VÔ TUYẾN ĐIỆN ĐẠI CƯƠNG TS Ngô Văn Thanh Viện Vật Lý Hà Nội - 2016 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 Tài liệu tham khảo [1] David B Rutledge, The Electronics of Radio (Cambridge University Press 1999) [2] Dennis L Eggleston, Basic Electronics for Scientists and Engineers (Cambridge University Press 2011) [3] Jon B Hagen, Radio-Frequency Electronics: Circuits and Applications (Cambridge University Press 2009) [4] Nguyễn Thúc Huy (1998), Vô tuyến điện tử, NXB KHKT [5] Đỗ Xuân Thụ, Nguyễn Đức Nhuận (1990), Kỹ thuật điện tử, NXB KHKT [6] Phạm Văn Đương (2004), Cơ sỡ kỹ thuật khuếch đại, NXB KHKT Website : http://iop.vast.ac.vn/~nvthanh/cours/votuyendien/ Email : nvthanh@iop.vast.ac.vn Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 CHƯƠNG 10 KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT Khuếch C Khuếch đại công suất NorCal 40A Khuếch đại công suất loại D Khuếch đại công suất loại E Khuếch đại công suất loại F Khuếch đại công suất loại B Mô hình hoá nhiệt Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 Khuếch C  Class-C Amplifiers  Mạch thường dùng transistor cực phát chung  RF choke : cuộn cảm mạch lọc tần số radio => cung cấp điện áp cho cực góp • RF làm tăng trở kháng nguồn, tác động chủ yếu đến dòng DC nguồn  DC block : tụ điện có điện dung lớn => đóng vai trò tải • Có trở kháng RF bé, không ảnh hưởng đến dòng AC  Harmonic filter : mạch lọc thành phần dao động điều hòa Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 Khuếch C  Chuyển mạch (switch) transitor :  Khi chuyển mạch mở : transistor đóng  Khi chuyển mạch đóng : transistor mở  Điện áp chuyển mạch : • Chuyển mạch “off” : • Chuyển mạch “on” : • Vm : điện áp đỉnh sóng dạng hàm sin chỉnh lưu  Do cuộn cảm RF có điện trở bé : • Giá trị trung bình cho vòng tròn hình sin chỉnh lưu : suy :  Công suất cung cấp nguồn • Io : dòng nguồn DC • Chú ý : dòng DC không chạy qua tụ điện, dòng DC qua chuyển mạch dòng nguồn DC : Io Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 Khuếch C  Giả thiết : thời gian chuyển mạch hoạt động ngắn : bỏ qua • Công suất lãng phí (dissipate) : • Công suất đầu : • Hiệu suất :  Hiệu suất tỷ số điện áp hiệu dụng điện áp thực tế nguồn  Để tăng hiệu suất : • giảm điện áp Von transistor hoạt động • tăng điện áp nguồn cung cấp  Biểu diễn sóng điện áp sang tổng thành phần điều hòa theo tần số • Khai triển chuỗi Fourier • Số hạng đầu = điện áp DC, • Số hạng = thành phần tần số tín hiệu truyền, gọi thành phần • Các thành phần bậc cao = thành phần điều hòa chẵn  Giả thiết : trở kháng đầu vào mạch lọc “thực” : R • Ta có : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 Khuếch đại công suất NorCal 40A  NorCal 40A Power Amplifier  NorCal : Northern California QRP Club  Phát triển dựa khuếch C  Điện áp nguồn :  Điện áp “on” :  Tần số : MHz  Trở kháng lọc có điện trở R = 50   Dòng điện cung cấp : 250 mA  Công suất kỳ vọng : 2.9 W ~ 84%  Công suất đo : 2.5 W ~ 78%  Công suất suy hao transistor  Điện áp cực gốc khoảng thời gian dẫn điện rộng so với cực góp => tượng trễ lưu trữ điện tích Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 Khuếch đại công suất NorCal 40A  Xét mạch điện tương đương  Suy hao tương đương với trình phóng điện tụ điện mạch lọc điều hòa • Điện dung : 330 pF • Điện áp hai đầu tụ điện nạp đầy : 15V  Năng lượng tụ điện:  Công suất lãng phí  Dòng điện tụ điện giải phóng  Dòng điện transistor “on”  Công suất suy hao  Công suất lãng phí toàn phần Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 Khuếch đại công suất loại D  Class D  Bao gồm chuyển mạch transistor  Được gọi mạch “kéo-đẩy”  Nguồn nối trực tiếp với transistor cuộn cảm RF  Bandpass filter : lọc băng thông • Chặn dòng DC dòng điều hòa từ tải (load)  Tạo nên chồng chập điện áp sóng vuông điện áp “on” transistor  S1 on S2 off :  S1 off S2 on :  Chênh lệch điện áp cực đại cực tiểu  Khai triển theo chuỗi Fourier Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 10 Khuếch đại công suất loại D  Điện áp đỉnh thành phần  Điện áp Vm xem điện áp nguồn hiệu dụng  Mạch lọc chặn tất tính hiệu ngoại trừ thành phần => công suất đầu :  Công suất tín hiệu vào : • Io : dòng điện trung bình nguồn  Giá trị đỉnh dòng điện hình sin chỉnh lưu nguồn  Viết lại biểu thức dòng  Công suất  Hiệu suất Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 11 Khuếch đại công suất loại E  Class E  Có hiệu suất cao khoảng 90%  Biểu diễn công suất dạng :  Công suất lãng phí :  Biểu thức liên hệ : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 12 Khuếch đại công suất loại E  So sánh hiệu suất Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 13 Khuếch đại công suất loại E  Mạch khuếch đại 500 W  MOSFET : field-effect transistor MOS  MOS : metal-oxide-semiconductor Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 14 Khuếch đại công suất loại F  Class F  Đặc trưng:  Cuộn cảm tụ điện L3 C3 mạch cộng hưởng song song • dao động điều hoà bậc • Có tác dụng làm phẳng điện áp  Thời gian làm việc transistor ngắn  Ứng dụng hiệu tần số cao (GHz) điện áp thấp Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 15 Khuếch đại công suất loại B  Class B  Chú ý : loại C, D, E F mạch khuếch đại không tuyến tính  Để có mạch khuếch đại tuyến tính, điện áp phải thoả mãn: • Hoặc dạng phương trình tuyến tính bậc : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 16 Khuếch đại công suất loại B  Điện áp có dạng sóng hình sin  Dòng điện DC : • Im dòng cực đại dạng hàm sin chỉnh lưu  Công suất nguồn cung cấp • Giá trị đỉnh dòng điện thành phần  Công suất  Hiệu suất  Hoạt động: mạch đẩy-kéo  Điện áp vào cao : transistor npn hoạt động transitor pnp không hoạt động  Điện áp vào thấp : ngược lại  Hai diode làm cho điện áp cực gốc transistor lệch • làm giảm độ méo ngưỡng Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 17 Mô hình hoá nhiệt  Thermal Modeling  Mạch khuếch đại công suất thường toả nhiệt lớn  Các đại lượng tương đương • Nhiệt độ  điện áp : • Công suất hao phí  dòng điện :  Mạch tương đương • Transistor thường gắn lên kim loại để toả nhiệt  Rt : điện trở nhiệt, đặc trưng cho toả nhiệt • Đơn vị đo : oC/W • T0 , T : nhiệt độ môi trường xung quanh toả nhiệt  Nhiệt toả ra: • Truyền cho không khí xung quanh • Lưu trữ vật liệu, làm cho vật liệu nóng lên  Năng lượng nhiệt thay tụ điện nhiệt (J/oC) suy • Tỷ lệ với độ biến thiên nhiệt độ : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 18 Mô hình hoá nhiệt  Rj : điện trở nhiệt nối transistor với không khí (toả nhiệt trực tiếp không khí) • Tj : nhiệt độ transistor  Xét phương trình đạo hàm riêng bậc  Có nghiệm đạng tắt dần  Xét phương trình không  Định nghĩa biến Lấy đạo hàm vế :  Hàm g thoả mãn phương trình : có nghiệm  Thay vào ta có hàm f Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 19 Mô hình hoá nhiệt  Ứng dụng:  Xác định nhiệt độ transistor • Viết lại biểu thức cho công suất hao phí bao gồm phần: • Nhân hai vế cho Rt , ta có • Hoặc  Nhiệt độ toả nhiệt là:  Cuối cùng, nhiệt độ transistor là: