CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ 2.1 Sơ đồ khối: Tín hiệu âm thanh từ các thiết bị như: đầu video, micro,đấu DVD… là những tìn hiệu nhỏ có biên độ nhỏ: từ 30mV đến 775mV. Tìn hiệu này được đưa vào mạch khuếch đại công suất, sau khi được khuếch đại thành tín hiệu có biên độ lớn và được đưa ra loa. Sơ đồ khối của một mạch khuếch đại công suất thường được chia làm ba giai đoạn và hồi tiếp âm: Tầng khuếch đại vi sai với tín hiệu nhỏ: vi sai điện áp vào, cho khuếch đại dòng ở ngõ ra. Tầng lái hay tầng khuếch đại điện áp: ngõ vào là dòng điện, cho khuếch đại điện áp ở ngõ ra. Tầng khuếch đại công suất: là tầng khuếch đại đồng nhất điện áp và dòng điện, cung cấp công suất lớn cho tải( loa). Hồi tiếp âm: giữ cho mạch hoạt động ổn định và làm giảm méo tín hiệu.
LỜI NÓI ĐẦU Ngành điện tử ngành quan trọng góp phần vào phát triển đất nước phát triển nhanh chóng Khoa học – Công nghệ làm cho ngành điện tử ngày phát triển đạt nhiều thành tựu Nhu cầu người ngày cao điều kiện thuận lợi cho ngành Điện tử phải không ngừng phát minh sản phẩm có tính ứng dụng cao, sản phẩm có tính năng, có độ bền độ ổn định ngày cao… Nhưng điều sản phẩm bắt nguồn từ linh kiện: R, L, C, Diode, BJT, FET mà tảng điện tử tương tự Có thể nói,Mạch Khuếch Đại Âm Thanh sản phẩm tạo tảng phát triển sản phẩm Điện Tử phục vụ cho nhu cầu người Sau năm hoc, với tích lũy kiến thức môn học: Vật Liệu Linh Kiện Điện Tử, Mạch Điện Tử đảm bảo cho chúng em phân tích thiết kế mạch Khuếch Đại Công Suất Âm Tần Hiện nay, nước có nhiều Máy Khuếch đại Âm Thanh thị trường, mà tầng khuếch đại công suất thiết kế với dạng mạch sau: mach khuếch đại OTL, mạch khuếch đại OCL, mạch khuếch đại BCL… phổ biến loại mạch khuếch đại OCL Bởi dạng mạch có nhũng ưu điểm về: hiệu suất, hệ số sử dụng BJT(FET) công suất, độ lợi băng thơng, biên độ tín hiệu ra… mà nhóm chúng em chọn mạch khuếch đại công suất OCL làm đề tai2cho Đồ Án Môn Học nhóm em Trong q trình thực đố án, chúng em Ths Tống Thành Nhân hướng dẫn tận tình Đó điều kiện thuận lợi để chúng em hồn thành Đồ Án Mơn Học thành cơng tốt đẹp Chúng em xin trân cám ơn Ths Tống Thành Nhân thầy, cô giúp đỡ chúng em thời gian qua Nhóm 10 Trang NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TP Hồ Chí Minh, ngày… tháng 12 năm2009 Giảng viên hướng dẫn CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Bộ khuếch đại cơng suất lớp A: Nhóm 10 Trang Điểm tín hiệu ngõ BJT ln vùng tích cực có nghĩa BJT phân cực cho tín hiệu ngõ ln biến thiên theo tín hiệu ngõ vào Thường điểm tĩnh Q(VCE,ICQ) phân cực cho VCE=VCC/2 + Ưu điểm: tín hiệu ngõ biến thiên 3600 theo tín hiệu ngõ vào, tín hiệu có chất lượng tương đối tốt, biến dạng + Khuyết điểm: phân cực chế độ làm việc tối ưu nên có tiêu hao lượng lớn kêt khơng có tín hiệu ngõ vào, hiệu suất mạch thấp thường η = 25% Vì mạch sử dụng 1.2 Bộ khuếch đại công suất lớp B: Đặc điểm phân cực điện áp VBE= 0V tín hiệu ngõ vào phải vượt qua Điện áp ngưỡng Vγ BJT cị tín hiệu ngõ thường khuếch đạ bán kì dương âm tuỳ thuộc vào loại BJT PNP hay NPN Mạch khuếch đại công suất thường ghép dạng PUSH – PULL + Ưu điểm: mạch không hoạt động tín hiệu nhõ vào, tổn hao lượng + Khuyết điểm: tín hiệu ngõ bị méo xuyên tâm tín hiệu ngõ vào phải vượt qua điện áp ngưỡng Vγ BJT Hiệu suất mạch cao thường η = 50% - 78.5% 1.3 Bộ khuếch đại công suất lớp AB: Đặc điểm cải tiến nhược điểm meo xuên tâm lớp B cách nâng áp phân cực điểm tĩnh Q cho nằm vùng lớp A lớp B, mạch phân cực có VBE gần Vγ BJT Vì tín hiệu ngõ vào khuếch đại cho tín hiệu ngõ nửa chu kì Mạch khuếch đại cơng suất thường ghép dạng bổ phụ, có nghã hai phần tử BJT cơng suất có thông soosnhuwng loại PNP NPN Neu mạch thiết kế dùng nguồn đôi ta gọi mạch khuếch đại công suất dạng OCL ( Output Capactor- Less), dùng nguồn đơn ngõ có tụ ta gọi mạch khuếch đại công suất dạng OTL ( Output Transformer- Less) +Ưu điểm: tín hiệu ngõ bị méo dạng lớp B, tiêu hao lượng khơng có tín hiệu ngõ vào lớp A, hiệu suất mạch cao, hệ số sử dụng BJT cao + Khuyết điểm: cần có biến áp cung cấp nguồn đối xứng mạch OCL phải có tụ ngõ mạch OCL 1.4 Bộ khuếch đại công suất lớp C: Đặc điểm mạch phân cực cho BJT nằm vùng ngưng dẫn sâu so với lớp B mạch khuếch đại phần đỉnh tín hiệu ngõ vào, mạch khơng phù hợp để khuếch đại tín hiệu âm tầng, mà thường sử dụng để khuếch đại tín hiệu cao tần • Ngồi cịn có khuếch đại cơng suất lớp: D, E , F, G, H Nhóm 10 Trang Hình 1: Biểu diễn tín hiệu vào lớp A, B, AB, C CHƯƠNG THIẾT KẾ 2.1 Sơ đồ khối: Tín hiệu âm từ thiết bị như: đầu video, micro,đấu DVD… tìn hiệu nhỏ có biên độ nhỏ: từ 30mV đến 775mV Tìn hiệu đưa vào mạch khuếch đại cơng suất, sau khuếch đại thành tín hiệu có biên độ lớn đưa loa Sơ đồ khối mạch khuếch đại công suất thường chia làm ba giai đoạn hồi tiếp âm: - Tầng khuếch đại vi sai với tín hiệu nhỏ: vi sai điện áp vào, cho khuếch đại dòng ngõ - Tầng lái hay tầng khuếch đại điện áp: ngõ vào dòng điện, cho khuếch đại điện áp ngõ - Tầng khuếch đại công suất: tầng khuếch đại đồng điện áp dòng điện, cung cấp công suất lớn cho tải( loa) - Hồi tiếp âm: giữ cho mạch hoạt động ổn định làm giảm méo tín hiệu Nhóm 10 Trang KHUẾCH ĐẠI VI SAI TẦNG LÁI KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT HỒI TIẾP ÂM Vi Vo Hình 2.1 Sơ đồ khối mạch khuếch đại công suất âm tần OCL 2.2 Mạch nguyên lý: Với sơ đồ khối trên, thiết kế loại mạch khuếch đại cơng suất theo yêu cầu người tiêu dùng Cụ thể đồ án Mơn học mạch điện tử này, nhóm thực thiết kế mạch khuếch đại công suất có yêu cầu sau: - Dạng mạch: OCL - Công suất ngõ ra: PLMax = 100W - Băng thông: BW = 20Hz – 20KHz - Tải RL = 8ohm Nhóm 10 Trang Hình 2.2: Sơ đồ ngun lý mạch KĐCS âm tần - OCL 2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động tầng: 2.3.1 Tầng công suất: 2.3.1.1 Sơ đồ mạch nguyên lý Hình 2.3.1: Sơ đồ ngun lí tầng cơng suất dang PUT – PULL bổ phụ Nhóm 10 Trang 2.3.1.2 Hoạt động mạch - Khi tín hiệu vào có bán kì dương: + VBE tăng lên nên Q8 phân cực