Giáo trình Mạch điện - Chương 4: Phân tích & thiết kế mạch tín hiệu nhỏ tần số thấp

Chương 4 1 
Chương 4: PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ MẠCH TÍN HIỆU NHỎ TẦN SỐ THẤP 
4.1 Giới thiệu 
4.2 Các thông số Hybrid 
4.3 Cấu hình E chung (Common Emitter – CE) 
4.4 Cấu hình B chung (Common Base – CB) 
4.5 Cấu hình C chung (Common Collector – CC) 
4.6 Tóm tắt các thông số cơ bản trong ba cách mắc BJT 
Chương 4 2 
4.1 Giới thiệu 
9 Phương pháp đồ thị 
9 Tín hiệu nhỏ 
9 Mô hình mạch tương đương tín hiệu nhỏ 
4.2 Các thông số Hybrid 
• Mạng hai cửa: v1, i1, v2, i2 
• Các thông số đặc trưng: Trở kháng (impedance); dẫn nạp (admittance), hybrid,  
• Các thông số hybrid: 
 2121111 vhihv += 
 2221212 vhihi += 
Với TST: 211 vhihv ri += 
 212 vhihi of += 
Định nghĩa: 
021
1
== vi
vhi = Trở kháng ngõ vào khi ngõ ra ngắn mạch 
Chương 4 3 
012
1
== iv
vhr = Độ lợi điện áp ngược (reverse voltage gain) khi ngõ vào hở mạch 
021
2
== vi
ih f = Độ lợi dòng thuận (forward current gain) khi ngõ ra ngắn mạch 
012
2
== iv
iho = Dẫn nạp ngõ ra khi ngõ vào hở mạch 
Lưu ý: - v1, i1, v2, i2, là các đại lượng tín hiệu nhỏ 
- Các thông số hybrid h phụ thuộc vào tĩnh điểm Q của TST 
- Các thông số hybrid h cho các cấu hình khác nhau (CE, CB, CC) được ký hiệu bằng 
cách thêm vào các chỉ số thích hợp (e, b, c): Ví dụ: hfe là hf cho cấu hình CE,  
4.3 Cấu hình E chung (Common Emitter – CE) 
Sử dụng nguyên lý xếp chồng 
(Superposition): 
- DC: Chương 2 
- AC: Tín hiệu nhỏ: Biến đổi mạch 
tương đương 
Chương 4 4 
Xác định các hệ số hybrid cho cấu hình CE: 
• Độ lợi điện áp ngược hre : Thường rất nhỏ, bỏ qua. 
• Dẫn nạp ngõ ra hoe : Qi
i
iv
ih
B
C
bce
c
oe Δ
Δ=== 0 : Hệ số góc của đặc tuyến (iC,vCE) tại Q. 
Thường hoe ≤ 10- 4 S, và (1/hoe) // RL (≈ 1 ÷ 2K) ⇒ Bỏ qua hoe. 
• Độ lợi dòng thuận hfe : β=≈Δ
Δ== FE
B
C
b
c
fe hQi
i
Qi
ih 
• Trở kháng ngõ vào hie : 
CQ
T
fe
E
BE
fe
B
BE
b
be
ie I
Vmh
Qi
vh
Qi
v
Qi
vh ≈Δ
Δ≈Δ
Δ== 
Mạch tương đương của TST: 
Chương 4 5 
Mạch tương đương của cấu hình CE: 
Xác định các tham số của cấu hình CE: 
 Độ lợi dòng: ( )
ieb
b
fe
i
b
b
L
i
L
i hR
Rh
i
i
i
i
i
iA +−=== 
 Trở kháng ngõ vào: iebi hRZ //= 
 Trở kháng ngõ ra: 
oe
o h
Z 1= (Nếu bỏ qua hoe, Zo →∝) 
Ví dụ 1: Cho mạch sau, giả sử hfe = hFE = 50. Xác định: 
a) Tĩnh điểm Q 
b) Mạch tương đương tín hiệu nhỏ, giả sử bỏ 
qua hoe và hre 
c) Độ lợi dòng Ai = iL / ii 
d) Trở kháng ngõ vào nhìn từ nguồn dòng 
e) Trở kháng ngõ ra nhìn từ tải 1K 
Chương 4 6 
a) Tĩnh điểm Q: 
424
5010
10 =+=BBV V; 5010
5010
+
×=bR = 8.3K 
2.2
7.4
/
−=−≈+
−=
e
BEBB
be
BEBB
CQ R
VV
RR
VVI β = 1.5mA; CQecCCCEQ IRRVV )( +−= = 15V 
b) Mạch tương đương tín hiệu nhỏ: 
5.1
255025 ==
CQ
feie I
mVhh = 833Ω 
Bỏ qua hoe và hre, mạch tương 
đương tín hiệu nhỏ: 
c) Độ lợi dòng Ai: 
i
b
b
L
i
L
i i
i
i
i
i
iA == ; 
Lc
c
b
L
RR
R
i
i
+−= )50( = - 39.6; ieib
ib
i
b
hrR
rR
i
i
+= )//(
)//(
 = 0.85 ⇒ Ai = (0.85)(-39.6) = - 34 
d) Trở kháng ngõ vào: 
iebii hRrZ ////= = 700Ω 
e) Trở kháng ngõ ra: 
Zo = RC = 3.8K 
Chương 4 7 
Ví dụ 2: Tìm độ lợi dòng của mạch khuếch đại trong ví dụ 1, giả sử: hre = 10-4 và h0e = 10-4 mho 
Mạch tương đương: 
Ngõ ra: b
Lcoe
coe
feL iRRh
Rhhi +−= ]//)/1[(
]//)/1[(
 = - 36.7ib 
⇒ vce = RLiL = - 36.7×103 × ib 
Sử dụng KVL ngõ vào: vb = 830ib + 10-4 × vce = (830 – 3.67)ib ≈ 830ib 
Nhận xét 1: Aûnh hưởng của hre là không đáng kể 
Sử dụng KCL ngõ vào: bbbbbi iiiiKK
vi 183.1
8300
1
10000
1830
3.8
1
10
1 =+⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ +=+⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ += 
Suy ra: =−=== )183.1/1)(7.36(
i
b
b
L
i
L
i i
i
i
i
i
iA -31 
Nhận xét 2: So sánh với ví dụ 1 (Ai = -34), ảnh hưởng của hoe lên Ai là không đáng kể. 
Chương 4 8 
4.4 Cấu hình B chung (Common Base – CB) 
• Các thông số hybrid: 
 veb = hib(-ie) + hrbvcb 
 ic = hfbie + hoevcb 
Lưu ý: Chiều qui ước của ie, ic. 
• Xác định các thông số hybrid: Dùng mạch tương đương CE 
ie
eb
febfecbe h
vhihiii −+=+=+= )1()1( , suy ra: 
9 Trở kháng ngõ vào hib: 
EQ
T
fe
ie
cbe
eb
i
eb
ib I
V
h
h
vi
v
i
vh =+==−== 10 
Chương 4 9 
9 Độ lợi điện áp ngược hrb : hrb ≈ 10 –4 : Thường bỏ qua. 
9 Độ lợi dòng thuận hfb : 10 +=== fe
fe
cbe
c
fb h
h
vi
ih 
9 Dẫn nạp ngõ ra hob : Sử dụng mạch tương đương CE có hoe : 
Theo định nghĩa: 
0== ecb
c
ob iv
ih 
Từ mạch CE: ic = - ib; ihoe = (hfe +1)ib 
⇒ vcb = vce + veb = (-ib)(hfe + 1)(1/hoe) + (-ib)(hie) 
⇒ vcb ≈ (-ib)(hfe + 1)(1/hoe) = (ic)(hfe + 1)(1/hoe) 
⇒ 
fe
oe
ecb
c
ob h
h
iv
ih +=== 10 
 Nhận xét: i) hrb và hob thường rất nhỏ: Bỏ qua 
 ii) Các thông số hybrid CB (hib, hfb, hob) có được bằng cách lấy các thông số CE 
tương ứng chia cho (1+hfe) 
Ví dụ 3: a) Xác định các thông số CB của ví dụ 1, cho 1/hoe = 10K. 
 b) TST trên được sử dụng trong cấu hình CB với ri = 100; RL = 5K. Xác định độ lợi 
dòng Ai ; áp Av , trở kháng vào Zi; ra Zo 
a) Từ ví dụ 1: hfe = 50; hie = 0.83K; hoe = 10 –4 mho; hre = 0. 
Suy ra: 98.0
1
=+= fe
fe
fb h
h
h ; 
fe
ie
ib h
hh += 1 = 16Ω; fe
oe
ob h
hh += 1 = 2×10
-6; hrb = 0. 
Chương 4 10 
b) Mạch tương đương: 
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
+−+−== 16100
100
5500
500)98.0(
i
L
i i
iA = 0.83 
i
L
i
L
i
L
v i
i
r
R
v
vA == = 41.5 
Zi = 16Ω 
Z0 = 500K 
4.5 Cấu hình C chung (Common Collector – CC) (Mạch Emitter Follower - EF) 
• Tính chất: - Độ lợi áp Av ≈ 1 
 - Trở kháng ngõ vào lớn, trở kháng ngõ ra nhỏ: Impedance transformer 
• Phân tích: - Mạch tương đương dùng thông số hybrid cấu hình CC. 
 - Biến đổi tương đương sử dụng thông số hybrid cấu hình CE. 
Thay TST bằng mạch tương đương cấu hình CE: 
Chương 4 11 
9 Nhìn từ cực B: 
vb = vbe + ieRe. Do vbe = ibhie và ieRe = (hfe + 1)ibRe 
⇒ [ ]efebiebb Rhihiv )1( ++= ⇒ Mạch tương đương (chuẩn ib) 
⇒ 
[ ][ ]⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
+++
++⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
++
+==
efeiebi
efeieb
efeie
efe
i
e
v RhhRr
RhhR
Rhh
Rh
v
vA
)1(//
)1(//
)1(
)1(
và efeiei RhhZ )1( ++= 
9 Nhìn từ cực E: 
Biến đổi tương đương Thevenin ngõ vào: 
Thay TST bằng mạch tương đương cấu hình CE: 
KVL: ebebii vvirv ++= ,, 
Do 
1+= fe
e
b h
ii và eib
fe
e
iebiebe ihh
ihihv =+== 1 
⇒ eeibe
fe
i
i vihih
r
v ++⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
+= 1
,
, ⇒ Mạch tương đương (chuẩn ie) 
Chương 4 12 
⇒ 
1
,
++= fe
i
ibo h
r
hZ 
Phản ánh trở kháng: 
Phản ánh từ Emitter → Base (chuẩn ib) 
Dòng / (hfe + 1) (Ví dụ: ie → ie/(hfe + 1)) 
Trở kháng × (hfe + 1) (Ví dụ: Re → Re(hfe + 1)) 
Aùp: Không đổi (Ví du: ve → ve) 
Phản ánh từ Base → Emitter (chuẩn ie) 
Dòng × (hfe + 1) (Ví dụ: ib → ib(hfe + 1)) 
Trở kháng / (hfe + 1) (Ví dụ: r’i → r’i / (hfe + 1)) 
Aùp: Không đổi 
Ví dụ 4: Phân tích mạch sau dùng phản ánh 
trở kháng 
Biến đổi mạch tương đương: 
[ ]efeiei
i
Lc
c
fei
Rhhr
r
RR
RhA
)1(,
,
++++−= 
Chương 4 13 
Ví dụ 5: Tính v1 và v2 của mạch đảo pha (phase inverter) sau: 
Phản ánh trở kháng cực E lên mạch cực B ⇒ Mạch tương đương (b) 
⇒ 
)1()//(
)1(
1 +++
+
+= feeiebi
fee
ib
b
i hRhRr
hR
rR
Rvv 
Dòng ie : 
e
e R
vi 1= ⇒ 
e
fbefbc R
vhihi 1== 
Ngõ ra cực C: 12 vR
RhRiv
e
c
fbcc −=−= 
Nếu chọn hfbRc (≈ Rc) = Re ⇒ v2 = - v1 : Đảo pha. 
4.6 Tóm tắt các thông số cơ bản trong ba cách mắc BJT