Các số liệu, tài liệu ban đầu: Kiểu mạch: Ngõ ra OTL; ngõ vào đơn; Công suất ngõ ra(tải): PL = 25W; Trở kháng tải: ZL = 8Ω; Điện áp ngõ vào: Vin = 1Vpp; Trở kháng vào: Zin > 10KΩ; Băng thông: 20Hz 20KHz Hiệu suất: Q > 65%
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Trong kỹ thuật, "khuếch đại" được hiểu là việc sử dụng một năng lượng nhỏ để điều khiển một năng lượng lớn hơn nhiều lần Có ba loại mạch khuếch đại chính.
Khuyếch đại điện áp là một mạch điện cho phép tín hiệu đầu vào có biên độ nhỏ được khuếch đại, tạo ra tín hiệu đầu ra với biên độ lớn hơn nhiều lần.
Mạch khuyếch đại dòng điện là mạch điện giúp tăng cường tín hiệu đầu vào có cường độ yếu, cho phép tạo ra tín hiệu đầu ra với cường độ mạnh hơn nhiều lần.
Mạch khuếch đại công suất là thiết bị thiết kế để cung cấp công suất lớn cho tải, tạo ra điện áp cao và dòng điện lớn cần thiết cho các ứng dụng yêu cầu công suất cao Mạch này được ứng dụng rộng rãi trong ngành điện – điện tử, đặc biệt trong lĩnh vực âm thanh, thường được gọi là mạch khuếch đại công suất âm tần.
Mạch khuếch đại công suất âm tần là thiết bị quan trọng giúp tạo ra công suất cần thiết để cung cấp cho tải, thường là loa, nhằm biến đổi tín hiệu điện thành sóng âm Thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều loại máy như radio, máy thu hình, máy nghe băng, máy tăng âm và các hệ thống stereo, loa phát thanh.
Khả năng khuếch đại của một mạch được đánh giá bằng một thông số đó là độ lợi: Độ lợi đi (Av) : Av v i v 0
, hoặc : A v (dB)= 20lg( 0 i v v ) Độ lợi điện (A i ) A i I i
) Độ lợi cơng suất (Ap) : Ap P i
Khi sử dụng một bộ khuếch đại, có thể không đạt được độ khuếch đại mong muốn Để khắc phục điều này, ta có thể kết nối nhiều bộ khuếch đại theo dạng nối tiếp, tạo thành bộ khuếch đại nhiều tầng Độ lợi tổng (At) của hệ thống này sẽ được tính toán dựa trên các bộ khuếch đại đã nối tiếp.
At = Av1 Av2 Av3 Avn
Hệ số khuếch đại thay đổi theo tần số làm việc, vì vậy để thuận tiện trong tính toán, người ta thường sử dụng hệ số khuếch đại trung bình.
1.2 Đáp ứng tần số: Đáp ứng tần số (hay dãy tần hoạt động của mạch) được định nghĩa là một khoảng tần số mà khi tần số tín hiệu ngõ vào nằm trong khoảng tần số này thì độ khuếch đại của mạch sẽ là cực đại.
Một mạch khuếch đại thường chỉ hoạt động hiệu quả trong một dải tần số nhất định, với độ lợi giảm ở tần số thấp và cao so với tần số trung bình Băng thông (BW) của bộ khuếch đại được xác định là khoảng tần số mà độ lợi không giảm quá 3dB Đối với mạch khuếch đại âm tần, băng thông lý tưởng là từ 20Hz đến 20KHz.
Khoảng tần số này được giới hạn bởi: fH: tần số cắt cao fL: tần số cắt thấp.
Hiệu số giữa fH và fL được gọi là băng thông của mạch: B = fH - fL
Nếu tín hiệu ngõ vào nằm ngoài băng thông của mạch thì độ khuếch đại của mạch sẽ thay đổi theo tần số.
Khi tín hiệu ngõ vào có tần số fH hoặc fL, độ khuếch đại của mạch sẽ giảm xuống còn một nửa, tương ứng với suy giảm -3 dB so với độ lợi cực đại.
Sự thay đổi hình dạng của tín hiệu ra so với tín hiệu vào trong mạch được gọi là độ méo tín hiệu Độ méo này có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân, bao gồm các thành phần như L, C, BJT, tín hiệu vào quá lớn, hoặc do nhiễu Độ méo tín hiệu có thể được phân thành nhiều loại khác nhau.
Méo phi tuyến xảy ra khi các bộ khuếch đại thực tế không duy trì được tín hiệu hình sin đầu vào, dẫn đến tín hiệu ra không còn hoàn toàn là hình sin Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do sự hiện diện của các thành phần phi tuyến trong bộ khuếch đại, chẳng hạn như BJT, với đặc tuyến đường cong và các đặc tính khuếch đại phi tuyến, gây ra sự sai lệch trong tín hiệu ngõ ra.
Méo tần số là hiện tượng méo âm thanh xảy ra khi hệ số khuếch đại thay đổi theo tần số tín hiệu, dẫn đến sự biến đổi âm sắc Nguyên nhân chủ yếu đến từ các linh kiện L và C trong mạch khuếch đại.
Méo pha là hiện tượng xảy ra khi có sự thay đổi góc pha giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào Mặc dù méo pha không gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng âm thanh, nhưng nó vẫn là một yếu tố cần được chú ý trong quá trình xử lý tín hiệu.
Mép xuyên tâm của transistor lớp B yêu cầu điện áp qua mối nối B-E đạt ít nhất 0.7V để dòng base có thể chảy vào, từ đó cho phép dòng collector hoạt động Để tín hiệu lái vào transistor đạt hiệu quả, nó cần vượt qua một mức tối thiểu nhất định trước khi dòng collector vào vùng tích cực Hiện tượng này là nguyên nhân chính gây ra nhiễu trong bộ khuếch đại đẩy kéo lớp B.
KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC – BJT 8Ω; 2.1 Transistor mắc theo kiểu E chung: 8Ω; 2.2 Transistor mắc theo kiểu C chung
2.1 Transistor mắc theo kiểu E chung:
Mạch mắc kiểu E chung có cực E kết nối trực tiếp với mass hoặc thông qua tụ để loại bỏ thành phần xoay chiều Tín hiệu được đưa vào cực B và lấy ra từ cực C.
C, mạch có sơ đồ như sau:
Rg: là điện trở ghánh Rđt: Là điện trở định thiên Rpa: Là điện trở phân áp
Mạch khuyếch đại điện áp mắc kiểu E chung, tín hiệu đưa vào cực B và lấy ra trên cực C.
Đặc điểm của mạch khuyếch đại E chung
Mạch khuyếch đại E chung thường được định thiên sao cho điện ápUCE khoảng 60% ÷ 70 % Vcc
Biên độ tín hiệu ra thu được lớn hơn biên độ tín hiệu vào nhiều lần, như vậy mạch khuyếch đại về điện áp
Dòng điện tín hiệu ra lớn hơn dòng tín hiệu vào nhưng không đáng kể
Tín hiệu đầu ra của mạch E chung ngược pha với tín hiệu đầu vào, do khi điện áp đầu vào tăng, dòng IBE và ICE cũng tăng, dẫn đến sụt áp trên Rg tăng và làm giảm điện áp chân C Ngược lại, khi điện áp đầu vào giảm, điện áp chân C lại tăng Mạch này thường được ứng dụng trong nhiều thiết bị điện tử.
2.2 Transistor mắc theo kiểu C chung :
Mạch mắc kiểu C chung có chân C kết nối với mass hoặc nguồn dương Trong mạch xoay chiều, nguồn dương tương đương với mass Tín hiệu đầu vào được đưa vào cực B và tín hiệu đầu ra được lấy từ cực E.
Mạch mắc kiểu C chung, tín hiệu đưa vào cực B và lấy ra trên cực E
Đặc điểm của mạch khuyếch đại C chung
Tín hiệu đưa vào cực B và lấy ra trên cực E
Biên độ tín hiệu ra bằng biên độ tín hiệu vào do mối BE luôn có giá trị khoảng 0,6 V Khi điện áp ở chân B tăng, điện áp ở chân C cũng tăng tương ứng, dẫn đến việc biên độ tín hiệu ra và vào trở nên giống nhau.
Tín hiệu ra đồng pha với tín hiệu vào, nghĩa là khi điện áp vào tăng thì điện áp ra cũng tăng, và khi điện áp vào giảm thì điện áp ra cũng giảm.
Cường độ tín hiệu ra mạnh hơn nhiều lần so với tín hiệu vào do khi biên độ tín hiệu vào tăng, dòng IBE cũng tăng theo Dòng ICE sẽ tăng gấp β lần dòng IBE, với β là hệ số khuyếch đại của transistor Ví dụ, nếu β = 50, khi dòng IBE tăng 1mA, dòng ICE sẽ tăng lên 50mA Do đó, dòng ICE, đại diện cho tín hiệu đầu ra, có cường độ lớn hơn đáng kể so với tín hiệu đầu vào.
Mạch Damper được sử dụng phổ biến trong các mạch khuyếch đại đêm, giúp tăng cường tín hiệu trước khi chia thành nhiều nhánh Ngoài ra, mạch này còn có ứng dụng quan trọng trong các mạch ổn áp nguồn, mà chúng ta sẽ khám phá thêm ở phần sau.
2.3 Transistor mắc theo kiểu B chung :
Mạch mắc theo kiểu B chung có tín hiệu đưa vào chân E và lấy ra trên chân C, chân
B được thoát mass thông qua tụ
Mach mắc kiểu B chung rất ít khi được sử dụng trong thực tế.
Mạch khuyếch đại kiểu B chung, khuyếch đại về điện áp và không khuyếch đại về dòng điện.
Ghép tầng là khái niệm chỉ một thiết bị điện tử bao gồm nhiều khối kết hợp, mỗi khối lại có nhiều tầng khuyếch đại được nối tiếp với nhau Khi thực hiện việc nối tiếp này, thường sử dụng một trong các kiểu ghép nhất định.
Ghép tầng qua tụ điện
Ghép tầng qua biến áp
Ta hãy xét các trường hợp cụ thể:
3.1 Ghép tầng bằng tụ liên lạc.
Mạch khuyếch đại đầu từ bao gồm hai tầng khuyếch đại kết nối qua tụ điện, với sơ đồ mạch cho thấy các tầng được ghép theo kiểu E chung Các tụ C1, C3, và C5 đóng vai trò là tụ nối tầng cho tín hiệu xoay chiều, đồng thời ngăn chặn áp một chiều C2 và C4 giúp thoát thành phần xoay chiều xuống mass, trong khi C6 là tụ lọc nguồn Mạch này nổi bật với thiết kế đơn giản và dễ lắp ráp, thường được sử dụng trong các thiết bị điện tử Tuy nhiên, nhược điểm là không khai thác hết khả năng khuyếch đại của Transistor, dẫn đến hệ số khuyếch đại không cao Mạch khuyếch đại âm tần thường sử dụng tụ hoá có trị số từ 1µF đến 10µF.
Trong các mạch khuyếch đại cao tần thì tụ nối tầng có trị số nhỏ khoảng vài nanô Fara
3.2 Ghép tầng bằng biến áp.
Sơ đồ mạch trung tần sử dụng biến áp ghép tầng cho phép tín hiệu đầu ra được ghép qua biến áp để truyền vào tầng phía sau Ưu điểm của phương pháp này là khả năng phối hợp trở kháng giữa các tầng, từ đó tối ưu hóa hệ số khuyếch đại Hơn nữa, cuộn sơ cấp của biến áp có thể được đấu song song với tụ để tạo ra hiện tượng cộng hưởng khi mạch khuyếch đại hoạt động ở một tần số cố định.
Nhược điểm: nếu mạch hoạt động ở dải tần số rộng thì gây méo tần số, mạch chế tạo phức tạp và chiếm nhiều diện tích
Kiểu ghép tầng trực tiếp là phương pháp phổ biến trong mạch khuyếch đại công xuất âm tần Trong mạch này, đèn đảo pha Q1 được kết nối trực tiếp với hai đèn công xuất Q2 và Q3, tạo ra hiệu suất khuyếch đại tối ưu.
Tùy theo chế độ làm việc của transistor, người ta thường phân mạch khuếch đại công suất ra thành các loại chính như sau:
4.1.1 Khuếch đại công suất loại A:
Tín hiệu được khuếch đại một cách gần như tuyến tính, cho phép tín hiệu ngõ ra thay đổi một cách đồng đều trong toàn bộ chu kỳ 360 độ của tín hiệu ngõ vào, với transistor hoạt động ở cả hai bán kỳ của tín hiệu này.
– Khuếch đại cả 2 bán kỳ của tín hiệu
– Tín hiệu ít bị méo dạng.
– Hiệu suất thấp: 25%nếu dùng tải là R và 50% nếu dùng tải là biến
– áp Công suất tiêu hao lớn
4.1.2 Khuếch đại công suất loại B:
Transistor được phân cực tại V BE =0 (vùng ngưng) Chỉ một nửa chu kỳ âm hoặc dương của tín hiệu ngõ vào được khuếch đại
– Ở chế độ tĩnh không có tiêu thụ điện áp nên không có tổn hao trên transistor.
– Tín hiệu chỉ tồn tại trong nửa chu kỳ.
4.1.3 Khuếch đại công suất loại AB:
Transistor hoạt động trong vùng ngưng, dẫn đến sự thay đổi tín hiệu ngõ ra hơn một nửa chu kỳ của tín hiệu vào Điều này có nghĩa là transistor chỉ hoạt động trong một nửa chu kỳ dương hoặc âm của tín hiệu đầu vào.
– Kết hợp cả 2 đặc tính của chế độ loại A và B nên khắc phục được nhược điểm của chế độ loại A lẫn loại B.
4.1.4 Khuếch đại công suất loại C:
Transistor được phân cực trong vùng ngưng, cho phép nó khuếch đại một phần nhỏ hơn nửa chu kỳ của tín hiệu ngõ vào Mạch này thường được sử dụng để khuếch đại công suất ở tần số cao, đặc biệt là với tải cộng hưởng.
* Khuyết điểm: Méo phi tuyến lớn (70%) Để hạn chế méo, tải phải là khung cộng hưởng ghép LC.
4.2 các loại mạch khuếch đại công suất âm tần
4.2.1 Mạch OTL (Output Transformer Less):
– Được cấp nguồn đơn +Vcc và mass (0V)
– Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo dùng transistor bổ phụ đối xứng nên điện thế điểm giữa ra loa bằng nửa nguồn
– Ngõ ra loa phải ghép với một tụ điện Co.
– Âm thanh đạt chất lượng cao hơn do đáp tuyến tần số rộng,
– Không bị suy giảm tín hiệu tần số cao do tụ kí sinh của biến áp
– Hiệu suất cao vì không tổn hao trên biến thế Giá thành rẻ, kích thước nhỏ so với khi dùng biến áp ngõ ra.
– Phải chỉnh điện thế DC của điểm giữa ra loa bằng nửa nguồn cung cấp thì tín hiệu ngõ ra mới không bị méo.
– Cặp transistor công suất nếu không phải là cặp transistor bổ phụ thì dễ gây méo phi tuyến.
– Tín hiệu ra bị méo ở tần số thấp do tụ Cout gây ra (do tụ Cout không thể tiến tới vô cùng).
4.2.2 Mạch OCL (Output Capicitor Less ):
– Được cấp nguồn đối xứng +Vcc và – Vcc nên điện thế điểm giữa bằng 0
– Tín hiệu vào mạch khuếch đại trực tiếp không cần qua tụ.
– Không có tụ Co ở ngõ ra loa.
– Khả năng chống nhiễu tốt do dùng kiểu khuyếch đại vi sai ở ngõ vào
– Đáp tuyến tần số rộng do không dùng tụ và biến thế ngõ ra.
– Tín hiệu ra loa trực tiếp nên điện thế DC ở điểm giữa ngõ ra khác 0V sẽ gây cháy loa vì vậy cần phải có mạch bảo vệ loa.
4.2.3 Mạch BTL (Bridge Transistor Line Out) :
Mạch BTL có hai loại:
– Dùng nguồn đơn là mạch ampli ghép từ hai mạch khuếch đại công suất OTL.
– Dùng nguồn đơn là mạch ampli ghép từ hai mạch khuếch đại công suất OCL.
Cung cấp công suất lớn gấp 4 lần so với OTL hay OCL, sản phẩm này hoạt động hiệu quả với nguồn điện áp thấp và phù hợp cho các ampli có công suất từ 500W đến hàng nghìn watt.
– Tín hiệu ra dễ bị méo hai mạch khuếch đại không giống nhau Dễ bị cháy nếu điện thế điểm giữa không bằng 0.
