Bài giảng Mạch điện tử nâng cao - Chương 2: Đáp ứng tần số - Nguyễn Thanh Tuấn

Chương 2: Đáp ứng tần số Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn Bộ môn Viễn thông (B3) nttbk97@yahoo.com 1 Nội dung • Tổng quan về đáp ứng tần số. • Phân tích đáp ứng tần số thấp. • Phân tích đáp ứng tần số cao. 2 Tổng quan về đáp ứng tần số • Đáp ứng biên độ và đáp ứng pha • Đáp ứng tần số dạng tổng quát của MKĐ • Phương pháp vẽ tiệm cận (biểu đồ Bode) 3 Đáp ứng biên độ và đáp ứng pha • A = a+bj = |A|∠A 22 – Biên độ ||A a b – Pha b A arctg() a • Zc = 1/jωC = 1/j2πfC là một hàm theo f – f = 0: Zc = ∞: Chế độ DC – f ≠ 0: Chế độ AC • Nguyên nhân của việc đáp ứng tần số là do: – Bên ngoài: tụ ghép và tụ bypass (vùng tần số thấp) – Bên trong: điện dung ký sinh giữa các chân BJT (vùng tần số cao) 4 Đáp ứng tần số dạng tổng quát |A| Am Tần số Tần số thấp cao Am ------- 2 Tần số giữa f f L B fHL f H • Ở dãy tần số thấp: các tụ gắn bên ngoài. • Ở dãy tần dãy giữa: không xét ảnh hưởng của tụ. • Ở dãy tần số cao: các điện dung ký sinh bên trong của linh kiện. 5 Phương pháp vẽ tiệm cận 1) Tìm độ lợi |Ai|, chuyển sang |Ai|dB 2) Vẽ từng thừa số, sau đó cộng các đồ thị riêng lẻ lại với nhau j VD: z Chuyển sang dB: AA() m j p AA( ) 20lg 20lg2 2 20lg 2 2 dB m z p (2) (3) (1) >> z: 20dB/dec >> p: 20dB/dec Hằng số << Z: 20lg Z << p: 20lg p 6 7 Thang logarith |A|dB -2 -1 0 1 2 3 lgω 0.01 0.1 1 10 100 1000 ω (rad/s) 8 Trở kháng tương đương RC 9 Đáp ứng tần số thấp • Mô hình tương đương tín hiệu nhỏ tần số thấp – BJT – FET • Ảnh hưởng của tụ thoát • Ảnh hưởng của tụ ghép • Ảnh hưởng của tụ thoát và tụ ghép 10 Mô hình tương đương của BJT/FET tín hiệu nhỏ tần số thấp 11 Ảnh hưởng của tụ thoát 12 iiLLibR C R b // Ri Ai ().. s hfe ** iii ib i RC RL Rb //// Ri h ie Ree C 1 s RCRR b// i RC e. e Ai ().. s hfe RC RL Rb // Ri h ie 1 s ** Cee.( R / /( Rb / / Ri h ie ) 13 s z1 Ai(). s A im ()sj s p1 RRRC b// i • Aim = Ai (jω)| ω => +∞ = hfe . RC R L R b// R i h ie 1 • ωz1 = zero của hàm truyền đạt RCee. 1 • ωp1 = ** cực của hàm truyền đạt Ce.( R e / /( R b / / R i h ie ) 14 Giản đồ bode của hàm truyền: ωz1 < ωp1 – Ta có biểu thức: 2 2 2 2 |AAi() |dB 20log | im | 20logzp11 20log z1 z1 |AAAi() |dB io 20log(| im | ) Độ dốc 0dB/dec p1 1 zp11|AAi() |dB 20log(| im |. ) 20log p1 Độ dốc 20dB/dec p1 |AAi() |dB 20log(| im |) Độ dốc 0dB/dec 15 z1 AAio im * p1 ωz1 ωp1 = ωL 16 Tìm tần số cắt thấp ωL = 2πfL : | A | 22||A | A ( ) | im | A | L z1 im i L im 22 2 L p1 2 2 2 2 2 2(LLzp11 ) 2 2 2 L pz112 22 • Nhận xét: điều kiện để có ωL >0: pz112 2 2 • Thực tế: p1 2 z1 nên L p1 17 Ảnh hưởng của tụ ghép 18 * iiLLiRbi R C bR i Ai ().. s**.. hfe " iii ib i i RC RL Z Cc Rb hie Re RZRi Cb R ssR R A().... s h C b i i fe 11* " RRRRC L Rb hie R e i ss" CRRCRRci.