Chương 3- Khuếch đại công suất âm tần potx

13

Cc
i
∞
→
i
i
i
L
Vcc
R
L
NsNp
∞
→
E
C
R
E
R1
R2
ri

Chương 3
:
KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ÂM TẦN
(KĐCSÂT)

I. Các lớp khuếch đại và hiệu suất :

* Đặc điểm của chế độ A : tín hiệu tồn tại trong cả chu kỳ.
+ Ưu : méo phi tuyến nhỉ.
+Khuyết : hiệu suất thấp :




≤
≤
ápbiếnlàtảidùng
Rlàtảidùng
:%50
:%25
A
A
η
η

* Đặc điểm của chế độ B : tín hiệu chỉ tồn tại trong nửa chu kỳ.
+ Ưu : hiệu suất cao : η
B

≤
78,5 %
+ Khuyết : méo phi tuyến lớn
⇒
Cách khắc phục : mắc đẩy-kéo để giảm méo phi tuyến.

II. Bộ khuếch đại công suất âm tần đơn dùng biến áp
:

Mạch làm việc ở chế độ lớp A. Hệ số ghép biến áp :
N =
s
p
L
C
N
N
V
V
=
(1)

⇒
V
C
= NV
L
(1')
Ni
C
= -i
L
(2)

⇒

L
L
C
C
i
V
N
Ni
V
−=
= -NR
L
(3)

⇒

'2
LL
C
C
RRN
i
V
==−
(4) : Điện trở tải phản ánh từ thứ cấp
về sơ cấp.
* Công suất nguồn cung cấp một chiều là :
P
CC
= P

S
= V
CC
.I
CQ
(W) (5)
* Công suất xoay chiều được cung cấp trên R
L
(hay còn gọi là công
suất hữu ích trên tải) :

14

P
L
=
2
1
'222
.
2
1
.)(
2
1
.
LCmLCmLLm
RIRNIRI ==

* Hiệu suất :

CC
L
P
P
=
η
(7)
* Công suất tiêu tán cực đại trên collector :

P
C
= P
CC
– P
L
= I
CQ
.V
CC
-
2
1
'2
Lcm
RI
(8)
Các công thức (5), (6), (7), (8) đúng cho mọi trường hợp.

Ở điều kiện tín hiệu cực đại (sóng ra max-swing) ta có :

L
CC
L
CC
CQcm
RN
V
R
V
II
2'
max
===
(9)
V
CEQ
= V
CC
– I
CQ
R
E

≈

V
CC
(10) (do R
E
rất nhỏ)
Khi đó :
+ P
max
CC
= V
CC

'
L
CC
R
V
=
L
CC
RN
V
2
2
(5’)
+ P
max
L
=
L

CC
L
CC
L
L
CC
RN
V
R
V
R
R
V
2
2
'
2
'
2
'
2
1
2
1
.
2
1
==









(6’)
+ η
max
=
max
max
CC
L
P
P
= 0,5 = 50 % (7’)
+ P
max
C
= P
CC
=
L
CC
RN
V
2
2
khi P

L
= 0
V
CE
i
C
i
cmax
=2I
CQ
0
Q
DCLL (-1/R
DC
)
V
CC
V
CEQ
I
CQ
ADCLL (-1/R
AC
)

0
I
Cm
I
Cmax

P
L
P
C
P
CC
P
Lmax


15

+
L
CC
LCCC
RN
V
PPP
2
2
2
1
maxmaxmin
=−=
(8’)
(Để chọn transistor người ta dùng chỉ số phẩm chất :
2
max
max

=
L
C
P
P

Ví dụ :
WPWP
LC
24
maxmax
=→=
)

III) BÔ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ÂM TẦN ĐẨY KÉO LỚP B:


 Bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo lớp B dùng biến áp
:




• Nguyên lý hoạt động
:
+
2
1
T > 0
→

Q
1
dẫn : i
C1
≠ 0; Q
2
tắt : i
C2
= 0.
+
2
1
T < 0
→
Q
1
tắt : i
C1
= 0; Q
2
dẫn : i
C2
≠ 0.
+ Trong cả hai nửa chu kỳ dòng chảy trong biến áp ra ngược chiều
với nhau nên ta có : i
L
= N(i
C2
– i
C1

) → kết quả ta thu được dạng sóng
sine như hình vẽ.
+ Dạng sóng sine sẽ bò méo xuyên tâm nếu mạch như hình vẽ
(nghóa là V
BB
= 0).

16

I
cm
+ Dạng sóng sine sẽ không bò méo xuyên tâm nếu ta mắc thêm R
1
,
R
2
vào mạch với : V
BB
=
VV
RR
R
CC
7,0.
21
1
=
+
.
+ Nếu V

BB
> 0,7 V mạch làm việc ở chế độ AB thì méo phi tuyến
giảm nhưng đồng thời hiệu suất cũng sẽ giảm.

• Dòng điện trên tải có
giá trò đỉnh là:
I
pL
= I
Lm
=
p
s
p
I
N
N
=
NI
Cm
(1)
và điện áp trên tải có giá trò
đỉnh là :
V
pL
= V
Lm
=
N
V

V
N
N
Cm
p
s
p
=
(2)
• Trong cả hai nửa chu kỳ dòng điện chảy qua V
CC
cùng chiều với
nhau, nên ta có công suất cung cấp một chiều trên tải : P
CC
= I
TB
.V
CC
=

=
CC
Cm
CC
p
V
I
V
I
.2.

2
ππ
=
(3)
• Công suất hữu ích trên tải : P
L
=
LCmLLm
RNIRI
222
.
2
1
.
2
1
=
(4)
• Ở điều kiện tín hiệu cực đại
(max-swing) ta có :

L
CC
L
CC
Cm
RN
V
R
V

I
2'
max
==
(5)
Khi đó :
+P
CC
=
L
CC
CC
L
CC
RN
V
V
RN
V
2
2
2
.
2

2
ππ
=
(3’)

ACLL








−
'
1
L
R

I
Cmax
i
c

v
CE

2V
CC

V
CC

DCL

0

t
I
TB
i
cc

i
c1

i
c2

i
c1

i
c2


17

+
L
CC
L
L
CC
L

RN
V
R
R
V
P
2
2
'
2
'
.
2
1

2
1
max
=








=
(4’)
• Hiệu suất của mạch khuếch đại đẩy kéo : η =

CC
L
P
P
(5)
và η
max
=
%5,78785,0
4
max
===
π
CC
L
P
P
(5’)
⇒ Đây là ưu điểm lớn nhất của bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy
kéo lớp B.
• P
CC
và P
L
ta tính ở trên là trong cả chu kỳ, nghóa là cho cả Q
1
và
Q
2
nên ta có công suất tiêu tán trên collector là :

2P
C
= P
CC
– P
L
=
2'
2
12
CmLCmCC
IRIV −
π
(6)
Giá trò cực đại của P
C
được tìm bằng cách vi phân P
C
theo I
Cm
và
cho bằng 0 như sau :
2
0
2
'
=−=









CmLCC
cm
IRV
dI
dP
π
(7)
Suy ra : I
Cm
=
L
CC
RN
V
2
.
2
π
.
Thay vào (6) ta được :
2
max
C
P
=

'
2
2
2
'
'
'
.
2
.
2
2
.
2
.
2
L
CC
L
CC
L
L
CC
CC
R
V
R
V
R
R

V
V
π
πππ
=








−








(9)
Như vậy công suất tiêu tán cực đại trên mỗi transistor sẽ là :

L
CC
L
CC
L

CC
C
RN
V
RN
V
R
V
P
2
2
2
2
'
2
2
.1,0.
10
1
.
1
max
≈≈=
π
(10)
• Khi thiết kế để chọn Transistor người ta dùng chỉ số phẩm chất :

5
12
2

max
max
≈=
π
L
C
P
P
(11)

18

Nghóa là nếu transistor có
max
C
P
=4W thì có thể tạo ra
max
L
P
= 20W.
Đây là ưu điểm nổi bật thứ hai của bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy
kéo lớp B so với bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo lớp A.
 Bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo lớp B dùng Transistor
bổ phụ :
• Nhược điểm của mạch khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo
dùng biến áp ra là giá thành xao và cồng kềnh. Vì vậy, đối với
các bộ khuếch đại công suất âm tần có công suất không lớn lắm,
người ta thường dùng bộ khuếch đại công suất âm tần không biến
áp ra dùng Transistor bổ phụ.

• Cặp Transistor bổ phụ là hai Transistor khác cực tính dẫn điện
NPN và PNP nhưng có các tham số gần giống nhau.
a) Bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo OTL (OUTPUT
TRANSFORMERLESS)



* Nguyên lý hoạt động :
+
2
1
T > 0
→
Q
1
dẫn : i
C1
≠ 0; Q
2
tắt : i
C2
= 0; i
C1
nạp cho tụ C
c
đến
giá trò
2
CC
V

(C
o
được chọn khá lớn).
t
V
i
0
t
i
C 1
0
t
i C 2
0
t
i L
0


19

+
2
1
T < 0
→
Q
1
tắt : i
C1

= 0; Q
2
dẫn : i
C2
≠ 0 do tụ C
c
phóng điện
qua Q
2
.
+ Trong cả hai nửa chu kỳ dòng i
C1
và i
C2
chảy ngược chiều nhau
trên tải R
L
nên ta có i
L
= i
C1
– i
C2
và i
L
có dạng sóng sine. Do Q
1
có các
tham số như Q
2

nên I
Cm1
= I
Cm2
.
* Hai diode D
1
và D
2
tạo phân cực và ổn đònh nhiệt độ cho Q
1
và
Q
2
.
21
,
EE
RR
cũng để tăng độ ổn đònh nhiệt độ cho Q
1
, Q
2
. Q
1
, Q
2
mắc
theo kiểu collector chung (mạch phát theo) để phối hợp trở kháng với
tải R

L
(thường có giá trò 4Ω hoặc 8Ω).
* Tần số cắt thấp phụ thuộc vào C
c
được tính như sau :
f
1
(C
c
) =
c
E
L
CRR
)(2
1
+
π
(Hz) (1)
* Do có R
E
nên dòng tải đỉnh là :
I
pL
= I
Lm
=
LE
Lm
LE

p
RR
V
RR
V
+
=
+
(2)
* Ở điều kiện tín hiệu cực đại (max-swing) ta có :

)(2
max
LE
CC
Lm
RR
V
I
+
=
(2’) (
2
max
CC
Lm
V
V
=
)

* Giá trò trung bình của dòng cung cấp là :
I
TB
= I
STB
=
)(
LE
p
RR
V
+
π
(3)
Khi max-swing ta có :
)(2
max
LE
CC
TB
RR
V
I
+
=
π
(3’)
* Công suất cung cấp một chiều trên tải :
P
CC

= P
S
= V
CC
. I
STB
=
)(
.
)(
.
LE
LmCC
LE
pCC
RR
VV
RR
VV
+
=
+
ππ
(4)
Khi max-swing ta có :
)(2
2
max
LE
CC

CC
RR
V
P
+
=
π
(4’)
* Công suất AC trung bình được phân phối trên tải là :

20

P
L
=
2
2
22
)(2
.
.
2
1
.
2
1
LE
Lp
LLmLpL
RR

RV
RIRI
+
==
(5)
Khi max-swing ta có :
2
2
)(
.
.
8
1
max
LE
LCC
L
RR
RV
P
+
=
(5’)
* Hiệu suất của mạch : η =
CC
p
LE
L
CC
L

V
V
RR
R
P
P

2
+
=
π
(6)
Khi max-swing ta có : V
p
=
2
CC
V
nên η
max
=
LE
L
RR
R
+
.
4
π
(6’)

Nếu R
E
= 0 ta có : η
max
=
4
π
= 0,785 = 78,5 % (6*)
Vậy đối với bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo lớp B thì
η
B

%5,78
≤
. Khi mạch làm việc ở chế độ AB để giảm méo phi tuyến
thì η = 60 ÷ 70 %.
* Công suất tiêu tán trên collector : P
C
= P
CC
- P
L
(7)

max
C
P
= P
CC
(7’) khi P

L
= 0
* Ưu điểm của mạch OTL : tiết kiệm do chỉ dùng một nguồn cung
cấp.
* Khuyết điểm :
_ Méo tần số thấp do tụ C
C

gây ra (do C
c
không thể tiến tới
∞
)
_ Méo phi tuyến lớn do 2
tầng Q
1
, Q
2
không thật đối xứng
(do V
C
không phải lúc nào cũng
đúng bằng
2
CC
V
).
_ Băng thông bò co hẹp do tụ C
c
(D < D’).

