Đang tải... (xem toàn văn)
Môn kỹ thuật điện tử. Chương 2 - Mạch khuếch đại công suấtTóm tắt lỹ thuyết, công thức, các ví dụ minh họa dễ hiểu
Chương Mạch khuếch đại công suất Biên soạn: Th.S Đỗ Việt Hà Bm: Kỹ thuật điện tử Nội dung 2.1 Định nghĩa phân loại 2.2 Mạch khuếch đại chế độ A 2.3 Mạch khuếch đại chế độ B (AB) 2.4 Mạch khuếch đại chế độ C 2.1 Định nghĩa phân loại a Khái niệm Là mạch khuếch đại tầng cuối Tạo công suất cung cấp cho tải (vài Watt đến vài trăm Watt), điện áp cường độ dòng điện tương đối lớn Mạch khuếch đại tín hiệu lớn: khơng sử dụng sơ đồ tương đương động Transistor mà sử dụng phương pháp đồ thị để giải toán b Phân loại Chế độ A: Transistor phân cực tuyến tính Tín hiệu khuếch đại gần tuyến tính Dạng tín hiệu giữ nguyên biến đổi biên độ so với tín hiệu vào Chế độ có hiệu suất thấp (với tải điện trở 25%) méo phi tuyến nhỏ Điểm làm việc tĩnh chế độ A phải nằm đường tải tĩnh Chế độ B: Transistor phân cực vùng ngắt Tín hiệu có nửa chu kỳ (âm dương) Chế độ có hiệu suất lớn (78%), méo xuyên tâm lớn khắc phục cách kết hợp với chế độ AB dùng hồi tiếp âm Chế độ AB: Có tính chất chuyển tiếp chế độ A chế độ B Transistor phân cực gần vùng ngắt để tham gia vào việc giảm méo tín hiệu vào có biên độ nhỏ Tín hiệu có nửa chu kỳ Chế độ C: Transistor phân cực vùng ngắt Tín hiệu có nhỏ nửa chu kỳ, hiệu suất lớn (>78%) méo lớn Mạch chế độ C dùng mạch khuếch đại cao tần có tải khung cộng hưởng để chọn lọc tần số mong muốn đạt hiệu suất cao Chế độ D: Transistor làm việc khố điện tử đóng mở Dưới tác dụng tín hiệu vào điều khiển transistor thơng bão hồ khố đóng, dịng IC đạt cực đại, cịn khố mở transistor ngắt, dòng IC = 2.1 Định nghĩa phân loại Phân loại mạch khuếch đại cơng suất theo vị trí điểm làm việc Dạng tín hiệu ra của các mạch khuếch đại cơng suất 2.1 Định nghĩa phân loại 2.1 Định nghĩa phân loại Các tham số mạch khuếch đại công suất Hệ số khuếch đại công suất: KP = Hiệu suất mạch: η= Po Pi Po ⋅100% Pdc Công suất tiêu tán cực đại Transistor Là công suất lớn mà Transistor chịu Là tham số quan trọng mạch khuếch đại công suất Nếu Transistor làm việc vượt qua giới hạn đường đẳng công suất cực đại PD Transistor bị hỏng max nhiệt 2.2 Mạch khuếch đại chế độ A Mạch khuếch đại chế độ A tải điện trở: Mạch khuếch đại chế độ A ghép biến áp Mạch khuếch đại chế độ A tải điện trở (1) V CC Tải điện trở, thường có giá trị nhỏ (4Ω, 8Ω,16Ω) C1 Điểm cơng tác tĩnh nằm đường tải tĩnh I CQ = VCC ⋅ = Ip RE + RL U CEQ = ⋅ VCC = U p ic = I p ⋅ sin ωt = iL uce = −U p ⋅ sin ωt iC = I CQ + ic = I CQ + I p ⋅ sin ωt uCE = U CEQ + uce = U CEQ − U p ⋅ sin ωt RL R1 Q 1n vs R2 RE Mạch khuếch đại chế độ A tải điện trở (2) Công suất xoay chiều tải: 2 VCC ⋅ RL Po = I p ⋅ RL = ⋅ 2 RE + RL RL = ⋅ VCC ⋅ ( RE + RL ) Công VCC VCC Pdc = chiều ⋅ ⋅ = suất nguồn VCC I CQ = VCCcung cấp cho2mạchR ) RE + RL ( RE + L P RL η= o = ⋅ Pdc RE + RL Hiệu suất mạch η max ↔ RE = η max = 25% Mạch khuếch đại chế độ A tải điện trở (3) Công suất tiêu tán tức thời Transistor pQ = uCE ⋅ iC pQ = (U CEQ − U p ⋅ sin ωt )( I CQ + I p ⋅ sin ωt ) = U CEQ I CQ (1 − sin ωt )(1 + sin ωt ) = ∫ T ωt ) pQ ( t ) ⋅ dt = VCC ⋅ I CQ Phương trình đường tải tĩnh: I C = f (U CE ) U CE = VCC − I C ( RL + RE ) (1 − sin Công suất tiêu tán trung bình Transistor: PQ = T Vcc ⋅ I CQ Phương trình đường tải động: uce = −ic ⋅ RL IC = − VCC ⋅ U CE + ( RL + RE ) ( RL + RE ) iC = f (uCE ) [ uCE = uce + U CEQ = −ic RL + VCC − I CQ ⋅ ( RL + RE ) ] = −( ic + I CQ ) ⋅ RL + (VCC − I CQ ⋅ RE ) = −iC ⋅ RL + (VCC − I CQ ⋅ RE ) Mạch khuếch đại chế độ A tải điện trở (4) Phương trình đường tải động: iC = − Hệ số góc đường tải tĩnh: VCC − I CQ ⋅ RE ⋅ uCE + RL RL tgα = − < tgα1 RL tgα1 = − RL + RE Hệ số góc đường tải động: iC Đường tải động đường tải tĩnh giao điểm công tác tĩnh Q, đường tải động có hệ số góc nhỏ so với đường tải tĩnh nên có độ dốc lớn Đường tải động Q Đường tải tĩnh uCE Mạch khuếch đại chế độ A Tải cuộn cảm iC VC C L1 R Đường tải tĩnh, hệ số góc=− 2VCC RL C Q C R L vs R R E Q I CQ U CEQ C E VCC Để thu tín hiệu đầu không méo đạt hiệu suất lớn thì: U CEQ = VCC U p = VCC I CQ = VCC RL I p = I CQ = 2 VCC PL = ⋅ I p ⋅ RL = ⋅ 2 RL Công suất xoay chiều thu tải: Công suất chiều cung cấp cho mạch: η= Hiệu suất mạch: VCC RL Po = 50% Pdc Pdc = VCC ⋅ I CQ VCC = RL RE Đường tải động, hệ số góc = -1/RL 2VCC uCE Mạch khuếch đại chế độ A ghép biến áp iC V C C T1 R R L R Trong đó, Đường tải động, hệ số góc = -1/R’L C E R E R Q I CQ Q Điểm công tác tĩnh: U CEQ = VCC I CQ ' L tải sơ cấp: V = CC ' RL RL ' = α ⋅ RL VCC 2VCC Công suất xoay chiều thu tải: 2 ' VCC PL = I p ⋅ RL = 2 α ⋅ RL Công suất chiều cấp cho mạch Pdc = VCC ⋅ I CQ Để đạt hiệu suất lớn đầu ra: I p = I CQ = RE C vs Đường tải tĩnh, hệ số góc=− 2VCC ' RL VCC ' RL U p = VCC VCC = α ⋅ RL Hiệu suất mạch: η = 50% uCE 2.3 Mạch khuếch đại chế độ B (AB) Mạch khuếch đại đẩy kéo đối xứng bù (ngược) Mạch khuếch đại đẩy kéo dùng biến áp Mạch khuếch đại kết cuối đơn với 1 nguồn cung cấp Mạch khuếch đại đẩy kéo đối xứng bù (1) Đặc tuyến truyền đạt và dạng sóng mạch khuếch đại chế độ B Mạch khuếch đại đẩy kéo bù chế độ B cơ bản Mỗi transistor được phân cực ở chế độ B và chỉ dẫn trong nửa chu kỳ. Tuy nhiên có một sự suy biến nhỏ đặc biệt khi tín hiệu nhỏ (méo điểm 0) Hai transistor Q1 và Q2 sẽ thay nhau dẫn trong mỗi nửa chu kỳ Khơng có khuếch đại áp nhưng hệ số khuếch đại dịng điện lớn để khuếch đại cơng suất Mạch khuếch đại đẩy kéo đối xứng bù (2) Hiệu suất Điện áp ra cho mạch chế độ B này là: uo = U p sin ωt Trong đó điện áp ra lớn nhất Up = VCC điện áp uCE1 được viết theo cơng thức: uCE1 = VCC − U p sin ωt Cơng suất trung bình trên tải là: U PL = × p RL cơng suất trung bình của mỗi nguồn cấp Up PS + = PS − = VCC ( π RL ) Cơng suất trung bình do cả 2 nguồn cấp Up PS = 2.VCC ( π RL ) Hiệu suất của mạch là: Hiệu suất lớn nhất khi tín hiệu ra lớn nhất với Up=VCC. Ta có: Up × PL RL π Up η= = = U VCC PS 2.VCC ( p ) π RL ηmax = π ≈ 78.5% Thực tế, hiệu suất của mạch chế đọ B thấp hơn giá trị trên do các suy hao khác của mạch và điện áp ra đỉnh (Up) phải nhỏ hơn VCC để tránh đưa transistor vào miền bão hồ. Khi biên độ điện áp ra tăng thì méo tín hiệu ra cũng tăng. Để méo ở mức chấp nhận được, điện áp ra đỉnh Up thường nhỏ hơn VCC vài Volt Mạch khuếch đại đẩy kéo đối xứng bù (2) méo điểm 0 Trong dải điện áp gần 0V, transistor ngắt điện áp tạo méo điểm với tín hiệu vào dạng sin Méo điểm khắc phục cách phân cực tĩnh với giá trị nhỏ cho Q1 Q2 mạch khuếch đại kiểu hoạt động chế độ AB Điện trở R điện trở phân cực dẫn dòng đến diode D1 D2 tạo điện áp không đổi Q1 Q2 Hai transistor Q1 Q2 có VBE nên I1 = I2 Khi điện áp rơi diode VBE, ta có điểm A điểm C có điện áp VBE, điểm B có điện áp 2VBE Mạch khuếch đại đẩy kéo dùng biến áp Biến áp đảo pha đầu vào có nhiệm vụ tạo 2 điện áp vào ngược pha nhau đưa tới 2 transistor Q1 và Q2 Khi khơng có tín hiệu vào, cả Q1 và Q2 đều ngắt, khơng có dịng điện trong mạch, điện áp ra trên tải bằng 0 Khi có tín hiệu vào, trong nửa chu kỳ dương của tín hiệu, Q1 dẫn. Dịng i1 chạy qua biến áp đầu ra tạo cảm ứng cấp cho tải nên trên tải có nửa sóng dương. Trong nửa chu kỳ này, tín hiệu đưa vào Q2 âm nên Q2 ngắt Đến nửa chu kỳ tiếp theo, tín hiệu đưa vào Q2 dương nên Q2 dẫn. Dịng i2 chạy qua biến áp đầu ra tạo cảm ứng cung cấp cho tải nên trên tải có nửa sóng dương. Trong khi đó, tín hiệu đưa vào Q1 âm nên Q1 ngắt Do i1 và i2 chạy ngược chiều nhau trong biến áp ra nên điện thế cảm ứng bên cuận thứ cấp cũng ngược pha nhau, chúng kết hợp với nhau tạo cả chu kỳ của tín hiệu trên tải Hiệu suất của tầng được tính như sau: η = ηb.a.ηB Trong đó ηb.a là hiệu suất của máy biến áp (khoảng từ 80%÷90%), ηB là hiệu suất khuếch đại của tầng khuếch đại chế độ B khi khơng ghép biến áp. Theo kết quả tính tốn phần trên ta có ηB (max)= 78.54%. ηmax = ηb.a.ηB(max) = 60%÷ 70% Mạch khuếch đại kết cuối đơn với 1 nguồn cung cấp tải sẽ phải được nối với một tụ điện có giá trị cao (khoảng vài trăm mF). Điện áp trên tụ sẽ là hằng số trong suốt chu kỳ hoạt động, giống như một nguồn cung cấp thứ 2. Nếu 2 Transistor giống nhau, tại điểm chung A có điện áp Vcc/2 và tụ sẽ duy trì điện áp này. Khi Q1 dẫn, điện áp cung cấp cho mạch sẽ là hiệu của Vcc và điện áp trên tụ, tức là bằng Vcc/2. Cịn khi Q2 dẫn, chỉ có nguồn cung cấp bởi tụ là hoạt động, cũng bằng Vcc/2. Tụ C đóng vai trị như nguồn 1 chiều vớ1 i giá trị điện áp là: UCo = Vcc/2 ωd C ≤ RL hay C ≥ ωd RL Mạch khuếch đại chế độ C Mạch khuếch đại chế độ C transistor phân cực miền ngắt, điểm làm việc thấp điểm ngắt Tại số điểm tín hiệu đủ lớn để vượt ngưỡng ngắt (trong nửa chu kỳ dương tín hiệu) xuất tín hiệu Do chế độ transistor dẫn khoảng nhỏ nửa chu kỳ Tín hiệu mạch khuếch đại chế độ C xung hẹp Méo trường hợp lớn nên không sử dụng tầng khuếch đại đơn tầng đẩy kéo Mạch khuếch đại chế độ C có khả cung cấp cơng suất lớn với hiệu suất lớn 78.5%, nhiên chế độ C tạo méo lớn tín hiệu Các mạch khuếch đại chế độ C chủ yếu ứng dụng khuếch đại tần số cao dùng tải cộng hưởng RLC thường dùng máy phát Tivi đài ...Nội dung 2. 1 Định nghĩa phân loại 2. 2 Mạch khuếch đại chế độ A 2. 3 Mạch khuếch đại chế độ B (AB) 2. 4 Mạch khuếch đại chế độ C 2. 1 Định nghĩa phân loại a Khái niệm Là mạch khuếch đại tầng cuối... loại 2. 1 Định nghĩa phân loại Các tham số mạch khuếch đại công suất Hệ số khuếch đại công suất: KP = Hiệu suất mạch: η= Po Pi Po ⋅100% Pdc Công suất tiêu tán cực đại Transistor Là cơng suất. .. quan trọng mạch khuếch đại công suất Nếu Transistor làm việc vượt qua giới hạn đường đẳng công suất cực đại PD Transistor bị hỏng max nhiệt 2. 2 Mạch khuếch đại chế độ A Mạch? ?khuếch? ?đại? ?chế độ A tải? ?điện? ?trở: