Transistor khuếch đại: mạch E chung, phân cực, điểm làm việc và hệ số khuếch đại

Mạch khuếch đại E chung dùng transistor: phân cực bằng cầu phân áp, cách tính điểm làm việc, đường tải một chiều, hệ số khuếch đại có và không có tụ CE, cắt đỉnh, ba cách mắc transistor.

Ở bài trước transistor chỉ có hai trạng thái tắt và bão hòa. Bài này dùng transistor ở vùng thứ ba: vùng khuếch đại, nơi dòng collector tỉ lệ với dòng base. Một tín hiệu nhỏ (vài mV từ micro, cảm biến) đặt vào base sẽ thành một tín hiệu lớn hơn hàng chục, hàng trăm lần ở collector. Bài viết đi qua mạch khuếch đại kinh điển nhất, mạch E chung: cách phân cực bằng cầu phân áp, cách tính điểm làm việc, đường tải một chiều, hệ số khuếch đại có và không có tụ CE, hiện tượng cắt đỉnh, và so sánh ba cách mắc transistor. Ngày nay khuếch đại thường dùng op-amp (bài 26), nhưng hiểu mạch E chung giúp đọc được rất nhiều sơ đồ cũ và hiểu op-amp bên trong làm gì.

1. Mạch E chung phân cực bằng cầu phân áp

"E chung" nghĩa là emitter là chân chung cho cả đầu vào (base) và đầu ra (collector). Vai trò từng linh kiện:

• R1, R2: cầu phân áp đặt điện áp base cố định, khoảng 1,5 V. Dòng qua cầu nên lớn hơn dòng base ít nhất khoảng 10 lần để điện áp base ít bị ảnh hưởng bởi β.
• RE: điện trở emitter tạo hồi tiếp âm cho dòng một chiều. Nếu β lớn hơn khiến dòng tăng, điện áp trên RE tăng, U_BE giảm và kéo dòng lại. Nhờ RE, điểm làm việc gần như không phụ thuộc β.
• RC: biến dòng collector thay đổi thành điện áp thay đổi ở collector. Đây là chỗ lấy tín hiệu ra.
• C1, C2: tụ ghép, chặn điện áp một chiều để mạch trước và sau không làm lệch điểm làm việc, chỉ cho tín hiệu xoay chiều đi qua (bài 11).
• CE: tụ nối tắt RE với tín hiệu xoay chiều nhưng không ảnh hưởng một chiều; làm hệ số khuếch đại tăng mạnh.

2. Tính điểm làm việc

1. Điện áp base khi chưa tính dòng base: V_B ≈ 9 × 15 / (68 + 15) ≈ 1,63 V. Tính cả dòng base kéo qua điện trở tương đương của cầu (68 kΩ // 15 kΩ ≈ 12,3 kΩ), V_B còn khoảng 1,51 V.
2. Điện áp emitter: V_E = V_B − 0,65 ≈ 0,86 V.
3. Dòng emitter: I_E = V_E / R_E ≈ 0,86 / 470 ≈ 1,84 mA; I_C ≈ I_E.
4. Điện áp collector: V_C = 9 − I_C × R_C ≈ 9 − 1,83 × 2,2 ≈ 4,98 V; U_CE ≈ 4,11 V.

Điểm làm việc nằm khoảng giữa: collector có thể dao động lên gần 9 V và xuống gần 1 V, đủ chỗ cho tín hiệu vài vôn. Cách tính nhanh bỏ qua dòng base (V_B ≈ 1,63 V) cho kết quả lệch khoảng 10 %, thường vẫn đủ dùng; đó là lý do thiết kế cầu phân áp có dòng lớn hơn dòng base nhiều lần.

3. Đường tải một chiều và điểm Q

• Mọi trạng thái có thể của mạch nằm trên đường tải: I_C = (V_CC − U_CE) / (R_C + R_E). Đường này cắt trục I_C ở 9 / 2670 ≈ 3,37 mA (transistor bão hòa) và cắt trục U_CE ở 9 V (transistor tắt).
• Điểm Q (điểm tĩnh) là chỗ đường tải cắt đặc tuyến ứng với dòng base đang có. Khi tín hiệu vào làm dòng base tăng giảm, điểm làm việc trượt lên xuống dọc đường tải.
• Q đặt quá gần một đầu thì tín hiệu bị "đụng trần" sớm ở phía đó: gần bão hòa thì cắt phần dưới của tín hiệu ra, gần tắt thì cắt phần trên.

4. Hệ số khuếch đại và cắt đỉnh

• Transistor có một "điện trở nội" của tiếp giáp B–E đối với tín hiệu: r_e ≈ 25 mV / I_E. Với I_E ≈ 1,84 mA, r_e ≈ 13,6 Ω.
• Có tụ CE: A_v ≈ R_C / r_e ≈ 2200 / 13,6 ≈ 162 lần. Tín hiệu vào 10 mV thành khoảng 1,6 V. Đổi lại hệ số này phụ thuộc nhiệt độ và dòng, méo hơn.
• Không có CE: A_v ≈ R_C / (R_E + r_e) ≈ 4,5 lần, nhỏ nhưng ổn định, ít méo, gần như chỉ phụ thuộc tỉ số hai điện trở. Thiết kế thực tế hay chia R_E làm hai, chỉ nối tụ CE qua một phần để có hệ số ở giữa.
• Tín hiệu ra ngược pha 180° với tín hiệu vào: base tăng thì dòng collector tăng, điện áp rơi trên R_C tăng, điện áp collector giảm.
• Tín hiệu vào quá lớn (30 mV × 162 ≈ 4,9 V) vượt quá khoảng collector có thể dao động: đỉnh trên bị chặn ở V_CC, đỉnh dưới bị chặn khi transistor bão hòa. Đó là cắt đỉnh, nghe ra tiếng rè trong mạch âm thanh.
• Nối tải vào đầu ra (loa, tầng sau) làm hệ số giảm vì tải mắc song song với R_C đối với tín hiệu.

5. Ba cách mắc transistor

Mạch C chung (lấy tín hiệu ở emitter) cho điện áp ra bằng điện áp vào trừ 0,65 V nhưng cấp được dòng lớn hơn nhiều: đó là ý tưởng của tầng đệm, rất hay đi sau tầng E chung. Op-amp bên trong chính là nhiều tầng như vậy ghép lại, được đóng gói sẵn với hệ số khuếch đại rất lớn.

6. Gợi ý thực hành an toàn

• Lắp mạch trên breadboard với pin 9 V, transistor BC547 hoặc 2N3904 và các giá trị trong hình. Chưa cần tín hiệu: dùng đồng hồ vạn năng đo V_B, V_E, V_C và so với số tính ở mục 2; lệch dưới khoảng 10 % là hợp lý.
• Muốn thấy tín hiệu khuếch đại cần máy phát tín hiệu và máy hiện sóng. Có thể lấy tín hiệu nhỏ từ jack tai nghe của điện thoại (âm lượng nhỏ, qua C1) và nghe đầu ra bằng một tai nghe qua tụ C2.
• Thay β bằng một transistor khác cùng loại rồi đo lại: nhờ R_E, điểm làm việc chỉ đổi rất ít.

7. Tự kiểm tra

1. Nếu đổi R_E từ 470 Ω lên 1 kΩ (giữ nguyên các linh kiện khác), I_E khoảng bao nhiêu? (Đáp án: V_E vẫn khoảng 0,9 V nên I_E ≈ 0,9 mA; V_C tăng lên khoảng 7 V.)
2. Vì sao tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào? (Đáp án: base tăng làm dòng collector tăng, điện áp trên R_C tăng nên điện áp collector giảm.)
3. Bỏ tụ CE thì hệ số khuếch đại thay đổi thế nào? (Đáp án: giảm từ khoảng 162 xuống khoảng 4,5 lần nhưng ổn định và ít méo hơn.)

8. Xem thêm

• Cảm biến strain gauge: tín hiệu vài mV cần khuếch đại.
• Cân điện tử với HX711: IC khuếch đại và ADC chuyên dụng cho tín hiệu nhỏ.
• Bài tiếp theo của loạt điện tử căn bản: optocoupler và cách ly tín hiệu.