Các bộ khuếch đại công suất, về mặt lý thuyết là tương đối đơn giản, nhưng không phải tất cả đều được tạo ra giống nhau. Chúng có những thông số kỹ thuật và khả năng cạnh tranh riêng, 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 nhiều lớp, và mỗi lớp hoạt động theo nguyên lý khác nhau. Có rất nhiều loại bộ khuếch đại công suất, đến mức việc ghi nhớ cách từng loại hoạt động và lớp nào được ưa chuộng trong từng hệ thống có thể trở nên khó khăn.

Định nghĩa

Thông thường, bộ khuếch đại Class-E có thể hoạt động với tổn thất công suất nhỏ hơn khoảng 2,3 lần so với các bộ khuếch đại Class-B hoặc Class-C thông thường sử dụng cùng một bóng bán dẫn ở cùng tần số và công suất đầu ra. 

Ví dụ: một tầng công suất Class B hoặc C hoạt động với hiệu suất cực thu hoặc cực máng là 65% (tổn thất = 35% công suất đầu vào) sẽ có hiệu suất khoảng 85% (tổn thất = 15% công suất đầu vào) nếu chuyển sang loại E (35%/15% = 2.3). 

Bộ khuếch đại Class-E có thể được thiết kế để hoạt động dải hẹp hoặc dải rộng (lên đến tỷ lệ 1,8:1, chẳng hạn 225–400 MHz). Phổ hài đầu ra của bộ khuếch đại Class-E tương tự bộ khuếch đại Class-B. 

Một ưu điểm lớn của Class E là có thể thiết kế được dễ dàng — các phương trình thiết kế rõ ràng được cung cấp, ảnh hưởng của thành phần và sự thay đổi tần số là nhỏ, và mạch hoạt động đúng như mong đợi mà không cần tinh chỉnh.

Nguyên lý hoạt động

Mạch cộng hưởng song song trong bộ khuếch đại công suất RF Class-E có thể được mô tả bằng những phương trình vi phân đơn giản, và cách giải chúng được trình bày ở đây. 

Để dễ hình dung, ta có thể xem mạch này như một mô hình đơn giản: bóng bán dẫn được thay bằng một công tắc lý tưởng, sau đó bổ sung thêm một điện trở để mô phỏng thực tế hơn. 

Khi công tắc đóng, dòng điện chạy từ nguồn điện một chiều qua cuộn cảm rồi đi qua công tắc xuống đất. Khi công tắc mở, năng lượng tích trữ trong cuộn cảm khiến dòng điện tiếp tục chảy, nhưng chuyển hướng qua điện dung  song  hoặc tải đầu ra. Quá trình này lặp lại liên tục, tạo ra dòng điện chạy vào tải điện trở, từ đó sinh ra công suất đầu ra của bộ khuếch đại.

Mô hình này bỏ qua các yếu tố phức tạp như thành phần ký sinh bậc cao, chỉ tập trung vào các yếu tố chính ảnh hưởng đến dao động. Thực tế, một mạch hoàn chỉnh có thể bao gồm rất nhiều linh kiện, trong đó một số trở nên quan trọng ở tần số cao (RF). Dù mô hình đơn giản có thể không hoàn toàn chính xác, nó giúp ta dễ dàng hiểu cách mạch hoạt động. Sau khi nắm được ý tưởng cơ bản, ta có thể dùng phần mềm mô phỏng để tăng độ chi tiết và chính xác.

Thời điểm hoạt động của mạch cộng hưởng song song rất quan trọng. Nếu bộ khuếch đại Class-E được thiết kế tốt, điện áp và dòng điện sẽ không chồng lấn nhau. Công tắc sẽ đóng đúng lúc điện áp giữa cực máng và cực nguồn ở mức thấp nhất, giúp giảm lượng nhiệt sinh ra, vì công suất tiêu hao (tích của điện áp và dòng điện) được giữ ở mức tối thiểu.

Nếu mạch không được điều chỉnh đúng, hiệu suất sẽ giảm nhanh. Chẳng hạn, khi tần số cộng hưởng của cống quá cao, công suất đầu ra sẽ thấp hơn lý tưởng, làm giảm biên độ điện áp tới tải, dẫn đến công suất truyền đi kém hơn. Thậm chí, điện áp âm có thể xuất hiện giữa cực máng và cực nguồn, gây nguy cơ hỏng linh kiện do phân cực ngược. Chế độ này cũng có thể gây ra dao động không mong muốn.

Ngược lại, nếu tần số cộng hưởng quá thấp, hiệu suất cũng giảm mạnh. Điện áp và dòng điện chồng lấn khiến công suất bị lãng phí dưới dạng nhiệt trong linh kiện. Điện áp dư thừa có thể làm dòng điện tăng đột ngột khi transistor bật, làm vấn đề tiêu hao năng lượng trầm trọng hơn. Vì bộ khuếch đại công suất thường làm việc với dòng và áp lớn, những vấn đề về nhiệt này có thể dẫn đến hỏng hóc thiết bị nếu không được xử lý cẩn thận.

Cách đạt hiệu suất tốt

Để đạt hiệu suất cao nhất, bộ khuếch đại cần cung cấp công suất đầu ra mong muốn trong khi giảm thiểu tổng công suất bị tiêu hao. Điều này đạt được bằng cách điều chỉnh dạng sóng lệch nhẹ so với dạng sóng lý tưởng — chấp nhận một phần tổn hao tăng, nhưng bù lại, các phần khác giảm mạnh hơn.. Chẳng hạn, nếu để giá trị tối thiểu của dạng sóng điện áp bằng khoảng 20% giá trị đỉnh (thay vì 0%), tổn hao công suất do phóng điện ở tụ C1 sẽ tăng. Tuy nhiên, điều này lại giúp giảm tỷ lệ RMS/trung bình của dòng điện và tỷ lệ đỉnh/trung bình của điện áp. Kết quả là, ta có thể đạt được công suất đầu ra mong muốn với điện áp đỉnh an toàn cho transistor, đồng thời giảm dòng điện hiệu dụng (RMS) qua transistor, cuộn cảm L1, L2, và tụ C1, C2. Nhờ đó, tổn hao công suất do điện trở (i²R) của các linh kiện này giảm. Nếu điện trở nối tiếp của chúng đủ lớn, sự giảm tổn hao i²R có thể vượt qua mức tăng tổn hao do phóng điện ở C1.

Tổn hao công suất trong điện trở bật của transistor (Ron) và khi phóng điện tụ C1 không phụ thuộc vào tần số thiết kế, vì dung lượng C1 tỷ lệ nghịch với tần số, khiến tích f(C1•V²/2) giữ nguyên. Tuy nhiên, với một số loại tụ và cuộn cảm, tổn hao trong điện trở nối tiếp tương đương (ESR) của tụ (bao gồm cả dung lượng đầu ra Cout của transistor) tăng theo tần số thiết kế, tổn hao trong lõi cuộn cảm tăng, trong khi tổn hao trong cuộn dây cuộn cảm lại giảm.

Việc tìm ra điểm cân bằng tối ưu phụ thuộc vào các thông số cụ thể của linh kiện trong thiết kế. Hiện chưa có phương pháp phân tích rõ ràng để đạt được sự cân bằng hoàn hảo giữa các thành phần tổn hao công suất. Việc tối ưu hóa này đòi hỏi nhiều tính toán, khó thực hiện bằng phương pháp thủ công, nhưng hoàn toàn khả thi với máy tính. Ví dụ, một phần mềm như HEPA-PLUS chạy trên máy tính với bộ xử lý Pentium II/233 MHz có thể thiết kế bộ khuếch đại Class-E nhanh chóng, mô phỏng mạch trong 0,019 giây và tự động tối ưu hóa thiết kế theo tiêu chí người dùng đặt ra trong khoảng 6 giây. Phần mềm này sử dụng tính toán độ chính xác cao để đảm bảo kết quả đáng tin cậy, cung cấp thông tin về dạng sóng điện áp, dòng điện, phổ của chúng, công suất đầu vào DC, công suất đầu ra RF, và tất cả các thành phần tiêu hao công suất.

Kết luận

Các ví dụ trên cho thấy rằng các lớp khuếch đại công suất khác nhau chủ yếu khác về cấu trúc, chứ không phải 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, bạn có thể dễ dàng mở rộng nguyên lý đó cho công suất lớn 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 có thể được trang bị thêm các linh kiện rời hoặc op-amps để lọc tín hiệu, hoặc sử dụng các thành phần đơn khối chuyên biệt cho tần số cao

Nếu bạn đang xây dựng một bộ khuếch đại từ các linh kiện rời, hãy đảm bảo tất cả linh kiện đều có trên sơ đồ nguyên lý và được bố trí hợp lý trên PCB. Nên sử dụng các công cụ quản lý chuỗi cung ứng hiện đại để tìm linh kiện phù hợp nhất cho thiết kế của bạn.