Chương 4 - Khuếch đại một chiều và KĐTT

Chương 4
KHUẾCH ĐẠI MỘT CHIỀU VÀ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN5-1. KHÁI NIỆM VỀ KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU BIẾN THIÊN CHẬM
Các dạng mạch khuếch đại ghép RC, biến áp mà ta đã khảo sát ở các chương trước được ứng
dụng trong các mạch khuếch đại tín hiệu xoay chiều, tần số thấp cũng trên 1 Hz. Trong thực tế còn
có những tín hiệu tần số dưới 1Hz, gọi là tín hiệu biến thiên chậm, như: tín hiệu cảm biến từ sự biến
thiên nhiệt độ, biến thiên độ ẩm, biến thiên mực chất lỏng, biến thiên cường độ ánh sáng, phản ứng
hoá điện, dòng điện sinh học … Các tín hiệu biến thiên chậm có thể xem như tín hiệu một chiều
(DC).
Bộ khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm nói chung có những đặc điểm sau:
- Tín hiệu có tần số thấp nhất, xem như tín hiệu DC.
- Có ngõ vào đối xứng (các nguồn phát tín hiệu biến thiên chiên chậm thường có dạng đối
xứng – Hình 5.1.1)
- Hệ số khuếch đại rất cao (nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm thường có biên độ rất bé, từ
vai µV đến vài chục µV)
- Khả nắng chống nhiễu tốt.
- Áp phân cực ngõ vào và ngõ ra bằng không để dễ chuẩn hóa (khi chưa có tín hiệu, điện áp
tónh bằng zéro)
- Phân cực phải rất ổn đònh, không bò trôi theo nhiệt độ (nếu không sẽ gây sai số ở ngõ ra).
Đây là điều kiện rất quan trọng của mạch khuếch đại DC.

Với những đặc điểm trên, nhất là về phương diện tần số, rõ ràng là khuếch đại ghép RC và ghép
biến áp không đáp ứng được với tín hiệu DC. Ta có thể dùng mạch khuếch đại ghép trực tiếp, nhưng
cũng bò hạn chế số tầng khuếch đại, vì tính toán phân cực khá phức tạp. Hơn nữa, khả năng ổn đònh
phân cực và chống niễu sẽ kém khi số tầng khuếch đại càng tăng, hoặc không có ngõ vào đối xứng.
+
(b)

i1
,
V
i2
(so với đất) hay đối xứng: V
i
= V
i1
–
V
i2
.
-VEE
VCC
v
o1
--
v
i2
+
v
o2
+
--
v
i1
+
+
Tương tự, ngõ ra có thể chọn đối
xứng: V

E2
= I
K
(5.2.1)
Ở trạng thái tónh: V
i1
= V
i2
= 0, Q
1
và Q
2
hoàn toàn đối xứng:
I
E1
= I
E2
= ½ I
K
(5.2.2)
Vì I
B
< < I
C
nên bỏ qua dòng I
B
:
I
C1
= I

-VEE
V
ic1
V
id1
V
id2
V
ic2
(b)
Bài giảng Kỹ thuật điện tử
Hình 5.2.2. Tín hiệu vào vi sai và tín hiệu vào cách chung
(a) Biểu thò tổng quát; (b) Tách riêng từng loại tín hiệu cho mỗi ngõ vào
Chương 4 - Khuếch đại một chiều và KĐTT
- Tín hiệu vào sai (Differential input signal): là các hiệu ngược pha ở hai ngõ vào. Đây là tín hiệu
có ích cần khuếch đại:

2
V
VV
id
idid
21
=−=

- Tín hiệu vào cách chung (common mode signal) còn gọi: tín hiệu vào đồng pha trên hai ngõ vào.
Chúng thường là các nhiễu, Ví dụ điện áp trôi theo nhiệt độ, lượng biến động của nguồn cung cấp

