Bộ khuếch đại phát điện chung

Bộ khuếch đại phát điện chung

Cấu hình bộ khuếch đại phổ biến nhất cho bóng bán dẫn NPN là cấu hình của mạch Khuếch đại phát điện chung

Trong phần giới thiệu trước về hướng dẫn bộ khuếch đại, chúng ta đã thấy rằng một họ các đường cong thường được gọi là Đường đặc tính đầu ra , liên hệ các bóng bán dẫn Dòng điện thu ( Ic ), với Điện áp thu ( Vce ) của nó cho các giá trị khác nhau của dòng điện cơ bản của bóng bán dẫn ( Ib ).

Tất cả các loại bộ khuếch đại bóng bán dẫn hoạt động bằng cách sử dụng đầu vào tín hiệu AC xen kẽ giữa giá trị dương và giá trị âm, vì vậy cần phải có một số cách “cài đặt trước” mạch khuếch đại hoạt động giữa hai giá trị cực đại hoặc đỉnh này. Điều này đạt được bằng cách sử dụng một quá trình gọi là Xu hướng . Xu hướng là rất quan trọng trong thiết kế bộ khuếch đại vì nó thiết lập điểm hoạt động chính xác của bộ khuếch đại bóng bán dẫn sẵn sàng nhận tín hiệu, do đó giảm bất kỳ sự biến dạng nào đối với tín hiệu đầu ra.

Chúng tôi cũng thấy rằng một đường tải tĩnh hoặc một chiều có thể được vẽ trên các đường cong đặc tính đầu ra này để hiển thị tất cả các điểm hoạt động có thể có của bóng bán dẫn từ hoàn toàn “BẬT” đến hoàn toàn “TẮT” và điểm hoạt động tĩnh hoặc điểm Q của bộ khuếch đại có thể được tìm thấy.

Mục đích của bất kỳ bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ nào là khuếch đại tất cả tín hiệu đầu vào với mức độ méo nhỏ nhất có thể đến tín hiệu đầu ra, nói cách khác, tín hiệu đầu ra phải là sự tái tạo chính xác của tín hiệu đầu vào nhưng chỉ lớn hơn (được khuếch đại).

Để có được độ méo tiếng thấp khi được sử dụng làm bộ khuếch đại, điểm tĩnh hoạt động cần được chọn chính xác. Trên thực tế, đây là điểm hoạt động DC của bộ khuếch đại và vị trí của nó có thể được thiết lập tại bất kỳ điểm nào dọc theo đường tải bằng cách bố trí xu hướng thích hợp.

Vị trí tốt nhất có thể cho điểm Q này càng gần vị trí trung tâm của đường tải càng tốt, do đó tạo ra hoạt động của bộ khuếch đại loại A, tức là. Vce = 1 / 2Vcc . Hãy xem xét mạch Khuếch đại phát điện chung được hiển thị bên dưới.

Mạch khuếch đại phát điện chung

Mạch khuếch đại bộ phát chung một tầng hiển thị ở trên sử dụng cái thường được gọi là “Xu hướng phân chia điện áp”. Kiểu sắp xếp phân cực này sử dụng hai điện trở như một mạng phân chia tiềm năng trên nguồn cung cấp với điểm trung tâm của chúng cung cấp điện áp phân cực Cơ bản cần thiết cho bóng bán dẫn. Phân áp phân cực thường được sử dụng trong thiết kế mạch khuếch đại bóng bán dẫn lưỡng cực.

Phương pháp phân cực này của bóng bán dẫn làm giảm đáng kể ảnh hưởng của việc thay đổi Beta, ( β ) bằng cách giữ thiên vị Cơ sở ở mức điện áp ổn định không đổi cho phép ổn định tốt nhất. Điện áp cơ bản tĩnh ( Vb ) được xác định bởi mạng phân chia thế được tạo thành bởi hai điện trở, R1 , R2 và điện áp nguồn Vcc như hình vẽ với dòng điện chạy qua cả hai điện trở.

Sau đó tổng kháng R T sẽ bằng R1 + R2 cho dòng điện như i = VCC / R T . Mức điện áp được tạo ra tại điểm giao nhau của các điện trở R1 và R2 giữ cho Điện áp gốc ( Vb ) không đổi ở giá trị thấp hơn điện áp nguồn.

Sau đó, mạng phân chia điện thế được sử dụng trong mạch khuếch đại phát chung chia điện áp cung cấp tỷ lệ với điện trở. Có thể dễ dàng tính toán điện áp tham chiếu phân cực này bằng cách sử dụng công thức phân áp đơn giản dưới đây:

Điện áp phân cực bóng bán dẫn

Cùng một điện áp cung cấp, ( Vcc ) cũng xác định dòng điện thu cực đại, Ic khi bóng bán dẫn được chuyển hoàn toàn “BẬT” (bão hòa), Vce = 0 . Dòng cơ sở Ib cho bóng bán dẫn được tìm thấy từ dòng thu, Ic và độ lợi dòng điện một chiều Beta, β của bóng bán dẫn.

Giá trị Beta

Beta đôi khi được gọi là h FE là độ lợi dòng chuyển tiếp của bóng bán dẫn trong cấu hình bộ phát chung. Beta không có đơn vị vì nó là một tỷ lệ cố định của hai dòng, Ic và Ib nên một thay đổi nhỏ trong dòng cơ bản sẽ gây ra một thay đổi lớn trong dòng Collector.

Một điểm cuối cùng về Beta. Các bóng bán dẫn cùng loại và số bộ phận sẽ có sự khác biệt lớn về giá trị Beta của chúng. Ví dụ: bóng bán dẫn lưỡng cực BC107 NPN có giá trị Beta khuếch đại dòng điện một chiều là từ 110 đến 450 (giá trị bảng dữ liệu). Vì vậy, một BC107 có thể có giá trị Beta là 110, trong khi một BC107 khác có thể có giá trị Beta là 450, nhưng cả hai đều là bóng bán dẫn BC107 npn. Điều này là do Beta là một đặc tính của cấu tạo bóng bán dẫn chứ không phải hoạt động của nó.

Vì điểm nối Cơ sở / Máy phát được phân cực thuận, điện áp Máy phát, Ve sẽ là một điện áp ngã ba tiếp giáp khác với Điện áp gốc. Nếu đã biết điện áp trên điện trở Máy phát thì dòng điện Máy phát, tức là có thể dễ dàng tính toán bằng cách sử dụng Định luật Ohm. Dòng điện thu, Ic có thể được tính gần đúng, vì nó gần như cùng giá trị với dòng điện phát.

Ví dụ về bộ khuếch đại phát điện chung số 1

Một mạch khuếch đại cực phát chung có điện trở tải, R L là 1,2kΩ và điện áp nguồn là 12v . Tính dòng điện cực đại ( Ic ) chạy qua điện trở tải khi bóng bán dẫn được chuyển hoàn toàn “ON” (bão hòa), giả sử Vce = 0 . Đồng thời tìm giá trị của điện trở Emitter, R E nếu nó có điện áp giảm 1v trên nó. Tính các giá trị của tất cả các điện trở mạch khác giả sử một bóng bán dẫn silicon NPN tiêu chuẩn.

Sau đó, điều này thiết lập điểm “A” trên trục tung dòng điện Collector của các đường đặc tính và xảy ra khi Vce = 0 . Khi bóng bán dẫn được chuyển sang "TẮT" hoàn toàn, điện áp của chúng không bị sụt áp trên cả hai điện trở R E hoặc R L vì không có dòng điện chạy qua chúng. Khi đó điện áp giảm trên transistor, Vce bằng với điện áp cung cấp, Vcc . Điều này thiết lập điểm “B” trên trục hoành của các đường cong đặc tính.

Nói chung, điểm Q tĩnh của bộ khuếch đại có tín hiệu đầu vào bằng không được áp dụng cho Đế, vì vậy Bộ thu nằm ở một nửa đường dọc theo đường tải giữa 0 vôn và điện áp cung cấp, ( Vcc / 2 ). Do đó, dòng điện thu tại điểm Q của bộ khuếch đại sẽ được cho là:

Đường tải DC tĩnh này tạo ra một phương trình đường thẳng có hệ số góc được cho là: -1 / (R L + R E ) và nó đi qua trục Ic thẳng đứng tại một điểm bằng Vcc / (R L + R E ) . Vị trí thực tế của điểm Q trên đường tải DC được xác định bằng giá trị trung bình của Ib .

Khi dòng điện thu, Ic của bóng bán dẫn cũng bằng độ lợi DC của bóng bán dẫn (Beta), nhân với dòng cơ bản ( β * Ib ), nếu chúng ta giả sử giá trị Beta ( β ) cho bóng bán dẫn 100, ( một trăm là giá trị trung bình hợp lý đối với bóng bán dẫn tín hiệu công suất thấp) Dòng điện cơ bản Ib chảy vào bóng bán dẫn sẽ được cho là:

Thay vì sử dụng nguồn cung cấp phân cực cơ sở riêng biệt, thông thường cung cấp Điện áp phân cực cơ sở từ đường ray cung cấp chính (Vcc) thông qua một điện trở rơi, R1 . Điện trở, R1 và R2 hiện có thể được chọn để cung cấp dòng cơ bản tĩnh thích hợp là 45,8μA hoặc 46μA được làm tròn thành số nguyên gần nhất. Dòng điện chạy qua mạch phân áp phải lớn hơn so với dòng cơ sở thực tế, Ib , để mạng phân áp không bị tải bởi dòng điện cơ sở.

Nguyên tắc chung là giá trị của ít nhất 10 lần Ib chạy qua điện trở R2 . Điện áp cơ sở / bộ phát của bóng bán dẫn, Vbe được cố định ở 0,7V (bóng bán dẫn silicon) sau đó điều này cho giá trị của R2 là:

Nếu cường độ dòng điện chạy qua điện trở R2 gấp 10 lần giá trị dòng điện Cơ sở thì cường độ dòng điện chạy qua điện trở R1 trong mạng chia phải gấp 11 lần giá trị dòng điện Cơ bản. Đó là: I R2  + Ib .

Do đó điện áp trên điện trở R1 bằng Vcc - 1,7v (V RE + 0,7 đối với bóng bán dẫn silicon) bằng 10,3V, do đó R1 có thể được tính là:

Giá trị của điện trở phát, R E có thể được tính toán dễ dàng bằng cách sử dụng định luật Ohm. Dòng điện chạy qua R E là sự kết hợp của Dòng điện cơ bản, Ib và Dòng điện thu Ic và được cho là:

Điện trở, R E được kết nối giữa đầu cuối Bộ phát bóng bán dẫn và đất, và chúng tôi đã nói trước đây rằng có một điện áp giảm 1 vôn qua nó. Do đó giá trị của điện trở phát, R E được tính như sau:

Vì vậy, với ví dụ của chúng tôi ở trên, các giá trị ưu tiên của điện trở được chọn để cung cấp cho dung sai 5% (E24) là:

Sau đó, mạch Bộ khuếch đại phát điện chung ban đầu của chúng tôi ở trên có thể được viết lại để bao gồm các giá trị của các thành phần mà chúng tôi vừa tính toán ở trên.

Hoàn thành mạch phát điện chung

Tụ điện ghép bộ khuếch đại

Trong các mạch Khuếch đại phát điện chung, các tụ điện C1 và C2 được sử dụng làm Tụ ghép để tách tín hiệu AC khỏi điện áp xu hướng DC. Điều này đảm bảo rằng điều kiện thiên vị được thiết lập để mạch hoạt động chính xác không bị ảnh hưởng bởi bất kỳ tầng khuếch đại bổ sung nào, vì các tụ điện sẽ chỉ truyền tín hiệu AC và chặn bất kỳ thành phần DC nào. Tín hiệu AC đầu ra sau đó được chồng lên xu hướng của các giai đoạn sau. Cũng là một tụ điện rẽ nhánh , C E được bao gồm trong mạch chân phát.

Tụ điện này thực sự là một thành phần mạch hở đối với các điều kiện xu hướng DC, có nghĩa là dòng điện và điện áp xu hướng không bị ảnh hưởng bởi việc bổ sung tụ điện duy trì ổn định điểm Q tốt.

Tuy nhiên, tụ điện bỏ qua được kết nối song song này có hiệu quả trở thành ngắn mạch đối với điện trở Phát ở tín hiệu tần số cao do điện kháng của nó. Do đó, chỉ có R L cộng với một điện trở bên trong rất nhỏ hoạt động như các bóng bán dẫn tải tăng điện áp đạt mức tối đa của nó. Nói chung, giá trị của tụ điện rẽ nhánh, C E được chọn để cung cấp điện kháng tối đa bằng 1/10 giá trị của R E ở tần số tín hiệu hoạt động thấp nhất.

Đường cong đặc tính đầu ra

Ok, cho đến nay rất tốt. Bây giờ chúng ta có thể xây dựng một loạt các đường cong thể hiện dòng điện Bộ thu, Ic so với điện áp Bộ thu / Bộ phát, Vce với các giá trị khác nhau của Dòng cơ bản, Ib cho mạch khuếch đại bộ phát chung đơn giản của chúng ta.

Những đường cong này được gọi là "Đường cong đặc tính đầu ra" và được sử dụng để chỉ ra cách bóng bán dẫn sẽ hoạt động trên dải động của nó. Đường tải tĩnh hoặc dòng tải một chiều được vẽ trên các đường cong cho điện trở tải RL là 1,2kΩ để hiển thị tất cả các điểm hoạt động có thể có của bóng bán dẫn.

