Bai giang mach_dien_tu_2

Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM
Khoa Công Nghệ Điện Tử

Bài giảng

T2

T1

S2 +
C'
Rg RL vL
vi C' S1
ri L'
ri L' -
-

Tp.HCM 08-2008

Mục lục

Chương 1: Đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đại ghép RC ............................ 3
1.1 Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại ................................................................ 3
1.2 Phương pháp khảo sát đáp ứng tần số của mạch khuếch đại ............................ 3
1.3 Khảo sát đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đại BJT ghép RC ................... 6
1.4 Khảo sát đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đại FET ghép RC ................ 11
Bài tập chương 1 ................................................................................................... 16
Chương 2: Đáp ứng tần số cao của mạch khuếch đại ghép RC ............................ 19
2.1 Bộ khuếch đại transistor ở tần số cao .............................................................. 19
2.2 Phân tích mạch khuếch đại BJT ở tần số cao .................................................. 21
2.3 Phân tích mạch khuếch đại FET tần số cao .................................................... 26
2.4 Mạch khuếch đại đa tần RC dùng BJT ........................................................... 29
2.5 Mạch khuếch đại đa tần RC dùng FET ........................................................... 31
2.6 Tích số độ lợi khổ tần GBW ........................................................................... 32
Bài tập chương 2 ................................................................................................... 35
Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng ............................................................. 38
3.1 Mạch cộng hưởng đơn dùng BJT transistor .................................................... 38
3.2 Mạch cộng hưởng đơn dùng FET ................................................................... 43
3.3 Mạch khếch đại ghép biến áp dùng BJT thông dụng ...................................... 46
3.4 Mạch khuếch đại điều hợp đồng bộ dùng FET ............................................... 47
3.5 Mạch khuếch đại điều hợp đồng bộ dùng FET ghép 2 tầng ........................... 49
Bài tập chương 3 ................................................................................................... 51
Chương 4: Mạch lọc thụ động ............................................................................... 54
4.1 Mục đích ứng dụng ......................................................................................... 54
4.2 Phân loại mạch lọc .......................................................................................... 54
4.3 Lý thuyết cơ sở về mạch lọc ........................................................................... 55
4.4 Mạch lọc thụ động ........................................................................................... 55
Phần II: Thiết kế và mô phỏng ............................................................................. 59
Chương 5: Mạch khuếch đại công suất audio ....................................................... 73
5.1 Đặc điểm của mạch khuếch đại công suất ...................................................... 74
5.2 Mạch khuếch đại công suất ghép tải trực tiếp (lớp A) .................................... 74
5.3 Mạch khuếch đại công suất ghép tụ ra tải(lớp A) ........................................... 76
5.4 Mạch khuếch đại công suất ghép biến áp (lớp A) ........................................... 77
5.5 Khảo sát mạch khuếch đại công suất lớp B .................................................... 79
5.6 Các dạng mạch công suất lớp B ...................................................................... 82
Bài tập chương 5 ................................................................................................... 91

Chương 1: Đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại

Chương 1
ĐÁP TUYẾN TẦN SỐ THẤP CỦA MẠCH
KHUẾCH ĐẠI GHÉP RC
1.1. Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại
• Mỗi mạch khuếch đại đều có một khoảng tần số hoạt động nhất định, gọi
là băng thông (Band width) hoạt động của hệ thống.
Ký hiệu: BW = [fH – fL] (Hz)
• Mạch khuếch đại được đặc trưng bởi hàm truyền hệ số khuếch đại, được
gọi là Ai hay Av.
• Đáp tuyến băng thông của mạch khuếch đại
Ax (dB )
A Midband
Am
2
f(Hz)
fL fH

1.2. Phương pháp khảo sát đáp ứng tần số của mạch khuếch đại
Các bước khảo sát:
i. Bước 1: Vẽ mạch tương đương ở vùng tần số hoạt động
ii. Bước 2: Thiết lập biểu thức của hàm truyền hệ số KĐ
iii. Bước 3: Vẽ biểu đồ Bode cho tần số và pha

Ví dụ: Cho mạch điện tương đương sau
R1 Vo
V1 +
vi I1
R2 C ie Rc
-
0

Vo i Rc i 1
Ta có A v = = − e × e = − Rc ×
Vi ie vi 1
R2 ×
jwC
R1 +
1
R2 +
jwC
1


1
(R 2 + )
jwC Rc (1 + jwCR 2 )
A v = − Rc × =− ×
(R + R 2 ) R 1 + R 2 1 + jwC(R 1 // R 2 )
R 1R 2 + 1
jwC
Rc (1 + jwCR 2 )
Vậy Av = − ×
R 1 + R 2 1 + jwC ( R 1 // R 2 )
1 1
Đặt w1 = , w2 =
CR 2 C(R 1 // R 2 )
w
(1 + j
)
Rc w1
=> Av = − ×
R 1 + R 2 (1 + j w )
w2

w 2
1+ (
)
Rc w1
Vậy: Av = × (1)
R1 + R 2 1+ (
w 2
)
w2
w w
và θ = arctg( ) − arctg( ) (2)
w1 w2

• Vẽ biểu đồ Bode cho tần số tín hiệu
Khai triển decibel ta được:

A v (dB) = 20 lg A v = 20 lg(
Rc w w
) + 20 lg 1 + ( ) 2 − 20 lg 1 + ( ) 2 (dB)
R1 + R 2 w1 w2
Hay A v (dB) = A 0 + A1 + A 2
⎧
⎪ 0dB ( w = 0)
w 2 ⎪
Xấp xĩ gần đúng A1 = 20 lg 1 + ( ) ≈ ⎨ 3dB ( w = W1 )
w1 ⎪ w
⎪20 lg w ( w >> w 1 )
⎩ 1

Biểu đồ Bode cho A1

2


A1 (dB )
20 20dB/deca
w(rad/s)
w 10w
Biểu đồ Bode cho các A0, A1, A2
Ax (dB )
A1
A0
20 20dB/deca
W2 10w2 w(rad/s)
W1 10w1

A2

Biểu đồ Bode tổng của Av
Av (dB )
Mid-bank
A

20dB/deca
w(rad/s)
W 1 W2

• Biểu đồ Bode cho pha tín hiệu
w w
Ta có θ = arctg( ) − arctg( )
w1 w2
Đặt θ = θ1 + θ2
⎧ 0 o , ( w << w 1 )
⎪
⎪ w w
Xấp xĩ gần đúng θ1 = ⎨45(1 + lg ), ( 1 < w < 10w 1 )
⎪ w1 10
⎪
⎩ 90 , ( w > 10w 1 )
o

Biểu đồ Bode cho θ1, θ2

3


90o θ

45o
w2 w(Rad/s)
10 w2 10w2
w1 w1 10w1
10
- 45o

θ
- 90o

Biểu đồ Bode cho góc pha tổng θ
θo

10w2
w(rad/s)
w1 w2 10w1
10 10
1.3. Khảo sát đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đại BJT ghép RC
• Phương pháp khảo sát: Để đơn giản cho việc khảo sát ta tách ra 2 loại
ghép RC riêng biệt
Ghép tụ bypass cực E transistor (Emitter bypass capacitor). Khảo
sát đáp tuyến tần số trên mạch này như các bước đã nêu trên
Ghép tụ ngõ vào và ra (Coupling capacitor)
Lưu ý:
Do đặc điểm chức năng của mỗi loại tụ ghép trong mà nó quyết định
sự ảnh hưởng đến hoạt động của mạch khuếch đại. Tụ Emitter quyết
định tần số cắt dưới của mạch. Tụ coupling chỉ đóng vai trò là tụ lien
lạc giữa ngõ vào và ra.
Khi thiết kế mạch ta chọn các giá trị C coupling sao cho
f L ( Bypassemit ter ) >> f L ( coupling )
• Ví dụ: khảo sát đáp tuyến tần số thấp của mạch khuếch đại sau

4


Vcc

Beta = 100
hie = 1K
Rc
R1 1K
2k Cc
Cb

i RL
ri 100
10k R2 Ce
2k Re
60

0

a. Đáp ứng của tụ Bypass
Bỏ qua ảnh hưởng của các tụ Coupling bằng cách nối tắt chúng, xét mạch
tương đương tín hiệu nhỏ như sau:
hie i
i
Rc RL
ii ri Rb Re βib
10k 1k 60
Ce β
1k ib 100

hie
i
Rc RL
ri Rb Re
βib Ce βib 1k 100
ii 10k 1k 60

ri//Rb hie iL
ib
Rc RL
Re
( ri // RB )ii βib Ce 1k 100
60

5


( ri // RB + hie )
β
iL
ie
Rc RL
( ri // RB )ii Re
Ce 1k 100
60

iL iL ie i (r // R b )
Ta có, A i = = × × i i
ii i e ii (ri // R b ) ii
RC 1
=− × × (ri // R b )
RC + RL Re ×
1
(R B // ri + h ie ) jωCe
+
β Re +
1
jωCe
1
Re +
R C (ri // R b ) j ωC e
=− × , với
RC + RL R iR e +
Ri
+
Re
j ω C e j ωC e
(R // r + h ie )
Ri = B i = 20Ω
β
R C (ri // R b ) 1 + jωCe R e
=− ×
RC + RL (R i + R e )[1 + jCe ω × ( R i // R e )]

R C (ri // R b ) 1 + j ωC e R e
Hay, A i = − ×
(R C + R L )(R i + R e ) [1 + jC e ω × ( R i // R e )]

ω
1+ j
1K (10K // 1K ) ω1
=− × , Với
(1K + 100)(20 + 60) 1 + j ω
ω2
⎧ 1
⎪ω1 = R C = 33.3Rad / s
⎪ e e
⎨
⎪ω = 1
= 133.23Rad / s
⎪
⎩
2
(R e // R i )Ce

6


ω f
1+ j 1+ j
ω1 f1 ⎧ f = 5.3Hz
Vậy, A i = 10.33 × , hoặc A i = 10.33 × , với ⎨ 1
ω f ⎩ f 2 = 21.25Hz
1+ j 1+ j
ω2 f2

2 2
⎛ω⎞ ⎛ ω ⎞
Ai dB
= 20 + 20 log 1 + ⎜ ⎟ + 20 log 1 + ⎜
⎜ω ⎟ ⎜ω ⎟ (dB)
⎟
⎝ 1⎠ ⎝ 2 ⎠

Độ lợi trung tần (hệ số khuếch đại trung tần): Được định nghĩa là
giá trị của hệ số khuếch đại tại tần số cắt dưới của mạch, hay
A im = A i (f L ) .
Biểu đồ Bode
Ai (dB ) Ai (dB )
A1 32dB
20dB/decade 20 Mid-bank gain
A0
20
20dB/decade
w2 10w2
w(rad/s)
w(Rad/s) 33.3 133.23
w1 10w1 ωL

A2

Theo tính chất của biểu đồ Bode tần số cắt dưới của mạch
ωL = 133.23Rad / s , hay f L = 21.25Hz
Biểu đồ pha

90o θ

45o
w2 w(Rad/s)
10 w2 10w2
w1 w1 10w1
10
- 45o

- 90o θ

Biểu đồ pha tổng hợp
7


90o θ1

45o
270
w2 10w2 w(rad/s)
w1 w2 w1 10w1
10 10
- 45o

θ2
- 90o
b. Đáp ứng của tụ coupling
Bỏ qua ảnh hưởng của tụ Bypass bằng cách nối tắt nó, ta xét mạch tương
đương tín hiệu nhỏ như hình dưới.
Cb ib Ce iL

βib Rc RL
ii ri Rb hie
1k 100
10k 1k

Dùng phép biến đổi tương đương Thevenin ta được
ri Cb ib Ce iL
10k βib
Rc RL
riii Rb hie
1k 100
1k

(error: nguồn áp, thiếu ký hiệu i0)
i L i L β i b i b i 0 rii i
Ta có, A i = = × × × ×
i i β i b i b i 0 riii i i
RC RB 1
=− ×β× × × ri
RC + RL +
1 R B + h ie r + 1
+ R b // h ie
jωCC jωCb
i

β R C R b ri jω C C × jω C b
=− ×
R b + h ie [1 + jω CC (R L + R C)]× [1 + jω C b (ri + R b // h ie)]

8


Để đơn giản ta chỉ cần xét các tần số cắt dưới:
1 1
ωL1 = , và ωL 2 =
CC (R L + R C ) C b (ri + R b // h ie)
Do mục đích thiết kế của ta là các tụ Coupling chỉ đóng vai trò tụ liên lạc
giữa ngõ vào và ra. Nên để mạch hoạt động ổn định, tức các tần số cắt do
tụ coupling sẽ không ảnh hưởng đến tần số cắt dưới của mạch (fL ứng với
tụ Bypass), thì: ωL1 ,ωL 2 << ωL .
1
Thường ta chọn các tụ CC và CB sao cho: ωL1 = ωL 2 = ωL
10

1.4. Khảo sát đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đại FET ghép RC
Cho mạch khuếch đại FET đặc trưng như hình vẽ

Vcc

Các linh kiện FET trong
Rd thực tế có các giá trị:
Cd gm : trở dẫn (khoảng vài
ri Cg 2 mili 1/Ω)
3
1 rds : Trở kháng ngõ ra DS
Rg
RL (vài chục - vài trăm KΩ)
Vi Rs Cs Cgs: giá trị cảm kháng ngỏ
1MEG vào GS (vài PF - vài chục
PF)
0 Cgd: giá trị cảm kháng ngõ
ra GD ( 0.1 PF - vài PF)
Phương pháp khảo sát đáp ứng tần số thấp của mạch FET cũng giống như với
BJT, ta chia mạch làm hai trường hợp: Đáp ứng của cụ Bypass Cs và đáp ứng
của tụ Coupling.
a. Đáp ứng của tụ Bypass
Mạch tương đương tín hiệu nhỏ như hình vẽ

9


rds
ri
G S D i0 iL
g m v gs
Rg
Vi Rs Rd
Cs RL
1MEG

0

Mạch tương đương thevenin
ri rds _ i0 D iL
G S +
g m rds vgs
Rg
Vi Rs Rd
Cs RL
1MEG

0

Ta có, v gs = v g − vs , và dặt μ = g m rds

S rds _ + + _ i0 D iL
μvS μvi
Rs Rd
Cs RL

0

μvS rds μvi
S _ + M + _ i0 D iL

Rs Rd
Cs RL

0

Dùng phép biến đổi tương đương Thevenin cho đoạn mạch MO

10


rds μ v i_ i iL
M + 0 D

(1 + μ ) Rs Cs Rd
RL
(1 + μ )

0

vL R i i μv
Vậy, A v = =− L L × 0 × i
vi i0 μ vi vi
R R 1
=− L d × ×μ
R d + R L r + R // R + (1 + μ )[R //( 1 )]
j ωC S
ds d L S

1
= −μ(R L // R d )
(1 + μ)R S
rds + R L // R d +
1 + j ωR S C S
μ 1
= ( R L // R d )
(1 + μ) rds + R L // R d RS
+
(1 + μ) 1 + jωR S C S
r + R L // R d
Đặt R i = ds
(1 + μ)
Ta có,
μ 1 μ 1 + jωR SCS
Av = (R L // R d ) = (R L // R d )
(1 + μ) Ri +
RS (1 + μ) R i + jωR S R i CS + R S
1 + jωR S C S

μ 1 + j ωR S C S μ R L // R d 1 + jωR SCS
=− (R L // R d ) =
(1 + μ) R i + R S + jωR S R i CS (1 + μ) R i + R S 1 + jω R S R i C
Ri + RS
S

μ R L // R d 1 + jωR SCS
Hay, A v = −
(1 + μ) R i + R S 1 + jω(R i // R S )CS

Viết gọn lại ta được:

11


⎧A vm = −g m (rds // R L // R d )
⎪
⎪ω1 = 1
⎪ R S CS
A v = A vm
s + ω1
, trong đó ⎨
s + ω2 ⎪ω = 1
⎪ 2 ( R // R )C
⎪ i S S

⎩
b. Đáp ứng của tụ ghép cực máng
ri
Cd
+

V r Rd +
Vi R gs ds
g
g V RL VL
- m gs

-

Hàm truyền của mạch:
v L v L v gs
Av = = ×
v i v gs v i

gmR L ⎡ ⎛ 1 ⎞⎤ Rg
Av = − × ⎢rds // R d // ⎜ R L +
⎜ ⎟⎥ ×
1 ⎣ ⎝ sC d ⎟⎦ R g + ri
⎠
RL +
sC d
Rg
Vì R g rất lớn do đó ≈1
R g + ri

⎧A vm = −g m (rds // R L // R d )
s ⎪
A v = A vm . Trong đó: ⎨ 1
s + ωL ⎪ωL = C (R + r // R )
⎩ d L ds d

c. Đáp ứng của tụ ghép cực cổng

12


r Cd
i

+
+
V r Rd
Vi R gs ds RL VL
g
g V
- m gs -

Hàm truyền của mạch:
v L v L v gs
Av = = ×
v i v gs v i
Rg
A v = −g m (rds // R d // R L ) ×
1
R g + ri +
sC d

⎧A vm = −g m (rds // R L // R d )
s ⎪
A v = A vm . Trong đó: ⎨ω = 1
s + ωL ⎪ C d (ri + R g )
L
⎩
Giá trị R g thường rất lớn nên ωL rất nhỏ vì vậy Cd ảnh hưởng rất ít đến méo tần số
thấp, méo chỉ ảnh hưởng do Cs gây ra.

13


Bài tập chương 1
1.1 Cho mạch như hình:

IL

Ii Rb Ce RL
Re
4K 5uF 1K
100

Cho biết h ie = 1KΩ; h fe = 50.
a. Vẽ mạch tương tín hiệu nhỏ tần số thấp
i L (s)
b. Tìm hàm truyền A i =
i i (s)
c. Vẽ biểu đồ Bode cho biên độ và pha
1.2 Vẽ biểu đồ Bode cho biên độ và pha của hàm truyền:
⎡ (s + 10 )(s + 300 )(s + 400 )⎤
A = 10 4 ⎢ ⎥
⎣ (s + 2 )(s + 12 )(s + 2000) ⎦
VCC

IL
10K 10K
1K

Ii
10uF
4K

Cho biết h ie = 1KΩ; h fe = 100.
i L (s)
a. Tìm hàm truyền A i =
i i (s)
b. Vẽ biểu đồ Bode cho biên độ và pha

14


Vcc=10V

5K
Cc
1K

+
1K
Vi
5K 1K Ve

-

Biết h fe = 100 .
a. Tính toán phân cực cho mạch (I CQ , VCE )
b. Vẽ mạch tương tín hiệu nhỏ tần số thấp
i L (s)
c. Tìm hàm truyền A i =
i i (s)
d. Xác định Cc để tần số cắt thấp 3dB là 5Hz.
Vcc (12V)

Rc
R1 1K
47K Cc
Cb

i RL
ri 1K
10K Ce
Re 100uF
180

0

Biết gm= 5.10-3, Cgs= 20pF, Cgd = 0.5pF, rds=17KΩ
a. Vẽ mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số thấp của mạch điện trên
iL
b. Tính A i =
ii
c. Vẽ biểu đồ Bode và pha cho đáp ứng miền tần số thấp của mạch

15


Vdd

5K

5K Q2
FET N

Vi +
100K 250
V
L

250 100uF 100K
-

Biết rds = 5KΩ; g m = 5.10 −3 Ω -1
VL
a. Tìm A v =
Vi
VL
b. Tìm A v = nếu tụ Bypass ở cực nguồn nối song song cả hai điện trở 250 Ω
Vi

16

Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại

Chương 2
ĐÁP ỨNG TẦN SỐ CAO CỦA MẠCH
KHUẾCH ĐẠI GHÉP RC
2.1 Bộ khuếch đại transistor ở tần số cao
Ở tần số thấp mạch khuếch đại có đáp ứng phụ thuộc tụ ghép và bypass. Ở tần số
cao đáp ứng tần số đáp ứng tần số bị giới hạn do các điện dung bên trong của BJT,
FET
2.1.1 Mạch tương đương hình PI của BJT

Trong đó:
• rbb’: điện trở tỷ lệ trực tiếp với độ rộng base rbb’ ≈ 10 ÷ 50Ω
0.025h fe
• rb 'e : điện trở mối nối rb 'e = (T= 300 ο K )
I EQ
1 1
• :trở kháng ra >> R L
h oe h oe
0.025h fe
• h ie = rbb ' + rb 'e = rbb ' + (T= 300 ο K )
I EQ
Tần số cắt(cut off frequency)

ic
Tần số cắt β là tần số cắt 3dB của độ lợi dòng ngắn mạch ngõ ra
ii v CE = 0

17


1 1
fβ = =
2πrb 'e (C b 'e + C b 'c ) 2πrb 'e C b 'e
Giới hạn tần số cao f T : là tần số mà tại đó độ lợi dòng mạch CE bằng 1
f T = f β h fe − 1 ≈ f β h fe
2

Mô hình CB ở tần số cao

Tần số cắt α: là tần số cắt 3dB của độ lợi dòng ngắn mạch ngỏ ra

i sc h fb và f α = h fefβ
Ai = ≈
ii v cb = 0
1 + jω / h fe ωβ
Mô hình trên không tồn tại tại f T và tần số cắt có thể xác định bằng:
f α = (1 + λ )f T ≈ (1 + λ )h fe f β , λ = 0.2 to 1; giá trị tiêu biểu là 0.4
Mô hình PI với nguồn áp:

Trong đó:
h fe I 1
gm = ≈ EQ = 40I EQ (T= 300 ο K ), g m =
rb 'e 0.025 h ib
Tóm tắt các phần tử mạch tương đương PI:
• rbb’ ≈ 10 ÷ 50Ω
0.025h fe
• rb 'e =
I EQ
h fe I
• gm = ≈ EQ = 40I EQ
rb 'e 0.025

18


h fe 40I EQ g m
• C b 'e = = =
w T rb 'e wT wT
• C b 'c tỉ lệ (Vcb ' )− p với p=1/2 đến 1/3

Ta tham khảo datasheet của BJT C1815

2.2 Phân tích mạch khuếch đại BJT ở tần số cao
2.2.1 Đặc tính Transistor ở tần số cao
Ở dãy tần số cao, đáp ứng tần số của transistor bị giới hạn do các điện dung kí
sinh giữa các lớp tiếp giáp PN. Thông thường các Cb’e có giá trị vài trăm ÷ vài
chục pF, với BJT cao tần Cb’e khoảng vài chục pF.
Cb’e, Cb’c, quyết định tần số giới hạn trên trong đáp ứng cao tần.
Cb’c có giá trị vài chục ÷ vài pF, với BJT cao tần Cb’c < 1 pF
1
Tần số cắt trên f β =
2πrb 'e (C b 'e + C b 'c )

19


Tần số giới hạn trên của BJT f T = βf β
Các thông số được cung cấp của nhà sản xuất cho BJT cao tần
β, C b 'e , C b 'c , f T , Pmax , VBE max
2.2.2 Phương pháp khảo sát
Dạng mạch tổng quát
Vcc

R1 Rc

+ Cc
Cb

RL
+
R2
ri Re
ii
Ce

Mạch tương đương AC

Giá trị các tụ ghép thường được chọn
⎧ 1
⎪C b = Cc , X c = Ω
⎨ 10
⎪
⎩ Ce >> C b

Sơ đồ tương đương Miller
+v b'e

R
Rc RL
Ii Rb'e gm v b'e
Cb'e CM

C

R'L
R b′e = ri // R B // rb′e g
, và C b′e ≈ m
R ′L = R C // R L wT
25mV β
rb ′e ≈ h ie = mβ , gm =
I eQ rb′e

20


C M = (1 + g m R ′L ) C b′c
rb 'e C
R = (1 + b ′e )
β C b ′c
C = g m R b ′e C b ′c
Lưu ý: R và C chỉ dùng để tính trở kháng ngõ ra
Z in = R b′e //(C b′e + C b′c )
Z 0 = R C //( R + 1 jwC)
Hàm truyền
iL i g V V
Ai = = L × m b′e × b′e
i i g m Vb′e Vb′e ii
RC 1
⇒ A i = −g m R b′e ×
R C + R L [1 + jwR (C b′e + C M )]
b′e

1
⇒ A i = A im ×
ω
(1 + j
)
ωH
⎧ g m R C R b′e
⎪A im = − R + R
⎪ C L
Với ⎨
⎪ωH = 1
⎪
⎩ R b′e (C b′e + C M )

