Chương 3: Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số Chương 3 KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN VÀ NHÂN TẦN SỐ 3.1. PHÂN TÍCH MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN (KĐCSCT) Mạch KĐCSCT nằm ở ngõ ra máy phát thoả các yêu cầu sau: hiệu suất cao, ít sái dạng, chọn lọc tần số, tận dụng tới ngưỡng khả năng cung cấp công suất của phần tử tích cực (dòng và áp). Công suất ra có thể từ mW tới MW tuỳ theo mục đích sử dụng. P i R A RFC +V cc Hình 3.1. Mạch KĐCSCT dùng BJT (a) và FET (b). RFC Z i R B Z iQ C B V Bo R eq P i R A RFC Z i R G Z iQ -V Go RFC +V DD G D S C B (a) (b) R A trở kháng Anten thường 50Ω; 75Ω. C B tụ lọc thoát cao tần. RFC cuộn chặn cao tần. BJT, FET coi như không có quán tính, đáp ứng vào - ra tức thời. Dùng đáp tuyến truyền dẫn I C (V BE ) hay I D (V GS ) phân tích nguyên lý hoạt động mạch KĐCSCT nói chung Giả sử V Bo = 0V, ta có đồ thò biểu diễn tín hiệu vào v i = V i cos ω 0 t và dòng I C (t) như sau: Mạch điện tử 3 18 Chương 3: Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số V BE (V) I C I C t t 0 0,7 v i θ θ 0 I Cm Đònh nghóa góc cắt θ : là một nửa khoảng thời gian dòng Collector tồn tại trong một chu kỳ tín hiệu Vậy chế độ A có θ = 180 0 ; chế độ B: θ = 90 0 ; chế độ C : θ < 90 0 ; chế độ AB: 90 0 < θ < 180 0 . Phân tích I C (t) theo chuỗi Fourier: I C (t) = I Co + I C1 cos ω 0 t + I C2 cos 2ω 0 t + I C3 cos 3ω 0 t + … I C (t) = I Co + I C1 cos ω 0 t + ∑ ∞ = ω 2n 0C tncosI n Thành phần dòng một chiều: ( ) ( ) m0 C0 2 0 CC I.tdtI 2 1 I θα=ωω π = ∫ π I Cm - biên độ xung dòng Collector; α 0 (θ) hệ số phân tích hài: ( ) ( ) θ−π θθ−θ =θα cos1 cossin 0 Biên độ thành phần dòng hài cơ bản: (hài 1) ( ) ( ) Cm1 2 0 CC I.td.tcos.tI 1 I 1 θα=ωωω π = ∫ π ( ) ( ) θ−π θθ−θ =θα cos1 cossin 1 Biên độ thành phần dòng hài n: . ( ) ( ) Cmn 2 0 CCn I.td.tncos.tI 1 I θα=ωωω π = ∫ π ( ) ( )       θ−− θθ−θθ π =θα cos1)1n(n ncossinncosnsin2 2 n với n =2, 3, … α n( θ ) hệ số phân tích hài có dạng đồ thò sau: Mạch điện tử 3 19 Chương 3: Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số 30 60 90 120 150 180 40 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,54 α n (θ) α 1 α 0 α 2 α 3 θ ο Hình 3.2. Đồ thò α n (θ) Công suất nguồn cung cấp P 0 = I co .V cc . Công suất ra của dòng hài cơ bản 11 cc 2 1c1 v.I 2 1 qRe.I 2 1 P == V c1 = I c1 .Req biên độ điện áp xoay chiều hài 1 ở Collector. Req = 1c 1c I V Trở kháng ra của BJT theo hài 1 ở chế độ đang xét. Công suất tiêu tán trên collector P tt = P o - P 1 Hiệu suất tầng khuếch đại ξ α α ===η 2 1 V.I V.I . 2 1 P P 0 1 cc0c 1c1c 0 1 1 cc 1c V V =ξ hệ số sử dụng điện áp nguồn cung cấp Vậy η 1 tỷ lệ với )(0 )(1 θ θ α α 30 60 90 120 150 180 1 2 θ ο ( ) ( ) θα θα η o 1 1 ~ Hình 3.3. Đồ thò ( ) ( ) θα θα η o 1 1 ~ Mạch điện tử 3 20 Chương 3: Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số Hiệu suất η 1 dẫn đến 1 khi góc cắt θ → 0 và trò tuyệt đối điện áp phân cực, biên độ tín hiệu vào V i rất lớn phi thực tế. Do đó để có η 1 đủ lớn thường chọn 60 0 ≤ θ ≤ 90 0 , hiệu suất đạt η 1 = 0,7 ÷ 0,75, thực tế chỉ khoảng 0,6 ÷ 0,65. Tần số tăng, hiệu suất giảm. Tuỳ điều kiện cụ thể chọn các chế độ khuếch đại khác nhau. Ví dụ trong truyền hình, vi ba số cần có độ tuyến tính cao, dùng chế độ A. Trong máy phát thanh FM, thông tin FM, trạm gốc thu phát BTS của bệ thông thông tin di động tế bào dùng chế độ B. Trong các máy điện thoại di động, điện thoại cordless telephone dùng chế độ C. Một chế độ đặc biệt là chế độ D sẽ được đề cập sau. Điện áp tức thời trên cực C trong hình 3.1 là: V c = V cc - V c1 cos ω 0 t; V c1 = V cc - V CE bão hoà Nếu coi ξ ≈ 1; 0; V cmax = 2V cc . Vậy nguồn cung cấp chọn 2 V V maxCE cc ≤ 3.2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TẦNG KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN 1) Cho tần số làm việc, công suất trên tải anten 2) Chọn linh kiện tích cực (BJT, FET, Đèn điện tử, … ) có các thông số từ sổ tay. 3) Chọn phân cực và mạch thích hợp. 4) Tính toán các thông số năng lượng P 0 , P 1 , η 1 , P tiêu tán , P i , … 5) Tính mạch phối hợp trở kháng vào và ra. 6) Công suất kích thích P i và trở kháng vào Z i là thông số tính ngược lại tầng trước cuối. Mức công suất nhiễu hài bậc cao ∑ ∞ =2n 1 n P P lg10 phải nhỏ hơn - 40 dB (CCIR) P i = 3W R A Hình 3.4. Sơ đồ mạch KĐCSCT thực tế điện thoại vô tuyến di động CRT 904. Q 1 RELE Ω= 50Z i f o = 70MHz Ω50 Ω50 P A = 24W Q 3 RELE F 5A + SW Q 2 G R R C Mạch phối vào Mạch phối ra Mạch bảo vệ 13,8 V 2SC 1946A Mạch điện tử 3 21 Chương 3: Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số R A Ω50 P A = 20W P i = 2W Ω= 50Z i 68p 0,01 RFC Q 1 15p 4/25p f o = 94MHz 2SC 1946A Hình 3.5. Modul KĐCSCT 20W/94MHz cho máy phát thanh FM. + V cc 82 R A Ω50 Q 1 Q 2 10 56 47K 120 68 0,01 0,01 0,01 L 2 L 1 68K +V cc f i = 16MHz f o = 48MHz C 2812 C 2814 Hình 3.6. Sơ đồ tầng ra điện thoại Cordless Telephone Sanyo. 2/8 Q 1 Q 2 18 0,01 +15V 2N3375 Hình 3.7. Modul 2 tầng KĐCSCT 12W - 175MHz. 0,01 68 7/35 100 R A Ω50 68 5/35 2T922B 2/8 Q 1 Q 2 103 +24V 2N3375 Hình 3.8. Modul 2 tầng KĐCSCT 20W - 138MHz cho điện thoại vô tuyến cố đònh. 103 10/30 100 R A Ω50 33 10/30 BLY93C 100 KĐCSCT mắc CE (BJT) cho hệ số khuếch đại công suất lớn nhưng bò giới hạn tần số hoạt động. Tần số tăng, công suất giảm. Mắc CB cho hệ số khuếch đại công suất nhỏ Mạch điện tử 3 22 Chương 3: Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số hơn nhưng hoạt động ổn đònh hơn ở tần số cao. Phương pháp phân tích - tính toán tương tự cách mắc CE. R A +V cc Hình 3.9. KĐCSCT B chung. C B P i Z i Hiện nay các loại FET, MOSFET, GaAs FET công suất cao tần được dùng rất nhiều trong thông tin vệ tinh VSAT, thông tin di động, phát thanh. phát hình có hệ số khuếch đại công suất lớn, ổn đònh ở tần số cao cỡ GHz. Phương pháp phân tích - tính toán tương tự BJT. Bảng thông số MOSFET model mới. Loại Công suất ra P 0 Tần số hoạt động f 0 Hệ số khuếch đại công suất A p 2 SK 2216 140 W 1 ÷ 15 GHz A p = 10 2 SK 2217 60 W 1 ÷ 15 GHz A p = 10 3.3. GHÉP SONG SONG VÀ ĐẨY KÉO Các linh kiện BJT, FET, MOSFET bò giới hạn công suất ra. Một trong những cách tăng công suất dùng ghép song song hoặc đẩy kéo. 1. Ghép song song: yêu cầu 2 vế cân nhau. Ghép song song cho công suất ra tăng gấp hai lần so với mắc đơn, dòng ra tăng gấp đôi, tuy nhiên trở kháng ra của mỗi vế giảm một nửa để bảo đảm chế độ hoạt động tối ưu. Công nghệ kỹ thuật cao cho phép chế tạo một hay nhiều cặp bán dẫn cùng thông số trên một phiến tinh thể tiện dụng cho thiết kế mạch. Đấu song song làm tăng điện dung vào – ra của tầng khuếch đại, giảm tần số hoạt động. Việc khó phối hợp trở kháng và sự không tuyệt đối giống nhau của 1 cặp bán dẫn làm hạn chế kiểu mắc này. Mạch điện tử 3 23 Chương 3: Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số R A 100 +V cc Input (a) R A +V cc (b) Hình 3.10. Ghép song song KĐCSCT (a) B chung; (b) E chung. 2. Ghép đẩy kéo: dùng phổ biến, có phân cực góc cắt θ = 90 0 , khuếch đại tuyến tính. Đó là hai bộ KĐCSCT giống nhau ghép chung tải, được kích bởi hai tín hiệu vào cùng biên độ, ngược pha qua biến áp T 1 . R A Hình 3.11. Mắc đẩy kéo dùng BJT: 80W; A p = 16. Ω50 P A 80W +V cc Σ I P i 5W 2 - 30MHz Q 1 Q 2 I 1 I 2 T 1 T 2 Q 1,2 MRF 454 Để đạt chế độ tối ưu, trở kháng ra mỗi vế gấp hai lần mắc đơn dòng hài cơ bản không đổi nên công suất ra gấp hai lần so với mắc đơn. Ghép đẩy kéo push - pull so với mắc đơn. Ta có: Mạch điện tử 3 24 Chương 3: Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số P i 63W 10 - 30MHz T 1 T 2 Q 1 Q 2 Bias 2,7 µH 20 µH 2,7 µH 20 µH Ω20 Ω20 0,003 0,003 410 0,003 0,47 10 µH V cc 50V RF out 9:116:1 Bias Σ I I 2 I 1 0,1 Q 1,2 MRF 154 Hình 3.12. Mắc đẩy kéo dùng MOSFET 1KW; A p = 12dB. ;y;AA;P2P;I2I;P2P;II 11ppiicc11cc ppppppo pp opp1 pp 1 η====== −−− − − − Ưu điểm ghép đẩy kéo: 1. Tăng công suất gấp hai lần mắc đơn 2. Cho chế độ đơn hài không cần mạch lọc phối hợp phức tạp khi θ = 90 0 . 3. Tụ lọc nguồn nhỏ dễ có. 4. Khuếch đại tuyến tính. Nhược điểm: khó thực hiện đồng nhất hai vế, tuy nhiên vẫn làm được, do đó được ứng dụng rất phổ biến. Dòng ra của Q 1.2 chảy qua cuộn sơ cấp T 2 ngược chiều nhau và lệch nhau 180 0 , do đó dòng chảy qua cuộn thứ cấp T 2 tỷ lệ với hiệu của chúng I = I l - I 2 = I cl cos ω 0 t + I c3 cos 3ω 0 t + I c5 cos 5ω 0 t + … Ở chế độ B(θ = 90 0 ) hài lẻ 3, 5, 7 … bằng không nên dòng ra chỉ còn thành phần cơ bản I = I l - I 2 = I cl cos ω 0 t. Vậy mạch lọc phối hợp ra đơn giản. Dòng tổng I Σ = 2I c0 + 2I c2 cos 2ω 0 t + 2I c4 cos 4ω 0 t + … Các thành phần hài cao dễ lọc dưới tụ lọc nguồn nhỏ. Mạch điện tử 3 25 Chương 3: Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số Input Ω50 20p 20p 3p 3p λg/4 1n 1n 4,7K 4,7K V GG V GG V DD V DD 1n 1n 10µ 10µ 5p 5p 10p 10p λg/4 Ω50 Output Q 1,2 2SK2216 Q 1 Q 2 Hình 3.13. KĐCS ra cao tần trạm gốc BTS điện thoại di động f o = 860MHz; P A = 280W, η 1 = 0,55. 3.4. GHÉP PHỨC HP ĐẨY KÉO - SONG SONG Cho công suất ra lớn. T 1 Q 1,2,3,4 MRF 150 Q 1 Q 2 Hình 3.14. Ghép phức hợp 600W - UHF. Q 3 Q 4 T 2 T 3 Bias 50V Mạch điện tử 3 26 Chương 3: Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số 3.5. CỘNG CÔNG SUẤT CAO TẦN Cộng công suất cao tần từ các modul công suất lớn hơn được dùng nhiều trong các hệ thống phát thanh, truyền hình, … Đối với hình 3.15 cần thoả mãn: 231 21 C 2 C 1 C 1 LLX ω = ω = ω =ω=ω= R B = 2R L X = R L . 2 R B = 2R R L = R L 2 L 1 C 2 C 1 C 3 Z i = R Z i = R Hình 3.15. Cộng công suất dùng LC hình π . Z i = R R L = R Z i = R R B = 2R Z i = R R L = 2R Z i = R R B = 2R T 2 1:1 T 1 1:1 Hình 3.16. Cộng công suất dùng biến áp cho hai loại tải. (a) Tải đối xứng (b) Tải bất đối xứng Hình 3.17. Nguyên lý cộng modul công suất lớn. : + + Mạch điện tử 3 27 [...]... hình băng V H Mạch điện tử 3 30 Chương 3: Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số 3.8 NHÂN TẦN SỐ Một dạng đặc biệt của khuếch đại chế độ C là nhân tần số Từ phân tích hài ta thấy nếu tải cộng hưởng ở n lần tần số vào thì thành phần dòng hài I Cn tạo nên sụt áp VCn = ICn cos nω0t Req(nω0) có tần số gấp n lần tần số vào tức là có nhân tần số Nhân tần số nhân cả độ di tần dùng trong máy phát FM Ngoài... có độ rộng thay đổi theo tín hiệu vào 3.11 KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN CHẾ ĐỘ E Khuếch đại (KĐ) chế độ D sử dụng bán dẫn như một khoá (switch) chuyển đổi công suất Ở chế độ E, chỉ có một bán dẫn hoạt động ở chế độ khoá (on - off) Vcc L C1 C2 C RL Hình 3.32 Mạch khuếch đại công suất cao tần chế độ E 35 Mạch điện tử 3 Chương 3: Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số Sự khác biệt chế độ E so với D... RL -Vce Hình 3.31 Mạch khuếch đại công suất cao tần chế độ S Đáp ứng của bán dẫn ở chế độ khoá (Swiching) bò giới hạn ở tần số đóng mở (on off) cao Khuếch đại công suất cao tần chế độ D được dùng khuếch đại tín hiệu điều chế tần số kiểu FSK (frequency shift keyed) và trong một số trường hợp đặc biệt như tạo nguồn AC từ DC (converter) … Mạch ĐRX có thể là một bộ so sánh tín hiệu vào với tín hiệu xung... ra tần số mong muốn 1000 Q1 1000 42MHz C1 21MHz L1 C2 6/80 Vcc +12V 6/80 2N743 170/780 170/780 Hình 3.25 Mạch nhân hai tần số 560 68 1n 470 Khuếch đại 10n 4,7K 150 10n 3,3K 10n x3 3 x BF244 0,01 144MHz 22 2,2K 10n 12 x2 x2 BS x 20 Hình 3.26 Khuếch đại cao tần và nhân tần số n = 12 31 Mạch điện tử 3 10n 47K 33 1n 100K 12MHz 100K 100 10n 220K 10n 33 3,3K 33 Vcc 12V 10n 22 Chương 3: Khuếch đại công suất. .. được ứng dụng trong máy phát thanh AM công suất rất lớn, hiệu suất cao, độ tin cậy cao Tín hiệu vào S(t) được điều chế điều rộng xung (ĐRX) Tín hiệu ĐRX có biên độ không đổi nhưng độ rộng xung thay đổi theo tín hiệu vào được khuếch đại ĐRX Đây là một dạng KĐ khoá, chế độ D Tín hiệu ĐRX có dạng: Mạch điện tử 3 34 Chương 3: Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số X( t ) = ∞ ∞ 1 ∞ e jmω 0 t (− j)n... nên công suất tiêu tán (tổn hao) rất nhỏ, hiệu suất chuyển đổi có thể đạt gần bằng 1 (100%) Đây chính là cơ sở của chế độ khuếch đại D, E, S Vcc Vcc va Q1 va vi va L Q2 (a) -Vcc C Vcc L C RL -Vcc t 0 RL -Vcc (b) (c) Hình 3.28 (a) Khuếch đại chế độ D; (b) Mạch tương đương; (c) Dạng tín hiệu ra Mạch điện tử 3 32 Chương 3: Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số Nếu Q1 tắt, Q2 dẫn đến bảo hoà và ngược... suất cao tần và nhân tần số 47 30 12 8,2K 15K TA 1K out To Tx out To Rx 220 33K 15K 60 450MHz 500 47 500 47 500 9V osc 500 Vcc 12V 500 x3 x3 3 x BF199 500 47 Hình 3.27 Dao động thạch anh và nhân tần số n = 9 Nhân tần số thường dùng trong máy phát FM, PM để tăng độ di tần, độ di pha cũng như chỉ số điều chế, thực hiện FM dải rộng PM dải rộng 3.9 KHUẾCH ĐẠI CHẾ ĐỘ D Chế độ A Cho khuếch đại tuyến tính cao, ... 18,5 W    on   L RL 50 η1 = = = 0,962 R L + R on 50 + 2 3.10 KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN CHẾ ĐỘ S S(t) = Acosωst Điều rộng xung h(t) Khuếch đại điều rộng xung Lọc thông thấp S(t) Vcc Hình 3.30 Sơ đồ khối khuếch đại chế độ S Hiệu suất chuyển đổi cao của khuếch đại chế độ D được ứng dụng vào các kiểu khuếch đại khoá khác như khuếch đại tín hiệu đã điều rộng xung Sau đó khôi phục lại tín hiệu ban... 148MHz Mạch điện tử 3 28 Chương 3: Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số MHW 820 1 Z1 3 2 C2 C1 RFin C3 C4 Vcc1 12,5V/0,45A C5 C6 4 C7 C7 5 Z2 C8 Vcc2 12,5V/1,25A Vcc3 12,5V/3,2A RA 50Ω C1,4,7: 1µF; C2,5,8: 1µF; C3,6,9: 0,0015µF Hình 3.20 Vi mạch MOTOROLA MHW 820 / 20W / 806 - 950MHz / Ap = 20dB dùng cho trạm gốc BTs điện thoại di động tế bào 3.7 TRUNG HÒA Hệ số khuếch đại và độ ổn đònh của KĐCSCT.. .Chương 3: Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số 3.6 VI MẠCH KĐCSCT Ngày nay công nghệ vi mạch hiện đại đã chế tạo nhiều modul KĐCSCT có chất lượng, gọn nhỏ đặc biệt hữu dụng trong các máy di động, cầm tay Ví dụ vi mạch IC 16 lead psop 1,9 GHz HBT PA - LNA T/R MMIC.GaAs Vi mạch này chế tạo theo công nghệ MMIC (Monolithic Microwave Integrated circuits) gồm 2 tầng KĐCSCT có mức . Chương 3: Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số Chương 3 KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN VÀ NHÂN TẦN SỐ 3.1. PHÂN TÍCH MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN (KĐCSCT) Mạch KĐCSCT. động. Tần số tăng, công suất giảm. Mắc CB cho hệ số khuếch đại công suất nhỏ Mạch điện tử 3 22 Chương 3: Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số hơn nhưng hoạt động ổn đònh hơn ở tần số cao. . 3 30 Chương 3: Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số 3.8. NHÂN TẦN SỐ Một dạng đặc biệt của khuếch đại chế độ C là nhân tần số. Từ phân tích hài ta thấy nếu tải cộng hưởng ở n lần tần số vào