Trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại

Trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại là gì

Trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại xác định các đặc tính đầu vào của nó liên quan đến dòng điện và điện áp.

Trở kháng đầu vào , ZIN hoặc Điện trở đầu vào như nó thường được gọi, là một tham số quan trọng trong thiết kế của bộ khuếch đại Transistor cho phép các bộ khuếch đại được đặc trưng theo trở kháng đầu vào và đầu ra , hiệu suất cũng như công suất và dòng điện của chúng.

Giá trị trở kháng của bộ khuếch đại đặc biệt quan trọng đối với việc phân tích, đặc biệt là khi xếp tầng các tầng khuếch đại riêng lẻ với nhau để giảm thiểu sự biến dạng của tín hiệu.

Trở kháng đầu vào của một bộ khuếch đại nếu nó quá thấp, nó có thể có tác động bất lợi ở giai đoạn trước và có thể ảnh hưởng đến đáp ứng tần số và mức tín hiệu đầu ra của giai đoạn đó. Nhưng trong hầu hết các ứng dụng, mạch khuếch đại cực E và C chung thường có trở kháng đầu vào cao.

Một số kiểu thiết kế bộ khuếch đại, chẳng hạn như mạch khuếch đại C chung có trở kháng đầu vào cao và trở kháng đầu ra thấp theo bản chất thiết kế của chúng. Bộ khuếch đại có thể có trở kháng đầu vào cao, trở kháng đầu ra thấp và hầu như bất kỳ độ lợi nào tùy ý, nhưng nếu trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại thấp hơn mong muốn, trở kháng đầu ra của giai đoạn trước có thể được điều chỉnh để bù hoặc nếu điều này không thể thực hiện được thì giai đoạn khuếch đại đệm sẽ được thêm vào.

Ngoài khuếch đại điện áp (  Av  ), một mạch khuếch đại cũng phải có khuếch đại dòng điện (  Ai  ). Khuếch đại công suất (  Ap  ). Nhưng ngoài việc có ba đặc điểm quan trọng này, mạch khuếch đại cũng phải có các đặc điểm khác như trở kháng đầu vào cao (  ZIN  ), trở kháng đầu ra thấp (  ZOUT  ) và bandwidth, (  Bw  ). Dù bằng cách nào, bộ khuếch đại “hoàn hảo” sẽ có trở kháng đầu vào vô hạn và trở kháng đầu ra bằng không.

Trở kháng đầu vào và đầu ra

Giả sử, một bộ khuếch đại có thể được coi như một loại “hộp đen” có hai đầu vào và hai đầu ra như hình minh họa. Ý tưởng này cung cấp một chế độ tham số h đơn giản của Transistor mà chúng ta có thể sử dụng để tìm điểm đặt DC và các thông số hoạt động của bộ khuếch đại.

Khi nhìn từ ngoài vào trong, các cực này có trở kháng đầu vào là ZIN và trở kháng đầu ra là ZOUT . Trở kháng đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại là tỷ số giữa điện áp và dòng điện chạy vào hoặc ra khỏi các đầu này. Trở kháng đầu vào có thể phụ thuộc vào nguồn cung cấp cho bộ khuếch đại trong khi trở kháng đầu ra cũng có thể thay đổi theo trở kháng tải, R L trên các đầu ra.

Các tín hiệu đầu vào được khuếch đại thường là dòng điện xoay chiều (AC) với mạch khuếch đại đại diện cho một tải, Z đến nguồn. Trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại có thể là hàng chục ohms, (Ohms Ω ) đến vài nghìn ohms, (kilo-ohms kΩ ) đối với mạch Transistor lưỡng cực , lên đến hàng triệu ohms, (Mega-ohms MΩ ) đối với mạch Transistor hiệu ứng trường FET .

Khi nguồn tín hiệu và tải được kết nối với bộ khuếch đại, các đặc tính điện tương ứng của mạch khuếch đại có thể được mô hình hóa như hình dưới.

Mô hình trở kháng đầu ra và đầu vào

Trong đó, VS là điện áp tín hiệu, RS là điện trở trong của nguồn tín hiệu và RL là điện trở tải được kết nối qua đầu ra. Chúng ta có thể mở rộng ý tưởng này hơn nữa bằng cách xem xét cách bộ khuếch đại được kết nối với nguồn và tải.

Khi một bộ khuếch đại được kết nối với một nguồn tín hiệu, “xem” trở kháng đầu vào Zin của bộ khuếch đại như một tải. Tương tự như vậy, điện áp đầu vào, Vin là những gì bộ khuếch đại nhìn thấy trên trở kháng đầu vào, Zin . Khi đó đầu vào của bộ khuếch đại có thể được mô hình hóa như một mạch phân áp đơn giản như hình dưới.

Mô hình mạch đầu vào bộ khuếch đại

Ý tưởng tương tự cũng áp dụng cho trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại. Khi một điện trở tải, RL được kết nối với đầu ra của bộ khuếch đại, bộ khuếch đại sẽ trở thành nguồn nuôi tải. Do đó, điện áp đầu ra và trở kháng tự động trở thành điện áp nguồn và trở kháng nguồn cho tải như hình.

Mô hình mạch đầu ra bộ khuếch đại

Chúng ta có thể thấy rằng các đặc tính đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại đều có thể được mô hình hóa như một mạng phân áp đơn giản. Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ xem xét Transistor lưỡng cực được kết nối trong một cấu hình E chung đã thấy trước đây.

Bộ khuếch đại E chung

Bộ khuếch đại E chung sử dụng một bộ chia điện áp để phân cực cho cực B của transistor. Nguồn cung cấp Vcc và các điện trở phân cực đặt điểm hoạt động của Transistor để dẫn ở chế độ hoạt động thuận. Không có dòng tín hiệu nào chảy vào cực B, không có dòng điện qua cực C (Transistor ở trạng thái cắt) và điện áp trên cực C giống như điện áp cung cấp, Vcc . Một dòng tín hiệu vào cực B gây ra một dòng điện chạy trong điện trở cực C , Rc tạo ra một sụt giảm điện áp trên nó làm cho điện áp cực C giảm xuống.

Khi đó hướng thay đổi của điện áp Collector ngược với hướng thay đổi trên Base, hay nói cách khác là ngược cực. Do đó, cấu hình E chung tạo ra sự khuếch đại điện áp lớn và mức điện áp một chiều được xác định rõ ràng bằng cách lấy điện áp đầu ra từ cực C như được hiển thị với điện trở R L đại diện cho tải trên đầu ra.

Bộ khuếch đại phát điện chung một giai đoạn

Hy vọng rằng bây giờ chúng ta có thể tính toán các giá trị của điện trở cần thiết để Transistor hoạt động ở giữa vùng hoạt động tuyến tính của nó, được gọi là điểm tĩnh hoặc điểm Q. 

Để hiểu hơn về cách hoạt động ổn định của transistor và điểm Q hãy tham khảo : Mạch khuếch đại transistor E chung

Đầu tiên chúng ta hãy bắt đầu bằng cách đưa ra một vài giả định đơn giản về mạch khuếch đại bộ E chung một tầng ở trên để xác định điểm hoạt động của Transistor. Điện áp rơi trên điện trở RE, VRE  = 1,5V , dòng tĩnh, IQ  = 1mA , mức tăng dòng (Beta) của Transistor NPN là 100 (  β = 100  ), và tần số góc hoặc điểm ngắt của bộ khuếch đại được cho là: ƒ -3dB  = 40Hz .

Khi dòng điện tĩnh không có tín hiệu đầu vào chạy qua cực C và E của Transistor, thì chúng ta có thể nói rằng: IC  = IE  = IQ  = 1mA . Vì vậy, bằng cách sử dụng Định luật Ohms:

Với Transistor được chuyển sang BẬT hoàn toàn (bão hòa), điện áp giảm trên điện trở Collector, Rc sẽ bằng một nửa Vcc – V RE để cho phép tín hiệu đầu ra tối đa chuyển động từ đỉnh đến đỉnh xung quanh điểm trung tâm mà không cắt đầu ra tín hiệu.

Lưu ý rằng DC độ lợi điện áp tín hiệu của bộ khuếch đại có thể được tính bằng -RC / RE . Cũng lưu ý rằng độ lợi điện áp có giá trị âm do thực tế là tín hiệu đầu ra đã bị đảo ngược so với tín hiệu đầu vào ban đầu.

Khi Transistor NPN được phân cực thuận, tiếp giáp BE hoạt động giống như một điốt phân cực thuận nên cực B sẽ dương hơn 0,7 volt so với điện áp cực E (Ve + 0,7V), do đó điện áp trên Điện trở cơ bản R2 sẽ là:

Nếu hai điện trở phân cực đã được cho trước, chúng ta cũng có thể sử dụng công thức phân áp tiêu chuẩn sau đây để tìm Điện áp Vb trên R2 .

Thông tin được đưa ra nói rằng dòng điện tĩnh là 1mA. Do đó, Transistor được phân cực với dòng điện Ic 1mA qua nguồn 12 volt, Vcc . Dòng Ic này tỷ lệ với dòng Ib là Ic = β * Ib . Độ lợi dòng điện một chiều, Beta (  β  ) của Transistor được cho là 100, khi đó Dòng điện Ib chạy vào Transistor sẽ là:

Mạch phân cực DC được tạo thành bởi mạng phân áp của R1 và R2 đặt điểm hoạt động DC. Điện áp cực B trước đây được tính là 2,2 volt, sau đó chúng ta cần thiết lập tỷ lệ thích hợp của R1 với R2 để tạo ra giá trị điện áp này trên nguồn 12 volt Vcc .

Nói chung, đối với mạng phân cực DC bộ chia điện áp tiêu chuẩn của mạch khuếch đại E chung, dòng điện chạy qua điện trở dưới, R2 lớn hơn mười lần so với dòng điện một chiều chạy vào cực B. Khi đó giá trị của điện trở, R2 có thể được tính như sau:

Điện áp rơi trên điện trở R1 sẽ là điện áp cung cấp trừ đi điện áp phân cực cực B. Ngoài ra nếu điện trở R2 mang dòng điện Ib gấp 10 lần, thì điện trở trên R1 phải lớn hơn dòng điện của R2 cộng với các dòng thực tế, Ib . Nói cách khác, 11 lần dòng Ib như hình.

Đối với bộ khuếch đại E  chung, điện kháng Xc của tụ điện phân dòng thường bằng một phần mười (1/10) giá trị của điện trở R E tại điểm tần số cắt. Thông số kỹ thuật của bộ khuếch đại cho tần số góc -3dB là 40Hz, khi đó giá trị của tụ điện C E được tính như sau:

Bây giờ chúng ta có các giá trị được thiết lập cho mạch khuếch đại E chung của chúng ta ở trên, bây giờ chúng ta có thể xem xét tính toán trở kháng đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại cũng như giá trị của các tụ ghép C1 và C2 .

Mô hình bộ khuếch đại E chung cơ bản

Công thức tổng quát cho trở kháng đầu vào của bất kỳ mạch nào là ZIN  = VIN / I IN . Mạch phân cực DC đặt điểm “Q” hoạt động của Transistor và là tụ điện đầu vào, C1 hoạt động như một mạch hở và chặn bất kỳ điện áp DC nào, ở DC (0Hz) trở kháng đầu vào ( ZIN ) của mạch sẽ là cực kỳ cao. Tuy nhiên, khi một tín hiệu AC được đưa vào đầu vào, các đặc tính của mạch thay đổi khi tụ điện hoạt động như ngắn mạch ở tần số cao và truyền tín hiệu AC.

Công thức tổng quát cho trở kháng đầu vào AC của bộ khuếch đại là ZIN  = REQ || β (RE + re) . Trong đó REQ là điện trở tương đương với đất (0v) của mạng phân cực trên cực Bvà re là điện trở tín hiệu bên trong của lớp tiếp giáp BE phân cực thuận. Nếu chúng ta ngắt nguồn điện 12 volt, chúng ta có thể vẽ lại mạch phát chung ở trên như sau:

Mô hình mạch khuếch đại

Chúng ta có thể thấy rằng với điện áp cung cấp được nối đất, có một số điện trở được kết nối song song trên Transistor. Bằng cách chỉ lấy phía đầu vào của bộ khuếch đại Transistor và coi tụ C1 như một mạch ngắn mạch đối với tín hiệu xoay chiều, chúng ta có thể vẽ lại mạch trên để xác định trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại là:

Trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại

Hướng dẫn  trước mạch khuếch đại E chung điện trở trong của lớp Emitter tương đương với 25mV ÷ Ie với điều này 25mV điện áp rơi trên điện trở trong và IE  = IQ . 

Điện trở tín hiệu chân E

Trong đó re đại diện cho một điện trở bên trong nhỏ mắc nối tiếp với cực E Vì Ic / Ib = β , nên giá trị của các trở kháng Transistor sẽ bằng β * re . Lưu ý rằng nếu tụ C E không được bao gồm trong thiết kế bộ khuếch đại, thì giá trị trở thành: β (RE + re) làm tăng đáng kể trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại.

Phương trình trở kháng đầu vào

Đây 2.2kΩ là trở kháng đầu vào. Nếu giá trị trở kháng của tín hiệu nguồn được biết và trong ví dụ đơn giản của chúng ta ở trên, nó được cho là 1kΩ , thì giá trị này có thể được thêm vào hoặc tính tổng bằng ZIN nếu cần.

Nhưng hãy giả sử rằng mạch của chúng ta không có tụ điện C E được kết nối. Trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại sẽ như thế nào nếu không có nó. Phương trình sẽ vẫn như cũ ngoại trừ việc bổ sung RE trong phần β (RE + re) của phương trình vì điện trở sẽ không còn bị ngắn mạch ở tần số cao. Khi đó trở kháng đầu vào của mạch khuếch đại không có CE sẽ là:

Trở kháng đầu vào không có tụ điện 

Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng việc bao gồm tụ điện chân Emitter tạo ra sự khác biệt rất lớn đối với trở kháng đầu vào của mạch khi trở kháng giảm từ 15,8kΩ khi không có nó xuống 2,2kΩ trong mạch ví dụ. Chúng ta sẽ thấy rằng việc bổ sung tụ điện phụ này, CE cũng làm tăng độ lợi của bộ khuếch đại.

Trong tính toán của chúng ta để tìm trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại, chúng ta đã giả định rằng các tụ điện trong mạch có trở kháng bằng không ( Xc = 0 ) đối với dòng tín hiệu AC, cũng như trở kháng vô hạn ( Xc = ∞ ) đối với dòng phân cực DC. Bây giờ chúng ta đã biết trở kháng đầu vào của mạch khuếch đại, chúng ta có thể sử dụng giá trị này là 2,2kΩ để tìm giá trị của tụ ghép đầu vào, yêu cầu C1 tại điểm tần số cắt được chỉ định trước đây là 40Hz. Vì vậy:

Phương trình tụ điện ghép đầu vào

Bây giờ chúng ta có một giá trị cho trở kháng đầu vào của mạch khuếch đại Emitter chung một tầng của chúng ta ở trên, chúng ta cũng có thể nhận được một biểu thức cho trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại theo cách tương tự.

Trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại

Các trở kháng đầu ra của một bộ khuếch đại có thể được coi như là trở kháng mà từ tải trở lại vào bộ khuếch đại khi đầu vào là zero. Làm việc trên nguyên tắc tương tự như chúng ta đã làm cho trở kháng đầu vào, công thức tổng quát cho trở kháng đầu ra có thể được đưa ra như: ZOUT  = VCE / IC .

Nhưng tín hiệu dòng điện chạy trong điện trở R C cũng chạy trong điện trở tải, RL khi cả hai được mắc nối tiếp trên Vcc . Bằng cách chỉ lấy phía đầu ra của bộ khuếch đại Transistor và coi tụ điện ghép đầu ra C2 như một đoạn ngắn mạch với tín hiệu AC, chúng ta có thể vẽ lại mạch trên để xác định trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại là:

Trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại

Chúng ta có thể thấy rằng trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại bằng RC song song với RL cho chúng ta một điện trở đầu ra là:

Công thức trở kháng đầu ra

Lưu ý rằng giá trị 833Ω này là kết quả của thực tế là điện trở tải được kết nối qua Transistor. Nếu RL được bỏ qua,trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại sẽ là tương đương với điện trở RC.

Bây giờ chúng ta có một giá trị cho trở kháng đầu ra của mạch khuếch đại của chúng ta ở trên, chúng ta có thể tính giá trị của tụ ghép đầu ra, C2 như trước đây tại điểm tần số cắt 40Hz.

Phương trình tụ điện đầu ra

Một lần nữa giá trị của tụ C2 có thể được tính có hoặc không có sự bao gồm của tải điện trở R L .

Độ lợi điện áp

Độ lợi điện áp của mạch E chung được cho là Av = ROUT / RE trong đó ROUT đại diện cho trở kháng đầu ra như được thấy trong chân Collector và RE bằng điện trở tương đương trong chân Emitter có hoặc không có tụ điện được kết nối.

Nếu không có tụ điện rẽ nhánh C E được kết nối, ( R E + re ).

và với tụ điện C E được kết nối :

Chúng ta có thể thấy rằng việc bao gồm tụ điện trong thiết kế bộ khuếch đại tạo ra sự thay đổi đáng kể đối với độ lợi điện áp, Av của mạch từ 0,5 đến 33. Nó cũng cho thấy rằng độ lợi mạch E chung không đi đến vô cùng khi điện trở cực E bên ngoài bị ngắn mạch bởi tụ điện ở tần số cao nhưng thay vào đó độ lợi chuyển sang giá trị hữu hạn của R OUT / re .

Chúng ta cũng đã thấy rằng khi độ lợi tăng, trở kháng đầu vào giảm từ 15,8kΩ khi không có nó xuống còn 2,2kΩ với nó. Việc tăng độ lợi điện áp có thể được coi là một lợi thế trong hầu hết các mạch khuếch đại với chi phí trở kháng đầu vào thấp hơn.

Tóm tắt trở kháng đầu vào

Trong hướng dẫn này, chúng ta đã thấy rằng trở kháng đầu vào của một bộ khuếch đại E chung có thể được tìm thấy bằng cách rút ngắn điện áp cung cấp và xử lý mạch phân cực phân áp như các điện trở song song. Trở kháng khi nhìn vào mạng phân chia điện áp ( R1 || R2 ) thường ít hơn nhiều so với trở kháng Transistor β (R E + re) khi tín hiệu đầu vào AC thay đổi phân cực trên cực B của transistor điều khiển dòng điện chạy qua transistor.

Có nhiều cách để phân cực Transistor. Do đó, có rất nhiều mạch khuếch đại Transistor thực tế, mỗi mạch có các phương trình và giá trị trở kháng đầu vào riêng của chúng. Nếu bạn yêu cầu trở kháng đầu vào của toàn bộ giai đoạn cộng với trở kháng nguồn, thì bạn cũng cần phải xem xét Rs mắc nối tiếp với các điện trở phân cực B, ( Rs + R1 || R2 ).

Trở kháng đầu ra của một tầng cực E chung chỉ bằng điện trở cực C song song với điện trở tải ( R C || R L ) . Độ lợi điện áp, Av của bộ khuếch đại phụ thuộc vào R C / R E .

Tụ điện C E có thể dẫn AC xuống đất ngắn mạch điện trở emitter, R E ở tần số cao và do đó chỉ để lại điện trở trong của chân E. Ảnh hưởng của điều này dẫn đến độ lợi điện áp của bộ khuếch đại (từ 0,5 đến 33) khi tần số tín hiệu tăng lên. Tuy nhiên, điều này cũng có tác dụng làm giảm giá trị trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại, từ 18,5kΩ xuống 2,2kΩ như hình minh họa.

Với việc loại bỏ tụ điện phân dòng này, điện áp của bộ khuếch đại tăng lên, Av giảm và Z IN tăng. Một cách để duy trì một lượng cố định của mức khuếch đại và trở kháng đầu vào là bao gồm một điện trở bổ sung mắc nối tiếp với C E để tạo ra mạch tách điện trở tại chân E để cân bằng bộ khuếch đại. Lưu ý rằng việc bổ sung hoặc loại bỏ tụ điện  này không ảnh hưởng đến trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại.

Chúng ta có thể thấy rằng trở kháng đầu vào và đầu ra của một bộ khuếch đại có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định các đặc tính truyền của một bộ khuếch đại liên quan đến mối quan hệ giữa dòng điện đầu ra, Ic và dòng điện đầu vào, Ib . Biết trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại có thể giúp xây dựng đồ thị một tập hợp các đường đặc tuyến đầu ra cho bộ khuếch đại.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

Back to top button