Ch ng 6: M ch khu ch đ i công su t.ươ ạ ế ạ ấ
CH NG 6: M CH KHU CH Đ I CÔNG SU TƯƠ Ạ Ế Ạ Ấ
I. Gi i thi uớ ệ
M ch khu ch đ i công su t th ng đ c s d ng đ nâng công su t tín hi u lên cao tr cạ ế ạ ấ ườ ượ ử ụ ể ấ ệ ướ
khi đ a ra t i, th ng s d ng cho t i có đi n tr th p. Thông s đ đánh giá m ch khu ch đ iư ả ườ ử ụ ả ệ ở ấ ố ể ạ ế ạ
công su t chính là hi u su t, ấ ệ ấ
η
:
( )
( )
100%
out ac
in dc
Px
P
η
=
(6.1)
Hi u su t chính là t s công su t tín hi u ng ra trên t i v i công su t ngu n cung c p choệ ấ ỷ ố ấ ệ ỏ ả ớ ấ ồ ấ
m ch. M t m ch khu ch đ i công su t là lí t ng khi hi u su t b ng 100%, có nghĩa là toàn bạ ộ ạ ế ạ ấ ưở ệ ấ ằ ộ
năng l ng ngu n cung c p cho m ch đ c chuy n đ i thành năng l ng tín hi u ra t i. Trênượ ồ ấ ạ ượ ể ổ ượ ệ ả
th c t do năng l ng m t ph n b tiêu tán trên các linh ki n ho t đ ng trong m ch nên hi uự ế ượ ộ ầ ị ệ ạ ộ ạ ệ
su t c a m ch luôn luôn nh h n 100%.ấ ủ ạ ỏ ơ
Phân lo i m ch khu ch đ i công su tạ ạ ế ạ ấ
V c b n có 5 d ng m ch khu ch đ i công su t: l p A, B, AB, C và D. ề ơ ả ạ ạ ế ạ ấ ớ
- M ch khu ch đ i công su t l p A là m ch khu ch đ i mà transistor có đi m làm vi c Qạ ế ạ ấ ớ ạ ế ạ ể ệ
n m trong vùng khu ch đ i và nó d n trong toàn chu kì c a tín hi u ng vào.ằ ế ạ ẫ ủ ệ ỏ
- M ch khu ch đ i công su t l p B là m ch khu ch đ i mà transistor có đi m làm vi c Qạ ế ạ ấ ớ ạ ế ạ ể ệ
n m trong vùng t t do đó transistor ch d n trong m t bán kì c a c a tín hi u ng vào. ằ ắ ỉ ẫ ộ ủ ủ ệ ỏ
M ch khu ch đ i công su t l p AB là m ch khu ch đ i mà transistor có đi m làm vi c Q n mạ ế ạ ấ ớ ạ ế ạ ể ệ ằ
trong vùng khu ch đ i g n vùng t t do đó transistor d n h n m t bán kì và ít h n m t chu kì c aế ạ ầ ắ ẫ ơ ộ ơ ộ ủ
c a tín hi u ng vào. ủ ệ ỏ
- M ch khu ch đ i công su t l p C là m ch khu ch đ i mà transistor có đi m làm vi c Qạ ế ạ ấ ớ ạ ế ạ ể ệ
n m sâu trong vùng t t do đó transistor ch d n ít h n m t bán kì c a c a tín hi u ng vào.ằ ắ ỉ ẫ ơ ộ ủ ủ ệ ỏ
D ng sóng dòng iạC c a b n d ng m ch khu ch đ i công su t v i tín hi u ng vào có d ng sinủ ố ạ ạ ế ạ ấ ớ ệ ỏ ạ
trong hình 6.1.
Hình 6.1: a. D ng sóng dòng iạC c a m ch khu ch đ i công su t ch đ A; b. D ng sóng dòng iủ ạ ế ạ ấ ế ộ ạ C
c a m ch khu ch đ i công su t ch đ B; c. D ng sóng dòng iủ ạ ế ạ ấ ế ộ ạ C c a m ch khu ch đ i công su tủ ạ ế ạ ấ
ch đ AB; d. D ng sóng dòng iế ộ ạ C c a m ch khu ch đ i công su t ch đ Củ ạ ế ạ ấ ế ộ
- M ch khu c đ i công su t ch đ D là m ch có hi u su t r t cao transistor ch y u ho tạ ế ạ ấ ế ộ ạ ệ ấ ấ ủ ế ạ
đ ng ch đ xung.ộ ở ế ộ
- Các m ch khu ch đ i công su t khác: có nhi u m ch khu ch đ i công su t khác nh G, H,ạ ế ạ ấ ề ạ ế ạ ấ ư
S…H u h t chúng là bi n th c a m ch khu ch đ i công su t ch đ AB, tuy nhiên chúng choầ ế ế ể ủ ạ ế ạ ấ ế ộ
hi u su t r t cao đ c s d ng cho nh ng thi t k có công su t ng ra l n. Nh ng trongệ ấ ấ ượ ử ụ ữ ế ế ấ ỏ ớ ư
ch ng này chúng ta ch y u ch kh o sát ba d ng c b n dùng trong m ch khu ch đ i côngươ ủ ế ỉ ả ạ ơ ả ạ ế ạ
su t tín hi u âm t n là A, B và AB.ấ ệ ầ
111
Ch ng 6: M ch khu ch đ i công su t.ươ ạ ế ạ ấ
II. Transistor công su tấ
1. BJT công su tấ
Transistor công su t là linh ki n có kích th c l n do yêu c u ph i ho t đ ng v i công su tấ ệ ướ ớ ầ ả ạ ộ ớ ấ
và dòng l n. C u trúc xem hình 6.2ớ ấ
Hình 6.2: C u trúc c a BJT công su tấ ủ ấ
Do s khác nhau trong kích th c v t lý và m t đ t p ch t trong ch t bán d n nên các thôngự ướ ậ ậ ộ ạ ấ ấ ẫ
s c a nó khác so v i nh ng transistor ho t đ ng v i tín hi u nh , ví d xem b ng 6.1.ố ủ ớ ữ ạ ộ ớ ệ ỏ ụ ả
B ng 6.1: B ng so sánh các thông s c a BJT công su t và BJT tín hi u nh .ả ả ố ủ ấ ệ ỏ
Hình 6.2: Đ ng đ c tuy n hườ ặ ế FE theo IC
112
Ch ng 6: M ch khu ch đ i công su t.ươ ạ ế ạ ấ
Khi s d ng transistor công su t ph i chú ý các đ ng gi i h n dòng, áp và công su t trongử ụ ấ ả ườ ớ ạ ấ
hình 6.3a, vùng ho t đ ng an toàn c a transistor là vùng n m d i các đ ng gi i h n Iạ ộ ủ ằ ứơ ườ ớ ạ Cmax,
VCE(sus), PT, hình 6.3b ch ra đ ng gi i h n t ng t nh ng s d ng t l logarithmic, chính vìỉ ườ ớ ạ ươ ự ư ử ụ ỷ ệ
v y đi m làm vi c c a transistor ph i n m trong vùng cho phép.ậ ể ệ ủ ả ằ
Hình 6.3: Vùng ho t đ ng an toàn c a BJT: a. Theo t l tuy n tính ; b. Theo t l logarithm.ạ ộ ủ ỷ ệ ế ỷ ệ
Công su t ti u tán trên BJT là:ấ ế
Q CE C BE B
P v i v i= +
(6.2)
Do dòng t i c c B bé h n nhi u so v i dòng t i c c C, nên có th vi t l i công th c 6.2 g nạ ự ơ ề ớ ạ ự ể ế ạ ứ ầ
đúng nh sau:ư
Q CE C
P v i≅
(6.3)
T công th c 6.2 suy ra công su t tiêu tán trung bình c a BJT trong m t chu kì c a tín hi uừ ứ ấ ủ ộ ủ ệ
là:
0
1
T
Q CE C
P v i dt
T
=
∫
(6.4)
Công su t này ph i luôn luôn nh h n giá tr công su t gi i h n c a BJT đ b o đ m nhi tấ ả ỏ ơ ị ấ ớ ạ ủ ể ả ả ệ
đ c a transistor nh h n nhi t đ cho phép c c đ i.ộ ủ ỏ ơ ệ ộ ự ạ
2. MOSFET công su tấ
B ng 6.2 li t kê các thông s c b n c a hai MOSFET công su t kênh n. ả ệ ố ơ ả ủ ấ
Các thông số2N6757 2N6792
VDS(max) (V)
ID(max) (tai T=250C)
PD (W)
150
8
75
400
2
20
C u trúc c a transistor FET công su t nh hình 6.4ấ ủ ấ ư
Hình 6.4: a. VMOS; b. DMOS; c. HEXFET.
113
Ch ng 6: M ch khu ch đ i công su t.ươ ạ ế ạ ấ
3. Heat Sinks
Hình 6.5: Hai d ng v transistor công su t th ng g p a và b; c. Hình d ng c a heat sink.ạ ỏ ấ ườ ặ ạ ủ
Trong khi nh ng m ch tích h p th ng s d ng cho nh ng ng d ng tín hi u nh và côngữ ạ ợ ườ ử ụ ữ ứ ụ ệ ỏ
su t bé, h u h t nh ng ng d ng dùng cho công su t cao v n đòi h i transistor công su t r i.ấ ầ ế ữ ứ ụ ấ ẫ ỏ ấ ờ
Đ c i ti n k thu t s n xu t v i yêu c u cung c p các linh ki n bán d n có kích th c nhể ả ế ỹ ậ ả ấ ớ ầ ấ ệ ẫ ướ ỏ
nh ng ho t đ ng đ c v i đi n áp, công su t l n và t c đ chuy n m ch nhanh, vì các thông sư ạ ộ ượ ớ ệ ấ ớ ố ộ ể ạ ố
này b gi i h n b i nhi t đ ho t đ ng cho phép c a linh ki n do đó v n đ đ t gia là ph i t nị ớ ạ ở ệ ộ ạ ộ ủ ệ ấ ề ặ ả ả
nhi t cho linh ki n. Công su t tiêu tán trên transistor làm gia tăng nhi t đ m i n i bên trong c aệ ệ ấ ệ ộ ố ố ủ
nó, và nhi t đ này đ c truy n ra v . N u nhi t đ bên trong hay nhi t đ m i n i Tệ ộ ượ ề ỏ ế ệ ộ ệ ộ ố ố J c a nóủ
v t quá nhi t đ cho phép transistor s b quá nhi t. Đ b o v transistor trong tr ng h p nàyượ ệ ộ ẽ ị ệ ể ả ệ ườ ợ
ph i dùng m t t m t n nhi t (heat sink) đ t n nhi t cho transistor, và t m t n nhi t này đ cả ộ ấ ả ệ ể ả ệ ấ ả ệ ượ
g n v i v . Đ ng đ c tuy n quan h gi a công su t tiêu tán và nhi t đ v xem hình 6.6.ắ ớ ỏ ườ ặ ế ệ ữ ấ ệ ộ ỏ
Hình 6.6: Đ ng đ c tuy n c a công su t ti u tán trên transistor v i nhi t đ v .ườ ặ ế ủ ấ ế ớ ệ ộ ỏ
Hình 6.7: Đ c tuy n c a MOSFET công su t cao: a. Quan h gi a đi n d n và dòng c c máng;ặ ế ủ ấ ệ ữ ệ ẫ ự
b. Đ c tuy n truy n đ t.ặ ế ề ạ
T hình 6.6, ta có th th y r ng khi nhi t đ v (hay nhi t đ m i n i) gia tăng, công su từ ể ấ ằ ệ ộ ỏ ệ ộ ố ố ấ
tiêu tán gi i h n c a transistor gi m theo h s suy gi m:ớ ạ ủ ả ệ ố ả
1 0 1 0
( ) ( ) ( )
D D
P T P T T T= − −
*h s suy gi mệ ố ả (6.5)
Khi đó n u s d ng m t t m t n nhi t t t có th cho phép transistor ho t đ ng đ c v iế ử ụ ộ ấ ả ệ ố ể ạ ộ ượ ớ
