Kỹ thuật truyền thanh 5

Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin Kỹ thuật truyền thanh

Chương V

MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM TẦN

Mạch khuếch đại âm tần là mạch khuếch đại tín hiệu tần số từ 50Hz đến 20KHz, được phân vào loại khuếch đại tần số thấp dải rộng Nếu tín hiệu âm tần từ sau mạch tách sóng điều biên máy thu thì chỉ cần mạch có đáp tuyến biên tần phẳng từ tần số 100Hz đến 5KHz, hệ số méo biên độ dưới 0.05, mạch hồi tiếp âm nới rộng dải tần làm việc của mạch cũng không cần thiết ở các máy thu xách tay nhỏ Tuy nhiên, nếu tín hiệu âm tần từ máy thu FM hoặc từ máy phát dĩa compact, âm thanh yêu cầu phải trung thực thì các mạch khuếch đại thông thường thiếu mạch hồi tiếp âm không đạt yêu cầu Để nới rộng dải tần làm việc và giảm các hiện tượng méo khác, mạch khuếch đại công suất ghép tầng trực tiếp có mạch hồi tiếp âm được sử dụng, do vậy phải giải quyết vấn đề ổn định của mạch khuếch đại - cơ sở về mạch hồi tiếp âm, tác dụng của mạch đối với sự ổn định của mạch khuếch đại âm tần đã được giải thích ở môn Điện tử cơ bản, chương này chỉ tóm lược các kết quả ở phần Điện tử cơ bản và áp dụng cụ thể vào mạch khuếch đại âm tần.

I Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại ở tần số phía cao dải âm tần:

Ở tần số phía cao dải âm tần, độ lợi của mỗi tầng khuếch đại bị hạn chế bởi điện dung giữa các cực transistor, nhất là điện dung giữa cực thu với cực khiển Ccb, tuy thấp nhưng có tác dụng giảm tổng trở vào ở tần số cao do hiệu ứng Miller, nhân điện dung hồi tiếp Ccb gấp A lần, A là hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại dùng transistor.

Ở tần số cao, transistor tương đương với sơ đồ H.V-1a, sơ đồ tương đương với:

Mạch khuếch đại H.V-1b là H.V-1c Điện áp vào mạch là Vi, điện áp thực sự nguồn dòng ngõ ra phải lệ thuộc là:

a )B'

b )

c )B '

R2

C = Cb’e + (1 – Av).Cb’c ; Av là hệ số khuếch đại của mạch.Vậy:

;

đặt:

H.V-2a là đáp tuyến biên tần ở tần số cao của một tầng khuếch đại.

H.V-2b là đáp tuyến pha theo tần số Ở tần số f = fh, độ lợi mạch khuếch đại suy giảm 3dB, tín hiệu ra trễ pha 45o so với tín hiệu vào Ở tần số thật cao f >>fh, độ lợi của mạch bằng:

-6dB/oct20lgAv(f)

Trên đây là những điều cần ghi nhớ khi nghiên cứu đáp tuyến tần số và góc lệch pha tín hiệu của nhiều tầng và sự ổn định của mạch khuếch đại.

II Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại ở tần số phía dải âm tần:

1 Tác dụng của tụ điện dẫn tín hiệu (H.V-4):

o RCj

: tần số cắt phía thấp của dải tần.

khuếch đại bằng không, tín hiệu ra trễ pha 90o đối với tín hiệu vào Độ dốc đường tiệm cận ứng với f>>fh bằng –6dB/oct.

Khi tần số tín hiệu thật thấp, hai linh kiện trong mạch khuếch đại làm suy giảm tín hiệu là Cll và CE là hai tụ điện liên lạc tín hiệu hay tụ điện dẫn tín hiệu từ tầng trước đến tầng sau và tụ điện phân dòng (H.V-3).

Ta cần nói riêng tác dụng suy giảm tín hiệu của Cll và CE.

b )

RaVao Cll1 Cll2

V1: điện áp tín hiệu ra tầng trước.Ro1: tổng trở ra tầng trước

Ri2: tổng trở vào tầng sau.

V2: điện áp tín hiệu nhận được ở tầng sau.Cll: tụ điện dẫn tín hiệu hay liên lạc.Tầng sau nhận được điện áp V2 bằng:

Ri2

Ta có

hay

Độ suy giảm do tụ diện dẫn tín hiệu gây ra ở tần số thấp được xác định từ:

2 20lg10lg1lg

sớm pha 450 đối với V1.

Ở tần số tín hiệu thật thấp V2 sớm pha 900 đối với V1.

2 −+

Ở tần số giữa giải tần làm việc, tín hiệu suy giảm mất

điều tất nhiên của của cách ghép nối tín hiệu RC giữa hai tầng.

a )

C

Tụ điện phân dòng CE có dung kháng bằng vô cùng ở tần số cực thấp Do vậy hệ số khuếch đại ở tần số cực thấp bằng:

song với tổng trở vào tầng sau.

Ở tần số giữa dải, hệ số khuếch đại bằng:

Hàm truyền có thể viết ở hai dạng:

hoặc:

: tần số cắt thấp do tụ điện phân dòng.

Vậy:

( ω

Av ω

fAv

Hàm truyền đặc trưng cho mạch khuếch đại ở phía thấp dải tần, do tác dụng của tụ điện dẫn tín hiệu bằng:

Hệ số khuếch đại và độ lợi bằng:

ϕ = argAv(jω)fl

20lgAv(f) - 3dB

H.V-8

Như vậy đáp tuyến biên tần và pha tần của một tầng khuếch đại EC có tụ điện phân dòng có dạng như H.V-9.

III Đáp ứng tần số của nhiều tầng khuếch đại ghép liên tiếp nhau:

Nếu nhiều tầng khuếch đại được ghép liên tiếp nhau bằng tụ điện dẫn tín hiệu và nếu các tụ điện phân dòng RE được tính toán để có tần số cắt dưới thấp hơn tần số cắt dưới do tụ điện dẫn tín hiệu thì đáp ứng tần số của hai tầng ghép như sau (H.V-9)

20lgAvg - 3dB20lgAvo

ϕ = argAv(jω)

20lg(Avg1 + Avg2)

f+180O

Đáp ứng tần số của ba tầng ghép liên tiếp nhau bằng tụ điện dẫn tín hiệu và góc lệch pha giữa tín hiệu ra với tín hiệu vào như sau:(H.V-10)

Lưu ý rằng khi có ba tầng ghép liên tiếp nhau góc lệch pha giữa tín hiệu vào có thể đạt cao nhất là +2700 hay -2700 nếu tần số tín hiệu thấp hơn tần số cắt dưới hay cao hơn tần số cất trên rất nhiều Do vậy, nếu dùng mạch hồi tiếp âm nới rộng dải tần làm việc sẽ có sự cố mạch mất ổn định và dẫn đến hiện tượng dao động rất tai hại cho mạch khuếch đại công suất.

IV.Tác dụng của mạch hồi tiếp âm đối với dải tần làm việc của mạch khuếch đại:1.Nhắc lại định nghĩa mạch hồi tiếp (H.V-11):

Tầng 1-6dB/oct

Tầng 2-6dB/oct

Tầng 3-6dB/oct

ϕ = arg[Av(jω)]

Góc lệnh pha theo tần số

ϕ = arg[Av1(jω) Av2(jω) Av3(jω)]]f

Mạch khuếch đại

Khối β lấy một phần β < 1 của tín hiệu ngõ ra được gọi là khối hồi tiếp Đường lấy tín hiệu bằng βVo đường hồi tiếp Điện áp βVo gọi là tín hiệu hồi tiếp Nếu tín hiệu hồi tiếp đồng pha với tín hiệu vào tăng cường tín hiệu vào thì ta có mạch hồi tiếp dương, trong trường hợp ngịch pha thì ta có mạch hồi tiếp âm, β gọi là tỷ số hồi tiếp.

Mạch hồi tiếp gây nhiều tác dụng đối với mạch khuếch đại, nó làm thay đổi tổng trở vào, tổng trở ra, đáp ứng tần số của mạch khuếch đại, đặc biệt là làm thay đổi đặc tính động của mạch khuếch đại dẫn đến hiện tượng mất ổn định khiến chúng ta không thể khống chế nếu không phân tích được hiện tượng.

2.Tác dụng của mạch hồi tiếp với độ lợi và dải thông của mạch khuếch đại:

Nếu mạch khuếch đại chỉ cómột tầng có đáp tuyến biên tần như H.V-12 (1).

Hàm truyền ở tần số phía dưới dải tần làm việc là:

fh và fl là tần số cắt phía trên và phía dưới dải tần làm việc.

Khi có mạch hồi tiếp thì tại ngõ vào mạch khuếch đại ta có tín hiệu Vi + βVo Tại ngõ ra tín hiệu là Vo Quan hệ giữa tín hiệu ngõ ra mạch khuếch đại với ngõ vào là:

Vo = Av(jω).[Vi + β.Vo] = Av(jω).Vi + β Av(jω).Vo.Vậy:

Avf(jω) là hàm truyền của mạch khuếch đại có hồi tiếp

Nếu thay Av(jω) bằng hàm trên hoặc phía dưới dải tần ta sẽ có hàm truyền của mạch khuếch đại có hồi tiếp ở phía trên hay phía dưới dải tần.

Ở phía trên dải tần hàm truyền của mạch khuếch đại có hồi tiếp bằng:

Độ lợi ở giữa dải tần làm việc bằng 20lgAvg Hàm truyền ở tần số trên dải tần là:

f >= fh

Ởphía dưới dải tần hàm truyền của mạch khuếch đại có hồi tiếp bằng:

Như vậy khi có mạch hồi tiếp, thì tần số cắt trên và dưới có các giá trị mới bằng:

f=−β và

Nếu là mạch hồi tiếp dương, 0 < βAvg< 1, hệ số khuếch đại của mạch tăng:tần số cắt trên giảm: fh' =fh(1−βAvg)<fh,

nhưng lại giảm dải thông của mạch xuống (1 - β Avg) lần.Trái lại mạch hồi tiếp âm giảm hệ số khuếch đại xuống

lần nhưng lại tăng dải thông lên gấp (1 - β Avg) lần.

Để không lầm lẫn, chúng ta phải lưu ý rằng trường hợp hồi tiếp dương:0 < β Avg < 1

−βAvg và 1−βAvg <1.Trường hợp hồi tiếp âm:

Qua việc phân tích trên chúng ta có kết luận sau:

Mạch khuếch đại về bản chất không thể có độ lợi bằng nhau ở mọi tần số trong dải tần làm việc Mạch khuếch đại âm tần máy thu AM hoặc máy thu FM nhỏ không yêu cầu dải thông rộng, tần số cắt trên và cắt dưới của các tầng khuếch đại ghép liên tiếp qua tụ điện không ảnh hưởng đến chất lượng âm thanh không cao của tín hiệu âm tần Tuy nhiên nếu yêu cầu khuếch đại âm thanh có độ trung được đặt ra như ở máy thu FM hay máy tăng âm chất lượng cao, ta phải nới rộng dải thông của mạch khuếch đại bằng mạch hồi tiếp âm Việc này sẽ dẫn đến vấn đề ổn định mạch khuếch đại ghép nhiều tầng liên tiếp, ta phải phân tích và tìm biện pháp giải quyết phần sau.

3.Tình trạng mất ổn định của mạch khuếch đại có hồi tiếp âm:

Mạch hồi tiếp âm có thể tạo ra tình trạng mất ổn định là do hiện tượng lệch pha giữa tín hiệu ra với tín hiệu vào khi mạch khuếch có nhiều tầng ghép liên tiếp nhau Số tầng có thể gây hiện tượng lệch pha là ba, vì một tầng có thể gây lệng pha 90o, ba tầng gây lệch pha được 2700 Như vậy, khi góc lệch pha đạt trị số 1800 thì mạch hồi tiếp âm sẽ biến thành hồi tiếp dương Nếu có thêm điều kiện cân bằng biên độ thì hiện tượng dao động sẽ xảy ra Điều kiện lệch pha có thể gặp trong hai trường hợp:

Trường hợp f << fl ở tần số thật thấp tín hiệu ra có thể sớm pha 1800 so với tín hiệu vào, nếu có điều kiện cân bằng biên độ sẽ có hiện tượng dao động ở tần số thấp gọi là”motor boating“ do tiếng loa kêu như tiếng máy tàu nổ bịch bịch Hiện tượng này không gây tác dụng hư máy và rất dễ phát hiện.

Trường hợp f >> fh ở tần số thật cao, ngoài phạm vi âm tần, tín hiệu ra có thể trễ pha so với tín hiệu vào nếu có điều kiện cân bằng biên độ, hiện tượng dao động ở tần số cao hoặc siêu âm có thể xảy ra gây hư hại cho mạch khuếch đại do rất khó phát hiện sớm Ta chỉ phân tích trường hợp tần số cao.

Hàm truyền của mạch khuếch đại có hồi tiếp bằng:

nếu khối hồi tiếp có thể gây lệch pha, T(jω) là hàm truyền vòng hở.

Khi nghiên cứu mạch mạch dao động có đường hồi tiếp dương, ta biết được điều kiện để mạch dao động là:

H.V-13a là giản đồ T(jω) = β(jω)Av(jω) của mạch khuếch đại một tầng có đường hồi tiếp âm, góc lệch pha ϕ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào không vượt quá 900 Mạch không bao giờ có tình trạng mất ổn định

ReIm

H.V-13c liên quan đến ba tầng khuếch đại có thể gây lệch pha đến 2700 nhưng khi đến tần số ω = ωc, góc lệch pha đạt 180o thỏa điều kiện cân bằng pha nhưng vẫn không có tình trạng mất ổn định do điều kiện cân bằng biên độ không đạt vì β(ωc)Av(ωo) < 1.

H.V-13d cũng liên quan đến ba tầng khuếch đạivới mạch hồi tiếp âm có thể mất ổn định vì khi ở tần số ω = ωc góc lệch pha đạt 1800

đường hồi tiếp âm trở thành dương, hệ số khuếch đại vòng hở β(ω)Av(ωc) > 1.

H.V-13e cũng liên quan đến mạch H.V-13d nhưng vẫn ổn định vì hàm truyền vòng hở T(jω) đã được cải thiện bằng cách cắt này phải dự trù sao cho dải tần làm cho việc vẫn còn trong phạm vi yêu cầu

Tôpô này dùng máy biến áp ra có dây nối giữa, yêu cầu hai tín hiệu nghịch pha nhau kéo hai transitor Q1 và Q2 là việc ở chế độ AB để giảm bớt hiện tượng méo biên độ gọi là méo chuyển tiếp Để có hai tín hiệu nghịch pha nhau phải có máy biến áp hay mạch đảo pha.Re

Các ưu điểm của tôpô này:

- Công suất gấp đôi tôpô một transistor.- Loại được sóng hài chẵn.

- Loại được tiếng ù do nguồn lọc chưa tốt.

- Có thể làm việc ở chế độ AB, do vậy hiệu suất cao hơn tôpô một transistor làm việc ở chế độ A để giảm hiện tượng méo biên độ.

- Có thể nhận tín hiệu vào biên độ gấp đôi so với tôpô một một transitor mà chưa có hiện tượng méo biên độ.

- Máy biến áp ra tuyến tính hơn so với máy biến áp ở tôpô một transitor.

- Vì có máy biến áp ra nên có thể có điều kiện dung hợp tổng trở tối ưu và truyền tín hiệu đến loa ở cự ly xa.

- Máy biến áp có thể làm hư transitor công suất lúc non tải hay không tải.

b Tôpô nửa cầu (H.V-15a, b):

Có hai tôpô nửa cầu là tôpô dùng hai nguồn đối xứng và tôpô dùng một nguồn.

Q1 dẫn trong bán kỳ dương tín hiệu, Q2

dẫn trong bán kỳ âm tín hiệu Công suất lý thuyết trung bình tín hiệu sin biên độ lớn nhất bằng

22

Khi khuếch đại tín hiệu sin biên độ cao nhất , tín hiệu tại A và B tại ngõ ra A và B mạch có tôpô dùng một nguồn có dạng H.V-16b và c.

c Tôpô cầu:

H.V-16c là tín hiệu ra tại B, sơ đồ tương tự nhưng làm việc với tín hiệu nghịch pha.H.V-16d là tín hiệu ra loa bằng VA –VB, là hiệu số điện thế giữa hai tín hiệu tại A và B, có biên độ cực đại bằng Vcc, thành phần một chiều

điện áp ra cao nhất và thấp nhất Q1

và Q’1 dẫn tương tự như mạch tôpô nửa cầu dùng một nguồn.

