LỜI NÓI ĐẦU
Thực tiễn đã chứng tỏ tầm quan trọng của thông tin trong quân đội.
Cùng với sự lớn mạnh không ngừng của thông tin liên lạc nói chung, thông
tin quân sự ngày càng được đặc biệt chú trọng và phát triển mạnh mẽ. Với
sự phát triển vượt bậc của trình độ khoa học kỹ thuật và công nghệ, thông
tin liên lạc nói chung và thông tin liên lạc vô tuyến nói riêng có nhiều bước
tiến vượt trội. Khi thực hiện truyền tin với cự ly lớn, hoặc thực hiện truyền
tin tới những vùng có địa hình phức tạp như hải đảo, vùng xa xôi, vùng núi,
địa hình phức tạp, hay khi yêu cầu truyền thông với vùng phủ sóng rộng
qua các hệ thống thông tin, bài toán nâng cao công suất phát của tín hiệu
luôn là một bài toán khó và phức tạp.
Năng lượng là sản phẩm quý giá và có tính khan hiếm trong hệ
thống thông tin. Tổng công suất tiêu thụ của hệ thống này thường bị chi
phối bởi các bộ khuếch đại công suất RF vì vậy việc nâng cao hiệu quả của
mạch khuếch đại công suất là nhu cầu ngày càng cấp thiết. Một vài công
nghệ đã được phát triển để cho phép các bộ khuếch đại công suất RF hoạt
động hiệu quả hơn. Để bộ khuếch đại công suất làm việc có hiệu quả nhất
thì nó phải làm việc với hiệu suất cao và không làm méo tín hiệu. Do đó
bộ khuếch đại công suất làm việc ở chế độ tuyến tính để biên độ điện áp ra
giữ được quy luật biến đổi của biên độ điện áp vào và đảm bảo công suất
tín hiệu ra đạt yêu cầu. Vì vậy tính chất tuyến tính là một yếu tố then chốt
trong việc thiết kế bộ khuếch đại công suất hiện đại nói riêng, hệ thống
thông tin nói chung.
Chính vì vậy, em đã chọn đồ án: “ Các biện pháp nâng cao độ tuyến
tính cho bộ khuếch đại công suất ”. Nhiệm vụ đồ án là tìm hiểu về các
chỉ tiêu, các chế độ làm việc của bộ khuếch đại công suất và ảnh hưởng của
tính phi tuyến đối với bộ khuếch đại như thế nào từ đó đưa ra các giải pháp
1
để giảm ảnh hưởng của tính phi tuyến cho bộ khuếch đại công suất. Để giải
quyết các nhiệm vụ trên nội dung của đồ án bao gồm ba chương cơ bản
sau:
nuôi. Thông thường mạch khuếch đại công suất được thiết kế cho mạch
khuếch đại sau cùng trong một chuỗi các tầng, và tầng này được thiết kế
với sự quan tâm nhiều về hiệu suất. Vì lý do đó các mạch khuếch đại công
suất thường được sử dụng với hiệu suất khá cao.
Mạch khuếch đại công suất là mạch cuối cùng mắc với tải ngoài và
để nhận được công suất tối ưu theo yêu cầu trên tải cần phải đặc biệt chú ý
đến chỉ tiêu năng lượng. Mạch khuếch đại công suất có thể dùng tranzistor
3
lưỡng cực hoặc IC khuếch đại công suất. Thực chất khuyếch đại công suất
là một quá trình biến đổi năng lượng của nguồn cung cấp 1 chiều (không
chứa đựng thông tin) được biến đổi thành dạng năng lượng xoay chiều (có
quy luật biến đổi theo thông tin cần thiết).Nói cách khác, đây là một quá
trình gia công xử lí thông tin dạng analog. Công suất ra có thể từ vài trăm
mw đến vài trăm watt.
Mạch khuếch đại công suất được sử dụng rộng rãi trong kĩ thuật vô
tuyến điện tử, thông tin, kĩ thuật tự động và điều khiển từ xa và trong nhiều
lĩnh vực của điện tử ứng dụng.
