Đồ án Mạch khuếch đại công suất OCL

LỜI NÓI ĐẦU cd Ngành điện tử là một trong những ngành quan trọng góp phần vào sự phát triển của đất nước. sự phát triển nhanh chóng của Khoa học – Công nghệ làm cho ngành điện tử ngày càng phát triển và đạt được nhiều thành tựu mới. Nhu cầu của con người ngày càng cao là điều kiện thuận lợi cho ngành Điện tử phải không ngừng phát minh ra các sản phẩm mới có tính ứng dụng cao, các sản phẩm có tính năng, có độ bền và độ ổn định ngày càng cao… Nhưng một điều cơ bản là các sản phẩm đó đều bắt nguồn từ những linh kiện: R, L, C, Diode, BJT, FET mà nền tảng là điện tử tương tự. Có thể nói,Mạch Khuếch Đại Âm Thanh là một trong những sản phẩm tạo nền tảng phát triển của những sản phẩm Điện Tử phục vụ cho nhu cầu của con người. Sau hơn một năm hoc, với sự tích lũy kiến thức của các môn học: Vật Liệu Linh Kiện Điện Tử, Mạch Điện Tử 1 và 2 đã đảm bảo cho chúng em có thể phân tích và thiết kế một mạch Khuếch Đại Công Suất Âm Tần. Hiện nay, trong nước đã có rất nhiều Máy Khuếch đại Âm Thanh trên thị trường, mà tầng khuếch đại công suất được thiết kế với các dạng mạch như sau: mach khuếch đại OTL, mạch khuếch đại OCL, mạch khuếch đại BCL… nhưng phổ biến nhất là loại mạch khuếch đại OCL. Bởi vì dạng mạch này có nhũng ưu điểm về: hiệu suất, hệ số sử dụng BJT(FET) công suất, độ lợi băng thông, biên độ tín hiệu ra… chính vì thế mà nhóm chúng em chọn mạch khuếch đại công suất OCL làm đề tai2cho Đồ Án Môn Học của nhóm em. Trong quá trình thực hiện đố án, chúng em được Ths. Tống Thành Nhân hướng dẫn tận tình. Đó chính là điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn thành Đồ Án Môn Học thành công tốt đẹp. Chúng em xin trân trong cám ơn Ths. Tống Thành Nhân và các thầy, cô đã giúp đỡ chúng em trong thời gian qua. NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Giảng viên hướng dẫn : Th.s Tống Thành Nhân. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thanh Hào. Võ Vũ Linh. Nguyễn Hồng Phúc. Lớp: CĐĐT08A. Tên đề tài: Mạch Khuếch Đại Công Suất Âm Tần OCL – 100W. Nhận xét của giảng viên hướng dẫn: TP. Hồ Chí Minh, ngày… tháng 12 năm2009 Giảng viên hướng dẫn Th.s Tống Thành Nhân CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT cd Bộ khuếch đại công suất lớp A: Điểm là tín hiệu ngõ ra của BJT luôn ở trong vùng tích cực có nghĩa là BJT được phân cực sao cho tín hiệu ngõ ra luôn biến thiên theo tín hiệu ngõ vào. Thường điểm tĩnh Q(VCE,ICQ) được phân cực sao cho VCE=VCC/2. + Ưu điểm: tín hiệu ngõ ra biến thiên 3600 theo tín hiệu ngõ vào, tín hiệu có chất lượng tương đối tốt, ít biến dạng. + Khuyết điểm: do được phân cực ở chế độ làm việc tối ưu nên có tiêu hao năng lượng lớn kêt cả khi không có tín hiệu ở ngõ vào, hiệu suất của mạch thấp thường là η = 25%. Vì vậy mạch này ít được sử dụng. Bộ khuếch đại công suất lớp B: Đặc điểm phân cực là điện áp VBE= 0V vì vậy khi tín hiệu ngõ vào phải vượt qua Điện áp ngưỡng Vγ của BJT thì mới cò tín hiệu ở ngõ ra thường chỉ khuếch đạ ở một bán kì dương hoặc âm tuỳ thuộc vào loại BJT là PNP hay NPN. Mạch khuếch đại công suất thường được ghép dạng PUSH – PULL. + Ưu điểm: mạch không hoạt động khi không có tín hiệu ở nhõ vào, vì vậy tổn hao năng lượng rất ít. + Khuyết điểm: tín hiệu ở ngõ ra sẽ bị méo xuyên tâm do tín hiệu ở ngõ vào phải vượt qua điện áp ngưỡng Vγ của BJT. Hiệu suất của mạch cao thường là η = 50% - 78.5%. Bộ khuếch đại công suất lớp AB: Đặc điểm là sự cải tiến nhược điểm meo xuên tâm của lớp B bằng cách nâng áp phân cực điểm tĩnh Q sao cho nằm trong vùng giữa lớp A và lớp B, mạch được phân cực có VBE gần bằng hoặc bằng Vγ của BJT. Vì vậy tín hiệu ngõ vào sẽ được khuếch đại cho tín hiệu ngõ ra hơn nửa chu kì. Mạch khuếch đại công suất thường được ghép dạng bổ phụ, có nghã là hai phần tử BJT công suất có cùng thông soosnhuwng một lá loại PNP và một là NPN. Neu mạch được thiết kế dùng nguồn đôi ta gọi là mạch khuếch đại công suất dạng OCL ( Output Capactor- Less), nếu dùng nguồn đơn và ngõ ra có tụ ta gọi là mạch khuếch đại công suất dạng OTL ( Output Transformer- Less). +Ưu điểm: tín hiệu ngõ ra ít bị méo dạng hơn ở lớp B, tiêu hao năng lượng khi không có tín hiệu ngõ vào ít hơn lớp A, hiệu suất của mạch cao, hệ số sử dụng BJT cao. + Khuyết điểm: cần có biến áp cung cấp nguồn đối xứng đối với mạch OCL phải có tụ ở ngõ ra đối với mạch OCL. Bộ khuếch đại công suất lớp C: Đặc điểm là mạch được phân cực cho BJT nằm trong vùng ngưng dẫn sâu hơn so với lớp B. vì vậy mạch chỉ khuếch đại một phần đỉnh của tín hiệu ngõ vào, do đó mạch không phù hợp để khuếch đại tín hiệu âm tầng, mà thường được sử dụng để khuếch đại các tín hiệu cao tần. Ngoài ra còn có các bộ khuếch đại công suất lớp: D, E , F, G, H. Hình 1: Biểu diễn tín hiệu vào ra ở các lớp A, B, AB, C. CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ cd 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. 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. Mạch nguyên lý: Với sơ đồ khối như trên, có thể thiết kế bất kì một loại mạch khuếch đại công suất theo yêu cầu của người tiêu dùng. Cụ thể trong đồ án Môn học mạch điện tử này, nhóm thực hiện thiết kế một mạch khuếch đại công suất có các yêu cầu sau: Dạng mạch: OCL. Công suất ngõ ra: PLMax = 100W. Băng thông: BW = 20Hz – 20KHz. Tải RL = 8ohm. Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch KĐCS âm tần - OCL Sơ đồ nguyên lý và hoạt động của từng tầng: Tầng công suất: Sơ đồ mạch nguyên lý Hình 2.3.1: Sơ đồ nguyên lí tầng công suất dang PUT – PULL bổ phụ Hoạt động của mạch - Khi tín hiệu vào có bán kì dương: + VBE tăng lên nên Q8 phân cực thuận dẫn dòng đổ vào cực B của Q10, làm cho Q10 phân cực thuận dẫn dòng mạnh từ nguồn + Vcc qua loa và xuống Mass. + Còn Q9 phân cực nghịch tắt nên không phân cực cho Q11, vì vậy Q11 không rút dòng. - Khi tín hiệu vào có bán kì âm: + VBEQ9 giảm xuống nên Q9 được phân cực thuận rút dòng từ cực B của Q11, làm cho Q11 phân cực thuận rút dòng mạnh từ Mass qua loa và đổ về -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 và VBEQ9, VBEQ11 để hai cặp BJT Q8, Q10 và Q9, Q11 làm việc ở lớp AB. Phần tử VBIAS có thể điều chỉnh được để cân chỉnh điện áp tại điểm giữa của hai BJT Q10 và Q11 bằng 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 và phần tử VBIAS định chế độ hoạt động ở lớp AB cho tầng KĐCS PUSH – PULL bổ phụ 2.3.2.2 Hoạt động : - D5 và D6 tạo chênh lệch điện áp 2VD để phân cực cho Q6 tạo dòng điện trên cực EQ6, dòng điện này có thể thai đổi được nhờ biến trở R10. - R9 phân cực thuận cho D5, D6 có điện áp ngưỡng VD, dòng qua D5, D6 là ID5,D6 tại VD. - D1, D2, D3, D4 và biến trở R11 dùng để tạo điện áp phân cực cho tầng KĐCS PUSH –PULL hoạt động ở chế độ lớp AB. - Q7 là tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ ở chế độ lớp A, tạo tín hiệu ngõ ra 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 và phần hồi tiếp âm Hoạt động : - Tương tự như tầng lái, Q5 cũng được phân cực để tạo dòng điện cố định có thể điều chỉnh được nhờ R5, và điều chỉnh để tầng công suất cân bằng hay điểm giữa đạt giá trị 0V. đồng thời làm tăng giá trị hệ số nén tín hiệu đồng pha CMRR (common mod rejection ratio) hay còn gọi là hệ số triệt tín hiệu đồng pha. Có nghĩa nguồn dòng Q5 sẽ cải tiến mạch vi sai thành lí tưởng vời hệ có CMRR = ∞. - Q1 và Q4 là cặp BJT giống nhau, được ghép thành mạch khuếch đại Visai. Có nhệm vụ khuếch đại tín hiệu Visai giữa tín hiệu ngõ vào và tín hiệu hồi tiếp âm NFP (Negateve feedback), giữ cho toàn mạch hoạt động ổn định theo hệ số Avf nhất định. - Q2 và Q3 là cặp BJT giông nhau, được ghép thành bộ gương dòng điện có nhiệm vụ giữ cho dòng điện Ic của Q1 và Q4 luôn được cân bằng ở chế độ DC, điểm lợi là tạo trở kháng lớn từ cực C của Q2 khi ở chế độ AC đểđảm bảo tín hiệu ngõ ra của mạch Visai được 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 có thể ngắn mạch ở chế độ AC tạo cầu phân áp tten6 cực B của Q4 khi có điện áp hồi tiếp. - R7 và R8 xác lập độ lợi điện áp khi có hồi tiếp Avf. Riêng Q8 khi ở chế độ DC làm nhiệm vụ phân cực cho Q4. - R3 và R6 phân cực cho Q1, Q4 đồng thời xác lập VBEQ7 phân cực cho Q7 tầng là công suất và xác định tỉ số dòng điện cho bộ gương dòng Q2, Q3. - R2 và R4 có trị số bằng nhau, để ổn định Q1, Q4 đồng thời triệt tín hiệu tần số cao ở chế độ AC. - R1 phân cực cho Q1 ở chế độ DC. Một số linh kiện đặc biệt trong mạch: CHƯƠNG 3 THI CÔNG cd 3.1 Mô phỏng bằng Pspice: 3.1.1 Mô phỏng phân cực BIAS POINT: Giả sử ta thiết lập giá trị phân cực cho các biến trở như sau: R5= 500, R10=1K, R11=1K. Hình 3.1.1 Mô phỏng phân cực BIAS POINT 3.1.2 Mô phỏng ở chế độ AC: Cho Vin =1V, tần số bắt đầu là 1Hz, tần số kết thúc là 1MHz. Hình 3.1.2 Mô phỏng phân cực AC. Ngõ ra sau khi được khuếch đại có hồi tiếp có biên độ ≈ 43.5V, có băng thông BW = 300Hz ÷ ∞ kết quả này sai lệch quá lớn so vớ kết quả mong muốn. nếu ta thay đổi giá trị của tụ C2= 47uF và C3= 1nF. Ta có kết quả như sau: Đây chính là băng thông mà ta cần. 3.1.3 Mô phỏng miền thời gian: Cho biên độ Vin = 1V, tần số là 20Hz. Hình 3.1.3 Mô phỏng miền thời gian. Ta thấy biên độ của tín hiệu ra bị méo, đây là hiện tượng hệ số khuếch đại quá lớn. nếu tăng giá trị R7=1Ω thì ta có kết quả sau: Như vậy, biên độ của ta đã được cải thiện không còn bị méo nữa, kết quả cho thấy hệ số Avf của toàn mạch phụ thuộc vào R7 và R8. Ta có kết quả giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra như sau: 3.2 Mạch in với layout plus: CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN cd 4.1 Những kết quả đạt được: Qua hơn hai tháng miệt mài làm việc, với sự hướng dẫn tận tình của Thầy Tống Thành Nhân và những thầy cô khoa Điện tử-Tin học, nhóm chúng em đã đạt được những kết quả sau: - Thiết kế và chế tạo được mạch khuếch đại công suất âm tầng OCL- 100W có khả năng sử dụng rộng rãi. - Đạt được những mục tiêu và yêu cầu ban đầu. - Vận dụng được nhiều kiến thức về khuếch đại công suất trong quá trình thi công. - Tìm hiểu được nhiều mẫu có thể sử dụng sau này. - Tham khảo được nhiều ý tưởng hay, có nhiều sáng tạo trong thiết kế. - Khả năng tìm tài liệu trên mạng. - Khả năng làm việc theo nhóm. 4.2 Những thuận lợi và khó khăn khi thực hiện đề tài: 4.2.1 Thuận lợi: - Nhờ những trang thiết bị của nhà trường, đã tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm trong quá trình tìm kiếm tài liệu trên mạng, cũng như trong quá trình thiết kế và thi công. - Được sự hướng dẫn tận tình của Thầy Tống Thành Nhân và những thầy cô khoa Điện tử-Tin học trong suốt thời gian qua. 4.2.2 Khó khăn: - Thời gian thực hiện đề tài có giới hạn. - Nhóm gặp nhiều khó khăn trong việc tìm tài liệu (khả năng sử dụng tiếng Anh của nhóm còn hạn chế với những tài liệu nước ngoài). - Mất nhiều thờ gian trong quá trình thiết kế do phải lựa chọn nhiều phương án nhằm đáp ứng yêu cầu đề ra ban đầu. TÀI LIỆU THAM KHẢO cd Mạch điện tử 1. tác giả Lê Tiến Thường. nhà xuất bản Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh. Mạch điện tử 2,tác giả Lê Tiến Thường. nhà xuất bản Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh. * Các trang web: cd