Bài giảng môn Mạch điện tử - Chương 5: Đáp ứng tần số của BJT và FET
Chương 5:
Page 1 of 19
MẠCH ĐIỆN TỬ
Chương 5
ÐÁP ỨNG TẦN SỐ CỦA BJT VÀ FET
********
1. Mục tiêu
2. Kiến thức cơ bản cần có để học chương này:
3. Tài liệu tham khảo liên quan đến chương.
4. Nội dung:
5.1 Decibel.
5.2 Mạch lọc thượng thông.
5.3 Mạch lọc hạ thông RC.
5.4 Đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đại dùng BJT.
5.5 Đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đại dùng FET.
5.6 Hiệu ứng Miller.
5.7 Đáp ứng tần số cao của mạch khuếch đại dùng BJT.
5.8 Đáp ứng tần số cao của mạch khuếch đại dùng FET.
Bài tập cuối chương.
5. Vấn đề nghiên cứu của chương kế tiếp.
Trong các chương 2, 3, 4 ta đã phân tích các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT và
FET. Việc phân tích đó chỉ đúng trong một dải tần số nhất định, ở đó ta giả sử các tụ liên lạc ngõ
vào, ngõ ra và phân dòng có dung kháng không đáng kể và được xem như nối tắt ở tần số của tín
hiệu. Ngoài ra ở dải tần số đó ảnh hưởng của các điện dung liên cực trong BJT và FET không
đáng kể. Dải tần số này thường được gọi là dải tần số giữa.
Trong chương này ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của các tụ liên lạc, phân dòng (có điện dung
lớn) ở tần số thấp và các tụ liên cực (có điện dung nhỏ) ở tần số cao lên các thông số của mạch
khuếch đại. Trước khi đi vào chi tiết, ta cần biết qua một số khái niệm cần thiết như là một công
cụ khảo sát.
5.1 DECIBEL:
Ta xem mạch tương đương 2 cổng hình 5.1
Công suất ngõ vào được định nghĩa: P =v .i
i
i i
file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\C... 1/23/2000
Chương 5:
Page 2 of 19
Công suất ngõ ra được định nghĩa: P =v .i
0
0 0
Trong kỹ nghệ người ta thường đưa ra một đơn vị là decibel (dB) để diễn tả độ
Ðơn vị căn bản ban đầu là Bel và được định nghĩa:
lợi công suất.
5.2 MẠCH LỌC THƯỢNG THÔNG R.C:
Dạng mạch căn bản như hình 5.2
file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\C... 1/23/2000
Chương 5:
Page 3 of 19
Tụ C được xem như nối tắt (short-circuit), kết quả là: v ≈ v
0
i
- Ở khoảng giữa 2 tần số này, độ lợi điện thế A =v /v thay đổi nhu hình 5.3.
V
0
i
Khi tần số tăng, dung kháng của tự C giảm và tín hiệu ở ngỏ ra v lớn dần. Ðiện thế ngõ vào và
0
ngõ ra liên hệ với nhau bằng công thức:
Tại A =1 v =v (trị tối đa) A (dB)=20Log1=0dB
⇒
V
0
i
V
Vậy tần số cắt là tần số tại đó độ lợi giảm đi
phương trình độ lợi được viết dưới dạng số phức:
lần hay giảm đi 3dB. Nếu
file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\C... 1/23/2000
Chương 5:
Page 4 of 19
Khi f<<f , phương trình trên có thể viết gần đúng:
i
Với công thức gần đúng này ta thấy:
Mạch lọc nêu trên có độ lợi giảm đi 20dB khi tần số giảm đi 10 lần hay độ lợi
giảm 6dB khi tần số giảm phân nửa được gọi là mạch lọc 6dB/octave hay 20dB/decade
file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\C... 1/23/2000
Chương 5:
Page 5 of 19
5.3 MẠCH LỌC HẠ THÔNG RC:
file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\C... 1/23/2000
Chương 5:
Page 6 of 19
Dạng mạch căn bản như hình 5.6.
