Tài liệu Chương 5: Mạch Transistor ghép liên tầng ppt

Chương 5 1
Chương 5: MẠCH TRANSISTOR GHÉP LIÊN TẦNG
5.1 Giới thiệu
5.2 Ghép Cascade các mạch khuếch đại
5.3 Mạch khuếch đại vi sai (difference amplifier)
5.4 Cấu hình Darlington
5.5 Mạch khuếch đại ghép Cascode
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 5 2
5.1 Giới thiệu
Yêu cầu thiết kế: Độ lợi (gain), công suất ra, đáp ứng tần số, …  Sử dụng nhiều hơn một TST.
x Mạch khuếch đại DC: Ghép trực tiếp (direct coupling)
x Mạch khuếch đại AC: Ghép điện dung (capacitive coupling)
5.2 Ghép Cascade các mạch khuếch đại
Ghép Cascade: x Ngõ ra của tầng 1 là ngõ vào của tầng 2, …
x Mạch có thể gồm nhiều cấu hình ghép cascade (vd: CE-CC, CE-CE, …)
Phân tích: x Xác đònh tónh điểm
x Phân tích mạch tương đương tín hiệu nhỏ
Xét mạch ghép AC (ac-coupling) sau:
x Phân tích DC, xác đònh tónh điểm: Hai tầng độc lập (do ghép AC): Chương 2, 3.
x Phân tích AC (tín hiệu nhỏ): Mạch tương đương: Chương 4
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 5 3
Độ lợi dòng:
¸
¸
¹
·
¨

¨
©
§

¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§


¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§



1
'
1
'
1

2
'
2
'
21
2
22
1
1
2
2
ieb
b
ieb
bfe
LC
Cfe
i
b
b
b
b
L
i
L
i
hR
R
hR
Rh

RR
Rh
i
i
i
i
i
i
i
i
A
Giả sử: h
ie1
<< R’
b1
; h
ie2
<< R’
b2
; R
L
<< R
C2
: A
i
| (-h
fe1
)(-h
fe2
)  N tầng ???

Ví dụ 1: Xác đònh độ lợi áp và biên độ dao động cực đại điện áp ngõ ra. Giả sử h
fe
= 100.
x Xác đònh tónh điểm:
Tầng 2:
mA
hRR
VV
I
febe
BEQCC
CQ
65.9
/
222
2
|



0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 5 4
Tầng 1: R
b1
= R
1
// R
2
= 9.09K; V

BB
= V
CC
R
1
/(R
1
+ R
2
) = 1.82V 
mA
hRR
VV
I
febe
BEQBB
CQ
3.1
/
111
1
|



x Mạch tương đương tín hiệu nhỏ:
:| 1920
1
11
CQ

T
feie
I
V
hh ; :| 260
2
22
CQ
T
feie
I
V
hh
x Độ lợi áp:

>@
»
¼
º
«
¬
ª

uu
»
¼
º
«
¬
ª



9.1)9//1(
)9//1(
1
1
)50//(100//1100
50
50
2
2
1
1
2
2
K
KhKK
hK
K
v
i
i
v
v
v
v
v
A
ie
iei

b
b
b
b
L
i
L
v
| -32
x Biên độ dao động cực đại điện áp ngõ ra:
MaxSwing = min(MaxSwing
2
, A
v2
u MaxSwing
1
) với A
v2
: Độ lợi điện áp tầng 2.
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 5 5
9 Tầng 2:
R
DC1
= 1K; R
ac1
= 1K // 1K = 0.5K
Từ DCLL và ACLL của tầng 2 
MaxSwing

2
= 5V
9 Tầng 1:
Tầng 2 mắc CC: Z
in2
= R
b2
// [h
ie2
+
(h
fe2
+ 1)(R
e2
//R
L
) | 33K
 R
DC1
= 1K + 1K = 2K; R
ac1
= 1K //
33K | 0.97K
Từ DCLL và ACLL của tầng 1 
MaxSwing
1
= 2.6V
Tầng 2 mắc CC: A
v2
=

222
22
12
2
)//)(1(
)//)(1(
ieLefe
Lefe
outin
in
hRRh
RRh
ZZ
Z



| 1 với Z
out1
= R
C1
= 1K
9 Suy ra: MaxSwing = 2.6V
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 5 6
Ví dụ 2: Cho mạch khuếch đại ghép trực tiếp sau. Xác đònh tónh điểm, độ lợi áp, maxswing ngõ ra
x Xác đònh tónh điểm:
Để đơn giản, xem I
B

= 0 trong các tính toán
tónh điểm.
V
BE1
= 0.7V  I
3
= 0.7/600 = 1.17 mA
 I
C2
= I
E2
= I
3
= 1.17 mA  V
CE2
= 9 –
(1.17mA)(1.3K + 1.8K + 0.6K) = 4.7V
V
E2
= (1.17mA)(1.8K + 0.6K) = 2.8V
V
C1
= V
B2
= V
BE
+ V
E2
= 0.7 + 2.8 = 3.5V =
V

CE1
 I
C1
= (9 – 3.5)/2.2K = 2.5 mA
x Xác đònh MaxSwing:
Vì tầng 2 mắc CE (A
v
thường >> 1)  MaxSwing = MaxSwing
2
.
Xét tầng 2:
R
DC
= 1.3K + 1.8K + 0.6K = 3.7K
R
ac
= 1.3K
Từ DCLL và ACLL của tầng 2  MaxSwing =
MaxSwing
2
= 1.5V
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 5 7
x Mạch tương đương tín hiệu nhỏ:
K
I
V
hh
CQ

T
feie
1
1
11
| ;
K
I
V
hh
CQ
T
feie
14.2
2
22
|
Suy ra:
>@
»
¼
º
«
¬
ª

»
¼
º
«

¬
ª

u
u
1)8.0//6.0(
)8.0//6.0(
)//8.1//6.0(2.0
1
2.2
2.2100
3.1100
12
1
1
2
2
KhKh
K
v
i
i
i
i
v
v
v
A
ieiei
b

b
b
b
L
i
L
v
A
v
= 4000 (| 72dB)
n đònh phân cực: Mạch khuếch đại AC: Các tầng độc lập DC: Chương 3
Mạch khuếch đại DC: Big problem !!!
Ví dụ 3: Xác đònh thay đổi của dòng tónh gây ra do ảnh hưởng của nhiệt độ lên V
BE
trong ví dụ 2.
x Hồi tiếp:
x Xác đònh độ ổn đònh: 'I
C1
/'T và 'I
C2
/'T:
V
B2
= 9V – 2.2K(I
C1
+ I
B2
) = 9 – 2.2K(I
C1
+ I

C2
/ h
fe2
)
 V
E2
= V
B2
– V
BE2
= 9 – 2.2K(I
C1
+ I
C2
/ h
fe2
) – V
BE2
Mặt khác: V
E2
= 1.8KuI
E2
+ V
BE1
| 1.8KuI
C2
+ V
BE1
 I
C2

(1.8K + 2.2K / h
fe2
) = 9 – 2.2KuI
C1
– V
BE1
– V
BE2
Tại B1: I
C2
| I
E2
= I
B1
+ V
BE1
/ 0.6K | I
C1
/ h
fe1
+ V
BE1
/ 0.6K
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 5 8
 I
C1
(2.2K + 1.8K / h
fe1

+ 2.2K / (h
fe1
h
fe2
)) = 9 - V
BE1
(1 + 1.8K / 0.6K + 2.2K / (h
fe2
0.6K)) - V
BE2
 I
C1
|
K
VV
BEBE
2.2
49
21

Khi nhiệt độ thay đổi: 'V
BE
/ 'T = -k = -2.5 mV/
0
C 
K
CmV
T
I
C

2.2
/5.25
0
1
u

'
'
= 5.7 PA/
0
C
Tại B1:I
C2
= I
C1
/ h
fe1
+ V
BE1
/ 0.6K 
K
CmV
T
V
KT
I
hT
I
BE
C

fe
C
6.0
/5.2
6.0
11
0
1
1
1
2

|
'
'

'
'

'
'
= -4.2 PA/
0
C
5.3 Mạch khuếch đại vi sai (difference amplifier)
Sử dụng:
Phân tích: Giả sử mạch đối xứng, các TST giống nhau, mạch cực B giống nhau
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 5 9

Phân tích tónh điểm:
V
E1
= V
E2
= (I
E1
+ I
E2
)R
e
– V
EE
= 2I
E1
R
e
– V
EE
= 2I
E2
R
e
– V
EE
Do tính đối xứng, tách thành 2 mạch (R
e
o 2R
e
):

 I
EQ1
= I
EQ2
=
febe
EE
hRR
V
/2
7.0


V
CEQ1
= V
CEQ2
= V
CC
+ V
EE
– I
CQ
(R
c
+ 2R
e
)
Ví dụ 4: Trong mạch trên, cho V
CC

= V
EE
= 10V; R
b
= 0.2K; R
e
= 0.9K; R
c
= 0.2K; R
L
= 10:. Tính
dao động cực đại dòng tải. Xem 2R
e
>> R
b
/ h
fe
Theo phân tích tónh điểm: I
CQ
= (10 – 0.7) / (2u0.9) = 5.17 mA
V
CEQ
= 10 + 10 – 5.17(0.2 + 2u0.9) = 9.66V
DCLL: R
DC
= R
c
+ 2R
e
= 2K

ACLL: R
ac
= R
c
// R
L
| 10: (???)
Dựa vào đồ thò: I
C2max
= 5.17 mA  I
Lmax
| 5.17 mA
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 5 10
Phân tích tín hiệu nhỏ:
Phản ánh mạch cực B (nguồn i
1
và i
2
) về cực E:
Đặt i
0
= (i
1
+ i
2
)/2 và 'i = i
2
– i

1
 i
1
= i
0
– ('i/2) và i
2
= i
0
+ ('i/2)
Dùng phương pháp chồng trập cho mạch tương đương tín hiệu nhỏ, tách thành 2 mode:
x Mode chung (common mode): i
1
= i
2
= i
0
Do đối xứng: i
e1c
= i
e2c
 i
Re
= 2i
e1c
= 2i
e2c
 v
e
= (2R

e
)i
e2c
Tách đôi: R
e
o 2R
e
 i
e2c
=
febibe
b
hRhR
iR
/2
0

0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 5 11
x Mode vi sai (differential mode): i
2
= - i
1
= 'i/2
i
e1d
= - i
e2d
 i

Re
= 0  v
e
= 0.
Ngắn mạch R
e
 i
e2d
=
)/(2
febib
b
hRh
iR

'
x Chồng trập (superposition):
i
e2
= i
e2c
+ i
e2d
=
i
hRh
R
i
hRhR
R

febib
b
febibe
b
'


 )/(2/2
0
i
L
=
2ie
Lc
c
i
RR
R


= A
c
i
0
+ A
d
i
d
trong đó: A
c

=
febibe
b
Lc
c
hRhR
R
RR
R
/2 

: Độ lợi dòng mode chung
A
d
=
)/(2
febib
b
Lc
c
hRh
R
RR
R


: Độ lợi dòng mode vi sai
5.3.1 Tỷ số triệt tín hiệu đồng pha CMRR (Common Mode Rejection Ratio):
Mạch khuếch đại vi sai lý tưởng: A
c

= 0: i
L
= A
d
'i
Mạch thực tế: Đònh nghóa: CMRR =
c
d
A
A
CMRR =
febib
e
febib
febibe
hRh
R
hRh
hRhR
/)/(2
/2

|


(Giả sử R
e
>> h
ib
+ R

b
/h
fe
)
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 5 12
Ví dụ 5: Cho mạch trong ví dụ 4. Tính CMRR. Giả sử i
0
= 1PA, xác đònh giá trò tín hiệu ngõ vào
mode vi sai để ngõ ra mode vi sai tối thiểu lớn hơn 100 lần ngõ ra mode chung.
A
c
| - 0.1
A
d
| - 14
 i
L
= -0.1i
0
– 14'i
CMRR = A
d
/ A
c
= 140 (43dB)
Để ngõ ra mode vi sai t 100ungõ ra mode chung: 14'i t 100u(0.1i
0
)

'i t 100u(i
0
/ CMRR) = 0.7 PA
5.3.2 Nguồn dòng cực phát (Emitter)
Để tăng CMRR: Tăng R
e
: Sử dụng nguồn dòng tại cực E.
Dùng TST T3 tại cực E:
i
C3
=
e
BBEE
R
VV 7.0
= const.
 Xem T3 là nguồn dòng
x Phân tích tónh điểm:
I
CQ3
=
e
BBEE
R
V
V
7.0
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 5 13

Do tính đối xứng: I
CQ1
= I
CQ2
=
e
BBEE
CQ
R
VV
I
2
7.0
2
3


V
C3
= V
E1
= V
E2
= - R
b
I
b
– V
BE
=

fe
CQb
h
IR
1
7.0 
 V
CEQ1
= V
CEQ2
= V
C1
– V
E1
= (V
CC
– R
c
I
CQ1
) – (
fe
CQb
h
IR
1
7.0 
)
V
CEQ3

= V
C3
– V
E3
= (
fe
CQb
h
IR
1
7.0 
) - (-V
EE
+ R
e
I
CQ3
)
x Phân tích tín hiệu nhỏ:
Tương tự phần trên, thay R
e
bằng 1/h
oe
.
Nhận xét: 1/h
oe
rất lớn: CMRR được tăng đáng kể.
Chỉnh cân bằng: (Balance control)
Thực tế: T1 và T2 khác nhau 
Dùng biến trở R

v
giữa E1 và E2 để
chỉnh cân bằng.
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 5 14
Điều kiện cân bằng: I
CQ1
= I
CQ2
KVL: R
b
I
B1
+ V
BE1
+ R
1
I
EQ1
= R
b
I
B2
+ V
BE2
+ R
2
I
EQ2

