Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai

Thiết kế

Yêu cầu:
Loại mạch
Ngõ vào
Công suất
Điện áp vào
Trở kháng loa
Trở kháng vào
Băng thông
Méo phi tuyến
CMRR

: OTL.
: Vi sai.
: 70W.
: 775mV.
: 8Ω.
: 220KΩ.
: 0.05Hz  16KHz.
: 0.25%.
: 70dB.

Trang 1


Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai
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:
v L = VL sin t + VCE 0

i L = I L sin t + I C 0
với V L , I L : là biên độ điện áp và dòng ra trên tải.
VCE 0 , I C 0 : 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 .
v = VL sin t
Do vậy: L
i L = I L sin t
Gọi V Lhd , I Lhd : là điện áp hiệu dụng và dòng điện hiệu dụng trên tải.
V
I
V Lhd = L , I Lhd = L
2
2
Khi đó công suất trên tải :
2
VLhd
VL2
2
PL = RL .I Lhd =
=
RL
2
 VL = 2 PL RL = 2.70.8 = 33,47(V )

VL 33,47
=
= 4,18( A)
RL
8
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.
2V
2.33,47
= 83,68 (V )
Do vậy: VCC = L =
0,8
0,8
Ta chọn nguồn cung cấp là : VCC = 90V .
1.3> Công suất nguồn cung cấp:
- Dòng cung cấp trung bình:
I
1 
1

I CCtb =
I L sin t.dt = I L cost 0 = L

2 0


- Công suất nguồn cung cấp:
I

4,18
PCC = VCC L = 90
= 119,8( W)
 IL =





1.4> Hiệu suất của mạch:
P
70
= L =
.100 % = 58,43 %
PCC 119 ,8
2> Tầng khuyếch đại công suất:
Trang 2


Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai
Tầng khuyếch đại công suất có nhiệm vụ phát trên loa một tín hiệu âm tầng
được xác định theo yêu cầu thiết kế PL = 70 W .
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
Q1 ,Q2 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:
I EQ = I EQ1 = I EQ 2 = 50mA .

Dòng đỉnh qua Q1 ,Q2 là:

I E1P = I E 2P = I EQ1 + I L = 50.10−3 + 4,18 = 4,23( A)
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: ie1 = ie 2 = I L sin t .
Nếu chọn R 1 , R2 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:
VR1 1
V
33.47

 VR1  L =
= 1,67V
VL 20
20
20
 R1 = R2 =

VR1 1,67
=
= 0,39()
I E1P 4,23

Ta chọn: R1 = R2 = 0,39  .
Công suất tiêu hao trên R1 , R2 là:
PR1 = PR 2 =

1

1 I2
(4,18 ) 2
2
R1 I Lhd
= R1 L = 0,39
= 1,7( W)
2
2
2
4

Vậy chọn R1 = R2 = 0,39  5W
2.2> Tính chọn cặp Q1 , Q2 :
Công suất nguồn cung cấp : PCC = VCC I TB = VCC
2
=
Công suất loa: PL = RL I Lhd

IL



1
RL I L2
2

1
R1 I L2
2
Vậy công suất tiêu tán của hai BJT Q1 ,Q2 là :

V I
1
1
Ptt = PCC − PL − PR = CC L − RL I L2 − R1 I L2

2
2
Công suất tiêu tán của một BJT, chẳn hạn BJT Q1 là:
Công suất tiêu tán của R1 , R2 : PR = 2 PR1 =

Trang 3


Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai
Ptt VCC I L 1
=
− ( RL + R1 ) I L2
2
2
4
Ta thấy công suất tiêu tán của BJT Q1 phụ thuộc vào I L theo hàm bậc
hai. Để tìm công suất tiêu tán cực đại ta lấy đạo hàm của Ptt / Q1 theo I L và
Ptt / Q1 = Ptt / Q 2 =

cho bằng 0.
dPtt / Q1 VCC 1
=
− ( RL + R1 ) I L = 0
dI L
2 2


 IL =

VCC
90
=
= 3,42 A
 ( RL + R1 ) 3,14(8 + 0,39)

 Ptt max/Q1 =

VCC I L 0 1
90.3,42 1
− ( RL + R1 ) I L20 =
− (8 + 0,39)(3,42) 2 = 24,48W
2
4
2.3,14 4

Công suất tiêu tán tĩnh trên Q1 :
V
90
PDC / Q1 = VCE / Q1 .I C / Q1  CC I EQ = .0,05 = 2,25W
2
2
Vậy công suất tiêu tán cực đại trên Q1 là:
Ptt  m ax/Q1 = Ptt m ax/Q1 + PDC / Q1 = 24 ,48 + 2,25 = 26 ,73 W
Vì Q1 ,Q2 là cặp BJT bổ phụ nên ta chọn Q1 ,Q2 thỏa mãn điều kiện:
I C  I E1 p = 4,23 A
VCE 0  VCC = 90V

PC  (2  3) Ptt  m ax = (2  3)26,73W = 53,46 : 80,19
Tra cứu sổ tay Transistor Nhật Bản ta chọn được:
Q1 : 2SC5200 ; Q2 : 2SA1943 .
Tên
P(W)
F
I C (A)
V CE (V)
T oC
2SC5200
150
30MHz
150
230
15
2SA1943
150
30MHz
150
230
15


55/160
55/160

2.3> Tính chọn R3 , R4 :
Trong tính toán ta chọn:
 Q1 =  Q 2 =  m in = 55
Dòng Base tĩnh của Q1 :

I EQ / Q1
50
I BQ / Q1 =
=
= 0,89mA
1 + 1 1 + 55
Dòng Base cực đạI của Q1 :
I Ep / Q1 4,23
I BQp / Q1 =
=
= 75,54mA
1 + 1 1 + 55

Trang 4


Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai
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 ) .
R3 , R4  Z B1M ( dc ) : để rẽ dòng nhiệt.

R3 , R4  Z B1Mac : để giảm tổn thất tín hiệu.

Với Z B1Mac , Z B1Mdc : là điện trở xoay chiều và một chiều từ cực Base Q1
đến M.
Từ đặc tuyến vào của Q1 (2SC5200 ) ta có:
I BQ = 0,89mA  VBEQ = 0,6V

I Bp = 75,54mA  VBEp = 1V
Vậy:

VB1MQ VBEQ / Q1 + VR1 0,6 + 0,05.0,39
Z B1M ( dc ) =
=
=
= 696,07()
I BQ / Q1
I BQ / Q1
0,89.10 −3
Z B1( ac ) =

VB1Mp − VB1MQ
I Bp / Q1 − I BQ / Q1

=

(VBEp / Q1 + VR1 p ) − (VBEQ / Q1 + VR1 )
I Bp / Q1 − I BQ / Q1

(1 + 0,39.4,23) − (0,6 + 0,05.0,39)
= 27,1()
(75,54 − 0,89)10 −3
Vậy: 27 ,1  R3 , R4  696 ,07
Chọn R3 = R4 = 220 ()
Z B1( ac ) =

2.4> Tính chọn cặp Q3 , Q4 :

VBEQ / Q1 + VR1

-


Dòng tĩnh qua R3 : I R3Q =

-

Dòng cực đại qua R3 : I R3 p =

-

Dòng emitter qua Q3 :

I EQ / Q3

R3

=

0,6 + 0,05.0,39
= 2,82mA
220

VBEp / Q1 + VR1 p

1 + 4,23.0,39
= 12,04mA
220
= 2,82 + 0,89 = 3,71mA

=


R3
= I R 3Q + I BQ / Q1

I Ep / Q3 = I R 3 p + I Bp / Q1 = 12,04 + 75,54 = 87,58mA

Khi đó trở kháng xoay chiều từ B Q1 lúc này là:

Z B' 1( ac ) =

VB1 p − VB1Q
I Ep / Q3 − I EQ / Q3

=

(1 + 0,39.4,23) − (0,6 + 0,05.0,39)
= 24,2()
(87,58 − 3,71)10−3

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:

Zt / Q3 = Z B' 1ac + (1 + 1 ) RL = 24,2 + (1 + 55).8 = 472,2()
Để tìm được Q3 ,Q4 ta tìm công suất tiêu tán lớn nhất của chúng. Gọi I E 3 là
biên độ dòng AC chạy qua Q3 , ta có:
Dòng cung cấp xoay chiều trung bình cho Q3 :
Trang 5


Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai

I tb / Q 3 =

I E3



Công suất nguồn cung cấp cho Q3 :
V .I
PCC / Q 3 = VCC I tb / Q 3 = CC E 3



Công suất cung cấp cho tải của Q3 :
1 
1
Pt / Q3 = Z t / Q3 .I E2 3 = Z t / Q3
( I E 3 sin t ) 2 dt = I E2 3 Z t / Q3

2 0
4
Công suất tiêu tán xoay chiều trên Q3 :
V
1
Ptt / Q3 = PCC / Q3 − Pt / Q3 = CC I E 3 − Z t / Q3 I E2 3

4
I
Lấy đạo hàm theo E 3M và cho bằng 0 ta được:
2VCC
2.90

I E 30 =
=
= 0,12 ( A)
Z t / Q 3 3,14 .472 ,2
Vậy công suất tiêu tán lớn nhất do dòng xoay chiều trên rơi trên Q3 là:
V I
1
90 .0,12 1
Ptt m ax/Q 3 = CC E 3M 0 − Z t / Q 3 I E2 3M 0 =
− .472 ,2.( 0,12 ) 2 = 1,74 W

4
3,14
4
Công suất tiêu tán tĩnh trên Q3 :
V
90
Pdc / Q3 = CC I EQ / Q3 = .3,71.10−3 = 0,17(W)
2
2
Vậy công suất tiêu tán cực đại trên Q3 :
Ptt  m ax = Pdc / Q 3 + Ptt m ax/Q 3 = 0,17 + 1,74 = 1,91(W)
Vậy chọn Q3 ,Q4 là cặp bổ phụ thỏa mãn điều kiện sau:
PC  (2  3) Ptt  / Q 3 = (2  3)1,91W = (3,82 : 5,73 )W
I C  I Cp / Q 3 = 87,58mA
VCE 0  VCC = 90V
Dựa vào sổ tay tra cứu Transistor Nhật Bản ta chọn :
Q3 : TI 41C; Q4 : TIP 42 C

Tên


3>

P(W)

f(MHz)

T oC
150
150

TIP41C
65
3
TIP42C
65
3
Tính tầng lái:
Để tính toán tầng lái ta chọn  Q 3 = 75

 I B3 p =
 I B 3Q =

I Ep / Q 3
1 +  Q3
I EQ / Q 3
1 +  Q3

=


87,58
= 1,57(mA)
1 + 75

=

3,71
= 66,25( A)
1 + 75

VCEo (V )

I C ( A)

100
100

6
6


75
75

Trang 6


Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai
3.1> Tính chọn R12 , D5 , D6 , D7
Để tránh méo tín hiệu xuyên tâm đồng thời ổn định điểm làm việc cho các

cặp BJT khuyếch đại công suất thì các tổ hợp này phải làm việc ở chế độ AB.
Vì vậy, ta dùng D5 , D6 , D7 , R12 để tạo ra áp ban đầu cho các BJT để khi có tín
hiệu vào thì các BJT khuyếch đại công suất dẫn ngay.
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.
VB 3B 4Q = VBE 3 + VBE1 + VBE 2 + VBE 4 + VR1Q + VR 2Q
Ta có:
VB 3B 4Q = 0,6 + 0,6 + 0,6 + 0,6 + 0,05.0,39 + 0,05.0,39 = 2,44(V )
Để dòng tĩnh Q8 ít thay đổi và tránh méo tín hiệu ta chọn:
I ( CQ 8) = 20 I B 3 p = 20 .1,57 = 31,4(mA ) 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 VB 3 B 4Q = 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)).
VB3B 4Q − 3VD 2,44 − 3.0,7
Lúc này: R12 =
=
= 10,4()
I CQ 7
31,4.10−3
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 Q5 và 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.

- Dòng collector qua Q8 : I CQ / Q8 = I CQ / Q 5 = 31 .4mA
- Chọn D4 ,D3 là điode D1N4007 .
Chọn dòng qua hai diode là dòng phân áp cho Q8 .
Chọn dòng phân áp I pa = 12 mA .Lúc này VD = 0,7V .
Sụt áp trên R14 là: VR14 = VCC − VD 4 − VD 3 = 90 − 0,7 − 0,7 = 88,6(V )
V
88,6
 R14 = R14 =
= 7,38 ( K)
I pa 12 .10 −3
Chọn R14 = 7,4 K .
Tính chọn R13: R13 =

VD 4 + VD 3 − VBE 0,7 + 0,7 − 0,6
=
= 25,47 ()
I CQ / Q 8
12 .10 −3

Chọn R13 = 70  sau đó hiệu chỉnh lại.
Trang 7


Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai
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:
VCC
90
− VR13 − VBE / Q 3 − VBE / Q1 − VR1 =

− (0,7 + 0,7 − 0,6) − 0,6 − 0,6 − 0,05.0,39
2
2
= 42,98(V )

VCE / Q8 =
VCE / Q8

 PDC / Q8 = VCE / Q8 .I C 8Q = 42.98.12.10 −3 = 0,52W

Vậy ta chọn Q8 thỏa các điều kiện sau:
 I C  I C 8Q = 12 mA

VCEo  VCE / Q8 = 42 .98V
 P P
DC / Q 8 = 0,52 W
 C

Dựa vào bảng tra cứu ta chọn Q8 : 2SA1013
Tên
P(mW)
f(MHz)
T 0C
2SA1013
900
50
3.3> Tính chọn BJT thúc Q7 :

VCE (V )


I C ( A)

160

1

150


60/200

Transistor Q7 làm 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.
Q7 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
sụt áp trên tải  0.
Trở kháng tải của Q7 :
Z t / Q 7 = RC 0 / Q 8 //(rbe3 + (1 +  3 ) Z t / Q 3
với
Z t / Q 7 = rbe3 + (1 +  3 ) Z t / Q 3 =  3

VT
I EQ / Q 3

+ (1 +  3 ) Z t / Q 3 = 75 .

25
+ (1 + 75 ). 472 .2 = 36 ,4( K)
3,71


Do đó: Z t / Q 7 = 36 ,4 K vì RCo / Q 8  36 ,4 K
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 R 10
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
tiếp một chiều R10 , R11 là 0,7V.
R10 VR10

=

Ta có: 
R11 VR11
VR10 + VR11 = 0,7V

Trang 8


Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai
Để tránh hồi tiếp âm quá nhiều làm giảm hệ số khuyếch đại của Q7 , ta chọn
R10  R11  VR10  V R11 .

V = 0,3V
Chọn  R10
VR11 = 0,4V
VR10
0,3

=
= 25()

R10 = I
12.10 −3

C 0 / Q7

V
0,4
 R11 = R11 =
= 33()
I C 0 / Q 7 12.10 −3

 R = 20
Chọn  10
 R11 = 33
Với hai giá trị này của trở thì áp rơi trên hai điện trở này là:
VR10 R11 = ( R10 + R11 ) I pa / Q7 = (20 + 33).12.10−3 = 0,7V
Điện thế trên cực C, E của Q7 :

VCE / Q 7 =

VCC
90
− VR13 − VEB / Q 4 − VEB / Q 2 − VR10 R11 =
− (0,7.2 − 0,6) − 0,6 − 0,6 − 0,7 = 42.3(V )
2
2

Công suất tiêu tán tĩnh của Q5:
PDC / Q7 = VCE / Q7 .I C / Q7 = 42,3.12.10−3 = 0,51(W)
Do ta chọn I C / Q 7 » I BP / Q 3 nên khi có tín hiệu vào thì dòng I BP / Q 3 không ảnh

hưởng nhiều đến dòng dòng cực đại qua Q7 .  I C m ax/Q 7 = 20 mA
Vì Q7 làm việc ở chế độ A nên:
Ptt m ax/Q 7 = PDC / Q 7 = 0,51( W)
Từ những tính toán trên ta chọn Q7 phải thõa những điều kiện sau:
 PC  Ptt m ax/Q 7 = 0,51W

 I C  I C m ax/Q 7 = 12mA
 V  V = 90V
CE
CC

Theo sách tra cứu 1000 transistor quốc tế ta chọn Q7 :2SC2383 có các thông
số sau:

Tên
P(mW)
f(MHz)
I C ( A)
VCE (V )
T oC
2SC2383
900
100
150
160
1
60/320

4>


Tính transistor nguồn dòng Q11 :
Chọn D1 và D2 là diode D1N4007 3V ứng với dòng I D = 10 mA . Chọn
Q11 làm nguồn dòng cho Q9, Q10 hoạt động.Khi I D1 = 10 mA thì VD1 = 0,7V và
Trang 9


Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai
VD 2 = 0,7V .
Với I BQ / Q 5 = 0,2mA chọn I C / Q 9 = 2mA

R20 =
Với

VD1 + VD 2 − VBE / Q11
I C / Q11
I E / Q11  I C / Q11 = 2 I E / Q9  2 I C / Q9 = 2.2 = 4mA

VBE / Q11 = 0,6V

0,7 + 0,7 − 0,6
= 200()
4.10−3
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 Q11 là dòng làm việc của diode D1 là I D1 = 10 mA .
V
− VD 2 − VD1 89 − 0,7 − 0,7
 R21 = cc / visai
=
= 8,76K

10mA
10.10 −3
Chọn R21 = 7,4 K
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).
- VCE/Q5=Vcc/visai/2=89/2=44,5V.
Vậy công suất tiêu tán trên Q11 là(chủ yếu là công suất 1 chiều):
Vậy R20 =

Ptt / Q11 = VCE / Q11.I C / Q11 = 44,5.4.10−3 = 178mW
Chọn Q11 thỏa các điều kiện sau:
 PC  Ptt / Q11 = 178mW

 I C  2 I C / Q11 = 8mA
 V  V = 90V
CC
 CE
Tra sách 1000 transistor quốc tế ta chọn Q11 như sau:
Tên
P(mW)
f(MHz)
V CE (V)
T oC
2SA1013

900

50

150


160

I C (mA)

1


60/200

RD = RD1 + RD 2
Tính nội trở nguồn dòng: RD1 =

V
I D1

rbe / Q11 = 
rce11 =

=

0,7
= 70()
10.10 −3
VT

I EQ / Q11

1


hoe / Q11
5> Tính tầng khuyếch đại vi sai:

=

= 250

25

= 1,5( K)

4.

1
= 105
10 −5

Trang 10


Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai

-

Do Q9 , Q10 là 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 , Q10 làm
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.
Chọn R23=1KΩ,Vcc/visai=89V.
Để mạch làm việc ổn định và Q5 không ảnh hưởng nhiều đến tầng này ta chọn

I C / Q 9 » I BQ / Q 5 .
Với I BQ / Q 5 = 0,2mA chọn I C / Q 9 = 2mA
R18 có nhiệm vụ phân cực đưa đến chân B/Q5.
VR18=VR17=VBE/Q5+VE/Q5=0,7+1,38=2,08V
IE/Q9=IC/Q9/2=1mA
Để phối hợp trở kháng giữa tầng thúc và tầng khuyếch đại vi sai ta chọn:
2,08
R18 = R17 =
= 2,08( K)
1.10−3
Chọn R18 = R17 = 1,8K
Q9 và Q10 hoạt động ở chế độ khếch đại nên VCE/Q9=Vcc/visai /2=89/2=44,5V.
Do đó cần chọn Q9 và Q10 như Q11 (được chọn làm nguồn dòng như trên)
 PC  Ptt / Q11 = 178mW

 I C  2 I C / Q11 = 8mA
 V  V = 90V
CC
 CE
Tra cứu sổ tay linh kiện 1000 transistor quốc tế ta chọn Q9 và Q10 như sau:

Tên

P(mW)

f(MHz)

2SA1013

900


50

T oC
150

V CE (V)

I C (A)

