Bài 5 - Các mạch khuếch đại BJT tín hiệu nhỏ

[minhkhago]

Tuyến tính và méo dạng

Một bộ khuếch đại tốt phải có dạng sóng ngõ ra là một bản sao “thật giống” với dạng sóng ngõ vào (hoặc là bản sao nhưng ngược pha với ngõ vào). Dĩ nhiên điều này không cho phép xén xảy ra. Nếu không xét đến xén, việc sóng ngõ ra có giống sóng ngõ vào hay không còn phụ thuộc vào độ tuyến tính mạch khuếch đại. Tuyến tính nghĩa là bất kỳ sự biến thiên nào của ngõ ra đều phải tỉ lệ trực tiếp với sự biến thiên ngõ vào. Thí dụ, [SUB][/SUB] khi [SUB][/SUB]=0.01V, [SUB][/SUB]bằng 2V khi [SUB][/SUB]=0.02V, và [SUB][/SUB]=0.5V khi [SUB][/SUB]=0.005V. Độ tuyến tính của transitor được quyết định bằng cách tính phạm vi mà tương đương với việc tăng dòng cực nền áp ứng với các đường cong trên đặc tính ngõ ra CE. Nếu chúng ta giả sử rằng dòng ngõ vào tỉ lệ với áp ngõ vào (xem như mối nối B-E là tuyến tính), thì sự thay đổi áp ngõ vào sẽ gây nên áp ngõ ra thay đổi trong phạm vi tỉ lệ dọc trên đường tải. Điều này chỉ xảy ra chỉ khi các đường cong ứng với dòng nền cố định được đặc ngang bằng nhau. Hình 5 -16 minh họa điều này, một đặc tính ngõ ra CE cố ý méo dạng để cho thấy rõ các khoảng cách không đồng dạng. Chú ý rằng khoảng cách giữa các đường cong tăng lớn hơn các giá trị của dòng cực nền. Trong hình vẽ, dòng cực nền được cho là thay đổi sin trên dưới 20[SUB][/SUB]A với giá trị tĩnh là 50[SUB][/SUB]A. Sự thay đổi từ 50[SUB][/SUB]A đến 70[SUB][/SUB]A làm cho I[SUB]C[/SUB] biến thiên từ 4mA đến 6mA, nhưng sự thay đổi từ 50[SUB][/SUB]A đến 30[SUB][/SUB]A chỉ làm cho I[SUB]C[/SUB] thay đổi trong tầm 4mA đến 2mA. Tương tự, sự thay đổi của V[SUB]CE[/SUB] từ (12.5V) – (2.5V) = 10V khi I[SUB]B[/SUB] tăng đến 70[SUB][/SUB]A, nhưng V[SUB]CE [/SUB]chỉ thay đổi (17.5V) – (12.5V) = 5V khi I[SUB]B[/SUB] giảm còn 30[SUB][/SUB]A. Ta thấy rõ rằng ngõ ra bị méo dạng, dạng sóng không đồng dạng.



Hình 5 – 16
Khi I[SUB]B[/SUB] tăng khoảng đều thì đặc tuyến lại dịch khoảng không bằng nhau, nghĩa là phi tuyến, gây ra sái dạng ở ngõ ra.

Vùng tích cực của đặc tính ngõ ra transitor là vùng mà các đường cong dòng cực nền thường xấp xỉ hoặc bằng nhau. Vì vậy, vùng tích cực thường được gọi là vùng tuyến tính. Dĩ nhiên, đường đặc tính như hình 5 – 16 rõ ràng là không tuyến tính. Trong thí dụ này, phi tuyến là do thông số thiết bị (như [SUB][/SUB]) thay đổi đáng kể trong vùng hoạt động. Phân tích tín hiệu nhỏ linh kiện này vì vậy sẽ được giới hạn trong phạm vi nhỏ dọc trên đường tải.

Ảnh hưởng điện trở tải trong hoạt động AC

Chúng ra sẽ xét xem ảnh hưởng của điện trở tải R[SUB]L[/SUB] được nối vào ngõ ra mạch khuếch đại CE. Hình 5 – 17 cho thấy 1 tụ điện được ghép với 1 điện trở tải 6k[SUB][/SUB]. Chú ý rằng khi xét AC, thì điện trở R[SUB]L[/SUB] sẽ song song với R[SUB]C[/SUB]. Nguồn áp DC bị ngắn mạch khi phân tích tín hiệu AC, cho nên điện trở 3k[SUB][/SUB] trên hình 5 – 17 bị nối đất qua nguồn 18V, và áp AC tại cực thu “nhìn” 3k[SUB][/SUB] song song với 6k[SUB][/SUB]. Nói tóm lại, cần để ý rằng khi phân tích AC, như nguồn v[SUB]s[/SUB], chúng ta ngắn mạch tất cả nguồn áp DC.


