“Khuếch đại nguồn chung sử dụng transistor hiệu ứng trường kết hợp (JFET) như thiết bị hoạt động chính của nó, mang lại đặc tính có trở kháng đầu vào cao.
Khuếch đại JFET nguồn chung có một ưu điểm quan trọng so với khuếch đại BJT chung bằng cách FET có trở kháng đầu vào cực kỳ cao và cùng với đầu ra tiếng ồn thấp khiến chúng trở nên lý tưởng cho việc sử dụng trong mạch khuếch đại yếu tín hiệu đầu vào rất nhỏ.
Mạch khuếch đại transistor như Mạch khuếch đại E chung được làm bằng Transistor Bipolar, nhưng khuếch đại tín hiệu nhỏ cũng có thể được làm bằng Transistor Hiệu ứng Trường. Thiết kế của mạch khuếch đại dựa trên transistor hiệu ứng trường hoặc “JFET” (N-channel FET trong hướng dẫn này) hoặc thậm chí là transistor hiệu ứng trường ôxít kim loại hoặc “MOSFET” cũng hoàn toàn giống nguyên tắc của mạch transistor tụ lớn sử dụng cho mạch khuếch đại lớp A chúng ta đã xem trong hướng dẫn trước đó.
Trước hết, cần tìm điểm cân bằng thích hợp hoặc “Q-point” cho việc điều chỉnh đúng của mạch khuếch đại JFET với cấu hình khuếch đại đơn của nguồn chung (CS), thoát chung (CD) hoặc theo sau nguồn (SF) và cổng chung (CG) có sẵn cho hầu hết các thiết bị FET.
Ba cấu hình khuếch đại JFET này tương ứng với cấu hình nguồn chung, nguồn theo sau và cổng chung sử dụng transistor tụ lớn. Trong hướng dẫn về khuếch đại FET này, chúng tôi sẽ xem xét Khuếch đại JFET nguồn chung phổ biến nhất vì đây là thiết kế khuếch đại JFET phổ biến nhất.
Hãy xem xét cấu hình mạch khuếch đại JFET nguồn chung dưới đây.
Bạn có thể xem và học toàn bộ kiến thức về : Bộ Khuếch Đại
Mạch Khuếch đại JFET nguồn chung
Mạch khuếch đại bao gồm một JFET loại N-channel, nhưng thiết bị cũng có thể là MOSFET loại N-channel cùng đồ thị mạch vẽ chỉ thay đổi FET, được kết nối trong cấu hình nguồn chung. Điện áp cổng JFET (Vg) được thiết lập thông qua mạng chia áp được thiết lập bởi các điện trở R1 và R2 và được thiết lập để hoạt động trong vùng bão hoà của nó, tương đương với vùng hoạt động của transistor trường kết hợp bipolar.
Không giống như mạch transistor bipolar, transistor JFET không tốn nhiều dòng cổng đầu vào, cho phép cổng được xem xét như một mạch mở. Sau đó, không cần yêu cầu các đường cong đặc tính đầu vào. Chúng ta có thể so sánh JFET với transistor trường kết hợp bipolar (BJT) trong bảng sau.
So sánh JFET với BJT
Vì JFET kênh N là một thiết bị chế độ cạn kiệt và thường “BẬT”, cần điện áp cổng âm so với nguồn để điều chỉnh hoặc kiểm soát dòng xả. Điện áp cổng âm này có thể được cung cấp từ một nguồn cung cấp điện riêng biệt hoặc thông qua một sắp xếp tự tự cân bằng miễn là dòng liên tục đi qua JFET ngay cả khi không có tín hiệu đầu vào và Vg duy trì điều kiện nghịch biến của cổng nguồn.
Trong ví dụ đơn giản của chúng tôi, sự cân bằng được cung cấp từ một mạng chia áp cho phép tín hiệu đầu vào tạo ra một giảm điện áp ở cổng cũng như tăng điện áp ở cổng với tín hiệu sin. Bất kỳ cặp giá trị điện trở phù hợp nào với tỷ lệ chính xác sẽ tạo ra điện áp cân bằng đúng, vì vậy điện áp cân bằng cổng DC Vg được cho như sau:
Lưu ý rằng phương trình này chỉ xác định tỷ lệ giữa các điện trở R1 và R2, nhưng để tận dụng trở kháng đầu vào rất cao của JFET cũng như giảm tiêu thụ công suất trong mạch, chúng ta cần làm cho các giá trị điện trở này càng cao càng tốt, với giá trị trong khoảng từ 1MΩ đến 10MΩ là phổ biến.
Tín hiệu đầu vào (Vin) của khuếch đại JFET nguồn chung được áp dụng giữa chân Cổng và mức 0V. Với giá trị cổng Vg cố định, JFET hoạt động trong “vùng Ohmic” của nó, hoạt động như một thiết bị trở điện tuyến tính. Mạch dòng xả chứa điện trở tải, Rd. Điện áp đầu ra, Vout được phát triển trên điện trở tải này.
Hiệu suất của khuếch đại JFET nguồn chung có thể được cải thiện bằng cách thêm một điện trở, Rs được bao gồm trong chân nguồn với cùng dòng xả chảy qua điện trở này. Điện trở, Rs cũng được sử dụng để đặt “Q-point” của khuếch đại JFET.
Khi JFET được bật hoàn toàn “BẬT”, sẽ phát triển một giảm điện áp bằng Rs*Id trên điện trở này, nâng cao tiềm năng của chân nguồn trên mức 0V hoặc mức đất. Sự giảm điện áp này trên Rs do dòng xả phát triển cung cấp điều kiện nghịch biến cần thiết trên điện trở cổng, R2, tạo ra phản hồi âm.
Vì vậy, để duy trì điện áp nghịch cổng nguồn, Vs cần phải cao hơn điện áp cổng, Vg. Do đó, điện áp nguồn này được cho như sau:
Sau đó, dòng xả, Id cũng bằng dòng nguồn, Is vì “Không có Dòng” đi vào chân Cổng và có thể được tính như sau:
Mạch cân bằng chia áp này cải thiện sự ổn định của mạch khuếch đại JFET nguồn chung khi được cung cấp từ một nguồn DC duy nhất so với mạch cân bằng điện áp cố định. Cả điện trở, Rs và tụ chống nguồn, Cs đóng vai trò cơ bản giống như điện trở và tụ phóng ở chân khuếch đại tụ lớn chung dùng cho mạch khuếch đại trực tiếp tụ lớn bipolar transistor, tức là cung cấp sự ổn định tốt và ngăn chặn sự giảm mất mát của độ gia tăng điện áp. Tuy nhiên, giá trị phải trả cho điện áp cổng cân bằng ổn định là điểm giảm điện áp nhiều hơn của nguồn cung cấp điện.
Giá trị trong farad của tụ chống nguồn thường khá cao trên 100uF và sẽ có cực. Điều này làm cho tụ có một giá trị trở kháng nhỏ hơn, ít hơn 10% so với giá trị truyền dẫn, gm (hệ số chuyển đổi đại diện cho độ gia tăng) của thiết bị. Ở tần số cao, tụ chống nguồn hoạt động thực sự như mạch ngắn mạch và nguồn sẽ được kết nối trực tiếp với đất.
Mạch cơ bản và đặc tính của Khuếch đại JFET nguồn chung rất giống với mạch khuếch đại phổ thông. Một đường dòng cực định DC được xây dựng bằng cách nối hai điểm liên quan đến dòng xả, Id và điện áp cung cấp, Vdd, nhớ rằng khi Id = 0: ( Vdd = Vds ) và khi Vds = 0: ( Id = Vdd/RL ). Đường dòng cung là sự giao nhau của các đường cong tại điểm Q-point như sau:
Đường Đặc tính của Mạch Khuếch đại JFET nguồn chung
Giống như mạch transistor tụ lớn chung, đường dòng cực định DC cho khuếch đại JFET nguồn chung tạo ra một phương trình đường thẳng có độ dốc là: -1/(Rd + Rs) và nó giao nhau với trục Id dọc tại điểm A bằng Vdd/(Rd + Rs). Điểm cuối khác của đường dòng cung cung cấp điểm B, bằng điện áp cung cấp, Vdd.
Vị trí thực tế của điểm Q trên đường dòng cực định DC thường được đặt tại trung tâm giữa đường dòng cung (cho hoạt động lớp A) và được xác định bằng giá trị trung bình của Vg, được cân bằng âm điện vì JFET là một thiết bị chế độ cạn kiệt. Giống như mạch khuếch đại tụ lớn chung, đầu ra của Khuếch đại JFET nguồn chung 180 độ lệch pha so với tín hiệu đầu vào.
Một trong những hạn chế chính của việc sử dụng JFET chế độ cạn kiệt là họ cần phải được cân bằng âm điện. Nếu cân bằng này thất bại vì bất kỳ lý do nào, điện áp cổng-cổng có thể tăng lên và trở thành dương gây ra tăng dòng xả dẫn đến sự hỏng hóc của điện áp xả, Vd.
Ngoài ra, sự trở kháng kênh cao, Rds(on) của JFET trường kết hợp, kết hợp với dòng xả trạng thái ổn định cực kỳ cao làm cho thiết bị này hoạt động nóng, vì vậy cần thêm tản nhiệt. Tuy nhiên, hầu hết các vấn đề liên quan đến việc sử dụng JFET có thể được giảm đáng kể bằng cách sử dụng thiết bị MOSFET kiểu tăng cường thay thế.
MOSFET hoặc Transistor Hiệu ứng Trường Ôxít Kim Loại có trở kháng đầu vào và trở kháng kênh thấp hơn nhiều so với JFET tương đương. Cũng sắp xếp điều kiện cân bằng cho MOSFET khác và trừ khi chúng ta cân bằng dương cho thiết bị N-channel và âm cho thiết bị P-channel, không có dòng xả nào sẽ chảy, sau đó chúng ta sẽ có thực tế là một transistor an toàn.
Độ lợi Dòng và Công suất của Transistor Hiệu ứng Trường Kênh (JFET)
Cường độ dòng vào, Ig của một khuếch đại JFET nguồn chung rất nhỏ vì trở kháng cổng cực kỳ cao, Rg. Do đó, một khuếch đại JFET nguồn chung có tỷ lệ rất tốt giữa trở kháng đầu vào và đầu ra của nó và đối với bất kỳ lượng dòng đầu ra nào, IOUT, khuếch đại JFET sẽ có tỷ lệ dòng cao Ai rất cao.
Bởi vì điện công suất = Điện áp x Dòng (P = V*I) và điện áp đầu ra thường là vài mili volt hoặc thậm chí vài volt, công suất P cũng rất cao.
Trong hướng dẫn tiếp theo, chúng tôi sẽ xem xét cách cân bằng sai lệch của mạch khuếch đại transistor có thể gây ra biến dạng đối với tín hiệu đầu ra dưới dạng biến dạng biên độ do cắt và cũng như tác động của biến dạng pha và tần số.
