Giáo trình Kỹ thuật truyền thanh - Chương V: Mạch khuếch đại âm tần

kiện cân bằng biên độ thì hiện tượng dao động sẽ xảy ra. Điều kiện lệch pha có thể gặp trong hai trường hợp:
Trường hợp f << fl ở tần số thật thấp tín hiệu ra có thể sớm pha 1800 so với tín hiệu vào, nếu có điều kiện cân bằng biên độ sẽ có hiện tượng dao động ở tần số thấp gọi là”motor boating“ do tiếng loa kêu như tiếng máy tàu nổ bịch bịch. Hiện tượng này không gây tác dụng hư máy và rất dễ phát hiện.
Trường hợp f >> fh ở tần số thật cao, ngoài phạm vi âm tần, tín hiệu ra có thể trễ pha so với tín hiệu vào nếu có điều kiện cân bằng biên độ, hiện tượng dao động ở tần số cao hoặc siêu âm có thể xảy ra gây hư hại cho mạch khuếch đại do rất khó phát hiện sớm. Ta chỉ phân tích trường hợp tần số cao.
Hàm truyền của mạch khuếch đại có hồi tiếp bằng:
.
nếu khối hồi tiếp có thể gây lệch pha, T(jw) là hàm truyền vòng hở.
Khi nghiên cứu mạch mạch dao động có đường hồi tiếp dương, ta biết được điều kiện để mạch dao động là:
T(jw) = b(jw).Av(jw) = 1.
Do vậy, để tránh hiện tượng dao động ở mạch khuếch đại, ta phải tránh điều kiện trên tức là phải chọn hàm truyền vòng hở sao cho:
T(jw) = b(jw).Av(jw) ¹ 1.
H.V-13a là giản đồ T(jw) = b(jw)Av(jw) của mạch khuếch đại một tầng có đường hồi tiếp âm, góc lệch pha j giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào không vượt quá 900. Mạch không bao giờ có tình trạng mất ổn định
Sau đây (H.V-13) là giản đồ Nuquist (biểu đồ tọa độ cực) đặc trưng cho quan giữa hệ số khuếch đại vòng hở b(w)Av(w) = T(w) với góc lệch phagây ra bởi mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp âm.
T(jw)
w > wh
w = wh
w < wh
Im
a)
Re
0
1
w = 0
wc)
Re
Re
w < wh
w = wh
w < wh
w < wh
w = wh
w = wh
T(jw)
0
w = 0
e)
0
w = 0
Im
wc)
1
Re
H.V-13b liên quan đến mạch khuếch đại có hai tầng ghép liên tiếp không gây lệch pha quá 1800, vậy không thể có tình trạng mất ổn định nếu khối hồi tiếp không gây lệch pha.
b)
T(jw)
w = 0
0
w = wh
w < wh
Im
w > wh
T(jw)
Re
0
1
w = 0
H.V-13c liên quan đến ba tầng khuếch đại có thể gây lệch pha đến 2700 nhưng khi đến tần số w = wc, góc lệch pha đạt 180o thỏa điều kiện cân bằng pha nhưng vẫn không có tình trạng mất ổn định do điều kiện cân bằng biên độ không đạt vì b(wc)Av(wo) < 1.
d)
c)
H.V-13d cũng liên quan đến ba tầng khuếch đạivới mạch hồi tiếp âm có thể mất ổn định vì khi ở tần số w = wc góc lệch pha đạt 1800 đường hồi tiếp âm trở thành dương, hệ số khuếch đại vòng hở b(w)Av(wc) > 1.
Im
Im
T(jw)
wc)
1
H.V-13e cũng liên quan đến mạch H.V-13d nhưng vẫn ổn định vì hàm truyền vòng hở T(jw) đã được cải thiện bằng cách cắt này phải dự trù sao cho dải tần làm cho việc vẫn còn trong phạm vi yêu cầu .
w > wh
1
H.V-13
V.Mạch khuếch đại công suất:
1.Các tôpô mạch: 
a. Tôpô đẩy kéo (H.V-14):
Tôpô này dùng máy biến áp ra có dây nối giữa, yêu cầu hai tín hiệu nghịch pha nhau kéo hai transitor Q1 và Q2 là việc ở chế độ AB để giảm bớt hiện tượng méo biên độ gọi là méo chuyển tiếp. Để có hai tín hiệu nghịch pha nhau phải có máy biến áp hay mạch đảo pha.
Zl
n1
n1
n2
H.V-14
Các ưu điểm của tôpô này:
- Công suất gấp đôi tôpô một transistor.
- Loại được sóng hài chẵn.
- Loại được tiếng ù do nguồn lọc chưa tốt.
- Có thể làm việc ở chế độ AB, do vậy hiệu suất cao hơn tôpô một transistor làm việc ở chế độ A để giảm hiện tượng méo biên độ.
- Có thể nhận tín hiệu vào biên độ gấp đôi so với tôpô một một transitor mà chưa có hiện tượng méo biên độ.
- Máy biến áp ra tuyến tính hơn so với máy biến áp ở tôpô một transitor.
- Vì có máy biến áp ra nên có thể có điều kiện dung hợp tổng trở tối ưu và truyền tín hiệu đến loa ở cự ly xa.
Nhược điểm:
- Máy biến áp ra là linh kiện phi tuyến gây hiện tượng méo phi tuyến tức là méo biên độ.
- Máy biến áp ra làm việc không tốt ở tần số thật thấp do nguyên lý cơ bản của máy biến áp.
- Máy biến áp ra làm việc không tốt ở tần số thật cao do cảm kháng tản máy biến áp.
- Máy biến áp có thể làm hư transitor công suất lúc non tải hay không tải.
b. Tôpô nửa cầu (H.V-15a, b):
Có hai tôpô nửa cầu là tôpô dùng hai nguồn đối xứng và tôpô dùng một nguồn.
PC: khối tạo điện áp phân cực.
b)
a)
H.V-15
Điện áp tín hiệu biên độ cực đại ra loa khi mạch có tôpô dùng hai nguồn đối xứng làm việc dưới dạng sin có dạng H.V-16a.
Vt
Q1 dẫn trong bán kỳ dương tín hiệu, Q2 dẫn trong bán kỳ âm tín hiệu. Công suất lý thuyết trung bình tín hiệu sin biên độ lớn nhất bằng .
-Vcc
+Vcc
t
H.V-16a
Q1 dẫn
Q1 dẫn
Q2 dẫn
Tín hiệu ra điểm A gồm hai thành phần:
- Thành phần một chiều điện áp bằng và thành phần dạng sin biên độ cực đại bằng .
- Tín hiệu ra điểm B là tín hiệu vào loa chỉ còn thành phần dạng sin biên độ cực đại bằng . Thành phần một chiều được cách ly bởi tụ điện ra loa C.
Công suất trung bình khi ra biên độ cao nhất bằng:
Khi khuếch đại tín hiệu sin biên độ cao nhất , tín hiệu tại A và B tại ngõ ra A và B mạch có tôpô dùng một nguồn có dạng H.V-16b và c.
VB
VA
Vcc
t
0
0
Q2 dẫn
Q1 dẫn
Q1 dẫn
t
H.V-16
.
c. Tôpô cầu:
Mạch có tôpô cầu là hai mạch có tôpô nửa cầu làm việc song song nhau nhưng với hai tín hiệu tại hai ngõ vào ngịch pha nhau như H.V-16a.
a)
H.V-16b là tín hiệu ra tại A, có điện áp ra cao nhất và thấp nhất Q1 và Q’1 dẫn tương tự như mạch tôpô nửa cầu dùng một nguồn.
Zt
H.V-16c là tín hiệu ra tại B, sơ đồ tương tự nhưng làm việc với tín hiệu nghịch pha.
H.V-16d là tín hiệu ra loa bằng VA –VB, là hiệu số điện thế giữa hai tín hiệu tại A và B, có biên độ cực đại bằng Vcc, thành phần một chiều được loại ra khỏi loa.
d)
c)
b)
-Vcc
+Vcc
t
t
Công suất trung bình lý thuyết tín hiệu ra loa khi làm việc với biên độ tín hiệu cực đại bằng:
Vcc
0
VB
VA
Vcc
t
0
Sau đây là ưu và nhược điểm của các mạch có tôpô nửa cầu và cầu:
- Các mạch đều có tất cả ưu điểm của mạch đẩy kéo, thêm vào đó là loa được kéo trực tiếp, không qua máy biến áp là linh kiện gây hiện tượng méo biên độ, méo tần số. Mạch tôpô cầu là mạch cho ra công suất lớn với điện áp nguồn nuôi thấp.
Tuy nhiên các mạch vẫn có nhược điểm là chỉ phù hợp với loa có tổng trở nhất định. Tín hiệu ra không truyền được ra loa ở cự ly xa. Mạch yêu cầu phải dùng dây loa có điện trở càng thấp càng tốt.
VA - VB
0
Q1 và Q’2 dẫn
Q2 và Q’1 dẫn
Q1 và Q’2 dẫn
H.V-16
2. Các cấu hình mạch khuếch đại công suất thường gặp:
Sau đây là cấu hình khối cho các mạch có tôpô nửa cầu dùng nguồn đôi và nguồn đơn (H.V-17):
Dịch điện áp lên
Khuếch đại điện áp cuối
Vào
PC-BN
Khuếch đại
So sánh
Dịch điện áp xuống
Khuếch đại điện áp cuối
H.V-17
Zt
* Các khối có thể sử dụng thêm vào hay thay cho các khối tương ứng ở dưới.
hồi tiếp âm
Đặc điểm mạch khuếch đại công suất là các transitor thường được ghép tín hiệu trực tiếp từ tầng trước qua tầng sau để có thể làm việc tốt ở tần số thật thấp, do vậy vấn đề cân bằng giữa các nhánh nửa cầu và ổn định dòng tĩnh cần phải được giải quyết bằng mạch hồi tiếp âm điện áp một chiều với tỷ số hồi tiếp bằng 1. Để nới rộng dải tần làm việc cần phải có mạch hồi tiếp âm tín hiệu với tỷ số hồi tiếp thích hợp để mạch có dải thông và độ lợi đạt yêu cầu. Thông thường chỉ cần một đường hồi tiếp duy nhất có tỷ số hồi tiếp bằng 1 đối với điện một chiều và từ 0.05 đến 0.1 đối với tín hiệu âm tần để có hệ số khuếch đại bằng từ 0 đến 20.
- Qk1, Qk2 : có các transistor kéo transistor công suất Q1 và Q2.
- Khối PC-BN: khối tạo điện áp phân cực cho Q1 và Q2 làm việc ở chế độ AB và bù nhiệt cho Q1 và Q2. Điện áp giữa hai cực khiển Qk1 và Qk2 phụ thuộc vào số mặt tiếp giáp PN mắc nối tiếp từ cực khiển Qk1 đến cực khiển Qk2. 
- Tầng khuếch đại điện áp cuối: là tầng khuếch đại điện áp cuối cùng trước phần khuếch đại dòng gồm Q1, Q2, Qk1 và Qk2.
- Tầng dịch điện áp lên hay xuống: tầng này không khuếch đại tín hiệu mà có khi còn làm suy giảm tín hiệu, chức năng tầng này là để dịch thành phần một chiều tại ngõ ra tầng khuếch đại so sánh lên hay xuống cho phù hợp với yêu cầu tầng khuếch đại điện áp cuối phía sau. Tầng này trong nhiều sơ đồ có thể không được dùng nếu ngõ ra tầng so sánh có thành phần một chiều phù hợp với tầng khuếch đại điện áp.
- Tầng khuếch đại so sánh: có chức năng duy trì sự cân bằng dòng tĩnh giữa hai transistor công suất Q1 và Q2 và đồng thời nhận tín hiệu hồi tiếp âm.
- Khối hồi tiếp khối này đưa tín hiệu hồi tiếp âm đến mạch khuếch đại. Tỷ số hồi tiếp bằng:
 đối với tín hiệu, bDC = 1 đối với điện một chiều.
- Các tụ điện Cch và điện trở Rch: để cắt bớt độ lợi của mạch hay ở các khối, nhất là khối khuếch đại điện áp ở tần số cao để duy trì sự ổn định của mạch.
Sau đây là cấu hình khối của mạch có tôpô cầu: (H.V-18).
H.V-18
Vi2= -Vi1
Zt
Vi1
Vi
Khối
đảo
pha
Khuếch đại
Công suất 1
Khuếch đại
Công suất 2