Bài 5 : Mạch Khuếch Đại Công Suất BÀI 5 : MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Giúp sinh viên bằng thực nghiệm khảo sát các vấn đề chính sau đây : - Mạch khuếch đại lớp A - Mạch khuếch đại công suất dùng IC TDA2003 - Đặc tính của mạch KĐCS OCL THIẾT BỊ SỬ DỤNG 1. Bộ thí nghiệm ATS-11 và Module thí nghiệm AM 2. Dao động ký, đồng hồ DVM (VOM) và dây nối. PHẦN I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phần này nhằm tóm lược những vấn đề lý thuyết thật cần thiết phục vụ cho bài thí nghiệm và các câu hỏi chuẩn bị để sinh viên phải đọc kỹ và trả lời trước ở nhà. I.1. TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT Một hệ thống khuếch đại thường bao gồm: nguồn tín hiệu, bộ tiền khuếch đại (khuếch đại tín hiệu nhỏ), khuếch đại công suất và thiết bị đầu ra. Yêu cầu đầu tiên đối với tiền khuếch đại là có độ lợi cao và tuyến tính do nguồn tín hiệu thường có biên độ và dòng nhỏ. Công suất ở đầu ra lại lớn, nên phần tiền khuếch đại phải đả m bảo cung cấp cho tầng công suất một tín hiệu có biên độ lớn. Tầng công suất phải hoạt động hiệu quả và có khả năng cho công suất lớn từ vài W đến vài trăm W. Hiệu suất của mạch KĐCS : %100 )( )(0 x P P DCi AC = η Load line Class A Class B Class AB V CE I C H ình 5-1: Điểm hoạt động của các lớp khuếch đại Bài 5 : Mạch Khuếch Đại Công Suất C PP C RMS CRMSCACO R V R V RIP 8 2 )( 2 )( 2 )()( − === I.2. CÁC LOẠI MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT 1. Mạch Khuếch Đại Lớp A: Xem hình 5-2 là một tầng khuếch đại công suất, với các điện trở R1, R2 và Re sẽ được tính toán sao cho BJT hoạt động ở chế độ lớp A. Nghĩa là phân cực chọn điểm Q nằm gần giữa đường tải (Hình 5-3). Và để có tín hiệu xoay chiều khuếch đại tốt ở cực thu hạng A, ta có: V CE(Q) ≅ V CC /2. Công suất cung cấp: P i (DC) = V CC . I C (Q) Công suất trên tải Rc của dòng xoay chiều: Lớp A tiêu hao tốn nhiều công suất, nhất là ở mức tín hiệu rất thấp. Một lý do làm cho khuếch đại lớp A mất công suất nhiều là do nguồn DC bị tiêu tán trên tải. 2. Mạch khuếch đại công suất dùng IC TDA2003: Hiện nay, để thiết kế mạch khuếch đại công suất suất nhỏ (vài WATT đến vài chục WATT) người ta thường sử dụng linh kiện tích hợp (IC). Mạch khuếch đại công suất dùng IC có hiệu suất làm việc cao, mạch đơn giản và dễ thiết kế. Một số thông số kỹ thuật của TDA2003: - Dải tần làm việc: 40Hz – 15Khz - Điện áp cung cấp 8 – 18VDC - Điện trở tải (loa) 4 (công suất ra sẽ thay đổi nếu điện trở tải thay đổi) - Công suất ra tại 1Khz: ~6W tại mức điện áp cung cấp 14,4V - Hiệu suất 69% Hình 5-3 : + VCC R1 NPN Re R2 Rc C1 + H ình 5-2: M ạ ch khuếch đ ạ i l ớ p A v ớ i t ả i Rc Bài 5 : Mạch Khuếch Đại Công Suất Hình dạng và sơ đồ chân IC: Chân số Chức năng 1 Input 2 Negative feedback 3 GND 4 Output 5 VCC Mạch tiêu biểu: Trong đó: Rx và Cx được xác định: 2 1 20. 1 2. . x x RR C B wR = = Π ; Bw: độ rộng băng tần, chọn là 20Khz 3. Mạch khuếch đại công push-pull lớp AB: Dạng mạch: Dùng transistor kết hợp với R1, R2 để tạo điện áp phận cực ổn định cho BE các công suất kéo đẩy. Chân 1 T2 +Vcc R1 R OUT T1 T3 T5 R T4 - Vcc R R2 R Bài 5 : Mạch Khuếch Đại Công Suất Mạch được cấp nguồn đối xứng +Vcc , 0 , -Vcc, nên điện thế điểm giữa bằng 0V nên được phép nối loa trực tiếp vào mạch không qua tụ do đó mạch còn được gọi là OCL Công suất ngõ ra là: L OUT R Vcc P 2 2 = Thực tế tín hiệu vào không đưa trực tiếp vào tầng Q 5 mà thông qua mạch khuếch đại vi sai để nâng tổng trở vào và giảm nhiễu. Xem mạch tham khảo: OUTPUT 1 2 R3 15K - + U1 LM741 3 2 6 7 1 4 5 R9 50 Q3 2955 D2 4148 C3 47uF C2 47uF Q1 3053 R7 2K C4 100uF R1 5 R8 2K R10 50 R14 5,1K R4 50 R12 1K C5 4,7uF D1 4148 INPUT 1 2 D4 15V R13 1K D3 15V +30VDC VR1 R5 50 C1 50P R2 15K Q4 3055 Q2 4037 R11 50K -30VDC Tầng vi sai ngõ vào cũng có thể thiết kế dùng transistor như sơ đồ trong mạch thí nghiệm ở phần II. Mạch OCL dùng transistor có thể đạt công suất vài chục WATT đến vài trăm WATT. Bài 5 : Mạch Khuếch Đại Công Suất C PP C RMS CRMSCACO R V R V RIP 8 2 )( 2 )( 2 )()( − === PHẦN II : TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM Sau khi đã hiểu kỹ những vấn đề lý thuyết được nhắc lại và nhấn mạnh ở PHẦN I, phần này bao gồm trình tự các bước phải tiến hành tại phòng thí nghiệm. II.1. KHẢO SÁT MẠCH KHUẾCH ĐẠI LỚP A (Mạch A5-1) I.1.1 Sơ đồ nối dây : (Hình 5-1) ♦ Cấp nguồn +12V của nguồn DC POWER SUPPLY cho mạch A5-1 II.1.2 Các bước thí nghiệm : 1. Chỉnh biến trở P1 sao cho V CE = V CC /2 = 6V; xác định công suất cung cấp: P i (DC) = V CC . I C (Q) 2. Cấp tín hiệu từ máy phát tín hiệu (function generator) để đưa đến ngõ vào IN của mạch và chỉnh máy phát để có : Sóng : Sin, f = 1Khz., V IN (pp) = 30mV . - Xác định hệ số khuếch đại áp và suất trên tải Rc của dòng xoay chiều: - Tính hiệu suất của mạch khuếch đại 3. Thay đổi điểm tĩnh làm việc: - Chỉnh biến trở P1 sao cho V CE = 3V; tăng dần biên độ đỉnh – đỉnh của tín hiệu vào đến khi tín hiệu ra bắt đầu biến dạng. Có nhận xét gì về tính hiệu ra, giải thích? - Chỉnh biến trở P1 sao cho V CE = 9V; tăng dần biên độ đỉnh – đỉnh của tín hiệu vào đến khi tín hiệu ra bắt đầu biến dạng. Có nhận xét gì về tính hiệu ra, giải thích? II.2. MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT OCL (Mạch A5-2) II.2.1 Sơ đồ nối dây : ( Hình 5-2) ♦ Cấp nguồn ± 12V cho mạch. Hình 5-1: Mạch khuếch đại lớp A %100 )( )(0 x P P DCi AC = η Bài 5 : Mạch Khuếch Đại Công Suất II.2.2 Các bước thí nghiệm: 1. Chỉnh biến trở P1 sao cho Vout ≈ 0V (DC). 2. Chỉnh P3 sao cho V AB =1,4V. - Đo V AC = …………. và V BC = = …………. So sánh, nhận xét? - Đo V BE (Q6) = …………. , V BE (Q8) = …………. Cho biết trạng thái hoạt động của Q6 và Q8? 3. Chỉnh P3 max (V AB ~2,6V). Tương tự bước 2 đo: - Đo V AC = …………. và V BC = = …………. So sánh, nhận xét? - Đo V BE (Q6) = …………. , V BE (Q8) = …………. Cho biết trạng thái hoạt động của Q6 và Q8? 