Chương 6 Tầng Khếch đại công suất doc

Bô môn Kỹ thuật điện tử
Trường ĐHGTVT
Chương 6 Tầng Khếch đại công suất
6.1 Vấn đề chung
(Chương 5: Các sơ đồ KĐ chuyên dụng và tạp âm yêu cầu SV tự đọc)
Tầng KĐCS (KĐ P) có nhiệm vụ đưa ra công suất đủ lớn để kích
thích cho tải (mW đến >100W); công suất đưa đến tầng sau dưới
dạng điện áp hoặc dòng có biên độ lớn. Đặc trưng làm việc với tín
hiệu lớn là các T không làm việc ở miền tuyến tính do đó không
thể dùng sơ đồ tương đương để phân tích mà phải dùng phương
pháp đồ thị dựa trên họ đặc tuyến vào và ra.
Do làm việc cả ở miền phi tuyến nên méo phi tuyến sẽ lớn, khi thiết
kế hoặc phân tích mạch điện tầng KĐ P chú ý các biện pháp giảm
méo.
1. Các tham số của tầng KĐ P
- HSKĐ P K
P
là tỉ số giữa công suất ra và công suất vào K
P
= P
r
/P
v
- Hiệu suất là tỉ số giữa công suất ra và công suất tiêu thụ nguồn P
0
η= P
r
/P
0
2. Chế độ công tác và định điểm làm việc
Bô môn Kỹ thuật điện tử

Trường ĐHGTVT
•
2. Chế độ công tác và định điểm làm việc
•
Bộ KĐ P có thể được thiết kế làm việc ở các chế độ A, AB,
B và C. Mỗi chế độ tương ứng với góc cắt θkhác nhau.
t
i
c
i
c
u
be
u
be
t
2θ=T/2
i
c
1
P
cMax
Hyperbol P
2
A
AB
B
U
CE Max
U

CE
Bô môn Kỹ thuật điện tử
Trường ĐHGTVT
•
Lưu ý:
•
Trong chế độ A tín hiệu được KĐ gần như tuyến tính với
góc cắt θ=T/2=180
0
, khi tín hiệu vào hình sin thì dòng tĩnh I
C

luôn lớn hơn biên độ dòng ra, do đó hiệu suất bộ KĐ chế độ
A rất thấp (<50%) và chỉ dùng với công suất nhỏ(<1w)
•
Chế độ AB có góc cắt 90
0
<θ<180
0
, cho hiệu suất cao hơn chế
độ A (<70%) vì dòng tĩnh I
C0
yêu cầu nhỏ hơn dòng tĩnh
trong chế độ A. Điểm làm việc nằm trên đặc tuyến tải gần
khu vực tắt của T
•
Chế độ B có θ=90
0
điểm làm việc tại U
BE

=0
•
Chế độ C có góc cắt θ<90
0
có hiệu suất cao (>70%) nhưng
méo rất lớn. Thường dùng trong bộ KĐ cao tần với tải cộng
hưởng để lọc ra các sóng hài mong muốn.
•
Điểm làm việc tĩnh xác định trong khu vực giới hạn bởi
Hyperbola công suất,đường thẳng ứng với dòng I
cMax
, dường
thẳng ứng với U
CEMax
, đường cong phân cách với khu vực
bão hòa và đường thẳng phân cách với khu vực tắt của T
•
Ở chế độ động điểm lv có thể vượt ngoài Hyperbola P (vẫn
đảm bảo P
th
<P
th
cho phép), nhưng Ko vượt quá các giới hạn
khác.
Bô môn Kỹ thuật điện tử
Trường ĐHGTVT
6.2 Những vấn đề chung về mạch điện tầng KĐ
công suất
•
Mạch điện tầng

