Bài giảng Khuếch đại công suất

Slide 1 ET3230 Điện tử tương tự I Bài giảng: Khuếch đại công suất Slide 2 Nội dung • 10.1 Giới thiệu • 10.2 Khuếch đại chế độ A • 10.3 Khuếch đại chế độ B • 10.4 Khuếch đại chế độ C, D • 10.5 Các thiết bị và mạch công suất thực tế Slide 3 10.1 Giới thiệu • 10.1.1 Đặc điểm chung • 10.1.2 Các chế độ làm việc của mạch KĐCS • 10.1.3 Hiệu suất Slide 4 10.1.1 Đặc điểm chung • KĐCS – Tầng KĐ cuối, có tín hiệu vào lớn, làm việc trong miền không tuyến tính – Cung cấp tín hiệu ra đủ lớn đáp ứng yêu cầu của tải, với độ méo cho phép – Đảm bảo hiệu suất cao • Không dùng sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ mà dùng đồ thị để nghiên cứu Slide 5 10.1.2 Các chế độ làm việc của mạch KĐCS • Tùy vào chế độ công tác của transistor, tầng KĐCS có thể làm việc ở các chế độ A, B, AB, C, D. • Chế độ A: KĐ cả tín hiệu vào, hiệu suất thấp, méo phi tuyến nhỏ • Chế độ B: KĐ một nửa tín hiệu vào, có hiệu suất lớn, có méo xuyên tâm • Chế độ AB: có tính chất chuyển tiếp giữa chế độ A và B, giảm méo khi tín hiệu vào có biên độ nhỏ • Chế độ C: KĐ tín hiệu ra bé hơn nửa hình sin, hiệu suất cao, méo lớn, dùng trong các mạch KĐ cao tần • Chế độ D: transistor làm việc như 1 khóa điện tử đóng mở Slide 6 10.1.3 Hiệu suất • Hiệu suất = công suất xoay chiều trên tải/ công suất cung cấp từ nguồn DC • So sánh giữa các chế độ A AB B C D Chu kỳ hoạt động 360 0 1800 - 3600 1800 <1800 Pulse Hiệu suất 25% - 50% 25(50%) -78.5% <78.5% Typ >90% ( ) ( ) 100%o i P ac P dc η = × Slide 7 10.2 KĐCS chế độ A • 10.2.1 KĐCS đơn chế độ A sử dụng tải điện trở • 10.2.2 KĐCS đơn chế độ A tải ghép biến áp Slide 8 10.2.1 KĐCS đơn chế độ A s/dg tải điện trở • DC CE CC C CV V I R= − 0.7VCC B B VI R − = C BI Iβ= Slide 9 10.2.1 KĐCS đơn chế độ A s/dg tải điện trở • AC Dòng điện Điện áp : 0C CC CI V R→ : 0CE CCV V→ Slide 10 10.2.1 KĐCS đơn chế độ A s/dg tải điện trở • Công suất vào – công suất 1 chiều • Công suất ra – công suất xoay chiều trên tải • Hiệu suất • Hiệu suất cực đại ( ) Qi CC C P dc V I= ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 ss s s CEo CE C C C C V rm P ac V rm I rm I rm R R = = = ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 2 CE C C CE o C C V p I p I p V p P ac R R = = = ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 8 8 8 CE C C CE o C C V p p I p p I p p V p p P ac R R − − − − = = = ( ) ( ) 100%o i P ac P dc η = × ( ) ( ) 2 max max 2 max 8100% 100% 2 25%o CC C i CC C P ac V R P dc V R η = × = × = Slide 11 10.2.1 KĐCS đơn chế độ A s/dg tải điện trở • Ví dụ – Tính công suất vào, công suất ra, và hiệu suất khi ( ) 10BI p mA= Slide 12 10.2.2 KĐCS đơn chế độ A tải ghép b/áp • Dùng ghép biến áp – Tăng hiệu suất – Hỗ trợ việc phối hợp trở kháng 2 2 1 1 V N V N = 2 1 1 2 I N I N = 2' 21 1 2 2 L L R R N a R R N   = = =    Slide 13 10.2.2 KĐCS đơn chế độ A tải ghép b/áp • Dùng ghép biến áp ( ) ( )( )max min max min 8 CE CE C C o V V I I P ac − − = ( ) Qi CC C P dc V I= => Hiệu suất cực đại là 50% max min max min 50 %CE CE CE CE V V V V η  − =   +  * Đường tải 1 chiều song song với trục tung Slide 14 10.3 Khuếch đại chế độ B • 10.3.1 Những vấn đề chung • 10.3.2 Mạch KĐCS đẩy kéo ghép biến áp • 10.3.3 Mạch KĐCS bù đối xứng • 10.3.4 Mạch đẩy kéo giả bù Slide 15 10.3.1 Những vấn đề chung • Để thu được cả chu kỳ tín hiệu đầu ra cần sử dụng 2 transistor, mỗi transistor được sử dụng ở mỗi nửa chu kỳ khác nhau của tín hiệu • 1 phần của mạch đẩy tín hiệu lên cao trong ½ chu kỳ, 1 phần khác của mạch kéo tín hiệu xuống thấp trong ½ chu kỳ còn lại => mạch “đẩy kéo” Slide 16 10.3.1 Những vấn đề chung • Công suất nguồn cung cấp • Công suất đầu ra xoay chiều • Hiệu suất • Công suất tổn hao trên transistor ( ) ( )2i CC dc CCP dc V I V I pπ  = =     ( ) ( ) 2 2 L L V p P ac R = ( ) ( ) ( ) 2 2 8 L L L L V rms V p p P ac R R − = = ( ) ( ) ( )100% 100% 4 o L i CC P ac V p P dc V πη = × = × max 100% 78,4 5%πη = × = ( ) ( )2Q i oP P dc P ac= − 2 2Q QP P= Slide 17 10.3.1 Những vấn đề chung • Mắc bộ KĐ đẩy kéo với tải sử dụng – 2 nguồn cung cấp DC – 1 nguồn cung cấp DC Slide 18 10.3.1 Những vấn đề chung • Mạch KĐ chế độ B phải dùng ít nhất 2 transistor cùng loại hoặc khác loại • Khi cần tăng c/suất ra, thường dùng 2 transistor ở mỗi vế mắc kiểu Darlington • Khi tầng KĐCS dùng 2 transistor cùng loại thì tầng kích phải là tầng đảo pha để cấp 2 tín hiệu ngược pha Slide 19 10.3.2 Mạch KĐCS đẩy kéo ghép biến áp Slide 20 10.3.3 Mạch KĐCS bù đối xứng Méo xuyên tâm Slide 21 10.3.3 Mạch KĐCS bù đối xứng • Dùng các transistor Darlington – Dòng điện đầu ra cao hơn – Trở kháng ra thấp hơn Slide 22 10.3.4 Mạch đẩy kéo giả bù • Tăng c/suất ra; thông dụng nhất Slide 23 10.4 Khuếch đại CS chế độ C và D • 10.4.1 Khuếch đại CS chế độ C • 10.4.2 Khuếch đại CS chế độ D Slide 24 10.4.1 Khuếch đại chế độ C • Hoạt động trong khoảng dưới ½ chu kỳ tín hiệu • Hiệu suất lớn • Thường được sử dụng trong mạch thông tin vô tuyến, ví dụ như ở tầng trộn tần Slide 25 10.4.2 Khuếch đại chế độ D • Được thiết kế để làm việc với tín hiệu xung hoặc số • Hiệu suất trên 90% Slide 26 Méo trong tầng KĐ • Méo – Méo phi tuyến hay méo biên độ – Méo tần số • Méo hài bậc n • Méo hài tổng 2 2 2 2 3 4%THD 100%D D D= + + × 1 % 100%nn A D A = × nA 1A Biên độ của hài bậc n Biên độ của thành phần tần số cơ bản Slide 27 10.5 Thiết bị và mạch CS thực tế • Linh kiện công suất – Điốt – BJT công suất – MOSFET công suất – Thyristor (SCR-silicon controled rectifier) – Insulated-Gate Bipolar Transistor (IGBT) – Gate Turn-Off Thyristors – MOS-Controlled Thyristor (MCT) Slide 28 10.5 Thiết bị và mạch CS thực tế • Đăc tính – Điốt công suất: khả năng chịu dòng thuận lớn (n100 A) – BJT công suất : P=nW – n*100 KW, f = 10KHz, npn => Transistor Darlington công suất: dòng bazơ nhỏ – MOSFET công suất : điều khiển bằng điện áp vào (chuyển mạch) Slide 29 10.5 Thiết bị và mạch CS thực tế • Tản nhiệt trong transistor công suất Slide 30 10.5 Thiết bị và mạch CS thực tế • Kiến trúc tầng KĐCS Loại 2 tầng • Tầng “transconductance” • Tầng 2: kết hợp tầng khuếch đại điện áp và đệm ra Slide 31 10.5 Thiết bị và mạch CS thực tế • Kiến trúc tầng KĐCS Loại 3 tầng:  Tầng “Transconductance”: điện áp vào, dòng điện ra  Tầng “transimpedance”: dòng điện vào, điện áp ra, tầng khuếch đại điện áp  Tầng ra: tầng đệm, hệ số khuếch đại điện áp bằng 1 Slide 32 10.5 Thiết bị và mạch CS thực tế • IC công suất – Nhỏ gọn, dễ lắp ráp, cân chỉnh đơn giản và độ tin cậy cao – Tính năng đặc trưng: • Nguồn nuôi nhỏ • Hệ số KĐ rất lớn • Tổng trở vào lớn • Tổng trở ra nhỏ • Độ trôi nhiệt nhỏ • Hiệu suất cao Slide 33 10.5 Thiết bị và mạch CS thực tế • LM1877 Dual Audio Power Amplifier Slide 34 Tóm tắt • Các chế độ làm việc của mạch KĐCS: A, B, AB, C, D • Các mạch KĐCS Slide 35 Bài tập • Đọc chương 14, 15 (Các bộ KĐ thuật toán và ứng dụng [1]) • Bài tập [1]: – Chương 16: 1, 3, 4, 5, 12, 16, 18, 23