Tải bản đầy đủ
Chương 1 Cơ bản về khuếch đại côngsuất

Chương 1 Cơ bản về khuếch đại côngsuất

Tải bản đầy đủ

transistor). Độ lớn của dòng điện cực máng và điện áp cực máng là gần như tỷ lệ
với độ lớn của điện áp cực cửa nên chế độ hoạt động này phù hợp với những khuếch
đại công suất tuyến tính.

Hình 1. 2: Transistor như một nguồn dòng phụ thuộc.

Khi transitor hoạt động như một chuyển mạch,transitor hoạt động trong vùng
ohmic khi đóng và trong vùng khóa khi mở. Để duy trì hoạt động trong vùng ohmic,
transistor đòi hỏi VDS biên độ của VDS sẽ tăng làm cho transistor ban đầu hoạt động trong vùng bão hòa
sau đó chuyển sang vùng ohmic.Trong hầu hết các ứng dụng, transistor hoạt động
như một chuyển mạch được điều khiển bởi một điện áp dạng hình chữ nhật tại cực
cửa. Tại miền tần số cao, nơi mà rất khó để sinh ra những điện áp có dạng hình chữ
nhật thì điện áp tại cực cửa dạng hình sin được sử dụng để điều khiển một transistor
hoạt động như một chuyển mạch.Việc sử dụng transistor như là một chuyển mạch
nhằm đạt được hiệu suất khuếch đại cao.Khi transistor dẫn một dòng điện cực máng
cao, điện áp cực máng là thấp, dẫn đến sự tổn hao công suất thấp.
Nếu transistor được điều khiển bởi điện áp VGS dạng hình sóng sin với biên
độ cao, nó hoạt động trong vùng bão hòa khi giá trị tức thời của VGS thấp và hoạt
động như một chuyển mạch khi giá trị tức thời của VGS cao.

14

Hình 1. 3: Transistor như một chuyển mạch

Chức năng chính của mạng đầu ra là: chuyển đổi trở kháng, loại bỏ hài, lọc
phổ tín hiệu trong băng tần sử dụng để tránh giao thoa với các tín hiệu thông tin
khác với các kênh liền kề.

1.2

Phân loại khuếch đại công suất
Sự phân loại của khuếch đại công suất với một transistor hoạt động như là

một nguồn dòng phụ thuộc dựa vào góc dẫn 2θ của dòng điện cực máng.
Trong lớp A, góc dẫn 2θ là 3600,điện áp VGS phải cao hơn điện áp ngưỡng
của transistor Vt, tức là VGS > Vt. Điều này đạt được bằng cách chọn thành phần một
chiều của VGS lớn hơn mức ngưỡng Vt phù hợp, VGS – Vgsm> Vt (Vgsm là biên độ của
thành phần xoay chiều của của điện áp cực cửa. Dòng điện cực máng một chiều ID
phải lớn hơn biên độ của thành phần xoay chiều Im của dòng điện cực máng. Khi đó
transistor sẽ dẫn cảchu kỳ.Dạng sóng của tín hiệu ra được biểu diễn trên hình 1.3
(a).
Trong lớp B, góc dẫn là 1800. Thành phần một chiều VGS bằng với điện áp
ngưỡng Vt và dòng điện phân cực của cực máng ID bằng 0. Do đó, transistor sẽ dẫn
một nửa chu kỳ.Dạng sóng của tín hiệu ra được biểu diễn trên hình 1.3 (b).
15

Hình 1. 4:Dạng sóng của dòng điện cực máng. (a) lớp A. (b) lớp B (c) lớp AB (d) lớp C.

Trong lớp AB, góc dẫn nằm giữa 1800 và 3600. Thành phần một chiều VGS
lớn hơn so với Vt không đáng kể và transistor được phân cực tại một nguồn dòng
điện cực máng ID nhỏ. Lớp AB là lớp giữa lớp A và lớp B.Dạng sóng của tín hiệu ra
được biểu diễn trên hình 1.3 (c).
Trong lớp C, góc dẫn của dòng điện cực máng là nhỏ hơn 1800. Điểm hoạt
động nằm trong vùng cut-off bởi vì VGS< Vt. Dòng điện phân cực ID là bằng 0.
Transistor dẫn nhỏ hơn một nửa chu kỳ.Dạng sóng của tín hiệu ra được biểu diễn
trên hình 1.3 (d).
Hoạt động của lớp A, AB, và B được sử dụng trong khuếch công suất âm
thanh và trong tần số vô tuyến, trái lại lớp C chỉ sử dụng trong khuếch đại công suất
trong miền tần số vô tuyến.

16

Hình 1. 5: Điểm hoạt động của lớp A,AB, B,và C

Transistor hoạt động như một chuyển mạch dùng trong lớp D, E, DE của
khuếch đại công suất trong miền tần số vô tuyến.Trong lớp F, transistor có thể hoạt
động hoặc là một nguồn dòng phụ thuộc hoặc là một chuyển mạch.
1.2.1 Khuếch đại công suất lớp A
Khuếch đại công suất lớp A là một bộ khuếch đại tuyến tính. Một bộ khuếch
đại tuyến tính sinh ra một bản sao của dạng sóng điện áp hay dòng điện đầu vào. Nó
cung cấp sự tái tạo chính xác của cả về hình bao và pha của tín hiệu đầu vào. Do đó,
hiệu suất của lớp A là rất thấp.
Bộ khuếch đại công suất lớp A bao gồm một transistor, một cuộn cảm kháng
cao tần, một mạch L-C song song, và một tụ ghép C. Điểm hoạt động nằm trong
vùng bão hòa. Tại tần số cộng hưởngfo, dòng điện cực máng ID và điện áp cực máng
VDS lệch pha nhau 1800. Khuếch đại công suất lớp A là gần như tuyến tính nên sinh

17

ra sự méo hài và méo liên điều chế thấp. Biên độ của các hài trong điện áp đầu ra là
rất thấp. Do đó, nó phù hợp cho khuếch đại tín hiệu điều biên. Trong khuếch đại lớp
A băng hẹp, mạch L-C song song sử dụng như là một bộ lọc thông dải để chặn các
hài sinh ra và cho phép phổ tín hiệu băng hẹp đi qua. Trong khuếch đại lớp A băng
rộng thì bộ lọc là không cần thiết.

Hình 1. 6: Khuếch đại công suất lớp A

Cuộn cảm kháng cao tần có thể thay thế bẳng một đường truyền vi dải λ/4.
Trở kháng vào của đường truyền được tính theo công thức:
(1.1)
Trở kháng tải của đường truyền vi dải dưới dạng kết hợp với một tụ lọc của
nguồn công suất tại tần số hoạt động là rất thấp, gần như ngắn mạch. Do đó, đầuvào

18

trở kháng của đường truyền vi dải tại cực máng cho thành phần chính của dòng điện
cực máng là rất cao, gần như hở mạch.

Hình 1. 7: Khuếch đại công suất lớp A với bộ chuyển đổi một phần tư
bước sóng

Độ gợn của dòng diện trong cuộn cảm cao tần Lf là thấp, ít nhất là nhỏ hơn
10 lần so với thành phần một chiều II. Vì thế, XLf>> R, dẫn đến:
(1.2)
Tụ ghép đủ lớn để mà thành phần xoay chiều của nó là gần như bằng 0. Bởi
vì thành phần một chiều của điện áp đi qua L trong trạng thái ổn định là 0, điện áp
đi qua tụ là
(1.3)
Độ gợn của điện áp qua tụ ghép là thấp nếu

. Phương trình giành

cho thiết kế sẽ là
(1.4)
Hình 1.7 biểu diễn hình dạng sóng của dòng điện và điện áp trong khuếch đại
công suất lớp A. Dòng điện cực cửa là
(1.5)

19

Với VGS là điện áp phân cực của cực cửa, Vgsm là biên độ của thành phần
xoay chiều đưa vào cực cửa, và

là tần số góc hoạt động. Để giữ cho

transistor hoạt động trong vùng bão hòa mọi lúc thì phải thỏa mãn điều kiện sau:
(1.6)
Dòng điện tại cực máng trong bộ khuếch đại lớp A là:
(1.7)
Với
( )

(1.8)

µn0 là sự chuyển động của electron bề mặt trường thấp, Cox = ϵ ox/tox là điện
dung oxit trên diện tích đơn vị của tụ điện cực cửa, tox là độ dày lớp oxit, ϵ

ox

=

0.345 pF/cm là hằng số điện môi oxit silic, L là chiều dài kênh, W là độ rộng kênh.
(1.9)
Dòng điện cực máng được biểu diễn
(1.10)
Dòng điện ra tại tần số hoạt động sẽ là
(1.11)
Điện áp tại cực máng sẽ là
(1.12)
Điện áp đầu ra là
(1.13)
Công suất cực máng tức thời được tính theo công thức
(1.14)

20

Hình 1. 8: Dạng sóng trong khuếch đại công suất lớp A

21

Công suất tiêu tán tức thời trong transistor tính theo công thức
(1.15)
Hệ thống thông tin không dây hiện đại sử dụng khuếch đại công suất để
khuếch đại tín hiệu có đường bao thay đổi.Bộ khuếch đại tuyến tính được sử dụng
để khuếch đại những tín hiệu có đường bao thay đổi, như là tín hiệu điều biên.
Tín hiệu được điều chế tại đầu vào của khuếch đại công suất là
(1.16)
Điện áp sóng mang tại đầu vào bộ khuếch đại
(1.17)
Vậy
(1.18)
Với

Hình 1. 9: Khuếch đại tín hiệu AM trong khuếch đại lớp A

1.2.2 Khuếch đại công suất lớp AB, B, C
Khuếch đại công suất lớp B bao gồm một transistor và một mạch cộng
hưởng song song.Transistor hoạt động như nguồn dòng phụ thuộc.Góc dẫn của
dòng cực máng trong lớp B là 1800. Hiệu suất của khuếch đại lớp B cao hơn so với

22

khuếch đại lớp A. Mạch khuếch đại lớp C cũng giống như khuếch đại lớp B. Tuy
nhiên, góc dẫn của dòng điện cực máng là nhỏ hơn 1800. Lớp B và lớp C thường
được sử dụng cho khuếch đại ở miền tần số vô tuyến.

Hình 1. 10: Khuếch đại công suất lớp AB, B, C

Điểm hoạt động của lớp B nằm tại bờ giữa vùng khóa và vùng bão hòa.
Thành phần một chiều VGS = Vt. Do đó, góc dẫn 2θ là 1800. Transistor hoạt động
như nguồn dòng phụ thuộc điện áp điều khiển.Dạng sóng của dòng điện và điện áp
trong khuếch đại công suất lớp B trong hình 1.10.
Trong mạch khuếch đại công suất lớp C, điểm hoạt động nằm trong vùng
khóa.Thành phần một chiều VGS< Vt. Do đó, góc dẫn nhỏ hơn 1800.

23

Hình 1. 11: Dạng sóng của khuếch đại công suất lớp B

24