Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Bài 8: Các khuếch đại một tranzito

BÀI 8 CÁC KHUẾCH ĐẠI MỘT TRANSISTOR 8.1 Phân loại khuếch đại 8.2 Các khuếch đại đảo – emitter chung và cực nguồn chung 8.3 Các mạch lặp - khuếch đại collector chung và cực máng chung 8.4 Các khuếch đại không đảo – Base chung và cực cửa chung 8.5 Tụ đi vòng và ghép BÀI 8 CÁC KHUẾCH ĐẠI MỘT TRANSISTOR 8.1 Phân loại khuếch đại Tín hiệu đưa vào tranzitor qua các cực base hay cực cổng và tín hiệu ra được lấy từ cực collector hay cực máng. Tuy nhiên, tranzitor có ba cực phân biệt và rất có thể được sử dụng để đưa tín tiệu để khuếch đại vào, gồm cực base, cực emitter và cực collector cho BJT, cực cửa, cực nguồn và cực máng đối với FET. Chúng ta sẽ thấy một cách ngắn gọn rằng chỉ cực base và cực emitter hay cực cửa và cực nguồn là hữu ích vào lúc tín hiệu được đưa vào; cực collector và cực emitter, hay cực máng và cực nguồn là hữu ích để lấy tín hiệu ra. Có nhiều loại cấu hình khuếch đại, hầu như đều sử dụng giống nhau mạch phân cực bốn điện trở minh họa trong hình 8.1.1. Cách mắc thêm các tụ điện rồi sẽ được sử dụng để thay đổi tín hiệu vào và ra và thay đổi tính chất xoay chiều của các bộ khuếch đại. Hình 8.1.1 Mạch khuếch đại thế hiệu bốn-điện trở cho (a) BJT và (b) MOSFET Tín hiệu vào và ra – BJT Với BJT trong hình 8.1.1(a) mô hình chuyển vận tín hiệu rộng đưa ra sự trợ giúp thích đáng cho vị trí của tín hiệu đầu vào. Trong miền tích cực của BJT: (8.1.1) Để làm cho iC, iF, iB biến đổi có ý nghĩa, ta cần thay đổi điện áp trên cặp cực base - emitter vBE theo hàm mũ. Bởi vì vBE là tương đương với (8.1.2) Một điện áp tín hiệu vào có thể được đưa vào mạch để biến đổi điện áp tại hoặc cực base hay cực emitter của tranzitor. Chú ý rằng ta đã bỏ qua điện áp Early trong công thức 8.1.1, nó biểu thị rằng thay đổi điện áp cực collector không có tác dụng với dòng của các cực. Do vậy các cực collector không thích hợp cho việc đưa tín hiệu vào. Kể cả với các giá trị hữu hạn của điện áp Early, các biến đổi dòng với điện áp góp là nhỏ, đặc biệt khi so sánh với sự phụ thuộc hàm mũ của các dòng trên vBE – một lần nữa, cực collector không được sử dụng như một điểm đưa tín hiệu vào. Sự thay đổi đáng kể về dòng trên cực collector và cực emitter có thể tạo ra tín hiệu điện áp cao giữa các điện trở cực collector và cực emitter, R3 và R4 trong hình 8.1.1. Do đó, các tín hiệu có thể được đưa ra khỏi bộ khuếch đại tại cực collector và cực emitter. Tuy nhiên, do dòng ở cực base iB là một thừa số của bF, nhỏ hơn cả iC hay iE, nên cực base không thường được dùng như một cực đầu ra. Tín hiệu vào và ra – FET Một tập các tham số tương tự như trên có thể được dùng cho FET trong hình 8.1.1(b) dựa vào biểu thức cho dòng cực máng MOSFET kênh n khi ngắt ra: và iG = 0 (8.1.3) Để làm cho iD và iS biến đổi nhiều, ta cần thay đổi điện áp cực cổng-nguồn vGS. Vì vGS tương đương với (8.1.4) Một tín hiệu điện áp đầu vào có thể được đưa vào để làm thay đổi tín hiệu trên hoặc là cực cổng hoặc là cực nguồn của FET. Thay đổi điện áp cực máng chỉ đem lại hiệu ứng không quan đáng kể đối với các dòng của các cực vào ra (với l ≠ 0), vậy cực máng không thích hợp cho tín hiệu xen vào. Như với BJT, sự thay đổi dòng đáng kể ở cực máng và cực nguồn có thể tạo ra tín hiệu điện áp cao giữa các điện trở, R3 và R4, cực máng và cực nguồn của tranzitor trong hình 8.1.1(b). Tuy nhiên, cực cổng không hữu ích để là một cổng ra tín hiệu, bởi vì dòng ở cực cổng luôn là không. Một tập các đối số giống hệt nhau được cho với JFET. Tóm lại, hiệu ứng khuếch đại đòi hỏi một tín hiệu cần được đưa vào hoặc cặp cực base/emitter hoặc cổng/nguồn của tranzitor trong hình 8.1.1: các tín hiệu ra có thể được lấy từ cặp cực collector/emitter hay cực máng/nguồn. Không thực hiện đưa tín hiệu vào cực collector hay cực máng, và cũng không lấy tín hiệu ra từ cực base hay cực cổng. Các ràng buộc này thu được ba kiểu bộ khuếch đại: mạch emitter chung/nguồn chung (C-E/C-S – Common – Emitter/ Common- Source), mạch base-chung/cửa-chung (C-B/C-G - Common – Base/ Common- Gate), mạch collector chung/máng chung (C-C/C-D - Common – Collector/ Common- Drain). Các bộ khuếch đại này được phân loại theo cấu trúc của mạch tương đương xoay chiều; mỗi loại được bàn luận chi tiết trong vài mục tiếp theo. Như trên đã nói, các mạch ví dụ sẽ sử dụng các mạch khuếch đại bốn điện trở giống nhau trong hình 8.1.1 để thiết lập điểm-Q trong các loại bộ khuếch đại. Các mắc và nối vòng tụ điện sẽ được sử dụng để thay đổi các mạch tương đương xoay chiều. Chúng ta sẽ thấy các đặc trưng xoay chiều của các bộ khuếch đại là rất khác nhau. Các bộ khuếch đại C-E và C-S phổ biến Các mạch trong hình 8.1.2 là các bộ khuếch đại C-E và C-S. Trong các mạch này, điện trở R4 trong hình 8.1.1 được tách thành hai phần, với chỉ một điện trở R6 được nối vòng bởi tụ điện C2. Bằng cách không nối vòng tất cả điện trở các cực emitter hay nguồn của tranzitor, chúng ta có được một sự xem xét khá uyển chuyển khi thiết lập các giá trị điện áp khuếch đại, điện trở vào và điện trở ra của bộ khuếch đại. Trong mạch C-E hình 8.1.2(a) tín hiệu được xen vào cực base và lấy ra từ cực emitter của BJT. Cực emitter là cực chung giữa các cổng vào và ra. Trong mạch C-S hình 8.1.2(b), tín hiệu được xen vào cực cổng và lấy ra từ cực máng của MOSFET. Cực cổng là cực chung cho đầu vào và đầu ra. Quan sát các mạch tương đương xoay chiều đơn giản hóa các bộ khuếch đại trong các hình 8.1.2(c) và 8.1.2(d). Chúng ta thấy rằng các mô hình mạng này giống hệt nhau. Các điện trở RE và RS nối cực emitter hay cực nguồn với đất, biểu diễn phần không nối vòng của điện trở khuếch đại điện áp ban đầu R4. Sự có mặt của RE và RS trong mạch tương đương xoay chiều đã tăng thêm mức độ linh hoạt cho người thiết kế, và cho phép lợi dụng để tăng điện trở đầu vào, đầu ra và phạm vi tín hiệu đầu vào. Việc phân tích so sánh sẽ chứng tỏ rằng mạch C-E và C-S có thể hỗ trợ điều tiết các giá trị điện áp cao, dòng khuếch đại, điện trở vào và ra. Hình 8.1.2. Các phiên bản phổ biến của bộ khuếch đại (a) C-E và (b) C-S (c) Mạch đơn giản hóa tương đương xoay chiều của bộ C-E trong hình (a). (d) Mạch đơn giản hóa tương đương xoay chiều của bộ C-E trong hình (b). Các kiến trúc C-C (C-C) và C-D (C-D) Các mạch C-C và C-D được minh họa trong hình 8.1.3. Ở đây, tín hiệu được đưa vào cực base, hình 8.1.3 (a), hoặc cực cổng, hình 8.1.3 (b) và lấy ra từ cực emitter hay cực nguồn của các tranzitor. Các cực collector và thu được trực tiếp nối đất qua tụ điện C2 và đóng vai trò cực chung cho các cổng vào và ra. Các mạch tương đương xoay chiều trong các hình 8.1.3 (c) và 8.1.3 (d) giống nhau về cấu trúc; chỉ có sự khác nhau về các tham số điện trở và tranzitor. Phân tích sẽ chứng minh rằng các mạch C-C và C-D hỗ trợ điện áp khuếch đại xâp xỉ 1, một điện trở đầu vào lớn và một điện trở đầu ra nhỏ. Thêm nữa, các tín hiệu đầu vào C-C và C-D có thể khá lớn mà không vượt quá các giới hạn tín hiệu nhỏ. Các bộ khuếch đại này, thường được gọi là bộ lặp phát hay bộ lặp nguồn, là các mạch tương đương tranzitor đơn của bộ lặp nguồn. Đơn giản hóa mạch Với tính kinh tế của thiết kế, chúng ta hầu như không muốn có các thành phần không mong muốn, và các mạch trong hình 8.1.3 có thể thực sự được đơn giản hóa. Chức năng của tụ điện C2 trong mạch khuếch đại C-C và C-D là để đưa ra một xoay chiều nối đất tại các cực collector và cực máng của hai tranzitor và bởi vì chúng ta không muốn phát triển một tín hiệu điện áp tại cả hai cực này, chẳng có lý do gì để đưa R3 vào mạch điện. Chúng ta có thể thu được xoay chiều nối đất mong muốn, đơn giản chỉ bằng cách nối cực collector và cực máng trực tiếp vào Vccvà VDD và loại trừ thành phần R3 và C2 ra khỏi mạch, như minh họa trong hình 8.1.4. Hình 8.1.3 (a) Bộ khuếch đại C-C (C-C). (b) Bộ khuếch đại C-D. (c) Đơn giản hóa mạch tương đương xoay chiều cho C-C. (d) Đơn giản hóa mạch tương đương xoay chiều cho C-D Hình 8.1.4. Đơn giản hóa mạch lặp đã bỏ C2 và R3. (a) Bộ khuếch đại C-C (b) Bộ khuếch đại C-D. Các bộ đại khuếch đại C-B và C-G Họ khuếch đại thứ ba gồm các mạch C-B và C-G như trong hình 8.1.5, các tín hiệu xoay chiều được xen vào từ cực emitter hoặc cực nguồn và lấy ra từ cực collector hoặc cực máng. Các cực base và và nguồn được tiếp đất thông qua mạch nối vòng tụ điện C2; các cực này là các kết nối chung giữa các cổng vào và ra. Một lần nữa Kết quả đưa ra các mạch tương đương xoay chiều trong hình 8.1.5(c) và 8.1.5(d) là giống nhau về cấu trúc. Phân tích sẽ chứng minh rằng các bộ khuếch đại C-B và C-G hỗ trợ một điện áp khuếch đại và điện trở đầu ra rất giống với các bộ khuếch đại C-S và C-S, nhưng chúng có điện trở đầu vào thấp hơn nhiều. Các phân tích trong một số mục tiếp theo đòi hỏi đơn giản hóa các mạch tương đương xoay chiều đã trước trong các hình 8.1.2(c), (d), 8.1.3(c), (d) và 8.1.5(c), (d). Chúng ta giả thiết với các chức năng phân tích, các mạch đã được rút gọn thành các “bộ khuếch đại hình mẫu chuẩn”. Các mạch này được dùng để phân định các ranh giới mà các thiết bị được gán cho chức năng thi hành trên các kiến trúc mạch khác nhau. Các kết quả từ sự đơn giản hóa các mạch này rồi sẽ được sử dụng cho phân tích, thiết kế hoàn chỉnh các bộ khuếch đại. a) b) c) d) Hình 8.1.5 (a) Bộ khuếch đại C-B. (b) Bộ khuếch đại C-G. (c) Đơn giản hóa mạch tương đương xoay chiều cho bộ khuếch đại C-B. (d) Đơn giản hóa mạch tương đương cho bộ khuếch đại C-G. Các mạch trong các hình 14.2 đến 14.5 chỉ minh họa BJT và MOSFET, bởi vì mô hình tín hiệu nhỏ của JFET là giống với MOSFET ba cực, tuy nhiên, các kết quả thu được với bộ khuếch đại MOSFET cũng có thể được ứng dụng trực tiếp cho JFET, và các JFET cũng có thể thay thế MOSFET trong rất nhiều loại mạch. 8.2 Các khuếch đại đảo – emitter chung và cực nguồn chung Chúng ta bắt đầu phân tích một cách tương đối về một số họ khuếch đại với các bộ C-E và C-S mà các mạch tương đương xoay chiều của chúng được lặp lại như hình 8.2.1. Ở đây một lần nữa chúng ta chú ý đến các cấu trúc giống nhau của chúng. Sự thi hành khác nhau nảy sinh do sự khác nhau của các trị số tranzitor sử dụng trong mạch. Hình 8.2.1 (a) Mạch tương đương xoay chiều cho C-E (b) Mạch tương đương xoay chiều cho C-S Mô hình tín hiệu nhỏ cho BJT và MOSFET được cho trong hình 8.2.2. Ta lại thấy rằng, kiến trúc của chúng tương tự như nhau, loại trừ giá trị hữu hạn của rp đối với BJT. Dựa theo những tương đồng này, chúng ta bắt đầu các phân tích với các tương quan cho tranzitor lưỡng cực, bởi vì nó có mô hình tín hiệu nhỏ tổng quát hơn; chúng ta thu được các kết quả đối với các trường hợp FET từ các biểu thức BJT bằng cách cho rp và bo=gmrp tiến đến vô cùng. Các biểu thức cho điện áp khuếch đại, điện trở vào, điện trở ra và dòng khuếch đại được tính toán cho mỗi loại khuếch đại tranzitor đơn. Hình 8.2.2 Các mô hình tín hiệu nhỏ cho BJT và MOSFET Hệ số khuếch đại điện áp cực Chúng ta bắt đầu phân tích bằng biến đổi biểu thức khuếch đại điện áp cuối giữa cực gốc và cực chung (hoặc cổng và thu) và điện trở đầu vào của tranzitor. Sử dụng hệ số khuếch đại cuối cùng và trở kháng đầu vào, sau đó, ta có thể tìm khuếch đại toàn bộ của bộ khuếch đại tranzitor đơn. Các chương tiếp theo, ta cũng sẽ thấy rằng khuếch đại cuối là cực kỳ quan trọng và hữu ích trong việc phân tích các bộ khuếch đại đa trạng thái. Trong hình 8.2.3, BJT được thay thế bởi mô hình tín hiệu nhỏ, và cực chung của bán dẫn được điều khiển bằng nguồn kiểm tra vb. Hình 8.2.3 minh họa mạch tín hiệu nhỏ tương đương với ro đã được loại trừ. Cũng cần để ý thêm rằng mô hình tín hiệu nhỏ đó đã được chuyển thành dạng biểu diễn điều khiển dòng. Bắt đầu phân tích, khuếch đại điện áp cực Avt, được định nghĩa từ cực chung đến đầu ra vo là: (8.2.1) với điện áp ra được biểu diễn bởi: (8.2.2) Hình 8.2.3 (a) Mô hình tín hiệu nhỏ cho bộ khuếch đại C-E. (b)Đơn giản hóa mô hình tín hiệu nhỏ cho bộ khuếch đại C-E, trong đó ro không được tính đến. Một công thức cho i với thuật ngữ của vth có thể được tìm thấy trong vòng 1: (8.2.3) Kết hợp các công thức (8.2.1) đến (8.2.3) thu được biểu thức khuếch đại cuối cho bộ khuếch đại C-E: (8.2.4) Nếu ta giả thiết rằng bo>>1 (trạng thái chung nhất), công thức (8.2.4) có thể được rút gọn thành: (8.2.5) Để tìm khuếch đại cuối cho bộ khuếch đại C-S, ta lấy giới hạn công thức (8.2.4) với rp Š¥, cần nhớ rằng bo = gmrp. Kết quả biểu thức cho bộ khuếch đại C-S là giống với công thức (8.2.5) loại trừ việc thay thế RE bởi RS. Do đó, ta có các biểu thức tương tự cho khuếch đại cuối của cả bộ khuếch đại C-E và C-S: và (8.2.6) Chú ý dấu trừ trong công thức (8.2.4) đến (8.2.6) biểu thị rằng các bộ khuếch đại này đảo tín hiệu; có một sự lệch pha 180o giữa đầu vào và đầu ra. Trở kháng đầu vào Trở kháng đầu vào , nối với cực gốc trong hình 8.2.1, có thể dễ dàng tìm được bằng cách sử dụng công thức (8.2.3) mà ta đã phát triển. Rin là tỷ số của vb và i: hay (8.2.7) với bo>>1. Biểu thức cho dễ dàng tìm được bằng cách cho rp Š¥: (8.2.8) Hệ số khuếch đại đại tín hiệu cực nguồn Hệ số khuếch đại toàn bộ của bộ khuếch đại bao gồm ảnh hưởng của điện trở nguồn RI lúc này có thể tìm được bằng cách dùng các biểu thức điện trở đầu vào và khuếch đại điện áp: (8.2.9) Điện áp vb tại cực gốc của tranzitor lưỡng cực trong hình 8.2.1(a) là quan hệ với vi bởi (8.2.10) với RB=R1||R2. Tổ hợp các công thức này, cho: (8.2.11) Đối với trường hợp C-S, điện trở vào vô cùng lớn, công thức (8.2.1) được rút gọn thành: (8.2.12) Trong các công thức (8.1.4), (8.2.1) và (8.2.2) ta thấy rằng khuếch đại toàn bộ của bộ khuếch đại không thể vượt quá khuếch đại cuối, và biến đổi khuếch đại được gây ra bởi sự mất tín hiệu dựa vào điện trở nguồn và điện trở đầu vào hạn chế tại đầu vào của tranzitor. Điện trở đầu ra. Việc tính toán điện trở đầu ra bắt đầu với việc đơn giản hóa mô hình tín hiệu nhỏ trong hình 8.2.4(b). Rout bằng với tỷ số giữa vx và vi, biễu diễn dòng đi qua nguồn phụ thuộc: (8.2.13) Để tìm i, chúng ta viết biểu thức cho ve: (8.2.14) và nhận thấy rằng dòng i cũng có thể được viết trực tiếp dưới dạng ve: (8.2.15) Hình 8.2.4 Các mạch để tính toán điện trở đầu ra của bộ khuếch đại C-E Hình 8.2.5 Điện trở đầu ra của bộ khuếch đại C-E gồm cả ro. Kết hợp các công thức (8.2.14) và (8.2.15) thu được công thức (8.2.16): và ve = 0 (8.2.16) Bởi vì ve = 0, công thức (8.2.15) cũng đòi hỏi rằng i bằng không. Do đó ix=0 và điện trở đầu ra của mạch này là vô cùng lớn. Nhìn bề ngoài, kết quả này dường như chấp nhận được. Tuy nhiên, có sự nguy hiểm khó chấp nhận. Ta đã biết rằng Rout = ro khi RE = 0 không phải là vô cùng lớn. Ta cần nghi ngờ kết quả cho bởi công thức (8.2.16), bởi nó không tiếp cận đến giới hạn chính xác như REŠ0. Sử dụng mô hình mạch đơn giản trong hình 8.2.4(b), tại đó ro đã được bỏ qua, dẫn đến một kết quả vô lý. Chúng ta cải tiến phân tích bằng cách di chuyển đến mức độ phức tạp tiếp theo của mô hình, như thể hiện trong hình 8.2.5. Với phân tích này, mạch được điều khiển bằng dòng kiểm tra ix, và điện áp kiểm tra vx phải được xác định hợp lý để tìm ra Rout. Viết một công thức xung quanh vòng lặp 1 và áp dụng KCL tại nút ra: (8.2.17) Dòng ix là bắt buộc đi qua sự tổ hợp song song của (Rth + rp) và RE, vậy nên ve có thể được biểu diễn như sau: (8.2.18) Tại nút cực emitter, dòng phân chia có thể được dùng để tìm i dưới dạng của ix: (8.2.19) Tổ hợp các công thức từ (8.2.17) đến (8.2.19) thu được một biểu thức có phần hỗn độn cho điện trở đầu ra của bộ khuếch đại C-E: (8.2.20) Nếu bây giờ ta giả thiết rằng (+RE)>>Rth và ro >> RE và nhớ rằng bo = gmrp, chúng ta đạt được các kết quả xấp xỉ mà cần được ghi nhớ: (8.2.21) và với Lưu ý, công thức (8.2.21) đưa về chính xác kết quả với RE = 0; tức là Rout = ro. Bây giờ ta đã thấy rất thuận lợi rằng mức độ mô hình hóa của ta là thỏa đáng để đưa ra một kết quả ý nghĩa. Công thức (8.2.21) cho ta biết rằng điện trở đầu ra của cả hai bộ khuếch đại C-E và C-S là bằng với điện trở đầu ra ro của tranzitor cộng với điện trở tương được (RE||rp) nhân với hệ số khuếch đại của tranzitor. Cho gm(RE||rp)>>1, Rout>>ro và ta tìm ra rằng điện trở đầu ra của bộ khuếch đại có thể được thiết kế lớn hơn rất nhiều so với điện trở đầu ra của tranzitor. 8.3 Các mạch lặp - khuếch đại collector chung và cực máng chung Bây giờ chúng ta xem xét về một lớp các bộ khuếch đại thứ hai, các bộ khuếch đại C-C và C-D, như được biểu diễn bằng các mạch tương đương xoay chiều trong hình 8.3.1. Chúng ta sẽ thấy rằng các mạch lặp cung cấp điện trở đầu vào cao và điện trở đầu ra thấp với một hệ số khuếch đại xấp xỉ một. Như trong mục 8.2, mạch BJT được phân tích trước, và rồi là MOSFET được coi như một trường hợp đặc biệt với rpŠ¥. Hình 8.3.1 (a) mạch tương đương xoay chiều cho bộ khuếch đại C-C (b) mạch tương đương xoay chiều cho bộ khuếch đại C-D. Hệ số khuếch đại điện áp cực Để tìm được hệ số điện áp cuối trong hình 8.3.1(a), tranzitor lưỡng cực được thay thế bằng mô hình tín hiệu nhỏ của nó trong hình 8.3.2 (ro một lần nữa bỏ qua). Điện áp ra vo lúc này xuất hiện qua điện trở tải RL nối với cực emitter của tranzitor