Thiết kế và thi công bộ khuếch đại công suất máy phát thông tin vô tuyến sóng ngắn

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật và công
nghệ, sự lớn mạnh không ngừng của lĩnh vực điện tử - tin học đã cho phép
con người nối liền mọi khoảng cách trong mọi điều kiện không gian và thời
gian. Trong các phương thức thông tin thì dạng thông tin vô tuyến chiếm vị
trí hàng đầu, và là dạng liên lạc quan trọng nhất. Với dải tần số vô tuyến
hết sức rộng lớn đã hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu đòi hỏi của con người,
khi mà dạng thông tin đường dây không thể thực hiện được, như thực hiện
các liên lạc với vùng địa hình phức tạp, hải đảo… hay cự ly rất lớn. Hiện
nay, thiết bị thông tin vô tuyến là thành phần không thể thiếu trong mọi
lĩnh vực, mọi cấp, mọi ngành.
Với mọi thiết bị thông tin nói chung, đặc biệt là thiết bị mang xách thì
yêu cầu về độ tin cậy, cự ly, chất lượng liên lạc và hiệu suất lớn là yếu tố
quan tâm hàng đầu. Điều này được quyết định rất lớn ở bộ khuếch đại công
suất. Có thể nói, cùng với bộ tổ hợp tần số thì bộ khuếch đại công suất là
quan trọng nhất, là thành phần quyết định chính tới giá thành của thiết bị.
Chính vì vậy, em được giao đồ án: “ Thiết kế và thi công bộ khuếch
đại công suất máy phát thông tin vô tuyến sóng ngắn”. Nhiệm vụ đồ án
là nghiên cứu, tìm hiểu về lý thuyết các mạch khuếch đại công suất cũng
như các loại mạch được sử dụng trong thực tế, trên cơ sở đó tiến hành thiết
kế một bộ khuếch đại công suất với các chỉ tiêu cho trước. Từ phương án
thiết kế sẽ tiến hành tính toán và thi công một sản phẩm hoàn chỉnh. Để
giải quyết các nhiệm vụ trên nội dung của đồ án trình bày trên ba chương
như sau:
Chương 1: Cơ sở mạch khuếch đại công suất
Chương 2: Thiết kế bộ khuếch đại công suất
Chương 3: Tính toán và thi công
1
Sau một thời gian nghiên cứu, thực hiện và hoàn thành đồ án, trước
hết em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn đã luôn
theo sát, định hướng và tạo điều kiện về mọi mặt cho em, cùng các thầy cô

giáo trong khoa trong suốt quá trình làm đồ án. Do mới làm quen với công
tác nghiên cứu, cùng với khó khăn về tài liệu, và trình độ còn hạn chế nên
nội dung của đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận
được sự đóng góp, chỉ dẫn của các thầy giáo để đồ án có chất lượng tốt
hơn.
Em xin chân thành cám ơn!
2
CHƯƠNG I
CƠ SỞ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT
1.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MÁY PHÁT SÓNG NGẮN
Một máy phát thông tin vô tuyến sóng ngắn nói chung có chức năng
sau:
* Tạo dao động cao tần (RF).
* Điều chế dao động.
* Khuếch đại và bức xạ.
Dải tần sóng ngắn là tương đối hẹp ( từ 3 – 30MHz) trong khi yêu
cầu số kênh thông tin càng lớn càng tốt. Để số đường liên lạc là tối đa thì
các dạng điều chế tin tức phải bảo đảm tiết kiệm phổ nhất. Về cơ bản, có
hai dạng công tác chính là chế độ báo và thoại cho các máy phát thông tin
sóng ngắn.
* Chế độ công tác báo:
Chế độ báo được chọn là chế độ công tác chính cho các máy thông
tin vô tuyến sóng ngắn nói chung. Báo đẳng biên thông thường được sử
dụng do có ưu điểm là đơn giản, phổ tần hẹp và yêu cầu chống nhiễu không
quá cao vì khả năng nghe trên nền nhiễu tốt của tai con người. Dạng báo
điều tần mặc dù có phổ rộng hơn nhưng chất lượng không vượt trội nên
thực tế ít được sử dụng.
* Chế độ công tác thoại:
Có ba dạng tín hiệu điều chế: thoại điều biên, đơn biên và điều tần.
– Thoại điều biên: thực hiện nhanh, đơn giản, dải phổ tín hiệu rộng

ax
2 2
m
f f∆ =
, nhiễu nhiều nên chất lượng thông tin kém. Vì vậy, chế độ này
chỉ được dùng trong các trường hợp cần thiết.
– Thoại đơn biên: dải phổ hẹp bằng 1/2 so với phổ của thoại điều biên
ax
2
m
f f∆ =
, khả năng chống nhiễu tốt.
3
– Thoại điều tần: dải phổ rộng
( )
ax
2 1
m
f f
ϕ
∆ = × +
(với
ϕ
là chỉ số điều
chế), khẳ năng chống nhiễu kém, số kênh thông tin ít.
Như vậy, xét về độ rộng phổ tín hiệu, khả năng chống nhiễu và hiệu
quả sử dụng năng lượng thì tín hiệu điều chế đơn biên có ưu điểm nhất. Vì
vậy, dạng điều chế đơn biên được chọn cho máy thông tin vô tuyến sóng
ngắn. Trong các phương pháp tạo tín hiệu đơn biên thì phương pháp trộn
lọc nhiều lần là phổ biến nhất, và về cơ bản xác định cấu trúc của máy

