Đang tải... (xem toàn văn)
Với mọi thiết bị thông tin nói chung, đặc biệt là thiết bị mang xách thì yêu cầu về độ tin cậy, cự ly, chất lượng liên lạc và hiệu suất lớn là yếu tố quan tâm hàng đầu. Điều này được quyết định rất lớn ở bộ khuếch đại công suất. Có thể nói, cùng với bộ tổ hợp tần số thì bộ khuếch đại công suất là quan trọng nhất, là thành phần quyết định chính tới giá thành của thiết bị.
LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật và công nghệ, sự lớn mạnh không ngừng của lĩnh vực điện tử - tin học đã cho phép con người nối liền mọi khoảng cách trong mọi điều kiện không gian và thời gian. Trong các phương thức thông tin thì dạng thông tin vô tuyến chiếm vị trí hàng đầu, và là dạng liên lạc quan trọng nhất. Với dải tần số vô tuyến hết sức rộng lớn đã hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu đòi hỏi của con người, khi mà dạng thông tin đường dây không thể thực hiện được, như thực hiện các liên lạc với vùng địa hình phức tạp, hải đảo… hay cự ly rất lớn. Hiện nay, thiết bị thông tin vô tuyến là thành phần không thể thiếu trong mọi lĩnh vực, mọi cấp, mọi ngành. Với mọi thiết bị thông tin nói chung, đặc biệt là thiết bị mang xách thì yêu cầu về độ tin cậy, cự ly, chất lượng liên lạc và hiệu suất lớn là yếu tố quan tâm hàng đầu. Điều này được quyết định rất lớn ở bộ khuếch đại công suất. Có thể nói, cùng với bộ tổ hợp tần số thì bộ khuếch đại công suất là quan trọng nhất, là thành phần quyết định chính tới giá thành của thiết bị. Chính vì vậy, em được giao đồ án: “ Thiết kế và thi công bộ khuếch đại công suất máy phát thông tin vô tuyến sóng ngắn”. Nhiệm vụ đồ án là nghiên cứu, tìm hiểu về lý thuyết các mạch khuếch đại công suất cũng như các loại mạch được sử dụng trong thực tế, trên cơ sở đó tiến hành thiết kế một bộ khuếch đại công suất với các chỉ tiêu cho trước. Từ phương án thiết kế sẽ tiến hành tính toán và thi công một sản phẩm hoàn chỉnh. Để giải quyết các nhiệm vụ trên nội dung của đồ án trình bày trên ba chương như sau: Chương 1: Cơ sở mạch khuếch đại công suất Chương 2: Thiết kế bộ khuếch đại công suất Chương 3: Tính toán và thi công 1 Sau một thời gian nghiên cứu, thực hiện và hoàn thành đồ án, trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn đã luôn theo sát, định hướng và tạo điều kiện về mọi mặt cho em, cùng các thầy cô giáo trong khoa trong suốt quá trình làm đồ án. Do mới làm quen với công tác nghiên cứu, cùng với khó khăn về tài liệu, và trình độ còn hạn chế nên nội dung của đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp, chỉ dẫn của các thầy giáo để đồ án có chất lượng tốt hơn. Em xin chân thành cám ơn! 2 CHƯƠNG I CƠ SỞ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT 1.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MÁY PHÁT SÓNG NGẮN Một máy phát thông tin vô tuyến sóng ngắn nói chung có chức năng sau: * Tạo dao động cao tần (RF). * Điều chế dao động. * Khuếch đại và bức xạ. Dải tần sóng ngắn là tương đối hẹp ( từ 3 – 30MHz) trong khi yêu cầu số kênh thông tin càng lớn càng tốt. Để số đường liên lạc là tối đa thì các dạng điều chế tin tức phải bảo đảm tiết kiệm phổ nhất. Về cơ bản, có hai dạng công tác chính là chế độ báo và thoại cho các máy phát thông tin sóng ngắn. * Chế độ công tác báo: Chế độ báo được chọn là chế độ công tác chính cho các máy thông tin vô tuyến sóng ngắn nói chung. Báo đẳng biên thông thường được sử dụng do có ưu điểm là đơn giản, phổ tần hẹp và yêu cầu chống nhiễu không quá cao vì khả năng nghe trên nền nhiễu tốt của tai con người. Dạng báo điều tần mặc dù có phổ rộng hơn nhưng chất lượng không vượt trội nên thực tế ít được sử dụng. * Chế độ công tác thoại: Có ba dạng tín hiệu điều chế: thoại điều biên, đơn biên và điều tần. – Thoại điều biên: thực hiện nhanh, đơn giản, dải phổ tín hiệu rộng ax 2 2 m f f∆ = , nhiễu nhiều nên chất lượng thông tin kém. Vì vậy, chế độ này chỉ được dùng trong các trường hợp cần thiết. – Thoại đơn biên: dải phổ hẹp bằng 1/2 so với phổ của thoại điều biên ax 2 m f f∆ = , khả năng chống nhiễu tốt. 3 – Thoại điều tần: dải phổ rộng ( ) ax 2 1 m f f ϕ ∆ = × + (với ϕ là chỉ số điều chế), khẳ năng chống nhiễu kém, số kênh thông tin ít. Như vậy, xét về độ rộng phổ tín hiệu, khả năng chống nhiễu và hiệu quả sử dụng năng lượng thì tín hiệu điều chế đơn biên có ưu điểm nhất. Vì vậy, dạng điều chế đơn biên được chọn cho máy thông tin vô tuyến sóng ngắn. Trong các phương pháp tạo tín hiệu đơn biên thì phương pháp trộn lọc nhiều lần là phổ biến nhất, và về cơ bản xác định cấu trúc của máy thông tin vô tuyến sóng ngắn. Với các dạng công tác cơ bản là thoại và báo, sơ đồ khối tổng quát của một máy thông tin vô tuyến sóng ngắn có dạng như hình 1.1 sau: Hình 1.1 Sơ đồ khối máy phát vô tuyến điện * Nhiệm vụ các khối : – Khuếch đại mic: Là bộ khuếch đại mức tín hiệu âm tần trước khi đưa vào điều chế. – Dao động 1kHz: là bộ dao động chuẩn đưa vào điều chế trong chế độ báo. – Bộ khích thích: Có nhiệm vụ tạo ra dải tần công tác của máy thông tin vô tuyến. Thực hiện điều chế tín hiệu và khuếch đại tín hiệu theo yêu cầu của thiết bị. – Khuếch đại công suất và tiền khuếch đại công suất: có nhiệm vụ khuếch 4 Bộ kích thích Tiền KĐCS KĐCS Phối hợp anten Khối nguồn KĐ MIC Hệ thống điều khiển Manip i c max MIC K.V bão hoà ANTEN Dao động 1kHz đại tín hiệu đủ công suất yêu cầu, vì vậy KĐCS có thể gồm một hay nhiều tầng. Do tín hiệu điều chế là đơn biên nên yêu cầu khuếch đại phải tuyến tính cao, mặt khác vì thiết bị dùng nguồn nuôi là pin hoặc acquy nên còn phải đảm bảo hiệu suất khuếch đại cao để giảm tối đa tiêu hao năng lượng. – Phối hợp anten: Làm nhiệm vụ phối hợp trở kháng giữa khối khuếch đại công suất với anten trong toàn dải tần. – Hệ thống điều khiển: Dùng chung cho cả máy thu và máy phát, nó gồm phần giao diện với người sử dụng và phần tạo ra các tín hiệu điều khiển các hoạt động của điện đài. – Khối nguồn: Tạo ra các mức điện áp yêu cầu cho toàn bộ thiết bị. Phạm vi của đồ án sẽ tiến hành xem xét, thiết kế, tính toán và thi công bộ khuếch đại công suất của máy thông tin vô tuyến sóng ngắn. Các vấn đề cụ thể sẽ được trình bày tiếp sau đây. 1.2 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT Tầng khuếch đại công suất có nhiệm vụ đưa ra công suất đủ lớn để kích thích cho tải. Công suất ra của nó từ vài phần W cho đến hàng trăm W. Công suất này được đưa ra đến tầng sau dưới dạng điện áp hoặc dòng điện có biên độ lớn. Phân loại mạch khuếch đại công suất có nhiều cách khác nhau như mạch khuếch đại được phân biệt theo mục đích (mạch khuếch đại điện áp, mạch khuếch đại dòng điện, mạch khuếch đại công suất …), hoặc phân biệt theo loại năng lượng ngoài được sử dụng (mạch khuếch đại điện, mạch khuếch đại từ ). Theo cách mắc tải, người ta chia thành mạch khuếch đại có biến áp ra và tầng khuếch đại không biến áp ra. Thông thường trong mạch khuếch đại công suất người ta chia thành hai nhóm mạch là: nhóm mạch khuếch đại công suất tuyến tính và nhóm mạch khuếch đại công suất chuyển mạch. Trong nhóm mạch khuếch đại công suất tuyến tính thì theo độ lớn của góc cắt người ta cũng chia thành 4 loại 5 mạch khuếch đại là: mạch khuếch đại chế độ A, chế độ B, chế độ AB và chế độ C. Đối với nhóm khuếch đại chuyển mạch, tranzistơ được kích thích tín hiệu có biên độ lớn, điều chỉnh việc đóng mở thiết bị như một chuyển mạch. Hoạt động chuyển mạch cung cấp hiệu quả khuếch đại công suất cao hơn so với nhóm các mạch khuếch đại tuyến tính. Một thiết bị chuyển mạch lý tưởng là không có điện áp đặt trên tranzistơ khi nó thông, không có dòng điện chảy qua khi nó ngắt và thời gian chuyển tiếp của nó bằng không. Trong phạm vi đồ án, loại nhóm khuếch đại chuyển mạch không được đề cập. 1.2.1 Các tham số của tầng khuếch đại công suất * Hệ số khuếch đại công suất: hệ số khuếch đại công suất P K là tỉ số giữa công suất ra R P và công suất vào V P : R P V P K P = (1.1) * Hiệu suất: Là tỉ số giữa công suất ra R P và công suất cung cấp một chiều 0 P 0 R P P η = (1.2) Hiệu suất càng lớn thì công suất tiêu hao trên colectơ của tranzistơ càng nhỏ. 1.2.2 Chế độ công tác và định điểm làm việc cho tầng khuếch đại công suất Tuỳ thuộc vào chế độ công tác của tranzistơ, người ta phân biệt ra: * Tầng khuếch đại chế độ A: Trong chế độ này, tín hiệu được khuếch đại gần như tuyến tính, góc cắt θ = T/2 = 180 0 . Khi tín hiệu vào là hình sin thì dòng tĩnh colectơ luôn luôn lớn hơn biên độ dòng điện ra, vì vậy hiệu suất của bộ khuếch đại chế 6 độ này rất thấp (<50%). * Tầng khuếch đại chế độ AB: Trong trường hợp này góc cắt 90 0 < θ < 180 0 , chế độ này hiệu suất cao hơn chế độ A (<70%).Vì dòng tĩnh I CO lúc này nhỏ hơn chế độ A nên điểm làm việc nằm trên đặc tuyến tải gần khu vực tắt của tranzistơ. Hình 1.2 Đặc tuyến ra của tranzistơ Hình 1.3 Dạng dòng điện ra của tranzistơ ứng với các chế độ khác nhau * Chế độ B: Ứng với θ = 90 0 là điểm làm việc tĩnh được xác định tại U BE = 0, chỉ một nửa chu kỳ dương hoặc âm của tín hiệu vào được tranzistơ khuếch đại. * Chế độ C: Ứng với góc cắt θ < 90 0 . Hiệu suất chế độ này khá cao (>78%) nhưng méo lại lớn. Nó thường được dùng trong các bộ khuếch đại tần số cao và dùng tải cộng hưởng, hoặc dùng trong các mạch khoá hoặc logic. Điểm làm việc tĩnh trong khu vực cho phép trên đặc tuyến tranzistơ 7 A A B B C i c i c i c i c I C0 I C0 t 1 t 2 t 2 t 2 t 1 t 1 t 2 t 2 t 1 t t t t U CE U CE MAX Khu vực tắt I C P C MAX I Cmax Hypebol công suất K.v bão hoà hoµ (Hình 1.1). Khu vực đó được giới hạn bởi Hypebol công suất, đường thẳng ngang với dòng colector cực đại, đường thẳng đứng với điện thế colectơ- emitơ cực đại, đường cong phân cách với khu vực bão hoà và đường thẳng phân cách với khu vực tắt của tranzistơ. Ở chế độ động, điểm làm việc có thể vượt ra ngoài hypebol công suất (nếu vẫn bảo đảm được điều kiện công suất tổn hao nhỏ hơn công suất tổn hao cho phép), nhưng không được vượt quá các giới hạn khác. Phần tiếp theo, ta xem xét và thảo luận kỹ một số dạng mạch, cũng như chế độ của nó với các loại tranzistơ khác nhau. 1.3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ĐƠN (CHẾ ĐỘ A) Trong chế độ A, biên độ tín hiệu ra thay đổi đối xứng xung quanh điểm tĩnh. So với tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ, nó chỉ khác là biên độ tín hiệu lớn. Tầng khuếch đại đơn hay dùng sơ đồ emitơ chung hoặc lặp emitơ vì nó có hệ số khuếch đại dòng điện lớn và méo phi tuyến nhỏ. 1.3.1 Sơ đồ emitơ chung (tranzistơ lưỡng cực) Hình 1.4 Sơ đồ mạch emitơ chung Khi tín hiệu vào hình sin, thì công suất ra được xác định theo biểu thức: 2 2 ˆ ˆ ˆ 2 2 2 CE C C C CE R C U I I R U P R × × = = = × (1.3) 8 0 C 1 0 R U n U c c I b 0 I c R U CE Căn cứ vào hình 1.4 thì có thể xác định được biên độ của ˆ CE U và C I như sau: ( ) ax min 2 Cm C C I I I − = và ( ) ax min ˆ 2 CEm CE CE U U U − = Dạng tín hiệu ra: Hình 1.5 Dạng tín hiệu trên bộ đặc tuyến ra Thay vào 1.3, ta có: ( ) ( ) ax min ax min 8 CEm CE Cm C R U U I I P − × − = (1.4) Như vậy, khi vẽ được đường tải trên họ đặc tuyến ra, ta có thể xác định được công suất ra và lớn nhất khi có điều kiện sau: ax minCEm CE U U− ≈ CC U tức là axCEm U ≈ / 2 CC U . ax minCm C I I− ≈ 2 CO I . / 2 Copt CC CO R U I= . Lúc đó công suất ra cực đại: 2 Rmax 8 4 CC CC CO C U U I P R × = ≈ × (1.5) khi điện trở tải được xác định: 2 CC Copt CO U R I = × 9 Ta còn nhận thấy rằng: đường tải càng nằm gần hypebol thì công suất ra càng lớn. Trường hợp đầu ra của tầng khuếch đại được ghép điện dung với tải thì cần phân biệt đường tải tĩnh với đường tải động, lúc đó điện trở tải tối ưu được xác định theo công thức 1.6: ( ) // 2 CC C t opt CO U R R I = × (1.6) Để xác định hiệu suất, cần phải xác định công suất cung cấp cho mạch: ( ) 0 0 1 ˆ sin T CC CO C CC CO P U I I t dt U I T ω = + = × ∫ (1.7) Rõ ràng là khi tín hiệu vào là hình sin thì trị số trung bình đại số của điện áp colectơ- emitơ và dòng colectơ không đổi, vì vậy công suất cung cấp một chiều không phụ thuộc vào mức tín hiệu vào và ra. Hiệu suất cực đại của mạch được xác định: ax 0 100% 25% P Rm P η = × ≈ (1.8) Khi ghép biến áp, có thể tăng hiệu suất cực đại lên gấp đôi, vì có thể bỏ qua điện trở một chiều của biến áp, nghĩa là giảm điện áp nguồn cung cấp một chiều của mạch. 1.3.2 Sơ đồ cực nguồn (Source) chung Các sơ đồ dùng FET cũng có tính chất như sơ đồ dùng tranzistơ lưỡng cực. Tuy nhiên, các sơ đồ dùng FET có hệ số khuếch đại nhỏ hơn do hỗ dẫn của FET nhỏ hơn hỗ dẫn của tranzistơ lưỡng cực. FET kênh N thường dùng trong phạm vi tần số rất cao, vì độ linh động hạt dẫn của Fet kênh N lớn hơn ở Fet kênh P. Một sơ đồ khuếch đại cực nguồn chung được cho như hình 1.5 sau: 10 [...]... dải thông của bộ lọc thông thấp hay các bộ lọc dải thông và cho phép bộ khuếch đại đáp ứng được yêu cầu thi t kế với một hệ số khuếch đại đồng đều, méo thấp, và độ tin cậy cao * Tầng khuếch đại công suất: có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu vào đạt mức đã chọn đưa ra anten Yêu cầu tầng khuếch đại công suất phải có hiệu suất cao vì thi t kế cho máy phát cấp chiến thuật, công suất đủ theo yêu cầu Khối khuếch. .. rộng rãi của dải sóng ngắn như vậy, đồ án chỉ nghiên cứu thi t kế và thi công bộ khuếch đại công suất được sử dụng cho lĩnh vực quân sự, cụ thể là bộ khuếch đại công suất cho điện đài sóng ngắn công suất nhỏ dùng cho cấp chiến thuật 2.1 CHỌN CHỈ TIÊU BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT Bộ khuếch đại công suất được thi t kế cho điện đài sóng ngắn công suất nhỏ, dùng cho cấp chiến thuật nên yêu cầu gọn nhẹ, dễ mang... toàn bộ quá trình thi t kế bộ khuếch đại công suất dải rộng Nội dung bao gồm thi t kế từ mạch phối hợp đầu vào cho đến mạch phối hợp đầu ra Tầng khuếch đại công suất bao gồm hai tầng: một tầng khuếch đại điều chỉnh và một tầng khuếch đại công suất 2.3 THI T KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 2.3.1 Các mạch phối hợp vào, ra Có nhiều mạch phối hợp có thể được sử dụng cho phối hợp trở kháng và ghép nối, và cũng có chức... Do vậy, công suất đầu ra cho bộ khuếch đại công suất không nên (và cũng không cần thi t) quá cao cho các điện đài sóng ngắn bảo đảm thông tin cho cấp chiến thuật Ta chọn công suất đầu ra là 15W cho bộ khuếch đại công suất là tương đối phù hợp * Chọn trở kháng đầu vào và trở kháng đầu ra Điện đài sóng ngắn công suất nhỏ dùng cho cấp chiến thuật, yêu cầu gọn nhẹ, dễ triển khai, thu hồi nhanh và đảm bảo... tần công tác bị giới hạn 1.5.2 Các bộ khuếch đại song song Mục đích của các bộ khuếch đại song song là đạt được một công suất đầu ra cao hơn so với công suất có thể ở một bộ khuếch đại đơn Nó sẽ kinh tế hơn và cũng đơn giản hơn cho thi t kế với mức công suất yêu cầu là lớn Nhiều vấn đề có thể gặp phải trong thi t kế với mạch khuếch đại song song, như là các mức trở kháng cực kỳ nhỏ và sự phân chia công. .. mạch lọc thông thấp hay thông dải phía đầu ra của bộ khuếch đại công suất Chế độ nhiệt, méo… cũng là các chỉ tiêu cần quan tâm trong quá trình tính toán, thi t kế và thi công bộ khuếch đại công suất Việc khắc phục và nâng cao chất lượng cũng sẽ được xem xét trong lựa chọn giải pháp, vật tư linh kiện cũng như trong tính toán cụ thể Như vậy, chỉ tiêu được chọn cho bộ khuếch đại công suất là: Công suất tín... dòng, áp ALC Hình 2.2 Sơ đồ khối tổng quát của bộ khuếch đại công suất 2.2.2 Nhiệm vụ các khối 29 * Tầng khuếch đại cuối của điện đài: có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu đủ lớn cung cấp cho bộ khuếch đại công suất * Mạch ghép đầu vào: có nhiệm vụ phối hợp trở kháng giữa đầu ra của tầng khuếch đại cuối với đầu vào tầng khuếch đại công suất trong toàn bộ dải tần công tác (1,5 – 12)MHz, đồng thời có nhiệm vụ... suất sau: khuếch đại đơn, song song hay đẩy- kéo Mỗi loại được ứng dụng cho những đòi hỏi khác nhau về phổ tần, băng thông và mức công suất ra trong một thi t kế cụ thể Xem xét ưu, nhược điểm của từng loại và phạm vi ứng dụng của chúng là cơ sở lựa chọn giải pháp cho thi t kế 1.5.1 Các bộ khuếch đại đơn Nếu ở một tần số hay trong một dải tần vô tuyến công tác tương đối hẹp, thì bộ khuếch đại đơn sẽ... công suất từ 10 – 25 W cho dải sóng ngắn Mặt khác, trong điện đài sóng ngắn công suất nhỏ, sau tầng khuếch đại cuối trước khi đưa tới đầu vào bộ khuếch đại công suất, mức tín hiệu thường tương đối nhỏ Do vậy, độ tăng ích yêu cầu cỡ một vài chục dB Độ tăng ích càng lớn thì khả năng làm việc tin cậy và độ an toàn càng giảm Để đảm bảo được thì số tầng trong bộ khuếch đại công suất càng nhiều, do đó khích... Dạng tổng quát mạch khuếch đại công suất đẩy-kéo Trên đây là tổng quan về cơ sở mạch khuếch đại công suất Ở chế độ A, do hiệu suất thấp nên công suất ra thấp, tín hiệu không méo, tiêu thụ dòng một chiều lớn nên tiêu tán lớn Vì vậy chỉ ứng dụng cho những máy phát thông tin vô tuyến công suất nhỏ Trong khi đó, chế độ AB, B, C có hiệu suất cao, dòng tiêu thụ nhỏ nhưng tín hiệu sau khuếch đại bị méo Ta thực