Bài giảng Nguyên lý điện tử 1

rất nhỏ. Hình 2.27. Cấu trúc của transistor MOS-FET. Trong mỗi loại kênh P hay N, transistor trường MOS-FET còn được phân biệt thành 2 loại: - Loại kênh có sẵn (hoạt động trong enhancement-mode): trong đó ngay tại thế UGS = 0 đã tồn tại sẵn kênh dẫn N (nếu đế loại P) hay kênh dẫn P (nếu đế loại N). Khi thế UGS < 0 sẽ làm nghèo nồng độ hạt tải của kênh và giảm độ dẫn kênh, giảm dòng ID. - Loại kênh không có sẵn (hoạt động trong deplete - mode): trong đó khi UGS = 0, độ dẫn của kênh rất nhỏ, hầu như bằng 0. Chỉ khi đặt một thế dương (với loại kênh N, đế loại P) hay thế âm (với loại kênh P, đế loại N) mới hình thành kênh dẫn điện. Sự tăng giảm của UGS trên giá trị điện áp ngưỡng sẽ làm thay đổi nồng độ hạt §Õ P Kªnh N N N G S D +VGS +VDS +Ecc ID RT 44 tải điện của kênh, làm thay đổi độ dẫn kênh và tương ứng là dòng cực máng chạy qua kênh. Hình 2.28 là tóm tắt ký hiệu và dạng đặc tính truyền đạt của 4 loại này. Nói chung các sơ đồ hoạt động của transistor trường FET cũng tương tự như transistor lưỡng cực BJT, tức là cũng có các sơ đồ mắc theo kiểu nguồn chung (source chung), cửa chung (gate chung) hay máng chung (drain chung). Hình 2.28. Tóm tắt các ký hiệu và dạng đặc tính ra của các loại transistor MOS-FET. Riêng mạch định điểm làm việc, thí dụ cho một transistor trường N-JFET, thường hay sử dụng sơ đồ dùng sụt áp qua trở mắc tại cực nguồn như trình bày trên hình 4.49. Trong sơ đồ này, dòng máng ID gần bằng dòng cực nguồn IS sẽ tạo nên một sụt áp trên điện trở RS với chiều như hình vẽ. Sụt áp này được truyền qua một 45 điện trở đặt tại cực cửa Rg (thường có giá trị lớn cỡ mê-ga ôm) để tạo một điện áp ngược cấp cho tiếp giáp cửa - nguồn G-S. Hình 2.29. Định điểm làm việc cho transistor J-FET kênh N qua trở cực nguồn RS. Nguyên lý xây dựng các tầng khuếch đại dùng Transistor trường cũng giống như dùng Transistor lưỡng cực. Điểm khác nhau là Transistor trường điều khiển bằng điện áp. Khi chọn chế độ tĩnh của Transistor trường cần đưa tới đầu vào (cực cửa G) một điện áp một chiều có giá trị và cực tính cần thiết. 2.7.2. Tầng khuếch đại cực nguồn chung (SC) Tải RD được mắc vào cực máng D, các điện trở R1, RG, RS dùng để xác lập UGS0 ở chế độ tĩnh điện trở Rs dùng để hồi tiếp âm dòng điện một chiều để ổn định chế độ tĩnh khi thay đổi nhiệt độ và do tính tản mạn của tham số Transistor. Tụ CS dùng để khử hồi tiếp âm xoay chiều. Cp1 dùng để ghép tầng với nguồn tín hiệu vào nguyên tắc chọn chế độ tĩnh giống như ở Transistor lưỡng cực Điểm làm việc tĩnh P dịch chuyển theo đường táỉ một chiều sẽ qua điểm A và B. Đối với điểm A: IDS=0, UDS=+ED, Đối với điểm B: UDS=0, ID=ED/(RD+RS). Điện trở tải xoay chiều xác định theo RtXC=RD//Rt. 46 Trong chế độ tĩnh: UDS0 = ED – ID0(RD + RS) Trong đó: ID0 là dòng cực máng tĩnh UDS0 là điện áp cực máng - nguồn tĩnh. Điện áp UGS0 là tham số của đặc tuyến ra tĩnh đi qua điểm P. Dựa vào đặc tuyến của FET, ta thấy ở chế độ tĩnh điện áp cực G có thể là âm, dương hoặc có thể bằng 0 Khảo sát trường hợp UGS0<0 Điện trở RS và RG để xác định điện áp UGS0<0 trong chế độ tĩnh. Trị số và cực tính của điện áp trên RS là do dòng điện IS0 = ID0 chạy qua nó quyết định RS= UGS0/ID0 Điện trở RG để dẫn điện áp UGS0 lấy trên RS lên cực G của FET. Điện trở RG phải chọn nhỏ hơn điện trở vào. Điều này rất cần thiết loại trừ ảnh hưởng của tính không ổn điịnh theo nhiệt độ và tính tản mạn của các tham số mạch vào đến điện trở vào của tầng. Trị số RS thường chọn từ 1  5 M. Ngoài việc đảm bảo điện áp UGS0 yêu cầu điện trở RS còn tạo ra hồi tiếp âm dòng điện một chiều trong tầng, ngăn cản sự thay đổi dòng ID0 do tác dụng của nhiệt độ và tính tản mạn các tham số của Transistor và vì thế ổn định chế đọ tĩnh của tầng. Để tăng tính ổn định của tầng tăng điện trở RS nhưng phải đảm bảo UGS0. Trong Hình 2.20 a) sơ đồ khuếch đại SC b) Xác định chế độ tĩnh của tầng EC UGS P ID UDS B A IC 0 UDS min UDS0 D C ^ rU UD S UG 0 UGs Us0 47 trường hợp này phải bù điện áp US0 bằng cách cung cấp cho cực cửa điện áp UG0 qua điện trở R1. UGS0 = US0 - UG0 = ID0.RS – ED 1RR R G G  (2.8) R1 = G GSS GD R UU RE   00 (2.9) Điện áp nguồn cung cấp ED =UDS0 + US0 +ID0.RD (2.10) Trị số RD có ảnh hưởng đến đặc tuyến tần số của tầng, nó được tính theo tần số trên của dải tần. Với quan điểm mở rộng giải tần thì phải giảm RD. Sau khi đã chọn điện trở trong của Transistor ri thì ta có thể chọn RD = (0.05  0.15) ri. Việc chọn US0 cũng giống như điện áp UE0 trong tầng EC, nghĩa là tăng điện áp Us0 sẽ làm tăng độ ổn định của điểm làm việc tĩnh do tăng Rs tuy nhiên khi đó phải tăng ED, vì thế thường chọn Us0 trong khoảng (0.1 0.3)ED. Khi UGS0 0 thì phải mắc RS để đạt yêu cầu về ổn định chế độ tĩnh. Lúc đó bát buộc phải mắc R1. Chọn các phần tử dựa vào các công thức (2.8 2.10) khi đó 2.8, 2.9 phải chọn UGS=0 hoặc là thay đổi dấu của điện áp UGS. Chế độ UGS>0 là chế độ điển hình của MOSFET có kênh cảm ứng loại n. Vì thế nếu thực hiện đổi dấu UGS0 trong công thức 2.8, 2.9 ta có thể tính mạch thiên áp R1, RG của tầng nguồn chung. Chọn loại FET phải chú ý đến các tham số dòng máng cực đại IDmaxx, điện áp máng cực đại UDmax, và công suất tiêu tán cực đại của Transistor PDmax. Giống như EC tầng nguồn chung cũng làm đảo pha tín hiệu vào. 2.7.3. Tầng khuếch đại cực máng chung 48 Sơ đồ khuếch đại máng chùng gầng giống với sơ đồ CC. điện trở R1, RG, và RS dùng để xác định chế độ làm việctĩnh cho Transistor. việc chọn và tính toán đảm bảo chế độ tĩnh được cũng giống như tầng SC. Tải một chiều là Rmc =RS còn trở tải xoay chiều là RtXC =RS//Rt Đối với tầng DC thì tín hiệu vào cùng pha với tín hiệu vào. Điện trở lối vào rất lớn cở 10 7 đến 1012. Hệ số khuếch đại điện áp nhỏ hơn 1. 2.7.4. Mạch khuếch đại dùng IC 2.8. Phương pháp ghép các tầng khuếch đại Một bộ khuếch đại thường gồm nhiều tầng mắc nối tiếp nhau như dưới vì thực tế một tầng khuếch đại không đảm bảo đủ hệ số khuếch đại cần thiết. Ở đây tín hiệu ra của tầng đầu hay tầng trung gian bất kì sẽ là tín hiệu vào của tầng cho tầng sau nó và tải của tầng trước là điện trở vào của tầng sau. Điện trở vào và ra của bộ khuếch đại sẽ được tính theo tầng đầu và cuối. Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại máng chung UV Ur 1 2 N-1 N Uv1 UR1 =Uv2 URN-1 =UvN URN 49 Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại sẽ là tích hệ số khuếch đại của các tầng. KU =KU1.KU1.KU2.KUN Việc ghép giữa các tầng có thể được thực hiện bằng tụ điện, biến áp hay ghép trực tiếp. 2.8.1. Ghép tầng bằng tụ điện Xuất phát từ hệ số khuếch đại yêu cầu. Việc tính toán các tầng ( chọn và đảm bảo chế độ tĩnh, tính tióan chế độ xoay chiều phải tuân theo thứ tự từ tầng cuối cùng trở về tầng đầu tiên. Trước hết tầng này phải đảm bảo đưa ra tải Rt công suất tín hiệu yêu cầu. Dựa vào hệ số khuếch đại tầng cuối cùng, ta xác định các hệ số tín hiệu vào của nó, và đó là cơ sở để tính toán cho tầng sau đó cứ như vậy ta tính toán cho các tầng còn lại của bộ khuếch đại Như đã đề cập ở các phần trước các bộ khuếch đại đều có hệ số khuếch đại giảm về hai phía là tần số thấp và tần số cao. Ở miền tần số thấp, khi tải thuần trở thì hệ số khuếch đại giảm là do tụ điện trong sơ đồ quyết định còn ở tần số cao thì chủ yếu là do các tham số của Transistor quyết định cụ thể: Ở tần số thấp: Khi tần số giảm thì độ dẫn điện của các tụ nối tầng sẽ giảm. Do đó có hạ áp trên các tụ nên điện áp của nguồn tín hiệu đặt vào tầng đầu tiên hay điện áp ra tâng trước đặt vào tầng sau sẽ bị giảm. Hạ áp làm giảm biên độ tín hiệu lối ra của các tầng của bộ khuếch đại nói chung tức là giảm hệ số khuếch đại ở miền tần số thấp Hình 2.22 Tầng khuếch đại ghép tầng bằng tụ điện 50 Tụ CE cũng làm giảm hệ số khuếch đại ở mìên tần thấp vì nó làm tăng mức độ hồi tiếp âm dòng điện xoay chiều trên RE. Việc giảm môđun của hệ số khuếch đại ở tần số thấp được đặc truwng bởi hệ số méo tần số thấp của bộ khuếch đại. Mt = tK K 0 Đó chính là hệ số méo tần số của mỗi tầng trong bộ khuếch đại Mt = Mt1.Mt2.Mtn hệ số méo tần số tính theo: Mt = 2) 1 (1 tt  Đối với tụ Cp1 thì ta có hằng số thời gian  =Cp1(Rn+Rv1) trong đó Rn là điện trở nguồn tín hiệu vào, Rv1 là điện trở vào của tầng đầu tiên. Tương tự như vậy ta có thể tính được hằng số thời gian cho các tầng còn lại. Ở miền tần số thấp có tụ điện nên dòng điện nhanh pha hơn điện áp. Như vậy sự dịch pha của điện áp ra so với điện áp vào ở tần số thấp có đặc tính vượt trước. Góc dịch pha của bộ khuếch đại bằng tổng góc dịch pha của mỗi tụ và góc dịch pha của mỗi tụ được tính tt t acrtg   1  Đặc điểm công tác của bộ khuếch đại ở miền tần số cao là sự phụ thuộc hệ số khuếch đại  cảu Transistor vào sự tồn tại điện dung mặt ghép góp CCE. Những nhân tố này ảnh hưởng đến đặc tuyến tần số ở tần số cao. Ở miền tấn số cao sự giảm môđun  của Transistor cũng như tác dụng rẽ mạch của tụ CCE làm giảm hệ số khuếch đại Hệ số méo tần số cao xác định theo công thức: MC= 2)(1 CC Ở đây C là hằng số thời gian cuar tầng ở tần số cao Góc dịch pha do một tầng khuếch đại gây ra là: C = -arrctg(CC) Trong bộ khuếch đại có nhiều tầng thì méo tần số cao bằng tích độ méo của các tầng còn méo pha bằng tổng méo pha của từng tầng. MC= MC1.MC2 MCn C =C1 +C2 +Cn 51 2.8.2. Ghép tầng bằng biến áp Cuộn sơ cấp W1 mắc vào cực góp T1 , cuộn thứ cấp W2 mắc vào cực gốc T2 qua tụ Cp2. Ghép tầng bằng biến áp cách ly được điện áp một chiều giữa các tầng và có thể làm tăng hệ số khuếch đại chung về điện áp hay dòng điện phụ thuộc vào biến áp tăng hay giảm. Ưu điểm của mạch này là nguồn cung cấp cho cực góp của Transistor lớn vì điện áp một chiều cuộn dây bé do đó cho phép nguồn có điện áp thấp. Ngoài ra ghép biến áp còn dễ dàng phối hợp trở kháng và thay đổi cực tính điện áp tín hiệu trên các cuộn dây. Tuy nhiên có nhược điểm là đặc tuyến tần số không bằng phẳng trong giải tần, kết cấu mặch nặng nề, cồng kềnh, hư hỏng thay thế phức tạp. 2.8.3. Ghép trực tiếp Ghép trực tiếp cực góp của Transistor trước ghép trực tiếp vào cực gốc của Transistor sau. Cách ghép trực tiếp làm giảm méo tần số thấp trong bộ khuếch đại, được dùng trong bộ khuếch đại tín hiệu có thành phần một chiều. Nhược điểm của mạch là không tận dụng Hình 2.23 Tầng khuếch đại ghép trực tiếp Hình 2.22 Tầng khuếch đại ghép biến áp 52 được độ khuếch đại của Transistordo chế độ cấp điện một chiều. 2.9. Một số mạch khuếch đại khác 2.9.1 Mạch khuếch đại Đarlingtơn Khi cần trở kháng vào tầng khuếch đại lớn để dòng vào nhỏ, hệ số khuếch đại lớn người ta nối mạch khuếch đại theo Đarlingtơn. Mạch gồm hai Transistor T1 và T2 Khi cấp nguồn để T1 và T2 làm việc ở chế độ khuếch đại ta có: IC=IC1 + IC2; IE =IE1 + IE2 Bỏ qua dòng ngược ban đầu ta có: IC =1IB1 + 2IB2 = 1IB1 + 2 (1+1)IB1 1, 2 lần lượt là hệ số khuếch đại dòng của T1 và T2. Hệ số khuếch đại của sơ đồ là  =1 2 điện áp vào của mạch là: UBE = IB1rv1 + (1+1)IB1rv2 Điện trở R E đưa vào có tác dụng tạo một sụt thế khoảng 0.4V điều khiển mở T1, T2 lúc dòng ra đủ lớn và chuyển chúng từ mở sang khoá nhanh hơn. 2.9.2 Mạch Casốt (Kaskode) Mạch gồm hai Transistor ghép với nhau. T1 mắc phát chung còn T2 mắc gốc chung Khi có tín hiệu vào T1 khuếch đại đặt điện áp ra Ur1 lên cực phát T2. T2 khuếch đại tiếp cho ra Ur2. HÌnh 2.24 Mạch Darlingtơn a) Mạch chuẩn b) Mạch Darlingtơn bù a b C B E E C B 53 Hình 2.26 bộ khuếch đại vi sai Người ta tính được hệ số khuếch đại điện áp của T1 là: KU1 =-1; của T2 là Ku2 =2.Rc/rv2 Trong đó rv2 là điện trở vào của T2. Nên hệ số khuếch đại chung là K=Ku1Ku2 Ưu điểm của mạch là ngăn cản ảnh hưởng của mạch ra đối với mạch vào của tầng khuếch đại đặc biệt ở tần số cao. 2.9.3 Bộ khuếch đại vi sai Bộ khuếch đại vi sai là một bộ khuếch đại được cho như hình bên. Nó gồm hai đầu vào và hai đầu ra. Tín hiệu vào có thể từ hai nguồn riêng biệt Uv1, Uv2 hoặc từ một nguồn. trường hợp một nguồn tín hiệu được đặt lên cực gốc của một trong hai Transistor hoặc giữa hai cực gốc của chúng. Tín hiệu ra có thể lấy từ cực góp của một trong hai Transistor hoặc giữa hai cực góp của hai Transistor. Xét một số trường hợp điển hình Với yêu cầu là tầng vi sai dùng các Transistor giống hệt nhau, Rc1 = Rc2. Do đó khi tín hiệu vào bằng 0, cầu cân bằng, điện áp trên cực góp của hai Transistor bằng nhau và như vậy điện áp lây trên đường chéo cầu Ura =Ur1 + Ur2 = 0. Sơ đồ có độ ổn định cao đồi với sự thay đổi điện áp cung cấp, nhiệt độ, và các yếu tố khác vì độ trôi của hai nhánh giống nhau, điện áp trên cực góp thay đổi cùng một gia số và độ trôi đầu ra gần như bị triệt tiêu Dòng IE chia đều cho hai Transistor nghĩa là IE1 =IE2 = IE/2 Dòng cực gốc được xác định IB01 =IB02 = 0 )1(2 V E I I    Dòng cực góp IC1 =Ic2 =IE/2  IE/2 Điện áp cực góp UC1 = Uc2 =Ec1 –IE.Rc/2 Trạng thái này cho chế độ cân bằng của tầng và gọi là cân bằng tĩnh. Hình 2.25 Mạch khuếch đại Kascode 54 Khi có một tín hiệu đưa vào, giả sử Uv1>0, Uv2 =0. Do tác dụng của điện thế lối vào, xuất hiên dòng điện vào của hai Transistor, dòng cực gốc T1 tăng lên, dòng cực gốc T2 giảm xuống. Khi đó IE1, Ic1 tăng lên còn IE2 và Ic2 giảm xuống. sự thay đổi dòng điện xẩy ra ngược chiều nhau và với cùng một số gia. Điện áp trên cực góp của Transistor là Uc1 = Ec1 – Ic1Rc1 giảm một lượng Uc1 còn điện áp trên cực góp của Transistor T2 tăng một lượng Uc2 cùng pha với điện áp vào. Như vậy với cách đưa tín hiệu vào như đang khảo sát thì đầu ra của tầng lấy trên cực góp của Transistor T1 gọi là đầu ra đảo còn lấy ra trên cực góp của T2 gọi là đầu ra không đảo hay gọi ra đầu ra thuận tín hiệu lấy ra trên hai cực góp của hai Transistor gọi là tín hiệu vi sai Ura = Uc2 – Uc1 = Uc2 + Uc1 = 2Uc  2|Ic|Rc 2.10. Bộ khuếch đại tín hiệu biến đổi chậm Bộ khuếch đại tín hiệu biến đổi chậm (tín hiệu một chiều) làm viêc với những tín hiệu tần số gần bằng không và có đặc tuyến biên độ tần số như hình bên. Việc ghép giữa nguồn tín hiệu với đầu vào bộ khuếch đại và giữa các tầng trong bộ khuếch đại không thể dùng tụ điện hay biến áp vì khi đó ta có đặc tuyến biên độ tần số như các mạch đã xét ở trên f =0 thì K=0 Để truyền đạt tín hiệu một chiều cần phải ghép trực tiếp theo dòng một chiều giữa nguồn tín hiệu với mạch vào và giữa các tầng trong mạch. Vì ghép trực tiếp nên việc chọn điểm làm việc tĩnh cho các Transistor có những đặc điểm riêng so với các Transistor đã khảo sát trước đây ví dụ như bộ khuếch đại ghép điện dung thì chế độ một chiều chỉ do những phần tử trong tầng quyết định và các tham số của nó được tính riêng cho từng tầng, và những ảnh hưởng của tầng này không ảnh hưởng đến các tầng khác. K0 K f Hình 2.27 Đặc tuyến tần số của bộ khuếch đại một chiều 55 Trong bộ khuếch đại một chiều không có phần tử cách ly thành phần một chiều vì vậy điện áp ra không chỉ xác định bởi tín hiệu ra có ích mà còn cả tín hiệu giả do sự thay đổi chế độ một chiều của các tầng theo thời gian, theo nhiệt độ, hay một nguyên nhân lạ nào khác. đặc biệt là những tầng đầu tiên vì những thay đổi của các tầng này sẽ được các tầng sau tiếp tục khuếch đại Sự thay đổi một cách ngẫu nhiên của tín hiệu ra khi tín hiệu vào không đổi gọi là sự trôi điểm không của bộ khuếch đại Chất lượng của bộ khuếch đại một chiều được đánh giá theo độ trôi quy về đầu vào của nó Utr.V =Utr.R/K trong đó K là hệ số khuếch đại Độ trôi quy về đầu vào đặc trưng cho trị số tín hiệu giả ở đầu vào cuả bộ khuếch đại. Khi xác định dải biến đổi của tín hiệu lối vào cần chú ý đến độ trôi ra sao cho Utr.r nhỏ hơn nhiều so với tín hiệu ra có ích 2.11. Khuếch đại công suất a) Đặc điểm chung và yêu cầu của tầng khuếch đại công suất Tầng khuếch đại công suất là tầng cuối cùng của bộ khuếch đại, có tín hiệu vào lớn. Nó có nhiệm vụ khuếch đại cho ra tải một công suất lớn nhất có thể được với độ méo cho phép. Các tham số cơ bản của tầng khuếch đại công suất - Hệ số khuếch đại công suất KP là tỉ số giữa công suất ra và công suất vào KP =Pr/Pv - Hiệu suất là tỉ số giữa công suất ra và công suất cung cấp một chiều P0  =Pr/P0 hiệu suất càng lớn thì tổn hao trên cực góp của Transistor càng nhỏ Các chế độ làm việc của tầng khuếch đại công suất có thể là A, AB, B tuỳ thuộc vào chế độ công tác của Transistor. Thường người ta chọn chế độ làm việc là chế độ AB hoặc chế độ B. Chế độ A là chế độ tầng khuếch đại cả hình sin của tín hiệu vào. Ở chế độ này góc cắt =1800 dòng tĩnh luôn lớn hơn dòng ra nên méo nhỏ nhưng hiệu suất rất thấp chỉ dùng khi yêu cầu công suất ra nhỏ. 56 Chế độ AB tầng khuếch đại hơn nửa hình sin của tín hiệu vào góc cắt 900 < <1080. Lúc này dòng tĩnh bé hơn chế độ A nên hiệu suất cao hơn điểm làm việc của chế độ AB gần vùng tắt của Transistor Chế độ B tầng khuếch đại nửa tín hiệu hình sin vào góc cắt =900. ở chế độ này dòng tĩnh bằng không nên hiệu suất cao Chế độ AB, và chế độ B có hiệu suất lớn nhưng méo cao. Để giảm méo người ta dùng mạch khuếch đại đẩy kéo mà ta sẽ xét sau: b) Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo chế độ B hay AB có biến áp Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo có biến áp gồm hai Transistor T1 và T2.. tải được mắc với tầng khuếch đại qua biến áp ra BA2 trên mạch cực góp của mỗi Transistor mắc với nửa cuộn sơ cấp biến áp. tỷ số biến áp là n2 =W21/Wt = W22/Wt B A AB IB=0 IC UEC A AB B a b Hình 2.27 a) đặc tuyến ra của tranzitor b) các chế độ làm việc 57 Biến áp BA1 có hệ số biến áp là n1 =WV/W11= WV/W12 đảm bảo cung cấp tín hiệu vào cực gốc của hai Transistor. Tầng có thể làm việc ở chế độ B hay chế độ AB trong chế độ AB thiên áp lấy trên cưc gốc của hai Transistor được lấy từ nguồn EC bằng bộ phân áp R1 và R2 trong chế độ B thiên áp ban đầu bằng không nên không cần R1 lúc đó R2 được dùng để đảm bảo công tác cho mạch vào của Transistor trong chế độ gần với chế độ nguồn dòng. Đầu tiên xét sơ đồ ở chế độ B. lúc đó không có tín hiệu vào điện áp trên cực gốc của hai Transistor bằng không. Nếu không tính đến dòng ngựơc cực góp thì có thể coi dòng điện bằng không. Trên cực góp các Transistor có điện áp bằng EC Khi có tín hiệu vào bắt đầu ở nửa chu kì dương, trên W11 của biến áp BA1 có nửa chu kì điện áp âm còn trên W12 có nửa chu kì điện áp dương đối với điểm chung. Kết quả là T2 tắt còn T1 làm việc có dòng IC1 =IB1. Trên cuộn W21 sẽ tạo nên điện áp U21 = IC1Rt~ = IC1n 2 2Rt. trên tải có nửa sóng dương Ut = U21/n2 2 Khi tín hiệu vào chuyển sang nửa chu kì âm, cực tính trên cuộn thứ cấp biến áp vào đổi dấu. Lúc đó T1 tắt, T2 làm việc khuếch đại đưa ra nửa chu kì sau. Để tín hiệu không bị méo cần chọn 1 =2 = . Công suất ra của tầng là Pr = 2 cc IU  Công suất đưa ra tải có tính đến hiệu suất của biến áp Hình 2.28 tầng kéo đẩy ghép biến áp 58 Pt =PrBA2 Trị số trung bình của dòng tiêu thụ từ nguồn I0 =   T CIdtti T 0 2)( 1   Công suất tiêu thụ từ nguồn cung cấp: P0 =  CC IE 2 Hiệu suất của mạch cực góp: C Cr C E U P P 40    Hiệu suất của tầng: =C.BA2 =BA2 C C E U 4  Nếu BA2 =1 và UC =Ec thì =78.5%. Thực tế thì UC<EC và BA2 =0.8 nên  =0.6 –0.7. c) Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo không có biến áp  Mạch dùng Transistor cùng loại T2 T1 iC1 iC2 iC1 T1 T2 iC2 Hình 2.29 Mạch kéo đẩy không biến áp dùng tranzitor cùng loại 59 Mạch dùng Transistor khác loại Hình 2.30 Mạch kéo đẩy không biến áp dùng tranzitor khác loại 60 2.12. Các sơ đồ khuếch đại dùng khuếch đại thuật toán. 1) Các tính chất chung của khuếch đại thuật toán Bộ khuếch đại thuật toán được cho trên hình bên (h?). It, Ut là dòng điện và điện áp vào cửa thuận. Id, Ud là dòng điện và điện áp vào cửa đảo Ir Ur là dòng điện và điện áp ra U0 là điện áp vào giữa hai cửa. Bộ khuếch đại thuật toán khuếch đại điện áp U0=Ut –Ud với hệ số khuếch đại K0>0. Do đó điện áp ra Ur = K0U0 =K0(Ut - Ud) nếu Ud =0 thì Ur = K0Ut lúc này điện áp ra đồng pha với điện áp vào Ut. Vì vậy cửa T gọi là cửa thuận và kí hiệu là + Tương tự khi Ut = 0 thì Ur = -K0Ud điện áp ra ngược pha nên cửa Đ gọi là cửa đảo kí hiệu là - Ngoài ra bộ khuếch đại thuật toán còn có hai cửa nối với nguồn nuôi đối xứng EC và các cửa để hiệu chỉnh lệch không và bù tần. Một số tính chất của bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng + Trở kháng vào Zv = + Trở kháng ra Zr = 0 + Hệ số khuếch đại K0 =  thường thì bộ khuếch đại thực tế có K0 = 10 4 – 106 ở vùgn tần số thấp. Ở tần số cao hệ số khuếch đại giảm xuống nguyên nhân là do sự phụ thuộc tham số của Transistor và điện dung kí sinh trong sơ đồ 2) Mạch khuếch đại đảo Mạch khuếch đại đảo cho trên hình bên (H?) có thực hiện hồi tiếp âm điện áp qua Rht. Đầu vào thuận được nối đất. Tín được đưa qua R1 đến đầu vào đảo. Nếu coi điện trở vào của khuếch đại thuật toán lơn thì dòng cào vo cùng nhỏ I0 =0 khi đó tại nút N có + - Ud Ut It Id U0 Ir Ur -Ec +Ec Hình 2.31 Bộ khuếch đại thuật toán T Đ - + Uv I0 U0 Ir Ur Hình 2.32 Bộ khuếch đại đảo Iht N Rht R1 61 phương trình dòng điện. Iv  Iht từ đó có ht rv R UU R UU    0 1 0 khi K ->  thì điện áp đầu vào U0 = Ur/K -> 0 => ht rv R U R U  1 => K= 1R Rht Như vậy mạch khuếch đại đảo có Kd hồi tiếp âm song song được xác định bằng phần tử thụ động trong sơ đồ. Nếu chọn Rht =R1 thì sơ đồ có tính chất đảo tín hiệu vào. Nếu chọn R1 =0 thì Iv = ht r R U  hay Ur =-IvRht tức là điện áp tỉ lệ với dòng điện vào. Mạch trở thành bộ biến đổi dòng điện thành điện áp. 3) mạch khuếch đại thuận Mạch khuếch đại thuận gồm mạch hồi tiếp âm điện áp đặt vào cực đảo còn tín hiệu đặt vào cửa thuận. Mạch khuếch đại thuận gồm mạch hồi tiếp âm điện áp đặt vào cực đảo còn tín hiệu đặt vào chân thuận. Vì điện áp vào rất nhỏ xem như bằng không U0 = 0 nên quan hệ giữa điện áp vào và ra là Uv = r ht U RR R 1 1 hệ số khuếch đại điện áp của mạch khuếch đại thuận là Kt =Ur/Uv = 1 + Rht/R1 vì Rv = nên Iv =0 mạch này đượcc dùng khi cần một mạch vào có điện trở vào lớn khi Rht =0, R1 = thì ta có K0 =1 ta có sơ đồ lặp lại điện áp, với điện trở vào rất lớn 4) Mạch cộng a) mạch cộng đảo Hình 2.33 Bộ khuếch đại thuận - + Uv Ir Ur Rht R1 62 mạch này các tín hiệu đưa tới chân đảo, coi các điện trở vào bằng nhau Rht = R1 =R2 = =Rn <Rv Khi Iv =0 thì Iht =I1 +I2 + + In Hay Ur =-(U1 + U2 + +Un) =-   n i iU 1 b) mạch cộng thuận các tín hiệu được đưa vào chân thuận khi Iv =0 ta có 0...21        R UU R UU R UU vnvv hay U1 + U2 + + Un = nUv- =n htRR R 1 1 Ur nếu ta chọn các tham số của mạch thích hợp để có thừa số đầu tiên của vế phải bằng 1 (n htRR R 1 1 =1) thì ta có Ur =U1 + U2+ + Un =  n i iU 1 5) Mạch trừ Khi nguời ta muốn trừ hai điện áp người ta có thể thực hiện theo sơ đồ sau: - + Ir Ur Rht .. U1 U2 Un Hình 2.34 mạch cộng đảo R1 R2 Rn - + Ir Ur Rht .. U1 U2 Un Hình 2.35 mạch cộng thuận R R R R1 - + Ir Ur Ra U1 Hình 2.36 mạch trừ U2 Rb Ua Ub Ra/a Rb/b 63 Khi đó ta có: Ur=K1U1 + K2U2 Ta có thể tìm K1,K2 bằng cách cho điện áp vào từng chân bằng không. Cho U2 =0 thì mạch làm việc như một bộ khuếch đại đảo. ta có Ur1 =-aU1 vậy K1 = a Khi U1= 0 mạch trở thành mạch khuếch đại thuận có phân áp vào. Khi đó: Ub = b b b b R R R U   2 = 2 1 U b b    hệ số phân áp b b   1 khi đó Ur2 =(1+a) b b   1 U2 Hệ số khuếch đại K2 =(1+a) b b   1 Ur khi có U1, U2 là: Ur=Ur2 –Ur1 =(1+a) b b   1 U2-aU1 Nếu điện trở lối vào như nhau và a =b = Thì K2 =, K1=- Vậy Ur =(U2 –U1) 6) Mạch vi phân, mạch tích phân a) mạch vi phân mạch vi phân là mạch có điện áp đầu ra tỉ lệ với vi phân điện áp đầu vào, tức là: Ur=K dt dU v trong đó K là một hệ số với mạch dùng khuếch đại thuật toán thì ta coi U0 =0 , I0 =0 nên Iv = C dt dU v Mà Ur = -Iv R Nên Ur =-RC dt dU v R Hình 2.37 mạch vi phân - + Ir Ur C 64 ở đây K= RC gọi là hằng số vi phân của mạch. Dấu (-) nói lên điện áp ra ngược pha với điện áp vào khi tín hiệu vào là hình sin thì mạch vi phân làm việc như một bộ lọc tần cao b) mạch tích phân Mạch tích phân là mạch có điện áp lối ra tỉ lệ với tích phân điện áp lối vào Ur =K  t vdtU 0 Trong đó K là một hệ số Ta có Iv =IC hay: -C R U dt dU vr  => Ur =  t vdtU Rc 0 1 +Ur0 Trong đó Ur0 là điện áp trên tụ C khi có t = 0( là hằng số tích phân xác định từ điều kiện ban đầu) thường thì t=0 Uv =0 nên Ur=0 nên Ur =  t vdtU 0 1   =RC gọi là hằng số thời gian của mạch tích phân Đối với tín hiệu hình sin thì mạch tích phân trở thành mạch lọc thông thấp. 7) Mạch tạo hàm logarit mạch tạo hàm logarit cho ta Ur =K1ln(K2Uv) trong đó K1, K2 là các hệ số. muốn vậy ta dùng biểu thức dòng qua điốt ở phần cấu kiện điện tử ID=ISe T ak mU U 1 Trong đó: IS là dòng ngược tĩnh UT: điện thế nhiệt KT/e0 M: hệ số điều chỉnh (1<m<2) Uak: là điện áp trên điốt Trong miền làm việc (thảo mãn điều kiện ID >>IS) có thể coi ID =IS T ak mU U e từ đó ta có Uak=mUTln(ID/IS) chính là hàm logarit cần tìm - + Ur R C Uv HÌnh 2.38 Mạch tích phân - + Ur R D Uv Hình 2.39 Mạch logarit dùng điốt 65 để thực hiện được điều này ta mắc mạch như hình bên. Nếu coi khuếch đại thuật toán là lý tưởng thì ta có ID =U1/R Ur = -Uak Hay Ur =-mUTln( S 1 RI U ) Để mở rộng phạm vi làm việc ta có thể thay điốt bằng một Transistor mắc theo kiều điốt 2.13. Mạch lọc nguồn Trong một bộ khuếch đại thường có nhiều tầng ghép với nhau và dùng một nguồn chung, nguồn nuôi có thể dùng Pin, ắc quy hay từ một bộ nắn điện. Để bộ khuếch đại làm việc ổn định nguồn nuôi cần có được độ gợn sóng nhỏ. Như hình vẽ trên bộ khuếch đại gồm ba tầng khuếch đại. Nguồn nuôi EC được cấp trực tiếp vào tầng khuếch đại thứ 3 và tụ C1 mắc song song với nguồn để ngắn mạch dòng xoay chiều xuống đất, không cho qua điện trở của nguồn, tụ C1 phải được chọn sao cho XC1<<Ri (điện trở nội của nguồn Ec) tương tự các tầng khuếch đại phía trước thì có các mắt lọc tương ứng là R2, C2 và R3, C3. điện trở R2, R3 dùng để ngăn dòng xoay chiều của các khối đó về nguồn. Giá trị của nó phải đủ lớn để ngăn dòng xoay chiều nhưng cũng gây ra sụt áp một chiều là vừa đủ để cấp nguồn cho các khối trước đó. Hình 2.40 Mạch lọc nguồn cho bộ khuếch đại 66 2.14 Lọc các thành phần xoay chiều của dòng điện ra tải Trong các mạch chỉnh lưu điện áp hay dòng điện ra tải tuy có cực tính không đổi nhưng giá trị của nó thay đổi theo thời gian một cách chu kì gọi là sự đập mạch của điện áp hay dòng điếnau chỉnh lưu. Một cách tổng quát ta có dòng điện ra tải khi tải thuần trở it =I0 +       11 cossin n n n n tnBtnA  trong đó I0 là thành phần một chiều còn       11 cossin n n n n tnBtnA  là tổng các sóng hài xoay chiều có giá trị và tần số khác nhau phụ thuộc vào loại mạch chỉnh lưu. vấn đề đặt ra là phải lọc các thành phần để cho it ít đập mạch vì các sóng hài gây sự tiêu thụ năng lượng vô ích và gây ra nhiễu loạn cho sự làm việc của tải trong bộ chỉnh lưu hai nửa chu kì thì thành phần một chiều i0 tăng gấp đôi so với mạch chỉnh lưu một nửa chu kì thành phần sóng hài cơ bản n=1 bị triệt tiêu, chỉ còn các sóng hài bậc cao n=2 trở lên. vậy mạch chỉnh lưu hai nửa chi kì đã có tác dụng lọc bớt sóng hài. Người ta định nghĩa hệ số đập mạch Kp của bộ lọc Kp=biên độ sóng hài lớn nhất của It (ut)/biên độ sóng hài lớn nhất của It (ut)) Kp càng nhỏ thì chất lượng của bộ lọc càng cao. Người ta tình toán rằng khi chỉnh lưu một nửa chu kì thì Kp=1.58 còn khi chỉnh lưu cả chu kì thì ta có Kp=0.667. Để thực hiện nhiệm vụ đã nêu ở trên thì các bộ lọc sau đây hay được dùng a- Lọc bằng tụ điện Do sự phóng nạp của tụ qua ½ chu kì và do các sóng hài bậc cao đợc rẽ nhánh qua tụ xuống điểm chung, dòng điện qua tải chỉ còn là thành phần một chiều và một lượng nhỏ sóng hài bậc thấp. Viêệc tính toán hệ số đập mạch của bộ lọc dùng tụ điện dẫn tới kết quả: KP = 2/wCRt Nghĩa là tác dụng lọc càng rõ rệt khi C, Rt lớn ( Rt tiêu thụ dòng điện nhỏ). Với bộ chỉnh lưu dòng điện công nghiệp (50Hz hay 60Hz) thì C thường nhận giá trị từ vài uF đến vài nghìn uF (Tụ hoá) 67 b- Lọc bằng cuộn L Mạch lọc bằng cuộn dây L được cho trên hình. Cuộn L mắc nối tiếp với tải Rt nên khi dòng ra tải biến thiên đập mạch trong cuộn dây xuất hiện sức điện động tự cảm chống lại. Do đó làm giảm các sóng hài (nhất là các sóng hài bậc cao). về mặt điện kháng, các sóng hài bậc n có tần số càng cao sẽ bị cuộn L chặn càng nhiều. Do đó dòng ra tải chỉ còn thành phần một chiều I0và một lượng nhỏ các sóng hài. Đó là tác dụng lọc của cuộn L Hệ số đập mạch của cuộn dây là: KP = Rt/3wL Ta thấy rằng tác dụng lọc của cuộn L càng tăng khi Rt càng nhỏ (Rt tiêu thụ dòng lớn). Vì vậy mạch lọc này thích hợp với mạch chỉnh lưu công suất vừa và lớn. Giá trị L càng lớnthì tác dụng chặn càng cao. Tuy nhiên cũng không thể dùng L quá lớn vì khi đó điện trở một chiều của cuộn dây lớn sụt áp một chiều lớn nên hiệu suất chỉnh lưu giảm. c- Bộ lọc hình L ngược và hình π. Các bộ lọc này sử dụng kết hợp cả tác dụng lọc của L và C để lọc. do đó các sóng hài càng bị giảm và do đó dòng điện ra tải càng ít pnhấp nhô. Để tăng tác dụng lọc có thể mắc nối tiếp nhiều mắt lọc hình π với nhau khi đó dòng điện ra tải xem như bằng phẳng hoàn toàn. Trong một số trường hợp để giảm kích thước của bộ lọc người ta thay cuộn L bằng điện trở R trong mạch L ngựơc hay mạch π tuy nhiên khi đó R sẽ gây sụt áp Hình 2.41. Các bộ lọc a) Lọc bằng tụ điện b) Lọc bằng cuộn L c) Lọc hình L ngược d) Lọc hình Pi 68 một chiều và do vậy làm giảm hiệu suất và chất lượng của bộ lọc. Thường người ta chọn R sao cho nó gây sụt áp khoảng (10 – 20) %U0. d- Bộ lọc cộng hưởng Bộ lọc cộng hưởng có tác dụng lọc các tần số bằng tần số dao động của khung cộng hưởng. vì ở tần số cộng hưởng nối tiếp của mạch LK, CK trở kháng của nó rất nhỏ nên nó ngắn mạch các sóng hài có tấn số bằng hay gần bằng tần số cộng hưởng. Hình 2.42. Bộ lọc cộng hưởng 69 CHƯƠNG 3: MẠCH TẠO DAO ĐỘNG 3.1. Khái niệm Mạch tạo dao động là mạch khi có nguồn cung cấp nó tự tạo ra tín hiệu. Mạch tạo dao động có thể phân làm hai loại. + Mạch tạo dao động hình sin gọi là mạch tạo dao động sin hay dao động điều hoà. + Mạch tạo dao động xung như xung vuông, xung tam giác gọi là mạch tạo dao động xung. Yêu cầu của mạch tạo dao động là tạo ra tín hiệu có biên độ và tần số ổn định cao, ít chịu ảnh hưởng của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm Để đạt được các yêu cầu đó mạch tạo dao động cần: + Dùng nguồn ổn áp + Dùng các phần tử có hệ số nhiệt độ nhỏ + Giảm ảnh hưởng của tải tới các mạch tạo dao động như mắc thêm tầng đệm + Dùng các linh kiện có sai số nhỏ + Dùng các phần tử ổn nhiệt Đặc biệt khi cần yêu cầu độ ổn định tần số cao trên 104 thì ta dùng thạch anh vào mạch tạo dao động. Vì thạch anh có độ ổn định rất cao vào cỡ 106 - 108. 3.2. Điều kiện dao động và đặc điểm của mạch tạo dao động Để xét nguyên lý làm việc cuả mạch tạo dao động ta dùng sơ đồ khối sau (hình 3.1) Nếu giả thiết tín hiệu vào là uv và Error! Objects cannot be created from editing field codes.Error! Objects cannot be created from editing field codes.=1 thì uht K  ura uvào uht Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch tạo dao động 70 =Error! Objects cannot be created from editing field codes.Error! Objects cannot be created from editing field codes. uv =uv vì vậy thì tín hiệu vào của mạch và tín hiệu hồi tiếp của mạch bằng nhau cả về biên độ và pha khi đó nếu ta nối tín hiệu hồi tiếp vào đầu vào thì thín hiệu vẫn không thay đổi. Lúc đó ta có sơ đồ khối của mạch tạo dao động làm việc theo nguyên tắc hồi tiếp. Như vậy trong sơ đồ này mạch chỉ dao động ở tần số mà nó thoả mãn: Error! Objects cannot be created from editing field codes.Error! Objects cannot be created from editing field codes.=1 (3-1) Vì Error! Objects cannot be created from editing field codes.,Error! Objects cannot be created from editing field codes. là những số phức nên viết lại Error! Objects cannot be created from editing field codes..Error! Objects cannot be created from editing field codes.=K Error! Objects cannot be created from editing field codes.Error! Objects cannot be created from editing field codes. (3-2) Trong đó: K mođun hệ số khuếch đại. Error! Objects cannot be created from editing field codes.: mođun hệ số hồi tiếp φK: Góc dịch pha của bộ khuếch đại φβ: Góc dịch pha của mạch hồi tiếp có thể tách biểu thức 4-2 thành hai biểu thức viết theo modun và viết theo pha: Kβ=1 (3-3) φ = φK +φβ =2nπ (3-4) ử là tổng góc dịch pha của bộ khuếch đại và mạch hồi tiếp, biểu thị sự dịch pha của tín hiệu hồi tiếp và tín hiệu vào ban đầu. Quan hệ 4-3 được gọi là điều kiện cân bằng biên độ. Nó chỉ cho thấy mạch chỉ có thể dao động khi hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại có thể bù lại được tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra. Còn điều kiện cân bằng pha 4-4 chỉ cho thấy dao động chỉ có 71 thể phát sinh khi tín hiệu hồi tiếp đồng pha với tín hiệu vào ban đầu tức là có hồi tiếp dương. Thực tế để có thể dao động được khi mới đóng nguồn Error! Objects cannot be created from editing field codes.Error! Objects cannot be created from editing field codes. phải lớn hơn 1 làm cho biên độ dao động tăng dần và do tính chất phi tuyến của phần tử khuếch đại là tín hiệu vào tăng lên làm cho hệ số khuếch đại giảm và đến một lúc nào đó có Error! Objects cannot be created from editing field codes.Error! Objects cannot be created from editing field codes. =1 vậy điều kiện dao động của mạch là Error! Objects cannot be created from editing field codes.Error! Objects cannot be created from editing field codes. >=1. 3.3. Mạch tạo dao động sin ghép biến áp Mạch tạo dao động hình sin ghép biến áp có mạch hồi tiếp ghép qua biến áp Như hình dưới Trong mạch R1, R2 là bộ phân áp cấp điện một chiều cho cực gốc. R3, C3 làm ổn định nhiệt L1, C1 là khung dao động, L2 là cuộn ghép lấy điện áp hồi tiếp , c2 là tụ thoát, c4 là tụ lấy tín hiệu ra vì tranzitor mắc phát chung nên điện áp ra ngược pha với điện áp vào do vậy L2 cần đầu phù hợp Hình 3.2. Mạch tạo hình sin ghép biến áp 72 Tần số dao động của mạch do mạch cộng hưởng cực góp quyết định fdd = Error! Objects cannot be created from editing field codes. 3.4. Mạch dao động sin ba điểm Mạch dao động sin ba điểm có thể dùng tranzitor hay IC để khuếch đại. Với mạch dùng tranzitor mắc phát chung còn IC khuếch đại thuật toán có cửa thuận nối đất. Khung dao động chứa ba phần tử điện kháng X1, X2, X1. từ mạch điện ta có Error! Objects cannot be created from editing field codes. để mạch dao động được cần Error! Objects cannot be created from editing field codes. mà K<0 nên cần Error! Objects cannot be created from editing field codes. <0 mặt khác tại tần số dao động có: X1 + X2 + X3 = 0 Kết hợp lại ta thấy X1, X2 phải khác dấu và X2 ,X3 phải cùng dấu, tức là: - Nếu X1 là điện cảm thì X2, X3 là tụ điện khi đó ta có mạch ba điểm điện dung. - Nếu X1là tụ điện thì X2, X3 là điện cảm ta có mạch ba điểm điện cảm Hình 3.3. Sơ đồ mạch dao động ba điểm với thành phần xoay chiều 73 Trong hình a (Ba điểm điện cảm), nhánh điện cảm quấn hai cuộn L1 và L2. Tín hiệu hồi tiếp lấy từ L2. điện áp lấy ra từ colector qua tụ C4 điện áp trên L1 và L2 đối với điểm chung (đất) ngược pha nhau. Tín hiệu từ cuộn L2 qua tụ C2 đưa về đầu vào của tranzitor Trong hình b (ba điểm điện dung) mạch dao động bao gồm điện cảm L và hai tụ điện nối tiếp C1 và C2 được mắc song song với mạch ra của tầng. Điện áp hồi tiếp lấy từ tụ C1 đặt tới đầu vào của tranzitor qua tụ C3. Điện áp trên hai tụ C1 và C2 so với điểm chung là ngược pha nhau vì thế sẽ tạo ra hồi tiếp dương. Tần số dao động của mạch ba điểm điện cảm ở trên là: fdd =Error! Objects cannot be created from editing field codes. còn tần số dao động của mạch ba điểm điện cảm ở trên là: fdd = Error! Objects cannot be created from editing field codes. 3.5. Mạch tạo dao động ghép RC Các mạch tạo dao động RC thường dùng trong các bộ dao động có tần số thấp tới vài Hz còn mạch tạo dao động ghép LC dùng trong các bộ tạo dao động có tần số cao tới vài trục kHz 3.5.1 Mạch tạo dao động dùng mạch di pha RC trong mạch hồi tiếp Hình 3.4. Mạch tạo dao động ba điểm a) Ba điểm điện cảm b) Ba điểm điện dung a b 74 Hình 3.5. Mạch dao động di pha RC Với mạch dao động trên bộ khuếch đại có di pha 1800 nên bộ hồi tiếp cũng phải di pha 180 0 Hàm truyền đạt và góc di pha mỗi khâu RC xác định theo: Error! Objects cannot be created from editing field codes. Error! Objects cannot be created from editing field codes. ở đây mỗi tầng RC chỉ tạo ra được góc di pha nhỏ hơn 900 nên để đảm bảo điều kiện về pha thì bộ hồi tiếp ít nhất phải có ba khâu RC mỗi khâu di pha 600. Và với sơ đồ trên để đạt được điều kiện đó ta cần có: R1//R2//rBE Từ mạch điện ta có hệ số truyền đạt của mạch hồi tiếp là: Error! Objects cannot be created from editing field codes. với K là hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại thì ta có: Error! Objects cannot be created from editing field codes. cho Error! Objects cannot be created from editing field codes. ta được 1-6w 2 R 2 C 2 =0 tần số dao động của mạch là wdd = Error! Objects cannot be created from editing field codes. 75 thay vào biểu thức trên ta có Error! Objects cannot be created from editing field codes. nên K=-29 mạch có hệ số hồi tiếp là Error! Objects cannot be created from editing field codes., nên cần mắc điện trở R2,R3 sao cho Error! Objects cannot be created from editing field codes. 3.5.2 Mạch tạo dao động dùng mạch cầu viên Hình 3.6. Mạch dao động cầu viên Trong sơ đồ trên thì uht đưa vào cửa thuận còn các phần tử ở cửa đảo để xác định chế độ khuếch đại của mạch Từ mạch điện ta có: Error! Objects cannot be created from editing field codes. Error! Objects cannot be created from editing field codes. Hệ số hồi tiếp Error! Objects cannot be created from editing field codes. Thay vào và xét trường hợp R1=R2=R, C1 = C2 = C thì Error! Objects cannot be created from editing field codes. để mạch dao động được thì ta phải có: Error! Objects cannot be created from editing field codes. 76 Hay 1-w 2 ddR 2 C 2 =0 => wdd = 1/RC Rút ra ta được K=3 Ta cần chọn R3 và R4 sao cho thoả mãn R4/R3=2 3.6. Mạch tạo dao động thạch anh 3.6.1 Tính chất và mạch tương đương của thạch anh Khi cần mạch dao động có tần số ổn định cao mà dùng các phương pháp ổn định nguồn cung cấp và ổn định tải vẫn không đảm bảo độ ổn định theo yêu cầu thì phải dùng thạch anh để ổn định tần số. Thạch anh có những đặc tính vật lý rất đáng quý như độ bền cơ học cao, ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và các tác động hoá học. Thạch anh có tính chất áp điện, nghĩa là dưới tác dụng của điện trường thì gây ra dao động. Do đó có thể dùng thạch anh như một khung cộng hưởng. Tính chất dao động của thạch anh được biểu diễn bởi sơ đồ tương đương sau: Trong đó Lq, Cq,rq, phụ thuộc vào kích thước khối thạch anh và cách cắt khối thạch anh. Thạch anh có kích thước càng nhỏ thì Lq, Cq,rq càng nhỏ nghĩa là tần số cộng hưởng riên của nó càng cao. Lq, Cq,rq có tính ổn định cao. CP là điện dung giá đỡ và nó có độ ổn định kém hơn. Thường rq rất nhỏ nên trong việc tính toán có thể bỏ qua. Trở kháng tương đương của thạch anh xác định theo công thức: Zq= Xq= Error! Objects cannot be created from editing field codes. Từ đây ta rút ra được là thạch anh có hai tần số cộng hưởng: Một là tần số cộng hưởng nối tiếp fq ứng với Zq=0 và một tần số cộng hưởng song song fp ứng với Zp = vô cùng Ta có: Error! Objects cannot be created from editing field codes. Hình 3.7. Thạch anh, kí hiệu và sơ đồ tương đương 77 Còn Error! Objects cannot be created from editing field codes. Cp càng lớn so với Cqthì fp càng gần với fq. Đặc tính trở kháng của thạch anh được cho trên hình bên Thường thạch anh được sản xuất với tần số fq = 1kHz đến 100Mhz. Các thạch anh có tần số thấp hơn ít được sản xuất vì nó đòi hỏi kích thước lớn và đắt tiền. Các tính chất về điện của thạch anh có thể tóm tắt như sau: + Phẩm chất cao: Q = 104 – 105 + Tỷ số Lq/Cq rất lớn do đó trở kháng tương đương của thạch anh Rtđ= Lq/ Cqrq là rất lớn. + Cq<<Cp + Tính tiêu chuẩn của thạch anh rất cao, với khung dao động thạch anh có thể đạt độ ổn định tần số 10-6 - 10 -10. Để thay đổi tần số cộng hưởng của thạch anh trong phạm vi hẹp ta mắc nối tiếp với thạch anh một tụ điện biến đổi Cs khi đó tần số dao động được tính theo biểu thức: fq ’ =Error! Objects cannot be created from editing field codes. 3.6.2 Mạch điện bộ tạo dao động dùng thạch anh 78 Mạch điện bộ tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng song song ở hình dưới đây (hình a) là mạch ba điểm điện dung. Nhánh có thạch anh nối tiếp với tụ CS tương đương một điện cảm, nghĩa là tần số dao động của mạch phải thoả mãn điều kiện fq <fdd < fp và tụ Cs phải chọn thoả mãn Error! Objects cannot be created from editing field codes. trong đó Ltd là điện cảm tương đương của thạch anh. Ngoài ra CS còn phải thoả mãn CS<<C1,C2 Tần số dao động của mạch gần đúng bằng fp đối với hình b) điều kiện về pha chỉ thoả mãn khi thạch anh tương đương như một điện cảm fp >f dd > fq Hình 3.8. Mạch dao động thạch anh với tần số cộng hưởng song song 79 Chương I ........................................................................................................................ 2 CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN TRONG MẠCH TUYẾN TÍNH ......................................... 2 1.1. Các đại lượng cơ bản .............................................................................................. 2 1.1.1. Điện áp, dòng điện và công suất ....................................................................... 2 1.1.2. Các phần tử tuyến tính - Mạch tuyến tính ........................................................ 2 1.2. Các đặc trưng của mạch RC và mạch RLC ............................................................ 3 1.2.1. Mạch tích phân ................................................................................................. 3 1.2.2. Mạch vi phân .................................................................................................... 4 1.2.3. Đặc trưng dừng của mạch RC .......................................................................... 5 1.2.4. Đặc trưng quá độ của mạch RC ........................................................................ 7 1.2.5. Sự truyền tín hiệu vuông góc qua mạch RC ..................................................... 8 1.2.6. Đặc trưng dừng của mạch RLC mắc nối tiếp - Cộng hưởng điện áp ............... 9 Chương 2 ...................................................................................................................... 11 LINH KIỆN BÁN DẪN VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG .......................... 11 2.1. Giới thiệu một số dụng cụ chất bán dẫn cơ bản. ................................................... 11 2.1.1 Điốt .................................................................................................................. 11 2.1.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của điốt ................................................. 11 2.1.1.2. Một số ứng dụng của điốt ......................................................................... 14 2.1.2 Transistor lưỡng cực ........................................................................................ 22 2.1.2.1. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của transistor lưỡng cực ...................... 22 2.2. Định nghĩa và các chỉ tiêu cơ bản của mạch khuyếch đại .................................... 25 2.2.1. Định nghĩa mạch khuếch đại .......................................................................... 25 2.2.2. Các chỉ tiêu và tham số cơ bản của tầng khuếch đại ...................................... 25 2.3. Phân cực và chế độ làm việc một chiều ................................................................ 27 2.3.1. Nguyên tắc chung phân cực cho Transistor .................................................... 27 2.3.2. Mạch cung cấp điện áp phân cực cho Transistor............................................ 28 2.4. Hồi tiếp trong các bộ khuếch đại .......................................................................... 30 2.4.1. Các định nghĩa cơ bản .................................................................................... 30 2.4.2. Các mạch hồi tiếp ........................................................................................... 30 2.4.3. Các phương trình đặc trưng cho mạch khuếch đại có hồi tiếp ....................... 31 2.4.4. Độ ổn định cho bộ khuếch đại ........................................................................ 32 2.4.5. Ảnh hưởng của hồi tiếp đến trở kháng vào .................................................... 33 80 2.4.6. Ảnh hưởng của hồi tiếp đến trở kháng ra ....................................................... 33 2.4.7. Ảnh hưởng của hồi tiếp đến dải động của bộ khuếch đại và méo phi tuyến .. 33 2.5. Các sơ đồ cơ bản dùng Transistor lưỡng cực (BJT) ............................................. 34 2.5.1. Tầng khuếch đại emitor chung (EC)............................................................... 34 2.5.2. Tầng khuếch đại colector chung(CC) ............................................................. 38 2.5.3. Tầng khuếch đại Base chung .......................................................................... 39 2.6. Tầng khuếch đại đảo pha ...................................................................................... 40 2.7. Các sơ đồ khuếch đại dùng Transistor trường (FET) ........................................... 40 2.7.1. Transistor trường loại JFET ............................................................................ 40 2.7.2. Tầng khuếch đại cực nguồn chung (SC) ........................................................ 45 2.7.3. Tầng khuếch đại cực máng chung .................................................................. 47 2.7.4. Mạch khuếch đại dùng IC ............................................................................... 48 2.8. Phương pháp ghép các tầng khuếch đại ................................................................ 48 2.8.1. Ghép tầng bằng tụ điện ................................................................................... 49 2.8.2. Ghép tầng bằng biến áp .................................................................................. 51 2.8.3. Ghép trực tiếp ................................................................................................. 51 2.9. Một số mạch khuếch đại khác ............................................................................... 52 2.9.1 Mạch khuếch đại Đarlingtơn ........................................................................... 52 2.9.2 Mạch Casốt (Kaskode) .................................................................................... 52 2.9.3 Bộ khuếch đại vi sai ......................................................................................... 53 2.10. Bộ khuếch đại tín hiệu biến đổi chậm ................................................................. 54 2.11. Khuếch đại công suất .......................................................................................... 55 2.12. Các sơ đồ khuếch đại dùng khuếch đại thuật toán. ............................................. 60 2.13. Mạch lọc nguồn ................................................................................................... 65 2.14 Lọc các thành phần xoay chiều của dòng điện ra tải ........................................... 66 CHƯƠNG 3: MẠCH TẠO DAO ĐỘNG .................................................................... 69 3.1. Khái niệm .............................................................................................................. 69 3.2. Điều kiện dao động và đặc điểm của mạch tạo dao động ..................................... 69 3.3. Mạch tạo dao động sin ghép biến áp ..................................................................... 71 3.4. Mạch dao động sin ba điểm ................................................................................. 72 3.5. Mạch tạo dao động ghép RC ................................................................................. 73 3.5.1 Mạch tạo dao động dùng mạch di pha RC trong mạch hồi tiếp ...................... 73 3.5.2 Mạch tạo dao động dùng mạch cầu viên ......................................................... 75 81 3.6. Mạch tạo dao động thạch anh .............................................................................. 76 3.6.1 Tính chất và mạch tương đương của thạch anh ............................................... 76 3.6.2 Mạch điện bộ tạo dao động dùng thạch anh .................................................... 77