Thiết kế bộ khuếch Đại công suất âm tần otl 60w

Khi lam việc với sơ đô tín hiệu nhỏ cho cac Transistor, ta sé chi xét dén giả trị đỉnh, có thể chú ý thêm tới giá trị độ lợi dòng trung bình khi dong phân cực va áp Vc: thay đôi.. C./ Tầ

TP Hồ Chí Minh, thang 1 nam 2005

Bùi Trung Hiếu Trang 1 27/01/2005

Yêu câu của thiết kế:

Veo

ww A.\ Tầng khuếch đại công suất:

Yêu cầu của thiết kế: Công suất loa = 60W 1/ Nguận cung cấp:

Công suất trung bình phân phối trên tải được tính theo công thức:

Công suất tiêu tán tối đa trên 2 Transistor Q,,0;

Ta có: Pc=Pcc - PL mà:

=o Pcc = Psrp = Vcc Ista = Neh

Z(Ñ, + R,)

Sơ đồ tang khuyéch đại công suất —>Pc=—————->———

SẤO ĐÀ CÁ THẢ Phy sư đo, — TỔ ` ¬ ae a

Lúc ây, hệ số phâm chat cua Transistor 5 = s0 + 0,3 (Thường chọn Pi<5Pcaa„) giá trị này là phù hợp

+

P.>20W

Dé Transistor hoạt động an toàn, ta chọn: + Ƒ-„ > J2 = 70V

Ve, COLLECTOR-EMITTER VOLTAGE (VOLTS)

Vùng hoạt động tích cực an toàn ° 0° 20 Nhiệt độ hộp đựng TST (C) 40 80 80 100 120 140 160

| :¿-.ÌVùng an toàn ở công suất TST là 20W

ving khả dụng | ® Điễm DC (Avg)

Bùi Trung Hiếu Trang 3 27/01/2005

Các điêu kiện khác rảng buộc đê chọn Transistor còn có: tại dòng DC khoảng 1,27A(—=1.27), áp DC khoảng

z

35V(Vp,, ) là điều kiện DC của Transistor, khi vận hành, Transistor hoạt động ở nhiệt độ đến 100C, phải bảo đảm

không hư hỏng, không quá công suất định mức, từ đó, ta chọn cặp Transistor bố phụ: BD243C(NPN) và

Dựa vào hình biểu diễn vùng công suất kha dung theo nhiệt độ, ta thấy BỊT có khả năng làm việc đến 110(°C)

500 Dựa vào hình biểu điễn độ lợi dòng, ta thấy tại giá trị dòng

an VcE= 20V đỉnh 4A, độ lợi hp khoảng 2535 (Cho vùng nhiệt độ thay

200 + Ty= 150°C doi ttr 25°C dén 150°C) Khi lam việc với sơ đô tín hiệu nhỏ

cho cac Transistor, ta sé chi xét dén giả trị đỉnh, có thể chú ý thêm tới giá trị độ lợi dòng trung bình khi dong phân cực va

áp Vc: thay đôi Đây cũng là nguyên nhân gây méo phi tuyến cho tín hiệu

Thật ra, với cặp Transistor bô phụ, thường trong điều kiện phân cực, do dong tinh Igg không bằng nhau, nên chúng có độ

006 0.1 02 0304 06 10 20 40 60 sự sai khác nảy rât nhỏ, có thể bỏ qua (khoảng vai mA 6 dong

Ic, C0LLECT0R CURRENT(/AP) ra Ic)

*/ Chọn giá tri cdc tro R,, Ry: Ry Ry, 06 tac dung dé on

định nhiệt, tạo đòng hôi tiếp để cân bằng tầng đây kéo, dòng qua tải cũng chính là đòng qua các trở này ở từng bán

kì, bởi vậy, để không ảnh hưởng đến công suất của tải, ta thường chọn ,„ =Ñ„LÌ R „ Có thể chọn:

Pgy= RJ2„„= Rp 164 pmax Rie | HB | =0.1x mm] =1 16 (pase 0.1+8}

Ta chọn trở &„ = R„ =0,1O, công suất trung bình 0.2W, công suất đình 1.5W

TIL/Chọn các giá trị Ry, Rys,Qy, On

Néu chon dong phan cue cho Q,,0, khoang 5-10(mA) Ta tim gia tri R,,,R,;:

a.) 0.9

(Ve, }„ = Rule, = Ry (Zcos —Iso5) > Ra mm

FE6 Với giá trị như trên, ta tìm dong DC trung binh trén chan emitter cha Q,,0, (Ding chia dong)

Bui Trung Hiéu Trang 4 27/01/2005

+ (Leg Jove Voi ashing

Ta đã chọn dòng phân cực của Ø,,(, khoảng 10mA, dong trung binh (7 2a ) 6074, từ đó có thể tìm được độ

avg

lớn đỉnh đòng AC qua Qs: J, =Jeg, tally Joe “Tụ ~180mA

Công suất trung bình tiêu tán trên Transistor 2„Ó;:

P= Pye 4 Voc(Ip,) ~ SR, sty, (1;,)„„=2.1W

Vee, COLLECTOR-EMITTER VOLTAGE , (VOLTS)

Active Region Safe Operating Area 0 Z2 mm 715D 10 1258 180

T, - Case Temperature - °C B.\ Tang tién khuéch dai va ting héitiép: ; -

Qua sơ đô mạch, ta nhận thây rắng có đên 4 mỗi nôi BE cân được bù nhiệt, bởi vậy, ta chọn 4 Diode đề thực hiện nhiệm vụ nảy, nhiệm vụ khác của 4 diode là còn phan cure DC cho cap Transistor Q4, Q5 sao cho 2 Transistor này làm việc ở lớp AB, tránh méo tín hiệu khuêch đại ở ngõ ra loa

Như tính ở trén, (V%;,,), =Vace + (Va,.), = 0-97 > Vag =0.9+0.7 =1.6V V4 =3,27

4 Diode nay ở chế độ AC sẽ chịu thêm dòng đo Transistor Q3 đưa vào, ta sẽ chọn Diode này dựa trên các

Như tính toán, áp Ƒ„ =0.9+0.7 = 1.61” giả sử phân cực tốt, Vs=35V, suy ra VA=36.6V

Ta nhận thay rằng các trở R13, R12 có nhiệm vụ tạo dòng phân cực cho các Transistor Ó,,Ó,,Ó;,Ó,,Ó¿, trong

đó dong Zep, UT, =,,, dong nay không được quá lớn vì sẽ tiêu tán công suất vô ích trên các trở R12,R13, ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch, nhưng nếu chúng quá nhỏ cũng sẽ gây ảnh hưởng đến điểm làm việc của Transistor Q3(gây méo dạng tín hiệu) - ¬ - Khi dong Jeo, Q Th = Tạ, =2mA, ta sẽ tính được các giá trị j3, +, =17#O, đê VẠ;=33.4V(cân băng tâng đây kéo) ta sẽ tính được trở Rị¡=72(sao cho áp rơi trên Vẹp của Qạ gần bằng Vcc/2)

Ta thây giá trị của trở Ro ảnh hưởng lớn dén dong phan cuc tinh cua Transistor Q2, ap roi trén Ro:

(Fs) ye = Vow +¥q, =0,7 +3mx47 = 0.847

Phải chọn giá trị 7, cọ, Sao cho điểm phân cực tĩnh của Transistor Q7 hoạt động không gây méo dạng tín hiệu khi nhận tín hiệu từ chân colector của Transistor Q1,(áp xấp xi 1V) bởi vậy, sụt áp trên trở hỏi tiếp Rr phải sao cho ápVcr của Q; đạt được >2V(có thê chọn điểm làm việc tinh tai Vcgg=1.2V) Giả sử áp rơi trên Vcg của Q2 khoảng 2.4V Dong Ico, phải ở giá trị nhỏ nhất có thể mà không gây méo tín hiệu, bằng trình mô phỏng, giá trị đòng ic, rất nhỏ (khoảng 0.1+0.2mA)Ta chon gia tri dong tĩnh làm việc 7, cọ, =0.25mA, từ đó ta tính được giá trị trở