và bằng: (8.3.1) Dòng đầu vào quan hệ với điện áp cung cấp vb: (8.3.2) Hình 8.3.2 Mô hình tín hiệu nhỏ cho bộ khuếch đại C-C Kết hợp các công thức (8.3.1) và (8.3.2) thu được một biểu thức cho hệ số khuếch đại cuối của bộ khuếch đại C-C: (8.3.3) với sự xấp xỉ giữ ở bo lớn. Đặt rp (và bO) tiến đến vô cùng trong công thức(8.3.3) thu được khuếch đại cuối cùng cho FET theo hình 8.3.1(b): (8.3.4) Trong hầu hết các thiết kế C-C và C-D, gmRi >> 1 và các công thức (8.3.3), (8.3.4) rút gọn thành: (8.3.5) Các bộ khuếch đại C-C và C-D có một hệ số khuếch đại gần với 1. Tức là điện áp ra theo điện áp vào và các bộ khuếch đại C-C và C-D thường được tương ứng gọi là các bộ lặp emitter và các bộ lặp cực nguồn. Trong đa số trường hợp, BJT thu được gmRi >> 1 tốt hơn FET và hệ số khuếch đại BJT gần với 1 hơn FET. Tuy nhiên, trong cả hai trường hợp, giá trị hệ số khuếch đại thường rơi trong khoảng (8.3.6) Hiển nhiên, hệ số khuếch đại trong công thức (8.3.6) nhỏ hơn hệ số mf rất nhiều, nên bỏ qua rp trong mô hình của hình 8.3.1 là hợp lệ. Chú ý, rO xuất hiện song song với RL và ảnh hưởng của nó có thể được bao gồm bằng cách thay thế RL bằng (RL||rO) trong các công thức. Trở kháng vào Trở kháng đầu vào của BJT đơn giản bằng với phần cuối trong ngoặc của công thức (8.3.2): và (8.3.7) Đặt rp (và bO) tiến đến vô cùng cho MOSFET. Trở kháng đầu vào của bộ lặp emitter bằng với rp cộng với một bản sao khuếch đại của điện trở tải RL và có thể rất lớn. Tất nhiên, chúng ta thấy rằng trở kháng đầu vào của bộ lặp nguồn rất lớn. Hệ số khuếch đại điện áp nguồn tín hiệu Điện áp thu được từ nguồn vi trong hình 8.3.1 đến đầu ra tìm được sử dụng khuếch đại cuối cùng và biểu thức trở kháng đầu vào là: (8.3.8) Điện áp vb tại cực B của tranzitor lưỡng cực trong hình 8.3.1 liên quan đến vi bởi (8.3.9) với RB=R1||R2. Tổ hợp các biểu thức này: (8.3.10) Với trường hợp C-S và trở kháng đầu vào vô hạn, công thức (8.3.10) rút gọn thành (8.3.11) Khoảng tín hiệu của mạch lặp Do các mạch lặp emitter và mạch lặp nguồn có một hệ số khuếch đại gần với 1, chỉ một phần nhỏ của tín hiệu vào thực sự đi qua các cực B-E hay nguồn-cổng. Vì vậy, các mạch này có thể được sử dụng với các tín hiệu tương đối lớn mà không hề xâm phạm các giới hạn tín hiệu nhỏ liên quan. Điện áp tăng qua rp trong mô hình tín hiệu nhỏ phải nhỏ hơn 5 mV đối với hoạt động tín hiệu nhỏ của BJT. Một biểu thức cho vbe tìm được theo cách giống hệt như công thức (8.3.2): (8.3.12) Với yêu cầu điện áp vbe phải nhỏ hơn 5mV ta được: (8.3.13) Với bO lớn. Thông thường, gmRL>> 1 và độ lớn của vb có thể được tăng về phía giới hạn 5mV. Trong trường hợp của FET (đặt rp à ¥), biểu thức tương ứng trở thành: (8.3.14) và (8.3.15) là giá trị cũng làm tăng khoảng cho phép của vi. Trở kháng đầu ra Trở kháng đến đầu ra của mạch C-C có thể được tính toán dựa vào mạch trong hình 8.3.3, trong đó nguồn kiểm tra vx được trực tiếp đưa vào cực emitter. Sử dụng KCL tại nút phát ta thu được: (8.3.16) Thu thập các phần tử và sắp xếp lại ta có: (8.3.17) Triển khai công thức (8.3.17) thu được : (8.3.18) Do hệ số khuếch đại dòng là vô hạn với FET nên: (8.3.19) Từ các công thức (8.3.18) và (8.3.19), ta có thể quan sát thấy rằng trở kháng đầu ra chủ yếu được xác định bởi quan hệ tương hỗ của độ dẫn hỗ của tranzitor. Đây là điều cực kỳ quan trọng cần phải nhớ. Với trường hợp BJT, một số hạng khác được thêm vào, nhưng nó thường nhỏ, trừ khi Rth rất lớn. Giá trị Rout cho các mạch C-C và C-D có thể thể khá thấp. Chẳng hạn, với dòng 5mA, giá trị gm của tranzitor lưỡng cực là 40 × 0.005 = 0.2 S và 1/gm chỉ là 5W. Hình 8.3.3 Tính toán trở kháng C-C/C-D Hệ số khuếch đại dòng Hệ số khuếch đại dòng cực Ait là tỷ số của dòng cung cấp với phần tử tải đến dòng được cấp từ nguồn Thévenin. Trong hình 8.3.4, dòng i cộng với bản sao đã khuếch đại của nó (bOi) được tổ hợp lại tại điện trở tải RL, ta thu được hệ số khuếch đại dòng bằng (bO+1). Đối với FET, rp là vô hạn, i bằng 0 và hệ số khuếch đại dòng là vô hạn. Do đó, đối với các bộ khuếch đại C-C/C-D: và (8.3.20) Hình 8.3.5 Mạch để hiểu công thức (14.57) Hình 8.3.4 Mạch để tính hệ số khuếch đại dòng C-C/C-D Tóm tắt về bộ khuếch đại C-C/C-D Bảng 8.1 tóm lược các kết quả thu được đối với các bộ khuếch đại C-C và C-D trong hình 8.3.6. Các kết quả FET trong bảng có thể luôn thu được từ các kết quả BJT bằng cách đặt rp và bO à ¥. Các giá trị số từ hai bộ khuếch đại trong hình 8.3.1 cũng tìm được trong bảng 8.2. BẢNG 8.1 Tóm tắt các bộ khuếch đại C-C và C-D Khuếch đại C-C Khuếch đại C-D Hệ số khuếch đại điện áp cực Hệ số khuếch đại điện áp tín hiệu nguồn Trở kháng đầu vào ¥ Trở kháng đầu ra Khoảng tín hiệu vào @0.005(1+gmRL) 0.2(VGS – VTN)(1+gmRL) Hệ số khuếch đại dòng cực bO + 1 ¥ BẢNG 8.2 So sánh các bộ khuếch đại C-C và C-D Khuếch đại C-C Khuếch đại C-D Hệ số khuếch đại điện áp Trở kháng đầu vào Trở kháng đầu ra Khoảng tín hiệu vào Hệ số khuếch đại dòng 0.956 1.17 MW 121 W 0.575 V 101 0.838 ¥ 2.04 kW 1.23 V ¥ Hình 8.3.6 Các bộ khuếch đại (a) C-C và (b) C-D sử dụng với bảng 8.1 Trong các bảng 8.1 và 8.2, sự tương đồng giữa các đặc tuyến của các bộ khuếch đại C-C và C-D xuất hiện rất nhanh. Cả hai bộ khuếch đại trình bày một hệ số gần đến 1, một trở kháng đầu vào cao, và trở kháng đầu ra thấp. Sự khác nhau nảy sinh do giá trị hữu hạn của rp và bO của BJT. Với FET, có thể dễ dàng hơn để thu được các giá trị trở kháng đầu vào rất cao do trở kháng cổng ra là vô hạn, trong khi đó bộ khuếch đại C-C có thể dễ đạt các mức trở kháng đầu ra rất thấp bởi vì độ hỗ dẫn của nó cao hơn đối với dòng hoạt động. Cả hai bộ khuếch đại đều có thể được thiết kế để có thể nhận được mức tín hiệu vào khá lớn. Hệ số khuếch đại dòng của FET vốn đã là vô hạn, trong khi lại hữu hạn đối với BJT do giá trị hữu hạn bO của nó. 8.4 Các khuếch đại không đảo – Base chung và cực cửa chung Lớp các bộ khuếch đại cuối cùng mà chúng ta phân tích bao gồm các bộ khuếch đại gốc-chung (common-base) và cực cửa-chung (common-gate) được trình bày bằng hai mạch tương đương xoay chiều như trong hình 8.4.1. Từ các phân tích, ta thấy rằng các bộ khuếch đại không đảo sẽ đưa ra một hệ số điện áp khuếch đại và trở kháng đầu ra tương tự với các trạng thái của C-E/C-S nhưng với trở kháng đầu vào thấp hơn rất nhiều. Hình 8.4.1 Các mạch tương đương xoay chiều cho các bộ khuếch đại (a) C-B và (b) C-G Hệ số điện áp cực và trở kháng đầu ra Tranzitor được thay bằng mô hình tín hiệu-nhỏ của nó trong hình 8.4.2 (a). Bởi vì bộ khuếch đại có một điện trở tải, mô hình mạch được đơn giản bằng cách bỏ qua rO, như được vẽ lại trong hình 8.4.2(b). Thêm nữa, các cực vbc và phụ thuộc vào dòng nguồn gmvbe đều đã được đảo ngược và tín hiệu nguồn được chuyển đổi sang mạch tương đương của nó. Đối với mạch C-B, điện áp ra vO xuất hiện tại cực máng sau khi qua điện trở RL và bằng: (8.4.1) và hệ số khuếch đại sau cùng cho tranzitor C-B là: (8.4.2) Công thức 8.4.2 cũng giống như đối với C-E loại trừ dấu của nó. Dòng vào i và trở kháng đầu vào được cho bằng: và (8.4.3) với giả thiết bO>>1. Các biểu thức tương ứng đối với giai đoạn C-G (rp®¥) là: và (8.4.4) Hình 8.4.2 (a) Mô hình tín hiệu-nhỏ cho bộ khuếch đại C-B (b) Mô hình đơn giản đã bỏ qua rO và đảo cực nguồn điều khiển Hệ số khuếch đại tín hiệu nguồn Các hệ số khuếch đại toàn mạch cho các bộ khuếch đại trong hình 8.4.1 bây giờ có thể được biểu diễn dưới dạng: (8.4.5) và thay thế thu được: và (8.4.6) Nếu chúng ta giả thiết rằng R4>>RI thì các biểu thức hệ số khuếch đại trong công thức 8.4.6 trở thành: với R4 >> RI (8.4.7) Do trở kháng đầu vào thấp của các bộ khuếch đại C-B và C-G, hệ số khuếch đại điện áp ra Av từ nguồn tín hiệu đến đầu ra có thể, về cơ bản, nhỏ hơn hệ số khuếch đại cuối cùng. Chú ý rằng các biểu thức cuối cùng trong công thức 8.4.7 có dạng tương tự với các hệ số khuếch đại đối với các bộ khuếch đại nghịch đảo và các bộ lặp. Chúng ta sẽ nghiên cứu thêm về kết quả này ở cuối chương. Chú ý thêm rằng các biểu thức trong công thức 8.4.4 và 8.4.5 đều dương, chúng biểu thị rằng tín hiệu ra là cùng pha với tín hiệu vào. Theo đó, các bộ khuếch đại C-B và C-G được phân loại thành các bộ khuếch đại không nghịch đảo. Các giới hạn quan trọng Giống với các bộ khuếch đại C-E/C-S, hai điều kiện giới hạn là đặc biệt quan. Giới hạn trên xảy ra với gmRI << 1 là giá trị dẫn đến công thức 8.4.7 được rút gọn thành: và (8.4.8) Công thức 8.4.7 biểu diễn giới hạn trên của hệ số khuếch đại của các bộ khuếch đại C-B/C-G và giống với các bộ khuếch đại C-E/C-S loại trừ việc hệ số khuếch đại là không đảo. Tuy nhiên, nếu gmRth >> 1 thì công thức 8.4.7 rút gọn thành: (8.4.9) Với trường hợp này, các bộ khuếch đại C-B và C-G đều có một hệ số khuếch đại gần với tỷ số giữa giá trị của điện trở tải với điện trở tải của trở kháng nguồn Thévenin và không phụ thuộc các tham số của tranzitor. Đối với các tải điện trở, giới hạn trong công thức 8.4.9 nhỏ hơn nhiều so với hệ số khuếch đại mf, nên việc bỏ qua rO là hợp lệ. Khoảng tín hiệu đầu vào Quan hệ giữa veb và vi trong hình 8.4.1(a) được cho bằng và (8.4.10) với R4>>RI Giới hạn tín hiệu nhỏ đòi hỏi: (8.4.11) Đối với trường hợp của FET, thay thế veb bằng vsg ta thu được: (8.4.12) Và (8.4.13) Kích thước tương đối đối của RI và gm sẽ xác định các giới hạn xử lý tín hiệu. Trở kháng ra Trở kháng đầu ra của các bộ khuếch đại C-B/C-G có thể được tính toán cho các mạch trong hình 8.4.3, trong đó một nguồn kiểm tra vx được nối với cực collector. Trở kháng mong muốn là giá trị nhìn vào cực collector với cực base nối đất và điện trở Rth nối với cực emitter. Nếu mạch được vẽ lại như trong hình 8.4.3(b) chúng ta cần nhận thấy nó giống như mạch C-E trong hình 8.2.4, lặp lại trong hình 8.4.3(c) loại trừ trở kháng cực base là bằng 0 và điện trở RE được thay nhãn thành Rth. Theo đó, trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại C-B có thể tìm được qua các kết quả tính được từ bộ khuếch đại C-E mà không cần tính toán chi tiết hơn nữa, chỉ bằng cách thay thế =0 và thay RE với Rth. và (8.4.14) Hình 8.4.3 (a) Mạch tính toán trở kháng đầu ra cho C-B (b) Phiên bản vẽ lại của mạch (a), (c) Mạch được sử dụng trong phân tích C-E (xem hình 8.2.4) Dùng bO = gmrp ta có: (8.4.15) Hệ số khuếch đại dòng Hệ số khuếch đại dòng cuối cùng Ait là tỷ số của dòng qua điện trở tải với dòng cấp cho cực emitter. Nếu một dòng iv được xen vào cực emitter của tranzitor C-B trong hình 8.4.4 thì dòng it=aOiv đi ra khỏi cực máng. Theo đó hệ số khuếch đại dòng C-B đơn giản là aO. Đối với FET, aO chính xác là 1 và chúng ta có và (8.4.16) Hình 8.4.4 Hệ số khuếch đại dòng C-B Tóm tắt về bộ khuếch đại C-B/C-G Bảng 8.3 tóm tắt các kết quả mong muốn cho các khuếch đại đại C-B và C-G trong hình 8.4.6, và các kết quả số cho các bộ khuếch đại chỉ định trong hình 8.4.1 đã cùng được liệt kê trong bảng 8.4. Bảng 8.3 một lần nữa minh họa sự đối xứng giữa các đặc tuyến của các bộ khuếch đại C-B và C-G. Hệ số khuếch đại điện áp là rất giống nhau. Các số khác nhau xảy ra bởi sự khác nhau của các tham số của BJT và FET tại cùng điểm hoạt động. BẢNG 8.3 Tóm tắt bộ khuếch đại C-B/C-G Khuếch đại C-B Khuếch đại C-G Hệ số khuếch đại điện áp cực +gmRL +gmRL Hệ số khuếch đại nguồn tín hiệu Rth=(RI||R4) Trở kháng vào Trở kháng ra ro(1+gmRth)=ro+mfRth rO(1+gmRth)=ro+mfRth Khoảng tín hiệu vào 0.005(1+gmRth) 0.2(VGS-VTN)(1+gmRth) Hệ số khuếch đại dòng cực +1 BẢNG 8.4 So sánh các bộ khuếch đại C-B và C-G Khuếch đại C-B Khuếch đại C-G Hệ số điện áp Trở kháng vào Trở kháng ra Phạm vi tín hiệu Hệ số khuếch đại sau cùng +10.4 102W 3.93 MW 90.6 mV 1 +4.8 2.04 W 410 MW 362 mV 1 Hình 8.4.6 Các mạch sử dụng với Bảng tóm tắt 14.5 (a) Bộ khuếch đại C-B (b) Bộ khuếch đại C-G Cả hai bộ khuếch đại đều có thể đưa ra hệ số khuếch đại ý nghĩa, trở kháng vào thấp và trở kháng ra cao. Hệ số khuếch đại lớn hơn của BJT cho nó một ưu điểm để thu được trở kháng ra cao; bộ khuếch đại C-B có thể dễ dàng đạt được các mức trở kháng vào thấp bởi vì độ hỗ dẫn cao hơn của BJT đối với một dòng hoạt động. Bộ khuếch đại FET bản nó đã có thể xử lý được các mức tín hiệu lớn. 8.5 Tụ đi vòng và ghép Cho đến lúc này, chúng ta đã giả thiết rằng trở kháng của các tụ điện móc nối và nối vòng được bỏ qua, và tập trung vào nghiên cứu để hiểu về các tính chất của một tranzitor đơn trong các khối thiết bị và hoạt động trong miền trung tần của chúng. Tuy nhiên, do trở kháng của một tụ điện tăng lên khi tần số giảm đi, việc cố kết và nối vòng các tụ điện thường làm suy giảm hệ số khuếch đại tại các tần số thấp. Trong mục này, chúng ta khám phá cách chọn các giá trị tụ điện để bảo đảm sự hợp lệ cho giả thiết trung tần của chúng ta . Mỗi một trong ba lớp bộ khuếch đại sẽ được xem xét kế tiếp nhau. Kỹ thuật mà chúng ta sẽ sử dụng là có quan hệ với phương thời gian ngắn mạch không đổi (SCTC). Trong phương pháp này, mỗi tụ điện được xem xét tách rời với các tụ khác bằng cách cho ngắn mạch (C®¥). Các khuếch đại C-E và C-S Chúng ta hãy bắt đầu chọn các giá trị cho các tụ điện trong các bộ khuếch đại C-E và C-S trong hình 8.1.2. Lúc này, ta giả sử rằng C2 vẫn là giá trị vô hạn, do dó làm ngắn mạch R5 với đất như hình vẽ 8.5.1 (a) và (b). Hình 8.5.1 Cách mắc nối các tụ điện trong các bộ khuếch đại C-E và C-S Ghép các tụ điện C1 và C3 Trước tiên xét C1. Để có thể bỏ qua C1, đòi hỏi tụ điện có điện kháng nhỏ hơn nhiều so với trở kháng tương đương đầu và cuối mạch nối của nó. Tham khảo hình 8.5.1, ta thấy rằng trở kháng bên trái tụ điện C1 là R1 và bên phải là Rin. Theo đó, thiết kế C1 đòi hỏi: (8.5.1) Tần số w được chọn phải là tần số thấp nhất đối với hoạt động trung tần của ứng dụng đã định. Với hoạt động của bộ khuếch đại C-E, điện trở RB song song với trở kháng đầu vào tranzitor, vậy Rin=RB||. Đối với hoạt động của C-S, điện trở RG song song với trở kháng đầu vào nên Rin=RG||. Một phân tích tương tự áp dụng cho C3. Ta đòi hỏi điện kháng tụ điện phải nhỏ hơn nhiều so với trở kháng tương đương tại hai đầu nối nó. Tham khảo hình 8.5.1, trở kháng bên trái của tụ C3 là Rout và bên phải là R7. Vậy C3 phải thỏa mãn: (8.5.2) Hình 8.5.2 Các tụ điện nối vòng trong các bộ khuếch đại C-E và C-S Đối với hoạt động của C-E, điện trở cực máng R3 song song với trở kháng đầu ra của tranzitor và Rout=R3||. Trong hoạt động của C-S, điện trở cực máng R3 song song với trở kháng đầu ra của tranzitor, nên Rout=R3||. Tụ điện C2 nối vòng Công thức cho C2 có khác một chút. Hình 8.5.2 cho thấy mạch giả thiết mà ta có thể bỏ qua điện kháng tụ điện C1 và C3. Tại hai đầu C2 trong hình 8.5.2(a), trở kháng tương đương là bằng R6 song song với tổng (RE+1/gm), là trở kháng đoạn mạch hướng về phía cực emitter của tranzitor. Do đó, đối với C-E và C-S, C2 phải thỏa mãn: (8.5.3) Để thỏa mãn sự khác biệt trong các công thức từ 8.5.1 đến 8.5.3 chúng ta sẽ đặt giá trị tụ điện xấp xỉ 10 lần giá trị tính được trong các công thức. Các bộ khuếch đại C-C và C-D Các bộ khuếch đại đơn giản hóa trong hình 8.1.4 chỉ có hai tụ điện nối với nhau. Để có thể bỏ qua C1 một cách hợp lý, điện kháng của tụ điện phải nhỏ hơn rất nhiều trở kháng tương đương giữa hai đầu của nó. Tham khảo hình 8.5.3 chúng ta thấy rằng trở kháng ở phía trái C1 là RI và phía phải là Rin. Theo đó, thiết kế C1 cũng giống với công thức: (8.5.4) Cần chú ý các giá trị trở kháng đầu vào và ra sẽ khác với hai tập công thức 8.5.1 và 8.5.4. Đối với hoạt động của C-C, điện trở RB song song với trở kháng đầu vào của tranzitor, vậy Rin= RB|| . Đối với hoạt động C-D, điện trở cổng RG song song với trở kháng đầu vào của tranzitor và Rin= RG||. Với C3 trở kháng phía trái tụ điện C3 là Rout và phía phải là R7. Do đó, thiết kế C3 cần: (8.5.5) Với Rout= R4|| do điện trở R4 song song với trở kháng đầu ra của tranzitor. Hình 8.5.3 Mắc nối các tụ điện trong các bộ khuếch đại C-C và C-D Các bộ khuếch đại C-B và C-G Đối với các khuếch đại C-B và C-G, C2 trước hết được giả thiết là một giá trị vô hạn, do đó làm ngắn mạch cực gốc và cổng của tranzitor hình 8.1.5 với đất như trong hình được vẽ lại 8.5.4. Để có thể bỏ qua C1 thì độ lớn kháng trở của tụ điện phải nhỏ hơn nhiều so với trở kháng tương đương ở hai cực của nó. Tham khảo hình 8.5.4, trở kháng bên trái tụ điện là RI và bên phải là Rin. Do đó, thiết kế C1 giống với công thức 8.5.1: (8.5.6) Hình 8.5.4 Mắc nối các tụ điện trong các bộ khuếch đại C-B và C-G Cho hoạt động của cả hai bộ khuếch đại, điện trở R4 song song với trở kháng đầu vào của tranzitor, vậy Rin=R4||. Với C3 chúng ta thấy rằng trở kháng bên trái tụ điện C3 là Rout và bên phải là R7, do đó thiết kế của C3 cần: (8.5.7) Đối với các bộ khuếch đại, điện trở R3 song song với trở kháng đầu ra của tranzitor, nên Rout=R3||. Để nối vòng tụ điện một cách hiệu quả, điện kháng của C2 phải nhỏ hơn nhiều so với trở kháng tương đương giữa cực base hay cực cửa của các tranzitor trong hình 8.1.5 với các điện trở khác được giả thiết là có giá trị vô cùng lớn như được minh họa trong hình 8.5.5. Các trở kháng tại cực base và cực cửa tương ứng là: và (8.5.8) Đồng thời giá trị của C2 phải thỏa mãn: Hình 8.5.5 Các tụ điện nối vòng trong các bộ khuếch đại (a) C-C và (b) C-D