Chương 7: Mạch hồi tiếp. CHƯƠNG 7: MẠCH HỒI TIẾP I. GIỚI THIỆU Mạch hồi tiếp được sử dụng trong tất cả các hệ thống khuếch đại. Harold Black, một kỹ sư điện tử làm việc tại công ty điện phía tây đã phát minh ra mạch khuếch đại có hồi tiếp vào năm 1928 trong khi đi tìm cách để ổn định độ lợi của mạch khuếch đại sử dụng trong mạch lặp điện thọai. Trong hệ thống hồi tiếp, tín hiệu hồi tiếp được lấy từ ngỏ ra và tỉ lệ với tín hiệu ngỏ ra được đưa ngược trở về ngỏ vào và kết hợp với tín hiệu ngỏ vào để tạo ra đáp ứng hệ thống mong muốn. Một mạch hồi tiếp được sử dụng có tính toán để đạt được độ ổn định mong muốn. Tuy nhiên, hồi tiếp có thể xảy ra không định trước và lúc đó đáp ứng hệ thống không mong muốn có thể bị tạo ra.  Hồi tiếp có hai lọai: hồi tiếp dương và hồi tiếp âm. - Hồi tiếp âm là mạch có tín hiệu hồi tiếp ngược pha với tín hiệu ngỏ vào và vậy làm giảm tín hiệu ngỏ vào của mạch. Hồi tiếp âm có khuynh hướng duy trì độ ổn định của hệ số khuếch đại của mạch chống lại sự thay đổi của các thông số transistor do nhiệt độ, điện áp nguồn cung cấp. - Hồi tiếp dương là mạch có tín hiệu hồi tiếp cùng pha với tín hiệu ngỏ vào và vậy làm tăng tín hiệu ngỏ vào của mạch. Hồi tiếp dương được sử dụng thiết kế trong các mạch dao động và trong một số ứng dụng khác. Trong chương này chúng ta chỉ khảo sát mạch hồi tiếp âm. II. Ưu điểm và khuyết điểm của hồi tiếp âm  Ưu: - Ổn định hàm truyền. Sự thay đổi giá trị hàm truyền chủ yếu do sự thay đổi trong các thông số của transistor sẽ giảm khi có hồi tiếp âm đây chính là ưu điểm chính của hồi tiếp âm. - Mở rộng băng thông. - Giảm nhiễu. Hồi tiếp âm làm tăng tỉ số nén tín hiệu trên nhiễu. - Giảm méo. Khi transistor làm việc không tuyến tính, méo sẽ xuất hiện trong tín hiệu ngỏ ra, đặc biệt tại những mạch có biên độ tín hiệu ngỏ ra lớn. Hồi tiếp âm sẽ làm transistor họat động tuyến tính hơn. - Cải thiện tổng trở vào và ra.  Khuyết: - Giảm độ lợi. - Có thể mạch không ổn định (sinh ra dao động) tại tần số cao. III. Khái niệm cơ bản về hồi tiếp. 1. Sơ đồ khối của hồi tiếp Trong hình 7.1 chỉ ra mạch khuếch đại có hồi tiếp. Trong mạch tín hiệu biến thiên S có thể là dòng điện hoặc điện áp. Hình 7.1: sơ đồ khối của mạch khuếch đại có hồi tiếp A: Mạch khuếch đại vòng hở có hệ số khuếch đại vòng hở là A. β: là mạch hồi tiếp, có hệ số hồi tiếp là β. S fb : là tín hiệu hồi tiếp. S i : tín hiệu ngỏ vào. S €: tín hiệu ngỏ vào của mạch khuếch đại khi có hồi tiếp. 131 Chương 7: Mạch hồi tiếp. S O : tín hiệu ngỏ ra. A F : Độ lợi vòng kín của mạch khuếch đại khi có hồi tiếp 2. Phân lọai hồi tiếp Có nhiều lọai mạch hồi tiếp nhưng về cơ bản có thể phân ra làm bốn lọai hồi tiếp dựa vào các đặc điểm sau: - Tín hiệu hồi tiếp (điện áp hay dòng điện) - Cách mắc tín hiệu với ngỏ vào (nối tiếp hay song song)  Vậy có 4 dạng mạch hồi tiếp cơ bản kết nối như hình 7.2 a. Hồi tiếp điện áp nối tiếp (khuếch đại điện áp), hình 7.2a: Ổn định tín hiệu điện áp ngỏ ra theo điện áp ngỏ vào, ổn định hàm truyền là hệ số khuếch đại điện áp. - Hệ số khuếch đại vòng hở: ε V V A o v = - Hệ số hồi tiếp : O fb v V V = β - Hệ số khuếch đại vòng kín: i o vF V V A = b. Hồi tiếp dòng điện song song (khuếch đại dòng điện), hình 7.2b Ổn định tín hiệu dòng điện ngỏ ra theo dòng điện ngỏ vào, ổn định hàm truyền là hệ số khuếch đại dòng điện. - Hệ số khuếch đại vòng hở: ε I I A o i = - Hệ số hồi tiếp : O fb i I I = β - Hệ số khuếch đại vòng kín: i o iF I I A = c. Hồi tiếp dòng điện nối tiếp (khuếch đại truyền dẫn), hình 7.2c Ổn định tín hiệu dòng điện ngỏ ra theo điện áp ngỏ vào, ổn định hàm truyền là hệ số khuếch đại truyền dẫn. - Hệ số khuếch đại vòng hở: ε V I A o g = - Hệ số hồi tiếp : O fb z I V = β - Hệ số khuếch đại vòng kín: 132 Chương 7: Mạch hồi tiếp. i o gF V I A = d. Hồi tiếp điện áp song song (khuếch đại truyền trở), hình 7.2d Ổn định tín hiệu điện áp ngỏ ra theo dòng điện ngỏ vào, ổn định hàm truyền là hệ số khuếch đại truyền trở. - Hệ số khuếch đại vòng hở: ε I V A o z = - Hệ số hồi tiếp : O fb g V I = β - Hệ số khuếch đại vòng kín: i o zF I V A = Hình 7.2: sơ đồi khối của các mạch khuếch đại có hồi tiếp a. Hồi tiếp điện áp nối tiếp; b. Hồi tiếp điện áp song song; c. Hồi tiếp dòng điện nối tiếp; d. Hồi tiếp dòng điện song song. Nói chung các dạng hồi tiếp dùng để ổn định các thông số được khuếch đại (điện áp hay dòng điện) theo các thông số ngỏ ra (điện áp hay dòng điện). III. Các thông số của hồi tiếp âm 1. Ổn định hàm truyền Từ sơ đồ khối của mạch hồi tiếp trên hình 7.1, ta có độ lợi của mạch khuếch đại khi chưa có hồi tiếp là: ε S S A O = (7.1) độ lợi của mạch khuếch đại khi có hồi tiếp là: i O F S S A = (7.2) hệ số hồi tiếp: O fb S S = β (7.3) Từ công thức 7.1, 7.2 và 7.3, ta có: 133 Chương 7: Mạch hồi tiếp. A A A S S S S S S SS S S S A O fb O O O fb O i O F β β ε ε + = + = + = + == 1 1 1 (7.4) Nhận xét: độ lợi của mạch khi có hồi tiếp giảm đi (1+βA) lần so với khi chưa có hồi tiếp. Vậy hồi tiếp âm làm giảm hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại, nhưng bù lại hồi tiếp âm cũng làm tăng độ ổn định của hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại, chứng minh: Độ bất ổn định của hàm truyền trong một mạch khuếch đại khi chưa có hồi tiếp là AA/ ∆ . Vậy độ bất ổn định của hàm truyền trong một mạch khuếch đại khi chưa có hồi tiếp là FF AA /∆ . Từ công thức 7.4, ta có: 22 )1( 1 )1( 1 AA AA dA dA F ββ ββ + = + −+ = (7.5) Từ 7.5, suy ra: dA A dA F 2 )1( 1 β + = (7.6) Lấy 7.6 chia 2 vế cho AF, ta có: A dA x AA A dAx A A dA F F β β β + = + + = 1 11 )1( 1 2 (7.7) Suy ra: A A x AA A F F ∆ + = ∆ β 1 1 (7.8) Vậy độ bất ổn định của hàm truyền khi có hồi tiếp giảm đi 1+βA lần so với khi chưa có hồi tiếp. Nếu mạch có hệ số hồi tiếp đủ lớn sao cho βA>>1, thì có thể xem như giá trị hàm tryuền của mạch không đổi hay nói cách khác là mạch có độ ổn định cao. Lúc đó độ lợi của mạch là: β 1 ≅ F A (7.9) Từ công thức 7.9, ta thấy độ lợi hay hàm truyền của mạch chỉ phụ thuộc vào thông số hồi tiếp. Ví dụ: Một mạch khuếch đại có độ bất ổn định là 10% và có độ lợi là 100.Để tăng tính ổn định của mạch người ta dùng thêm một mạch hồi tiếp âm mắc vào mạch khuếch đại này có hệ số hồi tiếp là 0.1. vậy độ bất ổn định của mạch sau khi có hồi tiếp bằng bao nhiêu? Giải: Từ công thức 7.8, ta có: %1%10 1.01001 1 1 1 =× ×+ = ∆ + = ∆ A A x AA A F F β Vậy sau khi mắc thêm mạch hồi tiếp có hệ số hồi tiếp là 0.1 thì độ bất ổn định của mạch giảm đi 10 lần. 2. Ảnh hưởng của hồi tiếp âm trên độ lợi băng thông 134 Chương 7: Mạch hồi tiếp. Hình 7.3: Ảnh hưởng của hồi tiếp âm trên độ lợi băng thông Hình 7.3 chỉ rõ cho ta thấy khi có hồi tiếp âm độ lợi băng thông của mạch lớn hơn khi chưa có hồi tiếp (do hệ số khuếch đại của mạch giảm). 3. Giảm méo và giảm nhiêu a. Giảm méo: Trong mạch khuếch đại có hồi tiếp âm khi βA>>1, độ lợi của mạch là A F = 1/β, khi đó độ lợi của mạch không phụ thuộc vào tần số. Lúc đó méo tần số phát sinh do sự thay đổi độ lợi với tần số tín hiệu (do các sóng hài) giảm - Giảm méo do sự không tuyến tính của hàm truyền. Méo tín hiệu ngỏ ra là nguyên nhân của sự thay đổi trong độ lợi (sự không tuyến tính của độ lợi) hay do sự thay đổi trong độ dốc của hàm truyền của mạch khuếch đại. Hình 7.4 sẽ chứng minh đáp ứng của hàm truyền khi không có và khi có hồi tiếp âm. Hình 7.4: a. Đặc tuyến truyền đạt khi chưa có hồi tiếp b.Đặc tuyến truyền đạt khi có hồi tiếp. b. Giảm nhiêu 135 Chương 7: Mạch hồi tiếp. Hình 7.5: sơ đồ khối của Mạch khuếch đại với tín hiệu nhiêu tác động ở ngỏ ra. Từ hình 7.5, khi chưa có hồi tiếp, tín hiệu ra là: nO VAVV += ε (7.10) Trong đó tín hiệu V Є chính là tín hiệu vào của mạch khuếch đại. Vậy khi chưa có hồi tiếp biện độ tín hiệu nhiêu ở ngỏ ra là Vn. Khi có hồi tiếp, tín hiệu hồi tiếp: Ofb VV β = (7.11) và: Oifbi VVVVV β ε −=−= (7.12) vậy nOiO VVVAV +−= )( β (7.13) suy ra: niO V A V A A V ββ + + + = 1 1 1 (7.14) vậy khi có hồi tiếp thì biện độ tín hiệu nhiêu giảm (1+βA) lần. Khi βA>>1, thì iO VV β 1 = , vậy tín hiệu nhiễu bị triệt gần như bằng 0. 4. Cải thiện tổng trở vào, ra a. Tổng trở vào: Mạch hồi tiếp nối tiếp: Xét mạch hồi tiếp nối tiếp điện áp. Hình 7.6: Sơ đồ mạch hồi tiếp nối tiếp điện áp lý tưởng. R i : điện trở ngỏ vào của mạch khuếch đại khi chưa có hồi tiếp. R if : điện trở ngỏ vào của mạch khuếch đại khi có hồi tiếp. R O : điện trở ngỏ ra của mạch khuếch đại khi chưa có hồi tiếp. Ta có: i fb i i if I VV I V R + == ε (7.15) từ công thức 7.15 chia tử số và mẫu số cho V Є , ta được: 136 Chương 7: Mạch hồi tiếp. ( )1()1 1 vvi O O fb i i fb if AR V V V V I V V I V V R β ε ε ε ε +=×+×= + = (7.16) Vậy hồi tiếp nối tiếp làm tăng tổng trở ngỏ vào lên (1+βA) lần so với mạch khuếch đại chưa có hồi tiếp. (SV tư chứng minh đối với mạch khuếch đại hồi tiếp dòng điện nối tiếp) Mạch hồi tiếp song song: Hình 7.7: Sơ đồ mạch hồi tiếp song song dòng điện lý tưởng. fbi i if II V I V R + == ε ε (7.17) Chia tử và mẫu của công thức 7.17 cho I Є , ta được: ii i fb if A R II IV R β ε εε + = + = 1/1 / (7.18) Vậy hồi tiếp song song làm điện trở ngỏ vào của mạch khuếch đại giảm (1+βA) lần so với khi chưa có hồi tiếp. (SV tư chứng minh đối với mạch khuếch đại hồi tiếp điện áp song song) b. Tổng trở ra: Hồi tiếp điện áp: Từ sơ đồ mạch hình 7.8 khi ngắn mạch ngỏ vào , ta có sơ đồ đưa về tương đương hình 7.9. Hình 7.8: Sơ đồ mạch hồi tiếp nối tiếp điện áp lý tưởng để định điện trở ngỏ ra Tổng trở ngỏ ra của mạch khuếch đại có hồi tiếp nối tiếp là: x x V O O Of I V I V R i == =0 (7.19) Từ sơ đồ hình 7.9, ta có 0=+=+ xvfb VVVV β εε (7.20) hay 137 Chương 7: Mạch hồi tiếp. xv VV β ε −= (7.21) dòng ngỏ ra là: O xvx O vx x R VAV R VAV I )( β ε −− = − = (7.22) Vậy điện trở ngỏ ra của mạch khi có hồi tiếp điện áp là: v O x x Of A R I V R β + == 1 (7.23) Công thức 7.23 chứng minh rằng điện trở ngỏ ra của mạch khuếch đại khi có hồi tiếp điện áp giảm đi (1+ βA) lần so với điện trở ngỏ ra của mạch khuếch đại khi chưa có hồi tiếp. Điện trở ngỏ ra bé là ưu điểm của mạch khuếch đại điện áp. Kết hợp phần 1a và 2a, ta được sơ đồ tương đương của mạch khuếch đại hồi tiếp điện áp nối tiếp như hình 7.9. Hình 7.9: Sơ đồ tương đương của mạch khuếch đại hồi tiếp điện áp nối tiếp. Hồi tiếp dòng điện: Hình 7.10: Sơ đồ mạch hồi tiếp dòng điện lý tưởng để định điện trở ngỏ ra. Tổng trở ngỏ ra của mạch khuếch đại có hồi tiếp song song: x x I O O Of I V I V R i == =0 (7.24) Từ hình 7.10, ta có: 0=+=+ xifb IIII β εε (7.25) hay xi II β ε −= (7.26) Điện áp ngỏ ra của mạch hình 7.10: OiixOxixOixx RAIRIAIRIAIV )1(])([)( ββ ε +=−−=−= (7.27) Vậy điện trở ngỏ ra là: )1( iiO x x Of AR I V R β +== (7.28) Công thức 7.28 chứng minh mạch khuếch đại có hồi tiếp dòng điện điện trở ngỏ ra tăng (1+ βA) lần so với mạch khuếch đại chưa có hồi tiếp . Một điện trở ngỏ ra lớn là ưu điểm của mạch khuếch đại dòng để tránh ảnh hưởng của điện trở tải. 138 Chương 7: Mạch hồi tiếp. Kết hợp phần 1b và 2b, ta được sơ đồ tương đương của mạch khuếch đại hồi tiếp dòng điện song song như hình 7.11. Hình 7.11: Sơ đồ tương đương của mạch khuếch đại hồi tiếp dòng điện song song. IV. Bảng so sánh Mạch khuếch đại hồi tiếp Tín hiệu nguồn Tín hiệu ngỏ ra Hàm truyền Điện trở ngỏ vào Điện trở ngỏ ra Điện áp nối tiếp Áp Áp vv v i O vF A A V V A β + == 1 )1( vvi AR β + )1( vv o A R β + Dòng điện song song Dòng Dòng ii i i O iF A A I I A β + == 1 )1( ii i A R β + )1( iio AR β + Dòng điện nối tiếp Áp dòng gz g i O gF A A V I A β + == 1 )1( gzi AR β + )1( gzo AR β + Điện áp song song Dòng Áp zg z i O zF A A I V A β + == 1 )1( zg i A R β + )1( zg o A R β + IV. Một vài ví dụ: 1. Mạch hồi tiếp điện áp nối tiếp Hình 7.12 Mạch hình 7.12 chính là mạch emitter – follower, hay là mạch khuếch đại điện áp nối tiếp. 139 Chương 7: Mạch hồi tiếp. Độ lợi vòng hở ie Efe ieb Ebfe O v h Rh hI RIh V V A === ε Hệ số hồi tiếp 1== O fb v V V β Vậy độ lợi vòng kín là: Efeie Efe ieEfe ieEfe vv v i O vF Rhh Rh hRh hRh A A V V A + = ×+ = + == )(111 β Nếu 1>> Efe Rh , thì: 1≅ vF A Nhận xét: hệ số khuếch đại điện áp của mạch khá ổn định và =1=const khi thoả điều kiện 1>> vv A β 2. Mạch hồi tiếp dòng điện song song Hình 7.13. Mạch hình 7.13 là khuếch đại gồm hai tầng khuếch đại có hồi tiếp âm dòng điện song song, tín hiệu dòng điện ở ngỏ ra của tầng thứ hai được đưa trở về và mắc song song với ngỏ vào của tầng thứ nhất. Độ lợi vòng hở là: 140 [...]... AiF ≅ R 1 ≅ 1+ F βi RE 2 Nhận xét: hệ số khuếch đại điện áp của mạch khá ổn định và = const khi thoả điều kiện β i Ai >> 1 3 Mạch hồi tiếp điện áp song song Hình 7.14 Hình 7.14 là mạch hồi tiếp điện áp song song và sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ Độ lợi vòng hở h fe I b RC V Az = O = − = −h fe RC Iε Ib Hệ số hồi tiếp 141 Chương 7: Mạch hồi tiếp βg = I fb VO =− 1 R F + hie Vậy độ lợi vòng kín là: AzF =... AzF ≅ −( R F + hie ) Và nếu RF>>hie: AzF = - RF Nhận xét: hệ số khuếch đại điện áp của mạch khá ổn định và =const khi thoả điều kiện β g Az >> 1 4 Mạch hồi tiếp dòng điện nối tiếp Hình 7.15 là mạch hồi tiếp dòng điện nối tiếp Độ lợi vòng hở RC h fe I b h fe RC IO RC + R L Ag = = = Vε I b hie hie ( RC + R L ) Hệ số hồi tiếp V fb I b (1 + h fe ) RE R ( R + RL ) βz = =− ≅ E C RC IO RC h fe I b RC + R L Vậy.. .Chương 7: Mạch hồi tiếp Ai = IO = Ai1 × Ai 2 Iε Ai1 = Ai 2 = I o1 = Iε − Rc1 + {RB 2 Io = I o1 R B 2 Rc1 h fe1 I b1 \ \[(hie 2 + (h fe 2 + 1) R E 2 ] R B1 + hie1 I b1 R B1 Rc 2 h fe 2 I b 2 RC 2 + R L + [hie 2 + ( h fe 2 + 1) RE 2 ] RB 2 I b2 Hệ số hồi tiếp: I fb RE 2 βi = = Io R E 2 + [ R F + ( R B1 \ \ hie1 )] Vậy độ lợi vòng... AgF = Ag IO = = Vi 1 + β z Ag h fe RC h fe RC hie ( RC + R L ) = h R (hie + h fe R E )( RC + R L ) 1 + ( fe E ) hie Nếu h fe RE >> hie , thì: AgF ≅ RC R E ( RC + R L ) 142 Chương 7: Mạch hồi tiếp Nhận xét: hệ số khuếch đại điện áp của mạch khá ổn định và = const khi thoả điều kiện β z Ag >> 1 143 . của mạch khuếch đại khi có hồi tiếp. 131 Chương 7: Mạch hồi tiếp. S O : tín hiệu ngỏ ra. A F : Độ lợi vòng kín của mạch khuếch đại khi có hồi tiếp 2. Phân lọai hồi tiếp Có nhiều lọai mạch hồi tiếp. ra.  Hồi tiếp có hai lọai: hồi tiếp dương và hồi tiếp âm. - Hồi tiếp âm là mạch có tín hiệu hồi tiếp ngược pha với tín hiệu ngỏ vào và vậy làm giảm tín hiệu ngỏ vào của mạch. Hồi tiếp âm có. Chương 7: Mạch hồi tiếp. CHƯƠNG 7: MẠCH HỒI TIẾP I. GIỚI THIỆU Mạch hồi tiếp được sử dụng trong tất cả các hệ thống khuếch đại. Harold