đồ án môn học tích hợp mức i nghiên cứu chế tạo bộ khuếch đại công suất âm tần

Chính vì vậy chúng em xin đưa ra phương án thiết kế mạch khuếch đại công suất âm tần sử dụng LM4558& cặp transitor D718-B688, đây là bo mạch được sử dụng khá phổ biến hiện nay trong các

ĐỒ ÁN MÔN HỌC TÍCH HỢP MỨC I

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG

SUẤT ÂM TẦN

Sinh viên thực hiện:

Giáo viên hướng dẫn:

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

ngày tháng năm Chữ ký của giáo viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

ngày tháng năm 20

Chữ ký của giáo viên phản biện

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay,cùng với sự phát triển của kỹ thuật công nghệ các bộ tăng âm cũng được cải tiến đến mức hoàn hảo như hệ thống hifi stereo, âm thanh trung thực, hiệu suất cao là các chỉ tiêu mà các nhà thiết kế luôn cố gắng để đạt được một cáchtốt nhất

Mạch khuếch đại công suất âm tần nói chung cũng đơn giản, nhưng để làm đượcmạch khuếch đại âm có chất lượng cao không phải là chuyện dễ dàng Bởi vì bản thân bộ khuếch đại có khả năng tiêu tán một lượng lớn công suất, nên nó phải đượcthiết kế sao cho nhiệt độ mà nó tạo ra khi hoạt động ở mức điện áp cao, dòng điện lớn sẽ được tản ra môi trường xung quanh với tốc độ cao để tránh bị phá hủy nhiệt

Do đó tránh khỏi sự ảnh hưởng của méo, nhiễu, dẫn đến tín hiệu ra không trung thực

Vậy nên đặc trưng của các bộ khuếch đại công suất là thường có khối tản nhiệt lớn , kồng kềnh, nhằm tăng diện tích tiếp xúc, trao đổi nhiệt tốt hơn với môi

trường

Ngày nay, các bộ khuếch đại công suất được sử dụng rộng rãi trong các máy thuradio, máy nghe băng và các hệ thống stereo chất lượng cao, trong các thiết bị phòng thu, sân khấu, hệ thống loa âm thanh

Sau đây nhóm đề tài xin trình bày một loại mạch khuếch đại công suất, đây có thể được xem là mạch tương đối đơn giản là khuếch đại công suất sử dụng cặp transitor D718&B668

Dù được sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn, dù rất cố gắng để hoànthành đồ án này Nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định, rất mong nhận được các ý kiến đóng góp tích cực từ các quý thầy cô và các bạn

Chúng em xin chân thành cảm ơn

A.PHẦN MỞ ĐẦU1.1 Yêu cầu của đề tài

-Thiết kế bộ khuếch đại công suất âm tần sử dụng khuếch đại công suất sử dụng

IC LM4558 &cặp transitor D718-B688

-Công suất max 200W

-Điều chỉnh được âm lượng âm sắc

-nhận tín hiệu và khuếch đại tín hiệu từ mic không dây sử dụng RF

1.2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu: nghiên cứu và chế tạo thành công mạch khuếch đại côngsuất âm tần đảm bảo đạt yêu cầu công suất đầu ra và chất lượng âm tốt nhất, sử dụng micro không dây thu phát tín hiệu ở khoảng cách xa nhất, tín hiệu trung thực nhất, mạch điện lại nhỏ gọn, dễ làm và giá thành rẻ Làm tiền đề để phát triển hơn nữa chất lượng của các bộ khuếch đại công suất âm tần sử dụng micro không dây trong tương lai

1.3Lý do chọn đề tài

Do yêu cầu của

1.4Chọn phương án thiết kế

Có nhiều phương án thiết kế cho đề tài này như một số mạch sau:mạch OTL sử

dụng ghép biến áp ở đầu ra (Output Transformer Les), mạch OCL sử dụng ghép tụ

ở đầu ra(Output Capictor Les),mạch BTL sử dụng ghép transistor ở đầu ra (Bridge Transistor Line Out), các mạch này dễ làm nhưng chất lượng thì chưa đáp ứng được về công suất cũng như chất lượng âm ra

Chính vì vậy chúng em xin đưa ra phương án thiết kế mạch khuếch đại công suất âm tần sử dụng LM4558& cặp transitor D718-B688, đây là bo mạch được sử dụng khá phổ biến hiện nay trong các mạch khuếch đại công suất âm với công suất

ra khá lớn từ vài trăm W đến vài trăm KW tùy theo cách mắc

B.PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

1.1Tổng quan về mạch khuếch đại

1.1.1Các khái niệm trong mạch khuếch đại

1.1.1.1Định nghĩa mạch khuếch đại

-Mạch khuếch đại công suất là mạch được thiết kế sao cho cung cấp một lượng lớncông suất cho tải tức là mạch khuếch đại công suất sẽ tạo ra điện áp cao và dòng điện lớn để lái tải cần công suất lớn Mạch khuếch đại công suất được ứng dụng rấtnhiều trong ngành điện-điện tử Chúng ta chỉ xét mạch khuếch đại công suất dùng trong lĩnh vực âm thanh (còn gọi là mạch khuếch đại công suất âm tần)

-Mạch khuếch đại công suất âm tần dùng để tạo ra một lượng công suất để cung cấp cho tải (tải thường là loa do chúng đòi hỏi một lượng công suất lớn để biến đổitín hiệu điện thành sóng âm) Mạch khuếch đại công suất thường được sử dụng rộng rãi trong các máy: radio, máy thu hình, máy nghe băng, máy tăng âm, các hệ thống stereo, loa phát thanh,

1.1.1.2 Sơ lược về mạch khuếch đại

- Thông thường một mạch khuếch đại là một thiết bị hoặc linh kiện bất kỳ nào, sử

dụng một lượng công suất rất nhỏ ở đầu vào để điều khiển một luồng công suất lớn

ở đầu ra Trong các ứng dụng thông dụng, thuật ngữ này hiện nay được dùng chủ yếu cho các bộ khuếch đại điện tử và thông thường là các ứng dụng thu và tái tạo

âm thanh Mối liên quan giữa đầu vào và đầu ra của một bộ khuếch đại, thường được diễn giải như là một hàm của tần số được gọi là ham truyền và biên độ của hàm truyền được gọi là độ lợi

G (dB) = 10 × lg(Pout/Pin))

1.1 Dải động ngõ ra

Dải động ngõ ra là một dải biên độ, thường sử dụng đơn vị dB, là khoảng cách giữa tín hiệu lớn nhất và tín hiệu nhỏ nhất mà đầu ra có thể phản ánh được Vì tín hiệu nhỏ nhất thường bị giới hạn bởi biên độ nhiễu, nên người ta lấy luôn tỷ số giữa biên độ tín hiệu lớn nhất và nhiễu làm giải động ngõ ra

1.2 Băng thông và thời gian đáp ứng của mạch khuếch đại

Baăng thông của một mạch khuếch đại thường được xác định theo sự khác biệt giữa tần số số này còn gọi là băng thông −3 dB Trong trường hợp những băng thông ứng với những độ chính xác khác nhau thường phải ghi chú thêm, thí dụ như(−1 dB, −6 dB, v.v.)

Thí dụ như một mạch khuếch đại âm tần tốt phải có đáp ứng bằng phẳng từ 20 Hz đến 20 kHz (dải âm thanh mà người ta nghe được), như vậy đáp ứng tần số của nó phải mở rộng thêm ra bên ngoài dải này từ 1 đến 2 bát độ mỗi bên Thông thường một mạch khuếch đại âm tần tốt có băng thông từ 10 Hz đến 65 kHz

Thời gian đáp ứng (còn gọi là thời gian tăng trưởng) của một mạch khuếch đại thờigian cần thiết để nâng mức điện áp ngõ ra từ 10% đến 90% tín hiệu đỉnh khi đặt ở đầu vào một điện áp bước (hàm đơn vị)

Nhiều mạch khuếch đại bị giới hạn bởi tốc độ tăng, thường là do trở kháng của mạch dòng điện điều khiển phải chịu hiệu ứng tụ điện ở vài điểm trong mạch Điềunày là cho băng thông ở công suất lớn nhất sẽ thấp hơn so với đáp ứng tần số ỏ mức tín hiệu nhỏ

Đối với một mạch đơn giản chỉ có RC, còn gọi là dđáp ứng Gaus, thời gian tăng trưởng được tính gần đúng:

Tr × BW = 0,35,

Trong đó Tr là thời gian đáp ứng tính bằng giây, và BW là băng thông tính bằng Hz

1.3 Thời gian trả về và sai số

Đó là thời gian để ngõ ra trả về đến một mức nào đó (thí dụ 0,1%) của tín hiệu hoàn chỉnh Điều này thường được đặt ra với các mạch khuếch đại trục tung của máy hiện sóng và các mạch khuếch đại troing các hệ thống đo lường chính xác

1.4 Tốc độ đáp ứng

Tốc độ đáp ứng là tốc độ thay đổi tín hiệu cao nhất ở ngõ ra, thường được tính bằng volt/giây (hoặc mili giây, micro giây)

1.5 Tạp âm

Tạp âm (còn gọi là tiếng ồn, nhiễu), hiển thị số đo có bao nhiêu tạp âm được tạo ratrong quá trình khuếch đại Tạp âm là những thành phần không mong muốn, nhưng cũng không tránh khỏi của các linh kiện và các thành phần trong mạch Nó được đo bằng thang decibel hoặc bằng điện áp đỉnh của nhiễu đầu ra, khi không cótín hiệu đầu vào

1.6 Hiệu suất

Hiệu suất là một số đo biểu thị mức độ bao nhiêu công suất ở đầu vào đã được chuyển hóa thành năng lượng hữu ích ở đầu ra của mạch khuếch đại Các mạch khuếch đại lớp A có hiệu suất rất thấp, trong khoảng từ 10 đế 20%, và hiệu suất tối

đa là 25% Các mạch khuếch đại lớp B hiện đại có hiệu suất trong khoảng 35 đến 55%, với hiệu suất cao nhất theo lý thuyết là 78,5% Các mạch khuếch đại lớp D tiên tiến sử dụng kỹ thuật điều biến độ rộng xung cho hiệu suất lên đến 97% Hiệu suất của một mạch khuếch đại giới hạn độ lớn của công suất hữu dụng ở ngõ ra Lưu ý rằng các mạch khuếch đại có hiệu suất cao sẽ chạy mát hơn, và có thể khôngcần đến quạt làm mát ngay cả khi thiết kế lên đến nhiều kilowatt

1.7 Độ tuyến tính

Một mạch khuếch đại lý tưởng phải là một thiết bị tuyến tính hoàn toàn, nhưng những mạch khuếch đại thực tế thường chỉ tuyến tính trong một phạm vi giới hạn nào đó Khi tín hiệu được đưa đến đầu vào tăng, thì đầu ra cũng tăng theo cho đến khi đạt đến một điểm mà một linh kiện nào đó trong mạch bị bão hòa, và không thể cho thêm tín hiệu ra Ta nói tín hiệu bị cắt xén, và đây là một trong những nguyên nhân gây ra méo dạng

Một số mạch khuếch đại được thiết kế để hoạt động theo kiểu chấp nhận giảm bớt

độ lợi thay vì phải chịu méo dạng Kết quả là tín hiệu chịu một hiệu ứng nén, Và nếu là tín hiệu âm thanh, thì hiệu ứng này không làm thỏa mãn người nghe lắm Đối với các mạch khuếch đại này, điểm nén 1 dB được đặt ra, xác định là độ lợi ở tín hiệu 1 dB sẽ nhỏ hơn độ lợi ở các tín hiệu nhỏ

Tuyeến tính hóa là một lĩnh vực nổi bật Có rất nhiều kỹ thuật được sử dụng để giảm bớt méo dạng do không tuyến tính

1.8 Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

Tỉ số: Tín hiệu / Tạp âm = S / N

trong đó:

-Khoảng tần số này được giới hạn bởi:

-Nếu tín hiệu ngõ vào ở tần số fH hay fL thì độ khuếch đại của mạch ở tần số đó sẽ giảm đi lần hay suy giảm -3dB với độ lớn cực đại.

-Dãy tần số hoạt động lý tưởng của mạch khuếch đại âm tần nằm trong khoảng từ 20Hz đến 20KHz

P

P

1.11 Hiệu suất của mạch khuếch đại():

Hiệu suất của bộ khuếch đại công suất được định nghĩa là tỉ số giữa công suất tínhiệu trung bình được phân bố trên tải với công suất trung bình được kéo từ nguồn:

1.12 Độ méo

Biểu thị cho sự thay đổi hình dạng của tín hiệu ra so với tín hiệu vào của mạch

Độ méo phân thành nhiều loại:

 Méo tần số: là dạng méo xuất hiện do hệ số khuếch đại thay đổi khi tần số

tín hiệu thay đổi gây nên sự biến đổi âm sắc Nguyên nhân là do L, C từ mạch khuếch đại

 Méo pha: là do sự dịch góc pha ban đầu của tín hiệu ra so với tín hiệu vào

Méo pha gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng âm thanh

 Méo xuyên tâm: chủ yếu xảy ra ở mạch hoạt động lớp B.



1.1.1.3 Phân loại các chế độ hoạt động của mạch khuếch đại

Tùy theo chế độ làm việc của Transistor, người ta thường phân mạch khuếch đạicông suất ra thành các loại chính sau:

1.0 Khuếch đại công suất loại A

Tín hiệu được khuếch đại gần như tuyến tính, nghĩa là tín hiệu ngõ ra thay đổi

2 bán kỳ của tín hiệu ngõ vào)

1.1 Khuếch đại công suất loại B

dương của tín hiệu ngõ vào đươc khuếch đại

a)Ưu điểm:

b) Khuyết điểm:

 Tín hiệu chỉ tồn tại trong nửa chu kỳ.

1.2 Khuếch đại công suất loại AB

Transistor được phân cực ở gần vùng ngưng Tín hiệu ngõ ra thay đổi hơn một nửa chu kỳ của tín hiệu vào (Transistor hoạt động hơn một nửa chu kỳ dương hoặc

âm của tín hiệu ngõ vào)

 Đặc điểm:

điểm của chế độ loại A lẫn loại B

1.3 Khuếch đại công suất loại C

Transistor được phân cực trong vùng ngưng chỉ để một phần nhỏ hơn nửa chu

kỳ của tín hiệu ngõ vào được khuếch đại Mạch này thường được dùng khuếch đại công suất ở tần số cao với tải cộng hưởng

-1.4 khuếch đại công suất loại D

Các mạch khuếch đại Lớp D, hay còn gọi là các mạch khuếch đại điều biến độ rộng xung, sử dụng kỹ thuật chuyển mạch để đạt được hiệu suất rất cao (hơn 90%

ở các mạch khuếch đại hiện đại) Vì nó chỉ cho phép các linh kiện chỉ ở dạng hoàn toàn dẫn hoặc không dẫn, tiêu tán trên linh kiện sẽ là tối thiểu Một số loại mạch khuếch đại điều biến độ rộng xung đơn giản vẫn còn được tiếp tục sử dụng Tuy nhiên, các mạch khuếch đại kiểu đóng ngắt hiện đại sử dụng kỹ thuật số, thí dụ như kỹ thuật điều biến sigma-delta, cho độ trung thực tối ưu Trước đây, lớp D được sử dụng trong các mạch khuếch đại loa siêu trầm vì giới hạn của băng thông

và khả năng không gây méo dạng, sau này các tiến bộ kỹ thuật chất bán dẫn đã chophép chế tạo các mạch khuếch đại có độ trung thực cao, dải tần rộng, với tỷ số

nhiễu trên tín hiệu và hệ số méo dạng thấp tương đương với những mạch khuếch đại tuyến tính cùng loại.

1.5 Khuếch đại công suất loại E

Có vài loại mạch khuếch đại lớp khác, mặc dù nó chỉ là biến thể của các loại ban đầu Thí dụ như mạch khuếch đại Lớp H và Lớp G được xem như biến thể của độ lớn nguồn cung cấp (theo dạng bước hoặc liên tục) tùy thuộc vào tín hiệu đầu vào Lượng tiêu tán nhiệt có thể giảm bớt, do điện áp rơi trên các linh kiện thấp Loại này có thể kết hợp với các lớp kinh điển Các mạch khuếch đại kiểu này thường phức tạp và thường chỉ sử dụng cho một số ứng dụng đặc biệt, thí dụ như trong cáctầng công suất rất lớn Tương tự như vậy, các mạch khuếch đại Lớp E và Lớp F thường được mô tả trong các tài liệu cho các ứng dụng tần số vô tuyến khi hiệu suất của các lớp truyền thống thay đổi so với những giá trị thực tế Các lớp này sử dụng các mạch điều hưởng họa tần bậc cao ở mạng đầu ra, để tăng cường hiệu suất, và có thể xem như hậu duệ của Lớp C do các đặc tính góc dẫn của chúng

Hình 1.1 Mô tả việc phân loại các mạch khuếch đại công suất.

1.1.3 Các loại mạch khuếch đại công suất âm tần

1.1.3.1 OTL(Output Transformer Les)

a) Đặc điểm:

điện thế điểm giữa ra loa bằng nửa nguồn

b)Ưu điểm:

so với khi dùng biến áp ngõ ra

c)Khuyết điểm:

tín hiệu ngõ ra mới không bị méo

méo phi tuyến

tới vô cùng)

1.1.3.2 OCL(Output Capictor Les)

a)Đặc điểm:

b)Ưu điểm:

c) Khuyết điểm:

gây cháy loa vì vậy cần có mạch bảo vệ loa

1.1.3.3 BTL(Bridge Transistor Line Out)

 Cho ra công suất lớn (gấp 4 lần so với OTL hay OCL) khi sử dụng với nguồn điện áp thấp hoặc dùng cho các Ampli có công suất rất lớn từ 500W đến vài nghìn Walt.

c)Khuyết điểm:

nếu điện thế điểm giữa không bằng 0

1.3.3.4 Một số mạch tham khảo khác:

1.0 Mạch khuếch đại đèn điện tử chân không (valve amplifiers)

Khi các mạch khuếch đại bán dẫn đã thay thế rộng rãi các mạch khuếch đại đèn chân không công suất cỡ nhỏ, thì các mạch khuếch đại đèn điện từ chân không lại

có giá trị tỷ như Radar, thiết bị đo đếm hoặc các thiết bị thông tin liên lạc Nhiều mạch khuếch đại sóng cực ngắn vẫn sử dụng các loại đèn chân không thiết kế đặc biệt, như đèn,gyrotron,đèn song chạy, … và các đèn sóng cực ngắn này có công suất ra cho mỗi linh kiện lẻ cao hơn loại sử dụng linh kiện mạch rắn

1.1 Mạch khuếch đại Tranzito

Quy luật chung của linh kiện tích cực là làm cho biên độ của tín hiệu đầu vào trở thành một tín hiệu hữu ích có biên độ lớn hơn ở đầu ra Số lần mà tín hiệu được làm cho lớn lên gọi là độ lợi sẽ phụ thuộc vào thiết kế mạch bên ngoài cũng như bản thân linh kiện đó

Nhiều loại linh kiện tích cực được dùng trong mạch khuếch đại tranzito như Tranzito hai mối nối (BJTs), Tranzito hiệu ứng trường o xít kim loại)

Có nhiều ứng dụng cho mạch khuếch đại Một số thí dụ thông dụng nhất như các mạch khuếch đại âm tần cho hệ thống nghe nhạc tại nhà hoặc trên xe ô tô, các hệ thống khuếch đại cao tần, phát xạ cao tần troing các máy thu và phát vô tuyến

1.2Mạch khuếch đại thuật toán (op-amps)

Mạch khuếch đại thuật toán là một mạch tích hợp rắn có thể ráp phối hợp với các mạch hồi tiếp bên ngoài để có thể điều chỉnh hàm truyền hay độ lợi của nó

1.3Mạch khuếch đại vi sai

Một mạch khuếch đại vi sai là một mạch khuếch đại tích hợp mạch rắn, có những mạch hồi tiếp bên ngoài để điều khiển hàm truyền hoặc độ lợi của nó Nó cũng gầntương tự với mạch khuếch đại thuật toán, chỉ khác chỗ có đầu ra vi sai

1.4 Mạch khuếch đại thị tần

Những những mạch khuếch đại tín hiệu thị tần thực sự có băng thông khá rộng, lênđến 5 MHz Phải có những yêu cầu đặc biệt về đáp ứng bước để có thể thu được hình ảnh tốt

1.5 Mạch khuếch đại dọc cho máy hiện sóng

Những mạch khuếch đại này phải đáp ứng được với tín hiệu thị tần, để điều khiển đèn hình của máy hiện sóng, và có thể có băng thông lên đến 500 MHz Những đặc tính của đáp ứng bước, thời gian đáp ứng, mức độ quá tải và sai số có thể làm cho việc thiết kế trở nên khó khăn

1.6 Mạch khuếch đại phân bố.

các mạch này sử dụng đường truyền để tạm thời tách các tín hiệu và khuếch đại từng phần riêng biệt để có được băng thông lớn hơn, trường hợp sử dụng một mạch khuếch đại đơn lẻ Ngõ ra của mỗi tầng có thể nối với nhau qua đường dây truyền Loại mạch khuếch đại kiểu này thường được sử dụng trong các tầng

khuếch đại dọc cuối cùng cho máy hiện sóng Đường truyền có thể được tích vào bên trong đèn hình

1.7 Mạch khuếch đại đèn sóng chạy (TWT)

Mạch này sử dụng trong các ứng dụng khuếch đại vi ba tần số thấp công suất cao Các mạch thông thường có thể khuếch đại suốt dải tần số của vi ba Tuy nhiên, chúng thường không dễ dàng cộng hưởng như đèn Klix Trôn

1.8 Đèn Klix - trôn

Tương tự như đèn sóng chạy, nhưng đèn này có công suất cao hơn, và có tần số đặc trưng Chúng cũng thường nặng nề hơn đèn sóng chạy, nên khó thích ứng với những ứng dụng di động cần trọng lượng nhỏ Đèn Klix - trôn có khả năng cộng hưởng, xuất ra tín hiệu chọn lựa trong dải tần đặc trưng của nó

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG2.1 Cơ sở lý thuyết của đề tài

2.1.1 IC LM4558

-Bộ 4558 là một bộ khuếch đại nội kênh kép(dual channel), với khả năng tách

kênh cho phép sử dụng kênh đôi trong một ứng dụng ampli duy nhất

2.1.3.2 Sơ đồ chân IC 4558

 Chức năng các chân:

IN Chân số 3: đầu vào không đảo của bộ khuếch đại thuật toán AIN+

2.2.2-Transitor D71& B688

2.2.1 Hình ảnh cụ thể

Kích thước cụ thể

2.2.2 Thông số kỹ thuật

-Điện áp giữa 2 chân C-B :VCB0 = 160(v)-Điện áp giữa 2 chân C-E :VCE0 = 120(v)-Điện áp giữa 2 chân E-B :VCB0 = 6(v)-Công suất :80W

-Nhiệt độ ổn định hoạt động: -55~150 oC

3.1 Thiết kế và phân tích mạch

3.1.1 Mạch nguồn

- biến áp lựa chọn là loại biến áp 10A điện áp đầu vào 220V-50Hz, đầu ra là điện áp đối xứng xoay chiều 12V

- Nguyên lý làm việc:

+ cấp nguồn 12V đối xứng vào 2 đầu X1-1 và X1-3, x1-2 cấp mátKhi cấp nguồn, điện áp +12V qua R17-10k hạn dòng , kích mở chân B của transitor ngược T1, T1 thông bão hòa, UCT1=UET1, điện áp lấy ra 12v trên đầu 1, D6 mắc ngược đảm bảo điện áp +12V không bị thoát xuống mass

Tương tự với -12V, với T2 là transitor thuận

-C1, C2, C3, C4 lọc nguồn ra, san phẳng điện áp

3.1.2 Mạch khuếch đại công suất

3.1.2.1 Mạch nguyên lý

3.1.2.2 Mạch in