Chương 1: MẠCH KHUẾCH ĐẠI

1.1 Khái niệm chung

1.1.1 Định nghĩa

Khuếch đại là một quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển. Năng lượng của nguồn một cung cấp 1 chiều (không chứa đựng thông tin) được biến đổi thành dạng năng lượng xoay chiều (có quy luật biến đổi mang thông tin cần thiết). Quá trình khuếch đại sẽ tạo ra trên tải một năng lượng biến đổi theo quy luật của nguồn tín hiệu nhưng cao hơn về dòng điện, điện áp hoặc công suất.

Sơ đồ khối một bộ khuếch đại trên hình (1.1)

Hình(1-1): Sơ đồ khối bộ khuếch đại

• Nguồn tín hiệu: nguồn tín hiệu xoay chiều cần khuếch đại.

• Nguồn cung cấp: nguồn một chiều cấp cho mạch khuếch đại hoạt động (phân cực).

• Khuếch đại: mạch khuếch đại có nhiệm vụ chuyển năng lượng từ nguồn một chiều cung cấp sang tín hiệu xoay chiều cần khuếch đại. Mạch này có ít nhất một phần tử tích cực (BJT, FET hoặc Op-Amp) .

• Tải: lấy tín hiệu đã được khuếch đại.

1.1.2 Phân loại

Mạch khuếch đại được phân loại theo một số cách cơ bản sau:

• Theo dạng tín hiệu: khuếch đại tín hiệu liên tục (tương tự) và khuếch đại tín hiệu rời rạc (xung số).

• Theo tần số: khuếch đại tần thấp, tần cao, khuếch đại tín hiệu 1 chiều, xoay chiều.

• Theo phần tử khuếch đại: khuếch đại bằng transistor lưỡng cực, transistor trường hoặc khuếch đại thuật toán...

• Theo thông số tín hiệu: khuếch đại công suất, khuếch đại điện áp, khuếch đại dòng điện.

• Theo độ lớn tín hiệu: khuếch đại tín hiệu nhỏ, khuếch đại tín hiệu lớn (khuếch đại công suất).

1.1.3 Các thông số mạch khuếch đại

1.1.3.1 Các thông số vào ra

• Các thông số vào mạch khuếch đại gồm: điện áp vào (Uv), dòng điện vào (Iv), trở kháng vào (Zv), công suất vào (Pv).

• Các thông số ra mạch khuếch đại gồm: điện áp ra (Ur), dòng điện ra (Ir), trở kháng ra (Zr), công suất ra (Pr)

1.1.3.2 Hệ số khuếch đại

• Hệ số khuếch đại áp: tính bằng tỷ lệ điện áp ra chia điện áp vào, được tính theo công thức:

• . jru u

v

UK K e

Uϕ= =

o uK: Độ lớn hệ số khuếch đại

o ϕ : Góc lệch pha giữa Ur và Uv. Các bộ khuếch đại nói chung thường có ϕ = 0 (khuếch đại đồng pha) hoặc ϕ = π (khuếch đại ngược pha).

• Hệ số khuếch đại dòng điện: tính bằng tỷ lệ dòng điện ra và dòng điện vào, được tính theo công thức:

ri

v

IK

I=

• Hệ số truyền đạt tín hiệu đầu vào: tính bằng tỷ lệ tín hiệu thực tế đưa vào bộ khuếch đại và nguồn tín hiệu đưa vào:

nv

v

n

vn RR

R

U

UK

+==

+

-Ur

RrRtRv

Rn

+

-Un

Hình(1-2): Sơ đồ tương đương của bộ khuếch đại• Hệ số khuếch đại công suất: tính bằng tỷ lệ công suất ra chia công suất vào:

.rP u i

v

PK K K

P= =

1.1.3.3 Hiệu suất:

Hiệu suất của mạch khuếch đại là tỷ số của công suất ra và công suất nguồn tín hiệu 1 chiều tiêu thụ:

o

r

P

P=η

Bộ khuếch đại nhiều tầng thì tầng tiêu thụ công suất 1 chiều nhiều nhất là tầng công suất và hiệu suất của tầng được lấy xấp xỉ bằng hiệu suất của tầng khuếch đại công suất.

1.1.3.4 Đặc tuyến biên độ tần số

Đặc tuyến biên độ tần số thể hiện sự biến thiên của biên độ tín hiệu khi tần số tín hiệu vào thay đổi. Ta có hệ số khuếch đại điện áp của một mạch khuếch đại:

Iv Ir

Uv

Rn: điện trở nguồn tín hiệu

Rv: trở kháng vào

Rr: trở kháng ra

Rt: điện trở tải

Un: điện áp nguồn tín hiệu

−

−−

==v

rj

U

UeKK ϕ.||

• | |K = φ1 (ω) : Đặc tuyến biên độ tần số

• ϕ = φ2 (ω) : Đặc tuyến pha tần số

Với tần số thấp (ω không cao lắm), ϕ = 0 hoặc 1800 thì không xét về góc lệch pha ϕ.

Các bộ khuếch đại tần thấp thường có dạng đặc tuyến biên độ tần số như trên hình (3-3):

Hình (1-3): Đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại tần thấpTrong đó:

ft: là tần số giới hạn dưới mà tại đó hệ số khuếch đại giảm √2 lần

fc: là tần số giới hạn trên mà tại đó hệ số khuếch đại giảm √2 lần

Ko: Hệ số khuếch đại lớn nhất đạt được

Dải thông (hay băng thông) của bộ khuếch đại được tính bằng: c tB f f= −

Bộ khuếch đại thông thường (dải rộng) có băng thông B ≈ fc

Đặc tuyến biên độ tần số giảm ở phạm vi tần thấp chủ yếu do tụ nối tầng (Cnt) kết hợp với trở kháng vào (Rv) tạo bộ lọc thông cao như trên hình (1-4).

Rv

Cnt

Hình (1-4): ảnh hưởng của tụ nối tầng ở tần số thấpTại tần số cao, do tụ ký sinh ở đầu ra kết hợp với điện trở ra R r và điện trở tải Rt của

tầng khuếch đại (Rtd = Rr // Rt) như trên hình (1-5).

+

-Ur1

Rtd

Cks+

-Ur

CksRr

Rt

Hình(1-5): ảnh hưởng của tụ ký sinh ở tấn số cao

f

|K|

f

|K|

1.1.3.5 Đặc tuyến truyền đạt

Biểu thị mối quan hệ giữa đại lượng đầu ra và đại lượng vào.

Hình(1-5): Đặc tuyến truyền đạt điện ápVí dụ có đặc tuyến truyền đạt điện áp như trên hình (1-6), ta có:

• Khi Uv ≤ Uvmin thì Ur =Urmin . Đây là tạp âm của bộ khuếch đại.

• Khi Uv ≥ Uvmax thì Ur = Urmax, thể hiện tính chất hạn chế của tầng khuếch đại.

Yêu cầu tín hiệu đưa vào bộ khuếch đại phải thoả mãn điều kiện:

Uvmin ≤ Uv ≤ Uvmax

Dải động của bộ khuếch đại được định nghĩa bằng tỷ số : max

min

vk

v

UD

U=

1.1.3.6 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N)

Tín hiệu ra gồm có 2 thành phần: tín hiệu (S) và tạp âm (N)

Tỷ số S/N càng lớn thì ảnh hưởng của tạp âm càng ít và ngược lại.

• Tạp âm sinh ra là do cảm ứng của điện từ trường bên ngoài ảnh hưởng vào bộ khuếch đại: Tạp âm do chính các phần tử khuếch đại tạo nên (diode, transistor ...)

• Tạp âm do ảnh hưởng vủa điện lưới thông qua nguồn chỉnh lưu

1.2 Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

1.2.1 Phân tích mạch khuếch đại dùng BJT chế độ tín hiệu nhỏ tần số thấp

Để giải các bài toán có liên quan đến các linh kiện tích cực, ta phải đưa chúng về các dạng mạch điện tương đương đơn giản.

Sơ đồ tương đương của Transistor lưỡng cực có nghĩa là ta biểu diễn linh kiện này dưới dạng một sơ đồ mạch điện tương đương hoặc một hệ phương trình toán mô tả hoạt động của nó ở một chế độ cụ thể nào đó. Yêu cầu của các sơ đồ tương đương như sau:

• Đơn giản, chủ yếu nên sử dụng quan hệ bậc 1.

• Tính chính xác.

Với Transistor lưỡng cực, thường sử dụng 2 kiểu sơ đồ tương đương khi phân tích mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ, tần số thấp:

• Sơ đồ tương đương theo tham số vật lý (re)

• Sơ đồ tương đương theo tham số h (tham số hỗn hợp)

Uv

UrB

A

Uvmin

Uvmax

U rmax

1.2.1.1 Sơ đồ tương đương BJT theo tham số h:

Đối với tín hiệu nhỏ có thể coi BJT là một mạng 4 cực tuyến tính nên có thể dùng hệ phương trình của mạng 4 cực để biểu diễn dòng và áp vào và ra của Transistor.

Hình (1-6): Sơ đồ Transistor như một mạng 4 cực.Với BJT, dùng phương trình hỗn hợp theo tham số h là thuận lợi hơn cả. Cặp

phương trình hỗn hợp như sau:

2221212

2121111

..

.

UhIhI

UhIhU

+=+=

Sơ đồ tương đương được minh hoạ trên hình (1-8)

Hình(1-7) . Sơ đồ tương đương mạng 4 cực tuyến tính theo tham số h.Trong đó :

• h11 là trở kháng vào khi đầu ra ngắn mạch, còn được ký hiệu là hi, được tính theo công thức

111 2

1

0U

h UI

= =

• h12 là hệ số hồi tiếp điện áp khi đầu vào hở mạch, còn được ký hiệu là hr, được tính theo công thức:

112 1

2

0U

h IU

= =

• h21 là hệ số khuếch đại dòng điện khi đầu ra ngắn mạch, còn được ký hiệu là h f, được tính theo công thức:

221 2

1

0I

h UI

= =

• h22 là hệ số dẫn nạp khi đầu vào hở mạch, còn được ký hiệu là ho, được tính theo công thức sau:

222 1

2

0I

h IU

= =

Để phân biệt thông số này sử dụng cho cấu hình mạch CE, CC hay BC người ta dùng thêm ký hiệu phụ như bảng sau:

Transistor

I

1U

1Vào Ra

U

2

I

2

Loại mạch Thông số h

E chung (CE) hie, hre, hfe, hoe

C chung (CC) hic, hrc, hfc, hoc

B chung (BC) hib, hrb, hfb, hob

Ví dụ, xét với mạch E chung, các thông số được tính như trên hình (1-9).

Hình(1-8):Tính các tham số h của mạch E chungTương tự ta có với mỗi cấu hình mạch các thông số được xác định theo bảng sau:

Thông số h Mạch E chung (CE)

Mạch B chung (CB)

Mạch C chung (CC)

hiie b bh V I= ib e eh V I= ic b bh V I=

hr re b ch V V= rb e ch V V= rc b eh V V=hf fe c bh I I= fb c eh I I= fc e bh I I=ho oe c ch I V= ob c ch I V= oc e eh I V=

Ghi chú Với mạch CE và CB có: hr ≈ 0 và ho≈ 0

Các thông số h này được cho trong bảng thông số kỹ thuật của mỗi BJT. Cần chú ý rằng với một BJT xác định, các thông số h có thể thay đổi phụ thuộc vào thống kê của nhà sản xuất, nhiệt độ làm việc…Do đó, nhà sản xuất sẽ đưa ra giá trị lớn nhất và nhỏ nhất. Thông thường, khi thiết kế chọn giá trị trung bình giữa 2 giá trị này.

Bảng dưới là thông số của sơ đồ tương đương hỗn hợp với BJT thông dụng mã 2N3904:

1.2.1.2 Sơ đồ tương đương vật lý

Từ sơ đồ tương đương theo tham số hỗn hợp của BJT ở phần trên, nhìn chung h r khá nhỏ và có thể bỏ qua để cho việc phân tích tính toán đơn giản. Mô hình kiểu này được gọi là mô hình tương đương π hay còn gọi là sơ đồ tương đương vật lý, được dùng rất phổ biến khi phân tích các mạch BJT. Điểm tương đồng giữa mô hình tương đương vật lý với sơ đồ tương đương theo tham số h như bảng trên hình (1-10).

Hình(1-9) . Sơ đồ tương đương vật lý của BJTTrong đó re là điện trở khuếch tán Emitter, được tính theo công thức sau:

T Te

EQ CQ

U Ur

I I≈ ≈

• UT: Điện áp nhiệt, có giá trị bằng 26mV ở 250C

• IEQ , ICQ : dòng IC và IE chế độ tĩnh của mạch

1.2.2 Phân tích mạch khuếch đại BJT bằng sơ đồ tương đương vât lý

1.2.2.1 Nguyên tắc chung

Nhìn chung, khi phân tích một mạch khuếch đại tín hiệu dùng BJT, chúng ta làm theo các bước sau:

Phân tích chế độ một chiều (DC): Coi toàn bộ các tụ điện hở mạch và dùng các phương pháp phân tích tìm điểm công tác tĩnh như trong giáo trình Cấu kiện điện tử.

Phân tích chế độ xoay chiều (AC):• Bỏ tất cả các nguồn 1 chiều (ngắn mạch nguồn áp và hở mạch nguồn

dòng).• Coi tất cả các tụ điện ngắn mạch tại tần số tín hiệu. Các tụ này sẽ được

xét ảnh hưởng khi tính tần số cắt thấp của mạch.• Thay BJT bằng mô hình tương đương tín hiệu nhỏ tần số thấp.• Giải các phương trình để tìm các thông số của mạch khuếch đại như hệ

số khuếch đại dòng, hệ số khuếch đại áp, trở kháng vào, trở kháng ra.• Tính tần số cắt thấp (ft) của mạch khuếch đại.

Dưới đây sẽ phân tích một số mạch căn bản của BJT dùng sơ đồ tương đương vật lý (re)

1.2.2.2 Mạch Emitter chung (CE):

Xét mạch khuếch đại CE như trên hình (2-11a), áp dụng nguyên tắc phân tích xoay chiều ta có sơ đồ tương đương xoay chiều tín hiệu nhỏ như trên hình (1-11b).

Loại mạch

Sơ đồ tương đương tham số h

Sơ đồ đương đương vật lý

Sơ đồ tương đương gần đúng

CC và CE

hie =βre; hfe=βac; ro=1/hoe

CB

hib =re; hfe=-α; ro=1/hob

Hình(1-10) : Mạch Emitter chungTrong đó UV là điện áp vào, iv là dòng điện vào, Ur là điện áp ra, ir là điện áp ra. Các

thông số mạch khuếch đại được tính như sau:

• Hệ số khuếch đại điện áp: r

uv

UK

U=

• Hệ số khuếch đại dòng điện: r

iv

iK

i=

• Trở kháng vào: v

vv

UZ

I=

• Trở kháng ra Zr được tính khi đầu vào bằng không (Uv = 0):

0v

rr

r U

UZ

I=

=

Chú ý: Zr của một mạch khuếch đại không phụ thuộc vào tải. Zr được tính bằng cách ngắn mạch đầu vào (Uv = 0), thay thế tải đầu ra bằng một nguồn giả định Ur và lấy Zr = Ur/Ir .

Nhìn vào sơ đồ tương đương hình (b) ta có:

• Điện áp ra: Ur = -ir.RC = - βib.RC

• Điện áp vào: Uv = ib.βre

Do đó, hệ số khuếch đại điện áp được tính như sau:

.

. .b C C

ub e e

i R RK

i r r

ββ

−= = −

Dòng vào được tính theo công thức sau: .i b e

v b bB B

V i ri i i

R R

β= + = +

• Tổng trở vào tính theo công thức:

( ). .//

( )v b e e B

v B ev b v B B e

U i r r RZ R r

i i V R R r

β β ββ

= = = =+ +

Thường RB lớn hơn nhiều so với βre (thường RB > 10βre) thì ta có : Zv ≈βre

• Tổng trở ra tính theo công thức:

0v

rr C

r U

UZ R

I=

= =

• Hệ số khuếch đại dòng điện: .br B

ib ev B e

bB

ii RK

i ri R riR

β ββ β

= = =++

Hoặc có thể tính Ki khi đã tính được Ku và Zv theo công thức sau:

. .r C v vr ri u

v v v v C C

U R Z Zi UK K

i U Z U R R

−= = = − = −

Từ các kết quả tính toán trên, ta rút ra một số nhận xét sau về các tính chất của mạch CE:

• Ku < 0 nên điện áp vào và ra ngược pha nhau hay còn gọi mạch CE là mạch khuếch đại đảo.

• Mạch CE thường có hệ số khuếch đại dòng và áp lớn, trở kháng vào nhỏ vài trăm Ω (Zv ≈βre) và trở kháng ra lớn hàng kΩ (Zr= RC).

• Mạch CE có hệ số khuếch đại dòng, áp và công suất lớn thường được sử dụng để khuếch đại tín hiệu nhỏ trong xử lý và gia công tín hiệu tương tự ở tần số thấp và trung bình.

Xét ảnh hưởng của tụ CE

Để xét ảnh hưởng của tụ CE, tính toán tương tự với mạch hình (1-12).

Hình(13-11): Mạch CE khi không có tụ CE

• Hệ số khuếch đại áp của mạch:

)()(....

.

Ee

C

Ee

C

Ebeb

Cbu Rr

R

Rr

R

Riri

RiK

+−=

+−=

+−=

ββ

βββ

• Tổng trở vào: )(

).(....

EeB

BEe

B

ib

Ebeb

i

ii RrR

RRr

R

Vi

Riri

i

VZ

+++=

+

+==β

βββ

Nhận xét:

• Điện trở RE có tác định ổn định điểm công tác cho mạch phân cực BJT (xem trong giáo trình Cấu kiện điện tử). Tuy nhiên nó lại làm giảm hệ số khuếch đại do hồi tiếp âm thành phần xoay chiều.

• Để khắc phục dùng tụ CE có tác dụng ngắn mạch thành phần hồi tiếp âm xoay chiều thì trong mạch tương đương xoay chiều có RE = 0 và hệ số khuếch đại của mạch sẽ tăng lên.

Dành cho Sinh viên: Tương tự hãy tính các thông số khuếch đại của một số mạch CE trên hình(1-13).

Hình(1-12): Một số dạng mạch CE

1.2.2.3 Mạch Collector chung (CC)

Xét mạch collector chung và sơ đồ tương đương xoay chiều trên hình(1-14), trong đó RB = (R1//R2).

Hình(1-13): Mạch Collector chungThực hiện phân tích tính toán các thông số của mạch khuếch đại cho mạch trên hình (1-

14). Ta có:

• Điện áp vào: v b e rU i r Uβ= +

• Điện áp ra: ( 1)r r E e E b EU i R i R i Rβ= = = +

• Hệ số khuếch đại áp: ( 1)

1. . ( 1). .

b Er Eu

v b e b E e E

i RU RK

U i r i R r R

ββ β

+= = ≈ ≈+ + +

• Tổng trở vào:

. . ( 1). .// ( )v b e b E

v B e Evv

bB

U i r i RZ R r R

Ui iR

β β β+ += = = ++

• Tổng trở ra: được tính bằng r

rr

UZ

i= khi nối tắt đầu vào (UV =0) và

mắc nguồn Ur ở đầu ra:

Hình(1-14): Sơ đồ tính tở kháng ra

Dòng điện ra: ( 1)r b b bE E

Ur Uri i i i

R Rβ β= − − = − +

Mà (1 )

b oe E e

Ur Ur Uri i

r R r

ββ β

+= − ⇒ = +

Vậy trở kháng ra:

1//

1 1r e Er

e E

UrZ r R

ir R

= = =+

• Hệ số khuếch đại dòng điện: ( 1)

( 1)bri

v b

iiK

i i

β β+= ≈ = +

hoặc có thể tính Ki khi đã biết Ku và ZV theo công thức sau:

. vr r Ei u

v v v E

Zi U RK K

i U Z R

−= = = −

Nhận xét:

• Hệ số khuếch đại điện áp nhỏ hơn và gần bằng 1 nên mạch không có khả năng khuếch đại áp. Mạch CC có điện áp ra gần bằng điện áp vào, tín hiệu vào và ra đồng pha với nhau (Ku >0) nên còn được gọi là mạch lặp Emitter (tín hiệu ra lặp lại tín hiệu vào ở cực Emitter.

• Tổng trở vào rất lớn và trở kháng ra nhỏ (giống biến thế) nên thường được sử dụng để phối hợp trở kháng.

• Tầng khuếch đại C chung có trở kháng vào lớn, trở kháng ra nhỏ và hệ số khuếch đại áp ≈ 1, Ur và Uv đồng pha nhau nên thường được dùng làm tầng lặp hay tầng đệm, được mắc ở đầu vào các máy đo và đầu ra các máy phát để phối hợp trở kháng.

• Mạch C chung có hệ số khuếch đại dòng và hệ số khuếch đại công suất lớn nên được sử dụng để khuếch đại dòng, công suất.

• Tầng khuếch đại C chung có tần số giới hạn làm việc cao tương đương tần số giới hạn của transistor.

1.2.2.4 Mạch Bazơ chung (BC)

Xét mạch Bazơ chung và sơ đồ tương đương xoay chiều như trên hình (1-16).

Hình(1-15): Mạch Bazơ chungTương tự như tính toán với các mạch C chung và E chung ta có các kết quả sau:

• Trở kháng vào: //vv E e

v

UZ R r

i= =

• Trở kháng ra: Zr = RC

• Hệ số khuếch đại áp: .e c c cr

uv e e e e

i R R RUK

U i r r r

α α= = = ≈ (lớn)

• Hệ số khuếch đại dòng điện:

o E. 1 ( do R r )r C v vri u e

v v v c e

U R Z ZiK K

i U Z R r

−= = = − = − ≈ − >>

Nhận xét: Đặc điểm của mạch khuếch đại Bazơ chung:

• Bộ khuếch đại là không đảo (Ku > 0)

• Hệ số khuếch đại áp cao tỷ lệ với RC (vài trăm đến vài nghìn lần tương đương mạch CE). Tuy nhiên do trở kháng vào thấp (điện trở tiếp giáp BE phân cực thuận re rất thấp) Zvào= 30÷300Ω nên hệ số khuếch đại toàn phần thấp hơn nhiều so với mạch CE. Do đó ở phạm vi tần số trung bình không dùng mạch BC.

• Hệ số khuếch đại dòng gần bằng nên không dùng mạch CB để khuếch đại dòng điện hoặc công suất

• Trở kháng ra bằng mạch CE (Zra = RC = 100kΩ÷1MΩ.)

• Tần số giới hạn làm việc cao (cao hơn so với sơ đồ mắc cực phát chung) do điện dung hồi tiếp nhỏ. Mạch CB thường làm việc ở tần số cao (lớn hơn 100MHz).

Ứ ng dụng: Sử dụng trong dải tần số vô tuyến vì trở kháng vào nhỏ khoảng vài chục Ω phù hợp với trở kháng 50Ω của antena và đường truyền.

1.2.3 Phân giải theo tham số h:

Dùng phương pháp này có thể tính được thông số khuếch đại của tất cả các dạng mắc. Chỉ cần chú ý là:

• Với mạch CE thì dùng các thông số h11e, h12e, h22e,h21e

• Với mạch CB thì dùng các thông số h11b, h12b, h22b,h21b

• Với mạch CC thì dùng các thông số h11c, h12c, h22c,h21c

Sơ đồ tương đương tổng quát của mạch theo tham số h trên hình (1-17).

HìnHình (1-16): Sơ đồ tương đương theo tham số h

Trong đó:

Un: Nguồn tín hiệu vào.

Rn: Điện trở trong của nguồn tín hiệu vào.

Rt: Điện trở tải.

• Hệ số khuếch đại dòng điện: r

iv

iK

i=

mà 21 21 22. ' . ' .v ri h i i h i h U= + = +

thay r r tU i R= − ta có: 21 22 21 22. ' . . ' .v r r ti h i h U h i h i R= + = −

Vậy hệ số khuếch đại dòng: 21

221 .r

iv t

i hK

i h R= =

+

• Hệ số khuếch đại điện áp:

21 21 2122 22 22

11 1211 12 21 11 12 21

22 22

1 1 1. ( // ) . ( // ) .( // )

1 1. . . . ( // ) ( // )

v t v t tr

uv v r

v v t t

h i R h i R h RU h h h

KU h i h U h i h h i R h h h R

h h

− − −= = = =

+ − −

• Tổng trở vào:

11 12 11 12 11 12

2111 12 11 12

22

. . . . . . .

. .1 .

v v r v t r v t i v

vv t i t

v t

u h i h u h i h R i h i h R K i

u hZ h h R K h h R

i h R

= + = − = −

= = − = −+

• Tổng trở ra là tỷ số giữa điện áp và dòng điện đầu ra khi đầu vào nối tắt (US = 0)

12

11

. rv

n

h ui

R h= −

+ mà 21 12

21 22 2221 1211

2211

1. r r

r v r r r rn r

n

h h u ui h i h u i h u Z

h hR h i hh R

= + ⇒ = − + ⇒ = =+ −

+

1.2.4 Phân tích mạch khuếch đại Transistor trường FETCó thể dùng FET để khuếch đại tín hiệu nhỏ như BJT. Với BJT, sự thay đổi dòng

điện đầu ra (IC) được điều khiển bằng dòng điện đầu vào (IB) nhưng với FET thì sự thay đổi dòng điện cực máng (ID) được điều khiển bằng điện thế nhỏ đầu vào (UGS). ở BJT có hệ số khuếch đại dòng điện β còn ở FET có độ hỗ dẫn gm.

1.2.4.1 Sơ đồ tương đương của FET

Với tín hiệu nhỏ tần số thấp thì mạch tương đương xoay chiều của FET như trên hình (1-18).

Hình(1-17): Sơ đồ tương đương xoay chiều FETTrong đó:

• rgs là trở kháng vào của FET. Với JFET, rgs khoảng hàng chục đến hàng trăm MΩ và với MOSFET thường ở hàng trăm đến hàng ngàn MΩ. Do đó trong thực tế có thể bỏ qua rgs trong mạch tương đương.

• rd là tổng trở ra của FET được định nghĩa như sau:

• GS

DSd U const

D

Ur

I =∆=∆

Điện trở cực máng rd biểu thị sự ảnh hưởng của điện áp cực máng UDS tới dòng cực máng ID khi điện áp trên cực cổng không đổi. Như vậy, điện trở máng rd chính là trở kháng ra của FET ở chế độ xoay chiều trên cực máng. Giá trị của rd phụ thuộc vào điểm làm việc có thể thay đổi từ vài chục kΩ đến vài chục MΩ. Nếu trong mạch thiết kế có RD

không lớn lắm (vài kΩ) thì có thể bỏ qua rd trong mạch tương đương.

• gm là độ hỗ dẫn của FET, đặc trưng cho sự điều khiển của điện áp UGS

đến dòng ID, tính theo công thức sau:

Dm

GS

Ig

U

∆=∆

Cách xác định gm trên đặc tuyến truyền đạt được cho trên hình (1-19).

Hình(1-18): Xác định độ hỗ dẫn gm.

Về mặt toán học, cách xác định gm như sau:

Với JFET và D-MOSFET

Ta có phương trình hàm truyền đạt:2

( )( )

. 1 1GS DD DSS GS GS off

GS off DSS

U II I U U

U I

= − ⇒ = − ÷ ÷ ÷ ÷

Mà D

mGS

Ig

U

∆=∆ nên ta có :

( )( )

21DSS GS

mGS offGS off

I Ug

UU

= −

ở đây có trị tuyệt đối |UGS(off)| biểu thị giá trị gm luôn dương.

Đặt 0

( )

2 DSSm

GS off

Ig

U= biểu thị giá trị gm tại UGS = 0V Ta có:

0 0( )

1 GS Dm m m

GS off DSS

U Ig g g

U I

= − = ÷ ÷

Trong đóUGS và ID là các biến thay đổi tuỳ theo vị trí điểm công tác tĩnh Q, còn dòng bão hoà IDSS và điện áp ngắt UGS(off) là các hằng số. Hình (1-20) minh hoạ ví dụ tính giá trị gm tại các điểm phân cực khác nhau.

Hình (1-19): Xác định độ hỗ dẫn gm tại các giá trị điểm phân cựcVới E-MOSFET

Với E-MOSFET, phương rình hàm truyền đạt như sau:

( ) 2

( )D GS GS ThI k U U= −

Trong đó k là hằng số được xác định từ điểm làm việc đặc trưng, UGS(Th) là điện áp UGS ngưỡng hình thành kênh dẫn.

Giá trị đỗ hỗ dẫn gm vẫn được xác định theo công thức D

mGS

Ig

U

∆=∆ . Ta có biểu thức

toán học xác định gm cho E-MOSFET như sau:

( )( )2Dm GS GS Th

GS

Ig k U U

U

∂= = −∂

Nguyên lý xây dựng tầng khuếch đại dùng FET cũng giống như tầng dùng BJT. Có 3 sơ đồ cơ bản mắc FET trong mạch điện là cực nguồn chung (SC), máng chung (DC) và cửa chung.

1.2.4.2 Tầng khuếch đại cực nguồn chung

Sơ đồ khuếch đại cực nguồn chung dùng D-MOSFET kênh n và sơ đồ tương đương xoay chiều được cho trên hình (1-21).

Hình Hình (1-20): Tầng khuếch đại cực nguồn chung

Điện trở R1, RG, RD, RS dùng để xác định chế độ làm việc tĩnh của FET.

Các thông số cần tính cho mạch khuếch đại dùng FET cũng tương tự như với mạch khuếch đại dùng BJT gồm có hệ số khuếch đại điện áp (Ku), trở kháng vào (Zv) và trở kháng ra (Zr). Cách chuyển đổi sang sơ đồ tương đương xoay chiều cũng tương tự như BJT chỉ thay sơ đồ tương đương BJT bằng sơ đồ tương đương FET.

Tụ nối tầng C1, C2 và Cs khá lớn nên coi như ngắn mạch xoay chiều nên trong sơ đồ tương đương bỏ qua các tụ đó.

Nhìn vào sơ đồ tương đương ta có:

• Điện áp ra: . .( // )r m gs D dU g u R r= −

• Điện áp vào: v gsU u=

Vậy có hệ số khuếch đại áp của mạch là:

. .( // )( // )m gs d Dr

u m d Dv gs

g u r RUK g r R

U u= = − = −

Dấu âm của biểu thức Ku chỉ ra rằng tín hiệu vào Uv và tín hiệu ra Ur lệch pha nhau 1800. Nếu rd > 10RD thì có thể lấy Ku ≈ -gm.RD.

Trở kháng vào của mạch : 1 2// //vv gs

v

UZ R R r

i= = . Thường điện trở rgs rất lớn so với R1

và R2 nên có thể lấy Zv ≈ R1 //R2.

Trở kháng ra của mạch: 0v

rr

r U

UZ

i=

= = RD//rd. Nếu rd > 10RD ta có thể lấy Zr ≈ RD.

Trường hợp không có tụ CS.

Để xét ảnh hưởng của tụ CS ta tính toán cho mạch không có tụ CS như trên hình (1-22).

Hình 1-21: Sơ đồ mạch cực nguồn chung khi không có CS

Dòng điện chảy qua điện trở rd : .

' r S r D S

d d

U U U i Ri

r r

− −= =

Dòng chảy qua điện trở RD : ' .D m gsi i g u= +

Mà .gs G S v S v D Su U U U U U i R= − = − = −

Vậy có : .

' . .( . )r D SD m gs m v D S

d

U i Ri i g u g U i R

r

−= + = + −

Mà r

DD

Ui

R= − . Thay vào ta có phương trình :

.

.( . )

rr S

r D rm v S

D d D

UU R

U R Ug U R

R r R

+− = + +

Giải phương trình này ta được hệ số khuếch đại áp :

.

1 .

m Dru

D Svm S

d

g RUK

R RU g Rr

= = − ++ +

Nếu bỏ qua rd trong sơ đồ mạch tương đương (khi rd lớn hơn nhiều so với RD và RS) thì ta có hệ số khuếch đại áp được tính theo công thức sau:

.

1 .m D

um S

g RK

g R= −

+

Ta thấy so với trường hợp có tụ CS thì hệ số khuếch đại áp giảm (1+gm.RS) lần. Như vậy khi dùng RS để phân cực cho cực S của FET thì sẽ làm giảm hệ số khuếch đại. Tụ C S có vai trò ngắn mạch điện trở RS ở chế độ xoay chiều để khắc phục nhược điểm này. Tụ CS có vai trò tương đương như tụ CE trong mạch E chung của BJT.

1.2.4.3 Tầng khuếch đại cực máng chung.

Hình(1-22): Sơ đồ mạch cực máng chung• Hệ số khuếch đại điện áp:

. .( // )m gs d Sru

v v

g u r RUK

U U= =

Mà GSrv UUU +=

Nên . .( // ) .( // ) .

1 .( // ) 1 .m GS d S m d S m Sr

uv v m d S m S

g U r R g r R g RUK

U U g r R g R= = = ≈

+ +

Hệ số khuếch đại KU phụ thuộc vào tải xoay chiều của tầng và độ hỗ dẫn của FET. Hệ số khuếch đại tiến tới 1 khi tăng gm và RS. Vì vậy với tầng khuếch đại cực máng chung nên dùng transistor có độ hỗ dẫn lớn. Hệ số khuếch đại mang dấu dương nghĩa là điện áp vào và điện áp ra đồng pha với nhau. Do tín hiệu ra đồng pha với tín hiệu và gần bằng tín hiệu vào (K u ≈ 1) nên có thể nói tín hiệu ra lặp lại tín hiệu vào ở cực nguồn nên mạch cực máng chung còn được gọi là mạch lặp cực nguồn (tương tự mạch lặp Emitter của BJT).

• Tổng trở vào của mạch: Zv= R1//R2

• Tổng trở ra: ta thấy RS song song với rd và song song với nguồn dòng điện gmugs. Nếu ta thay nguồn dòng diện này bằng một nguồn điện thế nối tiếp với điện trở 1/gm và đặt nguồn điện thế này bằng 0 trong cách tính Zr ta tìm được tổng trở ra của mạch: Zr= RS//rd//(1/gm).

1.2.4.4 Tầng khuếch đại cực cửa chung

Hình(1-23). Mạch khuếch đại cực cửa chungSơ đồ mạch khuếch đại cực cửa chung dùng JFET kênh n và sơ đồ tương đương xoay

chiều được cho trên hình().

Trước tiên ta tính hệ số khuếch đại áp : r

uv

UK

U=

Phương trình dòng điện tại nút D: 1 2.m gsi g u i= +

Mà 1S D v r

d d

U U U Ui

r r

− −= = ; 2r

D

Ui

R= và gs vu U= − .

Thay vào phương trình trên được:

v r rm v

d D

U U Ug U

r R

− = − +

Vậy hệ số khuếch đại áp://

//(1 )d Dr

uv d m

r RUK

U r g= =

Nếu bỏ qua rd trong sơ đồ tương đương, ta có kết quả: .u m DK g R=Để tính trở kháng vào ta viết phương trình dòng điện tại nút S:

v v rv m gs

S d

U U Ui g u

R r

−= − +

Mà r u vU K U= và gs vu U= − . Thay vào phương trình trên ta được:

v v u vv m v

S d

U U K Ui g U

R r

−= + +

Do Ku >> 1 nên có thể bỏ qua số hạng cuối cùng trong phương trình trên nên ta có trở kháng vào:

1//v

v Sv m

UZ R

i g

= = ÷

Trở kháng ra của mạch được tính bằng cách ngắn mạch đầu vào (Uv =0) nên nguồn

dòng gm.ugs lúc này hở mạch, trở kháng ra Zr = (rd //RD).

1.3 Ghép các tầng khuếch đại

Trong các phần trước chúng ta đã khảo sát các mạch riêng lẻ dùng BJT và FET. Các mạch điện tử thực tế thường ghép các mạch riêng lẻ này lại theo các cách khác nhau nhằm đạt được một mục đích nào đó như tăng hệ số khuếch đại dòng, hệ số khuếch đại áp, biến đổi trở kháng...Dưới đây chúng ta sẽ cùng xem xét một số cách ghép nối căn bản và đặc điểm của mỗi cách ghép nối này.

1.3.1 Ghép liên tiếp.

Một bộ khuếch đại ghép liên tiếp gồm nhiều tầng khuếch đại mắc liên tiếp như trên hình (1-25). Mục đích của việc ghép tầng liên tiếp là làm tăng hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại nhằm đạt yêu cầu cần thiết. Trong sơ đồ này tín hiệu ra của tầng trước là tín hiệu vào của tầng sau. Tuy nhiên, việc mắc liên tiếp này cần đảm bảo yêu cầu tín hiệu ra không bị méo.

Hình (1-24): Sơ đồ khối mạch khuếch đại ghép liên tiếpTầng khuếch đại ghép tần liên tiếp có một số đặc điểm sau:

• Điện áp đầu ra tầng trước là điện áp đầu vào của tầng sau: Ur (i)=Uv(i+1)

• Hệ số khuếch đại của toàn mạch bằng tích các hệ số khuếch đại của các tầng:

• 1 21 2

1 1 2

rN rNr ru u u uN

v v v vN

U UU UK K K K

U U U U= = × ××× = × ×××

• Nếu tính theo đơn vị [dB] ta có:

• 1 2( ) ( ) ( ) ... ( )u u u uNK dB K dB K dB K dB= + + +

• Trở kháng vào của tầng khuếch đại được tính bằng trở kháng vào của tầng đầu: Zv

= Zv1.

• Trở kháng vào của tầng sau sẽ đóng vai trò làm tải của tầng trước: Zvi= Rt(i-1).

• Trở kháng ra của tầng khuếch đại được tính bằng trở kháng ra của tầng cuối: Z r = ZrN.

• Việc ghép giữa các tầng có thể dùng tụ điện, biến áp hay ghép trực tiếp. Dưới đây ta xét cụ thể từng cách ghép này.

1.3.1.1 Ghép bằng tụ điện (ghép RC)

Hình (1-26) là sơ đồ ghép 2 tầng khuếch đại liên tiếp bằng tụ điện. Mục đích của mạch này là tăng hệ số khuếch đại điện áp.

Gọi hệ số khuếch đại áp của từng tầng khuếch đại lần lượt là Ku1 và Ku2, ta có hệ số

khuếch đại của cả mạch là: 1 2.ru u u

v

UK K K

U= = .

Hình(1-25): Mạch dùng tụ điện ghép 2 tầng khuếch đại BJT

• Hệ số khuếch đại áp của tầng thức nhất là: 1 2

11

( // ) C v

ue

R ZK

r

−=

• Trong đó Zv2 là trở kháng vào của tầng thứ 2, đồng thời cũng là tải của tầng thứ

nhất được tính bằng công thức: v2 3 4 2 2 Z ( // // )eR R rβ= .

• Hệ số khuếch đại áp của tầng thứ 2 là: 2

22

Cu

e

RK

r

−=

• Hệ số khuếch đại của cả tầng khuếch đại là:

1 2 21 2

1 2

( // ). C v C

u u ue e

R Z RK K K

r r= = ×

• Trở kháng vào của toàn mạch là: 1 1 2 1 1( // // )v v eZ Z R R rβ= = .

• Trở kháng ra của toàn mạch là: Zr = Zr2= RC2

C1, C2, C3 là các tụ cách tầng. Các tụ cho thành phần xoay chiều đi qua và cản thành phần một chiều nên phân cực một chiều không ảnh hưởng lẫn nhau giữa các tầng, điểm làm việc tĩnh cũng được cách ly.

Khi dùng phương pháp ghép tầng này cần chú ý đến ảnh hưởng của tụ điện tại các tần số vào khác nhau có thể làm biến đổi pha và biên độ của tín hiệu.

• Tại tần số trung bình có thể bỏ qua ảnh hưởng của tụ điện (chọn giá trị điện dung sao cho XC = 0 tại tần số trung bình ftb)

• Tại tần số thấp, dung kháng XC=(1/2πfC) lớn nên độ dẫn điện của tụ giảm, hạ áp trên tụ sẽ làm giảm biên bộ tín hiệu ở đầu ra mỗi tầng dẫn đến làm giảm hệ số khuếch đại ở miền tần số thấp. Tụ CE cũng làm giảm hệ số khuếch đại vì giảm tác động khử tín hiệu hồi tiếp âm AC.

• Tại tần số cao: các tham số của transistor như hệ số khuếch đại dòng điện β, điện dung tiếp giáp CCE sẽ bị ảnh hưởng. β giảm và ảnh hưởng của tụ CCE làm giảm hệ số khuếch đại của transistor và làm giảm hệ số khuếch đại của mạch.

Hình (1-26): Đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại ghép tụ điện

1.3.1.2 Ghép bằng biến áp

Các tầng khuếch đại được ghép với nhau bằng biến áp. Sơ đồ ghép 2 tầng khuếch đại bằng biến áp như trên hình (1-28).

Hình(1-27): Ghép tầng khuếch đại bằng biến áp.Cuộn sơ cấp của biến áp đóng vai trò thay cho điện trở tải của tầng khuếch đại thứ nhất.

Biến áp cách ly điện áp một chiều giữa các tầng khuếch đại và tăng hệ số khuếch đại chung tuỳ thuộc vào biến áp tăng hay giảm.

Phương pháp này có ưu điểm là không có dòng một chiều trên tải và đạt hiệu suất cao. Tuy nhiên nhược điểm là cồng kềnh, đặc tuyến tần số không bằng phẳng trong dải tần nên không sử dụng trong các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ tần số thấp mà dùng trong tần số cao điều chỉnh kênh thu, biến áp tạo mạch cộng hưởng.

1.3.1.3 Ghép trực tiếp

Đây là một dạng liên kết khá phổ biến trong các mạch khuếch đại nhất là trong kỹ thuật chế tạo vi mạch. Sơ đồ mạch ghép trực tiếp dùng BJT được cho trên hình (1-29).

Hình(1-28): Ghép tầng khuếch đại trực tiếpMạch ghép trực tiếp có các ưu điểm:

• Tránh được ảnh hưởng của các tụ ghép tầng ở tần số thấp.

• Tránh được sự cồng kềnh cho mạch.

• Điện thế tĩnh của tầng đầu cung cấp điện thế tĩnh cho tầng sau.

Nhược điểm:

• Sự ảnh hưởng chế độ tĩnh lẫn nhau giữa các tầng.

• Điện áp một chiều cung cấp thường có giá trị lớn nếu dùng cùng loại BJT. Vấn đề chính trong ghép trực tiêp là ổn định phân cực. Cách tính phân cực thường đợc áp dụng trên toàn bộ mạch mà không thể tính riêng từng tầng.

Khi tính phân cực tĩnh cẫn chú ý rằng điện áp một chiều cung cấp cho cực Bazơ của BJT thứ 2 (T2) là VB2 do điện áp tại cực Collector của T1(VC1) cung cấp: VB2= VC1.

Thông số mạch khuếch đại:

• Trở kháng vào của mạch bằng trở kháng vào của tầng khuếch đại thứ nhất:

1 1 2 1 1( // // )v v eZ Z R R rβ= = .

• Hệ số khuếch đại điện áp : 1 2.u u uK K K=

Trong đó Ku1 là hệ số khuếch đại áp của tầng khuếch đại thứ nhất được tính theo công

thức: 1 2

11

//C vu

e

R ZK

r= − .

Zv2 là trở kháng vào của tầng khuếch đại thứ 2 đồng thời giữ vai trò là tải của tầng thứ nhất có giá trị là: Zv2 =β2re2

Hệ số khuếch đại áp của tầng khuếch đại thứ 2: 2

21

Cu

e

RK

r= −

Vậy hệ số khuếch đại áp của cả tầng khuếch đại là:

1 2 21 2

1 2

//C v Cu u u

e e

R Z RK K K

r r= × = ×

• Hệ số khuếch đại dòng điện: 2

vi u

C

ZK K

R= ×

• Trở kháng ra của mạch: Zr =RC2

1.3.2 Mạch khuếch đại Darlington

Là dạng liên kết rất thông dụng giữa 2 transistor (cùng loại hoặc khác loại)

Mạch khuếch đại Darlington có tác dụng tăng trở kháng vào và tăng hệ số khuếch đại. Sơ đồ mạch khuếch đại Darlington dùng Transistor cùng loại và khác loại trên hình(1-30).

Hình(1-29): Mạch khuếch đại DarlingtonSự liên kết giữa 2 transistor như trên tương đương với một transistor duy nhất có hệ số

khuếch đại dòng điện là βD= β1β2. Nếu 2 transistor đồng nhất thì βD = β2.

Vì dạng liên kết này rất thông dụng và thích hợp cho việc nâng công suất nên ngày nay người ta thường chế tạo các liên kết này dưới dạng một transistor duy nhất gọi là transistor Darlington. Bảng thông số transistor Darlington 2N999.

Thông số Điều kiện Min Max

UBE IC = 100mA 1,8V

hfc

(βD)

IC = 10mA

IC = 100mA

4.000

7.000 70.000

Để tìm hiểu các đặc tính của mạch khuếch đại Darlington ta xét mạch ứng dụng thông dụng có dạng như hình (1-31).

Hình(1-30): Mạch ứng dụng transistor Darlington

Cách tính phân cực tĩnh cho mạch này cũng tương tự như với mạch BJT thông thường,

ta có dòng phân cực tĩnh: Q

BEB

B D E

Vcc UI

R Rβ−=

+

Cần chú ý giá trị βD và UBE thường lớn hơn trường hợp 2 transistor rời mắc theo kiểu Darlington.

Điện áp vào: 211211112211 )1()1( vvvvBvBvBvBBE rrRrIrIrIrIU ββ ++=⇒++=+= =>

Về mặt xoay chiều transistor Darlington được mắc theo kiểu cực góp chung CC) nên có tổng trở vào lớn (hàng trăm kΩ), tổng trở ra nhỏ (cỡ hàng chục Ω)và hệ số khuếch đại áp xấp xỉ bằng 1, hệ số khuếch đại dòng rất lớn (hàng nghìn). Mạch khuếch đại Darlington có điện trở vào rất lớn nên dòng vào nhỏ, mạch Darlington có nhiều ưu điểm như độ ổn định công tác cao, méo tín hiệu nhỏ…

1.3.3 Mạch liên kết chồng (Cascode)

Để làm việc ở tần số cao thường dùng mạch khuếch đại Bazo chung. Tuy nhiên tầng khuếch đại Bazơ chung có trở kháng vào nhỏ nên hệ số khuếch đại toàn phần thấp. Do đó, để khắc phục nhược điểm này mắc thêm ở đầu vào một tầng khuếch đại Emitter chung tạo nên tầng khuếch đại Cascode.

Trong liên kết này, một transistor ghép chồng lên một transistor khác. Sơ đồ hình (1-32) là mạch Cascode với một tầng cực phát chung ghép chồng lên một tầng cực gốc chung.

Hình(1-31): Mạch khuếch đại xếp chồng CascodeTừ sơ đồ tương đương xoay chiều ta tính được các thông số của mạch Cascode như sau:

• Hệ số khuếch đại dòng điện: 2 1 1i c bK i i β= ≈

• Trở kháng vào: 2 3 1 1/ // //v v v B B eZ U i R R rβ= =

• Hệ số khuếch đại áp: 2 2 1 1 2 2

1 1 1 1 1 1 1

.

. .c C b C Cr

uv b e b e e

i R i R RUK

U i r i r r

ββ β

= = ≈ =

• Trở kháng ra: Zr = RC2

Từ các thông số của mạch khuếch đại Cascode ta có một số nhận xét dau:

• Trở kháng vào lớn (bằng trở kháng vào của mạch khuếch đại CE)

• Hệ số khuếch đại áp toàn phần lớn do trở kháng vào lớn

• Tần số làm việc lớn (bằng tần số giới hạn của mạch CB)

1.3.4 Mạch khuếch đại vi sai

Khuếch đại tín hiệu 1 chiều:

Trong nhiều trường hợp phải khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm (tín hiệu 1 chiều), yêu cầu băng tần của bộ khuếch đại có tần số cắt thấp ft≈0. Để đạt được điều này cần tăng giá trị tụ nối tầng (Xc =1/ωC) để giảm suy hao tín hiệu trên tụ ở tần số thấp.

Trong thực tế không thể tăng giá trị tụ quá lớn, để giảm f t cần ghép trực tiếp giữa các tầng khuếch đại để khuếch đại tín hiệu một chiều.

Tuy nhiên, ghép trực tiếp có một số nhược điểm sau:

• Khó thực hiện được chế độ công tác ở cùng khuếch đại (chế độ A) do sự ảnh hưởng một chiều lẫn nhau giữa các tầng khuếch đại và nguồn tín hiệu.

• Trôi điểm không: là hiện tượng có tín hiệu ra khi không có tín hiệu vào. Nguyên nhân là do các thông số của transistor thay đổi theo nhiệt độ dẫn đến điểm làm việc của transistor thay đổi.

Đối với các mạch khuếch đại tín hiệu xoay chiều thì không cần quan tâm đến hiện tượng trôi vì qua các tụ điện trôi sẽ không được khuếch đại. Trôi chỉ ảnh hưởng đến hệ số khuếch đại của mạch và được khắc phục bằng hồi tiếp âm.

Đối với các mạch khuếch đại tín hiệu một chiều trôi cũng được khuếch đại và đưa đến đầu ra như tín hiệu nên phải tìm cách giảm trôi sử dụng mạch khuếch đại vi sai.

Khuếch đại vi sai:

Các mạch khuếch đại đã xét khuếch đại trực tiếp tín hiệu vào còn mạch khuếch đại vi sai chỉ khuếch đại sai lệch giữa 2 tín hiệu vào nên điện áp ra của nó chỉ chịu tác động của hiệu các điện áp trôi của transistor. Do đó mức trôi của bộ khuếch đại vi sai rất thấp. Trường hợp mạch hoàn toàn đối xứng thì trôi được khử hoàn toàn.

1.3.4.1 Dạng mạch căn bản

Cấu tạo của mạch gồm 2 tầng khuếch đại Emitter chung đối xứng được minh hoạ trên hình (1-33). Các phần tử tương ứng giống nhau về mọi đặc tính: RC1 = RC2 = RC, RB1= RB2 = RB, VCC = VEE, RE nối chung, hai transistor Q1 và Q2 giống nhau về mọi đặc tính.

Hình(1-32): Sơ đồ mạch vi sai căn bảnMạch có 2 đầu vào Uv1 và Uv2 và 2 đầu ra là Ur1 và Ur2. Có 2 phương pháp lấy tín hiệu

ra:

• Đầu ra vi sai: Tín hiệu được lấy giữa 2 cực Collector Ur = Ur1 – Ur2

• Đầu ra đơn cực: Tín hiệu được lấy giữa một cực Collector và đất

Mạch được phân cực bằng 2 nguồn điện thế đối xứng để có các điện thế ở cực Bazơ bằng 0V.

Tuỳ thuộc vào cách đưa tín hiệu vào mà mạch khuếch đại vi sai có các chế độ hoạt động khác nhau :

• Chế độ đơn : đưa một tín hiệu vào (Uv1 hoặc Uv2) còn tín hiệu vào còn lại nối đất.

• Chế độ vi sai : đưa 2 tín hiệu vào Uv1 ≠ Uv2.

• Chế độ đồng pha : đưa 2 tín hiệu vào bằng nhau Uv1 = Uv2.

1.3.4.2 Phân tích phân cực tĩnh

Do mạch có tính chất đối xứng nên ta có các dòng phân cực tĩnh qua 2 transistor là như nhau : IC1 = IC2=IC ; IE1 = IE2 = IE. Sơ đồ phân cực tĩnh mạch khuếch đại vi sai trên hình(2-34).

Xác định điểm phân cực tĩnh:

• Phương trình đầu vào: RBIB + UBE + 2REIE – VEE = 0

2Q Q

EE BEE C

BE

V UI I

RR

β

−≈ =+

Khi mạch hoàn toàn đối xứng điện thế cực B bằng 0 ta có RB.IB = 0 nên :

2Q Q

EE BEE C

E

V UI I

R

−≈ =

• Phương trình đường tải tĩnh của mạch: VCC + VEE = RC.IC + UCE + 2RE.IE

Coi IC ≈ IE UCEQ = (VCC + VEE) – (RC + 2RE) ICQ

Hình(1-33): Sơ đồ phân cực tĩnh mạch khuếch đại vi sai

1.3.4.3 Khảo sát thông số của mạch

a. Chế độ đồng pha:

Trong chế độ đồng pha, 2 tín hiệu vào bằng nhau Uv1 = Uv2. Do mạch có tính chất đối xứng nên ta có ib1 = ib2 và Ur1 = Ur2 = Ur.

Do mạch hoàn toàn đối xứng nên ta chỉ xét một nửa mạch. Chú ý dòng chảy qua RE là 2IE.

Hình(1-34): Sơ đồ tương đương xoay chiều mạch khuếch đại vi sai

Hệ số khuếch đại đồng pha Kđph được xác định theo công thức 1

1

rc

v

UK

U=

Làm tương tự như các phần trước ta tìm được :

• Điện áp ra : 1 1 1 1 1r c C b CU i R i Rβ= − = −

• Điện áp vào : 1 1 1 12 2v b e e E b e b EU i r i R i r i Rβ β β= + ≈ +

Hệ số khuếch đại đồng pha: 1

12 2

r C CC

v e E E

U R RK

U r R R= = − ≈ −

+

Nếu chọn RE rất lớn thì hệ số khuếch đại đồng pha Kc sẽ tiến đến 0.

b. Chế độ vi sai

Với chế độ vi sai ta có Uv1 ≠ Uv2. Hệ số khuếch đại vi sai được tính theo công thức:

1 2

1 2

r rVS

v v

U UK

U U

−=−

Ta có:

1 1 1 2 1 1 2( ) ( )v b e e e E b e b b EU i r i i R i r i i Rβ β β= + + ≈ + +

2 2 1 2 2 1 2( ) ( )v b e e e E b e b b EU i r i i R i r i i Rβ β β= + + ≈ + +

Vậy 2 2 1 2( )v v e b bU U r i iβ− = −

Ta có :

1 1 1r c C b CU i R i Rβ= − = −

2 2 2r c C b CU i R i Rβ= − = −

Vậy 1 2 1 2 2 1( )r r b C b C b b CU U i R i R i i Rβ β β− = − + = −

Vậy hệ số khuếch đại vi sai :

1 2

1 2

Cr rVS

v v e

RU UK

U U r

−= = −−

Tỷ số G = KVS/KC càng lớn thì thành phần chung ít ảnh hưởng đến đầu ra.

Muốn tăng G phải giảm KC và tăng KVS. Như vậy phải dùng RE lớn. Tuy nhiên điều này làm cho VCC và VEE phải lớn. Phương pháp tốt nhất là dùng nguồn dòng điện. Nguồn dòng điện thay cho RE phải có 2 đặc tính:

• Cấp dòng điện không đổi

• Có tổng trở ZS lớn để thay cho RE.

Mạch khuếch đại vi sai có thể mất cân bằng do các linh kiện thụ động như điện trở, tụ điện hoặc các linh kiện tích cực như diode, transistor không hoàn toàn giống nhau. Khi mạch mất cân bằng thì không còn duy trì được sự đối xứng dẫn đến thành phần chung có thể tạo ra tín hiệu vi sai ở đầu ra.

Giải pháp khắc phục hiện tượng mất cân bằng:

• Chọn các linh kiện thật giống nhau

• Giữa dòng điện phân cực nhỏ để sai số về điện trở tạo ra điện thế vi sai nhỏ

• Thêm biến trở R’E để cân bằng dòng điện phân cực.

• Chế tạo theo phương pháp vi mạch.

1.4 Mạch khuếch đại công suất

1.4.1 Định nghĩa và phân loại

Tầng khuếch đại công suất tạo tín hiệu ra có công suất lớn và đáp ứng các yêu cầu của các

phụ tải như cho loa, cho các cuộn lái tia (trong tivi), cho mô tơ...Trong thực tế, hệ thống

khuếch đại gồm nhiều tầng khuếch đại ghép với nhau và tầng cuối cùng thường là tầng

khuếch đại công suất. Tín hiệu vào hệ thống có mức điện áp thấp được khuếch đại thông qua

các khuếch đại điện áp rồi mới đưa vào tầng khuếch đại công suất. Tầng khuếch đại công suất

sử dụng các mạch khuếch đại công suất.

Mạch khuếch đại công suất cần đáp ứng các yêu cầu sau:

- Tín hiệu khuếch đại phải đạt được công suất yêu cầu.

- Độ méo tín hiệu phải nhỏ.

- Hiệu suất cao.

Các mạch công suất có công suất ra từ vài trăm mW đến vài trăm W, biên độ tín hiệu ra

lớn, transistor làm việc trong miền không tuyến tính nên không thể dùng mạch tương đương

tín hiệu nhỏ để phân tích như chương trước mà phải dùng phương pháp đồ thị.

Dựa theo chế độ làm việc của transistor người ta chia mạch khuếch đại công suất thành

các loại chính sau:

• Chế độ A: Transistor được phân cực ở cùng tuyến tính. Tín hiệu được khuếch đại

gần như tuyến tính. Dạng tín hiệu ra được giữ nguyên chỉ biến đổi về biên độ so

với tín hiệu vào. Chế độ này có hiệu suất thấp (với tải điện trở dưới 25%) nhưng

méo phi tuyến nhỏ nhất. Điểm làm việc tĩnh trong chế độ A phải nằm ở giữa

đường tải tĩnh.

• Chế độ B: Transistor được phân cực ở vùng ngắt. Tín hiệu ra chỉ có trong một nửa

chu kỳ (âm hoặc dương). Chế độ này có hiệu suất lớn (78%), tuy méo xuyên tâm

lớn nhưng có thể khắc phục bằng cách kết hợp với chế độ AB hoặc dùng hồi tiếp

âm.

• Chế độ AB: Có tính chất chuyển tiếp giữa chế độ A và chế độ B. Transistor được

phân cực ở gần vùng ngắt để tham gia vào việc giảm méo khi tín hiệu vào có biên

độ nhỏ. Tín hiệu ra có ở hơn một nửa chu kỳ.

• Chế độ C: Transistor được phân cực dưới vùng ngắt. Tín hiệu ra chỉ có trong nhỏ

hơn một nửa chu kỳ, hiệu suất lớn (>78%) nhưng méo rất lớn. Mạch chế độ C

được dùng trong các mạch khuếch đại cao tần có tải là các khung cộng hưởng để

chọn lọc tần số mong muốn và đạt hiệu suất cao.

• Chế độ D: Transistor làm việc như một khoá điện tử đóng mở. Dưới tác dụng của

tín hiệu vào điều khiển transistor thông bão hoà là khoá đóng, dòng IC đạt cực đại,

còn khoá mở khi transistor ngắt, dòng IC = 0.

Hình 1-36: Phân loại mạch khuếch đại công suất theo vị trí điểm làm việc

Hình 1.37: Dạng tín hiệu ra của các mạch khuếch đại công suất

1.4.2 Mạch khuếch đại chế độ A

Mạch khuếch đại chế độ A hoạt động với tín hiệu vào lớn hay nhỏ đều khuếch đại tín hiệu

vào một cách tuyến tính. Mạch khuếch đại chế độ này không gây méo biên độ và pha của tín

hiệu. Điểm làm việc đươc chọn ở chính giữa đường tải để tín hiệu được khuếch đại lớn nhất

mà không bị méo.

Transistor trong chế độ A làm việc trong miền tích cực trong suốt chu kỳ tín hiệu. Dòng collector trong mạch chế độ A luôn khác không ngay cả khi không có tín hiệu vào do dòng phân cực tĩnh ICQ khác không. Transistor sẽ tiêu thụ công suất ngay cả khi không làm việc (không khuếch đại tín hiệu). Do đó hiệu suất của mạch khuếch đại chế độ A rất thấp, tối đa là 25% (với tải điện trở), với tải cuộn cảm hoặc biến áp thì khoảng 50%.

1.4.2.1 Mạch khuếch đại chế độ A tải điện trở:

Xét mạch khuếch đại công suất chế độ A tải điện trở đơn giản trên hình(). Đây là mạch

khuếch đại E chung, để đơn giản ta bỏ qua phần tính toán mạch phân cực cho mạch này.

Trong mạch khuếch đại A chung cơ bản này cũng không dùng cuộn cảm hoặc máy biến áp.

Điểm khác nhau giữa mạch này với mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ là tín hiệu vào (Uv) có

biên độ lớn (hàng trăm mV).

Hình 1.38.: Mạch khuếch đại chế độ A tải điện trở

Giả sử điểm công tác tĩnh Q nằm ở chính giữa được tải tĩnh, ta có UCEQ = VCC/2 và ICQ =

VCC/2RC. Khi đưa tín hiệu xoay chiều uv vào, dòng iC và điện thế uCE (tín hiệu đầu ra) sẽ thay

đổi quanh điểm làm việc tĩnh Q. Khi tín hiệu đầu vào lớn, biên độ tín hiệu ra sẽ thay đổi lớn

quanh điểm Q trong giới hạn: iC = (0; 2ICQ) và uCE = (0; Vcc).

Công suất tiêu thụ tức thời trên transistor là (bỏ qua dòng iB):

.Q CE Cp u i=

Với tín hiệu vào dạng sin, dòng điện iC và điện áp uCE được viết dưới dạng sau:

( ) sinC CQ pi t I I tω= +

Và

( ) sinCE CEQ pu t U U tω= +

Xét trong trường hợp tín hiệu ra đạt được biên độ lớn nhất ta có: Ip=ICQ và

Up=UCEQ=Vcc/2. Do đó, công suất tiêu thụ tức thời trên transistor là:

2(1 sin )2

CC CQQ

V Ip tω= −

Ta thấy khi không có tín hiệu vào transitor tiêu thụ công suất lớn nhất là (VCCICQ/2).

Hiệu suất chuyển đổi công suất của tầng khuếch đại được tính theo công thức sau:

L

S

P

Pη =

Trong đó:

• LP : là công suất xoay chiều trung bình trên tải

• SP : là công suất trung bình của nguồn cấp VCC.

Với mạch khuếch đại chế độ A đang xét khi đưa tín hiệu vào dạng sin thì công suất ra

trung bình trên tải là:

1 1(max)

2 2 2 4CC CQCC

L p p CQ

V IVP U I I= = =

Công suất trung bình của nguồn cấp VCC là:

.S CC CQP V I=

Do đó hiệu suất lớn nhất của tầng khuếch đại là:

14(max) 25%

.

CC CQ

CC CQ

V I

V Iη = =

Cần chú ý rằng hiệu suất của tầng khuếch đại sẽ thay đổi khi ta nối tải vào đầu ra của

bộ khuếch đại. Hiệu suất này khá thấp, do đó các mạch khuếch đại chế độ A kiểu này thường

không được dùng khi cần công suất tín hiệu lớn hơn 1W.

Trong thực tế thì điện áp và dòng điện ra lớn nhất sẽ nhỏ hơn các giá trị V CC/2 và ICQ

để tránh đưa transistor vào trạng thái bão hoà hoặc khoá tạo méo phi tuyến. Do đó, hiệu suất

thực tế của các mạch khuếch đại chế độ A thường nhỏ hơn 20% nên không tận dụng được khả

năng làm việc của phần tử khuếch đại, công suất ra thấp thường dùng để khuếch đại tín hiệu

nhỏ.

1.4.2.2 Mạch khuếch đại chế độ A ghép biến áp

Mạch khuếch đại chế độ A ghép biến áp sẽ tối ưu hoá được hiệu quả của tải. Hình () là mạch khuếch đại chế độ A mắc kiểu E chung với tải ghép biến áp trên cực C.

Hình 1.38. Mạch khuếch đại chế độ A ghép biến ápĐường tải tĩnh và đường tải động trên đồ thị hình (1.38). Nếu bỏ qua điện trở của máy

biến áp và giả sử RE rất nhỏ, ta có điện áp UCEQ của điểm công tác tĩnh là:

CEQ CCU V≈Trở kháng tải máy biến áp là:

' 2L LR a R=

Trong đó a là tỷ lệ số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Để tín hiệu ra lớn nhất, tỷ lệ số vòng dây phải thoả mãn biểu thức sau :

' 22

2CC CC

L LCQ CQ

V VR a R

I I= = =

Công suất trung bình tối đa đưa đến tải bằng công suất trung bình tối đa đưa đến cuộn sơ cấp trong trường hợp biến áp lý tưởng, do đó có:

1(max)

2L CC CQP V I=

Với VCC và ICQ là biên độ lớn nhất của tín hiệu dạng sin. Nếu bỏ qua công suất tiêu thụ trên các điện trở phân cực R1 và R2 (do dòng IB nhỏ), ta có công suất trung bình của nguồn cấp VCC là :

S CC CQP V I=

Do đó hiệu suất chuyển đổi công suất max của mạch khuếch đại chế độ A ghép biến áp này là :

(max)(max) 50%

L

S

P

Pη = =

1.4.3 Mạch khuếch đại chế độ B

1.4.3.1 Mạch khuếch đại đẩy kéo đối xứng bù (ngược)

Hình (1.39) là mạch khuếch đại chế độ B gồm 2 transistor khác loại. Khi không có tín hiệu vào uv = 0, cả 2 transistor đều trong trạng thái ngắt và điện áp ra u r = 0. Giả sử điện áp UBE để transitor dẫn là 0.6V thì điện áp ra sẽ duy trì là 0 khi điện áp vào trong khoảng -0.6V ≤ u v ≤ 0.6V.

Hình(1.39): Mạch khuếch đại đẩy kéo bù chế độ B cơ bản.Khi uv dương và lớn hơn 0.6V thì Q1 sẽ dẫn và hoạt động như một mạch lặp Emitter sẽ

cung cấp dòng điện iL dương trên tải. Q2 trong trường hợp này sẽ ngắt do tiếp giáp B-E phân cực ngược. Khi uv âm và lớn hơn 0.6V thì Q2 dẫn và hoạt động như một mạch lặp Emitter cung cấp dòng iL âm trên tải.

Mạch này được gọi là mạch đẩy-kéo bù. Hai transistor Q1 và Q2 sẽ thay nhau dẫn trong mỗi nửa chu kỳ.

Q2 ngắt trong khi Q1 dẫn và ngược lại. Không có khuếch đại áp nhưng hệ số khuếch đại dòng điện lớn để khuếch đại công suất. Mỗi transistor được phân cực ở chế độ B và chỉ dẫn trong nửa chu kỳ. Tuy nhiên có một sự suy biến nhỏ đặc biệt khi tín hiệu nhỏ (méo điểm 0).

Méo điểm 0 Hình (1.39) là đặc tuyến truyền đạt điện áp của mạch này. Khi một trong hai transistor

dẫn, độ khuếch đại điện áp (hay độ dốc của đặc tuyến) về cơ bản bằng 1 (do tính chất của mạch lặp Emitter). Trong dải điện áp gần 0V, cả 2 transistor đều ngắt và điện áp ra bằng 0 và tạo ra méo điểm 0 như trên hình(1.39) với tín hiệu vào dạng sin. Méo điểm 0 này có thể được khắc phục bằng cách phân cực tĩnh với giá trị nhỏ cho cả Q1 và Q2 và mạch khuếch đại kiểu này hoạt động trong chế độ AB. Mạch này sẽ được trình bày trong phần tiếp theo.

Hình 1.39: Đặc tuyến truyền đạt và dạng sóng mạch khuếch đại chế độ BHiệu suấtXét trường hợp lý tưởng của mạch trên, khi đó điện áp UBE để transistor dẫn là 0V, nghĩa

là mỗi transistor sẽ dẫn hoàn toàn trong một nửa chu kỳ tín hiệu sin. Mạch này là mạch chế độ B và dạng tín hiệu ra trên tải sẽ lặp lại dạng tín hiệu vào.

Điểm công tác tĩnh Q có dòng ICQ = 0 hay cả hai transisor đều ngắt. Do đó, công suất tiêu thụ trên mỗi transistor khi không có tín hiệu vào bằng 0.

Điện áp ra cho mạch chế độ B này là:sino pu U tω=

Trong đó điện áp ra lớn nhất Up = VCC.

Công suất tiêu thụ tức thời trên transistor Q1 là :

1 1 1.Q CE CP u i=Dòng collector được tính theo công thức :

1

sin ; 0

0; 2

p

C L

Ut t

i R

t

ω ω π

π ω π

≤ ≤=

≤ ≤ Điện áp uCE1 được viết theo công thức:

1 sinCE CC pu V U tω= −

Do đó, tổng công suất tiêu thụ tức thời trên transistor Q1 là:

( )1

sin sinpQ CC p

L

UP V U t t

Rω ω

= − ÷

với 0 tω π≤ ≤

Và PQ1 = 0 với 2tπ ω π≤ ≤Do đó công suất tiêu thụ trung bình trên Q1 là:

1

2

4CC p p

QL L

V U UP

R Rπ= −

Công suất tiêu thụ trung bình trên Q2 đứng bằng công suất tiêu thụ trung bình trên Q1 do tính chất đối xứng.

Đồ thị hàm công suất tiêu thụ của mỗi Transitor theo giá trị điện áp ra lớn nhất Up. Công suất tiêu thụ lớn nhất là:

1

2

2(max) CC

QL

VP

Rπ= khi

2 CCp

VU

π=

Công suất trung bình trên tải là:2

1

2p

LL

UP

R= ×

Do mỗi nguồn cấp dòng điện trong mỗi nửa chu kỳ, dòng cấp trung bình là /( )p LU Rπ . Do đó, công suất trung bình của mỗi nguồn cấp là:

( )pS S CC

L

UP P V

Rπ+ −= =

Công suất trung bình do cả 2 nguồn cấp là:

2. ( )pS CC

L

UP V

Rπ=

Hiệu suất của mạch là:

212

42. ( )

p

pL L

p CCSCC

L

UUP R

U VPV

R

πη

π

×= = =

Hiệu suất lớn nhất khi tín hiệu ra lớn nhất với Up=VCC. Ta có:

max 78.5%4

πη = ≈

Ta thấy hiệu suất chuyển đổi của mạch chế độ B lớn hơn nhiều so với mạch khuếch đại chế độ A tiêu chuẩn (tải điện trở).

Thực tế, hiệu suất của mạch chế đọ B thấp hơn giá trị trên do các suy hao khác của mạch và điện áp ra đỉnh (Up) phải nhỏ hơn VCC để tránh đưa transistor vào miền bão hoà. Khi biên độ điện áp ra tăng thì méo tín hiệu ra cũng tăng. Để méo ở mức chấp nhận được, điện áp ra đỉnh Up thường nhỏ hơn VCC vài Volt.

Theo kết quả ở trên ta thấy công suất tiêu thụ lớn nhất trên transistor khi 2p CCU V π= . Tại giá trị này, hiệu suất của mạch khuếch đại chế độ B là:

2.50%

4 4CC

pCC CC

VU

V V

π πηπ

= = × =

Để khắc phục méo điểm 0 trong mạch khuếch đại chế độ B, dùng mạch đẩy kéo chế độ

AB như hình (1.40).

Hình1.40: Mạch khuếch đại đẩy kéo đối xứng bù chế độ AB

Điện trở R là điện trở phân cực dẫn dòng đến 2 diode D1 và D2 tạo điện áp không đổi giữa Q1 và Q2. Hai transistor Q1 và Q2 có cùng VBE nên I1 = I2. Khi điện áp rơi trên diode bằng VBE, ta có tại điểm A và điểm C có điện áp bằng VBE, điểm B có điện áp là 2VBE.

Hình b. là đặc tuyến truyền đạt. Khi uv = 0 (không có tín hiệu vào) thì ur = VBE nên không có méo điểm 0.

1.4.3.2 Mạch khuếch đại đẩy kéo dùng biến áp

Dạng mạch cơ bản của mạch đẩy kéo dùng biến áp như sau

Hình(1.41): Mạch khuếch đại đẩy kéo ghép biến áp dùng đèn cùng loại

Trong sơ đồ mạch hình (1.41), biến áp đảo pha đầu vào có nhiệm vụ tạo 2 điện áp vào ngược pha nhau đưa tới 2 transistor Q1 và Q2.

Khi không có tín hiệu vào, cả Q1 và Q2 đều ngắt, không có dòng điện trong mạch, điện áp ra trên tải bằng 0.

Khi có tín hiệu vào, trong nửa chu kỳ dương của tín hiệu, Q1 dẫn. Dòng i1 chạy qua biến áp đầu ra tạo cảm ứng cấp cho tải nên trên tải có nửa sóng dương. Trong nửa chu kỳ này, tín hiệu đưa vào Q2 âm nên Q2 ngắt.

Đến nửa chu kỳ tiếp theo, tín hiệu đưa vào Q2 dương nên Q2 dẫn. Dòng i2 chạy qua biến áp đầu ra tạo cảm ứng cung cấp cho tải nên trên tải có nửa sóng dương. Trong khi đó, tín hiệu đưa vào Q1 âm nên Q1 ngắt.

Do i1 và i2 chạy ngược chiều nhau trong biến áp ra nên điện thế cảm ứng bên cuận thứ cấp cũng ngược pha nhau, chúng kết hợp với nhau tạo cả chu kỳ của tín hiệu trên tải.

Tuy nhiên khi bắt đầu một chu kỳ, transistor không dẫn điện ngay mà phải chờ khi biên độ vượt qua điện thế ngưỡng VBE. Do đó tầng khuếch đại đẩy kéo ghép biến áp chế độ B cũng bị méo khi tín hiệu vào nhỏ (méo điểm 0). Để khắc phục dùng mạch chế độ AB như hình (1.42).

Hình (1.42): Mạch khuếch đại đẩy kéo chế độ AB ghép biến áp

Trong mạch chế độ AB này, hai điện trở R1 và R2 dùng để cấp dòng điện tĩnh cho Q1 và

Q2 ở chế độ AB sao cho giá trị dòng tĩnh:

max)201

101

( cCQ II ÷=

Icmax là giá trị dòng IC lớn nhất.

Điện trở RE là điện trở ổn định nhiệt (thường vài Ω) do transistor công suất làm việc với

dòng lớn nên thường có nhiệt độ cao làm thay đổi các thông số của mạch.

Trong các mạch khuếch đại đẩy kéo ghép biến áp thì hiệu suất của tầng được tính như sau:

η = ηb.a.ηB

Trong đó ηb.a là hiệu suất của máy biến áp (khoảng từ 80%÷90%), ηB là hiệu suất khuếch

đại của tầng khuếch đại chế độ B khi không ghép biến áp. Theo kết quả tính toán phần trên ta

có ηB (max)= 78.54%. Vậy có hiệu suất lớn nhất của tầng khuếch đại chế độ B ghép biến áp

là:

ηmax = ηb.a.ηB(max) = 60%÷ 70%

1.4.3.3 Mạch khuếch đại kết cuối đơn với 1 nguồn cung cấp

Để sử dụng chỉ 1 nguồn cung cấp như sơ đồ mạch hình (1.43) thì tải sẽ phải được nối

với một tụ điện có giá trị cao (khoảng vài trăm mF). Trong trường hợp này, điện áp trên tụ sẽ

là hằng số trong suốt chu kỳ hoạt động, giống như một nguồn cung cấp thứ 2. Nếu 2

Transistor giống nhau, tại điểm chung A có điện áp Vcc/2 và tụ sẽ duy trì điện áp này.

Hình1.43 : Mạch khuếch đại kết cuối đơn với 1 nguồn cấp

Như vậy, hoạt động của mạch sẽ giống như trường hợp 2 nguồn cung cấp. Khi Q1 dẫn,

điện áp cung cấp cho mạch sẽ là hiệu của Vcc và điện áp trên tụ, tức là bằng Vcc/2. Còn khi

Q2 dẫn, chỉ có nguồn cung cấp bởi tụ là hoạt động, cũng bằng Vcc/2.

Tụ C đóng vai trò như nguồn 1 chiều với giá trị điện áp là: UCo = Vcc/2Điều kiện chọn giá trị tụ C như sau:

1 1 L

d d L

R hay CC Rω ω

≤ ≥

Trong đó ωd là tần số giới hạn dưới của bộ khuếch đại.Ví dụ với tần số giới hạn dưới fd =100Hz, điện trở tải RL = 8Ω thì giá trị của tụ C

khoảng vài nghìn µF.

1.4.4 Mạch khuếch đại chế độ C

Mạch khuếch đại chế độ C transistor được phân cực trong miền ngắt, điểm làm việc

còn thấp hơn điểm ngắt. Tại một số điểm khi tín hiệu đủ lớn để vượt quá ngưỡng ngắt (trong

nửa chu kỳ dương của tín hiệu) thì mới xuất hiện tín hiệu ra. Do đó trong chế độ này transistor

chỉ dẫn trong khoảng nhỏ hơn nửa chu kỳ. Với tín hiệu vào hình sin, tín hiệu ra sẽ là các xung

với độ rộng nhỏ hơn nửa chu kỳ như hình (1.44). Tín hiệu ra của mạch khuếch đại chế độ C là

những xung hẹp. Méo trong trường hợp này là rất lớn nên không sử dụng tầng khuếch đại đơn

hoặc tầng đẩy kéo.

Mạch khuếch đại chế độ C có khả năng cung cấp công suất lớn với hiệu suất lớn hơn

78.5%, tuy nhiên chế độ C tạo méo lớn trong tín hiệu ra. Các mạch khuếch đại chế độ C chủ

yếu được ứng dụng trong khuếch đại tần số cao dùng tải cộng hưởng RLC thường dùng trong

các máy phát của Tivi hoặc đài. Đây là một lĩnh vực cần được xem xét riêng (trong phần Kỹ

thuật siêu cao tần) nên trong phần này không phân tích các mạch khuếch đại công suất chế độ

C

Hình 1.44 : Dạng sóng ra của mạch khuếch đại chế độ C.

1.5 Mạch khuếch đại có hồi tiếp

1.5.1 Các khái niệm cơ bản:

Hồi tiếp là việc đưa một phần tín hiệu đầu ra (điện áp hoặc dòng điện) trở về đầu vào

thông qua mạng hồi tiếp.

Hồi tiếp đóng vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật mạch tương tự, cho phép cải thiển

các tính chất của bộ khuếch đại, nâng cao chất lượng của bộ khuếch đại.

Hình 1.45: Sơ đồ khối bộ khuếch đại có hồi tiếp

K: hệ số khuếch đại ; Kht: hệ số hồi tiếp; Xv: Tín hiệu vào; Xh: Tín hiệu hiệu; Xr: Tín

hiệu ra; Xht: tín hiệu hồi tiếp

Người ta phân loại 2 loại hồi tiếp cơ bản:

- Hồi tiếp âm: tín hiệu hồi tiếp ngược pha với tín hiệu vào làm yếu tín hiệu vào

- Hồi tiếp dương: tín hiệu hồi tiếp đồng pha với tín hiệu vào làm mạnh tín hiệu vào

( thường dùng trong các mạch tạo dao động)

Mạch điện của bộ khuếch đại có hồi tiếp được chia làm loại

- Hồi tiếp nối tiếp điện áp: Tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu

ban đầu và tỷ lệ với điện áp ở đầu ra

- Hồi tiếp song song điện áp: Tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào song song với nguồn tín

hiệu ban đầu và tỷ lệ với điện áp ra

- Hồi tiếp nối tiếp dòng điện: Tín hiệu hồi tiếp về đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu

ban đầu và tỷ lệ với dòng điện ra

- Hồi tiếp song song dòng điện: tín hiệu hồi tiếp về đầu vào song song với nguồn tín

hiệu ban đầu và tỷ lệ với dòng điện ra

a. Hồi tiếp nối tiếp - điện áp b. Hồi tiếp song song- điện áp

c. Hồi tiếp nối tiếp – dòng điện c. Hồi tiếp song song –dòng điện

Hình 1.46: Phân loại mạch hồi tiếp

1.5.2 Các phương trình cơ bản

Hình 1.47: Sơ đồ khối toàn phần của bộ khuếch đại có hồi tiếp

Tất cả 4 loại mạch hồi tiếp trên đều có thể quy về sơ đồ khối tổng quát ở trên.

Từ sơ đồ ta có mối quan hệ sau:

Xr= K.Xh ; Xv= KnXn

Xh= Xv – Xht ; Xht = Kht.Xr

Ta có hệ số khuếch đại của mạch có hồi tiếp: htv

r

KK

K

X

XK

.1'

+==

Hệ số khuếch đại toàn phần: nn

rtp KK

X

XK .'==

Đặt: Kv = K.Kht là hệ số khuếch đại vòng

g = 1+ Kv= 1 + K.Kht : là độ sâu hồi tiếp

- Khi |g| > 1 => |K’| < |K| : tương ứng với hồi tiếp âm

- Khi |g| < 1 => |K’| > |K| : tương ứng với hồi tiếp dương

- Trường hợp đặc biệt: nếu K >>1 thì ht

hthtv

r

KKK

KK

K

X

XK

11

1

.1' ≈

+=

+==

Vậy nếu mạch có hồi tiếp có hệ số khuếch đại rất lớn thì hàm truyền đạt của nó chỉ phụ thuộc

vào mạng hồi tiếp nên sự thay đổi các tham số của các phần tử tích cực và độ tạp tán của nó

không ảnh hưởng đến các tính chất của bộ khuếch đại có hồi tiếp. Vì vậy, muốn xây dựng các

bộ khuếch đại chính xác, phải dùng linh kiện (thường là điện trở) chính xác trong khâu hồi

tiếp.

1.5.3 Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến các thông số của mạch

1.5.3.1 Hồi tiếp âm làm giảm hệ số khuếch đại

Ta có hệ số khuếch đại của mạch có hồi tiếp: g

K

KK

KK

ht

=+

=.1

'

Hồi tiếp âm g > 1 nên K’ < K hồi tiếp âm làm giảm hệ số khuếch đại.

1.5.3.2 ổn định hệ số khuếch đại

Các thông số của các phần tử tích cực (BJT hay FET) thay đổi rất nhiều theo nhiệt độ

và với mỗi linh kiện cùng loại cũng khác nhau. Do đó khi nhiệt độ thay đổi hoặc khi thay đổi

các linh kiện thì hệ số khuếch đại của mạch sẽ thay đổi.

Xét mạch có hồi tiếp: htv

r

KK

K

X

XK

.1'

+==

Lấy vi phân 2 vế

22'

).1().1(

.).1.(

htht

htht

KK

dK

KK

dKKKKKdKdK

+=

+−+= =>

htKK

KdK

K

dK

.1

/'

'

+=

Vậy hệ số khuếch đại có hồi tiếp sẽ ốn định gấp (1+K.Kht) lần khi không có hồi tiếp.

Khi thực hiện hồi tiếp âm sâu thì hệ số khuếch đại của mạch chỉ còn phụ thuộc vào mạch hồi

tiếp. Thông thường mạch hồi tiếp thường được xây dựng bằng điện trở nên hệ số Kht rất bền

vững.

1.5.3.3 Giảm méo

Gồm:

- Méo tần số do độ khuếch đại không đồng đều ở các tần số khác nhau

- Méo phi tuyến do đặc tuyến không tuyến tính của transistor là phát sinh các hài chồng

lên tín hiệu được khuếch đại làm méo tín hiệu đầu ra.

Vậy đầu ra ngoài thành phần tín hiệu vào được khuếch đại còn có một thành phần nhiễu

do méo gọi là D.

Tín hiệu đầu ra: Xr = K.Xv +D

Khi có hồi tiếp âm, nếu giữ Xv không đổi thì tín hiệu ra sẽ giảm vì K’ < K đồng thời

méo cũng giảm theo do tỷ lệ với K’. Khi có hồi tiếp âm, mạch khuếch đại K vẫn cho thành

phần nhiễu D nhưng ở đầu ra của mạch toàn phần nhiễu chỉ còn là D’.

D’= D – Kht.K.D’ => D’(1+ K.Kht) = D => htKK

DD

.1'

+=

Vậy nhiễu cũng giảm đi (1+K.Kht) lần khi có hồi tiếp âm.

1.5.3.4 Gia tăng dải tần hoạt động

- Khi có hồi tiếp âm dải tần của mạch sẽ được mở rộng (1+K.Kht) lần so với không có

hồi tiếp

Hình 1.48. Dải tần của mạch

- Trong đó : K’o = Ko/(1+K.Kht): Hệ số khuếch đại giảm (1+K.Kht) lần

- Băng thông: B’ = (1+K.Kht).B: Băng thông được mở rộng (1+K.Kht) lần

1.5.3.5 Điện trở đầu vào

- Điện trở đầu vào Rv = Uv /Iv

Hình 1.49. Sơ đồ tương đương đầu vào mạch khuếch đại

- Chia làm 2 trường hợp: hồi tiếp song song và hồi tiếp nối tiếp

a. Hồi tiếp song song

- Thay nguồn hồi tiếp bằng nguồn dòng điện cộng dòng điện

Hình 1.50. Sơ đồ tương đương tính Zv hồi tiếp song song

- Điện trở ra hồi tiếp bằng điện trở ra của nguồn hồi tiếp

- I’ là dòng điện chảy trên điện trở ra cuả nguồn hồi tiếp : I’ = Uv / Rht ( do Uv gây nên)

- Khi không hồi tiếp Iht = 0 Iv = Ih + I’

+ Rv = Uv / Iv = Uv / (Ih + I’)

+ Yv = 1/Rv = Ih/ Uv + I’/Uv = 1/Rh + 1/ Rht

- Nhận xét: + đối với nguồn dòng điện điện trở ra rất lớn ( lý tưởng = ∞)

+ đối với nguồn điện áp điện trở ra rất nhỏ ( lý tưởng = 0)

Vậy có 1/Rrht << 1/Rh 1/Rv ≈ Rh

- Khi có hồi tiếp: Iht ≠ 0 Iv = I’ + Ih + Iht = Ih + I’ + Xr.Kht = Ih(1+ K.Kht) + I’

= g.Ih + I’

+ Y’v =

vhrhthVV

h

R

g

R

g

RR

g

U

I

U

Ig =≈+=+ 1. '

g

RR v

v ='

- Kết luận: Bộ khuếch đại hồi tiếp song song có điện trở vào giảm g lần so với bộ khuếch đại

không hồi tiếp

b. Hồi tiếp nối tiếp

- Thay nguồn hồi tiếp bằng nguồn điện áp cộng điện áp

Hình 1.51. Sơ đồ tương đương tính Zv hồi tiếp nối tiếp

- Rrht: Điện trở ra của nguồn hồi tiếp ( ≈ 0)

- U’: là điện áp ra trên điện trở ra của nguồn hồi tiếp do Iv gây nên

U’ = Iv. Rrht

- Khi không hồi tiếp: Uht = 0

Uv = Uh + U’

Rv = Uv /Iv = Uh/Iv + U’/Iv = Rh + Rrht ≈ Rh

- Khi có hồi tiếp :

Uht = Uh + U’ + Uht = Uh + U’ + Xr.Kht = Uh + U’+ Uh.K.Kht = g.Uh + U’

Rv’ = Uv / Iv ≈ g.Rv

- Kết luận: Bộ khuếch đại hồi tiếp nối tiếp có Rv tăng lên g lần so với không hồi tiếp.

1.5.3.6 Điện trở đầu ra

- Cách tính điện trở ra

Ur = Urh - IrRr

+ Urh : Là điện áp ra khi hở mạch tải

r

r

Ir

rr I

U

I

UR

∆∆=

∂∂−= (Dấu ‘- ‘ biểu thị Ur và Ir ngược pha nhau)

- Xét trường hợp giới hạn: Hở mạch và ngắn mạch

r

r

rng

rh

rhrng

rngrhr I

U

I

U

II

UUR ≠=

−−

=

a. Hồi tiếp điện áp

- Thay nguồn tín hiệu ra bằng nguồn điện áp

Hình 1.52. Sơ đồ tương đương tính Zr hồi tiếp điện áp

- Khi chưa có hồi tiếp: Rr = Rrk // Rvht

do Rrk rất nhỏ nên có thể lấy Rr ≈ Rrk

- Khi có hồi tiếp

+ Urh = Xh . Kh = Xv . K’h = Xv . hth

h

KK

K

.1+

+ Irng = rk

hh

rk

rh

R

KX

R

U .=

+ Khi ngắn mạch Ur = 0 không có hồi tiếp Xht = 0 Xv = Xh

Vậy Irng = rk

hv

R

KX .

+ Điện trở ra khi có hồi tiếp:

g

R

g

R

RKX

KKKX

I

UR rrk

rk

hv

hth

hv

rng

rhr ==+==

.

).1(.'

- Kết luận: Khi hồi tiếp âm điện áp, điện trở ra giảm g lần so với không hồi tiếp

b. Hồi tiếp âm dòng điện:

Thay nguồn tín hiệu ra bộ khuếch đại là nguồn dòng điện.

rng

rhr I

UR =

+ Irng: dòng điện ra khi ngắn mạch. Hệ số khuếch đại khi đó gọi là hệ số khuếch đại

ngắn mạch.

Irng = Xh.Kng ( K ngắn mạch) = Xv . htng

ng

KK

K

.1+

+ Urh = Irng.Rrk = Xh.Kng.Rrk

Trong đó Rrk : điện trở ra của bộ khuếch đại.

+ Khi hở mạch không có dòng qua điện trở vào hồi tiếp mất hồi tiếp Xht = 0

Xv = Xh Urh = Xv.Kng.Rrk.

+ điện trở ra khi có hồi tiếp: Rr’ = rk

ngh

rkngv

rng

rh Rg

gK

X

RKX

I

U.

.

..==

+ điện trở ra khi không hồi tiếp: Rr = Rrk + Rvht ≈ Rrk ( do Rrk >> Rvht)

Kết luận: Vậy khi có hồi tiếp âm dòng điện thì điện trở ra sẽ tăng g lần so với không hồi

tiếp.

Tổng kết các loại hồi tiếp:

- Các loại hồi tiếp:

Hồi tiếp dương

K’ > K

Hồi tiếp âm

K’ < KHồi tiếp điện áp

Xht = K.Ura

Hồi tiếp dòng điện

Xht = K.Ira

Hồi tiếp nối tiếp

Uv = Uh + Uht

Hồi tiếp song song

Iv = Ih + Iht

- Thông số kỹ thuật

Các thông số kỹ thuật Hồi tiếp

âm dòng

điện nối

tiếp

Hồi tiếp

âm điện áp

nối tiếp

Hồi tiếp âm

điện áp

song song

Hồi tiếp âm

dòng điện

song song

Tổng trở vào: Zv

ZV.g ZV.g Zv /g Zv /g

Tổng trở ra: Zr

Zr.g Zr /g Zr/g Zr.g

Độ khuếch đại điện

áp: KU

Ku/g Ku/g Ku/g Ku/g

Độ rộng băng thông:

B

B.g B.g B.g B.g

Trong đó g =1–K.Kht

Các mạch khuếch đại hồi tiếp âm làm tăng tổng trở đầu vào thường dùng cho tầng tiền

khuếch đại, để không làm giảm biên độ của tín hiệu hữu ích, các mạch hồi tiếp âm làm giảm

tổng trở đầu ra thường dùng cho các tầng cuối(công suất), để tăng khả năng cấp dòng cho tải.

Ngoài các thông số thống kê trên, mạch hồi tiếp còn có tác dụng giảm biên độ nhiễu,

giảm độ méo phi tuyến và méo tần số.

1.5.4 Phương pháp phân tích bộ khuếch đại có hồi tiếp

1.5.4.1 Phương pháp chung

- Bước 1: Phân tích loại hồi tiếp

+ Nếu là hồi tiếp điện áp: Xra = Ura

+ Nếu là hồi tiếp dòng điện: Xra = Ira

+ Nếu là hồi tiếp song song cộng dòng điện: Xv = Iv; Xh = Ih; Xht = Iht

+ Nếu là hồi tiếp nối tiếp cộng điện áp: Xv = Uv ; Xh = Uh ; Xht = Uht

- Bước 2: Lập các phương trình

+ Xra = K.Xh K = ….

+ Xht = Kht.Xra Kht = …

+ Xv = Kn.Xn Kn =….

- Bước 3: Vẽ sơ đồ khối và áp dụng các công thức tính K’, K’tph

Ví dụ 1: Cho mạch hồi tiếp như hình vẽ

1kHz

EnnR

bi

er

B1R

B2R

ER+

-

Vi

2Cp

ER

B2R

B1R

Q7

1Cp

Vcc

Hình 1.53. Mạch khuếch đại hồi tiếp âm điện áp nối tiếp

- Bước 1 : Xác định loại hồi tiếp

+ Thành phần hồi tiếp: điện trở RE nối từ đầu ra về đầu vào

+ Uht = Ur đây là hồi tiếp điện áp.

+ Do phần tử hồi tiếp RE, nguồn tín hiệu đầu vào của bộ khuếch đại (UBE) mắc nối tiếp với

nhau nên đây là hồi tiếp nối tiếp

+ Uht = URe = Ura = IE.RE

Khi Uht tăng UBE = Uh = Uv – Uht sẽ giảm IE sẽ giảm Ur = Uht sẽ giảm hồi tiếp

âm (chống lại sự biến đổi ban đầu)

Vậy đây là mạch hồi tiếp âm nối tiếp điện áp

Ta có: Xv = Uv

Xht = Uht

Xh = Uh = UBE

- Bước 2 : Lập phương trình

Ur = f(Uh) Ur = f(UBE)

Ur = IE.RE = IB (1+β)RE = EBE

BE RR

U)1( β+

Chú ý: RBE là điện trở xoay chiều của transistor ( ≠ UBEo/RBEo) ;B

BEBE I

UR

∆∆=

+ Hệ số khuếch đại: Xr = f (Xh) K = ( )

BE

E

BE

r

h

r

R

R

U

U

U

U β+== 1

+ Hệ số hồi tiếp

C

β

βUv

UrUrUv

BE

Xht = f (Xr) , Uht = Ur Kht = 1==r

ht

r

ht

U

U

X

X

+ Xv = f (Xn) Uv = f (Un) = nv

nv

RR

UR

+.

( thao tỷ số phân áp)

Rv = RB1 // RB2 //RvT ( RvT: điện trở vào của transistor )

- Bước 3: vẽ sơ đồ khối

Hình 1.54. Sơ đồ khối mạch hồi tiếp

11

.1' ==

+=

htht KKK

KK (nếu hồi tiếp âm sâu g >> 1)

nv

vn

ht

ntf RR

RK

KK

KKK

+==

+=

.1

.' (nếu hồi tiếp âm sâu)

1.5.4.2 Phương pháp chuyển đổi sơ đồ khối

Phương pháp: Từ sơ đồ khối thực tế viết phương trình quan hệ của tất cả các đại lượng

trong mạch. Sau đó lập sơ đồ khối theo các phương trình trên và chuyển đổi sơ đồ

khối đó thành sơ đồ khối tiêu chuẩn đã biết của bộ khuếch đại có hồi tiếp rồi áp dụng

công thức tính các thông số khuếch đại.

Một vài phép chuyển đổi sơ đồ khối

Hình 1.55. Một số phép chuyển đổi sơ đồ khối

1.6 Mạch khuếch đại thuật toán và một số ứng dụng cơ bản

1.6.1 Cơ bản về bộ khuếch đại thuật toán

Viết tắt OP-amp ( operational amplifier). Khuếch đại thuật toán về cơ bản là mạch sử

dụng cho tính toán : cộng, trừ, biến đổi cộng trừ… Ngày nay, KDTT được sử dụng như

một bộ khuếch đại đa chức năng và là các IC tiêu biểu trong các mạch tương tự.

A BX1

X2

X3 C = A.B

X1 X

3

A

B

X1

X4 C = A/

(1+A.B)X

1 X4

Bộ khuếch đại thuật toán giống khuếch đại 1 chiều thông thường là có thể khuếch đại

U, P hoặc I. Tuy nhiên, nó có điểm khác khuếch đại thông thường là các bộ khuếch đại

thông thường thường có kết cấu khác nhau tuỳ theo yêu cầu sử dụng, cũn KĐTT về cơ

bản có kết cấu bên trong giống nhau được tạo nên từ tầng khuếch đại vi sai. Việc sử dụng

của nó khác nhau tuỳ theo các phần tử mắc ở mạch ngoài.

Để đảm bảo tính chất trên bộ KĐTT cần có những đặc điểm sau:

• Hệ số khuếch đại vi sai lớn ( Kd lớn)

• Hệ số khuếch đại đồng pha nhỏ ( KC nhỏ)

• Trở kháng vào rất lớn

• Trở kháng ra rất nhỏ

• Đáp ứng tần số không đổi

Bộ KĐTT là vi mạch tích hợp có hệ số khuếch đại rất lớn. Chúng thường có hai đầu

vào tín hiệu, một đầu ra, hai đầu vào cấp nguồn, và các chân bù điện áp lệch, bù tần số …

(thông thường bộ KĐTT là IC có 8 chân dạng DIP). Sơ đồ mạch và hình dạng thực tế của

IC KĐTT 741.

Hình 1.56: Cấu tạo bên trong và hình dáng thực tế của IC 741Như vậy, KĐTT thực chất là một mạch bao gồm một bộ khuếch đại vi sai ở tầng vào,

các bộ khuếch đại đệm và cuối cùng là bộ khuếch đại công suất. Các mạch khuếch đại này có

thể là transistor lưỡng cực (BJT) hoặc transistor trường (FET), vì vậy các thông số của các bộ

KĐTT cũng khác nhau ít nhiều.

Ký hiệu khuếch đại thuật toán (Hình 1-57)

Ch©n 7, 4: cÊp nguån cung cÊp +/-VCh©n 2: ®Çu vµo ®¶oCh©n 3: ®Çu vµo kh«ng ®¶oCh©n 1, 5: ®iÒu chØnh lÖch 0Ch©n 6: ®Çu ra

Hình 1-57: Ký hiệu khuếch đại thuật toán

• UP, IP : điện áp và dòng vào cửa thuận

• UN, IN: điện áp và dòng vào cửa đảo

• Ud: điện áp vi sai (điện áp sai lệch giữa 2 đầu vào thuật toán)

Ud = UP - UN

Quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của KĐTT

Kd>0 : Hệ số khuếch đại vi sai của KĐTT ( 105÷ 106 )

Nếu UN = 0 Ur = Kd .UP> 0 điện áp ra đồng pha với điện áp vào cửa P

là cửa thuận

Nếu UP = 0 Ur = - Kd.UN< 0 điện áp ra ngược pha với điện áp vào cửa

N là cửa đảo.

Ngoài ra cũng một số cực khác:

Các cực hồi tiếp âm điện áp giữa các tầng vi sai

Các cực nguồn cung cấp giữa các tầng vi sai

Các cực điều chỉnh điểm không

1.6.2 Các tham số cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán

1.6.2.1 Hệ số khuếch đại hiệu ( hệ sô khuếch đại vi sai) Kd

NP

r

d

rd UU

U

U

UK

−==

Kd ≥ 104 rất lớn , Urmax≈± Ec= (10 ÷ 20)V

Ud = Ur /Ud rất nhỏ cỡ mV.

Uo = Kd. Ud = Kđ ( UP – UN)

1.6.2.2 Đặc tuyến truyền đạt điện áp của khuếch đại thuật toán

Hình 1-58: Đặc tuyến truyền đạt của KĐTT

Do Kd lớn nên phần khuếch đại có độ dốc lớn. Hệ số khuếch đại Kd sẽ suy giảm khi lờn miền

tần số cao do sự phụ thuộc các tham số transistor và điện dung ký sinh trong sơ đồ.

1.6.2.3 Dòng vào tĩnh và điện áp lệch khôngKhuếch đại một chiều có hiện tượng trôi điểm không do sự phụ thuộc vào

nhiệt độ của các tham số transistor. Để cân bằng ban đầu cho OA thường cho một

trong các đầu vào của nó một điên áp phụ thích hợp hoặc một điện trở để điều chỉnh

dùng thiên áp đầu vào.

• Dòng vào tĩnh: 2NP

t

III

+= với UP = UN = 0

• Dòng vào lệch không : Io = IP – IN với UP = UN = 0 (thường Io = 0.1 It)

• Điện áp lệch không: U o = UP – UN khi Ur= 0

Trong thực tế khi Ud = 0 thì Ur vẫn khác 0 do điện áp lệch không ở đầu vào gây

ra. Điện áp lệch không là điện áp cần đặt vào đầu vào OA để Ur = 0

• Các giá trị I0 và Uo đều phị thuộc nhiệt độ khi nhiệt độ thay đổi sẽ dẫn đến hiện

tượng trôi dòng lệchkhông và điên áp lệch không.

• Với KĐTT lý tưởng thì các giá trị Io và Uo bằng 0.

1.6.2.4 Tỷ số nén tín hiệu đồng phaTỷ số nén tín hiệu đồng pha CMRR(common mode rejection ratio): Nếu đặt vào đầu

vào đảo và đầu vào không đảo các điện áp bằng nhau thì theo lý thuyết Ur phải bằng 0.

Nhưng trên thực tế lại không như vậy, lúc này sẽ có:

Ur = Kc.Ucm

KC: Hệ số khuếch đại đồng pha ( với khuếch đại thuật toán lý tưởng KC = 0)

Ucm: điện áp đồng pha

Tỷ số nén đồng pha : G = Kd / Kc = (103÷ 105) hoặc theo đơn vị dB với:

G[dB]= 20logC

d

K

K khoảng (76 ÷100)dB

Hệ số nén đồng pha sẽ đánh giá khả năng làm việc của bộ KĐTT thực tế so với bộ

KĐTT lý tưởng. Với KĐTT lý tưởng G ∞.

Hình 1-59: Đặc tuyến truyền đạt điện áp đồng pha

Khi điện áp đồng pha tăng thì điện áp ra cũng tăng. Nếu UC> UCmax thì điện áp ra tăng

rất mạnh nên yêu cầu nhiệt độ biến đổi trong khoảng cho phép để Uc < UCmax

1.6.3 Các sơ đồ cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán

Để ổn định chế độ công tác của KĐTT sẽ dùng mạch hồi tiếp âm.

Để tạo dao động dùng hồi tiếp dương.

1.6.3.1 Bộ khuếch đại đảo

Sơ đồ mạch khuếch đại đảo cơ bản như hình 1-60

Hình 1-60: Mạch khuếch đại đảo

Cửa P được nối đất, cửa N được nối với điện trở đầu vào Z i và điện trở hồi tiếp Zf .

Tín hiệu vào được đưa vào cửa đảo. Do OA có Rv∞ nên dòng vào các cửa ≈ 0 ( IP≈ IN≈ 0)

Có: Kd = Ur /Ud = Ur/ (UP – UN)

Mà UP = 0 UN = - Ur /Kd

Mà Kd∞ nên UN→ 0

Với KĐTT lý tưởng coi UP = UN

Phương trình dòng điện tại nút N:

i

f

v

ruv

i

fr

f

Nr

i

N

Z

Z

U

UKU

Z

ZU

Z

UU

Z

UUv −==⇒−=⇒=−+−.0

Vậy hệ số khuếch đại áp: i

fu Z

ZK −=

Trở kháng vào: Zi = Vi /ii = Zi

Nhận xét:

• Khi tín hiệu vào cửa N thụng qua Zi và hồi tiếp là Zf thì hệ số khuếch đại chỉ phụ

thuộc vào tỷ số (Zf/Zi) mà không phụ thuộc vào hệ số khuếch đại thuật toán (Kd)

• Ku< 0 nghĩa là điện áp ra ngược pha điện áp vào, đây được gọi là mạch khuếch đại

đảo.

• Tầng khuếch đại đảo có trở kháng vào nhỏ ( = Zi). Nếu tăng trở kháng vào sẽ làm

giảm hệ số khuếch đại.

• Nếu cho Zi = Zht thì Ku = -1 tạo tầng đảo lặp lại điện áp

• Nếu cho Zi =0 thì dòng điện vào Iv = -Ur / Zf → Ur= -IV.Zf → điện áp ra tỷ lệ với

dòng vào → bộ biến đổi dòng sang áp.

1.6.3.2 Mạch khuếch đại không đảo

Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo như hình 1-61.

Hình 1-61: Mạch khuếch đại không đảo

Điện áp vào (Vi) được đặt vào cửa thuận. Mạch hồi tiếp điện áp đặt vào cửa đảo.

Do UP = UN→ Vi = V1 = V2

Và if ii =

ff Z

VVi 20 −

=

ifii Z

V

Z

VV

Z

Vi 2202 =

−=>=

Vậy hệ số khuếch đại áp:

i

f

iV Z

Z

V

VA +== 10

Nhận xét:

• Zf, Zi có thể có bất kỳ dạng nào.

• V0 và Vi cũng có thể có bất kỳ dạng nào.

• Khi Zf, Zi là điện trở thuần thì đầu ra V0 sẽ có cựng pha với đầu vào Vi (nên mạch

được gọi là mạch khuếch đại không đảo và đầu vào (+) được gọi là đầu vào không

đảo).

• Zf cũng đóng vai trò hồi tiếp âm. Để tăng độ khuếch đại Av, ta có thể tăng Zf hoặc

giảm Zi.

• Mạch khuếch đại cả tín hiệu 1 chiều khi Zf và Zi là điện trở thuần. Mạch cũng giữ

nguyên tính chất không đảo và có cùng công thức với trường hợp của tín hiệu xoay

chiều.

• Khi Zf =0 ta có Av=1→ V0=Vi hoặc Zi=∞ ta cũng có Av=1 và V0=Vi (hình 1.62 ). Lúc

này mạch được gọi là mạch ”voltage follower” thường được dùng làm mạch đệm

(buffer) và có tổng trở vào lớn và tổng trở ra nhỏ như mạch cực thu chung ở BJT

Hình 1.62: Mạch đệm điện áp

1.6.3.3 Mạch khuếch đại tổng

Sơ đồ mạch như hình 1.63

Hình 1.63: Mạch khuếch đại tổng

Các dòng điện chạy qua các điện trở là:

n

nn R

Vi

R

Vi

R

Vi === ;....;;

2

22

1

11

Tổng các dòng điện này chạy qua Rf và tạo thành V0 nên ta có:

∑=

==>

+++−=

n

jjj

n

nf vkV

R

V

R

V

R

VRV

10

2

2

1

10 .....

Trong đó: n

fn

ff

R

Rk

R

Rk

R

Rk −=−=−= ;....;

22

11

Nếu: Rf

=R1

=R2

=...=Rn

thì ta có:

∑=

−=n

jjvV

10

Tín hiệu đầu ra bằng tổng các tín hiệu đầu vào nhưng ngược pha. Ta chú ý là Vi là 1 điện thế

bất kỳ có thể là một chiều hoặc xoay chiều

1.6.3.4 Mạch khuếch đại hiệu

Dạng mạch cơ bản hình 1.64.

Hình 1.64: Mạch khuếch đại hiệu

Ta có:

if

fnm RR

RVVV

+== 1

Dòng điện vào từ V2 qua Ri sẽ qua Rf nên:

f

m

i

m

R

VV

R

VV 02 −=

−

Thay trị số của Vm vào biểu thức trên ta tìm được:

( )210 VVR

RV

i

f −=

Nếu Rf =Ri ta có: V0=(V1-V2)

1.6.3.5 Mạch tích phân

Sơ đồ mạch như hình 1.65.

Hình 1.65: Mạch tích phân

Dòng điện đầu vào:

n

n

R

V

R

V

R

VI +++= ...

2

2

1

1

Dòng này nạp vào tụ C và tạo ra V0

∫∫

+++−=−=

t

n

nt

dtR

V

R

V

R

V

CdtI

CV

0 2

2

1

1

0

....1

.1

0

Hay

∫

+++−=

t

nn

dtVCR

VCR

VCR

V0

22

11

0 ..1

....1

.1

∫∑ =−==>

tn

j jj dtVkV0

10 ..

Với kJ là hệ số khuếch đại của các đầu vào: kj = 1/Rj.C

Đặc biệt khi R1= R2 = …. = Rn = R thì:

∫∑ =−==>

tn

j j dtVRC

V0

10 ..1

Vậy điện áp ra sẽ bằng tích phân của điện áp vào chia cho hằng số thời gian τ = RC

Biến τ có thể được định nghĩa như là thời gian cần thiết cho điện áp Vr đạt tới biên độ

bằng với điện áp vào, bắt đầu từ điều kiện 0 và với điện áp vào là hằng số.

Nếu xét đến điều kiện ban đầu UC0 là điện áp trên tụ C tại t = 0 thì ta có:

v0 = 01

1C

t

o

n

ji Udtv

RC+− ∫∑

=

Xét đặc tuyến biên độ tần số

Đối với khuếch đại thuận hoặc khuếch đại đảo thì hệ số khuếch đại không phụ thuộc

vào tần số tín hiệu vào (ω) với KĐTT lý tưởng. Nhưng trong thực tế thì nó sẽ suy giảm ở

tần số cao do sự phụ thuộc của Kd vào tần số có dạng như hình 1.66.

Hình 1.66: Suy giảm hệ số khuếch đại khi tần số tăng.

Đối với mạch tích phân ta có |Ku | = Ψ(ω)

Xét tín hiệu vào dạng sin với biên độ Uvm ta có: Uv = Uvm. sinωt và điện áp ra ban đầu

(trên tụ C) = 0 ta có:

RCRCU

UK

RC

UU

tURC

dttURC

dttUvRC

U

oo

vm

rmu

vmrm

vmvmr

ωω

ωω

ωω

ωω

ω

1 ;

1

cos.1

.sin.1

)(1

====⇒=

=−=−= ∫∫

Ku[dB] = 20log|Ku|=20logωo – 20 logω = b-a.x, đây là phương trình đường thẳng với :

• b = 20logωo

• a = 20

• x = logωTa có đặc tuyến biên độ tần số của mạch tích phân như hình (1.67)

Hình 1.67: Đặc tuyến biên độ tần số của mạch tích phân

• Khi x = logω = 0 → |Ku| dB = b = 20 logωo

• |Ku| dB = 0 khi log ω = logωo→ω = ωo

• Khi |Ku|dB = 0 → Ku = 1 → gọi ωo là tần số đơn vị.

Đặc tính tần số của của mạch tích phân giảm khi tần số tăng , đây là mạch lọc thông thấp.

Ảnh hưởng của điện áp lệch không

Xét với bộ KĐTT thực, ta có thể tìm được điện áp lệch không, xuất hiện như là điện

áp DC tại đầu vào và khi được tích phân sẽ xuất hiện tại đầu ra như là một điện áp tăng

tuyến tính.Tương tự, một phần của dòng thiên áp cũng được tích phân, tạo nên sự thay đổi

của điện áp ra.

Hai nguyên nhân gây lỗi trên thực tế sẽ đưa bộ KĐTT đến trạng thái bão hoà. Đây

chính là một hạn chế của mạch. Vấn đề này sẽ được khắc phục bởi việc nối thêm 1 điện

trở giữa đầu vào không đảo và đất, để bù ảnh hưởng của dòng thiên áp; đồng thời thêm

điện trở mắc song song với tụ C để trung hoà ảnh hưởng của điện áp lệch như sau.

Hình 1.68: Mạch tích phân thực tế

Ứng dụng của mạch tích phân được dùng rộng rãi trong các mỏy tính tương tự để giải

các phương trình vi phân và trong sự mụ phỏng các hệ vật lý. Trong các mạch như vậy tụ

được nạp với trị số ban đầu cần thiết và điện áp đó được duy trì với hệ mạch phụ cho tới khi

việc giải được bắt đầu với t = 0.

1.6.3.6 Mạch vi phân

Hình 1.69: Sơ đồ mạch

vi phân

Tín hiệu vi nạp vào tụ C

bằng dòng điện ii có trị

số: dt

dvCi i

i =

Đây cũng chính là dòng điện chạy qua điện trở R, vậy:

dt

dvRCV i−=0

Dấu trừ biểu thị sự ngược pha của Ur và vi phân của Uv

Xét quan hệ theo tần số: cho tín hiệu vào dạng sin: Uv = Uvm.sin ωt

=>

RCCR

U

UKUCRU

tURCdt

tdUCRtUr

oovm

rmuvmrm

vmvm

1;..||...

cos..sin

...)(

====⇒=

−=−=

ωωωωω

ωωω

Theo đơn vị dB: Ku[dB] = 20logω - 20logωo= ax – b → phương trình đường thẳng

với ωo là tần số đơn vị.

Mạch vi phân có tính chất của mạch lọc thông cao do Ku tăng khi tần số tăng.

Hình 1.70: Đặc tuyến biên độ tần số mạch vi phân

Vấn đề tạp âm

Tạp âm luôn xuất hiện trong các mạch điện tử sẽ trở nên mạnh hơn trong các mạch lấy

vi phân. Tạp âm có xu hướng thay đổi đột ngột, bất ngờ tạo ra các xung nhọn. Và tín hiệu

ra của bộ vi phõn thực tế tỷ lệ với tốc độ biến thiên của tín hiệu vào nên những thay đổi

đột ngột đó làm tăng tạp âm tại đầu ra. Đặc biệt khi ở tần số cao thì tạp âm càng được

khuếch đại nhiều do Ku tăng khi tần số tăng. Có thể giảm được vấn đề tạp âm nếu sử dụng

ở tần số thấp.

Để khắc phục một phần nào, mắc thêm một điện trở nối tiếp với tụ C ở đầu vào như

hình 1.71. Lúc này mạch chỉ có đặc tính vi phân tốt khi tần số của tín hiệu nhỏ hơn

1/2πRi.C.

Hình 1.71: Mạch vi phân thực tế

1.6.3.7 Mạch so sánh

Mạch so sánh sẽ so sánh biên độ điện áp đưa vào với một điện áp chuẩn (Uch). Thông

thường điện áp chuẩn được định trước cố định.

Mạch so sánh mức 0 khi điện áp chuẩn được đưa vào cửa đảo, điện áp vào đưa tới cửa

thuận (Hình 1.72)

Hình 1.72: Mạch so sánh mức 0 điện áp vào cửa không đảo

Hoạt động:

• Khi Ei< Vref thì Ud = Ei - Vref< 0 Vo = - Urmax mức bão hoà âm

• Khi Ei> Vref thì Ud = Ei - Vref> 0 Vo = + Urmax mức bão hoà dương

Hiệu điện áp Ud sẽ xác định hàm truyền đạt của nó.

Mạch so sỏnh mức 0 khi điện áp chuẩn đưa vào cửa thuận, điện áp vào đưa vào cửa đảo

(Hình 1.73)

• Khi Ei < Vref thì Ud = Ei - Vref> 0 Vo = + Urmax mức bão hoà dương

• Khi Ei > Vref thì Ud = Ei - Vref< 0 Vo = - Urmax mức bão hoà âm

Hình 1.73: Mạch so sánh mức 0 điện áp vào cửa không đảo

Ta có thể thấy rằng mạch điện rất đơn giản không cần có thêm các linh kiện ngoài.

ứng dụng chủ yếu của mạch là bộ phát hiện qua mức 0 và mạch tạo xung vuông.

1.6.3.8 Mạch khuếch đại loga

Mạch tạo hàm loga cho điện áp đầu ra: Ur = α1.ln(α2.Uv)

Muốn vậy ta dựng biểu thức của dòng điện qua diode :

)1.(.

−= T

AK

mU

U

SD eII

• IS là dòng ngược bóo hoà

• UT là hiệu thế nhiệt ( = 26mV ở nhiệt độ phũng)

• UAK là điện áp đặt nên điốt

Trong miền làm việc ID>> IS nên có thể coi gần đúng

S

DTAK

mU

U

SD I

IUmUeII T

AK

ln...

=⇒= đây chính là hàm logarit cần tìm.

Để thực hiện quan hệ này có thể sử dụng mạch như hình 1.74

UrUvR

T

UrUv

D

R

Hình 1.74: Mạch khuếch đại loga

Nếu KĐTT là lý tưởng sẽ có:

ID = Uv /R và Ura = -UAK Ura = -mUT.ln(Uv /IS.R)

Có thể thay diode bằng transistor mắc kiểu diode sẽ loại trừ được hệ số m và mở rộng phạm

vi làm việc của mạch.

Ur = -UBE = - UTln(Uv /IS.R)

1.6.3.9 Mạch đối loga (hàm mũ)

Mạch đối loga sử dụng các phần tử phi tuyến như diode và transistor ( tương tự mạch loga). Sơ đồ mạch như hình 1.75.

UrUv T

R

D

R

Uv Ur

Hình 1.75: Mạch đối loga

Với mạch dựng diode có: T

v

Um

U

Sr eIRU ...−=

Với mạch dựng transistor có: T

v

U

U

Sr eIRU ..−=

1.6.3.10 Mạch nhân/ chia tương tự:

Mạch nhân (chia) tương tự được thực hiện bằng mạch khuếch đại loga và đối

loga. Sơ đồ khối mạch nhân (chia) tương tự như hình 1.76.

Hình 1.76: Sơ đồ khối mạch nhân/chia tương tự