Các mạch khuếch đại BJT tín hiệu nhỏ

[ctyxdcaosu]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

5.3 Phân tích mạch khuếch đại sử dụng các mô hình tín hiệu nhỏ
Các thông số tín hiệu nhỏ
Các mạch transitor thường được phân tích bằng đại số hơn là bằng phương pháp đồ thị, cho nên rất thuận tiện nếu transitor được thay thế bằng một mạch tương đương nào đó. Có nhiều loại mạch tương đương đã được dùng cho transitor, mỗi loại có những điểm riêng mà nó sẽ tốt hơn hoặc chính xác hơn cho mỗi kiểu phân tích. Dạng mạch tương đương sẽ dựa trên các thông số transitor được chọn làm cơ sở cho mạch. Một thông số transitor là một đặc tính hoặc đặc trưng nào đó mà có thể được biểu diễn bằng giá trị số. Ví dụ, [SUB][/SUB] và [SUB][/SUB] là các thông số transitor. Chúng được tính từ mối quan hệ số giữa 2 lượng (trong trường hợp này là tỉ số của 2 dòng). Các thông số transitor cũng là các đặc tính vật lý cố hữu đặc biệt, chẳng hạn như điện trở vùng nền, hoặc độ rộng của vùng nghèo CB.
Các giá trị của thông số tín hiệu nhỏ được xác định dưới điều kiện hoạt động tín hiệu nhỏ (AC). Thí dụ, giá trị tín hiệu nhỏ [SUB][/SUB] là:
[SUB][/SUB] (5 - 19)
Phương trình trên chỉ rằng[SUB][/SUB] là tỉ số dòng AC cực thu và dòng nền AC với V[SUB]CE[/SUB] cố định. [SUB][/SUB] tín hiệu nhỏ được xác định từ tập hợp các đặc tính cực thu bằng cách xây dựng đường thẳng đứng ( một đường với V[SUB]CE[/SUB] là hằng số) và tìm [SUB][/SUB]I[SUB]C [/SUB]/[SUB][/SUB]I[SUB]B[/SUB]. (như một bài tập, dùng hình 5 -13 tìm[SUB][/SUB] tín hiệu nhỏ tại V[SUB]CE[/SUB] = 10V khi I[SUB]B[/SUB] thay đổi từ 20[SUB][/SUB]A đến 40[SUB][/SUB]A.). Cho đến giờ, chúng ta xấp xỉ[SUB][/SUB] bằng cách lấy tỉ số 2 dòng DC: [SUB][/SUB][SUB][/SUB]I[SUB]C[/SUB]/I[SUB]B[/SUB]. Để phân biệt giá trị này với giá trị tín hiệu nhỏ, nhiều người sử dụng kí hiệu [SUB][/SUB][SUB]DC[/SUB] để chỉ rằng đó là tỉ số các dòng DC. Trong hầu hết các ứng dụng thực tế, giá trị tín hiệu nhỏ và DC của[SUB][/SUB] xấp xỉ gần bằng nhau, và về sau chúng ta sẽ sử dụng ký hiệu [SUB][/SUB][SUB]DC[/SUB] chỉ khi cần nhấn mạnh rằng đó là giá trị DC. Tương tự như [SUB][/SUB] tín hiệu nhỏ, [SUB][/SUB] tín hiệu nhỏ được định nghĩa từ các dòng ac như sau:
[SUB][/SUB] (5 – 20)
Một thông số vật lý quan trọng của transitor là điện trở tín hiệu nhỏ từ cực phát đến cực nền (EB), được gọi là điện trở cực phát r[SUB]e[/SUB]. Điện trở này giống như điện trở ngõ vào tín hiệu nhỏ của transitor trong mô hình cực nền chung (CB):

[SUB][/SUB] (5 – 21)

Vì mối nối E-B có thể được xem là 1 diode phân cực thuận, nên giá trị xấp xỉ r[SUB]e[/SUB] có thể được tính tương tự như chúng ta tính điện trở động của diode (chương 3). Nhắc lại rằng r[SUB]D [/SUB]V[SUB]T[/SUB]/I [SUB] [/SUB]0.026/I tại nhiệt độ phòng, với I là dòng DC trong diode. Tương tự,
[SUB][/SUB] (5 – 22)
với I[SUB]E[/SUB] là dòng DC cực phát.
Điện trở cực thu tín hiệu nhỏ r[SUB]c[/SUB] là điện trở AC từ cực thu đến cực nền. Nó tương tự như điện trở ngõ ra của transitor trong mô hình cực nền chung (CB) và thường có giá trị vài megohms, vì nó đi qua mối nối phân cực ngược:
[SUB][/SUB][SUB][/SUB] (5 – 23)

Mô hình mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ CB

Hình 5 – 23 cho thấy một transitor trong cấu hình cực nền chung (CB) và mô hình xấp xỉ tín hiệu nhỏ. Nhớ rằng tất cả các dòng và áp đều là AC.



a) Cấu hình B chung b) Mô hình tín hiệu nhỏ của cấu hình CB

Hình 5 – 23: Một transitor mắc kiểu CB và mô hình tín hiệu nhỏ của nó

Trong mô hình 5 – 23 bao gồm nguồn điều khiển dòng AC cho 1 dòng điện [SUB][/SUB]i[SUB]e[/SUB]. Vì vậy, dòng cực thu i[SUB]c[/SUB] bằng [SUB][/SUB]i[SUB]e*[/SUB], cho nên mô hình tương đối bị ảnh hưởng bởi mối quan hệ giữa i[SUB]e[/SUB] và i[SUB]c[/SUB]. Mô hình không trình bày ảnh hưởng hồi tiếp như đã đề cập ở chương 4; đó là, không thể hiện sự phụ thuộc i[SUB]e[/SUB] vào V[SUB]CB[/SUB]. Trong chương sau, chúng ta sẽ đề cập mô hình hybrid phức tạp và chính xác hơn và cũng bao gồm cả ảnh hưởng hồi tiếp. Đối với hầu hết các bài tập phân tích và thiết kế thực tế, hồi tiếp được bỏ qua.
Rõ ràng là điện trở ngõ vào transitor bằng r[SUB]e[/SUB] trong mô hình xấp xỉ CB. Giá trị này tương đối nhỏ, thường nhỏ hơn 100[SUB][/SUB].

r[SUB]in[/SUB] = r[SUB]e[/SUB] (5 – 24)

Mặt khác, điện trở ngõ ra transitor có thể được xem là bằng r[SUB]c[/SUB]:

r[SUB]o[/SUB] = r[SUB]c[/SUB] ( 5 – 25)

Để minh họa làm cách nào có thể sử dụng mô hình tín hiệu nhỏ để phân tích mạch khuếch đại thực tế, chúng ta sẽ kết hợp nó trong mô hình mạch khuếch đại CB như trong hình 5-24(a). Hình 5-24(b) trình bày mạch tương đương hình (a) bên ngoài transitor. Để ý rằng tất cả các nguồn DC đều bị ngắn mạch khi xét mạch tương đương AC. Cuối cùng, hình 5-24(c) cho thấy toàn bộ tương đương AC khi transitor được thay thế bởi mô hình tín hiệu nhỏ của nó

[SUB][/SUB] và [SUB][/SUB] (5 – 26)

vì [SUB][/SUB] nên độ lợi áp là:
[SUB][/SUB] (5 – 27)



[SUB]a) [/SUB]Bộ khuếch đại CB được lái bởi nguồn tín hiệu nhỏ, v[SUB]S[/SUB]



b) Bộ khuếch đại CB của hình a) khi mạch bên ngoài với transitor được thay thế tương đương




c) Toàn bộ mạch tương đương tín hiệu nhỏ kiểu CB, khi transitor trong hình b) được thay thế bằng mô hình của nó.

Hình 5 – 24: Khai triển mạch tương đương của bộ khuếch đại mắc B chung



[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE]
[TR]
[TD]Hình 5 – 25: Mạch tương đương CB thực tế được gọn lại với điều kiện (thường gặp): r[SUB]e[/SUB]||R[SUB]E[/SUB] [SUB][/SUB]r[SUB]e[/SUB] và R[SUB]C[/SUB]||r[SUB]c[/SUB][SUB][/SUB]R[SUB]C[/SUB]

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]



Độ lợi dòng trong hình 5 – 25 là
[SUB][/SUB] (5 – 28)
Vì vậy, độ lợi dòng của mạch khuếch đại mắc CB luôn luôn bé hơn 1.
Một mạch khuếch đại CB trên hình 5 – 26(a) được lái bởi nguồn có nội trở là r[SUB]S[/SUB]. Điện trở tải là R[SUB]L[/SUB]. hình 5 – 26b cho thấy mạch tương đương AC giả sử rằng R[SUB]E[/SUB]||r[SUB]e[/SUB][SUB][/SUB]r[SUB]e[/SUB], r[SUB]c[/SUB]||R[SUB]C[/SUB][SUB][/SUB]R[SUB]C[/SUB]. Hình 5 – 26c trình bày mạch khuếch đại với transitor được thay thế bằng 1 khối đơn có các thông số từ phương trình 5 – 26 đến 5 – 28. Chú ý rằng nguồn áp trong hình 5 – 26(c) là tương đương Thevenin của nguồn dòng trong hình 5 – 25.

Độ lợi áp và độ lợi dòng tổng quát từ nguồn đến tải của bộ khuếch đại AC được cho trong phương trình 5 – 12 và 5 – 13, phần 5-1. Áp dụng các phương trình này cho hình 5 – 26(c), ta có:

[SUB][/SUB] (5 – 29)