đồ án ký thuật điện điện tử Thiết kế mô phỏng bộ khuếch đại công suất (KĐCS ) tần số thấp với các chỉ tiêu kỹ thuật

Tín hiệu ra của tầng KĐCS có thể lấy trực tiếp ngay trên tải mắc trực tiếp với đầu ra của mạch KĐCS... Sơ đồ nguyên lý khâu KĐCS .Mạch KĐCS được mắc theo sơ đồ đẩy kéo nối tiếp dùng Tran

BÀI TẬP LỚN

Môn Điện Tử cho Công Nghệ Thông Tin

Đề bài :

Thiết kế mô phỏng bộ khuếch đại công suất (KĐCS ) tần số thấp với các chỉ tiêu kỹ thuật :

- Công suất cực đại trên tải 10Ω : Ptmax=50W

- Giải thông tần của tín hiệu cần khuếch đại: 20Hz÷20.000Hz

- Nguồn tín hiệu vào có : Ev=0.1V, Ri=1kΩ

- Hệ số méo phi tuyến γ nhỏ (<1%),hệ số méo tần số tại tần số 20Hz M(20Hz)≤ √2 =1.4

- Các chỉ tiêu khác tuỳ chọn

Thiết kế :

Bước 1 : Phân tích và lựa chọn phương án :

Do yêu cầu thiết kế ,mạch có công suất lớn nên trong mạch phải

có một tầng khuếch đại công suất

Với dải thông tần rộng từ 20÷20000Hz và hệ số méo phi tuyến γ

nhá (<1%) ta nên dùng mạch KĐCS đẩy kéo nối tiếp ,dùng nguồn cấp đối xứng ; nhưng khi đó hệ số khuếch đạisẽ không cao vì trong mạch

có sử dụng hồi tiếp âm ,vì thế để đạt được công suất lớn thì cần phải có thêm khâu khuếch đại điện áp (KĐĐA) trước khi cho vào mạch KĐCS

Bước 2 : Xây dựng mô hình :

Vì tầng KĐCS ta sử dụng mạch KĐCS đẩy kéo nối tiếp nên trong mạch có Ýt nhất 1 Tranzitor mắc theo sơ đồ lặp Emitơ ,do đó mạch này

có hệ số KĐ điện áp Ku ≈ 1 Tín hiệu vào có biên độ nhỏ ( 0.1V ) ,vì vậy để đạt được công suất ra lớn thì trước khi cho qua mạch KĐCS ta cần phải KĐ biên độ tín hiệu (tức KĐ điện áp bằng mạch KĐĐA

Tín hiệu ra của khâu này sẽ tiếp tục được đưa vào khâu KĐCS ở khâu KĐCS , mạch KĐCS đẩy kéo làm việc ở chế độ AB và B nên méo tín hiệu và trôi rất lớn ,vì vậy để nâng cao biên độ ,đồng thời hạn chế độ trôi ở mức thấp ta dùng mạch KĐ vi sai ,mục đích để tạo ra 2 đầu vào ,1 đầu tín hiệu vào ,đầu vào còn lại được lấy hồi tiếp âm từ đầu

ra của tầng KĐCS ,với cách khắc phục này ta có thể giảm được méo rất nhiều khi mạch KĐCS làm việc ở chế độ AB và B

Tín hiệu ra của tầng KĐCS có thể lấy trực tiếp ngay trên tải mắc trực tiếp với đầu ra của mạch KĐCS

Tóm lại ,mô hình của tầng KĐCS tần số thấp thoả mãn những chỉ tiêu trên bao gồm 2 khâu cơ bản như sau :

Bước 3 : Chọn sơ đồ :

Ta xây dựng mạch có công suất Ptmax=50 W ,Rt=10Ω ,khi đó ta

có :

Ptmax=U2

r/Rt nên Ur= 22.36 V

Ir = Ur/Rt =22,36/10=2.236 A

Urmax = 1.4.Ur= 31.62 V

KU = Ur/Uv =316.2

Ta chọn khâu KĐĐA có Ku1=20 và khâu KĐCS có Ku2=15.81

Để giảm méo, ta chọn tầng KĐĐA bằng vi mạch thuật toán ( có Kumax = 1000) để khuếch đạivới Ku1thực tế là 20 Lúc đó Ur1=0.1x20=2V ;tầng này có hệ số méo γ1=0 và hệ số méo tần số M1(20Hz) < 1.4

Tầng KĐCS đại được chọn có γ2<1% là tầng KĐCS đại có chất lượng cao, do đó ta chọn mạch KĐCS đại theo kiểu đẩy kéo nối tiếp nguồn đối xứng Có Uv2=Ur1=2V,hệ số méo tần số M2(20Hz)=1

Để dải thông tần rộng, và méo M(20Hz) nhá, ta cần ghép tầng với càng Ýt tụ càng tốt

Bước 4 : Phân tích , thiết kế và tính toán :

I Khâu KĐCS :

1.Phân tích :

Ta chọn khâu KĐCS gồm một tầng khuếch đại vi sai và một tầng Khuếch đại đẩy kéo mắc theo sơ đồ Darlinton có bù nhiệt bằng Diode

Sơ đồ nguyên lý như sau :

Sơ đồ nguyên lý khâu KĐCS

Mạch KĐCS được mắc theo sơ đồ đẩy kéo nối tiếp dùng Tranzitor bù (T khác loại) ,điện áp đầu vào được lấy từ đầu ra của tầng kích thích Q5 ,các Tranzitor Q1,Q2,Q3,Q4 được kích thích bởi Tranzitor Q10

Các Tranzitor Q1,Q2 và Q3,Q4 được mắc thành các Tranzitor Darlinton để tăng trở kháng vào của mạch khuếch đại Tổ hợp Q3,Q4 tạo thành mạch Darlington bù ,làm việc như một Tranzitor pnp

Các Diode D1,D2,D3 được dùng để bù điện áp UBE của Q1 ,Q2 và Q3Q4 đồng thời cũng có tác dụng bù nhiệt

Các điện trở R3,R4 dùng để phân cực cho các Tranzitor Q2,Q4 làm việc ở chế độ AB và Q1 , Q3 làm việc ở chế độ B Khi đó để chống méo quá độ ,dòng Io phải được chọn trong khoảng (5÷20)mA ; Các điện trở R1,R2 là các điện trở bảo vệ quá dòng ,nhưng các điện trở này làm giảm thiểu công suất ,vì vậy chúng phải được chọn để công suất giảm không quá 5% ,do đó phải chọn R1=R2≤0.05Rt=0.05x10=0.5(Ω)

Các điện trở R12,R13 là các điện trở phân áp để lấy một phần điện áp ra hồi tiếp về tầng KĐ vi sai

Tầng KĐ vi sai được mắc theo sơ đồ có gương dòng điện, Q7 được mắc thành diode thực hiện chức năng tải động của tầng , nhờ vậy

ta có hệ số KĐ vi sai Kvs lớn hơn

Q11 được mắc để tạo ra dòng ổn định cung cấp dòng IE cho tầng

KĐ vi sai làm việc Tín hiệu ra ở tầng KĐ vi sai được lấy trên colector của Q9 ,và được kích thích qua Q5 trước khi đưa vào tầng KĐCS cuối cùng

Các Tranzitor Q10 và Q11 được mắc theo sơ đồ Emitơ chung và được phân cực bằng dòng cố định nhờ diode Zener Dz Dz được chọn

có trị số càng nhỏ càng tốt ,trong khoảng (2÷5)V

2 Tính toán chi tiết :

a Nguồn cung cấp :

Ecc được chọn sao cho Uramax=(0.4÷0.8)Ecc

Biên độ dòng ra cực đại là: Irmax = Urmax /Rt = 31.62/10 =3.162(A)

b Chọn Tranzitor.

Q1, Q3 là 2 Tranzitor liên hợp Yêu cầu: Ucmax >2Ecc

Icmax >Ir max

Kết hợp điều kiện trên, ta chọn Ic max=6A

Ucmax=150V

β1=β3=20 fgh=1000KHz

Q2,Q4 là hai tranzitor liên hợp Ta có Icmax ( Q2,Q4 )= Irmax /β1 = 3.162/20 = 0.1581 (A)

Vậy Q2, Q4 được chọn với các thông số như sau: Ucmax=150V

β2=β4=100

Q5 chọn sao cho Icmax>Icmax(Q2)/ β2=0.5(A)/100=5 mA Vậy chọn Q5 có Icmax=10mA,β5=50

Q6÷Q11 chọn là các tranzitor nhỏ có βo=100 và Ucmax=150V Các Tranzitor có UBE=0.7V; Các Diode chọn là Diode silic có

UD=0.7V

c Tính toán các chế độ phân cực :

Để chống trôi nhiệt, chọn chế độ làm việc của Q2,Q4 là chế độ

AB có phân cực.Q1,Q3 chọn ở chế độ B không có dòng

Chọn Io=5mA

Vì Q2,Q4 là các Tranzitor liên hợp nên

UR3R4=2UBE(Q2,Q4)=2x0.7=1.4(V);

Do đó ta có Io = UR3R4/( R3+R4) nên R3+R4 = UR3R4 /Io

=1.4/5mA=140 (Ohm)

Từ Q5÷Q11 đều chọn làm việc ở chế độ A

Chọn dòng qua R8 : I1≥1.5Ira(Q5)

Ta có Ira(Q5) =

Do đó ,chọn I1= 2,5 mA

Khi đó tính được R8=( Uz-UBE(Q10))/I1 = 1.3/2.5.10-3=520 Ohm

Để xác định R7 ,ta chọn dòng qua Dz càng nhỏ càng tốt ,trong khoảng (2÷5)mA Ta chọn : IDz=2mA ,khi đó tính được :

R7=( 0-(-Ecc)-UDZ )/ IDZ =(50-2)/2mA =24KOhm

) ( 8 1 100 20

535 3 3

β β

R6,R9 được chọn trong khoảng (1÷300)Ω ,ta chọn R6=50Ω; R9=100Ω

Để tính R10,ta cần chọn dòng I2 qua Tranzitor Q11,I2 được chọn trong khoảng (1÷2)mA ,ta chọn I2=1.3 mA , khi đó ta có :

R10=(Uz-UBE(Q11) )/ I2 = (2-0.7)/1.3.10-3 =1kohm

R11 được chọn bằng tải của tầng trước để chống trôi nhiệt ,chọn càng bé càng tốt ,trong khoảng (1÷11)kΩ ,ta chọn R11=1kΩ

Xác định R12,R13 : Các Tranzitor Q1÷Q4 mắc theo sơ đồ lặp Emitơ nên

Kucs=Ku(Q1,Q2,Q3,Q4)=1

Q6,Q7 được mắc theo gương dòng điện ,tương đương một điện trở rất nhỏ nên Kuvi saităng lên đáng kể ,khoảng vài chục lần

Q5 có β5=50 do đó KuQ5 khoảng vài trăm lần

Do vậy hệ số khuếch đại điện áp của khâu KĐCS sẽ là : Ku=Kvs.Ku(Q5).Kucs>>1;

Khi có phản hồi âm điện áp từ đầu ra của tầng về tầng KĐVS qua

2 điện trở phân áp R12 và R13 ,ta có :

Ku(ph)=Ku/(1+B.Ku)=1/B=14.14 nên B=1/14.14 Mặt khác B=R13/(R12+R13) R12 được chọn trong khoảng (3.3÷10)kΩ ,ta chọn R12=10kΩ ,tính được R13=760Ω

II Khâu KĐĐA :

Đối với khâu KĐĐA ,ta dùng mạch KĐ đảo ,mắc theo sơ đồ như

sau :

Sơ đồ nguyên lý khâu KĐĐA

Nguồn vào có Uv=0.1V,tần số chọn bằng 1kHz, điện trở trong

Ri=1kΩ

Trong đó R0 được chọn sao cho R0<10kΩ ,(2.2÷5.6)kΩ Ta chọn

R0=3kΩ ,khi đó do mạch mắc theo sơ đồ khuếch đại đảo nên ta có :

Do đó để Ku=20 ,thì Rht=20x(Ri+R0)=80(kΩ);

Để hệ số méo M1(20Hz)<1.4 ,ta chọn C=1µF

Bước 5 : Mắc mạch và nhận xét kết quả :

Với các giá trị chọn và tính toán được như trên , ta có sơ đồ nguyên lý của tầng khuếch đại công suất tần số thấp và đồ thị biểu diễn kết quả dạng sóng ra so với sóng vào như sau :

Nhận xét kết quả :

0

R Ri

Rht Ku

+

=

Kết quả có thể thấy trên hình dạng sóng của máy hiện sóng OscilloScope ,tín hiệu ra và tín hiệu vào có pha ngược nhau (do qua bộ KĐĐA dùng vi mạch mắc theo sơ đồ mạch KĐ đảo ) ,biên độ ra cực đại thấy được trên OscilloScope đúng bằng 31,61V= Urmax như tính toán lý thuyết

Biên độ tín hiệu ra quan sát thấy trên Vônkế ,có số chỉ Ur=22.34 V(vì vônkế cho các giá trị hiệu dụng ,tức bằng 31,61 xấp xỉ với tính toán là 22.36V ; Dòng qua tải được cho bởi Ampekế ,có số chỉ Ir=2.236

A (đây cũng là giá trị hiệu dụng) ,cũng gần đúng với kết quả tính toán

lý thuyết là 3.549 A ,công suất thu được khi đó sẽ là Pt=Ur x Ir = 22.24x2.236 ≈49.7 (W) ,sai lệch với công suất thiết kế là 0.3W ,có thể chấp nhận được

Các giá trị của điện thế và dòng điện khác có thể đo trực tiếp trên mạch ,nhận thấy cúng khá chính xác với tính toán và chọn trong phần phân tích trên

Tuy nhiên trong thực tế ,các giá trị điện trở và các linh kiện bán

dẫn có các thông số phụ thuộc vào nhiệt độ phức tạp hơn nên trong mạch thực tế cần phải có biện pháp khắc phục để có được kết quả ổn định

Sơ đồchi tiết toàn mạch.

Sơ đồ nguyên lý toàn mạch.

Sơ đồ chi tiết mạch Khuếch đại Công suất tần số thấp

Một số chú ý :

Trong mạch có tạo một số thư viện riêng cho mạch này ,trong đó cơ bản là thay đổi điện áp UBE =0.7V của các Tranzitor (giá trị mặc định trong thư viện Default là 0.75V) cho phù hợp với kết quả tính toán ;Diode Dz cũng được thay đổi giá trị UDz=2V Trong mạch còn có thêm bộ Oscilloscope để

so sánh tín hiệu vào-ra ,nhưng do lỗi phần mềm nên không đưa hình vào văn bản được ,mong thầy thông cảm !