Các biện pháp nâng cao độ tuyến tính cho bộ khuếch đại công suất

Năng lượng là sản phẩm quý giá và có tính khan hiếm trong hệ thống thông tin. Tổng công suất tiêu thụ của hệ thống này thường bị chi phối bởi các bộ khuếch đại công suất RF vì vậy việc nâng cao hiệu quả của mạch khuếch đại công suất là nhu cầu ngày càng cấp thiết. Một vài công nghệ đã được phát triển để cho phép các bộ khuếch đại công suất RF hoạt động hiệu quả hơn. Để bộ khuếch đại công suất làm việc có hiệu quả nhất thì nó phải làm việc với hiệu suất cao và không làm méo tín hiệu. Do đó bộ khuếch đại công suất làm việc ở chế độ tuyến tính để biên độ điện áp ra giữ được quy luật biến đổi của biên độ điện áp vào và đảm bảo công suất tín hiệu ra đạt yêu cầu. Vì vậy tính chất tuyến tính là một yếu tố then chốt trong việc thiết kế bộ khuếch đại công suất hiện đại nói riêng, hệ thống thông tin nói chung.Chính vì vậy, em đã chọn đồ án: “ Các biện pháp nâng cao độ tuyến tính cho bộ khuếch đại công suất ”. Nhiệm vụ đồ án là tìm hiểu về các chỉ tiêu, các chế độ làm việc của bộ khuếch đại công suất và ảnh hưởng của tính phi tuyến đối với bộ khuếch đại như thế nào từ đó đưa ra các giải pháp để giảm ảnh hưởng của tính phi tuyến cho bộ khuếch đại công suất. Để giải quyết các nhiệm vụ trên nội dung của đồ án bao gồm ba chương cơ bản sau:Chương 1 : Tổng quan về bộ khuếch đại công suấtChương 2 : Các ảnh hưởng do tính phi tuyến của bộ khuếch đạiChương 3 : Các giải pháp nâng cao độ tuyến tính của bộ khuếch đại công suất

LỜI NÓI ĐẦU

Thực tiễn đã chứng tỏ tầm quan trọng của thông tin trong quân đội.Cùng với sự lớn mạnh không ngừng của thông tin liên lạc nói chung, thôngtin quân sự ngày càng được đặc biệt chú trọng và phát triển mạnh mẽ Với

sự phát triển vượt bậc của trình độ khoa học kỹ thuật và công nghệ, thôngtin liên lạc nói chung và thông tin liên lạc vô tuyến nói riêng có nhiều bướctiến vượt trội Khi thực hiện truyền tin với cự ly lớn, hoặc thực hiện truyềntin tới những vùng có địa hình phức tạp như hải đảo, vùng xa xôi, vùng núi,địa hình phức tạp, hay khi yêu cầu truyền thông với vùng phủ sóng rộngqua các hệ thống thông tin, bài toán nâng cao công suất phát của tín hiệuluôn là một bài toán khó và phức tạp

Năng lượng là sản phẩm quý giá và có tính khan hiếm trong hệthống thông tin Tổng công suất tiêu thụ của hệ thống này thường bị chiphối bởi các bộ khuếch đại công suất RF vì vậy việc nâng cao hiệu quả củamạch khuếch đại công suất là nhu cầu ngày càng cấp thiết Một vài côngnghệ đã được phát triển để cho phép các bộ khuếch đại công suất RF hoạtđộng hiệu quả hơn Để bộ khuếch đại công suất làm việc có hiệu quả nhấtthì nó phải làm việc với hiệu suất cao và không làm méo tín hiệu Do đó

bộ khuếch đại công suất làm việc ở chế độ tuyến tính để biên độ điện áp ragiữ được quy luật biến đổi của biên độ điện áp vào và đảm bảo công suấttín hiệu ra đạt yêu cầu Vì vậy tính chất tuyến tính là một yếu tố then chốttrong việc thiết kế bộ khuếch đại công suất hiện đại nói riêng, hệ thốngthông tin nói chung

Chính vì vậy, em đã chọn đồ án: “ Các biện pháp nâng cao độ tuyến tính cho bộ khuếch đại công suất ” Nhiệm vụ đồ án là tìm hiểu về các

chỉ tiêu, các chế độ làm việc của bộ khuếch đại công suất và ảnh hưởng củatính phi tuyến đối với bộ khuếch đại như thế nào từ đó đưa ra các giải pháp

để giảm ảnh hưởng của tính phi tuyến cho bộ khuếch đại công suất Để giảiquyết các nhiệm vụ trên nội dung của đồ án bao gồm ba chương cơ bảnsau:

Chương 1 : Tổng quan về bộ khuếch đại công suất

Chương 2 : Các ảnh hưởng do tính phi tuyến của bộ khuếch đạiChương 3 : Các giải pháp nâng cao độ tuyến tính của bộ khuếch đạicông suất

Sau một thời gian nghiên cứu, thực hiện và được sự giúp đỡ của thầygiáo hướng dẫn cùng các thầy cô trong khoa, đồ án của em đã được hoànthành Do vấn đề nghiên cứu còn mới mẻ đối với em, cùng với việc gặpnhiều khó khăn về tài liệu, với trình độ còn hạn chế của một học viên, nộidung của đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được

sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các bạn để đồ án có chất lượng tốt hơn

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

1.1 Khái quát chung bộ khuyếch đại công suất

Quy luật chung của linh kiện tích cực là làm cho biên độ của tín hiệuđầu vào trở thành một tín hiệu hữu ích có biên độ lớn hơn ở đầu ra Số lần

mà tín hiệu được làm cho lớn lên gọi là độ lợi sẽ phụ thuộc vào thiết kếmạch bên ngoài cũng như bản thân linh kiện đó Nhiều loại linh kiện tíchcực được dùng trong mạch khuếch đại tranzitor như Tranzitor lưỡng cực(BJTs), Tranzitor hiệu ứng trường (FET) Các mạch khuếch đại bao gồmphần tử cơ bản là các phần tử điều khiển (phần tử tích cực) có điện trở thayđổi theo sự điều khiển của điện áp hay dòng điện đặt tới cực điều khiển của

nó, các mạch định thiên, các mạch biến đổi trở kháng theo yêu cầu ở đầu rađầu vào mạch khuếch đại

1.1.1 Khái niệm:

Mạch khuếch đại là mạch điện có khả năng làm tăng các tham sốnăng lượng của tín hiệu (hoặc tác động) đầu vào nhờ năng lượng của nguồnngoài

Thuật ngữ "khuếch đại công suất" là thuật ngữ chỉ các mạch có mốiliên hệ giữa lượng công suất đưa đến tải và lượng công suất lấy từ nguồnnuôi Thông thường mạch khuếch đại công suất được thiết kế cho mạchkhuếch đại sau cùng trong một chuỗi các tầng, và tầng này được thiết kếvới sự quan tâm nhiều về hiệu suất Vì lý do đó các mạch khuếch đại côngsuất thường được sử dụng với hiệu suất khá cao

Mạch khuếch đại công suất là mạch cuối cùng mắc với tải ngoài và

để nhận được công suất tối ưu theo yêu cầu trên tải cần phải đặc biệt chú ýđến chỉ tiêu năng lượng Mạch khuếch đại công suất có thể dùng tranzistor

lưỡng cực hoặc IC khuếch đại công suất Thực chất khuyếch đại công suất

là một quá trình biến đổi năng lượng của nguồn cung cấp 1 chiều (khôngchứa đựng thông tin) được biến đổi thành dạng năng lượng xoay chiều (cóquy luật biến đổi theo thông tin cần thiết).Nói cách khác, đây là một quátrình gia công xử lí thông tin dạng analog Công suất ra có thể từ vài trăm

mw đến vài trăm watt

Mạch khuếch đại công suất được sử dụng rộng rãi trong kĩ thuật vôtuyến điện tử, thông tin, kĩ thuật tự động và điều khiển từ xa và trong nhiềulĩnh vực của điện tử ứng dụng

1.1.2 Các chỉ tiêu và tham số cơ bản:

Để đánh giá chất lượng của 1 mạch khuyếch đại công suất, người tadựa vào các chỉ tiêu và tham số cơ bản sau:

a Hệ số khuếch đại công suất: Hệ số khuếch đại công suất K p là tỷ sốgiữa công suất ra và công suất vào

r p v

P K P

 (1.1)

Trong đó P r là công suất tín hiệu ra

P v là công suất tín hiệu vào

Hệ số khuếch đại công suất bằng hệ số khuếch đại điện áp nếu trởkháng tải và trở kháng đầu vào bằng nhau vì:

suất có thể có hệ số khuếch đại điện áp nhỏ mà hệ số khuếch đại công suất

lớn và ngược lại Tuy nhiên trong các mạch khuếch đại công suất thì người

ta chủ yếu quan tâm đến hệ số khuếch đại công suất Đó là thông số khá

quan trọng trong việc thiết kế mạch khuếch đại

Nói chung vì bộ khuếch đại có chứa các phần tử điện kháng nên Kp

là một số phức:

K p K p exp(jk) (1.3)

Phần module K p thể hiện quan hệ về cường độ (biên độ) giữa các tín

hiệu đầu ra và đầu vào, phần góc pha  k thể hiện độ dịch pha giữa chúng và

nhìn chung độ lớn của K và  k phụ thuộc vào tần số  của tín hiệu vào.

Nếu biểu diễn K f 1 ( )ta nhận được đường cong gọi là đặc tính biên độ

-tần số của bộ khuếch đại Đường biểu diễn  k f2 ( )  được gọi là đặc tính

pha - tần số của nó Thường người ta tính K p theo đơn vị logarit gọi là đơn

vị dexiben (dB)

K dB p( ) 20 lg K p (1.4)

Khi ghép liên tiếp n tầng khuếch đại công suất với các hệ số khuếch

đại tương ứng là K K1 nthì hệ số khuếch đại tổng cộng của bộ khuếch đại

công suất được xác định bởi:

1 2

Hay K dB p( ) K dB1 ( ) K dB2 ( )  K dB n( ) (1.5)

b Hiệu suất: Hiệu suất là tỉ số giữa công suất ra P r và công suất cung cấp

1 chiều P dc Nó thể hiện hiệu quả chuyển đổi từ công suất nguồn thành

công suất mà mạch khuếch đại cấp cho tải Hiệu suất càng lớn thì công suất

tổn hao trên colectơ của tranzistor càng nhỏ

r

dc

P P

  (1.6)

Hiệu suất phụ thuộc rất nhiều vào chế độ làm việc của tầng khuếch

đại Trong chế độ A thì hiệu suất rất thấp, chế độ C hiệu suất cao nhất, tuy

nhiên nó phải trả giá về tính phi tuyến của đường đặc tuyến gây méo tín

hiệu

Ngoài ra còn có một số phép đo hiệu suất thông dụng khác như:

+ Hiệu suất cộng công suất (Power-added efficiency) : Hiệu suất

cộng công suất là tỷ số giữa lượng công suất mà mạch khuếch đại tạo ra với

công suất cung cấp 1 chiều được tính theo công thức:

Trong đó: P r : là công suất ra của mạch khuếch đại

P v : là công suất vào mạch khuếch đại

P dc: Là công suất một chiều cung cấp cho mạchkhuếch đại

PAE cho ta chỉ thị hợp lý của hiệu suất PA với lợi ích cao

+ Hiệu suất toàn phần (Overall efficiency) : Được sử dụng rộng rãi

để đánh giá hiệu suất của mạch khuếch đại được tính theo công thức:

chiều vì vậy nó được cộng với công suất nguồn nuôi mà không bị trừ bởi

công suất đầu ra giống như chỉ tiêu PAE

Ngoài hai tham số trên đây người ta còn quan tâm đến công suất ra,

trở kháng vào…

c Công suất ra: Công suất ra là toàn bộ công suất tín hiệu ở đầu ra của

bộ khuếch đại nằm trong dải tần làm việc cấp cho tải Công suất đầu ra

không tính thành phần công suất các hài và các tạp âm trong mạch khuếch

đại Thường thì công suất của các hài và tạp âm này là không đáng kể Khi

tín hiệu vào là hình sin, công suất ra của tín hiệu được xác định theo công

ra

U P R

 (1.9)Trong đó: U ra là biên độ tín hiệu ở đầu ra

R ra là trở kháng tải Thực tế trong hệ thống truyền thông thì công suất ra theo tiêu chuẩn

nhất định và các ứng dụng khác nhau của chung

d Đặc tính biên độ:

Đặc tính biên độ của tầng khuếch đại là đường biểu diễn quan hệ

3 ( )

U f U lấy ở một tần số cố định của dải tần số tín hiệu U v

e Trở kháng lối vào và lối ra: của bộ khuếch đại được định nghĩa:

Nói chung chúng là các đại lượng phức : Z  R jX

Yêu cầu trở kháng vào lớn tương đương với dòng tín hiệu vào nhỏ,

nghĩa là mạch phải có hệ số khuếch đại dòng lớn

f Méo phi tuyến: Do tính chất phi tuyến các phần tử như tranzitor gây ra

thể hiện trong thành phần tần số đầu ra là tần số lạ (không có mặt ở đầu

vào) Khi U vao chỉ có thành phần tần số , U ranói chung có các thành phần

n (n = 0,1,2…) với các biên độ tương ứng là U nm lúc đó hệ số méo phi

tuyến do bộ khuếch đại gây ra được đánh giá là:

1.2 Phân loại mạch khuếch đại công suất.

Phân loại mạch khuếch đại công suất có nhiều cách khác nhau như

mạch khuếch đại được phân biệt theo mục đích (mạch khuếch đại điện áp,

mạch khuếch đại dòng điện, mạch khuếch đại công suất, vv.) hoặc phânbiệt theo loại năng lượng ngoài được sử dụng (mạch khuếch đại điện,mạch khuếch đại từ, v.v…) 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 loạimạch khuếch đại là : mạch khuếch đại chế độ A, chế độ B, chế độ AB vàchế độ C Hình 1.1 dùng để minh họa đặc điểm của các chế độ bằng ví dụtrên đặc tuyến ra của tranzitor theo sơ đồ Emitơ chung.

1.2.1 Nhóm mạch khuếch đại công suất tuyến tính

Tính chất tuyến tính ở đây là biên độ tín hiệu đầu ra mạch khuếch đạicông suất là một hàm tuyến tính hoặc gần tuyến tính của biên độ tín hiệuđầu vào

Đặc điểm của mạch này là Tranzistor đầu ra hoạt động như mộtnguồn dòng và trở kháng tranzistor đầu ra trung bình trong quá trình hoạtđộng tương đối cao Dòng điện chạy qua thiết bị và điện áp trên thiết bị là một phần hoặc toàn bộ sóng hình sin

a Mạch khuếch đại chế độ A: là mạch có tín hiệu được khuếch đại gần

như tuyến tính, góc cắt   T2 180  0 Transistor hoạt động cả hai bán chu

kỳ của tín hiệu vào) Dòng ra của Trazistor ở chế độ này có dạng:

C0

I

i C

t

Hình1.2 Dòng I c của tranzistor làm việc ở chế độ A

Khi hiệu suất không phải là vấn đề đáng quan tâm, đa số các mạchkhuếch đại tuyến tính tín hiệu nhỏ được thiết kế ở chế độ A Điều đó cónghĩa là các thiết bị đầu ra luôn làm việc ở trong vùng dẫn Do đó chế độ Ađược dùng trong tầng khuếch đại công suất đơn, hoặc dùng ở các tầng tiềnKĐCS đảm bảo: tín hiệu ra méo ít nhất nhưng hiệu suất nhỏ nhất khoảng20%, và công suất ở tải không vượt quá vài W

b Mạch khuếch đại chế độ AB: Chế độ AB có góc cắt 900 << 1800 : Ởchế độ này điểm làm việc nằm trên đặc tuyến tải gần khu vực tắt củatranzitor Tín hiệu ra thay đổi hơn một nửa chu kỳ của tín hiệu vào(Transistor hoạt động hơn một nửa chu kỳ - dương hoặc âm - của tín hiệuvào), và có thể đạt được hiệu suất cao hơn chế độ A Dòng ra củaTranzistor có dạng:

C0 I

iC

t

Hình1.3 Dòng I c của tranzistor làm việc ở chế độ AB

Sơ đồ thường dùng là kiểu mạch đẩy kéo sử dụng hai Transistor có các đặc tính hoàn toàn giống nhau (có thể cùng loại hay khác loại) HaiTransistor này thay nhau làm việc trong hai nửa chu kỳ của tín hiệu Khithực hiện mạch KĐCS đẩy kéo ở chế độ B thì tín hiệu ra vẫn đảm bảo độtuyến tính khá cao mà hiệu suất cũng khá lớn Vì thế các bộ KĐCS đẩy kéocông tác ở chế độ B rất hay được áp dụng trong các điện đài và các hệthống thông tin

c Mạch khuếch đại chế độ B: Trong chế độ B điểm làm việc tĩnh chọn ở

điểm mút phải đường tải một chiều ứng với góc cắt =900 Chế độ tĩnh

tương ứng với điện áp U BE = 0 Khi có tín hiệu vào, dòng colectơ chỉ xuất

hiện ứng với nửa chu kì, còn nửa chu kì sau tranzitor ở chế độ khóa Khi đóhiệu suất năng lượng của tầng ra cao (60 ¸ 70%) và có khả năng cho mộtcông suất ra tải lớn, tuy nhiên méo không đường thẳng với chế độ này lớncần khắc phục bằng cách mắc tranzitor thích hợp Dòng ra của Trazistor ởchế độ này có dạng:

IC

tIc

Hình1.4 Dòng I c của tranzistor làm việc ở chế độ B

d Mạch khuếch đại chế độ C: Chế độ C có góc cắt < 900: Ở chế độnày điểm làm việc nằm trên đặc tuyến tải ở khu vực tắt của tranzitor khi đómột phần nhỏ hơn nửa chu kỳ của tín hiệu vào được khuếch đại Chế độnày thì hiệu suất khá cao nhưng méo rất lớn Mạch này thường được dùngkhuếch đại công suất ở tần số cao với tải cộng hưởng và trong các ứngdụng đặc biệt Chế độ C còn được dùng trong mạch logic và mạch khoá Dòng ra của Trazistor ở chế độ này có dạng:

i C

t

Hình1.5 Dòng I c của tranzistor làm việc ở chế độ C

1.2.2 Nhóm mạch khuếch đại công suất chuyển mạch

Đặc điểm của nhóm mạch khuếch đại này là Tranzistor được kíchthích tín hiệu có biên độ lớn, điều chỉnh việc đóng mở thiết bị như mộtchuyển mạch Hoạt động chuyển mạch cung cấp hiệu quả khuếch đại côngsuất cao hơn so với nhóm các mạch khuếch đại tuyến tính Một thiết bịchuyển mạch lý tưởng là không có điện áp đặt trên tranzistor khi nó thông,không có dòng điện chảy qua khi nó ngắt và thời gian chuyển tiếp của nóbằng không Tuy nhiên mức tín hiệu đầu ra mạch khuếch đại không phải làmột hàm rõ rệt của tín hiệu vào nên nó hạn chế các ứng dụng khuếch đại tínhiệu có biên độ không đổi

a Mạch khuếch đại chế độ D:

Ví dụ mạch khuếch đại công suất chế độ D là:

driver V

Trong mạch này ta sử dụng mạch lọc LC ở đầu ra để đảm bảo dòng

ra là hình sin vì khi mạch cộng hưởng chỉ có sự trao đổi năng lượng giữađiện trường và từ trường trong phần tử kháng tạo ra dao dộng hình sin

Ở chế độ này thì biên độ tín hiệu vào đủ lớn để điều khiển tranzistornày ngắt còn tranzistor kia thông trong nửa chu kỳ của tín hiệu và nửa chu

kỳ kia thì ngược lại Trong một cấu trúc mạch khuếch đại chế độ D như vậynếu tranzistor hoạt động như một chuyển mạch lý tưởng thì hiệu suất có thểđạt đến 100% Do không tồn tại đồng thời dòng điện và điện áp trên mạch

Cụ thể là khi tranzistor ngắt thì không có dòng chạy qua nhưng có điện áprơi trên nó, còn khi tranzistor thông có dòng chạy qua nhưng điện áp rơitrên thiết bị bằng không Do đó công suất tiêu tán (bằng tích dòng điện và

điện áp) bằng không Tuy nhiên thực tế thì hiệu suất của mạch khuếch đạichỉ đạt gần 100% do điện áp rơi khi tranzistor thông không bằng khôngdẫn đến một phần nhỏ công suất bị tiêu tán trong tranzistor

Các mạch khuếch đại chế độ D được ứng dụng cho các tín hiệu âmtần Vì tần số cao xuất hiện các thành phần ký sinh dẫn đến sự chồng lấnđiện áp và dòng điện trong quá trình các tranzistor chuyển từ ngắt sangtrạng thái thông và ngược lại Dẫn đến giảm hiệu suất rất lớn

Ở tần số cao thì tổn hao của các mạch khuếch đại công suất chế độ Dtăng lên rất lớn vì sự chồng lấn dòng điện và điện áp trong thời giantranzistor chuyển đổi trạng thái khá lớn Do đó mạch khuếch đại công suấtchế độ E được phát triển dựa trên thu hẹp sự chồng lấn điện áp và dòngđiện bằng cách điều chỉnh đặc tuyến chuyển mạch đầu ra của mạch khuếchđại công suất Mạch khuếch đại ở chế độ này chỉ tối thiểu sự chồng lấndòng điện và điện áp khi tranzistor ngắt tạm thời Trong khi tranzistor đóngthì sự chồng lấn này vẫn lớn dẫn đến sự suy giảm hiệu suất công suất của mạch.

c Mạch khuếch đại công suất chế độ F

Ví dụ mạch khuếch đại công suất chế độ F là:

Hình 1.10 Mạch khuếch đại công suất chế độ F

gian chuyển tiếp chuyển tiếp nhanh thì ta phải làm cho tín hiệu có dạng gầngiống với xung vuông bằng cách thêm vào các thành phần cơ bản các hài

bậc lẻ của tín hiệu Trong mạch trên một mạch L,C song song điều chỉnh

cộng hưởng tại tần số hài bậc 3 của tần số sóng mang (3  0) được mắc nốitiếp với tải do đó trở kháng ra của tranzistor lớn tại hài bậc 3 Còn mạch

L,C song song khác cộng hưởng tại tần số sóng mang mắc song song với

tải để loại bỏ các thành phần hài của tín hiệu ra do cả hai mạch công hưởngđều không cộng hưởng tại hài bậc 2 nên mạch này có trở kháng ra thấp tại hài bậc 2 Do đó trong mạch này tín hiệu ra được thêm vào thành phần hàibậc 3 làm cho tín hiệu gần giống xung vuông do đó việc chuyển tiếp diễn

ra nhanh hơn

1.3 Khảo sát một số mạch khuếch đại công suất thông dụng

Một số mạch thông dụng nhất của mạch khuếch đại công suất ở cácchế độ A,AB,B,C được trình bày và tính toán như sau:

1.3.1 Mạch khuếch đại công suất chế độ A

a Mạch khuếch đại công suất chế độ A dùng tranzistor lưỡng cực

Trong mạch khuếch đại chế độ A hay dùng là sơ đồ emitơ chunghoặc sơ đồ lặp Emitơ vì sơ đồ này có hệ số khuếch đại dòng lớn và méo phituyến nhỏ

Hình 1.2: Mô tả bộ khuếch đại chế độ A điển hình Transistor đầu rađược sử dụng như một nguồn dòng, được định thiên bởi dòng một chiều cógiá trị lớn hơn biên độ cực đại của dòng ra trong suốt quá trình khuếch đại

En Ecc

Rn Cp1

R2

R1 T1

CE1 R4

Rt

Hình 1.12 Bộ khuếch đại chế độ A

Điện R1, R2 tạo thành một bộ phân áp cố định tạo U B đặt vào Bazơ

tranzitor từ điện áp nguồn Ecc.Ta phải chọn R 1 và R 2 thế nào để đảm bảo

cho U B ổn định Để có U B ổn định cần chọn R 1 và R 2 càng nhỏ càng tốt,nhưng để đảm bảo cho điện trở vào củamạch đủ lớn thì R 1 và R 2 càng lớncàng tốt Để dung hòa hai yêu cầu mâu thuẫn nàytrong thực tế thường chọn

R B = R E

Dòng điện ở mạch ra khá lớn vì thế phải lưu ý khi chọn điện trở R 4

Điện trở R 4 thường không vượt quá vài chục W nên khó khăn trong việc

chọn CE 1 để khử hồi tiếp âm dòng xoay chiều Ta sẽ khảo sát tầng khuếch

P Ic

Từ đồ thị hình 1.13 ta thấy đường tải một chiều qua điểm E c hầu như

thẳng đứng vì điện trở tài một chiều tương đối nhỏ (là điện trở thuần của

cuộn sơ cấp biến áp) Điện trở tải xoay chiều của tầng quy về cuộn sơ cấp

Trong đó : n =W 1 /W 2 là hệ số biến áp, với W 1 ,W 2 là số vòng dây, còn

r 1 , r 2 là điện trở thuần tương ứng của cuộn sơ và thứ cấp biến áp

Để chọn tọa độ của điểm tĩnh U CE0, I C0 theo hai công thức:

I Co I rm I Co E( ) (1.14)

Thì cần phải xác định các trị số của tín hiệu ra U cm ,I cm Các tham số

đó có thể tìm như sau : Công suất xoay chiều ra P r trên cuộn sơ cấp biến áp

(công suất trong mạch colectơ của transistor ) và công suất đưa ra tải P t có

quan hệ:

r

P P

Trường hợp tín hiệu là hình sin, thì công suất ra của tầng có quan hệ

với các tham số U cm , I cm theo công thức sau

Chọn điện áp U cm theo trị số U CEo sao cho đối với tầng này U CEo gần

bằng E c ( hình 1.1) Trị số U cm và hệ số biến áp n có thể dùng đường tải một

chiều hay là theo biểu thức :

số công tác cũng như các tham số về dòng điện, điện áp và công suất của

nó thỏa mãn điều kiện : Dòng điện cho phép cực đại I c cp. phải lớn hơn trị số

Công suất tiêu hao trên colectơ của tranzitor P cU I Co. Co phải nhỏ hơn

công suất cực đại cho phép của tranzitor P c cp

Tóm lại, việc tính chế độ một chiều của tầng khuếch đại là giải quyết

nhiệm vụ chọn hợp lý các phần tử của sơ đồ để nhận được những tham số

cần thiết của tín hiệu ra trên tải Các hệ số khuếch đại dòng điện K I và điện

áp K U và công suất K P cũng như điện trở vào R v và điện trở ra R r là nhữngchỉ tiêu quan trọng của tầng khuếch đại Những chỉ tiêu đó có thể xác địnhđược khi tính toán tầng khuếch đại theo dòng xoay chiều.

Theo đồ thị hình 3 thấy tích số U I cm cm 2là công suất ra của tầng P r,chính là diện tích tam giác công suất PQR:

Theo giá trị I co tìm được, xác định I bo

cm cm

r U I

P  (1.23)Công suất tiêu thụ của nguồn cung cấp:

P o E I c co U CEo U CEo.I Co (1.24) Hiệu suất của mạch colectơ

.

cm cm r

Công suất tiêu hao trên mặt ghép colectơ

Từ công thức trên ta thấy công suất P c phụ thuộc vào miền tín hiệu

ra, khi không có tín hiệu thì P c P0, nên chế độ nhiệt của tranzitor phải tínhtheo công suất P c

b Bộ khuếch đại công suất chế độ A sử dụng tranzistor trường (FET)

in V

C L VDD

Mạch phối hợp trở kháng

+

-I

V D D

RtDC

I

Hình 1.14 Sơ đồ mạch khuếch đại công suất chế độ A điển hình dùng FET

Các sơ đồ dùng FET cũng có tính chất giống như các sơ đồ dùngtranzistor lưỡng cực Tuy nhiên các sơ đồ dùng FET có hệ số khuếch đại nhỏ hơn, vì hỗ dẫn của FET nhỏ hơn của tranzistor lưỡng cực Hình 1.8 là

sơ đồ mạch khuếch đại công suất chế độ A sử dụng Fet điển hình:

Trong hình 1.14 cuộn cảm L có giá trị lớn để ngăn cách dòng xoay

chiều và nguồn cung cấp

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

Đồ thị dòng ra có dạng như sau:

Hình 1.15 Các tín hiệu điện áp, dòng điện, công suất tiêu thụ của mạch

khuếch đại công suất chế độ A

Trong sơ đồ này thì có các chỉ tiêu và tham số được tính toán và xácđịnh như sau

Điện áp đầu ra của mạch khuếch đại là:

U ra g U m. vao (1.28)

Trong đó: g m là hỗ dẫn của tranzistor

U U ra, vao là biên độ điện áp ra, vào mạch khuếch đạiCông suất đầu ra của mạch khuếch đại:

2

2.

ra ra

t

U P

R

 (1.29) Trong đó : U ra là biên độ điện áp ra

R t là điện trở tải của mạch Điện áp cung cấp cho cực máng của tranzistor là U DD do đó giá trịđiện áp cực máng của tranzistor có thể dao dộng giữa 0 và 2U DD

Với một tín hiệu hình sin thì công suất ra cực đại có thể đạt đượctrong giới hạn đó là:

2 , ax 2.

DD

ra m

t

V P

R

 (1.30)

Với V DD cho trước thì công suất ra cực đại là một hàm của trở kháng

tải Với tầng khuếch đại công suất thì tải thường là một anten có trở kháng

tải là 50Ω do đó để truyền đạt công suất ra hiệu quả thì ta phải có mạch

phối hợp trở kháng giữa anten và mạch khuếch đại công suất

Hiệu suất của mạch khuếch đại là:

2 2.

Trong đó: U ralà điện áp ra của mạch khuếch đại công suất

P DC là điện áp một chiều cấp cho mạch

Do đó hiệu suất ra cực đại ứng với công suất ra cực đại là:

2 , ax 2.



R L là điện trở của cuộn cảm (trở kháng ra của mạch khuếch đại)

Để phối hợp trở kháng thì R L =R t

V DD là điện áp định thiên cho mạch

1.3.2 Bộ khuếch đại đẩy kéo (Chế độ AB hoặc chế độ B)

Các mạch khuếch đại lớp A có hiệu suất thấp vì phần lớn công suất

lấy từ nguồn bị tổn hao thành nhiệt trong mạch khuếch đại Do đó để tăng

hiệu suất của mạch khuếch đại thì cần phải giảm lượng tổn hao này Các

mạch đẩy kéo có thể làm việc ở chế độ A, AB hoặc B, nhưng thông thường

người ta hay dùng chế độ AB hoặc chế độ B Trong mạch khuếch đại công

suất loại B, người ta phân cực với V B =0, nên bình thường tranzistor không

dẫn điện và chỉ dẫn điện khi có tín hiệu đưa vào đủ lớn Do phân cực như

vậy nên Tranzistor chỉ dẫn điện được ở một bán chu kỳ của tín hiệu ( bán

chu kỳ dương hoặc âm tuỳ thuộc vào tranzistor NPN hay PNP) Do đó

muốn nhân được cả chu kỳ của tín hiệu ở đầu ra người ta phải dùng haitranzistor, mỗi tranzistor dẫn điện ở một nửa chu kỳ của tín hiệu Tất cả các

sơ đồ tầng ra đẩy kéo yêu cầu chọn cặp tranzitor có tham số giống nhau,đặc biệt là hệ số truyền đạt 

Sơ đồ khối của mạch khuếch đại đẩy kéo:

Q1 dẫn 1 bán kỳ

Q2 dẫn 1 bán kỳ

Tải

i

V

Hình 1.16 Sơ đồ khối mạch khuếch đại đẩy kéo

Nếu mạch đẩy kéo dùng hai tranzistor cùng loại được kích thích bởicác tín hiệu ngược pha Để tạo tín hiệu này có thể dùng tầng khuếch đạiđảo pha hoặc dùng biến áp mà cuộn thứ cấp của nó có điểm giữa nối đất vềmặt xoay chiều hoặc dùng transistor mắc thành mạch khuếch đại có độ lợiđiện

thế bằng 1.Nếu mà sử dụng hai tranzistor khác loại sẽ được kích thích bởicác tín hiệu đồng pha do đó có thể dùng cùng một tín hiệu để kích thích cho

cả hai tranzistor.Các loại sơ đồ để tạo tín hiệu ngược pha đưa vào bộkhuếch đại đẩy kéo là:

Tín hiệu vào tầng khuếch đại công suất

VCC

C

R 1

E 2

Hình 1.17 Tạo tín hiệu ngược pha

a Mạch khuếch đại chế độ AB

Ở chế độ B tín hiệu ra vẫn bị méo dạng do khi bắt đầu một bán chu

kỳ của tín hiệu vào tranzistor không dẫn điện ngay mà phải đến khi vượt

quá điện áp ngưỡng U BE Hiện tuợng này gọi là biến dạng xuyên tâm(cross-over) Để hạn chế hiện tượng này ta đặt điện áp vào cực B dương 1chút để tranzistor có thể dẫn điện tốt ngay khi có tín hiệu vào cực B Lúcnày mạch khuếch đại làm việc ở chế độ AB Sơ đồ nguyên lý mạch khuếchđại làm việc ở chế độ AB cơ bản là:

W 21

22

11 12

Hình 1.18 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại đẩy kéo làm việc ở chế độ AB

Sơ đồ này gồm 2 tranzistor cùng loại T1, T2 Tải được mắc với tầng khuếch đại qua biến áp ra BA2 Mạch colectơ của mỗi tranzitor được mắctới một nửa cuộn sơ cấp biến áp Tỷ số biến áp là:

W W

  (1.34)Biến áp BA1 đảm bảo cung cấp tín hiệu vào mạch bazơ của haitranzitor.Tầng đẩy kéo có thể làm việc ở chế độ B hay AB Trong chế độ

AB thiên áp trên bazơ của hai tranzitor được lấy từ nguồn Ec bằng bộ phân

áp R 1 , R 2 Trong chế độ B thiên áp ban đầu không có, nên không cần R 1

Khi đó điện trở R 2 được dùng để đảm bảo công tác cho mạch vào của

tranzistor trong chế độ gần với chế độ nguồn dòng.Ngoài ra, người ta

thường mắc thêm một điện trở nhiệt R 3 có hệ số nhiệt âm (thermistor) song

song với R 2 để giảm bớt điện thế phân cực V B bù trừ khi nhiệt độ tăng

Ngoài ra, do mạch hoạt động với dòng I c lớn, transistor công suất dễ

bị nóng lên Khi nhiệt độ tăng, điện áp ngưỡng U BE giảm (transistor dễ dẫn

điện hơn) làm dòng I C càng lớn hơn, hiện tượng này chồng chất dẫn đến dễlàm hỏng transistor Ðể khắc phục hiện tượng này, ngoài việc phải giảmnhiệt cho transistor, người ta mắc thêm một điện trở nhỏ (thường là vài Ω))

ở hai chân E của transistor công suất xuống đất Khi transistor thông mạnh

làm cho nhiệt độ tăng, I C tăng tức là làm cho I E cũng tăng dẫn đến điện ápcực Etăng dẫn đến U BE giảm Kết quả là transistor thông yếu trở lại

Hoạt động của mạch:

Khi chưa có tín hiệu vào điện áp trên bazơ của cả hai tranzistor đối với emitơ bằng 0,3V khi đó dòng điện trên tải bằng 0 Do đó trên colectơ

mỗi tranzistor sẽ có điện áp một chiều bằng điện áp nguồn Ec.

Khi có tín hiệu vào bắt đầu từ nửa chu kỳ dương lúc đó T1 thông, T2

đóng Khi đó trên cuộn W21 có dòng I C1  I B1 chạy qua do đó trên cuộn

21 C1 t C1 2 t

U I RI n R Trên tải sẽ có nửa sóng điện

I

Ic mA

B =0 I

CE

U V Ucm

0

Hình 1.19 Đồ thị tính mạch khuếch đại công suất

chế độ AB của tranzistor T1

Đến bán chu kỳ kế tiếp cực tính của điện áp ở các cuộn thứ cấp của

biến áp vào BA1 đổi dấu lúc đó T1 đóng T2 thông Khi đó trên cuộn W22

sẽ có dòng điện I C2  I B2 chạy qua do đó trên cuộn W22 sẽ tạo lên điện áp

có cùng trị số nhưng có cực tính ngược lại so với bán chu kỳ trước Trên tải

sẽ có nửa sóng điện áp âm Như vậy quá trình khuếch đại tín hiệu vào đượcthực hiện theo hai nhịp nửa chu kỳ : nửa chu kỳ đầu chỉ có một tranzitorlàm việc, nửa chu kỳ thứ hai thi tranzitor còn lại làm việc

Tín hiệu ở cuộn sơ cấp của biến áp ra BA2 có công suất là:

cm. cm2

r

I U

P  (1.35) Trong đó I cm,U cm là dòng điện, điện áp ra

Công suất đưa ra tải có tính đến công suất tổn hao trong biến áp

P t  BA2 P r (1.36)Trong đó: P t là công suất trên tải

BA2là hiệu suất truyền đạt của biến áp BA2

Trị số trung bình của đòng tiêu thụ từ nguồn cung cấp:

0

0

2 1



 (1.38)Hiệu suất của mạch colectơ là:

.

4

cm r

c

U P



      (1.40)

Như vậy hiệu suất của mạch sẽ tăng khi biên độ tín hiệu điện áp ra

tăng Giả sử U cm E cvà hiệu suất truyền đạt công suất của biến áp BA2  1

thì hiệu suất cực đại của mạch là   78,5% Nhưng giá trị biên độ điện áp

ra U cm không vượt quá E c U CEvà hiệu suất biến áp BA2  0,8 0,99  khi đó

hiệu suất của mạch khuếch đại công suất khoảng 0,6 0,7  và lớn gấp 1,5 lần

mạch khuếch đại đơn

Công suất tiêu thụ trên mỗi mặt ghép colectơ của mỗi tranzistor là:

2 0

định P cmaxta lấy đạo hàm P ctheo U cm và cho bằng 0 ta tìm được trị số U cm

ax 2 2 2

2

2

c cm

t

E P



 (1.43)

Tuy mạch khuếch đại này có hiệu suất khá cao trong khi nguồn cung

cấp nhỏ nhưng nó có một số nhược điểm do biến áp gây ra là kích thước

lớn, giá thành cao, dải tần làm việc hẹp và không thể thực hiện được dưới

dạng mạch tích hợp

Kết luận chương 1:

Trong chương 1 ta đã chỉ ra khái quát chung của bộ khuếch đại công

suất Khái niệm, các chỉ tiêu kỹ thuật, phân loại các mạch khuếch đại công

suất, nguyên tắc hoạt dộng của một số mạch khuếch đại công suất điển hình

đã giúp ta có cái nhìn tổng quan về bộ khuếch đại công suất Trên cơ sở đó

ta có thể phân tích kiểm tra quá trình làm việc của bộ khuếch đại công suất

theo những chỉ tiêu kỹ thuật đề ra và tập trung vào phân tích các loại méo

và ảnh hưởng do tính phi tuyến của bộ khuếch đại tạo ra một cách rõ hơn ở

chương 2

sẽ trở thành phi tuyến ở vùng bão hoà, ở đó, điện áp đầu ra không tỷ lệ vớiđiện áp đầu vào Bởi vậy, khi nhiều sóng mang được khuếch đại đồng thời,các tín hiệu không mong muốn ở tần số khác được phát sinh.

