Bài tập mạch khuếch đại E chung

Mạch khuếch đại C chung sẽ tạo ra điện áp trên đầu ra tại tải ở cực E của nó cùng pha với tín hiệu đầu vào.

Mạch khuếch đại C chung là một loại bjt, (BJT) được mắc với tín hiệu đầu vào được đặt tại cực B của transistor và tín hiệu đầu ra được lấy từ cực E. Do đó, cực C sẽ chung cho cả mạch đầu vào và đầu ra. Cách mắc này được gọi là cách mắc C chung (CC) vì cực C được “nối đất” thông qua một nguồn điện.

Mạch C chung (CC) nó có sự đối lập với mạch C chung (CE) là điện trở tải thay vì kết nối trên cực C, có ký hiệu RC , thay vào đó nó kết nối trên cực E có ký hiệu RE .

Mạch c chung là các kiểu mắc transistor thường được sử dụng khi nguồn đầu vào có trở kháng cao cần được kết nối với tải đầu ra có trở kháng thấp yêu cầu độ lợi dòng cao. Hãy xem xét mạch khuếch đại C chung dưới đây.

Bộ khuếch đại C chung sử dụng transistor NPN

Như ta đã thấy nó là mạch khuếch đại transistor với các điện trở R 1 và R 2 tạo thành một mạch phân áp đơn giản được sử dụng để phân cực transistor NPN sang trạng thái dẫn. Vì bộ phân áp này không cao điện áp VB có thể dễ dàng được tính toán bằng cách sử dụng công thức phân áp đơn giản như được hiển thị ở bên dưới :

Công thức tính toán điện trở của mạch phân áp

Với cực C của transistor nối trực tiếp với VCC và không có điện trở tải, (RC = 0) bất kỳ dòng điện cực C cũng sẽ tạo ra một điện áp rơi trên điện trở RE .

Tuy nhiên, trong mạch khuếch đại cực C chung, điện áp  VE cũng đại diện cho điện áp đầu ra, V OUT .

Lý tưởng nhất là chúng ta muốn điện áp DC trên R E bằng một nửa điện áp nguồn, VCC để làm cho điện áp đầu ra tĩnh của transistor nằm ở đâu đó ở giữa các đường cong đặc tuyến, cho phép tín hiệu đầu ra tối đa không bị cắt. Vì vậy, sự lựa chọn của RE phụ thuộc rất nhiều vào IB và độ lợi dòng điện của transistor β .

Khi điểm tiếp giáp pn của B-E được phân cực Eận, dòng điện cực B chạy qua điểm nối đến cực E sẽ làm transistor hoạt động và tạo nên dòng Ic lớn hơn.Đó là sự kết hợp của dòng điện cực B và và dòng điên cực C: IE  = IB  + IC . Tuy nhiên, vì dòng điện Ib là cực kỳ nhỏ so với dòng điện cực C, do đó dòng điện cực E xấp xỉ bằng dòng điện cực C. Do đó I E  ≈ I C

Như với mạch khuếch đại E (CE) chung Hoặc transistor mắc theo kiểu b chung tín hiệu đầu vào được đặt tại cực B của transistor và như chúng ta đã nói trước đây, tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại được lấy từ đầu cực E của bộ khuếch đại. Tuy nhiên, vì chỉ có một điểm tiếp giáp pn phân cực Eận giữa B của transistor và E của nó, nên bất kỳ tín hiệu đầu vào nào được áp dụng cho B đều đi trực tiếp qua lớp tiếp giáp tới cực E. Do đó, tín hiệu đầu ra tại cực E cùng pha với tín hiệu đầu vào được áp dụng tại cực B.

Khi tín hiệu khuếch đại đầu ra được lấy từ trên tải cực E mạch này còn được gọi là mạch lặp Emitter , đầu ra Emitter sẽ lặp lại bất kỳ thay đổi của điện áp tín hiệu đầu vào cực, ngoại trừ việc nó vẫn còn khoảng 0,7 volt (VBE ). Do đó VIN và VOUT cùng pha tạo ra độ lệch pha bằng 0 giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra.

Điểm tiếp giáp pn của cực E hoạt động hiệu quả như một điốt phân cực Eận và đối với tín hiệu đầu vào AC nhỏ, điểm tiếp giáp điốt cực E  này có điện trở : r’e  = 25mV / Ie trong đó 25mV là điện áp nhiệt của điểm tiếp giáp ở nhiệt độ phòng (25oC) và Ie là dòng cực E. Vì vậy, khi dòng Ie tăng, điện trở của cực E giảm một lượng tỷ lệ thuận.

Dòng cực B đi qua điện trở trong của lớp tiếp giáp B-E này cũng đi qua các điện trở cực E kết nối bên ngoài RE . Hai điện trở này được mắc nối tiếp do đó hoạt động như một mạng phân áp tạo ra sự sụt áp. Vì giá trị của r’e rất nhỏ và RE lớn hơn nhiều, thường nằm trong dải kilohms (kΩ), do đó độ lớn của điện áp đầu ra của bộ khuếch đại nhỏ hơn điện áp đầu vào của nó.

Tuy nhiên, trong thực tế, độ lớn của điện áp đầu ra thường nằm trong giá trị 98 đến 99% của điện áp đầu vào, đủ gần trong hầu hết các trường hợp để được coi là độ lợi bằng 1.

Chúng ta có thể tính toán độ lợi điện áp, VA của bộ khuếch đại cực C chung bằng cách sử dụng công thức phân áp như được hiển thị giả sử rằng điện áp cơ bản VB là điện áp đầu vào VIN .

Độ lợi điện áp bộ khuếch đại C chung

Vì vậy bộ khuếch đại cực C chung không thể cung cấp khả năng khuếch đại điện áp và một biểu thức khác được sử dụng để mô tả mạch khuếch đại C chung là như một lặp điện áp vì những lý do rõ ràng. Do đó, vì tín hiệu đầu ra theo sát đầu vào và cùng pha với đầu vào nên mạch C chung do đó là bộ khuếch đại độ lợi điện áp đơn vị không đảo.

Ví dụ về mạch transistor C chung và công thức tính transistor

Một bộ khuếch đại C chung được cấu tạo bằng cách sử dụng transistor lưỡng cực NPN và các điện trở phân áp. Nếu R1  = 5k6Ω, R2  = 6k8Ω và điện áp nguồn là 12V. Tính các giá trị của: VB , VC và VE , cường độ dòng điện cực E là IE , điện trở trong cực E là r’e và độ lợi điện áp của bộ khuếch đại AV khi sử dụng điện trở tải 4k7Ω. Đồng thời vẽ mạch cuối cùng và đường đặc tuyến tương ứng với đường tải.

1. Điện áp xu V B

2. Điện áp VC . Vì không có điện trở tải của cực C, nên nó sẽ mắc nối tiếp với nguồn cung cấp DC, do đó VC = VCC = 12V.

3. Điện áp VE

4. Dòng điện IE

5. Điện trở trong của cực E r’e

6. Độ lợi điện áp AV

Mạch Khuếch đại C Chung với Dòng tải

Để hiểu về điểm Q có thể nhấn : Điểm Q

Trở kháng đầu vào của mạch C chung

Mặc dù bộ khuếch đại cực C chung không tốt lắm trong việc trở thành bộ khuếch đại điện áp, bởi vì như chúng ta đã thấy, độ lợi điện áp tín hiệu nhỏ của nó xấp xỉ bằng một (A V  ≅ 1), tuy nhiên, nó tạo ra một mạch đệm điện áp rất tốt do Trở kháng đầu vào cao (Z IN ) và trở kháng đầu ra thấp (Z OUT ), cung cấp cách ly giữa nguồn tín hiệu đầu vào khỏi tải trở kháng tải.

Một tính năng hữu ích khác của bộ khuếch đại C chung là nó cung cấp độ lợi dòng điện (Ai ) miễn là nó đang dẫn. Đó là nó có thể cho một dòng điện lớn chảy từ các C tới E, để đáp ứng với một sự thay đổi nhỏ của dòng điện Ib. Hãy nhớ rằng dòng Dc chỉ thấy trên RE như không có RC . Khi đó dòng điện một chiều đơn giản là: V CC / R E có thể lớn nếu RE nhỏ.

Hãy xem xét cấu hình bộ khuếch đại C hoặc mạch khuếch đại lặp Emitter bên dưới:

Cấu hình Bộ khuếch đại C chung

Để phân tích tín hiệu xoay chiều của mạch, các tụ điện bị ngắn mạch và VCC bị ngắn mạch (trở kháng bằng không). Do đó, mạch tương đương được đưa ra như được hiển thị với dòng điện và điện áp phân cực được cho là:

Trở kháng đầu vào, Z IN của mạch C chung nhìn vào cực B được đưa ra là:

Nhưng vì Beta, β nói chung lớn hơn 1 (thường trên 100), biểu thức của: β + 1 có thể được rút gọn thành chỉ Beta, β khi phép nhân với 100 hầu như giống như phép nhân với 101. Do đó:

Trở kháng cực B của bộ khuếch đại C chung

Trong đó: β là độ lợi dòng điện của transistor, Re là điện trở cực E tương đương và r’e là điện trở xoay chiều của điốt tiếp giáp B-E. Lưu ý rằng vì giá trị kết hợp của Re thường lớn hơn nhiều so với điện trở tương đương của điốt, r’e (kilo-ohms so với một vài ohms), trở kháng cực B của transistor có thể được đưa ra đơn giản là: β * Re .

Một điểm thú vị cần lưu ý ở đây là trở kháng cơ sở đầu vào của transistor, Z IN có thể được điều khiển bởi giá trị của điện trở RE hoặc điện trở tải RL khi chúng được kết nối song song.

Mặc dù phương trình trên cho chúng ta trở kháng đầu vào khi nhìn vào chân B của transistor, nhưng nó không cung cấp cho chúng ta trở kháng đầu vào thực sự mà tín hiệu nguồn sẽ thấy khi nhìn vào mạch khuếch đại hoàn chỉnh. Để làm được điều đó, chúng ta cần xem xét hai điện trở tạo nên mạng phân cực phân áp. 

Trở kháng đầu vào bộ khuếch đại C chung

Ví dụ

Sử dụng mạch khuếch đại cực C chung trước đó ở trên, tính trở kháng đầu vào của chân B transistor và tầng khuếch đại nếu điện trở tải, R L là 10kΩ và độ lợi dòng điện transistor NPN là 100.

1. Điện trở r’e

2. Điện trở tải tương đương, R e

3. Trở kháng cực B của transistor, ZBASE

2. Trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại, ZIN

Vì trở kháng cơ bản của transistor là 322kΩ cao hơn nhiều so với trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại chỉ 2,8kΩ , do đó trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại C chung được xác định bằng tỷ số của hai điện trở phân cực, R 1 và R 2 .

Trở kháng đầu ra bộ C chung

Để xác định trở kháng đầu ra Z OUT của bộ khuếch đại CC nhìn từ tải trở lại đầu cực E của bộ khuếch đại, trước tiên chúng ta phải loại bỏ tải vì chúng ta muốn xem điện trở hiệu dụng của bộ khuếch đại đang dẫn tải. Do đó, mạch tương đương nhìn vào đầu ra của bộ khuếch đại được cho là:

Từ trên, trở kháng đầu vào của mạch cơ bản được cho là: RB  = R 1 || R 2 . Độ lợi dòng của transistor được cho là: β . Do đó, phương trình đầu ra được đưa ra là:

Khi đó chúng ta có thể thấy rằng điện trở cực RE song song với toàn bộ trở kháng của transistor quay trở lại đầu cực E của nó.

Nếu chúng ta tính toán trở kháng đầu ra của mạch khuếch đại E bằng cách sử dụng các giá trị thành phần từ trên xuống, nó sẽ cho trở kháng đầu ra ZOUT nhỏ hơn 50Ω (49,5Ω) nhỏ hơn nhiều so với trở kháng đầu vào ZIN(BASE) đã tính toán trước đó.

Do đó, chúng ta có thể thấy rằng cấu hình Bộ khuếch đại C chung có, từ tính toán, trở kháng đầu vào rất cao và trở kháng đầu ra rất thấp cho phép nó truyền tải trở kháng thấp. Trong thực tế, do các bộ khuếch đại CC trở kháng đầu vào tương đối cao và trở kháng đầu ra rất thấp nên nó thường được sử dụng như một bộ khuếch đại đệm độ lợi đơn vị (=1).

Sau khi xác định rằng trở kháng đầu ra, ZOUT của bộ khuếch đại ví dụ của chúng tôi ở trên là xấp xỉ 50Ω theo tính toán, nếu bây giờ chúng ta kết nối trở lại điện trở tải 10kΩ vào mạch, trở kháng đầu ra kết quả sẽ là:

Mặc dù điện trở tải là 10kΩ, nhưng điện trở đầu ra tương đương vẫn ở mức thấp 49,3Ω. Điều này là do R L lớn so với ZOUT , do đó để truyền công suất cực đại, R L phải bằng ZOUT . Vì mức độ lợi điện áp của bộ khuếch đại C chung được coi là 1, nên độ lợi công suất của bộ khuếch đại phải bằng với độ lợi dòng của nó, vì P = V * I.

Vì độ lợi dòng điện của bộ C chung được định nghĩa là tỷ số của dòng điện cực E so với dòng điện cực B, γ = IE / IB  = β + 1 , do đó, độ lợi dòng điện của bộ khuếch đại phải xấp xỉ bằng Beta (β).

Tóm tắt

Chúng ta đã thấy trong hướng dẫn này về mạch khuếch đại C chung  có cực C chung cho cả đầu vào và đầu ra mạch như không có RC .

Độ lợi điện áp của bộ khuếch đại cực C chung xấp xỉ bằng 1 (A v  ≅ 1) và độ lợi dòng của nó, Ai xấp xỉ bằng Beta, (A i ≅β) tùy thuộc vào giá trị của các transistor cụ thể Giá trị beta có cao.

Chúng tôi cũng đã thấy thông qua tính toán, rằng trở kháng đầu vào, ZIN cao trong khi trở kháng đầu ra của nó, ZOUT thấp nên nó hữu ích cho các mục đích kết hợp trở kháng (hoặc kết hợp điện trở) hoặc làm mạch đệm giữa nguồn điện áp và tải trở kháng ở mức thấp.

Khi bộ khuếch đại cực C chung (CC) nhận tín hiệu đầu vào của nó đến cực B với điện áp đầu ra được lấy từ điện trở của cực E, điện áp đầu vào và đầu ra là “cùng pha” ( lệch pha 0o ) do đó cấu hình C chung hay còn gọi là mạch lặp emitter vì điện áp đầu ra lặp đúng như điện áp cực B đầu vào.