BÁO CÁO MÔN HỌC KHUẾCH đại CÔNG SUẤT TẦN SỐ VÔ TUYẾN CHẾ độ d

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG HÀNG KHÔNG BÁO CÁO MÔN HỌC “KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT TẦN SỐ VÔ TUYẾN CHẾ ĐỘ D” Mơn học: ĐIỆN TỬ THƠNG TIN Giáo viên hướng dẫn : TS LÂM MINH LONG Nhóm thực hiện: Nhóm Lớp: 18ĐHĐT01 – 010100014502 TP Hồ Chí Minh – tháng 10 năm 2021 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN Nội dung: Trình bày: STT Họ tên sinh vên Mã số SV Dương Hoàng Phương 1853020005 Nguyễn Đặng Duy Quang 1853020021 Trần Văn Quang 1853020004 Trần Hồng Thăng 1853020006 Nguyễn Trung Thành 1853020010 Nguyễn Đoàn Quốc Thịnh 1853020016 Trần Quang Thịnh 1853020019 Võ Thị Thanh Thúy 1853020025 Trần Tuấn Trung 1853020030 Điểm số , ngày tháng năm 2021 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Lời nhóm xin chân thành cảm ơn đến thầy Lâm Minh Long, giảng viên môn “Điện tử thông tin” tạo điều kiện, cung cấp tài liệu để nhóm hồn thành nhiệm vụ giao Qua báo cáo, nhóm tìm hiểu nhiều “Khuếch đại cơng suất tần số vô tuyến chế độ D”, bổ sung thêm nhiều từ ngữ chuyên ngành, thời gian thực đề tài khơng nhiều, kiến thức cịn hạn hẹp, dù cố gắng tìm kiếm khơng tìm nhiều thông tin liên quan đến loại mạch này, q trình dịch thuật khơng tránh khỏi sai sót, nhóm mong nhận lời dẫn thêm thầy Xin chân thành cảm ơn ! MỤC LỤC CHƯƠNG 3: “KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT TẦN SỐ VÔ TUYẾN CHẾ ĐỘ D” 3.1 Hoạt động lý tưởng Bộ khuếch D: 3.2 Xem xét thực tế 11 3.3 Bộ khuếch đại Lớp BD 49 3.4 Bộ khuếch đại Lớp DE .50 3.5.Bộ nhân tần số chế độ D 56 3.6 CAD mạch loại D 59 CHƯƠNG 3: “KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT TẦN SỐ VÔ TUYẾN CHẾ ĐỘ D”  Bộ khuếch đại công suất RF chế độ D Bộ khuếch đại chế độ D khuếch đại chế độ chuyển đổi sử dụng hai thiết bị hoạt động điều khiển theo cách chúng BẬT TẮT luân phiên. Các thiết bị hoạt động tạo thành công tắc hai cực xác định điện áp hình chữ nhật dạng sóng dịng điện hình chữ nhật đầu vào mạch điều chỉnh bao gồm tải. Mạch tải chứa lọc thơng dải thơng thấp loại bỏ sóng hài dạng sóng hình chữ nhật tạo đầu hình sin. Ở dạng đơn giản hơn, mạch tải mạch cộng hưởng nối tiếp song song điều chỉnh đến tần số chuyển mạch mạch tải xem xét đây. Trong ứng dụng thực tế, mạch thay mạch kết hợp pi-or T băng hẹp lọc thông dải thông thấp (trong khuếch đại băng rộng) 3.1 Hoạt động lý tưởng Bộ khuếch D:  Mạch chuyển mạch điện áp bổ sung (CVS) Mạch CVS trình bày Hình 3-l (a) 1-11. Biến áp đầu vào T1 áp dụng tín hiệu biến tần đến gốc Q1 Q2 cực ngược nhau. Nếu biến tần đủ để bóng bán dẫn hoạt động cơng tắc Q chuyển mạch Q2 luân phiên cắt (trạng thái TẮT) bão hịa (trạng thái BẬT). Cặp bóng bán dẫn tạo thành công tắc hai cực kết nối luân phiên mạch điều chỉnh nối tiếp với đất Vdc Hình 3- 1: Mạch CVS chế độ D (a) Mạch (b) Mạch lý tưởng hóa tương đương Phân tích dựa giả thiết sau Mạch cộng hưởng nối tiếp điều chỉnh đến tần số chuyển mạch f lý tưởng dẫn đến dịng tải hình sin Mạch CVS u cầu mạch điều chỉnh nối tiếp mạch tương đương (tạo dịng điện hình sin) chẳng hạn mạng T Không thể sử dụng mạch điều chỉnh song song (hoặc tương đương mạng pi) mạch CVS áp đặt điện áp hình sin cơng tắc hai cực áp dụng dạng sóng điện áp hình chữ nhật Các thiết bị hoạt động hoạt động công tắc lý tưởng điện áp bão hịa khơng điện áp bão hịa khơng điện trở TẮT vơ hạn Hành động chuyển đổi tức thời không liệu Các thiết bị hoạt động có điện dung đầu rỗng Tất thành phần lý tưởng (Điện trở ký sinh có L C bao gồm điện trở tải R, điện trở ký sinh có tải bao gồm L C.) Dựa giả thiết mạch tương đương Hình 3-b) thu Giả sử chu kỳ làm việc 50 phần trăm (đó 180 độ bão hịa 180 độ cắt cho bóng bán dẫn) điện áp v2 ( θ) áp dụng cho mạch đầu sóng vng tuần hồn (xem Hình 3-2) V ,     v2      dc 0,     2 3.1 Where   t  2 ft Hình 3- 2: Các dạng sóng mạch CVS chế độ D Việc phân tích v2(θ) thành chuỗi Fourier mang lại   sin(2n  1)  v2     Vdc       n 1 2n   3.2 Bởi mạch điều chỉnh nối tiếp lý tưởng nên dịng điện đầu hình sin i0     I sin   Vdc sin   R 3.3 cho điện áp đầu hình sin v0     V0 sin   Vdc sin   3.4 Tại thời điểm, dịng điện đầu hình sin chạy qua hai Q tùy thuộc vào thiết bị BẬT Kết dòng thu i 1(θ) i2(θ) nửa hình sin với biên độ: Vdc I   R 3.5 Công suất đầu (tiêu tán điện trở tải R) cho V dc I2 V dc P0  R   0.2026  R R Dòng đầu vào DC giá trị trung bình i1(θ) (xem Hình 3-2) 2 I V I dc  i1     i1    d   dc  2   R 3.6 3.7 Dòng điện rút từ nguồn điện chiều có dạng dịng xung dạng nửa khơng đó, cần phải có tụ điện rẽ nhánh cục Trong thực tế, khuyến nghị sử dụng lọc bổ sung đường cấp điện (xem Hình 3-3) C1 C2 thường μF 0,1 μF 0,01 μF (+470 pF l μF) kết hợp song song cung cấp khả bỏ qua hiệu cho loạt tần số C phải có khả tích trữ đủ lượng để cung cấp xung dòng điện cần thiết mà khơng có sụt giảm điện áp đáng kể thu Ql Hình 3- 3: Lọc nguồn DC mạch CVS Công suất đầu vào DC cung cấp bởi: V dc Pdc  Vdc I dc   P0  R hiệu suất thu (đối với hoạt động lý tưởng) 100 phần trăm P   1 Pdc 3.8 3.9 Khả đầu công suất đạt cách chuẩn hóa cơng suất đầu (P 0) số lượng thiết bị hoạt động (2) điện áp cực thu (Vdc) dòng thu đỉnh (I) P CP    0.1592 2Vdc I 2 3.10  Ví dụ 3.1 Mạch CVS cung cấp cơng suất đầu P0=100W tải R=10 ( Ω). Để có công suất đầu này, điện áp nguồn DC yêu cầu lấy từ Công thức (3.6), Vdc= 70.25V Dịng điện cực thu xác định từ Cơng thức (3.5), I= 4.47A dòng điện đầu vào DC cho Công thức (3.7), I dc= 1.42 A Định mức thiết bị yêu cầu Vdc I Mạch hình 3-1 gọi mạch bán bổ sung [8, 10] sử dụng hai bóng bán dẫn giống hệt (NPN BJT MOSFET kênh N) Cấu hình bổ sung thực (như sử dụng khuếch đại tần số âm thanh) yêu cầu BJT NPN PNP MOSFET kênh N P Ví dụ số mạch loại D bổ sung thực thể Hình 3-4 [7, 8, 12, 13] Những mạch Hình 3-4(c-e) đặc biệt thú vị chúng khơng cần máy biến áp Mạch Hình 3-4(c) yêu cầu hai điện áp nguồn chiều nhiên bóng bán dẫn khơng lắp tản nhiệt mà khơng có cách điện Các mạch Hình 3-4 (d) (e) sử dụng điện áp nguồn DC hai bóng bán dẫn gắn tản nhiệt (khơng có cách điện) Cả hai bóng bán dẫn cấu hình phát chung cung cấp độ lợi công suất cao. Ngược lại với mạch CVS Hình 3-1, mạch bổ sung thực Hình 3-4(d) cho phép phân cực cổng MOSFET làm giảm yêu cầu cơng suất ổ đĩa. Các cấu hình bổ sung thực sử dụng mạch thực tế khơng có BJT PNP MOSFET kênh P (dành cho ứng dụng chuyển mạch nguồn RF) bổ sung điện mặt cho đối tác npn kênh N chúng [8, 10, 14] Các BJT PNP MOSFET kênh P cho ứng dụng đắt có hiệu suất giảm đáng kể. Các thử nghiệm với cặp MOSFET chuyển đổi nguồn bổ sung gần cho thấy chúng sử dụng tần số cao vài megahertz [10] Trong bối cảnh này, việc phát triển thêm cặp MOSFET BJT bổ sung thực cung cấp khả cho mạch loại D bao gồm khả tích hợp khuếch đại mạch truyền động cấu trúc nguyên khối kết hợp Hình 3- 4: Các mạch bổ sung loại D  Mạch chuyển điện áp ghép nối máy biến áp (TCVS) Mạch TCVS trình bày Hình 3-5 [2, 5, 9, 11, 15, 16, 17] Hình 3- 5: Mạch TCVS loại D Như biến áp đầu vào mạch CVS, T cho phép Q1 Q2 chuyển đổi BẬT TẮT Phân tích mạch dựa giả định simpMer cung cấp phần Mạch chuyển mạch điện áp bổ sung (CVS) với chu kỳ làm việc 50% giả định Máy biến áp đầu T2 lý tưởng có m vịng nửa cuộn sơ cấp n vòng cuộn thứ cấp Với 0< θ < π , v2(θ) = Nếu Q2 bật Q1 tắt Trong trường hợp này, điện áp qua nửa cuộn sơ cấp V dc (xem Hình 3-6) Vì máy biến áp lý tưởng nên điện áp nửa cuộn sơ cấp V dc Do 0≤ θ ≤ π , v 1¿)= 2V Đối với π ≤θ ≤ π , Q bật Q tắt v1 ( )  dc l v2 ( )  2Vdc Hiệu điện nửa cuộn sơ cấp V dc, di chuyển theo hướng ngược lại với hướng Hình 3-6 Do điện áp nửa cuộn sơ cấp sóng vng có mức ±Vdc Điện áp cuộn thứ cấp sóng vng có mức ±(n/m) Vdc n V ,0      m dc v     n V ,     2 dc   m 3.11 Hình 3- 6: Điện áp cuộn sơ cấp T2 (0 ≤ θ ≤ π) Hình 3- 7: Các dạng sóng mạch TCVS loại D Điện áp đầu (Hình 3-7) thành phần tần số v(θ) với biên độ V0  n Vdc  m Do đó, cơng suất đầu cung cấp V 20 V dc V dc V dc P0     0.8106 RL   m   R R   RL n 3.12 3.13 đó: m R    RL n 3.14 Hình 3-45: Các thông số vận hành so với thời gian chết tm (IRF540 MOSFET, P0 = 300W, f = 13.56 MHz)  VÍ DỤ 3.19: Sử dụng giá trị từ Ví dụ 3.5 (P = 300W, f = 13,56 MHz, IRF540 MOSFETs với COSS = 560 pF VDS = 25V), vẽ đường cong từ Hình 3-45 Phân tích đường cong cho thấy điểm hoạt động thích hợp t m = 12 ns (  tm f   0.5112rad ) , Vdc = 75,3V, I = 15A, R = 2,667  CP = 0,1328 Giả sử hệ số chất lượng tải Q  1/ (CR)  , C=880,2pF L  (Q  tan  ) R /   174.1nH thu  Bộ truyền động hình sin Rất khó để điều khiển mạch chế độ DE hoạt động tần số cao (ví dụ: khoảng 10 MHz trở lên) cách sử dụng truyền sóng vng Rất khó tạo sóng vng điều khiển xác thời gian chết phải điều khiển với độ xác cao (theo thứ tự 1ns), cần biến áp đầu vào có băng thơng lớn Tuy nhiên, mạch chế độ DE dễ điều khiển so với mạch Class D hai transistor TẮT trình chuyển đổi điện áp, hiệu ứng Miller BẬT TẮT giảm xuống gần khơng Bộ truyền động sóng hình sin lựa chọn tốt giảm u cầu công suất truyền động cho phép kiểm soát thời gian chết biên độ điện áp cổng [4,5,23] Một truyền hình sin sử dụng mạch chế độ DE có chứa MOSFET MOSFET có mức điện áp cổng ngưỡng mức mà chúng TẮT; vượt ngưỡng, transistor nhanh chóng chuyển sang BẬT Phần đầu vào mạch tiêu chuẩn sử dụng máy biến áp đầu vào điều khiển với điện áp hình sin Điện áp cổng transistor sóng hình sin lệch pha 180o (xem Hình 3-46) 55 Hình 3-46: Dạng sóng mạch cổng truyền hình sin Bằng cách biểu thị biên độ điện áp cổng vào nguồn vGS1 vGS2 VG điện áp ngưỡng VT VT  VG sin( tm ) 3.138 Cho VT tm, Công thức (3.138) tạo VG cần thiết Bằng cách xếp lại tm  V  arcsin  T    VG  phương trình (3.138) sau: 3.139 Có thể xác định phạm vi thời gian chết đạt phương pháp - Hạn chế tm đỉnh điện áp cổng giới hạn giá trị lớn thường VGSmax = ± 20 ± 30V Ví dụ: IRF540 có VGSmax = ± 20 V [20] với f = 13,56 MHz V T = 3,5V, kết tm, = 4,1 ns (thời gian chết góc khoảng 20o) - Giới hạn thứ hai cho tm xảy điện áp cổng vào nguồn thấp để BẬT MOSFET cách Tham khảo [23] khuyến nghị VG> 6,5V Do đó, thời gian chết lớn tm, max = 13,3ns (thời gian chết góc khoảng 65o) Ở ví dụ 3.19, tm = 12ns đạt với V G = 7.2V Đối với điện áp cổng này, điện tích cổng yêu cầu khoảng 30 nC Biên độ dòng cổng I G = 2,56 A nhận từ Công thức 3.120 Điện trở cổng R G IRF540 MOSFET ước tính vào khoảng  Do đó, tổn thất cơng suất mạch cổng P G = 3,28W cho transistor Cơng suất đạt cách dễ dàng hiệu cách sử dụng trình điều khiển chế độ D chế độ E  Quy trình điều chỉnh 56 Sau xây dựng, mạch chế độ DE thực tế không tự động cung cấp hoạt động tối ưu (với điều kiện chuyển mạch chế độ E), cần điều chỉnh Thật không may, hoạt động tối ưu không xảy điểm công suất đầu vào đầu tối đa yêu cầu quy trình điều chỉnh đặc biệt [36] Phần mơ tả quy trình điều chỉnh thực tế dựa quan sát dạng sóng điện áp thiết bị hoạt động Điện áp Q2 thời gian chết thể Hình 3-47 Nó đạt đến giá trị nhỏ nhất, thời điểm độ dốc v2 (t ) ("đáy"), sau bắt đầu tăng lên Khi Q2 BẬT, v2 (t ) giảm nhanh chóng (hoặc VCEsat sử dụng BJT) Tùy thuộc vào cài đặt ban đầu mạch diện diode chống song song q trình chuyển mạch (ví dụ: diode ký sinh MOSFET nguồn), máng / bước nhảy trình chuyển đổi TẮT sang BẬT bị ẩn từ quan điểm Trong trường hợp này, vị trí đặc điểm dạng sóng ước tính cách ngoại suy giải pháp từ phần nhìn thấy dạng sóng Những thay đổi giá trị thành phần mạch điều chỉnh theo chuỗi, giá trị thời gian chết, ảnh hưởng đến dạng sóng v2 (t) sau (xem Hình 3-47): Hình 3-47: Ảnh hưởng việc điều chỉnh thời gian chết góc tải  Khi tăng C L (khi tăng góc tải  ), đáy dạng sóng di chuyển xuống sang phải b Khi thời gian chết tăng lên, đáy dạng sóng di chuyển xuống sang trái a Quy trình điều chỉnh khuếch đại chế độ DE lấy từ Hình 3-47 Góc tải thời gian chết điều chỉnh liên tiếp v2 (t ) đạo hàm thời điểm Q bật ON Điều tự động đảm bảo điều kiện chuyển mạch chế độ E cho Q Để tránh hư hỏng nhầm lẫn ban đầu lớn, điều chỉnh khuếch đại điện áp thấp, tăng dần V dc điều chỉnh lại  thời gian chết cần Sự gia tăng V dc làm giảm giá trị hiệu dụng 57 điện dung đầu thiết bị hoạt động (BJT MOSFET) Do đó, thời gian chết  nên giảm chút  Khảo sát thực tế Đối với giá trị thời gian chết góc 50 đến 60 o, mơ hình trình bày cho mạch chế độ DE (và quy trình thiết kế đơn giản bắt nguồn từ mơ hình này) cung cấp độ xác hợp lý ứng dụng thực tế Đối với giá trị thời gian chết lớn hơn, mơ hình tạo sai số đáng kể điện áp điện dung đầu xấp xỉ với đường dốc tuyến tính thời gian chết Các điều kiện chuyển mạch loại E đạt giá trị điện dung đầu thiết bị tích cực, Coss, thay đổi giá trị giá trị lớn [36]  COSS R  max   0.1592 2 3.140 Các giá trị Coss lớn giá trị đưa công thức (3.140) không cho phép đạt điều kiện chuyển mạch Loại E Các giá trị giả định cho  R, giá trị lớn C oss yêu cầu thời gian chết lớn tải phản kháng lớn hơn, cung cấp công suất đầu thấp khả phát công suất thấp Giá trị tối đa Coss đưa cơng thức (3.140) đáp ứng mạch chế độ DE hoạt động với thời gian chết góc 90 (mỗi transistor BẬT 900 TẮT 2700) [32, 34] Mặc dù giá trị thời gian chết lớn cho phép tăng tần số hoạt động mạch loại DE, chúng không thực tế Công suất đầu khả đầu cơng suất có giá trị thấp (ví dụ: C P = 0,07958 cho thời gian chết góc 900) việc chuyển đổi ba trạng thái xác khó đạt khơng thể sử dụng cổng truyền cộng hưởng hình sin cho lượng lớn thời gian chết 3.5.Bộ nhân tần số chế độ D Nếu mạch cộng hưởng khuếch D điều chỉnh đến hài định (Nf, N = 2,3, ) tần số chuyển đổi, f, mạch trở thành nhân tần số loại D Trong phân tích trình bày đây, mạch CVS chế độ D (xem Hình 3-1) thỏa mãn giả định đơn giản hóa đưa phần (CVS-Complementary Voltage Switching)- Mạch chuyển đổi điện áp bổ sung (ngoại trừ mạch liên quan đến tần số điều chỉnh mạch cộng hưởng) xem xét Giả sử chu kỳ làm việc 50%, điện áp v2 ( ) áp dụng cho mạch đầu 58 sóng vng tuần hồn (xem cơng thức 3.1) phân rã thành chuỗi Fourier đưa Cơng thức (3.2), chứa sóng hài lẻ Nếu giả sử mạch cộng hưởng nối tiếp điều chỉnh đến sóng hài bậc tần số chuyển mạch, dịng điện đầu có dạng hình sin (xem Hình 3-48) Vdc sin(2 N  1) i0     I sin(2 N  1)   R 2N 1 3.141 công suất đầu cung cấp bởi: P0  I2 V2 0.2026 V dc R  dc   R (2 N  1) (2 N  1) R Hiệu suất thu lý tưởng 100% Khả công suất đầu là: P 0.1592 CP    2Vdc I 2 (2 N  1) N  3.142 3.143 Đối với N = (bộ ba), phương trình cho: V dc V dc P0   0.02252 ; Cp   0.05305 9 R R 6 3.144 Với N=5: V dc V dc P0   0.008106 ; Cp   0.03183 25 R R 10 3.145 Lưu ý P0 CP giảm nhanh theo N (cấp nhân) Không thể sử dụng mạch với N> Hình 3-48: Các dạng sóng ba tần số CVS loại D (D = 0,5) Các kết đưa phần Switches Duty Ratio gợi ý khả khác để điều khiển mạch loại D cho phép nhân tần số Nếu giá trị tùy ý (0