Vô tuyến điện đại cương - Chương 10: Khuếch đại công suất

VÔ TUYẾN ĐIỆN ĐẠI CƯƠNG TS. Ngô Văn Thanh Viện Vật Lý Hà Nội - 2016 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 2 Tài liệu tham khảo [1] David B. Rutledge, The Electronics of Radio (Cambridge University Press 1999). [2] Dennis L. Eggleston, Basic Electronics for Scientists and Engineers (Cambridge University Press 2011). [3] Jon B. Hagen, Radio-Frequency Electronics: Circuits and Applications (Cambridge University Press 2009). [4] Nguyễn Thúc Huy (1998), Vô tuyến điện tử, NXB KHKT [5] Đỗ Xuân Thụ, Nguyễn Đức Nhuận (1990), Kỹ thuật điện tử, NXB KHKT [6] Phạm Văn Đương (2004), Cơ sỡ kỹ thuật khuếch đại, NXB KHKT Website : Email : nvthanh@iop.vast.ac.vn Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 3 CHƯƠNG 10. KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT 1. Khuếch đại loại C 2. Khuếch đại công suất NorCal 40A 3. Khuếch đại công suất loại D 4. Khuếch đại công suất loại E 5. Khuếch đại công suất loại F 6. Khuếch đại công suất loại B 7. Mô hình hoá nhiệt Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 4 1. Khuếch đại loại C  Class-C Amplifiers  Mạch thường dùng transistor cực phát chung.  RF choke : cuộn cảm mạch lọc tần số radio => cung cấp điện áp cho cực góp • RF làm tăng trở kháng nguồn, tác động chủ yếu đến dòng DC của nguồn  DC block : tụ điện có điện dung lớn => đóng vai trò tải • Có trở kháng RF bé, không ảnh hưởng đến dòng AC  Harmonic filter : mạch lọc các thành phần dao động điều hòa Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 5 1. Khuếch đại loại C  Chuyển mạch (switch) transitor :  Khi chuyển mạch mở : transistor đóng  Khi chuyển mạch đóng : transistor mở  Điện áp trên bộ chuyển mạch : • Chuyển mạch “off” : • Chuyển mạch “on” : • Vm : điện áp đỉnh của sóng dạng hàm sin đã được chỉnh lưu  Do cuộn cảm RF có điện trở bé : • Giá trị trung bình cho mỗi vòng tròn hình sin được chỉnh lưu : suy ra :  Công suất cung cấp của nguồn • Io : dòng của nguồn DC • Chú ý : dòng DC không chạy qua tụ điện, cho nên dòng DC qua chuyển mạch đúng bằng dòng nguồn DC : Io Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 6 1. Khuếch đại loại C  Giả thiết : thời gian chuyển mạch hoạt động là rất ngắn : có thể bỏ qua • Công suất lãng phí (dissipate) : • Công suất đầu ra : • Hiệu suất :  Hiệu suất là tỷ số giữa điện áp hiệu dụng và điện áp thực tế của nguồn.  Để tăng hiệu suất : • giảm điện áp Von khi transistor hoạt động • tăng điện áp nguồn cung cấp  Biểu diễn sóng điện áp sang tổng các thành phần điều hòa theo tần số • Khai triển chuỗi Fourier • Số hạng đầu = điện áp DC, • Số hạng 2 = thành phần ở tần số tín hiệu truyền, gọi là thành phần cơ bản • Các thành phần bậc cao hơn = thành phần điều hòa chẵn  Giả thiết : trở kháng đầu vào của mạch lọc là “thực” : R • Ta có : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 7 2. Khuếch đại công suất NorCal 40A  NorCal 40A Power Amplifier  NorCal : Northern California QRP Club  Phát triển dựa trên bộ khuếch đại loại C  Điện áp nguồn :  Điện áp “on” :  Tần số : 7 MHz  Trở kháng lọc có điện trở R = 50   Dòng điện cung cấp : 250 mA  Công suất kỳ vọng : 2.9 W ~ 84%  Công suất đo được : 2.5 W ~ 78%  Công suất suy hao trên transistor  Điện áp trên cực gốc trong khoảng thời gian dẫn điện rộng hơn so với cực góp => do hiện tượng trễ lưu trữ điện tích Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 8 2. Khuếch đại công suất NorCal 40A  Xét mạch điện tương đương  Suy hao tương đương với quá trình phóng điện của tụ điện ở mạch lọc điều hòa • Điện dung : 330 pF • Điện áp hai đầu tụ điện khi đã nạp đầy : 15V  Năng lượng của tụ điện:  Công suất lãng phí  Dòng điện do tụ điện giải phóng ra là  Dòng điện khi transistor đang “on”  Công suất suy hao  Công suất lãng phí toàn phần Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 9 3. Khuếch đại công suất loại D  Class D  Bao gồm 2 chuyển mạch transistor  Được gọi là mạch “kéo-đẩy”  Nguồn được nối trực tiếp với transistor không có cuộn cảm RF  Bandpass filter : bộ lọc băng thông • Chặn dòng DC và dòng điều hòa từ tải (load)  Tạo nên sự chồng chập điện áp sóng vuông và điện áp “on” của transistor  S1 on và S2 off :  S1 off và S2 on :  Chênh lệch giữa điện áp cực đại và cực tiểu  Khai triển theo chuỗi Fourier Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 10 3. Khuếch đại công suất loại D  Điện áp đỉnh của thành phần cơ bản  Điện áp Vm có thể xem như điện áp nguồn hiệu dụng  Mạch lọc sẽ chặn tất các tính hiệu ngoại trừ thành phần cơ bản => công suất đầu ra :  Công suất tín hiệu vào : • Io : dòng điện trung bình của nguồn  Giá trị đỉnh của dòng điện hình sin đã được chỉnh lưu của nguồn  Viết lại biểu thức dòng  Công suất ra  Hiệu suất Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 11 4. Khuếch đại công suất loại E  Class E  Có hiệu suất cao khoảng 90%  Biểu diễn công suất ra dưới dạng :  Công suất lãng phí :  Biểu thức liên hệ : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 12 4. Khuếch đại công suất loại E  So sánh hiệu suất Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 13 4. Khuếch đại công suất loại E  Mạch khuếch đại 500 W  MOSFET : field-effect transistor MOS  MOS : metal-oxide-semiconductor. Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 14 5. Khuếch đại công suất loại F  Class F  Đặc trưng:  Cuộn cảm và tụ điện L3 và C3 là mạch cộng hưởng song song • dao động điều hoà bậc 3. • Có tác dụng làm phẳng điện áp  Thời gian làm việc của transistor ngắn  Ứng dụng hiệu quả đối với tần số rất cao (GHz) và điện áp thấp Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 15 6. Khuếch đại công suất loại B  Class B  Chú ý : các loại C, D, E và F đều là những mạch khuếch đại không tuyến tính  Để có mạch khuếch đại tuyến tính, điện áp ra phải thoả mãn: • Hoặc dưới dạng phương trình tuyến tính bậc nhất : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 16 6. Khuếch đại công suất loại B  Điện áp có dạng sóng hình sin  Dòng điện DC : • Im là dòng cực đại dạng hàm sin đã chỉnh lưu  Công suất nguồn cung cấp • Giá trị đỉnh của dòng điện đối với thành phần cơ bản  Công suất ra  Hiệu suất  Hoạt động: đây là mạch đẩy-kéo  Điện áp vào cao : transistor npn hoạt động transitor pnp không hoạt động  Điện áp vào thấp : ngược lại  Hai diode làm cho điện áp ở cực gốc của 2 transistor lệch nhau • làm giảm độ méo của ngưỡng Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 17 7. Mô hình hoá nhiệt  Thermal Modeling  Mạch khuếch đại công suất thường toả nhiệt rất lớn  Các đại lượng tương đương • Nhiệt độ  điện áp : • Công suất hao phí  dòng điện :  Mạch tương đương • Transistor thường được gắn lên 1 tấm kim loại để toả nhiệt  Rt : điện trở nhiệt, đặc trưng cho tấm toả nhiệt • Đơn vị đo : oC/W • T0 , T : nhiệt độ của môi trường xung quanh và tấm toả nhiệt  Nhiệt toả ra: • Truyền cho không khí xung quanh • Lưu trữ trong vật liệu, làm cho vật liệu nóng lên  Năng lượng nhiệt có thể thay thế bằng tụ điện nhiệt (J/oC) suy ra • Tỷ lệ với độ biến thiên của nhiệt độ : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 18 7. Mô hình hoá nhiệt  Rj : điện trở nhiệt nối transistor với không khí (toả nhiệt trực tiếp ra không khí) • Tj : nhiệt độ của transistor  Xét phương trình đạo hàm riêng bậc 1  Có nghiệm đạng tắt dần  Xét phương trình không thuần nhất  Định nghĩa biến mới Lấy đạo hàm 2 vế :  Hàm g thoả mãn phương trình thuần nhất : có nghiệm là  Thay vào ta có hàm f Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 19 7. Mô hình hoá nhiệt  Ứng dụng:  Xác định nhiệt độ của transistor • Viết lại biểu thức cho công suất hao phí bao gồm 2 phần: • Nhân hai vế cho Rt , ta có • Hoặc là trong đó  Nhiệt độ của tấm toả nhiệt là:  Cuối cùng, nhiệt độ của transistor là: