Giáo trình Mạch điện tử - Chương 4: Ảnh hưởng của nội trở nguồn và tổng trở tải

Chương 4: Ảnh hưởng của nội trở nguồn và tổng trở tải

Chương 4

ẢNH HƯỞNG CỦA NỘI TRỞ NGUỒN TÍN HIỆU (R_S) VÀ

TỔNG TRỞ TẢI (R_L) LÊN MẠCH KHUẾCH ÐẠI

Trong các chương trước, chúng ta đã phân tích và tính toán các thông số của mạch

khuếch đại dùng BJT và FET khi không có tải và nguồn tín hiệu được xem như lý tưởng

(không có nội trở). Thực tế, nguồn tín hiệu luôn có nội trở R_Svà mạch có tải R_L. Nội trở

R_Svà tải R_Lnhư vậy sẽ làm thay đổi các thông số của mạch như tổng trở vào, tổng trở ra,

độ lợi điện thế và độ lợi dòng điện. Nội dung của chương này là khảo sát ảnh hưởng của

R_Svà R_Llên các thông số.

4.1 HỆ THỐNG 2 CỔNG (two-port systems)

Người ta thường xem BJT và FET như một hệ thống 2 cổng (hay tứ cực) như hình 4.1

Trong đó v_i, i_i, Z_ilần lượt là điện thế (tín hiệu), dòng điện và tổng trở của ngõ vào.

v₀, i₀, Z₀là điện thế, dòng điện và điện trở của ngõ ra. A_VNL, A_INLlà độ lợi điện thế và độ

lợi dòng điện của hệ thống. Toàn bộ các thông số này được định nghĩa khi ngõ ra không

mắc tải và không có điện trở nguồn R_S.

Áp dụng định lý Thevenin ở hai cực của ngõ ra, ta có:

Z_th=Z₀=R₀

Nguồn điện thế Thevenin E_thlà điện thế mạch hở giữa 2 đầu ngõ ra, đó là v₀. Vậy:

Nên E_th=A_VNL.v_i

Ta có thể dùng R_i=Z_i=v_i/i_iđể biểu diễn mạch ngõ vào và dùng nguồn Thevenin

E_th=A_VNL.V_ivà Z₀=R₀để biểu diễn ngỏ ra của hệ thống 2 cổng.

Trương Văn Tám

IV-1

Mạch Điện Tử

Chương 4: Ảnh hưởng của nội trở nguồn và tổng trở tải

Ðể thử lại mạch tương đương này, ta thử tìm Z₀và A_VNL. Ðể tìm Z₀, ta nối tắt ngõ

vào tức v_i=0v, từ đó A_VNL.v_i=0v và tương đương với mạch nối tắt, do đó Z₀=R₀như đã

định nghĩa phía trên. Sự vắng mặt của tải sẽ đưa đến i₀=0 và điện thế giảm qua R₀là

V_R0=0. Do đó ở ngõ ra hở chính bằng nguồn A_VNL.v_i.

Thí dụ: Cho mạch phân cực cố định như hình 4.3. Hãy vẽ mạch tương đương 2

cổng.

Giải:

Phân giải mạch này ta tìm được: Z_i=1.07kΩ; Z₀=3kΩ; A_VNL=-280.11 (xem lại

chương 2)

Dùng các dữ kiện này ta vẽ lại mạch tương đương 2 cổng như hình 4.4.

Dấu trừ trong nguồn điện thế phụ thuộc có nghĩa là nguồn điện thế thật sự ngược với

nguồn điều khiển chỉ định trên hình vẽ. Nó cũng cho thấy độ lệch pha 180⁰giữa điện thế

ngõ vào và ngõ ra.

Trong thí dụ trên, điện trở R_C=3kΩ được đưa vào để xác định độ lợi điện thế không

tải. Sự phân tích trong chương này sẽ xem các điện trở phân cực là thành phần của độ lợi

không tải, tải R_Lsẽ được nối vào các cực của ngõ ra.

4.2 HIỆU ỨNG CỦA TỔNG TRỞ TẢI R_L

Phần này, ta xem ảnh hưởng của tổng trở tải R_Lđối với kiểu mẩu 2 cổng. (xem

hình 4.5)

Áp dụng công thức cầu chia điện thế ở mạch ngõ ra ta có:

Trương Văn Tám

IV-2

Mạch Điện Tử

Chương 4: Ảnh hưởng của nội trở nguồn và tổng trở tải

Tuy R_ithay đổi tùy theo dạng mạch, nhưng dòng điện ngõ vào luôn luôn được xác

định bởi:

Ðộ lợi dòng điện như vậy có thể tìm được từ độ lợi điện thế, tổng trở vào và

điện trở tải.

Ðường thẳng lấy điện động: (xoay chiều)

được xem như nối tắt và tải của mạch điện được xem là R_Lvà điện trở cực thu R_Cmắc

song song với nhau. Tác dụng của điện trở tải R_Llàm cho đường thẳng lấy điện động có

dốc đứng hơn dòng điện lấy điện tĩnh. Ðiểm chú ý quan trọng là cả 2 đường thẳng này

đều qua cùng một điểm Q.

Trương Văn Tám

IV-3

Mạch Điện Tử

Chương 4: Ảnh hưởng của nội trở nguồn và tổng trở tải

Khi chưa mắc tải R_L, nếu ta áp một tín hiệu nhỏ hình sin vào cực nền của transistor ,

dòng điện cực nền của transistor sẽ biến động từ I_B1đến I_B3nên điện thế ngỏ ra V_CEcũng

biến động như hình vẽ. Nếu ta mắc tải R_Lvào, vì sự biến động của I_Bvẫn không thay đổi

nhưng độ dốc của đường thẳng lấy điện đã thay đổi (đứng hơn) nên tín hiệu ra V_CEnhỏ

hơn.

4.3 ẢNH HƯỞNG CỦA NỘI TRỞ NGUỒN R_S

Bây giờ ta quay lại ngõ vào của hệ thống 2 cổng và khảo sát ảnh hưởng của nội trở

của nguồn tín hiệu lên độ lợi của mạch khuếch đại.

Hình 4.8 mô tả một nguồn tín hiệu V_Scó nội trở R_Sđược áp vào ngõ vào của hệ

thống 2 cổng căn bản.

Trương Văn Tám

IV-4

Mạch Điện Tử

Chương 4: Ảnh hưởng của nội trở nguồn và tổng trở tải

Từ định nghĩa của Z_ivà A_VNLta thấy chúng không bị ảnh hưởng bởi nội trở R_S

nhưng tổng trở ra có thể bị ảnh hưởng bởi R_S.

Từ hình 4.8, ta thấy tín hiệu v_iđưa vào hệ thống 2 cổng bây giờ là:

Như vậy nếu nội trở nguồn R_Scàng lớn thì độ lợi của mạch càng nhỏ (do tín hiệu

vào v_inhỏ).

Với hệ thống 2 cổng bên trên ta có:

4.4 ẢNH HƯỞNG CHUNG CỦA R_SVÀ R_L:

Hình 4.9 là một nguồn tín hiệu với nội trở R_Svà một tải R_Lđược mắc vào hệ thống 2

cổng với các thông số riêng Z_i=R_i, A_VNL, Z₀=R₀như đã định nghĩa.

Ở ngõ vào ta có:

Ðộ lợi toàn mạch:

Trương Văn Tám

IV-5

Mạch Điện Tử

Chương 4: Ảnh hưởng của nội trở nguồn và tổng trở tải

Ngoài ra:

Vì i_S=i_inên A_is=A_itức phương trình (4.6) và (4.7) cho cùng một kết quả.

Phương trình (4.5) cho thấy cả hai R_Svà R_Lđều có tác dụng làm giảm độ khuếch

đại.

4.5 MẠCH CỰC PHÁT CHUNG DÙNG BJT:

Trong phần này ta xét các dạng khác nhau của mạch khếch đại cực phát chung dùng

BJT với ảnh hưởng của R_Svà R_L. Sự phân giải chi tiết sẽ không được đề cập đến do quá

quen thuộc. Ở đây ta chỉ đưa ra các kết quả chính.

4.5.1 Mạch phân cực cố định:

Kiểu mạch phân cực cố định đã được xác định các chi tiết trong các phần trước.

Mạch tương đương với nội trở nguồn R_Svà tải R_Lnhư hình 4.10.

Ta có:

Trương Văn Tám

IV-6

Mạch Điện Tử

Chương 4: Ảnh hưởng của nội trở nguồn và tổng trở tải

Với mạch tương đương kiểu mẫu r_enhư hình 4.11 cho mạch phân cực cố định, ta phân giải

và sẽ tìm được cùng kết quả.

Ðể tính A_VS, từ mạch tương 2 cổng ta có:

4.5.2 Mạch dùng cầu chia điện thế:

Với mạch dùng cầu chia điện thế (hình 4.12), tải R_Lđược nối ở cực thu.

4.5.3 Mạch cực phát chung không có tụ phân dòng:

Mạch điện như hình 4.13

Trương Văn Tám

IV-7

Mạch Điện Tử

Chương 4: Ảnh hưởng của nội trở nguồn và tổng trở tải

Tổng trở vào:

Tổng trở ra:

Z₀=R_C

4.5.4 Mạch hồi tiếp cực thu:

Dạng mạch như hình 4.14

4.6 MẠCH CỰC THU CHUNG:

Mạch cực thu chung hay mạch emitter-follower với tải R_Lvà nội trở nguồn R_Snhư

hình 4.15. Ðiểm quan trọng cần chú ý là ở mạch này Z₀sẽ bị ảnh hưởng bởi R_Svà Z_ibị

Trương Văn Tám

IV-8

Mạch Điện Tử

Chương 4: Ảnh hưởng của nội trở nguồn và tổng trở tải

ảnh hưởng bởi R_L. Do đó khi dùng mạch tương đương 2 cổng để phân giải ta phải tính lại

Z_ivà Z₀và đưa các trị số mới này vào mạch tương đương 2 cổng (xem ở thí dụ).

Trong đó: R’_E=R_E//R_L; i_e=(β+1)i_b

Từ mạch ngõ vào ta có:

v_S=(R_S+βr_e)i_b+ (β+1)R’_Ei_b

Từ phương trình này ta có thể vẽ mạch tương đương:

Từ đó ta có:

Trương Văn Tám

IV-9

Mạch Điện Tử

Chương 4: Ảnh hưởng của nội trở nguồn và tổng trở tải

Thí dụ: Cho mạch điện hình 4.18. Các thông số của mạch khi không có tải là: Z_i=157.54

kΩ

Z₀=21.6 ( (không có R_S)

A_VNL=0.993 với r_e=21.74Ω, β=65

Xác định: a/ Giá trị mới của Zi và Z₀khi có R_Lvà R_S.

Giải

Trương Văn Tám

IV-10

Mạch Điện Tử

Chương 4: Ảnh hưởng của nội trở nguồn và tổng trở tải

a/ Ta có tổng trở vào và tổng trở ra khi có R_Svà R_Llà:

Z_i=R_B//[βr_e+ R_E//R_L] = 75.46kΩ

Z₀=R_E//(R_S/β + r_e)=30.08Ω

b/ Ta có mạch tương đương 2 cổng:

4.7 MẠCH CỰC NỀN CHUNG:

Mạch căn bản như hình 4.20

Tổng trở vào và tổng trở ra (Z_ivà Z₀) cũng giống như trường hợp không tải. Ðộ lợi

điện thế và dòng điện được xác định bởi:

Trương Văn Tám

IV-11

Mạch Điện Tử

Chương 4: Ảnh hưởng của nội trở nguồn và tổng trở tải

4.8 MẠCH DÙNG FET:

Ở FET, do cực cổng cách điện hẳn khỏi cực nguồn và cực thoát, nên trong mạch

khuếch đại dùng FET tải R_Lkhông ảnh hưởng đến tổng trở vào Z_ivà nội trở nguồn R_sig

không ảnh hưởng lên tổng trở ra Z₀.

4.8.1 Ðiện trở cực nguồn có tụ phân dòng:

Xem mạch khuếch đại dùng FET như hình 4.21. Tải R_Lđược xem như mắc song

song với điện trở R_Dtrong mạch tương đương với tín hiệu nhỏ. Ta có các kết quả sau:

4.8.2 Ðiện trở cực nguồn không có tụ phân dòng:

Mạch căn bản như hình 4.21 nhưng không có tụ C_S. Ta có kết quả:

4.8.3 Mạch cực thoát chung:

Mạch như hình 4.22

Tổng trở vào Z_iđộc lập với R_Lvà được xác định bởi Z_i=R_G

Trương Văn Tám

IV-12

Mạch Điện Tử

Chương 4: Ảnh hưởng của nội trở nguồn và tổng trở tải

Ðộ lợi điện thế khi có tải cũng giống như khi không có tải với R_Sđược thay bằng

R_S//R_L

4.8.4 Mạch cực cổng chung:

Dạng mạch như hình 4.23

BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG IV

Bài 1: Cho mạch điện như hình 4.24

a/ Xác định A_VNL, Z_i, Z₀

b/ Vẽ mạch tương đương 2 cổng với các thông số tính ở câu a.

c/ Tính độ lợi điện thế A_V=v₀/v_ibằng cách dùng kiểu mẫu 2 cổng.

d/ Xác định độ lợi dòng điện A_i=i₀/i_i

e/ Xác định A_V, Z_i, Z₀bằng cách dùng kiểu mẫu r_evà so sánh kết quả với phần trên.

Trương Văn Tám

IV-13

Mạch Điện Tử

Chương 4: Ảnh hưởng của nội trở nguồn và tổng trở tải

Bài 2: Cho mạch điện hình 4.25

a/ Xác định A_VNL, Z_i, Z₀

b/ Vẽ mạch tương 2 cổng với các thông số được tính ở câu a.

c/ Xác định A_v=v₀/v_ivà A_VS= v₀/v_S.

d/ Thay R_S=1k, xác định A_Vvà A_VS. Khi R_Stăng A_Vvà A_VSthay đổi như thế nào?

e/ Thay R_S=1k, xác định A_VNL, Z_i, Z₀. Các thông số này thay đổi ra sao khi R_Stăng.

f/ Thay R_L=5.6k.Xác định A_Vvà A_VS. Khi R_Ltăng A_Vvà A_VSthay đổi như thế nào?

(R_Svẫn là 0.6k).

Bài 3: Cho mạch điện hình 4.26

a/ Xác định A_VNL, Z_i, Z₀.

b/ Vẽ mạch tương đương 2 cổng với các thông số tính được ở câu a.

c/ Xác dịnh A_Vvà A_VS.

d/ Thay R_L=4.7k. Tìm lại A_V, A_VS. Nhận xét?

e/ Thay R_Sig=1k (với R_L=4.7k). tìm lại A_Vvà A_VS. Nhận xét?

f/ Thay R_L=4.7k, R_Sig=1k. Tìm lại Z_i, Z₀. Nhận xét?

Trương Văn Tám

IV-14

Mạch Điện Tử

Chương 4: Ảnh hưởng của nội trở nguồn và tổng trở tải

Trương Văn Tám

IV-15

Mạch Điện Tử

Giáo trình Mạch điện tử - Chương 4: Ảnh hưởng của nội trở nguồn và tổng trở tải - Trương Văn Tám