Bài giảng Vô tuyến điện đại cương: Chương 10 - TS. Ngô Văn Thanh

Chia sẻ: Little Little | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:19

Thêm vào BST

Báo xấu

65
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương 10 bao gồm các kiến thức về khuếch đại công suất. Nội dung chính trong chương này gồm: Khuếch đại loại C, khuếch đại công suất NorCal 40A, khuếch đại công suất loại D, khuếch đại công suất loại E, khuếch đại công suất loại F, khuếch đại công suất loại B, mô hình hoá nhiệt.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vô tuyến điện đại cương: Chương 10 - TS. Ngô Văn Thanh

VÔ TUYẾN ĐIỆN ĐẠI CƯƠNG TS. Ngô Văn Thanh Viện Vật Lý Hà Nội - 2016
2 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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 : nvthanh@iop.vast.ac.vn
3 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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
4 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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
5 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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
6 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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 :
7 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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
8 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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
9 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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
10 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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
11 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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 :
12 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 4. Khuếch đại công suất loại E  So sánh hiệu suất
13 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 4. Khuếch đại công suất loại E  Mạch khuếch đại 500 W  MOSFET : field-effect transistor MOS  MOS : metal-oxide-semiconductor.
14 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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
15 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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 :
16 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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
17 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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 :
18 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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
19 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 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: