Chương 2 - Mạch khuếch đại công suất - Kỹ thuật điện tử

Chương 2
Mạch khuếch đại công suất
Biên soạn: Th.S Đỗ Việt Hà
Bm: Kỹ thuật điện tử
N i dungộ
2.1. Định nghĩa và phân loại
2.2. Mạch khuếch đại chế độ A
2.3. Mạch khuếch đại chế độ B (AB)
2.4. Mạch khuếch đại chế độ C
2.1. Định nghĩa và phân loại
a. Khái niệm

Là mạch khuếch đại ở tầng cuối cùng

Tạo ra công suất cung cấp cho tải (vài Watt đến vài trăm Watt), điện áp và cường độ dòng điện tương đối lớn

Mạch khuếch đại tín hiệu lớn: không sử dụng sơ đồ tương đương động của Transistor mà sử dụng phương pháp đồ thị để
giải quyết bài toán
b. Phân loại

Chế độ A: Transistor được phân cực ở cùng tuyến tính. Tín hiệu được khuếch đại gần như tuyến tính. Dạng tín hiệu ra
được giữ nguyên chỉ biến đổi về biên độ so với tín hiệu vào. Chế độ này có hiệu suất thấp (với tải điện trở dưới 25%)
nhưng méo phi tuyến nhỏ nhất. Điểm làm việc tĩnh trong chế độ A phải nằm ở giữa đường tải tĩnh.

Chế độ B: Transistor được phân cực ở vùng ngắt. Tín hiệu ra chỉ có trong một nửa chu kỳ (âm hoặc dương). Chế độ này
có hiệu suất lớn (78%), tuy méo xuyên tâm lớn nhưng có thể khắc phục bằng cách kết hợp với chế độ AB hoặc dùng hồi
tiếp âm.

Chế độ AB: Có tính chất chuyển tiếp giữa chế độ A và chế độ B. Transistor được phân cực ở gần vùng ngắt để tham gia
vào việc giảm méo khi tín hiệu vào có biên độ nhỏ. Tín hiệu ra có ở hơn một nửa chu kỳ.


Chế độ C: Transistor được phân cực dưới vùng ngắt. Tín hiệu ra chỉ có trong nhỏ hơn một nửa chu kỳ, hiệu suất lớn
(>78%) nhưng méo rất lớn. Mạch chế độ C được dùng trong các mạch khuếch đại cao tần có tải là các khung cộng hưởng
để chọn lọc tần số mong muốn và đạt hiệu suất cao.

Chế độ D: Transistor làm việc như một khoá điện tử đóng mở. Dưới tác dụng của tín hiệu vào điều khiển transistor thông
bão hoà là khoá đóng, dòng IC đạt cực đại, còn khoá mở khi transistor ngắt, dòng IC = 0.
2.1. Định nghĩa và phân loại
Phân lo i m ch khu ch đ i công ạ ạ ế ạ
su t theo v trí đi m làm vi cấ ị ể ệ
D ng tín hi u ra c a các m ch ạ ệ ủ ạ
khu ch đ i công su tế ạ ấ
2.1. Định nghĩa và phân loại
2.1. Định nghĩa và phân loại
Các tham số của mạch khuếch đại công suất

Hệ số khuếch đại công suất:

Hiệu suất của mạch:
Công suất tiêu tán cực đại của Transistor

Là công suất lớn nhất mà Transistor có thể chịu được

Là một tham số rất quan trọng đối với mạch khuếch đại công suất

Nếu Transistor làm việc vượt qua giới hạn của đường đẳng công suất cực đại
thì Transistor sẽ bị hỏng do quá nhiệt
i
o
P
P

P
K =
%100⋅=
dc
o
P
P
η
maxD
P
2.2. Mạch khuếch đại chế độ A

M ch khu ch đ i ch đ A t i đi n tr :ạ ế ạ ế ộ ả ệ ở

M ch khu ch đ i ch đ A ghép bi n ápạ ế ạ ế ộ ế
Mạch khuếch đại chế độ A tải điện trở (1)

Tải là điện trở, thường có giá trị
nhỏ

Điểm công tác tĩnh nằm chính
giữa đường tải tĩnh
v
s
R
2
R
V
R
R

Q
0
C 1
1 n
1
C C
L
E
)16,8,4( ΩΩΩ
p
LE
CC
CQ
I
RR
V
I =
+
⋅=
2
1
pCCCEQ
UVU =⋅=
2
1
Lpc
itIi =⋅=
ω
sin
tIIiIi

pCQcCQC
ω
sin⋅+=+=
tUu
pce
ω
sin⋅−=
tUUuUu
pCEQceCEQCE
ω
sin⋅−=+=
Mạch khuếch đại chế độ A tải điện trở (2)

