Bộ Khuếch Đại

Mạch khuếch đại transistor E chung

Mạch khuếch đại transistor E chung

Cấu hình bộ khuếch đại phổ biến nhất cho Transistor NPN là Mạch khuếch đại transistor E chung.

Tất cả các loại bộ khuếch đại Transistor hoạt động bằng cách sử dụng đầu vào tín hiệu AC xen kẽ giữa giá trị dương và giá trị âm, vì vậy cần có một số cách để mạch khuếch đại hoạt động giữa hai giá trị cực đại. Điều này đạt được bằng cách sử dụng một quá trình được gọi là phân cực. Phân cực rất quan trọng trong thiết kế bộ khuếch đại vì nó thiết lập điểm hoạt động chính xác của bộ khuếch đại Transistor sẵn sàng nhận tín hiệu, do đó giảm bất kỳ sự biến dạng nào đối với tín hiệu đầu ra.

Chúng ta cũng thấy rằng một đường tải tĩnh hoặc một chiều có thể được vẽ trên các đường cong đặc tuyến đầu ra để hiển thị tất cả các điểm hoạt động có thể có của Transistor từ Bật hoàn toàn đến tắt hoàn toàn và điểm hoạt động tĩnh hoặc điểm Q của bộ khuếch đại có thể được nhìn thấy.

Mục đích của bất kỳ bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ nào là khuếch đại tất cả tín hiệu đầu vào với mức độ méo nhỏ nhất có thể đến tín hiệu đầu ra, nói cách khác, tín hiệu đầu ra phải là sự tái tạo chính xác của tín hiệu đầu vào nhưng chỉ lớn hơn (được khuếch đại).

Để có được độ méo thấp khi được sử dụng làm bộ khuếch đại, điểm tĩnh hoạt động cần được chọn chính xác. Trên thực tế, đây là điểm hoạt động DC của bộ khuếch đại và vị trí của nó có thể được thiết lập tại bất kỳ điểm nào dọc theo đường tải bằng cách phân cực thích hợp.

Vị trí tốt nhất có thể cho điểm Q này càng gần vị trí trung tâm của đường tải càng tốt, do đó tạo ra bộ khuếch đại thuận toán loại A, tức là. Vce = 1 / 2Vcc . Hãy xem xét mạch Khuếch đại E chung được hiển thị bên dưới.

Mạch khuếch đại E chung một tầng hiển thị ở trên phân cực bằng bộ chia điện áp. Loại sắp xếp phân cực này sử dụng hai điện trở như một mạng phân chia điện áp trên nguồn cung cấp với điểm trung tâm của chúng cung cấp điện áp phân cực cần thiết cho Transistor. Phân cực phân áp được sử dụng phổ biến trong thiết kế mạch khuếch đại Transistor lưỡng cực.

Phương pháp phân cực này của Transistor làm giảm đáng kể ảnh hưởng của việc thay đổi Beta ( β ) bằng cách giữ phân cực B ở mức điện áp ổn định không đổi cho phép ổn định tốt nhất. Điện áp tĩnh ( Vb ) được xác định bởi mạng phân chia điện áp được tạo thành bởi hai điện trở, R1 , R2 và điện áp nguồn Vcc như hình vẽ với dòng điện chạy qua cả hai điện trở.

Tổng kháng R T sẽ bằng R1 + R2 ,dòng điện  i = VCC / R T . Mức điện áp được tạo ra tại điểm giao nhau của các điện trở R1 và R2 giữ cho Điện áp ( Vb ) không đổi ở giá trị thấp hơn điện áp nguồn.

Điện áp phân cực Transistor

Cùng một điện áp cung cấp, ( Vcc ) cũng xác định dòng điện Ic tối đa, khi Transistor được chuyển hoàn toàn “ON” (bão hòa), Vce = 0 . Dòng Ib cho Transistor được xác định bằng dòng Ic và độ lợi dòng điện một chiều Beta, β của Transistor.

Giá trị Beta

Beta đôi khi được gọi là h FE là độ lợi dòng điện thuận của Transistor trong cấu hình E chung. Beta không có đơn vị vì nó là một tỷ lệ cố định của hai dòng, Ic và Ib nên một thay đổi nhỏ trong dòng Ib sẽ gây ra một thay đổi lớn trong dòng Collector.

Một điểm cuối cùng về Beta. Các Transistor cùng loại và cùng số bộ phận sẽ có sự thay đổi lớn về giá trị Beta của chúng. Ví dụ, Transistor lưỡng cực BC107 NPN có giá trị Beta khuếch đại dòng điện một chiều nằm trong khoảng từ 110 đến 450 . Vì vậy BC107 có thể có giá trị Beta là 110, trong khi một BC107 khác có thể có giá trị Beta là 450, nhưng cả hai đều là Transistor BC107 npn. Điều này là do Beta là một đặc tuyến của cấu tạo Transistor chứ không phải hoạt động của nó.

Vì lớp tiếp giáp B-E được phân cực thuận, điện áp Ve sẽ là một điện áp rơi tiếp giáp khác với điện áp Vb. Nếu biết điện áp trên điện trở cực E thì dòng Ie, tức là có thể dễ dàng tính toán bằng cách sử dụng Định luật Ohm. Ic có thể được tính gần đúng, vì nó gần như có cùng giá trị với dòng điện Ie.

Ví dụ tính toán về Mạch khuếch đại transistor E chung

Một mạch khuếch đại E chung có điện trở tải, R L là 1,2kΩ và điện áp nguồn là 12v . Tính dòng điện cực đại ( Ic ) chạy qua điện trở tải khi Transistor được chuyển hoàn toàn “ON” (bão hòa), giả sử Vce = 0 . Đồng thời tìm giá trị của điện trở Emitter, R E nếu có sụt điện áp 1v trên nó. Tính giá trị của tất cả các điện trở mạch khác giả sử là một Transistor silicon NPN tiêu chuẩn :

Ta sẽ thiết lập điểm “A” trên trục tung dòng điện Collector của các đường đặc tuyến và xảy ra khi Vce = 0 . Khi Transistor được chuyển sang “TẮT” hoàn toàn, điện áp của chúng không bị sụt áp trên cả hai điện trở R E hoặc R L vì không có dòng điện chạy qua chúng. Sau đó, điện áp giảm trên Transistor, Vce bằng với điện áp cung cấp, Vcc . Điều này thiết lập điểm “B” trên trục hoành của các đường cong đặc tuyến.

Nói chung, điểm Q tĩnh của bộ khuếch đại có tín hiệu đầu vào bằng không được đặc cho cực B, vì vậy điện áp Vce nằm ở một nửa đường dọc theo đường tải giữa 0 vôn và điện áp cung cấp, ( Vcc / 2 ). Do đó, dòng điện Ic tại điểm Q của bộ khuếch đại sẽ được cho là:

Đường tải DC tĩnh này tạo ra một phương trình đường thẳng có hệ số góc được cho là: -1 / (R L + R E ) và nó đi qua trục Ic thẳng đứng tại một điểm bằng Vcc / (R L + R E ) . Vị trí thực của điểm Q trên đường tải DC được xác định bằng giá trị trung bình của Ib .

Dòng điện Ic của Transistor bằng độ lợi DC của Transistor (Beta), nhân với dòng Ib ( β * Ib ), nếu chúng ta giả sử giá trị Beta ( β ) cho Transistor 100, ( một trăm là giá trị trung bình hợp lý đối với Transistor tín hiệu công suất thấp) Dòng điện Ib chảy vào Transistor sẽ được cho là:

Thay vì sử dụng nguồn cung cấp phân cực cho cực B riêng biệt, thông thường sẽ cung cấp điện áp phân cực từ nguồn cung cấp chính (Vcc) thông qua một điện trở rơi, R1 . Các điện trở, R1 và R2 hiện có thể được chọn để cung cấp dòng Ib thích hợp là 45,8μA hoặc 46μA được làm tròn đến số nguyên gần nhất. Dòng điện chạy qua mạch phân áp phải lớn hơn so với dòng Ib thực tế , để mạng phân áp không bị tải bởi dòng điện Ib.

Nguyên tắc chung là giá trị của ít nhất 10 lần Ib chạy qua điện trở R2 . Điện áp  Vbe được cố định ở 0,7V (Transistor silicon) sau đó được giá trị của R2 là:

Nếu cường độ dòng điện chạy qua điện trở R2 gấp 10 lần giá trị dòng điện Ib thì cường độ dòng điện chạy qua điện trở R1 trong mạng chia phải gấp 11 lần giá trị dòng điện Ib. Đó là: I R2  + Ib .

Do đó, điện áp trên điện trở R1 bằng Vcc – 1,7v (V RE + 0,7 đối với Transistor silicon) bằng 10,3V, do đó R1 có thể được tính như sau:

Giá trị của điện trở R E có thể được tính toán dễ dàng bằng cách sử dụng Định luật Ohm. Dòng điện chạy qua R E là sự kết hợp của dòng điện Ib và dòng điện Ic và được cho là:

Điện trở, R E được kết nối giữa cực E Transistor và đất, và chúng tôi đã nói trước đây rằng có một sụt áp 1 vôn trên nó. Do đó, giá trị của điện trở phát, R E được tính như sau:

Vì vậy, với ví dụ của chúng tôi ở trên, các giá trị ưu tiên của các điện trở được chọn để cung cấp cho dung sai 5% (E24) là:

Sau đó, mạch Khuếch đại E chung ban đầu của chúng tôi ở trên có thể được viết lại để bao gồm các giá trị của các thành phần mà chúng tôi vừa tính toán ở trên.

Hoàn thành Mạch khuếch đại transistor E chung

Tụ điện ghép bộ khuếch đại

Trong mạch Khuếch đại E chung , các tụ C1 và C2 được sử dụng làm Tụ ghép để tách tín hiệu AC khỏi điện áp định thiên DC. Điều này đảm bảo rằng điều kiện phân cực được thiết lập để mạch hoạt động chính xác không bị ảnh hưởng bởi bất kỳ tầng khuếch đại bổ sung nào, vì các tụ điện sẽ chỉ truyền tín hiệu AC và chặn bất kỳ thành phần DC nào. Tụ điện này thực sự là một thành phần hở mạch đối với các điện áp DC, có nghĩa là dòng điện và điện áp phân cực không bị ảnh hưởng bởi việc bổ sung tụ điện duy trì ổn định điểm Q tốt.

Tụ điện rẽ nhánh được kết nối song song với Re có thể trở thành ngắn mạch đối với điện trở Cực E ở tín hiệu tần số cao do điện kháng của nó. Vì vậy, chỉ có R L cộng với một điện trở bên trong rất nhỏ hoạt động như các Transistor tải tăng điện áp đạt được tối đa của nó. Nói chung, giá trị của tụ điện rẽ nhánh, C E được chọn để cung cấp điện kháng tối đa bằng 1/10 giá trị của R E ở tần số tín hiệu hoạt động thấp nhất.

Đường cong đặc tuyến đầu ra

Ok, cho đến nay rất tốt. Bây giờ chúng ta có thể xây dựng một loạt các đường cong cho thấy dòng điện Ic so với điện áp Vce với các giá trị khác nhau của Dòng điện Ib cho mạch khuếch đại E chung đơn giản.

