huong dan thiet ke phan khuech dai

CHƯƠNG 2: HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ KHUẾCH ĐẠI XOAY CHIỀU
$1. KHÁI NIỆM CHUNG
1. Định nghĩa
Khuếch đại tín hiệu là quá trình biến đổi một tín hiệu đầu vào có công suất nhỏ thành
tín hiệu ra có công suất lớn hơn.
K
x(t)
K
y(t)

X(jω)

K(ω)ejϕ

Y(jω)

f
Như vậy khái niệm khuếch đại được hiểu theo nghĩa năng lượng. Sự phân biệt này thể
hiện khác biệt giữa kĩ thuật tương tự và kĩ thuật số. Trong kĩ thuật số, chỉ quan tâm đến vấn đề
biến đổi tín hiệu, nó hầu như độc lập với công suất tín hiệu. Theo hình 2.1, ta có quan hệ tín
hiệu ra y(t) với tín hiệu vào x(t):
y (t ) = K .x(t )
(2.1)
Yêu cầu một bộ khuếch đại tốt là:
- Công suất tín hiệu ra lớn hơn công suất tín hiệu vào
- Không gây méo tín hiệu
- Phổ tín hiệu không chồng chéo nhau
Nếu ta coi tín hiệu xoay chiều là tín hiệu điều hòa, thì thay vì biến đổi trong miền thời
gian, ta có thể biến đổi trong miền tần số, khi đó:
Y ( jω) = K (ω)eiϕ (ω) X ( jω)
(2.2)

Nếu đặt
X ( jω ) = X (ω )e jϕ x (ω )
(2.3)
jϕ (ω )
Y ( jω ) = Y (ω )e y
ta có thể biểu diễn quan hệ tín hiệu vào-ra:
Y ( jω ) Y (ω ) j (ϕ y (ω ) −ϕ x (ω ) )
K ( jω ) = K (ω )eiϕ (ω ) =
=
e
(2.4)
X ( jω ) X (ω )
Như vậy, một cách tổng quát, một bộ khuếch đại sẽ mang tính chất của một hàm truyền
phức trong miền tần số. Nó bao gồm thành phần modul và góc lệch pha.
Để bắt đầu những khái niệm đơn giản về khuếch đại, ta tạm thời bỏ qua ảnh hưởng của
góc pha, coi bộ khuếch đại chỉ đơn thuần là khâu tỉ lệ. Khi đó ta chỉ quan tâm đến thành phần
modul của mạch khuếch đại. Như vậy:
y = K .x
(2.5)
2. Mô hình toán học của bộ khuếch đại
Mô hình toán học(mathematical modeling) trong kĩ thuật là các mô tả toán học một đối
tượng vật lí(physical modeling) dưới dạng các phương trình giải tích. Việc xây dựng mô hình
toán học được tiến hành theo các nguyên tắc mô tả vật lí. Mỗi thiết bị luôn có quán tính, được
thể hiện dưới dạng hằng số thời gian quán tính, nên một bộ khuếch đại thực cũng gồm một
khâu quán tính nối tiếp khâu khuếch đại lí tưởng. Xét ví dụ trong mạch điện như hình 2.2


Hình 2.2 Mô hình mạch R-C
uv = Ri +

1
idt
c∫

(2.6)
1
uc = ∫ idt
c
Giả sử ban đầu tụ C không nạp điện, chuyển qua biến đổi Laplace và biến đổi Furier ta
sẽ có:

1 
1 

 I ( jω )
U v (s) =  R +
U v ( jω ) =  R +
 I ( s ) s→
= jω
sC 
jωC 


(2.7)
1
1
U c (s) =
I ( s ) → U c ( jω ) =
I ( jω )
s = jω

sC
jωC
Như vậy quan hệ vào ra của mạch điện này:
U ( jω )
1
W ( jω ) = c
=
(2.8)
U v ( jω ) ( jωT + 1)
với T = RC: hằng số thời gian quán tính. Khi ghép nối thêm một một khâu khuếch đại lí tưởng,
mạch khuếch đại thực tế có quán tính sẽ có dạng:
U ( jω )
K
K ( jω ) = c
=
(2.9)
U v ( jω ) jωT + 1
Đây là dạng mô hình đơn giản nhất khi sử dụng để tính toán các mạch điều khiển, đo
lường. Những dạng mạch phức tạp hơn sẽ được trình bày tính toán cụ thể sau.
3. Đặc tính tần số của bộ khuếch đại
Đặc tính tần số dùng để mô tả quan hệ modul và góc pha của bộ khuếch đại khi tần số
biến thiên. Đối với bộ khuếch đại như (2.9), đặc tính tần số biên-pha có dạng:
K
KωT
K ( jω ) =
−j
= P (ω ) + jQ (ω )
(2.10)
2 2
1+ ω T

1 + ω 2T 2
Nếu ta biểu diễn quan hệ các thành phần thực và ảo trong (2.10) dưới dạng:
2
K2 
K
K2
(2.11)
P 2 (ω ) + Q 2 (ω ) − KP (ω ) +
=  P (ω ) −  + Q 2 (ω ) =
4 
2
4
Q(ω)
ω=∞

L(ω)
K/2
K(jω)

K ω=0
P(ω)

-20dB/dec

logω

log(1/T)
ϕ(ω)
0
-π/4

logω
log(1/T)

-π/2
Hình 2.3: Các đặc tính tần số của bộ khuếch đại thực tế.


Đây là phương trình mô tả đường tròn tâm (K/2;0) bán kính K/2, hình 2.3a. Đặc tính tần thể
hiện trong hệ tọa độ ω và hệ logω. Những vấn đề về đặc tính sẽ còn được trình bày sâu hơn
trong lý thuyết điều khiển tự động. Nhìn vào đặc tính ta sẽ thấy khi tần số tăng đến vô cùng,
biên độ hệ số khuếch đại giảm về zero và góc pha tiến đến -90 0. Điều đó thể hiện một khâu
khuếch đại quán tính thực tế không bao giờ làm mất độ ổn định của tín hiệu ra. Đặc tính L( ω)
trong hình 2.3b chỉ là đường tiệm cận với độ sai lệch tại tần số gãy là 3dB.
$2. MẠCH KHUẾCH ĐẠI E-C
1. Nguyên lý mạch khuếch đại
Trong hình 2.3, R1, R2 là hai điện trở phân cực, Rc là điện trở tải cực góp, Re là điện trở
định thiên, Rn là điện trở nguồn tín hiệu, C1, C2 là hai tụ nối tầng để độc lập dòng phân cực với
tín hiệu xoay chiều. CE là tụ thoát xoay chiều để tránh phản hồi âm dòng điện tín hiệu, R t là tải
xoay chiều.
Tín hiệu xoay chiều từ nguồn e(t) được đưa vào cực gốc của BJT, làm thay đổi dòng I b nên
dòng Ic sẽ thay đổi theo, dẫn đến điện áp trên chân C của BJT thay đổi theo tín hiệu e(t). Phần
điện áp xoay chiều tại chân C được đưa qua tụ C2 để ra tải Rt.
1.1 Bài toán thuận:
* Nguyên tắc chung phân cực transitor: Muốn transitor làm việc như 1 phần tử tích cực thì
các tham số của transitor phải thoả mãn điều kiện tích hợp. Những tham số này của transitor
như ở mục trước đã biết, phụ thuộc rất nhiều vào điện áp phân cực các chuyển tiếp colectơ và
emitơ. Nói một cách khác các giá trị tham số phụ thuộc vào điểm công tác của transitor. Một
cách tổng quát, dù transitor được mắc mạch theo kiểu nào, muốn nó làm việc ở chế độ khuếch
đại cần có các điều kiện sau:

- Chuyển tiếp emitơ – bazơ luôn phân cực thuận.
- Chuyển tiếp colectơ – bazơ luôn phân cực ngược.
- Điện áp tín hiệu đặt lên tiếp giáp B-E phải đủ lớn để thắng được thế tiếp xúc, để có thể
tạo được dòng điện đầu vào.
Ta có thể minh họa điều này bằng mạch khuếch đại kiểu EC.

Hình 1.54: Sơ đồ phân cực kiểu áp cho khuếch đại EC.
Trong hình 1.45, nếu e(t)khuếch đại với tín hiệu nhỏ này (cỡ 0,2 vôn với Ge và 0,6vôn với Si). Nhưng thực tế thì e(t) có
thể nhỏ hơn rất nhiều lần (có thể đến vài microvôn). Vậy thì làm thế nào để khuếch đại?. Để
thực hiện điều đó, ta dùng một nguồn phụ U 0 để bù ảnh hưởng của UtxBE, khi đó chỉ còn lại e(t)
trong mạch tín hiệu. Tuy nhiên, nếu một mạch khuếch đại phải dùng một nguồn U 0 riêng thì số
nguồn bù sẽ rất lớn khi số tầng khuếch đại nhiều, ví dụ như trong các vi mạch thì số lượng
transitor có thể lên đến hàng chục(trong các IC đơn chức năng như OA, TTL), hàng nghìn


(như trong các bộ nhớ EEROM), hàng triệu (chip CPU Intel Duo Core hiện nay chứa 291 triệu
transitor trong một nền đế Si), do vậy việc dùng U 0 là không thực tế. Cách khả thi là dùng
chính nguồn nuôi để tạo các điện áp bù, bằng cách dùng các điện trở, đó chính là các mạch
phân cực.
* Phân cực bằng điện áp: Xét một mạch phân cực bằng phân áp cho BJT kiểu npn như hình
1.46. Ở đây thay vì dùng nguồn U0, ta dùng hai điện trở R1 và R2 để tạo điện áp tương đương
U0. Để cho thuận tiện, ta kí hiệu các điện áp hay dòng điện có chỉ số “0” dưới chân là tín hiệu
phân cực một chiều. Các trạng thái làm việc một chiều của BJT được gọi là chế độ tĩnh hay
điểm công tác tĩnh. Viết các phương trình dòng điện:
I1 = I 2 + I b 0
I c 0 = βIb0

Hình 1.55: Phân cực áp cho BJT mắc kiểu EC
Các bước tính toán phân cực một chiều:

Bước 1:
- Chọn trước UBE0,UCE0 và dòng Ib0. Dòng điện Ib0 được chọn theo giá trị cực đại của Ib,
thường lấy bằng 1/3 đến 0,5Ib. Hoặc lấy bằng 0,5ICmax/β.
- Sau đó chọn dòng I2 = (3 -:-10)Ib0. Dòng I2 chọn càng lớn thì điện áp phân cực càng
ổn định, tuy nhiên khi đó tổn thất một chiều sẽ tăng, làm giảm hiệu suất làm việc của mạch.
- Chọn điện áp trên RE cỡ UBE0.
Bước 2:
Ta có:
UB0 = UBE0 + URE = 2UBE0
U
R2 = B 0
I2
Bước 3:


Ta có:
UR1 = Vcc - UB0
V - U B 0 Vcc - U B 0 Vcc - U B 0
R1 = cc
=
=
I1
I2 + I B0
( g +1) I B 0
Bước 4:
Ta có:
URE = Ie x RE = (1 + β)IB0 x RE
U BE 0
U
RE = RE =

Ie
( 1 + b) I B 0
Bước 5:
Ta có
URc = Vcc - UC0 = Vcc - UCE0 - URE
U
V - U CE 0 - U RE
RC = Rc = cc
Ic
bI B 0
* Phân cực bằng dòng điện:

Hình 1.56: Phân cực bằng dòng điện
Bước 1:
- Chọn trước UBE0,UCE0 và dòng Ib0. Dòng điện Ib0 được chọn theo giá trị cực đại của Ib,
thường lấy bằng 1/3 đến 0,5Ib. Hoặc lấy bằng 0,5ICmax/β.
Bước 2:
Khi đó điện trở Rb được tính
V - U BE 0
Rb = cc
I bo
Bước 3:
Điện trở tải cực góp Rc được xác định thông qua việc chọn trước UCE0:


Vcc - U CEo
Ic0
* Phân cực bằng điện áp phản hồi (phân cực colectơ – bazơ)
Rc =

Hình 1.57: Phân cực bằng phản hồi
Ở trên đã biết mạch phân cực transitor bằng dòng ổn định có độ ổn định nhiệt không cao,
ngoài ra khi dòng I c tăng làm điện áp U cE giảm. Có thể lợi dụng hiện tượng này làm cho
dòng I B giảm do đó ổn định được dòng I c . Thật vậy dòng I c phụ thuộc vào 2 yếu tố I cBo và
I B do ảnh hưởng của nhiệt độ dòng I cBo tăng lên khiến I c cũng tăng lên. Nhưng nếu lợi dụng
sự tăng của dòng I c này làm giảm dòng I B khiến dòng I c giảm bớt thì kết quả là dòng I c trở
lại giá trị ban đầu.
Việc mắc transitor như hình 1.48 sẽ thoả mãn điều kiện trên. Cách phân cực transitor như
vậy gọi là phân cực bằng colectơ. Như thấy trên sơ đồ, điện trở R B được nối trực tiếp giữa cực
colectơ và cực bazơ. Sự khác nhau cơ bản giữa mạch phân cực bằng điện áp phản hồi bao hàm
cơ chế dòng I b 0 cảm biến theo điện áp (hoặc dòng điện) ở mạch ra, còn trong mạch phân cực
dòng cố định thì không có điều này. Điểm công tác tĩnh được xác định như sau:
Từ hình 2.40, quan hệ điện áp trong mạch ra có dạng:
Vc = ( I C 0 + I B 0 ) Rc +U CE 0
(2-64)
Còn quan hệ điện áp trong mạch bazơ có thể viết dưới dạng:
Vcc = ( I C 0 + I B 0 ) Rc + I B 0 .Rb +U BE 0
(2-65)
nếu coi U BE 0 nhỏ có thể bỏ qua thì
Vc = ( IC 0 + I B 0 ) Rc + I B 0 .Rb
(2-66)
Từ 2-64 và 2-66 có thể suy ra:
U CE 0 » I B 0 .Rb
(2-67)
Thay I C 0 = b.I B 0 vào biểu thức 2-66 ta tìm được
Vc = (b +1) I B 0 Rc + I B 0 Rb
(2-68)
Rút ra:
Vcc
I B0 =

(2-69)
( b +1) Rc + Rb
Sau đó tính dòng colectơ ứng với điểm tác tĩnh Q căn cứ vào (2-67) tính được:
U CE 0 = I B 0 .Rb
(2-71)
Nếu biết b của transitor có thể áp dụng biểu thức (2-70) và (2-71) tính được điền kiện
phân cực tĩnh transitor.


Tính toán có xét đến ảnh hưởng nhiệt độ
Bây giờ hãy xác định đặc tính ổn định nhiệt độ của mạch phân cực dùng điện áp phản
hồi.
Từ biểu thức (2-66), tìm được:
Vcc
Rc
IB =
- IC
(2-72)
Rb + Rc
Rb + Rc
Lấy vi phân biểu thức (2-72), tìm được:
Rc
dI B
=(2-73)
dI C
Rb + Rc
Thay biểu thức (2-73) vào (2-56), được:
b +1
S=
(2-74)

1 +[ bRc ( Rb + Rc ) ]
Có thể biến đổi (2-74) về dạng thuận lợi cho việc tính toán hơn.
(b +1) ( Rb + Rc )
S=
(2-75)
( b +1) Rc + Rb
Từ biểu thức (2-75) có nhận xét răng hệ số ổn định nhiệt S trong mạch phân cực bằng điện
áp phản hồi khong cố định mà phụ thuộc vào giá trị các điện trở Rb và Rc . Trong trường hợp
Rb 〈〈 Rc thì S gần tới 1đơn vị, điều này nói lên rằng dù có mạch Rb thì hệ số ổn định nhiệt độ S
không giảm xuống nhỏ hơn 1.
Điện áp phản hồi âm qua điện trở Rb trong mạch phân cực làm tăng độ ổn định nhiệt
độ đồng thời lại làm giảm hệ số khuếch đại tín hiệu xoay chiều. Như trên đã nói để tăng tính
ổn định nhiệt độ, phải giảm điện trở Rb nhưng khi đó hệ số khuếch đại của mạch cũng giảm
đi, ở đây có mâu thuẫn giữa độ ổn định nhiệt của mạch và hệ số khuếch đại.
Ở những phần trên mới chỉ xét ảnh hưởng của nhiệt độ đến dòng I co . Sau đây sẽ trình
bày ảnh hưởng của nhiệt độ đến dòng U BE và hệ số khuếch đại h21e . Đối với cả 2 loại transitor,
làm từ silic và gecmany, khi nhiệt độ tăng U BE giảm, còn h21e lại tăng. Ảnh hưởng của nhiệt
độ đến các tham số của transitor silic công tác trong khoảng nhiệt độ từ − 65 o C đến + 175 o C ,
còn transitor thì từ -63 o C đến +75 o C . Sự khác nhau nữa là trị số I co và U BE của transitor
silic và transitor gecmani biến thiên ngược nhau khi nhiệt độ thay đổi.
Các bước tính toán thông số xoay chiều (áp dụng cho phân cực điện áp)
Các thông số xoay chiều trong mạch khuếch đại E-C bao gồm:
- Tổng trở vào Rv
- Tổng trở ra Rr
- Hệ số khuếch đại dòng điện Ki
- Hệ số khuếch đại điện áp Ku
- Hệ số khuếch đại công suất Kp
Các bước tính lần lượt như sau:
Bước 6:
Tổng trở vào được xác đinh bằng cách bỏ nguồn tín hiệu ra. Khi đó mạch vào còn lại

các điện trở phân cực lối vào và tiếp giáp B-E của BJT. Lưu ý lúc này điện trở hồi tiếp âm
dòng điện RE đã bị tụ CE ngắn mạch xoay chiều nên bị loại ra.
Rv = ( R1 // R2 ) // ( Rb + Re ) = ( R1 // R2 ) // ( Rb + (1 + β )re )
(2.17)


Bước 7:
Tổng trở ra được xác định bằng cách loại tải R t ra khởi mạch. Khi đó mạch ra còn lại
điện trở tải cực góp Rc song song với cửa ra của BJT tại chân collector.
dU CE
Rr = Rc / / RC ( E ) = Rc / /
(2.18)
dIC
Bước 8:
Hệ số khuếch đại dòng điện được xác định bằng cách nối nguồn tín hiệu đầu vào và tải
vào mạch. Khi đó:
I
βI R I b ( Rb + Re )
Rv
Rr
Ki = t = b r
=β
(2.19)
( Rb + Re ) Rt
Iv
Rt
Rv
Bước 9:
Hệ số khuếch đại điện áp:
IR

IR
U
R
Ku = r = t t = t r = Ki r
(2.20)
en I v Rv I v Rv
Rv
Bước 10:
Hệ số khuếch đại công suất:
K p = Ku Ki
(2.21)
Về nguyên lí chung, giả thiết tổng trở vào biến đổi nhỏ, ta có thể viết:
R + Re
e(t )
∆e(t )
Iv =
→ ∆I v =
= ∆I b b
(2.22)
Rv
Rv
Rv
∆e(t )
U t = Vc − I c Rc → ∆U t = − ∆I c Rc = − β .∆I b Rc = − β
(2.23)
Rb + Re
Như vậy tín hiệu vào và ra ngược pha nhau. Vậy mạch khuếch đại E-C thực hiện chức năng
đảo pha.
Bài toán ngược tính toán thông số phân cực
Việc tính toán phân cực kiểu thuận đã trình bày ở trên. Ở đây sẽ trình bày một phương pháp

tính toán ngược để có được các thông số mong muốn. hệ số khuếch đại β, dòng điện Ic cực đại,
điện áp nguồn Vc. Gọi dòng điện cực gốc là Ib0, dòng cực góp tương ứng là Ic0 = βIb0. Đối với
BJT, qui ước UBE0 là 0,6V đối với loại Si và 0,3V đối với loại Ge. Gọi γ là hệ số phân cực:


I 2 = γI b
(2.12)
Chọn trước Ube0, ta sẽ có phương trình cân bằng điện áp mạch B-E:
( γ + 1) R1 I bo + U beo + ( β + 1) I b 0 Re = Vc
(2.13)
Phương trình thứ hai là phương trình cân bằng điện áp mạch phân cực.
( γ + 1) R1 I bo + γR2 I b 0 = Vc
(2.14)
Phương trình thứ ba là phương trình cân bằng áp mạch E-C
( β + 1) RE I b 0 + U CE 0 + βRC I b 0 = Vc
(2.15)
2. Tính toán phân cực một chiều
ba phương trình (2.13), (2.14), (2.15) đủ để tìm ra nghiệm tính toán. Nếu cho trước các điện
trở, ta sẽ xác định được các dòng điện và điện áp. Ngược lại nếu chọn trước các điện áp và
dòng điện Ib0 ta sẽ xác định được các điện trở. Để cụ thể ta xét ví dụ sau:
Ví dụ 2.1: Cho mạch khuếch đại như hình 2.4, với BJT loại Si, β=150, R1 = 68k, R2 = 12k, Rc
= 2,2k, RE = 330Ω, VC = 12V. Xác định dòng điện và điện áp các cực.

Hình 2.4: Mạch khuếch đại E-C
Giải: sử dụng các phương trình (2.13)-(2.15), chọn UBE0 = 0,6V. Ta viết được:


( γ + 1).68000 I b 0 + 0,6 + 151.330.I b 0 = 12

( γ + 1).68000 I b 0 + γ .12000.I b 0 = 12

151.330.I + U + 150.2200.I = 12
b0
CE 0
b0

giải ra ta có: Ib0 = 19,99 µA; γ = 6,6537; UCE0 = 4,407V.

Hình 2.5: Kết quả mô phỏng của ví dụ 2.1
Theo kết quả mô phỏng bằng phần mềm EWB, ta thấy số liệu tính toán được và mô phỏng khá
giống nhau. Sự khác nhau chút ít là do BJT ta tính toán bị bỏ qua một số tham số cài đặt như
trong thư viện của EWB. Điều đó chứng tỏ phương pháp tính có độ tin cậy tốt.
Phương pháp thứ hai là tính toán trên đặc tính V-A vào và ra.


Hình 2.6: Các đặc tính của BJT loại 2SD468
Dựa theo đặc tính truyền đạt, ta thấy dù BJT có thể chịu được 1A nhưng khoảng làm
việc tuyến tính chỉ từ 0-:- 300mA với nhiệt độ 25 0C-:-750C. Ở đây ta chọn trước UBE0, IC0, từ
đó sẽ suy ra Ib0.
Ví dụ theo đặc tính, chọn IC0 = 100mA, tương ứng ta có β = 150, UBE0 = 0,65V. Để ổn
định phân cực, ta chọn γ = (5-:-10)Ib0. Sau đó dựa theo hệ phương trình (2.13)-(2.15) để xác
định các điện trở. Có thể chọn trước RE hoặc RC. Trong phần phản hồi sẽ chỉ rõ cách chọn
tham số này.
Với các tham số chọn trước, bằng các phương trình mạch điện cơ bản, ta dễ dàng xác
định các tham số còn lại.
Khi tính toán trong sơ đồ xoay chiều, do tụ thoát C E ngắn mạch điện trở RE nên đặc
tính làm việc sẽ dốc hơn do dòng IC tăng cao và UCE giảm xuống. Sự thay đổi độ dốc phụ
thuộc độ lớn RE.


a)

b)
Hình 2.7: Mô phỏng tín hiệu vào-ra mạch
Về lý thuyết, tín hiệu vào và ra ngược pha nhau, tuy nhiên theo kết quả mô phỏng hình 2.7,
nếu phân cực cho chân B quá lớn (R1 = 82kOhm, R2 = 22 kOhm) thì tín hiệu ra bị méo (2.7a).
Nếu giảm phân cực (R1 = 82kOhm, R2 = 10kOhm) thì tín hiệu ra không méo (2.7b). Đồng
thời góc lệch pha không đúng 1800 như tính toán. Do đó trong các mạch khuếch đại thực tế, có
có các mạch bù trễ pha để cải thiện độ lệch này. Đối với các mạch phát xung điều khiển, ta có
thể thêm mạch quán tính bậc 1 để hiệu chỉnh ảnh hưởng sớm pha do các tụ vi phân C1 và C2
gây nên. Kết quả hiệu chỉnh tích phân được thể hiện ở hình 2.8.

Hình 2.8: Tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào khi đã hiệu chỉnh tích phân.
$3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI B-C
1. Cấu tạo và nguyên lý
Sơ đồ nguyên lý của mạch khuếch đại B-C như hình 2.8.


V1
12 V

R1

82kΩ

Rc

1.5kΩ

C1

82kΩ

C2

10uF

Q1

10uF

R2
V2

R3

27kΩ

Rt

2N2714

C3

1.5kΩ

R4

10kΩ
10uF

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lí mạch B-C và kết quả mô phỏng

Trên sơ đồ nguyên lí hình 2.8, cặp điện trở R1, R2 để phân cực cho chân B, cặp điện
trở R3, R4 phân cực cho chân E, sự phân cực đảm bảo cho tiếp giáp B-E luôn được phân cực
thuận. Tín hiệu ra lấy trên tải Rt. Rc là điện trở tải cực góp để gánh phân cực cực góp cho chân
C của BJT.
Tín hiệu vào được đưa vào giữa chân E-B. Tín hiệu ra lấy giữa chân C và B, do vậy
chân B đóng vai trò chân tín hiệu chung vào-ra. Các tụ C1, C2, C3 được coi như ngắn mạch
xoay chiều ở tần số trung bình. Nguồn tín hiệu vào V2 có điện trở Rn.
Việc tính tóan phân cực cũng tương tự như với mạch EC.
Sơ đồ xoay chiều tương đương như hình 2.9. Với các điện trở tương đương:
R B1 = R1 // R2 ; R34 = R3 // R4 ; Rc // Rt
Từ đó ta sẽ có các tham số xoay chiều của mạch:
• Tổng trở vào:
Rv = R3 // R4 // [ rE + (1 − α )( rB + R1 // R2 ) ]
(2.24)
• Tổng trở ra:
Rr = RC //[ rC + (1 / β )( rB + R1 // R2 ) ] = RC // rC ( B ) ≈ RC
(2.25)
Như vậy tổng trở của mạch BC cũng cỡ trung bình, phụ thuộc độlớn RC.
I1

rE

rC

Rn
V1

R34

rB

RB1

R_c

Rt


Hình 2.9: Sơ đồ tương đương mạch BC
• Hệ số khuếch đại dòng điện:
I v Rv = i E [ rE + (1 − α )( rB + R1 // R2 ) ] = ( β + 1) i B rV
rV
Dòng điện vào: I v = ( β + 1) i B
Rv
I t Rt = ( Rc // rC ( B ) // Rt ) β i B
Dòng điện tải: I t =

(R

c

// rC ( B ) // Rt ) βi B

(2.26)
(2.27)
(2.28)

(2.29)
Rt
Từ (2.27) và (2.29) ta rút ra hệ số khuếch đại dòng điện:

( Rc // rC ( B ) // Rt ) βiB
I
Rt
R ( Rc // rC ( B ) // Rt )
Ki = t =
=α v
(2.30)
rV
Iv
rV
Rt
( β + 1) i B
Rv
Nếu ta coi rC(B) rất lớn, còn Rv ≈ rV thì hệ số khuếch đại dòng gần đúng bằng:
R // Rt
Ki ≈ α c
(2.31)
Rt
Như vậy hệ số khuếch đại dòng điện nhở hơn 1
• Hệ số khuếch đại điện áp:
U
I t Rt
R ( Rc // rC ( B ) // Rt )
Rt
R // Rt
Ku = t =
=α v
≈α c
(2.32)
( R n + Rv )

( R n + Rv )
e
I v ( Rn + Rv )
rV
Rt
mạch khuếch đại điện áp nếu tổng trở vào nhỏ.
• Hệ số khuếch đại công suất:
P
K p = t = Ku Ki
(2.33)
Pv
Mạch khuếch đại B-C nói chung có hệ số khuếch đại nhỏ nên ít khi dùng để khuếch đại mà
thường dùng làm những tầng đệm để phối hợp trở kháng.

$4 MẠCH KHUẾCH ĐẠI C-C
1. Sơ đồ và nguyên lí làm việc
Sơ đồ nguyên lý của mạch khuếch đại C-C như hình 2.10


Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lí và tương đương mạch C-C
Tín hiệu vào e(t) được đưa đến cực B của BJT, dòng điện vào là dòng I b, dòng ra là Ie. Do
không có tụ thoát xoay chiều nên thành phần xoay chiều sẽ đi qua R E gây nên hiệu ứng phản
hồi đầu ra, làm tăng tổng trở vào và giảm tổng trở ra. Do thành phần xoay chiều gánh trên R E
nên ta có:
∆U t = ∆I e ( RE // Rt ) = ( β + 1) ∆I b ( RE // Rt )
(2.34)
kết hợp với (2.22) ta nhận thấy điện áp trên tải đồng pha với điện áp vào. Vậy mạch khuếch
đại C-C thực hiện chức năng biến đổi đồng pha.
2. Tính toán xoay chiều
Xét sơ đồ (2.9), ta có tổng trở vào:

Rv = ( R1 // R2 ) // ( Rb + (1 + β )( Re + RE // Rt ) ) // Rc ( e )
(2.35)
Tổng trở ra:

R + Rn // R1 // R2

Rr = RE //  Re + b
// Rc ( e )  ≈ RE // Re
(2.36)
1+ β


Hệ số khuếch đại dòng điện:
I
Rv
RE // Rt
K i = t = (1 + β )
(2.37)
Iv
Rb + (1 + β )( Re + RE // Rt ) Rt
Hệ số khuếch đại điện áp:
U
IR
R
Ku = t = t t = Ki t
(2.38)
e(t ) I v Rv
Rv
Hệ số khuếch đại công suất:
K p = Ku Ki

(2.39)
Các kết quả mô phỏng với mạch cũng tương tự mạch EC và BC.
$2 GHÉP TẦNG TRONG BỘ KHUẾCH ĐẠI
1. Khái niệm
Một bộ khuếch đại dùng một BJT, nếu thiết kế thật cẩn thận, cũng chỉ có thể đạt đến hệ số
khuếch đại vài chục lần, song thực tế phần lớn cần độ khuếch đại cao hơn nhiều. Để giải quyết
vấn đề này, ta không thể mắc phản hồi dương để làm tăng hệ số khuếch đại vì mạch sẽ mất ổn
định. Khi đó người ta giải quyết bằng cách ghép nhiều tầng khuếch đại với nhau.


Nguyên tắc để ghép các tầng khuếch đại là chỉ để liên lạc về mặt tín hiệu xoay chiều, cách
li thành phần một chiều. Dựa theo đó, có một số kiểu ghép tầng: dùng tụ điện, biến áp và ghép
quang.
2. Ghép tầng bằng tụ điện

Hình 2.14: Ghép tầng bằng điện dung
Trong hình 2.14, tầng khuếch đại đại Q1 là tầng đầu, tầng khuếch đại Q2 là tải của tầng
Q1. Như vậy tổng trở vào của tầng Q2 đóng vai trò tải. các thành phần một chiều được
ngăn cách bằng tụ C1. Như vậy tín hiệu xoay chiều được dẫn từ tầng trước ra tầng sau
thông qua C1.
3. Ghép tầng bằng biến áp
V1
T1

C1
R4

R2

C2

Q2

Q1

C4

12 V

R5

R9
e

R1

R3
R7

R6

C3

Hình 2.15: Ghép tầng bằng biến áp
Sơ đồ nguyên lí như hình 2.15. Trong đó, biến áp T1 đóng vai trò một bộ cách li về
điện. Thành phần một chiều không gây ảnh hưởng ra tầng sau. Tuy nhiên, nếu chọn phân
cực lớn, thành phần một chiều sẽ làm biến áp chóng bảo hòa, biến áp hoạt động bị nóng và
làm méo tín hiệu xoay chiều biên độ lớn.


Đối với các mạch khuếch đại xoay chiều cộng hưởng, thường dùng trong kĩ thuật radio

đổi tần hay TV, biến áp được ghép song song với tụ cộng hưởng và có thể điều chỉnh được
điện cảm như hình 2.16

Hình 2.16: Ghép tầng bằng biến áp cộng hưởng
4. Ghép tầng bằng cách li quang
Phương pháp này hay dùng trong kĩ thuật xung số hơn là ghép cho khuếch đại xoay chiều.
Tuy nhiên, hiện nay các thiết bị ghép quang (optocoupler) có độ tuyến tính tốt nên được dùng
để ghép xoay chiều rất hiệu quả, hình 2.17. Nhược điểm duy nhất là kinh kiện ghép quang có
công suất không lớn.

Hình 2.17: Ghép tầng bằng cách li quang.
$7 KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT
1. Khái niệm
Khuếch đại công suất là tầng khuếch đại cuối cùng, trước khi đưa ra tải. Đây là tầng
khuếch đại gánh công suất lớn nhất trong cả hệ thống. Do vây việc tính toán phân cực cũng


như lựa chọn linh kiện rất liên quan đến tổn hao năng lượng trong mạch và độ lớn nguồn cung
cấp. Những nguồn công suất lớn với độ ổn định cao giá thành rất đắt và khó chế tạo gọn nhẹ.
Trong mạch khuếch đại EC, tổng trở ra của mạch xấp xỉ bằng tải cực góp R c. Điều đó có
nghĩa để phối hợp trở kháng với tải (hòa hợp tải) thì tổng trở tải cũng bằng tổng trở ra. Với các
tín hiệu xung hay xoay chiều, do tần số thay đổi nên khó hòa hợp tải ở mọi dải tần. Việc tính
toán được dựa trên tần số cơ bản.
Xét mạch khuếch đại 2.4, với dòng điện cực góp phân cực ban đầu là I c0. ta có biểu đồ tín
hiệu hoạt động như hình 2.18.

Hình 2.18: Biến thiên tín hiệu dòng và áp trên cực C mạch EC
Nhìn vào hình 2.18 ta thấy để mạch khuếch đại truyền dủ tín hiệu xoay chiều ra tải thì tín
hiệu phân cực phải tối thiểu bằng biên độ tín hiệu xoay chiều đưa ra. Ta xét một số chế độ
phân cực của khuếch đại công suất.

2. Chế độ A
Là chế độ khuếch đại cả hai nửa chu kỳ tín hiệu. Tuy nhiên không thể chọn tín hiệu phân
cực như hình 2.18 vì tính phi tuyến của đặc tính V-A vào và ra của BJT. Hình 2.19 mô tả quan
hệ tín hiệu vào-ra của tầng khuếch đại khi chọn tín hiệu phân cực bằng

Hình 2.19: Méo phi tuyến trong chế độ A


đúng biên độ xoay chiều, hiện tượng méo phi tuyến thấy rõ trên đồ thị mô phỏng. Nếu gọi
Ic0 là dòng phân cực cực góp, thì khi chưa có tín hiệu xoay chiều, bản thân BJT và R c đã có
một công suất một chiều tổn thất:
P0 = ( Rc + rC ( E ) ) I C2 0
(2.58)
Đây là một lượng công suất tổn hao khá lớn, nên ta phải tìm cách hạn chế nó.
3. Chế độ B
Là chế độ chỉ khuếch đại một nữa tín hiệu. Như vậy để khuếch đại cả hai nữa chu kỳ, cần
phải có hai mạch riêng biệt như hình 2.20.

Hình 2.20: Mạch khuếch đại đẩy kéo chế độ B
Sử dụng phần mềm mô phỏng Multisim, ta có kết quả như hình 2.21

Hình 2.21: Kết quả mô phỏng tầng đảo pha trước.


Tuy nhiên khi phân cực ở chế độ B, ở vùng tín hiệu nhỏ, đầu ra bị méo phi tuyến khá
nghiêm trọng, đo là do vùng phi tuyến của đặc tính V-A vào của BJT, dẫn đến tín hiệu ra bị
méo theo, thể hiện mô phỏng như hình 2.22

Hình 2.22: Đầu ra của BJT ở chế độ B
Mặc dù vậy, nhưng được lợi điểm về tổn hao công suất phân cực nên chế độ B vẫn được

nhiều nhà thiết kế sử dụng để làm tầng công suất cho các mạch đầu ra ở các bộ chỉnh lưu,
nghịch lưu hay khuếch đại công suất nói chung. Tuy nhiên, khó khăn của loại mạch này là
phải chọn được BJT có vùng đặc tính phi tuyến nhỏ và tính toán phân cực phải hết sức cẩn
thận.
4. Chế độ C
Chế độ C là chế độ phân cực chân B của BJT có điện áp rất thấp, khi đó, dòng I c0 gần như
bằng 0. Chế độ này không khuếch đại đủ một nữa chu kỳ, do vậy thường dùng trong các bộ
khuếch đại xung. Biểu đồ chế độ C như hình 2.23. Với BJT có điện áp tiếp giáp U BE lớn sẽ
xuất hiện một đoạn của thành phần xoay chiều trong nữa chu kỳ âm. Đây là đặc điểm cần lưu
ý khi thiết kế các hệ thống điều khiển xung, cần phải có diode khóa tránh cho xung âm xâm
nhập các tầng sau.

Hình 2.23: Mô phỏng BJT hoạt động chế độ xung.
Việc tính toán phân cực cho các chế độ đều dựa trên nguyên lí như đã trình bày các phần
trước.
5. Mạch Darlington


Là mạch khuếch đại gòm hai BJT gánh nhau, thường dùng trong các tầng ra cuối cùng.
Mạch khuếch đại kiểu này hay dùng cho các mạch điều khiển xung hơn là khuếch đại xoay
chiều, hình 2.24.

Hình 2.24: Khuếch đại Darlington
Trên sơ đồ, BJT Q1 là tầng tiền khuếch đại, dòng cực phát của Q1 trở thành dòng cực gốc
của Q2, do vậy nếu xét riêng từng dòng điện ta có:
I CQ1 = β1 I bQ1
I eQ1 = ( β1 + 1) I bQ1 = I bQ 2

(2.59)

I cQ 2 = β 2 I bQ 2 = β 2 ( β 1 + 1) I bQ1
Điện áp ra của mạch:
∆U C = −∆I C R10 = − ∆I CQ1 + ∆I CQ 2 R10 = −[ β 1 + β 2 ( β 1 + 1) ] ∆I bQ1 R10

[

]

(2.60)
Bỏ qua các thành phần nhỏ. Như vậy hệ số khuếch đại của mạch này gần xấp xỉ tích hai hệ số
khuếch đại BJT riêng biệt.
6. Mạch khuếch đại Cascade
V2
12 V

R1

82kΩ

Rc1

R3

1.8kΩ

C3

75kΩ

1.0kΩ

Q2

C4

2N3702

1.0uF

C2

Rc2

1.0uF

Q1
1.0uF

V1

R4

27kΩ

2N2714

R2

15kΩ

C1

1.0uF

Hình 2.25: Nguyên lí mạch khuếch đại Cascade

Rt

2.2kΩ


Hình 2.26: Kết quả mô phỏng với mạch Cascade hình 2.25
Mạch Cascade gồm hai tầng khuếch đại nối tiếp, tầng đầu là tầng khuếch đại EC để
khuếch đại tín hiệu, tầng sau là tầng khuếch đại BC để làm tầng đêm phối hợp trở kháng.
Mạch BC không khuếch đại tín hiệu dòng nhưng có thể khuếch đại tín hiệu áp một ít. Trở
kháng ra của tầng BC có gí trị lớn hơn EC nhiều lần, do vậy mạch được dùng khi tải có tổng
trở lớn. Trên hình 2.26, tín hiệu vào là đường đỏ, tín hiệu ra là đường màu xanh.
Việc tính toán các tham số cho mạch khuếch đại Cascade là tính toán với hai tầng EC và BC.
Một số đặc tính điện của một loại BJT minh họa điển hình như hình 2.27

Hình 2.27: Đặc tính thông số BJT 2SD468 (loại đi cặp với 2SB562)


Hình 2.28: Đặc tính test cho 2SD468

Hình 2.30: Các đặc tính bổ sung của 2SD468

Hình 2.31: Biến thiên điện dung đầu ra kí sinh của 2SD468

CHƯƠNG 3: KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU BIÊN THIÊN CHẬM
$1. KHÁI NIỆM CHUNG.
1.1 Khái niệm về ghép trực tiếp.
Trong kĩ thuật điều khiển, các tín hiệu rất đa dạng về cả biên độ lẫn tần số. Trong đó,
các loại tín hiệu có tốc độ biến đổi thấp rất hay gặp như tín hiệu từ các cảm biến, các dụng cụ
đo lường… Những tín hiệu đó được xếp vào loại biến thiên chậm. Các mạch điện tử xử lí loại
thông tin này mang một số đặc điểm khác hẳn với khuếch đại xoay chiều.
Việc ghép giữa nguồn tín hiệu với đầu vào bộ khuếch đại và giữa các tầng không thể
dùng tụ hay biến áp vì khi đó đặc tuyến biên độ tần số sẽ không có dạng như thực tế mong
muốn. Hình 3.1a thể hiện đặc tính quan hệ giữa hệ số khuếch đại và tần số của hai kiểu khuếch
đại. Hình 3.1b thể hiện biến thiên Ic theo tần số rất rõ, do đó hệ số β cũng thay đổi theo.

Hình 3.1a Hệ số khuếch đại một chiều(trái) và xoay chiều(phải) thực tế.
Để truyền đạt tín hiệu biến đổi chậm cần phải ghép trực tiếp theo dòng một chiều giữa
nguồn tín hiệu với mạch vào bộ khuếch đại và giữa các tầng với nhau. Vì ghép trực tiếp nên
việc chọn điểm làm việc tỉnh của tranzito có những đặc điểm riêng so với các bộ khuếch đại
đã khảo sát trước đây.

Hình 3.1b: Đặc tính thay đổi Ic theo tần số của BJT loại 2SC535(Hitachi)
Chẳng hạn, trong bộ khuếch đại ghép điện dung thì chế độ một chiều của mỗi tầng (chế độ
tĩnh) được xác định chỉ do những phần tử của tầng quyết định và các tham số của nó được tính
riêng biệt đối với từng tầng. Tụ điện ghép tầng sẽ cách ly thành phần một chiều theo bất kỳ
một nguyên nhân nào của tầng này sẽ không ảnh hưởng đến chế độ một chiều của tầng kia.


Hình 3.2: Tín hiệu qua bộ khuếch đại tần số 0,5Hz(a) và 50Hz(b)
Trong bộ khuếch đại ghép trực tiếp, không có phần tử để cách ly thành phần một chiều.
Vì vậy điện áp ra không những chỉ đạo xác định bằng tín hiệu ra có ích mà còn cả tín hiệu giả
do sự thay đổi chế độ một chiều của các tầng theo thời gian, theo nhiệt độ hay một nguyên
nhân lạ nào khác. Cần đặc biệt quan tâm đến những tầng đầu vì sự thay đổi chế độ một chiều ở

đây sẽ được các tầng sau khuếch đại tiếp tục.
Hình 3.2 cho kết quả mô phỏng khi dùng một mạch khuếch đại ghép tầng điện dung
với hai tín hiệu có biên độ giống nhau nhưng tần số khác nhau, 3.2a là tín hiệu tần số 0,5Hz,
còn 3.2b là tín hiệu tần số 50Hz. Ta thấy với tín hiệu biến thiên chậm, đáp ứng chỉ xuất hiện
tại quá trình quá độ, còn trong quá trình xác lập, biên độ rất nhỏ, không còn nguyên dạng xoay
chiều như tín hiệu vào. Chỉ khi tăng tần số lên nhiều lần mới có thể đảm bảo không bị méo
đầu ra. Điều đó cho thấy khi tần số thấp, cần phải dùng kiểu ghép nối khác.
V1
7

R8

R5

33kΩ

R2

27kΩ

0
12 V

1.5kΩ

6

2

Q2

Q1
3

R9

R1
1.2kΩ
V2

2N2222A

5

R3

5.6kΩ
300mV
1 Hz
0Deg

2N2222A
4

1.5kΩ

R6
39Ω
0

Hình 3.3: Khuếch đại khi ghép trực tiếp: sơ đồ nguyên lý và dạng sống mô phỏng
Trên hình 3.3, dạng sóng ra chưa đạt yêu cầu về độ tuyến tính. Tuy nhiên, có thể hiệu chỉnh lại
các tham số để hệ thống không bị méo.
1.2 Ảnh hưởng sự trôi nguồn nuôi