thiet ke mach cong suat am tan

`TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁN CÔNG TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ -----o0o----- ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1 NGÀNH ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Sinh viên: PHẠM TẤN TÀI Lớp: 02DV1L MSSV: 270029D Chuyên ngành: Điện tử - Viễn thông. Giảng viên huớng dẫn: THS. ĐẶNG NGỌC MINH ĐỨC. Ngày nhận: 10/04/2008 Ngày nộp: 15/06/2008 I.Đề tài: THIẾT KẾ MẠCH KHUYẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ÂM TẦN . II. Số liệu ban đầu: 1.Công suất ra: 90 W. 2.Trở kháng tải: 5,5 Ohm. 3.Điện áp vào: Vin = 2 Vp-p. 4.Dãi tần: 30 Hz – 1 9 Khz. 5.Hiệu suất: > 65%. III.Nhiệm vụ thiết kế: - Nguyên cứu lý thuyết mạch khuyếch đại âm tầnlớp B. - Tính toán các giá trị của linh kiện.Kết quả tính toán phải đáp ứng yêu cầu ban đầu và linh kiện phải phù hợp linh kiện chuẩn. - Vẽ mạch kết quả trên giấy A4(điền đầy đủ giá tri linh kiện) - Trình bày đồ án bằng chữ đánh máy trên giấy A4(cỡ chữ 12, khoảng 20 trang). Ngày 15 tháng 04 năm 2008 Bộ môn điện tử viễn thông Giảng viên hướng dẫn Ths. ĐẶNG NGỌC MINH ĐỨC MỤC LỤC TIÊU ĐỀ TRANG Phần I : LÝ THUYẾT ………………………………………………………………… 3 A.TỔNG QUAN VỀ CÁC MẠCH KHUYẾCH ĐẠI ………………………… I. CÁC KHÁI NIỆM TRONG MẠCH KHUYẾCH ĐẠI …………………… . ……3 1. Định nghĩa mạch khuyếch đại…………………………………………………… 2. Đáp ứng tần số…………………………………………………………………… 3. Hệ số khuyếch đại………………………………………………………………… 4. Hiệu suất của mạch khuyếch đại…………………………………………………… 5. Độ méo……………………………………………………………………………… II. PHÂN LOẠI CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH KHUYẾCH ĐẠI…….4 1. Khuyếch đại công suất loại B…………………………………………… 2. Khuyếch đại công suất loại A………………………………………………. 3. Khuyếch đại công suất loại AB……………………………………………. 4. Khuyếch đại công suất loại C……………………………………………… III. CÁCLOẠI MẠCH KHUYẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ÂM TẦN…………………… 6 1. OTL (Output Transformer Less)…………………………………………………. 2. OCL(Output Capicitor Less)………………………………………………… 3. BTL(Bridge Transistor Line Out)…………………………………………. B. CHI TIẾT MẠCH KHUYẾCH ĐẠI LOẠI B OTL………………………………….8 1. Mạch họat động lớp B………………………………………………… 2. Mạch OTL (Output Transformer Less)………………………………………. Phần II : THIẾT KẾ …………………………………………………………… . …….11 Tầng I: TẦNG KHUYẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT(OUTPUT STAGE)…………… …….11 1.CHỨC NĂNG CÁC LINH KIỆN TRONG TẦNG KĐCS ………………. 2.TÍNH TOÁN VÀ CHỌN LINH KIỆN………………………… Tầng II: TẦNG KHUYẾCH ĐẠI ĐIỆN ÁP(VOLTAGE STAGE)……………… …….16 1.CHỨC NĂNG CÁC LINH KIỆN TRONG TẦNG KĐCS. 2.TÍNH TOÁN VÀ CHỌN LINH KIỆN. Tầng III: TẦNG NHẬP(INPUT STAGE) ………… …………………… ………….20 1.CHỨC NĂNG CÁC LINH KIỆN TRONG TẦNG KĐCS ………………… 2.TÍNH TOÁN VÀ CHỌN LINH KIỆ …………………………………… Phần III : SƠ ĐỒ HÒAN CHỈNH………………………………………………………….24 Thiết kế mạch khuyếch đại công suất âm tần SVTT: Phạm Tấn Tài PHẦN I : LÝ THUYẾT A. TỔNG QUAN VỀ MẠCH KHUYẾCH ĐẠI I. CÁC KHÁI NIỆM TRONG MACH KHUYẾCH ĐẠI 1. Định nghĩa mạch khuyếch đại Mạch khuyếch đại công suất là mạch đươc thiết kế sao co cung cấp một lượng công suất lớn cho tải, tức là mạch khuyếch đại công suất sẽ tạo ra điện áp cao và dòng điện lớn để lái tải cần công suất lớn. mạch khuyếch đại cộng suất được ứng dụng rất nhiều trong ngành điện điện tử. Chúng ta chỉ xet mạch công suất trong linh vực âm thanh gọi là mạch khuyếch đại công suất âm tầng Mạch khuyếch đại công sụất âm tầng dùng để tạo ra một lượng công suất để cung cấp cho tải( tải thường là loa do chúng đòi hỏi một lựong công suất lớn để biến đổi tín hiệu điện thành sóng âm thanh). Mạch khuyếch đại công suất thường được sử dụng rộng rải trong các máy : radio, máy thu hình , máy nghe băng , máy tăng âm, các hệ thống stereo loa phát thanh… 2 Đáp ứng tần số: Đáp ứng tần số hay dãy tần hoạt động của mạch được định nghĩa là một khoảng tần sốmà khi tần số tín hiệu ngõ vào nằm trong khoảng tần số này thì độ khuyếch đại của mạch sẽ là cực đại. Khoảng tần số này được giới hạn bởi : f H : tấn số cắt cao . f L : tần số cắt thấp. Hiệu suất giữa f H và f L được gọi là băng thông của mạch : B = f H – f L . Nếu tín hiệu ngõ vào nằm ngoài băng thông của mạch thì độ khuếch đại của mạch sẽ thay đỗi theo ta 61n số. Nếu tín hiệu ngõ vào ở tần số f H hay f L thì độ khuếch đại của mạch ở tần số đó sẽ giảm ( 2 ) lần hay suy giảm (– 3 )dB so với độ lợi cực đại GVHD : Th.s Đặng Ngọc Minh Đức 1 |A| A m 2 Am tần số thấp tần số giữa tần số cao f L f H Thiết kế mạch khuyếch đại công suất âm tần SVTT: Phạm Tấn Tài Dãy tần số hoạt động lý tưởng của mạch khuếch đại công suất âm tần nằm trông khoảng 20 Hz đến 20 KHz. 1. Hệ số khuếch đại : Hệ số khuếch đại : là khả năng khuếch đại của một mạch đươc đặc trưng bằng một thông số gọi là độ lợi hay độ lợi khuếch đại. Độ lợi điện áp (Av) = Vo Vi . Độ lợi dòng điện (Iv) = Io Ii . Độ lợi côngsuất (Ap) = Po Pi 2.Hiệu suất của mạch khuếch đại (ή) Hiệu suất của bộ khuếch đại công suất được định nghĩa là tỉ số giữacông suất tín hiệu trung bình được phân phối trên tải với công suất trung bình được kéo từ nguồn DC: μ (%) = L CC p P .100% Với P L là công suất tín hiệu trung bình đựợc phân phối trên tải P cc là công suất trung bình đựơc kéo từ nguồn DC. 3.Độ méo: Biểu thị cho sự thay đổi hình dạng của tín hiệu ra so với tín hiệu vào của mạch. Độ méo phâ n thành nhiều loại : Méo tần số : là dạng méo xuất hiện do hệ số khuếch đại thay đổi khi tín hiệu thay đổi gây nên sự biến đổi âm sắc . Nguyên nhân là do L,C từ mạch khuyếch đại công suất . Méo pha : là do sự dịch góc pha ban đầu của tín hiệu vào . Méo pha ảnh hưởng xấu đến chất lượng âm thanh . Méo xuyên tâm : chủ yếu xảy ra ở mạch hoạt động lớp B. II . PHÂN LOẠI CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH KHUẾCH ĐẠI . Tùy theo chế độ làm việc của transistor , người ta thường phân mạch khuyếch đại công suất ra các loại lớp sau : 1. Khuyếch đại công suất loại A: Tín hiệu được khuếch đại gần như tuyến tính ,nghĩa là tín hiệu ngõ rat hay đổi tuyến tính trong toàn bộ chu kỳ 360 0 của tín hiệu ngõ vào (transistor hoạt động cả hai bán kỳ của tín hịêu ngõ vào ) . a. Ưu điểm : • Khuyếch đại cả hai chu kỳ tín hiệu. • Tín hiệu bị méo dạng . b. Khuyết điểm • Hiệu suất thấp : ≤ 25 % nếu dung tải R và 50% nếu dung tải là biến áp. • Công suất tiêu hao lớn. 2. Khuếch đại công suất lớp B. Trasistor được phân cực tại V BE = 0 (vùng ngưng). Chỉ một nửa chu kỳ âm hoặc dương của tín hiệu ngõ vào đươc khuếch đại. a. Ưu điểm • Hiệu suất cao ≤ 78,58 %. GVHD : Th.s Đặng Ngọc Minh Đức 2 Thiết kế mạch khuyếch đại công suất âm tần SVTT: Phạm Tấn Tài • Ở chế độ tĩnh không có tiêu thụ điện áp . b. Khuyết điểm . • Tín hiệu chỉ tồn tại trong nửa chu kỳ . • Méo phi tuyến lớn . 3. Khuếch đại công suất loại AB Transistor được phân cực ở gần vùng ngưng. Tín hiệu ngõ rat hay đổi hơn một nửa chu kỳ của tín hiệu vào (transistor hoạt động hơn một nửa chu kỳ dươnghoặc âm của tín hiệu vào ). Đặt điểm : • Kết hợp cả hai đặc tính của chế độ loại A và B nên khắc phục được nhược điểm của chế độ loại A và B. • Hiệu suất khá cao ≤ 70%. 4. Khuyếch đại công suất loại C. Trasistror được phân cực trong vùng ngưng dể chỉ một phần nhỏ hơn nửa chu kỳ của tín hiệu ngõ vào được khuyếch đại . mạch này thương dung khuếch đại công suất ở tần số cao với tải cộng hưởng . a. Ưu điểm : • Hiệu suất rất cao ≤ 90%. b. Khuyết điểm : • Méo phi tuyến lớn (70%). Để hạn chế méo ta phải làm khung cộng hưởng ghép LC. Hình 9.1 Mô tả việc phân loại các mạch khuyếch đại công suất . GVHD : Th.s Đặng Ngọc Minh Đức 3 I C A AB C C Giới hạn công suất Vùng ngưng Vùng bảo hoà Vce Thiết kế mạch khuyếch đại công suất âm tần SVTT: Phạm Tấn Tài Hình 9.1 III . CÁC LOẠI MẠCH KHUYẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ÂM TẦN 1. OTL(Output Transformer Less): a. Đặc điểm: • Được cấp nguồn đơn Vcc và mass ( 0V) • Tầng khuyết đại công suất đẩy kéo transistor bổ phụ đối xứng nên điện thế điểm giữa ra loa bằng nữa nguồn. • Ngõ ra loa phải ghép với một tụ điện Co c. Ưu điểm: • Âm thanh đạt chất lượng cao do đáp tuyến tần số rộng . • Không bị suy giảm tín hiệu tần số cao do tụ ký sinh của biến áp . • Hiệu suất cao vì không tổn hao trên biến thế .Giá thành rẻ, kích thước nhỏ so với khi dùng biến áp ngõ ra. d. Khuyết điểm • Phải chỉnh điện thế DC của điểm giữa ra loa bằng nữa nguồn cung cấp thì tín hiệu ngõ ra mới không bị méo. • Cặp transistor công suất nếu không phải là cặp transistor bổ phụ thì dễ gây méo phi tuyến. GVHD : Th.s Đặng Ngọc Minh Đức 4 i c Ic 0 i c I c 0 0 i c 0 i c t t t t A AB B C Thiết kế mạch khuyếch đại công suất âm tần SVTT: Phạm Tấn Tài • Tín hiệu ra bị méo ở tần số thấp do tụ C out gây ra (do tụ C out không thể tiến tới vô cùng). 2. OCL(Output Capcitor): a. Đặc điểm: • Được cấp nguồn đối xứng (+Vcc và – Vcc nên điện thế điểm giữa bằng 0V). • Tín hiệu vào mạch khuyếch đại trực tiếp không cần qua tụ. Không có tụ Co tại ngõ ra loa. b. Ưu điểm : • Khả năng chống nhiểu tốt do dùng kiểu khuếch đại vi sai ở ngõ vào. • Đáp tuyến tần số rộng do không dùng tụ và biến thế ngõ ra. c. Khuyết điểm :  Cần dùng hai nguồn .  Tín hiệu ra loa trực tiếp nên điện thế DC ở điểm giữa ngõ ra khác không và sẽ gây cháy loa vì vậy cần phải có mạch bảo vệ loa. 3. BTL (Bridge Trasistor Line Output) a. Đặc điểm : BTL có hai lọai : • Dùng nguồn đơn là mạch ampli ghép từ hai tầng khuyếch đại công suất OTL. • Dùng nguồn đơn là mạch ampli ghép từ hai tầng khuyếch đại công suất OCL. b. Ưu điểm • Cho ra công suất lớn ( gấp bốn lần so với OTL hay OCL ) khi sử dụng nguồn điện điện áp thấp hoặc dùng cho các ampli có công suất lớn từ 500W đến vài nghìn walt. c. Khuyết điểm . • Giá thành cao . • Tín hiệu ra dể bị méo hai mạch khuyếch đại không giống nhau . Dể bị cháy nếu điện thế điểm giữa khôn bằng 0. B. CHI TIẾT MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT LOẠI B VÀ MACH OTL. 1. Mạch hoạt động lớp B Trong mạch khuếch đại công suất loại B , người ta phân cục với V B =0V nên bình thường Trasistor không dẫn điện và chỉ dẫn điện khi có tín hiệu đủ lớn đưa vào . do phân cực như thế nên Trasistor chỉ dẩn điện ở một bán kì của tín hiệu (bán kì dương hay âm tùy thuộc vào Trasistor NPN hay PNP . Do đó muốn nhận được cả chu kì của tín hiệu ở ngỏ ra người ta phải dung hai Trasistor bổ phụ với nhau (mỗi transistor dẫn điện một nữa chu kỳ của tín hiệu ). mạch này là gọi là mạch công suất đẩy kéo.(Push- Pull) GVHD : Th.s Đặng Ngọc Minh Đức 5 Thiết kế mạch khuyếch đại công suất âm tần SVTT: Phạm Tấn Tài • Công suất cung cấp (công suất vào ) P cc = V cc . I cc Trong đó : I cc là dòng điện trung bình cung cấp cho mạch do dòng tải có đủ cả hai bán kỳ nên nếu gọi I p là dòng điện qua tải, ta có : I cc = 2 π .I p P cc = V cc . 2 π .I p • Công suất ra : Công suất ra lấy trên tải R L được tính bởi công thức . P L = 2 . L cm P I Pcc . • Hiệu suất : % 100% L cc P P η = • Ưu điểm : Hiệu suất cao ≤ 78.5% so với loại A ≤ 25% Ở chế độ tỉnh không có tiêu thụ điện dáp nên không có tổn hao trên Trasistor • Khuyết điểm : Méo xuyên tâm (cross-over) . Nguyên nhân gây méo dạng xuyên tâm là khi bắt đàu môt bán kỳ ,transistor không dẩn điện ngay mà phải chờ khi biên độ vượt qua áp ngưỡng V BE (Để khắc phục người ta mồi cho các chân B một điện thế dương nhỏ đối với BJT NPN và âm nhỏ đối với PNP). GVHD : Th.s Đặng Ngọc Minh Đức 6 Q1 Dẫn một bán kỳ Q2 Dẫn một bán kỳ Tải Vi Vo Thiết kế mạch khuyếch đại công suất âm tần SVTT: Phạm Tấn Tài 2. MACH OTL (Output Trasfomer Less) • Sơ đồ khối mạch OTL 2.1. Tầng nhập (Input Stage) Là tầng đầu tiện tín hiệu vào , có nhiệm vụ biến tín hiệu có mức điện thế thấp thành tín hiệu có mức điện thế cao hơn để ghép vào tầng khuyếch đại điện thế (đây là mạch khuyếch đại biến điện thế thành cường độ). Do đó tín hiệu phải trung thực ,nguồn cấp phải được lọc kỷ để khỏi ảnh hương tới tín hiệu tầng này. Trong mạch OTL , người ta dung hồi tiếp âm để giảm méo dạng (tuy nhiên chất lượng không tốt bằng dung vi sai trong OCL). 2.2 Tầng khuyếch đại điện áp( Voltage Stage) Tầng này có chức năng nhận tín hiệu từ tầng nhập vào , chuyển đổi thành tín hiệu từ ngõ ra tầng nhập thành tín hiệu có mức điện thế cao hơn để cung cấp cho tầng khuyếch đại công suất . 2.3 Tầng khuyếch đại công suất(Output stage) Nhận tín hiệu có điện áp cao từ tầng khuyếch đại điện áp rồi khuyếch đại và cung cấp dòng âm tầng cò cường độ lớn cho loa. GVHD : Th.s Đặng Ngọc Minh Đức 7 VOLTAGE STAE OUTPUT STAGE Vin vout INPUT STAGE V L t Biến dạng xuyên tâm Hình 9.14 [...]... của Q2, ổn định nhiệt cho Q2 đồng thời phân cực cho Q3 Dùng chỉnh điện áp giữa đúng bằng Vcc/2 Phân cực , ổn định nhiệt cho Q3 Điện trở hồi tiếp âm, làm giảm tính phi tuyến của mạch Ngắn mạch AC và hở mach DC Dùng làm tụ xả làm tăng độ lợi cho Q3 Chống dao động ký sinh tự phát ở Q3 3 Tính toán và chọn linh kiện 3.1 Chọn R9 Chọn sụt áp trên điện trở R9 là 1V ta được : VR 9 V V 1 = R9 = R9 = = 0,18.103 . có hai lọai : • Dùng nguồn đơn là mạch ampli ghép từ hai tầng khuyếch đại công suất OTL. • Dùng nguồn đơn là mạch ampli ghép từ hai tầng khuyếch đại công. giảm (– 3 )dB so với độ lợi cực đại GVHD : Th.s Đặng Ngọc Minh Đức 1 |A| A m 2 Am tần số thấp tần số giữa tần số cao f L f H Thiết kế mạch khuyếch đại công