Giáo trình Điện tử tương tự

145 trang cucquyet12 18051

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Điện tử tương tự", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_dien_tu_tuong_tu.pdf

Nội dung text: Giáo trình Điện tử tương tự

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG NGÔ ĐỨC THIỆN - LÊ ĐỨC TOÀN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ (Tài liệu dùng cho hệ Đại học - Cao đẳng) PTIT HÀ NỘI 2013
LỜI NÓI ĐẦU Điện tử tương tự là môn học cơ sở, nhằm cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản nhất để phân tích, thiết kế các mạch điện trong hệ thống mạch điện tử. Để nghiên cứu tài liệu này được thuận lợi, người đọc cần có kiến thức của các môn học Lý thuyết mạch và Cấu kiện điện tử. Cuốn sách này được chia thành 7 chương. Chương 1: Mạch khuếch đại transistor. Đề cập các cách mắc mạch khuếch đại cơ bản, vấn đề hồi tiếp trong mạch khuếch đại, cách ghép giữa các tầng trong một bộ khuếch đại, các mạch khuếch đại công suất và một số mạch khuếch đại khác: như khuếch đại Cascade, khuếch đại Darlingtơn, mạch khuếch đại dải rộng, mạch khuếch đại cộng hưởng. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT). Các đặc điểm và tính chất của bộ khuếch đại thuật toán, các biện pháp chống trôi và bù điểm không của khuếch đại thuật toán, cũng như các ứng dụng của nó: mạch khuếch đại, mạch cộng, mạch trừ, mạch vi phân, mạch tích phân, mạch tạo hàm lôga, hàm mũ, mạch nhân tương tự, mạch lọc tích cực. Chương 3: Mạch tạo dao động sin: Nguyên lý tạo dao động sin. Phân tích mạch tạo dao động sin ghép biến áp, dao động sin ghép RC, mạch dao động sin ba điểm. Mạch tạo dao động sin ổn định tần số dùng phần tử áp điện thạch anh. Mạch tạo sin kiểu xấp xỉ tuyến tính. Chương 4: Mạch xung: Nêu các tham số của tín hiệu xung, tranzito và BKĐTT làm việc ở chế độ xung, các mạch tạo xung: gồm mạch đa hài tự dao động, đa hài đợi, trigger, dao động nghẹt, mạch hạn chế, mạch tạo điện áp răng cưa, mạch tạo dao động điều khiển bằng điện áp (VCO). Chương 5: Điều chế - Tách sóng – Trộn tần: Điều biên, các mạch điều biên, điều chế đơn biên. Điều tần và điều pha, mạch điều tần điều pha. Tách sóng: các mạch tách sóng điều biên, điều tần, điều pha. Trộn tần, mạch trộn tần. Nhân chia tần số dùng vòng giữ pha (PLL). Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A. Giải thích quá trình biến đổi A/D và các mạch thực hiện. Giải thích quá trình biến đổi D/A và các mạch thực hiện. Nêu tóm tắt quá trình chuyển đổi A/D, D/A phi tuyến. Chương 7: Mạch cung cấpPTIT nguồn. Phân tích mạch cung cấp nguồn một chiều: biến áp, chỉnh lưu, lọc và ổn áp. Phương pháp bảo vệ quá dòng, quá áp của bộ nguồn. Nguyên lý bộ nguồn chuyển mạch. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng cuốn sách chắc chắn còn thiếu sót, rất mong bạn đọc đóng góp ý kiến để sửa chữa, bổ sung thêm. Xin chân thành cảm ơn! Các tác giả 2
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 2 MỤC LỤC 3 CHƯƠNG 1 MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANSISTOR 7 1.1. Định nghĩa, các chỉ tiêu và tham số cơ bản của mạch khuếch đại 7 1.1.1. Định nghĩa mạch khuếch đại 7 1.1.2. Các chỉ tiêu và tham số cơ bản của một tầng khuếch đại 8 1.2. Phân cực và chế độ làm việc một chiều của transistor trường và transistor lưỡng cực 10 1.2.1. Nguyên tắc chung phân cực transistor lưỡng cực 10 1.2.2. Mạch cung cấp điện áp phân cực cho transistor lưỡng cực 11 1.2.3. Hiện tượng trôi điểm làm việc và các phương pháp ổn định 122 1.2.4. Phân cực và chế độ làm việc một chiều của transistor trường 13 1.3. Hồi tiếp trong các tầng khuếch đại 15 1.3.1. Định nghĩa 15 1.3.2. Các phương trình của mạng 4 cực khuếch đại có hồi tiếp 16 1.3.3. Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến các tham số tầng khuếch đại 17 1.4. Các sơ đồ khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng transistor lưỡng cực (BJT) 19 1.4.1. Giới thiệu 19 1.4.2. Tầng khuếch đại Emitơ chung 19 1.4.3. Tầng khuếch đại Colectơ chung 210 1.4.4. Sơ đồ Bazơ chung 222 1.5. Các sơ đồ cơ bản dùng transistor trường (FET) 233 1.5.1. Sơ đồ Source chung 233 1.5.2. Sơ đồ Drain chung 244 1.6. Một số mạch khuếch đại khác 255 1.6.1. Mạch khuếch đại DPTITarlingtơn 255 1.6.2. Mạch Kaskode 266 1.6.3. Mạch khuếch đại dải rộng 2727 1.6.4. Mạch khuếch đại cộng hưởng 2727 1.6.5. Tầng khuếch đại đảo pha 27 1.6.6. Mạch khuếch đại vi sai 29 1.7. Các phương pháp ghép tầng trong bộ khuếch đại 30 1.7.1. Ghép tầng bằng tụ điện 311 1.7.2. Ghép bằng biến áp 312 1.7.3. Mạch ghép trực tiếp 322 1.8. Tầng khuếch đại công suất 322 3
1.8.1. Chế độ công tác và điểm làm việc của tầng khuếch đại công suất 322 1.8.2. Tầng khuếch đại công suất chế độ A 344 1.8.3. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo 3737 CHƯƠNG 2 BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 455 2.1. Tính chất và tham số cơ bản 455 2.1.1. Các tính chất cơ bản 455 2.1.2. Hệ số khuếch đại hiệu 455 2.1.3. Đặc tuyến biên độ tần số và đặc tuyến pha 466 2.1.4. Hệ số nén đồng pha 466 2.2. Các mạch khuếch đại 4747 2.2.1. Mạch khuếch đại đảo 47 2.2.2. Mạch khuếch đại không đảo 48 2.2.3. Hiện tượng lệch không và biện pháp bù 49 2.3. Các mạch điện ứng dụng bộ KĐTT 49 2.3.1. Mạch cộng 49 2.3.2. Mạch trừ 50 2.3.3. Mạch tích phân 511 2.3.4. Mạch vi phân 511 2.3.5. Mạch tạo hàm loga 511 2.3.6. Mạch tạo hàm đối loga 522 2.3.7. Mạch nhân 522 2.3.8. Mạch chia 533 2.3.9. Mạch so sánh 544 CHƯƠNG 3 MẠCH TẠO DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA 56 3.1. Khái niệm chung về dao động 56 3.2. Điều kiện tạo dao động và đặc điểm của mạch tạo dao động. 56 3.3. Ổn định biên độ và tầnPTIT số dao động 57 3.4. Mạch dao động LC 58 3.4.1. Mạch dao động ghép biến áp 58 3.4.2. Mạch tạo dao động ba điểm 58 3.5. Mạch dao động RC 60 3.5.1. Mạch dao động dùng 3 mắt RC trong khâu hồi tiếp 60 3.5.2. Mạch dao động dùng mạch cầu Viên trong khâu hồi tiếp 61 3.6. Mạch dao động dùng thạch anh 63 3.6.1. Các tính chất của thạch anh 63 3.6.2. Một số mạch dao động dùng thạch anh 64 3.7. Mạch tạo sóng sin kiểu xấp xỉ tuyến tính 65 4
CHƯƠNG 4 MẠCH XUNG 67 4.1. Tín hiệu xung và các tham số 67 4.2. Chế độ khóa của transistor 67 4.3. Chế độ khóa của bộ KĐTT 68 4.4 . Trigơ 69 4.4.1. Trigơ đảo 69 4.4.2. Trigơ thuận 70 4.5. Mạch đa hài đợi 70 4.6. Mạch đa hài tự dao động 72 4.6.1. Mạch đa hài tự dao động dùng transistor 72 4.6.2. Mạch đa hài tự dao động dùng bộ khuếch đại thuật toán 74 4.7. Mạch hạn chế biên độ 76 4.7.1. Mạch hạn chế trên 76 4.7.2. Mạch hạn chế dưới 77 4.7.3. Mạch hạn chế hai phía 78 4.8. Mạch tạo xung răng cưa 79 4.8.1 Tham số tín hiệu xung răng cưa 79 4.8.2. Mạch tạo xung răng cưa dùng mạch tích phân RC 79 4.8.3. Mạch tạo xung răng cưa dùng nguồn dòng 80 4.8.4. Mạch tạo xung răng cưa thêm tầng khuếch đại có hồi tiếp 81 4.9. Mạch tạo dao động có tần số điều khiển bằng điện áp (VCO) 82 CHƯƠNG 5 ĐIỀU CHẾ - TÁCH SÓNG - TRỘN TẦN 84 5.1. Điều chế 84 5.1.1. Khái niệm 84 5.1.2. Điều chế biên độ 84 5.1.3. Điều chế đơn biên 89 5.1.4. Điều tần và điều phaPTIT 93 5.2. Tách sóng 98 5.2.1. Khái niệm 98 5.2.2. Tách sóng điều biên. 98 5.2.3. Tách sóng điều tần và điều pha 101 5.3. Trộn tần 104 5.3.1. Định nghĩa 104 5.3.2. Nguyên lý trộn tần 104 5.3.3. Mạch trộn tần 105 5.4. Mạch nhân chia tần số 108 CHƯƠNG 6 CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ VÀ SỐ - TƯƠNG TỰ 111 5
6.1. Khái niệm và các tham số cơ bản 111 6.1.1. Khái niệm chung 111 6.1.2. Các tham số cơ bản 11212 6.1.3. Nguyên tắc làm việc của A/D 113 6.2. Các phương pháp chuyển đổi tương tự số 115 6.2.1. Phân loại 115 6.2.2. Một số mạch chuyển đổi tương tự - số 115 6.3. Các phương pháp chuyển đổi số tương tự 12424 6.3.1. Chuyển đổi D/A bằng phương pháp thang điện trở 124 6.3.2 Chuyển đổi D/A bằng phương pháp mạng điện trở 125 CHƯƠNG 7 MẠCH CUNG CẤP NGUỒN MỘT CHIỀU 12727 7.1. Khái niệm chung 12727 7.2. Biến áp nguồn và mạch chỉnh lưu 12727 7.2.1. Chỉnh lưu nửa chu kỳ 12828 7.2.2. Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ 12828 7.3. Bộ lọc nguồn 13030 7.3.1. Bộ lọc dùng tụ điện 13131 7.3.2. Bộ lọc RC, LC 13131 7.4. Mạch ổn áp 13232 7.4.1. Ổn áp dùng điốt Zener 13232 7.4.2. Ổn áp dùng transistor 13333 7.4.3. Ổn áp dùng IC 13737 7.5. Nguồn ổn áp chuyển mạch 13838 7.5.1 Khái niệm về nguồn chuyển mạch 13838 7.5.2. Sơ đồ khối của bộ nguồn chuyển mạch 14040 7.5.3 Các khối trong bộ nguồn chuyển mạch 14141 TÀI LIỆU THAM KHẢO PTIT 14545 6
CHƯƠNG 1 MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANSISTOR 1.1. Định nghĩa, các chỉ tiêu và tham số cơ bản của mạch khuếch đại 1.1.1. Định nghĩa mạch khuếch đại Một trong số những ứng dụng quan trọng nhất của transistor là sử dụng nó trong các mạch để làm tăng cường độ điện áp hay dòng điện của tín hiệu mà thường gọi là mạch khuếch đại. Thực chất khuếch đại là một quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở đó năng lượng một chiều của nguồn cung cấp (không chứa thông tin), được biến đổi thành năng lượng xoay chiều theo tín hiệu điều khiển đầu vào (chứa đựng thông tin), làm cho tín hiệu ra lớn lên nhiều lần và không méo. Phần tử điều khiển đó là transistor. Sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại hình 1-1, trong đó Un là nguồn tín hiệu vào, Rn là điện trở trong của nguồn tín hiệu, Rt tải nơi nhận tín hiệu ra. I v Ir Rn Mạch khuếch Uv U Rt ~ đại r Un Nguồn cung cấp (UCC) Hình 1-1. Sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại. Hình 1-2 đưa ra cấu trúc nguyên lý để xây dựng một tầng khuếch đại. Phần tử cơ bản là phần tử điều khiển transistor có điện trở thay đổi theo sự điều khiển của điện áp hay dòng điện đặt tới cực điều khiển (cực gốc) của nó, qua đó điều khiển quy luật biến đổi dòng điện của mạch ra bao gồm transistor và điện trở RC. Tại lối ra giữa cực góp và cực phát, ta nhận được một điện áp biến thiên cùng quy luật với tín hiệu vào nhưng độ lớn được tăng lên nhiều lần. Để đơn giản, giả thiết điệnPTIT áp đặt vào cực gốc có dạng hình sin. Từ sơ đồ hình 1-2 ta thấy rằng dòng điện và điện áp ở mạch ra (tỷ lệ với dòng điện và điện áp tín hiệu vào) là tổng các thành phần xoay chiều (dòng điện và điện áp) trên nền của thành phần một chiều Ir0 và Ur0. Phải đảm bảo sao cho biên độ thành phần xoay chiều không ^ ^ vượt quá thành phần một chiều, nghĩa là IIr 0 r và UUr 0 r . Nếu điều kiện đó không được thoả mãn thì sẽ làm méo dạng tín hiệu ra. Như vậy để đảm bảo công tác cho tầng khuếch đại (khi tín hiệu vào là xoay chiều) thì ở mạch ra của nó phải tạo nên thành phần dòng một chiều Ir0 và điện áp một chiều Ur0. Chính vì vậy, ở mạch vào của tầng, ngoài nguồn tín hiệu cần khuếch đại, người ta cũng phải đặt thêm điện áp một chiều Uv0 (hay dòng điện một chiều Iv0). Các thành phần dòng điện và điện áp một chiều đó xác định chế độ làm việc tĩnh của tầng khuếch đại. Tham số của chế độ tĩnh theo 7
mạch vào (Iv0, Uv0) và theo mạch ra (Ir0, Ur0) đặc trưng cho trạng thái ban đầu của sơ đồ khi chưa có tín hiệu vào. +UCC Ir Ur ˆ Uv Ir i RC t t Ir0 C 0 B t P Ur ĐK Rt U r E Uv ˆ Ur Ur0 0 t a. b. Hình 1-2. a. Nguyên lý xây dựng một tầng khuếch đại. b. Biểu đồ thời gian. 1.1.2. Các chỉ tiêu và tham số cơ bản của một tầng khuếch đại Để đánh giá chất lượng của một tầng khuếch đại người ta đưa ra các chỉ tiêu và tham số cơ bản sau: 1.1.2.1. Hệ số khuếch đại. Đại lượng đầu ra K = Đại lượng tương ứng đầu vào (1-1) Nói chung vì tầng khuếchPTIT đại có chứa các phần tử điện kháng nên K là một số phức. K = K exp(j. k) Mô đun |K| thể hiện quan hệ về cường độ (biên độ) giữa các đại lượng đầu ra và đầu vào, phần góc k thể hiện độ dịch pha giữa chúng. Độ lớn của |K| và k phụ thuộc vào tần số  của tín hiệu vào. Đồ thị hàm số |K| = f() được gọi là đặc tuyến biên độ - tần số của tầng khuếch đại. Đồ thị hàm số k = f() được gọi là đặc tuyến pha - tần số của nó. Có thể tính |K| theo đơn vị logarit, gọi là đơn vị đề xi ben (dB) K (dB) 20lg K Khi ghép liên tiếp n tầng khuếch đại với các hệ số khuếch đại tương ứng là K1, K2, Kn thì hệ số khuếch đại chung của bộ khuếch đại xác định: KTP = K1.K2 Kn. 8
