Transistor mắc theo kiểu E chung có Ví Dụ

admin1

0 133 11 minutes read

Như chúng ta đã biết, transistor là một thành phần điều khiển dòng điện. Ví dụ, ta có thể điều khiển dòng C-E bằng cách thay đổi dòng cực B. Khi khuếch đại điện áp nói chung, hiệu ứng khuếch đại này đến từ việc sử dụng điện trở để chuyển đổi dòng điện thành điện áp.

Trong mô hình tín hiệu nhỏ, nguồn của dòng cực B là tỷ lệ giữa điện áp đầu vào và điện trở động cực B-E (Rbe), thường là kΩ, vì vậy dòng cực B rất nhỏ, có thể chỉ vài mA.

Thông qua sự khuếch đại của transistor, dòng gấp β lần dòng cực B được tạo ra giữa Cực C và emitter. Bài viết này giới thiệu nguyên lý hoạt động của transistor trong mạch khuếch đại chung phát.

I. Nguyên lý mạch khuếch đại chung phát

Hình dưới đây là mạch khuếch đại chung phát, công thức mạch khuếch đại chung phát như sau:

△Vo=VCC-△ieRc=VCC-β△ibRc=VCC-△Vi·Rc/rbe
△Vi/rbe=△ib

Do đó, Cực C tạo ra dòng gấp β lần ib:

△ie=β△ib

Điện áp đầu ra có thể thu được từ điện thế nguồn dương tương đối:

△Vo=VCC-△ieRc=VCC-β△ibRc=VCC-△Vi·Rc/rbe

Chúng ta có thể nhận được tín hiệu điện áp khuếch đại đảo pha thông qua ghép xoay chiều và điều khiển điện trở Cực C Re, nhưng nói chung, emitter luôn có một điện trở để điều khiển độ lợi nhuận, vì vậy công thức trên không thực tế.

Khi thiết kế mạch trong các trường hợp không cực đoan, chúng ta thường muốn mạch hoạt động với hầu hết các transistor phổ thông, tránh phụ thuộc vào các tham số của linh kiện như rbe, đồng thời, việc xem xét dòng cực B trong tính toán cụ thể cũng rất phiền hà.

Do đó, trong quá trình thiết kế nói chung, sự tồn tại của dòng cực B được bỏ qua trong tính toán gần đúng (trong một số mạch, mặc dù dòng cực B bị bỏ qua, nhưng cần cung cấp một dòng điện cực B nhất định để mạch hoạt động bình thường).

Ngoài ra, điện áp E-B VBE cũng là một tham số rất quan trọng, nói chung bằng 0,6V (với transistor silicon). Các tham số của mạch transistor đều có thể được tính toán dựa trên VBE=0,6V và định luật Ohm.

Phần phức tạp của mạch transistor là cài đặt điểm làm việc tĩnh. Thông thường, thiết kế bất cẩn sẽ dẫn đến méo và biến dạng dạng sóng đầu ra. Tư tưởng thiết kế tổng thể là: định lượng điện áp và dòng điện để tính toán điện trở.

II. Thiết kế mạch điện khuếch đại chung phát

Mạch khuếch đại chung emitter là mạch khuếch đại nghịch đảo điển hình, có phạm vi ứng dụng rộng và hiệu ứng ổn định. Trước tiên, ta trình bày toàn bộ tư tưởng thiết kế, sau đó giải thích từng bước về mục đích và nguyên tắc thiết kế.

2.1 Các bước thiết kế

Xác định điện áp nguồn VCC

Xác định dòng emitter tĩnh IE theo đường cong tần số/đường cong nhiễu/các yếu tố khác.

Xác định VE

Ở đây chọn 1~2V để hấp thụ dịch chuyển nhiệt độ.

Tính điện trở tĩnh emitter RE theo VE và IE (IE ≈ IC)
Xác định hệ số khuếch đại Av

Áp dụng công thức Av=RC/RE để tính điện trở tĩnh Cực C RC, đến đây đã thiết lập được điểm làm việc tĩnh.

Kiểm tra xem điểm làm việc tĩnh có đáp ứng yêu cầu không

Biên độ đầu ra dương giới hạn=VCC-IE•RC, biên độ đầu ra âm giới hạn=IE•RC-VE.

Cần đảm bảo điện áp đầu ra sau khi khuếch đại không vượt quá giới hạn biên độ (thường biên độ giới hạn khá lớn). Nếu RC quá lớn, sẽ xảy ra cắt sóng xuống, RC nhỏ cũng vậy. Ngoài ra, hãy xem xét công suất có quá giới hạn không: PC=VCE•IC.

