Giới thiệu về Bộ khuếch đại

Giới thiệu về Bộ khuếch đại

Bộ khuếch đại là một thiết bị hoặc mạch điện tử được sử dụng để tăng cường độ của tín hiệu được đưa vào đầu vào của nó

Bộ khuếch đại là thuật ngữ chung được sử dụng để mô tả một mạch tạo ra và tăng phiên bản của tín hiệu đầu vào của nó. Tuy nhiên, không phải tất cả các mạch khuếch đại đều giống nhau vì chúng được phân loại theo cấu hình mạch và phương thức hoạt động.

Trong “Điện tử”, bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ là thiết bị được sử dụng phổ biến vì chúng có khả năng khuếch đại tín hiệu đầu vào tương đối nhỏ, ví dụ như từ Cảm biến như thiết bị hình ảnh, thành tín hiệu đầu ra lớn hơn nhiều để điều khiển rơ le, đèn hoặc loa ngoài chẳng hạn.

Có nhiều dạng mạch điện tử được phân loại như bộ khuếch đại, từ Bộ khuếch đại hoạt động và Bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ cho đến Bộ khuếch đại tín hiệu và công suất lớn. Việc phân loại bộ khuếch đại phụ thuộc vào kích thước của tín hiệu, lớn hay nhỏ, cấu hình vật lý của nó và cách nó xử lý tín hiệu đầu vào, đó là mối quan hệ giữa tín hiệu đầu vào và dòng điện chạy trong tải.

Loại hoặc phân loại Bộ khuếch đại được đưa ra trong bảng sau.

Phân loại Bộ khuếch đại tín hiệu

Loại tín hiệu	Loại cấu hình	Phân loại	Tần suất hoạt động
Tín hiệu nhỏ	Máy phát điện chung	Bộ khuếch đại Class A	Dòng điện một chiều (DC)
Tín hiệu lớn	Cơ sở, nền tảng chung	Bộ khuếch đại Class B	Tần số âm thanh (AF)
	Bộ sưu tập chung	Bộ khuếch đại Class AB	Tần số vô tuyến (RF)
		Bộ khuếch đại Class C	Tần số VHF, UHF và SHF

Bộ khuếch đại có thể được coi là một hộp hoặc khối đơn giản chứa thiết bị khuếch đại, chẳng hạn như Bóng bán dẫn lưỡng cực, Bóng bán dẫn hiệu ứng trường hoặc Bộ khuếch đại hoạt động, có hai đầu vào và hai đầu ra (nối đất là chung) với tín hiệu đầu ra lớn hơn nhiều so với tín hiệu đầu vào vì nó đã được "Khuếch đại".

Một bộ khuếch đại tín hiệu lý tưởng sẽ có ba đặc tính chính: Điện trở đầu vào hoặc (R IN ), Điện trở đầu ra hoặc (R OUT ) và tất nhiên khuếch đại thường được gọi là Gain hoặc ( A ). Cho dù một mạch khuếch đại phức tạp đến đâu, một mô hình khuếch đại chung vẫn có thể được sử dụng để chỉ ra mối quan hệ của ba đặc tính này.

Mẫu bộ khuếch đại lý tưởng

Sự khác biệt được khuếch đại giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra được gọi là Độ lợi của bộ khuếch đại. Về cơ bản, độ lợi là một thước đo mức độ một bộ khuếch đại “khuếch đại” tín hiệu đầu vào. Ví dụ, nếu chúng ta có tín hiệu đầu vào là 1 volt và đầu ra là 50 volt, thì mức tăng của bộ khuếch đại sẽ là "50". Nói cách khác, tín hiệu đầu vào đã được tăng thêm hệ số 50. Mức tăng này được gọi là Gain .

Độ lợi của bộ khuếch đại chỉ đơn giản là tỷ số của đầu ra chia cho đầu vào. Độ lợi không có đơn vị là tỷ lệ của nó, nhưng trong Điện tử, nó thường được ký hiệu là "A", cho Khuếch đại. Sau đó, độ lợi của một bộ khuếch đại được tính đơn giản là "tín hiệu đầu ra chia cho tín hiệu đầu vào".

Bộ khuếch đại tăng

Giới thiệu về độ lợi bộ khuếch đại có thể nói là mối quan hệ tồn tại giữa tín hiệu đo ở đầu ra với tín hiệu đo ở đầu vào. Có ba loại khuếch đại khuếch đại khác nhau có thể được đo và đó là: Độ lợi điện áp ( Av ), Độ lợi dòng điện ( Ai ) và Độ lợi công suất ( Ap ) tùy thuộc vào đại lượng được đo với các ví dụ về các loại độ lợi khác nhau được đưa ra bên dưới .

Bộ khuếch đại Thu được tín hiệu đầu vào

Tăng điện áp khuếch đại

Bộ khuếch đại hiện tại tăng

Bộ khuếch đại công suất tăng

Lưu ý rằng đối với Power Gain, bạn cũng có thể chia công suất thu được ở đầu ra với công suất thu được ở đầu vào. Ngoài ra, khi tính toán độ lợi của bộ khuếch đại, các ký hiệu con v , i và p được sử dụng để biểu thị loại độ lợi tín hiệu đang được sử dụng.

Mức tăng công suất (Ap) hoặc mức công suất của bộ khuếch đại cũng có thể được biểu thị bằng Decibel , ( dB ). Bel (B) là đơn vị đo logarit (cơ số 10) không có đơn vị đo. Kể từ khi Bel là một đơn vị quá lớn của biện pháp, nó được bắt đầu bằng deci làm cho nó decibel thay vì với một decibel là một phần mười (1/10) của một Bel. Để tính toán độ lợi của bộ khuếch đại theo Decibel hoặc dB, chúng ta có thể sử dụng các biểu thức sau.

Tăng điện áp tính bằng dB: a v = 20 * log (Av)
Tăng hiện tại tính bằng dB: a i = 20 * log (Ai)
Công suất tăng theo dB: a p = 10 * log (Ap)

Lưu ý rằng mức tăng công suất DC của bộ khuếch đại bằng mười lần log chung của tỷ lệ đầu ra và đầu vào, trong đó mức tăng điện áp và dòng điện bằng 20 lần log chung của tỷ lệ. Tuy nhiên, lưu ý rằng 20dB không nhiều gấp đôi so với 10dB vì thang đo nhật ký.

Ngoài ra, giá trị dương của dB biểu thị Mức tăng và giá trị âm của dB thể hiện Suy hao trong bộ khuếch đại. Ví dụ: độ lợi của bộ khuếch đại + 3dB cho biết tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại đã “tăng gấp đôi”, (x2) trong khi độ lợi của bộ khuếch đại là -3dB cho biết tín hiệu đã “giảm một nửa”, (x0,5) hay nói cách khác là mất .

Điểm -3dB của bộ khuếch đại được gọi là điểm bán phần công suất giảm -3dB so với mức tối đa, lấy 0dB làm giá trị đầu ra lớn nhất.

Ví dụ về bộ khuếch đại số 1

Xác định điện áp, dòng điện và độ lợi công suất của một bộ khuếch đại có tín hiệu đầu vào là 1mA ở 10mV và tín hiệu đầu ra tương ứng là 10mA ở 1V. Ngoài ra, biểu thị cả ba mức tăng bằng decibel, (dB).

Các bộ khuếch đại khác nhau đạt được:

Mức tăng khuếch đại tính bằng Decibel (dB):

Sau đó, bộ khuếch đại có Điện áp tăng, (Av) là 100, Tăng hiện tại, (Ai) là 10 và Tăng công suất, (Ap) là 1.000

Nói chung, bộ khuếch đại có thể được chia thành hai loại riêng biệt tùy thuộc vào công suất hoặc độ lợi điện áp của chúng. Một loại được gọi là Bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ bao gồm bộ tiền khuếch đại, bộ khuếch đại thiết bị đo đạc, v.v. Bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ được thiết kế để khuếch đại mức điện áp tín hiệu rất nhỏ chỉ vài micro-volt (μV) từ cảm biến hoặc tín hiệu âm thanh.

Loại còn lại được gọi là Bộ khuếch đại tín hiệu lớn như bộ khuếch đại công suất âm thanh hoặc bộ khuếch đại chuyển đổi công suất. Bộ khuếch đại tín hiệu lớn được thiết kế để khuếch đại tín hiệu điện áp đầu vào lớn hoặc chuyển đổi dòng tải nặng như bạn thường thấy khi sử dụng loa phóng thanh.

Bộ khuếch đại công suất

Các Nhỏ Amplifier Signal thường được gọi là một “áp” khuếch đại bởi vì họ thường chuyển đổi một điện áp đầu vào nhỏ thành một điện áp đầu ra lớn hơn nhiều. Đôi khi cần phải có mạch khuếch đại để điều khiển động cơ hoặc cấp nguồn cho loa và đối với những loại ứng dụng này, nơi cần dòng chuyển mạch cao thì cần phải có Bộ khuếch đại công suất .

Như tên gọi của chúng cho thấy, công việc chính của “Bộ khuếch đại công suất” (còn được gọi là bộ khuếch đại tín hiệu lớn), là cung cấp năng lượng cho tải và như chúng ta đã biết ở trên, là sản phẩm của điện áp và dòng điện áp dụng cho tải với công suất tín hiệu đầu ra lớn hơn công suất tín hiệu đầu vào. Nói cách khác, bộ khuếch đại công suất khuếch đại công suất của tín hiệu đầu vào, đó là lý do tại sao các loại mạch khuếch đại này được sử dụng trong các giai đoạn đầu ra của bộ khuếch đại âm thanh để điều khiển loa.

Bộ khuếch đại công suất hoạt động dựa trên nguyên lý cơ bản là biến đổi nguồn điện một chiều lấy ra từ bộ nguồn thành tín hiệu điện áp xoay chiều đưa đến tải. Mặc dù độ khuếch đại cao nhưng hiệu quả của việc chuyển đổi từ đầu vào nguồn điện một chiều sang đầu ra tín hiệu điện áp xoay chiều thường kém.

Bộ khuếch đại hoàn hảo hoặc lý tưởng sẽ cho chúng tôi đánh giá hiệu suất là 100% hoặc ít nhất công suất “IN” sẽ bằng công suất “OUT”. Tuy nhiên, trong thực tế điều này không bao giờ có thể xảy ra vì một phần công suất bị mất dưới dạng nhiệt và bản thân bộ khuếch đại cũng tiêu thụ điện năng trong quá trình khuếch đại. Khi đó hiệu suất của bộ khuếch đại được cho là:

Hiệu quả Bộ khuếch đại

Bộ khuếch đại lý tưởng

Chúng ta có thể biết chỉ định các đặc điểm cho một bộ khuếch đại lý tưởng từ cuộc thảo luận của chúng ta ở trên liên quan đến Độ lợi của nó , nghĩa là độ lợi điện áp:

Độ lợi của bộ khuếch đại, ( A ) phải không đổi đối với các giá trị khác nhau của tín hiệu đầu vào.
Độ lợi không bị ảnh hưởng bởi tần số. Tín hiệu của tất cả các tần số phải được khuếch đại chính xác với cùng một lượng.
Độ lợi của bộ khuếch đại không được thêm nhiễu vào tín hiệu đầu ra. Nó sẽ loại bỏ bất kỳ tiếng ồn nào đã tồn tại trong tín hiệu đầu vào.
Độ lợi của bộ khuếch đại không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ, do đó nhiệt độ ổn định tốt.
Độ lợi của bộ khuếch đại phải duy trì ổn định trong thời gian dài.

Các lớp khuếch đại điện tử

Việc phân loại bộ khuếch đại là điện áp hay bộ khuếch đại công suất được thực hiện bằng cách so sánh các đặc tính của tín hiệu đầu vào và đầu ra bằng cách đo lượng thời gian liên quan đến tín hiệu đầu vào mà dòng điện chạy trong mạch đầu ra.

Chúng ta đã thấy trong hướng dẫn về Bóng bán dẫn phát điện chung rằng để bóng bán dẫn hoạt động trong “Vùng hoạt động” của nó, một số dạng “Xu hướng cơ sở” được yêu cầu. Điện áp Bias cơ sở nhỏ này được thêm vào tín hiệu đầu vào cho phép bóng bán dẫn tái tạo dạng sóng đầu vào đầy đủ ở đầu ra của nó mà không bị mất tín hiệu.

Tuy nhiên, bằng cách thay đổi vị trí của điện áp phân cực Cơ sở này, có thể vận hành bộ khuếch đại ở chế độ khuếch đại khác với chế độ khuếch đại để tái tạo dạng sóng đầy đủ. Với sự ra đời của bộ khuếch đại điện áp phân cực Cơ sở, có thể thu được các phạm vi hoạt động và chế độ hoạt động khác nhau được phân loại theo phân loại của chúng. Các chế độ hoạt động khác nhau này được biết đến nhiều hơn với tên gọi là Class Amplifier .

Bộ khuếch đại công suất âm thanh được phân loại theo thứ tự bảng chữ cái tùy theo cấu hình mạch và chế độ hoạt động của chúng. Các bộ khuếch đại được chỉ định bởi các lớp hoạt động khác nhau như lớp “A”, lớp “B”, lớp “C”, lớp “AB”, v.v. Các lớp khuếch đại khác nhau này trải dài từ đầu ra gần tuyến tính nhưng hiệu suất thấp đến không đầu ra tuyến tính nhưng với hiệu quả cao.

Không có lớp hoạt động nào là “tốt hơn” hoặc “kém hơn” so với bất kỳ lớp nào khác với kiểu hoạt động được xác định bằng cách sử dụng mạch khuếch đại. Có các hiệu suất chuyển đổi tối đa điển hình cho các loại hoặc loại bộ khuếch đại khác nhau, với hiệu suất phổ biến nhất được sử dụng là:

Bộ khuếch đại Class A - có hiệu suất thấp dưới 40% nhưng tái tạo tín hiệu tốt và tuyến tính.
Bộ khuếch đại Class B - có hiệu suất gấp đôi so với các bộ khuếch đại loại A với hiệu suất lý thuyết tối đa khoảng 70% vì thiết bị khuếch đại chỉ dẫn (và sử dụng nguồn) cho một nửa tín hiệu đầu vào.
Bộ khuếch đại Class AB - có xếp hạng hiệu quả giữa Class A và Class B nhưng khả năng tái tạo tín hiệu kém hơn so với các bộ khuếch đại Class A.
Bộ khuếch đại Class C - là lớp khuếch đại hiệu quả nhất nhưng độ méo rất cao vì chỉ một phần nhỏ của tín hiệu đầu vào được khuếch đại do đó tín hiệu đầu ra rất ít giống với tín hiệu đầu vào. Bộ khuếch đại Class C có khả năng tái tạo tín hiệu kém nhất.

Hoạt động của Bộ khuếch đại Class A

Hoạt động của Bộ khuếch đại Class A là nơi toàn bộ dạng sóng tín hiệu đầu vào được tái tạo trung thực ở đầu ra của bộ khuếch đại vì bóng bán dẫn được phân cực hoàn hảo trong vùng hoạt động của nó. Điều này có nghĩa là bóng bán dẫn chuyển mạch không bao giờ được điều khiển vào vùng cắt hoặc vùng bão hòa của nó. Kết quả là tín hiệu đầu vào AC hoàn toàn “tập trung” giữa các giới hạn tín hiệu trên và dưới của bộ khuếch đại như hình dưới đây.

Dạng sóng đầu ra của bộ khuếch đại Class A

Cấu hình bộ khuếch đại Class-A sử dụng cùng một bóng bán dẫn chuyển mạch cho cả hai nửa của dạng sóng đầu ra và do sự sắp xếp xu hướng trung tâm của nó, bóng bán dẫn đầu ra luôn có dòng điện xu hướng DC không đổi, ( I CQ ) chạy qua nó, ngay cả khi không có tín hiệu đầu vào hiện tại. Nói cách khác, các bóng bán dẫn đầu ra không bao giờ “TẮT” và ở trạng thái nhàn rỗi.

Điều này dẫn đến hoạt động của loại Class-A hơi kém hiệu quả vì khả năng chuyển đổi nguồn điện một chiều thành công suất tín hiệu AC được cung cấp cho tải thường rất thấp.

Do điểm phân cực trung tâm này, bóng bán dẫn đầu ra của bộ khuếch đại Class-A có thể rất nóng, ngay cả khi không có tín hiệu đầu vào, vì vậy cần phải có một số hình thức tản nhiệt. Dòng điện xu hướng DC chạy qua bộ góp của bóng bán dẫn ( I CQ ) bằng dòng điện chạy qua tải bộ góp. Do đó, bộ khuếch đại Class-A rất kém hiệu quả vì hầu hết nguồn điện một chiều này được chuyển thành nhiệt.

Hoạt động của Bộ khuếch đại Class B

Không giống như chế độ hoạt động của bộ khuếch đại Class-A ở trên sử dụng một bóng bán dẫn duy nhất cho tầng công suất đầu ra của nó, Bộ khuếch đại Class-B sử dụng hai bóng bán dẫn miễn phí (NPN và PNP hoặc NMOS và PMOS) để khuếch đại mỗi nửa của dạng sóng đầu ra.

Một bóng bán dẫn chỉ dẫn cho một nửa dạng sóng tín hiệu trong khi bóng bán dẫn kia dẫn cho nửa kia hoặc nửa đối diện của dạng sóng tín hiệu. Điều này có nghĩa là mỗi bóng bán dẫn dành một nửa thời gian của nó trong vùng hoạt động và một nửa thời gian ở vùng cắt, do đó chỉ khuếch đại 50% tín hiệu đầu vào.

Hoạt động Class-B không có điện áp phân cực DC trực tiếp không giống như bộ khuếch đại class-A, nhưng thay vào đó bóng bán dẫn chỉ dẫn khi tín hiệu đầu vào lớn hơn điện áp bộ phát gốc ( V BE ) và đối với bóng bán dẫn silicon, khoảng 0,7v. Do đó với tín hiệu đầu vào bằng không sẽ có đầu ra bằng không. Vì chỉ một nửa tín hiệu đầu vào được trình bày ở đầu ra của bộ khuếch đại, điều này cải thiện hiệu quả của bộ khuếch đại so với cấu hình Class-A trước đó như được hiển thị bên dưới.

Dạng sóng đầu ra của bộ khuếch đại Class B

Trong bộ khuếch đại Class-B, không có điện áp DC nào được sử dụng để phân cực các bóng bán dẫn, vì vậy, để các bóng bán dẫn đầu ra bắt đầu dẫn từng nửa dạng sóng, cả dương và âm, chúng cần điện áp phát gốc V BE lớn hơn sự sụt giảm điện áp thuận 0,7v cần thiết để một bóng bán dẫn lưỡng cực tiêu chuẩn bắt đầu dẫn điện.

Do đó, phần dưới của dạng sóng đầu ra nằm dưới cửa sổ 0,7v này sẽ không được tái tạo chính xác. Điều này dẫn đến một vùng bị méo của dạng sóng đầu ra khi một bóng bán dẫn chuyển sang trạng thái “TẮT” chờ bóng bán dẫn kia chuyển về “BẬT” khi V BE > 0,7V . Kết quả là có một phần nhỏ của dạng sóng đầu ra tại điểm giao nhau của điện áp 0 sẽ bị méo. Loại méo này được gọi là Méo chéo và được xem xét ở phần sau của phần này.

Hoạt động của Bộ khuếch đại Class AB

Bộ khuếch đại Class-AB là sự dung hòa giữa cấu hình Class-A và Class-B ở trên. Trong khi hoạt động Class-AB vẫn sử dụng hai bóng bán dẫn bổ sung trong giai đoạn đầu ra của nó, một điện áp xu hướng rất nhỏ được áp dụng cho Đế của mỗi bóng bán dẫn để phân cực chúng gần với vùng cắt khi không có tín hiệu đầu vào.

Tín hiệu đầu vào sẽ làm cho bóng bán dẫn hoạt động bình thường trong vùng hoạt động của nó, loại bỏ bất kỳ biến dạng chéo nào luôn có trong cấu hình lớp B. Dòng Collector xu hướng nhỏ ( I CQ ) sẽ chạy qua bóng bán dẫn khi không có tín hiệu đầu vào, nhưng nói chung nó ít hơn nhiều so với cấu hình bộ khuếch đại Class-A.

Vì vậy, mỗi bóng bán dẫn đang dẫn, "BẬT" trong hơn một nửa chu kỳ của dạng sóng đầu vào. Xu hướng nhỏ của cấu hình bộ khuếch đại Class-AB cải thiện cả hiệu suất và độ tuyến tính của mạch khuếch đại so với cấu hình Class-A thuần túy ở trên.

Dạng sóng đầu ra của bộ khuếch đại Class AB

Khi thiết kế mạch khuếch đại, cấp hoạt động của bộ khuếch đại là rất quan trọng vì nó quyết định lượng phân cực bóng bán dẫn cần thiết cho hoạt động của nó cũng như biên độ tối đa của tín hiệu đầu vào.

Phân loại bộ khuếch đại tính đến phần tín hiệu đầu vào mà bóng bán dẫn đầu ra dẫn cũng như xác định cả hiệu suất và lượng công suất mà bóng bán dẫn chuyển mạch tiêu thụ và tiêu tán dưới dạng nhiệt lãng phí. Ở đây chúng ta có thể so sánh giữa các loại phân loại bộ khuếch đại phổ biến nhất trong bảng sau.

Các lớp khuếch đại công suất

Lớp học	A	B	C	AB
Góc dẫn	360 o	180 o	Dưới 90 o	180 đến 360 o
Vị trí của điểm Q	Điểm trung tâm của dòng tải	Chính xác trên trục X	Bên dưới trục X	Ở giữa trục X và đường tải trọng tâm
Hiệu quả tổng thể	Kém 25 đến 30%	Tốt hơn 70 đến 80%	Cao hơn 80%	Tốt hơn A nhưng kém B 50 đến 70%
Biến dạng tín hiệu	Không nếu sai lệch chính xác	Tại điểm giao nhau trục X	Lượng lớn	Một lượng nhỏ

Các bộ khuếch đại được thiết kế tồi, đặc biệt là các loại Class “A” cũng có thể yêu cầu bóng bán dẫn công suất lớn hơn, tản nhiệt đắt tiền hơn, quạt làm mát hoặc thậm chí tăng kích thước của bộ nguồn cần thiết để cung cấp thêm công suất lãng phí mà bộ khuếch đại yêu cầu. Năng lượng chuyển hóa thành nhiệt từ các bóng bán dẫn, điện trở hoặc bất kỳ thành phần nào khác cho vấn đề đó, làm cho bất kỳ mạch điện tử nào hoạt động kém hiệu quả và sẽ dẫn đến hỏng hóc sớm của thiết bị.

Vậy tại sao lại sử dụng bộ khuếch đại Class A nếu hiệu suất của nó thấp hơn 40% so với bộ khuếch đại Class B có xếp hạng hiệu suất cao hơn trên 70%. Về cơ bản, bộ khuếch đại Class A cho đầu ra tuyến tính hơn nhiều, nghĩa là nó có, Tuyến tính trên đáp ứng tần số lớn hơn ngay cả khi nó tiêu thụ một lượng lớn nguồn DC.

Trong hướng dẫn Giới thiệu về Bộ khuếch đại này , chúng ta đã thấy rằng có nhiều loại mạch khuếch đại khác nhau, mỗi loại có những ưu và nhược điểm riêng. Trong hướng dẫn tiếp theo về bộ khuếch đại, chúng ta sẽ xem xét loại mạch khuếch đại bóng bán dẫn được kết nối phổ biến nhất, bộ khuếch đại phát thông dụng. Hầu hết các bộ khuếch đại bóng bán dẫn thuộc loại Mạch phát điện chung hoặc CE do mức tăng lớn về điện áp, dòng điện và công suất cũng như các đặc tính đầu vào / đầu ra tuyệt vời của chúng.