1.1.2. Các chỉ tiêu và tham số cơ bản:
Để đánh giá chất lượng của 1 mạch khuyếch đại công suất, người ta
dựa vào các chỉ tiêu và tham số cơ bản sau:
a. Hệ số khuếch đại công suất: Hệ số khuếch đại công suất K
p
là tỷ số
giữa công suất ra và công suất vào.r
p
v
P
R
= = =
(1.2)
Trong đó:
v
U
là biên độ điện áp vào
r
U
là biên độ điện áp ra
v
R
là trở kháng đầu vào
r
R
là trở kháng ra
Nếu hai trở kháng này mà khác nhau thì một mạch khuếch đại công
4
suất có thể có hệ số khuếch đại điện áp nhỏ mà hệ số khuếch đại công suất
lớn và ngược lại. Tuy nhiên trong các mạch khuếch đại công suất thì người
ta chủ yếu quan tâm đến hệ số khuếch đại công suất. Đó là thông số khá
quan trọng trong việc thiết kế mạch khuếch đại.
Nói chung vì bộ khuếch đại có chứa các phần tử điện kháng nên K
p
là một số phức:
k
( )f
ϕ ω
=
được gọi là đặc tính
pha - tần số của nó. Thường người ta tính
p
K
theo đơn vị logarit gọi là đơn
vị dexiben (dB).
( ) 20lg
p p
K dB K
=
(1.4)
Khi ghép liên tiếp n tầng khuếch đại công suất với các hệ số khuếch
đại tương ứng là
1
n
K K
thì hệ số khuếch đại tổng cộng của bộ khuếch đại
công suất được xác định bởi:
1 2
p n
K K K K=
Hay
1 2
( ) ( ) ( ) ( )
công suất cung cấp 1 chiều được tính theo công thức: r v
dc
P P
PAE
P
−
=
(1.7)
Trong đó:
r
P
: là công suất ra của mạch khuếch đại
v
P
: là công suất vào mạch khuếch đại
dc
P
: Là công suất một chiều cung cấp cho mạch
khuếch đại
PAE cho ta chỉ thị hợp lý của hiệu suất PA với lợi ích cao.
+ Hiệu suất toàn phần (Overall efficiency) : Được sử dụng rộng rãi
để đánh giá hiệu suất của mạch khuếch đại được tính theo công thức:
erall
ra
U
P
R
=
(1.9)
Trong đó:
ra
U
là biên độ tín hiệu ở đầu ra
ra
R
là trở kháng tải
Thực tế trong hệ thống truyền thông thì công suất ra theo tiêu chuẩn
nhất định và các ứng dụng khác nhau của chung.
d. Đặc tính biên độ:
Đặc tính biên độ của tầng khuếch đại là đường biểu diễn quan hệ
3
( )
r v
U f U=
lấy ở một tần số cố định của dải tần số tín hiệu U
v
.
e. Trở kháng lối vào và lối ra: của bộ khuếch đại được định nghĩa:
;
v
r
đó hệ số méo phi tuyến do bộ khuếch đại gây ra được đánh giá là:
1
2 2 2
2
2 3
1
( )
%
m m nm
m
U U U
U
γ
+ + +
=
(1.11)
1.2. Phân loại mạch khuếch đại công suất.
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, vv.) hoặc phân
biệt theo loại năng lượng ngoài được sử dụng (mạch khuếch đại điện,
7
mạch khuếch đại từ, v.v…). 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
mạch là: nhóm mạch khuếch đại công suất tuyến tính và nhóm mạch
khuếch đại công suất chuyển mạch. Trong nhóm mạch khuếch đại công
suất tuyến tính thì theo độ lớn của góc cắt người ta cũng chia thành 4 loại
mạch khuếch đại là : mạch khuếch đại chế độ A, chế độ B, chế độ AB và
khuếch đại tuyến tính tín hiệu nhỏ được thiết kế ở chế độ A. Điều đó có
nghĩa là các thiết bị đầu ra luôn làm việc ở trong vùng dẫn. Do đó chế độ A
được dùng trong tầng khuếch đại công suất đơn, hoặc dùng ở các tầng tiền
KĐCS đảm bảo: tín hiệu ra méo ít nhất nhưng hiệu suất nhỏ nhất khoảng
20%, và công suất ở tải không vượt quá vài W.
b. Mạch khuếch đại chế độ AB: Chế độ AB có góc cắt 90
0
<
θ
< 180
0
: Ở
chế độ này điểm làm việc nằm trên đặc tuyến tải gần khu vực tắt của
tranzitor. Tín hiệu 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
vào), và có thể đạt được hiệu suất cao hơn chế độ A. Dòng ra của
Tranzistor có dạng:
Hình1.3 Dòng I
c
của tranzistor làm việc ở chế độ AB
9
Sơ đồ thường dùng là kiểu mạch đẩy kéo sử dụng hai Transistor có
các đặc tính hoàn toàn giống nhau (có thể cùng loại hay khác loại). Hai
Transistor này thay nhau làm việc trong hai nửa chu kỳ của tín hiệu. Khi
thực hiện mạch KĐCS đẩy kéo ở chế độ B thì tín hiệu ra vẫn đảm bảo độ
tuyến tính khá cao mà hiệu suất cũng khá lớn. Vì thế các bộ KĐCS đẩy kéo
công tác ở chế độ B rất hay được áp dụng trong các điện đài và các hệ
thống thông tin
c. Mạch khuếch đại chế độ B: Trong chế độ B điểm làm việc tĩnh chọn ở
điểm mút phải đường tải một chiều ứng với góc cắt
1.2.2. Nhóm mạch khuếch đại công suất chuyển mạch
Đặc điểm của nhóm mạch khuếch đại này là Tranzistor được kích
thích tín hiệu có biên độ lớn, điều chỉnh việc đóng mở thiết bị như một
chuyển mạch. Hoạt động chuyển mạch cung cấp hiệu quả khuếch đại công
suất cao hơn so với nhóm các mạch khuếch đại tuyến tính. Một thiết bị
chuyển mạch lý tưởng là không có điện áp đặt trên tranzistor khi nó thông,
không có dòng điện chảy qua khi nó ngắt và thời gian chuyển tiếp của nó
bằng không. Tuy nhiên mức tín hiệu đầu ra mạch khuếch đại không phải là
một hàm rõ rệt của tín hiệu vào nên nó hạn chế các ứng dụng khuếch đại tín
hiệu có biên độ không đổi.
a. Mạch khuếch đại chế độ D:
Ví dụ mạch khuếch đại công suất chế độ D là:
Hình 1.6 Tầng khuếch đại công suất chế độ D
11
Hình 1.7 Dạng sóng điện áp và dòng cực máng lý tưởng
Trong mạch này ta sử dụng mạch lọc LC ở đầu ra để đảm bảo dòng
ra là hình sin vì khi mạch cộng hưởng chỉ có sự trao đổi năng lượng giữa
điện trường và từ trường trong phần tử kháng tạo ra dao dộng hình sin.
Ở chế độ này thì biên độ tín hiệu vào đủ lớn để điều khiển tranzistor
này ngắt còn tranzistor kia thông trong nửa chu kỳ của tín hiệu và nửa chu
kỳ kia thì ngược lại. Trong một cấu trúc mạch khuếch đại chế độ D như vậy
nếu tranzistor hoạt động như một chuyển mạch lý tưởng thì hiệu suất có thể
đạt đến 100%. Do không tồn tại đồng thời dòng điện và điện áp trên mạch.
Cụ thể là khi tranzistor ngắt thì không có dòng chạy qua nhưng có điện áp
rơi trên nó, còn khi tranzistor thông có dòng chạy qua nhưng điện áp rơi
trên thiết bị bằng không. Do đó công suất tiêu tán (bằng tích dòng điện và
điện áp) bằng không. Tuy nhiên thực tế thì hiệu suất của mạch khuếch đại
chỉ đạt gần 100% do điện áp rơi khi tranzistor thông không bằng không
dẫn đến một phần nhỏ công suất bị tiêu tán trong tranzistor
Các mạch khuếch đại chế độ D được ứng dụng cho các tín hiệu âm
việc giảm tối thiểu thời gian chuyển tiếp. Phân tích Fourier chỉ ra rằng một
xung vuông có thời gian chuyển tiếp nhanh nhất. Vì vậy để có được thời
gian chuyển tiếp chuyển tiếp nhanh thì ta phải làm cho tín hiệu có dạng gần
giống với xung vuông bằng cách thêm vào các thành phần cơ bản các hài
bậc lẻ của tín hiệu. Trong mạch trên một mạch L,C song song điều chỉnh
cộng hưởng tại tần số hài bậc 3 của tần số sóng mang (
0
3.
ω
) được mắc nối
tiếp với tải do đó trở kháng ra của tranzistor lớn tại hài bậc 3. Còn mạch
L,C song song khác cộng hưởng tại tần số sóng mang mắc song song với
tải để loại bỏ các thành phần hài của tín hiệu ra do cả hai mạch công hưởng
đều không cộng hưởng tại hài bậc 2 nên mạch này có trở kháng ra thấp tại
14
hài bậc 2. Do đó trong mạch này tín hiệu ra được thêm vào thành phần hài
bậc 3 làm cho tín hiệu gần giống xung vuông do đó việc chuyển tiếp diễn
ra nhanh hơn.
1.3 Khảo sát một số mạch khuếch đại công suất thông dụng
Một số mạch thông dụng nhất của mạch khuếch đại công suất ở các
chế độ A,AB,B,C được trình bày và tính toán như sau:
1.3.1. Mạch khuếch đại công suất chế độ A
a. Mạch khuếch đại công suất chế độ A dùng tranzistor lưỡng cực
Trong mạch khuếch đại chế độ A hay dùng là sơ đồ emitơ chung
hoặc sơ đồ lặp Emitơ vì sơ đồ này có hệ số khuếch đại dòng lớn và méo phi
tuyến nhỏ
Hình 1.2: Mô tả bộ khuếch đại chế độ A điển hình. Transistor đầu ra
được sử dụng như một nguồn dòng, được định thiên bởi dòng một chiều có
giá trị lớn hơn biên độ cực đại của dòng ra trong suốt quá trình khuếch đại.
Hình 1.12 Bộ khuếch đại chế độ A
trong thực tế thường chọn
R
B
= R
E
.
15
Dòng điện ở mạch ra khá lớn vì thế phải lưu ý khi chọn điện trở R
4
.
Điện trở R
4
thường không vượt quá vài chục W nên khó khăn trong việc
chọn CE
1
để khử hồi tiếp âm dòng xoay chiều. Ta sẽ khảo sát tầng khuếch
đại khi R
4
= 0.
Biến áp 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
áp gần lý tưởng nghĩa là truyền 80% đến 90% công suất do đó biến áp có
nội trở tương đối nhỏ.
Phương pháp đồ thị giải tích được dùng để tính toán tầng khuếch đại
công suất. Số liệu ban đầu để tính toán là công suất ra P
t
và điện trở tải R
t
.
Hình 1.13 Đồ thị để tính bộ khuếch đại chế độ A
0CE
U
,
0C
I
theo hai công thức:
16
Co rm Co
U U U> + ∆
(1.13)
( )Co rm Co E
I I I> + ∆
(1.14)
Thì cần phải xác định các trị số của tín hiệu ra U
cm
,I
cm
. Các tham số
đó có thể tìm như sau : Công suất xoay chiều ra P
r
trên cuộn sơ cấp biến áp
(công suất trong mạch colectơ của transistor ) và công suất đưa ra tải P
t
có
quan hệ:
t
r
:
(1.16)
Từ đó ta có :
2 2
.( )
2. . 2. .
cm cm
r t t t
U U b a
n
P R P R
η
−
= =
(1.17)
Chọn điện áp U
cm
theo trị số U
CEo
sao cho đối với tầng này U
CEo
gần
bằng E
c
( hình 1.1). Trị số U
cm
và hệ số biến áp n có thể dùng đường tải một
chiều hay là theo biểu thức :
. . axc cp c m co cm
I I I I
> = +
(1.19)
Về mặt điện áp người ta thường chọn tranzitor theo
.
2
CE cp CEm CEo cm c
U U U U E
> = + =
(1.20)
Công suất tiêu hao trên colectơ của tranzitor
.
c Co Co
P U I
=
phải nhỏ hơn
công suất cực đại cho phép của tranzitor
c cp
P
−
.
Tóm lại, việc tính chế độ một chiều của tầng khuếch đại là giải quyết
nhiệm vụ chọn hợp lý các phần tử của sơ đồ để nhận được những tham số
cần thiết của tín hiệu ra trên tải. Các hệ số khuếch đại dòng điện K
I
và điện
áp K
=
(1.21)
Trong đó g: là hệ số truyền đạt dòng điện của transistor
Sau đó ta tính điện trở R
1
, R
2
theo công thức:
1
2
Bo Eo BEo
p p
c Bo
p Bo
U U U
R
I I
E U
R
I I
+
= =
−
=
−
(1.22)
Hiệu suất của tầng xác định bởi :
.
c b a
r
c
o CEo Co
U I
P
P U I
η
= =
(1.25)
Từ đó ta thấy nếu tín hiệu ra tăng thì hiệu suất tăng và sẽ tiến tới giới
hạn bằng 0,5 khi
cm Co
cm CEo
I I
U U
=
=
(1.26)
Công suất tiêu hao trên mặt ghép colectơ
1
. . .
2
c o r CEo Co cm cm
P P P U I U I
= − = −
(1.27)
.
ra m vao
U g U
= −
(1.28)
Trong đó:
m
g
là hỗ dẫn của tranzistor
,
ra vao
U U
là biên độ điện áp ra, vào mạch khuếch đại
Công suất đầu ra của mạch khuếch đại:
2
2.
ra
ra
t
U
P
R
=
(1.29)
Trong đó :
ra
U
V
cho trước thì công suất ra cực đại là một hàm của trở kháng
tải. Với tầng khuếch đại công suất thì tải thường là một anten có trở kháng
tải là 50Ω do đó để truyền đạt công suất ra hiệu quả thì ta phải có mạch
phối hợp trở kháng giữa anten và mạch khuếch đại công suất.
Hiệu suất của mạch khuếch đại là:
2
2.
ra
ra t
DC DC
U
P R
P P
η
= =
(1.31)
Trong đó:
ra
U
là điện áp ra của mạch khuếch đại công suất
DC
P
là điện áp một chiều cấp cho mạch
Do đó hiệu suất ra cực đại ứng với công suất ra cực đại là:
2
, ax
L
=R
tDD
V
là điện áp định thiên cho mạch
1.3.2 Bộ khuếch đại đẩy kéo (Chế độ AB hoặc chế độ B)
Các mạch khuếch đại lớp A có hiệu suất thấp vì phần lớn công suất
lấy từ nguồn bị tổn hao thành nhiệt trong mạch khuếch đại. Do đó để tăng
hiệu suất của mạch khuếch đại thì cần phải giảm lượng tổn hao này. Các
21
mạch đẩy kéo có thể làm việc ở chế độ A, AB hoặc B, nhưng thông thường
người ta hay dùng chế độ AB hoặc chế độ B. Trong mạch khuếch đại công
suất loại B, người ta phân cực với V
B
=0, nên bình thường tranzistor không
dẫn điện và chỉ dẫn điện khi có tín hiệu đưa vào đủ lớn. Do phân cực như
vậy nên Tranzistor chỉ dẫn điện được ở một bán chu kỳ của tín hiệu ( bán
chu kỳ dương hoặc âm tuỳ thuộc vào tranzistor NPN hay PNP). Do đó
muốn nhân được cả chu kỳ của tín hiệu ở đầu ra người ta phải dùng hai
tranzistor, mỗi tranzistor dẫn điện ở một nửa chu kỳ của tín hiệu. Tất cả các
sơ đồ tầng ra đẩy kéo yêu cầu chọn cặp tranzitor có tham số giống nhau,
đặc biệt là hệ số truyền đạt
β
.
Sơ đồ khối của mạch khuếch đại đẩy kéo:
Hình 1.16 Sơ đồ khối mạch khuếch đại đẩy kéo
Nếu mạch đẩy kéo dùng hai tranzistor cùng loại được kích thích bởi
n
W W
= =
(1.33)
Biến áp vào BA1 có hệ số biến áp là:
v v
1
11 12
W W
n
W W
= =
(1.34)
Biến áp BA1 đảm bảo cung cấp tín hiệu vào mạch bazơ của hai
tranzitor.Tầng đẩy kéo có thể làm việc ở chế độ B hay AB. Trong chế độ
AB thiên áp trên bazơ của hai tranzitor được lấy từ nguồn Ec bằng bộ phân
áp R
1
, R
2
. Trong chế độ B thiên áp ban đầu không có, nên không cần R
1
.
Khi đó điện trở R
2
được dùng để đảm bảo công tác cho mạch vào của
tranzistor trong chế độ gần với chế độ nguồn dòng.Ngoài ra, người ta
thường mắc thêm một điện trở nhiệt R
3
với emitơ bằng 0,3V khi đó dòng điện trên tải bằng 0. Do đó trên colectơ
mỗi tranzistor sẽ có điện áp một chiều bằng điện áp nguồn Ec.
Khi có tín hiệu vào bắt đầu từ nửa chu kỳ dương lúc đó T1 thông, T2
đóng. Khi đó trên cuộn W21 có dòng
1 1C B
I I
β
=
chạy qua do đó trên cuộn
W21 sẽ tạo lên điện áp :
2
21 1 1 2
. . .
C t C t
U I R I n R
= =
:
.Trên tải sẽ có nửa sóng điện
24
áp dương
21
2
t
U
U
n
=
.
Hình 1.19 Đồ thị tính mạch khuếch đại công suất
chế độ AB của tranzistor T1
2
.
t BA r
P P
η
=
(1.36)
Trong đó:
t
P
là công suất trên tải
2BA
η
là hiệu suất truyền đạt của biến áp BA2
25
Copyright: Tài liệu đại học ©