Công suất xoay chiều trên tải:

Công suất nguồn một chiều cung cấp cho mạch

Hiệu suất của mạch
( )
2
2
2
2
8
1
.
2
1
2
1

2
1
LE
L
CC
L
LE
CC
Lpo
RR
R
V
R
RR
V
RIP
+
⋅⋅=
⋅








+
⋅=⋅=
)(22

1
.
2
LE
CC
LE
CC
CCCQCCdc
RR
V
RR
V
VIVP
+
=
+
⋅⋅==
LE
L
dc
o
RR
R
P
P
+
⋅==
4
1
η

%25
0
max
max
=
=↔
η
η
E
R
Mạch khuếch đại chế độ A tải điện trở (3)

Công suất tiêu tán tức thời trên Transistor

Công suất tiêu tán trung bình trên Transistor:

Phương trình đường tải tĩnh:

Phương trình đường tải động:

CCEQ
iup ⋅=
( )( )
( )( )
( )
t
IVcc
ttIU
tIItUUp
CQ

CQCEQ
pCQpCEQQ
ωωω
ωω
2
sin1
2
sin1sin1.
sinsin
−
⋅
=+−=
⋅+⋅−=
( )
CQCC
T
QQ
IVdttp
T
P ⋅=⋅=
∫
0
1
( )
CEC
UfI =
( )
ELCCCCE
RRIVU +−=
( ) ( )

EL
CC
CE
EL
C
RR
V
U
RR
I
+
+⋅
+
−=
1
)(
CEC
ufi =
Lcce
Riu ⋅−=
( )
[ ]
( ) ( ) ( )
ECQCCLCECQCCLCQc
ELCQCCLcCEQceCE
RIVRiRIVRIi
RRIVRiUuu
⋅−+⋅−=⋅−+⋅+−=
+⋅−+−=+= .
Mạch khuếch đại chế độ A tải điện trở (4)


Phương trình đường tải động:

Hệ số góc của đường tải tĩnh:

Hệ số góc của đường tải động:

Đường tải động và đường tải tĩnh giao nhau tại điểm công tác tĩnh Q, đường
tải động có hệ số góc nhỏ hơn so với đường tải tĩnh nên có độ dốc lớn hơn.
L
ECQCC
CE
L
C
R
RIV
u
R
i
⋅−
+⋅−=
1
EL
RR
tg
+
−=
1
1
α

12
1
αα
tg
R
tg
L
<−=
iC
uCE
Đường tải tĩnh
Đường tải động
Q
Mạch khuếch đại chế độ A Tải là cuộn cảm

Để thu được tín hiệu đầu ra không méo và đạt được hiệu suất là lớn nhất thì:
Công suất xoay chiều thu được trên tải:

Công suất một chiều cung cấp cho mạch:

Hiệu suất của mạch:
CEQ
U
CCCEQ
VU =
L
CC
CQ
R
V

I =
R 2
0
R L
R E
R 1
C E
Q 1
v s
C 1
L 1
1
2
V C C
C 2
CCp
VU =
L
CC
CQp
R
V
II ==
L
CC
LpL
R
V
RIP
2

2
2
1
2
1
⋅=⋅⋅=
C
i
L
CC
R
V2
CC
V
CC
V2
Đường tải tĩnh, hệ số góc=
Đường tải động,
hệ số góc = -1/RL
CE
u
Q
CQ
I
E
R
1
−
L
CC

CQCCdc
R
V
IVP
2
=⋅=
%50==
dc
o
P
P
η
Mạch khuếch đại chế độ A ghép biến áp
Công suất xoay chiều thu được trên tải:
Công suất một chiều cấp cho mạch
Hiệu suất của mạch:
T 1
1 4
2 3
v s
Q 1
C 1
R L
R 1
C E
R 2
V C C
R E
C
i

'
2
L
CC
R
V
CC
V
CC
V2
Đường tải tĩnh, hệ số góc=
Đường tải động,
hệ số góc = -1/R’L
CE
u
Q
CQ
I
E
R
1
−
CCCEQ
VU =
'
L
R
CCp
VU
=

'
L
CC
CQp
R
V
II ==
LL
RR ⋅=
2
'
α
L
CC
LpL
R
V
RIP
⋅
=⋅=
2
2
'2
2
1
2
1
α
L
CC

CQCCdc
R
V
IVP
⋅
=⋅=
2
2
α
%50=
η
Điểm công tác tĩnh:
Trong đó, là tải sơ cấp:
Để đạt được hiệu suất lớn nhất tại đầu ra:
'
L
CC
CQ
R
V
I =
2.3. Mạch khuếch đại chế độ B (AB)

M ch khu ch đ i đ y kéo đ i x ng bù (ng c)ạ ế ạ ẩ ố ứ ượ

M ch khu ch đ i đ y kéo dùng bi n ápạ ế ạ ẩ ế

M ch khu ch đ i k t cu i đ n v i 1 ngu n cung c pạ ế ạ ế ố ơ ớ ồ ấ
M ch khu ch đ i đ y kéo đ i x ng bù (1)ạ ế ạ ẩ ố ứ


M i transistor đ c phân c c ch đ B và ch ỗ ượ ự ở ế ộ ỉ
d n trong n a chu k . Tuy nhiên có m t s suy ẫ ử ỳ ộ ự
bi n nh đ c bi t khi tín hi u nh (méo đi m 0).ế ỏ ặ ệ ệ ỏ ể

Hai transistor Q1 và Q2 s thay nhau d n ẽ ẫ
trong m i n a chu k .ỗ ử ỳ

Không có khu ch đ i áp nh ng h s khu ch ế ạ ư ệ ố ế
đ i dòng đi n l n đ khu ch đ i công su t.ạ ệ ớ ể ế ạ ấ
Đ c tuy n truy n đ t và d ng ặ ế ề ạ ạ
sóng m ch khu ch đ i ch đ Bạ ế ạ ế ộ
M ch khu ch đ i đ y kéo ạ ế ạ ẩ
bù ch đ B c b n.ế ộ ơ ả
M ch khu ch đ i đ y kéo đ i x ng bù (2)ạ ế ạ ẩ ố ứ
Hi u su tệ ấ

Đi n áp ra cho m ch ch đ B này là:ệ ạ ế ộ

Trong đó đi n áp ra l n nh t ệ ớ ấ Up = VCC.

đi n áp uCE1 đ c vi t theo công th c:ệ ượ ế ứ

Công su t trung bình trên t i là:ấ ả

công su t trung bình c a m i ngu n c p ấ ủ ỗ ồ ấ

Công su t trung bình do c 2 ngu n c p ấ ả ồ ấ

Hi u su t c a m ch là:ệ ấ ủ ạ


Hi u su t l n nh t khi tín hi u ra l n nh t v i ệ ấ ớ ấ ệ ớ ấ ớ
Up=VCC. Ta có:

Th c t , hi u su t c a m ch ch đ B ự ế ệ ấ ủ ạ ế ọ
th p h n giá tr trên do các suy hao ấ ơ ị
khác c a m ch và đi n áp ra đ nh ủ ạ ệ ỉ
(Up) ph i nh h nả ỏ ơ VCC đ tránh đ a ể ư
transistor vào mi n bão hoà. Khi biên ề
đ đi n áp ra tăng thì méo tín hi u ra ộ ệ ệ
cũng tăng. Đ méo m c ch p nh n ể ở ứ ấ ậ
đ c, đi n áp ra đ nh ượ ệ ỉ Up th ng nh ườ ỏ
h n ơ VCC vài Volt.
sin
o p
u U t
ω
=
1
sin
CE CC p
u V U t
ω
= −
2
1
2
p
L
L
U

P
R
= ×
( )
p
S S CC
L
U
P P V
R
π
+ −
= =
2
1
2
4
2. ( )
p
p
L L
p
CC
S
CC
L
U
U
P R
U

V
P
V
R
π
η
π
×
= = =
2. ( )
p
S CC
L
U
P V
R
π
=
max
78.5%
4
π
η
= ≈
M ch khu ch đ i đ y kéo đ i x ng bù (2)ạ ế ạ ẩ ố ứ
méo đi m 0ể

Trong dải điện áp gần 0V, cả 2 transistor
đều ngắt và điện áp ra bằng 0 và tạo ra
méo điểm 0 với tín hiệu vào dạng sin.


Méo điểm 0 này có thể được khắc phục
bằng cách phân cực tĩnh với giá trị nhỏ
cho cả Q1 và Q2 và mạch khuếch đại
kiểu này hoạt động trong chế độ AB.

Điện trở R là điện trở phân cực dẫn dòng
đến 2 diode D1 và D2 tạo điện áp không
đổi giữa Q1 và Q2. Hai transistor Q1 và
Q2 có cùng VBE nên I1 = I2. Khi điện
áp rơi trên diode bằng VBE, ta có tại
điểm A và điểm C có điện áp bằng VBE,
điểm B có điện áp là 2VBE.
M ch khu ch đ i đ y kéo dùng bi n ápạ ế ạ ẩ ế

Bi n áp đ o pha đ u vào có nhi m v t o 2 ế ả ầ ệ ụ ạ
đi n áp vào ng c pha nhau đ a t i 2 ệ ượ ư ớ
transistor Q1 và Q2.

Khi không có tín hi u vào, c Q1 và Q2 đ u ệ ả ề
ng t, không có dòng đi n trong m ch, đi n ắ ệ ạ ệ
áp ra trên t i b ng 0.ả ằ

Khi có tín hi u vào, trong n a chu k d ng ệ ử ỳ ươ
c a tín hi u, Q1 d n. Dòng ủ ệ ẫ i1 ch y qua bi n ạ ế
áp đ u ra t o c m ng c p cho t i nên trên ầ ạ ả ứ ấ ả
t i có n a sóng d ng. Trong n a chu k ả ử ươ ử ỳ
này, tín hi u đ a vào Q-2 âm nên Q2 ng t.ệ ư ắ

Đ n n a chu k ti p theo, tín hi u đ a vào ế ử ỳ ế ệ ư

Q2 d ng nên Q2 d n. Dòng ươ ẫ i2 ch y qua ạ
bi n áp đ u ra t o c m ng cung c p cho t i ế ầ ạ ả ứ ấ ả
nên trên t i có n a sóng d ng. Trong khi ả ử ươ
đó, tín hi u đ a vào Q1 âm nên Q1 ng t.ệ ư ắ

Do i1 và i2 ch y ng c chi u nhau trong ạ ượ ề
bi n áp ra nên đi n th c m ng bên cu n ế ệ ế ả ứ ậ
th c p cũng ng c pha nhau, chúng k t h p ứ ấ ượ ế ợ
v i nhau t o c chu k c a tín hi u trên t i.ớ ạ ả ỳ ủ ệ ả

Hi u su t c a t ng đ c tính nh sau: ệ ấ ủ ầ ượ ư
η
=
η
b.a.
η
B

Trong đó
η
b.a là hi u su t c a máy bi n áp ệ ấ ủ ế
(kho ng t 80%ả ừ ÷90%),
η
B là hi u su t ệ ấ
khu ch đ i c a t ng khu ch đ i ch đ B ế ạ ủ ầ ế ạ ế ộ
khi không ghép bi n áp. Theo k t qu tính ế ế ả
toán ph n trên ta có ầ
η
B (max)= 78.54%.
η

max =
η
b.a.
η
B(max) = 60%÷ 70%
M ch khu ch đ i k t cu i đ n v i 1 ngu n cung c pạ ế ạ ế ố ơ ớ ồ ấ

t i s ph i đ c n i v i m t t đi n ả ẽ ả ượ ố ớ ộ ụ ệ
có giá tr cao (kho ng vài trăm mF). ị ả

Đi n áp trên t s là h ng s trong ệ ụ ẽ ằ ố
su t chu k ho t đ ng, gi ng nh m t ố ỳ ạ ộ ố ư ộ
ngu n cung c p th 2. ồ ấ ứ

N u 2 Transistor gi ng nhau, t i ế ố ạ
đi m chung A có đi n áp Vcc/2 và t ể ệ ụ
s duy trì đi n á p này. ẽ ệ

Khi Q1 d n, đi n áp cung c p cho ẫ ệ ấ
m ch s là hi u c a Vcc và đi n áp ạ ẽ ệ ủ ệ
trên t , t c là b ng Vcc/2. Còn khi Q2 ụ ứ ằ
d n, ch có ngu n cung c p b i t là ẫ ỉ ồ ấ ở ụ
ho t đ ng, cũng b ng Vcc/2. ạ ộ ằ

T C đóng vai trò nh ngu n 1 chi u ụ ư ồ ề
v i giá tr đi n áp là: ớ ị ệ UCo = Vcc/2
1 1

L
d d L

R hay C
C R
ω ω
≤ ≥
M ch khu ch đ i ch đ Cạ ế ạ ế ộ

Mạch khuếch đại chế độ C transistor được
phân cực trong miền ngắt, điểm làm việc
còn thấp hơn điểm ngắt.

Tại một số điểm khi tín hiệu đủ lớn để vượt
quá ngưỡng ngắt (trong nửa chu kỳ dương
của tín hiệu) thì mới xuất hiện tín hiệu ra.
Do đó trong chế độ này transistor chỉ dẫn
trong khoảng nhỏ hơn nửa chu kỳ

Tín hiệu ra của mạch khuếch đại chế độ C là
những xung hẹp. Méo trong trường hợp này
là rất lớn nên không sử dụng tầng khuếch
đại đơn hoặc tầng đẩy kéo.

Mạch khuếch đại chế độ C có khả năng cung
cấp công suất lớn với hiệu suất lớn hơn
78.5%, tuy nhiên chế độ C tạo méo lớn
trong tín hiệu ra. Các mạch khuếch đại chế
độ C chủ yếu được ứng dụng trong khuếch
đại tần số cao dùng tải cộng hưởng RLC
thường dùng trong các máy phát của Tivi
hoặc đài