2
V
id
+ V
icM
(5-2-7)
Với tín hiệu vi sai, nếu ta có biến thiện điện áp ngõ vào là
∆
V
id1
và V
∆
id2
= -
∆
V
id1
, dẫn đến
dòng I
C1
tăng một lượng I
∆
C1
và dòng I
C2
giảm một lượng
∆
I
C2
. Do I

Nhưng do dòng điện tổng I
K
= const nên các lượng này phải triệt tiêu:

I
∆
C1
= ∆I
C2
= 0
nghóa là tín hiệu đồng pha không được khuếch đại ở ngõ ra.
Từ trên, ta thấy mạch khuếch đại vi sai có tác dụng chống nhiễu đồng pha rất tốt, phân cực rất
ổn đònh, không bò trôi theo biến thiện nhiệt độ và nguồn cung cấp.
Nguồn dòng I
K
càng ổn đònh, R
K
càng lớn thì khả năng chống nhiễu và ổn đònh phân cực của
mạch càng cao hay dùng BJT, như ta sẽ thấy ở phân sau.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử
128
Chương 4 - Khuếch đại một chiều và KĐTT

5.2.2. Chế độ DC của mạch khuếch đại vi sai
Sơ đồ mạch phân cực thuận thực tế cho độ khuếch đại vi sai như hình 5.2.3a, trong đó R
E
đóng
vai
trò
nguồ

(a)
I
K
V
id
V
iCM
V
iCM
V
id2
V
ic2
(b)
Hình 5.2.2. Tín hiệu vào vi sai và tín hiệu vào cách chung
(a) Biểu thò tổng quát; (b) Tách riêng từng loai tín hiệu cho mỗi ngõ vào
Từ hình 5.2.3b, viết phương trình cho hai vòng kín BE và CE ta được:
B
B
I
BQ
+ V
BEQ
+ 2R
E
(β+ 1) I
BQ
– V
EE
= 0 (5.2.8)

CQ
EQEECC
I
VVV
−+
≈ (5.2.11)
Ta có thể chọn trước R
C
theo điều kiện hệ số khuếch đại, hoặc chọn trước R
E
theo yếu cầu
chống nhiễu hay chọn theo yêu cầu cụ thể về giá trò điện áp phân cực ngõ vào ngõ ra, từ đó suy ra
các giá trò còn lại.
Tương tự, từ (5.2.8), ta tính được R
B
:
R
B
=
BQ
BQEBEQEE
I
I)1(R2VV
+β−−

Hay R
B
= )1(R2
I
)VV(

Từ (5.2.8) suy ra:
I
BQ
=
)1(R2R
VV
EB
BEQEE
+β+
−
=
)1100(5.250
6,012
++
−
= 0,01 mA.
I
CQ
= βI
BQ
= 100 x 0,01 = 1 mA
I
EQ
= I
CQ
+ I
BQ
= 1 + 0,01 = 1,01 mA
Từ (5.2.9) suy ra:
V

+ V
EQ
= 11,9 – 1,9 = 10V
V
BQ
= V
BEQ
+ V
EQ
= 0,6 – 1,9 = - 1,3V
• Ví dụ 5.2. Cho mạch khuếch đại vi sai như hình 5.2.3.a.
V
CC
= 12V, -V
EE
= -12 V, BJT có β= 100 yêu cầu phân cực mạch với các thông số sau: I
CQ
= 1 mA,
V
CEQ
= 4V, V
BEQ
= 0,6 V, V
CQ
= 0 V.
Tính R
C
, R
E
, R

R
I
VVV
2
1
C
CQ
CEQEECC
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−+
=
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−+

Từ (5.2.12) suy ra:
R

là
2
V
V
id
id
2
−=
. Trên cực E
1
và E
2
lần lượt có các điện áp và .Do
, nên áp AC trên E
1
id
V
2
id
V
21
idid
VV −=
1
và E
2
bò triệt tiêu. Như vậy, về mặt AC, có thể xem E
1
, E
2

E
được phản ánh từ
mạch cực E về mạch cực B và có giá trò tương đương R
E
(h
fE
+ 1). Từ hình 5.2.4a tính được hệ số
khuếch đại đối với tín hiệu vi sai:
A
v1d
=
()
iE
CfE
OEC
iE
fE
id
d1O
h
Rh
2
1
h/1//R
h
h
2
1
V
V

2
d = A
vd
= -
iE
CfE
h
Rh
2
1
(5.2.13c)
Ta thấy hệ số khuếch
đại của tầng khuếch đại vi
sai bằng với hệ số khuếch
đại của tầng khuếch đại đơn
EC, hệ số ½ là do tín hiệu
vào tầng khuách đại vi sai
chỉ bằng phân nửa biên độ
so với tín hiệu vào tầng
khuếch đại đớn EC.
E
1
C
2
C
1
B
2
B
1
oe
h
1
R
C
R
C
h
fe
i
b
h
fe
i
b
h
ie
h
ie
+
V
id
-

V
o2C
V
o1C

h
fe
i
b
h
fe
i
b
oe
h
1

R
C
h
ie
h
ie
(a)

(b)

Hình 5.2.4. Sơ đồ tương đương tham số h của mạch khuyếch đại vi sai
hình 5.2.3.a đối với tín hiệu vi sai (a) và đối với tín hiệu cách chung (b)

⎛
−====
(5.2.14)
Thực tế, h
fE
> > 1 và R
(
1h
fE
+
)
E
> > h
iE
,
OE
h
1
> > R
C
nên
Bài giảng Kỹ thuật điện tử
131
Chương 4 - Khuếch đại một chiều và KĐTT

A
VCM
= A
v1C
= A

×

+
2
V
id
A
vCM
V
iCM
(5.2.16)
2) Tỉ số nén tín hiệu cách chung (CMRR: Common – Mode Rejection Ratio)
Để đánh giá mức độ triệt nhiễu tín hiệu cách chung hay nhiều đồng pha, người ta đưa ra thông
số CMRR được đònh nghóa như sau:
CMRR = 20 lg
vCM
vd
A
A
(dB) (5.2.17)
Từ (5.2.13) và (5.2.15) suy ra:
CMRR
(
Em
iE
EfE
Rglg20
h
xRh
lg20

COEC
Rh/1//R ≈
(5.2.21)
•
Ví dụ 5.3: Từ các thông số ở ví dụ 5.2. và cho h
fE
=
β
,
∞→
oE
h
1
tính:
a) hệ số khuếch đại vi sai A
vd
và hệ số khuếch đại cách chung A
vCM

b) Tổng số vào vi sai R
id
, tổng trở vào cách chung R
iCM
, tổng trở ra 
c) Tỉ số CMRR 
Giải
a) Trước tiên, ta tìm h
iE
:
h

2
1
h
Rh
2
1
iE
CfE
−=−=

A
vCM

5,1
4
12
x
2
1
R
R
2
1
E
C
−=−=−≈

b) R
id
= 2h

−
−
=

hay có thể tính theo (5.2.18)
CMRR
44
5,2
4x100
kg20
h
Rh
lg20
iE
EfE
==≈
dB
4) Nguồn dòng dùng BJT
Từ (5.2.18) ta thấy nếu R
E
càng
lờn, tỷ số CMRR càng cao và khả năng
chống nhiễu càng tốt. Tuy nhiên, nếu
tăng R
E
quá lớn thì không đảm bảo
được điều kiện phân cực cho mạch. Để
thỏa mãn phân cực DC và đồng thời
tăng CMRR, ta thay R
E

Về mặt DC, ta phân cực sao cho
V
CE3
+ V
R2
bằng với áp hạ trên R
E
ở
hình 5.2.3 a. Về mặt AC, điện trở tương
đương giữa hai cực C-E của Q
3
có giá
trò khá lớn (bằng
oE
h
1
và vào cỡ vài
trăm K
) do đó tằng CMRR rất cao.
Ω
I
C3

2
3BEDz
3E
R
VVV
I
−+