Giáo trình kỹ thuật audio video

Vấn đề đo biên độ của âm tần Trong kỹ thuật điện tử, để đo độ khuếch đại của mạch điện tử, đáp ứng biên độ của mạch lọc.... Trong các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ, transistor được vẽ th

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH

TS Nguyễn Thế Vĩnh (Chủ biên) ThS Trần Văn Thương

GIÁO TRÌNH

KỸ THUẬT AUDIO-VIDEO

(DÙNG CHO BẬC ĐẠI HỌC)

QUẢNG NINH - 2017

1

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin vô tuyến sử dụng khoảng không gian làm môi trường truyền dẫn Phương pháp chung là phía phát bức xạ các tín hiệu thông tin qua không gian bằng sóng điện từ, phía thu nhận sóng điện từ, xử lý và khôi phục lại tín hiệu gốc Những yếu tố đó đã mở ra một kỷ nguyên thông tin vô tuyến cao tần đại quy mô Vào năm

1960, phương pháp chuyển tiếp qua vệ tinh đã được thực hiện và phương pháp chuyển tiếp bằng tán xạ qua tầng đối lưu của khí quyển đã xuất hiện Do những đặc tính ưu việt của mình, như dung lượng lớn, phạm vi thu rộng, hiệu quả kinh tế cao, thông tin

vô tuyến nói chung và kỹ thuật audio - video nói riêng đã được sử dụng rất rộng rãi trong phát thanh truyền hình quảng bá

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống thông tin khác như thông tin di động, vi ba số, cáp quang, thông tin vệ tinh…v.v, kỹ thuật audio - video vẫn tiếp tục đóng vai trò quan trọng và được phát triển ngày càng hoàn thiện với những công nghệ đáp ứng được những đòi hỏi không những về mặt kết cấu mà cả về mặt truyền dẫn, xử lý tín hiệu, bảo mật thông tin

Môn học Kỹ thuật audio – video là học phần trong chương trình đào tạo bậc Đại học chuyên ngành Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử của trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh Giáo trình được xây dựng phục vụ cho công tác đào tạo, là tài liệu phục

vụ cho việc học tập của Sinh viên và tạo sự thống nhất trong quá trình giảng dạy của Giảng viên

Giáo trình “Kỹ thuật audio - video” được xây dựng và biên soạn dựa trên các tài liệu tham khảo đã được liệt kê ở trang cuối của giáo trình Nội dung giáo trình đề cập đến những kiến thức cơ bản về kỹ thuật audio và video Ngoài ra giáo trình còn giới thiệu về một số mạch điện nguyên lý để sinh viên có thể tham khảo, nghiên cứu và vận dụng trong thực tế

Giáo trình do tác giả: TS Nguyễn Thế Vĩnh Chủ biên

ThS Trần Văn Thương

Tuy các tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình không tránh khỏi những khiếm khuyết Chúng tôi xin tiếp thu nhiều ý kiến đóng góp mong nhận được của bạn đọc để giáo trình sẽ được hoàn thiện hơn

Mọi góp ý xin gửi về địa chỉ: Bộ môn Kỹ thuật điện - Điện tử, trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh

Quảng Ninh, năm 2017

2

Chương 1

KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ TÍN HIỆU AUDIO

1.1 Định nghĩa

1.1.1 Âm thanh tự nhiên

Âm thanh là những biến đổi áp suất nhanh xảy ra trong không khí do nhiều quá trình tự nhiên gây nên Tiếng chim hót, tiếng gió thổi, tiếng lá rơi, tiếng nước chảy đều là những âm thanh tự nhiên

Nhiều thiết bị do con người chế tạo cũng có thể gây ra những biến đổi áp suất tương tự đều tạo ra âm thanh, đôi khi là âm thanh có chủ định nhưng cũng có những

âm thanh do khách quan Âm thanh do nhạc cụ hay do tiếng trống tạo ra là những âm thanh chủ định nhưng âm thanh do tiếng máy nổ gây ra khi vận hành là âm thanh do khách quan

Tai người phản ứng lại với những biến đổi áp suất không khí ở khoảng tần số 20Hz đến 20kHz sau đó đưa lên não cảm nhận được đó chính là âm thanh

Âm thanh chuyển động trong không khí theo nguyên tắc truyền sóng và những

biến đổi áp suất âm thanh được gọi là sóng âm và sóng âm là loại sóng tương tự

Ở nhiệt độ 20°c và trong điều kiện áp suất bình thường thì sóng âm chuyển động với vận tốc là 340m/s Nếu sóng âm là các dao động điều hòa thì trong khoảng thời gian một chu kỳ, sóng âm lan truyền được một khoảng đường gọi là bước sóng λ

Bước sóng được tính theo công thức:

λ = c.T =−𝑐𝑓 (1.1) c: Vận tốc của âm thanh (m/s)

1.1.2 Thính giác con người

Chất lượng âm thanh được đánh giá trên cơ sở thụ cảm của thính giác Do đó, ngoài những đặc trưng vật lý mang tính khách quan của tín hiệu âm thanh, cần phải nghiên cứu ảnh hưởng của nó đến cảm giác chủ quan của người nghe

Những tín hiệu dao động điều hòa có 3 đại lượng đặc trưng là biên độ, tần số và pha Thực nghiệm cho thấy pha của các dao động điều hòa ít ảnh hưởng đến cảm giác của người nghe nên thường không đề cập đến

3

Tần số của tín hiệu gây ra cảm giác gọi là độ cao của âm Nếu tăng dần tần số tín hiệu âm thanh từ 20Hz đến 20kHz sẽ tạo cảm giác tăng dần độ cao của âm thanh từ trầm nhất đến bổng nhất

Biên độ của sóng âm thanh lan truyền trong môi trường là biên độ của thanh áp hay biên độ của tốc độ di chuyển Biên độ tạo ra cảm giác về độ lớn của tín hiệu âm thanh (âm lượng)

ra cảm giác gọi là âm sắc Đây là đặc tính để phân biệt âm thanh của những nhạc cụ khác nhau khi những nhạc cụ này chơi cùng một nốt nhạc Để tái tạo lại đủ âm sắc của

âm thanh, độ rộng của dải băng tần phải rộng nhất (20Hz đến 20kHz) Nhịp điệu tốc

độ chơi của một chuỗi nốt nhạc được gọi là nhịp điệu Nhịp điệu không cần chính xác như cao độ Thay đổi nhịp điệu của bài nhạc nhanh hay chậm hơn nhưng cao độ vẫn không đổi

1.2 Audio đa kênh

Hai hay nhiều kênh mô phỏng những âm thanh từ cùng một nguồn với cùng sự phân bổ không gian tạo ra những âm thanh gần với thực tiễn hơn vì người nghe có thể cảm nhận được tính có hướng của âm thanh

Âm thanh hai kênh (phải R và trái L) gọi là âm thanh nổi (stereo), được dùng rộng rãi trong ghi/phát cả trong phát thanh và truyền hình

Hình 1-1 Âm thanh stereo

Hiện nay, người ta áp dụng nguyên lý âm thanh vòm hay âm thanh xoay vòng (surround) thêm kênh phát âm phía sau người nghe Âm thanh xoay vòng loại 4.1

4

(gồm 4 loa và 1 loa trầm phụ - sub woofer) hay 5.1 (gồm 5 loa và 1 loa trầm phụ) sẽ

tạo hiệu ứng âm thanh thật trung thực và sống động, người nghe cảm nhận như đang ở

trong không gian thực

Hình 1-2 Âm thanh xoay vòng

1.3 Vấn đề đo biên độ của âm tần

Trong kỹ thuật điện tử, để đo độ khuếch đại của mạch điện tử, đáp ứng biên độ của mạch lọc người ta thường dùng đơn vị deciBel (dB; l deciBel = 0,l Bel)

Để đo biên độ âm tần, người ta cũng dùng đơn vị này và qui định điện trở tải có trị số là 600Ω

Đối với ngõ vào của mạch, nếu muốn tính theo đơn vị này cũng phải có tổng trở

là 600Ω

Hình 1-3 Quy định tải và tổng trở vào

Đơn vị dB được định nghĩa: Nếu có công suất p = lmW ra trên điện trở tải R = 600Ω thì điện áp âm tần trên tải là 0 dB

Ta có công thức: p = RI2 = 𝑈2

𝑅 (1.2) Suy ra: 𝑈2= PR hay U = √𝑃 𝑅

Tải 600

Ω

5

Như vậy: U = √10−3 600= 0,775V = OdB

Trường hợp tính gần đúng thì có thể qui tròn 1V ≈ OdB Độ khuếch đại công

suất được tính theo công thức: 𝐴𝑝 =𝑝𝑜

𝑝𝑖 (1.3) Người ta cảm nhận âm thanh không tỉ lệ tuyến tính theo công suất mà theo hàm logarit thập phân

Độ khuếch đại tính theo dB là:

𝑈𝑖)2 = 20𝑙𝑜𝑔𝑈0

Trên các thiết bị thu phát âm tần, người ta không ghi đơn vị là Volt mà ghi là

dB (với ngõ vào Ui = 1V ≈ OdB)

để đổi âm thanh ra dòng điện

Về cấu tạo, micro gồm có một màng rung làm bằng polystirol có gắn một ống dây nhúng đặt nằm trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu

Khi có chấn động âm thanh tác động vào màng rung của micro thì cuộn dây sẽ dao động trong từ trường của nam châm Lúc đó, từ thông qua cuộn dây thay đổi và cuộn dây sẽ cảm ứng cho ra dòng điện xoay chiều Dòng điện xoay chiều này do âm thanh tạo ra nên gọi là dòng điện âm tần

Dòng điện âm tần do micro tạo ra có biên độ cao hay thấp tùy cường độ âm thanh tác động vào micro lớn hay nhỏ, tần số của dòng điện cao hay thấp tuỳ âm điệu bổng hay trầm

Micro có các đặc tính sau:

- Độ nhạy mV/µbar ở tần số f = 1kHz

- Dãy tần số 50 c/s ÷15kHz

- Tổng trở micro có tổng trở thấp từ 200Ω đến 600Ω, tổng trở cao từ 2kΩ, đến 20kΩ

Khi có dòng điện âm tần vào cuộn dây loa, cuộn dây tạo ra từ trường tác dụng lên từ trường của nam châm vĩnh cửu sinh ra lực điện từ hút hay đẩy cuộn dây làm rung màn loa và tạo ra các chấn động âm thanh lan truyền trong không khí Âm thanh

do loa phát ra lớn hay nhỏ là do dòng điện âm tần vào cuộn dây mạnh hay yếu, âm điệu trầm bổng là do dòng điện âm tần có tần số thấp hay cao

7

Câu hỏi ôn tập chương 1

Câu 1: Định nghĩa âm thanh xác định biểu thức bước sóng cho ví dụ minh họa?

Câu 2: Tìm hiểu và so sánh các sơ đồ của Audio đa kênh?

Câu 3: Thế nào là đo biên độ của âm tần?

Câu 4: Tình bày cấu tạo của micro và loa điện động?

8

Chương 2 MẠCH KHUẾCH ĐẠI AUDIO BIÊN ĐỘ NHỎ 2.1 Đại cương

2.1.1 Đặc trưng cơ bản

Mạch khuếch đại có ký hiệu như hình 2-1 Năng lượng ở ngõ vào và ra thường được gọi là tín hiệu vào và tín hiệu ra Tín hiệu vào và tín hiệu ra có thể ở dạng điện áp hay cường độ dòng điện và được ký hiệu là Vi, Vo hay Ii, Io

Hình 2-1 Ký hi ệu của mạch khuếch đại

Những đặc trưng cơ bản của mạch tiền khuếch đại âm tần:

Hệ số truyền đạt K được tính bằng tỉ lệ giữa độ lợi ở tần số đang xem xét Ai với

độ lợi ở tần số chuẩn (1kHz) Ao

𝐾 = 𝐴𝑖

𝐴 0 (2.2)

Sự méo pha thường xảy ra ở vùng tần số thấp và tần số cao

Hai loại méo trên xảy ra trên các linh kiện tuyến tính được gọi chung là méo tuyến tính

2.1.4 Đặc tính biên độ - Dải động -Nhiễu

Đặc tính biên độ của mạch khuếch đại là quan hệ giữa điện áp ra theo điện áp vào (Vo/Vi)

Hình vẽ 2-4 cho thấy nếu điện áp vào Vi nhỏ dưới mức Vimin thì sẽ có nhiễu xuất hiện ở ngõ ra Phạm vi làm việc tốt nhất của mạch khuếch đại là đoạn tuyến tính Nếu điện áp vào Vi vượt quá mức Vimax thì sẽ có hiện tượng quá tải ngõ vào và gây

Hình 2- 4 Đặc tính biên độ

Như vậy để tránh bị nhiễu ở ngõ ra và tín hiệu bị méo dạng, dải động của mạch

2.1.5 Méo phi tuyến

Méo phi tuyến là do các đặc tuyến ngõ vào và ra của linh kiện điện tử không thẳng

Khi mạch khuếch đại phi tuyến sẽ làm méo dạng tín hiệu hình sin ởngõ vào và ngõ ra sẽ xuất hiện nhiều hài (họa tần) bậc cao có biên độ lớn Méo sóng hài được biểu thị bằng hệ số sóng hài Kh và có thể tính theo điện áp hay đòng điện, đơn vị tính bằng

%

𝐾ℎ = √𝐼2 +𝐼3𝐼+𝐼4 +⋯

𝑖 (2.5) Hay: 𝐾ℎ =√𝐼2 +𝐼3𝑉+𝐼4 +⋯

𝑖 (2.6)

Thông thường méo hài cho phép từ 5-7% Ampli chất lượng cao thì từ 1-2%

2.1.6 Nguồn tín hiệu âm tần

Nguồn tín hiệu âm tần thường là micro, đầu từ, đầu đĩa nên có biên độ rất nhỏ khoảng vài mV đến vài chục hay vài trăm mV Tín hiệu này cần được khuếch đại lên đủ lớn trước khi đưa vào các mạch xử lý, chọn lọc hay điều chế

Mạch tiền khuếch đại âm tần thường dùng transistor lưỡng cực hay các mạch khuếch đại thuật toán chuyên dùng Một số trường hợp dùng transistor trường ứng để có tổng trở ngõ vào lớn

Transistor là linh kiện phi tuyến nhưng khi xét trong phạm vi biến thiên nhỏ thì mức độ phi tuyến ảnh hưởng không lớn nên có thể xem như mạch tuyến tính Trong các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ, transistor được vẽ thành mạch tương đương gồm có các điện trở và nguồn dòng điện để có thể tính toán và phân tích nguyên lý theo lý thuyết của mạch tuyến tính

Điện áp phân cực ở ngõ vào:

Vbe = 0,7V (transistor Si), Vbe = 0,2V (transistor Ge) Điện áp phân cực ở ngõ ra: VCE = l/2Vcc

2.2.2 Đặc tuyến ngõ vào I B /V BE

Mạch khuếch đại hạng A có điểm hoạt động tĩnh Q ở khoảng giữa của đặc

Hình 2- 5b Đặc tuyến ngõ ra ở hạng A

Các đặc điểm của mạch khuếch đại hạng A là:

Khuếch đại trung thực tín hiệu xoay chiều (khuếch đại được cả hai bán kỳ của tín hiệu xoay chiều hình sin)

Dùng cho các mạch khuếch đại tín hiệu có biên độ nhỏ

12

2.3 Mạch khuếch đại hồi tiếp

Mạch khuếch đại có ký hiệu dạng sơ đồ khối, khi có tín hiệu điện áp vs ở ngõ vào sẽ cho ra tín hiệu vo ở ngõ ra Tỉ số Av = vo/V S được gọi là độ khuếch đại điện áp như đã trình bày trong chương trước Mạch khuếch đại kiểu này còn gọi là khuếch đại vòng hở để phân biệt với mạch khuếch đại hồi tiếp, độ khuếch đại điện áp của mạch khuếch đại vòng hở được ký hiệu là Avo (o: open)

Ta có: A vo = 𝑉𝑜

𝑉𝑖 (2.7) Mạch hồi tiếp là mạch lấy một phần năng lượng ở ngõ ra đưa về cung cấp lại cho ngõ vào để điều chỉnh lại các thông số và chỉ tiêu kỹ thuật của mạch khuếch đại

Mạch hồi tiếp trong sơ đồ khối được viết tắt là FB do chữ “Feed Back” Đối với mạch hồi tiếp, tín hiệu vào chính là tín hiệu ra của mạch khuếch đại (có thể là Vo hay Io), tín hiệu ra của mạch hồi tiếp ký hiệu là Vf được đưa vào mạch khuếch đại chung với tín hiệu Vi

Tỉ số giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào của mạch hồi tiếp được gọi là hệ số hồi tiếp ký hiệu là b

Ta có: b = 𝑉𝑗

𝑉𝑂 = > v f =b.vo (2.8)

Mạch khuếch đại có đường hồi tiếp được gọi là mạch khuếch đại hồi tiếp (hay mạch khuếch đại vòng kín) Tỉ số giữa điện áp ra v0 và điện áp nguồn vs bây giờ gọi là

độ khuếch đại hồi tiếp ký hiệu là Avf (F tức Feed Back)

2.3.1 Phân loại mạch hồi tiếp

Có thể phân loại mạch hồi tiếp theo ba cách: theo tác dụng khuếch đại, theo dạng tín hiệu và theo cách ghép giữa tín hiệu hồi tiếp và tín hiệu vào

Mạch hồi tiếp dương: khi có hồi tiếp sẽ làm tăng độ khuếch đại điện áp Trường hợp này ta có: AVF > Avo

Mạch hồi tiếp âm: khi có hồi tiếp sẽ làm giảm độ khuếch đại điện áp

Trường hợp này ta có: AVF < Avo

2.3.1.2 Theo dạng tín hiệu hồi tiếp

Mạch hồi tiếp điện áp: mạch lấy điện áp ra V 0 để tạo điện áp hồi tiếp Vf đưa trở lại ngõ vào

Mạch hồi tiếp dòng điện: mạch lấy dòng điện ra i0 để tạo điện áp hồi tiếp Vf đưa trở lại ngõ vào

Hồi tiếp song song: khi điện áp nguồn tín hiệu Vs và điện áp hồi tiêp Vf ghép song song nhau Nói cách khác, hồi tiếp song song là khi hai tín hiệu Vs và Vf cùng đưa vào một cực của transistor

Trường hợp này ta có:

Vi = Vs + Vf => Vs = Vi - Vf

13

Hồi tiếp nốì tiếp: khi điện áp nguồn tín hiệu Vs và điện áp hồi tiếp Vf ghép nối

tiếp nhau Nói cách khác, hồi tiếp nối tiếp là khi hai tín hiệu Vs và Vf đưa vào hai cực khác nhau của một transistor Thí dụ: Vs đưa vào cực B còn Vi đưa vào cực E của cùng một transistor

Trường hợp này ta có:

Vi = Vs – Vf => Vs = Vi + Vf Một mạch hồi tiếp có tên gọi đủ gồm cả ba phần theo ba cách phân loại trên Thí dụ: - Mạch hồi tiếp âm dòng điện ghép nối tiếp

- Mạch hồi tiếp âm điện áp ghép song song

2.3.2 Cách xác định loại hồi tiếp

Avo = 𝑉𝑂

𝑉𝑖 => 𝑉𝑂 = 𝑉𝑖 𝐴𝑣𝑜 (2.10) Trường hợp xét từ nguồn Vs đến ngõ ra Vo bao gồm cả mạch hồi tiếp thì độ khuếch đại hồi tiếp là:

Ta có các trường hợp sau:

- Nếu F = 1 - b.Avo > 1 => AVF < Avo

Mạch hồi tiếp có tác dụng làm giảm độ khuếch đại nên là mạch hồi tiếp âm Khi đó: -b Avo >0 r > b Avo < 0, nghĩa là b và Avo trái dấu

- Nếu F = 1 — b Avo < 1 => AVF > Avo

Mạch hồi tiếp có tác dụng làm tăng độ khuếch đại nên là mạch hồi tiếp dương Khi đó: -b.Avo < 0 => b.Avo > 0 và điều này có nghĩa là b và Avo cùng dấu

- Nếu mạch khuếch đại có - b.Avo » 1 thì:

Ta có các trường hợp:

Nếu F = 1 + b.Avo > 1 => AVF<Avo

Mạch hồi tiếp có tác dụng làm giảm độ khuếch đại nên là mạch hồi tiếp âm Khi

đó b.Avo > 0, nghĩa là b và Avo cùng dấu

- Nếu F = 1 + b.Avo < 1=> AVF > Avo

Mạch hồi tiếp có tác dụng làm tăng độ khuếch đại nên là mạch hồi tiếp dương Khi đó b.Avo < 0) nghĩa là b và Avo trái dấu

- Nếu mạch khuếch đạì có b.Ayo » 1 thì:

Lúc đó, mạch tự tạo ra tín hiệu và là mạch dao động

Trường hợp F = 1 + b.Avo là trường hợp điện áp hồi tiếp Vf được ghép nối tiếp với nguồn tín hiệu Vs

2.3.3 Phân loại hồi tiếp theo thừa sô hồi tiếp f

Hồi tiếp song song

- bAvo »1 => b và Avo trái dấu

Hồi tiếp âm với

𝐴𝑣𝑓 = −1𝑏

bAvo » 1 => b và Avo cùng dấu

Hồi tiếp âm với

𝐴𝑣𝑓 =1𝑏

15

Bảng 2-1 Hồi tiếp cho transistor

2.4 Mạch khuếch đại dùng BJT

Trong sơ đồ hình 2-6, mạch hồi tiếp âm có thể chọn một trong hai trường hợp:

- Mạch dùng điện trở và biến trở là mạch hồi tiếp âm điện áp nối tiếp chung cho tất cả tần số của dải tần cần khuếch đại Biến trở dùng để thay đổi mức hồi tiếp tức

là thay đổi độ khuếch đại điện áp của toàn mạch

- Mạch hồi tiếp dùng điện trở nối tiếp với tụ điện có tác dụng chọn lọc tần số Mạch có tác dụng giảm biên độ tín hiệu tần số cao (do dung kháng của tụ giảm ở tần

số cao) nên dùng để lọc tiếng hú rít của tần số cao gây ra

+Vcc

Hình 2-6 M ạch tiền khuếch đại 2 transistor tiêu biểu

2.5 Tiền khuếch đại dùng OP-AMP

Trong sơ đồ hình 2-7, hai op-amp là hai mạch khuếch đại đảo Điện trở R12 và R13 là mạch hồi tiếp âm để xác định độ khuếch đại điện áp, tụ điện C5 và C6 là mạch

giảm tiếng hú rít của tín hiệu tần số cao

Hình 2-7 M ạch tiền khuếch đại dùng op-amp tiêu biểu

16

Câu hỏi ôn tập chương 2

Câu 1: Những đặc trưng cơ bản và hệ số khuếch đại AUDIO?

Câu 2: Vẽ sơ đồ, đặc tính truyền đạt A (dB)?

Câu 3: Thế nào là méo phi tuyến?

Câu 4: Trình bày sơ đồ đặc tuyến ngõ vào IB/VBE,đặc điểm của phân cực hạng A? Câu 5: Trình bày sơ đồ đặc tuyến ngõ ra IC/VCE,đặc điểm của phân cực hạng A?

Câu 6: Công thức tổng quát khuếch đại hồi tiếp?

Câu 7: Cách xác định loại hồi tiếp trường hợp F = 1 - b.Avo?

Câu 8: Cách xác định loại hồi tiếp trường hợp F = 1 + bAvo?

Câu 9: Trình bày sơ đồ và đặc điểm mạch tiền khuếch đại 2 transistor tiêu biểu? Câu 10: Trình bày sơ đồ và đặc điểm mạch tiền khuếch đại dùng OP-AMP?

17

Chương 3 MẠCH CHỌN LỌC ÂM SẮC 3.1 Đại cương

Mạch chọn lọc âm sắc là những ứng dụng của mạch lọc kỹ thuật mạch điện tử Mạch lọc có tác dụng cho một dải tần số đi qua và chặn dải tần số còn lại, do đó, mạch lọc được dùng để chọn lọc tần số hay loại bỏ tần số của các tín hiệu điện

Có 2 cách phân loại mạch lọc như sau:

3.1.1 Phân loại theo linh kiện

Mạch lọc thụ động có nhược điểm là làm suy giảm năng lượng qua nó, không

có tính khuếch đại và khó phối hợp tổng trở với các mạch khác

Mạch lọc tích cực dùng transistor, OP-AMP để có thể khuếch đại, phối hợp tổng trở, điều chỉnh độ suy giảm nhằm cải thiện nhược điểm của mạch lọc thụ động

3.1.2 Phân loại theo tác dụng

Tùy theo tác dụng chọn lọc hay loại bỏ tần số của mạch lọc, người ta chia ra các loại mạch lọc như sau:

- Mạch lọc hạ thông (cho tần số thấp qua, bỏ tần số cao);

- Mạch lọc thượng thông (cho tần số cao qua, bỏ tần số thấp);

18

Hình 3-1 M ạch lọc dạng 4 cực

Đáp ứng tần số của mạch lọc được định nghĩa là tỉ số giữa điện áp tín hiệu ra

Vo trên điện áp tín hiệu vào Vi.(V0,VỊ là giá trị hiệu dụng)

a) Hạ thông b) Thượng thông c) Lọc dải thông d) Lọc dải triệt

Hình 3- 2 Đáp ứng tần số của mạch lọc

A còn được gọi là hàm truyền của mạch lọc

Do mạch lọc thụ động có đầy đủ các tính năng cơ bản của bộ lọc, mạch lọc tích

cực chỉ dùng để cải thiện nhược điểm của mạch lọc, do đó, khi phân tích tính năng của

các bộ lọc thường người ta phải khảo sát trước trên các mạch lọc thụ động RC, RL hay

Do tụ C có dung kháng: -jXc với Xc = 1/ωC nên trong mạch RC vừa có số thực

(real) vừa có số ảo (imaginary) được gọi là số phức (complex)

Từ cầu phân áp R và -jXc, tính điện áp ra Vo theo công thức:

19

𝑉𝑜 =𝑉𝑖.(−𝑗𝜔𝐶1)

𝑅−𝑗𝜔𝐶1 (3.1) Suy ra ứng dụng tần số của mạch lọc hạ thông:

số thực là 1, trục tung số ảo là ωCR, cạnh huyền tam giác vuông là biên độ của số phức, φ là góc pha Do đó, đáp ứng tần số còn được phân ra đáp ứng biên độ và đáp ứng pha theo tần số

3.3.1.2 Đáp ứng biên độ

Theo hình 3-4, biên độ của số phức là cạnh huyền nên ta có:

|1 + 𝑗𝜔𝐶𝑅| = √1 + (𝜔𝐶𝑅)2 (3.4) Đáp ứng biên độ mạch lọc hạ thông là:

𝐴 = 1

√1+(𝑅𝐶1𝑅𝐶) 2=√21 = 0,707 (3.9) Tần số này được gọi là tần số cắt fC (hay 𝜔𝐶) Ở tần suất cắt biên độ tín hiệu ngõ ra bị giảm đi √21 lần so với biên độ tín hiệu vào (hình 3-5)

Hình 3- 5 Đáp ứng biên độ Hình 3-6 Đáp ứng pha

3.3.1.3 Đáp ứng pha

Pha 𝜑 của 𝐴 =1+𝑗𝜔𝑅𝐶1 chính là pha của 1 trừ đi pha của 1+j𝜔𝑅𝐶

Ta có: 𝜑 = 0 − 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔𝜔𝑅𝐶 = −𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔𝜔𝑅𝐶

3.3.1.4 Đáp ứng biên độ tính bằng decibel

Tương tự như độ khuếch đại điện áp của OP-AMP thường được tính bằng đơn

vị deciBel (dB), đáp ứng biên độ A của mạch lọc cũng thường được tính bằng đơn vị

dB theo công thức:

𝐴𝑑𝐵 = 20𝑙𝑔𝐴 = 20𝑙𝑔√1+(𝜔𝑅𝐶)1 2 (3.10) Suy ra: 𝐴𝑑𝐵 = 20𝑙𝑔1 − 20𝑙𝑔√1 + (𝜔𝑅𝐶)2

𝐴𝑑𝐵 = 0 − 20𝑙𝑔√1 + (𝜔𝑅𝐶)2 (3.11) Khi f -> 0, 𝜔 → 0 => 𝐴𝑑𝐵 = −20𝑙𝑔1 = 0

Trị số trên trục hoành là tỉ số của tần số f so với các tần số cắt fC và được ghi theo giai logarit cơ số 10

Khi f = f C thì 𝑓

𝑓𝑐 = 1 => 𝐴𝑑𝐵 = −3𝑑𝐵 Khi f = 2fC thì 𝑓

𝑓 𝑐 = 2 => 𝐴𝑑𝐵 = −6𝑑𝐵 Khi f = 10fC thì 𝑓

𝑓𝑐 = 1 => 𝐴𝑑𝐵 = −20𝑑𝐵

21

Khi f = 100fC thì 𝑓

𝑓𝑐 = 1 => 𝐴𝑑𝐵 = −40𝑑𝐵 Nhận xét:

Khi tần số f tăng lên gấp đôi thì A giảm xuống 6dB gọi là – 6dB/octave (octave

= quãng 8 trong âm giai)

Khi tần số f tăng lên gấp 10 lần thì A giảm xuống 20dB gọi là 20dB/decade (decade = quãng 10)

-Để đơn giản trong tính toán, dùng hai đường tiệm cận để biểu diễn đáp ứng biên

Khi tần số f giảm còn ½ thì A giảm 6dB (-6dB/octave)

Khi tần số f giảm còn 1/10 thì A giảm 20dB (-20dB/octave)

Một cách khác để có mạch lọc dải thông được thực hiện như mạch điện hình

3-15, trong đó, ở ngõ vào có R-C ghép song song

Với lý luận tương tự, ở ngõ vào có Z1 = R-jXC, ở ngõ ra có:

𝑅−𝑗𝑋𝐶 (3.21) Tính trên cầu phân áp Z1 và Z2 ta sẽ có:

𝐴 =𝑉0

24

Khi 𝜔 = 𝜔𝐶 =𝑅𝐶1 → 𝑓 = 𝑓𝐶 =2𝜋𝑅𝐶1 𝑡ℎì 𝐴 =13

Ở tần số 𝑓 = 𝑓𝐶 =2𝜋𝑅𝐶1 thì biên độ ngõ ra giảm còn 1/3 so với biên độ ngõ vào

Hình 3- 15 Lọc dải thông dạng khác Hình 3-16 Đáp ứng biên độ

Hình 3- 17 Lọc dải triệt Hình 3-18 Đáp ứng tần số lọc dải triệt

Do hai mạch lọc ráp song song nên ta có Z1 = R1//C2, Z2 = R2 //C1 là hai tổng trở của cầu phân áp

Suy ra:

𝐴 =𝑉0

𝑍1+𝑍2 (3.23) Các bước phân tích tương tự như trên nhưng việc tính toán xác định dải triệt tương đối phức tạp hơn

Một cách khác để có mạch lọc dải triệt là mạch lọc cầu T đôi như hình 3-19

Hình 3- 19a Bốn mạch lọc ghép thành hai nhánh Hình 3-19b Lọc cầu T đôi

Nhánh thứ nhất gồm hai mạch lọc hạ thông ghép nối tiếp ngược đầu nên có tụ tương đương là 2C Nhánh thứ hai gồm mạch lọc thượng thông ghép nối ngược đầu

Hình 3- 21 Đáp ứng biên độ Mạch lọc dải triệt cầu T đôi

3.3.5 Hai mạch lọc RC ghép nối tiếp

Trong mạch lọc hạ thông dùng RC, nếu tần số tăng lên 10 lần thì biên độ giảm 20dB (-20dB/decade) Nếu ta mắc hai mạch lọc hạ thông ghép nối tiếp, khi tần số tăng lên 10 lần thì biên độ giảm 40dB (-40dB/decade)

Tương tự, trong mạch lọc thượng thông dùng RC, nếu tần số giảm xuống còn 1/10 thì biên độ giảm 20dB Nếu ta mắc hai mạch lọc thượng thông ghép nối tiếp, khi tần số giảm xuống còn 1/10 thì biên độ giảm xuống 40dB

Như vậy, khi số tầng mắc nối tiếp càng nhiều thì đáp ứng biên độ sẽ giảm

nhanh Tuy nhiên, cách mắc này không thực tế

3.4 Mạch lọc tích cực

3.4.1 Đại cương

Mạch lọc thụ động có nhược điểm là tín hiệu bị tổn hao trên R nên đáp ứng biên

độ thường thấp và bị lệ thuộc vào phụ tải

Muốn tránh nhược điểm của mạch lọc thụ động người ta kết hợp mạch lọc với linh kiện tích cực và đặt mạch lọc RC nằm trên đường hồi tiếp để tăng hệ số truyền đạt, tăng hệ số phẩm chất Để không bị lệ thuộc vào phụ tải người ta dùng mạch khuếch đại đệm phối hợp trở kháng

26

3.4.2 Mạch lọc hạ thông

3.4.2.1 Mạch lọc hạ thông khuếch đại không đảo

Hình 3- 22 Lọc hạ thông khuếch đại không đảo

Trong sơ đồ hình 3-22 OP-AMP được ráp kiểu khuếch đại không đảo nên có độ khuếch đại điện áp một chiều:

𝐴𝑉 =𝑅1 +𝑅2

𝑅2 (3.24) Mạch RC ở ngõ vào In+ là mạch lọc hạ thông thụ động nên vẫn có tần số cắt:

𝜔𝐶 =𝑅𝐶1 𝑣à 𝑓𝐶 =2𝜋𝑅𝐶1 (3.25) Đáp ứng tần số mạch lọc: A0=𝑉0

𝑉1 =2𝜋𝑅𝐶1 (3.26) Đáp ứng tần số của toàn mạch: A = A0.AV = 1

1+𝑗𝜔𝑅𝐶

𝑅2 (3.27)

3.4.2.2 Mạch lọc hạ thông khuếch đại đảo

Trong sơ đồ hình 3-23, OP-MAP được ráp kiểu khuếch đại đảo nên có độ khuếch đại điện áp một chiều:

AV = −𝑅2

𝑅1 (𝑅2 ℎồ𝑖 𝑡𝑖ế𝑝 â𝑚) (3.28)

Hình 3- 23 Mạch lọc hạ thông khuếch đại đảo

Mạch hồi tiếp R2//C từ ngõ ra về ngõ In- có tác dụng của mạch lọc hạ thông, vì ở tần số cao XCcó trị số nhỏ nên mức hồi tiếp âm sẽ làm giảm biên độ của tần số cao

Tần số cắt của mạch lọc vẫn được tính theo công thức:

𝑓𝐶 =2𝜋𝑅1

2 𝐶 𝑣à 𝜔𝐶 =𝑅1

2 𝐶 (3.29) Đáp ứng tần số của mạch lọc:

𝑅 1 (3.30)

𝐴0 =𝑉0

𝑗𝜔𝑅1𝐶

(3.33) Đáp ứng tần số của toàn mạch:

Tùy theo công suất, chất lượng của ampli mà chọn mạch lọc âm sắc thích hợp

Có những mạch lọc chọn âm sắc thông dụng được trình bày như sau

Hình 3- 27a Mạch Bass Hình 3-27b Đáp tần của mạch Bass

Hình 3-27a là mạch chọn âm trầm riêng biệt, hình 3-27b là đáp ứng tần số Trị

số của các tụ điện và điện trở trong mạch để tính chọn khoảng tần số được lấy và loại

bỏ

Tỉ số tín hiệu trên được chọn làm cơ sở để so sánh nên qui chuẩn là 0dB

Ở tần số thấp từ 0,1𝑓1 trở xuống thì hai tụ xem như 𝛼Ω (hở mạch) Lúc đó, biên

độ của âm trầm ra sẽ tùy thuộc vị trí chỉnh của biến trở

Khi biến trở ở vị trí thấp nhất, đáp ứng biên độ:

𝐴𝑑𝐵 = 20𝑙𝑜𝑔1001

1

10 = 20𝑙𝑜𝑔101 = −20𝑑𝐵 (3.38) Khi biến trở ở vị trí cao nhất, đáp ứng biên độ:

số thấp 10 lần so với tần số cao

Để việc điều chỉnh thực hiện được hiệu quả theo đáp ứng tần số trên thì phải dùng biến trở loại logarit

Thí dụ: chọn 𝑓1 = 1kHz thì mạch có tác dụng chọn biên độ âm trầm từ 100Hz đến 10kHz

Nếu dùng biến trở trị số nhỏ hơn 100kΩ (20kΩ hay 50kΩ thì mức tăng giảm âm trầm so với âm bổng sẽ không đạt được đến ±20dB

3.5.3 Mạch Treble

Hình 3- 28a Mạch Treble Hình 3-28b Đáp tần của mạch Treble

Hình 3-28a là mạch chọn âm bổng riêng biệt Hình 3-28b là đáp ứng tần số Trị

số của các tụ điện và điện trở trong mạch để tính chọn khoảng tần số được lấy và loại

Tỉ số tín hiệu trên được chọn làm cơ sở để so sánh nên qui chuẩn là 0dB

Ở tần số cao 10𝑓2 điện trở R được chọn trị số bằng dung kháng của tụ 10𝐶, tức bằng 10𝑋𝐶 Lúc đó, biên độ của âm bổng ra sẽ tùy thuộc vị trí của biến trở

Khi biến trở ở vị trí thấp nhất, đáp ứng biên độ:

𝐶 ) 2 =√𝑅√𝑅2+𝑅2 2 =√21 (3.45) Tính theo dB ứng với độ tăng so với tần số thấp:

𝐴𝑑𝐵 = 20𝑙𝑜𝑔

1

√2 1

10 = 20𝑙𝑜𝑔10√2= 20𝑙𝑜𝑔10 − 20𝑙𝑜𝑔√2 (3.46)

𝐴𝑑𝐵 = 20𝑑𝐵 − 3𝑑𝐵 = 17𝑑𝐵 (𝑙𝑜𝑔√2 = 0,15) (3.47) Như vậy, khoảng điều chỉnh tăng giảm tín hiệu âm bổng là -20dB đến +17dB ở khoảng tần số cao 10 lần so với tần số thấp

Để việc điều chỉnh được hiệu quả theo đáp ứng tần số trên thì phải dùng biến trở loại logarit

Thí dụ: chọn 𝑓1 = 2𝑘𝐻𝑧 thì mạch có tác dụng chọn biên độ âm bổng từ 200Hz đến 20kHz

Nếu dùng biến trở trị số nhỏ hơn 100kΩ (20kΩ hay 50kΩ thì mức tăng giảm âm bổng so với âm trầm sẽ không đạt mức -20dB đến +17dB

3.5.4 Mạch trầm bổng Baxandal

Hình 3- 29 Mạch trầm bổng Baxandal

Sơ đồ hình 3-29 là sự kết hợp 2 mạch trầm bổng riêng biệt để thực hiện việc chọn lọc âm sắc trong ampli Đây là mạch chọn lọc âm sắc được sử dụng nhiều nhất vì đơn giản nhưng hiệu quả

31

Tín hiệu trầm bổng sau khi được chọn lọc riêng biệt sẽ được trộn nhờ transistor khuếch đại ráp kiểu E chung có hồi tiếp âm áp ghép song song Điện trở R9 = 4,7kΩ có tác dụng cách ly hiệu quả điều chỉnh của 2 biến trở

Trong sơ đồ hình 3-30, biến trở Bass có tụ C2 ghép song song cho tín hiệu tần

số cao qua (giảm âm trầm – nâng âm bổng) khi biến trở chỉnh xuống dưới, biến trở Treble có tụ C4 nối mass bỏ tín hiệu tần số cao xuống mass (tăng âm trầm – giảm âm bổng) khi biến trở chỉnh lên trên

Hình 3- 30 Mạch Bass – Treble đơn giản

- 250Hz: tiếng nói hay tiếng hát của giọng nam

- 1kHz: âm thanh trung bình, tiếng nói hay tiếng hát của giọng nữ

- 3,3kHz: âm thanh trong trẻo, tiếng ngân cao, tiếng hót của chim muôn

- 10kHz: âm thanh trầm bổng, tiếng kèn, tiếng hú

Trong sơ đồ hình 3-31, các transistor T3 đến T7 kết hợp với các tụ điện C1 – C2

làm nhiệm vụ triệt bỏ tần số Mạch lọc lấy tín hiệu ở cực B2, chọn mức độ lớn nhỏ rồi đưa đến cực E2 để làm thay đổi mức hồi tiếp âm dòng điện ghép nối tiếp Nếu biến trở chỉnh xuống dưới thì mạch có tác dụng giảm biên độ ở ngõ vào và mức hồi tiếp âm lớn

sẽ làm giảm mạnh biên độ của tín hiệu có tần số tương ứng (Cut: cắt) Ngược lại, nếu biến trở chỉnh lên trên thì ngõ vào tín hiệu không bị loại bỏ và mạch hồi tiếp âm nhỏ sẽ không giảm biên độ tín hiệu nên được hiểu là tăng cường (Boost)

32

Hình 3- 31 Mạch Graphic Equalizer dùng transistor

Trong sơ đồ 3-32, 5 opamp phía trên kết hợp với các tụ điện C1-C2 làm nhiệm

vụ triệt bỏ tần số Nếu biến trở chỉnh lên trên thì mạch có tác dụng giảm biên độ ở ngõ vào không đảo (In+) và mức hồi tiếp âm lớn ở ngõ đảo (In-) sẽ không giảm biên độ tín hiệu nên được hiểu là tăng cường (Boost)

Hình 3- 32 Mạch Graphic Equalizer dùng opamp

3.6 Mạch chọn âm sắc trong ampli karaoke

Sơ đồ hình 3-33 là mạch chọn lọc âm sắc thông dụng trong các máy Ampli Karaoke

Các biến trở LO chọn âm trầm (Bass), HI chọn âm bổng (Treble), MID (Middle) chọn khoảng âm thanh trung bình trong dải âm tần kết hợp opamp là mạch lọc tích cực để tăng hiệu quả chọn lựa âm sắc

34

Câu hỏi ôn tập chương 3

Câu 1: Phân loại theo linh kiện và phân loại theo tác dụng mạch chọn âm sắc?

Câu 2: Đáp ứng tần số mạch lọc 4 cực?

Câu 3: Sơ đồ, đáp ứng tần số mạch lọc hạ thông dùng RC?

Câu 4: Đáp ứng biên độ, đáp ứng pha mạch lọc hạ thông dùng RC?

Câu 5: Đáp ứng biên độ tính bằng decibel?

Câu 6: Sơ đồ đáp ứng tần số, công thức tính mạch lọc thượng thông?

Câu 7: Đáp ứng biên độ, đáp ứng pha, công thức tính mạch lọc thượng thông?

Câu 8: Vẽ Sơ đồ, biểu thức tính đáp ứng tần số mạch lọc dải thông?

Câu 9: Mạch lọc hạ thông khuếch đại không đảo?

Câu 10: Mạch lọc hạ thông khuếch đại đảo?

Câu 11: Mạch lọc dải thông và công thức tính?

Câu 12: Ứng dụng mạch lọcTone trong xử lý audio?

Câu 13: Ứng dụng mạch lọc Bass trong xử lý audio?

Câu 14: Mạch Treble?

Câu 15: Mạch trầm bổng Baxandal?

Câu 16: Mạch Graphic Equalizer dùng transistor?

Câu 17: Mạch Graphic Equalizer dùng opamp?

35

Chương 4 MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT 4.1 Đại cương

Mạch khuếch đại công suất là mạch khuếch đại ở tầng cuối cùng để tạo ra công suất cung cấp cho tải Công suất cung cấp cho tải thường khoảng vài watt, công suất này thường có mức điện áp khá cao và cường độ dòng điện lớn

Do mạch khuếch đại công suất ở tầng cuối nên tín hiệu đưa vào mạch công suất

có biên độ lớn vì đã qua nhiều tầng khuếch đại Khi khuếch đại tín hiệu có biên độ lớn, tranistor không được xem là mạch khuếch đại tuyến tính, do đó, không thể dùng mạch tương đương theo thông số h để phân tích, tính toán cho mạch khuếch đại công suất

mà người ta dùng phương pháp đồ thị

4.1.1 Hạng khuếch đại trong mạch công suất

Đối với mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ thì thường chỉ dùng khuếch đại hạng A nhưng đối với mạch khuếch đại công suất thì có thể dùng cả hạng A – B – AB – C tùy theo nhiệm vụ của từng mạch

Mạch khuếch đại hạng A có hiệu suất thấp (< 50%) nên chỉ dùng trong trường hợp công suất ra nhỏ khoảng vài watt

Mạch khuếch đại hạng B hay AB có hiệu suất cao hơn (khoảng 60-70%) nhưng mỗi transistor chỉ khuếch đại được một bán kỳ nên phải dùng hai transistor khuếch đại luân phiên

Mạch khuếch đại hạng C có hiệu suất cao nhất (75-80%) nhưng độ méo dạng tín hiệu rất lớn nên chỉ dùng trong các mạch khuếch đại cao tần có tải cộng hưởng hay trong các mạch logic

4.1.2 Các thông số của mạch khuếch đại công suất

Ngoài các thông số kỹ thuật chung của các mạch khuếch đại như tổng trở ngõ vào, tổng trở ngõ ra, độ khuếch đại điện áp, độ khuếch đại dòng điện mạch khuếch đại công suất còn có hai thông số kỹ thuật đặc trưng khác:

Độ khuếch đại công suất: là tỉ số giữa công suất ra P0 và công suất vào Pi

4.1.3 Công suất tiêu tán cực đại của transistor

Trong các thông số kĩ thuật của transistor, công suất tiêu tán cực đại PDmax là một thông số quan trọng đối với mạch khuếch đại công suất Đây là một công suất lớn nhất mà transistor có thể chịu đựng liên tục nếu được giải nhiệt đầy đủ PDmax do chữ dissolution (tiêu tán)

Trên đặc tuyến IC/VCE trị số PDmax chính là đường hyperbol mà: PDmax = VCE IC Suy ra: 𝐼𝐶 =𝑃𝐷𝑚𝑎𝑥

Nếu transistor làm việc trên vùng có gạch chéo nghĩa là vượt quá trị số giới hạn

PDmax thì transistor sẽ bị hư do quá nhiệt

Hình 4- 1 Đường giới hạn P max

Khuếch đại công suất là khuếch đại phải đảm bảo đưa ra tải công suất danh định với tải thường có trị số nhỏ (vài chục ôm đến vài ôm) Thường trong khuếch đại công suất biên độ của dòng và áp ra thường xấp xỉ với dòng và áp cho phép của tranzistor, tức là công suất ra gần ở mức công suất cho phép của tranzistor (công suất tiêu tán đốt nóng tranzistor) và cùng xấp xỉ với công suất tiêu thụ nguồn một chiều

Các tham số quan trọng đặc trưng cho khuếch đại công suất %, công suất (đưa

ra tải), hệ số méo phi tuyến của tín hiệu ra, méo tuyến tính

Công suất xoay chiều đưa ra tải colectơ có thể tính qua biên độ dòng điện và điện áp colectơ:

P~ = 0,5.UCm ICm (4.2) Công suất đó cũng có thể tính theo công thức:

P~ = 0,5. ICo 𝜒 Eo (4.3) Trong đó  - hệ số sử dụng dòng điện, = 𝐼𝐶𝑚

𝐼𝐶0, ICo thành phần một chiều của dòng colectơ (khi phân tích dòng colectơ thành chuỗi Furie), 𝜒hệ số sử dụng điện áp,

Uv Ur b) ID N

tải tối ưu Rtopt nên cũngkhông thường mắc trực tiếp tải vào colectơ của tranzistor mà

37

mắc qua biến ỏp Lỳc đú hệ số biến ỏp n của biến ỏp ra là n = √𝑅𝑡0𝑝𝑡

𝑅𝑡 Cụng suất PC là cụng suất đốt núng colectơ của tranzistor, là hiệu giữa cụng suất tiờu thụ nguồn P0 và cụng suất xoay chiều P~

Như vậy cụng suất luụn gắn liền với hiệu suất , càng nõng cao hiệu suất  thỡ

cụng suất xoay chiều ra càng lớn

4.2 Mạch khuếch đại cụng suất hạng A

Sơ đồ nguyờn lý trỡnh bày trờn hỡnh 4-2

Trong sơ đồ này thực tế nguồn UCC đặt toàn bộ lờn colectơ của tranzistor vỡ điện trở thuần r đối với dũng một chiều IC0 là khỏ nhỏ Điện trở tải Rt phản ỏnh sang cuộn sơ cấp của biến ỏp ra thành 𝑅′𝑡 = 𝑅𝑡

𝑛 2, n là hệ số biến ỏp n = 𝑊1

𝑊2; W1, W2 số vũng của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp Khi làm việc ở chế độ A biờn độ dũng ra ImC nhỏ hơn dũng một chiều IC0, biờn độ điện ỏp ra UmC nhỏ hơn UC0 nờn 𝜒, 𝜓nhỏ hơn 1, tức là hiệu suất  < 50% (theo lý thuyết)

.

.

.

+

-Hình 4-2 Khuếch đại công suất biến áp làm việc ở chế độ A

.

W 1 W 2

Thực tế hiệu suất chỉ đạt vài phần trăm vỡ nếu tăng hiệu suất thỡ mộo sẽ tăng Hiệu suất thấp là nhược điểm cơ bản của chế độ A, vỡ vậy ở cỏc tầng cụng suất chế độ này ớt được sử dụng Mộo tần số trong tầng ngoài những lý do đó xột trong khuếch đại điện trở, cũn một nguyờn nhõn là biến ỏp Để tăng tần số giới hạn trờn cần giảm điện cảm tiờu tỏn của biến ỏp, cũn để mở rộng ở vựng tần số thấp cần tăng điện cảm cuộn

sơ cấp của biến ỏp ra Mộo phi tuyến cũng gõy nờn do lừi sắt từ của biến ỏp làm việc ở miền bóo hoà từ

Ta xột cỏc quan hệ cụ thể trong tầng khuếch đại cụng suất đơn cú biến ỏp hỡnh 4-2 theo đồ thị đặc tuyến ra tương tự như khuếch đại điện trở vỡ cựng làm việc ở chế

độ A (Hỡnh 4-3) Đồ thị trỡnh bày phương phỏp 3 mặt phẳng phõn tớch khuếch đại Từ

đồ thị đặc tuyến ra ta thấy đường tải một chiều qua điểm 0 và điểm U0 rất dốc, hầu như thẳng đứng vỡ tải một chiều là điện trở thuần của cuộn sơ cấp biến ỏp khỏ nhỏ

38

Phía trái là đồ thị dòng colectơ biến thiên hình sin, phía dưới là đồ thị điện áp coletơ biến thiên hình sin Tải xoay chiều quay về cuộn sơ cấp của biến áp là:

rt~ = r1 + n2( Rt + rr )  n2Rt (4.4) Trong đó r1, r2 - điện trở thuần (dây cuốn) cuộn sơ và cuộn thứ của biến áp, n=

𝑊2, hệ số biến áp, W1, W2 - số vòng dây cuộn sơ và cuộn thứ của biến áp Để chọn toạ

độ tĩnh IC0, UC0 phải xác định được UCm, ICm Các tham số xác định như sau:

Công suất xoay chiều P~ trên cuộn sơ cấp của biến áp (trong mạch colectơ của tranzistor) là: P~ = 𝑃𝑡

𝜂𝑏𝑎 (4.5) ba = 0,8  0,95 hiệu suất của biến áp

Hình 4-3 Đặc tuyến ra của KĐ đơn biến áp

Tín hiệu ra coi là hình sin thì:

ICm = UCm / ( n2Rt) Sau khi tìm được điểm công tác tĩnh UCE0  UC, ICm  IC0 thì dựng đường tải động với góc nghiêng: 𝑅𝑡 =Δ𝑈𝐶𝐸

2 chính là diện tích tam giác OQH

Ucm Ucm

Ucmax

oQ

39

Theo IC0 tìm IB0 rồi tính R1, R2

Hiệu suất của tầng khuếch đại  = c.ba; c - hiệu suất của mạch colectơ

Ở chế độ A khi không có tín hiệu P~ = 0 thì PC = P0 nên cần chọn chế độ nhiệt của tranzistor theo P0 để bảo đảm tranzistor không bị hư

4.2.1 Bài toán phân tích mạch

Với một mạch khuếch đại công suất cụ thể ta có thể tính các thông số kỹ thuật của mạch như sau:

Tính điện áp phân cực VB :

𝑉𝐵 ≈ 𝑉𝐶𝐶𝑅 𝑅𝐵2

0,822,2 + 0,82 = 3,25𝑉 Tính theo dòng điện tĩnh IC :

𝐼𝐶 ≅ 𝐼𝐸 =𝑉𝐵− 𝑉𝑅 𝐵𝐸

𝐸 =3,25 − 0,747 = 54𝑚𝐴 Công suất ra trên tải ở sơ cấp:

𝑃𝑂𝑚𝑎𝑥 =12𝑉𝐶𝐶𝐼𝐶 =1212 × 54 × 10−3= 0,324𝑊 Công suất điện cung cấp cho mạch bởi nguồn 𝑉𝐶𝐶:

𝑃𝐷 = 𝑃𝐶𝐶 = 𝐼𝐶𝑉𝐶𝐶 = 54 10−312 = 0,648𝑊 Tổng trở tải quy về sơ cấp:

𝑅𝐿 =𝑉𝐼𝐶𝐶

𝐶 =54 1012−3 ≈ 220Ω Với tổng trở tải là loa có RL = 4Ω, có thể tính tỉ lệ của biến áp ra loa

𝑍1

𝑍2 =𝑅𝑅𝐿

2)2 =2204 = 55 Suy ra: 𝑁1

Chọn sơ đồ như hình 4-6 nhưng phải tính lại trị số linh kiện

Giả thiết có biến áp lý tưởng và tổn hao công suất trên cuộn sơ cấp không đáng

kể nên mạch có hiệu suất:

𝜂 = 50%