Thiết kế mạch khếch đại công suất âm tần

Mạch khếch đại công suất âm tần. Transistor làm việc ở chế độ AB. Mạch không dùng tụ xuất âm nên băng thông của mạch được mở rộng ở tần số thấp, tiếng sẽ ấm hơn, khắc phục nhược điểm của OTL. Tín hiệu ra không méo xuyên tâm. Hiệu suất cao

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ  MÔN HỌC: ĐỒ ÁN ĐỀ TÀI: MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ÂM TẦN OCL GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên SVTH MSSV Phạm Đức Huy 20161322 Đặng Văn Khải 20161325 TP THỦ ĐỨC - 06/2023 DANH SÁCH THÀNH VIÊN BÁO CÁO ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM TẦN OCL Học Kỳ - Năm Học 2022 – 2023 Họ Tên MSSV Điểm Đặng Văn Khải 20161325 Phạm Đức Huy 20161322 Nhận xét giảng viên: ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… TP.Thủ Đức, Ngày Tháng Năm 2023 Chữ ký giảng viên MỤC LỤC PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Sơ đồ khối mạch khuếch đại âm tần OCL Mạch khuếch đại vi sai 2.1 Đặc điểm mạch khuếch đại vi sai trạng thái cân Mạch khuếch đại công suất OCL .2 3.1 Phân loại mạch khuếch đại công suất 3.2 Mạch OCL Hồi tiếp âm Mạch đảo pha tín hiệu PHẦN 2: THIẾT KẾ MẠCH KHẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ÂM TẤN OCL A./ Tầng khuếch đại công suất OCL I./ Nguồn cung cấp: Cơng suất trung bình phân phối tải tính theo cơng thức: II./ Chọn giá trị R,Q: III./ Độ lợi áp vòng hở 11 B./ Tầng đảo pha khuếch đại 11 I./ Chọn giá trị R6, R14,Q5 : .11 II./ Độ lợi áp vòng hở 12 C./ Tầng khuếch đại vi sai nguồn dịng khơng đổi 13 I./Nguồn dịng khơng đổi 13 II./Tầng khuếch đại vi sai 14 D./ Khảo sát tụ điện tần số thấp 100hz .15 F./ Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại âm tần OCL sau thiết kế 16 E./ Dùng phần mềm Multisim mô kết thiết kế 17 I./Kiểm tra chế độ DC 17 II./Kiểm tra chế độ AC 19 G./ Q trình thi cơng mạch .23 I./ Chuẩn bị linh kiện vẽ mạch PCB 23 II./ Hàn chì mạch in .25 III./ Đánh giá kết thi công 25 Tài liệu tham khảo 26 PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Sơ đồ khối mạch khuếch đại âm tần OCL Tầng vào Tầng đảo Tầng vi sai pha KĐSC OCL Hồi tiếp âm Mạch khuếch đại vi sai Mạch khuếch đại vi sai dạng ghép trực tiếp đặc biệt, dạng mạch khuếch đại vi sai hình Hình 1: Mạch khuếch đại ghép vi sai 2.1 Đặc điểm mạch khuếch đại vi sai trạng thái cân Hai mạch khuếch đại đối xứng theo đường thẳng đứng cực E transistor nối chung với có: - VCC = VEE : Mạch phân cực nguồn điện đối xứng (âm, dương) để có điện cực volt (hầu hết mạch khuếch đại vi sai dùng nguồn điện áp, hoạt động sử dụng nguồn đơn) - RC1 = RC2 = RC - Q1 giống Q2 - Hai mạch khuếch đại đối xứng cực E transistor nối chung với - Mạch vi sai có ngõ vào Vi1 ,Vi2 ngõ Vo1 ,Vo2 ➢ Có hai phương pháp lấy tín hiệu ra: - Phương pháp ngõ vi sai: tín hiệu lấy cực thu - Phương pháp ngõ đơn cực: tín hiệu lấy cực thu mass ➢ Tín hiệu ngõ vào có loại: -Tín hiệu cách chung ngõ vào Đây tín hiệu nhiễu đồng pha (cùng pha, biên độ) Vic1 = Vic2 = Vic Vo1 = Avc1.Vi1 Vo2 = Avc2.Vi2 Trong Avc độ khuếch đại transistor gọi độ lợi cho tín hiệu cách chung -Tín hiệu vào vi sai: hai tín hiệu ngõ vào biên độ ngược pha Vid = Vid1 = −Vid2 Gọi tín hiệu vi sai tín hiệu ac cần khuếch đại chúng ngược pha với 180 Gọi Avd hệ số khuếch đại tín hiệu vi sai, Ac hệ số khuếch đại nhiễu Vo1 = Ad Vi1 + Ac.Vic1 = Ad Vid + Ac.Vic Vo2 = Ad Vi2 + Ac.Vic2 = Ad −Vid + Ac Vic Vo = Vo1 −Vo2 = Ad Vid = Ad Vid Như vậy, ngõ lấy cực thu mass ta có ngõ cịn tín hiệu vi sai khuếch đại Ad lần Ta gọi mạch ghép vi sai mạch triệt nhiễu Mạch khuếch đại công suất OCL 3.1 Phân loại mạch khuếch đại công suất Các dạng mạch KĐ công suất: lớp A, B, AB, C - Mạch KĐ công suất lớp A mạch KĐ mà transistor có điểm làm việc Q nằm vùng KĐ dẫn tồn chu kì tín hiệu ngõ vào - Mạch KĐ công suất lớp B mạch KĐ mà transistor có điểm làm việc Q nằm vùng tắt transistor dẫn bán kì của tín hiệu ngõ vào - Mạch KĐ công suất lớp AB mạch KĐ mà transistor có điểm làm việc Q nằm vùng KĐ gần vùng tắt transistor dẫn nhiều bán kì chu kì tín hiệu ngõ vào - Mạch KĐ cơng suất lớp C mạch KĐ mà transistor có điểm làm việc Q nằm sâu vùng tắt transistor dẫn bán kì của tín hiệu ngõ vào Dạng sóng dịng iC bốn dạng mạch KĐ cơng suất với tín hiệu ngõ vào có dạng sin Hình Hình 2: a Dạng sóng dịng iC mạch KĐ công suất chế độ A; b Dạng sóng dịng iC mạch KĐ cơng suất chế độ B; c Dạng sóng dịng iC mạch KĐ cơng suất chế độ AB; d Dạng sóng dịng iC mạch KĐ cơng suất chế độ C 3.2 Mạch OCL Mạch OCL sử dụng: - Nguồn đôi: +VCC/-VEE - Tải RL ghép trực tiếp với ngõ tầng công suất Xét mạch OCL Hình Nguyên lý hoạt động mạch - Ở bán kỳ dương Vi ta có transistor Q1 Hình Mạch khuếch đại đẩy kéo dẫn, Q2 khơng dẫn Vì vậy, tồn dịng cơng suất chế độ AB (OCL) điện iT1, dịng điện iT2 khơng Ở bán kỳ âm Vi ta có transistor Q1 khơng dẫn, Q2 dẫn Vì vậy, tồn dịng điện iT2, dịng điện iT1 khơng Do đó, theo chiều dịng điện mạch ta có: - Dòng tải: iL = iT1 – iT2 - Dòng nguồn cung cấp: is = iT1 + iT2 Để dịng tải khơng méo Ip1 = Ip2 = Ip, hoạt động transistor phải đối xứng, R1 = R2, Re1 = Re2, VCC = VEE (nguồn đôi đối xứng), điện điểm VM = Nhìn giản đồ dịng IS ta có cơng thức tính dịng điện trung bình nguồn sau: T/2 2I p ISAV =  I p sin(t)dt = 0  Ưu nhược điểm mạch khuếc h đại OCL Hình 4: Giản đồ tín hiệu dịng Ưu điểm: áp ngõ vào theo thời gian - Mạch không dùng tụ xuất âm nên băng thông mạch OCL mạch mở rộng tần số thấp, tiếng ấm hơn, khắc phục nhược điểm OTL - Tín hiệu khơng méo xun tâm - Hiệu suất cao Nhược điểm: - Mạch khó thiết kế - Mạch sử dụng nguồn đôi - Do tải ghép trực tiếp nên phải có mạch bảo vệ q cơng suất, mạch bảo vệ lệch điểm 0V, mạch đóng chậm tải Hồi tiếp âm Sơ đồ khối hồi tiếp A : mạch khuếch đại vòng hở có hệ số khuếch đại vịng hở A  : mạch hồi tiếp, có hệ số hồi tiếp S fb : tín hiệu hồi tiếp Si : tín hiệu ngõ vào S  : tín hiệu ngõ vào mạch khuếch đại có hồi tiếp So : tín hiệu ngõ AF : độ lợi vịng kín mạch khuếch đại có hồi tiếp Ưu điểm: - Ổn định hàm truyền: thay đổi giá trị hàm truyền chủ yếu thay đổi thơng số transistor giảm có hồi tiếp âm ưu điểm hồi tiếp âm - Mở rộng băng thông - Giảm nhiễu: hồi tiếp âm làm tăng tỉ số nén tín hiệu nhiễu - Giảm méo: transistor làm việc khơng tuyến tính, méo xuất tín hiệu ngõ ra, đặc biệt mạch có biên độ tín hiệu ngõ lớn Hồi tiếp âm làm transistor hoạt động tuyến tính - Cải thiện tổng trở vào tổng trở Khuyết điểm: - Giảm độ lợi hay giảm hệ số khuếch đại điện áp - Có thể mạch khơng ổn định (sinh dao động) tần số cao Phân loại: +) Hồi tiếp điện áp nối tiếp (khuếch đại điện áp) +) Hồi tiếp dòng điện song song (khuếch đại dòng điện) +) Hồi tiếp dòng điện nối tiếp (khuếch đại truyền dẫn) +) Hồi tiếp điện áp song song (khuếch đại truyền trở) Mạch đảo pha tín hiệu Trong mạch KĐ công suất đẩy kéo hai transistor phải dẫn luân phiên chu kỳ tín hiệu, transistor dẫn bán kì phải sử dụng thêm mạch đảo pha để đảo pha tín hiệu trước cung cấp tín hiệu cho mạch KĐ công suất đẩy kéo Các dạng mạch đảo pha: Hình 5: Các dạng mạch đảo pha PHẦN 2: THIẾT KẾ MẠCH KHẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ÂM TẤN OCL Mạch khuếch đại công suất âm tần OCL Hình 6: Sơ đồ cần thiết kế Yêu cầu thiết kế: PL = 15w RL = 8 VBB = 0.75V Zi  50K   65% vi(RMS) = 50mV +) Công suất tiêu tán Q5 chế độ DC: PC = VCC.IEQ5 =14,84.(−10mA)  −0.1484W    PC  −0.148W  +) Chọn transistor Q5 ( pnp)BC557B  IC  −10mA VCEO  −36V hfe = 300(ICQ5 = −10mA)  ID  10mA  +) Chọn thông số cho điot sau:  VD  36V V  Df = 0, 75V hfe transistor BC557B II./ Độ lợi áp vòng hở QQ55 IEQ5 = hfe5Ib + Ib = Ib(hfe5 +1) Hình 10: Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ ZOQ5 = R6 / / Ziocl = R6 / /(hfe3re3 + R + RLhfe1hfe3 ) = 1, 5K / /(200  26mA + 965 + 8.45.200) 18mA  1, 5K Zi = hieQ5 = 300 26mA  7,8K 10mA AVQ5 = ZOQ5.Ib(hfe5 +1)  R6  57, 69 Zi Ib re5 12 C./ Tầng khuếch đại vi sai nguồn dịng khơng đổi I./Nguồn dịng khơng đổi Hình 11: Sơ đồ nguồn dịng không đổi +) Giả sử chọn điot zener có dịng điện IZt = 5mA điện áp ngược đánh thủngVZ = 6, 2V +) Ta thường chọn giá trị nguồn dòng khoảng 5mA sử dụng transistor npn loại 2SC1815 có dịng phân cực ICQ8 = 2mA  hfe8 = 100  200 tìm giá trị R1, R2 : VR2 +VEE +Vzener = hfe transistor 2SC1815  VR2 = −VEE −Vzener = −(−18) − 6, = 11,8V IBQ8 = ICQ8 = 2mA = 13, 3 A hfe8 100 + 200 R12 = VR2 = 11,8  2,366K IZt − IQ8 5mA −13,3 A  Chọn R12 = 2, 4K IEQ8 = VB −VBE (VZ = VB ) R11  R11 = 6, − 0, 75  2, 725K 2mA  Chọn R11 = 2, 7K 13 II./Tầng khuếch đại vi sai +) Từ nguồn dịng khơng đổi 2mA ta có: ICQ7 = ICQ6 = IEQ8 = 2mA = 1mA 22 Hình 12: Sơ đồ tầng khuếch đại vi sai  VCEO = 50V   IC = 200mA  +) Chọn cặp transistor cho Q6 (npn),Q7 (npn) loại 2SC1815 Pc = 400mW  hfe = 100  200(ICQ = 1mA) +) Điều chỉnh R9 = R10 = 750 để tầng tiền khuếch đại tầng khuếch đại cơng suất phân cực transistor với dịng khơng đổi ICQ5 = −10mA , ICQ1 = 50mA VBE6 − IBQ6R7 =  R7 = 0, 75  112,5K 1mA / (100 + 200) /  Chọn giá trị R13 = R7 = 120K III./Độ lợi áp vịng hở +) Sơ đồ tín hiệu nhỏ Q6 Do Q6 , Q7 giống nên re6 = re7 , hfe6 = hfe7 ZOQ7 = R9 / /ZiQ5 = R9 / /hieQ5 26mA Q7 = 750 / / 300  684, 21 10mA Zi = R13 / /hieQ7 = 120K / / 100 + 200  26mA  3, 78K 1mA AVQ7 = ZOQ7hfeQ7Ib = 150.684, 21  27,15 Zi Ib 3, 78K AV = AVQ7.AVQ5.AV (OCL) Hình 13: Sơ đồ tương đương +) Độ lợi áp toàn mạch: = 27,15.57,69.0,98 1534,96 tín hiệu nhỏ Q7 14 +) Độ lợi có hồi tiếp: AVf = Vo = 1+ R7 = 15, 49 = 309,8 Vi R8 50mA R8 = 120K  388, 6 309,8 −1 +)Tuy nhiên để tránh dịng tải có hồi tiếp âm điện áp nối tiếp ta chọn R8 = 5K  = R8 = 5K = , Avf = 1+ 120K = 25 R8 + R7 5K +120K 25 5K +) Tổng trở mạch có hồi tiếp: Zinf = Zi (1+  AV ) = 3, 78K (1+ 1534,96) 25  237,113K +) Tổng trở vào tồn mạch tín hiệu Vin Zin = Zinf / /R7 = 237,113K / /120K  79, 68K D./ Khảo sát tụ điện tần số thấp 100hz *Xem xét ảnh hưởng tụ C1 : +) Giả sử chon giá trị R1 = 10 ,tìm C1 : Q1 Rtd1 = R2ntR1 = 0,1nt10  10,1 Hình 14: Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ Q1 fLc1 =  C1 =  0,157mF Q6 2 C1Rtd1 2 100.10,1  Chọn giá trị tụ C1 :  VC1  36V  C1  0,157mF  Chọn C1 = 0,1F *Xem xét ảnh hưởng tụ C2 : Rtd2 = R7nt(R8 / /hie6 ) = 120Knt(5K / / 26mA 150) 1mA  3, 617K fLc2 =  C2 =  0, 44 F 2 C2 Rtd2 2 100.3, 617K  VC2  36V Hình 15: Sơ đồ tương đương  Chọn giá trị tụ C2 :  tín hiệu nhỏ Q6 C2  0, 44F  Chọn C2 = 1uF 15 *Xem xét ảnh hưởng tụ C3 : Q7 Rtd3 = R13 / /hie7 = 120K / / 26mA 150  3,887K Hình 16: Sơ đồ tương đương 1mA tín hiệu nhỏ Q7 fLc3 =  C3 =  0, 409F 2 C3Rtd3 2 100.3, 887 K  VC3  36V  Chọn giá trị tụ C3 :  C3  0, 409 F  Chọn C3 = 1F F./ Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại âm tần OCL sau thiết kế Hình 17: Sơ đồ thiết kế 16 E./ Dùng phần mềm Multisim mô kết thiết kế I./Kiểm tra chế độ DC Hình 18: Kết mơ dịng điện DC tầng vi sai, tiền khuếch đại, tầng OCL +) Bảng kết đo dịng điện ICQ transistor ICQ Mơ GT tính tốn Sai số ICQ1 65,3mA 50mA 30,6% ICQ2 65,9mA 50mA 31,8% ICQ3 6,63mA 10mA 33,7% ICQ4 6,26mA 10mA 37,4% ICQ5 11,2mA 10mA 12% ICQ6 1,1mA 1mA 10% ICQ7 1,01mA 1mA 1% ICQ8 2,11mA 2mA 5,5% 17