Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 7: Khuếch đại hồi tiếp âm và dao động sin - Võ Kỳ Châu

Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 7: Khuếch đại hồi tiếp âm và dao động sin - Võ Kỳ Châu

1. Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử 4. Giảm hoặc tăng trở kháng ngõ vào. 5. Giảm hoặc tăng trở kháng ngõ ra. 6. Giảm nhiễu trong bộ khuếch đại. 7. Làm giảm các hiệu ứng nhiệt. Để ổn định hệ số khuếch đại, nghĩa là chúng ta muốn làm hệ số khuếch đại ít phụ thuộc vào những thông số đặc biệt của thiết bị. Sự tuyến tính thì rất quan trọng cho bộ khuếch đại, nhưng sự cải tiến tính tuyến tính (làm méo ít) này lại càng quan trọng hơn trong khuếch đại công suất. Nhiễu ( tín hiệu điện giả được tạo ra không có khuếch đại ) đặc biệt phiền toái trong khuếch đại khi mức tín hiệu hết sức nhỏ. Trong những trường hợp này, hồi tiếp âm có thể được sử dụng làm giảm nhiễu trong bộ khuyếch đại. Chúng ta sẽ phân loại kiểu của hồi tiếp theo hoạt động của hồi tiếp độ lợi. Hai kiểu đó là mạch hồi tiếp dòng và mạch hồi tiếp áp, chúng được phân biệt bởi sự suy giảm độ lợi. Hai kiểu hồi tiếp khác, giới hạn mạch Shunt và mạch hồi tiếp liên tục, cũng sẽ được xét. Sơ đồ khối mạch khuếch đại hồi tiếp cơ bản như ở hình 7.1, với đường tín hiệu trên hình vẽ. Tín hiệu ở bất kì điểm nào trong hình 7.1 cũng có thể là một điện áp hoặc dòng điện, phụ thuộc vào dạng mong muốn. 7.2 KHUẾCH ĐẠI HỒI TIẾP ÁP Xem hình 7.1, chúng ta thấy rằng khi toàn bộ tín hiệu là điện áp, mạch điện là một bộ khuếch đại hồi tiếp áp. Dạng chung của khuếch đại hồi tiếp áp được thể hiện ở hình 7.2. Hồi tiếp âm được thiết lập bằng cách lấy một phần của điện áp ngõ ra đưa về trừ cho điện áp ngõ vào. 7.2.1 Độ lợi áp Trong hình 7.2, điện áp ngõ ra xuất hiện qua cả tải bên ngoài và hệ thống hồi tiếp. Hệ thống hồi tiếp điện áp ngược được định nghĩa: V f β v = (7.1 ) Vo Khuếch đại độ lợi áp mạch hở Av được định nghĩa. Vo Av = (7.2) V1 Điện áp tổng ở ngõ vào đều bằng 0 được chỉ rõ hình 7.2. Chúng ta tìm được: Vs = V1 +V f (7.3) Độ lợi dòng hở của khuếch đại hồi tiếp Avf được cho bởi Vo V V V A = o = o = 1 (7.4) vf V V +V V s 1 f 1+ f V1 Trang 7.2
2. Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Thế V1 từ biểu thức (7.3) chúng ta có V0 = AvVs − AvV f − I o Ro (7.10) Sau đó sắp xếp lại ta được biểu thức: Vo (1+ β v Av ) = AvVs − I o Ro (7.11) Chia hai vế cho (1+ βvvA ) , chúng ta được Ro Vo = Avf Vs − I o (7.12) 1+ β v Av Chúng ta tìm được điện trở ra của mạch hồi tiếp bằng cách cho Vs = 0 Vo Ro Rof = = (7.13) − I o 1+ β v Av Khi hồi tiếp âm, điện trở ra có hồi tiếp thì thấp hơn điện trở vào khi không có hồi tiếp. 7.2.4 Mạch tương đương Biểu thức (7.12) đưa ra được một mạch tương đương cho ngõ ra của bộ khuếch đại hồi tiếp. Mạch tương đương hoàn chỉnh của mạch khuếch đại hồi tiếp được cho ở hình 7.3. Các cách xác định