Phân loại các mạch khuếch đại thường gặp

Chương 1: Những vấn đề chung của mạch khuếch đại

1.3 Phân loại các mạch khuếch đại thường gặp

* Theo dạng tín hiệu cần khuếch đại:

- Mạch khuếch đại tín hiệu liên tục - Mạch khuếch đại tín hiệu xung

* Theo dải tần số tín hiệu cần khuếch đại:

- Mạch khuếch đại tín hiệu 1 chiều với f = 0 hay f rất thấp

- Mạch khuếch đại tín hiệu xoay chiều với tần số thấp (f = 16- 20 KHz) - Mạch khuếch đại tín hiệu xoay chiều với tần số cao (f > 20 KHz) - Mạch khuếch đại tín hiệu 1 chiều và xoay chiều.

* Theo đặc tính tần số:

- Mạch khuếch đại cộng hưởng - Mạch khuếch đại dải hẹp - Mạch khuếch đại dải rộng * Theo các phần tử khuếch đại:

- Khuếch đại dùng đèn điện tử - Khuếch đại dùng Tranzito - Khuếch đại dùng IC

- Khuếch đại dùng Diot Tunen

* Theo đại lượng cần khuếch đại:

- Khuếch đại dòng điện - Khuếch đại điện áp - Khuếch đại công suất

* Theo cách ghép giữa các tầng khuếch đại:

- Ghép tầng bằng điện dung - Ghép tầng bằng biến áp

- Ghép tầng trực tiếp dùng Tranzitor - Ghép điện trở

- Mạch ghép RC.

KÕT LUËN CH¦¥NG 1

Trong chương 1 với việc tìm hiểu lịch sử và sự phát triển của ngành điện tử, tìm hiểu về nguyên lí, các chỉ tiêu tham số, cách phân loại của mạch khuếch

đại, chúng ta đã có nhìn nhận tổng quan ban đầu về mạch khuếch đại. Qua đó biết được mạch khuếch đại có nhiệm vụ phối hợp các linh kiện điện tử để khuếch đại tín hiệu về mặt điện áp, dòng điện, hay công suất. Trong đó vấn đề khuếch đại tín hiệu về mặt công suất là vấn đề đáng được quan tâm. Những kiến thức được đề cập ở chương 1 cho ta cơ sở để tìm hiểu mạch khuếch đại công suất trong chương 2.

Chương 2: KHUếCH ĐạI CÔNG SUấT 2.1 Vị trí của mạch khuếch đại công suất trong bộ khuếch đại

Mạch khuếch đại công suất được sử dụng trong rất nhiều mạch khác nhau ở các mạch số, xử lý số liệu, vi xử lý,...

Vậy để phần nào hình dung được rõ về vị trí và vai trò của mạch khuếch

đại công suất. Sau đây tôi xin được đưa ra sơ đồ khối của máy tăng âm:

Hình 16:Sơ đồ khối của máy tăng âm

Với sơ đồ khối trên ta thấy rằng nhiệm vụ của khối khuếch đại công suất trong sơ đồ trên là khuếch đại công suất âm tần đủ lớn để phát ra loa.

 Dựa vào sơ đồ thấy rằng tầng khuếch đại công suất là tầng cuối cùng của bộ khuếch đại mắc với tải ngoài và đưa ra công suất đủ lớn để kích thích cho tải.

2.2 Nhiệm vụ của mạch khuếch đại công suất

- Khuếch đại tín hiệu để đưa ra tải một công suất lớn nhất có thể được, với

độ méo cho phép, và đảm bảo hiệu suất cao để kích thích cho tải.

- Công suất ra cỡ 0,1W đến hơn 100W.

- Đưa ra công suất tối ưu theo yêu cầu trên tải.

2.3 Đặc điểm của mạch khuếch đại công suất

- Là tầng khuếch đại cuối cùng mắc trực tiếp với tải nên tín hiệu vào có biên độ lớn. Vì vậy phần tử khuếch đại của mạch làm việc trong miền không tuyến tính (ngoài vùng khuếch đại – Sơ đồ tầng khuếch đại dựa vào đặc tuyến

ra- hình 10), do đó không thể dùng sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ để nghiên cứu mà phải dùng phương pháp đồ thị.

- Tùy vào công suất yêu cầu mà có các loại mạch khuếch đại công suất khác nhau, hoạt động ở các chế độ khác nhau. Các chế độ làm việc của tầng khuếch đại công suất bao gồm các chế độ A, B, C hoặc AB. Với mạch làm việc ở chế độ B và AB thì mạch được mắc theo kiểu đẩy kéo.

- Hệ số khuếch đại của mạch lớn từ vài chục đến vài trăm, nghìn lần. Nên

đối với tín hiệu vào không lớn lắm, mạch vẫn làm việc bình thường. Đây là ưu

điểm nổi bật của mạch khuếch đại công suất.

- Nguồn điện cung cấp cho mạch khuếch đại công suất làm việc rất lớn, có giá trị vài chục đến hàng trăm Vôn.

- Mạch có công suất ra lớn nên tỏa nhiệt nhiều, do đó mạch khuếch đại công suất thường có quạt gió kết hợp với tấm tỏa nhiệt.

2.4 Phân loại mạch khuếch đại công suất

Có thể phân loại mạch khuếch đại công suất theo nhiều cách khác nhau:

* Theo chỉ tiêu năng lượng - Bộ khuếch đại công suất nhỏ - Bộ khuếch đại công suất lớn * Theo cấu trúc mạch điện - Bộ khuếch đại công suất đơn

- Bộ khuếch đại công suất kép (đẩy kéo)

+ Bộ khuếch đại công suất kép có biến áp ra + Bộ khuếch đại công suất kép không biến áp ra * Theo chế độ làm việc

- Bộ khuếch đại công suất chế độ A - Bộ khuếch đại công suất chế độ B - Bộ khuếch đại công suất chế độ AB - Bộ khuếch đại công suất chế độ C

2.5 Sơ đồ khối của mạch khuếch đại công suất

Hình 17:Sơ đồ khối của mạch khuếch đại công suất 2.6 Nguyên lí hoạt động của mạch khuếch đại công suất 2.6.1 Mạch khuếch đại công suất dùng Tranzito

a. Mạch khuếch đại công suất đơn dùng Tranzito

* Đặc điểm của mạch:

- Mạch khuếch đại dùng một Tranzito làm phần tử khuếch đại, làm nhiệm vụ khuếch đại công suất nên được gọi là công suất đơn.

- Mạch khuếch đại dùng một Tranzito để khuếch đại nên phải làm việc ở chế độ A để tín hiệu ra khuếch đại không bị méo dạng.

- Công suất của mạch thường nhỏ nên chỉ đáp ứng được cho các tải yêu cầu có công suất không lớn lắm.

- Nguồn một chiều cung cấp cho mạch làm việc thường nhỏ.

- Mạch khuếch đại công suất đơn có thể là mạch khuếch đại mắc Emitor chung, mạch khuếch đại mắc Colector chung (mạch lặp Emitor).

* Mạch khuếch đại công suất đơn dùng Tranzito có biến áp ra làm việc ở chế độ A:

- Sơ đồ nguyên lí:

Hình 18: Sơ đồ KĐCS đơn dùng Tranzito có biến áp ra - Vai trò của các linh kiện:

Cg : Tô ghÐp tÇng

Ce : Tụ khử hồi tiếp xoay chiều RL và CL : bộ lọc nguồn

Rb1 , Rb2 : điện trở định điểm làm việc cho tải Re : điện trở ổn định nhiệt

Rt : điện trở của tải.

- Nguyên lí làm việc:

+ Khi chưa có tín hiệu vào, điện áp giữa Bazơ và Emitơ của tải là:

Ubeo = Ubo, Ubo =

2 1

. 2 b b

b co

R R

R U



Ueo =Ieo . Re chọn Ubeo đảm bảo cho Tranzitor làm việc ở chế độ A.

Ie = Ico (Bỏ qua điện trở một chiều của biến áp).

+ Khi có tín hiệu hình sin ở đầu vào của tải, điện áp của tải là:

 ở nửa chu kì dương của tín hiệu vào:

Ube > Ubeo  Ic > Ico (Và biến thiên theo quy luật của Ube)

Ut # 0 (Và có dạng một nửa chu kì của tín hiệu vào)

 ở nửa chu kì âm của tín hiệu vào:

Ube < Ubeo  Ic < Ico (Và biến thiên theo quy luật của Ube)

 Trên Rt sẽ có điện áp ra hình sin đồng dạng với tín hiệu vào nhưng công suất lớn hơn do tác dụng của mạch khuếch đại.

b. Mạch khuếch đại công suất đơn dùng Tranzito không có biến áp ra

* Sơ đồ nguyên lí:

Hình 19: Sơ đồ KĐCS đơn dùng Tranzito không có biến áp ra

* Vai trò của các linh kiện:

Cp1, Cp2 là các tụ ghép tầng khuếch đại, dùng để ghép giữa Uv và Ur với mạch khuếch đại, nó ngăn cách điện áp một chiều tránh ảnh hưởng lẫn nhau.

CE là tụ điện nối mát cực E của Tranzito về thành phần tín hiệu xoay chiều.

R1, R2 là điện trở dẫn điện một chiều cấp cho cực B của Tranzito theo phương pháp phân cấp.

Rc là điện trở dẫn điện một chiều cấp cho cực C của Tranzito.

RE là điện trở dẫn điện một chiều cấp cho cực E của Tranzito theo phương pháp hồi tiếp, có tác dụng ổn định nhiệt.

* Nguyên lí làm việc

- Tín hiệu vào được đưa vào hai cực B – E, tín hiệu lấy ra ở hai đầu điện trở Rt (hay gi÷a hai cùc E, C).

- Khi đưa điện áp xoay chiều tới đầu vào xuất hiện dòng xoay chiều cực B của Tranzito → xuất hiện dòng xoay chiều cực C ở mạch ra của tầng. Hạ áp

trên điện trở Rc tạo nên điện áp xoay chiều trên Colectơ. Điện áp này qua tụ Cp2 được đưa đến đầu ra của tầng hay đưa ra mạch tải.

+ ở nửa chu kì dương của tín hiệu vào: U(+) của tín hiệu làm cho Ub bớt âm hơn → UBE giảm → Ib, Ic giảm → sụt áp trên Rc giảm đi → Ur tăng (tức là âm hơn).

+ ở nửa chu kì âm của tín hiệu vào: U(–) của tín hiệu phối hợp với U(–) của cực B làm cho Ub âm hơn (Ub tăng lên) → Ib, Ic đều tăng lên → sụt áp trên Rc tăng → Ur giảm.

 Điện áp ra ngược pha với điện áp vào.

- Hệ số khuếch đại của tầng tỉ lệ với trở kháng tải, do vậy ta phải chọn tải

để công suất ra lớn nhất.

- Điện trở Re nhận dòng điện tải rất lớn nên tiêu hao công suất lớn, do đó trong mạch thường không có Re. trường hợp dùng Re để ổn định nhiệt thì chọn giá trị Re rất nhỏ.

- Mạch có hiệu suất thấp η ≤ 25%.

c. Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo dùng Tranzito có biến áp ra

* Sơ đồ tầng khuếch đại công suất dùng Tranzito có biến áp ra

Hình 20: Sơ đồ KĐCS đẩy kéo dùng Tranzito có biến áp ra

*/ Vai trò của các linh kiện:

T1 , T2 : là hai Tranzito cùng loại. T1 hoạt động ở nửa chu kì dương, T2 hoạt

động ở nửa chu kì âm.

Biến áp BA1: có hệ số biến áp n1 =

W11

Wv

=

W12

Wv

đảm bảo cung cấp tín hiệu vào mạch Bazơ của hai Tranzito.

Biến áp BA2: có hệ số biến áp n2 =

Wt

W21

=

Wt

W22

. Mạch cực C của mỗi loại Tranzito mắc với nửa cuộn sơ cấp của biến áp BA2.

Rt: là điện trở đặt trên tải.

R1 , R2: là hai điện trở phân áp định thiên cho tải. Trong chế độ AB hai

điện trở được chọn sao cho dòng tĩnh qua chúng nhỏ cỡ (10 – 100àA). Trong chế độ B, không có điện trở R1, thiên áp ban đầu Ube= 0 dùng để đảm bảo công tác cho mạch vào của tải trong chế độ gần với chế độ nguồn dòng.

*/ Nguyên lí làm việc:

- Khi chưa có điện áp đặt vào:

T1, T2 bị khóa → Ube1 = Ube2 = 0 → Ic1 = Ic2 = 0 → Uc1 = Uc2 = 0 → Ut = 0 - Khi có điện áp đặt vào:

+ ở nửa chu kì dương:

Giả sử, trên cuộn W11 có nửa chu kì điệp áp âm đối với các điểm chung của các cuộn dây. Còn trên cuộn W12 có nửa chu kì dương.

Khi đó T2 vẫn tiếp tục bị khóa,

T1 được mở : có dòng Ic1 = β. Ib1 chảy qua T1. Trên cuộn W21 có điện

áp U21 = Ic1.Rt (với Rt ~n22.Rt) → Trên tải sẽ có nửa chu kì dương Ut =

2 21

n U + ở nửa chu kì âm:

Cực tính của hai cuộn W11 , W12 đổi đầu khi đó T1 bị khóa và T2 mở. Do đó trên cuộn W22 sẽ có dòng điện Ic2 = α. Ib2 (chọn α = β) chảy qua tạo nên điện

áp có cùng trị số nhưng cực tính ngược lại ở cuộn tải Wt. Trên tải sẽ có nửa chu k× ©m.

- Ưu điểm của mạch: ở chế độ tĩnh sẽ không tiêu thụ dòng do nguồn cung cấp nếu không có tổn hao trên Tranzito. Mặt khác, vì không có dòng một chiều chảy qua biến áp nên không gây méo do bão hòa từ. Hiệu suất của mạch

đạt lớn nhất, khoảng 78,5%.

- Nhược điểm của mạch: méo xuyên tâm lớn khi tín hiệu vào nhỏ, khi cả

hai vế khuếch đại không được cân bằng.

Như vậy, quá trình khuếch đại tín hiệu được thực hiện theo hai nửa chu kì: nửa chu kì đầu chỉ có 1 Tranzito làm việc, nửa chu kì sau Tranzito còn lại làm việc.

d. Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo dùng Tranzitor không có biến

áp ra

* Sơ đồ tầng khuếch đại công suất dùng Tranzito không có biến áp ra

Hình 21: Sơ đồ KĐCS đẩy kéo dùng Tranzito không có biến áp ra

*/ Vai trò của các linh kiện:

T1, T2: là hai Tranzito khác loại, làm nhiệm vụ khuếch đại công suất.

Cp: là tụ nối tầng.

R1, R2: là các bộ phân áp dùng để định thiên cho T1, T2.

*/ Nguyên lí làm việc:

- Khi chưa có tín hiệu vào:

Điểm làm việc của T1, T2 xác định bởi các bộ phân áp R1và R2. Với: Ubeo1 = Ubeo2 = Ubeo nhờ chọn R1 = R2.

Ico1 = Ico2 = Ico

- Khi có tín hiệu vào hình sin Uv:

+ ở nửa chu kì dương của Uv: T1 thông, T2 bị khóa, tụ C nạp điện. Dòng đi từ + Ec → T1 → C → Rt → mát.

Dòng nạp biến đổi theo quy luật của điện áp tín hiệu vào nên trên tải nhận

được điện áp giống với nửa chu kì dương của Uv.

+ ở nửa chu kì âm của Uv: T2 thông, T1 khóa, tụ C phóng điện. Dòng điện

đi từ: “+” C → T2 → mát → Rt → “–” C.

Dòng phóng ngược chiều với dòng nạp. Dòng nạp và dòng phóng của tụ

điện chảy qua Rt biến đổi theo quy luật của Ube của Tranzito T1, T2. Trên Rt sẽ có điện áp tín hiệu biến đổi theo quy luật của tín hiệu vào, với công suất lớn hơn.

2.6.2 Mạch khuếch đại công suất dùng khuếch đại thuật toán a.Khái niệm chung

- Bộ khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier - OA): là mạch khuếch

đại tổ hợp có hệ số khuếch đại rất lớn, trở kháng vào lớn và trở kháng ra nhỏ,… Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán (OA) đóng vai trò quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong kĩ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu sin, xung, trong bộ ổn áp và bộ lọc tích cực …

- Sơ đồ và kí hiệu của OA:

Kí hiệu

Hình 22: Sơ đồ KĐCS dùng khuếch đại thuật toán Trong đó It, Ut là dòng điện và điện áp vào cửa thuận.

Iđ, Uđ là dòng điện và điện áp vào cửa thuận.

Ur, Ir là điện áp ra và dòng điện ra.

Uo là điện áp giữa hai cửa.

Bộ khuếch đại thuật toán khuếch đại điện áp Uo = Ut – Uđ với hệ số khuếch

đại Ko > 0. Do đó điện áp ra: Ur = Ko.Uo = Ko.(Ut – Uđ).

Nếu Uđ = 0 thì Ur = Ko.Ut lúc này điện áp ra cùng pha với điện áp vào → Cửa T gọi là cửa thuận của bộ khuếch đại thuật toán và được kí hiệu “+”.

Nếu Ut = 0 thì Ur = – Ko.Uđ, lúc này điện áp ra ngược pha với điện áp vào nên cửa Đ được gọi là cửa đảo của bộ khuếch đại thuật toán, được kí hiệu“–”.

Đầu vào đảo thường dùng để thực hiện hồi tiếp âm bên ngoài.

Ngoài ra bộ khuếch đại có hai cửa đấu với nguồn nuôi đối xứng ± EC và các cửa để chỉnh lệch 0 và bù tần.

- Đặc điểm chung của bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng:

+ Trở kháng vào Zv = ∞.

+ Trở kháng ra Zr = 0.

+ Hệ số khuếch đại Ko = 104 ữ106. + Hệ số khuếch đại điện áp Ku = ∞.

b.Bộ khuếch đại đảo - Sơ đồ bộ khuếch đại đảo:

Hình 23: Sơ đồ bộ khuếch đại đảo

- Bộ khuếch đại đảo có thực hiện hồi tiếp âm song song điện áp ra qua Rht.

Đầu vào không đảo được nối với điểm chung của sơ đồ (nối đất). Tín hiệu vào qua R1 đặt đầu vào đảo của OA. Nếu coi OA là lí tưởng thì điện trở vào của nó vô cùng lớn Rv→ ∞, và OA vô cùng bé Io = 0, khi đó tại nút N có phương trình dòng điện: I v ≈ Iht

Từ đó ta có:

1 0

R U Uv 

=

ht r

R U U0 

Khi K → ∞, điện áp đầu vào Uo =

K Ur

→ 0 

R1

Uv

=

ht r

R

U

- Hệ số khuếch đại: Kđ =

v r

U U =

R1

Rht



- Nếu chọn Rht = R1 thì Kđ = -1  Sơ đồ có tính chất đảo lặp lại điện áp hay là đảo tín hiệu.

- Nếu chọn R1 = 0 thì từ phương trình Iv = Iht ta có Iv =

ht ra

R

U → Ur = - Iv . Rht → Điện áp tỉ lệ với dòng điện vào hay đây là bộ biến đổi dòng thành áp.

Vì Uo → 0 nên Rv = R1, khi K → ∞ thì Rr = 0.

c. Bộ khuếch đại không đảo

- Bộ khuếch đại không đảo gồm có mạch hồi tiếp âm điện áp vào đầu đảo, tín hiệu đặt tới đầu vào không đảo của OA. Vì điện áp giữa các đầu vào OA bằng 0 (Uo = 0) nên quan hệ giữa Uv và Ur xác định bởi:

U v = Ur .

Rht

R R

1

1

- Hệ số khuếch đại không đảo có dạng:

Kk =

v ra

U U =

1 1

R R Rht 

= 1 +

R1

Rht

- Sơ đồ của bộ khuếch đại không đảo:

a) Sơ đồ khuếch đại không đảo b) Sơ đồ lặp điện áp Hình 24: Sơ đồ bộ khuếch đại không đảo

- Lưu ý khi đến vị trí giữa lối vào và lối ra tức là thay thế Ur bằng Uv và ngược lại thì trong sơ đồ ta có bộ suy giảm điện áp:

Ur =

ht v

R R

U

1

. R1

- Khi Rht = 0 và R1 = ∞ thì ta có sơ đồ bộ lặp lại điện áp với Kk = 1.

Điện trở vào của bộ khuếch đại không đảo bông điện trở của OA theo đầu

đảo và khá lớn, điện trở ra Rr → 0.

2.6.3 Mạch khuếch đại công suất dùng IC

- Mạch IC và các bộ khuếch đại thông thường về cơ bản có sự khác nhau, cả hai loại này đều được dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện, công suất.

Trong khi tính chất của bộ khuếch đại thông thường phụ thuộc vào kết cấu bên trong của mạch, thì tính chất của mạch IC có thể thay đổi được và chỉ phụ thuộc vào các linh kiện mắc ở mạch ngoài. Để thực hiện điều đó, IC phải có hệ số khuếch đại lớn, trở kháng vào rất lớn, trở kháng ra rất nhỏ.

- IC với ưu điểm gọn nhẹ, hệ số khuếch đại lớn, độ tin cậy cao, giá thành hạ, tiêu tốn ít năng lượng của nguồn cung cấp nên được ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật khuếch đại, tạo dao động, bộ lọc, bộ ổn áp,…

- Sơ đồ tổng quát của tầng khuếch đại công suất dùng IC:

Hình 25: Sơ đồ KĐCS dùng IC Chân 1: nối đất.

Chân 2: đầu vào đảo (–).

Chân 3: đầu vào không đảo (+).

Chân 4: nối với dương nguồn.

Ch©n 5: ®Çu ra.

Chân 6, chân 7 mắc thêm tụ Cb gọi là tụ bù pha để chống dao động tự kích.

Tín hiệu vào có thể đưa tới đầu vào đảo hoặc không đảo, nhưng thường tín hiệu được đưa tới đầu vào không đảo. Đầu đảo mắc thêm mạch hồi tiếp âm Rp và Cp nhằm ổn định chế độ làm việc cho IC.

Tụ Cl là tụ nối tầng có trị số cỡ 1 ữ 10àF.

Hệ số khuếch đại công suất Kp bằng vài chục đến vài trăm.

Nguồn cung cấp cho IC có thể là nguồn đơn hoặc nguồn đối xứng.

KÕT LUËN CH¦¥NG 2

Trong chương 2, chúng ta đi sâu tìm hiểu mạch khuếch đại công suất – một trong các khối mạch quan trọng trong các thiết bị điện tử, tìm hiểu về vị trí của mạch trong bộ khuếch đại, nhiệm vụ, đặc điểm của mạch khuếch đại công suất. Đồng thời tìm hiểu sự phân loại mạch khuếch đại công suất, qua đó tìm hiểu nguyên lí làm việc của các bộ khuếch đại công suất tiêu biểu. Từ đó ta có được những kiến thức cơ bản về mạch khuếch đại công suất, để có thể vận dụng tìm hiểu ứng dụng mạch này trong thực tế đời sống.