Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế Yêu cầu: Loại mạch : OTL. Ngõ vào : Vi sai. Công suất : 70W. Điện áp vào : 775mV. Trở kháng loa : 8Ω. Trở kháng vào : 220KΩ. Băng thông : 0.05Hz 16KHz. Méo phi tuyến : 0.25%. CMRR : 70dB.
Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai Thiết kế Yêu cầu: Loại mạch Ngõ vào Công suất Điện áp vào Trở kháng loa Trở kháng vào Băng thông Méo phi tuyến CMRR : OTL : Vi sai : 70W : 775mV : 8Ω : 220KΩ : 0.05Hz 16KHz : 0.25% : 70dB Trang Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai TÍNH TỐN 1> Tầng nguồn: 1.1> Biên độ tín hiệu loa: Tín hiệu vào mạch khuyếch đại có dạng sin: v = V sin t Xem hệ thống tuyến tính tín hiệu tải: v L = VL sin t + VCE i L = I L sin t + I C với V L , I L : biên độ điện áp dòng tải VCE , I C : điện áp dòng điện DC tải Do tầng công suất làm việc chế độ AB nên dòng tĩnh điện áp tĩnh rơi tải không đáng kể v = VL sin t Do vậy: L i L = I L sin t Gọi V Lhd , I Lhd : điện áp hiệu dụng dòng điện hiệu dụng tải V I V Lhd = L , I Lhd = L 2 Khi cơng suất tải : VLhd VL2 PL = RL I Lhd = = RL VL = PL RL = 2.70.8 = 33,47(V ) VL 33,47 = = 4,18( A) RL 1.2> Điện áp nguồn cung cấp: Để đảm bảo mặt lượng tránh nhiễu phi tuyến điện áp nguồn phải hai lần điện áp loa Mặc khác, Q1 ,Q2 làm việc chế độ AB nên chọn hệ số sử dụng nguồn 0,8 2V 2.33,47 = 83,68 (V ) Do vậy: VCC = L = 0,8 0,8 Ta chọn nguồn cung cấp : VCC = 90V 1.3> Cơng suất nguồn cung cấp: - Dòng cung cấp trung bình: I I CCtb = I L sin t.dt = I L cost = L 2 - Công suất nguồn cung cấp: I 4,18 PCC = VCC L = 90 = 119,8( W) IL = 1.4> Hiệu suất mạch: P 70 = L = 100 % = 58,43 % PCC 119 ,8 2> Tầng khuyếch đại công suất: Trang Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai Tầng khuyếch đại công suất có nhiệm vụ phát loa tín hiệu âm tầng xác định theo yêu cầu thiết kế PL = 70 W Các BJT làm việc mức điện áp cao, dòng collector Q1 ,Q2 lớn Vì vậy, Q1 ,Q2 phải chọn phù hợp đồng thời phải chọn nguồn, dòng nguồn khong vượt giá trị cho phép BJT phải đủ lớn để đảm bảo công suất hiệu suất mạch Để tránh méo xuyên tâm đồng thời đảm bảo hiệu suất mạch , ta chọn Q1 ,Q2 làm việc chế độ AB.Vì mạch làm việc chế độ AB nên dòng tĩnh collector nằm khoảng 20 50mA Ở ta chọn: I EQ = I EQ1 = I EQ = 50mA Dòng đỉnh qua Q1 ,Q2 là: I E1P = I E 2P = I EQ1 + I L = 50.10−3 + 4,18 = 4,23( A) 2.1> Tính chọn R1 , R2 : - R1 , R2 có tác dụng cân dòng , ổn định nhiệt nên phải có kích thước lớn để chịu cơng suất lớn Dạng tín hiệu R1 , R2 là: ie1 = ie = I L sin t Nếu chọn R , R2 lớn tổn hao loa nhiều phải chọn cho tín hiệu loa lớn Để tránh tổn thất tín hiệu loa ta thường chọn: VR1 V 33.47 VR1 L = = 1,67V VL 20 20 20 R1 = R2 = VR1 1,67 = = 0,39() I E1P 4,23 Ta chọn: R1 = R2 = 0,39 Công suất tiêu hao R1 , R2 là: PR1 = PR = 1 I2 (4,18 ) 2 R1 I Lhd = R1 L = 0,39 = 1,7( W) 2 Vậy chọn R1 = R2 = 0,39 5W 2.2> Tính chọn cặp Q1 , Q2 : Công suất nguồn cung cấp : PCC = VCC I TB = VCC = Công suất loa: PL = RL I Lhd IL RL I L2 R1 I L2 Vậy công suất tiêu tán hai BJT Q1 ,Q2 : V I 1 Ptt = PCC − PL − PR = CC L − RL I L2 − R1 I L2 2 Công suất tiêu tán BJT, chẳn hạn BJT Q1 là: Công suất tiêu tán R1 , R2 : PR = PR1 = Trang Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai Ptt VCC I L = − ( RL + R1 ) I L2 2 Ta thấy công suất tiêu tán BJT Q1 phụ thuộc vào I L theo hàm bậc hai Để tìm cơng suất tiêu tán cực đại ta lấy đạo hàm Ptt / Q1 theo I L Ptt / Q1 = Ptt / Q = cho dPtt / Q1 VCC = − ( RL + R1 ) I L = dI L 2 IL = VCC 90 = = 3,42 A ( RL + R1 ) 3,14(8 + 0,39) Ptt max/Q1 = VCC I L 90.3,42 − ( RL + R1 ) I L20 = − (8 + 0,39)(3,42) = 24,48W 2 2.3,14 Công suất tiêu tán tĩnh Q1 : V 90 PDC / Q1 = VCE / Q1 I C / Q1 CC I EQ = 0,05 = 2,25W 2 Vậy công suất tiêu tán cực đại Q1 là: Ptt m ax/Q1 = Ptt m ax/Q1 + PDC / Q1 = 24 ,48 + 2,25 = 26 ,73 W Vì Q1 ,Q2 cặp BJT bổ phụ nên ta chọn Q1 ,Q2 thỏa mãn điều kiện: I C I E1 p = 4,23 A VCE VCC = 90V PC (2 3) Ptt m ax = (2 3)26,73W = 53,46 : 80,19 Tra cứu sổ tay Transistor Nhật Bản ta chọn được: Q1 : 2SC5200 ; Q2 : 2SA1943 Tên P(W) F I C (A) V CE (V) T oC 2SC5200 150 30MHz 150 230 15 2SA1943 150 30MHz 150 230 15 55/160 55/160 2.3> Tính chọn R3 , R4 : Trong tính tốn ta chọn: Q1 = Q = m in = 55 Dòng Base tĩnh Q1 : I EQ / Q1 50 I BQ / Q1 = = = 0,89mA + 1 + 55 Dòng Base cực đạI Q1 : I Ep / Q1 4,23 I BQp / Q1 = = = 75,54mA + 1 + 55 Trang Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai Để R3 , R4 không ảnh hưởng đến dòng chế độ xoay chiều R3 , R4 phải thỏa mãn điều kiện: Z B1M ( ac ) R3 , R4 Z B1M ( dc ) R3 , R4 Z B1M ( dc ) : để rẽ dòng nhiệt R3 , R4 Z B1Mac : để giảm tổn thất tín hiệu Với Z B1Mac , Z B1Mdc : điện trở xoay chiều chiều từ cực Base Q1 đến M Từ đặc tuyến vào Q1 (2SC5200 ) ta có: I BQ = 0,89mA VBEQ = 0,6V I Bp = 75,54mA VBEp = 1V Vậy: VB1MQ VBEQ / Q1 + VR1 0,6 + 0,05.0,39 Z B1M ( dc ) = = = = 696,07() I BQ / Q1 I BQ / Q1 0,89.10 −3 Z B1( ac ) = VB1Mp − VB1MQ I Bp / Q1 − I BQ / Q1 = (VBEp / Q1 + VR1 p ) − (VBEQ / Q1 + VR1 ) I Bp / Q1 − I BQ / Q1 (1 + 0,39.4,23) − (0,6 + 0,05.0,39) = 27,1() (75,54 − 0,89)10 −3 Vậy: 27 ,1 R3 , R4 696 ,07 Chọn R3 = R4 = 220 () Z B1( ac ) = 2.4> Tính chọn cặp Q3 , Q4 : VBEQ / Q1 + VR1 - Dòng tĩnh qua R3 : I R3Q = - Dòng cực đại qua R3 : I R3 p = - Dòng emitter qua Q3 : I EQ / Q3 R3 = 0,6 + 0,05.0,39 = 2,82mA 220 VBEp / Q1 + VR1 p + 4,23.0,39 = 12,04mA 220 = 2,82 + 0,89 = 3,71mA = R3 = I R 3Q + I BQ / Q1 I Ep / Q3 = I R p + I Bp / Q1 = 12,04 + 75,54 = 87,58mA Khi trở kháng xoay chiều từ B Q1 lúc là: Z B' 1( ac ) = VB1 p − VB1Q I Ep / Q3 − I EQ / Q3 = (1 + 0,39.4,23) − (0,6 + 0,05.0,39) = 24,2() (87,58 − 3,71)10−3 So sánh với Z B1ac tính trước ta thấy thêm R3 , R4 vào sai khác khơng đáng kể Như vậy, tải xoay chiều Q3 là: Zt / Q3 = Z B' 1ac + (1 + 1 ) RL = 24,2 + (1 + 55).8 = 472,2() Để tìm Q3 ,Q4 ta tìm cơng suất tiêu tán lớn chúng Gọi I E biên độ dòng AC chạy qua Q3 , ta có: Dòng cung cấp xoay chiều trung bình cho Q3 : Trang Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai I tb / Q = I E3 Công suất nguồn cung cấp cho Q3 : V I PCC / Q = VCC I tb / Q = CC E Công suất cung cấp cho tải Q3 : Pt / Q3 = Z t / Q3 I E2 = Z t / Q3 ( I E sin t ) dt = I E2 Z t / Q3 2 Công suất tiêu tán xoay chiều Q3 : V Ptt / Q3 = PCC / Q3 − Pt / Q3 = CC I E − Z t / Q3 I E2 I Lấy đạo hàm theo E 3M cho ta được: 2VCC 2.90 I E 30 = = = 0,12 ( A) Z t / Q 3,14 472 ,2 Vậy công suất tiêu tán lớn dòng xoay chiều rơi Q3 là: V I 90 0,12 Ptt m ax/Q = CC E 3M − Z t / Q I E2 3M = − 472 ,2.( 0,12 ) = 1,74 W 3,14 Công suất tiêu tán tĩnh Q3 : V 90 Pdc / Q3 = CC I EQ / Q3 = 3,71.10−3 = 0,17(W) 2 Vậy công suất tiêu tán cực đại Q3 : Ptt m ax = Pdc / Q + Ptt m ax/Q = 0,17 + 1,74 = 1,91(W) Vậy chọn Q3 ,Q4 cặp bổ phụ thỏa mãn điều kiện sau: PC (2 3) Ptt / Q = (2 3)1,91W = (3,82 : 5,73 )W I C I Cp / Q = 87,58mA VCE VCC = 90V Dựa vào sổ tay tra cứu Transistor Nhật Bản ta chọn : Q3 : TI 41C; Q4 : TIP 42 C Tên 3> P(W) f(MHz) T oC 150 150 TIP41C 65 TIP42C 65 Tính tầng lái: Để tính tốn tầng lái ta chọn Q = 75 I B3 p = I B 3Q = I Ep / Q + Q3 I EQ / Q + Q3 = 87,58 = 1,57(mA) + 75 = 3,71 = 66,25( A) + 75 VCEo (V ) I C ( A) 100 100 6 75 75 Trang Thiết kế mạch khuếch đại cơng suất OTL ngõ vào vi sai 3.1> Tính chọn R12 , D5 , D6 , D7 Để tránh méo tín hiệu xuyên tâm đồng thời ổn định điểm làm việc cho cặp BJT khuyếch đại cơng suất tổ hợp phải làm việc chế độ AB Vì vậy, ta dùng D5 , D6 , D7 , R12 để tạo áp ban đầu cho BJT để có tín hiệu vào BJT khuyếch đại công suất dẫn Chọn D5 , D6 , D7 : loại D1N4007 loại diode cần dung Để Q1 ,Q2 làm việc chế độ dòng tĩnh 50mA điện áp tiếp giáp BE tổ hợp BJT chế độ tĩnh 0,6V VB 3B 4Q = VBE + VBE1 + VBE + VBE + VR1Q + VR 2Q Ta có: VB 3B 4Q = 0,6 + 0,6 + 0,6 + 0,6 + 0,05.0,39 + 0,05.0,39 = 2,44(V ) Để dòng tĩnh Q8 thay đổi tránh méo tín hiệu ta chọn: I ( CQ 8) = 20 I B p = 20 1,57 = 31,4(mA ) dùng Diode để ổn định áp phân cực cho tầng lái Như vậy, ba diode D5 , D6 , D7 R12 đảm bảo cho Q1 ,Q3 Q2 ,Q4 làm việc chế độ AB, tức VB B 4Q = 2,44V có tín hiệu vào Lợi dụng tính chất ghim áp diode ( dòng qua diode tăng áp đặt lên diode không đổi Muốn ta chọn cho điểm làm việc nằm đoạn tuyến tính nhất(đoạn thẳng)) VB3B 4Q − 3VD 2,44 − 3.0,7 Lúc này: R12 = = = 10,4() I CQ 31,4.10−3 Chọn R12 = 4 sau hiệu chỉnh lại 3.2> Tính tốn transistor Q8 làm nguồn dòng: - Q8 tạo dòng điện ổn định phân cực cho Q5 ổn định điểm làm việc cho hai cặp Dalington tầng khuyếch đại cơng suất Chính nội trở nguồn dòng chế độ xoay chiều lớn nên tăng hệ số khuyếch đại tầng lái, phối hợp trở kháng với trở kháng vào lớn cặp Dalington làm nâng cao hiệu suất mạch - Dòng collector qua Q8 : I CQ / Q8 = I CQ / Q = 31 4mA - Chọn D4 ,D3 điode D1N4007 Chọn dòng qua hai diode dòng phân áp cho Q8 Chọn dòng phân áp I pa = 12 mA Lúc VD = 0,7V Sụt áp R14 là: VR14 = VCC − VD − VD = 90 − 0,7 − 0,7 = 88,6(V ) V 88,6 R14 = R14 = = 7,38 ( K) I pa 12 10 −3 Chọn R14 = 7,4 K Tính chọn R13: R13 = VD + VD − VBE 0,7 + 0,7 − 0,6 = = 25,47 () I CQ / Q 12 10 −3 Chọn R13 = 70 sau hiệu chỉnh lại Trang Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai Do Q8 hoạt động chế độ A dùng làm nguồn dòng nên cơng suất tiêu tán lớn cơng suất tiêu tán tĩnh Điện áp DC tiếp giáp CE Q8 là: VCC 90 − VR13 − VBE / Q − VBE / Q1 − VR1 = − (0,7 + 0,7 − 0,6) − 0,6 − 0,6 − 0,05.0,39 2 = 42,98(V ) VCE / Q8 = VCE / Q8 PDC / Q8 = VCE / Q8 I C 8Q = 42.98.12.10 −3 = 0,52W Vậy ta chọn Q8 thỏa điều kiện sau: I C I C 8Q = 12 mA VCEo VCE / Q8 = 42 98V P P DC / Q = 0,52 W C Dựa vào bảng tra cứu ta chọn Q8 : 2SA1013 Tên P(mW) f(MHz) T 0C 2SA1013 900 50 3.3> Tính chọn BJT thúc Q7 : VCE (V ) I C ( A) 160 150 60/200 Transistor Q7 làm nhiệm vụ nâng cao tín hiệu đủ lớn để kích cho tầng thúc làm việc đảo pha cho tầng công suất Q7 chọn làm việc chế độ A Q7 có tải lớn nên hệ số khuyếch đại lớn,ta phải chọn điểm làm việc Q7 cho tín hiệu vào điện vào cực E Q1 , Q2 , lúc sụt áp tải Trở kháng tải Q7 : Z t / Q = RC / Q //(rbe3 + (1 + ) Z t / Q với Z t / Q = rbe3 + (1 + ) Z t / Q = VT I EQ / Q + (1 + ) Z t / Q = 75 25 + (1 + 75 ) 472 = 36 ,4( K) 3,71 Do đó: Z t / Q = 36 ,4 K RCo / Q 36 ,4 K Vì Q7 có điện trở tải lớn nên dễ dàng rơi vào vùng bão hồ gây méo tín hiệu, cần phải mắc hồi tiếp âm chiều lẫn xoay chiều để ổn định điểm làm việc Điện trở R10 , R11 làm nhiệm vụ hồi tiếp âm DC, riêng R 10 làm nhiệm vụ hồi tiếp âm AC cho Q7 Do Q5 làm việc chế độ A, ta chọn trước điện áp tĩnh điện trở hồi tiếp chiều R10 , R11 0,7V R10 VR10 = Ta có: R11 VR11 VR10 + VR11 = 0,7V Trang Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai Để tránh hồi tiếp âm nhiều làm giảm hệ số khuyếch đại Q7 , ta chọn R10 R11 VR10 V R11 V = 0,3V Chọn R10 VR11 = 0,4V VR10 0,3 = = 25() R10 = I 12.10 −3 C / Q7 V 0,4 R11 = R11 = = 33() I C / Q 12.10 −3 R = 20 Chọn 10 R11 = 33 Với hai giá trị trở áp rơi hai điện trở là: VR10 R11 = ( R10 + R11 ) I pa / Q7 = (20 + 33).12.10−3 = 0,7V Điện cực C, E Q7 : VCE / Q = VCC 90 − VR13 − VEB / Q − VEB / Q − VR10 R11 = − (0,7.2 − 0,6) − 0,6 − 0,6 − 0,7 = 42.3(V ) 2 Công suất tiêu tán tĩnh Q5: PDC / Q7 = VCE / Q7 I C / Q7 = 42,3.12.10−3 = 0,51(W) Do ta chọn I C / Q » I BP / Q nên có tín hiệu vào dòng I BP / Q khơng ảnh hưởng nhiều đến dòng dòng cực đại qua Q7 I C m ax/Q = 20 mA Vì Q7 làm việc chế độ A nên: Ptt m ax/Q = PDC / Q = 0,51( W) Từ tính tốn ta chọn Q7 phải thõa điều kiện sau: PC Ptt m ax/Q = 0,51W I C I C m ax/Q = 12mA V V = 90V CE CC Theo sách tra cứu 1000 transistor quốc tế ta chọn Q7 :2SC2383 có thơng số sau: Tên P(mW) f(MHz) I C ( A) VCE (V ) T oC 2SC2383 900 100 150 160 60/320 4> Tính transistor nguồn dòng Q11 : Chọn D1 D2 diode D1N4007 3V ứng với dòng I D = 10 mA Chọn Q11 làm nguồn dòng cho Q9, Q10 hoạt động.Khi I D1 = 10 mA VD1 = 0,7V Trang Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai VD = 0,7V Với I BQ / Q = 0,2mA chọn I C / Q = 2mA R20 = Với VD1 + VD − VBE / Q11 I C / Q11 I E / Q11 I C / Q11 = I E / Q9 I C / Q9 = 2.2 = 4mA VBE / Q11 = 0,6V 0,7 + 0,7 − 0,6 = 200() 4.10−3 Chọn R20 = 200 Sụt áp R23 1V,cho nên điện áp lại là: Vcc/visai=90-1=89V Chọn dòng phân áp cho Q11 dòng làm việc diode D1 I D1 = 10 mA V − VD − VD1 89 − 0,7 − 0,7 R21 = cc / visai = = 8,76K 10mA 10.10 −3 Chọn R21 = 7,4 K Q11 làm việc chế độ khếch đại,chọn điểm làm việc tĩnh điểm làm việc đường đặc tuyến (Ic,Vce) - VCE/Q5=Vcc/visai/2=89/2=44,5V Vậy công suất tiêu tán Q11 là(chủ yếu công suất chiều): Vậy R20 = Ptt / Q11 = VCE / Q11.I C / Q11 = 44,5.4.10−3 = 178mW Chọn Q11 thỏa điều kiện sau: PC Ptt / Q11 = 178mW I C I C / Q11 = 8mA V V = 90V CC CE Tra sách 1000 transistor quốc tế ta chọn Q11 sau: Tên P(mW) f(MHz) V CE (V) T oC 2SA1013 900 50 150 160 I C (mA) 60/200 RD = RD1 + RD Tính nội trở nguồn dòng: RD1 = V I D1 rbe / Q11 = rce11 = = 0,7 = 70() 10.10 −3 VT I EQ / Q11 hoe / Q11 5> Tính tầng khuyếch đại vi sai: = = 250 25 = 1,5( K) = 105 10 −5 Trang 10 Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai - Do Q9 , Q10 cặp BJT khuyếch đại vi sai tín hiệu đầu vào nên tầng định mức độ tạp âm cho mạch Để giảm tạp âm ta chọn Q9 , Q10 làm việc chế độ A có hệ số khuyếch đại nhỏ R23 C4 tạo thành mạch lọc thông thấp,Chọn tụ : C4=100uF Chọn R23=1KΩ,Vcc/visai=89V Để mạch làm việc ổn định Q5 không ảnh hưởng nhiều đến tầng ta chọn I C / Q » I BQ / Q Với I BQ / Q = 0,2mA chọn I C / Q = 2mA R18 có nhiệm vụ phân cực đưa đến chân B/Q5 VR18=VR17=VBE/Q5+VE/Q5=0,7+1,38=2,08V IE/Q9=IC/Q9/2=1mA Để phối hợp trở kháng tầng thúc tầng khuyếch đại vi sai ta chọn: 2,08 R18 = R17 = = 2,08( K) 1.10−3 Chọn R18 = R17 = 1,8K Q9 Q10 hoạt động chế độ khếch đại nên VCE/Q9=Vcc/visai /2=89/2=44,5V Do cần chọn Q9 Q10 Q11 (được chọn làm nguồn dòng trên) PC Ptt / Q11 = 178mW I C I C / Q11 = 8mA V V = 90V CC CE Tra cứu sổ tay linh kiện 1000 transistor quốc tế ta chọn Q9 Q10 sau: Tên P(mW) f(MHz) 2SA1013 900 50 T oC 150 V CE (V) I C (A) 160 60/200 Biến trở VR dùng đểcân dòng Emitor cho Q9 Q10 ta chọn VR có giá trị nhỏ VR4 = 100 Chọn Xét tầng vi sai có mạch hình vẽ: Trang 11 Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai R24VZ' / Z R24 + R22 Vì mạch khuyếch đại vi sai thiết kế cho chế độ tỉnh hai nhánh cân V 10R24 = 45R22 VB / Q10 = CC (1) R24 // R22 = R15 R22 // R24 = R15 Mặc khác chế độ tín hiệu: - Khi chưa có hồi tiếp âm trở kháng vào tầng vi sai Z ind - Khi có hồi tiếp âm điện áp nối tiếp thông qua R15 ,VR7 , C4 trở kháng vào tầng vi sai tăng lên g lần với g độ sâu hồi tiếp Z indf = gZ ind với g = + A0 Aht Với VB / Q10 = A0 : độ lợi vòng hở Aht : hệ số hồi tiếp Do đó, tổng trở vào tồn mạch có hồi tiếp là: Z in = ( R22 // R24 ) // Z indf R22 // R24 Z indf ( R22 // R24 ) Vì R22 // R24 định trở kháng vào mạch Theo yêu cầu thiết kế Z in = 220 K nên chọn R22 // R24 = 220 K (2) R22 = 540K Từ (1) (2) ta tính được: R24 = 400K R = 220K 15 R22 = 540K Chọn R24 = 400K R = 220K 15 sau hiệu chỉnh lại R24 6> Tính thơng số lại: 6.1> Tính mạch bảo vệ: 6.1.1> Trường hợp tải: Mạch tải tức Vin 0,775V lúc VL 33,47V Trang 12 Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai Xét trường hợp tải lớn lúc Q1 ,Q2 dẫn bảo hòa V 90 VL = CC = = 45V 2 VCC 45 = = 5,36 A Dòng đỉnh qua tải: I Lp = R1 + RL 0,39 + Công suất loa: P = ' L I Lp RL ( 2)2 = (5,36) = 115W ' = Công suất nguồn cung cấp: PCC VCC I Lp = 90 5,36 = 153 ,6 W 3,14 R1 I Lp 0,39 (5,36 ) ' = = 2,8W Trường hợp ngắn mạch: Xem loa bị lấy khỏi mạch, lúc R1 , R2 tải Q1 ,Q2 Trường hợp xấu điện áp loa đặt hết Q1 ,Q2 V 33,47 ' = L = = 85,82 ( A) Dòng qua R1 , R2 : I R1 R1 0,39 Công suất tiêu tán R1 , R2 : R I ' R1 0,39 (85,82 ) P =P = = = 718 W 4 V I 90 85,82 ' = CC R1 = = 2459 ,8W Công suất nguồn cung cấp: PCC 3,14 Công suất tiêu tán hai BJT: ' Ptt' = PCC − PR' = 2459 ,8 − 2.718 = 1023 ,8W 1023,8 = 511,9W Công suất tiêu tán BJT là: Ptt' / Q1 = Ptt' / Q = Trường hợp hai BJT hai điện trở bị hỏng Phải có mạch bảo vệ 6.1.3> Tính mạch bảo vệ: Hoạt động: bình thường mạch khuyếch đại cơng suất làm việc Q7 ,Q6 tắt Khơng ảnh hưởng đến hoạt động mạch Khi xảy ' R1 ' R2 ngắn mạch dòng qua Q1 ,Q2 lớn đánh thủng BJT công suất điện trở R1 , R2 Vì dòng qua hai BJT lớn kích thích mạch bảo vệ Trang 13 Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai hoạt động Mạch hút dòng làm cho dòng qua hai BJT điện trở R1 , R2 nhỏ đảm bảo cho hai BJT làm việc an toàn - Dòng đỉnh qua R1 , R2 : I E1 p = 4,23 A - Chọn dòng để mạch bảo vệ hoạt động là: I ' E1 p = A Sụt áp R1 : VR' = I E' p R1 = 5.0,39 = 1,95V - Chọn dòng tĩnh I C / Q = I C / Q = 1mA - Ta có VCE / Q7 = VCE / Q6 = VBE / Q3 + VBE / Q1 + VR' = 0,6 + 0,6 + 1,95 = 3,15V - Công suất tiêu tán Q5 ,Q6 là: Ptt / Q = Ptt / Q = VCE / Q I C / Q = 3,15 = 3,15 mW Chọn Q5 ,Q6 thỏa điều kiện sau: I C I C / Q = 1mA VCE 2VCE / Q = 6,3mV P (2 3) P = (2 3)3,15 mW tt / Q Dựa vào sách 1000 transistor quốc tế chọn: Tên P(mW) f(MHz) VCE (V ) T oC 2SC1815 400 80 125 50 2SC1015 400 80 125 50 I C (mA ) 150 150 80 80 6.1.4> Tính R5 , R6 , R7 , R8 : Dòng tĩnh cực B Q5 : I B / Q5 = I C / Q5 Q5 = = 2A 250 Dòng qua R5 , R7 : I R = I pa = 0,5mA I B / Q Khi mạch hoạt động bình thường Q5 ,Q6 tắt nên VBE / Q = 0,4V I R1max = I R1 p = 4,23 A VR1max = I R1maxR1 = 4,23.0,39 = 1,65V V 1,65 R5 + R7 = R1 = = 3,3K I R 0,5 VBE / Q 0,4 = 0,8( K) I R7 0,5.10 −3 Chọn R7 = 2,2 K R5 = 3,3 − 2,2 = 1,1K chọn R5 = 1K R7 = = Suy ra: R7 = 2,2 K = R6 = 2,2 K , R5 = 1K = R8 = 1K 6.2> Tính tụ: - Tính tụ C12 : Trang 14 Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai Ta chọn tụ C12 cho tầng số thấp sụt áp tụ nhỏ so với sụt áp loa để khơng ảnh hưởng đến tín hiệu loa Ta chọn X C12 = RL 10 1 X C12 = = RL = = 0,8 2 f minC12 10 10 = 3980F 2.3,14.0,05.103.0,8 chọn C12 = 4700 F / 50V Tính tụ C14 : C14 tụ liên lac ngõ vào nên để sụt áp tụ không ảnh hưởng đến tín hiệu vào chất lượng mạch ta chọn tụ C cho X C14 = Z in 10 C12 = - 10 10 = = 0,15 F 2 f m in Z in 2.3,14 0,05 10 3.220 10 Chọn tụ C14 = 0,3F / 50V Tính tụ C15 : Tụ C15 tụ liên lạc tầng vào vi sai tầng lái nên chọn tụ C13 cho sụt áp tụ khơng ảnh hưởng đến tín hiệu vào tầng lái Ta chọn tụ C15 cho X C15 = Z in / Q5 10 10 10 C15 = = = 874 nF 2 f m in Z in / Q 2.3,14 0,05 10 3.36 ,4.10 C14 = - - - Chọn C15 = 1F / 50V Tính tụ C13 : Tụ C13 kết hợp với R15 , R16 tạo thành mạch hồi tiếp âm để ổn định thông số mạch.Chọn tụ C13 cho tỉ số hồi tiếp tín hiệu phụ thuộc vào R15 , R16 sụt áp xoay chiều C nhỏ R16 nhiều X C13 = R16 10 Chọn 10 10 C13 = = = 13,8F 2 f m in R16 2.3,14 0,05 10 3.2,3.10 Chọn C13 = 22 F Tính tụ C : Tụ C với R23 tạo thành mạch lọc thông thấp lọc nhiễu (hài bậc cao) từ nguồn để tránh hồi tiếp tạo thành dao động tự kích Trang 15 Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai R23 10 10 10 C4 = = = 31,8F 2 f m in R23 2.3,14 0,05 10 3.1.10 Chọn C = 100 F / 70V X C4 = Tính tụ C11 : X C11 = R10 10 10 10 C11 = = = 1592 F 2 f m in R10 2.3,14 0,05 10 3.20 Chọn C11 = 1000 F / 50V 6.3> Tính mạch lọc Zobel (C1 , R25 ) : - Cấu tạo loa gồm cuộn cảm điện trở có Z L = RL + jL Như vậy, trở kháng loa phụ thuộc vào tần số Khi tần số cao trở kháng loa lớn dẫn đến méo tín hiệu.Mạch lọc Zobel mạch ổn định trở kháng loa không đổi tần số cao C mắc nối tiếp với R tất mắc song song với tải R L Ở tần số cao tụ ngắn mạch giảm tải ngõ tức X L , X C → RL khơng đổi Ta có: Z td = ( R + j c ) //(RL + jL) Để khơng phụ thuộc vào tần số R0 = RL = 8 chọn tụ C1 cho X C1 = C1 = RL 10 10 10 = = 12 ,4F Với 2 f m ax RL 2.3,14 16 10 3.8 f m ax = 16 KHz Chọn C1 = 10 F / 50V 6.4> Kiểm tra độ méo phi tuyến: Trong mạch hầu hết linh kiện làm việc chế độ A có cặp Q1 ,Q2 làm việc chế độ AB nên độ méo phi tuyến toàn mạch phụ thuộc chủ yếu Q1 ,Q2 Giả sử tín hiệu vào hình sin Vin = 0,775V Lúc điện áp đặt lên tiếp giáp BE Q1 : V BE1 (t ) = V BE1Q + V BEm sin t Trong đó: VBE1Q = 0,6V VBEm = VBEp − VBE1Q = − 0,6 = 0,4V Gọi I C dòng rỉ Q1 ,Q2 I C = I C e Khai triễn y = e VBEm sin( t ) VT VBE VT VBEQ = I C0e VT e VBEm sin( t ) VT theo chuỗI Taylor: Trang 16 Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai V V y = + BEm sin t + BEm sin (t ) + VT VT Méo phi tuyến chủ yếu hài bậc cao gây Loại hài bậc cao biến − cos(2t ) đổi sin (t ) = ta được: 2 V VBEm V y = 1+ + BEm sin(t ) − BEm cos(2t ) VT VT VT n Theo định nghĩa méo phi tuyến: = I i =2 im I 1m Trong : I 1m : thành phần dòng I im : biên độ hài Loại bỏ hài bậc cao ta được: VBEm I 2m 4VT2 VBEm = = = I 1m VBEm 4VT VT V 0,4 = 3,84 Khi chưa có hồi tiếp: = BEm = 4VT 4.0,026 Khi có hồi tiếp: ' = (1 + g m R L ) g g: độ sâu hồi tiếp: g = 128,01 Q1 I E1Q 50mA g m : hỗ dẫn g m = = = rbe / Q1 VT 26mV 3,84 '= = = 0,18% 0,25% 50 (1 + g m RL ) g (1 + 8)128,01 25 Trang 17 Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai 7> Mô Pspice: 7.1> Mô phân cực BIAS POINT: Trang 18 Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai Trang 19 Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai 7.2> Mô băng thông: Trang 20 Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai 7.3> Mô miền thời gian: Biên độ Vin 0,775V, tần số f=1kHz Trang 21 Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai 8> KẾT LUẬN 8.1 Những kết đạt được: Qua hai tháng miệt mài làm việc, với hướng dẫn tận tình Thầy Võ Tuấn Minh thầy khoa Điện Tử-Viễn Thơng, nhóm chúng em đạt kết sau: - Thiết kế chế tạo mạch khuếch đại công suất âm tần OTL-70W có khả sử dụng rộng rãi - Đạt mục tiêu yêu cầu ban đầu -Vận dụng nhiều kiến thức khuếch đại công suất q trình thi cơng - Tìm hiểu nhiều mẫu sử dụng sau - Khả tìm tài liệu mạng - Khả làm việc theo nhóm 8.2 Những thuận lợi khó khăn thực đề tài: 8.2.1 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 Võ Tuấn Minh thầy cô khoa Điện Tử-Viễn Thơng suốt thời gian qua 8.2.2 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 hạn chế với tài liệu nước ngồi) - Mất nhiều thờ gian trình thiết kế phải lựa chọn nhiều phương án nhằm đáp ứng yêu cầu đề ban đầu Tuy nhiên nhiều chỗ chưa ý muốn Trang 22