Khuếch đại sử dụng BJT Nguyễn Quốc Cường, Đại học Bách Khoa Hà Nội

1 Khuếch đại sử dụng BJT Nguyễn Quốc Cường – 3I 2 Phân cực cho BJT • Để cho BJT có thể hoạt động ở chế độ khuếch đại, thì cần: Thiết lập các phân cực – V BE phân cực thuận – V BC phân cực ngược • Các tín hiệu ac sẽ được khuếch đại trên nền tín hiệu dc 3 Nhắc lại mô hình EbersMoll Mô hình EbersMoll của npn transistor 4 Ta rút ra quan hệ: với 5 Chế độ tích cực thuận • Trong chế độ tích cực thuận, vBE dương trong khoảng 0.6 đến 0.8V còn v BC âm. Ta có thể bỏ qua thành phần • Ta có Thường các thành phần IS có thể bỏ qua, ta sẽ có 6 Bảng tổng kết quan hệ dòng điện trong chế độ tích cực thuận 7 npn pnp 8 Phân cực sử dụng nguồn cung cấp đơn dấu Kiểu phân cực đơn giản sử dụng một nguồn đơn dấu: (a) mạch; (b) mạch tương đương sử dụng định lý Thevenin 9 • Ta có • Để cho dòng điện IE ít chịu ảnh hưởng của sự thay đổi của nhiệt độ (dẫn đến sự thay đổi của VBE )và của hệ số  thì ta chọn Câu hỏi: 1. Cần chọn VBB trong nào ? 2. Nếu chọn RB nhỏ thì sẽ có ảnh hưởng gì đến trở kháng vào của mạch khuếch đại ? 10 • V BB: cho điện áp nguồn cung cấp là VCC – V BB sẽ lớn nhất = VCC và nhỏ nhất là bằng VCCICRCVCB – Chúng ta cũng muốn ICRC là lớn để khoảng thay đổi tín hiệu của VC là lớn trước khi mà BJT chuyển qua trạng thái cutoff – Chúng ta cũng muốn VCB (cũng có nghĩa là VCE) lớn để khoảng thay đổi tín hiệu của VC là lớn trước khi BJT chuyển qua trạng thái bão hòa. – Hai điều kiện sau sẽ hạn chế chọn VBB lớn. – Có thể chọn VBB = VCB = ICRC = 13VCC • R B: – Nếu chọn RB nhỏ sẽ dẫn đến trở kháng vào của mạch khuếch đại nhỏ. Điều này không mong muốn khi mà một bộ khuếch đại cần trở kháng vào lớn, trở kháng ra nhỏ (để dễ ghép tầng các bộ khuếch đại). 11 Phân cực sử dụng điện trở phản hồi từ C đến B (a)mạch phân cực sử dụng điện trở phản hồi (b)mạch phân tích 12 • Có Để cho dòng IE ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và của sự thay đổi của  cần chọn Việc chọn giá trị của R_B phụ thuộc vào điều kiện khoảng điện áp thay đổi của V_C 13 Phân cực sử dụng nguồn dòng (a) mạch phân cực sử dụng nguồn dòng Ưu điểm: dòng IE không phụ thuộc RB và  do đó điện trở RB có thể lớn để tăng trở kháng vào của mạch mà không ảnh hưởng đến tính ổn định của mạch 14 (b) mạch ứng dụng thực tế Giả thiết Q1 và Q2 có các đặc tính giống nhau. Q1 và Q2 có cùng điện áp VBE do đó IC1 = IC2 Nếu hệ số  lớn ta có thể bỏ qua dòng IB do đó I = I C1 = IC2 ≈ IREF Mạch Q1 và Q2 được biết như là mạch gương dòng (current mirror) 15 Mô hình với tín hiệu nhỏ (a) mạch nguyên lý mô tả hoạt động của BJT trong chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ. (b) mạch (a) với nguồn vbe được loại bỏ để phân tích dc Tiếp giáp BE phân cực thuận nhờ nguồn VBE Tiếp giáp CE phân cực ngược nhờ nguồn VCC nối qua điện trở RC Điện áp cần khuếch đại vbe là xếp chồng với VBE 16 Dòng collector • Chế độ phân cực, vbe = 0, khi đó • Khi thiết lập vbe, thì điện thế vBE bằng • Như vậy dòng collector sẽ bằng • Nếu v be VB (¼ 0.7V)  BJT hoạt động ở chế độ tích cực thuận 32 Điện áp đầu ra Hệ số khuếch đại điện áp 33 Mô hình tín hiệu nhỏ của BJT có tính đến hiệu ứng Early • Hiệu ứng Early: giá trị dòng điện iC phụ thuộc không chỉ vào điện ap vBE mà còn phụ thuộc vào điện áp vCE. • Để tính đến ảnh hưởng của hiệu ứng Early, một điện trở đầu ra,ro, được thêm vào nguồn dòng có điều khiển. Với V A là điện áp Early, IC là dòng phân cực collector 34 Mô hình tín hiệu nhỏ hybrid  của BJT có tính đến hiệu ứng Early. Chú ý, ở đây chúng ta thay rbe bằng r để cho phù hợp với một số ký hiệu thường được sử dụng trong các sách. 35 Mô hình tín hiệu nhỏ T của BJT có tính đến hiệu ứng Early. 36 Khuếch đại sử dụng BJT • Trước khi xem xét các mạch khuếch đại một tầng sử dụng BJT, chúng ta sẽ định nghĩa các thông đặc trưng của một mạch khuếch đại thực 37 Các thông số 38 39 40 41 Các mạch tương đương • Với các thông số định nghĩa như trên, một mạch khuếch đại có thể biễu diễn dưới dạng các mạch tương đương sau: 42 43 Các quan hệ 44 Mạch khuếch đại E chung • Mạch CE (CommonEmitter) là mạch sử dụng nhiều nhất trong tất cả các mạch khuếch đại sử dụng BJT 45 • Mạch CE sử dụng nguồn dòng để phân cực. • Để tạo một điểm đất cho tín hiệu tai E, một tụ CE được sử dụng giả thiết là ngắn mạch đối với các tần số tín hiệu, và hở mạch với tín hiệu dc. Tụ CE được gọi là tụ bypass. (thường được chọn từ vài F đến vài chục F). • Để ngăn cách thành phần dc giữa mạch khuếch đại và nguồn tín hiệu, tụ CC1 được sử dụng. Tụ CC1 sẽ chỉ cho tín hiệu xoay chiều của nguồn đi qua, và chặn tín hiệu dc. Tụ CC1 được gọi là tụ coupling, tụ ghép tầng đầu vào. • Tín hiệu tại collector được với tải RL thông qua tụ CC2. Tụ này có tác dụng ngăn thành phần dc và chỉ cho thành phần tín hiệu đi qua. Như vậy điện áp vc = vo. 46 Mạch tương đương Tại đầu vào với r ib là điện trở vào của base Khi mà E nối đất (qua tụ bypass) thì Nếu chúng ta chọn RB >> r thì 47 hệ số khuếch đại áp Điện áp đặt vào đầu input của bộ khuếch đại là Với Ta có hệ số khuếch đại từ base đến collector Nếu hở tải R L = 1 thì Hiệu ứng Early, r_o, làm giảm hệ số khuếch đại của mạch. Nếu r_o >> R_C thì 48 Điện trở ra của mạch: để xác định điện trở ra, ngắn mạch nguồn tín hiệu v sig,  v = 0. Khi đó Nếu r o >> RC thì ta có Rout = RC Hệ số khuếch đại điện áp từ nguồn đến tải, Gv là Nếu R B >> r thì 49 • Nếu R sig >> r thì hệ số khuếch đại phụ thuộc nhiều vào , điều này là đặc tính không mong muốn khi mà hệ số  của BJT thay đổi trong một phạm vi lớn giữa các BJT cùng loại. • Nếu R sig > r thì Ais =  51 khuếch đại CE • Mạch khuếch đại CE có các đặc tính: – Có thể cung cấp hệ số khuếch đại dòng, và khuếch đại áp lớn. – Điện trở vào nhỏ, điện trở ra lớn (các đặc tính này thường không mong muốn cho một mạch khuếch đại) 52 Khuếch đại base chung Tín hiệu input đặt vào tại cực E. Tín hiệu output lấy ra tại cực C. Các tụ CC1 và CC2 là các tụ coupling 53 Mạch tương đương Ở đây chúng ta sử dụng mô hình tương đương tín hiệu nhỏ kiểu T. Để cho đơn giản trong phân tích hoạt động của mạch khuếch đại B chung, mô hình T sử dụng ở đây không có ro (trong thực tế mạch B chung sử dụng các phần tử rời thì ảnh hưởng của ro là không đáng kể). 54 hệ số khuếch đại áp, dòng Điện trở vào: Điện áp ra vo Với dòng điện ie Hệ số kđ Hệ số kđ hở mạch, RL = 1 Điện trở ra của mạch 55 hệ số khuếch đại dòng Điện áp đặt vào kđ Hệ số kđ từ nguồn đến tải Hệ số kđ dòng ngắn mạch 56 Khuếch đại CB • Mạch CB có đặc tính: 1. Điện trở vào thấp (re cỡ vài ohm đến vài chục ohm), điện trở ra lớn (RC) 2. Hệ số khuếch đại dòng ngắn mạch gần 1 (bằng ). 3. Hệ số kđ điện áp hở mạch bằng gmRC (tương tự mạch CE) Mạch CB thường được sử dụng làm mạch đệm dòng (current buffer): dòng tín hiệu tại đầu vào với điện trở thấp được chuyển thành dòng điện có điện trở ra cao tại collector. 57 Mạch C chung Tín hiệu input đặt vào B Tín hiệu output lấy ra tại E Có các tụ coupling CC1 và CC2 58 Mạch tương đương tín hiệu nhỏ Sử dụng mô hình tương đương tín hiệu nhỏ T với ro ( Ở đây việc có điện trở ro không làm phức tạp mạch vì ro được nối song song với tải) (b) sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ (c) sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ được vẽ lại với ro || RL 59 hệ số kđ, điện trở inout Điện trở vào từ base: Điện trở vào R vào phụ thuộc vào RL Hệ số kđ áp từ nguồn đến tải hệ số nhỏ hơn 1. thì hệ số Gv ¼ 1. Như vậy điện áp ra tại emitter gần bằng điện áp vào  chính vì thế mạch có tên lặp emitter, emitter follower Nếu và Hệ số kđ không tải, RL = 1 60 Điện trở ra của mạch kđ Thường thì điện trở r_o lớn, do đó 61 Sơ đồ tương đương sử dụng để tính Gv và vo khi có tải RL 62 khuếch đại CC Mạch kđ C chung có một số tính chất sau: 1. Điện trở vào lớn, điện trở ra nhỏ. Tính chất này được sử dụng để làm các mạch đệm đầu ra. 2. Hệ số khuếch đại áp gần 1 3. Hệ số khuếch đại dòng lớn 4. Vì điện áp giữa output và input chỉ sai khác bởi thành phần điện áp trên B và E, do đó mạch cho phép làm việc với một giải rộng biên độ tín hiệu đầu vào.