Thiết kế mô phỏng bộ khuếch đại công suất (KĐCS ) tần số thấp

BàI Tập lớn môn họcMôn 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 : P=2..1

BàI Tập lớn môn học

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 : P=2 100W Chọn Pmax=90W

- TảI Rt=3.2—16 Ω Chọn Rt=10Ω

- Giải thông tần của tín hiệu cần khuếch đại: 20Hzữ20.000Hz

- 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 :

Bớc 1 :Phân tích và lựa chọn phơng án :

Do yêu cầu thiết kế ,mạch có công suất lớn nên trong mạch phải có một tầng khuếch đại công suất

Với dải thông tần rộng từ 20ữ20000Hz và hệ số méo phi tuyến γ nhỏ (<1%)

ta nên dùng mạch KĐCS đẩy kéo nối tiếp ,dùng nguồn cấp đối xứng ; nhng khi đó

hệ số khuếch đạisẽ không cao vì trong mạch có sử dụng hồi tiếp âm ,vì thế để đạt

đợc công suất lớn thì cần phải có thêm khâu khuếch đại điện áp (KĐĐA) trớc khi cho vào mạch KĐCS

Bớc 2 :Xây dựng mô hình :

Vì tầng KĐCS ta sử dụng mạch KĐCS đẩy kéo nối tiếp nên trong mạch có

ít 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 đợc công suất ra lớn thì trớc 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 đợc đa 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

đợc lấy hồi tiếp âm từ đầu ra của tầng KĐCS ,với cách khắc phục này ta có thể giảm đợc 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

bao gồm 2 khâu cơ bản nh sau :

Bớc 3 :Chọn sơ đồ :

Ta xây dựng mạch có công suất Ptmax=100 W ,Rt=8Ω ,khi đó ta có :

Ta chọn khâu KĐĐA có Ku1=20 và khâu KĐCS có Ku2=15

Để giảm méo, ta chọn tầng KĐĐA bằng vi mạch thuật toán ( có Kumax = 1000) để khuếch đạivới Ku1 thực tế là 20 Lúc đó Ur1=0.1x20=2V ;tầng này có

hệ số méo γ1=0 và hệ số méo tần số M1(20Hz) < 1.4

Tầng KĐCS đại đợc chọn có γ2<1% là tầng KĐCS đại có chất lợng 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) nhỏ, ta cần ghép tầng với càng ít tụ càng tốt

Bớc 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

nh sau :

300 1 0 30

42 , 42 10 90 2 2

max

) ( 3 10 30

30 10 90

max max

2

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

⇒

=

Uv

Ur Ku

V Ur

Ur

A Rt

Ur Ir

V Rt

Pt Ur Rt

Ur Pt

Sơ đồ nguyên lý khâu KĐCS

Mạch KĐCS đợc mắc theo sơ đồ đẩy kéo nối tiếp dùng Tranzitor bù (T khác loại) ,điện áp đầu vào đợc lấy từ đầu ra của tầng kích thích Q5 ,các Tranzitor Q1,Q2,Q3,Q4 đợc kích thích bởi Tranzitor Q10

Các Tranzitor Q1,Q2 và Q3,Q4 đợc 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 nh một Tranzitor pnp

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 Io

phải đợc chọn trong khoảng (5ữ20)mA ; Các điện trở R1,R2 là các điện trở bảo vệ quá dòng ,nhng các điện trở này làm giảm thiểu công suất ,vì vậy chúng phải đợc 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

diode thực hiện chức năng tải động của tầng , nhờ vậy ta có hệ số KĐ vi sai Kvs

lớn hơn

Q11 đợc mắc để tạo ra dòng ổn định cung cấp dòng IE cho tầng KĐ vi sai làm việc Tín hiệu ra ở tầng KĐ vi sai đợc lấy trên colector của Q9 ,và đợc kích thích qua Q5 trớc khi đa vào tầng KĐCS cuối cùng

Các Tranzitor Q10 và Q11 đợc mắc theo sơ đồ Emitơ chung và đợc phân cực bằng dòng cố định nhờ diode Zener Dz Dz đợc chọn có trị số càng nhỏ càng tốt ,trong khoảng (2ữ5)V

2 Tính toán chi tiết :

a Nguồn cung cấp : Ecc đợc chọn sao cho Uramax=(0.4ữ0.8)Ecc

Ecc=53V

Biên độ dòng ra cực đại là:

) ( 2 , 4 10

42 , 42 max

Rt

Ur

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

β1=β3=20 fgh=1000KHz

20

2 , 4 1

max )

4 , 2 max(Q Q Ir A

β

β2=β4=100

có Icmax=10mA,β5=50

Q6ữQ11 chọn là các tranzitor nhỏ có βo=100 và Ucmax=150V

Các Tranzitor có UBE=0.7V; Các Diode chọn là Diode silic có UD=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

Chọn Io=7mA Vì Q2,Q4 là các Tranzitor liên hợp nên UR3R4=2UBE(Q2,Q4)=2x0.7=1.4(V);

) ( 7

4 1 4 3 4

3 4 3

UR3R4 → + = = = → = = Ω +

=

mA Io

R UR R

R R R Io

Từ Q5ữQ11 đều chọn làm việc ở chế độ A

Chọn dòng qua R8 : I1≥1.5Ira(Q5)

Ta có Ira(Q5) =

Do đó ,chọn I1= 3mA

10 3

3 1 10

3

7 0 2 1

U -Uz

I R

Để xác định R7 ,ta chọn dòng qua Dz càng nhỏ càng tốt ,trong khoảng (2ữ5)mA Ta chọn : IDz=2mA ,khi đó tính đợc :

) ( 5 25 ) ( 2

51 )

( 2

2 53 U

-(-Ecc) -0

7 = Dz = − = = kΩ

mA mA

I

R

Dz

R6,R9 đợc chọn trong khoảng (1ữ300)Ω ,ta chọn R6=50Ω; R9=100Ω

Để tính R10,ta cần chọn dòng I2 qua Tranzitor Q11,I2 đợc chọn trong khoảng (1ữ2)mA ,ta chọn I2=1.3 mA , khi đó ta có :

) ( 1 10 3 1

3 1 10

3 1

7 0 2 2

U -Uz

I R

R11 đợc chọn bằng tải của tầng trớc để chống trôi nhiệt ,chọn càng bé càng tốt ,trong khoảng (1ữ11)kΩ ,ta chọn R11=1kΩ

Xác định R12,R13 :

Q6,Q7 đợc mắc theo gơng dòng điện ,tơng đơng một điện trở rất nhỏ nên

Kuvi saităng lên đáng kể ,khoảng vài chục lần

Q5 có β5=50 do đó Ku khoảng vài trăm lần

) ( 5 1 100 20

3 3

.

Ir

≈

= β β

Khi có phản hồi âm điện áp từ đầu ra của tầng về tầng KĐVS qua 2 điện trở phân áp R12 và R13 ,ta có :

15

1 15

1

1 )

+

B Ku B

Ku ph

Ku

Mặt khác

13 12

13

R R

R B

+

R12=10kΩ ,tính đợc R13=714Ω

II Khâu KĐĐA :

Đối với khâu KĐĐA ,ta dùng mạch KĐ đảo ,mắc theo sơ đồ nh sau :

Sơ đồ nguyên lý khâu KĐĐA

Nguồn vào có Uv=0.1V,tần số chọn bằng 1kHz, điện trở trong Ri=1kΩ Trong đó R0 đợc chọn sao cho R0<10kΩ ,(2.2ữ5.6)kΩ Ta chọn R0=3kΩ

,khi đó do mạch mắc theo sơ đồ khuếch đại đảo nên ta có :

Do đó để Ku=20 ,thì Rht=20x(Ri+R0)=80(kΩ);

Để hệ số méo M1(20Hz)<1.4 ,ta chọn C=1àF

Bớc 5 : Mắc mạch và nhận xét kết quả :

0

R Ri

Rht Ku

+

=

Với các giá trị chọn và tính toán đợc nh trên , ta có sơ đồ nguyên lý của tầng khuếch đại công suất tần số thấp và đồ thị biểu diễn kết quả dạng sóng ra so với sóng vào nh sau :

Nhận xét kết quả :

Kết quả có thể thấy trên hình dạng sóng của máy hiện sóng OscilloScope ,tín hiệu ra và tín hiệu vào có pha ngợc nhau (do qua bộ KĐĐA dùng vi mạch mắc theo sơ đồ mạch KĐ đảo ) ,biên độ ra cực đại thấy đợc trên OscilloScope đúng bằng 40V= Urmax nh tính toán lý thuyết

Biên độ tín hiệu ra quan sát thấy trên Vônkế ,có số chỉ Ur=29.84 V(vì vônkế cho các giá trị hiệu dụng ,tức bằng

2

max

Ur

,xấp xỉ với tính toán là 30V ; Dòng qua tải đợc cho bởi Ampekế ,có số chỉ Ir=3.01 A (đây cũng là giá trị hiệu dụng) ,cũng gần đúng với kết quả tính toán lý thuyết là 3 A ,công suất thu đợc khi

đó sẽ là Pt=Ur x Ir = 29.84x3.01 ≈89.8 (W) ,sai lệch với công suất thiết kế là 0.2W ,có thể chấp nhận đợc

Các giá trị của điện thế và dòng điện khác có thể đo trực tiếp trên mạch ,nhận thấy cúng khá chính xác với tính toán và chọn trong phần phân tích trên

Tuy nhiên trong thực tế ,các giá trị điện trở và các linh kiện bán dẫn có các thông số phụ thuộc vào nhiệt độ phức tạp hơn nên trong mạch thực tế cần phải có biện pháp khắc phục để có đợc kết quả ổn định

Dạng sóng ra và sóng vào trên OscilloScope

Chú thích : đờng màu xanh là dạng sóng vào ,đờng màu đỏ là dạng sóng ra

Sơ đồ chi tiết mạch Khuếch đại Công suất tần số thấp