Thiết kế mạch khuếch đại công suất

Đề bài: Thiết kế mạch khuếch đại công suất với các chỉ tiêu như sau:
-

Công suất ra cực đại trên tải 16Ω : Ptmax = 50W
Giải thông nguồn tín hiệu cần khuếch đại: 20Hz – 20Khz
Nguồn tín hiệu vào U v = 0,1V , rn = 1K Ω
Hệ số méo phi tuyến γ < 1%
Hệ số méo tuyến tính tại f=20Hz và f=20Khz < 2 =1,4
Chọn hệ số khuếch đại tĩnh của Transistor β = 50
Các chỉ tiêu khác tùy chọn
Các thông số khác của linh kiện sinh viên tự lựa chọn sao cho phù hợp
với yêu cầu

Sinh viên thực hiện:
1, Ninh Thị An
2, Lê Tuấn Anh
3, Đoàn thị Phương Châm
4, Hoàng Linh Chi
5, Bùi Hữu Chiến
6, Nguyễn Mạnh Cường


NỘI DUNG THIẾT KẾ

I/ Lý thuyết chung về khuếch đại công suất
1) Khái niệm
Tầng khuếch đại công suất có nhiệm vụ đưa ra công suất đủ lớn và phù
hợp để kích thích cho tải. Công suất ra của nó cỡ vài phần mười W đến hơn
100W. 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 tức Transistor không làm
việc trong miền tuyến tính nữa khi tính toán không sử dụng sơ đồ tương

đương mà sử dụng đồ thị.
Nhiệm vụ của khuếch đại công suất:
+ Độ méo tín hiệu cho phép
+ Hiệu suất cao
Đặc điểm:
• Làm việc với tín hiệu lớn
• Làm việc cả vùng đặc tuyến không tuyến tính
• Để giảm nhỏ công suất tiêu tán thì thường sử dụng tản nhiệt
• Thường để ý đến hệ số khuếch đại dòng điện
2) Các tham số của tầng khuếch đại công suất
- Hệ số khuếch đại công suất: Hệ số khuếch đại công suất Kp là tỷ số giữa
công suất ra và công suất vào:
KP =

Pra
(xoay chiều)
Pv

- Hiệu suất: Hiệu suất là tỷ số giữa công suất ra Pr và công suất cung cấp 1
chiều Po
P
η = ra .100%
P0

- Trở kháng vào: Yêu cầu của trở kháng vào lớn tương đương với dòng tín
hiệu vào nhỏ, nghĩa là mạch phải có hệ số khuếch đại dòng điện lớn.vì
vậy mạch khuếch đại công suất có ki lớn chỉ sử dụng mạch mắc OE,OC
- Trở kháng ra :trở kháng ra nhỏ , dòng điện ra lớn
3) Các loại khuếch đại công suất
Để phân loại các mạch khuếch đại công suất ta có thể dựa vào nhiều dấu hiệu

để phân loại:
• Dựa vào linh kiện tích cực thực hiện khuếch đại công suất:
 Mạch khuếch đại công suất sử dụng đèn điện tử

2


 Mạch khuếch đại công suất sử dụng BJT
 Mạch khuếch đại công suất sử dụng FET
 Mạch khuếch đại công suất sử dụng IC
• Dựa vào số lượng phần tử tích cực:
 Mạch khuếch đại công suất đơn (1 phần tử tích cực)
o Mạch khuếch đại công suất đơn ghép R-C
o Mạch khuếch đại công suất ghép biến áp
 Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo (2 phần tử khuếch đại trở lên)
o Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo ghép biến áp
o Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo không có biến áp
• Dựa vào chế độ hoạt động của phần tử tích cực:
 Mạch khuếch đại công suất chế độ A
 Mạch khuếch đại công suất chế độ B
 Mạch khuếch đại công suất chế độ AB
 Mạch khuếch đại công suất chế độ C
 Mạch khuếch đại công suất chế độ D



3


4) Chế độ làm việc

Tùy thuộc vào chế độ công tác của Transistor, người ta phân biệt : bộ
khuếch đại chế độ A, AB,B và C
+ Chế độ A: tín hiệu được khuếch đại gần như tuyến tính.tín hiệu ra tồn
tại cả chu kỳ của tín hiệu vào . Góc cắt θ = 1800 = T / 2 . Khi tín hiệu vào
hình Sin thì ở chế độ A dòng tĩnh colector luôn luôn lớn hơn biên độ dòng
điện ra. Vì vậy hiệu suất của bộ khuếch đại chế độ A rất thấp ( < 50% ). Do
đó chế độ A chỉ được dùng trong trường hợp công suất ra nhỏ Pra < 1W

4


Mạch khuếch đại chế độ A

Nếu điểm làm việc Q giũa đường đặc tuyến truyền đạt → tín hiệu ra tồn tại
cả chu kì của tín hiệu vào U vp <U ra )>, méo phi tuyến nhỏ vì nó làm việc trong đoạn đặc tuyến
tuyến tính
+ Chế độ AB có góc cắt 900 < θ < 1800 ,tín hiệu ra tồn tại trong khoảng thời
gian >1/2 chu kỳ ,< hơn 1 chu kỳ của tín hiệu vào. Ở chế độ này có thể đạt
hiệu suất cao hơn chế độ A (<70%) vì dòng tĩnh ICo lúc này nhỏ hơn dòng
tĩnh chế độ A. Điểm làm việc trên đặc tuyến tải gần khu vực tắt của
Transistor.
+Chế độ B ứng với θ = 900 .tín hiệu ra chỉ tồn tại ½ chu kỳ của tín hiệu vào
. Điểm làm việc tĩnh được xác định tại chỉ một nửa chu kỳ âm (hay dương)
của điện áp vào được Transistor khuếch đại.
+Chế độ C có góc cắt θ < 900 . Hiệu suất của chế độ C khá lớn (>78%)
nhưng méo lớn. Nó thường được dùng trong các bộ khuếch đại tần số cao
và dùng với tải cộng hưởng để có thể lọc ra được hài bậc nhất như mong
muốn. Chế độ C còn được dùng trong mạch logic và mạch khóa.
5

+Chế độ D là mạch khuếch đại mà các phần tử tích cực chỉ ở 1 trong 2
trạng thái : *khóa hoàn toàn
*thông hoàn toàn
5) Phân tích ưu, nhược điểm của các mạch khuếch đại công suất
a) Mạch khuếch đại công suất đơn (chế độ A)
 Mạch khuếch đại công suất ghép biến áp
Sơ đồ mạch điện:

6


Hoạt động của máy biến áp
Máy biến áp có thể tăng hay giảm giá trị điện áp hay dòng điện theo tỷ
lệ đã định trước. Máy biến áp trong bài là máy tăng áp và bỏ qua sự tổn
hao công suất.
Sự thay đổi điện áp: Máy biến áp có thể làm tăng hay giảm điện áp
phụ thuộc vào số vòng dây mỗi bên. Sự biến đổi điện áp thể hiện qua
công thức

N =U
N U
1

1

2

2

; nếu số vòng dây ở cuộn thứ cấp lớn hơn ở cuộn sơ

cấp thì điện áp ra ở cuộn thứ cấp sẽ lớn hơn ở cuộn sơ cấp.
Sự thay đổi về dòng điện: Dựa vào công thức

N
N

1
2

=

I
I

2

. Nếu số vòng

1

dây ở cuộn thứ cấp lớn hơn cuộn sơ cấp thì dòng điện chạy qua cuộn
thứ cấp sẽ nhỏ hơn dòng điện ở cuộn sơ cấp.
Tải của biến áp có biến đổi trở kháng: R 'L là điện trở nhìn vào từ cuộn
N

2
2 2

sơ cấp của máy biến áp . Đặt a = ( N ) . Điện trở tải ở cuộn thứ cấp
1

R'

R

N

2
L
1
2 2
phản ánh qua điện trở thứ cấp được tính: R = R = a = ( N )
L
2
1

Đặc điểm của mạch: Khi tín hiệu ra U ra và điện áp nguồn U cc có mối quan
hệ U ra = U cc thì hiệu suất của mạch có thể đạt lớn nhất (η = 50% ).
Độ méo sóng hài của mạch khuếch đại chế độ A tương đối nhỏ. Trong
trường hợp ghép biến áp, do có dòng 1 chiều chạy trong cuộn dây, khá lớn
làm tăng dòng từ hóa của lõi cắt biến áp dẫn đến trạng thái bão hòa. Điều
này sẽ gây méo dạng tín hiệu ra. Để giảm méo do bão hòa từ, người ta
tăng từ trở của lõi sắt bằng vật liệu cách từ ở khe hở giữa lá sắt.
b) Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo (chế độ B)
 Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo ghép biến áp
Sơ đồ mạch điện:
Nguyên lý làm việc:
Khi ta đưa tín hiệu hình sin vào đầu vào của biến áp đảo pha có 2 điện

áp là U v1 và U v 2 hai điện áp này bằng nhau về biên độ nhưng ngược pha
nhau.
Giả sử ở 1/2 chu kỳ đầu của tín hiệu vào U v1 >0, U v 2 <0 lúc này T2 khóa
nên I C 2 =0, T1 thông có dòng I C1 chạy qua từ + U CC qua nửa trên của sơ
cấp biến áp ra qua T1 và về - U CC . Cường độ của dòng I C1 phụ thuộc
vào biên độ của điện áp vào.
Ở các 1/2 chu kỳ tiếp theo quá trình được lặp lại.
7


Ở 1/2 chu kỳ tiếp theo U v1 <0, U v 2 >0 T1 chuyển trạng thái từ thông
sang khóa, dòng I C1 =0, còn T2 chuyển trạng thái từ khóa sang thông,
xuất hiện dòng I C 2 chạy từ + U CC qua nửa dưới của sơ cấp biến áp ra qua
T2 về - U CC
Dòng I C1 , I C 2 ngược chiều nhau trên sơ cấp biến áp nên trên thứ cấp
biến áp I ra = n( IC1 − I C 2 ) .
=> nhận xét: như vậy mặc dù 2 nửa chu kỳ của điện áp tín hiệu vào các
Transistor chỉ làm việc trong 1/2 chu kỳ nhưng tín hiệu ra lên tải vẫn
đầy đủ cả 2 nửa chu kỳ.
Đặc điểm của mạch khuếch đại công suất đẩy kéo ghép biến áp
 Ưu điểm: Ở chế độ tĩnh sẽ không tiêu thụ dòng do nguồn
cung cấp nên không có tổn hao trên Transistor. Mặt khác vì
không có dòng 1 chiều chạy qua biến áp nên không gây méo
do bão hòa từ. Hiệu suất của mạch lớn nhất đạt khoảng
78,5%. Mạch dễ phối hợp trở kháng.
 Nhược điểm: Méo xuyên tâm lớn khi tín hiệu vào nhỏ; khi cả
2 vế khuếch đại không được cân bằng. Biến áp cồng kềnh, có
thể gây méo tần số, làm giảm dải thông của mạch, không có
khả năng vi mạch hóa.
 Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo không biến áp cung cấp song

song (2 nguồn)
Sơ đồ mạch điện:
Nguyên lý hoạt động:
Khi ta đưa tín hiệu hình sin vào đầu vào. Giả sử ở 1/2 chu kỳ đầu của
tín hiệu vào U v >0, lúc này T2 khóa, T1 thông có dòng I C1 chạy qua từ
+ U CC qua T1 qua RT và về - U CC .
Ở 1/2 chu kỳ tiếp theo U v đổi cực tính, U v <0 T1 chuyển trạng thái từ
thông sang khóa, còn T2 chuyển trạng thái từ khóa sang thông, xuất
hiện dòng I C 2 chạy từ + U CC qua T2 qua RT về - U CC .
Ở các 1/2 chu kỳ tiếp theo, quá trinh được lặp lại.
Dòng I C1 , I C 2 ngược chiều nhau trên sơ cấp biến áp nên trên thứ cấp
biến áp I ra = ( I C1 − IC 2 ) . Như vậy mặc dù 2 nửa chu kỳ của điện áp tín
hiệu vào các Transistor chỉ làm việc trong 1/2 chu kỳ nhưng tín hiệu ra
lên tải vẫn đầy đủ cả 2 nửa chu kỳ.
 Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo không biến áp ghép nối tiếp (1
nguồn)
Sơ đồ mạch điện:

8


R1

T1
C

T2

Rt

R2

Nguyên lý hoạt động:
Khi ta đưa tín hiệu hình sin vào đầu vào. Giả sử ở 1/2 chu kỳ đầu của
tín hiệu vào U v >0, lúc này T2 khóa I C 2 =0, T1 thông có dòng I C1 chạy
qua từ + U CC qua T1 qua C và về điện trở tải RT trở về - U CC . Dòng I C1
nạp điện cho tụ C.
Ở 1/2 chu kỳ tiếp theo U v đổi cực tính, U v <0 T1 chuyển trạng thái từ
thông sang khóa, còn T2 chuyển trạng thái từ khóa sang thông. Tụ điện
C phóng điện tạo thành dòng I C 2 chạy từ +C qua T2 qua RT về -C.
Ở các 1/2 chu kỳ tiếp theo, quá trinh được lặp lại.
Dòng I C1 , I C 2 ngược chiều nhau trên sơ cấp biến áp nên trên thứ cấp
biến áp I ra = ( I C1 − IC 2 ) . Như vậy mặc dù 2 nửa chu kỳ của điện áp tín
hiệu vào các Transistor chỉ làm việc trong 1/2 chu kỳ nhưng tín hiệu ra
lên tải vẫn đầy đủ cả 2 nửa chu kỳ.
Đặc điểm của mạch khuếch đại công suất đẩy kéo không biến áp.
 Nhược điểm: phải có 2 nguồn cung cấp riêng biệt. Hiện
tượng méo xuyên tâm. Đây là sự gãy khúc của tín hiệu ra trên
tải ở thời điểm chuyển tiếp từ nửa chu kỳ dương sang âm. Để
giảm méo xuyên tâm cho chế độ B lúc tín hiệu vào còn yếu
người ta sẽ dùng chế độ AB để làm tầng kích thích cho tầng
công suất cuối chế độ B. Việc phối hợp trở kháng không tốt
bằng mạch khuếch đại công suất đẩy kéo có biến áp. Không
cách ly thành phần 1 chiều và thành phần xoay chiều, chỉ áp
dụng với các mạch tải cố định
 Ưu điểm: Do không có biến áp kết cấu gọn, giá thành thấp, có
khả năng vi mạch hóa trở thành vi mạch.

9

Tính toán các thông số của mạch:
1) mạch khuếch đại công suất:
sơ đồ mạch :

Ta có công suất ra max trên tải là:
Pmax =

U

2
t ( p)

2.Rt

=50 (w)

10


1 U t2
→ U t = 2 Pt max .Rt = 40V
Có Pt max =
2 Rt
Vậy điện áp ra U t =40V

Theo sơ đồ thì tầng được cung cấp bằng nguồn cung cấp nối tiếp, còn tải được
mắc qua tụ điện có điện dung đủ lớn. Khi không có tín hiệu thì tụ C được nạp tới
1
2

Suy ra U cc = 2U t = 2.40 = 80(V )

trị số U CC . Tụ C4 được coi như “ nguồn giả” để cung cấp cho tải.
Chọn tụ C có giá trị điện dung lớn. Chọn tụ C4 = 2200µ F có điện áp chịu đựng
50V
U

40

t
Dòng qua tải 16Ω; I t = R = 16 = 2,5( A) (hình mạch khuếch đại công suất)
t
U (t )( p )
= 2,5( A)
Dòng điện đỉnh qua tải I C ( p ) =
Rt

Dòng điện đỉnh qua tải cũng là dòng I C ( p ) = 2,5( A)
Công suất 1 chiều cung cấp cho mạch
U cc .2.I c ( p )

80.2,5.2
= 127, 4(W )
π
3,14
U .I
80.2,5
= 100(W )
Công suất ra: PAC = cc C ( p ) =
2

2
PVDC =

=

Công suất tiêu tán trên mỗi Transistor:

PVDC − PrAC 127, 4 − 100
=
= 13, 7(W )
2
2
PraAC
100
Hiệu suất của mạch: η = P = 127, 4 = 78, 4%
VDC
PT 1 = PT 2 =

Để công suất ra ổng định, hiệu suất cao, không gây ra méo ta chọn chế độ làm
việc của mạch là chế độ AB. Khi đó chọn U B =0.8 (v)
Khi có tín hiệu vào, Transistor sẽ thông ngay. Ta có:
R2 .U cc
=0.8 (v)
R2 + R1
Chọn R1 = 100(kΩ) R2 = 1(kΩ)
UB =

Chọn
Ta có I C ( p ) = 2,5( A) → IV ( p ) =

IC ( p )
với β = 50
β

IV ( p ) = 0, 05( A)

Vì tầng khuếch đại công suất lắp theo kiểu OC có hệ số khuếch đại điện áp
KU ≈ 1 .
U
KU = ra ≈ 1;U ra ≈ U vao = 40V
U vao
11


Theo các giá trị trên chọn T1 T2 sao cho
 Pmax > 15W
I
R1 = 120Ω; R2 = 1,5Ω; Rt = 16Ω
 C max > 2,5 A
và

C4 = 2200 µ F ,50(V )
U CE max > 80V
 β = 50

T1 loại 2SC1445-100(V)-6(A)-40(W)
T2 loại 2SA1443-100(V)-10(A)-30(W)
2) Mạch tiền khuếch đại công suất
Sơ đồ mạch điện:

Sơ đồ tương đương của mạch là:

12


Đối với mạch tiền khuếch đại công suất ta chọn Rb1 và ro sao cho mạch
làm việc ở chế độ A
Mạh tiền khuếch đại có I r = I v của mạch khuếch đại nên I r = 0.05( A)
Theo đề bài ta có U v = 0.1V , Rn = 1k Ω ,ta chọn β = 25 vậy
Iv =

Uv
0,1
=
= 10−4 ( A) = 100( µ A)
Rn 1000

Khi chọn chế độ làm việc của mạch ở chế độ A :
1
1
U CEQ = U cc = 40V , I CQ = I c max
2
2
0.2
= 0.1( A)
Ta chọn dòng I c max của (T) là I c max = 0.2 , vậy I CQ =
2

Phương trình đầu ra của mạch : U cc − ICQ RC − U CEQ − I E RE = 0
Ta chọn β = 25

IB =

(1)

I c 0,1
=
= 4.10− 3 ( A)
β 25

I p = 10 I B = 4.10 − 2 ( A)

Vậy Pt(1) trở thành: U cc = ( RC + RE ) I CQ − U CEQ = 0
U cc
= I CQ .( Rc + RE 2 )
2
U
80
↔ ( Rc + RE 2 ) = cc =
= 400(Ω)
2.I CQ 2.0,1
Ic ≈ I E ,

Ta chọn:

Rc = 100(Ω)
RE 2 = 300(Ω)
U

80

cc
Ta có Rb1 + Rb 2 = I = 4.10− 2 = 2(kΩ)
p

Để mạch làm việc ở chế độ A thì U BQ = 1,1(V )
Ta có:

13


U cc .Rb 2
≈ 1,1
Rb1 + Rb 2
U cc .Rb 2 ≈ 1,1.2.103 = 2200
2200
= 27,5(Ω)
80
→ Rb1 = 2000 − 27,5 = 1972,5(Ω)
Rb 2 =

1
2

Để cấp cho mạch khuếch đại công suất đẩy kéo thì U ra = U CC
Có U v =0.1(V). Ta chọn mạch phối hợp mắc theo kiểu OC có

Ku =

− Z ra
.

re

Tính re = ?
U T 26mV 26.10−3
re =
=
=
= 0,173Ω
IE
IE
0,15

3, Mạch vào phối hợp trở kháng
Sơ đồ mạch điện :

14


Mạch phối hợp trở kháng mắc OC chung
Dòng điện vào : I v =

Ku ≈ 1
Ki > 1

Uv
0.1
=
= 10 − 4 ( A)
r 1000

Ta có : I r sẽ bằng I v của mạch tiền khuếch đại
⇒ I r = 2.10−3
⇒ Ki =

Ir
= 20
Iv

Dể méo phi tuyến nhỏ nhất ta chọn mạch làm việc ở chế độ A
15


Chọ transistor có I c max = 0,5( A)
Ở chế độ A ơ

I CQ = 0,25( A)
U CEQ = 40(V )

U CC − U CE − I E .RE1 = 0
I C ≈ IE =

40
= 0,25
RE1

⇒ RE1 = 160(Ω)
IB =

IC
β

Chọn β = 25 → I B =
Vậy RB =

0.25
= 0.01
25

80
= 8(Ω)
0.01

4 Tính toán các giá trị của tụ điện
C1 , C2 , C3 là các tụ ghép tầng
1

1

Ta chọn rn >> 2.Π. f .C ⇔ C1 >> 2.Π. f .r ⇔ C1 >>> 8µF
min
1
min n
Ta nên chọn C1 = 50µF
Rv (T2 ) >>

1
1
1
⇔ C2 >>
=

2.Π. f min .C2
2.Π. f min .Rv (T2 ) 2.Π. f .( Rb1.Rb 2 )
min
Rb1 + Rb 2

Ta chọn C2=1000(uF)
Rv (T3 , T4 ) >>

1
1
1
⇒ C3 >>
=
2.Π. f min .C3
2.Π. f min .Rv (T3 , T4 ) 2.Π. f .( R1.R2 )
min
R1 + R2

Chọn C3 = 50( µF )
RE 2 >>

1
1
⇒ CE >>
= 26µF
2.Π. f min .CE
2.Π. f min .RE 2

Nếu chọn CE = 100( µF )
III. Sơ đồ mạch thiết kế cụ thể

16


17


KẾT LUẬN
Qua quá trình học tập, tìm hiểu tài liệu tham khảo và với sự hướng dẫn
của thầy giáo TRƯƠNG THANH BÌNH, nhóm em đã thiết kế được một mạch
khuếch đại công suất với các chỉ tiêu yêu cầu.
Dù đã rất cố gằng nhưng do kiến thức còn hạn chế nên bài thiết kế này
không tránh khỏi những sai sót. Mong thầy xem xét và bổ sung ý kiến để bài
thiết kế của chúng em được hoàn chỉnh hơn.
Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn thầy đã giúp đỡ chúng em
trong suốt quá trình làm và hoàn thành bài thiết kế.
Tài liệu tham khảo:
1, Bài giảng Vật liệu và dụng cụ điện tử - ThS. Trương Thanh Bình, ĐHHH
2, Bài giảng Cơ sở kỹ thuật mạch điện tử - ThS. Trương Thanh Bình, ĐHHH
2, Kỹ thuật mạch điện tử - Phạm Minh Hà, NXB Khoa học kỹ thuật

18