CHAPTER POWER AMPLIFIER MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ÂM TẦN

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ÂM TẦN


1. MẠCH KĐCS ÂM TẦN LỚP A

(nhắc lại)

Lớp A: Transistor chỉ làm việc trong cả chu kì của tín
hiệu ngõ vào phải phân cực DC cho transistor.
Ưu điểm:
Méo phi tuyến ít do chọn được đoạn đặc tuyến làm
việc của transistor.
§ Nhược điểm:
Công suất tín hiệu ra nhỏ do mạch chỉ làm việc với
tín hiệu nhỏ.
Hiệu suất bé do phải phân cực DC trước cho
transistor gây tiêu tán DC không mong muốn.
n


2. MẠCH KĐCS ÂM TẦN LỚP B
Lớp B: Transistor chỉ làm việc trong 1 bán kì của
tín hiệu ngõ vào Với tín hiệu xoay chiều có 2 bán
kì ta phải dùng 2 transistor.
n

Mạch KĐCS âm tần lớp B transistor ghép đẩy
kéo (push – pull) dùng biến áp.

§ Mạch KĐCS âm tần lớp AB transistor ghép bổ
phụ: mạch OTL, mạch OCL.

§ Vấn đề nâng công suất cho mạch KĐCS âm tần.


2.1. Mạch KĐCS lớp B transistor ghép đẩy kéo
dùng biến áp
iT1

a
iL

Q1

T1
b

Vi

T2

Vcc
iS
iT2

Kp:2Ks

Q2
c

2Np:Ns

Nguyên lý hoạt động:
§ Bán kì dương của Vi:
(Va>Vb>Vc) Q1 dẫn, Q2
không dẫn ∃ iT1, iT2= 0.
RL
§ Bán kì âm của Vi:
(Vadẫn, Q2 dẫn ∃ iT2, iT1= 0.
§ Dòng tải: iL = iT1- iT2
§ Dòng nguồn: iS = iT1+ iT2

Về DC: Các biến áp T1, T2 cách ly nên các transistor Q1, Q2
không được phân cực DC trước Tổn hao DC không đáng kể.


2.1. Mạch KĐCS lớp B transistor ghép đẩy kéo
dùng biến áp (tt)
Vi

t

IP1
t
iT1
IP2

t

iT2
t

IP1
iL
-IP2
IP1

IP2

iS

t
T/2

T

3T/2

2T

n

Để dòng tải không méo
IP1 = IP2 = IP
Hoạt động của 2 transistor phải
đối xứng ↔ Q1≡Q2, các biến áp T1
và T2 phải có ñiểm giữa ở cuộn thứ
cấp và cuộn sơ cấp tương ứng.
(center-tapped transformer)

§ Dòng trung bình của nguồn

cung cấp:
T /2
2
2I P
I SAV =
I P sin wtdt =
∫
π
T 0


2.1. Mạch KĐCS lớp B transistor ghép đẩy kéo
dùng biến áp (tt)
Công suất trung bình phân phối trên tải PL:
1
1 VPL2 1 2
= I PL RL
PL = VPL I PL =
2
2 RL 2

Với VPL, IPL là biên ñộ ñiện áp đỉnh và biên ñộ
dòng đỉnh của tải:
NS

=
V
 PL N VP

P


I = N P I
 PL N S P

VP , IP là biên ñộ áp và biên ñộ
dòng không méo ở ngõ ra của
các transistor.
2

Suy ra:

2

1
1  NS  V
1  NP  2
 I P RL

PL = VP I P = 
= 
2
2  N P  RL 2  N S 
2
P


2.1. Mạch KĐCS lớp B transistor ghép đẩy kéo
dùng biến áp (tt)
Công suất trung bình phân phối trên tải cực đại:
2

2

1
1  NS  V
1  NP  2
=   I PmaxRL
PLmax = VPmaxI Pmax =  
2
2  NP  RL
2  NS 
Từ ñường tải một chiều DCLL,
ta có biên ñộ áp ở ngõ ra của
mỗi transistor cực đại:
VPmax = VCC
2
Pmax

2

Suy ra: PL max
Trường hợp NP = NS

PL max =

2
1  N S  VCC

= 
2  N P  RL

2

1 VCC
2 RL


2.1. Mạch KĐCS lớp B transistor ghép đẩy kéo
dùng biến áp (tt)
Công suất trung bình của nguồn cung cấp PS:

PS = VCC I SAV = VCC

2I P

π

Công suất trung bình cực đại của nguồn cung cấp PSmax:
khi tải tiêu thụ công suất cực đại PLmax.

PS max = PS PL max = VCC
Với: I P max

2 I P max

π

2

 NS 
 N S  VPL max  N S  VCC

 I PL max = 


= 
= 
 NP 
 N P  RL
 N P  RL
2

Suy ra:

PS max

2
2  N S  VCC

= 
π  N P  RL


2.1. Mạch KĐCS lớp B transistor ghép đẩy kéo
dùng biến áp (tt)
Công suất tiêu tán của các transistor:

PC = Ptt (tiêu tán ) = Pd ( dissipation ) = PS − PL
Công suất tiêu tán của 1 transistor: Pd/2

Công suất tiêu tán cực đại của các transistor:
2

2

 N S  VP 1  N S  VP2


PC = PS − PL = VCC 
= f (VP )
− 
π
 N P  RL 2  N P  RL
2

Lấy đạo hàm, khảo sát cực trị ta suy ra công suất tiêu tán
cực đại của các transistor:
2

VP =

2

π

VCC thì PC max

2


N
V

2
= 2  S  CC
π  N P  RL


2.1. Mạch KĐCS lớp B transistor ghép đẩy kéo
dùng biến áp (tt)
Hiệu suất:

2

2


1 N S VP


2  N P  RL
PL
π VP
η= =
=
2
PS 2
 N S  VP 4 VCC

VCC 
π
 N P  RL

Hiệu suất cực đại khi PLmax và PSmax ↔ VPmax = VCC

η max

PL max π
=
= = 78.5%
PS max 4


2.1. Mạch KĐCS lớp B transistor ghép đẩy kéo
dùng biến áp (tt)
§ Ưu điểm:
Do mỗi transistor làm việc ở 1 bán kì tín hiệu vào nên
mạch có thể hoạt động với tín hiệu có biên ñộ lớn công
suất ra trên tải của mạch lớn.
Hiệu suất cao.

§ Nhược điểm:
Méo xuyên tâm do ngưỡng dẫn của transistor.
Biến áp cồng kềnh, ñắt tiền.
ðể tín hiệu ngõ ra không méo thì các biến áp trong
mạch phải có cuộn sơ cấp (T2) và thứ cấp (T1) ñối xứng.
Méo tín hiệu ở cuộn thức cấp biến áp khi tín hiệu vào
cuộn sơ cấp lớn do hiện tượng từ trễ.


2.1. Mạch KĐCS lớp B transistor ghép đẩy kéo
dùng biến áp (tt)
Bài tập áp dụng:

Một mạch khuếch đại công suất âm tần lớp B transistor
ghép đẩy kéo dùng biến áp có dòng collector ñỉnh và ñiện
áp đỉnh ở ngõ ra mỗi transistor là 4 (A) và 12 (V). Nguồn
cung cấp 24 (V), tỷ số biến áp Np:Ns = 1:1. Giả sử bỏ qua
các tổn hao dây quấn của các biến áp. Hãy tìm:
a. Công suất trung bình phân phối trên tải.
b. Công suất trung bình được cung cấp từ nguồn DC.
c. Công suất tiêu tán trên mỗi transistor.
d. Hiệu suất của mạch trong trường hợp này.
e. Giả sử tải 8 (Ω), tính công suất cực đại phân phối
trên tải.


2.1. Mạch KĐCS lớp B transistor ghép đẩy kéo
dùng biến áp (tt)
Bài giải:
Theo đề bài: VP = 12 (V), IP = 4 (A), Np/Ns = 1.
a. Công suất trung bình phân phối trên tải: PL= 0.5VPIP = 24 (W)
b. Công suất trung bình được cung cấp từ nguồn DC:
PS = VCCISAV = VCC(0.636IP) = 61.115 (W)
c. Công suất tiêu tán trên mỗi transistor:
Pd = PS – PL = 37.115 (W)

1 transistor: Pd/2 = 18.5575 (W)

d. Hiệu suất: η = PL/PS = 39.27 %
e. Công suất cực đại phân phối trên tải nếu RL = 8 (Ω):
PLmax = 0.5(VCCVCC)/RL = 36 (W).
Bài tập về nhà: 2.13, 2.14, 2.15, 2.16, 2.17, 2.18.

2.2. Mạch KĐCS lớp AB transistor ghép bổ phụ
Lớp AB: Transistor chỉ làm việc trong 1 bán kì của
tín hiệu ngõ vào nhưng để tránh méo xuyên tâm ta
phải phân cực trước cho mỗi transistor điện áp mối nối
VBE và ñiện áp mối nối VEB ñủ lớn (0.7 V) ñể khi có
tín hiệu xoay chiều ngõ vào thì transistor sẽ dẫn ngay.
Do hạn chế của mạch KĐCS ÂT dùng biến áp nên để
tránh các hạn chế ñó thì ta không dùng biến áp trong
các mạch KĐCS ÂT nữa mạch KĐCS ÂT không
dùng biến áp ở ngõ ra dạng OTL (Output
TransformerLess).


2.2.1. Mạch KĐCS âm tần OTL
Phân tích mạch và nguyên lý
hoạt động:

+Vcc
R1

§ Điện trở R1, R2, diode D1, D2: tạo
phân cực trước cho transistor Q1,
Q2. Các dạng khác:

B1

Q1

D1

Re1 iT1
B1

iL

M

Rx

Co
D2
Ci

B2

Vi
R2

Re2

B1

B1

B1

RL

D1

VR
D1
VR

Q2
iT2

D2

Q3

VR

VR
Ry

B2

B2

B2

B2


2.2.1. Mạch KĐCS âm tần OTL (tt)
§ Các điện trở Re1, Re2: là các điện trở
ổn định nhiệt cho Q1, Q2.

+Vcc
R1
B1

Q1

D1

Re1 iT1
iL

M
Co
D2
Ci

B2

Vi
R2

Re2

RL

Q2
iT2

§ Tụ ñiện Co: cách ly DC tải với ngõ
ra tầng công suất (M) và ñóng vai trò

nguồn cung cấp cho Q2 hoạt động ở
bán kì âm của Vi nên gọi là tụ xuất
âm.
§ Bán kì dương của Vi:Q1 dẫn, Q2
không dẫn ∃ iT1, iT2= 0.
§ Bán kì âm của Vi:Q1 không dẫn,
Q2 dẫn ∃ iT2, iT1= 0.
§ Dòng tải: iL = iT1- iT2
§ Dòng nguồn: iS = iT1


2.2.1. Mạch KĐCS âm tần OTL (tt)
n

Để dòng tải không méo
IP1 = IP2 = IP
Hoạt động của 2 transistor
phải đối xứng ↔ Q1≡Q2 (chọn
theo cặp), R1 = R2, Re1 = Re2, điện
thế tại điểm giữa VM = Vcc/2.

§ Dòng trung bình của nguồn
cung cấp:

I SAV

1
=
T

T /2

∫I
0

P

sin wtdt =

IP

π


2.2.1. Mạch KĐCS âm tần OTL (tt)
Công suất trung bình phân phối trên tải PL:
1
1 VPL2 1 2
PL = VPL I PL =
= I PL RL
2
2 RL 2
Với VPL, IPL là biên ñộ ñiện áp đỉnh và biên ñộ dòng
đỉnh của tải. Giả sử VP , IP là biên ñộ áp và biên ñộ dòng
không méo ở ngõ ra của các transistor. Ta xét Q1 dẫn:
RL

+
V PL =
VP


Re + R L
Q1

Vp

VP
I = I =
PL
P
Re

I =I
Re + R L

P

PL

+
RL

VpL
-

2

1  RL  VP2

PL = 

2  Re + RL  RL


2.2.1. Mạch KĐCS âm tần OTL (tt)
Công suất trung bình phân phối trên tải cực đại khi: VP = Vpmax
Xét đường tải DCLL:

VCC
VP max =
2
2

PL max
QAB

∼0

2
1  RL  VCC

= 
8  Re + RL  RL

Nếu chọn Re << RL
( thường chọn Re = 0.1RL):

VCC/2

PL max

2
1 VCC
=
8 RL


2.2.1. Mạch KĐCS âm tần OTL (tt)
Công suất trung bình của nguồn cung cấp PS:

PS = VCC I SAV = VCC

IP

π

Công suất trung bình cực đại của nguồn cung cấp PSmax:
khi tải tiêu thụ công suất cực đại PLmax.

PS max = PS PL max = VCC
I P max

I P max

π

V P max
V CC
=
=
Re + R L

2( Re + R L )

PS max = PS PL max

2
CC

V
=
2π ( Re + RL )


2.2.1. Mạch KĐCS âm tần OTL (tt)
Công suất tiêu tán của một transistor:

PC = Ptt (tiêu tán ) = Pd ( dissipation ) = PS − PL
Hiệu suất:

2

1  RL  VP2


PL 2  Re + RL  RL π  RL  VP

= 
η= =
1
VP
+

2
PS
R
R
V
e
L
CC


VCC
RL + Re
π
Hiệu suất cực đại khi Plmax và Psmax ↔ VPmax = VCC /2

η AB max

PL max π  RL 
 < η B
=
= 
PS max 4  Re + RL 


2.2.1. Mạch KĐCS âm tần OTL (tt)
n

n

Ưu điểm:

Mạch không dùng biến áp nên khắc phục các nhược
điểm của mạch KĐCS ÂT dùng biến áp.
Tín hiệu ra không méo xuyên tâm.
Hiệu suất cao.
Nhược điểm:
Mạch dùng tụ xuất âm nên làm suy hao tín hiệu.
Do suy hao của tụ không ñồng đều theo tần số nên dùng
tụ xuất âm sẽ hạn chế những tín hiệu có tần số thấp
mạch hạn chế tín hiệu siêu trầm. Tần số cắt thấp của mạch:

1
fC =
2π ( Re + RL )Co


2.2.1. Mạch KĐCS âm tần OTL (tt)
Bài tập áp dụng:
Cho mạch KĐCS ÂT dạng OTL có nguồn cung cấp 20 (V), các điện trở R1 = R2 =
10 (KΩ), Re1 = Re2 = 1(Ω), RL = 8 (Ω). Diode dùng loại Si. Tụ Co = 500 (uF). Giả
sử mạch được thiết kế ñối xứng. Hãy tìm:
a. Các dòng điện qua các điện trở R1, R2.
b. Các điện thế tại các nút B1, B2.
c. Nếu biên độ áp đỉnh ngõ ra của mỗi transistor là 8 (V), tính công suất trung
bình phân phối trên tải trong trường hợp này.
d. Công suất trung bình của nguồn cung cấp ở câu c.
e. Hiệu suất ở câu c.
f. Công suất trung bình cực đại phân phối trên tải.
g. Nếu Vi có giá trị 5 (Vrms), tính công suất trung bình phân phối trên tải.
h. Tần số cắt thấp của mạch.

2.2.1. Mạch KĐCS âm tần OTL (tt)
Bài giải:
a. Về DC, các transistor được phân cực điện áp B-E đủ lớn nên ta có
thể xem IB1, IB2 << IR1, IR2, ID1, ID2 IR1 = IR2 = ID1 = ID2.

I R1 = I R 2 =

VCC − 2Vγ
R1 + R2

= 0.93 (mA)

b. Các điện thế tại các điểm B1, B2:

VB 2 = R2 I R 2 = 9.3 (V )

VB1 = VB 2 + 2Vγ = 10.7 (V )
c. Cho VP = 8 (V)

cộng suất trung bình trên tải:
2

1  RL  VP2

PL = 
= 3.16 (W )
2  Re + RL  RL

2.2.1. Mạch KĐCS âm tần OTL (tt)
Bài giải: (tt)
d. Công suất trung bình của nguồn cung cấp:
IP
VP
PS = VCC I SAV = VCC
= VCC
= 5.66 (W )
π
π ( Re + RL )
e. Hiệu suất:
P
η = L = 55.84%
PS
f. Công suất trung bình trên tải cực đại VPmax = VCC/2 = 10 (V)
2
2
1  RL  VCC

PL max = 
= 4.94 (W )
8  Re + RL  RL
g. Công suất trung bình trên tải nếu Vi = 5 (Vrms) VL= 5 (Vrms)
1
= 35.37 ( Hz )
h. Tần số cắt thấp: f C =
2π ( Re + RL )Co
Bài tập về nhà: 2.22, 2.23