CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI 1.1 Khuếch đại công suất ở tần số vô tuyến 1.1 Giới thiệu về bộ khuếch đại Khuếch đại công suất là một phần quan trọng của một thiết bị thông tin vô tuyến điện.1 mô tả vị trí của mạch khuếch đại công suất trong một hệ thống thông tin đơn giản. Khuếch đại công suất được hiểu là một mạch điện dùng để chuyển đổi điện áp một chiều thành năng lượng sóng cao tần bằng cách khuếch đại tín hiệu cao tần đầu vào [1]. 1 Mạch khuếch đại trong hệ thống vô tuyến Có nhiều cách để có thể thiết kế một mạch khuếch đại công suất cao tần, tùy từng ứng dụng và yêu cầu cụ thể, người thiết kế sẽ lựa chọn một dạng mạch cụ thể. Bản chất của việc thiết kế mạch khuếch đại công suất là việc lựa chọn điểm định thiên cho transistor và thiết kế mạch phối hợp trở kháng vào và ra để đạt được yêu cầu kỹ thuật.
Với mỗi điểm định thiên và mạng phối hợp trở kháng, mạch khuếch đại được phân loại theo chế độ và được gán theo các chữ cái theo bảng chữ cái alphabet như A, B, AB, C, D, E, F.2 mô tả cấu trúc cơ bản của một mạch khuếch đại. Mục đích của mạch phối hợp dùng để tìm ra trở kháng yêu cầu của transistor bằng cách sử dụng các phần tử rời rạc. HUST | NGUYỄN TRUNG THÀNH - CB160167 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ 2018 Hình 1. 2 Cấu trúc cơ bản của một mạch khuếch đại Khi transistor hoạt động giống như nguồn dòng phụ thuộc, dạng sóng của dòng điện cực máng được xác định bởi dạng sóng của điện áp đặt vào cực cửa, điểm hoạt động của transistor và trở kháng tải.
Do transistor phải hoạt động trong vùng bão hòa nên điện áp cực máng V DS phải được giữ cao hơn giá trị điện áp cực máng tối thiểu VDSmin, nghĩa là VDS > VDSmin = VGS – Vth (Vth là điện áp ngưỡng của 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. 3 Sơ đồ tương đương nguồn dòng của Transitor 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 V DS < VGS – Vth.
Nếu VGS được tăng tại một trở kháng HUST | NGUYỄN TRUNG THÀNH - CB160167 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ 2018 tải cho trước, 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. 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.2 Phân loại bộ khuếch đại công suất Chương này sẽ giới thiệu vắn tắt các chế độ hoạt động của một mạch khuếch đại công suất[2]. Chế độ A, B, AB, C là các chế độ hoạt động “thông thường”.3 chỉ ra một mô hình phân loại các chế độ dựa trên điểm phân cực của transistor. Điểm chung của các chế độ hoạt động này là điện áp đầu ra có dạng hình sin và có sự xuất hiện của các tín hiệu phổ hài.
Chế độ D, DE, E được biết là các chế độ chuyển mạch. Lúc này transistor hoạt động giống như một khóa chuyển mạch. Mạch khuếch đại chế độ chuyển mạch yêu cầu mạch phối hợp trở kháng đầu ra cần một bộ cộng hưởng do vậy không phù hợp cho mạch khuếch đại dải rộng. Chế độ F và F-1 (đảo chế độ F) là chế độ sử dụng các tín hiệu hài.
Chế độ khuếch đại này có hiệu suất cao hơn so với các chế độ khác. Chế độ này yêu cầu một mạch phối hợp trở kháng ra phức tạp và có băng thông hoạt động nhỏ nhất trong tất cả các chế độ. HUST | NGUYỄN TRUNG THÀNH - CB160167 17 LUẬN VĂN THẠC SĨ 2018 1.1 Khuếch đại công suất chế A, AB, B, C Trong lớp A, góc dẫn 2θ là 3600, điện áp VGS phải cao hơn điện áp ngưỡng của transistor V th, tức là VGS > V th. Điều này đạt được bằng cách chọn thành phần một chiều của V GS lớn hơn mức ngưỡng Vt phù hợp, VGS – Vgsm > V th (Vgsm là biên độ của thành phần xoay chiều của của điện áp cực cửa.
Dòng điện cực máng một chiều I D phải lớn hơn biên độ của thành phần xoay chiều Im của dòng điện cực máng. Khi đó transistor sẽ dẫn cả chu kỳ. Dạng sóng của tín hiệu ra được biểu diễn trên hình. 4 Dạng sóng của dòng điện cực máng 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. Theo lý thuyết, hiệu suất tối đa đạt được là 78. Độ tuyến tính giảm xuống do transistor chỉ hoạt động ở một nửa chu kỳ tín hiệu.
