Hiện tượng méo tín hiệu do giao thoa trong bộ khuếch đại công suất là gì?

Méo xuyên kênh là một loại méo phi tuyến của dạng sóng đầu ra có trong các bộ khuếch đại Class-B, phát sinh từ sự chuyển tiếp tín hiệu từ thiết bị chuyển mạch đầu ra này sang thiết bị chuyển mạch đầu ra khác.

Hiện tượng méo tín hiệu xảy ra khi tín hiệu đầu vào được lặp đi lặp lại nhiều lần ở đầu ra của bộ khuếch đại. Do thiết kế hai tầng, bộ khuếch đại đẩy kéo thường bị méo tín hiệu do hiện tượng giao thoa ở dạng sóng đầu ra xung quanh điểm giao thoa bằng không.

Chúng ta đã thấy rằng một trong những nhược điểm chính của cấu hình mạch khuếch đại lớp A là hiệu suất công suất đầu ra toàn phần thấp do độ lệch xung quanh điểm giữa Q.

Nhưng chúng ta cũng biết rằng chúng ta có thể dễ dàng cải thiện bộ khuếch đại và tăng hiệu suất của nó lên gần gấp đôi chỉ bằng cách thay đổi tầng đầu ra của bộ khuếch đại sang cấu hình đẩy kéo Class B.

Tuy nhiên, điều này tốt về mặt hiệu quả, nhưng hầu hết các bộ khuếch đại Class-B và Class-AB hiện đại không sử dụng biến áp, thay vào đó sử dụng một cặp bổ sung với hai bóng bán dẫn, một NPN và một PNP, ở tầng đầu ra.

Xác định độ méo xuyên âm.

Điều này dẫn đến một trong những vấn đề cơ bản chính của mạch khuếch đại đẩy kéo, đó là hai transistor không kết hợp hoàn hảo ở đầu ra của cả hai phần của dạng sóng do cách bố trí phân cực cắt điểm 0 độc đáo của chúng.

Vì vấn đề này xảy ra khi tín hiệu thay đổi hoặc "nhảy" từ transistor chuyển mạch này sang transistor chuyển mạch khác tại điểm điện áp bằng không, nó gây ra một lượng "biến dạng" nhất định cho dạng sóng đầu ra, dẫn đến tình trạng thường được gọi là méo xuyên kênh.

Hiện tượng méo tín hiệu giao thoa tạo ra điện áp bằng không, một "điểm phẳng" hay "vùng chết", trên dạng sóng đầu ra khi chuyển từ nửa này sang nửa kia của dạng sóng.

Lý do là quá trình chuyển đổi khi một transistor chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác không dừng hoặc bắt đầu tại điểm giao nhau bằng không, do đó tạo ra một độ trễ nhỏ giữa transistor đầu tiên "tắt" và transistor thứ hai "bật".

Sự chậm trễ này khiến cả hai transistor đều "tắt" đồng thời, dẫn đến dạng sóng đầu ra được hiển thị bên dưới.

Dạng sóng méo chéo

Để tránh làm méo dạng sóng đầu ra, ta thường giả định rằng mỗi transistor bắt đầu hoạt động khi điện áp giữa cực gốc và cực phát tăng lên trên 0. Tuy nhiên, ta biết điều này không đúng vì đối với các transistor lưỡng cực silicon, điện áp giữa cực gốc và cực phát phải đạt ít nhất 0,7V thì transistor mới bắt đầu hoạt động.

Giá trị 0,7V này là do điện áp thuận của diode tại mối nối PN giữa cực gốc và cực phát gây ra, dẫn đến điểm làm phẳng này. Hiệu ứng méo xuyên tâm này cũng làm giảm biên độ đỉnh xuống biên độ đỉnh tổng thể của dạng sóng đầu ra, do đó làm giảm công suất đầu ra cực đại như thể hiện bên dưới.

Đặc tính truyền tải phi tuyến

Hiệu ứng này ít rõ rệt hơn đối với các tín hiệu đầu vào lớn, vì điện áp đầu vào thường khá cao. Tuy nhiên, đối với các tín hiệu đầu vào nhỏ hơn, nó có thể nghiêm trọng hơn, gây ra hiện tượng méo tiếng trong âm thanh truyền đến bộ khuếch đại.

Điều chỉnh thiên áp trước để giảm méo tín hiệu khi giao thoa.

Vấn đề méo tín hiệu do giao thoa có thể được giảm thiểu đáng kể bằng cách đặt một điện áp phân cực thuận nhỏ vào cực gốc của cả hai transistor (khái niệm tương tự như trong bài hướng dẫn về transistor) thông qua điểm giữa của biến áp đầu vào. Như vậy, các transistor không còn được phân cực tại điểm giao thoa bằng không nữa, mà được "phân cực trước" đến một mức được xác định bởi điện áp phân cực mới này.

Bộ khuếch đại đẩy kéo có tiền phân cực

Việc phân cực trước loại điện trở này khiến một transistor "bật" đồng thời với việc transistor khác "tắt" vì cả hai transistor đều được phân cực cao hơn một chút so với điểm cắt ban đầu của chúng. Tuy nhiên, để đạt được điều này, điện áp phân cực phải ít nhất gấp đôi điện áp giữa cực gốc và cực phát thông thường để bật transistor.

Phương pháp phân cực trước này cũng có thể được áp dụng cho các bộ khuếch đại không dùng biến áp sử dụng các transistor phụ trợ bằng cách đơn giản thay thế hai điện trở chia điện áp bằng các điốt phân cực như hình bên dưới.

Phân cực trước bằng điốt.

Điện áp phân cực trước này, dù được cấp qua biến áp hay sử dụng hai điốt, đều ảnh hưởng đến điểm Q của bộ khuếch đại, làm dịch chuyển nó lên trên điểm cắt ban đầu. Điều này khiến mỗi transistor hoạt động trong vùng hoạt động của nó hơi hơn một nửa, hay 180°, của mỗi nửa chu kỳ.

Nói cách khác, đó là độ lệch 180°+. Lượng điện áp phân cực của diode tại cực gốc của transistor có thể tăng lên nhiều lần bằng cách thêm nhiều diode mắc nối tiếp. Điều này tạo ra một mạch khuếch đại thường được gọi là mạch khuếch đại lớp AB, và cách bố trí phân cực được thể hiện bên dưới.

Đặc tính đầu ra của lớp AB.

Từ đặc tuyến đầu ra, ta có thể thấy rằng bằng cách tăng điện áp phân cực cố định đã được thiết lập lên một chút thấp hơn điện áp ngưỡng, transistor sẽ bật trong hơn nửa chu kỳ của tín hiệu. Do đó, hiện tượng méo tín hiệu do giao thoa được loại bỏ trong khi biên độ và pha của tín hiệu đầu ra vẫn giữ nguyên.

Do đó, cấu hình mạch khuếch đại Class-AB khắc phục được nhược điểm về hiệu suất thấp của mạch khuếch đại Class-A và vấn đề giao thoa của mạch khuếch đại Class-B. Bằng cách cung cấp điện áp phân cực trước bằng diode, các transistor đã ở trạng thái BẬT khi tín hiệu đến, nhờ đó tận dụng được ưu điểm của cả hai loại mạch khuếch đại.

Tóm tắt các biến dạng giao thoa.

Tóm lại, hiện tượng méo tín hiệu do giao thoa xảy ra trong các mạch khuếch đại lớp B vì mạch khuếch đại được phân cực tại điểm giao thoa, khiến cả hai transistor đều tắt đồng thời khi dạng sóng đi qua trục số 0.

Bằng cách áp dụng một điện áp phân cực cơ bản nhỏ thông qua mạch chia điện áp bằng điện trở hoặc mạch phân cực bằng diode, hiện tượng méo tín hiệu do giao thoa có thể được giảm thiểu đáng kể hoặc thậm chí loại bỏ hoàn toàn bằng cách đưa transistor đến trạng thái "bật" hoàn toàn.

Việc áp dụng điện áp phân cực tạo ra một loại mạch khuếch đại khác, thường được gọi là mạch khuếch đại Class AB. Sự khác biệt giữa mạch khuếch đại Class B thuần túy và mạch khuếch đại Class AB cải tiến nằm ở mức điện áp phân cực được áp dụng cho các transistor đầu ra.

Một ưu điểm đáng kể của việc sử dụng điốt thay vì điện trở là mối nối PN bù đắp cho sự thay đổi nhiệt độ trong transistor.

Do đó, chúng ta có thể nói một cách chính xác rằng mạch khuếch đại Class-AB là mạch khuếch đại Class-B được bổ sung thêm "điện áp phân cực", và có thể tóm tắt như sau:

• Bộ khuếch đại Class-A – không có hiện tượng méo tín hiệu do phân cực tại điểm giữa của đường tải.
• Bộ khuếch đại Class B – Méo tín hiệu đáng kể do độ lệch tại điểm cắt.
• Bộ khuếch đại Class AB – Có thể xảy ra hiện tượng méo tín hiệu khi mức phân cực được đặt quá thấp.

Ngoài ba loại mạch khuếch đại đã đề cập ở trên, còn có một số loại mạch khuếch đại hiệu suất cao khác liên quan đến thiết kế mạch khuếch đại chuyển mạch sử dụng các kỹ thuật chuyển mạch khác nhau để giảm tổn thất điện năng và tăng hiệu suất.

Một số thiết kế mạch khuếch đại này sử dụng bộ cộng hưởng RLC hoặc nhiều điện áp nguồn để giúp giảm tổn thất điện năng và méo tiếng.