MẠch công suất Audio

Trường ĐH Công Nghiệp Tp.HCMBộ Môn Cơ sở - Khoa Công Nghệ Điện Tử

Tiểu Luận:

Mạch Khuếch Đại Audio

Môn: Mạch Điện tử 2Mã Học Phần: 210202901GVHD: Lưu Thế Vinh

Mạch Khuếch Đại Audio là gì?

Mạch khuếch đại âm thanh có nhiệm vụ tạo ra một công suất đủ lớn để kích thích tải mà ở đây chính là kích thích loa phát ra âm thanh mong

muốn.

Các chế độ làm việc của BJT:

Phân loại

Loại A

Loại AB

Loại B

Loại C

Các Loại Khác

D,E,F,G,H

Khuếch Đại

Audio

1/. Mạch khuếch đại công suất loại A:

Đặc điểm chính 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.

Tín hiệu được khuếch đại trong cả chu kì

2.

Điểm làm việc tĩnh Q(VCE,ICQ) thõa

mãn điều kiện VCE=VCC/2.

Ưu Điểm Tín hiệu ngõ ra khuếch đại trong cả chu kì

theo tín hiệu ngõ vào.

Có chất tương đối tốt,

Ít biến dạng

Nhược Điểm Do được phân cực ở chế độ làm việc tối ưu

nên mức tiêu hao năng lượng lớn, cả khi

không có tín hiệu ở ngõ vào.

Hiệu suất của mạch thấp thường là η = 25%.

Vì vậy mạch khuếch đại tín hiệu loại A ít được sử

dụng.

2/. Mạch khuếch đại công suất loại B:

Đặc điểm phân cực là điện áp VBE= 0V

vì vậy khi đó tín hiệu ngõ vào phải vượt qua

điện áp ngưỡng Vγ của BJT thì mới cò tín

hiệu ở ngõ ra

Tín hiệu thường chỉ khuếch đại 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.

Ưu Điểm Mạch không họa động khi không có tín hiệu

vào.

Năng lượng tiêu hoa ít.

Hiệu suất mạch cao từ 50 - 75%.

Nhược Điểm Tín hiệu vào sẽ bị méo dạng xuyên tâm.

Yêu cầu cần phải có nguồn đôi

Nhưng thường được khắc phục bằng cách gắn

thêm Vbb ở cực công của BJT.

3/. Mạch khuếch đại công suất loại AB:

Đặc điểm là sự cải tiến nhược điểm méo xuyên 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 đối

xứng - bổ phụ, có nghã là hai phần tử BJT công suất có cùng thông

số nhưng một là loại PNP và một là NPN.

Nếu mạch được thiết kế dùng nguồn đôi ta gọi là mạch khuếch

đại công suất dạng OCL ( Output Capactor - Less), nếu dùng nguồn

đơn và ngõ ra có tụ ta gọi là mạch khuếch đại công suất dạng OTL

( Output Transformer- Less).

Ưu 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

Nhược Điểm

Cần có biến áp cung cấp nguồn đối xứng đối

với mạch OCL.

Cần có tụ ở ngõ ra đối với mạch OTL.

Mạch khuếch đại loại AB thường được sử dụng nhiều do có được những ưu điểm vượt trội của các loại A, B đồng thời cũng hạn chế được những nhược điểm lớn của chúng.

4/. Mạch khuếch đại công suất loại C:

Đặc điểm là mạch được phân cực cho BJT

nằm trong vùng ngưng dẫn sâu hơn so với lớp

B.

Mạch chỉ khuếch đại một phần đỉnh của

tín hiệu ngõ vào, do đó mạch không phù hợp để

khuếch đại tín hiệu âm tầng, mà thường được

sử dụng để khuếch đại các tín hiệu cao tần.

