›
›

Bài giảng Điện tử cho Công nghệ thông tin - Chương 2: Các bộ khuếch đại tần số sóng Radio - Trần Tuấn Vinh

pptx 114 trang huongle 4160
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Điện tử cho Công nghệ thông tin - Chương 2: Các bộ khuếch đại tần số sóng Radio - Trần Tuấn Vinh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptxbai_giang_dien_tu_cho_cong_nghe_thong_tin_chuong_2_cac_bo_kh.pptx

Nội dung text: Bài giảng Điện tử cho Công nghệ thông tin - Chương 2: Các bộ khuếch đại tần số sóng Radio - Trần Tuấn Vinh

  1. Điện tử cho CNTT Electronic for IT Trần Tuấn Vinh Bộ môn KTMT – Viện CNTT & TT Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội
  2. Nội dung ▪ Chương 1: Phổ tín hiệu ▪ Chương 2: Các bộ khuếch đại tần số sóng Radio ▪ Chương 3: Các mạch tạo dao động ▪ Chương 4: Điều chế và hệ thống điều chế biên độ ▪ Chương 5: Điều chế tần số và pha. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 2
  3. Các bộ khuếch đại tần số sóng Radio ▪ Trở kháng của các linh kiện cơ bản ▪ Cộng hưởng nối tiếp ▪ Hệ số phẩm chất Q ▪ Cộng hưởng song song ▪ Thiết kế bộ khuếch đại RF tín hiệu nhỏ ▪ Tải điều hưởng ▪ Ghép tải biến áp không lý tưởng ▪ Mạch điều hưởng kép Copyright (c) 8/2009 by KTMT 3
  4. Điện trở ▪ Điện áp được đặt trên điện trở R tỷ lệ với cường độ dòng điện i qua điện trở (định luật Ohm) VR = iR ▪ Đơn giản là bất cứ cường độ dòng điện có dạng sóng nào chạy qua điện trở sẽ cho bạn điện áp ở hai đầu điện trở có cùng dạng sóng với cường độ dòng điện ▪ Điều đó không đúng đối với tụ điện và cuộn cảm Copyright (c) 8/2009 by KTMT 4
  5. Cuộn cảm ▪ Đối với cuộn cảm , điện áp sẽ tỷ lệ trực tiếp với tốc độ biến thiên của cường độ dòng điện theo thời gian vL  di/dt di v = L L dt L : hệ số tự cảm , đơn vị Henry ▪ Độ tự cảm L được xác định hoàn toàn bởi các tính chất vật lý và vật liệu của cuộn cảm Copyright (c) 8/2009 by KTMT 5
  6. Cuộn cảm ▪ Một dòng điện hình sin i(t) = I sin 2 ft sẽ cung cấp một điện áp qua cuộn cảm di d(sin 2 ft) v = L = L = L(2 fI cos(2 ft) = 2 jL(Ij sin( 2 ft) L dt dt ở đây j biểu thị quan hệ pha 90o giữa cos và sin . Kết quả có thể được viết như sau: vL = j2 fLi vL /iL = jXL với XL=2 fL : cảm kháng hay điện kháng của cuộn cảm Copyright (c) 8/2009 by KTMT 6
  7. Tụ điện ▪ Với tụ điện, dòng điện và điện áp có quan hệ là dv i = C C dt C là điện dung được xác định bởi đặc tính vật lý và vật liệu của tụ điện ▪ Kết quả của phép tính đạo hàm đối với điện áp hình sin sẽ cho ta vC 1 = = − jXC iC j2 fC với XC=1/2 fC là điện kháng hay dung kháng đơn vị Ohm. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 7
  8. Trở kháng nối tiếp ▪ Trong nhiều tính toán ta dùng 2 f =  mô tả tần số góc bằng đơn vị radian trong 1 giây, ta có: XL=L XC=1/C ▪ Mạch nối tiếp được sử dụng một cách dễ dàng bằng cách cộng các trở kháng phức lại để xác định tổng trở Z = r + j XL – j XC Z= r+j(L – 1/C) = r+j(2 fL-1/2 fC) Copyright (c) 8/2009 by KTMT 8
  9. Ví dụ 2-1 ▪ Mạch nối tiếp được cho ở hình dưới có các giá trị thành phần sau: r=10, L = 10 H và C=100 pF . Xác định trở kháng Z , cường độ dòng điện khi biết VZ=10 V , điện áp đi qua tụ điện và công suất tiêu hao trên mạch với f = 5,5MHz Copyright (c) 8/2009 by KTMT 9
  10. Ví dụ 2-1 ▪ Khi f = 5,5 MHz → = 2 (5,5 MHz) = 34,6M rad / s XL=L=345,6 XC = 1/C = 289,4 Z = 10 + j 345,6 – j 289,4 = 10 + j 56,2 = 57,1  800 và  = tan -1(X/r) được cho ở hình dưới X  =tan-1X/r r Copyright (c) 8/2009 by KTMT 10
  11. Ví dụ 2-1 i = v/Z = 10V/57,1 0 = 175 mA -800 . Góc pha sẽ là  = -800 chỉ ra rằng dòng điện chậm pha hơn so với điện áp tương ứng ( hay điện áp nhanh pha hơn dòng điện) đối với các điện cảm. 0 0 0 vC=iXC = ( 175mA -80 )(289,4 -90 = 50,6 -170 ▪ Công suất tiêu tán trên mạch mất đi do điện trở 2 2 Pr = i r = (175 m A) (10 )= 306 mW Copyright (c) 8/2009 by KTMT 11
  12. Cộng hưởng nối tiếp ▪ Trở kháng của mạch nối tiếp Z = r + j(X L − X C ) có giá trị nhỏ nhất tại tần số mà các thành phần điện kháng triệt tiêu nhau. ▪ Điều kiện này gọi là cộng hưởng, lúc này trở kháng của mạch là thuần trở Z = r , để xác định tần số cộng hưởng ta cho XL = XC hay 2 f0L = 1/(2 f0C) 1 1 f 0 = 0 = 2 LC LC Copyright (c) 8/2009 by KTMT 12
  13. Ví dụ 2- 2 ▪ Mạnh nối tiếp rLC của ví dụ 2-1 có các thành phần giá trị như sau r= 10 , L= 10H và C = 100pF. Hãy xác định tần số mà ở đó hiện tượng cộng hưởng xảy ra và hãy thực hiện các tính toán của ví dụ 2-1 tại tần số cộng hưởng Copyright (c) 8/2009 by KTMT 13
  14. Ví dụ 2-2 ▪ Cộng hưởng tại tần số −6 −12 0 = 1/ (10x10 )(100x10 )= 31,6 M rad/s, f0=5,03MHz XL=L=316 và XC=316; Z = 10 + j 316 - j 316  = 10  ▪ i=v/Z=10V/10 = 1 A = I max 0 ▪ vC=iXC = (1A)(-j316)=- j 316V ( 316V, -90 ) 2 2 ▪ Pr= i r = (1 A) (10 )=10W. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 14
  15. Cộng hưởng nối tiếp ▪ Đối với mạnh nối tiếp rLC, dòng điện đạt cực đại tại điều kiện cộng hưởng và phụ thuộc vào điện trở của mạch . Tại tần số lớn hơn và nhỏ hơn tần số cộng hưởng, dòng điện nhỏ hơn cực đại Copyright (c) 8/2009 by KTMT 15
  16. Chú ý ▪ Một kết quả cần chú ý nữa về các trường hợp cộng hưởng có thể xét thấy ở các trường hợp điện áp đặt trên tụ điện trong ví dụ 2-2 . ▪ Điện áp trên tụ là 316V ( và chậm pha hơn dòng điện là 900) nhưng điện áp của cả mạch lại chỉ có 10 V! Nhỏ hơn 31,6 lần. ▪ Tỷ lệ 31,6 được gọi là phẩm chất Q của mạch và cũng có thể được tính từ công thức 316 /10, dạng chuẩn của nó là Q = XL / r Q = XC / r Q là tỉ số giữa năng lượng lớn nhất chứa trong tụ điện với năng lượng tiêu tán trên điện trở Copyright (c) 8/2009 by KTMT 16
  17. Hệ số phẩm chất Q và độ rộng băng tần ▪ Điện cảm chứa năng lượng dạng từ trường, các tụ điện chứa năng lượng điện trường ở vùng không gian giữa các má tụ . Năng lượng được chứa trong suốt nửa chu kỳ đầu và giải phóng trong nửa chu kì còn lại. ▪ Bất cứ năng lượng nào mất trong một chu kỳ là do tiêu tán trên điện trở và làm giảm hệ số chất lượng Q. ▪ Hệ số Q được xác định bởi tỉ lệ giữa năng lượng lớn nhất được chứa trong mạch trên tổng tất cả năng lượng bị mất đi ở mỗi chu kỳ. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 17
  18. Hệ số phẩm chất Q và độ rộng băng tần ▪ Hệ số Q của mạch là rất quan trọng trong truyền thông điện tử bởi vì nó xác định mức -3dB băng tần của mạch cộng hưởng. ▪ Độ rộng băng tần của mạch nói chung sẽ giới hạn tổng số các thông tin có thể truyền được qua hệ thống và số lượng các nhiễu có thể vào hệ thống. Dải tần được tính từ Q và tần số cộng hưởng của mạch : BW=f0/Q ▪ Ví dụ đối với mạch nối tiếp của ví dụ 2-2, dải tần 3 dB là BW=5.03 MHz/31,6 = 159,2 kHz Copyright (c) 8/2009 by KTMT 18
  19. Hệ số phẩm chất Q và độ rộng băng tần ▪ Nếu các giá trị điện kháng thay đổi trong mạch rLC nối tiếp , hệ số Q sẽ thay đổi nhưng tần số trung tâm f0 sẽ không đổi ▪ Nếu Lvà C không đổi nên tần số trung tâm f0 = 1/(2 LC ) sẽ vẫn giữ nguyên không đổi và giảm giá trị điện trở r thì hệ số Q sẽ tăng ( Q = X/r) Copyright (c) 8/2009 by KTMT 19
  20. Hệ số phẩm chất Q và độ rộng băng tần ▪ Nếu r vẫn giữ nguyên không đổi nhưng tăng L và giảm C theo cùng tỷ lệ thì tần số trung tâm f0 = 1/(2 LC ) sẽ vẫn giữ nguyên không đổi nhưng hệ số Q sẽ tăng ( Q = X/r) Copyright (c) 8/2009 by KTMT 20
  21. Cộng hưởng song song ▪ Mạch cộng hưởng song song được sử dụng khi cần trở kháng lớn và thường dùng cho mạch điều hưởng. Tính chất trở kháng lớn được đưa ra từ hình dưới với một điện cảm lý tưởng và tụ điện được cho như sau: Copyright (c) 8/2009 by KTMT 21
  22. Cộng hưởng song song 1 Z = Y 2 1 1 1 − j X L X C + jX L R − jXC R Y = + + = 2 R jX L − jXC − j X L X CR X L X C R Z p = X L X C + jR(X L − X C ) Copyright (c) 8/2009 by KTMT 22
  23. Cộng hưởng song song ▪ Tại điểm cộng hưởng thì XL=XC và như vậy Zp =R ▪ Cường độ dòng điện trong XL (vi/XL) và XC là luôn luôn bằng nhau và ngược pha nhau. ▪ Nếu không có tổn hao năng lượng trong cả hai phần tử (lý tưởng) này, trở kháng của mạch LC song song bằng vô cùng còn trong trường hợp không lý tưởng trở kháng bằng R. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 23
  24. Cộng hưởng song song ▪ Thay XL= ωL và XC= ωC ta có (L /C)R Z = (L /C) + jR( j −1/C) R R = = 1+ jR(C /L)(LC −1/) 1+ j(R / L)(LC −1/) ▪ Thay ω0 = 1/LC ta có R Z() = 1+ j(R / 0 L)( / 0 − 0 /) Copyright (c) 8/2009 by KTMT 24
  25. Cộng hưởng song song ▪ Thay 0=2 f0 và =2 f với f là tần số của tín hiệu ta có trở kháng Z của mạch song song R Z( f ) = 1+ jQ( f / f 0 − f 0 / f ) ▪ Đồ thị của trở kháng phức với tần số f được biểu diễn ở hình dưới bao gồm biên độ và pha  Copyright (c) 8/2009 by KTMT 25
  26. Cộng hưởng song song ▪ Nếu tần số f >>f0 R R Rf 1 Z = = − j( 0 )( ) 1+ jQf / f0 jQf / f0 Q f Trở kháng sẽ nhỏ hơn và mang tính dung kháng nhiều hơn (tụ điện trở thành gần như ngắn mạch) và sẽ giảm với 1/f ▪ Khi f << f0 R Rf R Z = = j( ) f 1+ jQ(− f 0 / f ) − jQf 0 Qf 0 trở kháng mang tính cảm kháng nhiều hơn Copyright (c) 8/2009 by KTMT 26
  27. Ví dụ 2-3 Một mạch điện có R=10k, L = 100H và C= 100pF mắc song song. Hãy xác định  Tần số cộng hưởng và hệ số Q  Trở kháng khi tần số thấp hơn cộng hưởng 16kHz Copyright (c) 8/2009 by KTMT 27
  28. Ví dụ 2-3 −6 −2 ▪ f0=1/2 (100x10 )(400x10 ) =795,8kHz 10k ▪ Q = = 20 2 (796x103 )(100x10−6 ) ▪ Z(780kHz)= 10k 10k = = 7,76k39,10 = (6 + j4,9)k 1+ j20[(780 / 796) − (796 / 780)] 1− j0,812 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 28
  29. Các mạch cộng hưởng song song không lý tưởng ▪ Điện cảm được dùng để điều hưởng tần số radio sẽ có thể ở một trong 2 dạng hình xuyến hoặc hình solenoid (hình xoắn), được vẽ như hình. Dạng cuộn xuyến được cuốn trên một khung cố định được gọi là lõi Copyright (c) 8/2009 by KTMT 29
  30. Các mạch cộng hưởng song song không lý tưởng ▪ Vật liệu được dùng để làm lõi xuyến có độ từ thẩm giống như không khí (0) đối với ứng dụng sóng VHF và UHF. ▪ Nhưng đối với các sóng HF và sóng dài hơn, lõi sắt thường có độ từ thẩm >>0 được dùng để giảm số lượng vòng dây quấn ▪ Điện cảm lõi không khí thường có giá trị Q khá cao, điều đó có nghĩa tỷ số giữa năng lượng tích luỹ trong từ trường đối với công suất tổn hao là khá cao, thường nằm trong dải từ 200-300 với 22 vòng quấn dây Copyright (c) 8/2009 by KTMT 30
  31. Các mạch cộng hưởng song song không lý tưởng ▪ Tổn hao điện trở chủ yếu phụ thuộc điện trở dây quấn ( thường bằng đồng ) trong đó phải kể đến hiệu ứng dẫn điện bề mặt ở tần số cao. ▪ Hiệu ứng dẫn điện bề mặt là mật độ dòng điện càng tập trung tại bề mặt dây dẫn khi tần số càng tăng. ▪ Do vậy điện trở tỷ lệ nghịch đối với diện tích thiết diện ngang mà dòng điện chạy qua. Điện trở của dây quấn sẽ tăng lên cùng với tần số. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 31
  32. Các mạch cộng hưởng song song không lý tưởng ▪ Điện trở tần số thấp của dây quấn với bán kính r , chiều dài l và điện trở suất là R = l / ( r2), còn tại tần số radio. l  f R = 2 r ▪ Để giảm ảnh hưởng hiệu ứng bề mặt, cuộn dây ở tần số radio thường được quấn bằng dây nhiều sợi gọi là các dây Litz (Litzendraht) và thậm chí được làm bằng các ống rỗng để tăng diện tích bề mặt ▪ Dây Lizt thường được dùng để cho hệ số Q cao tại vùng tần số thấp ( dưới 2 MHz). ▪ Mỗi sợi trong dây Litz được cách điện với các dây khác, thường bằng lớp men, và các dây sẽ chỉ nối lại tại điểm cuối. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 32
  33. Các mạch cộng hưởng song song không lý tưởng ▪ Điện cảm được làm bằng lõi ferrite hay vật liệu khác sẽ cho dòng điện xoáy và sinh ra tổn hao, điều đó làm giảm hệ số Q. ▪ Các cuộn dây lõi ferrite sẽ có Q nằm trong khoảng từ 50- 250 nếu lõi đó được chọn với các tần số thích hợp từ các nhà sản xuất. Nếu cần thiết người ta dùng máy đo Q khi cuốn các điện cảm tần số radio và các biến áp. ▪ Ví dụ như quy trình cho phép đo hệ số Q, điện cảm L và hệ số mắc tải giữa cuộn sơ và thứ cấp biến thế Copyright (c) 8/2009 by KTMT 33
  34. Các mạch cộng hưởng song song không lý tưởng ▪ Dẫn nạp của mạch nối tiếp được viết như sau: 1 Y( j) = jC + r + jL r − jL r jL Y( j) = jC + = jC + − r 2 +  2 L2 r 2 +  2 L2 r 2 +  2 L2 r L Y( j) = + j(C − ) r 2 +  2 L2 r 2 +  2 L2 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 34
  35. ▪ Tại cộng hưởng thì =0 và phần ảo bằng 0 , ta có: 2 0 L 1 r  C =  0 = − 0 2 2 2 LC L r + 0 L ▪ Hệ số phẩm chất của mạch không mắc tải ngoài được gọi là hệ số Q của mạch không tải và được tính theo công thức  L Q  0 u r ▪ Thay r/L = 0/Qu và 2 2 1 Qu 2  0 = 2 1 2 r LC Qu +1 =  0 − LC L Copyright (c) 8/2009 by KTMT 35
  36. Các mạch cộng hưởng song song không lý tưởng ▪ Phương trình trên chỉ ra rằng cuộn dây có Q hữu hạn có hiệu ứng làm giảm tần số cộng hưởng của mạch LC lý tưởng bởi hệ số 2 2 Qu /(Qu +1). Với tính chất này ta có thể thay thế nhánh rLs nối tiếp bằng một điện trở R song song với Lp để có một mạch RLC song song như hình: Copyright (c) 8/2009 by KTMT 36
  37. Các mạch cộng hưởng song song không lý tưởng ▪ Trong đó : Q 2 +1 R = r(Q 2 +1) L = L u u p s 2 Qu ▪ Kết quả quan trọng đó là một điện trở nhỏ trong mạch nối tiếp với một điện cảm sẽ có kết quả tương đương điện trở lớn ở mạch song song. ▪ Ví dụ , đối với Qu =10 , công suất tiêu tốn trên 1 của mạch nối tiếp với cuộn cảm lý tưởng sẽ tương đương với việc tiêu tốn 101  trên mạch song song Copyright (c) 8/2009 by KTMT 37
  38. Các mạch cộng hưởng song song không lý tưởng ▪ Cuối cùng, với sự chuyển đổi giữa song song và nối tiếp, trở kháng của mạch song song được biểu diễn của tần số có thể được viết từ phương trình R Z( f ) = 1+ jQu ( f / f 0− f 0 / f ) ▪ Thông thường các cuộn dây có phẩm chất khá cao nên XLs >> r. Nếu các mạch là tương đương ta có XLs/r = R/XLp. ▪ Đối với các mạch cảm ứng cơ bản thì 2 2 XLp XLs và R = XLs /r =XLs Qu = rQu . Copyright (c) 8/2009 by KTMT 38
  39. Phân tích bộ khuếch đại tần số radio tín hiệu nhỏ ▪ Chúng ta sẽ phân tích về bộ khuếch đại sóng radio điều hưởng trên hình Copyright (c) 8/2009 by KTMT 39
  40. Phân tích bộ khuếch đại tần số radio tín hiệu nhỏ ▪ Tín hiệu vào điện áp vbe cung cấp một dòng điện ▪ ib = vbe / Rin ở đó Rin = (+1) re. ▪ Điện trở re gọi là điện trở động của cực emiiter được cho bởi re = VT / IE ▪ trong đó IE là dòng phân cực một chiều emitter và điện áp VT của tiếp giáp thay đổi từ 25 đến 40 mV tuỳ thuộc vào cấu hình tiếp giáp base-emitter. ▪ Giả sử VT= 26 mV, re = (26mV)/IE . Copyright (c) 8/2009 by KTMT 40
  41. Phân tích bộ khuếch đại tần số radio tín hiệu nhỏ ▪ Dòng điện collector ic=ib cộng với dòng điện base ib ta có dòng điện emitter ie = ic + ib = (+1)ib. ▪ Đổi với các ứng dụng tín hiệu nhỏ thì  100 do đó ic ie với sai số bé hơn 1% . ▪ Trong bất cứ trường hợp nào ic đi qua một mạch collector trở kháng Zc cung cấp một điện áp vc = icZc sao cho hệ số khuếch đại điện áp Av được tính như sau vc ic Z c Z c  Z c Z c Z c Av = = =  = = vb ib Rin Rin  +1 re re re Copyright (c) 8/2009 by KTMT 41
  42. Phân tích bộ khuếch đại tần số radio tín hiệu nhỏ ▪ Với sai số bé hơn 1% khi  100 . Bao gồm cả kí hiệu cho việc đảo pha của bộ khuyếch đại chung cực emitter , chúng ta viết : Av = -Zc / re Trong đó Zc là trở kháng hiệu dung xoay chiều từ collector đến đất và re =26mV/Ie đó là điện trở của cực emitter của transitor. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 42
  43. Hệ số khuếch đại tính bằng decibel ▪ Thông thường hệ số khuếch đại của các mạch nhiều tầng khuếch đại bằng tích các hệ số khuếch đại ▪ Nếu áp dụng phép toán logarith có thể chuyển từ tích các hệ số khuếch đại sang dạng tổng. ▪ Trong điện tử , đơn vị decibel được xác định cho tỷ số của các công suất ví dụ tỷ số công suất po/pi. Định nghĩa của tỷ số tính bằng decibel (dB trong đó B là chữ cái lấy từ tên của ngài Alexander Graham Bell) là: Tỷ số tính bằng dB = 10 log10(po/pi) = Ap (dB) Copyright (c) 8/2009 by KTMT 43
  44. Hệ số khuếch đại tính bằng decibel 2 ▪ Ap là tỷ số các công suất của bộ khuếch đại. Ngoài ra do p=v /R nên 2 2 Ap (dB) = 10 log10[(vo /R0 )/(vi /Ri)] 2 2 =10 log10(vo /vi ) + 10 log10(Ri/Ro) ▪ Do log10(1) = 0 nên nếu Ri = R0 thì 2 Av (dB) = 10 log(v0/vi) = 20 log(v0/vi) đối với tỷ số của điện áp và Ai (dB) = 20 log(io/ii) đối với tỷ số của dòng điện , nếu đầu vào và đầu ra có trở kháng là bằng nhau Copyright (c) 8/2009 by KTMT 44