thông tin vô tuyến sóng ngắn.
Với các dạng công tác cơ bản là thoại và báo, sơ đồ khối tổng quát
của một máy thông tin vô tuyến sóng ngắn có dạng như hình 1.1 sau:
Hình 1.1 Sơ đồ khối máy phát vô tuyến điện
* Nhiệm vụ các khối :
– Khuếch đại mic: Là bộ khuếch đại mức tín hiệu âm tần trước khi đưa vào
điều chế.
– Dao động 1kHz: là bộ dao động chuẩn đưa vào điều chế trong chế độ
báo.
– Bộ khích thích: Có nhiệm vụ tạo ra dải tần công tác của máy thông tin vô
tuyến. Thực hiện điều chế tín hiệu và khuếch đại tín hiệu theo yêu cầu của
thiết bị.
– Khuếch đại công suất và tiền khuếch đại công suất: có nhiệm vụ khuếch
4
Bộ kích
thích
Tiền
KĐCS
KĐCS
Phối hợp
anten
Khối
nguồn
KĐ MIC
Hệ thống điều
khiển
Manip
i
c max
MIC

K.V
bão hoà
ANTEN
Dao động
1kHz
đại tín hiệu đủ công suất yêu cầu, vì vậy KĐCS có thể gồm một hay nhiều
tầng. Do tín hiệu điều chế là đơn biên nên yêu cầu khuếch đại phải tuyến
tính cao, mặt khác vì thiết bị dùng nguồn nuôi là pin hoặc acquy nên còn
phải đảm bảo hiệu suất khuếch đại cao để giảm tối đa tiêu hao năng lượng.
– Phối hợp anten: Làm nhiệm vụ phối hợp trở kháng giữa khối khuếch đại
công suất với anten trong toàn dải tần.
– Hệ thống điều khiển: Dùng chung cho cả máy thu và máy phát, nó gồm
phần giao diện với người sử dụng và phần tạo ra các tín hiệu điều khiển các
hoạt động của điện đài.
– Khối nguồn: Tạo ra các mức điện áp yêu cầu cho toàn bộ thiết bị.
Phạm vi của đồ án sẽ tiến hành xem xét, thiết kế, tính toán và thi
công bộ khuếch đại công suất của máy thông tin vô tuyến sóng ngắn. Các
vấn đề cụ thể sẽ được trình bày tiếp sau đây.
1.2 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI
CÔNG SUẤT
Tầng khuếch đại công suất có nhiệm vụ đưa ra công suất đủ lớn để
kích thích cho tải. Công suất ra của nó từ vài phần W cho đến hàng trăm W.
Công suất này được đưa ra đến tầng sau dưới dạng điện áp hoặc dòng điện
có biên độ lớn. Phân loại mạch khuếch đại công suất có nhiều cách khác
nhau như mạch khuếch đại được phân biệt theo mục đích (mạch khuếch đại
điện áp, mạch khuếch đại dòng điện, mạch khuếch đại công suất …), hoặc
phân biệt theo loại năng lượng ngoài được sử dụng (mạch khuếch đại điện,
mạch khuếch đại từ ). Theo cách mắc tải, người ta chia thành mạch
khuếch đại có biến áp ra và tầng khuếch đại không biến áp ra. Thông
thường trong mạch khuếch đại công suất người ta chia thành hai nhóm

mạch là: nhóm mạch khuếch đại công suất tuyến tính và nhóm mạch
khuếch đại công suất chuyển mạch. Trong nhóm mạch khuếch đại công
suất tuyến tính thì theo độ lớn của góc cắt người ta cũng chia thành 4 loại
5
mạch khuếch đại là: mạch khuếch đại chế độ A, chế độ B, chế độ AB và
chế độ C. Đối với nhóm khuếch đại chuyển mạch, tranzistơ được kích thích
tín hiệu có biên độ lớn, điều chỉnh việc đóng mở thiết bị như một chuyển
mạch. Hoạt động chuyển mạch cung cấp hiệu quả khuếch đại công suất cao
hơn so với nhóm các mạch khuếch đại tuyến tính. Một thiết bị chuyển
mạch lý tưởng là không có điện áp đặt trên tranzistơ khi nó thông, không
có dòng điện chảy qua khi nó ngắt và thời gian chuyển tiếp của nó bằng
không. Trong phạm vi đồ án, loại nhóm khuếch đại chuyển mạch không
được đề cập.
1.2.1 Các tham số của tầng khuếch đại công suất
* Hệ số khuếch đại công suất: hệ số khuếch đại công suất
P
K
là tỉ số giữa
công suất ra
R
P
và công suất vào
V
P
:
R
P
V
P
K

P
=
(1.1)
* Hiệu suất: Là tỉ số giữa công suất ra
R
P
và công suất cung cấp một chiều
0
P
0
R
P
P
η
=
(1.2)
Hiệu suất càng lớn thì công suất tiêu hao trên colectơ của tranzistơ
càng nhỏ.
1.2.2 Chế độ công tác và định điểm làm việc cho tầng khuếch đại công
suất
Tuỳ thuộc vào chế độ công tác của tranzistơ, người ta phân biệt ra:
* Tầng khuếch đại chế độ A:
Trong chế độ này, tín hiệu được khuếch đại gần như tuyến tính, góc
cắt
θ
= T/2 = 180
0
. Khi tín hiệu vào là hình sin thì dòng tĩnh colectơ luôn
luôn lớn hơn biên độ dòng điện ra, vì vậy hiệu suất của bộ khuếch đại chế
6

độ này rất thấp (<50%).
* Tầng khuếch đại chế độ AB:
Trong trường hợp này góc cắt 90
0
<
θ
< 180
0
, chế độ này hiệu suất
cao hơn chế độ A (<70%).Vì dòng tĩnh I
CO
lúc này nhỏ hơn chế độ A nên
điểm làm việc nằm trên đặc tuyến tải gần khu vực tắt của tranzistơ.
Hình 1.2 Đặc tuyến ra của tranzistơ
Hình 1.3 Dạng dòng điện ra của tranzistơ ứng với các chế độ khác nhau
* Chế độ B: Ứng với
θ
= 90
0
là điểm làm việc tĩnh được xác định tại U
BE
=
0, chỉ một nửa chu kỳ dương hoặc âm của tín hiệu vào được tranzistơ
khuếch đại.
* Chế độ C: Ứng với góc cắt
θ
< 90
0
. Hiệu suất chế độ này khá cao
(>78%) nhưng méo lại lớn. Nó thường được dùng trong các bộ khuếch đại

tần số cao và dùng tải cộng hưởng, hoặc dùng trong các mạch khoá hoặc
logic. Điểm làm việc tĩnh trong khu vực cho phép trên đặc tuyến tranzistơ
7
A A
B
B
C
i
c
i
c
i
c
i
c
I
C0
I
C0
t
1
t
2
t
2
t
2
t
1
t

1
t
2
t
2
t
1
t
t
t
t
U
CE
U
CE MAX
Khu vực tắt
I
C
P
C MAX
I
Cmax
Hypebol công
suất
K.v bão hoà
hoµ
(Hình 1.1). Khu vực đó được giới hạn bởi Hypebol công suất, đường thẳng
ngang với dòng colector cực đại, đường thẳng đứng với điện thế colectơ-
emitơ cực đại, đường cong phân cách với khu vực bão hoà và đường thẳng
phân cách với khu vực tắt của tranzistơ.

Ở chế độ động, điểm làm việc có thể vượt ra ngoài hypebol công
suất (nếu vẫn bảo đảm được điều kiện công suất tổn hao nhỏ hơn công suất
tổn hao cho phép), nhưng không được vượt quá các giới hạn khác. Phần
tiếp theo, ta xem xét và thảo luận kỹ một số dạng mạch, cũng như chế độ
của nó với các loại tranzistơ khác nhau.
1.3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ĐƠN (CHẾ ĐỘ A)
Trong chế độ A, biên độ tín hiệu ra thay đổi đối xứng xung quanh
điểm tĩnh. So với tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ, nó chỉ khác là biên độ tín
hiệu lớn. Tầng khuếch đại đơn hay dùng sơ đồ emitơ chung hoặc lặp emitơ
vì nó có hệ số khuếch đại dòng điện lớn và méo phi tuyến nhỏ.
1.3.1 Sơ đồ emitơ chung (tranzistơ lưỡng cực)

Hình 1.4 Sơ đồ mạch emitơ chung
Khi tín hiệu vào hình sin, thì công suất ra được xác định theo biểu
thức:
2 2
ˆ ˆ ˆ
2 2 2
CE C C C CE
R
C
U I I R U
P
R
× ×
= = =
×
(1.3)
8
0

C 1
0
R
U n
U c c
I b
0
I c
R
U
CE
Căn cứ vào hình 1.4 thì có thể xác định được biên độ của
ˆ
CE
U
và
C
I

như sau:

( )
ax min
2
Cm C
C
I I
I
−
=

và
( )
ax min
ˆ
2
CEm CE
CE
U U
U
−
=

Dạng tín hiệu ra:
Hình 1.5 Dạng tín hiệu trên bộ đặc tuyến ra
Thay vào 1.3, ta có:
( ) ( )
ax min ax min
8
CEm CE Cm C
R
U U I I
P
− × −
=
(1.4)
Như vậy, khi vẽ được đường tải trên họ đặc tuyến ra, ta có thể xác
định được công suất ra và lớn nhất khi có điều kiện sau:
ax minCEm CE
U U−
≈

CC
U
tức là
axCEm
U
≈
/ 2
CC
U
.
ax minCm C
I I−
≈
2
CO
I
.
/ 2
Copt CC CO
R U I=
.
Lúc đó công suất ra cực đại:
2
Rmax
8 4
CC CC CO
C
U U I
P
R

×
= ≈
×
(1.5)
khi điện trở tải được xác định:
2
CC
Copt
CO
U
R
I
=
×
9
Ta còn nhận thấy rằng: đường tải càng nằm gần hypebol thì công
suất ra càng lớn.
Trường hợp đầu ra của tầng khuếch đại được ghép điện dung với tải
thì cần phân biệt đường tải tĩnh với đường tải động, lúc đó điện trở tải tối
ưu được xác định theo công thức 1.6:
( )
//
2
CC
C t
opt
CO
U
R R
I

=
×
(1.6)
Để xác định hiệu suất, cần phải xác định công suất cung cấp cho
mạch:
( )
0
0
1
ˆ
sin
T
CC CO C CC CO
P U I I t dt U I
T
ω
= + = ×
∫
(1.7)
Rõ ràng là khi tín hiệu vào là hình sin thì trị số trung bình đại số của
điện áp colectơ- emitơ và dòng colectơ không đổi, vì vậy công suất cung
cấp một chiều không phụ thuộc vào mức tín hiệu vào và ra.
Hiệu suất cực đại của mạch được xác định:
ax
0
100% 25%
P
Rm
P
η

= × ≈
(1.8)
Khi ghép biến áp, có thể tăng hiệu suất cực đại lên gấp đôi, vì có thể
bỏ qua điện trở một chiều của biến áp, nghĩa là giảm điện áp nguồn cung
cấp một chiều của mạch.
1.3.2 Sơ đồ cực nguồn (Source) chung
Các sơ đồ dùng FET cũng có tính chất như sơ đồ dùng tranzistơ
lưỡng cực. Tuy nhiên, các sơ đồ dùng FET có hệ số khuếch đại nhỏ hơn do
hỗ dẫn của FET nhỏ hơn hỗ dẫn của tranzistơ lưỡng cực. FET kênh N
thường dùng trong phạm vi tần số rất cao, vì độ linh động hạt dẫn của Fet
kênh N lớn hơn ở Fet kênh P. Một sơ đồ khuếch đại cực nguồn chung được
cho như hình 1.5 sau:
10
Hình 1.6 Mạch khuếch đại cực nguồn chung
Ở chế độ xoay chiều, điện áp đặt vào cực cửa, điện áp lấy ra trên cực
máng.
Hệ số khuếch đại điện áp được tính:
U m d t
K g r R= − × ×
(1.9)
vì:
d t
r R>>
nên
U m t
K g R≈ ×
(1.10)
Trong đó: – g
m
: Độ hỗ dẫn;

– r
d
: Điện trở động cực máng, [Ω].
Trong biểu thức 1.9 ứng với trường hợp có tụ C
s
mắc song song để
thoát dòng xoay chiều trên R
s
, còn nếu không có thì:
1
m t
U
m S
g R
K
g R
− ×
=
+ ×
(1.11)
Ở tần số thấp:
Trở kháng ra được tính theo biểu thức 1.12 sau:
t d
R t
t d
R r
Z R
R r
×
= ≈

+
(1.12)
Trở kháng đầu vào được tính theo biểu thức 1.13 sau:
( )
( )
G GS S
V G
G GS S
R R R
Z R
R R R
× +
= ≈
+ +
(1.13)
Trong đó: –
G
R
: Điện trở cực cửa G, [Ω];
11
R t
0
R g
C s
R s
+ E d
U
R

thốn

g
điều
khiể
n
–
S
R

: Điện trở cực nguồn S, [Ω].
Khi làm việc ở tần số cao, các tụ có trở kháng rất nhỏ:
1
d t
V GS m GD
d t
r R
C C g C
r R
 
×
= + + × ×
 ÷
+
 
(1.14)
Trong đó: –
GS
C
: Điện dung giữa hai cực G – S;
–
GD

C
: Điện dung giữa hai cực G – D.
1.2.3 Sơ đồ cực máng (Drain) chung
Trong trường hợp này, điện áp đặt vào cực G không phải là
GS
U
mà
là:
GS t GS D t
U U U I R+ = + ×
(1.15)

Hình 1.7 Mạch khuếch đại cực máng chung
Trong cách mắc này, hệ số khuếch đại nhỏ hơn 1:
m d t
U
d t m d t
g r R
K
r R g r R
× ×
=
+ + × ×
(1.16)
Trở kháng đầu ra:
(1 )
d t
R
d t m d
r r

Z
r R g r
×
=
+ × + ×
(1.17)
Trở kháng đầu vào:

1 2
1 2
1 2
//
V
R R
Z R R
R R
= =
+
(1.18)
12
U v
0
U r a
+ E d
R 2 R t
R 1
C v
1.4 MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẨY KÉO
1.4.1 Những vấn đề chung về tầng khuếch đại đẩy – kéo
Để tăng công suất, hiệu suất và giảm méo phi tuyến, người ta dùng

tầng khuếch đại đẩy – kéo. Tầng khuếch đại đẩy – kéo là tầng khuếch đại
gồm có hai phần tử tích cực mắc chung tải. Sơ đồ đẩy - kéo có thể biểu
diễn bằng sơ đồ cầu như hình 1.7 sau:
Hình 1.8 (a) Sơ đồ đẩy- kéo song song, (b) Sơ đồ đẩy- kéo nối tiếp
Trong sơ đồ đẩy-kéo song song, các phần tử tích cực được đặt trong
các nhánh bên trái của cầu. Trong các nhánh bên phải của cầu là điện trở
tải, có điểm giữa nối với nguồn cung cấp mắc trong nhánh chéo của cầu.
Ngược lại, trong sơ đồ đẩy-kéo tiếp, nguồn cung cấp có điểm giữa
nối với tải, tải nằm trong nhánh chéo của cầu.
Tóm lại, sơ đồ đẩy-kéo song song có các phần tử tích cực mắc song
song về mặt một chiều, còn sơ đồ đẩy-kéo nối tiếp thì có các phần tử tích
cực mắc nối tiếp về mặt một chiều. Ngoài ra còn có thể dùng hai phần tử
tích cực cùng loại hay khác loại nên có bốn loại sơ đồ đẩy – kéo như hình
1.8 sau:

13
Phần tử KĐ
Phần tử KĐ
Phần tử KĐ
Phần tử KĐ
R
t
U
CC
R
t
U
CC
Đẩy – kéo song song Đẩy – kéo nối tiếp
Tranzistơ cùng

loại
Tranzistơ khác
loại
Hình 1.9 Sơ đồ đẩy – kéo song song, nối tiếp sử dụng bán dẫn cùng
loại và khác loại
1.4.2 Một số đặc điểm cơ bản của mạch đẩy – kéo
* Điểm đất của các mạch song song là âm nguồn, còn điểm đất của các
mạch nối tiếp là điểm giữa của nguồn một chiều.
* Các mạch đẩy – kéo dùng hai tranzistơ cùng loại được kích thích bởi tín
hiệu ngược pha. Như vậy, để có tín hiệu ngược pha, có thể tạo bằng tầng
đảo pha hay dùng biến áp mà cuộn thứ cấp có điểm giữa nối đất về mặt
xoay chiều.
* Các mạch đẩy – kéo dùng hai tranzistơ khác loại thì dùng một tín hiệu để
kích thích (cùng pha).
* Các tầng khuếch đại đẩy – kéo có thể làm việc ở chế độ A, AB hoặc B
nhưng thông thường người ta hay dùng chế độ AB hoặc B.
* Chế độ B, điểm làm việc được chọn sao cho dòng điện ra ở chế độ tĩnh
I
ro
bằng không và điện áp ra ở chế độ tĩnh U
ro
bằng điện áp nguồn cung
cấp như hình 1.9.
* Mỗi tranzistơ chỉ khuếch đại một nửa dương hoặc một nửa âm của tín
14
U r
U v 1
+
U v 2
+

U c c
U c c
-
-
+
R t
-
U v 1
+
-
U r
+
U r
-
R t
U v 2
U c c
U v 1
-
R t
U v 1
U r
+
U c c
hiệu vào.
Hình 1.10 Đặc tuyến ra của tầng đẩy – kéo chế độ B
Hai nửa tín hiệu sẽ được tổng hợp lại thành tín hiệu hoàn chỉnh trên
điện trở tải.
Tuy nhiên, ở chế độ B phải lưu ý đến méo tín hiệu sinh ra khi điểm
làm việc chuyển tiếp từ tranzistơ này sang tranzistơ khác. Méo này càng

lớn khi tín hiệu vào càng nhỏ. Có thể khắc phục được bằng cách tăng trị số
dòng điện ra tại điểm tĩnh I
ro
và cho tầng ra làm việc ở chế độ AB, với
phần A chỉ vừa đủ mở bán dẫn.
1.4.3 Mạch đẩy – kéo song song
Tất cả các mạch đẩy – kéo song song đều phải dùng biến áp ra để
phối ghép giữa hai nửa điện trở tải R
t
. Mạch nguyên lý thể hiện trên hình vẽ
1.10:
Hình 1.11 Tầng đẩy – kéo song song
Để có điện áp đặt vào hai tranzistơ ngược pha, dùng biến áp BA1.
Nếu điện áp vào có dạng hình sin thì hai tranzistơ thay nhau khuếch đại
15
0
U v
U r
R t
R 2
I c 2
Q 1
N 1
Q 2
R 1
N 2
B A 1
1 5
6
4 8

12
I c 2
N b
N 1
+
N b
N a
B A 2
15
6
48
-
những nửa hình sin, vì điện thế hai đầu cuộn thứ cấp biến áp BA1 ngược
pha nhau. Các điện trở R1 và R2 được chọn sao cho dòng tĩnh qua chúng là
nhỏ (chế độ AB). Khi cho R2 = 0 thì U
B
= 0, do đó bộ khuếch đại làm việc
ở chế độ B. Ở chế độ AB, dòng colector nằm trong khoảng 10 đến 100mA,
hai nửa hình sin của điện áp ra được phối hợp lại trên biến áp BA2.
Điện trở của mỗi tranzistơ được xác định theo biểu thức 1.19:
' 2
t t
R n R= ×
(1.19)
Trong đó n là hệ số biến áp, được xác định:
1 2
/n N N=
(1.20)
N
1

, N
2
theo thứ tự là số vòng của mỗi nửa cuộn sơ cấp và số vòng
cuộn thứ cấp. Vậy ta có quan hệ:
'
ˆ ˆ
/
CE t
I U R=
và
ˆ ˆ
CE R
U n U= ×
.
Công suất ra trên tải của mạch được xác định bởi biểu thức 1.21:
2 2
2
ˆ ˆ
2
2
R CE
R
t
t
U U
P
R
n R
= =
×

× ×
(1.21)
Biên độ điện áp ra cực đại giữa colectơ và emitơ của một tranzistơ
theo hình 1.11:
ax
ˆ ˆ
CEm CC CER
U U U= −
(1.22)
Do đó ta nhận được công suất ra cực đại:
( )
2
ax
2
2
CC CER
Rm
t
U U
P
n R
−
=
× ×
(1.23)
Nếu giả thiết bộ khuếch đại làm
việc ở chế độ B, ta tính được dòng colectơ
trung bình:
( )
0

ˆ
1
T
C
C
C t
I
i i dt
T
π
−
= × =
∫
Hình 1.12 Đặc tuyến tải
16
Do đó công suất cung cấp một chiều:
0
2
ˆ
2 2
ˆ
CE CC
CC
t
U U
P I U
n R
π π
×
= × × = ×

×
( 1.24 )
Như vậy công suất một chiều phụ thuộc vào mức điện áp ra
ˆ
CE
U
như
hình 1.12, ta thấy:
Ở chế độ B công suất tổn hao cực đại khi:
2
ax ax ax
4 / 4
Cm Rm Rm
P P P
π
= × ≈ ×
(1.25)
Hiệu suất cực đại của mạch:
ax
ax
0
100% 100% 78.5%
4
Rm
m
P
P
π
η
= × ≈ × ≈

(1.26)

Hình 1.13 Quan hệ giữa công suất và điện áp ra
Trong đó: –
axRm
P
: Công suất ra cực đại, [W];
–
0 axm
P
:

Công suất nguồn cung cấp lớn nhất, [W].
Nhận xét:
Hiệu suất của bộ khuếch đại đẩy – kéo lớn hơn hiệu suất của bộ
khuếch đại đơn khá nhiều, cách ly điện một chiều với tải tốt.
Giá thành cao, kích thước lớn, và không thể thực hiện dưới dạng
mạch tích hợp được.
1.4.4 Mạch đẩy – kéo nối tiếp dùng tranzistor cùng loại
Mạch KĐCS đẩy – kéo nối tiếp dùng tranzistơ cùng loại được mô tả
17
trên hình 1.14:
Hình 1.14 Sơ đồ đẩy – kéo nối tiếp dùng tranzistơ cùng loại có tầng
đảo pha
Ta thấy:
* T1 và T2 mắc nối tiếp còn T3 là tầng khuếch đại đảo pha. Trong đó T3
còn làm nhiệm vụ định điểm làm việc cho T1 và T2.
* Việc chọn
E
R

để thoả mãn công suất và méo là rất khó khăn, do vậy
người ta thay
E
R
bằng một điot có nhiệm vụ hạn chế điện áp bazơ – emitơ
của T2, từ đó khắc phục hiện tượng quá tải. ngoài ra còn dùng các mạch hồi
tiếp bằng các điện trở
1ht
R

và
2ht
R

.
* Hệ số khuếch đại của mạch khi có hồi tiếp:
'
'
1
'
2 1 2 1
1 // /
R ht U
U
ht U ht ht ht V
V
U R K
K
R K R R R R

U
= = − ×
+ + +
(1.27)
Nếu hồi tiếp âm sâu (
'
5
U
K ≤
) thì:

'
1
2
ht
U
ht
R
K
R
≈
(1.28)
Nhận xét:
Mạch khuếch đại đẩy – kéo nối tiếp dùng điot méo lớn, đặc biệt khi
tín hiệu vào nhỏ.
1.4.5 Một số biện pháp cải thiện đặc tính của mạch
18
+ U c c
U v
- U c c

U r
R t
T 3
R E
0
R 1
R 2
C 1
C A P N P
R C
T 2
T 1
T 3
- U c c
U ' v U v
R h t 2
-
+
R C
+ U c c
T 1
U r
T 2
0
R t
0
R h t 1
D
* Nếu dùng các mạch công suất có tải ở emitơ thì dễ xuất hiện nguy cơ quá
tải nếu trở kháng tải quá nhỏ. Để khắc phục hiện tượng đó, có thể mắc

thêm mạch hạn dòng.
* Để có điện áp ra lớn, thay cho một tranzistơ công suất có điện áp ra lớn
có thể dùng một số tranzistơ có điện áp nhỏ hơn mắc nối tiếp, hoặc mắc
song song để tăng dòng ra. Lúc đó để giảm nhỏ tính tạp tán của đặc tuyến
vào, cần phải mắc nối tiếp với mỗi tranzistơ một điện trở emitơ sao cho
dòng điện các tranzistơ không chênh lệch nhau nhiều.
* Ở tần số cao, hoặc khi tín hiệu vào là xung thì cần mắc thêm các điện trở
trị số nhỏ vào mạch colectơ và emitơ.
1.5 CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT TRONG THỰC TẾ
Trên cơ sở lý thuyết về mạch khuếch đại công suất ở trên, thực tế
thường có các loại mạch khuếch đại công suất sau: khuếch đại đơn, song
song hay đẩy- kéo. Mỗi loại được ứng dụng cho những đòi hỏi khác nhau
về phổ tần, băng thông và mức công suất ra trong một thiết kế cụ thể. Xem
xét ưu, nhược điểm của từng loại và phạm vi ứng dụng của chúng là cơ sở
lựa chọn giải pháp cho thiết kế.
1.5.1 Các bộ khuếch đại đơn
Nếu ở một tần số hay trong một dải tần vô tuyến công tác tương đối
hẹp, thì bộ khuếch đại đơn sẽ đáp ứng yêu cầu đòi hỏi, là giải pháp tối ưu
cho nhiệm vụ thiết kế. Một thiết kế đơn giản được thể hiện trên hình 1.14
dưới đây. Thiết kế với dạng mạch này, các phần tử tập trung là điện cảm L,
điện dung C có giá trị không đổi ( hoặc ít thay đổi) trong dải công tác nên
sẽ là đơn giản nhất và kinh tế nhất và cho bộ khuếch đại công suất. Thường
chỉ được sử dụng ở tầng đầu tiên với mức tín hiệu tương đối nhỏ cho đầu
vào và đầu ra, hoặc khi công suất yêu cầu bé.
19
Hình 1.15 Mạch khuếch đại công suất đơn kiểu Emitơ chung
* Ưu điểm:
Đơn giản cho việc phối hợp trở kháng.
Có thể điều chỉnh cho phép mạch thực hiện tốt nhất tại một tần số
đặc trưng hay trong đoạn tần công tác hẹp.

Không yêu cầu những linh kiện, vật tư đặc biệt.
Đơn giản cho thiết kế, đảm bảo yêu cầu gọn nhẹ, giá thành rẻ.
* Nhược điểm:
Không thích hợp cho hoạt động liên tục tại các mức công suất lớn.
Khả năng công suất ra bị hạn chế.
Dải tần công tác bị giới hạn.
1.5.2 Các bộ khuếch đại song song
Mục đích của các bộ khuếch đại song song là đạt được một công suất
đầu ra cao hơn so với công suất có thể ở một bộ khuếch đại đơn. Nó sẽ kinh
tế hơn và cũng đơn giản hơn cho thiết kế với mức công suất yêu cầu là lớn.
Nhiều vấn đề có thể gặp phải trong thiết kế với mạch khuếch đại song song,
như là các mức trở kháng cực kỳ nhỏ và sự phân chia công suất không đều
nếu không có sự phù hợp chặt chẽ. Với lý do này, các trở kháng (đặc biệt là
ở đầu vào) sẽ rất thấp nếu chọn giải pháp cho thiết kế là sơ đồ song song.
Để tránh tạo ra những trở kháng thấp như vậy, điều mà sẽ rất khó cho việc
phối hợp trở kháng với giao tiếp 50Ω, thường thì đầu tiên sẽ thực hiện việc
20
chuyển đổi trở kháng tới một giá trị trở kháng trung gian, như là từ 10 đến
25Ω, sau đó sẽ thực hiện chuyển đổi thành 50Ω bởi các mạch phối hợp trở
kháng. Tuy nhiên, nếu sử dụng các bán dẫn là MOSFET, thì không yêu cầu
sự phối hợp trở kháng trung gian và vấn đề chia sẻ công suất gần như hoàn
hảo. Hình vẽ 1.15 thể hiện cho thiết kế sử dụng cấu hình khuếch đại công
suất song song:
Hình 1.16a Mạch khuếch đại công suất song song dùng bán dẫn
lưỡng cực
Giải pháp cho trường hợp này là các nhánh sẽ được phối hợp với một
mức trở kháng trung gian, sau đó sẽ biến đổi thành mức chuẩn 50Ω. Theo
cách này thì làm cho thiết kế phức tạp, đồng thời gây nên tiêu hao lớn ở các
mạch phối hợp. Với bán dẫn trường, có thể thực hiện kỹ thuật sơ đồ song
song như hình 1.15. Sự có mặt của các điện trở cách ly R1 và R2 sẽ ngăn

ngừa các dao động tần số cao.
Sơ đồ song song có thể sử dụng được với các ứng dụng công suất
nhỏ, ví dụ nếu công suất ra mong muốn thấp vừa phải (từ 2 đến 5W) và giá
thành rẻ. Sơ đồ loại này có thể sử dụng từ dải tần sóng ngắn cho đến dải vi
ba, và thường gặp trong các thiết bị rađa dải L.
21
Hình 1.16b Mạch khuếch đại công suất song song dùng bán dẫn
MOSFET
Ưu nhược điểm của sơ đồ song song là:
* Ưu điểm:
Công suất ra lớn có thể thực hiện được bằng cách sử dụng hai hay
nhiều hơn các bán dẫn.
Không yêu cầu dịch pha 180
0
trong đầu vào và đầu ra.
* Nhược điểm:
Đòi hỏi các bán dẫn phù hợp chặt chẽ và các linh kiện thụ động chịu
đựng tải.
Khả năng nén các thành phần hài kém.
Tại những tần số thấp thì ứng dụng giới hạn hơn so với sơ đồ đẩy-
kéo.
1.5.3 Các bộ khuếch đại đẩy- kéo
Ở băng tần thấp cho đến dải UHF, mạch đẩy-kéo là phổ biến bởi vì
nó cho những lợi thế nhất định so với hai dạng mạch khuếch đại đơn và
khuếch đại song song trên. Quan trọng nhất là sự triệt gần như hoàn toàn
các thành phần hài bậc chẵn, tuy nhiên hiệu quả của nó lại phụ thuộc vào
sự phối hợp của hai thiết bị. Ưu điểm khác là dải thông rộng hơn, các trở
kháng vào và trở kháng ra cao hơn, và mạch ít phức tạp, đặc biệt là trong
mạch đầu ra. Dạng tổng quát của một mạch đẩy-kéo được cho như hình
1.16 sau:

22
Hình 1.17 Dạng tổng quát mạch khuếch đại công suất đẩy-kéo
Trên đây là tổng quan về cơ sở mạch khuếch đại công suất. Ở chế độ
A, do hiệu suất thấp nên công suất ra thấp, tín hiệu không méo, tiêu thụ
dòng một chiều lớn nên tiêu tán lớn. Vì vậy chỉ ứng dụng cho những máy
phát thông tin vô tuyến công suất nhỏ. Trong khi đó, chế độ AB, B, C có
hiệu suất cao, dòng tiêu thụ nhỏ nhưng tín hiệu sau khuếch đại bị méo. Ta
thực hiện khôi phục lại dạng hình sin của tín hiệu ở các mạch lọc và mạch
cộng hưởng ở đầu ra… Đối với tín hiệu đơn biên và điều biên, do yêu cầu
độ tuyến tính cao sau khuếch đại thì phải sử dụng các tầng khuếch đại đẩy-
kéo. Để đảm bảo khuếch đại tuyến tính từng bán chu kỳ nên thường công
tác ở chế độ AB, trong đó phần A chỉ đảm bảo vừa đủ mở bán dẫn nhằm
giảm méo khi mức tín hiệu nhỏ. Kết luận sẽ làm cơ sở cho việc thiết kế,
xây dựng mạch khuếch đại công suất với các chỉ tiêu cụ thể sẽ được trình
bày trong chương 2.
23
CHƯƠNG II
THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT
Dải sóng ngắn có giá trị tần số nằm trong phạm vi 3 – 30 MHz. Do đặc
điểm phản xạ tốt qua tầng điện ly nên phần lớn các thông tin vô tuyến hai
chiều sử dụng dải này với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa, liên
lạc hàng hải , hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá…v.v. Với phạm
vi ứng dụng hết sức rộng rãi của dải sóng ngắn như vậy, đồ án chỉ nghiên
cứu thiết kế và thi công bộ khuếch đại công suất được sử dụng cho lĩnh vực
quân sự, cụ thể là bộ khuếch đại công suất cho điện đài sóng ngắn công
suất nhỏ dùng cho cấp chiến thuật.
2.1 CHỌN CHỈ TIÊU BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT
Bộ khuếch đại công suất được thiết kế cho điện đài sóng ngắn công suất
nhỏ, dùng cho cấp chiến thuật nên yêu cầu gọn nhẹ, dễ mang xách, đảm
bảo cự ly liên lạc dưới 300km, đồng thời yêu cầu tiêu tốn năng lượng ít.

Trên cơ sở những yêu cầu chung đó thì những chỉ tiêu cho bộ khuếch đại
công suất được lựa chọn như sau:
* Chọn dải tần công tác
Sóng ngắn có dải tần từ (3 – 30)MHz. Tuy nhiên, để đảm bảo yêu cầu gọn
nhẹ, người ta không sử dụng hết toàn bộ dải tần này mà đối với cấp chiến
thuật, thường chỉ chọn trong khoảng nửa đầu của dải với các lý do sau:
– Do sử dụng phương thức truyền sóng qua tầng điện ly, khoảng cách liên
lạc càng lớn thì tần số càng phải cao (phụ thuộc vào góc tới như hình vẽ
2.1). Đối với cấp chiến thuật, cự ly không lớn hơn 300km nên chỉ cần sử
dụng đoạn đầu của dải sóng ngắn
24
Hình 2.1 Sự truyền sóng ngắn qua tầng điện ly phụ thuộc tần số
và góc tới
– Khi tần số cực đại của dải công tác càng cao thì vấn đề phối hợp anten
càng trở nên phức tạp để đảm bảo độ đồng đều công suất ra với VSWR (hệ
số sóng đứng) nhỏ theo yêu cầu. Do đó sẽ làm cho bộ khuếch đại công suất
cần thiết kế sẽ phức tạp hơn, kích thước và trọng lượng cũng tăng lên.
– Một lý do có thể xem xét thêm là khi tần số công tác lớn thì góc tới
giảm, do đó hướng vật lý của anten so với thân người sẽ không thuận tiện
cho việc mang xách khi cơ động.
Mặt khác, do sử dụng phương thức truyền sóng chính là qua tầng điện ly và
trong dải tần này, phương thức truyền sóng đất thì suy hao lớn nên có thể
tồn tại vùng “mù”, trong đó xảy ra gián đoạn thông tin. Vì vậy, để sử dụng
phương thức truyền sóng đất đảm bảo thông tin cự ly ngắn, ta có thể chọn
thêm đoạn cuối của dải sóng trung.
Như vậy, ta có thể chọn dải tần công tác cho bộ khuếch đại công suất trong
khoảng (1.5 – 12)MHz.
* Chọn công suất đầu ra
Do phản xạ qua tầng điện ly, nếu chọn đúng góc tới thì độ suy hao
đường truyền sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với truyền sóng đất. Theo lý thuyết

anten truyền sóng, công suất ra là một hàm:
25
Tầng điện ly
Mặt đất
Góc tới
f1 < f2