93
Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa Công Nghệ Điện Tử Bài giảng Tp.HCM 08-2008 L' T2 S2 C' T1 S1 L' C' + - i r i i r v g R L R L v -

Bai giang mach_dien_tu_2

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Bai giang mach_dien_tu_2

Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM

Khoa Công Nghệ Điện Tử

Bài giảng

Tp.HCM 08-2008

L'

T2

S2C'

T1

S1

L'

C'

+

-

ir

i

i

r

v

gR

LR L

v

-

Page 2: Bai giang mach_dien_tu_2

Mục lục

Chương 1: Đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đại ghép RC ............................ 3

1.1 Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại ................................................................ 3

1.2 Phương pháp khảo sát đáp ứng tần số của mạch khuếch đại ............................ 3

1.3 Khảo sát đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đại BJT ghép RC ................... 6

1.4 Khảo sát đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đại FET ghép RC ................ 11

Bài tập chương 1 ................................................................................................... 16

Chương 2: Đáp ứng tần số cao của mạch khuếch đại ghép RC ............................ 19

2.1 Bộ khuếch đại transistor ở tần số cao .............................................................. 19

2.2 Phân tích mạch khuếch đại BJT ở tần số cao .................................................. 21

2.3 Phân tích mạch khuếch đại FET tần số cao .................................................... 26

2.4 Mạch khuếch đại đa tần RC dùng BJT ........................................................... 29

2.5 Mạch khuếch đại đa tần RC dùng FET ........................................................... 31

2.6 Tích số độ lợi khổ tần GBW ........................................................................... 32

Bài tập chương 2 ................................................................................................... 35

Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng ............................................................. 38

3.1 Mạch cộng hưởng đơn dùng BJT transistor .................................................... 38

3.2 Mạch cộng hưởng đơn dùng FET ................................................................... 43

3.3 Mạch khếch đại ghép biến áp dùng BJT thông dụng ...................................... 46

3.4 Mạch khuếch đại điều hợp đồng bộ dùng FET ............................................... 47

3.5 Mạch khuếch đại điều hợp đồng bộ dùng FET ghép 2 tầng ........................... 49

Bài tập chương 3 ................................................................................................... 51

Chương 4: Mạch lọc thụ động ............................................................................... 54

4.1 Mục đích ứng dụng ......................................................................................... 54

4.2 Phân loại mạch lọc .......................................................................................... 54

4.3 Lý thuyết cơ sở về mạch lọc ........................................................................... 55

4.4 Mạch lọc thụ động ........................................................................................... 55

Phần II: Thiết kế và mô phỏng ............................................................................. 59

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio ....................................................... 73

5.1 Đặc điểm của mạch khuếch đại công suất ...................................................... 74

5.2 Mạch khuếch đại công suất ghép tải trực tiếp (lớp A) .................................... 74

5.3 Mạch khuếch đại công suất ghép tụ ra tải(lớp A) ........................................... 76

5.4 Mạch khuếch đại công suất ghép biến áp (lớp A) ........................................... 77

5.5 Khảo sát mạch khuếch đại công suất lớp B .................................................... 79

5.6 Các dạng mạch công suất lớp B ...................................................................... 82

Bài tập chương 5 ................................................................................................... 91

Page 3: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại

Chương 1

ĐÁP TUYẾN TẦN SỐ THẤP CỦA MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP RC

1.1. Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại

• Mỗi mạch khuếch đại đều có một khoảng tần số hoạt động nhất định, gọi là băng thông (Band width) hoạt động của hệ thống.

Ký hiệu: BW = [fH – fL] (Hz) • Mạch khuếch đại được đặc trưng bởi hàm truyền hệ số khuếch đại, được

gọi là Ai hay Av. • Đáp tuyến băng thông của mạch khuếch đại

)(dBAx

f(Hz)

A

2mA

fL fH

Midband

1.2. Phương pháp khảo sát đáp ứng tần số của mạch khuếch đại

Các bước khảo sát: i. Bước 1: Vẽ mạch tương đương ở vùng tần số hoạt động

ii. Bước 2: Thiết lập biểu thức của hàm truyền hệ số KĐ iii. Bước 3: Vẽ biểu đồ Bode cho tần số và pha

Ví dụ: Cho mạch điện tương đương sau

0

Vo

I1ieC

R1

R2 Rc

V1vi+

-

Ta có

jwC1R

jwC1R

R

1Rcvi

iRci

ViVoA

2

2

1

i

e

e

ev

+

×+

×−=×−==

1

Page 4: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại

)R//R(jwC1)jwCR1(

RRRc

jwC)RR(RR

)jwC

1R(RcA

21

2

212121

2

v ++

×+

−=+

+

+×−=

Vậy )R//R(jwC1

)jwCR1(RR

RcA21

2

21v +

+−=

Đặt )R//R(C

1w,CR

1w21

22

1 ==

=> )

wwj1(

)wwj1(

RRRcA

2

1

21v

+

+−=

Vậy: 2

2

2

1

21v

)ww(1

)ww(1

RRRcA

+

+= (1)

và )ww(arctg)

ww(arctg

21

−=θ (2)

• V u đồ Bode cho tần số tín hiệu Khai triển decibel ta được: ẽ biể

( ) 2

2

2

121vv lg20A + )

ww(1lg20)

ww(1)

RRRclg(20Alg20dB +−++

== (dB)

Hay 210v AAA)dB(A ++=

Xấp xĩ gần đúng

⎪⎪

⎪⎪

>>

==

≈+=

)ww(wwlg20

)Ww(dB3)0w(dB0

)ww(1lg20A

11

12

11

Biểu đồ Bode cho A1

2

Page 5: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại

Biểu đồ Bode cho các A0, A1, A2

)(dBA1

w(rad/s)

Biểu đồ Bode tổng của Av

• Biểu đồ Bode cho pha tín hiệu

Ta có )ww(arctg)

ww(arctg −=θ

21

Đặt 21 θ+θ=θ

Xấp xĩ gần đúng

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

>

<<+

<<

)w10w(,90

)w10w10w(),

wwlg1(45

)ww(,0

1o

11

1

1o

1

ểu đồ Bode cho θ1, θ2 Bi

w 10w

20 20dB/deca

)(dBAx

w(rad/s)W1 10w1

20 20dB/deca

W2 10w2

A1

A2

A0

)(dBAv

w(rad/s)W1

A

20dB/deca

Mid-bank

W2

3

Page 6: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại

Biểu đồ Bode cho góc pha tổng θ

1.3. Khả BJT ghép RC

2 loại

ass cực E transistor (Emitter bypass capacitor). Khảo

Lưu

o sát đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đại

• Phương pháp khảo sát: Để đơn giản cho việc khảo sát ta tách ra ghép RC riêng biệt

Ghép tụ bypsát đáp tuyến tần số trên mạch này như các bước đã nêu trên Ghép tụ ngõ vào và ra (Coupling capacitor)

ý: Do đặc điểm chức năng của mỗi loại tụ ghép trong mà nó quyết định

n các giá trị C coupling sao cho

• Ví dụ: khảo sát đáp tuyến tần số thấp c a mạch khuếch đại sau

sự ảnh hưởng đến hoạt động của mạch khuếch đại. Tụ Emitter quyết định tần số cắt dưới của mạch. Tụ coupling chỉ đóng vai trò là tụ lien lạc giữa ngõ vào và ra. Khi thiết kế mạch ta chọ

)coupling(L)terBypassemit(L ff >>

45o

101w 1w 110w

102w

2w 210w w(Rad/s)

- 45o

- 90o

θ

θ

90o

101w 110w

102w

210w w(rad/s)

θo

4

Page 7: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại

Vcc

0

Re

RcCc

R2 Ce

R1

Cb

ri RLi

1K

602k

2k

10k100

Beta = 100hie = 1K

a. Đáp ứng của tụ Bypass

Bỏ qua ảnh hưởng của các tụ Coupling bằng cách nối tắt chúng, xét mạch tương đương tín hiệu nhỏ như sau:

ii biβbiβ

ii

Rc1kRe

60

hie

Rb1k

ri10k

RL100Ce

iibiβ biβ

i

ri10k

hie

Rb1k

Rc1kRe

60 CeRL100

biβ

ib

iL

iBi iRr )//(Rc1kRe

60

ri//Rb hie

RL100Ce

5

Page 8: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại

Rc1k

RL100Re

60 Ce

iL

ie

iBi iRr )//(

β)//( ieBi hRr +

Ta có, i

bii

bii

e

e

L

i

Li i

)R//r(i)R//r(i

iii

iiA ××==

)R//r(

Cj1R

Cj1R

)hr//R(

1RR

Rbi

ee

ee

ieiB

LC

C ×

ω+

ω×

+β+

×+

−=

e

e

e

iei

ee

LC

biC

CjR

CjRRR

Cj1R

RR)R//r(R

ω+

ω+

ω+

×+

−= , với

Ω=β+

= 20)hr//R(R ieiBi

[ ])R//R(jC1)RR(RCj1

RR)R//r(R

eieei

ee

LC

biC

×ω++ω+

×+

−=

Hay, [ ])R//R(jC1RCj1

)RR)(RR()R//r(RA

eie

ee

eiLC

biCi ×ω+

ω+×

++−=

2

1

j1

j1

)6020)(100K1()K1//K10(K1

ωω

+

ωω

++−= , Với

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

==ω

==ω

s/Rad23.133C)R//R(

1

s/Rad3.33CR

1

eie2

ee1

6

Page 9: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại

Vậy,

2

1i

j1

j133.10A

ωω

+

ωω

+×= , hoặc

2

1i

ffj1

ffj1

33.10A+

+×= , với

⎩⎨⎧

==

HzfHzf25.21

3.5

2

1

2

2

2

1dBi 1log201log2020A ⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛ωω

++⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ωω

++= (dB)

Độ lợi trung tần (hệ số khuếch đại trung tần): Được định nghĩa là giá trị của hệ số khuếch đại tại tần số cắt dưới của mạch, hay

. )f(AA Liim =

Biểu đồ Bode

20

)(dBAi

33.3

20dB/decade

133.23

Mid-bank gain

32dB

w(rad/s)

)(dBAi

w(Rad/s) w1 10w1

20 20dB/decade

w2 10w2

A1

A2

A0

Theo tính chất của biểu đồ Bode tần số cắt dưới của mạch , hay s/Rad23.133L =ω Hz25.21fL =

Biểu đồ pha

45o

101w 1w 110w

102w

2w 210w w(Rad/s)

90o

- 45o

- 90o

θ

θ

Biểu đồ pha tổng hợp

7

Page 10: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại

ứng của tụ coupling b. Đáp

ypass bằng cách nối tắt nó, ta xét mạch tương Bỏ qua ảnh hưởng của tụ Bđương tín hiệu nhỏ như hình dưới.

Dùng phép biến đổi tương đương Thevenin ta được

(error: nguồn áp, thiếu ký hiệu i0)

Ta có, i

ii

ii

0bbLLi

iiiiiA ×××0bbi i

iririiii

β×==

β

i

iebb

iieB

B

CLC

C rh//R

Cj1r

1hR

R

Cj1RR

+×β×

ω++

−=

[ ] [ ])h//Rr(Cj1)RR(Cj1CjCj

hRrRR

iebibCLC

bC

ieb

ibC

+ω+×+ω+ω×ω

×+

β−=

45o

101w 1w

110w10

2w2w 210w w(rad/s)

90

- 45o

- 90o

θ1

θ2

o

027

Rc1k

RL100Rb

1kri10k

hie

Cb Ceib

biβ

iL

ii

Cb Ceri

Rc1khie RL

100Rb1k

10k

ib

biβ

iL

iiir

8

Page 11: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại

Để đơn giản ta chỉ cần xét các tần số cắt dưới:

)RR(C CLC1L +

1=ω , và

)h//Rr(C iebib2L +

1=ω

Do mục đích thiết kế là các tụ Coupling chỉ đóng vai trò tụ liên lạc giữa ngõ vào và ra. N mạch hoạt động ổn ịnh, tức các tần số cắt do

của taên để đ

tụ coupling sẽ không ảnh hưởng đến tần số cắt dưới của mạch (fL ứng với tụ Bypass), thì: 2L1L ,ωω << Lω .

Thường ta chọn các tụ CC và CB sao cho: L2L1L 101ω=ω=ω

1.4. Khả sát đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đại FET ghép RC Cho mạch khuếch đại FET đặc trưng như hình vẽ

o

0

Vcc

23

1

Vi1MEG

Rd

Rs

ri

RLRg

Cs

Cg

Cd

Các linh kiện FET trong ực tế có các giá trị:

s

Phương pháp khảo sát đáp ứng tần số thấp của mạBJT, ta chia mạch làm hai trường hợp: Đáp ứng c ng

ương tín hiệu nhỏ như hình vẽ

thgm : trở dẫn (khoảng vài mili 1/Ω) rd : Trở kháng ngõ ra DS (vài chục - vài trăm KΩ) Cgs: giá trị cảm kháng ngỏvào GS (vài PF - vài chục PF) Cgd: giá trị cảm kháng ngõ ra GD ( 0.1 PF - vài PF) ch FET cũng giống như với ủa cụ Bypass Cs và đáp ứ

của tụ Coupling. a. Đáp ứng của tụ Bypass

Mạch tương đ

9

Page 12: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại

0

1MEGVi RdRs

ri

RLRg

Cs

gsmvgG S

rds

D iLi0

Mạch tương đương thevenin

0

1MEGVi Cs

Rs Rd

ri

RLRg

D iLi0G S rds

gsdsm vrg+ _

Ta có, , và dặt sggs vvv −= dsmrg=μ

0

RdRLCs

Rs

S rds D iLi0

ivμ

+ _+_

Svμ

Dùng phép biến đổi tương đương Thevenin cho đoạn mạch MO

0

CsRs

RLRd

S rds ivμ

+ _+_ SvμDi0 iLM

10

Page 13: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại

0

RdRLsR)1( μ+

)1( μ+sC

ivμ+ _ Di0 iLrdsM

Vậy,

i

i

i

0

0

LL

i

Lv v

vv

ii

iRvvA μ

×μ

×−==

( )μ×

ωμ+++

×+

−=)]

Cj1//(R[1R//Rr

1RR

RR

SSLdds

Ld

dL

SS

SdLdsdL

SS

SdLds

dL

CRj1R

)1(R//Rr

1)R//R()1(

CRj1R)1(R//Rr

1)R//R(

ω++

μ++μ+

μ=

ω+μ+

++μ−=

Đặt )1(R//RrR dLds

i μ++

=

Ta có,

SSiSi

SSdL

SS

Si

dLv RCRRjRCRj1)R//R(

)1(CRj1

RR

1)R//R()1(

A+ω+

ω+μ+

μ=

ω++μ+

μ=

SSi

iS

SS

Si

dL

SiSSi

SSdL

CRR

RRj1

CRj1RRR//R

)1(CRRjRRCRj1)R//R(

)1(+

ω+

ω++μ+

μ=

ω++ω+

μ+μ

−=

Hay, SSi

SS

Si

dLv C)R//R(j1

CRj1RRR//R

)1(A

ω+ω+

+μ+μ

−=

Viết gọn lại ta được:

11

Page 14: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại

( )

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

−=

SSi2

SS1

dLdsmvm

C)R//R(1

CR1

R//R//rgA

2

1vmv s

sAAω+ω+

= , trong đó

b. Đáp ứng của tụ ghép cực máng Mạch tương đương tín hiệu nhỏ như hình vẽ

L

d +

RV-

i

-

Vi

g

r

LgsV

V ds

r

ggs R

m

+Cd

R

Hàm truyền của mạch:

i

gs

gs

L

i

Lv v

vvv

vvA ×==

ig

g

dLdds

dL

Lmv rR

RsC

1R//R//r

sC1R

RgA+

×⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+×

+−=

Vì rất lớn do đó gR 1rR

R

ig

g ≈+

Lvmv s

sAAω+

= . Trong đó: ( )

( )⎪⎩

⎪⎨

+=ω

−=

ddsLdL

dLdsmvm

R//rRC1

R//R//rgA

c. Đáp ứng của tụ ghép cực cổng Mạch tương đương tín hiệu nhỏ như hình vẽ

12

Page 15: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại

L

i

d

+

RV

Cd

- -

Vi

g

rL

gs

VV ds

r

ggs R

m

+

R

Hàm truyền của mạch:

( )

dig

gLddsmv

i

gs

gs

L

i

Lv

sC1rR

RR//R//rgA

vv

vv

vvA

++×−=

×==

Lvmv s

sAAω+

= . Trong đó: ( )

( )⎪⎩

⎪⎨

+=ω

−=

gidL

dLdsmvm

RrC1

R//R//rgA

Giá trị thường rất lớn nên gR Lω rất nhỏ vì vậy Cd ảnh hưởng rất ít đến méo tần số thấp, méo chỉ ảnh hưởng do Cs gây ra.

13

Page 16: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại

Bài tập chương 1 1.1 Cho mạch như hình:

IiRe

Rb RL

100

Ce

5uF4K 1K

IL

Cho biết .50h ;K1h feie =Ω=

a. Vẽ mạch tương tín hiệu nhỏ tần số thấp

b. Tìm hàm truyền )s(i)s(iA

i

Li =

c. Vẽ biểu đồ Bode cho biên độ và pha 1.2 Vẽ biểu đồ Bode cho biên độ và pha của hàm truyền:

( )( )( )( )( )( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡++++++

=2000s12s2s

400s300s10s10A 4

1.3 Cho mạch như hình: VCC

Ii

I L

10uF4K

10K 10K1K

Cho biết .100h ;K1h feie =Ω=

a. Tìm hàm truyền )s(i)s(iA

i

Li =

b. Vẽ biểu đồ Bode cho biên độ và pha 1.4 Cho mạch như hình:

14

Page 17: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại

1K

+Vi

-

Vcc=10V

Ve

1K Cc

1K

5K

5K

Biết . 100h fe =

a. Tính toán phân cực cho mạch ( )CE,CQ VI

b. Vẽ mạch tương tín hiệu nhỏ tần số thấp

c. Tìm hàm truyền )s(i)s(iA

i

Li =

d. Xác định Cc để tần số cắt thấp 3dB là 5Hz. 1.5 Cho mạch như hình:

R1

10K Ce

Cb

RL

47K

180

Vcc (12V)

i ri

0

Rc

Re1K

Cc

100uF

1K

Biết gm= 5.10-3, Cgs= 20pF, Cgd = 0.5pF, rds=17KΩ

a. Vẽ mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số thấp của mạch điện trên

b. Tính i

Li i

iA =

c. Vẽ biểu đồ Bode và pha cho đáp ứng miền tần số thấp của mạch

15

Page 18: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại

1.6 Cho mạch như hình:

-

Vdd

Q2FET N5K

Vi100K 250

5K

250100K

LV

+

100uF

Biết -13

mds 10.5g ;K5r Ω=Ω= −

a. Tìm i

Lv V

VA =

b. Tìm i

Lv V

VA = nếu tụ Bypass ở cực nguồn nối song song cả hai điện trở 250Ω

16

Page 19: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại

Chương 2 ĐÁP ỨNG TẦN SỐ CAO CỦA MẠCH

KHUẾCH ĐẠI GHÉP RC 2.1 Bộ khuếch đại transistor ở tần số cao Ở tần số thấp mạch khuếch đại có đáp ứng phụ thuộc tụ ghép và bypass. Ở tần số cao đáp ứng tần số đáp ứng tần số bị giới hạn do các điện dung bên trong của BJT, FET 2.1.1 Mạch tương đương hình PI của BJT

Trong đó:

• rbb’: điện trở tỷ lệ trực tiếp với độ rộng base rbb’ Ω÷≈ 5010

• : điện trở mối nối e'brEQ

fee'b I

h025.0r = (T= ) K300ο

• oeh1 :trở kháng ra L

oe

Rh1

>>

• EQ

fe'bbe'b'bbie I

h025.0rrrh +=+= (T= ) K300ο

Tần số cắt(cut off frequency)

Tần số cắt β là tần số cắt 3dB của độ lợi dòng ngắn mạch ngõ ra 0vi

c

CEii

=

17

Page 20: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại

( ) e'be'bc'be'be'b Cr21

CCr21f

π=

+π=β

Giới hạn tần số cao : là tần số mà tại đó độ lợi dòng mạch CE bằng 1 Tf

fe2feT hf1hff ββ ≈−=

Mô hình CB ở tần số cao

Tần số cắt α: là tần số cắt 3dB của độ lợi dòng ngắn mạch ngỏ ra

và βα = fhf fe Mô hình trên không tồn tại tại và tần số cắt có thể xác định bằng: Tf

β=ωω+

≈hi

=fe

fb

0vi

sci h/j1i

Acb

( ) ( ) 1; to2.0 ,fh1f1f feT =λλ+≈λ+= βα giá trị tiêu biểu là 0.4 Mô hình PI với nguồn áp:

Trong đó:

EQEQ

e'b

fem I40

025.0I

rhg =≈= (T= ), K300ο

ibm h

1g =

Tóm tắt các phần tử mạch tương đương PI: • rbb’ Ω÷≈ 5010

• EQ

fee'b I

h025.0r =

• EQEQ

e'b

fem I40

025.0I

rhg =≈=

18

Page 21: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại

• T

m

T

EQ

e'bT

fee'b w

gw

I40rw

hC ===

• tỉ lệ ( với p=1/2 đến 1/3 c'bC ) p'cbV −

Ta tham khảo datasheet của BJT C1815

2.2 Phân tích mạch khuếch đại BJT ở tần số cao 2.2.1 Đặc tính Transistor ở tần số cao

Ở dãy tần số cao, đáp ứng tần số của transistor bị giới hạn do các điện dung kí sinh giữa các lớp tiếp giáp PN. Thông thường các Cb’e có giá trị vài trăm ÷ vài chục pF, với BJT cao tần Cb’e khoảng vài chục pF. Cb’e, Cb’c, quyết định tần số giới hạn trên trong đáp ứng cao tần. Cb’c có giá trị vài chục ÷ vài pF, với BJT cao tần Cb’c < 1 pF

Tần số cắt trên ( )c'be'be'b CCr21f+π

19

Page 22: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại

Tần số giới hạn trên của BJT ββ= ffT

Các thông số được cung cấp của nhà sản xuất cho BJT cao tần

maxBEmaxTc'be'b V,P,f,C,C,β

2.2.2 Phương pháp khảo sát Dạng mạch tổng quát

RL

Rc

Vcc

+

R2rii

+Re

Cb

i

Cc

Ce

R1

Mạch tương đương AC Giá trị các tụ ghép thường được chọn

⎪⎩

⎪⎨⎧

>>

Ω==

be

ccb

CC101X,CC

Sơ đồ tương đương Miller

, và

LCL

ebBieb

R//RRr//R//rR

=′= ′′

T

meb w

gC ≈′

C

IiRc

R'L

CMCb'e

+v b'e

RLR

Rb'e gm v b'e

eQieeb I

mV25mhr β=≈′ , eb

m rg

β=

20

Page 23: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại

cbLmM C)Rg1(C ′′+=

)CC1(rR

cb

ebe'b

′+β

=

cbebm CRgC ′′= Lưu ý: R và C chỉ dùng để tính trở kháng ngõ ra

)jwC1R//(RZ)CC//(RZ

C0

cbebebin

+=+= ′′′

Hàm truyền

i

eb

eb

ebm

ebm

L

i

Li i

VV

VgVgi

iiA ′

××==

)]CC(jwR1[

1RR

RRgAMebLC

Cebmi

eb++

×+

−=⇒′

)j1(

1AA

H

imi

ωω

+×=⇒

Với

( )⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

+=ω

+−=

′′

MebebH

LC

ebCmim

CCR1

RRRRgA

Tần số cắt trên của mạch là ( )MebebH CCR2

1f+π

=′′

(Hz)

Đáp tuyến tần số

f

dBiA

Hf 2.2.3 Ví dụ: Xác định đáp ứng tần số cao của mạch sau

21

Page 24: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại

Mạch tương đương DC :

C1u

c

e

VCC=12V

L

CQ1

Q2SC1815

0

R1

33k

10u

R

c

r

0

R

b

V4100mVac

220

1u

C

0

e470

1k

R2

6.8k

i

R

00

1k

BB220

VCC=12V

0

R

1k

R1

33k

R

0

VCC=12V

c

Q2

Q2SC1815

0

220

0

V

Q3

Q2SC1815

e

B

RR

R2

6.8k

e

c

R

1k

K6.5K8.6K33K8.6Kx33R B =

+=

V1.2K8.6K33

K8.6x12VBB =+

=

Transistor C1815 có 300=β

mA8.5K22.0

300K6.5

7.01.2

RRVVI

EB

BEBBC ≈

+

−=

−=

( )ECCCCCE RRIVV +−= 05V0.22)5.8(1-12 >=+= (Transsistor làm việc ở chế độ KĐ)

Mạch tương đương tần số cao:

22

Page 25: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại

C mb'e RC v

C

M

b'e

Ri

b'e

Lg

r L

m

i

C

i

i b'eR'

b'e

b'e

r

MR vi

Rb Cg

Trong đó: i

ii r

vi =

K3.1ImV25hrCQ

iee'b =β==

K5.0K3.1//K6.5//K1r//R//rR e'bBie'b ===

K3.0K47.0//K1R//RR LC'L ===

23.01300300

rg

e'bm ==

β=

(1+0.23x300)x2=140(pF) =+= c'b'LmM C)Rg1(C

Độ lợi dòng điện:

( )Me'be'bLC

Ce'bmi CCjwR1

1RR

RRgA++

×+

×−=

=

H

im

j1

1A

ωω

Với:

( )⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

×=+

=

−=+

××−=

+−=

′′

)s/rad(104.7CCR

1w

7847.01

500123.0RRRRgA

6

MebebH

LC

ebCmim

Tần số cắt trên của mạch: MHz2,1fH =

23

Page 26: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại

HH

i

Liv

j1

137j1

1147.078

rRAA

ωω

+−=

ωω

+××−=×=

Biểu đồ bode:

2

Hvdbv w

w1lg2037lg20Alg20A ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−=×=

=31.4- 2

Hww1lg20 ⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+

A

31,4

v(dB)

1,2 (MHz)f

2.3 Phân tích mạch khuếch đại FET tần số cao

Ở tần số cao các điện dung ở các mối nối trong FET là và . gsC gdC

tỷ lệ với ( ) gsC 2/1GSV −− 0VGS ≤

tỷ lệ với ( ) gdC 2/1GDV −− 0VGD ≤

Vì GSGD VV >> do đó << gdC gsC

gsC có giá trị khoảng 50pF ở các FET có tần số thấp nhỏ hơn 5pF ở các FET cao tần. Tụ hồi tiếp thường nhỏ hơn 5pF và ở các IG-FET cao tần thì nhỏ hơn 0.5pF.

gdC

24

Page 27: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại

Mạch khuếch đại FET ở tần số cao dạng C-S:

Rg

CdRd

ri

RsViCs

Vdd

0

Cg

RL

Sơ đồ tương đương:

gm Vg rds

Cgd

RL

G

S

D

rds

ri

Vi Cgs

Cgs từ vài chục ÷ vài pF Cgo từ vài pF → nhỏ hơn 1pF Ở tần số cao xem như nối tắt Cg,Cs, Cd

Ta xét 2 trường hợp: * Trường hợp 1: 0ri ≠

Sơ đồ tương đương Miller V

rds//Rd//RLCMCgs

+v gs

Vi

L

gm v gs

ri

CM=[1 + gM(rds // Rd // RL)]Cgd

( ) ( )

( )Mgsi

Mgs

gs

Lddsgsm

i

gs

gs

L

i

Lv

CCjw1r

CCjw1

VR//R//rVg

VV

VV

VVA

++

+×−=×==

25

Page 28: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại

( ) ( )MgsiLddsmv CCjwr1

1R//R//rgA++

×−=

H

vmv

wjw1

1AA+

×=

Trong đó:

( )

( )⎪⎩

⎪⎨

+=

−=

MgsiH

Lddsmvm

CCr1w

R//R//rgA ( )Mgsi

H CCr21f+π

=

Biểu đồ Bode:

f

dBvA

Hf

* Trường hợp 2 0ri =Sơ đồ tương đương của mạch

RRd

VLCgd

+

Lds

(-g +jwCgd)Vi

-

m r

( )⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡×+−=

gdLddsigdmL jwC

1//)R//R//r(VjwCgV

2H

1Hvm

i

Lv

ww1

ww1

AVVA

+

+−==

26

Page 29: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại

Trong đó:

( )

( )

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

=

=

=

gd

m2H

Lddsgd1H

Lddsmvm

Cgw

R//R//rC1w

R//R//rgA

( )

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

π=

π=

gd

m2H

Lddsgd1H

C2gf

R//R//rC21f

Biểu đồ Bode:

2.4 Mạch khuếch đại đa tần RC dùng BJT

VA

1Hf 2Hf f

27

Page 30: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại

Trở kháng Miler được xác định 'AAZ

c'bm22mc'bc'b'AA

'AA Cg/CRgsC/11sCY

Z1

++==

Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại đa tần:

Trong đó: e'b1bi1 r//R//rR = e'b2b1c2 r//R//RR = [ ] c'bL2cme'b2 C)R//R(g1CC ++=Độ lợi dòng điện:

28

Page 31: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ωω

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ω

+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ω

+

⎟⎟⎟⎟

⎜⎜⎜⎜

ω+

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

−≈

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

1

c'be'b

21

2

21

21

2

2m

L2c

2cm

i

1'b

1'b

2'b

2'b

L

i

Li

CCCs11s1

s1R

s1

RgRR

Rg

i

vvv

vi

iiA

Trong đó:

CR

1 ; CR

122

111

1 =ω=ω

( ) c'b2me'b1 CRg1CC ++= Tần số cắt được xác định từ phương trình:

2h

2

1

c'be'b

21

2h w

CCC

www1 +⎥

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +− 211

2

21

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ω

Giải ra ta được:

( ) ( )⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−+

ωω

+ωω

+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−+

ωω

+ωω

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ωω=ω 2

2

2

1

1

2

2

1

1

22

21h q4q12q12

q2

Với 1

c'be'b

CCCq +

= .

2.5 Mạch khuếch đại đa tần RC dùng FET

Vdd

Vi

-

+VL

ir

gR

dR ∞→1cC

gR

∞→2cCdR

LR

29

Page 32: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại

dsgd r//R//Rir

gR gsC gsC

gdC gdC

s1gmVg

s2gmVg

dsLd r//R//R

+

L

Vi V Làm tương tự như với trường hợp BJT với các giá trị được xác định: 2121 C,C,R,R

-

( )[ ]( )[ ]

gdsd2

gi1

Lddsmgdgs2

gddsmgdgs1

R||r||RR R||rR

R||R||rg1CCCR||R||rg1CCC

=

=

++=

++=

2.6 Tích số độ lợi khổ tần GBW( The gain-band width product) GBW là một thông số được dùng để ước lượng đáp ứng của mạch khuếch đại

băng rộng trong bước thiết kế. himfAGBW = Trong đó: độ lợi dãy giữa :Aim

tần số cắt cao :fh

2.6.1 Tích số độ lợi khổ tần của mạch khuếch đại BJT đơn tần: Mạch khuếch đại CE đơn tầng “lý tưởng“ ( ->0), độ lợi dãy giữa xấp xỉ và tần số cắt cao 3dB là , vì vậy:

LR feh

βf

e'b

mTfe C2

gffhGBWπ

≈== β

được dùng để ước lượng giới hạn tần số cao của BJT và được cho bởi nhà sản xuất.

Tf

Giá trị thực tế bị giảm bởi điện dung Miller:

( ) ( )Me'b

m

Me'be'be'bmBJT CC2

gCCR2

1RgGBW+π

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+π

=

2.6.2 Tích số độ lợi khổ tần của mạch khuếch đại FET đơn tần:

( ) ( )⎥⎥⎦⎤

⎢⎢⎣

+π=

MgsisdsmFET CCr2

1R||rgGBW

FETGBW thường được chuẩn hóa bằng cách giả sử rằng:

30

Page 33: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại

ddsi R||rr = ⇒ ( )MgsmFET CC2

1gGBW+π

=

2.6.3 Tích số độ lợi khổ tần của mạch khuếch đại đa tầng Ta xét mạch khuếch đại đa tầng sau:

Giả sử: ; 0Cr c'b'bb == RR cL <<

e'bbie'bbce'b r||R||rr||R||RR ≈=

e'be'b

1 CR1w =

n

1

e'bm

1

e'bm

1

e'bm

1

e'bmm

i

1b

1b

2b

1bn

bn

bn

L

i

Li

w/s1Rg

w/s1Rg

w/s1Rg

w/s1Rgg

iv

vv

vv

vi

iiA

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−

−=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

Κ

Κ

Độ lợi dãy giữa: . ( )ne'bmim RgA −=

Tần số 3dB thỏa phương trình 2/AA imi = . 2/n2

1

h

ww1

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+ = 2/12

12ff

ww n/1

1

h

1

h −==⇒

Sự suy giảm tần số cắt cao theo số tầng khuếch đại:

31

Page 34: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại

n 1 2 3 4 5

1h f/f 1.0 0.64 0.51 0.44 0.39

32

Page 35: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại

Bài tập chương 2 2.1 Cho mạch như hình. Biết độ lợi băng thông giữa iL ii là 32dB, tần số 3dB trên là 800KHz và dòng tĩnh emitter 2mA, giả sử 0Cr c'b'bb == . Tìm . e'b,e'bfe Cr,h

V

1K

1KLI

BB

Ii

Vcc

2.2 Cho mạch như hình. Biết . mA10I ;0r ;pF5C ;100h ;s/rad10w EQbb'cb'fe

9T =====

20uF1K

10K

20uF

Vcc

I

20uF100

L

1K RL=1K10KIi

Tìm:

a. iLim iiA =

b. Tần số 3dB trên hf

2.3 Transistor hai hình dưới có các thông số sau: pF10C;pF1000C;K1r c'be'be'b === và . Xác định độ lợi và GBW của mỗi dạng. 1

m 05.0g −Ω=

33

Page 36: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại

Vi1K

Vcc

LI

Vcc

L

1K

V

10K

100K20uF

-

Ii 20uF

10K 1K+

1K

2.4 Với tham số transistor như bài 2.3. Tìm độ lợi và GBW của mạch sau:

1K 20uF

IL

20uF

V

1K

20uF

10K

Vcc

1K

Ii

BB

10020uF

10K

VBB

100

2.5 Cho mạch như hình. Biết gm= 5.10-3, Cgs= 50pF, Cgd = 0.5pF, rds=15KΩ.

0

Vcc

Ce

Cc

ReR2

Rc

Vi

Cbri

RL

23

1

1k

1K

2K

1001M 100uF -

+ LV

34

Page 37: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại

a. Vẽ mạch tương đương tín hiệu nhỏ ở miền tần số cao

b. Tìm i

Lv v

vA =

c. Vẽ biểu đồ Bode cho đáp ứng miền tần số cao 2.6 Cho mạch nối cascade như hình. Giá trị linh kiện K10r ;M1R ;K1r dsgi === ;

Tìm độ lợi dãy giữa và băng thông 3dB. .K10R L =

Vdd

Vi

-

+VL

ir

gR

dR ∞→1cC

gR

∞→2cCdR

LR

35

Page 38: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng

36

Chương 3

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CỘNG HƯỞNG

3.1. Mạch cộng hưởng đơn dùng BJT transistor

3.1.1. Phân tích lý thuyết

Sơ đồ mạch lý thuyết

Mạch tương đương tín hiệu nhỏ

Mạch tương đương tín hiệu nhỏ dạng rút gọn

(bỏ qua thành phần R-C giữa cực C và E)

Page 39: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng

37

Các thông số liên quan

Các thông số của Transistor 2SC1815:

fT=80MHz, Cob=2pF, hFE = 300

Giá trị cảm kháng của cuộn L được tính theo công thức sau :

r4.25l9.22

nrL

22

Trong đó :

r : bán kín vòng dây (cm)

n : số vòng dây

l : chiều dài cuộn dây(cm)

L: cảm kháng (uH)

Trở kháng vào:

e'bpbiir//R//R//rR

Với 2

CcC

c

2

pQrwLQ

r

wLR

rc là nội trở của cuộn dây.

CQ là hệ số phẩm chất của cuộn dây (thường

CQ =

100)

Điện dung tổng tương đương:

Me'bCC'CC

Hàm truyền

i

e'b

e'b

e'bm

e'bm

L

i

L

ii

V

V

Vg

Vg

i

i

iA

jwL

1jwC

R

1

1g

RR

R

i

m

LC

C

im

Rg

LC

C

RR

R

wL

RCwRj1

1

i

i

i

i

LCm

i

L

iVr

RR//Rg

r

RAA

wL

RCwRj1

1

i

i

Băng thông

Ta có tại tần số cắt:

Page 40: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng

38

2

1

A

AdB3

A

A

o

i

dBo

i

2

1

wL

RwCR1

1

wL

RwCRj1

1

A

A2

i

i

i

io

i

1wL

RwCR

2

i

i

Phương trình có hai nghiệm dương:

1

w

w41

2

ww

1

21

H

1

w

w41

2

ww

1

21

L

Với CR

1w

i

1 ;

L

Rw i

2

Băng thông 3dB được xác định:

BW= CR2

1w

2

1ww

2

1ff

i

1LHLH

Tích số độ lợi khổ tần:

GBW= BWAim

im

Rg

LC

C

RR

R

CR2

1

i

GBW= CRR2

Rg

LC

Cm

Page 41: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng

39

Tần số cộng hưởng

Tần số cộng hưởng khi độ lợi đạt giá trị cực đại:

LC2

1f

LC

1w

0wL

R wCR )A(

00

i

imaxi

3.1.2. Tính toán các giá trị trên lí thuyết

)V(05.28.39

8.612

8.633

8.6VV CC

BB

)(K 64.5338.6

338.6R

BB

)mA(22.12

1.0100

K6.5

6.005.2

RR

VVI

E

BB

BEBB

CQ

61422.12

25.300

I

25.rh

CQ

e'bie

pF97210.80.2

614

300

f2

rgC

6

T

e'b

T

m

e'b

49.0614

300

rg

e'b

m

pF5902.60049.01

CR//Rg1Cc'bCLmM

Page 42: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng

40

100nF590pF972pFnF100

CC'CCMe'b

C=100nF

Hàm truyền

//j1

1

RR

RRgA

21LC

C

imi

//j1

1

r

RR//Rg

r

RAA

21i

i

LCm

i

L

iv

Tần số cộng hưởng

KHz 3.70610.101548.10.5.02

1

LC2

1f

1260

K2.2wLQRCp

50r//R//R//rRe'bpBBii

Băng thông

KHz6.3110.101548502

1

CR2

1BW

12

i

Độ lợi

//j1

1

r

R//RRgA

21i

LC

imv

221

i

LC

imdBv//1log20)

r

R//RRglog(20A

Biểu đồ Bode lí thuyết

Dựa vào biểu thức trên ta nhận thấy rằng :

Khi = 0 : tức là lúc giá trị trong biểu thức trong căn

tiến về 0 => G = Aim = dB.

Khi càng xa 0 , lúc này biểu thức trong căn có giá trị

rất lớn => Ai có giá trị rất bé.

Dựa vào yếu tố ta vẽ được biểu đồ Bode cho mạch cộng hưởng:

Page 43: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng

41

3.2. Mạch cộng hưởng đơn dùng FET

3.2.1. Phân tích lí thuyết

Sơ đồ mạch lí thuyết

Mạch tương đương tín hiệu nhỏ

Page 44: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng

42

Mạch tương đương tín hiệu nhỏ dạng rút gọn

Với : Pii

R//rR , và Me'b

CC'CC

Các thông số liên quan:

Các thông số của FET: rds, Cgs, Cgd, gm được cho bởi nhà sản xuất

Thiết lập hàm truyền:

i

gs

gs

gsm

gsm

L

i

L

ii

v

v

vg

vg

i

i

iA

)Lj

1Cj(

R

1

1g

r//RR

r//R

i

m

dsdL

dsd

)Lj

RCRj(1

Rg

r//RR

r//R

i

i

i

m

dsdL

dsd

)L

RCR(j1

1Rg

r//RR

r//R

i

i

im

dsdL

dsd

Đặt:

L

R

CR

1

i

2

i

1

Ta được

)(j1

1Rg

r//RR

r//RA

2

1

im

dsdL

dsd

i

a

vgs

+

_

CLiR

i

ii

r

vi Rd RL

Li

gsmvg

Page 45: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng

43

)(j1

1Rg

r//RR

r//R

r

R

r

RAA

2

1

im

dsdL

dsd

i

L

i

L

iv

)(j1

1

r

R)R//r//R(gA

2

1

i

i

Ldsdmv

Làm tương tự như trường hợp BJT ta được:

CR2

1BW

i

GBW=

Cr2

R//r//RgBWA

i

Ldsdm

vm

Tần số cộng hưởng:

LC

10 , hay

LC2

1f

0

3.2.2. Tính toán các giá trị trên lí thuyết

Hàm truyền

Ri = Rp//ri = ri = 50 (do Rp >> ri)

P

GSQ

P

DSS

DS

D

mV

V1

V

I2

v

ig =0,5.10

-3 (1/Ω)

(xem thêm datasheet của JFET 2SK30A )

gdLddsmM

C.)R//R//r(g1C =0.9pF

C=C’+ 'CCCMgs =1003pF

L

r//RC)r//R(j1

1

r

r//R)r//R//R(gA

iP

iPi

iP

dsdLmv

Băng thông

MHz17.310.1003.50.2

1

CR2

1BW

12

i

Page 46: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng

44

Tần số cộng hưởng

MHz1.710.1003.10.5.02

1

LC2

1f

1260

Biểu đồ Bode lí thuyết

)L

RCR(j1log20)3.0log(20A i

idBv

Dựa vào biểu thức trên ta nhận thấy rằng :

Khi = c : tức là lúc giá trị trong biểu thức trong căn tiến

về 0 => Av (max)= -10 dB.

Khi càng xa c , lúc này biểu thức trong căn có giá trị rất

lớn => Av có giá trị rất bé.

Dựa vào yếu tố ta vẽ được biểu đồ Bode cho mạch cộng hưởng:

3.3. Mạch khếch đại ghép biến áp dùng BJT thông dụng

Mạch tương đương AC

Mạch tương đương rút gọn

RL

R1

L'

C' n1

Cc

CeR2

VCC

ri

n2

ReIi

Q1

Cb

Rc

Ii Rcgm.VbeCb'e+CMRb//rb'e

RLri

n2

VL

C' n1

L'

Page 47: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng

45

Với: C=C’+a2(Cb’e + CM)), và Ri= ri //RP//(

2

b

a

e'rb//R)

Trong đó 2

1

n

na

Ztđ = 2

2

i

U=

2

1

1

2

1

a

Z

ia

U

a

1

n

n

U

U

1

2

1

2 ; an

n

i

i

2

1

1

2

Ta có:

)'L

1C(j

R

1

1

RR

Rag

i

a

v

a

v

v.g

v.g

i

i

iAi

i

LC

C

m

i

e'b

e'b

e'bm

e'bm

L

i

L

)1

'L

RCR(j1

1

RR

RRagAi

i

iLC

C

im

Tương tự lý luận ta được:

LC

C

imimRR

RRgaA

Tần số cộng hưởng: f0=C'L2

1

với C=C’+a

2(Cb’e + CM))

Ri= ri //RP//2

b

a

e'rb//R

3.4. Mạch khuếch đại điều hợp đồng bộ dùng FET:

a

v eb '+

_

CLiRii RC

C

RL

Li

ebmvg '

Page 48: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng

46

Việc ghép các bộ khuếch đại điều hợp đồng bộ đạt được độ lợi cao và dãy thông

hẹp hơn.

Làm tương tự như trên ta có được các kết quả:

w

w

w

wjQ1

1

r

R//rR//rag

v

vA

0

0

i

i

piLdsm

i

L

V

Trong đó:

ipi0iC'CR//rwQ

Ldsmgdgs

2

iR//rg1CCaC

)C'C(L

1w

i

2

0

Độ lợi tại tần số cộng hưởng 0

ww là:

pi

p

LdsmvmRr

RR//ragA

Băng thông 3dB:

ipiC'CR//r2

1BW

Tích số độ lợi khổ tần:

Mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao:

Page 49: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng

47

ii

Ldsm

C'C

1

r2

R//rgaGBW

3.5. Mạch khuếch đại điều hợp đồng bộ dùng FET ghép 2 tầng:

Mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao:

Độ lợi áp:

i

1g

1g

2g

2g

L

i

L

vv

v

v

v

v

v

v

vA =

2

0

0

i

Ldsmim

w

w

w

wjQ1

R//rag)r/R(Rag

Trong đó:

)C'C(L

1w

i

0

pgdspi

R//R//rR//rR

i0i

C'CRwQ

Độ lợi tại tần số cộng hưởng 0

ww là:

pi

p

LdsmmvmRr

RR//ragRagA

Băng thông 3dB có được từ phương trình:

2w

w

w

wQ1

2

0

0

2

i

RC'C2

1643.0

Q

f643.012

Q2

wBW

ii

02/1

i

0

L'

T2

S2C'

T1

S1

L'

C'

+

-

ir

i

i

r

v

gR

LR

Lv

i

i

r

v L

v

LR

dsr

2gmvg

a

v1g

1gmvg

a

v2g

pR

iC

iC

pR g

R dsr i

r L'

+

-

C'

- -

+

C'

L'

+

Page 50: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng

48

Tích số độ lợi khổ tần:

ii

Ldsmm2/1

i

0

vmC'Cr2

RR//ragag643.012

Q2

wBW.AGBW

Page 51: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng

49

Bài tập chương 3

3.1 Cho mạch cộng hưởng như hình:

a. Tìm L để mạch cộng hưởng tại 30Mhz

b. Tìm băng thông mạch khuếch đại

c. Tính độ lợi dòng biết 2pFC 500MHz;f 100;h 0;r ;K1rcb'Tfebb'e'b

3.2 Mạch như hình cộng hưởng tại tần số 10MHZ và có băng thông 3dB là 1MHz.

a. Tìm 21

nn để có độ lợi áp cực đại tại 0

w . Độ lợi là bao nhiêu?

b. Tìm 1

nn để có băng thông mong muốn

c. Tính L cộng hưởng:

''C;100R;pF1C;pF10C);0r(K1h;50hLc'be'b'bbiefe

10pF

3.3 Mạch khuếch đại cộng hưởng đồng bộ được thiết kế để cộng hưởng tại tần số

100KHz và băng thông 2KHz.

10KLI

1K

1K

L

VCC

100

ii

1c

C

2c

C

e

C

-

.+

9K

Vi

L,n

2n

''C

LR 1

n

LV

Page 52: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng

50

a. Tìm 2211

L,C,L,C và 1

R

b. Tính độ lợi iL

vv biết ,MHz103fT ,100h

fe K1r

e'b , ,50r

'bb pF2C

c'b

3.4 Cho mạch cộng hưởng như hình. Biết gm= 1310.5 , Cgs=50pF, Cgd=0.5pF,

rds=20K , n1=n2=5.

a. Tìm tần số cộng hưởng của mạch

b. Tìm độ lợi áp Av của mạch

c. Tìm BW và GBW

3.5 Cho mạch cộng hưởng như hình. Biết β = 100, VCC = +5V, Cb'e = 120pF, Cb'c =

10pF, n1 =8, n2 = 4 VCC

n1

0

RFC

+

L1

0,12uH

150

CeRen2

ri

Rb

100K

_

50047p

VL

Cb

Cc

330

Vi

RL

a. Vẽ mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao

b. Xác tần số cộng hưởng của mạch khuếch đại trên

100

10K

I L

Ii

1R

1C

2C

1L 2

L

i

2K

Vi

20uF

2K

Cd

100

L

Rs

+r

-

Cb

Rd

L

Vdd

V

C' L n1

Csn2

R

0.5uH

50

30pF

Page 53: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng

51

c. Xác định độ lợi trung tần của mạch

d. Xác định BW và GBW

Page 54: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 4: Mạch lọc

52

Chương 4

MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG 4.1. Mục đích ứng dụng

Bộ lọc có vai trò quan trọng trong các mạch điện tử. Những phần tử cơ sở

trong mạch lọc chỉ gồm điện trở (R), tụ điện (C), và cuộn cảm (L).

Thông thường gồm 2 mạch lọc RC và RLC. Mạch lọc RC được dùng

nhiều vì linh kiện rẻ và chiếm ít diện tích. Còn mạch lọc RLC ít thông

dụng vì có điện cảm (L) khó tiêu chuẩn hóa và có giá trị rất lớn ở phạm vi

tần số thấp nên trong thực tế khó thực hiện vì giá thành đắt, lại cồng kềnh

.

Mạch lọc sẽ làm suy giảm năng lượng qua nó mà không có khả năng

khuyếch đại. Khó phối hợp tổng trở với các mạch ghép.

Để bổ túc các nhược diểm trên người ta thêm vào đó các phần tử khuếch

đại như transistor, vi mạch, v.v, để có thể khuyếch đại tín hiệu , phối hợp

tổng trở, điều chỉnh độ suy giảm.

4.2. Phân loại mạch lọc

Dựa vào đặc điểm cấu tạo, ta phân ra hai loại: mạch lọc thụ động và mạch

lọc tích cực. Cả hai loại mạch lọc này đều có các dạng đáp ứng tần số sau:

Mạch lọc thông cao (High pass Filter)

Mạch lọc thông thấp (Low pass Filter)

Mạch lọc thông dãi (Band pass Filter)

Mạch lọc chặn dãi (Reject Band Filter)

Đáp ứng tần số

Mạch lọc thông thấp Mạch lọc thông cao

f fH

f fH

dBin

out

v

v

dBin

out

v

v

Page 55: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 4: Mạch lọc

53

Mạch lọc thông dãy (Band pass) Mạch lọc chặn dãy (Band

Stop)

4.3. Lý thuyết cơ sở về mạch lọc

4.3.1. Khái niệm về hàm truyền mạch lọc

Maïch loïc

0 0 Hàm truyền của mạch lọc được định nghĩa là tỉ số giữa điễn áp tín hiệu ra

Vo trên điện áp tín hiệu vào Vi theo biểu thức:

4.3.2. Hàm truyền tổng quát theo tham số S ( js )

01

1n

1n

n

n

01

1m

1m

m

m

BSB...SBSB

ASA...SASA)s(H

Với K là hệ số phụ thuộc vào cấu tạo của mạch và

constB ;constAki cũng phụ thuộc vào cấu tạo của mạch

Hàm truyền thường gặp có dạng :

n

n

2

21SB...SBSB1

1)s(H

1A0 , đa thức bậc không với : 0A...AA

m21

4.4. Mạch lọc thụ động

4.4.1. Mạch lọc thông thấp

a. Mạch lọc RC

C1

R1

Hàm truyền của mạch

f fH

dBin

out

v

v

fL f

fL

dBin

out

v

v

fH

f

Page 56: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 4: Mạch lọc

54

RCj1

1

Cj

1R

Cj

1

)(H

b. Mạch lọc thông thấp RC bậc 1:

Sơ đồ mạch thực tế

RLVi

C1

Vo

Ri

CRj1

RR

1

CRj1

R

R//ZR

R//Z

v

v)(H

L

L

iL

L

LCI

LC

i

0

LiLi

L

L

L

RCRjwRR

CjwR1

CjwR1

R

CRR

RRjw1RR

R

iL

iL

iL

L

jwRC1

1

RR

R

iL

L

, với

iLR//RR

Hàm truyền :

)w(HjwRC1

1

RR

R

iL

L

Với:

iLR//RR

Tần số cắt:

RC2

1f

C

c. Mạch lọc thông thấp bậc 2

Sơ đồ mạch thực tế

C

RI

C

I1

VL

IL

RLVi

R

4.4.2. Mạch lọc thông cao

Page 57: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 4: Mạch lọc

55

Hạ thông thượng thông

Triệt dải

Fc1 Fo Fc2

Vi Vo

C1

R1

a. Mạch lọc thông cao bậc 1

Sơ đồ mạch C

Vo

RiVi RL

jwRC

11

1

R//RjwC

11

1

R//RZ

R//R

V

VA

Li

LiC

Li

i

o

V

Với Li

R//RR

Hàm truyền : H=

jwRC

11

1

Tần số cắt RC2

1f

C

b. Mạch lọc thông cao bậc 2

Sơ đồ mạch : C

Vo

ILI

RRVi RL

CI1RI

0C2

0

R2

C1

Vi

R1

Vo

Đáp ứng tần số mạch lọc triệt dãi

Page 58: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 4: Mạch lọc

56

Trong mạch lọc triệt dãi, R1 – C1 là mạch hạ thông sẽ cho tín hiệu tần số

thấp đi qua, R2 – C2 là mạch lọc thượng thông sẽ cho tín hiệu tần số cao đi qua.

Tần số cắt của hai mạch lọc là Fc1 và Fc2. Như vậy khoảng tần số giữa Fc1 và

Fc2 sẽ không qua được hai mạch lọc nên bị loại bỏ. Đường rời nét chính là đàp

ứng tấn số cua mạch lọc triệt dãi.

Do hai mạch lọc rắp song song nên ta có 1 1 2 2 2 1,Z R C Z R C là hai

tổng trở của cầu phân áp .

Suy ra : 0 2

1 2i

V Z

V Z Z

Một cách khác để có mạch lọc triệt dãi là mạch lọc cấu T đôi như hình vẽ

dưới:

C

Vi

R

2C

0

0

00

0.5R

R

C

Vo

Nhánh thứ nhất gồm hai mạch lọc hạ thông ghép ngược đầu nên có tụ

điện tương là 2C. nhánh thứ 2 là hai mạch lọc thượng thông ghép nối tiếp ngược

đầu nên có điện trở tương đương là 0.5R. Hai nhánh mạch lọc thượng thông và

hạ thông có dạng hình chữ T lại được ghép song song nên được gọi là mạch lọc

cầu T đôi

Để phân tích đáp ứng tần số của mạch lọc triệt dãi T đôi. Ta có thề tính

điện áp V1, V2 sau dó khử V1 và V2 để có Vo so với Vi

Tần số cộng hưởng của mạch là :

0

1

2f

RC

Mạch lọc triệt dãi hình trên có đáp ứng tần số :

0.1 1 10 f/f0

0.9

Page 59: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 4: Mạch lọc

57

PHẦN II

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG P.SPICE:

A .THIẾT KẾ

1. Mạch lọc thông thấp RC

Sơ đồ mạch

RL

1kVi

C1

0.01uf

Vo

Ri

1k

1

1

1

O C L LV

LI I C L LI

L

V Z R RA

RV R Z R j R CR

j R C

Hàm truyền :

1

1

L

L I

RH

R R j RC

Với:

;( )L iL i

i L

R RR R R

R R

Tần số cắt:

1

2cf

RC

6

1 11 1 500 31,8

2 2 500 0,01.10R K K f KHz

RC

2.Mạch lọc thông cao RC

Sơ đồ

mạch :

Hàm truyền : 1

11

H

j RC

Tần số cắt 1

2Cf

RC

6

1 110 1 15,9

2 2 .1000.0,01.10CR K K f KHz

RC

3 Mạch lọc thông thấp LC:

C

0.01ufVo

Ri

10k

Vi RL

1k

Page 60: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 4: Mạch lọc

58

Sơ đồ mạch L1

0.2uH

1 2Vo

RL;

100VI

C2

220

1

1 1

L

LA

LL

RRj C

Zj R C

Rj C

2 2

11

1 1

1

A L L L

LA L L L L L

L

Z R R j R CH

RZ X j R C j R C j L j R LC Rj L

j R C

2 2 2

1

( 1) 1

L

L L

L L

R

j L j LR j R LC LC

R R

Với:

1LR

L với

1 là hệ số tổn hao của mạch

2

1

LC tần số cắt của mạch

Tần số cắt 24f MHz

4.Mạch lọc thông cao LC:

Sơ đồ mạch :

L

1

2

VI RL

C

Vo

LA

L

j R LZ

j L R

2 2

( )1

1L L L

LL L L L

L

j R L j R L j L R j CH

j R Lj L R j L R j L R j R LC

j C j L R

2 2

2 2

2

1 1( 1)

L

L

L

j R LC

j R LCj R C LC

, Với: 1

2

1

1

LR C

LC

Tần số cắt 6 12

1 15,2

2 2 0,2.10 .4700.10f MHz

LC

B . MÔ PHỎNG P.SPICE

Page 61: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 4: Mạch lọc

59

1 Mạch lọc thông thấp (RC):

Sơ đồ mạch :

0

R11

1k

V31Vac

0Vdc C4

0.01uf

R9

50

R10

1k

Tần số cắt : 30KHz

Biểu đồ bode

Biểu đồ bode thực tế :

1K 10K 20K 50K 70K 100K

AvDb

-6

-8

-14

-16.5

-20

-9

27K F

2 Mạch lọc thông thấp (RC)bậc 2

Sơ đồ mạch

Page 62: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 4: Mạch lọc

60

V51Vac

0Vdc

R12

50

R13

1k

C5

0.01uf

R15

1kC6

0.01uf

R14

1k

Biểu đồ bode mô phỏng:

Biểu đồ bode thực tế:

1K 10K 20K 30K 40K

AvDb

-6

-8

-14

-16.5

-20

-9

-9

-12-16.5

-20

-22.5

AvdB

F

Page 63: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 4: Mạch lọc

61

3 Mạch lọc thông cao RC

Sơ đồ mạch

C7

0.01uf

R17

1k

R18

50V8

2Vac

0Vdc

R16

10k

0 Tần số cắt 15.9KHz

Biểu đồ bode mô phỏng:

Biểu đồ bode thực tế:

500 1K 5K 10K 15K 20K 30K 40K 50K

AvdB

-26-10.5

-6-4.4-3.7

-3-2.8-2

Page 64: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 4: Mạch lọc

62

4 Mạch lọc thông cao RC bậc 2

Sơ đồ mạch

0

R20

1k

V31Vac

0Vdc

C8

0.01uf

R1

50

R19

10k

C9

0.01uf

R4

10k

Biểu đồ bode mô phỏng:

Biểu đồ bode thực tế:

1K 10K 20K 30K 40K 50K

AvdB

-32

-12

-7-3.7-3-2.5

-2

70kF

500

Page 65: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 4: Mạch lọc

63

5 Mạch lọc thông dãi RC (bandpass):

Sơ đồ mạch

C3

0.01uF

R5

1kR7

1k

V21Vac

0Vdc

R6

10k

C2

0.01uf

R8

50

0 Biểu đồ bode mô phỏng:

Biểu đồ bode thực tế:

AvdB

F100 250 500 10k 20k 30k 40k 50k 60k 70k

-10.5

-14-15-16.5

Page 66: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 4: Mạch lọc

64

6 Mạch lọc chặn dãi (band stop):

Sơ đồ mạch

R21

1k

V101Vac

0Vdc

R23

470

0

R25

50

0

C11

472

C10

472

0

0R24

1k

R22

1k

942

1n

Tần số cắt :

Biểu đồ bode mô phỏng:

Biểu đồ bode thực tế:

AvdB

F1k 10k 20k 30k 40k 50k 60k 70k 80k 100k

-16

-9-10-14

Page 67: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 4: Mạch lọc

65

7. Mạch lọc thông thấp LC bậc 1

Sơ đồ mạch

V41Vac

0Vdc

0

C1

220p

L1

0.2uH

1 2

R3

100

Tần số cắt : 23,99MHz

Biểu đồ bode mô phỏng:

Biểu đồ bode thực tế:

AvdB

F10M 20M 25M 30M 35M

-9.5

-3.5-8.7

00.71.15

Page 68: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 4: Mạch lọc

66

8 .Mạch lọc thông thấp LC bậc 2

Sơ đồ mạch L1

0.2uH

1 2L2

0.2uH

1 2

R3

100

0

C2

220p

V71Vac

0Vdc

C1

220p

Biểu đồ bode

Page 69: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 4: Mạch lọc

67

9 Mạch lọc thông cao LC bậc 1:

Sơ đồ mạch

R9

100

V101Vac

0Vdc

C7

4700p

L7

0.2uH

1

2

0 Tần số cắt : 5.2MHz

Biểu đồ bode

Page 70: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 4: Mạch lọc

68

10.Mạch lọc thông cao LC bậc 2:

Sơ đồ mạch

0

L9

0.2uH

1

2

V121Vac

0Vdc

C8

4700p

L8

0.2uH

1

2

R10

100

C9

4700p

Biểu đồ bode

Page 71: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 4: Mạch lọc

69

11 .Mạch lọc thông dãi LC

Page 72: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 4: Mạch lọc

70

Sơ đồ mạch

C10

220p

L10

0.2uH

1 2

C11

4700p

0

V161Vac

0Vdc

L11

0.2uH

1

2

R11

100

Biểu đồ bode

Page 73: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

Chương 5

MẠCH KHUẾCH ÐẠI CÔNG SUẤT AUDIO (Power Amplifier)

Mạch khuếch đại công suất có nhiệm vụ tạo ra một công suất đủ lớn để kích thích tải. Công suất ra có thể từ vài trăm mW đến vài trăm Watt. Như vậy mạch công suất làm việc với biên độ tín hiệu lớn ở ngõ vào: do đó ta không thể dùng mạch tương đương tín hiệu nhỏ để khảo sát như trong các chương trước mà thường dùng phương pháp đồ thị.

Tùy theo chế độ làm việc của transistor, người ta thường phân mạch khuếch đại công suất ra thành các loại chính như sau:

• Khuếch đại công suất loại A: Tín hiệu được khuếch đại gần như tuyến tính, nghĩa là tín hiệu ngõ ra thay đổi tuyến tính trong toàn bộ chu kỳ 360

o của tín

hiệu ngõ vào (Transistor hoạt động cả hai bán kỳ của tín hiệu ngõ vào).

• Khuếch đại công suất loại AB: Transistor được phân cực ở gần vùng ngưng. Tín hiệu ngõ ra thay đổi hơn một nữa chu kỳ của tín hiệu vào (Transistor hoạt động hơn một nữa chu kỳ - dương hoặc âm - của tín hiệu ngõ vào).

• Khuếch đại công suất loại B: Transistor được phân cực tại VBE

=0 (vùng ngưng). Chỉ một nữa chu kỳ âm hoặc dương - của tín hiệu ngõ vào được khuếch đại.

• Khuếch đại công suất loại C: Transistor được phân cực trong vùng ngưng để chỉ một phần nhỏ hơn nữa chu kỳ của tín hiệu ngõ vào được khuếch đại. Mạch này thường được dùng khuếch đại công suất ở tần số cao với tải cộng hưởng và trong các ứng dụng đặc biệt.

Hình sau mô tả việc phân loại các mạch khuếch đại công suất.

71

Page 74: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

5.1. Đặc điểm của mạch khuếch đại công suất • Tín hiệu được khảo sát trong mạch thuộc dạng tín hiệu có biên độ lớn, nên

khi phân tích mạch ta phải xem xét chế độ phân cực trong mạch ở cả 2 bán kỳ.

• Khoảng tần số làm việc của [20-20KHz], tần số audio

• Tầng khuếch đại công suất nằm ở ngõ ra tải, các transsistor ở tần này phải có công suất cao. Do hoạt động ở công suất cao nên chúng tỏa nhiều nhiệt, vì vậy để ổn định hệ số khuếch đại của mạch cũng như tăng tuổi thọ của transsistor ta thường lắp thêm các bộ phận tản nhiệt.

• Việc tính toán công suất của đoạn mạch một cách tổng quát:

dt)t(i).t(uT1P

T

0∫=

• Công suất ac trên tải RL : L2

Lm)ac(L R)I(21P =

• Công suất của nguồn cung cấp: CQCCCC IVP =

• Công suất tiêu tán của transistor LCCT PPP −=

• Hiệu suất của mạch khuếch đại: CC

)ac(L

PP

5.2. Mạch khuếch đại công suất ghép tải trực tiếp (lớp A) Dạng mạch cơ bản:

Thiết lập phương trình đường tải tổng CELCCC vRiV +=

L

CCmaxC R

Vi = , và CCmaxCE Vv =

Vcc

Khảo sát xoay chiều: Khi đưa tín hiệu

iV vào ngõ vào như hình trên, dòng IC

và điện thế VCE

(tín hiệu ra) sẽ thay đổi quanh điểm điều hành Q. Với tín hiệu ngõ vào nhỏ , vì dòng điện cực

Ci

0

ri

Vi

Cb

20

RLRb

L

CCC R

Vi =max

CEv

Ci

maxCEv

CCV

72

Page 75: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

nền thay đổi rất ít nên dòng điện IC

và điện thế VCE ở ngõ ra cũng thay đổi ít quanh

điểm điều hành. Khi tín hiệu ngõ vào lớn, ngõ ra sẽ thay đổi rất lớn quanh điểm tĩnh điều hành.

Dòng IC

sẽ thay đổi quanh giới hạn 0mA và VCC

/RC. Ðiện thế V

CE thay đổi giữa hai

giới hạn 0V và nguồn VCC

TH1: Mạch khuếch đại đã được phân cực, tức là ta có ICQ cho trước

Thì biên độ dòng ac qua tải lớn nhất (vẫn đảm bảo âm thanh ngõ ra trung thực) khi: )]Ii(,Imin[II CQmaxCCQLmCm −==

TH2: Ta thiết kế phân cực sao cho công suất cung cấp cho tải là lớn nhất

Điều kiện để:L

CCCQCmLmCQmaxCmaxL R2

VIiiI2iP ===⇔=⇔

Khi đó công suất ac trên tải: L

2CC

L2

L

CCL

2LmmaxL R8

VR)

R2V

(21R)I(

21P ===

Công suất nguồn cung cấp:L

2CC

CQCCCC R2VIVP ==

73

Page 76: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

Hiệu suất khuếch đại: %2541

PP

CC

maxLmax ===η

5.3. Mạch khuếch đại công suất ghép tụ ra tải (lớp A) Dạng mạch cơ bản:

CEv

Ci

maxCEv

LC

CQLC

CCC

C RR

IRR

RVi

//

][2

max+

−=

Vcc

Thiết lập phương trình đường tải tổng CECRCC vRiV += (1)

Mặt khác: LCCQRCQR i~i~Ii~Ii ++=+= (2)

Và : LC

CCL

LC

C

C

L

RRRi~i~

RRR

i~i~

+−=⇒

+−= (3)

Thế (2) vào (3) ta được:

CLC

LCQ

LC

CCCQR i~

RRRI)

RRR1(i~Ii

++=

+−+= (4)

Thay (4) và (1) ta được:

CECCLC

LCQCC vR)i~

RRRI(V ++

+=

CECCLC

LCQ

LC

LCCC vR)i~

RRRI

RRRR(V +

++

++

=⇔

CECCQLC

CC

LC

LCC vR)I

RRRi

RRR(V +

++

+=⇔ (*)

Vậy LC

CQLC

2C

CC

maxC R//R

]IRR

RV[i +

−=

RL

ri

Cc

Cb

0

RcRb

Ci

Ri

Li

Vi

74

Page 77: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

( VCE=0) TH1: Mạch khuếch đại đã được phân cực, tức là ta có ICQ cho trước

Thì biên độ dòng ac qua tải lớn nhất (vẫn đảm bảo âm thanh ngõ ra trung thực) khi:

)]Ii(,Imin[RR

RIRR

RI)]Ii(,Imin[I CQmaxCCQLC

CCm

LC

CLmCQmaxCCQCm −×

+=

+=⇔−=

TH2: Ta thiết kế phân cực sao cho công suất cung cấp cho tải là lớn nhất

ta chứng minh được rằng:

( ) LCmaxL RRPMax =⇔ Hiệu suất khuếch đại: %33.8P

P

CC

maxL ==η

( ) LCmax R2RMax =⇔η Hiệu suất khuếch đại:

%58.8P

P

CC

maxLmax ==η

5.4. Mạch khuếch đại công suất ghép biến áp (lớp A) Dạng mạch cơ bản:

Vcc

CEv

Ci

maxCEv

CQL

CCC I

RaVi += 2max

0

N2Rb

ri

Vi

N1

CbCi

Li

RL

75

Page 78: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

Thiết lập phương trình đường tải tổng CE1CC vuV += (1)

Đặt ⎩⎨⎧

==

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

==

==⇒=

CL

21

2

1

C

L

2

1

2

1

2

1

i~ai~auu

aNN

i~i~

aNN

uu

NNa (2)

Thế (2) vào (1) ta được: CELC

2CE2CE1CC vRi~avauvuV +=+=+=

CELCQ2

LC2

CC vRIaRiaV +−=⇒ (*) Phương trình tải tổng

Vậy CQL

2CC

maxC IRa

Vi += ( VCE=0)

TH1: Mạch khuếch đại đã được phân cực, tức là ta có ICQ cho trước Thì biên độ dòng ac qua tải lớn nhất (vẫn đảm bảo âm thanh ngõ ra trung thực) khi:

)]Ii(,Imin[RR

RIRR

RI)]Ii(,Imin[I CQmaxCCQLC

CCm

LC

CLmCQmaxCCQCm −×

+=

+=⇔−=

TH2: Ta thiết kế phân cực sao cho công suất cung cấp cho tải là lớn nhất

Điều kiện

để:L

CCCmLm

L2

CCCQCmCQmaxCmaxL aR

VaiiRa

VIiI2iP ==⇔==⇔=⇔

Khi đó công suất ac trên tải: L

2

2CC

maxL Ra2VP =

Công suất nguồn cung cấp:L

2

2CC

CQCCCC RaVIVP ==

Hiệu suất khuếch đại: %5021

PP

CC

maxLmax ===η

Chú ý : o Điện áp đánh thủng BJT CCCE V2V = o Lõi biến áp đủ lớn để tránh bão hoà từ do dòng của BJT Ci

5.5. Khảo sát mạch khuếch đại công suất lớp B

Trong mạch khuếch đại công suất lớp B, người ta phân cực với VB =0V nên bình thường transistor không dẫn điện và chỉ dẫn điện khi có tín hiệu đủ lớn đưa vào. Do phân cực như thế nên transistor chỉ dẫn điện được ở một bán kỳ của tín

B

76

Page 79: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

hiệu (bán kỳ dương hay âm tùy thuộc vào transistor NPN hay PNP). Do đó muốn nhận được cả chu kỳ của tín hiệu ở ngõ ra người ta phải dùng 2 transistor, mỗi transistor dẫn điện ở một nữa chu kỳ của tín hiệu. Mạch này gọi là mạch công suất đẩy kéo (push-pull).

Công suất cung cấp: (công suất vào) Ta có: Pi(dc) = VCC . IDC Trong đó IDC là dòng điện trung bình cung cấp cho mạch. Do dòng tải có đủ

cả hai bán kỳ nên nếu gọi IP là dòng đỉnh qua tải ta có:

)P(DC I2Iπ

=

Và: )P(CC)DC(i I2.VPπ

=

Dùng nguồn đôi Dùng nguồn đơn Công suất ra Công suất ra lấy trên tải có thể được tính: LR

L

2)RMS(L

)AC(O RV

P =

77

Page 80: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

L

2)PP(L

)AC(O R8V

P −=

L

2L

)AC(O R2VP =

Hiệu suất:

%100.PP

%)DC(i

)AC(O=η

%100.I2.V

R2/V

)P(CC

L2

)P(L

π

=

Vì L

)P(L)P( R

VI = nên %100.

VV

.4

%CC

)P(Lπ=η

Trị tối đa của là nên hiệu suất tối đa là: )P(LV CCV

%54.78%100.4

%(max) =π

Công suất tiêu tán trong transistor công suất: Tiêu tán trong 2 transistor:

Q2P = )AC(O)DC(i PP −

Vậy công suất tiêu tán trong mỗi transistor công suất:

2

PP Q2

Q =

Công suất ra tối đa: Công suất ra tối đa khi = )P(LV CCV

L

2CC

max)AC(O R2VP =

Khi đó dòng đỉnh là: L

CC)P( R

VI =

Và trị tối đa của dòng trung bình: L

CC)P((max)DC R

V2I2Iπ

=

Công suất ngõ vào lớn nhất: (max)DCCCmax)DC(i I.VP =

L

2CC

L

CCCCmax)DC(i R

V2RV.2.VP

π=

π=

Hiệu suất tối đa của mạch công suất lớp B là:

78

Page 81: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

%54.78%100.

4%100.

R/V2R2/V

%100.P

P%

L2CC

L2CC

)DC(i

max)AC(O(max)

=

Công suất tiêu tán tối đa của 2 transistor công suất không xảy ra khi công suất ngõ vào tối đa hay công suất ngõ ra tối đa. Công suất tiêu tán sẽ tối đa khi điện thế ở hai đầu tải là:

CCCC)P(L V2V636.0Vπ

==

Và khi đó:

L

2CC

2(max)Q2 RV.2P

π=

Hiệu suất của mạch cũng có thể được tính như sau:

L

2)P(L

)AC(O R2V

P =

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡π

==L

)P(LCCDCCC)DC(i R

V.2.VI.VP

%100.VV

.4

%100.PP

%CC

)P(L

)DC(i

)AC(O π==η

%VV

.54.78%CC

)P(L=η

5.6. Các dạng mạch công suất lớp B: Trong phần này ta khảo sát một số dạng mạch công suất lớp B thông dụng.

Tín hiệu vào có dạng hình sin sẽ cung cấp cho 2 tầng công suất khác nhau. Nếu tín hiệu vào là hai tín hiệu sin ngược pha, 2 tầng công suất giống hệt nhau được dùng, mỗi tầng hoạt động ở một bán kỳ của tín hiệu. Nếu tín hiệu vào chỉ có một tín hiệu sin, phải dùng 2 transistor công suất khác loại: một NPN hoạt động ở bán kỳ dương và một PNP hoạt động ở bán kỳ âm.

Ðể tạo được 2 tín hiệu ngược pha ở ngõ vào (nhưng cùng biên độ), người ta có thể dùng biến thế có điểm giữa (biến thế đảo pha), hoặc dùng transistor mắc thành mạch khuếch đại có độ lợi điện thế bằng 1 hoặc dùng op-amp mắc theo kiểu voltage-follower như diễn tả bằng các sơ đồ sau:

79

Page 82: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

Mạch tạo hai tín hiệu ngược pha 5.6.1. Mạch khuếch đại công suất Push-pull liên lạc bằng biến thế: Dạng mạch cơ bản như sau:

- Trong bán kỳ dương của tín hiệu, Q

1 dẫn. Dòng i

1 chạy qua biến thế ngõ ra tạo

cảm ứng cấp cho tải. Lúc này pha của tín hiệu đưa vào Q2 là âm nên Q

2 ngưng dẫn.

- Ðến bán kỳ kế tiếp, tín hiệu đưa vào Q2

có pha dương nên Q2

dẫn. Dòng i2

qua biến thế ngõ ra tạo cảm ứng cung cấp cho tải. Trong lúc đó pha tín hiệu đưa vào Q

1 là âm nên Q

1 ngưng dẫn.

80

Page 83: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

Chú ý là i1

và i2

chạy ngược chiều nhau trong biến thế ngõ ra nên điện thế cảm ứng bên cuộn thứ cấp tạo ra bởi Q

1 và Q

2 cũng ngược pha nhau, chúng kết hợp

với nhau tạo thành cả chu kỳ của tín hiệu.

Thực tế, tín hiệu ngõ ra lấy được trên tải không được trọn vẹn như trên mà bị

biến dạng. Lý do là khi bắt đầu một bán kỳ, transistor không dẫn điện ngay mà phải chờ khi biên độ vượt qua điện thế ngưỡng VBE. Sự biến dạng này gọi là sự biến dạng xuyên tâm (cross-over). Ðể khắc phục, người ta phân cực VB dương một chút (thí dụ ở transistor NPN) để transistor có thể dẫn điện tốt ngay khi có tín hiệu áp vào chân B. Cách phân cực này gọi là phân cực loại AB. Chú ý là trong cách phân cực này độ dẫn điện của transistor công suất không đáng kể khi chưa có tín hiệu.

B

Ngoài ra, do hoạt động với dòng IC lớn, transistor công suất dễ bị nóng lên. Khi nhiệt độ tăng, điện thế ngưỡng VBE giảm (transistor dễ dẫn điện hơn) làm dòng IC càng lớn hơn, hiện tượng này chồng chất dẫn đến hư hỏng transistor. Ðể khắc phục, ngoài việc phải giải nhiệt đầy đủ cho transistor, người ta mắc thêm một điện trở nhỏ (thường là vài Ω) ở hai chân E của transistor công suất xuống mass. Khi transistor chạy mạnh, nhiệt độ tăng, IC tăng tức IE làm VE tăng dẫn đến VBE giảm. Kết quả là transistor dẫn yếu trở lại.

Mạch khuếch đại công suất loại AB dùng biến áp đảo pha và biến thế

xuất âm

81

Page 84: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

Ngoài ra, người ta thường mắc thêm một điện trở nhiệt có hệ số nhiệt âm (thermistor) song song với R

2 để giảm bớt điện thế phân cực V

B bù trừ khi nhiệt độ

tăng.

5.6.2 Mạch công suất kiểu đối xứng - bổ túc: Mạch chỉ có một tín hiệu ở ngõ vào nên phải dùng hai transistor công suất

khác loại: một NPN và một PNP. Khi tín hiệu áp vào cực nền của hai transistor, bán kỳ dương làm cho transistor NPN dẫn điện, bán kỳ âm làm cho transistor PNP dẫn điện. Tín hiệu nhận được trên tải là cả chu kỳ.

Mạch công suất kiểu đối xứng- bổ túc

Bán kỳ dương: dẫn, ngưng 1Q 2Q

Bán kỳ âm: ngưng, dẫn 1Q 2Q

Cũng giống như mạch dùng biến thế, mạch công suất không dùng biến thế mắc như trên vấp phải sự biến dạng cross-over do phân cực chân B bằng 0V. Ðể

82

Page 85: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

khắc phục, người ta cũng phân cực mồi cho các chân B một điện thế nhỏ (dương đối với transistor NPN và âm đối với transistor PNP). Ðể ổn định nhiệt, ở 2 chân E cũng được mắc thêm hai điện trở nhỏ.

Mạch đối xứng -bổ túc loại AB Trong thực tế, để tăng công suất của mạch, người ta thường dùng các cặp

Darlington hay cặp Darlington_cặp hồi tiếp như được mô tả như hai hình dưới đây.

Mạch khuếch đại công suất dùng 2 cặp Darlington

83

Page 86: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

5.6.3. Khảo sát vài dạng mạch thực tế: Trong phần này, ta xem qua hai dạng mạch rất thông dụng trong thực tế: mạch

dùng transistor và dùng op-amp làm tầng khuếch đại điện thế. a. Mạch công suất với tầng khuếch đại điện thế là transistor:

Mạch có dạng cơ bản như hình

Mạch công suất dùng cặp Darlington-cặp hồi tiếp

Các đặc điểm chính:

84

Page 87: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

• Q1

là transistor khuếch đại điện thế và cung cấp tín hiệu cho 2 transistor công suất.

• D1

và D2

ngoài việc ổn định điện thế phân cực cho 2 transistor công suất (giữ cho điện thế phân cực giữa 2 chân B không vượt quá 1.4V) còn có nhiệm vụ làm đường liên lạc cấp tín hiệu cho Q

2 (D

1 và D

2 được

phân cực thuận). • Hai điện trở 3.9( để ổn định hoạt động của 2 transistor công suất về

phương diện nhiệt độ. • Tụ 47μF tạo hồi tiếp dương cho Q

2, mục đích nâng biên độ của tín

hiệu ở tần số thấp (thường được gọi là tụ Boostrap). • Việc phân cực Q

1 quyết định chế độ làm việc của mạch công suất.

b. Mạch công suất với tầng khuếch đại điện thế là op-amp Một mạch công suất dạng AB với op-amp được mô tả như hình dưới: - Biến trở R

2: dùng chỉnh điện thế offset ngõ ra (chỉnh sao cho ngõ ra bằng 0v

khi không có tín hiệu vào). - D

1 và D

2 phân cực thuận nên: V

B1= 0.7v, V

B2= - 0.7v

85

Page 88: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

Điện thế của 2 transistor công suất thường được thiết kế khoảng 0.6V, nghĩa là độ giảm thế qua điện trở là 0.1V.

BEVΩ10

Dòng qua là: 21 D,D

mA46.9560

3.5RVI

3

3R ==≈

Dòng cực thu của hai transistor công suất:

mA1010

V1.0RVII

5

1E2C1C =

Ω=≈=

Ta thấy không có dòng điện phân cực chạy qua tải. Dòng điện cung cấp tổng cộng: =1.7+9.46+10=21.2 mA C1n IIII ++=(Khi chưa có tín hiệu dòng cung cấp qua Opamp 741 là 1.7mA nhà sản xuất cung cấp) Công suất cung cấp khi chưa có tín hiệu =2 (standby) (standby)Pin nCC I.V =12Vx21.2=254mW Độ khuếch đại điện thế của mạch:

2.910821

RR1A

8

7V =+=+≈

Công suất ra trên tải:

L

2)P(O

)AC(O R2V

P =

Giả sử tín hiệu vào có biên độ đỉnh là 108.7mV Ta có: V17.1082.9V )P(O ≈×=Do đó:

)W(0625.08.2

1P )AC(O ==

Dòng điện qua tải:

mA125R

VI

L

)P(O)P(O ==

Dòng trung bình chạy qua mỗi transistor khi có tín hiệu:

mA8.4910/125

I/II C)P(ODC

=+π=

+π=

Dòng cung cấp khi có tín hiệu : =1.7+9.46+49.8=61mA DC1n IIII ++=Công suất cung cấp khi có tín hiệu:

86

Page 89: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

W732.012.61V2.IP CCn)DC(i === Hiệu suất:

%54.8%100.732

5.62%100.PP

%)DC(i

)AC(O ===η

Chú ý: dẫn, ngưng dẫn nên: 1Q 2Q ( ) V25.2RRIV LE)P(O)P(1E =+×= Điện thế đỉnh qua tải: V18125.0V )P(O =×=

Khi dẫn (bán kỳ dương của tín hiệu) điện thế đỉnh tại chân B của là: 1Q 1Q V95.27.025.27.0VV )P(1E)P(1B =+=+= Điện thế tại ngõ ra của Opamp =2.95-0.7=2.25V 1D1B1 VVV −=Tương tự khi dẫn: 2Q V95.27.025.27.0VV )P(2E)P(2B −=−−=−= Điện thế tại ngõ ra của Opamp V25.27.095.2VVV 2D)P(2B1 −=+−=+= Khi ngưng dẫn, dẫn 1Q 2Q V55.17.025.2VVV 1D11B −=+−=+= Tương tự khi dẫn, ngưng 1Q 2Q V55.17.025.2VVV 2D12B =−=−= Dòng bão hòa qua mỗi transistor

mA3.333810

6RR

VILE

CC)sat(C =

+=

+=

Điện thế tối đa: OV V67.283.333V max)P(O =×=

87

Page 90: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

Dạng sóng của mạch khuếch đại c. Mạch công suất dùng MOSFET:

Phần này giới thiệu một mạch dùng MOSFET công suất với tầng đầu là một mạch khuếch đại vi sai. Cách tính phân cực, về nguyên tắc cũng giống như phần trên. Ta chú ý một số điểm đặc biệt:

- Q1 và Q

2 là mạch khuếch đại vi sai. R

2 để tạo điện thế phân cực cho cực nền

của Q1. R

1, C

1 dùng để giới hạn tần số cao cho mạch (chống nhiễu ở tần số

cao). - Biến trở R

5 tạo cân bằng cho mạch khuếch đại visai.

- R13

, R14

, C3 là mạch hồi tiếp âm, quyết định độ lợi điện thế của toàn mạch.

- R15

, C2

mạch lọc hạ thông có tác dụng giảm sóng dư trên nguồn cấp điện của tầng khuếch đại vi sai. - Q

4 dùng như một tầng đảo pha ráp theo mạch khuếch đại hạng A.

- Q3

hoạt động như một mạch ổn áp để ổn định điện thế phân cực ở giữa hai cực cổng của cặp công suất

89

Page 91: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

- D1

dùng để giới hạn biên độ vào cực cổng Q5. R

16 và D

1 tác dụng như một

mạch bảo vệ. - R

17 và C

8 tạo thành tải giả xoay chiều khi chưa mắc tải.

Công suất 30W dùng MOSFET

90

Page 92: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

Bài tập chương 5 5.1 Cho mạch khuếch đại công suất như hình vẽ , β = 50, coi Re ≈ 0 Ω

Cb

0

ri

Re

Vi

Rb

RL

Rc

+5V

4

0.1/2W

Vcc

8/2W

20

Cc

a. Tính công suất lớn nhất mà mạch có thể cung cấp cho tải (PLmax) b. Tìm Rb và Rc để mạch có thể đạt được ở chế độ hiệu suất khuếch đại lớn nhất 5.2 Cho mạch khuếch đại công suất như hình vẽ bên, β = 50, coi Re ≈ 0Ω

Re0.1

0

ri

+12V

Cb

20Vi

Vcc

RL8/2W

R2

100

R1

330

a. Tính công suất lớn nhất mà mạch có thể cung cấp cho tải (PLmax) b. Tìm R1 và R2 để mạch có thể đạt được ở chế độ hiệu suất khuếch đại lớn nhất 5.3 Cho mạch khuếch đại công suất như hình vẽ bên, β = 50, N1/N2 = 0.5, coi Re ≈ 0Ω

91

Page 93: Bai giang mach_dien_tu_2

Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio

N28/2W

50

ri

0.1/2W

RL

Cb

Vi

Rb

0

Vcc

Re

N1

+5V

a. Tính công suất lớn nhất mà mạch có thể cung cấp cho tải (PLmax) b. Tìm Rb để mạch có thể đạt được ở chế độ hiệu suất khuếch đại lớn nhất

92