chuong 5 mach kd cong suat(20!7!15)

7/23/2019 Chuong 5 Mach KD Cong Suat(20!7!15)

http://slidepdf.com/reader/full/chuong-5-mach-kd-cong-suat20715 1/31

1

CHƯƠNG 5

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

Tương ứng với chương 15 trong sách Microelectronic Circuit Design_Richard C. Jaeger & Travis N. Blalock



Nội dung chương 5

5.1. Đặc điểm tầng khuếch đại công suất

5.2. Mạch khuếch đại chế độ A

5.3. Hiệu suất mạch khuếch đại chế độ A

5.4. Mạch khuếch đại chế độ B

5.5. Hiệu suất mạch khuếch đại chế độ B

5.6. Mạch khuếch đại chế độ AB

5.7. Mạch chống ngắn mạch

5.8. Nguồn dòng

5.9.Thiết kế nguồn dòng sử dụng transistor lưỡng cực

5.10. Mạch khuếch đại công suất âm tần OTL

5.10. Mạch khuếch đại công suất âm tần OCL



5.1. Đặc điểm tầng khuếch đại công suất

Tầng ngõ ra được thiết kế để cung cấp một trở kháng ra

nhỏ và khả năng lái dòng khá lớn.

Mạch Followers: Mạch khuếch đại loại A- transistors hoạt

động trong cả 3600 của tín hiệu sóng vào.

Mạch Push- pull: Mạch khuếch đại loại B- một transistor sẽ

hoạt động trong nửa chu kì đầu và một transistor sẽ hoạt động

trong nữa chu kì sau của tín hiệu sóng vào.

Mạch khuếch đại loại AB: Các đặc tính của mạch loại A và

loại B được kết hợp với nhau, thường được sử dụng làm tầng

ngõ ra của mạch khuếch đại thuật toán.




Tầng ngõ ra thường yêu cầu trở kháng ngõ vào lớn, trở kháng ngõra nhỏ và hệ số khuếch đại điện thế đều.

Mạch khuếch đại chế độ A : transistor hoạt động trong cả

chu kì (360°

) của tín hiệu sóng vào

Ví dụ: common-drain (theo

nguồn)

4

vout

vin



Nếu R L= : Vùng hoạt động của mạch khuếch đại: (vùng bão hòa)

5

voutvin

Trong vùng bão hòa:VGS-VTN≤VDS VGS≤VDS+VTN

Vin = vout+VGS ≤ vout+VDS+VTN =

VDD + VTN

Vin ≤ VDD + VTN




Nếu RL=: Biên độ của tín hiệu ra?

Tín hiệu

ra theo tínhiệu vàovới phần

bù K 1

6

voutvin




Nếu RL= :

Độ rộng của vout không bị hạnchế bởi transistor vì nó luôn luônhoạt động.

min

max

min

max

( )

( )

( )

( )

out SS

out D D

i n SS GS

i n D D GS

v V

v V

and

v V v

v V v

7

vout

vin




L

out SS DS

Rv I I Nếu RL : Giữ cho transistor “ON”

(vout)min xảy ra khi transistor tắt,IDS đạt cực tiểu và

and,

max

max

( )

( )

ou t D D

i n D D GS

v V

v V v

min

min

( )( )

( )

ou t D S SS L

ou t SS L

GS T N

i n SS L GS SS L T N

v I I R

v I R

v V

v I R v I R V

At cut-off

8

voutvin




2

0

2

2

0

2

0

2 2

( sin )1

1(sin )

1 (1 cos 2 )

2

1

2 2

ac

av

T DD

ac

L

T DD

L

T DD

L

D D D D

L L

P

P

V t P dt

T R

V t dt

T R

V t dt

T R

V V T

T R R

Vấn đề của mạch khuếch đại loại A là hiệu suất. Hiệu suất là tỉ số năng lượng cung cấp cho tải (cực đại) và nănglượng cung cấp cho mạch khuếch đại.

9

voutvin

Giả sử: vout = V DD sin t




SS DD

Current drawnfrom V Current drawn from V

into drain

0

sin1[ ]

0 ( )

ac

av

T DD

av SS SS SS D D DD

L

SS SS SS DD SS SS D D

P P

V t P I V I V V dt

T R

I V I V I V V

10

voutvin

with

2

2

2 1;

2 4

DD

L

DD SS

DD L

V R

V V V R




Mạch khuếch đại chế độ B: mạch chỉ hoạt động trong nửa chu kìcủa tín hiệu– hiệu suất được cải thiện

Nguyên tắc hoạt động:

Khi vin dương M1 bật; M2 tắt IDS1 nạp vout

Khi vin âm M1 tắt; M2 bật IDS2 xả vout

M1 bật khi M2 tắt và ngược lại; push-pull11

vout

vin




Méo xuyên tâm

Độ méo tăng lên khi kích thướctín hiệu tăng. Tín hiệu lớn: méo hài Tín hiệu nhỏ: méo xuyên tâm

Chúng ta gây ra sự méo tínhiệu, nhưng vấn đề hiệu suấtđược cải thiện như thế nào?

V

t

t

vout

vin

vin

12

Giả sử: vout = V DD sin t




Cải thiện hiệu suất bằng cách đểtransistor hoạt động ở dòng Q-

point = 0 sẽ loại bỏ sự khuếch tánđiện áp tĩnh. NMOS transistor làmột source-follower đối với tín

hiệu vào dương và NMOStransistor là một source-follower

đối với tín hiệu vào âm.Vì cả hai transistor đều hoạt độngkhi,

Tín hiệu sóng ra sẽ có vùng chếthoặc bị méo xuyên tâm.

TN V

GS

vTP

V

vout

vin




14

ac

av

P

P

Hiệu suất của mạch loại B /2

0

/2

0

2

2

2

1sin

1 2sin

2

2 78.5%2 4

T DD

av DD

L

T DD

DD

L

DD

L

DD

L

DD

L

V P V tdt

T R

V V tdt

T R T

V

R

V

R

V

R

(half cycle)

vout

vin

2 Pav

5.5. Hiệu suất mạch khuếch đại chế độ B



Ta có thể sửa lại vấn đề méo trong mạch loại B trong khi vẫn cảithiện được hiệu suất bằng cách kết hợp mạch loại A và B.

VGG/2 có thể giữ cho haitransistor hoạt động gần như

cùng lúc.

VGG được chọn để tạo ra dònglàm việc tĩnh nhỏ ở M1, và M2,

but no so much Q current that the

efficiency drops drastically.




Điện áp phân cực có thể được đặt như trong hình. Chúng ta giả sử rằng điện

áp phân cực được chia đều trên các cực gate-source(hoặc base-drain).

2

22

TN

V GGV

n K

D I

T V B

R B I

S I

C I

2exp

Dòng điện được cho bởi công thức:




5.7. Mạch chống ngắn mạch

Dòng điện lớn, năng lượng khuếch tán lớn hoặc sự phát

hủy trực tiếp của liên kết base-emitter có thể phá hủy BJT

nếu ngõ ra của mạch follower bị nối tắt vào đất. Q2 được

bổ xung để bảo vệ mạch emitter follower.

Thông thường, điện áp trên R là <0.7 V, Q2 ngưng dẫn. Q2

bật để đưa các dòng phụ ra khỏi cực nền của of Q1. I E 1

được giới hạn ở:

Đối với tầng ngõ ra, một mạch hạn dòng

tương ự cũng được sử dụng. Đối vớitầng ngõ ra sử dụng MOSFET,

dòng ra được giới hạn ở:

R R BE V

E1 I /7.0/

2

R

n K

G I

TN V

R

GS V

S1 I 2

/222



5.8. Nguồn dòng

Dòng điện đi qua nguồn dòng lí

tưởng là độc lập với điện áp đặt

trên các cực và trở kháng ngõ ra

là rất lớn.

Trong nguồn dòng điện tử, dòng

điện phụ thuộc vào điện áp đặt

trên các cực và chúng có trở

kháng đầu ra hữu hạn.

Current

source

Current

sink

Single-transistor current sources hoạt động trong ¼ của i-v space tạo ra một

trở kháng đầu ra rất lớn.



5.8. Nguồn dòng

được sử dụng như là một chuẩn mực để so sánh các nguồn dòng khácnhau.

Đối với một dòng được cho trước trong Q-point, V CS đại diện cho điệnáp tương đương cần đặt trên hai đầu điện trở để đạt được cùng một trở

kháng đầu ra khi một nguồn dòng được cho trước.

Đối với điện trở:

Đối với BJT:

Đối với MOSFET:

out

Ro I

CS

V

11

1

DS V

D I

DS V

D I or D

I out

Ro I CS V

AV

CE V

AV

C

I CE

V AV

C I or C

I out

Ro I CS V

EE V R

R EE V

out Ro I CS

V



5.8. Nguồn dòng với trở kháng ngõ ra lớn

Trở kháng ngõ ra của nguồn dòng có thể tăng lên bằng cách đặt mộtđiện trở mắc nối tiếp với cực emitter hoặc cực source của transistor.

Đối với BJT:

AV oCE

V AV

oCS V

E Rr R R

E Ro

or

out R

)(

21

1

Đối với MOSFET:

3

)1(

SS V

f CS V

S R f S

Rm g or out R



5.9.Thiết kế nguồn dòng sử dụng transistor lưỡng cực:Ví dụ 1

Ví dụ 1: Thiết kế nguồn dòng với có biên độ của điện áp ngõ ra lớn nhất

với các tham số được cho trước.. Biết:V EE = 15 V, I o = 200 A, I EE < 250 A, Rout > 10 MW, BJT với ( o,

V A) = (80, 100 V) và (150, 75 V), V B phải thấp nhất có thể.

Giả sử: Hoạt động trong vùng tích cực và với mô hình tín hiệu nhỏ. V BE= 0.7 V, V T = 0.025 V, chọn V o = 0 V đại diện cho giá trị đầu ra.

Phân tích mạch:

V2000)MΩ10)(μA200(

21

1

out Ro I A

V o

AV oout

Ro I CS V

o

r

o E Rr R R

E Ro

o

r

out

R



Cả hai BJT đều thõa mãn các điều kiện. Nhưng chúng ta chọn BJT (150,75V) với oV A cao hơn.

Tổng dòng điện < 250 A. Khi dòng ra bằng 200A, tối đa là 50 A có thể được sử dụng bởi mạch phân cực. Dòng được sử dụng bởi mạch phân cực

nền phải bằng từ 5 đến 10 dòng nền của BJT (1.33A cho BJT với hệ số khuếch đại dòng 150). Vìvậy dòng phân cực =20 A.

R BB lớn làm giảm trở kháng ngõ ra và outputcompliance range (tăng V BB). Đánh đổi việc tăng

lên dòng hoạt động cho một vùng hoạt độngchuẩn rộng hơn, chọn dòng phân cực bằng 40 A.

W k 375A40V15

21 R R




Bên cạnh các công thức ta có thể sử dụng bảng tra để phân tích cáctham số. Tham số cơ bản V BB có thể được sử dụng để xác định cáctham số khác.

F

o I

B I

W15

k 37515

)21

(1

BBV

BBV

R R R 1k 375

1)

21(

2 R R R R R W

21 R R

BB R

o I BB

R B I

BE V

BBV

F E R

)( BB R B I BE V BBV EE V CE V

o I

T V o

r

o I

CE V

AV

or

E Rr R R

E Ro

or out R

21

1




Từ bảng tra, giá trị nhỏ nhất của V BB mà trở kháng đầu ra > 10MW với

ngưỡng an toàn là 4.5 V, dẫn đến trở kháng đầu ra là 10.7MW. Phân tích mạch với 1% giá trị của điện trở cho ta I o = 200 A và dòng

cung cấp = 244 A.

Kết quả được vẽ như trong hình. Thiết kế nguồn dòng sử dụng MOSFET cũng có thể được làm theo cách

tương tự.




Từ bảng tra, giá trị nhỏ nhất của V BB mà trở kháng đầu ra > 10MW vớingưỡng an toàn là 4.5 V, dẫn đến trở kháng đầu ra là 10.7MW.

Phân tích mạch với 1% giá trị của điện trở cho ta I o = 200 A và dòngcung cấp = 244 A.

Kết quả được vẽ như trong hình.

Thiết kế nguồn dòng sử dụng MOSFET cũng có thể được làm theo cáchtương tự.




29

MẠCH KHUẾCH ĐẠI OTL NGÕ VÀO VI SAI



30

MẠCH KHUẾCH ĐẠI OCL NGÕ VÀO VI SAI



31

KẾT THÚC CHƯƠNG 5

chuong 5 mach kd cong suat(20!7!15)

Documents