Khóa luận Nghiên cứu thiết kế cầu chia công suất Đống Pha

n giải thiết bị đo), khoảng cách truyền phát lớn nhất. + Tốc độ dữ liệu: là số bit trên giây dữ liệu được truyền đi. + Độ nhạy: là tín hiệu đưa vào nhỏ nhất có thể. + Giao diện kết nối: là phương pháp để đưa dữ liệu tới đầu ra của máy tính. Bus giao diện chung (General pupose interface bus (GPIB)) là giao diện song song chung nhất. Bus USB (universal serial bus), RS232 và RS 485 là chuỗi giao diện chung. + Tần số hoạt động: là khoảng tín hiệu mà có thể thu, phát tín hiệu. + Độ phân giải của phép đo: là độ phân giải số nhỏ nhất. + Cự ly truyền phát lớn nhất: là khoảng cách lớn nhất mà thiết bị thu phát có thể nhận được tín hiệu. Ngoài ra xem xét khi nào lựa chọn thiết bị thu phát RF: bao gồm công suất nguồn, thế nguồn, dòng nguồn, đầu phát, đầu thu và các nối kết RF. Hình vẽ 1.5, mô tả một hệ thống siêu cao tần vô tuyến điều chế biên độ. Giả thiết là tín hiệu cơ sở đầu vào (âm thanh, dữ liệu, hình ảnh ) có tần số fm: có một bộ lọc thông thấp (Baseband Filter) cho qua các tần số tại dải thông. Tiếp theo, một tín hiệu bộ dao động nội (Local Oscillator) trộn với tín hiệu gốc tạo ra sóng mang điều chế. Bộ trộn (Mixer) tạo sản phẩm là tín hiệu sóng biên. Công suất ra của bộ trộn sóng biên gồm một biên tần thấp, fLO – fm và một biên tần cao, fLO + fm . Quá trình đó gọi là sự chuyển đổi tăng dần. Tín hiệu bộ tạo sóng tại chỗ fLO là một tín hiệu siêu cao tần và vì vậy tần số cao hơn fm. Bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier) khuếch đại tín hiệu mà sau đó được bức xạ bởi Ăngten. Hình 1.5: Sơ đồ khối của hệ thống thu phát không dây đơn giản Tín hiệu thu đầu tiên được khuếch đại bởi một bộ khuếch đại tạp âm thấp tại bộ thu, mặc dù đối với một số hệ thống khác giai đoạn này có thể bỏ qua. Sau đó, bộ trộn chuyển đổi tín hiệu siêu cao tần thành tần số trung tần (Intermediate frequency - IF), nhờ sử dụng một bộ tạo sóng tại chỗ có tần số lệch từ tần số bộ tạo sóng tại chỗ của bộ phát với tần số đúng bằng tần số trung tần. Việc sử dụng các bộ phận với tạp âm thấp và duy trì mức tổn hao nhỏ nhất là yếu tố hết sức quan trọng bởi vì các tầng của bộ trộn khuếch đại tạp âm thấp là tầng quan trọng nhất khi xét tới khái niệm nhiễu. Tín hiệu trung tần sau đó được lọc để loại bỏ sóng hài không cần thiết, tín hiệu được khuếch đại bởi bộ khuếch đại trung tần. Bộ khuếch đại / lọc trung tần (IF amplifier/filter) có hệ số khuếch đại cao với một dải thông hẹp (khoảng 2fm) và vì vậy sẽ cho công suất ít nhiễu hơn nếu sử dụng một bộ khuếch đại cao tần có độ khuếch đại cao. Nhờ sử dụng một bộ khuếch đại trung tần (IF Amplifier), chúng ta có thể hạn chế tối đa ảnh hưởng độ nhiễu (Noise) 1/f. Hơn thế nữa, bộ thu có thể dễ dàng cộng hưởng nhờ thay đổi tần số bộ tạo sóng tại chỗ. Người ta coi hệ thống này là máy thu đổi tần. Công suất ra của bộ khuếch đại tần số trung tần IF đi vào bộ tách sóng (Ditector) và từ đó nhận được tín hiệu cơ sở fm. Có rất nhiều cách thiết kế khác nhau nhưng phần lớn nhờ sử dụng sơ đồ điều chế khác nhau. Điều chế đơn biên (Single sideband - SSB) dẫn tới tín hiệu chỉ có một biên tần (fLO + fm hoặc fLO - fm ) chỉ sử dụng một nửa dải thông so với trường hợp sóng biên. Một tín hiệu đơn biên có thể được truyền đi nhờ bộ trộn đơn biên, hoặc lọc một biên tần từ tín hiệu sóng biên. Người ta có thể đạt được tỷ số tín hiệu trên tạp âm S/N tốt hơn nhờ biến điệu tần số (FM), ở đó tần số bộ tải RF thay đổi phụ thuộc vào sự khác nhau biến điệu điện áp. Lý thuyết đường truyền: Khi nghiên cứu đường truyền đối với các tín hiệu tần thấp, ta thường coi các đường dây nối ( hay đường truyền) là ngắn mạch. Điều này chỉ đúng khi kích thước của mạch là nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu. Còn đối với tín hiệu cao tần và đặc biệt đối với tín hiệu siêu cao thì ta phải có những nghiên cứu đặc biệt về đường truyền. Trong các hệ thống siêu cao tần và sóng milimet, bước sóng của tín hiệu có thể bằng hoặc nhỏ hơn kích thước của các bộ phận và đường truyền của chúng. Điều này có nghĩa là có thể diễn ra những thay đổi quan trọng về pha tín hiệu dọc theo đường truyền và có sự biến đổi trở kháng danh định của một thiết bị hoặc một thành phần mà tín hiệu đi qua. Những sự biến đổi trở kháng này gây ra các sóng phản xạ trên đường truyền. Điều này sẽ dẫn đến sự tổn hao năng lượng trên đường truyền do năng lượng bị phản xạ. Luợng năng lượng bị phản xạ được xác định bởi hệ số phản xạ G, có quan hệ với trở kháng. Mô hình tương đương tham số tập trung của đường truyền. Hình 1.6: Dây dẫn song song và sơ đồ tương đương. Nhìn chung, các đường truyền đều có dạng một cặp dây dẫn song song để tín hiệu điện áp truyền qua. Trước hết, chúng ta khảo sát một đường truyền gồm một cặp dây dẫn song song như hình vẽ. Hai dây dẫn này được mô hình hoá bằng: Điện dung song song tính theo chiều dài đơn vị của dây dẫn C [ F/m] Điện dẫn song song tính theo đơn vị dài [S/m] Một dòng điện dọc theo chiều dài dây dẫn sẽ tạo ra một dòng điện trong dây dẫn theo chiều ngược lại, đó là thành phần cảm ứng. cũng sẽ có một điện trở hữu hạn nối tiếp trong các dây dẫn. Điện cảm nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [ H/m] Điện trở nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [ W/m] Một đoạn ngắn ∆z của đường truyền được biểu diễn trên sơ đồ tương đương như hình 1.6. Điện áp và dòng điện là các hàm của thời gian. Phương trình sóng và nghiệm. Ta viết phưong trình Kirchoff cho mạch điện tương đương trong hình 1.6, ta có: (2.4) (2.5) Nếu đường truyền ∆z ngắn thì: (2.6) Do đó ta có: (2.7) Suy ra: (2.8) Và (2.9) Bỏ qua số hạng chứa (∆z)2 và chia cho ∆z ta được (2.10) Cặp phương trình (2.8) và (2.10) được gọi là cặp phương trình điện báo và hoàn toàn có tính chất khái quát, các điện áp và dòng điện trên đây ở bất kỳ vị trí hay thời điểm nào qua bốn tham số dây dẫn G, C, R và L. Thông thường thì ta chỉ quan tâm đến một tín hiệu hình sin tần số đơn dạng: (2.11) Lấy vi phân phương trình trên ta có: (2.12) Trong trường hợp này, (2.8) và (2.10) trở thành: (2.13) (2.14) Ta thấy phương trình (2.13) và (2.14) giống dạng của phương trình điện báo Maxwell. Thay thế giá trị Iz vào phương trình (2.13) và Uz vào phương trình (2.14) ta được (2.15) (2.16) Phương trình (2.15) và (2.16) là các phương trình sóng một chiều cho điện áp và dòng điện. Từ đó, nghiệm của nó có dạng: (2.17) (2.18) Ở đây, U1,U2, I1, và I2 là các hằng số của phép tính tích phân và được xác định bằng các điều kiện biên của dây cụ thể, g được gọi là hệ số truyền sóng phức và được xác định như sau: (2.19) Ta thấy hệ số truyền sóng là hàm của tần số. Theo phương trình (2.19) hệ số truyền sóng g chứa cả phần thực và phần ảo nên nó được viết dưới dạng: (2.20) Thay thế (2.20) vào nghiệm tổng quát (2.17), (2.18) (2.21a) (2.21b) Trong hai nghiệm trên thì số hạng thứ nhất ( bao gồm U1 hoặc I1), thừa số có biên độ giảm khi z tăng. Thành phần hàm mũ thứ hai có giá trị biên độ là 1 và góc biểu thị pha của tín hiệu tăng lên theo thời gian và giảm đi theo khoảng cách. Tại thời điểm t = t1 và vị trí z = L1, pha nhận một giá trị . Tại thời điểm sau đó t = t2> t1 có thể thấy pha với giá trị xuất hiện ở một vị trí khác z = L2. Bởi vì pha , và t2> t1 nên cần phải có L2> L1 vì cả w và b đều dương, do đó điểm của pha dịch chuyển theo hướng z dương. Số hạng thứ nhất này biểu thị một sóng truyền về phía trước, hay sóng tiến hoặc sóng thuận có biên độ giảm theo hàm mũ tương ứng với khoảng cách truyền. Số hạng thứ hai (liên quan đến U2 và I2 ) biểu thị sóng truyền theo hướng z âm hay sóng lùi hoặc sóng ngược có biên độ giảm khi z âm ( khi thời gian tăng lên). Như vậy nghiệm toàn bộ của phương trình sóng là tổng của hai sóng lan truyền theo hai hướng ngược nhau. (2.22a) (2.22b) Các chỉ số f và b là tương ứng với sóng sóng tới và sóng phản xạ. Vì tham số a của phương trình (2.21) biểu thị sự suy giảm biên độ của các sóng, nó thường được gọi là hệ số suy giảm có đơn vị tính là dB/m hoặc np/m (neper). Nếu biểu thị sự suy giảm công suất W1 và W2, ta có: ; (tính theo đơn vị dB) ; (tính theo đơn vị neper) Sóng sẽ suy giảm N lần khi biên độ của nó thay đổi exp(-N) giữa hai điểm của một dây dẫn. Từ hai tỷ số trên đây ta có thể rút ra 1 neper = 8,868 dB. Biên độ của sóng giảm đi 1/e ( » 37%) sau mỗi khoảng cách 1/a. Số hạng b mô tả sự biến thiên về pha của các sóng lan truyền và được gọi là hằng số pha. Các đơn vị của b là radian/m hoặc độ/m. Độ dài của một bước sóng (l) khi pha có độ lệch là 2p, do đó: hoặc (2.23) Trong trường hợp dây dẫn lý tưởng và không có tổn hao (R=G= 0) thì a = 0 và . Theo (2.19) và áp dụng các phương trình điện báo (2.13) và (2.14) ta có dòng truyền sóng: (2.24) So sánh (2.22b) và (2.24) ta định nghĩa được Z0 bởi sóng tới và sóng phản xạ: (2.25) Ta gọi Z0 là trở kháng sóng hay trở kháng đặc trưng của đường truyền. (2.26) Nếu dây dẫn không tổn hao ta có: (2.27) Vận tốc pha và vận tốc nhóm. Ta thường muốn biết vận tốc của một tín hiệu chuyển qua một đường truyền. Vận tốc pha mô tả tốc độ truyền lan trong dây dẫn của một điểm có pha không đổi, trong khi vận tốc nhóm mô tả truyền lan trong dây dẫn của một nhóm tần số ( tức thông tin). Hình 1.7: Tín hiệu điều biên đường truyền. Để minh hoạ những tham số này, ta xem xét một tín hiệu điều biên nén tần số mang (AM/SC) truyền qua một dây dẫn không tổn hao. Tần số sóng mang là và tín hiệu thông tin được điều chế ở tần số Dw. Nếu tín hiệu thông tin đơn giản là sóng hình sin có tần số đơn, thì toàn bộ tín hiệu sẽ có các thành phần ở hai tần số với cùng một biên độ, biên tần dưới bằng w - Dw và biên độ tần trên bằng w + Dw. Ta có , các điện áp trong đường truyền phụ thuộc vào biên độ tần trên ( UUp) và biên độ tần dưới (ULo) là: (2.28) (2.29) Theo công thức Euler ta có: , tín hiệu là: (2.30) Vì và , toàn bộ tín hiệu có thể viết thành: (2.31) Trong đó thừa số của hàm mũ là một số hạng biểu thị pha ở tần số sóng mang trong đó thông tin gửi trong tín hiệu này là hàm bao biên độ theo hàm số cosin. Thành phần thực của tín hiệu này được biểu diễn trong hình 1.7. Ta sẽ tìm được các vận tốc pha và vận tốc nhóm khi xét một điểm có pha không đổi trong sóng mang và đường bao tương ứng. Vận tốc pha: Tại thời điểm t = t1 và vị trí z = L1 số hạng sóng mang có một pha f1. Tại thời điểm t = t2 có thể tìm thấy pha này ở vị trí L2. Vì = vận tốc mà điểm pha sóng mang không đổi chuyển động là: (2.32) Trong đó vf được gọi là vận tốc pha. Vận tốc nhóm: pha của đường bao điều biên là: . Do đó, vận tốc của điểm pha đường bao không đổi chuyển động, tức vận tốc nhóm là: (2.33) Đối với dây dẫn không tổn hao ta có do đó (2.34) Khi đó ta thấy các vận tốc pha và vận tốc nhóm bằng nhau, do đó pha sóng mang và pha đường bao sẽ có cùng vận tốc và duy trì một mối quan hệ bất biến khi toàn bộ tín hiệu truyền qua dây dẫn. Trong các trường hợp có tổn hao, các vận tốc pha và nhóm chắc chắn phải khác nhau, và do đó đường bao chuyển động với một vận tốc khác với sóng mang. Điều quan trọng hơn là các vận tốc thường là hàm của tần số. Điều này có thể gây ra sự méo tín hiệu trầm trọng bởi vì các dải biên tần dưới và dải biên tần trên chuyển động với các vận tốc khác nhau và đến cuối đường truyền tại các thời điểm khác nhau. Khi vận tốc pha và nhóm là hàm của tần số thì đường truyền sẽ làm méo tín hiệu truyền qua nó. Ảnh hưởng này nghiêm trọng đến mức nào tuỳ thuộc vào các vận tốc của tín hiệu và chiều dài đường dây. Các đại lượng đặc trưng. Ta xét một dây dẫn với trở kháng đặc trưng Z0, hệ số truyền g và được giới hạn bởi trở kháng tải Zt như hình 1.8. Hình 1.8: Các đường truyền với một trở kháng tải. Ta có các phương trình sau cho điện áp và dòng trong dây dẫn. (2.35) (2.36) chỉ số f và b là chỉ các sóng tương ứng của sóng tới và sóng phản xạ. Tại z = 0, ta có: (2.37) (2.38) Từ công thức (2.37) và (2.38) ta có: (2.39a) Trong đó, là hệ số phản xạ : (2.39b) Ta thường sử dụng trở kháng được chuẩn hoá được định nghĩa là: (2.40) Sắp xếp lại các số hạng của GL, ta có: (2.41) Ta biết rằng, điện áp và dòng điện trên đường truyền bao gồm tổng của sóng tới và sóng phản xạ tạo thành sóng đứng. Nếu G = 0 thì không có phản xạ. Để có G = 0 thì theo phương trình (2.41) ta phải có , tức trở kháng tải bằng trở kháng đặc trưng của đường. Ta gọi trường hợp này là phối hợp trở kháng. Ta xét công suất trung bình theo thời gian tại điểm z ở trên đường, áp dụng các công thức (2.35), (2.36): (2.42) Hai số hạng giữa của phương trình trên có dạng: . Vì hoàn toàn ảo nên có thể đơn giản hoá (2.42) thành: (2.43) ở đây, Uf là biên độ của điện áp sóng tới. Phương trình trên cho thấy công suất trung bình có giá trị cố định tại mọi điểm trên đường. Vậy công suất toàn bộ trên tải bằng công suất tới trừ đi công suất phản xạ . Nếu không có phản xạ thì toàn bộ công suất tới sẽ đưa đến tải. Nếu thì sẽ không có công suất trên tải mà sẽ bị phản xạ toàn phần. Khi tải không phối hợp thì không phải toàn bộ công suất của nguồn sẽ rơi trên tải mà sẽ có một tổn hao, ta định nghĩa là (RL). (dB) (2.44) Như vậy, nếu tải phối hợp thì G = 0, ta có tổn hao ngược bằng vô cùng ( không có phản xạ). Nếu phản xạ hoàn toàn thì tổn hao ngược RL = 0. Nếu tải phối hợp, thì điện áp trên đường truyền luôn bằng điện áp tới , ta coi đường truyền là bằng phẳng. Còn nếu tải không phối hợp ta có sóng đứng, khi đó biên độ điện áp trên đường truyền không cố định. Từ (2.34) và (2.35) ta có: (2.45) Trong đó l = -z, được tính chiều dương bắt đầu từ tải, q là pha của hệ số phản xạ . Kết quả cho thấy biên độ dao động tại từng điểm trên trục, giá trị cực đại nếu số hạng pha . Ta có: (2.46) Giá trị cực tiểu khi số hạng pha , khi đó: (2.47) Vì tăng nên tỉ số Umax/Umin tăng, biẻu thị số đo của sự phối hợp, được gọi là tỷ số sóng đứng: (2.48) Ta thấy rằng SWR có giá trị , và khi SWR = 1 thì tải hoàn toàn phối hợp. Từ phương trình (2.45) ta thấy khoảng cách hai điểm có điện áp cực đại là: Và khoảng cách giữa điểm cực đại và cực tiểu là: l là bước sóng trên đường truyền. Ở trên ta đã định nghĩa hệ số phản xạ tại tải nhưng ta có thể xác định hệ số phản xạ tại bất kỳ điểm nào trên đường truyền tại vị trí z = -l : (2.49) G(0) là hệ số phản xạ tại z = 0 (đầu nguồn vào). Ta có thể thấy rằng công suất truyền trên đường truyền không đổi nhưng điện áp trên đường truyền thay đổi theo từng điểm, ít nhất là khi không phối hợp. Vì vậy, ta thấy rằng trở kháng có thể thay đổi. Tại điểm l =- z tính từ tải thì trở kháng vào ( nhìn từ phía tải ) là: (2.50) Ta sử dụng (2.38) vào phương trình trên ta có: (2.51) Kết quả trên rất quan trọng, nó cho phép tính trở kháng vào với các tải khác nhau. 1.1.5 Mạch dải siêu cao tần Trong kỹ thuật đo lường và các thiết bị thu ở các dải sóng từ dm đến mm thường sử dụng một loại đường truyền năng lượng siêu cao tần có kích thước gọn nhẹ, rất thuận tiện cho công tác là mạch dải siêu cao tần. Mạch dải siêu cao tần thường cấu tạo theo dạng: dạng đối xứng, dạng không đối xứng, dạng đường khe và dạng cáp phẳng. Trên hình cho ta cấu trúc tiết diện ngang và cấu trúc đường sức điện, từ trường của chúng. Các tấm điện môi dùng để làm đế của mạch dải có độ điện thẩm tương đối khá lớn, cỡ từ 7 - 13 có tiêu hao nhỏ từ -có độ dày h=1,5-5mm. Để tạo ra các dải kim loại dẫn sóng, người ta dùng các kim loại phun, bốc hơi tạo ra trên bề mặt tấm điện môi các dải dẫn sóng có độ dày lớn hơn nhiều lần độ thấm sâu của từ trường, nó cỡ từ t = 15-100 μm. Dải kim loại rộng gọi là bản đáy hay đất, còn dải hẹp có độ rộng w = 0,05-10 mm gọi là dải trung tâm dẫn sóng. Độ rộng toàn bộ của mạch dải thường lớn gấp nhiều lần chiều cao tổng cộng của nó. Do mạch dải có cấu trúc tiết diện ngang phức tạp nên việc tìm trường và các tham số điện rất khó và phải giải các bài toán gần đúng. Trong mạch dải đối xứng (hình 1.9b), trường có dạng TEM các đường sức điện từ tập trung ở giữa dải dẫn trung tâm và hai bản đất do khá lớn nên trường có biên độ giảm rất nhanh khi ra khỏi dải trung tâm, nên ở bờ hai bên của mạch dải coi như bằng không. Tuy mạch dải này là mạch dải đường truyền hở nhưng hầu như không có bức xạ năng lượng, do có các tấm điện môi nên trường bị tiêu hao trong nó. Mạch dải (hình 1.9c) cũng là loại đối xứng bản điện môi ở giữa để gắn hai bên dải dẫn trung tâm có độ dày rất mỏng. Hai bản đế của mạch dải là hai bản kim loại cứng, chúng được giữ bởi các chất không ảnh hưởng đến cấu trúc của trường trong mạch dải. Vì đường sức của cường độ trường tập trung ở vùng không gian ngoài tấm điện môi là không khí nên không bị tiêu hao bởi điện môi. Mạch dải loại này có độ phẩm chất cao. Mạch dải không đối xứng (hình 1.9a) có cấu trúc đơn giản vì chỉ có một đế điện môi và một bản đất. Trường trong mạch này có dạng chuẩn TEM vì ở vùng không khí gần dải trung tâm của hệ trường có thành phần dọc. Loại mạch dải không đối xứng được dùng rộng phổ biến trong kỹ thuật. Phần chính của trường tập trung trong vùng điện môi giữa đáy và dải trung tâm, nên bị tiêu hao lớn do điện môi. Mạch dải không đối xứng là hệ truyền hở, song do đế điện môi có lớn nên trường ở vùng không khí sát mạch dải dẫn có biên độ suy giảm nhanh theo hàm mũ khi ra xa khỏi dải dẫn trung tâm, nên trường coi như bám sát mạch dải. Nó có dạng sóng mặt và ít bức xạ năng lượng ra không gian xung quanh. Mạch dải ở (hình 1.9d) gọi là đường khe. Đường khe có hai dải dẫn sóng đều nằm ở một phía của đế điện môi và cách nhau một khe hẹp. Đường sức điện trường tập trung chính ở khe và cả trong đế điện môi lẫn cùng không khí sát hai dải dẫn. Đường khe mạch dải truyền cơ bản loại H dạng sóng chậm. Đường khe dùng chủ yếu cho các mạch mắc song song thuận tiện, nó có tán sắc khá mạnh tần số tới hạn của sóng cơ bản bằng không. Mạch dải ở (hình 1.9e) là loại cáp phẳng vì ngoài hai dải rộng như đường khe nó còn có một dải nhỏ đặt ở hai dải trên tạo ra hai khe hẹp. Loại cáp phẳng có 3 dải kim loại cùng nằm ở một bên của đế điện môi. Trường điện từ tập trung ở vùng xung quanh của dải dẫn trung tâm của cáp phẳng. Trường cơ bản truyền trong cáp phẳng là loại trường H. Cáp phẳng được dùng trong các mạch cả nối tiếp và song song. Tần số tới hạn sóng cơ bản của nó cũng bằng không. Hình 1.9: Các loại mạch dải siêu cao tần. Các mạch dải ngoài chức năng để truyền dẫn năng lượng siêu cao tần còn được dùng để tao ra các phần tử của mạch siêu cao như: điện cảm, điện dung, mạch LC nối tiếp và song song … rất có lợi cho các sơ đồ tổ hợp mạng nhiều cực siêu cao, các bộ lọc, các bộ ghép, các bộ cộng và chia công suất. 1.2 Khuếch đại công suất. 1.2.1 Khái niệm về khuếch đại công suất. Khuếch đại công suất là tầng khuếch đại cuối cùng trong máy thu thanh, tivi và máy tăng âm. Yêu cầu đối với tầng khuếch đại công suất là phải đảm bảo được công suất đưa ra phải theo yêu cầu. Có độ khuếch đại công suất lớn nhất. Mà= , do đó có thể dùng sơ đồ EC vừa có khuếch đại thế vừa có khuếch đại dòng . Cũng có thể dùng sơ đồ CC chỉ có khuếch đại dòng . Cũng có thể dùng sơ đồ CC chỉ có khuếch đại dòng còn 1. Vì phải tận dụng công suất tối đa, nên cần chú ý khi thiết kế phải bảo đảm, công suất tổn hao trên transistor phải nhỏ hơn công suất cho phép. Một yêu cầu rất quan trọng nữa là hiệu suất truyền đạt phải lớn. Muốn vậy phải thực hiện phối hợp trở kháng giữa tải với tầng khuếch đại. Cần chọn chế độ hoạt động thích hợp để có công suất lớn, hiệu suất lớn mà không méo tín hiệu. Từ đặc trưng tĩnh İ=f(), vẽ đặc trưng tải ta sẽ suy ra I=f() Có 3 chế độ hoạt động của transistor : Hình 1.10: Các chế độ hoạt động của transistor Chế độ A là chế độ dòng colector xuất hiện trong toàn bộ chu kỳ tín hiệu (đường 1 hình 1.10). Ưu điểm của chế độ này là tín hiệu khuếch đại không bị méo. Để tận dụng tối đa ưu việt này, điểm hoạt động A chọn ở giữa đoạn tuyến tính DE. Chế độ này có nhược điểm là không tận dụng được tối đa vùng tuyến tính (vì biên độ chỉ biến thiên trong nửa vùng tuyến tính). Hơn nữa dòng tĩnh Ilớn nên hiệu suất kém. Khi không có tín hiệu = 0 vẫn có dòng tĩnh I, do đó transistor bị nóng vì phải hoạt động cả khi không có tín hiệu. Chế độ A được sử dụng trong tầng khuếch đại đơn. Chế độ B là chế độ dòng colector chỉ xuất hiện trong nửa chu kỳ tín hiệu (đường 2 hình 1.10). Điểm hoạt động B trùng với điểm 0. Ưu điểm của chế độ này là dòng tĩnh I = 0, nên hiệu suất cao. Khi không có tín hiệu transistor không hoạt động (T ít bị nóng hơn), tận dụng tối đa vùng tuyến tính DE. có thể biến thiên từ D đến E. Tuy nhiên tín hiệu lối ra chỉ có nửa chu kỳ. Để sử dụng ưu điểm chế độ B, ta sử dụng sơ đồ đẩy kéo, dùng 2 transistor, mỗi transistor chỉ hoạt động trong nửa chu kỳ. Đối với transistor đoạn từ 0 đến D đặc trưng là phi tuyến. Để khắc phục, nên chọn điểm hoạt động ở D. Chế độ này gọi là chế độ AB. Ở chế độ này khi tín hiệu bằng 0, vẫn có dòng I nhưng rất nhỏ: bộ khuếch đại sẽ hoạt động tuyến tính với thế vào nhỏ, đến hết vùng tuyến tính tương ứng với điểm E. Đối với transistor Si, thế phân cực cỡ 0,5V. Chế độ C là chế độ dòng colector chỉ xuất hiện trong một phần của nửa chu kỳ. Điểm hoạt động sẽ chọn là điểm C sau điểm 0, thế phân cực < 0. Chế độ này thường dùng cho máy phát. Từ phân tích ở trên rút ra kết luận là: Khuếch đại đẩy kéo, tầng khuếch đại hoạt động ở chế độ AB, nên dòng tĩnh ban đầu rất nhỏ (I0). Do đó khi không khuếch đại (không có tín hiệu vào) thì transistor gần như không hoạt động, và không tỏa nhiệt. Hiệu suất đạt trên 80%. Vùng tuyến tính rộng gấp đôi trường hợp khuếch đại đơn (bằng hai vùng tuyến tính của transistor gộp lại). Như vậy, trong kĩ thuật vô tuyến người ta sẽ sử dụng chế độ AB cho tầng công suất, và mắc theo sơ đồ khuếch đại đẩy kéo. 1.2.2 Khuếch đại đẩy kéo mắc theo sơ đồ CC Sơ đồ khuếch đại đẩy kéo CC được vẽ ở hình 1.11 Hình 1.11: Sơ đồ khuếch đại đẩy kéo CC Hình 1.11a là sơ đồ khuếch đại công suất nhỏ, thường dùng cho máy thu thanh. T1 là tầng khuếch đại mắc theo sơ đồ EC. Tải colector của T1 dùng 2 điện trở R4, R5, trong đó R5 và 2 diode d1, d2 để tạo ra phân cực cho T2 và T3 hoạt động ở chế độ AB. Khuếch đại công suất đẩy kéo được thực hiện bởi T2 và T3 khác loại. T2 là transistor NPN còn T3 là transistor PNP. Khi chưa có tín hiệu, điều chỉnh biến trở R2 sao cho U= 0,6V và U=- 0,6V. Hiệu thế U = 1,2V nhờ d1 và d2 (vì thế mở của d1 và d2 là 0,6V). Khi có tín hiệu xoay chiều Uở lối vào, trên colector của T1 sẽ xuất hiện dòng xoay chiều I và thế xoay chiều U. Ở bán chù kỳ dương của U, T2 sẽ khuếch đại. Ở bán chu kỳ âm của U, T3 sẽ khuếch đại. Kết quả dòng qua tải (loa) sẽ là dòng xoay chiều hình sin như lối vào. Các điện trở R6, R7 làm nhiệm vụ bảo vệ cho T2 và T3. Nó có trị số rất nhỏ cỡ 0,5Ω. Trở ra của T2 và T3 thực chất mắc song song với nhau, hơn nữa R5=1kΩ và 2 diode d1, d2 mắc ở lối vào, nên nó có trị số nhỏ phù hợp với trở của loa. Với công suất lớn dùng sơ đồ hình 1.11b. T4, T5 là tầng khuếch đại công suất. T2, T3 là tầng kích cho T4 và T5 hoạt động. Các cặp T2 T4 và T3 T5 được mắc theo sơ đồ Daclington có hệ số khuếch đại dòng rất lớn (β+1)2 và trở ra rất nhỏ, phù hợp với loa có trở cỡ 8Ω, 4Ω. Để sơ đồ hoạt động ổn định, người ta còn mắc một mạch phản hồi âm từ lối ra qua mạch RC đến lối vào T1. Điều cần lưu ý khi điều chỉnh, lắp ráp hoặc sửa chữa phải bảo đảm tính cân xứng của sơ đồ. Khi không có thế xoay chiều lối vào, thế một chiều trên loa phải đảm bảo là 0V. Ở những máy tăng âm công suất từ 100W trở lên, tầng công suất thường dùng 1 loại transistor. Bởi vì công suất lớn rất khó chế tạo các transistor khác loại như T4 và T5 ở sơ đồ trên, có độ tương đồng về các thông số. Khi dùng T4, T5 cùng loại chẳng hạn cùng loại NPN, thì T4 mắc theo sơ đồ CC còn T5 mắc theo sơ đồ EC. Cách phân tích cũng không khác gì nhiều so với sơ đồ hình 1.11b. 1.3 Mạch cầu Wilkinson. Phương pháp cầu Wilkinson được đề xướng bởi Fear.J.Wilkinson, mạch nguyên lý của cầu được mô tả như hình 1.12: 1 2 3 Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý cầu Wilkinson Đây là một kiểu mạch hình T, các hệ số truyền, hệ số phản xạ và tổn hao được đặc trưng bởi ma trận tán xạ tham số S: = (1) Tín hiệu đưa vào cổng 1, lấy ra ở cổng 2 và cổng 3. Tín hiệu ở cổng 2 và cổng 3 lệch pha với tín hiệu ở cổng 1 là . Mạch chia và cộng công suất kiểu mạng Wilkinson. Một mạng Wilkinson lớn có cấu trúc hình chóp và bao gồm các bộ ghép cơ sở liên kết với nhau. Các bộ ghép cơ sở thường là bộ ghép 2 cửa hoặc 3 cửa. Mạng Wilkinson có thể được cấu tạo từ các đường dây song hành, cáp đồng trục, thường là mạch vi dải, hoặc cũng có thể kết hợp các loại đường truyền khác nhau tùy theo thiết kế cụ thể. Mạng Wilkinson có tính thuận nghịch vừa có thể dùng chia công suất, vừa có thể dùng để cộng công suất các tín hiệu cao tần mà các tính chất của mạng không thay đổi. Cần lưu ý là công suất đưa vào bộ chia phải bằng công suất ra khi cộng công suất. Mạng ghép Wilkinson có dải tần làm việc khá rộng và chiếm 30% tần số trung tâm, được sử dụng nhiều trong các máy phát hình của Pháp và Đức. Hình 1.13 giới thiệu cấu tạo và mạch điện tương đương của bộ ghép 2 cửa bằng mạch vi dải. Hình 1.13 Bộ ghép cơ sở 2 cửa. Bảng mạch của bộ ghép 2 cửa gồm có dải dẫn điện thường là mạch in được cách điện với nền đế thường là vỏ máy bằng tấm Teplon có độ d