Bokdcs Tan So Thap-9

§å ¸n §iÖn tö cho CNTT

M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp

§å ¸n m«n häc M«n §iÖn Tö cho C«ng NghÖ Th«ng Tin

§Ò bµi :

ThiÕt kÕ m« pháng bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt (K§CS ) tÇn sè thÊp víi c¸c chØ tiªu kü thuËt : - C«ng suÊt cùc ®¹i trªn t¶i 10Ω : Ptmax=50W - Gi¶i th«ng tÇn cña tÝn hiÖu cÇn khuÕch ®¹i: 20Hz÷ 20.000Hz - Nguån tÝn hiÖu vµo cã : Ev=0.1V, Ri=1kΩ - HÖ sè mÐo phi tuyÕn γ nhá (<1%),hÖ sè mÐo tÇn sè t¹i tÇn sè 20Hz M(20Hz)≤ √2 =1.4 - C¸c chØ tiªu kh¸c tuú chän . ThiÕt kÕ : Bíc 1 : Ph©n tÝch vµ lùa chän ph¬ng ¸n : Do yªu cÇu thiÕt kÕ ,m¹ch cã c«ng suÊt lín nªn trong m¹ch ph¶i cã mét tÇng khuÕch ®¹i c«ng suÊt . Víi d¶i th«ng tÇn réng tõ 20÷20000Hz vµ hÖ sè mÐo phi tuyÕn γ nhá (<1%) ta nªn dïng m¹ch K§CS ®Èy kÐo nèi tiÕp ,dïng nguån cÊp ®èi xøng ; nhng khi ®ã hÖ sè khuÕch ®¹isÏ kh«ng cao v× trong m¹ch cã sö dông håi tiÕp ©m ,v× thÕ ®Ó ®¹t ®îc c«ng suÊt lín th× cÇn ph¶i cã thªm kh©u khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p (K§§A) tríc khi cho vµo m¹ch K§CS . Bíc 2 : X©y dùng m« h×nh : V× tÇng K§CS ta sö dông m¹ch K§CS ®Èy kÐo nèi tiÕp nªn trong m¹ch cã Ýt nhÊt 1 Tranzitor m¾c theo s¬ ®å lÆp Emit¬ ,do ®ã m¹ch nµy cã hÖ sè K§ ®iÖn ¸p Ku ≈ 1 .TÝn hiÖu vµo cã biªn ®é nhá ( 0.1V ) ,v× vËy ®Ó ®¹t ®îc c«ng suÊt ra lín th× tríc khi cho qua m¹ch K§CS ta cÇn ph¶i K§ biªn ®é tÝn hiÖu (tøc K§ ®iÖn ¸p b»ng m¹ch K§§A . TÝn hiÖu ra cña kh©u nµy sÏ tiÕp tôc ®îc ®a vµo kh©u K§CS . ë kh©u K§CS , m¹ch K§CS ®Èy kÐo lµm viÖc ë chÕ ®é AB vµ B nªn mÐo tÝn hiÖu vµ tr«i rÊt lín ,v× vËy ®Ó n©ng cao biªn ®é ,®ång thêi h¹n chÕ ®é tr«i ë møc thÊp ta dïng m¹ch K§ vi sai ,môc ®Ých ®Ó t¹o ra 2 ®Çu vµo ,1 ®Çu tÝn hiÖu vµo ,®Çu vµo 1

§å ¸n §iÖn tö cho CNTT

M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp

cßn l¹i ®îc lÊy håi tiÕp ©m tõ ®Çu ra cña tÇng K§CS ,víi c¸ch kh¾c phôc nµy ta cã thÓ gi¶m ®îc mÐo rÊt nhiÒu khi m¹ch K§CS lµm viÖc ë chÕ ®é AB vµ B . TÝn hiÖu ra cña tÇng K§CS cã thÓ lÊy trùc tiÕp ngay trªn t¶i m¾c trùc tiÕp víi ®Çu ra cña m¹ch K§CS . Tãm l¹i ,m« h×nh cña tÇng K§CS tÇn sè thÊp tho¶ m·n nh÷ng chØ tiªu trªn bao gåm 2 kh©u c¬ b¶n nh sau :

Uv

K§§A

K§CS

Ura

Bíc 3 : Chän s¬ ®å : Ta x©y dùng m¹ch cã c«ng suÊt Ptmax=50 W ,Rt=10Ω ,khi ®ã ta cã : Ptmax=U2r/Rt nªn Ur= 22.36 V Ir = Ur/Rt =22,36/10=2.236 A Urmax = 1.4.Ur= 31.62 V KU = Ur/Uv =316.2 Ta chän kh©u K§§A cã Ku1=20 vµ kh©u K§CS cã Ku2=15.81 §Ó gi¶m mÐo, ta chän tÇng K§§A b»ng vi m¹ch thuËt to¸n ( cã Kumax = 1000) ®Ó khuÕch ®¹ivíi Ku1thùc tÕ lµ 20. Lóc ®ã Ur1=0.1x20=2V ;tÇng nµy cã hÖ sè mÐo γ1=0 vµ hÖ sè mÐo tÇn sè M1(20Hz) < 1.4 . TÇng K§CS ®¹i ®îc chän cã γ2<1% lµ tÇng K§CS ®¹i cã chÊt lîng cao, do ®ã ta chän m¹ch K§CS ®¹i theo kiÓu ®Èy kÐo nèi tiÕp nguån ®èi xøng. Cã Uv2=Ur1=2V,hÖ sè mÐo tÇn sè M2(20Hz)=1. §Ó d¶i th«ng tÇn réng, vµ mÐo M(20Hz) nhá, ta cÇn ghÐp tÇng víi cµng Ýt tô cµng tèt. Bíc 4 : Ph©n tÝch , thiÕt kÕ vµ tÝnh to¸n : I. Kh©u K§CS : 1.Ph©n tÝch : 2

§å ¸n §iÖn tö cho CNTT

M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp

Ta chän kh©u K§CS gåm mét tÇng khuÕch ®¹i vi sai vµ mét tÇng KhuÕch ®¹i ®Èy kÐo m¾c theo s¬ ®å Darlinton cã bï nhiÖt b»ng Diode . S¬ ®å nguyªn lý nh sau :

S¬ ®å nguyªn lý kh©u K§CS . M¹ch K§CS ®îc m¾c theo s¬ ®å ®Èy kÐo nèi tiÕp dïng Tranzitor bï (T kh¸c lo¹i) ,®iÖn ¸p ®Çu vµo ®îc lÊy tõ ®Çu ra cña tÇng kÝch thÝch Q5 ,c¸c Tranzitor Q1,Q2,Q3,Q4 ®îc kÝch thÝch bëi Tranzitor Q10 . C¸c Tranzitor Q1,Q2 vµ Q3,Q4 ®îc m¾c thµnh c¸c Tranzitor Darlinton ®Ó t¨ng trë kh¸ng vµo cña m¹ch khuÕch ®¹i .Tæ hîp Q3,Q4 t¹o thµnh m¹ch Darlington bï ,lµm viÖc nh mét Tranzitor pnp . C¸c Diode D1,D2,D3 ®îc dïng ®Ó bï ®iÖn ¸p UBE cña Q1 ,Q2 vµ Q3Q4 ®ång thêi còng cã t¸c dông bï nhiÖt . C¸c ®iÖn trë R3,R4 dïng ®Ó ph©n cùc cho c¸c Tranzitor Q2,Q4 lµm viÖc ë chÕ ®é AB vµ Q1 , Q3 lµm viÖc ë chÕ ®é B 3

§å ¸n §iÖn tö cho CNTT

M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp

.Khi ®ã ®Ó chèng mÐo qu¸ ®é ,dßng Io ph¶i ®îc chän trong kho¶ng (5÷20)mA ; C¸c ®iÖn trë R1,R2 lµ c¸c ®iÖn trë b¶o vÖ qu¸ dßng ,nhng c¸c ®iÖn trë nµy lµm gi¶m thiÓu c«ng suÊt ,v× vËy chóng ph¶i ®îc chän ®Ó c«ng suÊt gi¶m kh«ng qu¸ 5% ,do ®ã ph¶i chän R1=R2≤0.05Rt=0.05x10=0.5(Ω). C¸c ®iÖn trë R12,R13 lµ c¸c ®iÖn trë ph©n ¸p ®Ó lÊy mét phÇn ®iÖn ¸p ra håi tiÕp vÒ tÇng K§ vi sai . TÇng K§ vi sai ®îc m¾c theo s¬ ®å cã g¬ng dßng ®iÖn, Q7 ®îc m¾c thµnh diode thùc hiÖn chøc n¨ng t¶i ®éng cña tÇng , nhê vËy ta cã hÖ sè K§ vi sai Kvs lín h¬n . Q11 ®îc m¾c ®Ó t¹o ra dßng æn ®Þnh cung cÊp dßng IE cho tÇng K§ vi sai lµm viÖc . TÝn hiÖu ra ë tÇng K§ vi sai ®îc lÊy trªn colector cña Q9 ,vµ ®îc kÝch thÝch qua Q5 tríc khi ®a vµo tÇng K§CS cuèi cïng . C¸c Tranzitor Q10 vµ Q11 ®îc m¾c theo s¬ ®å Emit¬ chung vµ ®îc ph©n cùc b»ng dßng cè ®Þnh nhê diode Zener Dz . Dz ®îc chän cã trÞ sè cµng nhá cµng tèt ,trong kho¶ng (2÷5)V . 2. TÝnh to¸n chi tiÕt : a. Nguån cung cÊp : Ecc ®îc chän sao cho Uramax=(0.4÷0.8)Ecc. Chän Uramax=0.8Ecc ,mµ Uramax=31.62V ⇒ Ecc=50V Biªn ®é dßng ra cùc ®¹i lµ: Irmax = Urmax /Rt = 31.62/10 =3.162(A) b. Chän Tranzitor. Q1, Q3 lµ 2 Tranzitor liªn hîp . Yªu cÇu: Ucmax >2Ecc Icmax >Ir max. KÕt hîp ®iÒu kiÖn trªn, ta chän

Ic max=6A

Ucmax=150V β1=β3=20 fgh=1000KHz Q2,Q4 lµ hai tranzitor liªn hîp .Ta cã Icmax ( Q2,Q4 )= Irmax /β1 = 3.162/20 = 0.1581 (A). 4

§å ¸n §iÖn tö cho CNTT

M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp

VËy Q2, Q4 ®îc chän víi c¸c th«ng sè nh sau: Ucmax=150V Icmax =0,5 A. β2=β4=100. fgh=1000KHz. Q5 chän sao cho Icmax>Icmax(Q2)/ β2=0.5(A)/100=5 mA. VËy chän Q5 cã Icmax=10mA,β5=50 . Q6÷Q11 chän Ucmax=150V.

lµ

c¸c

tranzitor

nhá

cã

βo=100

vµ

C¸c Tranzitor cã UBE=0.7V; C¸c Diode chän lµ Diode silic cã UD=0.7V c. TÝnh to¸n c¸c chÕ ®é ph©n cùc : §Ó chèng tr«i nhiÖt, chän chÕ ®é lµm viÖc cña Q2,Q4 lµ chÕ ®é AB cã ph©n cùc.Q1,Q3 chän ë chÕ ®é B kh«ng cã dßng. Chän Io=5mA V× Q2,Q4 lµ c¸c UR3R4=2UBE(Q2,Q4)=2x0.7=1.4(V);

Tranzitor

liªn

hîp

nªn

Do ®ã ta cã Io = UR3R4/( R3+R4) nªn R3+R4 = UR3R4 /Io =1.4/5mA=140 (Ohm). Tõ Q5÷Q11 ®Òu chän lµm viÖc ë chÕ ®é A. Chän dßng qua R8 : I1≥1.5Ira(Q5) Ir

3.535

Ta cã Ira(Q5) =β 1.β 3 = 20 x100 ≈ 1.8(mA) Do ®ã , chän I1= 2,5 mA Khi ®ã tÝnh ®îc R8=( Uz-UBE(Q10))/I1 = 1.3/2.5.10-3=520 Ohm. §Ó x¸c ®Þnh R7 ,ta chän dßng qua Dz cµng nhá cµng tèt ,trong kho¶ng (2÷5)mA . Ta chän : IDz=2mA ,khi ®ã tÝnh ®îc : R7=( 0-(-Ecc)-UDZ )/ IDZ =(50-2)/2mA =24KOhm.

5

§å ¸n §iÖn tö cho CNTT

M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp

R6,R9 ®îc chän trong kho¶ng (1÷300)Ω ,ta chän R6=50Ω; R9=100Ω. §Ó tÝnh R10,ta cÇn chän dßng I2 qua Tranzitor Q11,I2 ®îc chän trong kho¶ng (1÷2)mA ,ta chän I2=1.3 mA , khi ®ã ta cã : R10=(Uz-UBE(Q11) )/ I2 = (2-0.7)/1.3.10-3 =1kohm. R11 ®îc chän b»ng t¶i cña tÇng tríc ®Ó chèng tr«i nhiÖt ,chän cµng bÐ cµng tèt ,trong kho¶ng (1÷11)kΩ ,ta chän R11=1k Ω. X¸c ®Þnh R12,R13 : C¸c Tranzitor Q1÷Q4 m¾c theo s¬ ®å lÆp Emit¬ nªn Kucs=Ku(Q1,Q2,Q3,Q4)=1. Q6,Q7 ®îc m¾c theo g¬ng dßng ®iÖn ,t¬ng ®¬ng mét ®iÖn trë rÊt nhá nªn Kuvi sait¨ng lªn ®¸ng kÓ ,kho¶ng vµi chôc lÇn . Q5 cã β5=50 do ®ã KuQ5 kho¶ng vµi tr¨m lÇn . Do vËy hÖ sè khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p cña kh©u K§CS sÏ lµ : Ku=Kvs.Ku(Q5).Kucs>>1; Khi cã ph¶n håi ©m ®iÖn ¸p tõ ®Çu ra cña tÇng vÒ tÇng K§VS qua 2 ®iÖn trë ph©n ¸p R12 vµ R13 ,ta cã : Ku(ph)=Ku/(1+B.Ku)=1/B=14.14 nªn B=1/14.14 MÆt kh¸c B=R13/(R12+R13) . R12 ®îc chän trong kho¶ng (3.3÷10)kΩ ,ta chän R12=10kΩ ,tÝnh ®îc R13=760Ω . II. Kh©u K§§A :

6

§å ¸n §iÖn tö cho CNTT

M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp

§èi víi kh©u K§§A ,ta dïng m¹ch K§ ®¶o ,m¾c theo s¬ ®å nh sau :

S¬ ®å nguyªn lý kh©u K§§A Nguån vµo cã Uv=0.1V,tÇn sè chän b»ng 1kHz, ®iÖn trë trong Ri=1kΩ . Trong ®ã R0 ®îc chän sao cho R0<10kΩ ,(2.2÷5.6)kΩ .Ta chän R0=3kΩ ,khi ®ã do m¹ch m¾c theo s¬ ®å khuÕch ®¹i ®¶o nªn ta cã : Ku =

Rht Ri + R 0

Do ®ã ®Ó Ku=20 ,th× Rht=20x(Ri+R0)=80(kΩ); §Ó hÖ sè mÐo M1(20Hz)<1.4 ,ta chän C=1µF .

Bíc 5 : M¾c m¹ch vµ nhËn xÐt kÕt qu¶ : Víi c¸c gi¸ trÞ chän vµ tÝnh to¸n ®îc nh trªn , ta cã s¬ ®å nguyªn lý cña tÇng khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp vµ ®å thÞ biÓu diÔn kÕt qu¶ d¹ng sãng ra so víi sãng vµo nh sau : NhËn xÐt kÕt qu¶ : KÕt qu¶ cã thÓ thÊy trªn h×nh d¹ng sãng cña m¸y hiÖn sãng OscilloScope ,tÝn hiÖu ra vµ tÝn hiÖu vµo cã pha ngîc nhau 7

§å ¸n §iÖn tö cho CNTT

M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp

(do qua bé K§§A dïng vi m¹ch m¾c theo s¬ ®å m¹ch K§ ®¶o ) ,biªn ®é ra cùc ®¹i thÊy ®îc trªn OscilloScope ®óng b»ng 31,61V= Urmax nh tÝnh to¸n lý thuyÕt . Biªn ®é tÝn hiÖu ra quan s¸t thÊy trªn V«nkÕ ,cã sè chØ Ur=22.34 V(v× v«nkÕ cho c¸c gi¸ trÞ hiÖu dông ,tøc b»ng 31,61 xÊp xØ víi tÝnh to¸n lµ 22.36V ; Dßng qua t¶i ®îc cho bëi AmpekÕ ,cã sè chØ Ir=2.236 A (®©y còng lµ gi¸ trÞ hiÖu dông) ,còng gÇn ®óng víi kÕt qu¶ tÝnh to¸n lý thuyÕt lµ 3.549 A ,c«ng suÊt thu ®îc khi ®ã sÏ lµ Pt=Ur x Ir = 22.24x2.236 ≈49.7 (W) ,sai lÖch víi c«ng suÊt thiÕt kÕ lµ 0.3W ,cã thÓ chÊp nhËn ®îc . C¸c gi¸ trÞ cña ®iÖn thÕ vµ dßng ®iÖn kh¸c cã thÓ ®o trùc tiÕp trªn m¹ch ,nhËn thÊy cóng kh¸ chÝnh x¸c víi tÝnh to¸n vµ chän trong phÇn ph©n tÝch trªn . Tuy nhiªn trong thùc tÕ ,c¸c gi¸ trÞ ®iÖn trë vµ c¸c linh kiÖn b¸n dÉn cã c¸c th«ng sè phô thuéc vµo nhiÖt ®é phøc t¹p h¬n nªn trong m¹ch thùc tÕ cÇn ph¶i cã biÖn ph¸p kh¾c phôc ®Ó cã ®îc kÕt qu¶ æn ®Þnh .

8

§å ¸n §iÖn tö cho CNTT

M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp

S¬ ®åchi tiÕt toµn m¹ch.

9

§å ¸n §iÖn tö cho CNTT

M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp

S¬ ®å nguyªn lý toµn m¹ch.

S¬ ®å chi tiÕt m¹ch KhuÕch ®¹i C«ng suÊt tÇn sè thÊp . Mét sè chó ý :

Trong m¹ch cã t¹o mét sè th viÖn riªng cho m¹ch nµy ,trong ®ã c¬ b¶n lµ thay ®æi ®iÖn ¸p UBE =0.7V cña c¸c Tranzitor (gi¸ trÞ mÆc ®Þnh trong th viÖn Default lµ 0.75V) cho phï hîp víi kÕt qu¶ tÝnh to¸n ;Diode Dz còng ®îc thay ®æi gi¸ trÞ UDz=2V . Trong m¹ch cßn cã thªm bé Oscilloscope ®Ó so s¸nh tÝn hiÖu vµo-ra ,nhng do lçi phÇn mÒm nªn kh«ng ®a h×nh vµo v¨n b¶n ®îc ,mong thÇy th«ng c¶m !

10