[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE="width: 100%"]
[TR]
[TD]Hình 5 – 17: Bộ khuếch đại CE của hình 5 – 11, được bổ sung thêm tụ ghép vào điện trở tải


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


Điện trở tải ac, kí hiệu là r[SUB]L[/SUB], chính là R[SUB]C[/SUB] song song với R[SUB]L[/SUB]:

[SUB][/SUB] (5 – 16)
Trong thí dụ này, r[SUB]L[/SUB] = (3k[SUB][/SUB])//(6k[SUB][/SUB]) = 2k[SUB][/SUB]. Dĩ nhiên là điện trở tải DC vẫn là 3k[SUB][/SUB], bởi vì tụ điện đã ngăn không cho dòng DC qua điện trở 6k[SUB][/SUB].
Sự khác nhau giữa điện trở tải ac và DC có nghĩa là chúng ta không tính áp ngõ ra bằng đường tải với R[SUB]C[/SUB] = 3k[SUB][/SUB]. Thay vào đó, chúng ta sẽ dùng đường tải ac, với r[SUB]L[/SUB]=2k[SUB][/SUB]. Đường tải dựa trên R[SUB]C[/SUB] được gọi là đường tải DC. Bởi vì đường tải ac là tập hợp tất cả các điểm kết hợp giữa dòng và áp cực thu, nên nó phải gồm cả điểm mà ngõ vào ac = 0. Điểm này chính là điểm Q của đường tải DC, suy ra là đường tải ac và DC giao nhau tại điểm Q. Hình 5 – 18 cho thấy đường tải DC và ac cùng được vẽ trên 1 đặc tính ngõ ra.
Chú ý là đường tải ac dốc hơn đường tải DC. Nhớ rằng độ dốc đường DC là -1/R[SUB]L[/SUB], trong khi của đường ac là -1/r*[SUB]L, [/SUB]mà r[SUB]L[/SUB]
[SUB][/SUB] (5 – 17)
[SUB][/SUB] (5 – 18 )


Hình 5 – 18: Đường tải DC và ac

với
I[SUB]Q[/SUB] là giá trị tĩnh của I[SUB]C[/SUB]
V[SUB]Q[/SUB] là giá trị tĩnh của V[SUB]CE[/SUB]
I[SUB]o[/SUB] và V[SUB]o[/SUB] là giá trị dòng I[SUB]C[/SUB] và áp V[SUB]CE[/SUB] của đường tải AC trên trục tọa độ.

Đối với thí dụ này, ta có:

[SUB][/SUB]

Cần nhắc lại rằng đường tải ac là tập hợp tất cả các trường hợp kết hợp có thể có của áp CE và dòng cực thu, và đường tải DC thì không có điều này. Rất dễ nhầm lẫn rằng đường tải DC chi phối áp qua R[SUB]C[/SUB] và đường tải ac lại chi phối áp qua R[SUB]L[/SUB]. Cần nhớ rằng dòng và áp trên R[SUB]L[/SUB] có dạng sóng thuần ac gồm phần dương và âm, vì tụ chặn đã ngăn thành phần DC của sóng cực thu. Sự khác nhau duy nhất giữa v[SUB]L* [/SUB]và áp cực thu là thành phần DC!

Một điều nữa là đường tải ac làm cho biên độ của áp ac ngõ ra nhỏ hơn so với áp ngõ ra do đường tải DC. Điều này được minh họa trong hình 5 – 19, với các điện áp ngõ ra đều được vẽ dựa trên cả 2 đường tải ac và DC. Sự biến thiên dòng cực nền đều như nhau trong 2 trường hợp, và dễ thấy rằng đường tải ac có độ dốc hơn làm cho biên độ ngõ ra nhỏ hơn. Việc nối 1 tải ac vào ngõ ra bộ khuếch đại luôn luôn làm giảm biên độ ngõ ra ac của nó.


[TABLE="align: left"]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]



Hình 5 – 19

Nếu điện trở nền R[SUB]B[/SUB] thay đổi, điểm Q sẽ dịch đến 1 vị trí mới trên đường tải DC. Do đường tải ac cũng đi qua điểm Q nên nó cũng sẽ bị dịch theo. Như trên hình 5 – 20, các đường tải ac song song ứng với các điểm Q khác nhau, vì chúng có cùng độ dốc là -1/r[SUB]L[/SUB].