Bài 6 - Mạch khuếch đại đa tầng

[thienanfurniture]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Bài 6 - Mạch khuếch đại đa tầng

Bài 1 - Lý thuyết bán dẫn
Bài 2- Phân tích mạch chứa diode
Bài 3 - Transistor lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor)
Bài 4 - Transistor hiệu ứng trường (Field-Effect Transistors)
Bài 5 - Các mạch khuếch đại BJT tín hiệu nhỏ
Bài 6 - Mạch khuếch đại đa tầng
Bài 7 - Khuếcg đại hồi tiếp âm và dao động sin
Bài 8 - Các mạch sử dụng OPAMP
Bài 9 - Mạch sửa dạng sóng tuyến tính RC
Bài 10 - Mạch xén và mạch so sánh
Bài 11 - Mạch kẹp và mạch giao hoán
Bài 12 - Mạch dao động đa hài (multivibrator)




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



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 A[SUB]1[/SUB]=A[SUB]2[/SUB]=20, ngõ ra tầng 1 là A[SUB]1[/SUB]v[SUB]i1[/SUB]=20(10 mV rms)= 200 mV rms. Như vậy ngõ vào tầng 2 là 200 mV rms. Tương tự ngõ ra tầng 2 là A[SUB]2[/SUB]v[SUB]i2[/SUB]=4 V rms. Độ lợi tổng sẽ là:

[SUB][/SUB]

chú ý là [SUB][/SUB]

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 ( v[SUB]o1[/SUB] = v[SUB]i2[/SUB], v[SUB]o2[/SUB] = v[SUB]i3[/SUB],…). Ta sẽ bắt đầu từ việc biểu diễn độ lợi áp tổng v[SUB]o,n[/SUB]/v[SUB]i1[/SUB] theo từng độ lợi tầng A[SUB]1[/SUB], A[SUB]2 [/SUB],…, A[SUB]n[/SUB]. 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.


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:
[SUB][/SUB] (6-1)
[SUB][/SUB] (6-2)

thay v[SUB]o1[/SUB] từ (6-1) vào (6-2):
[SUB][/SUB] (6-3)
Tương tự:
[SUB][/SUB]
từ (6-3):
[SUB][/SUB]
Theo cách này ta tìm được:
[SUB][/SUB]
Từ đó:
[SUB][/SUB] (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 180[SUP]o[/SUP]. 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:

[SUB][/SUB] (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 r[SUB]s[/SUB] 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:
[SUB][/SUB] (6-6)
Với r[SUB]i1 [/SUB]là điện trở ngõ vào tầng đầu tiên và r[SUB]o,n[/SUB] 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 v[SUB]1[/SUB] là điện áp nguồn tín hiệu không trở ở đầu vào và v[SUB]3[/SUB] là điện áp ra không tải
1. Tìm độ lợi áp mỗi tầng và độ lợi áp tổng v[SUB]3[/SUB]/v[SUB]1[/SUB].
2. Làm lại câu 1 theo dB
3. Tìm độ lợi áp tổng v[SUB]L[/SUB]/v[SUB]s[/SUB] 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 i[SUB]L[/SUB]/i[SUB]1[/SUB] ở câu 3.




Hình 6.3: (thí dụ 6 -1)

Giải:
1.

[SUB][/SUB]

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: [SUB][/SUB].

2.
[SUB][/SUB]
Để ý là [SUB][/SUB]
3. Từ phương trình 6-6:

[SUB][/SUB]4.

4. Độ lợi áp có nguồn và tải là [SUB][/SUB]. Do độ lợi tầng 2 giảm đi 6dB nên độ lợi tổng là: [SUB][/SUB]

5. Khi điện trở nguồn là 2000Ω được đưa vào ngõ vào thì v[SUB]1[/SUB] trở thành:
[SUB][/SUB]
Công suất ngõ vào là:
[SUB][/SUB]
Khi đó điện áp qua tải 25Ω là:
[SUB][/SUB]
Công suất ngõ ra có tải là
[SUB][/SUB]
Cuối cùng:
[SUB][/SUB]

6. Nhắc lại [SUB][/SUB]. Dùng kết quả câu 5, độ lợi công suất giữa ngõ vào và tầng thứ nhất, và tải là:
[SUB][/SUB]
7. Độ lợi áp giữa ngõ vào và tầng thứ nhất, và tải là:
[SUB][/SUB]
Do đó:
[SUB][/SUB]


Điều quan trọng cần nhớ là phương trình độ lợi ta có được là dựa trên giá trị A[SUB]1[/SUB], A[SUB]2[/SUB]… 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 A[SUB]01[/SUB],A[SUB]02[/SUB], và A[SUB]03[/SUB], điện trở vào và ra của mỗi tầng.



Hình 6.4: Một bộ khuếch đại 3 tầng. A[SUB]o1[/SUB], A[SUB]o2[/SUB], và A[SUB]o3[/SUB] là 3 độ lợi áp hở mạch (không tải) của các tầng