Chương 3- Khuếch đại công suất âm tần potx

13 Cc i ∞ → i i i L Vcc R L NsNp ∞ → 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 :    ≤ ≤ ápbiếnlàtảidùng Rlàtảidùng :%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 : η B ≤ 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) ⇒ V C = NV L (1') Ni C = -i L (2) ⇒ L L C C i V N Ni V −= = -NR L (3) ⇒ '2 LL C C RRN i V ==− (4) : Điện trở tải phản ánh từ thứ cấp về sơ cấp. * Công suất nguồn cung cấp một chiều là : P CC = P S = V CC .I CQ (W) (5) * Công suất xoay chiều được cung cấp trên R L (hay còn gọi là công suất hữu ích trên tải) : 14 P L = 2 1 '222 . 2 1 .)( 2 1 . LCmLCmLLm RIRNIRI == * Hiệu suất : CC L P P = η (7) * Công suất tiêu tán cực đại trên collector : P C = P CC – P L = I CQ .V CC - 2 1 '2 Lcm RI (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 CQcm RN V R V II 2' max === (9) V CEQ = V CC – I CQ R E ≈ V CC (10) (do R E rất nhỏ) Khi đó : + P max CC = V CC ' L CC R V = L CC RN V 2 2 (5’) + P max L = L CC L CC L L CC RN V R V R R V 2 2 ' 2 ' 2 ' 2 1 2 1 . 2 1 ==         (6’) + η max = max max CC L P P = 0,5 = 50 % (7’) + P max C = P CC = L CC RN V 2 2 khi P L = 0 V CE i C i cmax =2I CQ 0 Q DCLL (-1/R DC ) V CC V CEQ I CQ ADCLL (-1/R AC ) 0 I Cm I Cmax P L P C P CC P Lmax 15 + L CC LCCC RN V PPP 2 2 2 1 maxmaxmin =−= (8’) (Để chọn transistor người ta dùng chỉ số phẩm chất : 2 max max = L C P P Ví dụ : WPWP LC 24 maxmax =→= ) 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 → Q 1 dẫn : i C1 ≠ 0; Q 2 tắt : i C2 = 0. + 2 1 T < 0 → Q 1 tắt : i C1 = 0; Q 2 dẫn : i C2 ≠ 0. + Trong cả hai nửa chu kỳ dòng chảy trong biến áp ra ngược chiều với nhau nên ta có : i L = N(i C2 – i C1 ) → kết quả ta thu được dạng sóng sine như hình vẽ. + Dạng sóng sine sẽ bò méo xuyên tâm nếu mạch như hình vẽ (nghóa là V BB = 0). 16 I cm + Dạng sóng sine sẽ không bò méo xuyên tâm nếu ta mắc thêm R 1 , R 2 vào mạch với : V BB = VV RR R CC 7,0. 21 1 = + . + Nếu V BB > 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 trò đỉnh là: I pL = I Lm = p s p I N N = NI Cm (1) và điện áp trên tải có giá trò đỉnh là : V pL = V Lm = N V V N N Cm p s p = (2) • Trong cả hai nửa chu kỳ dòng điện chảy qua V CC cùng chiều với nhau, nên ta có công suất cung cấp một chiều trên tải : P CC = I TB .V CC = = CC Cm CC p V I V I .2. 2 ππ = (3) • Công suất hữu ích trên tải : P L = LCmLLm RNIRI 222 . 2 1 . 2 1 = (4) • Ở điều kiện tín hiệu cực đại (max-swing) ta có : L CC L CC Cm RN V R V I 2' max == (5) Khi đó : +P CC = L CC CC L CC RN V V RN V 2 2 2 . 2 2 ππ = (3’) ACLL         − ' 1 L R I Cmax i c v CE 2V CC V CC DCL 0 t I TB i cc i c1 i c2 i c1 i c2 17 + L CC L L CC L RN V R R V P 2 2 ' 2 ' . 2 1 2 1 max =         = (4’) • Hiệu suất của mạch khuếch đại đẩy kéo : η = CC L P P (5) và η max = %5,78785,0 4 max === π CC L P P (5’) ⇒ Đây là ưu điểm lớn nhất của bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo lớp B. • P CC và P L ta tính ở trên là trong cả chu kỳ, nghóa là cho cả Q 1 và Q 2 nên ta có công suất tiêu tán trên collector là : 2P C = P CC – P L = 2' 2 12 CmLCmCC IRIV − π (6) Giá trò cực đại của P C được tìm bằng cách vi phân P C theo I Cm và cho bằng 0 như sau : 2 0 2 ' =−=         CmLCC cm IRV dI dP π (7) Suy ra : I Cm = L CC RN V 2 . 2 π . Thay vào (6) ta được : 2 max C P = ' 2 2 2 ' ' ' . 2 . 2 2 . 2 . 2 L CC L CC L L CC CC R V R V R R V V π πππ =         −         (9) Như vậy công suất tiêu tán cực đại trên mỗi transistor sẽ là : L CC L CC L CC C RN V RN V R V P 2 2 2 2 ' 2 2 .1,0. 10 1 . 1 max ≈≈= π (10) • Khi thiết kế để chọn Transistor người ta dùng chỉ số phẩm chất : 5 12 2 max max ≈= π L C P P (11) 18 Nghóa 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 → Q 1 dẫn : i C1 ≠ 0; Q 2 tắt : i C2 = 0; i C1 nạp cho tụ C c đến giá trò 2 CC V (C o được chọn khá lớn). t V i 0 t i C 1 0 t i C 2 0 t i L 0 19 + 2 1 T < 0 → Q 1 tắt : i C1 = 0; Q 2 dẫn : i C2 ≠ 0 do tụ C c phóng điện qua Q 2 . + Trong cả hai nửa chu kỳ dòng i C1 và i C2 chảy ngược chiều nhau trên tải R L nên ta có i L = i C1 – i C2 và i L có dạng sóng sine. Do Q 1 có các tham số như Q 2 nên I Cm1 = I Cm2 . * Hai diode D 1 và D 2 tạo phân cực và ổn đònh nhiệt độ cho Q 1 và Q 2 . 21 , EE RR cũng để tăng độ ổn đònh nhiệt độ cho Q 1 , Q 2 . Q 1 , Q 2 mắc theo kiểu collector chung (mạch phát theo) để phối hợp trở kháng với tải R L (thường có giá trò 4Ω hoặc 8Ω). * Tần số cắt thấp phụ thuộc vào C c được tính như sau : f 1 (C c ) = c E L CRR )(2 1 + π (Hz) (1) * Do có R E nên dòng tải đỉnh là : I pL = I Lm = LE Lm LE p RR V RR V + = + (2) * Ở điều kiện tín hiệu cực đại (max-swing) ta có : )(2 max LE CC Lm RR V I + = (2’) ( 2 max CC Lm V V = ) * Giá trò trung bình của dòng cung cấp là : I TB = I STB = )( LE p RR V + π (3) Khi max-swing ta có : )(2 max LE CC TB RR V I + = π (3’) * Công suất cung cấp một chiều trên tải : P CC = P S = V CC . I STB = )( . )( . LE LmCC LE pCC RR VV RR VV + = + ππ (4) Khi max-swing ta có : )(2 2 max LE CC CC RR V P + = π (4’) * Công suất AC trung bình được phân phối trên tải là : 20 P L = 2 2 22 )(2 . . 2 1 . 2 1 LE Lp LLmLpL RR RV RIRI + == (5) Khi max-swing ta có : 2 2 )( . . 8 1 max LE LCC L RR RV P + = (5’) * Hiệu suất của mạch : η = CC p LE L CC L V V RR R P P 2 + = π (6) Khi max-swing ta có : V p = 2 CC V nên η max = LE L RR R + . 4 π (6’) Nếu R E = 0 ta có : η max = 4 π = 0,785 = 78,5 % (6*) Vậy đối với bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo lớp B thì η B %5,78 ≤ . Khi mạch làm việc ở chế độ AB để giảm méo phi tuyến thì η = 60 ÷ 70 %. * Công suất tiêu tán trên collector : P C = P CC - P L (7) max C P = P CC (7’) khi P L = 0 * Ưu điểm của mạch OTL : tiết kiệm do chỉ dùng một nguồn cung cấp. * Khuyết điểm : _ Méo tần số thấp do tụ C C gây ra (do C c không thể tiến tới ∞ ) _ Méo phi tuyến lớn do 2 tầng Q 1 , Q 2 không thật đối xứng (do V C không phải lúc nào cũng đúng bằng 2 CC V ). _ Băng thông bò co hẹp do tụ C c (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 C ). b) Bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo OCL : D ' D t 0 A v A v0 21 Mạch OCL chỉ khác mạch OTL ở chỗ không có tụ ra C C nên không có các khuyết điểm như mạch OTL, nhưng lại phải cần đến hai nguồn cung cấp +V CC và –V CC . Nguyên lý hoạt động , dạng sóng và tác dụng của các linh kiện như D 1 , D 2 , R E1, R E2 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 = V CC , nên các công thức (2’), (3’), (4’),(5’), (6’) sẽ có dạng như sau : LE CC LmpL RR V II + == maxmax (2’) )( maxmax LE CC TBSTB RR V II + == π (3’) )( 2 max LE CC RR V P CC + = π (4’) 2 2 )( . . 2 1 max LE L L RR RV P CC + = (5’) η max = LE L RR R + . 4 π (6’) Khi P L = 0 thì 22 maxmax CCC PP = và maxmaxmin LCCC PPP −= 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 > β 1 .β 2 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 : I Cm = I Cm1 = I Cm3 = I Cm2 = I Cm4 và I Lm = I Cm1 + I Cm3 = I Cm2 + I Cm4 Công suất ra trên tải R L sẽ là : P L = LCmLCmLLm RIRIRI 222 2.)2.( 2 1 2 1 == Khi max-swing : I Cm = LE CC RR V + nên L lE CC L R RR V P . )( 2 2 2 max + = * 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) [...]... (2ILm1).(2VLm1) = 2ILm1.VLm1 = 4PL1 2 2 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 bò 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 . 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. 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. L lE CC L R RR V P . )( 2 2 2 max + = * 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)