Chương 9 Mạch khuếch đại công suất

- Chương 9: Mạch khuếch đại công suấtChương 9MẠCH KHUẾCH ÐẠI CÔNG SUẤT (Power Amplifier) Mạch khuếch đại công suất có nhiệm vụ tạo ra một công suất đủ lớn để kích thích tải.Công suất ra có thể từ vài trăm mw đến vài trăm watt.
- Như vậy mạch công suất làm việc vớibiên độ tín hiệu lớn ở ngõ vào: do đó ta không thể dùng mạch tương đương tín hiệu nhỏ đểkhảo sát như trong các chương trước mà thường dùng phương pháp đồ thị.
- Tùy theo chế độ làm việc của transistor, người ta thường phân mạch khuếch đại côngsuất ra thành các loại chính như sau.
- Khuếch đại công suất loại A: Tín hiệu được khuếch đại gần như tuyến tính, nghĩa làtín hiệu ngõ ra thay đổi tuyến tính trong toàn bộ chu kỳ 360o của tín hiệu ngõ vào(Transistor hoạt động cả hai bán kỳ của tín hiệu ngõ vào.
- Khuếch đại công suất loại AB: Transistor được phân cực ở gần vùng ngưng.
- Tínhiệu ngõ ra thay đổi hơn một nữa chu kỳ của tín hiệu vào (Transistor hoạt động hơn một nữachu kỳ - dương hoặc âm - của tín hiệu ngõ vào.
- Khuếch đại công suất loại B: Transistor được phân cực tại VBE=0 (vùng ngưng).Chỉ một nữa chu kỳ âm hoặc dương - của tín hiệu ngõ vào được khuếch đại.
- Khuếch đại công suất loại C: Transistor được phân cực trong vùng ngưng để chỉmột phần nhỏ hơn nữa chu kỳ của tín hiệu ngõ vào được khuếch đại.
- Mạch này thường đượcdùng khuếch đại công suất ở tần số cao với tải cộng hưởng và trong các ứng dụng đặc biệt.
- Hình 9.1 mô tả việc phân loại các mạch khuếch đại công suất.Trương Văn Tám IX-1 Mạch Điện TửChương 9: Mạch khuếch đại công suất9.1 MẠCH KHUẾCH ÐẠI CÔNG SUẤT LOẠI A: Mạch phân cực cố định như hình 9.2 là mô hình của một mạch khuếch đạicông suất loại A đơn giản.Error!Trương Văn Tám IX-2 Mạch Điện TửChương 9: Mạch khuếch đại công suất .
- Khảo sát phân cực.
- Khảo sát xoay chiều: Khi đưa tín hiệu vi vào ngõ vào (hình 9.2), dòng IC và điện thế VCE (tín hiệura) sẽ thay đổi quanh điểm điều hành Q.
- Với tín hiệu ngõ vào nhỏ (hình 9.4), vì dòng điệncực nền thay đổi rất ít nên dòng điện IC và điện thế VCE ở ngõ ra cũng thay đổi ít quanhđiểm điều hành.
- Khi tín hiệu ngõ vào lớn, ngõ ra sẽ thay đổi rất lớn quanh điểm tĩnh điều hành.Dòng IC sẽ thay đổi quanh giới hạn 0mA và VCC/RC.
- Ðiện thế VCE thay đổi giữa hai giớihạn 0v và nguồn VCC (hình 9.5).Trương Văn Tám IX-3 Mạch Điện TửChương 9: Mạch khuếch đại công suất .
- Khảo sát công suất.
- Công suất cung cấp được định nghĩa: Pi(dc.
- Công suất ngõ ra lấy trên tải, trong trường hợp này là RC, được định nghĩa.
- Nếu tính theo điện thế đỉnh và dòng điện đỉnh:Trương Văn Tám IX-4 Mạch Điện TửChương 9: Mạch khuếch đại công suất * Nếu tính theo điện thế và dòng điện đỉnh đối đỉnh.
- Hiệu suất tối đa: Ta thấy trong mạch công suất loại A, VCE có thể thay đổi tối đa: VCE(p-p) max = VCC Dòng IC thay đổi tối đa: IC(p-p) max = VCC/RC Công suất ra tối đa:Trương Văn Tám IX-5 Mạch Điện TửChương 9: Mạch khuếch đại công suất9.2 MẠCH KHUẾCH ÐẠI CÔNG SUẤT LOẠI A DÙNGBIẾN THẾ: Mạch cơ bản có dạng như hình 9.6 Biến thế sẽ làm tăng hoặc giảm điện thế hay dòng điện (tín hiệu xoay chiều) tùyvào số vòng quấn của cuộn sơ cấp và thứ cấp.