Và cũng theo lý thuyết, chế độ B cũng đạt độ tuyến tính cao nhưng không bằng chế độ A nhưng yêu cầu đầu vào có mức biên độ tín hiệu lớn hơn. Chế độ B thường được thực hiện ở mạch khuếch đại công suất kiểu đẩy-kéo. Kiểu khuếch đại này sử dụng 2 transistor song song, mỗi transistor khuếch đại một nửa chu kỳ tín hiệu. Ở mạch khuếch đại kiểu đẩy-kéo, toàn bộ hài bậc chẵn của dòng tải được loại bỏ.
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.
Trong lớp C, góc dẫn của dòng điện cực máng là nhỏ hơn 180 0. Điểm hoạt động nằm trong vùng cut-off bởi vì V GS < V th. Dòng điện phân cực I D là bằng 0. HUST | NGUYỄN TRUNG THÀNH - CB160167 18 LUẬN VĂN THẠC SĨ 2018 Transistor dẫn nhỏ hơn một nửa chu kỳ.
Dạng sóng của tín hiệu ra được biểu diễn trên hình. 5 Dạng sóng của các lớp A, B, AB, C 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.2 Khuếch đại công suất chế D, DE, E, F, F-1 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. Mạch khuếch đại công suất ở dạng chuyển mạch có thể đưa ra hiệu suất cao hơn dạng hỗ dẫn.
Ở dạng này, transistor được điều khiển bởi một tín hiệu đầu vào lớn và transistor giống như một chuyển mạch điện tử hơn là một nguồn dòng. Sự chồng lấn giữa dòng điện non-zero và điện áp non-zero theo thời gian là rất nhỏ khiến hiệu suất đạt được rất cao. Theo nguyên lý, hiệu suất hoạt động lúc này có thể đạt được 100% mà không thay đổi mức công suất đầu ra. Độ tuyến tính ở dạng này thấp, tuy nhiên, có một số cấu trúc bộ khuếch đại sử dụng chế độ này và sử dụng một số kỹ thuật nhằm tăng độ tuyến tính như LINC ( Linear amplification using nonlinear components – khuếch đại tuyến tính sử dụng phần HUST | NGUYỄN TRUNG THÀNH - CB160167 19 LUẬN VĂN THẠC SĨ 2018 tử phi tuyến ) và EER ( envelop elimination and restoration - khử và khôi phục đường bao).
Một trong những chế độ thường gặp nhất ở dạng này là chế độ E với transistor hoạt động như một chuyển mạch bật-tắt. Dòng điện cực máng và điện áp không chồng lấn nhau liên tục nên công suất tiêu tán tối thiểu và hiệu suất tối đa. Một mạch khuếch đại chế độ E điển hình được chỉ ra trên hình 1. Đầu ra bao gồm một tụ điện nhánh C và một mạch cộng hưởng nối tiếp được mắc nối tiếp với một phần tử kháng jX và tải đầu ra RL.
Mạch cộng hưởng nối tiếp cộng hưởng tại tần số đầu vào làm cho tín hiệu đầu ra sẽ có dạng hình sin. Phần tử kháng jX được điều chỉnh để dịch pha giữa điện áp đầu ra trên tải và điện áp trên cực máng. 6 Mạch khuếch đại chế độ E Ưu điểm lớn nhất của mạch khuếch đại chế độ E là sự chuyển mạch mềm, nó giúp làm giảm tổn hao chuyển mạch và cấu trúc mạch đơn giản hơn so với mạch khuếch đại chế độ F. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của mạch khuếch đại chế độ E là có sự xuất hiện điện áp đỉnh tại cực máng khi tụ C được nạp.
Có 2 cách để giải quyết vấn đề này: Phương pháp 1 là giảm điện áp đỉnh và chấp nhận giảm một chút hiệu suất. Phương pháp 2 là sử dụng transistor có điện áp chịu đựng lớn hơn. Mạch khuếch đại chế độ F sử dụng kỹ thuật “bẫy hài – harmonic traps” để làm cho hài bậc chẵn và bậc lẻ ngắn mạch và hở mạch lần lượt. Kỹ thuật này làm cho tín hiệu hình vuông đầu ra bị uốn tròn và trở thành tín hiệu hình sin.
Chế độ F có thể đạt hiệu suất rất cao bởi sự chồng lấn giữa điện áp và dòng điện là nhỏ nhất. Chế độ hoạt động “F- đảo” với tên gọi là F-1, có cấu trúc tương tự chế độ F nhưng hài bậc chẵn hở mạch trong khi hài bậc lẻ bị ngắn mạch. HUST | NGUYỄN TRUNG THÀNH - CB160167 20 LUẬN VĂN THẠC SĨ 2018 1.3 Các tham số quan trọng của mạch khuếch đại công suất 1.