57 Mục đích: Tìm hiểu về lý thuyết các mạch khuếch đại nhiều tầng. Khảo sát một số sơ đồ ứng dụng các mạch khuếch đại nhiều tầng theo các cách ghép khác nhau. Phần lý thuyết 1. khuếch đại nối tầng Một bộ khuếch đại thờng gồm nhiều tầng mắc nối tiếp nhau nh hình 3-1A. N o o o o 21 o o o o o o R n E n U V 1 U r 1 =U V 2 U r2 U V (N-1) U r N R t N-1 Hình 3.1A (vì thực tế một tầng khuếch đại không đảm bảo đủ hệ số khuếch đại cần thiết). ở đây tín hiệu ra của tầng đệm hay tầng trung gian bất kỳ sẽ là tín hiệu vào tầng sau nó và tải của 1 tầng là điện trở vào của tầng sau nó. Điện trở vào và ra của bộ khuếch đại sẽ đợc tính theo điện trở vào tầng đầu và điện trở ra tầng cuối. Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại nhiều tầng đợc tính bằng tích hệ số khuếch đại của mỗi tầng (tính theo đơn vị số lần), hay bằng tổng của chúng tính theo đơn vị dB. N UUU vN rN v r n r n t U KKK U U U U E U E U K 21 2 21 === )( )()()( 21 dBKdBKdBKdBK N UUUU + + + = Mạch ghép giữa các tầng có nhiệm vụ truyền đạt tín hiệu từ một tầng sang tầng tiếp theo sao cho tổn hao trên nó nhỏ nhất. Vì điện áp ra tầng trớc thờng khác với điện áp vào tầng tiếp theo, nên ngoài nhiệm vụ truyền đạt tín hiệu, mạch ghép còn có nhiệm vụ dịch mức để phối hợp mức ra tầng trớc với mức vào tầng sau. Sau đây ta sẽ giới thiệu một số cách ghép quan trọng nhất. Bài 3 sơ đồ khuếch đại nhiều tầng 58 1.1. Ghép trực tiếp [hình 3-2A(a)] Ghép trực tiếp là loại ghép đơn giản nhất. Nó truyền đạt đợc các tín hiệu một chiều và xoay chiều hay đợc dùng trong các mạch tổ hợp, nhất là các mạch dùng MOSFET. Trong cách ghép này, điện thế base tầng sau phụ thuộc vào điện thế collector tầng trớc. Đây là vấn đề cần lu ý để chọn điểm làm việc tĩnh khi sử dụng loại ghép này. 1.2. Ghép điện trở [hình 3-2A(b)] Do các điện trở R 1 , R 2 , nên trong mạch ghép có tổn hao và nó tạo ra một mức dịch điện áp nào đó. Nếu trong mạch phân áp có thêm phần tử phụ thuộc tần số, thì mạch ghép này có thể tạo nên một hàm truyền đạt tuỳ ý phụ thuộc tần số. Trong thực tế, điện dung vào của transistor tầng sau có tham gia vào mạch ghép, do đó đây là một mạch ghép phụ thuộc tần số. Để truyền các tín hiệu tần số cao, ngời ta mắc song song với R 1 thêm một tụ điện. Mạch phải thoả mãn điều kiện I o (qua R 1 , R 2 ) >> I B2 sao cho điện thế điểm b hầu nh không đổi. Ghép điện trở ít đợc dùng trong các mạch tổ hợp, vì các điện trở lớn chiếm thể tích lớn. Có thể thay đổi R 2 bởi một nguồn dòng có điện trở trong vi phân lớn. Do đó ở tần số thấp khi R 1 còn nhỏ hơn nhiều so với (R V // R 1 ), thì hầu nh không có sụt áp trên mạch ghép. 1.3. Ghép dùng diode zener [hình 3-2A(d)] Trong mạch phân áp hình 3-2A(b) thay R 1 bởi một diode zener , là có ghép diode zener. Loại ghép này vẫn tạo ra đợc một mức dịch