Bài giảng Mạch điện tử 1 - Chương 5: Mạch transistor ghép liên tầng

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

Chöông 5: MAÏCH TRANSISTOR GHEÙP LIEÂN TAÀNG

5.1 Giôùi thieäu

5.2 Gheùp Cascade caùc maïch khueách ñaïi

5.3 Maïch khueách ñaïi vi sai (difference amplifier)

5.4 Caáu hình Darlington

5.5 Maïch khueách ñaïi gheùp Cascode

Chöông 5

1

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

5.1 Giôùi thieäu

Yeâu caàu thieát keá: Ñoä lôïi (gain), coâng suaát ra, ñaùp öùng taàn soá, … Söû duïng nhieàu hôn moät TST.

x Maïch khueách ñaïi DC: Gheùp tröïc tieáp (direct coupling)

x Maïch khueách ñaïi AC: Gheùp ñieän dung (capacitive coupling)

5.2 Gheùp Cascade caùc maïch khueách ñaïi

Gheùp Cascade: x Ngoõ ra cuûa taàng 1 laø ngoõ vaøo cuûa taàng 2, …

x Maïch coù theå goàm nhieàu caáu hình gheùp cascade (vd: CE-CC, CE-CE, …)

Phaân tích:

x Xaùc ñònh tónh ñieåm

x Phaân tích maïch töông ñöông tín hieäu nhoû

Xeùt maïch gheùp AC (ac-coupling) sau:

x Phaân tích DC, xaùc ñònh tónh ñieåm: Hai taàng ñoäc laäp (do gheùp AC): Chöông 2, 3.

x Phaân tích AC (tín hieäu nhoû): Maïch töông ñöông: Chöông 4

Chöông 5

2

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

'

§

¨

·

¸

ꢁ h R

ꢁ h _fe1R_b2

§

¨

·

¸

¹

§

·

i_b2i_b1

i_ii_b2i_b1i_i

R_b^'₁

i_Li_L

fe2 C2

¨

¸

Ñoä lôïi doøng: A_i

'

¨

¸

R_C2ꢀ R_L

R_b2ꢀ h_ie2R ꢀ h

©

¹

©

b1

ie1

©

¹

Giaû söû: h_ie1<< R’_b1; h_ie2<< R’_b2; R_L<< R_C2: A_i| (-h_fe1)(-h_fe2) N taàng ???

Ví duï 1: Xaùc ñònh ñoä lôïi aùp vaø bieân ñoä dao ñoäng cöïc ñaïi ñieän aùp ngoõ ra. Giaû söû h_fe= 100.

x Xaùc ñònh tónh ñieåm:

V_CCꢁV_BEQ

Taàng 2: I_CQ2

| 9.65mA

R_e2ꢀ R_b2/ h _fe2

Chöông 5

3

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

V_BBꢁV_BEQ

Taàng 1: R_b1= R₁// R₂= 9.09K; V_BB= V_CCR₁/(R₁+ R₂) = 1.82V I_CQ1

| 1.3mA

R_e1ꢀ R_b1/ h _fe1

V_T

I_CQ1

V_T

x Maïch töông ñöông tín hieäu nhoû: h_ie1 h _fe1

|1920:; h_ie2 h _fe2

| 260:

I_CQ2

x Ñoä lôïi aùp:

v_Lv_Lv_b2i_b1

ª

º

»

¼

50K

50K ꢀ h

1

(1// 9)

ª

º

A_v

>

ꢁ100 u

ꢂ

1K //100K //(h_ie2ꢀ 50K)

ꢃ

@

u

| -32

«

»

v_iv_b2i_b1v_i

1K (1// 9) ꢀ1.9

¬

¼

¬

ie2

x Bieân ñoä dao ñoäng cöïc ñaïi ñieän aùp ngoõ ra:

MaxSwing = min(MaxSwing₂, A_v2u MaxSwing₁) vôùi A_v2: Ñoä lôïi ñieän aùp taàng 2.

Chöông 5

4

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

9 Taàng 2:

R_DC1= 1K; R_ac1= 1K // 1K = 0.5K

Töø DCLL vaø ACLL cuûa taàng 2

MaxSwing₂= 5V

9 Taàng 1:

Taàng 2 maéc CC: Z_in2= R_b2// [h_ie2+

(h_fe2+ 1)(R_e2//R_L) | 33K

R_DC1= 1K + 1K = 2K; R_ac1= 1K //

33K | 0.97K

Töø DCLL vaø ACLL cuûa taàng 1

MaxSwing₁= 2.6V

(h _fe2ꢀ1)(R_e2// R_L)

Z_in2

Taàng 2 maéc CC: A_v2=

| 1 vôùi Z_out1= R_C1= 1K

Z_in2ꢀ Z_out1(h _fe2ꢀ1)(R_e2// R_L) ꢀ h_ie2

9 Suy ra: MaxSwing = 2.6V

Chöông 5

5

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

Ví duï 2: Cho maïch khueách ñaïi gheùp tröïc tieáp sau. Xaùc ñònh tónh ñieåm, ñoä lôïi aùp, maxswing ngoõ ra

x Xaùc ñònh tónh ñieåm:

Ñeå ñôn giaûn, xem I_B= 0 trong caùc tính toaùn

tónh ñieåm.

V_BE1= 0.7V I₃= 0.7/600 = 1.17 mA

I_C2= I_E2= I₃= 1.17 mA V_CE2= 9 –

(1.17mA)(1.3K + 1.8K + 0.6K) = 4.7V

V_E2= (1.17mA)(1.8K + 0.6K) = 2.8V

V_C1= V_B2= V_BE+ V_E2= 0.7 + 2.8 = 3.5V =

V_CE1

I_C1= (9 – 3.5)/2.2K = 2.5 mA

x Xaùc ñònh MaxSwing:

Vì taàng 2 maéc CE (A_vthöôøng >> 1) MaxSwing = MaxSwing₂.

Xeùt taàng 2:

R_DC= 1.3K + 1.8K + 0.6K = 3.7K

R_ac= 1.3K

Töø DCLL vaø ACLL cuûa taàng 2 MaxSwing =

MaxSwing₂= 1.5V

Chöông 5

6

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

V_T

I_CQ1

V_T

I_CQ2

x Maïch töông ñöông tín hieäu nhoû: h_ie1 h _fe1

| 1K ; h_ie2 h _fe2

| 2.14K

v_Lv_Li_b2i_b1

ª

ºª

º

ꢁ100 u 2.2

1

(0.6 // 0.8)

Suy ra: A_v

>

ꢁ100 u1.3K

@

«

»«

»

v_ii_b2i_b1v_i

2.2 ꢀ h

0.2K ꢀ (0.6 //1.8// h )K (0.6 // 0.8) ꢀ1

ie1

¬

¼¬

¼

ie2

A_v= 4000 (| 72dB)

Oån ñònh phaân cöïc: Maïch khueách ñaïi AC: Caùc taàng ñoäc laäp DC: Chöông 3

Maïch khueách ñaïi DC: Big problem !!!

Ví duï 3: Xaùc ñònh thay ñoåi cuûa doøng tónh gaây ra do aûnh höôûng cuûa nhieät ñoä leân V_BEtrong ví duï 2.

x Hoài tieáp:

x Xaùc ñònh ñoä oån ñònh: 'I_C1/'T vaø 'I_C2/'T:

V_B2= 9V – 2.2K(I_C1+ I_B2) = 9 – 2.2K(I_C1+ I_C2/ h_fe2)

V_E2= V_B2– V_BE2= 9 – 2.2K(I_C1+ I_C2/ h_fe2) – V_BE2

Maët khaùc: V_E2= 1.8KuI_E2+ V_BE1| 1.8KuI_C2+ V_BE1

I_C2(1.8K + 2.2K / h_fe2) = 9 – 2.2KuI_C1– V_BE1– V_BE2

Taïi B1: I_C2| I_E2= I_B1+ V_BE1/ 0.6K | I_C1/ h_fe1+ V_BE1/ 0.6K

Chöông 5

7

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

I_C1(2.2K + 1.8K / h_fe1+ 2.2K / (h_fe1h_fe2)) = 9 - V_BE1(1 + 1.8K / 0.6K + 2.2K / (h_fe20.6K)) - V_BE2

9 ꢁ 4V_BE1ꢁV_BE2

I_C1|

2.2K

ꢁ 5u 2.5mV /⁰C

'I_C1

Khi nhieät ñoä thay ñoåi: 'V_BE/ 'T = -k = -2.5 mV/⁰C

= 5.7 PA/⁰C

'

T

2.2K

ꢁ 2.5mV /⁰C

'V_BE1

'I_C2

'T

'I_C1

1

Taïi B1:I_C2= I_C1/ h_fe1+ V_BE1/ 0.6K

ꢀ

|

= -4.2 PA/⁰C

h _fe1'T

0.6K 'T

0.6K

5.3 Maïch khueách ñaïi vi sai (difference amplifier)

Söû duïng:

Phaân tích: Giaû söû maïch ñoái xöùng, caùc TST gioáng nhau, maïch cöïc B gioáng nhau

Chöông 5

8

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

Phaân tích tónh ñieåm:

V_E1= V_E2= (I_E1+ I_E2)R_e– V_EE= 2I_E1R_e– V_EE= 2I_E2R_e– V_EE

Do tính ñoái xöùng, taùch thaønh 2 maïch (R_eo 2R_e):

V_EEꢁ 0.7

2R_eꢀ R_b/ h _fe

I_EQ1= I_EQ2

=

V_CEQ1= V_CEQ2= V_CC+ V_EE– I_CQ(R_c+ 2R_e)

Ví duï 4: Trong maïch treân, cho V_CC= V_EE= 10V; R_b= 0.2K; R_e= 0.9K; R_c= 0.2K; R_L= 10:. Tính

dao ñoäng cöïc ñaïi doøng taûi. Xem 2R_e>> R_b/ h_fe

Theo phaân tích tónh ñieåm: I_CQ= (10 – 0.7) / (2u0.9) = 5.17 mA

V

_CEQ= 10 + 10 – 5.17(0.2 + 2u0.9) = 9.66V

DCLL: R_DC= R_c+ 2R_e= 2K

ACLL: R_ac= R_c// R_L| 10: (???)

Döïa vaøo ñoà thò: I_C2max= 5.17 mA I_Lmax| 5.17 mA

Chöông 5

9

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

Phaân tích tín hieäu nhoû:

Phaûn aùnh maïch cöïc B (nguoàn i₁vaø i₂) veà cöïc E:

Ñaët i₀= (i₁+ i₂)/2 vaø 'i = i₂– i₁ i₁= i₀– ('i/2) vaø i₂= i₀+ ('i/2)

Duøng phöông phaùp choàng traäp cho maïch töông ñöông tín hieäu nhoû, taùch thaønh 2 mode:

x Mode chung (common mode): i₁= i₂= i₀

Do ñoái xöùng: i_e1c= i_e2c i_Re= 2i_e1c= 2i_e2c

v_e= (2R_e)i_e2c

Taùch ñoâi: R_eo 2R_e

R_bi₀

i_e2c

=

2R_eꢀ h_ibꢀ R_b/ h _fe

http://www.khvt.com

Chöông 5

10

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

x Mode vi sai (differential mode): i₂= - i₁= 'i/2

i_e1d= - i_e2d i_Re= 0 v_e= 0.

R_b'i

Ngaén maïch R_e i_e2d

=

2(h_ibꢀ R_b/ h _fe)

x Choàng traäp (superposition):

R_b

i_e2= i_e2c+ i_e2d

=

i₀ꢀ

'i

2R_eꢀ h_ibꢀ R_b/ h _fe

2(h_ibꢀ R_b/ h _fe)

ꢁ R_c

i_L=

i_ie2= A_ci₀+ A_di_d

R_cꢀ R_L

ꢁ R_c

R_b

trong ñoù:

A_c=

: Ñoä lôïi doøng mode chung

: Ñoä lôïi doøng mode vi sai

R_cꢀ R_L2R_eꢀ h_ibꢀ R_b/ h _fe

ꢁ R_c

R_b

A_d=

R_cꢀ R_L2(h_ibꢀ R_b/ h _fe)

5.3.1 Tyû soá trieät tín hieäu ñoàng pha CMRR (Common Mode Rejection Ratio):

Maïch khueách ñaïi vi sai lyù töôûng: A_c= 0: i_L= A_d'i

A_d

Maïch thöïc teá: Ñònh nghóa: CMRR =

A_c

2R_eꢀ h_ibꢀ R_b/ h _fe

R_e

CMRR =

|

(Giaû söû R_e>> h_ib+ R_b/h_fe)

2(h_ibꢀ R_b/ h _fe)

h_ibꢀ R_b/ h _fe

Chöông 5

11

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

Ví duï 5: Cho maïch trong ví duï 4. Tính CMRR. Giaû söû i₀= 1PA, xaùc ñònh giaù trò tín hieäu ngoõ vaøo

mode vi sai ñeå ngoõ ra mode vi sai toái thieåu lôùn hôn 100 laàn ngoõ ra mode chung.

A_c| - 0.1

A_d| - 14

i_L= -0.1i₀– 14'i

CMRR = A_d/ A_c= 140 (43dB)

Ñeå ngoõ ra mode vi sai t 100ungoõ ra mode chung: 14'i t 100u(0.1i₀)

'i t 100u(i₀/ CMRR) = 0.7 PA

5.3.2 Nguoàn doøng cöïc phaùt (Emitter)

Ñeå taêng CMRR: Taêng R_e: Söû duïng nguoàn doøng taïi cöïc E.

Duøng TST T3 taïi cöïc E:

V_EEꢁV_BBꢁ 0.7

i_C3=

= const.

R_e

Xem T3 laø nguoàn doøng

x Phaân tích tónh ñieåm:

V_EEꢁV_BBꢁ 0.7

I_CQ3

=

R_e

Chöông 5

12

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

I_CQ3

V_EEꢁV_BBꢁ 0.7

Do tính ñoái xöùng: I_CQ1= I_CQ2

=

2

2R_e

R_bI_CQ1

V_C3= V_E1= V_E2= - R_bI_b– V_BE= ꢁ 0.7 ꢁ

h _fe

R_bI_CQ1

h _fe

V_CEQ1= V_CEQ2= V_C1– V_E1= (V_CC– R_cI_CQ1) – (ꢁ 0.7 ꢁ

)

R_bI_CQ1

V

_CEQ3= V_C3– V_E3= (ꢁ 0.7 ꢁ

x Phaân tích tín hieäu nhoû:

) - (-V_EE+ R_eI_CQ3)

h _fe

Töông töï phaàn treân, thay R_ebaèng 1/h_oe.

Nhaän xeùt: 1/h_oeraát lôùn: CMRR ñöôïc taêng ñaùng keå.

Chænh caân baèng: (Balance control)

Thöïc teá: T1 vaø T2 khaùc nhau

Duøng bieán trôû R_vgiöõa E1 vaø E2 ñeå

chænh caân baèng.

