Thiết kế mạch điện tử

Tên đề tài : Mạch khuếch đại công suất OCL ngõ vào đơn. Nhóm học phần : 20.39 Giảng viên hướng dẫn : Thầy Lê Hồng Nam, Thầy Phan Trần Đăng Khoa Yêu cầu đề bài: • Thiết kế mạch OCL, ngõ vào đơn. • Công suất 15W • Trở kháng ngõ vào 300KΩ • Trở kháng của loa 8 Ω • Méo phi tuyến < 0,25% • Băng thông 20Hz – 20KHz

KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ

Mạch khuếch đại

Mạch khuếch đại âm thanh bao gồm ba loại chính: mạch khuếch đại điện áp, mạch khuếch đại dòng điện và mạch khuếch đại công suất Mạch khuếch đại công suất tích hợp cả mạch khuếch đại điện áp và dòng điện, do đó, có thể xem mạch khuếch đại âm thanh chính là mạch khuếch đại công suất.

Mạch khuếch đại công suất sở hữu rất nhiều loại, trong đó mạch khuếch đại âm thanh là một trong những mạch phổ biến hiện nay

Mạch khuếch đại âm tần hoạt động với tín hiệu hình sin và phi hình sin, có dải tần số từ 20Hz đến 20KHz, phù hợp với khả năng nghe của tai người khỏe mạnh.

Phân cực

Phân cực transistor là quá trình thiết lập điện áp một chiều hoạt động và điều kiện dòng điện chính xác, giúp khuếch đại tín hiệu đầu vào AC một cách hiệu quả.

2.1.Phân cực transistor bằng dòng cố định

 Xét mạch vòng BE: Áp dụng định luật KVL đối với mạch vòng BE:

IC = βIB Áp dụng định luật KVL đối với mạch CE ta có:

VCC – ICRC – VCE = 0 => VCE = VCC - ICRC

 Ưu điểm: Dòng ra lớn, dễ thiết kế

 Nhược điểm: Khi nhiệt độ thay đổi dẫn đến điểm làm việc Q dễ bị lệch

 Ứng dụng: Được sử dụng ở các tầng công suất lớn

2.2 Phân cực bằng dòng Emitter

 Phân cực bằng cầu phân áp

Xét mạch vòng BE: Áp dụng định luật KVL đối với mạch vòng BE:

Ta có: IE = (β + 1)IB thay vào phương trình trên ta được:

IC = βIB Áp dụng định luật KVL đối với mạch CE:

Vì IC = IE nên ta có điện áp VCE :

VCE = VCC – IC(RC + RE)

 Ưu điểm: Có trở hồi tiếp cực E, tăng độ ổn định của điểm làm việc Q

 Nhược điểm: Khó xác định điểm làm việc Q vì còn phụ thuộc nhiều vào β

 Ứng dụng: Sử dụng ở các tầng công suất

2.3 Mạch phân cực bằng cầu phân áp:

 Dùng mạch tương đương Thevenin:

Xác định điện trở Thevenin RTh:

Xác định điện áp Thevenin ETh:

Mạch tương đương Thevenin và dòng điện IB có thể được xác định bằng định luật KCL:

ETh – IBRTh – VBE – IERE = 0 Thay thế dòng IE = (β + 1)IB vào ta được dòng IB:

IC = βIB Áp dụng định luật KVL đối với mạch CE:

Vì IC = IE nên ta có điện áp VCE :

VCE = VCC – IC(RC + RE)

 Ưu điểm: Việc xác định điểm làm việc tĩnh Q ít phụ thuộc vào hệ số β

 Nhược điểm: Thiết kế và tính toán phức tạp

2.4 Mạch phân cực hồi tiếp từ collector:

Xét mạch vòng BE: Áp dụng định luật KVL đối với mạch vòng BE:

VCC – I’CRC - IBRB – VBE – IERE = 0

Thế vào phương trình trên ta được:

VCC – VBE – βIB(RC + RE) – IBRB = 0

Do I’C ≈ IC và IE ≈ IC nên:

VCE = VCC – IC(RC + RE)

 Ưu điểm: Khả năng hồi tiếp tốt hơn hồi tiếp cực Emitter, cải thiện độ ổn định của BJT

 Nhược điểm: Khó thiết kế và tính toán.

Nguyên lý hoạt động

Ở chế độ tích cực (chế độ khuếch đại), tiếp giáp B-E phân cực thuận, tiếp giáp B-C phân cực ngược

- Tiếp giáp B-E phân cực thuận nên vùng nghèo thu nhỏ lại tạo điều kiện cho dòng khuếch tán của các hạt tải điện đa số qua tiếp giáp

+ Điện tử (->) khuếch tán từ vùng E -> B

+ Lỗ trống (O) khuếch tán từ vùng B -> E

- Điện tử là thành phần chính tạo ra dòng chạy trong BJT -> chỉ xét đến dòng khuếch tán điện tử

Vùng B là bán dẫn loại p, nơi điện tử đóng vai trò là hạt tải điện thiểu số với nồng độ thấp Khi các điện tử khuếch tán vào vùng B, một số trong số chúng sẽ tái hợp với các lỗ trống có sẵn trong vùng này.

Do vùng B có độ rộng rất nhỏ so với độ dài khuếch tán, hầu hết các điện tử sẽ khuếch tán đến tiếp giáp B-C mà không bị tái hợp.

- Các điện tử không bị tái hợp trong vùng B sẽ khuếch tán đến tiếp giáp B-C

- Trong vùng nghèo của tiếp giáp B-C có điện trường trong Etx hướng C-B nên các điện trở sẽ bị cuốn sang vùng C

- Dòng dịch chuyển của các điện trở -> dòng điện chạy qua các cực theo chiều ngược lại

- Các dòng Ib và Ic chạy vào các cực, các dòng Ie chạy ra

 - Các cách mắc BJT : có 3 cách

Độ khuếch đại là khả năng của mạch điện tử trong việc tăng cường độ tín hiệu, và đây là chức năng cơ bản của các bộ khuếch đại Độ khuếch đại được xác định bằng cách so sánh tín hiệu đầu vào với tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại, thường thì tín hiệu đầu ra lớn hơn so với tín hiệu đầu vào nhờ vào sự hoạt động của bộ khuếch đại.

- Độ khuếch đại dòng: Ai= 𝑖𝑜

- Độ khuếch đại áp: Av= 𝑣𝑜

𝑣𝑖; -Độkhuếch đại công suất: Ap= 𝑃𝑜

Sơ đồ mạch xoay chiều

Hệ số khuếch đại điện áp: Av = -gm.RL 𝑅 𝑖𝑛

 Hệ số khuếch đại dòng: Ai = Av 𝑅 𝐼 +𝑅 𝑖𝑛

 Hệ số khuếch đại công suất: Ap = Av.Ai

 Điều kiện của vi để mạch hoạt động tuyến tính: vi ≤ 0.005 𝑅 𝐼 +𝑅 𝑖𝑛

 Tín hiệu đầu vào và đầu ra ngược pha nhau

 Ưu điểm: khuếch đại đồng thời cả áp và dòng

 Nhược điểm: hệ số khuếch đại ở mức trung bình

 Ứng dụng: được sử dụng ở các tầng đầu vào và tầng thúc của mạch khuếch đại công suất

Hệ số khuếch đại điện áp: Av = gm.RL 𝑅 𝑖𝑛

 Hệ số khuếch đại dòng: Ai = Av 𝑅 𝐼 +𝑅 𝑖𝑛

 Hệ số khuếch đại công suất: Ap = Av.Ai

 Điều kiện của vi để mạch hoạt động tuyến tính: vi ≤ 0.005 𝑅 𝐼 +𝑅 𝑖𝑛

 Tín hiệu đầu vào và đầu ra đồng pha với nhau

 Ưu điểm: hệ số khuếch đại điện áp lớn, trở kháng ngõ vào mạch lớn

 Nhược điểm: không khuếch đại dòng

 Ứng dụng: sử dụng trong các mạch yêu cầu điện áp ra cao

Hệ số khuếch đại điện áp: Av = 𝑔 𝑚 𝑅 𝐿 𝑅 𝑖𝑛

(1+𝑔 𝑚 𝑅 𝐿 )(𝑅 𝐼 +𝑅 𝑖𝑛 ) với Rin = rπ(1+ gm.RL) // RB

 Hệ số khuếch đại dòng: Ai = Av 𝑅 𝐼 +𝑅 𝑖𝑛

 Hệ số khuếch đại công suất: Ap = Av.Ai

 Điều kiện của vi để mạch hoạt động tuyến tính: vi ≤ 0.005 𝑅 𝐼 +𝑅 𝑖𝑛

 Tín hiệu đầu vào và đầu ra đồng pha với nhau

 Ưu điểm: hệ số khuếch đại dòng cáo, xử lí tín hiệu đầu vào lớn

 Nhược điểm: hệ số khuếch đại điện áp xấp xỉ bằng 1

 Ứng dụng: sử dụng trong các tầng yêu cầu dòng ra cao như tầng công suất

Tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ có vai trò quan trọng trong việc khuếch đại dòng điện và điện áp, tạo điều kiện cho quá trình chuyển qua tầng thúc Tuy nhiên, do tính không ổn định của tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ khi nhiệt độ thay đổi, việc hồi tiếp tín hiệu ra về tín hiệu vào là cần thiết để đảm bảo hiệu suất hoạt động.

MẠCH HỒI TIẾP

ĐỊNH NGHĨA

Hồi tiếp là một kỹ thuật quan trọng trong hệ thống điều khiển, nơi tín hiệu đầu ra được đưa trở lại đầu vào để điều chỉnh và kiểm soát hoạt động của hệ thống Phương pháp này giúp cải thiện hiệu suất và ổn định của hệ thống bằng cách tạo ra phản hồi liên tục từ đầu ra.

- Hồi tiếp có hai lọai: hồi tiếp dương và hồi tiếp âm

Hồi tiếp âm là mạch có tín hiệu hồi tiếp ngược pha với tín hiệu ngỏ vào, giúp giảm tín hiệu ngỏ vào của mạch Nó có xu hướng duy trì độ ổn định của hệ số khuếch đại, chống lại sự thay đổi của các thông số transistor do nhiệt độ và điện áp nguồn cung cấp.

Hồi tiếp dương là mạch điện có tín hiệu hồi tiếp cùng pha với tín hiệu ngỏ vào, giúp tăng cường tín hiệu đầu vào của mạch Loại hồi tiếp này thường được áp dụng trong thiết kế các mạch dao động và nhiều ứng dụng khác.

SƠ ĐỒ HÌNH KHỐI VÀ SƠ ĐỒ HÌNH MẠCH CỦA MẠCH HỒI TIẾP

Sơ đồ khối của hồi tiếp:

Trong hình 2.1 chỉ ra mạch khuếch đại có hồi tiếp Trong mạch tín hiệu biến thiên

S có thể là dòng điện hoặc điện áp

Hình 2.1: sơ đồ khối của mạch khuếch đại có hồi tiếp

A: Mạch khuếch đại vòng hở có hệ số khuếch đại vòng hở là A β: là mạch hồi tiếp, có hệ số hồi tiếp là β

Sfb: là tín hiệu hồi tiếp

Si: tín hiệu ngỏ vào

S€: tín hiệu ngỏ vào của mạch khuếch đại khi có hồi tiếp

SO: tín hiệu ngỏ ra

AF : Độ lợi vòng kín của mạch khuếch đại khi có hồi tiếp

Sơ đồ mạch của hồi tiếp:

Từ hình trên, điện trở ngõ vào với hồi tiếp là: Rif = 𝑣 𝑠

Thay (2) vào (1) và 𝑣 𝑖 = 𝑅 𝑖 𝐼 𝑖 ta được:

Thay (2) vào (1) và 𝑣 𝑖 = 𝑅 𝑖 𝐼 𝑖 ta được:

𝐼 𝑖 = 𝑅 𝑖 (1 + 𝛽𝐴 𝑣 ) > 𝑅 𝑖 Trong đó: 𝐴 𝑉𝑁𝐿 độ lợi điện thế của mạch hở không hồi tiếp

𝐴 𝑣 độ lợi điện thế của mạch không có hồi tiếp và có 𝑅 𝐿 Như vậy: AVNL = lim

 Hồi tiếp dòng điện nối tiếp:

Từ hình trên, điện trở ngõ vào với hồi tiếp là: Rif = 𝑣 𝑠

Vậy I0 = GM.vi = GM.Ri.Ii

Suy ra: Rif = Ri(1 + βGM)

 Hồi tiếp dòng điện song song:

Từ mạch ta có: IS = Ii + If = Ii + βI

𝑅 𝐿 +𝑅 0 Với AI là độ lợi dòng điện khi không có hồi tiếp nhưng có tải RL, như vậy:

IS = Ii + βI0 = Ii + βAIIi = Ii(1 + βAI)

 Hồi tiếp điện áp song song:

Từ mạch trên ta có: IS = Ii + If = Ii + βv0

Rm là điện trở truyền của mạch hở (RL = ∞)

RM là điện trở truyền của mạch không có hồi tiếp nhưng có tải RL

- Ảnh hưởng của hồi tiếp âm lên điện trở ra

Bây giờ ta xét ảnh hưởng của hồi tiếp âm lên điện trở ngõ ra của mạch khuếch đại:

+ Nếu tín hiệu hồi tiếp âm lấy mẫu điện thế để đưa về ngõ vào thì điện trở ngõ ra của mạch sẽ giảm (Rof > Ro)

- Ảnh hưởng của hồi tiếp lên điện trở vào:

+ Nếu tín hiệu hồi tiếp đưa về ngõ vào là điện thế và nối tiếp với điện thế ngõ vào thì tổng trở vào sẽ tăng

Vì điện áp hồi tiếp vf ngược chiều với vs nên dòng điện vào II nhỏ hơn khi mạch chưa có hồi tiếp âm

Như vậy điện trở ngõ vào Rif = 𝑣 𝑖

𝐼 𝑖 lớn hơn điện trở ngõ vào Ri khi chưa có hồi tiếp Ta có: Rif = Ri(1 + βA) = Ri.F

+ Nếu tín hiệu hồi tiếp đưa về ngõ vào là dòng điện và mắc song song với tín hiệu dòng điện ngõ vào thì tổng trở vào sẽ giảm

Vì Ii = Is – If nên Ii ( với một giá trị xác định của If) sẽ nhỏ hơn khi chưa có hồi tiếp âm

PHÂN LOẠI HỒI TIẾP

+ Hồi tiếp có hai lọai: hồi tiếp dương và hồi tiếp âm

Hồi tiếp âm là một mạch có tín hiệu hồi tiếp ngược pha với tín hiệu ngỏ vào, giúp giảm tín hiệu ngỏ vào của mạch Nó có tác dụng duy trì độ ổn định của hệ số khuếch đại, chống lại sự thay đổi của các thông số transistor do nhiệt độ và điện áp nguồn cung cấp.

Hồi tiếp dương là loại mạch có tín hiệu hồi tiếp cùng pha với tín hiệu đầu vào, giúp tăng cường tín hiệu đầu vào của mạch Loại hồi tiếp này thường được áp dụng trong thiết kế các mạch dao động và nhiều ứng dụng khác.

+ Có nhiều lọai mạch hồi tiếp nhưng về cơ bản có thể phân ra làm bốn lọai hồi tiếp dựa vào các đặc điểm sau:

- Tín hiệu hồi tiếp (điện áp hay dòng điện)

- Cách mắc tín hiệu với ngỏ vào (nối tiếp hay song song)

1 Hồi tiếp điện áp nối tiếp (khuếch đại điện áp):

+ Tín hiệu hồi tiếp đưa đến đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu ban đầu và tỉ lệ với điện áp đầu ra

Hệ số khuếch đại vòng hở:

- Hệ số khuếch đại vòng kín: i o vF V

NHÓM 39.20 TỔ 13 18 b Hồi tiếp dòng điện song song (khuếch đại dòng điện):

+ Tín hiệu hồi tiếp đưa đến đầu vào song song với nguồn tín hiệu ban đầu và tỉ lệ với dòng điện đầu ra

- Hệ số khuếch đại vòng hở:

- Hệ số khuếch đại vòng kín: i o iF I

A  I c Hồi tiếp dòng điện nối tiếp (khuếch đại truyền dẫn):

+ Tín hiệu hồi tiếp đưa đến đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu ban đầu và tỉ lệ với dòng điện đầu ra

- Hệ số khuếch đại vòng hở:

- Hệ số khuếch đại vòng kín: i o gF V

A  I d.Hồi tiếp điện áp song song (khuếch đại truyền trở):

+ Tín hiệu hồi tiếp đưa đến đầu vào song song với nguồn tín hiệu ban đầu và tỉ lệ với điện áp đầu ra

- Hệ số khuếch đại vòng hở:

- Hệ số khuếch đại vòng kín: i o zF I

Khi áp dụng hồi tiếp điện áp nối tiếp và hồi tiếp dòng điện nối tiếp, sự hiện diện của hồi tiếp trở kháng sẽ làm tăng giá trị trở kháng lên (1+βK) lần so với trường hợp không có hồi tiếp.

-Đối với hồi tiếp điện áp song song và hồi tiếp dòng điện song song, trở kháng vào sẽ giảm đi (1+βK) lần so với khi không có hồi tiếp

-Trở kháng ra chỉ phụ thuộc vào hồi tiếp điện áp hoặc hồi tiếp dòng điện mà không phụ thuộc vào hồi tiếp nối tiếp hay song song

-Đối với hồi tiếp điện áp nối tiếp và hồi tiếp điện áp song song, trở kháng ra sẽ giảm đi (1+βK) lần so với khi không có hồi tiếp

-Đối với hồi tiếp dòng điện nối tiếp và hồi tiếp dòng điện song song, trở kháng ra sẽ giảm đi (1+βK) lần so với khi không có hồi tiếp

Trong bộ khuếch đại hồi tiếp âm với βK >> 1, hệ số khuếch đại Kf xấp xỉ bằng 1/β Khi đó, bộ khuếch đại có thể được coi là một điện trở không phụ thuộc vào tần số Thực tế, sự giảm méo tần số xảy ra là do sự thay đổi của các yếu tố khác trong mạch.

NHÓM 39.20 TỔ 13 20 hệ số khuếch đại theo tần số trong mạch có hồi tiếp âm điện áo được giảm đi đáng kể

*Giảm tạp âm và méo phi tuyến

Khi có hồi tiếp âm sẽ làm nhỏ tín hiệu nhiễu và giảm nhỏ méo phi tuyến

Khi độ méo phi tuyến

Mạch khuếch đại hồi tiếp cải thiện chất lượng của bộ khuếch đại bằng cách kết hợp với tầng thúc, giúp tín hiệu được chuyển tiếp đến tầng khuếch đại công suất với độ méo phi tuyến thấp hơn, từ đó mang lại âm thanh tốt hơn.

CÁC CHẾ ĐỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

Khuếch đại công suất hạng A (Khuếch đại đơn) ITầng khuếch đại đẩy kéo

Ta có Ucc=ICRL +UCE Ðiểm làm việc tỉnh là trung điểm từ Ucc đến Ucc/RL: tín hiệu vào

Tín hiệu xoay chiều và một chiều đều chạy qua cùng một mạch nên ta có đường tải động trùng với đường tải tĩnh

III.Tầng khuếch đại đẩy kéo Để tăng công suất hiệu suất và giảm méo phi tuyến, người ta dùng tầng khuếch đại đẩy kéo Tầng khuếch đại đẩy kéo là tầng gồm có hai phần tử tích cực mắc chung tải

Điểm đất của mạch song song được xác định là đầu âm của nguồn một chiều, trong khi điểm đất của mạch nối tiếp nằm ở điểm giữa của nguồn một chiều.

Các mạch đẩy kéo sử dụng hai transistor giống nhau, được kích thích bởi các tín hiệu ngược pha Để tạo ra tín hiệu này, có thể sử dụng tầng khuếch đại đảo pha.

NHÓM 39.20 TỔ 13 28 dùng biến áp mà cuộn thứ cấp của nó có điểm giữa nối đất về mặt xoay chiều Các mạch đẩy kéo dùng hai Transistor khác loại được kích thích bởi các tín hiệu đồng pha.Vì vậy, có thể dùng một tín hiệu để kích thích cho cả hai Transistor Các tầng khuếch đại đẩy kéo có thể làm việc ở chế độ A, AB, hoặc B nhưng thông thường người ta thường dùng ở chế độ B hoặc AB

1.Khuếch đại công suất đẩy kéo hạng B (đẩy kéo song song)

𝑅′ 𝐿 : Điện trở phản ánh từ vào cuộn sơ cấp

Dòng ra có biên độ là 𝐼 𝐶𝑀, giá trị hiệu dụng là:

Hai mạch này thường dùng cho OTL và OCL

2 Mạch khuếch đại công suất kiểu OTL

2.1.Dùng hai BJT mắc theo kiểu đẩy kéo

BJT khuếch đại đảo pha T1 và T2 được mắc theo kiểu Uv đẩy kéo, với T0 được phân cực ở chế độ tĩnh Trong chế độ động, khi tín hiệu vào ở bán kỳ âm (-), T1 dẫn và tạo ra dòng IC1 nạp điện cho tụ C2, từ VCC đi qua T1, C2, RL và xuống mass.

I C2 Ở bán kỳ dương (+) của tín hiệu vào T2 dẫn tạo ra dòng IC2 nạp điện cho tụ C2, đi từ C2(+) -> T2 -> mass -> RL -> C2(-)

Do đó tín hiệu được trao đầy đủ cho tải.

2.2 Dùng hai BJT mắc theo kiểu bổ phụ

T0 : BJT khuếch đại đệm D1: diode cùng loại bán dẫn với T1(npn)

D2: diodecùngloại bán dẫn với T2(pnp).T1,T2 :hai BJT mắc theo kiểu bổ phụ Ở chế độ tĩnh T0 được phân cực sao cho:

3 Mạch khuếch đại công suất kiểu OCL

Sử dụng hai nguồn đối xứng (UCC.) Ở chế độ tĩnh ta có:

UP=0 => US=0 Ở chế độ động:

Bán kỳ âm (-) của tín hiệu vào làm T1 dẫn,tạo dòng

IC1 chạy từ +UCC -> T1 -> RL ->mass Ở bán kỳ dương (+) của tín hiêu vào làm T2 dẩn,tạo dòng IC2 chạy từ mass -

Mạch OTL sử dụng một nguồn cung cấp duy nhất, mang lại dải thông rộng hơn so với loại ghép biến áp Nó có hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn và chế độ ổn định tốt Tuy nhiên, mạch này bị hạn chế ở tần số thấp do sự hiện diện của tụ điện ở ngõ ra.

Mạch OCL sử dụng hai nguồn đối xứng, giúp giảm thiểu méo tín hiệu ở tần số thấp Tuy nhiên, nhược điểm của mạch này là dễ gây ra quá dòng qua tải (RL), có thể dẫn đến cháy loa Do đó, trong thiết kế mạch OCL thường được trang bị mạch bảo vệ quá độ để đảm bảo an toàn cho thiết bị.

Cả hai mạch đều không phối hợp trở kháng với loa,muốn công suất lớn thì phải dùng nguồn cung cấp lớn

Mạch Zobell là một giải pháp hiệu quả để bù trở kháng cho loa ở tần số cao Loa có tính cảm L khiến trở kháng tăng theo tần số, gây ra tín hiệu đầu ra không ổn định Việc sử dụng mạch Zobell giúp khắc phục tình trạng này, đảm bảo tín hiệu âm thanh ổn định hơn.

Khi tần số tăng lên thì ZL tăng, ZC = 1

𝑗𝜔𝐶 giảm, do đó Ztđ = ZL // ZC sẽ không thay đổi

Trở kháng của loa được xác định:

Khuếch đại được cả 2 bán chu kỳ cùa tín hiệu trong chiều hình sin, thường dùng cho các mạch khuếch đại tín hiệu có biên độ nhỏ

Transistor chỉ có khả năng khuếch đại một bán kỳ, vì vậy để khuếch đại cả hai bán kỳ, cần sử dụng hai transistor hoạt động luân phiên Phương pháp này thường được áp dụng trong các mạch khuếch đại có biên độ lớn và hiệu suất cao, nhờ vào việc tiêu tán công suất nhỏ và giảm thiểu méo dạng tín hiệu đầu ra.

- Ở chế độ khuếch đại AB:

Chế độ AB sử dụng hai transistor để khuếch đại luân phiên cho hai bán kỳ, tương tự như chế độ B Phương pháp này phù hợp cho các mạch khuếch đại có công suất lớn và hiệu suất cao, nhờ vào việc tiêu tán công suất nhỏ Bên cạnh đó, tín hiệu đầu ra trong chế độ AB không bị méo dạng như ở chế độ B.

TÍNH TOÁN LINH KIỆN

Tính toán phần nguồn

Giả sử tín hiệu vào có dạng:

𝑉 𝐿 = 𝑉 𝐼𝑃 sin 𝜔𝑡 Tín hiệu ra loa có dạng:

𝑖 𝐿 = 𝐼 𝐿 sin 𝜔𝑡 (𝐴) Với: 𝑉 𝐿 là điện áp cực đại trên tải

𝐼 𝐿 là dòng điện cực đại qua tải

 Điện áp hiệu dụng và dòng hiệu dụng qua tải

 Điện áp nguồn cung cấp:

Ta có Q1, Q2 làm việc ở chế độ AB nên chọn hệ số sử dụng nguồn là 0,8

=> Ta chọn nguồn cung cấp là +/- 20V

 Dòng cung cấp trung bình:

Tính toán tầng công suất

Vì mạch làm việc ở chế độ AB nên dòng tĩnh collector nằm trong khoảng 20 ÷ 50mA Ở đây ta chọn: 𝐼 𝐸𝑄/𝑄1 = 𝐼 𝐸𝑄/𝑄2 = 50𝑚𝐴

Dòng cực đại qua Q1, Q2 là:

I_E/Q1 = I_E/Q2 = I_EQ/Q1 + I_L = 0,05 + 2 = 2,05(A) R1 và R2 là hai điện trở ổn định nhiệt, tạo dòng hồi tiếp để cân bằng tầng đẩy kéo Dòng qua tải cũng chính là dòng qua trở, vì vậy để không ảnh hưởng đến công suất của tải, cần chọn điện trở có công suất lớn Để công suất ra loa đạt cực đại, sụt áp trên hai điện trở này không được quá lớn nhằm tránh hao phí.

Công suất nguồn cung cấp: 𝑃 𝐶𝐶 = 𝑉 𝐶𝐶 𝐼 𝐶𝐶𝑡𝑏 = 𝑉 𝐶𝐶 2𝐼 𝐿

2𝑅 𝐿 𝐼 𝐿 2 Công suất tiêu tán của R1, R2: 𝑃 𝑅 = 2𝑃 𝑅1 = 1

2𝑅 1 𝐼 𝐿 2 =1 Vậy công suất tiêu tán của hai BJT Q1, Q2 là :

2𝑅 1 𝐼 𝐿 2 =7.46 Công suất tiêu tán cực đại của một BJT là :

4(𝑅 𝐿 + 2𝑅 1 ) 𝐼 𝐿 2 = 3.7 (1) Công suất tiêu tán cực đại của BJT là lấy đạo hàm theo 𝑃 𝑡𝑡/𝑄1 cho 𝐼 𝐿 bằng 0: dP tt/Q1 dI L = V CC π −1

4 4.20 2 3,14 2 (8 + 2.0,5) 2 (8 + 2.0,5) = 4.5(𝑊) Công suất tiêu tán tĩnh trên Q1:

𝑃 𝐷𝐶/𝑄1 = 𝑉 𝐶𝐸/𝑄1 𝐼 𝐶/𝑄1 ≈ 𝑉 𝐶𝐶 𝐼 𝐸𝑄 = 20.0,05 = 1(𝑊) Vậy công suất tiêu tán cực đại trên Q1 là:

Vì Q1, Q2 là cặp BJT bổ phụ nên ta chọn Q1, Q2 thỏa mãn điều kiện:

=> Tra cứu Datasheet ta chọn Q1 là 2SD718 và Q2 là 2SB688:

1 + 55 = 0,89 (𝑚𝐴) Dòng Base cực đại của Q1:

1 + 55 = 36.6 (𝑚𝐴) Để R3, R4 không ảnh hưởng đến dòng ra ở chế độ xoay thì R3, R4 phải thỏa mãn điều kiện: 𝑍 𝑎𝑐/𝑄1 ≪ 𝑅3, 𝑅4 ≪ 𝑍 𝑑𝑐/𝑄1

+ R3, R4 ≫ 𝑍 𝑎𝑐/𝑄1 để giảm tổn thất tín hiệu

Với 𝑍 𝑎𝑐/𝑄1 , 𝑍 𝑑𝑐/𝑄1 : là điện trở xoay chiều và một chiều từ cực Base Q1

Từ đặc tuyến 𝐼 𝐶 , 𝑉 𝐵𝐸 của 2SD718 ta có :

220 = 8.3(𝑚𝐴) Dòng emitter tĩnh qua Q3: 𝐼 𝐸𝑄/𝑄3 = 𝐼 𝑅3𝑄 + 𝐼 𝐵𝑄/𝑄1 = 2,84 + 0,89 = 3,73 (𝑚𝐴) Dòng cực đại qua Q3: 𝐼 𝐸/𝑄3 = 𝐼 𝑅3 + 𝐼 𝐵/𝑄1 = 8.3 + 36.6 = 45 (𝑚𝐴)

Khi đó trở kháng xoay chiều từ cực B của Q1:

So sánh với 𝑍 𝑎𝑐/𝑄1 tính ở trước là ta thấy khi thêm R3, R4 vào thì sai khác không đáng kể

Như vậy, trở kháng xoay chiều của Q3 là:

𝑍 𝑎𝑐/𝑄3 = 𝑍 𝑎𝑐/𝑄1 ′ + (1 + 𝛽 𝑚𝑖𝑛 ) 𝑅 𝐿 = 29.07 + (1 + 55).8 = 477.07(𝛺) Để tìm được Q3, Q4 ta tìm công suất tiêu tán lớn nhất của chúng Gọi 𝐼 𝐸1 là biên độ dòng AC chạy qua Q3, ta có:

Dòng cung cấp xoay chiều trung bình chop Q3:

𝐼 𝑡𝑏/𝑄3 = 𝐼 𝐸1 Công suất nguồn cung cấp cho Q3: 𝜋

𝑃 𝐶𝐶/𝑄3 = 2 𝑉 𝐶𝐶 𝐼 𝑡𝑏/𝑄3 =2 𝑉 𝐶𝐶 𝐼 𝐸1 Công suất cung cấp cho tải của Q3: 𝜋

4 𝐼 𝐸1 2 𝑍 𝑎𝑐/𝑄3 Công suất tiêu tán xoay chiều trên Q3:

4 𝐼 𝐸1 2 𝑍 𝑎𝑐/𝑄3 Lấy đạo hàm theo 𝐼 𝐸1 và cho 𝑃 𝑡𝑡/𝑄3 = 0 ta được:

3,14.477,07 = 0,053 (𝐴) Vậy công suất tiêu tán lớn nhất do dòng xoay chiều rơi trên Q3:

= 0,34 (𝑊) Công suất tiêu tán tĩnh trên Q3:

𝑃 𝑑𝑐/𝑄3 = 𝑉 𝐶𝐶 𝐼 𝐸𝑄/𝑄3 = 20.3,73 10 −3 = 0,075 (𝑊) Vậy tổng công suất tiêu tán cực đại trên Q3:

Vậy chọn Q3, Q4 là cặp bổ phụ thỏa mãn điều kiện sau:

=>Tra cứu Datasheet ta chọn Q3 là 2sc2073 Q4 là 2sa940

Tính toán tầng thúc

Để tính toán tầng thúc ta chọn 𝛽 𝑄3 = 75

Dòng qua hai diode là dòng phân áp cho Q5 transistor nguồn dòng

Chọn sụt áp trên diode là 𝑉 𝐷 = 0,7 (𝑉)

Tại 𝑉 𝐷 = 0,7 (𝑉) thì dòng xấp xỉ là 0,01A → chọn 𝐼 𝑝𝑎 = 10 (𝑚𝐴)

Do R5 có tải dòng lớn => Chọn công suất của R5 là 2W

=> Chọn VR1 0 (Ω) sau đó tinh chỉnh lại

Transistor Q5 hoạt động ở chế độ A, vì vậy công suất tiêu tán lớn nhất của nó là công suất tiêu tán tĩnh Điện áp DC tại tiếp giáp CE của Q5 được xác định như sau:

= 18 (V) Vậy công suất tiêu tán tĩnh trên Q5 là:

𝑃 𝐷𝐶/𝑄5 = 𝑉 𝐶𝐸/𝑄5 𝐼 𝐶/𝑄5 = 18 10 −3 6 = 0,108 (𝑊) Vậy ta chọn Q5 thỏa các điều kiện sau:

=> Tra cứu Datasheet ta chọn Q5 là 2SA1013

=> Chọn VR20 (Ω) sau đó điều chỉnh lại

Do Q6 làm việc chế độ A, để tránh suy giảm tín hiệu ta có thể chọn trước điện áp tĩnh trên điện trở hồi tiếp trên một chiều R6, R7 là 2V

Ta có: 𝑉 𝑅6 + 𝑉 𝑅7 = 2 (𝑉) Để tránh hồi tiếp âm quá nhiều làm giảm hệ số khuếch đại của Q6, ta chọn R7 > R6:

Với hai giá trị này của trở thì áp rơi trên hai điện trở này là:

𝑉 𝑅6𝑅7 = (𝑅6 + 𝑅7) 𝐼 𝐶𝑄6 = (100 + 150).6.10 −3 = 1,5 (𝑉) Điện thế trên cực C, E của Q6:

Công suất tiêu tán tĩnh của Q6:

Vì Q6 làm việc ở chế độ A nên:

Từ những tính toán trên ta chọn Q6 phải thỏa mãn những điều kiện sau:

=> Tra cứu Datasheet ta chọn Q6 là 2SC2383:

Nguyên tắc chọn tụ điện là giá trị trở kháng của tụ tại tần số nhỏ nhất trong băng thông phải nhỏ hơn nhiều so với giá trị trở kháng tổng Thông thường, giá trị trở kháng của tụ được chọn nhỏ hơn hoặc bằng 1/10 so với trở kháng tổng.

Tụ C1 là tụ thoát xoay chiều Q6

Tụ C6 là tụ chống dao động tự kích, đóng vai trò quan trọng trong việc cắt tần số trên của mạch Với chức năng cắt dãy tần cao, điện dung của tụ C6 thường nhỏ, nằm trong khoảng từ 10pF đến 1nF, phù hợp cho hầu hết các ứng dụng của khuếch đại âm tần.

Tính toán tầng ngõ vào đơn

NHÓM 39.20 TỔ 13 38 Để khụng ảnh hưởng đến điểm làm việc Q7, ta chọn 𝐼 𝐶𝑄7 ằ 𝐼 𝐵𝑄6

Vì Q7 hoạt động chế độ A, để Q7 khuếch đại không bị méo và có biên độ đủ lớn thì điểm tải tĩnh phải nằm giữa đường tải động

Do Q7 làm việc ở chế độ A => 𝑃 𝑡𝑡𝑚𝑎𝑥/𝑄7 = 𝑃 𝑑𝑐/𝑄7

Chọn Q7 thỏa mãn các điều kiện sau:

=> Tra cứu Datasheet ta chọn Q7 là 2SA1013:

20.10 −6 = 834 (𝐾𝛺) Chọn sụt áp qua R14 là 8 (V)

Trở kháng vào toàn mạch:

=> Chọn VR3 = 1KΩ sau đó tinh chỉnh lại

7 Tính chọn tụ C2, C3, C4 và C5 a Tụ C2

Tụ C2 thoát xoay chiều cho cầu hồi tiếp VR3, R8

Tụ C3, C4 là tụ lọc nguồn tầng nhận tín hiệu vào

Tụ C5 là tụ liên lạc nối tín hiệu điện áp và tầng nhận tín hiệu vào, ngăn dòng DC Chọn 𝑋 𝐶5 = 1

Tính toán các mạch phụ trợ

1 Tính toán mạch bảo vệ a Tính chọn Q8, Q9

Chọn dòng để mạch bảo vệ hoạt động là: 𝐼 𝐸1 = 5 (𝐴)

Ta có: 𝑉 𝐶𝐸/𝑄8 = 𝑉 𝐶𝐸/𝑄9 = 𝑉 𝐵𝐸/𝑄3 + 𝑉 𝐵𝐸/𝑄1 + 𝑉 𝑅1 = 0,6 + 0,6 + 2,5 = 3,7 (𝑉) Công suất tiêu tán trên Q8, Q9 là:

𝑃 𝑡𝑡𝑄8 = 𝑃 𝑡𝑡𝑄9 = 𝑉 𝐶𝐸/𝑄8 𝐼 𝐶𝑄/𝑄8 = 3,7.1.10 −3 = 3,7 (𝑚𝑊) Chọn Q8,Q9 thỏa những điều kiện sau:

=> Tra cứu Datasheet ta chọn Q8 là 2SC1815 và Q9 là 2SA1015:

Khi mạch hoạt động bình thường thì Q8, Q9 tắt nên

𝑗𝜔𝐶) // (𝑅𝐿 + 𝑗𝜔𝐿) Để không phụ thuộc vào tần số thì 𝑍 𝐿 = 𝑅𝐿

Vì L của loa thường rất nhỏ ≈ 0,1 μH => C7 = 𝐿

KIỂM TRA MẠCH KHUẾCH ĐẠI

5.2 Kiểm tra mạch khuếch đại mô phỏng

5.2.1Kiểm tra mạch khi không có tín hiệu ngỏ vào

- Điện áp ngõ vào -2.9V, điện áp ngõ ra -18V

 BJT làm việc đúng chế độ A

-Vbe/Q6=0.71 V; Vce/Q6.6V BJT làm việc đúng chế A

BJT ở tầng ngõ vào hoạt động đúng chế độ A khi 2SA1013 có tiếp giáp base-emitter được phân cực thuận, trong khi tiếp giáp base-collector được phân cực ngược Điều này đảm bảo rằng transistor hoạt động hiệu quả trong chế độ khuếch đại.

Các giá trị tầng công suất khi mô phỏng

Vbe/QB1= 0.65 (V) nằm trong khoảng min = 0,11 (v) max = 0.95(V)

Vbe/QB2= 0.65 (V) nằm trong khoảng min = 0,11 (v) max = 0.95(V)

Tỉ số Vbe/Q2 và Vbe/Q7 đều bằng 0.55 (V), nằm trong khoảng tối thiểu 0,11 (V) và tối đa 0,85 (V) Kết luận cho thấy cặp transistor QB1 và QB2 hoạt động đúng chế độ AB, với QB1 hoạt động ở bán kỳ dương và QB2 ở bán kỳ âm.

Cặp Q2 và Q7 hoạt động đúng chế độ AB

5.2.1Kiểm tra mạch khi có tín hiệu ngỏ vào

Tín hiệu ngõ ra ngược pha so với tín hiệu ngõ vào

 BJT làm việc đúng chế độ

Sóng ra ở Q5 và sóng ra ở Q6 đồng pha nhau, BJT làm việc đúng chế độ

Các giá trị tầng công suất khi mô phỏng

Vbe/ QB1 =0.68(V) nằm trong khoảng min=0,11(v)max=0,95(V)

Vbe/QB2 = 0.63(V) nằm trong khoảng min =0,11(v)max=0,95 (V)

Vbe/Q3=VbeQ4 = 0.66(V) nằm trong khoảng min = 0,11(v)max=0.85(v) QB1 và QB2 hoạt động đúng chế độ AB và QB1 hoạt động ở bán kì dương QB2 hoạt động ở bán kì dương

Cặp Q3 và Q4 hoạt động đúng chế độ AB

Kiểm tra tổng thể mạch khi không có tín hiệu ngõ vào

Cách BJT hoạt động ở đúng chế độ, điểm giữa lại mạch có dòng 25.1v đúng điều kiện bằng ẵ điện ỏp nguồn 50v, cỏc cặp bộ phụ chõn Vce bằng nhau

Tín hiệu ngõ ra của mạch tổng thể khuếch đại nhiều lần so với tín hiệu ngõ vào Mạch mô phỏng đúng

Mạch tổng thể mô phỏng điện áp:

Mạch tổng thể mô phòng dòng điện:

Tác dụng của các linh kiện trong mạch:

-Diode: D1, D2, D3, D4, D5 có tác dụng ghim áp, ổn định điểm làm việc, phân cực cho tầng công suất để có chế độ AB

+C1: tụ nối tắt +C2: Tụ thoát xoay chiều +C3, C4: Tụ lọc nhiễu tầng, nhận tín hiệu vào

+C5: Tụ liên lạc, ngăn dòng DC và cho dòng AC đi qua

+C6: tụ chống dao động tự kích

+C7 và R15: có tác dụng cân bằng trở kháng loa, giữ cho điện trở tải không thay đổi khi tín hiệu ngõ vào không thay đổi

+R1 và R2: có tác dụng cân bằng dòng

+R3 và R4: giảm tổn thất tín hiệu và rẽ dòng nhiệt

+R6 và R7: hồi tiếp âm dòng điện

+R8: Điện trở hồi tiếp, ổn định tín hiệu đầu ra

+R9 và R10: dùng để phân cực cho Q6

+R12 và R13: dùng để phân cực cho Q7

Chế độ làm việc của các BJT:

-Tầng Ngõ vào: Q7 làm việc ở chế độ A, vì tầng ngõ vào khuếch đại tín hiệu nhỏ, giảm méo tín hiệu, phân cực nghịch

- Tầng thúc: Q5 và Q6 làm việc ở chế độ A, để khuếch đại biên độ, Q5 phân cực nghịch, Q6 phân cực thuận

-Tầng công suất: Q1, Q2, Q3, Q4 làm việc ở chế độ AB, vì tầng công suất khuếch đại tín hiệu lớn Q8, Q9: khối mạch bảo vệ, bảo vệ mạch khi quá tải

1 Những kết quả đạt được:

Sau một kỳ làm việc miệt mài dưới sự hướng dẫn tận tình của Thầy Lê Hồng Nam và sự hỗ trợ từ các bạn, nhóm chúng em đã đạt được những kết quả ấn tượng.

- Thiết kế và chế tạo được mạch khuếch đại công suất âm tần OCL-15W có khả năng sử dụng rộng rãi

Đạt được các mục tiêu và yêu cầu ban đầu là điều quan trọng, đồng thời vận dụng kiến thức về khuếch đại công suất trong quá trình thi công giúp nâng cao hiệu quả công việc Việc tìm hiểu nhiều mẫu có thể sử dụng trong tương lai cũng rất cần thiết, cùng với khả năng tìm kiếm tài liệu trên mạng để hỗ trợ cho quá trình học tập và làm việc Cuối cùng, khả năng làm việc theo nhóm là yếu tố quyết định để đạt được thành công trong các dự án.

2 Những thuận lợi và khó khăn khi thực hiện đề tài:

Nhờ vào trang thiết bị hiện đại của nhà trường, nhóm đã có điều kiện thuận lợi trong việc tìm kiếm tài liệu trực tuyến, cũng như trong quá trình thiết kế và thi công.

- Được sự hướng dẫn tận tình của Thầy Lê Hồng Nam

Thời gian thực hiện đề tài có hạn, gây khó khăn cho nhóm trong việc tìm kiếm tài liệu Khả năng sử dụng tiếng Anh của nhóm còn hạn chế, đặc biệt là với các tài liệu nước ngoài.

Quá trình thiết kế tốn nhiều thời gian do cần lựa chọn nhiều phương án để đáp ứng yêu cầu ban đầu Dù đã cố gắng, vẫn còn nhiều điểm chưa đạt được như mong muốn.

1, Phạm Minh Hà -Kỹ Thuật Mạch Điện Tử -Nhà Xuất Bản Khoa Học

Và Kỹ Thuật – Năm xuất bản: 2002

2, Nguyễn Bính – Điện Tử Công Suất – Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật – Năm xuất bản: 1995

3, Nguyễn Văn Tuấn – Giáo trình kỹ thuật mạch điện tử

4, Ks.Ngô Anh Ba – Mạch điện tử AMPLI HIFL -Nhà xuất bản: NXB Khoa học và kỹ thuật

5, Trang Web: https://www.alldatasheet.com/