CHƯƠNG 5 MẠCH KHUẾCH đại tín HIỆU NHỎ

Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

CHƯƠNG 5: MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ
I. Giới thiệu:
Cấu trúc cơ bản, kí hiệu và các đặc tính của transistor đã được giới thiệu ở chương 3. Phân cực
cho transistor đã trình bày chi tiết ở chương 4. Bây giờ sẽ khảo sát đáp ứng tín hiệu ac của mạch
khuếch đại transistor đối với tín hệiu nhỏ. Một trong những vấn đề quan tâm trong quá trình phân
tích các mạch transistor là biên độ của tín hiệu ngỏ vào và ngỏ ra. Trước tiên cần phải xác định biên
độ tín hiệu vào lớn hay nhỏ để kỹ thuật nào được áp dụng. Không có một ranh giới nào để phân chia
nhưng trong các ứng dụng biên độ có thể thay đổi liên quan đến các đặc tính của linh kiện. Trong
chương này sẽ trình bày phần phân tích biên độ tính hiệu vào nhỏ.
Một mô hình thường được sử dụng trong phân tích ac tín h hiệu nhỏ của mạch transistor là: mô
hình thông số lai -h (hybrid).
II. Mô hình của BJT:
Chìa khóa để phân tích mô hình tín hiệu nhỏ là dùng mạch tương đương – còn gọi là mô hình.
Một mô hình là một tổ hợp của các phần tử được lựa chọn một cách hợp lí mà nó gần chính xác
với linh kiện bán dẫn thật trong một số điều kiện đặc biệt.
1. Mạng 2 cửa:
Một mạng 2 cửa tuyến tính có thể đưa về mô hình tương đương là mô hình π , T hay mô hình h
theo các tham số vi phân y, z hay h. Ở đây ta chỉ khảo sát mô hình h theo tham số h.
Xét mô hình mạng hai cửa tuyến tính như hình 5.1.

Hình 5.1: Mạng hai cửa.
Trong đó
ii, vi: là dòng điện và điện áp ngỏ vào của mạng hai cửa.
iO, vO: là dòng điện và điện áp ngỏ ra của mạng hai cửa.
Ta có phương trỉnh theo tham số vi phân h của mạng hai cửa tuyến tính là:
vi = h11ii + h12 vO
iO = h21ii + h22 vO
Từ phương trình 1.1 và 1.2 , ta có:
v

h11 = i vo =0 = hi là điện trở ngỏ vào khi ngỏ ra bị ngắn mạch
ii
v
h12 = i ii =0 = h f là hệ số khuếch đại dòng điện khi ngỏ ra bị ngắn mạch
vo
i
h21 = o vo =0 = ho là điện dẫn ngỏ ra khi ngỏ vào bị hở mạch
ii
i
h22 = o ii =0 = hr là hệ số truyền ngược về điện áp
vo
Từ phương trình 5.1 và 5.2, ta vẽ được mô hình h theo tham số h như hình 5.2.

(5.1)
(5.2)
(5.3)
(5.4)
(5.5)
(5.6)

85


Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 5.2: Mô hình h theo thông số h của mạng hai cửa tuyến tính.
2. Mô hình tương đương của transistor:
Khi BJT làm việc với tín hiệu nhỏ, có nghĩa là trên cơ sở điện áp một chiều phân cực cho hai
chuyển tiếp JE và JC (xác định điểm làm việc tĩnh Q) khi có thêm tín hiệu xoay chiều ở ngỏ vào có
biên độ nhỏ để BJT khuếch đại để đưa tín hiệu xoay chiều này ở ngỏ ra nhưng có biện độ lớn hơn.

Ở trạng thái đó (trạng thái động tín hiệu nhỏ), một cách gần đúng có thể coi BJT như một phần tử
tuyến tính. Điều này hoàn toàn cho phép, vì ta đã thấy trên các đường đặc tuyến vôn-ampe của BJT
ở chương 3 có thể xem là một đường thằng tuyến tính trong trong những vùng lân cận của điểm làm
việc của BJT năm trong vùng khuếch đại.
Mặc dù BJT có nhiệu cách mắc khác nhau (C E, CB, CC) nhưng tất cả có thể xem là một mạng hai
cửa, vậy có thể thay BJT ở trạng thái động tín hiệu nhỏ bằng một mạng hai cửa tuyến tính. Khi đó
có thể dùng mô hình tương đương của mạng hai cửa cho mô hình tương đương của BJT với các
tham số vi phân được thể hiện bằng sự biến thiên nhỏ của dòng hay áp khi BJT hoạt động được gọi
là tham số vi phân của BJT. Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn đại lương phụ thuộc và không phụ
thuộc thông qua các tham số để biễu diễn khả năng hoạt động của BJT.
Lưu ý: các tham số vi phân h chính là các tham số xoay chiều chúng biểu thì cho độ dốc (hoặc
nghịch đảo độ dốc) của các đặc tuyến tĩnh tĩnh tương ứng, vì vậy chúng thay đổi theo điểm làm việc
tương ứng.
Mạch điện hình 5.2 có thể áp dụng đối với bất kỳ linh kiện điện tử 3 cực tuyến tính hoặc các hệ
thống không có nguồn độc lập bên trong. Do đó đối với transistor có 3 cấu hình cơ bản thì mạch
điện tương cũng có dạng như hình 5.2.

Hình 5.3: Mạch mắc transistor.
a. Mạch CE:
Cấu hình mạch tương đương của transistor cực E chung như hình 5.4, trong đó các thông số
được thêm vào chữ e để phân biệt đây là cấu hình mạh tương đương cực E chung. Chú ý dòng vào i i
= ib và dòng ra io = ic. Dòng ie = ib + ic , điện áp vào là vbe và điện áp ra là vce.
Mạch CE trong hình 5.4a và mô hình tương đương của BJT mắc CE như hình 5.4b.

86


Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 5.4. a. Mạch CE; b. mô h?nh tương đương của mạch CE

Phương trình của mạch CE:
vbe = hie ib + hre vce
ic = h fe ib + hoe vce

(5.7)
(5.8)

Trong đó các tham số vi phân của CE
v
hie = be vce =0
ib
v
hre = be ib =0
v ce
i
h fe = c vce =0
ib
i
hoe = c ib =0
v ce
b. Mạch CB
Cấu hình mạch tương đương của transistor cực B chung như hình 5.6, trong đó các thông số
được thêm vào chữ b để phân biệt đây là cấu hình mạh tương đương cực B chung. Chú ý dòng vào i i
= ie và dòng ra io = ic. Điện áp vào là vi= Veb và điện áp ra là vo= vcb.
Mạch CB trong hình 5.5a và mô hình tương đương của BJT mắc CE như hình 5.5b.

Hình 5.5: a. Mạch CB; b. Mô hình tương đương của mạch CB
Phương trình của mạch CE:
v eb = hib ie + hrb v cb
ic = h fb ie + hob vcb

(5.9)
(5.10)

Trong đó các tham số vi phân của CB
v
hib = eb vcb =0
ie

87


Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

hrb =
h fb =

v eb
v cb
ic

ie
i
hob = c
vcb

ie = 0

vcb = 0

ie = 0

c. Mạch CC
Mô hình mạch CC của BJT ít được sử dụng, nên ở đầy không xây dựng mô hình cho mạch CC của
BJT.
Phương trình của mạch CC:
vbc = hic ib + hrc v ec
ie = h fc ib + hoc v ec

(5.11)
(5.12)

Trong đó các tham số vi phân của CC
v
hic = bc vec =0
ib
v
hrc = bc ib =0
v ec
i
h fc = e vec =0
ib
i
hoc = c ib =0
v ec
3. Xác định các giá trị thông số của BJT bằng đồ thị
hie.
Xét đường đặc tuyến ngỏ vào khi cố định VCE =VCEQ như hình 5.6

Hình 5.6

Từ hình 5.6 ta có:

88


Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

∆vbe
∂vbe
V
≅β T
(5.13)
VCEQ =
∆ib
∂ib
I EQ
tại nhiệt độ phòng t = 25oC
26mV
hie = β
(5.14a)
I EQ
Đặt
V
26mV
re = T =
I EQ
I EQ
Vậy
hie = βre
(5.14b)

Chú ý chữ e trong điện trở re được chọn để nhấn mạnh rằng dòng điện dc tại cực E xác định giá
trị điện trở của mối nối JE.
hre
Xét đường đặc tuyến ngỏ vào khi cố định IB = IBQ như hịnh 5.7
hie =

Hịnh 5.7
Từ hình 5.7 ta có:
∆v
∂v
hre = be I BQ = be ≅ 0
∆v ce
∂v ce
hfe
Xét đường đặc tuyến ngỏ ra, khi cố định VCE =VCEQ như hình 5.8

(5.15)

89


Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 5.9.
Từ hình 5.9 ta có:
∆i
∂i
h fe = c VCEQ = c ≅ β
∆ib
∂ib

hoe
Xét đường đặc tuyến ngỏ ra, khi cố định IB =IBQ như hình 5.10

(5.16)

Hình 5.10
Từ hình 5.10 ta có:
∆i
∂i
hoe = c VCEQ = c → 0
(5.17)
∆v ce
∂v ce
Đối với cấu hình cực E chung thì giá trị của thông số h r là một đại lượng tương đối nhỏ có thể
xem hr ≅ 0 nên hrV0 = 0, kết quả là ngắm mạch phần tử này. Đại lượng 1/h o thường có giá trị rất
lớn nên có thể bỏ qua nếu so sánh với 1 điện trở tải kết quả mô hình tương đương gần đúng của
transistor cấu hình cực E chung như hình 5.11

Hình 5.11: Mô hình tương đương gần đúng của BJT.
90


Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Bảng chuyển đổi thông số giữa các dạng mạch CE và CB cùng BJT:
hie
hib =
≅ re
1 + h fe
hrb =

hie × hoe
− hre ≅ 0
1 + h fe

h fb = −

h fe
1 + h fe

(5.18)
(5.19)

= −α ≅ −1

(5.20)

hoe
→0
1 + h fe
Sơ đồ tương đương gần đúng của BJT mắc CB trong hình 5.12
hob =

(5.21)

Hình 5.12
4. Các chỉ tiêu của bộ khuếch đại:

Hình 5.13: Sơ đồ khối của mạch khuếch đại.
Từ sơ đồ khối của bộ khuếch đại, ta có:

Tổng trở vào Zi:
Tổng trở vào Zi được xác định bởi định luật Ohm có phương trình:
V
Zi = i
(5.22)
Ii
Tổng trở ra Zo:
Tổng trở ra thường được xác định tại các đầu ngỏ ra nhưng hoàn toàn khác với tổng trở.
Sự khác nhau đó là: tổng trở ra được xác định tại các đầu ngỏ ra nhìn vào hệ thống khi không có
tín hiệu ở ngỏ vào.
Tổng trở ra xác định theo phương trình:
V
ZO = O
(5.23)
IO
Độ lợi điện áp:
Một trong những đặc tính quan trọng nhất của mạch khuếch đại là độ lợi điện áp, chính là tỷ số
điện áp ngỏ ra và ngỏ vào:
V
AV = O
(5.24)
VI
Đối với hệ thống hình 5-13, độ lợi áp tòan mạch là:

91


Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Vo

Zi
=
AV
(5.25)
Vs Z i + Rs
Độ lợi dòng điện:
Độ lợi dòng điện được xác định bởi phương trình:
I
Ai = O
(5.26)
II
Đối với hệ thống như hình 5-13 dòng điện ngỏ vào và dòng điện ngỏ ra được xác đình:
V
V
I i = i và I O = − O
Zi
RL
Khi đó độ lợi dòng điện:
Vo
Io
VZ
Z
RL
Ai = = −
= − o i = − AV i
(5.27)
Vi
Ii
Vi RL
RL

Zi
Độ lợi công suất:
P
V I
AP = O = o O = Av Ai
(5.28)
PI Vi I i
Mối quan hệ về pha:
Mối quan hệ và pha của tín hiệu vào và tín hiệu ra dạng sin rất quan trọng. Đối với các mạch
khuếch đại transistor ở dãi tần trung bình cho phép bỏ qua ảnh hưởng của các phần tử dung kháng,
tín hiệu vào và tín hiệu ra có thể cùng pha hoặc ngược pha nhau 180° tùy theo đặc tính của mạch.
AVs =

5. Các ví dụ
Các mô hình đã giới thiệu bây giờ được sử dụng để thực hiện việc phân tích ac của một số cấu
hình mạch chuẩn dùng transistor.
a. Mạch CE:
Xét mạch điện như hình 5.14.