Rạn V2.) 5 0,84

Teo, 0,25m

Q2 khoang 2.4V, dong J¢9,=0.25mA, dé dang suy ra dién tré Feedback Rp=133kQ

Ap rơi trên Vc: của Q2 khoảng 2.4V, trong khi đòng khoảng 0.25mA, nên công suất tiêu tán trên Q2 rất bé, không đáng kẻ

= 3,364Q—>chon tro R, =3,30 Ap DC tai diém B phải xấp xi 35V, áp DC tại chân E của

MAXIMUM RATINGS (Ta = 25°C) Ta chọn Q2 là Transistor 25A 1015(Hitachi)

CHARACTERISTIC SYMBOL | RATING |UNIr| SỐ các thông số đáng chú ý như bảng bên -

than 7 = 7 O Transistor Q3, ap DC trung binh dat trén CE

Emitter-Base Voltage VERO = v sẽ chọn Transistor Q3 theo các thông số

Base Current Ip —50 mA Vero =Veag 2 TW

Storage Temperature Range Tatg | -55~125 4 Chon Q3 la Q2SD1001(NEC corp.) cd cac

2SA1015 thông sô đáng chú ý sau:

Bùi Trung Hiếu Trang 6 27/01/2005

OC Current Gain hee1 ~ 90 200 400 Vcg~1.0 V, Ic=50 mA ene

DC Current Gain hre2 30 80 Vcg=2.0 V, Ic=300 MA -

Base Saturation Voltage VBE (sat) 0.86 1.2 v I¢=300 mA, Ig=30 MA =

Nhận xét thấy các trở R5, R6,R8 chỉ có tác dụng đối với dòng DC, về AC coi như

chúng nối đất Ta chọn các trở này sao cho ƑZ [] Ƒ;,—Ÿ„; = 2,4 0,751 1,65 - (ta

sẽ chọn các trở này sau vì nó còn bị ảnh hưởng bởi tầng nhận tín hiệu vào) C./ Tầng nhân tín hiệu vào: (có thể coi như tầng đêm):

Đặc tính của tầng này cơi như một tâng ngăn cách tín hiệu vào với tầng trước nó, với trở kháng vào khoảng 40kO, mắc mạch như hình bên, ta sẽ chọn Q1 có độ lợi dòng DC tương đối lớn để tăng trở kháng vào của mạch, các trở emitter Ra; và Rap được mắc như thế vừa để ốn định phân cực DC, vừa để giảm độ lợi áp va ting Zin của mạch

Ta sẽ cho tín hiệu áp ra ở collector khoảng 0.75+0.8V AC(pp) đề đâm bảo hệ số

hồi tiếp của mạch

Tâng này làm việc ở chế độ lớp A, ta phân cực sao cho dòng qua Transistor là cực tiểu có thể dé giảm công suất tiêu tán vô ích trên mach, bởi vậy, ta sẽ cho chúng làm việc ở dòng phân cực khoảng 3mA, Veso>2V(chọn áp này bằng 3V) Transistor làm việc ở chế độ maxswing, nên áp Dz kháng 6-8V, ta sẽ chọn Dz=7.5V, điểm phân cực tĩnh: Q(3V,3mA) Từ đó, dé dàng tìm ra Rbl khoảng 120kO, Rb2 khoảng 82kO (hai trở này cần có giá trị lớn để tăng trở kháng vào, đồng thời cần chon theo ty 1é dé

áp tại chân bazơ của Q1 khoảng 2.4V) Đồng thời giá trị các trở Colector và Emitter tương ứng để làm việc maxswing là: R1=6800, R3a=2700, R3b=3300

Ta chọn Q1 là Q2SD1010 có độ lợi dòng DC tại Ic=3mA khoảng 800+1000 „

Việc còn lại chỉ là chọn các trở phân áp sao cho Vpa=1.65V, Vz=7.5V, có thê tính được R4=1000, R8=22kO, R6=47kO, R5=220kO, R7=5600

Iz - V¿ Ta chọn các Diode bù nhiệt phân cực là loại

D1N4544 (40mW,75V-Silicon expitaxial Diode MCC)

Dùng sơ đồ tín hiệu nhỏ của mạch trên, với các

độ lợi dòng hẹp ứng với giá trị dòng đỉnh(biên độ) Sơ đô:

Input Signal = R> L L hfe3Ib3

5 ray x ộ sR SR Via Ộ híe2lb2 sŠ R9 Ộ

hy, =15kQ, h,, =22k, h =10 VR1=0, Ta tinh duge độ lợi áp khi không có

A,="£| 0 380,53, hé sd hdi tiép ap: T = BA, = 0 -9,05, suy ra 4p ra dinh la:

D./Khao sát các tụ điện và bằng thông của mạch

Tụ C, phải có giá trị lớn đề tích điện tôt, do tâng sô cắt thâp là 100Hz nên chọn giá trị: C=330F,80V

1

ŒC2)= ———————— 2Z(R, + R,)C, )

Tụ liên lạc C¡; nối tín hiệu điện áp và tầng nhận tín hiệu vào, để không gây méo dạng tín hiệu, ta chọn Ci, c6 gia

0 37,9, =v,,Ay = 0.75x 41.5 = 28,5Ứ (Dùng các sơ đỗ tín hiệu nhỏ để tính nên có sai số

trị sao cho: C,,0 ——=———- 0.04 —> C,, = 4,7/,15V

2zZƒ/,Z„ 2z x100x40

Tụ liên lạc C2 nỗi tầng nhận tín hiệu vào và tầng lái: ta cũng chọn có giá trị sao cho:

œ1 — ——_.".= rnẽnsn Wf LZ FR, 2zx100x720 10V

Tụ C§ có tác dụng ngăn DC, nỗi với trở chỉnh biên độ sóng ra đối xứng (R13), ta chọn € =47/i,10V

Tụ C7 có tác dụng ngăn DC, ở AC, nó phải có giá trị sao cho khi hoạt động trong dai thông từ 100Hz đến 15kHz độ lợi không giảm quá 3đB, nghĩa là :

CL và trở R18 nhằm tác : dụng tránh hiện tượng này, trở R18=RL=8A, còn CL phải chọn sao cho có giá trị gần bằng

tự cảm của cuộn dây quần loa, theo kinh nghiệm, thường lấy giá trị tụ khoảng 0 lự

Các tụ Bybass chọn loại 10F,10V

Các tụ C.¡ và C;acó tác dụng tránh tự kích, ta chọn các giá trị tụ này gần bằng tụ Cj, của chúng, bởi vậy, chọn C.¡=10pF,Cca=10pF,tụ C¿s ngoài tác dụng tránh tự kích còn có tác dụng quyết định tần số cắt cao của mạch(do các trở Req nhìn từ chân Colector của các Transistor Q1,Q2 có giá trị nhỏ, đồng thời do có rụ; lớn nên gid tri tu Miller của nó không đáng kể)

Dùng sơ đỗ tín hiệu nhỏ như trên, ta tính được Z¡„ của mạch nhìn từ cực Collector của Q3 khoảng 1.7kO Với

175

m= 1? _ sey f, = | =1SkHz=>C,,=7n ,maC, =(Cs +C,sX1+g,,R,) 2 Cs =70P

%, 3k 2ZR Cụ

Ta có mạch sau khi đã khảo sát các thông số như sau:

Bùi Trung Hiếu Trang 9 27/01/2005

Bui Trung Hiéu Trang 10 27/01/2005

Từ mạch đã có, ta sẽ dùng chương trình mô phỏng để kiểm tra các kết quả và tính toán xem đã thoả mãn các yêu cầu khác như công suất, độ méo đạng c

hiệu ra hay chưa?

Trước hệt kiêm tra lại chê độ DC xem thử có đúng như thiệt kê hay không?

22 Seay 70.00 Ung

R12 11.2k ES)

2.024mA C8 R12 a 1u 58k ea

RF Qe bed 29 S5mA Q2SA1015 | TIP29B

⁄ mn 133k mm BD243C 470u 471 1.671mA em 29.77mA! cc2 WZ D2 R14 R16

za EMS R10 DIN4544 100 ot ray 10p 3.3k

> ao WZ D3 R17 783.8mV cc3 R19 th - R18

PHUN JMEW 28.97mARNIN- 7P by ! 1 93emA n

8.393uA

5 237.5uA| DIN4544 In Em c4 R9 -2 015mA

aL _ nt TIP30B oe 47k 10u 3.3k Piper O.1u

Kiểm tra chế độ AC của tầng nhận tín hiệu vào:

lớn nhât) vì thê sẽ phải kiêm tra lại điêu kiện hệ sô méo phi tuyên có thoản mãn hay không(ở tâng ra)

Bùi Trung Hiếu Trang 13 27/01/2005

Khao sat ché d@ AC ctia ting hoi tigp: (02)

Khao sit ché dé AC cha ting khuéch dai công suất (tầng đây kéo):

Ta có thé thay ket qua phân tích pho cna Ic xuat hiện các hải đáng kê, do tín hiệu này có dạng chỉnh lưu bản kì Khi phân tích phô cho áp ra trên tải, ta sẽ tính được độ méo dạng theo công thức:

Dựa vào bảng ở hình phân tích hệ số hài của tín hiệu áp ra, ta lập lại như sau (đơn vị mặc dinh la mV)

| AI@Ø) | As@mV) | AsmV)| Ái | Ác | A2 | Ai | Ás | Á¿ | Ao | An | Ao | Aa | An | An |

| 32.737 | 260.430 | 465.176 | 56.374 | 97.696 | 12.059| 15 [15.74] 26 | 15.5 | 77 | 13 |15.5 | 10 | 58 | ) V4 +4,4 4+A4 a

> v(% 7 x100% 21,9% so voi yéu cau thiết kế (1%) thì không thoả mãn, tuy nhiên với các tần

số khác tân số trung tâm(798Hz), độ méo dạng tín hiệu sẽ xắp xi 1% Ví dụ khi tần số là SKHz Chỉ có hài rất bé ở

tân sô 10kHz va 15 kHz, con các hải ở tân sô lớn hơn hâu như là bằng 0

Ta sẽ kiêm tra lại một sô trường hợp ở sau

Bùi Trung Hiếu Trang 14 27/01/2005

1.0A | Phan tich Fourier de tim cac hai hoa tan

(5 O000K,97 696m) (12 000K, 13.28 1m)

q

(6.0000K, 12 059m} (13 000K, 15 497m) (7.0000K, 15.008m) (14.000K,9 644m) 100nV~

(8 DDD0K, 15 742m) (15.000, 5.83 58m)

10mV-

0.03KHz 2.00KHz 4.00KHz 6.00KHz 8.00KHz 10.00KHz 12.00KHz 14.00KHz VIRL:1) Tan số

Bui Trung Hiéu Trang 16 27/01/2005

Kiểm tra đáp ứng băng thông của mạch:

Cho tín hiệu áp vào có

100V:

biên đệ 0,75V, tân sô thay

đối từ 10Hz đến 100KHz, ta

có đáp ứng tần số của tín hiệu ra:

Bài toán đã thiết kế được

thoả mãn các yêu cầu của đề bài, tần số cắt cao và thấp đúng như yêu cầu của thiết

Kiém tra higu suat cia mach citing nhw céng suất của mạch:

Ta kiểm tra công suất và hiệu suất của mạch ở các tân số cắt và tần số trung tâm:

Trước tiên, tại tần số cắt thấp: (100Hz)

Os 015 025 095 0.45 055 065 075 0095 095305 “tol, obs obs ous Obs 061 01 00x

Tại tân số cắt cao: (15kHz)

Biéu diễn công suắt tín hiệu ra phân bồ theo thời gian 7 a : Ồ

Công suất của nguôn DC cung cấp cho mạch

Hiệu suất của mạch: //(%) = P —~x100% = 34, tông x100% =51,3%

Tại tần số trung tam(1kHz)

Nếu mạch lắp ngoài thực tế, đã phân cực tốt nhưng chưa ra được đôi xứng, có thể chỉnh giá trị tụ C8, tụ C8 sẽ hồi tiếp tín hiệu về ở chế độ AC, và chỉnh biên độ 2 đỉnh được đôi xứng hơn

Hiệu suit của mạch: