Bài giảng Mạch điện tử - Chương 4: Mạch khuếch đại liên tầng

11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 1 MẠCH ĐIỆN TỬ Chương 4. MẠCH KHUẾCH ĐẠI LIÊN TẦNG 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 2 NỘI DUNG • Mạch khuếch đại Cascade • Mạch khuếch đại vi sai (difference amplifier) • Mạch khuếch đại Darlington • Mạch khuếch đại Cascode 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 3 Mạch khuếch đại Cascade • Xét mạch ghép AC (ac-coupling) sau 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 4 Mạch khuếch đại Cascade • Phân tích DC, xác định tĩnh điểm: • Hai tầng độc lập (do ghép AC) • Có thể gây méo dạng. • Phân tích AC (tín hiệu nhỏ): Mạch tương đương iii ih R  h R'  R'  A LL b2 b 1  fe2 C 2 fe 1 b 2 b 1 • Độ lợi dòng: i  ''   iibbi i2 i 1 i R C 2 R L  R b 2  h ie 2  R bie 1  h 1  11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 5 Mạch khuếch đại Cascade Ví dụ 1: Xác định độ lợi áp và biên độ dao động cực đại điện áp ngõ ra. Giả sử hfe = 100 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 6 Mạch khuếch đại Cascade • Xác định tĩnh điểm: • Tầng 2: • Tầng 1: Rb1 = R1 // R2 = 9.09K; VBB = VCCR1/(R1 + R2) = 1.82V V V I  BB BEQ  1.3mA CQ1 Re1  Rb1 / h fe1 • Mạch tương đương tín hiệu nhỏ V VT T hie1  h fe1 1920 hie2  h fe 2  260 ICQ1 ICQ2 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 7 Mạch khuếch đại Cascade • Độ lợi áp: 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 8 Mạch khuếch đại Cascade • Xét mạch khuếch đại ghép trực tiếp 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 9 Mạch khuếch đại Cascade • Ảnh hưởng DC giữa 02 tầng • Không bị méo dạng. • Xác định tĩnh điểm: • Để đơn giản, xem IB = 0 trong các tính toán tĩnh điểm. • VBE1 = 0.7V  I3 = 0.7/600 = 1.17 mA  IC2 = IE2 = I3 = 1.17 mA  VCE2 = 9 – (1.17mA)(1.3K + 1.8K + 0.6K) = 4.7V • VE2 = (1.17mA)(1.8K + 0.6K) = 2.8V • VC1 = VB2 = VBE + VE2 = 0.7 + 2.8 = 3.5V = VCE1  IC1 = (9 – 3.5)/2.2K = 2.5 mA 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 10 Mạch khuếch đại Cascade • Mạch tương đương tín hiệu nhỏ: V V h  h T  1K h  h T  2.14K ie1 fe1 ie2 fe 2 I ICQ1 CQ2 vL vL ib2 ib1 100  2.2 1 (0.6 // 0.8)  Av    100 1.3K   vi ib2 ib1 vi  2.2  hie2 0.2K  (0.6 //1.8 // hie1 )K (0.6 // 0.8)  1 Av = 4000 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 Mạch khuếch đại vi sai • Xét mạch khuếch đại 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 12 Mạch khuếch đại vi sai • Phân tích tĩnh điểm VE1 = VE2 = (IE1 + IE2)Re – VEE = 2IE1Re – VEE = 2IE2Re – VEE • Do tính đối xứng, tách thành 2 mạch (Re  2Re) VCEQ1 = VCEQ2 = VCC + VEE – ICQ(Rc + 2Re) 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 13 Mạch khuếch đại vi sai Ví dụ 4: Trong mạch bên Cho VCC = VEE = 10V; Rb = 0.2K; Re = 0.9K; Rc = 0.2K; RL = 10. Theo phân tích tĩnh điểm: ICQ = (10 – 0.7) / (20.9) = 5.17 mA VCEQ = 10 + 10 – 5.17(0.2 + 20.9) = 9.66V 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 14 Mạch khuếch đại vi sai • Phân tích tín hiệu nhỏ : • Phản ánh mạch cực B (nguồn i1 và i2) về cực E: • Đặt i0 = (i1 + i2)/2 và i = i2 – i1  i1 = i0 – (i/2) và i2 = i0 + (i/2) 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 15 Mạch khuếch đại vi sai • Dùng phương pháp chồng chập cho mạch tương đương tín hiệu nhỏ, tách thành 2 mode: • Mode chung (common mode): i1 = i2 = i0 • Tách đôi: Re  2Re • Do đối xứng: ie1c = ie2c  iRe = 2ie1c = 2ie2c  ve = (2Re)ie2c 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 16 Mạch khuếch đại vi sai • Mode vi sai (differential mode): i2 = - i1 = i/2 • ie1d = - ie2d  iRe = 0  ve = 0 • Ngắn mạch Re  11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 17 Mạch khuếch đại vi sai • Chồng chập tín hiệu: RRbb • ie2 = ie2c + ie2d = ii0  2Re h ib  R b / h fe 2( h ib  R b / h fe ) R c i • iL = ie 2 = Aci0 + Adid RRcL • Trong đó: RR • Độ lợi mode chung A  cb c R R2/ R  h  R h c L e ib b fe RRcb • Độ lợi mode vi sai: Ad  Rc R L2( h ib R b / h fe ) 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 18 Mạch khuếch đại vi sai • Tỷ số triệt tín hiệu đồng pha CMRR (Common Mode Rejection Ratio) • Mạch khuếch đại vi sai lý tưởng: Ac = 0: iL = AdI • Định nghĩa: A CMRR  d Ac • Mạch thực tế: 2/R h R h R CMRR e ib b fe e 2(hib R b / h fe ) h ib R b / h fe • (Giả sử Re >> hib + Rb/hfe) 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 19 Mạch khuếch đại vi sai Ví dụ 5: Cho mạch trong ví dụ 4. Tính CMRR. Giả sử i0 = 1A, Xác định giá trị tín hiệu ngõ vào mode vi sai để ngõ ra mode vi sai tối thiểu lớn hơn 100 lần ngõ ra mode chung. Ac  - 0.1 Ad  - 14  iL = -0.1i0 – 14i CMRR = Ad / Ac = 140 (43dB) Để ngõ ra mode vi sai  100ngõ ra mode chung: 14i  100(0.1i0)  i  100(i0 / CMRR) = 0.7 A 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 20 Mạch khuếch đại vi sai • Phương pháp tăng CMRR 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 21 Mạch khuếch đại vi sai • Mạch T3 xem như nguồn dòng. • Phân tích tín hiệu nhỏ: Tương tự như mạch trên thay Re = 1/hoe 11 2.h R / h ib b fe hhoe oe CMRR  2(hib R b / h fe ) h ib R b / h fe • Do 1/hoe rất lớn nên CMRR rất lớn. 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 22 Mạch khuếch đại vi sai • Mạch Chỉnh cân bằng: (Balance control) 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 23 Mạch khuếch đại vi sai • Điều kiện cân bằng: ICQ1 = ICQ2 RR11 • R vb   Suy ra 1  22hhfe12 fe RR11 R vb   2 22hh fe12 fe • Phân tích AC RRcbGiảm so với Ad  không dùng RV R c  R L 2[ h ib  R v / 2  ( R b / 2)(1/ h fe12  1/ h fe )] RRcb Ac  Rc R L2(1/ h oe3 )  [ h ib  R v / 2  ( R b / 2)(1/ h fe 1  1/ h fe 2 )] 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 24 Mạch khuếch đại vi sai Ví dụ 6: Thiết kế mạch sau để có CMRR = 100 (40dB). Tải 1K ghép AC. TST có hfe = 100 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 25 Mạch khuếch đại vi sai • Theo hình vẽ: R1 = R2 = 50 ; hfe1 = hfe2 = 100 . • Sử dụng công thức tính Ad và Ac ở phần chỉnh cân bằng, thay 1/hoe bằng Re, suy ra Ad2 R e hR ibe  50  1000/100 CMRR   Ac2 hh ibib 100  2000/100 60  • Yêu cầu: CMRR  100  Re  100(60 + hib) • Giả sử ICQ1 = ICQ2 = 1mA  hib = 25   Re  8.5K. Chọn Re = 10K. • Tính VEE: VEE = Rb1IB1 + VBE1 + R1IE1 + Re(2I1) = 20.8VA 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 26 Mạch khuếch đại DarlingTone • Dạng mạch: 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 27 Mạch khuếch đại DarlingTone • Phân tích tín hiệu nhỏ: VVV • Do I = h I , nên h hTTT  h   h CQ2 fe2 CQ1 ie2fe 2I fe 2 h I I ib 1 CQ2 fe 2 CQ 1 CQ 1 h R h(/) R h h R h R • Suy ra iL fe2 c fe 1 b fe 1 fe 2 C fe 1 b Ai    iRRRhi c Lbfe( /1 )  hh ib 1  ie 2 RRR c  Lb  2 hh feib 1 1 RRcb Ai() h fe12 h fe Rc R L R b2 h ie1 • Xem 2TST ghép Darlington  1 TST có: hie=2hie1 và hfe=hfe1hfe2 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 28 Mạch khuếch đại DarlingTone Ví dụ 7: Xác định tĩnh điểm của mạch sau. Giả sử hfe = 100. 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 29 Mạch khuếch đại DarlingTone • Xét mạch chế độ AC 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 30 Mạch khuếch đại DarlingTone 2.9 VV 6   4.14 • Nguồn dòng T5 : B5 2.9 1.3 ( 4.14  0.7)  (  6) ImA0.9 C5 1.3K • Giả sử IB5 << IC5 : • Mạch đối xứng: IC3 = IC4 = IC5 / 2 = 0.45 mA •  IC1 = IC2 = IC3 / hfe = 4.5 A • IB1 = IB2 = IC1 / hfe = 45 nA • KVL: • VC1 = VC2 = VC3 = VC4 = VCC – 10K(IC3 + IC1)  7.5V 5 -9 • VE1 = VE2 = 0 – (10 )(4510 ) – 0.7  -0.7V • VE3 = VE4 = VE1 – 0.7 = -1.4V -3 • VC5 = VE3 – 50IC3 = -1.4 – 50(0.4510 )  -1.4V 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 31 Mạch khuếch đại Cascode • Dạng mạch 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 32 Mạch khuếch đại Cascode • Phân tích DC: Giả sử bỏ qua IB1 và IB2: VB1 = VCCR1 /(R1 + R2 + R3)  VE1 = VB1 - VBE1 = VB1 – 0.7  IC1 = (VB1-0.7 )/ Re = IC2 VB2 = VCC(R1 + R2) /(R1 + R2 + R3)  VE2 = VB2 - VBE2 = VB2 – 0.7  VCE1 = VC1 - VE1 = (VE2 – RcIC1) – VE1 VCE2 = VC2 – V= = (VCC – RLIC2) – VE2 11/26/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 33 Mạch khuếch đại Cascode • Phân tích tín hiệu nhỏ: • Độ lợi truyền đạt (Transfer gain): v v i i R // R A  L  L e2 b1  h R (h ) 1 2 T fb 2 L fe1 ii ie2 ib1 ii R1 // R2  hie1