Upload
ngochuucf
View
8.237
Download
8
Embed Size (px)
Citation preview
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
-
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
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
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
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
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
>
<<+
<<
=θ
)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
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 >>
ủ
45o
101w 1w 110w
102w
2w 210w w(Rad/s)
- 45o
- 90o
θ
θ
90o
101w 110w
102w
210w w(rad/s)
θo
4
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
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
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
Lω
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
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
R×
+ω
+×
+×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
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
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
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
Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại
( )
⎪⎪⎪
⎩
⎪⎪⎪
⎨
⎧
=ω
=ω
−=
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
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
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
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
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
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
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
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
=β
19
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
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
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 ≈
+
−=
+β
−=
( )ECCCCCE RRIVV +−= 05V0.22)5.8(1-12 >=+= (Transsistor làm việc ở chế độ KĐ)
Mạch tương đương tần số cao:
22
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
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
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
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
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
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
Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại
⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ +⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ωω
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ω
+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
+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
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
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
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
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
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
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
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)
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:
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
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
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:
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
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
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
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'
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 '
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:
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'
+
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
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
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
Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng
51
c. Xác định độ lợi trung tần của mạch
d. Xác định BW và GBW
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Chương 4: Mạch lọc
69
11 .Mạch lọc thông dãi LC
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
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
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
=η
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
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
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
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
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
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
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
=η
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
=π
=
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
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)
=π
=π
=
=η
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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