Bài giảng Kỹ thuật điện, điện tử - Chương 4: Khuếch đại

Chương 4 : Khuếch đại  Khuếch đại là quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở đó năng lượng của nguồn cấp 1 chiều được biến đổi thành dạng năng lượng tín hiệu khác ở đầu ra (lớn hơn về mặt biên độ dòng điện hoặc điện áp)  Phân loại theo tần số khuếch đại  Khuếch đại tần số cực thấp(tín hiệu 1 chiều) ▪ Tần số trong khoảng 0-20Hz (tín hiệu điện tim)  Khuếch đại tín hiệu tần số thấp ▪ Tần số trong khoảng 20-200kHz(tín hiệu âm thanh, siêu âm)  Khuếch đại tín hiệu tần số cao ▪ Tần số trong khoảng 200kHz- 2GHz(sóng mang kênh thông tin radio, truyển hinh..)  Hệ số khuếch đại  Hệ số khuếch đại điện áp  Hệ số khếch đại dòng điện  Trở kháng vào ra  Hệ số méo  Dải động vra u U U K * v ra u E U K  Nói chung, vì tầng khuếch đại có chứa các phần tử điện kháng nên Ku là một số phức. kuvra j u j v ra v ra u eKe E U E U K        )(.  Do các tâng khuếch đại thường có các phần tử điện kháng và cảm kháng nên |Ku| và |ψku| thay đổi theo tần số.  là đặc tuyến biên độ – tần số của bộ khuếch đại.  là đặc tuyến pha – tần số của bộ khuếch đại.  Ví dụ về đặc tuyến biên độ - tần số của bộ khuếch đại được biểu diễn như hình vẽ sau: )(1 fK u   )(2  fku   Thường người ta tính biên độ hệ số khuếch đại |Ku| theo đơn vị decibel  Trên thực tế,giá trị của không ổn định. Độ bất ổn định của được định nghĩa như sau: )lg( 20. (dB) uu KK   uK  uK  u u u u K K dK K K B    vra i i i K  kivra j i j v ra v ra i eKe I I i i K  .. )(      )( 20.lg (dB) ii KK    Trở kháng vào của mạch khuếch đại được định nghĩa như sau:  nếu Zi>>Zv thì  nếu Zi<<Zv thì v v v i U Z  vi i u v v v r v r u ZZ Z K E U U U E U K   .. * * uu KK  0uK  Trở kháng ra của mạch khuếch đại được định nghĩa là trở kháng trong của nguồn tương đương nếu ta nhìn từ phía tải :  nếu Zt>>Zr thì  nếu Zt<<Zr thì r r r i U Z  rt t rr ZZ Z EU   . rr EU  0rU  Bộ khuếch đại điện áp lý tưởng có Ku rất lớn và không phụ thuộc vào nguồn và tải:  Bộ khuếch đại dòng điện lý tưởng Ki rất lớn không phụ thuộc vào nguồn và tải:         0r v u Z Z K         r v i Z Z K 0  Méo không đường thẳng:  Méo không đường thẳng do tính chất phi tuyến của các phần tử như transistor gây ra thể hiện ở việc xuất hiện những thành phần tần số lạ ở đầu ra mà không có ở đầu vào. Khi Uv chỉ có thành phần tần số nhưng đầu ra không chỉ xuất hiện thành phần tần số mà còn xuất hiện các thành phần tần số (n. ), với n=2,3... Các thành phần tần số (n. ), với n=2,3... gọi là các hài, giả thiết các hài có biên độ tương ứng là Unm ta định nghĩa hệ số méo không đường thẳng như sau: m nmmm U UUU 1 22 3 2 2 ...   Méo tần số:  Do tính phi tuyến đối với các tần số khác nhau của các phần tử nên hệ số khuếch đại ở các tần số khác nhau sẽ khác nhau. Méo tần số tại tần số f0 được định nghĩa như sau: )( )( 0 max 0 fK K fM u u   Dải động được định nghĩa là tỷ số giữa biên độ tín hiệu vào lớn nhất để méo không đường thẳng chưa vượt quá mức danh định và biên độ tín hiệu vào nhỏ nhất để chưa bị ảnh hưởng bởi tạp âm: min max v v d U U S   Để phần tử khuếch đại (transistor) làm việc bình thường, tin cậy ở một chế độ xác định thì cần hai điều kiện:  Phân cực tính cho phần tử khuếch đại.  Ổn định chế độ làm việc tĩnh đã được xác lập.  Khi thỏa mãn hai điều kiện trên thì ta sẽ có:  Khi Uv=0, phương trình đường tải tĩnh có dạng:  Khi Uv≠0, phương trình đường tải xoay chiều như sau: CCCCE ERIU  . CtCCCE ERRIU  )//.(  Nếu Q nằm trong khoảnh giữa M và N, trong đó M, N là giao điểm đường thẳng tải với các đường đặc tuyến ra tĩnh ứng với các chế độ tới hạn UBEmax và UBE=0 (IB=0), ta nói tầng khuếch đại làm việc ở chế độ A. Chế độ làm việc này có 2 đặc điểm cơ bản là: vùng làm việc gây ra méo nhỏ nhất và hiệu quả biến đổi năng lượng của tầng là thấp nhất.  Khi Q dịch dần về phía điểm N, tầng khuếch đại sẽ chuyển dần sang chế độ AB và lúc Q trùng với N, ta nói tầng khuếch đại làm việc ở chế độ B. Đặc điểm của chế độ này là méo lớn.  Khi Q nằm ngoài N và lân cận M ta nói tầng khuếch đại đang làm việc ở chế độ khóa.  Phản hồi là dẫn tin hiệu từ đầu ra quay về điểm đầu vào  Khối mạch khuếch đại K thực hiện khuếch đại tín hiệu vào. Khối mạch B thực hiện đưa tín hiệu ra quay lại đầu vào.  Khi tín hiệu ra của khối phản hồi B cùng pha với tín hiệu vào thì sẽ làm tăng đầu vào, đầu ra sẽ tăng.  Đầu ra tăng sẽ làm đầu ra của khối phản hồi B tăng, từ đó đầu vào khối phản hồi K tăng, lại làm cho đầu ra tăng.  Quá trình cứ diễn ra như vậy, làm cho mạch không ổn định. Trường hợp này gọi là phản hồi dương.  Ứng dụng chính của phản hồi dương là các mạch tạo dao động.  Khi tín hiệu ra của khối phản hồi B ngược pha với tín hiệu vào thì sẽ làm giảm đầu vào, từ đó làm giảm đầu ra.  Trường hợp này được gọi là phản hồi âm hay còn gọi là hồi tiếp âm.  Hồi tiếp âm cho phép cải thiện chất lượng một số thông số của mạch khuếch đại vì thế nó được ứng dụng rất rộng rãi  Phản hồi điện áp nối tiếp  Phản hồi điện áp song song  Phản hồi dòng điện nối tiếp  Phản hồi dòng điện song song      vrbvk rvbrk UUU UUU  Hệ số khuếch đại  Gọi hệ số khuếch đại của mạch đã có phản hồi là Ku(ph).  Ta có:  Chia cả hai vế cho Ur:  Mà nên v r u U U phK )( vk rk u U U K  vb rb U U B  rbvkv UUU  rbvkv UUU  r rb r vk r v U U U U U U  rvbrk UUU  G K BK K phK B KphK U U U U U U u u u u uu vb rb rk vk r v      .1 )( 1 )( 1  Hệ số bất ổn định: G B phK phdK phB K u u K  )( )( )(  Giả sử tín hiệu vào là hình sin tần số trung bình, vì vậy trở kháng của tụ coi như bằng không, ảnh hưởng điện dung ký sinh cũng như sự phụ thuộc hệ số của transistor vào tần số coi như không đáng kể.  Cp1 và Cp2 là các tụ ghép tầng. Tụ Cp1 loại trừ ảnh hưởng lẫn nhau của nguồn tín hiệu và mạch vào về dòng một chiều. Mặt khác, nó đảm bảo cho điện áp tĩnh base UB0 không bị ảnh hưởng bởi điện trở trong của nguồn tín hiệu. Tụ Cp2 ngăn không cho thành phần 1 chiều mà chỉ cho thành phần xoay chiều ra tải.  Cặp điện trở R1 và R2 để phân cực tĩnh cho transistor. Mạch này tuân theo nguyên lý phân cực bằng dòng Emitter.  RC là tải một chiều.  Tụ điện CE là tụ rẽ nhánh, loại bỏ các thành phần xoay chiều quay trở lại đầu vào để đảm bảo không làm giảm hệ số khuếch đại tín hiệu xoay chiều do hồi tiếp âm.  RE đóng vai trò là phần tử hồi tiếp âm dòng điện có tác dụng ổn định nhiệt, đồng thời cấp điện áp một chiều tới cực Emitter.  Rt là tải lấy tín hiệu đầu ra.  Chế độ tĩnh:  Là chế độ dòng 1 chiều, các tụ coi như hở mạch, như vậy, mạch khuếch đại ở chế độ tĩnh thu được chính là mạch phân cực bằng dòng Emitter.  Chế độ động:  Ta sử dụng sơ đồ tương đương xoay chiều tín hiệu nhỏ của transistor, mạch khuếch đại được vẽ lại như sau:  Trở kháng vào  với R1//R2 > (2÷3).rbe , tính toán dựa trên các giá trị có thể có của rb, , re, giá trị của Zv nằm trong khoảng khoảng 1÷3KΩ. Như vậy, trở kháng vào của mạch EC là trung bình. be v v v rRR i u Z //)//( 21   ebbe rrr .1  o  Trở kháng ra:  Hệ số khuếch đại điện áp:  ut = ic.(RC//RL) = . ib.(RC//RL)  uv = ib.rbe  Giá trị khuếch đại điện áp có giá trị khá lớn. Tuy nhiên, điện áp ra ngược pha với điện áp vào. cr RZ  be LC o v t u r RR u u K //   Hệ số khuếch đại dòng điện:  Nếu ta coi Zv ≈ rbe thì ta có:  Giá trị khuếch đại dòng điện có giá trị khá lớn, v be bv bebbev Z r ii rirRRi . .)////.( 21   be v L LC v be b L LCc v be b L t v t i r Z R RR Z r i R RRi Z r i R u i i K . // . . )//.( .  L LC i R RR K // . iK  Hệ số khuếch đại công suất  Giá trị của Kp đối với mạch mắc EC rất lớn, nằm trong khoảng 200÷5000.  Như vậy, mạch khuếch đại EC thực hiện khuếch đại cả dòng điện và điện áp, trở kháng vào trung bình, trở kháng ra lớn iup KKK .  Tụ C1, C2 là tụ ghép tầng, nhằm ngăn dòng 1 chiều giữa các đầu của mạch.  Chế độ tĩnh:  Khi làm việc ở chế độ tĩnh, các tụ điện coi như hở mạch. Tầng khuếch đại được vẽ lại như sau:  Chế độ động:  Đối với chế độ xoay chiều, có thể coi các tụ điện ngắn mạch. Sơ đồ tương đương ở chế độ xoay chiều của tầng khuếch đại BC được mô tả như sau:  Trở kháng vào:  trong đó Zx là trở kháng được tính như sau:  thay lên trên ta có:  Giá trị của trở kháng vào cho mạch khuếch đại BC là khá nhỏ, đây là nhược điểm chính của tầng khuếch đại này vì trở kháng vào nhỏ sẽ làm tín hiệu ra có hệ số méo lớn. xbeEv ZrRZ //// e be b bbe c eb x r r i ir i u Z   . . eebeEv rrrRZ  ////  Trở kháng ra:  Hệ số khuếch đại điện áp  Hệ số khuếch đại dòng điện:  Như vậy, tầng khuếch đại BC không khuếch đại dòng điện.  Hệ số khuếch đại công suất: Cr RZ  e LC be LC beb LCc u r RR r RR ri RRi K //)//.( . )//.(   1 //  L e e Lc L i u i o i R r r RR R Z K i i K iup KKK .  Chế độ tĩnh:  Ở chế độ tĩnh, các tụ điện hở mạch. Sơ đồ mạch tương đương ở chế độ tĩnh được biểu diễn như sau: R1 R2 E Re  Chế độ động:  Sơ đồ tương đương ở chế độ động được biểu diễn như hình sau:  Trở kháng vào:  trong đó Zx là trở kháng của khối (ic,RE,RL). Trở kháng này có thể tính như sau:  thay lên trên, ta có:  Như vậy, giá trị điện trở vào của mạch CC là khá lớn. Đây là một trong những ưu điểm quan trọng của tầng CC để làm tầng phối hợp với nguồn tín hiệu có điện trở trong lớn  xbe v v v ZrRR i u Z  //// 21 )//).(1( )//.( LE b LEe x RR i RRi Z   )//).(1(//)//( 21 LEbev RRrRRZ   Trở kháng ra:  trong đó Zy là trở kháng được tính như sau  thay lên trên ta có:  Như vậy, trở kháng ra của mạch khuếch đại CC là rất nhỏ. yEr ZRZ //      1 //)//.( 2121 RRr i RRri Z be e beb y    1 )//( // 21 RRr RZ beEr  Hệ số khuếch đại điện áp:  Như vậy, mạch khuếch đại CC không khuếch đại điện áp  Hệ số khuếch đại dòng điện  Hệ số khuếch đại dòng điện khá lớn  Hệ số khuếch đại công suất: 1 )//).(1( )//).(1( ).( .       LEbe LE xbeb xb v t u RRr RR Zri Zi u u K   L v L v ui R Z R Z KK  iup KKK . bebeB rrR //  ber    LEbe RRr //1/ CR    1 )//( // SBbeE RRr R be LC r RR //   be LC r RR // . 1 LRL v R Z  iu KK  iK