Ghép giữa các tầng khuếch đại
Khái niệm
Ghép giữa các tầng khuếch đại nhằm truyền tín hiệu hiệu quả từ tầng này sang tầng khác với mức năng lượng tổn hao tối thiểu Sơ đồ khối mô tả mạch ghép giữa các tầng được thể hiện trong hình 1.1.
Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát mạch ghép giữa các tầng khuếch đại
Mạch ghép tầng không chỉ truyền đạt tín hiệu mà còn có nhiệm vụ phối hợp trở kháng giữa các tầng Để đảm bảo sự phối hợp trở kháng hiệu quả giữa hai tầng, cần đáp ứng một số điều kiện nhất định.
Để đạt được hệ số khuếch đại cần thiết, trong thực tế, người ta thường sử dụng nhiều tầng khuếch đại và phải ghép chúng lại với nhau Ví dụ, có thể thực hiện việc ghép n tầng khuếch đại như hình 1.1.
Khi sử dụng một tăng âm với tín hiệu vào nhỏ, chẳng hạn như tín hiệu đầu từ 200μV và tín hiệu từ micro 2mV, cần ít nhất 4 tầng khuếch đại Tầng đầu tiên là khuếch đại micro hoặc khuếch đại đầu từ, có mạch sửa đặc tuyến đầu từ, để đạt mức 0dB Tiếp theo là tầng tiền khuếch đại, sau đó là tầng kích và cuối cùng là tầng khuếch đại công suất.
Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại gồm nhiều tầng được tính như sau: un ui u u u K K K K
Ku: Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại khi đã ghép tầng
K : Hệ số khuếch đại của tầng thứ i
Tính theo đơn vị dB ta có:
20logK u 20logK u 20logK u 20logK ui 20logK un (1.4)
Việc ghép giữa các tầng khuếch đại có thể dùng tụ điện, biến áp, ghép trực tiếp, ghép bằng phần tử quang,…
Ghép tầng bằng tụ điện (ghép RC)
Hình 1.2 Mạch ghép tầng bằng tụ điện a Tác dụng linh kiện:
Q1, Q2: là 2 tầng khuếch đại mắc E chung được ghép với nhau qua tụ C 3 , R g
R : định thiên, phân áp (phân cực) cho Q1
R :định thiên, phân áp (phân cực) cho Q2
R : trở tải 1 chiều và xoay chiều của Q1, Q2
C : thoát mass xoay chiều cho cực E của Q1, Q2 (khử hồi tiếp âm về mặt xoay chiều của Q1, Q2
C1: tụ dẫn tín hiệu vào
C2: tụ dẫn tín hiệu ra
R : trở ổn định điểm làm việc cho Q1, Q2 (trở ổn nhiệt cho Q 1 , Q2) b Nguyên lý làm việc
Khi cấp nguồn cho mạch:
Ib : Tõ Ec qua R1 qua r beQ 1 qua R 4 vÒ mass
Ic : Tõ Ec qua R3 qua r ceQ 1 qua R 4 vÒ mass
Ib : Tõ Ec qua R5qua rbeQ 2 qua R 8 vÒ mass
Ic : Tõ E c qua R 7 qua rceQ 2 qua R 8 vÒ mass Chế độ xoay chiều:
Tín hiệu đầu vào Q1 được khuếch đại, và điện áp sau khi khuếch đại sẽ được lấy từ cực Collector của Q1 Sau đó, điện áp này được ghép qua tụ C3 và đưa vào đầu vào của Q2 để tiếp tục quá trình khuếch đại.
Giả sử tín hiệu vào có dạng sin:
Trong nửa chu kỳ đầu, khi tín hiệu vào ở pha dương, điện áp UbeQ1 gia tăng, dẫn đến sự tăng trưởng của Q1 Kết quả là dòng điện I c1 cũng tăng, làm giảm điện áp U ceQ1, và do đó, tụ C3 sẽ xả điện qua R6.
Tụ C3 xả điện gây sụt áp trên R6, làm giảm VBQ2 và dẫn đến UbeQ2 giảm, từ đó Q2 giảm và dòng Ic2 cũng giảm, khiến UceQ2 tăng lên, tạo ra tín hiệu ra ở pha dương Sau 1/2 chu kỳ, tín hiệu vào ở pha âm làm UbeQ1 giảm, dẫn đến Q1 giảm, giảm Ic1 và tăng UceQ1, khiến tụ C3 nạp điện.
Từ E qua R3 và C3 đến R6, khi tụ C3 nạp, xảy ra sụt áp trên R6, làm tăng V_BQ2 và U_beQ2, dẫn đến sự gia tăng dòng Q2 và I_c2, từ đó làm giảm U_ceQ2, tạo ra tín hiệu ra ở pha âm Cả hai nửa chu kỳ của tín hiệu vào đều có dòng qua tải Các thông số của mạch bao gồm ZV, Zr, Ku và Ki.
+/ Trở kháng vào của mạch (ZV)
(1.6) r BE được tính dựa vào hình vẽ 1.3 như sau:
Hình 1.3 Đặc tuyến vào của transistor +/ Trở kháng ra (Zr)
Trở kháng ra của mạch từ ngõ ra nhìn vào
+/ Độ khuếch đại điện áp (Ku)
Ta có nguồn tín hiệu đưa vào en,
Gọi 1 , 2 là hệ số khuếch đại dòng của Q 1 , Q 2 , ta có:
Gọi U v2 là điện áp đưa vào tầng khuếch đại thứ 2, ta tính được dòng Ib2:
+/ Độ khuếch đại dòng điện(K i ): ra ra r ra v v i U vao v v r r v i ZU U Z Z
Hoặc có thể tính: K K Ki i 1 i 2 (1.17)
1.2.2 Đặc điểm, phạm vi ứng dụng
- Ghép bằng tụ điện mạch đơn giản, dễ lắp, dễ điều chỉnh, kinh tế vì chế độ một chiều giữa các tầng không liên quan đến nhau
- Hệ số khuếch đại nhỏ vì khó phối hợp trở kháng giữa các tầng (phải thực hiện phối hợp trở kháng)
- Mạch không truyền đạt được tín hiệu có tần số quá thấp (M fthấp giảm)
- Ghép bằng tụ điện gây ra di pha có thể ảnh hưởng đến tính ổn định của bộ khuếch đại
- Đặc tuyến biên độ tần số không rộng:
Hình 1.4 Đặc tuyến biên độ - tần số của mạch
Khi tần số f nhỏ hơn tần số cắt ft, hệ số K u sẽ giảm mạnh do tác động của tụ ghép tầng C3 Tần số thấp dẫn đến giá trị Xω = 1/2πfC lớn, làm giảm điện áp vào tầng tiếp theo.
-Khi f f C tần số cao, do ảnh hưởng của tụ C ce (tụ ký sinh tiếp giáp CE của Transistor) coi như mắc song song mạch ra
Khi f cao thì XC ce giảm làm cho trở kháng ra giảm dẫn đến K u giảm (vì t t u RcR R
K // , khi XC ce giảm, làm cho trở kháng ra giảm, dẫn đến K u giảm)
Mạch khuếch đại ghép RC chủ yếu được sử dụng để khuếch đại tín hiệu nhỏ, thường xuất hiện trong các mạch rời rạc và ít được áp dụng trong các mạch tổ hợp IC.
Ghép tầng bằng biến áp
Hình 1.5 Mạch khuếch đại ghép biến áp a Tác dụng linh kiện
Q1, Q2: là 2 tầng khuếch đại mắc E chung được ghép với nhau qua biến áp
R : định thiên, phân áp (phân cực) cho Q1
R , nội trở của cuộn W2: định thiên, phân áp (phân cực) cho Q2
R6, nội trở của cuộn W1: là trở tải 1 chiều và xoay chiều của Q2, Q1
C : thoát mass xoay chiều cho cực E của Q1, Q2 (khử hồi tiếp âm về mặt xoay chiều của Q1, Q2
Tr: biến áp ghép tầng
C1: tụ dẫn (lọc) tín hiệu vào
C2: tụ dẫn (lọc) tín hiệu ra
R : trở ổn định điểm làm việc cho Q1, Q2 (trở ổn nhiệt cho Q 1 , Q2) b Nguyên lý làm việc
Khi cấp nguồn cho mạch:
Ib : Tõ Ec qua R1qua rbeQ 1 qua R 3 vÒ mass
Ic : Từ E c qua nội trở cuộn W1 qua r ceQ 1 qua R 3 về mass
Ib : Từ E c qua R4 qua nội trở cuộn W 2 qua r beQ 2 qua R 7 về mass
Ic :Tõ Ec qua R6 quarceQ 2qua R7 vÒ mass Chế độ xoay chiều:
Tín hiệu đầu vào Q1 được khuếch đại, và điện áp sau khuếch đại được lấy từ cực Collector của Q1 Sau đó, điện áp này được chuyển sang Q2 thông qua biến áp Tr, nơi Q2 tiếp tục khuếch đại và điện áp đầu ra được lấy từ Collector của Q2.
Giả sử tín hiệu vào có dạng sin:
Trong nửa chu kỳ đầu, tín hiệu vào ở pha dương làm tăng UbeQ1, dẫn đến sự gia tăng của Q1 và biến thiên dòng Ic1 trên W1 Đồng thời, trên W2 xuất hiện suất điện động cảm ứng cùng chiều với W1, làm tăng V BQ2 và UbeQ2, dẫn đến sự gia tăng của Q2 và dòng Ic2 Điều này làm giảm UceQ1, dẫn đến tín hiệu ra ở pha âm.
Trong chu kỳ sau, tín hiệu vào ở pha âm làm giảm UbeQ1, dẫn đến giảm Q1 và suy ra Ic1 giảm trên W1 Điều này tạo ra suất điện động cảm ứng trên W2, ngược chiều với W1, gây giảm VBQ2.
Khi U beQ giảm, suy ra Q2 cũng giảm, dẫn đến Ic2 giảm, điều này làm cho U ceQ1 tăng lên, dẫn đến tín hiệu ra ở pha dương Cả hai nửa chu kỳ của tín hiệu vào đều có dòng chảy qua tải Các thông số của mạch cần được xem xét kỹ lưỡng.
Gọi N 1 : số vòng cuộn sơ cấp biến áp
N2: số vòng cuộn thứ cấp cấp biến áp
Z 1 : trở tải phần sơ cấp biến áp
Zt: trở tải phần thứ cấp biến áp
Thông qua tỉ số biến áp, tải ở phần thứ cấp được chuyển về tải ở phần sơ cấp, cho phép tính toán các tham số của mạch tương tự như trong ghép RC.
GhÐp trùc tiÕp
Hình 1.7 Mạch khuếch đại ghép trực tiếp a Tác dụng linh kiện
Q1, Q2: là 2 tầng khuếch đại mắc E chung ghép trực tiếp với nhau
C 3 : khử hồi tiếp âm về mặt xoay chiều
R6 : hồi tiếp âm để ổn định chế độ công tác cho tầng khuếch đại
R 1 : định thiên Q 2 , tải Q 1 b Nguyên lý làm việc
Khi cấp nguồn cho mạch:
Ib : Tõ Ecqua R3 qua r ceQ 2 qua R 4 qua R 6 qua r beQ 1 qua R 2 vÒ mass
Ic : Tõ Ec qua R1 qua r ceQ 1 qua R2 vÒ mass
Ib : Tõ E c qua R 1 qua rbeQ 2 qua R 4 qua R 5 vÒ mass
Ic : Tõ Ec qua R3 qua r ceQ 2 qua R4 qua R5 vÒ mass Chế độ xoay chiều:
Tín hiệu đầu vào được xử lý bởi transistor Q1, nơi nó được khuếch đại Sau khi khuếch đại, điện áp được lấy từ cực Collector của Q1 và truyền trực tiếp vào đầu vào của transistor Q2 để tiếp tục quá trình khuếch đại.
Giả sử tín hiệu vào có dạng sin:
Trong nửa chu kỳ đầu, tín hiệu vào ở pha dương làm tăng UbeQ1, dẫn đến sự gia tăng của Q1 Điều này suy ra rằng dòng Ic1 cũng tăng, khiến UceQ1 giảm và dẫn đến sự giảm của VbQ2.
UbeQ giảm đi, do đó Q 2 giảm dẫn suy ra dòng I c 2 giảm đi dẫn đến U ceQ 1 tăng lên do đó tín hiệu ra ở pha dương
Trong nửa chu kỳ đầu tiên, tín hiệu vào ở pha âm làm giảm UbeQ1, dẫn đến Q1 giảm và I c1 cũng giảm theo Kết quả là U ceQ1 tăng lên, làm tăng V BQ2, từ đó UbeQ2 tăng lên và Q2 cũng tăng, dẫn đến Ic2 tăng lên Điều này lại làm U ceQ1 giảm, cho thấy tín hiệu ra ở pha âm Cả hai nửa chu kỳ của tín hiệu vào đều tạo ra dòng qua tải.
1.4.2 Đặc điểm, phạm vi ứng dụng
Mạch có kích thước nhỏ, gọn
Truyền đạt được cả tín hiệu một chiều và xoay chiều
Hiệu suất của mạch cao Độ méo ở tần số thấp giảm
Do chế độ làm việc giữa các tầng có liên quan đến nhau nên:
+/ Việc tính toán và điều chỉnh mạch phức tạp
Để duy trì độ ổn nhiệt ở mỗi tầng, cần thiết phải thiết kế mạch ổn định chế độ làm việc và ổn nhiệt bằng cách sử dụng hồi tiếp âm từ emitter hoặc từ ngõ ra về ngõ vào Khi mạch có từ 3 tầng trở lên, nguy cơ tự kích ở tần số cao tăng lên, do đó cần trang bị mạch chống tự kích, thường bằng cách thêm tụ có giá trị vài chục pF ở chân collector của transistor.
Mạch khuếch đại ghép tầng trực tiếp thường được dùng phổ biến, đặc biệt trong các mạch tổ hợp.
GhÐp quang
Mạch ghép quang không chỉ thực hiện truyền đạt tín hiệu mà nó còn được thực hiện với mục đích cách ly điện thế giữa các tầng
Hình 1.8 Mạch khuếch đại ghép quang
OPTO: phần tử ghép a Nguyên lý làm việc
Khi cấp nguồn cho mạch:
Ib : Tõ E c quaR1 qua r beQ 1 qua RDvÒ mass
Ic : TõE c qua R 3 qua r ceQ 1 qua RDvÒ mass
Ib : TõE c qua R 4 qua rbeQ 2 qua R 6 vÒ mass
Ic : TõE c qua R 5 qua r ceQ 2 qua R 6 vÒ mass Chế độ xoay chiều:
Tín hiệu đầu vào được khuếch đại bởi transistor Q1 Sau khi khuếch đại, điện áp được chuyển qua OPTO và tiếp tục được Q2 khuếch đại Cuối cùng, tín hiệu được lấy ra từ Collector của Q2.
1.5.2 Đặc điểm, phạm vi ứng dụng
Việc sử dụng ghép bằng phần tử quang điện giúp dễ dàng phối hợp trở kháng giữa mạch ra của tầng trước và mạch vào của tầng sau, từ đó giảm thiểu méo tiếng và nâng cao công suất đầu ra.
Truyền đạt được cả tín hiệu một chiều và xoay chiều có tần số cao
Có khả năng cách ly về điện giữa các tầng
Hiệu suất của mạch cao, méo nhỏ, giảm nhiễu, tạp âm
Mặc dù mạch ghép quang điện mang lại nhiều lợi ích, nhưng nó cũng có nhược điểm do sai số phi tuyến tương đối lớn, dẫn đến độ chính xác của mạch bị giới hạn Tuy nhiên, khi áp dụng mạch ghép này trong sơ đồ đẩy kéo, sai số phi tuyến có thể được bù đắp một phần.
Mạch ghép bằng phần tử quang chủ yếu phục vụ cho việc truyền tín hiệu số, đặc biệt khi cần cách ly điện giữa hai mạch khuếch đại hoặc để truyền dẫn tín hiệu qua cáp quang.
Tuy nhiên trên thực tế, mạch ghép bằng phần tử quang còn được dùng để ghép cách ly các mức điện thế khác nhau giảm nhiễu, như hình 1.9
Hình 1.9 Mạch điều khiển động cơ giao tiếp bằng Relay tín hiệu mức TTL
Sơ đồ Darlington
Sơ đồ Darlington dùng 2 Transistor cùng loại
Hình 1.10 Sơ đồ mắc Darlington dùng transistor cùng loại Tác dụng linh kiện
Q1: có hệ số khuếch đại dòng là 1
Q2: có hệ số khuếch đại dòng là 2
Q1: là Transistor kích thích (driver) công suất nhỏquyết định tính chất (loại ) của Transistor tương đương
Q2: Transistor công suất - quyết định công suất của mạch
Darlington có hệ số khuếch đại dòng 12
Trong các mạch thực tế thrường mắc thêm điện trở tải R tạo ra UR 0,4V để Q2 chuyển từ khóa sang mở nhanh hơn
Sơ đồ Darlington dùng 2 Transistor khác loại như hình 1.11
Hình 1.11 Sơ đồ mắc Darlington dùng transistor khác loại
1.6.2 Đặc điểm, phạm vi ứng dụng
Mạch đơn giản, dễ tính toán Điện trở vào lớn (rv 2rBE), điện trở ra nhỏ Độ khuếch đại dòng lớn Độ khuếch đại điện áp 1 trên tải Emitter
Trở kháng vào lớn để phối hợp trở kháng với tầng trước Độ ổn định điểm làm việc cao
Sơ đồ Darlington là giải pháp hiệu quả cho mạch lặp Emitter, đặc biệt khi hệ số khuếch đại dòng điện không đạt yêu cầu hoặc cần tăng cường trở kháng đầu vào của mạch.
Sơ đồ Darlington được gọi là sơ đồ phức hợp thường dùng trong các mạch driver và tầng công suất cuối cùng, dùng với tải nhỏ
Sơ đồ Darlington được cải tiến để hoạt động ở hai chế độ AB và B, với cấu hình mắc đối xứng nhằm giảm thiểu méo xuyên tâm Thiết kế này cũng cho phép khóa nhanh ở tần số thấp, giúp bảo vệ cặp BJT cuối cùng hiệu quả hơn.
Sơ đồ Darlington còn được tích hợp để cho loại BJT có công suất lớn.
Sơ đồ Cascode
Trong các mạch khuếch đại băng VHF, UHF hoặc tầng khuếch đại Micro, việc khuếch đại tín hiệu nhỏ với mức tạp âm thấp là rất quan trọng Để đạt được điều này, cần chọn BJT có hệ số tạp âm thấp hoặc sử dụng FET, tuy nhiên điều này có thể làm tăng chi phí và không phải lúc nào cũng có sẵn Do đó, mạch Cascode thường được sử dụng trong những trường hợp này.
- Sơ đồ Cascode dùng 2 Transistor cùng loại
Hình 1.12 Sơ đồ mắc Cascode dùng transistor cùng loại a Tác dụng linh kiện
Về phương diện một chiều Q1,Q2 mắc nối tiếp
Q1: khuếch đại mắc EC, có điện trở vào tương đối lớn, làm việc ở chế độ điện áp thấp, để giảm tạp âm
R5: ổn định chế độ công tác (ổn nhiệt) cho Q1
C : tụ dẫn tín hiệu vào/ra
C3: Nối mass cho chân B của Q2để đảm bảo Q2mắc theo BC
Mặt khác C3có khả năng khử nhiễu ở tần số cao giúp cho mạch khuếch đại mắc Cascode làm việc ổn định ở tần số cao b Nguyên lý làm việc
Khi cấp nguồn cho mạch:
Ib : Tõ Ecqua R1 quaR 2 qua r beQ 1 quaR 5 vÒ mass
Ic : Tõ E c qua R 4 qua r ceQ 2 qua r ceQ 1 qua R 5 vÒ mass
Ib : TõE c qua R 1 qua rbeQ 2 qua r ceQ 1 qua R 5 vÒ mass
Ic : Tõ E c qua R 4 qua r ceQ 2 qua r ceQ 1 qua R 5 vÒ mass Chế độ xoay chiều:
Tín hiệu đầu vào Q1 sẽ được khuếch đại, và điện áp sau khi khuếch đại sẽ được lấy từ cực Collector của Q1 Sau đó, điện áp này sẽ được đưa trực tiếp vào emitter của Q2 để tiếp tục quá trình khuếch đại.
Giả sử tín hiệu vào có dạng sin:
Trong nửa đầu chu kỳ, tín hiệu đầu vào ở pha dương làm tăng UbeQ1, dẫn đến sự gia tăng của Q1 Điều này suy ra rằng dòng I c1 cũng tăng lên, làm giảm UceQ1 và dẫn đến sự giảm của V EQ2.
Q2 tăng dẫn suy ra dòng I c 2 tăng lên dẫn đến U ceQ 1 giảm đi do đó tín hiệu ra ở pha ©m
Trong nửa chu kỳ đầu tiên, tín hiệu vào ở pha âm làm giảm UbeQ1, dẫn đến giảm Q1 và I c1, từ đó U ceQ1 tăng lên, khiến V EQ2 tăng và Q2 giảm, dẫn đến I c2 cũng giảm Điều này cho thấy U ceQ1 tăng lên, dẫn đến tín hiệu ra ở pha dương Cả hai nửa chu kỳ của tín hiệu vào đều tạo ra dòng qua tải.
- Sơ đồ Cascode dùng 2 Transistor khác loại
Hình 1.12 Sơ đồ mắc Cascode dùng transistor khác loại 1.7.2 Đặc điểm, phạm vi ứng dụng
Trở kháng vào lớn, trở kháng ra tương đối lớn
Hệ số khuếch đại điện áp lớn
Mạch làm việc ổn định
Nhược điểm: Điều chỉnh ở chế độ 1 chiều phức tạp
Thường dùng trong các mạch khuếch đại cao tần của băng VHF, UHF, hoặc khuếch đại Micro của các tăng âm
Câu hỏi và bài tập chương 1
Mạch ghép tầng bằng tụ điện là một cấu trúc quan trọng trong điện tử, giúp tăng cường tín hiệu và cải thiện hiệu suất của mạch Linh kiện chính trong mạch bao gồm tụ điện, transistor và điện trở, mỗi linh kiện đều có vai trò riêng trong việc điều chỉnh và khuếch đại tín hiệu Nguyên lý hoạt động của mạch này dựa trên khả năng lưu trữ điện tích của tụ điện, cho phép tín hiệu được truyền qua các tầng mà không bị suy giảm Đặc điểm nổi bật của cách ghép này là khả năng tạo ra các tầng khuếch đại với độ ổn định cao, thường được ứng dụng trong các thiết bị âm thanh, truyền thông và các hệ thống điện tử khác Phạm vi ứng dụng của mạch ghép tầng bằng tụ điện rất đa dạng, từ các thiết bị gia dụng đến các công nghệ tiên tiến trong ngành công nghiệp điện tử.
Mạch ghép tầng bằng biến áp là một cấu trúc điện quan trọng, trong đó biến áp đóng vai trò trung gian để tăng cường tín hiệu Linh kiện này giúp cách ly và điều chỉnh mức điện áp, đồng thời cải thiện độ ổn định của mạch Nguyên lý hoạt động của mạch dựa trên sự biến đổi điện áp và dòng điện qua các cuộn dây của biến áp, cho phép tín hiệu được khuếch đại mà không làm giảm chất lượng Cách ghép này thường được ứng dụng trong các hệ thống âm thanh, truyền hình và viễn thông, nhờ vào khả năng xử lý tín hiệu mạnh mẽ và hiệu quả.
Mạch ghép tầng trực tiếp là một cấu trúc điện tử quan trọng, trong đó các linh kiện như transistor được sử dụng để khuếch đại tín hiệu Sơ đồ mạch điện của nó thường bao gồm các phần tử chính như nguồn điện, transistor, và các điện trở Nguyên lý hoạt động của mạch này dựa trên việc điều chỉnh dòng điện qua transistor, giúp tăng cường mức tín hiệu đầu ra Đặc điểm nổi bật của mạch ghép tầng trực tiếp là khả năng khuếch đại tín hiệu mà không làm thay đổi hình dạng sóng ban đầu Phạm vi ứng dụng của mạch này rất đa dạng, từ các thiết bị âm thanh đến các hệ thống truyền thông, nhờ vào tính hiệu quả và độ tin cậy cao.
Mạch ghép tầng dùng ghép quang là một cấu trúc điện tử quan trọng, trong đó các linh kiện như photodiode và transistor đóng vai trò chính trong việc chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Sơ đồ mạch điện của hệ thống này thường bao gồm các phần tử như bộ khuếch đại và bộ lọc để tối ưu hóa hiệu suất Nguyên lý làm việc của mạch dựa trên việc phát hiện ánh sáng và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện, từ đó khuếch đại và xử lý tín hiệu để đạt được chất lượng cao Cách ghép quang này có đặc điểm nổi bật là khả năng truyền tải dữ liệu nhanh chóng và chính xác, thích hợp cho các ứng dụng trong lĩnh vực viễn thông, truyền thông quang học và các hệ thống điều khiển tự động Phạm vi ứng dụng của mạch ghép quang rất rộng, từ các thiết bị cá nhân đến các hệ thống công nghiệp lớn.
Câu 5: Vẽ sơ đồ Darlington, nêu đặc điểm, ứng dụng của sơ đồ đó
Câu 6: Vẽ sơ đồ mạch Cascode, nêu tác dụng linh kiện, phân tích nguyên lý làm việc của mạch Cho biết đặc điểm, ứng dụng của cách mắc đó
Câu 7: Cho mạch khuếch đại ghép tầng bằng tụ như hình 1.13
H×nh 1.13 Xây dựng biểu thức tính các tham số của mạch: Trở kháng vào, trở kháng ra, hệ số khuếch đại dòng điện, điện áp.
Mạch khuếch đại có hồi tiếp
Khái niệm
Hồi tiếp là ghép một phần tín hiệu ra (điện áp hoặc dòng điện) của mạng bốn cực tích cực về đầu vào thông qua một mạng bốn cực
K: hệ số khuếch đại của phần mạch khuếch đại
: hệ số truyền đạt của phần mạch hồi tiếp
Hình 2.1 Sơ đồ khối mạch khuếch đại có hồi tiếp
Xk: tín hiệu hiệu đưa vào phần mạch khuếch đại
Hồi tiếp là yếu tố quan trọng trong kỹ thuật mạch tương tự, giúp cải thiện các đặc tính của bộ khuếch đại như trở kháng vào, trở kháng ra và băng thông, từ đó nâng cao chất lượng hoạt động của bộ khuếch đại.
Theo tác dụng hồi tiếp, người ta phân ra hai loại hồi tiếp cơ bản: Hồi tiếp âm và hồi tiếp dương
+ Hồi tiếp âm: Tín hiệu hồi tiếp ngược pha với tín hiệu vào, nên làm yếu tín hiệu vào
Hồi tiếp dương là tín hiệu có cùng pha với tín hiệu vào, giúp tăng cường độ mạnh của tín hiệu Tuy nhiên, hồi tiếp dương thường khiến bộ khuếch đại trở nên không ổn định, vì vậy nó chủ yếu được sử dụng để tạo ra dao động.
Hồi tiếp âm được chia thành hai loại: hồi tiếp một chiều và hồi tiếp xoay chiều Hồi tiếp âm một chiều chủ yếu được sử dụng để ổn định chế độ làm việc, trong khi hồi tiếp âm xoay chiều giúp ổn định các tham số của bộ khuếch đại Trong chương này, chúng ta sẽ tập trung vào hồi tiếp âm xoay chiều, trong khi hồi tiếp dương sẽ được thảo luận chi tiết ở chương 6.
Mạch điện của bộ khuếch đại có hồi tiếp được phân làm 4 loại:
Hồi tiếp nối tiếp điện áp là tín hiệu hồi tiếp được đưa về đầu vào nối tiếp với tín hiệu ban đầu, tỷ lệ với điện áp ở đầu ra, như minh họa trong Hình 2.2a.
Hồi tiếp song song điện áp là phương pháp trong đó tín hiệu hồi tiếp được đưa về đầu vào song song với tín hiệu ban đầu, tỷ lệ với điện áp ở đầu ra Hình 2.2b minh họa rõ ràng cách thức hoạt động của hồi tiếp này.
Hồi tiếp song song điện áp và hồi tiếp nối tiếp dòng điện là hai phương pháp quan trọng trong hệ thống điều khiển Hồi tiếp song song điện áp giúp điều chỉnh tín hiệu đầu vào, trong khi hồi tiếp nối tiếp dòng điện đưa tín hiệu hồi tiếp về đầu vào, tỷ lệ với dòng điện ra.
Hồi tiếp song song dòng điện là quá trình mà tín hiệu hồi tiếp được đưa về đầu vào theo cách song song với tín hiệu ban đầu, đồng thời tỷ lệ với dòng điện ra.
Phân tích tầng khuếch đại có hồi tiếp
Xét mạch khuếch đại có hồi tiếp nối tiếp điện áp
Gọi K là hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại khi chưa có hồi tiếp
Gọi là hệ số truyền đạt của mạch hồi tiếp
Gọi K ht là hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại khi có hồi tiếp
Giả sử tín hiệu ở đầu vào bộ khuếch đại của mạch khuếch đại có hồi tiếp được tÝnh nh sau:
Chia cả hai vế của biểu thức (2.4) cho Urcó r r v r k U
Thay các biểu thức (2.1); (2.2); (2.3) ta được:
1 (2.6) Để đơn giản ta coi K, là những số thực, ta thấy:
+/ Khi K 0 Kht K Lúc đó hệ số khuếch đại được tính như sau:
Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại sẽ giảm khi có hồi tiếp âm, do điện áp tổng hợp tại đầu vào bị giảm.
Hồi tiếp âm làm cho hệ số khuếch đại giảm nhưng cải thiện được chất lượng của bộ khuếch đại, nên được dùng rộng rãi
+/ Khi 1 K 0 K ht K Lúc đó hệ số khuếch đại được tính như sau:
Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại sẽ tăng lên khi có hồi tiếp dương, tức là khi điện áp hồi tiếp (U ht) cùng pha với điện áp đầu vào (U v) Điều này dẫn đến việc điện áp tổng hợp ở đầu vào của bộ khuếch đại được gia tăng.
Khi K = 1, K ht sẽ tiến tới vô cùng, dẫn đến đầu ra của bộ khuếch đại có phổ tần số không phụ thuộc vào tín hiệu đầu vào Trong trường hợp này, mạch khuếch đại hoạt động ở chế độ tự dao động, và nội dung này sẽ được phân tích chi tiết trong chương 6.
ảnh hưởng của hồi tiếp âm lên các tham số của bộ khuếch đại
2.3.1 ảnh hưởng đến độ ổn định hệ số khuếch đại
Trong nhiều tình huống thực tế, việc sử dụng bộ khuếch đại với hệ số khuếch đại ổn định là rất cần thiết Điều này giúp đảm bảo hiệu suất không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, biến đổi điện áp nguồn, thời gian sử dụng và độ tản nhiệt của transistor Qua các tính toán, bộ khuếch đại sử dụng hồi tiếp âm cho thấy khả năng đáp ứng tốt các yêu cầu này.
Mạch khuếch đại có hồi tiếp âm ta có:
Vi phân biểu thức (2.7) ta được:
K dK dK ht ht (2.9) ht
K ht dK thể hiện sự biến đổi của hệ số khuếch đại trong bộ khuếch đại khi có hồi tiếp, trong khi K : dK thể hiện sự thay đổi của hệ số khuếch đại khi không có hồi tiếp.
Biểu thức (2.9) cho thấy rằng hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại sẽ giảm (1 + Kβ) lần khi có hồi tiếp âm so với khi không có hồi tiếp.
VÝ dô: Khi 20 % dK K và ( 1 K) 100, thì sự thay đổi tương đối của hệ số khuếch đại khi có hồi tiếp âm giảm 100 lần 0,2% ht
Tính ổn định của hệ số khuếch đại là rất quan trọng trong quá trình hoạt động của bộ khuếch đại, vì nó chịu tác động từ nhiều yếu tố như nhiệt độ môi trường, sự lão hóa của linh kiện và nguồn cấp không ổn định.
Nếu hệ số khuếch đại cao và có hồi tiếp âm sâu, tức là Kβ lớn, thì có thể loại bỏ ảnh hưởng của các yếu tố tác động đến sự ổn định của hệ số khuếch đại.
Khi K 1, K ht gần như bằng 1, cho thấy K ht không phụ thuộc vào K và mọi sự thay đổi của nó Việc tăng độ ổn định hệ số khuếch đại khi có hồi tiếp âm có ý nghĩa vật lý quan trọng: khi hệ số khuếch đại K thay đổi, điện áp hồi tiếp đưa về đầu vào cũng thay đổi, dẫn đến sự điều chỉnh đầu vào U v nhằm bù lại sự thay đổi của điện áp ra bộ khuếch đại Cụ thể, khi K giảm do thay đổi tham số bộ khuếch đại, U ht và Ur sẽ giảm, nhưng điện áp U 1 k U v U 1 lại tăng, từ đó tăng Ur và ngăn cản sự giảm của hệ số khuếch đại K.
Hồi tiếp âm được sử dụng phổ biến để tăng cường độ ổn định của hệ số khuếch đại, giúp cải thiện đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại nhiều tầng gộp điện dung Điều này đặc biệt quan trọng vì ở miền tần số thấp và cao, hệ số khuếch đại thường bị giảm, như minh họa trong hình vẽ 2.3.
Hồi tiếp âm trong bộ khuếch đại có tác dụng yếu ở miền tần số khi hệ số khuếch đại K nhỏ, dẫn đến việc tăng hệ số khuếch đại ở biên dải tần và mở rộng dải thông của bộ khuếch đại Ngoài ra, hồi tiếp âm còn giúp giảm méo không đường thẳng của tín hiệu ra.
2.3.2 ảnh hưởng đến dải tần của bộ khuếch đại
Hồi tiếp âm mở rộng dải tần của bộ khuếch đại Thật vậy:
Hệ số khuếch đại của các mạch khuếch đại thường là một hàm theo tần số ở tần số cao:
Trong đó: Km là hệ số khuếch đại của mạch ở tần số giữa fH là tần số cắt cao
Nếu mạch có hồi tiếp âm thì hệ số khuếch đại bây giờ là Kht m H m
Tần số tại đó hệ số khuếch đại giảm đi 3dB ứng với:
Như vậy khi thực hiện hồi tiếp âm, tần số cắt cao tăng thêm (1Km)lần Tương tự ở tần số thấp f f j
1 (2.15) fL là tần số cắt thấp của mạch khuếch đại không có hồi tiếp Tính toán tương tự như trên ta cũng có
Như vậy tần số cắt thấp của mạch khuếch đại khi có hồi tiếp giảm (1Km)lần, nên dải tần được mở rộng
Mặt khác trong tín hiệu âm thanh fH fLthì độ rộng băng thông được xem như là gần bằng fH hay fHht
2.3.3 ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến trở kháng vào của bộ khuếch đại a/ Hồi tiếp nối tiếp
Xét mạch hồi tiếp nối tiếp điện áp:
Hình 2.4 Hồi tiếp nối tiếp điện áp
Gọi Z v là trở kháng vào của mạch khuếch đại khi chưa có hồi tiếp v v UIk
Gọi Zvhtlà trở kháng vào của mạch khuếch đại khi có hồi tiếp v vht UIv
Z Khi có hồi tiếp âm ta có:
U k v U v U 1 k U 1 (2.17) Chia cả hai vế của 2.17 cho Iv ta có v v k v v I
Từ 2.19 ta thấy trở kháng vào của mạch khuếch đại khi có hồi tiếp âm nối tiếp tăng ( 1 K)lần so với khi chưa có hồi tiếp b/ Hồi tiếp song song
Xét mạch hồi tiếp song song điện áp:
Hình 2.5 Hồi tiếp song song điện áp k r k k UI I
Gọi Z v là trở kháng vào của mạch khuếch đại khi chưa có hồi tiếp k v k v k UI
Gọi Zvhtlà trở kháng vào của mạch khuếch đại khi có hồi tiếp v k v vht v UI
Khi có hồi tiếp âm ta có: I 1 k I v I 1 I v I 1 k I 1 (2.22)
Từ (2.25) ta thấy trở kháng vào của mạch hồi tiếp song song điện áp giảm )
( K lần so với khi chưa có hồi tiếp
2.3.4 ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến trở kháng ra của bộ khuếch đại Nếu sơ đồ chỉ gồm các linh kiện tuyến tính thì ta có rng r U I rh
Với U rh : điện áp ra khi hở mạch tải
I rng: dòng điện ra khi ngắn mạch tải a Hồi tiếp âm điện áp
Xét mạch hồi tiếp nối tiếp điện áp:
Gọi Zrlà trở kháng vào của mạch khuếch đại khi chưa có hồi tiếp
Gọi Z rht là trở kháng vào của mạch khuếch đại khi có hồi tiếp
Tõ (2.18) cã rng v rng v ht rng rht rh KU K I
Mặt khác khi ngắn mạch đầu ra ta có U v U 1 k
Theo biểu thức (2.30), trở kháng ra của bộ khuếch đại với hồi tiếp âm điện áp nối tiếp giảm đi (1 + Kβ) lần so với khi không có hồi tiếp Ngoài ra, hồi tiếp âm dòng điện cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình khuếch đại.
Xét mạch hồi tiếp nối tiếp dòng điện:
Để xác định trở kháng ra trong mạch có hồi tiếp, ta đưa một tín hiệu V vào với ngõ vào ngắn mạch, từ đó có thể tính toán giá trị Uv bằng công thức Uv = U1 k r k r r KU.
Khi có hồi tiếp dòng điện, trở kháng ra tăng một lượng ( 1 K)
2.3.5 ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến dải động và méo phi tuyến
Nhờ có hồi tiếp âm, dải động của bộ khuếch đại được mở rộng Thật vậy:
Khi không có hồi tiếp thì toàn bộ tín hiệu được đưa đến đầu vào của bộ khuếch đại, do đó: v k U
Khi có hồi tiếp, chỉ có một phần tín hiệu được đặt vào bộ khuếch đại k v v k U U U K U
Tín hiệu vào của bộ khuếch đại có hồi tiếp nhỏ hơn tín hiệu vào của bộ khuếch đại không có hồi tiếp với tỷ lệ (1 + Kβ) lần, dẫn đến việc giảm méo phi tuyến do độ cong đường đặc tuyến truyền đạt của bộ khuếch đại Điều này góp phần nâng cao tính chân thực và độ nhạy của bộ khuếch đại, từ đó cải thiện chất lượng hoạt động của nó.
Hồi tiếp âm, bao gồm hồi tiếp điện áp và dòng điện, dù được thực hiện theo cách nối tiếp hay song song, đều làm giảm hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại Tuy nhiên, điều này lại góp phần tăng cường độ ổn định cho hệ thống khuếch đại.
Hồi tiếp âm mở rộng dải tần, giảm méo và tạp nhiễu Còn trở kháng vào và ra lại phụ thuộc nhiều vào dạng mạch hồi tiếp
Có thể tóm tắt ảnh hưởng của hồi tiếp âm lên các tham số của bộ khuếch đại theo bảng dưới đây:
Bảng 2.1: Tóm tắt ảnh hưởng của hồi tiếp âm lên tham số của bộ khuếch đại
Tham số điện Kiểu mạch hồi tiếp
Hồi tiếp dòng điện nối tiếp
Hồi tiếp điện áp nối tiếp
Hồi tiếp điện áp song song
Hồi tiếp dòng điện song song
Hệ số khuếch đại điện áp Giảm Giảm Giảm Giảm Độ rộng dải tần Tăng Tăng Tăng Tăng Độ méo Giảm Giảm Giảm Giảm
Tạp nhiễu Giảm Giảm Giảm Giảm
Trở kháng vào(Zvht) Tăng
1 Trở kháng ra(Zrht) T¨ng
Phân tích một số mạch khuếch đại có hồi tiếp âm
2.4.1 Mạch hồi tiếp âm dòng điện nối tiếp
Hình 2.7 Mạch khuếch đại có hồi tiếp âm dòng điện nối tiếp
(trường hợp không có tụ C 4 và có tụ C 4 )
Tín hiệu hồi tiếp trong mạch Emitter được xác định qua điện thế tại điện trở RE và cách mắc nối tiếp Khi thử nghiệm với V r = 0 (RL = 0), điện thế qua RE không trở thành 0v, điều này chứng tỏ mạch này không sử dụng hồi tiếp điện thế.
Bây giờ nếu cho Ir =0 (RL = ) nghĩa là dòng cực thu bằng 0 nên điện thế qua
RE cũng bằng 0 Như vậy mạch hồi tiếp dòng điện ngõ ra Đây là mạch hồi tiếp dòng điện nối tiếp
R 4 là phần tử thực hiện hồi tiếp Uht IER4 Điện áp đặt vào đầu vào bộ khuếch đại ht v
U v và U ht có dấu ngược nhau, mà U ht tỉ lệ thuận với dòng điện do vậy coi là hồi tiếp âm dòng điện nối tiếp
Mạch hồi tiếp dòng điện nối tiếp hoạt động ổn định với trở kháng vào và ra tăng Để duy trì hệ số khuếch đại tín hiệu xoay chiều, người ta thêm tụ điện song song với điện trở chân E (C 4 //R 4), khi đó X C