thuận dẫn dòng đổ vào cực B Q10, làm cho Q10 phân cực thuận dẫn dòng mạnh từ nguồn + Vcc qua loa xuống Mass + Còn Q9 phân cực nghịch tắt nên khơng phân cực cho Q11, Q11 khơng rút dịng - Khi tín hiệu vào có bán kì âm: + VBEQ9 giảm xuống nên Q9 phân cực thuận rút dòng từ cực B Q11, làm cho Q11 phân cực thuận rút dòng mạnh từ Mass qua loa đổ -Vcc + Còn Q8 phân cực nghịch tắt nên không phân cực cho Q10 - Phần tử VBIAS làm nhiệm vụ định mức điện áp cho VBEQ8, VBEQ10 VBEQ9, VBEQ11 để hai cặp BJT Q8, Q10 Q9, Q11 làm việc lớp AB Phần tử VBIAS điều chỉnh để cân chỉnh điện áp điểm hai BJT Q10 Q11 0V 2.3.2 Tầng lái công suất: 2.3.2.1 Sơ đồ nguyên lý: Hình 2.3.2: Sơ đồ nguyên lý tầng lái công suất phần tử VBIAS định chế độ hoạt động lớp AB cho tầng KĐCS PUSH – PULL bổ phụ 2.3.2.2 Hoạt động : - D5 D6 tạo chênh lệch điện áp 2VD để phân cực cho Q6 tạo dòng điện cực EQ6, dịng điện thai đổi nhờ biến trở R10 - R9 phân cực thuận cho D5, D6 có điện áp ngưỡng VD, dịng qua D5, D6 ID5,D6 VD Nhóm 10 Trang - D1, D2, D3, D4 biến trở R11 dùng để tạo điện áp phân cực cho tầng KĐCS PUSH –PULL hoạt động chế độ lớp AB - Q7 tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ chế độ lớp A, tạo tín hiệu ngõ biến thiên 360o theo tín hiệu ngõ vào 2.3.3 Tầng tiền khuếch đại vi sai: 2.3.3.1 Sơ đồ nguyên lý: Hình 2.3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch vi sai phần hồi tiếp âm 2.3.3.2 Hoạt động : - Tương tự tầng lái, Q5 phân cực để tạo dịng điện cố định điều chỉnh nhờ R5, điều chỉnh để tầng công suất cân hay điểm đạt giá trị 0V đồng thời làm tăng giá trị hệ số nén tín hiệu đồng pha CMRR (common mod rejection ratio) hay cịn gọi hệ số triệt tín hiệu đồng pha Có nghĩa nguồn dịng Q5 cải tiến mạch vi sai thành lí tưởng vời hệ có CMRR = ∞ - Q1 Q4 cặp BJT giống nhau, ghép thành mạch khuếch đại Visai Có nhệm vụ khuếch đại tín hiệu Visai tín hiệu ngõ vào tín hiệu hồi tiếp âm NFP (Negateve feedback), giữ cho toàn mạch hoạt động ổn định theo hệ số Avf định - Q2 Q3 cặp BJT giơng nhau, ghép thành gương dịng điện có nhiệm vụ giữ cho dòng điện Ic Q1 Q4 cân chế độ DC, điểm lợi tạo trở Nhóm 10 Trang kháng lớn từ cực C Q2 chế độ AC đểđảm bảo tín hiệu ngõ mạch Visai đưa hoàn toàn đến tầng lái Q7 - Tụ C1là tụ liên lạc, ngăn dòng DC đồng thời xác định tần số cắt thấp fL cho ngõ vào -Tụ C2 có gá trị lớn để ngắn mạch chế độ AC tạo cầu phân áp tten6 cực B Q4 có điện áp hồi tiếp - R7 R8 xác lập độ lợi điện áp có hồi tiếp Avf Riêng Q8 chế độ DC làm nhiệm vụ phân cực cho Q4 - R3 R6 phân cực cho Q1, Q4 đồng thời xác lập VBEQ7 phân cực cho Q7 tầng công suất xác định tỉ số dòng điện cho gương dòng Q2, Q3 - R2 R4 có trị số nhau, để ổn định Q1, Q4 đồng thời triệt tín hiệu tần số cao chế độ AC - R1 phân cực cho Q1 chế độ DC o Một số linh kiện đặc biệt mạch: Nhóm 10 Trang CHƯƠNG THI CƠNG 3.1 Mơ Pspice: 3.1.1 Mô phân cực BIAS POINT: Giả sử ta thiết lập giá trị phân cực cho biến trở sau: R5= 500, R10=1K, R11=1K Hình 3.1.1 Mơ phân cực BIAS POINT 3.1.2 Mô chế độ AC: Cho Vin =1V, tần số bắt đầu 1Hz, tần số kết thúc 1MHz Nhóm 10 Trang 10 Hình 3.1.2 Mơ phân cực AC Ngõ sau khuếch đại có hồi tiếp có biên độ ≈ 43.5V, có băng thơng BW = 300Hz ÷ ∞ kết sai lệch lớn so vớ kết mong muốn ta thay đổi giá trị tụ C2= 47uF C3= 1nF Ta có kết sau: Đây băng thơng mà ta cần 3.1.3 Mô miền thời gian: Cho biên độ Vin = 1V, tần số 20Hz Hình 3.1.3 Mơ miền thời gian Ta thấy biên độ tín hiệu bị méo, tượng hệ số khuếch đại lớn tăng giá trị R7=1Ω ta có kết sau: Nhóm 10 Trang 11 Như vậy, biên độ ta cải thiện không bị méo nữa, kết cho thấy hệ số Avf toàn mạch phụ thuộc vào R7 R8 Ta có kết tín hiệu vào tín hiệu sau: 3.2 Mạch in với layout plus: Nhóm 10 Trang 12 CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 Những kết đạt được: Qua hai tháng miệt mài làm việc, với hướng dẫn tận tình Thầy Tống Thành Nhân thầy cô khoa Điện tử-Tin học, nhóm chúng em đạt kết sau: - Thiết kế chế tạo mạch khuếch đại cơng suất âm tầng OCL- 100W có khả sử dụng rộng rãi - Đạt mục tiêu yêu cầu ban đầu - Vận dụng nhiều kiến thức khuếch đại công suất trình thi cơng - Tìm hiểu nhiều mẫu sử dụng sau - Tham khảo nhiều ý tưởng hay, có nhiều sáng tạo thiết kế - Khả tìm tài liệu mạng - Khả làm việc theo nhóm 4.2 Những thuận lợi khó khăn thực đề tài: 4.2.1 Thuận lợi: - Nhờ trang thiết bị nhà trường, tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm q trình tìm kiếm tài liệu mạng, trình thiết kế thi cơng - Được hướng dẫn tận tình Thầy Tống Thành Nhân thầy cô khoa Điện tử-Tin học suốt thời gian qua 4.2.2 Khó khăn: - Thời gian thực đề tài có giới hạn - Nhóm gặp nhiều khó khăn việc tìm tài liệu (khả sử dụng tiếng Anh nhóm cịn hạn chế với tài liệu nước ngồi) - Mất nhiều thờ gian q trình thiết kế phải lựa chọn nhiều phương án nhằm đáp ứng yêu cầu đề ban đầu Nhóm 10 Trang 13 TÀI LIỆU THAM KHẢO Mạch điện tử tác giả Lê Tiến Thường nhà xuất Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh Mạch điện tử 2,tác giả Lê Tiến Thường nhà xuất Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh * Các trang web: http://www.elecfree.com/ http://www.alldatasheet.com/ http://www.datasheetcatalog.com/ http://users.otenet.gr/~athsam/index.htm http://www.tehnomagazin.com/index.htm http://www.circuits-lab.com/?tag=power-amplifier http://dientuvietnam.net http://www.electronics-lab.com/index.html http://www.google.com Nhóm 10 Trang 14 ... thời gian qua 4.2.2 Khó khăn: - Thời gian thực đề tài có giới hạn - Nhóm gặp nhiều khó khăn việc tìm tài liệu (khả sử dụng tiếng Anh nhóm cịn hạn chế với tài liệu nước ngồi) - Mất nhiều thờ gian... miền thời gian: Cho biên độ Vin = 1V, tần số 20Hz Hình 3.1.3 Mơ miền thời gian Ta thấy biên độ tín hiệu bị méo, tượng hệ số khuếch đại lớn tăng giá trị R7=1Ω ta có kết sau: Nhóm 10 Trang 11 Như... suất âm tầng OCL- 100W có khả sử dụng rộng rãi - Đạt mục tiêu yêu cầu ban đầu - Vận dụng nhiều kiến thức khuếch đại công suất trình thi cơng - Tìm hiểu nhiều mẫu sử dụng sau - Tham khảo nhiều