Trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại

Trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại

Trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại xác định các đặc tính đầu vào của nó liên quan đến dòng điện và điện áp khi nhìn vào các thiết bị đầu cuối đầu vào của bộ khuếch đại

Trở kháng đầu vào , Z IN hoặc Điện trở đầu vào như nó thường được gọi, là một tham số quan trọng trong thiết kế của bộ khuếch đại bóng bán dẫn và như vậy cho phép các bộ khuếch đại được đặc trưng theo trở kháng đầu vào và đầu ra hiệu quả cũng như xếp hạng công suất và dòng điện của chúng.

Giá trị trở kháng của bộ khuếch đại là đặc biệt quan trọng để phân tích, đặc biệt là khi xếp tầng các tầng khuếch đại riêng lẻ lại với nhau để giảm thiểu sự biến dạng của tín hiệu.

Các trở kháng đầu vào của một bộ khuếch đại là trở kháng đầu vào “nhìn thấy” bởi nguồn thúc đẩy sự đầu vào của bộ khuếch đại. Nếu nó quá thấp, nó có thể có tác động tải bất lợi cho giai đoạn trước và có thể ảnh hưởng đến đáp ứng tần số và mức tín hiệu đầu ra của giai đoạn đó. Nhưng trong hầu hết các ứng dụng, mạch khuếch đại cực phát và cực thu chung thường có trở kháng đầu vào cao.

Một số kiểu thiết kế bộ khuếch đại, chẳng hạn như mạch khuếch đại thu chung tự động có trở kháng đầu vào cao và trở kháng đầu ra thấp theo bản chất thiết kế của chúng. Bộ khuếch đại có thể có trở kháng đầu vào cao, trở kháng đầu ra thấp và hầu như bất kỳ độ lợi nào tùy ý, nhưng nếu trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại thấp hơn mong muốn, trở kháng đầu ra của tầng trước có thể được điều chỉnh để bù hoặc nếu điều này là không thể thì các tầng khuếch đại đệm có thể cần thiết.

Ngoài khuếch đại điện áp (  Av  ), một mạch khuếch đại cũng phải có khuếch đại dòng điện (  Ai  ). Khuếch đại công suất (  Ap  ) cũng có thể được mong đợi từ một mạch khuếch đại. Nhưng ngoài việc có ba đặc điểm quan trọng này, mạch khuếch đại cũng phải có các đặc điểm khác như trở kháng đầu vào cao (  Z IN  ), trở kháng đầu ra thấp (  Z OUT  ) và một số mức độ băng thông, (  Bw  ). Dù bằng cách nào, bộ khuếch đại “hoàn hảo” sẽ có trở kháng đầu vào vô hạn và trở kháng đầu ra bằng không.

Trở kháng đầu vào và đầu ra

Theo nhiều cách, bộ khuếch đại có thể được coi như một loại “hộp đen” có hai đầu vào và hai đầu ra như hình minh họa. Ý tưởng này cung cấp một mô hình tham số h đơn giản của bóng bán dẫn mà chúng ta có thể sử dụng để tìm điểm đặt DC và các thông số hoạt động của bộ khuếch đại. Trong thực tế, một trong các thiết bị đầu cuối là chung giữa đầu vào và đầu ra đại diện cho vôn đất hoặc không.

Khi nhìn từ ngoài vào trong, các cực này có trở kháng đầu vào, Z IN và trở kháng đầu ra, Z OUT . Trở kháng đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại là tỷ số giữa điện áp và dòng điện chạy vào hoặc ra khỏi các cực này. Trở kháng đầu vào có thể phụ thuộc vào nguồn cung cấp cho bộ khuếch đại trong khi trở kháng đầu ra cũng có thể thay đổi theo trở kháng tải, R L trên các đầu nối đầu ra.

