184/ BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT RF Hình 3-38 Phần đầu vào của mạch TCVS sử dụng T ransistor hiệu ứng trường.. Các sai lệch quan trọng nhất so với tuyến tính hoàn hảo là gây ra bởi nguồn cấ
Trang 1HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
Điện Tử Thông Tin
Báo Cáo Giữa Kì
Giáo Viên : Lâm Minh Long
Họ tên: Trần Quang Thịnh
Mã số sinh viên:1853020019
Trang 3184/ BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT RF
Hình 3-38 Phần đầu vào của mạch TCVS sử dụng T ransistor hiệu ứng trường
VÍ DỤ 3.18
Cổng Transistor hiệu ứng trường công suất cao có thể được điều khiển bởi một bộ bổ sung
cặp BJT hoặc Transistor hiệu ứng trường Giải pháp này (được trình bày trong Hình 3-39) là
được áp dụng trong mạch TCVS Class D sử dụng ARF440 / 441 Transistor hiệu ứng trường Nó
cung cấp 250 watt ở tần số từ 1,8 đến 13,56 MHz [25, 26] Các
trình điều khiển sử dụng một cặp Siliconix 2N7016 (kênh p) miễn phí và 2N7012 (kênh n) Transistor hiệu ứng trường Các tín hiệu lái xe lệch pha cho
hai nửa của bộ khuếch đại được cung cấp bởi bộ kích hoạt Schmitt đảo
ngược / không đảo ngược Một giải pháp tương tự bằng cách sử dụng các cặp BJT tương đương phù hợp với nhau được điều khiển bởi các mạch ECL được trình bày trong [16].
Trang 4
Hình 3-39 Điều khiển T ransistor hiệu ứng trường công suất cao từ một cặp M hoàn chỉnh
1 Các yêu cầu đối với các thiết bị hoạt động của trình điều khiển ít khắt khe hơn trong
tốc độ và khả năng hiện tại.
2 Tất cả các điện cảm ký sinh (điện cảm dẫn và điện cảm rò rỉ) trong
mạch cổng có thể được hấp thụ vào cuộn cảm cộng hưởng Ld (đối với ổ sóng vuông, các điện cảm ký sinh phải được giảm thiểu).
3 Tổn thất công suất trong mạch cổng giảm đáng kể.
4 Các yêu cầu đối với máy biến áp đầu vào ít cứng hơn (liên quan đến
băng thông) vì tín hiệu có dạng hình sin
Điều chế biên độ của bộ khuếch đại loại D
Bộ khuếch đại Class D có thể tạo ra tín hiệu AM bằng phương pháp dựa trên RF
điều chế độ rộng xung Tuy nhiên, mạch phức tạp (ngay cả đối với AM
Tín hiệu sóng mang đầy đủ DSB), và các bóng bán dẫn phải hoạt động trong điều kiện chuyển mạch cứng dẫn đến suy hao lớn, đặc biệt là ở tần số cao
Trang 5Theo công thức 3.4, 3.12 và 3.22, biên độ của đầu ra
điện áp tỷ lệ với điện áp cung cấp DC, 1
^ Điều này cho thấy rằng nó là
có thể thu được tín hiệu AM bằng cách sử dụng điều chế biên độ bộ thu [12] Mạch xuất hiện trong hình 3-40
Hình 3-40 Bộ khuếch đại Class D sử dụng điều chế biên độ bộ góp
Bởi vì hình dạng sóng và góc dẫn không bị thay đổi bởi DC điện áp cung cấp, đặc tính điều chế biên độ, là
cực kỳ tuyến tính Các sai lệch quan trọng nhất so với tuyến tính hoàn hảo là
gây ra bởi nguồn cấp dữ liệu đầu vào - đầu ra của tín hiệu điều khiển thông qua điện dung para sitic, không cho phép điện áp đầu ra giảm xuống 0
khi Vfa được giảm xuống 0.
Giả sử một dấu hiệu điều biến
Trang 6điện áp cung cấp của bộ khuếch đại là
Sau đó thu được tín hiệu sóng mang AM DSB rơi
ở đâu
là độ sâu điều chế
Phương pháp này mang lại hiệu quả thực tế tốt Hiệu quả tổng thể cao
(lý tưởng là 100%) có thể đạt được bằng cách sử dụng bộ điều chế Class S Như nhau
mạch có thể được sử dụng như một bộ phận thành phần của loại bỏ lớp vỏ và
hệ thống phục hồi (EER), cho phép cả khuếch đại tuyến tính và hiệu suất cao Một kết quả quan trọng khác được cung cấp trong [27] Trong bộ khuếch đại Class D
sử dụng T ransistor hiệu ứng trường , hiệu quả tức thời và hiệu quả trung bình
không phụ thuộc vào các đặc tính của tín hiệu được khuếch đại, bởi vì
chúng bằng hiệu suất ở công suất đường bao đỉnh Nếu BJT được sử dụng, hiệu suất trung bình của bộ khuếch đại Class D phụ thuộc vào thống kê
đặc điểm của biên độ tín hiệu [27],
Các cân nhắc thực tế khác
Trang 71 Bộ khuếch đại Class D phải được điều chỉnh chỉ ở độ tuổi volt cung cấp
DC rất thấp (vài volt), vì khi tải phản kháng (nhầm lẫn), lớn
xung điện áp được tạo ra (nếu BJT không có bảo vệ chống song song
điốt được sử dụng), thường làm hỏng các bóng bán dẫn
2 Nếu công suất đầu ra tăng khi mức biến tần được tăng lên một chút,
biến tần không có đủ điện để chuyển các bóng bán dẫn
3 Biến áp đầu ra (trong mạch TCVS hoặc TCCS) là một trong những thành phần quan trọng trong thiết kế thực tế vì
Một Công suất đầu ra có thể rất cao, từ hàng trăm watt đến
kilowatts
NS Hiệu suất máy biến áp đầu ra phải càng cao càng tốt vì
nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả tổng thể của mạch
NS Các điện áp trên (hoặc dòng điện qua) các cuộn dây có
dạng sóng hình chữ nhật và yêu cầu băng thông lớn
d Trong mạch TCVS, điện dung ký sinh liên quan đến
biến áp đầu ra phải được giảm thiểu; trong mạch TCCS,
điện cảm rò rỉ của máy biến áp đầu ra phải được giảm thiểu
Vì những lý do này, máy biến áp thông thường (quấn dây) không thể
được sử dụng ở tần số cao; chỉ máy biến áp đường dây tải điện mới thực hiện tốt trong các ứng dụng này [2, 8, 15, 17, 25, 26, 28] Việc sử dụng máy biến
áp sion dòng transmis giải quyết được các vấn đề đã trình bày ở trên (ký sinh điện dung và điện cảm và băng thông lớn) và cho phép
đánh giá hiệu quả cao (98 99 phần trăm) Những bất lợi chính có thể xảy ra liên quan đến tỷ lệ chuyển đổi, tỷ lệ này phải là một tỷ lệ nhỏ
Trang 8số nguyên (hạn chế, ở một mức độ nhất định, các khả năng so khớp).
4 Biến áp đầu vào là một thành phần ít quan trọng hơn, nếu một cổng hình sin
ổ đĩa được sử dụng Máy biến áp đường dây truyền tải là cần thiết để đạt được hiệu suất cao Biến áp đầu vào từ bộ khuếch đại TCVS, [16,
25, 26] hoặc bộ khuếch đại TCCS có thể được thay thế bằng mạch logic tốc
độ cao
và các trình điều khiển riêng biệt, với các kết quả có thể so sánh được
Mạch CVS, không có biến áp đầu ra, có những điều sau
thuận lợi:
1 băng thông lớn hơn (nó không bị ảnh hưởng bởi biến áp đầu ra),
2 giảm kích thước và trọng lượng,
3 loại bỏ biến dạng xen kẽ do bão hòa lõi,
4 loại bỏ tổn thất điện năng trong máy biến áp đầu ra, do đó cao hơn
hiệu quả tổng thể,
5 Nếu một máy biến áp được yêu cầu để phù hợp trở kháng ở đầu ra, nó
có thể là cấu hình một đầu nhỏ hơn, ít phức tạp hơn và
có băng thông lớn hơn biến áp kéo đẩy thông thường
yêu cầu trong mạch TCVS hoặc TCCS
Mặt khác, các mạch TCVS và TCCS có các
thuận lợi:
1 gói tiêu chuẩn dành cho bộ phát (nguồn) nối đất
các ứng dụng,
Trang 92 Cổng T ransistor hiệu ứng trường có thể được phân cực dễ dàng và nguồn của chúng được kết nối với đất
3 biến áp đầu vào có thể được thay thế bằng mạch logic tốc độ cao để có được
các tín hiệu lệch pha và các trình điều khiển riêng biệt
Mạch TCCS dường như có lợi thế ở tần số cao
vì điện dung ký sinh không gây ra tổn thất điện năng Tuy nhiên, điều này
ưu điểm vượt trội bởi những nhược điểm sau:
1 Nó yêu cầu một cuộn cảm lớn (một cuộn cảm RF), giới thiệu bổ sung
Mất điện
2 Nó yêu cầu một ổ sóng vuông mang lại tổn thất điện năng cao hơn trong mạch cổng
3 Các thiết bị hoạt động chuyển đổi dòng điện hình chữ nhật, dẫn đến dòng điện cao hơn
chuyển mạch và tổn thất bão hòa
5 Trong các ứng dụng thực tế, công suất đầu ra, điện trở tải và DC
điện áp cung cấp được chỉ định Các cấu hình sử dụng đầu ra
máy biến áp cho phép vĩ độ trong sự lựa chọn của tỷ lệ m / n, với một số ý nghĩa lim nhất định Do đó, khả năng chịu tải có thể được chuyển đổi thành khả năng chịu tải tương đương thuận tiện được trình bày cho từng transis tor Lợi thế này thường không đáng kể; trong nhiều ứng dụng, cần có bộ lọc triệt tiêu har monic để có thể thực hiện
trở kháng phù hợp
6 Mạch CVS trong hình 3-1 đôi khi được gọi là bán cầu loại D
Trang 10mạch điện Khi mạch điều chỉnh đầu ra được nối giữa hai nửa
cầu, một mạch Lớp D đầy đủ cầu được thu được
Hình 3-41 Bộ khuếch đại toàn cầu Class D được sử dụng trong Harris DX-10
Máy phát AM.
Bộ khuếch đại Class D toàn cầu được thể hiện trong Hình 3-41 [29] Mạch này
được sử dụng trong bộ phát sóng Harris DX-10 AM, là một
máy phát sóng trung có công suất sóng mang là 10 kilowatt Các bóng bán dẫn hiệu ứng trường Qi và Q4 được điều khiển lệch pha 180 độ với
bóng bán dẫn Q2
an <^ Qs- Kết quả là Qi và Q4 BẬT trong nửa thời gian
chu kỳ, trong khi Q2 ^ d Qa là
TẮT Điều này tạo ra một điện áp sóng vuông
(với biên độ 2 V ^) trên cuộn dây của máy biến áp đầu ra, và
công suất đầu ra cao hơn bốn lần so với công suất của mạch nửa cầu (xem
Phương trình 3.8) Điốt Zener mặt sau D1 D4 cung cấp bảo vệ cho
đầu vào MOSFET từ quá độ và ổ đĩa quá mức Điốt D5 và
D6 được sử dụng để điều khiển điều chế kỹ thuật số
Bộ khuếch đại Class B so với Class D
Trang 111 Bộ khuếch đại đẩy-pull Class B không yêu cầu mạch điều chỉnh hoặc bộ lọc triệt tiêu âm sắc; do đó, băng thông của nó lớn hơn
của bộ khuếch đại Class D
2 Hoạt động loại B yêu cầu ít bóng bán dẫn RF hơn và cho phép operati; iocn
ở tần số cao hơn tần số mà tại đó có thể hoạt động Lớp D
3 Bộ khuếch đại Class D cung cấp hiệu suất cao hơn (lý tưởng là 100 phần trăm) so với
Bộ khuếch đại Class B (lý tưởng là 78,5% đối với tín hiệu đường bao không đổi) Trong
ngoài ra, hiệu suất trung bình đối với các tín hiệu có biên độ thay đổi có thể thấp hơn đáng kể trong bộ khuếch đại Class B so với trong hệ thống bao gồm Class
Bộ khuếch đại D và bộ điều chế Class S (ví dụ: hệ thống EER)
4 Khả năng đầu ra công suất của bộ khuếch đại Class D cao hơn
của bộ khuếch đại loại B
5 Hiệu suất của bộ khuếch đại Class D bị suy giảm tối thiểu do phản ứng tải trọng Ngược lại, hiệu suất của bộ khuếch đại Class B bị suy giảm đáng kể
do tải không khớp
6 Một bộ khuếch đại Class D có độ nhạy hiệu suất thấp hơn nhiều Nó cũng có
ít có xu hướng dao động hơn bởi vì các bóng bán dẫn dành ít thời gian trong vùng hoạt động và độ lợi của bóng bán dẫn thấp khi chúng
Bật hoặc tắt
3.3 Bộ khuếch đại Lớp BD
Trang 12Có những khác biệt quan trọng (liên quan đến mạch và nguyên tắc hoạt động) giữa các bộ khuếch đại Class B và Class D push-pull Một bộ khuếch đại RF.
tốt hơn không thể hoạt động bình thường ở cả Lớp B và Lớp D do các ràng buộc
áp đặt bởi mạch điều chỉnh và mạch đầu vào nguồn DC Do đó, nếu
các thiết bị hoạt động của bộ khuếch đại loại B được điều khiển đến mức bão hòa, không có
tăng công suất đầu ra hoặc hiệu suất bộ thu Cũng không thể sử dụng các thiết bị đang hoạt động trong bộ khuếch đại Class D như các nguồn dòng điện được kiểm soát.
Bộ khuếch đại loại B đẩy kéo có đặc tính truyền tuyến tính
(ổ phong bì đến phong bì đầu ra) và hiệu quả tương đối cao (lý tưởng là
78,5 phần trăm) ở sản lượng cao nhất Tuy nhiên, hiệu quả trung bình cho các
tín hiệu thường xuyên xảy ra (AM đơn âm với sóng mang đầy đủ hoặc bị triệt tiêu
sóng mang, dải biên đơn hai âm, điều chế biên độ vuông góc,
Gaussian, Gaussian AM, Rayleigh, Laplacian, Laplacian AM) thấp hơn nhiều
[27] Bộ khuếch đại Class D có hiệu suất bộ thu rất cao (lý tưởng là 100
phần trăm), nhưng một hệ thống tương đối phức tạp (bao gồm một bộ điều chế Class S) là yêu cầu để có được một đặc tính truyền tuyến tính.
Lớp BD11
mạch khuếch đại [30] tương tự như chuyển mạch dòng điện
Bộ khuếch đại Class D Mạch (xem Hình 3-42) khác với việc bổ sung một
điện trở, R và tụ điện chặn một chiều, C Sự hiện diện của đường dẫn điện trở xoay chiều
từ đầu vào giữa của cuộn dây sơ cấp đến đất cho phép
thiết bị hoạt động để hoạt động như nguồn hiện tại hoặc như công tắc
Trang 13Hình 3-42 Bộ khuếch đại lớp BD.
3.4 Bộ khuếch đại Lớp DE
Có nhiều cơ chế mất công suất trong bộ khuếch đại Class D nhưng
tổn thất điện năng do điện dung ký sinh thường là không đáng kể nhất Trên thực tế, những tổn thất công suất này hạn chế khả năng sử dụng của bộ
khuếch đại Class D ở
tần số cao Cách thuận tiện duy nhất để giảm những tổn thất này là
giảm điện áp trên các công tắc tại thời điểm chúng BẬT Cái này
có thể xảy ra nếu thời gian chết xảy ra trong khoảng thời gian một thiết bị có
đã TẮT và cái kia đã BẬT Trong thời gian chết, cả hai điện trở truyền đều TẮT và cơ chế sạc / xả không mất dữ liệu xảy ra trong
Mạch loại D [4, 5, 11, 23, 31-36]
Phân tích sau đây đề cập đến mạch CVS Class D Các giả định
được thực hiện trong phần Mạch chuyển đổi điện áp bổ sung (CVS) là
hợp lệ, ngoại trừ một liên quan đến điện dung đầu ra rỗng của hoạt động
các thiết bị Hơn nữa, các điện dung ký sinh được giả định là không phụ thuộc vào
điện áp bộ thu Dựa trên những giả định này, các mạch tương đương của
Hình 3-43 thu được Hình 3-44 trình bày các dạng sóng của mạch
Trang 15Phân tích và thiết kế
Lưu ý rằng, trong bộ khuếch đại Class DE, mạch điều chỉnh theo chuỗi không
cộng hưởng ở tần số chuyển đổi, f Ở tần số này, nó có điện trở thuần
Như hình dưới đây, mạch yêu cầu điện kháng ròng này hoạt động bình thường.
Dòng điện đầu ra iQ được dịch chuyển pha cao so với thành phần tần số tự do cơ bản của v2 (9) Sự dịch chuyển giai đoạn được đưa ra bởi
Để loại bỏ tổn thất điện năng do điện dung ký sinh, điện áp trên công tắc lúc BẬT phải bằng không Các phương trình từ 3.129 đến 3.131 tham chiếu đến tức thì khi công tắc Q2 bật ON Các phương trình này cũng có thể được áp dụng (với sửa đổi thích hợp) ngay khi công tắc Qi BẬT Tương tự Điều kiện ngay khi Q1 BẬT có thể được xác minh một cách dễ dàng.
Hơn nữa, điều thuận tiện là độ dốc của điện áp bộ thu bằng không khi công tắc BẬT