Thiết kế mạch khuếch đại công suất âm tần

Phần I: Cơ sở lý thuyết 1/ Khảo sát mạch khuếch đai công suất lớp B Trong mạch khuếch đại công suất loại B, người ta phân cực với VB =0V nên bình thường transistor không dẫn điện và chỉ

Trường ĐH Bách Khoa TP HCM

Khoa Điện –Điện Tử

ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1

công suất âm tần

GVHD: Thầy ĐINH QUỐC HÙNG

SVTH: PHẠM DUY THÀNH 40602230

VŨ PHƯƠNG THẢO 40602267

LỚP : DD06DV03

TP HCM ngày 20/12/2009

````LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn

đến thầy ĐINH QUỐC HÙNG

trên cương vị là người hướng dẫn chính của đề tài đã tận tình giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện đồ

án

Em cũng xin bày tỏ lòng biết

ơn đến các thầy cô trong trường Đại Học Bách Khoa TP HCM đã tận tình dạy dỗ và truyền thụ những kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự đóng góp ý kiến của tất

cả các bạn sinh viên trong suốt quá trình thực hiện đồ án

MỤC LỤC:

I/ CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1/ Khảo sát mạch khuếch đại công suất lớp B……… 4

2/ Các dạng mạch của mạch công suất lớp B………6

- Mạch công suất push-pull liên lạc bằng biến thế……… 6

- Mạch công suất kiểu đối xứng- bù……….7

3/ Một số mạch khuếch đại công suất âm tần……… 9

- 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 các tụ……… 18

5/ Sơ đồ thiết kế……….20

6/ Mô phỏng……… 21

Phần I: Cơ sở lý thuyết

1/ Khảo sát mạch khuếch đai công suất lớp B

Trong mạch khuếch đại công suất loại B, người ta phân cực với VB =0V nên bình thường transistor không dẫn điện và chỉ dẫn điện khi có tín hiệu đủ lớn đưa vào Do phân cực như thế nên transistor chỉ dẫn điện được ở một bán kỳ của tín hiệu (bán kỳ dương hay âm tùy thuộc vào transistor NPN hay PNP) Do đó muốn nhận được cả chu kỳ của tín hiệu ở ngỏ ra người ta phải dùng 2 transistor, mỗi transistor dẫn điện ở một nữa chu kỳ của tín hiệu Mạch này gọi là mạch công suất đẩy kéo (push-pull)

Công suất cung cấp: (công suất vào)

Ta có: Pi(dc) = VCC IDC Trong đó IDC là dòng điện trung bình cung cấp cho mạch Do dòng tải có đủ 2 bán

kì nên nếu gọi Ip là dòng đỉnh qua tải , ta có:

Dùng nguồn đôi Dùng nguồn đơn

Công suất ra:

Công suất ra lấy trên tải RL có thể đƣợc tính:

Po(ac)= Tính theo điện thế dỉnh đỉnh :

Po(ac)=



Vì VL(p)= Vcc, nên hiệu suất tối đa:

Công suất tiêu tán trên 2 transistor công suất: Pc= Pi(ac)- P0(ac)

Vậy công suất tiêu tán trên mỗi con TST công suất: PC1 =PC2= PC /2

Công suất ra sẽ tối đa khi Vcc= VL, khi đó :

Po(ac)max=

Và dòng đỉnh là: ILmax=

Trị tối đa của dòng trung bình là: IDCmax= (2/π).ILmax=

Trị tối đa của công suất ngõ vào: PDCmax= Vcc IDCmax

Pi(DC)max= Hiệu suất tối đa của mạch khuếch đại công suất lớp B là:

- Trong bán kỳ dương của tín hiệu, Q1 dẫn Dòng i1 chạy qua biến thế ngõ ra tạo

cảm ứng cấp cho tải Lúc này pha của tín hiệu ñưa vào Q2 là âm nên Q2 ngưng dẫn

