Mạch điện tử - Chương 4: Mạch khuếch đại liên tầng

MẠCH ĐIỆN TỬ Chương 4. MẠCH KHUẾCH ĐẠI LIÊN TẦNG 11/26/2012 1 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM NỘI DUNG • Mạch khuếch đại Cascade • Mạch khuếch đại vi sai (difference amplifier) • Mạch khuếch đại Darlington • Mạch khuếch đại Cascode 11/26/2012 2 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại Cascade • Xét mạch ghép AC (ac-coupling) sau 11/26/2012 3 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại Cascade • Phân tích DC, xác định tĩnh điểm: • Hai tầng độc lập (do ghép AC) • Có thể gây méo dạng. • Phân tích AC (tín hiệu nhỏ): Mạch tương đương • Độ lợi dòng: 11/26/2012 4 ' ' 2 2 1 22 1 1 ' ' 2 1 2 2 2 1 1 fe C fe bb b bL L i i b b i C L b ie b ie h R h Ri i Ri i A i i i i R R R h R h                      Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại Cascade Ví dụ 1: Xác định độ lợi áp và biên độ dao động cực đại điện áp ngõ ra. Giả sử hfe = 100 11/26/2012 5 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại Cascade • Xác định tĩnh điểm: • Tầng 2: • Tầng 1: Rb1 = R1 // R2 = 9.09K; VBB = VCCR1/(R1 + R2) = 1.82V • Mạch tương đương tín hiệu nhỏ 11/26/2012 6 mA hRR VV I febe BEQBB CQ 3.1 / 111 1      1920 1 11 CQ T feie I V hh  260 2 22 CQ T feie I V hh Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại Cascade • Độ lợi áp: 11/26/2012 7 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại Cascade • Xét mạch khuếch đại ghép trực tiếp 11/26/2012 8 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại Cascade • Ảnh hưởng DC giữa 02 tầng • Không bị méo dạng. • Xác định tĩnh điểm: • Để đơn giản, xem IB = 0 trong các tính toán tĩnh điểm. • VBE1 = 0.7V  I3 = 0.7/600 = 1.17 mA  IC2 = IE2 = I3 = 1.17 mA  VCE2 = 9 – (1.17mA)(1.3K + 1.8K + 0.6K) = 4.7V • VE2 = (1.17mA)(1.8K + 0.6K) = 2.8V • VC1 = VB2 = VBE + VE2 = 0.7 + 2.8 = 3.5V = VCE1  IC1 = (9 – 3.5)/2.2K = 2.5 mA 11/26/2012 9 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại Cascade • Mạch tương đương tín hiệu nhỏ: Av = 4000 11/26/2012 10 K I V hh CQ T feie 1 1 11  KI V hh CQ T feie 14.2 2 22                  1)8.0//6.0( )8.0//6.0( )//8.1//6.0(2.0 1 2.2 2.2100 3.1100 12 1 1 2 2 KhKh K v i i i i v v v A ieiei b b b b L i L v Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại vi sai • Xét mạch khuếch đại 11/26/2012 11 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại vi sai • Phân tích tĩnh điểm VE1 = VE2 = (IE1 + IE2)Re – VEE = 2IE1Re – VEE = 2IE2Re – VEE • Do tính đối xứng, tách thành 2 mạch (Re  2Re) 11/26/2012 12 VCEQ1 = VCEQ2 = VCC + VEE – ICQ(Rc + 2Re) Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại vi sai Ví dụ 4: Trong mạch bên Cho VCC = VEE = 10V; Rb = 0.2K; Re = 0.9K; Rc = 0.2K; RL = 10. Theo phân tích tĩnh điểm: ICQ = (10 – 0.7) / (20.9) = 5.17 mA VCEQ = 10 + 10 – 5.17(0.2 + 20.9) = 9.66V 11/26/2012 13 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại vi sai • Phân tích tín hiệu nhỏ : • Phản ánh mạch cực B (nguồn i1 và i2) về cực E: • Đặt i0 = (i1 + i2)/2 và i = i2 – i1  i1 = i0 – (i/2) và i2 = i0 + (i/2) 11/26/2012 14 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại vi sai • Dùng phương pháp chồng chập cho mạch tương đương tín hiệu nhỏ, tách thành 2 mode: • Mode chung (common mode): i1 = i2 = i0 • Tách đôi: Re  2Re • Do đối xứng: ie1c = ie2c  iRe = 2ie1c = 2ie2c  ve = (2Re)ie2c 11/26/2012 15 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại vi sai • Mode vi sai (differential mode): i2 = - i1 = i/2 • ie1d = - ie2d  iRe = 0  ve = 0 • Ngắn mạch Re  11/26/2012 16 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại vi sai • Chồng chập tín hiệu: • ie2 = ie2c + ie2d = • iL = = Aci0 + Adid • Trong đó: • Độ lợi mode chung • Độ lợi mode vi sai: 11/26/2012 17 0 2 / 2( / ) b b e ib b fe ib b fe R R i i R h R h h R h      2 c ie c L R i R R   2 / c b c c L e ib b fe R R A R R R h R h      2( / ) c b d c L ib b fe R R A R R h R h     Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại vi sai • Tỷ số triệt tín hiệu đồng pha CMRR (Common Mode Rejection Ratio) • Mạch khuếch đại vi sai lý tưởng: Ac = 0: iL = AdI • Định nghĩa: • Mạch thực tế: • (Giả sử Re >> hib + Rb/hfe) 11/26/2012 18 d c A CMRR A  2 / 2( / ) / e ib b fe e ib b fe ib b fe R h R h R CMRR h R h h R h       Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại vi sai Ví dụ 5: Cho mạch trong ví dụ 4. Tính CMRR. Giả sử i0 = 1A, Xác định giá trị tín hiệu ngõ vào mode vi sai để ngõ ra mode vi sai tối thiểu lớn hơn 100 lần ngõ ra mode chung. Ac  - 0.1 Ad  - 14  iL = -0.1i0 – 14i CMRR = Ad / Ac = 140 (43dB) Để ngõ ra mode vi sai  100ngõ ra mode chung: 14i  100(0.1i0)  i  100(i0 / CMRR) = 0.7 A 11/26/2012 19 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại vi sai • Phương pháp tăng CMRR 11/26/2012 20 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại vi sai • Mạch T3 xem như nguồn dòng. • Phân tích tín hiệu nhỏ: Tương tự như mạch trên thay Re = 1/hoe • Do 1/hoe rất lớn nên CMRR rất lớn. 11/26/2012 21 1 1 2. / 2( / ) / ib b fe oe oe ib b fe ib b fe h R h h h CMRR h R h h R h       Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại vi sai • Mạch Chỉnh cân bằng: (Balance control) 11/26/2012 22 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại vi sai • Điều kiện cân bằng: ICQ1 = ICQ2 • Suy ra • Phân tích AC 11/26/2012 23 1 1 2 1 1 2 2 v b fe fe R R R h h          2 1 2 1 1 2 2 v b fe fe R R R h h          1 22[ / 2 ( / 2)(1/ 1/ )] c b d c L ib v b fe fe R R A R R h R R h h       3 1 22(1/ ) [ / 2 ( / 2)(1/ 1/ )] c b c c L oe ib v b fe fe R R A R R h h R R h h        Giảm so với không dùng RV Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại vi sai Ví dụ 6: Thiết kế mạch sau để có CMRR = 100 (40dB). Tải 1K ghép AC. TST có hfe = 100 11/26/2012 24 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại vi sai • Theo hình vẽ: R1 = R2 = 50 ; hfe1 = hfe2 = 100 . • Sử dụng công thức tính Ad và Ac ở phần chỉnh cân bằng, thay 1/hoe bằng Re, suy ra • Yêu cầu: CMRR  100  Re  100(60 + hib) • Giả sử ICQ1 = ICQ2 = 1mA  hib = 25   Re  8.5K. Chọn Re = 10K. • Tính VEE: VEE = Rb1IB1 + VBE1 + R1IE1 + Re(2I1) = 20.8VA 11/26/2012 25 2 50 1000 /100 2 100 2000 /100 60 d e ib e c ib ib A R h R CMRR A h h          Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại DarlingTone • Dạng mạch: 11/26/2012 26 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại DarlingTone • Phân tích tín hiệu nhỏ: • Do ICQ2 = hfe2ICQ1, nên • Suy ra • Xem 2TST ghép Darlington  1 TST có: hie=2hie1 và hfe=hfe1hfe2 11/26/2012 27 ie2 2 2 1 2 2 1 1 T T T fe fe ib CQ fe CQ CQ V V V h h h h I h I I     Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 2 1 1 2 1 1 1 2 1 1 ( / ) ( / ) 2 fe c fe b fe fe C fe bL i i c L b fe ib ie c L b fe ib h R h R h h R h Ri A i R R R h h h R R R h h           1 2 1 ( ) 2 c b i fe fe c L b ie R R A h h R R R h     Mạch khuếch đại DarlingTone Ví dụ 7: Xác định tĩnh điểm của mạch sau. Giả sử hfe = 100. 11/26/2012 28 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại DarlingTone • Xét mạch chế độ AC 11/26/2012 29 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại DarlingTone • Nguồn dòng T5 : • Giả sử IB5 << IC5 : • Mạch đối xứng: IC3 = IC4 = IC5 / 2 = 0.45 mA •  IC1 = IC2 = IC3 / hfe = 4.5 A • IB1 = IB2 = IC1 / hfe = 45 nA • KVL: • VC1 = VC2 = VC3 = VC4 = VCC – 10K(IC3 + IC1)  7.5V • VE1 = VE2 = 0 – (10 5)(4510-9) – 0.7  -0.7V • VE3 = VE4 = VE1 – 0.7 = -1.4V • VC5 = VE3 – 50IC3 = -1.4 – 50(0.4510 -3)  -1.4V 11/26/2012 30 5 2.9 6 4.14 2.9 1.3 BV V     5 ( 4.14 0.7) ( 6) 0.9 1.3 CI mA K       Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại Cascode • Dạng mạch 11/26/2012 31 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại Cascode • Phân tích DC: Giả sử bỏ qua IB1 và IB2: VB1 = VCCR1 /(R1 + R2 + R3)  VE1 = VB1 - VBE1 = VB1 – 0.7  IC1 = (VB1-0.7 )/ Re = IC2 VB2 = VCC(R1 + R2) /(R1 + R2 + R3)  VE2 = VB2 - VBE2 = VB2 – 0.7  VCE1 = VC1 - VE1 = (VE2 – RcIC1) – VE1 VCE2 = VC2 – V= = (VCC – RLIC2) – VE2 11/26/2012 32 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Mạch khuếch đại Cascode • Phân tích tín hiệu nhỏ: • Độ lợi truyền đạt (Transfer gain): 11/26/2012 33 121 21 12 1 1 2 2 // // )( ie feLfb i b b e e L i L T hRR RR hRh i i i i i v i v A   Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM