“Các bộ khuếch đại transistor gia tăng các tín hiệu đầu vào AC biến đổi giữa một giá trị dương và một giá trị âm tương ứng. Sau đó, cần có cách nào đó để “thiết lập trước” cấu hình Mạch khuếch đại E chung để transistor có thể hoạt động giữa hai giá trị tối đa hoặc cực đại này. Điều này có thể được đạt được bằng cách sử dụng quá trình được gọi là Phân cực.
Việc Điều chỉnh rất quan trọng trong thiết kế bộ khuếch đại vì nó xác định điểm hoạt động chính xác của bộ khuếch đại transistor sẵn sàng tiếp nhận tín hiệu, từ đó giảm thiểu bất kỳ biến dạng nào đối với tín hiệu đầu ra.
Ngoài ra, việc sử dụng đường tải tĩnh hoặc DC được vẽ lên đường cong đặc tính đầu ra của bộ khuếch đại cho phép chúng ta thấy tất cả các điểm hoạt động có thể của transistor từ hoàn toàn “BẬT” đến hoàn toàn “TẮT”, và điểm hoạt động không đổi hoặc điểm Q của bộ khuếch đại có thể được tìm thấy.
Mục tiêu của bất kỳ bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ nào là gia tăng tất cả tín hiệu đầu vào với lượng biến dạng tối thiểu có thể đối với tín hiệu đầu ra, nói cách khác, tín hiệu đầu ra phải là bản sao chính xác của tín hiệu đầu vào nhưng chỉ lớn hơn (được khuếch đại).
Để đạt được biến dạng thấp khi được sử dụng như một bộ khuếch đại, điểm hoạt động không đổi cần được lựa chọn chính xác. Điều này thực sự là điểm hoạt động DC của bộ khuếch đại và vị trí của nó có thể được xác định tại bất kỳ điểm nào dọc theo đường tải bằng cách sắp xếp điều chỉnh thích hợp.
Tham khảo thêm ở : lowerelectricbilltoday.com
Vị trí tốt nhất có thể cho điểm Q này là gần nhất với vị trí trung tâm của đường tải một cách hợp lý, từ đó tạo ra hoạt động bộ khuếch đại loại A, tức là Vce = 1/2Vcc. Xem Mạch khuếch đại E chung được hiển thị bên dưới.”
Nếu bạn muốn tìm hiểu tổng quan về Mạch Khuếch đại thì tham khảo :
Nguyên lý mạch khuếch đại E chung
Mạch khuếch đại tiếng thông thường ở trình tự trình bày ở trên sử dụng điều chỉnh điện áp thường được gọi là “Điều chỉnh Chia Điện Áp”. Loại cấu hình điều chỉnh này sử dụng hai tụ điện trở như một mạng chia điện áp trên nguồn cung cấp với điểm giữa cung cấp điện áp điều chỉnh cực B cần thiết cho transistor. Điều chỉnh chia điện áp thường được sử dụng phổ biến trong thiết kế các mạch khuếch đại transistor bipola.
Phương pháp điều chỉnh transistor này giảm đáng kể tác động của Beta biến đổi (β) bằng cách giữ điện áp điều chỉnh cực B ở một mức điện áp ổn định và cố định cho sự ổn định tốt nhất.
Điện áp cực B tĩnh (Vb) được xác định bởi mạng chia điện điện áp được tạo thành bởi hai tụ điện trở, R1, R2 và điện áp nguồn cung cấp Vcc như được hiển thị với dòng chảy qua cả hai tụ điện trở.
Sau đó, tổng trở kháng RT sẽ bằng R1 + R2 cho dòng điện là i = Vcc/RT. Mức điện áp được tạo ra tại điểm nối của tụ điện trở R1 và R2 giữ điện áp cực B (Vb) ổn định ở một giá trị thấp hơn điện áp nguồn cung cấp.
Mạng chia điện điện áp được sử dụng trong Mạch khuếch đại E chung chia điện áp nguồn theo tỷ lệ của trở kháng. Điện áp tham chiếu điều chỉnh này có thể dễ dàng tính toán bằng cách sử dụng công thức chia điện áp đơn giản dưới đây:
Điện Áp Điều Chỉnh Transistor
Với cùng một điện áp nguồn (Vcc), điều này cũng xác định dòng Collector tối đa, Ic khi transistor được bật hoàn toàn “BẬT” (bão hòa), Vce = 0. Dòng Base Ib cho transistor được tìm thấy từ dòng Collector, Ic và hệ số khuếch đại dòng DC Beta, β của transistor.
Giá trị Beta
Giá trị Beta của một transistor, đôi khi được gọi là hFE trong bảng dữ liệu, xác định tỷ lệ dòng tiến của transistor trong cấu hình phát xạ thông thường. Beta là một tham số điện được tích hợp vào transistor trong quá trình sản xuất. Beta (hFE) không có đơn vị vì nó là tỷ lệ cố định giữa hai dòng điện, Ic và Ib, vì vậy một thay đổi nhỏ trong dòng cực B sẽ gây ra một thay đổi lớn trong dòng Collector.
Một điểm cuối cùng về Beta. Các transistor cùng loại và cùng số hiệu sẽ có sự biến đổi lớn về giá trị Beta của họ. Ví dụ, transistor NPN Bipolar BC107 có giá trị Beta hFE trong khoảng từ 110 đến 450 (giá trị trên bảng dữ liệu). Vì vậy, một BC107 có thể có giá trị Beta là 110, trong khi BC107 khác có thể có giá trị Beta là 450, nhưng cả hai đều là transistor NPN BC107. Điều này bởi vì Beta (β) là một đặc điểm cố định của cấu trúc của transistor và không phải là của hoạt động của nó.
Khi kết nối cực B/Emitter được forward-biased, điện áp Emitter, Ve sẽ khác một điện áp mất qua kết nối so với điện áp cực B. Nếu điện áp qua tụ điện trở Emitter được biết thì dòng Emitter, Ie có thể được tính toán dễ dàng bằng Định luật Ohm. Dòng Collector, Ic có thể được ước tính, vì nó gần giống với dòng Emitter.
Ví dụ Mạch Khuếch đại E chung số 1
Mạch khuếch đại E chung có một điện trở tải, RL là 1,2kΩ và một điện áp cung cấp là 12V. Hãy tính dòng Collector tối đa (Ic) chảy qua tụ điện trở tải khi transistor được bật hoàn toàn “BẬT” (bão hòa), giả sử Vce = 0. Hãy tìm giá trị của tụ điện trở Emitter, RE nếu có một mức giảm điện áp là 1V qua nó. Hãy tính giá trị của tất cả các tụ điện trở mạch khác giả sử một transistor silicôn NPN tiêu chuẩn.
Điều này sau đó xác định điểm “A” trên trục thẳng đứng của dòng Collector trên đồ thị đặc tính và xảy ra khi Vce = 0. Khi transistor được bật hoàn toàn “TẮT”, không có sự giảm điện áp qua tụ điện trở RE hoặc RL vì không có dòng điện chảy qua chúng. Sau đó, giảm điện áp qua transistor, Vce bằng với điện áp cung cấp, Vcc. Điều này xác định điểm “B” trên trục ngang của đồ thị đặc tính.
Thường, điểm Q tĩnh của bộ khuếch đại là với tín hiệu đầu vào bằng không được áp dụng vào cực B, vì vậy Collector đứng khoảng giữa 0 và điện áp cung cấp (Vcc/2). Do đó, dòng Collector tại điểm Q của bộ khuếch đại sẽ được tính như sau:
Đường DC load line tĩnh này tạo thành một phương trình thẳng có độ dốc bằng -1/(RL + RE) và cắt trục thẳng dọc Ic tại một điểm bằng Vcc/(RL + RE). Vị trí thực tế của điểm Q trên đường DC load line được xác định bởi giá trị trung bình của Ib.
Khi dòng Collector, Ic của transistor cũng bằng với sự gia tăng dòng DC của transistor (Beta), nhân với dòng cực B (β*Ib), nếu ta giả sử giá trị Beta (β) của transistor là ví dụ 100 (trăm là giá trị trung bình hợp lý cho transistor tín hiệu công suất thấp), dòng cực B Ib chảy vào transistor sẽ được tính như sau:
Thay vì sử dụng một nguồn cấp điện áp cực B riêng lẻ, thì thông thường ta cung cấp Điện Áp Điều Chỉnh cực B từ nguồn cấp chính (Vcc) thông qua một tụ điện trở giảm áp, R1. Tụ điện trở, R1 và R2 bây giờ có thể được chọn để cung cấp dòng cực B cân bằng phù hợp là 45,8μA hoặc 46μA (làm tròn gần nhất). Dòng chảy qua mạch chia điện áp điện áp phải lớn hơn rất nhiều so với dòng cực B thực sự, Ib, để mạng chia điện áp không bị tải bởi dòng cực B.
Một quy tắc tổng quan là giá trị ít nhất là 10 lần Ib chảy qua tụ điện trở R2. Điện áp cực B/Emitter của transistor, Vbe được cố định ở 0,7V (transistor silicôn), sau đó cho giá trị của R2 là:
Nếu dòng chảy qua tụ điện trở R2 là 10 lần giá trị của dòng cực B, thì dòng chảy qua tụ điện trở R1 trong mạch chia điện áp phải là 11 lần giá trị của dòng cực B. Điều đó là: IR2 + Ib.
Do đó, điện áp qua tụ điện trở R1 bằng với Vcc – 1,7V (VRE + 0,7 cho transistor silicôn), tương đương 10,3V, vì vậy R1 có thể được tính toán như sau:
Giá trị của tụ điện trở Emitter, RE có thể dễ dàng tính bằng Định luật Ohm. Dòng chảy qua RE là sự kết hợp của dòng cực B, Ib và dòng Collector Ic và được tính như sau:
Tụ điện trở, RE được kết nối giữa cực Emitter của transistor và mặt đất, và ta đã nói trước đó rằng có một mức giảm điện áp 1V qua nó. Do đó, giá trị của tụ điện trở Emitter, RE được tính như sau:
Vì vậy, đối với ví dụ của chúng ta ở trên, giá trị ưu tiên của các tụ điện trở được chọn để có độ chính xác 5% (E24) là:
Sau đó, Mạch khuếch đại E chung ban đầu của chúng ta có thể được viết lại để bao gồm các giá trị của các thành phần mà chúng ta vừa tính toán ở trên.
Những đặc điểm của mạch khuếch đại E chung
Tụ ghép nối
Trong các Mạch khuếch đại E chung, tụ điện C1 và C2 được sử dụng làm tụ điện nối để tách các tín hiệu AC khỏi điện áp DC điều chỉnh. Điều này đảm bảo rằng điều kiện điều chỉnh được thiết lập để mạch hoạt động đúng cách không bị ảnh hưởng bởi các giai đoạn khuếch đại bổ sung, vì tụ điện chỉ truyền qua tín hiệu AC và chặn bất kỳ thành phần DC nào. Tín hiệu AC đầu ra sau đó được gắn thêm vào điều kiện điều chỉnh của các giai đoạn tiếp theo. Ngoài ra, mạch chân Emitter bao gồm một tụ điện phản hồi, CE.
Tụ điện này hiệu quả là một thành phần mạch mở cho các điều kiện DC điều chỉnh, điều này có nghĩa là các dòng và điện áp điều chỉnh không bị ảnh hưởng bởi sự thêm vào của tụ điện, duy trì sự ổn định của điểm Q tốt.
Tuy nhiên, tụ điện phản hồi được kết nối song song này hiệu quả trở thành một mạch ngắn xung với tụ điện chân Emitter ở các tín hiệu tần số cao do trở kháng phản ứng của nó. Do đó, chỉ có RL cộng với một trở kháng nội tiết rất nhỏ hoạt động như một tải điện áp, tăng khả năng khuếch đại điện áp lên tối đa. Thường, giá trị của tụ điện phản hồi, CE được chọn để cung cấp một trở kháng phản ứng tối đa, là 1/10 giá trị của RE ở tần số tín hiệu hoạt động thấp nhất.
Đường Đặc Tính Đầu Ra
Ok, cho đến nay vẫn tốt. Bây giờ chúng ta có thể xây dựng một loạt đường cong thể hiện dòng Collector, Ic so với điện áp Collector/Emitter, Vce với các giá trị khác nhau của dòng cực B, Ib cho mạch khuếch đại thông thông thường đơn giản của chúng ta.
Những đường cong này được biết đến với tên gọi “Đặc Tính Đầu Ra” và được sử dụng để thể hiện cách transistor sẽ hoạt động trên phạm vi động của nó. Một đường DC tĩnh hoặc load line được vẽ lên các đường cong cho tụ điện trở tải RL có giá trị 1,2kΩ để hiển thị tất cả các điểm hoạt động có thể của transistor.
Khi transistor được bật “TẮT”, Vce bằng với điện áp cung cấp Vcc và đây là điểm “B” trên đường thẳng. Tương tự, khi transistor bật hoàn toàn “BẬT” và bão hòa, dòng Collector được xác định bởi tụ điện trở tải RL và đây là điểm “A” trên đường thẳng.
Chúng ta đã tính toán trước đó từ sự gia tăng DC của transistor rằng dòng cực B cần thiết cho vị trí trung bình của transistor là 45,8μA và điểm này được đánh dấu là điểm Q trên đường load line đại diện cho điểm Yên tĩnh hoặc Q-point của bộ khuếch đại. Chúng ta có thể dễ dàng làm cuộc sống dễ dàng hơn cho chính mình và làm tròn giá trị này thành 50μA chính xác, mà không ảnh hưởng gì đến điểm hoạt động.
Điểm Q trên đường load line cho chúng ta dòng cực B Ib của điểm Q là 45,8μA hoặc 46μA. Chúng ta cần tìm các biên độ tối đa và tối thiểu của dòng cực B tối đa mà sẽ dẫn đến một thay đổi tương tự về dòng Collector, Ic mà không có bất kỳ biến dạng nào đối với tín hiệu đầu ra.
Khi đường load line cắt qua các giá trị dòng cực B khác nhau trên đồ thị đặc tính DC, chúng ta có thể tìm các biên độ tối đa của dòng cực B mà được cách đều dọc theo đường load line. Những giá trị này được đánh dấu là các điểm “N” và “M” trên đường thẳng, cho dòng cực B tối thiểu và tối đa là 20μA và 80μA tương ứng.
Những điểm “N” và “M” này có thể nằm bất kỳ đâu trên đường load line mà chúng ta chọn miễn là chúng được cách đều so với Q. Điều này sau đó cho chúng ta một tín hiệu đầu vào tối đa lý thuyết đến terminal cực B là 60μA peak-to-peak, (30μA peak) mà không gây ra bất kỳ biến dạng nào đối với tín hiệu đầu ra.
Bất kỳ tín hiệu đầu vào nào cho dòng cực B lớn hơn giá trị này sẽ đẩy transistor vượt qua điểm “N” và vào khu vực “cut-off” hoặc vượt qua điểm “M” và vào khu vực Saturation của nó, do đó gây ra biến dạng cho tín hiệu đầu ra dưới dạng “cắt”.
Sử dụng các điểm “N” và “M” làm ví dụ, các giá trị tức thời của dòng Collector và các giá trị tương ứng của điện áp Collector-emitter có thể được chiếu từ đường load line. Có thể thấy rằng điện áp Collector-emitter nằm ở trạng thái nghịch pha (–180o) với dòng Collector.
Khi dòng cực B Ib thay đổi theo hướng tích cực từ 50μA đến 80μA, điện áp Collector-emitter, cũng chính là điện áp đầu ra giảm từ giá trị ổn định của nó là 5,8V xuống còn 2,0V.
Vì vậy, một Mạch khuếch đại E chung của giai đoạn đơn cũng là một “Mạch Khuếch Đại Đảo Ngược” vì một tăng điện áp cực B gây ra một giảm Vout và một giảm điện áp cực B tạo ra một tăng Vout. Nói cách khác, tín hiệu đầu ra nằm ở trạng thái nghịch pha 180 độ so với tín hiệu đầu vào.
Độ lợi điện áp
Độ lợi điện áp của Mạch khuếch đại E chung bằng tỷ lệ của sự thay đổi trong điện áp đầu vào đến sự thay đổi trong điện áp đầu ra của bộ khuếch đại. Sau đó, ΔVL là Vout và ΔVB là Vin. Nhưng hệ số khuếch đại điện áp cũng bằng tỷ lệ của trở kháng tín hiệu trong Collector đến trở kháng tín hiệu trong Emitter và được cho là:
Chúng ta đã đề cập trước đó rằng khi tần số tín hiệu AC tăng, tụ điện phản hồi CE bắt đầu làm ngắn mạch trở điện áp Emitter do trở kháng phản ứng của nó. Sau đó, ở tần số cao, RE = 0, làm cho hệ số khuếch đại trở nên vô cùng.
Tuy nhiên, transistor bipolar có một trở kháng nội tiết nhỏ được tích hợp vào vùng Emitter của nó được gọi là r’e. Vật liệu bán dẫn của transistor tạo ra một trở kháng nội tiết cho dòng điện chảy qua nó và thường được biểu thị bằng biểu tượng của một biến trở nhỏ được hiển thị bên trong biểu tượng transistor chính.
Bảng dữ liệu của transistor cho chúng ta biết rằng đối với transistor bipolar tín hiệu nhỏ này, trở kháng nội tiết này là tích của 25mV ÷ Ie (25mV là sự giảm điện áp nội tiết qua lớp Emitter junction), sau đó cho Mạch khuếch đại E chung của chúng ta ở trên, giá trị trở kháng này sẽ bằng:
Trở kháng nội tiết này của chân Emitter sẽ nối tiếp với tụ điện trở Emitter bên ngoài, RE, sau đó công thức cho hệ số khuếch đại thực tế của transistor sẽ được điều chỉnh để bao gồm trở kháng nội tiết này, do đó sẽ là:
Ở tín hiệu tần số thấp, tổng trở kháng trong chân Emitter bằng RE + r’e. Ở tần số cao, tụ điện phản hồi ngắn mạch trở điện áp Emitter chỉ còn lại trở kháng nội tiết r’e trong chân Emitter dẫn đến một hệ số khuếch đại cao.
Sau đó, đối với Mạch khuếch đại E chung của chúng ta ở trên, hệ số khuếch đại của mạch ở cả tần số tín hiệu thấp và tần số tín hiệu cao được cho như sau:
Độ lợi điện áp ở Tần Số Thấp
Độ lợi điện áp Ở Tần Số Cao
Do đó, ở tần số tín hiệu đầu vào rất thấp, trở kháng của tụ điện (XC) cao nên trở kháng ngoại trở Emitter, RE có tác động đến hệ số khuếch đại điện áp, làm giảm nó xuống còn 5,32 trong ví dụ này. Tuy nhiên, khi tần số tín hiệu đầu vào rất cao, trở kháng của tụ điện ngắn mạch RE (RE = 0) nên hệ số khuếch đại điện áp của bộ khuếch đại tăng lên, trong ví dụ này, là 218.
Một điểm cuối cùng, hệ số khuếch đại điện áp chỉ phụ thuộc vào giá trị của tụ điện trở Collector, RL và trở kháng Emitter, (RE + r’e), nó không bị ảnh hưởng bởi hệ số khuếch đại dòng Beta, β (hFE) của transistor.
Vì vậy, đối với ví dụ đơn giản của chúng ta ở trên, chúng ta có thể tóm tắt tất cả các giá trị đã tính toán cho Mạch khuếch đại E chung của chúng ta và đây là:
Mạch Khuếch Đại E chung có một trở điện áp ở mạch Collector của nó. Dòng điện chảy qua trở kháng này tạo ra điện áp đầu ra của bộ khuếch đại. Giá trị của trở kháng này được chọn sao cho ở điểm hoạt động yên tĩnh của bộ khuếch đại, điểm Q, điện áp đầu ra này nằm ở giữa đường load line của nó.
Chân của transistor được sử dụng trong mạch khuếch đại thông thông thường được bù áp bằng cách sử dụng hai trở điện áp như một mạng chia áp. Loại sắp xếp bù áp này thường được sử dụng trong thiết kế các mạch khuếch đại transistor bipolar và giúp giảm thiểu ảnh hưởng của Beta biến đổi (β) bằng cách giữ điện áp cực B ở một điện áp ổn định. Loại bù áp này tạo ra sự ổn định lớn nhất.
Một trở kháng có thể được bao gồm trong chân Emitter, trong trường hợp này hệ số khuếch đại điện áp trở thành -RL/RE. Nếu không có trở kháng Emitter bên ngoài, hệ số khuếch đại điện áp của bộ khuếch đại không phải là vô hạn vì có một trở kháng nội tiết rất nhỏ, r’e trong chân Emitter. Giá trị của trở kháng nội tiết này bằng 25mV/IE.
Trong bài hướng dẫn tiếp theo về khuếch đại transistor bipolar, chúng ta sẽ xem xét Mạch Khuếch Đại Hiệu Ứng Trường Giao, thường được gọi là Mạch Khuếch Đại JFET. Giống như transistor, JFET được sử dụng trong mạch khuếch đại một giai đoạn, làm cho nó dễ hiểu hơn. Có một số loại transistor hiệu ứng trường khác nhau mà chúng ta có thể sử dụng, nhưng loại dễ hiểu nhất là transistor hiệu ứng trường giao, hoặc JFET, có trở kháng đầu vào rất cao, làm cho nó lý tưởng cho các mạch khuếch đại.
