Khuếch đại Điện tử , chương 4.4

118 Công suất P C là công suất đốt nóng colectơ của tranzisto, là hiệu giữa công suất tiêu thụ nguồn P 0 và công suất xoay chiều P~. P C = P 0 - P ~ , = 0 ~ P P ; P C = P 0 - P ~ = P 0 (1 - 0 ~ P P ) = P 0 (1 - ) = P ~ ( C ~~ ~ P hayP )( P) P P . Nh- vậy công suất luôn gắn liền với hiệu suất , càng nâng cao hiệu suất thì công suất xoay chiều ra càng lớn. 4.12.1. Tầng khuếch đại công suất đơn dùng biến áp làm việc ở chế độ A. Sơ đồ nguyên lý trình bày trên hình 4.41 Trong sơ đồ này thực tế nguồn U CC đặt toàn bộ lên colectơ của tranzisto vì điện trở thuần r đối với dòng một chiều I C 0 là khá nhỏ. Điện trở tải R t phản ánh sang cuộn sơ cấp của biến áp ra thành n R t R 2 t , , n là hệ số biến áp n = W W 1 2 ; W 1 , W 2 - số vòng của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Khi làm việc ở chế độ A biên độ dòng ra I mC nhỏ hơn dòng một chiều I C0 , biên độ điện áp ra U mC nhỏ hơn U C0 nên , nhỏ hơn 1, tức là hiệu suất < 50% ( theo lý thuyết). Thực tế hiệu suất chỉ đạt vài phần trăm vì nếu tăng hiệu suất thì méo sẽ tăng. Hiệu suất thấp là nh-ợc điểm cơ bản của chế độ A, vì vậy ở các tầng công suất chế độ này ít đ-ợc sử dụng. Méo tần số trong tầng ngoài những lý do đã xét trong khuếch đại điện trở, còn một nguyên nhân là biến áp. Để tăng tần số giới hạn trên cần giảm điện cảm tiêu tán của biến áp, còn để mở rộng ở vùng tần số thấp cần tăng điện cảm cuộn sơ cấp của biến áp ra. Méo phi tuyến cũng gây nên do lõi sắt từ của biến áp làm việc ở miền bão hoà từ. Ta xét các quan hệ cụ thể trong tầng khuếch đại công suất đơn có biến áp hình 4.41 theo đồ thị đặc tuyến ra t-ơng tự nh- khuếch đại điện trở vì cùng làm việc ở chế độ A. (Hình 4.42). Đồ thị trình bày ph-ơng pháp 3 mặt phẳng phân tích khuếch đại .Từ đồ thị đặc tuyên ra ta thấy đ-ờng tải một chiều qua điểm 0 và điểm U 0 rất dốc, hầu nh- thẳng đứng vì tải một chiều là điện trở thuần của cuộn sơ cấp biến áp khá nhỏ. Phía trái là đồ thị dòng colectơ biến thiên hình sin ,phía d-ới là đồ thị điện áp coletơ biến thiên hình sin .Tải xoay chiều quay về cuộn sơ cấp của biến áp là: r t~ = r 1 + n 2 ( R t + r r ) n 2 R t (4.103) Trong đó r 1 , r 2 - điện trở thuần ( dây cuốn) cuộn sơ và cuộn thứ của biến áp, Hình 4.41 khuếch đại công suất biến áp làm việc ở chế độ A U r R R R C E 1 1 2 U cc + U R C v L _ C n E t 119 n= W W 1 2 , hệ số biến áp, W 1 , W 2 - số vòng dây cuộn sơ và cuộn thứ của biến áp. Để chọn toạ độ tĩnh I C0 , U C0 phải xác định đ-ợc U Cm , I Cm . Các tham số xác định nh- sau: công suất xoay chiều P ~ trên cuộn sơ cấp của biến áp ( trong mạch colectơ của tranzistor) là: P ~ = ba t P ( 4.104) ba = 0,8 0,95 - hiệu suất của biến áp. Tín hiệu ra coi là hình sin thì: ).( t Rn U ~t R U ~t R U cm I cm U ~ P Cm C 1054 2 2 2 2 2 2 2 Cm Từ đó: tt bacm t~ Cm R.P .U RP U 22 22 (4.106) Chọn U Cm theo trị số điện áp d- U CE sao cho U CE0 U CC , từ đó xác định I Cm = U Cm / ( n 2 R t ). Sau khi tìm đ-ợc điểm công tác tĩnh U CE0 U C , I Cm I C 0 thì dựng đ-ờng tải động với góc nghiêng : C CE ~t I U R Chọn tranzistor phải chú ý đến các đIều kiện sau: I C cho phép > I C 0 + I Cm ( 4.107) U CE cho phép > U CE0 + U Cm 2U CC ( 4.108) P C cho phép > P C = U C 0 . I C 0 ( 4.109) Theo hình (4.42) thì : 2 CmCm ~ IU P chính là diện tích tam giác OQH. Theo I C 0 tìm I B0 rồi tính R 1 , R 2 nh- mục 4.5. Hiệu suất của tầng khuếch đại = c . ba ; c - hiệu suất của mạch colectơ. ở chế độ A khi không có tín hiệu P ~ = 0 thì P C = P 0 nên cần chọn chế độ nhiệt của tranzistor theo P 0 để bảo đảm tranzistor không bị h-. 4.12.2. Khuếch đại công suất đẩy kéo có biến áp Hình 4.42 Đặc tuyến ra của KĐ đơn biến áp Ucm Ucm Ucmax o Q H Ic Icm Icm Uc0 120 Để tăng hiệu suất của tầng thì không thể để tranzistor làm việc ở chế độ A mà làm việc ở chế độ B hoặc chế độ AB. Khi làm việc ở chế độ B thì nếu tín hiệu đầu vào bằng không thì dòng colectơ sẽ bằng không, nên lúc này công suất P O tiêu hao nguồn sẽ bằng không, hiệu suất tăng. Tuy nhiên làm việc ở chế độ B hoặc AB tín hiệu ra chỉ tồn tại trong một phần của chu kỳ nên méo phi tuyến lớn. Để giảm méo dùng hai tranzistor mắc đẩy kéo.Xét sơ đồ nguyên lý hình 4.43a. ở đây biến áp BA 1 là biến áp đảo pha ,tạo ra hia điẹn áp có biên độ nh- nhau nh-ng ng-ợc pha để kích vào bazơ của hai tranzistor. BA 2 là biến áp ra. Hai tranzisto T 1 và T 2 mắc đẩy kéo. Mạch colectơ của mỗi mạch tranzisto mắc với một nửa cuộn sơ cấp của biến áp ra. Tỷ số biến áp ra là n 2 = w 1 /w 2 = w 1 '/ w 2 ( w 1 = w 1 '). Nếu tầng làm việc ở chế độ AB thì R b1 , R b2 đảm bảo thiên áp cho chế độ này.Nếu tầng làm việc ở chế độ B không cần định thiên ; R b1 , R b2 lúc này có tác dụng để bảo đảm công tác cho mạch vào của tranzisto trong chế độ gần với chế độ nguồn dòng. Xét sơ đồ làm việc ở chế độ B. Khi không có tín hiệu vào thì điện áp trên bazơ của cả hai tranzisto so với emitơ đều bằng không. Nếu ta bỏ qua dòng ng-ợc colectơ thì có thể coi dòng điện trong tầng bằng không, điện áp trên tải cũng bằng không. Trên colectơ của mỗi tranzistor có điện áp xấp xỉ bằng E 0 . Khi có tín hiệu vào, giả sử nửa chu kỳ đầu là d-ơng thì T 1 sẽ thông và khuếch đại, T 2 tiếp tục đóng. Trên cuộn w 1 sẽ tạo nên đIện áp U w1 = i C1 . R t~ = i C1 .n 2 2 .R t = .i B1 .n 2 2 .R t . Trên tải R t sẽ có điện áp ra U r = U w1 /n 2 . Khi tín hiệu chuyển sang nửa chu kỳ âm thì T 1 đóng lại, T 2 thông và khuếch đại, i C2 = i B2 . Điện áp trên w 1 ' cùng trị số với U w1 nếu hai tranzisto hệt nhau, ng-ợc pha nên tạo nên tải điện áp ở bán chu kỳ âm. Hình 4.43b mô tả một nửa chu kỳ của một tranzisto. Đ-ờng tải xoay chiều với R t~ = n 2 2 .R t đ-ợc dựng tại điểm U CE0 = E 0 và I C 0 = I 0 0. Từ đó ta có: P ~ = 1/2U Cm .I Cm mc I. mc U ba ~ P bat P (4.112) Trị số trung bình của dòng tiêu thụ nguồn I O xác định theo thành phần một chiều của chuỗi Furie trong một nửa chu kỳ: Cm Cm I dsinIII TBC (4.113) Công suất nguồn tiêu thụ P 0 là: E.I E.IP mc o (4.114) Hiệu suất của mạch colectơ là : 0 4 2 2 E U . EI / I.U P P cmocmcmcm o ~ c (4.115) 121 Hiệu suất của cả tầng khuếch đại là: o cm babac E U . 4 22 (4.116). Nếu chọn điện áp d- U CE càng nhỏ thì hiệu suất càng lớn. Nếu coi ba2 1 , U C E O thì = 785,0 4 . Thực tế đạt 0,6 0,7, lớn gấp 1,5 lần so với tầng khuếch đại đơn. Công suất tiêu tán trên colectơ của tranzistor ]UU E [ R UI E.I PPP cmcm ~t CmCm oCm ~oc 2 2 1021 2 1 2 T1 Ib T2 U BE i b (t) a) T1 Ib T2 U BE b) i b (t) Hình4.44 Đặc tuyến của khuếch đại đẩy kéo a) chế độ B b) chế độ AB 122 (1.117) Theo (4.117) thì công suất tiêu tán phụ thuộc vào U Cm . Lấy đạo hàm (4.117) theo U Cm tìm cực ta có P Cmax đạt khi U Cm = U Cm * = 2E O / = 0,64E O và: t o maxc R E . P (4.118) Cần chú ý là không thể chỉ chọn tranzisto theo công suất mà phải chọn theo cả điện áp. Biên độ điện áp trên cuộn sơ cấp U Cm E O nên điện áp ng-ợc đặt lên tranzisto đang khoá là E O + U Cm 2E O . ở chế độ B ,theo lý thuyết, không cần đặt thiên áp cực B, tức là U BE 0 = 0. Tuy nhiên đoạn đầu của đặc tuyến vào của tranzistor là đoạn không tuyến tính ( khi dòng bazơ nhỏ) nên méo phi tuyến tăng, gọi là méo gốc ( hình 4.44a). ở đây là đặc tuyến vào của hai tranzistor vẽ chung trên một đồ thị. Từ hình 4.44a ta thấy nếu u V là hình sin thì i B không phải là hình sin khi i B gần gốc toạ độ, vì vậy dòng i C cũng sẽ khác dạng hình sin. ở chế độ A hiện t-ợng này không có vì dòng i B tĩnh đủ lớn để loại bỏ đoạn gốc toạ độ. Muốn giảm méo gốc phải chuyển sang làm việc ở chế độ AB bằng cặp điện trở định thiên R 1 R 2 . Đặc tuyến vào của hai tranzistor có định thiên U BO vẽ chung đồ thị hình4.44b. ở đây chọn U BO , I BO và I CO khá nhỏ nên mọi công thức ở chế độ B đúng cho chế chế độ AB. 4.11.3.Khuếch đại công suất đẩy kéo không biến áp. Trong các sơ đồ khuếch đại công suất đã xét dùng biến áp để phố hợp trở kháng tải với tranzisto để có công suất ra lớn , hiệu xuất cao. Nếu tranzisto có hỗ dẫn S lớn thì có thể mắc tải trực tiếp vào colecto của tranzisto(trở kháng tải có thể nhỏ tới mức chỉ vài ôm),nghĩa là không cần biến áp.Mạch khuếch đại không biến áp đơn th-ờng mắc theo sơ đồ lặp emitơ để dễ phối hợp trở kháng.Trở kháng ra của mạch lặp emitơ cỡ 1/S ;khi S đủ lớn có thể mắc tải khá nhỏ.Tuy nhiên nếu công suất ra cỡ vài chục đến vài trăm mW trở lên thì không nên mắc lặp emitơ vì mạch này có hiệu xuất nhỏ.Các mạch khuếch đại không biến áp th-ờng mắc theo sơ đồ đẩy kéo,làm việc ở chế độ B hoặc AB.Mạch có thể dùng tranzisto khác loại hoặc cùng loại. Để tránh phiền phức khi lựa chọn hoặc thay thế các Tranzitor khác loại nh-ng lại đồng nhất về tham số, có thể sử dụng hai Tranzitor cùng loại nh- hình 4.45a. ở đây có tầng khuếch đại đảo pha trên T 3 tạo ra 2 điện áp cùng biên độ ng-ợc pha để kích thích cho T 1 và T 2 mắc đẩy kéo. ở khuếch đại đẩy kéo, Tranzitor T 1 mắc colectơ chung, tranzitor T 2 mắc Emitơ chung. Từ đây ta thấy dòng Emitơ của T 1 coi xấp xỉ bằn dòng Colectơ của T 2 thì dòng 1 chiều qua điện trở tải R t coi nh- bằng không,tức qua tải chỉ có dòng xoay chiều tần số tín hiệu .Vì vậy có thể mắc nối tiếp với tải mộ tụ C t ,và luc đó có thể dùng một ngùôn và mắc nh sơ đồ hình 4.45b.Trong cả hai sơ đồ này phải có tần khuếch đại đảo pha T 3 . 123 Mạch điện hình 4.45c cũng t-ơng tự nh- mạch hình 4.45b nh-ng tầng khuếch đại đảo pha ở đây không dùng biến áp mà dùng khuếch đại điện trở lấy ra hai điện áp ở cực C và cực E ta gọi t-ơng ứng là U C và U E (so với điểm mát).Với cách lấy ra nh- vậy thì tầng T 3 đ-ợc gọi là tầng đảo pha phân tải.Thật vậy nếu ta chọn R C R E thì điện áp tín hiệu trên R C sẽ có biên độ là U Cm =I Cm .R C ,điện áp trên R E sẽ có biên độ là U Em =I Em R E .Vì I Em I cm nên U Cm U Em ;mặt khác 2 điện áp nay ng-ợc pha (vì điện áp trên cực C ng-ợc pha với điện áp vào,điện áp trên cực E đồng pha với điện áp và ).Nh- vậy tầng dẩo pha phân tải cũng tạo ra 2 điện áp cùng biên độ ng-ợc pha nh- tầng đảo pha có biến áp. Tuy nhiên tầng này không khuếch đại điện áp vì U Em U Vm = U Bm .Hai điện áp từ 2 cực C và E đ-a tới cực B của 2 tranzisto t-ơng ứng c) T T T R R R BA 1 23 b1 b2 a) + E c Hình4 .45 Các sơ đồ khuếch đại công suất đẩy kéo a,b) Sơ đồ nguyên lý khuếch đại đẩy kéo biến áp mắc nguồn riêng và mắc nguồn chung c) Sơ đồ nguyên lý khuếch đại đẩy kéo không biến áp dùng khuếch đại đảo pha phân tải .d,e) Sơ đồ nguyên lý khuếch đại đẩy kéo không biến áp dùng 2 bóng ngược tính _ + _ E c t T T T R R R BA 1 1 2 3 b1 b2 b) + _ E 0 t t C T T T R 1 2 3 t b1 R R R R C E b2 1 + E c _ + _ E c T T T R R R 1 2 3 b1 b2 + _ E 0 t t C b1 R R b2 R R C E n1 n2 C C d) T T T 2 3 b1 R R R R C E b2 e) R 1 2 + _ E 0 t t C 124 qua hai tụ nối tầng C n1 và C n2 .Hai tranzisto T 1 và T 2 đ-ợc định thiên riêng t-ơng ứng bằng R b1 -R b2 và R b1 -R b2 . Mạch ra của T 1 và T 2 cũng mắc nh- mạch hình 4.45b. Mạch điện hình 4.45d là mạch đẩy kéo dùng hai loại bóng khác tính với T 1 là tranzisto ng-ợc,T 2 -thuận,dùng nguồn đối xứng(hai nguồn riêng biệt).Do hai tranzisto khác loại nên chúng cùngđ-ợc kích thích bởi một điện áp lấy từ cực C của tầng T 3 (bazơ T 1 và T 2 với nhau và nối với đầu ra của tầng T 3 ).Mạch ra của sơ đồ này dùng hai nguồn nh- hình 4.45a,tuy nhiên cũng có thể dùng một nguồn-Mạch hình 4,45e.Cần l-u ý là khi mắc nh- vậy thì hai tranzisto phải có tham số và đặc tuyến cơ bản giống nhau. Khi làm việc ở chế độ B thì khi không có tín hiệu vào, cả hai tranzisto đều đóng,điện áp của các colectơ là E 0 /2 (so với mát),dòng qua tải bằng không,sụt áp trên tải cũng bằng không . Khi đ-a vào tín hiệu hình sin thì hai tranzisto sẽ xen kẽ nhau đóng mở , các dòng colectơ sẽ là các dòng hình sin với độ rộng bằng nửa chu kỳ(góc cắt =90 0 ) ;dòng điện trong các tranzisto có chiều ng-ợc nhau,dòng qua tải là tổng nên cũng có dạng hình sin. Trong các mạch khuếch đại công suất không biến áp có thể ổn định nhiệt bằng mạch bù hoặc mạch hồi tiếp âm nh- trong các mạch khuếch đại đã xét. Ng-ời ta dùng điot, tranzitor hoặc điện trở nhiệt để bù nhiệt. Ví dụ hình 4.46 là khuếch đại đẩy kéo với đầu vào của T 1 và T 2 đấu với hai điot D 1 và D 2 vừa định thiên tạo chế độ AB, vừa bù nhiệt. Hai diot này đ-ợc phân cực thuận ,sụt áp trên chúng sẽ đặt điểm công tác cho hai tranzisto.Điện áp phân cực cho T 1 và T 2 để tạo U B0 là điện áp thuận sụt trên D 1 và D 2 , U B1,B2 = (1,11,2)V và có hệ số nhiệt âm(-1mA/ 0 C) để bù lại sự tăng dòng I C 0 theo nhiệt độ. Ngoài ra còn tạo hồi tiếp âm ổn định nhiệt cho T 1 và T 2 .Sự làm việc của sơ đồ này cũng t-ơng tự nh- hình 4.45d. Cuối cùng cần nhấn mạnh rằng,trong các mạch khuếch đại công suất lớn,để tăng khả năng chịu dòng của các tranzisto,các tranzisto công suất có thể đ-ợc mắc song song .Ngoài ra còn lắp cánh toả nhiêt để tang độ bền của tranzisto. T 1 E 01 T 2 E 02 D 1 D 2 R t Hình 4.46 . hình 4. 45b.Trong cả hai sơ đồ này phải có tần khuếch đại đảo pha T 3 . 123 Mạch điện hình 4. 45c cũng t-ơng tự nh- mạch hình 4. 45b nh-ng tầng khuếch đại. tầng khuếch đại công suất đơn có biến áp hình 4. 41 theo đồ thị đặc tuyến ra t-ơng tự nh- khuếch đại điện trở vì cùng làm việc ở chế độ A. (Hình 4. 42).