Như đó trỡnh bày trong phần lý thuyết chung thỡ chỉ tiờu đảm bảo cụng suất ra đỳng theo thiết kế là hết sức quan trọng, song yờu cầu về độ đồng đều (độ bằng phẳng) là hết sức cần thiết cho cỏc điện đài quõn sự. Do vậy,bộ khuếch đại cụng suất phải giải quyết được vấn đề đú.
Giải phỏp trước hết để đảm bảo mức cụng suất ra 15W theo yờu cầu và tớnh ổn định trong quỏ trỡnh làm việc là bộ khuếch đại cụng suất được thiết kế gồm hai tầng là hoàn toàn cú khả năng đỏp ứng được. Tầng tiền khuếch đại được lựa chọn cụng tỏc ở chế độ A, cho phộp độ tăng ớch tương đối cao mà vẫn tuyến tớnh tốt do tớn hiệu vào cũn nhỏ. Tầng khuếch đại cụng suất sẽ bảo đảm cụng suất ra theo yờu cầu. Do dải tần được chọn cho thiết kế là từ (1.5 – 12)MHz (cũng như toàn dải súng ngắn núi chung), dạng tớn hiệu điều chế cơ bản là đơn biờn đối với tớn hiệu thoại. Đối với dạng điều chế này, yờu cầu tớn hiệu sau khuếch đại phải tuyến tớnh cao thỡ chỉ sử dụng cỏc tầng khuếch đại đẩy kộo với chế độ cụng tỏc AB, trong đú phần A chỉ đủ mở bỏn dẫn.
Để giải quyết bài toỏn đồng đều cụng suất ra trong toàn dải tần, giải phỏp đưa ra là sử dụng mạch bự và cỏc đường hồi tiếp õm xoay chiều.
Mục đớch của việc bự tần số trong cỏc bộ khuếch đại sẽ làm bằng nhau trở khỏng vào của một transistơ. Một cỏch tương đối, trở khỏng vào gần như là hằng số trong toàn dải thụng đó cho. Mạch bự thưũng bao gồm cỏc phần tử
R, L, C và biến ỏp dải rộng, hay chỉ một mỡnh biến ỏp dải rộng. Như đó trỡnh bày trong phần phối hợp vào ra, ta chỉ lựa chọn giải phỏp dựng biến ỏp dải rộng vừa phối hợp trở khỏng, vừa thực hiện bự tần số.
Một phương phỏp khỏc cho san bằng tăng ớch được biết đến là sự hồi tiếp õm xoay chiều. Hồi tiếp õm được hiểu là một phần cụng suất ra được đưa trở về đầu vào và ngược pha với tớn hiệu vào. Ưu điểm của hồi tiếp õm là đơn giản và đảm bảo tớnh ổn định cho bộ khuếch đại. Nhược điểm duy nhất là cụng suất bị tiờu hao trờn mạch hồi tiếp, tức là giảm hiệu suất của hệ thống. Lượng cụng suất tiờu hao phụ thuộc vào độ suy giảm tăng ớch mong muốn của thiết kế tại những tần số thấp, và phụ thuộc vào số đường phản hồi. Tất nhiờn phải đảm bảo là mức điện ỏp vào phải luụn luụn lớn hơn mức điện ỏp hồi tiếp về giỏ trị tuyệt đối để cú thể cho cụng suất ở đầu ra. Trong một bộ khuếch đại dải rộng, lý tưởng là mức điện ỏp hồi tiếp phải giảm tương ứng với sự tăng lờn của tần số, và biờn độ của nú phải đảm bảo sao cho tăng ớch là đồng đều ở tất cả cỏc tần số trong dải tần. Cỏc mạch đơn giản chỉ với cỏc phần tử R, L, C thực hiện hồi tiếp từ colectơ (hay cực mỏng) về bazơ (hay cực cửa) một cỏch trực tiếp hay giỏn tiếp.
Cuối cựng, việc thiết kế tầng khuếch đại cụng suất phụ thuộc chủ yếu vào bỏn dẫn được sử dụng vỡ mọi giải phỏp đưa ra là nhằm phỏt huy tối đa hiệu quả của bỏn dẫn này. Cỏc tiờu chớ khỏc như giỏ thành, đúng gúi… cũng được quyết định chớnh bởi bỏn dẫn. Do đú, với một thiết kế cụ thể thỡ cụng tỏc lựa chọn bỏn dẫn phự hợp cú thể đỏp ứng được cỏc chỉ tiờu đề ra là rất quan trọng. Hiện nay, cú hai loại bỏn dẫn cụng suất được sử dụng là tranzistơ lưỡng cực (BJT) và tranzistơ trường (FET).
Tất cả cỏc tham số tương đương cho cả hai loại bỏn dẫn được trỡnh bày qua bảng 2.1 dưới đõy:
BVCEO BVDSO
Điện ỏp đỏnh thủng, được đo khi cực bazơ hở. Thường khụng được cung cấp hay cho biết với FET.
BVCES BVDSS
Điện ỏp đỏnh thủng, được đo khi cực bazơ và emiter hay cực cổng và cực nguồn bị ngắn mạch.
BVCBO BVDGO
Điện ỏp đỏnh thủng, được đo khi cực emitơ hở. Thường khụng được cung cấp hay cho biết với FET.
BVEBO VGS
Điện ỏp ngược đỏnh thủng mạch bazơ – emitơ. Khụng được cung cấp hay đo được với FET trừ khi đo đạc cẩn thận tại cỏc mức dũng nhỏ.
VB
(forwad)
VGS(th)
Khụng được chỉ rừ hay khụng cần thiết cho BJT. Với FET, tham số này xỏc định điện ỏp mở cực cửa, và cần thiết cho định thiờn.
ICES IDSS
Dũng rũ colectơ – emitơ hay mỏng - nguồn với cực bazơ và emitơ hay cực cửa và cực nguồn ngắn mạch. Cỏc tham số BJT và FET là tương tự nhau, và thụng thường chỉ ảnh hưởng tới tiờu hao cụng suất một chiều, tăng mộo và độ tin cậy của thiết bị.
IEBO IGS
Dũng rũ ngược của mạch bazơ – emitơ và dũng rũ của mạch cực cửa - nguồn. Thường khụng được cung cấp với BJT, nhưng quan trọng cho định thiờn FET. Nú ảnh hưởng tới độ tin cậy khi làm việc trong thời gian dài.
VCE(SAT) VDS(SAT)
Điện ỏp bóo hoà một chiều. Thường khụng cung cấp với BJT, nhưng lại quan trọng trong một số thiết kế cụ thể. Với FET, tham số này là
một trong cỏc tham số quan trọng nhất, cú giỏ trị cao hơn so với BJT và phụ thuộc vào một số nhõn tố khi thiết kế.
hFE gFS Đõy là những tham số cho khuếch đại tớn hiệu nhỏ.
fT (fT)
Tần số cụng tỏc giới hạn, mà tại đú tăng ớch bằng 1. Thường lớn hơn từ 2 đến 5 lần cho FET so với BJT với cựng một kớch thước điện tương đương.
GPE GPS
Độ tăng ớch trong mạch emitơ chung hay mạch nguồn chung. Khụng cú khỏc biệt lớn cho cả hai loại thiết bị. Thường quan tõm tăng ớch về dũng với BJT và tăng ớch về ỏp với FET.
Cob Coss Điện dung colectơ – emitơ hay mỏng - nguồn. Luụn được chỉ rừ và cú giỏ trị xấp xỉ nhau ở cả hai loại với điện ỏp và cụng suất định mức.
Cib Ciss
Điện dung bazơ – emitơ hay cửa - nguồn. Hiếm khi cho với BJT. Với FET, nú ảnh hưởng lớn đến trở khỏng cửa - nguồn.
Crb Crss
Điện dung colectơ – bazơ hay mỏng - nguồn. Ít khi cho với BJT. Với MOSFET, nú cần thiết cho tớnh toỏn điện dung hồi tiếp.
Bảng 2.1 Cỏc tham số cho BJT và FET tương ứng
Khi thiết kế cần chỳ ý một số điểm sau:
* Khi thiết kế với BJT, khụng nờn để dũng IEBO cao hơn 1℅ so với dũng được chỉ ra bởi hFEvỡ cú thể sẽ làm giảm hệ số hFE của bỏn dẫn.
