Bài giảng Mạch điện tử nâng cao - Chương 2: Đáp ứng tần số - Nguyễn Thanh Tuấn

Chương 2: Đáp ứng tần số
Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn
Bộ môn Viễn thông (B3)
nttbk97@yahoo.com
1
Nội dung
• Tổng quan về đáp ứng tần số.
• Phân tích đáp ứng tần số thấp.
• Phân tích đáp ứng tần số cao.
2
Tổng quan về đáp ứng tần số
• Đáp ứng biên độ và đáp ứng pha
• Đáp ứng tần số dạng tổng quát của MKĐ
• Phương pháp vẽ tiệm cận (biểu đồ Bode)
3
Đáp ứng biên độ và đáp ứng pha
• A = a+bj = |A|∠A
– Biên độ
– Pha
• Zc = 1/jωC = 1/j2πfC là một hàm theo f 
– f = 0: Zc = ∞: Chế độ DC
– f ≠ 0: Chế độ AC
• Nguyên nhân của việc đáp ứng tần số là do:
– Bên ngoài: tụ ghép và tụ bypass (vùng tần số thấp)
– Bên trong: điện dung ký sinh giữa các chân BJT (vùng tần số cao)
2 2| |A a b
( )
b
A arctg
a
4
Đáp ứng tần số dạng tổng quát
• Ở dãy tần số thấp: các tụ gắn bên ngoài.
• Ở dãy tần dãy giữa: không xét ảnh hưởng của tụ.
• Ở dãy tần số cao: các điện dung ký sinh bên trong của linh kiện.
H LB f f
Tần số giữa
Tần số
cao
Tần số
thấp
|A|
Am
Am
-------
2
HfLf
5
Phương pháp vẽ tiệm cận
1) Tìm độ lợi |Ai|, chuyển sang |Ai|dB
( ) zm
p
j
A A
j
Chuyển sang dB:
2 2 2 2( ) 20lg 20lg 20lgm z pdBA A
(1)
Hằng số
(2)
>> z: 20dB/dec
<< Z: 20lg Z
(3)
>> p: 20dB/dec
<< p: 20lg p
2) Vẽ từng thừa số, sau đó cộng các đồ thị riêng lẻ lại với nhau 
VD:
6
7
Thang logarith
|A|dB
-2 -1 0 1 2 3 lgω
0.01 0.1 1 10 100 1000 ω (rad/s) 
8
Trở kháng tương đương RC
9
Đáp ứng tần số thấp
• Mô hình tương đương tín hiệu nhỏ tần số thấp
– BJT
– FET
• Ảnh hưởng của tụ thoát
• Ảnh hưởng của tụ ghép
• Ảnh hưởng của tụ thoát và tụ ghép
10
Mô hình tương đương của BJT/FET
tín hiệu nhỏ tần số thấp
11
Ảnh hưởng của tụ thoát
12
* *
/ /
( ) . .
/ / / /
ib C bL L
i fe
i i L e eCb i ieb
i R RRi i
A s h
i i i R R R R h R C
* *
1
/ / .
( ) . .
1/ /
.( / /( / / )
iC b e e
i fe
i ieLC b
e e i ieb
s
R RR R C
A s h
R R R R h s
C R R R h
13
11
( ) . zi im
p
s
A s A
s
• Aim = Ai (jω)| ω => +∞ =
( )s j
/ /
.
/ /
C b i
fe
C L b i ie
R R R
h
R R R R h
• ωz1 = zero của hàm truyền đạt 
1
.e eR C
• ωp1 = cực của hàm truyền đạt* *
1
.( / /( / / )e e b i ieC R R R h
14
Giản đồ bode của hàm truyền: ωz1 < ωp1
– Ta có biểu thức:
2 2 2 2
1 1( )| | 20log | | 20log 20logi im z pdBA A
1
1
1
( )| | 20log(| | )zi io imz dB
p
A A A
1 ( )| | 20log(| |)i imp dBA A
Độ dốc 0dB/dec
Độ dốc 20dB/dec
Độ dốc 0dB/dec
1
1 1
1
( )| | 20log(| | . ) 20log
p
i imz p dBA A
15
11
* zio im
p
A A
ωz1 ωp1 = ωL
16
Tìm tần số cắt thấp ωL = 2πfL :
• Nhận xét: điều kiện để có ωL >0:
• Thực tế: nên
2 2
1
2 2
1
| | ||
( ) | |
2
|
2
| Limi L
z im
im
L p
A
AA
A
2 2 2 2
1 12( )L Lz p
2 2 2
1 12L p z
2 2
1 12p z
2
1
2
12p z 1L p
17
Ảnh hưởng của tụ ghép
18
*"* *
. .( ) . .b C b iL Li fe
i i L eC Cc ib ie Cbb
i RRi i Ri
A s h
i i i R R Z R Z Ri R h R
"*
"
( ) . . . .
1 1
.( ) .( )
C b i
i fe
iL ie eC b
c iLC b
RR Rs s
A s h
R R R RR h Rs s
C R R C R R
19
1 2
( ) . .i im
p p
s s
A s A
s s
( )s j
• Aim = Ai (jω)| ω => +∞ =
• ωp1 =
1
.( )c LCC R R
• ωp2 = là các cực của hàm truyền đạt 
"*
. .C b ife
iL ie eC b
RR R
h
R R R RR h R
"
1
.( )ibC R R
20
 Giả sử ta có ωp1 < ωp2
ωp1 ωp2 ≈ ω L ω(rad/s)
|Aim |
21
Tìm tần số cắt thấp ωL = 2πfL :
Giả sử ωp1 nếu gần đúng: 
2
2 2 2 2
1 2
| | | |
|| ( ) | |
2.2
L im
im
im
L Lp p
i L A
A
A
A
4 2 2 2 2
1 22 ( ).( )L L Lp p
4 2 2 2 2 2
1 2 1 2( ). . 0L Lp p p p
2 2
1 2. 0p p
4 2 2
2. 0L Lp 2L p
22
Ảnh hưởng của tụ thoát và tụ ghép
23
24
* *
/ /
( ) . . .
/ / / /
ib C bL L
i ib LC Cc i E Eb
i R RRi i
A s hfe
i i i R R Z R R hie R C
* *
1
/ / .
( ) . . . .
1 1/ /
( ) .( / /( / / )
E
iC b e e
iLC b
L EC C
s
R RR C Rs
A s hfe
R R R R hie s s
C R R C R hie Ri Rb
25
2
1 2
. ( )( ) . zim
p p
s jA
ss
A s
s s
•Aim = Ai (jω)| ω => +∞ =
• ωp1 =
•ωp2 = là các cực của hàm truyền đạt 
/ /
. .
/ /
iC b
iLC b
R RR
hfe
R R R R hie
1
.( )c LCC R R
* *
1
.( / /( / / )
E E
C R hie Ri Rb
• ωz2 = zero của hàm truyền đạt 
1
.e eR C
26
Giả sử ωp1 < ωz2 < ωp2
ωp1 ωz2 ωp2 ≈ ω L ω(rad/s)
|Aim |
|Ai |dB
Đáp ứng tần số cao
• Mô hình tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao
– BJT
– FET
• Định lý Miller
• Ảnh hưởng của tụ Cbe, Cgs
• Ảnh hưởng của Cbc, Cgd
27
Mô hình tương đương của BJT/FET
tín hiệu nhỏ tần số cao
28
Định lý Miller
29
Y
Y1 Y2
I1 I2
V1 V2 V1 V2
I1 I2
Mạch CE tần số cao
30
31
32
• Để tăng tính ổn định, người ta thường gắn thêm 1 tụ
CBC từ cực B sang cực C có giá trị tầm vài nF để hồi
tiếp âm. Khi đó tổng điện dung giữa cực B và E là
C = Cbe + C’M
với C’M là điện dung Miller có được khi áp dụng định
lý Miller với Cbc//CBC
C’M = (CBC+Cbc)( 1 + gmR’L )
sẽ được ảnh hưởng nhiều nhất bởi tụ CBC, do đó ta chủ
động điều chỉnh được đáp ứng của mạch khuếch đại
bằng cách điều chỉnh CBC
C’M ≈ CBC( 1 + gmR’L )
Mạch CS tần số cao
33
gd
m
ddsgd C
g
RrC
||
1
34
Mgsi
h
Mgsi
ddsm
i
d
v
CCr
f
CCrj
Rrg
v
v
A
2
1
1
1
||
35
1|| khi 
||1
/1
||
ddsm
ddsgd
mgd
ddsm
i
d
v
Rrg
RrCj
gCj
Rrg
v
v
A
Mạch CD tần số cao
36
sdsm
gs
sds
gd
i Rrg
Cj
Rr
i
v
Z ||1
1
||'
37
gsm Cg /
Mạch nguyên vẹn
Mạch khi Mạch khi gsm Cg /
38
gdsds
sds
gd
i
CCRrj
RrCj
Cj
Z
1
'
1
||
1
1
||'
1
1
1
39
gdimgs
igsgd
mvo
i
o
CrjgCj
rCCj
gi
v
Z
i
1/1
11
0
'
'
40
i
g
g
s
i
s
v
v
v
v
v
v
v
A
1|| vì1
||1
||
1
1
||1
||
sdsm
sdsm
sds
gs
m
gs
sdsm
sdsm
g
s Rrg
Rrg
Rr
Cj
g
Cj
Rrg
Rrg
v
v
gsm
sdsmgsgdii
g
Cg
RrgCCrjv
v
/ khi 
||(1/1
1
Mạch tương đương SF ở tần số cao
gsm
sdsigd
sdsi
ii
g
Cg
RrrCj
Rrr
rv
v
/ khi 
||||1
||||1
 hoac
Bài tập 1
• Cho Q1: hfe=80; hie=2,5KΩ, Cb’e=250pF, Cb’c=0
• Q2: hfe=60; hie=2KΩ, Cb’e=200pF, Cb’c=20pF
41
a) Vẽ sơ đồ tương đương ở tín hiệu nhỏ tần số 
thấp. Thành lập biểu thức Ai ở tần số thấp. Vẽ 
biểu đồ Bode |Ai| ở tần số thấp.
