Thiết kế mạch OTL vi sai

Thiết kế Yêu cầu: Loại mạch : OTL. Ngõ vào : Vi sai. Công suất : 70W. Điện áp vào : 775mV. Trở kháng loa : 8Ω. Trở kháng vào : 220KΩ. Băng thông : 0.05Hz 16KHz. Méo phi tuyến : 0.25%. CMRR : 70dB.

TÍNH TOÁN

1> Tầng nguồn:

1.1> Biên độ tín hiệu ra loa:

Tín hiệu vào của mạch khuyếch đại có dạng sin: v=V sin t

Xem hệ thống là tuyến tính thì tín hiệu ra trên tải:

0

0sin

sin

C L

L

CE L

L

I t I

i

V t V

với V L,I L : là biên độ điện áp và dòng ra trên tải

V CE0,I C0 : là điện áp và dòng điện DC trên tải

Do tầng công suất làm việc ở chế độ AB nên dòng tĩnh và điện áp tĩnh rơi trên tải không đáng kể

Do vậy:

t I

i

t V

v L L

L L



sin

L Lhd L Lhd

I I

47,33

)(47,338.70.22

2

2 2

2

A R

V I

V R

P V

V R

V I

R P

L

L L

L L L

L L

Lhd Lhd L L

1.2> Điện áp nguồn cung cấp:

Để đảm bảo về mặt năng lượng và tránh nhiễu phi tuyến thì điện áp nguồn phải bằng hai lần điện áp trên loa Mặc khác, vì Q1,Q2 làm việc ở chế độ

AB nên chọn hệ số sử dụng nguồn là 0,8

8,0

47,33.28,0

CCtb

I t I

t d t I

I V P

1.4> Hiệu suất của mạch:

100% 58,43%

8,119

Tầng khuyếch đại công suất có nhiệm vụ phát trên loa một tín hiệu âm tầng được xác định theo yêu cầu thiết kế P L =70W

Các BJT làm việc ở mức điện áp cao, các dòng collector Q1,Q2 rất lớn Vì vậy, Q1,Q2 phải được chọn phù hợp đồng thời phải chọn nguồn, dòng nguồn khong được vượt quá giá trị cho phép của BJT nhưng cũng phải đủ lớn để đảm bảo công suất và hiệu suất của mạch

Để tránh méo xuyên tâm đồng thời đảm bảo hiệu suất của mạch , ta chọn 2

1,Q

Q làm việc ở chế độ AB.Vì mạch làm việc ở chế độ AB nên dòng tĩnh collector nằm trong khoảng 20 50mA Ở đây ta chọn:

mA I

I I

Q Q

Q P

2.1> Tính chọn R1,R2 :

- R1, R2 có tác dụng cân bằng dòng , ổn định nhiệt nên phải có kích thước lớn

để chịu được công suất lớn

Dạng tín hiệu trên R1, R2 là: i e1 =i e2 =I Lsint

Nếu chọn R R1, 2 lớn thì tổn hao trên loa nhiều do đó phải chọn sao cho tín hiệu ra loa là lớn nhất Để tránh tổn thất tín hiệu ra loa ta thường chọn:

)(39,023,4

67,1

67,120

47.332020

1

1

1 2 1

1 1

L R L

R

I

V R R

V

V V V

12

1 2

1 2

Lhd R

R

I R I

R P

P

Vậy chọn

W539,0

I V I V

1

L L

L L

CC R L CC

Công suất tiêu tán của một BJT, chẳn hạn BJT Q1 là:

/ 1 / 2 ( 1) 2

4

12

L CC tt Q tt Q

I R R V

dI

dP



W I

R R I

V P

A R

R

V I

L L

L CC Q tt

L

CC L

48,24)42,3)(

39,08(4

114,3.2

42,3.90)

(4

12

42,3)39,08(14,3

90)

(

2 2

0 1 0

1

m ax/

1

=+

−

=+

−

=



=+

=+

/ 11 / 1

Q C Q CE Q

73,26)32()

32(

90

23,4

m ax 0

CC CE

p E C

P P

V V

V

A I

I

Tra cứu sổ tay Transistor Nhật Bản ta chọn được:

19432

:

;52002

50

1 1

1 / 1

+

=+

=

Dòng Base cực đạI của Q1:

mA

I

I BQp Q Ep Q 75,54

551

23,4

1 1

1 / 1

+

=+

=

Để R3, R4 không ảnh hưởng đến dòng ra ở chế độ xoay chiều thì R3, R4

phải thỏa mãn điều kiện: Z B1M(ac) R3,R4 Z B1M(dc)

mA I

V V

mA I

BEp Bp

BEQ BQ

154

,75

6,089

,0

)89,054,75(

)39,0.05,06,0()23,4.39,01(

)(

)(

)(07,69610

.89,0

39,0.05,06,0

3 )

( 1

1 / 1 /

1 1 / 1

1 / 1

/ 1 /

1 1

) ( 1

3 1

/

1 1 / 1

/

1 ) ( 1

=

−

+

−+

Q BQ Q Bp

R Q BEQ p

R Q BEp Q

BQ Q Bp

MQ B Mp B ac B

Q BQ

R Q BEQ Q

BQ

MQ B dc M B

Z

I I

V V

V V

I I

V V

Z

I

V V

I

V Z

I R Q BEQ Q R 2,82

220

39,0.05,06,03

1 1 /

R

V V

I R p BEp Q R p 12,04

220

39,0.23,413

1 1 /

- Dòng emitter qua Q3:

mA I

I I

mA I

I I

Q Bp p R Q Ep

Q BQ Q R Q EQ

58,8754,7504,12

71,389,082,21 / 3

3 /

1 / 3

3 /

=+

=+

=

=+

=+

=

Khi đó trở kháng xoay chiều từ B Q1lúc này là:

)(2,2410

)71,358,87(

)39,0.05,06,0()23,4.39,01(

3 3

/ 3 /

1 1 '

) (

−

+

−+

Q B p B ac

B

I I

V V Z

So sánh với Z B1ac tính ở trước là ta thấy khi thêm R3, R4 vào thì sai khác không đáng kể

Như vậy, tải xoay chiều của Q3 là:



3 3 /

E Q tb

I

I =Công suất nguồn cung cấp cho Q3:

 33

/ 3

/

E

CC Q tb CC Q CC

I V I

3 / 2 3 3 / 3 /

4

1)

sin(2

1

Q t Q

Công suất tiêu tán xoay chiều trên Q3 :

/ 3 / 3 / 3 3 / 3 23

4

1

E Q t E

CC Q

t Q CC Q

Lấy đạo hàm theo I E3M và cho bằng 0 ta được:

2,472.14,3

90.22

3 /

Z

V I

Q t

CC

Vậy công suất tiêu tán lớn nhất do dòng xoay chiều trên rơi trên Q3 là:

4

114,3

12,0.904

0 3 3 / 0

3 3

.3,71.10 0,17(W)

2

902

3 3

/ 3

Q EQ CC Q

dc V I P

Vậy công suất tiêu tán cực đại trên Q3 :

P ttm ax=P dc/Q3+P ttm ax/Q3 =0,17+1,74=1,91(W)

Vậy chọnQ3, Q4 là cặp bổ phụ thỏa mãn điều kiện sau:

V V

V

mA I

I

P P

CC CE

Q Cp C

Q tt C

90

58,87

)W5,73:3,82(W91,1)32()

32(

0

3 /

3 /

71,31

)(57,1751

58,871

3

3 / 3

3

3 / 3

A

I I

mA

I I

Q

Q EQ Q B

Q

Q Ep p B







=+

=+

=



=+

=+

=



Chọn D5,D6,D7 :là loại D1N4007 là loại diode cần dung

Để Q1,Q2 làm việc ở chế độ dòng tĩnh 50mA thì điện áp trên tiếp giáp BE của các tổ hợp BJT ở chế độ tĩnh là 0,6V

Ta có:

)(44,239,0.05,039,0.05,06,06,06,06,04 3

2 1 4 2 1 3 4

3

V V

V V V V V V V

Q B B

Q R Q R BE BE BE BE Q B B

=+

++++

=

+++++

=

Để dòng tĩnh Q8ít thay đổi và tránh méo tín hiệu ta chọn:

)(4,3157,1.20

20 3

) 8

I CQ = B p = = và dùng Diode để ổn định áp phân cực cho tầng lái

Như vậy, ba diode D5,D6,D7 và R12 đảm bảo cho Q1, Q3 và Q2,Q4 làm việc ở chế độ AB, tức là V B3B4Q =2,44V ngay khi có tín hiệu vào

Lợi dụng tính chất ghim áp của diode ( dòng qua diode tăng nhưng áp đặt lên diode hầu như không đổi Muốn được như vậy ta chọn sao cho điểm làm việc nằm trong đoạn tuyến tính nhất(đoạn thẳng))

10.4,31

7,0.344,23

3 7

4 3

CQ

D Q B B I

V V

R

Chọn R12 = 4.sau đó hiệu chỉnh lại

3.2> Tính toán transistor Q8 làm nguồn dòng:

