LỜI MỞ ĐẦUMạch khuếch đại công suất âm tần OTL là một ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực khuếch đại âm thanh, thường dùng để khuếch đại tín hiệu âm thanh ra loa.. Nhờ có sự phân công của t
Phân tích mạch
Yêu cầu thiết kế: PLmax = 10w
Công suất trung bình phân phối trên tải:
Trong mạch OTL, với V L max=V CC
2 và giả sử hệ số sử dụng điện áp là 0.9, ta chọn
Tuy nhiên để an toàn và thuận tiện hơn trong việc thiết kế, thi công mạch ta chọn Vcc 24V b, Chọn các điểm làm việc tĩnh
Công suất tiêu tán trên cực C của 2 transistor:
2 I cm 2 R L iv Đạo hàm phương trình trên theo biến Icm để tìm cực trị ta có:
Công suất tiêu tán trên cực C tối đa là:
P C max=2.5W Để cho Transistor hoạt động an toàn, ta chọn các hệ số sau:
Qua đó ta chọn cặp BJT công suất bù đối xứng TIP41 và TIP42
Trên thực tế, với các cặp Transistor bổ phụ, trong điều kiện phân cực thường, do dòng tĩnh Ibq không bằng nhau nên chúng có độ lợi sai khác đôi chút, dẫn đến sóng ra không hoàn toàn đối xứng (khuếch đại ở 2 bán kỳ không bằng nhau) Tuy nhiên, sai số này rất nhỏ (khoảng vài mA ở dòng ra Ic) nên có thể bỏ qua.
Tầng khuếch đại tín hiệu vào
Hình 1: Sơ đồ mạch tầng khuếch đại tín hiệu vào
Giả sử hệ số sử dụng điện áp là 80% khi đó ta có độ lợi áp qua tầng khuếch đại tín hiệu vào:
1 2 Khi Vin = 1Vpp ta cần khuếch đại 18 lần để đạt công suất đầu ra PL max. Để đảm bảo mạch khuếch đại đúng yêu cầu trong khi các tầng có thể ảnh hưởng qua lại nhóm lựa chọn thiết kế 2 tầng CE với độ lợi áp mỗi tầng là 5. vi a, Tầng khuếch đại E chung đầu tiên
Hình 2: Sơ đồ mạch tầng CE đầu tiên Hình 3: Mạch DC vii
Hình 4: Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ tầng CE đầu tiên
Transistor Q12N2222,chọn điểmlàm việc tĩnhQ1(9.7mA ;12V)
9.7=2.6Ω Độlợi áp qua tầng1 :A v = −Rc1 hib1+R E1 =−5
I C 1 (3) Để đảmbảo BJT phân cực đúng tathiết kế :
⟹I R1 I B1 (5) Điều kiện phân cực: VC > VB > VE
Tính lại độ lợi: Av1 = hie1+ ℜ1∗¿=−5.06− hfe∗Rc 1 ¿
Trở kháng vào ra tầng khuếch đại E chung đầu tiên:
Z out1 =R C 1 =1k Ω b, Tầng khuếch đại E chung thứ 2
Với tầng khuếch đại E chung thứ 2 ta thiết kế tương tự: ix
Hình 5: Sơ đồ mạch tầng CE thứ 2 Hình 6: Mạch DC
Hình 7: Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ tầng CE thứ 2
Transistor Q22N2222,chọn điểmlàm việc tĩnhQ 2 (10mA ;12V)
10=2.5Ω x Độlợi áp qua tầng1 :A v = −Rc2 hib2+ ℜ2=5(1)
I C 2 (3) Để đảmbảo BJT phân cực đúng tathiết kế :I R4 ≫I B2
⟹I R3 I B2 (5) Điều kiện phân cực: VC > VB > VE
Tính lại độ lợi qua tầng CE thứ 2: Av2 = hib −Rc 2+ ℜ2 2 = 2.5 −1 +195 k =−5.06
Trở kháng vào ra tầng khuếch đại E chung thứ 2:
Tầng tiền khuếch đại công suất: sử dụng mạch ghép theo kiểu darlington
Hình 8: Sơ đô mạch tầng Darlington Hình 9: Mạch DC xii
Hình 10: Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ tầng Darlington
Transistor Q3 TIP120 gồm 2 transistor ghép darlington, chọn Q3(0.39A; 16V), hfe300, VBE3 = 1.4V
Ta có phương trình: V CC =V R 5 +V BE3 +V R3 =R 5 I B3 +1.4+R E3 I C 3
Tính toán các thông số xoay chiều của tầng Darlington: hie3=hfe3.V T
Khối khuếch đại công suất
Phân cực cho 2 transistor bằng
R 6 =R 7 %0Ω và 2 diode 1N4148 để ổn định tín hiệu đầu ra
Khi tín hiệu đưa vào hai transistor Tip41, Tip42, ta có:- Nửa chu kỳ dương: Tip41 khuếch đại, Tip42 tắt vì UD1 > 0 và UD2 > 0 (T2 thuận), Tip41 khuếch đại nửa hình sin.- Nửa chu kỳ âm: UD1 < 0, UD2 < 0, Tip41 tắt và Tip42 khuếch đại nửa hình sin.
Theo datasheet ta có Tip41 và Tip42 có hfe4 = hfe5 = 50.
Hình 11: Sơ đồ mạch tầng khuếch đại công suất
Các thông số xoay chiều:
Theo datasheet của 1n4148 tại UD=0.7V thì: I D =1.5mA
Với Z v à o trans =h fe4 gm4+(1+h fe4) R L 5Ω
C3 sẽ dùng để tích trữ áp trong nửa chu kỳ dương (tích V = Vcc) và xả trong nửa chu kỳ õm chọn C3 = 1000àF
Tính toán thông số toàn mạch
Hình 12: Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ toàn mạch
6 Tính toán tần số cắt, chọn thông số tụ
Hình 13: Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ tần số thấp a, Tính tần số cắt thấp
Tần số cắt thấp gây ra bởi C1:
Tần số cắt thấp gây ra bởi C2: xvi
Tần số cắt thấp gây ra bởi C3:
Tần số cắt thấp gây ra bởi CE1: f ¿1 = 1
Tần số cắt thấp gây ra bởi C4:
Chọn C4 = C5 = 147uf b, Tính tần số cắt cao Ở tần số cao, trở kháng của các tụ C 1, C 2 , C E , C 3, C 4 ,C 5 , không đáng kể, ta xem như ngắn mạch các tụ này
Xét đáp ứng tần số cao 2N2222, TIP120, TIP41, 42:
Với TIP41 và TIP42 băng thông trong datasheet nhà sản xuất cung cấp là 3MHz
Ta thấy 15kHz không nằm trong khoảng từ 0,3 f β 2 đến 3 f β2 của cả 5 BJT
Không xuất hiện tụ ký sinh ở cả 5 BJT Vì thế, để có thể đáp ứng được tần số yêu cần, cần lắp thêm tụ C obext xviii
Hình 13: Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao
Theo định luật Miler, ta có:
Hình 14: Sơ đồ tương đương dùng định lý Miller xix
25 ≈0.388❑ −1 Xét ảnh hưởng của C 1M : f pC1 = 1
Vậy C1M gây ra 1 tần số cắt cao ở vô cùng.
Xét ảnh hưởng của C 2M : f pC2 = 1
Ta thấy f pC1 ≫f pC2 Tần số chủ yếu bị ảnh hưởng bởi C 2 bởi hiệu ứng Miler của tụ C obext Khi đó f pC2 ≈ f H
II Kết quả mô phỏng mạch
1 Mạch mô phỏng proteus: xx
Av = 17.7 b, Độ lợi đo ở tần số 45Hz:
Av = 13 xxi c, Độ lợi đo tại tần số 16Khz: Av = 14 xxii
3.Đáp ứng tần số: a,Tần số cắt thấp đo được là gần 45Hz: b,Tần số cắt cao đo được là gần 15.7k:
So sánh yêu cầu đề tài, tính toán lý thuyết và mô phỏng:
Yêu cầu đề tài Tính toán lý thuyểt Mô phỏng mạch Độ lợi Av 18 17.5 17.7
Công suất ra loa 10W 9.57W 9.94W xxiii cực đại Plmax
Băng thông 15Hz-15kHz 13.26Hz-14.82kHz 45Hz-15.7kHz
III Mô phỏng thực tế
Hình 15: Mạch lắp đặt thực tế xxiv
Hình 16: Ảnh chụp dạng sóng thực tế trên dao động ký Nhận xét: theo ảnh chụp từ thực tế thì
Av = v o v i = 60 1.2V mV = 20 Độ lợi khi lắp mạch thực tế lớn hơn so với khi mô phỏng
Có sự sai số của các linh kiện điện tử
Do không có giá trị đúng cho điện trở cực E của mạch khuếch đại E chung nên nhóm đã sử dụng điện trở nhỏ hơn so với mô phỏng, dẫn đến Av lớn hơn tính toán lý thuyết. xxv
1 Datasheet của TIP41và TIP42 xxvi
