Bài tập lớn: Mạch khuếch đại công suất tần số thấp

BµI TËp lín 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 : P=2..100W . Chän Pmax=90W T¶I Rt=3.2—16 W .Chän Rt=10W - Gi¶i th«ng tÇn cña tÝn hiÖu cÇn khuÕch ®¹i: 20Hz¸20.000Hz - Nguån tÝn hiÖu vµo cã : Ev=0.1V, Ri=1kW - HÖ sè mÐo phi tuyÕn g nhá (<1%),hÖ sè mÐo tÇn sè t¹i tÇn sè 20Hz M(20Hz)£ Ö2 =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 g 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 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 : K§§A K§CS Uv Ura B­íc 3 : Chän s¬ ®å : Ta x©y dùng m¹ch cã c«ng suÊt Ptmax=100 W ,Rt=8W ,khi ®ã ta cã : Ta chän kh©u K§§A cã Ku1=20 vµ kh©u K§CS cã Ku2=15 §Ó gi¶m mÐo, ta chän tÇng K§§A b»ng vi m¹ch thuËt to¸n ( cã Kumax = 1000) ®Ó khuÕch ®¹ivíi Ku1 thùc tÕ lµ 20. Lóc ®ã Ur1=0.1x20=2V ;tÇng nµy cã hÖ sè mÐo g1=0 vµ hÖ sè mÐo tÇn sè M1(20Hz) < 1.4 . TÇng K§CS ®¹i ®­îc chän cã g2<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 : 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 .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(W). 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=42,42V Þ Ecc=53V Biªn ®é dßng ra cùc ®¹i lµ: 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 b1=b3=20 fgh=1000KHz Q2,Q4 lµ hai tranzitor liªn hîp .Ta cã VËy Q2, Q4 ®­îc chän víi c¸c th«ng sè nh­ sau: Ucmax=150V Icmax =0,5 A. b2=b4=100. fgh=1000KHz. Q5 chän sao cho Icmax>Icmax(Q2)/ b2=0.5(A)/100=5 mA. VËy chän Q5 cã Icmax=10mA,b5=50 . Q6¸Q11 chän lµ c¸c tranzitor nhá cã bo=100 vµ Ucmax=150V. 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=7mA V× Q2,Q4 lµ c¸c Tranzitor liªn hîp nªn UR3R4=2UBE(Q2,Q4)=2x0.7=1.4(V); Do ®ã ta cã Tõ Q5¸Q11 ®Òu chän lµm viÖc ë chÕ ®é A. Chän dßng qua R8 : I1³1.5Ira(Q5) Ta cã Ira(Q5) = Do ®ã , chän I1= 3mA Khi ®ã tÝnh ®­îc §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 : R6,R9 ®­îc chän trong kho¶ng (1¸300)W ,ta chän R6=50W; R9=100W. §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 : 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)kW ,ta chän R11=1kW. 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 b5=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 : MÆt kh¸c . R12 ®­îc chän trong kho¶ng (3.3¸10)kW ,ta chän R12=10kW ,tÝnh ®­îc R13=714W . II. Kh©u K§§A : §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=1kW . Trong ®ã R0 ®­îc chän sao cho R0<10kW ,(2.2¸5.6)kW .Ta chän R0=3kW ,khi ®ã do m¹ch m¾c theo s¬ ®å khuÕch ®¹i ®¶o nªn ta cã : Do ®ã ®Ó Ku=20 ,th× Rht=20x(Ri+R0)=80(kW); §Ó hÖ sè mÐo M1(20Hz)<1.4 ,ta chän C=1mF . 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 (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 40V= Urmax nh­ tÝnh to¸n lý thuyÕt . Biªn ®é tÝn hiÖu ra quan s¸t thÊy trªn V«nkÕ ,cã sè chØ Ur=29.84 V(v× v«nkÕ cho c¸c gi¸ trÞ hiÖu dông ,tøc b»ng ,xÊp xØ víi tÝnh to¸n lµ 30V ; Dßng qua t¶i ®­îc cho bëi AmpekÕ ,cã sè chØ Ir=3.01 A (®©y còng lµ gi¸ trÞ hiÖu dông) ,còng gÇn ®óng víi kÕt qu¶ tÝnh to¸n lý thuyÕt lµ 3 A ,c«ng suÊt thu ®­îc khi ®ã sÏ lµ Pt=Ur x Ir = 29.84x3.01 »89.8 (W) ,sai lÖch víi c«ng suÊt thiÕt kÕ lµ 0.2W ,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 . S¬ ®å nguyªn lý cña tÇng KhuÕch ®¹i c«ng suÊt tÊn sè thÊp ,c«ng suÊt 100 W D¹ng sãng ra vµ sãng vµo trªn OscilloScope Chó thÝch : ®­êng mµu xanh lµ d¹ng sãng vµo ,®­êng mµu ®á lµ d¹ng sãng ra . S¬ ®å chi tiÕt m¹ch KhuÕch ®¹i C«ng suÊt tÇn sè thÊp .