Thiết kế mạch khuếch đại công suất âm tần ocl 100w

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN VIỄN THÔNG
---------------o0o---------------

ĐỒ ÁN 1
ĐỀ TÀI :THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG
SUẤT ÂM TẦN OCL 100W

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC
SVTH: CAO VĂN HẢI
MSSV: 41200939

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc.
-----✩----Số: ______ /BKĐT
Khoa: Điện – Điện tử
Bộ Môn: Viễn Thông

-----✩-----

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
1. HỌ VÀ TÊN: CAO VĂN HẢI

MSSV:41200939

2. NGÀNH:
ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
LỚP : DD12VT01
3. Đề tài: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ÂM TẦN OCL
4. Nhiệm vụ (Yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):
Mạch khuếch đại công suất OCL
PLmax=100W
BW:20Hz-20KHz
RL=8Ω
5. Ngày giao nhiệm vụ: 28/9
6. Ngày hoàn thành nhiệm vụ:21/12
7. Họ và tên người hướng dẫn:
Phần hướng dẫn:
Th.S TẠ CÔNG ĐỨC
THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI
Tp.HCM, ngày…... tháng….. năm 20
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN:
Người duyệt (chấm sơ bộ):.......................
Đơn vị:......................................................
Ngày bảo vệ : ...........................................
Điểm tổng kết: .........................................
Nơi lưu trữ luận văn: ...............................

NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH


Lời cảm ơn

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy Th.S TẠ CÔNG ĐỨC ,ngƣời đã hƣớng dẫn tận
tình em trong suốt thời gian thực hiện đồ án môn học.
Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô bộ môn Điện tử-Viễn Thông
trƣờng Đại Học Bách Khoa Hồ Chí Minh đã dạy dỗ và truyền thụ cho em kiến thức
để thực hiện đồ án môn học.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn đến sự đóng góp ý kiến của các bạn sinh viên
trong suốt quá trình thực hiện đồ án môn học.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 12 năm 2015

.

Sinh viên
CAO VĂN HẢI

i


ĐAMH

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án này trình bày về lý thuyết, các bước tính toán ,mô phỏng để thiết kế mạch khuếch
đại công suất OCL 100W

1


ĐAMH

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC

MỤC LỤC
1.

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN............................................................................................................ 3

2.

LÝ THUYẾT ................................................................................................................................... 3

3.

TÍNH TOÁN THÔNG SỐ ............................................................................................................... 5

3.1

Tầng công suất ......................................................................................................................... 5

3.2

Tầng lái công suất .................................................................................................................... 9

3.3

Tầng khuếch đại vi sai ............................................................................................................ 11

4.

MÔ PHỎNG .................................................................................................................................. 14

5.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................................................... 14
5.1

Kết luận .................................................................................................................................. 19

5.2

Hướng phát triển .................................................................................................................... 19

5.3

Thuận lợi và khó khăn ........................................................................................................... 19

6.

TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................................. 20

2


ĐAMH

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC

1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Ngành Điện tử-Viễn thông 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 -Viễn thông 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 Công Suất là một trong những sản phẩm tạo nền
tảng phát triển của những sản phẩm Điện Tử-Viễn Thông phục vụ cho nhu cầu của
con người.
Hiện nay,trên thị trường có nhiều dạng mạch như : 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…

2. LÝ THUYẾT
2.1 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.
+ Ƣu điểm: tín hiệu ngõ ra có hình dạng giống 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.
2.2 Bộ khuếch đại công suất lớp B:

3


ĐAMH

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC

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.

+ Ƣu 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%.

2.3 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 số nhưng một loại PNP và một là NPN. Nếu mạch được thiết kế
4


ĐAMH

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC

dùng nguồn đôi ta gọi là mạch khuếch đại công suất dạng OCL ( OutputCapactor- Less),
nếu dùng nguồn đơn và ngõ ra có tụ ta gọi là mạch khuếch đại công suất dạng OTL (
Output Transformer- Less).

Mạch khuếch đại OTL

Mạch khuếch đại OCL
+Ƣu 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.

.

5


ĐAMH

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC

3. TÍNH TOÁN THÔNG SỐ
3.1.Tầng công suất:

a)Nguồn cung cấp
Công suất trung bình phân phối trên tải được tính theo công thức:
PL 

2

I pL
RL

2



2
I Lp
RL

2



VLp2 RL
2( R14  RL )2

 VLp max  2PL RL  40(V ) (do ta chọn R14<
Xem hệ số sử dụng điện áp của nguồn là 0.9  Vcc 

VLp max
0.9



40
 44.4  45(V )
0.9

b) Q10,Q11
Công suất tiêu tán Q10,Q11

Pcc 
2 Pcc  Pcc  PL với

PL 

2



Vcc I cm

1 2
I cm RL
2

Để tìm cực đại ,đạo hàm 2 vế ,ta được :

6


ĐAMH

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC

2dPc 2Vcc


 I cm RL
dI cm

Pc  Pc max 

2 Pc max 

2Vcc



 I cm RL  I cm 

2Vcc
 3.58(V )
 RL

2

1 2
Vcc I cm  I cm
RL  51.35(W )  Pc max  25.67(W )

2

Để transistor hoạt động an toàn ,ta chọn sao cho PCmax >0.2PLmax=20W
VCEmax>2Vcc =90V
ICmax >ILmax =6A
Ta chọn Q10 :D718
Q11:B688

PC max  80W
VCE  120V

Có các thông số đặc biệt như sau I

Cm

 8A

c)R14,R15
Chọn R14 và R15 nhỏ để không ảnh hưởng tới hiệu suất của mạch
R14 , R15  0.47

Công suất tiêu tán :

PRtb  R I

2
14 tb max

VPL2 max
 R14
 1.34(W )
( ( R14  RL ))2

Công suất đỉnh
2

PRp  R I

2
14 Pm

 V

 R14  PL max   2.8(W )
 R14  RL 

Chọn R14,R15=0.47 Ω ,công suất 5W
7


ĐAMH

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC

d)R12 ,R13 ,Q8,Q9
Dựa trên đặc tuyến của Q10 và Q11 ,ta phân cực sao cho dòng DC qua R12 ,R13 khoảng
100mA ;IC=1A,VBE=0.7V ,hfe=95



45
VR12  VBE10  VR14 DC  VBE10  R14 ICQ10  0.7  0.47 
 100mA   1.54(V )
 (8  0.47)

ICQ10 

ICQ10
45
 100mA  1.79( A)  I BQ10 
 0.02( A)
(8  0.47)
h fe

Chọn dòng phân cực DC qua Q8,Q9 khoảng ICQ8=ICQ9=50mA,ta được

2 PL RL 
R12  I CQ8  I BQ10   VBE  R14  iCQ10 DC 
  R12  285()

  RL  R14  


 chọn R12=R13=270 
I Q8 peak    I Q8tb  I CQ8   I CQ8   I Q8tb
Dựa vào 2 phương trình sau

I Q8tb  I R12tb  I BQ10tb 

R14 I CQ10  VBE10
R12

 I BQ10tb  130(mA)

 I Q 8  408(mA)

Ta tính được công suất đặt vào BJT Q8,Q9

1
1
PQ8  PQ 9  (Vcc I Q8tb  RAC I Q2 8 )  Vcc I Q8tb  5.85(W )
2
2

Ta chọn

Q8 : KSE340
Q9 : KSE350

PC max  20W
có các thông số như sau VCE  80V

I Cm  0.5 A

8


ĐAMH

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC

3.2.Tầng lái công suất:

Ta chọn D1 , D2 , D3 , D4 , D5 , D6 có các thông số

V  0.7V
I D  10mA

ID là dòng phân cực tối thiểu để diode hoạt động nên ID=ICQ7=ICQ6=10mA
 PCQ 7  I CQ 7VCEQ 7  450mW

PC max  900W
Chọn Q7 là C2383 có VCE  90V

I Cm  20mA
Do ảnh hưởng của các dòng IBQ5 và IBQ6 là nhỏ ,không đáng kể nên ta tính được

R9 

Vcc  2V
ID

 4.36 K   chọn R9=3.9 K

VR9=Vcc -2 V =43.6V

9


ĐAMH

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC

VEQ 6  VR 9  V Q 9  Vcc  89.3V
VCEQ 6  VEQ 6  (VCEQ 7  4V )  41.5V
PCQ 6  VCEQ 6 I CQ 6

Chọn Q6 thỏa điều kiện

PC max  830mW
VCEQ  83V

PC max  900mW
,ta chọn Q6 :2SA1013 V  100V
CE

I Cm  20mA
VCEQ 6  2Vcc  I CQ 7 R10  R10 

I Cm  0.5 A

Vcc
 450
I CQ 7

10


ĐAMH

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC

3.3.Tầng khuếch đại vi sai :

Dòng IBQ7 rất nhỏ nên
I EQ 2  I CQ 2  2mA  I CQ1  I CQ 2  2mA

Xét mạch Q2 ,Q3
Với điều kiện

V Q 2  I EQ 2 R3  V Q 3  I EQ 3 R6
I EQ1  I EQ 2  I EQ 3  I EQ 4

 R3  R6  560
I EQ1 R2  V Q1  I BQ1 R1  I EQ 4 R4  V Q 4  I BQ 4 R8

Để mạch triệt tiêu nhiễu tốt hơn Q1 ,Q4 giống nhau 

R2  R4  22, R1  R8  39 K

Ta tính được các thông số BJT :
11


ĐAMH

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC

VCEQ1  VCEQ 4  Vcc  45V
PCQ1  PCQ1  I CQ1Vcc  90mW
PCQ 4  2 I CQ1Vcc  180mW
I C max  4mA

PC max  400mW
Q1,Q4,Q5 có giá trị nhỏ nên ta chọn loại BJT:Q2SA1015 có VCE  50V
I Cm  150mA
Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ :

Với các thông số
h fe10  95, h fe8  30, h fe 7  50, h fe1  h fe 4  100, R12  R10  1K , hie1  hie 4  2.5K , hie10  2 K , RL  8.2

,ta tính được :
VL '
V i i
i i i i i
(VL  0)  L L b10 1 b 8 2 b 7 b1 =
Vin
iL ib10 i1 ib 8 i2 ib 7 ib1 Vin
RL (h fe10  1)

T=

R10
R12
1
 12638
(h fe8  1)
(h fe 7  1)h fe1
hie10  R12
R10  hie8
( R7 / / R8 )nt (hie1  hie 4 )

VL
V i i
i i i i i
(Vin  0)  L L b10 1 b 8 2 b 7 b1' =
'

VL
iL ib10 i1 ib 8 i2 ib 7 ib1 VL

- RL (h fe10  1)

R10
R8
R12
1
(h fe8  1)
(h fe 7  1)h fe1
hie10  R12
R10  hie8
( R7 / / hie1  hie 4 )ntR8 R7  R1 hie1  hie 4

 -280

Avf 

Av
 45,13
1 T

Zin  ( R7 / / R8 )nt (hie1  hie 4 )  5.8K

12


ĐAMH
Avf  1 

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC
R8
 45.13  R7  883
R7

Khảo sát ảnh hưởng của tụ:
Tụ C1 nối tín hiệu điện áp giữa điện áp và tầng nhận tín hiệu vài khuếch đại vi sai ,để không
gay méo tín hiệu ta chọn tụ có giá trị
C1 

1
1

 1.5 F
2 f L Z in 2  20  5.8 K

Tụ C2 hoạt động ở băng thông từ 20Hz tới 20KHz và có độ lợi không giảm quá 3dB
R8
R7  Z c 2
1

 Z c 2  0.4 K  chọn C2  22 F
R
2
1 8
R7

1

Zin nhìn từ cực C của Q7 khoảng 7K,ta tính được C3

gm 

h fe
rb'



50
1
 0.017, f H 
 20 KHz  Cm  1.2nF
3K
2 Z in 2Cm

Cm  C3 (1  g m Z in 2 )  C3  10 pF
Chọn tụ C4 và R18(mạch Zobel): 2 giá trị này đóng vai trò làm tín hiệu ra khi ở tần số cao
không bị suy giảm: Khi f lớn, cuộn dây quấn loa L có trở kháng tăng, sẽ khiến tổng trở tăng,
tín hiệu bị suy giảm biên độ, người ta mắc thêm mạch Zobel nhằm tác dụng tránh hiện tượng
này, trở R18=10  , còn C4 phải chọn sao cho có giá trị gần bằng tự cảm của cuộn dây quấn
loa, thường lấy giá trị tụ khoảng 10uF

13


ĐAMH

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC

4. MÔ PHỎNG
Mô phỏng phân cực BIAS POINT
Chỉnh R5=0.5K,R10=1K

Khi R5=0.5K điểm phân cực Dc giữa có giá trị 40.04V ,ta tiến hành chỉnh R5 để được VDC0
Chỉnh R5=1.15K,R10=1K

14


ĐAMH

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC

Sau khi chỉnh R5 ta thấy điểm giữa gần tiến về 0V,nên giá trị R5 có thể chọn gần bằng 1K
Mô phỏng ở chế độ AC
Vin =1V ,tần số :1Hz-200KHz

Biên độ điện áp gần 40V nhưng BW vẫn chưa đạt yêu cầu nếu sử dụng số liệu tính toán ta
thấy có sai số ,nên chỉnh C2=47uF,C3=1nF ta được kết quả như sau

15


ĐAMH

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC

Vậy C2 và C3 đóng vai trò quyết định tới băng thông của toàn mạch khuếch đại sao cho thỏa
yêu cầu đề bài

Mô phỏng miền thời gian
Vin = 1V, tần số là 20Hz.

Khi giữ nguyên giá trị R7 =0.82K ta thấy tín hiệu bị méo ,xén dạng ,không như hình dạng ban
đầu ,tiến hành tăng R7=1K(thay đổi độ lợi Avf),ta được kết quả như sau :

16


ĐAMH

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC

Tín hiệu ngõ ra đã có hình dạng sóng sin (như tín hiễu ngõ vào và có biên độ 40V)
Như vậy sau khi tính toán và chạy mô phỏng để có được các số liệu khá chính xác ,ta sẽ có
thông số mạch hoàn chỉnh như sau:

17


ĐAMH

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC

18


ĐAMH

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC

5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
5.1 Kết luận
Sau khi thực hiện đồ án em thấy đã đạt được những kết quả sau :
- Tìm hiểu ,thiết kế và chế tạo được mạch khuếch đại công suất âm tầng OCL- 100W
có khả năng sử dụng rộng rãi,
- Vận dụng được nhiều kiến thức đã học ở trường.
- Tìm hiểu được nhiều vấn đề có thể sử dụng sau này.
- Rèn giũa khả năng sáng tạo.
- Khả năng tìm tài liệu trên mạng.

5.2 Hướng phát triển:
Mặc dù đã cố gắng nhưng mạch này vẫn còn nhiều hạn chế như:kiến thức hạn
chế ,khó thi công, thiết kế ,… nên có thể tìm hiểu và phát triển sao nhỏ nhỏ gọn và
tiện lợi hơn .

5.3 Những thuận lợi và khó khăn khi thực hiện đề tài:
Thuận lợi:
- Được sự hướng dẫn tận tình của Thầy Tạ Công Đức và những thầy cô khoa Điện tửViễn thông trong suốt thời gian qua.
- Tài liệu tham khảo phong phú .
Khó khăn:
- Thời gian thực hiện đề tài có giới hạn.
- Chưa có kinh nghiệm là nên còn một số lỗi mắc phải

19


ĐAMH

GVHD: Th.S TẠ CÔNG ĐỨC

6.TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Mạch điện tử 1. tác giả Lê Tiến Thường. nhà xuất bản Đại học Quốc gia thành
phố Hồ Chí Minh.
2. Mạch điện tử 2,tác giả Lê Tiến Thường. nhà xuất bản Đại học Quốc gia thành
phố Hồ Chí Minh.
3. Mạch điển tử ,tác giả Trương Văn Tám ,nhà xuất bản Giáo Dục 2009
Một số trang web tham khảo
- />-
- />- />
20