THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

Đồ án điện tử
Giảng viên: Trần Vũ Kiên
Sinh viên : Nguyễn Xuân Khải
Lớp : C12 ĐTVT
Đề tài : Mạch khuếch đại công suất

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 V =0V nên bình thƣờng
B
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) = V
.I
CC DC
Trong đó I
là dòng điện trung bình cung cấp cho mạch. Do dòng tải có đủ 2 bán kì
DC
nên nếu gọi Ip là dòng đỉnh qua tải , ta có:


Dùng nguồn đôi

Dùng nguồn đơn

Công suất ra:
Công suất ra lấy trên tải R có thể đƣợc tính:
L

P

=

o(ac)

Tính theo điện thế dỉnh đỉnh :
P

o(ac)

=

Hiệu suất:


Vì V

= V , nên hiệu suất tối đa:
L(p)

cc

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 :
P

o(ac)max

=

Và dòng đỉnh là: ILmax=


Trị tối đa của dòng trung bình là: IDCmax= (2/π).ILmax=
Trị tối đa của công suất ngõ vào: PDCmax= Vcc. IDCmax
P

=

i(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, Q dẫn. Dòng i chạy qua biến thế ngõ ra tạo
1
1
cảm ứng cấp cho tải. Lúc này pha của tín hiệu ñƣa vào Q là âm nên Q ngƣng dẫn.

2
2
- Ðến bán kỳ kế tiếp, tín hiệu ñƣa vào Q có pha dƣơng nên Q dẫn. Dòng i qua
2
2
2
biến thế ngõ ra tạo cảm ứng cung cấp cho tải. Trong lúc ñó pha tín hiệu ñƣa vào Q là âm
1
nên Q ngƣng dẫn.
1
i và i chạy ngƣợc chiều nhau trong biến thế ngõ ra nên ñiện thế cảm ứng bên cuộn thứ
1
2
cấp tạo ra bởi Q và Q cũng ngƣợc pha nhau, chúng kết hợp với nhau tạo thành cả chu kỳ của tín
1
2
hiệu.


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 V . Sự biến dạng này gọi là sự biến dạng xuyên tâm (cross-over). Ðể khắc
BE
phục, ngƣời ta phân cực V dƣơng một chút (thí dụ ở transistor NPN) để transistor có thể dẫn điện
B
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 I

lớn, transistor công suất dễ bị nóng lên. Khi nhiệt

C
độ tăng, điện thế ngƣỡng V
giảm (transistor dễ dẫn điện hơn) làm dòng I càng lớn hơn, hiện
BE
C
tƣợng này chồng chất dẫn đến hƣ hỏng transistor. Ðể khắc phục, ngoài việc phải giải nhiệt đầy
transistor, ngƣời ta mắc thêm một
đủ cho
điện trở nhỏ (thƣờng là vài Ω) ở hai chân E của
Khi transistor chạy mạnh, nhiệt độ tăng, I tăng tức I làm V
transistor công suất xuống mass.
C
E
E
tăng dẫn đến
V
giảm. Kết quả là transistor dẫn yếu trở lại.
BE
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.


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.


3/ MỘT SỐ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ÂM TẦN:
Mạch khuếch đại OTL:


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

P

Lmax

=

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.


 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

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;

S

Ic= 2A => hfe= 50


=

=

+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.

Pcmax = 0,5. Vcc. ICQ5 – 0,5. ICQ. Rac

= 63mA
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
V =V

ac

BE5

+V

BE6

+R .I
13

= 0,6 + 0,5+ 0,1 .0,76

0,5V
CQ6


=1,2V

VAA’= 1,2.2= 2,4V
Theo datasheet của MJE 340 và MJE 350, chọn hfe =55


ICQ5 = ICQ7 =15,1mA


IBQ5 = IBQ7=



IBQ(peak) = . 0,27 =0,86mA

= 0,27mA

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
R , R có tác dụng tạo dòng phân cực dc cho

8

9

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 =


R9= 2.2kΩ

=

= 2,8kΩ


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.


Chọn TST Q có các thông số:
4

Do đó chọn transistor Q2SC1815.

3/ TẦNG VI SAI- TRIỆT NHIỄU NGÕ VÀO:


ICQ4= 6mA
Theo datasheet của Q2SC1815 thì ta chọn: h = 200
fe

I

BQ 4

I CQ4
= h =ε

rất nhỏ

fe

Chọn ICQ1 = ICQ2 = 2 mA
 ICQ3 = 2 ICQ1 = 2mA
Chọn Diode
Zener có V = 3,1V
z

V

Rv 2

=

Vz − VEB 3
3,1 = 1.2k
I
= − 0, 7
CQ3
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
=> R4 =

V

CC

−I

C Q3

I

Z

SVT

xR − V
5

18 − 1,2 x7
Z

= − 3,1
5

= 1,3k

Ch Với tầng vis ai Q1 và Q2 :
ọn
R4
Chọn VECQ1=VECQ2 VCC=18V
≈
=1
k
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 :


Theo đặc tuyến trên datasheet,I

I

=1 mA,chọn h =200

CQ1= CQ2

=

h

ie1

h

ie 2

fe

= mx25 xh fe 1,4 x 25 x 200 = 7k
1
I
=
CQ

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 :
I

=I

CQ1

V

CQ2

=V

CEQ1

CEQ2

Ta chọn R2= R3=2.2k
Độ lợi yêu cầu :
A = 150÷300 (với V =100mV)
f

R6
Mà Av R
≈
=≈ 150

i

7

Chọn R6=R7=220k (cân bằng DC cho Q1 và Q2)


hie2 = mx25 xh fe1 1,4 x 25 x 200 = 7k
1
I
=

hie1 =

CQ1

hie 4 =

mx25 xh fe1 1,4 x 25 x 200 = 1.2k
6
I
=
CQ4

vL

iAb1 =

vL

=

v

x
i

i

vL
T=
−(R

i

i

i
b4

R2
x

xh
R +h

=

2

+ R9 )
xh

fe1

R2
x

f

8

2

ie 4

=-21

Av

vf

= 1 − T = 220

Z = R //( h + h + R // R ) = 15k
ie1
7
Z in = Z 1 x(1 −
T ) =ie2330k6
if

in

4/ TÍNH THÔNG SỐ CÁC TỤ:
a/ Tụ cắt tần số thấp C và tụ C :

2π .
Tụ C7 : f c1

7

4

1

= C .(R //( hie4 + R
7
10 ))
2

1
= 4658

x
+h

h
ie 4

ie1

fe 4

+ R // R
ie 4

x

6

7

1
x

h +h +R +
ie 4
6
Rie1
1

A

fe 4

1
xh

R +h

v
b1

fe1

i

ib1
x

= (R8 + R9 )
xh

v
b1

ib 4
x

f

xV

b4

vL
=

v

ib 4

R + R //( R + h
7

6

1

+h
ie1

)
ie 2



1
C7 = 2π . f .(R //( hie4 + R
10 ))
2



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 :

Sơ đồ áp và dòng phân cực tĩnh :