Bai giang mach_dien_tu_2

Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM
Khoa Công Nghệ Điện Tử

Bài giảng

T2

T1

S2 +
C'
Rg RL vL
vi C' S1
ri L'
ri L' -
-

Tp.HCM 08-2008

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
Ax (dB )
A Midband
Am
2
f(Hz)
fL fH

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
R1 Vo
V1 +
vi I1
R2 C ie Rc
-
0

Vo i Rc i 1
Ta có A v = = − e × e = − Rc ×
Vi ie vi 1
R2 ×
jwC
R1 +
1
R2 +
jwC
1


1
(R 2 + )
jwC Rc (1 + jwCR 2 )
A v = − Rc × =− ×
(R + R 2 ) R 1 + R 2 1 + jwC(R 1 // R 2 )
R 1R 2 + 1
jwC
Rc (1 + jwCR 2 )
Vậy Av = − ×
R 1 + R 2 1 + jwC ( R 1 // R 2 )
1 1
Đặt w1 = , w2 =
CR 2 C(R 1 // R 2 )
w
(1 + j
)
Rc w1
=> Av = − ×
R 1 + R 2 (1 + j w )
w2

w 2
1+ (
)
Rc w1
Vậy: Av = × (1)
R1 + R 2 1+ (
w 2
)
w2
w w
và θ = arctg( ) − arctg( ) (2)
w1 w2

• Vẽ biểu đồ Bode cho tần số tín hiệu
Khai triển decibel ta được:

A v (dB) = 20 lg A v = 20 lg(
Rc w w
) + 20 lg 1 + ( ) 2 − 20 lg 1 + ( ) 2 (dB)
R1 + R 2 w1 w2
Hay A v (dB) = A 0 + A1 + A 2
⎧
⎪ 0dB ( w = 0)
w 2 ⎪
Xấp xĩ gần đúng A1 = 20 lg 1 + ( ) ≈ ⎨ 3dB ( w = W1 )
w1 ⎪ w
⎪20 lg w ( w >> w 1 )
⎩ 1

Biểu đồ Bode cho A1

2


A1 (dB )
20 20dB/deca
w(rad/s)
w 10w
Biểu đồ Bode cho các A0, A1, A2
Ax (dB )
A1
A0
20 20dB/deca
W2 10w2 w(rad/s)
W1 10w1

A2

Biểu đồ Bode tổng của Av
Av (dB )
Mid-bank
A

20dB/deca
w(rad/s)
W 1 W2

• Biểu đồ Bode cho pha tín hiệu
w w
Ta có θ = arctg( ) − arctg( )
w1 w2
Đặt θ = θ1 + θ2
⎧ 0 o , ( w << w 1 )
⎪
⎪ w w
Xấp xĩ gần đúng θ1 = ⎨45(1 + lg ), ( 1 < w < 10w 1 )
⎪ w1 10
⎪
⎩ 90 , ( w > 10w 1 )
o

Biểu đồ Bode cho θ1, θ2

3


90o θ

45o
w2 w(Rad/s)
10 w2 10w2
w1 w1 10w1
10
- 45o

θ
- 90o

Biểu đồ Bode cho góc pha tổng θ
θo

10w2
w(rad/s)
w1 w2 10w1
10 10
1.3. Khảo sát đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đại BJT ghép RC
• Phương pháp khảo sát: Để đơn giản cho việc khảo sát ta tách ra 2 loại
ghép RC riêng biệt
Ghép tụ bypass cực E transistor (Emitter bypass capacitor). Khảo
sát đáp tuyến tần số trên mạch này như các bước đã nêu trên
Ghép tụ ngõ vào và ra (Coupling capacitor)
Lưu ý:
Do đặc điểm chức năng của mỗi loại tụ ghép trong mà nó quyết định
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 chọn các giá trị C coupling sao cho
f L ( Bypassemit ter ) >> f L ( coupling )
• Ví dụ: khảo sát đáp tuyến tần số thấp của mạch khuếch đại sau

4


Vcc

Beta = 100
hie = 1K
Rc
R1 1K
2k Cc
Cb

i RL
ri 100
10k R2 Ce
2k Re
60

0

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:
hie i
i
Rc RL
ii ri Rb Re βib
10k 1k 60
Ce β
1k ib 100

hie
i
Rc RL
ri Rb Re
βib Ce βib 1k 100
ii 10k 1k 60

ri//Rb hie iL
ib
Rc RL
Re
( ri // RB )ii βib Ce 1k 100
60

5


( ri // RB + hie )
β
iL
ie
Rc RL
( ri // RB )ii Re
Ce 1k 100
60

iL iL ie i (r // R b )
Ta có, A i = = × × i i
ii i e ii (ri // R b ) ii
RC 1
=− × × (ri // R b )
RC + RL Re ×
1
(R B // ri + h ie ) jωCe
+
β Re +
1
jωCe
1
Re +
R C (ri // R b ) j ωC e
=− × , với
RC + RL R iR e +
Ri
+
Re
j ω C e j ωC e
(R // r + h ie )
Ri = B i = 20Ω
β
R C (ri // R b ) 1 + jωCe R e
=− ×
RC + RL (R i + R e )[1 + jCe ω × ( R i // R e )]

R C (ri // R b ) 1 + j ωC e R e
Hay, A i = − ×
(R C + R L )(R i + R e ) [1 + jC e ω × ( R i // R e )]

ω
1+ j
1K (10K // 1K ) ω1
=− × , Với
(1K + 100)(20 + 60) 1 + j ω
ω2
⎧ 1
⎪ω1 = R C = 33.3Rad / s
⎪ e e
⎨
⎪ω = 1
= 133.23Rad / s
⎪
⎩
2
(R e // R i )Ce

6


ω f
1+ j 1+ j
ω1 f1 ⎧ f = 5.3Hz
Vậy, A i = 10.33 × , hoặc A i = 10.33 × , với ⎨ 1
ω f ⎩ f 2 = 21.25Hz
1+ j 1+ j
ω2 f2

2 2
⎛ω⎞ ⎛ ω ⎞
Ai dB
= 20 + 20 log 1 + ⎜ ⎟ + 20 log 1 + ⎜
⎜ω ⎟ ⎜ω ⎟ (dB)
⎟
⎝ 1⎠ ⎝ 2 ⎠

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
A im = A i (f L ) .
Biểu đồ Bode
Ai (dB ) Ai (dB )
A1 32dB
20dB/decade 20 Mid-bank gain
A0
20
20dB/decade
w2 10w2
w(rad/s)
w(Rad/s) 33.3 133.23
w1 10w1 ωL

A2

Theo tính chất của biểu đồ Bode tần số cắt dưới của mạch
ωL = 133.23Rad / s , hay f L = 21.25Hz
Biểu đồ pha

90o θ

45o
w2 w(Rad/s)
10 w2 10w2
w1 w1 10w1
10
- 45o

- 90o θ

Biểu đồ pha tổng hợp
7


90o θ1

45o
270
w2 10w2 w(rad/s)
w1 w2 w1 10w1
10 10
- 45o

θ2
- 90o
b. Đáp ứng của tụ coupling
Bỏ qua ảnh hưởng của tụ Bypass bằng cách nối tắt nó, ta xét mạch tương
đương tín hiệu nhỏ như hình dưới.
Cb ib Ce iL

βib Rc RL
ii ri Rb hie
1k 100
10k 1k

Dùng phép biến đổi tương đương Thevenin ta được
ri Cb ib Ce iL
10k βib
Rc RL
riii Rb hie
1k 100
1k

(error: nguồn áp, thiếu ký hiệu i0)
i L i L β i b i b i 0 rii i
Ta có, A i = = × × × ×
i i β i b i b i 0 riii i i
RC RB 1
=− ×β× × × ri
RC + RL +
1 R B + h ie r + 1
+ R b // h ie
jωCC jωCb
i

β R C R b ri jω C C × jω C b
=− ×
R b + h ie [1 + jω CC (R L + R C)]× [1 + jω C b (ri + R b // h ie)]

8


Để đơn giản ta chỉ cần xét các tần số cắt dưới:
1 1
ωL1 = , và ωL 2 =
CC (R L + R C ) C b (ri + R b // h ie)
Do mục đích thiết kế của ta là các tụ Coupling chỉ đóng vai trò tụ liên lạc
giữa ngõ vào và ra. Nên để mạch hoạt động ổn định, tức các tần số cắt do
tụ coupling sẽ không ảnh hưởng đến tần số cắt dưới của mạch (fL ứng với
tụ Bypass), thì: ωL1 ,ωL 2 << ωL .
1
Thường ta chọn các tụ CC và CB sao cho: ωL1 = ωL 2 = ωL
10

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

Vcc

Các linh kiện FET trong
Rd thực tế có các giá trị:
Cd gm : trở dẫn (khoảng vài
ri Cg 2 mili 1/Ω)
3
1 rds : Trở kháng ngõ ra DS
Rg
RL (vài chục - vài trăm KΩ)
Vi Rs Cs Cgs: giá trị cảm kháng ngỏ
1MEG vào GS (vài PF - vài chục
PF)
0 Cgd: giá trị cảm kháng ngõ
ra GD ( 0.1 PF - vài PF)
Phương pháp khảo sát đáp ứng tần số thấp của mạch FET cũng giống như với
BJT, ta chia mạch làm hai trường hợp: Đáp ứng của cụ Bypass Cs và đáp ứng
của tụ Coupling.
a. Đáp ứng của tụ Bypass
Mạch tương đương tín hiệu nhỏ như hình vẽ

9


rds
ri
G S D i0 iL
g m v gs
Rg
Vi Rs Rd
Cs RL
1MEG

0

Mạch tương đương thevenin
ri rds _ i0 D iL
G S +
g m rds vgs
Rg
Vi Rs Rd
Cs RL
1MEG

0

Ta có, v gs = v g − vs , và dặt μ = g m rds

S rds _ + + _ i0 D iL
μvS μvi
Rs Rd
Cs RL

0

μvS rds μvi
S _ + M + _ i0 D iL

Rs Rd
Cs RL

0

Dùng phép biến đổi tương đương Thevenin cho đoạn mạch MO

10


rds μ v i_ i iL
M + 0 D

(1 + μ ) Rs Cs Rd
RL
(1 + μ )

0

vL R i i μv
Vậy, A v = =− L L × 0 × i
vi i0 μ vi vi
R R 1
=− L d × ×μ
R d + R L r + R // R + (1 + μ )[R //( 1 )]
j ωC S
ds d L S

1
= −μ(R L // R d )
(1 + μ)R S
rds + R L // R d +
1 + j ωR S C S
μ 1
= ( R L // R d )
(1 + μ) rds + R L // R d RS
+
(1 + μ) 1 + jωR S C S
r + R L // R d
Đặt R i = ds
(1 + μ)
Ta có,
μ 1 μ 1 + jωR SCS
Av = (R L // R d ) = (R L // R d )
(1 + μ) Ri +
RS (1 + μ) R i + jωR S R i CS + R S
1 + jωR S C S

μ 1 + j ωR S C S μ R L // R d 1 + jωR SCS
=− (R L // R d ) =
(1 + μ) R i + R S + jωR S R i CS (1 + μ) R i + R S 1 + jω R S R i C
Ri + RS
S

μ R L // R d 1 + jωR SCS
Hay, A v = −
(1 + μ) R i + R S 1 + jω(R i // R S )CS

Viết gọn lại ta được:

11


⎧A vm = −g m (rds // R L // R d )
⎪
⎪ω1 = 1
⎪ R S CS
A v = A vm
s + ω1
, trong đó ⎨
s + ω2 ⎪ω = 1
⎪ 2 ( R // R )C
⎪ i S S

⎩
b. Đáp ứng của tụ ghép cực máng
ri
Cd
+

V r Rd +
Vi R gs ds
g
g V RL VL
- m gs

-

Hàm truyền của mạch:
v L v L v gs
Av = = ×
v i v gs v i

gmR L ⎡ ⎛ 1 ⎞⎤ Rg
Av = − × ⎢rds // R d // ⎜ R L +
⎜ ⎟⎥ ×
1 ⎣ ⎝ sC d ⎟⎦ R g + ri
⎠
RL +
sC d
Rg
Vì R g rất lớn do đó ≈1
R g + ri

⎧A vm = −g m (rds // R L // R d )
s ⎪
A v = A vm . Trong đó: ⎨ 1
s + ωL ⎪ωL = C (R + r // R )
⎩ d L ds d

c. Đáp ứng của tụ ghép cực cổng

12


r Cd
i

+
+
V r Rd
Vi R gs ds RL VL
g
g V
- m gs -

Hàm truyền của mạch:
v L v L v gs
Av = = ×
v i v gs v i
Rg
A v = −g m (rds // R d // R L ) ×
1
R g + ri +
sC d

⎧A vm = −g m (rds // R L // R d )
s ⎪
A v = A vm . Trong đó: ⎨ω = 1
s + ωL ⎪ C d (ri + R g )
L
⎩
Giá trị R g thường rất lớn nên ωL rất nhỏ vì vậy Cd ảnh hưởng rất ít đến méo tần số
thấp, méo chỉ ảnh hưởng do Cs gây ra.

13


Bài tập chương 1
1.1 Cho mạch như hình:

IL

Ii Rb Ce RL
Re
4K 5uF 1K
100

Cho biết h ie = 1KΩ; h fe = 50.
a. Vẽ mạch tương tín hiệu nhỏ tần số thấp
i L (s)
b. Tìm hàm truyền A i =
i i (s)
c. Vẽ biểu đồ Bode cho biên độ và pha
1.2 Vẽ biểu đồ Bode cho biên độ và pha của hàm truyền:
⎡ (s + 10 )(s + 300 )(s + 400 )⎤
A = 10 4 ⎢ ⎥
⎣ (s + 2 )(s + 12 )(s + 2000) ⎦
VCC

IL
10K 10K
1K

Ii
10uF
4K

Cho biết h ie = 1KΩ; h fe = 100.
i L (s)
a. Tìm hàm truyền A i =
i i (s)
b. Vẽ biểu đồ Bode cho biên độ và pha

14


Vcc=10V

5K
Cc
1K

+
1K
Vi
5K 1K Ve

-

Biết h fe = 100 .
a. Tính toán phân cực cho mạch (I CQ , VCE )
b. Vẽ mạch tương tín hiệu nhỏ tần số thấp
i L (s)
c. Tìm hàm truyền A i =
i i (s)
d. Xác định Cc để tần số cắt thấp 3dB là 5Hz.
Vcc (12V)

Rc
R1 1K
47K Cc
Cb

i RL
ri 1K
10K Ce
Re 100uF
180

0

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
iL
b. Tính A i =
ii
c. Vẽ biểu đồ Bode và pha cho đáp ứng miền tần số thấp của mạch

15


Vdd

5K

5K Q2
FET N

Vi +
100K 250
V
L

250 100uF 100K
-

Biết rds = 5KΩ; g m = 5.10 −3 Ω -1
VL
a. Tìm A v =
Vi
VL
b. Tìm A v = nếu tụ Bypass ở cực nguồn nối song song cả hai điện trở 250 Ω
Vi

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’ ≈ 10 ÷ 50Ω
0.025h fe
• rb 'e : điện trở mối nối rb 'e = (T= 300 ο K )
I EQ
1 1
• :trở kháng ra >> R L
h oe h oe
0.025h fe
• h ie = rbb ' + rb 'e = rbb ' + (T= 300 ο K )
I EQ
Tần số cắt(cut off frequency)

ic
Tần số cắt β là tần số cắt 3dB của độ lợi dòng ngắn mạch ngõ ra
ii v CE = 0

17


1 1
fβ = =
2πrb 'e (C b 'e + C b 'c ) 2πrb 'e C b 'e
Giới hạn tần số cao f T : là tần số mà tại đó độ lợi dòng mạch CE bằng 1
f T = f β h fe − 1 ≈ f β h fe
2

Mô hình CB ở tần số cao

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

i sc h fb và f α = h fefβ
Ai = ≈
ii v cb = 0
1 + jω / h fe ωβ
Mô hình trên không tồn tại tại f T và tần số cắt có thể xác định bằng:
f α = (1 + λ )f T ≈ (1 + λ )h fe f β , λ = 0.2 to 1; giá trị tiêu biểu là 0.4
Mô hình PI với nguồn áp:

Trong đó:
h fe I 1
gm = ≈ EQ = 40I EQ (T= 300 ο K ), g m =
rb 'e 0.025 h ib
Tóm tắt các phần tử mạch tương đương PI:
• rbb’ ≈ 10 ÷ 50Ω
0.025h fe
• rb 'e =
I EQ
h fe I
• gm = ≈ EQ = 40I EQ
rb 'e 0.025

18


h fe 40I EQ g m
• C b 'e = = =
w T rb 'e wT wT
• C b 'c tỉ lệ (Vcb ' )− p với p=1/2 đến 1/3

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
1
Tần số cắt trên f β =
2πrb 'e (C b 'e + C b 'c )

19


Tần số giới hạn trên của BJT f T = βf β
Các thông số được cung cấp của nhà sản xuất cho BJT cao tần
β, C b 'e , C b 'c , f T , Pmax , VBE max
2.2.2 Phương pháp khảo sát
Dạng mạch tổng quát
Vcc

R1 Rc

+ Cc
Cb

RL
+
R2
ri Re
ii
Ce

Mạch tương đương AC

Giá trị các tụ ghép thường được chọn
⎧ 1
⎪C b = Cc , X c = Ω
⎨ 10
⎪
⎩ Ce >> C b

Sơ đồ tương đương Miller
+v b'e

R
Rc RL
Ii Rb'e gm v b'e
Cb'e CM

C

R'L
R b′e = ri // R B // rb′e g
, và C b′e ≈ m
R ′L = R C // R L wT
25mV β
rb ′e ≈ h ie = mβ , gm =
I eQ rb′e

20


C M = (1 + g m R ′L ) C b′c
rb 'e C
R = (1 + b ′e )
β C b ′c
C = g m R b ′e C b ′c
Lưu ý: R và C chỉ dùng để tính trở kháng ngõ ra
Z in = R b′e //(C b′e + C b′c )
Z 0 = R C //( R + 1 jwC)
Hàm truyền
iL i g V V
Ai = = L × m b′e × b′e
i i g m Vb′e Vb′e ii
RC 1
⇒ A i = −g m R b′e ×
R C + R L [1 + jwR (C b′e + C M )]
b′e

1
⇒ A i = A im ×
ω
(1 + j
)
ωH
⎧ g m R C R b′e
⎪A im = − R + R
⎪ C L
Với ⎨
⎪ωH = 1
⎪
⎩ R b′e (C b′e + C M )

1
Tần số cắt trên của mạch là fH = (Hz)
2πR b′e (C b′e + C M )

Đáp tuyến tần số
Ai dB

f
fH

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

21


VCC=12V

R1 Rc
33k 1k
Cc
Q1
ri Cb 1u

1k 1u
V4 Q2SC1815
100mVac

R2 Re Ce RL
6.8k 220 10u 470

0 0 0 0 0

Mạch tương đương DC :

VCC=12V VCC=12V

Rc Rc
R1
1k
33k 1k
Q3
Q2

Q2SC1815
Q2SC1815 RB
R2 Re Re
6.8k 220
VBB 220

0 0 0 0

33Kx 6.8K
RB = = 5.6K
33K + 6.8K
6.8K
VBB = 12 x = 2.1V
33K + 6.8K

Transistor C1815 có β = 300
VBB − VBE 2.1 − 0.7
IC = = ≈ 5.8mA
RB 5.6K
+ RE + 0.22K
β 300
VCE = VCC − I C (R C + R E )
= 12 - 5.8(1 + 0.22) = 5V > 0 (Transsistor làm việc ở chế độ KĐ)
Mạch tương đương tần số cao:

22


ri r b'e Rb Cb'e CM gm vb'e R
C RL
ii

Rb'e Cb'e CM gm vb'e L
R'
ii

vi
Trong đó: i i =
ri
25mV
rb 'e = h ie = β = 1.3K
I CQ
R b 'e = ri // R B // rb 'e = 1K // 5.6K // 1.3K = 0.5K
R 'L = R C // R L = 1K // 0.47 K = 0.3K
β 300
gm = = = 0.23
rb 'e 1300

C M = (1 + g m R 'L )C b 'c = (1+0.23x300)x2=140(pF)
Độ lợi dòng điện:
RC 1
A i = −g m R b ' e × ×
R C + R L 1 + jwR b 'e (C b 'e + C M )
1
= A im ×
ω
1+ j
ωH
Với:
⎧ g m R C R b′e 0.23 × 1 × 500
⎪A im = − R + R = − 1 + 0.47 = −78
⎪ C L
⎨
⎪ wH = 1
= 7.4 × 106 (rad / s)
⎪
⎩ R b′e (C b′e + C M )

Tần số cắt trên của mạch: f H = 1,2MHz

23


RL 0.47 1 1
A v = Ai × = −78 × × = −37
ri 1 1+ j ω 1+ j
ω
ωH ωH

Biểu đồ bode:
2
⎛w ⎞
Av db
= 20 × lg A v = 20 lg 37 − 20 lg 1 + ⎜
⎜w ⎟
⎟
⎝ H ⎠
2
⎛w ⎞
=31.4- 20 lg 1 + ⎜
⎜w ⎟
⎟
⎝ H⎠

Av(dB)
31,4

1,2
f(MHz)

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 C gs và C gd .

C gs tỷ lệ với (− VGS )
−1 / 2
VGS ≤ 0

C gd tỷ lệ với (− VGD )
−1 / 2
VGD ≤ 0

Vì VGD >> VGS do đó C gd << C gs

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

24


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

Rd
Cd

ri Cg

Vi Rs RL
Rg Cs

0

Sơ đồ tương đương:
ri Cgd
G D

gm Vg rds rds
Vi Cgs RL

S
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: ri ≠ 0
Sơ đồ tương đương Miller
ri +v gs VL

gm v gs rds//Rd//RL
Vi Cgs CM

CM=[1 + gM(rds // Rd // RL)]Cgd
1
VL VL Vgs g m Vgs (rds // R d // R L ) jw (C gs + C M )
Av = = × =− ×
Vi Vgs Vi Vgs 1
ri +
jw (C gs + C M )

25


1
A v = −g m (rds // R d // R L ) ×
1 + jwri (C gs + C M )
1
A v = A vm ×
jw
1+
wH
⎧A vm = −g m (rds // R d // R L )
1
Trong đó: ⎪ fH =
2πri (C gs + C M )
⎨w = 1
⎪ H r (C + C )
⎩ i gs M

Biểu đồ Bode:
Av dB

f
fH

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

+
VL
Cgd Rd R
(-g +jwCgd)Vi r L
m ds

-

⎡ 1 ⎤
VL = (− g m + jwC gd )Vi × ⎢(rds // R d // R L ) // ⎥
⎢
⎣ jwC gd ⎥
⎦
w
−1+
V w H1
A v = L = A vm
Vi w
1+
w H2

26


⎧
⎪
⎪A vm = g m (rds // R d // R L ) ⎧ 1
⎪ ⎪f H1 = 2πC (r // R // R )
Trong đó: ⎪w H1 =
⎨
1 ⎪
⇒⎨
gd ds d L

⎪ C gd (rds // R d // R L ) ⎪f = g m
⎪ gm ⎪ H 2 2πC gd
⎩
⎪w H 2 =
⎪
⎩ C gd
Biểu đồ Bode:

AV

f H1 f H2 f

2.4 Mạch khuếch đại đa tần RC dùng BJT

27


Trở kháng Miler Z AA ' được xác định

1 1
= YAA ' = sC b 'c +
Z AA ' 1 / sC b 'c g m R 2 + C 2 / g m C b 'c
Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại đa tần:

Trong đó:
R 1 = ri // R b1 // rb 'e
R 2 = R c1 // R b 2 // rb 'e
C 2 = C b 'e + [1 + g m ( R c 2 // R L )]C b 'c
Độ lợi dòng điện:

28


i L ⎛ i L ⎞⎛ v b ' 2 ⎞⎛ v b '1 ⎞
Ai = =⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟
i i ⎜ v b ' 2 ⎟⎜ v b '1 ⎟⎜ i i ⎟
⎝ ⎠⎝ ⎠⎝ ⎠
⎛ ⎞⎡ ⎛
R 1 ⎜1 +
s ⎞
⎟
⎤
⎜ ⎟⎢ ⎜ ω ⎟ ⎥
⎛ − g m R c 2 ⎞⎜ − g m R 2 ⎟ ⎢ ⎝ 2 ⎠ ⎥
≈⎜
⎜ R + R ⎟⎜ ⎟
⎝ c2 L ⎠ 1+
s ⎟⎢ ⎛ 1 1 ⎞ ⎛ s 2 ⎞⎛ C b 'e + C b 'c ⎞ ⎥
⎜ 1 + s⎜ +
⎜ ω ω ⎟ + ⎜ ω ω ⎟⎜ ⎟⎥
⎝ ω2 ⎟⎢⎠⎣⎢ ⎝ 1
⎟ ⎜
2 ⎠
⎟⎜
⎝ 1 2 ⎠⎝ C1 ⎟
⎠⎥⎦
Trong đó:
1 1
ω1 = ; ω1 =
R 1 C1 R 2C2
C1 = C b 'e + (1 + g m R 2 )C b 'c
Tần số cắt được xác định từ phương trình:
2 2
⎡ w2 ⎛ C b 'e + C b 'c ⎞⎤ ⎛ 1 1 ⎞
⎢1− h
⎜
⎜ ⎟⎥ + w 2 ⎜ +
⎟ h ⎜
⎟ =2
⎣ w1w 2 ⎝ C1 ⎠⎦ ⎝ ω1 ω2 ⎟
⎠
Giải ra ta được:
⎛ ω1ω2 ⎞⎧ ⎡ ω2 ω1 ⎫
2
⎪ ⎤ ⎡ ω2 ω1 ⎤ 2 ⎪
⎜ 2q 2 ⎟⎨− ⎢ ω + ω + 2(1 − q )⎥ + ⎢ ω + ω + 2(1 − q )⎥ + 4q ⎬
ωh = ⎜ ⎟
⎝ ⎠⎪ ⎣ 1
⎩ 2 ⎦ ⎣ 1 2 ⎦ ⎪
⎭
C + C b 'c
Với q = b 'e .
C1

2.5 Mạch khuếch đại đa tần RC dùng FET

Vdd

Rd Rd Cc2 → ∞
C c1 → ∞
ri +
V
L

Vi Rg Rg RL

-

29


ri C gd C gd
R d // R g // rds
+
g m Vg 2s
Vi R g C gs V
L
C gs
g m Vg1s R d // R L // rds
-
Làm tương tự như với trường hợp BJT với các giá trị R 1 , R 2 , C1 , C 2 được xác định:
C1 = C gs + C gd [1 + g m (rds || R d || R g )]
C 2 = C gs + C gd [1 + g m (rds || R d || R L )]
R 1 = ri || R g
R 2 = R d || rds || R g
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.
GBW = A im f h
Trong đó:
A im : độ lợi dãy giữa
f h : tần số cắt cao

2.6.1 Tích số độ lợi khổ tần của mạch khuếch đại BJT đơn tần:
Mạch khuếch đại CE đơn tầng “lý tưởng“ ( R L ->0), độ lợi dãy giữa xấp xỉ h fe và
tần số cắt cao 3dB là f β , vì vậy:
gm
GBW = h fe f β = f T ≈
2πC b 'e
f T được dùng để ước lượng giới hạn tần số cao của BJT và được cho bởi nhà
sản xuất.
Giá trị thực tế bị giảm bởi điện dung Miller:
⎡ 1 ⎤ gm
GBWBJT = g m R b 'e ⎢ ⎥=
⎣ 2πR b 'e (C b 'e + C M ) ⎦ 2π(C b 'e + C M )
2.6.2 Tích số độ lợi khổ tần của mạch khuếch đại FET đơn tần:
⎡ 1 ⎤
GBWFET = g m (rds || R s )⎢ ⎥
⎢ 2πri (C gs + C M )⎥
⎣ ⎦
GBWFET thường được chuẩn hóa bằng cách giả sử rằng:

30


1
ri = rds || R d ⇒ GBWFET = g m
2π(Cgs + C M )
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:
rbb ' = C b 'c = 0 ; R L << R c
R b 'e = R c || R b || rb 'e ≈ ri || R b || rb 'e
1
w1 =
R b 'e C b 'e
i L ⎛ i L ⎞⎛ v bn ⎞ ⎛ v b 2 ⎞⎛ v b1 ⎞
Ai = =⎜ ⎟⎜ ⎟Κ ⎜
⎜ v ⎟⎜ i ⎟
⎟⎜ ⎟
i i ⎜ v bn ⎟⎝ v bn −1 ⎟
⎝ ⎠
⎜
⎠ ⎝ b1 ⎠⎝ i ⎠
n
⎛ − g m R b 'e ⎞ ⎛ − g m R b 'e ⎞⎛ − g m R b 'e ⎞ ⎛ − g m R b 'e ⎞
= −g m ⎜
⎜ 1 + s / w ⎟ Κ ⎜ 1 + s / w ⎟⎜ 1 + s / w ⎟ = ⎜ 1 + s / w ⎟
⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎝ 1 ⎠ ⎝ 1 ⎠⎝ 1 ⎠ ⎝ 1 ⎠

Độ lợi dãy giữa: A im = (− g m R b 'e )n .
Tần số 3dB thỏa phương trình A i = A im / 2 .
n/2
⎡ ⎛w ⎞
2
⎤
⎢1 + ⎜ h
⎜ ⎟
⎟ ⎥ = 21 / 2
⎢ ⎝ w1
⎣ ⎠ ⎥
⎦
w h fh
⇒ = = 21 / n − 1
w 1 f1
Sự suy giảm tần số cắt cao theo số tầng khuếch đại:

31


n 1 2 3 4 5
f h / f1 1.0 0.64 0.51 0.44 0.39

32


2.1 Cho mạch như hình. Biết độ lợi băng thông giữa i L i i là 32dB, tần số 3dB trên
là 800KHz và dòng tĩnh emitter 2mA, giả sử rbb ' = C b 'c = 0 . Tìm h fe , rb 'e , C b 'e .
Vcc

IL
1K

1K
Ii
VBB

2.2 Cho mạch như hình. Biết w T = 10 9 rad / s; h fe = 100; C b'c = 5pF; rbb' = 0; I EQ = 10mA .
Vcc

1K
10K 20uF
20uF
IL

Ii 10K 1K RL=1K
100 20uF

Tìm:
a. A im = i L i i
b. Tần số 3dB trên f h
2.3 Transistor hai hình dưới có các thông số sau: rb 'e = 1K; C b 'e = 1000pF; C b 'c = 10pF
và g m = 0.05Ω −1 . Xác định độ lợi và GBW của mỗi dạng.

33


Vcc

Vcc
100K
20uF
IL
10K 1K
+
10K
1K V
L
Vi
1K
Ii 1K 20uF
-

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

1K 20uF
1K 20uF

IL
1K
10K 10K
Ii 100
100
20uF 20uF
VBB VBB

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

Rc
1K Cc
ri Cb
3
2 +
1
2K VL
Vi RL
R2 Ce 1k
Re
1M
100
100uF
-
0

34


a. Vẽ mạch tương đương tín hiệu nhỏ ở miền tần số cao
vL
b. Tìm A v =
vi
c. Vẽ biểu đồ Bode cho đáp ứng miền tần số cao
2.6 Cho mạch nối cascade như hình. Giá trị linh kiện ri = 1K; R g = 1M; rds = 10K ;
R L = 10K. Tìm độ lợi dãy giữa và băng thông 3dB.

Vdd

Rd Rd Cc2 → ∞
C c1 → ∞
ri +
V
L

Vi Rg Rg RL

-

35

Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng

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)

36


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 :
r 2n 2
L
22.9l  25.4r
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:
R i  ri // R b // R p // rb 'e

Với R p 
wL 2  wLQ C  rc Q C
2

rc
rc là nội trở của cuộn dây.
Q C là hệ số phẩm chất của cuộn dây (thường Q C =
100)
Điện dung tổng tương đương:
C  C'C b 'e  C M
Hàm truyền
iL iL g V V
Ai    m b 'e  b 'e
i i g m Vb 'e Vb 'e ii
RC 1
 gm
RC  RL 1
 jwC 
1
Ri jwL
RC 1
 g m R i  
RC  RL  R 
1  j wR i C  i 
 wL 
RL R
 g m R C // R L   i 
1
A V  Ai 
ri ri  R 
1  j wR i C  i 
 wL 
Băng thông
Ta có tại tần số cắt:

37


Ai Ai 1
 3dB  
Ao dB
Ao 2

Ai 1 1 1
  
Ao  R   R 
2
2
1  j wCR i  i  1   wCR i  i 
 wL   wL 
2
 R 
  wCR i  i   1
 wL 
Phương trình có hai nghiệm dương:
w1  w 
 wH   1  4 2  1
2  w1 

w  w 
 w L  1  1  4 2  1
2 
 w1 

1 R
Với w 1  ; w2  i
R iC L
Băng thông 3dB được xác định:
BW= f H  f L 
1
w H  w L   1 w 1  1
2 2 2R i C
Tích số độ lợi khổ tần:
RC 1
GBW= Aim BW  g m R i  
R C  R L 2R i C
gmR C
GBW=
2R C  R L C

38


Tần số cộng hưởng
Tần số cộng hưởng khi độ lợi đạt giá trị cực đại:
Ri
(A i ) max  wCR i  0
wL
1 1
 w0   f0 
LC 2 LC

3.1.2. Tính toán các giá trị trên lí thuyết
VCC  6.8 12  6.8
VBB    2.05(V)
33  6.8 39.8

6.8  33
R BB   5.64 (K)
6.8  33

VBB  VBE 2.05  0.6
I CQ    12 .22 (mA )
R BB 5.6K
 RE  0.1
 100

.25 300 .25
h ie  rb 'e    614 
I CQ 12 .22
 300
g r 614
C b 'e  m  b 'e   972 pF
T 2f T 2.80 .10 6
 300
gm    0.49
rb 'e 614
C M  1  g m R L // R C C b 'c
 1  0.49  600 .2  590 pF

39


C  C'C b 'e  C M
 100 nF  972pF  590pF  100nF
C=100nF
Hàm truyền
RC 1
A i  g m R i  
R C  R L 1  j / 1  2 / 
R R 1
A v  A i  L  g m R C // R L  i 
ri ri 1  j / 1  2 / 
1 1
f0    706 .3 KHz
2 LC 2 0.5.10 .101548 .10 12
6

R p  wLQ C  2.2K
R i  ri // R BB // R p // rb 'e  50

Băng thông
1 1
BW    31.6KHz
2R i C 2  50 101548 .10 12
Độ lợi

R C // R L 1
Av  gmR i  
ri 1  j / 1  2 / 
R // R L
A v dB  20 log(g m R i  C )  20 log 1   / 1  2 / 
ri

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:

40


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

41


Mạch tương đương tín hiệu nhỏ dạng rút gọn
v gs iL
+ a

vi
ii  Ri L C g m vgs
Rd RL
ri _

Với : R i  ri // R P , và C  C'C b'e  C M
Các thông số liên quan:
Các thông số của FET: rds, Cgs, Cgd, gm được cho bởi nhà sản xuất
Thiết lập hàm truyền:

iL i g m v gs v gs
Ai   L  
i i g m v gs v gs ii
R d // rds 1
  gm 
R L  R d // rds 1
 ( jC 
1
)
Ri jL
R d // rds Ri
  gm 
R L  R d // rds 1  ( jCR i  i )
R
jL
R d // rds 1
  gmRi 
R L  R d // rds 1  j(CR i  i )
R
L
 1
1 
 R iC
Đặt: 
 2  R i

 L
Ta được
R d // rds 1
Ai    gmR i 
R L  R d // rds  
1  j(  2 )
1 

42


RL R R d // rds 1
A v  Ai   L   gmR i 
ri ri R L  R d // rds  
1  j(  2 )
1 

Ri 1
A v  g m (R d // rds // R L )  
ri 1  j(   2 )
1 
Làm tương tự như trường hợp BJT ta được:
1
BW 
2R i C
g m R d // rds // R L 
GBW= A vm BW 
2ri C

Tần số cộng hưởng:
1 1
0  , hay  f 0 
LC 2 LC

3.2.2. Tính toán các giá trị trên lí thuyết
Hàm truyền
Ri = Rp//ri = ri = 50 (do Rp >> ri)
i D 2I  V 
gm   DSS 1  GSQ  =0,5.10 (1/Ω)
-3
v DS VP  VP 
(xem thêm datasheet của JFET 2SK30A )
C M  1  g m (rds // R d // R L ).Cgd =0.9pF
C=C’+ Cgs  C M  C' =1003pF
R P // ri 1
A v  g m (R L // R d // rds )  
ri  R // r 
1  j(R P // ri )C  P i 
 L 
Băng thông
1 1
BW    3.17 MHz
2R i C 2.50.1003 .10 12

43


1 1
f0    7.1MHz
2 LC 2 0.5.10  6.1003 .10 12

Biểu đồ Bode lí thuyết
Ri
A v dB  20 log(0.3)  20 log 1  j(CR i  )
L
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
VCC

Rc

R1 Cc
Cb
Q1

n2
RL
Ii ri L'
R2 Re Ce
C' n1

Mạch tương đương AC
VL
n2
Ii ri L' gm.Vbe Rc RL
Rb//rb'e Cb'e+CM
C' n1

Mạch tương đương rút gọn

44


iL
+ vb'e
ii Ri L
a RC RL
C
g m vb 'e
C
_

R b // rb ' e
Với: C=C’+a2(Cb’e + CM)), và Ri= ri //RP//( )
a2
n1
Trong đó a 
n2
U 2 U1 Z1
Ztđ = = 
i 2 a 2 i1 a 2
U2 n 2 1 i n
  ; 2  1 a
U1 n1 a i1 n 2
Ta có:
v b 'e
iL iL g m .v b 'e RC 1
Ai     a  ag m  
i i g m .v b 'e v b 'e ii RC  RL 1
 j(C 
1
)
a Ri L' 
RC 1
Ai  ag m R i  
RC  RL R 1
1  j(CR i  i  )
L' 
Tương tự lý luận ta được:
RC
Aim  a  g m  R i
RC  RL
1
Tần số cộng hưởng: f0= với C=C’+a2(Cb’e + CM))
2  L' C
R b // rb ' e
Ri= ri //RP//
a2
3.4. Mạch khuếch đại điều hợp đồng bộ dùng FET:

45


Mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao:

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:
v L  ag m rds // R L ri // R p  1
AV   
vi ri w w0 
1  jQ i 
w  w 
 0 
Trong đó:
Qi  w 0 ri // R p C'Ci 
Ci  a 2 Cgs  Cgd 1  g m rds // R L 
1
w0 
2

L(C'C i )
Độ lợi tại tần số cộng hưởng  w  w 0  là:
Rp
A vm  ag m rds // R L 
ri  R p
Băng thông 3dB:
1
BW 
2ri // R p C'C i 

46


 g r // R L  1 
GBW  a  m ds
2ri  C'C 
 
  i 

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

T2

T1
S2 +
C'
vi Rg RL
C' S1 vL
L'
ri ri L'
-

Mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao:

+ + +
vi g m v g1 g m vg2
C' C' vL
L' v g1 vg2
ri ri Rp rds Rg Rp
L' rds
Ci a- Ci a- RL
-

Độ lợi áp:
v L v L v g 2 v g1  ag m R (R / ri ) ag m rds // R L 
Av     = 2
v i v g 2 v g1 v i  w w 0 
1  jQ i 
 w  w  
  0 
Trong đó:
1
w0 
L(C'C i )
R  ri // R p  rds // R g // R p
Qi  w 0 R C'Ci 
Độ lợi tại tần số cộng hưởng  w  w 0  là:
Rp
A vm  ag m R ag m rds // R L 
ri  R p
Băng thông 3dB có được từ phương trình:
2
 2 w w 0 
1  Q i 
 w  w   2

  0 
w0 f   1 
BW  21 / 2  1  0.643 0   0.643 
Q  
2Q i  i  2C'C i R 
47


w0 0.643 ag m ag m rds // R L R
GBW  A vm .BW  21 / 2  1 
2Q i 2ri C'C i 

48


3.1 Cho mạch cộng hưởng như hình:
VCC

Cc 2  
10K IL
C c1  
ii 1K

L
1K 100

Ce  

a. Tìm L để mạch cộng hưởng tại 30Mhz
b. Tìm băng thông mạch khuếch đại
c. Tính độ lợi dòng biết rb'e  1K; rbb'  0; h fe  100; f T  500MHz; Cb'c  2pF

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

C ''


9K 
 +
. n , L
  VL
Vi   
n2 
 n 1
 RL
 
-

a. Tìm n 1 n 2 để có độ lợi áp cực đại tại w 0 . Độ lợi là bao nhiêu?
b. Tìm n n 1 để có băng thông mong muốn
c. Tính L cộng hưởng:
h fe  50; h ie  1K(rbb'  0); C b 'e  10pF; C b 'c  1pF; R L  100; C' '  10pF
3.3 Mạch khuếch đại cộng hưởng đồng bộ được thiết kế để cộng hưởng tại tần số
100KHz và băng thông 2KHz.

49


IL

100
Ii
10K
L2
L1 R1 C2
C1

a. Tìm C1 , L1 , C 2 , L 2 và R 1
b. Tính độ lợi v L v i biết f T  103 MHz, h fe  100 , rb 'e  1K , rbb'  50, C b 'c  2pF
3.4 Cho mạch cộng hưởng như hình. Biết gm= 5.10 3  1 , Cgs=50pF, Cgd=0.5pF,
rds=20K  , n1=n2=5.
Vdd

Rd
2K Cd

+
ri Cb
VL
50
C' L n1 RL
Vi
0.5uH n2 Rs 2K
30pF Cs
20uF
100 -

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

Rb RFC
Cc
100K VL
ri Cb +

330
RL
L1 n1
Vi Ce 500
47p 0,12uH n2 Re
150
_
0

a. Vẽ mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao
b. Xác tần số cộng hưởng của mạch khuếch đại trên

50


c. Xác định độ lợi trung tần của mạch
d. Xác định BW và GBW

51

Chương 4: Mạch lọc

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
vout vout
vin dB
vin dB

f f
fH fH
Mạch lọc thông thấp Mạch lọc thông cao

52


vout vout
f
vin dB
vin dB

f f
fL fH fL fH
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

Maïc h 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 ( s  j )
A mSm  A m1Sm1  ...  A1S  A 0
H(s) 
B n Sn  B n 1Sn 1  ...  B1S  B0
Với K là hệ số phụ thuộc vào cấu tạo của mạch và
A i  const; Bk  const cũng phụ thuộc vào cấu tạo của mạch
Hàm truyền thường gặp có dạng :
1
H(s) 
1  B1S  B 2S2  ...  B n Sn

A 0  1 , đa thức bậc không với : A1  A 2  ...  A m  0
4.4. Mạch lọc thụ động
4.4.1. Mạch lọc thông thấp
a. Mạch lọc RC
R1

C1

Hàm truyền của mạch

53


1
jC 1
H()  
R
1 1  jRC
jC
b. Mạch lọc thông thấp RC bậc 1:
Sơ đồ mạch thực tế
Ri

Vo

C1 RL
Vi

v0 ZC // R L RL 1
H()    
vi R I  ZC // R L 1  jR L C R  RL
1  jR L C
i

RL 1  jwR L C
 
1  jwR L C R i  jwR L CR i  R L
RL

 
R L  R i 1  jw R L R i C 

 RL  Ri  
RL 1
 , với R  R L // R i
R L  R i 1  jwRC

Hàm truyền :
RL 1
H( w )  
R L  R i 1  jwRC
Với:
R  R L // R i
Tần số cắt:
1
fC 
2RC

c. Mạch lọc thông thấp bậc 2
Sơ đồ mạch thực tế
I R I1 R IL

VL

RL
Vi C C

4.4.2. Mạch lọc thông cao

54


C1

Vi R1 Vo

a. Mạch lọc thông cao bậc 1
Sơ đồ mạch
C

Vo

Vi Ri RL

Vo R i // R L 1 1
AV    
Vi Z C  R i // R L 1  1
1
1
jwC R i // R L  jwRC
Với R  R i // R L
1
Hàm truyền : H= 
1
1
jwRC
1
Tần số cắt f C 
2RC
b. Mạch lọc thông cao bậc 2
Sơ đồ mạch :
I RI C I1 C IL

Vo

Vi R R RL

R1

C1

Vi C2 0 Vo

R2

0

Đáp ứng tần số mạch lọc triệt dãi
Hạ thông thượng thông
Triệt dải

Fc1 Fo Fc2
55


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 Z1  R1 C2 , Z2  R2 C1 là hai
tổng trở của cầu phân áp .
V0 Z2
Suy ra : 
Vi Z1  Z 2
Một cách khác để có mạch lọc triệt dãi là mạch lọc cấu T đôi như hình vẽ
dưới:
R R

Vo 2C Vi

0
0 C C 0

0.5R

0

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 :
1
f0 
2 RC
Mạch lọc triệt dãi hình trên có đáp ứng tần số :

0.9

0.1 1 10 f/f0

56


PHẦN II
THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG P.SPICE:

A .THIẾT KẾ
1. Mạch lọc thông thấp RC
Sơ đồ mạch
Ri

Vo
1k
C1 RL
Vi
0.01uf 1k

VO ZC RL RL 1
AV    
VI RI  ZC RL 1  j RLC R  RL
1  j RLC
I

Hàm truyền :
RL 1
H 
RL  RI 1  j RC
Với:
RL Ri
R ;( RL Ri )
Ri  RL

Tần số cắt:
1
fc 
2 RC

1 1
 R  1K 1K  500  f    31,8KHz
2 RC 2  500  0, 01.106
2.Mạch lọc thông cao RC
Sơ đồ C
mạch : Vo
0.01uf
Vi Ri RL
10k 1k

1
Hàm truyền : H 
1
1
j RC

1
Tần số cắt fC 
2 RC
1 1
 R  10 K 1K  fC    15,9 KHz
2 RC 2 .1000.0, 01.106

3 Mạch lọc thông thấp LC:

57


Sơ đồ mạch
L1
1 2
Vo
0.2uH
C2 RL;
VI
220 100

1
RL
jC RL
ZA  
 RL 1  j RLC
1
jC
ZA RL 1 RL 1  j RLC
H    
Z A  X L 1  j RLC j L  RL 1  j RLC j L  j 2 2 RL LC  RL
1  j RLC
RL 1
 
j L j L
RL (  j 2 2 RL LC  1) 1    2 LC
RL RL
Với:
RL
1  với 1 là hệ số tổn hao của mạch
L
1
2  tần số cắt của mạch
LC
Tần số cắt f  24MHz
4.Mạch lọc thông cao LC:
Sơ đồ mạch :
C

2
Vo
L
VI RL

1

j RL L
ZA 
j L  RL
j RL L 1 j RL L ( j L  RL ) jC
H   
j L  RL 1 j RL L j L  RL j L  RL  j 2 2 RL LC

jC j L  RL
1
1 
j  RL LC
2 2
RL C
 , Với:
1 1 1
j 2 2 RL LC (  2  1) 2 
j RLC  LC LC
1 1
Tần số cắt f    5, 2MHz
2 LC 2 0, 2.10 .4700.1012
6

B . MÔ PHỎNG P.SPICE
58


1 Mạch lọc thông thấp (RC):
Sơ đồ mạch :
R9 R10

50 1k
V3
1Vac R11
0Vdc C4
1k
0.01uf

0

Tần số cắt : 30KHz
Biểu đồ bode

Biểu đồ bode thực tế :
AvDb

-6

-8
-9
-14

-16.5

-20

1K 10K 20K 27K 50K 70K 100K F

2 Mạch lọc thông thấp (RC)bậc 2
Sơ đồ mạch
59


R12 R13 R14

50
1k 1k
V5 R15
1Vac C5 C6
1k
0Vdc 0.01uf 0.01uf

Biểu đồ bode mô phỏng:

Biểu đồ bode thực tế:

AvDb
AvdB
-6 -9
-8 -12
-9
-16.5
-14

-20
-16.5
-22.5
-20

F
1K 10K 20K 30K 40K

60


3 Mạch lọc thông cao RC
Sơ đồ mạch

R18 C7

50 0.01uf
V8
2Vac R16 R17
0Vdc 10k 1k

0

Tần số cắt 15.9KHz


AvdB
-2
-2.8
-3
-3.7
-4.4
-6
-10.5
-26

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

61


4 Mạch lọc thông cao RC bậc 2
Sơ đồ mạch
R1 C8 C9

50 0.01uf 0.01uf
V3 R4 R19 R20
1Vac
10k 10k 1k
0Vdc

0



AvdB

-2

-2.5
-3
-3.7
-7
-12
-32

F
500 1K 10K 20K 30K 40K 50K 70k

62


5 Mạch lọc thông dãi RC (bandpass):
Sơ đồ mạch
R8 R5 C3

50
V2 1k 0.01uF
1Vac C2 R6 R7
0Vdc 0.01uf 10k 1k

0



AvdB

-10.5

-14
-15
-16.5

100 250 500 10k 20k 30k 40k 50k 60k 70k
F

63


6 Mạch lọc chặn dãi (band stop):
Sơ đồ mạch
C10 C11

472
472
R25 R23
470
50
V10 R24
1Vac 0
1k
0Vdc
R21 R22
0
0 1k
1k
942
1n
0

Tần số cắt :


AvdB

-9
-10
-14
-16

1k 10k 20k 30k 40k 50k 60k 70k 80k 100k
F

64


7. Mạch lọc thông thấp LC bậc 1
Sơ đồ mạch
L1
1 2

0.2uH
V4 R3
1Vac C1
100
0Vdc 220p

0

Tần số cắt : 23,99MHz



AvdB

1.15
0.7
0
-3.5
-8.7
-9.5

10M 20M 25M 30M 35M
F

65


8 .Mạch lọc thông thấp LC bậc 2
Sơ đồ mạch
L1 L2
1 2 1 2
0.2uH
0.2uH R3
V7
1Vac C1 C2 100
0Vdc 220p 220p

0

Biểu đồ bode

66


9 Mạch lọc thông cao LC bậc 1:
Sơ đồ mạch
C7

4700p
2
V10
1Vac L7
0Vdc R9
0.2uH
100

1

0

Tần số cắt : 5.2MHz
Biểu đồ bode

67


10.Mạch lọc thông cao LC bậc 2:
Sơ đồ mạch
C8 C9

4700p 2 4700p 2

V12 L8 L9
1Vac R10
0.2uH 0.2uH
0Vdc 100

1 1

0

Biểu đồ bode

68


11 .Mạch lọc thông dãi LC
69


Sơ đồ mạch
L10 C11
1 2
0.2uH 2
V16
1Vac 4700p L11
0Vdc R11
C10 0.2uH
100
220p
1

0

Biểu đồ bode

70

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,
o
nghĩa là tín hiệu ngõ ra thay đổi tuyến tính trong toàn bộ chu kỳ 360 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 V =0 (vùng ngưng).
BE
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


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:
1T
T∫
P= u ( t ).i( t )dt
0

1
• Công suất ac trên tải RL : PL ( ac ) = (I Lm ) 2 R L
2
• Công suất của nguồn cung cấp: PCC = VCC ICQ
• Công suất tiêu tán của transistor PT = PCC − PL
PL ( ac )
• Hiệu suất của mạch khuếch đại: η =
PCC
5.2. Mạch khuếch đại công suất ghép tải trực tiếp (lớp A)
Dạng mạch cơ bản:
Vcc Thiết lập phương trình đường tải tổng
VCC = i C R L + v CE
V
Rb
RL i C max = CC , và v CE max = VCC
RL
iC
ri Cb iC
V
20 iC max = CC
Vi RL

0 VCC vCE
vCE max
Khảo sát xoay chiều:
Khi đưa tín hiệu Vi vào ngõ vào như hình trên, dòng I và điện thế V (tín hiệu ra)
C CE
sẽ thay đổi quanh điểm điều hành Q. Với tín hiệu ngõ vào nhỏ , vì dòng điện cực

72


nền thay đổi rất ít nên dòng điện I và điện thế V ở ngõ ra cũng thay đổi ít quanh
C CE
điểm điều hành.
Khi tín hiệu ngõ vào lớn, ngõ ra sẽ thay đổi rất lớn quanh điểm tĩnh điều hành.
Dòng I sẽ thay đổi quanh giới hạn 0mA và V /R . Ðiện thế V thay đổi giữa hai
C CC C CE
giới hạn 0V và nguồn V
CC

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: ICm = I Lm = min[ICQ , (i C max − ICQ )]

TH2: Ta thiết kế phân cực sao cho công suất cung cấp cho tải là lớn
nhất
VCC
Điều kiện để: PL max ⇔ i C max = 2ICQ ⇔ i Lm = i Cm = ICQ =
2R L
2
1 1 VCC 2 VCC
Khi đó công suất ac trên tải: PL max = (I Lm ) R L = (
2
) RL =
2 2 2R L 8R L
2
V
Công suất nguồn cung cấp: PCC = VCC I CQ = CC
2R L
73


PL max 1
Hiệu suất khuếch đại: ηmax = = = 25%
PCC 4
5.3. Mạch khuếch đại công suất ghép tụ ra tải (lớp A)
2
iC RC
[VCC − I CQ ]
Vcc
RC + RL
iC max =
RC // RL
Rc
Rb
iR
Cc
vCE
ri Cb iL
vCE max

Vi iC RL

0

Thiết lập phương trình đường tải tổng
VCC = i R R C + v CE (1)
~ ~ ~
Mặt khác: i R = ICQ + iR = ICQ + iC + iL (2)
~
iL RC ~ ~ RC
Và : ~ = − ⇒ iL = − iC (3)
iC RC + RL RC + RL
Thế (2) vào (3) ta được:
~ RC RL ~
i R = I CQ + iC (1 − ) = I CQ + iC (4)
RC + RL RC + RL
Thay (4) và (1) ta được:
RL ~
VCC = (I CQ + iC )R C + v CE
RC + RL
R + RL RL ~
⇔ VCC =( C I CQ + iC )R C + v CE
RC + RL RC + RL
RL RC
⇔ VCC =( iC + I CQ )R C + v CE (*)
RC + RL RC + RL

2
RC
[VCC − I CQ ]
RC + RL
Vậy i C max =
R C // R L

74


( VCE=0)

trung thực) khi:
RC RC
ICm = min[ICQ , (i C max − I CQ )] ⇔ I Lm = ICm = × min[ICQ , (i C max − ICQ )]
RC + RL RC + RL

nhất
ta chứng minh được rằng:
P
Max (PL max ) ⇔ R C = R L Hiệu suất khuếch đại: η = L max = 8.33%
PCC

Max (ηmax ) ⇔ R C = 2R L Hiệu suất khuếch đại:
PL max
ηmax = = 8.58%
PCC
5.4. Mạch khuếch đại công suất ghép biến áp (lớp A)
Vcc

iL iC
VCC
iC max = + I CQ
Rb N1 N2 RL a 2 RL

iC
ri Cb
vCE
vCE max
Vi

0

75


Thiết lập phương trình đường tải tổng
VCC = u1 + v CE (1)
⎧ u1 N1
⎪u = N = a ⎧u = au 2
N1 ⎪
Đặt a = ⇒ ⎨ ~2 2
⇔ ⎨ ~1 ~ (2)
N2 ⎪ ~ = N1 = a
iL ⎩ iL = a iC
⎪
⎩ iC N 2
Thế (2) vào (1) ta được:
~
VCC = u1 + v CE = au 2 + v CE = a 2 iC R L + v CE
⇒ VCC = a 2 i C R L − a 2 I CQ R L + v CE (*)
Phương trình tải tổng
VCC
Vậy i C max = + ICQ ( VCE=0)
a 2R L
trung thực) khi:
RC RC
I Cm = min[I CQ , (i C max − I CQ )] ⇔ I Lm = I Cm = × min[I CQ , (i C max − I CQ )]
RC + RL RC + RL
nhất
Điều kiện
VCC V
để: PL max ⇔ i C max = 2ICQ ⇔ i Cm = ICQ = 2
⇔ i Lm = aiCm = CC
a RL aR L
V2
Khi đó công suất ac trên tải: PL max = 2CC
2a R L
2
VCC
Công suất nguồn cung cấp: PCC = VCC ICQ = 2
a RL
PL max 1
Hiệu suất khuếch đại: ηmax = = = 50%
PCC 2
Chú ý :
o Điện áp đánh thủng BJT VCE = 2VCC
o Lõi biến áp đủ lớn để tránh bão hoà từ do dòng i C của BJT

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 B

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

76


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:
2
I DC = I (P )
π
2
Và: P i ( DC ) = V CC . I ( P )
π

Dùng nguồn đôi Dùng nguồn đơn
Công suất ra
Công suất ra lấy trên tải R L có thể được tính:
2
VL ( RMS)
PO ( AC ) =
RL

77


2
VL ( P − P )
PO ( AC) =
8R L
2
VL
PO ( AC) =
2R L
Hiệu suất:
PO ( AC)
η% = .100%
Pi ( DC )
2
VL ( P ) / 2R L
= .100%
2
VCC . I ( P )
π
V π V
Vì I ( P ) = L ( P ) nên η% = . L ( P ) .100%
RL 4 VCC
Trị tối đa của VL ( P ) là VCC nên hiệu suất tối đa là:
π
η% (max) = .100% = 78.54%
4
Công suất tiêu tán trong transistor công suất:
Tiêu tán trong 2 transistor:
P2 Q = Pi ( DC ) − PO ( AC)
Vậy công suất tiêu tán trong mỗi transistor công suất:
P2 Q
PQ =
2
Công suất ra tối đa:
Công suất ra tối đa khi VL ( P ) = VCC
2
VCC
PO ( AC ) max =
2R L
VCC
Khi đó dòng đỉnh là: I ( P ) =
RL
2 2 VCC
Và trị tối đa của dòng trung bình: I DC (max) = I ( P ) =
π π RL
Công suất ngõ vào lớn nhất:
Pi ( DC ) max = VCC .I DC (max)
2
2 VCC 2VCC
Pi ( DC ) max = VCC . . =
π RL πR L
Hiệu suất tối đa của mạch công suất lớp B là:

78


PO ( AC) max
η% (max) = .100%
Pi ( DC )
2
VCC / 2R L π
= .100% = .100% = 78.54%
2VCC / πR L
2
4
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:
2
VL ( P ) = 0.636VCC = VCC
π
Và khi đó:
2
2 VCC
P2 Q (max) = .
π2 R L
Hiệu suất của mạch cũng có thể được tính như sau:
2
VL ( P )
PO ( AC) =
2R L
⎡ 2 VL ( P ) ⎤
Pi ( DC ) = VCC .I DC = VCC .⎢ . ⎥
⎣π RL ⎦
PO ( AC) π VL ( P )
η% = .100% = . .100%
Pi ( DC ) 4 VCC
VL ( P )
η% = 78.54. %
VCC
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


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 dẫn. Dòng i chạy qua biến thế ngõ ra tạo
1 1
cảm ứng cấp cho tải. Lúc này pha của tín hiệu đưa vào Q là âm nên Q ngưng dẫn.
2 2
- Ðến bán kỳ kế tiếp, tín hiệu đưa vào Q có pha dương nên Q dẫn. Dòng i qua
2 2 2
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 ngưng dẫn.
1

80


Chú ý là i và i chạy ngược chiều nhau trong biến thế ngõ ra nên điện thế
1 2
cảm ứng bên cuộn thứ cấp tạo ra bởi Q và Q cũng ngược pha nhau, chúng kết hợp
1 2
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
B

(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.
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


Ngoài ra, người ta thường mắc thêm một điện trở nhiệt có hệ số nhiệt âm
(thermistor) song song với R để giảm bớt điện thế phân cực V bù trừ khi nhiệt độ
2 B
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: Q1 dẫn, Q 2 ngưng

Bán kỳ âm: Q1 ngưng, Q 2 dẫn
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


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


Mạch công suất dùng cặp Darlington-cặp hồi tiếp
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

Các đặc điểm chính:

84


• Q là transistor khuếch đại điện thế và cung cấp tín hiệu cho 2
1
transistor công suất.
• D và D ngoài việc ổn định điện thế phân cực cho 2 transistor công
1 2
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 (D và D được
2 1 2
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 , mục đích nâng biên độ của tín
2
hiệu ở tần số thấp (thường được gọi là tụ Boostrap).
• Việc phân cực Q quyết định chế độ làm việc của mạch công suất.
1

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 : dùng chỉnh điện thế offset ngõ ra (chỉnh sao cho ngõ ra bằng 0v
2
khi không có tín hiệu vào).
- D và D phân cực thuận nên: V = 0.7v, V = - 0.7v
1 2 B1 B2

85


Điện thế VBE của 2 transistor công suất thường được thiết kế khoảng 0.6V, nghĩa là
độ giảm thế qua điện trở 10Ω là 0.1V.
Dòng qua D1 , D 2 là:
VR 3 5.3
I≈ = = 9.46mA
R 3 560
Dòng cực thu của hai transistor công suất:
VE1 0.1V
I C1 = I C 2 ≈ = = 10mA
R 5 10Ω
Ta thấy không có dòng điện phân cực chạy qua tải.
Dòng điện cung cấp tổng cộng:
I n = I1 + I + I C =1.7+9.46+10=21.2 mA
(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
Pin (standby) =2 VCC .I n (standby)
=12Vx21.2=254mW
Độ khuếch đại điện thế của mạch:
R7 82
AV ≈1+ =1+ = 9.2
R8 10
Công suất ra trên tải:
2
VO ( P )
PO ( AC) =
2R L
Giả sử tín hiệu vào có biên độ đỉnh là 108.7mV
Ta có:
VO ( P ) = 9.2 × 108.7 ≈ 1V
Do đó:
1
PO ( AC ) = = 0.0625( W )
2.8
Dòng điện qua tải:
VO ( P )
I O(P) = = 125mA
RL
Dòng trung bình chạy qua mỗi transistor khi có tín hiệu:
I DC = I O ( P ) / π + I C
= 125 / π + 10 = 49.8mA
Dòng cung cấp khi có tín hiệu :
I n = I1 + I + I DC =1.7+9.46+49.8=61mA
Công suất cung cấp khi có tín hiệu:

86


Pi ( DC ) = I n .2VCC = 61.12 = 0.732 W
Hiệu suất:
PO ( AC) 62.5
η% = .100% = .100% = 8.54%
Pi ( DC ) 732
Chú ý: Q1 dẫn, Q 2 ngưng dẫn nên:
VE1( P ) = I O ( P ) × (R E + R L ) = 2.25V
Điện thế đỉnh qua tải:
VO ( P ) = 0.125 × 8 = 1V
Khi Q1 dẫn (bán kỳ dương của tín hiệu) điện thế đỉnh tại chân B của Q1 là:
VB1( P ) = VE1( P ) + 0.7 = 2.25 + 0.7 = 2.95V
Điện thế tại ngõ ra của Opamp
V1 = VB1 − VD1 =2.95-0.7=2.25V
Tương tự khi Q 2 dẫn:
VB 2 ( P ) = VE 2 ( P ) − 0.7 = −2.25 − 0.7 = −2.95V
Điện thế tại ngõ ra của Opamp
V1 = VB 2 ( P ) + VD 2 = −2.95 + 0.7 = −2.25V
Khi Q1 ngưng dẫn, Q 2 dẫn
VB1 = V1 + VD1 = −2.25 + 0.7 = −1.55V
Tương tự khi Q1 dẫn, Q 2 ngưng
VB 2 = V1 − VD 2 = 2.25 − 0.7 = 1.55V
Dòng bão hòa qua mỗi transistor
VCC 6
I C ( sat ) = = = 333.3mA
R E + R L 10 + 8
Điện thế VO tối đa:
VO ( P ) max = 333.3 × 8 = 2.67 V

87


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:
- Q và Q là mạch khuếch đại vi sai. R để tạo điện thế phân cực cho cực nền
1 2 2
của Q . R , C dùng để giới hạn tần số cao cho mạch (chống nhiễu ở tần số
1 1 1
cao).
- Biến trở R tạo cân bằng cho mạch khuếch đại visai.
5
- R , R , C là mạch hồi tiếp âm, quyết định độ lợi điện thế của toàn mạch.
13 14 3
- R , C mạch lọc hạ thông có tác dụng giảm sóng dư trên nguồn cấp điện
15 2
của tầng khuếch đại vi sai.
- Q dùng như một tầng đảo pha ráp theo mạch khuếch đại hạng A.
4
- Q hoạt động như một mạch ổn áp để ổn định điện thế phân cực ở giữa hai
3
cực cổng của cặp công suất

89


- D dùng để giới hạn biên độ vào cực cổng Q . R và D tác dụng như một
1 5 16 1
mạch bảo vệ.
- R và C tạo thành tải giả xoay chiều khi chưa mắc tải.
17 8

Công suất 30W dùng MOSFET

90



5.1 Cho mạch khuếch đại công suất như hình vẽ , β = 50, coi Re ≈ 0 Ω
Vcc
+5V

Rc
Rb 4 Cc
ri Cb

20
Vi RL
8/2W
Re
0.1/2W

0

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
Vcc +12V

R1
RL
330 8/2W
ri Cb

20
Vi
R2
Re
100 0.1

0

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


Vcc +5V

Rb N1 N2 RL
8/2W
ri Cb

50
Vi

Re
0.1/2W

0

b. Tìm Rb để mạch có thể đạt được ở chế độ hiệu suất khuếch đại lớn nhất

92

Bai giang mach_dien_tu_2

More Related Content

What's hot (20)

Similar to Bai giang mach_dien_tu_2 (20)

Recently uploaded (20)

Bai giang mach_dien_tu_2