Kỹ thuật mạch tương tự - Chương 2 doc

22

Chương 2. Mạch khuếch đại


Bài giảng số 2
 Thời lượng: 10 tiết.
 Tóm tắt nội dung :
¾ Khái niệm và phân loại khuếch đại
¾ Các thông số kỹ thuật cơ bản của mạch khuếch đại
¾ Bố khuếch đại tần thấp dùng transistor
¾ Khuếch đại dung vi mạch thuật toán
¾ Khuếch đại công suất

2.1 Khái niệm và phân loại khuếch đại
2.1.1. Khái niệm
Trong qúa trình biến đổi xử lý tín hiệu thường phải xử lý với tín hiệu biên độ rất nhỏ, công suất
thấp không đủ kích thích cho tầng tiếp theo làm việc. Như vậy, cần phải gia tăng công suất cho
tín hiệu. Mạch điện cho phép ta nhận ở đầu ra ở tín hiệu có dạng như tín hiệu đầu vào nhưng
có công suất lớn hơn gọi là mạch khuếch đại.
Quá trình khuếch đạ
i là quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở đó năng lượng của
nguồn một chiều ( không chứa đựng thông tin ) được biến đổi thành năng lượng xoay
chiều của tín hiệu có mang tin, đây là một quá trình gia công xử lý tín hiệu analog.
Mạch khuếch đại có mặt hầu hết các thiết bị điện tử. Trong mạch khuếch đại điện tử có phần tử
khu
ếch đại (transistor,IC ), nguồn một chiều và các phần tử thụ động RLC. Chương này nghiên
cứu các mạch khuếch đại điện tử thông dụng.

2.1.2. Phân loại khuếch đại
Mạch khuếch đại ( hay bộ khuếch đại ) có thể phân loại theo các dấu hiệu sau:

• Theo phần tử khuếch đại: có khuếch đại dùng đèn điện tử 3,4 hoặc 5 cực, khuếch đại
dùng transistor lưỡng cự
c , khuếch đại dùng transistor trường, khuếch đại dùng diode
tunen, khuếch đại tham số, khuếch đại IC( vi mạch)
• Theo dải tần số làm việc : Có khuếch đại âm tần, khuếch đại cao tần, khuếch đại siêu cao
tần
• Theo bề rộng của dải tần số khi cần khuếch đại : khuếch đại dải rộng, khuếch đại dải hẹp.
• Theo dạng tải : Khuếch đạ
i cộng hưởng (hay chọn lọc) có tải là mạch cộng hưởng ,
khuếch đại điện trở(không cộng hưởng ).
• Theo đại lượng cần khuếch đại: khuếch đại điện áp, khuếch đại dòng điện, khuếch đại
công suất.



23



2.2 Các thông số cơ bản của mạch khuếch đại
Để đánh giá chất lượng của một mạch khuếch đại ta thường sử dụng các tham số và đặc tính
sau :
2.2.1 Hệ số khuếch đại
Là tỷ số giữa đại lượng điện ở đầu ra và đầu vào của mạch khuếch đại.
Các đại lượng đó là điện áp, dòng điệ
n hoặc công suất , tương ứng có hệ số khuếch đại điện áp
u
.
K
, hệ số khuếch đại dòng điện

.
K
I
và hệ số khuếch đại công suất K
P
. Hệ số khuếch đại điện
áp (hay dòng điện) là tỷ số giữa biên độ phức của điện áp (dòng điện ) ở đầu ra và đầu vào của
mạch khuếch đại:

.
.
.

U
U
U
KK
Vm
Rm
U
==


Vm
Rm
I
.
I
.
I

.
K =

Vì trong mạch tồn tại phần tử quán tính (cảm kháng, dung kháng ) nên tổng quát mà nói K
U
và
K
I
là các hàm số phức của biến tần số ω ( ω = 2πf ), tức là phụ thuộc vào tần số của tín hiệu
cần khuếch đại.
Hệ số khuếch đại công suất K
P
cho ta thấy công suất trung bình ( tác dụng) ra tải của mạch
khuếch đại lớn hơn bao nhiêu lần công suất trung bình ( tác dụng) ở đầu vào của nó.

V
R
P
P
P
K =

Hệ số khuếch đại công suất còn được biểu thị bằng đơn vị dexiben (dB)
K
Pđb
= 10 lg K
p
(dB)
Trong mạch khuếch đại dùng transistorr trường FET việc xét hệ số khuếch đại dòng điện là
không thực tế vì dòng vào cực nhỏ, do vậy người ta chỉ xét hệ số khuếch đại điện áp

.
Ku
. Ở
khuếch đại dùng transistorr lưỡng cực có thể dùng cả ba hệ số
uK
.
,
.
K
I
, K
P
, tuy nhiên thường
dùng hệ số khuếch đại điện áp
.
K
U
,để đơn giản thường ký hiệu là
.
K .
2.2.2 Đặc tính biên độ tần số và pha tần số
Quá trình khuếch đại tín hiệu thường đi kèm với quá trình gây méo dạng của tín hiệu. Méo tín
hiệu có hai dạng là méo tuyến tính và méo phi tuyến.
24

Méo tuyến tính phát sinh do trở kháng của phần tử cảm kháng và dung kháng phụ thuộc vào
tần số (Z
C
= 1/jωc, Z
L

=jωL). Do vậy các thành phần tần số khác nhau(các sóng hài) sẽ được
khuếch đại khác nhau, đồng thời quan hệ pha giữa chúng ở đầu ra so với đầu vào cũng thay
đổi. Méo tuyến tính được đánh giá qua đặc tính biên độ tần số (ĐTBT), đặc tính pha tần số(
ĐTPT) và đặc tính quá độ (ĐTQĐ).
Vì hệ số khuếch đại điện áp là đại lượng phức nên ta có

)(j
e)(K
)(j
e)j(K)j(K

ωφωφ
ωω ω==
(4.5)

)j(
.
K ω
=K( =) - modun của
)ω(jK
&


)(ωφ
- argument của
)ω(jK
&
.
ĐTBT chỉ sự phụ thuộc của modun hệ số khuếch đại
)j(K

.
ω
vào tần số của tín hiệu. Dạng của
ĐTBT điển hình trình bày trên hình 2.2.2.1a. Tất nhiên ĐTBT có thể biểu diễn bằng đồ thị
U
Rm
(f) hoặc U
Rm
(ω) khi U
vào
=const. Khi phân tích khuếch đại người ta thường dùng ĐTBT
quy chuẩn m =
Ko/)j(K ω
&
, trong đó K
0
là giá trị cực đại của hệ số khuếch đại.Từ đặc tính hình
2.2.2.1a ta thấy nếu tín hiệu có tần số quá thấp hoặc quá cao thì khi đi qua mạch khuếch đại nó
sẽ được khuếch đại ít hoặc không được khuếch đại.Vì vậy người ta chỉ coi tín hiệu nằm trong
dải thông được khuếch đại ,còn nằm ngoài dải thông bị loại bỏ. Dải thông là dải tần số mà
trong đ
ó hệ số khuếch đại không nhỏ hơn
2
lần giá trị cực đại K
0
.Cũng trên hình này dải
thông là
ω
thấp
÷ω

cao
hay ω
t
÷ω
c
.
ĐTPT chỉ sự phụ thuộc của lượng dịch pha giữa tín hiệu đầu ra và đầu vào của mạch khuếch
đại vào tần số của tín hiệu.
ĐTQĐ phản ánh quá trình quá độ trong mạch khuếch đại. ĐTQĐ ký hiệu là h(t), là điện áp ở
đầu ra của mạch khuếch đại biểu diễn heo thời gian khi tác động đầu vào là tác động bậc thang
đơn vị.
Tác động bậc thang đơ
n vị là suất điện động e(t) :
e (t) =
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
≥
〈
01
00
tkhi
tkhi

Đặc tính quá độ cho ta thấy sự méo dạng xung khi khuếch đại tín hiệu xung. Hình 2.2.1.1b là
một dạng ĐTQĐ điển hình
Tổng quát mà nói thì trong một mạch khuếch đại ĐTBĐ, ĐTPT và ĐTQĐ liên quan chặt chẽ
với nhau, tức là dạng của đặc

tính này sẽ quyết định hai đặc
tính còn lại, tuy nhiên tuỳ theo
chức năng của mạch khuếch
đại mà người ta quan tâm đến
đặc tính nào hơn.
ω
ωω
2

25

Méo phi tuyến là sự méo dạng tín hiệu trong bộ khuếch đại đo đặc tuyến VOLTAGE –
AMPERE của phần tử khuếch đại không phải là tuyến tính ( mà là phi tuyến). Do đặc tuyến
của phần tử khuếch đại không tuyến tính nên một tần số đưa tới đầu vào của bộ khuếch đại sẽ
làm xuất hiện ở đầu ra những sóng hài bậc cao. Méo phi tuyến hay méo không đường thẳng
được đánh giá bằ
ng hệ số hài :

%100

1
2
3
2
2
2
%
m
mnmm
h

U
UUU
K
++
=

Trong đó U
m1
, U
m2
, U
m3
, U
mn
là biên độ của điện áp tần số cơ bản và biên độ các hài bậc 2,
3, n ở đầu ra của mạch khuếch đại.
Tuỳ theo chức năng của mạch khuếch đại mà K
h%
có định mức khác nhau trong các mạch kỹ
thuật.
2.2.3 Đặc tính biên độ
Đó là sự phụ thuộc của biên độ điện áp đầu ra vào biên độ điện áp đầu vào của bộ khuếch đại.
U
ra
= f(U
vào
)
Dạng của nó được trình bày trên hình 2.2.3.1a.
Thực tế khi điện áp vào bằng không ( không có tín hiệu vào) thì vẫn tồn tại một điện áp ( tuy rất
nhỏ ), đó là tạp âm nội bộ của mạch khuếch đại. Còn khi biên độ điện áp vào quá lớn thì biên

độ điện áp ra sẽ không tăng vì tính phi tuyến của phần tử khuếch đại.
Hình 2.2.3.1 a)đặc tính biên độ của các mạch khuếch đại
b)đặc tính biên độ
của khuếch đại công suất.
Khi biên độ tín hiệu vào nằm trong khoảng U
Vmin
÷ U
Vmax
thì mạch khuếch đại có thể coi là
một mạng bốn cực tuyến tính. Lúc đó nói dải động của mạch khuếch đại là :
minV
maxV
U
U
D =

Với các mạch khuếch đại công suất đặc tính động là quan hệ P
ra
= f(P
Vào
) hoặc K
Pdb
= f ( P
vào
)
( hình 2.2.3.1b,c) lúc đó hệ số méo phi tuyến sẽ là :

%100
0
Vµo

Ra
P
P
K
Δ
=

Công suất vào cực đại P
vàomax
ứng với mức giảm công suất ra 1 db gọi là biên trên của đặc
tính biên độ ( hình 2.2.3.1c).
Ura
UvµoUmin
Umax
Pra
Pvµo
KP dB
Pvµo
Pv max
a)
b)
c)
Δ
P
Δ
K
26

2.2.4 Hiệu suất η của mạch khuếch đại:
η

được tính bằng tỷ số giữa công suất ra tải ( công suất hữu ích ) và công suất tiêu thụ nguồn
của toàn mạch:

0
η
P
P
Ra
=

P
Ra
- công suất ra tải
P
0
- công suất tiêu thụ nguồn.
2.2.5 Trở kháng vào, trở kháng ra của mạch khuếch đại.
Tổng trở hoặc tổng dẫn đầu vào và đầu ra cũng là một tham số quan trọng của mạch khuếch
đại, chúng đặc trưng cho khả năng phối hợp với nguồn cấp tín hiệu ở đầu vào và phối hợp với
tải ở đầu ra của mạch khuếch đại.Tổng trở
đầu vào ( hoặc đầu ra ) là tỷ số giữa biên độ phức
của điện áp và dòng điện ở đầu vào (hoặc đầu ra )của bộ khuếch đại:

Rm
Rm
R
Vm
Vm
V
.

I
.
U
Z;
.
I
.
U
Z ==

Rm
Rm
V
R
R
Vm
Vm
V
V
V
.
U
.
I
Z
Z
Y;
.
U
.

I
Z
Z
Y ======
11

Nghịch đảo của tổng trở phức là tổng dẫn phức .
Trở kháng vào của mạch khuếch đại được định nghĩa như sau:

v
v
v
i
U
Z =


vi
i
u
v
v
v
r
v
r
u
ZZ
Z
K

E
U
U
U
E
U
K
+
===
*

Như vậy, nếu Z
i
>>Z
v
thì
*
uu
KK =

nếu Z
i
<<Z
v
thì
0→
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:

r
r
r
i
U
Z =


rt
t
rr
ZZ
Z
EU
+
= .

Như vậy, nếu Z
t
>>Z
r
thì
rr
EU →

nếu Z
t
<<Z

r
thì
0→
r
U

Bộ khuếch đại điện áp lý tưởng có K
u
rất lớn và không phụ thuộc vào nguồn và tải:
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
→
∞→
∞→
0
r
v
u
Z
Z
K

27

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

⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
∞→
→
∞→
r
v
i
Z
Z
K
0

Tất cả các tham số và đặc tính vừa nêu trên đều quan trọng đối với một mạch khuếch đại, tuy
nhiên tuỳ theo chức năng của từng mạch cụ thể mà các tham số đó có thể có các yêu cầu khác
nhau. Ngoài ra các tham số trên còn cần phải kể đến độ ổn định của hệ số khuếch đại, hệ số tạp
âm, tạp âm nhiệt, các tham số khai thác
28

2.3 Khuếch đại tần thấp dùng transistor
Ở đây chúng ta sẽ chỉ xem xét các mạch khuếch đại với tín hiệu đầu vào có tần số thấp và câc
mạch khuếch đại điện trở.
Khuếch đại điện trở là mạch khuếch đại có tải là thuần trở (điện trở thuầnR
t
). Tuy nhiên
trong các mạch khuếch đại ngoài tải là điện trở R
t

còn được mắc thêm các phần tử cảm kháng
và dung kháng để thay đổi đặc tính tần số, tuy nhiên vẫn có thể coi đó cũng là các mạch
khuếch đại điện trở, với tải là trở kháng phức. Các mạch khuếch đại thuần trở dùng để khuếch
đại tín hiệu yếu, mạch làm việc ở chế độ A. Mạch có thể là mạch emitơ chung, bazơ chung
hoặc colectơ chung
2.3.1 Khuếch đại mắc Emitơ chung.
Khuếch đại hình 2.3.1.1 mắc emitơ chung là mạch thông dụng hơn cả. Trước hết ta xét tác dụng
của linh kiện trong mạch. Điện trở R
1
, R
2
và R
E
có tác dụng định thiên và ổn định chế độ công
tác ( ổn định nhiệt) cho transistorr.
Tụ điện C
E
được chọn sao cho trong toàn dải tần số làm
việc của mạch khuếch đại nó gần như ngắn mạch hoàn
toàn các thành phần tín hiệu sụt trên R
E
để triệt bỏ hồi
tiếp âm theo tần số tín hiệu trên R
E
. Điện trở R
L
và C
L

tạo thành mạch lọc nguồn vừa ngăn cách ảnh hưởng

lẫn nhau giữa các tầng dùng chung nguồn E
CC
, vừa khử
sụt áp xoay chiều trên nội trở nguồn E
CC
. Muốn vậy
chọn trị số của tụ C
E
đủ lớn để
E
R
C
Et
<<
ω
1

và
L
L
t
R
C
<<
ω
1
Trong đó ω
t
= 2πf
t

, f
t
là tần số thấp
nhất của tín hiệu cần khuếch đại. Ngoài ra mạch R
E
, C
E

còn dùng để sửa đặc tính tần số ở vùng tần số thấp.
Điện trở R
C
xác định chế độ một chiều như sau:

E
C
CECC
R
I
UE
Rc
O
O
−
−
=

Phân tích và tính toán mạch khuếch đại thuần trở thường được tiến hành dựa trên sơ đồ tương
đương theo tần số tín hiệu, tức là coi các trở kháng
11
ωωCC

Ee
, là không đáng kể. Lúc này sử
dụng sơ đồ tương đương của transistorr (xem giáo trình
Cấu kiện điện tử)ta lập được sơ đồ
tương đương của mạch như ở hình 4.17.
Sơ đồ tương đương này chỉ tính đến các điện dung ký sinh ở đầu ra của mạch khuếch đại . Các
tụ C
n1
và C
n2
là các tụ nối tầng, thông các thành phần tần số tín hiệu, ngăn cách thành phần một
chiều từ tầng trước sang tầng sau. Tải thuần trở là R
t
.ở đây C
ra
- điện dung đầu ra của transistorr
( C
ra
= C
CE
),điện dung ký sinh C
KS
=C
V
+C
Lr1
+C
Lr2
;C
lr1

và C
lr2
- điện dung ký sinh do lắp ráp ở
đầu ra của tầng đang xét và đầu vào của tầng tiếp theo(tải),C
V
điện dung của đầu vào của tầng
tiếp theo.Trong mạch khuếch đại C
n
lớn hơn nhiều so với C
lr1
, C
lr2
, C
ra
, C
V
và ảnh hưởng của
chúng ở các vùng tần số là khác nhau. Người ta phân thành ba vùng tần số: Vùng tần số thấp,
trung bình và vùng tần số cao. Xét đặc tính tần số của khuếch đại trong các vùng đó.
29

Ở vùng tần số trung bình :trở kháng của C
n2
không đáng kể, (
ntb
C
1
ω
nhỏ) nên nó
được thay thế gần đúng bằng dây dẫn, lúc đó

C
tđ
= C
r
+ C
M1
+ C
M2
+ C
V
. Với trở kháng của
điện dung tương đương cực lớn (
ntb
C
1
ω
→ ∞ vì
C
tđ
chỉ cỡ vài chục pF )nên sơ đồ tương đương
mạch ở hình 2.3.1.2 có dạng như ở hình
2.3.1.3.a





Với g
tđ
= g

ra
+ g
C
+ g
t
; g
ra
=
CE
r
1
;
C
c
R
1
g =
;
g
Rt
t
=
1

Từ đó ta có
td
V
Ra
g
SU

U −=
nên:

()
td
tc2tdV
Ra
RS
ggg
S
g
S
U
U
K .
.
−=
++
−=−==

Như vậy ở vùng tần số trung bình hệ số khuếch đại là một hằng số, không phụ thuộc vào tần số.
Dấu trừ cho ta thấy điện áp đầu ra ngược pha so với điện áp đầu vào. Ta ký hiệu K ở vùng tần
số trung bình là
K
0
=S.R
tđ

Trong thực tế thì R
t

<< R
C
và r
CE
nên R
tđ
≈R
t
:
K
0
≈ S.R
t

Ở vùng tần số cao :trở kháng của C
n2
càng nhỏ, nhưng trở kháng của C
ra
,C
lr
, C
v
cùng bậc với
R
t
, r
CE
, và R
C
nên không thể bỏ qua. Lúc đó sơ đồ tương đương mạch ra sẽ có dạng như ở hình

2.3.1.3.b. Từ sơ đồ này ta tìm được :
H×nh 2.3.1.2. S¬ ®å tu¬ng ®u¬ng
khuÕch
®
¹
i Emito chun
g
Rn
Rb rbe
Cn1 Cn2
CKSCr
SUV
rCE RC
Rt
UV
URa
30

tdVRa
tdtdC
td
tdCtd
td
ZSUU
RCj1
R
Cjg
1
Z .; −=
ω+

=
ω+
=


C
td
V
Ra
Cao
c
0
td
c
td
C
j1
K
Rj1
RS
SZ
U
U
KK
τω+
=
ω+
−=−===
••
.

τ
C
= R
td
.C
td
- hằng số thời gian của mạch ở vùng tần số cao.
Như vậy thì :

()
2
cc
0
c
1 τω+
Κ
=Κ
•

m
c
(ω) =
()
2
cc
0
C
1
1

K
K
τω+
=
(*)
Đặc tính biên độ tần số này trình bày trên hình 2.3.1.4.
Tần số giới hạn trên của dải thông ω
C
được xác định theo biểu thức (*) có trị số bằng
2
1
=
0,707.
m
c 0,7
=
()
2
τω+1
1
cc
=
2
1
, tức là ω
c
τ
c
=1. Từ đó ta có :
ω

c
=
tdtdc
CR
11
.
=
τ

Từ công thức trên ta thấy khi C
td
càng lớn thì tần số giới hạn trên của dải thông càng giảm. Khi
tăng R
td
thì tần số giới hạn trên cũng giảm nhưng lại tăng trị số K
0
tức là hệ số khuếch đại ở
vùng tần số trung bình.
Người ta đưa ra khái niệm "diện tích khuếch đại" bằng tích của K
o
và ω
C
:
S
KĐ
=
Κ
0
ω
c =

td
C
S

Từ công thức ta thấy diện tích khuếch đại được xác định chủ yếu bởi các tham số của transistor
(hỗ dẫn S và các điện dung ký sinh).
Ở vùng tần số thấp: trở kháng của C
ra
, C
lr1
,C
lr2
, C rất lớn so với R
t
và R
C
nên sơ đồ tương
đương mạch ra ở vùng tần số thấp có dạng như ở hình 2.3.1.3 c.
Từ hình này ta tìm được :

tt
t
j τω
1
+1
Κ
=Κ
0

31

vïng tÇn sè thÊp vïng tÇn sè trung b×nh vïng tÇn sè cao
K
0


2
K
0




ω
t1
ω
t2
ω
t3
ω
C1
ω
C2
ω
C3
ω
H×nh 2.3.1.4. §TBT cña khuÕch ®¹i ®iÖn trë.

Trong đó, τ

t
- hằng số thời gian ở vùng tần số thấp

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
+
=τ
t
c
c
2nt
R
Rr
Rr
C
CE
cE
.


()
2
τω

1
+1
Κ
=ωΚ
2
0
t
.
t
t

()
2
τω
1
+1
1
=ω
2
t
t
.
m
t

Đặc tính tần số ở vùng tần số thấp có dạng như ở hình 2.3.1.4. Tần số giới hạn dưới của dải
thông được xác định theo công thức

2
1

=
ωτ
1
+1
1
2
)(
từ đó ω
t
=
t
τ
1

Từ đó ta có thể rút ra đặc tính tần số ở vùng tần số bất kỳ xác định theo biểu thức:

()
2
0
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
ωτ
1
−ωτ+1

Κ
=ωΚ
t
c


()
2
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
ωτ
1
−ωτ+1
1
=ω
t
c
m

Xét đặc tính tần số của mạch khuếch đại như trên, ta chưa xét đến quán tính của transistor, tức
là coi hỗ dẫn S=const.
Thực tế hỗ dẫn của Transistor phụ thuộc vào tần số: S giảm khi tần số tăng.

ωτ+1

=
0
j
S
S
, τ - hằng số thời gian của mạch vào
32

τ = (C
be
+ C
b'e
).
bbe
ebbb
ebbb
rC
rr
rr
.
.
''
''
≈
+

Ở vùng tần số thấp và vùng tần số trung bình sai số này có thể bỏ qua. Ở vùng tần số cao trong
các bộ khuếch đại dải rộng có khi không thể bỏ qua được.

()

()()
cj
cjtj
S
'
00
1
11
τ
ττ
ω
ωω
ω
+
Κ
≈
++
−=Κ
•

Trong đó τ'
C
= τ +τ
c
và m
c
(ω) =
()
2
ωτ+1

1
'
c

Như vậy ở vùng tần số cao trong mạch khuếch đại điện trở Transistor lưỡng cực hệ số khuếch
đại bị giảm do hai nguyên nhân :
1. Tần số càng cao thì hỗ dẫn của Transistor càng giảm ,
2. Do điện dung ký sinh lắp ráp, điện dung mạch ra, điện dung tải đấu song song với
tải ở mạch ra .
Tổng trở đầu vào:
ta chỉ xét ở vùng tần số trung bình. Theo sơ đồ tương đương hình 2.3.1.2 thì
ở vùng tần số trung bình
Zv ≈ R
n
+(R
b
// r
be
)
Trong đó R
b
=R
1
.R
2
/(R
1
+R
2
)

Tổng trở đầu ra ở vùng tần số trung bình
Z
z
= r
CE
// R
C
≈ R
C
.
Hệ số khuyếch đại ở vùng tần số trung bình có thể xác định theo công thức gần đúng sau :
K
I
=
tC
C
t
tC
v
t
RR
R
R
RR
I
I
+
β=β=
//
.

Bộ khuếch đại Emitơ chung cho hệ số khuếch đại dòng điện khá lớn. Nếu R
C
>> R
t
thì K
i
≈ β.
Thực tế mạch khuếch đại điện trở Emitơ chung cho hệ số khuếch đại điện áp
⎜K
o
⎪= 20 ÷ 100,
K
I
= β
Như vậy mạch khuếch đại điện trở Emitơ
chung khuếch đaị cả điện áp và dòng điện và
cho hệ số khuếch đại công suất khá lớn (0,2
÷5)10
3
, có trở kháng vào tương đối lớn , trở
kháng ra xác định bởi điện trở colectơ R
C
,
điện áp đầu ra ngược pha so với điện áp đầu
vào. Do các đặc điểm trên mà khuếch đại
emitơ chung được sử dụng khá phổ biến
trong kỹ thuật
2.3.2 Khuếch đại mắc bazơ chung
Mạch khuếch đại bazơ chung có sơ đồ

nguyên lý trên hình 2.3.2.1. Tín hiệu vào đặt
ở giữa cực E và cực B, tín hiệu ra lấy giữa cực C và cực B . Các điện trở R
1
,R
2
và R
E
xác định
điểm công tác tĩnh của tầng. Tụ C
b
nối cực B của Transistor xuống "mát" để khử hồi tiếp âm
trên R
2
. Cách xét các đặc tính của mạch cũng tương tự như mạch emitơ chung đã xét.










+E
CC
-
Rc
Cn2
R1

Cb
R
E .
R2
Uv .
C
n1
Hình 2.3.2.`1 Sơ đồ mạch khuếch
đại mắc bazo chung
33

Ở đây ta không xét tỉ mỉ mà chỉ nhấn mạnh một số đặc điểm chính của mạch này như sau. Trở
kháng vào của sơ đồ nhỏ ( vì dòng vào là I
E
lớn)
Z
v
≈ R
E
// r
b
(4.46)
Trở kháng này có chỉ số chỉ vài chục ôm (20 ÷ 50)Ω , đó là nhược điểm lớn của
sơ đồ này.
Hệ số khuếch đại dòng điện:

1≤α≅Κ
t
tE
I

R
RR
.

Hệ số khuếch đại điện áp:
K =
vn
tC
RR
RR
+
α
//
.

Trong đó R
n
- nội trở của nguồn tín hiệu .

Trở kháng ra: Zr = R
c
// r
CE

Như vậy mạch khuếch đại bazơ chung chỉ khuếch đại điện áp mà không khuếch đại dòng điện,
điện áp ở đầu vào và đầu ra của mạch khuếch đại đồng pha nhau, trở kháng vào nhỏ, trở kháng
ra cùng bậc với sơ đồ emitơ chung . Mạch khuếch đại bazơ chung vẫn được sử dụng trong kỹ
thuật do những nguyên nhân sau đây:
Vì họ đặc tuyến t
ĩnh của Transistor mắc bazơ chung có độ tuyến tính cao nên Transistor có thể

dùng với điện áp colectơ lớn hơn sơ đồ emitơ chung . Chính vì vậy tầng bazơ chung được dùng
khi có điện áp đầu ra lớn.
Ở vùng tần số cao điện dung vào của tầng emitơ chung khá lớn, nó là tổng điện dung C
be
và
điện dung ghép giữa mạch ra và mạch vào (C
bC
)phản ánh về mạch vào C’
bC
= K.C
bC
, nó cỡ
10pF -100pF. Còn ở tầng bazơ chung điện dung vào
chỉ là điện dung bazơ - emitơ cỡ vài pF. Điện dung
này cùng với điện trở trong của nguồn tín hiệu tạo
thành mạch lọc thông thấp với tần số giới hạn trên
lớn hơn tần số giới hạn trên của sơ đồ emitơ chung
khá nhiều. Do vậy sơ đồ bazơ chung thường được
dùng để làm việc ở vùng tần số cao.
2.3.3 Khuếch đại colectơ chung.
Sơ đồ nguyên lý trình bày trên sơ đồ hình 2.3.3.1
Ta cũng xét các tham số của mạch ở vùng tần số
trung bình. Tín hiệu vào đưa vào giữa cực B và cực
E, tín hiệu ra lấy trên R
E
, tức là giữa cực E và cực C.
Nếu xây dựng sơ đồ tương đương rồi tìm các quan
hệ ta có:
Z
V

= R
b
// r
V

r
V
= r
b
+ (1+β)(r
d
+ R
E
// R
t
)
Thường R
d
<< R
E
// R
t
nên
Z
V
= R
1
// R
2
// (1+β)(R

E
// R
t
)

+
Ecc
R
1
R
2

R
t
R
E
H×nh 2.3.3.1 KhuÕch ®¹i Colecto chung
U
r
C
n2
C
n1
34

Như vậy Z
V
lớn hơn nhiều so với sơ đồ emitơ chung. Ví dụ với transistor có β =50, chọn R
E
//

R
t
= 1kΩ thì R
V
= 51kΩ; lúc đó có thể chọn R
1
// R
2
= R
b
khá lớn để có R
V
= 51kΩ.
Zr = R
E
// r
E

Vì R
E
nhỏ nên tổng trở ra nhỏ Zr = 10 → 50Ω. Transistorr luôn thông nên U
BE
nhỏ, vì vậy U
V

= U
BE
+ U
KE
nên U

RE

≤
U
V
. Vì vậy:

1≤=
•
•
mV
mR
U
U
K

Sơ đồ colectơ chung không khuếch đại điện áp, có điện áp ra xấp xỉ bằng điện áp vào nên
người ta gọi tầng colectơ chung là tầng lặp emitơ hay tầng lặp lại điện áp.
Hệ số khuếch đại dòng điện

Et
E
I
RR
R
)(K
+
β+1=
(4.54)
So sánh ta thấy nếu chọn R

E
cỡ R
C
thì hệ số khuếch đại dòng điện trong sơ đồ emitơ chung và
lặp emitơ là gần như nhau.
Hệ số khuếch đại công suất K
P
= K K
I
= K
I
.
Trở kháng ra:
CE
r//RZ
Er
≈
(4.55)
Trở kháng ra theo đó cỡ (10 ÷ 50)Ω.
Như vậy tầng lặp emitơ không khuếch đại điện áp mà chỉ khuếch đại dòng điện, tức là cũng
khuếch đại công suất, có trở kháng ra nhỏ, trở kháng vào lớn nên được dùng để phối hợp giữa
nguồn tín hiệu với tải có trở kháng nhỏ ( gọi là tầng đệm) hoặc dùng làm tầng ra làm việc ở
chế
độ A.
2.3.4 Khuếch đại dùng transistorr trường FET.
Các sơ đồ khuếch đại dùng FET cũng có tính chất giống như transistor lưỡng cực. Nhưng vì hỗ
dẫn của FET nhỏ hơn của transistor lưỡng cực nên hệ số khuếch đại của nó nhỏ hơn khuếch đại
dùng transistorr lưỡng cực. FET kênh dẫn n thường dùng trong phạm vi tần số rất cao. Các
mạch khuếch đại dùng FET chỉ mắc nguồn chung hoặc máng chung.
2.3.4.1 Khuếch đại FET mắc cực nguồn chung.

Hình 2.3.4.1.1a là sơ đồ nguyên lý khuếch đại dùng transistor trường MOSFET kênh dẫn n đặt
sẵn, tương tự như sơ đồ emitơ chung hình 2.3.1.1. Hình 2.3.4.1.1.a khuếch đại điện trở cực
nguồn cung và 2.3.4.1.1.b là đường tải trên họ đặc tuyến .
Tín hiệu cần khuếch đại đưa vào cực cửa G và cực nguồn S qua C
n1
, tín hiệu ra lấy giữa cực
máng D và cực nguồn S qua tụC
n2
, tức là trên R
t
. Chế độ tĩnh của tầng được xác định bởi R
S
và
R
2
( có thể cả R
1
). Hình 2.3.4.1.1b là họ đặc tính ra của transistor trường với các đường tải.
Nguyên tắc chọn chế độ tĩnh giống như ở mạch emitơ chung. Chọn để có:
U
DS 0
> U
ra m
+ΔU
DS

Đường tải tĩnh một chiều ab cũng dựng tương tự như ở mạch emitơ chung theo phương trình
tải:
U
DS

= U
D
= E
D
- I
D
(R
D
+ R
S
)
Điểm a ứng với U
DS
= E
D
, I
D
= 0, điểm b ứng với U
DS
= 0,
DS
D
D
RR
E
I
+
=
. Điểm công tác tĩnh 0
chọn trên đường tải tĩnh ab ứng với điểm U

GS0
, U
DS0
, I
D0
. Đường tải xoay chiều xác định theo
35

R
t~
= R
D
// R
t
. Nếu tải cũng là một tầng khuếch đại như Hình 2.3.4.1.1a thì coi R
t

≈∞
và đường
tải xoay chiều trùng với đường tải tĩnh.
Khác với transistor lưỡng cực, ở FET chế độ tĩnh có thể có U
GS0
là âm, dương hoặc bằng 0.
-
Trường hợp U
GSO
< 0. Điện trở R
2
và R
S

xác định U
GSO
<0 ( xem tiết 4.4,3,c).
U
GS0
= - I
DO
.R
S
. Điện trở R
S
được xác định:

DO
OSD
S
I
U
R =
(4.58)
Điện trở R
2
chọn nhỏ hơn trở kháng vào của trazisto vài bậc để giảm ảnh hưởng của
nhiệt độ và tính tản mạn tham số của FET đến trở kháng vào của tầng. Chọn R
2
= 1 ÷ 5
MΩ. Muốn tăng độ ổn định cần tăng R
S
, nhưng tăng R
S

làm thay đổi U
GSO
vì vậy cần
mắc R
1
để bù điện áp cho cực cửa.
U
GS O
= U
S 0
- U
G 0
= I
D 0
R
S
-
21
2
RR
R.E
D
+

R
1
=
0
0
2

GS
s
D
UU
R.E
−
- R
2

Như vậy phải chọn nguồn
E
D
= U
DS 0
+U
S0
+ I
D
.R
D

Điện trở R
D
chọn:
R
D
= (0,05 ÷ 0,15) R
i

R

i
- Nội trở của FET (đã được chọn)
U
S O
chọn khoảng ( 0,1 ÷ 0,3) E
D
E
D
được chọn :

9070
00
,,
RIU
E
DDD
D
÷
+
=

- Trường hợp U
GS
> 0 . Trường hợp này là trường hợp điển hình của MOSFET kênh
cảm ứng n, nên ta dùng các công thức trên và đổi dấu trước U
GS0
.

U
Dmax

U
Do
2U Dm
U
GSo
0
b d
a
c
a)
b)
I
D
I
D max
+E
D
R1
R2
Rt
R
S
H×nh2.3.4.1.1a) KhuÕch ®¹i cùc nguån
h
b)®−êng t¶i trªn hä ®Æc tuyÕn ra
R
D
C
n1
C

n2
36

Tương tự như Transistor lưỡng cực , ở transistor trừơng cần quan tâm đến U
DS max
, I
D max
,
P
D max
(xem Hình 2.3.4.1.1b).
Để xác định các tham số của tầng khuyếch đại cần dùng sơ đồ tương đương hình 2.3.4.1.2
Ở đây ta chỉ phân tích ở vùng tần số trung bình, bỏ qua các điện dung ký sinh trong mạch, ta
có:
U
ra
= - SU
v
. R
0
.
K = - SR
0

R
0
= R
i
// R
t ~

; R
t ~
= R
D
// R
t
.
Thường R
t
<< R
i
; R
t
<< R
D
nên
K
≈
- SR
t

Điện trở vào :
ZRR
RR
RR
V
≈=
+
12
12

12
//
.

