Mạch khuếch đại sử dụng transistor

MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANSISTOR

 Bộ khuếch đại là một mạch dùng để khuếch đại một tín hiệu. Tín hiệu vào một bộ khuếch đại là dòng điện (hay điện áp) và ngõ ra sẽ là bản khuếch đại của tín hiệu ngõ vào. Một mạch khuếch đại sẽ được thiết kế bởi các transistor, các transistor có trong mạch sẽ được gọi là các transistor khuếch đại. Mạch khuếch đại transistor được ứng dụng để thiết kế mạch phát sóng radio,phát thanh,... Các mạch dùng transistor sẽ mắc theo 3 kiểu cấu hình chính, mắc B chung (CB), mắc C chung (CC), mắc E chung (CE). Mạch mắc B chung có độ lợi thấp hơn mức độ lợi tối thiểu để thiết kế mạch khuếch đại, mạch mắc C chung sẽ có độ lợi gần bằng mức tối thiểu, nhưng mắc kiểu E chung sẽ có độ lợi lớn hơn mức tối thiểu nên các mạch khuếch đại sẽ tận dụng cách mắc này. Chúng ta sẽ tìm hiểu về mạch khuếch đại transistor qua bài viết này

 Một mạch khuếch đại transistor tốt phải đáp ứng đủ các yêu cầu: trở kháng đầu vào cao, độ rộng băng tần lớn, độ lợi lớn, độ tuyến tính cao, .....

 Trở  kháng đầu vào: là tổng trở khi ta quan sát từ ngõ vào điện áp nối đến ngõ vào của mạch khuếch đại transistor. Để ngăn mạch khuếch đại transistor tải điện áp từ ngõ vào thì mạch khuếch đại này phải có trở kháng cao

Độ rộng băng tần

 Độ rộng của dải tần mà bộ khuếch đại có thể khuếch đại chính xác (không bị sai lệch quá nhiều) được gọi là độ rộng băng tần của chính mạch khuếch đại đó. Thường thì độ rộng băng tần được tính toán dựa trên điểm mà điện áp ngõ ra bằng một nửa điện áp đỉnh (nhìn trên đồ thị biểu diễn tương quan tần số ngõ ra với Vs). Nói rõ ràng hơn, độ rộng băng tần là chênh lệch giữa điểm nữa điện áp trên với điểm nửa điện áp duới. Độ rộng băng tần của một mạch khuếch đại chất lượng phải nằm trong khoảng 20Hz đến 200KHz vì dải độ rộng này nằm trong khoảng nghe được của tai nguời. Tần số hồi tiếp của một thành phần RC nối với transistor được biểu diễn ở hình dưới đây, với P1 và P2 lần lượt là điểm nửa điện áp trên và điểm nửa điện áp dưới.

Độ lợi

 Độ lợi của mạch khuếch đại là tỷ số công suất ngõ ra với công suất ngõ vào, biểu thị cho khả năng khuếch đại tín hiệu được đưa vô ngõ vào. Độ lợi có thể được biểu diễn bằng số hoặc biểu diễn bằng Decibel (dB). Công thức độ lợi G = P_ra/P_vào. Độ lợi biểu diễn về dB sẽ có công thức G =

10lg(P_ra/P_vào). Ở đây P_ra là công suất ngõ ra, P_vào là công suất ngõ vào. Độ lợi cũng có thể được biểu thị dưới dạng điện áp đầu ra chia điện áp đầu vào hoặc dòng điện đầu ra chia dòng điện đầu vào. Có thể biểu thị độ lợi điện áp với decibel bằng phương trình: Av (dB) = 20 log (Vout / Vin) và độ lợi dòng điện có thể được biểu thị bằng phương trình Ai(dB)  = 20 log (Iout / Iin).

Hiệu suất

 Hiệu suất biểu thị sự hiệu quả trong việc sử dụng nguồn cấp của bộ khuếch đại. Hiệu suất thường được biểu thị dưới dạng phần trăm với công thức tính hiệu suất H = (Pout/Ps)*100

 Trong đó, H là hiệu suất (%), Pout là công suất ngõ ra, Ps là công suất nguồn cung cấp

 Mạch khuếch đại mắc A đạt 25% hiệu suất, mạch khuếch đại mắc AB đạt 55% hiệu suất, mạch mắc C là 90% hiệu suất. Mạch mắc kiểu A mô phỏng rất tốt tín hiệu khuếch đại nhưng hiệu suất sử dụng nguồn cấp thì thấp trong khi mắc C mặc dù hiệu suất cao nhưng mô phỏng tín hiệu ngõ ra rất tệ. Mắc AB thường được sử dụng phổ biến nhất trong mạch khuếch đại âm thanh vì nó trung hoà khuyết điểm của 2 cách mắc trên

Tính ổn định

 Tính ổn định ở đây là khả năng chống lại dao động của bộ khuếch đại. Những dao động này có thể là những dao động với biên độ lớn, làm nhiễu tín hiệu có ích hoặc tín hiệu biên độ rất thấp, tín hiệu dao động có tần số cao trong dãy phổ tín hiệu. Thường thì sự bất ổn định xảy ra trong quá trình mạch khuếch đại hoạt động với tần số cao, tiệm cận với tần số 20KHz. Tích hợp thêm một mạng lưới Zobel ở ngõ ra, cung cấp tín hiệu hồi tiếp âm sẽ cải thiện tính ổn định

Tốc độ thay đổi

 Tốc độ thay đổi của bộ khuếch đại  là tốc độ thay đổi đầu ra tối đa trên một đơn vị thời gian khi đầu vào thay đổi. Nói một cách đơn giản, nó đại diện cho tốc độ của bộ khuếch đại. Tốc độ xoay thường được biểu thị phương trình là SR = dVo / dt.

Sự tuyến tính

 Bộ khuếch đại được gọi là tuyến tính nếu có mối quan hệ tuyến tính giữa công suất đầu vào và công suất đầu ra. Biểu thị cho tính bằng phẳng của độ lợi. Sự tuyến tính 100% là không thể đạt tới. Trong thực tế thì các mạch khuếch đại sử dụng BJT, JFET, MOSFET có xu hướng giảm độ lợi khi hoạt động ở tần số cao nhờ tính chất của các tụ ký sinh. Ngoài ra, các tụ tách rời DC đầu vào (được thấy trong hầu hết các mạch khuếch đại âm thanh thực tế) đặt tần số cắt thấp hơn.

Nhiễu

 Nhiễu là các dao động hoặc tần số ngoài ý muốn. Xuất hiện có thể do lỗi thiết kế mạch, do tính chất đặc thù của một vài thành phần cấu thành của hệ thống, do sự tác động từ bên ngoài, dẫn đến sự tác động lẫn nhau giữa 2 hoặc nhiều tín hiệu hiện diện trong hệ thống

Độ uốn của áp đầu ra

 Độ uốn điện áp đầu ra là phạm vi tối đa mà tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại không bị méo dạng. Nó được định nghĩa bởi chênh lệch giữa đỉnh dương và đỉnh âm của đồ thị ngõ ra và trong các bộ khuếch đại cung cấp đơn, nó được đo từ đỉnh dương xuống GND. Độ uốn điện áp đầu ra thường phụ thuộc vào các yếu tố như điện áp cung cấp, độ lệch và hiệu suất từng bộ phận trong mạch.

Bộ khuếch đại mắc E chung

 Bộ khuếch đại ghép nối RC mắc E chung là một trong những bộ khuếch đại dùng transistor đơn giản và cơ bản nhất. Đừng kỳ vọng nhiều sự bùng nổ từ mạch nhỏ này, mục đích chính của mạch này để làm cho tín hiệu yếu trở nên đủ mạnh. Nếu được thiết kế đúng, bộ khuếch đại này có thể cung cấp các đặc tính tín hiệu tuyệt vời.

Tụ điện Cin là tụ tách rời thành phần DC đầu vào, chặn bất kỳ thành phần DC nào đến cực B của Q1. Nếu bất kỳ điện áp DC bên ngoài nào tác động tới cực B Q1, nó sẽ làm ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ khuếch đại.

R1 và R2 là các điện trở phân cực. Mạng này cung cấp cho cực B transistor điện áp phân cực cần thiết để đưa nó vào vùng hoạt động. Vùng hoạt động mà transistor được ngắt hoàn toàn được gọi là vùng ngắt và vùng hoạt động mà transistor được bật hoàn toàn đóng (giống như một công tắc đóng) được gọi là vùng bão hòa. Vùng nằm giữa vùng ngắt và vùng bão hòa được gọi là vùng hoạt động. Tham khảo hình dưới để hiểu rõ hơn. Để một bộ khuếch đại transistor hoạt động đúng, nó nên hoạt động trong vùng hoạt động. Như chúng ta đã biết, một transistor silicon cần 0,7 volt để chuyển sang trạng thái dẫn và chắc chắn 0,7 V này sẽ được lấy từ tín hiệu âm thanh đầu vào của transistor. Vì vậy, tất cả các phần của dạng sóng đầu vào có biên độ nhỏ hơn 0,7V sẽ không có trong dạng sóng đầu ra. Mặt khác, nếu transistor được đặt một áp lớn vào đầu B, nó sẽ đi vào trạng thái bão hòa (BẬT hoàn toàn) và hoạt động như một công tắc đóng để bất kỳ thay đổi nào ở điện áp đầu vào cực B sẽ không gây ra bất kỳ thay đổi cho đầu ra. Điện áp giữa cực C và cực E sẽ là 0,2V ở điều kiện Vce sat = 0,2V.

C(out) là tụ tách rời thành phần DC đầu ra. Nếu tụ điện này không được sử dụng, đầu ra của bộ khuếch đại (Vout) sẽ được kẹp bởi mức DC có mặt tại cực C transistor.

Rc là điện trở cực C và Re là điện trở cực E. Các giá trị của Rc và Re được chọn sao cho 50% Vcc được ghim giữa cực C và cực E của transistor. Điều này được thực hiện để đảm bảo rằng điểm hoạt động được đặt ở trung tâm của đường đồ thị tải (đường màu đỏ của hình trên) . 40% Vcc được ghim trên Rc và 10% Vcc được ghim trên Re. Việc tăng điện áp cao hơn trên Re sẽ làm giảm sự dao động điện áp đầu ra và vì vậy, chúng ta nên thiết kế sao cho điện áp rơi trên Re = 10% Vcc . Ce là tụ điện by-pass. Ở điều kiện tín hiệu bằng không (nghĩa là không có đầu vào) chỉ có dòng tĩnh (được đặt bởi các điện trở phân cực R1 và R2 chảy qua Re). Dòng điện này là dòng điện trực tiếp có cường độ vài milli ampe và Ce không đóng vai trò gì cả. Khi có tín hiệu đầu vào, transistor khuếch đại nó và kết quả là một dòng điện xoay chiều tương ứng chạy qua Re. Công việc của Ce là bỏ qua thành phần xen kẽ này của dòng cực E. Nếu không có Ce, toàn bộ dòng cực E sẽ chạy qua Re và điều đó gây ra sụt áp lớn trên nó. Sự sụt giảm điện áp này được thêm vào Vbe của transistor và mạch sẽ hoạt động sai lệch. Thực tế, điều này sẽ khiến mạch bị giảm độ lợi.