5/. Thiết kế mạch khuếch đại Audio thực tế:

OCL

Bộ khuếch đại âm thanh ta thường

thấy nhất trên thì trường chính là bộ khuếch đại OCL. Chính vì vậy ở đây

nhóm chúng tôi sẽ giới thiệu với các bạn trình tự thiết kế và xây dựng các mạnh

trên. Cũng là để hiểu rõ hơn về Nguyên lí làm việc của các mạnh khuếch đại âm thanh trong điện tử gia dụng ngày nay.

Thiết kế mạch KĐ OCL

Mạch Khuếch Đại OCL có: Công suất ngõ ra: PLMax = 100W. Băng thông: BW = 20Hz – 20KHz. Tải RL = 8ohm.

Yêu Cầu

Mô Hình Mạch KĐ Audio

1/.Thiết kế tầng công suấtSơ đồ

dạng đối xứng - bổ

phụ

Nguyên lý mạch:

Như trên sơ đồ trên, nguyên lí hoạt động của mạch trên được giải thích như sau:

Khi tín hiệu vào ở bán kỳ dương:+ Vbe của Q8 tăng nên Q8 được phân cực thuận dẫn dòng đổ vào cực B của Q10, làm cho Q10 phân cực thuận dẫn dòng mạnh từ nguồn +Vcc qua Loa và xuống Mass.+ Còn Q9 phân cực nghịch tắt nên không phân cực cho Q11, vì vậy Q11 không rút dòng. Khi tín hiệu vào ở bán kỳ Âm:+ Vbe của Q9 giảm nên Q9 được phân cực thuận rút dòng từ cực B của Q11, làm cho Q11 phân cực thuận rút dòng mạnh từ Mass qua Loa và đổ về -Vcc.+ Còn Q8 phân cực nghịch tắt nên không phân cực cho Q10.Phần tử Vbias là để định mức điện áp Vbe cho Q8 và Q9, thiết lập chế độ làm việc AB. sẽ đề cập đến sau này.Do các BJT được phân cực theo kiểu C chung nên mạch sẽ khuếch đại dòng.

Chọn linh kiện cho mạchDo mạch đối xứng bổ phụ nên ta chỉ cần tính toán chọn linh kiện ở bán kì dương:

Để ổn định phân cực cho Q10,Q11 ta chọn R14,R15 << RL Vậy R14 = 0.47.

Do yêu cầu thiết kế Plmax = 100wNên ta có

Vlmax = 41.43Chọn hệ số sử dụng nguồn là ζ = 0.9. vậy ta có Vcc = Vlmax / ζ 45V.

Ta cũng có

Vậy công suất cung cấp của nguồn là:

Chọn linh kiện cho mạch

Công suất tiêu thụ trên R14 được xác định như sau:

Hiệu suất cực đại của tải là:

Vậy ta có công suất tiêu thụ cực đại trên Q10:

Vậy thông số của các cặp BJT là:+ Công suất > 50W+ Vcemax > 2Vcc = 90V+ Icmax > 2 Ic = 2 * 3.4 = 6.8A+ ft > 20KHz+ Công suất điễn trở > 2* 2.66 = 4W

Vậy từ Datasheets ta chọn : Q10 = D718 Q11 = B688


Tính thông số cho Q8,Q9:Từ Icmax của Q10, ta có Ibmax của Q10= Icmax / hfe_min= 96 mA.

Nhằm mục đích ổn định phân cực cho Q8,Q9 đồng thời bảo vệ cho Q10,Q11 khi co hiện tượng quá dòng. Ta mắc them điện trở R12,R13. Giá trị của R12,13 phải đảm bảo phân dòng phù hợp đến Q10 có thể phân cực được cho Q10. Ta chọn IR12,13= Ib_q10max / 10 = 9.6 mATừ đó có IEq8 = Ibq10 + IR12 = 9.6 + 96 = 105.6 mA.Cách tính như sau:


+ hieQ10 = m * hfe * 0.0025 / Icq = 0.36 Ohm.Suy ra VR12 = IbQ10max * ( hieQ10 + R14* hfeQ10) = 2.82 V

Vậy ta có R12 = VR12 / IR12 = 262.5 Ohm

Cũng dễ có P_R12= 12.25 W Vậy ta chọn R12,13 = 270 Ohm/0.25W

Mặc khác ta nhân thấy rằng R12 >> (hieQ10 + R14*hfeQ10 ) nên có thể bỏ qua R12 trong sơ đồ phản ánh trở kháng ghép Darlington Q8 và Q10.

RTươngĐ= 466.21 Ohm


Do Q8 phân cực ở lớp AB nên:

Chúng ta nhận được thông số BJT Q8 cũng như Q9 như sau:

+ Công suất Plmax = 2 * 0.44 = 0.88 W+ Vcemax = 2*Vcc = 90 V+ Icmax = 2 * IcmaxQ8= 2 * 105 mA= 210 mA+ fT > 20KHz

Có thể chọn là KSE340 và KSE350

2/.Thiết kế tầng lái

Nguyên lí hoạt động

D5 và D6 tạo chênh lệch điện áp 2VD để phân cực cho Q6 tạo dòng điện

trên cực E của Q6, dòng điện này có thể thay đổi được nhờ chỉnh biến trở

R10.

R9 phân cực thuận cho D5, D6 có điện áp ngưỡng VD, dòng qua D5, D6 là

ID5,D6 tại VD.

D1, D2, D3, D4 và biến trở R11 dùng để tạo đện áp phân cực cho tầng

KĐCS PUSH – PULL hoạt động ở chế độ lớp AB.

Q7 là tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ ở chế độ lớp A, tạo tín hiệu ngõ ra biến

thiên 3600 theo tín hiệu ngõ vào.


Do các Diode làm việc với dòng điện nhỏ và công dụng là tạo V. Nên ta chọn các D1, D2, D3, D4, D5, D6 là loại 1N4007.

Thông số của 1N4007:+ IDMax = 1 A+ VD = 0.7 V tại ID = 10 mACách xác định R9:

Vậy chọn R9 = 3.9K Ta cũng có:

VR9 = Vcc – 2 VD = 43.6Tính được VE_Q6 = VR9 + V + 45V = 89.3V

Để có dòng cực đại IE_Q6max = 4 15mA thì: = 47 Ohm ;

Như vậy ta có thể xem R10 là một biến trở 1K.


Dòng phân cực thuận qua các Diode D1, D2, D3, D4 để có điện áp ngưỡng VD = 0.7V là dòng ICQ6 từ cực C của Q6 đổ xuống và tối thiểu là 10mA. Như vậy Vbias có thể được tính từ sơ đồ sau:

Chọn linh kiện cho mạchTa có:

Mà

Để điều chỉnh VBias có giá trị từ 2.4V đến 2.8V với dòng điện qua các Diode tối thiểu là 10mA ta có công thức tính giá trị biến trở R11 như sau:

Do vậy ta dùng biến trở R11 là 1K để điều chỉnh giá trị Vbias.

Để tín hiệu ngõ ra của Q7 cấp cho mạch KĐCS PUSH – PULL biến thiên 360o theo tín hiệu ở ngõ vào thì Q7 là mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ ở chế độ lớp A.

Do ICQ6 = ICQ7 nên:2Vcc = VR10 + VECQ6 + 2VD + VR11 + VECQ7

Suy ra:

Chọn linh kiện cho mạchMặc khác ta có dòng tổng qua Q7:

Vì ta cần , mà điều kiện phân cực tối thiểu cho các Diode để có mức điện áp ngưỡng thì Vậy nên: Chọn điểm làm việc tĩnh Q7 là Q(10mA;45V) ta có:

+ R10 =

+ PR10 = 3.5 mW

+ R11 =

+ PR11 = 7 mW

+ VCEQ6 = VEQ6 – ( VCEQ7 + Vbias_max) = 89.3 – ( 45 +2.8 ) = 41.5 V

+ PCQ6 = ICQ6 * VCEQ6 = 415 mW

+ PCQ7 = ICQ7 * VCEQ7 = 450 mW


Do mỗi BJT được phân cực hoạt động ở chế độ DC nếu có trường hợp một trong 2 BJT bị hư nối tắt cực C và cực E, như vậy BJT còn lại sẽ chịu một điện áp ngược VCE0 = VCBO = 2Vcc = 90V. Vì Q6 và Q7 có dòng trên cực C bằng nhau nên khi chọn BJT thì Q6 và Q7 có thể là cặp BJT bổ phụ với nhau.

Chọn các thông số cho cặp BJT Q6 và Q7 như sau:

PCQmax > 2 * 450mW = 900mW

VCEO = VCBO > 90V

Icmax > 2 * 10mA = 20mA

fT > 20KHz

Như vậy cặp BJT bổ phụ Q6, Q7 có thể là : 2SA1013 và 2SC2383.

3/.Thiết kế tầng Vi Sai

Nguyên lí hoạt độngo Tương tự như tầng lái, Q5 cũng được phân cực để tạo dòng điện cố định có

thể điều chỉnh được nhờ R5, và điều chỉnh để tầng công suất cân bằng hay điểm

giữa đạt giá trị 0V. Đồng thời làm tăng giá trị hệ số nén tín hiệu đồng pha CMRR

(Common mode rejection ratio) hay còn gọi là hệ số triệt tín hiệu đồng pha. Có

nghĩa nguồn dòng Q5 sẽ cải tiến mạch Visai thành lý tưởng với hệ số CMRR = .

o Q1 và Q4 là cặp BJT giống nhau, được ghép thành mạch khuếch đại Visai. Có

nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu Visai giữa tín hiệu ngõ vào và tín hiệu hồi tiếp âm

NFB(Negative feedback), giữ cho toàn mạch hoạt động ổn định theo hệ số Avf

nhất định.

o Q2 và Q3 là cặp BJT giống nhau, được ghép thành bộ gương dòng điện. Có

nhiệm vụ giữ cho dòng điện IC của Q1 và Q4 luôn được cân bằng ở chế độ DC, điểm

lợi là tạo trở kháng lớn từ cực C của Q2 khi ở chế độ AC để đảm bảo tín hiệu ngõ ra

của mạch visai được đưa hoàn toàn đến tầng lái Q7.

Nguyên lí hoạt động

Tụ C2 có giá trị lớn để có thể ngắn mạch ở chế độ AC, tạo

cầu phân áp trên cực B của Q4 khi có điện áp hồi tiếp.

R7 và R8 xác lập độ lợi điện áp khi có hồi tiếp Avf. Riêng R8 khi

ở chế độ DC làm nhiệm vụ phân cực cho Q4.

R3 và R6 phân cực cho Q1, Q4 đồng thời xác lập VBEQ7 phân

cực cho Q7 tầng lái công suất và xác định tỉ số dòng điện cho bộ gương

dòng Q2, Q3.

R2 và R4 có trị số bằng nhau, để ổn định Q1, Q4 đồng thời

triệt tín hiệu tần số cao ở chế độ AC.

R1 phân cực cho Q1 ở chế độ DC.

Chọn linh kiện cho mạchĐể tính toán giá trị và thông số linh kiện ta dựa trên sơ độ phân cực DC, các tụ xem như hở mạch và do mong muốn thiết kế điểm giữa là 0V nên R8 xem như nối mass.


Ta nhớ rằng tầng khuếch đại vi sai cần thiết phải đảm bảo thêm điều kiện là cho Q7 phân cực . Từ tính toán trước ta có:

IBQ7 = 167uA; và VBEQ7 0.7V.

Để mạch vi sai hoạt động ổn định thì ICQ1 >> IBQ7 do đó IBA7 là không đáng kể nên có thể bỏ qua.Vậy IEQ2 = IR3 ICQ2 = 10 IBQ7 = 1.67 mA.

VàICQ1 = ICQ2 + IBQ7= 1.837mA.

Từ VQ2 + IEQ2* R3 = VQ3 + IEQ3 * R6

Nên để thiết lập điều kiện ICQ1 = ICQ2 = ICQ3 = ICQ4 thì

R3 = R6

Chọn linh kiện cho mạchTa có

ICQ5 = IEQ1 + IEQ4 = 2* IEQ1 = 3.674mA

Như vậy để có thể điều chỉnh ICQ5 từ 1mA đến 5mA thì R5 thõa

Có thể chọn biến trở R5 = 1K.

Tính R1, R2 và R4, R8 theo công thức sau:

IEQ1 * R2 + VQ! + IBQ1* R1 = IEQ4 * R4 + VQ4 + IBQ4* R8Do Q1 và Q4 phải giống nhau nên:

R2 = R4 và R1 = R8

Chọn linh kiện cho mạch Tính toán thông số trên BJT:

VCEQ1 = VCEQ2 < Vcc = 45V

Nên có thể xác định thông số theo cách sau:PCQ1 = PCQ4 = ICQ1*Vcc = 75.15mWPCQ5 = 2*ICQ1*Vcc = 150 mWIcmax = 3.34mA

Do ta có các cặp bổ phụ nên thông số Q1 và Q4 với Q2 và Q3. Q5 độc lập nhưng do mặt bằng công suất là nhỏ nên ta có thể chọn như sau:

Q1,Q4,Q5 là 2SA1015Q2, Q3 là 2SC1815

Như vậy ta có mạch toàn diện như sau:

Đánh giá Mạch vừa thiết kế với Pspice

Mô phỏng phân cực BIAS POINT: Giá trị biến trở R5=500;R10,R11 = 1K


Mô phỏng phân cực BIAS POINT: Giá trị biến trở R5=1.15;R10,R11 = 1K


Mô phỏng phân cực BIAS POINT:

Nhận thấy rằng khi giá trị biến trở là 500 thì giá trị điện áp phân cực DC tại điểm giữa là 35.V giá trị này rất cao, Khi điều chỉnh R5 tăng đến 1.15k thì điệm áp điểm giữa

là -31uV gần về 0 là mức điện áp thiết lập cho mạch hoat động cân bằng.

R5 đóng vai trò điều chỉnh trạng thái hoạt động của mạch


Mô phỏng chế độ làm việc AC: Vin=1

Ngõ ra sau khi được khuếch đại có hồi tiếp có biên độ xấp xỉ 43.5V, như vậy gần đúng với kết quả tính toán. Nhưng có băng thông BW từ 300Hz đến vô cùng, kết quả này sai lệch quá lớn so với kết quả mong muốn.

Tiến hành điều chỉnh C2 = 47uF và C3 = 1nF ta được kết quả sau:


Nhận thấy rằng khi điều chỉnh giá trị tụ C2 và C3 thì băng thông cải thiện đúng như yêu cầu thiết kế mạch từ 20Hz-

20Khz.

C2,C3 đóng vai trò quyết định băng thông của toàn mạch.

Mô phỏng chế độ làm việc AC:


Mô phỏng trên miền thời gian: Tín hiệu đã bị méo dạng


Mô phỏng trên miền thời gian: Tăng giá trị R7 = 1k


Sau khi điều chỉnh R7 ta thấy rằng tín hiệu ra không còn bỉ méo dạng như trước.

Tín hiệu bị méo dạng là hiện tượng hệ số khuếch đại quá lớn gây ra.Ta thấy hệ số Avf hoàn toàn

phụ thuộc vào R7 và R8.

Mô phỏng trên miền thời gian:

Ta có mạch hoàn thiện sau khi đã hiệu chỉnh như sau:

Thanks You!

MẠch công suất Audio

Documents

Transcript of MẠch công suất Audio