Bài giảng Nguyên lý điện tử 1 - Nguyễn Văn Thắng

81 trang ngocly 1190

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Nguyên lý điện tử 1 - Nguyễn Văn Thắng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_nguyen_ly_dien_tu_1_nguyen_van_thang.pdf

Nội dung text: Bài giảng Nguyên lý điện tử 1 - Nguyễn Văn Thắng

Khoa Công nghệ thông tin Bộ môn Điện Tử Viễn Thông Bài giảng NGUYÊN LÝ ĐIỆN TỬ 1 Người biên soạn: Nguyễn Văn Thắng Thái Nguyên 2009
Chương I CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN TRONG MẠCH TUYẾN TÍNH 1.1. Các đại lượng cơ bản 1.1.1. Điện áp, dòng điện và công suất Điện áp và dòng điện là hai đại lương cơ bản của một mạch điện, chúng cho biết trạng thái về điện ở những điểm, những bộ phận khác nhau vào những thời điểm khác nhau cuả mạch điện và như vậy chúng còn được gọi là các thông số cơ bản của một mạch điện. Điện áp: Khái niệm điện áp được rút ra từ khái niệm điện thế trong vật lý. Là hiệu số điện thế giữa hai điểm khác nhau. Thường chọn một điểm nào đó của mạch để làm điểm gốc có điện thế bằng không (điểm đất). Khi đó điện thế của mọi điểm khác trong mạch có giá trị âm hay dương được mang so sánh với điểm gốc và được hiểu là điện áp tại điểm đó. Một cách tổng quát điện áp giữa hai điểm A và B được kí hiệu là UAB được xác định bởi UAB =VA -VB với VA, VB là điện thế của điểm A, B so với điểm gốc. Dòng điện: Khái niệm dòng điện là biểu hiện trạng thái chuyển động của các hạt mang điện trong vật chất do tác động của trường hay do tồn tại một gradien nồng độ theo hạt trong không gian. Dòng điện trong mạch có chiều chạy từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp và như vậy có chiều ngược chiều với chiều của điện tử. Công suất: là công mà dòng điện sản ra trên đoạn mạch trong một đơn vị thời gian. Do đó công suất P được sinh ra bởi dòng điện I khi chảy giữa 2 điểm của đoạn mạch có điện áp đặt vào U sẽ là: Trong thực tế còn tính đến công suất trung bình trong một khoảng thời gian T đã cho. Giá trị này gọi là công suất hiệu dụng và bằng: 1 T P P(t)dt eff T 0 (1.2) 1.1.2. Các phần tử tuyến tính - Mạch tuyến tính Các phần tử tuyến tính là R, L, C 1. Định nghĩa điện trở: Tỉ số giữa điện áp ở hai đầu và dòng điện chạy qua một phần tử là một hằng số và hằng số đó gọi là điện trở của phần tử. 2
U R= (1.3) I 2. Định nghĩa tự cảm: tỉ số điện áp giữa hai đầu phần tử chia cho đạo hàm của dòng điện theo thời gian qua phần tử ấy thì đại lượng ấy cuàng là một hằng số và hằng số đó gọi là tự cảm. U L= (1.4) di dt 3. Điện dung: Nghịch đảo tỉ số giữa điện áp giữa hai đầu phần tử và tích phân của dòng điện là một hằng số và hằng số đó gọi là điện dung 1 U (1.5) C idt 4. Mạch tuyến tính là mạch chỉ gồm các phần tử tuyến tính. Một mạch tuyến tính có các tính chất sau: - Đặc tuyến Vôn – Ampe (thể hiện quan hệ U(i) là một đường thẳng - Tuân theo nguyên lý chồng chất. Tác động tổng cộng bằng tổng các tác động riêng rẽ lên nó - Không phát sinh thành phần tần số lạ khi làm việc với tín hiệu xoay chiều (không gây méo phi tuyến) 1.2. Các đặc trưng của mạch RC và mạch RLC 1.2.1. Mạch tích phân Mạch tích phân là mạch RC nối tiếp lối ra trên tụ điện và có điện áp lối ra tỉ lệ với tích phân điện áp lối vào i R uv C ur Hình 1.1 Mạch tích phân 1 ur = u dt (1.6) RC v ta có uv = uR +uC 3
1 uC = idt C điều kiện đồi với mạch tích phân là UC >1) Khi đó ta có UV UR U U i= R V R R a b Hình 1.2 Tín hiệu lối vào a) và lối ra b) tương ứng của mạch tích phân 1 ur =uC= = u dt RC v 1.2.2. Mạch vi phân Mạch vi phân là mạch C R Ur Uv đối với mạch vi phân ta có điều kiện Hình 1.3. Mạch vi phân UR << UC ( hay RC<<1) chứng minh tương tự như mạch tích phân ta cũng có biểu thức sau: duv Ur =RC dt 4
1.2.3. Đặc trưng dừng của mạch RC a) Định nghĩa u2 Một mạch tuyến tính nói chung là có hai lối vào và u1 hai lối ra. Điện áp vào là hình sin thì sau một thời gian ở lối ra xuất hiện một điện áp điều hoà có tần số cùng với điện áp lối vào. Nghĩa là trong mạch xuất hiện một trạng thái dừng Một điện áp điều hoà được biểu diễn dưới dạng phức u(t)=Ue jt U là biên độ phức =Uej  jt  j ta có u1(t) =U1e U1 =U1e 1  jt  j 2 u2(t)=U 2e U 2 =U2e U A 2 gọi là đặc trưng dừng của mạc00h  U1 thay các biểu thức ở tử và mẫu ta được U e j 2 A 2 Ae j j 2 U1e U A= 2 cũng là hàm của tần số gọi là đặc trưng tần số của mạch U1 = 2 - 1 cũng là hàm của tần số gọi là đặc trưng pha (nó là độ lệch pha giữa tín hiệu lối ra so với tín hiệu lối vào) đặc trưng dừng trước hết trong mạch phải có trạng thái dừng. Đặc trưng dừng là đặc trưng của hai tần số và pha. b) Lối ra trên tụ điện i R jt 1 Ta có RIe Ie jt U e jt jC 1 u1 C u 1 2 RI I U jC 1 I U Hình 1.4. Mạch RC lối ra trên tụ điện 2 jC 5
U 1 1 jCR A 2 =  2 U1 1 jCR 1 (CR) 1 A= A.A * = 1 (RC) 2 tg = -RC A =-arctg(RC) 1 1 0  2 - 0 *  2  c Hình 1.5. a) Đặc trưng biên độ tần số b) Đặc trưng pha của mạch RC lối ra trên tụ điện *c gọi là tần số giới hạn về phía tần số cao. tại đó A giảm đi 2 lần và khi đó coi như tín hiệu được bào toàn. 1 1 A = 2 => *c = RC từ 0 - *c gọi là khoảng truyền của mạch. tức là trong khoảng đó thì tín hiệu không bị mất mát, biên độ của tín hiệu gần như được bảo toàn. mạch này là mạch lọc thông thấp (chỉ cho tần số thấp đi qua) c) Lối ra trên điện trở C Tương tự như trên ta chứng minh được đặc trưng tần số và đặc trưng pha như sau: R u2 u1 RC A 1 (RC)2 Hình 1.6. Mạch RC lối ra trên tụ điện 1 crctg RC 6
A 1 2 1 2  0 0 *   t Hình 1.7. a) Đặc trưng biên độ tần số b) Đặc trưng pha của mạch RC lối ra trên điện trở mạch lọc này cho tần số cao đi qua (không hoặc ít cho tần số thấp đi qua) gọi là mạch lọc tần số thấp hay mạch lọc thông cao. d) Ví dụ1 Cho mạch điện RC lối ra trên R. biết R =1K, C=1nF. Tìm tần số tại đó tín hiệu lối ra bằng 0.8 tín hiệu lối vào. 1.2.4. Đặc trưng quá độ của mạch RC 1) Định Nghĩa Đặc trưng quá độ của mạch (người ta còn gọi là đáp ứng xung) cho biết tín hiệu lối ra của mạch khi lối vào tác dụng một tín hiệu nhảy bậc. h(t) =u2(t)/u1(t) u2(t) là tín hiệu lối ra u1(t) là tín hiệu nhảy bậc 0 Khi t =t0 2) Đặc trưng quá độ lối ra trên tụ điện uR + uC =(t) R uR =iR 1 duC (t) uc uC = idt => i=C C C dt Hình 1.8 Đặc trưng quá độ của mạch RC R +uC =(t) 7
Đây là phương trình vi phân T * giải phương trình này ta được uC(t)=uC (t) + uC (t) (nghiệm riêng cộng với nghiệm tổng quát) T tìm nghiệm tổng quát uC (t) để tìm nghiệm tổng quát ta cho vế phải bằng 0 khi đó ta có du dt C uC RC đặt  =RC là hằng số thờì gian của mạch t T  u C (t)= Ae * nghiệm riêng của phương trình vi phân có vế phải là uC (t) =1 => uC(t) = +1 tại t=0 u (0) =0 => A=-1 c t  vậy h(t) = uC(t) =1-e t=0 h(t) =0 t= h(t) =1 lối ra sau một thời gian mới nhảy bậc đơn vị 3) Đặc trưing quá độ lối ra trên điện trở h(t) =uR(t) =1 –uC(t) t => h(t) =e  t=0 h(t) =1 t= h(t) =0 1.2.5. Sự truyền tín hiệu vuông góc qua mạch RC a) Lối ra trên R Xét một tín hiệu vuông góc có thời gian kéo dài của xung là t’. để đơn gian ta coi biên độ là 1V C ’ Trong khoảng 0 t => u1(t) =(t)- (t-t ) ra trên điện trở 8
' ' ' t t t t t t 1- ’     uR(t) = h(t) –h(t-t ) =e -e =-(1 - e ) e t’ -(1- ) t’ trường hợp t’ >>  thì tín hiệu lối ra biến thành hai xung kim nếu t’ nhỏ thì tín hiệu lối ra gần giống với tín hiệu lối vào. b) Lối ra trên tụ điện R * 0 u1(t) = (t) u1 t uc C uc(t) =h(t) = 1- * t>=t’ Hình 1.10. Tín hiệu vuông góc qua mạch RC lối ra trên tụ điện t t ' ’  => uc(t) =h(t) – h(t-t ) =1 - - 1 + e = - Nếu  nhỏ thì lối ra gần giống với lối vào, biến dạng ít uc(t) ngược lại t 1.2.6. Đặc trưng dừng của mạch RLC mắc nối tiếp - Cộng hưởng điện áp e(t) = Ecost = Ee jt sau một thời gian trong mạch xuất hiện dòng hình sin i(t) có tần số cùng với tần số của ngoại lực 9
i(t) = Icos(t - ) = Ie jt di 1 L Ri idt Ee jt dt C 1 LIje jt RIe jt Ie jt Ee jt Hình 1.11 Mạch RLC nối tiếp jC 1 [R j(L )]I E C E I Z 1 L E I tg = C 1 R R 2 (L )2 C 1 tại tần số  0 thì xảy ra cộng hưởng khi đó I=E/R LC 1 L hệ số phẩm chất Q = R C I/Imax Q1 Q thông thường lớn hơn 1 và nó thường nhận giá trị 10 – 80 1 1 Q > Q tại giá trị cộng hưởng UC =UL QE (R<<L) 2 2 1 I 1 I    max 2 0 2 * * 1 Q ( )  t 0  C  0  Q càng lớn thì độ cong cộng hưởng càng hẹp * *  = C -  t 0/Q đây là mạch lọc dải lấy một số lân cận 0. gọi là mạch lọc dải hẹp Ứng dụng của mạch này là chọn tần số lấy tín hiệu từ máy thu. 10
Chương 2 LINH KIỆN BÁN DẪN VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG 2.1. Giới thiệu một số dụng cụ chất bán dẫn cơ bản. Dụng cụ chất bán dẫn sẽ được học trong giáo trình Cấu kiện điện tử và vi mạch. Do vậy trong phạm vi môn học này chỉ giới thiệu sơ lược về hai loại điển hình đó là điốt và Transistor. 2.1.1 Điốt 2.1.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của điốt Sự tiếp xúc của hai bán dẫn loại p và n tạo nên một vùng chuyển tiếp điện tử–lỗ trống và được gọi là lớp chuyển tiếp p-n (hay tiếp giáp p-n) như trình bày trên hình 2.1.a. Nguyên tắc hoạt động của các dụng cụ bán dẫn đều dựa trên việc ứng dụng các tính chất của lớp tiếp giáp này. EJ p n (a) Lớp tiếp giáp khi chưa có phân cực A K E ngoài Engoài EJ EJ p n p n + - - + (b) Lớp tiếp giáp khi phân cực thuận (c) Lớp tiếp giáp khi phân cực ngược Ep-n= Engoài- EJ E = E + E p-n ngoài J Hình 2.1. Lớp tiếp giáp p–n và cấu tạo của diode bán dẫn. 11
Do có sự chênh lệch nồng độ các phần tử tải điện nên có sự khuếch tán lỗ trống từ miền p sang miền n và khuếch tán điện tử từ miền n sang miền p, tức là xuất hiện dòng khuếch tán điện tử và lỗ trống qua lớp tiếp giáp p- n. Lỗ trống khuếch tán từ miền p làm xuất hiện các iôn âm trong một vùng của miền p sát với miền n, còn điện tử khuếch tán từ miền n sẽ làm xuất hiện các iôn dương trong một vùng của miền n sát với miền p. Vì các nguyên tử được phân bố ở các nút của mạng tinh thể chất bán dẫn nên các iôn âm và dương được tạo nên này không thể dịch chuyển tự do được. Điều đó có nghĩa là xuất hiện trong lớp tiếp giáp các điện tích không gian và sinh ra trong đó một điện trường E j hướng từ miền n sang p. Điện trường này sẽ hãm quá trình khuếch tán và làm giảm dòng khuếch tán. Trong cùng thời gian ấy, trường này làm tăng tốc chuyển động của các phần tử tải điện không cơ bản tức là điện tử từ miền p sang n và lỗ trống từ miền n sang p. Như vậy nó làm xuất hiện dòng điện trôi theo hướng ngược với dòng khuếch tán. Kết quả là trong trạng thái cân bằng động, điện tích không gian không tăng nữa và vùng tiếp giáp sẽ thiếu vắng các phần tử tải điện. Do vậy điện trở của vùng này sẽ rất lớn và nó được gọi là vùng nghèo điện tích. Các dòng điện khuếch tán và trôi bằng nhau cho nên dòng tổng đi qua lớp tiếp giáp là bằng không. Khi đặt một nguồn điện bên ngoài lên lớp tiếp giáp theo hướng: cực dương đặt lên miền p và cực âm đặt lên miền n như hình 4.1.b. thì cường độ điện trường ngoài là ngược chiều với điện trường chuyển tiếp E j , do đó làm giảm tác dụng của nó. Kết quả là dòng khuếch tán được tăng lên so với dòng trôi và dòng tổng hợp sẽ được xác định bởi dòng khuếch tán và chảy theo chiều từ miền p sang n. Điện tử từ miền n khuếch tán vào miền p dưới tác dụng của điện trường ngoài và trở thành phần tử tải không cơ bản trong miền p. Ngược lại lỗ trống khuếch tán từ miền p sang n cũng trở thành các phần tử tải không cơ bản trong miền này. Các hiện tượng này gọi là sự phun phần tử tải điện cơ bản sang miền mà tại đó nó thành không cơ bản còn dòng chảy qua miền tiếp giáp gọi là dòng phun hoặc dòng điện thuận. Trong trường hợp này ta nói lớp tiếp giáp được phân cực thuận và dòng điện thuận thường lớn. Ngược lại khi mắc nguồn điện ngoài sao cho cực âm nối với miền p, cực dương nối với miền n như trong hình 4.1.c thì tiếp giáp được phân cực ngược. 12
Chiều điện trường ngoài lúc này cùng chiều với trường E j do vậy làm tăng tác dụng của nó. Kết quả là càng làm giảm thành phần khuếch tán của dòng qua lớp tiếp giáp xuống dưới giá trị ứng với trạng thái cân bằng và làm tăng thành phần trôi. Dòng qua lớp tiếp giáp p-n lúc này sẽ được xác định bởi dòng trôi theo chiều ngược với dòng điện thuận và gọi là dòng điện ngược. Vì nồng độ các phần tử tải không cơ bản rất nhỏ hơn nồng độ các phần tử tải cơ bản nên dòng điện ngược là rất nhỏ so với dòng điện thuận. Khi nối hai điện cực vào hai miền p và n như vậy ta sẽ có được một dụng cụ gọi là diode bán dẫn có ký hiệu như hình 2.1.a chỉ ra, trong đó cực nối với miền p gọi là Anode (A) còn cực nối với miền n gọi là Kathode (K). I(mA) Ge Si GaAs 40 - + - + 30 20 10 -30 -20 -10 0 UAK (V) 2 0,2 0,4 0,6 0,8 6 A Hình 2.2. Đặc trưng V-A của diode bán dẫn. Sự phụ thuộc của dòng I d qua diode vào thế đặt trên nó U d = UAK được tính theo công thức: Ud / UT I d I s e 1 (4.1) Trong đó I S là dòng bão hoà hay dòng nhiệt khi diode được phân cực ngược. K là hằng số Boltzmann (1,38.10-23 [J/K]; T là nhiệt độ K; -19 e0 là điện tích của điện tử bằng 1,6. 10 C; 13
KT UT  gọi là thế nhiệt. Tại nhiệt độ phòng UT cỡ 25,5 mV. e0 Khi đặt giữa A và K một điện áp UAK> 0 thì điốt cho dòng đi qua và gọi là phân cực thuận. ngược lại nếu đặt điện áp UAK <0 thì điốt khoá gọi là phân cực ngược dòng ngược luôn nhỏ hơn nhiều so với dòng thuận. Khi thay đổi điện áp đặt vào điốt thì dòng qua nó cũng thay đổi theo. Đường biểu diễn sự phụ thuộc của dòng qua điốt vào điện thế ngoài gọi là đường đặc trưng Von-Ampe của điốt. Đường đặc trưng gồm có 3 vùng. IA (mA) 1 Vùng 1 là vùng phân cực thuận, vùng 2 là vùng phân cực ngược, vùng 3 là vùng đánh thủng. Cơ chế tạo thành dòng 2 UAK (V) điện ở vùng 1 và cùng 2 là cơ chế 3 tạo thành dòng khuếch tán các hạt đa số I và dòng trôi của các KT Hình 2.3 Đặc trưng Von-Ampe của điốt hạt tiểu số ITr. Cơ chế đánh thủng ở vùng 3: Khi UAK< 0 và có giá trị đủ lớn, dòng điện ngược tăng lên đột ngột trong khi điện áp UAK gần như không tăng. Khi đó tính chất van của điốt bị phá huỷ và có thể làm hỏng lớp tiếp xúc p-n. Có 2 cơ chế đánh thủng là đánh thủng vì nhiệt và đánh thủng vì điện (hiệu ứng Zener và Tunel). Các loại điốt có điốt chỉnh lưu, điốt ổn áp, điốt phát quang, 2.1.1.2. Một số ứng dụng của điốt Lớp tiếp giáp p-n có thể được dùng trong nhiều mục đích như chỉnh lưu dòng điện, tách sóng tần số cao, biến đổi tín hiệu phi tuyến, v.v Vì vậy cũng có rất nhiều loại diode. Diode được phân loại theo nhiều đặc điểm khác nhau tuỳ thuộc vào công nghệ chế tạo, phạm vi ứng dụng, v.v Còn tuỳ theo kích thước và cấu tạo mà phân ra diode tiếp mặt và diode tiếp điểm. Kích thước của diode tiếp điểm được 14
xác định bởi diện tích của lớp tiếp giáp p-n có đường kính nhỏ hơn bề dày của lớp này. Diode tiếp mặt có diện tích tiếp giáp rất lớn so với bề dày của nó. Diode tiếp điểm được dùng ở các mạch điện tần số cao. Diode chỉnh lưu được chế tạo theo công nghệ chất bán dẫn Ge có điện trở thuận nhỏ hơn từ 1,5 đến 2 lần so với diode Si, song điện áp ngược mà nó có thể chịu được thấp hơn không quá 400V trong khi diode Si có thể chịu được tới một vài ngàn vôn vì có dòng ngược rất nhỏ. Diode Si còn có thể làm việc được trong một dải nhiệt độ khá rộng từ -60C đến +150C. Có thể liệt kê vài tham số cơ bản của diode như sau: - Dòng điện chỉnh lưu trung bình cực đại: là dòng phân cực thuận trung bình cực đại cho phép chảy qua diode trong thời gian sử dụng dài mà diode không hỏng vì quá nhiệt. - Điện áp ngược cực đại: thường bằng 1/2 giá trị điện áp ngược mà tại đó diode bị hỏng do bị đánh thủng lớp tiếp giáp. - Dòng điện ngược: là trị số dòng điện ngược khi diode chưa bị đánh thủng, nó phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ. - Dải tần số làm việc: bị giới hạn chủ yếu do điện dung của lớp tiếp giáp p-n, khi tần số tín hiệu vượt quá trị số này thì diode không còn thể hiện tính dẫn điện một chiều nữa. a) Diode chỉnh lưu Chỉnh lưu là ứng dụng đầu tiên của lớp tiếp giáp p–n. Các diode tiếp mặt thường được dùng cho mục đích chỉnh lưu trong các bộ nguồn nuôi mạch điện tử được cấp từ mạng điện công nghiệp. Mạch chỉnh lưu nửa sóng của điện áp xoay chiều từ nguồn điện công nghiệp 50 Hz có sơ đồ như hình 4.3.a. Trong tính toán gần đúng bậc nhất khi biên độ điện áp vào đủ lớn, có thể coi đặc tuyến của diode là một đường gấp khúc như hình 4.3.b. có điện trở thông là rd Ud / I d = const. Do đó trong nửa chu kỳ dương của tín hiệu vào, diode được phân cực thuận và trở nên thông cho dòng điện chảy qua trở tải. Dòng đi qua tải là một dãy các sóng nửa chu kỳ hình sin sẽ gây nên điện áp trên tải có cùng dạng với dòng. Ta được dạng thế chỉnh lưu UT = UK như đồ thị hình 4.3.c. 15
Id UA d A K t AC t U =U 50Hz ~ RT T K Ud 0V t t (a) (b) (c) Hình 2.4. Mạch chỉnh lưu nửa sóng. Mạch chỉnh lưu toàn sóng có sơ đồ chỉnh lưu cầu đơn giản như trên hình 4.4. Trong nửa chu kỳ điện áp vào dương, hai diode ở hai nhánh AB và DC được phân cực thuận do đó trở nên thông, còn hai diode ở hai nhánh CB và DA được phân cực ngược và trở nên bị cấm. Do vậy xuất hiện dòng dẫn đi qua trở tải theo chiều từ B sang D theo đường: A - B - RT - D - C. Trong nửa chu kỳ âm, hai diode ở hai nhánh CB và DA lúc này được phân cực thuận trong khi hai diode ở hai nhánh AB và DC lại bị phân cực ngược. Do vậy xuất hiện dòng dẫn đi qua trở tải cũng theo chiều từ B sang D nhưng theo đường: C - B - RT - D - A. Kết quả là trong cả hai nửa chu kỳ ta đều có dòng đi qua trở tải tạo nên thế UT như đồ thị hình 4.4.b. UA-C A t AC B 50Hz ~ D R UB-D C T t (a) (b) Hình 2.5. Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ. 16
Lọc gợn sóng lối ra trên trở tải: Trong hai sơ đồ trên, điện áp ra trên tải mới là một chiều nhưng có biên độ còn biến đổi theo sóng hình sin. Muốn có được điện áp ra một chiều có biên độ không đổi (bằng phẳng) phải mắc song song với tải một tụ điện C có điện dung đủ lớn như hình 2.5.a. Thực chất đây là việc lắp vào một bộ lọc thông thấp RC ở lối ra mạch chỉnh lưu. Trong trường hợp không tải (RT = ), điện trở R ở đây chính là điện trở thuận rd của diode. Vì phổ Fourier của dạng sóng lối ra sau chỉnh lưu (gồm các nửa chu kỳ sin) gồm thành phần một chiều và các sóng hài hình sin có tần số 50 Hz, 100 Hz, nên giá trị của tụ C (tức hằng số thời gian RC) phải được chọn đủ lớn sao cho tần số cắt của bộ lọc đủ thấp chỉ để cho qua thành phần một chiều còn các thành phần khác bị suy giảm hết. UT Thế trên tải d r d khi có tụ U Thế trên tải khi không có AC tụ 50Hz ~ RT C t (a) (b) Hình 2.6. Lọc gợn sóng trên tải. Khi mắc tải thì điện trở tải cũng sẽ tham gia vào mạch lọc này và điện trở tải càng nhỏ hiệu quả lọc càng kém (sóng mấp mô nhiều). Do vậy mỗi mạch chỉnh lưu có mắc tụ chỉ thoả mãn trong một dải điện trở tải nhất định. Đôi khi người ta dùng mạch lọc LC nhưng không có hiệu quả cao về kinh tế do để chặn các hài bậc thấp đòi hỏi giá trị L rất lớn, cuộn cảm trở nên cồng kềnh và giá thành cao. b) Diode ổn áp Trong chế độ phân cực ngược, các diode Si có một đặc điểm như sau: nếu thế phân cực vượt quá một giá trị nào đó thì sẽ xảy ra hiện tượng đánh thủng trong lớp tiếp giáp p-n. Lúc này thế trên diode hầu như không đổi trong khi dòng ngược chảy qua nó thay đổi rất lớn. Điều đó cho phép duy trì một cơ chế ổn áp trên trở tải mắc song song với diode. Điện áp mà tại đó xảy ra hiện tượng đánh thủng được gọi là điện áp ổn UZ. Có hai loại cơ chế đánh thủng được phân định ở ngưỡng UZ = 5,6V: 17
- Đánh thủng loại zener, cho ta các diode có hệ số nhiệt độ âm, nghĩa là ứng với một điện áp nhất định dòng qua diode giảm khi nhiệt độ tăng. - Đánh thủng loại thác lũ, cho ta các diode có hệ số nhiệt độ dương. Dòng ổn áp cực đại bị hạn chế bởi công suất cực đại chịu được của diode ổn áp. Khi vượt quá công suất này, diode trở nên quá nóng và bị hỏng do đánh thủng vì nhiệt. Diode ổn áp được dùng cho nhiều mục đích, thí dụ như tạo bộ ổn áp thông số, bộ hạn chế biên độ tín hiệu, v.v Hình 4.6.a là thí dụ về đặc trưng V-A của loại diode ổn áp có thế ổn áp UZ =9,8 V. UZ = -9,8V Đặc trưng UV thuận I(mA U ) Z RS t R UV ~ T IZ I = 40mA Z UT Đặc trưng ngược UZ IZmax UZ = 0,2V t (a) (b) Hình 2.7. Đặc trưng V-A của diode ổn áp và mạch hạn chế biên độ. Trong chế độ đánh thủng, dòng ngược tăng lên đến 40 mA trong khi thế thay đổi không quá 0,2V. Hình 4.6.b là một sơ đồ ứng dụng diode ổn áp làm mạch hạn chế biên độ, trong đó RS là điện trở bảo vệ diode khỏi bị quá dòng. Nhìn vào đồ thị điện áp UT ta thấy: có những khoảng thời gian nguồn tín hiệu có biên độ lớn hơn mức thế ổn áp UZ nhiều nhưng điện áp sụt trên tải lúc đó (cũng chính là điện áp phân cực ngược của diode) luôn chỉ bằng UZ do tính chất ổn áp của diode trong miền đánh thủng. Để đánh giá chất lượng ổn áp người ta hay dùng thông số hệ số ổn áp là tỷ số U giữa sự biến thiên điện áp trên điện áp tải tính theo phần trăm T % . Để đảm bảo U T 18
hệ số ổn áp theo yêu cầu, thường chọn dòng đánh thủng qua diode lớn gấp từ 3 đến 5 lần dòng qua tải. c) Diode biến dung Chiều dày của lớp tiếp giáp p-n được xác định bởi độ sâu của lớp ngăn trong các miền p và n. Các phép tính chi tiết chứng tỏ rằng độ thấm sâu của lớp ngăn trong các miền p và n tỷ lệ ngược với nồng độ tạp chất trong các miền ấy. Trong miền tiếp giáp p-n hình thành hai loại điện dung: Điện dung điện tích được xác định bởi sự thay đổi của điện tích khối (được tạo bởi các iôn dương và âm trong lớp tiếp giáp p-n) khi thay đổi điện áp tác dụng từ ngoài. Theo quan điểm này thì lớp tiếp giáp p-n tương tự như một tụ điện phẳng có S điện dung bằng: C  . Trong đó S là diện tích lớp tiếp giáp,  là hằng số điện  môi của chất bán dẫn và  là bề dày lớp tiếp giáp. Điện dung khuếch tán thể hiện khi lớp tiếp giáp p-n được mắc theo chiều thuận và được xác định bởi sự biến đổi của điện tích trong miền p và miền n vì sự thay đổi của số điện tử và lỗ trống phun vào các miền đó. Dựa trên nguyên tắc này người ta chế tạo ra diode biến dung (varicap) có điện dung của lớp tiếp giáp p-n phụ thuộc vào điện áp ngược tác dụng lên nó như đặc trưng C-U trên hình 4.7.a. Ký hiệu của varicap được vẽ trên sơ đồ ứng dụng trong hình 2.7.b. (nF) CV = Cp-n Anten thu 200 C + P 0 100 L - Tín hiệu ra CV Ungược (V) 10 20 30 (a) (b) Hình 2.8. Đặc trưng Vôn-Fara của diode biến dung và một sơ đồ ứng dụng. 19
Đây là một sơ đồ điều hưởng tần số cộng hưởng của khung dao động LC rất hay được dùng trong kỹ thuật phát thanh truyền hình hiện nay. Thay vì cho việc sử dụng một tụ điện biến đổi (tụ xoay) bằng cơ khí như kiểu cũ trong khung LC, một diode biến dung được thế vào vị trí đó. Khi điều chỉnh vị trí con chạy của biến trở P, điện áp phân cực ngược đặt vào diode thay đổi và làm thay đổi điện dung CV của nó. Điều đó cho phép điều hưởng giá trị tần số dao động riêng của khung (0 1/ LCV ) cho phù hợp với tần số nguồn tín hiệu cần thu để có được hiện tượng cộng hưởng dòng trong khung nhằm chọn lọc tín hiệu đài phát có tần số bằng tần số 0 . Tụ C0 trong sơ đồ có tác dụng ngăn thành phần một chiều từ nguồn đi vào cuộn cảm L; do vậy giá trị của nó được chọn đủ lớn so với CV sao cho trong dải điều hưởng, dung kháng của nó (bằng 1/ C0) có thể coi bằng không. d) Diode quang điện (photo diode) Diode quang điện là dụng cụ bán dẫn có dòng ngược tăng nhanh khi được chiếu sáng. Khi chiếu sáng diode bằng bức xạ ánh sáng có bước sóng thích hợp, dòng ngược này tăng do sự tạo ra các hạt tải điện không cơ bản trong các miền p và n cũng như sự phát sinh các cặp điện tử - lỗ trống trong vùng tiếp giáp p-n. Họ đặc trưng V-A của một diode quang điện với các quang thông  khác nhau chiếu vào nó được biểu diễn như hình 2.9.a. Dòng ngược khi diode chưa được chiếu sáng (0 = 0) gọi là dòng tối. Khi  0, dòng quang điện là tổng của 3 dòng thành phần: dòng khuếch tán của các điện tử trong miền p được sinh ra do các phô-tôn sáng chiếu vào, dòng khuếch tán của quang lỗ trống trong miền n và dòng phát quang trong vùng tiếp giáp p-n. Diode quang điện được dùng trong các sơ đồ thu và chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Hình 2.9.b. là ký hiệu của một diode quang điện và sơ đồ mạch ứng dụng phát hiện các xung ánh sáng của nó. 20
+V I K cc d 3>2 >1 >0 d S Điện áp ra Bộ 0 0 khuếch đại Ud 1 R 2 C 3 (a) (b) Hình 2.9. Họ đặc trưng vôn-ampe với các quang thông khác nhau (a) và sơ đồ ứng dụng của diode quang điện thu nhận các xung ánh sáng (b). Các xung ánh sáng từ nguồn sáng S qua các khe của đĩa quay K được chiếu tới bề mặt của diode quang điện d. Nguồn +Vcc cấp điện áp ngược cho diode qua điện trở gánh RC. Trong thời khoảng không có xung sáng chiếu vào, dòng ngược rất nhỏ, sụt thế trên trở tải bằng không. Khi có xung ánh sáng chiếu vào diode tạo nên dòng quang điện Id tỷ lệ với quang thông. Dòng này gây nên các điện áp xung trên trở tải bằng IdRC. Điện áp này được đưa tới mạch khuếch đại công suất ra tải. Đo tần số của xung điện lối ra ta có thể xác định được tốc độ quay của đĩa, v.v e) Diode phát quang LED (light emitting diode) Diode phát quang là loại hoạt động với lớp chuyển tiếp p-n được phân cực thuận. Lúc này các điện tử cơ bản từ miền n được phun sang miền p và tái hợp với lỗ trống. Ngược lại lỗ trống được phun từ miền p sang miền n và tái hợp với điện tử. Trong quá trình tái hợp, năng lượng được giải phóng dưới dạng tia bức xạ ánh sáng. Do đó diode loại này được gọi là diode phát quang LED. Các đặc trưng quan trọng nhất của một diode phát quang là: phổ ánh sáng phát xạ, hiệu suất và đáp ứng của diode với xung kích thích. Các diode phát quang thông dụng gồm các loại phát ánh sáng trong vùng khả kiến và loại phát trong vùng hồng ngoại. Chúng được sử dụng nhiều trong các bảng chỉ thị (display), trong các linh kiện ghép nối quang và nhạy quang (như optron). Thời gian đáp ứng của chúng có thể từ cỡ mili giây tới các xung hẹp cỡ nanô giây. Ngoài các linh kiện diode kể trên còn nhiều loại khác hiện đang được sử dụng nhiều trong thực tế như diode đường hầm (tunel), diode laser, diode siêu cao tần, v.v và các diode công suất lớn hoạt động với thế phân cực ngược và dòng rất lớn. 21
Nguyên tắc hoạt động và đặc điểm kỹ thuật của các diode loại này cùng các sơ đồ ứng dụng của nó có thể xem thêm trong các giáo trình vật liệu, linh kiện bán dẫn. Điốt có thể ứng dụng trong các bộ hạn chế biên độ hay dịch mức điện áp một chiều cho các tín hiệu. a b Hình 2.10 a) bộ hạn chế dưới b) bộ hạn chế trên 2.1.2 Transistor lưỡng cực 2.1.2.1. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của transistor lưỡng cực Transistor lưỡng cực BJT (bipolar junction transistor) là một linh kiện bán dẫn có 3 lớp (miền) bán dẫn nối tiếp nhau p-n-p hoặc n-p-n. Mỗi lớp này lần lượt được gọi là lớp phát E (emitter), lớp gốc B (base) và lớp góp C (collector). Mỗi lớp được nối ra các điện cực tương ứng là emitter, base và collector. Sự sắp xếp giữa các lớp bán dẫn và bố trí các điện cực cũng như ký hiệu của hai loại transistor trong sơ đồ mạch như hình 4.9. Transistor trong hình (a) là loại pnp hay gọi là transistor thuận, loại trong hình (b) gọi là transistor ngược npn. Với cách sắp xếp như vậy, đôi khi transistor được coi như 2 diode mắc nối tiếp nhau như hình. 22
E C E p n p n p n C B B C C C C B B B B E E E (a) E (b) Hình 2.11. Sự sắp xếp các lớp bán dẫn trong hai loại transistor và ký hiệu của nó. Nguyên lý hoạt động của các transistor đã được khảo sát kỹ trong các giáo trình linh kiện bán dẫn, ở đây ta chỉ điểm lại một cách vắn tắt sự hoạt động của một transistor loại pnp để thấy tác dụng khuếch đại công suất của nó khi được mắc trong một sơ đồ thích hợp, thí dụ như sơ đồ hình 4.10. Transistor được cấp điện từ hai nguồn E1 << E2. Nhìn vào sơ đồ ta thấy, nguồn E1 tạo một phân cực thuận cho lớp tiếp giáp E-B trong khi nguồn E2 tạo ra một phân cực ngược trên lớp tiếp giáp B-C. Khi khoá K mở, điện áp UEB bằng không còn tiếp giáp B-C lại được phân cực ngược nên dòng collector Ic hầu như bằng không (thực ra chỉ có một dòng ngược rất nhỏ của các phần tử tải điện không cơ bản là các điện tử từ lớp C sang lớp B). Khi đóng công tắc K, tiếp giáp E-B được phân cực thuận từ nguồn E1 nên có một dòng điện thuận gồm các lỗ trống từ lớp E được phun vào lớp B. Lớp B được chế tạo sao cho rất mỏng và phần tử tải cơ bản ở đây là điện tử có mật độ rất thấp. Vì vậy chỉ một số ít lỗ trống từ lớp E sang được tái hợp với số điện tử trong lớp B và tạo ra dòng IB, còn lại phần lớn được khuếch tán qua lớp B và trượt tới lớp C. Nguyên nhân là do khi tới lớp tiếp giáp B- C, chính điện trường mạnh do nguồn E2 tạo ra đã làm tăng tốc lỗ trống và kéo chúng sang lớp C để tạo nên dòng IC chảy qua trở tải RT. Tóm lại, nhờ có lớp tiếp giáp E-B được phân cực thuận bởi nguồn E1 tạo ra một dòng điện nhỏ IB mà lớp emitter có thể phun được một dòng lỗ trống lớn qua base sang lớp collector tạo nên dòng điện Ic lớn. Dòng điện này dưới tác dụng của điện trường mạnh gây ra bởi E2 sẽ sinh ra công lớn trên trở tải RT. 23
p n p E B C K + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + RB + IE + IC RT E V ~ IB + - + - E1 E2 Hình 2.12. Giải thích sự khuếch đại của transistor pnp. Nếu bây giờ mắc nối tiếp với E1 một nguồn tín hiệu vào nhỏ EV, thí dụ nguồn xoay chiều, thì dòng lối ra IC và thế trên tải UT không chỉ phụ thuộc vào E1 mà còn biến thiên theo quy luật của nguồn tín hiệu EV này nhưng giá trị biến thiên ở lối ra trên tải lớn hơn giá trị biến thiên của nguồn tín hiệu vào nhiều. Ta có sự khuếch đại tín hiệu nhờ transistor. I Tỷ số  C được gọi là hệ số truyền dòng điện. (4.5) I E Theo phân tích trên thì I E I B IC (với I B IC ) nên < 1. I Tỷ số   C được gọi là hệ số khuếch đại dòng điện tĩnh. (4.6) I B Trong thực tế  thường có giá trị từ vài chục đến vài trăm. Mối quan hệ giữa và  như sau:   (4.7) 1  1- Ứng dụng quan trọng nhất của Transistor là khuếch đại tín hiệu. 24
2.2. Định nghĩa và các chỉ tiêu cơ bản của mạch khuyếch đại 2.2.1. Định nghĩa mạch khuếch đại Rn IE UG < US U Uv _ r Rt - En + Rg CS RS Nguồn cung cấp (E ) C c UV Ura Hình 2.13 SơS đồ tổng quát của mạch khuếch D G đại Khuếch đại là làm tăng+Ecc cường độ điện áp hay dòng điện của tín hiệu làm cho - - tín hiệu ra lớn hơn nhiều so- với tín hiệu đầu vào Hay nói khác đi khuếch đại là quá trình làm biến đổi năng +lượng +có điều khiển, ở đó năng lượng một chiều của + nguồn cung cấp không chứa -thông tin,- được biến đổi thành năng lượng xoay chiều + theo tín hiệu điều khiển đầu vào,+ chứa + thông tin. Sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại được cho trên hình 2-13.- UDS ID UGS Cực tính S 2.2.2. Các chỉ tiêu và thamD số cơ bản của tầng khuếch đại G S a) Hệ số khuếch đạiD G PMOS-FET Đại lượng đầu kênh K= Đạira lượng đầu chưa có sẵn 0 vào S D G Thông thường thì tầngPMOS khuếch-FET đại có các phần tử điện kháng nên K là một số phức kênh có sẵn NMOS-FET kênh có sẵn K =|K|exp(j k) Đặc tuyến mô đun |K| cho biết quantruyền hêj đạt về cường độ giữa các đại lượng ra và vào góc Ký hiệu VGS k là góc lệch pha giữaID chúng. 0 U độ lớn của K và k phụGS thuộc vào tần số  của tín hiệu vào. Nếu ta biểu ID S diễn độ lớn K qua tầnD số ta nhận được đường đặc trưng biên độ - tần số của G 0 tầng khuếch đại. ĐườngNMOS biểu-FET diễn k =F() gọi là đặc tuyến pha của mạch. K được tính theo đơn vị logarit,kênh gọi là đơn vị đề xi ben |K|dB=20lg|K| chưa có sẵn Khi ghép nối tiếp n VtầngGS khuếch đại có các hệ số khuếch đại tương ứng K , ID 1 0 K2, ,Kn thì hệ số khuếchUGS đại của hệ là K được tính theo công thức K=K1. ID K K hay RT 2 n ID +Ecc +VDS +VGS D S 25 G N N Kênh N Đế P
K(dB)=K1(dB) + K2(dB)+ +Kn (dB). Giựa vào hệ số khuếch đại K ta có thể phân ra các loại tầng khuếch đại khác nhau như khuếch đại điện áp yêu cầu là có KUmax Zvào>>Znguồn và Zra >Ztải hay bộ khuếch đại công suất cần Kpmax, Zvào=Znguồn, Zra=Ztải |K|  Hình 2.14 Đặc tuyến biên độ - tần số b) Trở kháng lối vào và lối ra Trở kháng lối vào và lối ra được định nghĩa U v U r Zv= ; Zr = I v I r Nói chung chúng là các đại lượng phức Z=R + jX trở kháng lối vào yêu cầu lớn còn trở kháng lối ra yêu cầu nhỏ. c) Méo tấn số Méo tần số là méo do độ khuếch đại của mạch khuếch đại giảm ở hai đầu giả tần. Ở vùng tần số thấp có méo thấp Mt ở vùng tần số cao có méo cao Mc. Chúng được định nghĩa theo biểu thức: K 0 K 0 Mt= ; Mc= K t K c Trong đó: K0 là hệ số khuếch đại ở vùng tần số trung bình Kc là hệ số khuếch đại ở vùng tần số cao Kt là hệ số khuếch đại ở vùng tần số thấp Méo tần số cũng được tính theo đơn vị dB d) Méo phi tuyến Méo phi tuyến là hiện tượng ở đầu ra xuất hiện các thành phần tần số mới mà đầu vào không có. Tức là khi Uvào chỉ có thành phần tần số  thì ở đầu ra Ura có các thành phần n (với n=1, 2, ) với các biên độ tương ứng là Un . Lúc đó hệ số méo phi tuyến do tầng khuếch đại gây ra là  26
( 2 2 2 )1/ 2  = U2 U3 Un % U1 càng nhỏ càng tốt, thường 0 UCE=UC-UE>0 UE<UB <UC Trong đó UE, UB, UC là điện thế các cực phát, gốc, góp của Transistor với Transistor pnp thì điều kiện để nó làm việc ở chế độ khuếch đại sẽ ngược lại so với Transistor loại npn 27
IC I I C B U IB U UCE 0 U C U C U U I B E U 0 E BE E a b Hình 2.14. a) Biểu diễn điện áp và dòng điện phân cực tranzitor npn b) Biểu diễn điện áp và dòng điện phân cực tranzitor pnp 2.3.2. Mạch cung cấp điện áp phân cực cho Transistor (a) (b) Hình 2.15. Mạch cấp điện cho tranzitor Hình 2.3a cấp nguỗn theo phương pháp định dòng. Điện áp UBE0 được lấy từ nguồn VCC dẫn qua điện trở RB vào cực gốc. Điện trở RB có trị số lớn hơn nhiều so với điện trở một chiều của mặt ghép gốc – phát, do đó dòng định thiên IB0 được xác định gần đúng IB0 = EC/RB Dòng điện một chiều ở đầu ra (dòng cực góp) IC0 và điện áp một chiều ở đầu ra UCE0 28
IC0=.IB0; UCE0 = EC – IC0.Rc Mạch này đơn giản nhưng độ ổn định điểm làm việc kém H2.3b cung cấp điện áp cho cực gốc theo phương pháp định áp nhờ bộ phân áp R1, R2 mắc song song với nguồn cực góp Vcc UBE0 =Ip.R2 =Vcc –(Ip+IB0).R1 IP là dòng chạy qua R1,R2. Thường thì chọn Ip>>IB0 nên UBE0 =Ip.R2 Vcc –Ip.R1 Ta thấy rằng UBE0 không phụ thuộc vào các tham số của Transistor và nhiệt độ nên ổn định. IP càng lớn thì UBE0 càng ổn định, nhưng khi đó R1,R2 phải có giá trị nhỏ. Thường chọn Ip=(0.3 3)IBmax IBmax là dòng xoay chiều trong mạch cực gốc với mức tín hiệu vào lớn nhất. Lúc này thì thiên áp UBE0 gần như không phụ thuộc vào trị số dòng cực gốc IB0, do đó có thể dùng cho mạch khuếch đại tín hiệu lớn (chế độ B). Tuy nhiên khi gí trị R1, R2 nhỏ thì công suất tiêu thụ nguồn cũng tăng. Để nâng cao độ ổn định điểm làm việc người ta thường hay dùng các mạch cấp điện áp như sau: Hình 2.16 Mạch cung cấp và ổn định làm việc bằng hồi tiếp âm điện áp một chiều ở đây RB không chỉ làm nhiệm vụ đưa điện áp vào cực gốc bằng phương pháp định dòng mà nó còn dẫn điện áp hồi tiếp về mạch vào. Nguyên lý ổn định IC0 thay đổi IB0 thay đổi theo chiều ngược lại ổn định 29
2.4. Hồi tiếp trong các bộ khuếch đại 2.4.1. Các định nghĩa cơ bản Xn K X Xr V X K h ht t Hình 2.17 sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại có hồi tiếp Hồi tiếp là ghép một phần tín hiệu lối ra (điện áp hoặc dòng điện) về đầu vào Hồi tiếp đóng vai trò quan trọng trong các mạch tương tự. Nó cải thiện được một số tính chất của bộ khuếch đại, nâng cao chất lượng của bộ khuếch đại Người ta phân ra làm hai loại hồi tiếp cơ bản là hồi tiếp âm và hồi tiếp dương Hồi tiếp âm là hồi tiếp mà tín hiệu hồi tiếp ngược pha với tín hiệu vào. Hồi tiếp âm làm yếu tín hiệu vào Hồi tiếp dương là hồi tiếp mà tín hiệu hồi tiếp đồng pha với tín hiệu vào. hồi tiếp dương làm mạnh tín hiệu vào. hồi tiếp dương thường làm cho bộ khuếch đại mất ổn định và nó thường được dùng để tạo mạch dao động Ngoài ra người ta còn phân biệt hồi tiếp một chiều và hồi tiếp xoay chiều. hồi tiếp một chiều được dùng để ổn định chế độ công tác, còn hồi tiếp xoay chiều được dùng để ổn định các tham số của bộ khuếch đại 2.4.2. Các mạch hồi tiếp Mạch khuếch đại có hồi tiếp được chia làm 4 loại 30
U1K U2K U1K K U2K K U1 U U1 U 2 2 U1ht U1ht Kht U2ht Kht U2ht b a U1K U1K K U2K K U2K U 1 U2 U1 U 2 U1ht U1ht U2ht Kht U2ht Kht c d Hình 2.18. Các loại mạch hồi tiếp a) Hồi tiếp nối tiếp điện áp: Tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào nối tiếp với tín hiệu vào và tỉ lệ với điện áp ở đầu ra (hình 2.12a) b) Hồi tiếp song song điện áp:Tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào song song với tín hiệu vào và tỉ lệ với điện áp ở đầu ra (hình 2.12b) c) Hồi tiếp nối tiếp dòng điện:Tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào nối tiếp với tín hiệu vào và tỉ lệ với dòng điện ở đầu ra (hình 2.12c) d) Hồi tiếp song song dòng điện: Tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào song song với tín hiệu vào và tỉ lệ với dòng điện ở đầu ra (hình 2.12d) 2.4.3. Các phương trình đặc trưng cho mạch khuếch đại có hồi tiếp Xn K X Xr V Xh Kht K’ t Xuất phát từ sơ đồ hồi tiếp tổng quát ta đi tìm các phương trình đặc trưng 31
Xr=K.XV; Xht=Kht.Xr; Xv=Xn + Xht; X K K ' = r = X n 1 K .K ht ' ’ K .K K.K .exp(j( a b )) Trường hợp a b =k2 => K’.K K  K’ = > K 1 K .K ht trường hợp này gọi là hồi tiếp dương (tín hiệu ra cùng pha với tín hiệu vào) nó ’ làm tăng hệ số khuếch đại. Đặc biệt K.Kht =1 => K = lúc đó lối ra xuất hiện một phổ tín hiệu không phụ thuộc vào tín hiệu lối vào. Bộ khuếch đại trong trường hợp này làm việc như một mạch tạo dao động Trường hợp = + k2 => - K’.K K  K’ = >1 => K = lúc đó mạch K ht khuếch đại có hệ số khuếch đại chỉ phụ thuộc vào mạch hồi tiếp 2.4.4. Độ ổn định cho bộ khuếch đại K’ = ’ (1 K.K ht )dK KK htdK dK dK = 2 = 2 (1 KK ht ) (1 K.K ht ) dK ' dK / K ' = K 1 K.K ht 32
=> Sự thay đổi hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại khi có hồi tiếp âm nhỏ hơn khi không có hồi tiếp âm (1+KKht) lần tính chất này đặc biệt quý giá khi hệ số khuếch đại thay đổi do sự thay đổi của môi trường bên ngoài như nhiệt độ chẳng hạn. Như vậy hồi tiếp âm làm ổn định hệ số khuếch đại cho bộ khuếch đại 2.4.5. Ảnh hưởng của hồi tiếp đến trở kháng vào a) Thực hiện hồi tiếp nối tiếp Khi không có hồi tiếp Uy K Ur U Zv = Uv/Iv; v Uh Kht Khi có hồi tiếp Uv=Uy +Uht t Zvht=(1+KKht)Zv Như vậy hồi tiếp âm nối tiếp làm tăng điện trở vào 1+KKht lần. điều này rất cần thiết khi bộ khuếch đại nhận tín hiệu từ nguồn tín hiệu có điện trở trong lớn hoặc bộ khuếch đại dùng Transistor lưỡng cực. b) Thực hiện hồi tiếp song song Zv = Uv/(Iv+Iht) =Zv/(1+KKht) hồi tiếp song song làm giảm trở kháng vào 1+KKht lần 2.4.6. Ảnh hưởng của hồi tiếp đến trở kháng ra a) Hồi tiếp âm điện áp U U r Không có hồi tiếp: Zr = = I r KI v ’ U r U r Z r Có hồi tiếp Zr = = = I r K(I v KK htI v ) 1 KK ht hồi tiếp âm điện áp làm giảm điện trở lối vào b) Hồi tiếp âm dòng điện ’ Zr =Zv(1+KKht) Hồi tiếp dòng điện làm tăng điện trở lối ra 2.4.7. Ảnh hưởng của hồi tiếp đến dải động của bộ khuếch đại và méo phi tuyến hồi tiếp làm tăng giải động của bộ khuếch đại thật vậy khi không có khuếch đại thì toàn bộ tín hiệu vào được đưa vào khuếch đại còn khi có hồi tiếp thì chỉ có một phần tín hiệu được đưa vào khuếch đại. Ngoài ra vì tín hiệu vào của bộ khuếch đại 33
có hồi tiếp Xn nhỏ hơn 1+KKht lần so với không có hồi tiếp nên méo phi tuyến tương ứng vì thế cũng giảm đi ít nhất bấy nhiêu lần. Đó là một trong những ưu điểm lớn nhất của hồi tiếp âm vì nhờ đó mà có thể nâng cao tính chất và độ nhạy của bộ khuếch đại 2.5. Các sơ đồ cơ bản dùng Transistor lưỡng cực (BJT) 2.5.1. Tầng khuếch đại emitor chung (EC) Ip IP Hình 2. 19 Tầng khuếch đại EC Trong sơ đồ này thì các tụ C1, C2 là các tụ nối tầng. Tụ C1 ngăn cản sự ảnh hưởng của dòng một chiều giữa nguồn tín hiệu và mạch vào. Tụ C2 ngăn thành phần một chiều và chỉ cho thành phần xoay chiều ra tải. R1, R2 là mạch phân áp xác định chế độ tĩnh của tầng Rc tải một chiều của tầng RE điện trở ổn nhiệt cho tầng chính pà dùng để hồi tiếp âm dòng điện CE thoát thành phần xoay chiều xuống đất để tránh hồi tiếp âm xoay chiều Nguyên lý làm việc của tầng EC như sau: Khi đưa điện áp xoay chiều tới đầu vào,, xuất hiện dòng xoay chiều cực gốc của Transistor và do đó xuất hiện dòng 34
xoay chiều trên cực góp ở mạch ra của tầng. Dòng này gây hạ áp xoay chiều trên điẹn trở RC. Điện áp đó qua tụ C2 đưa đến đầu ra của tầng tức là tới tải Rt Xác định chế độ tĩnh của tầng Sự phụ thuộc của UCE0 = f(IC0) UCE0=EC – IC0RC-IERE Vì dòng IB rất nhỏ nên IC0 IE nên có thể viết UCE0 =EC – (RC+RE)IC0 Đây chình là phương trình đường tải một chiều của tầng I C I D B B ^ I C P P IB=IB0 IB1 IC0 IB=0 U A U UB0 U UCEm CE0 C C BE in ^ U C Hình 2.20 Xác định chế độ tĩnh của tầng EC Dựa vào đặc tuyến vào IB=f(UBE) ta chọn dòng cực gốc tĩnh cần thiết IB0 chính là xác định được điểm P là giao điểm của đường IB=IB0 với đường tải một chiều trên đặc tuyến ra Để xác định được thành phần xoay chiều của điện áp ra và dòng điện ra cực góp của Transistor người ta phải dùng đường tải xoay chiều của tầng (đường CD trên hình 2.20). Nếu coi điện trở xoay chiều của nguồn EC=0 thì điện trở xoay chiều của tầng gồm hai điện trở RC và Rt mắc song song. Từ đó ta thấy rằng điện trở xoay chiều RXC =Rt//RC nhỏ hơn điện trở một chiều Rmc= RC + RE. Khi có tín hiệu vào thì điện áp và dòng là tổng của thành phần một chiều và xoay chiều. Đường tải xoay chiều đi qua điểm tĩnh P và độ rốc của đường tải xoay chiều lớn hơn độ rốc của 35
đường tải một chiều. Đường tải xoay chiều được xây dựng giựa theo tỉ số của số gia điện áp và số gia dòng điện UCE = IC(RC//Rt) Khi cung cấp điện áp tới đầu vào của tầng thì trong mạch cực gốc xuất hiện thành phần dòng xoay chiều iBXC liện quan đến điện áp lối vào UBE theo đặc tuyến vào của Transistor. Vì dòng cực góp tỉ lệ với dòng cực gốc qua hệ số  nên trên cực góp cũng xuất hiện dòng xoay chiều iC và điện áp xoay chiều Ura liên hệ với dòng xoay chiều bằng đường tải xoay chiều. khi đó đường tải xoay chiều đặc trưng cho sự thay đổi tức thời dòng cực góp ic và điện áp uC hay người ta gị đó là sự dich chuyển điểm làm việc. Điểm làm việc dịch lên ứng với ½ chu kì dương và dịch chuyển xuống ứng với ½ chu kì âm của tín hiệu. Tín hiệu ra không bị méo khi ta chọn tín hiệu vào thích hợp và chế độ tĩnh đúng. Việc chọn chế độ tĩnh và tính toán các thông số phải dựa vào một mạch khuếch đại cụ thể. những tham số ban đầu cần tính toán là biên độ điện áp ra, dòng điện tải, công xuất tải, và điện trở tải, các tham số nàycó quan hệ chặt chẽ với nhau nên về nguyên tắc chỉ cần biết hai trong những tham số đó ta có thể tìm được các tham số còn lại. Để tín hiệu không bị méo thì điều kiện sau đây phải được thoả mãn. ^ UCE > U C + Ucmin ^ IC0 > I C + IC0(E) Trong đó Ucmin là điện áp cực góp ứng với đoạn đầu của đặc tuyến lối ra (còn gọi là điện áp UCE bão hoà) IC0(E) là dòng cực góp ban đầu, chính là độ cao của đường đặc tuyến ra ứng với dòng IB =0. Quan hệ dòng ra với điện áp ra có dạng ^ ^ U U = r = r RC // Rt RXC Dựa vào dòng cực góp đã chọn ta có thể tính được dòng cực gốc tĩnh I C0 I C0 (E) IB0 =  từ đó dựa vào đặc tuyến vào của Transistor ta tìm được điện áp UBE0 ứng với IB0 đã tìm được dòng cực phát tĩnh quan hệ với dòng IB0 và IC0 theo biểu thức IE0=(1+ )IB0 +IC0(E) 36
Khi chọn EC (nếu như không cho trước) cần phải theo điều kiện EC =UC0 +IC0RC + UE0 Trong đó UE0 =IE0RE Khi xác định trị số UE0 phải xuất phát từ quan điểm tăng điện áp UE0 sẽ làm tăng độ ổn định nhiệt cho chế độ tĩnh của tầng. Tuy nhiên lúc đó cần phải tăng điện áp EC của nguồn cung cấp. Vì vậy thông thường người ta chọn UE0 = (0.1  0.3)EC U C0 Điện trở RE có thể tính từ RE = I C0 Khi tính các phần tử phân áp cần lưu ý với quan điểm ổn định nhiệt cho chế độ tĩnh của tầng, sao cho sự thay đổi của dòng cực gốc tĩnh IB0 ( do độ không ổn định của nhiệt của điện áp UBE0) phải ít ảnh hưởng đến sự thay đổi của điện áp UB0. Muốn vậy thì dòng Ip qua bộ phân áp R1,R2 phải lớn hơn dòng IB0 qua điện trở R1. Tuy nhiên với điều kiện IP>>IB0 thì R1,R2 phải nhỏ và chúng sẽ gây rẽ mạch của tín hiệu vào, làm giảm điện trở vào của tầng khuếch đại. Vì thế khi tính các phần tử của bộ phân áp ta phải hạn chế theo điều kiện sau: RB = R1//R2 = (2  5 )rv Ip =(2  5)IB0 rv là điện trở vào của Transistor đặc trưng cho điện trở xoay chiều mạch gốc – phát (rv= UBE/ IB) Điện trở R1,R2 có thể tính theo: U B0 U BE U E0 ECC U B0 R2 = ; R1 = I P I P I P I B0 Để xác định chế độ tĩnh ta lấy một ví dụ cụ thể như sau: Cho sơ đồ hình 2.19. Giả thiết yêu cầu biên độ điện áp ra là 2V, dùng Transistor có β = 100, UCEmin=0.5. Ngoài ra không còn yêu cầu gì thêm B.1: Tính lượng biến đổi điện áp ra trên colector UC =2Ur =4V. điện áp tối thiểu trên colector Ucmin = UE+UCER. Chọn UCmin =2.5V, do đó Ucc UCmin+ UC =6.5V. Để làm trội ta có thể chọn Ucc=8V B.2: chọn điện áp trên RE để ổn định điểm làm việc, chọn UE=2V B.3: chọn IC, vì không có yêu cầu gì đặc biệt về giải tần, trở kháng vào nên có thể chọn IC tương đối tuỳ ý. Thường chọn IC cỡ mA. Ta chọn IC=1mA 37
B.4: tính RE=UE/IE =2k B.5: chọn IP = 10IB 10IC/BN =100A B.6: tính R1+R2 = UCC/IP = 80K B.7: R1 = UB/IP = (UE +UBE)/IP =27k B.8: R2=80-27=53K. Có thể chọn điện trở chuẩn là 56K B.9: Chọn điện áp tĩnh trên colector UC0=UCC – (UCC - UE -UCEmin)/2 = 5.25V B.10: Tính RC = (UCC –UC0)/IC =2.75K chọn điện trở chuẩn RC =2.7K 2.5.2. Tầng khuếch đại colector chung(CC) Sơ đồ colector chung hay còn gọi là sơ đồ lặp lại Emitor vì điện áp ra lấy trên cực E của Transistor về trị số thì điện áp ra gần bằng điện áp vào và cùng pha với điện áp vào. Điện trở RE đóng vai trò Rt như điện trở RC của sơ đồ Emitor chung nghĩa là tạo ra một điện áp biến đổi ở đầu ra trên nó.Tụ C có nhiệm vụ đưa tín hiệu ra Hình 2.21 Sơ đồ CC tải Rt điện trở R1, R2 là bộ phân áp cấp điện một chiều cho cực gốc xác định chế độ tĩnh của tầng. Để tăng điện trở vào người ta không mắc R2. Tính toán chế độ một chiều tương tự như tính toán với sơ đồ EC. để khảo sát các tham số của tầng với dòng xoay chiều cần chuyển sang sơ đồ thay thế. Điện trở vào của tầng: RV = R1//R2//rv Ta có Uv = IB [rB +(1+ β)(re +RE//Rt)] Chia Uv cho IB ta có: rv =rB +(1+ β)(re +RE//Rt) từ biểu thức trên ta thấy rằng điện trở vào của tầng CC lớn hơn nhiều so với tầng EC vì rE thường nhỏ hơn nhiều so với RE//Rt, còn rB nhỏ hơn (1+ β)(re +RE//Rt) nên ta có điện trở vào của tầng lặp cực phát là: RV ≈ R1//R2//(1+ β)(RE//Rt) 38
Điện trở vào lớn đó là một ưu điểm lớn của tầng khuếch đại CC nó dùng để phối hợp với các nguồn tín hiệu có điện trở trong lớn Điện trở ra của tầng nhỏ cỡ (10 50). Nó được dùng để phối hợp mạch ra của tầng khuếch đại có điện trở tải nhỏ. Khi đó tầng góp chung làm tầng ra của bộ khuếch đại có vai trò như một tầng khuếch đại công suất đơn chế độ A Hình 2.22. Sơ đồ khuếch đại BC 2.5.3. Tầng khuếch đại Base chung Các phần tử trong mạch cũng giống như trong các sơ đồ trên Điện trở vào của tầng được xác định chủ yếu bằng điện trở rE vào khoảng (10  50). Điện trở vào nhỏ là một nhược điểm cơ bản của tầng BC vì tầng đó là tải lớn đối với nguồn tín hiệu vào. Đối với thành phần xoay chiều thì hệ số khuếch đại dòng của Transistor là =IC/IE <1. Hệ số khuếch đại dòng của tầng là: RC // Rt Ki = Rt Hệ số khuếch đại điện áp là: RC // Rt Ku = Rn là điện trở nội của nguồn tín hiệu. hệ số này nhỏ thì KU Rn RV lớn. 39
Một điều cần chú ý là đặc tuyến tĩnh của Transistor mắc BC có độ tuyến tính lớn nên nó có thể dùng với điện áp cực góp lớn hơn sơ đồ EC, Chính vì vậy tầng khuếch đại BC được dùng khi cần điện áp ở đầu ra lớn. Ura1 Ura2 Hình 2.23. tầng khuếch đại đảo pha 2.6. Tầng khuếch đại đảo pha Tầng đảo pha dùng để khuếch đại tín hiệu vào và cho ra hai tín hiệu có biên độ bằng nhau và ngược pha nhau. Hia tín hiệu lấy ra từ cực phát và từ cực góp. Nếu chọn RC =RE; Rt1=Rt2 thì hai tín hiệu ra có biên độ bằng nhau. Và sơ đồ này gọi là mạch đảo pha chia tải. 2.7. Các sơ đồ khuếch đại dùng Transistor trường (FET) Transistor hiệu ứng trường hoạt động dựa trên tác động của điện trường lên chuyển động của các hạt tải điện trong một kênh bán dẫn loại p hoặc n. Có hai loại transistor trường: loại JFET và loại MOSFET. 2.7.1. Transistor trường loại JFET Chữ JFET là viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Junction Field Effect Transistor có nghĩa là transistor hiệu ứng trường có lớp chuyển tiếp p-n. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của transistor trường loại JFET được trình bày trên hình 4.44.a. Có 2 loại JFET kênh N và kênh P. Ta sẽ xét điển hình một loại kênh N. 40
VGS (V) ID (mA) (a) (b) Hình 2.24. Cáu trúc và đặc tính truyền đạt của transistor trường JFET. Trên một thanh bán dẫn silicon loại n, người ta tạo nên một kênh dẫn điện N với các phần tử tải điện cơ bản là điện tử n được giới hạn bởi một lớp bán dẫn loại p bao xung quanh. Có 3 điện cực được gắn lên đó: cực nguồn S (source), cực cửa G (gate) và cực máng D (drain). Vị trí và nguồn điện cấp cho các cực được cho như trên hình. Transistor JFET kênh N gọi là N-JFET. Khi hoạt động, ta thấy lớp tiếp giáp p-n giữa cực cửa G và cực nguồn S được phân cực ngược bởi thế UGS, còn tải tiêu thụ được mắc nối tiếp với kênh dẫn và dòng qua tải chính là dòng cực máng ID. Như đã biết về đặc tính của lớp tiếp giáp p-n, sự biến đổi giá trị của điện áp phân cực ngược trên cực cửa UGS sẽ làm thay đổi độ rộng của miền nghèo phần tử tải. Điều đó dẫn đến làm thay đổi thiết diện ngang của kênh dẫn N và làm thay đổi dòng cực máng ID chảy qua kênh. Như vậy dòng cực máng phụ thuộc vào thế cực cửa và do đó cực cửa còn được gọi là cực điều khiển. Điện áp mà tại đó dòng cực máng ID nhận giá trị cực tiểu ( 0) gọi là điện áp ngưỡng UP. Đặc tuyến truyền đạt 2 U GS được mô tả bởi phương trình I D I DS 1 và có dạng như trên hình 4.44.b, U P trong đó IDS là dòng cực máng khi UGS = 0. Transistor trường JFET có tác dụng khuếch đại như transistor lưỡng cực. Họ đặc trưng lối ra của một transistor N- JFET có dạng như hình 4.45 gồm 3 vùng: - Vùng bão hoà (UD > Ubh): trong đó ID không phụ thuộc vào UDS mà chỉ phụ thuộc vào UGS. Đây là vùng sử dụng cho khuếch đại với dòng ID được điều khiển bởi thế vào UGS. 41
- Vùng tuyến tính (UD < Ubh): trong đó UD có giá trị nhỏ và phụ thuộc tuyến tính vào ID. - Vùng đánh thủng: trong đó dòng ID đột ngột tăng khi UDS đủ lớn để đánh thủng lớp tiếp giáp p-n gần điện cực máng. Hình 2.25. Họ đặc trưng lối ra của JFET. Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của transistor trường P-JFET về nguyên tắc cũng giống như loại N-JFET. Hình 4.46 là tóm tắt ký hiệu và dạng đặc tính truyền đạt của hai loại này. Hình 2.26. Ký hiệu và đặc tính truyền đạt của hai loại transistor trường JFET 4.4.2. Transistor trường loại MOS-FET 42
Chữ MOS-FET là viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Metal-Oxyt Semiconductor FET có nghĩa là transistor hiệu ứng trường có cực cửa cách điện bằng vật liệu ô-xit kim loại. Cấu trúc của một transistor MOS-FET được biểu diễn trên hình 4.47.a. Linh kiện cũng gồm có 3 cực: cực nguồn S và cực máng D nối với hai đầu kênh dẫn, cực cửa G nối với bản kim loại được cách điện cao với kênh qua một lớp cách điện, thường là ô-xit nhôm có điện trở rất cao. Với cấu trúc như vậy, tồn tại một tụ điện MOS nằm giữa cực nguồn và cực máng. Thí dụ, transistor MOS-FET kênh N sử dụng đế silicon loại p, cực nguồn và cực máng là silicon N+. Một hiệu điện thế dương đủ lớn đặt lên cực cửa sẽ làm đảo ngược tính bán dẫn của đế P và làm hình thành trong đế một kênh dẫn N. Các điện tử trong kênh dẫn sẽ chuyển dịch từ cực nguồn sang cực máng khi có một hiệu thế dương UDS đặt giữa cực máng và cực nguồn. Như vậy cũng bằng cách biến đổi giá trị của thế đặt vào cực cửa ta có thể biến đổi giá trị của dòng chảy qua cực máng. Transistor trường MOS- FET cũng có thể dùng để khuếch đại dòng điện. Do tính cách điện cao của lớp ô- xit kim loại nên transistor MOS-FET có đặc điểm rất quý là có trở vào rất cao, dòng dò lối vào rất nhỏ. +VGS R +VDS T +Ecc G I S D D N N Kªnh N §Õ P Hình 2.27. Cấu trúc của transistor MOS-FET. Trong mỗi loại kênh P hay N, transistor trường MOS-FET còn được phân biệt thành 2 loại: - Loại kênh có sẵn (hoạt động trong enhancement-mode): trong đó ngay tại thế UGS = 0 đã tồn tại sẵn kênh dẫn N (nếu đế loại P) hay kênh dẫn P (nếu đế loại N). Khi thế UGS < 0 sẽ làm nghèo nồng độ hạt tải của kênh và giảm độ dẫn kênh, giảm dòng ID. - Loại kênh không có sẵn (hoạt động trong deplete - mode): trong đó khi UGS = 0, độ dẫn của kênh rất nhỏ, hầu như bằng 0. Chỉ khi đặt một thế dương (với loại kênh N, đế loại P) hay thế âm (với loại kênh P, đế loại N) mới hình thành kênh dẫn điện. Sự tăng giảm của UGS trên giá trị điện áp ngưỡng sẽ làm thay đổi nồng độ hạt 43
tải điện của kênh, làm thay đổi độ dẫn kênh và tương ứng là dòng cực máng chạy qua kênh. Hình 2.28 là tóm tắt ký hiệu và dạng đặc tính truyền đạt của 4 loại này. Nói chung các sơ đồ hoạt động của transistor trường FET cũng tương tự như transistor lưỡng cực BJT, tức là cũng có các sơ đồ mắc theo kiểu nguồn chung (source chung), cửa chung (gate chung) hay máng chung (drain chung). Hình 2.28. Tóm tắt các ký hiệu và dạng đặc tính ra của các loại transistor MOS-FET. Riêng mạch định điểm làm việc, thí dụ cho một transistor trường N-JFET, thường hay sử dụng sơ đồ dùng sụt áp qua trở mắc tại cực nguồn như trình bày trên hình 4.49. Trong sơ đồ này, dòng máng ID gần bằng dòng cực nguồn IS sẽ tạo nên một sụt áp trên điện trở RS với chiều như hình vẽ. Sụt áp này được truyền qua một 44
điện trở đặt tại cực cửa Rg (thường có giá trị lớn cỡ mê-ga ôm) để tạo một điện áp ngược cấp cho tiếp giáp cửa - nguồn G-S. Hình 2.29. Định điểm làm việc cho transistor J-FET kênh N qua trở cực nguồn RS. Nguyên lý xây dựng các tầng khuếch đại dùng Transistor trường cũng giống như dùng Transistor lưỡng cực. Điểm khác nhau là Transistor trường điều khiển bằng điện áp. Khi chọn chế độ tĩnh của Transistor trường cần đưa tới đầu vào (cực cửa G) một điện áp một chiều có giá trị và cực tính cần thiết. 2.7.2. Tầng khuếch đại cực nguồn chung (SC) Tải RD được mắc vào cực máng D, các điện trở R1, RG, RS dùng để xác lập UGS0 ở chế độ tĩnh điện trở Rs dùng để hồi tiếp âm dòng điện một chiều để ổn định chế độ tĩnh khi thay đổi nhiệt độ và do tính tản mạn của tham số Transistor. Tụ CS dùng để khử hồi tiếp âm xoay chiều. Cp1 dùng để ghép tầng với nguồn tín hiệu vào nguyên tắc chọn chế độ tĩnh giống như ở Transistor lưỡng cực Điểm làm việc tĩnh P dịch chuyển theo đường táỉ một chiều sẽ qua điểm A và B. Đối với điểm A: IDS=0, UDS=+ED, Đối với điểm B: UDS=0, ID=ED/(RD+RS). Điện trở tải xoay chiều xác định theo RtXC=RD//Rt. 45
ID D B P UGS IC 0 UD S UGs U A U UDS DS0 C DS UG min ^ U U r 0 s0 Hình 2.20 a) sơ đồ khuếch đại SC b) Xác định chế độ tĩnh của tầng EC Trong chế độ tĩnh: UDS0 = ED – ID0(RD + RS) Trong đó: ID0 là dòng cực máng tĩnh UDS0 là điện áp cực máng - nguồn tĩnh. Điện áp UGS0 là tham số của đặc tuyến ra tĩnh đi qua điểm P. Dựa vào đặc tuyến của FET, ta thấy ở chế độ tĩnh điện áp cực G có thể là âm, dương hoặc có thể bằng 0 Khảo sát trường hợp UGS0<0 Điện trở RS và RG để xác định điện áp UGS0<0 trong chế độ tĩnh. Trị số và cực tính của điện áp trên RS là do dòng điện IS0 = ID0 chạy qua nó quyết định RS= UGS0/ID0 Điện trở RG để dẫn điện áp UGS0 lấy trên RS lên cực G của FET. Điện trở RG phải chọn nhỏ hơn điện trở vào. Điều này rất cần thiết loại trừ ảnh hưởng của tính không ổn điịnh theo nhiệt độ và tính tản mạn của các tham số mạch vào đến điện trở vào của tầng. Trị số RS thường chọn từ 1  5 M. Ngoài việc đảm bảo điện áp UGS0 yêu cầu điện trở RS còn tạo ra hồi tiếp âm dòng điện một chiều trong tầng, ngăn cản sự thay đổi dòng ID0 do tác dụng của nhiệt độ và tính tản mạn các tham số của Transistor và vì thế ổn định chế đọ tĩnh của tầng. Để tăng tính ổn định của tầng tăng điện trở RS nhưng phải đảm bảo UGS0. Trong 46
trường hợp này phải bù điện áp US0 bằng cách cung cấp cho cực cửa điện áp UG0 qua điện trở R1. RG UGS0 = US0 - UG0 = ID0.RS – ED (2.8) RG R1 ED RG R1 = RG (2.9) U S 0 U GS 0 Điện áp nguồn cung cấp ED =UDS0 + US0 +ID0.RD (2.10) Trị số RD có ảnh hưởng đến đặc tuyến tần số của tầng, nó được tính theo tần số trên của dải tần. Với quan điểm mở rộng giải tần thì phải giảm RD. Sau khi đã chọn điện trở trong của Transistor ri thì ta có thể chọn RD = (0.05  0.15) ri. Việc chọn US0 cũng giống như điện áp UE0 trong tầng EC, nghĩa là tăng điện áp Us0 sẽ làm tăng độ ổn định của điểm làm việc tĩnh do tăng Rs tuy nhiên khi đó phải tăng ED, vì thế thường chọn Us0 trong khoảng (0.1 0.3)ED. Khi UGS0 0 thì phải mắc RS để đạt yêu cầu về ổn định chế độ tĩnh. Lúc đó bát buộc phải mắc R1. Chọn các phần tử dựa vào các công thức (2.8 2.10) khi đó 2.8, 2.9 phải chọn UGS=0 hoặc là thay đổi dấu của điện áp UGS. Chế độ UGS>0 là chế độ điển hình của MOSFET có kênh cảm ứng loại n. Vì thế nếu thực hiện đổi dấu UGS0 trong công thức 2.8, 2.9 ta có thể tính mạch thiên áp R1, RG của tầng nguồn chung. Chọn loại FET phải chú ý đến các tham số dòng máng cực đại IDmaxx, điện áp máng cực đại UDmax, và công suất tiêu tán cực đại của Transistor PDmax. Giống như EC tầng nguồn chung cũng làm đảo pha tín hiệu vào. 2.7.3. Tầng khuếch đại cực máng chung 47
UV Ur Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại máng chung Sơ đồ khuếch đại máng chùng gầng giống với sơ đồ CC. điện trở R1, RG, và RS dùng để xác định chế độ làm việctĩnh cho Transistor. việc chọn và tính toán đảm bảo chế độ tĩnh được cũng giống như tầng SC. Tải một chiều là Rmc =RS còn trở tải xoay chiều là RtXC =RS//Rt Đối với tầng DC thì tín hiệu vào cùng pha với tín hiệu vào. Điện trở lối vào rất lớn cở 107 đến 1012. Hệ số khuếch đại điện áp nhỏ hơn 1. 2.7.4. Mạch khuếch đại dùng IC 2.8. Phương pháp ghép các tầng khuếch đại Một bộ khuếch đại thường gồm nhiều tầng mắc nối tiếp nhau như dưới vì thực tế một tầng khuếch đại không đảm bảo đủ hệ số khuếch đại cần thiết. Ở đây tín hiệu ra của tầng đầu hay tầng trung gian bất kì sẽ là tín hiệu vào của tầng cho tầng sau nó và tải của tầng trước là điện trở vào của tầng sau. Điện trở vào và ra của bộ khuếch đại sẽ được tính theo tầng đầu và cuối. UR1 =Uv2 URN-1 =UvN Uv1 1 2 N-1 N URN 48
Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại sẽ là tích hệ số khuếch đại của các tầng. KU =KU1.KU1.KU2 .KUN Việc ghép giữa các tầng có thể được thực hiện bằng tụ điện, biến áp hay ghép trực tiếp. 2.8.1. Ghép tầng bằng tụ điện Hình 2.22 Tầng khuếch đại ghép tầng bằng tụ điện Xuất phát từ hệ số khuếch đại yêu cầu. Việc tính toán các tầng ( chọn và đảm bảo chế độ tĩnh, tính tióan chế độ xoay chiều phải tuân theo thứ tự từ tầng cuối cùng trở về tầng đầu tiên. Trước hết tầng này phải đảm bảo đưa ra tải Rt công suất tín hiệu yêu cầu. Dựa vào hệ số khuếch đại tầng cuối cùng, ta xác định các hệ số tín hiệu vào của nó, và đó là cơ sở để tính toán cho tầng sau đó cứ như vậy ta tính toán cho các tầng còn lại của bộ khuếch đại Như đã đề cập ở các phần trước các bộ khuếch đại đều có hệ số khuếch đại giảm về hai phía là tần số thấp và tần số cao. Ở miền tần số thấp, khi tải thuần trở thì hệ số khuếch đại giảm là do tụ điện trong sơ đồ quyết định còn ở tần số cao thì chủ yếu là do các tham số của Transistor quyết định cụ thể: Ở tần số thấp: Khi tần số giảm thì độ dẫn điện của các tụ nối tầng sẽ giảm. Do đó có hạ áp trên các tụ nên điện áp của nguồn tín hiệu đặt vào tầng đầu tiên hay điện áp ra tâng trước đặt vào tầng sau sẽ bị giảm. Hạ áp làm giảm biên độ tín hiệu lối ra của các tầng của bộ khuếch đại nói chung tức là giảm hệ số khuếch đại ở miền tần số thấp 49
Tụ CE cũng làm giảm hệ số khuếch đại ở mìên tần thấp vì nó làm tăng mức độ hồi tiếp âm dòng điện xoay chiều trên RE. Việc giảm môđun của hệ số khuếch đại ở tần số thấp được đặc truwng bởi hệ số méo tần số thấp của bộ khuếch đại. K 0 Mt = K t Đó chính là hệ số méo tần số của mỗi tầng trong bộ khuếch đại Mt = Mt1.Mt2 .Mtn 1 2 hệ số méo tần số tính theo: Mt = 1 ( )  t t Đối với tụ Cp1 thì ta có hằng số thời gian  =Cp1(Rn+Rv1) trong đó Rn là điện trở nguồn tín hiệu vào, Rv1 là điện trở vào của tầng đầu tiên. Tương tự như vậy ta có thể tính được hằng số thời gian cho các tầng còn lại. Ở miền tần số thấp có tụ điện nên dòng điện nhanh pha hơn điện áp. Như vậy sự dịch pha của điện áp ra so với điện áp vào ở tần số thấp có đặc tính vượt trước. Góc dịch pha của bộ khuếch đại bằng tổng góc dịch pha của mỗi tụ và góc dịch pha của 1 mỗi tụ được tính t acrtg t t Đặc điểm công tác của bộ khuếch đại ở miền tần số cao là sự phụ thuộc hệ số khuếch đại  cảu Transistor vào sự tồn tại điện dung mặt ghép góp CCE. Những nhân tố này ảnh hưởng đến đặc tuyến tần số ở tần số cao. Ở miền tấn số cao sự giảm môđun  của Transistor cũng như tác dụng rẽ mạch của tụ CCE làm giảm hệ số khuếch đại Hệ số méo tần số cao xác định theo công thức: 2 MC= 1 (C C ) Ở đây C là hằng số thời gian cuar tầng ở tần số cao Góc dịch pha do một tầng khuếch đại gây ra là: C = -arrctg(CC) Trong bộ khuếch đại có nhiều tầng thì méo tần số cao bằng tích độ méo của các tầng còn méo pha bằng tổng méo pha của từng tầng. MC= MC1.MC2 MCn C = C1 + C2 + Cn 50
2.8.2. Ghép tầng bằng biến áp Hình 2.22 Tầng khuếch đại ghép biến áp Cuộn sơ cấp W1 mắc vào cực góp T1 , cuộn thứ cấp W2 mắc vào cực gốc T2 qua tụ Cp2. Ghép tầng bằng biến áp cách ly được điện áp một chiều giữa các tầng và có thể làm tăng hệ số khuếch đại chung về điện áp hay dòng điện phụ thuộc vào biến áp tăng hay giảm. Ưu điểm của mạch này là nguồn cung cấp cho cực góp của Transistor lớn vì điện áp một chiều cuộn dây bé do đó cho phép nguồn có điện áp thấp. Ngoài ra ghép biến áp còn dễ dàng phối hợp trở kháng và thay đổi cực tính điện áp tín hiệu trên các cuộn dây. Tuy nhiên có nhược điểm là đặc tuyến tần số không bằng phẳng trong giải tần, kết cấu mặch nặng nề, cồng kềnh, hư hỏng thay thế phức tạp. 2.8.3. Ghép trực tiếp Ghép trực tiếp cực góp của Transistor trước ghép trực tiếp vào cực gốc của Transistor sau. Cách ghép trực tiếp làm giảm méo tần số thấp trong bộ khuếch đại, được dùng trong bộ khuếch đại tín hiệu có thành phần một chiều. Nhược điểm của mạch là không tận dụng Hình 2.23 Tầng khuếch đại ghép trực tiếp 51
được độ khuếch đại của Transistordo chế độ cấp điện một chiều. 2.9. Một số mạch khuếch đại khác 2.9.1 Mạch khuếch đại Đarlingtơn Khi cần trở kháng vào C E tầng khuếch đại lớn để dòng vào nhỏ, hệ số khuếch đại lớn B B người ta nối mạch khuếch đại theo Đarlingtơn. Mạch gồm E C hai Transistor T1 và T2 Khi cấp nguồn để T1 và T2 làm a b việc ở chế độ khuếch đại ta có: HÌnh 2.24 Mạch Darlingtơn IC=IC1 + IC2; a) Mạch chuẩn IE =IE1 + IE2 b) Mạch Darlingtơn bù Bỏ qua dòng ngược ban đầu ta có: IC =1IB1 + 2IB2 = 1IB1 + 2 (1+1)IB1 1, 2 lần lượt là hệ số khuếch đại dòng của T1 và T2. Hệ số khuếch đại của sơ đồ là  =1 2 điện áp vào của mạch là: UBE = IB1rv1 + (1+1)IB1rv2 Điện trở R E đưa vào có tác dụng tạo một sụt thế khoảng 0.4V điều khiển mở T1, T2 lúc dòng ra đủ lớn và chuyển chúng từ mở sang khoá nhanh hơn. 2.9.2 Mạch Casốt (Kaskode) Mạch gồm hai Transistor ghép với nhau. T1 mắc phát chung còn T2 mắc gốc chung Khi có tín hiệu vào T1 khuếch đại đặt điện áp ra Ur1 lên cực phát T2. T2 khuếch đại tiếp cho ra Ur2. 52
Người ta tính được hệ số khuếch đại điện áp của T1 là: KU1 =-1; của T2 là Ku2 =2.Rc/rv2 Trong đó rv2 là điện trở vào của T2. Hình 2.25 Mạch khuếch đại Kascode Nên hệ số khuếch đại chung là K=Ku1Ku2 Ưu điểm của mạch là ngăn cản ảnh hưởng của mạch ra đối với mạch vào của tầng khuếch đại đặc biệt ở tần số cao. 2.9.3 Bộ khuếch đại vi sai Bộ khuếch đại vi sai là một bộ khuếch đại được cho như hình bên. Nó gồm hai đầu vào và hai đầu ra. Tín hiệu vào có thể từ hai nguồn riêng biệt Uv1, Uv2 hoặc từ một nguồn. trường hợp một nguồn tín hiệu được đặt lên cực gốc của một trong hai Transistor hoặc giữa hai cực gốc của chúng. Tín hiệu ra có thể lấy từ cực góp của một trong hai Transistor hoặc giữa hai cực góp của hai Transistor. Hình 2.26 bộ khuếch đại vi sai Xét một số trường hợp điển hình Với yêu cầu là tầng vi sai dùng các Transistor giống hệt nhau, Rc1 = Rc2. Do đó khi tín hiệu vào bằng 0, cầu cân bằng, điện áp trên cực góp của hai Transistor bằng nhau và như vậy điện áp lây trên đường chéo cầu Ura =Ur1 + Ur2 = 0. Sơ đồ có độ ổn định cao đồi với sự thay đổi điện áp cung cấp, nhiệt độ, và các yếu tố khác vì độ trôi của hai nhánh giống nhau, điện áp trên cực góp thay đổi cùng một gia số và độ trôi đầu ra gần như bị triệt tiêu Dòng IE chia đều cho hai Transistor nghĩa là IE1 =IE2 = IE/2 I E Dòng cực gốc được xác định IB01 =IB02 = I 2(1 ) V 0 Dòng cực góp IC1 =Ic2 = IE/2 IE/2 Điện áp cực góp UC1 = Uc2 =Ec1 –IE.Rc/2 Trạng thái này cho chế độ cân bằng của tầng và gọi là cân bằng tĩnh. 53
Khi có một tín hiệu đưa vào, giả sử Uv1>0, Uv2 =0. Do tác dụng của điện thế lối vào, xuất hiên dòng điện vào của hai Transistor, dòng cực gốc T1 tăng lên, dòng cực gốc T2 giảm xuống. Khi đó IE1, Ic1 tăng lên còn IE2 và Ic2 giảm xuống. sự thay đổi dòng điện xẩy ra ngược chiều nhau và với cùng một số gia. Điện áp trên cực góp của Transistor là Uc1 = Ec1 – Ic1Rc1 giảm một lượng Uc1 còn điện áp trên cực góp của Transistor T2 tăng một lượng Uc2 cùng pha với điện áp vào. Như vậy với cách đưa tín hiệu vào như đang khảo sát thì đầu ra của tầng lấy trên cực góp của Transistor T1 gọi là đầu ra đảo còn lấy ra trên cực góp của T2 gọi là đầu ra không đảo hay gọi ra đầu ra thuận tín hiệu lấy ra trên hai cực góp của hai Transistor gọi là tín hiệu vi sai Ura = Uc2 – Uc1 = Uc2 + Uc1 = 2 Uc 2| Ic|Rc 2.10. Bộ khuếch đại tín hiệu biến đổi chậm K Bộ khuếch đại tín hiệu biến đổi chậm (tín hiệu một chiều) làm viêc với những tín hiệu tần số gần bằng không và có đặc tuyến biên độ tần số như hình bên. K0 Việc ghép giữa nguồn tín hiệu với đầu vào bộ f khuếch đại và giữa các tầng trong bộ khuếch đại không thể dùng tụ điện hay biến áp vì khi Hình 2.27 Đặc tuyến tần số đó ta có đặc tuyến biên độ tần số như các mạch của bộ khuếch đại một chiều đã xét ở trên f =0 thì K=0 Để truyền đạt tín hiệu một chiều cần phải ghép trực tiếp theo dòng một chiều giữa nguồn tín hiệu với mạch vào và giữa các tầng trong mạch. Vì ghép trực tiếp nên việc chọn điểm làm việc tĩnh cho các Transistor có những đặc điểm riêng so với các Transistor đã khảo sát trước đây ví dụ như bộ khuếch đại ghép điện dung thì chế độ một chiều chỉ do những phần tử trong tầng quyết định và các tham số của nó được tính riêng cho từng tầng, và những ảnh hưởng của tầng này không ảnh hưởng đến các tầng khác. 54
Trong bộ khuếch đại một chiều không có phần tử cách ly thành phần một chiều vì vậy điện áp ra không chỉ xác định bởi tín hiệu ra có ích mà còn cả tín hiệu giả do sự thay đổi chế độ một chiều của các tầng theo thời gian, theo nhiệt độ, hay một nguyên nhân lạ nào khác. đặc biệt là những tầng đầu tiên vì những thay đổi của các tầng này sẽ được các tầng sau tiếp tục khuếch đại Sự thay đổi một cách ngẫu nhiên của tín hiệu ra khi tín hiệu vào không đổi gọi là sự trôi điểm không của bộ khuếch đại Chất lượng của bộ khuếch đại một chiều được đánh giá theo độ trôi quy về đầu vào của nó Utr.V = Utr.R/K trong đó K là hệ số khuếch đại Độ trôi quy về đầu vào đặc trưng cho trị số tín hiệu giả ở đầu vào cuả bộ khuếch đại. Khi xác định dải biến đổi của tín hiệu lối vào cần chú ý đến độ trôi ra sao cho Utr.r nhỏ hơn nhiều so với tín hiệu ra có ích 2.11. Khuếch đại công suất a) Đặc điểm chung và yêu cầu của tầng khuếch đại công suất Tầng khuếch đại công suất là tầng cuối cùng của bộ khuếch đại, có tín hiệu vào lớn. Nó có nhiệm vụ khuếch đại cho ra tải một công suất lớn nhất có thể được với độ méo cho phép. Các tham số cơ bản của tầng khuếch đại công suất - Hệ số khuếch đại công suất KP là tỉ số giữa công suất ra và công suất vào KP =Pr/Pv - Hiệu suất là tỉ số giữa công suất ra và công suất cung cấp một chiều P0  =Pr/P0 hiệu suất càng lớn thì tổn hao trên cực góp của Transistor càng nhỏ Các chế độ làm việc của tầng khuếch đại công suất có thể là A, AB, B tuỳ thuộc vào chế độ công tác của Transistor. Thường người ta chọn chế độ làm việc là chế độ AB hoặc chế độ B. Chế độ A là chế độ tầng khuếch đại cả hình sin của tín hiệu vào. Ở chế độ này góc cắt =1800 dòng tĩnh luôn lớn hơn dòng ra nên méo nhỏ nhưng hiệu suất rất thấp chỉ dùng khi yêu cầu công suất ra nhỏ. 55
Chế độ AB tầng khuếch đại hơn nửa hình sin của tín hiệu vào góc cắt 900 < <1080. Lúc này dòng tĩnh bé hơn chế độ A nên hiệu suất cao hơn điểm làm việc của chế độ AB gần vùng tắt của Transistor Chế độ B tầng khuếch đại nửa tín hiệu hình sin vào góc cắt =900. ở chế độ này dòng tĩnh bằng không nên hiệu suất cao Chế độ AB, và chế độ B có hiệu suất lớn nhưng méo cao. Để giảm méo người ta dùng mạch khuếch đại đẩy kéo mà ta sẽ xét sau: IC A AB B IB=0 a UEC A AB B b Hình 2.27 a) đặc tuyến ra của tranzitor b) các chế độ làm việc b) Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo chế độ B hay AB có biến áp Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo có biến áp gồm hai Transistor T1 và T2 tải được mắc với tầng khuếch đại qua biến áp ra BA2 trên mạch cực góp của mỗi Transistor mắc với nửa cuộn sơ cấp biến áp. tỷ số biến áp là n2 =W21/Wt = W22/Wt 56
Hình 2.28 tầng kéo đẩy ghép biến áp Biến áp BA1 có hệ số biến áp là n1 =WV/W11= WV/W12 đảm bảo cung cấp tín hiệu vào cực gốc của hai Transistor. Tầng có thể làm việc ở chế độ B hay chế độ AB trong chế độ AB thiên áp lấy trên cưc gốc của hai Transistor được lấy từ nguồn EC bằng bộ phân áp R1 và R2 trong chế độ B thiên áp ban đầu bằng không nên không cần R1 lúc đó R2 được dùng để đảm bảo công tác cho mạch vào của Transistor trong chế độ gần với chế độ nguồn dòng. Đầu tiên xét sơ đồ ở chế độ B. lúc đó không có tín hiệu vào điện áp trên cực gốc của hai Transistor bằng không. Nếu không tính đến dòng ngựơc cực góp thì có thể coi dòng điện bằng không. Trên cực góp các Transistor có điện áp bằng EC Khi có tín hiệu vào bắt đầu ở nửa chu kì dương, trên W11 của biến áp BA1 có nửa chu kì điện áp âm còn trên W12 có nửa chu kì điện áp dương đối với điểm chung. Kết quả là T2 tắt còn T1 làm việc có dòng IC1 =IB1. Trên cuộn W21 sẽ tạo 2 2 nên điện áp U21 = IC1Rt~ = IC1n 2Rt. trên tải có nửa sóng dương Ut = U21/n2 Khi tín hiệu vào chuyển sang nửa chu kì âm, cực tính trên cuộn thứ cấp biến áp vào đổi dấu. Lúc đó T1 tắt, T2 làm việc khuếch đại đưa ra nửa chu kì sau. Để tín hiệu không bị méo cần chọn 1 =2 = . Công suất ra của tầng là   U c I c Pr = 2 Công suất đưa ra tải có tính đến hiệu suất của biến áp 57
Pt =PrBA2 Trị số trung bình của dòng tiêu thụ từ nguồn T  1 I C I0 = i(t)dt 2 T 0 Công suất tiêu thụ từ nguồn cung cấp:  2EC I C P0 = Hiệu suất của mạch cực góp:  Pr U C C P0 4EC Hiệu suất của tầng:  U C =C.BA2 =BA2 4EC Nếu BA2 =1 và UC =Ec thì =78.5%. Thực tế thì UC<EC và BA2 =0.8 nên  =0.6 –0.7. c) Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo không có biến áp Mạch dùng Transistor cùng loại iC2 iC2 T1 T1 T 2 T2 iC1 iC1 Hình 2.29 Mạch kéo đẩy không biến áp dùng tranzitor cùng loại 58
Mạch dùng Transistor khác loại Hình 2.30 Mạch kéo đẩy không biến áp dùng tranzitor khác loại 59
2.12. Các sơ đồ khuếch đại dùng khuếch đại thuật toán. 1) Các tính chất chung của khuếch đại thuật toán Bộ khuếch đại thuật toán được cho trên hình bên (h?). It, Ut là dòng điện và điện áp vào cửa thuận. Id, Ud là dòng điện và điện áp vào cửa đảo Ir Ur là dòng điện và điện áp ra U0 là điện áp vào giữa hai cửa. Bộ khuếch đại thuật toán khuếch đại điện áp U0=Ut –Ud với +Ec hệ số khuếch đại K0>0. It T + Do đó điện áp ra Ur = K0U0 =K0(Ut - Ud) I U r nếu U =0 thì U = K U lúc này điện áp 0 d r 0 t - Id ra đồng pha với điện áp vào Ut. Vì vậy cửa Ut Đ Ur T gọi là cửa thuận và kí hiệu là + Ud -Ec Tương tự khi Ut = 0 thì Ur = -K0Ud điện áp ra ngược pha nên cửa Đ gọi là cửa đảo kí Hình 2.31 Bộ khuếch đại thuật toán hiệu là - Ngoài ra bộ khuếch đại thuật toán còn có hai cửa nối với nguồn nuôi đối xứng EC và các cửa để hiệu chỉnh lệch không và bù tần. Một số tính chất của bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng + Trở kháng vào Zv = + Trở kháng ra Zr = 0 + Hệ số khuếch đại K0 = 4 6 thường thì bộ khuếch đại thực tế có K0 = 10 – 10 ở vùgn tần số thấp. Ở tần số cao hệ số khuếch đại giảm xuống nguyên nhân là do sự phụ thuộc tham số của Transistor và điện dung kí sinh trong sơ đồ 2) Mạch khuếch đại đảo Rht Mạch khuếch đại đảo cho trên Iht hình bên (H?) có thực hiện hồi R1 N I0 tiếp âm điện áp qua Rht. Đầu vào - Ir thuận được nối đất. Tín được đưa U0 + qua R1 đến đầu vào đảo. Nếu coi U v U điện trở vào của khuếch đại thuật r toán lơn thì dòng cào vo cùng Hình 2.32 Bộ khuếch đại đảo nhỏ I0 =0 khi đó tại nút N có 60
phương trình dòng điện. Iv Iht U U U U từ đó có v 0 0 r R1 Rht khi K -> thì điện áp đầu vào U0 = Ur/K -> 0 U U R => v r => K= ht R1 Rht R1 Như vậy mạch khuếch đại đảo có Kd hồi tiếp âm song song được xác định bằng phần tử thụ động trong sơ đồ. Nếu chọn Rht =R1 thì sơ đồ có tính chất đảo tín hiệu vào. U r Nếu chọn R1 =0 thì Iv = hay Ur =-IvRht tức là điện áp tỉ lệ với dòng điện vào. Rht Mạch trở thành bộ biến đổi dòng điện thành điện áp. 3) mạch khuếch đại thuận Mạch khuếch đại thuận gồm mạch hồi tiếp âm điện áp đặt vào cực đảo còn tín hiệu đặt vào cửa Rht thuận. - Mạch khuếch đại thuận gồm mạch hồi tiếp âm Ir điện áp đặt vào cực đảo còn tín hiệu đặt vào + chân thuận. Uv R1 Ur Vì điện áp vào rất nhỏ xem như bằng không U0 = 0 nên quan hệ giữa điện áp vào và ra là R1 Uv = U r Hình 2.33 Bộ khuếch đại thuận R1 Rht hệ số khuếch đại điện áp của mạch khuếch đại thuận là Kt =Ur/Uv = 1 + Rht/R1 vì Rv = nên Iv =0 mạch này đượcc dùng khi cần một mạch vào có điện trở vào lớn khi Rht =0, R1 = thì ta có K0 =1 ta có sơ đồ lặp lại điện áp, với điện trở vào rất lớn 4) Mạch cộng a) mạch cộng đảo 61
mạch này các tín hiệu đưa tới R1 chân đảo, coi các điện trở vào U1 Rht bằng nhau U2 R2 - Rht = R1 =R2 = =Rn <Rv Un Ir Khi Iv =0 thì Rn + Iht =I1 +I2 + + In Ur Hay Ur =-(U1 + U2 + +Un) =- Hình 2.34 mạch cộng đảo n U i i 1 b) mạch cộng thuận các tín hiệu được đưa vào chân thuận khi Iv =0 ta có U U U U U U 1 v 2 v n v 0 R R R Rht hay R U1 - I U1 + U2 + + Un = nUv- r U2 R R1 + =n Ur U R R n R 1 ht R1 Ur nếu ta chọn các tham số của mạch Hình 2.35 mạch cộng thuận thích hợp để có thừa số đầu tiên của R vế phải bằng 1 (n 1 =1) thì ta R1 Rht có n U1 Ra Ra/ a Ur =U1 + U2+ + Un = U  i - i 1 Ua Ir 5) Mạch trừ + Khi nguời ta muốn trừ hai điện áp Ub U R / Ur người ta có thể thực hiện theo sơ đồ 2 b b Rb sau: Hình 2.36 mạch trừ 62
Khi đó ta có: Ur=K1U1 + K2U2 Ta có thể tìm K1,K2 bằng cách cho điện áp vào từng chân bằng không. Cho U2 =0 thì mạch làm việc như một bộ khuếch đại đảo. ta có Ur1 =- aU1 vậy K1 = a Khi U1= 0 mạch trở thành mạch khuếch đại thuận có phân áp vào. Khi đó: U 2 b Ub = Rb = U 2 Rb 1 b Rb b hệ số phân áp b 1 b khi đó Ur2 =(1+ a) U2 Hệ số khuếch đại K2 =(1+ a) Ur khi có U1, U2 là: Ur=Ur2 –Ur1 =(1+ a) U2- aU1 Nếu điện trở lối vào như nhau và a = b = Thì K2 = , K1=- Vậy Ur = (U2 –U1) 6) Mạch vi phân, mạch tích phân R a) mạch vi phân mạch vi phân là mạch có điện áp đầu C ra tỉ lệ với vi phân điện áp đầu vào, tức - Ir là: + Ur dU v Ur=K trong đó K là một hệ số dt với mạch dùng khuếch đại thuật toán thì ta coi U0 =0 , I0 =0 nên Hình 2.37 mạch vi phân Iv = C Mà Ur = -Iv R Nên Ur =-RC 63
ở đây K= RC gọi là hằng số vi phân của mạch. Dấu (-) nói lên điện áp ra ngược pha với điện áp vào khi tín hiệu vào là hình sin thì mạch vi phân làm việc như một bộ lọc tần cao b) mạch tích phân C Mạch tích phân là mạch có điện áp lối ra tỉ lệ R với tích phân điện áp lối vào - Uv t U =K U dt + r v Ur 0 Trong đó K là một hệ số HÌnh 2.38 Mạch tích phân dU r U v Ta có Iv =IC hay: -C dt R 1 t => U = U dt +U r v r0 Rc 0 Trong đó Ur0 là điện áp trên tụ C khi có t = 0( là hằng số tích phân xác định từ điều kiện ban đầu) thường thì t=0 Uv =0 nên Ur=0 nên 1 t U = U dt  =RC gọi là hằng số thời gian của mạch tích phân r v  0 Đối với tín hiệu hình sin thì mạch tích phân trở thành mạch lọc thông thấp. 7) Mạch tạo hàm logarit mạch tạo hàm logarit cho ta Ur =K1ln(K2Uv) trong đó K1, K2 là các hệ số. muốn vậy ta dùng biểu thức dòng qua điốt ở phần cấu kiện điện tử U ak 1 ID=IS emUT Trong đó: IS là dòng ngược tĩnh UT: điện thế nhiệt KT/e0 M: hệ số điều chỉnh (1 >IS) có thể coi - Uv U ak mUT + ID =IS e Ur từ đó ta có Uak=mUTln(ID/IS) chính là hàm logarit cần tìm Hình 2.39 Mạch logarit dùng điốt 64
để thực hiện được điều này ta mắc mạch như hình bên. Nếu coi khuếch đại thuật toán là lý tưởng thì ta có ID =U1/R Ur = -Uak U1 Hay Ur =-mUTln( ) RI S Để mở rộng phạm vi làm việc ta có thể thay điốt bằng một Transistor mắc theo kiều điốt 2.13. Mạch lọc nguồn Hình 2.40 Mạch lọc nguồn cho bộ khuếch đại Trong một bộ khuếch đại thường có nhiều tầng ghép với nhau và dùng một nguồn chung, nguồn nuôi có thể dùng Pin, ắc quy hay từ một bộ nắn điện. Để bộ khuếch đại làm việc ổn định nguồn nuôi cần có được độ gợn sóng nhỏ. Như hình vẽ trên bộ khuếch đại gồm ba tầng khuếch đại. Nguồn nuôi EC được cấp trực tiếp vào tầng khuếch đại thứ 3 và tụ C1 mắc song song với nguồn để ngắn mạch dòng xoay chiều xuống đất, không cho qua điện trở của nguồn, tụ C1 phải được chọn sao cho XC1<<Ri (điện trở nội của nguồn Ec) tương tự các tầng khuếch đại phía trước thì có các mắt lọc tương ứng là R2, C2 và R3, C3. điện trở R2, R3 dùng để ngăn dòng xoay chiều của các khối đó về nguồn. Giá trị của nó phải đủ lớn để ngăn dòng xoay chiều nhưng cũng gây ra sụt áp một chiều là vừa đủ để cấp nguồn cho các khối trước đó. 65
2.14 Lọc các thành phần xoay chiều của dòng điện ra tải Trong các mạch chỉnh lưu điện áp hay dòng điện ra tải tuy có cực tính không đổi nhưng giá trị của nó thay đổi theo thời gian một cách chu kì gọi là sự đập mạch của điện áp hay dòng điếnau chỉnh lưu. Một cách tổng quát ta có dòng điện ra tải khi tải thuần trở it =I0 +  An sin nt  Bn cos nt n 1 n 1 trong đó I0 là thành phần một chiều còn là tổng các sóng hài xoay chiều có giá trị và tần số khác nhau phụ thuộc vào loại mạch chỉnh lưu. vấn đề đặt ra là phải lọc các thành phần để cho it ít đập mạch vì các sóng hài gây sự tiêu thụ năng lượng vô ích và gây ra nhiễu loạn cho sự làm việc của tải trong bộ chỉnh lưu hai nửa chu kì thì thành phần một chiều i0 tăng gấp đôi so với mạch chỉnh lưu một nửa chu kì thành phần sóng hài cơ bản n=1 bị triệt tiêu, chỉ còn các sóng hài bậc cao n=2 trở lên. vậy mạch chỉnh lưu hai nửa chi kì đã có tác dụng lọc bớt sóng hài. Người ta định nghĩa hệ số đập mạch Kp của bộ lọc Kp=biên độ sóng hài lớn nhất của It (ut)/biên độ sóng hài lớn nhất của It (ut)) Kp càng nhỏ thì chất lượng của bộ lọc càng cao. Người ta tình toán rằng khi chỉnh lưu một nửa chu kì thì Kp=1.58 còn khi chỉnh lưu cả chu kì thì ta có Kp=0.667. Để thực hiện nhiệm vụ đã nêu ở trên thì các bộ lọc sau đây hay được dùng a- Lọc bằng tụ điện Do sự phóng nạp của tụ qua ½ chu kì và do các sóng hài bậc cao đợc rẽ nhánh qua tụ xuống điểm chung, dòng điện qua tải chỉ còn là thành phần một chiều và một lượng nhỏ sóng hài bậc thấp. Viêệc tính toán hệ số đập mạch của bộ lọc dùng tụ điện dẫn tới kết quả: KP = 2/wCRt Nghĩa là tác dụng lọc càng rõ rệt khi C, Rt lớn ( Rt tiêu thụ dòng điện nhỏ). Với bộ chỉnh lưu dòng điện công nghiệp (50Hz hay 60Hz) thì C thường nhận giá trị từ vài uF đến vài nghìn uF (Tụ hoá) 66
b- Lọc bằng cuộn L Mạch lọc bằng cuộn dây L được cho trên hình. Cuộn L mắc nối tiếp với tải Rt nên khi dòng ra tải biến thiên đập mạch trong cuộn dây xuất hiện sức điện động tự cảm chống lại. Do đó làm giảm các sóng hài (nhất là các sóng hài bậc cao). về mặt điện kháng, các sóng hài bậc n có tần số Hình 2.41. Các bộ lọc càng cao sẽ bị cuộn L chặn a) Lọc bằng tụ điện b) Lọc bằng cuộn L càng nhiều. Do đó dòng ra c) Lọc hình L ngược d) Lọc hình Pi tải chỉ còn thành phần một chiều I0và một lượng nhỏ các sóng hài. Đó là tác dụng lọc của cuộn L Hệ số đập mạch của cuộn dây là: KP = Rt/3wL Ta thấy rằng tác dụng lọc của cuộn L càng tăng khi Rt càng nhỏ (Rt tiêu thụ dòng lớn). Vì vậy mạch lọc này thích hợp với mạch chỉnh lưu công suất vừa và lớn. Giá trị L càng lớnthì tác dụng chặn càng cao. Tuy nhiên cũng không thể dùng L quá lớn vì khi đó điện trở một chiều của cuộn dây lớn sụt áp một chiều lớn nên hiệu suất chỉnh lưu giảm. c- Bộ lọc hình L ngược và hình π. Các bộ lọc này sử dụng kết hợp cả tác dụng lọc của L và C để lọc. do đó các sóng hài càng bị giảm và do đó dòng điện ra tải càng ít pnhấp nhô. Để tăng tác dụng lọc có thể mắc nối tiếp nhiều mắt lọc hình π với nhau khi đó dòng điện ra tải xem như bằng phẳng hoàn toàn. Trong một số trường hợp để giảm kích thước của bộ lọc người ta thay cuộn L bằng điện trở R trong mạch L ngựơc hay mạch π tuy nhiên khi đó R sẽ gây sụt áp 67
một chiều và do vậy làm giảm hiệu suất và chất lượng của bộ lọc. Thường người ta chọn R sao cho nó gây sụt áp khoảng (10 – 20) %U0. d- Bộ lọc cộng hưởng Bộ lọc cộng hưởng có tác dụng lọc các tần số bằng tần số dao động của khung cộng hưởng. vì ở tần số cộng hưởng nối tiếp của mạch LK, CK trở kháng của nó rất nhỏ nên nó ngắn mạch các sóng hài có tấn số bằng hay gần bằng tần số Hình 2.42. Bộ lọc cộng hưởng cộng hưởng. 68
CHƯƠNG 3: MẠCH TẠO DAO ĐỘNG 3.1. Khái niệm Mạch tạo dao động là mạch khi có nguồn cung cấp nó tự tạo ra tín hiệu. Mạch tạo dao động có thể phân làm hai loại. + Mạch tạo dao động hình sin gọi là mạch tạo dao động sin hay dao động điều hoà. + Mạch tạo dao động xung như xung vuông, xung tam giác gọi là mạch tạo dao động xung. Yêu cầu của mạch tạo dao động là tạo ra tín hiệu có biên độ và tần số ổn định cao, ít chịu ảnh hưởng của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm Để đạt được các yêu cầu đó mạch tạo dao động cần: + Dùng nguồn ổn áp + Dùng các phần tử có hệ số nhiệt độ nhỏ + Giảm ảnh hưởng của tải tới các mạch tạo dao động như mắc thêm tầng đệm + Dùng các linh kiện có sai số nhỏ + Dùng các phần tử ổn nhiệt Đặc biệt khi cần yêu cầu độ ổn định tần số cao trên 104 thì ta dùng thạch anh vào mạch tạo dao động. Vì thạch anh có độ ổn định rất cao vào cỡ 106 - 108. 3.2. Điều kiện dao động và đặc điểm của mạch tạo dao động Để xét nguyên lý làm việc cuả mạch tạo dao động ta dùng sơ đồ khối sau (hình 3.1) uvào K ura uht  Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch tạo dao động Nếu giả thiết tín hiệu vào là uv và Error! Objects cannot be created from editing field codes.Error! Objects cannot be created from editing field codes.=1 thì uht 69
=Error! Objects cannot be created from editing field codes.Error! Objects cannot be created from editing field codes. uv =uv vì vậy thì tín hiệu vào của mạch và tín hiệu hồi tiếp của mạch bằng nhau cả về biên độ và pha khi đó nếu ta nối tín hiệu hồi tiếp vào đầu vào thì thín hiệu vẫn không thay đổi. Lúc đó ta có sơ đồ khối của mạch tạo dao động làm việc theo nguyên tắc hồi tiếp. Như vậy trong sơ đồ này mạch chỉ dao động ở tần số mà nó thoả mãn: Error! Objects cannot be created from editing field codes.Error! Objects cannot be created from editing field codes.=1 (3-1) Vì Error! Objects cannot be created from editing field codes.,Error! Objects cannot be created from editing field codes. là những số phức nên viết lại Error! Objects cannot be created from editing field codes Error! Objects cannot be created from editing field codes.=K Error! Objects cannot be created from editing field codes.Error! Objects cannot be created from editing field codes. (3-2) Trong đó: K mođun hệ số khuếch đại. Error! Objects cannot be created from editing field codes.: mođun hệ số hồi tiếp φK: Góc dịch pha của bộ khuếch đại φβ: Góc dịch pha của mạch hồi tiếp có thể tách biểu thức 4-2 thành hai biểu thức viết theo modun và viết theo pha: Kβ=1 (3-3) φ = φK +φβ =2nπ (3-4) ử là tổng góc dịch pha của bộ khuếch đại và mạch hồi tiếp, biểu thị sự dịch pha của tín hiệu hồi tiếp và tín hiệu vào ban đầu. Quan hệ 4-3 được gọi là điều kiện cân bằng biên độ. Nó chỉ cho thấy mạch chỉ có thể dao động khi hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại có thể bù lại được tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra. Còn điều kiện cân bằng pha 4-4 chỉ cho thấy dao động chỉ có 70
thể phát sinh khi tín hiệu hồi tiếp đồng pha với tín hiệu vào ban đầu tức là có hồi tiếp dương. Thực tế để có thể dao động được khi mới đóng nguồn Error! Objects cannot be created from editing field codes.Error! Objects cannot be created from editing field codes. phải lớn hơn 1 làm cho biên độ dao động tăng dần và do tính chất phi tuyến của phần tử khuếch đại là tín hiệu vào tăng lên làm cho hệ số khuếch đại giảm và đến một lúc nào đó có Error! Objects cannot be created from editing field codes.Error! Objects cannot be created from editing field codes. =1 vậy điều kiện dao động của mạch là Error! Objects cannot be created from editing field codes.Error! Objects cannot be created from editing field codes. >=1. 3.3. Mạch tạo dao động sin ghép biến áp Mạch tạo dao động hình sin ghép biến áp có mạch hồi tiếp ghép qua biến áp Như hình dưới Trong mạch R1, R2 là bộ phân áp cấp điện một chiều cho cực gốc. R3, C3 làm ổn định nhiệt L1, C1 là khung dao động, L2 là cuộn ghép lấy điện áp hồi tiếp , c2 là tụ thoát, c4 là tụ lấy tín hiệu ra vì tranzitor mắc phát chung nên điện áp ra ngược pha với điện áp vào do vậy L2 cần đầu phù hợp Hình 3.2. Mạch tạo hình sin ghép biến áp 71
Tần số dao động của mạch do mạch cộng hưởng cực góp quyết định fdd = Error! Objects cannot be created from editing field codes. 3.4. Mạch dao động sin ba điểm Mạch dao động sin ba điểm có thể dùng tranzitor hay IC để khuếch đại. Với mạch dùng tranzitor mắc phát chung còn IC khuếch đại thuật toán có cửa thuận nối đất. Khung dao động chứa ba phần tử điện kháng X1, X2, X1. Hình 3.3. Sơ đồ mạch dao động ba điểm với thành phần xoay chiều từ mạch điện ta có Error! Objects cannot be created from editing field codes. để mạch dao động được cần Error! Objects cannot be created from editing field codes. mà K<0 nên cần Error! Objects cannot be created from editing field codes. <0 mặt khác tại tần số dao động có: X1 + X2 + X3 = 0 Kết hợp lại ta thấy X1, X2 phải khác dấu và X2 ,X3 phải cùng dấu, tức là: - Nếu X1 là điện cảm thì X2, X3 là tụ điện khi đó ta có mạch ba điểm điện dung. - Nếu X1là tụ điện thì X2, X3 là điện cảm ta có mạch ba điểm điện cảm 72
a b Hình 3.4. Mạch tạo dao động ba điểm a) Ba điểm điện cảm b) Ba điểm điện dung Trong hình a (Ba điểm điện cảm), nhánh điện cảm quấn hai cuộn L1 và L2. Tín hiệu hồi tiếp lấy từ L2. điện áp lấy ra từ colector qua tụ C4 điện áp trên L1 và L2 đối với điểm chung (đất) ngược pha nhau. Tín hiệu từ cuộn L2 qua tụ C2 đưa về đầu vào của tranzitor Trong hình b (ba điểm điện dung) mạch dao động bao gồm điện cảm L và hai tụ điện nối tiếp C1 và C2 được mắc song song với mạch ra của tầng. Điện áp hồi tiếp lấy từ tụ C1 đặt tới đầu vào của tranzitor qua tụ C3. Điện áp trên hai tụ C1 và C2 so với điểm chung là ngược pha nhau vì thế sẽ tạo ra hồi tiếp dương. Tần số dao động của mạch ba điểm điện cảm ở trên là: fdd =Error! Objects cannot be created from editing field codes. còn tần số dao động của mạch ba điểm điện cảm ở trên là: fdd = Error! Objects cannot be created from editing field codes. 3.5. Mạch tạo dao động ghép RC Các mạch tạo dao động RC thường dùng trong các bộ dao động có tần số thấp tới vài Hz còn mạch tạo dao động ghép LC dùng trong các bộ tạo dao động có tần số cao tới vài trục kHz 3.5.1 Mạch tạo dao động dùng mạch di pha RC trong mạch hồi tiếp 73
Hình 3.5. Mạch dao động di pha RC Với mạch dao động trên bộ khuếch đại có di pha 1800 nên bộ hồi tiếp cũng phải di pha 1800 Hàm truyền đạt và góc di pha mỗi khâu RC xác định theo: Error! Objects cannot be created from editing field codes. Error! Objects cannot be created from editing field codes. ở đây mỗi tầng RC chỉ tạo ra được góc di pha nhỏ hơn 900 nên để đảm bảo điều kiện về pha thì bộ hồi tiếp ít nhất phải có ba khâu RC mỗi khâu di pha 600. Và với sơ đồ trên để đạt được điều kiện đó ta cần có: R1//R2//rBE Từ mạch điện ta có hệ số truyền đạt của mạch hồi tiếp là: Error! Objects cannot be created from editing field codes. với K là hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại thì ta có: Error! Objects cannot be created from editing field codes. cho Error! Objects cannot be created from editing field codes. ta được 1-6w2R2C2 =0 tần số dao động của mạch là wdd = Error! Objects cannot be created from editing field codes. 74
thay vào biểu thức trên ta có Error! Objects cannot be created from editing field codes. nên K=-29 mạch có hệ số hồi tiếp là Error! Objects cannot be created from editing field codes., nên cần mắc điện trở R2,R3 sao cho Error! Objects cannot be created from editing field codes. 3.5.2 Mạch tạo dao động dùng mạch cầu viên Hình 3.6. Mạch dao động cầu viên Trong sơ đồ trên thì uht đưa vào cửa thuận còn các phần tử ở cửa đảo để xác định chế độ khuếch đại của mạch Từ mạch điện ta có: Error! Objects cannot be created from editing field codes. Error! Objects cannot be created from editing field codes. Hệ số hồi tiếp Error! Objects cannot be created from editing field codes. Thay vào và xét trường hợp R1=R2=R, C1 = C2 = C thì Error! Objects cannot be created from editing field codes. để mạch dao động được thì ta phải có: Error! Objects cannot be created from editing field codes. 75
2 2 2 Hay 1-w ddR C =0 => wdd = 1/RC Rút ra ta được K=3 Ta cần chọn R3 và R4 sao cho thoả mãn R4/R3=2 3.6. Mạch tạo dao động thạch anh 3.6.1 Tính chất và mạch tương đương của thạch anh Khi cần mạch dao động có tần số ổn định cao mà dùng các phương pháp ổn định nguồn cung cấp và ổn định tải vẫn không đảm bảo độ ổn định theo yêu cầu thì phải dùng thạch anh để ổn định tần số. Thạch anh có những đặc tính vật lý rất đáng quý như độ bền cơ học cao, ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và các tác động hoá học. Thạch anh có tính chất áp điện, nghĩa là dưới tác dụng của điện trường thì gây ra dao động. Do đó có thể dùng thạch anh như một khung cộng hưởng. Tính chất dao động của thạch anh được biểu diễn bởi sơ đồ tương đương sau: Trong đó Lq, Cq,rq, phụ thuộc vào kích thước khối thạch anh và cách cắt khối thạch anh. Hình 3.7. Thạch anh, kí hiệu và sơ đồ tương đương Thạch anh có kích thước càng nhỏ thì Lq, Cq,rq càng nhỏ nghĩa là tần số cộng hưởng riên của nó càng cao. Lq, Cq,rq có tính ổn định cao. CP là điện dung giá đỡ và nó có độ ổn định kém hơn. Thường rq rất nhỏ nên trong việc tính toán có thể bỏ qua. Trở kháng tương đương của thạch anh xác định theo công thức: Zq= Xq= Error! Objects cannot be created from editing field codes. Từ đây ta rút ra được là thạch anh có hai tần số cộng hưởng: Một là tần số cộng hưởng nối tiếp fq ứng với Zq=0 và một tần số cộng hưởng song song fp ứng với Zp = vô cùng Ta có: Error! Objects cannot be created from editing field codes. 76
Còn Error! Objects cannot be created from editing field codes. Cp càng lớn so với Cqthì fp càng gần với fq. Đặc tính trở kháng của thạch anh được cho trên hình bên Thường thạch anh được sản xuất với tần số fq = 1kHz đến 100Mhz. Các thạch anh có tần số thấp hơn ít được sản xuất vì nó đòi hỏi kích thước lớn và đắt tiền. Các tính chất về điện của thạch anh có thể tóm tắt như sau: + Phẩm chất cao: Q = 104 – 105 + Tỷ số Lq/Cq rất lớn do đó trở kháng tương đương của thạch anh Rtđ= Lq/ Cqrq là rất lớn. + Cq<<Cp + Tính tiêu chuẩn của thạch anh rất cao, với khung dao động thạch anh có thể đạt độ ổn định tần số 10-6 - 10 -10. Để thay đổi tần số cộng hưởng của thạch anh trong phạm vi hẹp ta mắc nối tiếp với thạch anh một tụ điện biến đổi Cs khi đó tần số dao động được tính theo biểu thức: ’ fq =Error! Objects cannot be created from editing field codes. 3.6.2 Mạch điện bộ tạo dao động dùng thạch anh 77
Mạch điện bộ tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng song song ở hình dưới đây (hình a) là mạch ba điểm điện dung. Nhánh có thạch anh nối tiếp với tụ CS tương đương một điện cảm, nghĩa là tần số dao động của mạch phải thoả mãn điều kiện fq f dd > fq 78
Chương I 2 CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN TRONG MẠCH TUYẾN TÍNH 2 1.1. Các đại lượng cơ bản 2 1.1.1. Điện áp, dòng điện và công suất 2 1.1.2. Các phần tử tuyến tính - Mạch tuyến tính 2 1.2. Các đặc trưng của mạch RC và mạch RLC 3 1.2.1. Mạch tích phân 3 1.2.2. Mạch vi phân 4 1.2.3. Đặc trưng dừng của mạch RC 5 1.2.4. Đặc trưng quá độ của mạch RC 7 1.2.5. Sự truyền tín hiệu vuông góc qua mạch RC 8 1.2.6. Đặc trưng dừng của mạch RLC mắc nối tiếp - Cộng hưởng điện áp 9 Chương 2 11 LINH KIỆN BÁN DẪN VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG 11 2.1. Giới thiệu một số dụng cụ chất bán dẫn cơ bản. 11 2.1.1 Điốt 11 2.1.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của điốt 11 2.1.1.2. Một số ứng dụng của điốt 14 2.1.2 Transistor lưỡng cực 22 2.1.2.1. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của transistor lưỡng cực 22 2.2. Định nghĩa và các chỉ tiêu cơ bản của mạch khuyếch đại 25 2.2.1. Định nghĩa mạch khuếch đại 25 2.2.2. Các chỉ tiêu và tham số cơ bản của tầng khuếch đại 25 2.3. Phân cực và chế độ làm việc một chiều 27 2.3.1. Nguyên tắc chung phân cực cho Transistor 27 2.3.2. Mạch cung cấp điện áp phân cực cho Transistor 28 2.4. Hồi tiếp trong các bộ khuếch đại 30 2.4.1. Các định nghĩa cơ bản 30 2.4.2. Các mạch hồi tiếp 30 2.4.3. Các phương trình đặc trưng cho mạch khuếch đại có hồi tiếp 31 2.4.4. Độ ổn định cho bộ khuếch đại 32 2.4.5. Ảnh hưởng của hồi tiếp đến trở kháng vào 33 79
2.4.6. Ảnh hưởng của hồi tiếp đến trở kháng ra 33 2.4.7. Ảnh hưởng của hồi tiếp đến dải động của bộ khuếch đại và méo phi tuyến 33 2.5. Các sơ đồ cơ bản dùng Transistor lưỡng cực (BJT) 34 2.5.1. Tầng khuếch đại emitor chung (EC) 34 2.5.2. Tầng khuếch đại colector chung(CC) 38 2.5.3. Tầng khuếch đại Base chung 39 2.6. Tầng khuếch đại đảo pha 40 2.7. Các sơ đồ khuếch đại dùng Transistor trường (FET) 40 2.7.1. Transistor trường loại JFET 40 2.7.2. Tầng khuếch đại cực nguồn chung (SC) 45 2.7.3. Tầng khuếch đại cực máng chung 47 2.7.4. Mạch khuếch đại dùng IC 48 2.8. Phương pháp ghép các tầng khuếch đại 48 2.8.1. Ghép tầng bằng tụ điện 49 2.8.2. Ghép tầng bằng biến áp 51 2.8.3. Ghép trực tiếp 51 2.9. Một số mạch khuếch đại khác 52 2.9.1 Mạch khuếch đại Đarlingtơn 52 2.9.2 Mạch Casốt (Kaskode) 52 2.9.3 Bộ khuếch đại vi sai 53 2.10. Bộ khuếch đại tín hiệu biến đổi chậm 54 2.11. Khuếch đại công suất 55 2.12. Các sơ đồ khuếch đại dùng khuếch đại thuật toán. 60 2.13. Mạch lọc nguồn 65 2.14 Lọc các thành phần xoay chiều của dòng điện ra tải 66 CHƯƠNG 3: MẠCH TẠO DAO ĐỘNG 69 3.1. Khái niệm 69 3.2. Điều kiện dao động và đặc điểm của mạch tạo dao động 69 3.3. Mạch tạo dao động sin ghép biến áp 71 3.4. Mạch dao động sin ba điểm 72 3.5. Mạch tạo dao động ghép RC 73 3.5.1 Mạch tạo dao động dùng mạch di pha RC trong mạch hồi tiếp 73 3.5.2 Mạch tạo dao động dùng mạch cầu viên 75 80
3.6. Mạch tạo dao động thạch anh 76 3.6.1 Tính chất và mạch tương đương của thạch anh 76 3.6.2 Mạch điện bộ tạo dao động dùng thạch anh 77 81