Bài tập Điện tử tương tự - ThS.Lê Đức Toàn

Chia sẻ: Quanot | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:120

Thêm vào BST

Báo xấu

1.629
lượt xem 322
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đầu tiên, tác giả tóm tắt ngắn gọn lý thuyết theo thứ tự các chương để sinh viên ôn lại kiến thức, sau đó mới giới thiệu một số bài tập có lời giải và không có lời giải để sinh viên làm quen và vận dụng kiến thức đã học vào các bài tập đó. Cuốn sách này được dùng để làm tài liệu tham khảo bổ ích giúp cho sinh viên ôn tập môn học “Điện tử tương tự”.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài tập Điện tử tương tự - ThS.Lê Đức Toàn

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI TẬP ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ Tài liệu dùng cho hệ Đại học - Cao đẳng ngành Điện - Điện tử và Điện tử - Viễn thông Biên soạn: Ths. LÊ ĐỨC TOÀN HÀ NỘI 2009 1
Lời nói đầu Cuốn này được dùng để giúp sinh viên học môn “Điện tử tương tự”. Đây là cuốn tài liệu tham khảo bổ ích cho sinh viên ngành Điện tử - Viễn thông và Điện - Điện tử. Trong quá trình biên soạn tác giả đã trình bày nội dung theo trình tự các chương của cuốn bài giảng “Điện tử tương tự”. Nội dung cuốn sách được chia làm 3 phần: Phần 1 Tóm tắt ngắn gọn lý thuyết theo thứ tự các chương. Phần 2 Bài tập có lời giải để giúp sinh viên làm quen với cách giải. Phần 3 Bài tập cho sinh viên tự giải. Trong quá trình biên soạn mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng không thể tránh được sai sót, tác giả mong nhận được sự góp ý của bạn đọc để sửa chữa và bổ sung thêm. Tác giả 2
PHẦN I TÓM TẮT LÝ THUYẾT Chương I KHUẾCH ĐẠI VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG KHUẾCH ĐẠI I. Các tham số cơ bản của một tầng khuếch đại Khuếch đại là quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở đó năng lượng một chiều của nguồn cung cấp (không chứa thông tin) được biến đổi thành năng l ượng xoay chiều theo tín hiệu điều khiển đầu vào (chứa thông tin) làm cho tín hiệu ra l ớn lên nhiều lần và không méo. 1. Hệ số khuếch đại Khuếch đại điện áp ta có KU. - Khuếch đại dòng điện ta có KI. - Khuếch đại công suất ta có KP. - Vì tầng khuếch đại có chứa các phần tử điện kháng nên K là một số phức. = K exp(j.ϕk) Phần mô đun |K| thể hiện quan hệ về cường độ (biên độ) giữa các đ ại l ượng đầu ra và đầu vào, phần góc ϕk thể hiện độ dịch pha giữa chúng. Nhìn chung độ lớn của |K| và ϕk phụ thuộc vào tần số ω của tín hiệu vào. Đồ thị hàm│K| = f(ω) gọi là đặc tuyến biên độ - tần số của tầng khuếch đại. Đồ thị hàm ϕk=f(ω) gọi là đặc tuyến pha - tần số của tầng khuếch đại. Có thể tính │K| theo đơn vị dB theo công thức: │K| (dB) = 20lg│K| Nếu có n tầng khuếch đại mắc liên tiếp thì hệ số khuếch đại sẽ là: KTP = K1.K2…..Kn Với đơn vị dB sẽ là: KTP(dB) = K1(dB) + K2(dB) +…….+ Kn(dB) 2. Trở kháng lối vào và lối ra Trở kháng lối vào, lối ra của tầng khuếch đại được định nghĩa: . . 3. Méo tần số 3
Méo tần số là méo do độ khuếch đại của mạch khuếch đại bị giảm ở vùng hai đầu giải tần. ở vùng tần số thấp có méo thấp M t, ở vùng tần số cao có méo tần số cao MC. Chúng được xác định theo biểu thức: K0 là hệ số khuếch đại ở vùng tần số trung bình. Trong đó: KC là hệ số khuếch đại ở vùng tần số cao. Kt là hệ số khuếch đại ở vùng tần số thấp. 4. méo phi tuyến Méo phi tuyến là khi UV chỉ có thành phần tần số ω mà đầu ra ngoài thành phần hài co bản ω còn xuất hiện các thành phần hài bậc cao nω (n = 2, 3, 4...) với biên độ tương ứng giảm dần. Méo phi tuyến là do tính chất phi tuyến của các phần tử như tranzito gây ra. Hệ số méo phi tuyến được tính: 5. Hiệu suất của tầng khuếch đại Hiệu suất của một tầng khuếch đại là đại lượng được tính bằng tỷ số giữa công suất tín hiệu xoay chiều đưa ra tải Pr với công suất một chiều của nguồn cung cấp P0. II. Phân cực và chế độ làm việc một chiều của Tranzito lưỡng cực 1. Nguyên tắc chung phân cực tranzito lưỡng cực Có hai cách phân áp cho Tranzito là phương pháp đ ịnh dòng và đ ịnh áp Bazơ nh ư hình vẽ: Hình 1.1 là phương pháp định dòng Bazơ, từ sơ đồ ta có: (vì UBE0 nhỏ). Hình 1.2 là phương pháp định áp Bazơ, thực tế thì IB0
2. Hiện tượng trôi điểm làm việc và các phương pháp ổn định Trong quá tình làm việc của Tranzito điểm làm việc tĩnh có thể bị dịch chuyển do nhiệt hay tạp tán của nó. Để giữ điểm làm việc của Tranzito ổn định người ta dùng các phương pháp ổn định điểm làm việc. Có hai phương pháp ổn định: a. Ổn định tuyến tính: dùng hồi tiếp âm một chiều làm thay đ ổi thiên áp mạch vào của Tranzito để hạn chế sự di chuyển của điểm làm việc. Hình 1-3 là sơ đồ ổn định điểm làm việc bằng hồi tiếp âm điện áp. Ở đây R B vừa làm nhiệm vụ đưa điện áp vào cực gốc bằng phương pháp định dòng Bazơ, vừa dẫn điện áp hồi tiếp về mạch vào. Nếu có một nguyên nhân mất ổn định nào đó làm cho dòng một chiều IC0 tăng lên thì điện thế UCE0 giảm (do UCE ≈ UCC – IC0.RC) làm UBE0 giảm, kéo theo dòng IB0 giảm làm cho IC0 giảm (vì IC0 = β.), nghĩa là dòng IC0 ban đầu được giữ ổn định tương đối. Hình 1-4 là sơ đồ ổn định điểm làm việc bằng hồi tiếp âm dòng điện. Trong sơ đồ này RE làm nhiệm vụ hồi tiếp âm dòng điện một chiều. Khi IC0 tăng do nhiệt độ tăng hay do độ tạp tán tham số của tranzito thì điện áp hạ trên RE (UE0 = IE0.RE) tăng. Vì điện áp UR2 lấy trên điện trở R2 hầu như không đổi nên điện áp U BE0 = UR2 - UE0 giảm, làm cho IB0 giảm, do đó IC0 không tăng lên được, tức là I C0 được giữ ổn định tương đối. b. Ổn định phi tuyến: dùng phương pháp bù nhiệt nhờ các phần tử có tham số phụ thuộc vào nhiệt độ như tranzito, điốt, điện trở nhiệt. III. Phân cực và chế độ làm việc một chiều của Tranzito trường Về nguyên tắc, việc cung cấp và ổn định điểm làm việc của Tranzito trường cũng giống như với Tranzito lưỡng cực. Đối với Tranzito trường xác định điểm làm việc thông qua ID, UGS, và UDS. Để JFET làm việc trong miền khuếch đại phải có các điều kiện sau: 1. 0 < | ID| < | IDSS| 2. Điện áp cực cửa – cực nguồn: UP < UGS với kênh n UP > UGS với kênh p 5
Phương trình hàm truyền đạt của JFET: (1) Vì dòng qua RG gần như bằng không nên ta có: UGS = - ID.RS (2) Điểm làm việc tĩnh là giao điểm của phương trình (1) và (2). Mạch ổn định điểm làm việc dùng hồi tiếp âm thông qua RS. Nếu không muốn hồi tiếp âm xoay chiều ta thêm CS như trên mạch điện. Với một số mạch có thể thêm R1 (it dùng). Ưu điểm lớn nhất của Tranzito trường là trở kháng vào rất lớn, nên đ ể R G ít ảnh hưởng tới trở kháng vào của mạch người ta chọn RG rất lớn (cỡ MΩ ). IV. Hồi tiếp trong mạch khuếch đại Hồi tiếp là ghép một phần tín hiệu ra (điện áp hoặc dòng điện) của bộ khuếch đại về đầu vào thông qua mạch hồi tiếp. Phân loại hồi tiếp: - Hồi tiếp dương: tín hiệu hồi tiếp cùng pha với tín vào, hồi tiếp dương sẽ làm bộ khuếch đại mất ổn định, do đó nó không được sử dụng trong mạch khuếch đ ại, hồi tiếp dương được sử dụng trong mạch tạo dao động. - Hồi tiếp âm: tín hiệu hồi tiếp ngược pha với tín hiệu vào, hồi tiếp âm đóng vai trò rất quan trọng trong mạch khuếch đại. Nó cải thiện các tính chất của mạch khuếch đại. - Trong hồi tiếp âm có hồi tiếp âm một chiều và hồi tiếp âm xoay chiều. + Hồi tiếp âm một chiều được dùng để ổn định điểm làm việc tĩnh. + Hồi tiếp âm xoay chiều được dùng để ổn định các tham số của bộ khuếch đại. - Mạch điện bộ khuếch đại có hồi tiếp được phân làm 4 loại: + Hồi tiếp nối tiếp điện áp: Tín hiệu đưa về đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu vào và tỷ lệ với điện áp đầu ra. 6
+ Hồi tiếp nối tiếp dòng điện: Tín hiệu đưa về đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu vào và tỷ lệ với dòng điện ra. + Hồi tiếp song song điện áp: Tín hiệu đưa về đầu vào song song với nguồn tín hiệu vào và tỷ lệ với điện áp đầu ra. + Hồi tiếp song song dòng điện: Tín hiệu đưa về đầu vào song song với nguồn tín hiệu vào và tỷ lệ với dòng điện ra. 1. Các phương trình của mạng 4 cực khuếch đại có hồi tiếp Từ sơ đồ ta có: XR = K.Xh; Xht = Kht.XR; Xh = Xv – Xht. Từ 3 phương trình trên ta rút ra được: (*) Trong đó: K’ là hệ số khuếch đại của mạng 4 cực khuếch đại có hồi tiếp âm. KV = K.Kht gọi là hệ số khuếch đại vòng. g = 1 + K.Kht gọi là độ sâu hồi tiếp. Khi  ht>>1 theo biểu thức (*) ta có: K.K Từ biểu thức này ta có nhận xét: một bộ khuếch đại có hồi tiếp có hệ số khuếch đại vòng rất lớn thì hàm truyền đạt của nó (K’) hầu như không phụ thuộc vào tính chất của bộ khuếch đại mà chỉ phụ thuộc vào tính chất của mạch hồi tiếp. Tức là các tham số của bộ khuếch đại không ảnh hưởng đến hàm truyền đạt của bộ khuếch đại có hồi tiếp mà chỉ phụ thuộc vào các tham số của mạch hồi tiếp. 2. Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến tầng khuếch đại 2.1. Làm giảm hệ số khuếch đại. Hồi tiếp âm làm hệ số khuếch đại của tầng khuếch đại có hồi tiếp giảm g l ần g = 1 + K.Kht là độ sâu hồi tiếp. 7
2.2. Làm thay đổi trở kháng vào, trở kháng ra của mạch. - Hồi tiếp âm song song làm giảm trở kháng vào của tầng khuếch đại có hồi tiếp g lần. ZV’ = Zv/g - Hồi tiếp âm nối tiếp làm tăng trở kháng vào của tầng khuếch đại có hồi tiếp g lần. ZV’ = ZV.g - Hồi tiếp âm điện áp làm giảm trở kháng ra của tầng khuếch đại có hồi tiếp g lần. ZR’ = ZR/g - Hồi tiếp âm dòng điện làm tăng trở kháng ra của tầng khuếch đại có hồi tiếp g lần. ZR’ = ZR.g Trong đó Zv, ZR là trở kháng vào ra của tầng khuếch đại. Zv’, ZR’ là trở kháng vào ra của tầng khuếch đại có hồi tiếp âm. 2.3. Tăng độ rộng dải thông Trên hình 1-8 đường nét liền là đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại không có hồi tiếp âm. Nét đứt là đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại có hồi tiếp âm. Ta có thể nhận thấy khi có hồi tiếp âm hệ số khuếch đại của toàn tầng giảm nhưng giải thông của nó được tăng lên (∆ f’ > ∆ f). Ngoài ra hồi tiếp âm còn có tác dụng quan trọng trong khuếch đại như: - Giảm nhiễu. - Giảm méo phi tuyến. - Giảm méo tần số. - Làm ổn định hệ số khuếch đại. 8
Chương II CÁC SƠ ĐỒ CƠ BẢN CỦA TẦNG KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ I. Sơ đồ dùng Tranzito lưỡng cực 1. Sơ đồ Emitơ chung (EC) 9
Trở kháng vào của mạch ZV = rBE Trở kháng ra ZR = rCE//RC ≈ RC Hệ số khuếch đại dòng Ki = β Hệ số khuếch đại điện áp KU = - S.RC = - .RC Góc pha Tín hiệu ra ngược pha tín hiệu vào. 2. Sơ đồ Colectơ chung (CC) Trở kháng vào của mạch ZV = rBE + (β+1)RE. Trở kháng ra ZR = RE//. Hệ số khuếch đại dòng Ki = β + 1 Hệ số khuếch đại điện áp KU = 1. Góc pha Tín hiệu ra cùng pha tín hiệu vào. 3. Bazơ chung (BC) 10
Trở kháng vào của mạch ZV = Trở kháng ra ZR = rCE//RC ≈ RC Hệ số khuếch đại dòng Ki = 1 Hệ số khuếch đại điện áp KU = S.RC = .RC Góc pha Tín hiệu ra cùng pha tín hiệu vào. II. Sơ đồ dùng Tranzito trường 1. Sơ đồ cực nguồn chung (SC) 11
Trở kháng vào của mạch ZV = RG//RGS = RG Trở kháng ra ZR = RD//RDS Hệ số khuếch đại điện áp KU = -gm.(RD//RDS) Góc pha Tín hiệu ra ngược pha tín hiệu vào. 2. Sơ đồ cực máng chung (DC) Trở kháng vào của mạch ZV = RG. Trở kháng ra . Hệ số khuếch đại điện áp KU = 1 Góc pha Tín hiệu ra cùng pha tín hiệu vào. 3. Sơ đồ cực cổng chung (GC) Trở kháng vào của mạch Trở kháng ra Hệ số khuếch đại điện áp 12
KU = gmRD Góc pha Tín hiệu ra cùng pha tín hiệu vào. III. Ảnh hưởng của nội trở nguồn tín hiệu và điện trở tải đến mạch khuếch đại Giả sử ta có tầng khuếch đại hình 2-13. Trong đó K là hệ số khuếch đại, Z V và ZR là trở kháng vào ra của tầng khuếch đại. Từ sơ đồ ta có hệ số khuếch đại toàn phần của mạch là: (1) Ta có: và Thay vào biểu thức (1) ta có: (2) Như vậy khi có nội trở nguồn và điện trở tải thì hệ số khuếch đại điện áp bị giảm. Từ biểu thức (2) ta cũng có nhận xét trở kháng vào của mạch càng lớn càng tốt, tr ở kháng ra của mạch càng nhỏ càng tốt. 13
Chương III TẦNG KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT I. Chế độ công tác và điểm làm việc của tầng khuếch đại công suất (KĐCS) Tầng khuếch đại công suất là tầng khuếch đại cuối cùng của bộ khuếch đại, có tín hiệu vào lớn. Nó có nhiệm vụ khuếch đại cho ra tải một công suất lớn nhất có thể được, với độ méo cho phép vào bảo đảm hiệu suất cao. Các tham số cơ bản của tầng khuếch đại công suất là: - Hệ số khuếch đại công suất Kp là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào. - Hiệu suất là tỷ số công suất ra và công suất cung cấp một chiều P0. .% Hiệu suất càng lớn thì công suất tổn hao trên cực góp của tranzito càng nhỏ. Tuỳ thuộc vào điểm là việc tĩnh của tranzito mà tầng khuếch đại công suất có thể làm việc ở các chế độ A, AB, B và C. Chế độ A là chế độ mà điểm làm việc tĩnh của Tranzito nằm giữa đường tải một chiều, ở chế độ này tín hiệu được khuếch đại cả hai bán chu kỳ. Ở chế độ này dòng tĩnh luôn lớn hơn biên độ dòng điện ra nên méo nhỏ nhưng hiệu suất rất thấp (η
Chế độ AB là chế độ mà điểm làm việc tĩnh của Tranzito là điểm giữa chế độ A và chế độ B. Ở chế độ này tín hiệu được khuếch đại hơn một nửa chu kỳ. Lúc này dòng tĩnh bé hơn chế độ A nên hiệu suất cao hơn (η
Hiệu suất này là đã bỏ qua vùng tắt và vùng bão hòa, trên thực tế hiệu suất c ực đại của mạch nhỏ hơn 25%. Nếu đầu ra ghép điện dung với tải thì hiệu suất ra còn nhỏ hơn nữa vì tín hiệu bị tổn hao trên RC. Để tăng hiệu suất cho mạch người ta thường ghép biến áp với t ải. Khi đó v ừa phối hợp được trở kháng với tải vừa không bị tổn hao công suất nguồn trên RC. 2. Sơ đồ E chung ghép biến áp với tải Có thể nhận thấy đường tải 1 (hình 3-6) chiều gần như song song với tr ục tung do điện trở thuần của cuộn W1 là rất bé. 16
Bỏ qua vùng tắt và vùng bão hòa của Tranzito ta có công suất ra: Từ đồ thị ta thấy: Công suất ra lớn nhất: Công suất nguồn cung cấp cho mạch: Ta có hiệu suất cực đại của mạch là: 3. Sơ đồ C chung 17
Nếu bỏ qua vùng tắt và vùng bão hòa của Tranzito từ đồ thị ta thấy: Công suất ra lớn nhất: Công suất nguồn cung cấp cho mạch: Ta có hiệu suất cực đại của mạch là: Nếu đầu ra ghép điện dung với tải thì hiệu suất ra còn nhỏ hơn nữa vì tín hiệu bị tổn hao trên RE. Để tăng hiệu suất cho mạch người ta thay RE bằng một nguồn dòng (hình 3-10) khi đó dòng tín hiệu sẽ hoàn toàn đi qua Rt, do đó sẽ đạt được hiệu suất gần 25%. T 2, R1, D tạo thành nguồn dòng. III. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo Khi muốn tăng hiệu suất và công suất ra người ta dùng tầng khuếch đại đẩy kéo. Tầng khuếch đại đẩy kéo gồm ít nhất là hai Tranzito mắc chung tải, chúng sẽ thay nhau khuếch đại hai nửa chu kỳ tín hiệu. Tầng đẩy kéo có hai cách mắc là đẩy kéo nối tiếp và đẩy kéo song song. Đẩy kéo song song phải ghép biến áp với tải. Đẩy kéo có thể dùng Tranzito cùng loại hoặc khác loại (một Tranzito thuận một tranzito ngược). Nếu dùng Tranzito khác loại thì tín hiệu đưa vào hai tranzito là cùng 18
pha, nếu dùng Tranzito cùng loại thì tín hiệu đưa vào hai tranzito là ngược pha, do đó trước tầng đẩy kéo dùng Tranzito cùng loại phải có tầng đảo pha tín hiệu. Tầng đẩy kéo thường làm việc ở chế độ B hoặc AB cũng có thể làm việc ở chế độ A nhưng ít gặp. Chế độ B cho công suất và hiệu suất ra lớn hơn nhưng méo l ớn hơn chế độ AB. Hiệu suất và Công suất ra của hai chế độ này là gần bằng nhau, do đó khi tính toán để đơn giản người ta tính các thông số này ở chế độ B. 1. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo ghép biến áp Mạch gồm hai Tranzito Q1 và Q2 thay nhau khuếch đại hai nửa chu kỳ tín hi ệu. BA2 là biến áp ghép 2 nửa chu kỳ tín hiệu để đưa ra tải. Cuộn sơ cấp c ủa BA2 bao gồm hai cuộn có số vòng là W1 quấn cùng chiều, cuộn sơ cấp có số vòng là W2. BA1 là biến áp đảo pha để đưa hai nửa chu kỳ tín hiệu vào Q1 và Q2, cu ộn th ứ cấp bao gồm hai cuộn có số vòng bằng nhau và quấn cùng chiều. Mạch có thể làm việc ở chế độ B hoặc AB. Nếu chọn R 1 và R2 để giá trị điện áp một chiều trên cực Bazơ của Q1 và Q2 thỏa mãn thì mạch làm việc ở chế độ AB. Nếu muốn mạch làm việc ở chế độ B tức là điện áp một chiều trên cực Bazơ của Q 1 và Q2 bằng không, khi đó chỉ việc bỏ R1 và nối tắt R2. Nguyên lý làm việc của mạch: + Với nửa chu kỳ dương của tín hiệu qua BA1 cực Bazơ của Q1 dương nên Q1 sẽ khuếch đại, cực Bazơ của Q2 âm nên Q2 tắt . Trên cuộn W1 nối với cực Collectơ của Q1 sẽ có dòng IC1 = β1.IB1, dòng này sẽ qua BA2 đưa ra tải, còn trên cuộn W 1 nối với cực Collectơ của Q2 không có dòng do Q2 tắt. + Với nửa chu kỳ âm của tín hiệu qua BA1 cực Bazơ của Q2 dương nên Q2 sẽ khuếch đại, cực Bazơ của Q1 âm nên Q1 tắt . Trên cuộn W1 nối với cực Collectơ của Q2 sẽ có dòng IC2 = β2.IB2, dòng này sẽ qua BA2 đưa ra tải, còn trên cuộn W 1 nối với cực Collectơ của Q1 không có dòng do Q1 tắt. Như vậy trên tải sẽ có đủ hai nửa chu kỳ tín hiệu đã được khuếch đại. 19
Để tính công suất và hiệu suất của mạch thì chỉ cần tính trong một nửa chu kỳ tín hiệu. Vì hiệu suất và công suất của hai chế độ AB và B là gần bằng nhau nên để đơn giản ta tính công suất và hiệu suất ra ở chế độ B. Khi có tín hiệu trên Collectơ của Q 1 và Q2 sẽ có điện trở tải do Rt phản ánh qua BA2. được tính như sau: = n2.Rt là tỉ số BA2. Trong đó: Ta có phương trình đường tải xoay chiều cho Q1: Đường tải xoay chiều được vẽ trên hình 3-12. Đường tải 1 chiều gần như thẳng đứng do điện trở thuần của cuộn W1 rất bé. Công suất ra của mạch được tính: Công suất ra cực đại: Căn cứ vào đồ thị ta thấy: Như vậy công suất ra cực đại của mạch là: 20