Sau khi lựa chọn giải phỏp cho thiết kế cỏc mạch thành phần, sơ đồ nguyờn lý đầy đủ bộ khuếch đại cụng suất được cho bởi hỡnh 2.16 sau đõy. Với thiết kế này, hoạt động của mạch như sau:
Khối khuếch đại cụng suất làm nhiệm vụ khuếch đại tớn hiệu từ khối tạo tớn hiệu phớa trước lờn cụng suất 15W trong toàn dải tần cụng tỏc, qua mạch phối hợp để đưa ra anten. Khối khuếch đại cụng suất được xõy dựng theo sơ đồ khuếch đại dải rộng, tải là biến ỏp cao tần. Vỡ tớn hiệu vào thường khỏ nhỏ (khoảng vài chục tới hàng trăm mV) nờn sử dụng một tầng tiền khuếch đại làm việc ở chế độ A trờn bỏn dẫn Q1 loại KT920B. Tầng khuếch đại cụng suất xõy dựng theo sơ đồ đẩy kộo cụng tỏc ở chế độ AB cấp nguốn song song trờn bỏn dẫn Q2, Q3 loại KT930B. Thiờn ỏp cho hai tầng khuếch đại được cung cấp từ nguồn 5V phỏt, trong đú thiờn ỏp cho tầng khuếch đại đẩy kộo cú thể điều chỉnh được trong phạm vi (0 – 0.7)V nhờ Q4, Q5 và chiết ỏp điều chỉnh R9 = 1kΩ. Vỡ hai bỏn dẫn khụng chung một vỏ nờn để bảo đảm hai nửa tớn hiệu đầu ra là cõn bằng, sử dụng chiết ỏp vi chỉnh R5. Tải của tầng khuếch đại cụng suất là biến ỏp T2 được sử dụng để ghộp trở khỏng ra tầng khuếch đại cụng suất với trở khỏng anten chuẩn 50Ω. Cả hai tầng khuếch đại đều cú hệ số phản hồi õm sõu từ colectơ về bazơ cho phộp nõng cao độ ổn định hệ số khuếch đại của cỏc tầng.
CHƯƠNG 3
TÍNH TOÁN VÀ THI CễNG
3.1 TÍNH TOÁN BỘ KHUẾCH ĐẠI CễNG SUẤT
Trờn cơ sở thiết kế sơ đồ nguyờn lý ở chương 2, trong chương 3 sẽ đi tớnh toỏn chi tiết cỏc mạch thành phần cụ thể cho bộ khuếch đại cụng suất như sau:
C3 KT920B Q1 T1 C2 R1 5V PHAT L1 R2 R4 R3 1 2 V C1 TIN HIEU VAO
DEN TANG KDCS
Hỡnh 3.1 Sơ đồ nguyờn lý tầng tiền khuếch đại cụng suất
Với điện ỏp nguồn 12V, ta chọn điện ỏp emitơ UE = 3V (lớn). Điện ỏp UCE(sat) = 0.8V, như vậy UCEmin= UE+ UCE(sat) = 3.8V.
Xỏc định điểm cụng tỏc tĩnh: do tầng tiền khuếch đại đảm bảo độ tuyến tớnh cao nờn ta chọn điểm cụng tỏc ở giữa đặc tuyến động.
( ) ( ) 1 2 CO CC CC E CE U =V − V − U +U sat (3.1) = 12 – 1/2 (12 – 3 – 0.8) = 7.9V.
Hỡnh 3.2 Minh hoạ điện ỏp ra trờn colectơ của bỏn dẫn
Với lựa chọn này thỡ đảm bảo biờn độ tớn hiệu ra khụng bị cắt. Căn cứ vào đặc tuyến đường tải tĩnh của bỏn dẫn KT920B, ta chọn điểm cụng tỏc cho chế độ A là điểm O cú dũng IB = 1.5mA, IC= 50 mA, UCE = (UCO – UCEmin) = 7.9 – 3.8 = 4.1V để đảm bảo cho tầng khuếch đại làm việc tuyến tớnh.
s Hỡnh 3.3 Đặc tuyến và đường tải tĩnh của bỏn dẫn KT920B
Do IE ≈ IC nờn điện trở mắc với cực emitơ được xỏc định:
Để chỉ cú một lượng hồi tiếp xoay chiều nhỏ trờn cực emitơ, ta chọn
R4 > R3 (R3 + R4 = 60Ω). Do đú ta cú thể chọn R4 = 47Ω, R3 = 10Ω. Với điện ỏp mở bỏn dẫn ≈ 0.7V, điện trở R1 định thiờn cho bỏn dẫn được tớnh toỏn: R1 = ( ) 3 3 5 0.7 47 10 50 10 1.5 10 − − − − + ì ì ì = 967Ω. Chọn R1 = 1kΩ. Thực tế, điện trở R1 được mắc nối tiếp với cuộn chặn cao tần L1 cú giỏ trị rất lớn nờn khụng ảnh hưởng tới trở khỏng vào của tầng khuếch đại, do đú trở khỏng vào cú thể được tớnh một cỏch tương đối như sau:
( 1) 4
IN be FE
Z ≈r + h + ìR (3.2)
Trong đú: rbe là điện trở thuận mặt ghộp B – E của bỏn dẫn (≈ 10Ω).
hFE được định nghĩa bằng IC/IB.
Khi đú điện trở vào của tầng tiền khuếch đại là:
IN
Z ≈ 10 + (50/1.5 + 1) x 47 ≈ 1623.7Ω.
Ta thấy trở khỏng vào ZIN của bỏn dẫn là khỏ lớn so với trở khỏng nguồn chuẩn 50Ω đầu vào cho nờn đảm bảo tương đối tốt vấn đề phối hợp trở khỏng đầu vào cho tầng tiền khuếch đại cụng suất. Việc tớnh toỏn mạch hồi tiếp õm xoay chiều sẽ được trỡnh bày trong một mục riờng phớa sau. * Xỏc định trở khỏng đầu ra.
Như phần chọn chỉ tiờu cho bộ khuếch đại cụng suất đó trỡnh bày, cụng suất đầu ra cần đạt được là lớn hơn hoặc bằng 15W. Tầng khuếch đại đẩy kộo khuếch đại tớn hiệu lớn, để đảm bảo độ ổn định và tuyến tớnh thỡ hệ số khuếch đại về cụng suất của tầng này chỉ nờn chọn khoảng 10 lần. Do vậy, ta chọn cụng suất đầu ra cho tầng tiền khuếch đại là 1.5W.
Ở dải HF và VHF thỡ điện trở tải tối ưu được tớnh toỏn bởi cụng thức: 2 2 CE L OUT V R P = ì (3.3)
Như vậy, nếu ta chọn cụng suất ra của tầng tiền khuếch đại là 1.5W thỡ giỏ trị của RL là: RL= ( )2 7.9 3.8 2 1.5 − ì = 5.6Ω.
Giỏ trị tải đầu ra RL sẽ là căn cứ cho việc tớnh toỏn biến ỏp T1 cũng như xỏc định khõu hồi tiếp cho tầng kớch thớch.
3.1.2 Tớnh toỏn mạch định thiờn cho tầng khuếch đại cụng suất
Như phần lý thuyết đó trỡnh bày, về thực chất đõy là một mạch ổn
dũng cú điện ỏp ra điều chỉnh được trong khoảng (0 – 0.7)V cấp cho đầu vào tầng khuếch đại đẩy kộo để điều khiển độ mở bỏn dẫn. Do đú, mạch cụng tỏc dạng khuếch đại một chiều. Ta tớnh toỏn giỏ trị dũng IOUT mà
mạch định thiờn cung cấp.
Hỡnh 3.4 Sơ đồ nguyờn lý mạch định thiờn cho tầng khuếch đại cụng suất
Từ đặc tuyến tải của bỏn dẫn KT930B, ta chọn điểm cụng tỏc cho bỏn dẫn cụng tỏc ở chế độ AB cú dũng IB = 1.5mA. Phần A chỉ vừa đủ để mở bỏn dẫn với điện ỏp trong khoảng 0.7V.
của bỏn dẫn KT930B làm việc ở chế độ AB với dũng qua điện trở R5. Quỏ trỡnh đúng mở ở cỏc bỏn chu kỳ của tớn hiệu vào, trở khỏng trong mạch sẽ thay đổi do đú dũng cung cấp từ mạch định thiờn cũng thay đổi, cú thể làm cho điểm cụng tỏc của bỏn dẫn bị thay đổi. Để ổn định dũng định thiờn, ta nờn chọn dũng qua điện trở điều chỉnh cõn bằng R5 lớn hơn khoảng 10 lần dũng qua bỏn dẫn, tức vào khoảng 15mA. Từ đú tớnh được R5:
R5 = 2 x 0.7V/15mA = 2 x 46 = 92Ω. Như vậy, dũng IOUT = 2 x (1.5 + 15) = 33mA.
Để giảm nhỏ sự thay đổi của dũng ra IOUT, mạch định thiờn sử dụng một điện trở R15 đúng vai trũ là tiền tải. Với điện ỏp 0.7V rơi trờn R15, chọn một dũng yờu cầu khoảng 2mA. Giỏ trị của R15 là 0.7/0.002 = 350Ω. Chọn
R15 = 330Ω.
Khi đú, dũng emitơ của bỏn dẫn Q4 là: IE ≈ IC ≈ 33 + 2 = 35mA. Để bảo vệ ngắn mạch nguồn 5V phỏt vào cực bazơ bỏn dẫn tầng khuếch đại cụng suất, sử dụng điện trở R14. Căn cứ vào datasheet của bỏn dẫn KT606B, dũng colectơ cực đại cho phộp là 0.3A và điện ỏp bóo hoà UCE
= 0.8V, khi đú giỏ trị tối thiểu của R14 là:
R14min = (5 – 0.8 – 0.7)/0.25= 14Ω.
Chọn R14 = 22Ω. Cụng suất tối đa mà R14 phải chịu: 0.32 x 22 =
1.98W. Ta chọn loại điện trở (18Ω, 2.5W).
Do dải điều chỉnh điện ỏp thiờn ỏp trong dải (0 – 0.7)V tương đối hẹp nờn để chớnh xỏc trong đặt điện ỏp ra định thiờn, ta nờn tớnh toỏn sao cho phạm vi thay đổi của R9 rộng. Vỡ vậy, nhằm giảm nhỏ sự thay đổi của dũng ra mạch định thiờn, ta chọn vựng làm việc cho bỏn dẫn Q5 gần vựng bóo hoà với dũng colectơ hạn chế. Khi đú, cho dự điện ỏp từ khõu phõn ỏp (R8,
R9, R10) là rộng thỡ điện ỏp đặt vào bazơ của Q4 vẫn ớt thay đổi, dẫn đến dũng ra mạch định thiờn ổn định hơn. Do đú, ta chọn giỏ trị R13 lớn, bằng 1kΩ.
Để tăng sự ổn định trong quỏ trỡnh thay đổi điện ỏp định thiờn, điện trở R12 cú tỏc dụng là khõu phản hồi từ đầu ra về đầu vào. Giỏ trị của R12 được chọn cỡ một vài trăm ụm để dũng phản hồi là tương đối nhỏ so với dũng IB của Q5.
Khõu phõn ỏp R8, R9, R10 được lựa chọn tương tuỳ ý sao cho dũng qua chỳng nhỏ nhằm giảm lượng tiờu hao một chiều. Phạm vi thay đổi của
R9 rộng nờn ta chọn giỏ trị của R11 lớn để hạn chế dũng vào IB của bỏn dẫn
Q4. Ta chọn R8 = R9= R11 = 1kΩ, R10 =180Ω.
3.1.3 Tớnh toỏn cỏc biến ỏp phối hợp vào ra
C5 L4 Q2 KT930B R5 T1 Q3 KT930B L5 R6 R7 C6 C7 L2 T2 L7 L8 C4 L6 12V 5 V DEN PHOI HOP ANTEN TU TANG KICH THICH
Hỡnh 3.5 Sơ đồ nguyờn lý tầng khuếch đại cụng suất
* Tớnh toỏn biến ỏp vào T1
Biến ỏp T1 thực hiện chuyển đổi từ khụng cõn bằng thành cõn bằng và phối hợp trở khỏng ra của tầng tiền khuếch đại (5.6Ω) với trở khỏng vào tầng khuếch đại đẩy kộo (4.46Ω). Như vậy, tỉ tệ trở biến đổi về trở khỏng là 5.6 : 4.46 = 1.26 : 1. Khi đú, tỉ lệ về số vũng của cỏc cuộn sơ cấp và thứ cấp biến ỏp T1 được tớnh bằng căn bậc hai của tỉ lệ về trở khỏng, tức là 1.12 : 1 ≈ 1:1. Ta tớnh toỏn số vũng của cuộn sơ cấp:
Cuộn sơ cấp cú cảm khỏng bằng trở khỏng ra của tầng tiền khuếch đại là 5.6Ω. Tớnh tại tần số trung tõm của dải tần là 6MHz thỡ giỏ trị điện cảm L1 = 5.6/ 6x106= 0.93μH.
Khi chọn sử dụng dõy đồng trỏng men cú đường kớnh 0.05mm kể cả lớp trỏng men.
Vật liệu lừi thớch hợp cho dải tần là loại 4C6.
Lừi xuyến tiờu chuẩn phự hợp cú kớch thước ( D x d x h )mm
Hỡnh 3.6 Lừi xuyến tiờu chuẩn
Trong đú:
D: là đường kớnh ngoài của lừi, [mm]; d: là đường kớnh trong của lừi, [mm]; h: là chiều cao của lừi, [mm].
Theo tài liệu tham khảo số 5 thỡ khuyến cỏo nờn chọn lừi xuyến theo cụng suất thiết kế như bảng 3.1 sau:
Bảng 3.1 Khuyến nghị lựa chọn lừi xuyến theo cụng suất thiết kế
Như vậy, với cụng suất đầu ra tầng tiền khuếch đại là 1.5W, ta chọn loại xuyến cú kớch thước (9 x 6 x 3)mm thỡ lượng tiờu hao vượt quỏ tiờu chuẩn là khụng đỏng kể. Số vũng danh định cú thể được tớnh toỏn theo biểu thức sau:
2 L L A= ìN , với 0.4 / r L A L A π à ì ì = ∑ (3.4) Trong đú: L A : hệ số điện cảm tổng, [nH]; / L A ∑ : Hằng số lừi, [mm-1]; N : số vũng; r
à : độ từ thẩm tương đối (120 cho loại 4C6).
Khi cho xuyến cú D = 9, tra bảng ta xỏc định được hằng số lừi là 5.17mm-1. Như vậy hệ số điện cảm tổng được xỏc định:
0.4 120 5.17 L A = ì ìπ = 29.15mm-1. Số vũng được xỏc định: 3 4.08 10 1 29.15 N = ì = 5.66 ≈ 6 vũng Số vũng của cuộn thứ cấp là: 6 : 1.12 = 5.36 ≈ 5 vũng. Ta chọn tỉ lệ cho biến ỏp vào là 1:1, gồm 6 vũng dõy.
* Tớnh toỏn biến ỏp đầu ra
Nếu tớnh chớnh xỏc thỡ trở khỏng tải được xỏc định bởi cụng thức:
( ) 2 2 CE CE L OUT V V sat R P − = ì (3.5)
trong đú VCE( )sat là điện ỏp bóo hoà giữa cực colectơ và emitơ.
Với việc sử dụng nguồn cung cấp một chiều 12V, và cho cụng suất theo thiết kế là 15W thỡ điện trở tải tối ưu là:
Rt = ( )2 12 0.8
15
− = 8.36Ω, trong đú 0.8V là điện ỏp bóo hoà giữa cực colectơ và emitơ của bỏn dẫn KT930B.
Cob Rt
Hỡnh 3.7 Trở khỏng đầu ra tầng khuếch đại
Theo datasheet cung cấp thỡ điện dung đầu ra trong dải tần (1.5 – 12)MHz
cú giỏ trị tương đối nhỏ, trong toàn dải tần cỡ vài chục pF nờn điện khỏng của nú được tớnh theo cụng thức: ZC 1
Cϖ
= cú giỏ trị rất lớn nờn thực tế khụng ảnh hưởng nhiều đến tải đầu ra, cú thể bỏ qua được.
Như vậy, khi tầng khuếch đại sử dụng cấu hỡnh đẩy kộo thỡ trở khỏng ra được cộng lại là 2 x 8.36 = 16.72Ω.
Biến ỏp T2 đầu ra thực hiện chuyển đổi từ cõn bằng thành khụng cõn
bằng, và phối hợp trở khỏng đầu ra tầng khuếch đại với trở khỏng chuẩn 50Ω. Tỉ lệ chuyển đổi trở khỏng là 16.72 : 50 ≈ 1:3 nờn tỉ lệ số vũng giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp của biến ỏp T2 tương ứng là 1 : 1.73.
Do tải của tầng khuếch đại được thiết kế là biến ỏp dải rộng như đó trỡnh bày ở chương 2 nờn cảm khỏng của cuộn sơ cấp biến ỏp T2 (ZL) cú giỏ trị bằng trở khỏng tải, ở đõy là 16.72Ω. Nếu tớnh tại tần số trung tõm của dải tần là 6MHz thỡ cảm khỏng của cuộn sơ cấp là:
L Z L ϖ = = 16.726 6 10ì = 2.79μH.
Biến ỏp T2 thực hiện chuyển đổi từ cõn bằng thành khụng cõn bằng và phối hợp trở khỏng ra của tầng khuếch đại đẩy kộo (16.72Ω) với trở khỏng chuẩn 50Ω. Như vậy, tỉ tệ trở biến đổi về trở khỏng là 16.72 : 50 = 1 : 2.99. Khi đú, tỉ lệ về số vũng của cỏc cuộn sơ cấp và thứ cấp biến ỏp T1
được tớnh bằng căn bậc hai của tỉ lệ về trở khỏng, tức là 1 : 1.73. Khi chọn sử dụng dõy đồng trỏng men cú đường kớnh 0.06mm kể cả lớp trỏng men. Ta chọn loại xuyến cú kớch thước (23 x 14 x 7)mm nhằm giảm nhỏ số vũng. Với loại xuyến D = 23mm, ta cú hằng số lừi là 1.81mm-1, từ đú tớnh được hệ số điện cảm tổng: 0.4 120 1.81 L A = ì ìπ = 83.27mm-1. Suy ra số vũng cuộn sơ cấp biến ỏp T2 là:
3 2.79 10 1
83.27
N = ì ≈ 6 vũng.
Khi đú số vũng cuộn thứ cấp biến ỏp T2 là: 6 x 1.73 ≈ 10 vũng.
3.1.4 Tớnh toỏn mạch phản hồi
* Tớnh toỏn mạch phản hồi trong tầng khuếch đại đẩy kộo
Theo datasheet của bỏn dẫn KT930B, ta cú: tại tần số 1.5MHz, tăng ớch đạt được là 22dB, và tại tần số 12MHz là 13dB. Trở khỏng vào phức trung bỡnh của bỏn dẫn KT930B là (1.2 – j2.03).Do ảnh hưởng của điện trở điều chỉnh cõn bằng R5 đầu vào nờn trở khỏng vào của bỏn dẫn cần được tớnh toỏn thờm lượng bổ xung.
Thành phần phức cú thể chuyển đổi về dạng tương đương như sau:
Rp Xp Rs Xs
Hệ số Q được định nghĩa: / S S Q X= R , hayQ R X= P/ P. (3.6) Khi đú: RP =RS ì +(1 Q2) ; 2 1 P S R R Q = + (3.7) (1 1/ 2) P S X =X ì + Q ; 2 2 1 1/ S P Q X X Q = ì + ; (3.8)
Thay số: Q = 2.03/1.02 = 2, suy ra:
( ) 1.02 1 4 5.1 P R = ì + = Ω. ( ) 2.03 1 1/ 4 2.54 P X = ì + = Ω.
Như vậy, điện trở tương đương là (50//5.1)Ω = 4.63Ω. Biến đổi trở về dạng nối tiếp bằng cỏc cụng thức chuyển đổi trờn, ta được trở khỏng vào là:
(1.07 – j 1.95). Như vậy trở khỏng vào chớnh xỏc là: *
IN
Z = (1.072+1.952) = 2.23Ω.
Như vậy, trở khỏng vào của tầng khuếch đại là: 2 x 2.23 = 4.46Ω. – Ở tần số 1.5MHz:
Cụng suất vào PIN1 = 152.2
10 = 0.09W.
Tớn hiệu vào (giỏ trị hiệu dụng): VIN1= (4.46 0.09ì ) =0.63V (V2) – Ở tần số 12MHz:
Cụng suất vào PIN2= 151.3
10 = 0.75W.
Tớn hiệu vào (giỏ trị hiệu dụng): VIN2 = (4.46 0.75ì ) =1.83V. (V1) Tớn hiệu ra (giỏ trị hiệu dụng): VOUT = (16.72 15ì ) = 15.8V. (V3)
Trở khỏng của biến ỏp T1(coi là nguồn vào) và trở khỏng giữa cỏc cực bazơ của hai bỏn dẫn KT930B lần lượt là R1 và R2 cú cựng giỏ trị là 4.72Ω do phối hợp trở khỏng.
Trở khỏng tải R4 = 16.72Ω.
Ta cú sơ đồ tương đương thể hiện mối quan hệ như sau:
Hỡnh 3.9 Sơ đồ tương đương cho tớnh toỏn điện trở hồi tiếp
Khi đú, giỏ trị điện trở hồi tiếp được tớnh theo cụng thức:
2 3 3 4 1 2 2 1 2 V V R R V V V R R + = − − − =