đề án mạch khuyếch đại âm ly 50w

Năng lượng lớn gọi là năng lượng được điều khiến - Mạch khuếch đại là mạch mà khi ta đưa vào đầu vào mộttín hiệu có biên độ nhỏ hoặc cường độ yếu hay công suất nhỏ.Thì ở đầu ra ta sẽ th

LỜI NÓI ĐẦU

Khuếch đại là một vấn đề lớn và phố biến trong kỹ thuậttương tự Làm thế nào để có một tín hiệu ra từ các bộ khuếchđại đạt công suất theo mong muốn và không bị méo là mộtthách thức khá lớn đặt ra cho các nhà chuyên môn, kỹ sư,cũng như những người làm trong chuyên nghành điện tử, điện

tử viễn thông Bởi nhiễu làm méo tín hiệu không chí do bánthân bên trong các bộ khuếch đại như đột biến điện áp haydòng điện Mà còn do tác động của môi trường bên ngoài nhưnguồn cung cấp, nhiễu công nghiệp gây nên

Giưới sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Đăng Thôngnhóm sinh viên chúng em gồm các thành viên

+ Phan Anh Tuấn

+ Bùi Đức VinhLựa chọn đề tài mạch khuyếch đại âm ly 50W

Để tín hiệu đầu ra không bị méo quả là thách thức lớn chonhóm sinh viên chúng em Giưới sự hướng dẫn nhiệt tình củathầy giáo chúng em hi vọng sẽ thu được những kết quả kháquan Qua lần thực hiện đề tài này chúng em cũng đã hiếuthêm được những kiến thức sâu sắc hơn về mạch khuếch đại

Để phục vụ cho chuyên môn sau này

+ Phần 3: Kết quả và đánh giá kết quả

NỘI DUNG ĐỀ TÀI

I Giưới thiệu chung về khuếch đại và khuếch đại công suất

1 Khuếch đại và phân loại khuếch đại

a Khái niêm khuếch đại :

- Khuếch đại là dùng một năng lượng nhỏ như(dòng điện,điện áp…) để điều khiến một năng lượng khác lớn hơn gấpnhiều lần Năng lượng thứ nhất nhỏ gọi là năng lượng điềukhiển Năng lượng lớn gọi là năng lượng được điều khiến

- Mạch khuếch đại là mạch mà khi ta đưa vào đầu vào mộttín hiệu có biên độ nhỏ hoặc cường độ yếu hay công suất nhỏ.Thì ở đầu ra ta sẽ thu được tín hiệu có biên độ lớn hoặccường độ mạnh hay công suất lớn Tùy theo mạch mà chúng

ta lựa chọn

b Phân loại mạch khuếch đại :

- Tùy theo từng hệ thống mà chúng ta lựa chọn các mạchkhuếch đại khác nhau.Có 3 loại mạch khuếch đại chính

+ Khuếch đại về điện áp : Là mạch khi ta đưa một tínhiệu có biên độ nhỏ vào , đầu ra ta sẽ thu được một tín hiệu

có biên độ lớn hơn rất nhiều lần

+ Khuếch đại về dòng điện: Là mạch khi ta đưa mộttín hiệu có cường độ yếu vào thì ở đầu ra ta sẽ thu được mộttín hiệu cho cường độ dòng điện mạnh hơn

+ Khuếch đại công suất : Là mạch khi ta đưa một tínhiệu có công suất yếu vào đầu vào thì ở đầu ra ta sẽ thu đượcmột tín hiệu có công suất mạnh hơn nhiều lần Thực ra mạch

khuyếch đại công suất là kết hợp cả hai mạch khuếch đại điện

áp và dòng điện Do vậy ở đây chúng ta sẽ nghiên cửu mạchkhuếch đại công suất

2 Khuếch đại công suất : Một mạch khuếch đại công suất

làm việc với nhiều tầng khác nhau như là tầng nhận tín hiệuvào, tầng vi sai, tấng tiền công suất và tầng công suất.Côngsuất đầu ra của mạch được quyết định ở tầng công suất

* Những vấn đề về tầng công suất

- Tầng công suất có nhiệm vụ đưa ra công suất đủ lớn để kíchthích cho tái, công suất ra từ vài trăm mW đến vài trăm W.Công suất này được đưa đến tầng sau dưới dạng điện áp hoặcdòng điện có biên độ lớn Khi khuếch đại tín hiệu lớn cácTranzitor không làm việc trong miền tuyến tính Do đỏ khôngdùng sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ để xét Mà phái dùngđến phương pháp đồ thị

- Các chế độ làm việc của tầng công suất: Tùy theo chế độcông tác của các Tranzitor, tầng công suất có thế làm việc ởcác chế độ A, B, AB, C

+ Chế độ A : Tín hiệu được khuếch đại gần như làtuyến tính Nghĩa là tín hiệu ngõ ra thay đối tuyến tính trongtoàn bộ chu kỳ của tín hiệu ngõ vào ( Tranzitor hoạt động ở

cả hai bán chu kỳ của tín hiệu ngõ vào).Hiệu suất ở chế độ Arất thấp > 50%

+ Chế độ AB : Tranzitor làm việc ở gần vùng ngưng.Tín hiệu ngõ ra thay đối hơn một nửa chu kỳ của tín hiệu ngõvào (Tranzitor hoạt động hơn một nửa chu kỳ âm hoặc dươngcủa tín hiệu ngõ vào) Hiệu suất ở chế độ này lớn hơn hiệusuất ở chế độ A <70%

+ Chế độ B : Tranzitor phân cực tại vùng ngưng

khuếch đại

+ Chế độ C : Tranzitor được phân cực trong vùngngưng để chỉ một phần nhỏ hơn nửa chu kỳ của tín hiệu vàođược khuếch đại Chế độ này có hiệu suất khá cao >78%

1 Tầng khuếch đại công suất :

- Tầng khuếch đại công suất được lựa chọn trong mạchkhuếch đại âm ly 50W này là một cặp BJT khác loại làm việc

khắc phục Mạch khuyếch đại ở chế độ B phân cực với VB

bằng 0 và phải dùng ít nhất là hai tranzitor cùng loại hay khácloại Trong sơ đồ mạch ampli 50W này ta dùng cặp BJT khácloại Một là tranzitor (NPN) hoạt động ở một nửa chu kỳ

lý thuyết thì nếu tín hiệu đưa vào hình sin thì trên tải sẽ thuđược tín hiệu hình sin Nhưng trong thực tế thì tín hiệu lấyđược trên tải không trọn vẹn mà bị biển dạng Khi bắt đầumột bán kỳ thì Tranzitor không dẫn điện ngay mà phải chờ

vậy để T có thể dẫn điện tốt ngay khi có tín hiệu áp vào cực Bthì ta phải phân cực theo kiểu AB Khi đó tín hiệu ra đủ lớn

mà méo lại nhỏ đáp ứng tốt công suất ở đầu ra ta dùng mạchkhuyếch đại ở chế độ AB Mạch làm việc ở chế độ AB códòng tĩnh nhỏ từ( 10mA đến 50mA)

*Chức năng linh kiện , lựa chọn linh kiện và tính toán các thông số trong tầng công suất

a Chức năng linh kiện và lựa chọn linh kiện

- Sơ đồ khối của tầng công suất được cho như hình vẽ

làm việc của Tranzitor => Làm sai lệch điện áp điểm dựa VM

=> ảnh hướng đến công suất ra

Sở dĩ ở đây chọn diode zenner là bởi lẽ diode zenner hoạtđộng được trong miền đánh thúng ngược Khi mà điện áp

Khi dòng điện qua diot zenner tăng nhanh thì điện áp giữa haiđầu diot vẫn không đối còn đối với diode thường thì khidòng vào lớn thì nó dễ bị phá huỷ Do vậy mà ta lựa chọndiot zenner trong mạch này

Các diode zenner có điện áp định mức từ hai cho đếnhàng trăm vôn Ở đây ta chọn diot zenner ổn áp thường có

+ Chọn nguồn một chiều

Yêu cầu ở đây là công suất ra PL = 50W Ta có: PL =

đây với mục đích tăng hiệu suất làm việc của tầng công

25V

• Ốn định nhiệt cho hai tranzitor công suất Ta biết

này chồng chất => hư hỏng tranzitor Vì vậy nhằm ổn địnhcho hai tranzitor công suất ta mắc các trở tải cực E Khi có

chúng ta đã khắc phục được ảnh hướng của nhiệt độ lên haitranzitor

• Nhiệm vị thứ hai : tạo dòng hồi tiếp để cân bằng tầngđẩy kéo

Thông thường trở tải cực E có giá trị không lớn lắm vì nếu nó

Ta thấy rằng : nếu định thiên chí dùng trở cực gốc màkhông dùng trở cực phát thì tính ổn định không tốt => tínhiệu ra ở tải sẽ bị méo lớn Nguyên nhân của tính không ổnđịnh là do các yếu tố :

• Dòng và áp một chiều phụ thuộc vào hệ sốkhuếch đại của tranzitor => Việc thay đổi các tranzitor có βkhác nhau dẫn đến điểm làm việc của các tranzitor thay đổi

=> biển dạng tín hiệu ra

tín hiệu ra

• Dòng rò được nhân với β có thế là nhân tố trongviệc dịch chuyển điểm hoạt động của T ở tín hiệu lớn

Nhưng ta thấy rằng trong mạch định thiên cực gốc B cóthêm điện trở tải cực E như mạch mà chúng ta đang thiết kếthì tín hiệu ra đỡ méo và mạch làm việc ốn định Bởi lẽ khi

định ở cực B thì chống lại ảnh hướng của thiên áp ngược lên

tranzitor là không xảy ra)

(3)

(4)

• Tương tự như vậy từ (6) ta có :



 = =2.81mA

• Cũng như trên với việc lựa chọn dòng qua phân áp

• Ta cũng tính được β xấp xỉ bằng 80 Thoả mãn điều kiện haitranzitor công suất chế tạo trên cùng một loại chất bán dẫn cócác thông số giống nhau

• Thay các kết quả tính được nói trên vào (1) và (2) ta tính

Từ (1) ta có:

* Chúng ta sẽ tính toán công suất tiêu hao trên mỗi tranzitor

Trong đó: P0(AC) = ( Với VL(P) = ) Khi công suất ra

hai tranzitor công suất là

* Ta cũng tính được hiệu suất tối đa của mạch là :

VL(p) = 0.636Vcc = và khi đỏ

W R

( Tức là loại bỏ nhiễu ở vùng tần số cao )

dòng một chiều không ra tải đám bảo cho tải làm việc tốt

Thực tế , với các cặp tranzitor bổ phụ , thường trong điều

khác chút ít, điều đó dẫn đến sóng ra không hoàn toàn đốixứng ( khuếch đại ở hai chu kỳ là không như nhau), tuy nhiên

sự sai khác này rất nhỏ, có thế bỏ qua

2 Tầng tiền khuếch đại và tầng hồi tiếp

Tầng tiền khuếch đại trong mạch AMPLI 50W sử dụng 2 cặp

• Tầng hồi tiếp:Hồi tiếp đóng vai trò rất quan trọng trong

kỹ thuật tương tự Hồi tiếp cho phép cái thiện tính chất của

bộ khuếch đại, nâng cao chất lượng của bộ khuếch đại Sơ đồ

sử dụng mạch khuếch đại có hồi tiếp có ảnh hưởng rất lớnđến hoạt động của mạch đặc biệt là tín hiệu đầu ra Thôngthường trong các mạch khuếch đại lớn, trong các âm ly thì đểgiảm méo phi tuyến thì người ta sử dụng ít nhất hai vòng hồitiếp Có hai loại hồi tiếp là hồi tiếp âm và hồi tiếp dương.Hồi tiếp âm là sự hồi tiếp trong đó tín hiệu hồi tiếp ngược phavới tín hiệu vào, nên làm yếu tín hiệu vào Còn hồi tiếpdương là hồi tiếp trong đó tín hiệu hồi tiếp cùng pha với tínhiệu vào, làm mạnh tín hiệu vào Trong các mạch khuếch đạicông suất thì chủ yếu sử dụng hồi tiếp âm Để hiểu rõ vì saotrong các mạch khuếch đại công suất sử dụng hồi tiếp âm ta

sẽ xét các đặc điểm của nó

+ Đặc điểm thứ nhất : Gĩư vững độ khuếch đại :

Ta biết rằng thông số của BJT hay FET không phải là mộthằng số mà chúng thay đổi rất nhiều theo nhiệt độ => khinhiệt độ thay đổi các thông số của BJT hay FET sẽ thay đổi

=> độ lợi chung của mạch ( KH: A) thay đổi

Nhưng khi có hồi tiếp thì :

độ khuếch đại của mạch ổn định hơn rất nhiều lần khi không

.Nghĩa là mạch khuếch đại sau khi thực hiện hồi tiếp âm thì

độ lợi chỉ còn phụ thuộc vào hệ số hồi tiếp β mà thôi Thôngthường thì hệ số hồi tiếp β có thế xác định bởi các thànhphần thụ động không liên quan gì đến tranzitor nên độ lợi củamạch sẽ được giữ vững

+ Đặc điểm thứ hai : Giảm sự biến dạng tín hiệu ( chốngméo tín hiệu )

ngõ ra ngoài thành phần tín hiệu còn có một thành phần nhiễuxuất phát từ sự biển dạng của mạch ( Thành phần nhiễu kíhiệu là D) Từ đây ta có:

nó cũng giảm theo Mặt khác khi có hồi tiếp âm thì mạchkhuếch đại A vẫn chứa thành phần biến dạng D nhưng ở ngõ

Ta có :

Vậy nhiễu cũng giảm đi 1+βA lần khi có hồi tiếp âm

+ Đặc điểm thứ 3: Gia tăng giải tần hoạt động

Độ lợi truyền dẫn của các mạch khuếch đại thường là mộthàm số theo tần số

Tacó:

Tần số tại đó độ lợi giảm đi 3dB ứng với

Như vậy khi thực hiện hồi tiếp âm, tần số cắt cao tăng thêm

• Tầng tiền khuếch đại : Tín hiệu sau khi qua tầng hồi

tiếp có hệ số khuếch đại dòng điện chưa đủ lớn hay trở kháng

ra của tầng hồi tiếp chưa đủ lớn Với mục đích tăng hệ số

khuếch đại dòng điện và tăng trở kháng vào cho mạch thì

người ta tổ hợp các tranzitor lại thành sơ đồ Darlington để

thoả mãn điều kiện đó

Sơ đồ Darlington có rất nhiều dạng được mô tả dưới đây

+ Xét sơ đồ Darlington chuấn là sơ đồ Darlington mắc theo

kiểu C chung Sỡ dĩ gọi là mạch chuấn là bởi lẽ: Mạch

Darlington có hệ số khuếch đại dòng lớn Thường được sứ

dụng ở tầng tiền công suất và công suất Và tầng này lại yêu

cầu trở kháng vào lớn và trở kháng ra nhỏ Mà mạch mắc

theo kiểu C chung đảm bảo được điều này.Vì vậy mà mạch

Darlington thường mắc theo kiểu C chung Sơ đồ mạch chuấn

có dạng như sau:

- Gọi là hệ số khuếch đại dòng của toàn mạch ta có

Vậy mạch khuếch đại Darlington có hệ số khuếch đạidòng rất lớn

• Sơ đồ tương đương khi có tín hiệu:

*Chức năng linh kiện trong khối và lựa chọn linh kiện :

• Chức năng linh kiện

Khi dòng qua diode thay đổi thì chí có nội trở bên trongdiode thay đổi còn điện áp hai đầu diode ( điện áp rơi khôngđổi) Còn nếu mà sử dụng điện trở thì khi tín hiệu vào thayđổi, dẫn đến dòng qua trở thay đổi(tín hiệu vào tăng thì dòngqua trở giảm) => Điện áp trên hai đầu điện trở sẽ thay đổi =>

đổi Dẫn đến điểm điều hành Q thay đổi Ảnh hướng xấu đếnmạch

Ngoài ra DS còn tạo ra dòng tĩnh ban đầu cho cặp dalington ,

phải lớn hơn 0.7V Như vậy cần phải dùng hai diode Siliccần có điện áp thuận khoảng 0.6 0.65 V Ở đây ta sẽ chọnloại diode 1N4007 có điện áp thuận là 0.62 V (Điện áp rơi ) Dòng qua điode 1N4007 là 1A,áp tối đa mà diode có thế chụiđựng là 50V

thấp Nhằm bảo vệ Tranzitor Chúng ta có thế giải thích rõđiều này Gỉa sử ở ½ chu kỳ dương của tín hiệu đặt vào cực

100Ω) Trong mạch này yêu cầu công suất ra lớn nên ta chọn

tạo ra hệ số khuếch đại dòng lớn và trở kháng cao để cungcấp cho tầng công suất làm việc

• Nguyên tắc làm việc của hai cặp Darlington là giốngnhau Chỉ khác ở điện áp phân cực để tạo dòng tĩnh ban đầu.Không nên cho hai cặp tranzitor đối xứng chạy ở chế độ AB

vì hiệu suất thấp và ổn định nhiệt phức tạp Đặc biệt hơn nữa

là tránh làm việc ở chế độ B vì nó sẽ gây méo xuyên tâm lớn

và còn dễ phá huỷ tranzitor khi tín hiệu tăng đột biến hoặc tínhiệu vào ở tần số thấp, có chu kỳ xấp xỉ chu kỳ đóng mở củacác tranzitor giữa hai nhánh đối xứng Vì vậy mà nên cho

dẫn

được duy trì thì ta tăng áp phân cực tại cực B lên ( 0.5V đến0.6V) Chúng ta có thế giải thích như sau:

kiểu E chung, vừa làm nhiệm vụ khuếch đại dòng điện vừalàm nhiệm vụ khuếch đại điện áp.Đường hồi tiếp từ đầu ra

mục đích hạn chế biên độ tín hiệu sau khi qua tầng vi sai đểgiảm méo phi tuyến

• Tính toán các thông số và lựa chọn linh kiện

+ Xác định các thông số của hai cặp tranzitor

dòng vào tầng công suất không quả lớn mà cũng không quả

Với các thông số đã tính được :

tìm thấy loại tranzitor này thì ta có thế thay thế loại tranzitor2SC1078 với các thông số:

Với các thông số đã tính toán được cũng tương tự như

bằng 2SD113 hoặc 2SD114 Với các thông số

Vậy .Ở đây để đảm bảo

tầng công suất về đầu vào của tầng hồi tiếp nên dẫn đến hệ số

Với các thông số đã tính toán được:

trường hiện nay không có tranzitor loại này.Nên chúng em đãtìm loại tranzitor mới để thay thế đó là Tranzitor 2SD1721.Các thông số của nó tra trong bảng số tay linh kiện là:

Với các thông số tra từ số tay linh kiện điện tử:

• Tính toán và lựa chọn các trở R 9 – R 8 , các tranzitor Q 4

+ Như ta đã nói ở phần tầng công suất , thông thường

trở tải cực E có giá trị không lớn lắm Vì nếu nó quả lớn sẽ

10Ω Từ đây ta tính được

cũng rất nhỏ phù hợp với yêu cầu của mạch

trên thị trường hiện nay không có tranzitor MPS U56 Nên ta

sẽ thay thế bằng tranzitor 2SD1055 Với các thông số tra từ

số tay linh kiện như sau:

thông số tra từ số tay linh kiện điện tử

4.Khối vi sai (khối đầu vào)

* Lý do chọn tầng vi sai ở đầu vào

Như ta đã biết mạch khuếch đại âm ly làm việc ở hai vùng làvùng tín hiệu nhỏ và vùng tín hiệu lớn Vùng tín hiệu nhỏ

bao gồm các mạch khuếch đại ở các tầng ( micro phone ,preampli) Vì tín hiệu ngõ vào khá nhỏ không lớn hơn nhiều

so với tạp âm nền bao nhiêu nên ta phái lựa chọn tranzitor

giám tạp âm của mạch điện ở tầng đầu , cần phải chọn mạchđiện ,chế độ làm việc thích hợp, có độ ổn định cao Muốnvậy phải chọn mạch có độ ổn nhiệt cao và làm việc với dòng

độ lợi A nhỏ ( dưới 30) Để đám bảo được các điều kiện nàythì chúng ta nên mắc tầng khuếch đại vi sai ở đầu vào Đểthấy rõ được điều kiện này thì chúng ta sẽ khảo sát mạchkhuếch đại vi sai và tầng khuếch đại vi sai ở đầu vào củamạch âm ly 50W

a Giưới thiệu chung về bộ khuếch đại vi sai:

- Cấu tạo của bộ vi sai căn bán ở trạng thái cân bằng

* Với AC được gọi là độ lợi chung.Từ đây ta có thế

có thế được giải thích như sau: khi có tín hiệu nhiễu phá

* Như vậy khi mà tín hiệu vào đồng pha và cùng biên

lúc đỏ thì tỉ số nén đồng pha hay là độ truất thái tiến ra

vô cùng (vô cùng lớn) Mạch có khá năng chống nhiễutốt nhất

ngược lại Nên