
1.2.4. Sơ đồ mắc CB
Nhận xét

Bộ khuếch đại là không đảo (Ku > 0)

Hệ số khuếch đại áp cao tỷ lệ với RC (vài trăm
đến vài nghìn lần tương đương mạch CE). Tuy
nhiên do trở kháng vào thấp (điện trở tiếp giáp
BE phân cực thuận re rất thấp) Zvào= 30÷300Ω
nên hệ số khuếch đại toàn phần thấp hơn nhiều
so với mạch CE. Do đó ở phạm vi tần số trung
bình không dùng mạch BC.

Hệ số khuếch đại dòng gần bằng 1 nên không
dùng mạch CB để khuếch đại dòng điện hoặc
công suất

Trở kháng ra bằng mạch CE (Zra = RC =
100kΩ÷1MΩ.)

Tần số giới hạn làm việc cao (cao hơn so với sơ
đồ mắc cực phát chung) do điện dung hồi tiếp
nhỏ. Mạch CB thường làm việc ở tần số cao (lớn
hơn 100MHz).

Ứng dụng: Sử dụng trong dải tần số vô tuyến vì
trở kháng vào nhỏ khoảng vài chục
Ω
phù hợp

với trở kháng 50
Ω
của antena và đường truyền.
//
v
v E e
v
U
Z R r
i
= =
.
e c c c
r
u
v e e e e
i R R R
U
K
U i r r r
α α
= = = ≈
E
. 1 ( do R r )
r C v v
r
i u e
v v v c e
U R Z Z
i

K K
i U Z R r
−
= = = − = − ≈ − >>
Bài tập 1

Tính các thông số của
mạch khuếch đại khi có
và không có tụ CE. Nhận
xét
Bài tập 2

Tính Ku1 = Vo1/Vi

Tính Ku2 = Vo2/Vi

Nhận xét V01 và Vo2
Bài tập 3

Tính Zv, Ku.
1.3. Phân tích mạch khuếch đại dùng FET
1.3.1. Mạch tương đương của FET
1.3.2. Sơ đồ mắc CS
1.3.3. Sơ đồ mắc CD
1.3.4. Sơ đồ mắc CG
Sinh viên tham khảo trong bài giảng KTĐTTTT chi tiết.
1.4. Các phương pháp ghép tầng khuếch đại
1.4.1. Ghép RC
1.4.2. Ghép biến áp
1.4.3. Ghép trực tiếp

1.4.5. Các kiểu ghép khác
1.4. Các phương pháp ghép tầng khuếch đại

Mục đích: tăng hệ số khuếch đại dòng, hệ số khuếch đại áp, biến đổi trở kháng

Ghép liên tiếp:

Điện áp đầu ra tầng trước là điện áp đầu vào của tầng sau: Ur (i)=Uv(i+1)

Hệ số khuếch đại của toàn mạch bằng tích các hệ số khuếch đại của các tầng:

Trở kháng vào của tầng khuếch đại được tính bằng trở kháng vào của tầng đầu: Zv =
Zv1.

Trở kháng vào của tầng sau sẽ đóng vai trò làm tải của tầng trước: Zvi= Rt(i-1).

Trở kháng ra của tầng khuếch đại được tính bằng trở kháng ra của tầng cuối: Zr =
ZrN.

Việc ghép giữa các tầng có thể dùng tụ điện, biến áp hay ghép trực tiếp.
1.4.1. Ghép RC (Ghép bằng tụ điện)

Hệ số khuếch đại của cả mạch là: .

Hệ số khuếch đại áp của tầng thức
nhất là:

Trong đó Zv2 là trở kháng vào của
tầng thứ 2, đồng thời cũng là tải
của tầng thứ nhất


C1, C2, C3 là các tụ cách tầng. Các tụ cho
thành phần xoay chiều đi qua và cản thành
phần một chiều nên phân cực một chiều
không ảnh hưởng lẫn nhau giữa các tầng,
điểm làm việc tĩnh cũng được cách ly.

Khi dùng phương pháp ghép tầng này cần
chú ý đến ảnh hưởng của tụ điện tại các
tần số vào khác nhau có thể làm biến đổi
pha và biên độ của tín hiệu.
1 2
.
r
u u u
v
U
K K K
U
= =
1 2
1
1
( // )

C v
u
e
R Z
K

r
−
=
v2 3 4 2 2
Z ( // // )
e
R R r
β
=
2
2
2
C
u
e
R
K
r
−
=
1 2 2
1 2
1 2
( // )
.
C v C
u u u
e e
R Z R
K K K

r r
= = ×
1 1 2 1 1
( // // )
v v e
Z Z R R r
β
= =
•
Zr = Zr2=
RC2
1.4.2. Ghép biến áp

Cuộn sơ cấp của biến áp đóng vai trò
thay cho điện trở tải của tầng khuếch
đại thứ nhất. Biến áp cách ly điện áp
một chiều giữa các tầng khuếch đại và
tăng hệ số khuếch đại chung tuỳ thuộc
vào biến áp tăng hay giảm.

Ưu điểm là không có dòng một
chiều trên tải và đạt hiệu suất cao.

Nhược điểm là cồng kềnh, đặc
tuyến tần số không bằng phẳng
trong dải tần nên không sử dụng
trong các mạch khuếch đại tín
hiệu nhỏ tần số thấp mà dùng
trong tần số cao điều chỉnh kênh
thu, biến áp tạo mạch cộng

hưởng.
1.4.3. Ghép trực tiếp

Là dạng liên kết khá phổ biến trong
các mạch khuếch đại nhất là trong kỹ
thuật chế tạo vi mạch

Khi tính phân cực tĩnh cẫn chú ý
điện áp một chiều cung cấp cho cực
Bazơ của BJT thứ 2 (T2) là VB2 do
điện áp tại cực Collector của T1(VC1)
cung cấp: VB2= VC1.

Ưu điểm:

Tránh được ảnh hưởng của các tụ
ghép tầng ở tần số thấp.

Tránh được sự cồng kềnh cho
mạch.

Điện thế tĩnh của tầng đầu cung
cấp điện thế tĩnh cho tầng sau.

Nhược điểm:

Sự ảnh hưởng chế độ tĩnh lẫn
nhau giữa các tầng.

Điện áp một chiều cung cấp

thường có giá trị lớn nếu dùng
cùng loại BJT.
1.4.5. Các kiểu ghép khác

Mạch khuếch đại Darlington

Mạch liên kết chồng (Cascode)

Mạch khuếch đại vi sai