Bộ khuếch đại Class A

Bộ khuếch đại Class A

Bộ khuếch đại bộ phát thông thường là loại bộ khuếch đại được sử dụng phổ biến nhất vì chúng có thể có độ lợi đi

Các bộ khuếch đại Emitter (CE) thông dụng được thiết kế để tạo ra sự thay đổi điện áp đầu ra lớn từ điện áp tín hiệu đầu vào tương đối nhỏ chỉ vài milivôn và được sử dụng chủ yếu làm "bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ" như chúng ta đã thấy trong các hướng dẫn trước.

Tuy nhiên, đôi khi cần có bộ khuếch đại để điều khiển các tải có điện trở lớn như loa hoặc để điều khiển động cơ trong rô bốt và đối với các loại ứng dụng này khi cần dòng chuyển mạch cao thì cần phải có Bộ khuếch đại công suất .

Chức năng chính của bộ khuếch đại công suất, còn được gọi là “bộ khuếch đại tín hiệu lớn” là cung cấp công suất, là sản phẩm của điện áp và dòng điện đến tải. Về cơ bản một bộ khuếch đại công suất cũng là một bộ khuếch đại điện áp, sự khác biệt là điện trở tải kết nối với đầu ra tương đối thấp, ví dụ một loa 4Ω hoặc 8Ω dẫn đến dòng điện cao chạy qua bộ thu của bóng bán dẫn.

Do các dòng tải cao này nên (các) bóng bán dẫn đầu ra được sử dụng cho các tầng đầu ra của bộ khuếch đại công suất như 2N3055 cần phải có xếp hạng điện áp và công suất cao hơn so với các bóng bán dẫn chung được sử dụng cho các bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ như BC107.

Vì chúng tôi quan tâm đến việc cung cấp nguồn AC tối đa cho tải, trong khi tiêu thụ nguồn DC tối thiểu có thể từ nguồn cung cấp, chúng tôi chủ yếu quan tâm đến “hiệu suất chuyển đổi” của bộ khuếch đại.

Tuy nhiên, một trong những nhược điểm chính của bộ khuếch đại công suất và đặc biệt là bộ khuếch đại Class A là hiệu suất chuyển đổi tổng thể của chúng rất thấp vì dòng điện lớn có nghĩa là một lượng điện năng bị mất đi dưới dạng nhiệt. Phần trăm hiệu suất trong bộ khuếch đại được định nghĩa là công suất đầu ra rms tiêu tán trong tải chia cho tổng công suất DC lấy từ nguồn cung cấp như hình dưới đây.

Hiệu quả của bộ khuếch đại công suất

• Ở đâu:
• η%   - là hiệu suất của bộ khuếch đại.
• Pout   - là công suất đầu ra của bộ khuếch đại được cung cấp cho tải.
• Pdc   - là nguồn DC lấy từ nguồn cung cấp.

Đối với một bộ khuếch đại công suất, điều rất quan trọng là bộ nguồn của bộ khuếch đại được thiết kế tốt để cung cấp công suất liên tục tối đa cho tín hiệu đầu ra.

Bộ khuếch đại Class A

Các loại thường được sử dụng hầu hết cấu hình khuếch đại công suất là Class A Amplifier . Bộ khuếch đại Class A là dạng bộ khuếch đại công suất đơn giản nhất sử dụng một bóng bán dẫn chuyển mạch duy nhất trong cấu hình mạch phát chung tiêu chuẩn như đã thấy trước đây để tạo ra đầu ra đảo ngược. Bóng bán dẫn luôn được phân cực "ON" để nó dẫn trong một chu kỳ hoàn chỉnh của dạng sóng tín hiệu đầu vào tạo ra độ méo nhỏ nhất và biên độ tối đa của tín hiệu đầu ra.

Điều này có nghĩa là cấu hình Bộ khuếch đại Class A là chế độ hoạt động lý tưởng, vì không thể có sự biến dạng chéo hoặc chuyển mạch đối với dạng sóng đầu ra ngay cả trong nửa âm của chu kỳ. Các tầng đầu ra của bộ khuếch đại công suất loại A có thể sử dụng một bóng bán dẫn công suất duy nhất hoặc các cặp bóng bán dẫn được kết nối với nhau để chia sẻ dòng tải cao. Hãy xem xét mạch khuếch đại Class A bên dưới.

Mạch Khuếch đại Một Giai đoạn

 

Đây là loại mạch khuếch đại công suất Class A đơn giản nhất. Nó sử dụng một bóng bán dẫn một đầu cho giai đoạn đầu ra của nó với tải điện trở được kết nối trực tiếp với đầu cuối Collector. Khi bóng bán dẫn chuyển sang trạng thái “BẬT”, nó sẽ làm chìm dòng điện đầu ra qua Bộ thu dẫn đến giảm điện áp không thể tránh khỏi trên điện trở Máy phát, do đó hạn chế khả năng đầu ra âm.

Hiệu suất của loại mạch này rất thấp (dưới 30%) và mang lại công suất đầu ra nhỏ cho sự tiêu hao lớn trên nguồn điện một chiều. Tầng khuếch đại Class A đi qua cùng một dòng tải ngay cả khi không có tín hiệu đầu vào nào được áp dụng, vì vậy cần có bộ tản nhiệt lớn cho các bóng bán dẫn đầu ra.

Tuy nhiên, một cách đơn giản khác để tăng khả năng xử lý dòng điện của mạch đồng thời thu được công suất lớn hơn là thay bóng bán dẫn đầu ra đơn bằng bóng bán dẫn Darlington . Những loại thiết bị này về cơ bản là hai bóng bán dẫn trong một gói duy nhất, một bóng bán dẫn “thí điểm” nhỏ và một bóng bán dẫn “chuyển mạch” khác lớn hơn. Ưu điểm lớn của các thiết bị này là trở kháng đầu vào lớn phù hợp trong khi trở kháng đầu ra tương đối thấp, do đó làm giảm tổn thất điện năng và do đó nhiệt trong thiết bị chuyển mạch.

Cấu hình bóng bán dẫn Darlington

 

Giá trị độ lợi dòng điện tổng thể Beta (β) hoặc giá trị hfe của thiết bị Darlington là sản phẩm của hai độ lợi riêng lẻ của các bóng bán dẫn nhân với nhau và giá trị β rất cao cùng với dòng điện thu cao có thể so với một mạch bóng bán dẫn duy nhất.

Để cải thiện hiệu suất công suất đầy đủ của bộ khuếch đại Class A , có thể thiết kế mạch với một máy biến áp được kết nối trực tiếp trong mạch Collector để tạo thành một mạch gọi là Bộ khuếch đại ghép nối biến áp . Máy biến áp cải thiện hiệu suất của bộ khuếch đại bằng cách kết hợp trở kháng của tải với trở kháng của đầu ra bộ khuếch đại bằng cách sử dụng tỷ số vòng ( n ) của máy biến áp và một ví dụ về điều này được đưa ra dưới đây.

Mạch khuếch đại kết hợp biến áp

 

Khi dòng điện góp, Ic giảm xuống dưới điểm Q tĩnh được thiết lập bởi điện áp phân cực cơ bản, do sự thay đổi của dòng điện cơ bản, từ thông trong lõi máy biến áp sụp đổ gây ra cảm ứng ef trong cuộn sơ cấp của máy biến áp. Điều này làm cho điện áp bộ thu tức thời tăng lên đến giá trị gấp đôi điện áp cung cấp 2Vcc tạo ra dòng điện cực thu lớn nhất gấp đôi Ic khi điện áp bộ thu ở mức nhỏ nhất. Khi đó, hiệu suất của loại cấu hình bộ khuếch đại Class A này có thể được tính toán như sau.

Điện áp Collector rms được đưa ra là:

Dòng điện thu rms được cho là:

Do đó, công suất rms cung cấp cho tải (Pac) được cho là:

Công suất trung bình lấy từ nguồn cung cấp (Pdc) được cho bởi:

và do đó hiệu suất của bộ khuếch đại Class A được ghép nối với Máy biến áp được cho là:

Một biến áp đầu ra cải thiện hiệu quả của bộ khuếch đại bằng cách kết hợp trở kháng của tải với trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại. Bằng cách sử dụng bộ biến áp đầu ra hoặc tín hiệu với tỷ lệ vòng quay phù hợp, hiệu suất của bộ khuếch đại loại A đạt 40% là có thể với hầu hết các bộ khuếch đại công suất loại A có sẵn trên thị trường thuộc loại cấu hình này.

Tuy nhiên, máy biến áp là một thiết bị cảm ứng do các cuộn dây và lõi của nó nên tốt nhất nên tránh sử dụng các thành phần cảm ứng trong các mạch chuyển mạch khuếch đại vì bất kỳ emf nào được tạo ra có thể làm hỏng bóng bán dẫn nếu không được bảo vệ thích hợp.

Ngoài ra, một nhược điểm lớn khác của loại mạch khuếch đại loại A ghép biến áp này là chi phí bổ sung và kích thước của biến áp âm thanh cần thiết.

Loại "Lớp" hoặc phân loại mà bộ khuếch đại được đưa ra thực sự phụ thuộc vào góc dẫn, phần 360 o của chu kỳ dạng sóng đầu vào, trong đó bóng bán dẫn đang dẫn. Trong bộ khuếch đại loại A, góc dẫn là 360 o hoặc 100% tín hiệu đầu vào đầy đủ trong khi ở các bộ khuếch đại khác, bóng bán dẫn dẫn trong một góc dẫn nhỏ hơn.

Có thể đạt được hiệu suất và công suất đầu ra lớn hơn của bộ khuếch đại Class A bằng cách sử dụng hai bóng bán dẫn bổ sung ở tầng đầu ra với một bóng bán dẫn là loại kênh NPN hoặc N trong khi bóng bán dẫn kia là kênh PNP hoặc P ( bổ sung) loại được kết nối trong cấu hình được gọi là cấu hình “push-pull”.

Loại cấu hình bộ khuếch đại công suất này thường được gọi là Bộ khuếch đại loại B và là một loại mạch khuếch đại âm thanh khác mà chúng ta sẽ xem xét trong hướng dẫn tiếp theo.