b) Vẽ sơ đồ tương đương ở tín hiệu nhỏ tần số 
cao. Thành lập biểu thức Ai ở tần số cao. Vẽ 
biểu đồ Bode |Ai| ở tần số cao.
c) Từ câu a) và câu b). Tính bănh thông -3dB: 
BW-3dB, độ lợi dãy giữa Aim và tích số độ lợi 
khổ tần GBW của mạch khuếch đại trên.
42
Bài tập 2
• BJT (hfe = 100, hie = 1KΩ) 
43
a) Trong trường hợp C1 = 1µF và C2 có giá trị rất lớn, 
xác định biểu thức và vẽ biên độ của độ lợi áp xoay 
chiều |Av = vo/vi |theo tần số (dựa trên phương pháp 
tiệm cận gần đúng).
b) Trong trường hợp C1 có giá trị rất lớn và C2 = 10µF, 
tìm tần số cắt thấp (-3dB) của mạch trên. 
c) Xác định giá trị của C1 và C2 để mạch có tần số cắt 
thấp (-3dB) fL = 300Hz. 
44
Bài tập 3
• FET (gm = 5.10
-3 mho, rds = 20KΩ, Cgs = 100pF) 
45
a) Vẽ sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao của 
mạch trên.
b) Xác định biểu thức của độ lợi áp xoay chiều Av = 
vo/vi và tìm tần số cắt cao (-3dB) của mạch trên. 
c) Tìm lại tần số cắt cao (-3dB) của mạch trên trong 
trường hợp FET có thêm tụ ký sinh Cgd = 10pF.
46
Bài tập 4
47
Cho các thông số: 
Vcc=20v, R1=10k, 
R2=100k, ri=10k, 
Re=0.1k, RC=1k, 
RL=1k, Ce=10 μF , 
Cc=20 μF, hfe=50.
a) Vẽ sơ đồ bé tín hiệu
tương đương ở tần số
thấp.
b) Xác định độ lợi Ai.
c) Vẽ biểu đồ Bode .
Bài tập 5
48
a) Tính độ lợi dãy giữa Aim
b) Tìm tần số 3 dB fh
 Các thông số của mạch:
Vcc= 20v
ωr=10
9 rad/s
hfe= 100
Cb’c= 5 pF
rbb’=0
ICQ= 10 mA
Bài tập 6
49
Các phép đo đạc chỉ ra rằng MKĐ như hình vẽ có độ lợi 
dãy giữa là 32dB, tần số cắt trên 3dB là 800Hz và 
dòng tĩnh emitter là 2mA. Giả sử rằng rbb = Cb’c = 0, 
tìm hfe, rb’e và Cb’e.
Bài tập 7
Cho transistor như trong hình, wT =10
9 rad/s, hfe = 20, 
Cbe =6pF, rbb’ =0 và IEQ =1mA. 
Hãy tìm độ lợi áp dãy giữa và tần số cắt trên 3dB.
50
Bài tập 8
Tìm độ lợi dòng dãy giữa và tần số cắt trên 3dB.
51
Bài tập 9
Hãy tìm và vẽ trên đó biểu đồ tiệm cận cho độ lợi điện áp. 
52
' ' ' '20 , 1 , 1000 , 10 và g 0,05bb b e b e b e mr r K C pF C pF mho
Bài tập 10
53
0
0
) | | 
) |Z | theo 
) | | 
i
i
v
a Z theo
b
v
c A theo
v
Bài tập 11
Tính và vẽ |Yo|.
54
Bài tập 12
• hfe = 100
• hie = 1KΩ 
55
a) Giải thích ngắn gọn vai trò và ảnh hưởng của các tụ điện C1 
và C2?
b) Vẽ sơ đồ mạch tương đương tín hiệu nhỏ (có tụ C1 và C2)?
c) Trong trường hợp tụ C2 có giá trị rất lớn, xác định giá trị của 
tụ C1 để mạch có tần số cắt thấp là 20Hz? Tính biên độ của 
độ lợi dòng Ai = io/ii tại các tần số 2Hz, 20Hz và 200Hz? 
d) Trong trường hợp tụ C1 có giá trị rất lớn và tụ C2 = 10uF, xác 
định biểu thức và vẽ (theo phương pháp tiệm cận) đáp ứng 
biên độ tần số của độ lợi dòng Ai = io/ii? Tìm tần số cắt thấp 
(theo Hz) của mạch?
56