PHÂN TÍCH MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN KĐCSCT Mạch KĐCSCT nằm ở ngõ ra máy phát thoả các yêu cầu sau: hiệu suất cao, ít sái dạng, chọn lọc tần số, tận dụng tới ngưỡng khả năng cung
Trang 1Chương 3 KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN VÀ NHÂN TẦN SỐ
3.1 PHÂN TÍCH MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN (KĐCSCT)
Mạch KĐCSCT nằm ở ngõ ra máy phát thoả các yêu cầu sau: hiệu suất cao, ít sái dạng, chọn lọc tần số, tận dụng tới ngưỡng khả năng cung cấp công suất của phần tử tích cực (dòng và áp) Công suất ra có thể từ mW tới MW tuỳ theo mục đích sử dụng
Pi
RA
RFC +Vcc
Hình 3.1 Mạch KĐCSCT dùng BJT (a) và FET (b).
RFC
Zi
CB
VBo
Req
RFC
Zi
-VGo
RFC +VDD
S
CB (a)
(b)
RA trở kháng Anten thường 50; 75
CB tụ lọc thoát cao tần
RFC cuộn chặn cao tần
BJT, FET coi như không có quán tính, đáp ứng vào - ra tức thời
Dùng đáp tuyến truyền dẫn IC (VBE) hay ID(VGS) phân tích nguyên lý hoạt động mạch KĐCSCT nói chung
Giả sử VBo = 0V, ta có đồ thị biểu diễn tín hiệu vào vi = Vi cos 0t và dòng IC(t) như sau:
Trang 2t
t
vi
0
ICm
Định nghĩa góc cắt : là một nửa khoảng thời gian dòng Collector tồn tại trong một chu kỳ tín hiệu
Vậy chế độ A có = 1800; chế độ B: = 900; chế độ C : < 900; chế độ AB: 900 <
< 1800
Phân tích IC(t) theo chuỗi Fourier:
IC(t) = ICo + IC1 cos 0t + IC2 cos 20t + IC3 cos 30t + …
IC(t) = ICo + IC1 cos 0t +
2
t n cos I n
Thành phần dòng một chiều:
2
0 C
2
1
ICm - biên độ xung dòng Collector; 0() hệ số phân tích hài:
cos 1
cos sin
0
Biên độ thành phần dòng hài cơ bản: (hài 1)
2
0 C
cos 1
cos sin
1 Biên độ thành phần dòng hài n:
2
0 C
cos 1 ) 1 n ( n
n cos sin n cos n sin 2
2
n() hệ số phân tích hài có dạng đồ thị sau:
Trang 330 60 90 120 150 180 40
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,54
n()
1
0
2
3
Hình 3.2 Đồ thị n() Công suất nguồn cung cấp P0 = Ico.Vcc
Công suất ra của dòng hài cơ bản 1 c21 I c 1 v c 1
2
1 q Re I 2
1
Vc1 = Ic1.Req biên độ điện áp xoay chiều hài 1 ở Collector
Req =
1 c
1 c
I
V Trở kháng ra của BJT theo hài 1 ở chế độ đang xét Công suất tiêu tán trên collector Ptt = Po - P1
2
1 V I
V I 2
1 P
P
0
1
cc 0 c
1 c 1 c
0
1 1
cc
1 c
V
V
hệ số sử dụng điện áp nguồn cung cấp
Vậy 1 tỷ lệ với
) ( 0
) ( 1
1 2
o
1
1~
Hình 3.3 Đồ thị
o 1
1~
Trang 4Hiệu suất 1 dẫn đến 1 khi góc cắt 0 và trị tuyệt đối điện áp phân cực, biên độ tín hiệu vào Vi rất lớn phi thực tế Do đó để có 1 đủ lớn thường chọn 600 900, hiệu suất đạt 1 = 0,7 0,75, thực tế chỉ khoảng 0,6 0,65 Tần số tăng, hiệu suất giảm Tuỳ điều kiện cụ thể chọn các chế độ khuếch đại khác nhau Ví dụ trong truyền hình, vi ba số cần có độ tuyến tính cao, dùng chế độ A Trong máy phát thanh FM, thông tin FM, trạm gốc thu phát BTS của bệ thông thông tin di động tế bào dùng chế độ B Trong các máy điện thoại di động, điện thoại cordless telephone dùng chế độ C Một chế độ đặc biệt là chế độ D sẽ được đề cập sau
Điện áp tức thời trên cực C trong hình 3.1 là:
Vc = Vcc - Vc1 cos 0t; Vc1 = Vcc - VCE bão hoà
Nếu coi 1; 0; Vcmax = 2Vcc
Vậy nguồn cung cấp chọn
2
V
cc
SUẤT CAO TẦN
1) Cho tần số làm việc, công suất trên tải anten
2) Chọn linh kiện tích cực (BJT, FET, Đèn điện tử, … ) có các thông số từ sổ tay 3) Chọn phân cực và mạch thích hợp
4) Tính toán các thông số năng lượng P0, P1, 1, Ptiêu tán , Pi, …
5) Tính mạch phối hợp trở kháng vào và ra
6) Công suất kích thích Pi và trở kháng vào Zi là thông số tính ngược lại tầng trước cuối
Mức công suất nhiễu hài bậc cao
2
n
P
P lg
A
Hình 3.4 Sơ đồ mạch KĐCSCT thực tế điện thoại vô tuyến di động CRT 904.
Q1
RELE
50
Zi
fo = 70MHz
50
50
PA = 24W
Q3
RELE
F 5A + SW
Q2
RC Mạch phối vào Mạch phối ra
Mạch bảo vệ 13,8 V
2SC 1946A
Trang 5RA 50
PA = 20W
Pi = 2W
50
0,01
RFC
Q1
15p 4/25p
fo = 94MHz
2SC 1946A
Hình 3.5 Modul KĐCSCT 20W/94MHz cho máy phát thanh FM.
+ Vcc
82
RA
10 56
47K
120 68
0,01
L2
L1
68K
+Vcc
fi = 16MHz
fo = 48MHz
Hình 3.6 Sơ đồ tầng ra điện thoại Cordless Telephone Sanyo.
2/8
Q1
Q2
18
2N3375
Hình 3.7 Modul 2 tầng KĐCSCT 12W - 175MHz.
0,01
68 7/35
50 68
2/8
Q1
Q2
2N3375
Hình 3.8 Modul 2 tầng KĐCSCT 20W - 138MHz cho điện thoại vô tuyến cố định.
103
10/30
50 33
100
KĐCSCT mắc CE (BJT) cho hệ số khuếch đại công suất lớn nhưng bị giới hạn tần số hoạt động Tần số tăng, công suất giảm Mắc CB cho hệ số khuếch đại công suất nhỏ
Trang 6hơn nhưng hoạt động ổn định hơn ở tần số cao Phương pháp phân tích - tính toán tương tự cách mắc CE
RA +Vcc
Hình 3.9 KĐCSCT B chung.
CB
Pi
Zi
Hiện nay các loại FET, MOSFET, GaAs FET công suất cao tần được dùng rất nhiều trong thông tin vệ tinh VSAT, thông tin di động, phát thanh phát hình có hệ số khuếch đại công suất lớn, ổn định ở tần số cao cỡ GHz Phương pháp phân tích - tính toán tương tự BJT
Bảng thông số MOSFET model mới
Loại Công suất ra P0 Tần số hoạt động f0 Hệ số khuếch đại công suất Ap
3.3 GHÉP SONG SONG VÀ ĐẨY KÉO
Các linh kiện BJT, FET, MOSFET bị giới hạn công suất ra Một trong những cách tăng công suất dùng ghép song song hoặc đẩy kéo
1 Ghép song song: yêu cầu 2 vế cân nhau.
Ghép song song cho công suất ra tăng gấp hai lần so với mắc đơn, dòng ra tăng gấp đôi, tuy nhiên trở kháng ra của mỗi vế giảm một nửa để bảo đảm chế độ hoạt động tối ưu Công nghệ kỹ thuật cao cho phép chế tạo một hay nhiều cặp bán dẫn cùng thông số trên một phiến tinh thể tiện dụng cho thiết kế mạch Đấu song song làm tăng điện dung vào –
ra của tầng khuếch đại, giảm tần số hoạt động Việc khó phối hợp trở kháng và sự không tuyệt đối giống nhau của 1 cặp bán dẫn làm hạn chế kiểu mắc này
Trang 7RA 100
+Vcc Input
(a)
RA +Vcc
(b)
Hình 3.10 Ghép song song KĐCSCT (a) B chung; (b) E chung.
2 Ghép đẩy kéo: dùng phổ biến, có phân cực góc cắt = 900, khuếch đại tuyến tính Đó là hai bộ KĐCSCT giống nhau ghép chung tải, được kích bởi hai tín hiệu vào cùng biên độ, ngược pha qua biến áp T1
RA
Hình 3.11 Mắc đẩy kéo dùng BJT: 80W; A p = 16.
50
PA80W
+Vcc
I
Pi 5W
2 - 30MHz
Q1
Q2
I1
I2
2
Q1,2 MRF 454
Để đạt chế độ tối ưu, trở kháng ra mỗi vế gấp hai lần mắc đơn dòng hài cơ bản không đổi nên công suất ra gấp hai lần so với mắc đơn Ghép đẩy kéo push - pull so với mắc đơn Ta có:
Trang 8Pi 63W
10 - 30MHz
Q1
Q2
Bias
2,7 H
20 H
2,7 H
20 H
20
20 0,003
0,003
410
cc
50V
RF out
9:1 16:1
Bias
I
I2
I1
0,1
Q1,2 MRF 154
Hình 3.12 Mắc đẩy kéo dùng MOSFET 1KW; A p = 12dB.
; y
; A A
; P 2 P
; I 2 I
; P 2 P
; I
p p p
p 1 p
Ưu điểm ghép đẩy kéo:
1 Tăng công suất gấp hai lần mắc đơn
2 Cho chế độ đơn hài không cần mạch lọc phối hợp phức tạp khi = 900
3 Tụ lọc nguồn nhỏ dễ có
4 Khuếch đại tuyến tính
Nhược điểm: khó thực hiện đồng nhất hai vế, tuy nhiên vẫn làm được, do đó được
ứng dụng rất phổ biến
Dòng ra của Q1.2 chảy qua cuộn sơ cấp T2 ngược chiều nhau và lệch nhau 1800, do đó dòng chảy qua cuộn thứ cấp T2 tỷ lệ với hiệu của chúng
I = Il - I2 = Icl cos 0t + Ic3 cos 30t + Ic5 cos 50t + …
Ở chế độ B( = 900) hài lẻ 3, 5, 7 … bằng không nên dòng ra chỉ còn thành phần cơ bản I = Il - I2 = Icl cos 0t Vậy mạch lọc phối hợp ra đơn giản
Dòng tổng I = 2Ic0 + 2Ic2 cos 20t + 2Ic4 cos 40t + …
Các thành phần hài cao dễ lọc dưới tụ lọc nguồn nhỏ
Trang 9
50
3p
3p
g/4
1n
1n
4,7K
4,7K
VGG
VGG
VDD
VDD
1n
1n 10
10
5p
5p
g/4
Q1,2 2SK2216
Q1
Q2
Hình 3.13 KĐCS ra cao tần trạm gốc BTS điện thoại di động f o = 860MHz; P A = 280W, 1 = 0,55.
3.4 GHÉP PHỨC HỢP ĐẨY KÉO - SONG SONG
Cho công suất ra lớn
T1
Q1,2,3,4 MRF 150
Q1
Q2
Hình 3.14 Ghép phức hợp 600W - UHF.
Q3
Q4
T2
T3
Bias
50V
Trang 103.5 CỘNG CÔNG SUẤT CAO TẦN
Cộng công suất cao tần từ các modul công suất lớn hơn được dùng nhiều trong các hệ thống phát thanh, truyền hình, …
Đối với hình 3.15 cần thoả mãn:
2 3
1 2
2 C
1 C
1 L L X
RB = 2RL
X = RL 2
RB = 2R
RL = R
L2
L1
C2
Hình 3.15 Cộng công suất dùng LC hình .
Zi = R
RB = 2R
Zi = R
RL = 2R Zi = R
RB = 2R
T2 1:1
T1 1:1
Hình 3.16 Cộng công suất dùng biến áp cho hai loại tải.
(a) Tải đối xứng (b) Tải bất đối xứng
Hình 3.17 Nguyên lý cộng modul công suất lớn.
+
Trang 113.6 VI MẠCH KĐCSCT
Ngày nay công nghệ vi mạch hiện đại đã chế tạo nhiều modul KĐCSCT có chất lượng, gọn nhỏ đặc biệt hữu dụng trong các máy di động, cầm tay Ví dụ vi mạch IC 16 lead psop 1,9 GHz HBT PA - LNA T/R MMIC.GaAs
Vi mạch này chế tạo theo công nghệ MMIC (Monolithic Microwave Integrated circuits) gồm 2 tầng KĐCSCT có mức ra 23 dBm, điều chỉnh công suất bằng cách thay đổi nguồn cung cấp và l tầng khuếch đại nhiễu thấp LNA (Low Noise Amp) ngỏ vào máy thu điện thoại di động ở tần số 1,9 GHz
Power
Lpackage
8,2p
1,8p
RBB
Rf
Lpackage
1,8p 15p
36ma
110ma
23dBm
Vcc PA
Vcc driver
Hình 3.18 Sơ đồ vi mạch KĐCSCT điện thoại di động cầm tay.
R3
R1
R2
C3 +
+ +
1 2 3
4
MHW
A
50
+ Vcc 13,6V
Hình 3.19 Vi mạch MOTOROLA MHW 252 / 25W / 144 - 148MHz.
Trang 12C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C7 C8
RA
50
MHW 820
C1,4,7: 1F; C2,5,8: 1F; C3,6,9: 0,0015F
Hình 3.20 Vi mạch MOTOROLA MHW 820 / 20W / 806 - 950MHz / A p = 20dB
dùng cho trạm gốc BTs điện thoại di động tế bào.
3.7 TRUNG HÒA
Hệ số khuếch đại và độ ổn định của KĐCSCT có thể được cải thiện bằng cách giảm hồi tiếp ký sinh qua điện dung giữa các điện cực bên trong phần tử tích cực như Cb'c
của BJT mắc E chung, CGD của FET mắc S chung hay CGA của đèn điện tử mắc catot chung Đèn và FET có trở kháng vào và ra lớn, đường hồi tiếp giữa các điện cực phải có trở kháng cao để thành sự giảm độ lợi do hồi tiếp âm Nếu hồi tiếp dương, mạch sẽ tự kích Tần số càng tăng, ảnh hưởng hồi tiếp ký sinh càng lớn Bằng cách thêm một nhánh hối tiếp song song tử ngỏ ra trở lại ngỏ vào, có thể triệt tiêu hồi tiếp ký sinh bên trong linh kiện tích cực Kỹ thuật này gọi là trung hoà
Rn
Hình 3.21 Mạch trung hòa.
RA
Vcc
Cn
-La
Lb
Vcc
Cb’c
Ln
CB
c ' b 2
1 L
a
b c ' b
L C
C
Trang 13Hình 3.22 Modul KĐCSCT chế độ A - máy phát TV VHF Z i = Z o = 50Ohm; A p = 13dB; P o = 30W; V cc = 28V; tần số 175 - 230 MHz.
50
50
50
Zi =
50
Zo =
VB
VB
VB
TPV 385
Q1
Vcc +20V
2N3866
Hình 3.23 KĐCSCT chế độ A - 1W truyền hình băng V L .
RA
Q2
2N3375
Q1
Vcc +20V
2T911A
Hình 3.24 KĐCSCT chế độ A - 1W truyền hình băng V H
RA
Q2
2T930A
Trang 143.8 NHÂN TẦN SỐ
Một dạng đặc biệt của khuếch đại chế độ C là nhân tần số Từ phân tích hài ta thấy nếu tải cộng hưởng ở n lần tần số vào thì thành phần dòng hài ICn tạo nên sụt áp VCn =
ICn cos n0t Req(n0) có tần số gấp n lần tần số vào tức là có nhân tần số
Nhân tần số nhân cả độ di tần dùng trong máy phát FM Ngoài ra nó có thể là khâu trung gian tạo tần số cao ổn định từ dao động chuẩn thạch anh
Để đạt chế độ tối ưu ICnMax = nMax.ICm, góc cắt cần có
n
120 0
n
54 , 0 n
120 0
2
1
Cn
Hiệu suất
0
n n
P
P
Với n tăng, ICn và Pn giảm nhanh nên thường chỉ nhân 2, 3, 4, 5 Để nhân nhiều, khuyến nghị khuếch đại giữa các tầng nhân Mạch thực tế nhân tần không đòi hỏi ở chế độ tối ưu để đơn giản thực hiện mà chỉ cần lấy ra tần số mong muốn
Q1
Vcc +12V
2N743
Hình 3.25 Mạch nhân hai tần số.
1000
1000
21MHz
170/780 170/780
C1
C2
L1
42MHz
Vcc 12V
3 x BF244
Hình 3.26 Khuếch đại cao tần và nhân tần số n = 12.
12MHz
33
100
0K 470 10n
1n
33
0K 3,3K 10n
1n
4,7K
0K 2,2K 10n
33
10n
10n
22 22 12
144MHz
BS x 20
Trang 15500
12
9V
TA
60
47
out To Tx out To Rx 450MHz
Vcc 12V
3 x BF199
Hình 3.27 Dao động thạch anh và nhân tần số n = 9.
Nhân tần số thường dùng trong máy phát FM, PM để tăng độ di tần, độ di pha cũng như chỉ số điều chế, thực hiện FM dải rộng PM dải rộng
3.9 KHUẾCH ĐẠI CHẾ ĐỘ D
Chế độ A Cho khuếch đại tuyến tính cao, dùng trong truyền hình, viba số mặc dù hiệu suất nhỏ hơn 0,5 Chế độ B và C có hiệu suất cao hơn, công suất tiêu tán vẫn lớn khoảng một phần ba công suất nguồn cung cấp (1 = 0,65 0,75), dải thông hẹp, tuy nhiên được ứng dụng rộng rãi do tính hữu hiệu Chế độ D hay còn gọi chế độ khoá dưới đây cho hiệu suất rất cao, công suất tiêu tán rất thấp, độ tin cậy cao, dùng trong một số trường hợp đặc biệt
Ở chế độ D bán dẫn có hai trạng thái hoặc tắt, dòng ic = 0 hoặc dẫn đến bão hoà Ic
= Icm; điệïn áp cực C: Vc = Vsat 0 Việc chuyển trạng thái rất nhanh do nguồn kích lớn nên công suất tiêu tán (tổn hao) rất nhỏ, hiệu suất chuyển đổi có thể đạt gần bằng 1 (100%) Đây chính là cơ sở của chế độ khuếch đại D, E, S
Hình 3.28 (a) Khuếch đại chế độ D; (b) Mạch tương đương; (c) Dạng tín hiệu ra.
vi
Q1
Q2
va
va
va
Vcc
-Vcc
(c)
Trang 16Nếu Q1 tắt, Q2 dẫn đến bảo hoà và ngược lại Dạng tín hiệu vào kích vi chữ nhật, dạng tín hiệu ra Va cũng chữ nhật Từ phân tích chuỗi Fourier có biên độ điện áp hài cơ bản:
1
V
4
V
Mỗi bán dẫn Ql.2 dẫn nửa chu kỳ nên dòng máng một chiều của mỗi transistor là:
2 T
cc cc
L
V 4 tdt sin V
4 T R
1 I
T - chu kỳ tín hiệu
Công suất nguồn cung cấp
L 2
2 cc Do
cc
V 8 I
V 2
P
L 2
2 cc L
2 cc L
2 1
R
V 8 R 2 / V 4 R V 2
1
Đây là trường hợp lý tưởng, hiệu suất PP 1
0
1
Ví dụ: Thiết kế khuếch đại công suất chế độ D có công suất 20W, tải 50 Tính Vcc và IDo
Giải:
V 1 , 35 8
R P V
W 20 R
V 8
cc L
2
2 cc
A 285 , 0 R
V 4 I
L
2 cc
Thực tế khi dẫn hoàn toàn điện áp bão hoà của BJT và điện trở dẫn Ron của FET khác 0 Ở BJT VC bão hoà < 0,l Vcc phân tích cho thấy hiệu suất chuyển đổi
9 , 0 V
V
1
cc
hoà bão
Một lưu ý: cần có tải tiêu tán cho hài bậc cao ở trong mạch
L
C
Vcc
-Vcc
RL
Ron
Ron
VL
Hình 3.29 Mô hình FET không lý tưởng ở chế độ D.
Trang 17 .sin t V sin t R
R
R V 4
on L
L cc
Dòng một chiều của nguồn cung cấp:
) R R (
V 4 I
on L
Do
V 8 P
on L 2
2 cc 0
Công suất ra tải
2 on L
L tưởng
lý 1 2 on L
L 2
2 cc
R P
) R R (
R V 8
Hiệu suất hài 1
L
on on
L
L 0
1
R 1 R R
R P
P
Nếu Ro << RL thì 1 1
Ví dụ: Cho VMOS 2N6659S có Ron = 2õ với điện áp kích cực cổng 8V Công suất ra P1 lý tưởng = 20 W; RL = 50 Tính công suất ra thực và hiệu suất
Giải:
W 5 , 18 2 50
50 20 R
R
R P
P
2 on L
L tưởng
lý 1
962 , 0 2 50
50 R
R
R
on L
L
3.10 KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN CHẾ ĐỘ S
Điều rộng xung điều rộng xungKhuếch đại Lọc thôngthấp
S(t)
S(t) = Acosst
Hình 3.30 Sơ đồ khối khuếch đại chế độ S.
Hiệu suất chuyển đổi cao của khuếch đại chế độ D được ứng dụng vào các kiểu khuếch đại khoá khác như khuếch đại tín hiệu đã điều rộng xung Sau đó khôi phục lại tín hiệu ban đầu Đó là nguyên lý KĐCS chế độ S
Chế độ này không phổ biến, đôi khi còn gọi là chế độ D dải rộng, được ứng dụng trong máy phát thanh AM công suất rất lớn, hiệu suất cao, độ tin cậy cao
Tín hiệu vào S(t) được điều chế điều rộng xung (ĐRX) Tín hiệu ĐRX có biên độ không đổi nhưng độ rộng xung thay đổi theo tín hiệu vào được khuếch đại ĐRX Đây là một dạng KĐ khoá, chế độ D Tín hiệu ĐRX có dạng:
Trang 18
2
1 n
m j
n m A J
)j
( jm
e 1 T
1
t
X
s 0 n
n
t jm
Trong đó có thành phần tín hiệu vào s, thành phần tần số lấy mẫu 0 và tổ hợp Sau bộ khuếch đại chế độ D có bộ lọc thông thấp lọc lấy thành phần tần số thấp s chính là tín hiệu S(t) được khuếch đại 0 chọn lớn hơn nhiều lần s Ví dụ trong máy phát thanh
AM điều chế Anod qua ĐRX có f0 khoảng từ (80 150) KHz
Sự khác biệt giữa chế độ D và S ở chỗ ngỏ ra bộ khuếch đại chế độ D có mạch điều hưởng ở tần số tín hiệu vào, còn ở chế độ S là mạch LPF
C
RL
Vce
-Vce
C
Hình 3.31 Mạch khuếch đại công suất cao tần chế độ S.
Đáp ứng của bán dẫn ở chế độ khoá (Swiching) bị giới hạn ở tần số đóng mở (on -off) cao
Khuếch đại công suất cao tần chế độ D được dùng khuếch đại tín hiệu điều chế tần số kiểu FSK (frequency shift keyed) và trong một số trường hợp đặc biệt như tạo nguồn
AC từ DC (converter) … Mạch ĐRX có thể là một bộ so sánh tín hiệu vào với tín hiệu xung tam giác, tạo nên ngỏ ra của nó tín hiệu ĐRX có độ rộng thay đổi theo tín hiệu vào
3.11 KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN CHẾ ĐỘ E
Khuếch đại (KĐ) chế độ D sử dụng bán dẫn như một khoá (switch) chuyển đổi công suất Ở chế độ E, chỉ có một bán dẫn hoạt động ở chế độ khoá (on - off)
L
RL
Vcc
C1
C
C2
