Phân tích tầng khuếch đại BJT ở chế độ tín hiệu nhỏ, tần số trung bình

2.5. PHÂN TÍCH TÀNG KHUẾCH ĐẠI BJT Ở CHẾ Đ ộ TÍN HIỆU NHỎ

2.5.2. Phân tích tầng khuếch đại BJT ở chế độ tín hiệu nhỏ, tần số trung bình

2.5.2.1. Tầng khuếch đại B JT mắc CE

- Xét mạch khuếch đại CE phân cực kiểu chia áp như Hình 2.22a

a)

Hình 2.22. Mạch khuếch đại mẳc CE (a); Sơ đồ tương đương xoay chiều (b)

- Bước ỉ: Ngắn mạch các tụ Ci, C2, Ce và 2 cực nguồn Ecc, ta vẽ được so đô tương đương xoay chiều như Hình 2.22b.

- Bước 2: Thay BJT bằng sơ đồ tương đương mắc CE, ta được sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ như Hình 2.23.

Hình 2.23. Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ

u r

- Bước 3: Xác định các thông số xoay chiều + Trở kháng vào:

„ Uv M ^ l ^ 2 |p v (E )) II II

Zv - R v = -p - = ị - Rị ỊỊr2 |rV(E) (2.58) + Trở kháng ra: Ngắn mạch nguồn tín hiệu en = 0 —►Ib = 0. Ở ngõ ra, ta đặt điện áp độc lập ux. Khi đó:

u*

I. |e n =0 - Kc II rr(E) (2.59)

u ’ ' *- PIb(Rc Rt||rr(E)) Rc Rt|k K u = . T , --- = - p — ~ + Hệ số khuếch đại điện áp:

C(E)

u„ V rv(E) ly(E)

N ế u r c(E )> 10(R c||R t) và rv(E) ô p r e thỡ:

Rc ||R t K ằ = ~

+ Hệ số khuếch đại điện áp toàn phần:

K = ^ i - = ^ x ^ = K u.Kn utp En uỹ En

trong đó Kn - gọi là hệ số truyền đạt của mạch vào, được xác định bời:

K = ^ = R„

n E„ R„ + R r

Suy ra: K utp= K u.Kn = - p -R c R t rc(E) R v

*V(E) R V + R n

(2.60a)

(2.60b)

(2.61)

(2.62)

(2.63) Dấu trong các biểu thức (2.60) và (2.63) có ý nghĩa là điện áp ra ngược pha với điện áp vào.

+ Hệ số khuếch đại dòng điện:

„ _ I . - Ư . / R , - k. . R ằ - Rc | R | : : R - 1 I U . / R . “ R. - ằ

+ Hệ sổ khuếch đại công suât:

K p = ẻ - = 7 r T - = K u K i = K u ^ = K f - ^ -R. R,

ƯV.I R, R.

(2.64)

(2.65)

* S ơ đồ tương đương nguồn điện áp

- Từ mạch điện Hình 2.23, thay thế tương đương mạch điện ngõ vào và áp dụng định lý Thevenin phần bên trái vị trí c - e ở mạch điện ngõ ra, ta được Hình 2.24.

u ..

T KuoI Ta U, ĩ ịI R,

Hình 2.24. Sơ đồ tương đương nguồn áp

+ Nguồn sức điện động Thevenin là:

E-rh = U r0 = - p i b ( R c rc (E ))

vófi K u0 =

- u rO *c(E)'

_ - P I b ( R - C II rc ( E ) ) X U y _ _ p i b ( ^ - c I rc ( E ) ) x U v _

U y V r v(E)

-P (R C ||rc(E))

--- —--- là hệ sô khuêch đại điện áp không tải.

Ku0.u v (2.66)

+ Trở kháng Thevenin: R xh = R c rc(E) - (2.67)

Sơ đồ tương đương nguồn áp rất thuận tiện khi phân tích bộ khuếch đại có nhiều tầng mắc nối tiếp nhau.

2.S.2.2. Tầng khuếch đại B JTm ắc CB

- Xét sơ đồ mạch khuếch đại BJT mắc CB như Hình 2.25a. Thực hiện các bước phân tích, ta xây dựng được sơ đồ tương đương tín hiệu bé như hình 2.25b.

*v c,

a) u r

b) u.

Hình 2.25. Mạch khuếch đại mắc CB (a) và sơ đồ đương tương tín hiệu bé (b) + Trở kháng vào:

z ,.=R - V V = 1, (2.68)

I V I V " c " ' c

+ Trở kháng ra: Ngắn mạch nguồn tín hiệu en = 0 —*• Ic = 0. Ở ngõ ra, ta đặt nguồn điện áp độc lập u x. Khi đó:

Z r - R r - J x |cn=0 - R c I r r(B) (2.69)

(2.70a) + Hệ sổ khuếch đại điện áp:

K„ = U r ^ e /R c R-t rr(B )) Rc R-t

—- = --- 1---= a— ---

u „ ■ ~^'e-rv(B) r-

rc(B)

Rr' R, N ếu rC(B) > 10 (Rc IIR,) và a ~ 1 thì: K u =

+ Hệ SÔ khuêch đại điện áp toàn phân: Từ (2.61) vả (2.62), ta có:re Rr R t

K utp= K u.Kn = a - + Hệ sổ khuếch đại dòng điện:

K Ịr - U r /R t _

lc(E) Ry

Rv + Rn

K l = i - = z H r p . = - K 0 - ^ = - a -

_ „ i ' ằ U ằ / R v , R .

Nếu rC(B)ằ (Rc II Rt), Re ằ re và a ~ 1 thỡ:

| K -| ô R c <1 R c + R t

Rr R t rc(B) x R e | re

re XRt

(2.70b)

(2.71)

(2.72a)

(2.72b) Biểu thức (2.72b) cho thấy tầng khuếch đại CB không khuếch đại dòng điện.

2.5.2.3. Tầng khuếch đại B J T m ắ c c c (tải emìtter)

- Xét tầng khuếch đại BJT mắc cc như hình 2.26a. Sau khi phân tích ta được sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ như hình 2.26c.

HÌnh 2.26. Mạch khuếch đại c c (a); Sơ đồ tương đương xoay chiều (h);

Sơ đồ tương đương tín hiệu bé (c)

(2 .7 3 ) - Các thông số của mạch:

+ Trở khảng vào: R v = Rj ¡RJ ||Rvb

trong đú: D _ u be + u ec _ rv(E)^b + ( rc(E) | R E ||Rt )(ò + ! ) I b

R v b — 1 - I

1 u Av.

Lb Ab

= rv(E) + (ò + l)(rc(E) ||R E ||R t )

Nếu rC(E) > 10(ReII Rt ) và rv(E) ô òre thỡ:

R vb Ä ò[re + ( R E ||R t)]

(2.74)

(2.75) Trường hợp (Ri II R2) rất lớn hoặc mạch khuếch đại phân cực kiểu cố định (R2 hở mạch), trở kháng vào của mạch KĐ mắc c c sẽ có trị số lớn, cỡ n.lOKÍÌ, cho phép phối họp trở kháng tốt với các nguồn tín hiệu có nội trờ lớn.

+ Trở khảng rạ: Ngắn mạch nguồn tín hiệu en và đặt điện áp thử u x ờ ngõ ra, mạch điện Hình 2.26c được vẽ lại như sau:

Hình 2.27. Sơ đồ mạch điện tính trở kháng ra của mạch KĐ mắc c c Khi đó: Rr = ReII rC(E) II Rre

u ce _ [ ( R n R 1 ||R 2 ) + rv(E )]^ b _ rv ( E ) + R n | R 1 ||R 2

trong đó: R = —cc =

re Ie (ò+i)ib ò+1

(2.76)

(2.77) Trường họp Rn = 0 và rv(E) * (ò + l)re, thỡ: Rre ~ re (2.78)

Nếu re ô (ReII rC(E)) thỡ: Rr = re (2.79)

Biểu thức (2.79) cho thấy trờ kháng ra của mạch khuếch đại mắc c c có giá trị rât nhỏ, cỡ vài chục Í2, cho phép phối hợp trở kháng tốt với phụ tải nhỏ.

+ Hệ số khuếch đại điện áp:

K„ =-

u., I b R vb

(ò + l )(RE R , ||rc(E)) rv(E) + (ò + ^)(^E R t | rc(E))

(2.80a)

(2.80b) Nếu rv(E)

K u (ò + l)revarC(E )ằ

. fi-E ll^-t re-+ ^E R-t ReII R t thì:

Thụng thường, reô (ReII Rt) nờn: Ku ~ 1

Như vậy, ở tầng KĐ mắc cc, điện áp ra đồng pha và xấp xỉ trị số điện áp vào (nên còn được gọi là tầng khuếch đại lặp lại điện áp).

+ Hệ số khuếch đại điện áp toàn phần:

= K K .... Re1R < x Rv

utp u‘ n re + R E ||Rt R v +R„ (2.81) + Hệ sổ khuếch đại dòng điện:

_ I r U r/ R t R v _. R E||Rt R v

¡ Iv U v/ R v u R t re + R E||Rt R t Nếu (Ri IIR2) ằ Rvb -ằ• Rv ~ Rvb nờn: K ị * ò p - - E-

Ke + Kt

(2.82)

(2.83)

* Nhận xét:

- Ở dải tần trung bình, với tải thuân ưở, ưở kháng vào, trở kháng ra, hệ số khuếch đại dòng và áp đều là số thực, không phụ thuộc tân sô tín hiệu vào.

- Mạch khuếch đại CE có Ku, Kị đều lớn nên cho hệ số khuếch đại công suất lớn nhất, vì vậy, mạch này được dùng phổ biến hơn cả. Mạch có trở kháng vào và trở kháng ra có trị số trung bình, không thuận tiện với việc ghép tải và nguồn tín hiệu.

- Mạch khuếch đại mắc CB chỉ khuếch đại điện áp, không khuếch đại dòng điện. Mạch có trờ kháng vào bé, ưở kháng ra trung bình, bât lợi trong phôi hợp trở kháng.

- Mạch khuếch đại cc không khuếch đại điện áp, chi khuếch đại dòng điện. Mạch có trở kháng vào lớn, trở kháng ra bé nên rất phù hợp để phối họp trở kháng với nguồn tín hiệu có nội trở lớn và phụ tải bé.

2.5.3. Đ ặc tuyến tầ n số của tần g khuếch đại B JT ở vùng tần số thấp

- Ở vùng tần số thấp, ta không thể coi ưở kháng các tụ ghép tầng và tụ khử hồi tiếp âm là bằng không, do đó một phần tín hiệu sẽ mất mát trên trở kháng của các tụ này. Ngoài ra, điện trở Re không còn bị Ce ngắn mạch nên sẽ gây hồi tiếp âm dòng điện. Kết quả là HSKĐ điện áp và điện áp ra trên tải sẽ giảm. Khi tần số tín hiệu càng thấp, dung kháng các tụ càng lớn, HSKĐ và điện áp ra càng giảm. Do vậy, các thông số xoay chiều của mạch phụ thuộc tần số tín hiệu vào.

- Xét sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ kiểu nguồn áp như Hình 2.28a.

c,

u

R,

Rt

b) c)

Hình 2.28. SĐTĐ tín hiệu nhỏ ở tần sổ thấp (a);

Mạch lọc thông cao ngõ vào (b); Mạch lọc thông cao ngõ ra (c)

Trong đó, tụ Ci và điện trở Rv tạo thành mạch lọc thông cao ở ngõ vào (Hình 2.28b), tụ c 2 và điện trở Rt tạo thành mạch lọc thông cao ngõ ra (Hình 2.28c). Các mạch lọc thông cao chỉ cho phép các tín hiệu có tần số lớn hơn một tần số nhất định thông qua.

- Đối với mạch lọc ngõ vào, ở tần số trung bình, dung kháng tụ Ci là:

1 Xci ~ 2nfCì ¡0

tụ Ci có thể coi ngắn mạch, Uv~ Un. Ở tần số f — 0Hz:

1 Xci ~ 2nfC,

= 00

(2.84)

(2.85)

—► tụ Ci hở mạch, Uv = 0. Ở trạng thái giữa 2 cực trị của dung kháng, khi tần số tăng, dung kháng của Ci giảm và điện áp vào Uv tăng như Hình 2.29.

Điện áp vào liên hệ với sức điện động nguôn tín hiệu theo công thức:

u v = R y E n / ( R n + R v)2 + X 2, HSKĐ của tầng khuếch đại là:

K = Ur u„

u r Uv

--- X --- -

u v Ưn= K.K,C1

(2.86)

(2.87) trong đó K ’ là HSKĐ của tầng khuếch đại, Kci là hệ số truyền đạt của tụ điện Ci.

(2.88) + Tại vùng tần số trung bình. Vì Xci = 0 nên:

' uv = Rn En un ■

R n + R ỵ . . . HSKĐ ở vùng tần sổ trung bình là:

Kt b = K

+ Tại tần số thấp ứng với Xci = Rn + Rv:

u = RyEn RyEn u „

\j2(Rn + R V)2 (Rn + R v)V2 Ậ

= —Ịầr = 0.707.U.

HSKĐ ở tần số thấp là:

k t = Ụ , = u, 3

T u„ u„ u„ = K . , - K

t b

V2 s

(2.89)

(2.90)

(2.91)

fTV -

Như vậy, ở tần số tương ứng trị số điện dung Xci = Rn + Rv, mức điện áp vào U y chỉ bằng 70,7% mức điện áp nguồn U n và dẫn đến HSKĐ giảm đi V2 so với HSKĐ ở tần số trung bình. Tần số này gọi là tần số cắt tần thấp ở ngỗ vào.

Khi đó, tần số cắt tần thấp ở ngõ vào là:

J ______ / 2 9 2) Hình 2.29. Đáp tuyến tần số thấp ngõ vào 2rcC1(R n + R y )

Điều này có nghĩa, những tín hiệu tần số thấp hơn frv bị mạch lọc ngõ vào chặn lại, những tín hiệu tần số lớn hơn frv sẽ được mạch lọc cho qua.

- Tương tự, ở mạch lọc thông cao ngõ ra, tần số cắt tần thấp ngõ ra là:

fTR = 27cC2(R r + R t ) (2-93)

- Trong mạch khuếch đại Hình 2.22a, sự có mặt của tụ thoát tín hiệu CE cũng ảnh hưởng đến HSKĐ điện áp và điện áp ra trên tải tương tự như các tụ ghép ngõ vào và ngõ ra, tức là có tác dụng lọc đối với tần số tín hiệu. Lý thuyết đã chứng minh tần số cắt tần thấp do tụ

Cegây ra được xác định bởi [11], [29]:

f _ 1

XTE 2 7 tC ER e (2.94a)

trong đó, R e = R E Rl ■)

• + r„ và r! = R„ ¡R, ||R? .

p (2.94b) 2rcCE(R n + p re)

2.5.4. Đặc tuyến tần số của tầng khuếch đại B JT ở vùng tần sổ cao

- Ở vùng tần số cao, vai trò của các điện dung chuyển tiếp và điện dung liên cực của BJT cùng các điện dung ký sinh khác sẽ không thể bỏ qua được nữa (Hình 2.30a). Các điện dung này làm cho độ lợi áp cũng như điện áp ra trên tải bị giảm [11] và do đó đáp tuyến tần số ở vùng này cũng giảm theo (Hình 2.30b).

Trong đó:

- Cbe là điện dung của chuyển tiếp Je-

- Cbc là điện dung của chuyển tiếp Jc.

- Cce là điện dung ký sinh giữa cực c và E .

- Cdv là điện dung ký sinh do dây nối ngõ vào (chân B).

- CdR là điện dung ký sinh do dây nối ngõ ra (chân C).