Bạn Nên Sử Dụng Lớp Khuếch Đại Công Suất Nào?

Created: Tháng Mười Một 7, 2022
Updated: Tháng Bảy 1, 2024

Các bộ khuếch đại công suất về mặt lý thuyết là đơn giản, nhưng không phải tất cả các bộ khuếch đại công suất đều được tạo ra như nhau. Chúng chắc chắn có những thông số kỹ thuật và khả năng cạnh tranh, nhưng quan trọng hơn là cấu trúc và chức năng của các mạch này khi được đặt trong một hệ thống thực tế. Chức năng của bộ khuếch đại công suất được chia thành các lớp, và có nhiều lớp bộ khuếch đại công suất mỗi lớp hoạt động khá khác nhau. Có đủ nhiều lớp bộ khuếch đại công suất đến mức có thể khó cho mọi người ghi nhớ cách mỗi bộ khuếch đại hoạt động, cũng như lớp bộ khuếch đại nào được ưa chuộng trong các hệ thống khác nhau.

Trong bài viết này, tôi sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về các lớp bộ khuếch đại công suất chính và cách chúng có thể được sử dụng trong các hệ thống khác nhau. Như chúng ta sẽ thấy, các loại bộ khuếch đại công suất khác nhau có sẵn dưới dạng mạch tích hợp, và chúng hoạt động với các phương pháp lái khác nhau để cung cấp công suất. Các đặc điểm hoạt động như bao bì, tái tạo tín hiệu chính xác, và méo hài hòa là một số chỉ số quan trọng cần xem xét khi lựa chọn bộ khuếch đại công suất.

Điểm quan trọng khác cần xem xét là khả năng thay thế cho bộ khuếch đại công suất, đặc biệt trong môi trường hiện đại với tình trạng thiếu hụt và thời gian chờ dài. Một số bộ khuếch đại công suất tương thích với nhau và có thể được thay thế trực tiếp miễn là bao bì và chân kết nối tương tự. Chúng ta sẽ xem xét khả năng thay thế cho các loại bộ khuếch đại công suất trong bài viết này khi đề cập đến các lớp bộ khuếch đại công suất.

Cách Bộ Khuếch Đại Công Suất Hoạt Động

Về mặt lý thuyết, bộ khuếch đại công suất không khác gì so với bất kỳ bộ khuếch đại nào khác; bạn nhập vào một tín hiệu nhất định, và tín hiệu đầu ra thường mạnh hơn tín hiệu đầu vào. Tín hiệu đầu vào được khuếch đại lên đến một giá trị tối đa nhất định, có thể được điều chỉnh với một ngân hàng I/O hoặc thông qua sức mạnh của tín hiệu điều chế đầu vào. Một ví dụ về cấu trúc bộ khuếch đại công suất điển hình được hiển thị bên dưới.

Nói chung, các lớp bộ khuếch đại công suất được phân biệt bởi cơ chế lái của chúng, và chúng được phân biệt thêm bởi cấu trúc mạch. Bộ khuếch đại công suất có thể được lái bằng tín hiệu sóng vuông điều chế, hoặc trực tiếp bằng tín hiệu AC như được hiển thị trong hình trên. Ngoài cơ chế lái, có một số yếu tố phân biệt các lớp bộ khuếch đại công suất:

Phương pháp điều chế (PWM, PFM, sigma-delta, v.v.)
Cấu trúc cung cấp công suất (nguồn cung cấp đơn, nguồn cung cấp xếp chồng)
Cấu trúc đẩy kéo
Sinh hài hòa có chủ ý và không chủ ý

Đặc Điểm của Bộ Khuếch Đại Công Suất

Ngoài những điểm này, bộ khuếch đại công suất có thể có một loạt các cấu trúc và tính năng được tích hợp vào sản phẩm. Ví dụ, một số bộ khuếch đại công suất có cấu hình đẩy kéo độc đáo ở giai đoạn đầu ra, trong khi những cái khác là bộ khuếch đại transistor đơn giản (đặc biệt ở tần số thấp). Bộ khuếch đại cũng có thể sử dụng cấu trúc xếp chồng để cung cấp thêm lợi ích, hoặc chúng có thể sử dụng một bộ tiền khuếch đại. Ngoài các yêu cầu hoạt động cơ bản được tìm thấy trong các lớp bộ khuếch đại công suất, thực sự có thể thêm bất cứ tính năng nào, đảm bảo điều kiện tín hiệu, hoặc cung cấp giao diện để điều khiển lợi ích.

Mô-đun hay Chip?

Các sản phẩm khuếch đại công suất có sẵn dưới dạng chip để sử dụng trong các thiết bị nhỏ hơn, hoặc dưới dạng mô-đun có thể được tích hợp vào các thiết bị lớn hơn. Nhiều IC khuếch đại công suất thuộc vào các lớp khác nhau và có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, mặc dù nhiều sản phẩm khuếch đại công suất được xây dựng cho âm thanh. Hầu hết các khuếch đại công suất khác không được quảng cáo cụ thể cho âm thanh và chỉ sử dụng một transistor duy nhất làm yếu tố hoạt động là khuếch đại lớp A, ngay cả khi bảng dữ liệu hoặc tài liệu tiếp thị không liệt kê một lớp khuếch đại cụ thể nào.

Một ví dụ về linh kiện là LM4991 từ Texas Instruments. Khuếch đại âm thanh lớp AB này cung cấp công suất lên đến 3 W khi hoạt động ở mức logic (lên đến 5.5 V). Linh kiện có thể được ghép đôi song song để cung cấp đầu ra stereo cho hai loa với mức méo tiếng THD + N rất thấp trong phạm vi âm thanh. Một số dữ liệu hoạt động và mạch ứng dụng được hiển thị bên dưới.

Các khuếch đại công suất cũng có sẵn dưới dạng mô-đun đã đóng gói trước bao gồm nhiều tính năng. Một số linh kiện hoặc mô-đun khuếch đại công suất được thiết kế để hoạt động trong một băng thông cụ thể, vì vậy có các mạch bổ sung ở giai đoạn đầu ra cung cấp lọc và khớp trở kháng, đặc biệt trong các hệ thống tần số cao nơi tín hiệu RF được cung cấp. Tuy nhiên, bạn vẫn sẽ thấy các mô-đun khuếch đại công suất hoạt động trên một phạm vi tần số rất lớn, thậm chí đạt đến phạm vi GHz. Những mô-đun này thường được dành cho các ứng dụng công suất cao.

PE15A5068 từ Pasternack là một khuếch đại lớp AB với công suất đầu vào bão hòa 5 W hoạt động từ 2 đến 18 GHz. Mô-đun này hoạt động ở 22 đến 24 V DC với lợi ích điển hình là 37 dB. Những mô-đun này có thể khá đắt và chỉ dành cho các ứng dụng RF chuyên biệt trong truyền thông (ví dụ, radio quân sự) hoặc đo lường. Linh kiện cụ thể này được xây dựng với một GaN FET, mặc dù các linh kiện khác có thể được xây dựng từ bán dẫn hợp chất III-V.

Khuếch đại công suất chạy bằng AC

Những khuếch đại công suất này sử dụng tín hiệu AC đầu vào, và có thể là một số điện áp lệch DC được áp dụng, để điều chế một hoặc nhiều transistor. Có thể có một preamp trong những khuếch đại này để tăng độ nhạy đầu vào và điều chế hoàn toàn các transistor.

Lớp A

Khuếch đại công suất lớp A được xây dựng với một transistor chuyển mạch duy nhất, bất kể loại transistor công suất. Mục đích của những khuếch đại này là tối đa hóa phạm vi tuyến tính của thiết bị xung quanh điểm Q của transistor để ngăn chặn méo tiếng và tạo sóng hài. Những khuếch đại này có thể có một phạm vi tuyến tính cao khi được xây dựng đúng cách, và chúng dễ dàng được xây dựng từ các linh kiện rời rạc. Nhược điểm của một khuếch đại lớp A là sinh nhiệt vì transistor luôn được ghép nối DC vào trạng thái dẫn điện, do đó sẽ luôn có một số mất mát dẫn điện nhỏ.

Lớp B

Những bộ khuếch đại này tương tự như Class A, nhưng chúng cung cấp sự lãng phí nhiệt thấp hơn thông qua việc sử dụng hai transistor hoạt động ở cực đối lập trong cấu hình đẩy kéo, tức là, mỗi transistor chỉ cung cấp một nửa tín hiệu đầu vào. Mỗi transistor được điều chế TẮT khi mức tín hiệu vượt qua 0 V, điều này sau đó điều chế transistor kia BẬT. Nhược điểm của những bộ khuếch đại này là thời gian chết hoặc vùng chết; trong khoảng thời gian ngắn khi tín hiệu vượt qua 0 V, tín hiệu điều khiển giữa hai cực sẽ dưới ngưỡng, vì vậy transistor sẽ TẮT ngay cả khi mức tín hiệu là một giá trị nhỏ, không bằng không.

Lưu ý rằng cũng có bộ khuếch đại công suất Class AB, kết hợp những ưu điểm tốt nhất của mạch khuếch đại Class A và Class B với độ méo thấp.

Class C

Những bộ khuếch đại này sử dụng mạch LC song song trên cực bias đầu vào để cung cấp bộ lọc tại cộng hưởng LC. Những bộ khuếch đại này hoạt động không cần bias DC với một transistor duy nhất, vì vậy chúng có độ méo mạnh ở tần số hoạt động thông thường. Do đó, chúng thường không được sử dụng trong âm thanh hoặc bất cứ thứ gì đòi hỏi băng thông cao, thay vào đó, chúng thường được sử dụng như các dao động ký sinh khi có tín hiệu sin. Phạm vi tuyến tính của những bộ khuếch đại này cũng rất thấp do điểm hoạt động được thiết lập cho những bộ khuếch đại này.

Bộ Khuếch Đại Công Suất Điều Khiển bởi PWM

Những lớp bộ khuếch đại công suất này phổ biến hơn trong các ứng dụng số do cách chúng được điều khiển. Phương pháp điều khiển yêu cầu có thể được tạo ra từ các dạng sóng tương tự, hoặc chuỗi xung có thể được tổng hợp với một bộ xử lý số.

Class D và S

Hai bộ khuếch đại này là bộ khuếch đại chuyển mạch phi tuyến sử dụng chuỗi xung điều chế và bộ lọc để tạo ra tín hiệu đầu ra mong muốn.

Class D: Những bộ khuếch đại này sử dụng một sóng dạng cưa đầu vào và tín hiệu đầu vào trong một bộ so sánh để tạo ra tín hiệu điều chế sigma-delta. Tín hiệu này được sử dụng để điều khiển một mạch khuếch đại đẩy kéo và đầu ra được lọc vào dải âm thanh.
Class S: Sử dụng một bộ điều chế sigma-delta để tạo ra một sóng vuông đầu ra, sau đó được khuếch đại và truyền qua một bộ lọc thông băng cao-Q để tạo ra một sóng sin.

Những bộ khuếch đại này hoạt động với hiệu suất cao và độ méo thấp khiến chúng có thể so sánh với bộ khuếch đại Class A/AB về độ méo.

Class F

Một bộ khuếch đại Class F được thiết kế để sử dụng một tập hợp các bộ cộng hưởng hài cao-Q để cung cấp công suất cho tải với tổn thất điện trở thấp. Khi càng nhiều phần tử cộng hưởng được nối tiếp trên giai đoạn đầu ra, hình dạng sóng đầu ra tiến gần đến một sóng vuông với chuyển đổi công suất hiệu quả cao. Các hài được tạo ra là bội số của các thành phần trong tín hiệu đầu vào, vì vậy những bộ khuếch đại này hữu ích hơn như các bộ tạo sóng vuông công suất cao.

Class G và H

Những bộ khuếch đại công suất này là sự cải tiến của bộ khuếch đại Class AB với một kế hoạch cung cấp công suất độc đáo. Điều chế trong những bộ khuếch đại này được thực hiện khi tín hiệu đầu vào buộc thiết bị chuyển đổi giữa nhiều giá trị điện áp ray trong quá trình dao động của nó. Sự khác biệt giữa Class G và Class H là sự khác biệt giữa nguồn cung cấp số và tương tự; bộ khuếch đại Class H sử dụng một nguồn cung cấp điện áp biến đổi liên tục (tương tự) trong khi Class G sử dụng một tập hợp các giá trị điện áp ray rời rạc.

Class I

Lớp khuếch đại này hoạt động dựa trên cùng một khái niệm như một khuếch đại lớp B, nhưng nó sử dụng hai mạch đẩy kéo song song. Một mạch hoạt động trong nửa chu kỳ dương trong khi mạch kia hoạt động trong nửa chu kỳ âm. Mỗi bên của thiết bị chuyển đổi giữa BẬT và TẮT khi chu kỳ làm việc của trình điều khiển PWM là 50% ngay tại điểm chéo không của tín hiệu vào.

Các Thành Phần Khác Cho Mạch Khuếch Đại Công Suất

Các ví dụ trên nên cho thấy rằng các lớp khuếch đại công suất nhiều hơn về cấu trúc và ít hơn về khả năng. Điều này thường có nghĩa là nếu bạn biết cách xây dựng và sử dụng một mạch khuếch đại công suất nhỏ, các khái niệm có thể nhanh chóng mở rộng lên công suất lớn hơn hoặc tần số cao hơn.

Trong bất kỳ chuỗi tín hiệu analog hoặc RF nào, khuếch đại sẽ không phải là thành phần duy nhất. Các hệ thống này có thể được trang bị thêm các linh kiện rời hoặc op-amps để cung cấp các chức năng như lọc, hoặc chúng có thể sử dụng các thành phần đơn khối chuyên biệt khi hoạt động ở tần số cao. Một số thành phần quan trọng cần thiết trong mạch khuếch đại công suất được liên kết dưới đây.

Trong trường hợp bạn đang xây dựng một khuếch đại từ một bộ linh kiện rời, bạn sẽ cần tất cả các linh kiện được hiển thị trong sơ đồ topo trên và cuối cùng, đặt chúng lên một PCB. Hãy chắc chắn bạn sử dụng các công cụ chuỗi cung ứng tốt nhất để tìm các linh kiện bạn cần cho thiết kế của mình.

Các công ty muốn thực hiện chiến lược chuỗi cung ứng dự phòng cần truy cập vào dữ liệu, thông tin chi tiết và một nền tảng tìm nguồn như Octopart để giúp xác định vị trí và mua sắm linh kiện. Octopart cung cấp các tính năng tìm kiếm và lọc tiên tiến để giúp người mua tìm linh kiện và dữ liệu giá cập nhật của nhà phân phối, hàng tồn kho và thông số kỹ thuật của linh kiện. Hãy xem trang mạch tích hợp của chúng tôi để tìm các linh kiện bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.