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 chỉ có thành phần tần số , nói chung có các thành phần (n = 0,1,2…) với các biên độ tương ứng là l

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



a. Mạch khuếch đại chế độ A: là mạch có tín hiệu được khuếch đại gần

0

như tuyến tính, góc cắt θ = T 2 = 180 Transistor hoạt động cả hai bán chu



kỳ của tín hiệu vào). Dòng ra của Trazistor ở chế độ này có dạng:



Hình1.2 Dòng Ic của tranzistor làm việc ở chế độ A

Khi hiệu suất không phải là vấn đề đáng quan tâm, đa số các mạch

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 < 1800 : 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 Ic 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 θ =900. Chế độ tĩnh

tương ứng với điện áp UBE = 0. Khi có tín hiệu vào, dòng colectơ chỉ xuất

hiện ứng với nửa chu kì, còn nửa chu kì sau tranzitor ở chế độ khóa. Khi đó

hiệu suất năng lượng của tầng ra cao (60 ¸ 70%) và có khả năng cho một

công suất ra tải lớn, tuy nhiên méo không đường thẳng với chế độ này lớn

cần khắc phục bằng cách mắc tranzitor thích hợp. Dòng ra của Trazistor ở

chế độ này có dạng:



Hình1.4 Dòng Ic của tranzistor làm việc ở chế độ B

d. Mạch khuếch đại chế độ C: Chế độ C có góc cắt θ < 900: Ở chế độ

này điểm làm việc nằm trên đặc tuyến tải ở khu vực tắt của tranzitor khi đó

một phần nhỏ hơn nửa chu kỳ của tín hiệu vào được khuếch đại. Chế độ

này thì hiệu suất khá cao nhưng méo rất lớn. Mạch này thường được dùng

khuếch đại công suất ở tần số cao với tải cộng hưởng và trong các ứng

dụng đặc biệt. Chế độ C còn được dùng trong mạch logic và mạch khoá.

10



Dòng ra của Trazistor ở chế độ này có dạng:



Hình1.5 Dòng Ic của tranzistor làm việc ở chế độ C

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

tần. Vì tần số cao xuất hiện các thành phần ký sinh dẫn đến sự chồng lấn

điện áp và dòng điện trong quá trình các tranzistor chuyển từ ngắt sang

trạng thái thông và ngược lại. Dẫn đến giảm hiệu suất rất lớn.

b. Mạch khuếch đại chế độ E

12



Ví dụ mạch khuếch đại công suất chế độ E là:



Hình 1.8 Mạch khuếch đại công suất chế độ E



Hình 1.9 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch PA chế độ E

Trong mạch này thì mạch cộng hưởng nối tiếp L,C2 ở đầu ra được

điều chỉnh cộng hưởng ở tần số thấp hơn tần số làm việc nên mạch khuếch

đại công suất lớp E có đặc tính biên độ phụ thuộc nhiều vào tần số. Sự thay

đổi trở kháng làm cho mạch khuếch đại công suất chế độ E làm việc tối ưu

trong dải tần rộng.

Ở tần số cao thì tổn hao của các mạch khuếch đại công suất chế độ D

tăng lên rất lớn vì sự chồng lấn dòng điện và điện áp trong thời gian

tranzistor chuyển đổi trạng thái khá lớn. Do đó mạch khuếch đại công suất

chế độ E được phát triển dựa trên thu hẹp sự chồng lấn điện áp và dòng

điện bằng cách điều chỉnh đặc tuyến chuyển mạch đầu ra của mạch khuếch

đại công suất. Mạch khuếch đại ở chế độ này chỉ tối thiểu sự chồng lấn

dòng điện và điện áp khi tranzistor ngắt tạm thời. Trong khi tranzistor đóng

thì sự chồng lấn này vẫn lớn dẫn đến sự suy giảm hiệu suất công suất của

13



mạch.

c. Mạch khuếch đại công suất chế độ F

Ví dụ mạch khuếch đại công suất chế độ F là:



Hình 1.10 Mạch khuếch đại công suất chế độ F



Hình 1.11 Dạng sóng điện áp của mạch PA chế độ F

Các mạch khuếch đại công suất chế độ F được phát triển dựa trên

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 ( 3.ω0 ) 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

Điện R1, R2 tạo thành một bộ phân áp cố định tạo UB đặt vào Bazơ

tranzitor từ điện áp nguồn Ecc.Ta phải chọn R1 và R2 thế nào để đảm bảo

cho UB ổn định. Để có UB ổn định cần chọn R1 và R2 càng nhỏ càng tốt,

nhưng để đảm bảo cho điện trở vào của mạch đủ lớn thì R1 và R2 càng lớn

càng tốt. Để dung hòa hai yêu cầu mâu thuẫn này trong thực tế thường chọn

RB = RE.

15



Dòng điện ở mạch ra khá lớn vì thế phải lưu ý khi chọn điện trở R4.

Điện trở R4 thường không vượt quá vài chục W nên khó khăn trong việc

chọn CE1 để khử hồi tiếp âm dòng xoay chiều. Ta sẽ khảo sát tầng khuếch

đại khi R4 = 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 Pt và điện trở tải Rt.



Hình 1.13 Đồ thị để tính bộ khuếch đại chế độ A

Từ đồ thị hình 1.13 ta thấy đường tải một chiều qua điểm Ec hầu như

thẳng đứng vì điện trở tài một chiều tương đối nhỏ (là điện trở thuần của

cuộn sơ cấp biến áp). Điện trở tải xoay chiều của tầng quy về cuộn sơ cấp

sẽ là:

Rt ~ = n 2 ( Rt + r2 ) + r1 ≈ n 2 Rt



(1.12)



Trong đó : n =W1/W2 là hệ số biến áp, với W1,W2 là số vòng dây, còn

r1, r2 là điện trở thuần tương ứng của cuộn sơ và thứ cấp biến áp.

Để chọn tọa độ của điểm tĩnh U CE 0 , I C 0 theo hai công thức:

16



U Co > U rm + ∆U Co



(1.13)



I Co > I rm + ∆I Co ( E )



(1.14)



Thì cần phải xác định các trị số của tín hiệu ra Ucm ,Icm. Các tham số

đó có thể tìm như sau : Công suất xoay chiều ra Pr trên cuộn sơ cấp biến áp

(công suất trong mạch colectơ của transistor ) và công suất đưa ra tải Pt có

quan hệ:

Pr =



Pt

ηb − a



(1.15)



ở đây : η b − a là hiệu suất của biến áp (khoảng 0,8 ¸ 0,9).

Trường hợp tín hiệu là hình sin, thì công suất ra của tầng có quan hệ

với các tham số Ucm, Icm theo công thức sau

Pr =



2

2

U cm .I cm U cm

U cm

=

=

2

2.Rt : 2.n 2 .Rt



(1.16)



Từ đó ta có :

n=



2

2

U cm

U cm .(η b − a )

=

2.Pr .Rt

2.Pt .Rt



(1.17)



Chọn điện áp Ucm theo trị số UCEo sao cho đối với tầng này UCEo gần

bằng Ec ( hình 1.1). Trị số Ucm và hệ số biến áp n có thể dùng đường tải một

chiều hay là theo biểu thức :

I Co > I cm + I Co ( E ) , trong đó I cm = U cm n 2 Rt .



(1.18)



Sau khi tìm được điểm tĩnh, thì qua nó ta kẻ đường tải xoay chiều

nghiêng một góc xác định bằng:



∆U CE



∆I CE



= Rt : .



Chọn loại tranzitor cần phải chú ý đến các tham số giới hạn dải tần

số công tác cũng như các tham số về dòng điện, điện áp và công suất của

nó thỏa mãn điều kiện : Dòng điện cho phép cực đại



I c.cp phải



lớn hơn trị số



tức

thời lớn nhất của dòng colectơ trong khi làm việc nghĩa là:

17



I c.cp > I c.max = I co + I cm



(1.19)



Về mặt điện áp người ta thường chọn tranzitor theo

U CE .cp > U CEm = U CEo +U cm = 2 Ec



(1.20)



Công suất tiêu hao trên colectơ của tranzitor Pc = U Co .ICo phải nhỏ hơn

công suất cực đại cho phép của tranzitor



Pc −cp .



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 KI và điện

áp KU và công suất KP cũng như điện trở vào Rv và điện trở ra Rr là những

chỉ tiêu quan trọng của tầng khuếch đại. Những chỉ tiêu đó có thể xác định

được khi tính toán tầng khuếch đại theo dòng xoay chiều.

Theo đồ thị hình 3 thấy tích số U cm I cm 2 là công suất ra của tầng Pr,

chính là diện tích tam giác công suất PQR:

Theo giá trị Ico tìm được, xác định Ibo

I Bo =



( I Co − I Co ( E ) )



g



(1.21)



Trong đó g: là hệ số truyền đạt dòng điện của transistor

Sau đó ta tính điện trở R1, R2 theo công thức:

R1 =



U Bo U Eo + U BEo

=

Ip

Ip



R2 =



Ec − U Bo

I p − I Bo



(1.22)



Hiệu suất của tầng xác định bởi : η = ηc .ηb −a . Ở đây ηc là hiệu suất

mạch colectơ.

Công suất ra của tầng:

Pr =



U cm .I cm



2



(1.23)



Công suất tiêu thụ của nguồn cung cấp:



18