ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN: MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ÂM TẦN

MỤC LỤC Trang Phần I : Lý Thuyết Tổng Quan Chương 1: Linh Kiện Sử Dụng Chương 2: Các Khái Niệm Trong Mạch Khuếch Đại 2.1. Định nghĩa mạch khuếch đại. 4 2.2. Đáp ứng tần số. 5 2.3. Méo dạng. 5 2.4. Dãi rộng và tạp nhiễu. 6 2.5. Tổng trở vào. 6 2.6. Tổng trở ra. 6 2.7. Công suất danh định. 6 2.8. Hiệu suất mạch khuếch đại. 6 Chương 3: Khuếch đại dùng transistor lưỡng cực – BJT 3.1. Transistor mắc theo kiểu E chung. 7 3.2. Transistor mắc theo kiểu C chung. 7 3.3. Transistor mắc theo kiểu B chung. 8 Chương 4: Ghép Giữa Các tầng Khuếch Đại 4.1. Ghép tầng bằng tụ liên lạc. 9 4.2. Ghép tầng bằng biến áp. 10 4.3. Ghép tầng trực tiếp. 10 Chương 5: Khuếch Đại Hồi Tiếp 5.1. Khái niệm. 11 5.2. Phân loại và công dụng. 11 Chương 6: Khuếch Đại Vi Sai 6.1. Tín hiệu vào cùng biên độ cùng pha. 12 6.2. Tín hiệu vào có dạng vi sai. 12 6.3. Tín hiệu vào bất kỳ. 13 6.4. Trạng thái mất cân bằng. 13 Chương 7: Khuếch Đại Công Suất 7.1. Phân loại các chế độ hoạt động của mạch khuếch đại công suất 14 7.1.1. Khuếch đại công suất hạng A. 14 7.1.2. Khuếch đại công suất hạng B. 14 7.1.3. Khuếch đại công suất hạng AB. 14 7.1.4 Khuếch đại công suất hạng C. 15 7.2. Các loại mạch khuếch đại công suất âm tần. 16 7.2.1. Mạch OTL. 16 7.2.2. Mạch OCL. 17 7.2.3. Mạch BTL. 17 Phần II: Thiết Kế Và Thi Công Chương 1: Thiết kế 1.1. Sơ đồ nguyên lý. 18 1.2. Sơ đồ nguồn. 18 1.3. Sơ đồ mạch in. 19 1.4. Sơ đồ khối. 19 1.5. Phân tích các tầng làm việc của mạch OCL. 20 1.6. Chức năng của các linh kiện tại các tầng. 20 Chương 2: Thi Công. 2.1. Các thiết bị sử dụng. 22 2.2. Lắp ráp mạch. 22 2.3. Kết quả. 22 Kết Luận 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ



ĐỒ ÁN Ι

Sinh viên thực hiện:

Lớp: CDDT9B MSSV: 07725701

2.VÕ TRƯỜNG GIANG Lớp: CDDT9D

MSSV: 07728711

3.CHÂU TRÍ HẢI Lớp: CDDT 9B MSSV: 07721621 Khóa học: 2007-2010

ĐỀ TÀI

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

ÂM TẦN (CÔNG SUẤT 90 - 300W)

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2009

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ



ĐỒ ÁN Ι

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

ÂM TẦN (CÔNG SUẤT 90 – 300W)

Sinh viên thực hiện:

Lớp: CDDT9B MSSV: 07725701

5.VÕ TRƯỜNG GIANG Lớp: CDDT9D

MSSV: 07728711

6.CHÂU TRÍ HẢI Lớp: CDDT 9B MSSV: 07721621 Khóa học: 2007-2010

ĐỀ TÀI

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển của kỹ thuật công nghệ, các bộ tăng âm cũng đượccải tiến đến mức hoàn hảo như hệ thống hifi stereo,…âm thanh trung thực, hiệu suất cao

là các chỉ tiêu mà các nhà thiết kế luôn cố gắng để đạt được một cách tốt nhất

Mạch khuếch đại công suất âm tần nói chung cũng đơn giản, nhưng để làm đượcmạch khuếch đại âm tần có chất lượng cao không phải dễ dàng Bởi vì bản thân bộkhuếch đại có khả năng tiêu tán một lượng lớn công suất, nên nó phải được thiết kế saocho nhiệt độ mà nó tạo ra khi hoạt động ở mức điện áp cao, dòng điện lớn sẽ được tải ramôi trường xung quanh nhanh để tránh bị phá hủy nhiệt Do đó khó tránh khỏi sự ảnhhưởng của méo nhiễu,…dẫn đến tín hiệu ra không trung thực.Vậy nên đặc trưng của bộkhuếch đại công suất thường là có khối tản nhiệt lớn, cồng kềnh nhằm tăng diện tích tiếpxúc, trao đổi nhiệt tốt hơn với môi trường

Ngày nay, các bộ khuếch đại công suất được sử dụng rộng rãi trong các máy thuradio, máy nghe băng và các hệ thống stereo chất lượng cao, trong các thiết bị phòng thu,sân khấu, hệ thống phóng thanh công cộng

Sau đây chúng em xin trình bày một loại mạch khuếch đại công suất, đây có thểđược xem là mạch tương đối phổ biến trong kho tàng mạch khuếch đại âm tần Đó là “

mạch khuếch đại công suất âm tần OCL” Chúng em chọn đề tài này bởi vì mạch

khuếch đại công suất là một trong các mạch dân dụng được ứng dụng nhiều trong thực tế

và đời sống hàng ngày của gia đình

Nội dung đề tài gồm có bốn phần:

 Phần I: Lý thuyết tổng quan

 Phần II: Thiết kế và thi công.

Và đây chính là một cơ hội tốt để chúng em có thể tự kiểm tra lại kiến thức củamình, đồng thời có cơ hội để tìm hiểu, tiếp cận nghiên cứu được với những vấn đề mìnhchưa biết, chưa hiểu rõ nhằm trang bị cho bản thân nhiều kiến thức bổ ích sau này có thểứng dụng vào thực tế cuộc sống

Dù được sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn, và đã rất cố gắng trongviệc hoàn thành đồ án này, nhưng do đây là đồ án môn học đầu tiên của chúng em nênkhông tránh khỏi việc còn nhiều thiếu sót Rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô vàcác bạn.Xin chân thành cảm ơn

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2009

Trong suốt quá trình thực hiện đồ án được giao, chúng em đã nhận được nhiều sựgiúp đỡ của thầy Nguyễn Văn An , và các thầy cô trong khoa Công nghệ điện tử cùngvới sự giúp đỡ của bạn bè xung quanh.

Trước tiên , chúng em chân thành cảm ơn thầy An đã tận tình hướng dẫn , thảoluận và giúp đỡ chúng em trong quá trình thực hiện đồ án

Chúng em cũng chân thành cảm ơn các thầy, cô trong khoa đã tạo điều kiện thuậnlợi về thời gian và tận tình cung cấp các tài liệu mới liên quan nhằm giúp chúng em có thểhoàn thành tốt đồ án được giao

Chân thành cảm ơn các bạn đã giúp đỡ chúng mình trong thời gian vừa qua

- -

Giáo Viên Hướng Dẫn

Nguyễn Văn An

- -

Giáo Viên Phản Biện

MỤC LỤC

Trang

Phần I : Lý Thuyết Tổng Quan

Chương 1: Linh Kiện Sử Dụng

Chương 2: Các Khái Niệm Trong Mạch Khuếch Đại 2.1 Định nghĩa mạch khuếch đại 4

2.2 Đáp ứng tần số 5

2.3 Méo dạng 5

2.4 Dãi rộng và tạp nhiễu 6

2.5 Tổng trở vào 6

2.6 Tổng trở ra 6

2.7 Công suất danh định 6

2.8 Hiệu suất mạch khuếch đại 6

Chương 3: Khuếch đại dùng transistor lưỡng cực – BJT 3.1 Transistor mắc theo kiểu E chung 7

3.2 Transistor mắc theo kiểu C chung 7

3.3 Transistor mắc theo kiểu B chung 8

Chương 4: Ghép Giữa Các tầng Khuếch Đại 4.1 Ghép tầng bằng tụ liên lạc 9

4.2 Ghép tầng bằng biến áp 10

4.3 Ghép tầng trực tiếp 10

Chương 5: Khuếch Đại Hồi Tiếp 5.1 Khái niệm 11

5.2 Phân loại và công dụng 11

Chương 6: Khuếch Đại Vi Sai 6.1 Tín hiệu vào cùng biên độ cùng pha 12

6.2 Tín hiệu vào có dạng vi sai 12

6.3 Tín hiệu vào bất kỳ 13

6.4 Trạng thái mất cân bằng 13

Chương 7: Khuếch Đại Công Suất 7.1 Phân loại các chế độ hoạt động của mạch khuếch đại công suất 14

7.1.1 Khuếch đại công suất hạng A 14

7.1.2 Khuếch đại công suất hạng B 14

7.1.3 Khuếch đại công suất hạng AB 14

7.1.4 Khuếch đại công suất hạng C 15

7.2 Các loại mạch khuếch đại công suất âm tần 16

7.2.1 Mạch OTL 16

7.2.2 Mạch OCL 17

7.2.3 Mạch BTL 17

Phần II: Thiết Kế Và Thi Công Chương 1: Thiết kế 1.1 Sơ đồ nguyên lý 18

1.2 Sơ đồ nguồn 18

1.3 Sơ đồ mạch in 19

1.4 Sơ đồ khối 19

1.5 Phân tích các tầng làm việc của mạch OCL 20

1.6 Chức năng của các linh kiện tại các tầng 20

Chương 2: Thi Công 2.1 Các thiết bị sử dụng 22

2.2 Lắp ráp mạch 22

2.3 Kết quả 22

Kết Luận 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

PHẦN I

LÝ THUYẾT TỔNG QUAN.

Chương 1 LINH KIỆN SỬ DỤNG

* Linh kiện chính sử dụng là transistor

Transistor : là linh kiện bán dẫn gồm ba lớp bán dẫn tiếp giáp nhau tạo thành mối nối P –

N Gồm có 2 loại: N P N và P N P

Kí hiệu:

1.1 A1013.N - P - N P - N - P

1.2 C2383.

1.3 C1815.

1.4 B688.

1.5 D718.

Chương 2

CÁC KHÁI NIỆM TRONG MẠCH KHUẾCH ĐẠI

2.1 Định nghĩa mạch khuếch đại

Trong kỹ thuật, từ “khuếch đại” được định nghĩa là “dùng một năng lượng nhỏ đểđiều khiển môt năng lượng khác lớn hơn gấp nhiều lần”.Có ba loại mạch khuếchđại chính là:

– Khuyếch đại về điện áp : Là mạch khi ta đưa một tín hiệu có biên độ nhỏ vào, đầu

ra ta sẽ thu được một tín hiệu có biên độ lớn hơn nhiều lần

– Mạch khuyếch đại về dòng điện : Là mạch khi ta đưa một tín hiệu có cường độ yếuvào, đầu ra ta sẽ thu được một tín hiệu cho cường độ dòng điện mạnh hơn nhiềulần

– Mạch khuếch đại công suất là mạch được thiết kế sao cho cung cấp một lượngcông suất lớn cho tải tức là mạch khuếch đại công suất sẽ tạo ra điện áp cao vàdòng điện lớn để lái tải cần công suất lớn.Mạch khuếch đại công suất được ứngdụng rất nhiều trong ngành điện – điện tử Chúng ta chỉ xét mạch khuếch đại côngsuất dùng trong lĩnh vực âm thanh ( còn gọi là mạch khuếch đại công suất âm tần)

– Mạch khuếch đại công suất âm tần dùng để tạo ra một lượng công suất để cung cấpcho tải (tải thường là loa do chúng đòi hỏi một lượng công suất lớn để biến đổi tínhiệu điện thành sóng âm) Mạch khuếch đại công suất thường được sử dụng rộngrãi trong các máy: radio, máy thu hình, máy nghe băng, máy tăng âm, các hệ thốngstereo, loa phát thanh……

– Khả năng khuếch đại của một mạch được đánh giá bằng một thông số đó là độ lợi:

Độ lợi đi (Av) : Av = v i

At = Av1 Av2 Av3 Avn

– Hệ số khuếch đại thường thay đổi theo tần số làm việc, do đó để đơn giản trongtính toán ta thường tính theo hệ số khuếch đại trung bình

2.2 Đáp ứng tần số :

– Đáp ứng tần số (hay dãy tần hoạt động của mạch) được định nghĩa là một khoảngtần số mà khi tần số tín hiệu ngõ vào nằm trong khoảng tần số này thì độ khuếchđại của mạch sẽ là cực đại

– Thông thường một mạch khuếch đại chỉ đáp ứng được một dãy tần số nào đó, ở tần

số thấp và tần số cao thì độ lợi sẽ giảm so với tần số trung bình Khoảng tần số mà

độ lợi không bị suy giảm quá 3dB gọi là băng thông (BW) của bộ khuếch đại.Mạch khuếch đại âm tần băng thông lí tưởng là: 20Hz ÷ 20KHz

– Khoảng tần số này được giới hạn bởi :

fH :tần số cắt cao

fL:tần số cắt thấp

– Hiệu số giữa fH và fL được gọi là băng thông của mạch :B = fH - fL

– Nếu tín hiệu ngõ vào nằm ngoài băng thông của mạch thì độ khuếch đại của mạch

sẽ thay đổi theo tần số

– Nếu tín hiệu ngõ vào ở tần số fH hay fL thì độ khuếch đại của mạch ở tần số đó sẽgiảm đi 2lần hay suy giảm –3 dB so với độ lợi cực đại

2.3 Méo dạng:

– Biểu thị cho sự thay đổi hình dạng của tín hiệu ra so với tín hiệu vào của mạch Tínhiệu khuếch đại trong mạch bị méo dạng do nhiều nguyên nhân gây ra như L, C,BJT, do tín hiệu vào quá lớn, do nhiễu… Độ méo phân thành nhiều loại:

– Méo phi tuyến: đối với bộ khuếch đại lý tưởng thì khi tín hiệu vào là hình sin thìtín hiệu ra cũng là hình sin Các bộ khuếch đại trong thực tế thường không đảmbảo được điều này, nghĩa là tín hiệu qua mạch không hoàn toàn là hình sin nữa.Nguyên nhân gây ra hiện tượng này là do bộ khuếch đại có chứa các thành phầnphi tuyến như BJT…đều có đặc tuyến là đường cong và các đặc tính khuếch đạiphi tuyến gây ra sái dạng tín hiệu ngõ ra

– Méo tần số : là dạng méo xuất hiện do hệ số khuếch đại thay đổi khi tần số tín hiệu

thay đổi gây nên sự biến đổi âm sắc Nguyên nhân là do L, C từ mạch khuếch đại

– Méo pha: là do sự dịch góc pha ban đầu của tín hiệu ra so với tín hiệu vào Méopha có không gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng âm thanh

– Mép xuyên tâm: Do điện áp qua mối nối B-E của một transistor phải đạt đến mứcnào đó xác định (0.7v) trước khi có dòng base vào, nhờ đó dòng collector sẽ chạy

qua Kết quả tín hiệu lái được đưa vào transistor lớp B phảiđạt được một mức cực tiểu nhất định trước khi dòngcollector của nó nằm trong vùng tích cực Hiện tượng này

là nguyên nhân chính gây ra nhiễu trong bộ khuếch đại đẩykéo lớp B

Hình:1

2.4 Dãi rộng và tạp nhiễu:

– Độ lợi của bộ khuếch đại không chỉ phụ thuộc vào tần số mà còn phụ thuộc vàobiên độ và cường độ của tín hiệu vào Nếu điện áp quá giới hạn cho phép sẽ gâyquá tải cho tầng khuếch đại , nếu điện áp vào quá ngõ thì tạp nhiễu sẽ xuất hiện ởngõ ra , tap âm nhiễu này bao gồm tạp âm nhiệt của linh kiện thụ động và tạp âmnội của linh kiện phi tuyến như BJT, FET… nếu không có tín hiệu vào thì ngõ ra

sẽ có tạp âm riêng của tầng khuếch đại

– Tỉ số giữa giá trị cực đại và cực tiểu của điện áp vào gọi là dãi động của tín hiệu(Ds)

(min)

(max)

IN

IN S

V

V

D =

– Như vậy bộ khuếch đại sẽ không thể khuếch đại điện áp nhỏ hơn giátrị cực tiểu của

tín hiệu vào bởi vì điện áp nhỏ V IN(min) thì tạp nhiễu của tầng khuếch đại sẽ lấn áp

Do đó người ta đưa tỉ số S/N để đánh giá chất lượng của bộ khuếch đại , tỉ số S/N

càng nhỏ càng tốt

 S(signal): công suất tín hiệu

 N(noise): công suất nhiễu

2.5 Tổng trở vào (Z IN ):

Để tín hiệu không bị suy giảm thì tổng trở vào phải có giá trị đủ lớn : Z IN

≥10R S Với R S là điện trở nối tiếp của nguồn tín hiệu vào

2.6 Tổng trở ra (Z OUT ):

Z OUTlà điện trở nối tiếp với nguồn phát tín hiệu ra Để tín hiệu không bị suy giảm thì

tổng trở ra phải có giá trị đủ nhỏ so với tải : R L ≥10 Z OUT Với R L là điện trở tải

2.7 Công suất danh định :là công suất lớn nhất mà mạch cung cấp cho tải theo

đúng yêu cầu thiết kế

2.8 Hiệu suất của mạch khuếch đại (η ) :

Hiệu suất của bộ khuếch đại công suất được định nghĩa là tỉ số giữa công suất tínhiệu tung bình được phân phối trên tải với công suất trung bình được kéo từ nguồnDC:

%100.(%)

Với : PL là công suất tín hiệu tung bình được phân phối trên tải

PCC là công suất trung bình được kéo từ nguồn dc

Chương 3 KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC – BJT

3.1 Transistor mắc theo kiểu E chung:

Mạch mắc theo kiểu E chung có cực E đấu trực tiếp xuống mass hoặc đấu qua tụxuống mass để thoát thành phần xoay chiều, tín hiệu đưa vào cực B và lấy ra trêncực C, mạch có sơ đồ như sau :

Rg : là điện trở ghánh

Rđt : Là điện trở định thiênRpa : Là điện trở phân áp

Hình: 2

Mạch khuyếch đại điện áp mắc kiểu E chung, tín hiệu đưa vào cực B và lấy ra trêncực C

 Đặc điểm của mạch khuyếch đại E chung

 Mạch khuyếch đại E chung thường được định thiên sao cho điệnápUCE khoảng 60% ÷ 70 % Vcc

 Biên độ tín hiệu ra thu được lớn hơn biên độ tín hiệu vào nhiều lần,như vậy mạch khuyếch đại về điện áp

 Dòng điện tín hiệu ra lớn hơn dòng tín hiệu vào nhưng không đángkể

 Tín hiệu đầu ra ngược pha với tín hiệu đầu vào : vì khi điện áp tínhiệu vào tăng => dòng IBE tăng => dòng ICE tăng => sụt áp trên Rg tăng => kếtquả là điện áp chân C giảm , và ngược lại khi điện áp đầu vào giảm thì điện áp

chân C lại tăng => vì vậy điện áp đầu ra ngược pha với tín hiệu đầu vào Mạchmắc theo kiểu E chung như trên được ứng dụng nhiều nhất trong thiết bị điệntử.

3.2 Transistor mắc theo kiểu C chung :

Hình: 3

– Mạch mắc theo kiểu C chung có chân C đấu vào mass hoặcdương nguồn Lưu ý : về phương diện xoay chiều thì dương nguồn tương đươngvới mass, tín hiệu được đưa vào cực B và lấy ra trên cực E

– Mạch mắc kiểu C chung , tín hiệu đưa vào cực B và lấy ra trêncực E

 Đặc điểm của mạch khuyếch đại C chung

 Tín hiệu đưa vào cực B và lấy ra trên cực E

 Biên độ tín hiệu ra bằng biên độ tín hiệu vào : Vì mối BE luônluôn có giá trị khoảng 0,6 V do đó khi điện áp chân B tăng bao nhiêu thì ápchân C cũng tăng bấy nhiêu => vì vậy biên độ tín hiệu ra bằng biên độ tínhiệu vào

 Tín hiệu ra cùng pha với tín hiệu vào : Vì khi điện áp vào tăng

=> thì điện áp ra cũng tăng, điện áp vào giảm thì điện áp ra cũng giảm

 Cường độ của tín hiệu ra mạnh hơn cường độ của tín hiệu vàonhiều lần : Vì khi tín hiệu vào có biên độ tăng => dòng IBE sẽ tăng => dòng

ICE cũng tăng gấp β lần dòng IBE vì ICE = β.IBE giả sử Transistor có hệ sốkhuyếch đại β = 50 lần thì khi dòng IBE tăng 1mA => dòng ICE sẽ tăng50mA, dòng ICE chính là dòng của tín hiệu đầu ra, như vậy tín hiệu đầu ra cócường độ dòng điện mạnh hơn nhiều lần so với tín hiệu vào

 Mạch trên được ứng dụng nhiều trong các mạch khuyếch đạiđêm (Damper), trước khi chia tín hiệu làm nhiều nhánh , người ta thườngdùng mạch Damper để khuyếch đại cho tín hiệu khoẻ hơn Ngoài ra mạchcòn được ứng dụng rất nhiều trong các mạch ổn áp nguồn ( ta sẽ tìm hiểutrong phần sau )

3.3 Transistor mắc theo kiểu B chung :

– Mạch mắc theo kiểu B chung có tín hiệu đưa vào chân E và lấy ra trên chân C ,chân B được thoát mass thông qua tụ

– Mach mắc kiểu B chung rất ít khi được sử dụng trong thực tế

– Mạch khuyếch đại kiểu B chung , khuyếch đại về điện áp và không khuyếch đại vềdòng điện.

Hình:4

Chương 4 GHÉP GIỮA CÁC TẦNG KHUẾCH ĐẠI

 Khái niệm về ghép tầng : Một thiết bị điện tử gồm có nhiều khối kết hợp lại, mỗikhối lại có nhiều tầng khuyếch đại được mắc nối tiếp với nhau và khi mắc nối tiếpthường sử dụng một trong các kiểu ghép sau :

– Ưu điểm của mạch là đơn giản, dễ lắp do đó mạch được sử dụng rất nhiều trongthiết bị điện tử, nhược điểm là không khai thác được hết khả năng khuyếch đại củaTransistor do đó hệ số khuyếch đại không lớn

– Ở trên là mạch khuyếch đại âm tần, do đó các tụ nối tầng thường dùng tụ hoá có trị

số từ 1µF ÷ 10µF

– Trong các mạch khuyếch đại cao tần thì tụ nối tầng có trị số nhỏ khoảng vài nanôFara

– Nhược điểm : nếu mạch hoạt động ở dải tần số rộng thì gây méo tần số, mạch chếtạo phức tạp và chiếm nhiều diện tích

4.3 Ghép tầng trực tiếp

Kiểu ghép tầng trực tiếp thường được dùng trong các mạch khuyếch đại công xuất âmtần Mạch khuyếch đại công xuất âm tần có đèn đảo pha Q1 được ghép trực tiếp với haiđèn công xuất Q2 và Q3

Hình: 7