Chöông 5

13

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

Ñieàu kieän caân baèng: I_CQ1= I_CQ2

KVL: R_bI_B1+ V_BE1+ R₁I_EQ1= R_bI_B2+ V_BE2+ R₂I_EQ2

(R_b/ h_fe1+ R₁)I_EQ1+ V_BE1= (R_b/ h_fe2+ R₂)I_EQ2+ V_BE2

Giaû söû V_BE1= V_BE2, caân baèng R_b/ h_fe1+ R₁= R_b/ h_fe2+ R₂

Maët khaùc: R₁+ R₂= R_v

§

¨

·

¸

¹

§

¨

·

¸

¹

R_vR_b

1

R₁=

ꢁ

vaø R₂=

ꢀ

ꢁ

2

2 h _fe1h _fe2

2

2 h _fe1h _fe2

©

Phaân tích tín hieäu nhoû:

Khi caân baèng: I_CQ1= I_CQ2 h_ib1= h_ib2= h_ib

Maïch töông ñöông tín hieäu nhoû: Gioáng tröôøng hôïp ñoái xöùng, trong ñoù

§

¨

·

¸

¹

R_vR_b

1

h_ib1+ R_b1/ h_fe1m h_ib1+ R_b1/ h_fe1+ R₁= h_ibꢀ

ꢀ

2

2 h _fe1h _fe2

©

§

¨

·

¸

¹

R_vR_b

1

h_ib2+ R_b2/ h_fe2m h_ib2+ R_b2/ h_fe2+ R₂= h_ibꢀ

ꢀ

2

2 h _fe1h _fe2

©

ꢁ R_c

R_b

A_d=

: Giaûm so vôùi tröôøng hôïp khoâng duøng R_v

R_cꢀ R_L2[h_ibꢀ R_v/ 2 ꢀ (R_b/ 2)(1/ h _fe1ꢀ1/ h _fe2)]

ꢁ R_c

R_b

A_c=

R_cꢀ R_L2(1/ h_oe3) ꢀ [h_ibꢀ R_v/ 2 ꢀ (R_b/ 2)(1/ h _fe1ꢀ1/ h _fe2)]

Chöông 5

14

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

Ví duï 6: Thieát keá maïch sau ñeå coù CMRR = 100 (40dB). Taûi 1K gheùp AC. TST coù h_fe= 100.

Theo hình veõ: R₁= R₂= 50 :; h_fe1= h_fe2=

100.

Söû duïng coâng thöùc tính A_dvaø A_côû phaàn chænh caân baèng, thay 1/h_oebaèng R_e, suy ra:

A_d2R_eꢀ h_ibꢀ 50 ꢀ1000 /100

R_e

60 ꢀ h_ib

CMRR =

|

A_c

2h_ibꢀ100 ꢀ 2000 /100

Yeâu caàu: CMRR t 100 R_et 100(60 + h_ib)

Giaû söû I_CQ1= I_CQ2= 1mA h_ib= 25 : R_et 8.5K. Choïn R_e= 10K.

Tính V_EE: V_EE= R_b1I_B1+ V_BE1+ R₁I_E1+ R_e(2I₁) = 20.8V

DCLL: R_DC= R_c+ R₂+ 2R_e

ACLL: R_ac= R_c// R_L

Chöông 5

15

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

5.4 Caáu hình Darlington

Phaân tích tónh ñieåm:

9 DCLL cho T₂: V_CC= V_CE2+ R_c(I_C1+ I_C2) + R_eI_E2

Do I_C1| I_E1= I_B2= I_C2/ h_fe2<< I_C2 I_C1+ I_C2| I_C2| I_E2

V_CC= V_CE2+ (R_c+ R_e)I_C2

V_CC

R_eꢀ R_c

1

DCLL: I_C2= ꢁ

V_CE2ꢀ

R_eꢀ R_c

9 ACLL cho T₂: R_ac= (R_L// R_c)

9 Tính tónh ñieåm Q:

TST T₂: V_BB= V_CCR₁/ (R₁+ R₂); R_b= R₁// R₂

V_BBꢁ1.4

R_eꢀ R_b/(h _fe1h _fe2)

I_CQ2

V_CEQ2tính töø DCLL

TST T₁: V_CEQ1= V_CEQ2– 0.7; I_CQ1= I_CQ2/ h_fe2

Chöông 5

16

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

Phaân tích tín hieäu nhoû:

Phaûn aùnh maïch cöïc B₁cuûa T₁o Cöïc E₁vaø maïch cöïc E₂cuûa T₂o Cöïc B₂

V_T

I_CQ2

V_T

h _fe2I_CQ1I_CQ1

ꢁ h _fe2R_Ch _fe1R_b

R_cꢀ R_LR_bꢀ 2h _fe1h_ib1

V_T

Tónh ñieåm: I_CQ2= h_fe2I_CQ1 h_ie2= h _fe2

h _fe2

= h_ib1

ꢁ h _fe2R_c

h _fe1(R_b/ h _fe1)

R_cꢀ R_L(R_b/ h _fe1) ꢀ h_ib1ꢀ h_ie2

R_cR_b

R_cꢀ R_LR_bꢀ 2h_ie1

i_L

i_i

Suy ra: A_i=

|

=

A_i= ꢁ (h _fe1h _fe2)

Xem 2TST gheùp Darlington 1 TST coù: h_ìe= 2h_ie1vaø h_fe= h_fe1h_fe2

Chöông 5

17

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

Ví duï 7: Xaùc ñònh tónh ñieåm cuûa maïch sau. Giaû söû h_fe= 100.

2.9

2.9 ꢀ1.3

Nguoàn doøng T₅: V_B5= ꢁ 6

= -4.14V

Giaû söû I_B5<< I_C5

(ꢁ4.14 ꢁ 0.7) ꢁ (ꢁ6)

I_C5=

= 0.9 mA

1.3K

Maïch ñoái xöùng: I_C3= I_C4= I_C5/ 2 = 0.45 mA

I_C1= I_C2= I_C3/ h_fe= 4.5 PA

I_B1= I_B2= I_C1/ h_fe= 45 nA

KVL: V_C1= V_C2= V_C3= V_C4= V_CC– 10K(I_C3+

I_C1) | 7.5V

V_E1= V_E2= 0 – (10⁵)(45u10^-9) – 0.7 | -0.7V

V_E3= V_E4= V_E1– 0.7 = -1.4V

V_C5= V_E3– 50I_C3= -1.4 – 50(0.45u10^-3) | -

1.4V

Chöông 5

18

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

5.5 Maïch khueách ñaïi gheùp Cascode

MAÏCH 1:

Caáu hình: CE – CB: Thöôøng duøng trong caùc maïch taàn soá cao.

Phaân tích tín hieäu nhoû:

v_Lv_Li_e2i_b1

i_ii_e2i_b1i_i

R₁// R₂

R₁// R₂ꢀ h_ie1

Ñoä lôïi truyeàn ñaït (Transfer gain): A_T

ꢁh _fb2R_L(h _fe1)

Chöông 5

19

http://www.khvt.com

0ҥFKꢀÿLӋQꢀWӱꢀꢁ

Phaân tích DC:

Giaû söû boû qua I_B1vaø I_B2:

V_B1= V_CCR₁/ (R₁+ R₂+ R₃)

V_E1= V_B1- V_BE1= V_B1– 0.7

V_B1ꢁ 0.7

I_C1=

= I_C2

R_e

V_B2= V_CC(R₁+ R₂) / (R₁+ R₂+ R₃)

V_E2= V_B2- V_BE2= V_B2– 0.7

V_CE1= V_C1- V_E1= (V_E2– R_cI_C1) – V_E1

V

_CE2= V_C2– V_E2= (V_CC– R_LI_C2) – V_E2

MAÏCH 2:

T₁: CE

T₂vaø T₃: Maïch Cascode, duøng ñeå chuyeån möùc

DC cuûa (v_L) ñeán 0 (level shifting) duøng trong caùc

maïch KÑ gheùp tröïc tieáp (direct – coupled

amplifiers).

Chöông 5

20

http://www.khvt.com