Phân tích & thiết kế mạch tín hiệu nhỏ tần số thấp

Chương 4 1 Chương 4: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ MẠCH TÍN HIỆU NHỎ TẦN SỐ THẤP 4.1 Giới thiệu 4.2 Các thông số Hybrid 4.3 Cấu hình E chung (Common Emitter – CE) 4.4 Cấu hình B chung (Common Base – CB) 4.5 Cấu hình C chung (Common Collector – CC) 4.6 Tóm tắt các thông số cơ bản trong ba cách mắc BJT 0ҥFKÿLӋQWӱ Chương 4 2 4.1 Giới thiệu 9 Phương pháp đồ thị 9 Tín hiệu nhỏ 9 Mô hình mạch tương đương tín hiệu nhỏ 4.2 Các thông số Hybrid x Mạng hai cửa: v1, i1, v2, i2 x Các thông số đặc trưng: Trở kháng (impedance); dẫn nạp (admittance), hybrid, … x Các thông số hybrid: 2121111 vhihv  2221212 vhihi  Với TST: 211 vhihv ri  212 vhihi of  Định nghĩa: 021 1 vi vhi = Trở kháng ngõ vào khi ngõ ra ngắn mạch 0ҥFKÿLӋQWӱ Chương 4 3 012 1 iv vhr = Độ lợi điện áp ngược (reverse voltage gain) khi ngõ vào hở mạch 021 2 vi ih f = Độ lợi dòng thuận (forward current gain) khi ngõ ra ngắn mạch 012 2 iv iho = Dẫn nạp ngõ ra khi ngõ vào hở mạch Lưu ý: - v1, i1, v2, i2, là các đại lượng tín hiệu nhỏ - Các thông số hybrid h phụ thuộc vào tĩnh điểm Q của TST - Các thông số hybrid h cho các cấu hình khác nhau (CE, CB, CC) được ký hiệu bằng cách thêm vào các chỉ số thích hợp (e, b, c): Ví dụ: hfe là hf cho cấu hình CE, … 4.3 Cấu hình E chung (Common Emitter – CE) Sử dụng nguyên lý xếp chồng (Superposition): - DC: Chương 2 - AC: Tín hiệu nhỏ: Biến đổi mạch tương đương 0ҥFKÿLӋQWӱ Chương 4 4 Xác định các hệ số hybrid cho cấu hình CE: x Độ lợi điện áp ngược hre : Thường rất nhỏ, bỏ qua. x Dẫn nạp ngõ ra hoe : Qi i iv ih B C bce c oe ' ' 0 : Hệ số góc của đặc tuyến (iC,vCE) tại Q. Thường hoe d 10- 4 S, và (1/hoe) // RL (| 1 y 2K) Ÿ Bỏ qua hoe. x Độ lợi dòng thuận hfe : E | ' ' FE B C b c fe hQi i Qi ih x Trở kháng ngõ vào hie : CQ T fe E BE fe B BE b be ie I Vmh Qi vh Qi v Qi vh | ' ' | ' ' Mạch tương đương của TST: 0ҥFKÿLӋQWӱ Chương 4 5 Mạch tương đương của cấu hình CE: Xác định các tham số của cấu hình CE: Độ lợi dòng:   ieb b fe i b b L i L i hR Rh i i i i i iA   Trở kháng ngõ vào: iebi hRZ // Trở kháng ngõ ra: oe o h Z 1 (Nếu bỏ qua hoe, Zoov) Ví dụ 1: Cho mạch sau, giả sử hfe = hFE = 50. Xác định: a) Tĩnh điểm Q b) Mạch tương đương tín hiệu nhỏ, giả sử bỏ qua hoe và hre c) Độ lợi dòng Ai = iL / ii d) Trở kháng ngõ vào nhìn từ nguồn dòng e) Trở kháng ngõ ra nhìn từ tải 1K 0ҥFKÿLӋQWӱ Chương 4 6 a) Tĩnh điểm Q: 424 5010 10  BBV V; 5010 5010  u bR = 8.3K 2.2 7.4 /   |   e BEBB be BEBB CQ R VV RR VVI E = 1.5mA; CQecCCCEQ IRRVV )(  = 15V b) Mạch tương đương tín hiệu nhỏ: 5.1 25 50 25 CQ feie I mVhh = 833: Bỏ qua hoe và hre, mạch tương đương tín hiệu nhỏ: c) Độ lợi dòng Ai: i b b L i L i i i i i i iA ; Lc c b L RR R i i   )50( = - 39.6; ieib ib i b hrR rR i i  )//( )//( = 0.85 Ÿ Ai = (0.85)(-39.6) = - 34 d) Trở kháng ngõ vào: iebii hRrZ //// = 700: e) Trở kháng ngõ ra: Zo = RC = 3.8K 0ҥFKÿLӋQWӱ Chương 4 7 Ví dụ 2: Tìm độ lợi dòng của mạch khuếch đại trong ví dụ 1, giả sử: hre = 10-4 và h0e = 10-4 mho Mạch tương đương: Ngõ ra: b Lcoe coe feL iRRh Rhhi   ]//)/1[( ]//)/1[( = - 36.7ib Ÿ vce = RLiL = - 36.7u103 u ib Sử dụng KVL ngõ vào: vb = 830ib + 10-4 u vce = (830 – 3.67)ib | 830ib Nhận xét 1: Aûnh hưởng của hre là không đáng kể Sử dụng KCL ngõ vào: bbbbbi iiiiKK vi 183.1 8300 1 10000 1 830 3.8 1 10 1 ¸ ¹ · ¨ © §  ¸ ¹ · ¨ © §  Suy ra:  )183.1/1)(7.36( i b b L i L i i i i i i iA -31 Nhận xét 2: So sánh với ví dụ 1 (Ai = -34), ảnh hưởng của hoe lên Ai là không đáng kể. 0ҥFKÿLӋQWӱ Chương 4 8 4.4 Cấu hình B chung (Common Base – CB) x Các thông số hybrid: veb = hib(-ie) + hrbvcb ic = hfbie + hoevcb Lưu ý: Chiều qui ước của ie, ic. x Xác định các thông số hybrid: Dùng mạch tương đương CE ie eb febfecbe h vhihiii    )1()1( , suy ra: 9 Trở kháng ngõ vào hib: EQ T fe ie cbe eb i eb ib I V h h vi v i vh   10 0ҥFKÿLӋQWӱ Chương 4 9 9 Độ lợi điện áp ngược hrb : hrb | 10 –4 : Thường bỏ qua. 9 Độ lợi dòng thuận hfb : 10  fe fe cbe c fb h h vi ih 9 Dẫn nạp ngõ ra hob : Sử dụng mạch tương đương CE có hoe : Theo định nghĩa: 0 ecb c ob iv ih Từ mạch CE: ic = - ib; ihoe = (hfe +1)ib Ÿ vcb = vce + veb = (-ib)(hfe + 1)(1/hoe) + (-ib)(hie) Ÿ vcb | (-ib)(hfe + 1)(1/hoe) = (ic)(hfe + 1)(1/hoe) Ÿ fe oe ecb c ob h h iv ih  10 Nhận xét: i) hrb và hob thường rất nhỏ: Bỏ qua ii) Các thông số hybrid CB (hib, hfb, hob) có được bằng cách lấy các thông số CE tương ứng chia cho (1+hfe) Ví dụ 3: a) Xác định các thông số CB của ví dụ 1, cho 1/hoe = 10K. b) TST trên được sử dụng trong cấu hình CB với ri = 100; RL = 5K. Xác định độ lợi dòng Ai ; áp Av , trở kháng vào Zi; ra Zo a) Từ ví dụ 1: hfe = 50; hie = 0.83K; hoe = 10 –4 mho; hre = 0. Suy ra: 98.0 1  fe fe fb h h h ; fe ie ib h hh  1 = 16:; fe oe ob h hh  1 = 2u10-6; hrb = 0. 0ҥFKÿLӋQWӱ Chương 4 10 b) Mạch tương đương: ¸ ¹ · ¨ © §     16100 100 5500 500 )98.0( i L i i iA = 0.83 i L i L i L v i i r R v vA = 41.5 Zi = 16: Z0 = 500K 4.5 Cấu hình C chung (Common Collector – CC) (Mạch Emitter Follower - EF) x Tính chất: - Độ lợi áp Av | 1 - Trở kháng ngõ vào lớn, trở kháng ngõ ra nhỏ: Impedance transformer x Phân tích: - Mạch tương đương dùng thông số hybrid cấu hình CC. - Biến đổi tương đương sử dụng thông số hybrid cấu hình CE. Thay TST bằng mạch tương đương cấu hình CE: 0ҥFKÿLӋQWӱ Chương 4 11 9 Nhìn từ cực B: vb = vbe + ieRe. Do vbe = ibhie và ieRe = (hfe + 1)ibRe Ÿ > @efebiebb Rhihiv )1(  Ÿ Mạch tương đương (chuẩn ib) Ÿ > @ > @»¼ º « ¬ ª   » ¼ º « ¬ ª   efeiebi efeieb efeie efe i e v RhhRr RhhR Rhh Rh v vA )1(// )1(// )1( )1( và efeiei RhhZ )1(  9 Nhìn từ cực E: Biến đổi tương đương Thevenin ngõ vào: Thay TST bằng mạch tương đương cấu hình CE: KVL: ebebii vvirv  ,, Do 1 fe e b h ii và eib fe e iebiebe ihh ihihv  1 Ÿ eeibe fe i i vihih r v ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © §  1 , , Ÿ Mạch tương đương (chuẩn ie) 0ҥFKÿLӋQWӱ Chương 4 12 Ÿ 1 ,   fe i ibo h r hZ Phản ánh trở kháng: Phản ánh từ Emitter o Base (chuẩn ib) Dòng / (hfe + 1) (Ví dụ: ieo ie/(hfe + 1)) Trở kháng u (hfe + 1) (Ví dụ: Re o Re(hfe + 1)) Aùp: Không đổi (Ví du: veo ve) Phản ánh từ Base o Emitter (chuẩn ie) Dòng u (hfe + 1) (Ví dụ: ib o ib(hfe + 1)) Trở kháng / (hfe + 1) (Ví dụ: r’i o r’i / (hfe + 1)) Aùp: Không đổi Ví dụ 4: Phân tích mạch sau dùng phản ánh trở kháng Biến đổi mạch tương đương: > @efeiei i Lc c fei Rhhr r RR RhA )1(, ,   0ҥFKÿLӋQWӱ Chương 4 13 Ví dụ 5: Tính v1 và v2 của mạch đảo pha (phase inverter) sau: Phản ánh trở kháng cực E lên mạch cực B Ÿ Mạch tương đương (b) Ÿ )1()//( )1( 1    feeiebi fee ib b i hRhRr hR rR Rvv Dòng ie : e e R vi 1 Ÿ e fbefbc R vhihi 1 Ngõ ra cực C: 12 vR RhRiv e c fbcc   Nếu chọn hfbRc (| Rc) = ReŸ v2 = - v1 : Đảo pha. 4.6 Tóm tắt các thông số cơ bản trong ba cách mắc BJT 0ҥFKÿLӋQWӱ