ĐAMH1
GVHD:Đinh Quốc Hùng
SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo
1
Trƣờng ĐH Bách Khoa TP HCM
Khoa Điện –Điện Tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1
Đề tài: Thiết kế mạch khuếch đại
công suất âm tần
GVHD: Thầy ĐINH QUỐC HÙNG
SVTH: PHẠM DUY THÀNH 40602230
VŨ PHƢƠNG THẢO 40602267
LỚP : DD06DV03
TP HCM ngày 20/12/2009
ĐAMH1
GVHD:Đinh Quốc Hùng
SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo
2
““LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng biết ơn
đến thầy ĐINH QUỐC HÙNG
trên cƣơng vị là ngƣời hƣớng 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 trƣờng
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.
ĐAMH1
GVHD:Đinh Quốc Hùng
SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo
3
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
ĐAMH1
GVHD:Đinh Quốc Hùng
SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo
4
Phần I: Cơ sở lý thuyết
1/ Khảo sát mạch khuếch đai công suất lớp B
Trong mạch khuếch đại công suất loại B, ngƣời ta phân cực với VB =0V nên bình thƣờng
transistor không dẫn điện và chỉ dẫn điện khi có tín hiệu đủ lớn đƣa vào. Do phân cực nhƣ thế nên
transistor chỉ dẫn điện đƣợc ở một bán kỳ của tín hiệu (bán kỳ dƣơng hay âm tùy thuộc vào
transistor NPN hay PNP). Do đó muốn nhận đƣợc cả chu kỳ của tín hiệu ở ngỏ ra ngƣời 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:
ĐAMH1
GVHD:Đinh Quốc Hùng
SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo
5
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)=
Hiệu suất:
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=
ĐAMH1
GVHD:Đinh Quốc Hùng
SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo
6
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:
2/ CÁC DẠNG MẠCH CỦA MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG
SUẤT LỚP B:
2.1/ Mạch công suất push-pull liên lạc bằng biến thế:
– Trong bán kỳ dƣơng 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 ñƣa vào Q2 là âm nên Q2 ngƣng dẫn.
– Ðến bán kỳ kế tiếp, tín hiệu ñƣa vào Q2 có pha dƣơng nên Q2 dẫn. Dòng i2 qua
biến thế ngõ ra tạo cảm ứng cung cấp cho tải. Trong lúc ñó pha tín hiệu ñƣa vào Q1 là âm
nên Q1 ngƣng dẫn.
i1 và i2 chạy ngƣợc chiều nhau trong biến thế ngõ ra nên ñiện thế cảm ứng bên cuộn thứ
cấp tạo ra bởi Q1 và Q2 cũng ngƣợc pha nhau, chúng kết hợp với nhau tạo thành cả chu kỳ của tín
hiệu.
ĐAMH1
GVHD:Đinh Quốc Hùng
SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo
7
Thực tế, tín hiệu ngõ ra lấy đƣợc trên tải không đƣợc trọn vẹn nhƣ 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 vƣợt qua
điện thế ngƣỡng VBE. Sự biến dạng này gọi là sự biến dạng xuyên tâm (cross-over). Ðể khắc phục,
ngƣời ta phân cực VB dƣơng 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 chƣa 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 ngƣỡng VBE giảm (transistor dễ dẫn điện hơn) làm dòng IC càng lớn hơn, hiện tƣợng
này chồng chất dẫn đến hƣ hỏng transistor. Ðể khắc phục, ngoài việc phải giải nhiệt đầy đủ cho
transistor, ngƣời ta mắc thêm một điện trở nhỏ (thƣờng 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 dƣơng làm cho
transistor NPN dẫn điện, bán kỳ âm làm cho transistor PNP dẫn điện. Tín hiệu nhận đƣợc trên tải là
cả chu kỳ.
ĐAMH1
GVHD:Đinh Quốc Hùng
SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo
8
Cũng giống nhƣ mạch dùng biến thế, mạch công suất không dùng biến thế mắc nhƣ trên vấp phải sự biến
dạng cross-over do phân cực chân B bằng 0v. Ðể khắc phục, ngƣời ta cũng phân cực mồi cho các
chân B một điện thế nhỏ (dƣơng đối với transistor NPN và âm đối với transistor PNP). Ðể ổn định
nhiệt, ở 2 chân E cũng đƣợc mắc thêm hai điện trở nhỏ.
Trong thực tế, để tăng công suất của mạch, ngƣời ta thƣờng dùng các cặp
Darlington hay cặp Darlington_cặp hồi tiếp.
ĐAMH1
GVHD:Đinh Quốc Hùng
SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo
9
3/ MỘT SỐ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ÂM TẦN:
Mạch khuếch đại OTL:
ĐAMH1
GVHD:Đinh Quốc Hùng
SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo
10
Ƣu và khuyết điểm của mạch OTL:
Ƣu: 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 hƣởng của tụ Cc
Mạch khuếch đại OCL:
Mạch khuếch đại OCL khắc phục đƣợc các ƣu 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
Phần II: Tính toán
1/Tầng khuếch đại công suất:
Công suất ngõ ra là 15W
PLmax =
Với công thức tính trên đã bỏ qua ảnh hƣởng của điện trở R13 (sụt áp trên R13)
Do có sụt áp trên đƣờng dây xem hệ số sử dụng điện áp của nguồn là 0,9.
ĐAMH1
GVHD:Đinh Quốc Hùng
SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo
11
ζ=
Chọn Vcc = 18V.
* Tầng công suất hoạt động ở chế độ AB nên Q5Q6 và Q7Q8 luân
phiên hoạt động ở mỗi bán kì, xét hoạt động của một cặp transistor
Q5Q6, còn Q7Q8 tƣơng ứng đối xứng qua.
Chọn transistor Q6 và Q8:
Công suất tiêu tán trên transistor Q6 và Q8:
2PC = PCC – PL
(*)
Giá trị
đƣợc tìm bằng cách lấy vi phân P6 theo Icm
.2.Icm.RL
Pc= Pcmax
=Icm. RL Icm=
1.43
Thay vào (*) ta đƣợc:
2Pcmax
= 8.207
Pcmax =4,103 W
Hệ số phẩm chất của transistor:
=
=0,273
Thƣờng khi chọn transistor ta chọn TST có :
Từ đó, ta chọn công suất TST bổ phụ TIP41( NPN) và TIP42(PNP), dùng làm transistor công suất ở tầng
công suất
ĐAMH1
GVHD:Đinh Quốc Hùng
SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo
12
Theo datasheet, TIP41 và TIP41 có các thông số sau:
Tính R13, R14
Để R13, R14 ít ảnh hƣởng đến hiệu suất của mạch cần chọn R13, R14 có giá trị rất nhỏ so với RL
Chọn R13= R14= 0,1Ω
Công suất tiêu tán trung bình trên trở R13( R14) phải chịu
PRTB= R13.
^2 =R13 .
=0,1.
=0,037W
Công suất đỉnh mà trở R13 (R14) phải chịu:
PRđ =R13.
= R13.
= 0,365W
Chọn R13 , R14 là trở công xuất 1W.
Chọn Q5, Q7, R11, R12
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
ĐAMH1
GVHD:Đinh Quốc Hùng
SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo
13
=
=
+50mA = 0,76A
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
ĐAMH1
GVHD:Đinh Quốc Hùng
SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo
14
ICQ5 = ICQ7 =15,1mA
IBQ5 = IBQ7=
= 0,27mA
IBQ(peak) = . 0,27 =0,86mA
Chọn ICQ6 =6mA
4 diode: chọn D1N4148 có các thông số
4 diode này, ngoài công dụng ổn định điện thế phân cực
cho cặp TST công suất, còn có nhiệm vụ làm đƣờng cấptín
hiệu cho Q5 và Q7
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
RL
Chọn R8 =510
Vì Vc =0 ( khi mạch cân bằng)
R8+ R9 =
=
= 2,8kΩ
R9= 2.2kΩ
R10 = (VR2- VBE4)/ ICQ4= 270Ω
Điện trở R8 kết hợp với tụ C5 tạo ra đƣờng hồi tiêp tự cử ( mạch bootstrap) có tác dụng cân
bằng tín hiệu kéo đẩy ngõ ra.
ĐAMH1
GVHD:Đinh Quốc Hùng
SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo
15
Chọn TST Q4 có các thông số:
Do đó chọn transistor Q2SC1815.
3/ TẦNG VI SAI- TRIỆT NHIỄU NGÕ VÀO:
ĐAMH1
GVHD:Đinh Quốc Hùng
SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo
16
ICQ4= 6mA
Theo datasheet của Q2SC1815 thì ta chọn: hfe= 200
fe
CQ
BQ
h
I
I
4
4
rất nhỏ
Chọn ICQ1 = ICQ2 = 2 mA
ICQ3 = 2 ICQ1 = 2mA
Chọn Diode Zener có Vz= 3,1V
k
I
V
V
V
CQ
EB
z
Rv
2
.
1
2
7
,
0
1
,
3
3
3
2
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
=>
k
x
I
V
xR
I
V
R
Z
Z
CQ
CC
3
,
1
5
1
,
3
7
2
,
1
18
5
3
4
Chọn R4=1k
Với tầng vis ai Q1 và Q2 :
Chọn VECQ1=VECQ2 VCC=18V
ICQ1 = ICQ2 = 1 Ma
và Q3 tạo nguồn dòng có : VECQmax=Vcc=18V
ICQ3= 2mA
Chọn Q1,Q2,Q3 là Q2SA1015 , có các thông số theo datasheet :
ĐAMH1
GVHD:Đinh Quốc Hùng
SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo
17
Theo đặc tuyến trên datasheet,ICQ1= ICQ2=1 mA,chọn hfe=200
k
x
x
I
xh
mx
h
h
CQ
fe
ie
ie
7
1
200
25
4
,
1
25
2
1
Ta có VR2=VBE4+ICQ4 x R10= ICQ1 x R2
0,6 + 6×270 = 1 x R2
R2 = 2.22k
Chọn
R2=2.2k
Để mạch vi sai triệt nhiễu tốt,ta phân cực cho Q1 và Q2 giống nhau :
ICQ1= ICQ2
VCEQ1= VCEQ2
Ta chọn R2= R3=2.2k
Độ lợi yêu cầu :
Af = 150÷300 (với Vi=100mV)
Mà
150
7
6
R
R
Av
Chọn R6=R7=220k (cân bằng DC cho Q1 và Q2)
ĐAMH1
GVHD:Đinh Quốc Hùng
SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo
18
k
x
x
I
xh
mx
hie
hie
CQ
fe
7
1
200
25
4
,
1
25
1
1
2
1
k
x
x
I
xh
mx
hie
CQ
fe
2
.
1
6
200
25
4
,
1
25
4
1
4
4658
//
1
)
(
7
6
4
1
4
4
2
2
1
9
8
1
1
4
4
R
R
h
h
x
xh
h
R
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
)
//(
1
1
)
(
2
1
1
6
7
1
6
4
1
4
4
2
2
1
9
8
1
1
4
4
ie
ie
ie
ie
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
v
T
=-21
220
1
T
A
A
v
vf
k
R
R
h
h
R
Z
ie
ie
in
15
)
//
//(
7
6
2
1
1
k
T
x
Z
Z
in
if
330
)
1
(
4/ TÍNH THÔNG SỐ CÁC TỤ:
a/ Tụ cắt tần số thấp C7 và tụ C4 :
Tụ C7 :
))
4
//(
.(
1
.
2
2
10
7
1
R
hie
R
C
fc
ĐAMH1
GVHD:Đinh Quốc Hùng
SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo
19
))
4
//(
.(
.
2
1
2
10
7
R
hie
R
f
C
C7= 498
.
Chọn giá trị của tụ C7= 470
Tụ C4 : Tụ C7 có tác dụng ngăn DC, ở AC, nó phải có giá trị sao cho khi hoat động trong dải
thông từ 20hz đến 20KHz, độ lợi giảm không quá 3dB, nghĩa là :
>
Zc4 <0,42k Chọn C4= 100 b/ Tụ cắt tần số cao : Chọn theo mô phỏng C5 =470pF c/ Tụ boostrap : tạo hồi tiếp dƣơng 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 : ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo 20 ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo 21 Sơ đồ áp và dòng phân cực tĩnh : ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo 22 ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo 23 Băng thông của mạch : ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo 24 Kiểm tra chế độ AC của tầng vi sai: Dạng sóng ngõ ra trên Q1 f=1 kHz ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo 25 Kiểm tra chế độ AC trên tầng lái :Dạng sóng ngõ ra trên Q4 f= 1kHz