các thông số của mạch khuếch đại hồi tiếp áp được minh họa ở ví dụ 7.1. Ví dụ 7.1 Một mạch khuếch đại như ở hình 7.4 là một mạch khuếch đại hồi tiếp áp. Bao gồm mạng hồi tiếp của điện trở phân áp R9 và R10. Khuếch đại không hồi tiếp có các thông số Av =100, Ri = 2 k, và Ro = 5 k. Xác định các thông số của mạch khuếch đại khi hồi tiếp? Giải Hệ số hồi tiếp βv được tính từ tỉ số điện trở: R10 0.1 1 β v = = = R10 + R9 0.1+ 2.2 23 Kế tiếp chúng ta tìm thành phần hồi tiếp: 100 1+ β A = 1+ = 5.35 v v 23 Các thông số khuếch đại hồi tiếp áp có thể được tính toán như sau: Rif = Ri (1+ β v Av ) ≅ 2× 5.35kΩ ≅ 10.7kΩ ( theo 7.8) R o 5 Rof = ≅ kΩ ≅ 0.935kΩ ≅ 93Ω (theo 7.13) 1+ β v Av 5.35 Trang 7.4
3. Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử 7.3.1 Độ lợi dòng. Trong hình 7.5, dòng ở ngõ ra là nguồn cung cấp cho tải RL và nối đến mạng hồi tiếp. Độ lợi dòng đảo của mạng hồi tiếp, β I , được định nghĩa: I f β I = (7.14) I o Do đó, khi dòng ngõ ra Io chảy qua mạng hồi tiếp, thành phần đi đến ngõ vào của mạch khuếch đại là If = β I I o (7.15) Dòng khuếch đại ở ngõ vào I1 được cho bởi I1 = Is – If = Is - β I Io (7.16) Khuếch đại hồi tiếp dòng ở ngõ vào là Is và có thể tìm được từ biểu thức (7.16): Is = I1 + β I Io (7.17) Hình 7.5 : Sơ đồ khối mạch khuếch đại hồi tiếp dòng Độ lợi dòng ngắn mạch của mạch khuếch đại là: I o AI = (7.18) I1 Chúng ta có thể viết Io = AII1 (7.19) Độ lợi dòng ngắn mạch của mạch khuếch đại hồi tiếp Aif là tỉ số của Io và Is. Sử dụng biểu thức (7.17) và (7.19) ta tìm được I o AI I1 Aif = = (7.20) I s I1 + β I I o Trang 7.6
4. Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử  A    I  Vo =  I s − I o Ro (1+ β I AI ) (7.27) 1+ β I AI   Khi Is = 0, chúng ta có thể tìm được trở kháng ra của mạch khuếch đại hồi tiếp Vo Rof = = Ro (1+ β I AI ) (7.28) − I o Vì thế, chúng ta thấy rằng hiệu ứng hồi tiếp dòng âm thì làm cho trở kháng ra tăng lên. 7.3.4 Mạch tương đương Ta đã thấy hiệu ứng của hồi tiếp dòng âm trên độ lợi dòng, trở kháng ngõ vào và trở kháng ngõ ra. Trong biểu thức (7.27), chúng ta đã tìm được hệ số của Is như Aif. Nếu sử dụng định nghĩa của Rof, ta có thể viết: Vo = (AIf I s − I o )Rof (7.29) Hình 7.6 : Mạch tương đương của bộ khuếch đại hồi tiếp dòng Biểu thức này đưa ra một mạch tương đương của ngõ ra với một dòng phát Aif Is và trở kháng ra Rof. Dòng ngõ vào là Is và trở kháng vào là Rif. Mạch tương đương khuếch đại hồi tiếp được thể hiện ở hình 7.6. Những thông số của mạch khuếch đại hồi tiếp dòng được xác định rõ ở ví dụ 7.2. Ví dụ 7.2 Cho mạch như hình 7.7 là một mạch khuếch đại hồi tiếp dòng. Khi không hồi tiếp, các thông số mạch khuếch đại là: AI = 800, Ri = 1kΩ, và Ro = 10kΩ. Hồi tiếp được đưa qua mạng hồi tiếp gồm có R8 và R9 (220 Ω và 4.7 kΩ). Chúng ta hãy xác định hệ số khuếch đại khi hồi tiếp. Giải. Hệ số hồi tiếp β I được tìm từ tỉ số trở kháng: R8 0.22 1 β I ≅ ≅ ≅ R8 + R9 0.22 + 4.7 22.4 Trang 7.8
5. Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử 7.4 Hiệu ứng hồi tiếp khi đáp ứng tần số. Như đã thấy trong hai phần trước, hồi tiếp làm thay đổi độ lợi, trở kháng vào và ra của một mạch khuếch đại, nó cũng giảm bớt đáp ứng tần số của mạch khuếch đại. Một mạch khuếch đại không hồi tiếp có tần số thấp và tần số cao 3 dB được kí hiệu tương ứng là f1 và f2. Mạch khuếch đại tương tự, hồi tiếp áp sẽ có tần số thấp và tần số cao3 dB (kí hiệu tương ứng là f1f và f2f ) được cho bởi: f f = 1 (7.30) 1 f 1+ βA f 2 f = f 2 (1+ βA) (7.31) ở đó β và A sẽ có giá trị thích hợp (I hoặc V) phụ thuộc vào nó là một mạch khuếch đại hồi tiếp dòng hay hồi tiếp áp. Ảnh hưởng của hồi tiếp là làm giảm tần số 3 dB thấp hơn và làm tăng tần số cao 3 dB. Vì vậy, băng thông của mạch khuếch đại hồi tiếp áp bị thay đổi. Nếu chúng ta giả sử rằng tần số thấp 3 dB rất nhỏ so với tần số cao 3 dB, thì băng thông khi hồi tiếp được cho bởi BWf ≅ BW(1+ βA ) (7.32) Ảnh hưởng của hồi tiếp trong bộ khuếch đại đáp ứng tần số được minh họa qua ví dụ 7.3. Ví dụ 7.3: Một mạch khuếch đại (không hồi tiếp) có độ lợi áp 1000 và có tần số thấp và tần số trên tương ứng là 100 Hz và 100 kHz. Nó được làm thành một bộ khuếch đại hồi tiếp có 20 dB hồi tiếp. Xác định đáp ứng tần số của mạch khuếch đại hồi tiếp? Giải. Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại được thể hiện trong hình 7.8. Tổng lượng hồi tiếp là dB of feedback = 20 log |1+ βA | = 20 dB Do đó, 1+βA = 10 Khi hồi tiếp, độ lợi của mạch khuếch đại là 1000 A = = 100 hay 40 dB Vf 10 Trang 7.10
6. Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử 1− βA = 0 hay βA = 1 và góc pha của ( β A)=0 (7-34) Trong đó β A được gọi là độ lợi vòng lặp, cả β và A là các hàm tần số & đều là các số phức. Điều kiện của phương trình (7-34) đuợc gọi là tiêu chuẩn Barkhausen; nó xác định điều kiện để có dao động. Theo tiêu chuẩn Barkhausen, tần số bộ dao động là tần số mà tại đó, tín hiệu di chuyển quanh vòng lặp. Hình 7.9: Mạch dao động tổng quát Như ở hình vẽ, tín hiệu ban đầu ở ngõ vào; nó phải cùng pha (để bảo đảm hồi tiếp dương), và biên độ của tín hiệu không được giảm trong quá trình lặp vòng. Tần số bộ dao động được quyết định bởi độ dịch pha (proper) của vòng hồi tiếp. Chú ý rằng độ lợi vòng lặp rất lớn (hơn 1) sẽ gây sái dạng tín hiệu & ngõ ra không còn ở dạng sin. Thay thế bộ khuếch đại bằng mạch tương đuơng như ở hình 7.11. Hình 7.12 vẽ lại mạch của hình 7.11 khi không có hồi tiếp, ta có độ lợi không hồi tiếp: Z L A = Av (7.35) Z L + R0 Trong đó, ta định nghĩa ZL là tải không hồi tiếp : (Z1 + Z 2 )Z 3 Z L = (7.36) Z1 + Z 2 + Z 3 Tương tự, ta xác định hệ số hồi tiếp β từ hình 7.5 Z β = 2 (7.37) Z1 + Z 2 Trang 7.12
7. Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Để có góc pha của βA =0 , thì các thành phần ảo của mẫu số ở phương trình (7.39) phải bằng 0. Vì vậy: X 1 + X 2 + X 3 = 0 (7.40) Ở mạch đã cho như trên, phương trình (7.40) sẽ cho ra tần số bộ dao động. Nếu ta cho biên độ của độ lợi vòng lặp bằng 1, ta sẽ có: X 3 Av = (7.41) X 2 phương trình 7.9 cho giá trị , biên độ của độ lợi khuếch đại của bộ dao động. Để ý rằng trong thực tế, độ lợi bộ khuếch đại là âm. Hình 7.13 : Xác định yếu tố hồi tiếp 7.5.2 Mạch dao động Hartley Mạch dao động Hartley dùng OpAmp như hình 7.14. Ta có thể kiểm tra rằng mạch này là dạng cơ bản từ hình 7.9 nếu ta xem bộ khuếch đại là OpAmp với điện trở tạo ra độ lợi là R1 & Rf . Độ lợi áp từ Vi đến Vo đuợc cho bởi : R f Av = − (7.42) R1 Ta có thể so sánh vị trí của các cuộn dây & tụ điện của hình 7.14 . với tổng trở ở hình 7.9, ta sẽ có: −1 X 1 = X 2 = ωL2 X 3 = ωL3 (7.43) ωC1 tần số dao động được tính bằng cách thay phương trình (7.43) vào phương trình (7.40) −1 = ω(L2 + L3 ) (7.44) ωC1 ta đuợc tần số dao động fo: với ω = 2πf 1 fo = (7.45) 2(π LLC231+ ) Trang 7.14
8. Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Hình 7.15 : Mạch dao động Colplitts Chú ý rằng −1 −1 X 1 = ωL1 X 2 = X 3 = (7.47) ωC2 ωC3 Cho tổng các phần tử này bằng 0, ta xác định được tần số dao động: 1 f 0 = (7.48) 2π L1CS với CS là giá trị của tụ C2 nối tiếp C3 : C2C3 CS = C2 + C3 Độ lợi tối thiểu từ phương trình (7.41) với X 2 = 1/(ωC2 )& X 3 = 1/(ωC3 ) là C2 Av = (7.49) C3 bởi vì độ lợi lớn hơn 1, nên C2 phải lớn hơn C3 Ví dụ 7.5: Mạch Opamp dao động Colpitts như hình 7.15 có L1 =0,1mH,C2 =800 pF & C3 = 400 pF Xác định tần số bộ dao động và độ lợi tối thiểu cần thiết để mạch dao động? Trang 7.16
9. Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Hình 7.16 : Mạch dao động dịch pha Ví dụ 7.6: Thiết kế mạch dao động như hình 7.16 với tần số dao động là 10kHz Giải Chúng ta bắt đầu bằng việc chọn tụ điện C = 0.001µF . Sau đó tính giá trị từ phương trình ( 7.50) 1 R = ≈ 6.5kΩ 2π (2.45)(0.001×10 −6 )(10 ×103 ) Để cung cấp độ lợi & ngăn chặn việc giảm tải từ mạng hồi tiếp ta chọn R1=100kΩ & R f = 3.3MΩ Hình 7.17 minh họa 1 mạch dao động dịch pha RC dùng BJT. Để có ghép 3 bộ RC, ta phải bỏ điện trở R cuối cùng vì tải nặng của mạng hồi tiếp bằng tổng trở ngõ vào hie của BJT. Để có tần số dao động, kết hợp song song R1, R2 & hie , tất cả nối tiếp với R’, được tính sao cho tương đương với R. Trang 7.18
10. Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử R3 + R4 R3 Av = = 1+ (7.54) R4 R4 Hình 5.18 : Mạch dao động OPAMP cầu Wien Hình 7.19 : Vẽ lại mạch dao động OPAMP cầu Wien Vì vậy, ta tìm đuợc giá trị R3,& R4 bằng cách kết hợp phương trình 7.53 & 7.54 R R C 3 ≥ 1 + 2 (7.55) R4 R2 C1 Trong trường hợp đặc biệt, khi R1= R2 =R & C1=C2=C, tần dao động sẽ là 1 f = (7.56) 0 2πRC và độ lợi tối thiểu cho mạch dao động là 3. Dĩ nhiên là R3 ≥ 2R4 để bảo đảm mạch dao động (xem phương trình 7.54) Trang 7.20