BÁO CÁO MÔN ĐIỆN TỬ THÔNG TINCHƯƠNG 5: CLASS F AMPLIFIERSCác cấu trúc liên kết bộ khuếch đại công suất khác nhau mang lại hiệu quả cao được gọi là bộ khuếch đại Class F. Mặc dù các cấu trúc liên kết này có thể xuất hiện khác biệt với nhau, tất cả chún
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (321.02 KB, 16 trang )
HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM
Khoa Điện Tử – Viễn Thơng
_____________________
BÁO CÁO MƠN ĐIỆN TƯ
THƠNG TIN
SINH VIÊN: Ngũn Trúc Vy
MÃ SỐ SV: 1853020020
LỚP: 18ĐHĐT01
Thành phố Hồ Chí Minh – tháng 5năm 2021
MỤC LỤC
2
CHƯƠNG 5: CLASS F AMPLIFIERS
Các cấu trúc liên kết bộ khuếch đại công suất khác nhau mang lại hiệu quả cao
được gọi là bộ khuếch đại Class F. Mặc dù các cấu trúc liên kết này có thể xuất
hiện khác biệt với nhau, tất cả chúng đều sử dụng một bộ cộng hưởng nhiều bộ
lọc đầu ra. Bộ lọc này kiểm soát điện áp bộ thu và/ hoặc dòng điện bằng cách
định hình dạng sóng của chúng để giảm cơng suất tiêu tán trên thiết bị hoạt
động. Điều này sẽ làm tăng hiệu quả của bộ thu.
Tài liệu được sử dụng nhiều tên khác nhau để mô tả khái niệm này: highefficiency Class C, Class C using harmonic injection, optimum efficiency Class
B, optimally loaded Class B, Class CD, single-ended Class D, multiple
-resonator Class C, biharmonic or polyharmonic Class C, and even Class E. Các
tài liệu gần đây có xu hướng chỉ định tất cả các mạch sử dụng bộ lọc đầu ra đa
phát làm bộ khuếch đại Class F. Phân loại thêm về Class F circuits được cung
cấp trong Tài liệu tham khảo [1] và sẽ được sử dụng trong chương này. Class F
circuits được chia thành ba loại: Lớp Fl, F2 và F3.
1. Class F1 Power Amplifiers ( lớp năng lượng khuếch đại F1)
Bộ lọc đầu ra của một bộ khuếch đại lớp Fl cộng hưởng trên cả tần số làm
việc và một trong các sóng hài của nó, thường là tần số thứ hai hoặc thứ
ba. Các mạch tương ứng còn được gọi là lớp F PA đỉnh sóng hài thứ hai,
lớp F PA đỉnh sóng hài thứ ba.
Mạch cơ bản của bộ khuếch đại lớp Fl sử dụng sóng hài thứ ba được thể
hiện trong Hình 1 [1-7], Hình 2 trình bày các dạng sóng đặc trưng của
mạch. Mạch này tương tự như mạch của bộ khuếch đại Class B hoặc
Class C một đầu, ngoại trừ việc bở sung một sóng hài thứ ba vào bộ cộng
hưởng Một phân tích đơn giản của mạch [1, 2] dựa trên giả định về góc
3
dẫn 180 độ (như trong bộ khuếch đại Class B) về các giả định thông
thường liên quan đến hành vi lý tưởng của các thành phần.
• Các thành phần thụ động là lý tưởng (RFC là cuộn cảm RF lý
tưởng và Cd là một tụ điện chặn một chiều).
• Thiết bị đang hoạt động hoạt động như một nguồn dòng điện được
kiểm soát lý tưởng. Bỏ qua điện áp bão hòa và / hoặc điện trở bão
hòa và giả sử đặc tính truyền tuyến tính hồn hảo của điện trở (tức
là tín hiệu truyền động hình sin xác định dòng điện góp hình sin).
• Mạch điều chỉnh song song, LC, cộng hưởng ở tần số cơ bản, là lý
tưởng, tức là, trở kháng của nó là vơ hạn ở tần số cơ bản và bằng
không). Mạch điều chỉnh song song, L3C3, cộng hưởng trên sóng
hài thứ ba, cũng là lý tưởng (trở kháng của nó là vơ hạn tại tần số
hài bậc ba và bằng khơng). Do đó, trở kháng tải của điện trở là R ở
tần số cơ bản f, vô hạn ở 3f và bằng không. Lưu ý rằng đặc tính
dòng điện của bộ thu sóng nửa sin đối với hoạt động Lớp B một
đầu chỉ bao gồm DC, tần số cơ bản và thậm chí cả sóng hài. Do đó,
sự vơ trở kháng ở mức 3 / "sẽ không tạo ra bất kỳ trở kháng nào.
Figure 1:Third-harmonic peaking Class Fl amplifier.
4
Figure 2 Waveforms in a third-harmonic peaking Class Fl amplifie
Với mạch này, có thể thu được hiệu suất cao hơn trong Bộ khuếch đại class B
hoặc C vì sự hiện diện của sóng hài thứ ba trong điện áp bộ thu có thể làm cho
dạng sóng của nó bị phẳng (xem Hình 2). Vì vậy, thành phần cơ bản của điện áp
bộ thu có thể lớn hơn giá trị đỉnh. Điện áp bộ thu bị làm phẳng nếu sóng hài thứ
ba là 180 độ lệch pha với thành phần cơ bản, tức là:
Và:
Khi (x>0)
Tối ưu hóa x bằng cơng thức:
Kết quả:
Vì vậy:
• Nếu 0
• Nếu x=, giá trị lớn nhất mặt phẳng thứ ba của bằng 0, và giá trị nhỏ nhất
của . Dao động từ đỉnh đến đỉnh của .
5
• Nếu x>, giá trị nhỏ nhất bằng 0 và hai giá trị lớn nhất kề nhau. Một giá trị
lớn nhất và hai giá trị nhỏ nhất liền kề thu được trong . Dao động từ đỉnh
đến đỉnh của tăng khi tăng x và được quy định bởi:
Phân tích kết quả cho thấy giao động đỉnh đến đỉnh của điện áp thu có
một giá trị cực tiểu là x=. Điều này tương ứng với dạng sóng thu phẳng
cực đại được mơ tả trên Hình 2. Bởi vì giao động cực đại điện áp thu cho
phép là , độ lớn nhất của điện áp thu là:
Như vậy, đỉnh của công suất ra quy định bởi:
Lớn hơn 27% so với hoạt động class B.
Đối với bộ khuếch đại class B, Độ lớn của xung dòng thu và dòng điện
một chiều được tính bởi cơng thức:
Vì vậy, hiệu suất thu được quy định bởi:
Cuối cùng, năng lượng điện dung đầu ra của mạch điện tính bởi cơng
thức :
Lớn hơn 12,5 phần trăm so với hoạt động class B.
Mạch sử dụng đỉnh sóng hài thứ hai (xem Hình 3) tương tự như mạch
được chỉ ra trong Hình 2, ngoại trừ mạch cộng hưởng song song là ngày
nay được điều chỉnh trên hài thứ hai [1-3, 7, 8]. Hình4 cho thấy các dạng
sóng của mạch.
6
Figure 3Second-harmonic peaking Class Fl amplifier.
Figure 4 Waveforms in a second-harmonic peaking Class Fl amplifier.
Đối với mạch này, điện trở cũng hoạt động như một nguồn dòng điện, nhưng
dòng điện thu là một sóng vng (xem Hình 4) chỉ chứa các thành phần DC, tần
số cơ bản và hài bậc lẻ. Tổng trở tải của điện trở là R tại tần số cơ bản f, vô hạn
tại 2f và bằng khơng. Sóng phẳng điện áp thu u cầu một quan hệ pha giữa tần
số cơ bản và sóng hài bậc hai, chỉ ra ở hình 4.
Điểm hoạt động tối ưu là:
Hiệu suất bộ thu thấp hơn so với trường hợp trước; năng lượng điện dung đầu ra
có phần cao hơn.
Quan sát và nghiên cứu thực tê
1) Một số lượng lớn hơn các bộ cộng hưởng có thể được đưa vào thiết
kế này, đặc biệt ở tần số cao (UHF trở lên), nơi có thể điều khiển
7
một số sóng hài đồng thời. Theo lý thuyết giá trị của hiệu suất bộ
thu và khả năng phát công suất các tở hợp khác nhau của sóng hài
điều khiển được nêu trong Tài liệu tham khảo [7]. Tài liệu tham
khảo [9], [10], và [11] cung cấp một số ví dụ thiết kế thực tế của bộ
khuếch đại công suất Class Fl.
2) Duy trì đúng số lượng sóng hài trong điện áp thu dạng sóng là giới
hạn của bộ khuếch đại đặc trưng class F1. Thực tế nó được thực
hiện sự điều chỉnh kĩ lưỡng và đưa vào lượng sóng điều hòa cần
thiết để điều khiển tín hiệu. Hoạt động của thiết bị cũng có thể bị
bão hòa để nâng cao hiệu suất.
3) Hiệu suất của điện áp bão hòa và/ hoặc điện trở bão hòa của chất
bán dẫn trong mạch có thể được ước lượng để sử dụng giống
phương pháp dùng cho bộ khuếch đại class b và class C
2. Class F2 Power Amplifiers (Bộ khuếch đại công suất class
F2)
Nếu vô số bộ cộng hưởng song song nối tiếp được điều chỉnh trên
các sóng hài lẻ của tần số làm việc bao gồm mạch đỉnh sóng hài bậc 3 của
hình 1, đơn vị hiệu suất theo lí thuyết. Mạch giả định này, có sự tương
đồng rõ ràng với bộ khuếch đại Class Fl đạt đỉnh của sóng âm thứ ba,
được thể hiện trong Hình 5 [12].
Việc triển khai thực tế của mạch này được trình bày trong Hình 6 [2, 7,
11, 13] trong đó đường truyền một phần tư bước sóng thay thế cho bộ
cộng hưởng song song được điều chỉnh trên các sóng hài lẻ của tần số
hoạt động. Hình 7 mơ tả các dạng sóng của mạch.
8
Figure 5 Class F circuit using an infinite number of parallel resonators
Figure 6 Class F2 amplifier with a parallel-tuned output
Figure 7 Waveforms in a Class F2 amplifier with a parallel-tuned output.
Sự phân tích của bộ khuếch đại Class F2 dựa trên những lập luận sau:
• Thành phần bị động là tốt nhất(cuộn cảm RF lý tưởng và Cd là một tụ
điện chặn một chiều).
• Sự tiêu hao đường truyền một phần tư bước sóng là giả định. Kí hiệu trở
kháng của đường truyền là .
• Thiết bị hoạt động như một công tắc lý tưởng (điện trở BẬT bằng không,
Điện trở TẮT bằng vô hạn, điện dung đầu ra bằng không, hoạt động
9
chuyển mạch là tức thời và không mất mát), với tỷ lệ nhiệm vụ chuyển
đởi là 50 phần trăm.
• Mạch điều chỉnh song song LC (cộng hưởng ở tần số cơ bản) là lý tưởng:
trở kháng của nó là vơ hạn ở tần số cơ bản và bằng không.
Ở tần số cơ bản f, điện trở của quá trình đường truyền là R. Do đó, trở kháng
đầu vào của đường truyền (tải được nhìn thấy bởi chất bán dẫn) được đưa ra
bởi:
Đối với các thành phần sóng hài, trở kháng tải của q trình đường truyền
bằng khơng (ngắn mạch) do hoạt động của mạch điều chỉnh song song. Vì
bất kỳ sóng hài lẻ nào thì độ dài điện của đường dây tải điện là một tần số lẻ
bội số nguyên của A / 4, do đó trở kháng đầu vào của đường dây là vô hạn
(mạch hở). Đối với bất kỳ sóng hài chẵn nào, chiều dài điện của đường dây
tải điện là bội số nguyên của A / 2; do đó, trở kháng đầu vào của dòng bằng
khơng (ngắn mạch). Những nghiên cứu này cho thấy rằng (xem Hình 7):
• Điện áp bộ thu v chỉ bao gồm một chiều, tần số cơ bản và sóng hài lẻ.
Kết quả, vì thành phần DC của v là và v = 0 trong trạng thái BẬT (π<0
<2 ), điện áp bộ thu phải là trong trạng thái TẮT (0< <π).
• Điện áp bộ thu v chỉ bao gồm một chiều, tần số cơ bản và sóng hài
chẵn. Kết quả, vì i=0 trong trạng thái TẮT (0< <π)), điện áp bộ thu
phải là ½ sóng hình sin trong trạng thái BẬT (π<0 <2 ).
Có thể khuếch đại với ch̃i Fourier
Thành phần tần số cơ bản củaxác định bởi hàm sin dòng điện đầu ra theo
phương vng góc với thành phần tần số cơ sở của do đường truyền .
10
Do đó, cơng suất phát được tính:
Thành phần tần số cơ sở của đều được tính bởi:
Do đó, giá trị đỉnh của dòng điện thu (dạng sóng nửa hình sin) là 2I. Dòng điện
đầu vào DC và nguồn điện đầu vào DC là:
Theo lí thuyết hiệu suất bộ thu là 100 phần trăm. Cuối cùng, khả năng đầu ra
công suất có cùng giá trị như đỉnh sóng hài thứ hai Class F1 hoặc mạch Class D.
1) Các mạch Class F2 đôi khi được gọi là bộ khuếch đại "Class D một đầu"
vì sự giống nhau giữa hai mạch.
2) Hiệu suất thực tế của bộ khuếch đại Class F2 bị ảnh hưởng đáng kể bởi
điện trở BẬT chuyển mạch , và điện dung đầu ra của chất bán dẫn,. Ảnh
hưởng của lên dạng sóng điện áp bộ thu là thể hiện trong hình 8; hiệu
suất của mạch bị ảnh hưởng như sau:
11
Figure 8 Collector voltage waveform if RON > 0Tổn thất cơng suất do phóng điện dung đầu ra của chất bán dẫn tăng với tần số
hoạt động và giới hạn tính hữu ích của mạch này ở tần số cao.
3) Mạch này có trở ngại rất nghiêm trọng ở tần số thấp: độ dài vật lý của
đường truyền một phần tư bước sóng vượt quá giá trị thực tế chấp nhận
được. Ví dụ, ở f = 25 MHz, M4 = 3 m (miễn phí khơng gian). Nếu sử
dụng cáp đồng trục điển hình (chẳng hạn như RG-58), yêu cầu chiều dài
vật lý là khoảng 2 mét.
4) Có thể sử dụng mạch kết hợp pi (hoặc mạch khác tương đương với bộ
cộng hưởng song song) thay vì mạch điều chỉnh song song đầu ra. Như là
một mạch có thể cung cấp kết hợp trở kháng (nếu cần) và lọc ra sóng hài
khơng mong muốn.
EXAMPLE 5.1
Class F2 trong Hình 9 hoạt động ở f = 9 MHz và = 30 V Một mạch đấu pi
được sử dụng để biến đổi điện trở tải RL= 50 Ω, thành R =25 Ω, và
đường truyền 50 ohm tiếp tục chuyển đổi điện trở này thành = 100 Ω.
Xét trở kháng giá trị trong mạch, thuận tiện hơn khi đặt cuộn cảm RF và
Tụ điện DC, như trong Hình 9. Giả sử đó là một cơng tắc lý tưởng, các
phương trình trên cho = = 7,295 W, = 243,2 mA, và dòng thu cực đại 2I
12
= 763,9 mA. Nếu một MOSFET với = 5 Ω được sử dụng trong mạch
này, Công thức 5.22 cho ra = 6,029 W, = 6,632 W = 221,1 mA, =
90,9% và 2I = 694,5 mA. Giả sử rằng điện dung đầu ra của bóng bán dẫn
là Cout= 50 pF, cơng suất mất thêm xuất hiện trong mạch là =0,81 W,
giảm hiệu suất bộ thu xuống dưới 80 phần trăm.
Figure 9 The Class F2 circuit in Example 5.1.
Một cấu hình Class F2 khác được thể hiện trong Hình 10 [7,141. Mạch này sử
dụng mạch đầu ra được điều chỉnh theo chuỗi và là mạch kép của bộ khuếch đại
Class F2 được trình bày trong Hình 6. Hình 11 cung cấp các dạng sóng của
mạch. Lưu ý rằng Mạch Class F2 này có thể được coi là giới hạn cải tiến cho bộ
khuếch đại Class Fl đạt đỉnh sóng hài thứ hai được trình bày trong Phần 5.1.
13
Figure 10 Class F2 amplifier with a series-tuned output circuit.
Figure 11 Waveforms in a Class F2 amplifier with a series-tuned output
Ở tần số cơ bản f, trở kháng tải của quá trình truyền dòng là R và trở kháng đầu
vào của đường truyền là .Đối với thành phần sóng hài, trở kháng tải của đường
dây tải điện là vô hạn (hở mạch) do tác động của mạch điều chỉnh nối tiếp. Vì
vậy, đối với bất kỳ sóng hài chẵn nào, trở kháng đầu vào của đường dây là vô
hạn (hở mạch) và đối với bất kỳ sóng hài lẻ nào, trở kháng đầu vào của đường
dây bằng 0 (ngắn mạch). Những xem xét này cho thấy rằng dòng điện của bộ
thu khác nhau giữa 0 trong trạng thái TẮT và trong trạng thái BẬT, trong khi
14
điện áp bộ thu là nửa hình sin trong trạng thái TẮT. Hiệu suất của mạch được
cho bởi
15
Một số nhận xét và cân nhắc thực tê
1) Hình 10 và 11 và Công thức 5.24 cho thấy một số điểm tương đồng giữa
mạch Lớp F2 này và mạch Lớp D chuyển mạch hiện tại.
2) Hiệu suất thực tế của mạch Lớp F2 trong Hình 10 bị ảnh hưởng đáng kể
bởi điện trở BẬT chuyển mạch RON và độ tự cảm nối tiếp tại chuyển.
Công suất tổn thất do cuộn cảm nối tiếp tăng lên khi tần số hoạt động và
giới hạn tính hữu dụng của mạch này ở tần số cao. Điện áp trên công tắc
bằng 0 khi BẬT, do đó loại bỏ tởn thất điện năng do điện dung đầu ra của
bóng bán dẫn.
3) Mạng đối sánh T (hoặc bất kỳ mạng đối sánh nào khác tương đương với
bộ cộng hưởng nối tiếp) có thể được sử dụng thay cho mạch điều chỉnh
nối tiếp đầu ra. Mạng kết hợp T có thể cung cấp kết hợp trở kháng (nếu
u cầu) và lọc ra các sóng hài khơng mong muốn.
3. Class F3 Power Amplifiers
Mạch khuếch đại công suất Class F3 cơ bản được thể hiện trong Hình 512 [1,15]. Mạch này là một bộ khuếch đại Class E bậc cao hơn với những
điều đặc trưng:
• Thiết bị hoạt động hoạt động như một công tắc với tỷ lệ nhiệm vụ
50 phần trăm.
• L0C0 là mạch điều chỉnh nối tiếp; tần số cộng hưởng của nó gần
với tần số chuyển mạch (như trong trường hợp của mạch Class E).
• L3C3 và LC là mạch điều chỉnh song song cộng hưởng trên hài bậc
ba của tần số chuyển mạch.
• Điện dung rẽ nhánh, C, hấp thụ điện dung đầu ra của chất bán dẫn.
Figure 12 Class F3 amplifier.
Mạch này được thiết kế để đáp ứng các điều kiện chuyển mạch Class E tiêu
chuẩn được đưa ra bởi Cơng thức 4.48. Do đó, những lợi thế nổi tiếng của hoạt
động Class E cũng thu được đối với mạch Class F3. Lớp Mạch F3 có sóng hài
thứ ba được thêm vào dạng sóng điện áp thu, giảm điện áp cực đại của bộ thu và
tăng khả năng phát công suất. Nhược điểm liên quan đến các biến chứng được
giới thiệu bởi tăng độ phức tạp của mạch (đòi hỏi điều chỉnh rất cẩn thận) và tổn
thất bổ sung.
