VÔ TUYẾN ĐIỆN ĐẠI CƯƠNGnvthanh/cours/votuyendien/CH10... · · 2016-09-14Hiệu 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 : http://iop.vast.ac.vn/~nvthanh/cours/votuyendien/

Email : [email protected]


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



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



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



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 :



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



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



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



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



Class E

Có hiệu suất cao khoảng 90%

Biểu diễn công suất ra dưới dạng :

Công suất lãng phí :

Biểu thức liên hệ :



So sánh hiệu suất



Mạch khuếch đại 500 W

MOSFET : field-effect transistor MOS

MOS : metal-oxide-semiconductor.


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



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 :



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



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 :



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



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:

VÔ TUYẾN ĐIỆN ĐẠI CƯƠNGnvthanh/cours/votuyendien/CH10... · · 2016-09-14Hiệu suất...

Documents

Transcript of VÔ TUYẾN ĐIỆN ĐẠI CƯƠNGnvthanh/cours/votuyendien/CH10... · · 2016-09-14Hiệu suất...