Đang tải... (xem toàn văn)
Maïch khueách ñaïi coâng suaát ñöôïc phaân loaïi theo daïng soùng hình sin ñi qua cöïc C cuûa transistorI. Coù 4 loaïi chính:.[r]
(1)CHƯƠNG 3:
MẠCH KHUẾCH ĐẠI CƠNG SUẤT ÂM TẦN Giới thiệu
Được thiết kế tải có cơng suất lớn, khơng bị méo trung thực
Mạch khuếch đại công suất phân loại theo dạng sóng hình sin qua cực C transistor Có loại chính:
Khuếch đại công suất lớp A:
Khuếch đại công suất lớp AB:
Khuếch đại công suất lớp B:
Khuếch đại công suất lớp C:
Trong chương nghiên cứu hai dạng mạch thông dụng khuếch đại lớp A khuếch đại lớp B
I Khuếch đại công suất lớp A:
1 Mạch khuếch đại công suất đơn dùng cuộn chặn RFC: Mạch
khuếch đại tín hiệu nhỏ
Mạch khuếch đại
công suất RL
vi
iC IC Q
0
t
t iC
IC Q
0
t iC
IC Q
t iC
0
V C C
(2)a Phân tích mạch:
Do L→ ∞ nên xem ngắn mạch DC hở mạch AC Phân tích DC: (ngắn mạch L)
e b
BEQ BB
CQ
R R
V V I
vaø VCEQ VCC ReICQ
DCLL: VCC vCE iCRe (Rdc = Re)
Phân tích AC: (hở mạch L) Rac = RL
ACLL: ac CE CEQ
CQ
C v V
R I
i
Điều kiện maxswing:
ac CEQ CQ max
CM
R V , I I
CEQ CQ ac max
CM minV ,I R
V
Giả sử: iC Icmsint
Thì iL ILmsint.Icmsint
Tại điểm Qmaxswing: e L
CC dc
ac CC CQ
R R
V R
R V I
CC L e
L ac
CQ
CEQ V
R R
R R
I V
lúc Q trung điểm đường ACLL
L e
CC CQ
max LM max CM
R R
V I
I I
Nếu Re << RL:
Bỏ qua điện áp rơi Re: VCEQ ≈ VCC không phụ thuộc vaøo ICQ
DCLL (-1/Rdc)
ACLL (-1/Rac) ICQ
VCE
Q VCC VCEQ + ICQRac
vCE iC
ac CEQ CQ
R V
I
0
Q
iC
L e
CC CQ
R R
V I
2
DCLL
CE L
C v
R
i 1
V C C
L→∞
C1→∞
C2→∞
Ce→∞ Re
Rb RL
ri ii
VB B
(3)Lưu ý giá trị dòng collector thay đổi từ đến 2ICQ vCE thay đổi từ 2VCC đến
b Tính tốn cơng suất: Ta có:
c L CC c CQ
C i
R V i I
i
c
L i
i
L CC CQ C L
R V I
i i
i
L c cc ce CEQ
CE V v V i R
v
vaø vL iLRL icRL
Nếu dòng điện vào có dạng hình sin: ii Iimsint
thì ic Icmsint
Biên độ dòng ic Icm đạt giá trị ICQ hay Icm ≤ ICQ
Công suất nguồn cung caáp:
L CC CQ CC CC
R V I
V
P
số không phụ thuộc vào dòng tín hiệu vào Công suất tải:
2 R I
R I
P L
2 cm L Lm
L
vì iL = -ic nên ILm = Icm
Cơng suất tiêu tán trung bình cực đại xảy Icm = ICQ L
2 CC L
2 CQ max , L
R
V
R I
P
Công suất tiêu tán cực C:
R I R V P P
P L
2 cm L CC L
CC
C
PC cực tiểu PL đạt cực đại: L CC
, C
R
V
P
PC cực đại khơng có tín hiệu vào:
CQ CEQ L
2 CC max
,
C V I
R V
P
vC E
L e
CC CQ
R R
V I
VC C
CC
L e CC
CEQ V
R R V
V
1
CC
L e
CC V
R R V
2 1
2
(4) Hiệu suất:
2 CQ cm CQ
CC L cm CC
L
I I I
V R I P
P
Hiệu suất đạt cực đại Icm = ICQ:
% 50
max
Hệ số sử dụng (chỉ số chất lượng có ích):
P P
max , L
max , C
Do đó, để cung cấp tải 25W chọn transistor có cơng suất tiêu tán 50W c Đường Hyperbol tiêu tán cực đại:
Các thông số cần thiết chọn transistor cơng suất thiết kế: Phải chịu dịng khoảng 2ICQ
Điện áp chịu đựng VCE ≥ VCC
Tần số hoạt động không nhỏ tần số tín hiệu PC,max = VCEQ.ICQ (1)
Để làm việc an toàn, điểm tĩnh Q phải nằm đường hyperbol Đường tải AC có độ dốc (-1/RL) giao với trục vCE điện áp bé BVCEO giao với trục iC dòng nhỏ iC cực đại
Tức là:
CEO
CC BV
V
2
C CQ maxi
I
2
Để có maxswing đối xứng L CEQ
CQ V
R
I
kết hợp với phương trình (1), điểm tĩnh Q vị trí:
L max , C CQ
R P
I
vaø VCEQ PC,maxRL
Tại điểm Q, độ dốc đường hyperbol là:
P,η
ICQ
Icm 50%
0
L CC
R V
2
L CC
R
V
PC
PL
η
PCC = PC + PL
Sự thay đổi P η theo Icm
iC
vC E
max iC Vùng làm
việc an toàn
PC,max = vCEiC (sau suy giảm) PC,max (trước suy
giaûm)
BVCE O
V C C
L→∞ C1→∞
(5)L CEQ
CQ CE
C
R V
I v
i
Ví dụ 1: Cho mạch hình vẽ: Transistor có PC,max = 4W,
BVCEO = 40V, iCmax = 2A, RL = 10Ω
Xác định điểm Q để công suất tải đạt cực đại Xác định nguồn cung cấp VCC
Vẽ đường có phương trình 10
v v R
1
i CE
CE L
C
, điểm Q giao điểm đường đường PC,max =ICQ.VCEQ =
Từ hình vẽ, ta suy ra:
63 10 ICQ
3 10
VCEQ
Điện áp VCC chọn ≈VCEQ bỏ qua sụt áp Re:
VCC = 6.3V
vCE,max ≈ 12.6V < BVCEQ
Công suất tiêu tán cực đại tải:
2W
2 10 63
R I P
2 L
2 CQ max ,
L
Chọn Re, Rb VBB:
1 R
R b
e
, chọn Re nhỏ để công suất tiêu tán bỏ qua Ta
choïn Re = 1Ω
W P
W I
P C,max CQ
Re
Choïn Rb cho:
10 R
R e
b
Nếu β = 40 Rb ≈ 4Ω
VBB ≈ 0.7 + (0.63)(1) = 1.33V
V C C
Ce→∞ Re
Rb RL
ri ii
VB B
DCLL
ACLL IC , A
vCE , V 12.6
6.3 0.63
1.26
PC, max = 4W
0
(6) Thay đổi max iC = 1A Nếu điểm Q khơng thay đổi max Icm = 0.37A Do
A t sin 37
iC công suất tiêu tán cực đại tải: 120.37 10 0.69W
P
max ,
L .
Vì RL = 10Ω khơng đổi nên đường tải AC không đổi Tuy nhiên, đường tải dịch
chuyển cho giao với trục iC điểm max iC = 1A, điểm Q tại:
ICQ = 0.5A VCEQ = VCC = 5V
Dòng điện iC = 0.5sinωt (A) công suất tiêu tán taûi:
120.5 10 1.25W PL,max 2
Ta thấy cơng suất tải tính hai trường hợp ln nhỏ 2W Đó ta khơng thể bù suy giảm biên độ dòng iC Điều cải tiến mạch
khuếch đại ghép biến áp
Ví dụ 2: Cho mạch hình vẽ Có RL = 10Ω Transistor có thông số sau:
PC,max = 2.5W
BVCEO = 80V
VCE,sat = 2V
Xác định điểm Q để công suất tải đạt cực đại
Công suất tải cực đại dòng điện tải đạt cực đại Phương trình ACLL:
C CQ CE CEQ
L i I v V
R
Khi iC đạt cực đại:
iC = 2ICQ vCE = VCE,sat
Do đó: RLICQ VCEQ VCE,sat (2)
Để tránh tượng công suất tiêu tán collector, ta cho:
ICQVCEQ = PC,max (3)
Giải hệ phương trình (2) (3), ta được:
2 L sat , CE L
max , C L
sat , CE CQ
R V R
P R
2 V
I
vaø
2 sat , CE L
max , C sat
, CE CEQ
2 V R
P
V
V
Tọa độ điểm Q: ICQ = 0.41A VCEQ = 6.1V nguồn cung cấp
V C C
Rb
L
Re C →∞
VB B
Ce →∞ C →∞
RL ii
iC, A
vCE, V VCE,sa
t 0.41
2 6.1 10.2
1.02
ACLL
(7)VCC = 6.1 V
Chú ý: ACLL tiếp xúc đường hyperbol nghĩa cơng suất tiêu tán trung bình vượt q PC,max Vì cơng suất tiêu tán cực đại cực C xảy khơng có tín hiệu
Ta có: Icm = 0.41A nên công suất trung bình tải
0.41 10 0.84W
1 R I
P L
CQ max
,
L
Hiệu suất cực đại (bỏ qua tiêu tán Re) là:
6.10.41 33.6%
84 P
P
CC max , L
max
2 Mạch khuếch đại lớp A ghép biến áp:
Giả sử biến áp lý tưởng Ta có:
vc = NvL (4)
vaø Nic = -iL (5)
nhân (4) (5), ta được: vc(-ic) = vLiL
chia (4) cho (5), ta được: L L
2 L
L c
c N R R'
i v N i v
Do trở kháng AC R’L nhìn vào biến áp N2.RL
DCLL: VCC = vCE + iERC ≈ vCE + icRe
ACLL: vc = vce = -ic.R’L
Nếu chọn Re cho R e R'L dịng tĩnh để đạt maxswing là:
N :
V C C
Rb
Re RL
iC
iL ii
Ce→∞ CC→∞
-+
+
-VB
B vL
iC
vC E
2VC C VCC
2ICQ
L CC CQ
R V I
'
0
L e CC
R R V
' 1
ACLL DCLL
CE L
C v
R i
' 1
(8)L CC CQ
' R V
I
Tính tốn cơng suất:
Tính tốn tương tự phần trước, thay RL thành R’L Tín hiệu vào ii có dạng hình sin:
t sin I
ic cm
Công suất nguồn cung cấp:
L CC CQ CC CC
' R V I
V
P
Công suất taûi:
t sin I
iL Lm
L Lm
L R
2 I P
Do ILm = N.Icm neân L
2 cm
L R'
2 I P
Công suất tiêu tán Collector:
L cm L
2 CC
C R'
2 I ' R V
P
PC đạt cực đại khơng có tín hiệu: CQ CEQ L
2 CC max ,
C V I
' R V
P
Hieäu suaát:
% 50 I
I
max
CQ cm
Hệ số sử dụng: P
P
max , L
max , C
Ví dụ: Một transistor có PC,max = 4W, BVCEO = 40, max iC = 1A với mạch ghép biến áp đến
tải 10Ω Thiết kế khuếch có cơng suất tải đạt cực đại Tính VCC, PL, tỷ số biến áp
N
Giải: Áp dụng công thức học, ta được: N
63 N
4 R
N P
I 2
L
max , c
CQ
(A) N R N P
V L
max , C
CEQ (V)
Mạch ghép biến áp, chọn điểm Q miễn là:
C
CQ maxi
N 12 I
2
vaø 2VCEQ 12.6N40BVCEO
Những bất đẳng thức xác định giới hạn N: 1.26<N<3.17
Vấn đề chọn khoảng điểm Q, thực tế thường chọn dòng nhỏ tốt, dòng lớn kéo theo nguồn cung cấp, kích thước, giá Thường nguồn cung cấp VCC
(9)PL,max = (1/2).(0.32)2.22.10 = 2W
III Khuếch đại công suất đẩy kéo lớp B:
Trong mạch khuếch đại lớp A, hiệu suất lớn 50% giá trị đỉnh dòng collector Icm ≤ ICQ Trong khuếch đại lớp B, dịng tĩnh ICQ < Icm cơng suất tiêu tán collector
thấp hiệu suất tăng lên đến 78.5%
Biến áp đảo pha cung cấp tín hiệu ngược pha 1800 cho T
1 T2 Ngõ có dòng iC1
và iC2:
iL = N(iC1 – iC2) (6)
Hoạt động mạch: bán kỳ đầu iB1 = nên T1 phân cực trạng thái tắt dẫn
đến iC1 = 0, iB2 > nên T2 dẫn dịng iC2 có dạng hình vẽ Ở bán kỳ T1 dẫn
T2 tắt Như dòng tải iL liên hệ với dòng iC1 iC2 theo biểu thức (6) có dạng hình vẽ
Đối với dạng mạch này, dịng tải bị méo xuyên 0, hiệu ứng gọi méo crossover Do mạch phân cực, khơng có tín hiệu vào vBE = 0, transistor hoạt động vùng tuyến
tính iB đủ dương để vBE ≈ 0.7V (đối với Si)
Để loại bỏ méo dạng này, mối nối BE phân cực xấp xỉ 0.7V Kết làm mạch trở thành loại AB loại B Trong thực tế, người ta thường cho phép méo crossover chúng bị lọc ngõ (do lọc gồm transformer điện dung phân bố ký sinh)
a Xác định đường tải:
1 :
N :
ii
iB2 iC2
RL
iB1
Iim
t
ILm
t
-ILm
ILm = NIcm
iC1
Icm
t
Icm = hfeIim
-Iim Iim
t
iB2
Iim
t
iC2
Icm
t
Meùo crossover
ii
N :
N : 1 :
1 :
T T
ii
iC2
iC1 -iB2
iB1
vL+ RL VC
C
(10)Do đặc tính mạch, transistor hoạt động bán kỳ nên cần nghiên cứu hoạt động cho transistor
Xét hoạt động transistor T2:
DCLL: vCE = VCC
ACLL: CE L
C
R v
i
'
Trong khoảng thời gian T2 tắt, iC2 = vCE2 = VCC + NvL thay đổi từ VCC (khi vCE1 =
VCC NvL = 0) đến 2VCC (khi vCE1 = NvL = VCC) Vì transistor tắt ACLL
là đường nằm ngang iC2 =
Như max iC1 iC2 L CC cm R'
V I
b Tính tốn cơng suất:
Giả sử tín hiệu vào tín hiệu sin: ii Iimsint
Công suất nguồn cung cấp:
T/2
2 /
T C1 C2
CC
CC i t i t dt
T V P
maø cm
2 / T
2 /
T C1 C2 I
2 dt t i t i T
1
cm CC
CC V I
2
P
Giá trị max là:
L CC L
CC CC max
, CC
' R V '
R V V P
Công suất taûi:
L cm L
2 cm L
2 Lm
L 2I R'
1 R N I R I
P
1 :
N :
VC C
ii
Mạch tương đương bán kỳ
iC2
VC C
DCLL ACLL
2VC C
vCE
L CC cm
R V I
'
0
isupp ly
Icm
t
0 T/2 T 3T/2
iC1 iC2
iC2
(11)giá trị max là: L CC max , L ' R V P
Công suất tiêu tán Collector: Tổng công suất tiêu tán T1 T2:
2 I ' R I V P P P 2 cm L cm CC L CC
C
(7)
giá trị cực đại PC tìm cách vi phân PC theo Icm cho 0, ta được:
L CC cm ' R V I
Thế vào phương trình (7) ta giá trị max PC:
L CC L CC max , C ' R V ' R V P Hiệu suất: CC L cm cm CC cm L CC L V ' R I I V I ' R P P
Hiệu suất đạt cực đại L CC cm ' R V I
Khi đó: % 78 max
Hệ số sử dụng:
5 ' R V ' R V P P L CC L 2 CC max , L max , C
Nếu công suất tải PL,max = 25W transistor tiêu tán 5W Một thuận lợi khác
khi tín hiệu dòng tónh mạch (không tiêu thụ công suất)
PL
PCC
η 78.5%
P,η
L
L N R
R'
(12)Ví dụ: Thiết kế mạch khuếch đại lớp B công suất cực đại tải 10Ω, biết PC,max
= 4W Dùng hai transistor có: BVCEO = 40V, max iC = 1A Tìm VCC, N mạch phân cực để tránh
méo crossover Tính tốn cơng suất hiệu suất Giải:
Công suất tải đạt cực đại:
I V ' R
V
P CC cm
L CC max
,
L
Công suất tăng cách tăng VCC Icm Tuy nhiên VCC Icm tăng
đến vơ hạn Transistor có thông số giới hạn sau: V
20 BV
2
VCC CEO A i max Icm C
vaø 5P 20W
I V
P CC cm C,max max
,
L
Điểm Q chọn để lái transistor đến giá trị cực đại iC BVCEO Vì thế: VCC = 20V
và Icm = 1A
Vậy PL,max = 10W
Tỷ số N xác định sau: 414 N N R
N V
I
L
CC
cm
Thiết kế mạch:
1 :
1 : 1 :
T
1 :
T
ii
VBB VCC
Maïch
T 1 : 1 :
1 : 1 :
T
ii
VC C R1
R2 Cb
iC, A
vCE, V
0 1.0
20 40
Q
ACLL
(13)IV Mạch khuếch đại công suất dùng transistor bổ phụ:
Là dạng mạch đảo pha tự động nhờ vào đặc tính dẫn cặp transistor pnp npn Ưu điểm loại đáp ứng tần số tốt, không dùng biến đảo pha Dạng mạch xuất phổ biến sơ đồ dùng vi mạch
Hoạt động mạch sau: tín hiệu vào dương T1 dẫn T2 tắt Khi tín hiệu vào
âm T2 dẫn T1 tắt
Đường tải cách tính cơng suất ngõ giống mạch có máy biến với dịng tải iL = iC1 – iC2
Ưu điểm: không sử dụng máy biến tiết kiệm kích thước giá khơng u cầu tín hiệu ngõ vào phải cân
Nhược điểm: cần nguồn đôi dương âm, vấn đề chọn cặp transistor thích hợp để méo dạng đủ nhỏ
Ví dụ: cho mạch hình vẽ, transistor có thông số sau: PC,max = 4W, BVCEO = 40V, max iC = 1A
Tìm VCC cơng suất cực đại tải RL = 10Ω
Giaûi:
T 1 : 1 :
1 : 1 :
T
Maïch
vi
-Cc1 Cc2
ri R
R Rb
Rb
RL T2
T1
VC C
VC C
vL +
iL
iC1 iC2
Mạch khuếch đại bổ phụ EF
Cc2
Cc1
VC C
VC C
RP RL
R R
ri ii
iB1
T2
iB2 iC2
iC1 iL
T1
ii
Iim t
0
iB2 Iim
0 Icm
iC2
0
iC1 Icm
0 Icm
0 iL
Iim
0 t
t
(14)Xét transistor T2: ta có mạch hình vẽ
Vì giá trị đỉnh iC2 khơng vượt q 1A:
A R V
L CC
Do chọn: VCC = 10V Swing 2VCC phải nhỏ BVCEO phải thỏa mãn
Doøng tải là: iL = iC1 – iC2
Nếu vi hình sin, iL có dạng hình sin với trị đỉnh là:
t sin I i R V
I L Lm
L CC
Lm
Công suất tải cực đại: W R
V P
L CC max
,
L
vi
ri
R RL
T2
VC C
Cc2 iC2
Mạch tương đương transistor T2
vC E
VC C
2VC C
iC2
ACLL
0
L CC
R V