  45. Ví dụ 2-4 ▪ Cho sơ đồ bộ khuếch đại điều hưởng như hình 2-10. Hãy xác định: 1. Điện áp đầu ra vo khi điện áp đầu vào vi=40mV. 2. Hệ số khuếch đại điện áp cực đại Av=vo/vi ? 3. Độ rộng băng thông của mạch ở chế độ A( chế độ tín hiệu nhỏ). Biết biến áp T1 có : L = 20H, Qu= 80, np/ns=12, k = 1. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 45
  46. Ví dụ 2-4 ▪ Hệ số khuếch đại điện áp đạt cực đại tại tần số cộng hưởng. Với một sai số rất nhỏ ( tuỳ thuộc vào công suất tổn hao trong biến áp) ▪ Tần số cộng hưởng f0=1/(2 LCT) trong đó CT là điện dung tổng cộng từ collector xuống đất. CT= 2pF + 3pF + 100pF = 105pF. Như vậy -6 -12 f0=1/(2 20 .10 .105.10 ) =3,47 MHz ▪ Điện kháng của L là: 6 -6 XL =2 (3.47*10 )(20*10 ) = 436. Rcoii = Qu XL = 34.9 k Copyright (c) 8/2009 by KTMT 46
  47. Ví dụ 2-4 ▪ Điện trở tải RL được chuyển đổi sang mạch tương đương bằng cách nhân thêm bình phương tỷ số biến áp, nên 2 2 R'L=(np /ns ) RL = (12) . 50 =7.2k. ▪ Khi điện trở tải động colector của transitor rc không được cho, chúng ta xác định tải tổng cộng của mạch tương đương là: R'c =R3 //R'L //Rcoil = 5k//7.2k//34.9k=2.72k ▪ (Điện trở R3 =5k là để mở rộng băng thông và giảm ảnh hưởng của các mạch ký sinh. Do vậy hệ số khuếch đại của mạch bị giảm). Copyright (c) 8/2009 by KTMT 47
  48. Ví dụ 2-4 ▪ Điện trở động emitter re = 26mV/IE (mA) được xác định trong quá trình tính toán hệ số khuếch đại điện áp Avt của transitor. Điện áp rơi trên Rdn thường nhỏ hơn 0.1V, do vậy có thể bỏ qua. VB =[2k/(2k+10k)]*12V=2V VE =VB - 0.7V=2-0.7=1.3V (dc) IE =VE /RE =1.3V/1k=1.3(mA) Vậy : re= 26/1.3=20. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 48
  49. Ví dụ 2-4 ▪ Tín hiệu đầu vào bộ khuếch đại được xem là của nguồn lý tưởng (Z0=0), nên hệ số khuếch đại điện áp giữa base và colector trong bộ khuếch đại E chung là 0 Avt =-R'c /re =2.72k/20 =136 với góc dịch pha là 180 . ▪ Tín hiệu vào 40mV sẽ được khuếch đại tới vc = vb Avt =(40mV)(136) =5.44V. ▪ Điện áp tín hiệu ra sau biến áp được nhân với hệ số biến áp T1 : v0 = vc (ns /np ) =(5.44V)(1/12) =453mV Copyright (c) 8/2009 by KTMT 49
  50. Ví dụ 2-4 ▪ Nếu biến áp đảo pha thì hệ số khuếch đại điện áp tối đa của bộ khuếch đại sẽ là: Av = (Avt )(- ns /np )=(-136)(-1/12)=11.3 ▪ Hoặc tính bằng đơn vị dB là Av (dB)=20logAv =20log 11.3=21.1 dB ▪ Cuối cùng , dải thông được tính bởi BW=f0 /QL , với QL là tải hoặc hệ số phẩm chất Q của mạch. QL =R'L /XL =2.72k/436 =6.2 BW = 3.47MHz/6.2 = 556kHz. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 50
  51. Chương 2(tiếp) ▪ Thiết kế bộ khuếch đại RF tín hiệu nhỏ ▪ Tải điều hưởng ▪ Ghép tải biến áp không lý tưởng ▪ Mạch điều hưởng kép (Tự đọc tài liệu) Copyright (c) 8/2009 by KTMT 51
  52. Thiết kế bộ khuếch đại RF tín hiệu nhỏ ▪ Thiết kế mạch điện tử luôn cần phải lựa chọn và phán đoán tốt ▪ Thiết kế và lựa chọn giá trị các linh kiện cho mạch sau Copyright (c) 8/2009 by KTMT 52
  53. Thiết kế bộ khuếch đại RF tín hiệu nhỏ ▪ RE tạo sự ổn định cho điện áp phân cực tiếp giáp base-emiter và dòng điện dò colector bằng phản hồi âm. ▪ Thường chọn điện áp rơi trên RE vào khoảng 1V, hoặc xấp xỉ 10% của điện áp cung cấp trong mạch dùng điện áp cung cấp thấp ▪ Với VE rơi trên RE =1V thì VB sẽ khoảng 1,6-1,7V, phụ thuộc vào giá trị của dòng emiter. ▪ R1 và R2 được chọn để phân áp Vcc tạo điện áp phân cực B : R1 = VB /I1 Khi I1 = 10 IB (một nguyên tắc chọn lựa). Điện trở R2 được tính: R2 = (Vcc -VB )/(1.1* I1 ) Copyright (c) 8/2009 by KTMT 53
  54. Thiết kế bộ khuếch đại RF tín hiệu nhỏ ▪ Việc chọn dòng phân cực trên nguyên tắc tận dụng tối đa công suất đầu ra P0 và công suất nguồn cung cấp Vcc. ▪ Một bộ khuếch đại ghép biến áp ở chế độ A có thể đạt hiệu suất tới khoảng 50% với điện áp ra trên colector cực đại (phần điện áp biến đổi xoay chiều đỉnh của colector đạt tới Vcc ). ▪ Nếu 10% của Vcc được dùng cho VE và điện áp bão hoà colector, thì công suất cần cung cấp cho colector của transitor là: Pdc = 0.9 Vcc Ic ▪ Với hiệu suất  = 50% : Pdc = P0 / =2P0 ▪ Nên : Ic = 2P0 /(0.9Vcc ) Copyright (c) 8/2009 by KTMT 54
  55. Thiết kế bộ khuếch đại RF tín hiệu nhỏ ▪ Ví dụ: P0 =10mW và Vcc =12V thì : Ic =20mW/(0.9*12V) =1.85mA. Khi đó: RE = 0.1(12V)/1.85mA = 649 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 55
  56. Thiết kế bộ khuếch đại RF tín hiệu nhỏ ▪ Ta đã tính toán chế độ một chiều dc, bây giờ xét chế độ xoay chiều ac. ▪ Rdn và Cdn tạo thành một bộ lọc thông thấp gọi là mạch cách ly tải. ▪ Mạch này tạo một trở kháng ac thấp giữa mạch collector và mạch base (đầu vào). ▪ Trở kháng trong của nguồn cung cấp có thể gây phản hồi dương tới các tầng khuếch đại khác. ▪ Người ta không dùng cuộn cảm thay thế cho điện trở Rdn bởi vì sẽ xuất hiện sự cộng hưởng với điện dung của mạch. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 56
  57. Thiết kế bộ khuếch đại RF tín hiệu nhỏ ▪ Với mạch công suất nhỏ, một điện trở Rdn =100 sẽ tổn hao không lớn so với hàng chục vol cung cấp cho mạch khuếch đại . ▪ Cdn là điện dung phân dòng, nó được chọn sao cho có điện kháng nhỏ đến hàng chục lần so với điện trở. ▪ Ví dụ : nếu bộ khuếch đại được sử dụng tại tần số 10 MHz và Rdn = 100 , XC < 10 , nên Cdn =0.002 F . Tuy nhiên chú ý rằng dòng xoay chiều collector phải qua cả Cdn nối tiếp với CE . Cho nên , khi CE có điện kháng cỡ vài Ohm thì có thể xấp xỉ Cdn = CE Copyright (c) 8/2009 by KTMT 57
  58. Thiết kế bộ khuếch đại RF tín hiệu nhỏ ▪ CE cũng là một điện dung phân dòng (BP) của RE và tạo một trở kháng nhỏ cho emiter của transitor . Với một mạch máy thu có mức trở kháng thấp ( cỡ 50-70  ) nó vừa đủ tạo ra XCE nhỏ hơn điện trở động emiter re . ▪ Khi re =26mV/ IE thì XCE =26mV / 10IE Copyright (c) 8/2009 by KTMT 58
  59. Thiết kế bộ khuếch đại RF tín hiệu nhỏ ▪ CC là điện dung ghép hoặc là để cách ly một chiều dc . ▪ Giá trị của nó được xác định tương tự như điện dung BP ngoại trừ điện kháng của nó phải nhỏ hơn trở kháng đầu vào Zi của bộ khuếch đại. ▪ Do đó XCC = Zi / 10 . Khi tính toán Zi cho bộ khuếch đại RF , điện dung đầu vào không được bỏ qua. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 59
  60. Thiết kế bộ khuếch đại RF tín hiệu nhỏ ▪ Bước tiếp theo để thiết kế liên quan đến giá trị của các phần tử của mạch collector . ▪ Với mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ, mức công suất đầu ra chỉ quan trọng khi cần thiết lập một điểm phân cực có khả năng duy trì sự tuyến tính cho tín hiệu ra yêu cầu cực đại. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 60
  61. Thiết kế bộ khuếch đại RF tín hiệu nhỏ ▪ Việc tính toán mạch collector có thể được thực hiện theo vài cách  Cách thứ nhất , trên cơ sở yêu cầu về hệ số khuếch đại của mạch, có thể xác định những yêu cầu về trở kháng tại điểm cộng hưởng để có được hệ số khuếch đại yêu cầu , và sau đó xác định điện kháng cần thiết theo những yêu cầu về Q và dải thông  Cách thứ 2 là xác định tỷ số biến áp ra để phối hợp trở kháng với tải collector của transistor ứng với hệ số truyền đạt công suất cực đại và sau đó tính toán giá trị của L và C để điều chỉnh mạch tiến tới những yêu cầu về Q và dải thông Copyright (c) 8/2009 by KTMT 61
  62. Thiết kế bộ khuếch đại RF tín hiệu nhỏ ▪ Và một cách đơn giản khác, với các bộ khuếch đại trở kháng thấp ghép biến áp là thiết kế cho một điện kháng có giá trị khoảng 200- 300 và sau đó xác định tỷ số biến áp, được cho theo yêu cầu Q và dải thông. Hệ số khuếch đại được quyết định bằng tổng trở kháng mạch và hiệu suất biến áp ▪ Công thức thiết kế cho một biến áp lý tưởng ( hệ số k=1, và hiệu suất =100% ) là : XL = 2 fL, XC = 1/(2 fC), Q = f0/BW, R'C = QXL. ▪ Và tỷ số biến áp : ' np/ns = RL / RL Copyright (c) 8/2009 by KTMT 62
  63. Ví dụ 2-5 ▪ Trên cơ sở biến áp lý tưởng và sơ đồ hình 2-11 , thiết kế một bố khuếch đại có hệ số khuếch đại công suất cực đại ở 10MHz với dải thông 500kHz nếu transistor có trở kháng động trên mạch collector là 10k . CBE =15pF , CBC =1 pF và βdc = 50 . Công suất cực đại của tín hiệu đầu ra sẽ là 5.4mW với tải 50, nguồn cung cấp là 12V. Điện dung tạp tán tại collector là 3pF. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 63
  64. Ví dụ 2-5 ▪ Ic =2P0/(0,9 Vcc) = 2(5,4mW)/(0,9 x 12V) = 1mA. ▪ Theo hướng dẫn : chọn VE =1V , ta tính được RE= VE/IE 1V/1mA = 1k. R1 = 1,7V/(10 x 1mA/50) = 8,5 k. R2 = 10,3 V/0,22mA = 47 k. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 64
  65. Ví dụ 2-5 ▪ Để xác định điện dung đầu vào cho phù hợp , chúng ta cần tính toán mức trở kháng đầu vào . Để xác định Zi , chúng ta cần tính được hệ số khuếch đại điện áp xấp xỉ từ base đến colector (để xác ' định Ci) . Với sự phối hợp trở kháng ở mạch collector, RC =(1/2)rc = 5 k. ▪ Vì vậy: ' Av = R C/re = 5 k/26 = 192 Ci = CBE + (1+ Av)CBC = 15 + ( 1+ 192) 1pF = 208 pF. 7 -12 -1 XCi = [2 10 (208 x 10 )] = 76,5 . Ri = (+1)re (51)(26 ) = 1,33 k. ▪ khi  có giá trị 50 , Zi = -j76 . Điện dung tải sẽ là : C = [2 107(7,6)]-1 = 2000 pF Copyright (c) 8/2009 by KTMT 65
  66. Ví dụ 2-5 ▪ Nếu đầu ra được thiết kế sao cho công suất truyền là cực đại , thì biến áp phải thay đổi tải 50 để phối hợp với rc . Do đó: np/ns = rc / RL = 10k/ 50 =14:1 ' ▪ Với sự phối hợp trở kháng mạch colector , R C = 5 k . Yêu cầu về dải thông là 500kHz , nên QL = 10 MHz /0.5MHz = 20 chính là hệ số tải Q ' XL = XC= R c/Q = (5k)/20 =250. Điện cảm sơ cấp của biến áp là: 7 L = XL/2 f = 250/2 10 =4H Copyright (c) 8/2009 by KTMT 66
  67. Ví dụ 2-5 ▪ Từ đó điện dung để cộng hưởng tương ứng C= [2 x 250 x 107]-1=64pF ▪ Do mạch collector đã có điện dung tạp tán 1pF+3pF =4pF nên điện dung của mạch điều hưởng sẽ vào khoảng 60pF. ▪ Thông thường một điện dung điều chỉnh được 0.3  10pF được ghép song song với điện dung bạc-mica 56pF Copyright (c) 8/2009 by KTMT 67
  68. Ví dụ 2-5 ▪ Nếu yêu cầu , hệ số khuếch đại công suất có thể được tính như sau: hệ số khuếch đại điện áp base-colector đã được xác định là 192 . AP = AU * AI ▪ Hệ số khuếch đại dòng điện bị phức tạp hoá do mạch vào của bộ khuếch đại. Sơ đồ mạch vào tương đương như hình Copyright (c) 8/2009 by KTMT 68
  69. Ví dụ 2-5 ▪ Dòng điện base (được tính theo (ic = ib ) được vẽ như ib trên hình . ▪ Với bộ khuếch đại đang xét , RBB = 8.5k //47k = 7.2k , Ri = 1.3k ( thực tế gần bằng 31 x 26 = 806) XC = 76.5. ▪ Rõ ràng, dòng điện vào bộ khuếch đại ii sẽ bị phân dòng bởi tụ điện Ci . Dòng điện đầu vào bộ khuếch đại là : Ii = vi [1/7,2 k + 1/1,3 k + 1/-j76,5  0 = 0,0131 vi 86 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 69
  70. Ví dụ 2-5 ▪ Dòng điện trong Ri là ib = (vi)(1/1,3 k) = 0,00077 vi . Do đó tỷ lệ của dòng điện tham gia quá trình khuếch đại là: ib/ii =0,00077/0,0131 = 0,059. ▪ Hệ số khuếch đại đòng điện tính đến collector sẽ là Ai = 0.059 = 0.059*50 = 3 . ▪ Hệ số khuếch đại công suất sẽ là : AP = AvAi = 192 x 3 = 576 AP (dB) = 10 logAP = 27,6 dB Copyright (c) 8/2009 by KTMT 70
  71. Khuếch đại Cascode ▪ Hệ số khuếch đại công suất trong ví dụ 2-5 chỉ ra rằng bộ khuếch đại đã xét có tổn thất dòng điện sơ cấp do điện dung hiệu ứng Miller tại đầu vào. ▪ Nó có thể tham gia vào với điện dung Ci của mạch cộng hưởng song song đầu vào base của transitor , điều này không có lợi. ▪ Kết quả là hầu hết các mạch dao động dùng khuếch đại không hiệu quả . Copyright (c) 8/2009 by KTMT 71
  72. Khuếch đại Cascode ▪ Một biến áp đầu vào có thể thích hợp hơn , nhưng các mạch dao động kí sinh vẫn có thể xuất hiện vì điện cảm của mạch base . ▪ Có nhiều giải pháp để khắc phục vấn đề này. ▪ Một trong các giải pháp đó là trung hoà , dùng dòng điện phản hồi collector . ▪ Một giải pháp khác sử dụng với tần số thấp hơn UHF là lọai trừ tụ điện Miller bằng cách sử dụng bộ khuếch đại cascode , như hình Copyright (c) 8/2009 by KTMT 72
  73. Khuếch đại Cascode Copyright (c) 8/2009 by KTMT 73
  74. Khuếch đại Cascode ▪ Cascode gồm một tầng khuếch đại emiter chung hệ số khuếch đại nhỏ nối với bộ khuếch đại điều hưởng mắc base chung. ▪ Mạch này có ưu điểm là có sự ổn định cao của trở kháng đầu vào của mạch chung E (Q2) nhưng không có tụ Miller vì hệ số khuếch đại của nó thấp. ▪ Tất cả hệ số khuếch đại trong mạch chi được quyết định bởi tầng Base chung (Q1), tất nhiên tầng này không có tụ điện hiệu ứng Miller bởi vì nó là bộ khuếch đại không đảo . ▪ Mạch cascode khá thông dụng với các bộ khuếch đại audio băng rộng chất lượng cao do điện dung đầu vào thấp ( băng thông được mở rộng) , trở kháng đầu vào lớn , và có đặc điểm là hệ số khuếch đại lớn . Copyright (c) 8/2009 by KTMT 74
  75. Khuếch đại Cascode ▪ Một mạch tích hợp (IC) thông dụng được sử dụng trong lĩnh vực truyền thông có tần số 120MHz là CA3028A ▪ Sự phổ biến của bộ khuếch đại / mạch cascode ( Q3-Q2 ) xuất phát từ sự ổn định và sự đa dạng trong ứng dụng . ▪ Nó có thể đựoc sử dụng trong bộ khuếch đại RF và IF , mạch dao động , bộ trộn / chuyển đổi tần số , bộ giới hạn , giải điều chế , và bộ khuếch đại audio . ▪ Loại IC dùng chung giữa RF-IC là MIC (microwave IC) và MMIC (monolithic microwave IC (MMIC) . Đây là loại IC thường có 4 băng mỏng và dùng 2 điểm đất. Trở kháng đầu ra và vào của nó khoảng 50 và được phối hợp trở kháng chính xác Copyright (c) 8/2009 by KTMT 75
  76. Tải điều hưởng ▪ Chúng ta đã nghiên cứu cách mắc tải RC và biến áp lý tưởng của mạch điều hưởng. Các mạch RF cũng có khả năng mắc tải điện dung và mắc tải biến áp . ▪ Cách mắc tải điện dung như trong hình dưới , C1 và C2 thiết lập một điện dung tương đương cộng hưởng với điện cảm L tại tần số f0 = 1/2 LCeq . ▪ Điện dung đó cũng tạo thành một bộ phân áp và một bộ phân trở kháng giống như một biến áp Copyright (c) 8/2009 by KTMT 76
  77. Tải điều hưởng C1C2 Ceq = C1 + C2 v C C o = eq = 2 vi C1 C1 + C2 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 77
  78. Tải điều hưởng ▪ Phân tích tưng tự cho Ri với Ro nối ngang qua C1 ta có: 2 C1 + C2 Ri = R0 C2 cho trường hợp R0 >10XC1 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 78
  79. Tải điều hưởng ▪ Nếu R0 không cần chính xác hoặc rất lớn hơn XC1 , thì có thể chuyển đổi trở kháng song song quy định bởi R0 và XC1 sang dạng trở kháng nối tiếp tương đương. Mạch nối tiếp tương đương có: R R = 0 (2.36) se 1+ Q 2 Q 2 +1 C và : Cse = 1 2 (2.37) Q trong đó Q=R0 /XC1 . Copyright (c) 8/2009 by KTMT 79
  80. Tải điều hưởng ▪ Kết quả là mạch điện nối tiếp với C2 , Cse , và Rse có thể dễ dàng được chuyển đổi tương đương một tụ điện và điện trở Rse nối tiếp. ▪ Giá trị của mạch nối tiếp RC có thể được chuyển đổi sang mạch song song RC nếu sử dụng phương trình (2.36) và (2.37), với R0 thay thế bởi Rpe và C1 được thay thế bởi Cpe . ▪ Cse cũng có thể được thay thế bởi điện dung nối tiếp tương đương của C2 và Cse . ▪ Giá trị Q mới của mạch nối tiếp được tính từ điện dung nối tiếp tương đương và giá trị của điện trở nối tiếp Copyright (c) 8/2009 by KTMT 80
  81. Ví dụ 2-6 ▪ Xác định Ri nếu C1 =1000pF , C2 = 200pF , và R0 = 200, với mạch như hình 2-15. Mạch điện cộng hưởng 7 và làm việc tại tần số 0 =10 rad/s. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 81
  82. Ví dụ 2-6 7 -9 ▪ XC1 = 1/0C1 = 1/(10 x 10 ) = 100. ▪ Hệ số Q của mạch phối hợp R0C1 là: Q = R0/XC1 = 200/100 = 2 ▪ Tải R0 rất nhỏ so với XC1 nên khi sử dụng công thức Q nhỏ hơn 5 . ( Khi Qp>10, sai số sẽ nhỏ hơn 1%). Sử dụng phương trình (3-37) và (3-38), ta có : 2 Rse = 200/(1 + 2 ) = 40 Và Cse = = 1250 pF Copyright (c) 8/2009 by KTMT 82
  83. Ví dụ 2-6 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 83
  84. Ví dụ 2-6 C2Cse (200 pF)(1250pF) Ceq = = =172,4pF C2 + Cse 1450pF 2 Ri = Rse (1+Q ) ▪ Trong đó 7 -12 Q = Qseries = Xeq /Rse = 1/[(10 x 172,4 x 10 )(40) = 14,5 ▪ Với Q lớn như vậy nên chúng ta sử dụng cách chuyển đổi đơn giản : Xpe Xseries 2 Và Rpe Q Rseries ▪ Vì : Q2 Q2 +1 khi Q> 10 2 ▪ Trong trường hợp này Ri = [1 + (14,5) ] 40 = 8,45 k Copyright (c) 8/2009 by KTMT 84
  85. Ví dụ 2-6 ▪ Áp dụng phương trình 2 C + C 1 2 R Ri = 0 C2 2 100pF + 200pF R = 200 = 7,2k i 200pF ▪ So với kết quả tính toán ở trên ta thấy sai số là 14,8% do R0 chỉ bằng 2 lần XC1 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 85
  86. ▪ Cách mắc tải điện cảm không thống nhất trong các mạch RF vì 2 nguyên nhân : ▪ Thứ nhất, biến áp được xây dựng đơn giản, và hệ số biến áp có thể dễ dàng truyền một công suất cực đại. ▪ Thứ hai 2 là: mạch liên quan tới mạch dao động và bộ khuếch đại công suất từ trung bình đến lớn có thể gây méo mức độ cao. Dòng diện tần số cao bị méo dễ ghép qua tụ điện hơn cuộn cảm do tần số càng cao XC càng giảm. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 86
  87. ▪ Biến áp trong hình được dùng khi mạch yêu cầu cung cấp nguồn dc không độc lập giữa sơ cấp và thứ cấp. Giả sử rằng tất cả các cuộn dây được quấn sao cho mắc tải cũng tương tự như hai cuộn của máy biến áp , phương trình cũng có dạng tương tự : v1 = v2 (n1 + n2 )/n1 . 2 Và R1 = [(n1 +n2)/n1)] R2 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 87
  88. Ghép tải biến áp không lý tưởng ▪ Ghép tải biến áp được tính toán trong trường hợp lý tưởng khi hệ số ghép k=1. Có nghĩa là luồng từ thông của cuộn sơ cấp móc vòng hoàn toàn qua cuộn thứ cấp . Điều này có thể đúng cho biến áp audio hoặc biến áp công suất có lõi thép lớn để tập trung luồng từ thông từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp. ▪ Khi K=1 , mối quan hệ giữa điện áp với trở kháng biến đổi tưng tự như phương trình v1 = v2 (n1 + n2 )/n1 . 2 R1 = [(n1 +n2)/n1)] R2 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 88
  89. Ghép tải biến áp không lý tưởng Ghép tải biến áp không lý tưởng. a) Sơ đồ biểu diễn từ thông . b) Cấu trúc vật lý Copyright (c) 8/2009 by KTMT 89
  90. Ghép tải biến áp không lý tưởng ▪ Điện cảm và ghép tải cho biến áp lõi hình xuyến làm việc như sau: ▪ Nếu lượng từ thông qua một vòng dây được tạo bởi dòng điện i(t) là m , thì từ thông tổng cộng trong cuộn cảm lõi xuyến minh hoạ như hình a là Nm . ▪ Giá trị Nm cũng đựơc xem như tổng từ thông móc vòng. Nếu lõi xuyến có đường kính ngoài là R và làm bằng vật liệu độ thẩm từ  và tiết diện đều, mật độ từ thông B là đồng đều trên toàn bộ tiết diện ngang A = r2 và bằng : Ni(t) B = 2 R Copyright (c) 8/2009 by KTMT 90
  91. Ghép tải biến áp không lý tưởng ▪ Trong đó R>>r . Thông số lõi thép được biểu diễn như hình b. Tổng lượng từ thông qua mỗi vòng dây là BA , nên tổng lượng từ thông móc vòng của cuộn cả lõi xuyến sẽ là: Ni 2 N = NBA = N ( r ) m 2 R ▪ Bằng cách xác định hệ số tự cảm L là tỷ số của từ thông tổng cộng móc vòng với nhau và dòng điện sinh ra từ thông đó . Do vậy: N L = m i ▪ Hoặc : N 2 r 2 L= 2R Copyright (c) 8/2009 by KTMT 91
  92. Ghép tải biến áp không lý tưởng ▪ Để xác định điện áp cảm ứng trong cuộn thứ cấp thông qua dòng điện i1 của cuộn sơ cấp của biến áp lõi xuyến, xuất phát từ định luật Faraday cho cuộn cảm , ta có d v = − m dt ▪ với N vòng dây, ta có : d v = −N m dt ▪ Tổng lượng từ thông sinh ra từ i1 trong cuộn sơ cấp N1 vòng được tính: 2 N1i1 2 N1r i1  m = BA = ( r ) = 2 R 2R Copyright (c) 8/2009 by KTMT 92
  93. Ghép tải biến áp không lý tưởng ▪ Tương tự , điện áp v2 cảm ứng trong cuộn thứ cấp của máy biến áp d m2 v2 = −N 2 dt ▪ Do hệ số ghép là :  k = m2  m1 ▪ Điện áp cảm ứng của cuộn thứ cấp qua từ thông cuộn sơ cấp là d N r 2i 1 1 v2 = −N2k d m1 dt 2R v2 = −N 2k dt r 2 di = −N N k 1 1 2 2R dt Copyright (c) 8/2009 by KTMT 93
  94. Ghép tải biến áp không lý tưởng ▪ Thay N 2 r 2 2RL L = N = 2R r 2 ▪ Ta có L 2R L 2R r 2 di di v = −k 1 2 1 = − L L 1 2 r 2 r 2 2R dt 1 2 dt di ▪ Gọi hỗ cảm M= k L L v = −M 1 12 2 dt ▪ Vậy điện áp trên cuộn thứ cấp tương đương như một điện áp tương hỗ giữa cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp Copyright (c) 8/2009 by KTMT 94
  95. Ghép tải biến áp không lý tưởng ▪ Nếu dòng điện chảy qua cuộn sơ cấp jt i1 = I0e di 1 = I ( j)e jt dt 0 ▪ Vậy jt v2 = -jMI0e v2 = -jMi1 ▪ Tích số M có thể xem như điện kháng tương hỗ mà điện áp đựơc cảm ứng trên cuộn dây thứ cấp tỷ lệ với dòng điện i1 qua cuộn sơ cấp Copyright (c) 8/2009 by KTMT 95
  96. Ví dụ 2-7 ▪ Một dòng điện hình sin 1mA , 100kHz qua một cuộn sơ cấp của máy biến áp có điện cảm cuộn sơ cấp là 1mH , của cuộn thứ cấp là 250H , hệ số ghép tải k = 0,20. Xác định điện áp cảm ứng trên cuộn thứ cấp Copyright (c) 8/2009 by KTMT 96
  97. Ví dụ 2-7 −3 −6 M = k L1L2 = 0,2 (1*10 )(250*10 ) = 100H −6 −3 vs = Mi p = (2 *100kHz)(100*10 H)(1*10 A) = 62,8mV ▪ Một mô hình mạch cho phép chúng ta hình dung hiệu ứng hỗ cảm và điện áp thứ cấp vs , được trình bày trong hình Quan sát hình vẽ ta thấy, điện cảm tổng cộng của cuộn sơ cấp là L1 và biên độ của điện áp có chiều ngược lại so với chiều dòng điện ip qua hỗ cảm 2 fM. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 97
  98. Ghép tải biến áp không lý tưởng ▪ Trong hình, một máy phát được nối với cuộn sơ cấp của máy biến áp tần số cao và vL được đo bởi một volmet RF có trở kháng cao . ▪ Nếu trở kháng của volmet đủ lớn, dòng điện rất nhỏ qua cuộn thứ cấp và điều đó thực chất không có sự tương tác ngược giữa cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp . Copyright (c) 8/2009 by KTMT 98
  99. ▪ Tuy nhiên , khi trở kháng tải ZL bên thứ cấp nhỏ thì dòng điện thứ cấp sẽ xuất hiện tuỳ thuộc điện áp cảm ứng và dòng điện này sẽ cảm ứng một bộ đếm EMF bên sơ cấp . ▪ Một phương trình tương tự được thiết lập cho điện áp thứ cấp sinh ra do dòng điện của sơ cấp duy trì một điện áp cảm ứng kích thích trong cuộn sơ cấp bằng dòng thứ cấp iS chảy trong cuộn thứ cấp. ▪ Do đó, máy phát sẽ chịu tải hiệu quả khi ZL đựơc mắc vào mạch, và số lượng tải sẽ quyết định trực tiếp đến dòng thứ cấp iS , ta có iS = vS / ZSS Copyright (c) 8/2009 by KTMT 99
  100. Ghép tải biến áp không lý tưởng ▪ ZSS là trở kháng nối tiếp tổng cộng của mạch thứ cấp mà iS chạy qua. Ta có: ZSS = ZL + (r2 + jL2) r2 đặc trưng cho tổn hao của cuộn thứ cấp của biến áp ▪ mô hình mạch điện tương đương cho cách mắc biến áp trong trường hợp tổng quát (không lý tưởng ) k<1 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 100
  101. Ghép tải biến áp không lý tưởng ▪ Điện áp cảm ứng trong cuộn thứ cấp là vS = -jMii . Do đó sinh ra một dòng điện iS = vS / ZSS. ▪ Nếu có một dòng điện chạy qua cuộn thứ cấp của biến áp sẽ cảm ứng sang máy đo EMF trong cuộn sơ cấp . Điều này có thể được mô hình hoá với điện áp kích thích –vp ▪ Hiệu ứng này có thể thay thế như một trở kháng phản ánh Zr nối tiếp với cuộn thứ cấp . Điện áp kích thích sẽ là -vp = jMis , và khi ip chạy qua máy đo EMF : ZP = jMis / ip = jM(-jMip / ZSS )/ip ▪ Do đó trở kháng cuộn sơ cấp: 2 Zr = (M) /ZSS Copyright (c) 8/2009 by KTMT 101
  102. Ví dụ 2-8 ▪ Một biến áp lõi không khí làm việc với máy đo phẩm chất (Q_metter) tại tần số 2.5MHz : L1 = 100H , Q1 = 157, L2 = 10H , Q2 = 50 và k = 0,05 . Hãy xác định : 1. Hỗ cảm M. 2. Trở kháng phản ánh trong các trường hợp : a. ZL = ( hở mạch tải) b. ZL =-j200 (CS = 318pF) c. ZL = 0 3. Trở kháng sơ cấp trong trường hợp tải như phần 2 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 102
  103. Ví dụ 2-8 −6 −6 1. M = k L1L2 = 0,05 100*10 *10*10 = 1,58H 2.  = 2 f = 2 (2,5MHz) = 15,7*106 rad/s M = (15,7*106)(10*10-6) = 24,8 6 -6 XL2 = L2 = (15,7*10 )(10*10 ) = 157 r2 = XL2/Q2 = 157/50 = 3 2 a. ZL = ; Zss = ; Zr = (M) /Zss = 0. b. ZL = -j200 ; Zss = r2 + jL2 + ZL = 3 + j157 - j200 = (3 - j43)  (M ) 2 (24,8) 2 = = 14,3860 = (1+ j14,2) Zr = 0 Z ss 43,1 − 86 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 103
  104. Ví dụ 2-8 0 ▪ ZL = 0, Zss =3 + j157 + 0 = 3 + j157 157 90 . Bên thứ cấp mang tính điện cảm khi phản ánh sang cuộn sơ cấp lại mang tính điện dung. 2 Zr = (24,8) /j157 = -j3,92 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 104
  105. Ví dụ 2-8 3. Trở kháng của tải sơ cấp cho trường hợp trở kháng tải thứ cấp trong phần 2 được xác định như từ : Zp = r1 + jL1 +Zr 6 -6 XL1 = L1 = (15,7*10 )(10*10 ) = 1,57k r1 = XL1/Q1 = 1,57k/157 = 10. a. Trường hợp ZL = ,Zr = 0 và Zp = 10 + j1.57k b. Trường hợp ZL = -j200, Zr = 1+ j14.2 nên Zp = (10 +1) + j(1570 + 14.2) = 11+ j 1584,2 Tải điện dung có tác dụng như một điện cảm trong mạch sơ cấp với L'p = 1584.2/(15.7*106) =100,9H ▪ Copyright (c) 8/2009 by KTMT 105
  106. Ví dụ 2-8 c. Trường hợp ZL = 0 ; Zr = -j3.92 nên Zp = 10 + j(1570 -3.92) = 10+ j 1566 Điện cảm phản ánh trong mạch sơ cấp L'p = 1566/(15.7*106) = 99.75H ▪ Phần (c) của ví dụ này cho ta một phương pháp để xác định hệ số ghép k của biến áp Copyright (c) 8/2009 by KTMT 106
  107. Đo hệ số ghép. ▪ Để xác định k của một biến áp , hãy đo Lp khi hở mạch thứ cấp. Sau đó ngắn mạch thứ cấp ( ZL= 0) và đo điện cảm phản ánh sang sơ cấp L'p . Hệ số k được tính từ kết quả đo như sau : 2 L'p = Lp(1 - k ) ' k = 1− Lp / Lp ▪ Do ZSS = ZL + (r2 + jL2 ) mà r2 thường rất nhỏ nên khi ZL =0 ta có Zss = r2 + jL2+ 0 jL2 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 107
  108. Đo hệ số ghép. ▪ Cho trường hợp hệ số Q của mạch thứ cấp lớn, trở kháng sơ cấp sẽ là: 2 2 Zp = r1 + jL1 -jM / L2 j(L1 - M /L2 ) ▪ Cho trường hợp hệ số Q của mạch sơ cấp lớn , có nghĩa là: ZL1 >>r1 . Cuộn sơ cấp có điện cảm phản ánh: 2 L'p = L1 - M /L2 2 2 ▪ Từ M = k L1 L2 ta có 2 2 L'p = L1 - k L1L2 /L2 = L1 (1-k ) 2 ▪ Do đó L'p = Lp (1-k ). Copyright (c) 8/2009 by KTMT 108
  109. Bài 1 a. Xác định hệ số phẩm chất Q và độ rộng băng tần 3 dB cho mạch điện sau có r = 5Ώ , C=300pF và L=0.344uH b. Xác định kết các giá trị f0, Q và độ rộng băng tần cho các trường hợp (1) Giá trị r gấp đôi bằng (2) r=5 Ώ nhưng C=600pF (3) r=5 Ώ , c=300pF nhưng giá trị của L gấp đôi. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 109
  110. Bài 2 R=500Ω, C=300pF và L=0.844uH được mắc song song a. Xác định Z, Q và độ rộng băng tần ở tần số cộng hưởng? b. Nếu đặt vào mạch một điện áp 10V hiệu dung tần số f0 , xác định dòng điện trong R, C và L? c. Tính tỷ số của iC so với iR ? Copyright (c) 8/2009 by KTMT 110
  111. Bài 3 ▪ Một cuộn dây RF có giá trị Q là 50 và điện kháng là ở 200KHz. Xác định mạch RL nối tiếp và song song tương đương có r, Ls, R, và Lp. ▪ Giải lại bài toán với Q=2. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 111
  112. Bài 4 Cho mạch điện như hình với các giá trị : VCC=10V, CBC=2pF, C(tạp tán)=2pF, C=91pF, R1=2kΏ,R2 =10kΏ,RE=2.8kΏ, R3=∞,RL bỏ qua. Biến áp có k=1, L=4uH với Qu=104, np/ns=5. Xác định các giá trị sau: a. Tần số cộng hưởng? b. Hệ số khuếch đại điện áp Base-collector ở tần số cộng hưởng ? c. Hệ số khuếch đại điện áp Base- V0 ở tần số cộng hưởng ? d. Độ rộng băng tần ? e. Hệ số khuếch đại giảm bao nhiêu và độ rộng băng tần tăng bao nhiêu nếu mắc thêm một điện trở 50Ώ ở đầu ra tại V0 ? Copyright (c) 8/2009 by KTMT 112
  113. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 113
  114. Bài 5 Thiết kế bộ khuếch đại RF biết P0 (Max)= 7 mW trên tải 7 6 RL = ở tần số 0 = 10 rad/s và độ rộng băng tần là 10 rad/s. T1 gồm có tại 0 và k=1. Transistor có VBE = 0.7, Hãy xác định : a. R1, R2 và RE ? b. Tỉ số biến áp của T1 để có độ rộng băng tần yêu cầu. c. Bộ khuếch đại có trở kháng đầu vào là bao nhiêu (Điện trở vào Ri và dung kháng mắc song song Xi )? Copyright (c) 8/2009 by KTMT 114