2.1 Tính phi tuyến của bộ khuếch đại

Tính phi tuyến tạo ra các tín hiệu bổ sung mà thường là tín hiệukhông mong muốn trong hệ thống RF Một số các tín hiệu không mongmuốn đó có thể loại bỏ bằng bộ lọc còn một số thì không loại bỏ bằng bộlọc được Để thiết kế hệ thống RF có hiệu quả, chúng ta phải thiết kế từngmodule có độ tuyến tính cao đặc biệt là tầng khuếch đại công suất vì tầngnày đóng vai trò quan trọng nhất trong việc nâng cao độ tuyến tính của toàn

hệ thống

2.1.1 Đáp ứng phi tuyến của bộ khuếch đại

Hình 2.1 chỉ ra đường cong chuyển hoá của điện áp đầu ra giống hệtđiện áp vào Về mặt lý tưởng, đường cong sẽ là một đường thẳng kéo dài

vô tận, nhưng thực tế nó sẽ bị cong khi điện áp đầu vào đến một ngưỡngnào đó và cuối cùng là bão hoà Tuy nhiên chúng ta thường biểu diễnđường cong đó là một chuỗi Taylor:

v a a v a v a v a v  ( 2.1)Trong đó v in là thay đổi của điện áp vào so với điểm hoạt động (điểm

mà ở đó chuỗi này được viết), a i là các số thực

Lý tưởng

Thực tế

V out

V in

Hình 2.1 Đường cong chuyển đổi điện áp xấp xỉ đường thẳng

Số hạng đầu tiên là hệ số dòng một chiều Số hạng thứ hai là hệ sốtuyến tính mong muốn, do đó a1là hệ số khuếch đại tuyến tính Các số hạngkhác thể hiện độ cong của đường cong khuếch đại, và chúng tạo ra cácthành phần không mong muốn ở các tần số khác Nếu chỉ có một tín hiệuđầu vào thì các thành phần tín hiệu không mong muốn sẽ là các hàm điềuhoà cơ bản Nhưng nếu có nhiều tín hiệu vào v in thì các tín hiệu sẽ được tạo

ra với các tần số là các tổ hợp toán học của các tần số của các tín hiệu đầuvào Được gọi là các sản phẩm điều chế tương hỗ Sau đây ta nghiên cứukết quả khi có hai tín hiệu đầu vào (mặc dù cuối cùng chúng ta cũng sẽquan tâm đến tín hiệu có cường độ lớn) Điều đó cho thấy sự hình thànhcủa các hài cũng như các sản phẩm điều chế tương hỗ

Đầu vào : v in Acos ( )  a t Bcos ( )  b t (2.2)Trong đó  a   a ( )t  a t a (2.3)

2 in

a v trong biểu thức (2.1) và biểu thức (2.2) ta có:

điều chế tương hỗ Khi biên độ của các tín hiệu vào bằng nhau, thì chúnglớn hơn các hài 6 dB.

đường cong này là đường thẳng Khi mức tín hiệu vào mà càng lớn thì cácsản phẩm bậc 2 tăng gấp đôi nhanh như thành phần mong muốn, các đườngthẳng cắt nhau

Công suất cơ bản (dB)

Đầu vào điểm chắn(Mức)

Đầu ra điểm chắn (Mức)

Hình 2.3 Công suất ra của tín hiệu cơ bản và sản phẩm bậc 2

hai tín hiệu vào có công suất bằng nhau

Ở điểm cắt nhau hoặc là điều chế tương hỗ hoặc là hài, thành phần

cơ bản, sản phẩm bậc 2 có công suất ra bằng nhau Độ dốc của các đườngthẳng này đã biết, điểm cắt của các đường này được gọi là các điểm chắn(IP), xác định các sản phẩm bậc 2 ở mức thấp Công suất ra của điểm giaonhau của đường cong IM bậc 2 và đường cong cơ bản được gọi là điểmchắn IM bậc 2 đầu ra được ký hiệu là OIP2IM Công suất vào ở điểm màđường cong hài bậc 2 cắt đường cơ bản được gọi là IIP2H Vì rằng một IPnằm trên đường cong đáp ứng tuyến tính Đặc trưng là độ lớn hơn của cácđiểm chắn đầu vào hoặc đầu ra được thể hiện rõ, nên các bộ khuếch đại sửdụng OIPs và các bộ trộn sử dụng IIPs Công suất của hai tín hiệu cơ bản

có thể bổ xung bằng các hài bậc chẵn, làm tăng giá trị của IP lên 3dB

Như hình 2.3 nếu một đầu ra thấp hơn x dB so với IP hài bậc 2, hài bậc 2 của nó sẽ thấp hơn 2x dB so với IP Tương tự nếu 2 tín hiệu có biên

độ bằng nhau thì sẽ thấp hơn x dB so với điểm chắn IM bậc 2, các IM của chúng sẽ thấp hơn 2x dB so với IP Điều này thể hiện rằng sự khác nhau

giữa hai tín hiệu cơ bản có biên độ bằng nhau và các hài của nó hoặc các

IM tương tự như sự khác nhau giữa các tín hiệu cơ bản và IP tương ứng.Nói cách khác mức tín hiệu phải nằm giữa mức IP và mức IM hoặc hàitương ứng

IP hài bậc 2 đầu ra (OIP2H) là 17 dB và công suất tín hiệu đầu ra là –

8 dBm thấp hơn 25 dB so với điểm chắn Vì vậy hài bậc 2 nhỏ hơn 25 dB

so với công suất ra bằng -33 dB nhỏ hơn 2x25 dB= 50 dB so với điểm

chắn Chúng ta đã biết, công suất tín hiệu vào khác 25 dB so với IIP2H, nênhài thấp hơn 25 dB so với công suất tín hiệu đầu ra

Nếu biên độ của một tín hiệu vào thay đổi, từ biểu thức (2.5) hài củatín hiệu sẽ thay đổi gấp đôi so với mức thay đổi ở đầu vào nhưng hài khác

sẽ không bị ảnh hưởng Biên độ của IM thay đổi do biên độ của 2 tín hiệuđầu vào thay đổi Nên nếu chỉ một tín hiệu cơ bản thay đổi , thì IM sẽ thayđổi mức tương ứng (Xem hình 2.5)

Hình 2.5 Phổ của sản phẩm bậc 2 của 2 tín hiệu không bằng nhau

b Biểu diễn toán học:

Bây giờ ta sẽ biểu diễn toán học hoá như đã từng mô tả, dựa trênbiểu thức (2.5) Công suất đầu ra hài bậc 2 P out H, 2quan hệ với công suất đầu

ra tín hiệu cơ bản P out F, và điểm cắt đầu ra hài bậc 2 OIP2H như sau:

2 , , 2

2,

out F out H

OIP H

p p

p

 (2.6)

Công suất đầu ra P out IM, 2với mọi IM bậc 2 quan hệ với các công suất

2 tín hiệu cơ bản đầu ra P out F, 1, P out F, 2 và điểm cắt IM bậc 2 như sau:

, 1 , 2 , 2

2,

out F out F out IM

Ở đây F1 biểu diễn tín hiệu cơ bản a hoặc b trong hình 2.2 và 2.5, F2

là tín hiệu cơ bản còn lại

Tỷ số giữa hài bậc 2 của tín hiệu cơ bản F và tín hiệu cơ bản ở đầu ra

có thể tính được bằng cách chia biểu thức (2.7) cho P out F,

, 2 ,

out H out F out F OIP H

p p (2.8)

Tỷ số giữa IM bậc 2 với công suất đầu ra của tín hiệu cơ bản thứ nhấttương tự ta có thể tính được bằng cách chia biểu thức (2.7) cho công suấtđầu ra tín hiệu cơ bản:

, 2 , 2 , 1 ,

out IM out F out F OIP IM

p p (2.9)Tất cả các biểu diễn này có thể quan hệ đến các tham số đầu vàotương ứng bằng cách chia các biến cho hệ số khuếch đại tín hiệu cơ bản, vídụ:

, 2 , 2 , 1 ,

in IM in F

in F IIP IM

p p (2.10)Các biến ở đây là: Mức công suất đầu vào tương ứng với IM bậc 2,công suất đầu vào của tín hiệu cơ bản 1 và 2, P in F, 1, P in F, 2 Và điểm cắt đầuvào với IM bậc 2 , P IIP IM2, Công suất đầu vào tương đương với một hàihoặc IM là công suất đầu ra mà được tạo ra để tín hiệu của nó được khuếchđại tuyến tính từ công suất đầu vào hơn là tạo ra bên trong module

Các biểu thức này có thể được viết dưới dạng dB Ví dụ biểu thức(2.6) trở thành:

2

1 ( ) 2

IIP IM

a p

R a

Chú ý từ biểu thức 2.1 ta có a 1 không có đơn vị, a 2 có đơn vị ngượcvới điện áp do đó (2.14) có đơn vị công suất.

ý, tuy nhiên bởi vì chúng và các số hạng bậc chẵn khác giải thích sự congcủa trong các đường của hình 2.3 ở các mức cao Chú ý là thành phần mộtchiều trong biểu thức (2.5) khi được nhân với bản sao khác của biểu thức(2.5) xảy ra khi số hạng bậc 4 được hình thành, tạo ra các số hạng với cáctần số giống hệt số hạng bậc 2 Điều tương tự cũng xảy ra khi các số hạngbậc chẵn cao hơn được mở rộng Vì vậy hài bậc 2 và các IM bậc 2 tỷ lệvới:

2 2 2 4 4 4 6 6 6

khác, C i là sản phẩm A j B i-j sắp sếp từ A i đến B i, phụ thuộc đặc biệt vào IM

và hài Ví dụ khi A=B, C i =A j A i-j =A i chỉ số hạng đầu tiên là có ý nghĩa ởcác mức thấp của A và B, dẫn đến đặc tính đường thẳng ở các mức thấptrong hình 2.3, nhưng các số hạng khác trở lên có ý nghĩa ở các mức cao

Sự kết hợp của các số hạng này ở các mức cao tạo ra sự làm phẳng củađường cong đó Có thể hiểu rằng độ dốc càng cao có thể xảy ra ở các mức

càng cao, tương ứng với công suất cao hơn ở C i Nhưng phải nhớ rằng giátrị của tập hợp các hệ số trong biểu thức (2.1) là ảnh hưởng của đường congthực tế, không phải do nó gây ra

4 =a

Dòng thứ nhất trong biểu thức (2.17) bao gồm các tín hiệu ở tần số

cơ bản, nhưng biên độ của chúng là các hàm phi tuyến của biên độ đầu vào(Khi A và B bằng nhau thì chúng tỷ lệ với luỹ thừa bậc 3 của biên độ đầuvào) Chúng sẽ góp phần vào tạo dạng phi tuyến của hệ số khuếch đại cơbản ở các mức cao Dòng thứ 2 và thứ 3 gồm các hệ số IM và dòng cuối

Tần số

g h

Hình 2.6 Phổ tần số sản phẩm bậc 3 với 2 đầu vào có cùng mức

Hình 2.6 thể hiện phổ tần số bậc 3 với 2 đầu vào có cùng mức, vàhình 2.7 chỉ ra sự thay đổi của phổ khi biên độ của một tín hiệu vào thayđổi Các IM bậc 3 mà gần các tín hiệu mong muốn (bao gồm các số hạngvới các tần số khác nhau) là vấn đề khó khăn bởi vì khó mà lọc được chúng

Hình 2.7 Phổ tần số sản phẩm bậc 3 với 2 đầu vào không cùng mức

a Điểm chắn

10 dB

10 dB

9.54 dB

IM bậc 3 Hài bậc 3

Cơ bản

Công suất cơ bản (dB)

Đầu vào điểm chắn(Mức)

Đầu ra điểm chắn (Mức) 4.77 dB

Hình 2.8 Công suất ra của tín hiệu cơ bản và các sản phẩm bậc 3

Hình 2.8 thể hiện sự thay đổi đường thẳng công suất của tín hiệu cơbản, hài và điều chế tương hỗ với công suất vào ở mức thấp và chúng đưa

ra điểm chắn (IP) bậc 3

Hình trên tương tự như thể hiện trong hình 2.3 của sản phẩm bậc 2,nhưng độ dốc của những sản phẩm bậc 3 dốc hơn từ đó chúng đặc trưng cho tính phi tuyến lập phương hơn là bình phương

Điều chế tương hỗ và hài thay đổi 3 dB cho mỗi dB thay đổi của tínhiệu đầu vào và những đầu ra cơ bản Chúng tỷ lệ với tín hiệu cơ bản mongmuốn thay đổi 2 dB mỗi dB thay đổi cuối cùng Những sự thay đổi tương

tự như IP2 được thể hiện trong phần 2.2.1 áp dụng ở đây cho IP3

Ví dụ 2.2: IM bậc 3 trong hình 2.9

Điểm chắn IM bậc 3 đầu ra (OIP3IM) tại 21 dBm và công suất ra của

cả hai tín hiệu là +5 dBm, ở dưới điểm chắn 16 dB Bởi vậy, IM bậc 3 thấphơn tín hiệu 32 dB, tại -27 dBm và thấp hơn điểm chắn (IP) 48 dB Chúng

ta cũng có thể xác định sự khác nhau giữa tín hiệu cơ bản và IM là 32 dB

và sự khác nhau giữa tín hiệu đầu vào và IIP3IM là 16 dB

+5 dBm +21 dBm

-27 dBm

Hình 2.9 Ví dụ 2.2

b Biểu diễn toán học

Sau đây ta có thể thấy rõ bằng việc xem xét kỹ biểu thức (2.17).Côngsuất đầu ra hài bậc 3 (P out H, 3) quan hệ với công suất đầu ra cơ bản P out F, vàđiểm chắn đầu ra hài bậc 3 OIP3H bởi:

3 , , 3 2

3,

out F out H

OIP H

p p

3,

( 2 ) out F out F out IM