Phân tích mạch khuyếch đại công suất

Chúng ta sẽ phân tích mạch được cho ở hình 1 một cách tương đối chính xác,tuy vậy sai số sẽ không đáng kể so với trường hợp tính toán một cách chi tiết và phức tạp. Q1 và Q2 làm thành một cặp vi sai với điện trở cực phát chung R3. Thực chất Q1 là mạch khuếch đại cực phát chung, tải cực thu là R2, còn Q2 là mạch cực thu chung, nhận tín hiệu hồi tiếp từ ngõ ra Vout tại cực nền qua cầu phân thế AC  R4,R5,C2. Tín hiệu hồi tiếp được lặp lại tại cực phát chung Q1,Q2 và như vậy trở thành tín hiệu hồi tiếp âm đối với mạch khuếch đại.

Hình 1: mạch khuếch đại công suất với hồi tiếp âm.

Giá trị tụ C2 được chọn sao cho tỉ số hồi tiếp tín hiệu chỉ phụ thuộc vào R4 và R5 và cho bởi công thức:

Tụ này còn có công dụng làm giảm hệ số khuếch đại của toàn mạch đối với DC xuống bằng 1 để ổn định phân cực.

R3 ấn định dòng phân cực cho cặp transistor vi sai và đảm bảo điện áp phân cực tại điểm X là 0vdc. Trên hình vẽ ta thấy dòng iR3  qua R3 gần bằng 2mA và i1 + i2=iR3

Q3 là transistor khuếch đại cực phát chung nhận tín hiệu từ cực thu Q1 trên điện trở R2, điện trở cực thu của Q3 là R6, điện trở này ấn định dòng phân cực cho Q3. Một cách gần đúng, dòng cực thu Q3 (ic3) được tính:

I c3

Giảm thế trên R2 đảm bảo phân cực mối nối BE của Q3 sao cho transistor này hoạt động với dòng cực thu 10mA. Ở hình vẽ, để cho Vbe của Q3 khoảng 0,62V, R2 được chọn là 620 ohm. Ta có:

(bỏ qua dòng cực nền Q3)

R2 còn có công dụng nữa là giữ cho các dòng cực thu của cặp vi sai không thay đổi..

Dòng tĩnh  I cq phân cực ban đầu cho Q4,Q5 (để cặp transistor này hoạt động ở chế độ AB, giảm đến tối đa độ sái dạng xuyên tâm) được chọn là 60mA. Như vậy công suất tiêu tán nhiệt cho mỗi transistor ở chế độ tĩnh (chưa có tín hiệu) là:

Giảm thế trên R7,R8 không đáng kể

D1,D2,D3 giữ nhiệm vụ tạo dòng tĩnh Icq ban đầu  bằng các giảm thế trên chúng. Để dễ dàng điều chỉnh dòng Icq, ta chỉ cần mắc song song với D1,D2 một biến trở VR và điều chỉnh biến trở này.

Dòng phân cực cho các cực nền Q1,Q2 là 40 cho bởi :

Hệ số khuếch đại dòng của Q1,Q2 tại điểm phân cực:

Bây giờ ta xác định tổng trở vào, tổng trở ra và hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại công suất.

A.TRƯỜNG HỢP KHÔNG CÓ HỒI TIẾP (VÒNG HỞ)

1/  Tổng trở vào:

Ta cắt mạch hồi tiếp tại điểm X và nối masse điện trở R4.

Xét riêng Q1,Q2  ta có mạch ở hình 2.

Hình 2:

Mạch tương đương khi chuyển về cực phát chung của Q1,Q2 đối với tín hiệu vẽ ở hình 3. Do Q1 giống Q2, cùng dòng cực thu nên  re1 = re2 = re, hfe1 = hfe2 = hfe, re là điện trở tiếp giáp phát

Hình 3:

Do R5 << R4 và (R5/hfe + re) << R3 nên mạch đơn giản vẽ lại ở hình 4.

Hình 4:

Tín hiệu vào nhìn thấy 100k song song với tổng trở vào nhìn cực nền Q1. Gọi re là điện trở tiếp giáp phát với (đơn vị là  với Ie tính bằng mA ở nhiệt độ 25 độ C)

Ta có :

Tổng trở vào của mạch  Zin = hfe x (2x25) + (3300/hfe).

hfe,   Zin = 250 x () = 250 x 50 + 3300 =

12500 + 330016000 = 16K

2/ Tổng trở ra:

Tổng trở của transistor Q3 lớn, nên tổng trở ra của mạch Q3 bằng R6. Đối với Q4 và Q5, Q3 là nguồn tín hiệu có nội trở là  R6, do đó tổng trở ra của mạch khuếch đại  công suất bằng:

với hfe của Q4 khoảng 100

(transistor Q4)

= 15 + 0,4 +5 

3/ Hệ số khuếch đại của mạch

Đối với transistor Q3, R2 song song với điện trở ngõ vào. Do dòng cực thu tĩnh là 10mA, điện trở tiếp giáp phát  và do đó tổng trở nhìn từ cực nền :

hfe.re  (nếu lấy hfe của Q3 là 100). Hệ số khuếch đại điện áp của cặp transistor vi sai :

(*)

Hệ số khuếch đại điện áp của mạch transistor Q3

Hệ số khuếch đại điện áp của mạch

Av1 x Av2 = 3,5 x 600 = 2100

Vì Q3  có hệ số khuếch đại theo dòng cực thu nên Av sẽ thay đổi theo biên độ tín hiệu  ngõ ra Vout, cụ thể như sau :

Giá trị 2100  được tính ở chế độ tĩnh.

Ghi chú (*) : Dấu // trong các công thức này chỉ điện trở tương đương của 2 điện trở mắc song song với nhau. Ví dụ: 250//620 là điện trở tương đương của 2 điện trở có giá trị 250 và 620 mắc song song.

B. TRƯỜNG HỢP CÓ HỒI TIẾP (VÒNG KÍN)

Như đã biết, hồi tiếp ở dạng hình 1 thuộc loại hồi tiếp điện áp nối tiếp (lấy điện áp ngõ ra đưa về ngõ vào nối tiếp với tín hiệu) nên tổng trở vào của mạch tăng  lần và tổng trở ra của mạch giảm  lần, hệ số khuếch đại toàn mạch giảm  lần. Av = 2100, .

Av 1+ Av

Tổng trở vào của mạch khi có hồi tiếp  Zinf.

Zinf = Zin x70 = 16k x 70 = 1120k.

Tổng trở vào của toàn mạch đối với tín hiệu Vin.

Zinf = 1120k // 100k  92k.

Tổng trở ra của mạch khi có hồi tiếp Zof.

Chú ý là đây chỉ là tổng trở được tính toán đối với tín hiệu nhỏ và điều này không có nghĩa là với tải 1, ta sẽ có biên độ tín hiệu ra lớn vì điện rở R7,R8 sẽ giới hạn biên độ này. Với tải 4 ở mạch hình 1, ta có khoảng 10v  đỉnh ---đỉnh cho tín hiệu ra Vout.

Hệ số khuếch đại khi có hồi tiếp Avf.

nghĩa là

Điều này chứng tỏ rằng hệ số khuếch đại của mạch rất ổn định không phụ thuộc vào các linh kiện của mạch.

Ta có bảng sau làm thí dụ của mạch hình 1

Tham số của mạch	Không có hồi tiếp	Có hồi tiếp
Vout	-10V        0V             10V	-10V        0V           10V
Zin	16K       16K           16K	92K        92K         92K
Zo
Av	1360       2100         2400	30,6        30,84         30,9

Để nâng chất lượng của mạch ta có thể thay R3,R6 bằng các nguồn dòng và để nâng công suất  của mạch khuếch đại, ta nâng điện áp nguồn cung cấp Vcc,Vee, chọn cặp BJT công suất có công suất lớn hơn, thêm vào cặp transistor drive để đảm bảo mạch khuếch đại điện áp Q3 vẫn đủ khả năng cấp dòng.

Hình 5:

Sưu tầm