Bài giảng Cơ sở kỹ thuật điện - Chương 7: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Chương 7 : MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ BỘ GIÁO DỤC VÀO ĐÀO TẠO ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Bộ Môn Cơ Sở Kỹ Thuật Điện 7.1. CÁC CHỈ TIÊU MẠCH KHUẾCH ĐẠI 2 + -~ RS RL VO VS ANL.Vi + Vi - Ii Io Zi Zo + -~ RS RL VO VS ANL.Vi + Vi - ZO Zi Độ lợi công suất ViVo 7.2.1. Mạng hai cửa theo tham số H 3 7.2 MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG BJT 4hi 1/ho hfIi hrVo 7.2.1. Mạng hai cửa theo tham số H 7.2.2. Mô hình tương đương của BJT cho mạch CE, CC và CB 5 hie 1/hoe hfeIb hreVceCE CC Mô hình tương đương của BJT cho mạch CE, CC 6Đặt hie 1/hoe hfeIb hreVce Mô hình tương đương của BJT cho mạch CE, CC 7hie hoe hfeIb hreVce Mô hình tương đương của BJT cho mạch CE, CC 7.2.2. Mô hình tương đương của BJT cho mạch CE, CC và CB 8hie hoe hfeIb hreVce Mô hình tương đương của BJT cho mạch CE, CC 7.2.2. Mô hình tương đương của BJT cho mạch CE, CC và CB 9hie hoe hfeIb hreVce Mô hình tương đương của BJT cho mạch CE, CC 7.2.2. Mô hình tương đương của BJT cho mạch CE, CC và CB Tóm lại với CC và CE 10 hie 1/hoe hfeIb hrevce Gần đúng hie= βre hre= 0 hfe = β hoe = 0 re= 26mV/IEQ  26mV/ ICQ CECC hie hfeIb I b IC CB E Mô hình tương đương của BJT cho mạch CB 11 hib hfbIe Ie IC C B E hib hfbIe 1/hobhrbvcb E B C Gần đúng 7.3.1. Mạch CE 12 Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ BJT hie hfeib CB E  Tụ  ngắn mạch  Vcc  mass  BJT  mô hình tương đương a. Không tải 7.3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG BJT 13 BJT hie hfeib CB E 7.3.1. Mạch CE a. Không tải 14 )( DCLL R V R VI C CE C CC C  )( CAC AC CE AC CEQ CQC RRR v R V Ii   ),min(2))((max)(max ACCQCEQceo xRIVxppvswingppV  7.3.1. Mạch CE a. Không tải 15 RL RL b. Có tải RL 7.3.1. Mạch CE 16 RL e LC b bfeLC i o V r RR ihie ihRR V VA // . )//(  L i V i i L o i o V R ZA Z V R V i iA  b. Có tải RL 7.3.1. Mạch CE 17 RL )( DCLL R V R VI C CE C CC C  )//( LCAC AC CE AC CEQ CQC RRRR v R V Ii   ),min(2))((max)(max ACCQCEQceo xRIVxppvswingppV  b. Có tải RL 7.3.1. Mạch CE 7.3.2. Mạch CC 18 BJT hie hfeib CB E 19 BJT hie hfeib CB E 7.3.2. Mạch CC 7.3.3. Mạch CB 20 B E CBJT hib hfbie 21 B E CBJT hib hfbie 7.3.3. Mạch CB 22 Tóm tắt Zi Zo Av Ai Pha CE >1 >1 Ngược pha CC Nhỏ 1 >1 Cùng pha CB Nhỏ >1 1 Cùng pha 23 gmVgs Vgs Id rd 7.4MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU DÙNG FET 24 gmVgs Vgs I d r d Mô hình tương đương cho JFET và D-MOSFET 25 gmVgs Vgs I d r d Mô hình tương đương cho JFET và D-MOSFET 26 gmVgs Vgs I d r d Tóm lại rd>> 27 gmVgs Vgs I d r d Mô hình tương đương cho E-MOSFET rd>> 28 Các chỉ tiêu của mạch khuếch đại dùng FET + -~ RS RL VO VS ANL.Vi + Vi - Ii Io Zi Zo 29 MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG JFET 7.4.1. Mạch CS 30 31 7.4.1. Mạch CS 7.4.2. Mạch CD 32 33 7.4.2. Mạch CD 7.4.3. Mạch CG 34 35 7.4.3. Mạch CG 36 Zi Zo Av Pha CS >1 Ngược pha CD Nhỏ 1 Cùng pha CG Nhỏ >1 Cùng pha Tóm tắt 7.5 Đáp ứng tần số  f nhỏ: Xc tăng -> các tụ hở mạch và không sinh ra điện dung ký sinh.  f lớn: Xc giảm ->các tụ ngắn mạch và sinh ra điện dung ký sinh. fC Xc 2 1  Xét ảnh hưởng của tần số 37 38 Đáp ứng tần số là là giản đồ Bode mô tả sự phụ thuộc của hàm truyền AvAi của bộ khuếch đại... BW=fH-fL Xét ảnh hưởng của tần số 39 Công suất tín hiệu tại vùng tần số trung bình:  công suất tín hiệu tại vùng tần số cắt: O iVmid O O Omid R VA R V P 22  O iVmid O i Vmid O O LOH R VA R VA R V P 2 2 2 , 5.0 2         Xét ảnh hưởng của tần số 40 7.5.1. Mạch lọc thông cao và thông thấp 7.5.1.1 Mạch lọc thông cao Định nghĩa: Là mạch lọc lấy tín hiệu ở vùng tần số cao. Hệ số khuếch đại: fRCjjXR R V V A Ci O V 2 11 1     RC f 2 1 1 Đặt: => f fj AV 11 1   fC Xc 2 1 Từ: 41 Biên độ của AV: Pha: AV tính theo dB: 2 11 1       f f AV f farctg 1                      2 1 102 1 10)( 1log10 1 1log20 f f f f A dBV f fj AV 11 1   7.5.1.1 Mạch lọc thông cao 42                      2 1 102 1 10)( 1log10 1 1log20 f f f f A dBV  Khi f=f1:  Khi f>>f1: (Vd: f = 10f1)  Khi f<<f1: (Vd: f = 0.1f1) f farctg 1 dBAV 3 045 f fAV 110log20 dBAV 20 090 dBAV 0 00 Giản đồ Bode và đáp ứng pha của mạch lọc thông cao 43 7.5.1.2 Mạch lọc thông thấp Định nghĩa: Là mạch lọc lấy tín hiệu ở vùng tần số thấp. Hệ số khuếch đại: fRCjjXR jXc V VA Ci O V 21 1      RC f 2 1 2 Đặt: => 2 1 1 f fj AV   fC Xc 2 1 Từ: 44 Biên độ của AV: Pha: AV tính theo dB: 2 2 1 1       f f AV 2f farctg                      2 2 102 2 10)( 1log10 1 1log20 f f f f A dBV 2 1 1 f fj A V  7.5.1.2 Mạch lọc thông thấp 45  Khi f=f2:  Khi f>>f2: (Vd: f = 10f2)  Khi f<<f2: (Vd: f = 0.1f2) 2f farctg dBAV 3 045 f fAV 110log20 dBAV 0 00 dBAV 20 090 Giản đồ Bode và đáp ứng pha của mạch lọc thông thấp                      2 2 102 2 10)( 1log10 1 1log20 f f f f A dBV 46 7.5.2. Phân tích mạch KĐ ở vùng tần số trung bình Si iLC S i iS S RZ Zx hie RRhfe V Vx V V V VAv   )//(00 Zi = Rb1//Rb2//hie; Zo = RC VS Sơ đồ tương dương tín hiệu nhỏ Zo Zin Io Zi VOVi VS 47 7.5.3. Phân tích mạch KĐ ở vùng tần số thấp Rl C2 Ce C1Rs Rc Vout Vcc Rb1 Rb2Vin Re VS 48 Ảnh hưởng của tụ CS:  Lưu ý: Khi xét ảnh hưởng của tụ nào thì phải bỏ qua ảnh hưởng của các tụ còn lại. SSi Si Smid S jXcRZ RZ Av Av    SSi i ie LCfe S i iS S jXcRZ Zx h RRh V Vx V V V VAv   )//(00 Si i ie LCef S i iS Smid RZ Z x h RRh V V x V V V V Av   )//( 00 SSi LC CRZ ff S )(2 1 1    7.5.3. Phân tích mạch KĐ ở vùng tần số thấp 49 Giản đồ Bode của ảnh hưởng tụ CS: )(dBSmid S Av Av fLCs Nhận xét: điện áp ngõ vào mạch khuếch đại giảm đi 70,7% hay 3dB tại tần số này, do đó điện áp ngõ ra cũng giảm đi 3dB. fLCs 7.5.3. Phân tích mạch KĐ ở vùng tần số thấp 50 Ảnh hưởng của tụ CC:  Lưu ý: Khi xét ảnh hưởng của tụ nào thì phải bỏ qua ảnh hưởng của các tụ còn lại. CLo L Smid S jXcRZ RZ Av Av    0 CL LC CRZ ff C )(2 1 0 1    7.5.3. Phân tích mạch KĐ ở vùng tần số thấp 51 Giản đồ Bode của ảnh hưởng tụ CC: )(dBSmid S Av Av fLCs )(dBSmid S Av Av fLCc 7.5.3. Phân tích mạch KĐ ở vùng tần số thấp Nhận xét: điện áp ngõ vào mạch khuếch đại giảm đi 70,7% hay 3dB tại tần số này, do đó điện áp ngõ ra cũng giảm đi 3dB. 52 Ảnh hưởng của tụ CE:  Lưu ý: Khi xét ảnh hưởng của tụ nào thì phải bỏ qua ảnh hưởng của các tụ còn lại. Ee e Smid S jXcR R Av Av   Ee LC CR ff E 2 1 1               fe SBBie Ee h RRhRR 1 // // 7.5.3. Phân tích mạch KĐ ở vùng tần số thấp 53 Giản đồ Bode của ảnh hưởng tụ CE: )(dBSmid S Av Av fLCs )(dBSmid S Av Av fLce 7.5.3. Phân tích mạch KĐ ở vùng tần số thấp Nhận xét: điện áp ngõ vào mạch khuếch đại giảm đi 70,7% hay 3dB tại tần số này, do đó điện áp ngõ ra cũng giảm đi 3dB. 54 Giản đồ Bode ( đáp ứng tần số) ảnh hưởng của 3 tụ ở tần số thấp fL=max[fLCS;fLCC;fLCE] 7.5.3. Phân tích mạch KĐ ở vùng tần số thấp Mạch khuếch đại dùng FET Xét mạch sau 55 7.5.3. Phân tích mạch KĐ ở vùng tần số thấp 56 Mạch khuếch đại dùng FET 7.5.3. Phân tích mạch KĐ ở vùng tần số thấp 57 fL=max[fLS;fLC;fLE] Mạch khuếch đại dùng FET 7.5.3. Phân tích mạch KĐ ở vùng tần số thấp 58 7.5.4. Phân tích mạch KĐ ở vùng tần số cao Rl C2 Ce C1Rs Rc Vout Vcc Rb1 Rb2Vin ReVS Dùng BJT 59 Mô hình hybrid – π của BJT 7.5.4. Phân tích mạch KĐ ở vùng tần số cao Dùng BJT 60 MoceWoo CCCC  bc V Mo CA C        11 bcVMi CAC )1(  MibeWii CCCC  Trong đó:  CWi, CWo: điện dung của dây dẫn ngõ vào và ngõ ra của mạch khuếch đại, thường các điện dung này rất bé có thể bỏ qua.  CMi và CMo :điện dung do ảnh hưởng của hiệu ứng Miller ở ngõ vào và ngõ ra 7.5.4. Phân tích mạch KĐ ở vùng tần số cao Dùng BJT 61 Ảnh hưởng của tụ Ci:  Lưu ý: Khi xét ảnh hưởng của tụ nào thì phải bỏ qua ảnh hưởng của các tụ còn lại. i iS Cii iCi S Cii iCi Smid S Z ZR x jXZ ZjX R jXZ ZjX Av Av           iiS Cii ie LCfe S i iS S jXcZR jXZx h RRh V Vx V V V VAv    // //)//(00 Si i ie LCef S i iS Smid RZ Z x h RRh V V x V V V V Av   )//( 00 iiiSi Hi CRCRZ ff  2 1 )//(2 1 2  Ci S S Ci jX RR RR jX     i iS iCiCiSiS iCi Z ZR x ZjXjXRZR ZjX     LPF 62 Tần số cắt cao: Tần số cắt cao ngõ vào: Tần số cắt cao ngõ ra: ii Hi CR f 2 1  02 1 CR f o Ho   MoceWoo CCCC  bcVMi CAC )1(  bc V Mo CA C        11 MibeWii CCCC  fH=min[fHi; fHo] Sii RZR // LRZRo //0 63 BW = fH - fL Dùng FET 64 xét mạch sau Sơ đồ mạch tương đương ở tần số cao 65 Áp dụng thevenin ta có 66 fH=min[fHi; fHo] Dùng FET