Chuong 3 mach KD nhieu tang(20 7 15)

CHƯƠNG 3

MẠCH KHUẾCH ĐẠI NHIỀU TẦNG

Tương ứng với chương 14 trong sách Microelectronic Circuit Design_Richard C. Jaeger & Travis N. Blalock
8/6/2015
1


Nội dung chương 3
3.1. Sơ đồ, chức năng, đặc điểm của các tầng
3.2. Sơ đồ tương đương một chiều của mạch khuếch đại nhiều tầng

3.3. Sơ đồ tương đương xoay chiều của mạch khuếch đại nhiều tầng
3.4 Tính toán hệ số khuếch đại điện áp toàn mạch
3.5.Tính toán hệ số khuếch đại dòng điện và công suất toàn mạch

3.6. Tính trở kháng ra của toàn mạch
3.7. Tính toán điều kiện khuếch đại tuyến tính của toàn mạch
3.8. Các phương pháp làm tăng hệ số KĐ điện áp

Tương ứng với chương 14 trong sách Microelectronic Circuit Design_Richard C. Jaeger & Travis N. Blalock
8/6/2015
2


Nội dung chương 3
3.9. Khuếch đại nhiều tầng các BJT E chung
3.10. Mạch khuếch đại nối trực tiếp: Sơ đồ mạch
3.11. Mạch khuếch đại nối trực tiếp: Phân tích AC
3.12. Mạch khuếch đại nối trực tiếp: Mạch Darlington

3.13.Nguyên tắc tính toán tụ liên lạc và tụ thoát tín hiệu xoay chiều
3.14.Tính toán tụ trong mạch khuếch đại E chung và S chung

3.15.Tính toán tụ trong mạch khuếch đại C chung và D chung
3.16.Tính toán tụ trong mạch khuếch đại B chung và G chung

8/6/2015

3


3.1. Sơ đồ, chức năng, đặc điểm của các tầng


3.1. Chức năng, đặc điểm của các tầng


MOSFET M1hoạt động ở với thiết lập S chung cung cấp một trở kháng vào
lớn và hệ số khuếch đại điện áp trung bình.



BJT Q2 hoạt động với thiết lập E chung, tầng thứ 2, cung cấp hệ số khuếch
đại lớn.



BJT Q3, mạch emitter-follower cung cấp trở kháng ra thấp và cách tầng có
hệ số khuếch đại lớn ra khỏi điện trở tải thấp





R R R R R R
B2 1 2
B3 3 4
Trở kháng vào và trở kháng ra của mạch khuếch đại được ghép với nhau

Các điện trở phân cực được thay thế bằng
thông qua tụ (ac-coupled) C1 và C6.



Tụ lọc C2 và C4 được dùng để lấy hệ số khuếch đại điện áp cực đại từ hai

mạch khuếch đại đảo.


Tụ liên lạc nội tầng C3 và C5 truyền tính hiệu ac giữa các mạch khuếch đại
và ngăn cách tín hiệu dc, và ngăn cản sự ảnh hưởng đến Q-points của

transistors.


3.2. Sơ đồ tương đương một chiều
của mạch khuếch đại nhiều tầng

Sơ đồ tương đương một chiều của mạch khuếch đại nhiều tầng

3.3. Sơ đồ tương đương xoay chiều

của mạch khuếch đại nhiều tầng

Sơ đồ tương đương xoay chiều

Sơ đồ tương đương đối với tín hiệu nhỏ


Bảng giá trị các thông số


3.4. Tính toán hệ số khuếch đại điện áp toàn mạch

RL2  RI 2 Rin3  ?
v3

RI1  ?

RI 2  ?

?

R
I3

RL1  RI1 Rin2 ?
v2
Avt1 

  gm1RL1  ?
v1

Avt 2 
  gm2 RL2  ?
v2
( o3 1) RL3
vo
Avt3 

?
v3 r 3  ( o3 1) RL3

R  R 1MΩ
in G
Rin
 Av  Avt3 Avt 2 Avt1
?
RI  Rin


3.4. Tính toán hệ số khuếch đại điện áp toàn mạch
R R R 
L2 I 2 in3
R r  (  1)R   3.54kΩ
I 2   3
o3
L3
v3
Avt 2 

  gm2 RL2
v2
 62.8mS  3.54kΩ  -222
( o3 1) RL3
vo
Avt3 

 0.950
v3 r 3  ( o3 1) RL3

R  620Ω 17.2kΩ  598Ω
I1
R  4.7kΩ 51.8kΩ  4.31kΩ
I2
R  3.3kΩ 250Ω  232Ω
I3
R  R 1MΩ
R  R R  598 r 598Ω 2390Ω  478Ω
in G
L1 I1 in2
2
Rin
v2
Avt1 
  gm1RL1  0.01S 478Ω  -4.78  Av  Avt3 Avt 2 Avt1 R  R  998
v1
in
I

3.5.Tính toán trở kháng ra

v
Rth3  x  RI 2 RCE
 RI 2 ro2  ?
out
ix

Để tìm trở kháng ra của mạch
khuếch đại, test voltage được đặt
vào đầu ra của mạch khuếch đại.

i x  i r  ie 

vx
v
 x
3300 Rout 3

vx
Rout 
?
ix


3.5.Tính toán trở kháng ra

vx

R 

 R RCE
R r
I 2 out I 2 o2
th3 i
x
vx
vx
 4310Ω 54200Ω  3990Ω
i x  i r  ie 

3300 Rout 3
Để tìm trở kháng ra của mạch

Rth3 
vx
 1
khuếch đại, test voltage được đặtR

 3300 Rout3  3300 


vào đầu ra của mạch khuếch đại. out i x
g
m3  o3  1 


1
3990 

 62.4


80 
 0.0796S


 3300 




3.6. Tính toán hệ số khuếch đại dòng điện và công suất
Dòng điện ở ngõ vào được cung cấp
cho mạch khuếch đại bởi nguồn:

vi

ii 
?
RI  Rin
Và dòng được cung cấp cho bởi mạch
khuếch đại:

Av vi
io 

?
250 250
vo

i

Ai  o  ?
ii

P
AP  o 
Ps

vo io

 Av Ai  ?
vi i i


3.6. Tính toán hệ số khuếch đại dòng điện và công suất
Dòng điện ở ngõ vào được cung cấp
cho mạch khuếch đại
v bởi nguồn:

i  9.90 10 7 v
i 
i R R
i
in
I

Và dòng được cung cấp cho bởi mạch
khuếch đại:

Av v 998v
s  3.99v

i
io 

s
250 250
250
3.99v
io
i
A 
 4.03106
i i
7v
9
.
90

10
i
i
vo

Po v o io
A  
 Av A  998 4.03106  4.02 109
P P
i
s v i ii

3.7. Tính toán điều kiện khuếch đại tuyến tính của
toàn mạch


Đối với tầng thứ nhất,



Đối với tầng thứ hai,



Đối với tầng thứ ba,



Toàn mạch,

v  0.2(V V )  v 
i
1
GS TN

0.2(1 2)
 0.202V
0.990

v
 v  A v  5mV
v1 1

be2 2
5mV 0.005
1.05mV
v 

 1.05mV  v 
 1.06mV
i
1 A
4.78
0.990
v1
v
A A (0.990vs )
3
v

 v1 v2
be3 1 g R
1 g R
m3 L3
m3 L3
1 g R
m3 L3 0.005  92.7μV
v
 5mV  v 
i A A (0.990)
be3
v1 v2
v  min( 202mV,1.06mV, 92.7μV)  92.7μV

i
vo  Av (92.7μV)  998(92.7μV)  92.5mV


3.8. Các phương pháp làm tăng hệ số KĐ điện áp




Hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại S chung tỉ lệ
nghịch với căn bậc 2 của dòng máng, vì vậy hệ số khuếch
đại điện áp có thể được tăng lên bằng cách giảm ID1 trong
khi vẫn duy trì một điện áp không đổi trên RD1. Biên độ tín
hiệu có thế được cải thiện bằng cách tăng dòng điện trong
tầng ngõ ra và điện áp đặt trên RE3.
Q1 có thể được thay thể bởi FET. Điều này có thể làm
giảm hệ số khuếch đại ở tầng thứ 3 của mạch khuếch đại
bởi vì hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại D chung thì
nhỏ hơn của mạch khuếch đại C chung. Tuy nhiên, sự sụt
giảm này có thể được bù lại bằng cách tăng hệ số khuếch
đại ở tầng thứ nhất và thứ hai.


3.9. Khuếch đại nhiều tầng các BJT E chung
Nếu hệ số khuếch đại bị hạn chế bởi các
điện trở nội tầng, mỗi tầng có hệ số
khuếch đại vào khoảng -10VCC và hệ số
khuếch đại toàn mạch là:
n



Avn   10V 
Để đạt được hệ số khuếch đại cực
CC 

đại, nhiều tầng khuếch đại E chung Nếu hệ số khuếch đại bị hạn chế bởi trở
có thể được mắc liên tiếp.
kháng vào của transistor:
v v
v
I
Av  1 2 ... o  A A A
n
C1   ... 10V 
 1
v
3
v
2
v
1
A

v v v
on  CC 
vn  
o
2
o
3

I
1
n
1
i
Cn
Đối với tầng cuối cùng,
Thông thường ICn  IC1 khi tín hiệu và
Avn   gmn R  10V
L
CC
mức năng lượng tăng lên ở mỗi tầng của
Đối với các tầng khác,
mạch khuếch đại. Vì o< 10VCC , trường
A  g (R r
)
vi
mi Li i 1
hợp này thường biểu thị giới hạn thực.


3.10. Mạch khuếch đại nối trực tiếp: Sơ đồ mạch
• Các tụ lọc nhiễu C2 và C4 ảnh
hưởng đến hệ số khuếch đại tại
các tần số thấp nhưng không
ảnh hưởng đến hoạt động của
mạch khuếch đại tại dc

• Các tụ liên lạc được mắc nối tiếp với đường
dẫn tín hiệu- C1, C3, C5, với C6 được loại bỏ vì

chúng ngăn cản mạch khuyếch đại làm việc tại
dc hoặc với các tần số rất thấp.
• Các điện trở phân cực bổ xung trong mỗi tầng
được loại bỏ để tiết kiệm chi phí khi thiết kế.

• Các nguồn cung cấp đối xứng
được dùng để đưa điện áp của
Q-point tại ngõ vào và ngõ ra về
không.
•pnp hoặc p-channel và npn
hoặc n-channel transistors được
sử dụng xen kẽ trong các tầng
khuếch đại để tận dụng tối đa
các nguồn cung cấp có sẵn.


3.11. Mạch khuếch đại nối trực tiếp:
Phân tích AC





Giá trị của of tụ nội sinh trong các
tầng thì cao hơn so với trong mạch
khuếch đại ac nối trực tiếp do sự
vắng mặt của các điện trở phân cực.
Tất cả các đặc tính là tương tự với
các đặc tính của mạch khuếch đại ac
nối trực tiếp khi Q-points và các

tham số tín hiệu nhỏ của transistor là
tương tự.

• Ghép nối dc cần ít thành phần
hơn so với ghép nối ac nhưng
Q-points của các tầng trở nên
phụ thuộc lẫn nhau.
• Nếu Q-point của một tầng
thay đổi, Q-points của các
tầng khác cũng thay đổi.


3.12. Mạch khuếch đại nối trực tiếp:
Mạch Darlington
Phân tích mạch AC: Đối với composite
transistor, 1
r '   y   2 r
o1  2
 11 
y 0
12

Mạch Darlington hoạt động tương tự
như một transistor, nhưng có hệ số
khuếch đại dòng điện được cung cấp
bởi hệ số khuyếch đại dòng điện của
tường transistor riêng rẽ.

y

o'  21

gm'  y  g / 2
21 m2
1




ro'   y   (2 / 3)r
o2
 22 
 
o1 o2

y
11 v  0
2
Phân tích mạch DC: với F1, F2 >>1,
v
 ' 2
  /3
I I I   I
f v
f2
C C1 C2
F1 F2 B
1 i 0
VBE của composite transistor = 2 điện
2

áp trên diode .

Vì vậy VCE >(VBE1 + VBE2) .


TÍNH TOÁN TỤ LIÊN LẠC VÀ TỤ
THOÁT TÍN HIỆU XOAY CHIỀU

8/6/2015

21


3.13.Nguyên tắc tính toán tụ liên lạc
và tụ thoát tín hiệu xoay chiều


Vì trở kháng của tụ tỉ lệ nghịch với tần số, nên trong khoảng tần số thấp
trở kháng của tụ tăng lên làm điện áp xoay chiều tổn hao trên tụ tăng
lên, do đó điện áp xoay chiều đưa vào mạch giảm đi.



Để tính chọn các tụ, ta sử dụng phương pháp thời hằng ngắn mạch.
Nghĩa là khi tín toán giá trị một tụ thì nối tắt tất cả các tụ còn lại



Nguyên tắc tính chọn tụ là giá trị trở kháng của tụ (tại tần số nhỏ nhất

trong băng thông) phải nhỏ hơn nhiều so với giá trị trở kháng tổng
(thông thường ta chọn nhỏ hơn hoặc bằng 1/10)

Jaeger/Blalock
7/1/03

Microelectronic Circuit Design
McGraw-Hill

Chap 14 - 22


3.14.Tính toán tụ trong mạch khuếch đại E
chung và S chung
Xét C1 (with vi=0): cho tất cả các
tụ khác nối tắt
Nguyên tắc chọn C1 là trở kháng
củ tụ C1 nhỏ hơn rất nhiều so với
trở kháng (RI+Rin)
1
 R1  Rin
C1
1
10
C1 
 C1 
 RI  Rin 
 RI  Rin 

Jaeger/Blalock

7/1/03

Microelectronic Circuit Design
McGraw-Hill

Chap 14 - 23


3.14.Tính toán tụ trong mạch khuếch đại E
chung và S chung
Đối với mạch C-E,
R  R RiB
B
Đối với mạch C-S, in
R  R RiG
in
G

C1 được chọn thỏa mãn điều kiện:
1
10
C1 
 C1 
 RI  Rin 
 RI  Rin 

 được chọn bằng: = min

Jaeger/Blalock
7/1/03

Microelectronic Circuit Design
McGraw-Hill

Chap 14 - 24


3.14.Tính toán tụ trong mạch khuếch đại E
chung và S chung
C3

Đối với mạch C-E,
Rout  RC RiC

Đối với mạch C-S
Rout  R D RiD
C3

C3 được chọn thỏa mãn điều kiện:
1
10
C3 
 C3 
 R3  Rout
 R3  Rout







 được chọn bằng: = min

Jaeger/Blalock
7/1/03

Microelectronic Circuit Design
McGraw-Hill

Chap 14 - 25