KĐ P được phân
loại theo bảng 6.1.
•
Tải của tầng KĐ
P thường mắc
trực tiếp vào C
hoặc E. Có thể
ghép qua C hoặc
BA. Mạch ghép
BA hiệu suất cao
nhưng dải tần hẹp
và kích thước lớn
Tầng KĐ P
Chế độ
A
Đẩy kéo (thường dùng chế độ B
hoặc AB)
Đẩy kéo song
song
Dẩy kéo nối tiếp
T cùng
loại
T khác
loại
T cùng
loại
T khác
loại
Bô môn Kỹ thuật điện tử
Trường ĐHGTVT

6.3 Tầng KĐ đơn (chế độ A)
•
Điểm làm việc thay đổi
xung quanh điểm tĩnh, so
với tầng KĐ tín hiệu nhỏ,
nó chỉ khác là biên độ tín
hiệu lớn hơn, thường dùng
mạch EC hoặc CC cho
HSKĐ P lớn và ít méo phi
tuyến.
•
3.1 Sơ đồ EC
•
Với tín hiệu vào sin:
•
Theo đặc tuyến ra xác
định:
•
Vậy:
C
CECCCCE
r
R
URIIU
P
2
ˆ
2
ˆ
2

ˆˆ
22
===
~
U
CE
I
C
U
CC
R
B
R
C
I
B
2
)(
ˆ
2
)(
ˆ
minmin CECEMax
CE
CCMax
C
UU
U
II
I

−
=
−
=
8
))((
minmin CCMaxCECEMax
r
IIUU
P
−−
=
Bô môn Kỹ thuật điện tử
Trường ĐHGTVT
•
Công suất ra lớn nhất khi
có điều kiện:
•
U
CEMax
-U
CEmin
~U
CC
tức biên
độ xoay chiều
•
I
CMax
-I

Cmin
~2I
C0
và
R
Copt
=U
CC
/2I
C0
vậy
•
Chú ý: đường tải càng
nằm gần Hyperbola P thì
P
r
càng lớn. Khi ghép điện
dung với tải cần phân biệt
đường tải tĩnh và động,
điện trở ra tối ưu:
(R
C
//R
t
)
opt
=U
CC
/2I
C0

•
Công suất cung cấp cho
mạch:
•
Vậy hiệu suất tối đa:
2
ˆ
CC
CEMax
U
U ≈
48
0
2
CCC
C
CC
rMax
IU
R
U
P ≈≈
∫
=+=
T
CCCCCcc
IUtdtIIU
T
P
0

000
)sin
ˆ
(
1
ωω
%25%100
0
≈=
P
P
rMax
Max
η
C
I
ˆ
CE
U
ˆ
t
t
i
C
i
C
U
CE
U
CC

U
CEM
U
CEm
U
CE
I
CM
I
C0
I
Cm
Bô môn Kỹ thuật điện tử
Trường ĐHGTVT
•
3.1 Sơ đồ lặp E (CC)
•
Họ đặc tuyến ra và đường tải tương tự mạch EC. Vẫn chọn điểm làm
việc tĩnh ở giữa đường tải
•
Ta có:
•
Biên độ áp ra cực đại:
•
Khi trở tải đạt giá trị tối ưu:
•
Công suất ra lớn nhất:
•
Công suất tiêu thụ: P
0

= U
CC
I
E0
•
Vậy hiệu suất cực đại:
U
CC
R
1
R
2
U
B
U
E
U
CE
R
t
=R
E
C
p
22
0
CERCCCERCC
CERCE
UUUU
UU

+
=
−
+=
0
ˆ
2
ˆ
EE
CERCC
E
II
UU
U ≈
−
=
0
2
ˆ
ˆ
E
CERCC
C
C
opt
I
UU
I
U
R

−
≈=
opt
CERCC
opt
EEE
rMax
R
UU
R
UIU
P
8
)(
2
ˆ
2
ˆˆ
22
−
===
%25%100
4
1
%100
8
)(
%100
0
2

0
≈
−
=
−
==
CC
CERCC
ECCopt
CERCCrMax
Max
U
UU
IUR
UU
P
P
η
Bô môn Kỹ thuật điện tử
Trường ĐHGTVT
•
6.4 Tầng KĐ đẩy kéo
•
(dùng hai phần tử tích
cực mắc chung tải)
•
4.1 Các loại sơ đồ:
PT KĐ
PT KĐ
=

PT KĐ
PT KĐ
=
=
U
CC
R
t
U
CC
R
t
// Nối tiếp
Song song Nối tiếp
=
=
=
=
==
=
Bô môn Kỹ thuật điện tử
Trường ĐHGTVT
•
4.2 Một số đặc điểm cơ bản
•
+ Điểm đất của mạch // là đầu âm nguồn, điểm đất của nối tiếp là
điểm giữa nguồn.
•
+ Mạch đẩy kéo của 2 T cùng loại được kích thích bằng tín hiệu
ngược pha. Thường dùng tầng đảo pha hoặc biến áp có điểm

giữa nối đất về mặt xoay chiều.
•
+ Các tầng đẩy kéo có thể làm việc
•
ở chế độ A, AB hoặc B, nhưng
•
phổ biến là chế độ AB và B.
•
Ở chế độ B, điểm làm việc chọn
•
sao cho dòng ra ở chế độ tĩnh I
r0
=0,
•
áp ra U
r0
=U
CC
.
0
I
r
I
r
U
r
U
r
0
Bô môn Kỹ thuật điện tử

Trường ĐHGTVT
•
4.3 Mạch đẩy kéo //
•
Đặc trưng của các mạch đẩy kéo // phải dung BA để ghép 2
nửa điện trở tải. Sơ đồ mạch như hình 4.3 minh họa
U
v
BA
1
N
a
N
b
N
b
R
1
R
2
N
1
N
1
N
2
U
r
R
t

I
C1
I
C2
+-
I
r
Bô môn Kỹ thuật điện tử
Trường ĐHGTVT
•
Đặc điểm mạch điện:
•
- R
1
; R
2
chọn sao cho dòng tĩnh qua chúng nhỏ (Chế độ AB).
Nếu R
2
=0 thì U
B
=0 tương ứng với chế độ B. Ở chế độ AB I
C0

€(10 - 100μA). Do BA
2
phối hợp hai nửa hình sin của áp ra
cung cấp cho tải do đó, trở kháng tải cho mỗi T được tính:
R’
t

=n
2
R
t
(n là hệ số biến áp BA
2
= N
1
/N
2
) do đó
•
Công suất cung cấp cho tải:
•
Biên độ áp cực đại của một T:
•
Vậy công suất ra lớn nhất:
•
Giả thiết BKĐ làm việc trong
•
chế độ B, chúng ta có I
C
trung bình:
•
Vậy công suất một chiều:
rCE
t
CC
C
UnU

R
U
I
ˆˆ
ˆ
ˆ
'
==
t
CE
t
r
r
Rn
U
R
U
P
2
2
2
2
ˆ
2
ˆ
==
CERCECEMax
UUU −=
ˆ
t

CERCC
rMax
Rn
UU
P
2
2
2
)( −
=
∫
==
2/
0
ˆ
)(
1
T
c
cc
i
dtti
T
i
π
t
CCCE
CCc
Rn
UU

UIP
2
0
ˆ
2
ˆ
2
ππ
==
Bô môn Kỹ thuật điện tử
Trường ĐHGTVT
•
Chúng ta thấy công suất tiêu thụ phụ thuộc vào mức
điện áp ra U
CE
. Công suất tiêu hao trên Colector P
C
là
hiệu công suất cung cấp P
0
và công suất tới tải P
r
.
•
P
C
cực đại khi:
•
Ở chế độ B công suất tổn hao lớn nhất là:
•

Vậy hiệu suất cực đại:
t
CE
t
CCCE
rC
Rn
U
Rn
UU
PPP
2
2
2
0
2
ˆˆ
2
−=−=
π
CCCE
UU
π
2
ˆ
=
rMaxCMax
PP
2
4

π
=
%5.78%100
4
%100
0
===
π
η
Max
rMax
Max
P
P
Bô môn Kỹ thuật điện tử
Trường ĐHGTVT
4.4 Mạch đẩy kéo dùng T khác loại
Biên độ tín hiệu ra:
m là hệ số tỷ lệ đặc trưng cân bằng giữa hai T, trong khoảng
(0,1)
Công suất ra:
R
I
ˆ
U
v
U
r
+U
cc

-U
cc
R
t
R
U
ˆ
I
E
U
CE
U
CEM
=U
CC
EMrCERCCr
mIIUUmU =−=
ˆ
)(
ˆ
EMCERCC
rr
r
IUUm
IU
P )(
4
1
2
ˆˆ

2
1
2
−==
Bô môn Kỹ thuật điện tử
Trường ĐHGTVT
•
Công suất một chiều cung cấp cho mỗi T:
•
Công suất tổn hao trên mỗi T:
•
Cho đạo hàm dP
c
/dm=0 xác định giá trị m có công
suất tổn hao lớn nhất:
•
Công suất tổn hao cực đại:
∫
==
T
EMCCrCC
IUtdtI
T
UP
0
0
2
sin
ˆ
1

π
ω
EMCERCCEMCCrc
IUU
m
IU
m
PPP )(
4
2
0
−−=−=
π
ππ
2
)(
2
≈
−
=
CERCC
CC
P
UU
U
m
cMax
22
2
)(

ππ
EMCC
CERCC
EMCC
cMax
IU
UU
IU
P ≈
−
=
Bô môn Kỹ thuật điện tử
Trường ĐHGTVT
•
Dòng emitter Max:
•
Trở tải tối ưu:
•
Tổng công suất ra:
•
Tổng công suất tiêu
thụ:
•
Hiệu suất:
•
Với mạch cân bằng
m=1:
CC
cMax
CC

CERCCcMax
EM
U
P
U
UUP
I
2
2
2
)(
ππ
≈
−
=
cMax
CC
EM
CERCC
r
r
t
P
U
I
UU
I
U
R
2

2
ˆ
ˆ
π
≈
−
==
cMax
CC
CERCC
cMaxEMCERCCrtong
Pm
U
UU
PmIUU
m
P
2
)(
2
)(
2
2
2
2
2
2
2
2
ππ

≈
−
=−=
cMaxEMCCtong
PmIU
m
P
π
π
2
2
0
≈=
4
0
π
η
m
P
P
tong
rtong
≈=
%5.78
4
==
π
η
Bô môn Kỹ thuật điện tử
Trường ĐHGTVT

•
4.5 Mạch đẩy kéo nối tiếp cùng loại
Bô môn Kỹ thuật điện tử
Trường ĐHGTVT
•
Mạch đẩy kéo cùng loại tự đảo pha
Bô môn Kỹ thuật điện tử
Trường ĐHGTVT
•
4.6 Một số mạch mở
rộng và cải thiện đặc
tính
•
1. Mạch bù trôi
•
2. Nguồn đơn cực
•
3. Mạch bù Boostrap
•
4. Bổ xung mạch hạn
dòng
•
5. Mắc nối tiếp nhiều
T để nâng áp ra
Bô môn Kỹ thuật điện tử
Trường ĐHGTVT
•
4.6 Bài tập chương 4: Cho mạch như
hình, các linh kiện có giá trị: V
cc

=16V;
R
1
=56KΩ; R
2
=20KΩ; R
e
=2KΩ;
R
c
=3.3KΩ; R
t
=6.2KΩ; r
d
=100Ω;
β=150; r
ce
=500KΩ; U
BE
=0.7V.
•
1. Nhận xét thuộc tính mạch điện
•
2. Xác định điểm làm việc I
BQ
; I
CQ
; U
CEQ
và dùng đường tải tĩnh biểu diễn trên

họ đặc tuyến ra.
•
3. Tính toán các tham số của mạch K
u
;
Z
v
; Z
r
•
4. Tính toán và so sánh tham số động
khi không có C
E
.
+V
cc
(16V)
R
b1
R
b2
R
c
R
e
C
2
C
e
R

t