Thiết kế và thi công bộ khuếch đại công suất máy phát thông tin vô tuyến sóng ngắn

Với mọi thiết bị thông tin nói chung, đặc biệt là thiết bị mang xách thì yêu cầu về độ tin cậy, cự ly, chất lượng liên lạc và hiệu suất lớn là yếu tố quan tâm hàng đầu. Điều này được quyết định rất lớn ở bộ khuếch đại công suất. Có thể nói, cùng với bộ tổ hợp tần số thì bộ khuếch đại công suất là quan trọng nhất, là thành phần quyết định chính tới giá thành của thiết bị.

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật và côngnghệ, sự lớn mạnh không ngừng của lĩnh vực điện tử - tin học đã cho phépcon người nối liền mọi khoảng cách trong mọi điều kiện không gian và thờigian Trong các phương thức thông tin thì dạng thông tin vô tuyến chiếm vịtrí hàng đầu, và là dạng liên lạc quan trọng nhất Với dải tần số vô tuyếnhết sức rộng lớn đã hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu đòi hỏi của con người,khi mà dạng thông tin đường dây không thể thực hiện được, như thực hiệncác liên lạc với vùng địa hình phức tạp, hải đảo… hay cự ly rất lớn Hiệnnay, thiết bị thông tin vô tuyến là thành phần không thể thiếu trong mọilĩnh vực, mọi cấp, mọi ngành

Với mọi thiết bị thông tin nói chung, đặc biệt là thiết bị mang xách thìyêu cầu về độ tin cậy, cự ly, chất lượng liên lạc và hiệu suất lớn là yếu tốquan tâm hàng đầu Điều này được quyết định rất lớn ở bộ khuếch đại côngsuất Có thể nói, cùng với bộ tổ hợp tần số thì bộ khuếch đại công suất làquan trọng nhất, là thành phần quyết định chính tới giá thành của thiết bị

Chính vì vậy, em được giao đồ án: “ Thiết kế và thi công bộ khuếch đại công suất máy phát thông tin vô tuyến sóng ngắn” Nhiệm vụ đồ án

là nghiên cứu, tìm hiểu về lý thuyết các mạch khuếch đại công suất cũngnhư các loại mạch được sử dụng trong thực tế, trên cơ sở đó tiến hành thiết

kế một bộ khuếch đại công suất với các chỉ tiêu cho trước Từ phương ánthiết kế sẽ tiến hành tính toán và thi công một sản phẩm hoàn chỉnh Đểgiải quyết các nhiệm vụ trên nội dung của đồ án trình bày trên ba chươngnhư sau:

Chương 1: Cơ sở mạch khuếch đại công suất

Chương 2: Thiết kế bộ khuếch đại công suất

Chương 3: Tính toán và thi công

Sau một thời gian nghiên cứu, thực hiện và hoàn thành đồ án, trướchết em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn đã luôntheo sát, định hướng và tạo điều kiện về mọi mặt cho em, cùng các thầy côgiáo trong khoa trong suốt quá trình làm đồ án Do mới làm quen với côngtác nghiên cứu, cùng với khó khăn về tài liệu, và trình độ còn hạn chế nênnội dung của đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhậnđược sự đóng góp, chỉ dẫn của các thầy giáo để đồ án có chất lượng tốthơn.

Em xin chân thành cám ơn!

CHƯƠNG I

CƠ SỞ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

1.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MÁY PHÁT SÓNG NGẮN

Một máy phát thông tin vô tuyến sóng ngắn nói chung có chức năngsau:

* Tạo dao động cao tần (RF)

* Điều chế dao động

* Khuếch đại và bức xạ

Dải tần sóng ngắn là tương đối hẹp ( từ 3 – 30MHz) trong khi yêucầu số kênh thông tin càng lớn càng tốt Để số đường liên lạc là tối đa thìcác dạng điều chế tin tức phải bảo đảm tiết kiệm phổ nhất Về cơ bản, cóhai dạng công tác chính là chế độ báo và thoại cho các máy phát thông tinsóng ngắn

* Chế độ công tác báo:

Chế độ báo được chọn là chế độ công tác chính cho các máy thôngtin vô tuyến sóng ngắn nói chung Báo đẳng biên thông thường được sửdụng do có ưu điểm là đơn giản, phổ tần hẹp và yêu cầu chống nhiễu khôngquá cao vì khả năng nghe trên nền nhiễu tốt của tai con người Dạng báođiều tần mặc dù có phổ rộng hơn nhưng chất lượng không vượt trội nênthực tế ít được sử dụng

– Thoại điều tần: dải phổ rộng 2 f f max 1  (với là chỉ số điềuchế), khẳ năng chống nhiễu kém, số kênh thông tin ít.

Như vậy, xét về độ rộng phổ tín hiệu, khả năng chống nhiễu và hiệuquả sử dụng năng lượng thì tín hiệu điều chế đơn biên có ưu điểm nhất Vìvậy, dạng điều chế đơn biên được chọn cho máy thông tin vô tuyến sóngngắn Trong các phương pháp tạo tín hiệu đơn biên thì phương pháp trộnlọc nhiều lần là phổ biến nhất, và về cơ bản xác định cấu trúc của máythông tin vô tuyến sóng ngắn

Với các dạng công tác cơ bản là thoại và báo, sơ đồ khối tổng quátcủa một máy thông tin vô tuyến sóng ngắn có dạng như hình 1.1 sau:

Hình 1.1 Sơ đồ khối máy phát vô tuyến điện

– Bộ khích thích: Có nhiệm vụ tạo ra dải tần công tác của máy thông tin vô

tuyến Thực hiện điều chế tín hiệu và khuếch đại tín hiệu theo yêu cầu của

thiết bị

– Khuếch đại công suất và tiền khuếch đại công suất: có nhiệm vụ khuếch

Bộ kích thích

TiềnKĐCS

KĐCS Phối hợp

anten

Khối nguồn

KĐ MIC

Hệ thống điều khiểnManip

đại tín hiệu đủ công suất yêu cầu, vì vậy KĐCS có thể gồm một hay nhiềutầng Do tín hiệu điều chế là đơn biên nên yêu cầu khuếch đại phải tuyếntính cao, mặt khác vì thiết bị dùng nguồn nuôi là pin hoặc acquy nên cònphải đảm bảo hiệu suất khuếch đại cao để giảm tối đa tiêu hao năng lượng.

– Phối hợp anten: Làm nhiệm vụ phối hợp trở kháng giữa khối khuếch đại

công suất với anten trong toàn dải tần

– Hệ thống điều khiển: Dùng chung cho cả máy thu và máy phát, nó gồmphần giao diện với người sử dụng và phần tạo ra các tín hiệu điều khiển cáchoạt động của điện đài

– Khối nguồn: Tạo ra các mức điện áp yêu cầu cho toàn bộ thiết bị

Phạm vi của đồ án sẽ tiến hành xem xét, thiết kế, tính toán và thicông bộ khuếch đại công suất của máy thông tin vô tuyến sóng ngắn Cácvấn đề cụ thể sẽ được trình bày tiếp sau đây

1.2 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI

CÔNG SUẤT

Tầng khuếch đại công suất có nhiệm vụ đưa ra công suất đủ lớn để

kích thích cho tải Công suất ra của nó từ vài phần W cho đến hàng trăm W.

Công suất này được đưa ra đến tầng sau dưới dạng điện áp hoặc dòng điện

có biên độ lớn Phân loại mạch khuếch đại công suất có nhiều cách khácnhau như mạch khuếch đại được phân biệt theo mục đích (mạch khuếch đạiđiện áp, mạch khuếch đại dòng điện, mạch khuếch đại công suất …), hoặcphân biệt theo loại năng lượng ngoài được sử dụng (mạch khuếch đại điện,mạch khuếch đại từ ) Theo cách mắc tải, người ta chia thành mạchkhuếch đại có biến áp ra và tầng khuếch đại không biến áp ra Thôngthường trong mạch khuếch đại công suất người ta chia thành hai nhómmạch là: nhóm mạch khuếch đại công suất tuyến tính và nhóm mạchkhuếch đại công suất chuyển mạch Trong nhóm mạch khuếch đại côngsuất tuyến tính thì theo độ lớn của góc cắt người ta cũng chia thành 4 loại

mạch khuếch đại là: mạch khuếch đại chế độ A, chế độ B, chế độ AB vàchế độ C Đối với nhóm khuếch đại chuyển mạch, tranzistơ được kích thíchtín hiệu có biên độ lớn, điều chỉnh việc đóng mở thiết bị như một chuyểnmạch Hoạt động chuyển mạch cung cấp hiệu quả khuếch đại công suất caohơn so với nhóm các mạch khuếch đại tuyến tính Một thiết bị chuyểnmạch lý tưởng là không có điện áp đặt trên tranzistơ khi nó thông, không

có dòng điện chảy qua khi nó ngắt và thời gian chuyển tiếp của nó bằngkhông Trong phạm vi đồ án, loại nhóm khuếch đại chuyển mạch khôngđược đề cập

1.2.1 Các tham số của tầng khuếch đại công suất

* Hệ số khuếch đại công suất: hệ số khuếch đại công suất K là tỉ số giữa P

công suất raP và công suất vào R P : V

R P V

P K P

Trong chế độ này, tín hiệu được khuếch đại gần như tuyến tính, góc

cắt  = T/2 = 1800 Khi tín hiệu vào là hình sin thì dòng tĩnh colectơ luônluôn lớn hơn biên độ dòng điện ra, vì vậy hiệu suất của bộ khuếch đại chế

độ này rất thấp (<50%).

* Tầng khuếch đại chế độ AB:

Trong trường hợp này góc cắt 900 <  < 1800, chế độ này hiệu suất

cao hơn chế độ A (<70%).Vì dòng tĩnh I CO lúc này nhỏ hơn chế độ A nênđiểm làm việc nằm trên đặc tuyến tải gần khu vực tắt của tranzistơ

Hình 1.2 Đặc tuyến ra của tranzistơ

Hình 1.3 Dạng dòng điện ra của tranzistơ ứng với các chế độ khác nhau

* Chế độ B: Ứng với  = 900là điểm làm việc tĩnh được xác định tại U BE =

0, chỉ một nửa chu kỳ dương hoặc âm của tín hiệu vào được tranzistơkhuếch đại

* Chế độ C: Ứng với góc cắt  < 900 Hiệu suất chế độ này khá cao(>78%) nhưng méo lại lớn Nó thường được dùng trong các bộ khuếch đạitần số cao và dùng tải cộng hưởng, hoặc dùng trong các mạch khoá hoặclogic Điểm làm việc tĩnh trong khu vực cho phép trên đặc tuyến tranzistơ

hoµ

(Hình 1.1) Khu vực đó được giới hạn bởi Hypebol công suất, đường thẳngngang với dòng colector cực đại, đường thẳng đứng với điện thế colectơ-emitơ cực đại, đường cong phân cách với khu vực bão hoà và đường thẳngphân cách với khu vực tắt của tranzistơ.

Ở chế độ động, điểm làm việc có thể vượt ra ngoài hypebol côngsuất (nếu vẫn bảo đảm được điều kiện công suất tổn hao nhỏ hơn công suấttổn hao cho phép), nhưng không được vượt quá các giới hạn khác Phầntiếp theo, ta xem xét và thảo luận kỹ một số dạng mạch, cũng như chế độcủa nó với các loại tranzistơ khác nhau

1.3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ĐƠN (CHẾ ĐỘ A)

Trong chế độ A, biên độ tín hiệu ra thay đổi đối xứng xung quanhđiểm tĩnh So với tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ, nó chỉ khác là biên độ tínhiệu lớn Tầng khuếch đại đơn hay dùng sơ đồ emitơ chung hoặc lặp emitơ

vì nó có hệ số khuếch đại dòng điện lớn và méo phi tuyến nhỏ

1.3.1 Sơ đồ emitơ chung (tranzistơ lưỡng cực)

Hình 1.4 Sơ đồ mạch emitơ chung

Khi tín hiệu vào hình sin, thì công suất ra được xác định theo biểuthức:

Căn cứ vào hình 1.4 thì có thể xác định được biên độ của ˆU và CE I C

I





Ta còn nhận thấy rằng: đường tải càng nằm gần hypebol thì côngsuất ra càng lớn.

Trường hợp đầu ra của tầng khuếch đại được ghép điện dung với tảithì cần phân biệt đường tải tĩnh với đường tải động, lúc đó điện trở tải tối

ưu được xác định theo công thức 1.6:

Hiệu suất cực đại của mạch được xác định:

ax 0

100% 25%

P

Rm P

    (1.8)

Khi ghép biến áp, có thể tăng hiệu suất cực đại lên gấp đôi, vì có thể

bỏ qua điện trở một chiều của biến áp, nghĩa là giảm điện áp nguồn cungcấp một chiều của mạch

1.3.2 Sơ đồ cực nguồn (Source) chung

Các sơ đồ dùng FET cũng có tính chất như sơ đồ dùng tranzistơlưỡng cực Tuy nhiên, các sơ đồ dùng FET có hệ số khuếch đại nhỏ hơn do

hỗ dẫn của FET nhỏ hơn hỗ dẫn của tranzistơ lưỡng cực FET kênh Nthường dùng trong phạm vi tần số rất cao, vì độ linh động hạt dẫn của Fetkênh N lớn hơn ở Fet kênh P Một sơ đồ khuếch đại cực nguồn chung đượccho như hình 1.5 sau:

Hình 1.6 Mạch khuếch đại cực nguồn chung

Ở chế độ xoay chiều, điện áp đặt vào cực cửa, điện áp lấy ra trên cựcmáng

Hệ số khuếch đại điện áp được tính:

Trong biểu thức 1.9 ứng với trường hợp có tụ C s mắc song song để

thoát dòng xoay chiều trên R s, còn nếu không có thì:

g điều khiển

Trong đó: –C : Điện dung giữa hai cực G – S; GS

–C : Điện dung giữa hai cực G – D GD

1.2.3 Sơ đồ cực máng (Drain) chung

Trong trường hợp này, điện áp đặt vào cực G không phải là U GS mà

là:

U U U I R (1.15)

Hình 1.7 Mạch khuếch đại cực máng chung

Trong cách mắc này, hệ số khuếch đại nhỏ hơn 1:

d t R

R 1

C v

1.4 MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẨY KÉO

1.4.1 Những vấn đề chung về tầng khuếch đại đẩy – kéo

Để tăng công suất, hiệu suất và giảm méo phi tuyến, người ta dùngtầng khuếch đại đẩy – kéo Tầng khuếch đại đẩy – kéo là tầng khuếch đạigồm có hai phần tử tích cực mắc chung tải Sơ đồ đẩy - kéo có thể biểudiễn bằng sơ đồ cầu như hình 1.7 sau:

Hình 1.8 (a) Sơ đồ đẩy- kéo song song, (b) Sơ đồ đẩy- kéo nối tiếp

Trong sơ đồ đẩy-kéo song song, các phần tử tích cực được đặt trongcác nhánh bên trái của cầu Trong các nhánh bên phải của cầu là điện trởtải, có điểm giữa nối với nguồn cung cấp mắc trong nhánh chéo của cầu

Ngược lại, trong sơ đồ đẩy-kéo tiếp, nguồn cung cấp có điểm giữanối với tải, tải nằm trong nhánh chéo của cầu

Tóm lại, sơ đồ đẩy-kéo song song có các phần tử tích cực mắc songsong về mặt một chiều, còn sơ đồ đẩy-kéo nối tiếp thì có các phần tử tíchcực mắc nối tiếp về mặt một chiều Ngoài ra còn có thể dùng hai phần tửtích cực cùng loại hay khác loại nên có bốn loại sơ đồ đẩy – kéo như hình1.8 sau:

Đẩy – kéo song song Đẩy – kéo nối tiếp

1.4.2 Một số đặc điểm cơ bản của mạch đẩy – kéo

* Điểm đất của các mạch song song là âm nguồn, còn điểm đất của cácmạch nối tiếp là điểm giữa của nguồn một chiều

* Các mạch đẩy – kéo dùng hai tranzistơ cùng loại được kích thích bởi tínhiệu ngược pha Như vậy, để có tín hiệu ngược pha, có thể tạo bằng tầngđảo pha hay dùng biến áp mà cuộn thứ cấp có điểm giữa nối đất về mặtxoay chiều

* Các mạch đẩy – kéo dùng hai tranzistơ khác loại thì dùng một tín hiệu đểkích thích (cùng pha)

* Các tầng khuếch đại đẩy – kéo có thể làm việc ở chế độ A, AB hoặc Bnhưng thông thường người ta hay dùng chế độ AB hoặc B

* Chế độ B, điểm làm việc được chọn sao cho dòng điện ra ở chế độ tĩnh

Iro bằng không và điện áp ra ở chế độ tĩnh Uro bằng điện áp nguồn cungcấp như hình 1.9

* Mỗi tranzistơ chỉ khuếch đại một nửa dương hoặc một nửa âm của tín

hiệu vào

Hình 1.10 Đặc tuyến ra của tầng đẩy – kéo chế độ B

Hai nửa tín hiệu sẽ được tổng hợp lại thành tín hiệu hoàn chỉnh trênđiện trở tải

Tuy nhiên, ở chế độ B phải lưu ý đến méo tín hiệu sinh ra khi điểmlàm việc chuyển tiếp từ tranzistơ này sang tranzistơ khác Méo này cànglớn khi tín hiệu vào càng nhỏ Có thể khắc phục được bằng cách tăng trị sốdòng điện ra tại điểm tĩnh Iro và cho tầng ra làm việc ở chế độ AB, vớiphần A chỉ vừa đủ mở bán dẫn

1.4.3 Mạch đẩy – kéo song song

Tất cả các mạch đẩy – kéo song song đều phải dùng biến áp ra để

phối ghép giữa hai nửa điện trở tải R t Mạch nguyên lý thể hiện trên hình vẽ1.10:

Hình 1.11 Tầng đẩy – kéo song song

Để có điện áp đặt vào hai tranzistơ ngược pha, dùng biến áp BA1.

Nếu điện áp vào có dạng hình sin thì hai tranzistơ thay nhau khuếch đại

-những nửa hình sin, vì điện thế hai đầu cuộn thứ cấp biến áp BA1 ngược pha nhau Các điện trở R1 và R2 được chọn sao cho dòng tĩnh qua chúng là nhỏ (chế độ AB) Khi cho R2 = 0 thì U B = 0, do đó bộ khuếch đại làm việc

ở chế độ B Ở chế độ AB, dòng colector nằm trong khoảng 10 đến 100mA, hai nửa hình sin của điện áp ra được phối hợp lại trên biến áp BA2.

Điện trở của mỗi tranzistơ được xác định theo biểu thức 1.19:

Nếu giả thiết bộ khuếch đại làm

việc ở chế độ B, ta tính được dòng colectơ

trung bình:

  0

Do đó công suất cung cấp một chiều:

0

100% 100% 78.5%

4

Rm m

P P



      (1.26)

Hình 1.13 Quan hệ giữa công suất và điện áp ra

Trong đó: – P Rmax: Công suất ra cực đại, [Ω].W];

– P0 axm : Công suất nguồn cung cấp lớn nhất, [Ω].W].

1.4.4 Mạch đẩy – kéo nối tiếp dùng tranzistor cùng loại

Mạch KĐCS đẩy – kéo nối tiếp dùng tranzistơ cùng loại được mô tả

R K

* Nếu dùng các mạch công suất có tải ở emitơ thì dễ xuất hiện nguy cơ quátải nếu trở kháng tải quá nhỏ Để khắc phục hiện tượng đó, có thể mắcthêm mạch hạn dòng.

* Để có điện áp ra lớn, thay cho một tranzistơ công suất có điện áp ra lớn

có thể dùng một số tranzistơ có điện áp nhỏ hơn mắc nối tiếp, hoặc mắcsong song để tăng dòng ra Lúc đó để giảm nhỏ tính tạp tán của đặc tuyếnvào, cần phải mắc nối tiếp với mỗi tranzistơ một điện trở emitơ sao chodòng điện các tranzistơ không chênh lệch nhau nhiều

* Ở tần số cao, hoặc khi tín hiệu vào là xung thì cần mắc thêm các điện trởtrị số nhỏ vào mạch colectơ và emitơ

1.5 CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT TRONG THỰC TẾ

Trên cơ sở lý thuyết về mạch khuếch đại công suất ở trên, thực tếthường có các loại mạch khuếch đại công suất sau: khuếch đại đơn, songsong hay đẩy- kéo Mỗi loại được ứng dụng cho những đòi hỏi khác nhau

về phổ tần, băng thông và mức công suất ra trong một thiết kế cụ thể Xemxét ưu, nhược điểm của từng loại và phạm vi ứng dụng của chúng là cơ sởlựa chọn giải pháp cho thiết kế

1.5.1 Các bộ khuếch đại đơn

Nếu ở một tần số hay trong một dải tần vô tuyến công tác tương đốihẹp, thì bộ khuếch đại đơn sẽ đáp ứng yêu cầu đòi hỏi, là giải pháp tối ưucho nhiệm vụ thiết kế Một thiết kế đơn giản được thể hiện trên hình 1.14

dưới đây Thiết kế với dạng mạch này, các phần tử tập trung là điện cảm L, điện dung C có giá trị không đổi ( hoặc ít thay đổi) trong dải công tác nên

sẽ là đơn giản nhất và kinh tế nhất và cho bộ khuếch đại công suất Thườngchỉ được sử dụng ở tầng đầu tiên với mức tín hiệu tương đối nhỏ cho đầuvào và đầu ra, hoặc khi công suất yêu cầu bé

Hình 1.15 Mạch khuếch đại công suất đơn kiểu Emitơ chung

* Ưu điểm:

Đơn giản cho việc phối hợp trở kháng

Có thể điều chỉnh cho phép mạch thực hiện tốt nhất tại một tần sốđặc trưng hay trong đoạn tần công tác hẹp

Không yêu cầu những linh kiện, vật tư đặc biệt

Đơn giản cho thiết kế, đảm bảo yêu cầu gọn nhẹ, giá thành rẻ

* Nhược điểm:

Không thích hợp cho hoạt động liên tục tại các mức công suất lớn.Khả năng công suất ra bị hạn chế

Dải tần công tác bị giới hạn

1.5.2 Các bộ khuếch đại song song

Mục đích của các bộ khuếch đại song song là đạt được một công suấtđầu ra cao hơn so với công suất có thể ở một bộ khuếch đại đơn Nó sẽ kinh

tế hơn và cũng đơn giản hơn cho thiết kế với mức công suất yêu cầu là lớn.Nhiều vấn đề có thể gặp phải trong thiết kế với mạch khuếch đại song song,như là các mức trở kháng cực kỳ nhỏ và sự phân chia công suất không đềunếu không có sự phù hợp chặt chẽ Với lý do này, các trở kháng (đặc biệt là

ở đầu vào) sẽ rất thấp nếu chọn giải pháp cho thiết kế là sơ đồ song song

Để tránh tạo ra những trở kháng thấp như vậy, điều mà sẽ rất khó cho việcphối hợp trở kháng với giao tiếp 50Ω, thường thì đầu tiên sẽ thực hiện việc

chuyển đổi trở kháng tới một giá trị trở kháng trung gian, như là từ 10 đến25Ω, sau đó sẽ thực hiện chuyển đổi thành 50Ω bởi các mạch phối hợp trởkháng Tuy nhiên, nếu sử dụng các bán dẫn là MOSFET, thì không yêu cầu

sự phối hợp trở kháng trung gian và vấn đề chia sẻ công suất gần như hoànhảo Hình vẽ 1.15 thể hiện cho thiết kế sử dụng cấu hình khuếch đại côngsuất song song:

Hình 1.16a Mạch khuếch đại công suất song song dùng bán dẫn

lưỡng cực

Giải pháp cho trường hợp này là các nhánh sẽ được phối hợp với một

mức trở kháng trung gian, sau đó sẽ biến đổi thành mức chuẩn 50Ω Theo

cách này thì làm cho thiết kế phức tạp, đồng thời gây nên tiêu hao lớn ở cácmạch phối hợp Với bán dẫn trường, có thể thực hiện kỹ thuật sơ đồ song

song như hình 1.15 Sự có mặt của các điện trở cách ly R1 và R2 sẽ ngăn

ngừa các dao động tần số cao

Sơ đồ song song có thể sử dụng được với các ứng dụng công suất

nhỏ, ví dụ nếu công suất ra mong muốn thấp vừa phải (từ 2 đến 5W) và giá

thành rẻ Sơ đồ loại này có thể sử dụng từ dải tần sóng ngắn cho đến dải vi

ba, và thường gặp trong các thiết bị rađa dải L

Hình 1.16b Mạch khuếch đại công suất song song dùng bán dẫn

đẩy-1.5.3 Các bộ khuếch đại đẩy- kéo

Ở băng tần thấp cho đến dải UHF, mạch đẩy-kéo là phổ biến bởi vì

nó cho những lợi thế nhất định so với hai dạng mạch khuếch đại đơn vàkhuếch đại song song trên Quan trọng nhất là sự triệt gần như hoàn toàncác thành phần hài bậc chẵn, tuy nhiên hiệu quả của nó lại phụ thuộc vào

sự phối hợp của hai thiết bị Ưu điểm khác là dải thông rộng hơn, các trởkháng vào và trở kháng ra cao hơn, và mạch ít phức tạp, đặc biệt là trongmạch đầu ra Dạng tổng quát của một mạch đẩy-kéo được cho như hình1.16 sau:

Hình 1.17 Dạng tổng quát mạch khuếch đại công suất đẩy-kéo

Trên đây là tổng quan về cơ sở mạch khuếch đại công suất Ở chế độ

A, do hiệu suất thấp nên công suất ra thấp, tín hiệu không méo, tiêu thụdòng một chiều lớn nên tiêu tán lớn Vì vậy chỉ ứng dụng cho những máyphát thông tin vô tuyến công suất nhỏ Trong khi đó, chế độ AB, B, C cóhiệu suất cao, dòng tiêu thụ nhỏ nhưng tín hiệu sau khuếch đại bị méo Tathực hiện khôi phục lại dạng hình sin của tín hiệu ở các mạch lọc và mạchcộng hưởng ở đầu ra… Đối với tín hiệu đơn biên và điều biên, do yêu cầu

độ tuyến tính cao sau khuếch đại thì phải sử dụng các tầng khuếch đại kéo Để đảm bảo khuếch đại tuyến tính từng bán chu kỳ nên thường côngtác ở chế độ AB, trong đó phần A chỉ đảm bảo vừa đủ mở bán dẫn nhằmgiảm méo khi mức tín hiệu nhỏ Kết luận sẽ làm cơ sở cho việc thiết kế,xây dựng mạch khuếch đại công suất với các chỉ tiêu cụ thể sẽ được trìnhbày trong chương 2

đẩy-CHƯƠNG II THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

Dải sóng ngắn có giá trị tần số nằm trong phạm vi 3 – 30 MHz Do đặcđiểm phản xạ tốt qua tầng điện ly nên phần lớn các thông tin vô tuyến haichiều sử dụng dải này với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa, liênlạc hàng hải , hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá…v.v Với phạm

vi ứng dụng hết sức rộng rãi của dải sóng ngắn như vậy, đồ án chỉ nghiêncứu thiết kế và thi công bộ khuếch đại công suất được sử dụng cho lĩnh vựcquân sự, cụ thể là bộ khuếch đại công suất cho điện đài sóng ngắn côngsuất nhỏ dùng cho cấp chiến thuật

2.1 CHỌN CHỈ TIÊU BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

Bộ khuếch đại công suất được thiết kế cho điện đài sóng ngắn công suấtnhỏ, dùng cho cấp chiến thuật nên yêu cầu gọn nhẹ, dễ mang xách, đảm

bảo cự ly liên lạc dưới 300km, đồng thời yêu cầu tiêu tốn năng lượng ít.

Trên cơ sở những yêu cầu chung đó thì những chỉ tiêu cho bộ khuếch đạicông suất được lựa chọn như sau:

* Chọn dải tần công tác

Sóng ngắn có dải tần từ (3 – 30)MHz Tuy nhiên, để đảm bảo yêu cầu gọn

nhẹ, người ta không sử dụng hết toàn bộ dải tần này mà đối với cấp chiếnthuật, thường chỉ chọn trong khoảng nửa đầu của dải với các lý do sau:– Do sử dụng phương thức truyền sóng qua tầng điện ly, khoảng cách liênlạc càng lớn thì tần số càng phải cao (phụ thuộc vào góc tới như hình vẽ

2.1) Đối với cấp chiến thuật, cự ly không lớn hơn 300km nên chỉ cần sử

dụng đoạn đầu của dải sóng ngắn

Hình 2.1 Sự truyền sóng ngắn qua tầng điện ly phụ thuộc tần số

và góc tới

– Khi tần số cực đại của dải công tác càng cao thì vấn đề phối hợp anten

càng trở nên phức tạp để đảm bảo độ đồng đều công suất ra với VSWR (hệ

số sóng đứng) nhỏ theo yêu cầu Do đó sẽ làm cho bộ khuếch đại công suấtcần thiết kế sẽ phức tạp hơn, kích thước và trọng lượng cũng tăng lên

– Một lý do có thể xem xét thêm là khi tần số công tác lớn thì góc tớigiảm, do đó hướng vật lý của anten so với thân người sẽ không thuận tiệncho việc mang xách khi cơ động

Mặt khác, do sử dụng phương thức truyền sóng chính là qua tầng điện ly vàtrong dải tần này, phương thức truyền sóng đất thì suy hao lớn nên có thểtồn tại vùng “mù”, trong đó xảy ra gián đoạn thông tin Vì vậy, để sử dụngphương thức truyền sóng đất đảm bảo thông tin cự ly ngắn, ta có thể chọnthêm đoạn cuối của dải sóng trung

Như vậy, ta có thể chọn dải tần công tác cho bộ khuếch đại công suất trong

khoảng (1.5 – 12)MHz.

* Chọn công suất đầu ra

Do phản xạ qua tầng điện ly, nếu chọn đúng góc tới thì độ suy hao

đường truyền sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với truyền sóng đất Theo lý thuyếtanten truyền sóng, công suất ra là một hàm:

Tầng điện ly

Mặt đấtGóc tới

f1 < f2

POUT = g( E, R, λ)) Trong đó: – E là độ nhạy máy thu;

tương đối nhỏ Do vậy, độ tăng ích yêu cầu cỡ một vài chục dB Độ tăng

ích càng lớn thì khả năng làm việc tin cậy và độ an toàn càng giảm Để đảmbảo được thì số tầng trong bộ khuếch đại công suất càng nhiều, do đó khíchthước, trọng lượng cũng như giá thành sẽ tăng tương ứng Do vậy, côngsuất đầu ra cho bộ khuếch đại công suất không nên (và cũng không cầnthiết) quá cao cho các điện đài sóng ngắn bảo đảm thông tin cho cấp chiến

thuật Ta chọn công suất đầu ra là 15W cho bộ khuếch đại công suất là

tương đối phù hợp

* Chọn trở kháng đầu vào và trở kháng đầu ra

Điện đài sóng ngắn công suất nhỏ dùng cho cấp chiến thuật, yêu cầu gọnnhẹ, dễ triển khai, thu hồi nhanh và đảm bảo cự ly liên lạc… nên thườngchọn anten cần và anten chếch Với máy thông tin mang xách thì anten cần

là thích hợp nhất Vì giản đồ hướng trong mặt phẳng ngang có dạng hìnhtròn và trong mặt phẳng đứng có dạng hình cánh hoa nên anten cần trướchết dùng như anten vô hướng để liên lạc bằng sóng đất trong dải sóng ngắn

và sóng trung Ngoài ra còn có thể dùng như anten vô hướng để liên lạcbằng sóng trời khi góc tới không lớn Tuy nhiên nếu điều kiện cho phép thìngười ta dùng cả anten hai cực và anten sóng chạy Bộ khuếch đại công

suất được thiết kế cho điện đài này do vậy phải phối hợp tốt với các antentrên, đảm bảo khả năng truyền đạt cao và tiêu hao phản hồi nhỏ theo yêu

cầu (VSWR < 1,3) Thông thường, trở kháng vào và trở kháng ra của bộ

khuếch đại công suất thường chọn theo tiêu chuẩn giao tiếp là 50Ω

* Chọn nguồn cung cấp

Nguồn cung cấp phải bảm bảo thời gian trận đánh cho điện đài hoạt độngliên tục và tin cậy, không bị gián đoạn liên lạc Do thường sử dụng pinhoặc acquy nên nguồn càng cao thì kích thước, trọng lượng và tiêu haocàng lớn , không tiện cho việc mang xách trong quá trình cơ động cũng nhưtrong trận đánh Thực tế, các thiết bị vô tuyến di động thường

hoạt động với nguồn tương đối thấp, khoảng 6 – 9V, và các

thiết bị mang xách sử dụng một điện áp cao hơn, đặc trưng

là 12V hay 13,8V Các ứng dụng điện tử hàng không thì thường dùng nguồn 28V, trong khi các trạm gốc và các ứng

dụng trên mặt đất khác như lĩnh vực điên tử y sinh thường

dùng thiết bị hoạt động với nguồn 24 đến 50V nguồn Ta chọn nguồn cung cấp cho bộ khuếch đại công suất là 12V.

* Chọn độ không bằng phẳng công suất ra

Theo khuyến nghị, thì tất cả các bộ khuếch đại công suất dải rộngnên thống nhất ở một độ bằng phẳng tăng ích trong toàn dải tần công tác là

2dB hoặc tốt hơn Điều này là cần thiết bởi vì lượng tăng ích sẽ cao hơn tại

tần số công tác thấp hơn so với vùng tần số cao, gây nên độ dốc trong biểu

đồ đặc tính của một bộ khuếch đại công suất; lượng tăng ích có thể giảm

6dB khi mà tần số tăng thêm một octave Mặt khác, lượng tăng ích lớn có

thể là nguyên nhân gây ra sự mất ổn định tại vùng tần số thấp, và thậm chí

là tổn thất cho bán dẫn nói riêng và bộ khuếch đại công suất nói chung Cácgiải pháp có thể thực hiện bằng cách mắc một mạch suy giảm giữa tầng

kích và tầng khuếch đại công suất để bù trong toàn dải tần, sử dụng cácđường phản hồi san bằng độ lợi …

Đối với các loại điện đài quân sự, thông thường chỉ tiêu được chọn làcông suất ra không biến đổi quá 10℅ trong toàn dải tần công tác

* Chọn hiệu suất của bộ khuếch đại

Đây tham số hết sức quan trọng trong mọi ứng dụng Hiệu suất của một bộkhuếch đại là phần trăm của tỉ số giữa công suất tín hiệu đầu ra với côngsuất một chiều tiêu thụ Nếu tính chính xác thì có kể thêm công suất tínhiệu vào, và có thể dễ dàng tính bởi công thức:

– P OUT: là công suất tín hiệu ra, [Ω].W];

–P IN : là công suất tín hiệu vào, [Ω].W];

–P DC: là công suất nguồn một chiều

cung cấp cho bộ khuếch đại, [Ω].W]

Điện đài dùng cho cấp chiến thuật, yêu cầu tiết kiệm nguồn, đảm bảothời gian công tác nên cần hiệu suất cao Ta chọn hiệu suất cho bộ khuếch đại cần thiết kế là > 50℅

* Chọn các chỉ tiêu khác: khả năng nén các thành phần hài, chế độ nhiệt, méo…

Việc tồn tại các hài của tần số công tác ở đầu ra bộ khuếch đại sẽ làm tăngtiêu hao, do đó sẽ làm giảm hiệu suất bộ khuếch đại, đồng thời tăng phản

xạ về đầu vào, làm bộ khuếch đại dễ quá nhiệt, làm việc kém ổn định, giảm

độ tin cậy Vì vậy, các bộ khuếch đại được thiết kế cần có khả năng loại bỏcác thành phần hài càng lớn càng tốt, đặc biệt là thành phần hài bậc thấpgần với tần số công tác như hài bậc hai và hài bậc ba Giải quyết vấn đề

này sẽ được thực hiện trong quá trình lựa chọn giải pháp thiết kế, linh kiệnvật tư như sử dụng sơ đồ khuếch đại đẩy kéo sẽ cho phép triệt bỏ các thànhphần hài bậc chẵn (sẽ được trình bày ngay dưới đây), sử dụng các linh kiện

có chất lượng cao, các mạch lọc thông thấp hay thông dải phía đầu ra của

bộ khuếch đại công suất…

Chế độ nhiệt, méo… cũng là các chỉ tiêu cần quan tâm trong quá trìnhtính toán, thiết kế và thi công bộ khuếch đại công suất Việc khắc phục vànâng cao chất lượng cũng sẽ được xem xét trong lựa chọn giải pháp, vật tưlinh kiện cũng như trong tính toán cụ thể

Như vậy, chỉ tiêu được chọn cho bộ khuếch đại công suất là:

Công suất tín hiệu ra: P OUT = 15W

Trở kháng vào, ra: Z IN = 50 Ω ; Z OUT = 50 Ω.

Nguồn cung cấp: V CC = 12V.

Độ không bằng phẳng công suất ra: < 10℅

Hiệu suất :  > 50℅

Khả năng triệt hài: d3 > 30dB ; d5 > 30dB.

2.2 SƠ ĐỒ KHỐI BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

2.2.1 Sơ đồ khối chức năng

Sơ đồ khối chức năng của một bộ khuếch đại công suất được mô tả nhưhình 2.1 sau:

Hình 2.2 Sơ đồ khối tổng quát của bộ khuếch đại công suất ALC

Ghép đầu vào

Tầng

khuếch đại

cuối

Mạch phối hợp anten

Mạch ghép tín hiệu dòng, áp

Mạch điều khiển

Tầng KĐCS đầu raGhép

dải tần công tác (1,5 – 12)MHz, đồng thời có nhiệm vụ san bằng độ lợi

trong toàn dải tần đó

* Mạch ghép đầu ra: có nhiệm vụ phối hợp trở kháng giữa đầu ra của tầngkhuếch đại công suất với tải, đảm bảo công suất theo yêu cầu thiết kế vàđồng đều trong dải tần

Vấn đề phối hợp trở kháng, đặc biệt trong các bộ khuếch đại công suất , làyêu cầu cho việc truyền năng lượng tới tầng phía sau với một tiêu hao côngsuất nhỏ nhất có thể Phối hợp trở kháng làm tăng tiêu hao phản hồi (làm

giảm VSWR) cho hệ thống, hay bộ khuếch đại sẽ ngăn ngừa sự không bằng

phẳng trong dải thông của bộ lọc thông thấp hay các bộ lọc dải thông vàcho phép bộ khuếch đại đáp ứng được yêu cầu thiết kế với một hệ sốkhuếch đại đồng đều, méo thấp, và độ tin cậy cao

* Tầng khuếch đại công suất: có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu vào đạt mức

đã chọn đưa ra anten Yêu cầu tầng khuếch đại công suất phải có hiệu suấtcao vì thiết kế cho máy phát cấp chiến thuật, công suất đủ theo yêu cầu.Khối khuếch đại công suất có số tầng được tính theo công suất kích thíchđầu vào với trở kháng 50Ω và công suất đầu ra trên trở kháng 50Ω Nếu chỉxét về giá trị của công suất đầu ra thì chỉ cần một tầng cũng có thể cho đủmức công suất đưa ra theo yêu cầu Song để đảm bảo khả năng làm việcliên tục, độ tin cậy cao, đồng thời tự động điều chỉnh công suất ra đó nêntầng khuếch đại công suất bao giờ cũng có ít nhất hai tầng: một tầng đảmbảo khuếch đại công suất và một tầng đảm bảo khuếch đại và điều chỉnhmức độ điện áp kích thích cho tầng khuếch đại công suất (như hình 2.3)

Hình 2.3 Sơ đồ tổng quan của tầng khuếch đại công suất

* Mạch điều chỉnh tự động mức ALC:

Mục đích của việc sử dụng mạch ALC trong tuyến phát nhằm đạt được:– Ổn định và đồng đều mức tín hiệu phát trong dải tần làm việc, bằngcách điều chỉnh tự động hệ số khuếch đại của các tuyến tần số trung tầntuyến phát Mạch này hoạt động ngay cả khi nguồn cấp cho máy phátkhông ổn định

– Điều chỉnh tự động công suất phát: cho phép khống chế công suất pháttheo mức đã được lựa chọn Mức chọn này có thể là liên tục hoặc cố địnhtheo các mức: cao, trung bình hay thấp Ngoài ra, mạch này còn cho phépbảo vệ tầng khuếch đại công suất khi hệ số sóng đứng VSWR lớn bằngcách giảm công suất phát, thậm chí là cấm phát Hệ số sóng đứng VSWRđược xác định theo công thức:

Trong đó: –VSWR : không có thứ nguyên, lý tưởng bằng 1;

–P f : công suất sóng tới, [Ω].W];

–P r : công suất sóng phản xạ, [Ω].W]

* Mạch phối hợp anten: có nhiệm vụ phối hợp tải tầng khuếch đại côngsuất với anten, đảm bảo khả năng truyền đạt công suất ra là lớn nhất Doanten có trở kháng vào phụ thuộc tần số là thường là số phức:

KĐ điềuchỉnh

KĐ côngsuất

P OUT

P IN

Trong đó – Z A j : trở kháng anten, [Ω].Ω].];

– R  : điện trở thuần của anten, [Ω].Ω].]; A 

– X  : điện kháng của anten, [Ω].Ω].] A 

Để công suất ra anten là lớn nhất thì phải khử bỏ thành phần X  và đưa A 

ra R  = A  R t Cách mắc phối hợp như hình:

Hình 2.4 Nguyên tắc thiết lập khối phối hợp anten

Mạch phối hợp anten sẽ có sẵn trong điện đài cụ thể

Như vậy, trên cơ sở nghiên cứu sơ đồ khối của một bộ khuếch đại côngsuất, đi vào cụ thể, đồ án sẽ trình bày toàn bộ quá trình thiết kế bộ khuếchđại công suất dải rộng Nội dung bao gồm thiết kế từ mạch phối hợp đầuvào cho đến mạch phối hợp đầu ra Tầng khuếch đại công suất bao gồm haitầng: một tầng khuếch đại điều chỉnh và một tầng khuếch đại công suất

2.3 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

2.3.1 Các mạch phối hợp vào, ra

Có nhiều mạch phối hợp có thể được sử dụng cho phối hợp trởkháng và ghép nối, và cũng có chức năng lọc nhất định ( thường là mộtdạng lọc thông thấp) giữa các tầng tần số vô tuyến Các mạch phối hợp chophép công suất tín hiệu lớn nhất được truyền đạt và suy giảm các sóng hài

ZA (jω) ω) )

21

cho phép giữa các tầng Để phối hợp trở kháng, có các phương pháp được

sử dụng là dùng các mạng phối hợp với các phần tử thụ động L,C hay phối

hợp bằng biến áp

Sử dụng một trong các dạng khác nhau của những mạng LC trong một

mạch phối hợp thì kinh tế hơn nhiều, cho phép thực hiện từ dải tần số thấp

cho đến dải VHF.

Một trong số dạng mạch phối hợp LC chung nhất, đặc biệt là cho

việc phối hợp trở kháng băng hẹp, là mạch phối hợp hình г Nó cũng cóthể làm một mạch lọc thông thấp hay thông cao cho việc làm giảm sóng hài

ở đầu ra Mạch hình Ґ dạng thông thấp như hình 2.5 có khả năng phối hợpmột trở kháng nguồn đầu ra cao với một trở kháng tải đầu vào thấp

Hình 2.5 Mạch hình Ґ phối hợp một trở kháng ra cao

với một trở kháng vào thấp

Còn mạch phối hợp hình Ґ dạng thông thấp như hình 2.6 thì phối hợp

một trở kháng nguồn đầu ra thấp với một trở kháng tải đầu vào lớn

Hình 2.6 Mạch hình Ґ phối hợp một trở kháng ra thấp

với một trở kháng vào cao

Tuy nhiên, đặc tính dải thông của mạch phối hợp hình Ґ thì tương

đối hẹp và độ bằng phẳng kém, do đó sẽ gây tiêu hao lớn cho một mạchkhuếch đại công suất dải rộng với băng thông lớn Do vậy, nó không đượclựa chọn mà phạm vi ứng dụng của nó chỉ trong một số mạch nhất định

dải thông và độ đồng đều tốt hơn so với các mạch hình Ґ nên nó có thể ứng

dụng được trong các mạch khuếch đại công suất dải rộng

Hình 2.8 (a) Mạch phối hợp trở kháng hình PI (b) Mạch tương đương

Sự phối hợp trở kháng trong dải rộng nhiều octave hầu hết chỉ sử dụng vớibiến áp Thông thường, các tỉ lệ biến đổi trở kháng bằng biến áp là những

số nguyên 1:1, 1:4, 1:9 Những tỉ số biến đổi khác cũng có thể thực hiệnđược, nhưng sẽ trở nên phức tạp, và ở một số dải thông sẽ dẫn tới tiêu hao

vì điện cảm rò là kết quả của nhiều kết nối yêu cầu trong thiết kế biến áp.Trong trường hợp này, với biến áp đầu vào, những tổn thất sẽ dẫn đến làm

giảm lượng tăng ích, tăng tiêu hao do phản hồi, và tăng VSWR, trong khi đó

biến áp đầu ra sẽ giảm hiệu suất, độ tin cậy giảm, và độ đồng đều lượng

tăng ích trong dải tần kém Cũng có thể dùng các mạch RLC đưa vào giữa

đầu vào tầng khuếch đại và biến áp phối hợp để làm đồng đều độ tăng íchtrong băng tần, trong khi ở đầu ra thì thường không thực hiện vì sẽ gây tiêuhao lớn do dòng tiêu thụ của tầng khuếch đại công suất là rất lớn

Sử dụng những mạch bù này cùng với mạch hồi tiếp âm có thể cho phép

thiết kế các bộ khuếch đại công suất từ băng tần thấp cho đến dải VHF, thậm chí là UHF Trở kháng ra thì biến đổi ít hơn nhiều theo tần số so với

trở kháng vào Đôi khi, một giá trị điện cảm nhỏ giữa đầu ra tầng khuếchđại và biến áp sẽ cải thiện đáng kể hiệu suất tại những tần số cao của dảitần công tác do có sự bù với điện dung đầu ra của tầng khuếch đại

Một biến áp dải rộng thường thực hiện một hay nhiều các chức năng

sau:

bộ lọc dải (khuếch đại dải rộng là trở kháng của tải ít phụ thuộc vào tần

số ) Đối với tầng khuếch đại công suất dải rộng, chỉ sử dụng tải là biến áp.Biến áp dải rộng có thể sử dụng cho bộ khuếch đại công suất có công suất

ra từ dưới 1W cho đến hàng trăm W Đối với công suất lớn hơn, người ta sử

dụng phương pháp cộng công suất

Trở kháng vào và trở kháng ra của biến áp từ hàng ôm đến hàng trăm ôm,phụ thuộc vào độ từ thẩm của lõi, kích thước và độ dài của dây quấn trongbiến áp

Hệ số truyền của biến áp: U R

V

U K U

Hình 2.9 Sơ đồ tương đương của biến áp

Trong đó: – C1, C2: điện dung giữa các vòng dây;

– r1, r2: trở kháng của các cuộn dây;

– L S1 , L S2 : điện cảm do hỗ cảm sinh ra;

– L1, L2 : điện cảm của các cuộn dây;

– C: điện dung ghép giữa hai cuộn.

Để tính số vòng của biến áp, có rất nhiều công thức có thể ứng dụng tuỳthuộc vào từng trường hợp cụ thể Ví dụ cho trường hợp thiết kế dải rộng,thường mắc biến áp với điện trở để mở rộng dải thông, thì ta có thể tínhtheo công thức sau:

– R : điện trở nối vào biến áp, [Ω].Ω];

– 1, 2D D : đường kính trong và đường kính ngoài của lõi pherit [Ω].mm];

– h: chiều cao của lõi pherit [Ω].mm];

– f H: tần số giới hạn dưới của dải tần công tác [Ω].MHz];

– : hệ số từ thẩm

Từ công thức trên, ta thấy: w phụ thuộc hệ số từ thẩm μ,do đó ta nên chọn

pherit sao cho biến áp có số vòng nhỏ (để điện trở r1, r2 nhỏ) nên cần chọn lõi pherit có μ lớn, và kích thước lớn để giảm số vòng, đồng thời công suấttiêu tán trên pherit là nhỏ (toả nhiệt nhanh) Trong các ứng dụng cho phốihợp thì quan tâm chủ yếu tới trở kháng hơn là điện áp hay dòng của biến

áp

Một vài dạng lõi từ được yêu cầu cho mở rộng dải tần tại vùng tần thấp,hoặc lõi sắt hay lõi pherit có thể chấp nhận được phụ thuộc vào dải tần sốcông tác Dạng pherit là phổ biến nhất, có hai dạng cơ bản: dạng Mangan –

Niken có độ từ thẩm μ cao và thường được sử dụng trong các ứng dụng tần

thấp, trong khi đó dạng Niken - kẽm thì thường ứng dụng cho các thiết kế

có tần số công tác lớn do có tiêu hao ở vùng tần số cao ít hơn Công thứctính mật độ thông lượng lớn nhất của lõi pherit được cho bởi:

B V  fAn 

Trong đó: – B max là mật độ thông lượng cực đại [Ω].gauss];

– V max là điện áp lớn nhất qua cuộn [Ω].V];

độ từ thẩm cao, mặc dù có mật độ thông lượng bão hoà cao hơn là các lõi

có độ từ thẩm thấp, nên cũng dễ dàng bão hoà hơn Một lý do cho điều này

là các lõi có độ từ thẩm cao yêu cầu số vòng nhỏ hơn so với lõi có độ từthẩm thấp nhằm tối thiểu điện cảm sinh ra, là đại lượng vốn là ẩn số mà takhông thể xác định chính xác được Như vậy, việc lựa chọn thích hợppherit với độ từ thẩm đủ lớn tương ứng với số vòng của nó cho phép khử

bỏ được điện dung giữa các vòng dây trong cuộn của biến áp tại những tần

số cao

Mặc dù với dải thông trong khoảng 1 đến 2 octave có thể thực hiện phối

hợp bằng các mạch ghép LC kết hợp với đường hồi tiếp âm v.v nhưng các

biến áp dải rộng thường được sử dụng nhiều hơn trong tất cả các thiết kế bộkhuếch đại công suất Do bất kỳ mạch phối hợp trở kháng dải rộng nàocũng dẫn đến những tiêu hao nhất định trong mạch khuếch đại, nhất là ở

đầu ra thì lượng tiêu hao là đáng kể do dòng lớn So với các mạch LC thì

phối hợp bằng biến áp cho hiệu suất cao hơn rất nhiều, tuy nhiên trong tínhtoán thiết kế sẽ phức tạp hơn do tỉ lệ biến áp thường không nguyên Vớithiết kế điện đài sóng ngắn – công suất nhỏ dải tần sóng ngắn từ (1.5 –

12)MHz dùng cho cấp chiến thuật, yêu cầu hiệu suất cao, tiết kiệm năng

lượng nên giải pháp thực hiện cho mạch phối hợp vào ra là chỉ sử dụng

biến áp dải rộng Mặc dù việc kết hợp với các mạch LC cho phép đơn giản

trong tính toán và giải pháp thực hiện dễ dàng hơn, song để bảo đảm cho

bộ khuếch đại có hiệu suất cao nhất thì phương án này vẫn không được sửdụng

2.3.2 Tầng khuếch đại công suất

Như đã trình bày trong phần lý thuyết chung thì chỉ tiêu đảm bảocông suất ra đúng theo thiết kế là hết sức quan trọng, song yêu cầu về độđồng đều (độ bằng phẳng) là hết sức cần thiết cho các điện đài quân sự Dovậy,bộ khuếch đại công suất phải giải quyết được vấn đề đó

Giải pháp trước hết để đảm bảo mức công suất ra 15W theo yêu cầu và tính

ổn định trong quá trình làm việc là bộ khuếch đại công suất được thiết kếgồm hai tầng là hoàn toàn có khả năng đáp ứng được Tầng tiền khuếch đạiđược lựa chọn công tác ở chế độ A, cho phép độ tăng ích tương đối cao màvẫn tuyến tính tốt do tín hiệu vào còn nhỏ Tầng khuếch đại công suất sẽbảo đảm công suất ra theo yêu cầu Do dải tần được chọn cho thiết kế là từ

(1.5 – 12)MHz (cũng như toàn dải sóng ngắn nói chung), dạng tín hiệu điều

chế cơ bản là đơn biên đối với tín hiệu thoại Đối với dạng điều chế này,

yêu cầu tín hiệu sau khuếch đại phải tuyến tính cao thì chỉ sử dụng các tầngkhuếch đại đẩy kéo với chế độ công tác AB, trong đó phần A chỉ đủ mởbán dẫn.

Để giải quyết bài toán đồng đều công suất ra trong toàn dải tần, giải phápđưa ra là sử dụng mạch bù và các đường hồi tiếp âm xoay chiều

Mục đích của việc bù tần số trong các bộ khuếch đại sẽ làm bằng nhau trởkháng vào của một transistơ Một cách tương đối, trở kháng vào gần như làhằng số trong toàn dải thông đã cho Mạch bù thưòng bao gồm các phần tử

R, L, C và biến áp dải rộng, hay chỉ một mình biến áp dải rộng Như đã

trình bày trong phần phối hợp vào ra, ta chỉ lựa chọn giải pháp dùng biến

áp dải rộng vừa phối hợp trở kháng, vừa thực hiện bù tần số

Một phương pháp khác cho san bằng tăng ích được biết đến là sự hồi tiếp

âm xoay chiều Hồi tiếp âm được hiểu là một phần công suất ra được đưatrở về đầu vào và ngược pha với tín hiệu vào Ưu điểm của hồi tiếp âm làđơn giản và đảm bảo tính ổn định cho bộ khuếch đại Nhược điểm duy nhất

là công suất bị tiêu hao trên mạch hồi tiếp, tức là giảm hiệu suất của hệthống Lượng công suất tiêu hao phụ thuộc vào độ suy giảm tăng ích mongmuốn của thiết kế tại những tần số thấp, và phụ thuộc vào số đường phảnhồi Tất nhiên phải đảm bảo là mức điện áp vào phải luôn luôn lớn hơnmức điện áp hồi tiếp về giá trị tuyệt đối để có thể cho công suất ở đầu ra.Trong một bộ khuếch đại dải rộng, lý tưởng là mức điện áp hồi tiếp phảigiảm tương ứng với sự tăng lên của tần số, và biên độ của nó phải đảm bảosao cho tăng ích là đồng đều ở tất cả các tần số trong dải tần Các mạch đơn

giản chỉ với các phần tử R, L, C thực hiện hồi tiếp từ colectơ (hay cực

máng) về bazơ (hay cực cửa) một cách trực tiếp hay gián tiếp

Cuối cùng, việc thiết kế tầng khuếch đại công suất phụ thuộc chủ yếu vàobán dẫn được sử dụng vì mọi giải pháp đưa ra là nhằm phát huy tối đa hiệuquả của bán dẫn này Các tiêu chí khác như giá thành, đóng gói… cũng