TRƯỜNG ĐẠI HỌC KT - VINH KHOA ĐIỆN TỬ LỜI NÓI ĐẦU Khuếch đại là một vấn đề lớn và phố biến trong kỹ thuật tương tự. Làm thế nào để có một tín hiệu ra từ các bộ khuếch đại đạt công suất theo mong muốn và không bị méo là một thách thức khá lớn đặt ra cho các nhà chuyên môn, kỹ sư, cũng như những người làm trong chuyên nghành điện tử, điện tử viễn thông. Bởi nhiễu làm méo tín hiệu không chí do bán thân bên trong các bộ khuếch đại như đột biến điện áp hay dòng điện. Mà còn do tác động của môi trường bên ngoài như nguồn cung cấp, nhiễu công nghiệp gây nên Giưới sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Đăng Thông nhóm sinh viên chúng em gồm các thành viên +. Phan Anh Tuấn +. Bùi Đức Vinh Lựa chọn đề tài mạch khuyếch đại âm ly 50W Để tín hiệu đầu ra không bị méo quả là thách thức lớn cho nhóm sinh viên chúng em. Giưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo chúng em hi vọng sẽ thu được những kết quả khá quan. Qua lần thực hiện đề tài này chúng em cũng đã hiếu thêm được những kiến thức sâu sắc hơn về mạch khuếch đại . Để phục vụ cho chuyên môn sau này CẤU TRÚC ĐỀ TÀI *. Đề tài chúng em thực hiện gồm có 3 phần: +. Phần 1: Dưới thiệu chung về khuếch đại và khuếch đại công suất +. Phần 2: Thuyết minh nguyên lý , chức năng linh kiện của từng khối trong mạch và nguyên lý chung của toàn mạch Đồ Án Môn Kỹ Thuật Mạch Page 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KT - VINH KHOA ĐIỆN TỬ +. Phần 3: Kết quả và đánh giá kết quả NỘI DUNG ĐỀ TÀI I. Giưới thiệu chung về khuếch đại và khuếch đại công suất 1. Khuếch đại và phân loại khuếch đại a. Khái niêm khuếch đại : - Khuếch đại là dùng một năng lượng nhỏ như(dòng điện, điện áp…) để điều khiến một năng lượng khác lớn hơn gấp nhiều lần. Năng lượng thứ nhất nhỏ gọi là năng lượng điều khiển. Năng lượng lớn gọi là năng lượng được điều khiến - Mạch khuếch đại là mạch mà khi ta đưa vào đầu vào một tín hiệu có biên độ nhỏ hoặc cường độ yếu hay công suất nhỏ. Thì ở đầu ra ta sẽ thu được tín hiệu có biên độ lớn hoặc cường độ mạnh hay công suất lớn. Tùy theo mạch mà chúng ta lựa chọn b. Phân loại mạch khuếch đại : - Tùy theo từng hệ thống mà chúng ta lựa chọn các mạch khuếch đại khác nhau.Có 3 loại mạch khuếch đại chính +. Khuếch 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 rất nhiều lần +. Khuếch đại về dòng điện: Là mạch khi ta đưa một tín hiệu có cường độ yếu vào thì ở đầu ra ta sẽ thu được một tín hiệu cho cường độ dòng điện mạnh hơn +. Khuếch đại công suất : Là mạch khi ta đưa một tín hiệu có công suất yếu vào đầu vào thì ở đầu ra ta sẽ thu được một tín hiệu có công suất mạnh hơn nhiều lần. Thực ra mạch Đồ Án Môn Kỹ Thuật Mạch Page 2 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KT - VINH KHOA ĐIỆN TỬ khuyếch đại công suất là kết hợp cả hai mạch khuếch đại điện áp và dòng điện. Do vậy ở đây chúng ta sẽ nghiên cửu mạch khuếch đại công suất 2. Khuếch đại công suất : Một mạch khuếch đại công suất làm việc với nhiều tầng khác nhau như là tầng nhận tín hiệu vào, tầng vi sai, tấng tiền công suất và tầng công suất.Công suất đầu ra của mạch được quyết định ở tầng công suất *. Những vấn đề về tầng công suất - Tầng công suất có nhiệm vụ đưa ra công suất đủ lớn để kích thích cho tái, công suất ra từ vài trăm mW đến vài trăm W. Công suất này được đưa đến tầng sau dưới dạng điện áp hoặc dòng điện có biên độ lớn. Khi khuếch đại tín hiệu lớn các Tranzitor không làm việc trong miền tuyến tính. Do đỏ không dùng sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ để xét . Mà phái dùng đến phương pháp đồ thị - Các chế độ làm việc của tầng công suất: Tùy theo chế độ công tác của các Tranzitor, tầng công suất có thế làm việc ở các chế độ A, B, AB, C +. Chế độ A : Tín hiệu được khuếch đại gần như là tuyến tính .Nghĩa là tín hiệu ngõ ra thay đối tuyến tính trong toàn bộ chu kỳ của tín hiệu ngõ vào ( Tranzitor hoạt động ở cả hai bán chu kỳ của tín hiệu ngõ vào).Hiệu suất ở chế độ A rất thấp > 50% +. Chế độ AB : Tranzitor làm việc ở gần vùng ngưng. Tín hiệu ngõ ra thay đối hơn một nửa chu kỳ của tín hiệu ngõ vào (Tranzitor hoạt động hơn một nửa chu kỳ âm hoặc dương của tín hiệu ngõ vào). Hiệu suất ở chế độ này lớn hơn hiệu suất ở chế độ A .<70% Đồ Án Môn Kỹ Thuật Mạch Page 3 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KT - VINH KHOA ĐIỆN TỬ +. Chế độ B : Tranzitor phân cực tại vùng ngưng (V BE =0).Chỉ một nửa chu kỳ của tín hiệu ngõ vào được khuếch đại +. Chế độ C : Tranzitor được phân cực trong vùng ngưng để chỉ một phần nhỏ hơn nửa chu kỳ của tín hiệu vào được khuếch đại. Chế độ này có hiệu suất khá cao >78% Hình 1.1 : Mô tả các chế độ làm việc của tầng công suất II. Thuyết minh nguyên lý, chức năng của từng khối trong mạch AMLY 50W, và nguyên lý chung của toàn mạch 1. Tầng khuếch đại công suất : - Tầng khuếch đại công suất được lựa chọn trong mạch khuếch đại âm ly 50W này là một cặp BJT khác loại làm việc ở chế độ AB * Lý do lựa chọn cặp BJT và chế độ làm việc cho tranzitor công suất : Ta đã biết rằng mạch làm việc ở chế độ A .Thì mặc dù tín hiệu ra không méo hoặc méo nhỏ nhưng tín hiệu ra hầu như không được khuếch đại . Còn đối với chế độ B mặc dù khuếch đại rất tốt song méo ở đầu ra lại rất lớn khó Đồ Án Môn Kỹ Thuật Mạch Page 4 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KT - VINH KHOA ĐIỆN TỬ khắc phục. Mạch khuyếch đại ở chế độ B phân cực với V B bằng 0 và phải dùng ít nhất là hai tranzitor cùng loại hay khác loại .Trong sơ đồ mạch ampli 50W này ta dùng cặp BJT khác loại . Một là tranzitor (NPN) hoạt động ở một nửa chu kỳ dương của tín hiệu vào(Q 10 )và thứ hai là tranzitor( PNP) làm việc ở một nửa chu kỳ âm của tín hiệu (Q 11 ). Ta thấy rằng hai tranzitor Q 10 và Q 11 dẫn ở hai nữa chu kỳ khác nhau , về mặt lý thuyết thì nếu tín hiệu đưa vào hình sin thì trên tải sẽ thu được tín hiệu hình sin .Nhưng trong thực tế thì tín hiệu lấy được trên tải không trọn vẹn mà bị biển dạng .Khi bắt đầu một bán kỳ thì Tranzitor không dẫn điện ngay mà phải chờ đến khi điện thể vượt quả điện thế ngưỡng V BE .Để khắc phục được điều này ta phải phân cực V BE dương hơn một chút . Vì vậy để T có thể dẫn điện tốt ngay khi có tín hiệu áp vào cực B thì ta phải phân cực theo kiểu AB. Khi đó tín hiệu ra đủ lớn mà méo lại nhỏ đáp ứng tốt công suất ở đầu ra ta dùng mạch khuyếch đại ở chế độ AB . Mạch làm việc ở chế độ AB có dòng tĩnh nhỏ từ( 10mA đến 50mA). *Chức năng linh kiện , lựa chọn linh kiện và tính toán các thông số trong tầng công suất a. Chức năng linh kiện và lựa chọn linh kiện - Sơ đồ khối của tầng công suất được cho như hình vẽ Đồ Án Môn Kỹ Thuật Mạch Page 5 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KT - VINH KHOA ĐIỆN TỬ V C C _ C I R C L E V C C _ C I R C L E R 2 0 R 2 1 R 2 2 R 2 3 R 2 4 R 2 5 R 2 6 R 2 7 R 2 8 R 2 9 R 3 0 R 3 1 Q 1 0 Q 1 1 D 2 D 3 C 6 C 7 C 8 L S 1 S P E A K E R L 1 +. Hai diode zenner được sử dụng để ổn định điện áp trên hai cực B sao cho nó không đối khi có tín hiệu vào. Nguyên tắc ổn định là khi tín hiệu vào lớn thì hai diot zenner sẽ ghim biên độ đầu vào ở một mức nhất định làm điện áp ở cực B của hai tranzitor ổn định ở một mức nào đó thích hợp . Nếu như không có hai diot zenner này thì khi tín hiệu vào lớn nó sẽ làm điện áp tĩnh V B thay đối dẫn đến V BE thay đối => I B thay đối => I C thay đối => V CE thay đối làm thay đối điểm Đồ Án Môn Kỹ Thuật Mạch Page 6 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KT - VINH KHOA ĐIỆN TỬ làm việc của Tranzitor => Làm sai lệch điện áp điểm dựa V M => ảnh hướng đến công suất ra Sở dĩ ở đây chọn diode zenner là bởi lẽ diode zenner hoạt động được trong miền đánh thúng ngược . Khi mà điện áp V BR (Điện áp đánh thúng ngược ) đạt tới giá trị ngưỡng thì : Khi dòng điện qua diot zenner tăng nhanh thì điện áp giữa hai đầu diot vẫn không đối . còn đối với diode thường thì khi dòng vào lớn thì nó dễ bị phá huỷ . Do vậy mà ta lựa chọn diot zenner trong mạch này Các diode zenner có điện áp định mức từ hai cho đến hàng trăm vôn . Ở đây ta chọn diot zenner ổn áp thường có điện áp định mức từ 6 đến 8V . Chọn DZ 2 =7.5V Vì hai nửa đối xứng nên chọn DZ 3 = DZ 2 = 7.5 V. Mỗi liên hệ giữa dòng điện I Z và điện áp V Z được cho ở đồ thị sau: Trên đồ thị ta thấy trục hoành là trục điện áp zenner V Z còn trục tung là trục dòng điện I Z . ta thấy rằng ứng với mức V DZ = 7.5V thì dòng định mức qua điôt là I Z =50mA +. Chọn nguồn một chiều Đồ Án Môn Kỹ Thuật Mạch Page 7 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KT - VINH KHOA ĐIỆN TỬ Yêu cầu ở đây là công suất ra P L = 50W. Ta có: P L = = => Ta tính được = 5040× = 44,2V ; và I L = = 40 50 = 1.12A Như vậy để dòng một chiều không ra tái thì dòng phân cực I C không quả lớn Trong mạch OTL thì V Lmax = mà hệ số sử dụng điện áp là = 3.7 => V cc = = . Chọn V CC = 25v Ở đây với mục đích tăng hiệu suất làm việc của tầng công suất .Tức là tận dụng hết khá năng chụi đựng điện áp V CE của cặp BJT công suất thì ta sẽ chọn nguồn lưỡng cực V cc = 25V +. Điện trở R 27 , R 28 có hai nhiệm vụ • Ốn định nhiệt cho hai tranzitor công suất . Ta biết rằng hai tranzitor hoạt động với dòng I C lớn => hai tranzitor công suất dễ bị nóng lên => điện thế ngưỡng V BE giảm => hai tranzitor dễ dẫn điện hơn => dòng I C càng lớn . Hiện tượng này chồng chất => hư hỏng tranzitor. Vì vậy nhằm ổn định cho hai tranzitor công suất ta mắc các trở tải cực E. Khi có điện trở tải cực E rồi thì khi nhiệt độ tăng => I C tăng =>I E tăng => V E tăng => V BE = V B –V E sẽ giảm dẫn đến tranzitor dẫn yếu trở lại => I B giảm => I C =βI B sẽ giảm . Như vậy Đồ Án Môn Kỹ Thuật Mạch Page 8 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KT - VINH KHOA ĐIỆN TỬ chúng ta đã khắc phục được ảnh hướng của nhiệt độ lên hai tranzitor • Nhiệm vị thứ hai : tạo dòng hồi tiếp để cân bằng tầng đẩy kéo Thông thường trở tải cực E có giá trị không lớn lắm vì nếu nó quá lớn thì => giảm V CE => làm giảm độ khuếch đại . Nếu R E quả nhỏ thì khá năng ốn định của nó là không tốt . Chọn R 27 = R 28 =330 Ω . Từ đỏ ta tính được I C10 = I C11 = = = 10.3 mA. ( Với V E = V cc ) +. Các trở R 20 –R 21 và R 22 – R 23 , định thiên cho tranzitor Q 10 . Các trở R 22 – R 23 và R 24 – R 25 định thiên cho tranzitor Q 11 Ta thấy rằng : nếu định thiên chí dùng trở cực gốc mà không dùng trở cực phát thì tính ổn định không tốt => tín hiệu ra ở tải sẽ bị méo lớn . Nguyên nhân của tính không ổn định là do các yếu tố : • Dòng và áp một chiều phụ thuộc vào hệ số khuếch đại của tranzitor => Việc thay đổi các tranzitor có β khác nhau dẫn đến điểm làm việc của các tranzitor thay đổi => biển dạng tín hiệu ra • V BE phụ thuộc vào nhiệt độ của dòng cực gốc I B => khi nhiệt độ thay đổi => I B thay đổi => I C thay đổi => V CE = f(I C ) thay đổi=> thay đổi điểm làm việc tĩnh => biến dạng tín hiệu ra • Dòng rò được nhân với β có thế là nhân tố trong việc dịch chuyển điểm hoạt động của T ở tín hiệu lớn Đồ Án Môn Kỹ Thuật Mạch Page 9 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KT - VINH KHOA ĐIỆN TỬ Nhưng ta thấy rằng trong mạch định thiên cực gốc B có thêm điện trở tải cực E như mạch mà chúng ta đang thiết kế thì tín hiệu ra đỡ méo và mạch làm việc ốn định. Bởi lẽ khi mắc thêm R E thì • Sụt áp qua R E sẽ tăng => V E thay đối => V BE thay đối phụ thuộc vào V E . Mà khi có R E thì ảnh hướng của nhiệt độ đã được khắc phục. Lúc này V BE thay đổi không phụ thuộc vào dòng I B • Mặt khác khi mắc thêm R E kết hợp với định thiên cố định ở cực B thì chống lại ảnh hướng của thiên áp ngược lên dòng I C => Dòng ổn định qua tranzitor( Khi I C lớn dẫn đến dòng rò I C0 nhỏ khả năng dịch chuyến điểm hoạt động của tranzitor là không xảy ra) +. Để mạch hoạt động tốt thì ta phải lựa chọn R 20-21 sao cho có V B mong muốn và dòng qua bộ chia áp R 20-21 , R 22-23 phải lớn hơn rất nhiều so với dòng I B10 . Theo tính toán ta chọn I chia áp = 20I B10 . Vì vậy nên chọn R 22-23 sao cho R 22-23 ( với R E10 =R 27 ) R 22-23 . (chọn β 10 =80). Vậy R 22-23 1,32 K . Ta chọn R 22 =R 23 = 470 Ω Mặt khác để mạch mạch làm việc ổn định thì cần phải thoả mãn điều kiện U cc >> U BE (1+ và βR 26 >> R 20-21  34000 >> 0.6 ( 1150 + R 20-21 )  R 20-21 << =55.5 K => R 20 + R 21 << 55.5K . chọn R 20 +R 21 =12.2 K => chọn R 20 = 10K ; R 21 = 2.2 K Đồ Án Môn Kỹ Thuật Mạch Page 10 [...]... điện ngõ vào của mạch là Ii thì Ii = IB1 - Gọi dòng điện ngõ ra của mạch là I0 thì I0 = IE2 - Gọi là hệ số khuếch đại dòng của toàn mạch ta có Vậy mạch khuếch đại Darlington có hệ số khuếch đại dòng rất lớn • Sơ đồ tương đương khi có tín hiệu: Đồ Án Môn Kỹ Thuật Mạch Page 21 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KT - VINH Uv B KHOA ĐIỆN TỬ IB1 IC C1=C2=C rBE1 rce1 IB2 rbe2 Ur rce2 RE E -Trở kháng vào của mạch: (3) Vậy qua... khuếch đại vi sai ở đầu vào Để thấy rõ được điều kiện này thì chúng ta sẽ khảo sát mạch khuếch đại vi sai và tầng khuếch đại vi sai ở đầu vào của mạch âm ly 50W a Giưới thiệu chung về bộ khuếch đại vi sai: - Cấu tạo của bộ vi sai căn bán ở trạng thái cân bằng -Mạch đối xứng theo đường thắng đứng,các phần tử tương ứng giống nhau về mọi đặc tính + RB1=RB2 + RC1 = RC2 + VCC= VEE + Q1 giống hệt Q2 Đồ Án Môn... chung Sỡ dĩ gọi là mạch chuấn là bởi lẽ: Mạch Darlington có hệ số khuếch đại dòng lớn Thường được sứ dụng ở tầng tiền công suất và công suất Và tầng này lại yêu cầu trở kháng vào lớn và trở kháng ra nhỏ Mà mạch mắc theo kiểu C chung đảm bảo được điều này.Vì vậy mà mạch Darlington thường mắc theo kiểu C chung Sơ đồ mạch chuấn có dạng như sau: Đồ Án Môn Kỹ Thuật Mạch Page 20 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KT - VINH KHOA... kiện điện tử Các tranzitor Q3 - Q5, Q2 – Q4 đều có thế chụi được nhiệt độ trên 1000 C 4.Khối vi sai (khối đầu vào) * Lý do chọn tầng vi sai ở đầu vào Như ta đã biết mạch khuếch đại âm ly làm việc ở hai vùng là vùng tín hiệu nhỏ và vùng tín hiệu lớn Vùng tín hiệu nhỏ Đồ Án Môn Kỹ Thuật Mạch Page 33 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KT - VINH KHOA ĐIỆN TỬ bao gồm các mạch khuếch đại ở các tầng ( micro phone , preampli) Vì... hồi tiếp và tầng tiền khuếch đại • Tầng hồi tiếp:Hồi tiếp đóng vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật tương tự Hồi tiếp cho phép cái thiện tính chất của bộ khuếch đại, nâng cao chất lượng của bộ khuếch đại Sơ đồ sử dụng mạch khuếch đại có hồi tiếp có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động của mạch đặc biệt là tín hiệu đầu ra Thông thường trong các mạch khuếch đại lớn, trong các âm ly thì để giảm méo phi tuyến... IC C1=C2=C rBE1 rce1 IB2 rbe2 Ur rce2 RE E -Trở kháng vào của mạch: (3) Vậy qua công thức (3) ta thấy trở kháng vào của mạch là rất lớn b Tầng hồi tiếp và tầng tiền khuếch đại trong sơ đồ mạch AMPLI 50W Sơ đồ khối của tầng hồi tiếp và tầng tiền khuếch đại : Đồ Án Môn Kỹ Thuật Mạch Page 22 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KT - VINH R 8 KHOA ĐIỆN TỬ + 34V R 9 R 14 C 5 Q2 Q8 Q4 Q6 C 4 R 18 D 1 R 15 DS D 2 R 17 R 11 Q5 R19... đổi ta có : Từ đây ta rút ra nhận xét : Khi độ lợi của mạch không có hồi tiếp thay đổi thì độ lợi của toàn mạch ( có hồi tiếp ) thay đổi nhỏ hơn (1 + βA) lần Như vậy khi có hồi tiếp âm sẽ làm cho độ khuếch đại của mạch ổn định hơn rất nhiều lần khi không sử dụng hồi tiếp âm Mặt khác nếu thì Nghĩa là mạch khuếch đại sau khi thực hiện hồi tiếp âm thì độ lợi chỉ còn phụ thuộc vào hệ số hồi tiếp β mà... mạch toàn phần thì sự biến dạng bây giờ chỉ còn là Df Ta có : Vậy nhiễu cũng giảm đi 1+βA lần khi có hồi tiếp âm + Đặc điểm thứ 3: Gia tăng giải tần hoạt động Độ lợi truyền dẫn của các mạch khuếch đại thường là một hàm số theo tần số + Ở tần số cao ta có: Trong đó: Am là độ lợi của mạch ở tần số giữa fH là ở tần số cắt cao Nếu mạch có hồi tiếp âm thì độ lợi truyền bây giờ là Af Đồ Án Môn Kỹ Thuật Mạch. .. 18 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KT - VINH KHOA ĐIỆN TỬ Tacó: Vậy Tần số tại đó độ lợi giảm đi 3dB ứng với Như vậy khi thực hiện hồi tiếp âm, tần số cắt cao tăng thêm (1+ ) lần + Tương tự ở tần số cắt thấp thì với Ta cũng tìm được Vậy thì khi có hồi tiếp âm thì tần số cắt thấp giảm đi lần • Trong khuếch đại âm thanh thì fH >> fL nên độ rộng băng thông coi như bằng fH Đồ Án Môn Kỹ Thuật Mạch Page 19 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KT... tiếp là hồi tiếp âm và hồi tiếp dương Hồi tiếp âm là sự hồi tiếp trong đó tín hiệu hồi tiếp ngược pha với tín hiệu vào, nên làm yếu tín hiệu vào Còn hồi tiếp dương là hồi tiếp trong đó tín hiệu hồi tiếp cùng pha với tín hiệu vào, làm mạnh tín hiệu vào Trong các mạch khuếch đại công suất thì chủ yếu sử dụng hồi tiếp âm Để hiểu rõ vì sao trong các mạch khuếch đại công suất sử dụng hồi tiếp âm ta sẽ xét . của từng khối trong mạch AMLY 50W, và nguyên lý chung của toàn mạch 1. Tầng khuếch đại công suất : - Tầng khuếch đại công suất được lựa chọn trong mạch khuếch đại âm ly 50W này là một cặp BJT. Tùy theo mạch mà chúng ta lựa chọn b. Phân loại mạch khuếch đại : - Tùy theo từng hệ thống mà chúng ta lựa chọn các mạch khuếch đại khác nhau.Có 3 loại mạch khuếch đại chính +. Khuếch đại về. 2 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KT - VINH KHOA ĐIỆN TỬ khuyếch đại công suất là kết hợp cả hai mạch khuếch đại điện áp và dòng điện. Do vậy ở đây chúng ta sẽ nghiên cửu mạch khuếch đại công suất 2. Khuếch đại công