Bộ khuếch đại là gì ?

Bộ khuếch đại là gì ?

Bộ khuếch đại là thuật ngữ chung được sử dụng để mô tả một mạch tạo ra và khuếch đại tín hiệu đầu vào. 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 thường được sử dụng 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 chẳng hạn.

Có nhiều dạng mạch điện tử được phân loại như bộ khuếch đại thuật toán 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 hiệuLoạicấu hìnhPhân loạiTần số thoạt động
Tín hiệu nhỏE chungBộ khuếch đại Class ADòng điện một chiều (DC)
Tín hiệu lớnB chungBộ khuếch đại Class BTần số âm thanh (AF)
 C chungBộ khuếch đại Class ABTần số vô tuyến (RF)
  Bộ khuếch đại Class C
Tần số VHF, UHF và SHF

Bộ khuếch đại chứa các linh kiện khuếch đại, chẳng hạn như transistor lưỡng cực, transistor hiệu ứng trường hoặc bộ khuếch đại thuật toán, có hai đầu vào và hai đầu ra 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 thuộc 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(độ lợi) 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 độ lợi của bộ khuếch đại sẽ là “50”. Nói cách khác, tín hiệu đầu vào đã được tăng thêm hệ số 50. độ lợi 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”, dành cho Khuếch đại. Khi đó, độ lợi của một bộ khuếch đại được tính đơn giản là “tín hiệu đầu ra chia cho tín hiệu đầu vào”.

Độ lợi của bộ khuếch đại

Giới thiệu về độ lợi bộ khuếch đại có thể nói là mối quan hệ tồn tại giữa tín hiệu được đo ở đầu ra với tín hiệu được 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 .

Độ lợi khuếch đại của tín hiệu đầu vào

Độ lợi điện áp

Độ lợi dòng điện

Độ lợi công suất

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 một bộ khuếch đại, các ký hiệu v , i và p được sử dụng để biểu thị loại độ lợi tín hiệu đang được sử dụng.

Độ lợi công suất (Ap) hoặc mức công suất của bộ khuếch đại cũng có thể được biểu thị bằng Decibel , ( dB ). Bel (B) là một đơn vị đo logarit (cơ số 10) không có đơn vị đo. Bel là một đơn vị quá lớn, nó được bắt đầu bằng deci  trở thành decibel với một decibel là một phần mười (1/10) của một Bel. Để tính toán độ lợi của bộ khuếch đại bằng Decibel hoặc dB, chúng ta có thể sử dụng các biểu thức sau.

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

Lưu ý rằng độ lợi nguồn DC của bộ khuếch đại bằng mười lần  lôgarit cơ số 10 của tỷ lệ đầu ra và đầu vào, trong đó độ lợi điện áp và dòng điện bằng 20 lần lôgarit cơ số 10 của tỷ lệ đầu vào và đầu ra. Tuy nhiên, lưu ý rằng 20dB không nhiều gấp đôi so với 10dB vì thang đo là loga.

Ngoài ra, giá trị dương của dB biểu thị độ lợi và giá trị âm của dB thể hiện Suy hao trong bộ khuếch đại. Ví dụ: độ lợi của bộ khuếch đại là + 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 suy hao .

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

Ví dụ về bộ khuếch đại 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 độ lợi bằng decibel, (dB).

Các bộ khuếch đại khác nhau đạt được:

Độ lợi của bộ khuếch đại được tính bằng Decibel (dB):

Sau đó, bộ khuếch đại có Độ lợi điện áp, (Av) là 100, Độ lợi dòng điện, (Ai) là 10 và Độ lợi 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 vi sai, 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

Bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ thường được gọi là một khuếch đại điện áp 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 khi 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 được 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 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 thành đầu ra tín hiệu điện áp xoay chiều thường kém.

Bộ khuếch đại hoàn hảo hoặc lý tưởng sẽ cho chúng ta 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 số 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 một bộ khuếch đại được cho là:

Hiệu suất bộ khuếch đại

Bộ khuếch đại lý tưởng

Chúng ta biết các đặc điểm cho một bộ khuếch đại lý tưởng 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 nhiễu 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 như một bộ khuếch đại điện áp hoặc một 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 transistor E chung rằng để transistor hoạt động trong “Vùng hoạt động” của nó, cần phải “phân cực cho cực B”. Điện áp phân cực nhỏ này được thêm vào tín hiệu đầu vào cho phép transistor 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 điện áp phân cực B 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 B, 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 đượ 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 phương thức hoạt động của chúng. 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 có hiệu suất thấp đến không đầu ra tuyến tính nhưng với hiệu suất cao.

Không có lớp hoạt động nào là “tốt hơn” hoặc “tệ hơn” so với bất kỳ lớp nào khác với loại 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 công suất) cho một nửa tín hiệu đầu vào.
  • Bộ khuếch đại Class AB   – có xếp hạng hiệu suất giữa Class A và Class B nhưng khả năng tái tạo tín hiệu kém hơn so với các bộ khuếch đại lớp A.
  • Bộ khuếch đại Class C   – là lớp khuếch đại hiệu quả nhất nhưng độ méo rất cao do 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 transistor được phân cực hoàn hảo trong vùng hoạt động của nó. Điều này có nghĩa là transistor 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 tạo bộ khuếch đại Class A sử dụng cùng một transistor chuyển mạch cho cả hai nửa của dạng sóng đầu ra và do sự sắp xếp phân cực trung tâm của nó, transistor đầu ra luôn có dòng định thiên DC không đổi, ( I CQ ) chạy qua nó, ngay cả khi không có tín hiệu đầu vào. Nói cách khác, các transistor đầu ra không bao giờ “TẮT” và ở trạng thái bão hòa .

Mọi chi tiết hoạt động của Transistor các bạn xem tại đây : Transistor là Gì ?

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 cung cấp cho tải thường rất thấp.

Do điểm phân cực trung tâm này,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 phân cực DC chạy qua cực C của transistor ( I CQ ) bằng dòng điện chạy qua tải ở cực C. Do đó, bộ khuếch đại Class A rất kém hiệu quả vì hầu hết nguồn DC 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 transistor duy nhất cho tầng công suất đầu ra, Bộ khuếch đại Class B sử dụng hai transistor (NPN và PNP hoặc NMOS và PMOS) để khuếch đại mỗi nửa của dạng sóng đầu ra.

Một transistor chỉ dẫn cho một nửa dạng sóng tín hiệu trong khi transistor kia dẫn cho nửa kia hoặc nửa đối diện của dạng sóng tín hiệu. Điều này có nghĩa là mỗi transistor dành một nửa thời gian của nó trong vùng hoạt động và một nửa thời gian của nó trong 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 transistor chỉ dẫn khi tín hiệu đầu vào lớn hơn điện áp ( V BE ) và đối với transistor silicon, giá trị này là 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 lấy ở đầu ra của bộ khuếch đại, điều này cải thiện hiệu suất 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 transistor, vì vậy để các transistor đầu ra bắt đầu dẫn từng nửa dạng sóng, cả dương và âm, chúng cần điện áp V BE lớn hơn sự sụt giảm điện áp thuận 0,7v cần thiết để một transistor lưỡng cực tiêu chuẩn bắt đầu dẫn điện.

Do đó, phần dưới của dạng sóng đầu ra nằm dưới cửa 0,7v này sẽ không được tái tạo chính xác. Điều này dẫn đến vùng méo dạng của dạng sóng đầu ra khi một transistor chuyển sang trạng thái “TẮT” chờ transistor 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 biến dạng 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 transistor bổ sung trong giai đoạn đầu ra của nó, một điện áp phân cực rất nhỏ được áp dụng cho cực B của mỗi transistor để phân cực chúng gần với vùng cắt khi không có tín hiệu đầu vào.

Một tín hiệu đầu vào sẽ làm cho transistor hoạt động bình thường trong vùng hoạt động của nó, loại bỏ bất kỳ biến dạng chéo nào luôn có trong cấu hình class B. Dòng phân cực nhỏ ( I CQ ) sẽ chạy qua transistor khi không có tín hiệu đầu vào, nhưng nhìn chung nó ít hơn nhiều so với cấu hình bộ khuếch đại Class A.

Vì vậy, mỗi transistor đang dẫn, “BẬT” trong hơn một nửa chu kỳ của dạng sóng đầu vào.Phân cực 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, class hoạt động của bộ khuếch đại là rất quan trọng vì nó quyết định lượng phân cực transistor 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 transistor đầu ra dẫn cũng như xác định cả hiệu suất và lượng điện năng mà transistor 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

ClassABCAB

Góc dẫn
360 o180 oDưới 90 o180 đến 360 o
Vị trí củađiểm QĐiểm trung tâm củađường tảiChính xác trêntrục XBên dướitrục XỞ giữatrục X vàĐường tải trung tâm

Hiệu quả tổng thể
Kém25 đến 30%Tốt hơn70 đến 80%Caohơn 80%Tốt hơn Anhưng nhỏ hơn B50 đến 70%

Biến dạng tín hiệu
Không nếuphân cực chính xácTạiđiểm giao nhau trục XLượng lớnMột lượng nhỏ

Các bộ khuếch đại được thiết kế khá tốn kém, đặc biệt là loại Class “A” cũng có thể yêu cầu transistor công suất lớn hơn, bộ 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 được chuyển đổi thành nhiệt từ các transistor, 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 việc thiết bị bị hỏng sớm.

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 lượng lớn nguồn DC.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

Back to top button