Công suất trung bình lý thuyết tín hiệu ra loa khi làm việc với biên độ tín hiệu cực đại bằng:

c)d)

2 Các cấu hình mạch khuếch đại công suất thường gặp:

Sau đây là cấu hình khối cho các mạch có tôpô nửa cầu dùng nguồn đôi và nguồn đơn (H.V-17):

Tuy nhiên các mạch vẫn có nhược điểm là chỉ phù hợp với loa có tổng trở nhất định Tín hiệu ra không truyền được ra loa ở cự ly xa Mạch yêu cầu phải dùng dây loa có điện trở càng thấp càng tốt.

Q1 và Q’2

Q2 và Q’1

Q1 và Q’2

Khuếch đạiSo sánh

Dịch điện áp lên

Khuếch đại điện áp cuốiKhuếch đại điện áp cuối

Dịch điện áp xuống

AC = +β

11 =

* Các khối có thể sử dụng thêm vào hay

Đặc điểm mạch khuếch đại công suất là các transitor thường được ghép tín hiệu trực tiếp từ tầng trước qua tầng sau để có thể làm việc tốt ở tần số thật thấp, do vậy vấn đề cân bằng giữa các nhánh nửa cầu và ổn định dòng tĩnh cần phải được giải quyết bằng mạch hồi tiếp âm điện áp một chiều với tỷ số hồi tiếp bằng 1 Để nới rộng dải tần làm việc cần phải có mạch hồi tiếp âm tín hiệu với tỷ số hồi tiếp thích hợp để mạch có dải thông và độ lợi đạt yêu cầu Thông thường chỉ cần một đường hồi tiếp duy nhất có tỷ số hồi tiếp bằng 1 đối với điện một chiều và từ 0.05 đến 0.1 đối với tín hiệu âm tần để có hệ số khuếch đại bằng từ 0 đến 20.

- Qk1, Qk2 : có các transistor kéo transistor công suất Q1 và Q2.

- Khối PC-BN: khối tạo điện áp phân cực cho Q1 và Q2 làm việc ở chế độ AB và bù nhiệt cho Q1 và Q2 Điện áp giữa hai cực khiển Qk1 và Qk2 phụ thuộc vào số mặt tiếp giáp PN mắc nối tiếp từ cực khiển Qk1 đến cực khiển Qk2

- Tầng khuếch đại điện áp cuối: là tầng khuếch đại điện áp cuối cùng trước phần khuếch đại dòng gồm Q1, Q2, Qk1 và Qk2.

- Tầng dịch điện áp lên hay xuống: tầng này không khuếch đại tín hiệu mà có khi còn làm suy giảm tín hiệu, chức năng tầng này là để dịch thành phần một chiều tại ngõ ra tầng khuếch đại so sánh lên hay xuống cho phù hợp với yêu cầu tầng khuếch đại điện áp cuối phía sau Tầng này trong nhiều sơ đồ có thể không được dùng nếu ngõ ra tầng so sánh có thành phần một chiều phù hợp với tầng khuếch đại điện áp.

- Tầng khuếch đại so sánh: có chức năng duy trì sự cân bằng dòng tĩnh giữa hai transistor công suất Q1 và Q2 và đồng thời nhận tín hiệu hồi tiếp âm.

- Khối hồi tiếp khối này đưa tín hiệu hồi tiếp âm đến mạch khuếch đại Tỷ số hồi tiếp bằng:

- Các tụ điện Cch và điện trở Rch: để cắt bớt độ lợi của mạch hay ở các khối, nhất là khối khuếch đại điện áp ở tần số cao để duy trì sự ổn định của mạch.

Sau đây là cấu hình khối của mạch có tôpô cầu: (H.V-18).

Khốiđảopha