Để khắc phục những khuyết điểm trên ta dùng bộ khuếch đại công
suất âm tần đẩy kéo kiểu OCL (không có tụ C
C
).
b) Bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo OCL :
D '

D

t
0

A
v

A
v0

21


Mạch OCL chỉ khác mạch OTL ở chỗ không có tụ ra C
C
nên
không có các khuyết điểm như mạch OTL, nhưng lại phải cần đến
hai nguồn cung cấp +V
CC
và –V
CC
. Nguyên lý hoạt động , dạng sóng

và tác dụng của các linh kiện như D
1
, D
2
, R
E1,
R
E2
đều giống mạch
OTL. Các công thức (2), (3), (4), (5), (6) đều đúng , chỉ khác là ở chế
độ max-swing thì
max
Lm
V
= V
CC
, nên các công thức (2’), (3’), (4’),(5’),
(6’) sẽ có dạng như sau :

LE
CC
LmpL
RR
V
II
+
==
maxmax
(2’)

)(
maxmax
LE
CC
TBSTB
RR
V
II
+
==
π
(3’)

)(
2
max
LE
CC
RR
V
P
CC
+
=
π
(4’)

2
2
)(

.
.
2
1
max
LE
L
L
RR
RV
P
CC
+
=
(5’)
η
max
=
LE
L
RR
R
+
.
4
π
(6’)
Khi P
L
= 0 thì

22

maxmax
CCC
PP
=
và
maxmaxmin
LCCC
PPP
−=

c) Các bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo bù cơ bản :
* Do Transistor công suất thường có hệ số khuếch đại dòng điện
nhỏ, β nhỏ (đặc biệt tại các mức dòng điện cao) nên người ta thường
thay thế các transistor đơn bằng cặp Darlington mắc CC (phát theo).
Khi đó β > β
1
.β
2
và dòng điện có thể đạt tới 20 A.


* Khi công suất ra yêu cầu lớn, các transistor có thể được mắc song
song để tăng khả năng kéo dòng cho bộ khuếch đại. Khi đó ta có hai
bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo lớp B mắc song song với :
I
Cm
= I

Cm1
= I
Cm3
= I
Cm2
= I
Cm4
và I
Lm
= I
Cm1
+ I
Cm3
= I
Cm2
+ I
Cm4

Công suất ra trên tải R
L
sẽ

là :

P
L
=
LCmLCmLLm
RIRIRI
222

2.)2.(
2
1
2
1
==

Khi max-swing : I
Cm
=
LE
CC
RR
V
+
nên
L
lE
CC
L
R
RR
V
P
.
)(
2
2
2
max

+
=

* Đối với các bộ khuếch đại công suất âm tần công suất lớn, ta có
thể mắc cầu các bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo lớp B OTL
hoặc OCL (gọi là BTL)


23

P
L
=
2
1
I
Lm
.V
Lm
=
2
1
(2I
Lm1
).(2V
Lm1
) = 2I
Lm1
.V
Lm1

= 4P
L1

Khi mắc cầu công suất trên tải sẽ tăng gấp 4 so với một bộ khuếch
đại công suất âm tần đấy kéo OTL 1 hoặc OCL 1, nhưng mạch này rất
nhạy, chỉ cần một nhánh của sơ đồ bò điều chỉnh lệch sẽ gây cháy tải,
nên chúng chỉ được dùng trong các bộ khuếch đại công suất âm tần
chuyên dụng có công suất lớn.
* Các bộ khuếch đại công suất âm tần đẩy kéo gần bù dùng một cặp
Darlington mắc đẩy kéo với một cặp giả Darlington như sau :