điện áp nào đó, trong khi sụt áp trên nó không đáng kể, vì điện trở vi phân của diode zener nhỏ. Để cho diode luôn làm việc trong vùng ổn áp, phải có dòng cỡ 1mA chạy qua diode. Ghép diode zener đắt hơn các loại ghép khác, nên nó ít đợc dùng. Để giảm giá thành có thể thay zener bởi một hay một số diode thờng mắc nối tiếp và đợc phân cực thuận hoặc dùng mạch ghép transistor nh trên hình 3-2A(c), hình 3-2A(e), transistor ghép có hồi tiếp âm điện áp và nó giữ cho điện áp ra không đổi. Mạch ghép này thờng đợc dùng trong các tầng đẩy kéo. 1.4. Ghép RC [hình 3-2A(f)] Đây là loại ghép đợc dùng rộng rãi trong các mạch rời rạc. Điện dung ghép ngắn mạch tín hiệu từ đầu ra tầng trớc tới đầu vào tầng sau. Điện thế trên đầu ra tầng trớc và trên đầu vào tầng sau có thể chọn tuỳ ý, vì không có dòng một chiều qua tụ ghép. Nhợc điểm cơ bản nhất là mạch không truyền đạt đợc tín hiệu có tần số thấp và loại ghép này gây ra di pha có thể ảnh hởng đến tính ổn định của bộ khuếch đại, nó ít đợc dùng trong các mạch tổ hợp vì khó tích hợp đợc các tụ có điện dung lớn. 59 o o o + • • • • T 1 T 2 1 C R 2 C R 1 E R 2 E R (a) o o + T 2 o T 1 R 1 I B2 → a b • • • • • • (b) R 2 R C1 R C2 R E o o 1r U 2V U r R V TÇng tr−íc a b TÇng sau M¹ch ghÐp • •• • C V R 2 R 1 (c) o + o o T 1 • • • • • • R 2 R V T 2 R 1 R C R C (d) a o a’o a o a’o + - o + o − o • • • • • • • R R R R R T T T T (e) o o o + • • • • • • • RR R RR R T 1 T 2 C (f) 60 o o o + • • • R R L 1 L2 T1 T2 (g) o o T 1 o + T 3 T 2 • • • • • • RR R RR (h) o o + o PhÇn tö ghÐp • • • (k) o + R C1 o vµo 2 o vµo 1 T 2 T 1 T 3 R 5 o − R 3 4 R ⎪ ⎭ ⎪ ⎬ ⎫ • • • •• • R C2 • • • T 4 T 5 (i) H×nh 3 . 2A 61 1.5. Ghép biến áp [hình 3-2A(g)] Đây là loại ghép cổ nhất. Dùng ghép biến áp có thể cách ly đợc về điện giữa đầu ra và đầu vào và dễ phối hợp trở kháng. Tuy nhiên, mạch ghép biến áp có dải tần làm việc hẹp, có kích thớc và trọng lợng lớn, không thể ghép một chiều đợc và không thể tích hợp đợc. Vì lý do đó hiện nay nó rất ít đợc dùng. 1.6. Ghép transistor bù [hình 3-2A(h)] Ghép transistor bù [hình 3-2A(h)] không những có thể dịch mức điện áp trong một dải rộng và với cực tính tuỳ ý và còn cho hệ số khuếch đại tín hiệu lớn. Sự khác nhau về điện thế giữa collector T 1 và base T 2 đợc khắc phục bởi transistor T 3 . Loại ghép này thờng hay đợc dùng bởi bộ khuếch đại vi sai [hình 3-2A(i)]. Sự dịch mức điện áp về phía dơng do bộ khuếch đại vi sai (T 1 , T 2 ) gây ra sẽ đợc bù lại nhờ bộ khuếch đại vi sai bù (T 3 , T 4 ) và hạ áp của mạch lặp emitter T 5 . Trong các mạch tổ hợp R 3 , R 4 thờng đợc thay thế bởi các nguồn dòng. 1.7. Ghép điện quang [hình 3-2A(k)] Ghép điện quang là một loại ghép điện tử theo kiểu ghép biến áp, nhng nó có đặc tính tần số thuận lợi hơn ghép biến áp. Nó có thể truyền đạt đợc từ các tín hiệu một chiều đến các tín hiệu có tần số nằm trong phạm vi GHz. Mạch ghép có thể cách điện tới vài KV. Nó đợc dùng chủ yếu để truyền đạt các tín hiệu số. Do phần tử ghép điện quang có sai số phi tuyến tơng đối lớn (cỡ vài oo0 đến 1%), nên độ chính xác của mạch ghép loại này có giới hạn. Nếu dùng mạch ghép này trong sơ đồ đẩy kéo thì sai số phi tuyến có đợc bù một phần. 2. Tầng khuếch đại vi sai Sơ đồ nh sau: 62 U V1 o R C1 T 1 IE 1 o E C2 R 3 R 2 T 3 T 4 R 1 o + E C1 o R2 UU = o U V2 U r R C2 T 2 IE 2 I 1 oo 1 1 RC UU = o o o 2 C a) Sơ đồ nguyên lý o + E U r 1 o o U r2 o o U V2 R C1 R C2 T 2 U V1 o T 1 IE 2 o o U r o o E b) Sơ đồ đơn giản Hình 3.3A Sơ đồ (a) là sơ đồ nguyên lý của tầng khuếch đại vi sai làm việc theo nguyên lý cầu cân bằng. Hai nhánh của cầu điện trở R C1 và R C2 , hai nhánh kia là transistor T 1 T 2 cùng loại. Nếu R C1 = R C2 , và 2 transistor T 1 , T 2 giống nhau thì khi không có điện áp vào U r = 0. Có thể lấy điện áp ra trên 2 collector T 1 & T 2 hoặc trên từng collector T 1 & T 2 . 63 Transistor T 3 làm nguồn dòng, giữ ổn định dòng I E = I E1 + I E2 của T 1 , T 2 . Các điện trở R 1 , R 2 , R 3 , T 4 xác định dòng I E ; T 4+ mắc theo kiểu diode để ổn định nhiệt cho T 3 . Ta có: ( ) 3 21 3 3421 R RI R UURI I BEBE E + = Vì )( 3421 BEBE UURI >> mà 21 2 21 42 1 RR E RR UE I CBEC + + Vì 42 BEC UE >> )( 213 22 RRR RE I C E + = rất ổn định Vì T 4 mắc theo kiểu diode bù nhiệt cho T 3 nên I E rất ít thay đổi theo nhiệt độ. Các lối vào U V1 , U V2 trong sơ đồ này đợc gọi là đầu vào vi sai. Ta có thể thay 2 nguồn E C1 & E C2 bằng 1 nguồn E C = E C1 + E C2 . Nếu R C 1 = R C 2 và 2 transistor T 1 , T 2 giống nhau. Tín hiệu ra bằng 0. 0 21 = = rrr UUU Nếu các phần tử trên giống nhau một cách lý tởng thì sự thay đổi nguồn nuôi, và nhiệt độ ảnh hởng đến 2 nhánh nh nhau, không có sự trôi. Nhng các phần tử thực tế không giống nhau lý tởng nên có độ trôi, nhng độ trôi giảm nhiều so với bộ khuếch đại 1 chiều gồm nhiều tầng ghép trực tiếp nh khảo sát ở phần trớc. Vì dòng emitter I E phân đều cho T 1 và T 2 , tức là EEE III 2 1 21 == Dòng base tĩnh: 00201 )1(2 V E BB I I II = + == Dòng collector của T 1 , T 2 : 22 . 21 EE CC II II == Điện áp trên collector: 2 . 121 CE CCC RI EUU == ở đây chọn R C 1 = R C 2 = R C 64 Đây là trạng thái cân bằng tĩnh. - Khi có tín hiệu đa tới một lối vào (giả sử U V1 > 0, U V2 = 0). Khi đó dòng base của T 1 tăng làm cho I E1 tăng, I C1 tăng. Vì I E = I E1 + I E2 không đổi. Do đó khi I E1 tăng I E2 giảm I C2 giảm . Điện áp trên collector T 1 : U C1 = E C1 - R C I C1 giảm một lợng 1C U Điện áp trên collector T 2 tăng một lợng 2C U Do đó: CCCCCCr RIUUUUU .2 1212 = + = = Hệ số khuếch đại của tầng khuếch đại vi sai: EB C VS rr R K )1( ++ = ; là hệ số khuếch đại dòng Tín hiệu lối vào của tầng khuếch đại vi sai có thể thực hiện đồng thời đa tới 2 lối vào. Khi U V1 , U V2 có cực tính khác nhau, thì điện áp vào vi sai sẽ là: U V = U V1 + U V2 . Khi đó điện áp ra là: U r = K VS (U V1 + U V2 ). - Trờng hợp tín hiệu vào có cùng cực tính, nghĩa là hai tín hiệu vào đồng pha. Tất nhiên trong trờng hợp này điện áp ra vi sai sẽ tỉ lệ với (U V1 - U V2 ). U r = K VS (U V1 - U V2 ). - Trờng hợp U V1 và U V2 đồng pha và bằng nhau về độ lớn, khi mạch khuếch đại hoàn toàn đối xứng, điện áp ra lấy trên 2 collector của tầng khuếch đại vi sai sẽ bằng không và hệ số khuếch đại đối với tín hiệu đồng pha K đ sẽ bằng không. Tuy nhiên không thể có mạch đối xứng lý tởng và nguồn dòng điện lý tởng nên hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha khác không, và thờng rất nhỏ so với 1. Chất lợng của tầng khuếch đại vi sai đợc đặc trng bằng tỉ số K đ / K VS , chỉ rõ khả năng của tầng khuếch đại phân biệt tín hiệu vi sai nhờ trên nền điện áp đồng pha lớn. ở đây ngời ta đa ra khái niệm hệ số nén tín hiệu đồng pha kí hiệu là G và đợc tính nh sau: G = 20log (K đ / K VS ) (dB). 65 Phần thực nghiệm A. Thiết bị sử dụng 1. Thiết bị chính cho thực tập tơng tự 2. Panel thí nghiệm AE - 103N cho bài thực tập về transistor (Gắn lên khối thiết bị chính đế nguồn). 3. Dao động ký 2 chùm tia. 4. Dây nối cắm 2 đầu. B. Cấp nguồn và nối dây Panel thí nghiệm AE -103N chứa 6 mảng sơ đồ A3- 1 A3- 6, với các chốt cắm nguồn riêng. Khi sử dụng mảng nào thì cấp nguồn cho mảng sơ đồ đó. Đất (GND) của các mảng sơ đồ đất đợc nối sẵn với nhau. Do đó chỉ cần nối đất chung cho toàn khối A3-103N. 1. Bộ nguồn chuẩn DC POWER SUPPLY của thiết bị cung cấp các thế chuẩn V 5 , V 12 cố định. 2. Bộ nguồn điều chỉnh DC ADJUST POWER SUPPLY của thiết bị cung cấp các giá trị điện thế một chiều V15 0 + và V15 0 . Khi vặn các biến trở chỉnh nguồn, cho phép định giá trị điện thế cần thiết. Sử dụng đồng hồ đo thế DC trên thiết bị chính để xác định điện thế đặt. 3. Khi thực tập, cần nối dây từ các chốt cấp nguồn của khối đế tới cấp trực tiếp cho mảng sơ đồ cần khảo sát. (Chú ý : Cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo). C. Các bàI thực tập 1. khuếch đại nối tầng Thí nghiệm về bộ khuếch đại nối tầng đợc thực hiện trên mảng sơ đồ hình A3-1. Nhiệm vụ: - Tìm hiểu nguyên tắc xây dựng bộ khuếch đại nhiều tầng trên transitor. - Tìm hiểu nguyên nhân giảm hệ số khuếch đại khi ghép tầng và phơng pháp làm giảm sự mất mát đó. Các bớc thực hiện: 66 1.1. Cấp nguồn +12V cho mảng sơ đồ A3- 1. R-C COUPLED MULTI-STAGE AMPLIFIER: bộ khuếch đại nhiều tầng liên kết r - c 1.2. Đặt máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATOR của thiết bị chính ở chế độ: - Phát dạng sin (công tắc FUNCTION ở vị trí vẽ hình sin). - Tần số 1KHz (công tắc khoảng RANGE ở vị trí 1K và chỉnh bổ sung biến trở chỉnh tinh FREQUENCY). - Biên độ ra 10mV - từ đỉnh tới đỉnh (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE) 1.3. Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký kênh 1 ở cmVm50 và kênh 2 ở cmV2 , thời gian quét của dao động ký ở cmms1 . Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng phần trên và phần dới của màn dao động ký để dịch tia theo chiều X, Y để vị trí dễ quan sát. Nối kênh 1 dao động ký với từng chốt vào tuỳ theo thí nghiệm. Nối kênh 2 dao động ký với từng chốt ra tuỳ theo thí nghiệm. 1.4. Nối tín hiệu từ máy phát vào IN/A theo hình A3-1a. Đo biên độ xung vào và xung ra (collector - lối ra A) của T 1 . Tính hệ số khuếch đại K 1 = U ra / U vào (T 1 ) = [...]... transistor Nhiệm vụ: - Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của bộ khuếch đại vi sai - Tìm hiểu về hệ số khuếch đại và máy phát dòng của bộ khuếch đại vi sai Các bớc thực hiện: 2.1 Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A 3- 2 Nối sơ đồ nh hình A 3- 2 a 2.2 Mắc các đồng hồ đo: 69 - Đồng hồ đo chênh lệch thế giữa hai collector của cặp transistor vi sai T1, T2: Nối các chốt đồng hồ đo (V: C1 và C2) của mạch A 3- 2a với đồng hồ... FREQUENCY) 70 - Biên độ ra 200mV - từ đỉnh tới đỉnh (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE) 3. 3 Nối J2 Nối C1 với B4 Bật điện và đo điện thế ra (thế ra Uoffset) 3. 4 Nối chốt K với K1 Đo chế độ một chiều của sơ đồ, tính dòng qua các transistor: - Đo sụt thế trên R5, tính I (T3 ) = U ( R5 ) (mA) = 4K 7 - Đo sụt thế trên R3, tính I (T2 ) = U ( R4 ) (mA) = 2K - Dòng I(T1) = I(T3) - I(T2) (mA) = - Đo sụt thế... sơ đồ hình A 3- 2 Nhiệm vụ: - Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của bộ khuếch đại thuật toán - Tìm hiểu về đặc trng khuếch đại của bộ khuếch đại thuật toán Các bớc thực hiện: 3. 1 Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A 3- 2 Chú ý: cắm đúng phân cực nguồn 3. 2 Đặt máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATOR của khối thiết bị chính ở chế độ: - Phát dạng sin (công tắc FUNCTION ở vị trí vẽ hình sin) - Tần số 1KHz (công tắc khoảng... khuếch đại mất mát khi nối tầng: K (CR ) [%] = [K (tính) - K (đo)] 100 / K (tính) = 67 1.9 Nối các chốt A với E và F với B để ghép hai tầng khuếch đại T1 T2 qua tầng lặp lại emitter T3 - hình A 3- 1 d, (chú ý tầng lặp lại emitter có trở vào lớn và trở ra nhỏ) Đo biên độ xung vào (tại IN), và xung ra (tại C) Tính hệ số khuếch đại K (đo 2) = Ura / Uvào (T1, T2, T3) Tính hệ số mất mát khi nối tầng: K(T3)... B theo hình A 3- 1 b Đo biên độ xung vào và xung ra (collector - lối ra OUT/C) của tầng T2 Tính hệ số khuếch đại K2 = Ura / Uvào (T2) = 1.6 Tính hệ số khuếch đại khi ghép hai tầng : K (tính toán) = K1 K2 = 1.7 Nối A với B (hình A 3- 1 c) để ghép hai tầng khuếch đại T1 T2 bằng mạch C4 - R8 // R9 Cấp tín hiệu máy phát vào IN Đo biên độ xung vào (tại IN) và xung ra (taị C) Tính hệ số khuếch đại K (đo) =... ) ( mA) = 1K 5 3. 5 Nối máy phát xung của thiết bị chính vào lối vào IN/A Đo biên độ xung vào và xung ra khi lối lần lợt các chốt K với K1, K2, K3, K4 Ghi giá trị vào bảng A 3- 1 So sánh kết quả giữa hệ số K đo đợc với tỉ số trở tơng ứng Giải thích kết quả 3. 6 Sử dụng máy phát ngoài để khảo sát đặc trng tần số của bộ khuếch đại Thay đổi tần số xung vào từ cực tiểu đến cực đại 71 Bảng A 3- 1 Chốt nối Uvào... khuếch đại vi sai ứng với từng cặp giá trị thế lối vào theo biểu thức: K= U ra U offset U B (T 1) U B (T 2) 2.6 Xác định khoảng UB(T1) và UB(T2) mà hệ số K không đổi 2.7 Ngắt J1, nối J2 Lặp lại thí nghiệm trên So sánh kết quả cho hai trờng hợp Giải thích vai trò của T3 3 bộ khuếch đại thuật toán trên transistor Thí nghiệm về bộ khuếch đại thuật toán dùng transistor thực hiện trên mảng sơ đồ hình A 3- 2 ... (tính) - K (đo)] 100 / K (tính) Chú ý: Khi có tín hiệu nhiễu cao tần, nối G với H để tạô mạch phản hồi khử nhiễu 1.10 So sánh giá trị hệ số mất mát hệ số khuếch đại trong hai trờng hợp nối tầng bằng mạch CR và bằng tầng lặp lại Emitter Giải thích kết quả 2 khuếch đại vi sai Thí nghiệm về bộ khuếch đại vi sai đợc thực hiện trên mảng sơ đồ hình A 3- 2 68 TRANSISTOR OPERATIONAL AMPLIFIER: bộ khuếch đại thuật... xung vào từ cực tiểu đến cực đại 71 Bảng A 3- 1 Chốt nối Uvào J1 200mV R9 / R8 = J2 200mV R10 / R8 = J3 200mV R11 / R8 = J4 200mV R12 / R8 = Ura K = Ura / Uvào Tỉ số trở Đo biên độ xung vào và xung ra ở mỗi tần số Tính hệ số khuếch đại thế = Ura / Uvào cho mỗi bớc dịch tần số Ghi giá trị vào bảng A 3- 2 Bảng A 3- 2 100Hz 10KHz 100KHz Uvào Ura K 72 500KHz 1MHz 2MHz ... đồng hồ đo (V: C1 và C2) của mạch A 3- 2a với đồng hồ đo thế hiện số DIGITAL VOLTMETER của thiết bị chính Khoảng đo đặt ở 20V 2 .3 Nối J1 (các J còn lại ngắt) Nối các biến trở 1K và 10K (của khối thiết bị chính) với nguồn +5V, đất và với lối vào sơ đồ khuếch đại vi sai nh hình A32a 2.4 Vặn cả hai biến trở về nối đất UB(T1) = UB(T2) = 0 Ghi giá trị Ura chỉ thị trên đồng hồ Nếu Ura = Uoffset 0, giải thích . Phần thực nghiệm A. Thiết bị sử dụng 1. Thiết bị chính cho thực tập tơng tự 2. Panel thí nghiệm AE - 103N cho bài thực tập về transistor (Gắn lên khối thiết bị chính đế nguồn). 3. Dao. khuếch đại thuật toán. - Tìm hiểu về đặc trng khuếch đại của bộ khuếch đại thuật toán. Các bớc thực hiện: 3. 1. Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A 3- 2 . Chú ý : cắm đúng phân cực nguồn. 3. 2 khuếch đại nối tầng Thí nghiệm về bộ khuếch đại nối tầng đợc thực hiện trên mảng sơ đồ hình A 3- 1 . Nhiệm vụ: - Tìm hiểu nguyên tắc xây dựng bộ khuếch đại nhiều tầng trên transitor. - Tìm