CHAPTER POWER AMPLIFIER MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

BJT CÔNG SUẤT• Do sự khác nhau trong kích thước vật lý và mật độ tạp chấttrong chất bán dẫn nên các thông số của nó khác so với những transistor hoạt động với tín hiệu nhỏ.. • Công suất

MẠCH KHUẾCH ĐẠI

CÔNG SUẤT

I GIỚI THIỆU- ĐỊNH NGHĨA

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

GIỚI HẠN:

 Các mạch KĐ công suất khác: có nhiều mạch

KĐ công suất khác như G, H, S…Hầu hết chúng là biến thể của mạch KĐ công suất chế độ AB, tuy nhiên chúng cho hiệu suất rất cao được sử dụng cho những thiết kế có công suất ngõ ra lớn Nhưng trong chương này chúng ta chủ yếu chỉ khảo sát ba dạng cơ bản dùng trong mạch

KĐ công suất tín hiệu âm tần là A, B và AB.

I I - TRANSISTOR CÔNG SUẤT:

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

BJT CÔNG SUẤT

• Do sự khác nhau trong kích thước vật lý và mật độ tạp chấttrong chất bán dẫn nên các thông số của nó khác so với

những transistor hoạt động với tín hiệu nhỏ

Cấu trúc của BJT công suất

BẢNG 2.1: BẢNG SO SÁNH CÁC THÔNG SỐ CỦA BJT CÔNG SUẤT VÀ BJT TÍN HIỆU NHỎ:

Các thông số BJT tín hiệu

nhỏ (2N2222A)

BJT công suất (2N3055) BJT công suất (2N6078)

GIỚI HẠN DÒNG, ÁP VÀ CÔNG SUẤT

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

• Công suất tiêu tán trên BJT là:

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

• Từ công thức trên suy ra công suất tiêu tán trung bình củaBJT trong một chu kì của tín hiệu là:

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

2 MOSFET COÂNG SUAÁT

Caáu truùc cuûa transistor FET coâng suaát: a VMOS; b

DMOS; c HEXFET.

BẢNG LIỆT KÊ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA HAI MOSFET

CÔNG SUẤT KÊNH N

400220

TẢN NHIỆT (HEAT SINKS)

• 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:

TẢN NHIỆT TRONG

TRANSISTOR CƠNG SUẤT

• Để chọn được tấm tản nhiệt đúng yêu cầu chúng ta phải biếtđược các thông số nhiệt của transistor và sự liện quan củacác thông số này với công suất tiêu tán

TẢN NHIỆT TRONG

TRANSISTOR CƠNG SUẤT

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

*Hệ số suy giảm

• Khi đó nếu sử dụng một tấm tản nhiệt tốt có thể chophép transistor hoạt động được với công suất tiêu táncực đại Để thiết kế chọn tấm tản nhiệt phù hợp vớitransistor, chúng ta phải xét đến thông số nhiệt trở

(0C/W) Nhiệt độ trên một phần tử có nhiệt trở là

III MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHẾ ĐỘ A:

1 M ẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP TRỰC TIẾP

 Phân cực DC:

B

CC B

CE V I R

 Sự biến thiên tín hiệu ra theo tín hiệu vào có dạng sin

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHẾ ĐỘ A

 Công suất ngõ ra:

8 2

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

O

i v

i

v ac

c ce

O ac v i

P ( ) 

CQ CC

P ( ) 

%

100 )

ac P

i

O



• Công suất nguồn cung cấp:

• Hiệu suất của mạch:

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHẾ ĐỘ A

 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:

 Trường hợp đặc biệt nếu điểm làm việc tĩnh Q

của transistor nằm giữa đường tải ac thì :

Công suất tiêu tán trên transistor:

) (

) ( dc P ac P

2

CC CEQ

V

C

CC CQ

R

V I

2



MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHẾ ĐỘ A

CC p

p C

R

V ac

P

8

)) (

CC i

R

V I

V dc

P

2

)) (

Vậy hiệu suất cực đại của mạch là:

%25

%

100))

(max(

))(

max(

%)

dc P

ac P

2 MẠC KĐCS LỚP A GHÉP LC:

 Để cung cấp ra tải một công suất lớn thông thường đòi hỏidòng và áp lớn Vì vậy trong mạch CE điều này yêu cầuthay RC bằng một cuộn dây để giảm tiêu hao trên RC Cuộndây này bị ngắn mạch đối với dòng dc nhưng hở mạch vớitín hiệu ac tại những tín hiệu có tần số cao

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHẾ ĐỘ A

 Nếu điện trở RE rất nhỏ có thể bỏ qua và để tầm dao động

của tín hiệu ngõ ra đạt cực đại, thì điểm làm việc Q có :

CQ O

R

V R

I ac

P

2 2

2

1 2

1 ))

CC i

R

V I

V dc

(

)) (

max(

%)

dc P

ac P

3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI CS 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 củađiện áp nguồn cung cấp VCC và điện trở tải RL Vì thế có thểthay điện trở tải bằng cách sử dụng một máy biến áp có tỉ sốvòng dây quấn sơ cấp và thứ cấp thích hợp

Đ ƯỜNG TẢI AC VÀ DC

Xét điểm làm việc Q nằm giữa

R a

Vậy công suất ngõ ra cực đại là:

L

CC L

L

CC L

C L

L O

R a

V R

a R

a

V R

ai R

i ac

2 2

2 4

2 2

2

2 2

1 )

( ))

CC i

R a

V I

V dc

(

)) (

max(

%)

dc P

ac P

IV MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHẾ ĐỘ B

Mạch khuếch đại công suất chế độ B có đặc điểm là transistorcó điểm làm việc nằm trong vùng tắt, có nghĩa là transistor chưađược phân cực

Do đó nó chỉ dẫn điện trong một nữa chu kì của tín hiệu, trongnữa chu kì này điện áp tín hiệu vào sẽ phân cực thuận chotransistor

MẠCH KĐCS CHẾ ĐỘ AB

4.1 MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẨY KÉO CÔNG SUẤT CHẾ ĐỘ AB GHÉP BIẾN ÁP:

ĐẶC TUYẾN TẢI AC

Đường tải ac và dc của transistor Q1 và Q2

Mạch KĐCS chế độ AB

Coâng suaát nguoàn cung caáp:

DC CC

i dc V I

P ( ) 

(max)

(max) (max)

1 2

1

2

c

ìc c

DC DC

CE L

L O

R a

v R

a

v R

v ac

2 2 2

2 1

2

)

Mạch KĐCS chế độ AB

KHI TẦM DAO ĐỘNG TÍN HIỆU RA ĐẠT CỰC ĐẠI KHI ĐÓ

:

L

CC O

R a

V ac

22

)) (

L

CC i

R a

V dc

P



2

22 ))

(

%54.78

%

1004

%

100))

(max(

))(

max(

%)

dc P

ac P

i O

Vậy hiệu suất cực ại của mạch khuếch đại công suất

chế độ AB có thể lên đến 78,5%

Mạch KĐCS chế độ AB

4.2 MẠCH ĐẢO PHA TÍN HIỆU:

Trong mạch KĐ công suất đẩy kéo do hai transistor phải dẫnluân phiên nhau trong một chu kí của tín hiệu, mỗi transistordẫn trong một bán kì vì vậy phải sử dụng thêm một mạch đảopha để đảo pha tín hiệu trước khi cung cấp tín hiệu cho mạch

KĐ công suất đẩy kéo

Các dạng mạch đảo pha thường được sử dụng

MẠCH ĐẢO PHA TÍN HIỆU

4.3 H IỆN TƯỢNG MÉO XUYÊN TÂM TRONG MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ĐẨY KÉO CHẾ ĐỘ AB:

 Mặc dù mạch KĐ công suất chế độ B cho hiệu suất cao hơnnhiều mạch KĐ công suất chế độ A nhưng tín hiệu ra bị

méo, đặc biệt khi mức tín hiệu vào nhỏ tín hiệu ra sẽ bị méoxuyên tâm (crossover distortion)

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHẾ ĐỘ AB

CROSS DISTORTION ( MÉO XUYÊN TÂM )

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHẾ ĐỘ AB OCL :

 Mạch KĐ công suất chế độ AB là mạch KĐ được kết hợpnhững ưu điểm của mạch KĐ công suất chế độ B và A.Mạch có hiệu suất cao của mạch chế độ B và tín hiệu ra ítméo của chế độ A (OCL)

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHẾ ĐỘ AB OTL

 Trong mạch KĐ công suất đẩy kéo do mỗi transistor dẫntrong một bán kì nên phải sử dụng một tầng đảo pha, đểgiảm bớt tầng này người ta sử dụng hai transistor bổ phụ (làhai transistor có cùng thông số đặc tính nhưng khác loại) vàđể thay biến áp xuất âm ở ngõ ra người ta dùng nguồn đôi(OCL)

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHẾ ĐỘ AB OTL

Để sử dụng nguồn cung cấp đơn thay cho nguồn đôi của mạchOTL, người ta dùng thêm một tụ xuất âm

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHẾ ĐỘ AB OTL

P HÂN TÍCH MẠCH VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

 Điện trở R1, R2, diode D1, D2: tạo phân cực trước cho trans Q1, Q2

 Các dạng khác:

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CHẾ ĐỘ C,D,S

40

BÀI TẬP VỀ NHÀ

 Học và đọc thêm các mạch OTL, OCL

 Tính toán công suất ngõ ra trên tải

 Tính mạch phân cực của các mạch KĐCS A,B

Thiết kế file Powerpoint cho các mach ứng dụng của KĐCS

41

HAVE A NICE DAY

www.themegallery.com