78
Ch-ơng 4
Khuếch đại Điện tử
Trong qúa trình biến đổi gia công tín hiệu th-ờng phải xử lý với tín hiệu
biên độ rất nhỏ, công suất thấp không đủ kích thích cho tầng tiếp theo làm việc.
Nh- vậy, cần phải gia tăng công suất cho tín hiệu. Mạch điện cho phép ta nhận ở
đầu ra ở tín hiệu có dạng nh- tín hiệu đầu vào nh-ng có công suất lớn hơn gọi là
mạch khuếch đại. Quá trình khuếch đại là quá trình biến đổi năng l-ợng có điều
khiển, ở đó năng l-ợng của nguồn một chiều ( không chứa đựng thông tin ) đ-ợc
biến đổi thành năng l-ợng xoay chiều của tín hiệu có mang tin. Đây là một quá
trình gia công tín hiệu analog. Mạch khuếch đại có mặt hầu hết các thiết bị điện
tử. Trong mạch khuếch đại điện tử có phần tử khuếch đại (tranzisto,IC ), nguồn
một chiều và các phần tử thụ động RLC. Ch-ơng này nghiên cứu các mạch
khuếch đại điện tử thông dụng.
4.1.Phân loại khuếch đại , các tham số và đặc tính của
mạch khuếch đại.
4.1.1. Phân loại khuếch đại
Mạch khuếch đại ( hay bộ khuếch đại ) có thể phân loại theo các dấu hiệu
sau:
1/ Theo phần tử khuếch đại: có khuếch đại dùng đèn điện tử 3,4 hoặc 5
cực, khuếch đại dùng tranzisto l-ỡng cực , khuếch đại dùng tranzisto tr-ờng,
khuếch đại dùng diot tunen, khuếch đại tham số, khuếch đại IC( vi mạch)
2/ Theo dải tần số làm việc : Có khuếch đại âm tần, khuếch đại cao tần,
khuếch đại siêu cao tần
3/ Theo bề rộng của dải tần số thi cần khuếch đại : khuếch đại dải rộng,
khuếch đại dải hẹp.
4/ Theo dạng tải : Khuếch đại cộng h-ởng(hay chọn lọc )có tải là mạch
cộng h-ởng , khuếch đại điện trở(phông cộng h-ởng ).
5/ Theo đại l-ợng cần khuếch đại: khuếch đại điện áp, khuếch đại dòng
điện, khuếch đại công suất.
4.1.2. Các tham số và đặc tính của khuếch đại.

U

(4.1)
79
Vm
Rm
I
.
I
.
I
.
K
(4.2)
Vì trong mạch tồn tại phần tử quán tính (phản kháng ) trên tổng quát mà nói
K và K
I
là các hàm số phức của biến tần số ( = 2f ), tức là phụ thuộc vào tần
số của tín hiệu cần khuếch đại.
Hệ số khuếch đại công suất K
P
cho ta thấy công suất trung bình ( tác dụng) ra
tải của mạch khuếch đại lớn hơn bao nhiêu lần công suất trung bình ( tác dụng) ở
đầu vào của nó.

V
R
P
P
P

.
K
.
b)Đặc tính biên độ tần số và đặc tính pha tần số
Quá trình khuếch đại tín hiệu th-ờng đi kèm với quá trình gây méo dạng của
tín hiệu. Méo tín hiệu có hai dạng là méo
tuyến tính và méo phi tuyến.
Méo tuyến tính phát sinh do trở kháng của phần tử phản kháng phụ thuộc
vào tần số (Z
C
= 1/jc, Z
L
=jL). Do vậy các thành phần tần số khác nhau(các
sóng hài) sẽ đ-ợc khuếch đại khác nhau, đồng thời quan hệ pha giữa chúng ở đầu
ra so với đầu vào cũng thay đổi. Méo tuyến tínhđ-ợc đánh giá qua đặc tính biên
độ tần số (ĐTBT), đặc tính pha tần số( ĐTPT) và đặc tính quá độ (ĐTQĐ).
Vì hệ số khuếch đại điện áp là đại l-ợng phức nên ta có

)(j
e)(K
)(j
e)j(K)j(K




(4.5)

)j(
.

dải thông đ-ợc khuếch đại ,còn nằm ngoài dải thông bị loại bỏ. Dải thông
là dải tần số mà trong đó hệ số khuếch đại không nhỏ hơn
2
lần giá trị cực đại
K
0
.Cũng trên hình này dải thông là
thấp

cao
hay
t

c
.
ĐTPT chỉ sự phụ thuộc của l-ợng dịch pha giữa tín hiệu đầu ra và đầu vào
của mạch khuếch đại vào tần số của tín hiệu.
ĐTQĐ phản ánh quá trình quá độ trong mạch khuếch đại. ĐTQĐ ký hiệu là
h(t), là điện áp ở đầu ra của mạch khuếch đại biểu diễn heo thời gian khi tác động
đầu vào là tác động bậc thang đơn vị.
Tác động bậc thang đơn vị là suất điện động e(t) :
e (t) =







01

mnmm
h
U
UUU
K


(4.7)
Trong đó U
m1
, U
m2
, U
m3
, U
mn
là biên độ của điện áp tần số cơ bản và
biên độ các hài bậc 2, 3, n ở đầu ra của mạch khuếch đại.
Tuỳ theo chức năng của mạch khuếch đại mà K
h%
có định mức khác nhau
trong các mạch kỹ thuật.



2
81
c)Đặc tính biên độ :đó là sự phụ thuộc của biên độ điện áp đầu ra vào biên độ
điện áp đầu vào của bọ khuếch đại. Dạng của nó đ-ợc trình bày trên hình 4.2a.
Thực tế khi điện áp vào bằng không ( không có tín hiệu vào) thì vẫn tồn tại

%100
0
Vào
Ra
P
P
K

(4.9)
Công suất vào cực đại P
vàomax
ứng với mức giảm công suất ra 1 db gọi là
biên trên của đặc tính biên độ ( hình 4.2c).
d) Hiệu suất

của mạch khuếch đại:

đ-ợc tính bằng tỷ số giữa công suất ra
tải ( công suất hữu ích ) và công suất tiêu thụ nguồn của toàn mạch:
0

P
P
Ra
(4.10)
P
Ra
- công suất ra tải
P
0

KP dB
Pvào
Pv max
a)
b)
c)

P

K
82

Rm
Rm
V
R
R
Vm
Vm
V
V
V
.
U
.
I
Z
Z
Y;
.

.
K
là mạch khuếch đại đơn
h-ớng.
4.2.1.Phân loại hồi tiếp.
Ng-ời ta phân loại hồi tiếp theo các dấu hiệu sau đây:
Theo cách cấu thành mạch hồi tiếp
.
:có thể chia ra thành hồi tiếp trong và
hồi tiếp ngoài.Mạch hồi tiếp
.
có thể đ-ợc tạo nên bởi các tham số ký sinh bên
trong của phần tử khuếch đại, lúc đó ta có hồi tiếp trong.Mạch hồi tiếp có thể tạo
bởi các ký sinh bên ngoài phần tử khuếch đại( ví dụ ký sinh do lắp ráp mạch tạo
nên ) lúc đó ta có hồi tiếp ngoài. Hồi tiếp này còn gọi là hồi tiếp ký sinh, tồn tại
ngoài ý muốn của ng-ời thiết kế. Ngoài ra mạch hồi tiếp ngoài có thể đ-ợc tạo
nên theo ý muốn của ng-ời thiết kế để cải thiện các tham số kỹ thuật của khuếch
đại.
Theo cách mắc mạch hồi tiếp :Từ hình (4.3) ta thấy đầu ra của mạch
khuếch đại đ-ợc mắc với đầu vào của mạch hồi tiếp, đầu ra của mạch hồi tiếp
đ-ợc nối với đầu vào của mạch khuếch đại. Nh- vậy, đầu vào và đầu ra của mạch
khuếch đại có thể đấu song song hoặc nối tiếp với đầu ra và đầu vào của mạch hồi
tiếp. Có có 4 cách đấu nh- ở hình 4.4.
Nếu đầu ra nối tiếp thì có hồi tiếp theo dòng điện, nếu đấu song song thì
có hồi tiếp theo điện áp ( để phân biệt với đầu vào ):
Hồi tiếp song song theo điện áp hình 4.4a
.

.
K

số khuếch đại khi không có hồi tiếp .
R
ht
.
U
.
U
.


-
Hệ số truyền ( hàm truyền đạt phức) của mạch
hồi tiếp.
v
ra

.
U
.
U
.
K
- Hệ số khuếch đại khi có hồi tiếp.
Vì
Vht'v

UUU
nên
U
.
U
.
K
'V
ra
ra
ht
'V
ra
'V
ht
'V
ra
ht'V
ra
V
ra








1
11
(4.12)

.
K
.
K
.
K
.

84
một dải tần số nhất định thì có thể coi chúng nhận các giá trị thực nên (4.12) có
dạng:
.
.K1
K
K



(4.13)
Đại l-ợng K.
gọi là hàm truyền vòng, còn g = 1 - K gọi là độ sâu hồi
tiếp. Khi 1>K
> 0 thì hệ số khuếch đại khi có hồi tiếp K

lớn hơn khi không có
hồi tiếp K ,đó là hồi tiếp d-ơng . Khi K
= 1 mạch khuếch đại bị tự kích, biến
thành mạch tạo dao động. Khi K
< 0 thì:
















.K
.
K
K
.K
).K(
.
).K(
K
.
K
K
)K(
K
Khay
)K(

) lần.
Với bộ khuếch đại gồm nhiều tầng có thể dùng hồi tiếp âm ở từng tầng riêng rẽ
hoặc dùng hồi tiếp âm bao tất cả các tầng .
-Khuếch đại hồi tiếp âm ở từng tầng riêng rẽ ( hình 4.6a ):Với bộ khuếch đại n
tầng, mỗi tầng có hệ số khuếch đại là K thì hệ số khuếch đại của toàn mạch K

là:

n
)
.K
K
(K



(4.16)
-Khuếch đại hồi tiếp âm bao tất cả các tầng ( hình 4.6b)




n
n
K
K
K
(4.17)
Từ (4.16) và (4.17) suy ra sai số t-ơng đối hệ số khuếch đại có hồi tiếp âm
từng tầng riêng rẽ và hồi tiếp âm bao tất cả các tầng t-ơng ứng là:

.

Kh đại Kh đại
n
K
.
2
K
.
Hình 4.6 a)Hồi tiếp âm riêng rẽ
b)Hồi tiếp âm bao nhiều tầng











;








Lúc đó : Khi không có hồi tiếp
(
Ur = 0)
Zv =
v
V
v
v
I
UU
I
U
'
'

= r
v
+ r
rht
.
Khi có hồi tiếp:
v
.g
v
)K(1
ht
r
r).K(1
v
v










(4.18)
K

UV
UV '
U'
rv
rrht
r
U
Hình 4.7 Mô hình hoá đầu
vào của mạch KĐ có hồi tiếp
IV
86
Lúc này trở kháng vào có hồi tiếp nối tiếp tăng (1+ K) lần.(tốt lên(1+
K
)lần )
- Tr-ờng hợp đầu vào đấu song song, cũng mô hình hoá và chứng minh

Để dễ phối hợp trở kháng ở đầu vào và đầu ra của mạch khuếch đại cần có
trở kháng vào lớn, trở kháng ra nhỏ nên ng-ời ta th-ờng sử dụng
hồi tiếp âm nối
tiếp theo điện áp.
Có thể chứng minh rằng hồi tiếp âm mở rộng dải thông, giảm méo phi
tuyến, tăng dải động, giảm tạp âm trong mạch khuếch đại. Nh- vậy hồi tiếp âm
tuy làm cho hệ số khuếch đại giảm nh-ng hầu hết các tham số khác của mạch
đ-ợc cải thiện nên hồi tiếp âm đ-ợc sử dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật.
4.3 .Các chế độ làm việc của mạch khuếch đại.
Một bộ khuếch đại có thể làm việc trong các chế độ sau: A, B, AB, C, D.Chế
độ A là chế độ dòng điện đầu ra của mạch khuếch đại tồn tại trong cả chu kỳ của
tín hiệu, nghĩa là phần tử khuếch đại luôn mở ( thông) - Hình 4.8a.
Công suất tiêu thụ nguồn một chiều hầu nh- không đổi, không phụ thuộc vào
mức của tín hiệu đầu vào, tỷ lệ với dòng tĩnh của tranzistor. Chế độ A ứng với góc
cắt diện
= 180
0
. Hiệu suất làm việc trong chế độ A nhỏ nên chế độ A chỉ dùng
khuếch đại tín hiệu nhỏ.
Chế độ B, C, D
dòng tĩnh của
tranzisto nhỏ, nghĩa
là tranzisto không
thông trong cả chu
kỳ tín hiệu mà có
một phần chu kỳ
tranzistor sẽ ngắt
(đóng).
ở chế độ B
khi không có dòng

0
< < 180
0
( hình 4.8C). Hiệu suất làm việc ở chế độ
AB nhỏ hơn chế độ B và lớn hơn ở chế độ A. Chế độ B và AB tín hiệu bị méo
dạng nên chỉ dùng ở các bộ khuếch đại 2 tranzistor mắc đẩy kéo. Nếu chọn chế
độ AB càng gần chế độ B thì méo phi tuyến càng giảm.Vì méo phi tuyến ở chế
độ AB nhỏ nên nó đ-ợc dùng nhiều trong các tầng khuếch đại công suất ra ngay
cả khi tín hiệu nhỏ.
Chế độ C có góc
<90
0
,hiệu suất cao hơn chế độ B nh-ng méo phi tuyến
lớn nên chỉ dùng khi không cần quan tâm đến méo phi tuyến.
4.4 Cấp nguồn và ổn định chế độ làm việc của tranzisto
4.4.1 Chọn điểm công tác của Tranzisto.
Việc cấp nguồn hay phân cực cho tranzistor thực hiện tuỳ theo cách
mắc
tranzistor và loại tranzistor.
Tranzistor có 3 cách mắc: Bazơ chung, Emitơ chung và Colectơ chung (
hình 4.9). Dù mắc theo cách nào thì mặt ghép emitơ cũng phải phân cực thuận,
mặt ghép colectơ phân cực ng-ợc để tranzisto làm việc ở chế độ khuếch đại. Nh-
vậy đối với tranzistor thuận p - n - p thì cực E phải d-ơng hơn cực B, cực B phải
đ-ơng hơn cực C. ở tranzistor ng-ợc n-p-n thì ng-ợc lại.Gọi điện áp các cực
t-ơng ứng là U
B
, U
E
, U
C

b)
BBE
UU
EEC
UU
a)
Hình4.9.Ba cách mắc a)Emitơ chung b)Bazơ chung
c)Colectơ chung
Dòng I
C
âm có nghĩa là chiều thực của dòng I
C
ng-ợc với chiều ký hiệu
trên hình vẽ.
Mắc emitơ chung ( hình 4.9b)
U
BE
= U
B
- U
E
<0 , I
B
< 0
U
EC
= U
E
- U
C

của nó(Xem giáo trình
Cấu kiện
điện tử
). Điểm công tác tĩnh phải
đ-ợc chọn để nếu khuếch đại làm
việc ở chế độ A thì miền làm việc
không nằm trong các miền cấm.
Miền làm việc giới hạn bởi các đ-ờng phân chia miền bão
hòa và miền tích cực, đ-ờng U
Cmax
, đ-ờng cong P
Cmax
, đ-ờng U
Cmax
và đ-ờng của
miền cắt ( I
B
= 0) nh- ở hình 4.10. Trên hình 4.10 miền gạch nghiêng là miền
không làm việc hay miền cấm. Điểm 0 gọi là điểm công tác tĩnh hay điểm làm
việc tĩnh. Đ-ờng thẳng đi qua điểm 0 và điểm ( E
CC
, 0) là đ-ờng tải tĩnh xác định
bởi ph-ơng trình:
Ta xét ví dụ cụ thể khuếch đại với tranzistor mắc emitơ chung trên hình
4.11.a. Điểm công tác tĩnh đ-ợc xác định bởi điện áp và dòng điện tĩnh ( tức là
khi ch-a có tín hiệu vào) ở các cực của tranzistor, đó là I
C0
, U
C0
, I

=
8k
.
Điểm A ứng với U
C
= 24v, I
C
= 0
t
ccc
C
R
UE
I


M
i
ề
n

b
ã
o

h
o
à
I
C

Rt
URt
Uc
Ub
a)