Chương 3- Khuếch đại công suất âm tần potx

Các lớp khuếch đại và hiệu suất : * Đặc điểm của chế độ A : tín hiệu tồn tại trong cả chu kỳ.. Bộ khuếch đại công suất âm tần đơn dùng biến áp : Mạch làm việc ở chế độ lớp A... Đây là

Cc i → ∞

i i

i L

Vc c

R L

Ns Np

∞

→

E

C

R E

R1

R2

ri

Chương 3 : KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ÂM TẦN

(KĐCSÂT)

I Các lớp khuếch đại và hiệu suất :

* Đặc điểm của chế độ A : tín hiệu tồn tại trong cả chu kỳ

+ Ưu : méo phi tuyến nhỉ

+Khuyết : hiệu suất thấp :







≤

≤

áp biến là tải dùng

R là tải dùng :

% 50

:

% 25

A

A

η

η

* Đặc điểm của chế độ B : tín hiệu chỉ tồn tại trong nửa chu kỳ

+ Ưu : hiệu suất cao : ηB ≤ 78,5 %

+ Khuyết : méo phi tuyến lớn

⇒ Cách khắc phục : mắc đẩy-kéo để giảm méo phi tuyến

II Bộ khuếch đại công suất âm tần đơn dùng biến áp :

Mạch làm việc ở chế độ lớp A Hệ số ghép biến áp :

N =

s p L

C

N

N V

V = (1)

⇒ VC = NVL (1')

NiC = -iL (2)

⇒

L L C

C

i

V N Ni

V

−

= = -NRL (3)

L L C

i

V

=

=

− (4) : Điện trở tải phản ánh từ thứ cấp về sơ cấp

* Công suất nguồn cung cấp một chiều là :

PCC = PS = VCC.ICQ (W) (5)

* Công suất xoay chiều được cung cấp trên RL (hay còn gọi là công suất hữu ích trên tải) :

PL =

2

2

1 ) ( 2

1

* Hiệu suất :

CC

L P

P

=

η (7)

* Công suất tiêu tán cực đại trên collector :

PC = PCC – PL = ICQ.VCC -

2

1 2 '

L

cmR

I (8) Các công thức (5), (6), (7), (8) đúng cho mọi trường hợp

Ở điều kiện tín hiệu cực đại (sóng ra max-swing) ta có :

L

CC L

CC CQ

cm

R N

V R

V I

I

2 '

max = = = (9)

VCEQ = VCC – ICQRE ≈VCC (10) (do RE rất nhỏ)

Khi đó :

+ P

max

CC = VCC '

L

CC

R

V

=

L

CC

R N

V

2

2

(5’)

+ P

max

L

CC L

CC L

L

CC

R N

V R

V R

R

V

2

2 '

2 '

2

1 2

1

2

1

=

=

















(6’)

+ ηmax =

max

max

CC

L

P

P

= 0,5 = 50 % (7’)

+ P

max

C = PCC =

L

CC R N

V 2

2 khi PL = 0

VCE

iC

icmax=2ICQ

0

Q

DCLL (-1/R DC )

V CC

V CEQ

I CQ

ADCLL (-1/R AC )

P L

P C

P CC

P Lmax

+

L

CC L

CC C

R N

V P

P

P

2 2 2

1

max max

min = − = (8’)

(Để chọn transistor người ta dùng chỉ số phẩm chất : 2

max

L

C

P P

Ví dụ : PC 4 W PL 2 W

max

III) BÔ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ÂM TẦN ĐẨY KÉO LỚP B:

Bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo lớp B dùng biến áp :

• Nguyên lý hoạt động :

+

2

1

T > 0 →Q1 dẫn : iC1 ≠ 0; Q2 tắt : iC2 = 0

+

2

1

T < 0 →Q1 tắt : iC1 = 0; Q2 dẫn : iC2 ≠ 0

+ Trong cả hai nửa chu kỳ dòng chảy trong biến áp ra ngược chiều với nhau nên ta có : iL = N(iC2 – iC1) → kết quả ta thu được dạng sóng sine như hình vẽ

+ Dạng sóng sine sẽ bị méo xuyên tâm nếu mạch như hình vẽ (nghĩa là VBB = 0)

Icm

+ Dạng sóng sine sẽ không bị méo xuyên tâm nếu ta mắc thêm R1,

R2 vào mạch với : VBB = V V

R R

R

CC 0 , 7

2 1

+ Nếu VBB > 0,7 V mạch làm việc ở chế độ AB thì méo phi tuyến giảm nhưng đồng thời hiệu suất cũng sẽ giảm

• Dòng điện trên tải có

giá trị đỉnh là:

IpL = ILm = p

s

p

I N

N

=

NICm (1)

và điện áp trên tải có giá trị

đỉnh là :

VpL = VLm =

N

V V N

p s

p

= (2)

• Trong cả hai nửa chu kỳ dòng điện chảy qua VCC cùng chiều với nhau, nên ta có công suất cung cấp một chiều trên tải : PCC = ITB.VCC=

CC

p

V

I V

I

2

2

π

• Công suất hữu ích trên tải : PL = ILm2 RL ICm2 .N2RL

2

1

2

1

• Ở điều kiện tín hiệu cực đại (max-swing) ta có :

L

CC L

CC Cm

R N

V R

V I

2 '

max = = (5) Khi đó :

+PCC =

L

CC CC

L

CC

R N

V V

R N

V

2

2

.