- Q8 tạo dòng điện ổn định phân cực cho Q5và ổn định điểm làm việc của cho hai cặp Dalington ở tầng khuyếch đại công suất Chính nội trở nguồn dòng ở chế độ xoay chiều lớn nên tăng hệ số khuyếch đại của tầng lái, phối hợp trở kháng với trở kháng vào lớn của 2 cặp Dalington làm nâng cao hiệu suất của mạch

6,88

3 14

I

V R

pa R

Chọn R14 =7,4K

10.12

6,07,07,0

3 8

/

3 4

Q CQ

BE D D

I

V V V R

Chọn R13=70  sau đó hiệu chỉnh lại

Do Q8 hoạt động chế độ A được dùng làm nguồn dòng nên công suất tiêu

tán lớn nhất của nó là công suất tiêu tán tĩnh

Điện áp DC trên tiếp giáp CE của Q8 là:

W52,010.12.98.42

)(98,42

39,0.05,06,06,0)6,07,07,0(2

902

3 8

8 / 8 /

8 /

1 1 / 3 / 13 8

Q CE

R Q BE Q BE R

CC Q CE

I V P

V V

V V

V V

V V

Vậy ta chọn Q8 thỏa các điều kiện sau:

98.4212

8 /

8 / 8

Q DC C

Q CE CEo

Q C C

P P

V V

V

mA I

Transistor Q7làm nhiệm vụ nâng cao tín hiệu đủ lớn để kích cho tầng thúc

làm việc và đảo pha cho tầng công suất Q7 được chọn làm việc ở chế độ A

7

Q có tải lớn nên hệ số khuyếch đại lớn,ta phải chọn điểm làm việc của Q7

sao cho khi không có tín hiệu vào điện thế vào cực E của Q1,Q2 0, lúc này

751(71,3

25.75)

1()

1

3 / 3 3 / 3 3

7

I

V Z

r

Q EQ

T Q

t be

Q

Do đó: Z t/Q7 =36,4K vì R Co/Q8 36,4K

Vì Q7 có điện trở tải lớn nên dễ dàng rơi vào vùng bão hoà và gây ra méo tín

hiệu, do đó cần phải mắc hồi tiếp âm một chiều lẫn xoay chiều để ổn định

điểm làm việc Điện trở R10, R11 làm nhiệm vụ hồi tiếp âm DC, riêng R10

còn làm nhiệm vụ hồi tiếp âm AC cho Q7

Do Q5 làm việc chế độ A, ta có thể chọn trước điện áp tĩnh trên điện trở hồi

=

V V

V

V

V R R

R R

R R

7,0

11 10

11 10 11 10

Để tránh hồi tiếp âm quá nhiều làm giảm hệ số khuyếch đại của Q7, ta chọn

V V

R

R

4,0

3,011 10

.12

4,0

)(2510

.12

3,0

3 7

/ 0

11 11

3 7

/ 0

10 10

Q C R

Q C R

I

V R I

V R

2011

10

R R

Với hai giá trị này của trở thì áp rơi trên hai điện trở này là:

V R10R11=(R10+R11)I pa/Q7=(20+33).12.10−3=0,7V

Điện thế trên cực C, E của Q7:

)(3.427,06,06,0)6,02.7,0(2

P

Do ta chọn I C / Q7»I BP / Q3 nên khi có tín hiệu vào thì dòng I BP / Q3không ảnh

hưởng nhiều đến dòng dòng cực đại qua Q7 I Cm ax/Q7 =20mA

V

mA I

I

P P

CC CE

Q C C

Q tt C

9012

W51,0

11 / 2 1 20

Q C

Q BE D D I

V V V

=

Với

V V

mA I

I I

I

Q BE

Q C Q E Q

C Q E

6,0

42.22

211

/

9 / 9 / 11 / 11 /

6,07,07,0

3

R

Chọn R20 = 200

Sụt áp trên R23 là 1V,cho nên điện áp còn lại là: Vcc/visai=90-1=89V

Chọn dòng phân áp cho Q11là dòng làm việc của diode D1 là I D1 =10mA

mA

V V V

10.10

7,07,089

1 2 /

21 Chọn R21=7,4K

Q11 làm việc ở chế độ khếch đại,chọn điểm làm việc tĩnh ở giữa điểm làm việc của đường đặc tuyến ra (Ic,Vce)

V

mA I

I

m P

P

CC CE

Q C C

Q tt C

90

82

W178

11 /

11 /

Tra sách 1000 transistor quốc tế ta chọn Q11như sau:

11 / 11

/

3 1

1

2 1

1010

11

)(5,1.4

25250

)(7010

.10

7,0

Q EQ

T Q

be

D D

D D D

h r

K I

V r

I

V R

R R R





5> Tính tầng khuyếch đại vi sai:

Do Q9, Q10là cặp BJT khuyếch đại vi sai tín hiệu đầu vào đầu tiên nên tầng này quyết định mức độ tạp âm cho mạch Để giảm tạp âm ta chọn Q9, Q10làm việc ở chế độ A và có hệ số khuyếch đại nhỏ

- R23 và C4 tạo thành mạch lọc thông thấp,Chọn tụ : C4=100uF

08,23 17

R

Chọn R18 =R17 =1,8K

9

Q và Q10hoạt động ở chế độ khếch đại nên VCE/Q9=Vcc/visai /2=89/2=44,5V

Do đó cần chọn Q9 và Q10như Q11 (được chọn làm nguồn dòng như trên)

V

mA I

I

m P

P

CC CE

Q C C

Q tt C

90

82

W178

11 /

11 /

Tra cứu sổ tay linh kiện 1000 transistor quốc tế ta chọn Q9 và Q10 như sau:

Với

22 24

' 4 / 24 10 /

R R

V R

10 /

//

2

R R R

V

Q B

22 24

//

4510

R R R

R R

(1)

Mặc khác trong chế độ tín hiệu:

- Khi chưa có hồi tiếp âm thì trở kháng vào của tầng vi sai là Z ind

- Khi có hồi tiếp âm điện áp nối tiếp thông qua R15,VR7,C4thì trở kháng vào của tầng vi sai sẽ tăng lên g lần với g là độ sâu hồi tiếp

Z indf = gZ ind với g =1 +A0A ht

K R

K R

220400540

15 24 22

K R

K R

220400540

15 24

Xét trường hợp quá tải lớn nhất lúc Q1,Q2dẫn bảo hòa

V I

L

CC

839,0

452

1

=+

=+

=

2

8.)36,5()2(

2 2

2

L

R I P

Công suất nguồn cung cấp: 153,6W

14,3

36,5.90



Lp CC CC

I V

Công suất tiêu tán trên R1: 2,8W

4

)36,5.(

39,04

2 2

1 '

R

I R

 hai điện trở R1, R2 không bị hỏng

Công suất tiêu tán trên hai BJT Q1,Q2:

2P tt' =P CC' −P L' −2P R'1 =153,6−115−2.2,8=33W

Công suất tiêu tán trên mỗi BJT là: 16,5W 150W

2

33'

2 / '

1 /Q = tt Q = = 

tt P P

47,33

)82,85.(

39,04

2 2

1 ' 1 ' 2 '

R R

I R P P

Công suất nguồn cung cấp: 2459,8W

14,3

82,85.90 1

 R

CC CC

I V P

Công suất tiêu tán của hai BJT:

W8,1023718

.28,24592

2P tt' =P CC' − P R'1 = − =

Công suất tiêu tán trên mỗi BJT là: 511,9W

2

8,1023'

2 / '

1 /Q = tt Q = =

tt P P

Trường hợp này thì hai BJT và hai điện trở đều bị hỏng Phải có mạch bảo vệ

hoạt động Mạch này sẽ hút dòng làm cho dòng qua hai BJT và điện trở R1, R2 nhỏ đảm bảo cho hai BJT làm việc an toàn

V V

V

V CE/Q7= CE/Q6 = BE/Q3+ BE/Q1+ R'1=0,6+0,6+1,95=3,15

- Công suất tiêu tán trên Q5, Q6 là:

W15,31.15,3

/ / 6 / 5

32(

3,62

1

/ / /

m P

P

mV V

V

mA I

I

Q tt

Q CE CE

Q C C

Dựa vào sách 1000 transistor quốc tế chọn:

15

5 / 5

Dòng qua R5, R7: I R5 =I pa =0,5mAI B/Q5

Khi mạch hoạt động bình thường thì Q5, Q6 tắt nên V BE/Q =0,4V và

V R

I V

A I

I

R R

p R R

65,139,0.23,4

23,41 max 1 max 1

1 max 1

4,0

3,35,0

65,1

3 7

5 / 7

5

1 7 5

I

V R

K I

V R R

R

Q BE R R

Ta chọn tụ C12sao cho ở tầng số thấp nhất thì sụt áp trên tụ rất nhỏ so với sụt áp trên loa để không ảnh hưởng đến tín hiệu ra trên loa Ta chọn

R C

,0.10.05,0.14,3.2

1

8,0810

110

112

21

3 12

m in 12

- Tính tụ C14: C14là tụ liên lac ngõ vào nên để sụt áp trên tụ không ảnh

hưởng đến tín hiệu vào và chất lượng của mạch ta chọn tụ C sao cho

F Z

.2

10

3 3

C sao cho 15 / 5

10

1

Q in

X =

Z f

C

Q in

87410

.4,36.10.05,0.14,3.2

10

.2

10

3 3

5 /

m in



 Chọn C15 =1F/50V

- Tính tụ C13:

Tụ C13 kết hợp với R15, R16tạo thành mạch hồi tiếp âm để ổn định thông

số của mạch.Chọn tụ C13 sao cho tỉ số hồi tiếp tín hiệu chỉ phụ thuộc vào R15, R16 và sụt áp xoay chiều trên C4nhỏ hơn R16rất nhiều

Chọn

F R

f C

.210101

3 3

16

m in 13

16 13

F R

f C

.210101

3 3 23

m in 4

23 4

f C

.210101

3 10

m in 11

10 11

loa không đổi ở tần số cao C mắc nối tiếp với R và tất cả mắc song song

với tải R L Ở tần số cao tụ ngắn mạch giảm tải ngõ ra tức là X L ,X C 

2

10

3

6.4> Kiểm tra độ méo phi tuyến:

Trong mạch hầu hết các linh kiện làm việc ở chế độ A chỉ có cặp 2

V V

V V

Q BE BEp BEm

Q BE

4,06,01

6,0

BE

V t V V V C V V C

I

) sin(

0 0

) sin( 

= theo chuỗI Taylor:

sin ( )

2

1sin

V

V t

V

V y

T BEm T

1)(sin2 t = − t

ta được:

4

1)sin(

4

11

2 2

2

t V

V t

V

V V

V y

T BEm T

BEm T

I

I

1 2 2



=

=

Trong đó : I1m: thành phần dòng cơ bản

I im: biên độ hài

Loại bỏ các hài bậc cao ta được:

T BEm

T BEm T BEm

m

m

V V

V V V V

I

I

4

4 22

4,0

g m L)1

(

'+

 g: độ sâu hồi tiếp: g =128,01:

m

g hỗ dẫn

mV

mA V

I r

g

T

Q E Q be

Q m

26

501

1 /

= 

01,128)8.25

501(

84,3)

1(

+

=+

=

g R

g m L





7> Mô phỏng bằng Pspice:

7.1> Mô phỏng phân cực BIAS POINT:

7.2> Mô phỏng băng thông:

7.3> Mô phỏng miền thời gian:

Biên độ Vin là 0,775V, tần số f=1kHz

8> KẾT LUẬN

8.1 Những kết quả đạt được:

Qua hơn hai tháng miệt mài làm việc, với sự hướng dẫn tận tình của Thầy Võ Tuấn Minh và những thầy cô khoa Điện Tử-Viễn Thông, nhóm chúng em đã đạt được những kết quả sau:

- Thiết kế và chế tạo được mạch khuếch đại công suất âm tần OTL-70W có khả năng sử dụng rộng rãi

- Đạt được những mục tiêu và yêu cầu ban đầu

-Vận dụng được nhiều kiến thức về khuếch đại công suất trong quá trình thi công

- Tìm hiểu được nhiều mẫu có thể sử dụng sau này

- Khả năng tìm tài liệu trên mạng

- Khả năng làm việc theo nhóm

8.2 Những thuận lợi và khó khăn khi thực hiện đề tài:

8.2.1 Thuận lợi:

- Nhờ những trang thiết bị của nhà trường, đã tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm trong quá trình tìm kiếm tài liệu trên mạng, cũng như trong quá trình thiết kế và thi công

- Được sự hướng dẫn tận tình của Thầy Võ Tuấn Minh và những thầy cô khoa Điện Tử-Viễn Thông trong suốt thời gian qua

8.2.2 Khó khăn:

- Thời gian thực hiện đề tài có giới hạn

- Nhóm gặp nhiều khó khăn trong việc tìm tài liệu (khả năng sử dụng tiếng Anh của nhóm còn hạn chế với những tài liệu nước ngoài)

- Mất nhiều thờ gian trong quá trình thiết kế do phải lựa chọn nhiều phương

án nhằm đáp ứng yêu cầu đề ra ban đầu Tuy nhiên vẫn còn nhiều chỗ chưa được như ý muốn