Mạch khuếch đại là mạch nhận tín hiệu điện tử đầu vào và tạo ra tín hiệu lớn hơn ở đầu ra. Điều này thường đề cập đến điện áp, nhưng cũng có thể là dòng điện, nhiễu hoặc công suất. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét một số mạch khuếch đại điện áp phổ biến và hữu ích nhất, thường được phân loại là mạch khuếch đại âm thanh (AF) hoặc mạch khuếch đại tần số vô tuyến (RF). Dải tần số xác định loại mạch và ngược lại, loại linh kiện cần sử dụng.

Bộ khuếch đại là thiết bị khuếch đại tín hiệu và hoạt động trong dải tần từ 10 Hertz đến 30 Kilohertz, trong khi bộ khuếch đại radio hoạt động ở tần số cao hơn, lên đến vài gigahertz.

Trong dự án ví dụ này, chúng ta sẽ sử dụng bộ khuếch đại trong dải tần 0-20kHz, tập trung vào độ nhiễu và độ méo thấp. Ngoài ra, chúng ta cũng sẽ sử dụng các bộ khuếch đại tần số vô tuyến (RF), thường hoạt động trong dải tần từ 500kHz đến vài chục GHz, với vùng xám ở giữa thường được sử dụng cho sóng siêu âm và video, nơi cả hai kỹ thuật có thể được sử dụng. Bộ khuếch đại tần số vô tuyến (RF) là một loại bộ khuếch đại hoàn toàn khác và sẽ được thảo luận chi tiết trong một bài viết riêng.

Nhận được

Độ khuếch đại (Gain) đề cập đến mức độ khuếch đại và tỷ lệ giữa tín hiệu đầu ra và tín hiệu đầu vào. Thông thường, độ khuếch đại điện áp được sử dụng cho các mạch khuếch đại quy mô nhỏ (như bộ khuếch đại thuật toán (op-amp)), trong khi độ khuếch đại công suất được sử dụng cho các mạch khuếch đại công suất (như bộ khuếch đại âm thanh hi-fi hoặc bộ khuếch đại truyền tín hiệu). Độ khuếch đại thường được biểu thị bằng "lần" hoặc "X", ví dụ, 10X có nghĩa là điện áp đầu ra lớn hơn mười lần điện áp đầu vào. Cần lưu ý rằng sự khác biệt về trở kháng có thể ảnh hưởng đến công suất có thể cung cấp. Độ khuếch đại cũng thường được biểu thị bằng decibel (dB).

Và tăng công suất điện lên...

Điều đó có nghĩa là mức tăng điện áp 10x tương đương với 20log10 hoặc 20dB, và mức tăng điện áp 100x tương đương với 40dB.

Nhưng tại sao chúng ta cần làm điều này? Mỗi bước riêng lẻ có thể cho ra các kết quả khác nhau trong một hệ thống đa tầng, và trong các hệ thống tần số vô tuyến (RF), có thể xảy ra hiện tượng suy giảm tín hiệu. Do đó, các kết quả này phải được kết hợp để thu được kết quả tổng thể của hệ thống.

Trong các bộ khuếch đại công suất cao, điều này thậm chí còn quan trọng hơn. Giả sử bạn có một bộ khuếch đại với trở kháng đầu vào là 50kΩ và trở kháng đầu ra là 8Ω, và bạn đo điện áp đầu vào là 10V và điện áp đầu ra là 10V. Bạn có thể nhầm tưởng rằng độ khuếch đại là 1. Công suất đầu vào là V²/R = 10²/50kΩ = 2mW. Công suất đầu ra là 10²/8 = 12,5W. Đây là độ khuếch đại công suất: 10log(12,5/2 * 10⁻³) = 38dB, trong khi độ khuếch đại điện áp là 0dB.

Mạch khuếch đại phát chung với micro điện dung.

Thiết kế mạch khuếch đại transistor không khó; nó chỉ yêu cầu một vài giả định và thông tin về các transistor bạn sẽ sử dụng. Việc lựa chọn transistor phụ thuộc vào dải tần số và mức công suất. Ở đây, chúng ta đang xây dựng một mạch khuếch đại âm tần nhỏ, và bất kỳ loại transistor nào trong số hàng trăm loại đều có thể được sử dụng. Do đó, chúng ta sẽ sử dụng loại BC337 quen thuộc.

Nguyên lý hoạt động của mạch điện.

Quá trình thiết kế của chúng tôi bắt đầu bằng việc khám phá cấu trúc bên trong của chính transistor.

Trong mạch phát, có một điện trở "ẩn" gọi là Re. Bạn không thể đo giá trị của nó bằng đồng hồ vạn năng, nhưng nó vẫn tồn tại. Giá trị của Re thay đổi theo dòng điện cực thu Ic, trong đó Re = 25/Ic, với Ic tính bằng miliampe. Vì vậy, nếu Ic là 10 miliampe, Re sẽ là 2,5 ôm. Một điều quan trọng khác cần biết là hệ số khuếch đại dòng điện của transistor có thể được xấp xỉ từ Ic/Ib và được gọi là hfe. Nó thường nằm trong khoảng từ 50 đến 1000 đối với các transistor nhỏ. Việc chọn transistor phù hợp cho mạch này không phải là vấn đề; hầu hết mọi transistor NPN nhỏ đều có thể hoạt động được.

Để transistor hoạt động, nó cần được phân cực. Điều này có nghĩa là điện áp cực gốc phải cao hơn điện áp cực phát 0,6 volt. Ngoài ra, chúng ta phải xem xét khoảng dự trữ tín hiệu và trở kháng đầu vào. Bất kỳ điện áp nào chúng ta đặt ở đầu vào đều sẽ ảnh hưởng đến điện áp đầu ra. Điện áp đầu ra là điện áp DC, và chúng ta muốn nó hoạt động như mong muốn. Việc lựa chọn giá trị điện trở cực góp và dòng điện chạy qua nó sẽ quyết định điều này.

Giả định đầu tiên là mạch này sẽ điều khiển cái gì — điện trở đầu ra phải là bao nhiêu? Chúng ta nên có điện trở đầu ra ít nhất phải thấp hơn từ 2 đến 5 lần so với bước tiếp theo. Vì vậy, giả sử điện trở đầu vào của bước tiếp theo là 47kΩ và chúng ta đặt điện trở đầu ra là 10kΩ, chúng ta có thể dễ dàng thực hiện điều này bằng cách đặt giá trị của R110kΩ (đây là một sự đơn giản hóa nhỏ, nhưng đủ gần).

Giả định tiếp theo là chúng ta không muốn tín hiệu đầu ra bị méo mó do một trong các nửa vòng dây bị cắt đứt. Chúng ta muốn đặt điện áp cực góp của Q1 ở điểm giữa. Vì vậy, nếu R1 là 10kΩ và điện áp trên R1 là 12/2 hoặc 6V, thì dòng điện chạy qua R1 là V/R = 6/10000 = 0,6mA. Đây là dòng điện cực góp của chúng ta. Và bây giờ chúng ta có thể tìm được re = 25/Ic = 42Ω. Chúng ta sẽ sử dụng giá trị này sau.

Để đạt được độ ổn định và phân cực tốt, chúng ta cần điện áp cực phát của Q1 ở mức khoảng 1V, điều này sẽ cung cấp tín hiệu dao động phù hợp ở cực gốc của Q1. Do đó, để có được điện áp 1V trên R2 với dòng điện 0,6mA, R2 = V/I = 1/0,6 = 1,6kΩ. Tuy nhiên, chúng ta sẽ thay đổi nó thành 1kΩ, điều này sẽ làm thay đổi nhẹ điện áp cực phát. Vì vậy, V = IR = 0,6 * 1500 = 0,9V.

Hiện tại, điện áp cực gốc luôn cao hơn điện áp cực phát 0,6 volt, và dòng điện chạy vào cực phát sẽ là Icollector/hfe. Bảng dữ liệu của BC337 cho thấy hfe là 600. Để đảm bảo an toàn, chúng ta sẽ sử dụng giá trị hfe thấp hơn một chút, chẳng hạn như 200. Do đó, Ibase là 0,6/200 = 0,003 mA. Để ổn định, chúng ta sẽ tăng dòng điện chạy qua mạch chia điện áp R3 và R4 lên mười lần, đến 0,03 mA. Do đó, điện áp trên R4 là 0,9 + 0,6 = 1,5 volt, và dòng điện chạy qua nó là 0,03 volt. R4 = V/I = 1,5/0,03 = 50 kΩ. Chúng ta đặt giá trị tiêu chuẩn là 47 kΩ, điều này sẽ làm thay đổi dòng điện một chút thành 1,5/47 kΩ = 0,032 mA. Điện trở R3 có điện áp 12 volt ở một đầu và 1,5 volt ở đầu kia. Độ sụt điện áp sẽ là 12 - 1,5 = 10,5V, do đó R3 = V/I = 10,5/0,032 = 328kΩ. Giá trị tiêu chuẩn là 330kΩ. Điện trở R5 không tham gia vào thiết kế transistor; nó dùng để cung cấp điện áp cho micro điện dung (có một tụ điện tĩnh nối với một FET nhỏ bên trong), và 10kΩ là giá trị thường được sử dụng.

