Đồ án Thiết kế mạch khuếch đại công suất âm tần

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 VV V CQ EBz Rv 2.1 2 7,01,3 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 VxRIV R Z ZCQCC 3,1 5 1,372,11853 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 xx I xhmx hh CQ fe ieie 7 1 200254,125 21  Ta có VR2=VBE4+ICQ4 x R10= ICQ1 x R2  0,6 + 6x270 = 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 xx I xhmx hiehie CQ fe 7 1 200254,125 1 1 21  k xx I xhmx hie CQ fe 2.1 6 200254,125 4 1 4  4658 // 1 )( 7641 4 42 2 198 1 1 4 4    RRhh xxh hR R xxhRR v i x i i x i v v A ieie fe ie fe i b b b b L i L V )//( 11 )( 211671641 4 42 2 198 1 1 4 4 ieieieie fe ie fe f b b b b L f L hhRRR x RRhh xxh hR R xxhRR v i x i i x i v v v T   =-21 220 1    T A A vvf kRRhhRZ ieiein 15)////( 76211  kTxZZ inif 330)1(  4/ TÍNH THÔNG SỐ CÁC TỤ: a/ Tụ cắt tần số thấp C7 và tụ C4 : Tụ C7 : ))4//(.( 1 .2 2107 1 RhieRC fc   ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo 19  ))4//(.(.2 1 210 7 RhieRf 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 ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo 26 Kiểm tra chế độ AC trên tầng công suất :Kiểm tra trên tải RL f= 1kHz ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo 27 f= 20kHz ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo 28 Với công suất cực đại : f= 1kHz ĐAMH1 GVHD:Đinh Quốc Hùng SVTH: Phạm Duy Thành – Vũ Phương Thảo 29