Khi bóng bán dẫn được chuyển sang "TẮT", Vce bằng với điện áp cung cấp Vcc và đây là điểm "B" trên đường dây. Tương tự như vậy khi bóng bán dẫn hoàn toàn “BẬT” và bão hòa, dòng điện thu được xác định bởi điện trở tải, R L và đây là điểm “A” trên đường dây.

Trước đây, chúng tôi đã tính toán từ độ lợi DC của bóng bán dẫn rằng Dòng cơ bản cần thiết cho vị trí trung bình của bóng bán dẫn là 45,8μA và điểm này được đánh dấu là điểm Q trên đường tải đại diện cho điểm Quiescent hoặc điểm Q của bộ khuếch đại. Chúng tôi có thể khá dễ dàng tạo ra cuộc sống dễ dàng cho chính mình và làm tròn giá trị này chính xác đến 50μA , mà không ảnh hưởng đến điểm hoạt động.

Đường cong đặc tính đầu ra

Điểm Q trên dòng tải cho chúng ta điểm Q dòng cơ bản là Ib = 45,8μA hoặc 46μA . Chúng ta cần tìm sự thay đổi đỉnh tối đa và tối thiểu của dòng cơ sở sẽ dẫn đến sự thay đổi tỷ lệ thuận với dòng Collector, Ic mà không có bất kỳ sự biến dạng nào đối với tín hiệu đầu ra.

Khi dòng tải cắt qua các giá trị Dòng điện cơ bản khác nhau trên các đường cong đặc tính DC, chúng ta có thể tìm thấy dao động đỉnh của Dòng điện cơ bản cách đều nhau dọc theo đường dây tải. Các giá trị này được đánh dấu là điểm “N” và “M” trên đường dây, tạo ra dòng cơ bản tối thiểu và tối đa lần lượt là 20μA và 80μA.

Các điểm này, “N” và “M” có thể ở bất kỳ đâu dọc theo đường tải mà chúng tôi chọn miễn là chúng cách đều nhau từ Q. Điều này sau đó cung cấp cho chúng tôi tín hiệu đầu vào tối đa theo lý thuyết đến đầu cuối Cơ sở 60μA từ đỉnh đến đỉnh , (Đỉnh 30μA) mà không tạo ra bất kỳ biến dạng nào đối với tín hiệu đầu ra.

Bất kỳ tín hiệu đầu vào nào cho dòng điện cơ bản lớn hơn giá trị này sẽ dẫn đến việc đưa bóng bán dẫn đi ra ngoài điểm “N” và đi vào vùng “cắt” của nó hoặc xa hơn điểm “M” và vào vùng bão hòa của nó, do đó dẫn đến biến dạng đối với tín hiệu đầu ra dưới hình thức "cắt".

Sử dụng điểm “N” và “M” làm ví dụ, các giá trị tức thời của dòng điện Collector và giá trị tương ứng của điện áp Collector-emitter có thể được chiếu từ đường tải. Có thể thấy rằng điện áp Collector-emitter là ngược pha (–180 o ) với dòng thu.

Khi dòng điện cơ bản Ib thay đổi theo chiều dương từ 50μA đến 80μA, điện áp Bộ phát-thu, cũng là điện áp đầu ra giảm từ giá trị trạng thái ổn định của nó là 5,8 volt xuống còn 2,0 volt.

Sau đó, một Bộ khuếch đại phát chung một giai đoạn cũng là “Bộ khuếch đại đảo” vì sự gia tăng điện áp cơ bản gây ra giảm Vout và giảm điện áp cơ sở tạo ra tăng Vout. Nói cách khác, tín hiệu đầu ra lệch pha 180 o với tín hiệu đầu vào.

Tăng điện áp máy phát chung

Độ lợi điện áp của bộ khuếch đại phát chung bằng tỷ số giữa sự thay đổi của điện áp đầu vào với sự thay đổi của điện áp đầu ra của bộ khuếch đại. Khi đó ΔV L là Vout và ΔV B là Vin . Nhưng độ lợi điện áp cũng bằng tỷ số giữa điện trở tín hiệu trong Bộ thu và điện trở tín hiệu trong Bộ phát và được cho là:

Chúng tôi đã đề cập trước đó rằng khi tần số tín hiệu tăng tụ điện bỏ qua, C E bắt đầu làm ngắn điện trở Phát do điện trở của nó. Khi đó ở tần số cao R E  = 0 , làm cho độ lợi vô hạn.

Tuy nhiên, các bóng bán dẫn lưỡng cực có một điện trở bên trong nhỏ được tích hợp trong vùng Emitter của chúng được gọi là R e . Vật liệu bán dẫn bóng bán dẫn cung cấp một điện trở nội đối với dòng điện chạy qua nó và thường được biểu thị bằng một biểu tượng điện trở nhỏ được hiển thị bên trong biểu tượng bóng bán dẫn chính.

Bảng dữ liệu bóng bán dẫn cho chúng ta biết rằng đối với bóng bán dẫn lưỡng cực tín hiệu nhỏ, nội trở này là sản phẩm của 25mV ÷ Ie (25mV là điện áp bên trong giảm qua lớp tiếp giáp Máy phát), khi đó đối với mạch khuếch đại Máy phát chung của chúng ta trên giá trị điện trở này sẽ bằng đến:

Điện trở chân bộ phát bên trong này sẽ mắc nối tiếp với điện trở bộ phát bên ngoài, R E , sau đó phương trình cho độ lợi thực của bóng bán dẫn sẽ được sửa đổi để bao gồm điện trở bên trong này, do đó sẽ là:

Ở tín hiệu tần số thấp, tổng trở trong chân Phát bằng R E  + R e . Ở tần số cao, tụ điện bỏ qua cắt điện trở Máy phát chỉ để lại nội trở R e trong chân Máy phát, dẫn đến độ lợi cao. Sau đó, đối với mạch khuếch đại bộ phát chung của chúng tôi ở trên, độ lợi của mạch ở cả tần số tín hiệu thấp và cao được cho là:

Đạt được ở tần số thấp

Đạt được ở tần số cao

Một điểm cuối cùng, độ lợi điện áp chỉ phụ thuộc vào các giá trị của điện trở Bộ thu, R L và điện trở Bộ phát , ( R E  + R e ), nó không bị ảnh hưởng bởi độ lợi dòng điện Beta, β ( h FE ) của bóng bán dẫn .

Vì vậy, đối với ví dụ đơn giản của chúng tôi ở trên, bây giờ chúng tôi có thể tóm tắt tất cả các giá trị chúng tôi đã tính toán cho mạch khuếch đại bộ phát chung của chúng tôi và đó là:

	Tối thiểu	Nghĩa là	Tối đa
Cơ sở hiện tại	20μA	50μA	80μA
Dòng thu	2.0mA	4,8mA	7,7mA
Điện áp đầu ra Swing	2.0V	5,8V	9.3V
Bộ khuếch đại tăng	-5,32		-218

Tóm tắt bộ khuếch đại phát điện chung

Sau đó để tóm tắt. Các Common Emitter Amplifier mạch có điện trở trong mạch Collector của nó. Dòng điện chạy qua điện trở này tạo ra đầu ra điện áp của bộ khuếch đại. Giá trị của điện trở này được chọn để tại điểm hoạt động tĩnh của bộ khuếch đại, điểm Q này điện áp đầu ra nằm một nửa dọc theo đường tải của bóng bán dẫn.

Đế của bóng bán dẫn được sử dụng trong một bộ khuếch đại phát thông thường được phân cực bằng cách sử dụng hai điện trở như một mạng phân chia tiềm năng. Kiểu sắp xếp xu hướng này thường được sử dụng trong thiết kế mạch khuếch đại bóng bán dẫn lưỡng cực và làm giảm đáng kể ảnh hưởng của các Beta thay đổi, ( β ) bằng cách giữ phân cực Cơ sở ở một điện áp ổn định không đổi. Loại xu hướng này tạo ra sự ổn định lớn nhất.

Một điện trở có thể được đưa vào chân phát trong trường hợp đạt được điện áp trở nên -R L / R E . Nếu không có điện trở ngoài của bộ khuếch đại, độ lợi điện áp của bộ khuếch đại không phải là vô hạn vì có một điện trở bên trong rất nhỏ, R e trong chân của bộ phát. Giá trị của điện trở bên trong này bằng 25mV / I E

Trong hướng dẫn tiếp theo về bộ khuếch đại bóng bán dẫn, chúng ta sẽ xem xét Bộ khuếch đại hiệu ứng trường nối thường được gọi là Bộ khuếch đại JFET. Giống như bóng bán dẫn, JFET được sử dụng trong một mạch khuếch đại giai đoạn đơn nên dễ hiểu hơn. Có một số loại bóng bán dẫn hiệu ứng trường khác nhau mà chúng ta có thể sử dụng nhưng dễ hiểu nhất là bóng bán dẫn hiệu ứng trường đường giao nhau, hoặc JFET có trở kháng đầu vào rất cao nên lý tưởng cho các mạch khuếch đại.