đồ án kỹ thuật mạch điện tử đề tài thiết kế mạch khuếch đại công suất otl

Bao gồm tầng khuếch đại công suất, tầng khuếch đại thúc, tầng khuếch đại phối hợp trở kháng đầu vào, tầng bảo vệ, lọc nhiễu,…Phần 3: Mô phỏng: Thực hiện mô phỏng, đánh giá dạng sóng, các

Khuếch đại tín hiệu nhỏ

Mạch E chung – EC

Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ:

Chức năng các linh kiện:

R 1 , R 2 : Điện trở phân cực cho transistor

R C : Điện trở tải cực C cho transistor

R E : Điện trở ổn định nhiệt

R n : Nội trở nguồn tín hiệu

C E : Tụ ngăn sụt áp xoay chiều trên R E

C 1 : Tụ liên lạc ngõ vào

C 2 : Tụ liên lạc ngõ ra

1.1.1.1 Trở kháng vào của mạch:

Theo mô hình tương đương vật lý của transistor, ta có:

Sinh viên thực hiện: Dương Anh Huy – Nguyễn Đức Tiên Trang 1 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS NGUYỄN LINH NAM

Trở kháng vào của mạch:

1.1.1.2 Trở kháng ra của mạch:

Vì r rất lớn so với R , R nên bỏ qua r nên R = Rce C t ce r C//Rt

1.1.1.3 Hệ số khuếch đại dòng điện:

1.1.1.4 Hệ số khuếch đại điện áp: ur = - βib(R //R //rC t ce) ≈ - βib(R //R )C t uv = iv(Rn + rce//R )b iv = I + ib

Khi R r rb be be//Rb ≈ r và be

1.1.1.5 Hệ số khuếch đại công suất:

1.1.1.6 Hệ số ổn định nhiệt:

1.1.1.7 Mối quan hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào: Ở bán kỳ dương của tín hiệu vào dòng i tăng i = βi tăng v = V – ib  c b  c CC cRC giảm

 tín hiệu ra giảm. Ở bán kỳ âm của tín hiệu vào dòng i giảm i = βi giảm v = V – ib  c b  c CC cRC tăng  tín hiệu ra tăng.

Như vậy, đối với mạch E chung thì tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào.

Mạch B chung – BC

Sơ đồ tương đương tín hiệu bé:

Trở kháng vào của transistor:

Trở kháng vào của mạch:

1.1.2.2 Trở kháng ra của mạch:

Rr = rcb//R //RC t ≈ RC//Rt vì r R , R cb C t

Mạch khuếch đại B chung không khuếch đại điện áp.

1.1.2.4 Hệ số khuếch đại điện áp:

1.1.2.5 Mối quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra: Ở bán kỳ dương của tín hiệu vào dòng i = – i giảm (i là dòng điện của tín hiệu)e n n

 i = αi giảm c e  v = V – ic CC cRC tăng tín hiệu ra tăng. Ở bán kỳ âm của tín hiệu vào dòng i = – i tăng (i là dòng điện của tín hiệu) i e n n  c

= αi tăng v = V – ie  c CC cRC giảm tín hiệu ra giảm.

Như vậy, đối với sơ đồ BC tín hiệu ra cùng pha tín hiệu vào.

Mạch C chung – CC

Sơ đồ tương đương tín hiệu bé:

Trở kháng vào của transistor:

Vbe = ib.rbe + (1+β)ib(RE // R )t

1.1.3.2 Hệ số khuếch đại điện áp:

1.1.3.4 Mối quan hệ giữa tín hiệu vào tín hiệu ra: Ở bán kỳ dương của tín hiệu vào dòng i tăng i = (1 + β)i tăng = ib  e b  eRE tăng  tín hiệu ra tăng. Ở bán kỳ âm của tín hiệu vào dòng i giảm i = (1 + β)i giảm = ib  e b  eRE giảm tín  hiệu ra giảm.

Như vậy, sơ đồ mạch C chung có tín hiệu ra cùng pha với tín hiệu vào.

Nhận xét

Mạch khuếch đại C chung có trở kháng vào lớn và trở kháng ra nhỏ phù hợp cho việc phối hợp trở kháng giữa trở kháng nhỏ của tải và trở kháng lớn của nguồn tín hiệu Mạch C chung có hệ số khuếch đại dòng lớn và không khuếch đại điện áp Mạch

C chung thường được dùng phối hợp trở kháng ra nhỏ và trở kháng vào lớn của nguồn tín hiệu hoặc dùng làm khuếch đại đệm, khuếch đại công suất đơn chế độ A đầu ra không biến áp.

Mạch khuếch đại B chung có hệ số khuếch đại điện áp lớn, trở kháng vào nhỏ, trở kháng ra lớn, không khuếch đại dòng Thường được dùng làm tầng ra của bộ khuếch đại.

Mạch khuếch đại E chung có hệ số khuếch đại dòng và khuếch đại điện áp lớn nên thường được dùng làm tầng khuếch đại công suất.

Bảng 1: Bảng tham số của mạch EC, BC, CC

Tham số B chung E chung C chung

Quan hệ pha Ngược pha Ngược pha Cùng pha

Mạch khuếch đại công suất

Những vấn đề chung

Tầng khuếch đại công suất có nhiệm vụ đưa ra công suất lớn để kích thích cho tải công suất ra của nó cỡ vài phần mười W đến lớn hơn 100W Công suất này đưa ra tải dưới dạng điện áp hoặc dòng điện có biên độ lớn Khi khuếch đại tín hiệu lớn, các transistor không làm việc trong miền tuyến tính vì vậy những sơ đồ tín hiệu bé không còn phù hợp.

Tầng khuếch đại công suất có thể dùng transistor lưỡng cực hoặc I khuếch đại C công suất Tùy theo cách mắc mà ta chia khuếch đại công suất thành hai loại: khuếch đại công suất có biến áp và khuếch đại công suất không có biến áp.

Các thông số cơ bản

Ngoài những thông số kỹ thuật đặc trưng như tổng trở kháng vào, tổng trở kháng ra, hệ số khuếch đại dòng điện, khuếch đại điện áp,…còn có các thông số đặc trưng như là:

Hệ số khuếch đại công suất K : là tỉ số giữa công suất ra và công suất vào:p

Với P : Công suất ngõ ra.0

P : Công suất ngõ vào.in

Hiệu suất là tỉ số giữa công suất ra và công suất nguồn cung cấp một chiều P :DC

Hiệu suất vào càng lớn thì tổn hao trên Collector của transistor càng nhỏ. Trở kháng vào: yêu cầu trở kháng vào lớn tương đương với dòng tín hiệu nhỏ Nghĩa là mạch phải có hệ số khuếch đại dòng lớn.

Công suất tiêu tán cực đại của transistor công suất là công suất cực đại của transistor công suất có thể chịu đựng liên tục nếu được giải nhiệt đầy đủ.

Chế độ làm việc

Tùy thuộc vào chế độ công tác của transistor người ta phân biệt thành các chế độ

Chế độ khuếch đại gần như tuyến tính, góc cắt Khi tín hiệu vào hình sin thì dòng tĩnh luôn luôn lớn hơn biên độ dòng điện ra Vì vậy, hiệu suất của bộ khuếch đại chế độ A rất thấp (nhỏ hơn 50%).

Góc cắt lớn hơn 90º ( nhỏ hơn 180º) Ở chế độ này có thể đạt hiệu suất cao hơn chế độ A vì dòng tĩnh lúc này nhỏ hơn ở chế độ A Điểm làm việc nằm trên đặc tuyến tải gần khu vực tắt của transistor.

Có góc cắt bằng 90º Điểm làm việc tĩnh được xác định tại U Chỉ một nữa chu BE kỳ âm hoặc dương của điện áp được transistor khuếch đại.

Có góc cắt nhỏ hơn 90º Hiệu suất chế độ C khá lớn (lớn hơn 78%) nhưng méo lại rất lớn, nó thường được dùng trong các bộ khuếch đại tần số cao và dùng với tải cộng hưởng để có thể lọc được hài bậc nhất như mong muốn.

Tầng khuếch đại đơn (tầng khuếch đại chế độ A)

Trong tầng khuếch đại chế độ A điểm làm việc thay đổi đối xứng xung quanh điểm tĩnh Q So với khuếch đại tín hiệu bé thì biên độ tín hiệu lớn Tầng khuếch đại đơn thường dùng sơ đồ chung Emitter hoặc lặp Emitter (trình bày sau) vì sơ đồ này có hệ số khuếch đại dòng điện lớn hoặc méo phi tuyến nhỏ.

Khi tín hiệu vào là tín hiệu hình sin thì công suất ra được tính:

Dựa vào đồ thị ta có:

Công suất P sẽ đạt cực đại khi tức r Để xác định hiệu suất cần xác định công suất cung cấp DC:

Khi ghép biến áp có thể tăng hiệu suất lên 50% vì có thể bỏ qua điện trở DC của một biến áp, nghĩa là giảm nguồn cung cấp DC.

Sơ đồ lặp Emitter rất thích hợp đối với tầng khuếch đại công suất Sơ đồ này dễ dàng phối hợp trở kháng với tải Để có tín hiệu ra lớn, ta chọn điểm làm việc tĩnh ở giữa đường tải.

: để giảm tổn thất tín hiệu

Với , : là điện trở xoay chiều và một chiều từ cực Base Q đến M.1

Từ đặc tuyến vào của Q (2SC5200) ta có:1

Khi đó trở kháng trở kháng xuống M lúc này là:

So sánh với tính ở trước là ta thấy khi thêm R , R vào thì sai khác không đáng 3 4 kể.

Như vậy, tải xoay chiều của Q là3 Để tìm được Q , Q ta tìm công suất tiêu tán lớn nhất của chúng Gọi là biên độ 3 4 dòng AC chạy qua Q , ta có:3

Dòng cung cấp xoay chiều trung bình cho Q :3

Công suất nguồn cung ấp cho Q :3

Công suất cung cấp cho tải của Q :3

Công suất tiêu tán xoay chiều trên Q :3

Lấy đạo hàm theo và cho bằng 0 ta được:

Vậy công suất tiêu tán lớn nhất do dòng xoay chiều rơi trên Q là:3

Công suất tiêu tán tĩnh trên Q :3

Vậy công suất tiêu tán cực đại trên Q :3

Vậy chọn cặp Q , Q là cặp bổ phụ thỏa mãn điều kiện sau:3 4

Dựa vào sổ tay tra cứu Transistor cột bổ phụ ta chọn: Q :TIP41, Q :TIP42 3 4

2.3.3 Tính tầng lái Để tính toán tầng lái ta chọn:

2.3.3.1 Tính chọn VR , D , D , D : 1 1 2 3 Để tránh méo tín hiệu xuyên tâm đồng thời ổn định điểm làm việc cho các cặp transistor khuếch đại công suất thì các tổ hợp này phải làm việc ở chế dồ AB Vì vậy, ta dùng D , D , D , VR để tạo ra áp ban đầu cho các transistor để khi có tín hiệu vào 1 2 3 1 thì các transistor khuếch đại công suất dẫn ngay.

Chọn D , D , D là loại 1N4007 là loại diode thủy tinh.1 2 3 Để Q , Q làm việc ở chế độ tĩnh 50mA thì điện áp trên tiếp giáp BE của các tổ 1 2 hợp transistor ở chế độ tĩnh là 0,6V.

Ta có: Để dòng tĩnh Q ít thay đổi và tránh méo tín hiện ta chọn5

Sinh viên thực hiện: Dương Anh Huy – Nguyễn Đức Tiên Trang 21 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS NGUYỄN LINH NAM và dùng Diode Zenner để ổn định áp phân cực cho tầng lái.

Như vậy, ba diode D , D , D và VR đảm bảo cho Q , Q và Q , Q làm việc ở 1 2 3 1 1 3 2 4 chế đồ AB, tức là ngay khi có tín hiệu vào.

Lợi dụng tính chất ghim áp ủa diode (dòng qua diode tăng nhưng áp đặt lên diode hầu như không đổi Muốn được như vậy ta chọn sao cho điểm làm việc nằm trong đoạn tuyến tính nhất (đoạn thẳng)).

Chọn VR = 200Ω Sau đó hiệu chỉnh lại.1

2.3.3.2 Tính transistor Q làm nguồn dòng: 6

Q6 tạo dòng điện ổn định phân cực cho Q và ổn định làm việc cho hai cặp 5

Dalington ở tầng xoay khuếch đại công suất Chính nội trở nguồn dòng ở chế độ xoay chiều lớn nên tăng hệ số khuếch đại của tầng lái, phối hợp trở kháng vào lớn của 2 cặp Dalington làm nâng cao hiệu suất mạch.

Do Q hoạt động ở chế độ A được dùng làm nguồn dòng nên công suất tiêu tán 6 lớn nhất của nó là công suất tiêu tán tĩnh. Điện áp DC trên tiếp giáp CE của Q là:8

Vậy ta chọn Q thỏa các điều kiện sau:8

Dựa vào bảng tra cứu ta chọn Q6: 2SC2383

Tên P (mW) f (Mhz) t o C V CE (V) I (A) C β Loại 2SC238

R5 có tác dụng tạo dòng phân cực transistor, diode Để giảm tổn thất dòng tín hiệu ra loa R5>>RL

Transistor Q làm nhiệm vụ nâng cao tín hiệu đủ lớn để kích cho tầng thúc làm 5 việc và đảo pha cho tầng công suất Q được chọn làm việc ở chế độ A Q có tải lớn 5 5 nên hệ số khuếch đại lớn Ta phải chọn điểm làm việc của Q sao cho khi không có tín 5 hiệu vào điện thế vào cực E của Q , Q ≈ 0, lúc này sụt áp trên tải ≈ 0.1 2

Trở kháng tải của Q :5 với

 Điện thế trên cực C, E của Q :5

Công suất tiêu tán tĩnh của Q :5

Do ta chọn nên khi có tín hiệu vào thì dòng không ảnh hưởng nhiều đến dòng cực đại qua Q 5

Vì Q làm việc ở chế độ A nên 5

Từ những tính toán trê ta chọn Q phải thỏa những điều kiện sau:5

Theo sách tra cứu 1000 transistor quốc tế ta chọn Q : 2SC2383 có các thông số sau:7

Tụ C là tụ liên lạc với ngõ vào Để tín hiệu không bị giữ lại trên tụ 3

Do tần số âm thanh mà nó cho qua là 20Hz ÷ 20KHz nên tần số cắt của lọc phải nhỏ hơn 20Hz Chọn tần số cắt của lọc là 1KHz

Tụ C là tụ liên lạc Để tín hiệu không bị giữ lại trên C ở tần số thấp Chọn 1 1 

Tụ C theo mạch bootstrap bằng 330 uF.2

2.3.4 Tính hệ số khuếch đại

Hệ số khuếch đại điện áp tầng thúc:

Hệ số khuếch đại điện áp Q , Q , Q , Q : Do Q , Q và Q , Q mắc C – C nên 1 2 3 4 1 2 3 4

Hệ số khuếch vòng hở mạch:

Hệ số khuếch đại toàn mạch:

2.3.5 Tính bộ tản nhiệt cho các transistor công suất:

Khi chuyển đổi thành công có ích, một phần công suất sẽ làm nóng các transistor công suất Nếu nhiệt độ tăng lên quá mức thì các transistor dễ bị hỏng.

Giả sử nhiệt độ môi trường xung quanh loa là 50ºC

Nhiệt trở K khi có cảnh tản nhiệt: K = K + K + Kcm cv tv

Với K : nhiệt trở từ cánh tới môi trườngcm

K : nhiệt trở từ vở đến cánhvc

K : nhiệt trở từ tiếp giáp đến vỏtv

PHẦN 3 MÔ PHỎNG VÀ THI CÔNG SẢN PHẨM

3.1.1 Mô phỏng dòng áp một chiều

Dòng của mạch ở chế độ tĩnh:

Sinh viên thực hiện: Dương Anh Huy – Nguyễn Đức Tiên Trang 26

30V ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS NGUYỄN LINH NAM

Dòng của mạch ở 2 bán kỳ:

3.1.2 Mô phỏng điện áp vào ra của mạch

Q1, Q và Q , Q : Các cặp transistor ghép dalington khuếch đại công suất.3 2 4

R1, R : Điện trở ổn định nhiệt và cân bằng dòng ra.2

R3, R : Điện trở rẽ dòng nhiệt.4

D1, D , D , VR : Dùng để định thiên áp để các transistor Q , Q hoạt động ở chế 2 3 1 1 2 độ AB.

R10: Trở ổn định nhiệt cho Q 6

Q6: Transistor tiền khuếch đại dẫn dòng kích cho tầng thúc.

C3: Tụ liên lạc ngõ vào.

C1: Tụ liên lạc ngõ ra.

PHẦN 4 ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN

4.1 Những kết quả đạt được

Thiết kế và chế tạo được mạch khuếch đại công suất âm tầng OTL – 30W có khả năng sử dụng rộng rãi. Đạt được những mục tiêu và yêu cầu ban đầu.

Vận dụng được nhiều kiến thức về khuếch đại công suất trong quá trình thi công. Tìm hiểu được nhiều mẫu có thể sử dụng sau này.

Tham khảo được nhiều ý tưởng hay, có nhiều sáng tạo trong thiết kế.

Khả năng tìm tài liệu trên mạng.

Khả năng làm việc nhóm.

4.2 Những thuận lợi và khó khăn khi thực hiện đề tài

Nhờ những trang thiết bị của trường, đã tạo điều kiện thuận lợi cho hóm trong quá trình tìm kiếm tài liệu trên mạng, cũng như trong quá trình thiết kế và thi công.

Thời gian thực hiện đề tài có giới hạn.

Nhóm gặp nhiều khó khăn trong việc tìm tài liệu (khả năng sử dụng tiếng Anh của nhóm còn hạn chế với những tài liệu nước ngoài).

Mất nhiều thời gian trong quá trình thiết kế do phải lựa chọn nhiều phương án nhằm đáp ứng yêu cầu đề ra ban đầu.

4.3 Những ưu điểm và nhược điểm của đề tài

Mô phỏng cho thấy mạch hoạt động khá ổn định ở mức công suất thấp, sóng đầu ra không bị méo hay bị biến dạng, hiệu suất cao, chế độ làm việc ổn định.

Mô phỏng cho thấy sóng đầu ra bị xén ở mức công suất cao.

Bị suy giảm biên độ tín hiệu ở tần số thấp do ngõ ra dùng tụ.

Tăng hệ số khuếch đại cho mạch.

Tích hợp các IC khuếch đại.

Các biện pháp nâng cao hệ số khuếch đại

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

MÔ PHỎNG VÀ THI CÔNG SẢN PHẨM

Mô phỏng