Nghiên cứu thiết kế bộ khuếch đại công suất thích nghi cho ăng ten đa búp sóng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.46 MB, 94 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐỖ HUY TÙNG
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT THÍCH NGHI
CHO ĂNG TEN ĐA BÚP SÓNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. ĐÀO NGỌC CHIẾN
Hà Nội – Năm 2013
1
Mục lục
Mục lục ........................................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................5
Danh sách các từ viết tắt .............................................................................................6
Danh sách các hình vẽ .................................................................................................7
Danh sách bảng biểu .................................................................................................10
Phần mở đầu ..............................................................................................................11
Chương 1
Cơ bản về khuếch đại công suất ........................................................13
1.1
Giới thiệu bộ khuếch đại công suất ở tần số vô tuyến ....................................13
1.2
Phân loại khuếch đại công suất .......................................................................15
1.2.1
Khuếch đại công suất lớp A .....................................................................17
1.2.2
Khuếch đại công suất lớp AB, B, C .........................................................22
1.3
Các tham số của bộ khuếch đại công suất.......................................................27
1.3.1
Hiệu suất hoạt động ..................................................................................27
1.3.2
Độ lợi ........................................................................................................27
1.3.3
Dải động của khuếch đại công suất ..........................................................27
1.3.4
Độ ổn định của bộ khuếch đại ..................................................................28
1.3.5
Méo điều chế trong bộ phát ......................................................................29
1.3.6
Nhiễu ........................................................................................................30
1.4
Một số công nghệ transistor sử dụng cho khuếch đại công suất.....................31
1.4.1
LDMOS (Lateral double-diffused metal oxide semiconductor) ..............31
1.4.2
HEMT (High Electronic Mobility Transistor) .........................................32
1.5
Khuếch đại Doherty ........................................................................................33
1.6
Cấu trúc khuếch đại Doherty ..........................................................................34
1.7
Nguyên lý hoạt động của khuếch đại Doherty ................................................35
1.7.1
Khái niệm điều biến trở kháng .................................................................37
1.7.2
Mạch tương đương của khuếch đại Doherty ............................................38
1.7.3
Chế độ hoạt động ở mức công suất thấp ..................................................40
2
1.7.4
Chế độ hoạt động ở mức công suất trung.................................................41
1.7.5
Chế độ hoạt động công suất đỉnh .............................................................42
1.8
Ưu điểm và nhược điểm của khuếch đại Doherty ..........................................44
Kết luận chương ........................................................................................................45
Chương 2
Phân tích và thiết kế ...........................................................................46
2.1
Giới thiệu ........................................................................................................46
2.2
Kiến trúc thiết kế .............................................................................................46
2.3
Lựa chọn lớp hoạt động ..................................................................................47
2.4 Thiết kế bộ khuếch đại đơn .................................................................................48
2.4.1 Phân tích DC .................................................................................................48
2.4.2 Xác định tải làm việc ....................................................................................50
2.4.3 Phối hợp trở kháng tại đầu vào và đầu ra .....................................................54
2.4.4 Mô phỏng mạch khuếch đại đơn...................................................................63
2.5 Thiết kế bộ khuếch đại Doherty ..........................................................................69
2.5.1 Bộ chia công suất đầu vào ............................................................................69
2.5.2 Phân cực cho bộ khuếch đại chính và khuếch đại phụ .................................71
2.5.3 Mô phỏng mạch khuếch đại Doherty............................................................71
2.6 Layout ...............................................................................................................76
Kết luận chương ........................................................................................................78
Chương 3
Điều khiển công suất ...........................................................................79
3.1
Giới thiệu ........................................................................................................79
3.2
Mạch lấy mẫu tín hiệu.....................................................................................80
3.2.1. Mạch ghép tín hiệu ......................................................................................80
3.2.2. Mạng điện trở suy giảm hình π ....................................................................82
3.3.3. Power detector .............................................................................................83
3.3
Mạch điều khiển ..............................................................................................83
3.3.1. Mạch nguyên lý ...........................................................................................85
3.3.1.1. Khối mạch nguồn .................................................................................85
3.3.1.2. Khối mạch RJ45 ....................................................................................85
3
3.3.1.3. Khối mạch LCD ....................................................................................86
3.3.1.4. Khối mạch vi điều khiển PIC18F67J60 ................................................87
3.3.2. Bộ suy giảm.....................................................................................................88
3.3.3. IC tiền khuếch đại ...........................................................................................88
Kết luận chương ........................................................................................................89
KẾT LUẬN ...............................................................................................................90
Tài liệu tham khảo .....................................................................................................91
4
LỜI CAM ĐOAN
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trong
Viện Điện tử viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một môi
trường tốt để tôi học tập và nghiên cứu. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong
Viện Đào tạo sau đại học đã quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho các
học viên có điều kiện thuận lợi để học tập và nghiên cứu.Và đặc biệt tôi xin gửi
lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS. TS. Đào Ngọc Chiến đã tận tình hướng
dẫn và sửa chữa cho nội dung của luận văn này.
Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này hoàn toàn do tôi tìm
hiểu, nghiên cứu và viết ra. Tất cả đều được tôi thực hiện cẩn thận, có sự góp ý
và sửa chữa của giáo viên hướng dẫn.
Tôi xin chịu trách nhiệm với tất cả nội dung trong luận văn này.
Tác giả
Đỗ Huy Tùng
5
Danh sách các từ viết tắt
LDMOS
Lateral double-diffused metal oxide semiconductor
HEMT
High Electronic Mobility Transistor
LTE
Long Term Evolution
WiMax
Worldwide Interoperability for Microwave Access
OFDMA
Orthogonal Frequency-Division Multiple Access
WCDMA
Wideband Code Division Multiple Access
HDSPA
High-Speed Downlink Packet Access
PAR
Peak-to-average ratio
6
Danh sách các hình vẽ
Hình 1. 1: Sơ đồ khối bộ khuếch đại. ............................................................................................... 13
Hình 1. 2: transistor như một nguồn dòng phụ thuộc. ..................................................................... 14
Hình 1. 3: transistor như một chuyển mạch ..................................................................................... 15
Hình 1. 4: Dạng sóng của dòng điện cực máng. (a) lớp A. (b) lớp B (c) lớp AB (d) lớp C. ........... 16
Hình 1. 5: Điểm hoạt động của lớp A,AB, B,và C .......................................................................... 17
Hình 1. 6: Khuếch đại công suất lớp A ........................................................................................... 18
Hình 1. 7: Khuếch đại công suất lớp A với bộ chuyển đổi một phần tư bước sóng ....................... 19
Hình 1. 8: Dạng sóng trong khuếch đại công suất lớp A ................................................................ 21
Hình 1. 9: Khuếch đại tín hiệu AM trong khuếch đại lớp A............................................................ 22
Hình 1. 10 Khuếch đại công suất lớp AB, B, C ............................................................................... 23
Hình 1. 11: Dạng sóng của khuếch đại công suất lớp B ................................................................. 24
Hình 1. 12: Dạng sóng của khuếch đại lớp C .................................................................................. 25
Hình 1. 13: Khuếch đại tín hiệu AM trong lớp AB, B, C. (a) lớp AB. (b) lớp B. (c) lớp C ............ 26
Hình 1. 14: Dải động của bộ khuếch đại công suất ......................................................................... 28
Hình 1. 15: (a) phổ điện áp đầu vào. (b) phổ điện áp tín hiệu đầu ra do sinh ra hài ..................... 29
Hình 1. 16: (a) phổ của điện áp đầu vào. (b) một vài thành phần của tín hiệu đầu ra do điều chế
qua lại .............................................................................................................................................. 30
Hình 1. 17: Cấu trúc của LDMOS .................................................................................................. 31
Hình 1. 18: Cấu trúc của HEMT..................................................................................................... 32
Hình 1. 19: Công suất và tần số hoạt động trong một vài công nghệ transistor ứng dụng cho
khuếch đại công suất ........................................................................................................................ 33
Hình 1. 20: Cấu trúc khuếch đại Doherty ........................................................................................ 35
Hình 1. 21: Sơ đồ khối đơn giản của khuếch đại Doherty ............................................................... 36
Hình 1. 22: Hiệu suất của khuếch đại Doherty ................................................................................ 37
Hình 1. 23: Mạch điều biến trở kháng tải ........................................................................................ 38
Hình 1. 24: sơ đồ mạch tương đương của khuếch đại Doherty ....................................................... 39
Hình 1. 25: Hoạt động của DPA tại chế độ công suất thấp ............................................................. 41
Hình 1. 26: Hoạt động của DPA tại chế độ trung............................................................................ 42
Hình 1. 27: Hoạt động của DPA tại chế độ đỉnh ............................................................................. 43
Hình 2. 1: Sơ đồ cấu trúc khuếch đại đơn…………………………………………………………………46
Hình 2. 2: Sơ đồ khối kiến trúc khuếch đại Doherty ........................................................................ 47
Hình 2. 3: Sơ đồ mô phỏng đặc tuyến DC ....................................................................................... 48
Hình 2. 4: VDS và IDS......................................................................................................................... 49
Hình 2. 5: VGS và IDS......................................................................................................................... 50
Hình 2. 6: Trở kháng nguồn và trở kháng tải tương đương............................................................. 51
Hình 2. 7: Sơ đồ mô phỏng load-pull ............................................................................................... 51
Hình 2. 8: Giá trị công suất đầu ra với biên độ và pha của hệ số phản xạ thay đổi ....................... 52
Hình 2. 9: Sơ đồ mô phỏng soure-pull ............................................................................................. 53
Hình 2. 10: kết quả mô phỏng source-pull ....................................................................................... 53
Hình 2. 11: Đường đồng mức Q trên đồ thị Smith .......................................................................... 55
Hình 2. 12: Phối hợp trở kháng băng rộng tránh vùng có giá trị Q lớn.......................................... 55
Hình 2. 13: Pad cực G ..................................................................................................................... 56
7
Hình 2. 14: Sơ đồ mô phỏng pad cực G ........................................................................................... 57
Hình 2. 15: Hệ số S11 khi có pad cực G ........................................................................................... 57
Hình 2. 16: Phối hợp trở kháng đầu vào dùng đồ thị Smith ............................................................ 58
Hình 2. 17: Mạng phối hợp trở kháng đầu vào................................................................................ 58
Hình 2. 18: Mạch phối hợp trở kháng đầu vào trong Momemtum .................................................. 59
Hình 2. 19: Pad cực D ..................................................................................................................... 60
Hình 2. 20: Sơ đồ mô phỏng pad cực D ........................................................................................... 60
Hình 2. 21: Hệ số S22 khi có pad cực D ........................................................................................... 61
Hình 2. 22: Phối hợp trở kháng đầu ra dùng đồ thị Smith .............................................................. 61
Hình 2. 23: Mạng phối hợp trở kháng đầu vào................................................................................ 62
Hình 2. 24: Mạch phối hợp trở kháng đầu ra trong Momemtum..................................................... 62
Hình 2. 25: Mô phỏng Momentum khuếch đại đơn trong ADS ........................................................ 63
Hình 2. 26: Sơ đồ mô phỏng Large-signal ....................................................................................... 64
Hình 2. 27: Kết quả mô phỏng hệ số S21 .......................................................................................... 64
Hình 2. 28: Hệ số S11 của khuếch đại đơn ....................................................................................... 65
Hình 2. 29: Hệ số S22 của khuếch đại đơn ....................................................................................... 65
Hình 2. 30: Độ ổn định của mạch khuếch đại đơn .......................................................................... 66
Hình 2. 31: Hài của khuếch đại đơn ................................................................................................ 67
Hình 2. 32: Tín hiệu vào và tín hiệu ra theo thời gian ..................................................................... 67
Hình 2. 33: Đồ thị công suất đầu ra theo công suất đầu vào mạch khuếch đại đơn ....................... 68
Hình 2. 34: Hiệu suất của mạch khuếch đại đơn ............................................................................. 69
Hình 2. 35: Sơ đồ bộ ghép trong ADS.............................................................................................. 69
Hình 2. 36: Hệ số truyền đạt S31 và S21 ............................................................................................ 70
Hình 2. 37: Pha của tín hiệu ra tại cổng 2 và cổng 3 của bộ ghép 3dB .......................................... 70
Hình 2. 38: sơ đồ khuếch đại Doherty ............................................................................................. 71
Hình 2. 39: Sơ đồ mạch khuếch đại Doherty trong Momentum....................................................... 72
Hình 2. 40: Sơ đồ mô phỏng LSSP mạch khuếch đại Doherty......................................................... 73
Hình 2. 41: S21 của mạch khuếch đại Doherty với các giá trị VGS của khuếch đại phụ khác nhau .. 73
Hình 2. 42: S11 của mạch khuếch đại Doherty với VGS của khuếch đại phụ khác nhau ................... 74
Hình 2. 43: S22 của mạch khuếch đại Doherty với VGS của khuếch đại phụ khác nhau ................... 74
Hình 2. 44: Hiệu suất của mạch khuếch đại Doherty với VGS của khuếch đại phụ khác nhau ........ 75
Hình 2. 45: Độ lợi của mạch khuếch đại Doherty ........................................................................... 75
Hình 2. 46: Layout của khuếch đại đơn ........................................................................................... 77
Hình 2. 47: Layout của khuếch đại Doherty .................................................................................... 77
Hình 3. 1: Sơ đồ tổng quát mạch điều khiển khuếch đại…………………………….……………..79
Hình 3. 2: Sơ đồ mạch ghép ............................................................................................................. 80
Hình 3. 3: Mô hình bộ ghép trong HFSS ......................................................................................... 81
Hình 3. 4: Kết quả mô phỏng, hệ số S21 và S31 của mạch ghép ..................................................... 82
Hình 3. 5: Kết quả mô phỏng hệ số S11 ........................................................................................... 82
Hình 3. 6: Sơ đồ mạng điện trở suy giảm hình π ............................................................................. 83
Hình 3. 7: Sơ đồ khối module Ethernet. ........................................................................................... 84
Hình 3. 8: Khối mạch nguồn ............................................................................................................ 85
Hình 3. 9: Khối mạch RJ45. ............................................................................................................. 85
Hình 3. 10: Sơ đồ khối của HR911105A .......................................................................................... 86
Hình 3. 11: Khối mạch LCD. ........................................................................................................... 86
8
Hình 3. 12: Jack kết nối với mạch vi điều khiển, mạch dao động ngoài, chân VDDCORE/VCAP. 87
Hình 3. 13: Mạch lọc, mạch reset, chân nạp cho vi điều khiển. ...................................................... 87
Hình 3. 14: Sơ đồ khối điều khiển khuếch đại ................................................................................. 88
9
Danh sách bảng biểu
Bảng 1 Bảng tóm tắt các thành phần của khuếch đại Doherty ...................................................... 35
Bảng 2 Các yêu cầu thiết kế ban đầu ............................................................................................. 47
Bảng 3 Lựa chọn khuếch đại và các chế độ hoạt động của khuếch đại ......................................... 48
Bảng 4 Giá trị VDS và VGS sử dụng trong mô phỏng ADS........................................................... 49
Bảng 5 Điện áp hoạt động của LDMOS MRF8S23120H với từng chế độ khuếch đại .................. 50
Bảng 6: Giá trị điểm nén 1 dB của mạch khuếch đại đơn ............................................................... 68
Bảng 7 Điện áp phân cực của khuếch đại Doherty........................................................................ 71
Bảng 8: Giá trị điểm nén 1dB của mạch khuếch đại Doherty với VGS cho khuếch đại phụ là 0.6 V 76
Bảng 9 Bảng tóm tắt các thông số của khuếch đại đơn và Doherty ................................................ 76
Bảng 10 Thông số kỹ thuật của FR4 .............................................................................................. 76
Bảng 11 Các tham số của mạch ghép ............................................................................................ 80
Bảng 12 Giá trị của tham số S từ 2.2 đến 2.4 GHz ........................................................................ 81
Bảng 13 Giá trị điện trở của mạng suy giảm hình π ...................................................................... 83
10
Phần mở đầu
Trong các hệ thống thông tin liên lạc hiện đại, đặc biệt hệ thống viễn thông
thì công nghệ 4G đang là xu hướng cho tương lai với hai ứng viên là LTE và
WiMax. Hiện tại thì công nghệ 3G như WCDMA hay HSDPA đang được sử dụng
rộng rãi. Hình dưới mô tả sơ đồ khối của bộ phát vô tuyến bao gồm bộ tạo dao động
nội, bộ trộn, bộ lọc thông dải, bộ khuếch đại công suất và ăng ten.
Mixer
Antenna
PA
BPF
Analog input
~
Local
oscillator
Sơ đồ khối cơ bản của bộ phát vô tuyến
Khuếch đại công suất là một phần quan trọng để xây dựng một hệ thống viễn
thông thành công, là khâu cuối cùng trước khi đưa tín hiệu vào anten.Hiệu suất cao
và độ tuyến tính cao của bộ khuếch đại công suất là điều quan trọng cơ bản trong
các hệ thống liên lạc không dây.Hiệu suất cao được đòi hỏi cho sự tiêu thụ năng
lượng thấp, thời gian sử dụng pin dài hơn và sự quản lý nhiệt độ.Sự tuyến tính cao
được đòi hỏi để đảm bảo tín hiệu qua khuếch đại công suất không bị méo. Trong
các hệ thống thông tin không dây, có hai loại hệ thống phát là hệ thống phát trạm
gốc và hệ thống phát cầm tay. Tín hiệu sử dụng trong các hệ thống không dây hiện
đại là tín hiệu thay đổi theo thời gian. Trong các công nghệ không dây hiện đại như
11
LTE, WiMAX, HSDPA hay WCMA thường sử dụng điều chế OFDMA hay mQAM nên có tỷ số PAR cao.
Việc điều khiển công suất của bộ phát vô tuyến được đòi hỏi trong các hệ
thống không dây hiện đại. Trên thực tế, điều khiển công suất được sử dụng trong cả
bộ phát trạm gốc và những bộ phát cầm tay (điện thoại di động). Trong các bộ phát
công suất trạm gốc thì công suất đầu ra cao hơn được đòi hỏi cho việc truyền tín
hiệu tới được biên giới của vùng phủ sóng một ăng ten trạm gốc khác. Trong các bộ
phát cầm tay, tín hiệu đầu ra nên được truyền với nhiều mức khác nhau để mà các
mức công suất của tín hiệu nhận được từ các trạm gốc là tương tự nhau cho tất cả
các thuê bao.
Vì vậy, việc phân tích và thiết kế hệ thống khuếch đại công suất thích nghi
cho trạm gốc áp dụng vào công nghệ 4G và 3G được thực hiện trong luận văn
này.Luận văn đi vào nghiên cứu và thiết kế hệ thống khuếch đại công suất sử dụng
cấu trúc Doherty để nâng cao hiệu suất so với bộ khuếch đại đơn ở tần số làm việc
là 2.3 GHz, với công suất đầu ra tại điểm nén 1dB là lớn hơn hoặc bằng 40W.Việc
điều khiển công suất đầu ra dựa vào việc điều khiển công suất tín hiệu đầu vào được
phân tích.Transistor khuếch đại công suất được chọn sử dụng công nghệ LDMOS
phù hợp cho bộ khuếch đại công suất đối với trạm gốc.Luận văn gồm 03 chương:
Chương 1 giới thiệu những khái niệm cơ bản về khuếch đại công suất. Chương 2
trình bày về việc phân tích thiết kế bộ khuếch đại công suất.Chương 3 trình bày về
phần điều khiển công suất.
Tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Đào Ngọc
Chiến đã chỉ dạy tận tình và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi cũng
xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, thầy cô và bạn bè trong phòng nghiên
cứu và phát triển truyền thông, những người đã luôn giúp đỡ, động viên và tạo điều
kiện cho tôi hoàn thành luận văn.
12
Chương 1 Cơ bản về khuếch đại công
suất
1.1
Giới thiệu bộ khuếch đại công suất ở tần số vô tuyến
Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại công suất, miêu tả trong hình 1.1, bao
gồm một transistor (MOSFET, MESFET, BJT,…), hệ thống mạch đầu vào, đầu ra,
và cuộn cảm kháng cao tần. Trong bộ khuếch đại công suất cao tần, một transistor
có thể hoạt động ở hai chế độ:
Là một nguồn dòng phụ thuộc.
Là một chuyển mạch.
VI
RFC
+
AC
Input
network
+
Vgs
Vds
Output
Network
Vo
-
-
Hình 1. 1: Sơ đồ khối bộ khuếch đại.
Khi transistor hoạt động giống như nguồn dòng phụ thuộc, dạng sóng của
dòng điện cực máng được xác định bởi dạng sóng của điện áp đặt vào cực cửa, điểm
hoạt động của transistor và trở kháng tải.Do transistor phải hoạt động trong vùng
bão hòa nên điện áp cực máng VDS phải được giữ cao hơn giá trị điện áp cực máng
tối thiểu VDSmin, nghĩa là VDS > VDSmin = VGS – Vt (Vt là điện áp ngưỡng của
13
transistor). Độ lớn của dòng điện cực máng và điện áp cực máng là gần như tỷ lệ
với độ lớn của điện áp cực cửa nên chế độ hoạt động này phù hợp với những khuếch
đại công suất tuyến tính.
Hình 1. 2: Transistor như một nguồn dòng phụ thuộc.
Khi transitor hoạt động như một chuyển mạch,transitor hoạt động trong vùng
ohmic khi đóng và trong vùng khóa khi mở. Để duy trì hoạt động trong vùng ohmic,
transistor đòi hỏi VDS
sau đó chuyển sang vùng ohmic.Trong hầu hết các ứng dụng, transistor hoạt động
như một chuyển mạch được điều khiển bởi một điện áp dạng hình chữ nhật tại cực
cửa. Tại miền tần số cao, nơi mà rất khó để sinh ra những điện áp có dạng hình chữ
nhật thì điện áp tại cực cửa dạng hình sin được sử dụng để điều khiển một transistor
hoạt động như một chuyển mạch.Việc sử dụng transistor như là một chuyển mạch
nhằm đạt được hiệu suất khuếch đại cao.Khi transistor dẫn một dòng điện cực máng
cao, điện áp cực máng là thấp, dẫn đến sự tổn hao công suất thấp.
Nếu transistor được điều khiển bởi điện áp VGS dạng hình sóng sin với biên
độ cao, nó hoạt động trong vùng bão hòa khi giá trị tức thời của VGS thấp và hoạt
động như một chuyển mạch khi giá trị tức thời của VGS cao.
14
Hình 1. 3: Transistor như một chuyển mạch
Chức năng chính của mạng đầu ra là: chuyển đổi trở kháng, loại bỏ hài, lọc
phổ tín hiệu trong băng tần sử dụng để tránh giao thoa với các tín hiệu thông tin
khác với các kênh liền kề.
1.2
Phân loại khuếch đại công suất
Sự phân loại của khuếch đại công suất với một transistor hoạt động như là
một nguồn dòng phụ thuộc dựa vào góc dẫn 2θ của dòng điện cực máng.
Trong lớp A, góc dẫn 2θ là 3600,điện áp VGS phải cao hơn điện áp ngưỡng
của transistor Vt, tức là VGS > Vt. Điều này đạt được bằng cách chọn thành phần một
chiều của VGS lớn hơn mức ngưỡng Vt phù hợp, VGS – Vgsm> Vt (Vgsm là biên độ của
thành phần xoay chiều của của điện áp cực cửa. Dòng điện cực máng một chiều ID
phải lớn hơn biên độ của thành phần xoay chiều Im của dòng điện cực máng. Khi đó
transistor sẽ dẫn cảchu kỳ.Dạng sóng của tín hiệu ra được biểu diễn trên hình 1.3
(a).
Trong lớp B, góc dẫn là 1800. Thành phần một chiều VGS bằng với điện áp
ngưỡng Vt và dòng điện phân cực của cực máng ID bằng 0. Do đó, transistor sẽ dẫn
một nửa chu kỳ.Dạng sóng của tín hiệu ra được biểu diễn trên hình 1.3 (b).
15
Hình 1. 4:Dạng sóng của dòng điện cực máng. (a) lớp A. (b) lớp B (c) lớp AB (d) lớp C.
Trong lớp AB, góc dẫn nằm giữa 1800 và 3600. Thành phần một chiều VGS
lớn hơn so với Vt không đáng kể và transistor được phân cực tại một nguồn dòng
điện cực máng ID nhỏ. Lớp AB là lớp giữa lớp A và lớp B.Dạng sóng của tín hiệu ra
được biểu diễn trên hình 1.3 (c).
Trong lớp C, góc dẫn của dòng điện cực máng là nhỏ hơn 1800. Điểm hoạt
động nằm trong vùng cut-off bởi vì VGS< Vt. Dòng điện phân cực ID là bằng 0.
Transistor dẫn nhỏ hơn một nửa chu kỳ.Dạng sóng của tín hiệu ra được biểu diễn
trên hình 1.3 (d).
Hoạt động của lớp A, AB, và B được sử dụng trong khuếch công suất âm
thanh và trong tần số vô tuyến, trái lại lớp C chỉ sử dụng trong khuếch đại công suất
trong miền tần số vô tuyến.
16
Hình 1. 5: Điểm hoạt động của lớp A,AB, B,và C
Transistor hoạt động như một chuyển mạch dùng trong lớp D, E, DE của
khuếch đại công suất trong miền tần số vô tuyến.Trong lớp F, transistor có thể hoạt
động hoặc là một nguồn dòng phụ thuộc hoặc là một chuyển mạch.
1.2.1 Khuếch đại công suất lớp A
Khuếch đại công suất lớp A là một bộ khuếch đại tuyến tính. Một bộ khuếch
đại tuyến tính sinh ra một bản sao của dạng sóng điện áp hay dòng điện đầu vào. Nó
cung cấp sự tái tạo chính xác của cả về hình bao và pha của tín hiệu đầu vào. Do đó,
hiệu suất của lớp A là rất thấp.
Bộ khuếch đại công suất lớp A bao gồm một transistor, một cuộn cảm kháng
cao tần, một mạch L-C song song, và một tụ ghép C. Điểm hoạt động nằm trong
vùng bão hòa. Tại tần số cộng hưởngfo, dòng điện cực máng ID và điện áp cực máng
VDS lệch pha nhau 1800. Khuếch đại công suất lớp A là gần như tuyến tính nên sinh
17
ra sự méo hài và méo liên điều chế thấp. Biên độ của các hài trong điện áp đầu ra là
rất thấp. Do đó, nó phù hợp cho khuếch đại tín hiệu điều biên. Trong khuếch đại lớp
A băng hẹp, mạch L-C song song sử dụng như là một bộ lọc thông dải để chặn các
hài sinh ra và cho phép phổ tín hiệu băng hẹp đi qua. Trong khuếch đại lớp A băng
rộng thì bộ lọc là không cần thiết.
Hình 1. 6: Khuếch đại công suất lớp A
Cuộn cảm kháng cao tần có thể thay thế bẳng một đường truyền vi dải λ/4.
Trở kháng vào của đường truyền được tính theo công thức:
(1.1)
Trở kháng tải của đường truyền vi dải dưới dạng kết hợp với một tụ lọc của
nguồn công suất tại tần số hoạt động là rất thấp, gần như ngắn mạch. Do đó, đầuvào
18
trở kháng của đường truyền vi dải tại cực máng cho thành phần chính của dòng điện
cực máng là rất cao, gần như hở mạch.
Hình 1. 7: Khuếch đại công suất lớp A với bộ chuyển đổi một phần tư
bước sóng
Độ gợn của dòng diện trong cuộn cảm cao tần Lf là thấp, ít nhất là nhỏ hơn
10 lần so với thành phần một chiều II. Vì thế, XLf>> R, dẫn đến:
(1.2)
Tụ ghép đủ lớn để mà thành phần xoay chiều của nó là gần như bằng 0. Bởi
vì thành phần một chiều của điện áp đi qua L trong trạng thái ổn định là 0, điện áp
đi qua tụ là
(1.3)
Độ gợn của điện áp qua tụ ghép là thấp nếu
. Phương trình giành
cho thiết kế sẽ là
(1.4)
Hình 1.7 biểu diễn hình dạng sóng của dòng điện và điện áp trong khuếch đại
công suất lớp A. Dòng điện cực cửa là
(1.5)
19
Với VGS là điện áp phân cực của cực cửa, Vgsm là biên độ của thành phần
xoay chiều đưa vào cực cửa, và
là tần số góc hoạt động. Để giữ cho
transistor hoạt động trong vùng bão hòa mọi lúc thì phải thỏa mãn điều kiện sau:
(1.6)
Dòng điện tại cực máng trong bộ khuếch đại lớp A là:
(1.7)
Với
( )
(1.8)
µn0 là sự chuyển động của electron bề mặt trường thấp, Cox = ϵ ox/tox là điện
dung oxit trên diện tích đơn vị của tụ điện cực cửa, tox là độ dày lớp oxit, ϵ
ox
=
0.345 pF/cm là hằng số điện môi oxit silic, L là chiều dài kênh, W là độ rộng kênh.
(1.9)
Dòng điện cực máng được biểu diễn
(1.10)
Dòng điện ra tại tần số hoạt động sẽ là
(1.11)
Điện áp tại cực máng sẽ là
(1.12)
Điện áp đầu ra là
(1.13)
Công suất cực máng tức thời được tính theo công thức
(1.14)
20
Hình 1. 8: Dạng sóng trong khuếch đại công suất lớp A
21
Công suất tiêu tán tức thời trong transistor tính theo công thức
(1.15)
Hệ thống thông tin không dây hiện đại sử dụng khuếch đại công suất để
khuếch đại tín hiệu có đường bao thay đổi.Bộ khuếch đại tuyến tính được sử dụng
để khuếch đại những tín hiệu có đường bao thay đổi, như là tín hiệu điều biên.
Tín hiệu được điều chế tại đầu vào của khuếch đại công suất là
(1.16)
Điện áp sóng mang tại đầu vào bộ khuếch đại
(1.17)
Vậy
(1.18)
Với
Hình 1. 9: Khuếch đại tín hiệu AM trong khuếch đại lớp A
1.2.2 Khuếch đại công suất lớp AB, B, C
Khuếch đại công suất lớp B bao gồm một transistor và một mạch cộng
hưởng song song.Transistor hoạt động như nguồn dòng phụ thuộc.Góc dẫn của
dòng cực máng trong lớp B là 1800. Hiệu suất của khuếch đại lớp B cao hơn so với
22
khuếch đại lớp A. Mạch khuếch đại lớp C cũng giống như khuếch đại lớp B. Tuy
nhiên, góc dẫn của dòng điện cực máng là nhỏ hơn 1800. Lớp B và lớp C thường
được sử dụng cho khuếch đại ở miền tần số vô tuyến.
Hình 1. 10: Khuếch đại công suất lớp AB, B, C
Điểm hoạt động của lớp B nằm tại bờ giữa vùng khóa và vùng bão hòa.
Thành phần một chiều VGS = Vt. Do đó, góc dẫn 2θ là 1800. Transistor hoạt động
như nguồn dòng phụ thuộc điện áp điều khiển.Dạng sóng của dòng điện và điện áp
trong khuếch đại công suất lớp B trong hình 1.10.
Trong mạch khuếch đại công suất lớp C, điểm hoạt động nằm trong vùng
khóa.Thành phần một chiều VGS< Vt. Do đó, góc dẫn nhỏ hơn 1800.
23
Hình 1. 11: Dạng sóng của khuếch đại công suất lớp B
24
Hình 1. 12: Dạng sóng của khuếch đại lớp C
Đối với góc dẫn trong khoảng
, ta có khuếch đại lớp AB.
Khuếch đại lớp AB, B và C có thể sử dụng để khuếch đại những tín hiệu có đường
25
