Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử (Phần 1)

ác mạch lọc thông thấp và thông cao. Tuy nhiên cách này phức tạp nên ng−ời ta th−ờng sử dụng các mạch lọc chọn lọc và mạch lọc thông dải bậc hai mắc theo sơ đồ dùng hồi tiếp âm một vòng, hồi tiếp âm nhiều 196 vòng và hồi tiếp d−ơng một vòng (cũng đ−ợc gọi là sơ đồ Sallen-Key). Các sơ đồ này đ−ợc biển diễn trên hình 4.24. Đối với các mạch lọc này, có thể chọn các hệ số của biểu thức (4.44) một cách tùy ý để dễ dàng có đ−ợc hệ số phẩm chất 100Q = . Trên sơ đồ 4.24.a, tụ aC và điện trở R a tạo thành một khâu lọc thông cao, bC và R b tạo thành một khâu lọc thông thấp. Mạch lọc T kép mắc trong mạch hồi tiếp để cải thiện đặc tính chọn lọc cho bộ lọc. Viết ph−ơng trình dòng điện nút tại A, B và C ta có thể tìm đ−ợc hàm truyền đạt của bộ lọc nh− sau: 2 2 1 2 d aPK bP P −= + + (4.45) trong đó: 0 1 2 f RC = π ; 0 P j ω= ω So sánh công thức trên với công thức (4.44) ta có: 1 2 Q b = và 0 aK b= Nh− vậy, đối với mạch này ta có thể chọn tần số cộng h−ởng 0f , hệ số phẩm chất Q và hệ số khuếch đại 0K một cách tùy ý, không phụ thuộc lẫn nhau. 197 Hàm truyền đạt của mạch lọc chọn lọc dùng hồi tiếp âm nhiều vòng trên hình 4.24.b có dạng: 2 3 0 1 3 2 2 21 3 1 2 3 0 0 1 3 1 3 1 2 d R RP C R RK R R R R RP C P C R R R R − ω += + ω + ω+ + (4.46) So sánh với (4.44.) ta có: 2 21 2 3 0 1 3 1R R R C R R ω =+ ⇒ 1 3 0 1 2 3 1 R R C R R R +ω = (4.47.a) 1 3 0 1 3 12 R R C R R Q ω =+ ⇒ 0 21 3 0 1 3 1 1 1 2 2 Q R CR RC R R = = ω ω + (4.47.b) 2 3 0 0 1 3 R R KC R R Q ω =+ ⇒ 2 0 12 RK R = (4.47.c) Các tham số 0ω , Q và 0K có thể chọn tùy ý. Từ (4.47) suy ra dải thông của mạch lọc: 0 2 1fB Q R C = = π (4.48) Nh− vậy có thể thay đổi RB3B để chọn tần số cộng h−ởng mà không làm thay đổi dải thông B và hệ số khuếch đại KB0 B. Mạch lọc chọn lọc dùng hồi tiếp d−ơng một vòng (hình 4.24.c) có hàm truyền đạt nh− sau: 0 2 2 2 2 0 01 (3 ) d k RCPK RC k P R C P ω= + ω − + ω (4.49) Từ (4.44) và (4.49) rút ra: 1 3 Q k = − ; 0 3 kK kQ k = =− ; 0 1 2 f RC = π Q và KB0B phụ thuộc lẫn nhau nên có thể thay đổi Q bằng cách thay đổi KB0B mà không làm ảnh h−ởng đến fB0B. Khi 3k = thì 0K = ∞ , mạch có thể bị tự kích, do đó cần tránh tr−ờng hợp này. 198 4.3.5 Mạch nén chọn lọc. Mạch nén chọn lọc đ−ợc sử dụng để nén tín hiệu tại một tần số nào đó. mạch lọc loại này có hệ số truyền đạt tại tần số cộng h−ởng bằng không, còn ở tần số thấp và tần số cao thì hệ số truyền đạt tăng lên đến một giá trị 0dK nào đó. Hàm truyền đạt tổng quát của mạch nén chọn lọc cũng có thể suy ra đ−ợc từ hàm truyền đạt của bộ lọc thông thấp bằng cách thay P bằng 1P P ∆Ω + và có dạng nh− sau: ( ) ( )2 20 0 2 2 1 1 ( ) 11 1 d d d K P K P K P P P P P Q + + = =+ ∆Ω⋅ + + ⋅ + (4.50) với 0dK lúc này là giá trị của hàm truyền đạt tại các tần số 0f f>> và 0f f<< , Q là hệ số phẩm chất của mạch. Hai loại mạch nén chọn lọc phổ biến nhất là loại mạch dùng cầu T kép và loại dùng cầu Viên-Robinson (Wien-Robinson). Mạch cầu T kép thụ động có hàm truyền đạt nh− sau: 2 2 2 2 1 1 1 4 1 4 T PK j P P −Ω += =+ Ω−Ω + + (4.51) trong đó: RCΩ = ω . 199 So sánh biểu thức (4.51) với (4.50) ta có: 0 01d TK K= = 1 4 Q = Nh− vậy ta thấy hệ số phẩm chất của mạch T kép khá nhỏ, ng−ời ta tăng Q bằng cách mắc mạch T kép vào mạch hồi tiếp của bộ khuếch đại thuật toán để tạo thành mạch lọc tích cực nh− hình 4.25.a. ở các vùng tần số thấp và tần số cao, hệ số truyền đạt của mạch T kép bằng một nên điện áp ra: r vU kU= Tại tần số cộng h−ởng 0rU = , do vậy một đầu của 2R coi nh− đ−ợc nối đất, tần số cộng h−ởng 0f vẫn đ−ợc xác định theo biểu thức: 0 1 2 f RC = π Mạch điện trên hình 4.25.a có hàm truyền đạt là: ( ) ( ) 2 2 1 1 2 2 d k P K k P P + = + − + (4.52) suy ra: 0dK k= 1 2(2 ) Q k = − Nh− vậy, khi 1k = thì 0,6Q = . Khi 2k = thì Q = ∞ . −u điểm của mạch T kép là ta có thể thay đổi hệ số phẩm chất bằng cách thay đổi hệ số khuếch đại k mà không làm thay đổi tần số cộng h−ởng 0f . T−ơng tự nh− mạch T kép, mạch cầu Viên cũng có hệ số phẩm chất nhỏ và để tăng hệ số phẩm chất ng−ời ta cũng mắc mạch cầu Viên vào mạch hồi tiếp của bộ khuếch đại thuật toán để tạo thành mạch lọc tích cực (hình 4.25.b) Đầu ra của mạch cầu Viên đ−ợc nối với một mạch khuếch đại hiệu tạo nên mạch lọc có hàm truyền đạt nh− sau: 200 2 2 1 2 1 3 r d v U k PK U P P +′ = = + + (4.53) Tần số cộng h−ởng của mạch cầu Viên-Robinson là: 0 2 1 2 f R C = π So sánh (4.53) với (4.50) ta có 1 3 Q = Để tăng đặc tính chọn lọc, ng−ời ta dùng thêm bộ khuếch đại đầu vào. ở ngoài tần số cộng h−ởng ta có: 1 2 r d U kK U ′ = = Vì 1 vU U= − nên trong tr−ờng hợp k đủ lớn thì hệ số khuếch đại của toàn mạch sẽ là: 1 1Nr d v RUK U R = − = = α Tại 0f f= , do tác dụng của cầu Viên nên 0rU = và không phụ thuộc vào k cũng nh− biên độ của vU . áp dụng công thức tính hệ số khuếch đại cho một mạch khuếch đại có hồi tiếp, ta tính đ−ợc: 1 dr d v d KUK U K ′= − = ′+ α (4.54) Thay (4.53) vào (4.54) ta đ−ợc: ( )2 2 1 2 61 2 d k P kK P P k ++ α= + ++ α (4.55) So sánh với biểu thức (4.50) ta rút ra: 0 2 1 2 f R C = π 201 0 2d kK k = +α 2 6 kQ +α= Nh− vậy nếu cho tr−ớc các tham số 0f , 0dK , Q và chọn tr−ớc giá trị của C ta sẽ tính đ−ợc giá trị của các linh kiện còn lại theo các công thức sau: 2 0 1 2 R f C = π 0 3 1 3 d Q K Q −α = 06 dk K Q= 202 Ch−ơng 5 KHUếCH đạI CôNG SUấT. 5.1 NHIệM Vụ, YêU CầU Và PHâN LOạI TầNG KHUếCH đạI CÔNG SUấT (KđCS). 5.1.1. Nhiệm vụ Tầng KĐCS có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu có ích để đ−a ra tải, đảm bảo công suất thỏa mãn yêu cầu cho tr−ớc trong toàn bộ dải tần công tác. Nói chung, KĐCS th−ờng là các tầng khuếch đại tín hiệu lớn, khi đó các tranzistor không chỉ làm việc trong miền tuyến tính và sơ đồ t−ơng đ−ơng tín hiệu nhỏ đã nêu trong ch−ơng 2 không còn thích hợp mà phải dùng ph−ơng pháp đồ thị để phân tích nguyên lý làm việc. Nội dung của ch−ơng này là xây dựng một ph−ơng pháp tổng quát và t−ơng đối đơn giản để phân tích và tính toán thiết kế các tầng khuếch đại tín hiệu lớn nói chung và tầng KĐCS nói riêng. 5.1.2. Các yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật của tầng KĐCS Chỉ tiêu chất l−ợng của các tầng KĐCS đ−ợc đánh giá thông qua các các tham số kỹ thuật nh− sau: a) Công suất ra raP : Là công suất của tín hiệu có ích đ−a ra tải. Đây là một trong những tham số quan trọng nhất của tầng KĐCS. b) Hệ số khuếch đại công suất pK : Là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào của tầng khuếch đại: rp v PK P = (5.1) c) Hiệu suất η : Là tỷ số giữa công suất ra có ích rP và công suất cung cấp một chiều 0P : 203 0 rP P η = (5.2) Hiệu suất càng lớn thì tổn hao điện năng càng nhỏ và chế độ nhiệt của tranzistor càng đảm bảo tốt. d) Dải tần công tác: ( axMin Mf f− ) e) Độ chọn lọc: Tầng KĐCS cần phải đảm bảo độ chọn lọc tốt trên hai ph−ơng diện: - Có khả năng khuếch đại tín hiệu có ích và loại bỏ các tín hiệu không mong muốn xuất hiện trên đầu vào của tầng khuếch đại. - Có khả năng loại bỏ các thành phần hài bậc cao, mà nguyên nhân là do tranzistor làm việc ở chế độ phi tuyến với tín hiệu lớn sinh ra làm méo dạng tín hiệu. f) Trở kháng vào và trở kháng ra: Đây cũng là những tham số cần quan tâm nhằm xác định điều kiện phối hợp trở kháng với tải ở đầu ra và nguồn tín hiệu ở đầu vào. 5.1.3. Phân loại Tầng KĐCS có thể đ−ợc phân loại dựa vào các căn cứ sau: a) Theo tần số làm việc: Tầng KĐCS có thể đ−ợc xây dựng để làm việc ở các dải tần số thấp, dải tần số trung gian (IF), dải tần số cao (HF) và dải tần số siêu cao (VHF, UHF) b) Theo công suất: Tầng KĐCS đ−ợc phân thành các loại KĐCS có công suất rất nhỏ (vài chục mW), công suất nhỏ (vài W), công suất trung bình (hàng chục đến hàng trăm W) và công suất rất lớn (hàng chục kW và lớn hơn). c) Theo tải của tầng KĐCS: Theo đó tầng KĐCS đ−ợc phân thành các loại KĐCS tải không cộng h−ởng và KĐCS tải cộng h−ởng (có tính chất chọn lọc). d) Theo mạch điện: Ta có các tầng KĐCS mắc theo sơ đồ tầng đơn và sơ đồ đẩy kéo. 5.2. PHƯƠNG PHáP PHÂN TíCH TầNG KĐCS 5.2.1. Chế độ công tác và xác định điểm làm việc cho tầng KĐCS Để nghiên cứu tầng KĐCS bằng ph−ơng pháp đồ thị, ta căn cứ vào họ đặc tuyến tĩnh của tranzistor và đặc tuyến động của tầng khuếch đại. Tr−ớc hết ta cần phân biệt các loại đặc tuyến này. 204 Trên hình 5.1 trình bày một loại họ đặc tuyến tĩnh của tranzistor là đặc tuyến ra. Có thể nhận xét chung về họ đặc tuyến này: Khi điện áp BEu nhỏ, dòng điện Ci chủ yếu phụ thuộc vào điện áp BEu và ít phụ thuộc vào điện áp CEu . Ng−ợc lại ở khu vực bão hòa, tức là khi điện áp BEu khá lớn và giá trị của nó có thể so sánh đ−ợc với điện áp CEu thì Ci lại hầu nh− chỉ phụ thuộc vào điện áp CEu . Sở dĩ có sự thay đổi này là do trong tranzistor có dòng điện Bazơ Bi khá lớn, làm giảm đáng kể dòng điện Ci theo quan hệ: C E Bi i i= − Ci Bi o Ci 1BEU 2BEU 3BEU 4BEU 5BEU CEU CmI Kém áp Quá áp Đuờng tới hạn o 1BEU 2BEU 3BEU 4BEU 5BEU CEU 1 2 3 ...BE BE BEU U U> > > Để đơn giản cho quá trình tính toán, ta có thể lý t−ởng hóa họ đặc tuyến tĩnh bằng các đoạn thẳng gẫy khúc nh− chỉ ra trên hình 5.2. Tùy theo giá trị của dòng điện Bi , đặc tuyến tĩnh chia làm hai khu vực: kém áp (dòng Bi nhỏ và có thể bỏ qua) và quá áp (dòng Bi lớn). Phân chia hai khu vực này là đ−ờng tới hạn đi qua gốc tọa độ. Khác với đặc tuyến tĩnh biểu diễn quan hệ giữa các thành phần dòng điện ( Ci hoặc Bi ) theo một trong hai điện áp CEu hoặc BEu (thành phần điện áp còn lại đóng vai trò tham số), thì đặc tuyến động lại biểu diễn mối quan hệ giữa các thành phần dòng điện theo sự thay đổi đồng thời của cả hai điện áp CEu và BEu . Nh− vậy, trong khi đặc tuyến tĩnh chỉ là đặc tr−ng riêng của bản thân tranzistor và Hình 5.1. Họ đặc tuyến tĩnh của dòng Ci (đ−ờng liền nét) và dòng Bi (đ−ờng nét đứt). Hình 5.2. Họ đặc tuyến ra đã lý t−ởng hóa (đ−ờng nét đứt) và đặc tuyến động của tầng khuếch đại (đ−ờng liền nét) 205 có dạng là một họ đ−ờng đặc tuyến thì đặc tuyến động lại chỉ là một đ−ờng đặc tuyến (do các điện áp CEu và BEu không còn là các đại l−ợng độc lập mà chúng phụ thuộc lẫn nhau) và đặc tr−ng cho sự làm việc của cả tầng khuếch đại (gồm cả tranzistor, tải, các loại nguồn cung cấp). Để xây dựng đặc tuyến động, cần phải biết tính chất của tải và các tham số của bộ khuếch đại trong từng ứng dụng cụ thể. Sau khi đã tìm đ−ợc sự phụ thuộc của các điện áp CEu và BEu , ta sẽ xác định đ−ợc trên họ đặc tuyến tĩnh các điểm làm việc và vẽ nên đặc tuyến động. Trên hình 5.2 đồng thời trình bày đặc tuyến động (đ−ờng liền nét) trong một tr−ờng hợp đặc biệt, khi điểm cực đại của dòng colecto axCM Cmi i= trùng với điểm gẫy khúc của họ đặc tuyến tĩnh (vì điểm này nằm trên đ−ờng tới hạn nên gọi là chế độ công tác tới hạn của tầng khuếch đại). Mặt khác tr−ờng hợp này đ−ợc xét khi tải là thuần trở (hoặc t−ơng đ−ơng), khi đó các điện áp CEu và BEu biến thiên ng−ợc chiều nhau, và đặc tuyến động là đoạn thẳng. Để đơn giản hơn, ta xét tr−ờng hợp khi tầng khuếch đại làm việc ở chế độ kém áp hoặc tới hạn với dòng điện Bi có giá trị khá nhỏ, khi đó C Ei i≈ và đặc tuyến truyền đạt của tranzistor chỉ ra trên hình 5.3a. tω Ci π0 θ 2π C mI C Ei i≈ B E oU B E oU o o B E oU CiCiCiCi Ti t t t t tω Ti A AB B C Hình 5.3. Minh họa các chế độ công tác của tầng KĐCS: a) Đặc tuyến truyền đạt của tranzistor; b) Dạng dòng điện ra của tranzistor ứng với các chế độ công tác khác nhau khi điện áp vào là hình sin. Việc định điểm công tác cho tầng KĐCS đ−ợc xác định thông qua việc lựa chọn chế độ một chiều nhờ mạch thiên áp tạo ra điện áp một chiều 0BEu phù hợp. a) b) 206 Tùy thuộc vào việc lựa chọn này, ng−ời ta phân các chế độ A, AB, B và C với các giá trị θ khác nhau. Tham số θ (nửa góc thông của tranzistor) đ−ợc gọi là góc cắt. Chế độ A: Tín hiệu đ−ợc khuếch đại gần nh− tuyến tính, góc cắt 0180θ = , dòng tĩnh Ti luôn lớn hơn hoặc bằng biên độ dòng điện ra. Vì vậy hiệu suất của tầng khuếch đại chế độ A rất thấp (η < 50%). Do vậy chế độ A chỉ đ−ợc dùng trong tr−ờng hợp công suất ra nhỏ. Chế độ AB: Là chế độ ứng với góc cắt 090 <θ < 0180 . ở chế độ này, hiệu suất có thể đạt đ−ợc cao hơn ở chế độ A vì dòng tĩnh Ti lúc này nhỏ hơn. Chế độ B: Là chế độ ứng với góc cắt 090θ = . Điểm làm việc tĩnh đ−ợc xác định tại 0 0BEu ≈ . Tranzistor chỉ thông trong một nửa chu kì của điện áp vào hình sin, 0Ti ≈ . Chế độ C: Là chế độ ứng với góc cắt θ < 090 . Hiệu suất ở chế độ này khá cao (η ≈78%). Nh− vậy, để tăng hiệu suất phải chấp nhận chế độ làm việc không tuyến tính (AB, B, C) dẫn tới méo tín hiệu lớn. Nó th−ờng đ−ợc dùng trong các tầng khuếch đại tần số cao và có tải cộng h−ởng để có thể lọc ra đ−ợc hài bậc nhất nh− mong muốn. Chế độ C còn đ−ợc dùng trong mạch logic và mạch khóa. 5.2.2. Phân tích điều hòa xung dòng colecto Khi làm việc ở chế độ tín hiệu lớn, dòng colecto bị cắt và có dạng xung đ−ợc đặc tr−ng bởi hai tham số cmI và θ nh− chỉ ra trên hình 5.4, trong đó: - cmI đ−ợc gọi là biên độ xung dòng ci : axc c mi i= - Góc cắt θ là một nửa góc thông dòng điện ci của tranzistor. tω Ci π0 θ 2π C mI Hình 5.4. Dạng xung dòng Ci khi làm việc ở chế độ bị cắt. 207 Với dạng xung dòng Ci nh− đã chỉ ra trên hình 5.4, ta có thể dùng biểu thức sau đây để xác định giá trị tức thời của nó: ( ) ( )cos cos ,1 cos 0, , Cm C I t t i t t t ω θ θ ω θθ ω θ ω θ ⎧ − − ≤ ≤⎪= −⎨⎪ ⎩ với với (5.3) Vì xung dòng ci là một hàm tuần hoàn với chu kì ( )2T Tω π= , nên ta có thể phân tích (5.3) thành chuỗi Fourie nh− biểu thức (5.4): ( ) 0 1 2cos cos2 ... cos ...c c c c cni t I I t I t I n tω ω ω= + + + + + (5.4) Trong đó các hệ số của chuỗi đ−ợc xác định nh− sau: - 0cI là thành phần một chiều: ( ) ( ) ( )/ 20 0 / 2 0 1 1 . T c c c cm T I i t dt i t d t I T θ ω α θπ− = = =∫ ∫ (5.5) Với ( )0 0 1 cos cos 1 sin cos 1 cos 1 cos t d t θ ω θ θ θ θα θ ωπ θ π θ − −= =− −∫ (5.6) ( )0α θ đ−ợc gọi là hệ số phân giải của xung đối với thành phần một chiều. - 1cI là biên độ của thành phần bậc nhất (thành phần cơ bản) của dòng colecto: ( ) ( )1 1 0 2 cos .c c cmI i t td t I θ ω ω α θπ= =∫ (5.7) Với ( )1α θ là hệ số phân giải của xung đối với thành phần bậc nhất: ( )1 1 2 sin 22 1 cos θ θα θ π θ −= − (5.8) - Với 2,3,...n = ta có cnI là biên độ của thành phần hài bậc n của dòng điện colecto: ( ) ( ) 0 2 cos .cn c cm nI i t n td t I θ ω ω α θπ= =∫ (5.9) 208 Với ( )nα θ là hệ số phân giải đối với thành phần hài bậc n : ( ) ( )22 cos sin sin cos1 cos1n n n nn n θ θ θ θα θ θπ −= −− (5.10) Trên hình 5.5 biểu diễn qui luật biến đổi của các hệ số phân giải theo các biểu thức (5.6), (5.8) và (5.10). Theo hình vẽ ta có thể rút ra một số nhận xét: 1 o α α 2 1 θ 01800900 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 1α 2α 3α 0α 1 o α α α Hình 5.5. Hệ số phân giải các thành phần xung dòng điện - ( )1 1 ax 0,536Mα θ α= = khi 0122,5θ = . -Với 2n ≥ ta có: 1 axax n M nM αα ≈ tại góc cắt 0120 n θ ≈ . - Hệ số ( ) ( )10 α θ α θ càng tăng khi góc cắt θ giảm. 5.2.3. Quan hệ năng l−ợng trong mạch colecto Trong mạch colecto của tầng KĐCS xảy ra quá trình biến đổi năng l−ợng của nguồn cung cấp một chiều CCU thành năng l−ợng của tín hiệu có ích đ−a ra tải. Để nghiên cứu quá trình này, ta xét tr−ờng hợp th−ờng dùng nhất khi tải của tầng khuếch đại đ−ợc qui t−ơng đ−ơng về một điện trở thuần tdR nh− chỉ ra trên hình 5.6 (trong thực tế, tải của tầng KĐCS th−ờng đ−ợc mắc trực tiếp vào colecto hoặc emito của tranzistor). 209 i C tdR L ccU ct Hình 5.6. Mạch điện dùng để xét quan hệ năng l−ợng Công suất mà nguồn CCU+ cung cấp cho mạch colecto đ−ợc xác định theo biểu thức: ( ) ( )0 0 0 1 . 2 T CC c CC c CC c UP i t U dt i t d t U I T θ θ ωπ + − = = =∫ ∫ (5.11) Giả thiết tải colecto có tính chất chọn lọc tần số, ví dụ nh− dùng một mạch cộng h−ởng LC có điện trở cộng h−ởng tdR tại tần số cơ bản (hình 5.6), thì khi dòng điện ( )ci t đi qua, trên tải chỉ xuất hiện thành phần tần số này: ( ) cost mu t U tω= (5.12a) Trong đó 1m c tdU I R= (5.12b) Với giả thiết này, trên tải t−ơng đ−ơng của bộ khuếch đại, công suất của tín hiệu có ích sẽ đ−ợc xác định theo biểu thức: ( ) ( ) ( ) 1 0 0 1 1cos . 2 T m c t c c m UP i t u t dt i t t d t I U T θ ω ωπ= = =∫ ∫ (5.13) Hiệu suất η của quá trình biến đổi năng l−ợng trong mạch colecto đ−ợc xác định theo biểu thức: ( ) ( )110 0 0 1 2 2 α θ1η = = = ξα θ c m c CC I UP P I U (5.14) Trong đó m CC U U ξ = gọi là hệ số lợi dụng điện áp colecto. 210 Theo (5.14) hiệu suất của mạch colecto tăng khi góc cắt θ càng nhỏ và hệ số ξ càng lớn. Công suất tổn hao trong quá trình biến đổi năng l−ợng đ−ợc biến thành nhiệt năng làm nóng colecto của tranzistor: 0CP P P= − (5.15) 5.2.4. Đặc tuyến tải của tầng KĐCS Đặc tuyến phụ tải biểu diễn mối quan hệ của các thành phần dòng điện, điện áp, công suất và hiệu suất của tầng KĐCS theo sự biến thiên của giá trị điện trở tải t−ơng đ−ơng tdR . Khi tdR tăng, độ nghiêng của đ−ờng đặc tuyến động trên hình 5.2 giảm so với trục hoành, làm cho dạng xung dòng colecto cũng thay đổi theo. Hình 5.7 trình bày các sự thay đổi này. cici CmI BEmaxU CEU CCU 55 4 3 12 θ− o oθ 123 4 5 tω Hình 5.7. Sự thay đổi theo phụ tải của đặc tuyến động và dạng xung. Trên hình 5.7, khi 0tdR = thì đặc tuyến động song song với trục tung và cắt trục hoành tại điện áp CE CCu U= (đ−ờng 1). Khi tdR tăng (lần l−ợt t−ơng ứng với các đ−ờng 2, 3, 4, 5) thì dạng xung biến dạng ít ở chế độ kém áp (đ−ờng 2) và chế độ tới hạn (đ−ờng 3), nhiều ở chế độ quá áp (trở thành lõm đầu ở đ−ờng 4 và tách thành hai phần rời nhau ở đ−ờng 5). Trên cơ sở những sự thay đổi này, ta xây dựng các đ−ờng đặc tuyến tải của tầng KĐCS nh− chỉ ra trên hình 5.8. 211 tdR tdR tdR thR thR thR thR P CP 0P 1cI 0cI 0 0 0 /a /b /c /d ξ P η 1cI 0cI Hình 5.8. Đặc tuyến tải của tầng KĐCS Đặc tuyến tải chia làm hai khu vực: bên trái (kém áp) và bên phải (quá áp). Tại td thR R= , tầng khuếch đại làm việc ở chế độ tới hạn. ở hình 5.8a, do dạng xung ít biến đổi nên ở kém áp 1CI và 0CI giảm ít. Ng−ợc lại ở quá áp, dạng xung bị biến dạng nhiều nên các thành phần dòng điện giảm nhanh. ở hình 5.8b, điện áp trên tải 1.m C tdU I R= tăng ở kém áp ( 1CI ít biến đổi) và ít tăng ở quá áp (do 1CI giảm). ở hình 5.8c, công suất 0 0.C CCP I U= biến đổi nh− dạng 0CI và công suất: 2 2 1 1 1 2 2 m C td td UP I R R = = (5.16) 212 P tăng theo tdR ở kém áp ( 1CI ít biến đổi) và giảm ở quá áp ( mU ít biến đổi). Hiệu suất ( ) ( )10 1 2 α θη ξα θ= tăng ở kém áp theo sự tăng của m CC U U ξ = . ở quá áp, hiệu suất tiếp tục tăng trong giai đoạn đầu do dạng xung ch−a biến đổi nhiều. ở giai đoạn sau, dạng xung biến đổi nhiều nên tỷ số ( ) ( )10 α θ α θ giảm nhanh và hiệu suất giảm (hình 5.8d). Nh− vậy qua việc nghiên cứu đặc tuyến tải, ta rút ra một số nhận xét sau: - ở chế độ tới hạn, công suất ra cực đại, hiệu suất cao nên chế độ này đ−ợc ứng dụng rộng rải trong các tầng khuếch đại tín hiệu lớn. - ở chế độ kém áp, tổn hao nhiệt CP trên colecto của tranzistor lớn. - ở chế độ quá áp, hiệu suất η đạt cực đại, biên độ điện áp trên tải mU ít thay đổi. 5.3. TầNG KĐCS TầN Số THấP DảI RộNG Nói chung, các tín hiệu tần số thấp th−ờng là tín hiệu dải rộng, có phổ chiếm một khoảng tần số từ Minf đến axMf , với hệ số bao tần ( ax /M Minf f ) khá lớn. Do vậy, yêu cầu đối với tải phải có giá trị t−ơng đối đồng đều trong dải tần làm việc, đảm bảo điều kiện phối hợp trở kháng nhằm đ−a công suất ra tải là lớn nhất. Đồng thời cần phải lựa chọn chế độ công tác phù hợp nhằm giảm độ méo không đ−ờng thẳng. 5.3.1. Tầng KĐCS đơn Tầng khuếch đại đơn hay dùng sơ đồ emito chung hoặc sơ đồ lặp emito vì các sơ đồ này có hệ số khuếch đại dòng điện lớn và méo phi tuyến nhỏ. Mặt khác, vì là tầng khuếch đại dải rộng, tải không (hoặc ít) có tính chất chọn lọc tần số, nên th−ờng chọn chế độ công tác loại A, hiệu suất thấp. a) Sơ đồ emitơ chung: 213 Hình 5.9 biểu diễn sơ đồ emitơ chung và minh họa nguyên tắc làm việc của tầng khuếch đại chế độ A. Tải của tầng khuếch đại dải rộng trong tr−ờng hợp đơn giản nhất là tải điện trở ( CR ). Khi đó đặc tuyến động là đoạn thẳng cắt trục tung tại /CC CU R và trục hoành tại CCU theo ph−ơng trình: CC CEC C U Ui R −= (5.17) /a cR CEU ccU nU ci 0CEu t ci 1cI 0cI CEou mU ci 0 cc c U R ccU /b Hình 5.9. Tầng KĐCS emitơ chung: a/ Sơ đồ; b/ Minh hoạ nguyên tắc làm việc Với những đặc điểm trên, nh− đã chỉ ra trên hình 5.9b, ta có các quan hệ: 1 0C CI I≤ và 12m CCU U≤ và vì vậy hiệu suất của mạch rất thấp: 1 0 1 2 C m C CC I U I U η = .100% ≤ 25% (5.18) Công suất ra của tầng khuếch đại sẽ đạt đ−ợc cực đại nếu khu vực làm việc chiếm phần lớn đoạn thẳng của đ−ờng đặc tuyến động, khi đó 1 ax 1 2 CC C M C UI R ≈ và ax 1 2mM CC U U≈ : 2 0 ax 1 1 .. 2 4 8 CC C CC M m C C U I UP U I R = ≈ ≈ (5.19) 214 Với điện trở tải tốt nhất: 02 CC Copt C UR I = (5.20) Để tăng hiệu suất của mạch, ta có thể thay điện trở CR bằng một cuộn cảm hoặc dùng ghép biến áp. Khi đó ở chế độ tĩnh 0CE CCU U= , axmM CCU U≈ , công suất ra tăng hai lần và hiệu suất đạt xấp xỉ 50%. b) Sơ đồ lặp emito (colecto chung) Sơ đồ lặp emito đặc biệt thích hợp với tầng KĐCS vì dễ phối hợp trở kháng với tải. Hình (5.10) biểu diễn hai sơ đồ loại này. 1R 2R tR Ei ccU Eu nU /a 1R 2R tRtu nU /b ccU ER C 1C 2C Hình 5.10. Sơ đồ lặp emito: a) Mắc trực tiếp với tải; b) Ghép điện dung với tải ở sơ đồ hình 5.10a, vì tải tR vẫn mắc giữa hai cực emito và colecto (colecto là điểm chung) nên nguyên lý làm việc t−ơng tự nh− sơ đồ hình 5.9a đã phân tích ở trên (nếu thay Ci bằng Ei ). Do vậy vẫn có thể sử dụng các biểu thức (5.18) và (5.19). Điểm khác biệt lớn nhất là yêu cầu điện áp nguồn tín hiệu vào nU có biên độ đủ lớn, vì tầng khuếch đại có hệ số khuếch đại điện áp nhỏ hơn 1. Tr−ờng hợp yêu cầu dòng một chiều không đi qua tải, ta dùng sơ đồ lặp emito ghép điện dung với tải nh− hình 5.10b. Do tải t−ơng đ−ơng xoay chiều ở sơ đồ này giảm đi, nên công suất ra cực đại và hiệu suất của mạch cũng giảm theo. Để khắc phục, có thể thay thế điện trở ER bằng một nguồn dòng. 5.3.2. Tầng KĐCS mắc đẩy kéo a) Những vấn đề chung về tầng khuếch đại đẩy kéo 215 Để tăng công suất, hiệu suất và giảm méo phi tuyến, ng−ời ta th−ờng dùng cách mắc đẩy kéo. Tầng khuếch đại đẩy kéo là tầng gồm có hai phần tử tích cực mắc chung tải, có thể làm việc ở chế độ A, AB hoặc B nh−ng thông th−ờng hay dùng chế độ B ( 090θ = ) để tăng hiệu suất. ở chế độ B, điểm làm việc đ−ợc chọn sao cho dòng điện ra ở chế độ tĩnh bằng không và điện áp ra ở chế độ tĩnh bằng điện áp nguồn cung cấp (hình 5.11). Hai tranzistor luân phiên làm việc trong từng nửa chu kì (d−ơng hoặc âm). Hai nửa tín hiệu ra sẽ đ−ợc tổng hợp lại thành tín hiệu hoàn chỉnh ti ở trên tải chung. ccU 2π π mU 0 2Ci 1Ci ti tω3π2ππ CmI 0 0 0 2CEU ccU 1CEU Hình 5.11. Đặc tuyến ra của tầng đẩy kéo chế độ B Nh− vậy trong chế độ B với 090θ = ta có ( )0 12α π π= và ( )1 12 2 α π = ; Công suất có ích mà hai tranzistor đ−a ra tải chung đ−ợc xác định qua biểu thức: ( ) 2ax 1 11 12. . . 2 . .2 2 2CCM C m Cm m m Cm t UP I U I U U I R α π= = = ≈ (5.21) Vì ở chế độ cực đại m CCU U≈ và CCCm t UI R ≈ (thể hiện trên hình 5.11). Hiệu suất cực đại của mạch đẩy kéo: ( ) ( )1ax 0 1 1 1 2 2 2 m m M CC CC U U U U α θη πα θ= ≈ ì (5.22a) Với m CCU U≈ ta có: 216 ax 4M πη ≈ 100% ≈ 78,5% (5.22b) So sánh các công thức (5.21) và (5.22) với (5.18) và (5.19) của tầng khuếch đại đơn, ta thấy rằng khi mắc đẩy kéo thì công suất ra và hiệu suất lớn hơn khá nhiều. Cũng cần l−u ý rằng: Khi chọn chế độ công tác là chế độ B thì sẽ sinh ra méo tín hiệu lớn khi khuếch đại các tín hiệu nhỏ vì tranzistor chỉ thông khi ( )0,3 0,6BEu = − V. Để khắc phục, ta chọn chế độ AB với dòng điện tại điểm tĩnh khác không. Khi dòng điện tĩnh nhỏ, các kết luận đã nêu trên cũng có thể coi là gần đúng. Có thể phân các tầng khuếch đại đẩy kéo ra làm hai loại: Đẩy kéo song song và đẩy kéo nối tiếp. Sơ đồ đẩy kéo song song có các phần tử tích cực đấu song song về mặt một chiều. Ng−ợc lại sơ đồ đẩy kéo nối tiếp có các phần tử tích cực đấu nối tiếp về mặt một chiều. Ngoài ra trong các sơ đồ trên, còn có thể dùng các tranzistor cùng loại hoặc khác loại. b) Mạch điện của tầng K