Biến dạng khuếch đại có thể xuất hiện dưới nhiều dạng như biến dạng biên độ, tần số và pha do hiệu ứng cắt xén
Để một bộ khuếch đại tín hiệu hoạt động chính xác mà không có biến dạng tín hiệu đầu ra, nó cần một dạng điện áp DC Phân cực trên cực Base hoặc Gate. Điện áp Phân cực DC là cần thiết để bộ khuếch đại có thể khuếch đại tín hiệu đầu vào trên toàn bộ chu kỳ với điểm Phân cực Q đặt gần trung tâm đường tải nhất có thể.
Việc đặt điểm Phân cực Q sẽ cho chúng ta cấu hình khuếch đại kiểu Class A phổ biến nhất là cấu hình E chung chung cho transistor lưỡng cực hoặc cấu hình nguồn chung cho transistor unipolar FET.
Công suất, điện áp hoặc dòng điện khuếch đại (mức độ khuếch đại) cung cấp bởi bộ khuếch đại là tỷ số giữa giá trị đỉnh đầu ra so với giá trị đỉnh đầu vào (Đầu ra/Đầu vào).
Tuy nhiên, nếu thiết kế mạch khuếch đại không chính xác và đặt điểm Phân cực Q ở vị trí sai trên đường tải hoặc áp dụng tín hiệu đầu vào quá lớn vào bộ khuếch đại, tín hiệu đầu ra kết quả có thể không phải là bản sao chính xác của tín hiệu đầu vào gốc. Nói cách khác, bộ khuếch đại sẽ bị những gì thường gọi là Biến dạng khuếch đại. Xem xét mạch khuếch đại E chung chung bên dưới.
Bộ khuếch đại E chung chung
Biến dạng tín hiệu đầu ra có thể xảy ra bởi vì:
- Khuếch đại có thể không diễn ra trên toàn bộ chu kỳ tín hiệu do mức Phân cực sai.
- Tín hiệu đầu vào có thể quá lớn, khiến transistor trong bộ khuếch đại bị giới hạn bởi điện áp nguồn.
- Khuếch đại có thể không phải là tuyến tính trên toàn bộ dải tần số đầu vào.
Điều này có nghĩa là trong quá trình khuếch đại quá trình sóng, một số dạng Biến dạng khuếch đại đã xảy ra.
Về cơ bản, bộ khuếch đại được thiết kế để khuếch đại các tín hiệu điện áp đầu vào nhỏ thành các tín hiệu đầu ra lớn hơn nhiều và điều này có nghĩa là tín hiệu đầu ra liên tục thay đổi theo hệ số hoặc giá trị gọi là độ lợi, nhân với tín hiệu đầu vào cho tất cả các tần số đầu vào. Chúng ta đã thấy trước đây rằng hệ số nhân này được gọi là giá trị Beta, β của transistor.
Mạch E chung chung hoặc thậm chí mạch nguồn chung loại transistor hoạt động tốt cho các tín hiệu đầu vào AC nhỏ nhưng lại gặp một nhược điểm lớn, vị trí điểm Phân cực Q tính toán của bộ khuếch đại lưỡng cực phụ thuộc vào cùng giá trị Beta cho tất cả các transistor. Tuy nhiên, giá trị Beta này sẽ thay đổi từ transistor cùng loại, nói cách khác, điểm Q cho một transistor không nhất thiết giống với điểm Q của một transistor khác cùng loại do các dung sai sản xuất.
Sau đó, biến dạng khuếch đại xảy ra bởi vì bộ khuếch đại không tuyến tính và một loại biến dạng khuếch đại gọi là Biến dạng biên độ sẽ xảy ra. Lựa chọn cẩn thận transistor và các thành phần Phân cực có thể giúp giảm thiểu ảnh hưởng của biến dạng khuếch đại.
Biến dạng khuếch đại do biến dạng biên độ
Biến dạng biên độ xảy ra khi các giá trị đỉnh của quá trình sóng bị suy giảm gây ra sự biến dạng do sự thay đổi điểm Q và khuếch đại có thể không diễn ra trên toàn bộ chu kỳ tín hiệu. Sự phi tuyến tính của quá trình sóng đầu ra được hiển thị dưới đây.
Biến dạng biên độ do Phân cực sai
Nếu điểm Phân cực của transistor đúng, quá trình sóng đầu ra sẽ có cùng hình dạng với quá trình sóng đầu vào nhưng lớn hơn (được khuếch đại). Nếu điện áp Phân cực không đủ và điểm Q nằm ở nửa dưới của đường tải, thì quá trình sóng đầu ra sẽ trông giống như bên phải với nửa âm của quá trình sóng đầu ra bị “cắt” hoặc cắt xén. Tương tự, nếu điện áp Phân cực quá cao và điểm Q nằm ở nửa trên của đường tải, thì quá trình sóng đầu ra sẽ trông giống như bên trái với nửa dương bị “cắt” hoặc cắt xén.
Ngoài ra, khi điện áp Phân cực được đặt quá nhỏ, trong nửa chu kỳ âm transistor không dẫn điện đầy đủ nên đầu ra được xác định bởi điện áp nguồn. Khi điện áp Phân cực quá lớn, nửa chu kỳ dương làm bão hòa transistor và đầu ra giảm gần như xuống không.
Ngay cả khi đặt đúng mức điện áp Phân cực, vẫn có khả năng quá trình sóng đầu ra bị méo do tín hiệu đầu vào lớn được khuếch đại bởi độ lợi mạch. Tín hiệu điện áp đầu ra trở nên bị cắt cả phần dương và phần âm của quá trình sóng và không còn giống sóng sin ngay cả khi điện áp Phân cực chính xác. Loại biến dạng biên độ này được gọi là Cắt xén và là kết quả của việc “quá tải” đầu vào của bộ khuếch đại.
Khi biên độ đầu vào trở nên quá lớn, hiệu ứng cắt xén trở nên đáng kể và buộc tín hiệu đầu ra vượt quá các rào cản điện áp nguồn với phần đỉnh (+ nửa) và phần đáy (- nửa) của tín hiệu quá trình sóng bị làm phẳng hoặc bị “Cắt”. Để tránh điều này, giá trị tối đa của tín hiệu đầu vào phải được giới hạn ở mức ngăn chặn hiệu ứng cắt xén như trên.
Biến dạng biên độ do hiệu ứng cắt xén
Biến dạng biên độ làm giảm đáng kể hiệu suất của mạch khuếch đại. Những “mép phẳng” của quá trình sóng đầu ra bị méo do Phân cực không chính xác hoặc quá tải đầu vào không đóng góp gì cho cường độ tín hiệu đầu ra ở tần số mong muốn.
Điều đó nói, một số nghệ sĩ guitar và ban nhạc rock thực sự thích âm thanh đặc trưng của họ bị méo nặng hoặc “quá khuếch đại” bằng cách cắt mạnh quá trình sóng đầu ra vào cả hai rào cản nguồn dương và âm. Ngoài ra, tăng lượng cắt xén trên sóng sin sẽ cuối cùng tạo ra quá trình sóng đầu ra giống hình dạng sóng vuông có thể được sử dụng trong các mạch tổng hợp điện tử hoặc kỹ thuật số.
Chúng ta đã thấy rằng với tín hiện DC, mức độ khuếch đại của bộ khuếch đại có thể thay đổi theo biên độ tín hiệu, nhưng cũng như Biến dạng biên độ, các loại biến dạng khuếch đại khác có thể xảy ra với tín hiệu AC trong các mạch khuếch đại, chẳng hạn như Biến dạng tần số và Biến dạng pha.
Biến dạng khuếch đại do biến dạng tần số
Biến dạng tần số là một loại biến dạng khuếch đại khác xảy ra trong bộ khuếch đại transistor khi mức độ khuếch đại thay đổi theo tần số. Nhiều tín hiệu đầu vào mà một bộ khuếch đại thực tế sẽ khuếch đại bao gồm quá trình sóng tín hiệu yêu cầu gọi là “Tần số cơ bản” cộng với một số tần số khác nhau gọi là “Hài tần” chồng lên nó.
Bình thường, biên độ của các hài tần này là một phần nhỏ của biên độ cơ bản và do đó có rất ít hoặc không ảnh hưởng đến quá trình sóng đầu ra. Tuy nhiên, quá trình sóng đầu ra có thể bị méo nếu các tần số hài tần này tăng biên độ liên quan đến tần số cơ bản. Ví dụ, xem xét quá trình sóng bên dưới:
Biến dạng tần số do hài tần
Trong ví dụ trên, tín hiệu đầu vào bao gồm tần số cơ bản cộng với tín hiệu hài thứ hai. Quá trình sóng đầu ra kết quả được hiển thị ở bên phải. Biến dạng tần số xảy ra khi tần số cơ bản kết hợp với hài thứ hai làm méo tín hiệu đầu ra. Hài tần vì vậy là bội số của tần số cơ bản và trong ví dụ đơn giản của chúng tôi, một hài thứ hai đã được sử dụng.
Do đó, tần số của hài tần là hai lần tần số cơ bản, 2*f hoặc 2f. Sau đó một hài thứ ba sẽ là 3f, một hài thứ tư, 4f, và cứ thế. Biến dạng tần số do hài tần luôn là khả năng trong các mạch khuếch đại chứa các phần tử phản ứng như điện dung hoặc cảm ứng.
Biến dạng khuếch đại do biến dạng pha
Biến dạng pha hoặc Biến dạng trễ là một loại biến dạng khuếch đại xảy ra trong bộ khuếch đại transistor phi tuyến khi có sự chậm trễ giữa tín hiệu đầu vào và sự xuất hiện của nó ở đầu ra.
Nếu chúng ta nói rằng sự thay đổi pha giữa đầu vào và đầu ra bằng không ở tần số cơ bản, góc pha trễ kết quả sẽ là sự khác biệt giữa hài tần và cơ bản. Sự chậm trễ thời gian này sẽ phụ thuộc vào cấu trúc của bộ khuếch đại và sẽ tăng dần theo tần số trong băng thông của bộ khuếch đại. Ví dụ, xem xét quá trình sóng bên dưới:
Biến dạng pha do chậm trễ
Ngoài các bộ khuếch đại âm thanh cao cấp, hầu hết các bộ khuếch đại thực tế sẽ có một số dạng Biến dạng khuếch đại là sự kết hợp của cả “Biến dạng tần số” và “Biến dạng pha”, cùng với biến dạng biên độ. Trong hầu hết các ứng dụng như trong các bộ khuếch đại âm thanh hoặc bộ khuếch đại công suất, trừ khi biến dạng khuếch đại quá mức hoặc nghiêm trọng nó thường không ảnh hưởng đến hoạt động hoặc âm thanh đầu ra của bộ khuếch đại.
Trong bài hướng dẫn tiếp theo về các bộ khuếch đại, chúng ta sẽ xem xét Bộ khuếch đại Class A. Các bộ khuếch đại Class A là loại phổ biến nhất của giai đoạn đầu ra bộ khuếch đại làm cho chúng lý tưởng để sử dụng trong các bộ khuếch đại công suất âm thanh.