Điện trở ra:
DiDr
RR//RZ ≈=


2.3.4.2 Sơ đồ cực máng chung hay lặp cực nguồn.
Sơ đồ lặp cực nguồn giống như sơ đồ lặp emitơ nhưng trở kháng vào của nó rất lớn
( 10
7
÷ 10
12
)Ω. Sơ đồ hình 2.3.4.2.1
Hệ số khuếch đại điện áp

1≈=
mV
.
mra
.

U
U
K

Trở kháng vào :
Z

V
= r
gS
+ (1 + β)R
S
= r
gS
[ 1 - SR
S

]
Trở kháng ra:
Sra
R//
S
Z
1
≈


Tổng quan về ba loại sơ đồ dùng transistorr lưỡng cực và
transistorr trường.
Lý thuyết tỷ mỉ nghiên cứu 3 loại sơ đồ dùng transistorr lưỡng cực và transistorr trường khá
phức tạp. Tuy nhiên có thể thấy được những tham số và đặc
tính quan trọng của các sơ đồ thông qua việc nghiên cứu trên. Để đánh giá so sánh các sơ đồ ta
có thể dùng bảng 2.3.4.2.1.
Bảng 2.3.4.2.1

Sơ đồ

Tham số
Emitơ
Chung
(EC)
Colectơ
chung
(CC)
Bazơ
chung
(BC)
Nguồn
chung
(SC)
Máng
chung
(DC)
Cửa
chung
( GC)
K
U
K
i

Z
V

Z
r

ϕ
Lớn
Lớn
Trung bình
Trung bình
π
Nhỏ
Lớn
Lớn
Nhỏ
0
Lớn
Nhỏ
Nhỏ
Lớn
0
T. bình
Rất lớn
Rất lớn
T.bình
π
Nhỏ
Rất lớn
Rất lớn
Nhỏ
0
T.bình
Nhỏ
Nhỏ
Lớn

0
37


Từ bảng trên có thể thấy:
Mạch khuếch đại emitơ chung có hệ số khuếch đại công suất lớn nhất ( vì Ku và Ki đều lớn ),
trở kháng vào và trở kháng ra của nó có giá trị trung bình nên ghép với nguồn tín hiệu và tải
khá tốt . Vì vậy sơ đồ này được sử dụng rộng rãi hơn cả. Trong khi đó tầng FET muốn

có K
u
lớn cần có R
t
lớn, làm giảm tần số giới hạn trên của mạch.
-
Mạch lặp Emitơ chung và lặp nguồn thường dùng để phối hợp trở kháng với tải nhỏ
và nguồn tín hiệu vào có trở kháng lớn.
-
Mạch Emitơ chung có hồi tiếp âm trên R
E
thường được dùng để làm nguồn dòng,
mạch lặp emitơ dùng làm nguồn áp.
-
Mạch dùng FET có hệ số khuếch đại điện áp nhỏ vì hỗ dẫn nhỏ, mạch lặp cực nguồn
có trở kháng ra lớn hơn mạch lặp emitơ.
-
Các mạch dùng FET có ưu điểm lớn là trở kháng vào rất lớn.
-
ở tần số cao mạch bazơ chung có nhiều ưu điểm hơn so với mạch emitơ chung và
colectơ chung.

2.3.5 Ví dụ xây dựng mạch khuếch đại mắc Emito chung.
X
ét ví dụ tính toán một mach khuếch đại tín hiệu âm tần sau đây.
a.Số liệu ban đầu :
Để tính toán một mạch khuếch đại điện tở ta căn cứ vào số liệu ban đầu sau.
- Biên độ điện áp ra U
mr
,thường nhỏ hơn 1v
- Biên độ điện áp vào U
mv
,thường dưới 1mv
- Điện trở R
t
, vài trăm Ω đến vài kΩ
- Dải thông f
t
÷ f
C
từ vài chục hz đến vài chục khz
M
t
, M
c
- hệ số méo biên độ ở tẩn số thấp f
t
và tần số cao f
C
.
E
CC

- điện áp nguồn, có thể cho trước hoặc tự chọn.
Trong ví dụ cho trước :
R
t
= 280Ω ; U
mra
= 220mv; U
m v
= 18mv
f
t
= 200 hz ; f
C
= 9khz ; M
t
= M
C
=
ct
m
,
1
= 1,2
E
CC
= 15v.
b. Chọn Transistor
Đây là khuếch đại tuyến tính làm việc ở chế độ A dùng transistor công suất nhỏ tần số thấp
(âm tần)để đảm bảo độ khuếch đại cần thiết .

12
18
220
===Κ
mv
U
mr
U

Đối với transistor công suất dưới 1w thì h
11
= 300 ÷ 3000 Ω.
ví dụ thử chọn h
11 e
= 1kΩ ; K≅SR
t
=
Rt.
h
h
11
21

Tta có :
β = h
21 e
=
.
.
R

h.
t
e
42=
280
100012
=
Κ
11

38

Tra sổ tay ta thấy có nhiều transistor âm tần công suất nhỏ có β ≥ 42 . Ví dụ chọn MΠ - 37 δ -
bóng Nga có P = 150mw, f
g
= 1Mhz , β = 50 .
Khi chọn transistor nên chọn loại rẻ tiền, sẵn có. Nếu đặc tuyến của transistor đã chọn không
cho trong các sổ tay ta có thể lấy đặc tuyến của nó bằng thực nghiệm. Transistor MΠ - 37 δ -
có đặc tuyến ra trên hình 2.3.5.1.
Nếu như sau khi tính mà K lớn, tức là β lớn thì có thể chọn 2 hoặc 3 tầng khuếch đại để thoả
mãn β.

c. Chọn chế độ tĩnh của transistor
(hình 2.3.5.1)
Điện trở R
C
chọn bằng
(2÷3)R
t
.Chọn R

c
bằng 1kΩ
Tải xoay chiều là :
R
t~
= R
C
// R
t
=
=
100+280
1000280.
210Ω
Biên độ điện áp ra là 220mv nên
biên dộ dòng điện ra là :
I
mr
=
220
210
≅
1mA
Điểm công tác O chọn phải thoả mãn
I
C 0
≥ I
mra
+ I
c min

.
Theo đặc tuyến chọn I
Cmin
= 1mA như vậy I
Co
≥ 2mA . Để có tuyến tính tốt ta chọn I
Co
= 7mA ,
ứng với I
Bo
= 0,2 mA (xem hình 4.25b), U
CE0
=5v.Chọn I
c0
nhỏ như vậy vì biên độ tín hiệu nhỏ
và để đỡ tiêu hao công suất.Công suất tiêu tán (toả nhiệt) trên colectơ là :
P
o
= U
CE0
. I
C0
= 7[mA] . 5 [v]= 35mw nhỏ hơn 150mw, cho trong sổ tay của MΠ - 37 δ.
Như vậy transistor không bị nóng.Theo đặc tuyến hình 2.3.5.1 ứng với I
B0
=0,2 mA ta xác định
được U
BEO
=0,16 v
d. Tính toán các điện trở trong mạch.

Đặc tuyến tải tĩnh là đường dựng theo phương trình
U
CE
= E
CC
- I
CO
(R
C
+R
E
) nên
R
C
+ R
E
=
Ω=
−
=
−
k,
I
UE
co
CEocc
41
7
515

R
E
chọn sao cho U
RE
=(0,02 ÷ 0,1) U
Rc
.Thường theo kinh nghiệm chọn R
E
có trị số: 20Ω < R
E

< 100Ω.Chọn R
E
= 30Ω thì u
RE
= 30.7.10
-3
= 0,21v.Do vậy U
BO
= U
BEO
+ U
REO
= 0,16 + 0,21
=0,37v.
U
BO
là sụt áp trên R
2
. Để U

BO
ổn định R
2
=3 h
11e
hoặc I
R2
= (0,3÷3) I
BO
.Chọn I
R2
= 0,3 I
BO
=
0,3. 0,2 = 0,06mA.→
Ω≈== k
,
,
I
U
R
R
B
6
060
370
2
0
2

Ω=
+
−
=
+
−
= k
,,
,
II
UEcc
R
BR
B
56
20060
37015
02
0
1

Như vậy theo cách chọn và tính toán trên ta có:
R
1
=56KΩ; R
2
= 6KΩ; R
C
= 1KΩ; R
E

= 30Ω.

δ−Π 37M
39

e. Tính các tham số của mạch khuếch đại
Để tính khuếch đại của tầng cần xác định
h
11e
, h
21e
. Chúng có thể đo hoặc xác định
trên họ đặc tuyến hình 2.3.5.1.

B
BE
e
I
U
h
Δ
Δ
=
11

Uc=const

ứng với U
Co
= 5V,

Khi U
BEo
= 0,16V thì I
B
= 0,2mA
Khi U
BEo
= 0,18V thì I
B
= 0,3mA →
Ω200
2030
160180
11
≈
−
−
=
)mA)(,,(
)V)(,,(
h
e


constU
B
C
e
C
I

I
h
=
=
Δ
Δ
21
:
Khi I
C
= 7mA thì I
B
= 0,2mA,Khi I
C
=14mA thì I
B
= 0,4mA.

h
21
14 7
04 02
35=
−
−
=
,,

Theo các tham số trên thì:

.,.
~t
R.
e
h
e
h
K 7536210
200
35
11
21
==
=
Như vậy sơ đồ bảo đảm K lớn hơn 12 theo yêu cầu. Nghĩa là còn dư hệ số khuếch đại nên cũng
có thể tạo hồi tiếp âm để tăng độ ổn định của mạch.
Trở kháng vào tính theo công thức:

Ω=Ω=
++
= 190190
11211121
1121
K,
e
hR
e
h.RR.R
e
h.R.R

V
R
.
f.Tính toán các tụ điện : Chọn tụ nối tầng C
n1
và C
n2
thoả mãn :

()
F,
,
CC;Rv,,
c
nn
nt
μ=
π
≥=÷≤
ω
512
301902002
1
3010
1
21

Chọn C
n1
=C

n2
=15μF - 15v.
Chọn C
E
thoả mãn:
()
F
,
E
C;
E
R,,
E
C
t
μ≈
π
=÷≤
ω
80
30302002
1
3010
1


Chọn C
E
= 100μF - 16v
Tụ lọc nguồn C

L
chọn
()
0
3010
1
r,,
C.
Et
÷≤
ω
, r
o
là nội trở của nguồn.
Chọn C
L
= 200μF

56
K
30
280
1
K
6
K
15
15
+ 15
V

_
Uv
U
r
H×nh 2.3.5.2 .KhuÕch ®¹i ®iÖn trë emit¬ chung
víi c¸c th«n
g
s« tÝnh trªn tranzisto
100
F
μ
F
μ
100
F
μ
F
μ
Ω
Ω
MП 37δ
40

2.3.6 Một số cách mắc transistor đặc biệt dùng trong khuếch đại .
2.3.6.1
Mắc Darlington
Khi yêu cầu hệ số khuếch đại dòng điện lớn hoặc tăng trở kháng đầu vào ở các mạch lặp emitơ người ta
mắc tổ hợp 2 transistor thành 1 gọi là mắc
Darlington như ở Hình 2.3.6.1.1
Xét cách mắc thứ nhất Hình 2.3.6.1.1a.

Ta có
I
c
= I
c1
+ I
c2

mà I
c1
≅ β
1
I
B1
+ I
c10
;
I
c2
≅ β
2
I
B2
+ I
c20
; I
E1
=
I
B2

≈I
C1
nên:I
C2
≈β
2
.β
1
I
B1
+β
2
I
C10
+I
C20

I
c
= β
1
I
B1
+ I
C10
+ β
1
.β
2
.I

B1
+ β
2
Ic
10
+ Ic
20.

Với β
1
β
2
khá lớn thì Ic ≈ β
1
.β
2
I
B1

Như vậy hai transistor mắc Darlington
hình 2.3.6.1.1a tương đương với một transistor có hệ số khuếch đại dòng tĩnh β = β
1
β
2
. Hình
2.3.6.1.1b,c dùng hai transistor khác tính để

bù nhiệt. Các transistor mắc Darlington có các đặc
điểm sau đây :
•

Dòng dư của transistor mắc Darlington lớn (Dòng ngược I
CE0
) vì dòng dư của T
1

được T
2
khuếch đại nên khá lớn ,vì vậy không mắc thêm tầng thứ ba.
•
Vì mặt ghép emitơ - bazơ của hai transistor, tức hai điôt , ghép nối tiếp nên điện áp
một chiều cũng như mức trôi của điện áp này lớn gấp đôi so với trường hợp dùng
một transistor.
2.3.6.2 Mạch Kackot
Mạch kackot dùng hai transistor lưỡng cực T
1
mắc emitơ chung
T
2
mắc bazơ chung như ở hình 4.28 để kết hợp ưu điểm của cả
hai cách mắc. Tầng ra T
2
làm nhiệm vụ ngăn cách ảnh hưởng
giữa mạch vào và mạch ra. Mạch Emitơ chung có trở kháng vào
lớn, tải của nó là tầng bazơ chung có trở kháng vào nhỏ nên tần
số làm việc tăng cao(4.4.1).Mặt khác điện dung vào của tầng
bazơ chung nhỏ nên tầng emitơ chung làm việc ở tần số cao như
tầng bazơ chung. Muốn vậy người ta thiết kế tầng T
1
có hệ số
khuếch đại điện áp K

1
= - 1 , Tầng T
2
có hệ số khuếch đại điện áp
K
2
= SR
C2
. Như vậy K = K
1
.K
2
= - SR
C 2
.
I
I
I
I
I
II
C1
C
C2
E1
=
B2
B
E
H×nh 2.3.6.1.1. C¸c d¹ng m¾c Darlington

a)
b) c)
B
BB
E
EE
C
C
C
T
T
1
2

41

2.4 Khuếch đại dùng vi mạch thuật toán
2.4.1 Vi mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amp)
Vi mạch khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier) – ký hiệu là OpAmp đầu tiên được
dùng để nói về các mạch khuếch đại có khả năng thay đổi theo mạch ghép nối bên ngoài để
thực hiện các phép biển đổi toán học như cộng trừ, biến đổi tỷ lệ, vi tích phân trong các máy
tính tương tự. Nhờ sự phát triển của công nghệ bán dẫn, opamp ngày càng trở nên tin cậy, kích
thước nhỏ, ổn định nhiệt, vì vậy, ngày nay opamp được sử d
ụng như là thành phần cơ bản của
các ứng dụng khuếch đại, biến đổi tín hiệu, các bộ lọc tích cực, tạo hàm và chuyển đổi.
a.
Cấu tạo: cơ sở của vi mạch khuếch đại thuật toán là các tầng khuếch đại vi sai. Các vi mạch
khuếch đại thuật toán bao gồm ba phần:
+ Khuếch đại vi sai.
Dùng khuếch đại tín hiệu vào, có đặc điểm là khuếch đại nhiễu thấp, trở kháng vào cao,

thường đầu ra vi sai.
+ Khuếch đại điện áp.
Tạo ra hệ số khuếch đại điện áp cao, thường đầu ra đơn cực.
+ Khuế
ch đại đầu ra.
Dùng với tín hiệu ra, cho phép khả năng tải dòng lớn, trở kháng ra thấp, có các mạch
chống ngắn mạch và hạn chế dòng điện.
Một vi mạch khuếch đại thuật toán phổ dụng là 741. Sơ đồ mạch bên trong của vi mạch khuếch
đại thuật toán 741 được trình bày như trong hình vẽ:

Hình 2.4.1. Cấu tạo vi mạch KĐTT 741.

2.4.2 OpAmp lý tưởng và thực tế:
Vi mạch khuếch đại thuật toán (KĐTT) được ký hiệu như hình vẽ:
42


Hình 2.4.2.1. Hai cách ký hiệu vi mạch KĐTT.

bao gồm:
- Hai đầu vào:
•
Đầu vào 1 (đầu được ký hiệu dấu ‘-‘ trong vi mạch KĐTT) gọi là đầu vào đảo.
Điện áp v
1
đặt vào đầu vào đảo sẽ được khuếch đại về biên độ và đảo pha ở đầu
ra.
•
Đầu vào 2 (đầu được ký hiệu dấu ‘+‘ trong vi mạch KĐTT) gọi là đầu vào
không đảo. Điện áp v

2
đặt vào đầu vào không đảo sẽ được khuếch đại về biên độ
và không đảo pha ở đầu ra.
•
Một đầu ra, điện áp ra ký hiệu là v
0
.
Mạch tương đương đơn giản của vi mạch khuếch đại thuật toán ở tần số thấp được mô tả như
hình vẽ:

Hình 2.4.2.2. Sơ đồ tương đương vi mạch KĐTT.

Một bộ vi mạch KĐTT khuếch đại vi sai điện áp v
d
=v
1
-v
2
giữa hai tín hiệu vào. Hệ số khuếch
đại điện áp hở mạch được tính theo công thức:
d
OL
v
v
A
0
=

Về biên độ, hệ số khuếch đại hở mạch A
OL

đạt giá trị từ 10
4
tới 10
7
. Biên độ lớn nhất của điện
áp ra được gọi là điện áp bão hòa. Điện áp này thường xấp xỉ nhỏ hơn điện áp nguồn cấp là 2V.
Như vậy:
- (Vcc - 2) < v
0
< Vcc - 2

43

Vi mạch KĐTT lý tưởng có 3 đặc điểm như sau:
1. Hệ số khuếch đại điện áp hở mạch là -∞.
2. Trở kháng vào Rd giữa hai cực 1 và 2 là vô cùng lớn, vì vậy, dòng vào bằng 0.
3. Trở kháng ra bằng 0, nhờ vậy, điện áp ra không phụ thuộc vào tải.
Sơ đồ mạch tương đương của vi mạch KĐTT lý tưởng được trình bày như sau:

Hình 2.4.2.3. Sơ đồ tương đương vi mạch KĐTT lý tưởng.

Từ ba đặc điểm trên, với vi mạch KĐTT lý tưởng ta luôn có:

0==
=
−+
−+
II
UU

2.4.3 Mạch khuếch đại:
2.4.3.1 Mạch khuếch đại đảo:
Mạch khuếch đại đảo (hình vẽ) có đầu vào không đảo nối đất, tín hiệu U
1
được đưa vào đầu vào
đảo qua điện trở R
1
, mạch thực hiện hồi tiếp âm qua điện trở R
2
. Đầu ra U
2
đảo cực so với đầu
vào U
1
.


Hình 2.4.3.1.1. Mạch khuếch đại đảo.

Tính toán đầu ra U
2
:

0
0
==
==
−+
−+
II

UU

Xét tại nút A, ta có:
44


00
0
2
2
1
1
21
=
−
−−
−
=−−
−−
−
R
UU
R
UU
III

Thay
0=
−
U

vào ta có:

1
1
2
2
.U
R
R
U
−=

Nhận xét:
- Điện áp vào được khuếch đại lên tỷ lệ
1
2
R
R
lần.
- Điện áp ra ngược pha với điện áp vào.

2.4.3.2 Mạch khuếch đại không đảo:
Mạch khuếch đại không đảo có tín hiệu vào được đưa tới đầu vào không đảo, đầu vào đảo được
nối đất qua điện trở R
1
như hình vẽ.

Hình 2.4.3.2. Mạch khuếch đại không đảo.
Tính toán đầu ra U
2

:

0
1
==
==
−+
−+
II
UUU

Xét tại nút A, ta có:

00
0
0
2
2
1
21
=
−
−−
−
=−−
−−
−
R
UU
R

U
III

Thay
1
UU =
−
vào ta có:

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+=
=
−
−
−
1
2
12
2
21
1
1
1

0
R
R
UU
R
UU
R
U


Nhận xét:
45

- Điện áp vào được khuếch đại lên tỷ lệ
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
1
2
1
R
R
lần. Như vậy, điện áp ra luôn lớn
hơn điện áp vào về biên độ.

- Điện áp ra cùng pha với điện áp vào.


2.4.4 Mạch cộng trừ:
2.4.4.1 Mạch cộng:
Phép cộng là một trong những thao tác cơ bản nhất của toán học. Có hai loại mạch cộng thực
hiện sử dụng vi mạch khuếch đại thuật toán mà ta sẽ nghiên cứu là mạch cộng đảo và mạch
cộng không đảo
a. Mạch cộng đảo:
Mạch cộng đảo hai số sử dụng vi mạch KĐTT được thực hiện như hình vẽ sau:

Hình 2.4.4.1.1. Mạch cộng đảo.

Mạch có 2 tín hiệu vào U
1
và U
2
được đưa song song tới đầu vào đảo của vi mạch KĐTT.
Tính toán đầu ra U
r
:

0
0
==
==
−+
−+
II
UU

Xét tại nút A, ta có:

00
0
11
2
1
1
21
=
−
−−
−
+
−
=−−+
−−−
−
R
UU
R
UU
R
UU
IIII
r
ht

Thay

0=
−
U
vào ta có:

()
21
11
2
1
1
0
UUU
R
U
R
U
R
U
r
r
+−=
=
−
−+


Nhận xét:
+ Điện áp ra sẽ là tổng các điện áp vào, lấy đảo dấu.

Tổng quát: đối với trường hợp nhiều đầu vào, mạch cộng đảo được thực hiện như sau:


46


Hình 2.4.4.1.2. Mạch cộng đảo tổng quát.

b. Mạch cộng không đảo:
Mạch cộng không đảo cho hai đầu vào được thực hiện như hình vẽ:


Hình 2.4.4.1.3. Mạch cộng không đảo.

Tính toán đầu ra U
2
:

0==
===
−+
−+
II
UUUU
BA

Xét tại nút A, ta có:

2
0

0
0
22
0
r
A
rAA
ht
U
U
R
UU
R
U
III
=
=
−
−
−
=−−
−

Xét tại nút B, ta có:

2
0
0
21
1

2
1
1
21
UU
U
R
UU
R
UU
III
B
BB
+
=
=
−
+
−
=−+
+


/α
1

/α
N

∑

=
−=
N
i
iir
UU
1
.
α