Khuếch đại công suất đẩy kéo song song

Chương 4. Mạch khuếch đại công suất

4.3. Khuếch đại công suất chế độ B, AB

4.3.1. Khuếch đại công suất đẩy kéo song song

1. Mạch điện

-Tầng khuếch đại công suất mắc đẩy kéo song song

Hình 4.9 Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo song song 2. Tác dụng linh kiện

Q1, Q2 : là 2 transistor cùng loại mắc đẩy kéo song song của tầng khuếch đại công suất

Q1, Q2: là 2 transistor công suất, làm việc ở chế độ B

Tr1 : biến áp đảo pha - tạo ra ở thứ cấp hai tín hiệu có độ lớn bằng nhau, ghép ngược pha nhau để đưa trực tiếp vào B của Q1, Q2

Tr2: biến áp ra - ghép tín hiệu đã được khuếch đại với tải và phối hợp trở kháng với tải. Cuộn sơ cấp gồm 2 nửa đối xứng nhau.

R1, R2: ph©n cùc cho Q1, Q2 3. Nguyên lý làm việc

+/ Khi chưa có tín hiệu xoay chiều vào, giả thiết tầng khuếch đại công suất làm việc ở chế độ B ta có:

UBE1 UBE2 UR2 0,4V VCQ1 VCQ2 EC

+/ Khi đưa tín hiệu vào, giả sử tín hiệu vào có dạng hình sin:

- 1/2 chu kỳ đầu của tín hiệu vào điện áp sơ cấp Tr1 (W1) có chiều dương trên âm dưới, trên W2 suất hiện suất điện động cảm ứng cùng chiều với W1 tức có chiều dương trên, âm dưới, nên:

21 2

1 U U

UBEQ  R  suy ra UBEQ1 tăng lên do đó Q1 dẫn

22 2

2 U U

UBE  R  suy ra UBEQ2 giảm dẫn đến Q2 khóa

Q1 dẫn có dòng IC1 từ dương nguồn qua nửa trên của cuộn sơ cấp Tr2 qua rCE1 về mass. Độ lớn dòng IC1 biến thiên theo quy luật của tín hiệu vào. Do vậy ở thứ cấp Tr2 có điện áp cấp cho tải.

- 1/2 chu kỳ sau của tín hiệu vào điện áp sơ cấp Tr1 (W1) có chiều âm trên dương dưới, trên W2 suất hiện suất điện động cảm ứng có chiều ngược lại tức chiều trên W2 có chiều âm trên, dương dưới, nên:

21 2

1 U U

UBEQ  R  suy ra UBEQ1 giảm đi dẫn đến Q1 khóa

22 2

2 U U

UBE  R  dẫn đến UBEQ2 tăng lên suy ra Q2 dẫn

Q2 dẫn có dòng IC2 từ dương nguồn qua nửa dưới của cuộn sơ cấp Tr2 qua rCE2 về mass. Dòng IC2 khi đi qua biến áp Tr2 có chiều ngược chiều với dòng IC1. Do vậy ở thứ cấp Tr2 có điện áp cấp cho tải theo chiều ngược lại.

Ta thấy trong một chu kỳ của tín hiệu vào, Q1, Q2 thay nhau làm việc, khi Q1 khóa thì Q2 mở và ngược lại. Do vậy trên tải nhận được chu kỳ đầy đủ của tín hiệu vào.

4. Các thông số

Hình 4.10 Đặc tuyến tải mạch làm việc chế độ B - Điện trở tải qui về sơ cấp biến áp:

Gọi N1 là số vòng dây một nửa cuộn sơ cấp biến áp Tr2 N2 là số vòng dây cuộn thứ cấp biến áp Tr2

n: hệ số ghép biến áp

NN1

n

khi đó ta có : 2 2

2 ' 1

)

( n

NN R R

t   Rt' n2Rt. (4.29) Dòng xoay chiều IC thay nhau chảy qua nửa trên và nửa dưới của cuộn sơ cấp biến áp Trdo đó chỉ có một nửa cuộn sơ cấp biến áp tham gia vào việc hình thành trường điện từ của biến áp.

- Công suất tín hiệu đưa ra tải

t CEm t

CEm t

Cm Cm

r CEm Un R

R U R I I

P U 2 ' 2 ' 22

2 2

2    

 (4.30)

Từ đặc tuyến ta thấy UCE biến thiên từ đến UCE0 đến UCEmin Dòng IC biến thiên từ ICmax đến IC0. Do đó ta có:

2)( )

( CE0 CEmin Cmax C0

r U U I I

P    (4.31)

Pr đạt giá trị cực đại (Prmax) khi:

min

0 CE

CE U

U  đạt giá trị lớn nhất EC

max C

C I

I  đạt giá trị lớn nhất '

E - Công suất đưa ra tải lớn nhất:

 Prmax E EC2 t'C 2EC2t' 2E2C2 t

R R n R

    (4.32)

Khi tính đến hiệu suất của biến áp Tr2 (ba2) thì công suất đưa ra tải

 Pt ba2Pr (4.33)

- Công suất cung cấp từ nguồn một chiều

0 E I

P  C  (4.34)

I0: Dòng trung bình qua tải bao gồm thành phần dòng một chiều IC0 (IC0 = 0 ) và thành phần dòng xoay chiều ICmsint

0 0

1 Cmsin ( ) 1 Cm( cos ) 2 Cm

I  I  td t  I  t   I (4.35)

0 0 2 2 C CEm2

C C Cm

P E I E I E U

 n R

   (4.36)

- Hiệu suất của mạch khuếch đại ()

2 2

0 2

% 100% 22 100%

CEm t r

C CEm

Un R

P E U

P n R





    (4.37)

1 0 0 % 4 C E mC

 E

  (4.38)

đạt giá trị cực đại maxkhi UCEm đạt giá trị lớn nhất EC

max% 100% 100% 78,5%

4 CC 4

 E 

      (4.39)

- Công suất tiêu tán trên mỗi transistor (PC)

0 2

2 2

1 (2 )

2 r 2 C CEm 2 CEm

C t t

P P E U U

P    n R  n R (4.40)

Từ công thức (4.40) ta thấy PC phụ thuộc vào UCEm Nếu lấy đại hàm C

CEm

dUdP và tìm cực trị ta sẽ xác định được công suất tiêu hao cực

đại trên mỗi transistor khi UCEm 2 EC



Khi đó: max 1( 42 22 22 22 ) 2 22 22 22 0,2 max

2 C C C 2 C

C r

t t t t

E E E E

P P

n R n R n R n R

   

      (4.41)

Vậy khi lựa chọn công suất chịu đựng của transistor phải thỏa mãn điều kiện công suất chịu đựnglớn nhất của transistor phải lớn hơn 0,2Prmax ( PCmax 0,2Prmax), để transistor làm việc không bị nóng vì nhiệt.

5. Đặc điểm của tầng khuếch đại công suất làm việc ở chế độ B

Hình 4.11 Méo phi tuyến khi tầng khuếch đại đẩy kéo làm việc ở chế độ B +/ ¦u ®iÓm:

- ở chế độ tĩnh không tiêu thụ dòng nguồn cung cấp, nên không có tổn hao trên transistor (IC0 =0).

- Vì không có dòng một chiều chạy qua biến áp nên không gây méo do bão hòa từ

- Hiệu suất của mạch cao (78,5%) - Mạch làm việc ổn định

+/ Nhược điểm:

- Do làm việc ở chế độ B, nên méo xuyên tâm lớn khi tín hiệu vào nhỏ và khi 2 vế khuếch đại không cân bằng (như thể hiện ở đặc tuyến trên hình vẽ 4.11).

Nên thường lựa chọn các điện trở phân cực cho Q1, Q2 sao cho khi đưa tín hiệu vào khuếch đại mạch trượt sang làm việc ở chế độ AB để giảm méo phi tuyến

- Trong quá trình làm việc transistor công suất nóng nhanh do vậy phải tỏa nhiệt cho transistor và dùng cầu phân áp có phần tử phi tuyến (Diode, điện trở nhiệt

âm), mắc thêm điện trở ổn nhiệt ở chân E của transistor(có trị số vài , đến vài chục  ) để ổn định điểm làm việc cho transistor như hình vẽ 4.12

Hình 4.12. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo song song có ổn nhiệt

Kết luận: Ưu nhược điểm của tầng khuếch đại công suất mắc đẩy kéo song song.

-Tầng khuếch đại đẩy kéo song song có ưu điểm: hệ số khuếch đại lớn, hiệu suất cao, dễ phối hợp trở kháng tốt với tải

- Tầng khuếch đại công suất mắc đẩy kéo song song có nhược điểm do dùng biến áp gây ra kích thước cồng kềnh, giá thành cao, dải tần làm việc không lớn, không thích hợp với các mạch tích hợp

- Do vậy tầng khuếch đại công suất đẩy kéo song song hiện nay chỉ còn

được dùng trong trường hợp cần nguồn cung cấp nhỏ hoặc dùng trong các tăng âm truyÒn thanh.

- Hình 4.13 chỉ ra một mạch khuếch đại công suất đầy đủ từ tầng đầu đến tầng khuếch đại công suất:

Hình 4.13 Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo song song đầy đủ

4.3.2. Khuếch đại công suất mắc đẩy kéo nối tiếp dùng transistor cùng loại.

1. Mạch điện.

Hình 4.14 Tầng khuếch đại công suất mắc đẩy kéo nối tiếp

2. Tác dụng linh kiện

Q1, Q2 : là 2 transistor cùng loại mắc đẩy kéo nối tiếp của tầng khuếch đại công suất

Q1, Q2: là 2 transistor công suất, làm việc ở chế độ B

Tr : biến áp đảo pha - tạo ra ở thứ cấp hai tín hiệu có độ lớn bằng nhau, ghép ngược pha nhau để đưa trực tiếp vào B của Q1, Q2

R1, R2: ph©n cùc cho Q1 R3, R4: ph©n cùc cho Q2 C: tụ xuất tín hiệu ra loa.

3. Nguyên lý làm việc

Để tiện cho việc phân tích nguyên lý làm việc, giả thiết tầng khuếch đại công suất làm việc ở chế độ B. Khi đó ta phải chọn các điện trở phân cực như

R1 = R3, R2= R4

+/ Khi chưa có tín hiệu xoay chiều vào UBE1UBE2 0,4V

Do mạch hoàn toàn đối xứng nên:

A E

V 

+/ Khi đưa tín hiệu vào, giả sử tín hiệu vào có dạng hình sin:

- 1/2 chu kỳ đầu của tín hiệu vào điện áp sơ cấp Tr (W1) có chiều dương trên âm dưới, trên W2 suất hiện suất điện động cảm ứng cùng chiều với W1 tức có chiều dương trên, âm dưới, nên:

21 2

1 U U

UBEQ  R  do vậy UBEQ1 tăng lên do vậy Q1 dẫn

22 2

2 U U

UBE  R   UBEQ2 giảm suy ra Q2 khóa Q1 dẫn có dòng qua tải đồng thời tụ C được nạp điện:

Tõ +Ec qua rCEQ1 qua C vÒ Rt (mass)

Dòng qua tải có độ lớn biến thiên phụ thuộc vào độ lớn của tín hiệu vào.

21 2

1 U U

UBEQ  R  do vậy UBEQ1 giảm đi suy ra Q1 khóa

22 2

2 U U

UBE  R   UBEQ2 tăng lên dẫn đến Q2 dẫn

Q2 dẫn tụ C phóng điện: Từ +C qua rCEQ2 qua Rt về -C , tụ C phóng điện có dòng qua tải phụ thuộc vào độ lớn của tín hiệu vào và có chiều ngược với 1/2 chu kỳ đầu. Ta thấy trong một chu kỳ của tín hiệu vào, Q1, Q2 thay nhau làm việc, khi Q1 khóa thì Q2 mở và ngược lại. Do vậy trên tải nhận được chu kỳ đầy

đủ của tín hiệu vào.

Tầng khuếch đại công suất nối tiếp dùng biến áp đảo pha do không dùng biến áp ra nên kích thước nhỏ, kinh tế hơn, nhưng vẫn cồng kềnh hiện nay ít

được sử dụng.

Để giảm méo phi tuyến, chọn các điện trở phân cực cho Q1, Q2 sao cho khi có tín hiệu vào, Q1, Q2 trượt sang làm việc ở chế độ AB, và dùng các phần tử phi tuyến để phân cực cho Q1, Q2 như hình vẽ 4.15

Hình 4.15 Tầng khuếch đại công suất mắc đẩy kéo nối tiếp dùng phần tử phi tuyến ph©n cùc cho Q1, Q2

4. Các thông số

Vẽ đặc tuyến của mạch:

Hình 4.16 Đặc tuyến tải của tầng khuếch đại công suất hình 4.15 - Công suất tín hiệu đưa ra tải

2 2

2 2 2

CEm Cm Cm t CEm

r t

U I I R U

P      R (4.42)

Từ đặc tuyến ta thấy UCE biến thiên từ đến UCE0 đến UCEmin Dòng IC biến thiên từ ICmax đến IC0. Do đó ta có:

2)( )

( CE0 CEmin Cmax C0

r U U I I

P    (4.43)

Pr đạt giá trị cực đại (Prmax) khi:

min

0 CE

CE U

U  đạt giá trị lớn nhất E2C

max C

C I

I  đạt giá trị lớn nhất 2C

- Công suất đưa ra tải lớn nhất:

 rmax 2 2 2C Ct 8C2t

E E E

P   R  R

  (4.44)

- Công suất cung cấp từ nguồn một chiều

0 E2C 0

P  I (4.45)

I0 : Dòng trung bình qua tải bao gồm thành phần dòng một chiều IC0 (IC0 = 0 )và thành phần dòng xoay chiều ICmsint

0 0

1 Cmsin ( ) 1 Cm( cos ) 2 Cm

I  I  td t  I  t   I (4.46)

0 0 2

2C 2C Cm C CEmt

E E E U

P I I

 R

   (4.47)

- Hiệu suất của mạch khuếch đại ()

% 100% 2 100%

CEm r t

C CEm t

P E U

P R





    (4.48)

1 0 0 % 2 C E mC

   (4.49)

 đạt giá trị cực đại maxkhi UCEm đạt giá trị lớn nhất E2C

max% 2 100% 100% 78,5%

2 4

 E 

      (4.50)

- Công suất tiêu tán trên mỗi transistor (PC)

0 1 ( 2 )

2 r 2 C CEm 2CEm

C t t

P P E U U

P    R  R (4.51)

Từ công thức (4.49) ta thấy PC phụ thuộc vào UCEm Nếu lấy đại hàm C

CEm

dU và tìm cực trị ta sẽ xác định được công suất tiêu haocực

đại trên mỗi transistor khi UCEm EC

 

Khi đó: max 1( 22 22 ) 22 22 2 0,2 max

2 C 2 C 4 C 8C

C r

t t t t

E E E E

P P

R R R R

   

      (4.52)

- Hình 4.17 chỉ ra một mạch khuếch đại công suất đầy đủ từ tầng đầu đến tầng khuếch đại công suất:

Hình 4.17 Mạch khuếch đại công suất mắc đẩy kéo nối tiếp đầy đủ 4.3.3. Khuếch đại công suất mắc đẩy kéo nối tiếp dùng transistor bù

1 Dùng nguồn đối xứng a. Mạch điện.

Hình 4.18 Mạch khuếch đại công suất mắc đẩy kéo nối tiếp dùng transistor khác loại , nguồn đối xứng

b. Tác dụng linh kiện

Q2, Q3 : là 2 transistor khác loại mắc đẩy kéo nối tiếp của tầng khuếch đại công suÊt

Q2, Q3: là 2 transistor công suất, làm việc ở chế độ B, AB

Q1: khuếch đại đầu vào (transistor kích thích), làm việc ở chế độ A R1, VR1, R2: ph©n cùc cho Q1

R3, D, VR2: ph©n cùc cho Q2,Q3 C1: tụ dẫn (lọc) tín hiệu đầu vào.

c. Nguyên lý làm việc

Để tiện cho việc phân tích nguyên lý làm việc, giả thiết tầng khuếch đại công suất làm việc ở chế độ B.

+/ Khi chưa có tín hiệu xoay chiều vào:

UBE2 UBE3 0,4V UBE1 0,5V VA 0V

+/ Khi đưa tín hiệu vào: giả sử tín hiệu vào có dạng hình sin

- 1/2 chu kỳ đầu của tín hiệu vào UBE1 tăng lên dẫn đến Q1 tăng dẫn suy ra UCE1 giảm dẫn đến VB2 giảm, VB3 giảm suy ra UBE2 giảm do đó Q2 khóa

UBE3 giảm dẫn đến Q3 dẫn do đó có dòng qua tải:

Từ mass qua Rt qua rec3 về -EC . Dòng qua tải có độ lớn biến thiên phụ thuộc vào

độ lớn của tín hiệu vào.

- 1/2 chu kỳ sau của tín hiệu vào UBE1 giảm đidẫn đến Q1 giảm dẫn suy ra UCE1 tăng dẫn đến VB2 tăng, VB3 tăng do đó UBE2 tăng suy ra Q2 dẫn

UBE3 tăng suy ra Q3 khóa do vậy có dòng qua tải:

Từ +EC qua rec2 qua Rt về mass. Dòng qua tải có độ lớn biến thiên phụ thuộc độ lớn tín hiệu vào.

Ta thấy trong một chu kỳ của tín hiệu vào, Q2, Q3 thay nhau làm việc, khi Q2 khóa thì Q3 mở và ngược lại. Do vậy trên tải nhận được chu kỳ đầy đủ của tín hiệu vào.

d. Các thông số

Đặc tuyến làm việc

Hình 4.19 Đặc tuyến tải của mạch khuếch đại công suất hình 4.18 - Công suất tín hiệu đưa ra tải

2 2

2 2 2

CEm Cm Cm t CEm

r t

U I I R U

P      R (4.53) Từ đặc tuyến ta thấy UCE biến thiên từ đến UCE0 đến UCEmin

Dòng IC biến thiên từ ICmax đến IC0. Do đó ta có:

2)( )

( CE0 CEmin Cmax C0

r U U I I

P    (4.54) Pr đạt giá trị cực đại (Prmax) khi:

min

0 CE

CE U

U  đạt giá trị lớn nhất EC 0

max C

C I

I  đạt giá trị lớn nhất C

E R - Công suất đưa ra tải lớn nhất:

Prmax E EC2 t C 2EC2t R R

  (4.55) - Công suất cung cấp từ nguồn một chiều

0 C 0

P E I  (4.56) I0 : Dòng trung bình qua tải bao gồm thành phần dòng một chiều IC0 (IC0 = 0 )và thành phần dòng xoay chiều I sint

0 0 0

1 Cmsin ( ) 1 Cm( cos ) 2 Cm

I  I  td t  I  t   I (4.57)

0 0 2 2 C CEm

C C Cm

P E I E I E U

 R

   (4.58)

- Hiệu suất của mạch khuếch đại ()

% 100% 2 2 100%

CEm r t

C CEm t

P E U

P R





    (4.59)

1 0 0 % 4 C E mC

 E

  (4.60)

đạt giá trị cực đại maxkhi UCEm đạt giá trị lớn nhất EC

max% 100% 100% 78,5%

4 CC 4

 E 

      (4.61)

- Công suất tiêu tán trên mỗi transistor (PC)

0 1 (2 2 )

2 r 2 C CEm 2CEm

C t t

P P E U U

P    R  R (4.62)

Từ công thức (4.47) ta thấy PC phụ thuộc vào UCEm Nếu lấy đại hàm C

CEm

dUdP và tìm cực trị ta sẽ xác định được công suất tiêu hao cực

đại trên mỗi transistor khi UCEm 2EC

 

Khi đó: max 1(42 2 22 2 ) 22 22 2 0,2 max

2 C C C 2C

C r

t t t t

E E E E

P P

R R R R

   

      (4.63)

Vậy từ biểu thức (4.63) khi lựa chọn công suất chịu đựng của transistor phải thỏa mãn điều kiện công suất chịu đựnglớn nhất của transistor phải lớn hơn 0,2Prmax (PCmax 0,2Prmax), để transistor làm việc không bị nóng vì nhiệt.

2. Dùng nguồn đơn a. Mạch điện.

Hình 4.20 Mạch khuếch đại công suất mắc đẩy kéo nối tiếp dùng transistor khác loại , nguồn đơn

b. Tác dụng linh kiện

Q2, Q3 : là 2 transistor khác loại mắc đẩy kéo nối tiếp của tầng khuếch đại công suất

Q2, Q3 : là 2 transistor công suất, làm việc ở chế độ B, AB

C1: tụ dẫn (lọc) tín hiệu đầu vào.

C2: tụ xuất tín hiệu ra loa.

d. Nguyên lý làm việc

Để tiện cho việc phân tích nguyên lý làm việc, giả thiết tầng khuếch đại công suất làm việc ở chế độ B.

+/ Khi chưa có tín hiệu xoay chiều vào:

UBE2 UBE3 0,4V

1 0,5

UBE  V

A E

V 

+/ Khi đưa tín hiệu vào: giả sử tín hiệu vào có dạng hình sin:

- 1/2 chu kỳ đầu của tín hiệu vào UBE1 tăng lên dẫn đến Q1 tăng dẫn dẫn đến UCE1 giảm suy ra VB2 giảm, VB3 giảm dẫn đến UBE2 giảm suy ra Q2 khóa

UBE3 giảm suy ra Q3 dẫn dẫn đến tụ C2 xả điện do đã được tích điện từ nửa chu lỳ trước đó, do vậy có dòng qua tải:

Từ +C2 qua rCE3 qua Rt về -C2. Dòng qua tải có độ lớn biến thiên phụ thuộc vào độ lớn của tín hiệu vào.

- 1/2 chu kỳ sau của tín hiệu vào UBE1 giảm đi dẫn đến Q1 giảm dẫn lám cho UCE1 tăng tức VB2 tăng, VB3 tăng suy ra UBE2 tăng dẫn đến Q2 dẫn

UBE3 tăng dẫn đến Q3 khóa suy ra có dòng qua tải đồng thời tụ C2 nạp điện:

Từ +EC qua rec2 qua C2 qua Rt về mass. Dòng qua tải có độ lớn biến thiên phụ thuộc độ lớn tín hiệu vào.

b. Các thông số

Vẽ đặc tuyến làm việc

UCEm

Hình 4.21 Đặc tuyến tải của mạch khuếch đại công suất hình 4.20

Các thông số của mạch tính toán tương tự như đối với tầng khuếch đại công suất

đẩy kéo nối tiếp dùng transistor khác loại nguồn đối xứng, nhưng ở đây EC được thay bởi EC/2.

*/ Ưu, nhược điểm của tầng khuếch đại công suất mắc đẩy kéo nối tiếp không dùng biến áp.

¦u ®iÓm:

-Tầng khuếch đại đẩy kéo song song có ưu điểm : hệ số khuếch đại lớn, hiệu suất cao, mạch làm việc ổn định

Khuếch đại công suất đẩy kéo song song

Khuếch đại công suất chế độ D

Khái niệm về khuếch đại thuật toán