- Ðến bán kỳ kế tiếp, tín hiệu ñưa vào Q2 có pha dương nên Q2 dẫn Dòng i2 qua

biến thế ngõ ra tạo cảm ứng cung cấp cho tải Trong lúc ñó pha tín hiệu ñưa vào Q1 là âm

nên Q1 ngưng dẫn

i1 và i2 chạy ngược chiều nhau trong biến thế ngõ ra nên ñiện thế cảm ứng bên cuộn thứ cấp tạo ra bởi Q1 và Q2 cũng ngược pha nhau, chúng kết hợp với nhau tạo thành cả chu kỳ của tín hiệu

Thực tế, tín hiệu ngõ ra lấy được trên tải không được trọn vẹn như trên mà bị biến dạng

Lý do là khi bắt đầu một bán kỳ, transistor không dẫn điện ngay mà phải chờ khi biên độ vượt qua điện thế ngưỡng VBE Sự biến dạng này gọi là sự biến dạng xuyên tâm (cross-over) Ðể khắc phục, người ta phân cực VB dương một chút (thí dụ ở transistor NPN) để transistor có thể dẫn điện tốt ngay khi có tín hiệu áp vào chân B Cách phân cực này gọi là phân cực loại AB Chú ý là trong cách phân cực này độ dẫn điện của transistor công suất không đáng kể khi chưa có tín hiệu

Ngoài ra, do hoạt động với dòng IC lớn, transistor công suất dễ bị nóng lên Khi nhiệt độ tăng, điện thế ngưỡng VBE giảm (transistor dễ dẫn điện hơn) làm dòng IC càng lớn hơn, hiện tượng này chồng chất dẫn đến hư hỏng transistor Ðể khắc phục, ngoài việc phải giải nhiệt đầy đủ cho transistor, người ta mắc thêm một điện trở nhỏ (thường là vài Ω) ở hai chân E của transistor công suất xuống mass.Khi transistor chạy mạnh, nhiệt độ tăng, IC tăng tức IE làm VE tăng dẫn đến VBE giảm Kết quả là transistor dẫn yếu trở lại

2.2/ Mạch công suất kiểu đối xứng - bù:

Mạch chỉ có một tín hiệu ở ngõ vào nên phải dùng hai transistor công suất khác loại: một NPN và một PNP Khi tín hiệu áp vào cực nền của hai transistor, bán kỳ dương làm cho transistor NPN dẫn điện, bán kỳ âm làm cho transistor PNP dẫn điện Tín hiệu nhận được trên tải là

cả chu kỳ

Cũng giống như mạch dùng biến thế, mạch công suất không dùng biến thế mắc như trên vấp phải sự biến dạng cross-over do phân cực chân B bằng 0v Ðể khắc phục, người ta cũng phân cực mồi cho các chân B một điện thế nhỏ (dương đối với transistor NPN và âm đối với transistor PNP) Ðể ổn định nhiệt, ở 2 chân E cũng được mắc thêm hai điện trở nhỏ

Trong thực tế, để tăng công suất của mạch, người ta thường dùng các cặp Darlington hay cặp Darlington_cặp hồi tiếp

3/ MỘT SỐ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ÂM TẦN:

Mạch khuếch đại OTL:

Ưu và khuyết điểm của mạch OTL:

 Ưu: tiết kiệm do chỉ sử dụng 1 nguồn đơn

 Khuyết: - Méo tần số thấp do tụ Cc gây ra ( do gia trị của tụ ko tiến tới )

- Méo phi tuyến lớn, do 2 TST ko phải lúc nào cũng đối xứng, cũng bằng

Vcc/2

- Băng thông bị co hẹp do ảnh hưởng của tụ Cc

Mạch khuếch đại OCL:

Mạch khuếch đại OCL khắc phục được các ưu điểm của mạch khuếch đại công suất OTL

Mạch khuếch đại BTL: bộ khuếch đại công suất âm tần lớn, tạo thành bằng cách mắc cầu các

bộ khuếch đại công suất âm tần lớp B: OTL hay OCL

Với công thức tính trên đã bỏ qua ảnh hưởng của điện trở R13 (sụt áp trên R13)

Do có sụt áp trên đường dây  xem hệ số sử dụng điện áp của nguồn là 0,9

Theo datasheet, TIP41 và TIP41 có các thông số sau:

Để Q6 và Q8 luôn hoạt động khi có tín hiệu vào, ta phân cực sao cho dòng DC của Q6 và Q8

khoảng 50mA ( vì TIP chỉ bắt đầu hoạt đọng vớí I= 30mA)

Dựa vào datasheet của TIP41, TIP42, ta xác định đƣợc : VBE=0,5; Ic= 2A => hfe= 50

 Ib6= Ib8 = =0,015A= 15,1mA Chọn dòng phân cực DC cho Q5 và Q7 là ICQ5= ICQ7= 20mA

Ta có: R11.( 20- Ib6) = VBE +R13.( 50mA+ )  R11.( 20- 15,1) = 0,5+ 0,1.( 50mA+ )  R11= 115,5Ω

Nhƣ vậy, chọn R11 =R12= 120Ω

IC5(peak) =π.( – ICQ5 ) + ICQ5 π = 63mA

Pcmax = 0,5 Vcc ICQ5 – 0,5 ICQ Rac 0,5 Vcc ICQ5 =0,5 18.20mA = 0,18W Chọn transistor Q5 và Q7 là cặp bổ phụ MJE 340 và MJE 350, có các thông số theo datasheet nhƣ sau:

2/ TẦNG TIỀN KHUẾCH ĐẠI:

- 4 diode D1 D4 để bù nhiệt ở 4 mối nối BE và phân cực DC cho cặp TST Q5 và Q7, tránh hiện tƣợng méo xuyên tâm

- Chọn diode có: V =VBE 0,5V

Vac= VBE5 + VBE6 + R13 ICQ6

= 0,6 + 0,5+ 0,1 0,76 =1,2V

 VAA’= 1,2.2= 2,4V Theo datasheet của MJE 340 và MJE 350, chọn hfe =55

 R8, R9 có tác dụng tạo dòng phân cực dc cho

các TST, diode ( Dòng ICQ4 không quá lớn => tổn hao công suất

Và không quá nhỏ => đủ phân cực DC => tránh méo nhiễu )

Ta có: VCEQ4= 2Vcc – ICQ4.( R8+ R9 + R10)

= 2Vcc –ICQ4 RDC

Với RDC = R8+ R9 + R10

Rac = R8+ R9

Xét ở điều kiện Maxswing, VCEQ4 =Vcc

Để giảm tổn thất dòng tín hiệu ra loa, chọn R8

Chọn TST Q 4 có các thông số:

Do đó chọn transistor Q2SC1815

3/ TẦNG VI SAI- TRIỆT NHIỄU NGÕ VÀO:

V V V

CQ

EB z

2

7 , 0 1 , 3

3

3

Vì Iz>> IBQ3.Chọn Iz = 5 mA

Khi đó Diode Zener thỏa yêu cầu đã nêu : chọn D1N4684

R5 có tác dụng phân áp VCC, tạo phân cực DC cho Q3 :

Chọn R5 = 1.2k

I

V xR I V R

Z

Z CQ

CC

3 , 1 5

1 , 3 7 2 , 1 18

5 3

Theo đặc tuyến trên datasheet,ICQ1= ICQ2=1 mA,chọn hfe=200

I

xh mx h

h

CQ

fe ie

1

200254,125

k x

x I

xh mx hie hie

CQ

fe

71

200254,125

1

1 2

k x

x I

xh mx hie

CQ

fe

2.16

200254,125

4

1

4658 //

1 )

(

7 6 4 1 4 4 2

2 1

9 8 1 1 4 4

R x xh R R v

i x i

i x i

v v

v A

ie ie fe ie fe

i b b b b L i

L V

)//(

11

)(

2 1 1 6 7 1 6 4 1 4 4 2

2 1 9 8 1

1 4

fe ie fe

f b b b b L f

L

h h R R R

x R R h h x xh h R

R x xh R R v

i x i

i x i

v v

2

2 10

7 1

R hie R

 2 . .( //( 4 ))

1

2 10

7

R hie R

b/ Tụ cắt tần số cao : Chọn theo mô phỏng C5 =470pF

c/ Tụ boostrap : tạo hồi tiếp dương cho Q2, mục đích nâng biên độ ở tầng số thấp Chọn giá trị của tụ là C6=100µF ( chọn theo mô phỏng)

d/ Tụ lọc nguồn : Chọn C3 =220µF

Tụ lọc tín hiệu đầu vào : C2=10µF

Sơ đồ đã thiết kế :

Sơ đồ áp và dòng phân cực tĩnh :

Băng thông của mạch :

Kiểm tra chế độ AC của tầng vi sai: Dạng sóng ngõ ra trên Q 1

f=1 kHz

Kiểm tra chế độ AC trên tầng lái :Dạng sóng ngõ ra trên Q 4

f= 1kHz

Kiểm tra chế độ AC trên tầng công suất :Kiểm tra trên tải R L

f= 1kHz

f= 20kHz

Với công suất cực đại : f= 1kHz