(C L )b .( ) 19 ss Ai().. s A im ()sj sspp12 RCR bR i • Aim = Ai (jω)| ω => +∞ = hfe ..* " RRRRC L Rb hie R e i 1 • ωp1 = CRRc.(C L ) 1 • ωp2 = " là các cực của hàm truyền đạt CRRb.(i ) 20  Giả sử ta có ωp1 < ωp2 |Aim | ωp1 ωp2 ≈ ω L ω(rad/s) 21 Tìm tần số cắt thấp ωL = 2πfL : ||A 2 ||A |A ( ) | im | A | L im i L im 2 2 2 2 2 LLpp12. 2 4 2 2 2 2 2LLL (pp12 ).( ) 4 2 2 2 2 2 LL(p1 p 2 ). p 1 . p 2 0 22 Giả sử ωp1 nếu gần đúng: pp12.0 4 2 2 LLp2.0 L p2 22 Ảnh hưởng của tụ thoát và tụ ghép 23 iiiR R// R A()... sLLb hfe Ci b i i i RRZ ** iib CL Cc Ri //// Rb hie REE C 1 s R RR// s CR. A().... s hfe Ci b e e R R R// R hie 11 C L i b ss CRR()C**.( R / /( hie Ri / / Rb ) CC L E E 24 s s z2 As().Aim . ()sj sspp12 RCbRRi // •Aim = Ai (jω)| ω => +∞ = hfe.. RC RL Ri // Rb hie 1 • ωp1 = CRRc.(C L ) 1 •ω = là các cực của hàm truyền đạt p2 C**.( R / /( hie Ri / / Rb ) E E 1 • ωz2 = zero của hàm truyền đạt RCee. 25 |A | i dB Giả sử ωp1 < ωz2 < ωp2 |Aim | ωp1 ωz2 ωp2 ≈ ω L ω(rad/s) 26 Đáp ứng tần số cao • Mô hình tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao – BJT – FET • Định lý Miller • Ảnh hưởng của tụ Cbe, Cgs • Ảnh hưởng của Cbc, Cgd 27 Mô hình tương đương của BJT/FET tín hiệu nhỏ tần số cao 28 Định lý Miller I1 I2 I1 I Y 2 V1 V2 V1 Y1 Y2 V2 29 Mạch CE tần số cao 30 31 • Để tăng tính ổn định, người ta thường gắn thêm 1 tụ CBC từ cực B sang cực C có giá trị tầm vài nF để hồi tiếp âm. Khi đó tổng điện dung giữa cực B và E là C = Cbe + C’M với C’M là điện dung Miller có được khi áp dụng định lý Miller với Cbc//CBC C’M = (CBC+Cbc)( 1 + gmR’L ) sẽ được ảnh hưởng nhiều nhất bởi tụ CBC, do đó ta chủ động điều chỉnh được đáp ứng của mạch khuếch đại bằng cách điều chỉnh CBC C’M ≈ CBC( 1 + gmR’L ) 32 Mạch CS tần số cao 1 g m Cgd rds || Rd Cgd 33 vd 1 Av gm rds || Rd vi 1 j ri Cgs CM 1 fh 2 ri Cgs CM 34 vd 1 j Cgd / gm Av gm rds || Rd vi 1 j Cgd rds || Rd khi gm rds || Rd 1 35 Mạch CD tần số cao vgd 1 Zi' rds || Rs 1 gm rds || Rs i j Cgs 36 Mạch nguyên vẹn Mạch khi gm /Cgs Mạch khi gm /Cgs 37 1 1 1 j C' rds || Rs Zi j Cgd 1 1 1 1 j rds || Rs C' Cgd 38 ' vi 1 1 j Cgd Cgs ri Zo ' io gm 1 j Cgs / gm 1 j riCgd vi 0 39 vs vs vg Av vi vg vi Mạch tương đương SF ở tần số cao j C 1 gs vs gm rds || Rs gm 1 vì gm rds || Rs 1 vg 1 gm rds || Rs rds || Rs 1 j Cgs 1 gm rds || Rs vg 1 khi gm / Cgs vi 1 j ri Cgd Cgs / 1 gm (rds || Rs vg 1 ri || rds || Rs hoac khi gm / Cgs vi ri 1 j Cgd ri || rds || Rs 40 Bài tập 1 • Cho Q1: hfe=80; hie=2,5KΩ, Cb’e=250pF, Cb’c=0 • Q2: hfe=60; hie=2KΩ, Cb’e=200pF, Cb’c=20pF 41 a) Vẽ sơ đồ tương đương ở tín hiệu nhỏ tần số thấp. Thành lập biểu thức Ai ở tần số thấp. Vẽ biểu đồ Bode |Ai| ở tần số thấp. b) Vẽ sơ đồ tương đương ở tín hiệu nhỏ tần số cao. Thành lập biểu thức Ai ở tần số cao. Vẽ biểu đồ Bode |Ai| ở tần số cao. c) Từ câu a) và câu b). Tính bănh thông -3dB: BW-3dB, độ lợi dãy giữa Aim và tích số độ lợi khổ tần GBW của mạch khuếch đại trên. 42 Bài tập 2 • BJT (hfe = 100, hie = 1KΩ) 43 a) Trong trường hợp C1 = 1µF và C2 có giá trị rất lớn, xác định biểu thức và vẽ biên độ của độ lợi áp xoay chiều |Av = vo/vi |theo tần số (dựa trên phương pháp tiệm cận gần đúng). b) Trong trường hợp C1 có giá trị rất lớn và C2 = 10µF, tìm tần số cắt thấp (-3dB) của mạch trên. c) Xác định giá trị của C1 và C2 để mạch có tần số cắt thấp (-3dB) fL = 300Hz. 44 Bài tập 3 -3 • FET (gm = 5.10 mho, rds = 20KΩ, Cgs = 100pF) 45 a) Vẽ sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao của mạch trên. b) Xác định biểu thức của độ lợi áp xoay chiều Av = vo/vi và tìm tần số cắt cao (-3dB) của mạch trên. c) Tìm lại tần số cắt cao (-3dB) của mạch trên trong trường hợp FET có thêm tụ ký sinh Cgd = 10pF. 46 Bài tập 4 Cho các thông số: Vcc=20v, R1=10k, R2=100k, ri=10k, Re=0.1k, RC=1k, RL=1k, Ce=10 μF , Cc=20 μF, hfe=50. a) Vẽ sơ đồ bé tín hiệu tương đương ở tần số thấp. b) Xác định độ lợi Ai. c) Vẽ biểu đồ Bode . 47 Bài tập 5 a) Tính độ lợi dãy giữa Aim b) Tìm tần số 3 dB fh  Các thông số của mạch: Vcc= 20v 9 ωr=10 rad/s hfe= 100 Cb’c= 5 pF rbb’=0 ICQ= 10 mA 48 Bài tập 6 Các phép đo đạc chỉ ra rằng MKĐ như hình vẽ có độ lợi dãy giữa là 32dB, tần số cắt trên 3dB là 800Hz và dòng tĩnh emitter là 2mA. Giả sử rằng rbb = Cb’c = 0, tìm hfe, rb’e và Cb’e. 49 Bài tập 7 9 Cho transistor như trong hình, wT =10 rad/s, hfe = 20, Cbe =6pF, rbb’ =0 và IEQ =1mA. Hãy tìm độ lợi áp dãy giữa và tần số cắt trên 3dB. 50 Bài tập 8 Tìm độ lợi dòng dãy giữa và tần số cắt trên 3dB. 51 Bài tập 9 Hãy tìm và vẽ trên đó biểu đồ tiệm cận cho độ lợi điện áp. rbb''''20 , r b e 1 K , C b e 1000 pF , C b e 10 pF và g m 0,05 mho 52 Bài tập 10 a) | Zi | theo b) |Z0 | theo vi c) | Av | theo v0 53 Bài tập 11 Tính và vẽ |Yo|. 54 Bài tập 12 • hfe = 100 • hie = 1KΩ 55 a) Giải thích ngắn gọn vai trò và ảnh hưởng của các tụ điện C1 và C2? b) Vẽ sơ đồ mạch tương đương tín hiệu nhỏ (có tụ C1 và C2)? c) Trong trường hợp tụ C2 có giá trị rất lớn, xác định giá trị của tụ C1 để mạch có tần số cắt thấp là 20Hz? Tính biên độ của độ lợi dòng Ai = io/ii tại các tần số 2Hz, 20Hz và 200Hz? d) Trong trường hợp tụ C1 có giá trị rất lớn và tụ C2 = 10uF, xác định biểu thức và vẽ (theo phương pháp tiệm cận) đáp ứng biên độ tần số của độ lợi dòng Ai = io/ii? Tìm tần số cắt thấp (theo Hz) của mạch? 56