công su t tiêu tán c c đ i. Đ thi t k ch n t m t n nhi t phù h p v i transistor, chúng ta ph iấ ự ạ ể ế ế ọ ấ ả ệ ợ ớ ả
xét đ n thông s nhi t tr ế ố ệ ở
θ
(0C/W). Nhi t đ trên m t ph n t có nhi t tr ệ ộ ộ ầ ử ệ ở
θ
là
114
Ch ng 6: M ch khu ch đ i công su t.ươ ạ ế ạ ấ
2 1
T T P
θ
− =
trong đó P là công su t nhi t trên ph n t .ấ ệ ầ ử
Đ ch n đ c t m t n nhi t đúng yêu c u chúng ta ph i bi t đ c các thông s nhi t c aể ọ ượ ấ ả ệ ầ ả ế ượ ố ệ ủ
transistor và s li n quan c a các thông s này v i công su t tiêu tán. Hình 6.8 ch ra s liên quanự ệ ủ ố ớ ấ ỉ ự
c a đi n tr nhi t v i nhi t đ c a transistor .ủ ệ ở ệ ớ ệ ộ ủ
Hình 6.8
Đi n tr nhi t dùng đ di n t s c nóng nh h ng đ n gi i h n v đi n, trong hình 6.8ệ ở ệ ể ễ ả ứ ả ưở ế ớ ạ ề ệ
các nhi t tr đ c đ nh nghĩa nh sau:ệ ở ượ ị ư
: nhi t tr nhi t t m i n i đ n môi tr ng (nhi t tr t ng).ệ ở ệ ừ ố ố ế ườ ệ ở ổ
JC
θ
: nhi t tr nhi t t m i n i đ n v (nhi t tr c a transistor).ệ ở ệ ừ ố ố ế ỏ ệ ở ủ
CS
θ
: nhi t tr nhi t t v đ n t m t n nhi t.ệ ở ệ ừ ỏ ế ấ ả ệ
: nhi t tr t t m t n nhi t đ n môi tr ng (nhi t tr c a t m t n nhi t).ệ ở ừ ấ ả ệ ế ườ ệ ở ủ ấ ả ệ
V y:ậ
JA JC CS SA
θ θ θ θ
= + +
(6.6)
Theo đ nh lu t Kirchhoff ta có:ị ậ
J D JA A
T P T
θ
= +
(6.7)
T công th c 6.6 có th th y h s ừ ứ ể ấ ệ ố
θ
cung c p thông tin v nhi t đ m i n i liên quanấ ề ệ ộ ố ố
đ n công su t tiêu tán trên transistor. Ví d : m t transistor có ế ấ ụ ộ
JC
θ
b ng 0.5ằ0C/W, đi u này cóề
nghĩa là n u transistor ho t đ ng v i công su t tiêu tán 50W thì nhi t đ chênh l ch gi a vế ạ ộ ớ ấ ệ ộ ệ ữ ỏ
và m i n i bên trong là:ố ố
0 0
(0.5 / )(50 ) 25
J C D JC
T T P C W W C
θ
− = = =
Nh v y n u t m t n nhi t có th gi nhi t đ v t i 50ư ậ ế ấ ả ệ ể ữ ệ ộ ỏ ạ 0C thì nhi t đ m i n i c aệ ộ ố ố ủ
transistor s là 75ẽ0C.
III. M ch khu ch đ i công su t ch đ A:ạ ế ạ ấ ế ộ
1. M ch khu ch đ i ghép tr c ti pạ ế ạ ự ế
115