Những đường cong này được gọi là “Đường cong đặc tuyến đầu ra” và được sử dụng để chỉ ra cách Transistor sẽ hoạt động trên dải động của nó. Đường tải tĩnh hoặc tải một chiều được vẽ trên các đường cong cho điện trở tải RL là 1,2kΩ để hiển thị tất cả các điểm hoạt động có thể có của Transistor.

Khi Transistor được chuyển sang “TẮT”, Vce bằng với điện áp cung cấp Vcc và đây là điểm “B”. Tương tự như vậy khi Transistor hoàn toàn “BẬT” và bão hòa, dòng điện Ic được xác định bởi điện trở tải, R L và đây là điểm “A”.

Trước đây, chúng tôi đã tính toán từ độ lợi DC của Transistor rằng Dòng Ib cần thiết cho vị trí trung bình của Transistor là 45,8μA và điểm này được đánh dấu là điểm Q trên đường tải đại diện điểm Q của bộ khuếch đại. Chúng tôi làm tròn giá trị này chính xác đến 50μA , mà không ảnh hưởng đến điểm hoạt động.

Đường cong đặc tuyến đầu ra

Điểm Q trên đường tải cho ta Ib = 45,8μA hoặc 46μA . Chúng ta cần phải tìm sự thay đổi đỉnh tối đa và tối thiểu của dòng điện Ib sẽ dẫn đến sự thay đổi tỷ lệ thuận với dòng điện Ic mà không có bất kỳ sự biến dạng nào đối với tín hiệu đầu ra.

Khi đường tải cắt qua các giá trị Dòng điện Ib khác nhau trên các đường cong đặc tuyến DC, chúng ta có thể tìm thấy các dao động đỉnh của Dòng điện Ib cách đều nhau dọc theo đường tải. Các giá trị này được đánh dấu là điểm “N” và “M”, tạo ra dòng Ib tối thiểu và tối đa lần lượt là 20μA và 80μA.

Các điểm này, “N” và “M” có thể ở bất kỳ đâu dọc theo đường tải mà chúng tôi chọn miễn là chúng cách đều nhau từ Q. Điều này sau đó cung cấp tín hiệu đầu vào tối đa theo lý thuyết đến cực B là 60μA từ đỉnh đến đỉnh , (Đỉnh 30μA) mà không tạo ra bất kỳ biến dạng nào đối với tín hiệu đầu ra.

Bất kỳ tín hiệu đầu vào nào cung cấp dòng điện Ib lớn hơn giá trị này sẽ đưa Transistor đi ra ngoài điểm “N” và đi vào vùng “cắt” của nó hoặc xa hơn điểm “M” và vào vùng bão hòa của nó, do đó dẫn đến biến dạng đối với tín hiệu đầu ra dưới dạng “cắt”.

Sử dụng điểm “N” và “M” làm ví dụ, các giá trị tức thời của dòng điện Collector và các giá trị tương ứng của điện áp Collector-emitter có thể được chiếu từ đường tải. Có thể thấy rằng điện áp Collector-emitter là ngược pha (–180 o ) với dòng Ic.

Khi dòng điện Ib thay đổi theo chiều dương từ 50μA đến 80μA, điện áp CE, cũng là điện áp đầu ra giảm từ giá trị trạng thái ổn định của nó là 5,8 volt xuống còn 2,0 volt.

Bộ khuếch đại E chung một giai đoạn cũng là “Bộ khuếch đại đảo” vì sự gia tăng điện áp Vb gây ra giảm Vout và giảm điện áp Vb tạo ra tăng Vout. Nói cách khác, tín hiệu đầu ra lệch pha 180 o với tín hiệu đầu vào.

Độ lợi điện áp cực E chung

Độ lợi điện áp của bộ khuếch đại E chung bằng tỷ số giữa sự thay đổi của điện áp đầu vào và sự thay đổi của điện áp đầu ra của bộ khuếch đại. Khi đó ΔV L là Vout và ΔV B là Vin . Nhưng độ lợi điện áp cũng bằng tỷ số giữa điện trở tín hiệu trong cực C và điện trở tín hiệu trong cực E và được cho là:

Chúng tôi đã đề cập trước đó rằng khi tần số tín hiệu tăng tụ điện C E bắt đầu làm ngắn mạch điện trở cực E do điện trở của nó. Khi đó ở tần số cao R E  = 0 , làm cho độ lợi vô hạn.

Tuy nhiên, các Transistor lưỡng cực có một điện trở bên trong nhỏ được tích hợp trong vùng Emitter của chúng được gọi là R e . Vật liệu bán dẫn Transistor cung cấp một điện trở nội đối với dòng điện chạy qua nó và thường được biểu thị bằng một biểu tượng điện trở nhỏ được hiển thị bên trong biểu tượng Transistor chính.

Datasheet Transistor cho chúng ta biết rằng đối với Transistor lưỡng cực tín hiệu nhỏ, nội trở này là 25mV ÷ Ie (25mV là điện áp bên trong giảm qua lớp tiếp giáp cực E), khi đó đối với mạch khuếch đại E chung của chúng ta trên giá trị điện trở này sẽ bằng:

Điện trở chân cực E bên trong này sẽ mắc nối tiếp với điện trở cực E bên ngoài, R E , sau đó phương trình cho độ lợi thực tế của Transistor sẽ được sửa đổi để bao gồm điện trở bên trong này, do đó sẽ là:

Ở tín hiệu tần số thấp, tổng trở trong chân Emitter bằng R E  + R e . Ở tần số cao, tụ điện cắt điện trở cực E chỉ để lại nội trở R e, dẫn đến độ lợi cao. Sau đó, đối với mạch khuếch đại E chung của ở trên, độ lợi của mạch ở cả tần số tín hiệu thấp và cao được cho là:

Đạt được ở tần số thấp

Đạt được ở tần số cao

Một điểm cuối cùng, độ lợi điện áp chỉ phụ thuộc vào các giá trị của điện trở R L và điện trở ( R E  + R e ), nó không bị ảnh hưởng bởi độ lợi dòng điện Beta, β ( h FE ) của Transistor .

Vì vậy, đối với ví dụ đơn giản của chúng tôi ở trên, bây giờ chúng tôi có thể tóm tắt tất cả các giá trị chúng tôi đã tính toán cho mạch khuếch đại E chung là:

 Tối thiểuBần tiệnTối đa
Dòng Ib20μA50μA80μA
Dòng Ic2.0mA4,8mA7,7mA
Điện áp đầu ra Swing2.0V5,8V9.3V
Độ lợi-5,32 -218

Tóm tắt bộ khuếch đại E chung

Mạch khuếch đại transistor E chung có điện trở trên cực C. Dòng điện chạy qua điện trở này tạo ra đầu ra điện áp của bộ khuếch đại. Giá trị của điện trở này được chọn sao cho tại điểm hoạt động tĩnh của bộ khuếch đại, điểm Q này điện áp đầu ra nằm một nửa dọc theo đường tải của Transistor.

Cực B của Transistor được sử dụng trong bộ khuếch đại E chung được phân cực bằng cách sử dụng hai điện trở như một mạng phân chia điện áp. Kiểu sắp xếp phân cực này thường được sử dụng trong thiết kế mạch khuếch đại Transistor lưỡng cực và làm giảm đáng kể ảnh hưởng của các Beta khác nhau, bằng cách giữ phân cực cực B ở một điện áp ổn định không đổi. Loại phân cực này tạo ra sự ổn định lớn nhất.

Một điện trở có thể được đưa vào chân cực E trong trường hợp đạt được điện áp trở nên -R L / R E . Nếu không có điện trở của cực E bên ngoài, độ lợi điện áp của bộ khuếch đại không phải là vô hạn vì có điện trở bên trong rất nhỏ, R e. Giá trị của nội trở này bằng 25mV / I E

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Check Also
Close
Back to top button