§å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp
BÀI TẬP LỚN
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 tải 10Ω : P
tmax
=50W
- Giải thông tần của tín hiệu cần khuếch đại: 20Hz÷20.000Hz
- 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 :
Bước 1 : Phân tích và lựa chọn phương án :
Do yêu cầu thiết kế ,mạch có công suất lớn nên trong mạch phải
có một tầng khuếch đại công suất .
1
§å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp
Với dải thông tần rộng từ 20÷20000Hz và hệ số méo phi tuyến γ
nhá (<1%) ta nên dùng mạch KĐCS đẩy kéo nối tiếp ,dùng nguồn cấp
đối xứng ; nhưng khi đó hệ số khuếch đạisẽ không cao vì trong mạch
có sử dụng hồi tiếp âm ,vì thế để đạt được công suất lớn thì cần phải có
thêm khâu khuếch đại điện áp (KĐĐA) trước khi cho vào mạch
KĐCS .
Bước 2 : Xây dựng mô hình :
Vì tầng KĐCS ta sử dụng mạch KĐCS đẩy kéo nối tiếp nên trong
mạch có Ýt 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 được công suất ra lớn thì trước 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 được đưa 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 được lấy hồi tiếp âm từ đầu
2
§å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp
ra của tầng KĐCS ,với cách khắc phục này ta có thể giảm được 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 .
Tóm lại ,mô hình của tầng KĐCS tần số thấp thoả mãn những chỉ
tiêu trên bao gồm 2 khâu cơ bản như sau :
Uv Ura
Bước 3 : Chọn sơ đồ :
Ta xây dựng mạch có công suất Ptmax=50 W ,Rt=10Ω ,khi đó ta
có :
Ptmax=U
2
r
/Rt nên U
r
= 22.36 V
I
r
= U
r
/R
t

=22,36/10=2.236 A
U
rmax
= 1.4.U
r
= 31.62 V
3
K§§A K§CS
§å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp
K
U
= U
r
/U
v
=316.2
Ta chọn khâu KĐĐA có Ku1=20 và khâu KĐCS có Ku2=15.81
Để giảm méo, ta chọn tầng KĐĐA bằng vi mạch thuật toán ( có
Kumax = 1000) để khuếch đạivới Ku1thực tế là 20. Lúc đó
Ur1=0.1x20=2V ;tầng này có hệ số méo γ
1
=0 và hệ số méo tần số
M1(20Hz) < 1.4 .
Tầng KĐCS đại được chọn có γ
2
<1% là tầng KĐCS đại có chất
lượng 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) nhá, ta cần ghép tầng với
càng Ýt tụ càng tốt.

Bước 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 như sau :
4
§å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp
Sơ đồ nguyên lý khâu KĐCS .
Mạch KĐCS được mắc theo sơ đồ đẩy kéo nối tiếp dùng
Tranzitor bù (T khác loại) ,điện áp đầu vào được lấy từ đầu ra của tầng
kích thích Q5 ,các Tranzitor Q1,Q2,Q3,Q4 được kích thích bởi
Tranzitor Q10 .
Các Tranzitor Q1,Q2 và Q3,Q4 được 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 như một Tranzitor pnp .
5
§å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp
Các Diode D1,D2,D3 được dùng để bù điện áp U
BE
của Q1 ,Q2 và
Q3Q4 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 I
o
phải được chọn trong khoảng (5÷20)mA ; Các điện
trở R1,R2 là các điện trở bảo vệ quá dòng ,nhưng các điện trở này làm
giảm thiểu công suất ,vì vậy chúng phải được 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 .
Tầng KĐ vi sai được mắc theo sơ đồ có gương dòng điện, Q7
được mắc thành diode thực hiện chức năng tải động của tầng , nhờ vậy
ta có hệ số KĐ vi sai K
vs
lớn hơn .
Q11 được mắc để tạo ra dòng ổn định cung cấp dòng I
E
cho tầng
KĐ vi sai làm việc . Tín hiệu ra ở tầng KĐ vi sai được lấy trên colector
của Q9 ,và được kích thích qua Q5 trước khi đưa vào tầng KĐCS cuối
cùng .
6
§å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp
Các Tranzitor Q10 và Q11 được mắc theo sơ đồ Emitơ chung và
được phân cực bằng dòng cố định nhờ diode Zener D
z
. Dz được chọn
có trị số càng nhỏ càng tốt ,trong khoảng (2÷5)V .
2. Tính toán chi tiết :
a. Nguồn cung cấp :
Ecc được chọn sao cho Uramax=(0.4÷0.8)Ecc.
Chọn Uramax=0.8Ecc ,mà Uramax=31.62V ⇒ Ecc=50V
Biên độ dòng ra cực đại là: I
rmax
= U
rmax
/R
t

= 31.62/10 =3.162(A)
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
β
1
=β
3
=20
fgh=1000KHz
7
§å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp
Q2,Q4 là hai tranzitor liên hợp .Ta có I
cmax
( Q2,Q4 )= I
rmax
/β
1
=
3.162/20 = 0.1581 (A).
Vậy Q2, Q4 được chọn với các thông số như sau:
Ucmax=150V
Icmax =0,5 A.
β
2
=β
4

=100.
fgh=1000KHz.
Q5 chọn sao cho Icmax>Icmax(Q2)/ β
2
=0.5(A)/100=5 mA. Vậy
chọn Q5 có Icmax=10mA,β
5
=50 .
Q6÷Q11 chọn là các tranzitor nhỏ có βo=100 và Ucmax=150V.
Các Tranzitor có U
BE
=0.7V; Các Diode chọn là Diode silic có
U
D
=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.
8
§å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp
Chọn Io=5mA
Vì Q2,Q4 là các Tranzitor liên hợp nên
U
R3R4
=2U
BE(Q2,Q4)
=2x0.7=1.4(V);
Do đó ta có I
o
= U

R3R4
/( R
3
+R
4
) nên R
3
+R
4
= U
R3R4
/I
o
=1.4/5mA=140 (Ohm).
Từ Q5÷Q11 đều chọn làm việc ở chế độ A.
Chọn dòng qua R8 : I
1
≥1.5Ira
(Q5)
Ta có Ira
(Q5)
=
Do đó ,

chọn I
1
= 2,5 mA
Khi đó tính được R
8
=( U

z
-U
BE(Q10)
)/I
1
= 1.3/2.5.10
-3
=520 Ohm.
Để xác định R7 ,ta chọn dòng qua Dz càng nhỏ càng tốt ,trong
khoảng (2÷5)mA . Ta chọn : I
Dz
=2mA ,khi đó tính được :
R7=( 0-(-Ecc)-U
DZ
)/ I
DZ
=(50-2)/2mA =24KOhm.
9
)(8.1
10020
535.3
3.1
mA
x
Ir
≈=
ββ
§å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp
R6,R9 được chọn trong khoảng (1÷300)Ω ,ta chọn R6=50Ω;
R9=100Ω.

Để tính R10,ta cần chọn dòng I
2
qua Tranzitor Q11,I
2
được chọn
trong khoảng (1÷2)mA ,ta chọn I
2
=1.3 mA , khi đó ta có :
R10=(U
z
-U
BE(Q11)
)/ I
2
= (2-0.7)/1.3.10
-3
=1kohm.
R11 được chọn bằng tải của tầng trước để chống trôi nhiệt ,chọn
càng bé càng tốt ,trong khoảng (1÷11)kΩ ,ta chọn R11=1kΩ.
Xác định R12,R13 :
Các Tranzitor Q1÷Q4 mắc theo sơ đồ lặp Emitơ nên
Ku
cs
=Ku(Q1,Q2,Q3,Q4)=1.
Q6,Q7 được mắc theo gương dòng điện ,tương đương một điện
trở rất nhỏ nên Ku
vi sai
tăng lên đáng kể ,khoảng vài chục lần .
Q5 có β5=50 do đó Ku
Q5

khoảng vài trăm lần .
Do vậy hệ số khuếch đại điện áp của khâu KĐCS sẽ là :
Ku=Kvs.Ku
(Q5)
.Ku
cs
>>1;
10
§å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp
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 :
Ku(ph)=Ku/(1+B.Ku)=1/B=14.14 nên B=1/14.14
Mặt khác B=R13/(R12+R13) . R12 được chọn trong khoảng
(3.3÷10)kΩ ,ta chọn R12=10kΩ ,tính được R13=760Ω .
II. Khâu KĐĐA :
Đối với khâu KĐĐA ,ta dùng mạch KĐ đảo ,mắc theo sơ đồ như
sau :
11
§å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp
Sơ đồ nguyên lý khâu KĐĐA
Nguồn vào có Uv=0.1V,tần số chọn bằng 1kHz, điện trở trong
Ri=1kΩ .
Trong đó R
0
được chọn sao cho R
0
<10kΩ ,(2.2÷5.6)kΩ .Ta chọn
R
0
=3kΩ ,khi đó do mạch mắc theo sơ đồ khuếch đại đảo nên ta có :

Do đó để Ku=20 ,thì R
ht
=20x(Ri+R
0
)=80(kΩ);
Để hệ số méo M1(20Hz)<1.4 ,ta chọn C=1µF .
Bước 5 : Mắc mạch và nhận xét kết quả :
Với các giá trị chọn và tính toán được như 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 như sau :
Nhận xét kết quả :
12
0RRi
Rht
Ku
+
=
§å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp
Kết quả có thể thấy trên hình dạng sóng của máy hiện sóng
OscilloScope ,tín hiệu ra và tín hiệu vào có pha ngược nhau (do qua bộ
KĐĐA dùng vi mạch mắc theo sơ đồ mạch KĐ đảo ) ,biên độ ra cực
đại thấy được trên OscilloScope đúng bằng 31,61V= Urmax như tính
toán lý thuyết .
Biên độ tín hiệu ra quan sát thấy trên Vônkế ,có số chỉ Ur=22.34
V(vì vônkế cho các giá trị hiệu dụng ,tức bằng 31,61 xấp xỉ với tính
toán là 22.36V ; Dòng qua tải được cho bởi Ampekế ,có số chỉ Ir=2.236
A (đây cũng là giá trị hiệu dụng) ,cũng gần đúng với kết quả tính toán
lý thuyết là 3.549 A ,công suất thu được khi đó sẽ là Pt=Ur x Ir =
22.24x2.236 ≈49.7 (W) ,sai lệch với công suất thiết kế là 0.3W ,có thể
chấp nhận được .

13
§å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp
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 được kết quả ổn
định .
14
§å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp
Sơ đồchi tiết toàn mạch.
15
§å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp
Sơ đồ nguyên lý toàn mạch.
16
§å ¸n §iÖn tö cho CNTT M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt tÇn sè thÊp
Sơ đồ chi tiết mạch Khuếch đại Công suất tần số thấp .
Một số chú ý :
Trong mạch có tạo một số thư viện riêng cho mạch này ,trong đó cơ
bản là thay đổi điện áp U
BE
=0.7V của các Tranzitor (giá trị mặc định trong
thư viện Default là 0.75V) cho phù hợp với kết quả tính toán ;Diode Dz cũng
được thay đổi giá trị U
Dz
=2V . Trong mạch còn có thêm bộ Oscilloscope để
so sánh tín hiệu vào-ra ,nhưng do lỗi phần mềm nên không đưa hình vào văn
bản được ,mong thầy thông cảm !
17