Vậy, chúng ta có thể kỳ vọng mức tăng nào? Mức tăng sẽ là R1/R2 + re = 10k/1k5 + 42 = 6,48, không hữu ích lắm. Tuy nhiên, chúng ta có thể tăng mức tăng bằng cách mắc thêm tụ C3 song song với R2 ở trạng thái AC, chỉ để lại re. Ở trạng thái DC, mức tăng vẫn giữ nguyên, nhưng sẽ là 1500/42 = 35. Chúng ta cần chọn một tụ điện có độ tự cảm bằng R2 ở tần số thấp nhất là 40Hz. Do đó, C3 = 1/2πfXc = 2,6uF, vậy hãy chọn tụ 10uF.

Phần còn lại của thiết kế, các tụ điện đầu vào và đầu ra, C1 khá đơn giản. Điện trở đầu vào là sự kết hợp của R3 mắc song song với R4 mắc song song với R2 + re*hfe, (1k5+42)*200 = 300kΩ, nhỏ hơn một chút so với R4, tức là 40kΩ, nhưng phải có điện kháng dung bằng R4 ở tần số thấp nhất mà chúng ta muốn khuếch đại. Nếu ta chọn 40Hz, Xc = 1/(2πfC), thì C = 1/2πfXc = 0,39uF. Tương tự, C2 = 1/2π40*10kΩ = 0,4uF, vì vậy nó được định nghĩa là 1uF.

Bước tiếp theo trong thiết kế của chúng ta là thêm một transistor đệm để tăng công suất đầu ra đủ cho loa nhỏ (trở kháng cao). Mạch này được gọi là mạch theo cực phát (emitter follower). Nó không có độ khuếch đại điện áp nhưng có trở kháng đầu ra thấp hơn nhiều. Chúng ta cũng sẽ thêm phản hồi âm DC để "khóa" điện áp phân cực của Q1.

Chỉ có R3 và C4 cần thay đổi; C2 được thay thế bằng C4. Nếu không có C4, sẽ có độ lệch DC tại loa. Chúng ta cần biết trở kháng tải, đó chính là loa. Mạch đơn giản này không thể điều khiển loa 8Ω; bạn sẽ cần một bộ khuếch đại cho loa có kích thước đó. Giả sử chúng ta sử dụng tai nghe điện thoại di động có trở kháng khoảng 100Ω, với điện áp giảm trên chúng, chúng sẽ tiêu thụ khoảng 1W công suất, vượt quá công suất của mạch đơn giản này. Công suất DC không đổi của mạch theo cực phát phải bằng công suất đó để đạt được dòng điện 100mA trong transistor, vượt xa khả năng chịu tải của nó. Chúng ta sẽ hạ thấp kỳ vọng và cho phép dòng điện tối đa trong Q2 là 10mA. Vì điện áp giảm trên cực phát của Q2 là 6-0.6V = 5.4V, nên R6 = 5.4/0.01 = 540, có thể gọi là 560Ω. Bây giờ R3 không còn được nối với 12V mà là với 6V, nên giá trị của nó trở thành (6-1.5)/0.03 = 150K. Và C4 có giá trị là 1/2π40*100 = 25uF.

Giá trị cuối cùng

Kết quả đã được xác minh.

Chúng tôi đã lắp ráp các linh kiện theo thiết kế trên một bảng mạch thử nghiệm để xem kết quả có khớp với thiết kế của chúng tôi hay không.

Tình trạng DC (không có tín hiệu):

Tụ điện Q1 có các điện áp 6,8V (cực gốc), 1,36V (cực gốc) và 0,98V (cực phát). Chúng đều khá giống nhau!

Bộ phát Q2 6.1V thật tuyệt vời!

Tín hiệu AC thu được khi cấp tín hiệu từ máy phát tín hiệu mà không có tải ở đầu ra:

Nếu không có C3, biên độ dao động Vswing không bị méo tiếng là 9.6Vpp với điện áp đầu vào 1.68Vpp và độ khuếch đại 5.7.

Lợi nhuận dự kiến ​​là R1/R2 = 10/1,5 = 6,6.

Khi sử dụng C3, biên độ dao động Vswing không bị méo tiếng là 6.7Vpp với tín hiệu đầu vào 50mV, có nghĩa là độ khuếch đại là 6.8/0.05 = 136.

Mức tăng dự kiến ​​là 10k/42 = 238. Một sự khác biệt bất ngờ, phải không? Điều này là do điện trở nối tiếp của C3 không bằng không.

Bộ khuếch đại nhỏ này không lý tưởng để điều khiển loa có trở kháng trung bình rất thấp. Tôi đã thử kết nối tai nghe 300 ohm và thấy rằng việc tăng đáng kể dòng điện cực góp trong Q2 bằng cách điều chỉnh R6 lên 390 ohm đã tạo ra tín hiệu đầu ra ổn định ở mức đỉnh 4 volt (4Vpp).

Do đó, chúng tôi đã thiết kế mạch khuếch đại hai tầng một cách nghiêm ngặt ở cấp độ linh kiện. Nếu bạn tuân theo các quy tắc thiết kế này, bạn có thể tự thiết kế mạch khuếch đại tương tự.