Khuếch đại Điện tử , chương 4.3

107
Ta có thể xác định trị số C
n
theo l-ợng xụt đỉnh đã cho:



.R
t
C
td
n
n
(4.76)
4.8.2. Sửa méo trong khuếch đại điện trở.
Qua phân tích trên ta thấy méo dạng của xung gắn liền với đặc tính biên
độ tần số của mạch khuếch đại. Trong các bộ khuếch đại dải rộng phải khuếch
đại tín hiệu có dải tần số từ vài chục Hz tới hàng chục MHz. Nêú không áp dụng
các biệnpháp sửa đặc tuyến tần số thì không thể đảm bảo có độ khuếch đại đồng
đều trong một dải rộng nh- vậy. Vì vậy để mở rộng dải thông cần áp dụng các
biện pháp sau:
1 .Chọn phần tử khuếch đại có diện tích khuếch đại lớn (hỗ dẫn lớn và các điện
dung ký sinh nhỏ)
2. Mắc thêm các phần tử vào mạch tải hoặc mạch hồi tiếp để sửa đặc tuyến tần số.
+Sửa đặc tính tần số ở vùng tần số cao.
Mạch sửa đơn giản nhất là mạch có mắc thêm điện cảm L nối tiếp với tải
colectơ hoặc tải cực máng. Hình 4.30a,b là sơ đồ nguyên lý và sơ đồ t-ơng đ-ơng
(mạch ra) của mạch khuếch đại dùng tranzisto tr-ờng có điện cảm L mắc nối tiếp
với tải R
D
để sửa đặc tính tần số ở vùng tần số cao.Điện cảm L làm tăng trở

kháng cực máng ở vùng tần số cao nên tăng hệ số khuếch đaị của tầng ở tần số
cao, khử tác hại của C
tđ
. Điện cảm L đ-ợc chọn sao cho nó cùng với C
tđ
và R
t
lập
thành một khung cộng h-ởng song song có hệ số phẩm chất Q thoả mãn : Q
2
=
Lopt/Ctđ.Rt = 0,414.thì độ vón đỉnh xung
=(U/U).100% đạt 3%. Khi tăng Q
2
độ vón đỉnh xung sẽ tăng lên. Hình 3.31là đặc tính tần số của mạch khuếch đại
khi có mắc điện cảm sửa và không có sửa.
Mở rộng rải thông ở vùng tần số cao bằng cách mắc mạch sửa đồng thời
cũng làm giảm thời gian thiết lập xung . Mắc điện cảm L để sửa tần số cao
có hiệu
quả tốt đối với khuếch đại dùng FET ; còn các khuếch đại dùng tranzisto l-ỡng
cực hiệu quả sửa còn phụ thuộc vào tham số của tranzisto. Trong các mạch
khuếch đại IC
hầu nh- không sửa bằng điện cảm.
L R
L
R
D
C
L
C

n1
C
n2
SU
V
g
ra
R
D
C
td
R
t
U
r
L
U
V
R
G
R
S
C
S
R
t
C
t
U
r

a) b)
Hình4.30 a) Khuếch đại có sửa tần số cao bằng điện cảm b) sơ đồ t-ơng đ-ơng
mạch ra
108
Trong các mạch khuếch đại dùng tranzisto l-ỡng cực để sửa đặc tính tần số
ở vùng tần số cao ng-ời ta th-ờng sử dụng mạch hồi tiếp âm theo tần số.
ở vùng
tần số thấp và tần số trung bình thì hồi tiếp âm hoạt động, hệ số khuếch đại giảm .
ở vùng
tần số cao hồi tiếp âm giảm nên độ khuếch đaị tăng.

+Sửa đặc tính tần số ở vùng tần số thấp:
Sửa đặc tính tần số ở vùng tần số thấp th-ờng đ-ợc thực hiện bằng cách
chọn trị số hằng số thời gian của mạch lọc
R
L
C
L
(xem hình 4.16). Khi phân tích đặc
tính tần số ta coi



L
C
nghĩa là C
L

hay
Lọc

=R
L
C
L
= . Nếu C
L
thì phải
tính đến ảnh h-ởng của nó đến mạch
khuếch đại ; lúc này sơ đồ t-ơng đ-ơng
mạch ra của mạch khuếch
đại hình 4.18c có dạng nh-
hình 4.32a. Để đơn giản ta
chỉ xét méo do mạch R
L
C
L
gây ra ngay tại colectơ của
mạch, và xét ở tr-ờng hợp
th-ờng gặp
1
g
r
= R
ra
>> R
t
và coi C
E
= ( tụ C
E

ngắn mạch hoàn toàn điện trở R
E
ở hình 4.16). Lúc đó

L
1
L
1
L
1
1



00
j
jb
K)
j
b
(K)(K
t
.





(4.77)

)(
)
()b(
)
(K)(
t
.
K
L
2
L

2
L
1
2
L
1





)

2
0
0
)(
()b(
)(K
)(K
)(
t
.
K
)(m
t



II
II
(4.78)
ở đây b =
C
L
R
R
Đồ thị hàm đặc tính biên độ tần số ở vùng tần số thấp là quan hệ m
t
()trình
bày trên hình 4.32b. Nh- vậy khi trị số của C
L
là hữu hạn

(C
L
< ) thì hệ số khuếch đại tăng cao ở vùng tần số thấp, đặc biệt rõ khi R
L


R
C
.
Đặc tính quá độ của mạch tính đến ảnh h-ởng của mạch R
L
C
L
có dạng:


109
h(t) = 1 + b ( 1-
)
t
e
L


(4.79)
h(t) = 1 + b ( 1-
)
t
e
L

(4.79)
L-ợng sụt đỉnh của xung
L:

LL
X
RC
t
L

(4.80)
Nh- vậy mạch R
L
C
L
làm tăng hệ số khuếch đại ở vùng tần số thấp, bù lại
l-ợng giảm hệ số khuếch đại do tụ nối tầng C
n
gây nên. Nếu tính đến cả tụ nối
tầng và mạch lọc R
L
C
L
thì hệ số khuếch đại ở vùng tần số thấp là:

t
t
L

j
j
)
j
b
(K)(
.
K
t





(4.81)

t
t
L
j
j
)
j
b
(K)(
.
K
t

(4.81)
Chọn giá trị tối -u của C
L
= C
L
opt =
E
R
t

thì l-ợng sụt đỉnh sẽ nhỏ nhất.
Nếu chọn C
L
> C
L opt
thì l-ợng tăng điện áp do mạch R
L
C
L
( do tăng trị số tải)
không đủ bù l-ợng sụt đỉnh do tụ nối tầng gây nên; còn nếu chọn C
L
< C
L opt
thì
lại đ-ợc bù quá mức làm tăng độ vón đỉnh xung.
4.9 Khuếch đại điện trở có hồi tiếp âm.

Hồi tiếp âm đ-ợc sử dụng rộng rãi trong các
mạch khuếch đại điện trở, đặc biệt là hồi tiếp âm
nối tiếp theo dòng điện. Trong các mạch khuếch đại
emitơ chung hình 4.16 hoặc cực nguồn chung hình
4.22a. Hồi tiếp âm nối tiếp theo dòng điện tồn tại
trên mạch định thiên R
E
C
E
hoặc R
S
C
S
. Các mạch
khuếch đại
K

và hồi tiếp


nh- hình 4.3 thì rõ
ràng đây là hồi tiế nối tiếp theo dòng điện nh- hình
4.4 d.
Thật vậy với mạch hình 4.16 điện áp trên R
E
C
E
( hoặc R
S
C

S
hình 4.22a), xuất hiện bởi dòng emitơ ( hoặc dòng cực nguồn-
Source), áp vào các cực bazơ - emitơ ( hoặc Gate - source), ng-ợc pha với điện áp
tín hiệu vào nên đó là hồi tiếp âm làm giảm hệ số khuếch đại. Hồi tiếp âm phụ
thuộc vào tần số: Điện áp trên Z
E
= R
E
// C
E
( hoặc Z
S
= R
S
// C
S
)vì Z
E
( hoặc
Z
S
) phụ thuộc vào tần số. Tần số càng giảm thì trở kháng của tụ C
E
( hoặc C
S
)
càng tăng, tức là trở kháng phức Z
E
( hoặc Z
S

) của mạch emitơ (Saurce) càng
tăng. Nếu bỏ qua méo do tụ nối tầng C
n
gây nên thì hệ số khuếch đại của mạch
khuếch đại có hồi tiếp âm trên Z
E
theo (4.14) sẽ là:
R
R
R
R
R
C
C
C
n2
n1
L
2
1
E
C
CC
+ E
_
Uv
Ur
r
Hình 4.33.Khuếch đại điện
trở emitơ chung

C
E
110

E
Z
E
S
C
SZ
C
SZ
.
Z.
.
I
.
Z.
.
I
C
Z.S
.
K
.

.
K
)
(

t
.
K
CC
EE






(4.82)
ở đây
S
U
I
S
BE
E
E




vì
EC
.
.
II
, Z

C
là tổng trở phức tải. Lấy Z
C

R
C
// R
t

.
RCj
R
C//RZ
EE
E
EEE


Vậy:







)()SR(
)
(
K)

(
t
.
K
EE
E
(4.83)
ở đây
E
= R
E
C
E
. Đặc tính (4.83)
t-ơng ứng với đồ thị biên độ m
t
()
hình 4.34.Khi C
E
= 0 sẽ không có
méo nh-ng hệ số khuếch đại nhỏ:

E
t
/
SR
SR
K

.
Khi C
E
= cũng không có méo và hệ số khuếch đại là K
0
= - SR
t
>
K
0
/
. Với các
giá trị khác của C
E
sẽ có méo ở vùng tần số thấp, méo càng lớn khi trị số của C
E
càng nhỏ. Tụ C
E
đ-ợc chọn theo trị số méo biên độ cho phép ở tân số thấp:

2
1
1
2
0
1
2
1
E

E
E
E
t
m
t
m)RS(
R
t
f
E
C




(4.84)
ở đây m
tE
là hệ số méo biên độ cho phép ở tần số giới hạn d-ới f
t
của dải thông
chỉ do mạch R
E
C
E
gây nên. Mạch R
E
C
E

với hằng số thời gian
E
= R
E
C
E
làm
xuất hiện
l-ợng sụt đỉnh xung

CE
=
S
C
E
E
0

. Nếu tính đến cả l-ợng sụt đỉnh do tụ nối tầng
C
n
thì méo biên độ ở vùng tần số thấp( ứng với khoảng biến thiên chậm - đỉnh xung)
sẽ
đ-ợc quyết định bởi mạch nối tầng và mạch emitơ.
m
C
.Cm
t
m
Et

nt


, l-ợng sụt đỉnh tổng
E
C
n
C



.
m
t
()
C
E
=
1
C
E
giảm

E
SR1
1
C
E
=0

.
Hình 4.34 ĐTBT
m
t
()
111
4.10 Khuếch đại điện trở nhiều tầng.
Trong một mạch khuếch đại nếu sử dụng một tầng không đủ đảm bảo hệ
số khuếch đại cần thiết thì ng-ời ta ghép nhiều tầng liên thông nh- hình 4.35
Lúc này hệ số khuếch đại điện áp tổng sẽ là:

i
K.
n
i
n
K....K.KK
...
.
.
1
21


(4.85)
Đặc tính biên độ tần số của toàn mạch là :
m(
) =
)(
i

m.
n
i

1


(4.86)
Thông th-ờng các tầng khuếch đại ( trừ tầng cuối cùng là tầng công suất)
th-ờng nh- nhau, nh- vậy méo ở các tầng là nh- nhau. Biểu thức đặc tính biên
độ tần số ở vùng tần số cao sẽ là:

n
]
)
c
(
[)(
c
m
2
1
1



(4.87)
Từ đó ta tìm đ-ợc tần số giới hạn trên f
C
ứng với mức 0,7 =

2
1
là f
C
=
12
1
12
2
1
c

n
c
f
n
.
, trong đó f
C1
- tần số giới hạn trên dải thông của
một tầng khuếch đại. Tỷ số
1C
C
f
f
và
1t
f
t
f

với số tầng n lấy theo bảng 4.2

Bảng 4.2
N 1 2 3 4 5
f
C
/f
C1
1 0,64 0,57 0,44 0,39
f
t
/f
t1
1 1,56 1,75 2,27 2,61
Đặc tính biên độ tần số của toàn mạch khuếch đại ở vùng tần số cao với số
tầng khác nhau trình bày trên hình 4.36a. Khi số tầng càng tăng thì tần số giới
hạn trên f
C
của mạch khuếch đại càng giảm, nghĩa là dải thông càng hẹp lại.
Đặc tính biên độ tần số của mạch n tầng ở vùng tần số thấp có dạng:

n
]
)(
[)(m
t
t

(4.88)
Từ đó




n
.
t
f
t
f
, nghĩa là
số tầng tăng thì méo tần số thấp cũng
tăng (hình 4.36b).
Xác định chính xác đặc tính quá
độ h(t) cũng nh- méo xung của toàn


n=1 n=1
n=2
n=2
n=3
n=3
m ( )

m ( )

c
t
Hình 4.36 Méo đặc tính tần số của
khuếch đại nhiều tầng
a)
b)
112
mạch khuếch đại n tầng là một vấn đề phức tạp. Đối với mạch khuếch đại với n
tầng giống nhau với n

10 có thể coi t
S
= t
S1
n
. Tr-ờng hợp tổng quát có thể
tính thời gian thiết lập cho mạch với các tầng không hoàn toàn giống nhau theo
công thức:






SnSSS
t...ttt
( 4.89)
Độ sụt đỉnh xung ra bằng tổng các độ sụt đỉnh của từng tầng:

=
1
+
2
+ .....
n
(4.90)
4.11 Khuếch đại chọn lọc.
Khuếch đại chọn lọc có tải là một hệ cộng h-ởng đơn giản hoặc phức tạp (
xem 1.6 ch-ơng1 ) . Tr-ờng hợp đơn giản nhất mạch tải là một khung cộng
h-ởng đơn LC nh- ở hình 4.37.Đặc tính biên độ tần
số của mạch khuếch đại đ-ợc quyết định bởi đặc tính
của khung cộng h-ởng. Thông th-ờng dải thông
F
0,7
của mạch nhỏ hơn nhiều so với tần số cộng h-ởng f
0
của mạch cộng h-ởng: F
0,7
<< f
0
; tần số biên trên f
C
và biên d-ới f
t
của dải thông không cách nhau là mấy
(f
C

f

t
). Do vậy khuếch đại cộng h-ởng liệt vào loại
khuếch đại dải thông hẹp, gọi tắt là khuếch đại dải
hẹp. Mạch khuếch đại không chỉ phải đảm bảo độ
khuếch đại trong dải thông
F
0,7
mà còn phải đảm
bảo độ chọn lọc nhất định. Độ chọn lọc này phụ
thuộc vào dạng của hệ thống cộng h-ởng: khung
cộng h-ởng đơn, khung cộng h-ởng ghép, khung cộng h-ởng thạch anh, mạch
lọc tập trung và hệ số phẩm chất Q của chúng.Khuếch đại cộng h-ởng th-ờng
dùng khuếch đại các tín hiệu dải sóng vô tuyến.
Mạch hình 4.37 có tải là khung cộng h-ởng đơn với tranzistor khuếch đại
FET mắc cực nguồn S chung. Mạch cộng h-ởng đ-ợc hiệu chỉnh để cộng h-ởng
ở tần số tín hiệu vào và có dải thông ( tính đến các phần tử ký sinh) không nhỏ
hơn bề rộng phổ của tín hiệu vào. Các điện trở R
G
và R
S
đặt điểm công tác tĩnh
và ổn định nó trong quá trình làm việc của mạch. Tụ C
S
khử hồi tiếp âm trên R
S
trong cả dải thông F
0,7
. Mạch R
L
C

L
cũng là mạch lọc nguồn ngăn cách ảnh
h-ởng lẫn nhau của các tầng trong máy. Các tụ C
n1
, C
n2
- nối tầng. Các phần tử kể
trên không ảnh h-ởng đến tần số của mạch nên ta bỏ qua, lúc đó sơ đồ t-ơng
đ-ơng của mạch ra theo tần số có dạng nh- hình 4.38a. Trong đó S - hỗ dẫn của
tranzistor ở tần số cộng h-ởng f
0
, g
ra
, C
r
- điện dẫn và điện dung ra của FET; g -
điện dẫn của khung cộng h-ởng tại tần số cộng h-ởng:
2
11




r
.QR
g
Ch
, R
t
tải đầu ra, C

t
- điện dung tải, C
KS
- điện dung ký
sinh do lắp ráp. Các phần tử t-ơng đ-ơng là:
g
tđ
= g
2
+ g
t
; C
tđ
= C
ra
+ C
KS
+ C + C
t
Nh- vậy mạch rút gọn có dạng hình 4.38b.
Từ hình 4.38b dễ dàng tìm đ-ợc:
113

tdtd
mV
td
mV
mV
mr
SZY/S

UY
US
U
U
)(K
.
.
.
.
.

(4.91)
Trong đó:
Y
tđ
=
)j(
td
g)
L
td
C(jg
td


1
1
(4.92)
R
tđ

=
td
g
1
- Điện trở thuần
của khung cộng h-ởng tính
đến tổn hao trong và ngoài
khung cộng h-ởng:
R
tđ
= Q
tđ
. ;
C
L
;
r
Q;
g
gg
Q
Q
tr
td

1
r - điện trở tổn hao của khung cộng h-ởng;

- độ lệch cộng h-ởng tổng
quát.






o
o
;.Q
td
- độ lệch cộng h-ởng t-ơng đối;

0
- tần số cộng h-ởng.
Nh- vậy:
)j(g
S
)(K
td
.


1
(4.93)
Tại tần số cộng h-ởng

=
0
,

= 0,
0
nên:

o
KSR
g
S
)(
o
K
td
td
.

(4.94)
Khi lệch cộng h-ởng:




o
K
)(
.
K

(4.95)
Đặc tính biên độ tần số ( 4.95) chính là đặc tính( 4.30 ) đã xét.
Dải thông của mạch khuếch đại quyết định bởi hệ số phẩm chất của mạch
ra:
Q
tđ
;
td
df
td
Q
f
F
,



;
td
td
Q
d
1

- Tổn hao của mạch ra.
a) SU
V
g
r
C

lr
C
r
C
KS
g L g
t
C
t
U
r

b)
SU
V
g
td
L C
td
U
r

Hình 4.38b.
a)Sơ đồ t-ơng đ-ơng
b) Sơ đồ t-ơng đ-ơng rút gọn