Kỹ thuật mạch điện tử - Chương 6 pptx

Đồ thị trên hình 6.1 minh họa các chế độ khác nhau của tầng khuếch đại và dạng dòng điện ra trên colecto ứng với các chế độ đơ.. Tuy nhiên, ¿ khi dùng điện trỏ emito dé ốn định chế độ c

Chương 6 TẦNG KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

6.1 Những vấn đề chung về tầng 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 cỡ vài phần mười W đến lớn hơn 100 W, Công suất này được

đưa đến tầng sau dưới dạng điện áp hoặc dòng điện có biên độ lớn Khi khuếch đại tín

hiệu lớn, các tranzistor không làm việc trong miền tuyến tính nữa, do đó không thể dùng

sơ đồ tương dương tín hiệu nhỏ dể xét bộ khuếch dại như trong chương 4

Trong chương này, để nghiên cứu tầng khuếch đại công suất đừng phương pháp dồ

thị

6.1.1 Các tham số của tầng khuếch đại công suất

Hệ số khuếch dại công suốt Hệ số khuếch đại công suất K, la tỈ số giữa công suất

ra và công suất vào

Hiệu suốt Hiệu suất là tỉ số giữa công suất ra P, và công suất cung cấp một chiều

nghĩa là mạch phải có hệ số khuếch đại dòng điện lớn

6.1.2 Chế độ công tác và định điểm làm việc cho tầng khuếch đại công suất

Tùy thuộc vào chế độ công tác của tranzistor, người ta phân biệt : bộ khuếch đại chế độ A, AB, B và C Đồ thị trên hình 6.1 minh họa các chế độ khác nhau của tầng

khuếch đại và dạng dòng điện ra trên colecto ứng với các chế độ đơ Hình 6.1b còn cho thấy miền làm việc cho phép của một tranzistor khuếch đại Trên hình 6.la cần lưu ý

đến góc cá: 6 Với các chế độ khác nhau, góc cắt @ cũng khác nhau

Chế độ A tín hiệu được khuếch đại gần như tuyến tính, góc cắt 9 = 7⁄2 = 180°

Khi tín biệu vào hình sin thì ở chế độ A dòng tính colecto luôn luôn lớn hơn biên độ dòng diện ra VÌ vậy hiệu suốt của bộ khuếch đại chế độ A rốt thấp (<50%)

118

Do đó chế độ A chỉ được dùng trong trường hợp công suất ra nhỏ (P, < 1W)

Chế dộ AB có góc cắt 90° < 9 < 1809 Ỏ chế độ này có thể đạt hiệu suất cao hơn

chế độ A (<70%), vì dòng tỉnh ï,„ lúc này nhỏ hơn dòng tĩnh ở chế độ A Điểm làm việc nằm trên đặc (uyến tủi gần khu uục tốt của tranzistor

Hyperbol

công sua?

Hình 6.1 Minh họa chế độ công tác của tầng khuếch đại công suất

a) đặc tuyến truyền đạt của tranzistor ; b) đặc tuyến ra của tranzitor ;

c) dang dòng điện ra của tranzitor ứng với các chế độ qông tác khác nhau

khi điện áp vào hình sin

Chế dộ B ứng với 0 = 90° Điểm làm việc tính được xác định tại Ủpạ = 0 Chi

một nửa chu kỳ âm (hoặc dương) của điện áp vào được tranzistor khuếch đại

Chế độ C có góc cắt 9 < 902 Hiệu suất chế dộ C khá cao (lớn hơn 78%), nhưng méo rất lớn Nó thường được dùng trong các bộ khuếch dại tần số cao va ding voi tdi cộng hưởng để có thể lọc ra được hài bậc nhất như mong muốn Chế độ C còn được

dùng trong mạch logic và mạch khóa

Điểm làm việc tỉnh được xác định trong khu vực cho phép trên đặc tuyến tranzistor

(hình 6.1b) Khu vực đó được giới hạn bởi : hyperbol công suất, đường thẳng ứng với

dong colecto cực đại, đường thẳng ứng với điện thế colecto-emito cực đại, đường cong phân cách với khu vực bão hòa và đường thẳng phân cách với khu vực tắt của tranzistor

114

Ỏ chế độ động (khi có tín hiệu vào), điểm làm việc có thể vượt ra ngoài hyperbol công ' suất (nếu vẫn đảm bảo được điều kiện công suất tổn hao nhỏ hơn công suất tổn hao

cho phép), nhưng khöng được vượt quá các giới hạn khác

Có thể dùng các biện pháp đã trình bày trong chương 3 để cung cấp và ổn định điểm làm việc cho tầng khuếch đại công suất Tuy nhiên, ¿ khi dùng điện trỏ emito dé

ốn định chế độ công tác, vì trong tầng khuếch đại công suất, dòng lớn sẽ gây tốn hao lon trên điện trở này

6.2 Những vấn đề chung về mạch điện tầng khuếch đại công suất

Mạch điện tầng khuếch đại công suất thường được phân loại theo bảng 6.1

Tdi của tầng công suốt thường dược mốc trục tiếp vao colecto hoặc emifo của

tranzistor công suốt Khi khuếch dại tín hiệu xoay chiều có thể ghép tải qua biến úp mạch ghép biến áp (tải biến áp) cho hiệu suất cao nhưng cho qua dải tần hẹp và kích

6.3 Tầng khuếch đại đơn (bộ khuếch đại chế độ A)

Trong tầng khuếch đại chế độ A, điểm làm uiệc thay dồi dối xúng xung quanh diểm tỉnh So với tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ, nó chỉ khác là biên độ tín hiệu lớn Tầng

khuếch đại đơn hay dùng so d6 emito chung hoặc sơ đồ lặp emifo, vì sơ đồ này có hệ

số khuếch đại dòng điện lớn và méo phi tuyến nhỏ

6.3.1 Sơ đồ emito chung

Hình 6.2 biểu diễn sơ đồ emito chung và minh họa nguyên tắc làm việc của tầng

Căn cứ vào hình (6.2b) có thể xác định được các bién d6 U,, va I, nhu sau :

“A (max — Zemin) A (Ucemax ~ CEmin) l_=—————- và Ừ., c 2 ce = ——————- 2 Thay vào (6.1) ta có :

115

(UcEmax ~ CcEmin)(Ícmax — min)

Vậy khi vẽ được đường

tải trên họ đặc tuyến ra,

ta hoàn toàn có thể xác

định được công suất ra, Ta

sẽ nhận được công sudt ra

lớn nhất khi có điều kiện

Trường hợp đầu ra của

tầng khuếch đại được ghép

điện dung với tải, cần phân

miệt đường tải tính với

đường tải động, lúc đó điện Hình 6.2 Tầng khuếch đại mắc theo sở: đồ emito chung:

° a) sd dé; b) minh hoa dang tin hi¢u trên bộ đặc tuyến ra

trở tối ưu được xác định

Rõ ràng, khi tín hiệu vao hình sin thì trị số trung bình dại số của diện ap colecto

~ emiio và dòng colecto 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 theo (6.5)

P

oO

116

Khi ghép bién ap cd

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

biệt /hích hợp đối với

tầng khuếch đại công

suất Ngoài những ưu

điểm đã nêu ở trên dùng

sơ đồ này còn đế phối

hop trd khang voi tdi

việc tính ở giữa đường Hình 6.3 a) Tầng công suất mắc theo sơ đồ lặp emito ;

tải (hình 6.3b) Ta có b) Minh họa đạng tín hiệu trên đặc tuyến ra

U U + Ữ, Ucer _ Ue, + ỨcER

Khi điện trở tải đạt được giá trị tối ưu :

Ud, A> (Uce — UceR)

Prax = —g— = Ue/2Riop = —Qp—_ topt

Khi coi I, ~ ïpg, tính được công suất một chiều cung cấp cho mạch

Py = Velo

Từ (6.7) và (6.8) xác định hiệu suất cực đại của mạch

Prmax (Woe — Ucer)’ 1 Uce ~ UCER

= 100% = ——————_ 100 = — ——_———_ 100% = 25 %

(6.7) (6.8)

(6.9)

117

Công suất tổn hao trên colecto của tranzistor là hiệu số giữa công suất cung cấp

một chiều P„ và toàn bộ công suất tổn hao trên điện trở tải ;

Hình 6.4 Tầng công suất mắc theo sơ đồ lặp emito ghép điện dung với tai, Rt = Ri // Re

Giả sử chọn diểm làm uiệc tính ở giữ dường dặc tuyến tải sao cho công suốt tín hiệu ra lớn nhất Tù đặc tuyến trên hình 6.4b có thể xác định được dòng emito ở chế

Giải hệ phương trỉnh đó, ta nhận được ;

U.ẩt\ + UcrgfiE (Ư,c † UépR)R, † UcEgiE

Công suất tín hiệu ra :

Công suất ra cực đại :

ry Vecpr , Teopt 1 (ce — Ucer) 2 (6.25

Công suất cung cấp một chiều :

Hiệu suất của mạch :

119

So với sơ đồ trên hình 6.3, sơ đồ lặp emito ghép điện dung với tải đạt được hiệu suất rất thấp

Để nâng cao hiệu suất, người ta có thể thay Rg trong sơ đồ trên bởi một nguồn

Hình 6.5 Tầng công suất mắc theo sở đồ lặp emito ghép điện dung với tải,

có nguồn dòng mắc trong mach emito

Vì nguồn dòng có trở kháng trong lớn, nên R\ = R Chọn điểm làm việc ở giữa

đặc tuyến tải, ta cố biên độ điện áp và dòng điện ra cực đại như sau :

Trong các mạch tích hợp hay dùng sơ đồ lặp emito ghép trực tiếp được cung cấp

bởi một nguồn điện áp 2 cực tính (hình 6.6) Trong sơ đồ này ta xác định được :

2U.¢- UcgR 2c † UcpR

120

_ Uees 0 Ucer Uceo, Ge | Ucci#Uccg Yee

Hình 6.6 Tầng công suất ghép trực tiếp, cé nguén cung cép mot chiéu hai cyc tinh Ri = Ri//R

Prax 1 `

Hiệu suất của sơ đồ này rất thấp, do bbông chọn dược điểm lam uiệc tối ưu, đó

la vi diện thế emito ở chế độ tíuh buộc phải bằng không

Có thể tăng hiệu suất của mạch lên tới 25%, nếu thay cho điện trở y dùng một nguồn dòng như trong sơ đồ hình 6.5a

6.4 Tầng khuếch đại đấy kéo

6.4.1 Những vấn đề chung về tầng khuếch đại đẩy kéo

1 Các loại sơ đồ

Để tăng công suốt, hiệu suốt Uuầ giảm méo phi tuyến, người ta dùng tầng khuếch đại đẩy kéo Tầng khuếch đại đẩy kéo là tầng gồm có hơi phần tử tích cục mắc chung tải Để biểu diễn và phân loại các sơ đổ đẩy kéo, có thể dùng sơ đồ cầu như trên hình 6.7

Hình 6.7 Phân loại các tầng khuếch dai đẩy kéo

a) sở đồ đây kéo song song ; b) sơ đồ đây kéo nối tiếp

Trong sơ đồ đẩy kéo song song, các phần tử tích cực được mắc trong các nhánh bên trái của cầu Trong các nhánh phải của cầu là điện trở tải, cd điểm giữa nối với nguồn cung cấp mắc trong nhánh chéo của cầu Ngược lại, trong sơ đồ đẩy kéo nối tiếp

nguồn cung cấp có điểm giữa nối với tải, tải nằm trong nhánh chéo của cầu Tóm lại

sơ đồ đẩy béo song song có các phần từ tích cục dếu song song uề một một chiều uà

sơ đồ đẩy kéo nối tiếp có các phần từ tích cực đấu nối tiếp uề một một chiều Ngoài

ra, trong các sơ đồ trên còn có thể dùng hai phần tử tích cực cùng loại hoặc khác loại,

do đó có bốn loại sơ đồ đẩy kéo như được chỉ ra trong bảng 6.1 và hình 6.8

Điện trở #, trong các sơ đồ song song chỉ có ý nghĩa, nếu hai nửa của nó được liên hệ uói nhau nhờ cảm ứng hoặc nhờ sự biến dối năng lượng sao cho toàn bộ công

suốt được đưa hết ra một tải chung đề tiêu thụ

VÌ vậy trong các sơ đồ song song thường dùng mạch ghép biến dp vdi tdi tiêu thụ Trong đơ, cuộn sơ cấp biến áp có điểm giữa nối với nguồn cung cấp, còn cuộn thứ cấp ghép với tai

Trong các sơ đồ nối tiếp, không cần dùng mạch ghép biến áp, vì điện trở f, không

yêu cầu có điểm giữa

122

Day kéo song song Đây kéo nỗi !iễp

+ Các tầng đẩy kéo có thể

làm việc ở chế độ A, AB hoặc

B, nhưng thông thường người

ta hay dùng chế độ AH hoặc B

Ỏ chế độ B, điểm làm việc được

chon sao cho dòng điện ra ở

chế d6 tinh I,, bằng không và

điện áp ra ở chế độ tính Ứ,,

bằng điện áp nguồn cung cấp

(hình 6.9) Mỗi tranzistor chỉ

khuếch đại một nửa dương hoặc

một nửa âm tín hiệu vào Hai

nửa tín hiệu ra sẽ được tổng

hợp lại thành tín hiệu hoàn

chỉnh trên điện trở tải

Tuy nhiên, ở chế độ B phải

lưu ý đến méo tín hiệu sinh ra

khi điểm làm việc chuyển tiếp từ tranzistor này sang tranzistor khác, vì trong tranzistor

chỉ có dòng emito khi điện áp bazo - emito lớn hơn 0,ðV (tranzisitor silic) Do đó khi

điện áp bazo - emito có giá trị nhỏ thì nó được khuếch đại rất ít hoặc hoàn toàn không được khuếch đại Méo sinh ra trong quá trình đó càng lớn khi điện áp vào càng nhỏ Méo này khác phục được bằng cách tăng trị số dòng ra tại điểm tỉnh 7„„ và cho tầng ra làm việc ở chế độ AB _

6.4.2 Sơ đồ đẩy kéo song song

Tất cả các sơ đồ đẩy kéo song song đều phải dùng biến áp ra để phối ghép giữa hai nửa điện trỏ tải R, Mạch điện nguyên lý của nó được biểu diễn trên hình 6.10 Để

cố điện áp đặt vào hai tranzistor ngược pha, dùng biến áp BA,

Nếu điện áp vào có dạng sin thì hai tranzistor thay nhau khuếch đại hai nửa hình sin, vì điện thế hai đầu cuộn thứ cấp BA; ngược pha Các điện trở Rị, R; được chọn sao cho dòng tỉnh qua chúng nhỏ (chế độ AB) Khi cho R, = 0 thi Ứan = 0, do đó bộ khuếch đại làm việc ở chế độ B Ỏ chế độ AB dòng tỉnh colecto nằm trong khoảng (10

+ 100)¿A Hai nửa hình sin của điện áp ra được phối hợp lại trên biến áp ra B4; Điện trở của mỗi tranzistor được xác định như sau :

cấp Vậy ta có quan hệ : 7, = U,,/R’, va 0 = nỮ,

Dòng xoay chiều 7, thay nhau chảy qua nửa trên và nửa dưới của cuộn sơ cấp biến

áp, do đó chỉ một nửa cuộn sơ cấp tham gia vào việc hình thành trường điện từ của

Do đó ta nhận được công suất ra cực đại :

Hình 6.10 Tầng công suất đây kéo song song

a) sở đồ ; b) đặc tuyến tải ; c) quan hệ giữa công suất và điện áp ra

Vậy công suất cung cấp một chiều phụ thuộc vào mức điện áp ra Ứ,, (xem hình

6.10c) Công suất tiêu hao trên colecto là hiệu công suất cung cấp P, với công suất ra

tải P, Thay Pạ và P, vào ta có

Promax = „2 Permax = 4P nmax

Tiiệu suất cực đại của mạch :

125

Ta thấy biệu suất của bộ khuếch đại đẩy kéo lớn hơn hiệu suất của bộ khuếch dai đơn khá nhiều

Cần nói thêm rằng, các kết quả thu được trên đây cũng có thể coi là gần đúng khi

bộ khuếch đại làm việc ở chế độ AB

Ngày nay bộ khuếch đại đẩy kéơ song song chỉ còn được dùng trong những trường

hợp yêu cồu phải cách diện một chiều đối uới tải hoặc yêu cầu mạch cho hiệu suốt cao

trong khi nguồn cung cốp nhỏ, vì sơ đô đẩy kéo song song có một số nhược điểm rất đáng kể do biến áp gây ra như kích thước lớn, giá thành cao, dải tần làm việc hẹp và không thể thực hiện được dưới dạng mạch tích hợp

Tương tự như vậy ta có thể xét đối với các sơ đồ dây kéo song song dùng tranzistor

khúc loại

6.4.3 Sơ đồ đẩy kéo nối tiếp dùng tranzistor cùng loại

Trên hình 6.11 là hai sơ đồ nối tiếp dùng tranzistor cùng loại Đế tạo tín hiệu ngược pha đưa vào bazo hai tranzistor 7\ và 7, dùng tầng khuếch đại đảo pha 7ì Ỏ đây thay cho nguồn cung cấp có diểm giữa nối dốt, người ta dùng nguồn dối xúng + U Trong

sơ đồ, 7, được mắc theo kiểu mạch colecto chung uà T; theo kiểu mạch emito chung

Ty ngoài nhiệm vụ khuếch đại đảo pha, còn làm nhiệm vụ định điểm làm uiệc cho TỊ

và T;y nhờ dién ap tinh trén colecto uù emifo của nó Trong các mạch rời rạc thường dùng ghép điện dung giữa tầng khuếch đại đảo pha và tầng ra, bằng cách đó có thể định điểm làm việc riêng cho 7, và 7›;, các điện trở fe và Rg lúc này chỉ chọn theo yêu cầu đối với biên độ điện áp kích cho tầng ra Trong kỹ thuật tích hợp không thực hiện được điều đó, vì vậy với sơ đồ trên hình 6,lia thường gặp khó khản trong uiệc chọn Rạ để thỏa mãn yêu cầu vê độ méo và công suất ra Để khắc phục phần nào khó

khăn đó, người ta thay điện trở #tp bởi một diot như trên hình 6.11b Diot làm nhiệm

uụ hạn chế diện úp bazo - emito của T¿, nhờ đó khắc phục được hiện tượng quá tải của

7; Để giảm méo còn dùng mạch hồi tiếp âm gồm Z#nq và uy; Trong mạch hồi tiếp,

đó, ta tính được :

Hình 6.11 Tâng ra mắc theo sơ đỏ đây kén nối tiếp, dùng tranzistor cùng loại với tầng kích

là tầng khuếch đại đảo pha

126