CHƯƠNG 6: MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT pptx

- Mạch khuếch đại công suất lớp A là mạch khuếch đại mà transistor có điểm làm việc Q nằm trong vùng khuếch đại và nó dẫn trong toàn chu kì của tín hiệu ngỏ vào.. - Mạch khuếch đại công

CHƯƠNG 6: MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

I Giới thiệu

Mạch khuếch đại công suất thường được sử dụng để nâng công suất tín hiệu lên cao trước khi đưa ra tải, thường sử dụng cho tải có điện trở thấp Thông số để đánh giá mạch khuếch đại công suất chính là hiệu suất, η:

( )

( )

100%

out ac

in dc

P

x P

Hiệu suất chính là tỷ số công suất tín hiệu ngỏ ra trên tải với công suất nguồn cung cấp cho mạch Một mạch khuếch đại công suất là lí tưởng khi hiệu suất bằng 100%, có nghĩa là toàn bộ năng lượng nguồn cung cấp cho mạch được chuyển đổi thành năng lượng tín hiệu ra tải Trên thực

tế do năng lượng một phần bị tiêu tán trên các linh kiện hoạt động trong mạch nên hiệu suất của mạch luôn luôn nhỏ hơn 100%

 Phân loại mạch khuếch đại công suất

Về cơ bản có 5 dạng mạch khuếch đại công suất: lớp A, B, AB, C và D

- Mạch khuếch đại công suất lớp A là mạch khuếch đại mà transistor có điểm làm việc Q nằm trong vùng khuếch đại và nó dẫn trong toàn chu kì của tín hiệu ngỏ vào

- Mạch khuếch đại công suất lớp B là mạch khuếch đại mà transistor có điểm làm việc Q nằm trong vùng tắt do đó transistor chỉ dẫn trong một bán kì của của tín hiệu ngỏ vào

Mạch khuếch đại công suất lớp AB là mạch khuếch đại mà transistor có điểm làm việc Q nằm trong vùng khuếch đại gần vùng tắt do đó transistor dẫn hơn một bán kì và ít hơn một chu kì của của tín hiệu ngỏ vào

- Mạch khuếch đại công suất lớp C là mạch khuếch đại mà transistor có điểm làm việc Q nằm sâu trong vùng tắt do đó transistor chỉ dẫn ít hơn một bán kì của của tín hiệu ngỏ vào

Dạng sóng dòng iC của bốn dạng mạch khuếch đại công suất với tín hiệu ngỏ vào có dạng sin trong hình 6.1

Hình 6.1: a Dạng sóng dòng i C của mạch khuếch đại công suất chế độ A; b Dạng sóng dòng i C của mạch khuếch đại công suất chế độ B; c Dạng sóng dòng i C của mạch khuếch đại công suất chế độ

AB; d Dạng sóng dòng i C của mạch khuếch đại công suất chế độ C

- Mạch khuếc đại công suất chế độ D là mạch có hiệu suất rất cao transistor chủ yếu hoạt động ở chế độ xung

- Các mạch khuếch đại công suất khác: có nhiều mạch khuếch đại công suất khác như G, H, S… Hầu hết chúng là biến thể của mạch khuếch đại công suất chế độ AB, tuy nhiên chúng cho hiệu suất rất cao được sử dụng cho những thiết kế có công suất ngỏ ra lớn Nhưng trong chương này chúng ta chủ yếu chỉ khảo sát ba dạng cơ bản dùng trong mạch khuếch đại công suất tín hiệu âm tần là A, B

và AB

II Transistor công suất

1 BJT công suất

Transistor công suất là linh kiện có kích thước lớn do yêu cầu phải hoạt động với công suất và dòng lớn Cấu trúc xem hình 6.2

Hình 6.2: Cấu trúc của BJT công suất

Do sự khác nhau trong kích thước vật lý và mật độ tạp chất trong chất bán dẫn nên các thông số của nó khác so với những transistor hoạt động với tín hiệu nhỏ, ví dụ xem bảng 6.1

Bảng 6.1: Bảng so sánh các thông số của BJT công suất và BJT tín hiệu nhỏ.

Hình 6.2: Đường đặc tuyến h FE theo I C

Khi sử dụng transistor công suất phải chú ý các đường giới hạn dòng, áp và công suất trong hình 6.3a, vùng hoạt động an toàn của transistor là vùng nằm dứơi các đường giới hạn ICmax, VCE(sus), PT, hình 6.3b chỉ ra đường giới hạn tương tự nhưng sử dụng tỷ lệ logarithmic, chính vì vậy điểm làm việc của transistor phải nằm trong vùng cho phép

Hình 6.3: Vùng hoạt động an toàn của BJT: a Theo tỷ lệ tuyến tính ; b Theo tỷ lệ logarithm.

Công suất tiếu tán trên BJT là:

Q CE C BE B

Do dòng tại cực B bé hơn nhiều so với dòng tại cực C, nên có thể viết lại công thức 6.2 gần đúng như sau:

Q CE C

Từ công thức 6.2 suy ra công suất tiêu tán trung bình của BJT trong một chu kì của tín hiệu là:

0

1T

Q CE C

P v i dt T

Công suất này phải luôn luôn nhỏ hơn giá trị công suất giới hạn của BJT để bảo đảm nhiệt độ của transistor nhỏ hơn nhiệt độ cho phép cực đại

Bảng 6.2 liệt kê các thông số cơ bản của hai MOSFET công suất kênh n

VDS(max) (V)

ID(max) (tai T=250C)

PD (W)

150 8 75

400 2 20 Cấu trúc của transistor FET công suất như hình 6.4

Hình 6.4: a VMOS; b DMOS; c HEXFET.

Hình 6.5: Hai dạng vỏ transistor công suất thường gặp a và b; c Hình dạng của heat sink.

Trong khi những mạch tích hợp thường sử dụng cho những ứng dụng tín hiệu nhỏ và công suất

bé, hầu hết những ứng dụng dùng cho công suất cao vẫn đòi hỏi transistor công suất rời Để cải tiến

kỹ thuật sản xuất với yêu cầu cung cấp các linh kiện bán dẫn có kích thước nhỏ nhưng hoạt động được với điện áp, công suất lớn và tốc độ chuyển mạch nhanh, vì các thông số này bị giới hạn bởi nhiệt độ hoạt động cho phép của linh kiện do đó vấn đề đặt gia là phải tản nhiệt cho linh kiện Công suất tiêu tán trên transistor làm gia tăng nhiệt độ mối nối bên trong của nó, và nhiệt độ này được truyền ra vỏ Nếu nhiệt độ bên trong hay nhiệt độ mối nối TJ của nó vượt quá nhiệt độ cho phép transistor sẽ bị quá nhiệt Để bảo vệ transistor trong trường hợp này phải dùng một tấm tản nhiệt (heat sink) để tản nhiệt cho transistor, và tấm tản nhiệt này được gắn với vỏ Đường đặc tuyến quan

hệ giữa công suất tiêu tán và nhiệt độ vỏ xem hình 6.6

Hình 6.6: Đường đặc tuyến của công suất tiếu tán trên transistor với nhiệt độ vỏ.

Hình 6.7: Đặc tuyến của MOSFET công suất cao: a Quan hệ giữa điện dẫn và dòng cực máng; b

Đặc tuyến truyền đạt.

Từ hình 6.6, ta có thể thấy rằng khi nhiệt độ vỏ (hay nhiệt độ mối nối) gia tăng, công suất tiêu tán giới hạn của transistor giảm theo hệ số suy giảm:

Khi đó nếu sử dụng một tấm tản nhiệt tốt có thể cho phép transistor hoạt động được với công suất tiêu tán cực đại Để thiết kế chọn tấm tản nhiệt phù hợp với transistor, chúng ta phải xét đến thông số nhiệt trở θ (0C/W) Nhiệt độ trên một phần tử có nhiệt trở θ là

T − =T Pθ

trong đó P là công suất nhiệt trên phần tử.

Để chọn được tấm tản nhiệt đúng yêu cầu chúng ta phải biết được các thông số nhiệt của transistor và sự liện quan của các thông số này với công suất tiêu tán Hình 6.8 chỉ ra sự liên quan của điện trở nhiệt với nhiệt độ của transistor

Hình 6.8

Điện trở nhiệt dùng để diễn tả sức nóng ảnh hưởng đến giới hạn về điện, trong hình 6.8 các nhiệt trở được định nghĩa như sau:

JA

θ : nhiệt trở nhiệt từ mối nối đến môi trường (nhiệt trở tổng)

JC

θ : nhiệt trở nhiệt từ mối nối đến vỏ (nhiệt trở của transistor)

CS

θ : nhiệt trở nhiệt từ vỏ đến tấm tản nhiệt

SA

θ : nhiệt trở từ tấm tản nhiệt đến môi trường (nhiệt trở của tấm tản nhiệt)

Vậy:

JA JC CS SA

Theo định luật Kirchhoff ta có:

J D JA A

Từ công thức 6.6 có thể thấy hệ số θ cung cấp thông tin về nhiệt độ mối nối liên quan đến công suất tiêu tán trên transistor Ví dụ: một transistor có θJC bằng 0.50C/W, điều này có nghĩa

là nếu transistor hoạt động với công suất tiêu tán 50W thì nhiệt độ chênh lệch giữa vỏ và mối nối bên trong là:

(0.5 / )(50 ) 25

J C D JC

T −T =Pθ = C W W = C

Như vậy nếu tấm tản nhiệt có thể giữ nhiệt độ vỏ tại 500C thì nhiệt độ mối nối của transistor

sẽ là 750C

III Mạch khuếch đại công suất chế độ A:

1 Mạch khuếch đại ghép trực tiếp

Hình 6.9 : Mạch khuếch đại công suất chế độ A ghép trực tiếp.

- Phân cực DC

Dòng phân cực IB là:

B

CC B

R

V V

I = −0.7

(6.8) Dòng phân cực IC và điện áp VCE:

B

C I

C C CC

CE V I R

- Khi có tín hiệu AC: Khi có tín hiệu có ngỏ vào, tín hiệu ra sẽ biến thiên theo tín hiệu ngỏ vào từ giá trị dòng và áp phân cực dc

Hình 6.10: Sự biến thiên tín hiệu ra theo tín hiệu vào có dạng sin.

Công suất ngỏ ra:

c ce

O ac v i

8 2

) ( ce(max) c(max) ce(p p) c(p p)

O

i v i

v ac

- Công suất nguồn cung cấp:

CQ CC

i dc V I

- Hiệu suất của mạch

% 100 ) (

) (

dc P

ac P

i

O

=

- Công suất tiêu tán trên transistor

) ( ) (dc P ac P

Từ công thức 6.15, chúng ta thấy rằng đối với mạch khuếch đại công suất chế độ A thì công suất tiêu tán trên transistor lớn nhất khi không có tín hiệu ra tải và nhỏ nhất khi tín hiệu ra tải là lớn nhất

- Hiệu suất cực đại của mạch

Đối với mạch khuếch đại công suất chế độ A, hiệu suất của mạch đạt cực đại khi điện áp và dòng điện trên tải đạt cực đại (biến thiên cực đại), khi đó nếu điểm làm việc tĩnh Q của transistor nằm giữa đường tải ac thì :

2

CC CEQ

V

V =

và:

C

CC CQ

R

V I

2

=

CC p

p

v − )=

max( ( )

C

CC p

p C

R

V

i − )=

max( ( )

C

CC O

R

V ac P

8 )) ( max(

2

=

công suất nguồn cung cấp khi đó:

C

CC CQ CC i

R

V I

V dc P

2 ))

( max(

2

=

=

Vậy hiệu suất cực đại của mạch là:

% 25

% 100 )) ( max(

)) ( max(

%)

dc P

ac P

i

o

η

Kết luận: hiệu suất cực đại của mạch khuếch đại công suất chế độ A ghép trực tiếp chỉ đạt được tối đa là 25%

2 Mạch khuếch đại ghép LC

Để cung cấp ra tải một công suất lớn thông thường đòi hỏi dòng và áp lớn V? vậy trong mạch

CE điều này yêu cầu thay RC bằng một cuộn day để giảm tiêu hao trên RC cuộn dây này bị ngắn mạch đối với dòng dc nhưng hở mạch với tín hiệu ac tại những tín hiệu có tần số cao

Hình 6.11: a mạch khuếch đại công suất chế độ A ghép LC; b Đường tải ac và dc của

transistor.

Từ hình 6.11a, ta được các đường tải ac và dc ở hình 6.11b trong đó bỏ qua điện trở của cuộn dây Nếu điện trở RE rất nhỏ có thể bỏ qua và để tầm dao động của tín hiệu ngỏ ra đạt cực đại, thì điểm làm việc Q có :

CC CEQ V

V ≅

L

CC CQ

R

V

I ≅

vậy công suất ngỏ ra cực đại là:

L

CC L

CQ O

R

V x R

I ac

P

2 2

2

1 2

1 )) (

công suất nguồn cung cấp lúc này là (bỏ qua sự tiêu tán trên R1 và R2):

L

CC CQ CC i

R

V I V dc P

2

)

Khi đó hiệu suất cực đại của mạch sẽ là

% 50 )

(

)) ( max(

%)

dc P

ac P

i

O

η

Vậy trong mạch khuếch đại công suất chế độ A nếu thay RC bằng cuông dây thì hiệu suất cực đại sẽ tăng lên gấp đôi

3 Mạch khuếch đại ghép biến áp

Để thiết kế một mạch khuếch đại ghép LC đạt được hiệu suất cao rất khó khăn vì nó phụ thuộc vào sự liên quan của điện áp nguồn cung cấp VCC và điện trở tải RL Vì thế có thể thay điện trở tải bằng cách sử dụng một máy biến áp có tỉ số vòng dây quấn sơ cấp và thứ cấp thích hợp

Hình 6.12: Mạch khuếch đại ghép biến áp

Mạch khuếch đại công suất chế độ A ghép biến áp như trong hình 6.12a, có đường tải ac và dc tương ứng trong hình 6.13

Hình 6.13: Đường tải ac và dc

Vậy để tầm dao động của tín hiệu ngỏ ra đạt cực đại, thì xét điểm làm việc Q nằm giữa đường tải ac, khi đó :

CC CEQ V

V ≅

L

CC CQ

R a

V

I 22

vậy công suất ngỏ ra cực đại là:

L

CC L

L

CC L

C L L O

R a

V R a R a

V x R

ai R i ac

2 2

2 4

2 2

2

2 2

1 )

( ))

(

công suất nguồn cung cấp lúc này là (bỏ qua sự tiêu tán trên R1 và R2):

L

CC CQ

CC i

R a

V I

V dc

2

)

Khi đó hiệu suất cực đại của mạch sẽ là

% 50 )

(

)) ( max(

%)

dc P

ac P

i

O

η

Vậy trong mạch khuếch đại công suất chế độ A sử dụng máy biến áp thì hiệu suất cực đại có khả năng đạt được cũng là 50%

IV Mạch khuếch đại công suất chế độ B

Mạch khuếch đại công suất chế độ B có đặc điểm là transistor có điểm làm việc nằm trong vùng tắt, có nghĩa là transistor chưa được phân cực Do đó nó chỉ dẫn điện trong một nữa chu kì của tín hiệu, mà ở nữa chu kì đó điện áp tín hiệu vào phân cực thuận cho transistor Vậy để tín hiệu ra không bị méo 50% hay được khuếch đại toàn chu kì của tín hiệu vào thì phải sử dụng hai transistor

và mỗi transistor sẽ dẫn trong một bán kì Khi đó một transistor có nhiệm vụ đẩy (push) tín hiệu lên cao trong nữa chu kì đầu và transistor còn lại có nhiệm vụ kéo (pull) tín hiệu xuống thấp trong nữa chu kì còn lại, kết quả ta được tín hiệu toàn kì ở ngỏ ra và mạch này gọi là mạch khuếch đại đẩy kéo (push-pull)

Hình 6.14: Sơ đồ khối của mạch khuếch đại đẩy kéo

1 Mạch khuếch đại đẩy kéo công suất chế độ B.

Hình 6.15: Đường tải ac và dc

Công suất nguồn cung cấp:

DC CC

i dc V I

P( )=

Trong đó:

(max) (max)

(max) 1 2 1

2

c ìc

c DC DC

I

π π

= +

=

vậy:

(max)

2 )

i dc V i P

π

=

Công suất ngỏ ra:

L

C L

L L L

P

2 2

) (

2 (max)

2 (max)

=

Khi tầm dao động tín hiệu ra đạt cực đại khi đó:

L

CC O

R

V ac P

2 )) ( max(

2

=

L

CC i

R

V dc

P

π

2

2 )) (

% 54 78

% 100 4

% 100 )) ( max(

)) ( max(

%)

dc P

ac P

i

η

 Vậy mạch khuếch đại công suất đẩy kéo chế độ B có hiệu suất cực đại khá lớn đạt được đến 78.54%

Công suất tiêu tán trên transistor:

) ( ) (

2xP T =P i dc −P O ac

vậy công suất tiêu tán trên một transistor là:

) 2

2 ( 2

c c

CC

π

Công suất tiêu tán cực đại trên một transistor:

L

CC T

R

V

P 2

2

) max(

π

=

Hình 6.16: Công suất tiêu tán trên transistor của mạch khuếch đại công suất chế độ B

Công suất tiêu tán trên transistor đối với mạch khuếch đại công suất chế độ B nhỏ nhất khi không có tín hiệu ở ngỏ ra và lớn nhất khi tín hiệu ra có dòng tải bằng

L

CC

R

V

π

2

Ví dụ: Mạch khuếch đại đẩy kéo công suất chế độ B ghép biến áp:

Hình 6.17: Mạch khuếch đại đẩy kéo công suất chế độ B ghép biến áp.

-Nguyên tắc hoạt động: ở bán kì dương của tín hiệu, qua biến áp đảo pha làm điện áp tại cực base của Q1 dương và Q2 âm, khi đó Q1 dẫn làm dòng i1 biến thiên và iL biến thiên theo, xuất hiện tín hiệu ra tải ở bán kì dương Ở bán kì âm của tín hiệu cũng tương tự, tín hu qua máy bếin áp đảo pha làm điện áp tại cực base của Q1 âm và Q2 dương, khi đó Q2 dẫn làm dòng i2 biến thiên và iL biến thiên theo, xuất hiện tín hiệu ra tải ở bán kì âm Máy biến áp xuất âm có chức năng ghép tín hiệu ra tải khi hai transistor Q1 và Q2 luân phiên nhau dẫn

Từ hình 6.17 ta có đường tải ac và dc của transistor Q1 và Q2 như hình 6.18

Hình 6.18: Đường tải ac và dc

Công suất nguồn cung cấp:

DC CC

i dc V I

P( )=

Trong đó:

(max) (max)

(max) 1 2 1

2

c ìc

c DC DC

I

π π

= +

=

vậy:

(max)

2 )

i dc V i P

π

=

Công suất ngỏ ra:

L

CE L

CE L

L O

R a

v R a

v R

v ac

2 2 2

2 1

2

)

Khi tầm dao động tín hiệu ra đạt cực đại khi đó:

L

CC O

R a

V ac

2

2 )) (

L

CC i

R a

V dc

P

π 2

2

2 )) (

% 54 78

% 100 4

% 100 )) ( max(

)) ( max(

%)

dc P

ac P

i

η

2 Mạch đảo pha tín hiệu

Trong mạch khuếch đại công suất đẩy kéo do hai transistor phải dẫn luân phiên nhau trong một một chu kí của tín hiệu, mỗi transistor dẫn trong một bán kì vì vậy phải sử dụng thêm một mạch đảo pha để đảo pha tín hiệu trước khi cung cấp tín hiệu cho mạch khuếch đại công suất đẩy kéo Các dạng mạch đảo pha thường được sử dụng trong hình 6.19

Hình 6.19: Các dạng mạch đảo pha

3 Hiện tượng méo xuyên tâm trong mạch khuếch đại công suất đẩy kéo chế độ B

Tuy nhiên, mặc dù mạch khuếch đại công suất chế độ B cho hiệu suất cao hơn nhiều mạch khuếch đại công suất chế độ A nhưng tín hiệu ra bị méo, đặc biệt khi mức tín hiệu vào nhỏ tín hiệu

ra sẽ bị méo xuyên tâm(crossover distortion) hình 6.20 Vì vậy mạch khuếch đại công suất chế độ B chỉ được sử dụng trong những mạch khuếch đại công suất mà yêu cầu về giá thành thấp và chất lượng thiết kế không cần cao

Hình 6.20: Đặc tuyến truyền đạt dạng sóng vào ra của mạch khuếch đại đẩy kéo.

V Mạch khuếch đại công suất chế độ AB

Mạch khuếch đại công suất chế độ AB là mạch khuếch đại được kết hợp những ưu điểm của mạch khuếch đại công suất chế độ B và A Nó có hiệu suất cao của mạch chế độ B và tín hiệu ra ít méo của chế độ A mạch khuếch đại công suất chế độ AB cũng giống mạch khuếch đại công suất chế độ B chỉ khác là hai transistor của mạch khuếch đại công suất chế độ AB được phân cực có điểm làm việc nằm trong vùng khuếch đại gần vùng tắt để bảo đảm tín hiệu ra không bị méo khi tín hiệu vào bé đồng thời đạt hiệu suất cao

Hình 6.21: Mạch khuếch đại đẩy kéo công suất chế độ AB.

Mạch khuếch đại đẩy kéo hình 6.21 giống như mạch khuếch đại đẩy kéo hình 6.17, chỉ khác ở mạch khuếch đại đẩy kéo hình 6.21 hai điện trở R1 và R2 phân cực cho hai transistor Q1 và Q2 nằm trong vùng khuếch đại, vì vậy hai transistor này hoạt động ở chế độ AB

Trong mạch khuếch đại công suất đẩy kéo do mỗi transistor dẫn trong một bán kì nên phải sử dụng một tầng đảo pha, để giảm bớt tầng này người ta sử dụng hai transistor bổ phụ (là hai transistor có cùng thông số đặc tính nhưng khác loại) và để thay biến áp xuất âm ở ngỏ ra người ta dùng nguồn đôi (OCL) hình 6.22a, hay dùng nguồn đơn nhưng có thêm tụ xuất âm ở ngỏ ra (OTL) hình 6.22b