Xác định điện áp phân cực B

Theo VBE=0,6V, dễ dàng tính được VB=VE+0,6 (thông qua điện trở phân áp từ nguồn). Do ib được coi là rất nhỏ và có thể bỏ qua, nên dòng chạy qua điện trở phân áp cực B (R1, R2 ở hình trên) IB0 phải lớn hơn ib rất nhiều.

ib được tính gần đúng là IC/β, và IB0 lớn hơn ib một bậc, nên R2=VB/IB0, R1=(VCC-VR2)/IB0.

Cuối cùng xác định giá trị tụ điện ghép xoay chiều và tụ lọc nguồn

Chúng ta hãy dùng một mạch khuếch đại chung đã được thiết kế tốt để trực quan hiểu sơ bộ về sóng của nó:

Như hình trên, mạch sử dụng transistor 2SC2240, cung cấp điện áp 15V, đầu vào đầu ra ghép xoay chiều. Tín hiệu đầu ra như sau:

Sóng màu xanh nhạt là tín hiệu đầu vào, chọn sóng sin 1kHz, 1Vpp.
Sóng màu xanh lá là tín hiệu đầu ra, được khuếch đại khoảng 5 lần, nghịch đảo.
Sóng màu xanh là tín hiệu cực B, có thể thấy do ảnh hưởng của điện trở phân cực B nên mức DC tăng lên.
Sóng màu đỏ là tín hiệu emitter, chỉ cách tín hiệu cực B một giá trị cố định.

2.2 Phân tích mạch điện khuếch đại chung emitter

Trước tiên, tiến hành phân tích DC, tức là xác định điểm làm việc tĩnh. Trong quá trình thiết kế ban đầu, việc thiết kế và xác minh điểm làm việc tĩnh cũng được thực hiện đầu tiên. Dựa trên điện trở phân cực B, ta có thể dễ dàng tính được điện thế tĩnh cực B, còn điện thế tĩnh emitter có thể được xác định bằng cách lấy độ giảm áp cực B-E làm hằng số.

Do đó, dựa trên độ lớn của điện trở emitter, có thể suy ra độ lớn của dòng C-E, từ đó có thể tính ra điện thế tĩnh Cực C từ điện áp nguồn.

Tại sao điểm làm việc tĩnh lại quan trọng?

Lấy transistor NPN làm ví dụ, nó tương đương với hai đi-ốt lưng đối lưng. Nếu muốn điốt hoạt động, phải cung cấp cho nó độ phân cực thích hợp để nó dẫn điện hợp lý. Trong mạch, điốt cực B-C ngăn ngừa phản hồi nội bộ, điốt cực B-E là chìa khóa để thực hiện khuếch đại. Nói cách khác, chỉ cần thiết kế một mạch bên ngoài để cho dòng điện chạy bình thường qua điốt base-E là đủ.

Tiếp theo, tìm độ khuếch đại điện áp AC. Khi điện áp đầu vào thay đổi △vi, sẽ gây ra sự thay đổi xoay chiều △ie trong dòng emitter. Do độ sụt áp cực B-E không đóng góp vào sự thay đổi xoay chiều, nên △ie=vi/RE.

Do đó, điện áp đầu ra xoay chiều emitter có thể xác định là vo=△ieRC=vi•RC/RE, hệ số khuếch đại là Av=RC/RE. Kết luận này có thể nhanh chóng phân tích hệ số khuếch đại của mạch chung emitter.

Đường dẫn nguồn đầu ra tương ứng là VCC và VE, được xác định bởi đặc tính dòng khi transistor hoạt động. Theo nguồn đầu ra và hệ số khuếch đại xoay chiều, mạch này có thể được sử dụng. Khi đầu vào và đầu ra không được ghép xoay chiều, đầu vào (đặc biệt là DC) sẽ dẫn đến méo dạng sóng đầu ra.

2.3 Thiết kế mạch chung emitter

Sau khi hiểu đặc tính mạch, chúng ta có thể thiết kế mạch chung emitter theo các bước thiết kế ở trên. Điểm làm việc tĩnh và hệ số khuếch đại đã được xác định trong quá trình phân tích, các phần khác được thiết kế như sau.

Điện áp nguồn: Theo dao động của điện áp đầu ra, chúng ta có thể xác định độ lớn điện áp. Thông thường điện áp nguồn lớn hơn giá trị đỉnh-đỉnh của đầu ra.
Transistor: Chọn transistor phù hợp theo tần số làm việc, công suất cần thiết, mức nhiễu, hệ số β, v.v.
Dòng emitter: Xác định độ lớn dòng emitter theo đặc tính tần số, tham khảo tài liệu thiết bị.
RC và RE: Xác định bởi điện áp và dòng emitter, hệ số khuếch đại, chú ý xem giới hạn trên và dưới của biên độ cũng như công suất định mức.
Điện trở phân cực B: VB được xác định theo VE, từ đó xác định được điện trở chia áp của nguồn. Lưu ý rằng dòng chạy qua điện trở chia áp phải cao hơn dòng cực B một đến hai bậc. Dòng cực B được tính bằng cách lấy dòng C-E chia cho β.
Tụ ghép: Tụ ghép xoay chiều thường là 10uF. Lưu ý rằng tụ ghép tầng đầu ra và trở kháng đầu vào của tầng tiếp theo sẽ tạo thành một bộ lọc cao.

2.4 Các thông số hiệu suất của mạch khuếch đại chung emitter

Bằng phương pháp phân tích xoay chiều, có thể thu được một số thông số đặc trưng của mạch đã thiết kế, chẳng hạn như trở kháng đầu vào đầu ra, hệ số khuếch đại, v.v.

Trở kháng đầu vào: Theo phân tích xoay chiều, trở kháng đầu vào là giá trị song song của điện trở phân cực B. Trong phân tích tín hiệu nhỏ, trở kháng động cực B-E rbe cũng nên được mắc song song.
Trở kháng đầu ra: Phương pháp xác định trở kháng đầu ra là thêm tải vào mạch. Khi giá trị đầu ra đỉnh-đỉnh giảm một nửa so với không tải, trở kháng tải chính là giá trị đầu ra. Trở kháng đầu ra của mạch khuếch đại chung emitter thường là điện trở Cực C RC.
Khuếch đại: Do ảnh hưởng của dòng cực B, hệ số khuếch đại thực tế thường thấp hơn giá trị thiết kế khoảng 10%.

III. Mở rộng mạch khuếch đại chung emitter

Bằng cách cải tiến mạch khuếch đại chung emitter thông dụng, có thể thu được các mạch ứng dụng với các đặc tính khác. Dưới đây sẽ giới thiệu các phương tiện khuếch đại, mạch nguồn điện áp thấp, mạch đầu ra vi sai, mạch khuếch đại điều chỉnh.

3.1 Tăng hệ số khuếch đại

Theo phần giới thiệu về thiết kế mạch khuếch đại chung emitter, hệ số khuếch đại điện áp chủ yếu được quyết định bởi tỷ lệ giữa điện trở Cực C RC và điện trở emitter RE, vì vậy việc thay đổi tỷ lệ điện trở để thay đổi độ khuếch đại là rất phổ biến.

Tuy nhiên, vấn đề là: hai điện trở này đồng thời chịu trách nhiệm xác định dòng làm việc. Vì thay đổi tùy ý điểm làm việc DC, mạch rất có thể bị méo thậm chí không hoạt động.

Nhìn từ góc độ khác, hệ số khuếch đại điện áp thuộc phạm trui “phân tích xoay chiều”, còn điểm làm việc tĩnh thuộc phạm trù “phân tích một chiều”. Vì vậy, trong mạch cần bổ sung một số thành phần trở kháng để thay đổi tỷ lệ dưới góc nhìn xoay chiều, giá trị điện trở không đổi khi phân tích một chiều.

Điều này có thể đạt được bằng cách mắc song song điện trở emitter, hoặc mắc song song điện trở với tụ điện, tức là sửa đổi mạch trong phần I:

Chú ý phần emitter ở hình trên. Trong phân tích xoay chiều, điện trở R4 bị đoản mạch bởi tụ điện, lúc này có thể coi như điện trở emitter chỉ có R7 (330Ω). Từ nguồn tín hiệu và máy hiện sóng, lúc này tín hiệu đã được khuếch đại gần 50 lần, lớn hơn nhiều so với giá trị thiết kế ban đầu (10k/2k=5), từ đó thực hiện việc mở rộng hệ số khuếch đại điện áp.

Nếu điện trở emitter ban đầu không phân dòng mà là toàn bộ tụ điện song song, lúc này sẽ thu được độ khuếch đại lớn nhất βRC/rbe.

Làm thế nào để chọn giá trị tụ điện? Cần lưu ý rằng sau khi tụ điện song song, toàn bộ mạch sẽ có đặc tính thông cao, tần số cắt là f=1/2πRC.

Nếu không cần đặc tính thông cao này, giá trị tụ C có thể chọn giữa 47uF~100uF. Ngoài ra, tụ C6 có chức năng bù nhiệt.

3.2 Mạch điện áp thấp, tiêu hao thấp

Nếu mạch khuếch đại dùng pin khô (1,5V) cấp nguồn thì không thực tế lắm, nhưng mạch transistor thì có thể. Điểm mấu chốt là tận dụng độ sụt áp dẫn thông của điốt bên ngoài để bù trừ điện áp cực B-E.

Mạch dưới đây có thể khuếch đại tín hiệu nhỏ theo thiết kế ngay cả khi sử dụng nguồn 1,5V:

Nhưng nhược điểm là điện áp lớn nhất của hệ thống luôn thấp hơn điện áp cấp. Do mạch tiêu hao ít nên phù hợp cho các ứng dụng công suất thấp.

3.3 Mạch đầu ra vi sai

Bộ khuếch đại hoạt động vi sai hoàn toàn có thể cung cấp đầu ra kép, nhiều đường truyền cũng cần truyền vi sai. Mạch transistor cũng có thể thực hiện đầu ra vi sai. Ngoài nguyên lý mạch khuếch đại chung emitter, nó còn sử dụng nguyên lý bộ lặp emitter. Hình dưới đây cho thấy sơ đồ kết nối mạch đầu ra vi sai.

Có thể thấy rằng hai tín hiệu vi sai có cùng hình dạng nhưng ngược pha đã được đưa ra. Tín hiệu Cực C đồng pha với tín hiệu đầu vào, tín hiệu đầu ra emitter đồng pha với tín hiệu đầu vào. Tuy nhiên, do vị trí dẫn ra khác nhau nên trở kháng đầu ra của hai tín hiệu cũng khác nhau. Trở kháng đầu ra của đầu ra pha ngược cao hơn (RC), trở kháng đầu ra của đầu ra đồng pha thấp hơn, phù hợp để điều khiển tải.

Đầu ra pha ngược thường được kết nối với bộ lặp emitter trước khi điều khiển. Ngoài ra, điện thế tĩnh của cực B nên được thiết lập ở mức trung bình giữa VCC và GND càng nhiều càng tốt để mở rộng phạm vi đầu ra không méo.

3.4 Mạch khuếch đại lọc và điều hướng

Việc đưa các thành phần trở kháng vào mạch sẽ khiến đặc tính của mạch thay đổi theo tần số, chúng ta có thể tận dụng đặc tính này để thiết kế LPF, HPF và các bộ khuếch đại điều hưởng thường được sử dụng trong mạch tần số cao.

Trên thực tế, nó tận dụng đặc tính trở kháng của các thành phần trở kháng thay đổi theo tần số, từ đó thay đổi hệ số khuếch đại điện áp ở tần số hiện tại.

Trở kháng tại tần số cộng hưởng thường là trở kháng thuần, có giá trị cực để thực hiện khuếch đại chọn lọc tần số. Hình dưới đây cho thấy bộ khuếch đại thông thấp, thông cao và chọn lọc tần số ở một tần số cụ thể:

LPF-bộ lọc thông thấp

Như hình trên, một bộ lọc thông thấp đã được xây dựng (đầu vào của máy kiểm tra Bode được đặt ở cực B thay vì đầu ra của máy phát tín hiệu, vì tụ ghép đầu vào sẽ tạo thành bộ lọc thông cao với điện trở đầu vào, ảnh hưởng đến quan sát), tần số cắt của nó khoảng 1,06kHz, tính bằng f=1/2πRcC.

Từ phân tích trạng thái ổn định sin, có thể biết trở kháng của mạch song song RC là R/√(1+(wRC)^2). Khi tần số tăng, trở kháng giảm, do đó hệ số khuếch đại điện áp giảm, tạo thành đặc tính thông thấp.

HPF-bộ lọc thông cao

Như hình trên, một bộ lọc thông cao đã được xây dựng, tần số cắt của nó được tính tương tự như LPF. Tại điểm đỉnh khuếch đại, hệ số khuếch đại điện áp đạt 50dB, gần với giá trị β của transistor. Sau đó, do sự suy giảm đặc tính tần số của transistor, hệ số khuếch đại sẽ suy hao.

Bộ khuếch đại chọn lọc tần số 10,7MHz

Thay thế RC bằng mạch LC có tần số cộng hưởng 10,7MHz, có thể thu được bộ khuếch đại chọn lọc tần số. Như hình trên, hệ số khuếch đại ở 10,7M là 35dB, trong khi hệ số khuếch đại chỉ là 12,6dB khi lệch tần 1MHz.

Nhược điểm là băng thông hơi rộng, hệ số chữ nhật chưa đủ tốt, hệ số chất lượng tương đương vòng khoảng 65,2, khá lớn. Ngoài ra, tụ lọc cao tần được thay đổi thành 1uF.