Hình 5.14
Mạch điện tương đương được phân tích như sau: giả sử tín hiệu vào là ac đã được xác định. Do
chỉ xét đến tín hiệu ac nên tất cả các nguồn dc có thể xem như ngắn mạch do chúng chỉ xác định
điện áp dc ở ngỏ ra mà không xác định biên độ dao động ngỏ ra. Mạch điện tương đương như hình
5-16. Các tụ liên lạc ac xem như nối tắt C 1 và C2 và tụ bypass C3 được chọn sao cho có tổng trở rất
nhỏ tại tần số của tín hiệu và nối tắt điện trở RE.
Sơ đồ mạch hình 5-14 được vẽ lại như hình 5-15.

92

Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 5.15: Mạch điện khi chỉ xét tín hiệu xoay chiều.
Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ của mạch hình 5.15 như hình 5.16.

Hình 5.16: Mạch tương đương tín hiệu nhỏ.
Xác định các thông số: tổng trở vào, tổng trở ra, hệ số khuếch đại điện áp, hệ số khuếch đại
dòng điện:
Tổng trở vào:
Zi = RB // hie
(5.29)
Nếu điện trở RB lớn hơn hie gấp 10 lần thì có thể xem:
Zi = hie
(5.30)
Tổng trở ra:
được xác định khi tín hiệu vào Vi = 0, suy ra Ii = Ib = 0 nên có thể xem là hở mạch nguồn dòng
và kết quả là tổng trở ra:
Zo = RC
(5.31)
Hệ số khuếch đại điện áp:
Điện áp ra:
Vo = − I o RC
Suy ra điện áp ra Vo:
Vo = −h fe I b RC
(5.32)
Điện áp vào:
Vi = I b hie
Hệ số khuếch đại điện áp:
h fe I b RC
h fe RC

V
Av = o = −
=−
(5.33)
Vi
I b hie
hie
Hệ số khuếch đại dòng: dòng điện ngỏ ra được xác định:
I
Z
RB
Ai = O = − AV i = h fe
(5.34)
Ii
RC
R B + hie
Nếu hie <Ai = hfe
(5.35)
Mối liên hệ về pha: dấu trừ “-“ trong hệ số khuếch đại áp chứng tỏ tín hiệu ra đảo pha 180° so
với tín hiệu vào như hình 5-17:

93


Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 5-17.
Ảnh hưởng của điện trở r 0 ( hay 1/hoe): nếu xét thêm điện trở r0 ( trường hợp nếu điện trở ro
không lớn hơn điện trở RC hơn 10 lần) thì trong mạch điện hình 5-16 mạch điện phần ngỏ ra có

dạng như hình 5-18.

Hình 5-18.
Khi đó tổng trở ra Zo được xác định:
Z O = rO // RC
(5.36)
Khi đó hệ số khuếch đại điện áp:
R // r
Av = −h fe C o
(5.37)
hie
Hệ số khuếch đại dòng điện:
Dòng điện ngõ ra:
ro
I o = h fe I b
ro + RC
Suy ra hệ số khuếch đại:
I
ro
RB
Ai = O = h fe
(5.38)
Ii
ro + RC R B + hie
Vậy mạch khuếch đại CE có độ lợi áp và độ lợi dòng lớn nên thường được sử dụng để khuếch
đại tín hiệu, độ lệch pha giữa tín hiệu vào và ra là 1800.

94

Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

b. Mạch CC
Xét mạch khuếch đại mắc CC như hình 5.20.

Hình 5.20.
Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ của mạch hình 5.20 trong hình 5.21.

Hình 5.21: Mạch tương đương tín hiệu nhỏ.
Tổng trở vào Zi:
Tổng trở vào Zi được xác định bởi định luật Ohm có phương trình:
V
Z i = i = RB \ \ Z b
Ii
Với:
Z b = hie + (h fe + 1) RE

(5.39)

Tổng trở ra Zo:
Tổng trở ra được xác định tại các đầu ngỏ ra nhìn vào hệ thống khi không có tín hiệu ở ngỏ vào.
Tổng trở ra xác định theo phương trình:
V
Z O = O Vi =0
IO
ta có:
Vi = I b hie + I e R E
hay
Ie
Vi =

hie + I e RE
(5.40)
1 + h fe
Từ công thức 5.40, ta vẽ lại mạch hình 5.21 như hình 5.22.

95


Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 5.22.
Vậy
VO
hie
= R E // re
(5.41)
Vi = 0 = R E //
IO
1 + h fe
Nếu RE lớn hơn nhiều lần re thì
ZO = re
(5.42)
Độ lợi điện áp:
Một trong những đặc tính quan trọng nhất của mạch khuếch đại là độ lợi điện áp ac tín hiệu nhỏ
được xác định bởi phương trình:
R E (1 + h fe ) I b
(1 + h fe ) R E
V
AV = O =
=

≅1
(5.43)
Vi
hie I b + RE (1 + h fe ) I b hie + (1 + h fe ) R E
Vậy mạch CC không khuếch đại điện áp và có độ lệch pha giữa tín hiệu vào và ra bằng 0.
Độ lợi dòng:
RB
Ib =
Ii
RB + Z b
I O = I e = (1 + h fe ) I b
ZO =

IO IO Ib
RB
=
= (1 + h fe )
(5.44)
Ii
Ib Ii
RB + Z b
Vậy mạch CC có điện áp vào và ra cùng pha, độ lợi áp xấp xỉ bằng 1 có nghĩa là mạch CC là
mạch lặp (lặp lại tín hiệu) nhưng do nó có tổng trở ngỏ vào lớn và tổng trở ngỏ ra bé nên được sử
dụng làm mạch đệm (cách ly ngỏ vào và ra).
Ảnh hưởng ro: do cấu hình mạch này ro mắc song song với R E, vì vậy nó sẽ ảnh hưởng đối với
đệin trở ngỏ vào và ra.
Ai =

c. Mạch CB
Xét mạch mắc CB như hình 5.23.

Hình 5.23.
Ta có sơ đồ mạch tương đương như hình 5.24.

96


Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 5.24
Tổng trở ngõ vào:
V
Z i = i = R E // hib = R E // re
(5.45)
Ii
Tổng trở ngõ ra
V
Z O = O Vi =0 = RC
(5.46)
IO
Độ lợi điện áp:
− h fb I e RC
h fb RC RC
V
AV = O =
=−
=
(5.47)
Vi
hib I e

hib
re
Độ lợi dòng điện:
− h fb I e
I
RE
Ai = O =
=
≅1
R E + hib
(5.48)
Ii
R E + re
Ie
RE
Vậy mạch CB có đặc điểm là độ lợi điện áp lớn nhưng độ lợi dòng bé, tín hiệu vào và ra cùng
pha. Nhưng tổng trở mạch này khá bé ( công thức 5.45) do vậy phải cải thiện tổng trở ngõ vào của
mạch. Ứng dụng được sử dụng trong các mạch khuếch đại tần số cao.
III.Mô hình của FET
Cũng tương tự như BJT, để thực hiện việc phân tích ac của mạch dùng FET, cần phải xây dựng
mô hình tương đương của FET. Có nhiều dạng mắc FET để nó hoạt động (CS, CD và CG) nhưng
đều có thể coi tương đương một mạng hai cửa và khi nó hoạt động với tín hiệu nhỏ thì hoàn toàn
toàn tương đương mạng hai cửa tuyến tính. Vì vậy ta có thể áp dụng mô hình tương đương của
mạng hai cửa tuyến tính để mô hình hóa FET.

Hình 5.25: Mô hình tương đương của FET.
1. JFET
Trong đó thông số độ xuyên dẫn gm được định nghĩa
∆I d
∂i

V
ID
gm =
= d = g mo (1 − GS ) = g mo
∆V gs ∂v gs
VP
I DSS
Với gmo là độ xuyên dẫn của JFET tại VGS=0.

(5.59)

97


Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

g mo =

2 I DSS
VP

(5.60)

Hình 5.26: Xác định gm trên đặc tuyến truyền đạt.
Và rd điện trở máng nguồn
∆Vds
∂v ds
1
rd =
=

VGSQ =
∆I d
∂i d
y os
yos điện dẫn ngõ ra.
Thường rd nằm trong khoảng 30 ÷ 100 KΩ

(5.61)

Hình 5.27: xác định rd trên đặc tuyến ngõ ra.
2. MOSFET
a. D_MOSFET
Do phương trình truyền đạt của D_MOSFET cũng giống như JFET nên các thông số tính toán
trong mô hình cũng tương tự như JFET
b. E_MOSFET
∆I d
∂i
gm =
= d = 2 K (VGS − VT )
(5.62)
∆V gs ∂v gs

98


Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 5.28. Xác định gm trên đặc tuyến truyền đạt
Các chỉ tiêu của bộ khuếch đại dùng FET:
Các mạch khuếch đại dùng FET chỉ có 3 thông số:

Tổng trở vào Zi:
Tổng trở vào Zi được xác định bởi định luật Ohm có phương trình:
V
Zi = i
(5.63)
Ii
Tổng trở ra Zo:
Tổng trở ra thường được xác định tại các đầu ngỏ ra nhưng hoàn toàn khác với tổng trở.
Sự khác nhau đó là: tổng trở ra được xác định tại các đầu ngõ ra nhìn vào hệ thống khi không có
tín hiệu ở ngõ vào.
Tổng trở ra xác định theo phương trình:
V
ZO = O
(5.64)
IO
Độ lợi điện áp:
Một trong những đặc tính quan trọng nhất của mạch khuếch đại là độ lợi điện áp, chính là tỷ số
điện áp ngõ ra và ngõ vào:
V
AV = O
(5.65)
VI
Đối với hệ thống hình 5-15, độ lợi áp tòan mạch là:
V
Zi
AVs = o =
AV
(5.66)
Vs Z i + Rs
Mối quan hệ về pha:

Mối quan hệ và pha của tín hiệu vào và tín hiệu ra dạng sin rất quan trọng. Đối với các mạch
khuếch đại transistor ở dãi tần trung bình cho phép bỏ qua ảnh hưởng của các phần tử dung kháng,
tín hiệu vào và tín hiệu ra có thể cùng pha hoặc ngược pha nhau 180° tùy theo đặc tính của mạch.
4.Các ví dụ
a. Mạch CS
Xét mạch như hình 5.29a, và sơ đồ mạch tương đương của mạch 5.29a trong hình 5.5.29b

99


Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 5.29
Độ lợi áp:
g mV gs ( R D \ \ rd )
V
Av = O = −
= − g m ( R D \ \ rd )
Vi
V gs
Nếu rd lớn hơn rất nhiều RD thì:
Av = − g m R D
Điện trở ngỏ vào:
V
Z i = i = RG
Ii
Điện trở ngỏ ra
V
Z O = O Vi =0 = R D // rd
IO

Vậy mạch CS có thông số giống như mạch mắc CE của BJT: độ lợi áp lớn, tín hiệu
lệch pha 1800, nhưng mạch dùng FET có điện trở ngõ vào lớn hơn nhiều.

(5.67)
(5.68)
(5.69)

(5.70)
vào và ra

b. Mạch CD
Xét mạch khuếch đại mắc như hình 5.31, sơ đồ mạch tương đương của mạch hình 5.31 trong
hình 5.32.

100


Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 5.31
Hình 5.32
Độ lợi áp:
g mV gs ( RS \ \ rd )
V
g m ( RS \ \ rd )
Av = O =
=
≅1
(5.71)
Vi V gs + g mV gs ( RS \ \ rd ) 1 + g m ( RS \ \ rd )

Nếu rd lớn hơn rất nhiều RS thì:
g m RS
Av =
≅1
(5.72)
1 + g m RS
Điện trở ngõ vào:
V
Z i = i = RG
(5.73)
Ii
Điện trở ngõ ra
V
1
Z O = O Vi =0 = RS // rd //
(5.74)
IO
gm
Vậy mạch CD có thông số giống như mạch mắc CC của BJT: độ lợi áp bằng 1, tín hiệu vào và
ra cùng pha, ứng dụng nó là mạch khuếch đại đệm.
c. Mạch CG
Xét mạch như hình 5.33a, sơ đồ tương tương của mạch 5.33 trong hình 5.33b.

Hình 5.33
Độ lợi áp:
V
Av = O = g m R D
(5.75)
Vi
Vậy mạch CG có thông số giống như mạch mắc CB của BJT: độ lợi áp lớn, tín hiệu vào và ra

cùng pha.

101


Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

IV. Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại.
Đáp ứng tần số là đường biểu diễn giữa hệ số khuếch đại và tần số của tín hiệu.

Hình 5.34: Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại.
f ∈ [ 0, f L ] : Vùng tần số thấp của mạch khuếch đại.
f ∈ ( f L , f H ) : Vùng tần số trung bình của mạch khuếch đại.
f ∈ [ f H , ∞] : Vùng tần số cao của mạch khuếch đại.
Trong đó:
fL: tần số cắt dưới của mạch khuếch đại.
fH: tần số cắt trên của mạch khuếch đại.
Tần số cắt dưới bị ảnh hưởng bởi các tụ liên lạc và tụ bypass(CE) và tần số cắt trên bị ảnh
hưởng bởi các tụ liên cực trong các chuyển tiếp pn của transistor.
Thường đáp ứng tần số của mạch khuếch đại được khảo sát dưới dạng giản đồ Bode hình 5.36.

Hình 5.35:Giản đổ Bode của đáp ứng ầtn số của mạch khuếch đại.
Xét mạch khuếch đại như hình 5.36.

Hình 5.36.
1. Phân tích mạch khuếch đại ở tần số thấp
Xét ảnh hưởng của các tụ liên lảc C1, C2 và CE, ta có đáp ứng tần số của mạch trong hình 5.37.
102

Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 5.37: đáp ứng tần số cuaa mạch khuếch đại trong vùng ầtn số thấp.
2. Phân tích mạch khuếch đại tại vùng tần số trung bình
Tại vùng tần số trung bình là vùng tần số tại đó các tụ liên lạc có giá trị trở kháng thấp nên xem
như bị ngắn mạch (không ảnh hưởng) và các điện dung kí sinh có giá trị trở kháng cao (xem như hở
mạch). Tại vùng tần số này ta đã xét đến hệ số khuếch đại của mạch ở phần II dối với BJT và III đối
với FET.
3. Phân tích mạch khuếch đại tại vùng tần số cao
Xét ảnh hưởng của các tụ kí sinh hình 5.38

Hình 5.38: Xét ảnh hưởng của điện dung kí sinh trong transistor.
Mô hình tương đương của transistor ở tần số cao trong hình 5.39.

103


Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 5.39: Mô hình tương đương của BJT ở tần số cao.
Vậy sơ đồ tương đương của mạch ở tần số cao như hình 5.40

Hình 5.40: Sơ đồ mạch tương đương của mạch khuếch đại tại vùng tần số cao
Đáp ứng tần số của mạch tong hình 5.41.

Hình 5.41: Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại.
V.

Các kiểu ghép tầng khuếch đại.
Các mạch điện tử thường bao gồm nhiều tầng khuếch đại ghép nối tiếp nhau để nâng hệ số

khuếch đại của mạch hay để phối hợp trở kháng…mỗi một tầng khuếch đại có thể dùng một hay
nhiều transistor để thực hiện nhiệm vụ riêng. Để ghép nối tiếp nhiều tầng khuếch đại có thể
dùng một trong ba cách ghép như sau:
- Ghép bằng tụ liên lạc (ghép RC)
- Ghép biến áp.
- Ghép trực tiếp
Sơ đồ khối của mạch khuếch đại bao gồm nhiều tầng khuếch đại như hình 5.42.

Hình 5.42: Sơ đồ khối của mạch khuếch đại.
Khi ghép các tầng khuếch đại với nhau, phải bảo đảm các yêu cầu sau:
104


Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

- Các tầng khuếch đại phải ở trạng thái khuếch đại .
- Công suất của các tầng phải ổn định
- Phải phối hợp tương đồng các hệ số khuếch đại của các tầtng khuếch đại để bảo đảm tín hiệu
ngỏ ra không bị méo.
- Phối hợp các dãi thông của các tầng khuếch đại tương đương nhau.
Các thông số của mạch khuếch đại ghép nhiều tầng khuếch đại:
Hệ số khuếch đại điện áp:
AVT = AV1 × AV2 × AV3 ×  × AVn
Hệ số khuếch đại dòng điện:
AiT = Ai1 × Ai2 × Ai3 ×  × Ain = − AVT

Zi
RL

Tổng trở ngõ vào:

V
Z i = i = Z ií
Ii
Tổng trở ngõ ra:
V
Z O = O Vi =0 = Z On
IO
1. Mạch khuếch đại ghép bằng tụ liên lạc (ghép RC)
Mạch khuếch đại ghép RC như hình 5.43.

Hình 5.43: Mạch khuếch đại ghép RC.
Các tụ liên lạc có trị số tuỳ thuộc vào tần số của tín hiệu được khuếch đại trong mạch. Đối với
tín hiệu âm tần thì tụ liên lạc thường có trị số từ 1µF đến 10µF, các tụ phân dòng hay tụ bypass
(CE) có trị số phụ thuộc vào RE thường từ 10µF đến 100µF đối với tín hiệu âm tần. Dạng ghép này
có ưu điểm là cách ly dc giữa các tầng khuếch đại và khuyết điểm là do đặc tuyến tần số là tổng
hợp các đặc tuyến tần số của từng tầng do đó nguyên nhân này làm giảm độ lợi băng thông của toàn
mạch so với từng tầng thành viên. Ngoài ra còn gây nên sự lệch pha giữa tín hiệu vào và ra được
đặc tưng bởi độ méo pha.
Khảo sát mạch khuếch đại ghép RC như hình 5.43, ta có sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ của
mạch như hình 5.44:

105


Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 5.44: Sơ đồ tương đương tín hiêu nhỏ.
Tổng trở ngõ vào:
V
Z i = i = Z ií = hie1 // RB1

Ii
Tổng trở ngõ ra:
V
Z O = O Vi =0 = Z O 2 = RC 2
IO
Hệ số khuếch đại điện áp:
AVT = AV1 × AV2
Trong đó
h fe1 ( RC1 // Z i 2 )
AV1 = −
hie1
với
Z i 2 = R1 // R2 // hie 2
h fe 2 ( RC 2 // R L )
AV2 = −
hie 2
Hệ số khuếch đại dòng điện:
Z
AiT = Ai1 × Ai2 = − AVT i
RL
Đáp ứng tần số của mạch ghép RC:

2.

Mạch khuếch đại ghép biến áp
Mạch khuếch đại ghép biến áp như hình 5.45.

106

Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 5.45: Mạch khuếch đại ghép biến áp.
Ưu điểm là dạng ghép này là cách ly dc rất tốt và ghép biến áp có hiệu quả hơn ghép RC do RC
trong mạch ghép biến áp gần như bằng không dó đó hiệu suất của mạch được cải tiến.
Khuyết điểm: là kích thước mạch lớn và đáp ứng tần số của mạch bị giảm do cảm kháng của
cuộn dây, giá thành cao.
Đặc điểm của máy biến áp:
Xét máy biến áp như hình 5.46

Hình 5.46.
vp
vs

=

Np
NS

=a
2

 Np 
 rL = a 2 R L
rin = 
 NS 
Xét mạch khuếch đại ghép biến áp như hình 5.45, mạch điện tương đương với tín hiệc ac như
hình 5.47

Hình 5.47: Mạch điện tương đương khi xét với tín hiệu ac.

Các thông số của mạch:
Tổng trở vào
V
Z i = i = R1 \ \ R2 \ \ híe1
Ii
Tổng trở ngõ ra:
107


Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

VO
ro 2
Vi = 0 = Z O 2 =
IO
a 22
Hệ số khuếch đại điện áp:
AVT = AV1 × AV2
ZO =

Trong đó
h fe1 (rO1 // a12 hie 2 )
AV1 = −
hie1
AV2 = −

h fe 2 (rO 2 // a 22 RL )

hie 2
Hệ số khuếch đại dòng điện:

Z
AiT = Ai1 × Ai2 = − AVT i
RL
Đáp ứng tần số của mạch:

3. Mạch khuếch đại ghép trực tiếp
Mạch hình 5.47 là dạng mạch khuếch đại ghép trực tiếp, trong đó các tầng khuếch đại được liên lạc
trực tiếp với nhau.

Hình 5.47: Mạch khuếch đại ghép trực tiếp.
Đáp ứng tần số của mạch:

108


Chương 5: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

4. Mạch khuếch đại ghép Darlington
Hình 5.48 là dạng hai transistor npn ghép darlington với nhau, khi đó có thể xem như tương đương
một transistor nhưng transistor tương đương có hệ số β = β1 × β 2

Hình 5.48: Hai transistor ghép Darlington
5. Mạch khuếch đại ghép Cascode

Hình 5.49: Mạch khuếch đại ghép cascode

6. Mạch khuếch đại ghép vi sai.

109