Ở khoảng giữa 2 tần số này, độ lợi điện thế thay đổi như hình 5.7. Khi tần số
tăng dần, dung kháng của tụ C càng giảm và v càng giảm.
0
Tương tự như mạch lọc hạ thông, khi f>>f thì A (dB) =-20log(f/f ) và độ dốc
i
V
i
của giản đồ cũng là 20dB/decade.
5.4 ÐÁP ỨNG TẦN SỐ THẤP CỦA MẠCH KHUẾCH ÐẠI DÙNG BJT:
Trong đoạn này, ta phân tích mạch khuếch đại dùng cầu chia điện thế, nhưng kết
quả cũng có thể được áp dụng cho các mạch khác.
file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\C... 1/23/2000
Chương 5:
Page 7 of 19
Tại tần số cắt f , điện thế tín hiệu vi bằng 70.7% so với giá trị được xác định bởi
LS
phương trình (5.11) và như vậy ta thấy C chỉ có ảnh hưởng lên độ khuếch đại của mạch ở tần
S
số thấp.
Ở mạch khuếch đại như hình (5.8), khi phân tích ảnh hưởng của C ; ta giả sử C
S
E
và C có dung kháng khá lớn và xem như nối tắt ở tần số của tín hiệu. Với giả sử này, mạch
C
tương đương xoay chiều ở ngõ vào như hình 5.10.
C : Vì C được nối giữa ngỏ ra của BJT và tải nên hình ảnh C và R , R như một
C
C
C
L
0
mạch lọc thượng thông. Tần số cắt do ảnh hưởng của C có thể được xác định bởi:
C
file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\C... 1/23/2000
Chương 5:
Page 8 of 19
Giả sử rằng ảnh hưởng của C và C không đáng kể, điện thế ngõ ra sẽ giảm còn
S
E
70.7% so với v ở tần số giữa tại f . Mạch tương đương xoay chiều ở ngõ ra như hình 5.12.
0
LC
Vậy R = R //r .
0
C
0
C : Ta có thể xem C nhìn hệ thống như hình vẽ 5.13
E
E
Ðể xác định ảnh hưởng của C lên độ khuếch đại của mạch, ta xem mạch hình
E
file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\C... 1/23/2000
Chương 5:
Page 9 of 19
5.16, trong đó độ khuếch đại được cho bởi:
khi không có C .
E
Khi ta mắc C vào mạch, nhận thấy:
E
- Ở tần số thật thấp, dung kháng của C lớn, C có thể xem như hở mạch và độ
E
E
lợi điện thế sẽ nhỏ nhất được tính bằng công thức (5.17).
- Khi tần số tín hiệu tăng dần, dung kháng của C giảm và vì mắc song song với
E
R nên tổng trở nhìn ở chân E giảm nên độ khuếch đại tăng dần.
E
- Khi tần số đủ lớn (tần số giữa hay tần số cao) tụ C xem như nối tắt và độ lợi
E
điện thế sẽ cực đại và
.
- Tại tần số f , độ lợi điện thế sẽ giảm 3dB so với tần số giữa.
LE
Như vậy ta thấy rằng đáp ứng ở tần số thấp của mạch là do ảnh hưởng của C ,
S
C , C . Tần số cắt thấp (tần số tại đó độ lợi giảm 3dB) của mạch sẽ là tần số cắt thấp cao nhất
C
E
của f , f và f .
LS LC
LE
5.5 ÐÁP ỨNG TẦN SỐ THẤP CỦA MẠCH KHUẾCH ÐẠI DÙNG FET:
Việc phân tích một mạch khuếch đại dùng FET ở tần số thấp cũng tương tự như
mạch khuếch đại dùng BJT ở đoạn trước.
Ba tụ điện tạo ảnh hưởng đến độ lợi ở tần số thấp là C , C và C . Ta xem một
G
C
S
mạch khuếch đại dùng FET như hình 5.17.
C : Do tụ C nối giữa nguồn tín hiệu và hệ thống linh kiện nên mạch tương đương như
G
G
hình 5.18. Tần số cắt thấp do ảnh hưởng của C được xác định bởi:
G
file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\C... 1/23/2000
Chương 5:
Page 10 of 19
C : Tụ liên lạc ngõ ra C được nối giữa linh kiện và tải nên mạch tương đương ngõ ra
C
C
như hình 5.19. Tần số thấp do ảnh hưởng của C được xác định bởi:
C
Trong đó: R = R //r .
0
D
d
C : Tụ cực nguồn C nhìn hệ thống như hình 5.20. Do đó tần số thấp do hiệu ứng
S
S
của C được xác định bởi:
S
Ðể xác định R , ta chú ý mạch tương đương ngõ ra của mạch dùng FET bên trên
eq
như sau:
Ta chú ý là: v = v - v = v - v .
gs
g
S
i
0
file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\C... 1/23/2000
Chương 5:
Page 11 of 19
Ta thay nguồn dòng g v bằng nguồn điện thế và để tính R ta cho ngõ vào
m gs
eq
bằng 0 tức v = 0. Mạch vẽ lại như hình 5.12b.
i
5.6 HIỆU ỨNG MILLER:
Ở vùng tần số cao, các điện dung lớn (tụ liên lạc, tụ phân dòng), được xem như
nối tắt và không ảnh hưởng đến các thông số của mạch. Ðiện dung ảnh hưởng quan trọng đến
hoạt động của mạch là các điện dung liên cực bên trong linh kiện và điện dung tạo bởi dây nối
bên ngoài linh kiện.
0
Xem một mạch khuếch đại đảo (dịch pha 180 giữa ngõ vào và ngõ ra). Ðiện
dung ở ngõ vào và ngõ ra sẽ gia tăng bởi tác dụng của điện dung liên cực giữa ngõ ra và ngõ vào
của linh kiện và nó sẽ làm thay đổi độ khuếch đại của mạch. Trong mô hình 5.22, điện dung
“hồi tiếp” này được định nghĩa là C . Áp dụng định luật Kirchoff về dòng điện ta có:
f
i =i +i
2
i
1
file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\C... 1/23/2000
Chương 5:
Page 12 of 19
Từ phương trình này ta vẽ lại mạch tương đương như hình 5.23. Các tụ liên cực ở
ngõ vào của mạch điện được xem như mắc song song với C . Tổng quát, điện dung ngõ vào
M
hiệu ứng Miller được định nghĩa bởi:
C
= (1-A )C
(5.23)
Mi
V
f
Như vậy ở tần số cao, độ lợi điện thế A là một hàm số theo C . Vì độ lợi ở tần
V
Mi
số giữa là cực đại nên ta có thể dùng độ lợi tối đa này để xác định C trong công thức (5.23).
Mi
Hiệu ứng Miller cũng làm gia tăng điện dung ở ngõ ra, chúng phải được để ý đến
khi xác định tần số ngắt cao.
file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\C... 1/23/2000
Chương 5:
Page 13 of 19
5.7 ÐÁP ỨNG TẦN SỐ CAO CỦA MẠCH KHUẾCH ÐẠI DÙNG BJT:
5.7.1 Các thông số của hệ thống.
fc
β
5.7.2 Sự biến thiên của h hay ( ) theo tần số.
Ở vùng tần số cao, có 2 vấn đề xác định điểm -3dB: điện dung của hệ thống (ký sinh và liên
cực) và sự phụ thuộc vào tần số của hfe hay .
β
:
5.7.1 Các thông số của hệ thống
Ta xem mạch khuếch đại dùng BJT ở tần số cao như hình 5.25
C , C , C là các tụ liên cực của BJT do chế tạo. C , C là các tụ ký sinh do
be bc ce
wi w0
file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\C... 1/23/2000
Chương 5:
Page 14 of 19
hệ thống dây nối, mạch in ở ngõ vào và ngõ ra của BJT. Như vậy, mạch tương đương xoay
chiều ở tần số cao có thể được vẽ lại như hình 5.26.
