I GIỚI THIỆU Mạch khuếch đai (KĐ) công suất thường sử dụng để nâng cơng suất tín hiệu lên cao trước đưa tải,thườg sử dụng cho tải có điện trơ thấp.Thơng số để đánh giá mạch KĐ cơng suất hiệu suất = Hiệu suất định nghĩa tỉ số cơng suất tín hiệu ngõ tải với công suất nguồn cung cấp cho mạch Một mạch KĐ cơng suất lí tưởng hiệu suất 100%, có nghĩa tồn lượng nguồn cung cấp cho mạch chuyển đổi thành lượng tìn hiệu cho tải Trên thực tế,do lượng phần bị tiêu tán linh kiện hoạt động mạch nên hiệu suất mạch luôn nhỏ 100% Phân loại mạch khuếch đại cơng suất Về có dạng mạch KĐ công suất: A,B,AB,CvàD Mạch KĐ công suất chế độ A mạch KĐ mà transistor có điểm làm việc Q nằm vùng KĐ dẫn tồn chu kì tín hiẹu ngõ vào Mach KĐ cơng suất chế độ B la mạch KĐ mà transistor có điểm làm việc Q nằm vùng tắt transistor dẫn bán kì tín hiệu ngõ vào Mach KĐ công suất chế độ AB mạch KĐ mà transistor có điểm lam việc Q nằm vùng KĐ gần vùng tắt transistor dẫn một bán kì chu kì tín hiệu ngõ vào Mạch KĐ cơng suất chế độ C mạch KĐ mà transistor có điểm làm việc Q nằm sâu vùng tắt transistor dẫn bán kì tín hiệu ngõ vào Mạch KĐ công suất chế độ D mạch có hiệu suất cao transistor hoạt động chủ yếu chế độ xung Các mạch KĐ công suất khác: có nhiều mạch KĐ cơng suất khác G,H,S…Hầu hết chúng biến thể mạch KĐ công suất AB, nhiên chúng cho hiệu suất cao sử dụng cho thiết kế có cơng suất ngõ lớn.Nhưng khảo sát hai loại mạch mạch KĐ cơng suất chế độ Avà mạch đẩy kéo chế độ B Dạng sóng ic hai dạng mạch KĐ cơng suất với tín hiệu ngõ vào dạng hình sin Hình 1.1: a Dạng sóng dòng ic mạch KĐ công suất chế độ A; b.Dạng sóng dòng ic mạch KĐ cơng suất chế độ B II MẠCH KHUẾCH ĐẠI CƠNG SUẤT 1.Khuếch đại cơng suất chế độ A 1.1 Khuếch đại chế độ A dung tải điện trở Trong tầng khuếch đại chế độ A, điểm làm việc thay đổi đối xứng xung quanh điểm làm việc tĩnh.Xét tầng khuéch đại đơn mắc EC mạch có hệ số khuếch đại lớn méo nhỏ.Chỉ xét mạch dạng nguồn cấp nối tiếp.Hình 1a Hình 1a.Sơ đồ khuếch đại chế độ A dung tải điện trở Chế độ tĩnh Dòng phân cực chiều tính theo Ucc Rb: IB= Tương ứng với dòng collector : Ic = β.IB Điện áp collector – emitter: UCE = Ucc – Ic.Rc Từ giá trị Ucc ta vẽ đường tải chiều AB Từ xách định điểm làm việc Q tương ứng với Ibq dặc tuyến Hạ đường chiếu từ điểm Q đến hai trục toạ đỗe có ICQ UCEQ Chế độ động (khi có tín hiệu) Khi có tín hiệu AC đưa tới đầu vào khuếch đại , dòng điện điện áp thay đổi theo đường tải chiều Một tín hiệu đầu vào nhỏ (hình 1b) gây dòng điện cực gốc thay đổi bên bên điểm làm việc tĩnh ,dòng collector điện áp collector – emitter thay đổi xung quanh điểm làm việc tĩnh Mơ hình mơ chế độ A dùng tải điện trở Hình 1b.Quan hệ tín hiệu vào tín hiệu Khi tín hiệu đầu vào lớn đầu biến thiên xa so với điểm làm việc tĩnh thiết lập từ thời điểm trước , dòng điện điện áp đạt đến giá trị giới hạn Đối với dòng điện , giá trị giới hạn điểm kết thúc cao chu kỳ hoạt động Đối với điện áp collector – emitter , giới hạn 0V hay giá trị nguồn cung cấp U cc Công suất cung cấp từ nguồn chiều Pv(dc) = UCC.ICQ Công suất ra: +Tính theo giá trị hiệu dụng: Pr(ac) = UCE(ms).IC(ms) Pr(ac) = Pr(ac) = +Tính theo giá trị đỉnh : Pr(ac) = Pr(ac) = +Tính theo giá trị đỉnh- đỉnh: Pr(ac) = Pr(ac) = Pr(ac) = Hiệu suất mạch: Hiệu suất mạch khuếch đậi phụ thuộc vào tổng công suất xoay chiều tải tổng công suất cung cấp từ nguồn mmột chiều,hiệu suất tính theo cơng thức sau : 100% Hiệu suất cực đại: Với mạch khuếch đại công suất chế độ A,hiệu suất cực đại xác định thong qua giá trị dòng điện cực đại điện áp cực đại: UCEmax(p-p) = UCC IC(p-p) = Công suất chiều (dc) từ nguồn điện áp cung cấp cực đại tính ứng với giá trị dòng thiên áp nửa giá trị cực đại : PVmax(dc) = UCC.ICmax = Ta tính hiệu suất cực đại : ᶯmax = = 25% Công suất tiêu tán transistor : PT = Pi(ac) – P0(dc) Từ công thức trên, thấy mạch khuếch đại công suất chế độ A cơng suất tiêu tán transistor lớn khơng có tín hiệu tải nhỏ tín hiệu tải lớn Hiệu suất cực đại mạch Đối với mạch khuếch đại công suất chế độ A, hiệu suất mạch đạt cực đại điện áp dòng điện tải đạt cực đại ( biến thiên cực đại) , điểm làm việc tĩnh Q transistor nằm đường tải ac thì: Hiệu suất cực đại mạch khuếch đại chế độ A dung tải điện trở ta thấy 25% Hiệu suất đạt trường hợp đặc biệt , hầu hết mạch khuếch đại chế độ A dùng tải điên trở có hiệu suất nhỏ giá trị 25% 1.2.Khuéch đạị chế độ Aghép biến áp Đây dạng khuếch đại chế độ A với hiệu suất tối đa 50%, sử dụng máy biến áp để lấy tín hiệu đầu đến tải Hoạt động máy biến áp : máy biến áp tang hay giảm giá trị điện áp dòng điện theo tỉ lệ định trước Giả sử máy biến áp nghiên cứu loại máy tang áp bỏ qua tổn hao cơng suất Biến đổi điện áp:máy biến áp làm tang hay giảm điện áp phụ thuộc vào số vòng dây bên Sự biến đổi áp theo công thức: = Điều rõ số vòng dây cuộn thứ cấp lớn cuộn sơ cấp điện áp thứ câp lớn điện áp vào sơ cấp Hình 1c Mạch khuếch đại ghép biến áp Sự biến đổi dòng điện,dòng biến đổi tỷ lệ nghịch với số vòng dây cuộn hai: = Mối quan hệ thể số vòng dây cuộn thứ cấp lớn cuộn sơ sấp dòng điện chạy cuộn thứ cấp nhỏ dòng điện cuộn sơ cấp Tải biến áp có biến đổi trở kháng ,khi biến áp thay đổi điện áp dòng điện trở kháng hai cuộn dây bị thay đổi Ta gọi R'L điện trở nhìn vào từ cuộn dây sơ cấp máy biến áp, tính đến ảnh hưởng tả gép từ cuộn dây thứ cấp thong qua hệ số biến áp Xác định đường tải chiều, điểm làm việc tĩnh tải xoay chiều Vì điện trở chiều cuộn dây biến áp nhỏ, lý tưởng coi bằng0.Như đường đặc tuyến tải chiều R CD lúc thẳng đứng song song với trục tung(Ic).Điện áp điểm làm việc tĩnh : U CEQ =UCC Nếu chobiết dòng định thiên IB việc kẻ đoạn thẳng song song với trục tung I C, cắt đặc tuyến với dòng IB tìm điểm làm việc Q.Cần lưu ỷằng khơng tự ý chọn dòng IB mà phải vào đặc tuyến để xác định cho có độ méo thấp Điều có quan hệ với biên độ điện áp dòng tín hiệu nngõ ra, có nghĩa biên độ chúng không vượt đoạn cong dặc tuyến đường cong giới hạn tổn hao cho phép transistor Điểm làm việc chọn giao điểm đường tải R DC dòng IC ứng với tham số IB = 6mA Để đảm bảo cho tín hiệu làm việc phần dặc tuyến thẳng dòng điện vào có biên độ 4mA Từ xác định biên độ điện áp dòng tải biến áp Xác định đường tải xoay chiều RAC cách kẻ đoạn thẳng có độ nghiêng lệch trục IC qua điểm làm việc Q Nếu tín hiệu điểm làm việc mức 0V,thì dòng Collectortừ điểm Q,ICQ biến đổi lượng: ΔIC = Từ giá trị ΔIC trục IC, kéo đường thẳng đến điểm Q tới trục U CE có đặc tuyến tải RAC Dạng tín hiệu công suất UCE(p-p) =UCEmax – UCEmin IC(p-p) =ICmax – Icmin Công suất xoay chiều gửi tới biến áp: Pr(ac) = Phần công suất gửi tới cuộn sơ cấp biến áp, biến áp lý tưởng cơng suất tải gần với giá trị này.Cơng suất tính theo điện áp rơi tải Mạch khuếch đại công suất chế độ A ghép biến áp có đường tải ac dc tương ứng Hình 1d Đường tải ac dc Tính cơng suất chiều hiệu suất Công suất nguồn cung cấp DC: PV(DC) = UC.ICQ Công suất tiêu tán transistor chế độ tĩnh: PQ =PV(DC) – Pr(AC) Vậy mạch khuếch đại công suất chế đọ A sử dụng máy biến áp hiệu suất cực đại có khả đạt 50% Ta tính hiệu suất cực đại theo U CC UCE công thức kinh nghiệm cho mạch ghép RC biến áp: + Đối với mạch ghép RC ᶯ = 25 [].% +Đối với mạch ghép biến áp : ᶯ = 50 [].% Mơ hình mô chế độ A ghép biến áp Độ méo sóng hài mạch khuếch đại chế độ A tương đối nhỏ Trong trường hợp ghép biến áp , có dòng chiều chạy cuộn dây kha lớn làm tang dòng từ hố lõi sắt biến áp dẫn đến trạng thái bão hoà Điều gây méo dạng tín hiệu Để giảm méo bão hoà từ , người ta tăng từ trở lõi sắt vật liệu cách từ đặt khe hở gjữa sắt Như , khuếch đại chế độ A dùng cho tín hiệu nhỏ tầng khuếch đại micro, tiền khuếch đại đảo pha… 2.Khuếch đại công suất chế độ B Ở chế độ B, transistor điều khiển dòng điên nửa chu kỳ tín hiệu Để thu chu kỳ tìn hiệu đầu , cần sử dụng transistor , transistor sử dụng nửa chu kỳ khác tín hiệu , vận hành kết hợp cho chu kỳ đầy đủ tín hiệu Khi phận mạch đẩy tín hiệu lên cao suốt nửa chu kỳ lại mạch điện gọi mạch đẩy kéo Một tín hiệu đầu vào AC đưa vào mạch điện đẩy kéo với hoạt động phần nửa chu kỳ thay đổi nhau, tải sau nhận chu kỳ tín hiệu 10 Hình 2a Sơ đồ khối tầng khch đại cơng suất chế độ B Transistor công suất sử dụng mạch đẩy kéo có khả cung cấp cơng suất mong muốn cho tải , vận hành chế đọ B transistor có hiệu suất lớn so với việc sử dụng transistor đơn chế độ A II.1 Mạch khuếch đại đẩy kéo công suất chế độ B a Sơ đồ mạch điện Mạch điện gồm có hai transistor T1và T2 hai biến áp BA1 BA2 điện trở R1,R2, Rt nguồn cung cấp Ucc 11 Hình2b.Mạch khuếch đại đẩy kéo cơng suất chế độ B ghép biến áp b.Tác dụng linh kiện T1và T2: hai loại BJT loại NPN có tham số giống hệt nhau(β1=β2=β) thành phần tích cực mạch làm nhiệm vụ khuếch đại Biến áp BA1: có hai nửa cuộn dây thứ cấp nhau, có nhiệm vụ tạo hai điện áp ngược pha để kích thích cho T1 vàT2 Biến áp BA2: có hai nửa cuộn sơ cấp W21 vaf W22 để lấy điện áp hai nửa chu kỳ R1 R2: hai điện trở định thiên cho T vàT2, mạch làm việc chế độ B cần mắc R2 Rt: điện trở tải, điện áp lấy sụt áp Rt UCC nguồn điện cung cấp cho mạch làm việc c Ngun lý hoạt động Khi khơng có tín hiệu vào , điện áp bazơ củ T 1,T2 so với emitơ chúng không (UBE1 UBE2), điện áp tải không 12 Khi có tín hiệu vào , giả thiết tín hiệu có dạng hình sin, cách cấu tạo biến áp BA1 nên hai cuộn thứ cấp có hai nửa điện áp có biên độ ngược pha Ở nửa chu kỳ dương tín hiệu, hai cuộn thứ cấp BA có hai nửa điện áp có biên độ ngược pha dặt vào T vàT2 làm T1 thông T2 tắt T1 thực KĐCS, mạch colectơ T1 có dòng điện xoay chiều lc1 chạy từ +UCC đến W21 CE T1 đến –Ucc Do cấu tạo biến áp BA nên lc1 cảm ứng sang W2 làm cho W2 sinh suất điện động cảm ứng , R t có dòng điện chạy qua , đầu ta nhận điện áp chu kỳ dương Trên tải ta có nửa sóng điện áp dương Khi tín hiệu vào nửa chu kỳ âm cuộn thứ cấp BA điện áp đổi dấu dần đến T1 tắt T2 thông,T2 thưc KĐCS, mạch colectơ T2 có dòng xoay chiều lc2 chạy từ +Ucc đến W22 đến CE T2 đến –Ucc Do cấu tạo biến áp BA2 nên lc2 cảm ứng sang W2 làm cho W2 sinh suất đện động cảm ứng , Rt có dòng chảy qua, đầu ta nhận điện áp bán chu kỳ âm.Trên tải ta có nửa sóng điện áp âm Như trình KĐ thực theo hai nửa chu kỳ tín hiệu vào, nửa chu kỳ đầu T1 làm việc, nửa chu kỳ sau T2 làm việc hai transistor thay làm việc, tải ta nhận tín hiệu có đủ chu kỳ KĐ Nhận xét Ưu điểm: chế độ tĩnh khơng tiêu thụ dòng nguồn cung cấp khơng có tổn hao transitor Hiệu mạch cao(~78,5%) Khuyết điểm Dải tần hẹp, mạch cồng kềnh, yêu cầu tính đối xứng cao, giá thành cao Méo xuyên tâm lớn tín hiệu vào nhỏ tính khơng đường thẳng đoạn đầu đặc tuyến vào cuat BJT dòng bazơ nhỏ Đó tượng méo xuyên tâm Ic1, Ic2 điện áp bi méo 13 Hình2.c Đương tải ac dc Công suất nguồn cung cấp: Pi(dc) = UCC.IDC Trong đó: IDC = IDC1 +IDC2 = + = ic(max) Vậy Công suất ngõ : Pi(dc) = UCC.ic(max) Po(ac) = RL =.RL = RL Khi tầm dao động tín hiệu đạt cực đại (Po(ac)) = (Pi(dc)) = (ᶯ%) =.100% =.100% = 78.54% Vậy mạch khếch đại cơng suất kéo đẩy chế độ B có hiệu suất cực đại lớn đạt 78.54% Công suất tiêu tán transistor : 2.PT = Pi(dc) – Po(ac) Vậy công suất tiêu tán transistor : 14 PT = (Uccic(max) - RL) Công suất tiêu tán cực đại transistor: max(PT) = Hình 2.d Cơng suất tiêu tán transistor mạch khuếch đại công suất chế độ B Công suất tiêu tán transistor mạch khuếch đại công suaats chế độ B nhỏ khơng có tín hiệu ngõ lớn tín hiệu có dòng tải Mơ hình mơ chế độ B mach đẩy kéo 15 II.2 Mạch bù đối xứng Dùng transistor (khác cự tính) ,hai transistor làm việc thay phiên hai nửa chu kỳ cung cấp dòng tải Hai nửa tín hiệu tổng hợp thành tín hiệu hồn chỉnh tải Transistor NPN làm việc , PNP tắt mô tả bán kỳ âm tín hiệu vào, NPN tắt , PNP mở Một bất lợi mạch cần phải có hai nguồn cung cấp riêng biệt Và hạn chế mạch méo xuyên tâm Đây gãy khúc tín hiệu tải thời điểm chuyển tiếp từ nửa chu kỳ dương sang âm.Để giảm méo xuyên tâm cho chế độ B lúc tín hiệu đầu vào yếu , người ta dùng chế độ AB để làm tầng kích thích cho tang cơng suất cuối chế độ B Một dạng mạch đẩy kéo dùng transistor bù Mạch vế cặp transistor tính đồng thời khác tính với cặp transistor tính , gọi mạch Darlington bù đối xứng Ở mạch dòng điện đầu cao , trở kháng thấp Mạch bù giả cải tiến từ mạch bù đối xứng dể đơn giản bớt công nghệ chế tạo vi mạch Mạch dùng hai cặp transistor mộy vế tính , vế khác tính 16 Nuyên tắc làm việc hai mạch Darlington bù giả bù giống nhau, khác điện áp phân cực để tạo dòng tuyến tính ban đầu Tầng khuếch đại đẩy kéo thường dùng nguồn lưỡng cực Ucc để tang hiệu suất tối đa Do biên độ tín hiệu nửa chu kỳ chạy qua tải xấp xỉ , xác Um = Up =()- 2V (trong 2V = UCE) Trong thực tế , để đơn giản nguồn cung cấp DC, có số mạch dùng nguồn đơn cực UCC, phải cân để giảm méo cân 17 Hình 2.d Mạch bù đối xứng II.3 Khuếch đại cơng suất đẩy kéo khơng có biến áp Trong sơ đồ mạch khuếch đại công suất xét dùng biến áp để phối hợp trở kháng tải với transistor để công suất lớn , hiệu suất cao Nếu transistor có hỗ dẫn lớn mắc tải trực tiếp vào colecto transistor (trở kháng tải nhỏ tới mức vài om) nghĩa không cần bién áp Với cách làm việc theo sơ đồ khơng biến áp giảm kích thước , trọng lượng, nâng cao tiêu chất lượng dễ dàng việc sử dụng vi mạch Có hai phương pháp mắc tải tương đương hai phương pháp cung cấp điện áp chiều 18 Theo phương án thứ nhất(hình a) tầng cung cấp hai EC1và EC2 Có điểm chung gọi kiểu cấp song song , tải mắc điểm nối E vàC transistor điểm cung cấp nguồn Transistor T1, T2 làm việc chế độ AB cách chọn điện trở R1- R4 thích hợp Điều khiển transistor hai nguồn tín hiệu ngược pha UV1, UV2 lấy từ tầng đảo pha xuống Theo phương án thứ hai (hình b) tầng cung cấp nguồn chung (gọi cung cấp nối tiếp ) , tải mắc qua tụ có điện dung đủ lớn Khi khơng có tín hiệu tụ C nạp với trị số 0,5 EC Nếu T1 làm việc , T2 tắt cung cấp EC Khi dòng IC2 chạy qua tụ C tích trữ lượng cho phần lượng đưa vào tải nửa chu kỳ trước Trong sơ đồ (hình c, d) người ta dùng hai transistor khác koại NPN PNP nên khơng cần hai tín hiệu vào ngược pha Ứng với ½ chu kỳ dương tín hiệu T1 làm việc T2 khố, ứng với ½ chu kỳ âm tín hiệu ngược lại Nếu so sánh với sơ đồ tang áp có biến áp thấy cơng suất gần trị số Nói khác , cách thay hệ số biến áp , cách tương đối đơn giản , ta nhận công suất yêu cầu cho trước tải chọn Còn sơ đồ khác điều khó thực cơng suất tải xác định Khả để có cơng suất u cầu , với điện trở R1 cho trước , trường hợp Ucm định , nghĩa phải ý đến điện áp nguồn cung cấp Khi R1 nhỏ khơng đủ tải điện , R1 lớn khơng đủ tải dòng điện 19 Tất sơ đồ tang đẩy kéo yêu cầu chọn transistor có tham số giống đặc biệt hệ số truyền đạt β Với mạch hình c,d cần ý đến nhận xét sau: Để xác lập chế độ AB cho cặp transistor T1 ,T2 cần có hai nguồn điện áp phụ chiều U1 U2 phân cực cho chúng Các điện áp tạo cách sử dụng hai điện áp thuận rơi hai diot Đ1và Đ2 loại silic để có tổng điện áp điểm B1, B2 UB1B2 = +(1.1-1.2)V có hệ số nhiệt độ (-1mV/ ) Việc trì dòng điện tĩnh Ibo ổn định dải nhiệt độ rộng đạt nhờ tác dụng bù nhiệt cặp Đ1Đ2 với hệ số nhiệt dương dòng tĩnh T1,T2 nhờ sử dụng thêm điện trở hồi tiép âm R1,R2