LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật và công
nghệ, sự lớn mạnh không ngừng của lĩnh vực điện tử - tin học đã cho phép
con người nối liền mọi khoảng cách trong mọi điều kiện không gian và thời
gian. Trong các phương thức thông tin thì dạng thông tin vô tuyến chiếm vị
trí hàng đầu, và là dạng liên lạc quan trọng nhất. Với dải tần số vô tuyến
hết sức rộng lớn đã hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu đòi hỏi của con người,
khi mà dạng thông tin đường dây không thể thực hiện được, như thực hiện
các liên lạc với vùng địa hình phức tạp, hải đảo… hay cự ly rất lớn. Hiện
nay, thiết bị thông tin vô tuyến là thành phần không thể thiếu trong mọi
lĩnh vực, mọi cấp, mọi ngành.
Với mọi thiết bị thông tin nói chung, đặc biệt là thiết bị mang xách thì
yêu cầu về độ tin cậy, cự ly, chất lượng liên lạc và hiệu suất lớn là yếu tố
quan tâm hàng đầu. Điều này được quyết định rất lớn ở bộ khuếch đại công
suất. Có thể nói, cùng với bộ tổ hợp tần số thì bộ khuếch đại công suất là
quan trọng nhất, là thành phần quyết định chính tới giá thành của thiết bị.
Chính vì vậy, em được giao đồ án: “ Thiết kế và thi công bộ khuếch
đại công suất máy phát thông tin vô tuyến sóng ngắn”. Nhiệm vụ đồ án
là nghiên cứu, tìm hiểu về lý thuyết các mạch khuếch đại công suất cũng
như các loại mạch được sử dụng trong thực tế, trên cơ sở đó tiến hành thiết
kế một bộ khuếch đại công suất với các chỉ tiêu cho trước. Từ phương án
thiết kế sẽ tiến hành tính toán và thi công một sản phẩm hoàn chỉnh. Để
giải quyết các nhiệm vụ trên nội dung của đồ án trình bày trên ba chương
như sau:
Chương 1: Cơ sở mạch khuếch đại công suất
Chương 2: Thiết kế bộ khuếch đại công suất
Chương 3: Tính toán và thi công
1
Sau một thời gian nghiên cứu, thực hiện và hoàn thành đồ án, trước
hết em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn đã luôn
theo sát, định hướng và tạo điều kiện về mọi mặt cho em, cùng các thầy cô
ax
2 2
m
f f∆ =
, nhiễu nhiều nên chất lượng thông tin kém. Vì vậy, chế độ này
chỉ được dùng trong các trường hợp cần thiết.
– Thoại đơn biên: dải phổ hẹp bằng 1/2 so với phổ của thoại điều biên
ax
2
m
f f∆ =
, khả năng chống nhiễu tốt.
3
– Thoại điều tần: dải phổ rộng
( )
ax
2 1
m
f f
ϕ
∆ = × +
(với
ϕ
là chỉ số điều
chế), khẳ năng chống nhiễu kém, số kênh thông tin ít.
Như vậy, xét về độ rộng phổ tín hiệu, khả năng chống nhiễu và hiệu
quả sử dụng năng lượng thì tín hiệu điều chế đơn biên có ưu điểm nhất. Vì
vậy, dạng điều chế đơn biên được chọn cho máy thông tin vô tuyến sóng
ngắn. Trong các phương pháp tạo tín hiệu đơn biên thì phương pháp trộn
lọc nhiều lần là phổ biến nhất, và về cơ bản xác định cấu trúc của máy
K.V
bão hoà
ANTEN
Dao động
1kHz
đại tín hiệu đủ công suất yêu cầu, vì vậy KĐCS có thể gồm một hay nhiều
tầng. Do tín hiệu điều chế là đơn biên nên yêu cầu khuếch đại phải tuyến
tính cao, mặt khác vì thiết bị dùng nguồn nuôi là pin hoặc acquy nên còn
phải đảm bảo hiệu suất khuếch đại cao để giảm tối đa tiêu hao năng lượng.
– Phối hợp anten: Làm nhiệm vụ phối hợp trở kháng giữa khối khuếch đại
công suất với anten trong toàn dải tần.
– Hệ thống điều khiển: Dùng chung cho cả máy thu và máy phát, nó gồm
phần giao diện với người sử dụng và phần tạo ra các tín hiệu điều khiển các
hoạt động của điện đài.
– Khối nguồn: Tạo ra các mức điện áp yêu cầu cho toàn bộ thiết bị.
Phạm vi của đồ án sẽ tiến hành xem xét, thiết kế, tính toán và thi
công bộ khuếch đại công suất của máy thông tin vô tuyến sóng ngắn. Các
vấn đề cụ thể sẽ được trình bày tiếp sau đây.
1.2 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI
CÔNG SUẤT
Tầng khuếch đại công suất có nhiệm vụ đưa ra công suất đủ lớn để
kích thích cho tải. Công suất ra của nó từ vài phần W cho đến hàng trăm W.
Công suất này được đưa ra đến tầng sau dưới dạng điện áp hoặc dòng điện
có biên độ lớn. Phân loại mạch khuếch đại công suất có nhiều cách khác
nhau như mạch khuếch đại được phân biệt theo mục đích (mạch khuếch đại
điện áp, mạch khuếch đại dòng điện, mạch khuếch đại công suất …), hoặc
phân biệt theo loại năng lượng ngoài được sử dụng (mạch khuếch đại điện,
mạch khuếch đại từ ). Theo cách mắc tải, người ta chia thành mạch
khuếch đại có biến áp ra và tầng khuếch đại không biến áp ra. Thông
thường trong mạch khuếch đại công suất người ta chia thành hai nhóm
P
=
(1.1)
* Hiệu suất: Là tỉ số giữa công suất ra
R
P
và công suất cung cấp một chiều
0
P
0
R
P
P
η
=
(1.2)
Hiệu suất càng lớn thì công suất tiêu hao trên colectơ của tranzistơ
càng nhỏ.
1.2.2 Chế độ công tác và định điểm làm việc cho tầng khuếch đại công
suất
Tuỳ thuộc vào chế độ công tác của tranzistơ, người ta phân biệt ra:
* Tầng khuếch đại chế độ A:
Trong chế độ này, tín hiệu được khuếch đại gần như tuyến tính, góc
cắt
θ
= T/2 = 180
0
. Khi tín hiệu vào là hình sin thì dòng tĩnh colectơ luôn
luôn lớn hơn biên độ dòng điện ra, vì vậy hiệu suất của bộ khuếch đại chế
6
tần số cao và dùng tải cộng hưởng, hoặc dùng trong các mạch khoá hoặc
logic. Điểm làm việc tĩnh trong khu vực cho phép trên đặc tuyến tranzistơ
7
A A
B
B
C
i
c
i
c
i
c
i
c
I
C0
I
C0
t
1
t
2
t
2
t
2
t
1
t
Ở chế độ động, điểm làm việc có thể vượt ra ngoài hypebol công
suất (nếu vẫn bảo đảm được điều kiện công suất tổn hao nhỏ hơn công suất
tổn hao cho phép), nhưng không được vượt quá các giới hạn khác. Phần
tiếp theo, ta xem xét và thảo luận kỹ một số dạng mạch, cũng như chế độ
của nó với các loại tranzistơ khác nhau.
1.3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ĐƠN (CHẾ ĐỘ A)
Trong chế độ A, biên độ tín hiệu ra thay đổi đối xứng xung quanh
điểm tĩnh. So với tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ, nó chỉ khác là biên độ tín
hiệu lớn. Tầng khuếch đại đơn hay dùng sơ đồ emitơ chung hoặc lặp emitơ
vì nó có hệ số khuếch đại dòng điện lớn và méo phi tuyến nhỏ.
1.3.1 Sơ đồ emitơ chung (tranzistơ lưỡng cực)
Hình 1.4 Sơ đồ mạch emitơ chung
Khi tín hiệu vào hình sin, thì công suất ra được xác định theo biểu
thức:
2 2
ˆ ˆ ˆ
2 2 2
CE C C C CE
R
C
U I I R U
P
R
× ×
= = =
×
(1.3)
8
0
và
( )
ax min
ˆ
2
CEm CE
CE
U U
U
−
=
Dạng tín hiệu ra:
Hình 1.5 Dạng tín hiệu trên bộ đặc tuyến ra
Thay vào 1.3, ta có:
( ) ( )
ax min ax min
8
CEm CE Cm C
R
U U I I
P
− × −
=
(1.4)
Như vậy, khi vẽ được đường tải trên họ đặc tuyến ra, ta có thể xác
định được công suất ra và lớn nhất khi có điều kiện sau:
ax minCEm CE
U U−
≈
×
= ≈
×
(1.5)
khi điện trở tải được xác định:
2
CC
Copt
CO
U
R
I
=
×
9
Ta còn nhận thấy rằng: đường tải càng nằm gần hypebol thì công
suất ra càng lớn.
Trường hợp đầu ra của tầng khuếch đại được ghép điện dung với tải
thì cần phân biệt đường tải tĩnh với đường tải động, lúc đó điện trở tải tối
ưu được xác định theo công thức 1.6:
( )
//
2
CC
C t
opt
CO
U
R R
I
= × ≈
(1.8)
Khi ghép biến áp, có thể tăng hiệu suất cực đại lên gấp đôi, vì có thể
bỏ qua điện trở một chiều của biến áp, nghĩa là giảm điện áp nguồn cung
cấp một chiều của mạch.
1.3.2 Sơ đồ cực nguồn (Source) chung
Các sơ đồ dùng FET cũng có tính chất như sơ đồ dùng tranzistơ
lưỡng cực. Tuy nhiên, các sơ đồ dùng FET có hệ số khuếch đại nhỏ hơn do
hỗ dẫn của FET nhỏ hơn hỗ dẫn của tranzistơ lưỡng cực. FET kênh N
thường dùng trong phạm vi tần số rất cao, vì độ linh động hạt dẫn của Fet
kênh N lớn hơn ở Fet kênh P. Một sơ đồ khuếch đại cực nguồn chung được
cho như hình 1.5 sau:
10
Hình 1.6 Mạch khuếch đại cực nguồn chung
Ở chế độ xoay chiều, điện áp đặt vào cực cửa, điện áp lấy ra trên cực
máng.
Hệ số khuếch đại điện áp được tính:
U m d t
K g r R= − × ×
(1.9)
vì:
d t
r R>>
nên
U m t
K g R≈ ×
(1.10)
Trong đó: – g
m
: Độ hỗ dẫn;
+
(1.12)
Trở kháng đầu vào được tính theo biểu thức 1.13 sau:
( )
( )
G GS S
V G
G GS S
R R R
Z R
R R R
× +
= ≈
+ +
(1.13)
Trong đó: –
G
R
: Điện trở cực cửa G, [Ω];
11
R t
0
R g
C s
R s
+ E d
U
R
thốn
C
: Điện dung giữa hai cực G – D.
1.2.3 Sơ đồ cực máng (Drain) chung
Trong trường hợp này, điện áp đặt vào cực G không phải là
GS
U
mà
là:
GS t GS D t
U U U I R+ = + ×
(1.15)
Hình 1.7 Mạch khuếch đại cực máng chung
Trong cách mắc này, hệ số khuếch đại nhỏ hơn 1:
m d t
U
d t m d t
g r R
K
r R g r R
× ×
=
+ + × ×
(1.16)
Trở kháng đầu ra:
(1 )
d t
R
d t m d
r r
tầng khuếch đại đẩy – kéo. Tầng khuếch đại đẩy – kéo là tầng khuếch đại
gồm có hai phần tử tích cực mắc chung tải. Sơ đồ đẩy - kéo có thể biểu
diễn bằng sơ đồ cầu như hình 1.7 sau:
Hình 1.8 (a) Sơ đồ đẩy- kéo song song, (b) Sơ đồ đẩy- kéo nối tiếp
Trong sơ đồ đẩy-kéo song song, các phần tử tích cực được đặt trong
các nhánh bên trái của cầu. Trong các nhánh bên phải của cầu là điện trở
tải, có điểm giữa nối với nguồn cung cấp mắc trong nhánh chéo của cầu.
Ngược lại, trong sơ đồ đẩy-kéo tiếp, nguồn cung cấp có điểm giữa
nối với tải, tải nằm trong nhánh chéo của cầu.
Tóm lại, sơ đồ đẩy-kéo song song có các phần tử tích cực mắc song
song về mặt một chiều, còn sơ đồ đẩy-kéo nối tiếp thì có các phần tử tích
cực mắc nối tiếp về mặt một chiều. Ngoài ra còn có thể dùng hai phần tử
tích cực cùng loại hay khác loại nên có bốn loại sơ đồ đẩy – kéo như hình
1.8 sau:
13
Phần tử KĐ
Phần tử KĐ
Phần tử KĐ
Phần tử KĐ
R
t
U
CC
R
t
U
CC
Đẩy – kéo song song Đẩy – kéo nối tiếp
Tranzistơ cùng
U c c
U c c
-
-
+
R t
-
U v 1
+
-
U r
+
U r
-
R t
U v 2
U c c
U v 1
-
R t
U v 1
U r
+
U c c
hiệu vào.
Hình 1.10 Đặc tuyến ra của tầng đẩy – kéo chế độ B
Hai nửa tín hiệu sẽ được tổng hợp lại thành tín hiệu hoàn chỉnh trên
điện trở tải.
Tuy nhiên, ở chế độ B phải lưu ý đến méo tín hiệu sinh ra khi điểm
làm việc chuyển tiếp từ tranzistơ này sang tranzistơ khác. Méo này càng
12
I c 2
N b
N 1
+
N b
N a
B A 2
15
6
48
-
những nửa hình sin, vì điện thế hai đầu cuộn thứ cấp biến áp BA1 ngược
pha nhau. Các điện trở R1 và R2 được chọn sao cho dòng tĩnh qua chúng là
nhỏ (chế độ AB). Khi cho R2 = 0 thì U
B
= 0, do đó bộ khuếch đại làm việc
ở chế độ B. Ở chế độ AB, dòng colector nằm trong khoảng 10 đến 100mA,
hai nửa hình sin của điện áp ra được phối hợp lại trên biến áp BA2.
Điện trở của mỗi tranzistơ được xác định theo biểu thức 1.19:
' 2
t t
R n R= ×
(1.19)
Trong đó n là hệ số biến áp, được xác định:
1 2
/n N N=
(1.20)
N
1
× ×
(1.21)
Biên độ điện áp ra cực đại giữa colectơ và emitơ của một tranzistơ
theo hình 1.11:
ax
ˆ ˆ
CEm CC CER
U U U= −
(1.22)
Do đó ta nhận được công suất ra cực đại:
( )
2
ax
2
2
CC CER
Rm
t
U U
P
n R
−
=
× ×
(1.23)
Nếu giả thiết bộ khuếch đại làm
việc ở chế độ B, ta tính được dòng colectơ
trung bình:
( )
0
×
( 1.24 )
Như vậy công suất một chiều phụ thuộc vào mức điện áp ra
ˆ
CE
U
như
hình 1.12, ta thấy:
Ở chế độ B công suất tổn hao cực đại khi:
2
ax ax ax
4 / 4
Cm Rm Rm
P P P
π
= × ≈ ×
(1.25)
Hiệu suất cực đại của mạch:
ax
ax
0
100% 100% 78.5%
4
Rm
m
P
P
π
η
= × ≈ × ≈
để thoả mãn công suất và méo là rất khó khăn, do vậy
người ta thay
E
R
bằng một điot có nhiệm vụ hạn chế điện áp bazơ – emitơ
của T2, từ đó khắc phục hiện tượng quá tải. ngoài ra còn dùng các mạch hồi
tiếp bằng các điện trở
1ht
R
và
2ht
R
.
* Hệ số khuếch đại của mạch khi có hồi tiếp:
'
'
1
'
2 1 2 1
1 // /
R ht U
U
ht U ht ht ht V
V
U R K
K
R K R R R R
U r
R t
T 3
R E
0
R 1
R 2
C 1
C A P N P
R C
T 2
T 1
T 3
- U c c
U ' v U v
R h t 2
-
+
R C
+ U c c
T 1
U r
T 2
0
R t
0
R h t 1
D
* Nếu dùng các mạch công suất có tải ở emitơ thì dễ xuất hiện nguy cơ quá
tải nếu trở kháng tải quá nhỏ. Để khắc phục hiện tượng đó, có thể mắc
Không yêu cầu những linh kiện, vật tư đặc biệt.
Đơn giản cho thiết kế, đảm bảo yêu cầu gọn nhẹ, giá thành rẻ.
* Nhược điểm:
Không thích hợp cho hoạt động liên tục tại các mức công suất lớn.
Khả năng công suất ra bị hạn chế.
Dải tần công tác bị giới hạn.
1.5.2 Các bộ khuếch đại song song
Mục đích của các bộ khuếch đại song song là đạt được một công suất
đầu ra cao hơn so với công suất có thể ở một bộ khuếch đại đơn. Nó sẽ kinh
tế hơn và cũng đơn giản hơn cho thiết kế với mức công suất yêu cầu là lớn.
Nhiều vấn đề có thể gặp phải trong thiết kế với mạch khuếch đại song song,
như là các mức trở kháng cực kỳ nhỏ và sự phân chia công suất không đều
nếu không có sự phù hợp chặt chẽ. Với lý do này, các trở kháng (đặc biệt là
ở đầu vào) sẽ rất thấp nếu chọn giải pháp cho thiết kế là sơ đồ song song.
Để tránh tạo ra những trở kháng thấp như vậy, điều mà sẽ rất khó cho việc
phối hợp trở kháng với giao tiếp 50Ω, thường thì đầu tiên sẽ thực hiện việc
20
chuyển đổi trở kháng tới một giá trị trở kháng trung gian, như là từ 10 đến
25Ω, sau đó sẽ thực hiện chuyển đổi thành 50Ω bởi các mạch phối hợp trở
kháng. Tuy nhiên, nếu sử dụng các bán dẫn là MOSFET, thì không yêu cầu
sự phối hợp trở kháng trung gian và vấn đề chia sẻ công suất gần như hoàn
hảo. Hình vẽ 1.15 thể hiện cho thiết kế sử dụng cấu hình khuếch đại công
suất song song:
Hình 1.16a Mạch khuếch đại công suất song song dùng bán dẫn
lưỡng cực
Giải pháp cho trường hợp này là các nhánh sẽ được phối hợp với một
mức trở kháng trung gian, sau đó sẽ biến đổi thành mức chuẩn 50Ω. Theo
cách này thì làm cho thiết kế phức tạp, đồng thời gây nên tiêu hao lớn ở các
mạch phối hợp. Với bán dẫn trường, có thể thực hiện kỹ thuật sơ đồ song
song như hình 1.15. Sự có mặt của các điện trở cách ly R1 và R2 sẽ ngăn
22
Hình 1.17 Dạng tổng quát mạch khuếch đại công suất đẩy-kéo
Trên đây là tổng quan về cơ sở mạch khuếch đại công suất. Ở chế độ
A, do hiệu suất thấp nên công suất ra thấp, tín hiệu không méo, tiêu thụ
dòng một chiều lớn nên tiêu tán lớn. Vì vậy chỉ ứng dụng cho những máy
phát thông tin vô tuyến công suất nhỏ. Trong khi đó, chế độ AB, B, C có
hiệu suất cao, dòng tiêu thụ nhỏ nhưng tín hiệu sau khuếch đại bị méo. Ta
thực hiện khôi phục lại dạng hình sin của tín hiệu ở các mạch lọc và mạch
cộng hưởng ở đầu ra… Đối với tín hiệu đơn biên và điều biên, do yêu cầu
độ tuyến tính cao sau khuếch đại thì phải sử dụng các tầng khuếch đại đẩy-
kéo. Để đảm bảo khuếch đại tuyến tính từng bán chu kỳ nên thường công
tác ở chế độ AB, trong đó phần A chỉ đảm bảo vừa đủ mở bán dẫn nhằm
giảm méo khi mức tín hiệu nhỏ. Kết luận sẽ làm cơ sở cho việc thiết kế,
xây dựng mạch khuếch đại công suất với các chỉ tiêu cụ thể sẽ được trình
bày trong chương 2.
23
CHƯƠNG II
THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT
Dải sóng ngắn có giá trị tần số nằm trong phạm vi 3 – 30 MHz. Do đặc
điểm phản xạ tốt qua tầng điện ly nên phần lớn các thông tin vô tuyến hai
chiều sử dụng dải này với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa, liên
lạc hàng hải , hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá…v.v. Với phạm
vi ứng dụng hết sức rộng rãi của dải sóng ngắn như vậy, đồ án chỉ nghiên
cứu thiết kế và thi công bộ khuếch đại công suất được sử dụng cho lĩnh vực
quân sự, cụ thể là bộ khuếch đại công suất cho điện đài sóng ngắn công
suất nhỏ dùng cho cấp chiến thuật.
2.1 CHỌN CHỈ TIÊU BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT
Bộ khuếch đại công suất được thiết kế cho điện đài sóng ngắn công suất
nhỏ, dùng cho cấp chiến thuật nên yêu cầu gọn nhẹ, dễ mang xách, đảm
bảo cự ly liên lạc dưới 300km, đồng thời yêu cầu tiêu tốn năng lượng ít.
anten truyền sóng, công suất ra là một hàm:
25
Tầng điện ly
Mặt đất
Góc tới
f1 < f2
Copyright: Tài liệu đại học ©