Chuong 2 cac mach kđ tin hieu nho(20 7 15)

CHƯƠNG 2
CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI
TÍN HIỆU NHỎ

Tương ứng với chương 13 và 14 sách Microelectronic Circuit Design_Richard C. Jaeger & Travis N. Blalock
1


Nội dung chương 2


2.1. Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại E chung: Mạch tương đương tín
hiệu nhỏ
 2.2.1. Mạch khuếch đại E chung: Hệ số khuếch đại điện áp
 2.2.2. Mạch khuếch đại E chung: Trở kháng vào
 2.2.3. Mạch khuếch đại E chung: Trở kháng ra



2.2. Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại S chung: Mạch tương đương tín
hiệu nhỏ
 2.2.1. Mạch khuếch đại S chung: Hệ số khuếch đại điện áp
 2.2.2. Mạch khuếch đại S chung: Trở kháng vào
 2.2.3. Mạch khuếch đại S chung: Trở kháng ra

 2.3. Mạch khuếch đại E chung có Re và S chung có Rs
 2.3.1. Hệ số khuếch đại điện áp

 2.3.2. Trở kháng vào
 2.3.3. Trở kháng ra
Tương ứng với chương 13 và 14 sách Microelectronic Circuit Design_Richard C. Jaeger & Travis N. Blalock

2


Nội dung chương 2


2.4. Mạch khuếch đại C chung và D chung
 2.4.1. Hệ số khuếch đại điện áp tại cực ra
 2.4.2.Trở kháng vào và hệ số KĐ điện áp toàn mạch
 2.4.3.Trở kháng ra

 2.4.4. Hệ số khuếch đại dòng điện


2.5. Mạch khuếch đại B chung và G chung
 2.5.1. Mô hình tín hiệu nhỏ cho mạch khuếch đại B chung
 2.5.2. Hệ số khuếch đại điện áp tại các cực và trở kháng vào
 2.5.3. Hệ số khuếch đại điện áp toàn mạch
 2.5.4. Trở kháng ra
 2.5.5. Hệ số khuếch đại dòng điện



Tóm tắt

Tương ứng với chương 13 và 14 sách Microelectronic Circuit Design_Richard C. Jaeger & Travis N. Blalock
3


Các loại mạch khuếch đại



Tùy theo việc chọn các cực của BJT và FET làm các ngõ
vào, ngõ ra, ta có ba loại mạch khuếch đại như sau:
– E chung (CE) với BJT/S chung (CS) với FET

– B chung (CB) với BJT/G chung (CG) với FET
– C chung (CC) với BJT/D chung (CD) với FET


Sử dụng mạch phân cực bốn điện trở để thiết lập điểm làm
việc tĩnh Q-point cho các mạch khuếch đại khác nhau.



Tụ liên lạc và tụ lọc nhiễu được dùng để thay đổi mạch
tương đương ac.
4


2.1. Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại E
chung: Mạch tương đương tín hiệu nhỏ




Mạch tương đương AC được xây
dựng bằng cách giả sử rằng tất cả
các tụ điện có trở kháng bằng 0
tại tần số của tín hiệu vào và

nguồn một chiều được nối đất.
Giả sử Q-point đã được cho
trước.
R R R
B
1 2

5


2.1.1. Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại E
chung: Hệ số khuếch đại điện áp
Hệ số khuếch đại điện áp tại cực
giữa cực base và collector:
v
v
Avt  vc  v o   gm R
L
b
be

R  ro R R
L
C 3

Hệ số khuếch đại điện áp toàn
mạch từ nguồn vi đến điện áp ngõ
ra trên R3 :
v


vo  vo  vbe 
 be 
Av  v   v  v   Avt  v 

i  be  i 
i 



R r


B

 Av   gm R 
L  R  R r 
I
B  






6


Mạch khuếch đại E chung
Hệ số khuếch đại điện áp: Ví dụ 1


Ví dụ 1: Tính hệ số khuếch đại điện áp



Với các thông số sau: bF =100, VA =75 V, Q-point (1.45

mA, 3.41V), R1 = 10 kW, R2 = 30 kW, R3 = 100 kW, RC = 4.3
kW, RI =1kW.


Giả sử: Transistor hoạt động trong vùng tích cực, bO = bF.
Tín hiệu vào đủ thấp để có thể xem là tín hiệu nhỏ.

7


Mạch khuếch đại E chung
Hệ số khuếch đại điện áp: Ví dụ 1
gm  40I  40(1.45mA )  58.0mS
C

R  R R  7.5kΩ
B
1 2

V V
A CE  75V  3.14V  54.1kΩ
R  ro R R  3.83kΩ
r


o
L
C 3
I
1.45mA
C

R r 
boV 100(0.025V)

B
T
  130  42.3dB
r 
1.72kΩ Av   gm R 
L
I
1.45mA
r 
R  R
B
C
 I














R  ( R r ) 
B
  8.57mV
v  (0.005V) I

i
R r

B






8


2.1.1. Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại E
chung: Hệ số khuếch đại điện áp


Nếu ta giả sử R  R r

I
B 




Av  Avt   gmR   gm  ro R R 
L
C 3


Tổng điện áp của tín hiệu đầu vào đặt trên r.




Nhìn chung R3 >> RC và điện trở tải << ro. Nếu ta giả sử IC RC = ζVCC
với 0<ζ<1
I R
Av  Avt   gm R   C C  40V
C
CC
V
T 1/3 nguồn cung cấp thường được đặt
Trong trường hợp này, ζ=1/3 vì
trên RC khi thiết kế. Giả thích rõ ràng hơn cho các xấp xỉ dẫn đến kết
quả này, ta dùng:
Av  10V
CC
Nếu điện trở tải phải gần bằng ro, RC và R3 là rất lớn, hệ số khuếch đại

điện án bị hạn chế bởi tham số khuếch đại, mf của chính BJT.
9


2.1.2. Mạch khuếch đại E chung: Trở kháng vào



Trở kháng vào, tổng điện trở nhìn
vào mạch điện ở tụ liên lạc C1 đại
diện cho tổng điện trở đưa đến
nguồn.
v x  ix ( R r )
B
vx
R 
 R r  R R r
B
1 2
in i
x
10


2.1.3. Mạch khuếch đại E chung: Trở kháng ra

Trở kháng rai là tổng điện trở tương
đương nhìn vào ngõ ra của mạch khuếch
đại tại tụ liên lạc C3. Nguồn vào được đưa
về 0 và một nguồn thử được đặt tại ngõ

ra.
v
v
Nhưng vbe=0.
ix  x  x  gmv
be
R
ro
C
v
Rout  x  R ro  R As ro>> RC.
C
C
ix



11


Phân tích mạch khuếch đại E chung
Ví dụ 2









Ví dụ 2: Tìm hệ số khuếch
đại Av, trở kháng vào và ra
Rin, Rout.
Biết: bF = 65, VA =50 V
Giả sử: hoạt động trong
vùng tích cực, VBE=0.7 V,
hoạt động trong điều kiện
tín hiệu nhỏ.
Phân tích mạch: để tìm
the Q-point, mạch tương
đương dc được vẽ lại.

12


Phân tích mạch khuếch đại E chung
Ví dụ 2

105I V  (b 1)I (1.6104)  5
B BE
F
B

I  3.71μA
B
I  65I  241μA
B
C
I  66I  245μA

E
B
5 104 I V  (1.6 104) I  (5)  0
E
C CE
V  3.67V
CE

13


Phân tích mạch khuếch đại E chung
Ví dụ 2

Ta vẽ lại mạch tương đương
ac và rút gọn:
R  R r  6.23kΩ
in B

gm  40I  9.64 10 3S
C
boV
T  6.64kΩ
r 
I
C
V V
ro  A CE  223kΩ
I
C

Rout  R ro  9.57kΩ
C


R


vo
in

  84.0
Av    gm( Rout R )
3  R  R 
v
 I
i
in 
14


2.2. Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại S chung:
Mạch tương đương tín hiệu nhỏ




Mạch tương ac được vẽ lại bằng
cách giả sử tất cả tụ điện có trở
kháng bằng 0 tại tần số của tín

hiệu vào và nguồn điện áp dc đại
diện cho nối đất ac.
Giả sử Q-point được cho trước.

R R R
G
1 2

15


2.2.1. Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại S chung:
Hệ số khuếch đại điện áp

Hệ số khuếch đại điện áp tại cực
giữa cực G và D:
v
v
Avt  vd  v o   gm R
L
g
gs

R  ro R R
L
D 3

Hệ số khuếch đại toàn mạch từ
nguồn vi đến điện áp ngõ ra R3 là:
v


vo  vo  vgs 
 gs 
Av  v   v  v   Avt  v 

i  gs  i 
i 



R


G


 Av   gm R 
L  R  R 
I
G 

16


Hệ số khuếch đại điên áp của mạch khuếch đại S chung:
Ví dụ 3


Ví dụ 3: Tính hệ số khuếch đại điện
áp



Biết: Kn = 0.5 mA/V2, VTN = 1V, l=
0.0133 V-1, Q-point (1.45 mA, 3.86
V), R1 = 430 kW, R2 = 560 kW, R3 =
100 kW, RD = 4.3 kW, RI = 1 kW.



Giả sử: Transistor hoạt động trong
vùng tích cực. Mô hình tín hiệu nhỏ.



Phân tích mạch:

17


Hệ số khuếch đại điên áp của mạch khuếch đại S chung:
Ví dụ 3
R  R R  243kΩ
G
1 2

gm  2Kn I (1 lV ) 1.23mS
DS
DS

1

V
R  ro R R  3.83kΩ
DS
l
L
D 3
ro 
 54.5kΩ
I
D


R


G
  4.69  13.4dB
Av   gm R 
L  R  R 
G 
 I











2I

D  0.48V
v  0.2 V V
 0.2
i
GS TN
Kn
18


2.2.1. Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại S chung:
Hệ số khuếch đại điện áp
Nếu ta giả sử RI  RG


Av  Avt   gmR   gm  ro R R 
L
D 3




Tổng điện áp của tín hiệu đầu vào được đặt
trên các cực gate-source.




Nhìn chung RD << R3 và RD << ro. Vì vậy, tổng trở của tải trên cực
drain là RD. Trong trường hợp này, 1/2 nguồn cung cấp được đặt trên
RD khi thiết kế và (VGS - VTN ) =1V
I R
D D
Av   gm R  
 V
D
DD
V
V
TN
GS
2
Nếu điện trở tải gần bằng ro, RD và R3 là rất lớn, hệ số khuếch đại điện
áp bị giới hạn bởi tham số khuếch đại, mf của chính MOSFET.
19


2.2.2. Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại S chung:
Trở kháng vào



Trở kháng vào của mạch khuếch
đại S chung lớn hơn nhiều so với
mạch khuếch đại E chung.
v x  ix R

G
R R
G
in

20


2.2.3. Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại S chung:
Trở kháng ra



Với các điểm phân cực có thể so sánh
được, trở kháng ra của mạch khuếch đại
E chung và S chung là giống nhau.

Trong trường hợp này, vgs=0.
v
Rout  x  R ro  R
D
D
ix

As ro>> RD.

21


Phân tích mạch khuếch đại S chung

Ví dụ 4



Ví dụ 4: Tìm hệ số khuyếch
đại điện áp, trở kháng vào và
trở kháng ra của mạch.



Biết: Kn = 500 mA/V2, VTN =

1V, l= 0.0167 V

Phân tích mạch: mạch tương
đương DC được vẽ lại

22


Phân tích mạch khuếch đại S chung
Ví dụ 4
V
I  DS
1
5106

V

10  2 104( I  I )

D 1
DS

K
I  n (0.4V V )2
D 2
DS TN
V  5V
DS

V  2V
GS

I  250mA
D
23


Phân tích mạch khuếch đại S chung
Ví dụ 4
Ta vẽ lại và rút gọn mạch
tương đương ac.
R R R
1MΩ
G1 G2
in

gm  2Kn I (1 lV )  5.20 104S
DS
DS

1

V
ro  l DS  260kΩ
I
D

Rout  ro R R
 18.2kΩ
D G3


R


vo
in

  7.93
Av    gm( Rout R )
3  R  R 
v
 I
i
in 
24


Bảng tổng kết đặc tính

của mạch KĐ E chung và S chung

25