TỔNG QUAN VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

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 Kp là tỷ số

giữa công suất ra và công suất vào.

Kp =



Pr

Pv



(1.1)



Trong đó Pr là công suất tín hiệu ra

Pv là công suất tín hiệu vào



Hệ số khuếch đại công suất bằng hệ số khuếch đại điện áp nếu trở

kháng tải và trở kháng đầu vào bằng nhau vì:

U r2



Kp =



Pr

R

U

= 2 r = ( r )2

Pv U v

Uv

Rv



(1.2)



Trong đó: U v là biên độ điện áp vào

Ur



là biên độ điện áp ra



Rv là trở kháng đầu vào

Rr 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 p = K p exp(jϕk )



(1.3)



Phần module K p thể hiện quan hệ về cường độ (biên độ) giữa các tín

hiệu đầu ra và đầu vào, phần góc pha ϕ k thể hiện độ dịch pha giữa chúng và

nhìn chung độ lớn của K và ϕ k phụ thuộc vào tần số ω của tín hiệu vào.

Nếu biểu diễn K = f1 (ω ) ta nhận được đường cong gọi là đặc tính biên độ tần số của bộ khuếch đại. Đường biểu diễn ϕ k = f2 (ω ) được gọi là đặc tính

pha - tần số của nó. Thường người ta tính K p theo đơn vị logarit gọi là đơn

vị dexiben (dB).

K p (dB ) = 20 lg K p



(1.4)



Khi ghép liên tiếp n tầng khuếch đại công suất với các hệ số khuếch

đại tương ứng là K1...K n thì hệ số khuếch đại tổng cộng của bộ khuếch đại

công suất được xác định bởi:

K p = K1 K 2 ...K n



Hay K p (dB) = K1 (dB) + K 2 (dB) + ... + K n (dB)



(1.5)



b. Hiệu suất: Hiệu suất là tỉ số giữa công suất ra Pr và công suất cung cấp

1 chiều Pdc . Nó thể hiện hiệu quả chuyển đổi từ công suất nguồn thành

công suất mà mạch khuếch đại cấp cho tải. Hiệu suất càng lớn thì công suất

tổn hao trên colectơ của tranzistor càng nhỏ.

η=



Pr

Pdc



(1.6)



5



Hiệu suất phụ thuộc rất nhiều vào chế độ làm việc của tầng khuếch

đại. Trong chế độ A thì hiệu suất rất thấp, chế độ C hiệu suất cao nhất, tuy

nhiên nó phải trả giá về tính phi tuyến của đường đặc tuyến gây méo tín

hiệu.

Ngoài ra còn có một số phép đo hiệu suất thông dụng khác như:

+ Hiệu suất cộng công suất (Power-added efficiency) : Hiệu suất

cộng công suất là tỷ số giữa lượng công suất mà mạch khuếch đại tạo ra với

công suất cung cấp 1 chiều được tính theo công thức:

PAE =



Pr − Pv

Pdc



(1.7)



Trong đó: Pr : là công suất ra của mạch khuếch đại

Pv : là công suất vào mạch khuếch đại

Pdc : 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:

ηoverall =



Pr

Pdc + Pv



(1.8)



Trong định nghĩa này, Pv được xem như công suất lấy từ nguồn một

chiều vì vậy nó được cộng với công suất nguồn nuôi mà không bị trừ bởi

công suất đầu ra giống như chỉ tiêu PAE.

Ngoài hai tham số trên đây người ta còn quan tâm đến công suất ra,

trở kháng vào…

c. Công suất ra: Công suất ra là toàn bộ công suất tín hiệu ở đầu ra của

bộ khuếch đại nằm trong dải tần làm việc cấp cho tải. Công suất đầu ra

không tính thành phần công suất các hài và các tạp âm trong mạch khuếch

đại. Thường thì công suất của các hài và tạp âm này là không đáng kể. Khi

6



tín hiệu vào là hình sin, công suất ra của tín hiệu được xác định theo công

thức sau:

Pra =



2

U ra

2 Rra



(1.9)



Trong đó: U ra là biên độ tín hiệu ở đầu ra

Rra 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

U r = f3 (U v ) lấy ở một tần số cố định của dải tần số tín hiệu Uv.

e. Trở kháng lối vào và lối ra: của bộ khuếch đại được định nghĩa:

Zv =



Uv

U

; Zr = r

Iv

Ir



(1.10)



Nói chung chúng là các đại lượng phức : Z = R + jX

Yêu cầu trở kháng vào lớn tương đương với dòng tín hiệu vào nhỏ,

nghĩa là mạch phải có hệ số khuếch đại dòng lớn.

f. Méo phi tuyến: Do tính chất phi tuyến các phần tử như tranzitor gây ra

thể hiện trong thành phần tần số đầu ra là tần số lạ (không có mặt ở

đầu vào). Khi U vao chỉ có thành phần tần số ω , U ra nói chung có các

thành phần n.ω (n = 0,1,2…) với các biên độ tương ứng là U nm lúc

đó hệ số méo phi tuyến do bộ khuếch đại gây ra được đánh giá là:

2

(U 2 + U 32m + ... + U nm )

γ = 2m

U1m



1



2



%



(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

chế độ C. Hình 1.1 dùng để minh họa đặc điểm của các chế độ bằng ví dụ

trên đặc tuyến ra của tranzitor theo sơ đồ Emitơ chung.



Hình 1.1 Vị trí điểm làm việc tĩnh trên đặc tuyến ra

trong chế độ A, B, AB

Nhóm thứ hai là nhóm mạch khuếch đại chuyển mạch, trong nhóm

này người ta thường chia ra các chế độ D,E,F

1.2.1 Nhóm mạch khuếch đại công suất tuyến tính

Tính chất tuyến tính ở đây là biên độ tín hiệu đầu ra mạch khuếch đại

công suất là một hàm tuyến tính hoặc gần tuyến tính của biên độ tín hiệu

đầu vào.

Đặc điểm của mạch này là Tranzistor đầu ra hoạt động như một

nguồn dòng và trở kháng tranzistor đầu ra trung bình trong quá trình hoạt

động tương đối cao. Dòng điện chạy qua thiết bị và điện áp trên thiết bị là

một phần hoặc toàn bộ sóng hình sin

8