Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Chương 4: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT - Lê Chí Thông

19-Feb-11
1
∆in
I,V
Chương 4
MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG BJT
I. ĐỊNH NGHĨA
- Khuếch đại là quá trình biến đổi một đại lượng (dòng điện
hoặc điện áp) từ biên độ nhỏ thành biên độ lớn mà không làm
thay đổi dạng của nó.
- Khi xét BJT hoạt động dưới điều kiện tín hiệu nhỏ (sự thay 
đổi của tín hiệu vào đủ nhỏ) thì có thể xem BJT như một bộ 
khuếch đại ac.
BỘ
KHUẾCH 
ĐẠI
∆out
I,V
1
)rms(i
)rms(i
I
IA
i
o
in
out
i =∆
∆
=
)rms(v
)rms(v
V
VA
i
o
in
out
v =∆
∆
=
iv
in
out
P A.AP
PA ==
- Độ lợi là tỉ số của một lượng tín hiệu (dòng điện hoặc điện áp) 
thay đổi ở ngõ ra và ngõ vào. Ký hiệu là Ai hoặc AV.
 + Độ lợi dòng:
 + Độ lợi áp:
 + Độ lợi công suất:
A > 1: bộ khuếch đại tín hiệu.
A < 1: bộ suy giảm tín hiệu.
Nhắc lại:
+ giá trị rms: trị hiệu dụng (để tính cho tín hiệu ac).
+ giá trị amp: trị biên độ (hoặc đỉnh – peak).
2
)amp()rms( = 2
19-Feb-11
2
Điện trở ngõ vào của một bộ khuếch đại là tổng trở tương đương 
tại các đầu ngõ vào của nó.
)DC(
I
VR
in
in
in = )ac(i
v
r
in
in
in =
Công suất ngõ vào ac
Định nghĩa tương tự cho điện trở và công suất ngõ ra.
3
A
Ảnh hưởng của điện trở nguồn đối với mạch khuếch đại
- Điện áp vào bộ KĐ:
s
ins
in
in v.
rr
r
v 





+
=
⇒ Điện áp ra :
s
ins
in
vinvout v.
rr
r
.Av.Av 





+
==
⇒ Để có độ lợi áp là Av thì rin >>rs .
* Khuếch đại áp
4
19-Feb-11
3
* Khuếch đại dòng
- Dòng ngõ vào bộ KĐ:
s
ins
s
in i.
rr
ri 





+
=
⇒ Dòng ngõ ra :
s
ins
s
iiniout i.
rr
r
.Ai.Ai 





+
==
⇒ Để có độ lợi dòng là Ai thì rs >>rin . 5
Ảnh hưởng của điện trở tải
- Một bộ khuếch đại ac dùng để
cung cấp áp, dòng hoặc/và công
suất cho một tải ở ngõ ra.
- Tải có thể là loa, anten, còi,
động cơ điện hoặc bất kỳ 1 thiết
bị hữu ích nào.
- Khi phân tích mạch này, ta
thay thế bằng 1 điện trở tải RL.
Áp ra trên tải: out
Lo
L
L v.
rr
r
v 





+
= ⇒ để có áp rơi tối đa trên tải
thì rL>>ro.
Xét cả ảnh hưởng của nguồn thì độ lợi áp từ nguồn đến tải:






+






+
=
Lo
L
ins
in
V
s
L
rr
r
.
rr
r
.A
v
v
6
19-Feb-11
4
Một cách tương tự khi xét đến bộ khuếch đại dòng, ta có:






+






+
=
Lo
o
ins
s
i
s
L
rr
r
.
rr
r
.A
i
i
Để truyền công suất cực đại thì cần có sự phối hợp trở kháng:
- Từ nguồn tín hiệu đến bộ khuếch đại: rs = r in.
- Từ bộ khuếch đại đến tải: rout = rL.
out
Lo
o
L i.
rr
ri 





+
=Dòng trên tải: 
⇒ để có áp rơi tối đa trên tải thì ro>>rL.
Độ lợi dòng tổng:
7
Mục đích phân cực DC
Khi thiết kế phân cực cho BJT đồng thời cũng là chọn điểm
làm việc cho BJT.
Khi đó, dạng sóng ở ngõ ra sẽ phụ thuộc vào giá trị điểm phân
cực và sự thay đổi của tín hiệu ở ngõ vào.
vo(t) = VB + A sin ωt
8
19-Feb-11
5
Tùy thuộc vào giá trị của VB mà điện áp ra sẽ có những thay
đổi như sau:
9
Tụ ghép
-Tính chất của tụ là ngăn tín hiệu DC, thông thường tụ sẽ
được dùng để ngăn ảnh hưởng của tín hiệu DC đối với
nguồn hoặc tải.
- Các tụ này phải đủ lớn để có tổng trở thật nhỏ đối với tín
hiệu AC.
- Các tụ này được gọi là tụ ghép (coupling capacitor) hoặc
tụ chặn (blocking capacitor).
10
19-Feb-11
6
Đường tải một chiều và đường tải xoay chiều
Xét mạch khuếch đại CE:
- Điện trở tải DC: RL = RC.
- Điện trở tải AC: rL = RL // RC.
RC
VCC
RC
RL
RB
11
- Đường tải DC là tập hợp tất cả các điểm làm việc tĩnh
Q(IC,VCE), khi chưa có tín hiệu AC.
- Đường tải AC là tập hợp tất cả các điểm (iC,vCE), bao gồm cả
điểm Q.
- Phương trình đường tải AC:
IQ, VQ = Q(IC,VCE)
IO, VO:giá trị iC và vCE của 
đường tải AC. 12
19-Feb-11
7
- Đường tải AC có dốc hơn đường tải DC.
- Áp ngõ ra được quyết định bởi đường tải AC sẽ nhỏ hơn nếu 
được quyết định bởi đường tải DC.
- Nếu Q dịch trên đường tải DC thì đường tải AC sẽ dịch song 
song. 
13
Chế độ A (Lớp A)
D
C
VCE
iC
IBmin
IBmax
iCmax
iCmin
•
•
•
Q
iCQ
vCEQ
M
N
Khi chọn điểm Q nằm
khoảng giữa đoạn MN
trên đường tải xoay
chiều, ta nói phần tử
KĐ làm việc ở chế độ A.
Đặc điểm của chế độ
này là:
- Dòng và áp tĩnh luôn khác không. Biên độ dòng và áp xoay chiều 
lấy ra tối đa chỉ bằng dòng và áp tĩnh. Do đó hiệu suất thấp (25%).
- Khuếch đại trung thực, ít méo phi tuyến.
II. CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA BJT TRONG MẠCH
KHUẾCH ĐẠI
14
19-Feb-11
8
Chế độ B (Lớp B)
Định nghĩa hiệu suất η: đo bằng tỷ số giữa công suất của tín hiệu
xoay chiều đưa ra trên tải và tổng công suất tầng khuếch đại tiêu
thụ của nguồn cung cấp.
Chế độ A thường dùng trong các tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ.
Khi chọn điểm Q nằm trùng với D (hoặc N) thì phần tử khuếch
đại làm việc ở chế độ B lý tưởng (hoặc thực tế). Đặc điểm của
chế độ này là:
- Méo phi tuyến trầm trọng.
- Hiệu suất cao. (ηBmax = 78.5%).
- Thường dùng trong các tầng khuếch đại công suất (tầng cuối
của các thiết bị khuếch đại). Để khắc phục méo phi tuyến, đòi hỏi
mạch phải có 2 vế đối xứng thay phiên làm việc trong 2 nữa chu
kỳ (gọi là mạch “đẩy kéo”). 15
Thực tế, người ta còn dùng chế độ AB (trung gian giữa chế độ A
và B): điểm Q chọn ở phía trên điểm N và gần điểm này. Lúc đó
phát huy được ưu điểm của mỗi chế độ, giảm bớt méo phi
tuyến, nhưng hiệu suất kém hơn chế độ B.
Chế độ khóa hay chế độ đóng ngắt (lớp D)
BJT có thể làm việc ở chế độ đóng ngắt (Switch BJT).
Tuỳ theo giá trị điện áp vào mà BJT có thể làm việc ở 2 trạng
thái đối lập:
-Trạng thái khóa (tắt): khi Q nằm ở phía dưới điểm N.
- Trạng thái dẫn bảo hòa (mở): khi Q nằm ở phía trên điểm M
(gần điểm C).
16
19-Feb-11
9
- Mục đích của việc chuyển về sơ đồ tương đương là làm
cho mạch tính toán đơn giản và dễ dàng hơn.
- Khi sự biến thiên ở tín hiệu vào đủ nhỏ để tạo sự thay đổi
về dòng và áp ở ngõ ra nằm trong đặc tính giới hạn của
BJT, ta có thể xem BJT là một phần tử 4 cực tuyến tính:
V2
I2
V1
I1
I1, V1(i1, v1): dòng và áp ở 
ngõ vào.
I2, V2(i2, v2): dòng và áp ở 
ngõ ra.
III. SƠ ĐỒ TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA BJT
17
Tuỳ theo từng sơ đồ cụ thể của BJT (BC, EC hay CC) thì các
đại lượng trên sẽ là những điện áp hay dòng điện trên các cực
tương ứng, đồng thời tùy theo loại BJT( NPN hay PNP) mà
chúng có dấu hoặc chiều thích hợp.
Tuỳ theo việc chọn biến và hàm để mô tả mối quan hệ giữa
các ngõ vào và ra của BJT mà ta có các loại tham số đặc trưng
cho BJT.
Biến I1, I2 V1,V2 I1,V2 V1,I2 v2,I2 V1,I1
Hàm V1,V2 I1,I2 V1,I2 I1,V2 V1,I1 V2,I2
Tham số z
Tham số y
Tham số h
Tham số xoay chiều của BJT
18
19-Feb-11
10
Bộ tham số h
V1 = f(I1,V2)
I2 = f(I1,V2)
v1 = h11i1 + h12 v2
i2 = h21i1 + h22 v2⇒
01
1
11
2 =
=
Vi
v)hi(h
Ý nghĩa của từng tham số
Trở kháng vào của BJT khi áp xoay chiều
ở ngõ ra bị ngắn mạch.
01
2
21
2 =
=
Vi
i)hf(h Hệ số khuếch đại dòng điện (độ lợi dòng)của BJT khi áp xoay chiều ở ngõ ra bị
ngắn mạch.
02
2
22
1 =
=
Iv
i)ho(h Điện dẫn ra của BJT khi dòng xoay chiều 
ở ngõ vào bị hở mạch.
02
1
12
1 =
=
Iv
v)hr(h Hệ số truyền ngược về điện áp (hồi tiếpđiện áp) của BJT khi dòng xoay chiều ở
ngõ vào bị hở mạch.







∂
∂
+∂
∂
=
∂
∂
+
∂
∂
=
2
2
2
1
1
2
2
2
2
1
1
1
1
1
dV
V
IdI
I
IdI
dV
V
VdI
I
VdV
19
- Vì vậy, phẩm chất, tính năng của BJT sẽ thể hiện giá trị 
các tham số hij của chúng.
- Các hij được gọi là các tham số xoay chiều (hoặc tham số vi
phân) của BJT.
- Về đơn vị đo:
- h11(hoặc hi): điện trở (Ω).
- h22(hoặc ho): điện dẫn (mho ( ) hoặc siemient).
- h12(hoặc hr) và h21(hoặc hf) chỉ là các hệ số nên 
không có thứ nguyên.
Do đó, bộ tham số hij còn được gọi là tham số hỗn hợp
(hybrid).
- Tùy theo BJT mắc theo kiểu nào (BC, EC hay CC) mà các 
tham số có thêm chỉ số tương ứng.
Ω
20
19-Feb-11
11
Mạch tương đương của BJT
v1 = h11i1 + h12 v2
i2 = h21i1 + h22 v2
h11(hi)
v1 v2
•
•
•
•
h12v2
h21i1
22
1
h
i1 i2
- Điện trở vào h11 (hoặc hi).
-Nguồn điện áp h12v2 (hoặc hr vo): thể hiện sự hồi tiếp điện áp nội 
bộ của BJT. Thực tế h12 (hay hr) có giá trị rất bé(103 ÷104), vì vậy 
đại lượng h12v2 có thể bỏ qua.
- Nguồn dòng điện h21i1(hoặc hfii): phản ánh khả năng khuếch 
đại dòng.
- Điện dẫn ra h22(hoặc ho), thực tế giá trị này rất bé, nên điện trở 
ra sẽ vô cùng lớn và có thể bỏ qua. 21
Mạch tương đương đơn giản hóa của BJT (toán học)
i1(ii) i2(io)
h11(hi)v1(vi) v2(vo)
•
•
•
•
h21i1 (hf)
Mạch tương đương đơn giản hóa của BJT mắc kiểu CE
hfEiB
iB(ii) iC(io)
hiEvBE(vi) vCE(vo)
•
•
•
•
B C
E
hiE = (β+1)rE ≈ βrE
rE = VT/IE
hfE = β
22
19-Feb-11
12
Mạch tương đương của BJT mắc kiểu CE (vật lý)
iB
iCEO
iCrB
rE
•
•
•
•
βiB
•
•
rCEiEriE
B C
E
- rE: điện trở của vùng nghèo emitter đối với tín hiệu xoay chiều.
B’
]mA[I
]mV[
]mA[I
]mV[
r
CE
E
2626
≈=Ở nhiệt độ thường:
- rB: điện trở bản thân của miền base đối với dòng IB. Đối với các 
BJT công suất nhỏ rB = (100÷300)Ω.
- rC: điện trở của vùng nghèo collector, có giá trị rất lớn (hàng MΩ).
23
βiB
iB
iC
riE
•
•
•
•
B C
E
rCE
ICEO
riE= rB+(β+1)rE
Mạch tương đương của BJT mắc kiểu CE (vật lý)
Mạch tương đương của BJT mắc kiểu CE (vật lý) đơn giản hơn
hfEiB=βiB
iB iC
riE
•
•
•
•
B C
E
Vì β>>1 và rB << rE:
riE ≅ βrE
24
19-Feb-11
13
IV. PHÂN TÍCH MẠCH KHUẾCH ĐẠI CỰC PHÁT CHUNG
1.Phương pháp đồ thị
Xét mạch khuếch đại CE:
- Dòng ngõ vào iB.
- Dòng ngõ ra iC.
- Độ lợi dòng: Ai = iC/iB= β
Giả sử VBE phân cực thuận ở 
0.65V. Khi:
vS = - 0.03V ÷ +0.03V
thì VBE = -0.62V ÷ +0.68V
25
Xét trên đặc tuyến ngõ vào:
VBE = - 0.62V ÷ + 0.68V
IB = 20µA ÷ 40 µA
Khi BJT dẫn ở VBE =0.65V:
IB = 30µA
Phương trình đường tải:
IC. 3.103 + VCE = 18
⇒ Đường tải cắt trục IC, VCE
trên đặc tuyến ra tại:
IC = 6mA; VCE = 18V
26
19-Feb-11
14
Xét trên đặc tuyến ngõ ra:
IB = 30µA ⇒ Q(3mA;9V) 
Phương trình đường tải:
Dựa vào đặc tuyến:
IB = 20µA ÷ 40µA
⇒IC = 2mA ÷ 4mA
Vì iB biến thiên theo hình 
sin nên iC cũng biến thiên 
theo hình sin.
27
Viết lại phương trình đường tải tổng quát:
C
CC
CE
C
C R
VV
R
I +−= 1
Nếu áp ngõ vào tăng: IB tăng ⇒ IC tăng ⇒ VCE giảm và ngược 
lại. Do đó, áp ngõ ra và ngõ vào ngược pha nhau.
Dựa vào đồ thị, ta có thể tính các thông số sau:
6
3
1020
1020
2040
24
−
−
=
µ−µ
−
=
∆
∆
==
.
.
)A()A(
)mA()mA(
I
I
i
iA
B
C
in
out
i
100
620680
126
−=
−
−
=
∆
∆
==
V)..(
V)(
V
V
v
vA
BE
CE
in
out
v
28
19-Feb-11
15
Điện trở ngõ vào của bộ khuếch đại:
Ω=
µ
=
∆
∆
== 3000
20
060
A
V.
I
V
i
v
r
B
BE
in
in
in
Điện trở ngõ ra của bộ khuếch đại:
Ω==
∆
∆
== 3000
2
6
mA
V
I
V
i
v
r
C
CE
out
out
in
29
2. Phương pháp sơ đồ tương đương 
Xét mạch khuếch đại EC, với kiểu phân cực cố định và ổn 
định cực phát
C1
C2
vo
RE
RB
RC
VCC
vi
βiB
RB
RE
E
CB
Mạch tương đương
30
19-Feb-11
16
βiB
RB
RE
E
CB
Mạch tương đương
Độ lợi điện áp:
i
o
v
v
vA =
CB R.i.v β−=0 EBEBi R.i).(r.i.v 1+β+β=
EBEB
CB
i
o
v Ri)(ri
Ri
v
vA
1+β+β
β
−==⇒
31
Do β >> 1, nên:
EE
C
v Rr
RA
+
−=⇒
Nếu RE >> rE :
E
C
v R
RA −=⇒
Dấu (-) cho thấy vo và vi ngược pha nhau.
Tổng trở vào:
i
i
i i
vZ =
EEE
B
EBEB
b R)Rr(i
Ri)(riZ β≈+β≈+β+β=⇒ 1
Suy ra: Zi = RB // Zb
Đặt:
B
i
b i
vZ =
32
19-Feb-11
17
Độ lợi dòng điện:
i
o
i i
iA =
C
o
o R
vi −=
i
i
i Z
vi =
C
i
V
C
i
i
o
i R
Z
.A
R
Z
.
v
vA −=−=⇒
33
Tổng trở ra:
o
o
o i
vZ =
Khi ngắn mạch ngõ vào:
vi = 0 ⇒iB = 0 ⇒ βiB = 0 (hở mạch)
C
o
o
o Ri
vZ ==⇒
34
19-Feb-11
18
Trường hợp mắc thêm tụ phân dòng song song với điện trở
RE, hoặc không có điện trở RE ở cực phát thì mạch tương
đương về xoay chiều sẽ không có điện trở RE.
35
Mạch tương đương xoay chiều như sau:
Tính toán tương tự:
36