- Ở đây ta xem biến thế như lý tưởng nghĩa làtruyền 100% công suất.
- Nếu gọi N1, N2, v1, v2, I1, I2 lần lượt là số vòng quấn, điện thế tínhiệu xoay chiều, dòng điện tín hiệu xoay chiều của cuộn sơ cấp và thứ cấp.
- Ta có:Trương Văn Tám IX-6 Mạch Điện TửChương 9: Mạch khuếch đại công suất Như vậy có thể xem như điện trở tải phản chiếu qua cuộn sơ cấp là.
- Do đó đường thẳng lấy điện tĩnh làđường thẳng song song với trục tung IC và cắt trục hoành VCE tại điểm có trị số bằng VCC.Giao điểm của đường thẳng lấy điện tĩnh và đặc tuyến ra ở IB tương ứng là điểm điều hànhQ.Trương Văn Tám IX-7 Mạch Điện TửChương 9: Mạch khuếch đại công suất Ở chế độ xoay chiều, điện trở tải nhìn từ cuộn sơ cấp là R’L nên đường thẳng lấy điệnđộng bây giờ Do đó: PL=I2L(rms).RL .
- Hiệu suất: Công suất cung cấp là:Trương Văn Tám IX-8 Mạch Điện TửChương 9: Mạch khuếch đại công suất Pi(dc.
- ICQ Công suất tiêu tán trong biến thế và transistor công suất là: PQ = Pi(dc.
- Po(ac) Hiệu suất của mạch được định nghĩa:9.3 KHẢO SÁT MẠCH KHUẾCH ÐẠI CÔNG SUẤT LOẠIB Trong mạch khuếch đại công suất loại B, người ta phân cực với VB =0V nên bình Bthường transistor không dẫn điện và chỉ dẫn điện khi có tín hiệu đủ lớn đưa vào.
- Do phâncực như thế nên transistor chỉ dẫn điện được ở một bán kỳ của tín hiệu (bán kỳ dương hayâm tùy thuộc vào transistor NPN hay PNP).
- Do đó muốn nhận được cả chu kỳ của tín hiệu ởngỏ ra người ta phải dùng 2 transistor, mỗi transistor dẫn điện ở một nữa chu kỳ của tínhiệu.
- Mạch này gọi là mạch công suất đẩy kéo (push-pull).
- Công suất cung cấp: (công suất vào) Ta có: Pi(dc.
- Do dòng tải có đủ cả haibán kỳ nên nếu gọi IP là dòng đỉnh qua tải ta có:Trương Văn Tám IX-9 Mạch Điện TửChương 9: Mạch khuếch đại công suất .
- Công suất ra: Công suất ra lấy trên tải RL có thể được tính.
- Công suất tiêu tán trong transistor công suất: Tiêu tán trong 2 transistor:Trương Văn Tám IX-10 Mạch Điện TửChương 9: Mạch khuếch đại công suất P2Q = Pi(dc.
- Po(ac) Vậy công suất tiêu tán trong mỗi transistor công suất: Công suất tiêu tán tối đa của 2 transistor công suất không xảy ra khi công suất ngõvào tối đa hay công suất ngõ ra tối đa.
- Công suất tiêu tán sẽ tối đa khi điện thế ở hai đầu tảilà:Trương Văn Tám IX-11 Mạch Điện TửChương 9: Mạch khuếch đại công suất9.4 DẠNG MẠCH CÔNG SUẤT LOẠI B: Trong phần này ta khảo sát một số dạng mạch công suất loại B thông dụng.
- Tín hiệu vào có dạng hình sin sẽ cung cấp cho 2 tầng công suất khác nhau.
- Nếu tínhiệu vào là hai tín hiệu sin ngược pha, 2 tầng công suất giống hệt nhau được dùng, mỗi tầnghoạt động ở một bán kỳ của tín hiệu.
- Nếu tín hiệu vào chỉ có một tín hiệu sin, phải dùng 2transistor công suất khác loại: một NPN hoạt động ở bán kỳ dương và một PNP hoạt động ởbán kỳ âm.
- Ðể tạo được 2 tín hiệu ngược pha ở ngỏ vào (nhưng cùng biên độ), người ta có thể dùngbiến thế có điểm giữa (biến thế đảo pha), hoặc dùng transistor mắc thành mạch khuếch đạicó độ lợi điện thế bằng 1 hoặc dùng op-amp mắc theo kiểu voltage-follower như diễn tảbằng các sơ đồ sau: 9.4.1 Mạch khuếch đại công suất Push-pull liên lạc bằng biến thế: Dạng mạch cơ bản như sau:Trương Văn Tám IX-12 Mạch Điện TửChương 9: Mạch khuếch đại công suất - Trong bán kỳ dương của tín hiệu, Q1 dẫn.
- Lúc này pha của tín hiệu đưa vào Q2 là âm nên Q2 ngưng dẫn.
- Ðến bán kỳ kế tiếp, tín hiệu đưa vào Q2 có pha dương nên Q2 dẫn.
- Trong lúc đó pha tín hiệu đưa vào Q1 là âm nên Q1ngưng dẫn.
- Chú ý là i1 và i2 chạy ngược chiều nhau trong biến thế ngõ ra nên điện thế cảm ứngbên cuộn thứ cấp tạo ra bởi Q1 và Q2 cũng ngược pha nhau, chúng kết hợp với nhau tạothành cả chu kỳ của tín hiệu.
- Thực tế, tín hiệu ngõ ra lấy được trên tải không được trọn vẹn như trên mà bị biến dạng.Lý do là khi bắt đầu một bán kỳ, transistor không dẫn điện ngay mà phải chờ khi biên độvượt qua điện thế ngưỡng VBE.
- Ðể khắc phục, người ta phân cực VB dương một chút (thí dụ ở transistor NPN) để Btransistor có thể dẫn điện tốt ngay khi có tín hiệu áp vào chân B.
- Cách phân cực này gọi làphân cực loại AB.
- Chú ý là trong cách phân cực này độ dẫn điện của transistor công suấtkhông đáng kể khi chưa có tín hiệu Ngoài ra, do hoạt động với dòng IC lớn, transistor công suất dễ bị nóng lên.
- Khi nhiệt độtăng, điện thế ngưỡng VBE giảm (transistor dễ dẫn điện hơn) làm dòng IC càng lớn hơn, hiệntượng này chồng chất dẫn đến hư hỏng transistor.
- Ðể khắc phục, ngoài việc phải giải nhiệtđầy đủ cho transistor, người ta mắc thêm một điện trở nhỏ (thường là vài Ω) ở hai chân Ecủa transistor công suất xuống mass.
- Kết quả là transistor dẫn yếu trở lại.Trương Văn Tám IX-13 Mạch Điện TửChương 9: Mạch khuếch đại công suất Ngoài ra, người ta thường mắc thêm một điện trở nhiệt có hệ số nhiệt âm (thermistor) songsong với R2 để giảm bớt điện thế phân cực VB bù trừ khi nhiệt độ tăng.
- 9.4.2 Mạch công suất kiểu đối xứng - bổ túc: Mạch chỉ có một tín hiệu ở ngõ vào nên phải dùng hai transistor công suất khác loại:một NPN và một PNP.
- Khi tín hiệu áp vào cực nền của hai transistor, bán kỳ dương làm chotransistor NPN dẫn điện, bán kỳ âm làm cho transistor PNP dẫn điện.
- Tín hiệu nhận đượctrên tải là cả chu kỳ.
- Cũng giống như mạch dùng biến thế, mạch công suất không dùng biến thế mắc như trênvấp phải sự biến dạng cross-over do phân cực chân B bằng 0v.
- Ðể khắc phục, người ta cũngphân cực mồi cho các chân B một điện thế nhỏ (dương đối với transistor NPN và âm đối vớitransistor PNP).
- Ðể ổn định nhiệt, ở 2 chân E cũng được mắc thêm hai điện trở nhỏ.Trương Văn Tám IX-14 Mạch Điện TửChương 9: Mạch khuếch đại công suất Trong thực tế, để tăng công suất của mạch, người ta thường dùng các cặpDarlington hay cặp Darlington_cặp hồi tiếp như được mô tả ở hình 9.18 và hình 9.19.Trương Văn Tám IX-15 Mạch Điện TửChương 9: Mạch khuếch đại công suất 9.4.3 Khảo sát vài dạng mạch thực tế: Trong phần này, ta xem qua hai dạng mạch rất thông dụng trong thực tế: mạchdùng transistor và dùng op-amp làm tầng khuếch đại điện thế.
- 9.4.3.1 Mạch công suất với tầng khuếch đại điện thế là transistor: Mạch có dạng cơ bản như hình 9.20 Các đặc điểm chính.
- Q1 là transistor khuếch đại điện thế và cung cấp tín hiệu cho 2 transistorcông suất.
- D1 và D2 ngoài việc ổn định điện thế phân cực cho 2 transistor công suất (giữcho điện thế phân cực giữa 2 chân B không vượt quá 1.4v) còn có nhiệm vụ làm đường liênlạc cấp tín hiệu cho Q2 (D1 và D2 được phân cực thuận.
- Hai điện trở 3.9( để ổn định hoạt động của 2 transistor công suất về phươngdiện nhiệt độ.
- Tụ 47μF tạo hồi tiếp dương cho Q2, mục đích nâng biên độ của tín hiệu ở tầnsố thấp (thường được gọi là tụ Boostrap.
- Việc phân cực Q1 quyết định chế độ làm việc của mạch công suất.
- 9.4.3.2 Mạch công suất với tầng khuếch đại điện thế là op-amp Một mạch công suất dạng AB với op-amp được mô tả như hình 9.21.
- Biến trở R2: dùng chỉnh điện thế offset ngõ ra (chỉnh sao cho ngõ ra bằng 0vkhi không có tín hiệu vào.
- D1 và D2 phân cực thuận nên: VB1= 0.7v VB2.
- 0.7vTrương Văn Tám IX-16 Mạch Điện TửChương 9: Mạch khuếch đại công suất - Ðiện thế VBE của 2 transistor công suất thường được thiết kế khoảng 0.6v,nghĩa là độ giảm thế qua điện trở 10Ω là 0.1v.
- Một cách gần đúng dòng qua D1 và D2 là: Như vậy ta thấy không có dòng điện phân cực chạy qua tải.
- Công suất cung cấp khi chưa có tín hiệu: Pin (standby.
- 254 mw - Ðộ khuếch đại điện thế của mạch:Trương Văn Tám IX-17 Mạch Điện TửChương 9: Mạch khuếch đại công suất - Dòng điện qua tải.
- 8 = 1v - Khi Q1 dẫn (bán kỳ dương của tín hiệu), điện thế đỉnh tại chân B của Q1 là: VB1(p.
- VD v - Khi Q1 ngưng (Q2 dẫn) VB1 = V1 + VD v - Tương tự khi Q1 dẫn (Q2 ngưng)Trương Văn Tám IX-18 Mạch Điện TửChương 9: Mạch khuếch đại công suất VB2 = V1 - VD v - Dòng bảo hòa qua mỗi transistor.
- Ðiện thế Vo tối đa: Vo(p) max v 9.4.3.3 Mạch công suất dùng MOSFET: Phần này giới thiệu một mạch dùng MOSFET công suất với tầng đầu là mộtmạch khuếch đại vi sai.
- Q1 và Q2 là mạch khuếch đại vi sai.
- R2 để tạo điện thế phân cực cho cực nền của Q1.R1, C1 dùng để giới hạn tần số cao cho mạch (chống nhiễu ở tần số cao.
- Biến trở R5 tạo cân bằng cho mạch khuếch đại visai.
- R13, R14, C3 là mạch hồi tiếp âm, quyết định độ lợi điện thế của toàn mạch.
- Q4 dùng như một tầng đảo pha ráp theo mạch khuếch đại hạng A.
- Q3 hoạt động như một mạch ổn áp để ổn định điện thế phân cực ở giữa hai cực cổngcủa cặp công suẩt.
- R17 và C8 tạo thành tải giả xoay chiều khi chưa mắc tải.Trương Văn Tám IX-19 Mạch Điện TửChương 9: Mạch khuếch đại công suất Hinh 9.23 Cong suat 30W dung MOSFET9.5 IC CÔNG SUẤT: Trong mạch công suất mà tầng đầu là op-amp, nếu ta phân cực bằng nguồnđơn thì mạch có dạng như sau.
- R1, R2 dùng để phân cực cho ngõ vào có điện thế bằng VCC/2

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt