Bài giảng Mạch khuếch đại công suất power amplifier

CHƯƠNG 6: MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT POWER AMPLIFIER Mạch khuếch đại công suất có nhiệm vụ tạo ra một công suất đủ lớn để kích thích tải. Công suất ra có thể từ vài trăm mw đến vài trăm watt. Như vậy mạch công suất làm việc với biên độ tín hiệu lớn ở ngõ vào: do đó ta không thể dùng mạch tương đương tín hiệu nhỏ để khảo sát như trong các chương trước mà thường dùng phương pháp đồ thị. 1. Phân loại mạch khuếch đại công suất: * Khuếch đại công suất loại A: Tín hiệu được khuếch đại gần như tuyến tính, nghĩa là tín hiệu ngõ ra thay đổi tuyến tính trong toàn bộ chu kỳ 360o của tín hiệu ngõ vào (Transistor hoạt động cả hai bán kỳ của tín hiệu ngõ vào). *Khuếch đại công suất loại AB: Transistor được phân cực ở gần vùng ngưng. Tín hiệu ngõ ra thay đổi hơn một nửa chu kỳ của tín hiệu vào (Transistor hoạt động hơn một nửa chu kỳ - dương hoặc âm - của tín hiệu ngõ vào). * Khuếch đại công suất loại B: Transistor được phân cực tại VBE=0 (vùng ngưng). Chỉ một nữa chu kỳ âm hoặc dương - của tín hiệu ngõ vào được khuếch đại. Mạch khuếch đại công suất loại A Khảo sát xoay chiều: Khi đưa tín hiệu Vi vào ngõ vào, dòng IC và điện thế VCE (tín hiệu ra) sẽ thay đổi quanh điểm điều hành Q. Với tín hiệu ngõ vào nhỏ, vì dòng điện cực nền thay đổi rất ít nên dòng điện IC và điện thế VCE ở ngõ ra cũng thay đổi ít quanh điểm điều hành. Khi tín hiệu ngõ vào lớn, ngõ ra sẽ thay đổi rất lớn quanh điểm tĩnh điều hành. Dòng IC sẽ thay đổi quanh giới hạn 0mA và VCC/RC. Ðiện thế VCE thay đổi giữa hai giới hạn 0v và nguồn VCC - Công suất cung cấp được định nghĩa: 	Pi(dc) = VCC . ICQ - Công suất ngõ ra lấy trên tải, trong trường hợp này là RC, được định nghĩa: Khảo sát công suất: Nếu tính theo điện thế đỉnh và dòng điện đỉnh: Nếu tính theo điện thế và dòng điện đỉnh đối đỉnh: Hiệu suất của mạch khuếch đại công suất được định nghĩa:Hiệu suất tối đa:Ta thấy trong mạch công suất loại A, VCE có thể thay đổi tối đa:VCE(p-p)max = VCCDòng IC thay đổi tối đa:IC(p-p)max=VCC/RC Hiệu suất: Công suất ra tối đa Công suất cung cấp tối đa Hiệu suất tối đa của mạch MẠCH KHUẾCH ÐẠI CÔNG SUẤT LOẠI A DÙNG BIẾN THẾ: Biến thế sẽ làm tăng hoặc giảm điện thế hay dòng điện (tín hiệu xoay chiều) tùy vào số vòng quấn của cuộn sơ cấp và thứ cấp. Ở đây ta xem biến thế như lý tưởng nghĩa là truyền 100% công suất. Nếu gọi N1, N2, v1, v2, I1, I2 lần lượt là số vòng quấn, điện thế tín hiệu xoay chiều, dòng điện tín hiệu xoay chiều của cuộn sơ cấp và thứ cấp. Gọi tổng trở nhìn từ cuộn sơ cấp là RL’ = R1 ta có Đặt a = N1/N2 gọi là tỉ số vòng của biến thế ta có điện trở tải phản chiếu qua cuộn sơ cấp là: R1 = RL’ = a2.RL Ðường thẳng lấy điện: Nếu ta xem biến thế lý tưởng, nghĩa là nội trở bằng 0Ω. Như vậy không có điện thế một chiều giảm qua cuộn sơ cấp nên VCEQ = VCC. Do đó đường thẳng lấy điện tĩnh là đường thẳng song song với trục tung IC và cắt trục hoành VCE tại điểm có trị số bằng VCC. Giao điểm của đường thẳng lấy điện tĩnh và đặc tuyến ra ở IB tương ứng là điểm điều hành Q. Ở chế độ xoay chiều, điện trở tải nhìn từ cuộn sơ cấp là RL’ nên đường thằng lấy điện động bây giờ có độ dốc là -1/R’L và qua điểm điều hành Q. Chú ý là tín hiệu ra có giới hạn về biên độ đỉnh là VCC 	VCE(p-p)= VCEmax –VCEmin 	IC(p-p) = ICmax – ICmin Công suất ra lấy ở cuộn sơ cấp là: Trường hợp biến thế lý tưởng, công suất nhận được ở tải cũng xấp xỉ công suất trên. Ta có: Hiệu suất: Công suất cung cấp là: Pi(dc) = VCC.ICQ Công suất tiêu tán trong biến thế và transistor 	 PQ = Pi(dc) – P0(ac) Hiệu suất của mạch được định nghĩa: Trong mạch trên: VCEmax=2VCC VCEmin = 0 ICmax= 2ICQ ICmin=0 KHẢO SÁT MẠCH KHUẾCH ÐẠI CÔNG SUẤT LOẠI B Trong mạch khuếch đại công suất loại B, người ta phân cực với VB =0V nên bình thường transistor không dẫn điện và chỉ dẫn điện khi có tín hiệu đủ lớn đưa vào. Do phân cực như thế nên transistor chỉ dẫn điện được ở một bán kỳ của tín hiệu (bán kỳ dương hay âm tùy thuộc vào transistor NPN hay PNP). Do đó muốn nhận được cả chu kỳ của tín hiệu ở ngỏ ra người ta phải dùng 2 transistor, mỗi transistor dẫn điện ở một nữa chu kỳ của tín hiệu. Mạch này gọi là mạch công suất đẩy kéo (push-pull). Ta có: Pi(dc) = VCC . IDC Trong đó IDC là dòng điện trung bình cung cấp cho mạch. Do dòng tải có đủ cả hai bán kỳ nên nếu gọi IP là dòng đỉnh qua tải ta có: Công suất cung cấp: (công suất vào) Công suất ra: Công suất ra lấy trên tải RL có thể được tính: Tính theo điện thế đỉnh đỉnh: Tính theo điện thế đỉnh: Hiệu Suất: vì Nên Trị tối đa của VL(p) là VCC nên hiệu suất tối đa là: Công suất tiêu tán trong transistor công suất: Tiêu tán trong 2 transistor: P2Q = Pi(dc) - Po(ac) Vậy công suất tiêu tán trong mỗi transistor công suất: PQ=P2Q/2 Công suất tối đa khi VL(p)=VCC Lúc đó dòng đỉnh là: Và trị tối đa của dòng trung bình là: Trị tối đa của công suất ngõ vào: Pi(dc)max=VCC.I(dc)max Hiệu Suất tối đa của mạch công suất loại B là: Công suất tiêu tán tối đa của 2 transistor công suất không xảy ra khi công suất ngõ vào tối đa hay công suất ngõ ra tối đa. Công suất tiêu tán sẽ tối đa khi điện thế ở hai đầu tải Hiệu suất của mạch cũng có thể tính như sau DẠNG MẠCH CÔNG SUẤT LOẠI B: Trong phần này ta khảo sát một số dạng mạch công suất loại B thông dụng. 	Tín hiệu vào có dạng hình sin sẽ cung cấp cho 2 tầng công suất khác nhau. 	Nếu tín hiệu vào là hai tín hiệu sin ngược pha, 2 tầng công suất giống hệt nhau được dùng, mỗi tầng hoạt động ở một bán kỳ của tín hiệu. Nếu tín hiệu vào chỉ có một tín hiệu sin, phải dùng 2 transistor công suất khác loại: một NPN hoạt động ở bán kỳ dương và một PNP hoạt động ở bán kỳ âm. 	Ðể tạo được 2 tín hiệu ngược pha ở ngỏ vào (nhưng cùng biên độ), người ta có thể dùng biến thế có điểm giữa (biến thế đảo pha), hoặc dùng transistor mắc thành mạch khuếch đại có độ lợi điện thế bằng 1 hoặc dùng op-amp mắc theo kiểu voltage-follower như diễn tả bằng các sơ đồ sau: Mạch khuếch đại công suất Push-pull liên lạc bằng biến thế:  Trong bán kỳ dương của tín hiệu, Q1 dẫn. Dòng i1 chạy qua biến thế ngõ ra tạo cảm ứng cấp cho tải. Lúc này pha của tín hiệu đưa vào Q2 là âm nên Q2 ngưng dẫn. Ðến bán kỳ kế tiếp, tín hiệu đưa vào Q2 có pha dương nên Q2 dẫn. Dòng i2 qua biến thế ngõ ra tạo cảm ứng cung cấp cho tải. Trong lúc đó pha tín hiệu đưa vào Q1 là âm nên Q1 ngưng dẫn. Chú ý là i1 và i2 chạy ngược chiều nhau trong biến thế ngõ ra nên điện thế cảm ứng bên cuộn thứ cấp tạo ra bởi Q1 và Q2 cũng ngược pha nhau, chúng kết hợp với nhau tạo thành cả chu kỳ của tín hiệu. Thực tế, tín hiệu ngõ ra lấy được trên tải không được trọn vẹn như trên mà bị biến dạng. Lý do là khi bắt đầu một bán kỳ, transistor không dẫn điện ngay mà phải chờ khi biên độ vượt qua điện thế ngaưỡng VBE. Sự biến dạng này gọi là sự biến dạng xuyên tâm (cross-over). Ðể khắc phục, người ta phân cực VB dương một chút (thí dụ ở transistor NPN) để transistor có thể dẫn điện tốt ngay khi có tín hiệu áp vào chân B. Cách phân cực này gọi là phân cực loại AB. Chú ý là trong cách phân cực này độ dẫn điện của transistor công suất không đáng kể khi chưa có tín hiệu Ngoài ra, do hoạt động với dòng IC lớn, transistor công suất dễ bị nóng lên. Khi nhiệt độ tăng, điện thế ngưỡng VBE giảm (transistor dễ dẫn điện hơn) làm dòng IC càng lớn hơn, hiện tượng này chồng chất dẫn đến hư hỏng transistor. Ðể khắc phục, ngoài việc phải giải nhiệt đầy đủ cho transistor, người ta mắc thêm một điện trở nhỏ (thường là vài Ω) ở hai chân E của transistor công suất xuống mass. Khi transistor chạy mạnh, nhiệt độ tăng, IC tăng tức IE làm VE tăng dẫn đến VBE giảm. Kết quả là transistor dẫn yếu trở lại. Ngoài ra, người ta thường mắc thêm một điện trở nhiệt có hệ số nhiệt âm (thermistor) song song với R2 để giảm bớt điện thế phân cực VB bù trừ khi nhiệt độ tăng. Mạch công suất kiểu đối xứng - bổ túc: Mạch chỉ có một tín hiệu ở ngõ vào nên phải dùng hai transistor công suất khác loại: một NPN và một PNP. Khi tín hiệu áp vào cực nền của hai transistor, bán kỳ dương làm cho transistor NPN dẫn điện, bán kỳ âm làm cho transistor PNP dẫn điện. Tín hiệu nhận được trên tải là cả chu kỳ. Cũng giống như mạch dùng biến thế, mạch công suất không dùng biến thế mắc như trên vấp phải sự biến dạng cross-over do phân cực chân B bằng 0v. Ðể khắc phục, người ta cũng phân cực mồi cho các chân B một điện thế nhỏ (dương đối với transistor NPN và âm đối với transistor PNP). Ðể ổn định nhiệt, ở 2 chân E cũng được mắc thêm hai điện trở nhỏ. Trong thực tế, để tăng công suất của mạch, người ta thường dùng các cặp Darlington hay cặp Darlington_cặp hồi tiếp như được mô tả ở hình 9.18 và hình 9.19.