Đang tải... (xem toàn văn)
bài tập môn điện tử tương tự
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI TẬP ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ Tài liệu dùng cho hệ Đại học - Cao đẳng ngành Điện - Điện tử và Điện tử - Viễn thông Biên soạn: Ths. LÊ ĐỨC TOÀN HÀ NỘI 2009 2 Lời nói đầu Cuốn này được dùng để giúp sinh viên học môn “Điện tử tương tự”. Đây là cuốn tài liệu tham khảo bổ ích cho sinh viên ngành Điện tử - Viễn thông và Điện - Điện tử. Trong quá trình biên soạn tác giả đã trình bày nội dung theo trình tự các chương của cuốn bài giảng “Điện tử tương tự”. Nội dung cuốn sách được chia làm 3 phần: Phần 1 Tóm tắt ngắn gọn lý thuyết theo thứ tự các chương. Phần 2 Bài tập có lời giải để giúp sinh viên làm quen với cách giải. Phần 3 Bài tập cho sinh viên tự giải. Trong quá trình biên soạn mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng không thể tránh được sai sót, tác giả mong nhận được sự góp ý của bạn đọc để sửa chữa và bổ sung thêm. Tác giả 3 PHẦN I TÓM TẮT LÝ THUYẾT Chương I KHUẾCH ĐẠI VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG KHUẾCH ĐẠI I. Các tham số cơ bản của một tầng khuếch đại Khuếch đại là quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở đó năng lượng một chiều của nguồn cung cấp (không chứa thông tin) được biến đổi thành năng lượng xoay chiều theo tín hiệu điều khiển đầu vào (chứa thông tin) làm cho tín hiệu ra lớn lên nhiều lần và không méo. 1. Hệ số khuếch đại - Khuếch đại điện áp ta có K U . - Khuếch đại dòng điện ta có K I . - Khuếch đại công suất ta có K P . Vì tầng khuếch đại có chứa các phần tử điện kháng nên K là một số phức. K = K exp(j. ϕ k ) Phần mô đun |K| thể hiện quan hệ về cường độ (biên độ) giữa các đại lượng đầu ra và đầu vào, phần góc ϕ k thể hiện độ dịch pha giữa chúng. Nhìn chung độ lớn của |K| và ϕ k phụ thuộc vào tần số ω của tín hiệu vào. Đồ thị hàm│K| = f(ω) gọi là đặc tuyến biên độ - tần số của tầng khuếch đại. Đồ thị hàm ϕ k =f(ω) gọi là đặc tuyến pha - tần số của tầng khuếch đại. Có thể tính │K| theo đơn vị dB theo công thức: │K| (dB) = 20lg│K| Nếu có n tầng khuếch đại mắc liên tiếp thì hệ số khuếch đại sẽ là: K TP = K 1 .K 2 … K n Với đơn vị dB sẽ là: K TP (dB) = K 1 (dB) + K 2 (dB) +…….+ K n (dB) 2. Trở kháng lối vào và lối ra Trở kháng lối vào, lối ra của tầng khuếch đại được định nghĩa: V V V I U Z = . r r r I U Z = . 4 Đại lượng đầu ra Đại lượng tương ứng đầu vào K = 3. Méo tần số Méo tần số là méo do độ khuếch đại của mạch khuếch đại bị giảm ở vùng hai đầu giải tần. ở vùng tần số thấp có méo thấp M t , ở vùng tần số cao có méo tần số cao M C . Chúng được xác định theo biểu thức: C 0 C t 0 t K K M; K K M == Trong đó: K 0 là hệ số khuếch đại ở vùng tần số trung bình. K C là hệ số khuếch đại ở vùng tần số cao. K t là hệ số khuếch đại ở vùng tần số thấp. 4. méo phi tuyến Méo phi tuyến là khi U V chỉ có thành phần tần số ω mà đầu ra ngoài thành phần hài co bản ω còn xuất hiện các thành phần hài bậc cao nω (n = 2, 3, 4 ) với biên độ tương ứng ^ ^ ^ 3 2 , , n U U U giảm dần. Méo phi tuyến là do tính chất phi tuyến của các phần tử như tranzito gây ra. Hệ số méo phi tuyến được tính: 2 2 2 2 3 1 % n U U U U γ + + + = ) ) ) ) 5. Hiệu suất của tầng khuếch đại Hiệu suất của một tầng khuếch đại là đại lượng được tính bằng tỷ số giữa công suất tín hiệu xoay chiều đưa ra tải P r với công suất một chiều của nguồn cung cấp P 0 . 0 % r P P η = II. Phân cực và chế độ làm việc một chiều của Tranzito lưỡng cực 1. Nguyên tắc chung phân cực tranzito lưỡng cực Có hai cách phân áp cho Tranzito là phương pháp định dòng và định áp Bazơ như hình vẽ: 5 + U c c Ur Uv + Cr + Cv RB Rc Hình 1-1: Định dòng Bazơ + U c c R2 Ur Uv + Cr + Cv R1 Rc Hình 1-2: Định áp Bazơ I B0 I P Hình 1.1 là phương pháp định dòng Bazơ, từ sơ đồ ta có: 0 0 CC BE CC B B B U U U I R R − = ≈ (vì U BE0 nhỏ). Hình 1.2 là phương pháp định áp Bazơ, thực tế thì I B0 << I P nên ta có: 0 2 1 2 . CC BE U U R R R ≈ + 2. Hiện tượng trôi điểm làm việc và các phương pháp ổn định Trong quá tình làm việc của Tranzito điểm làm việc tĩnh có thể bị dịch chuyển do nhiệt hay tạp tán của nó. Để giữ điểm làm việc của Tranzito ổn định người ta dùng các phương pháp ổn định điểm làm việc. Có hai phương pháp ổn định: a. Ổn định tuyến tính: dùng hồi tiếp âm một chiều làm thay đổi thiên áp mạch vào của Tranzito để hạn chế sự di chuyển của điểm làm việc. Hình 1-3 là sơ đồ ổn định điểm làm việc bằng hồi tiếp âm điện áp. Ở đây R B vừa làm nhiệm vụ đưa điện áp vào cực gốc bằng phương pháp định dòng Bazơ, vừa dẫn điện áp hồi tiếp về mạch vào. Nếu có một nguyên nhân mất ổn định nào đó làm cho dòng một chiều I C0 tăng lên thì điện thế U CE0 giảm (do U CE ≈ U CC – I C0 .R C ) làm U BE0 giảm, kéo theo dòng I B0 giảm làm cho I C0 giảm (vì I C0 = β. 0B I ), nghĩa là dòng I C0 ban đầu được giữ ổn định tương đối. Hình 1-4 là sơ đồ ổn định điểm làm việc bằng hồi tiếp âm dòng điện. Trong sơ đồ này R E làm nhiệm vụ hồi tiếp âm dòng điện một chiều. Khi I C0 tăng do nhiệt độ tăng hay do độ tạp tán tham số của tranzito thì điện áp hạ trên R E (U E0 = I E0 .R E ) tăng. Vì điện áp U R2 lấy trên điện trở R 2 hầu như không đổi nên điện áp U BE0 = U R2 - U E0 giảm, làm cho I B0 giảm, do đó I C0 không tăng lên được, tức là I C0 được giữ ổn định tương đối. b. Ổn định phi tuyến: dùng phương pháp bù nhiệt nhờ các phần tử có tham số phụ thuộc vào nhiệt độ như tranzito, điốt, điện trở nhiệt. III. Phân cực và chế độ làm việc một chiều của Tranzito trường Về nguyên tắc, việc cung cấp và ổn định điểm làm việc của Tranzito trường cũng giống như với Tranzito lưỡng cực. Đối với Tranzito trường xác định điểm làm việc 6 R B U r + Cv + Cr Uv +12V Rc Hình 1-3 U r R 1 R 2 R E + Cv + Cr Uv +12V Rc Hình 1-4 thông qua I D , U GS , và U DS . Để JFET làm việc trong miền khuếch đại phải có các điều kiện sau: 1. 0 < |I D | < |I DSS | 2. Điện áp cực cửa – cực nguồn: U P < U GS với kênh n U P > U GS với kênh p Phương trình hàm truyền đạt của JFET: 2 (1 ) GS D DSS P U I I U = − (1) Vì dòng qua R G gần như bằng không nên ta có: U GS = - I D .R S (2) Điểm làm việc tĩnh là giao điểm của phương trình (1) và (2). Mạch ổn định điểm làm việc dùng hồi tiếp âm thông qua R S . Nếu không muốn hồi tiếp âm xoay chiều ta thêm C S như trên mạch điện. Với một số mạch có thể thêm R 1 (it dùng). Ưu điểm lớn nhất của Tranzito trường là trở kháng vào rất lớn, nên để R G ít ảnh hưởng tới trở kháng vào của mạch người ta chọn R G rất lớn (cỡ MΩ). IV. Hồi tiếp trong mạch khuếch đại Hồi tiếp là ghép một phần tín hiệu ra (điện áp hoặc dòng điện) của bộ khuếch đại về đầu vào thông qua mạch hồi tiếp. Phân loại hồi tiếp: - Hồi tiếp dương: tín hiệu hồi tiếp cùng pha với tín vào, hồi tiếp dương sẽ làm bộ khuếch đại mất ổn định, do đó nó không được sử dụng trong mạch khuếch đại, hồi tiếp dương được sử dụng trong mạch tạo dao động. 7 Uv +UD Ur + Cs Cv Cr RD Rs R2 R1 Q1 Uv +UD Ur + Cs Cv Cr RD Rs RG Q1 b. Hình 1-5. Sơ đồ cung cấp và ổn định điểm làm việc cho JFET - Hồi tiếp âm: tín hiệu hồi tiếp ngược pha với tín hiệu vào, hồi tiếp âm đóng vai trò rất quan trọng trong mạch khuếch đại. Nó cải thiện các tính chất của mạch khuếch đại. - Trong hồi tiếp âm có hồi tiếp âm một chiều và hồi tiếp âm xoay chiều. + Hồi tiếp âm một chiều được dùng để ổn định điểm làm việc tĩnh. + Hồi tiếp âm xoay chiều được dùng để ổn định các tham số của bộ khuếch đại. - Mạch điện bộ khuếch đại có hồi tiếp được phân làm 4 loại: + Hồi tiếp nối tiếp điện áp: Tín hiệu đưa về đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu vào và tỷ lệ với điện áp đầu ra. + Hồi tiếp nối tiếp dòng điện: Tín hiệu đưa về đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu vào và tỷ lệ với dòng điện ra. + Hồi tiếp song song điện áp: Tín hiệu đưa về đầu vào song song với nguồn tín hiệu vào và tỷ lệ với điện áp đầu ra. + Hồi tiếp song song dòng điện: Tín hiệu đưa về đầu vào song song với nguồn tín hiệu vào và tỷ lệ với dòng điện ra. 1. Các phương trình của mạng 4 cực khuếch đại có hồi tiếp Từ sơ đồ ta có: X R = K.X h ; X ht = K ht .X R ; X h = X v – X ht . Từ 3 phương trình trên ta rút ra được: ' 1 . ht K K K K = + (*) 8 X ht X R ht K − X V Hình 1-6: Sơ đồ khối bộ khuếch đại có hồi tiếp. K − K’ X h X ht X R ht K − X V Hình 1-7: Sơ đồ khối bộ khuếch đại có hồi tiếp. K − Trong đó: K’ là hệ số khuếch đại của mạng 4 cực khuếch đại có hồi tiếp âm. K V = K.K ht gọi là hệ số khuếch đại vòng. g = 1 + K.K ht gọi là độ sâu hồi tiếp. Khi K.K ht >>1 theo biểu thức (*) ta có: 1 ' . ht K K = Từ biểu thức này ta có nhận xét: một bộ khuếch đại có hồi tiếp có hệ số khuếch đại vòng rất lớn thì hàm truyền đạt của nó (K’) hầu như không phụ thuộc vào tính chất của bộ khuếch đại mà chỉ phụ thuộc vào tính chất của mạch hồi tiếp. Tức là các tham số của bộ khuếch đại không ảnh hưởng đến hàm truyền đạt của bộ khuếch đại có hồi tiếp mà chỉ phụ thuộc vào các tham số của mạch hồi tiếp. 2. Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến tầng khuếch đại 2.1. Làm giảm hệ số khuếch đại. Hồi tiếp âm làm hệ số khuếch đại của tầng khuếch đại có hồi tiếp giảm g lần ' K K g = g = 1 + K.K ht là độ sâu hồi tiếp. 2.2. Làm thay đổi trở kháng vào, trở kháng ra của mạch. - Hồi tiếp âm song song làm giảm trở kháng vào của tầng khuếch đại có hồi tiếp g lần. Z V ’ = Z v /g - Hồi tiếp âm nối tiếp làm tăng trở kháng vào của tầng khuếch đại có hồi tiếp g lần. Z V ’ = Z V .g - Hồi tiếp âm điện áp làm giảm trở kháng ra của tầng khuếch đại có hồi tiếp g lần. Z R ’ = Z R /g - Hồi tiếp âm dòng điện làm tăng trở kháng ra của tầng khuếch đại có hồi tiếp g lần. Z R ’ = Z R .g Trong đó Z v , Z R là trở kháng vào ra của tầng khuếch đại. Z v ’, Z R ’ là trở kháng vào ra của tầng khuếch đại có hồi tiếp âm. 2.3. Tăng độ rộng dải thông Trên hình 1-8 đường nét liền là đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại không có hồi tiếp âm. Nét đứt là đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại có hồi tiếp âm. Ta có thể nhận thấy khi có hồi tiếp âm hệ số khuếch đại của toàn tầng giảm nhưng giải thông của nó được tăng lên (∆f’ > ∆f). 9 Ngoài ra hồi tiếp âm còn có tác dụng quan trọng trong khuếch đại như: - Giảm nhiễu. - Giảm méo phi tuyến. - Giảm méo tần số. - Làm ổn định hệ số khuếch đại. Chương II CÁC SƠ ĐỒ CƠ BẢN CỦA TẦNG KHUẾCH ĐẠI 10 f K ∆f ∆f ’ 0 K’ K / 2K ' / 2K Hình 1-8. Đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại TÍN HIỆU NHỎ I. Sơ đồ dùng Tranzito lưỡng cực 1. Sơ đồ Emitơ chung (EC) Trở kháng vào của mạch Z V = r BE Trở kháng ra Z R = r CE //R C ≈ R C Hệ số khuếch đại dòng K i = β Hệ số khuếch đại điện áp K U = - S.R C = - BE r β .R C Góc pha Tín hiệu ra ngược pha tín hiệu vào. 2. Sơ đồ Colectơ chung (CC) Trở kháng vào của mạch Z V = r BE + (β+1)R E . Trở kháng ra Z R = R E // ( ) 1 BE r β + . Hệ số khuếch đại dòng 11 U v U r B C E Rc r BE r CE βI B I B R E R 2 R 1 U r + CE + Cv + Cr Uv +12V Rc +U CC Hình 2-1. Sơ đồ Emitơ chung Hình 2-2. Sơ đồ tương đương Emitơ chung cung [...]... khuếch đại thì phải mắc thêm các điện trở ngoài Dòng tĩnh trên các cửa vào sẽ gây sụt áp trên các điện trở, do điện trở các cửa vào là khác nhau nên các sụt áp này sẽ khác nhau, hiệu điện thế này là điện áp lệch không Điện áp lệch không này sẽ được khuếch đại đưa tới đầu ra Để khử điện áp lệch không thì người ta sẽ mắc sao cho điện trở trên các cửa là bằng nhau khi đó điện áp lệch không sẽ bằng không... cửa thuận không nối trực tiếp xuống đất mà thông qua một điện trở R có trị số: R = R1//Rht 31 Đối với mạch khuếch đại thuận (hình 4-7) điện áp vào không đưa trực tiếp tới của thuận mà thông qua một điện trở R có trị số: R = R1//Rht R Rht R1 Rht Uv Uv Ur Ur R R1 Hình 4-6 Mạch khử điện áp lệch không Hình 4-7 Mạch khử điện áp lệch không III Các mạch điện ứng dụng bộ KĐTT 1 Mạch cộng 1.1 Mạch cộng đảo I1... tuyến tính khi U d tăng thì UR tăng và ngược lại, còn ở hai miền bão hòa khi U d thay đổi thì UR luôn không đổi và bằng các trị số -URmax (gọi là điện áp bão hòa âm), +U Rmax (gọi là điện áp bão hòa dương) Các giá trị này không phụ thuộc điện áp vào và nhỏ hơn điện áp nguồn từ 1V đến 3V Thực tế thì miền tuyến tính rất hẹp, tức là U d chỉ biến đổi trong khoảng từ -vài mV đến +vài mV Trong quá trình tính... đồ cực nguồn chung (SC) Ur Hình 2-10 Sơ đồ tương đương SC Hệ số khuếch đại điện áp KU = 1 Góc pha Tín hiệu ra cùng pha tín hiệu vào 3 Sơ đồ cực cổng chung (GC) +UD gmUGS Rds RD Cv Cr Q1 Uv Ur Ur Uv Rs Rgs RD Rs Hình 2-11.Sơ đồ cực nguồn chung (SC) Hình 2-12 Sơ đồ tương đương SC Trở kháng vào của mạch ZV = RS // 1 gm Trở kháng ra Z R = RD Hệ số khuếch đại điện áp KU = g m R D Góc pha Tín hiệu ra cùng... trong mạch ổn áp, bộ lọc tích cực… Ký hiệu của bộ khuếch đại thuật toán như hình 2.1 +E UP UN UR Ud -E Hình 4-1 Ký hiệu của bộ KĐTT + UN điện áp vào cửa đảo + UP điện áp vào cửa thuận + UR điện áp lối ra + Bộ khuếch đại thuật toán được cấp nguồn đối xứng ±E + Ud là điện áp vào hiệu: Ud = U P - U N Khi đưa tín vào cửa thuận thì tín hiệu ra đồng pha với tín hiệu vào Khi đưa tín hiệu vào cửa đảo thì tín... ngược bão hòa UT Điện áp nhiệt (26mV/250C) UAK Điện áp thuận trên điốt m Hệ số hiệu chỉnh giữa lý thuyết và thực tế Trong miền làm việc ID >>IS nên ta có thể viết I D = I S e U AK mU T Tại cửa đảo của bộ KĐTT: ID = IR ID = I S e UV R U AK mU T = UV R Ở đây UAK = -UR ⇒ U R = U AK = −mU T ln( UV ) IS R 6 Mạch tạo hàm đối logarit R ID Uv IR D Ur Hình 4-14 Mạch tạo hàm đối logarit Tương tự như trên (mục...Ki = β + 1 Hệ số khuếch đại điện áp KU = 1 Góc pha Tín hiệu ra cùng pha tín hiệu vào +Ucc R1 βIB rBE Cv RCE Uv Cr + RE + Uv R2 RE Ur Ur Hình 2-3 Sơ đồ Colectơ chung Hình 2-4 Sơ đồ tương đương Colectơ chung 3 Bazơ chung (BC) +Ucc R1 Rc Cv rCE + Cr + RE UUv r + Uv CB R2 Hình 2-5 Sơ đồ Bazơ chung RE rBE βIB Ur Rc Hình 2-6 Sơ đồ tương đương Bazơ chung Trở kháng vào của mạch ZV =... đại cả điện áp một chiều, tần số giới hạn trên là f t là tạ tần số mà hệ số khuếch đại giảm 2 lần (3dB) Tại tần số f 0 hệ số khuếch đại bắt đầu giảm và xuất hiện góc lệch pha giữa Ud và UR Nếu tần số tiếp tục tăng thì hệ số khuếch đại càng giảm và góc lệch pha càng lớn 4 Hệ số nén đồng pha Nếu đặt vào cửa thuận và cửa đảo của bộ KĐTT một điện áp đồng pha tức là: UP = UN = UCM ≠ 0 (UCM gọi là điện áp... hiệu vào điện áp một chiều trên colletơ của T 2 và emitơ của T1 bằng không để không có dòng một chiều qua tải Với nửa chu kỳ dương tín hiệu tại collectơ của T 3 ngược pha tín hiệu vào nên trở thành nửa chu kỳ âm do đó T 1 tắt còn tín hiệu trên emitơ đồng pha tín hiệu vào nên vẫn là nửa chu kỳ dương do đó T 2 thông, lúc này trên tải có dòng điện tỷ lệ với nửa chu kỳ dương của tín hiệu Dòng điện chạy... việc ở chế độ AB Để tầng khuếch đại làm việc ở chế độ AB mạch điện sẽ như hình 3-17.a, theo mạch điện ta có 2UDT = UBE01 + UEB02, tức là UBE mỗi tranzito đã được cấp điện áp ban đầu là UDT Mạch có thể dùng nguồn đơn như hình 3-17.b, khi đó đầu ra phải có C R để ngăn dòng một chiều qua tải đồng thời nạp điện ở nửa chu kỳ dương để cấp cho T 2 ở nửa chu kỳ âm Có thể tăng công suất ra của mạch bằng cách