VÔ TUYẾN ĐIỆN ĐẠI CƯƠNG - iop.vast.ac.vnnvthanh/cours/votuyendien/CH9 Khuech dai transistor.pdf · 8. Khuếch đại vi sai Differential Amplifier Mạch khuếch đại

VÔ TUYẾN ĐIỆN

ĐẠI CƯƠNG

TS. Ngô Văn Thanh

Viện Vật Lý

Hà Nội - 2016

Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 2

Tài liệu tham khảo

[1] David B. Rutledge, The Electronics of Radio (Cambridge University Press 1999).

[2] Dennis L. Eggleston, Basic Electronics for Scientists and Engineers (Cambridge University Press 2011).

[3] Jon B. Hagen, Radio-Frequency Electronics: Circuits and Applications (Cambridge University Press 2009).

[4] Nguyễn Thúc Huy (1998), Vô tuyến điện tử, NXB KHKT

[5] Đỗ Xuân Thụ, Nguyễn Đức Nhuận (1990), Kỹ thuật điện tử, NXB KHKT

[6] Phạm Văn Đương (2004), Cơ sỡ kỹ thuật khuếch đại, NXB KHKT

Website : http://iop.vast.ac.vn/~nvthanh/cours/votuyendien/

Email : [email protected]


CHƯƠNG 9. KHUẾCH ĐẠI TRANSISTOR

1. Khuếch đại chung cực phát

2. Hiệu suất cực đại của mạch khuếch đại loại A

3. Hệ số khuếch đại

4. Giản đồ I-V

5. Điện trở cực gốc

6. Suy biến cực phát

7. Cực phát dẫn theo

8. Khuếch đại vi sai

9. Transistor trường

10. Cực nguồn dẫn theo



Common-Emitter Amplifier Mạch điện có transistor npn

Điện trở tải R ; điện áp cung cấp : Vcc

Điện áp của tín hiệu xoay chiều : Vo

Cực phát tiếp mát

• Tín hiệu vào được tạo bởi cực gốc và cực phát

• Tín hiệu ra được tạo bởi cực góp và cực phát

=> mạch khuếch đại chung cực phát

Điện áp trên cực gốc bị giới hạn bởi điện áp tới trên diode của cực phát Vf

Khi Vo > 0 đủ lớn : diode ở cực phát mở

=> có dòng chạy qua cực gốc.

Khi Vo < 0 : điện áp trên cực gốc cũng âm

=> dòng qua cực gốc ngàng chạy

Khi có dòng chạy qua cực gốc,

• có dòng cường độ lớn chạy qua cực góp, và qua tải

=> Điện áp ở cực góp bị sụt giảm.

• Nếu điện áp cực góp nguồn đủ lớn: transistor mở hoàn toàn.



Chú ý : transistor chỉ làm việc ½ thời gian.

điện áp đầu ra có dạng một nửa hình sin.

Cải tiến :

Bù điện áp cho cực gốc để giữ transistor không bị đóng

Đưa thêm điện áp DC vào cực gốc (điện áp dịch) :

=> sử dụng mạch chia điện áp trên điện trở giữa nguồn và đất (mát).

=> liên tục có dòng điện qua cực gốc

Điện áp cực góp có dạng hình sin đầy đủ.



Hiệu suất cực đại của mạch khuếch đại loại A

Giả thiết : điện áp ra biến thiên từ 0 đến Vcc

Dòng qua cực gốc biến thiên từ 0 đến :

Định nghĩa hiệu suất :

• P : là công suất tải

• Po : là công suất nguồn cung cấp một chiều (DC)

Ta có:

• Io : dòng trung bình qua cực góp :

suy ra :

Công suất xoay chiều (AC) trên tải :

Cuối cùng: ta có hiệu suất cực đại trên điện trở tải của mạch khuếch đại loại A



Công suất DC trên tải

Một nửa công suất từ nguồn bị tiêu hao chính là công suất tiêu thụ DC trên tải.

Công suất DC trên transistor

Điện áp và dòng điện trung bình qua transistor == đi qua điện trở

Điện áp và dòng điện AC toàn phần trên transistor == đi qua điện trở

=> nhưng lệch pha 180o.

Công suất xoay chiều

Công suất < 0 :

• Transistor sinh ra công suất xoay chiều

• Điện trở tiêu thụ công suất AC.

• ½ công suất tiêu thụ DC ở transistor được

chuyển thành công suất AC.



Những hạn chế của mạch khuếch đại loại A

½ công suất DC bị tiêu hao trên điện trở

Nhiều tải không thể nối trực tiếp với nguồn.

Sử dụng biến áp để khắc phục

Điện trở tải không nối trực tiếp với cực góp

Điện trở giữa nguồn và transistor = zero.

Điện áp trung bình ở cực góp = Vcc

Điện áp và dòng điện toàn phần lớn

gấp đôi so với trước đây

Công suất của nguồn :

Điện trở tải hiệu dụng :

n : tỷ số giữa 2 cuộn dây

Công suất trung bình :

P = Po/2 : hiệu suất là 50%

Dòng điện cực đại :

• n : điều khiển dòng toàn phần


3. Hệ số khuếch đại

Amplifier Gain

Mạch điện rút gọn :

Hệ số khuếch đại :

• Đơn vị đo : dB

• P+ : công suất có sẵn

Công suất toàn phần trên tải :

Điện áp tải đối ứng :

=> là điện áp = ½ điện áp của nguồn khi mạch hở

Viết biểu thức cho công suất P+ :


4. Giản đồ I-V

IV Curves Điện áp bị méo

Dòng cực gốc bị dịch sang phải so với dòng cực góp

Khi điện áp cực gốc gần bằng điện áp vào Vf :

Các biểu thức gần đúng cho dòng điện

• Dòng cực gốc :

• Dòng cực góp :

Điện áp đốt nóng (nhiệt)

• k : hằng số Boltzmann,

• T : nhiệt độ tuyệt đối (Kenvin)

• q : điện tích của electron = 1.60 10-19 C

• Ở nhiệt độ phòng 295 K :

Hệ thức liên hệ giữa các dòng bão hòa qua hệ số khuếch đại dòng

• Trên thực tế các dòng bão hòa không phải là hằng số.


5. Điện trở cực gốc

Base Resistance

Độ dẫn điện của cực gốc

Khi tín hiệu vào bé :

Điện trở cực gốc :

Điện áp trên cực gốc :

Tương tự đối với cực góp :

• gm : được gọi là độ hỗ dẫn (transconductance)

=> Điện áp và dòng điện ở các cực (nút mạch) khác nhau

cực gốc và cực góp.



Emitter Degeneration Nối thêm 1 điện trở Re vào cực phát

Nhằm điều khiển độ khuếch đại (gain) và điện áp phân cực (bias)

Xét điện áp bias

Diode giữa cực gốc và cực phát được thay bởi nguồn Vf

Cực gốc : điện trở của diode rất bé khi mạch đang hoạt động

• Điện áp biến thiên trong một khoảng hẹp

Dòng điện qua cực gốc rất nhỏ so với dòng qua cực góp

Điện áp bias ở cực gốc :

Điện áp này không phụ thuộc vào hệ số khuếch đại dòng .

Độ lợi (độ khuếch đại) điện áp :

và là điện áp AC ra và vào



Điện áp bias không bị ảnh hưởng bởi tín hiệu AC

Xét mạch tương đương với khá lớn, đoản mạch

Các điều kiện

Điện áp vào :

Điện áp ra :

• Dấu trừ : dòng điện qua Rc ngược chiều với ic

Độ lợi điện áp :

• Dấu trừ : khuếch đại ngược (đảo)

Trở kháng vào :

Điện áp vào :

suy ra

Xét mạch có thêm tụ điện Miller : Cm

Điện áp ra :

Dòng điện đi qua tụ điện Miller

Trở kháng vào :


7. Cực phát dẫn theo

Emitter Follower

Điện trở trên cực phát đóng vai trò điện trở tải

Khi diode ở cực phat mở :

• Điện áp ra và điện áp vào là như nhau

Đối với điện áp AC, độ lợi bằng 1

Mạch theo điện áp chỉ khuếch đại dòng điện

Xét mạch tương đương

Trở kháng ra :

Điện áp ra :

trong đó

Biểu thức gần đúng của dòng điện qua cực phát

Chia điện áp ra cho dòng điện cực phát, ta có



Differential Amplifier

Mạch khuếch đại cho 2 tín hiệu khác nhau

Ứng dụng

để loại trừ nhiễu

Làm giảm sự biến đổi nhiệt

Sử dụng nhiều trong các bộ trộn

Cấu tạo :

Bao gồm 2 mạch khuếch đại chung cực phát

Rt : điện trở cuối (đuôi)

Đặc trưng :

Điện áp vào :

Dòng điện trên các cực phát :

Dòng điện ở đuôi :

Điện áp ở đuôi cũng bằng 0, => tiếp mát

Điện áp trên các cực góp



Độ lệch điện áp (điện áp vi sai) giữa 2 cực góp

• Độ lệch điện áp vào (điện áp vào vi sai):

Độ lợi vi sai : bằng độ lợi điện áp của từng mạch

Giả thiết:

Điện trở nội của cực góp là lớn và ta có thể bỏ qua

Trở kháng ra vi sai :

Xét trường hợp : => điện áp cùng mốt (common-mode)

Dòng điện :

Điện áp vào :

Điện áp ra :



Ký hiệu :

: điện áp vào cùng mốt

: điện áp ra cùng mốt

Độ lợi cùng mốt

Chú ý :

suy ra

Xét trường hợp một đầu vào tiếp đất

Điện áp vào vi sai :

Điện áp vào cùng mốt :

Điện áp ra vi sai :

Điện áp ra cùng mốt :



Field-Effect Transistors

Cấu tạo

JFET (junction field-effect transistor) : transistor hiệu ứng trường tiếp giáp

Điều khiển bằng điện áp vào.

Loại n : các hạt tải là electron : chạy nhanh hơn => phổ biến hơn

Loại p : các hạt tải là lỗ trống

• Gate : van (cổng) cực gốc

• Source : nguồn cực phát

• Drain : máng cực góp

Dòng electron chạy từ cực nguồn sang cực máng.



Tấm đế silicon == chất bán dẫn loại p

Phía trên pha tạp loại n : tạo ra 1 diode

=> diode khối

Diode pn nối với van (gate)

Nguồn và máng nối với chất bán dẫn n

Depletion : khoảng trống, cách điện

Nguyên lý hoạt động

Điện áp ở gate sẽ điều khiển dòng

Transistor trường có gate phân cực ngược

=> diode ở gate không dẫn điện, khuếch đại trở kháng vào rất cao



JFET : có hai vùng hoạt động khác nhau

Phụ thuộc vào điện áp ở cực máng

vùng bão hòa và vùng hoạt động của transistor lưỡng cực

• Điện áp thấp : vùng tuyến tính

• Điện áp cao : vùng tích cực

Dòng điện qua cực máng

Vgs : điện áp gate-source

Idss : dòng khi điện áp Vgs = 0

Vc : điện áp cắt (để dòng =0)

điện áp cut-off

Độ hỗ dẫn

• Tương đương độ lợi của transistor

Lấy đạo hàm dòng Id :


10. Cực nguồn dẫn theo

Source Follower

Mạch có tải ở cực nguồn

Điện áp phân cực gate-source

Ib : dòng phân cực

Mạch tương đương xoay chiều

Thay nguồn cung cấp ở cực máng bằng

mạch nối tắt tiếp mát.

Điện áp ra :

Điện áp gate-source

suy ra

Trở kháng đầu ra

Độ lợi điện áp :

Documents

VÔ TUYẾN ĐIỆN ĐẠI CƯƠNG - iop.vast.ac.vnnvthanh/cours/votuyendien/CH9 Khuech dai transistor.pdf · 8. Khuếch đại vi sai Differential Amplifier Mạch khuếch đại