Trong đó: C = C + C + C
Mi
i
wi
be
C = C + C + C
0
w0
ce
M0
Chú ý sự vắng mặt của C , C , C vì ở vùng tần số cao các tụ này xem như nối
S
C
E
tắt. Thông thường Cbe và Cce nhỏ nhất. Trong các sách tra cứu, nhà sản xuất thường chỉ cho
biết C , C mà bỏ qua C .
be bc
ce
Dùng định lý Thevenin biến đổi mạch ngõ vào và ngõ ra, ta được:
Với: R = R //R //R //R
i
th1
S
1
2
Tần số giảm 3dB do tác dụng của C là:
i
Trong đó: C = C + C + C
Mi
i
wi
be
C = C + C + (1-A )C
i
wi
be
V
bc
Ở tần số rất cao, ảnh hưởng của C là làm giảm tổng trở vào của hệ thống, giảm
i
biên độ tín hiệu đưa vào hệ thống (giảm dòng i ) và do đó làm giảm độ lợi của mạch.
b
Ở ngõ ra với: R = R //R //r
0
th2
c
L
file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\C... 1/23/2000
Chương 5:
Page 15 of 19
Ở tần số rất cao, dung kháng của C giảm nên làm giảm tổng trở ra của hệ thống
0
và kết quả là v bị giảm và v sẽ tiến dần về 0 khi X càng nhỏ
.
0
0
C0
Tần số cắt cao của mạch được xác định là tần số cắt thấp trong 2 tần số cắt f và
Hi
f .
H0
Ngoài ra vì hfe (hay ) cũng giảm khi tần số tăng nên cũng phải được xem là một
β
yếu tố để xác định tần số cắt cao của mạch ngoài f và f .
Hi
H0
:
β
5.7.2 Sự biến thiên của h (hay ) theo tần số
fe
Ta chấp nhận sự biến thiên của hfe (hay ) theo tần số bằng hệ thức:
β
dùng mạch tương đương của BJT theo thông số hỗn tạp (lai ) ở tần số cao.
ngườI ta thường
π
π
file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\C... 1/23/2000
Chương 5:
Page 16 of 19
Nếu sách tra cứu cho f thì ta có thể suy ra f từ công thức liên hệ:
α
β
f = f (1- )
α
β
α
Tích số độ lợi-băng tần được định nghĩa cho BJT bởi điều kiện:
f
h
.f
β
fe(mid)
(5.30)
≈
T
Chú ý là f
B = băng tần; nên f chính là tích độ lợi băng tần.
≈
β
W
T
file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\C... 1/23/2000
Chương 5:
Page 17 of 19
5.8 ÐÁP ỨNG TẦN SỐ CAO CỦA MẠCH KHUẾCH ÐẠI DÙNG FET:
Việc phân tích một mạch khuếch đại dùng FET ở tần số cao cũng tương tự như ở
BJT. Với FET cũng có các điện dung liên cực C , C , C và tụ ký sinh ngõ vào C , ngõ ra
gs ds gd
wi
C . C và C khoảng từ 1pF đến 10 pF trong lúc C nhỏ hơn nhiều (từ 0.1pF đến 1pF).
w0 gs
gd
ds
Ta xem mạch khuếch đại dùng FET như hình 5.32. Mạch tương đương xoay
chiều như hình 5.33.
file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\C... 1/23/2000
Chương 5:
Page 18 of 19
Trong đó: C = C + C + C Với C = (1-A )C
gd
i
Wi
gS
Mi
Mi
V
Ðể xác định tần số cắt do ảnh hưởng của C và C ta dùng mạch tương đương
i
0
Thevenin ở ngõ vào và ngõ ra.
Tần số cắt cao của mạch là tần số cắt có trị nhỏ của f và f .
Hi
H0
file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\C... 1/23/2000
Chương 5:
Page 19 of 19
Giảng viên:
Trương Văn Tám
file://D:\My Documents\My eBooks\Study\Cac bai giang ve KT mach dien tu-Viet Nam\C... 1/23/2000
19 trang
24700
Free
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng môn Mạch điện tử - Chương 5: Đáp ứng tần số của BJT và FET", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_mon_mach_dien_tu_chuong_5_dap_ung_tan_so_cua_bjt_v.pdf
