Bài giảng Điện tử cho Công nghệ thông tin - Chương 2: Các bộ khuếch đại tần số sóng Radio - Trần Tuấn Vinh

ng képCopyright (c) 8/2009 by KTMT3Điện trởĐiện áp được đặt trên điện trở R tỷ lệ với cường độ dòng điện i qua điện trở (định luật Ohm) VR = iRĐơn giản là bất cứ cường độ dòng điện có dạng sóng nào chạy qua điện trở sẽ cho bạn điện áp ở hai đầu điện trở có cùng dạng sóng với cường độ dòng điệnĐiều đó không đúng đối với tụ điện và cuộn cảmCopyright (c) 8/2009 by KTMT4Cuộn cảmĐối với cuộn cảm , điện áp sẽ tỷ lệ trực tiếp với tốc độ biến thiên của cường độ dòng điện theo thời gian vL  di/dt L : hệ số tự cảm , đơn vị HenryĐộ tự cảm L được xác định hoàn toàn bởi các tính chất vật lý và vật liệu của cuộn cảmCopyright (c) 8/2009 by KTMT5Cuộn cảmMột dòng điện hình sin i(t) = I sin 2ft sẽ cung cấp một điện áp qua cuộn cảm ở đây j biểu thị quan hệ pha 90o giữa cos và sin . Kết quả có thể được viết như sau:với XL=2fL : cảm kháng hay điện kháng của cuộn cảmCopyright (c) 8/2009 by KTMT6Tụ điệnVới tụ điện, dòng điện và điện áp có quan hệ là C là điện dung được xác định bởi đặc tính vật lý và vật liệu của tụ điệnKết quả của phép tính đạo hàm đối với điện áp hình sin sẽ cho ta với XC=1/2fC là điện kháng hay dung kháng đơn vị Ohm. Copyright (c) 8/2009 by KTMT7Trở kháng nối tiếpTrong nhiều tính toán ta dùng 2f =  mô tả tần số góc bằng đơn vị radian trong 1 giây, ta có:XL=LXC=1/CMạch nối tiếp được sử dụng một cách dễ dàng bằng cách cộng các trở kháng phức lại để xác định tổng trở Z = r + j XL – j XCZ= r+j(L – 1/C) = r+j(2fL-1/2fC)Copyright (c) 8/2009 by KTMT8Ví dụ 2-1Mạch nối tiếp được cho ở hình dưới có các giá trị thành phần sau: r=10, L = 10 H và C=100 pF . Xác định trở kháng Z , cường độ dòng điện khi biết VZ=10 V , điện áp đi qua tụ điện và công suất tiêu hao trên mạch với f = 5,5MHzCopyright (c) 8/2009 by KTMT9Ví dụ 2-1Khi f = 5,5 MHz → = 2(5,5 MHz) = 34,6M rad / s XL=L=345,6 XC = 1/C = 289,4 Z = 10 + j 345,6 – j 289,4 = 10 + j 56,2 = 57,1  800 và  = tan -1(X/r) được cho ở hình dướiCopyright (c) 8/2009 by KTMT10 =tan-1X/rXrVí dụ 2-1 i = v/Z = 10V/57,1 0 = 175 mA -800 . Góc pha sẽ là  = -800 chỉ ra rằng dòng điện chậm pha hơn so với điện áp tương ứng ( hay điện áp nhanh pha hơn dòng điện) đối với các điện cảm.vC=iXC = ( 175mA -800)(289,4 -900 = 50,6 -1700Công suất tiêu tán trên mạch mất đi do điện trở Pr = i2 r = (175 m A)2 (10 )= 306 mWCopyright (c) 8/2009 by KTMT11Cộng hưởng nối tiếpTrở kháng của mạch nối tiếp = có giá trị nhỏ nhất tại tần số mà các thành phần điện kháng triệt tiêu nhau. Điều kiện này gọi là cộng hưởng, lúc này trở kháng của mạch là thuần trở Z = r , để xác định tần số cộng hưởng ta cho XL = XC hay 2f0­L = 1/(2f0C)Copyright (c) 8/2009 by KTMT12Ví dụ 2- 2 Mạnh nối tiếp rLC của ví dụ 2-1 có các thành phần giá trị như sau r= 10 , L= 10H và C = 100pF. Hãy xác định tần số mà ở đó hiện tượng cộng hưởng xảy ra và hãy thực hiện các tính toán của ví dụ 2-1 tại tần số cộng hưởngCopyright (c) 8/2009 by KTMT13Ví dụ 2-2Cộng hưởng tại tần số 0 = 1/ = 31,6 M rad/s, f0=5,03MHz XL=L=316 và XC=316; Z = 10 + j 316 - j 316  = 10 i=v/Z=10V/10 = 1 A = I maxvC=iXC = (1A)(-j316)=- j 316V ( 316V, -900 )Pr= i2 r = (1 A)2 (10 )=10W.Copyright (c) 8/2009 by KTMT14Cộng hưởng nối tiếpĐối với mạnh nối tiếp rLC, dòng điện đạt cực đại tại điều kiện cộng hưởng và phụ thuộc vào điện trở của mạch . Tại tần số lớn hơn và nhỏ hơn tần số cộng hưởng, dòng điện nhỏ hơn cực đại Copyright (c) 8/2009 by KTMT15Chú ýMột kết quả cần chú ý nữa về các trường hợp cộng hưởng có thể xét thấy ở các trường hợp điện áp đặt trên tụ điện trong ví dụ 2-2 . Điện áp trên tụ là 316V ( và chậm pha hơn dòng điện là 900) nhưng điện áp của cả mạch lại chỉ có 10 V! Nhỏ hơn 31,6 lần. Tỷ lệ 31,6 được gọi là phẩm chất Q của mạch và cũng có thể được tính từ công thức 316 /10, dạng chuẩn của nó là Q = XL / r Q = XC / r Q là tỉ số giữa năng lượng lớn nhất chứa trong tụ điện với năng lượng tiêu tán trên điện trởCopyright (c) 8/2009 by KTMT16Hệ số phẩm chất Q và độ rộng băng tần Điện cảm chứa năng lượng dạng từ trường, các tụ điện chứa năng lượng điện trường ở vùng không gian giữa các má tụ . Năng lượng được chứa trong suốt nửa chu kỳ đầu và giải phóng trong nửa chu kì còn lại. Bất cứ năng lượng nào mất trong một chu kỳ là do tiêu tán trên điện trở và làm giảm hệ số chất lượng Q. Hệ số Q được xác định bởi tỉ lệ giữa năng lượng lớn nhất được chứa trong mạch trên tổng tất cả năng lượng bị mất đi ở mỗi chu kỳ. Copyright (c) 8/2009 by KTMT17Hệ số Q của mạch là rất quan trọng trong truyền thông điện tử bởi vì nó xác định mức -3dB băng tần của mạch cộng hưởng. Độ rộng băng tần của mạch nói chung sẽ giới hạn tổng số các thông tin có thể truyền được qua hệ thống và số lượng các nhiễu có thể vào hệ thống. Dải tần được tính từ Q và tần số cộng hưởng của mạch :BW=f0/QVí dụ đối với mạch nối tiếp của ví dụ 2-2, dải tần 3 dB là BW=5.03 MHz/31,6 = 159,2 kHzCopyright (c) 8/2009 by KTMT18Hệ số phẩm chất Q và độ rộng băng tần Nếu các giá trị điện kháng thay đổi trong mạch rLC nối tiếp , hệ số Q sẽ thay đổi nhưng tần số trung tâm f0 sẽ không đổiNếu Lvà C không đổi nên tần số trung tâm f0 = 1/(2 ) sẽ vẫn giữ nguyên không đổi và giảm giá trị điện trở r thì hệ số Q sẽ tăng ( Q = X/r)Copyright (c) 8/2009 by KTMT19Hệ số phẩm chất Q và độ rộng băng tần Nếu r vẫn giữ nguyên không đổi nhưng tăng L và giảm C theo cùng tỷ lệ thì tần số trung tâm f0 = 1/(2 ) sẽ vẫn giữ nguyên không đổi nhưng hệ số Q sẽ tăng ( Q = X/r)Copyright (c) 8/2009 by KTMT20Hệ số phẩm chất Q và độ rộng băng tần Cộng hưởng song songMạch cộng hưởng song song được sử dụng khi cần trở kháng lớn và thường dùng cho mạch điều hưởng. Tính chất trở kháng lớn được đưa ra từ hình dưới với một điện cảm lý tưởng và tụ điện được cho như sau:Copyright (c) 8/2009 by KTMT21Cộng hưởng song songCopyright (c) 8/2009 by KTMT22Cộng hưởng song songTại điểm cộng hưởng thì XL=XC và như vậy Zp =R Cường độ dòng điện trong XL (vi/XL) và XC là luôn luôn bằng nhau và ngược pha nhau. Nếu không có tổn hao năng lượng trong cả hai phần tử (lý tưởng) này, trở kháng của mạch LC song song bằng vô cùng còn trong trường hợp không lý tưởng trở kháng bằng R.Copyright (c) 8/2009 by KTMT23Cộng hưởng song songThay XL= ωL và XC= ωC ta cóThay ω0 = 1/LC ta cóCopyright (c) 8/2009 by KTMT24Cộng hưởng song songThay 0=2f0 và =2f với f là tần số của tín hiệu ta có trở kháng Z của mạch song songĐồ thị của trở kháng phức với tần số f được biểu diễn ở hình dưới bao gồm biên độ và pha Copyright (c) 8/2009 by KTMT25Cộng hưởng song songNếu tần số f >>f0 Trở kháng sẽ nhỏ hơn và mang tính dung kháng nhiều hơn (tụ điện trở thành gần như ngắn mạch) và sẽ giảm với 1/fKhi f >0 được dùng để giảm số lượng vòng dây quấnĐiện cảm lõi không khí thường có giá trị Q khá cao, điều đó có nghĩa tỷ số giữa năng lượng tích luỹ trong từ trường đối với công suất tổn hao là khá cao, thường nằm trong dải từ 200-300 với 22 vòng quấn dâyCopyright (c) 8/2009 by KTMT30Tổn hao điện trở chủ yếu phụ thuộc điện trở dây quấn ( thường bằng đồng ) trong đó phải kể đến hiệu ứng dẫn điện bề mặt ở tần số cao. Hiệu ứng dẫn điện bề mặt là mật độ dòng điện càng tập trung tại bề mặt dây dẫn khi tần số càng tăng. Do vậy điện trở tỷ lệ nghịch đối với diện tích thiết diện ngang mà dòng điện chạy qua. Điện trở của dây quấn sẽ tăng lên cùng với tần số. Copyright (c) 8/2009 by KTMT31Các mạch cộng hưởng song song không lý tưởngĐiện trở tần số thấp của dây quấn với bán kính r , chiều dài l và điện trở suất  là R = l / (r2), còn tại tần số radio.Để giảm ảnh hưởng hiệu ứng bề mặt, cuộn dây ở tần số radio thường được quấn bằng dây nhiều sợi gọi là các dây Litz (Litzendraht) và thậm chí được làm bằng các ống rỗng để tăng diện tích bề mặtDây Lizt thường được dùng để cho hệ số Q cao tại vùng tần số thấp ( dưới 2 MHz). Mỗi sợi trong dây Litz được cách điện với các dây khác, thường bằng lớp men, và các dây sẽ chỉ nối lại tại điểm cuối. Copyright (c) 8/2009 by KTMT32Các mạch cộng hưởng song song không lý tưởngĐiện cảm được làm bằng lõi ferrite hay vật liệu khác sẽ cho dòng điện xoáy và sinh ra tổn hao, điều đó làm giảm hệ số Q. Các cuộn dây lõi ferrite sẽ có Q nằm trong khoảng từ 50-250 nếu lõi đó được chọn với các tần số thích hợp từ các nhà sản xuất. Nếu cần thiết người ta dùng máy đo Q khi cuốn các điện cảm tần số radio và các biến áp. Ví dụ như quy trình cho phép đo hệ số Q, điện cảm L và hệ số mắc tải giữa cuộn sơ và thứ cấp biến thếCopyright (c) 8/2009 by KTMT33Các mạch cộng hưởng song song không lý tưởngCác mạch cộng hưởng song song không lý tưởngDẫn nạp của mạch nối tiếp được viết như sau:Copyright (c) 8/2009 by KTMT34Tại cộng hưởng thì =0 và phần ảo bằng 0 , ta có:Hệ số phẩm chất của mạch không mắc tải ngoài được gọi là hệ số Q của mạch không tải và được tính theo công thứcThay r/L = 0/Qu vàCopyright (c) 8/2009 by KTMT35Phương trình trên chỉ ra rằng cuộn dây có Q hữu hạn có hiệu ứng làm giảm tần số cộng hưởng của mạch LC lý tưởng bởi hệ số Qu2 /(Qu2+1). Với tính chất này ta có thể thay thế nhánh rLs nối tiếp bằng một điện trở R song song với Lp để có một mạch RLC song song như hình:Copyright (c) 8/2009 by KTMT36Các mạch cộng hưởng song song không lý tưởngTrong đó :Kết quả quan trọng đó là một điện trở nhỏ trong mạch nối tiếp với một điện cảm sẽ có kết quả tương đương điện trở lớn ở mạch song song. Ví dụ , đối với Qu =10 , công suất tiêu tốn trên 1 của mạch nối tiếp với cuộn cảm lý tưởng sẽ tương đương với việc tiêu tốn 101  trên mạch song songCopyright (c) 8/2009 by KTMT37Các mạch cộng hưởng song song không lý tưởngCuối cùng, với sự chuyển đổi giữa song song và nối tiếp, trở kháng của mạch song song được biểu diễn của tần số có thể được viết từ phương trình Thông thường các cuộn dây có phẩm chất khá cao nên XLs >> r. Nếu các mạch là tương đương ta có XLs/r = R/XLp. Đối với các mạch cảm ứng cơ bản thì XLp  XLs và R = XLs2/r =XLs Qu = rQu2.Copyright (c) 8/2009 by KTMT38Các mạch cộng hưởng song song không lý tưởngPhân tích bộ khuếch đại tần số radio tín hiệu nhỏChúng ta sẽ phân tích về bộ khuếch đại sóng radio điều hưởng trên hìnhCopyright (c) 8/2009 by KTMT39Tín hiệu vào điện áp vbe cung cấp một dòng điệnib = vbe / Rin ở đó Rin = (+1) re. Điện trở re gọi là điện trở động của cực emiiter được cho bởi re = VT / IE trong đó IE là dòng phân cực một chiều emitter và điện áp VT của tiếp giáp thay đổi từ 25 đến 40 mV tuỳ thuộc vào cấu hình tiếp giáp base-emitter. Giả sử VT= 26 mV, re = (26mV)/IE. Copyright (c) 8/2009 by KTMT40Phân tích bộ khuếch đại tần số radio tín hiệu nhỏDòng điện collector ic=ib cộng với dòng điện base ib ta có dòng điện emitter ie = ic + ib = (+1)ib. Đổi với các ứng dụng tín hiệu nhỏ thì 100 do đó ic ie với sai số bé hơn 1% .Trong bất cứ trường hợp nào ic đi qua một mạch collector trở kháng Zc cung cấp một điện áp vc = icZc sao cho hệ số khuếch đại điện áp Av được tính như sauCopyright (c) 8/2009 by KTMT41Phân tích bộ khuếch đại tần số radio tín hiệu nhỏVới sai số bé hơn 1% khi 100 . Bao gồm cả kí hiệu cho việc đảo pha của bộ khuyếch đại chung cực emitter , chúng ta viết : Av = -Zc / re Trong đó Zc là trở kháng hiệu dung xoay chiều từ collector đến đất và re =26mV/Ie đó là điện trở của cực emitter của transitor.Copyright (c) 8/2009 by KTMT42Phân tích bộ khuếch đại tần số radio tín hiệu nhỏHệ số khuếch đại tính bằng decibelThông thường hệ số khuếch đại của các mạch nhiều tầng khuếch đại bằng tích các hệ số khuếch đạiNếu áp dụng phép toán logarith có thể chuyển từ tích các hệ số khuếch đại sang dạng tổng.Trong điện tử , đơn vị decibel được xác định cho tỷ số của các công suất ví dụ tỷ số công suất po/pi. Định nghĩa của tỷ số tính bằng decibel (dB trong đó B là chữ cái lấy từ tên của ngài Alexander Graham Bell) là: Tỷ số tính bằng dB = 10 log10(po/pi) = Ap (dB)Copyright (c) 8/2009 by KTMT43Ap là tỷ số các công suất của bộ khuếch đại. Ngoài ra do p=v2/R nênAp (dB) = 10 log10[(vo2/R0 )/(vi2/Ri)] =10 log10(vo2/vi2) + 10 log10(Ri/Ro)Do log10(1) = 0 nên nếu Ri = R0 thì Av (dB) = 10 log(v0/vi)2 = 20 log(v0/vi­) đối với tỷ số của điện áp và Ai (dB) = 20 log(io/ii) đối với tỷ số của dòng điện , nếu đầu vào và đầu ra có trở kháng là bằng nhauCopyright (c) 8/2009 by KTMT44Hệ số khuếch đại tính bằng decibelVí dụ 2-4Cho sơ đồ bộ khuếch đại điều hưởng như hình 2-10. Hãy xác định:Điện áp đầu ra vo khi điện áp đầu vào vi=40mV.Hệ số khuếch đại điện áp cực đại Av=vo/vi ?Độ rộng băng thông của mạch ở chế độ A( chế độ tín hiệu nhỏ). Biết biến áp T1 có : L = 20H, Qu= 80, np/ns=12, k = 1.Copyright (c) 8/2009 by KTMT45Ví dụ 2-4Hệ số khuếch đại điện áp đạt cực đại tại tần số cộng hưởng. Với một sai số rất nhỏ ( tuỳ thuộc vào công suất tổn hao trong biến áp)Tần số cộng hưởng f0=1/(2LCT) trong đó CT là điện dung tổng cộng từ collector xuống đất. CT= 2pF + 3pF + 100pF = 105pF. Như vậyf0=1/(220 .10-6 .105.10-12) =3,47 MHzĐiện kháng của L là: XL =2(3.47*106)(20*10-6) = 436.Rcoii = Qu XL = 34.9 kCopyright (c) 8/2009 by KTMT46Ví dụ 2-4Điện trở tải RL được chuyển đổi sang mạch tương đương bằng cách nhân thêm bình phương tỷ số biến áp, nên R'L=(np /ns )2 RL = (12)2. 50 =7.2k. Khi điện trở tải động colector của transitor rc không được cho, chúng ta xác định tải tổng cộng của mạch tương đương là: R'c =R3 //R'L //Rcoil = 5k//7.2k//34.9k=2.72k(Điện trở R3 =5k là để mở rộng băng thông và giảm ảnh hưởng của các mạch ký sinh. Do vậy hệ số khuếch đại của mạch bị giảm).Copyright (c) 8/2009 by KTMT47Ví dụ 2-4Điện trở động emitter re = 26mV/IE (mA) được xác định trong quá trình tính toán hệ số khuếch đại điện áp Avt của transitor. Điện áp rơi trên Rdn thường nhỏ hơn 0.1V, do vậy có thể bỏ qua.VB =[2k/(2k+10k)]*12V=2VVE =VB - 0.7V=2-0.7=1.3V (dc)IE =VE /RE =1.3V/1k=1.3(mA)Vậy : re= 26/1.3=20.Copyright (c) 8/2009 by KTMT48Ví dụ 2-4Tín hiệu đầu vào bộ khuếch đại được xem là của nguồn lý tưởng (Z0=0), nên hệ số khuếch đại điện áp giữa base và colector trong bộ khuếch đại E chung là A­vt =-R'c /re =2.72k/20 =136 với góc dịch pha là 1800 .Tín hiệu vào 40mV sẽ được khuếch đại tới vc = vb Avt =(40mV)(136) =5.44V. Điện áp tín hiệu ra sau biến áp được nhân với hệ số biến áp T1 :v0 = vc (ns /np ) =(5.44V)(1/12) =453mVCopyright (c) 8/2009 by KTMT49Ví dụ 2-4Nếu biến áp đảo pha thì hệ số khuếch đại điện áp tối đa của bộ khuếch đại sẽ là:Av = (Avt )(- ns /np )=(-136)(-1/12)=11.3Hoặc tính bằng đơn vị dB là Av (dB)=20logAv =20log 11.3=21.1 dBCuối cùng , dải thông được tính bởi BW=f0 /QL , với QL là tải hoặc hệ số phẩm chất Q của mạch. QL =R'L /XL =2.72k/436 =6.2BW = 3.47MHz/6.2 = 556kHz.Copyright (c) 8/2009 by KTMT50Chương 2(tiếp)Thiết kế bộ khuếch đại RF tín hiệu nhỏTải điều hưởngGhép tải biến áp không lý tưởngMạch điều hưởng kép (Tự đọc tài liệu)Copyright (c) 8/2009 by KTMT51Thiết kế bộ khuếch đại RF tín hiệu nhỏThiết kế mạch điện tử luôn cần phải lựa chọn và phán đoán tốtThiết kế và lựa chọn giá trị các linh kiện cho mạch sauCopyright (c) 8/2009 by KTMT52RE tạo sự ổn định cho điện áp phân cực tiếp giáp base-emiter và dòng điện dò colector bằng phản hồi âm.Thường chọn điện áp rơi trên RE vào khoảng 1V, hoặc xấp xỉ 10% của điện áp cung cấp trong mạch dùng điện áp cung cấp thấpVới VE rơi trên RE =1V thì VB sẽ khoảng 1,6-1,7V, phụ thuộc vào giá trị của dòng emiter.R1 và R2 được chọn để phân áp Vcc tạo điện áp phân cực B : R1 = VB /I1 Khi I1 = 10 IB (một nguyên tắc chọn lựa). Điện trở R2 được tính: R2 = (Vcc -VB )/(1.1* I1 )Copyright (c) 8/2009 by KTMT53Thiết kế bộ khuếch đại RF tín hiệu nhỏViệc chọn dòng phân cực trên nguyên tắc tận dụng tối đa công suất đầu ra P0 và công suất nguồn cung cấp Vcc. Một bộ khuếch đại ghép biến áp ở chế độ A có thể đạt hiệu suất tới khoảng 50% với điện áp ra trên colector cực đại (phần điện áp biến đổi xoay chiều đỉnh của colector đạt tới Vcc ). Nếu 10% của Vcc được dùng cho VE và điện áp bão hoà colector, thì công suất cần cung cấp cho colector của transitor là: Pdc = 0.9 Vcc IcVới hiệu suất  = 50% : Pdc = P0 / =2P0 Nên : Ic = 2P0 /(0.9Vcc )Copyright (c) 8/2009 by KTMT54Thiết kế bộ khuếch đại RF tín hiệu nhỏVí dụ: P0 =10mW và Vcc =12V thì : Ic =20mW/(0.9*12V) =1.85mA. Khi đó: RE = 0.1(12V)/1.85mA = 649Copyright (c) 8/2009 by KTMT55Thiết kế bộ khuếch đại RF tín hiệu nhỏTa đã tính toán chế độ một chiều dc, bây giờ xét chế độ xoay chiều ac.Rdn và Cdn tạo thành một bộ lọc thông thấp gọi là mạch cách ly tải. Mạch này tạo một trở kháng ac thấp giữa mạch collector và mạch base (đầu vào). Trở kháng trong của nguồn cung cấp có thể gây phản hồi dương tới các tầng khuếch đại khác. Người ta không dùng cuộn cảm thay thế cho điện trở Rdn bởi vì sẽ xuất hiện sự cộng hưởng với điện dung của mạch. Copyright (c) 8/2009 by KTMT56Thiết kế bộ khuếch đại RF tín hiệu nhỏVới mạch công suất nhỏ, một điện trở Rdn =100 sẽ tổn hao không lớn so với hàng chục vol cung cấp cho mạch khuếch đại . Cdn là điện dung phân dòng, nó được chọn sao cho có điện kháng nhỏ đến hàng chục lần so với điện trở. Ví dụ : nếu bộ khuếch đại được sử dụng tại tần số 10 MHz và Rdn = 100 , XC 10XC1 Copyright (c) 8/2009 by KTMT78Tải điều hưởngNếu R0 không cần chính xác hoặc rất lớn hơn XC1 , thì có thể chuyển đổi trở kháng song song quy định bởi R0 và XC1 sang dạng trở kháng nối tiếp tương đương. Mạch nối tiếp tương đương có: Rse = (2.36) và : Cse = (2.37) trong đó Q=R0 /XC1 . Copyright (c) 8/2009 by KTMT79Tải điều hưởngKết quả là mạch điện nối tiếp với C2 , Cse , và Rse có thể dễ dàng được chuyển đổi tương đương một tụ điện và điện trở Rse nối tiếp. Giá trị của mạch nối tiếp RC có thể được chuyển đổi sang mạch song song RC nếu sử dụng phương trình (2.36) và (2.37), với R0 thay thế bởi Rpe và C1 được thay thế bởi Cpe .Cse cũng có thể được thay thế bởi điện dung nối tiếp tương đương của C2 và Cse .Giá trị Q mới của mạch nối tiếp được tính từ điện dung nối tiếp tương đương và giá trị của điện trở nối tiếp Copyright (c) 8/2009 by KTMT80Ví dụ 2-6Xác định Ri nếu C1 =1000pF , C2 = 200pF , và R0 = 200, với mạch như hình 2-15. Mạch điện cộng hưởng và làm việc tại tần số 0 =107 rad/s.Copyright (c) 8/2009 by KTMT81Ví dụ 2-6XC1 = 1/0C1 = 1/(107 x 10-9) = 100. Hệ số Q của mạch phối hợp R0C1 là: Q = R0/XC1 = 200/100 = 2 Tải R0 rất nhỏ so với XC1 nên khi sử dụng công thức Q nhỏ hơn 5 . ( Khi Qp>10, sai số sẽ nhỏ hơn 1%). Sử dụng phương trình (3-37) và (3-38), ta có : Rse = 200/(1 + 22) = 40 Và Cse = = 1250 pFCopyright (c) 8/2009 by KTMT82Ví dụ 2-6Copyright (c) 8/2009 by KTMT83Ví dụ 2-6Ri = Rse (1+Q2) Trong đó Q = Qseries = Xeq /Rse = 1/[(107 x 172,4 x 10-12)(40) = 14,5 Với Q lớn như vậy nên chúng ta sử dụng cách chuyển đổi đơn giản : Xpe  Xseries Và Rpe  Q2Rseries Vì : Q2 Q2 +1 khi Q> 10 Trong trường hợp này Ri = [1 + (14,5)2] 40 = 8,45 kCopyright (c) 8/2009 by KTMT84Ví dụ 2-6Áp dụng phương trình Ri = Ri =So với kết quả tính toán ở trên ta thấy sai số là 14,8% do R0 chỉ bằng 2 lần XC1 Copyright (c) 8/2009 by KTMT85Cách mắc tải điện cảm không thống nhất trong các mạch RF vì 2 nguyên nhân : Thứ nhất, biến áp được xây dựng đơn giản, và hệ số biến áp có thể dễ dàng truyền một công suất cực đại. Thứ hai 2 là: mạch liên quan tới mạch dao động và bộ khuếch đại công suất từ trung bình đến lớn có thể gây méo mức độ cao. Dòng diện tần số cao bị méo dễ ghép qua tụ điện hơn cuộn cảm do tần số càng cao XC càng giảm.Copyright (c) 8/2009 by KTMT86Biến áp trong hình được dùng khi mạch yêu cầu cung cấp nguồn dc không độc lập giữa sơ cấp và thứ cấp. Giả sử rằng tất cả các cuộn dây được quấn sao cho mắc tải cũng tương tự như hai cuộn của máy biến áp , phương trình cũng có dạng tương tự : v1 = v2 (n1 + n2 )/n1 . Và R1 = [(n1 +n2)/n1)]2 R2Copyright (c) 8/2009 by KTMT87Ghép tải biến áp không lý tưởngGhép tải biến áp được tính toán trong trường hợp lý tưởng khi hệ số ghép k=1. Có nghĩa là luồng từ thông của cuộn sơ cấp móc vòng hoàn toàn qua cuộn thứ cấp . Điều này có thể đúng cho biến áp audio hoặc biến áp công suất có lõi thép lớn để tập trung luồng từ thông từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp.Khi K=1 , mối quan hệ giữa điện áp với trở kháng biến đổi tưng tự như phương trình v1 = v2 (n1 + n2 )/n1 . R1 = [(n1 +n2)/n1)]2 R2 Copyright (c) 8/2009 by KTMT88Ghép tải biến áp không lý tưởngGhép tải biến áp không lý tưởng.a) Sơ đồ biểu diễn từ thông . b) Cấu trúc vật lýCopyright (c) 8/2009 by KTMT89Ghép tải biến áp không lý tưởngĐiện cảm và ghép tải cho biến áp lõi hình xuyến làm việc như sau: Nếu lượng từ thông qua một vòng dây được tạo bởi dòng điện i(t) là m , thì từ thông tổng cộng trong cuộn cảm lõi xuyến minh hoạ như hình a là Nm . Giá trị Nm cũng đựơc xem như tổng từ thông móc vòng. Nếu lõi xuyến có đường kính ngoài là R và làm bằng vật liệu độ thẩm từ  và tiết diện đều, mật độ từ thông B là đồng đều trên toàn bộ tiết diện ngang A = r2 và bằng : B =Copyright (c) 8/2009 by KTMT90Ghép tải biến áp không lý tưởngTrong đó R>>r . Thông số lõi thép được biểu diễn như hình b. Tổng lượng từ thông qua mỗi vòng dây là BA , nên tổng lượng từ thông móc vòng của cuộn cả lõi xuyến sẽ là: Nm = NBA = NBằng cách xác định hệ số tự cảm L là tỷ số của từ thông tổng cộng móc vòng với nhau và dòng điện sinh ra từ thông đó . Do vậy: L = Hoặc : L=Copyright (c) 8/2009 by KTMT91Ghép tải biến áp không lý tưởngĐể xác định điện áp cảm ứng trong cuộn thứ cấp thông qua dòng điện i1 của cuộn sơ cấp của biến áp lõi xuyến, xuất phát từ định luật Faraday cho cuộn cảm , ta có với N vòng dây, ta có :Tổng lượng từ thông sinh ra từ i1 trong cuộn sơ cấp N1 vòng được tính:Copyright (c) 8/2009 by KTMT92Ghép tải biến áp không lý tưởngTương tự , điện áp v2 cảm ứng trong cuộn thứ cấp của máy biến ápDo hệ số ghép là :Điện áp cảm ứng của cuộn thứ cấp qua từ thông cuộn sơ cấp làCopyright (c) 8/2009 by KTMT93Ghép tải biến áp không lý tưởngThay L = Ta cóGọi hỗ cảmVậy điện áp trên cuộn thứ cấp tương đương như một điện áp tương hỗ giữa cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấpCopyright (c) 8/2009 by KTMT94Ghép tải biến áp không lý tưởngNếu dòng điện chảy qua cuộn sơ cấp i1 = I0ejt Vậy v2 = -jMI0ejt v2 = -jMi1 Tích số M có thể xem như điện kháng tương hỗ mà điện áp đựơc cảm ứng trên cuộn dây thứ cấp tỷ lệ với dòng điện i1 qua cuộn sơ cấpCopyright (c) 8/2009 by KTMT95Ví dụ 2-7Một dòng điện hình sin 1mA , 100kHz qua một cuộn sơ cấp của máy biến áp có điện cảm cuộn sơ cấp là 1mH , của cuộn thứ cấp là 250H , hệ số ghép tải k = 0,20. Xác định điện áp cảm ứng trên cuộn thứ cấpCopyright (c) 8/2009 by KTMT96Ví dụ 2-7Một mô hình mạch cho phép chúng ta hình dung hiệu ứng hỗ cảm và điện áp thứ cấp vs , được trình bày trong hình Quan sát hình vẽ ta thấy, điện cảm tổng cộng của cuộn sơ cấp là L1 và biên độ của điện áp có chiều ngược lại so với chiều dòng điện ip qua hỗ cảm 2fM.Copyright (c) 8/2009 by KTMT97Ghép tải biến áp không lý tưởngTrong hình, một máy phát được nối với cuộn sơ cấp của máy biến áp tần số cao và vL được đo bởi một volmet RF có trở kháng cao . Nếu trở kháng của volmet đủ lớn, dòng điện rất nhỏ qua cuộn thứ cấp và điều đó thực chất không có sự tương tác ngược giữa cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp .Copyright (c) 8/2009 by KTMT98Tuy nhiên , khi trở kháng tải ZL bên thứ cấp nhỏ thì dòng điện thứ cấp sẽ xuất hiện tuỳ thuộc điện áp cảm ứng và dòng điện này sẽ cảm ứng một bộ đếm EMF bên sơ cấp . Một phương trình tương tự được thiết lập cho điện áp thứ cấp sinh ra do dòng điện của sơ cấp duy trì một điện áp cảm ứng kích thích trong cuộn sơ cấp bằng dòng thứ cấp iS chảy trong cuộn thứ cấp. Do đó, máy phát sẽ chịu tải hiệu quả khi ZL đựơc mắc vào mạch, và số lượng tải sẽ quyết định trực tiếp đến dòng thứ cấp iS , ta có iS = vS / ZSS Copyright (c) 8/2009 by KTMT99Ghép tải biến áp không lý tưởngZSS là trở kháng nối tiếp tổng cộng của mạch thứ cấp mà iS chạy qua. Ta có: ZSS = ZL + (r2 + jL2) r2 đặc trưng cho tổn hao của cuộn thứ cấp của biến ápmô hình mạch điện tương đương cho cách mắc biến áp trong trường hợp tổng quát (không lý tưởng ) k>r1 . Cuộn sơ cấp có điện cảm phản ánh:L'p = L1 - M2/L2 Từ M2 = k2 L1 L2 ta có L'p = L1 - k 2L1L2 /L2 = L1 (1-k2) Do đó L'p = Lp (1-k2).Copyright (c) 8/2009 by KTMT108Bài 1a. Xác định hệ số phẩm chất Q và độ rộng băng tần 3 dB cho mạch điện sau có r = 5Ώ , C=300pF và L=0.344uHb. Xác định kết các giá trị f0, Q và độ rộng băng tần cho các trường hợp (1) Giá trị r gấp đôi bằng (2) r=5 Ώ nhưng C=600pF (3) r=5 Ώ , c=300pF nhưng giá trị của L gấp đôi.Copyright (c) 8/2009 by KTMT109Bài 2 R=500Ω, C=300pF và L=0.844uH được mắc song songa. Xác định Z, Q và độ rộng băng tần ở tần số cộng hưởng?b. Nếu đặt vào mạch một điện áp 10V hiệu dung tần số f0 , xác định dòng điện trong R, C và L?c. Tính tỷ số của iC so với iR ?Copyright (c) 8/2009 by KTMT110Bài 3Một cuộn dây RF có giá trị Q là 50 và điện kháng là ở 200KHz. Xác định mạch RL nối tiếp và song song tương đương có r, Ls, R, và Lp.Giải lại bài toán với Q=2.Copyright (c) 8/2009 by KTMT111Bài 4Cho mạch điện như hình với các giá trị : VCC=10V, CBC=2pF, C(tạp tán)=2pF, C=91pF, R1=2kΏ,R2 =10kΏ,RE=2.8kΏ, R3=∞,RL bỏ qua. Biến áp có k=1, L=4uH với Qu=104, np/ns=5. Xác định các giá trị sau:Tần số cộng hưởng?Hệ số khuếch đại điện áp Base-collector ở tần số cộng hưởng ?c. Hệ số khuếch đại điện áp Base- V0 ở tần số cộng hưởng ?d. Độ rộng băng tần ?e. Hệ số khuếch đại giảm bao nhiêu và