§å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp BÀI TẬP LỚN Môn Điện Tử cho Công Nghệ Thông Tin Đề bài : Thiết kế mô phỏng bộ khuếch đại công suất (KĐCS ) tần số thấp với các chỉ tiêu kỹ thuật : - Công suất cực đại trên tải 10Ω : P tmax =50W - Giải thông tần của tín hiệu cần khuếch đại: 20Hz÷20.000Hz - Nguồn tín hiệu vào có : Ev=0.1V, Ri=1kΩ - Hệ số méo phi tuyến γ nhỏ (<1%),hệ số méo tần số tại tần số 20Hz M(20Hz)≤ √2 =1.4 - Các chỉ tiêu khác tuỳ chọn . Thiết kế : Bước 1 : Phân tích và lựa chọn phương án : Do yêu cầu thiết kế ,mạch có công suất lớn nên trong mạch phải có một tầng khuếch đại công suất . 1 §å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp Với dải thông tần rộng từ 20÷20000Hz và hệ số méo phi tuyến γ nhá (<1%) ta nên dùng mạch KĐCS đẩy kéo nối tiếp ,dùng nguồn cấp đối xứng ; nhưng khi đó hệ số khuếch đạisẽ không cao vì trong mạch có sử dụng hồi tiếp âm ,vì thế để đạt được công suất lớn thì cần phải có thêm khâu khuếch đại điện áp (KĐĐA) trước khi cho vào mạch KĐCS . Bước 2 : Xây dựng mô hình : Vì tầng KĐCS ta sử dụng mạch KĐCS đẩy kéo nối tiếp nên trong mạch có Ýt nhất 1 Tranzitor mắc theo sơ đồ lặp Emitơ ,do đó mạch này có hệ số KĐ điện áp Ku ≈ 1 .Tín hiệu vào có biên độ nhỏ ( 0.1V ) ,vì vậy để đạt được công suất ra lớn thì trước khi cho qua mạch KĐCS ta cần phải KĐ biên độ tín hiệu (tức KĐ điện áp bằng mạch KĐĐA . Tín hiệu ra của khâu này sẽ tiếp tục được đưa vào khâu KĐCS . ở khâu KĐCS , mạch KĐCS đẩy kéo làm việc ở chế độ AB và B nên méo tín hiệu và trôi rất lớn ,vì vậy để nâng cao biên độ ,đồng thời hạn chế độ trôi ở mức thấp ta dùng mạch KĐ vi sai ,mục đích để tạo ra 2 đầu vào ,1 đầu tín hiệu vào ,đầu vào còn lại được lấy hồi tiếp âm từ đầu 2 §å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp ra của tầng KĐCS ,với cách khắc phục này ta có thể giảm được méo rất nhiều khi mạch KĐCS làm việc ở chế độ AB và B . Tín hiệu ra của tầng KĐCS có thể lấy trực tiếp ngay trên tải mắc trực tiếp với đầu ra của mạch KĐCS . Tóm lại ,mô hình của tầng KĐCS tần số thấp thoả mãn những chỉ tiêu trên bao gồm 2 khâu cơ bản như sau : Uv Ura Bước 3 : Chọn sơ đồ : Ta xây dựng mạch có công suất Ptmax=50 W ,Rt=10Ω ,khi đó ta có : Ptmax=U 2 r /Rt nên U r = 22.36 V I r = U r /R t =22,36/10=2.236 A U rmax = 1.4.U r = 31.62 V 3 K§§A K§CS §å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp K U = U r /U v =316.2 Ta chọn khâu KĐĐA có Ku1=20 và khâu KĐCS có Ku2=15.81 Để giảm méo, ta chọn tầng KĐĐA bằng vi mạch thuật toán ( có Kumax = 1000) để khuếch đạivới Ku1thực tế là 20. Lúc đó Ur1=0.1x20=2V ;tầng này có hệ số méo γ 1 =0 và hệ số méo tần số M1(20Hz) < 1.4 . Tầng KĐCS đại được chọn có γ 2 <1% là tầng KĐCS đại có chất lượng cao, do đó ta chọn mạch KĐCS đại theo kiểu đẩy kéo nối tiếp nguồn đối xứng. Có Uv2=Ur1=2V,hệ số méo tần số M2(20Hz)=1. Để dải thông tần rộng, và méo M(20Hz) nhá, ta cần ghép tầng với càng Ýt tụ càng tốt. Bước 4 : Phân tích , thiết kế và tính toán : I. Khâu KĐCS : 1.Phân tích : Ta chọn khâu KĐCS gồm một tầng khuếch đại vi sai và một tầng Khuếch đại đẩy kéo mắc theo sơ đồ Darlinton có bù nhiệt bằng Diode . Sơ đồ nguyên lý như sau : 4 §å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp Sơ đồ nguyên lý khâu KĐCS . Mạch KĐCS được mắc theo sơ đồ đẩy kéo nối tiếp dùng Tranzitor bù (T khác loại) ,điện áp đầu vào được lấy từ đầu ra của tầng kích thích Q5 ,các Tranzitor Q1,Q2,Q3,Q4 được kích thích bởi Tranzitor Q10 . Các Tranzitor Q1,Q2 và Q3,Q4 được mắc thành các Tranzitor Darlinton để tăng trở kháng vào của mạch khuếch đại .Tổ hợp Q3,Q4 tạo thành mạch Darlington bù ,làm việc như một Tranzitor pnp . 5 §å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp Các Diode D1,D2,D3 được dùng để bù điện áp U BE của Q1 ,Q2 và Q3Q4 đồng thời cũng có tác dụng bù nhiệt . Các điện trở R3,R4 dùng để phân cực cho các Tranzitor Q2,Q4 làm việc ở chế độ AB và Q1 , Q3 làm việc ở chế độ B .Khi đó để chống méo quá độ ,dòng I o phải được chọn trong khoảng (5÷20)mA ; Các điện trở R1,R2 là các điện trở bảo vệ quá dòng ,nhưng các điện trở này làm giảm thiểu công suất ,vì vậy chúng phải được chọn để công suất giảm không quá 5% ,do đó phải chọn R1=R2≤0.05Rt=0.05x10=0.5(Ω). Các điện trở R12,R13 là các điện trở phân áp để lấy một phần điện áp ra hồi tiếp về tầng KĐ vi sai . Tầng KĐ vi sai được mắc theo sơ đồ có gương dòng điện, Q7 được mắc thành diode thực hiện chức năng tải động của tầng , nhờ vậy ta có hệ số KĐ vi sai K vs lớn hơn . Q11 được mắc để tạo ra dòng ổn định cung cấp dòng I E cho tầng KĐ vi sai làm việc . Tín hiệu ra ở tầng KĐ vi sai được lấy trên colector của Q9 ,và được kích thích qua Q5 trước khi đưa vào tầng KĐCS cuối cùng . 6 §å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp Các Tranzitor Q10 và Q11 được mắc theo sơ đồ Emitơ chung và được phân cực bằng dòng cố định nhờ diode Zener D z . Dz được chọn có trị số càng nhỏ càng tốt ,trong khoảng (2÷5)V . 2. Tính toán chi tiết : a. Nguồn cung cấp : Ecc được chọn sao cho Uramax=(0.4÷0.8)Ecc. Chọn Uramax=0.8Ecc ,mà Uramax=31.62V ⇒ Ecc=50V Biên độ dòng ra cực đại là: I rmax = U rmax /R t = 31.62/10 =3.162(A) b. Chọn Tranzitor. Q1, Q3 là 2 Tranzitor liên hợp . Yêu cầu: Ucmax >2Ecc Icmax >Ir max. Kết hợp điều kiện trên, ta chọn Ic max=6A Ucmax=150V β 1 =β 3 =20 fgh=1000KHz 7 §å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp Q2,Q4 là hai tranzitor liên hợp .Ta có I cmax ( Q2,Q4 )= I rmax /β 1 = 3.162/20 = 0.1581 (A). Vậy Q2, Q4 được chọn với các thông số như sau: Ucmax=150V Icmax =0,5 A. β 2 =β 4 =100. fgh=1000KHz. Q5 chọn sao cho Icmax>Icmax(Q2)/ β 2 =0.5(A)/100=5 mA. Vậy chọn Q5 có Icmax=10mA,β 5 =50 . Q6÷Q11 chọn là các tranzitor nhỏ có βo=100 và Ucmax=150V. Các Tranzitor có U BE =0.7V; Các Diode chọn là Diode silic có U D =0.7V c. Tính toán các chế độ phân cực : Để chống trôi nhiệt, chọn chế độ làm việc của Q2,Q4 là chế độ AB có phân cực.Q1,Q3 chọn ở chế độ B không có dòng. 8 §å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp Chọn Io=5mA Vì Q2,Q4 là các Tranzitor liên hợp nên U R3R4 =2U BE(Q2,Q4) =2x0.7=1.4(V); Do đó ta có I o = U R3R4 /( R 3 +R 4 ) nên R 3 +R 4 = U R3R4 /I o =1.4/5mA=140 (Ohm). Từ Q5÷Q11 đều chọn làm việc ở chế độ A. Chọn dòng qua R8 : I 1 ≥1.5Ira (Q5) Ta có Ira (Q5) = Do đó , chọn I 1 = 2,5 mA Khi đó tính được R 8 =( U z -U BE(Q10) )/I 1 = 1.3/2.5.10 -3 =520 Ohm. Để xác định R7 ,ta chọn dòng qua Dz càng nhỏ càng tốt ,trong khoảng (2÷5)mA . Ta chọn : I Dz =2mA ,khi đó tính được : R7=( 0-(-Ecc)-U DZ )/ I DZ =(50-2)/2mA =24KOhm. 9 )(8.1 10020 535.3 3.1 mA x Ir ≈= ββ §å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp R6,R9 được chọn trong khoảng (1÷300)Ω ,ta chọn R6=50Ω; R9=100Ω. Để tính R10,ta cần chọn dòng I 2 qua Tranzitor Q11,I 2 được chọn trong khoảng (1÷2)mA ,ta chọn I 2 =1.3 mA , khi đó ta có : R10=(U z -U BE(Q11) )/ I 2 = (2-0.7)/1.3.10 -3 =1kohm. R11 được chọn bằng tải của tầng trước để chống trôi nhiệt ,chọn càng bé càng tốt ,trong khoảng (1÷11)kΩ ,ta chọn R11=1kΩ. Xác định R12,R13 : Các Tranzitor Q1÷Q4 mắc theo sơ đồ lặp Emitơ nên Ku cs =Ku(Q1,Q2,Q3,Q4)=1. Q6,Q7 được mắc theo gương dòng điện ,tương đương một điện trở rất nhỏ nên Ku vi sai tăng lên đáng kể ,khoảng vài chục lần . Q5 có β5=50 do đó Ku Q5 khoảng vài trăm lần . Do vậy hệ số khuếch đại điện áp của khâu KĐCS sẽ là : Ku=Kvs.Ku (Q5) .Ku cs >>1; 10 [...]... thuc vo nhit phc tp hn nờn trong mch thc t cn phi cú bin phỏp khc phc cú c kt qu n nh 14 Đồ án Điện tử cho CNTT Mạch khuếch đại công suất tần số thấp S chi tit ton mch 15 Đồ án Điện tử cho CNTT Mạch khuếch đại công suất tần số thấp S nguyờn lý ton mch 16 Đồ án Điện tử cho CNTT Mạch khuếch đại công suất tần số thấp S chi tit mch Khuch i Cụng sut tn s thp Mt s chỳ ý : Trong mch cú to mt s th vin riờng.. .Đồ án Điện tử cho CNTT Mạch khuếch đại công suất tần số thấp Khi cú phn hi õm in ỏp t u ra ca tng v tng KVS qua 2 in tr phõn ỏp R12 v R13 ,ta cú : Ku(ph)=Ku/(1+B.Ku)=1/B=14.14 nờn B=1/14.14 Mt khỏc B=R13/(R12+R1 3) R12 c chn trong khong (3.3ữ10)k ,ta chn R12=10k ,tớnh c R13=760 II Khõu KA : i vi khõu KA ,ta dựng mch K o ,mc theo s nh sau : 11 Đồ án Điện tử cho CNTT Mạch khuếch đại công suất tần số. .. tớnh toỏn l 22.36V ; Dũng qua ti c cho bi Ampek ,cú s ch Ir=2.236 A (õy cng l giỏ tr hiu dng) ,cng gn ỳng vi kt qu tớnh toỏn lý thuyt l 3.549 A ,cụng sut thu c khi ú s l Pt=Ur x Ir = 22.24x2.236 49.7 (W) ,sai lch vi cụng sut thit k l 0.3W ,cú th chp nhn c 13 Đồ án Điện tử cho CNTT Mạch khuếch đại công suất tần số thấp Cỏc giỏ tr ca in th v dũng in khỏc cú th o trc tip trờn mch ,nhn thy cỳng khỏ chớnh... khuch i cụng sut tn s thp v th biu din kt qu dng súng ra so vi súng vo nh sau : Nhn xột kt qu : 12 Đồ án Điện tử cho CNTT Mạch khuếch đại công suất tần số thấp Kt qu cú th thy trờn hỡnh dng súng ca mỏy hin súng OscilloScope ,tớn hiu ra v tớn hiu vo cú pha ngc nhau (do qua b KA dựng vi mch mc theo s mch K o ) ,biờn ra cc i thy c trờn OscilloScope ỳng bng 31,61V= Urmax nh tớnh toỏn lý thuyt Biờn tớn... s nh sau : 11 Đồ án Điện tử cho CNTT Mạch khuếch đại công suất tần số thấp S nguyờn lý khõu KA Ngun vo cú Uv=0.1V,tn s chn bng 1kHz, in tr trong Ri=1k Trong ú R0 c chn sao cho R0 . sè thÊp BÀI TẬP LỚN Môn Điện Tử cho Công Nghệ Thông Tin Đề bài : Thiết kế mô phỏng bộ khuếch đại công suất (KĐCS ) tần số thấp với các chỉ tiêu kỹ thuật : - Công suất cực đại trên tải 10Ω : P tmax =50W. chọn tầng KĐĐA bằng vi mạch thuật toán ( có Kumax = 100 0) để khuếch đạivới Ku1thực tế là 20. Lúc đó Ur1=0.1x20=2V ;tầng này có hệ số méo γ 1 =0 và hệ số méo tần số M1(20Hz) < 1.4 . Tầng KĐCS đại. thông tần của tín hiệu cần khuếch đại: 20Hz÷20.000Hz - Nguồn tín hiệu vào có : Ev=0.1V, Ri=1kΩ - Hệ số méo phi tuyến γ nhỏ (<1 %), hệ số méo tần số tại tần số 20Hz M(20Hz)≤ √2 =1.4 - Các chỉ tiêu