Báo cáo học phần Đề tài thiết kế mạch khuếch Đại công suất Âm tần loại otl

Mạch khuếch đại là khi cho tín hiệu vào với một công suất nhỏ để điều khiển ở tín hiệu ra có công suất lớn hơn.. Tầng kéo đẩy sẽ cấp tín hiệu tầng công suất Q3 , Q4 để tăng công suất lớn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

-

 -BÁO CÁO HỌC PHẦN

Đề tài: Thiết kế mạch khuếch đại công suất âm tần loại OTL

Họ và tên sinh viên – Mã sinh viên:

1 Lê Trần Minh Hiếu - 191150541015

2 Đỗ Nguyễn Ngọc Bích – 1911505410104

3 Lê Thị Sương – 1911505410151

GVHD: Võ Thị Hương

MỤC LỤC

I TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT OTL 3

1 Giới thiệu: 3

2 Ưu điểm và nhược điểm: 3

3 Ứng dụng thực tế: 3

4 Nguyên lí chung: 3

II TÌM HIỂU LINH KIỆN TRONG ĐỀ TÀI 3

1 Linh kiện chính trong mạch 3

2 Nguyên lý làm việc của transistor 6

3 Tham số giới hạn và thông số của transistor 6

III Các linh kiện khác 8

1 Tụ điện 8

2 Điện trở 8

3 Biến trở 9

4 Diode 1N4007 9

IV TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 11

1 Thiết kế tầng nguồn: 11

1.1 Biên độ tín hiệu ra loa: 11

1.2 Điện áp nguồn cung cấp 12

1.3 Công suất nguồn cung cấp: 12

1.4 Hiệu suất của mạch: 12

2 Thiết kế tầng khuếch đại công suất: 12

2.1 Tính chọn R 1 , R 2 13

2.2 Tính chọn cặp Q 1 ,Q 2 13

2.3 Tính chọn R 3 , R 4 15

2.4 Tính chọn cặp Q3, Q4 16

3 Tính tầng lái 17

3.1 Tính chọn R 12 , D 5 , D6 , D 7 17

3.2 Tính toán transistor Q 8 làm nguồn dòng: 18

3.3 Tính chọn BJT thúc Q 7 19

4 Tính transistor nguồn dòng Q 11 21

5 Tính tầng khuếch đại vi sai 22

6 Tính các thông số còn lại 24

6.2 Tính mạch lọc Zobel 26

7 Mô phỏng tín hiệu bằng Protues 26

I TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT OTL

1 Giới thiệu:

Thế nào là mạch khuếch đại công suất ?

Mạch khuếch đại là khi cho tín hiệu vào với một công suất nhỏ để điều khiển ở tín hiệu ra có công suất lớn hơn

OTL là gì?

OTL là viết tắt của Output Transformer Less là mạch được cấp nguồn Vcc và nối mass (0V) Sử dụng các linh kiện rời và ngõ ra Loa mắc song song với tụ điện

2 Ưu điểm và nhược điểm:

Ưu điểm:

- Hiệu suất cao, chất lượng âm thanh tốt & đáp ứng tần số rộng

- Ở vùng tần số cao sẽ ít gây nhiễu

để cấp vào tầng khuếch đại kéo đẩy Q3,Q4 Khi Q7 dương thì Q3 dẫn , Q4 tắt

và khi Q7 âm thì ngược lại Tầng kéo đẩy sẽ cấp tín hiệu tầng công suất Q3 , Q4

để tăng công suất lớn cho Loa

II TÌM HIỂU LINH KIỆN TRONG ĐỀ TÀI

1 Linh kiện chính trong mạch

 Transistor D718 và B688:

 Chân

2 : Collector;connected

to mountingbase

 Chân 3 :Emitter

 Transistor TIP41 VÀ TIP42:

Thiết kế kiểu TIP41 TIP42

Độ lợi dòng điện DC tối

thiểu và tối đa

Nhiệt độ hoạt động mối

nối tối đa

Điện áp cực góp cực phát

tối đa

2 Nguyên lý làm việc của transistor

Tùy theo thứ tự sắp sếp các miền bán dẫn mà ta chia BJT thành hai loại là PNP hoặc NPN Nguyên lý làm việc của 2 loại BJT này là giống nhau Ta xét nguyên

lý làm việc của NPN

Xét BJT loại NPN

Khi chưa cấp áp nguồn tại các tiếp giáp p-n do có độ chênh lệch về nồng độ phatạp giữa các miền mà sinh ra hiện tượng khuyếch tán ( sự khuyếch tán của các hạt điện tích (điện tử và lỗ trống)) nên bên trong nó hình thành hai lớp tiếp giáp

J e và J c cân bằng động Phân cực thuận cho tiếp giáp J e, E tr giảm chiều cao

hàng rào thế đối với các hạt đa số giảm, e−vọt từ E sang B Nếu C để hở mạch thì e− di chuyển từ E sang B như dòng phạt xạ bình thường của một điôt tạo thành dòng từ B sang E như một tiếp giáp p-n thông thường

Để e− được kéo sang miền C ta tăng E ngcủa tiếp giápJ c khi đó e−đượcE ngkéo sang C tạo thành dòngI C

được tái hợp tại B tạo thành dòng I B

I E =I B +I C

3 Tham số giới hạn và thông số của transistor

 Dòng cực c cho phép

Khi transistor làm việc ở điều kiện I C >I C max thì hệ số  bị giảm mạnh Do đó,

để có hệ số ß đủ lớn khi chọn dòng làm việc I Cnên lấy I C <I C max.

 Điện áp đánh thủng V CE0

Khi điện áp V CE >V CE 0thì transistor bị đánh thủng, dòng I E( hayI C) tăng cao, đây

là hiện tượng đánh thủng kiểu thác lũ Trasistor bị đánh thủng thường bị hỏng

vĩnh viễn hoặc tính năng yếu Do đó, lúc làm việc transistor luôn đặt trong điềukiện V CE >V CE 0.(co sai khong, vi sao vce>vce0…)

 Công suất tiêu tán cực đại tại cực C (P C max):

Khi dòng chạy qua tiếp xúc J C thì sẽ làm nóng cực C với công suất P C =V CE I C.

Khi BJT làm việc với P C >P C maxthị BJT bị quá nhiệt và dễ bị hỏng vĩnh viễn.

Tóm lại, không được để BJT làm việc quá lâu nên để BJT làm việc với

là điểm bất kỳ trong miền E,C

hình tham số vật lý của BJT là

r e: Điện trở thuận của tiếp giáp BE

r e=V T

I E :r ekhoảng cỡ vài chục đến vài trăm Omh

Trong đó V T là điện áp nhiệt Đối với Si thì V T =25 mV.

r C: Điện trở ngược của tiếp giáp BC r C có giá trị rất lớn.

C

b ' e: Điện dung tạo ra do lớp chuyển tiếp J E sinh ra

C be ' có dung kháng rất bé ¿100 pF

Giả sử BJT làm việc ở tần số 1 KHz

2 Điện trở

Là loại linh kiện để hạn chế dòng điện để đạt được điện áp và dòng điện theomong muốn

YÊU CẦU THIẾT KẾ

Nội dung: Thiết kế mạch khuếch đại công suất âm tần

1.1 Biên độ tín hiệu ra loa:

Xem hệ thống là tuyến tính thì tín hiệu ra trên tải:

v L =V Lsinωt + V CE 0

i L =I Lsinωt + I C 0

với V L, I L là biên độ điện áp và dòng ra trên tải

V CE 0, I C 0 là điện áp và dòng điện DC trên tải

Do tầng công suất làm việc ở chế độ AB nên dòng tĩnh và điện áp tĩnh rơi trêntải không đáng kể

1.2 Điện áp nguồn cung cấp

Để đảm bảo về mặt năng lượng và tránh nhiễu phi tuyến thì điện áp nguồn phải

2 Thiết kế tầng khuếch đại công suất:

Tầng khuyếch đại công suất có nhiệm vụ phát trên loa một tín hiệu âm tầngđược xác định theo yêu cầu thiết kế P L =25 W

Các BJT làm việc ở mức điện áp cao, các dòng collector Q1,Q2 rất lớn Vì vậy,

được vượt quá giá trị cho phép của BJT nhưng cũng phải đủ lớn để đảm bảocông suất và hiệu suất của mạch

Để tránh méo xuyên tâm đồng thời đảm bảo hiệu suất của mạch , ta chọn Q1,Q2

làm việc ở chế độ AB.Vì mạch làm việc ở chế độ AB nên dòng tĩnh collector

I E Q =I E Q1 =I E Q 2 =50 mA

Dòng qua đỉnh Q1,Q2 là:

I E 1 P =I E 2 P =I E Q 1 +I L=50 10 −3+2 , 5=2 , 55( A)

2.1 Tính chọn R1, R2

Vì R1, R2 có tác dụng cân bằng dòng , ổn định nhiệt nên phải có kích thước lớn

để chịu được công suất lớn

Dạng tín hiệu trên R1, R2 là: i e1 =i e2 =I Lsinωt

Nếu R1, R2 chọn lớn thì tổn hao trên loa nhiều do đó phải chọn sao cho tín hiệu

ra loa là lớn nhất Để tránh tổn thất tín hiệu ra loa ta thường chọn:

Vậy công suất tiêu tán của hai BJT Q1,Q2 là:

Với ZB1M(ac), ZB1M(dc): là điện trở xoay chiều và một chiều từ cực Base Q1 đến M.

Từ đặc tuyến vào của Q1 ta có:

Chọn R3, R4 = 220 (Ω)

2.4 Tính chọn cặp Q3, Q4

Dòng tĩnh qua R3: IR3Q = V BEQ 1 +V R 1

V3 = 0 , 65 +0 , 39.0 ,05200 = 3,35 (mA)

Dòng cực đại qua R3: IRBP = V BEQ 1 p +V R 1 p

R3 = 0 ,75+2 ,5.0 , 39200 = 8,75 (mA)Dòng E qua Q3:

IEQ3 = IR3Q+ IBQ1= 3,35+0,89 = 4,42 (mA)

IEp/Q3 = IR3P + IBQ1P = 8,75+44,64 =53,39 (mA)Khi đó trở kháng xoay chiều từ BQ1 là:

Vậy công suất tiêu tán lớn I do dòng xoay chiều rơi trên Q3 là:

Công suất tiêu tán tĩnh trên Q3:

V CE 0 >V cc=50

I C > I E p /Q3 =53 ,39

P C> (2 ÷ 3)P tt∑Q 3= (2÷ 3) 0,646=1,292 ÷ 1,938Chọn Q3:TIP 41, Q4:TIP 41

Vì vậy, ta dùng R12, D5, D6, D7 để tạo ra áp ban đầu cho các BJT để khi có tín

hiệu vào thì các BJT khuyếch đại công suất dẫn ngay

Để dòng tĩnh Q7 ít thay dổi và tránh méo tính hiệu ta chọn:

Như vậy, ba diode D5, D6, D7 và R12 đảm bảo cho Q1, Q3 và Q2, Q4 làm việc ở

ghim áp của diode (dòng qua diode tăng nhưng áp đặt lên diode hầu như khôngđổi Muốn được như vậy ta chọn sao cho điểm làm việc nằm trong đoạn tuyếntính nhất (đoạn thẳng))

Lúc này: VR2 = V B 3 B 4 Q −3 V D

I CQ 6 = 2 , 44 −3.0 ,7

14 ,05.10−3 = 45,55(Ω)Chọn VR2 =100Ω sau đó hiệu chỉnh lại

3.2 Tính toán transistor Q 8 làm nguồn dòng:

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

Dòng collector qua Q8: ICQ/Q8 = ICQ/Q7 = 14,05 (mA)

Chọn D3, D4 là diode 1N4007

Sụt áp trên R14 là VR14 = VCC – VD4 – VD3 = 50-0,7-0,7 = 48,6 (V)

=> R14 = V R 14

I pa = 48 , 612.10−3 = 4,05 (kΩ)

lớn nhất của nó là công suất tiêu tán tĩnh

Điện áp DC trên tiếp giáp CE của Q8 là:

VCE/Q8 = V cc

2 – VR13 – VBE/Q3 – VBE/Q1 – VR1 = 502 – (0,7 + 0,7 – 0,6) – 0,6 – 0,6 – 0,05 0,39 = 22,9 (V)

làm việc và đảo pha cho tầng công suất

Trở kháng tải của Q7:

Zt/Q7 = rbe3 + (1 +3) Zt/Q3= 3 V T

I EQ /Q3 + (1+3) Zt/Q3 = 75 4 ,2425 +

Do đó: Zt/Q7 = 36,1 vì R Co / Q8 ≫36 ,1 k

hiệu, do đó cần phải mắc hồi tiếp âm một chiều lẫn xoay chiều để ổn định điểm

Công suất tiêu tán tĩnh của Q7:

dòng cho Q9, Q10 hoạt động Khi ID1= 10mA thì VD1= VD2 = 0,7V

Chọn dòng phân áp cho Q11 là dòng làm việc diode D1 là ID1 = 10 mA.

 R21 = V cc / visai −V D 2 −V D 1

I D1 = 49−0 ,7−0 , 7

10.10−3 = 4,76 (kΩ)Chọn R21 =4,7kΩ

Do Q9, Q10 là cặp BJT khuyếch đại vi sai tín hiệu đầu vào đầu tiên nên tầng

việc ở chế độ A và có hệ số khuyếch đại nhỏ

R23 và C4 tạo thành mạch lọc thông thấp Chọn tụ C4 =100uF

Q9, Q10 làm việc ở chế độ khuếch đại vi sai nên:

Vì mạch khuếch đại vi sai được thiết kế sao cho ở chế độ tĩnh hai nhánh cânbằng nhau

{V B /Q 10=V cc

2 =502

R22/ ¿R24=R15  {20 R24=25 R22

R22/ ¿R24=R15 (1)

Mặt khác, trong chế độ tín hiệu

- Khi chưa có hồi tiếp âm thì trở kháng vào của tầng vi sai là Zind

- Khi có hồi tiếp âm điện áp nối tiếp thông qua R15, C13 thì trở kháng củatầng vi sai sẽ tăng lên n lần, với n là độ sâu hồi tiếp

Zindf = nZind với n = 1 + A0Aht

trên loa để không ảnh hưởng đến tín hiệu ra trên loa

kéo Ta chọn tụ C6 sao cho XC15 = 101 Z¿/Q5

Chọn R0 = 8Ω

7 Mô phỏng tín hiệu bằng Protues

Kết quả mô phỏng điện áp vào ra: