VÔ TUYẾN ĐIỆN ĐẠI CƯƠNG

VÔ TUYẾN ĐIỆN
ĐẠI CƯƠNG
TS. Ngô Văn Thanh
Viện Vật Lý

Hà Nội - 2016


Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

2

Tài liệu tham khảo
[1] David B. Rutledge, The Electronics of Radio (Cambridge University Press 1999).
[2] Dennis L. Eggleston, Basic Electronics for Scientists and Engineers (Cambridge
University Press 2011).
[3] Jon B. Hagen, Radio-Frequency Electronics: Circuits and Applications (Cambridge
University Press 2009).
[4] Nguyễn Thúc Huy (1998), Vô tuyến điện tử, NXB KHKT
[5] Đỗ Xuân Thụ, Nguyễn Đức Nhuận (1990), Kỹ thuật điện tử, NXB KHKT
[6] Phạm Văn Đương (2004), Cơ sỡ kỹ thuật khuếch đại, NXB KHKT

Website : />Email :


Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

3

CHƯƠNG 10. KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT
1. Khuếch đại loại C

2. Khuếch đại công suất NorCal 40A
3. Khuếch đại công suất loại D
4. Khuếch đại công suất loại E

5. Khuếch đại công suất loại F
6. Khuếch đại công suất loại B

7. Mô hình hoá nhiệt


Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

4

1. Khuếch đại loại C
 Class-C Amplifiers
 Mạch thường dùng transistor cực phát chung.

 RF choke : cuộn cảm mạch lọc tần số radio => cung cấp điện áp cho cực góp
• RF làm tăng trở kháng nguồn, tác động chủ yếu đến dòng DC của nguồn
 DC block : tụ điện có điện dung lớn => đóng vai trò tải
• Có trở kháng RF bé, không ảnh hưởng đến dòng AC

 Harmonic filter : mạch lọc các thành phần dao động điều hòa


Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

5

1. Khuếch đại loại C
 Chuyển mạch (switch) transitor :
 Khi chuyển mạch mở : transistor đóng

 Khi chuyển mạch đóng : transistor mở
 Điện áp trên bộ chuyển mạch :
• Chuyển mạch “off” :
• Chuyển mạch “on” :
• Vm : điện áp đỉnh của sóng dạng hàm sin đã được chỉnh lưu
 Do cuộn cảm RF có điện trở bé :
• Giá trị trung bình cho mỗi vòng tròn
hình sin được chỉnh lưu :
suy ra :

 Công suất cung cấp của nguồn
• Io : dòng của nguồn DC
• Chú ý : dòng DC không chạy qua tụ điện, cho nên dòng DC qua chuyển mạch đúng bằng
dòng nguồn DC : Io


Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

6

1. Khuếch đại loại C
 Giả thiết : thời gian chuyển mạch hoạt động là rất ngắn : có thể bỏ qua
• Công suất lãng phí (dissipate) :
• Công suất đầu ra :
• Hiệu suất :
 Hiệu suất là tỷ số giữa điện áp hiệu dụng và điện áp thực tế của nguồn.

 Để tăng hiệu suất :
• giảm điện áp Von khi transistor hoạt động
• tăng điện áp nguồn cung cấp
 Biểu diễn sóng điện áp sang tổng các thành phần điều hòa theo tần số
• Khai triển chuỗi Fourier

• Số hạng đầu = điện áp DC,
• Số hạng 2 = thành phần ở tần số tín hiệu truyền, gọi là thành phần cơ bản
• Các thành phần bậc cao hơn = thành phần điều hòa chẵn

 Giả thiết : trở kháng đầu vào của mạch lọc là “thực” : R
• Ta có :


Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

7

2. Khuếch đại công suất NorCal 40A
 NorCal 40A Power Amplifier
 NorCal : Northern California QRP Club

 Phát triển dựa trên bộ khuếch đại loại C
 Điện áp nguồn :
 Điện áp “on” :
 Tần số : 7 MHz
 Trở kháng lọc có điện trở R = 50 
 Dòng điện cung cấp : 250 mA
 Công suất kỳ vọng : 2.9 W ~ 84%
 Công suất đo được : 2.5 W ~ 78%

 Công suất suy hao trên transistor

 Điện áp trên cực gốc trong khoảng

thời gian dẫn điện rộng hơn so với cực góp
=> do hiện tượng trễ lưu trữ điện tích


Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

8

2. Khuếch đại công suất NorCal 40A
 Xét mạch điện tương đương
 Suy hao tương đương với quá trình phóng điện

của tụ điện ở mạch lọc điều hòa
• Điện dung : 330 pF
• Điện áp hai đầu tụ điện khi đã nạp đầy : 15V

 Năng lượng của tụ điện:
 Công suất lãng phí
 Dòng điện do tụ điện giải phóng ra là
 Dòng điện khi transistor đang “on”
 Công suất suy hao
 Công suất lãng phí toàn phần


Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

9

3. Khuếch đại công suất loại D
 Class D
 Bao gồm 2 chuyển mạch transistor
 Được gọi là mạch “kéo-đẩy”
 Nguồn được nối trực tiếp với transistor

không có cuộn cảm RF
 Bandpass filter : bộ lọc băng thông
• Chặn dòng DC và dòng điều hòa từ tải (load)

 Tạo nên sự chồng chập điện áp sóng vuông

và điện áp “on” của transistor
 S1 on và S2 off :
 S1 off và S2 on :
 Chênh lệch giữa điện áp cực đại và cực tiểu
 Khai triển theo chuỗi Fourier


Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

10

3. Khuếch đại công suất loại D
 Điện áp đỉnh của thành phần cơ bản

 Điện áp Vm có thể xem như điện áp nguồn hiệu dụng
 Mạch lọc sẽ chặn tất các tính hiệu ngoại trừ thành phần cơ bản

=> công suất đầu ra :
 Công suất tín hiệu vào :
• Io : dòng điện trung bình của nguồn
 Giá trị đỉnh của dòng điện hình sin đã được chỉnh lưu của nguồn

 Viết lại biểu thức dòng

 Công suất ra
 Hiệu suất


Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

11

4. Khuếch đại công suất loại E
 Class E
 Có hiệu suất cao khoảng 90%
 Biểu diễn công suất ra dưới dạng :
 Công suất lãng phí :
 Biểu thức liên hệ :


Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

12

4. Khuếch đại công suất loại E
 So sánh hiệu suất

Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

13

4. Khuếch đại công suất loại E
 Mạch khuếch đại 500 W

 MOSFET : field-effect transistor MOS
 MOS : metal-oxide-semiconductor.


Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

14

5. Khuếch đại công suất loại F
 Class F

 Đặc trưng:
 Cuộn cảm và tụ điện L3 và C3 là mạch cộng hưởng song song
• dao động điều hoà bậc 3.
• Có tác dụng làm phẳng điện áp
 Thời gian làm việc của transistor ngắn
 Ứng dụng hiệu quả đối với tần số rất cao (GHz) và điện áp thấp


Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

15

6. Khuếch đại công suất loại B
 Class B
 Chú ý : các loại C, D, E và F đều là những mạch khuếch đại không tuyến tính

 Để có mạch khuếch đại tuyến tính, điện áp ra phải thoả mãn:
• Hoặc dưới dạng phương trình tuyến tính bậc nhất :


Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

16

6. Khuếch đại công suất loại B
 Điện áp có dạng sóng hình sin
 Dòng điện DC :
• Im là dòng cực đại dạng hàm sin đã chỉnh lưu

 Công suất nguồn cung cấp
• Giá trị đỉnh của dòng điện đối với thành phần cơ bản

 Công suất ra
 Hiệu suất

 Hoạt động: đây là mạch đẩy-kéo
 Điện áp vào cao : transistor npn hoạt động

transitor pnp không hoạt động
 Điện áp vào thấp : ngược lại

 Hai diode làm cho điện áp ở cực gốc của 2 transistor lệch nhau
• làm giảm độ méo của ngưỡng


Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

17

7. Mô hình hoá nhiệt
 Thermal Modeling
 Mạch khuếch đại công suất thường toả nhiệt rất lớn
 Các đại lượng tương đương
• Nhiệt độ  điện áp :
• Công suất hao phí  dòng điện :

 Mạch tương đương
• Transistor thường được gắn lên 1 tấm kim loại để toả nhiệt

 Rt : điện trở nhiệt, đặc trưng cho tấm toả nhiệt
• Đơn vị đo : oC/W

• T0 , T : nhiệt độ của môi trường xung quanh và tấm toả nhiệt
 Nhiệt toả ra:
• Truyền cho không khí xung quanh
• Lưu trữ trong vật liệu, làm cho vật liệu nóng lên

 Năng lượng nhiệt có thể thay thế bằng tụ điện nhiệt (J/oC)

suy ra
• Tỷ lệ với độ biến thiên của nhiệt độ :

Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

18

7. Mô hình hoá nhiệt
 Rj : điện trở nhiệt nối transistor với không khí (toả nhiệt trực tiếp ra không khí)
• Tj : nhiệt độ của transistor

 Xét phương trình đạo hàm riêng bậc 1
 Có nghiệm đạng tắt dần

 Xét phương trình không thuần nhất
 Định nghĩa biến mới

Lấy đạo hàm 2 vế :
 Hàm g thoả mãn phương trình thuần nhất :

có nghiệm là
 Thay vào ta có hàm f


Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

19

7. Mô hình hoá nhiệt
 Ứng dụng:
 Xác định nhiệt độ của transistor

• Viết lại biểu thức cho công suất hao phí bao gồm 2 phần:

• Nhân hai vế cho Rt , ta có
• Hoặc là
trong đó

 Nhiệt độ của tấm toả nhiệt là:

 Cuối cùng, nhiệt độ của transistor là: