MẠCH KHUẾCH đại CÔNG SUẤT âm tần

Định nghĩa mạch khuếch đại Trong kỹ thuật, từ “khuếch đại” được định nghĩa là “dùng một năng lượng nhỏ để điều khiển môt năng lượng khác lớn hơn gấp nhiều lần”.Có ba loại mạch khuếch đại

PHẦN I

LÝ THUYẾT TỔNG QUAN.

Chương 1 LINH KIỆN SỬ DỤNG

* Linh kiện chính sử dụng là transistor

Transistor : là linh kiện bán dẫn gồm ba lớp bán dẫn tiếp giáp nhau tạo thành mối

1.3 C1815.

1.4 B688.

1.5 D718.

Chương 2

CÁC KHÁI NIỆM TRONG MẠCH KHUẾCH ĐẠI

2.1 Định nghĩa mạch khuếch đại

Trong kỹ thuật, từ “khuếch đại” được định nghĩa là “dùng một năng lượng nhỏ để điều khiển môt năng lượng khác lớn hơn gấp nhiều lần”.Có ba loại mạch khuếch đại chính là:

– Khuyếch đại về điện áp : Là mạch khi ta đưa một tín hiệu có biên độ nhỏ vào,

đầu ra ta sẽ thu được một tín hiệu có biên độ lớn hơn nhiều lần

– Mạch khuyếch đại về dòng điện : Là mạch khi ta đưa một tín hiệu có cường

độ yếu vào, đầu ra ta sẽ thu được một tín hiệu cho cường độ dòng điện mạnh hơn nhiều lần

– Mạch khuếch đại công suất là mạch được thiết kế sao cho cung cấp một

lượng công suất lớn cho tải tức là mạch khuếch đại công suất sẽ tạo ra điện

áp cao và dòng điện lớn để lái tải cần công suất lớn.Mạch khuếch đại công suất được ứng dụng rất nhiều trong ngành điện – điện tử Chúng ta chỉ xét mạch khuếch đại công suất dùng trong lĩnh vực âm thanh ( còn gọi là mạch khuếch đại công suất âm tần)

– Mạch khuếch đại công suất âm tần dùng để tạo ra một lượng công suất để

cung cấp cho tải (tải thường là loa do chúng đòi hỏi một lượng công suất lớn

để biến đổi tín hiệu điện thành sóng âm) Mạch khuếch đại công suất thường được sử dụng rộng rãi trong các máy: radio, máy thu hình, máy nghe băng, máy tăng âm, các hệ thống stereo, loa phát thanh……

– Khả năng khuếch đại của một mạch được đánh giá bằng một thông số đó là

độ lợi:

Độ lợi đi (Av) : Av =

i v

I0

, hoặc : AI(dB) = 20lg(

I I

I0

)

Độ lợi cơng suất (Ap) : Ap =

i P

P0

hoặc Ap (dB) = 10lg(

I P

P0

)

– Thực tế khi sử dụng một bộ khuếch đại thì có thể sẽ không đáp ứng được độ

khuếch đại cần thiết, khi đó ta dùng nhiều bộ khuếch đại mắc nối tiếp nhau, trở thành bộ khuếch đại nhiều tầng và có độ lợi tổng (At) là:

At = Av1 Av2 Av3 Avn

2.2 Đáp ứng tần số :

– Đáp ứng tần số (hay dãy tần hoạt động của mạch) được định nghĩa là một

khoảng tần số mà khi tần số tín hiệu ngõ vào nằm trong khoảng tần số này thì độ khuếch đại của mạch sẽ là cực đại

– Thông thường một mạch khuếch đại chỉ đáp ứng được một dãy tần số nào đó,

ở tần số thấp và tần số cao thì độ lợi sẽ giảm so với tần số trung bình Khoảng tần số mà độ lợi không bị suy giảm quá 3dB gọi là băng thông (BW) của bộ khuếch đại Mạch khuếch đại âm tần băng thông lí tưởng là: 20Hz ÷ 20KHz

– Khoảng tần số này được giới hạn bởi :

fH :tần số cắt caofL:tần số cắt thấp

– Hiệu số giữa fH và fL được gọi là băng thông của mạch :B = fH - fL

– Nếu tín hiệu ngõ vào nằm ngoài băng thông của mạch thì độ khuếch đại của

mạch sẽ thay đổi theo tần số

– Nếu tín hiệu ngõ vào ở tần số fH hay fL thì độ khuếch đại của mạch ở tần số

đó sẽ giảm đi 2lần hay suy giảm –3 dB so với độ lợi cực đại

2.3 Méo dạng:

– Biểu thị cho sự thay đổi hình dạng của tín hiệu ra so với tín hiệu vào của

mạch Tín hiệu khuếch đại trong mạch bị méo dạng do nhiều nguyên nhân gây ra như L, C, BJT, do tín hiệu vào quá lớn, do nhiễu… Độ méo phân thành nhiều loại:

– Méo phi tuyến: đối với bộ khuếch đại lý tưởng thì khi tín hiệu vào là hình sin

thì tín hiệu ra cũng là hình sin Các bộ khuếch đại trong thực tế thường không đảm bảo được điều này, nghĩa là tín hiệu qua mạch không hoàn toàn là hình sin nữa Nguyên nhân gây ra hiện tượng này là do bộ khuếch đại có chứa các thành phần phi tuyến như BJT…đều có đặc tuyến là đường cong và các đặc tính khuếch đại phi tuyến gây ra sái dạng tín hiệu ngõ ra

– Méo tần số : là dạng méo xuất hiện do hệ số khuếch đại thay đổi khi tần số tín

hiệu thay đổi gây nên sự biến đổi âm sắc Nguyên nhân là do L, C từ mạch khuếch đại

– Méo pha: là do sự dịch góc pha ban đầu của tín hiệu ra so với tín hiệu vào

.Méo pha có không gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng âm thanh

– Mép xuyên tâm: Do điện áp qua mối nối B-E của một transistor phải đạt đến

mức nào đó xác định (0.7v) trước khi có dòng base vào, nhờ đó dòng

collector sẽ chạy qua Kết quả tín hiệu lái được đưa vào transistor lớp B phải đạt được một mức cực tiểu nhất định trước khi dòng collector của nó nằm trong vùng tích cực Hiện tượng này là nguyên nhân chính

2.4 Dãi rộng và tạp nhiễu:

– Độ lợi của bộ khuếch đại không chỉ phụ thuộc vào tần số mà còn phụ thuộc

vào biên độ và cường độ của tín hiệu vào Nếu điện áp quá giới hạn cho phép

sẽ gây quá tải cho tầng khuếch đại , nếu điện áp vào quá ngõ thì tạp nhiễu sẽ xuất hiện ở ngõ ra , tap âm nhiễu này bao gồm tạp âm nhiệt của linh kiện thụ động và tạp âm nội của linh kiện phi tuyến như BJT, FET… nếu không có tín hiệu vào thì ngõ ra sẽ có tạp âm riêng của tầng khuếch đại

– Tỉ số giữa giá trị cực đại và cực tiểu của điện áp vào gọi là dãi động của tín

V

V

– Như vậy bộ khuếch đại sẽ không thể khuếch đại điện áp nhỏ hơn giátrị cực

tiểu của tín hiệu vào bởi vì điện áp nhỏ V IN(min) thì tạp nhiễu của tầng khuếch

đại sẽ lấn áp Do đó người ta đưa tỉ số S/N để đánh giá chất lượng của bộ khuếch đại , tỉ số S/N càng nhỏ càng tốt

 S(signal): công suất tín hiệu

 N(noise): công suất nhiễu

2.5 Tổng trở vào (ZIN):

Để tín hiệu không bị suy giảm thì tổng trở vào phải có giá trị đủ lớn : Z IN

≥10RS Với RS là điện trở nối tiếp của nguồn tín hiệu vào

2.6 Tổng trở ra (ZOUT):

ZOUTlà điện trở nối tiếp với nguồn phát tín hiệu ra Để tín hiệu không bị suy

giảm thì tổng trở ra phải có giá trị đủ nhỏ so với tải : R L ≥10 ZOUT.Với RL là điện trở tải

2.7 Công suất danh định :là công suất lớn nhất mà mạch cung cấp cho tải theo

đúng yêu cầu thiết kế

2.8 Hiệu suất của mạch khuếch đại (η ) :

Hiệu suất của bộ khuếch đại công suất được định nghĩa là tỉ số giữa công suất tín hiệu tung bình được phân phối trên tải với công suất trung bình được kéo từ nguồn DC:

%100.(%)

CC

L P

P

=

η

Với : PL là công suất tín hiệu tung bình được phân phối trên tải

PCC là công suất trung bình được kéo từ nguồn dc

Chương 3 KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC – BJT

3.1 Transistor mắc theo kiểu E chung:

Mạch mắc theo kiểu E chung có cực E đấu trực tiếp xuống mass hoặc đấu qua

tụ xuống mass để thoát thành phần xoay chiều, tín hiệu đưa vào cực B và lấy

ra trên cực C, mạch có sơ đồ như sau :

Rg : là điện trở ghánhRđt : Là điện trở định thiênRpa : Là điện trở phân áp

Hình: 2

Mạch khuyếch đại điện áp mắc kiểu E chung, tín hiệu đưa vào cực B và lấy ra trên cực C

 Đặc điểm của mạch khuyếch đại E chung

 Mạch khuyếch đại E chung thường được định thiên sao cho điện ápUCE khoảng 60% ÷ 70 % Vcc

 Biên độ tín hiệu ra thu được lớn hơn biên độ tín hiệu vào nhiều lần, như vậy mạch khuyếch đại về điện áp

 Dòng điện tín hiệu ra lớn hơn dòng tín hiệu vào nhưng không đáng kể

 Tín hiệu đầu ra ngược pha với tín hiệu đầu vào : vì khi điện áp tín hiệu vào tăng => dòng IBE tăng => dòng ICE tăng => sụt áp trên Rg tăng => kết quả là điện áp chân C giảm , và ngược lại khi điện áp đầu vào giảm thì điện áp chân C lại tăng => vì vậy điện áp đầu ra ngược pha với tín hiệu đầu vào Mạch mắc theo kiểu E chung như trên được ứng dụng nhiều nhất trong thiết bị điện tử

3.2 Transistor mắc theo kiểu C chung :

Hình: 3 – Mạch mắc theo kiểu C chung có chân C đấu vào mass hoặc dương nguồn Lưu ý : về phương diện xoay chiều thì dương nguồn tương đương với mass, tín hiệu được đưa vào cực B và lấy ra trên cực E.

– Mạch mắc kiểu C chung , tín hiệu đưa vào cực B và lấy

ra trên cực E

 Tín hiệu đưa vào cực B và lấy ra trên cực E

 Biên độ tín hiệu ra bằng biên độ tín hiệu vào : Vì mối

BE luôn luôn có giá trị khoảng 0,6 V do đó khi điện áp chân B tăng bao nhiêu thì áp chân C cũng tăng bấy nhiêu => vì vậy biên độ tín hiệu

ra bằng biên độ tín hiệu vào

 Tín hiệu ra cùng pha với tín hiệu vào : Vì khi điện áp vào tăng => thì điện áp ra cũng tăng, điện áp vào giảm thì điện áp ra cũng giảm

 Cường độ của tín hiệu ra mạnh hơn cường độ của tín hiệu vào nhiều lần : Vì khi tín hiệu vào có biên độ tăng => dòng IBE sẽ tăng => dòng ICE cũng tăng gấp β lần dòng IBE vì ICE = β.IBE giả sử Transistor có hệ số khuyếch đại β = 50 lần thì khi dòng IBE tăng 1mA

=> dòng ICE sẽ tăng 50mA, dòng ICE chính là dòng của tín hiệu đầu ra, như vậy tín hiệu đầu ra có cường độ dòng điện mạnh hơn nhiều lần so với tín hiệu vào

 Mạch trên được ứng dụng nhiều trong các mạch khuyếch đại đêm (Damper), trước khi chia tín hiệu làm nhiều nhánh , người ta thường dùng mạch Damper để khuyếch đại cho tín hiệu khoẻ hơn Ngoài ra mạch còn được ứng dụng rất nhiều trong các mạch ổn áp nguồn ( ta sẽ tìm hiểu trong phần sau )

3.3 Transistor mắc theo kiểu B chung :

– Mạch mắc theo kiểu B chung có tín hiệu đưa vào chân E và lấy ra trên chân C

, chân B được thoát mass thông qua tụ

– Mach mắc kiểu B chung rất ít khi được sử dụng trong thực tế.

– Mạch khuyếch đại kiểu B chung , khuyếch đại về điện áp và không khuyếch

đại về dòng điện

Hình:4

Chương 4 GHÉP GIỮA CÁC TẦNG KHUẾCH ĐẠI

 Khái niệm về ghép tầng : Một thiết bị điện tử gồm có nhiều khối kết hợp lại, mỗi khối lại có nhiều tầng khuyếch đại được mắc nối tiếp với nhau và khi mắc nối tiếp thường sử dụng một trong các kiểu ghép sau :

– Mạch khuyếch đại đầu từ - có hai tầng khuyếch đại được ghép với nhau qua

tụ điện Ở trên là sơ đồ mạch khuyếch đại đầu từ, mạch gồm hai tầng khuyếch đại mắc theo kiểu E chung, các tầng được ghép tín hiệu thông qua tụ điện, người ta sử dụng các tụ C1 , C3 , C5 làm tụ nối tầng cho tín hiệu xoay chiều đi qua và ngăn áp một chiều lại, các tụ C2 và C4 có tác dụng thoát thành phần xoay chiều từ chân E xuống mass, C6 là tụ lọc nguồn

– Ưu điểm của mạch là đơn giản, dễ lắp do đó mạch được sử dụng rất nhiều

trong thiết bị điện tử, nhược điểm là không khai thác được hết khả năng khuyếch đại của Transistor do đó hệ số khuyếch đại không lớn

– Ở trên là mạch khuyếch đại âm tần, do đó các tụ nối tầng thường dùng tụ hoá

có trị số từ 1µF ÷ 10µF

– Trong các mạch khuyếch đại cao tần thì tụ nối tầng có trị số nhỏ khoảng vài

nanô Fara

4.2 Ghép tầng bằng biến áp.

Hình: 6

Ở trên là sơ đồ mạch trung tần sử dụng các biến áp ghép tầng, tín hiệu đầu ra của tầng này được ghép qua biến áp để đi vào tầng phía sau

– Ưu điểm: phối hợp được trở kháng giữa các tầng do đó khai thác được tối ưu

hệ số khuyếch đại , hơn nữa cuộn sơ cấp biến áp có thể đấu song song với tụ

để cộng hưởng khi mạch khuyếch đại ở một tần số cố định

– Nhược điểm : nếu mạch hoạt động ở dải tần số rộng thì gây méo tần số, mạch

chế tạo phức tạp và chiếm nhiều diện tích

4.3 Ghép tầng trực tiếp

Kiểu ghép tầng trực tiếp thường được dùng trong các mạch khuyếch đại công xuất âm tần Mạch khuyếch đại công xuất âm tần có đèn đảo pha Q1 được ghép trực tiếp với hai đèn công xuất Q2 và Q3

Hình: 7

Chương 5 KHUẾCH ĐẠI HỒI TIẾP

5.1 Khái niệm.

– Về cơ bản, hồi tiếp là việc ghép một phần tín hiệu (áp hoặc dòng) từ ngõ ra của một mạng tứ cực tích cực (thường là mạch khuếch đại A o) về lại ngõ vào của chính mạng này thông qua một mạng tứ cực khác (gọi là mạch hồi tiếp β)

vs : tín hiệu vào

vo : tín hiệu ra

khuếch đại

hồi tiếp

Hình:8Ao: độ lợi của bản thân mạch khuếch đại (khi chưa có mạch hồi tiếp β) và còn

gọi là độ lợi vòng hở (Open-loop gain)

Aof: độ lợi toàn mạch (bao gồm cả mạch hồi tiếp β) và còn gọi là độ lợi vòng kín (Closed- loop gain)

– Các biểu thức liên hệ :

5.2 Phân loại và công dụng.

– Hồi tiếp âm : người ta phân thành 2 loại : hồi tiếp âm 1-chiều (DC) và hồi

tiếp âm xoay chiều (AC) Hồi tiếp âm DC dùng để ổn định chế độ làm việc của

bộ khuếch đại, còn hồi tiếp âm AC dùng để ổn định, nâng cao chất lượng và cải thiện các tham số của bộ khuếch đại theo mong muốn (như tăng tổng trở vào, mở rộng băng thông, giảm méo, triệt nhiễu, )

– Hồi tiếp dương : Hồi tiếp dương thường tăng cường tính mất ổn định của bộ

khuếch đại và do đó nó được sử dụng để tạo dao động

– Có 4 loại hồi tiếp :

 Hồi tiếp Điện áp - Nối tiếp (voltage - series) : lấy mẫu điện áp ở ngõ ra vo và đưa điện áp hồi tiếp vf về ghép nối tiếp với điện áp ngõ vào vi của bản thân bộ

và đưa dòng điện hồi tiếp if về ghép nối tiếp với dòng điện ngõ vào i i của bản thân bộ khuếch đại

 Hồi tiếp Điện áp - Song song (voltage - shunt) : lấy mẫu điện áp ở ngõ ra v o

và

đưa điện áp hồi tiếp vf về ghép song song với điện áp ngõ vào vi của bản thân

bộ khuếch đại

 Hồi tiếp Dòng điện - Song song (current - shunt): lấy mẫu dòng điện ở ngõ ra

io và đưa dòng điện hồi tiếp if về ghép song song với dòng điện ngõ vào ii của bản thân bộ khuếch đại

Chương 6 KHUẾCH ĐẠI VI SAI

- Một mạch khuếch đại vi sai căn bản ở trạng thái cân bằng có dạng:

Hình: 9

- Có 2 phương pháp lấy tín hiệu ra:

 Phương pháp ngõ ra vi sai: Tín hiệu được lấy ra giữa 2 cực thu

 Phương pháp ngõ ra đơn cực: Tín hiệu được lấy giữa một cực thu và mass

- Mạch được phân cực bằng 2 nguồn điện thế đối xứng (âm, dương) để có các điện thế ở cực nền bằng 0 volt

- Người ta phân biệt 3 trường hợp:

6.1 Tín hiệu vào cùng biên độ và cùng pha (v1 = v2 ) :

6.2 Tín hiệu vào có dạng vi sai :

- Lúc này v1 = -v2 (cùng biên độ nhưng ngược pha)

 Thành phần chung được khuếch đại bởi AC (ngỏ ra đơn cực) còn thành phần

vi sai được khuếch đại bởi A vs

 Thông thường |A VS| >>|A C|

 Lựa chọn thật kỹ linh kiện

 Giữ dòng điện phân cực nhỏ để sai số về điện trở tạo ra điện thế vi sai nhỏ

 Thiết kế CMRR (tỉ số nén đồng pha) có trị số thật lớn

CMRR= Avs: Độ lợi điện áp vi sai

Av: Độ lợi điện áp đồng pha

 Thêm biến trở R'E để cân bằng dòng điện phân cực

 Chế tạo theo phương pháp vi mạch

Av Avs

Chương 7 KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

7.1 PHÂN LOẠI CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT.

Tùy theo chế độ làm việc của transistor, người ta thường phân mạch khuếch đại công suất ra thành các loại chính như sau:

7.1.1 Khuếch đại công suất loại A:

Tín hiệu được khuếch đại gần như tuyến tính, nghĩa là tín hiệu ngõ ra thay đổi tuyến tính trong toàn bộ chu kỳ 360o của tín hiệu ngõ vào (Transistor hoạt động cả 2 bán kỳ của tín hiệu ngõ vào)

* Ưu điểm:

– Khuếch đại cả 2 bán kỳ của tín hiệu – Tín hiệu ít bị méo dạng.

* Khuyết điểm:

– Hiệu suất thấp:η ≤25%nếu dùng tải

là R và η ≤50% nếu dùng tải là biến

áp

– Công suất tiêu hao lớn

Hình:11

7.1.2 Khuếch đại công suất loại B:

Transistor được phân cực tại V BE=0 (vùng ngưng) Chỉ một nửa chu kỳ âm hoặc dương của tín hiệu ngõ vào được khuếch đại

* Ưu điểm:

– Hiệu suất cao η ≤78,54%

– Ở chế độ tĩnh không có tiêu thụ điện áp nên không có tổn hao trên transistor

7.1.3 Khuếch đại công suất loại AB:

Transistor được phân cực ở vùng ngưng Tín hiệu ngõ ra thay đổi hơn một

Đặc điểm:

– Kết hợp cả 2 đặc tính của chế độ loại A và B nên khắc phục được nhược

điểm của chế độ loại A lẫn loại B

– Hiệu suất khá cao η ≤70%

7.1.4 Khuếch đại công suất loại C:

Hình:14

Transistor được phân cực trong vùng ngưng để chỉ một phần nhỏ hơn nửa chu

kỳ của tín hiệu ngõ vào được khuếch đại Mạch này thường được dùng khuếch đại công suất ở tần số cao với tải cộng hưởng

* Ưu điểm:

Hiệu suất cao η ≤90%

* Khuyết điểm: Méo phi tuyến lớn (70%) Để hạn chế méo, tải phải là khung

cộng hưởng ghép LC