Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về kiểu mạch khuếch đại cuối cùng sử dụng transistor lưỡng cực được gọi là Bộ khuếch đại B chung (Common Base Amplifier – CBA). Hình 1 dưới đây mô tả sơ đồ điện của một mạch CBA, không bao gồm mạch phân áp và tụ ghép.
Một số đặc điểm cần lưu ý của mạch CBA
- B được nối với mass của mạch, do đó có tên gọi “B chung”.
- Tín hiệu vào được đưa vào nhánh emitter của transistor lưỡng cực.
- Tín hiệu ra được lấy từ nhánh collector của transistor lưỡng cực.
Tiếp theo trong bài viết, chúng ta sẽ thấy mạch CBA có nhiều tính chất đối lập với mạch khuếch đại collector chung (Common Collector Amplifier – CCA).
Mạch tương đương
Một mạch tương đương của Hình 1 có thể được vẽ lại với nhánh collector là một nguồn dòng lý tưởng và tiếp giáp p-n giữa nhánh collector và emitter ứng xử như một điện trở diode nhỏ re = 25 mV / Iout.
Từ Hình 2 ta có thể thấy rằng do Iin = Iout + IB (theo định luật Kirchhoff), nên hệ số khuếch đại dòng AI = Iout / Iin của mạch CBA là AI < 1. Do đó, hệ số khuếch đại dòng của mạch CBA luôn nhỏ hơn 1, tức là nó không thể khuếch đại dòng. Tuy nhiên, chúng ta sẽ thấy tiếp theo trong bài là hệ số khuếch đại áp lại rất cao.
Hệ số khuếch đại dòng
Như đã xét ở phần trước, hệ số khuếch đại dòng AI luôn nhỏ hơn 1. Để tìm công thức chính xác của AI, ta xét Iin = Iout + IB. Đồng thời, xác định Iout = β × IB với β là hệ số khuếch đại dòng của transistor. Lưu ý ở đây IB ≠ Iout, trái ngược với hai kiểu mạch khuếch đại CEA và CCA trước.
Dòng ra thỏa mãn:
- Iout = AI × Iin = β × IB
Từ đó suy ra:
- AI = (β × IB) / (IB + Iout) = β / (β + 1)
Ví dụ, một transistor lưỡng cực với β = 200 sẽ có hệ số khuếch đại dòng trong mạch CBA là AI = 200 / 201 = 0.995 ≈ 1. Như vậy, hệ số khuếch đại dòng của mạch CBA luôn có thể được xấp xỉ bằng 1 mà không gây sai số đáng kể. Do AI = 1 nên dòng ra Iout bám theo dòng vào Iin, dẫn đến mạch CBA còn có tên gọi khác là bộ đệm dòng (current buffer/follower).
Điện trở vào
Nhìn từ phía vào ở nhánh emitter, tổng điện trở vào là:
- Rin = RE // re ≈ re
Trong đó ký hiệu “//” thể hiện điện trở emitter và điện trở diode nhỏ mắc song song với nhau. Do điện trở emitter RE luôn lớn hơn rất nhiều so với điện trở diode nhỏ re, nên Rin xấp xỉ bằng re. Như vậy, điện trở vào của mạch CBA rất nhỏ.
Điện trở ra
Trong một mạch CBA thực tế, tải RL được mắc song song với điện trở collector RC. Khi đó điện trở ra được tính bằng Rout = RC // RL. Nếu chọn tải sao cho RL >> RC thì điện trở ra đơn giản hóa thành Rout = RC.
Hệ số khuếch đại áp
Xét trường hợp AI ≈ 1 đã chứng minh ở trên. Khi đó hệ số khuếch đại áp của mạch CBA được tính bằng:
AV = Vout / Vin ≈ (RC × Iout) / (re × Iin) = RC / re
Trong đó Vout = RC × Iout và Vin = (RE // re) × Iin. Do điện trở collector thỏa mãn RC >> re, nên hệ số khuếch đại áp của mạch CBA rất cao. Công thức này giống với công thức tính AV của mạch khuếch đại emitter chung, chỉ khác là ở đây dấu dương: tín hiệu áp ra đồng pha với tín hiệu áp vào.
Công thức trên đúng với điều kiện tải RL >> RC. Trong trường hợp tổng quát, biểu thức tính hệ số khuếch đại áp là:
AV = (RC // RL) / re
Ví dụ: Tính hệ số khuếch đại áp, dòng và công suất
Xét một mạch CBA thực tế như Hình 3, sử dụng mạch phân áp gồm hai điện trở R1 và R2 để tạo điện áp phân cực cho B. Tải RL mắc song song với điện trở collector RC. Để đơn giản, giá trị tụ ghép không cho nhưng không được tính đến trong các phép tính sau. Cuối cùng, hệ số khuếch đại dòng của transistor lưỡng cực là β = 100.
Hệ số khuếch đại dòng của mạch này đơn giản là:
- AI = 100 / (100 + 1) = 0.99
Trước khi tính hệ số khuếch đại áp, bước đầu tiên là xác định tổng điện trở vào và ra. Muốn vậy cần tính giá trị của điện trở diode nhỏ re.
Điện áp rơi trên điện trở collector RC là:
VC = 10V – (5kΩ × Iout)
Do đó, dòng qua điện trở collector là IC = VC / RC = 0.97V / 5kΩ = 194 μA. Từ giá trị này suy ra điện trở diode nhỏ là:
- re = 25mV / 194μA = 129 Ω.
Vậy, điện trở vào được tính như sau:
- Rin = 1kΩ // 129Ω = 114.2 Ω
Do trong mạch này RL < RC, nên phải tính song song điện trở tải RL và điện trở collector RC để ra tổng điện trở ra:
- Rout = 5kΩ // 4kΩ = 4kΩ
Cuối cùng, hệ số khuếch đại áp tính từ công thức tổng quát:
- AV = 4kΩ / 129Ω = 34.65
Về lý thuyết, điện áp có thể được khuếch đại lên 34.65 lần. Tuy nhiên, như đã xét trong phần giới thiệu về bộ khuếch đại điện tử, điện áp ra bị giới hạn bởi điện áp nguồn cung cấp. Do đó, điện áp ra ở đây chỉ đạt tới 2 × Vsupply = 20V từ đỉnh tới đỉnh thay vì 2 × 34.65 = 69.3V và hiệu ứng bão hòa đáng kể sẽ xuất hiện.
Cần kiểm tra lại tính đúng đắn của các phép tính bằng cách xác định dòng vào và dòng ra:
- Dòng vào tính bằng: Iin = Vin / Rin = 1V / 114.2Ω = 8.76mA.
- Dòng ra tính bằng: Iout = Vout / Rout = 34.65V / 4kΩ = 8.66mA.
Có thể thấy dòng vào và dòng ra xấp xỉ bằng nhau, tỷ số Iout / Iin = 0.99 cho kết quả bằng hệ số khuếch đại dòng đã tính ở trên.
Giả sử điện áp ra thực sự được khuếch đại lên 34.65 lần, hệ số khuếch đại công suất AP của mạch sẽ là:
- AP = AI × AV = 0.99 × 34.65 = 34.3
Tuy nhiên, do RL = 4 × RC nên chỉ 1/4 công suất được truyền tới tải, khi đó:
- AP,load = 8.57
Sử dụng công thức gần đúng AV = RC / re = 5kΩ / 129Ω, ta được hệ số khuếch đại áp là AV = 38.8. Giá trị gần đúng của hệ số khuếch đại dòng là AI = 1, từ đó suy ra hệ số khuếch đại công suất AP = 38.8 thay vì 34.3 như giá trị thực. Sai số EP về hệ số khuếch đại công suất là:
EP = (38.8 – 34.3) / 34.3 × 100% = 13%
Tổng kết
Trong bài hướng dẫn này, chúng ta đã xem xét nhiều khía cạnh của một trong ba kiểu mạch khuếch đại cơ bản sử dụng transistor lưỡng cực là Bộ khuếch đại B chung (CBA). Chúng ta thấy rằng cấu hình này không thể khuếch đại dòng vì hệ số khuếch đại dòng của nó xấp xỉ bằng 1 và luôn nhỏ hơn 1, do đó mạch CBA còn được gọi là bộ đệm dòng. Tuy nhiên, thông qua lý thuyết và ví dụ, chúng ta thấy rằng tín hiệu điện áp có thể được khuếch đại mạnh và hệ số khuếch đại áp chỉ bị giới hạn bởi nguồn cung cấp ở nhánh collector.
Trái ngược với mạch khuếch đại collector chung (CCA), mạch CBA có điện trở vào thấp và điện trở ra cao. Đặc điểm này khiến CBA rất hữu ích khi đặt giữa các tải vào nhỏ và tải ra lớn như trong các mạch tần số radio.
Cuối cùng, chúng ta đã thấy qua ví dụ cách tính thực tế các hệ số khuếch đại áp, dòng và công suất của một mạch CBA.
Để tổng kết, qua loạt bài hướng dẫn này, chúng ta đã xem xét ba cấu hình mạch khuếch đại cơ bản sử dụng transistor lưỡng cực:
- Bộ khuếch đại emitter chung (Common Emitter Amplifier – CEA)
- Bộ khuếch đại collector chung (Common Collector Amplifier – CCA)
- Bộ khuếch đại B chung (Common Base Amplifier – CBA)
Dưới đây là bảng so sánh tóm tắt các đặc điểm của ba cấu hình mạch:
| Đặc điểm | CEA | CCA | CBA |
|---|---|---|---|
| Hệ số khuếch đại áp | Cao | ≈ 1 | Cao |
| Hệ số khuếch đại dòng | Cao | Cao | ≈ 1 |
| Hệ số khuếch đại công suất | Rất cao | Trung bình | Cao |
| Điện trở vào | Cao | Cao | Thấp |
| Điện trở ra | Cao | Thấp | Cao |
Cuối cùng, do có các đặc tính khác nhau, ứng dụng của ba cấu hình mạch cũng khác nhau:
- Mạch CEA, do có hệ số khuếch đại áp và dòng cao, được sử dụng như một bộ khuếch đại đa dụng.
- Mạch CCA, do có điện trở vào cao và điện trở ra thấp, được sử dụng như một bộ chuyển đổi tỷ lệ trở kháng giảm. Nó cũng được dùng làm bộ khuếch đại dòng và dao động.
- Mạch CBA, do có điện trở vào thấp và điện trở ra cao, được sử dụng như một bộ chuyển đổi tỷ lệ trở kháng tăng. Nó cũng được dùng làm bộ khuếch đại áp, mạch dao động hoặc bộ khuếch đại tần số cao nhờ khả năng hoạt động tốt ở tần số cao.