* Khụng đo cỏc điện ỏp đỏnh thủng tại mức dũng thấp hơn so với ICES/IDSS
như trong thuyết minh. Nếu khụng sẽ dẫn đến những kết quả kộm chớnh xỏc.
* Khụng thử đo VGS của một MOSFET, nếu khụng dễ dẫn đến hỏng bỏn dẫn.
* Khụng bao giờ được đo điện ỏp đỏnh thủng của một MOSFET với cực cửa hở, nếu khụng sẽ hỏng bỏn dẫn.
Trong sự lựa chọn một tranzistor cụng suất cho thiết kế thỡ những nhõn tố quyết định và đặc điểm kỹ thuật cần phải được đưa vào xem xột. Quan trọng nhất là: cụng suất ra POUT, Vcc, đúng gúi, giỏ thành, tăng ớch, tần số cụng tỏc, cụng suất vào PIN (max), chế độ cụng tỏc (A, AB, B…), độ khụng bằng phẳng, và cỏc mạch phối hợp. Độ tăng ớch ở tần số cụng tỏc của tranzistơ phải phự hợp với yờu cầu đề ra, nhưng sự lựa chọn một tranzistơ cụng suất với một tần số giới hạn fT quỏ mức sẽ làm cho bộ khuếch đại phức tạp hơn và kộm tin cậy. Tất cả cỏc tranzistơ cụng suất cũng sẽ được mụ tả đặc điểm kỹ thuật với những điểm cụng tỏc Q khỏc nhau ở chế độ A, AB, hay chế độ B. Nếu như tranzistơ được sử dụng tại điểm định thiờn khỏc, thỡ tham số của nú, như độ tăng ớch, trở khỏng, và tuổi thọ cũng sẽ thay đổi. Về cơ bản, cỏc bỏn dẫn RF được mụ tả bằng hai loại tham số: tĩnh và động. Đặc điểm kỹ thuật “ tĩnh ” bao gồm cỏc điện ỏp phỏ huỷ, cỏc dũng rũ, hFE (gFS), và cỏc điện dung; trong khi đặc điểm kỹ thuật động bao gồm tăng ớch, độ gợn súng, hệ số tạp õm, trở khỏng vào và ra, cỏc tham số S, mộo, đặc tớnh nhiệt. Những giỏ trị này cú thể tỡm được trong datasheet của tranzistơ cụng suất dưới dạng bảng liệt kờ hay cỏc đồ thị thể hiện mối quan hệ của cỏc tham số kỹ thuật tại một số tần số, và tại một giỏ trị đặc trưng
VCC và cụng suất ra POUT.
Nếu như cỏc bộ khuếch đại cụng suất chế độ A tuyến tớnh cú thể được thiết kế qua những tham số S, thỡ cỏc bộ khuếch đại cụng suất chế độ AB hay B phi tuyến khụng thể sử dụng hoàn toàn những tham số này, vỡ sự ổn định phụ thuộc chủ yếu vào tham số tớn hiệu lớn đầu vào/ đầu ra thiết kế. Sự thiết kế cỏc bộ khuếch đại cụng suất chế độ AB hay B với cỏc tham số S tớn
hiệu nhỏ sẽ dẫn đến một mạch khụng tối ưu và sẽ khụng đỏp ứng được chỉ tiờu như dự định, bởi vỡ mọi trở khỏng vào, điện dung, tăng ớch, và trở khỏng ra của Tranzistơ sẽ khỏc nhau một cỏch đỏng kể khi thiết bị làm việc với tỡn hiệu lớn, đối lập với khi làm việc với tớn hiệu nhỏ chế độ A. Khi thiết kế một tầng khuếch đại cụng suất với dải tần cụng tỏc yờu cầu, cụng suất vào, ra cụ thể, ta thường quan tõm chủ yếu tới cỏc tham số: cỏc điện ỏp phỏ huỷ, tham số hFE hay gFS (dựng cho thiết kế tầng kớch thớch chế độ A), điện dung đầu ra bỏn dẫn. Những tham số động cần quan tõm như: trở khỏng vào, trở khỏng ra, độ tăng ớch, độ gợn súng. Ta xem xột qua một số đặc điểm của chỳng sau đõy:
* Một bước thực hiện cú tớnh quyết định của sự lựa chọn một bỏn dẫn là lựa chọn cỏc điện ỏp phỏ huỷ thớch hợp với giỏ trị điện ỏp nguồn trong một ứng dụng dự kiến. Điều quan trọng mà người thiết kế lựa chọn một bỏn dẫn là cỏc điện ỏp phỏ huỷ sẽ khụng được vượt quỏ bởi điện ỏp nguồn cung cấp và điện ỏp tớn hiệu xuất hiện. Tuy nhiờn giỏ trị điện ỏp này thường rất lớn so với nguồn ta chọn cho thiết kế nờn thực tế ớt quan tõm tới nú. * Cỏc tham số: hFE và điện dung đầu ra của bỏn dẫn cũng là cỏc tham số cần quan tõm trong quỏ trỡnh thiết kế. Tham số hFE thường chỉ sử dụng trong quỏ trỡnh tớnh toỏn mạch định thiờn cho tầng kớch thớch cụng tỏc ở chế độ A khi tớn hiệu vào cũn nhỏ; cũn trong tầng khuếch đại sử dụng sơ đồ đẩy kộo chế độ cụng tỏc AB thỡ khụng sử dụng. Giỏ trị điện dung đầu ra tầng khuếch đại cụng suất là một hàm phụ thuộc tần số cụng tỏc. Nú tham gia vào tải của tầng khuếch đại và chỉ cú ý nghĩa ở tần số cao khi mà giỏ trị điện khỏng của nú là đủ nhỏ (cỡ gần với điện trở tải tối ưu) nờn cũng cần phải được xem xột.
* Những giỏ trị trở khỏng vào và trở khỏng ra được trỡnh bày dưới dạng phức. Ta cú thể xỏc định được qua một đồ thị riờng biệt của điện trở tương đương song song đầu vào và đầu ra, và một đồ thị của điện khỏng tương
đương song song của đầu vào và đầu ra trong mối quan hệ với VCC và POUT, hay thụng qua giản đồ Smith, hoặc đơn giản hơn nữa là cú thể ở dạng bảng liệt kờ trong datasheet thiết bị. Những giỏ trị trở khỏng phức này cú thể được chuyển đổi thành dạng trở khỏng song song nếu như những thụng tin này khụng được cung cấp, cũn nếu được cung cấp thỡ chỳng cú thể
Vấn đề phối hợp trở khỏng như đó trỡnh bày bờn trờn, đặc biệt trong cỏc bộ khuếch đại cụng suất tần số vụ tuyến, là yờu cầu cho việc truyền năng lượng tới tầng phớa sau với một tiờu hao cụng suất nhỏ nhất cú thể. Ảnh hưởng của việc phối hợp được thể hiện qua cụng thức:
2 10 1 10log 1 1 VSWR ML VSWR − = − ữ + Trong đú: – ML là tổn thất do khụng phối hợp, [dB]; – VSWR là hệ số súng đứng, khụng thứ nguyờn.
Phối hợp trở khỏng làm tăng tiờu hao phản hồi (làm giảm VSWR) cho hệ thống, hay bộ khuếch đại sẽ ngăn ngừa sự khụng bằng phẳng trong dải thụng của cỏc bộ lọc thụng thấp hay cỏc bộ lọc dải và cho phộp thiết bị làm việc thực hiện yờu cầu thiết kế với một hệ số khuếch đại đồng đều,
mộo thấp, và độ tin cậy cao.
Vỡ trở khỏng vào và trở khỏng ra của một tranzistơ cụng suất là một trở khỏng phức và cỏc trở khỏng này cú thể là một giỏ trị rất nhỏ. Và cụng suất đầu ra thiết kế càng lớn thỡ trở khỏng ra sẽ càng nhỏ hơn, điều này cú thể dẫn tới khú phối hợp, đặc biệt là những mức cụng suất lớn. Trở khỏng vào và trở khỏng ra của tranzistơ cũng sẽ giảm với sự tăng lờn của tần số, điều này làm phức tạp hơn nữa cho việc thiết kế mạch phối hợp trong cỏc bộ khuếch đại cụng suất lớn, đặc biệt là những trở khỏng này cú thể giảm xuống tới 1/2 ụm hoặc nhỏ hơn nữa.
Tuy nhiờn, bằng việc lựa chọn một tranzistor với một điện ỏp colectơ đủ lớn, chỳng ta cú thể làm tăng những trở khỏng ra của nú, bởi vỡ trở khỏng ra được tớnh: 2 2 CC OUT OUT V Z P = ì
Trong đú: – ZOUT : trở khỏng đầu ra của Tranzistor [Ω]; – VCC : điện ỏp một chiều tại colectơ [V];
– POUT: cụng suất ra [W].
Song với thiết kế bộ khuếch đại cụng suất cho mỏy phỏt súng ngắn dựng cho cấp chiến thuật, nguồn cung cấp là 12V (như trỡnh bày bờn trờn), thỡ với cụng suất ra xỏc định ta nờn chọn bỏn dẫn cú trở khỏng vào, trở khỏng ra cú giỏ trị khụng quỏ nhỏ, và ớt thay đổi trong dải tần.
Bờn cạnh đú, cỏc tham số: tần số làm việc giới hạn FT, điểm P1dB, tăng ớch lớn nhất đạt được GA(MAX), và tạp õm nhỏ, cũng là những tham số hàng đầu. Tần số giới hạn FT và tăng ớch đó được đề cập ở trờn, ta xem xột thờm điểm P1dB.
Hỡnh 2.10 Quan hệ giữa cụng suất ra với cụng suất tớn hiệu vào P OU T ( dB m ) PIN (dBm) Điểm P1dB dB
Cú thể hiểu đõy là giới hạn trờn của vựng mà một bộ khuếch đại cụng suất cũn đảm bảo được độ bằng phẳng của độ tăng ớch của nú. Núi chung, mọi bộ khuếch đại sẽ cho cụng suất ra POUT tuyến tớnh với cụng suất tớn hiệu vào cho đến khi nú đạt tới điểm P1dB, xảy ra khi một tớn hiệu vào đủ lớn được đưa vào đầu vào của bộ khuếch đại. Sau điểm P1dB, bỏn dẫn sẽ ở trạng thỏi bóo hoà. Khi đú, với mọi mức dB của tớn hiệu đưa vào đầu vào bộ khuếch đại, sẽ khụng đảm bảo độ tuyến tớnh của tăng ớch, tăng ớch đầu ra sẽ khụng cũn bằng phẳng, và lỳc đú sự tăng của cụng suất ra khụng cũn ý nghĩa. Vỡ vậy, khi lựa chọn bỏn dẫn cần chỳ ý điểm P1dB cho đầu vào thiết kế.
Sự khỏc nhau cơ bản giữa một BJT và một FET trong cỏc bộ khuếch đại cụng suất là điều kiện thiờn ỏp cho bazơ/cổng. Đối với FET, yờu cầu một điện ỏp đủ lớn để mở bỏn dẫn, một vài loại cú thể yờu cầu tới 6V, trong khi đú, BJT chỉ yờu cầu một nguồn điện ỏp một chiều mở bỏn dẫn, cú giỏ trị khoảng 0.4V đối với bỏn dẫn Gecmani và khoảng 0.7V đối với bỏn dẫn Silic (cỏc tranzistơ cụng suất thường là loại silic vỡ cú chế độ nhiệt tốt hơn) để cho bỏn dẫn thụng. Với đặc trưng cho mỗi loại nờn dẫn đến những khỏc nhau trong quỏ trỡnh điều khiển bỏn dẫn về độ tăng ớch cũng như hiệu chỉnh độ đồng đều của nú trong dải tần bằng cỏc mạch hồi tiếp. Trong khi đối với FET, việc điều khiển tương đối đơn giản do điện ỏp điều khiển mở bỏn dẫn tương đối cao và dải điều chỉnh rộng (trong khảng một vài V), thỡ với BJT, do mức điện ỏp mở cực bazơ tương đối nhỏ nờn việc thay đổi trong dải rất