Giáo trình Vô tuyến điện đại cương - Chương 9: Khuếch đại Transistor - Ngô Văn Thanh

Nội dung text: Giáo trình Vô tuyến điện đại cương - Chương 9: Khuếch đại Transistor - Ngô Văn Thanh

1. VÔ TUYẾN ĐIỆN ĐẠI CƯƠNG TS. Ngô Văn Thanh Viện Vật Lý Hà Nội - 2016
2. 2 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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
3. 3 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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
4. 4 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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 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.
5. 5 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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.
6. 6 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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
7. 7 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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.
8. 8 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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
9. 9 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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+ :
10. 10 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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.
11. 11 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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.
12. 12 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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
13. 13 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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 :
14. 14 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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
15. 15 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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
16. 16 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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 :
17. 17 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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 :
18. 18 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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.
19. 19 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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
20. 20 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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 :
21. 21 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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 :