Chương 7: KHUẾCH ĐẠI HỒI TIẾP ÂM VÀ
DAO ĐỘNG SIN
Có hai dạng mạch hồi tiếp. Thứ nhất là hồi tiếp âm: một phần hay toàn bộ tín hiệu ngõ ra (điện
áp hoặc dòng điện) được đưa về trở lại ngõ vào để có thể được trừ bởi tín hiệu ngõ vào. Theo
cách này, tín hiệu ngõ vào đến bộ khuếch đại đầu tiên được giảm xuống, như vậy tín hiệu ngõ ra
được giảm xuống cho phù hợp. Khuếch đại hồi tiếp âm được đặc điểm là có hệ số khuếch đại
thấp hơn bộ khuếch đại tương tự không có hồi tiếp.
Dạng thứ hai là hồi tiếp dương: một phần hay toàn bộ tín hiệu ngõ ra được đưa đến ngõ vào để
cộng thêm vào nó. Hồi tiếp dương thì không có ai muốn trong khuếch đại cả bởi vì nó thường
gây ra khuyếch đại không an toàn và dao động. Tuy nhiên tính chất này được sử dùng nhiều
trong mạch dao động. Trong chương này chúng ta chỉ đề cập đến khuếch đại hồi tiếp âm.

7.1 Những khái niệm tổng quát về hồi tiếp

Hồi tiếp là công cụ vô cùng hữu ích trong rất nhiều ứng dụng, đặc biệt trong hệ thống điều khiển.
Hệ thống điều khiển bao gồm tất cả các mạch điện ở đó ngõ ra được sử dụng để điều khiển hoặc
hiệu chỉnh ngõ vào, từ đó lại cung cấp 1 ngõ ra như mong muốn. Sử dụng khác của hồi tiếp là
“cảm nhận” ngõ ra, sau đó so sánh nó với những tín hiệu khác, và cuối cùng là điều khiển ngõ
vào (và như ngõ ra) cho phù hợp với sự khác nhau giữa tín hiệu ngõ vào và tín hiệu tham chiếu.
Đặc biệt hồi tiếp âm trong sự khuyếch đại có thể được sử dụng để:

1. Ổn định hệ số khuếch đại (điện áp hay dòng điện).Hình 7.1 : Sơ đồ khối mạch khuếch đại hồi tiếp

2. Đạt được phép tuyến tính.
3. Làm rộng băng thông.

(7.1 )
Khuếch đại độ lợi áp mạch hở A
v
được định nghĩa.
(7.2)
Điện áp tổng ở ngõ vào đều bằng 0 được chỉ rõ hình 7.2. Chúng ta tìm được:
(7.3)
Độ lợi dòng hở của khuếch đại hồi tiếp A
vf
được cho bởi
(7.4)

Hình 7.2 : Sơ đồ khối mạch khuếch đại hồi tiếp áp

Từ biểu thức (7.1) chúng ta thấy rằng V
f
= . Cũng chú ý rằng A
v
= V
o
/V
1
, chúng ta tìm được
(7.5)
Chúng ta định nghĩa hồi tiếp âm cho ( 1 + ) là lớn hơn 1 và hồi tiếp dương cho ( 1 + )
là nhỏ hơn 1.
Thông thường thì | A
v
| thì lớn hơn nhiều so với 1, đến mức chúng ta có thể xem gần đúng
(7.6)

V
1
– I
o
R
o
(7.9)

Thế V
1
từ biểu thức (7.3) chúng ta có
(7.10)

Sau đó sắp xếp lại ta được biểu thức:
(7.11)

Chia hai vế cho , chúng ta được
(7.12)

Chúng ta tìm được điện trở ra của mạch hồi tiếp bằng cách cho V
s
= 0
(7.13)

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

Chú ý khi sử dụng gần đúng trong biểu thức (7.6) chúng ta có A
vf
≈ 23, trong trường hợp này là
một số gần đúng nguyên. số gần đúng này được sử dụng khi lớn hơn 10.

Tính toán độ lợi, trở kháng vào và trở kháng ra cho mạch khuếch đại không có hồi tiếp phải được
tính riêng, bởi vì phần hồi tiếp không thể được bỏ qua hoàn toàn. Tính toán cho ngõ vào, bộ
khuếch đại trong hình 7.4 không có hồi tiếp phải được xem như có V
o
= 0 (ngắn mạch ngõ ra).

Hình 7.3 : Mạch tương đương của
khuếch đại hồi tiếp điện áp Hình 7.4 : Ví dụ về mạch khuếch đại hồi tiếp điện áp

Tính toán cho ngõ vào, bộ khuếch đại phải được xem như có V
f
= 0 ( trong trường hợp này, R
10
bị ngắn). Tuy nhiên trở kháng ngõ vào trong ví dụ này được xem như không có sự kết hợp của R
1
và R
2
mắc song song. Trở kháng tổng ngõ vào bao gồm hai điện trở đó.


s
- (7.16)

Khuếch đại hồi tiếp dòng ở ngõ vào là I
s
và có thể tìm được từ biểu thức (7.16):
I
s
= I
1
+ (7.17)Hình 7.5 : Sơ đồ khối mạch khuếch đại hồi tiếp dòng

Độ lợi dòng ngắn mạch của mạch khuếch đại là:
(7.18)
Chúng ta có thể viết
I
o
= A
I
I
1
(7.19)

Độ lợi dòng ngắn mạch của mạch khuếch đại hồi tiếp A
if
là tỉ số của I
o

7.3.2 Trở kháng ngõ vào

Trở kháng ngõ vào của mạch khuếch đại hồi tiếp R
if
được định nghĩa là tỉ số giữa V
s
và I
s
, ở đó
V
s
là điện áp đầu vào trong hình 7.5.
(7.23)

Chú ý rằng I
f
= , chúng ta có
(7.24)
Khi hồi tiếp là âm, (1+ ) lớn hơn 1 và trở kháng ngõ vào thì thấp như kết quả hồi tiếp.

7.3.3 Trở kháng ngõ ra

Theo hình 7.5, trở kháng ngõ vào của mạch khuếch đại hồi tiếp được định nghĩa là tỉ số giữa V
o
và –I
o
với điều kiện là I
s
= 0. Nếu chúng ta giả sử rằng điện áp tăng qua mạng hồi tiếp ở vòng
ngõ ra thì nhỏ không đáng kể so với V

như A
if
. Nếu sử dụng định nghĩa của
R
of
, ta có thể viết:

(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 A
if
I
s
và trở kháng ra
R
of
. Dòng ngõ vào là I
s
và trở kháng vào là R
if
. 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

(theo 7.21)

Biểu thức này nghĩa là trong mạch khuếch đại hồi tiếp dòng, độ lợi dòng trong ví dụ này thì
không phụ thuộc vào hệ số transistor và phụ thuộc vào giá trị điện trở hồi tiếp của R
8
và R
9
.

Phải chú ý khi xác định các hệ số khuếch đại không có hồi tiếp. Nếu ta muốn xác định các thông
số ngõ vào, thì dòng ngõ ra phải để là không (hở mạch ngõ ra ở cực phát thứ hai, xem hình 7.7).
Khi tính toán các hệ số ngõ ra, dòng ngõ vào phải để là không (hở mạch ngõ vào với cực nền đầu
tiên). Theo cách này, hồi tiếp được loại ra, mặc dù tải của mạch hồi tiếp trên bộ khuếch đại
không có hồi tiếp được đưa vào tính toán.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
f
1
và f
2
. Mạch khuếch đại tương tự, hồi tiếp áp sẽ có tần số thấp và tần số cao3 dB (kí hiệu tương
ứng là f
1f
và f

Khi hồi tiếp, độ lợi của mạch khuếch đại là
hay 40 dBHình 7.8 :Hiệu ứng của hồi tiếp trong đáp ứng của mạch khuếch đại.

Tần số thấp và trên 3 dB là
Những kết quả này được tính trong hình 7.8. Chú ý rằng khi băng thông tăng thì độ lợi giảm.
Trong trường hợp này, băng thông tăng 10 lần thì độ lợi giảm 10 lần.

7.5 Mạch dao động

Dao động là một trong những mạch điện tử cơ bản, chúng không có ngõ vào AC, nhưng lại cung
cấp ngõ ra với 1 tần số xác định. Ngõ vào duy nhất cho bộ dao động chỉ là nguồn áp cung cấp để
phân cực cho linh kiện tích cực hoặc các linh kiện đuợc sử dụng trong mạch dao động. Thông
thường các mạch dao động là bộ khuếch đại hồi tiếp với hệ số tiếp dương.

7.5.1 Tiêu chuẩn cho mạch dao động

Cho 1 mạch dao động tổng quát như hình 7.9. Bộ khuếch đại (không nhất thiết là OPAMP) có độ
lợi áp A
v
âm, tổng trở ngõ ra R
o
& tổng trở vào R
1
là rất lớn. Trong hình 7.10 , chúng ta vẽ lại


(7.35)

Trong đó, ta định nghĩa Z
L
là tải không hồi tiếp :

(7.36)

Tương tự, ta xác định hệ số hồi tiếp từ hình 7.5
(7.37)

Thay thế phương trình (7.35), (7.36) & (7.37) vào tiêu chuẩn Barkhausen, ta thấy rằng phương
trình (7.34) cho tần số dao động & độ lợi bộ khuếch đại cần tìm. Chúng ta sẽ xét trường hợp đặc
biệt khi 3 trở kháng đều là linh kiện thụ động (thuần ảo)

(7.38)Hình 7.10 : Mạch dao động tổng quát được vẽ lại
Hình 7.11 : Mạch tương đương của mạch hình 7.10 Hình 7.12 : Xác định độ lợi không hồi tiếp

Sử dụng các mối quan hệ trong phương trình độ lợi vòng lặp, ta có:



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:
(7.43)

tần số dao động được tính bằng cách thay phương trình (7.43) vào phương trình (7.40)
(7.44)
ta đuợc tần số dao động f
o
: với =

(7.45)

Độ lợi tối thiểu đuợc tính từ phương trình (7.41):
(7.46)Hình 7.14 : Mạch dao động Hartley dùng Op AMP

Ví dụ 7.4: Thiết kế mạch dao động Hartley như hình 7.14, với =0,4mH, =0,1mH &
C
1
=0.002 . Xác định tần số dao động & giá trị để bảo đảm mạch dao động.

Giải: Tần số dao động được cho bởi phương trình (7.39):Độ lợi tối thiểu từ phương trình (7.46):

Ví dụ 7.5:

Mạch Opamp dao động Colpitts như hình 7.15 có =0,1mH, = & =
Xác định tần số bộ dao động và độ lợi tối thiểu cần thiết để mạch dao động?