Vô tuyến điện đại cương - Chương 9: Khuếch đại transistor

VÔ TUYẾN ĐIỆN ĐẠI CƯƠNG TS. Ngô Văn Thanh Viện Vật Lý Hà Nội - 2016 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 2 Tài liệu tham khảo [1] David B. Rutledge, The Electronics of Radio (Cambridge University Press 1999). [2] Dennis L. Eggleston, Basic Electronics for Scientists and Engineers (Cambridge University Press 2011). [3] Jon B. Hagen, Radio-Frequency Electronics: Circuits and Applications (Cambridge University Press 2009). [4] Nguyễn Thúc Huy (1998), Vô tuyến điện tử, NXB KHKT [5] Đỗ Xuân Thụ, Nguyễn Đức Nhuận (1990), Kỹ thuật điện tử, NXB KHKT [6] Phạm Văn Đương (2004), Cơ sỡ kỹ thuật khuếch đại, NXB KHKT Website : Email : nvthanh@iop.vast.ac.vn Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 3 CHƯƠNG 9. KHUẾCH ĐẠI TRANSISTOR 1. Khuếch đại chung cực phát 2. Hiệu suất cực đại của mạch khuếch đại loại A 3. Hệ số khuếch đại 4. Giản đồ I-V 5. Điện trở cực gốc 6. Suy biến cực phát 7. Cực phát dẫn theo 8. Khuếch đại vi sai 9. Transistor trường 10. Cực nguồn dẫn theo Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 4 1. Khuếch đại chung cực phát  Common-Emitter Amplifier  Mạch điện có transistor npn  Điện trở tải R ; điện áp cung cấp : Vcc  Điện áp của tín hiệu xoay chiều : Vo  Cực phát tiếp mát • Tín hiệu vào được tạo bởi cực gốc và cực phát • Tín hiệu ra được tạo bởi cực góp và cực phát => mạch khuếch đại chung cực phát  Điện áp trên cực gốc bị giới hạn bởi điện áp tới trên diode của cực phát Vf  Khi Vo > 0 đủ lớn : diode ở cực phát mở => có dòng chạy qua cực gốc.  Khi Vo < 0 : điện áp trên cực gốc cũng âm => dòng qua cực gốc ngàng chạy  Khi có dòng chạy qua cực gốc, • có dòng cường độ lớn chạy qua cực góp, và qua tải => Điện áp ở cực góp bị sụt giảm. • Nếu điện áp cực góp nguồn đủ lớn: transistor mở hoàn toàn. Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 5 1. Khuếch đại chung cực phát  Chú ý : transistor chỉ làm việc ½ thời gian. điện áp đầu ra có dạng một nửa hình sin.  Cải tiến :  Bù điện áp cho cực gốc để giữ transistor không bị đóng  Đưa thêm điện áp DC vào cực gốc (điện áp dịch) : => sử dụng mạch chia điện áp trên điện trở giữa nguồn và đất (mát). => liên tục có dòng điện qua cực gốc  Điện áp cực góp có dạng hình sin đầy đủ. Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 6 2. Hiệu suất cực đại của mạch khuếch đại loại A  Hiệu suất cực đại của mạch khuếch đại loại A  Giả thiết : điện áp ra biến thiên từ 0 đến Vcc  Dòng qua cực gốc biến thiên từ 0 đến :  Định nghĩa hiệu suất : • P : là công suất tải • Po : là công suất nguồn cung cấp một chiều (DC)  Ta có: • Io : dòng trung bình qua cực góp : suy ra :  Công suất xoay chiều (AC) trên tải :  Cuối cùng: ta có hiệu suất cực đại trên điện trở tải của mạch khuếch đại loại A Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 7 2. Hiệu suất cực đại của mạch khuếch đại loại A  Công suất DC trên tải  Một nửa công suất từ nguồn bị tiêu hao chính là công suất tiêu thụ DC trên tải.  Công suất DC trên transistor  Điện áp và dòng điện trung bình qua transistor == đi qua điện trở  Điện áp và dòng điện AC toàn phần trên transistor == đi qua điện trở => nhưng lệch pha 180o.  Công suất xoay chiều  Công suất < 0 : • Transistor sinh ra công suất xoay chiều • Điện trở tiêu thụ công suất AC. • ½ công suất tiêu thụ DC ở transistor được chuyển thành công suất AC. Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 8 2. Hiệu suất cực đại của mạch khuếch đại loại A  Những hạn chế của mạch khuếch đại loại A  ½ công suất DC bị tiêu hao trên điện trở  Nhiều tải không thể nối trực tiếp với nguồn.  Sử dụng biến áp để khắc phục  Điện trở tải không nối trực tiếp với cực góp  Điện trở giữa nguồn và transistor = zero.  Điện áp trung bình ở cực góp = Vcc  Điện áp và dòng điện toàn phần lớn gấp đôi so với trước đây  Công suất của nguồn :  Điện trở tải hiệu dụng : n : tỷ số giữa 2 cuộn dây  Công suất trung bình :  P = Po/2 : hiệu suất là 50%  Dòng điện cực đại : • n : điều khiển dòng toàn phần Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 9 3. Hệ số khuếch đại  Amplifier Gain  Mạch điện rút gọn :  Hệ số khuếch đại : • Đơn vị đo : dB • P+ : công suất có sẵn  Công suất toàn phần trên tải :  Điện áp tải đối ứng : => là điện áp = ½ điện áp của nguồn khi mạch hở  Viết biểu thức cho công suất P+ : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 10 4. Giản đồ I-V  IV Curves  Điện áp bị méo  Dòng cực gốc bị dịch sang phải so với dòng cực góp  Khi điện áp cực gốc gần bằng điện áp vào Vf :  Các biểu thức gần đúng cho dòng điện • Dòng cực gốc : • Dòng cực góp :  Điện áp đốt nóng (nhiệt) • k : hằng số Boltzmann, • T : nhiệt độ tuyệt đối (Kenvin) • q : điện tích của electron = 1.60  10-19 C • Ở nhiệt độ phòng 295 K :  Hệ thức liên hệ giữa các dòng bão hòa qua hệ số khuếch đại dòng  • Trên thực tế các dòng bão hòa không phải là hằng số. Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 11 5. Điện trở cực gốc  Base Resistance  Độ dẫn điện của cực gốc  Khi tín hiệu vào bé :  Điện trở cực gốc :  Điện áp trên cực gốc :  Tương tự đối với cực góp : • gm : được gọi là độ hỗ dẫn (transconductance) => Điện áp và dòng điện ở các cực (nút mạch) khác nhau cực gốc và cực góp. Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 12 6. Suy biến cực phát  Emitter Degeneration  Nối thêm 1 điện trở Re vào cực phát  Nhằm điều khiển độ khuếch đại (gain) và điện áp phân cực (bias)  Xét điện áp bias  Diode giữa cực gốc và cực phát được thay bởi nguồn Vf  Cực gốc : điện trở của diode rất bé khi mạch đang hoạt động • Điện áp biến thiên trong một khoảng hẹp  Dòng điện qua cực gốc rất nhỏ so với dòng qua cực góp  Điện áp bias ở cực gốc : Điện áp này không phụ thuộc vào hệ số khuếch đại dòng .  Độ lợi (độ khuếch đại) điện áp : và là điện áp AC ra và vào Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 13 6. Suy biến cực phát  Điện áp bias không bị ảnh hưởng bởi tín hiệu AC  Xét mạch tương đương với  khá lớn, đoản mạch  Các điều kiện  Điện áp vào :  Điện áp ra : • Dấu trừ : dòng điện qua Rc ngược chiều với ic  Độ lợi điện áp : • Dấu trừ : khuếch đại ngược (đảo)  Trở kháng vào :  Điện áp vào : suy ra  Xét mạch có thêm tụ điện Miller : Cm  Điện áp ra :  Dòng điện đi qua tụ điện Miller  Trở kháng vào : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 14 7. Cực phát dẫn theo  Emitter Follower  Điện trở trên cực phát đóng vai trò điện trở tải  Khi diode ở cực phat mở : • Điện áp ra và điện áp vào là như nhau  Đối với điện áp AC, độ lợi bằng 1  Mạch theo điện áp chỉ khuếch đại dòng điện  Xét mạch tương đương  Trở kháng ra :  Điện áp ra : trong đó  Biểu thức gần đúng của dòng điện qua cực phát  Chia điện áp ra cho dòng điện cực phát, ta có Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 15 8. Khuếch đại vi sai  Differential Amplifier  Mạch khuếch đại cho 2 tín hiệu khác nhau  Ứng dụng  để loại trừ nhiễu  Làm giảm sự biến đổi nhiệt  Sử dụng nhiều trong các bộ trộn  Cấu tạo :  Bao gồm 2 mạch khuếch đại chung cực phát  Rt : điện trở cuối (đuôi)  Đặc trưng :  Điện áp vào :  Dòng điện trên các cực phát :  Dòng điện ở đuôi :  Điện áp ở đuôi cũng bằng 0, => tiếp mát  Điện áp trên các cực góp Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 16 8. Khuếch đại vi sai  Độ lệch điện áp (điện áp vi sai) giữa 2 cực góp • Độ lệch điện áp vào (điện áp vào vi sai):  Độ lợi vi sai : bằng độ lợi điện áp của từng mạch  Giả thiết:  Điện trở nội của cực góp là lớn và ta có thể bỏ qua  Trở kháng ra vi sai :  Xét trường hợp : => điện áp cùng mốt (common-mode)  Dòng điện :  Điện áp vào :  Điện áp ra : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 17 8. Khuếch đại vi sai  Ký hiệu :  : điện áp vào cùng mốt  : điện áp ra cùng mốt  Độ lợi cùng mốt  Chú ý : suy ra  Xét trường hợp một đầu vào tiếp đất  Điện áp vào vi sai :  Điện áp vào cùng mốt :  Điện áp ra vi sai :  Điện áp ra cùng mốt : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 18 9. Transistor trường  Field-Effect Transistors  Cấu tạo  JFET (junction field-effect transistor) : transistor hiệu ứng trường tiếp giáp  Điều khiển bằng điện áp vào.  Loại n : các hạt tải là electron : chạy nhanh hơn => phổ biến hơn  Loại p : các hạt tải là lỗ trống • Gate : van (cổng)  cực gốc • Source : nguồn  cực phát • Drain : máng  cực góp  Dòng electron chạy từ cực nguồn sang cực máng. Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 19 9. Transistor trường  Tấm đế silicon == chất bán dẫn loại p  Phía trên pha tạp loại n : tạo ra 1 diode => diode khối  Diode pn nối với van (gate)  Nguồn và máng nối với chất bán dẫn n  Depletion : khoảng trống, cách điện  Nguyên lý hoạt động  Điện áp ở gate sẽ điều khiển dòng  Transistor trường có gate phân cực ngược => diode ở gate không dẫn điện, khuếch đại trở kháng vào rất cao Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 20 9. Transistor trường  JFET : có hai vùng hoạt động khác nhau  Phụ thuộc vào điện áp ở cực máng  vùng bão hòa và vùng hoạt động của transistor lưỡng cực • Điện áp thấp : vùng tuyến tính • Điện áp cao : vùng tích cực  Dòng điện qua cực máng  Vgs : điện áp gate-source  Idss : dòng khi điện áp Vgs = 0  Vc : điện áp cắt (để dòng =0) điện áp cut-off  Độ hỗ dẫn • Tương đương độ lợi  của transistor  Lấy đạo hàm dòng Id : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 21 10. Cực nguồn dẫn theo  Source Follower  Mạch có tải ở cực nguồn  Điện áp phân cực gate-source Ib : dòng phân cực  Mạch tương đương xoay chiều  Thay nguồn cung cấp ở cực máng bằng mạch nối tắt tiếp mát.  Điện áp ra :  Điện áp gate-source suy ra  Trở kháng đầu ra  Độ lợi điện áp :