Các tín hiệu đầu vào được khuếch đại thường là dòng điện xoay chiều (AC) với mạch khuếch đại đại diện cho một tải, Z đến nguồn. Trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại có thể là hàng chục ohms, (Ohms Ω ) đến vài nghìn ohms, (kilo-ohms kΩ ) đối với mạch bóng bán dẫn lưỡng cực lên đến hàng triệu ohms, (Mega-ohms MΩ ) đối với mạch bóng bán dẫn dựa trên FET .

Khi nguồn tín hiệu và tải được kết nối với bộ khuếch đại, các đặc tính điện tương ứng của mạch khuếch đại có thể được mô hình hóa như hình bên.

Mô hình trở kháng đầu ra và đầu vào

Trong đó, V S là điện áp tín hiệu, R S là điện trở trong của nguồn tín hiệu và R L là điện trở tải được kết nối qua đầu ra. Chúng ta có thể mở rộng ý tưởng này hơn nữa bằng cách xem xét cách kết nối bộ khuếch đại với nguồn và tải.

Khi một bộ khuếch đại được kết nối với một nguồn tín hiệu, nguồn "xem" trở kháng đầu vào, Zin của bộ khuếch đại như một tải. Tương tự như vậy, điện áp đầu vào, Vin là những gì bộ khuếch đại nhìn thấy trên trở kháng đầu vào, Zin . Khi đó đầu vào của bộ khuếch đại có thể được mô hình hóa như một mạch phân áp đơn giản như hình bên.

Mô hình mạch đầu vào bộ khuếch đại

Ý tưởng tương tự cũng áp dụng cho trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại. Khi điện trở tải, R L được kết nối với đầu ra của bộ khuếch đại, bộ khuếch đại sẽ trở thành nguồn nuôi tải. Do đó, điện áp đầu ra và trở kháng tự động trở thành điện áp nguồn và trở kháng nguồn cho tải như hình vẽ.

Mô hình mạch đầu ra bộ khuếch đại

Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng các đặc tính đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại đều có thể được mô hình hóa như một mạng phân áp đơn giản. Bản thân bộ khuếch đại có thể được kết nối trong Common Emitter (bộ phát nối đất), Common Collector ( bộ nối tiếp bộ phát) hoặc trong các cấu hình Common Base . Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ xem xét bóng bán dẫn lưỡng cực được kết nối trong một cấu hình bộ phát phổ biến đã thấy trước đây.

Bộ khuếch đại phát điện chung

Cái gọi là cấu hình bộ phát chung cổ điển sử dụng một mạng phân chia tiềm năng để phân biệt các bóng bán dẫn Cơ sở. Nguồn cung cấp Vcc và các điện trở phân cực đặt điểm hoạt động của bóng bán dẫn để dẫn ở chế độ hoạt động thuận. Không có dòng tín hiệu nào đi vào Đế, không có dòng điện Bộ thu, (bóng bán dẫn ở trạng thái cắt) và điện áp trên Bộ thu giống như điện áp nguồn, Vcc . Một dòng tín hiệu vào Đế gây ra một dòng điện chạy trong điện trở Collector, Rc tạo ra sự sụt giảm điện áp trên nó làm cho điện áp Collector giảm xuống.

Khi đó chiều thay đổi của điện áp Collector ngược với chiều thay đổi trên Base, hay nói cách khác là ngược cực. Do đó, cấu hình bộ phát chung tạo ra sự khuếch đại điện áp lớn và mức điện áp một chiều được xác định rõ ràng bằng cách lấy điện áp đầu ra từ bộ thu như được hiển thị với điện trở R L đại diện cho tải trên đầu ra.

Bộ khuếch đại phát điện chung một giai đoạn

Hy vọng rằng bây giờ chúng ta có thể tính toán các giá trị của điện trở cần thiết để bóng bán dẫn hoạt động ở giữa vùng hoạt động tuyến tính của nó, được gọi là điểm tĩnh hoặc điểm Q, nhưng việc cập nhật nhanh sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về giá trị của bộ khuếch đại. thu được để chúng ta có thể sử dụng mạch trên để tìm trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại.

Đầu tiên chúng ta hãy bắt đầu bằng cách đưa ra một vài giả định đơn giản về mạch khuếch đại bộ phát chung một tầng ở trên để xác định điểm hoạt động của bóng bán dẫn. Điện áp rơi trên điện trở phát, V RE  = 1,5V , dòng tĩnh, I Q  = 1mA , mức tăng dòng (Beta) của bóng bán dẫn NPN là 100 (  β = 100  ) và tần số góc hoặc điểm ngắt của bộ khuếch đại được cho là: ƒ -3dB  = 40Hz .

Khi dòng điện tĩnh không có tín hiệu đầu vào chạy qua Bộ thu và Bộ phát của bóng bán dẫn, thì chúng ta có thể nói rằng: I C  = I E  = I Q  = 1mA . Vì vậy, bằng cách sử dụng Định luật Ohms:

Với bóng bán dẫn được chuyển sang BẬT hoàn toàn (bão hòa), điện áp giảm trên điện trở Collector, Rc sẽ bằng một nửa Vcc - V RE để cho phép tín hiệu đầu ra tối đa chuyển từ đỉnh đến đỉnh xung quanh điểm trung tâm mà không cắt đầu ra tín hiệu.

Lưu ý rằng DC không đạt điện áp tín hiệu của bộ khuếch đại có thể được tìm thấy từ -R C / R E . Cũng lưu ý rằng mức tăng điện áp có giá trị âm do thực tế là tín hiệu đầu ra đã bị đảo ngược so với tín hiệu đầu vào ban đầu.

Vì bóng bán dẫn NPN được phân cực thuận, điểm nối Cơ sở-Phát hoạt động giống như một điốt phân cực thuận nên Đế sẽ dương hơn 0,7 volt so với điện áp Bộ phát (Ve + 0,7V), do đó điện áp trên Điện trở cơ bản R2 sẽ là:

Nếu hai điện trở phân cực đã được cho trước, chúng ta cũng có thể sử dụng công thức phân áp tiêu chuẩn sau đây để tìm Điện áp cơ bản Vb trên R2 .

Thông tin được đưa ra cho biết dòng điện tĩnh là 1mA. Do đó, bóng bán dẫn được phân cực với dòng điện thu 1mA qua nguồn 12 volt, Vcc . Dòng thu này tỷ lệ với dòng cơ sở là Ic = β * Ib . Độ lợi dòng điện một chiều, Beta (  β  ) của bóng bán dẫn được cho là 100, khi đó Dòng cơ bản chạy vào bóng bán dẫn sẽ là:

Mạch phân cực DC được tạo thành bởi mạng phân áp của R1 và R2 đặt điểm hoạt động DC. Điện áp cơ bản trước đây được tính là 2,2 volt, sau đó chúng ta cần thiết lập tỷ lệ thích hợp của R1 và R2 để tạo ra giá trị điện áp này trên nguồn 12 volt, Vcc .

Nói chung, đối với mạng phân cực DC bộ chia điện áp tiêu chuẩn của mạch khuếch đại phát chung, dòng điện chạy qua điện trở thấp hơn, R2 lớn hơn mười lần so với dòng điện một chiều chạy vào đế. Khi đó giá trị của điện trở, R2 có thể được tính như sau:

Điện áp rơi trên điện trở R1 sẽ là điện áp cung cấp trừ đi điện áp phân cực Cơ sở. Ngoài ra nếu điện trở R2 mang dòng điện cơ bản gấp 10 lần, thì điện trở trên R1 của chuỗi nối tiếp phải vượt qua dòng điện của R2 cộng với các bóng bán dẫn Dòng điện cơ bản thực tế, Ib . Nói cách khác, 11 lần dòng cơ sở như hình.

Đối với bộ khuếch đại phát thông thường, điện kháng Xc của tụ điện bỏ qua máy phát thường bằng một phần mười (1/10) giá trị của điện trở máy phát, R E tại điểm tần số cắt. Thông số kỹ thuật của bộ khuếch đại cho tần số góc -3dB là 40Hz, khi đó giá trị của tụ điện C E được tính như sau:

Bây giờ chúng ta có các giá trị được thiết lập cho mạch khuếch đại phát chung của chúng ta ở trên, bây giờ chúng ta có thể xem xét tính toán trở kháng đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại cũng như giá trị của các tụ ghép C1 và C2 .

Mô hình bộ khuếch đại phát điện cơ bản

Công thức tổng quát cho trở kháng đầu vào của bất kỳ mạch nào là Z IN  = V IN / I IN . Mạch phân cực DC đặt điểm “Q” hoạt động DC của bóng bán dẫn và là tụ điện đầu vào, C1 hoạt động như một mạch hở và chặn bất kỳ điện áp DC nào, ở DC (0Hz) trở kháng đầu vào ( Z IN ) của mạch sẽ là cực kỳ cao. Tuy nhiên, khi một tín hiệu AC được đưa vào đầu vào, các đặc tính của mạch thay đổi khi tụ điện hoạt động như ngắn mạch ở tần số cao và truyền tín hiệu AC.

Công thức tổng quát cho trở kháng đầu vào AC của bộ khuếch đại nhìn vào Đế được đưa ra là Z IN  = R EQ || β (R E + re) . Trong đó R EQ là điện trở tương đương với đất (0v) của mạng phân cực trên Cơ sở và re là điện trở tín hiệu bên trong của lớp Bộ phát phân cực thuận. Sau đó, nếu chúng ta ngắt nguồn điện 12 volt, Vcc xuống đất vì Vcc xuất hiện dưới dạng tín hiệu ngắn thành AC, chúng ta có thể vẽ lại mạch phát chung ở trên như sau:

Mô hình mạch khuếch đại

Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng với điện áp cung cấp bị ngắn mạch, có một số điện trở được kết nối song song trên bóng bán dẫn. Bằng cách chỉ lấy phía đầu vào của bộ khuếch đại bóng bán dẫn và coi tụ C1 như một mạch ngắn mạch đối với tín hiệu xoay chiều, chúng ta có thể vẽ lại mạch trên để xác định trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại là:

Trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại

Chúng tôi đã nói ở trước Common Emitter Amplifier hướng dẫn rằng cuộc kháng chiến tín hiệu nội bộ của lớp Emitter là tương đương với sản phẩm của 25mV ÷ Ie với điều này 25mV giá trị là thả volt nội bộ và tôi E  = I Q . Sau đó cho mạch khuếch đại của chúng tôi ở trên tương đương với AC giá trị điện trở lại của diode Emitter được đưa ra như sau:

Kháng tín hiệu chân phát

Trong đó re đại diện cho một điện trở bên trong nhỏ mắc nối tiếp với Máy phát. Vì Ic / Ib = β , nên giá trị của bóng bán dẫn Trở kháng cơ bản sẽ bằng β * re . Lưu ý rằng nếu tụ điện bỏ qua C E không được bao gồm trong thiết kế bộ khuếch đại, thì giá trị sẽ trở thành: β (R E + re) làm tăng đáng kể trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại.

Trong tụ điện bỏ qua ví dụ của chúng tôi, C E được bao gồm, do đó trở kháng đầu vào, Z IN của bộ khuếch đại Emitter chung là trở kháng đầu vào được "nhìn thấy" bởi nguồn AC điều khiển bộ khuếch đại và được tính như sau:

Phương trình trở kháng đầu vào

Đây 2.2kΩ là trở kháng đầu vào nhìn vào thiết bị đầu cuối đầu vào của bộ khuếch đại. Nếu giá trị trở kháng của tín hiệu nguồn được biết và trong ví dụ đơn giản của chúng tôi ở trên, nó được cho là 1kΩ , thì giá trị này có thể được thêm vào hoặc tính tổng bằng Z IN nếu cần.

Nhưng hãy giả sử trong một phút rằng mạch của chúng ta không có tụ điện rẽ nhánh, C E được kết nối. Trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại sẽ như thế nào nếu không có nó. Phương trình sẽ vẫn giống nhau ngoại trừ việc bổ sung R E trong phần β (R E + re) của phương trình vì điện trở sẽ không còn bị ngắn mạch ở tần số cao. Khi đó, trở kháng đầu vào không vượt qua của mạch khuếch đại không có C E sẽ là:

Trở kháng đầu vào không có tụ điện bỏ qua

Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng việc bao gồm tụ điện bỏ qua chân Emitter tạo ra sự khác biệt rất lớn đối với trở kháng đầu vào của mạch khi trở kháng giảm từ 15,8kΩ khi không có nó xuống 2,2kΩ với nó trong mạch ví dụ của chúng tôi. Chúng ta sẽ thấy sau đó rằng việc bổ sung tụ điện phụ này, C E cũng làm tăng độ lợi của bộ khuếch đại.

Trong tính toán của chúng tôi để tìm trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại, chúng tôi đã giả định rằng các tụ điện trong mạch có trở kháng bằng không ( Xc = 0 ) đối với dòng tín hiệu AC, cũng như trở kháng vô hạn ( Xc = ∞ ) đối với dòng xu hướng DC. Bây giờ chúng ta đã biết trở kháng đầu vào bỏ qua của mạch khuếch đại, chúng ta có thể sử dụng giá trị này là 2,2kΩ để tìm giá trị của tụ ghép đầu vào, yêu cầu C1 tại điểm tần số cắt được chỉ định trước đây là 40Hz. Vì thế:

Phương trình tụ điện khớp nối đầu vào

Bây giờ chúng ta có một giá trị cho trở kháng đầu vào của mạch khuếch đại Emitter chung một tầng ở trên, chúng ta cũng có thể nhận được một biểu thức cho trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại theo cách tương tự.

Trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại

Các trở kháng đầu ra của một bộ khuếch đại có thể được coi như là trở kháng (hoặc kháng) mà tải thấy “nhìn lại” vào bộ khuếch đại khi đầu vào là zero. Làm việc trên nguyên tắc tương tự như chúng ta đã làm cho trở kháng đầu vào, công thức tổng quát cho trở kháng đầu ra có thể được đưa ra như: Z OUT  = V CE / I C .

Nhưng tín hiệu dòng điện chạy trong điện trở Collector, R C cũng chạy trong điện trở tải, R L khi cả hai được mắc nối tiếp trên Vcc . Sau đó, một lần nữa, bằng cách chỉ lấy phía đầu ra của bộ khuếch đại bóng bán dẫn và coi tụ điện ghép đầu ra C2 như một đoạn ngắn mạch với tín hiệu AC, chúng ta có thể vẽ lại mạch trên để xác định trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại là:

Trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại

Khi đó, chúng ta có thể thấy rằng điện trở tín hiệu đầu ra bằng R C song song với R L cho chúng ta một điện trở đầu ra là:

Công thức trở kháng đầu ra

Lưu ý rằng giá trị 833Ω này là kết quả của thực tế là điện trở tải được kết nối qua bóng bán dẫn. Nếu R L được bỏ qua, sau đó trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại sẽ là tương đương với điện trở Collector, R C chỉ.

Bây giờ chúng ta đã có một giá trị cho trở kháng đầu ra của mạch khuếch đại của chúng ta ở trên, chúng ta có thể tính giá trị của tụ ghép đầu ra, C2 như trước đây tại điểm tần số cắt 40Hz.

Phương trình tụ điện khớp nối đầu ra

Một lần nữa giá trị của khớp nối tụ C2 có thể được tính có hoặc không có sự bao gồm của tải điện trở R L .

Tăng điện áp máy phát chung

Độ lợi điện áp của mạch phát chung được cho là Av = R OUT / R EMITTER trong đó R OUT đại diện cho trở kháng đầu ra như được thấy trong chân Collector và R EMITTER bằng điện trở tương đương trong chân Emitter có hoặc không có đường vòng tụ điện kết nối.

Nếu không có tụ điện rẽ nhánh C E được kết nối, ( R E + lại ).

và với tụ điện rẽ nhánh C E được kết nối, chỉ ( lại ).

Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng việc bao gồm tụ điện bỏ qua trong thiết kế bộ khuếch đại tạo ra sự thay đổi đáng kể đối với độ lợi điện áp, Av của mạch phát chung của chúng ta từ 0,5 đến 33. Nó cũng cho thấy rằng độ lợi bộ phát chung không đi đến vô cùng khi điện trở bộ phát bên ngoài bị ngắn mạch bởi tụ điện bỏ qua ở tần số cao nhưng thay vào đó độ lợi chuyển sang giá trị hữu hạn của R OUT / re .

Chúng tôi cũng đã thấy rằng khi tăng lên, trở kháng đầu vào giảm từ 15,8kΩ khi không có nó xuống 2,2kΩ với nó. Việc tăng độ lợi điện áp có thể được coi là một lợi thế trong hầu hết các mạch khuếch đại với chi phí trở kháng đầu vào thấp hơn.

Tóm tắt trở kháng đầu vào

Trong hướng dẫn này, chúng ta đã thấy rằng trở kháng đầu vào của một bộ khuếch đại phát chung có thể được tìm thấy bằng cách rút ngắn điện áp cung cấp và xử lý mạch xu hướng phân áp như các điện trở song song. Trở kháng “nhìn thấy” khi nhìn vào mạng phân chia ( R1 || R2 ) thường ít hơn nhiều so với trở kháng nhìn trực tiếp vào các bóng bán dẫn Cơ sở, β (R E + re) khi tín hiệu đầu vào AC thay đổi độ lệch trên Cơ sở của transistor điều khiển dòng điện chạy qua transistor.

Có nhiều cách để phân cực transistor. Do đó, có nhiều mạch khuếch đại bóng bán dẫn đơn thực tế, mỗi mạch có các phương trình và giá trị trở kháng đầu vào riêng của chúng. Nếu bạn yêu cầu trở kháng đầu vào của toàn bộ giai đoạn cộng với trở kháng nguồn, thì bạn cũng cần phải xem xét Rs mắc nối tiếp với các điện trở phân cực cơ bản, ( Rs + R1 || R2 ).

Trở kháng đầu ra của một tầng phát chung chỉ bằng điện trở cực thu song song với điện trở tải ( R C || R L ) nếu được kết nối khác chỉ R C của nó . Việc đạt được điện áp, Av của bộ khuếch đại phụ thuộc vào R C / R E .

Các tụ điện phát bypass, C E có thể cung cấp một con đường đất AC cho Emitter, shorting ra điện trở emitter, R E chỉ để lại tín hiệu kháng Emitter, tái trong chân Emitter. Ảnh hưởng của điều này là làm tăng độ lợi của bộ khuếch đại (từ 0,5 đến 33) ở tần số cao nhưng cũng làm giảm giá trị trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại, (từ 18,5kΩ xuống 2,2kΩ).

Khi loại bỏ tụ điện rẽ nhánh này, điện áp bộ khuếch đại tăng, Av giảm và Z IN tăng. Một cách để duy trì một lượng cố định của mức khuếch đại và trở kháng đầu vào là bao gồm một điện trở bổ sung mắc nối tiếp với C E để tạo ra cái được gọi là mạch khuếch đại “bộ phát tách”, là sự cân bằng giữa một bộ khuếch đại không vượt qua và một bộ khuếch đại bỏ qua hoàn toàn. mạch điện. Lưu ý rằng việc bổ sung hoặc loại bỏ tụ điện rẽ nhánh này không ảnh hưởng đến trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại.

Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng trở kháng đầu vào và đầu ra của một bộ khuếch đại có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định các đặc tính truyền của một bộ khuếch đại liên quan đến mối quan hệ giữa dòng điện đầu ra, Ic và dòng điện đầu vào, Ib . Biết trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại có thể giúp xây dựng đồ họa một tập hợp các đường đặc tính đầu ra cho bộ khuếch đại.