Chương 2 - Mạch khuếch đại công suất - Kỹ thuật điện tử

Môn kỹ thuật điện tử. Chương 2 - Mạch khuếch đại công suấtTóm tắt lỹ thuyết, công thức, các ví dụ minh họa dễ hiểu

Chương 2

Mạch khuếch đại công suất

Biên soạn: Th.S Đỗ Việt Hà

Bm: Kỹ thuật điện tử

NỘI DUNG

2.1 Định nghĩa và phân loại

2.2 Mạch khuếch đại chế độ A

2.3 Mạch khuếch đại chế độ B (AB) 2.4 Mạch khuếch đại chế độ C

2.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI

a Khái niệm

 Là mạch khuếch đại ở tầng cuối cùng

 Tạo ra công suất cung cấp cho tải (vài Watt đến vài trăm Watt), điện áp và cường độ dòng điện tương đối lớn

 Mạch khuếch đại tín hiệu lớn: không sử dụng sơ đồ tương đương động của Transistor mà sử dụng phương pháp đồ thị để giải quyết bài toán

b Phân loại

 Chế độ A: Transistor được phân cực ở cùng tuyến tính Tín hiệu được khuếch đại gần như tuyến tính Dạng tín hiệu ra được giữ nguyên chỉ biến đổi về biên độ so với tín hiệu vào Chế độ này có hiệu suất thấp (với tải điện trở dưới 25%) nhưng méo phi tuyến nhỏ nhất Điểm làm việc tĩnh trong chế độ A phải nằm ở giữa đường tải tĩnh

 Chế độ B: Transistor được phân cực ở vùng ngắt Tín hiệu ra chỉ có trong một nửa chu kỳ (âm hoặc dương) Chế độ này có hiệu suất lớn (78%), tuy méo xuyên tâm lớn nhưng có thể khắc phục bằng cách kết hợp với chế độ AB hoặc dùng hồi tiếp âm

 Chế độ AB: Có tính chất chuyển tiếp giữa chế độ A và chế độ B Transistor được phân cực ở gần vùng ngắt để tham gia vào việc giảm méo khi tín hiệu vào có biên độ nhỏ Tín hiệu ra có ở hơn một nửa chu kỳ

 Chế độ C: Transistor được phân cực dưới vùng ngắt Tín hiệu ra chỉ có trong nhỏ hơn một nửa chu kỳ, hiệu suất lớn (>78%) nhưng méo rất lớn Mạch chế độ C được dùng trong các mạch

khuếch đại cao tần có tải là các khung cộng hưởng để chọn lọc tần số mong muốn và đạt hiệu suất cao

 Chế độ D: Transistor làm việc như một khoá điện tử đóng mở Dưới tác dụng của tín hiệu vào điều khiển transistor thông bão hoà là khoá đóng, dòng IC đạt cực đại, còn khoá mở khi transistor ngắt, dòng IC = 0

2.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI

Phân loại mạch khuếch đại công

suất theo vị trí điểm làm việc Dạng tín hiệu ra của các mạch khuếch đại công suất

I C

U CE

A

AB B C

Vïng ng¾t

Vïng b·o

hßa

Giíi h¹n c«ng suÊt

2.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI

Các tham số của mạch khuếch đại công suất

 Hệ số khuếch đại công suất:

 Hiệu suất của mạch:

Công suất tiêu tán cực đại của Transistor

 Là công suất lớn nhất mà Transistor có thể chịu được

 Là một tham số rất quan trọng đối với mạch khuếch đại công suất

 Nếu Transistor làm việc vượt qua giới hạn của đường đẳng công suất cực đại thì Transistor sẽ bị hỏng do quá nhiệt

i

o P

P

P

K 

% 100





dc

o

P

P



max

D

P

2.2 MẠCH KHUẾCH ĐẠI CHẾ ĐỘ A

 Mạch khuếch đại chế độ A tải điện trở:

 Mạch khuếch đại chế độ A ghép biến áp

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CHẾ ĐỘ A TẢI ĐIỆN TRỞ (1)

 Tải là điện trở, thường có giá trị

nhỏ

 Điểm công tác tĩnh nằm chính

giữa đường tải tĩnh

vs R 2

R

V

R

R Q

0

C 1

1 n

1

C C L

E

) 16 , 8 , 4 (   

p L E

CC

R R

V







2

1

p CC

CEQ V U

U   

2 1

L p

i   sin  

t I

I i I

iC  CQ  c  CQ  p  sin 

t U

t U

U u

U

uCE  CEQ  ce  CEQ  p  sin 

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CHẾ ĐỘ A TẢI ĐIỆN TRỞ (2)

 Công suất xoay chiều trên tải:

 Công suất nguồn một chiều cung cấp cho mạch

 Hiệu suất của mạch

 2 2

2 2

8 1

2

1 2

1 2

1

L E

L CC

L L

E

CC L

p o

R R

R V

R R

R

V R

I P

































) (

2 2

1

2

L E

CC L

E

CC CC

CQ CC dc

R R

V R

R

V V

I V

P















L E

L dc

o

R R

R P

P









4

1



% 25

0

max

max









MẠCH KHUẾCH ĐẠI CHẾ ĐỘ A TẢI ĐIỆN TRỞ (3)

 Công suất tiêu tán tức thời trên Transistor

 Công suất tiêu tán trung bình trên Transistor:

 Phương trình đường tải tĩnh:

 Phương trình đường tải động:

C CE

 t  t  Vcc I  t 

I U

t I

I t U

U p

CQ CQ

CEQ

p CQ p

CEQ Q











2

sin 1 2

sin 1 sin

1

sin sin























  CC CQ

T Q

T

P  0   

1

 CE

C f U

I 

C CC

CE V I R R

CC CE

E L

C

R R

V U

R R

I











) ( CE

C f u

i  L

c

u   

E L

CQ CC

L c CEQ

ce CE

R I

V R

i R

I V

R I

i

R R

I V

R i U

u u









































MẠCH KHUẾCH ĐẠI CHẾ ĐỘ A TẢI ĐIỆN TRỞ (4)

 Phương trình đường tải động:

 Hệ số góc của đường tải tĩnh:

 Hệ số góc của đường tải động:

 Đường tải động và đường tải tĩnh giao nhau tại điểm công tác tĩnh Q, đường tải động có hệ số góc nhỏ hơn so với đường tải tĩnh nên có độ dốc lớn hơn

L

E CQ CC

CE L

C

R

R I

V u

R

E

L R R

tg





1



1 2

1



R

tg

L







iC

uCE

Đường tải tĩnh Đường tải động

Q

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CHẾ ĐỘ A TẢI LÀ CUỘN CẢM

Để thu được tín hiệu đầu ra không méo và đạt được hiệu suất là lớn nhất thì:

Công suất xoay chiều thu được trên tải:

 Công suất một chiều cung cấp cho mạch:

 Hiệu suất của mạch:

CEQ

U

CC

CEQ V

L

CC CQ

R

V

I 

R 2

0

R L

R E

R 1

C E

Q 1

v s

C 1

L 1

1

2

V C C

C 2

CC

p V

U 

L

CC CQ

p

R

V I

I  

L

CC L

p L

R

V R

I P

2 2

2

1 2

1











C

i

L

CC

R

V

2

CC

Đường tải tĩnh, hệ số góc=

Đường tải động,

hệ số góc = -1/RL

CE

u

Q

CQ

I

E

R

1



L

CC CQ

CC dc

R

V I

V P

2







% 50





dc

o

P P



MẠCH KHUẾCH ĐẠI CHẾ ĐỘ A GHÉP BIẾN ÁP

Công suất xoay chiều thu được trên tải:

Công suất một chiều cấp cho mạch

Hiệu suất của mạch:

T 1

v s

Q 1

C 1

R L

R 1

C E

R 2

V C C

R E

C

i

'

2

L

CC

R V

CC

Đường tải tĩnh, hệ số góc=

Đường tải động,

hệ số góc = -1/R’L

CE

u

Q

CQ

I

E

R

1



CC

U 

'

L

R

CC

p V

U 

'

L

CC CQ

p

R

V I

L

L R

L

CC L

p L

R

V R

I

P







2 '

2

2

1 2

1



L

CC CQ

CC dc

R

V I

V

P







2



% 50





Điểm công tác tĩnh:

Trong đó, là tải sơ cấp:

Để đạt được hiệu suất lớn nhất tại đầu ra:

'

L

CC CQ

R V

I 

2.3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI CHẾ ĐỘ B (AB)

 Mạch khuếch đại đẩy kéo đối xứng bù (ngược)

 Mạch khuếch đại đẩy kéo dùng biến áp

 Mạch khuếch đại kết cuối đơn với 1 nguồn cung cấp

MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẨY KÉO ĐỐI

XỨNG BÙ (1)

 Mỗi transistor được phân cực ở chế độ

B và chỉ dẫn trong nửa chu kỳ Tuy

nhiên có một sự suy biến nhỏ đặc biệt

khi tín hiệu nhỏ (méo điểm 0)

 Hai transistor Q1 và Q2 sẽ thay nhau dẫn trong mỗi nửa chu kỳ

 Không có khuếch đại áp nhưng hệ số khuếch đại dòng điện lớn để khuếch đại công suất

Đặc tuyến truyền đạt và dạng

sóng mạch khuếch đại chế độ B Mạch khuếch đại đẩy kéo

bù chế độ B cơ bản.

Q 2

Q 1

+Vcc

-Vcc

u r

u v

i L

0.6V

t

u v

Transistor b·o hoµ

Transistor b·o hoµ

MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẨY KÉO ĐỐI XỨNG BÙ (2)

HIỆU SUẤT

 Điện áp ra cho mạch chế độ B này là:

 Trong đó điện áp ra lớn nhất U p = V CC.

 điện áp uCE1 được viết theo công thức:

 Công suất trung bình trên tải là:

 công suất trung bình của mỗi nguồn cấp

 Công suất trung bình do cả 2 nguồn cấp

 Hiệu suất của mạch là:

 Hiệu suất lớn nhất khi tín hiệu ra lớn

nhất với U p =V CC Ta có:

 Thực tế, hiệu suất của mạch chế đọ B thấp hơn giá trị trên do các suy hao

khác của mạch và điện áp ra đỉnh (U p)

phải nhỏ hơn V CC để tránh đưa transistor vào miền bão hoà Khi biên

độ điện áp ra tăng thì méo tín hiệu ra cũng tăng Để méo ở mức chấp nhận

được, điện áp ra đỉnh U p thường nhỏ

hơn V CC vài Volt.

sin

u U t

u V U t

2

1 2

p L

L

U P

R

 

L

U

R



   

2 1 2

4

p

p

S

CC L

U

U

R









L

U

R





max 78.5%

4



  

MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẨY KẫO ĐỐI XỨNG BÙ (2)

MẫO ĐIỂM 0

 Trong dải điện ỏp gần 0V, cả 2 transistor đều ngắt và điện ỏp ra bằng 0

và tạo ra mộo điểm 0 với tớn hiệu vào

dạng sin.

 Mộo điểm 0 này cú thể được khắc phục bằng cỏch phõn cực tĩnh với giỏ trị nhỏ cho cả Q1 và Q2 và mạch

khuếch đại kiểu này hoạt động trong

chế độ AB.

 Điện trở R là điện trở phõn cực dẫn dũng đến 2 diode D1 và D2 tạo điện ỏp khụng đổi giữa Q1 và Q2 Hai transistor

Q1 và Q2 cú cựng VBE nờn I1 = I2 Khi điện ỏp rơi trờn diode bằng VBE, ta cú tại điểm A và điểm C cú điện ỏp bằng

VBE, điểm B cú điện ỏp là 2VBE.

Q 2

Q 1

+Vcc

-Vcc

R L

i L

R

D 1

D 2

i 1

i 2

B

A

a Sơ đồ mạch b Đặc tuyến truyền đạt

C

MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẨY KÉO DÙNG

BIẾN ÁP

 Biến áp đảo pha đầu vào có nhiệm vụ

tạo 2 điện áp vào ngược pha nhau đưa

tới 2 transistor Q1 và Q2

 Khi không có tín hiệu vào, cả Q1 và Q2

đều ngắt, không có dòng điện trong

mạch, điện áp ra trên tải bằng 0

 Khi có tín hiệu vào, trong nửa chu kỳ

dương của tín hiệu, Q1 dẫn Dòng i 1

chạy qua biến áp đầu ra tạo cảm ứng

cấp cho tải nên trên tải có nửa sóng

dương Trong nửa chu kỳ này, tín hiệu

đưa vào Q 2 âm nên Q2 ngắt

 Đến nửa chu kỳ tiếp theo, tín hiệu đưa

vào Q2 dương nên Q2 dẫn Dòng i 2

chạy qua biến áp đầu ra tạo cảm ứng

cung cấp cho tải nên trên tải có nửa

sóng dương Trong khi đó, tín hiệu đưa

vào Q1 âm nên Q1 ngắt

 Do i 1 và i 2 chạy ngược chiều nhau

trong biến áp ra nên điện thế cảm ứng

bên cuận thứ cấp cũng ngược pha

nhau, chúng kết hợp với nhau tạo cả

chu kỳ của tín hiệu trên tải

 Hiệu suất của tầng được tính như sau:

 =  b.a  B

 Trong đó b.a là hiệu suất của máy

biến áp (khoảng từ 80%90%), B là

hiệu suất khuếch đại của tầng khuếch đại chế độ B khi không ghép biến áp

Theo kết quả tính toán phần trên ta có

B (max)= 78.54%

max =  b.a  B(max) = 60% 70%

Q 2

Q 1

+Vcc

R L

u v

i 1

i 2

N 1

N 1

N 2

i L

Q 1 dẫn

Q 2 dẫn Biến áp

đảo pha đầu vào

Biến áp đầu ra

MẠCH KHUẾCH ĐẠI KẾT CUỐI ĐƠN VỚI 1 NGUỒN CUNG CẤP

 tải sẽ phải được nối với một tụ điện có giá trị cao (khoảng vài trăm mF)

 Điện áp trên tụ sẽ là hằng số trong suốt chu kỳ hoạt động, giống như một nguồn cung cấp thứ 2

 Nếu 2 Transistor giống nhau, tại điểm chung A có điện áp Vcc/2 và tụ sẽ duy trì điện áp này

 Khi Q1 dẫn, điện áp cung cấp cho mạch sẽ là hiệu của Vcc và điện áp trên tụ, tức là bằng Vcc/2 Còn khi Q2

dẫn, chỉ có nguồn cung cấp bởi tụ là hoạt động, cũng bằng Vcc/2

 Tụ C đóng vai trò như nguồn 1 chiều

với giá trị điện áp là: U Co = Vcc/2

Q 2

Q 1

+Vcc

u v

Biến áp

đảo pha

đầu vào

C

U Co

+ A

L

R hay C

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CHẾ ĐỘ C

 Mạch khuếch đại chế độ C transistor được

phân cực trong miền ngắt, điểm làm việc

còn thấp hơn điểm ngắt

 Tại một số điểm khi tín hiệu đủ lớn để vượt

quá ngưỡng ngắt (trong nửa chu kỳ dương

của tín hiệu) thì mới xuất hiện tín hiệu ra

Do đó trong chế độ này transistor chỉ dẫn

trong khoảng nhỏ hơn nửa chu kỳ

 Tín hiệu ra của mạch khuếch đại chế độ C là

những xung hẹp Méo trong trường hợp này

là rất lớn nên không sử dụng tầng khuếch

đại đơn hoặc tầng đẩy kéo

 Mạch khuếch đại chế độ C có khả năng cung cấp công suất lớn với hiệu suất lớn hơn 78.5%, tuy nhiên chế độ C tạo méo lớn trong tín hiệu ra Các mạch khuếch đại chế

độ C chủ yếu được ứng dụng trong khuếch đại tần số cao dùng tải cộng hưởng RLC thường dùng trong các máy phát của Tivi hoặc đài

I CQ

U BE

I C

t

t

Q

T

A

B

I C

t

U BEQ

t<T/4

U BE