 (R
b
/ h
fe1
+ R
1
)I
EQ1
+ V
BE1
= (R
b
/ h
fe2
+ R
2
)I
EQ2
+ V
BE2
Giả sử V
BE1
= V
BE2
, cân bằng  R
b
/ h
fe1
+ R
1

= R
b
/ h
fe2
+ R
2
Mặt khác: R
1
+ R
2
= R
v
 R
1
=
¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§

21
11
22
fefe
bv
hh

RR
và R
2
=
¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§

21
11
22
fefe
bv
hh
RR
Phân tích tín hiệu nhỏ:
Khi cân bằng: I
CQ1
= I
CQ2
 h
ib1
= h
ib2
= h

ib
Mạch tương đương tín hiệu nhỏ: Giống trường hợp đối xứng, trong đó
h
ib1
+ R
b1
/ h
fe1
m h
ib1
+ R
b1
/ h
fe1
+ R
1
=
¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§

21
11
22
fefe

bv
ib
hh
RR
h
h
ib2
+ R
b2
/ h
fe2
m h
ib2
+ R
b2
/ h
fe2
+ R
2
=
¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§

21

11
22
fefe
bv
ib
hh
RR
h
 A
d
=
)]/1/1)(2/(2/[2
21 fefebvib
b
Lc
c
hhRRh
R
RR
R


: Giảm so với trường hợp không dùng R
v
A
c
=
)]/1/1)(2/(2/[)/1(2
213 fefebviboe
b

Lc
c
hhRRhh
R
RR
R


0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 5 15
Ví dụ 6: Thiết kế mạch sau để có CMRR = 100 (40dB). Tải 1K ghép AC. TST có h
fe
= 100.
Theo hình vẽ: R
1
= R
2
= 50 :; h
fe1
= h
fe2
=
100.
Sử dụng công thức tính A
d
và A
c
ở phần chỉnh cân bằng, thay 1/h
oe

bằng R
e
, suy ra:
CMRR =
ib
e
ib
ibe
c
d
h
R
h
hR
A
A

|



60100/20001002
100/1000502
Yêu cầu: CMRR t 100  R
e
t 100(60 + h
ib
)
Giả sử I
CQ1

= I
CQ2
= 1mA  h
ib
= 25 : R
e
t 8.5K. Chọn R
e
= 10K.
Tính V
EE
: V
EE
= R
b1
I
B1
+ V
BE1
+ R
1
I
E1
+ R
e
(2I
1
) = 20.8V
DCLL: R
DC

= R
c
+ R
2
+ 2R
e
ACLL: R
ac
= R
c
// R
L
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chöông 5 16
5.4 Caáu hình Darlington
Phaân tích tónh ñieåm:
9 DCLL cho T
2
: V
CC
= V
CE2
+ R
c
(I
C1
+ I
C2
) + R

e
I
E2
Do I
C1
| I
E1
= I
B2
= I
C2
/ h
fe2
<< I
C2
 I
C1
+ I
C2
| I
C2
| I
E2
 V
CC
= V
CE2
+ (R
c
+ R

e
)I
C2
 DCLL: I
C2
=
ce
CC
CE
ce
RR
V
V
RR 



2
1
9 ACLL cho T
2
: R
ac
= (R
L
// R
c
)
9 Tính tónh ñieåm Q
:

TST T
2
: V
BB
= V
CC
R
1
/ (R
1
+ R
2
); R
b
= R
1
// R
2

)/(
4.1
21
2
fefebe
BB
CQ
hhRR
V
I




 V
CEQ2
tính töø DCLL
TST T
1
: V
CEQ1
= V
CEQ2
– 0.7; I
CQ1
= I
CQ2
/ h
fe2
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 5 17
Phân tích tín hiệu nhỏ:
Phản ánh mạch cực B
1
của T
1
o Cực E
1
và mạch cực E
2
của T

2
o Cực B
2
Tónh điểm: I
CQ2
= h
fe2
I
CQ1
 h
ie2
=
112
2
2
2
CQ
T
CQfe
T
fe
CQ
T
fe
I
V
Ih
V
h
I

V
h = h
ib1
Suy ra: A
i
=
211
112
)/(
)/(
ieibfeb
febfe
Lc
cfe
i
L
hhhR
hRh
RR
Rh
i
i


|
=
11
12
2
ibfeb

bfe
Lc
Cfe
hhR
Rh
RR
Rh


A
i
=
1
21
2
)(
ieb
b
Lc
c
fefe
hR
R
RR
R
hh


 Xem 2TST ghép Darlington  1 TST có: h
ìe

= 2h
ie1
và h
fe
= h
fe1
h
fe2
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 5 18
Ví dụ 7: Xác đònh tónh điểm của mạch sau. Giả sử h
fe
= 100.
Nguồn dòng T
5
: V
B5
=
3.19.2
9.2
6


= -4.14V
Giả sử I
B5
<< I
C5
 I

C5
=
K3.1
)6()7.014.4(

= 0.9 mA
Mạch đối xứng: I
C3
= I
C4
= I
C5
/ 2 = 0.45 mA
 I
C1
= I
C2
= I
C3
/ h
fe
= 4.5 PA
 I
B1
= I
B2
= I
C1
/ h
fe

= 45 nA
KVL: V
C1
= V
C2
= V
C3
= V
C4
= V
CC
– 10K(I
C3
+
I
C1
) | 7.5V
V
E1
= V
E2
= 0 – (10
5
)(45u10
-9
) – 0.7 | -0.7V
 V
E3
= V
E4

= V
E1
– 0.7 = -1.4V
V
C5
= V
E3
– 50I
C3
= -1.4 – 50(0.45u10
-3
) | -
1.4V
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 5 19
5.5 Mạch khuếch đại ghép Cascode
MẠCH 1:
Cấu hình: CE – CB: Thường dùng trong các mạch tần số cao.
Phân tích tín hiệu nhỏ:
Độ lợi truyền đạt (Transfer gain):
121
21
12
1
1
2
2
//
//

)(
ie
feLfb
i
b
b
e
e
L
i
L
T
hRR
RR
hRh
i
i
i
i
i
v
i
v
A


0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 5 20
Phân tích DC:

Giả sử bỏ qua I
B1
và I
B2
:
V
B1
= V
CC
R
1
/ (R
1
+ R
2
+ R
3
)
 V
E1
= V
B1
- V
BE1
= V
B1
– 0.7
 I
C1
=

e
B
R
V 7.0
1

= I
C2
V
B2
= V
CC
(R
1
+ R
2
) / (R
1
+ R
2
+ R
3
)
 V
E2
= V
B2
- V
BE2
= V

B2
– 0.7
 V
CE1
= V
C1
- V
E1
= (V
E2
– R
c
I
C1
) – V
E1
V
CE2
= V
C2
– V
E2
= (V
CC
– R
L
I
C2
) – V
E2

MẠCH 2:
T
1
: CE
T
2
và T
3
: Mạch Cascode, dùng để chuyển mức
DC của (v
L
) đến 0 (level shifting) dùng trong các
mạch KĐ ghép trực tiếp (direct – coupled
amplifiers).
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 5 21
Phân tích tónh điểm:
Giả sử bỏ qua I
B2
, I
B3
.
V
B3
= (-6)(2.3K) / (2.3K + 3.7K) = -2.3V
V
E3
= V
B3

- V
BE3
= -2.3 – 0.7 = -3V
 I
C3
= 3V / 3K = 1 mA
Cần phải xác đònh R
b
sao cho V
LDC
= 0.
I
B1
= (12 – 0.7) / R
b
 V
C1
= 12 – 8KuI
C1
= 12 – 8Ku[h
fe1
(12 – 0.7) / R
b
] = V
B2
V
LDC
= V
E2
– 3.3KuI

C2
= (V
B2
– 0.7) – 3.3 = V
B2
– 4
Để V
LDC
= 0  V
B2
= 12 – 8Ku[h
fe1
(12 – 0.7) / R
b
] = 4
 R
b
= h
fe1
(12 – 0.7) / 1mA
Phân tích tín hiệu nhỏ:
T
1
: Mắc CE.
T
2
: Mắc CC.
T
3
: Mắc CB.

Xác đònh v
L
/ v
c1
: Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của T
2
: Phản ánh trở kháng E
2
o B
2
, trong đó
R
03
= 1/h
ob3
là tổng trở nhìn vào cực C của T
3
(CB).
)/1(3.3
)/1(
3222
32
1 obfefeie
obfe
C
L
hhKhh
hh
v
v

u

| 1
 Mạch Cascode (T
2
, T
3
) chỉ làm thay đổi mức DC ngõ ra mà không thay đổi độ lợi áp của mạch
KĐ T
1
(CE).
0ҥFKÿLӋQWӱ