Nếu tính theo đơn vị dB ta có: KTP(dB) = K1(dB) + K2(dB) + + Kn(dB) Hình 1-3 là dạng của K = f() đối với một bộ khuếch đại điện áp tần số thấp. |K| K0 0 f (Hz) Hình 1-3. Đặc tuyến biên độ - tần số. 1.1.2.2. Trở kháng lối vào và lối ra Trở kháng vào, ra của tầng khuếch đại được định nghĩa: UV U r ZV ; Zr (1-2) IV Ir Nói chung chúng là các đại lượng phức nên ta có thể viết: Z = R + jX. 1.1.2.3. Méo tần số Méo tần số là méo do hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại bị giảm ở vùng hai đầu giải tần. ở vùng tần số thấp có méo thấp Mt, ở vùng tần số cao có méo tần số cao MC. Chúng được xác định theo biểu thức: K K M 0 ; M 0 (1-3) t K C K t PTITC Trong đó: K0 là hệ số khuếch đại ở vùng tần số trung bình. KC là hệ số khuếch đại ở vùng tần số cao. Kt là hệ số khuếch đại ở vùng tần số thấp. Méo tần số cũng có thể được tính theo đơn vị đề xi ben. 1.1.2.4. Méo phi tuyến Méo phi tuyến do tính chất phi tuyến của các phần tử như transistor gây ra thể hiện trong tín hiệu đầu ra xuất hiện thành phần tần số mới (không có ở đầu vào). Khi Uv chỉ có thành phần tần số  thì Ur nói chung có các thành phần n (với n = 0,1,2 ) với các biên độ tương ứng là Ûn. Lúc đó hệ số méo không đường thẳng do tầng khuếch đại gây ra được đánh giá là: 9
 2 2 2 UUU2 3 n  % (1-4)  U 1 1.1.2.5. Hiệu suất của tầng khuếch đại Hiệu suất của một tầng khuếch đại là đại lượng được tính bằng tỷ số giữa công suất tín hiệu xoay chiều đưa ra tải Pr với công suất một chiều của nguồn cung cấp P0. P H r % (1-5) P0 Trên đây đã nêu một số chỉ tiêu quan trọng của một tầng (hay một bộ khuếch đại gồm nhiều tầng). Căn cứ vào các chỉ tiêu này người ta có thể phân loại các bộ khuếch đại với các tên gọi với đặc điểm khác nhau. Có thể phân loại theo dạng đặc tuyến tần số K = f(), từ đó có bộ khuếch đại một chiều, bộ khuếch đại tần số thấp, bộ khuếch đại tần số cao, bộ khuếch đại chọn lọc tần số v.v. 1.2. Phân cực và chế độ làm việc một chiều của transistor trường và transistor lưỡng cực 1.2.1. Nguyên tắc chung phân cực transistor lưỡng cực Để transistor làm việc như là một phần tử tích cực thì các tham số của nó phải thoả mãn điều kiện thích hợp. Những tham số này của transistor phụ thuộc rất nhiều vào điện áp phân cực các chuyển tiếp góp, phát. Nói một cách khác giá trị các tham số phụ thuộc vào điểm làm việc của transistor. Một cách tổng quát, dù transistor được mắc theo kiểu nào, muốn nó làm việc ở chế độ khuếch đại cần có các điều kiện sau: chuyển tiếp gốc-phát luôn phân cực thuận, chuyển tiếp gốc - góp luôn phân cực ngược. Đối với transistor n-p-n điều kiện phân cực để nó làm việc ở chế độ khuếch đại là: UBE = UB - UE > 0 UCE = UC - UE > 0 UE 0 U 0 UBE <0 a. b. Hình 1-4. a. Biểu diễn điện áp và dòng điện phân cực transistor n-p-n. b. Transistor p-n-p. 10
Trong đó UE, UB, UC là điện thế các cực phát, gốc, góp của transistor như trên hình 1- 4. Với transistor p-n-p thì điều kiện phân cực có dấu ngược lại. 1.2.2. Mạch cung cấp điện áp phân cực cho transistor lưỡng cực 1.2.2.1. Mạch cấp điện áp phân cực Có hai cách phân áp cho transistor là phương pháp định dòng Bazơ và định áp Bazơ, hình 1-5. +Ucc +Ucc Rc I Rc RB Cr P R1 Cr + + Cv Cv IB0 + Ur + Ur Uv Uv R2 a. Định dòng Bazơ b. Định áp Bazơ Hình 1-5. Phương pháp cấp thiên áp cho transistor lưỡng cực Mạch điện hình 1-5a cấp điện áp cho cực gốc theo phương pháp định dòng. Điện áp UBE0 được lấy từ nguồn UCC dẫn qua điện trở RB vào cực gốc. Điện trở RB có trị số lớn hơn nhiều so với điện trở một chiều của mặt ghép gốc-phát, do đó dòng định thiên IB0 được xác định gần đúng. UUUCC BE0 CC IB0 RRBB Dòng điện một chiều ở đầuPTIT ra (dòng cực góp) IC0 và điện áp một chiều ở đầu ra UCE0: IC0 = .IB0; UCE0 = UCC - IC0.RC Mạch này đơn giản nhưng độ ổn định điểm làm việc kém. Mạch điện hình 1-5b cung cấp điện áp cho cực gốc theo phương pháp định áp nhờ bộ phân áp R1, R2. Thường chọn IP >> IB0, nên điện áp tại điểm làm việc của cực gốc được xác định theo biểu thức: UCC UBE0 .R= 2 U- CC I.R p 1 R1 +R 2 Trong đó IP là dòng phân áp chạy qua điện trở R1, R2. 11
Ta thấy rằng UBE0 không phụ thuộc vào các tham số của transistor và nhiệt độ nên ổn định. Rõ ràng dòng IP càng lớn UBE0 càng ổn định, nhưng khi đó R1, R2 phải có giá trị nhỏ sẽ làm giảm trở kháng vào của mạch. 1.2.2.2. Điểm làm việc tĩnh của transistor lưỡng cực Các tham số UBE0, UCE0, IB0, IC0 thể hiện chế độ một chiều của transistor lưỡng cực, nếu biểu diễn chúng trên đường tải một chiều của transistor thì còn được gọi là điểm làm việc một chiều hay điểm làm việc tĩnh ( Điểm Q trên đường tải một chiều). IC U +12V CC IBmax +UCC RRCE R1 Rc + Cv Q IB0 IC0 Cr + Ur Uv R2 RE + IBmin CE UCC UCE UCE0 Hình 1-6. Hình 1-7. Điểm làm việc tĩnh của transistor. Từ hình 1-6 ta xác định được: UUIRIRCC CE C. C E E vì IIEC nên ta có thể viết: UUIRRCE CC C() C E (1-6) Biểu thức (1-6) là phương trình đường tải một chiều, nó được vẽ trên hình 1-7. Trên đường tải điểm làm việc Q đưPTITợc xác định bằng các giá trị một chều IC0, UCE0. 1.2.3. Hiện tượng trôi điểm làm việc và các phương pháp ổn định Trong quá tình làm việc của transistor điểm làm +UCC +12V việc tĩnh có thể bị dịch chuyển do nhiệt hay tạp tán của nó. Để giữ điểm làm việc của transistor ổn định người Rc ta dùng các phương pháp ổn định điểm làm việc. RB Cr + Có hai phương pháp ổn định điểm làm việc là Cv ổn định tuyến tính và ổn định phi tuyến: + Ur Ổn định tuyến tính: dùng hồi tiếp âm một chiều, làm thay đổi thiên áp mạch vào của transistor Uv để hạn chế sự di chuyển của điểm làm việc. Hình 1-8. 12
Hình 1-8 là sơ đồ ổn định điểm làm việc bằng hồi tiếp âm điện áp. Ở đây RB vừa làm nhiệm vụ đưa điện áp vào cực gốc bằng phương pháp định dòng Bazơ, vừa dẫn điện áp hồi tiếp về mạch vào. Nếu có một nguyên nhân mất ổn định nào đó làm cho dòng một chiều IC0 tăng lên thì điện thế UCE0 giảm (do UCE0 UCC – IC0.RC) làm UBE0 giảm, kéo theo dòng IB0 giảm làm cho IC0 giảm (vì IC0 = . I B0 ), nghĩa là dòng IC0 ban đầu được giữ ổn định tương đối. Hình 1-9 là sơ đồ ổn định điểm làm việc bằng hồi +12V+UCC tiếp âm dòng điện. Trong sơ đồ này RE làm nhiệm vụ hồi tiếp âm dòng điện một chiều. Khi IC0 tăng do Rc nhiệt độ thay đổi hay do độ tạp tán tham số của R1 + transistor thì điện áp hạ trên RE(UE0 = IE0.RE) tăng. Vì Cv điện áp UR2 lấy trên điện trở R2 hầu như không đổi Cr + Ur nên điện áp UBE0 = UR2 - UE0 giảm, làm cho IB0 giảm, do đó IC0 không tăng lên được, tức là IC0 được giữ ổn Uv R2 RE định tương đối. Ổn định phi tuyến: dùng phương pháp bù nhiệt nhờ các phần tử có tham số phụ thuộc vào nhiệt độ như transistor, điốt, điện trở nhiệt. Hình 1-9. 1.2.4. Phân cực và chế độ làm việc một chiều của tranzito trường Về nguyên tắc, việc cung cấp và ổn định điểm làm việc của transistor trường cũng giống như transistor lưỡng cực. Đối với transistor trường xác định điểm làm việc thông qua ID, UGS, và UDS. Transistor hiệu ứng trường(FET) có hai loại chính là FET điều khiển bằng tiếp xúc p-n (viết tắt là JFET) và FET có cực cửa cách điện (viết tắt là IGFET). Sau đây chúng ta xét phân cực và chế độ làm việc của JFET kênh n. Để JFET làm việc trong miền khuếch đại phải có các điều kiện sau: + 0 UGS với kênh p PTIT +UD RD Cr Cv Ur Uv Q1 + RG Rs Cs Hình 1-10. Sơ đồ cung cấp và ổn định điểm làm việc cho JFET 13
Để phân cực cho JFET người ta thường dùng phương pháp tự phân cực ( hình 1-10 ). Ở đây RS được mắc vào cực nguồn vừa tạo thiên áp âm cho UGS vừa có tác dụng hồi tiếp âm dòng điện để ổn định điểm làm việc. ID ID IDSS U D RRDS ID0 ID0 Q UP UD UGS0 0 UGS 0 UDS U DS 0 a. b. Hình 1-11. Đặc tuyến truyền đạt (a) và điểm làm việc tĩnh (b) của JFET kênh n Phương trình hàm truyền đạt của JFET kênh n được vẽ trên hình 1-11a. Biểu thức phương trình đặc tuyến truyền đạt trên hình 1-11a là: UGS 2 IID DSS (1 ) (1-7) U P Vì dòng qua RG gần như bằng không nên ta có: UGS = - ID.RS (1-8) Giải hệ hai phương trìnhPTIT (1-7) và (1-8) ta sẽ nhận được ID0 và UGS0 là các giá trị một chiều, tương ứng với điểm làm việc Q trên hình 1-11b. Từ mạch điện hình 1-10, ta có phương trình đường tải một chiều: UDS = UD – ID(RS + RD) (1-9) Mạch ổn định điểm làm việc dùng hồi tiếp âm thông qua RS. Nếu muốn bỏ hồi tiếp âm xoay chiều ta mắc thêm CS như trên mạch điện. Ưu điểm lớn nhất của transistor trường là trở kháng vào rất lớn, nên để RG ít ảnh hưởng tới trở kháng vào của mạch người ta chọn RG rất lớn (cỡ M). 14
1.3. Hồi tiếp trong các tầng khuếch đại 1.3.1. Định nghĩa Hồi tiếp là ghép một phần tín hiệu ra (điện áp hoặc dòng điện) của bộ khuếch đại về đầu vào thông qua mạch hồi tiếp. Phân loại hồi tiếp: Xv Xr Hồi tiếp dương: tín hiệu hồi tiếp cùng pha với K tín vào, hồi tiếp dương sẽ làm bộ khuếch đại mất ổn định, do đó nó không được sử dụng trong mạch Xht K khuếch đại, hồi tiếp dương được sử dụng trong ht mạch tạo dao động. Hồi tiếp âm: tín hiệu hồi tiếp ngược pha với Hình 1-12. Sơ đồ khối bộ khuếch đại tín hiệu vào, hồi tiếp âm đóng vai trò rất quan có hồi tiếp. trọng trong mạch khuếch đại. Hồi tiếp âm cải trong đó K là hệ số khuếch đại, thiện các tính chất của mạch khuếch đại. Kht là hệ số hồi tiếp. Trong hồi tiếp âm có hồi tiếp âm một chiều và hồi tiếp âm xoay chiều. Hồi tiếp âm một chiều được dùng để ổn định điểm làm việc tĩnh. Hồi tiếp âm xoay chiều được dùng để ổn định các tham số của bộ khuếch đại. Mạch điện bộ khuếch đại có hồi tiếp được phân làm 4 loại: Hồi tiếp nối tiếp điện áp: Tín hiệu đưa về đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu vào và tỷ lệ với điện áp đầu ra, hình 1-13a. Hồi tiếp nối tiếp dòng điện: Tín hiệu đưa về đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu vào và tỷ lệ với dòng điện ra, hình 1-13b . Hồi tiếp song song điện áp: Tín hiệu đưa về đầu vào song song với nguồn tín hiệu vào và tỷ lệ với điện áp đầu ra, hình 1-13c. Hồi tiếp song song dòng điện: Tín hiệu đưa về đầu vào song song với nguồn tín hiệu vào và tỷ lệ với dòng điện ra, hìnhPTIT 1-13d. ’ IvK IvK I I rK rK’ UVK K UrK a. Hồi tiếp nối tiếp điện áp UvK’ UrK’ Irht Ivht Urht Kht Uvht 15
’ IvK IvK IrK IrK’ U U vK K rK U b. Hồi tiếp nối tiếp dòng điện vK’ UrK’ Irht Ivht Urht K ht Uvht ’ IvK IvK IrK IrK’ UvK K UrK c. Hồi tiếp song song điện áp U vK’ UrK’ Irht Ivht Urht Kht Uvht ’ IvK IvK IrK IrK’ UvK K UrK d. Hồi tiếp song song dòng điện UvK’ UrK’ Irht Ivht Urht Kht Uvht Hình 1-13. Các loại mạch hồi tiếp. 1.3.2. Các phương trình của mạng 4 cực khuếch K’ đại có hồi tiếp X Xv X r h K Từ sơ đồ hình 1-14 ta có:PTIT Xr = K.Xh; Xht = Kht.Xr; Xh = Xv – Xht. Xht K Từ 3 phương trình trên ta rút ra được: ht X K K ' r (1-10) XKK1 . V ht Hình 1-14. Sơ đồ khối bộ khuếch Trong đó: đại có hồi tiếp. K’ là hệ số khuếch đại của mạng 4 cực khuếch đại có hồi tiếp âm. K là hệ số khuếch đại của mạng 4 cực không có hồi tiếp. Kht là hệ số hồi tiếp. Kv = K.Kht gọi là hệ số khuếch đại vòng. 16
g = 1 + K.Kht gọi là độ sâu hồi tiếp. Khi K.Kht >> 1 từ (1-10) ta có: 1 K ' (1-11) Kht Từ biểu thức (1-11) ta có nhận xét: một bộ khuếch đại có hồi tiếp có hệ số khuếch đại vòng rất lớn thì hàm truyền đạt của nó hầu như không phụ thuộc vào tính chất của bộ khuếch đại mà chỉ phụ thuộc vào tính chất của mạch hồi tiếp. Tức là các tham số của bộ khuếch đại không ảnh hưởng đến hàm truyền đạt của bộ khuếch đại có hồi tiếp mà chỉ phụ thuộc vào các tham số của mạch hồi tiếp. 1.3.3. Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến các tham số tầng khuếch đại 1.3.3.1. Hồi tiếp âm làm giảm hệ số khuếch đại Hồi tiếp âm làm hệ số khuếch đại của tầng khuếch đại có hồi tiếp giảm g lần KK K ' 1 K . Kht g g = 1 + K.Kht là độ sâu hồi tiếp. Tuy vậy hồi tiếp âm lại cải thiện các tính chất của mạch khuếch đại như giảm tạp âm, giảm méo phi tuyến, giảm méo tần số, làm ổn định hệ số khuếch đại 1.3.3.2. Hồi tiếp âm làm ổn định hệ số khuếch đại Khi cần dùng các bộ khuếch đại có độ ổn định cao, không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ tạp tán của transistor, điện áp nguồn và thời gian sử dụng thì phải sử dụng hồi tiếp âm. Từ biểu thức (1-10) ta có: 2 ' 1 K d() K 2 dK 2 dKht (1 KKKK .ht ) (1 . ht ) KK' 1 KKK. ht ht (1-12) KKKKKKK' (1 . ) (1 . ) PTITht ht ht Từ biểu thức (1-12) ta có nhận xét: Sai số tương đối hệ số khuếch đại có hồi tiếp âm nhỏ hơn (1 + K.Kht) lần so với khi không có hồi tiếp. Như vậy khi có hồi tiếp âm hệ số khuếch đại sẽ ổn định hơn khi không có hồi tiếp. Khi bộ khuếch đại có nhiều tầng, có thể thực hiện hồi tiếp từng tầng (hình 1-15a) hoặc hồi tiếp qua nhiều tầng (hình 1-15b). Hồi tiếp qua nhiều tầng cho hệ số khuếch đại ổn định hơn hồi tiếp từng tầng. 17
XV Xr K1 Kn Kht1 Khtn a. Hồi tiếp từng tầng. X XV r K K 1 2 Kn Kht b. Hồi tiếp qua nhiều tầng. Hình 1-15. Bộ khuếch đại có hồi tiếp. 1.3.3.3. Hồi tiếp âm làm thay đổi trở kháng vào, trở kháng ra của bộ khuếch đại Hồi tiếp âm làm thay đổi trở kháng vào của phần mạch nằm trong vòng hồi tiếp. Sự thay đổi này phụ thuộc vào cách mắc hồi tiếp về đầu vào (nối tiếp hay song song) mà không phụ thuộc vào cách lấy tín hiệu hồi tiếp ở đầu ra đưa vào mạch hồi tiếp. Tương tự hồi tiếp âm cũng làm thay đổi trở kháng ra của phần mạch nằm trong vòng hồi tiếp. Sự thay đổi này không phụ thuộc vào cách mắc hồi tiếp về đầu vào (nối tiếp hay song song) mà phụ thuộc vào cách lấy tín hiệu hồi tiếp ở đầu ra đưa vào mạch hồi tiếp (hồi tiếp điện áp hay dòng điện). - Hồi tiếp âm nối tiếp làm tăng trở kháng vào của tầng khuếch đại có hồi tiếp g lần. - Hồi tiếp âm song song làm giảm trở kháng vào của tầng khuếch đại có hồi tiếp g lần. - Hồi tiếp âm dòng điện làm tăng trở kháng ra của tầng khuếch đại có hồi tiếp g lần. - Hồi tiếp âm điện áp làm giảm trở kháng ra của tầng khuếch đại có hồi tiếp g lần. 1.3.3.4. Hồi tiếp âm làm tăng độ rộngPTIT dải thông Trên hình 1-16 đường nét liền là đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại không có hồi tiếp âm, nét đứt là đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại có hồi tiếp âm. Ta có thể nhận thấy khi có hồi tiếp âm hệ số khuếch đại của toàn tầng giảm nhưng giải thông của nó được tăng lên ( f’ > f). Ngoài ra hồi tiếp âm còn có tác dụng quan trọng trong khuếch đại như: Giảm tạp âm, giảm méo phi tuyến. 18
K K / 2 K ' / 2 K’ K f 0 f f ’ Hình 1-16. Đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại 1.4. Các sơ đồ khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng transistor lưỡng cực 1.4.1. Giới thiệu Có nhiều phương pháp để phân tích các sơ đồ của một tầng khuếch đại, nhưng với tín hiệu nhỏ người ta thường hay dùng sơ đồ tương đương để phân tích. Các tham số cơ bản cần khảo sát của một tầng khuếch đại là: Trở kháng vào, trở kháng ra, hệ số khuếch đại dòng Ki, hệ số khuếch đại áp KU và hệ số khuếch đại công suất KP. Sau đây chúng ta sẽ phân tích tầng khuếch đại dùng transistor lưỡng cực theo ba cách mắc mạch: Emitơ chung, Colectơ chung, và Bazơ chung. Giả thiết tín hiệu vào là hình sin ở miền tần số trung bình vì vậy trở kháng của tụ điện coi như bằng không, còn ảnh hưởng điện dung ký sinh của sơ đồ và transistor, cũng như sự phụ thuộc về hệ số khuếch đại dòng ,  của transistor vào tần số coi nhPTITư không đáng kể. 1.4.2. Tầng khuếch đại Emito chung Hình 1-17 là tầng khuếch đại Emitơ chung, hình 1-18 là sơ đồ tương đương xoay chiều tín hiệu nhỏ. Hệ số khuếch đại điện áp: U R IB.( r CE // R C //) R t  .( r CE // R C //) R t KU UV I B. r be r be I  S C là hỗ dẫn của transistor. UBE r be KU S.( r CE / / R C / / R t ) 19
Dấu trừ cho thấy tín hiệu vào và tín hiệu ra ngược pha nhau. Vì rCE >> RC, Rt nên: KSRRU (//) C t (1-13) UUTT Ở đây rbe r b  r e   IIEC0 0 0 Trong đó: UT là điện áp nhiệt, UT = 26mV ở 25 C. Thay (1-13) vào ta có:  IRRC0 (//) C t KSRRRRU (//)(//) C t C t rbe U T +Ucc R1 Rc Cr IV IB + Cv + U R I r Rc UR Uv R1//R2 rbe B RCECE Rt R2 Rt UUvV RE + CE Hình 1-17. Sơ đồ Emitơ chung Hình 1-18. Sơ đồ tương đương Emitơ chung Trở kháng vào: ZV R1//// R 2 r be (1-14) Hệ số khuếch đại dòng điện: IURIRRR/(//)/ K Rt r t B C t t i I U/./ Z I r Z V V V B be v (1-15) (R //) R Z  ( R //)(// R R R //) r PTITC t v C t1 2 be rbe R t r be R t Trở kháng ra: Zr r CE// R C R C (1-16) 20
1.4.3. Tầng khuếch đại Colectơ chung +Ucc IV IB R1 IB rBE RCErCE Cv Uv r + Cr R1//R2 + RE Rt Ur R2 Rt Ur Uv RE Hình 1-19. Sơ đồ Colectơ chung Hình 1-20. Sơ đồ tương đương Colectơ chung Hệ số khuếch đại điện áp: U ( 1)IRR ( / / ) K r B E t U U I. r ( 1) I ( R / / R ) V B be B E t (1-17) ( 1)(RR / / ) E t 1 rbe ( 1)( R E / / R t ) Trở kháng vào: ZV R1// R 2 // r be ( 1)( R E //) R t  (1-18) Hệ số khuếch đại dòng điện: I URZ/ KK r r t v iIUZR/ U V v v t (1-19) R// R // r ( 1)( R //) R  1 2 be E t R PTITt Trở kháng ra: Urhm Zr Irngm Urhm là điện áp ra khi hở mạch đầu ra. Irngm là dòng điện ra khi ngắn mạch đầu ra. ( 1).RE UKUUrhm Uhm V V rbe ( 1). R E UV IIIrngm B  B (  1) rbe 21
( 1).RR (  1). EE.U r ( 1). RV r (  1). R r ZR be E be E be // (1-20) rU ( 1) E V ( 1)  1 rbe rbe Vì rbe khá nhỏ nên trở kháng ra của mạch colectơ chung nhỏ cỡ vài  đến vài chục , đây là ưu điểm của mạch colectơ chung. 1.4.4. Sơ đồ Bazơ chung +Ucc Rc R1 IV rCE Cv + + Cr Ur rrBE Rc Uv RE Rt Uv RE be Rc Ur Ur Rt + IB IE CB R2 IB Hình 1-21. Sơ đồ Bazơ chung Hình 1-22. Sơ đồ tương đương Bazơ chung Hệ số khuếch đại điện áp: U  IRR(//) K r B C t U U I. r V B be (1-21)  (//)(//)RRSRRC t C t rbe Trở kháng vào của mạchPTIT: IIIIVBBE  0 UUVV ( 1)I B 0 ZRVE UUU VVV ( 1) 0 ZV r be R E 1 1 1 ZV r be R E r ZR be // (1-22) VE 1 Hệ số khuếch đại dòng: 22
U r I RZ KK r t . V iU U IRVV t ZV Thay KU và ZV vào ta có: r ()//be R   1 E KRRi ( C / / t ). (1-23) rbe R t Trở kháng ra: Zr = rCE//RC RC (1-24) Như vậy chúng ta thấy độ lớn hệ số khuếch đại điện áp của mạch Bazơ chung bằng độ lớn hệ số khuếch đại điện áp trong mạch Emitơ chung. Mạch Bazơ chung thường được sử dụng ở vùng tần số cao do điện dung Miller nhỏ. 1.5. Các sơ đồ khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng transistor trường (FET) 1.5.1. Sơ đồ Source chung UD IV RD Cr Ur gmUgs Cv Uv U UV ds r RG Rgs r RD Rt Rt + RG RS Cs Hình 1-23. Sơ đồ SourcePTIT chung Hình 1-24. Sơ đồ tương đương SC Trở kháng vào của mạch: ZV = RG//rgs RG (1-25) Thường chọn RG lớn để không làm ảnh hưởng tới trở kháng vào của mạch. Trở kháng ra: Zr = RD//rds (1-26) Hệ số khuếch đại điện áp: 23
g U(////) r R R U R m gs ds D t KU g m(////) r ds R D R t UUV gs Thường thì rds >> RD nên ta có: KU = -gm(RD//Rt) (1-27) 1.5.2. Sơ đồ Drain chung IV +UD gmUgs Cv Rgs rds Uv Q1 Cr RG Uv Ur RG Rs Rt Rs Rt Ur Hình 1-25. Sơ đồ Drain chung Hình 1-26. Sơ đồ tương đương DC Hệ số khuếch đại điện áp: UUr r K U UUUV gs r (1-28) g U(//) R R g(//) R R m. gs S t m S t 1 Ugs g m. U gs( R S / / R t ) 1 g m ( R S / / R t ) Trở kháng vào của mạch: ZV = RG. (1-29) Trở kháng ra: Urhm PTIT ZR Irngm Urhm là điện áp ra khi hở mạch đầu ra. Irngm là dòng điện ra khi ngắn mạch đầu ra. gm R S UKUUrhm U. V V 1 gm . R S Irngm g m U gs g m U V (Khi ngắn mạch Ugs = UV) RS 1 ZRr S // (1-30) 1 gm R S g m 24
1.6. Một số mạch khuếch đại khác 1.6.1. Mạch khuếch đại Darlingtơn Khi cần trở kháng vào tầng khuếch đại lớn để dòng vào nhỏ, hệ số khuếch đại lớn người ta dùng mạch khuếch đại theo Darlingtơn. Mạch bao gồm hai transistor T1 và T2 nối như hình 1-27. Theo hình 1-27a ta có: IIIIIIICCCBBBB 1 21122112 .  .  .  .(1  11 ). IIIIICBBBB 1 1  2 1  1  2 1  1  2 1 Trong đó 1,2 theo thứ tự là hệ số khuếch đại dòng của transistor T1, T2. Vậy hệ số khuếch đại dòng của sơ đồ Darlingtơn:  1.  2 (1-31) Theo hình 1-27a ta lại có: UBE I Bbe1. r 1 I Bbe 2 . r 2 I Bbe 1 . r 1 ( 1) I Bbe 1 r 2 U BE rV r be1 ( 1) r be 2 (1-32) IB1 C IC1 IC C B I C2 T2 T1 B T2 I T1 B1 I = I E1 B2 RE I E E PTITE a. Mạch Darlington chuẩn b. Mạch Darlington bù Hình 1-27. Mạch Darlingtơn. Như vậy ta nhận thấy rằng mạch Darlington chuẩn có hệ số khuếch đại dòng bằng tích hệ số khuếch đại dòng của hai transistor và trở kháng vào lớn hơn trở kháng vào của một transistor. Với mạch Darlington bù thì hệ số khuếch đai dòng lớn hơn transistor đơn nhưng trở kháng vào bằng trở kháng vào của T1. Cách mắc Darlington thường được dùng ở tầng công suất có yêu cầu công suất ra lớn. 25
1.6.2. Mạch Kaskode Mạch gồm hai transistor ghép với nhau, T1 mắc theo sơ đồ Emitơ chung còn T2 mắc theo sơ đồ Bazơ chung. Sơ đồ mạch Kaskode hình 1-28. Vì T1 mắc Emitơ chung và tải của nó là re2 nên ta có: UT U  r I K r1 1 . r e2 E 02 U1 e 2 U UV r be1 r e 1 T IE01 Vì IE01 IE02 nên ta có: KU1 1 +Ucc Rc R1 RB1 T2 R2 CB Ur2 T1 Ur1 Uv Hình 1-28. Mạch khuếch đại Tầng T2 mắc Bazơ chung nên hệ số khuếch đại điện áp của T2 là:  KR 2 . UC2 r PTITbe2 Như vậy ta có hệ số khuếch đại của mạch Kaskode: 2.RC KKK UU1.- 2 (1-33) rbe2 Ưu điểm cơ bản của mạch này là ngăn cách ảnh hưởng của mạch ra đến mạch vào của tầng khuếch đại, đặc biệt ở tần số cao. Mạch Kaskode có hệ số khuếch đại điện áp bằng với mạch Emito chung, nhưng nó khác mạch Emitơ chung ở chỗ do tầng T1 có KU = -1 và tầng T2 mắc Bazơ chung nên điện dung Miller nhỏ do vậy nó hạn chế hồi tiếp âm nhiều ở vùng tần số cao do đó mạch Kaskode sẽ mở rộng dải thông về phía tần số cao. 26
1.6.3. Mạch khuếch đại giải rộng Tín hiệu có giải tần rộng điển hình là tín hiệu video. Để khuếch đại được giải tần rộng như vậy mạch khuếch đại thường dùng thêm các phần tử hiệu chỉnh. Mạch điện của một tầng khuếch đại dải rộng hình 1-29. Ở mạch này L, R2, C là các phần tử hiệu chỉnh được chọn phù hợp sao cho ở khoảng tần 1 số trung bình của giải tần có tb.L 0; 0 nên tải của tầng là R1. tb.C Thường R1 chọn nhỏ hơn các tầng khuếch đại khác. +Ucc R2 Ở khoảng tần số cao C.L đủ lớn nên tải của tầng gồm R1 và C.L nên Ura tăng L lên. RB C 1 Cr Ở tần số thấp t .L 0; nên R1 t .C Cv tải của tầng là R1 và R2. Như vậy nhờ các phần tử hiệu chỉnh làm tăng tải xoay chiều ở Uv Ur hai đầu của giải tần nhờ vậy điện áp ra tăng RE lên ở hai đầu vùng đó. 1.6.4. Mạch khuếch đại cộng hưởng Mạch khuếch đại cộng hưởng dùng phổ Hình 1-29. Tầng khuếch đại giải rộng biến ở các tầng khuếch đại có tần số cao. Tải của tầng là mạch cộng hưởng song song. Mạch điện hình ở hình 1-30. +Ucc Ở mạch này L1C1, L2C2 cộng hưởng ở C2 L2 tần số vào. Khi tần số tín hiệu vào thay đổi RB L3 Ur các mạch L1C1, L2C2 cần phải điều chỉnh tần Cv số cộng hưởng theo. Tức là PTIT 1 1 fV . Đặc điểm của mạch, LCLC Uv 1 1 2 2 RE CE L1 C1 ngoài tác dụng khuếch đại tín hiệu nó còn có khả năng chọn lọc tín hiệu theo tần số. Khi có tín hiệu vào thì thành phần tín hiệu có tần số bằng và lân cận tần số cộng hưởng của Hình 1-30. Tầng khuếch đại cộng hưởng khung C1L1, bị khung này chặn lại đưa vào tranzito khuếch đại. Dòng điện ra sụt áp trên khung L2C2, cảm ứng qua L3 cho điện áp ra. 1.6.5. Tầng khuếch đại đảo pha Tầng đảo pha dùng để khuếch đại tín hiệu và cho ra hai tín hiệu có biên độ bằng nhau nhưng pha lệch nhau 1800 (ngược pha nhau). 27
Sơ đồ tầng khuếch đại đảo pha chia tải vẽ ở hình 1-31. Tín hiệu lấy ra từ cực phát và cực góp của transistor. Tín hiệu ra U r2 lấy từ cực phát đồng pha với tín hiệu vào, còn tín hiệu ra U r1 lấy từ cực góp ngược pha với tín hiệu vào. Dạng tín hiệu vào ra trên hình 1-31. Trở kháng vào của mạch: ZV R1/ / R 2 / /[ r BE (1  ). R E ] Hệ số khuếch đại điện áp: .RC KU1 rbe ( 1) R E ( 1)RE KU 2 rbe ( 1) R E Nếu chọn RC, RE thỏa mãn thì ta sẽ có độ lớn hệ số khuếch đại KU1 bằng KU 2 lúc đó ta có mạch đảo pha chia tải. U +Ucc V t R1 Rc Cr1 0 + Cv Ur1 + Cr2 t + Ur1 Ur2 0 Uv R2 RE UUr1r2 Ur2 t 0 Hình 1-31. Sơ đồ tầng đảo pha và tín hiệu vào ra. PTIT Tầng đảo pha cũng có thể dùng biến áp, sơ đồ nguyên lý như hình 1-32. Hai tín hiệu lấy ra từ hai nửa cuộn thứ cấp có pha lệch nhau 1800 so với điểm giữa. Khi hai nửa cuộn thứ cấp có số vòng bằng nhau thì hai điện áp ra sẽ độ lớn bằng nhau. Mạch này có hệ số khuếch đại lớn, dễ dàng thay đổi cực tính của điện áp ra và còn có tác dụng phối hợp trở kháng nhưng cồng kềnh, nặng nề và méo lớn nên hiện nay ít được dùng. 28
+Ucc Ur1 R1 Cv Ur2 + Uv + R2 RE CE Hình 1-32. Sơ đồ tầng đảo pha dùng biến áp 1.6.6. Mạch khuếch đại vi sai +Ucc 1.6.6.1. Giới thiệu Trong các bộ khuếch đại tín hiệu xoay chiều, Rc Rc người ta không quan tâm đến hiện tượng trôi, vì qua Ur1 Ur2 các phần tử ghép tầng trôi bị chặn lại. Trôi chỉ làm Uv1 Uv2 thay đổi chế độ một chiều của từng tầng. Điều này có T1 T2 thể hạn chế bằng hồi tiếp âm. Ngược lại trong các bộ khuếch đại tín hiệu một chiều hay tín hiệu có tần số biến thiên chậm trôi cũng RE được khuếch đại đưa đến đầu ra như tín hiệu. Vì vậy cần phải giảm trôi bằng cách dùng bộ khếch đại vi sai -Ucc (hình 1-33). Hình 1-33. Bộ khuếch đại vi sai Bộ khuếch đại vi sai khuếch đại hiệu hai điện áp đặt ở hai đầu vào, do đó điện áp ra của nó sẽ hạn chế được trôi do dòng trôi sẽ bị khử lẫn nhau của hai transistor, trong trường hợp hoàn toàn đối xứng thì trôi được khử hoàn toàn. Để lợi dụng ưu điểm này bộ khuếchPTIT đại vi sai không chỉ được sử dụng khuếch đại hiệu hai điện áp còn dùng để khuếch đại một điện áp. Điện áp đó được đưa vào một đầu còn đầu kia nối đất. 1.6.6.2. Các tham số cơ bản Bộ khuếch đại vi sai là một bộ khuếch đại tín hiệu một chều đối xứng, có hai đầu vào và hai đầu ra. Điện áp hiệu: UUUd V1 V 2 Là hiệu điện áp đưa vào hai cửa của bộ khuếch đại vi sai. 29
+Ucc Rc Rc Ur1 Ur2 Uv1 Uv2 T1 T2 I0 -Ucc Hình 1-34. Bộ khuếch đại vi sai dùng nguồn dòng Hệ số khuếch đại hiệu: UUr1 r 2 U rd KUd UUd d Nếu lấy tín hiệu trên một đầu ra thì: U r1 UKrd Ud KKUU1 2 UUd2 d 2 Tín hiệu vào đồng pha: Khi điện áp đầu vào hai cửa của bộ khuếch đại vi sai bằng nhau tức là UV1 = UV2 = Uđp. Lúc này Uđp gọi là điện áp đồng pha và theo lý thuyết thì lúc đó Ur = 0V, nhưng thực tế thì không như vậy mà Ur = Kđp. Uđp ≠ 0. KCM gọi là hệ số khuếch đại đồng pha, Kđp << KUd. Để đánh giá bộ khuếch đại vi sai người ta đưa ra khái niệm hệ số nén tín hiệu đồng pha: K G Ud K PTITdp Hệ số G này càng lớn càng tốt (G càng lớn tác dụng giảm trôi càng tốt). Người ta chứng minh được rằng RE càng lớn hệ số G càng lớn. Nếu chọn RE quá lớn thì sẽ gây sụt áp trên nó lớn, để tránh điều này người ta thay RE bằng một nguồn dòng có nội trở trong rất lớn mà sụt áp trên nó nhỏ (hình 1-34). 1.7. Các phương pháp ghép tầng trong bộ khuếch đại Một bộ khuếch đại thường gồm nhiều tầng mắc nối tiếp nhau (vì thực tế một tầng khuếch đại không đảm bảo đủ hệ số khuếch đại cần thiết). Khi có nhiều tầng ghép liên tiếp thì tín hiệu ra của tầng đầu hay tầng trung gian bất kỳ sẽ là tín hiệu vào cho tầng sau nó và tải của một tầng là điện trở vào của tầng sau nó. Để ghép giữa các tầng có thể dùng tụ điện, biến áp hay ghép trực tiếp 30
1.7.1. Ghép tầng bằng tụ điện Bộ khuếch đại nhiều tầng ghép tụ điện vẽ trên hình 1-35. +Ucc Rc2 Cr R1 + Rc1 RB Cn + CV Q2 Uv + Q1 Rt R2 + RE2 CE2 RE1 + CE1 Hình 1-35. Sơ đồ bộ khuếch đại nhiều tầng ghép điện dung. Ưu điểm: Mạch đơn giản, gọn nhẹ, dễ định thiên vì thiên áp một chiều của các tầng không ảnh hưởng lẫn nhau. Nhược điểm: Thành phần tần số thấp khó qua do tụ cản trở thành phần này. 1.7.2. Ghép bằng biến áp Hình 1-36 là sơ đồ bộ khuếch đại ghép tầng bằng biến áp. Ghép tầng bằng biến áp cách ly điện áp một chiều giữa các tầng mà còn làm tăng hệ số khuếch đại chung về điện áp hay dòng điện tuỳ thuộc vào biến áp tăng hay giảm áp. +Ucc R3 R1 PTIT Cn Uv Cv Q1 + Q2 + Rt RE1 + CE1 R4 RE2 + CE2 R2 Hình 1-36. Sơ đồ bộ khuếch đại nhiều tầng ghép biến áp. 31
Ưu điểm của mạch này là điện áp nguồn cung cấp cho cực góp của transistor lớn vì điện áp một chiều sụt trên cuộn dây bé, do đó cho phép nguồn có điện áp thấp. Ngoài ra tầng ghép biến áp dễ dàng thực hiện phối hợp trở kháng và thay đổi cực tính điện áp tín hiệu trên các cuộn dây. Tuy nhiên nó có nhược điểm là đặc tuyến tần số không bằng phẳng trong giải tần, kết cấu mạch nặng nề, cồng kềnh, hư hỏng sửa chữa thay thế phức tạp. 1.7.3. Mạch ghép trực tiếp Mạch ghép trực tiếp cho ở hình 1-37. Mạch có đầu ra của tầng trước nối trực tiếp vào đầu vào của tầng sau. Cách nối trực tiếp này làm giảm méo tần số thấp trong bộ khuếch đại, mạch được dùng trong bộ khuếch đại tín hiệu có thành phần một chiều (tín hiệu biến thiên chậm). Nhược điểm của mạch là không tận dụng được độ khuếch đại của transistor do chế độ cấp điện một chiều và khó định thiên. +Ucc Rc2 Cr + RB Rc1 Q2 Uv + Q1 + Rt RE2 CE2 + RE1 CE1 Hình 1-37. Mạch khuếch đại ghép trực tiếp 1.8. Tầng khuếch đại công suất 1.8.1. Chế độ công tác và điểm làm việc của tầng khuếch đại công suất Tầng khuếch đại công suất là tầng cuối cùng của bộ khuếch đại, có tín hiệu vào lớn. Nó có nhiệm vụ khuếch đại cho PTITra tải một công suất lớn nhất có thể được, với độ méo cho phép vào bảo đảm hiệu suất cao. Các tham số cơ bản của tầng khuếch đại công suất: Hệ số khuếch đại công suất KP là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào. Pr KP (1-34) PV Hiệu suất là tỷ số công suất ra và công suất nguồn một chiều cung cấp P0. P H r % (1-35) P0 Hiệu suất càng lớn thì công suất tổn hao trên cực góp của transistor càng nhỏ. 32
Tuỳ thuộc vào điểm là việc tĩnh của transistor mà tầng khuếch đại công suất có thể làm việc ở các chế độ A, AB, B hoặc C. IC PCmax PCma x Vùng bão hòa A AB B IB=0 0 U CC UCE Vùng tắt Hình 1-38. Điểm làm việc của các chế độ khuếch đại Chế độ A là chế độ mà điểm làm việc tĩnh của transistor nằm giữa đường tải một chiều, ở chế độ này tín hiệu được khuếch đại cả hai bán chu kỳ. Ở chế độ A dòng tĩnh luôn lớn hơn biên độ dòng điện ra nên méo nhỏ nhưng hiệu suất rất thấp (H < 50%), chế độ này chỉ dùng khi yêu cầu công suất ra nhỏ. Chế độ B là chế độ mà điểm làm việc tĩnh của transistor là điểm chuyển tiếp giữa vùng tắt và vùng khuếch đại của nó. Ở chế độ này tín hiệu được khuếch đại một nửa chu kỳ. Như vậy chế độ B có dòng tĩnh bằng không nên hiệu suất cao (trên dưới 78%). Chế độ AB là chế độ mà điểm làm việc tĩnh của transistor là điểm giữa chế độ A và chế độ B. Ở chế độ này tín hiệu được khuếch đại hơn một nửa chu kỳ. Lúc này dòng tĩnh bé hơn chế độ A nên hiệu suất cao hơn (H < 70%). Chế độ AB và B có hiệu suất cao nhưng méo lớn. Để giảm méo người ta dùng mạch khuếch đại kiểu đẩy kéo. Chế độ C là chế độ mà PTITđiểm làm việc tĩnh của transistor nằm trong vùng tắt. Ở chế dộ này tín hiệu được khuếch đại nhỏ hơn một nủa chu kỳ. Nó được dùng trong các mạch khuếch đại cao tần có tải là khung cộng hưởng để chọn lọc sóng hài mong muốn và có hiệu suất cao. I C I IC C IC (A) (AB) (C) IC0 (B) I C0 0 t 0 t 0 t 0 t Hình 1-39. Dạng dòng điện ra ứng với các chế độ công tác của transistor. 33
1.8.2. Tầng khuếch đại công suất chế độ A 1.8.2.1. Tầng công suất chế độ A sơ đồ Emitơ chung ^ ^ UIr . r P r~ 2 2 Nếu bỏ qua vùng tắt và vùng bão hòa của transistor từ đồ thị hình 1-41 ta thấy: ^ UCC UUrmax CE0 +Ucc 2 ^ IIrmax C0 Rc RB Cr + Công suất ra lớn nhất: Cv UI. + P CC C 0 Ur r~ m ax 4 Uv Công suất nguồn cung cấp cho mạch: PUI0 CC. C 0 Ta có hiệu suất cực đại của mạch là: Hình 1-40. Tầng công suất mắc E chung P 1 H r~ m ax .100% .100% 25%. (1-36) P0 4 IC UCC R C ˆ I C IB0 Q IC0 PTIT IB= 0 0 UCE UCE0 UCC UCE ˆ Ur t Hình 1-41. Dạng tín hiệu trên đặc tuyến ra 34
Hiệu suất này có được là đã bỏ qua vùng tắt và vùng bão hòa, trên thực tế hiệu suất cực đại của mạch nhỏ hơn 25%. Nếu đầu ra ghép điện dung với tải thì hiệu suất ra còn nhỏ hơn nữa vì tín hiệu bị tổn hao trên RC. Để tăng hiệu suất cho mạch người ta thường ghép biến áp với tải. Khi đó vừa phối hợp được trở kháng với tải vừa không bị tổn hao công suất nguồn do điện trở thuần của cuộn cảm là rất nhỏ. 1.8.2.2. Tầng công suất sơ đồ Emito chung ghép biến áp với tải Có thể nhận thấy đường tải một chiều (hình 1-43) gần như song song với trục tung +Ucc do điện trở thuần của cuộn W1 là rất bé. Ir Công suất ra: R1 W1 W2 Rt Ur ^ ^ ^ ^ UIr . r UIC . C Pr~ Uv C 2. 2 2. 2 + Q Bỏ qua vùng tắt và vùng bão hòa của transistor từ đồ thị hình 1-43 ta thấy: ^ Hình 1-42. Tầng công suất ghép biến áp UUUCmax CE0 CC ^ IICmax C 0 I C Đường tải 1 chiều IBmax B IC0 Q IB0 Iˆ PTITC IBmin U CE0 UCEmax A UCE UCE min UCC ^ U C Hình 1-43. Dạng tín hiệu trên đặc tuyến ra 35
Công suất ra lớn nhất: +Ucc UI. P CC C 0 r~ m ax 2 RB Công suất nguồn cung cấp cho mạch: Cv + PUI0 CC. C 0 Rt Ur Ta có hiệu suất cực đại của mạch là: Uv P 1 H r~ m ax .100% .100% 50% . (1-37) P0 2 1.8.8.3. Sơ đồ Colectơ chung Hình 1-44. Tầng công suất mắc Colectơ chung Tầng công suất mắc Colectơ chung hình 1-44. ^ ^ UIr . r P r~ 2 2 Nếu bỏ qua vùng tắt và vùng bão hòa của transistor từ đồ thị hình 1-45 ta thấy: ^ UCC UUrmax CE0 IE 2 ^ IBmax IIrmax E0 Công suất ra lớn nhất: B UICC. E0 Pr~ m ax 4 IE0 Q IB0 Iˆ Công suất nguồn cung cấp cho E I mạch: Bmin UCE0 U A PUI0 CC. E 0 CEmax UCE UCE min Ta có hiệu suất cực đại của mạch là: P PTIT H r~ m ax .100% ^ P U r 0 (1-38) 1 .100% 25%. 4 Nếu đầu ra ghép điện dung với tải (hình 1-46) thì hiệu suất ra còn Hình 1-45. Dạng tín hiệu trên đặc tuyến ra nhỏ hơn nữa vì tín hiệu bị tổn hao trên RE. 36
+Ucc +Ucc RB Cv RB Cv R1 Cr + T1 + + Cr + Uv RE Rt Uv T2 D Rt Hình 1-46. Tầng công suất mắc Colectơ Hình 1-47. Thay RE bằng nguồn dòng chung ghép điện dung với tải Để tăng hiệu suất cho mạch người ta thay RE bằng một nguồn dòng cố định (hình 1-47) khi đó dòng tín hiệu sẽ hoàn toàn đi qua Rt, do đó sẽ đạt được hiệu suất gần 25%. T2, R1, D tạo thành nguồn dòng. 1.8.3. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo Khi muốn tăng hiệu suất và công suất ra người ta dùng tầng khuếch đại đẩy kéo. Tầng khuếch đại đẩy kéo gồm ít nhất là hai transistor mắc chung tải, chúng sẽ thay nhau khuếch đại hai nửa chu kỳ tín hiệu. Tầng đẩy kéo có hai cách mắc là đẩy kéo nối tiếp và đẩy kéo song song. Đẩy kéo song song phải ghép biến áp với tải. Đẩy kéo có thể dùng transistor cùng loại hoặc khác loại (một transistor thuận một transistor ngược). Nếu dùng transistor khác loại thì tín hiệu đưa vào hai transistor là cùng pha, nếu dùng transistor cùng loại thì tín hiệu đưa vào hai transistor là ngược pha, do đó trước tầng đẩy kéo dùng transistor cùng loại phải có tầng đảo pha tín hiệu. Tầng đẩy kéo thường làm việc ở chế độ B hoặc AB cũng có thể làm việc ở chế độ A nhưng ít gặp. Chế độ B cho công suất và hiệu suất ra lớn hơn nhưng méo lớn hơn chế độ AB. Hiệu suất và Công suất ra củaPTIT hai chế độ này là gần bằng nhau, do đó khi tính toán để đơn giản người ta tính các thông số của mạch ở chế độ B. 1.8.3.1. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo song song Mạch gồm hai transistor T1 và T2 thay nhau khuếch đại hai nửa chu kỳ tín hiệu. BA2 là biến áp ghép 2 nửa chu kỳ tín hiệu để đưa ra tải. Cuộn sơ cấp của BA2 bao gồm hai cuộn có số vòng là W1, cuộn sơ cấp có số vòng là W2. 37
+Ucc R1 T Q11 Ir BA1 BA2 R2 W1 Uv W2 Ur Rt W1 Q2 T2 Hình 1-48. Tầng đẩy kéo ghép biến áp BA1 là biến áp đảo pha để đưa hai nửa chu kỳ tín hiệu vào T1 và T2, cuộn thứ cấp bao gồm hai cuộn có số vòng bằng nhau. Mạch có thể làm việc ở chế độ B hoặc AB. Nếu chọn R1 và R2 để giá trị điện áp một chiều trên cực Bazơ của T1 và T2 thỏa mãn thì mạch làm việc ở chế độ AB. Nếu muốn mạch làm việc ở chế độ B tức là điện áp một chiều trên cực Bazơ của T1 và T2 bằng không, khi đó chỉ việc bỏ R1 và nối tắt R2. Nguyên lý làm việc của mạch: Với nửa chu kỳ dương của tín hiệu qua BA1 cực Bazơ của T1 dương nên T1 sẽ khuếch đại, cực Bazơ của T2 âm nên T2 tắt . Trên cuộn W1 nối với cực Colectơ của T1 sẽ có dòng IC1 = 1.IB1, dòng này sẽ qua BA2 đưa ra tải, còn trên cuộn W1 nối với cực Colectơ của T2 không có dòng do T2 tắt. Với nửa chu kỳ âm của tín hiệu qua BA1 cực Bazo của T2 dương nên T2 sẽ khuếch đại, cực Bazơ của T1 âm nên T1 tắt . Trên cuộn W1 nối với cực Colectơ của T2 sẽ có dòng IC2 = 2.IB2, dòng này sẽ qua BA2 đưa ra tải, còn trên cuộn W1 nối với cực Colectơ của T1 không có dòng do T1 tắt. Như vậy trên tải sẽ có đủPTIT hai nửa chu kỳ tín hiệu đã được khuếch đại. Để tính công suất và hiệu suất của mạch thì chỉ cần tính trong một nửa chu kỳ tín hiệu. Vì hiệu suất và công suất của hai chế độ AB và B là gần bằng nhau nên để đơn giản ta tính công suất và hiệu suất ra ở chế độ B. ' Khi có tín hiệu trên Colectơ của T1 và T2 sẽ có điện trở tải Rt do Rt phản ánh qua BA2. ' Rt được tính như sau: 1 RR' tn2 t w 2 Trong đó: n là tỉ số BA2. w1 38
Ta có phương trình đường tải xoay chiều cho T1: ' UUIRCE~ CC-. C ~ t Đường tải xoay chiều được vẽ trên hình 1-49. Đường tải 1 chiều gần như thẳng đứng do điện trở thuần của cuộn W1 rất bé. Công suất ra của mạch được tính: ^ ^ ^ ^ UIUIr r C C P r~ 2 2 Công suất ra cực đại: ^ ^ UICmax . Cmax P r~ m ax 2 Căn cứ vào đồ thị hình 1-49 ta thấy: ^ UUUUCmax CEmax CE min CC ^ UCC Cmax I ' Rt Như vậy công suất ra cực đại của mạch là: 2 UCC Pr~ m ax ' 2.Rt Công suất của nguồn cung cấp: P0 iTB. U CC ^ ^ 1 2.I Cmax i ICmax sin( t ). d (  t ) TB 0 ^ 2 2.I Cmax 2.U PU . CC 0 CC .R' PTITt Hiệu suất lớn nhất của mạch: P H r~ m ax .100% .100% 78,5% (1-39) P0 4 39
Đường tải xoay chiều Đường tải 1 chiều IC ˆ IC IC0 0 UCEmin UCEmax UCC UCE ^ U C Hình 1-49. Đường tải 1 chiều, xoay chiều và dạng tín hiệu ra. 1.8.3.2. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo nối tiếp a. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo nối tiếp dùng transistor cùng loại Vì tầng ra là đẩy kéo dùng transistor cùng loại nên trước nó là tầng đảo pha (hình 1-50), tầng đảo pha là T3 nó có nhiệm vụ đảo pha tín hiệu để đưa tới đầu vào T1 và T2. Phải chọn RC và RE thỏa mãn để tín hiệu ta không bị méo, đồng thời phải định thiên sao cho khi không có tín hiệu vào điện áp một chiều trên coletơ của T2 và emitơ của T1 bằng không để không có dòng một chiều qua tải. Với nửa chu kỳ dương tín hiệu tại collectơ của T3 ngược pha tín hiệu vào nên trở thành nửa chu kỳ âm do đó T1 tắtPTIT còn tín hiệu +Ucc trên emitơ đồng pha tín hiệu vào nên vẫn là nửa chu kỳ dương do đó T2 thông, lúc R1 RC này trên tải có dòng điện tỷ lệ với nửa chu T1 kỳ dương của tín hiệu. Dòng điện chạy từ Cv đất, qua Rt, qua T2 về -UCC. + T3 T2 UR Với nửa chu kỳ âm tín hiệu tại Uv Rt R2 RE collectơ của T3 ngược pha tín hiệu vào nên trở thành nửa chu kỳ dương do đó T1 thông còn tín hiệu trên emitơ đồng pha tín -Ucc hiệu vào nên vẫn là nửa chu kỳ âm do đó T2 tắt, lúc này trên tải có dòng điện tỷ lệ Hình 1-50. Tầng đẩy kéo dùng transistor cùng loại 40
với nửa chu kỳ âm của tín hiệu. Dòng điện chạy từ +UCC, qua T1, qua Rt về đất. Đường tải xoay chiều IC ˆ IR IC 0 UCEmin UCEmax UCC UCE ^ U R Hình 1-51. Đường tải xoay chiều và dạng tín hiệu ra. Ta có thể tính công suất ra và hiệu suất lớn nhất của mạch như sau: Công suất ra của mạch: ^ ^ UIr . r P r~ 2 Công suất ra cực đại: ^ ^ UIrmax . rmax P r~ m ax 2 Căn cứ vào đồ thị hình 1-51 taPTIT thấy: ^ UUUUrmax CEmax CE min CC ^ ^ UCC IIrmax Cm ax Rt Như vậy công suất ra cực đại của mạch là: 2 UCC Pr~ m ax 2.Rt Công suất của nguồn cung cấp: 41
P0 iTB. U CC ^ ^ 1 2.I Cmax i ICmax sin( t ). d (  t ) TB 0 ^ 2 2.I Cmax 2.UCC PU0 . CC .Rt Hiệu suất lớn nhất của mạch: P H r~ m ax .100% .100% 78,5% (1-40) P0 4 b. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo nối tiếp dùng transistor khác loại +Ucc T1 Cv + UR Rt Uv T2 -Ucc Hình 1-52. Tầng đẩy kéo dùng transistor khác loại T1 và T2 làm việc ở chế độ B và thay nhau khuếch đại hai nửa chu kỳ tín hiệu như mạch đẩy kéo dùng transistor cùng loại. Với mạch này sẽ xẩy ra méo tín hiệu ra (hình 1-53.a) vùng chuyển tiếp của nửa chu kỳ dương và nửa chu kỳ âm của tín hiệu do tính phi tuyến của đặc tuyến vào, gần gốc toạ độ không thẳng. Để tránh vùng méo người ta đưa tín hiệu vào vùng tuyến tính của đặc tuyến, bằng cách dịch nửa chu kỳ dương sang phải một đoạn là UBE0, và dich nửa chu kỳ âm sang trái một đoạn là UBE0 (tức là cung cấp cho UBE0 của T1 và T2 điện áp ban đầu). Hay là dịch đặc tuyến vào của T1 sang trái một đoạn là UBE0, và dịch đặc tuyến của T2 sang phải một đoạn làPTIT UBE0 nếu giữ cố định tín hiệu vào (hình1-53.b). Khi đó mạch sẽ làm việc ở chế độ AB. Để tầng khuếch đại làm việc ở chế độ AB mạch điện sẽ như hình 1-54.a, theo mạch điện ta có 2UDT = UBE01 + UEB02, tức là UBE0 mỗi transistor đã được cấp điện áp ban đầu là UDT. Mạch có thể dùng nguồn đơn như hình 1-54.b, khi đó đầu ra phải có CR để ngăn dòng một chiều qua tải đồng thời tích điện ở nửa chu kỳ dương để cấp cho T2 ở nửa chu kỳ âm. 42
IB IB T1 T1 UBE0 IB1 IB1 IB0 IB0 0 I U B2 BE I B2 UBE0 T2 T2 a. b. Hình 1-53. Dạng tín hiệu khi tầng đẩy kéo làm việc ở chế độ B(a) và chế độ AB(b) +Ucc +Ucc Rc Rc T1 T1 R1 D2 R1 D2 D1 D1 + Cv Cv CR Rt Rt + + T2 T2 T3 T3 Uv R2 Uv R2 PTIT-Ucc a. b. Hình 1-54. Tầng đẩy kéo làm việc ở chế độ AB Có thể tăng công suất ra của mạch bằng cách thay T1 và T2 bằng các cặp Darlington như hình 1-55, khi đó để mạch vẫn làm việc ở chế độ AB phải có 4 Điốt mắc nối tiếp nhau vì lúc này có 4UBE0. 43
+Ucc Rc T1 D4 D3 R1 D2 D1 Cv Rt + T2 T3 Uv R2 -Ucc Hình 1-55. Tầng công suất đẩy kéo dùng Darlington PTIT 44
CHƯƠNG 2 BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 2.1. Tính chất và tham số cơ bản 2.1.1. Các tính chất cơ bản Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) là IC khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, trở kháng vào lớn, trở kháng ra nhỏ. Bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò quan trọng và được dùng rộng rãi trong khuếch đại, tạo tín hiệu sin, xung, trong mạch ổn áp, bộ lọc tích cực Ký hiệu của bộ khuếch đại thuật toán như hình 2-1. +E U P IP Ur Ud UN I N -E Hình 2-1. Ký hiệu của bộ KĐTT UN, IN điện áp và dòng điện vào cửa đảo UP, IP điện áp và dòng điện vào cửa thuận Ur điện áp lối ra Bộ khuếch đại thuật toán thường được cấp nguồn đối xứng E. Ud là điện áp vào hiệu: Ud = UP - UN Khi đưa tín vào cửa thuận thì tín hiệu ra đồng pha với tín hiệu vào. Khi đưa tín hiệu vào cửa đảo thì tín hiêu ra ngược pha tín hiệu vào. Bộ khuếch đại thuật toánPTIT lý tưởng có các tính chất sau: Trở kháng vào Zv = . Trở kháng ra Zr = 0. Hệ số khuếch đại K0 = . Điện áp vào hiệu: Ud = UP - UN = 0, hay UN = UP. Dòng cửa thuận và cửa đảo: IN = IP = 0. 2.1.2. Hệ số khuếch đại hiệu K0 là hệ số khuếch đại không tải 45
UUr r K0 (2-1) UUUd P N 3 6 Thực tế ở tần số thấp K0 thường có giá trị từ 10  10 . Đặc tuyến truyền đạt của bộ khuếch đại thuật toán hình 2-2. Hình 2-2. Đặc tuyến truyền đạt của bộ KĐTT Từ đặc tuyến truyền đạt của bộ KĐTT thấy rằng trong miền tuyến tính khi Ud tăng thì Ur tăng và ngược lại, còn ở hai miền bão hòa khi Ud thay đổi thì Ur luôn không đổi và bằng giá trị -Urmax (gọi là điện áp bão hòa âm) hoặc +Urmax (gọi là điện áp bão hòa dương). Các giá trị này không phụ thuộc điện áp vào và nhỏ hơn điện áp nguồn vài V. Thực tế thì miền tuyến tính rất hẹp, tức là Ud rất nhỏ, chỉ biến đổi trong khoảng từ âm vài mV đến dương vài mV. Trong quá trình tính toán với bộ KĐTT lý tưởng Ud coi như bằng không. 2.1.3. Đặc tuyến biên độ tần sốPTIT và đặc tuyến pha Hình 2-3 là đặc tuyến biên độ tần số và đặc tuyến pha của bộ KĐTT. Tần số giới hạn dưới fd = 0, tức là khuếch đại cả điện áp một chiều, tần số giới hạn trên là ft là tại tần số mà hệ số khuếch đại giảm 2 lần (3dB). Tại tần số f0 hệ số khuếch đại bắt đầu giảm và xuất hiện góc lệch pha giữa Ud và Ur. Nếu tần số tiếp tục tăng thì hệ số khuếch đại càng giảm và góc lệch pha càng lớn. 2.1.4. Hệ số nén đồng pha Nếu đặt vào cửa thuận và cửa đảo của bộ KĐTT một điện áp đồng pha tức là: UP = UN = Uđp 0 (Uđp gọi là điện áp đồng pha), theo lý thuyết thì lúc đó Ur = 0V, nhưng thực tế thì không như vậy: Ur = Kđp. Uđp. 46
Kđp gọi là hệ số khuếch đại đồng pha. Nếu lý tưởng thì Kđp = 0. Để đánh giá bộ KĐTT thực tế với lý tưởng người ta đưa ra hệ số nén đồng pha: K G 0 (2-2) Kdp Giá trị này càng lớn thì bộ KĐTT càng gần với lý tưởng, thường G = 103  105. Hình 2-3. Đặc tuyến biên độ tần số và đặc tuyến pha của bộ KĐTT 2.2. Các mạch khuếch đại 2.2.1. Mạch khuếch đại đảo Iht I 1 PTIT Hình 2-4. Mạch khuếch đại đảo Coi bộ KĐTT là lý tưởng nên: Tại nút N ta có: I1 + Iht = 0 Ta lại có: Ud = UP - UN = 0V. Mà UP = 0V nên UN = 0V. 47
UUUVNV I1 RR1 1 UUr N Ur Iht RRht ht Hay: URVU r ht 0 UUr V RRR1ht 1 Rht KUd (2-3) R1 Như vậy khi có hồi tiếp âm hệ số khuếch đại của mạch nhỏ hơn K0 và chỉ phụ thuộc vào linh kiện ngoài. Nếu chọn R1 bằng Rht thì Ur = -UV mạch có tính chất đảo điện áp. Trở kháng vào của mạch: UUVV ZRV 1 . IUUR1()/V d 1 2.2.2. Mạch khuếch đại không đảo Rht Uv Uv N Ur Ur R1 Hình 2-5. Mạch khuếch đại thuận Hình 2-6. Mạch lặp lại điện áp Coi bộ khuếch đại thuật toánPTIT là lý tưởng ta có: Ur UURVN 1 RR1 ht Ur Rht KUt 1 (2-4) URV 1 Trở kháng vào của mạch: ZV r d ( R1 // R ht ) . (rd là trở kháng vào của bộ KĐTT). Nếu chọn Rht = 0, R1 = thì Kut = 1, mạch sẽ là mạch lặp lại điện áp (hình 2-6). Mạch được sử dụng làm bộ đệm để lợi dụng trở kháng vào rất lớn và trở kháng ra rất nhỏ của bộ KĐTT. 48
2.2.3. Hiện tượng lệch không và biện pháp bù Khi sử dụng bộ KĐTT làm mạch khuếch đại thì phải mắc thêm các điện trở ngoài. Dòng tĩnh trên các cửa vào sẽ gây sụt áp trên các điện trở, do điện trở các cửa vào là khác nhau nên các sụt áp này sẽ khác nhau, hiệu điện thế này là điện áp lệch không. Điện áp lệch không này rất nhỏ, nhưng do hệ số khuếch đại của bộ KĐTT rất lớn nên điện áp này sẽ được khuếch đại đáng kể và đưa tới đầu ra. Như vậy khi không có tín hiệu vào thì đầu ra của bộ KĐTT đã khác không. Hiện tượng này sẽ làm giảm hiệu quả khuếch đại của bộ KĐTT. Để khử điện áp lệch không thì người ta sẽ mắc sao cho điện trở trên các cửa là bằng nhau khi đó điện áp lệch không sẽ bằng không. Như vậy trong mạch khuếch đại đảo (hình 2-7) cửa thuận không nối trực tiếp xuống đất mà thông qua một điện trở R có trị số: R = R1//Rht. Đối với mạch khuếch đại thuận (hình 2-8) điện áp vào không đưa trực tiếp tới của thuận mà thông qua một điện trở R có trị số: R = R1//Rht. Rht R R1 Rht Uv Ur Uv Ur R R1 Hình 2-7. Mạch khử điện áp lệch không Hình 2-8. Mạch khử điện áp lệch không I1 R1 2.3. Các mạch điện ứng dụng bộ KĐTT PTITU1 I2 R2 Rht 2.3.1. Mạch cộng U2 2.3.1.1. Mạch cộng đảo Iht Vì U = U = 0V nên áp dụng quy tắc dòng N P In N điện nút tại N: Rn Un Ur IIII1 2 n ht 0 P UUUU 1 2 n r 0 RRRR1 2 n ht Hình 2-9. Mạch cộng đảo. RRRht ht ht UUUUr ( .1 . 2 . n ) RRR1 2 n 49
Nếu chọn R1 = R2 = = Rn = Rht/ UUUUr (1 2 n ) . (2-5) 2.3.1.2. Mạch cộng thuận Coi bộ KĐTT là lý tưởng nên ta có thể tính điện áp tại N như sau: Ur UR R N RR 1 I1 ht 1 U1 Áp dụng quy tắc dòng điện nút tại P ta có: I2 R U2 III1 2 n 0 UUUU In UU1 P 2 p n p R P 0 Un RRR Ur N Do UN = UP nên thay vào ta có: Rht Ur R1 U1 U 2 Un n . R 1 RR1 ht RR UUUU 1 ht ( ) (2-6) r1 2 n Hình 2-10. Mạch cộng thuận nR1 2.3.2. Mạch trừ Tại nút P: I1 R1 R2 U1 U UR 2 N I2 P RR 4 R3 3 4 U2 Ur Tại nút N: P R4 II1 2 0 UUUU 1 N r N 0 RR1 2 PTIT Hình 2-11. Mạch trừ Vì UN = UP nên ta có: UU URUR 2 2 1RRRR 4r 4 3 4 3 4 0 RR1 2 RRRR4() 1 2 2 UUUr 2 1 RRRR1() 3 4 1 Nếu chọn R2 = R1, R4 = R3 ta có: Ur = (U2 – U1) (2-7) 50
2.3.3. Mạch tích phân Mạch tích phân là mạch có tín hiệu ra tỉ lệ với tích phân tín hiệu vào. t U K U dt r v 0 Vì UN = UP = 0V nên Ur = UC Tại cửa N: C Ic IIVC 0 U dU Iv R VC C 0 Uv R dt Ur U dU V C r 0 R dt 1 t U U dt U r V r0 RC 0 Hình 2-12. Mạch tích phân Tại thời điểm t = 0 thường UR0 = 0 nên: 1t 1 t U U dt U dt (2-8) r V V RC 0 0  = RC gọi là hằng số tích phân. 2.3.4. Mạch vi phân Mạch vi phân là mạch có tín hiệu ra tỉ lệ với vi phân tín hiệu vào. dU UK V r dt R IR Tại cửa N: Ic C Uv IICR 0 Ur dU U C C PTITr 0 dt R Mà UC = UV (do UN = Up = 0V) nên: dU U Hình 2-13. Mạch vi phân C V r 0 dt R dU dU U RC VV  (2-9) r dt dt Trong đó  = RC gọi là hằng số vi phân. 2.3.5. Mạch tạo hàm loga Biểu thức dòng trên điốt: 51
U AK I I( emUT 1) DS D ID Trong đó: IR R ID Dòng thận trên điốt Uv Ur IS Dòng ngược bão hòa 0 UT Điện áp nhiệt (26mV/25 C) UAK Điện áp thuận trên điốt Hình 2-14. Mạch tạo hàm loga m Hệ số hiệu chỉnh giữa lý thuyết và thực tế Trong miền làm việc ID >> IS nên ta có thể viết: U AK mUT IDS I. e Tại cửa đảo của bộ KĐTT: IID r U I V D R U AK U I. e mUT V S R Ở đây UAK = -Ur UV Ur U AK mU T ln( ) (2-10) IRS 2.3.6. Mạch tạo hàm đối loga R IR Tương tự như trên (mục 2.3.5) ta có: ID D Uv U AK Ur mUT IDS I. e Do Ud = 0V nên UV = UAKPTIT Tại cửa đảo của bộ KĐTT: Hình 2-15. Mạch tạo hàm đối loga IIRD U U AK r I I. emUT R DS U AK mUT Ur R I S e (2-11) 2.3.7. Mạch nhân Từ sơ đồ tổng quát hình 2-16 ta có: 52
UUU exp(ln ln ) ZXY UUUZXY . Trong thực tế qua mỗi mạch sẽ có một hệ số truyền đạt nào đó nên tổng quát : UKUUZXY (2-12) Nếu chập hai đầu vào với nhau (UX = UY) ta có mạch bình phương: 2 UKUZX . Hình 2-16. Mạch nhân 2.3.8. Mạch chia PTIT Hình 2-17. Mạch chia Từ sơ đồ hình 2-17 ta có: UUUZXY exp(ln - ln ) U X U Z UY Tổng quát : U X UKZ . (2-13) UY 53
2.3.9. Mạch so sánh Mạch so sánh lợi dụng hệ số khuếch đại K0 rất lớn của bộ KĐTT. Đặc tuyến truyền đạt của bộ KĐTT gồm hai miền bão hòa và một miền tuyến tính. Vì K0 rất lớn nên đặc tuyến trong miền tuyến tính gần như thẳng đứng, nếu lý tưởng thì đặc tuyến trùng với trục Ur. Hình 2-18. Đặc tuyến truyền đạt của bộ KĐTT Ta có Ur = K0(UP – UN), vì K0 = (lý tưởng) nên khi UP > UN thì Ur đã bão hòa dương và khi UP Uch (hay UN > UP) thì Ur = -Urmax (bão hòa âm). 54
Uv Ur Uch Hình 2-19. Mạch so sánh Hình 2-20. Đặc tuyến truyền đạt Với mạch hình 2-21 ta có: Khi UV UP) thì Ur = -Urmax (bão hòa âm). Khi UV > Uch (hay UN < UP) thì Ur = +Urmax (bão hòa dương). Uv Ur Uch PTIT Hình 2-21. Mạch so sánh Hình 2-22. Đặc tuyến truyền đạt 55
CHƯƠNG 3 MẠCH TẠO DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA 3.1. Khái niệm chung về dao động Mạch tạo dao động được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử. Mạch tạo dao động là mạch khi được cấp nguồn thì nó sẽ tạo ra tín hiệu. Tín hiệu ở đây có thể là dao động sin hay các dạng xung vuông, tam giác, răng cưa Trong chương này chúng ta chỉ nghiên cứu dao động điều hòa (dao động sin). Có nhiều phương pháp tạo dao động, hình 3-1 là sơ đồ khối của một mạch dao động điều hòa theo nguyên lý hồi tiếp, nó gồm hai khối là khối khuếch đại có hệ số khuếch đại K và khối hồi tiếp có hệ số truyền đạt Kht. Hồi tiếp trong mạch dao động điều hòa là hồi tiếp dương. Các tham số cơ bản của mạch tạo dao động: - Biên độ điện áp ra. Hình 3-1. Sơ đồ khối mạch tạo dao động điều hòa - Tần số ra. - Độ ổn định tần số ra. - Công suất tiêu thụ và hiệu suất. 3.2. Điều kiện tạo dao động và đặc điểm của mạch tạo dao động. Để xét nguyên lý làm việc của mạch tạo dao động ta dùng sơ đồ khối hình 3-2. Nó gồm hai khối: khối khuếch đại có hệ số khếch đại K K.exp( j K ) và khối hồi tiếp có hệ số hồi tiếp K K.exp( j ) . ht Kht UV Ur a K a' U PTITht Kht Hình 3-2. Sơ đồ khối đầy đủ của bộ tạo dao động. Nếu đặt vào đầu a tín hiệu U V ta có UKKUht ht V nếu giả thiết rằng KK.ht 1 thì U ht U V . Vậy tín hiệu vào của mạch khuếch đại và tín hiệu hồi tiếp U ht bằng nhau cả về biên độ và pha nên nối a với a’ thì tín hiệu ra vẫn không thay đổi. Lúc đó ta có sơ đồ khối của mạch tạo dao động làm việc theo nguyên tắc hồi tiếp. Như vậy trong sơ đồ này mạch chỉ dao động tại tần số mà nó thoả mãn: 56
KK.ht 1 (3-1) Với K và Kht là những số phức nên viết lại: K. K K . K .exp[ j ( )] 1. (3-2) ht ht k Kht trong đó: K: Mođun hệ số khuếch đại. Kht: Mođul hệ số hồi tiếp. K : Góc dịch pha của bộ khuếch đại. : Góc dịch pha của mạch hồi tiếp. Kht Từ biểu thức (3-2) ta có: KK.ht 1 3 3 2n KKht 3 4 với n 0; 1; 2 Quan hệ (3-3) gọi là điều kiện cân bằng biên độ. Nó cho thấy mạch chỉ có thể dao động khi hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại có thể bù được tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra. Quan hệ (3-4) gọi là điều kiện cân bằng pha. Từ đây ta thấy rằng dao động chỉ có thể phát sinh khi tín hiệu hồi tiếp về đồng pha với tín hiệu ban đầu, tức là hồi tiếp dương. Thực tế để mạch có thể phát sinh dao động thì K.Kht phải lớn hơn 1, do đó biên độ ra sẽ bị méo dạng do bị giới hạn bởi nguồn nuôi. Để có biên độ ra ổn định và không méo thì trong mach dao động phải có một khâu điều chỉnh để sau khi phát sinh dao động nó sẽ điều chỉnh cho K.Kht = 1 để biên độ dao động là không đổi. Từ các chứng minh trên ta có thể rút ra các đặc điểm của mạch dao động: - Mạch dao động là mạch khuếch đại, nó là mạch khuếch đại tự điều khiển bằng hồi tiếp dương. Năng lượng dao động lấy từ nguồn một chiều. - Muốn có dao động thì phPTITải thỏa mãn điều kiện: K.Kht = 1 và K + ht = 2n . - Mạch phải có ít nhất một phần tử tích cực để biến năng lượng một chiều thành năng lượng xoay chiều. - Mạch phải có một khâu điều chỉnh hay một phần tử phi tuyến để ở trạng thái xác lập biên độ dao động là không đổi. 3.3. Ổn định biên độ và tần số dao động Yêu cầu mạch tạo dao động tạo ra tín hiệu có biên độ, tần số ổn định cao, ít chịu ảnh hưởng của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm. Để đạt các yêu cầu đó mạch tạo dao động cần thực hiện các biện pháp sau: - Dùng nguồn ổn áp. - Dùng các phần tử có hệ số nhiệt độ nhỏ. 57
- Giảm ảnh hưởng của tải đến mạch tạo dao động như mắc thêm tầng đệm. - Dùng các linh kiện có sai số nhỏ. - Dùng các phần tử ổn nhiệt. 3.4. Mạch dao động LC Mạch tạo dao động LC sử dụng khung cộng hưởng LC để tạo dao động, tần số dao động của mạch chính là tần số của khung cộng hưởng. 3.4.1. Mạch dao động ghép biến áp +Ucc * R1 L1 L C * Cr C1 R2 Ur RE CE Hình 3-3. Mạch dao động ghép biến áp Mạch sử dụng biến áp để đưa tín hiệu hồi tiếp trở về. Mạch khuếch đại mắc Emiter chung nên = , để thỏa mãn điều kiện cân bằng pha thì = , do đó cuộn sơ cấp và cuộn thứ K Kht cấp phải quấn ngược chiều. Khi thỏa mãn cả điều kiện cân bằng biên độ thì mạch sẽ phát sinh dao động tại tần số: 1 f . (3-5) dd 2 LC 3.4.2. Mạch tạo dao động ba điểm Sơ đồ khối mạch tạo daoPTIT dao động ba điểm hình 3-4. Z3 Z2 Z1 Hình 3-4. Sơ đồ khối mạch tạo dao động ba điểm 58
Mạch dao động sin ba điểm có thể dùng tranzito hay IC để khuếch đại. Ta xét mạch dùng IC khuếch đại thuật toán có cửa thuận nối đất và có hệ số khuếch đại là K. Khung dao động chứa ba phần tử điện kháng thứ tự là X1, X2, X3. Từ mạch điện ta có: X1 Kht (3-6) XX1 3 Để mạch dao động được cần KK.ht 1 mà K 0 và X3 0. Ta có mạch dao động ba điểm điện dung. Khi thỏa mãn thêm điều kiện cân bằng biên độ (tức là K.Kht =1) thì mạch sẽ phát sinh dao động, và tần số dao động của mạch là nghiệm của phương trình: X1 + X2 + X3 = 0 Mạch dao động ba điểm điện cảm hình 3-5 và mạch dao động ba điểm điện dung hình 3-6. 1 Mạch điện hình 3-5 cho tần số dao động fdd 2 (LLC1 2 ) 1 Mạch điện hình 3-6 cho tần số dao động f dd 2 LC Do chọn C << C1, C2 nên C Ctd. +Ucc PTIT+Ucc R1 Rc C2 R1 Rc + C1 Cv + L1 C1 + L C + CE + R2 RE R2 CE RE C2 L2 C Hinh 3-5. Mạch dao động ba điểm Hinh 3-6. Mạch dao động ba điểm điện cảm(mạch Hartley). điện dung(mạch Clapp). 59
3.5. Mạch dao động RC Các mạch tạo dao động RC thường dùng ở phạm vi tần số thấp, vì nếu dùng mạch LC kích thước quá lớn, do điện cảm L phải lớn. Trong mạch tạo dao động sin ghép RC, mạch hồi tiếp chứa các phần tử RC. 3.5.1. Mạch dao động dùng 3 mắt RC trong khâu hồi tiếp Nguyên lý mạch dao động ba mắt RC trên hình 3-7. Ba khâu RC được sử dụng trong khâu hồi tiếp. Khâu khuếch đại có hệ số khuếch đại là K . C C C KK R R R Uht Ur Hình 3-7. Sơ đồ nguyên lý mạch dao động 3 mắt RC Khâu hồi tiếp gồm 3 mắt RC được tách ra như hình 3-8. C C C Ur R R R Uht Hình 3-8. Khâu 3 mắt RC PTIT U ht 1 K ht 2 2 . (3-8) U R 1 5 j (6 ) 1 Với . RC Từ (3-8) ta có: 1 Kht (3-9) (1 5 2 ) 2 2 (6 2 ) 2 60
(6 2 ) và arctag (3-10) Kht 1 5 2 1 Từ (3-10) nhận thấy = khi 2 6 và khi đó tại tần số dao động ta có K . Kht ht 29 Để mạch có thể dao động thì phải thỏa mãn điều kiện cân bằng biên độ, nên mạch khuếch đại phải có: K = 29 và điều kiện cân bằng pha, nên K = . Khi đó tần số dao động của mạch là: 1 1 6 6  RC 6RC (3-11) 1 f dd 2 6RC Với mạch sử dụng bộ KĐTT (hình 3-9a) để K = thì tín hiệu hồi tiếp phải đưa về cửa đảo. Mạch dùng bộ KĐTT R1 vừa tham gia trong khâu hồi tiếp vùa tham gia trong khâu khuếch đại do đó: Rht R1 = R và KRR 29 ht 29 1 . R1 Ngoài ra mạch dao động ba mắt RC dùng bộ KĐTT còn có một số dạng khác. Mạch dùng transistor (hình 3-9b) phải chọn sao cho R = R1//R2//rbe và phải có K =29 còn K luôn bằng vì mạch khuếch đại mắc Emiter chung. +Ucc R1 Rc Cr Ur C C C PTIT R R R2 RE CE a. b. Hình 3-9. Mạch dao động 3 mắt RC dùng bộ KĐTT (a), dùng Tranzito (b) 3.5.2. Mạch dao động dùng mạch cầu Viên trong khâu hồi tiếp Hình 3-10 là khâu hồi tiếp dương của mạch dao động cầu Viên. Từ mạch điện ta có: 61
U 1 K ht . (3-12) ht RC 1 U R 1 2 1 j ( R1 C 2 ) RCRC2 1 2 1 R1 C1 U R C2 R2 Uht Hình 3-10 . Khâu hồi tiếp trong mạch dao động cầu Viên. Nếu chọn C1 = C2 = C và R1 = R2 = R ta có: U 1 K ht . (3-13) ht 1 U R 3 j ( RC ) RC 1 1 Tại tần số dao động ta có RC 0  RCdd RC 1 f (3-14) dd 2 RC 1 Khi đó = 0 và Kht Kht 3 R2 Để mạch có thể dao động thì phải thỏa mãn điều kiện cân bằng pha và cân bằng biên độ, nên R1 +E mạch khuếch đại phải có: Ur PTIT+ 0 tức là tín hiệu hồi tiếp phải được đưa -E K P về cửa thuận. C R và K = 3 R C Từ mạch dao động cầu Viên (hình 3-11) ta thấy mạch khuếch đại là khuếch đại thuận nên: R2 KRR 1 3 2 2 1 . Hình 3-11. Mạch dao động cầu Viên R1 62
3.6. Mạch dao động dùng thạch anh 3.6.1. Các tính chất của thạch anh Khi cần mạch tạo dao động có tần số ổn định cao mà dùng các biện pháp thông thường như ổn định nguồn cung cấp, ổn định tải vẫn không đảm bảo độ ổn định tần số theo yêu cầu thì phải dùng thạch anh để ổn định tần số. Thạch anh có những đặc tính vật lý rất đáng quý như độ bền cơ học cao, ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và các tác dụng hoá học. Thạch anh có tính chất áp điện, nghĩa là dưới tác dụng của điện trường thường sinh ra dao động. Do đó có thể dùng thạch anh như một khung cộng hưởng. Tính chất dao động của thạch anh được biểu diễn bởi sơ đồ tương đương hình 3-13. trong đó Lq, Cq và rq phụ thuộc vào kích thưíc khối thạch anh và cách cắt khối thạch anh. Thạch anh có kích thước càng nhỏ thì Lq, Cq và rq càng nhỏ, nghĩa là tần số cộng hưởng riêng của nó càng cao. Lq, Cq, rq có tính ổn định cao. Cp là điện dung giá đỡ, tính ổn định của Cp kém hơn. Hình 3-12. Ký hiệu của Thạch anh Hình 3-13. Sơ đồ tương đương của Thạch anh Thường rq rất nhỏ, nên khi tính toán bỏ qua. Với giả thiết rq = 0 thì trở kháng tương đương của thạch anh xác định theo công thức sau: 1 1 ( j..L ). q j..C j..C 2 .L .C 1 Z X q p j. q q (3-15) q q 1 1 2 .(Cp Cq  .Lq .Cq .Cp ) j..Lq j..Cq j..Cp j.Xq PTIT 0 f fq fP Hình 3-14. Đặc tính điện kháng của thạch anh 63
Từ (3-15) suy ra thạch anh có hai tần số cộng hưởng: một tần số cộng hưởng nối tiếp fq ứng với Zq = 0 và một tần số cộng hưởng song song fp ứng với Zp = . 1 Ta có : f q (3-16) 2 . Lq .C q 1 C p Cq Cq và f p f q . 1 (3-17) 2 Lq .Cq .C p C p Cp càng lớn so với Cq thì fp càng gần với fq. Đặc tính trở kháng của thạch anh theo tần số biểu diễn ở hình 3-14. Thường sản xuất thạch anh với tần số fq = 1khz đến 100Mhz. Các thạch anh tần số thấp hơn ít được sản xuất, và loại này kích thước lớn và đắt tiền. Các tính chất về điện của thạch anh có thể tóm tắt như sau: + Phẩm chất cao Q =104 105 Lq Lq + Tỷ số rất lớn, do đó trở kháng tương đương của thạch anh R td rất lớn. C q C q .rq + Cq Cp . + Tính tiêu chuẩn của thạch anh rất cao, với khung dao động thạch anh có thể đạt được f độ ổn định tần số là: 10 6 10 10 f 0 Để thay đổi tần số cộng hưởng của thạch anh trong phạm vi hẹp ta mắc nối tiếp với thạch anh một tụ biến đổi CS như trên hình 3-15. Khi đó tần số dao động được xác định theo biểu thức: Hình 3-15. C f f . 1 q (3-18) q q PTIT Cp CS 3.6.2. Một số mạch dao động dùng thạch anh Như ta đã biết thạch anh có hai tần số cộng hưởng: Một tần số cộng hưởng song song fp và một tần số cộng hưởng nối tiếp fq. Tùy theo cách mắc mà mạch sẽ cho tần số dao động là fp hay fq. Hình 3-16 là mạch cho tần số cộng hưởng nối tiếp, mạch điện hình 3-17 cho tần số cộng hưởng song song. Để kích thích phần tử thạch anh hoạt động trong mạch cộng hưởng nối tiếp (hình 3-16), người ta mắc nó nối tiếp với phần tử hồi tiếp. Tại tần số cộng hưởng nối tiếp trở kháng của thạch anh là nhỏ nhất và khi đó hồi tiếp dương là lớn nhất. 64
Khi thạch anh cộng hưởng song song (hình 3-17) thì trở kháng của nó là lớn nhất. Tại tần số cộng hưởng song song thạch anh được coi như một phần tử điện kháng lớn nhất. Và mạch điện lúc này là mạch dao động 3 điểm điện dung. Hình 3-16. Mạch cho tần số dao Hình 3-17. Mạch cho tần số dao động nối tiếp (fq) động song song (fp) 3.7. Mạch tạo sóng sin kiểu xấp xỉ tuyến tính Trong máy tạo sóng đa chức năng (máy tạo hàm) nó đồng thời tạo ra tín hiệu xung vuông, xung tam giác và tín hiệu sin. Để nhận được tín hiệu hình sin từ xung tam giác, có bộ biến đổi "xung tam giác - hình sin’’ dùng phương pháp xấp xỉ từng đoạn tuyến tính hoặc không tuyến tính. Phương pháp xấp xỉ từng đoạn tuyến tính chia một chu kỳ hình sin thành 4n phần nhỏ và thay thế mỗi phần bằng một đoạn thẳng có độ nghiêng khác nhau như ở hình 3-18. PTIT Hình 3-18. Xấp xỉ dạng hình sin bằng 4n những đoạn thẳng có góc nghiêng thay đổi Số n càng lớn thì độ chính xác càng cao và hệ số méo hình sin nhận được càng nhỏ. Một trong những sơ đồ thực hiện phương pháp này được mô tả trên hình 3-19. Ở đây n = 6. Các điôt D1  D10 ở trạng thái ban đầu là tắt bằng các mức điện áp cho trước ˆ ˆ U1 < < U 5 < U V trong đó U V là biên độ xung tam giác ở lối vào. 65
+U1 +U2 +U3 +U4 +U5 D1 D3 D5 D7 D9 UV R0 Ur + _ R1 R2 R3 R4 R5 D2 D4 D6 D8 D10 -U1 -U2 -U3 -U4 -U5 Hình 3-19. Mạch biến đổi xung tam giác - hình sin bằng phương pháp xấp xỉ từng đoạn tuyến tính. Khi UV tăng dần thì lần lượt các điôt thông và sau đó tắt (nhóm điôt lẻ làm việc ở nửa dương và điôt chẵn làm việc ở nửa âm của điện áp xung tam giác) tạo thành từng đoạn tín hiệu tuyến tính có độ dốc khác nhau. Độ dốc của từng đoạn này được xác định bởi hệ số phân áp tác động lên từng khoảng thời gian tương ứng. Khi điện áp vào Uv nhỏ, các điốt ngắt vì chúng được phân cực ngược. Lúc này hệ số khuếch đại của mạch K = 1 do đó Ur = Uv. Khi Uv tăng lên sao cho Uv > +U1 thì D1 thông, R0 và R1 tạo thành mạch phân áp nên hệ số khuếch đại của toàn mạch giảm, làm cho Ur tăng chậm hơn Uv. Khi Uv > +U2 thì D3 thông, R1//R2 cùng R0 tạo thành mạch phân áp có hệ số phân áp nhỏ hơn nữa, do đó tốc độ tăng của điện áp ra càng giảm Cuối cùng khi D9 thông thì mạch có hệ số phân áp nhỏ nhất tương ứng với điểm cực đại của hàm hình sin. Tiếp theo Uv giảm các điốt lẻ tắt dần làm cho hệ số phân áp của mạch lại tăng lên cho đến khi K = 1. Các điốt D2, D4 D10 cũng có tác dụng như vậy khi Uv < 0. Như vậy qua mạch này từ tín hiệu vào xung tam giác ta nhận được tín hiệu hình sin đầu ra. PTIT 66
CHƯƠNG 4 MẠCH XUNG 4.1. Tín hiệu xung và các tham số Tín hiệu xung là tín hiệu rời rạc theo thời gian và thường được gọi theo hình dạng của nó như xung vuông, xung tam giác, xung nhọn vv, như ở hình 4-1. Các tham số cơ bản của tín hiệu. xung là biên độ, độ rộng xung, độ rộng sườn trước, U sườn sau, độ sụt đỉnh, hình 4-2. tx - Biên độ xung xác định bằng giá trị lớn nhất t 0 của tín hiệu xung , ký hiệu Û. T U - Độ rộng sườn trước và sườn sau xác định khoảng thời gian tăng, giảm của biên độ xung trong khoảng 0,1Û đến 0,9Û. t tqt tqn - Độ rộng xung tx là khoảng thời gian tồn tại 0 của tín hiệu xung. T U - Độ sụt đỉnh xung U thể hiện mức giảm biên độ ở đoạn đỉnh xung. t tx Với dãy xung tuần hoàn có các tham số đặc 0 trưng sau: T 1 - Chu kỳ lặp lại T, tần số xung f . Hình 4-1. Các dạng tín hiệu xung T t - Hệ số lấp đầy  x . T 4.2. Chế độ khóa của transistor Trong các mạch xung transistor làm việc ở chế độ khoá, như một khoá điện tử có hai trạng U PTIT^ U thái đặc biệt: transistor tắt và transistor thông U bão hoà do điện áp đặt lên đầu vào quyết định, mạch ở hình 4-3. - Khi Uv 0 transistor tắt .Dòng IB = 0, t IC = 0 nên Ur = E. 0 ttr ts tx - Khi Uv > 0 transistor thông có dòng IB, IC. Hình 4-2. Các tham số của tín hiệu Nếu thoả mãn điều kiện IB IBbh tức là Uv/RB E/.RC thì transistor chuyển sang trạng thái bão hoà. Lúc này Ur = E – ICbh.RC = UCEbh = 0 (thực tế UCEbh khoảng 0,4V). 67
- Khi tín hiệu vào chuyển đổi từ điều kiện UV ≤ 0 sang điều kiện UV > 0, đủ lớn thì transistor sẽ chuyển đổi trạng thái tắt sang trạng thái bão hòa, khi điều kiện ngược lại thì transistor lại chuyển đổi từ trạng thái bão hòa sang trạng thái tắt. 4.3. Chế độ khóa của bộ KĐTT +E Khi làm việc ở mạch xung, bộ KĐTT hoạt động như một khoá điện tử, điểm làm việc luôn IC RC nằm trong vùng bão hoà của đặc tuyến truyền đạt IB Ur = f(U ). Khi đó điện áp ra chỉ nằm ở một d T trong hai mức bão hoà dương +Urmax và bão hoà Ur Uv RB âm –Urmax Chế độ khóa lợi dụng hệ số khuếch đại K0 rất lớn của bộ KĐTT. Đặc tuyến truyền đạt của bộ KĐTT gồm hai miền bão hòa và một miền tuyến Hình 4-3. Mạch khóa dùng transistor tính. Vì K0 rất lớn nên đặc tuyến trong miền tuyến tính gần như thẳng đứng, nếu lý tưởng thì đặc tuyến trùng với trục Ur. PTIT Hình 4-4. Đặc tuyến truyền đạt của bộ KĐTT Ta có Ur = K0(UP – UN), vì K0 = (lý tưởng) nên khi UP > UN thì Ur đã bão hòa dương và khi UP < UN thì Ur đã bão hòa âm. Khi làm việc với tín hiệu xung biến đổi nhanh cần chú ý đến tính quán tính (trễ) của IC thuật toán. Với các IC thuật toán tiêu chuẩn hiện nay thời gian tăng của điện áp ra khoảng V/  s. Trong điều kiện tốt hơn nên sử dụng các IC chuyên dùng có tốc độ chuyển biến nhanh hơn như loại  A710, A110, LM310 -339; loại này đạt mức tăng V/ ns. 68
4.4 . Trigơ Trigơ là mạch có hai trạng thái ổn định. Khi có nguồn mạch ở một trạng thái ổn định nào đó. Có một xung vào mạch chuyển đổi trạng thái một lần. Như vậy cứ hai xung vào mạch cho một xung ra. Mạch trigơ có thể dùng transistor hay IC thuật toán. Ta xét mạch trigơ Smít dùng IC thuật toán khi tác dụng đầu vào là điện áp sin. 4.4.1. Trigơ đảo Trigơ đảo hình 4-5. Từ dạng sóng ta thấy khi UV có giá trị âm lớn, mạch ở trạng thái bão hoà dương Ur = +Urmax , trên lối vào thuận có: U r max URP( ) . 2 . RR1 2 UV tăng dần, trạng thái này vẫn không đổi cho tới khi UV > UP(+) điện áp vào hai đầu IC đổi dấu nên đầu ra đột biến sang trạng thái bão hoà âm, Ur = -Urmax lập tức qua mạch phân áp đưa về cửa thuận điện áp: Ur max URP( ) . 2 . RR1 2 Ur Uv Ur P R1 UP(+) UP(-) R2 T r Hình 4-5. Trigơ đảo Hình 4-6. Dạng tín hiệu vào và ra. Điện áp vào tăng lên rồiPTIT giảm xuống, khi UV < UP(-), điện áp đầu vào IC đổi dấu làm đầu ra IC lật trạng thái sang bão hoà dương Ur = +Urmax. Và cứ như vậy, khi tác dụng điện áp sin vào cửa đảo, đầu ra ta nhận được dãy xung vuông có: Tr = TV (4-1) Để mạch có hai trạng thái ổn định cần thoả mãn điều kiện: R2 .K0 1 (4-2) RR1 2 trong đó K0 là hệ số khuếch đại không tải của BKĐTT. 69
4.4.2. Trigơ thuận Trigơ thuận hình 4-7. Mạch có cửa đảo nối đất nên trạng thái đầu ra phụ thuộc vào điện áp cửa thuận (UP). Nếu UP > 0 đầu ra bão hòa dương, ngược lại đầu ra sẽ bão hòa âm nếu UP 0 khi UUV . r (4-3) R2 R1 UP Ung, từ (4-3) ta R2 PTIT thấy UP > 0 nên đầu ra lật trạng thái sang bão hoà dương Ur = +Urmax, lúc này R 1 . UUng - r max R2 Điện áp vào tăng lên rồi giảm xuống, khi UV < Ung, từ (4-4) ta thấy UP < 0 nên đầu ra lật trạng thái sang bão hoà âm Ur = -Urmax. Và cứ như vậy, khi tác dụng điện áp sin vào cửa thuận, đầu ra ta nhận được dãy xung vuông có chu kỳ bằng với chu kỳ xung vào. 4.5. Mạch đa hài đợi Mạch đa hài đợi có hai trạng thái, trong đó có một trạng thái ổn định và một trạng thái không ổn định. Khi có nguồn mạch ở trạng thái ổn định. Có xung kích thích mạch chuyển sang trạng thái không ổn định một thời gian rồi tự trở về trạng thái ổn định ban đầu chờ xung 70
kích thích tiếp. Như vậy cứ một xung vào mạch chuyển đổi trạng thái hai lần cho một xung vuông ra. Mạch có thể dùng transistor hay IC thuật toán. Mạch đa hài đợi dùng IC thuật toán ở hình 4-9a và dạng điện áp ở các cực như ở hình 4-9b. Ban đầu mạch ở trạng thái ổn định, đầu ra bão hoà âm (muốn trạng thái ban đầu là bão hòa dương thì đổi chiều điôt), Ur = -Urmax. Qua mạch phân áp đưa về cửa thuận điện áp URr max. 1 U P() điốt D được phân cực thuận, thông nên UC = 0. Tại thời điểm t = t1 có RR1 2 xung nhọn cực tính dương tới đầu vào. Nếu biên độ đủ lớn vượt quá giá trị UP(-), mạch lật trạng thái sang bão hoà dương Ur = +Urmax. Qua mạch hồi tiếp dương đưa về cửa thuận Ur max URP( ) . 1 , điốt D tắt. Sau t1 điện áp ra +Urmax nạp điện cho tụ C làm cho UC tăng lên. RR1 2 Tới thời điểm t2, UC > UP(+) đầu vào của IC có điện áp đổi dấu, đầu ra IC lật sang trạng thái bão hoà âm, Ur = -Urmax. Qua bộ phân áp lại đưa về điện áp UP(-), tụ C phóng điện qua R hướng tới –Urmax, tại thời điểm t = t3, UC = 0, điốt D thông trở lại mạch trở về trạng thái đợi ban đầu. Với mạch có nguồn nuôi đối xứng ta xác định được độ rộng xung ra (khoảng thời gian mạch ở trạng thái không ổn định) là: R 1 tx = R.C.ln(1 ) (4-5) R 2 Thời gian phục hồi tph là thời gian mạch trở về trạng thái ổn định ban đầu, xác định theo biểu thức: R 1 tph = R.C.ln(1 ) (4-6) R1 R 2 R Uv D C PTITt1 Tvào t N UC +Urmax Ur UP(+) UC = UN P Cv R2 t1 t2 Uv t R1 UP(-) - Urmax tX Ur +Urmax a. t t Hình 4-9. 1 2 t -Urmax a. Mạch đa hài đợi b. Dạng điện áp b. 71
Để mạch làm việc bình thường, chu kỳ xung vào cần thoả mãn điều kiện: Tv > tx + tph. (4-7) Chu kỳ xung ra bằng chu kỳ xung vào: Tr = Tv. (4-8) 4.6. Mạch đa hài tự dao động 4.6.1. Mạch đa hài tự dao động dùng transistor Mạch điện hình 4-10 và điện áp các cực theo thời gian ở hình 4-11. Mạch gồm hai transistor mắc cực phát chung, đầu ra T1 ghép tới đầu vào tầng T2 qua tụ C1, còn đầu ra tầng 0 0 T2 ghép trở lại qua tụ C2. Như vậy mỗi tầng gây di pha một góc 180 , hai tầng di pha 360 , bảo đảm hồi tiếp dương khi mạch làm việc. Khi có nguồn hai tụ C1, C2 thay nhau nạp điện và phóng điện, hai transistor thay nhau thông (bão hoà), tắt tạo cho mạch có hai trạng thái cân bằng không ổn định: T1 tắt, T2 thông (bão hoà) và T1 thông (bão hoà), T2 tắt và tự chuyển đổi trạng thái cho nhau, đầu ra nhận được dãy xung vuông. Coi như mạch đã ở chế độ xác lập, xung ra có biên độ ổn định. Xét tại thời điểm mạch đang ở trạng thái T1 tắt, T2 thông (bão hoà). Lúc này tụ C2 (trước đó nạp điện) đang phóng điện từ +C2 qua T2, nguồn E, qua điện trở R 3 đến -C2 đặt điện áp âm lên cực gốc T1 làm cho UB1 0 T1 thông, xuất hiện dòng IB1, IC1 và tăng lên làm cho Ur1 giảm, qua tụ C1 dẫn đến UB2 giảm, dòng T2 giảm và Ur2 tăng. Qua C2 lượng tăng đưa vào cực gốc T1 làm cho UB1 tiếp tục tăng, dòng đèn T1 tiếp tục tăng. Hồi tiếp dương xẩy ra nhanh chóng (xem như tức thời) làm cho T1 thông (bão hoà), T2 tắt. 72
Tiếp theo tụ C1 lại phóng điện qua T1, nguồn E và điện trở R2 giữ cho T2 tắt trong một khoảng thời gian. Tụ C2 nạp điện từ nguồn E qua R4 và điện trở r , nhanh chóng đến điện BET1 áp bằng E (do R4 0 T2 thông trở lại, T1 tắt mạch chuyển sang trạng thái ban đầu. Quá trình lặp đi lặp lại sẽ cho xung vuông đầu ra. Điều kiện làm việc của mạch: Để xung ra vuông, tụ C nạp điện nhanh hơn khi tụ phóng phải có: R1,4 << R3,2 và transistor khi thông ở chế độ bão hoà cần R 3 1.R1 và R2 2.R4, trong đó 1, 2 là hệ số khuếch đại dòng của transistor T1, T2. Khi cần tần số xung ra lớn, transistor thông làm việc ở chế độ khuếch đại, không áp dụng điều kiện này. Biên độ xung ra trong trường hợp đó bé hơn E. PTIT Các tham số xung ra: Biên độ xung ra: ˆ UEr (4-9) Độ rộng xung tx1 là thời gian T1 tắt, tụ C2 phóng điện qua R 3 nên tx1 được tính: tx1 = R 3.C2ln2 0,7 R3 .C2. (4-10) Tương tự tx2 là thời gian T2 tắt, tụ C1 phóng điện qua R2 nên tx2 được tính: tx2 = R2.C1ln2 0,7R2.C1 (4-11) Chu kỳ dao động của mạch: 73
T = tx1+tx2 = 0,7(R3.C2+R2.C1) (4-12) Tần số dao động của mạch: 1 1 f = (4-13) T 0,7(R 3.C 2 R 2 .C1 ) Với mạch đối xứng ta có: R1 = R4 = RC; R2 = R3 = RB. C1 = C2 = C, các transistor T1, T2 cùng loại, cùng tham số thì tx1 = tx2: tx1 = tx2 = 0,7.RB.C T = 2tx = 1,4.RB.C 1 1 f = (4-14) T 1,4.R B .C 4.6.2. Mạch đa hài tự dao động dùng bộ khuếch đại thuật toán Mạch đa hài tự dao động dùng bộ KĐTT hình 4-12 và dạng xung ở các cực theo thời gian như ở hình 4-13. Để phân tích nguyên lý làm việc của mạch ta coi mạch đã ở chế độ xác lập. Giả sử ban đầu tại thời điểm mạch đang ở trạng thái bão hoà dương Ur = +Urmax. Lập tức qua mạch phân áp R1, R2 đưa về cửa thuận một điện áp: Ur max URP () 1 RR1 2 Tụ C trước đó nạp điện áp âm, phóng điện qua đầu ra IC, điện trở R, khi phóng hết điện áp âm rồi nạp tiếp làm cho UC tăng lên. Khi UC > UP(+) thì đầu ra lập tức đột biến về -Urmax, mạch chuyển sang trạng thái bão hoà âm. R PTITC N Ur P R2 R1 Hình 4-12. Mạch dao động đa hài dùng bộ KĐTT Qua mạch phân áp R1 R2 đưa về cửa thuận một điện áp: U r max URP () 1 . RR1 2 74
Tụ C đang nạp thì phóng điện (do điện áp ra đổi cực tính) qua điện trở R làm cho UC giảm xuống không, rồi nạp tiếp về phía –Urmax. Khi UC < UP(-) thì đầu ra đột biến từ -Urmax về +Urmax, mạch chuyển sang trạng thái bão hoà dương. Cứ như vậy mạch tự làm việc chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác cho dãy xung vuông ở đầu ra. Hình 4-13. Dạng tín hiệu trên các cửa bộ KĐTT Khi nguồn nuôi đối xứng thì độ rộng xung tx được xác định: 2R 1 tX RC.ln(1 ) (4-15) R2 Nếu chọn R1 = R2 thì: PTIT tx = R.C.ln3 1,1R.C (4-16) Chu kỳ dao động: T = 2tx 2,2 R.C (4-17) Tần số dao động: 1 f (4-18) dd 2, 2RC Khi cần dạng xung ra không đối xứng ta dùng mạch ở hình 4-14. 75
' Bằng cách thay đổi giá trị tương quan giữa R và R'' sẽ thay đổi được tx1 và tx2. Khi R' + R'' không đổi thì chu kỳ T = tx1 + tx2 sẽ được giữ nguyên. D1 R’ U Ur UC(t) +Urmax D2 R’’ C N Ur t P R2 -Urmax R1 tX1 tX2 b. a. Hình 4-14. a) Mạch đa hài không đối xứng b) Đồ thị thời gian dạng xung ra 4.7. Mạch hạn chế biên độ Mạch hạn chế biên độ còn gọi là mạch xén biên, trong đó tín hiệu ra Ur luôn tỷ lệ với tín hiệu vào UV nếu UV chưa một giá trị, một mức ngưỡng cho trước, còn khi UV vượt quá mức ngưỡng thì tín hiệu ra Ur luôn giữ ở một giá trị không đổi. Các linh kiện tích cực được sử dụng trong mạch hạn chế thường là điốt, tranzito hay IC. Mạch hạn chế được sử dụng nhiều trong kỹ thuật truyền hình. Sau đây ta sẽ nghiên cứu các mạch hạn chế dùng điốt lý tưởng. Tuỳ theo cách mắc điốt là nối tiếp hay song song với tải, người ta phân biệt thành mạch hạn chế nối tiếp hay hạn chế song song. Cũng có thể phân loại theo chức năng hạn chế ở mức trên, hạn chế ở mức dưới (một phía) hoặc hạn chế ở hai mức (hai phía). 4.7.1. Mạch hạn chế trên PTIT Mạch hạn chế trên song song hình 4-15a. Ở mạch này khi UV E điốt tắt nên Ur = UV. Ngược lại khi UV > E điốt thông Ur = E (lúc này UV sụt áp tất cả trên R). Đây là mạch hạn chế ở mức trên. Mạch hạn chế nối tiếp ở hình 4-15b, khi UV E điốt tắt nên Ur = E. Trên hình 4-15c là dạng tín hiệu ra khi tín hiệu vào là hình sin và hình 4-15d là đặc tuyến truyền đạt của mạch hạn chế trên. 76
D R D R Uv Ur Uv + Ur + E E a. b. U U U V r Ur E E t 0 E Uv d. c. Hình 4-15. Mạch hạn chế trên 4.7.2. Mạch hạn chế dưới R D D R Uv Ur Uv Ur E + E + a. PTITb. U Ur Ur t -E Uv -E 0 -E UV c. d. Hình 4-16. Mạch hạn chế dưới 77
Với các mạch hạn chế trên nếu đổi chiều các điốt thì mach sẽ thực hiện chức năng hạn chế ở mức dưới. Mạch hạn chế song song ở hình 4-16a, khi UV -E điốt thông nên Ur = UV. Hình 4-16c là dạng tín hiệu ra khi tín hiệu vào là hình sin và hình 4-16d là đặc tuyến truyền đạt của mạch hạn chế dưới. 4.7.3. Mạch hạn chế hai phía Trên hình 4-17a, b là mạch hạn chế hai phía. Mạch hạn chế song song hình 4-17a khi UV E2 thì D2 thông ,D1 tắt nên Ur = E2. Khi -E1 UV E2 thì D1, D2 đều tắt nên Ur = UV. Mạch ở hình 4-17b cũng có nguyên lý tương tự nhưng cần chọn R2 >> R1. Hình 4-17c là dạng tín hiệu ra khi tín hiệu vào là hình sin và hình 4-17d là đặc tuyến truyền đạt của mạch hạn chế hai phía. Ở các mạch hạn chế thực tế dạng tín hiệu phụ thuộc rất nhiều vào thông số thực của các linh kiện trong mạch, phụ thuộc giá trị tải cũng như điện dung ký sinh. Các yếu tố đó có thể gây méo dạng tín hiệu ra một cách đáng kể nên cần tính toán một cách đầy đủ. Trong kỹ thuật, mạch hạn chế được dùng để tạo xung, sửa xung, chọn xung hay chống nhiễu.v.v D1 D2 R D1 D2 R1 R2 Uv Ur Uv Ur + + E1 E2 E1 + + E2 PTIT a. b. U UV Ur E2 Ur E2 -E1 t 0 0 E2 Uv -E1 - E1 c. d. Hình 4-17. Mạch hạn chế hai phía 78
4.8. Mạch tạo xung răng cưa 4.8.1 Tham số tín hiệu xung răng cưa U Tín hiệu xung răng cưa được sử dụng Uˆ rộng rãi trong các thiết bị điện tử, chẳng hạn làm tín hiệu quét trong các máy hiện sóng, làm tín hiệu so sánh biến đổi điện áp hay thời gian.v.v t Trên hình 4-18 là một tín hiệu xung răng 0 tqt tqn cưa thông thường. Nó bao gồm hai phần, phần biến thiên tuyến tính theo thời gian gọi là thời T gian quét thuận t và phần còn lại là thời gian qt Hình 4-18. Tín hiệu xung răng cưa quét ngược tqn. Các mạch tạo tín hiệu răng cưa phải bảo đảm sao cho thời gian quét thuận lớn hơn rất nhiều thời gian quét ngược. Biên độ của  xung răng cưa là U . Tín hiệu răng cưa có thể dương hay âm, thực hiện quét lên hoặc quét xuống và mạch tạo xung răng cưa có thể hoạt động ở chế độ đợi hay tự dao động. Trong thực tế, phần quét thuận của xung răng cưa không hoàn toàn tuyến tính. Do đó để đánh giá chất lượng đường quét của xung răng cưa, ta đưa ra hệ số phi tuyến , định nghĩa như sau: U U  (0) (tqt) (4-19) U( 0) trong đó U( 0) là độ dốc ở điểm bắt đầu đường quét thuận. U( tqt) là độ dốc ở điểm kết thúc đường quét thuận. Ngoài ra mạch quét còn được đánh giá theo hiệu suất sử dụng nguồn cung cấp.  U H % (4-20) E C PTIT  Với U là biên độ, EC là điện áp nguồn. Nói chung tín hiệu răng cưa được tạo ra dựa trên quá trình nạp và phóng của tụ. Các mạch tạo xung răng cưa đều dựa theo một trong ba nguyên lý cơ bản sau: - Nạp, phóng cho tụ bằng mạch RC đơn giản. - Nạp hoặc phóng cho tụ qua nguồn dòng ổn định. - Dùng hồi tiếp để ổn định dòng nạp cho tụ. 4.8.2. Mạch tạo xung răng cưa dùng mạch tích phân RC. Trên hình 4-19 là sơ đồ nguyên lý tạo xung răng cưa dùng mạch RC. Trong mạch transistor hoạt động ở chế độ khoá. Bình thường, khi không có xung kích thích, transistor thông bão hoà do được cung cấp dòng IB khá lớn qua, nên tín hiệu ra Ur 0. Khi mạch được 79
kích thích xung âm có biên độ đủ lớn, transistor tắt, tụ C nạp điện từ nguồn EC qua R. Điện áp trên tụ tăng dần theo biểu thức: t/. R C Ur E C (1 e ) (4-21) Khi xung vào kết thúc transistor thông và bão hoà trở lại, tụ C phóng điện nhanh qua transistor tới giá trị gần bằng không. Thời gian quét thuận của mạch bằng thời gian tồn tại của xung vào, còn thời gian quét ngược là thời gian phóng điện của tụ C. Uv +Ec t RB Rc 0 Cv Ur EC  U r + + C Ur Uv t 0 Ubh tqt tqn Hình 4-19. Mạch tạo xung răng cưa dùng mạch RC. Để xung ra tăng lên gần như tuyến tính cần chọn trị số R, C đủ lớn sao cho  = RC >> txvào (txvào là độ rộng xung vào) Nhược điểm của loại mạch này là chất lượng tuyến tính của phần quét thuận không cao, do ở cuối dòng nạp cho tụ giảm dần. Để khắc phục nhược điểm trên, có thể sử dụng nguồn dòng ổn định để nạp cho tụ. 4.8.3. Mạch tạo xung răng cưa dùng nguồn dòng Trên hình 4-20 là sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung răng cưa theo nguyên tắc dùng nguồn ổn dòng. U PTIT+Ec v t RE RB2 0 T2 Ur Dz  RB1 U r Cv T1 + + C Ur Uv t 0 U t bh tqt qn Hình 4-20. Mạch tạo xung răng cưa dùng nguồn dòng. 80
Như ta đã biết, khi tụ nạp điện áp trên nó tỷ lệ với tích phân theo thời gian của dòng nạp qua nó. t 1 U idt (4-22) C C 0 Vì vậy nếu dòng nạp cho tụ lấy từ một nguồn dòng, tức là: i = I0 = const. thì điện áp trên tụ sẽ biến đổi tuyến tính theo thời gian. t 1 I U . I dt 0 .t (4-23) C C 0 C 0 Mạch ở hình 4-20 transistor T1 hoạt động như một khoá điện tử. Bình thường khi chưa có xung vào do được cấp dòng IB1 đủ lớn nên T1 bão hoà, do đó điện áp ra gần như bằng không. Transistor T2 đóng vai trò nguồn dòng. Nhờ có điốt ổn áp DZ nên điện áp cực gốc T2 luôn ổn định. Vì vậy dòng qua T2, IE2 cũng như IC2 có giá trị ổn định. EC U EB2 U D IC2 IE2 (4-24) R E Trong khi T1 bão hoà, dòng IC2 này bằng dòng IC1. Khi có xung âm vào T1 tắt, tụ C nạp điện bởi dòng IC2 và điện áp trên tụ tăng tuyến tính theo thời gian: 1 t EUU U U i dt C BE2 D t (4-25) r C C 2 CCR0 . E Khi hết xung kích thích T1 lại thông và bão hoà, tụ C phóng điện nhanh qua T1 làm cho UR giảm xuống nhanh chóng về điện áp gần bằng không. 4.8.4. Mạch tạo xung răng cưa thêm tầng khuếch đại có hồi tiếp Để tăng độ tuyến tính của đường quét thuận, trong một số mạch tạo xung răng cưa ta dùng thêm mạch khếch đại cóPTIT hồi tiếp như trên hình 4-21. Trong mạch này T1 luôn thông bão hoà khi không có xung vào, do đó điện áp trên tụ C luôn xấp xỉ bằng không (UC 0). Lúc đó tồn tại một dòng điện chạy từ nguồn EC, qua điốt D, qua R đến T1. Tầng khuếch đại T2 mắc cực góp chung, có độ khuếch đại điện áp gần bằng một nên điện áp ra UUr C 0 , tụ C0 (có điện dung rất lớn hơn tụ C rất nhiều) lúc này nạp điện tới giá trị EC, U = EC. C0 Khi có xung kích thích, tranzito T1 tắt, tụ C bắt đầu được nạp điện bởi dòng do tụ C0 phóng ra qua R. Theo mức độ nạp của tụ C, điện áp ra tăng dần và do đó điốt tắt. Ta thấy dòng nạp cho tụ C khá ổn định nhờ điện áp trên tụ C0 hầu như không đổi trong suốt thời gian quét thuận nên điện áp ra tuyến tính. Về mặt giải tích, có thể xác định dòng nạp cho tụ C thông qua điện áp hạ trên R. 81
U UUU I R CRC0 (4-26) RR Uv +E +EC t D C0 0 Ur R1 R T2 Cv T1 C t Uv RE Ur 0 Ubh tqt tqn Hình 4-21. Mạch tạo xung răng cưa thêm tầng khuếch đại có hồi tiếp Do tầng khuếch đại T2 có hệ số khuếch đại điện áp gần bằng 1, UUC r nên: U E I C0 C (4-27) RR Trong quá trình nạp: 1 t E U U idt C . t (4-28) r C CRC0 . Sau khi xung vào kết thúc, T1 thông và bão hoà trở lại, tụ C phóng điện qua T1. Khi tụ C phóng điện giảm xuống xấp xỉ bằng không điốt D thông và tụ C0 lại nạp bổ sung đến giá trị UE ban đầu. CC0 Trong mạch này thời gianPTIT quét thuận cũng bằng độ rộng xung vào. Cũng có thể dùng mạch tích phân dùng bộ KĐTT để tạo xung răng cưa. 4.9. Mạch tạo dao động có tần số điều khiển bằng điện áp (VCO) Yêu cầu chung đối với các mạch tạo dao động có tần số điều khiển được là quan hệ giữa điện áp điều khiển và tần số dãy xung ra phải tuyến tính. Ngoài ra mạch phải có độ ổn định tần số cao, giải biến đổi của tần số theo điện áp rộng, đơn giản, dễ điều chỉnh. Về nguyên tắc, có thể dùng một mạch tạo dao động mà tần số dao động của nó có thể biến thiên được trong phạm vi 10% đến 50% xung quanh tần số dao động tự do f0. Tuy nhiên người ta thường dùng các bộ tạo xung chữ nhật hơn cả, vì loại này có thể làm việc trong phạm vi tần số khá rộng. Trong phạm vi (1 50 MHz) thường dùng các mạch tạo dao động đa 82
hài. Các bộ tạo dao động điều khiển bằng dòng điện ưu việt hơn các bộ tạo dao động điều khiển bằng điện áp ở chỗ: nó có phạm vi tuyến tính của đặc tuyến truyền đạt rộng hơn. Một sơ đồ đơn giản của VCO là mạch dao động đa hài được biểu diễn trên hình 4-22. Khi nối đầu điều khiển với EC thì đây là một mạch dao động đa hài thông thường. Khi tách ra và đặt điện áp điều khiển vào đầu đó Ud thì tần số dãy xungra biến thiên theo Ud. Cụ thể nếu Ud tăng thì thời gian phóng nạp của tụ giảm, do đó tần số của dao động tăng và ngược lại. Ta có đặc tuyến truyền đạt f = f(Ud) biểu diễn trên hình 4-23. +EC RC C C RC T1 T2 Ur R R Ud - E C Hình 4-22. Mạch tạo dao động đa hài có tần số điều khiển bằng điện áp fr (Khz) 1,1 1,0 PTIT 0,9 U (v) -5V 0 +5V d Vùng làm việc Hình 4-23. Quan hệ giữa tần số dao động ra của VCO với điện áp điều khiển. 83
CHƯƠNG 5 ĐIỀU CHẾ - TÁCH SÓNG – TRỘN TẦN 5.1. Điều chế 5.1.1. Khái niệm Điều chế là quá trình ghi tin tức vào dao động cao tần nhờ biến đổi một thông số nào đó như biên độ, tần số hay góc pha của dao động cao tần theo tin tức. Do tin tức có tần số thấp nên không thể tự bức xạ để truyền đi xa được nên thông qua điều chế, tin tức ở miền tần số thấp được chuyển lên vùng tần số cao để bức xạ, truyền đi xa. Tin tức được gọi là tín hiệu điều chế. Dao động cao tần được gọi là tải tin hay tải tần. Dao động cao tần mang tin tức gọi là dao động cao tần đã điều chế. Đối với tải tin điều hoà, ta phân biệt ra hai loại điều chế là điều biên và điều chế góc, trong đó điều chế góc bao gồm cả điều tần và điều pha. 5.1.2. Điều chế biên độ 5.1.2.1. Phổ của tín hiệu điều biên Điều biên là quá trình làm cho biên độ tải tín hiệu biến đổi theo tin tức. Để đơn giản, giả thiết tin tức US và tải tin U t đều là dao động điều hoà và tần số tin tức biến thiên từ Smin  Smax , ta có: Tin tức: ˆ uSSS( t ) U .cos t ˆ Tải tin: ut( t ) U t .cos t t yêu cầu t S Do đó tín hiệu điều biên: ˆ ˆ ˆ uđb (U t U S .cos S t).cos t t U t .(1 m.cos tt).cos t t (5-1) ˆ PTIT U trong đó: m S là hệ số điều chế. ˆ U t Hệ số điều chế phải thoả mãn điều kiện m 1. Khi m 1 thì mạch có hiện tượng quá điều chế làm cho tín hiệu bị méo trầm trọng. (Hình 5-1c). Từ (5-1) ta có: ^ ^ ^ mUt mU t u Ut cos t cos(   ) t cos(   ) t (5-2) db t2 t S 2 t S Như vậy, tín hiệu điều biên ngoài thành phần tải tin, còn có hai biên tần (hình 5-1b). Biên tần trên có tần số từ ()t  S min đến ()t  S max và biên tần dưới từ ()t  S max đến ()t  S min . 84
5.1.2.2. Quan hệ năng lượng trong điều biên. Trong tín hiệu điều biên, các biên tần chứa tin tức, còn tải tin không mang tin tức. Ta xét xem năng lượng được phân bố thế nào trong tín hiệu điều biên. Công suất của tải tin là công suất trung bình trong một chu kỳ tải tin. 1 P ~ (tỷ lệ) U 2 ~t 2 t Công suất biên tần: m.Uˆ ( t )2 P ~ 2 U ~ bt 2 a.  0 smin smax Ut Uđb b.  0 t t-Smax t-Smin t+Smi t+Smax Hình 5-1. Tín hiệu điều biên US a. Phổ của tin tức b. Phổ của tín hiệu điều biên c. Đồ thị thời gian của tin tức và tín t hiệu điều biên khi m 1 0 Uđb PTIT c. t 0 m 1 Công suất của tín hiệu đã điều biên là công suất trung bình trong một chu kỳ của tín hiệu điều chế. 85