Thiết kế mạch khuếch đại công suất âm tần

ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng Trƣờng ĐH Bách Khoa TP HCM Khoa Điện –Điện Tử ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài: Thiết kế mạch khuếch đại công suất âm tần GVHD: Thầy ĐINH QUỐC HÙNG SVTH: PHẠM DUY THÀNH 40602230 VŨ PHƢƠNG THẢO 40602267 LỚP : DD06DV03 TP HCM ngày 20/12/2009 SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng ````LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy ĐINH QUỐC HÙNG cƣơng vị ngƣời hƣớng dẫn đề tài tận tình giúp đỡ suốt trình thực đồ án Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy cô trƣờng Đại Học Bách Khoa TP HCM tận tình dạy dỗ truyền thụ kinh nghiệm quý báu suốt thời gian qua Cuối em xin chân thành cảm ơn đóng góp ý kiến tất bạn sinh viên suốt trình thực đồ án SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng MỤC LỤC: I/ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1/ Khảo sát mạch khuếch đại công suất lớp B…………………………………… 2/ Các dạng mạch mạch công suất lớp B………………………………………6 - Mạch công suất push-pull liên lạc biến thế………………………… - Mạch công suất kiểu đối xứng- bù………………………………………….7 3/ Một số mạch khuếch đại công suất âm tần…………………………………… - Mạch OTL - Mạch OCL - Mạch BTL II/ TÍNH TOÁN: 1/ Tầng khuếch đại công suất……………………………………………………….10 2/ Tầng tiền khuếch đại…………………………………………………………… 13 3/ Tầng vi sai triệt nhiễu ngõ vào………………………………………………… 15 4/ Tính thông số tụ…………………………………………………………… 18 5/ Sơ đồ thiết kế…………………………………………………………………….20 6/ Mô phỏng……………………………………………………………………… 21 SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng Phần I: Cơ sở lý thuyết 1/ Khảo sát mạch khuếch đai công suất lớp B Trong mạch khuếch đại công suất loại B, ngƣời ta phân cực với VB =0V nên bình thƣờng transistor không dẫn điện dẫn điện có tín hiệu đủ lớn đƣa vào Do phân cực nhƣ nên transistor dẫn điện đƣợc bán kỳ tín hiệu (bán kỳ dƣơng hay âm tùy thuộc vào transistor NPN hay PNP) Do muốn nhận đƣợc chu kỳ tín hiệu ngỏ ngƣời ta phải dùng transistor, transistor dẫn điện chu kỳ tín hiệu Mạch gọi mạch công suất đẩy kéo (push-pull) Công suất cung cấp: (công suất vào) Ta có: Pi(dc) = VCC IDC Trong IDC dòng điện trung bình cung cấp cho mạch Do dòng tải có đủ bán kì nên gọi Ip dòng đỉnh qua tải , ta có: SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng Dùng nguồn đôi Dùng nguồn đơn Công suất ra: Công suất lấy tải RL đƣợc tính: Po(ac)= Tính theo điện dỉnh đỉnh : Po(ac)= Hiệu suất:  Vì VL(p)= Vcc, nên hiệu suất tối đa: Công suất tiêu tán transistor công suất: Pc= Pi(ac)- P0(ac) Vậy công suất tiêu tán TST công suất: PC1 =PC2= PC /2 Công suất tối đa Vcc= VL, : Po(ac)max= Và dòng đỉnh là: ILmax= SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng Trị tối đa dòng trung bình là: IDCmax= (2/π).ILmax= Trị tối đa công suất ngõ vào: PDCmax= Vcc IDCmax Pi(DC)max= Hiệu suất tối đa mạch khuếch đại công suất lớp B là: 2/ CÁC DẠNG MẠCH CỦA MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT LỚP B: 2.1/ Mạch công suất push-pull liên lạc biến thế: - Trong bán kỳ dƣơng tín hiệu, Q1 dẫn Dòng i1 chạy qua biến ngõ tạo cảm ứng cấp cho tải Lúc pha tín hiệu ñƣa vào Q2 âm nên Q2 ngƣng dẫn - Ðến bán kỳ kế tiếp, tín hiệu ñƣa vào Q2 có pha dƣơng nên Q2 dẫn Dòng i2 qua biến ngõ tạo cảm ứng cung cấp cho tải Trong lúc ñó pha tín hiệu ñƣa vào Q1 âm nên Q1 ngƣng dẫn i1 i2 chạy ngƣợc chiều biến ngõ nên ñiện cảm ứng bên cuộn thứ cấp tạo Q1 Q2 ngƣợc pha nhau, chúng kết hợp với tạo thành chu kỳ tín hiệu SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng Thực tế, tín hiệu ngõ lấy đƣợc tải không đƣợc trọn vẹn nhƣ mà bị biến dạng Lý bắt đầu bán kỳ, transistor không dẫn điện mà phải chờ biên độ vƣợt qua điện ngƣỡng VBE Sự biến dạng gọi biến dạng xuyên tâm (cross-over) Ðể khắc phục, ngƣời ta phân cực VB dƣơng chút (thí dụ transistor NPN) để transistor dẫn điện tốt có tín hiệu áp vào chân B Cách phân cực gọi phân cực loại AB Chú ý cách phân cực độ dẫn điện transistor công suất không đáng kể chƣa có tín hiệu Ngoài ra, hoạt động với dòng IC lớn, transistor công suất dễ bị nóng lên Khi nhiệt độ tăng, điện ngƣỡng VBE giảm (transistor dễ dẫn điện hơn) làm dòng IC lớn hơn, tƣợng chồng chất dẫn đến hƣ hỏng transistor Ðể khắc phục, việc phải giải nhiệt đầy đủ cho transistor, ngƣời ta mắc thêm điện trở nhỏ (thƣờng vài Ω) hai chân E transistor công suất xuống mass.Khi transistor chạy mạnh, nhiệt độ tăng, IC tăng tức IE làm VE tăng dẫn đến VBE giảm Kết transistor dẫn yếu trở lại 2.2/ Mạch công suất kiểu đối xứng - bù: Mạch có tín hiệu ngõ vào nên phải dùng hai transistor công suất khác loại: NPN PNP Khi tín hiệu áp vào cực hai transistor, bán kỳ dƣơng làm cho transistor NPN dẫn điện, bán kỳ âm làm cho transistor PNP dẫn điện Tín hiệu nhận đƣợc tải chu kỳ SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng Cũng giống nhƣ mạch dùng biến thế, mạch công suất không dùng biến mắc nhƣ vấp phải biến dạng cross-over phân cực chân B 0v Ðể khắc phục, ngƣời ta phân cực mồi cho chân B điện nhỏ (dƣơng transistor NPN âm transistor PNP) Ðể ổn định nhiệt, chân E đƣợc mắc thêm hai điện trở nhỏ Trong thực tế, để tăng công suất mạch, ngƣời ta thƣờng dùng cặp Darlington hay cặp Darlington_cặp hồi tiếp SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng 3/ MỘT SỐ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ÂM TẦN: Mạch khuếch đại OTL: SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng Ƣu khuyết điểm mạch OTL:  Ƣu: tiết kiệm sử dụng nguồn đơn  Khuyết: - Méo tần số thấp tụ Cc gây ( gia trị tụ ko tiến tới ) Méo phi tuyến lớn, TST ko phải lúc đối xứng, Vcc/2 Băng thông bị co hẹp ảnh hƣởng tụ Cc Mạch khuếch đại OCL: - Mạch khuếch đại OCL khắc phục đƣợc ƣu điểm mạch khuếch đại công suất OTL Mạch khuếch đại BTL: khuếch đại công suất âm tần lớn, tạo thành cách mắc cầu khuếch đại công suất âm tần lớp B: OTL hay OCL Phần II: Tính toán 1/Tầng khuếch đại công suất: Công suất ngõ 15W PLmax = Với công thức tính bỏ qua ảnh hƣởng điện trở R13 (sụt áp R13) Do có sụt áp đƣờng dây  xem hệ số sử dụng điện áp nguồn 0,9 SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo 10 ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng Chọn TST Q4 có thông số: Do chọn transistor Q2SC1815 3/ TẦNG VI SAI- TRIỆT NHIỄU NGÕ VÀO: SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo 15 ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng ICQ4= 6mA Theo datasheet Q2SC1815 ta chọn: hfe= 200 I BQ  I CQ4 h fe   nhỏ Chọn ICQ1 = ICQ2 = mA  ICQ3 = ICQ1 = 2mA Chọn Diode Zener có Vz= 3,1V VRv  Vz  VEB 3,1  0,7   1.2k I CQ3 Vì Iz>> IBQ3.Chọn Iz = mA Khi Diode Zener thỏa yêu cầu nêu : chọn D1N4684 R5 có tác dụng phân áp VCC, tạo phân cực DC cho Q3 : Chọn R5 = 1.2k => R4  VCC  I CQ3 xR5  VZ IZ  18  1,2 x7  3,1  1,3k Chọn R4=1k Với tầng vis Q1 Q2 : Chọn VECQ1=VECQ2  VCC=18V ICQ1 = ICQ2 = Ma Q3 tạo nguồn dòng có : VECQmax=Vcc=18V ICQ3= 2mA Chọn Q1,Q2,Q3 Q2SA1015 , có thông số theo datasheet : SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo 16 ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng Theo đặc tuyến datasheet,ICQ1= ICQ2=1 mA,chọn hfe=200 hie1  hie  Ta có mx25 xh fe I CQ  1,4 x25 x 200  7k VR2=VBE4+ICQ4 x R10= ICQ1 x R2  0,6 + 6x270 = x R2  R2 = 2.22k Chọn R2=2.2k Để mạch vi sai triệt nhiễu tốt,ta phân cực cho Q1 Q2 giống : ICQ1= ICQ2 VCEQ1= VCEQ2 Ta chọn R2= R3=2.2k Độ lợi yêu cầu : Af = 150÷300 (với Vi=100mV) Mà Av  R6  150 R7 Chọn R6=R7=220k (cân DC cho Q1 Q2) SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo 17 ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng hie1  hie2  T mx25 xh fe1 I CQ1  1,4 x 25 x 200  7k hie  mx25 xh fe1 AV  v L v L ib ib1 R2  x x  ( R8  R9 ) xh fe1 x xh fe x  4658 vi ib ib1 vi R2  hie hie1  hie  R6 // R7 I CQ4  1,4 x 25 x 200  1.2k v L v L ib ib1 R2 1  x x  ( R8  R9 ) xh fe1 x xh fe x x v f ib ib1 v f R2  hie hie1  hie  R6  R1 R7  R6 //( R1  hie1  hie ) =-21 Avf  Av  220 1T Z in  R1 //( hie1  hie  R6 // R7 )  15k Z if  Z in x(1  T )  330k 4/ TÍNH THÔNG SỐ CÁC TỤ: a/ Tụ cắt tần số thấp C7 tụ C4 : Tụ C7 : 2 f c1  C7 ( R10 //( hie  R2 )) SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo 18 ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng 2 f ( R10 //( hie  R2 ))  C7   C7= 498 Chọn giá trị tụ C7= 470 Tụ C4 : Tụ C7 có tác dụng ngăn DC, AC, phải có giá trị cho hoat động dải thông từ 20hz đến 20KHz, độ lợi giảm không 3dB, nghĩa : >  Zc4