Bộ khuếch đại là gì? Tổng quan về Bộ khuếch đại

“Bộ khuếch đại là thuật ngữ chung được sử dụng để mô tả mạch tạo ra phiên bản tăng cường của tín hiệu đầu vào của nó. Tuy nhiên, như chúng ta sẽ thấy trong phần giới thiệu về hướng dẫn về bộ khuếch đại, không phải tất cả các mạch khuếch đại đều giống nhau, vì chúng được phân loại dựa trên cấu hình mạch và chế độ hoạt động của chúng.

Trong “Điện tử”, bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ thường được sử dụng làm thiết bị phổ biến vì chúng có khả năng khuếch đại tín hiệu đầu vào tương đối nhỏ, ví dụ từ một cảm biến như một thiết bị cảm ứng ánh sáng, thành một tín hiệu đầu ra lớn hơn nhiều để điều khiển một bộ tụ đơn, đèn hoặc loa chẳng hạn.

Có nhiều hình thức của mạch điện tử được phân loại như bộ khuếch đại, từ Bộ khuếch đại hoạt động và Bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ đến Bộ khuếch đại tín hiệu lớn và Bộ khuếch đại công suất. Sự phân loại của một bộ khuếch đại phụ thuộc vào kích thước của tín hiệu, lớn hoặc 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 chảy trong tải.

Loại hoặc phân loại của một Bộ khuếch đại được đưa ra trong bảng dưới đây.”

Bắt đầu với Bộ khuếch đại – Phân loại Bộ khuếch đại

Bộ khuếch đại có thể được xem như một hộp đơn giản hoặc khối chứa thiết bị khuếch đại, chẳng hạn như một BJT (Bipolar Transistor), FET (Field Effect Transistor) hoặc Bộ khuếch đại hoạt động, có hai chân đầu vào và hai chân đầu ra (đất là chung) 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: Trở kháng đầu vào hoặc (RIN), Trở kháng đầu ra hoặc (ROUT) và tất nhiên là khả năng khuếch đại thường được gọi là Độ lợi hoặc (A). Bất kể mạch khuếch đại có phức tạp đến đâu, một mô hình khuếch đại chung vẫn có thể được sử dụng để thể hiện mối quan hệ giữa ba thuộc tính này.

Tham khảo thêm ở : lowerelectricbilltoday.com

Mô hình khuếch đại lý tưởng

Sự khác biệt được khuếch đại giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra được gọi là Độ lợi của bộ khuếch đại. Độ lợi trong cơ bản là một đơn vị đo lường cho việc bộ khuếch đại “khuếch đại” tín hiệu đầu vào. Ví dụ, nếu chúng ta có một tín hiệu đầu vào là 1 volt và một đầu ra là 50 volts, thì Độ lợi của bộ khuếch đại sẽ là “50”. Nói cách khác, tín hiệu đầu vào đã được tăng gấp 50 lần. Sự tăng này được gọi là Độ lợi.

Độ lợi của bộ khuếch đại đơn giản là tỷ lệ giữa đầu ra chia cho đầu vào. Độ lợi không có đơn vị vì nó là tỷ lệ, nhưng trong Điện tử, nó thường được ký hiệu là “A”, cho việc Khuếch đại. Sau đó, Độ lợi của bộ khuếch đại được tính đơn giản là “tín hiệu đầu ra chia cho tín hiệu đầu vào”.

Độ lợi của Bộ khuếch đại

Phần giới thiệu về Độ lợi của bộ khuếch đại có thể được mô tả là mối quan hệ tồn tại giữa tín hiệu được đo tại đầu ra với tín hiệu được đo tại đầu vào. Có ba loại Độ lợi của bộ khuếch đại khác nhau có thể được đo lường và chúng là: Độ lợi Điện áp (Av), Độ lợi Dòng điện (Ai) và Độ lợi Công suất (Ap) tùy thuộc vào lượng được đo với ví dụ về các loại Độ lợi khác nhau này được đưa ra dưới đây.

Độ lợi Điện áp

Độ lợi Dòng điện

Độ lợi Công suất

Lưu ý rằng đối với Độ lợi Công suất (Ap), bạn cũng có thể chia công suất thu được tại đầu ra cho công suất thu được tại đầu vào. Khi tính toán Độ lợi của một bộ khuếch đại, các chỉ số 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 cấp độ công suất của bộ khuếch đại cũng có thể được biểu thị bằng đơn vị Đặc biệt, (dB). Bel (B) là một đơn vị đo lường theo thang logarithmic (cơ số 10) không có đơn vị. Vì Bel là đơn vị đo lường quá lớn, nó được tiền tố với “deci” để trở thành Decibel với một decibel bằng một phần mười (1/10) của Bel. Để tính Độ lợi của bộ khuếch đại trong đơn vị Decibel hoặc dB, chúng ta có thể sử dụng các biểu thức sau đây.

• Độ lợi Điện áp trong dB: av = 20log(Av)
• Độ lợi Dòng điện trong dB: ai = 20log(Ai)
• Độ lợi Công suất trong dB: ap = 10*log(Ap)

Lưu ý rằng Độ lợi Công suất DC của bộ khuếch đại bằng mười lần log chung của tỷ lệ đầu ra so với đầu vào, trong khi Độ lợi Điện áp và Độ lợi Dòng điện bằng hai mươi lần log chung của tỷ lệ. Tuy nhiên, lưu ý rằng 20dB không phải là gấp đôi công suất so với 10dB do thang logarithmic.

Ngoài ra, giá trị dương của dB đại diện cho một Độ lợi và giá trị âm của dB đại diện cho một Mất trong bộ khuếch đại. Ví dụ, một Độ lợi của bộ khuếch đại là +3dB cho thấy tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại đã “gấp đôi”, (x2), trong khi một Độ lợi của bộ khuếch đại là -3dB cho thấy tín hiệu đã “giảm một nửa”, (x0.5), hoặc nói cách khác là mất.

Điểm -3dB của một bộ khuếch đại được gọi là điểm nửa công suất, nằm cách -3dB so với tối đa, với 0dB được xem là giá trị đầu ra tối đa.

Giới thiệu về Ví dụ Bộ khuếch đại Số 1

Xác định Độ lợi Điện áp, Độ lợi Dòng điện và Độ lợi Công suất của một bộ khuếch đại có tín hiệu đầu vào là 1mA tại 10mV và tín hiệu đầu ra tương ứng là 10mA tại 1V. Cũng biểu thị tất cả ba loại Độ lợi này bằng đơn vị Decibel, (dB).

Các Loại Độ lợi của Bộ khuếch đại:

Độ lợi Điện áp (Av):

• Độ lợi Điện áp = (Đầu ra Điện áp) / (Đầu vào Điện áp)
• Độ lợi Điện áp = (1V) / (10mV) = 100

Độ lợi Điện áp trong dB: av = 20*log(100) = 40 dB

Độ lợi Dòng điện (Ai):

• Độ lợi Dòng điện = (Đầu ra Dòng điện) / (Đầu vào Dòng điện)
• Độ lợi Dòng điện = (10mA) / (1mA) = 10

Độ lợi Dòng điện trong dB: ai = 20*log(10) = 20 dB

Độ lợi Công suất (Ap):

• Độ lợi Công suất = (Đầu ra Công suất) / (Đầu vào Công suất)
• Độ lợi Công suất = [(1V * 10mA)] / [(10mV * 1mA)] = 10

Độ lợi Công suất trong dB: ap = 10*log(10) = 10 dB

Ví dụ này cho thấy các loại Độ lợi của bộ khuếch đại trong trường hợp cụ thể này và biểu thị chúng bằng đơn vị Decibel, (dB).

Bộ khuếch đại có một Độ lợi Điện áp (Av) là 100, một Độ lợi Dòng điện (Ai) là 10 và một Độ lợi Công suất (Ap) là 1.000

Nói chung, bộ khuếch đại có thể được chia thành hai loại khác nhau tùy thuộc vào sự khuếch đại công suất hoặc điện áp của họ. Một loại được gọi là Bộ khuếch đại Tín hiệu Nhỏ bao gồm các bộ khuếch đại tiền khuếch đại, bộ khuếch đại dụng cụ, v.v. Bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ được thiết kế để khuếch đại mức điện áp tín hiệu rất nhỏ chỉ vài micro-volts (μV) từ các cảm biến hoặc tín hiệu âm thanh.

Loại khác được gọi là Bộ khuếch đại Tín hiệu Lớn như bộ khuếch đại công suất âm thanh hoặc bộ khuếch đại công suất chuyển đổi. Bộ khuếch đại tín hiệu lớn được thiết kế để khuếch đại tín hiệu điện áp đầu vào lớn hoặc chuyển đổi dòng điện tải nặng như bạn thường thấy trong việc đánh loa.

Hiệu suất Bộ khuếch đại Công suất

Bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ thường được gọi là một bộ khuếch đại “Điện áp” vì chúng thường chuyển đổi một điện áp đầu vào nhỏ thành một điện áp đầu ra lớn hơn nhiều. Đôi khi một mạch khuếch đại cần phải đánh động động cơ hoặc cung cấp tín hiệu cho một loa và đối với những loại ứng dụng này cần có Bộ khuếch đại Công suất.

Như tên gọi của chúng , công việc chính của một “Bộ khuếch đại Công suất” (cũng được gọi là bộ khuếch đại tín hiệu lớn) là cung cấp công suất cho tải, và như chúng ta đã biết từ trên, đó là tích của điện áp và dòng điện áp áp dụng cho tải với công suất tín hiệu đầu ra lớn hơn công suất tín hiệu đầu vào. Nói cách khác, một 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 mạch khuếch đại âm thanh để đánh loa.

Bộ khuếch đại công suất hoạt động dựa trên nguyên tắc cơ bản là chuyển đổi công suất DC được cung cấp từ nguồn cấp điện thành tín hiệu điện áp AC được cung cấp cho tải. Mặc dù sự khuếch đại là cao, hiệu suất chuyển đổi từ đầu vào nguồn cấp điện DC sang đầu ra tín hiệu điện áp AC thường kém.

Bộ khuếch đại hoàn hảo hoặc lý tưởng sẽ mang lại cho chúng ta một xếp hạng hiệu suất là 100% hoặc ít nhất là công suất “ĐẦU VÀO” sẽ bằng công suất “ĐẦU RA”. Tuy nhiên, trong thực tế điều này không thể xảy ra bao giờ vì một phần của công suất bị mất dưới dạng nhiệt độ và ngoài ra, bộ khuếch đại chính nó cũng tiêu thụ công suất trong quá trình khuếch đại. Khi đó, hiệu suất của một bộ khuếch đại được xác định như sau:

Bộ khuếch đại lý tưởng

Chúng ta có thể biết các đặc điểm cho một bộ khuếch đại lý tưởng từ cuộc thảo luận trên về Độ lợi của nó, nghĩa là Độ lợi điện áp:

• Độ lợi của bộ khuếch đại, (A), phải duy trì không đổi đối với các giá trị biến đổi của tín hiệu đầu vào.
• Độ lợi không nên bị ảnh hưởng bởi tần số. Tín hiệu của tất cả các tần số phải được khuếch đại bằng chính xác cùng một lượng.
• Độ lợi của bộ khuếch đại không được thêm tiếng ồn vào tín hiệu đầu ra. Nó phải loại bỏ bất kỳ tiếng ồn nào đã tồn tại trong tín hiệu đầu vào.
• Độ lợi của bộ khuếch đại không nên bị ảnh hưởng bởi thay đổi nhiệt độ, đảm bảo tính ổn định về nhiệt độ tốt.
• Độ lợi của bộ khuếch đại phải duy trì ổn định trong suốt thời gian dài.

Các Class Bộ khuếch đại Điện tử

Sự phân loại của một bộ khuếch đại là bộ khuếch đại điện áp hoặc công suất được thực hiện bằng cách so sánh các đặc điểm của tín hiệu đầu vào và đầu ra bằng cách đo lường thời gian mà dòng chảy trong mạch đầu ra so với tín hiệu đầu vào.

Chúng ta đã thấy trong hướng dẫn về Transistor Emitter Chung rằng để transistor hoạt động trong vùng “Vùng hoạt động” của nó, cần phải có một dạng của “Điện áp Kéo” cho Cơ sở. Điện áp Kéo Cơ sở nhỏ này được thêm vào tín hiệu đầu vào cho phép transistor sao chép toàn bộ dạng sóng đầu vào tại đầu ra mà không mất tín hiệu nào.

Tuy nhiên, bằng cách thay đổi vị trí của điện áp Kéo Cơ sở này, có thể hoạt động một bộ khuếch đại ở chế độ khuếch đại khác với chế độ sao chép dạng sóng đầy đủ. Với việc giới thiệu điện áp Kéo Cơ sở vào bộ khuếch đại, 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 phạm vi hoạt động khác nhau này được gọi là Class Bộ khuếch đại.

Các bộ khuếch đại công suất âm thanh được phân loại theo thứ tự chữ cái dựa trên cấu hình mạch và chế độ hoạt động của họ. Các bộ khuếch đại được đánh dấu bằng các Class hoạt động khác nhau như Class “A”, Class “B”, Class “C”, Class “AB”, v.v. Các Class bộ khuếch đại khác nhau này biến từ một đầu ra gần như tuyến tính nhưng hiệu suất thấp đến một đầu ra không tuyến tính nhưng hiệu suất cao.

Không có Class hoạt động nào “tốt hơn” hoặc “tệ hơn” so với bất kỳ Class hoạt động nào khác, loại hoạt động được xác định bởi việc sử dụng mạch khuếch đại. Có hiệu suất chuyển đổi tối đa đối với các loại hoặc Class bộ khuếch đại khác nhau, với loại thường được sử dụng phổ biến nhất là:

• Class A  Amplifier – có hiệu suất thấp dưới 40% nhưng tái tạo tín hiệu tốt và tính tuyến tính.
• Class B Amplifier – hiệu suất gấp đôi so với các bộ khuếch đại Class A với hiệu suất tối đa lý thuyết khoảng 70% vì thiết bị khuếch đại chỉ tiến hành dẫn điện (và sử dụng công suất) trong một nửa của tín hiệu đầu vào.
• Class AB Amplifier – có hiệu suất nằm giữa Class A và Class B nhưng tái tạo tín hiệu kém hơn so với bộ khuếch đại Class A.
• Class C Amplifier – là Class bộ khuếch đại hiệu suất cao nhất nhưng sự biến dạng rất cao vì chỉ một phần nhỏ của tín hiệu đầu vào được khuếch đại, do đó tín hiệu đầu ra không giống với tín hiệu đầu vào. Các bộ khuếch đại Class C có sự tái tạo tín hiệu tệ nhất.

Giới thiệu về Bộ khuếch đại – Bộ khuếch đại Class A

Cấu hình cơ bản của một bộ khuếch đại Class A cung cấp một sự giới thiệu tốt về mạch khuếch đại. Hoạt động của bộ khuếch đại Class A là nơi toàn bộ dạng sóng tín hiệu đầu vào được sao chép trung thực tại terminal đầu ra của bộ khuếch đại vì transistor được điều chỉnh hoàn hảo trong vùng hoạt động của nó. Điều này có nghĩa là transistor chuyển đổi không bao giờ được đẩy vào vùng cắt hoặc bão hòa của nó. Kết quả là tín hiệu đầu vào AC được đặc biệt “cân bằng” giữa giới hạn tín hiệu trên và dưới của bộ khuếch đại như được thể hiện dưới đây.

Bộ khuếch đại Class A Dạng Sóng Đầu Ra

Cấu hình bộ khuếch đại Class A sử dụng cùng một transistor chuyển đổi cho cả hai nửa của dạng sóng đầu ra và do sắp xếp điểm điều chỉnh trung tâm của nó, transistor đầu ra luôn có dòng bias DC không đổi, (ICQ) luôn luôn chảy qua nó, ngay cả khi không có tín hiệu đầu vào. Nói cách khác, transistor đầu ra không bao giờ tắt và luôn ở trạng thái chờ.

Kết quả của loại hoạt động Class A này là không hiệu quả một chút vì sự chuyển đổi từ nguồn cấp điện DC sang công suất tín hiệu AC được cung cấp cho tải thường rất thấp.

Do điểm điều chỉnh nằm ở giữa này, transistor đầu ra của bộ khuếch đại Class A có thể trở nên rất nóng, ngay cả khi không có tín hiệu đầu vào, vì vậy cần có một hình thức làm mát nhiệt độ. Dòng bias DC chảy qua bộ thu của transistor (ICQ) bằng với dòng chảy qua tải của bộ thu. Do đó, bộ khuếch đại Class A rất không hiệu quả vì hầu hết công suất DC này được chuyển đổi thành nhiệt độ.

Giới thiệu về Bộ khuếch đại – Bộ khuếch đại Class B

Không giống với chế độ hoạt động Class A ở trên sử dụng một transistor duy nhất cho giai đoạn công suất đầu ra của nó, Bộ khuếch đại Class B sử dụng hai transistor bổ sung (hoặc một NPN và một PNP hoặc một NMOS và một PMOS) để khuếch đại mỗi nửa của dạng sóng đầu ra.

Một transistor dẫn điện cho một nửa của dạng sóng tín hiệu trong khi transistor kia dẫn điện cho nửa còn lại hoặc đối diện của dạng sóng tín hiệu. Điều này có nghĩa là mỗi transistor tiêu diệt một nửa thời gian của nó trong vùng hoạt động và 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 cố định DC trực tiếp khác với bộ khuếch đại Class A, nhưng thay vào đó, transistor chỉ dẫn khi tín hiệu đầu vào lớn hơn điện áp cơ sở-emitter (VBE) và đối với transistor silicon, điều này là khoảng 0,7v. Do đó, với tín hiệu đầu vào bằng không thì đầu ra cũng bằng không. Vì chỉ có một nửa tín hiệu đầu vào được đưa ra tại 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 thể hiện dưới đây.

Bộ khuếch đại Class B Dạng Sóng Đầu Ra

Trong một bộ khuếch đại Class B, không có điện áp DC được sử dụng để điều chỉnh transistor, do đó, đối với transistor đầu ra để bắt đầu dẫn điện cho cả hai nửa của dạng sóng, cả sóng dương và sóng âm, họ cần điện áp cơ sở-emitter VBE lớn hơn 0.7V là điều kiện cần để transistor bipola tiêu chuẩn bắt đầu dẫn điện.

Do đó, phần dưới của dạng sóng đầu ra, nằm dưới cửa sổ 0.7V này, sẽ không được tái tạo một cách chính xác. Điều này dẫn đến một phần nhỏ của dạng sóng đầu ra ở điểm giao cắt điện áp bằng không sẽ bị biến dạng. Loại biến dạng này được gọi là Biến Dạng Giao Cắt và sẽ được xem xét sau trong phần này.

Giới thiệu về Bộ khuếch đại – Bộ khuếch đại Class AB

Bộ khuếch đại Class AB là một sự khoan dung giữa cấu hình Class A và cấu hình 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 biasing rất nhỏ được áp dụng vào Cơ sở của mỗi transistor để đặt chúng gần vùng cắt khi không có tín hiệu đầu vào.

Một tín hiệu đầu vào sẽ khiến transistor hoạt động bình thường trong vùng hoạt động của nó, loại bỏ bất kỳ biến dạng giao cắt nào luôn có trong cấu hình Class B. Một dòng Collector biasing nhỏ (ICQ) sẽ chảy qua transistor khi không có tín hiệu đầu vào, nhưng thông thường nó nhỏ hơn nhiều so với cấu hình bộ khuếch đại Class A.

Do đó, mỗi transistor dẫn điện, “ON” trong hơn một nửa chu kỳ của dạng sóng đầu vào. Dòng bias nhỏ của cấu hình bộ khuếch đại Class AB cải thiện cả hiệu suất và tuyến tính của mạch khuếch đại so với cấu hình Class A thuần túy ở trên.

Bộ khuếch đại Class AB Dạng Sóng Đầu Ra

Như một sự giới thiệu về bộ khuếch đại, khi thiết kế các mạch khuếch đại, Class hoạt động của một bộ khuếch đại rất quan trọng vì nó xác định lượng bias transistor cần thiết cho hoạt động của nó cũng như biên độ tối đa của tín hiệu đầu vào.

Phân loại bộ khuếch đại xem xét phần tín hiệu đầu vào mà transistor đầu ra tiến hành cũng như xác định cả hiệu suất và lượng công suất mà transistor chuyển đổi cũng tiêu thụ và phân tán dưới dạng nhiệt độ không cần thiết. Dưới đây, chúng ta có thể so sánh giữa các Class phân loại bộ khuếch đại phổ biến nhất trong bảng dưới đây.

Bộ Khuếch đại công suất

Các bộ khuếch đại thiết kế kém, đặc biệt là loại Class “A”, cũng có thể yêu cầu transistor công suất lớn hơn, tản nhiệt đắt tiền hơn, quạt làm mát, hoặc thậm chí là tăng kích thước nguồn cấp điện cần thiết để cung cấp công suất thất thoát bổ sung cần thiết cho bộ khuếch đại. Công suất được chuyển đổi thành nhiệt từ transistor, tụ điện hoặc bất kỳ thành phần nào khác cũng khiến cho bất kỳ mạch điện tử nào trở nên không hiệu quả và sẽ dẫn đến sự hỏng hóc sớm của thiết bị.

Vậy tại sao lại sử dụng một bộ khuếch đại Class A nếu hiệu suất của nó thấp hơn 40% so với một bộ khuếch đại Class B có chỉ số hiệu suất cao hơn 70%. Đơn giản, bộ khuếch đại Class A cho ra một đầu ra tuyến tính hơn nhiều, có nghĩa là nó có tính Đồng đều trên một dải tần số lớn hơn, ngay cả khi nó tiêu thụ lượng lớn công suất DC.

Trong hướng dẫn Giới thiệu về Bộ khuếch đại này, chúng ta đã thấy rằng có các loại mạch khuếch đại khác nhau, mỗi loại có ưu điểm và nhược điểm riêng của nó. Trong bài hướng dẫn tiếp theo về bộ khuếch đại, chúng ta sẽ xem xét loại mạch khuếch đại transistor được kết nối phổ biến nhất, bộ khuếch đại pha xung chung. Hầu hết các bộ khuếch đại transistor thuộc loại mạch Pha xung chung hoặc CE do chúng có độ gia tăng lớn về điện áp, dòng và công suất cũng như tính chất đặc điểm đầu vào/đầu ra xuất sắc.