4. Dùng tín hiệu AC từ máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATION để đưa đến ngõ vào IN của mạch và chỉnh máy phát để có : Sóng Sin, f = 1Khz., V IN (pp) = 30mV. 5. Chỉnh P3 từ min đến max để quan sát dạng sóng ra. Nhận xét ? 6. Chỉnh P3 để dạng sóng ra đẹp nhất. Đo các giá trị V IN , V OUT , tính A v . Đo độ lệch pha ΔΦ giữa tín hiệu ngõ vào V IN và tín hiệu ngõ ra V OUT ghi kết qủa vào bảng A5-3 Bảng A5-3 Thông số cần đo Trị số điện áp vào V IN (p-p) = 30 mV Biên độ V OUT (p - p) Độ lợi điện áp A v = p)-IN(p p)-OUT(p V V Độ lệch pha ΔΦ 7. Quan sát trên dao động ký và vẽ trên cùng một hệ trục tọa độ dạng tín hiệu điện áp ngõ vào (V IN ) và tín hiệu điện áp ngõ ra (V OUT ) Mạch 5-2 : Khuếch đại công suất dùng BJT Bài 5 : Mạch Khuếch Đại Công Suất 8. Chỉnh biến trở P1, quan sát sự thay đổi của biên độ tín hiệu ra, giải thích? 9. Chỉnh biến trở P2, quan sát sự thay đổi của biên độ tín hiệu ra, giải thích? 10. Dùng dao động ký đo và vẽ tín hiệu điện áp tại cực E của 2 transistor T6 , T7 trên cùng đồ thị. Nhận xét quan hệ về pha giữa chúng. 11. Dùng lý thuyết đã học xác định hệ số khuếch đại áp (Av) toàn mạch. Nhận xét gì về Av thí nghiệm với Lý thuyết? Bài 5 : Mạch Khuếch Đại Công Suất 12. Cho biết chức năng của các Transistor T3 trong mạch? 13. Đưa tín hiệu ra loa, ngắn mạch J4, cho biết vai trò của C4 và R12 ? II.3. MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT DÙNG TDA2003(Mạch A5-3) II.3.1 Sơ đồ nối dây : ( Hình 5-3) ♦ Cấp nguồn +12V cho mạch. II.3.2 Các bước thí nghiệm: 1. Cấp tín hiệu AC từ máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATION vào IN của mạch và chỉnh máy phát để có : Sóng Sin, f = 1Khz., V IN (pp) = 30mV. 2. Đo các giá trị V IN , V OUT , tính A v . Đo độ lệch pha ΔΦ giữa tín hiệu ngõ vào V IN và tín hiệu ngõ ra V OUT ghi kết qủa vào bảng A5-3 Bảng A5-3 II.3.3 Trả lời câu hỏi: 1. Cho biết chức năng của C5 và R21? 2. Cho biết chức năng của nhóm R1, R2, C2 và R3, C3? 3. Tính hiệu ra sẽ thay đổi thế nào nếu tăng R2? Thông số cần đo Trị số điện áp vào V IN (p-p) = 30 mV Biên độ V OUT (p - p) Độ lợi điện áp A v = p)-IN(p p)-OUT(p V V Độ lệch pha ΔΦ Hình 5-3: Mạch khuếch đại công suất dùng IC TDA 2003 . LM741 3 2 6 7 1 4 5 R9 50 Q3 2 955 D2 4148 C3 47uF C2 47uF Q1 3 053 R7 2K C4 100uF R1 5 R8 2K R10 50 R14 5, 1K R4 50 R12 1K C5 4,7uF D1 4148 INPUT 1 2 D4 15V R13 1K D3 15V +30VDC VR1 R5 50 C1 50 P R2 15K Q4 3 055 Q2 4037 R11 50 K -3 0VDC Tầng vi sai ngõ vào. V OUT ghi kết qủa vào bảng A 5- 3 Bảng A 5- 3 Thông số cần đo Trị số điện áp vào V IN (p-p) = 30 mV Biên độ V OUT (p - p) Độ lợi điện áp A v = p)-IN(p p)-OUT(p V V Độ lệch pha ΔΦ. TDA2003: - Dải tần làm việc: 40Hz – 15Khz - Điện áp cung cấp 8 – 18VDC - Điện trở tải (loa) 4 (công suất ra sẽ thay đổi nếu điện trở tải thay đổi) - Công suất ra tại 1Khz: ~6W tại mức điện