Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Chương 4 - Khuếch đại

Chương 4 : Khuếch đại






Khuếch đại là quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở
đó năng lượng của nguồn cấp 1 chiều được biến đổi thành
dạng năng lượng tín hiệu khác ở đầu ra (lớn hơn về mặt biên
độ dòng điện hoặc điện áp)
Phân loại theo tần số khuếch đại
 Khuếch đại tần số cực thấp(tín hiệu 1 chiều)
▪ Tần số trong khoảng 0-20Hz (tín hiệu điện tim)
 Khuếch đại tín hiệu tần số thấp
▪ Tần số trong khoảng 20-200kHz(tín hiệu âm thanh, siêu âm)
 Khuếch đại tín hiệu tần số cao
▪ Tần số trong khoảng 200kHz- 2GHz(sóng mang kênh thông tin
radio, truyển hinh…..)




Hệ số khuếch đại
 Hệ số khuếch đại điện áp

 Hệ số khếch đại dòng điện






Trở kháng vào ra
Hệ số méo
Dải động


U ra
K 
Uv
*
u

U ra
Ku 
Ev

Nói chung, vì tầng khuếch đại có chứa các phần tử điện kháng nên Ku
là một số phức.






U ra j ( ra  v )
Ku   
.e
 K u e j ku
Ev

Ev

U ra





Do các tâng khuếch đại thường có các phần tử điện kháng và
cảm kháng nên |Ku| và |ψku| thay đổi theo tần số.

K u  f1 ( ) là đặc tuyến biên độ – tần số của bộ khuếch đại.

  ku  f 2 ( )
 Ví dụ về

là đặc tuyến pha – tần số của bộ khuếch đại.
đặc tuyến biên độ - tần số của bộ khuếch đại được
biểu diễn như hình vẽ sau:




Thường người ta tính biên độ hệ số khuếch đại |Ku| theo đơn vị
decibel




K u (dB)  20. lg( K u )







Trên thực tế,giá trị của K u không ổn định. Độ bất ổn định của K u
được định nghĩa như sau:

K u dK u
BK 

Ku
Ku


i ra
Ki 
iv




ira

I ra j ( ra  v )
Ki   
.e
 K i .e j ki
Iv

iv




K i (dB)  20.lg ( K i )




Trở kháng vào của mạch khuếch đại được định nghĩa như sau:

Uv
Zv 
iv
Zi
Ur Ur Uv
*
Ku 

.
 Ku .
Ev U v Ev
Zi  Zv



*
nếu Zi>>Zv thì K u  K u
nếu Zi<



Trở kháng ra của mạch khuếch đại được định nghĩa là trở
kháng trong của nguồn tương đương nếu ta nhìn từ phía tải :

Ur
Zr 
ir

Zt
U r  Er .
Zt  Zr




nếu Zt>>Zr thì U r  Er
nếu Zt<



Bộ khuếch đại điện áp lý tưởng có Ku rất lớn và không phụ
thuộc vào nguồn và tải:



K u  


Z v  
Z  0
 r

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

K i  

Z v  0
Z  
 r




Méo không đường thẳng:
 Méo không đường thẳng do tính chất phi tuyến của các phần tử như

transistor gây ra thể hiện ở việc xuất hiện những thành phần tần số lạ ở
đầu ra mà không có ở đầu vào. Khi Uv chỉ có thành phần tần số nhưng
đầu ra không chỉ xuất hiện thành phần tần số mà còn xuất hiện các
thành phần tần số (n. ), với n=2,3... Các thành phần tần số (n. ), với
n=2,3... gọi là các hài, giả thiết các hài có biên độ tương ứng là Unm ta
định nghĩa hệ số méo không đường thẳng như sau:

 

2

U 22m  U 32m  ...U nm

U 1m




Méo tần số:
 Do tính phi tuyến đối với các tần số khác nhau của các phần

tử nên hệ số khuếch đại ở các tần số khác nhau sẽ khác
nhau. Méo tần số tại tần số f0 được định nghĩa như sau:

M ( f0 ) 

Ku

max

Ku ( f0 )




Dải động được định nghĩa là tỷ số giữa biên độ tín
hiệu vào lớn nhất để méo không đường thẳng chưa
vượt quá mức danh định và biên độ tín hiệu vào nhỏ
nhất để chưa bị ảnh hưởng bởi tạp âm:

Sd 

Uv

max

Uv

min




Để phần tử khuếch đại (transistor) làm việc bình thường, tin
cậy ở một chế độ xác định thì cần hai điều kiện:
 Phân cực tính cho phần tử khuếch đại.

 Ổn định chế độ làm việc tĩnh đã được xác lập.


Khi thỏa mãn hai điều kiện trên thì ta sẽ có:
 Khi Uv=0, phương trình đường tải tĩnh có dạng:

U CE  I C .RC  EC

 Khi Uv≠0, phương trình đường tải xoay chiều như sau:

U CE  I C .( RC // Rt )  EC



Nếu Q nằm trong khoảnh giữa M và N, trong đó M,
N là giao điểm đường thẳng tải với các đường đặc
tuyến ra tĩnh ứng với các chế độ tới hạn UBEmax và
UBE=0 (IB=0), ta nói tầng khuếch đại làm việc ở chế
độ A. Chế độ làm việc này có 2 đặc điểm cơ bản là:
vùng làm việc gây ra méo nhỏ nhất và hiệu quả biến
đổi năng lượng của tầng là thấp nhất.


Khi Q dịch dần về phía điểm N, tầng khuếch đại sẽ
chuyển dần sang chế độ AB và lúc Q trùng với N, ta
nói tầng khuếch đại làm việc ở chế độ B. Đặc điểm
của chế độ này là méo lớn.
 Khi Q nằm ngoài N và lân cận M ta nói tầng khuếch
đại đang làm việc ở chế độ khóa.





Phản hồi là dẫn tin hiệu từ đầu ra quay về điểm đầu vào



Khối mạch khuếch đại K thực hiện khuếch đại tín hiệu vào.
Khối mạch B thực hiện đưa tín hiệu ra quay lại đầu vào.

Khi tín hiệu ra của khối phản hồi B cùng pha với tín
hiệu vào thì sẽ làm tăng đầu vào, đầu ra sẽ tăng.
 Đầu ra tăng sẽ làm đầu ra của khối phản hồi B tăng,
từ đó đầu vào khối phản hồi K tăng, lại làm cho đầu
ra tăng.
 Quá trình cứ diễn ra như vậy, làm cho mạch không
ổn định. Trường hợp này gọi là phản hồi dương.
 Ứng dụng chính của phản hồi dương là các mạch tạo
dao động.



Khi tín hiệu ra của khối phản hồi B ngược pha với tín
hiệu vào thì sẽ làm giảm đầu vào, từ đó làm giảm đầu
ra.
 Trường hợp này được gọi là phản hồi âm hay còn gọi
là hồi tiếp âm.
 Hồi tiếp âm cho phép cải thiện chất lượng một số
thông số của mạch khuếch đại vì thế nó được ứng
dụng rất rộng rãi








Phản hồi điện áp nối tiếp
Phản hồi điện áp song song

Phản hồi dòng điện nối tiếp
Phản hồi dòng điện song song


U rk  U vb  U r

U vk  U rb  U v



U v  U vk  U rb




Hệ số khuếch đại
Gọi hệ số khuếch đại của mạch đã có phản hồi là Ku(ph).
U
K u ( ph)  r
Uv

U rk
Ku 
U vk




U v  U vk  U rb
Ta có:

Chia cả hai vế cho Ur:



Mà U rk  U vb  U r nên

U rb
B
U vb

U v U vk U rb


Ur Ur
Ur

U v U vk U rb


U r U rk U vb
1
1

B
K u ( ph) K u
K u ( ph) 

Ku
K
 u

1  K u .B G




Hệ số bất ổn định:

B K ( ph) 

dK u ( ph) B K

K u ( ph)
G