2

π









 −

'

1

L

R

i c

v CE

2V CC

V CC

DCL

I TB

i cc

i c1 i c2 i c1 i c2

+

L

CC L

L

CC L

R N

V R

R

V P

2

2 '

2

1

2

1











• Hiệu suất của mạch khuếch đại đẩy kéo : η =

CC

L P

P

(5)

và ηmax = 0,785 78,5%

4

CC

L

P

P

(5’)

⇒ Đây là ưu điểm lớn nhất của bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo lớp B

• PCC và PL ta tính ở trên là trong cả chu kỳ, nghĩa là cho cả Q1 và

Q2 nên ta có công suất tiêu tán trên collector là :

2PC = PCC – PL = ' 2

2

1 2

Cm L Cm

Giá trị cực đại của PC được tìm bằng cách vi phân PC theo ICm và cho bằng 0 như sau :

2  = 2 − ' = 0











Cm L CC cm

I R V dI

dP

Suy ra : ICm =

L

CC

R N

V

2

2

Thay vào (6) ta được :

2

max

C

2 2

2 '

'

2

2 2

L

CC L

CC L

L

CC CC

R

V R

V R

R

V V

π π

π











−

















(9) Như vậy công suất tiêu tán cực đại trên mỗi transistor sẽ là :

L

CC L

CC L

CC C

R N

V R

N

V R

V P

2

2 2

2 '

2

10

1

1

• Khi thiết kế để chọn Transistor người ta dùng chỉ số phẩm chất :

5

1 2

2

max

π

L

C

P

P

(11)

Nghĩa là nếu transistor có

max

C

P =4W thì có thể tạo ra

max

L

P = 20W Đây là ưu điểm nổi bật thứ hai của bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo lớp B so với bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo lớp A

 Bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo lớp B dùng Transistor bổ phụ :

• Nhược điểm của mạch khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo dùng biến áp ra là giá thành xao và cồng kềnh Vì vậy, đối với các bộ khuếch đại công suất âm tần có công suất không lớn lắm, người ta thường dùng bộ khuếch đại công suất âm tần không biến áp ra dùng Transistor bổ phụ

• Cặp Transistor bổ phụ là hai Transistor khác cực tính dẫn điện NPN và PNP nhưng có các tham số gần giống nhau

a) Bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo OTL (OUTPUT TRANSFORMERLESS)

* Nguyên lý hoạt động :

+

2

1

T > 0 →Q1 dẫn : iC1 ≠ 0; Q2 tắt : iC2 = 0; iC1 nạp cho tụ Cc đến giá trị VCC

(Co được chọn khá lớn)

t

V i

0

t

i C 1

0

t

i C 2

0

t

i L

0

+

2

1

T < 0 →Q1 tắt : iC1 = 0; Q2 dẫn : iC2 ≠ 0 do tụ Cc phóng điện qua Q2

+ Trong cả hai nửa chu kỳ dòng iC1 và iC2 chảy ngược chiều nhau trên tải RL nên ta có iL = iC1 – iC2 và iL có dạng sóng sine Do Q1 có các tham số như Q2 nên ICm1 = ICm2

* Hai diode D1 và D2 tạo phân cực và ổn định nhiệt độ cho Q1 và

Q2

2

E R

R cũng để tăng độ ổn định nhiệt độ cho Q1, Q2 Q1, Q2 mắc theo kiểu collector chung (mạch phát theo) để phối hợp trở kháng với tải RL (thường có giá trị 4Ω hoặc 8Ω)

* Tần số cắt thấp phụ thuộc vào Cc được tính như sau :

f1(Cc) =

c E

( 2

1 +

π (Hz) (1)

* Do có RE nên dòng tải đỉnh là :

IpL = ILm =

L E

Lm L

E

p

R R

V R

R

V

+

=

* Ở điều kiện tín hiệu cực đại (max-swing) ta có :

) (

2

max

L E

CC Lm

R R

V I

+

= (2’) (

2

max

CC Lm

V

* Giá trị trung bình của dòng cung cấp là :

ITB = ISTB =

)

p

R R

V +

π (3)

Khi max-swing ta có :

) (

2

max

L E

CC TB

R R

V I

+

=

π (3’)

* Công suất cung cấp một chiều trên tải :

PCC = PS = VCC ISTB =

) (

)

(

L E

Lm CC L

E

p CC

R R

V V R

R

V V

+

=

Khi max-swing ta có :

) (

2

2

max

L E

CC CC

R R

V P

+

=

π (4’)

PL = 2

2 2

2

) (

2

2

1

2

1

L E

L p L

Lm L

pL

R R

R V R

I R I

+

=

Khi max-swing ta có : 2

2 ) (

8

1

max

L E

L CC L

R R

R V P

+

* Hiệu suất của mạch : η =

CC

p L E

L CC

L

V

V R R

R P

P

=π

(6)

Khi max-swing ta có : Vp =

2

CC

V

nên ηmax =

L E

L R R

R +

4

π

(6’)

Nếu RE = 0 ta có : ηmax =

4

π

= 0,785 = 78,5 % (6*) Vậy đối với bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo lớp B thì

ηB ≤78,5% Khi mạch làm việc ở chế độ AB để giảm méo phi tuyến thì η = 60 ÷ 70 %

* Công suất tiêu tán trên collector : PC = PCC - PL (7)

max

C

P = PCC (7’) khi PL = 0

* Ưu điểm của mạch OTL : tiết kiệm do chỉ dùng một nguồn cung

cấp

* Khuyết điểm : _ Méo tần số thấp do tụ CC

gây ra (do Cc không thể tiến tới

∞) _ Méo phi tuyến lớn do 2 tầng Q1, Q2 không thật đối xứng (do VC không phải lúc nào cũng đúng bằng

2

CC

V

)

_ Băng thông bị co hẹp do tụ Cc (D < D’)

Để khắc phục những khuyết điểm trên ta dùng bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo kiểu OCL (không có tụ C )

D '

0

A v

A v0

Mạch OCL chỉ khác mạch OTL ở chỗ không có tụ ra CC nên không có các khuyết điểm như mạch OTL, nhưng lại phải cần đến hai nguồn cung cấp +VCC và –VCC Nguyên lý hoạt động , dạng sóng và tác dụng của các linh kiện như D1, D2, RE1, RE2 đều giống mạch OTL Các công thức (2), (3), (4), (5), (6) đều đúng , chỉ khác là ở chế độ max-swing thì

max

Lm

V = VCC, nên các công thức (2’), (3’), (4’),(5’), (6’) sẽ có dạng như sau :

L E

CC Lm

pL

R R

V I

I

+

=

=

max max (2’)

) (

max max

L E

CC TB

STB

R R

V I

I

+

=

=

π (3’)

) (

2

max

L E CC

R R

V

+

=

π (4’)

2

) (

2

1

max

L E

L L

R R

R V

+

ηmax =

L E

L R R

R +

4

π

(6’)

P = và

max max

c) Các bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo bù cơ bản :

* Do Transistor công suất thường có hệ số khuếch đại dòng điện nhỏ, β nhỏ (đặc biệt tại các mức dòng điện cao) nên người ta thường thay thế các transistor đơn bằng cặp Darlington mắc CC (phát theo) Khi đó β > β1.β2 và dòng điện có thể đạt tới 20 A

* Khi công suất ra yêu cầu lớn, các transistor có thể được mắc song song để tăng khả năng kéo dòng cho bộ khuếch đại Khi đó ta có hai bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo lớp B mắc song song với :

ICm = ICm1 = ICm3 = ICm2 = ICm4 và ILm = ICm1 + ICm3 = ICm2 + ICm4

Công suất ra trên tải RL sẽlà :

PL = ILm2 RL (2ICm)2.RL 2ICm2 RL

2

1 2

1

=

=

Khi max-swing : ICm =

L E

CC R R

V

l E

CC

R R

V

) (

2 2 2

* Đối với các bộ khuếch đại công suất âm tần công suất lớn, ta có thể mắc cầu các bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo lớp B OTL hoặc OCL (gọi là BTL)

PL =

2

1

ILm.VLm =

2

1

(2ILm1).(2VLm1) = 2ILm1.VLm1 = 4PL1

Khi mắc cầu công suất trên tải sẽ tăng gấp 4 so với một bộ khuếch đại công suất âm tần đấy kéo OTL 1 hoặc OCL 1, nhưng mạch này rất nhạy, chỉ cần một nhánh của sơ đồ bị điều chỉnh lệch sẽ gây cháy tải, nên chúng chỉ được dùng trong các bộ khuếch đại công suất âm tần chuyên dụng có công suất lớn

* Các bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo gần bù dùng một cặp Darlington mắc đẩy kéo với một cặp giả Darlington như sau :