Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Bài 10: Các khuếch đại nhiều tầng

BÀI 10 ĐÁP ỨNG TẦN SỐ VÀ PHẢN HỒI 10.1 Đáp ứng tần số khuếch đại 10.2 Khuếch đại điện áp – phản hồi nối tiếp – sơn 10.3 Khuếch đại điện trở truyền đạt – phản hồi sơn – sơn 10.4 Khuếch đại dòng – phản hồi sơn – nối tiếp 10.5 Khuếch đại điện dẫn truyền đạt – phản hồi nối tiếp – nối tiếp BÀI 10 ĐÁP ỨNG TẦN SỐ VÀ PHẢN HỒI 10.1 Đáp ứng tần số của bộ khuếch đại Hình 10.1.1 là đồ thị Bode cho biên độ của hệ số khuếch đại điện áp của một khuếch đại lý thuyết. Không kể đến các điểm cực và điểm không, hàm truyền đạt điện áp Av(s) có thể được viết bằng tỷ số của hai đa thức theo s: (10.1.1) Có thể kết hợp thành hàm FL(s) và các điểm cùng với đáp ứng tần số cao trên vùng trung tần có thể được nhóm thành hàm FH(s). Dùng FL và FL, Av(s) có thể được viết lại là: Av(s) = AmidFL(s)FH(s) (10.1.2) Hình 10.1.1 Đồ thị Bode cho hàm truyền đạt khuếch đại tổng quát Trong đó Amid là hệ số khuếch đại trung tần trong vùng giữa các tần số cắt trên và dưới (ωL và ωH tương ứng). Với Amid rõ ràng trong phương trình 10.1.2, FL(s) và FH(s) phải được viết thành hai dạng chuẩn đặc biệt được xác định trong các phương trình 10.1.3 và 10.1.4: (10.1.3) (10.1.4) Ta chọn cách biểu diễn FH(s) để cho biên độ của nó tiến tới 1 ở các tần số thấp hơn tần số cắt trên ωH với với i = 1 l (10.1.5) Do vậy ở các tần số thấp, hàm truyền đạt A(s) trở thành AL(s) AmidFL(s) (10.1.6) Ta chọn dạng FL(s) để cho biên độ của nó tiến tới 1 ở các tần số lớn hơn ωL với với j = 1 k (10.1.7) Do vậy ở các tần số cao, hàm truyền đạt A(s) có thể được tính xấp xỉ là: AH(s) AmidFH(s) (10.1.8) Đáp ứng tần số thấp Trong rất nhiều thiết kế, các điểm không của FL(s) có thể được đặt ở các tần số đủ thấp để không ảnh hưởng đến tần số cắt dưới ωL. Hơn nữa, một trong các cực tần số thấp trong hình 10.1.1, là ωP2, có thể được thiết kế lớn hơn nhiều các cực khác. Với các điều kiện này, phần tần số thấp của hàm truyền đạt có thể được viết xấp xỉ là (10.1.9) Cực ωP2 được gọi là cực tần số thấp chủ đạo và tần số cắt dưới xấp xỉ là: ωL ωP2 (10.1.10) Đáp ứng tần số cao Trong vùng trên trung tần, Av(s) có thể được biểu diễn bằng cách tính xấp xỉ tần số cao của nó: AH(s) AmidFH(s) (10.1.11) Rất nhiều điểm không của FH(s) thường ở tần số vô hạn hay rất cao mà chúng không ảnh hưởng đến giá trị của FH(s) gần ωH. Hơn nữa, nếu một trong các tần số điểm cực - chẳng hạn như ωP3 trong hình 10.1.1 - nhỏ hơn nhiều so với các điểm khác, thì sẽ tồn tại điểm cực tần số cao chủ đạo trong đáp ứng tần số cao và ta có thể biểu diễn FH(s) bằng cách tính xấp xỉ: FH(s) (10.1.12) 10.2 Khuếch đại điện áp - phản hồi nối tiếp – sơn Chúng ta sẽ bắt đầu phân tích với cấu trúc này (xem hình 18.3). Trong phân tích này, rõ ràng là các tham số h là các tham số hai cổng phù hợp để phân tích cấu trúc này. Hình 10.2.1 Khuếch đại phản hồi nối tiếp-sơn. Tính hệ số khuếch đại điện áp Phân tích bắt đầu bằng việc mô tả bộ khuếch đại và mạch phản hồi với các mô tả hai cổng tham số h: (10.2.1) và (10.2.2) Điện áp vào tổng thể v1 của khuếch đại phản hồi sẽ là tổng các điện áp vào của từng cổng hai cực: (10.2.3) Và do đầu ra mắc sơn, nên dòng tổng i2 ở đầu ra là tổng của các dòng điện ở đầu ra của từng cổng 2 cực: (10.2.4) Thay các phương trình 10.2.1 và 10.2.2 vào các phương trình 10.2.3 và 10.2.4, ta sẽ thu được công thức hai cổng cho toàn bộ khuếch đại phản hồi: (10.2.5) Ở đây chúng ta thấy sự hợp lý đằng sau việc chọn các tham số h là chúng cho phép các tham số của hai mạch có thể cộng với nhau. Do các tham số tương ứng của cả hai mạch luôn đi cùng nhau trong phương trình 10.2.5, nên chúng ta sẽ định nghĩa một ký hiệu gọn hơn: (10.2.6) Do vậy các phương trình hai cổng trở thành (10.2.7) Hệ số khuếch đại điện áp vòng đóng được tính từ phương trình 18.2 bằng cách giải v2 theo vi: (10.2.8) Bằng cách chia cả tử số và mẫu số cho số hạng tử số thứ hai, phương trình 18.16 có thể được sắp xếp lại thành dạng chuẩn của một hệ thống phản hồi: (10.2.9) Trong đó và (10.2.10) 10.3 Các khuếch đại điện trở truyền đạt - Phản hồi sơn sơn Khuếch đại điện trở truyền đạt là một loại quan trọng nữa của khuếch đại, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông quang học để biến đổi các tín hiệu quang từ cáp quang thành tín hiệu điện. Ví dụ, ii và RI là một mô hình cho bộ dò diod quang ở đầu ra của cáp quang. Mạch khuếch đại điện trở truyền đạt được tạo bằng cách dùng cách mắc phản hồi sơn-sơn trong hình 10.3.1, trong đó mạch khuếch đại và mạch phản hồi được nối song song từng cái. Mục đích của khuếch đại phản hồi sơn-sơn là để cung cấp điện trở vào thấp đến mức tất cả các dòng điện từ nguồn ii vào mạch khuếch đại cũng như điện trở ra thấp để điều khiển các tải ngoài. Do các điện áp cổng vào như nhau và các điện áp cổng ra cũng giống nhau cho mạch khuếch đại và các mạch hai cổng phản hồi, nên các tham số y là phù hợp cho phân tích cấu tạo này. Hình 10.3.1 Khuếch đại phản hồi sơn-sơn Phân tích điện trở truyền đạt Phân tích này ngược lại phân tích trong hình 10.2.1. Trong trường hợp này, mạch khuếch đại và phản hồi được biểu diễn bằng các tham số y: và (10.3.1) Trong đó các chỉ số trên lại biểu diễn mạch khuếch đại (A) và phản hồi (F). Dựa trên các cách nối ở cổng ra và vào, dòng vào i1 và ra i2 tổng thể có thể được viết là: và (10.3.2) Kết hợp các phương trình 10.3.1 và 10.3.2 ta có phương trình hai cổng cho khuếch đại phản hồi sơn-sơn tổng thể như sau: (10.3.3) Do các tham số tương ứng của cả hai mạch lại xuất hiện cùng nhau trong phương trình 10.3.3, nên ta sẽ định nghĩa một đại lượng gọn hơn: (10.3.3a) và (10.3.3b) Điện trở truyền đạt: (10.3.4) Biến đổi lại phương trình 10.3.4 thành dạng chuẩn cho khuếch đại phản hồi ta có: (10.3.5) Trong đó và (10.3.6) 10.4 Khuếch đại dòng - phản hồi sơn - nối tiếp Các khuếch đại dòng là loại khuếch đại có ích nữa; chúng ta đã gặp một ứng dụng thông thường nhất của các khuếch đại dòng vòng mở ở dạng các gương dòng. Bằng cách sử dụng phản hồi, chúng ta có thể tạo ra một khuếch đại dòng mà nó còn lý tưởng hơn cả gương dòng cơ bản. Phản hồi sơn ở cổng vào tạo ra điện trở vào rất nhỏ và phản hồi nối tiếp ở cổng ra sẽ tạo điện trở ra rất lớn. Các tham số g sẽ được dùng để phân tích các mạch phản hồi sơn-nối tiếp. Tuy nhiên, phải cẩn thận ở đây. Chúng ta sẽ khám phá độ khó khi áp dụng lý thuyết hai cổng sơn-nối tiếp vào mạch nhiều tranzitor do chúng không thể được vẽ chính xác như các hai cổng. Tính hệ số khuếch đại dòng Phân tích mạch khuếch đại dòng phản hồi trong hình 10.4.1. Dựa trên các đường nối ở các cổng vào và ra, dòng vào tổng thể ii và điện áp ra v2 có thể được viết là: và (10.4.1) Với trường hợp này, mạch khuếch đại và phản hồi được biểu diễn bằng các tham số g của nó, giả sử >> và >> ta có: (10.4.2) Trong đó (10.4.3) Thay i1 = ii – v1GI và v2 = – i2RL vào phương trình 10.4.2 ta có: (10.4.4) Hình 10.4.1 Khuếch đại phản hồi sơn-nối tiếp Hệ số khuếch đại dòng vòng đóng được tính trực tiếp từ phương trình 10.4.4: (10.4.5) Biến đổi lại phương trình 10.4.5 thành dạng chuẩn cho khuếch đại phản hồi ta có: (10.4.6) Trong đó A = và β = (10.4.7) 10.5 Khuếch đại điện dẫn truyền đạt - phản hồi nối tiếp - nối tiếp Cách mắc cuối cùng được xét là khuếch đại điện dẫn truyền đạt, nó tạo ra dòng điện ra tỉ lệ với điện áp vào. Do vậy nó cần có điện trở vào cao cũng như điện trở ra cao. Để có được các đặc tính này, phản hồi nối tiếp được sử dụng ở cả hai cổng vào và ra như trong hình 10.5.1. Với trường hợp này, các dòng điện cổng vào bằng nhau và các dòng điện cổng ra cũng bằng nhau cho các cổng của mạch khuếch đại và phản hồi; các tham số z là hợp lý để phân tích cách mắc này. Hình 10.5.1 Mạch khuếch đại phản hồi nối tiếp-nối tiếp (khuếch đại điện dẫn truyền đạt). Phân tích điện dẫn truyền đạt Với mạch trong hình 10.5.1, điện áp tổng thể vào v1 và ra v2 có thể được viết là: và (10.5.1) Và mô tả các tham số z của mạch tổng thể là: (10.5.2) Trong đó (10.5.3) Dùng v1 = vi – i1RI và v2 = – i2RL và giả sử >> và >> , ta sẽ có dạng rút gọn chuẩn: (10.5.4) Hệ số khuếch đại vòng đóng của khuếch đại điện dẫn truyền đạt có thể tìm được từ phương trình 10.5.4: (10.5.5) Trong đó và (10.5.6)