thienanfurniture
16-04-2013, 09:30 AM
Bài 6 - Mạch khuếch đại đa tầng
Bài 1 - Lý thuyết bán dẫn (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2787-bai-1-ly-thuyet-ban-dan.html#post4991)
Bài 2- Phân tích mạch chứa diode (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2788-bai-2-phan-tich-mach-chua-diode.html#post4996)
Bài 3 - Transistor lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor) (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2798-bai-3-transistor-luong-cuc-bipolar-junction-transistor.html)
Bài 4 - Transistor hiệu ứng trường (Field-Effect Transistors) (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2789-bai-4-transistor-hieu-ung-truong-field-effect-transistors.html)
Bài 5 - Các mạch khuếch đại BJT tín hiệu nhỏ (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2790-bai-5-cac-mach-khuech-dai-bjt-tin-hieu-nho.html)
Bài 6 - Mạch khuếch đại đa tầng (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2791-bai-6-mach-khuech-dai-da-tang.html)
Bài 7 - Khuếcg đại hồi tiếp âm và dao động sin (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2792-bai-7-khuecg-dai-hoi-tiep-am-va-dao-dong-sin.html)
Bài 8 - Các mạch sử dụng OPAMP (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2793-bai-8-cac-mach-su-deng-opamp.html)
Bài 9 - Mạch sửa dạng sóng tuyến tính RC (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2794-bai-9-mach-sua-dang-song-tuyen-tinh-rc.html)
Bài 10 - Mạch xén và mạch so sánh (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2795-bai-10-mach-xen-va-mach-so-sanh.html)
Bài 11 - Mạch kẹp và mạch giao hoán (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2796-bai-11-mach-kep-va-mach-giao-hoan.html)
Bài 12 - Mạch dao động đa hài (multivibrator) (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2797-bai-12-mach-dao-dong-da-hai-multivibrator.html)
6.1 Các quan hệ độ lợi trong mạch khuếch đại đa tầng
Trong nhiều ứng dụng, một mạch khuếch đại đơn không thể cho tất cả mọi độ lợi theo yêu cầu của từng loại tải riêng biệt. Ví dụ, một hệ thống loa là một tải “nặng” trong hệ thống khuếch đại âm thanh, nhiều tầng khuếch đại được đặt ra nhằm nâng mức tín hiệu gốc từ microphone hoặc đầu đọc băng từ lên đến mức hiệu quả để có thể cho ra công suất đủ lớn tại loa. Ta đã biết đến các mạch tiền khuếch đại, mạch khuếch đại công suất và mạch khuyếch đại ngõ ra, các mạch khuyếch đại này đều là các mạch khuếch đại có cấu tạo nhiều tầng trong một hệ thống. Thật ra bản thân mỗi bộ phận này có thể bao gồm nhiều tầng khuếch đại bán dẫn riêng. Các mạch khuếch đại tạo ra độ lợi áp, dòng hay công suất thông qua việc sử dụng từ hai tầng trở lên gọi là mạch khuếch đại đa tầng.
Khi ngõ ra của một tầng khuếch đại được nối với ngõ vào của một tầng khuếch đại khác thì gọi là ghép Cascade
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image002.jpg (http://diendandien.com)
Hình 6.1: Hai tầng khuếch đại ghép cascade
Tổng độ lợi áp của hệ thống được tính như sau: Xem ngõ vào tầng 1 là 10 mV rms và độ lợi áp của mỗi tầng là A1=A2=20, ngõ ra tầng 1 là A1vi1=20(10 mV rms)= 200 mV rms. Như vậy ngõ vào tầng 2 là 200 mV rms. Tương tự ngõ ra tầng 2 là A2vi2=4 V rms. Độ lợi tổng sẽ là:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image004.gif
chú ý là http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image006.gif
Hình 6-2 là một hệ thống gồm n tầng ghép Cascade. Ngõ ra của mỗi tầng chính là ngõ vào của tầng kế tiếp ( vo1 = vi2, vo2 = vi3,…). Ta sẽ bắt đầu từ việc biểu diễn độ lợi áp tổng vo,n/vi1 theo từng độ lợi tầng A1, A2 ,…, An. Xem độ lợi mỗi tầng như là giá trị độ lợi áp giữa ngõ vào và ngõ ra của tầng đó khi các tầng được ghép với nhau.
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image008.jpg (http://diendandien.com)
Hình 6.2: n tầng khuếch đại được ghép cascade. Áp ngõ ra của mỗi tầng là ngõ vào của tầng kế tiếp
Theo định nghĩa:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image010.gif (6-1)
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image012.gif (6-2)
thay vo1 từ (6-1) vào (6-2):
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image014.gif (6-3)
Tương tự:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image016.gif (http://diendandien.com)
từ (6-3):
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image018.gif
Theo cách này ta tìm được:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image020.gif
Từ đó:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image022.gif (6-4)
Phương trình 6-4 cho thấy tổng độ lợi áp của n tầng cascade là tích độ lợi từng tầng (không phải tổng). Tổng quát, bất kỳ một hay nhiều tầng có độ lợi âm thì tầng đó gây ra một sự đảo pha 180o. Theo phương trình 6-4, mạch khuếch đại cascade sẽ có ngõ ra ở tầng cuối cùng không cùng pha với ngõ vào ở tầng thứ nhất nếu số tầng đảo pha là số lẻ, và cùng pha nếu là số chẵn (hoặc bằng 0).
Để tìm độ lợi áp tổng của hệ thống ghép Cascade theo Decibel, ta bỏ qua dấu đại số của độ lợi mỗi tầng và tính như sau:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image024.gif (6-5)
Phương trình 6-5 cho thấy độ lợi áp tổng theo dB là tổng các độ lợi từng phần biểu diễn theo dB. Tương tự ta có thể dễ dàng tìm được độ lợi dòng, độ lợi công suất tổng theo độ lợi các tầng.
Kết quả của phương trình 6-4 không tính đến ảnh hưởng của điện trở nguồn và điện trở tải lên độ lợi áp tổng. Điện trở nguồn rs tạo ra phân áp ở đầu vào của tầng thứ nhất, và điện trở tải tạo ra phân áp giữa điện trở tải và tổng trở ra của tầng cuối cùng.
Trong trường hợp này, độ lợi áp tổng giữa tải và nguồn tín hiệu trở thành:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image026.gif (http://diendandien.com) (6-6)
Với ri1 là điện trở ngõ vào tầng đầu tiên và ro,n là điện trở ngõ ra tầng cuối.
Ví dụ 6-1:
Hình 6-3 là một mạch khuếch đại 3 tầng và điện áp tại các điểm trong mạch khuếch đại là điện áp hiệu dụng AC. Cho v1 là điện áp nguồn tín hiệu không trở ở đầu vào và v3 là điện áp ra không tải
1. Tìm độ lợi áp mỗi tầng và độ lợi áp tổng v3/v1.
2. Làm lại câu 1 theo dB
3. Tìm độ lợi áp tổng vL/vs khi mạch khuếch đại đa tầng có điện trở nguồn là 2000Ω và điện trở tải là 25Ω. Tầng 1 có điện trở vào là 1kΩ và tầng 3 có điện trở ra là 50Ω.
4. Làm lại câu 3 theo dB với độ lợi áp ở tầng thứ 2 được giảm xuống 6dB.
5. Tính độ lợi công suất theo dB với dữ liệu của câu 3.
6. Tính độ lợi dòng tổng iL/i1 ở câu 3.
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image028.jpg
Hình 6.3: (thí dụ 6 -1)
Giải:
1.
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image030.gif
Chú ý rằng tích các độ lợi áp bằng độ lợi áp tổng. Trong ví dụ này, có thể tính độ lợi áp tổng trực tiếp: http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image032.gif.
2.
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image034.gif
Để ý là http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image036.gif
3. Từ phương trình 6-6:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image038.gif4.
4. Độ lợi áp có nguồn và tải là http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image040.gif. Do độ lợi tầng 2 giảm đi 6dB nên độ lợi tổng là: http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image042.gif
5. Khi điện trở nguồn là 2000Ω được đưa vào ngõ vào thì v1 trở thành:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image044.gif
Công suất ngõ vào là:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image046.gif
Khi đó điện áp qua tải 25Ω là:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image048.gif
Công suất ngõ ra có tải là
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image050.gif
Cuối cùng:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image052.gif
6. Nhắc lại http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image054.gif. Dùng kết quả câu 5, độ lợi công suất giữa ngõ vào và tầng thứ nhất, và tải là:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image056.gif
7. Độ lợi áp giữa ngõ vào và tầng thứ nhất, và tải là:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image058.gif
Do đó:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image060.gif
Điều quan trọng cần nhớ là phương trình độ lợi ta có được là dựa trên giá trị A1, A2… xác định trong mạch, nghĩa là dựa trên các độ lợi tầng khi tất cả các tầng được ghép với nhau. Do đó suy ra rằng mỗi giá trị độ lợi được tính vào tải của tầng trước đó và tải thì tính vào tầng kế tiếp. Nếu biết độ lợi áp hở mạch và giá trị tổng trở vào và ra, ta có thể tính được độ lợi tổng bằng cách tính tác động của tải của mỗi tầng lên các tầng khác. Về mặt lý thuyết, tải của một tầng cho trước phụ thuộc vào tất cả các tầng nằm bên phải nó, tổng trở vào của một tầng bất kỳ phụ thuộc vào tổng trở tải ngõ ra của nó cũng là tổng trở vào của tầng tiếp theo. Trong thực tế, ta có thể bỏ qua tác động tải tích lũy của các tầng ngoại trừ một tầng ghép ngay với tầng đang xét, hoặc giả sử rằng điện trở vào là tải của một tầng kế cận.
Hình 6-4 là một mạch khuếch đại 3 tầng, cho trước độ lợi áp hở mạch của các tầng là A01,A02, và A03, điện trở vào và ra của mỗi tầng.
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image062.jpg
Hình 6.4: Một bộ khuếch đại 3 tầng. Ao1, Ao2, và Ao3 là 3 độ lợi áp hở mạch (không tải) của các tầng
Bài 1 - Lý thuyết bán dẫn (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2787-bai-1-ly-thuyet-ban-dan.html#post4991)
Bài 2- Phân tích mạch chứa diode (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2788-bai-2-phan-tich-mach-chua-diode.html#post4996)
Bài 3 - Transistor lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor) (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2798-bai-3-transistor-luong-cuc-bipolar-junction-transistor.html)
Bài 4 - Transistor hiệu ứng trường (Field-Effect Transistors) (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2789-bai-4-transistor-hieu-ung-truong-field-effect-transistors.html)
Bài 5 - Các mạch khuếch đại BJT tín hiệu nhỏ (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2790-bai-5-cac-mach-khuech-dai-bjt-tin-hieu-nho.html)
Bài 6 - Mạch khuếch đại đa tầng (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2791-bai-6-mach-khuech-dai-da-tang.html)
Bài 7 - Khuếcg đại hồi tiếp âm và dao động sin (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2792-bai-7-khuecg-dai-hoi-tiep-am-va-dao-dong-sin.html)
Bài 8 - Các mạch sử dụng OPAMP (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2793-bai-8-cac-mach-su-deng-opamp.html)
Bài 9 - Mạch sửa dạng sóng tuyến tính RC (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2794-bai-9-mach-sua-dang-song-tuyen-tinh-rc.html)
Bài 10 - Mạch xén và mạch so sánh (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2795-bai-10-mach-xen-va-mach-so-sanh.html)
Bài 11 - Mạch kẹp và mạch giao hoán (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2796-bai-11-mach-kep-va-mach-giao-hoan.html)
Bài 12 - Mạch dao động đa hài (multivibrator) (http://diendandien.com/dien-dien-tu-co-ban/2797-bai-12-mach-dao-dong-da-hai-multivibrator.html)
6.1 Các quan hệ độ lợi trong mạch khuếch đại đa tầng
Trong nhiều ứng dụng, một mạch khuếch đại đơn không thể cho tất cả mọi độ lợi theo yêu cầu của từng loại tải riêng biệt. Ví dụ, một hệ thống loa là một tải “nặng” trong hệ thống khuếch đại âm thanh, nhiều tầng khuếch đại được đặt ra nhằm nâng mức tín hiệu gốc từ microphone hoặc đầu đọc băng từ lên đến mức hiệu quả để có thể cho ra công suất đủ lớn tại loa. Ta đã biết đến các mạch tiền khuếch đại, mạch khuếch đại công suất và mạch khuyếch đại ngõ ra, các mạch khuyếch đại này đều là các mạch khuếch đại có cấu tạo nhiều tầng trong một hệ thống. Thật ra bản thân mỗi bộ phận này có thể bao gồm nhiều tầng khuếch đại bán dẫn riêng. Các mạch khuếch đại tạo ra độ lợi áp, dòng hay công suất thông qua việc sử dụng từ hai tầng trở lên gọi là mạch khuếch đại đa tầng.
Khi ngõ ra của một tầng khuếch đại được nối với ngõ vào của một tầng khuếch đại khác thì gọi là ghép Cascade
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image002.jpg (http://diendandien.com)
Hình 6.1: Hai tầng khuếch đại ghép cascade
Tổng độ lợi áp của hệ thống được tính như sau: Xem ngõ vào tầng 1 là 10 mV rms và độ lợi áp của mỗi tầng là A1=A2=20, ngõ ra tầng 1 là A1vi1=20(10 mV rms)= 200 mV rms. Như vậy ngõ vào tầng 2 là 200 mV rms. Tương tự ngõ ra tầng 2 là A2vi2=4 V rms. Độ lợi tổng sẽ là:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image004.gif
chú ý là http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image006.gif
Hình 6-2 là một hệ thống gồm n tầng ghép Cascade. Ngõ ra của mỗi tầng chính là ngõ vào của tầng kế tiếp ( vo1 = vi2, vo2 = vi3,…). Ta sẽ bắt đầu từ việc biểu diễn độ lợi áp tổng vo,n/vi1 theo từng độ lợi tầng A1, A2 ,…, An. Xem độ lợi mỗi tầng như là giá trị độ lợi áp giữa ngõ vào và ngõ ra của tầng đó khi các tầng được ghép với nhau.
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image008.jpg (http://diendandien.com)
Hình 6.2: n tầng khuếch đại được ghép cascade. Áp ngõ ra của mỗi tầng là ngõ vào của tầng kế tiếp
Theo định nghĩa:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image010.gif (6-1)
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image012.gif (6-2)
thay vo1 từ (6-1) vào (6-2):
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image014.gif (6-3)
Tương tự:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image016.gif (http://diendandien.com)
từ (6-3):
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image018.gif
Theo cách này ta tìm được:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image020.gif
Từ đó:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image022.gif (6-4)
Phương trình 6-4 cho thấy tổng độ lợi áp của n tầng cascade là tích độ lợi từng tầng (không phải tổng). Tổng quát, bất kỳ một hay nhiều tầng có độ lợi âm thì tầng đó gây ra một sự đảo pha 180o. Theo phương trình 6-4, mạch khuếch đại cascade sẽ có ngõ ra ở tầng cuối cùng không cùng pha với ngõ vào ở tầng thứ nhất nếu số tầng đảo pha là số lẻ, và cùng pha nếu là số chẵn (hoặc bằng 0).
Để tìm độ lợi áp tổng của hệ thống ghép Cascade theo Decibel, ta bỏ qua dấu đại số của độ lợi mỗi tầng và tính như sau:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image024.gif (6-5)
Phương trình 6-5 cho thấy độ lợi áp tổng theo dB là tổng các độ lợi từng phần biểu diễn theo dB. Tương tự ta có thể dễ dàng tìm được độ lợi dòng, độ lợi công suất tổng theo độ lợi các tầng.
Kết quả của phương trình 6-4 không tính đến ảnh hưởng của điện trở nguồn và điện trở tải lên độ lợi áp tổng. Điện trở nguồn rs tạo ra phân áp ở đầu vào của tầng thứ nhất, và điện trở tải tạo ra phân áp giữa điện trở tải và tổng trở ra của tầng cuối cùng.
Trong trường hợp này, độ lợi áp tổng giữa tải và nguồn tín hiệu trở thành:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image026.gif (http://diendandien.com) (6-6)
Với ri1 là điện trở ngõ vào tầng đầu tiên và ro,n là điện trở ngõ ra tầng cuối.
Ví dụ 6-1:
Hình 6-3 là một mạch khuếch đại 3 tầng và điện áp tại các điểm trong mạch khuếch đại là điện áp hiệu dụng AC. Cho v1 là điện áp nguồn tín hiệu không trở ở đầu vào và v3 là điện áp ra không tải
1. Tìm độ lợi áp mỗi tầng và độ lợi áp tổng v3/v1.
2. Làm lại câu 1 theo dB
3. Tìm độ lợi áp tổng vL/vs khi mạch khuếch đại đa tầng có điện trở nguồn là 2000Ω và điện trở tải là 25Ω. Tầng 1 có điện trở vào là 1kΩ và tầng 3 có điện trở ra là 50Ω.
4. Làm lại câu 3 theo dB với độ lợi áp ở tầng thứ 2 được giảm xuống 6dB.
5. Tính độ lợi công suất theo dB với dữ liệu của câu 3.
6. Tính độ lợi dòng tổng iL/i1 ở câu 3.
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image028.jpg
Hình 6.3: (thí dụ 6 -1)
Giải:
1.
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image030.gif
Chú ý rằng tích các độ lợi áp bằng độ lợi áp tổng. Trong ví dụ này, có thể tính độ lợi áp tổng trực tiếp: http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image032.gif.
2.
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image034.gif
Để ý là http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image036.gif
3. Từ phương trình 6-6:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image038.gif4.
4. Độ lợi áp có nguồn và tải là http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image040.gif. Do độ lợi tầng 2 giảm đi 6dB nên độ lợi tổng là: http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image042.gif
5. Khi điện trở nguồn là 2000Ω được đưa vào ngõ vào thì v1 trở thành:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image044.gif
Công suất ngõ vào là:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image046.gif
Khi đó điện áp qua tải 25Ω là:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image048.gif
Công suất ngõ ra có tải là
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image050.gif
Cuối cùng:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image052.gif
6. Nhắc lại http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image054.gif. Dùng kết quả câu 5, độ lợi công suất giữa ngõ vào và tầng thứ nhất, và tải là:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image056.gif
7. Độ lợi áp giữa ngõ vào và tầng thứ nhất, và tải là:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image058.gif
Do đó:
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image060.gif
Điều quan trọng cần nhớ là phương trình độ lợi ta có được là dựa trên giá trị A1, A2… xác định trong mạch, nghĩa là dựa trên các độ lợi tầng khi tất cả các tầng được ghép với nhau. Do đó suy ra rằng mỗi giá trị độ lợi được tính vào tải của tầng trước đó và tải thì tính vào tầng kế tiếp. Nếu biết độ lợi áp hở mạch và giá trị tổng trở vào và ra, ta có thể tính được độ lợi tổng bằng cách tính tác động của tải của mỗi tầng lên các tầng khác. Về mặt lý thuyết, tải của một tầng cho trước phụ thuộc vào tất cả các tầng nằm bên phải nó, tổng trở vào của một tầng bất kỳ phụ thuộc vào tổng trở tải ngõ ra của nó cũng là tổng trở vào của tầng tiếp theo. Trong thực tế, ta có thể bỏ qua tác động tải tích lũy của các tầng ngoại trừ một tầng ghép ngay với tầng đang xét, hoặc giả sử rằng điện trở vào là tải của một tầng kế cận.
Hình 6-4 là một mạch khuếch đại 3 tầng, cho trước độ lợi áp hở mạch của các tầng là A01,A02, và A03, điện trở vào và ra của mỗi tầng.
http://dientuvn.com/home/books/ktdt/6_files/image062.jpg
Hình 6.4: Một bộ khuếch đại 3 tầng. Ao1, Ao2, và Ao3 là 3 độ lợi áp hở mạch (không tải) của các tầng