1
Tần số cắt trên của mạch là fH = (Hz)
2πR b′e (C b′e + C M )

Đáp tuyến tần số
Ai dB

f
fH

2.2.3 Ví dụ: Xác định đáp ứng tần số cao của mạch sau

21


VCC=12V

R1 Rc
33k 1k
Cc
Q1
ri Cb 1u

1k 1u
V4 Q2SC1815
100mVac

R2 Re Ce RL
6.8k 220 10u 470

0 0 0 0 0

Mạch tương đương DC :

VCC=12V VCC=12V

Rc Rc
R1
1k
33k 1k
Q3
Q2

Q2SC1815
Q2SC1815 RB
R2 Re Re
6.8k 220
VBB 220

0 0 0 0

33Kx 6.8K
RB = = 5.6K
33K + 6.8K
6.8K
VBB = 12 x = 2.1V
33K + 6.8K

Transistor C1815 có β = 300
VBB − VBE 2.1 − 0.7
IC = = ≈ 5.8mA
RB 5.6K
+ RE + 0.22K
β 300
VCE = VCC − I C (R C + R E )
= 12 - 5.8(1 + 0.22) = 5V > 0 (Transsistor làm việc ở chế độ KĐ)
Mạch tương đương tần số cao:

22


ri r b'e Rb Cb'e CM gm vb'e R
C RL
ii

Rb'e Cb'e CM gm vb'e L
R'
ii

vi
Trong đó: i i =
ri
25mV
rb 'e = h ie = β = 1.3K
I CQ
R b 'e = ri // R B // rb 'e = 1K // 5.6K // 1.3K = 0.5K
R 'L = R C // R L = 1K // 0.47 K = 0.3K
β 300
gm = = = 0.23
rb 'e 1300

C M = (1 + g m R 'L )C b 'c = (1+0.23x300)x2=140(pF)
Độ lợi dòng điện:
RC 1
A i = −g m R b ' e × ×
R C + R L 1 + jwR b 'e (C b 'e + C M )
1
= A im ×
ω
1+ j
ωH
Với:
⎧ g m R C R b′e 0.23 × 1 × 500
⎪A im = − R + R = − 1 + 0.47 = −78
⎪ C L
⎨
⎪ wH = 1
= 7.4 × 106 (rad / s)
⎪
⎩ R b′e (C b′e + C M )

Tần số cắt trên của mạch: f H = 1,2MHz

23


RL 0.47 1 1
A v = Ai × = −78 × × = −37
ri 1 1+ j ω 1+ j
ω
ωH ωH

Biểu đồ bode:
2
⎛w ⎞
Av db
= 20 × lg A v = 20 lg 37 − 20 lg 1 + ⎜
⎜w ⎟
⎟
⎝ H ⎠
2
⎛w ⎞
=31.4- 20 lg 1 + ⎜
⎜w ⎟
⎟
⎝ H⎠

Av(dB)
31,4

1,2
f(MHz)

2.3 Phân tích mạch khuếch đại FET tần số cao

Ở tần số cao các điện dung ở các mối nối trong FET là C gs và C gd .

C gs tỷ lệ với (− VGS )
−1 / 2
VGS ≤ 0

C gd tỷ lệ với (− VGD )
−1 / 2
VGD ≤ 0

Vì VGD >> VGS do đó C gd << C gs

C gs có giá trị khoảng 50pF ở các FET có tần số thấp nhỏ hơn 5pF ở các FET cao
tần. Tụ hồi tiếp C gd thường nhỏ hơn 5pF và ở các IG-FET cao tần thì nhỏ hơn
0.5pF.

24


Mạch khuếch đại FET ở tần số cao dạng C-S:
Vdd

Rd
Cd

ri Cg

Vi Rs RL
Rg Cs

0

Sơ đồ tương đương:
ri Cgd
G D

gm Vg rds rds
Vi Cgs RL

S
Cgs từ vài chục ÷ vài pF
Cgo từ vài pF → nhỏ hơn 1pF
Ở tần số cao xem như nối tắt Cg,Cs, Cd
Ta xét 2 trường hợp:
* Trường hợp 1: ri ≠ 0
Sơ đồ tương đương Miller
ri +v gs VL

gm v gs rds//Rd//RL
Vi Cgs CM

CM=[1 + gM(rds // Rd // RL)]Cgd
1
VL VL Vgs g m Vgs (rds // R d // R L ) jw (C gs + C M )
Av = = × =− ×
Vi Vgs Vi Vgs 1
ri +
jw (C gs + C M )

25


1
A v = −g m (rds // R d // R L ) ×
1 + jwri (C gs + C M )
1
A v = A vm ×
jw
1+
wH
⎧A vm = −g m (rds // R d // R L )
1
Trong đó: ⎪ fH =
2πri (C gs + C M )
⎨w = 1
⎪ H r (C + C )
⎩ i gs M

Biểu đồ Bode:
Av dB

f
fH

* Trường hợp 2 ri = 0
Sơ đồ tương đương của mạch

+
VL
Cgd Rd R
(-g +jwCgd)Vi r L
m ds

-

⎡ 1 ⎤
VL = (− g m + jwC gd )Vi × ⎢(rds // R d // R L ) // ⎥
⎢
⎣ jwC gd ⎥
⎦
w
−1+
V w H1
A v = L = A vm
Vi w
1+
w H2

26


⎧
⎪
⎪A vm = g m (rds // R d // R L ) ⎧ 1
⎪ ⎪f H1 = 2πC (r // R // R )
Trong đó: ⎪w H1 =
⎨
1 ⎪
⇒⎨
gd ds d L

⎪ C gd (rds // R d // R L ) ⎪f = g m
⎪ gm ⎪ H 2 2πC gd
⎩
⎪w H 2 =
⎪
⎩ C gd
Biểu đồ Bode:

AV

f H1 f H2 f

2.4 Mạch khuếch đại đa tần RC dùng BJT

27


Trở kháng Miler Z AA ' được xác định

1 1
= YAA ' = sC b 'c +
Z AA ' 1 / sC b 'c g m R 2 + C 2 / g m C b 'c
Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại đa tần:

Trong đó:
R 1 = ri // R b1 // rb 'e
R 2 = R c1 // R b 2 // rb 'e
C 2 = C b 'e + [1 + g m ( R c 2 // R L )]C b 'c
Độ lợi dòng điện:

28


i L ⎛ i L ⎞⎛ v b ' 2 ⎞⎛ v b '1 ⎞
Ai = =⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟
i i ⎜ v b ' 2 ⎟⎜ v b '1 ⎟⎜ i i ⎟
⎝ ⎠⎝ ⎠⎝ ⎠
⎛ ⎞⎡ ⎛
R 1 ⎜1 +
s ⎞
⎟
⎤
⎜ ⎟⎢ ⎜ ω ⎟ ⎥
⎛ − g m R c 2 ⎞⎜ − g m R 2 ⎟ ⎢ ⎝ 2 ⎠ ⎥
≈⎜
⎜ R + R ⎟⎜ ⎟
⎝ c2 L ⎠ 1+
s ⎟⎢ ⎛ 1 1 ⎞ ⎛ s 2 ⎞⎛ C b 'e + C b 'c ⎞ ⎥
⎜ 1 + s⎜ +
⎜ ω ω ⎟ + ⎜ ω ω ⎟⎜ ⎟⎥
⎝ ω2 ⎟⎢⎠⎣⎢ ⎝ 1
⎟ ⎜
2 ⎠
⎟⎜
⎝ 1 2 ⎠⎝ C1 ⎟
⎠⎥⎦
Trong đó:
1 1
ω1 = ; ω1 =
R 1 C1 R 2C2
C1 = C b 'e + (1 + g m R 2 )C b 'c
Tần số cắt được xác định từ phương trình:
2 2
⎡ w2 ⎛ C b 'e + C b 'c ⎞⎤ ⎛ 1 1 ⎞
⎢1− h
⎜
⎜ ⎟⎥ + w 2 ⎜ +
⎟ h ⎜
⎟ =2
⎣ w1w 2 ⎝ C1 ⎠⎦ ⎝ ω1 ω2 ⎟
⎠
Giải ra ta được:
⎛ ω1ω2 ⎞⎧ ⎡ ω2 ω1 ⎫
2
⎪ ⎤ ⎡ ω2 ω1 ⎤ 2 ⎪
⎜ 2q 2 ⎟⎨− ⎢ ω + ω + 2(1 − q )⎥ + ⎢ ω + ω + 2(1 − q )⎥ + 4q ⎬
ωh = ⎜ ⎟
⎝ ⎠⎪ ⎣ 1
⎩ 2 ⎦ ⎣ 1 2 ⎦ ⎪
⎭
C + C b 'c
Với q = b 'e .
C1

2.5 Mạch khuếch đại đa tần RC dùng FET

Vdd

Rd Rd Cc2 → ∞
C c1 → ∞
ri +
V
L

Vi Rg Rg RL

-

29


ri C gd C gd
R d // R g // rds
+
g m Vg 2s
Vi R g C gs V
L
C gs
g m Vg1s R d // R L // rds
-
Làm tương tự như với trường hợp BJT với các giá trị R 1 , R 2 , C1 , C 2 được xác định:
C1 = C gs + C gd [1 + g m (rds || R d || R g )]
C 2 = C gs + C gd [1 + g m (rds || R d || R L )]
R 1 = ri || R g
R 2 = R d || rds || R g
2.6 Tích số độ lợi khổ tần GBW( The gain-band width product)
GBW là một thông số được dùng để ước lượng đáp ứng của mạch khuếch đại
băng rộng trong bước thiết kế.
GBW = A im f h
Trong đó:
A im : độ lợi dãy giữa
f h : tần số cắt cao

2.6.1 Tích số độ lợi khổ tần của mạch khuếch đại BJT đơn tần:
Mạch khuếch đại CE đơn tầng “lý tưởng“ ( R L ->0), độ lợi dãy giữa xấp xỉ h fe và
tần số cắt cao 3dB là f β , vì vậy:
gm
GBW = h fe f β = f T ≈
2πC b 'e
f T được dùng để ước lượng giới hạn tần số cao của BJT và được cho bởi nhà
sản xuất.
Giá trị thực tế bị giảm bởi điện dung Miller:
⎡ 1 ⎤ gm
GBWBJT = g m R b 'e ⎢ ⎥=
⎣ 2πR b 'e (C b 'e + C M ) ⎦ 2π(C b 'e + C M )
2.6.2 Tích số độ lợi khổ tần của mạch khuếch đại FET đơn tần:
⎡ 1 ⎤
GBWFET = g m (rds || R s )⎢ ⎥
⎢ 2πri (C gs + C M )⎥
⎣ ⎦
GBWFET thường được chuẩn hóa bằng cách giả sử rằng:

30


1
ri = rds || R d ⇒ GBWFET = g m
2π(Cgs + C M )
2.6.3 Tích số độ lợi khổ tần của mạch khuếch đại đa tầng
Ta xét mạch khuếch đại đa tầng sau:

Giả sử:
rbb ' = C b 'c = 0 ; R L << R c
R b 'e = R c || R b || rb 'e ≈ ri || R b || rb 'e
1
w1 =
R b 'e C b 'e
i L ⎛ i L ⎞⎛ v bn ⎞ ⎛ v b 2 ⎞⎛ v b1 ⎞
Ai = =⎜ ⎟⎜ ⎟Κ ⎜
⎜ v ⎟⎜ i ⎟
⎟⎜ ⎟
i i ⎜ v bn ⎟⎝ v bn −1 ⎟
⎝ ⎠
⎜
⎠ ⎝ b1 ⎠⎝ i ⎠
n
⎛ − g m R b 'e ⎞ ⎛ − g m R b 'e ⎞⎛ − g m R b 'e ⎞ ⎛ − g m R b 'e ⎞
= −g m ⎜
⎜ 1 + s / w ⎟ Κ ⎜ 1 + s / w ⎟⎜ 1 + s / w ⎟ = ⎜ 1 + s / w ⎟
⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎝ 1 ⎠ ⎝ 1 ⎠⎝ 1 ⎠ ⎝ 1 ⎠

Độ lợi dãy giữa: A im = (− g m R b 'e )n .
Tần số 3dB thỏa phương trình A i = A im / 2 .
n/2
⎡ ⎛w ⎞
2
⎤
⎢1 + ⎜ h
⎜ ⎟
⎟ ⎥ = 21 / 2
⎢ ⎝ w1
⎣ ⎠ ⎥
⎦
w h fh
⇒ = = 21 / n − 1
w 1 f1
Sự suy giảm tần số cắt cao theo số tầng khuếch đại:

31


n 1 2 3 4 5
f h / f1 1.0 0.64 0.51 0.44 0.39

32


Bài tập chương 2
2.1 Cho mạch như hình. Biết độ lợi băng thông giữa i L i i là 32dB, tần số 3dB trên
là 800KHz và dòng tĩnh emitter 2mA, giả sử rbb ' = C b 'c = 0 . Tìm h fe , rb 'e , C b 'e .
Vcc

IL
1K

1K
Ii
VBB

2.2 Cho mạch như hình. Biết w T = 10 9 rad / s; h fe = 100; C b'c = 5pF; rbb' = 0; I EQ = 10mA .
Vcc

1K
10K 20uF
20uF
IL

Ii 10K 1K RL=1K
100 20uF

Tìm:
a. A im = i L i i
b. Tần số 3dB trên f h
2.3 Transistor hai hình dưới có các thông số sau: rb 'e = 1K; C b 'e = 1000pF; C b 'c = 10pF
và g m = 0.05Ω −1 . Xác định độ lợi và GBW của mỗi dạng.

33


Vcc

Vcc
100K
20uF
IL
10K 1K
+
10K
1K V
L
Vi
1K
Ii 1K 20uF
-

2.4 Với tham số transistor như bài 2.3. Tìm độ lợi và GBW của mạch sau:
Vcc

1K 20uF
1K 20uF

IL
1K
10K 10K
Ii 100
100
20uF 20uF
VBB VBB

2.5 Cho mạch như hình. Biết gm= 5.10-3, Cgs= 50pF, Cgd = 0.5pF, rds=15KΩ.
Vcc

Rc
1K Cc
ri Cb
3
2 +
1
2K VL
Vi RL
R2 Ce 1k
Re
1M
100
100uF
-
0

34


a. Vẽ mạch tương đương tín hiệu nhỏ ở miền tần số cao
vL
b. Tìm A v =
vi
c. Vẽ biểu đồ Bode cho đáp ứng miền tần số cao
2.6 Cho mạch nối cascade như hình. Giá trị linh kiện ri = 1K; R g = 1M; rds = 10K ;
R L = 10K. Tìm độ lợi dãy giữa và băng thông 3dB.

Vdd

Rd Rd Cc2 → ∞
C c1 → ∞
ri +
V
L

Vi Rg Rg RL

-

35

Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng

Chương 3
MẠCH KHUẾCH ĐẠI CỘNG HƯỞNG
3.1. Mạch cộng hưởng đơn dùng BJT transistor

3.1.1. Phân tích lý thuyết

Sơ đồ mạch lý thuyết

Mạch tương đương tín hiệu nhỏ

Mạch tương đương tín hiệu nhỏ dạng rút gọn

(bỏ qua thành phần R-C giữa cực C và E)

36


Các thông số liên quan
Các thông số của Transistor 2SC1815:
fT=80MHz, Cob=2pF, hFE = 300
Giá trị cảm kháng của cuộn L được tính theo công thức sau :
r 2n 2
L
22.9l  25.4r
Trong đó :
r : bán kín vòng dây (cm)
n : số vòng dây
l : chiều dài cuộn dây(cm)
L: cảm kháng (uH)
Trở kháng vào:
R i  ri // R b // R p // rb 'e

Với R p 
wL 2  wLQ C  rc Q C
2

rc
rc là nội trở của cuộn dây.
Q C là hệ số phẩm chất của cuộn dây (thường Q C =
100)
Điện dung tổng tương đương:
C  C'C b 'e  C M
Hàm truyền
iL iL g V V
Ai    m b 'e  b 'e
i i g m Vb 'e Vb 'e ii
RC 1
 gm
RC  RL 1
 jwC 
1
Ri jwL
RC 1
 g m R i  
RC  RL  R 
1  j wR i C  i 
 wL 
RL R
 g m R C // R L   i 
1
A V  Ai 
ri ri  R 
1  j wR i C  i 
 wL 
Băng thông
Ta có tại tần số cắt:

37


Ai Ai 1
 3dB  
Ao dB
Ao 2

Ai 1 1 1
  
Ao  R   R 
2
2
1  j wCR i  i  1   wCR i  i 
 wL   wL 
2
 R 
  wCR i  i   1
 wL 
Phương trình có hai nghiệm dương:
w1  w 
 wH   1  4 2  1
2  w1 

w  w 
 w L  1  1  4 2  1
2 
 w1 

1 R
Với w 1  ; w2  i
R iC L
Băng thông 3dB được xác định:
BW= f H  f L 
1
w H  w L   1 w 1  1
2 2 2R i C
Tích số độ lợi khổ tần:
RC 1
GBW= Aim BW  g m R i  
R C  R L 2R i C
gmR C
GBW=
2R C  R L C

38


Tần số cộng hưởng
Tần số cộng hưởng khi độ lợi đạt giá trị cực đại:
Ri
(A i ) max  wCR i  0
wL
1 1
 w0   f0 
LC 2 LC

3.1.2. Tính toán các giá trị trên lí thuyết
VCC  6.8 12  6.8
VBB    2.05(V)
33  6.8 39.8

6.8  33
R BB   5.64 (K)
6.8  33

VBB  VBE 2.05  0.6
I CQ    12 .22 (mA )
R BB 5.6K
 RE  0.1
 100

.25 300 .25
h ie  rb 'e    614 
I CQ 12 .22
 300
g r 614
C b 'e  m  b 'e   972 pF
T 2f T 2.80 .10 6
 300
gm    0.49
rb 'e 614
C M  1  g m R L // R C C b 'c
 1  0.49  600 .2  590 pF

39


C  C'C b 'e  C M
 100 nF  972pF  590pF  100nF
C=100nF
Hàm truyền
RC 1
A i  g m R i  
R C  R L 1  j / 1  2 / 
R R 1
A v  A i  L  g m R C // R L  i 
ri ri 1  j / 1  2 / 
1 1
f0    706 .3 KHz
2 LC 2 0.5.10 .101548 .10 12
6

R p  wLQ C  2.2K
R i  ri // R BB // R p // rb 'e  50

Băng thông
1 1
BW    31.6KHz
2R i C 2  50 101548 .10 12
Độ lợi

R C // R L 1
Av  gmR i  
ri 1  j / 1  2 / 
R // R L
A v dB  20 log(g m R i  C )  20 log 1   / 1  2 / 
ri

Biểu đồ Bode lí thuyết
Dựa vào biểu thức trên ta nhận thấy rằng :
 Khi  = 0 : tức là lúc giá trị trong biểu thức trong căn
tiến về 0 => G = Aim = dB.
 Khi  càng xa 0 , lúc này biểu thức trong căn có giá trị
rất lớn => Ai có giá trị rất bé.

Dựa vào yếu tố ta vẽ được biểu đồ Bode cho mạch cộng hưởng:

40


3.2. Mạch cộng hưởng đơn dùng FET
3.2.1. Phân tích lí thuyết
Sơ đồ mạch lí thuyết

Mạch tương đương tín hiệu nhỏ

41


Mạch tương đương tín hiệu nhỏ dạng rút gọn
v gs iL
+ a

vi
ii  Ri L C g m vgs
Rd RL
ri _

Với : R i  ri // R P , và C  C'C b'e  C M
Các thông số liên quan:
Các thông số của FET: rds, Cgs, Cgd, gm được cho bởi nhà sản xuất
Thiết lập hàm truyền:

iL i g m v gs v gs
Ai   L  
i i g m v gs v gs ii
R d // rds 1
  gm 
R L  R d // rds 1
 ( jC 
1
)
Ri jL
R d // rds Ri
  gm 
R L  R d // rds 1  ( jCR i  i )
R
jL
R d // rds 1
  gmRi 
R L  R d // rds 1  j(CR i  i )
R
L
 1
1 
 R iC
Đặt: 
 2  R i

 L
Ta được
R d // rds 1
Ai    gmR i 
R L  R d // rds  
1  j(  2 )
1 

42


RL R R d // rds 1
A v  Ai   L   gmR i 
ri ri R L  R d // rds  
1  j(  2 )
1 

Ri 1
A v  g m (R d // rds // R L )  
ri 1  j(   2 )
1 
Làm tương tự như trường hợp BJT ta được:
1
BW 
2R i C
g m R d // rds // R L 
GBW= A vm BW 
2ri C

Tần số cộng hưởng:
1 1
0  , hay  f 0 
LC 2 LC

3.2.2. Tính toán các giá trị trên lí thuyết
Hàm truyền
Ri = Rp//ri = ri = 50 (do Rp >> ri)
i D 2I  V 
gm   DSS 1  GSQ  =0,5.10 (1/Ω)
-3
v DS VP  VP 
(xem thêm datasheet của JFET 2SK30A )
C M  1  g m (rds // R d // R L ).Cgd =0.9pF
C=C’+ Cgs  C M  C' =1003pF
R P // ri 1
A v  g m (R L // R d // rds )  
ri  R // r 
1  j(R P // ri )C  P i 
 L 
Băng thông
1 1
BW    3.17 MHz
2R i C 2.50.1003 .10 12

43


1 1
f0    7.1MHz
2 LC 2 0.5.10  6.1003 .10 12

Biểu đồ Bode lí thuyết
Ri
A v dB  20 log(0.3)  20 log 1  j(CR i  )
L
Dựa vào biểu thức trên ta nhận thấy rằng :
 Khi  = c : tức là lúc giá trị trong biểu thức trong căn tiến
về 0 => Av (max)= -10 dB.
 Khi  càng xa c , lúc này biểu thức trong căn có giá trị rất
lớn => Av có giá trị rất bé.

Dựa vào yếu tố ta vẽ được biểu đồ Bode cho mạch cộng hưởng:
3.3. Mạch khếch đại ghép biến áp dùng BJT thông dụng
VCC

Rc

R1 Cc
Cb
Q1

n2
RL
Ii ri L'
R2 Re Ce
C' n1

Mạch tương đương AC
VL
n2
Ii ri L' gm.Vbe Rc RL
Rb//rb'e Cb'e+CM
C' n1

Mạch tương đương rút gọn

44


iL
+ vb'e
ii Ri L
a RC RL
C
g m vb 'e
C
_

R b // rb ' e
Với: C=C’+a2(Cb’e + CM)), và Ri= ri //RP//( )
a2
n1
Trong đó a 
n2
U 2 U1 Z1
Ztđ = = 
i 2 a 2 i1 a 2
U2 n 2 1 i n
  ; 2  1 a
U1 n1 a i1 n 2
Ta có:
v b 'e
iL iL g m .v b 'e RC 1
Ai     a  ag m  
i i g m .v b 'e v b 'e ii RC  RL 1
 j(C 
1
)
a Ri L' 
RC 1
Ai  ag m R i  
RC  RL R 1
1  j(CR i  i  )
L' 
Tương tự lý luận ta được:
RC
Aim  a  g m  R i
RC  RL
1
Tần số cộng hưởng: f0= với C=C’+a2(Cb’e + CM))
2  L' C
R b // rb ' e
Ri= ri //RP//
a2
3.4. Mạch khuếch đại điều hợp đồng bộ dùng FET:

45


Mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao:

Việc ghép các bộ khuếch đại điều hợp đồng bộ đạt được độ lợi cao và dãy thông
hẹp hơn.
Làm tương tự như trên ta có được các kết quả:
v L  ag m rds // R L ri // R p  1
AV   
vi ri w w0 
1  jQ i 
w  w 
 0 
Trong đó:
Qi  w 0 ri // R p C'Ci 
Ci  a 2 Cgs  Cgd 1  g m rds // R L 
1
w0 
2

L(C'C i )
Độ lợi tại tần số cộng hưởng  w  w 0  là:
Rp
A vm  ag m rds // R L 
ri  R p
Băng thông 3dB:
1
BW 
2ri // R p C'C i 
Tích số độ lợi khổ tần:

46

Bai giang mach_dien_tu_2

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Bai giang mach_dien_tu_2

Similar to Bai giang mach_dien_tu_2 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (10)

Bai giang mach_dien_tu_2