160

1


60/200

Biến trở VR 4 dùng đểcân bằng dòng Emitor cho Q9 và Q10 do đó ta chọn
VR 4 có giá trị nhỏ.
VR4 = 100 
Chọn
Xét tầng vi sai có mạch như hình vẽ:

Trang 11


Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai

R24VZ' / Z 4
R24 + R22

Vì mạch khuyếch đại vi sai được thiết kế sao cho ở chế độ tỉnh hai nhánh cân
bằng nhau.
V

10R24 = 45R22
 VB / Q10 = CC
(1)


2
R24 // R22 = R15
 R22 // R24 = R15
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 , C4 thì 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 + A0 Aht
Với VB / Q10 =

A0 : độ lợi vòng hở.
Aht : hệ số hồi tiếp.
Do đó, tổng trở vào của toàn mạch khi có hồi tiếp là:
Z in = ( R22 // R24 ) // Z indf  R22 // R24 vì Z indf  ( R22 // R24 )

Vì thế R22 // R24 quyết định trở kháng vào của mạch. Theo yêu cầu thiết kế
thì Z in = 220 K nên chọn R22 // R24 = 220 K (2)
 R22 = 540K

Từ (1) và (2) ta tính được: R24 = 400K
 R = 220K

 15
 R22 = 540K

Chọn  R24 = 400K
 R = 220K
 15

sau đó hiệu chỉnh lại R24 .

6> Tính các thông số còn lại:
6.1> Tính mạch bảo vệ:
6.1.1> Trường hợp quá tải:
Mạch quá tải tức Vin  0,775V lúc đó VL  33,47V .
Trang 12


Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai
Xét trường hợp quá tải lớn nhất lúc Q1 ,Q2 dẫn bảo hòa.
V
90
VL = CC =
= 45V
2
2
VCC
45
2
=
= 5,36 A
Dòng đỉnh qua tải: I Lp =

R1 + RL 0,39 + 8
Công suất loa: P =
'
L

2
I Lp
RL

( 2)2

=

(5,36) 2 .8
= 115W
2

'
=
Công suất nguồn cung cấp: PCC

VCC .I Lp

=

90 .5,36
= 153 ,6 W
3,14



2
R1 I Lp
0,39 .(5,36 ) 2
'
=
= 2,8W <5W
Công suất tiêu tán trên R1 : PR1 =
4
4
 hai điện trở R1 , R2 không bị hỏng.
Công suất tiêu tán trên hai BJT Q1 ,Q2 :
'
2 Ptt' = PCC
− PL' − 2 PR' 1 = 153 ,6 − 115 − 2.2,8 = 33 W

Công suất tiêu tán trên mỗi BJT là: Ptt' / Q1 = Ptt' / Q 2 =

33
= 16,5W  150W
2

 2BJT vẫn làm việc bình thường.
6.1.2> Trường hợp ngắn mạch:
Xem như loa bị lấy ra khỏi mạch, lúc này R1 , R2 là tải của Q1 ,Q2 .
Trường hợp xấu nhất là điện áp trên loa đặt hết trên Q1 ,Q2 .
V
33,47
'
= L =
= 85,82 ( A)

Dòng qua R1 , R2 : I R1
1
R1
0,39
Công suất tiêu tán trên R1 , R2 :
2

R I ' R1 0,39 .(85,82 ) 2
P =P = 1
=
= 718 W
4
4
V .I
90 .85,82
'
= CC R1 =
= 2459 ,8W
Công suất nguồn cung cấp: PCC

3,14
Công suất tiêu tán của hai BJT:
'
2 Ptt' = PCC
− 2 PR' 1 = 2459 ,8 − 2.718 = 1023 ,8W
1023,8
= 511,9W
Công suất tiêu tán trên mỗi BJT là: Ptt' / Q1 = Ptt' / Q 2 =
2
Trường hợp này thì hai BJT và hai điện trở đều bị hỏng. Phải có mạch

bảo vệ.
6.1.3> Tính mạch bảo vệ:
Hoạt động: bình thường khi mạch khuyếch đại công suất làm việc thì
Q7 ,Q6 tắt. Không ảnh hưởng đến hoạt động của mạch. Khi xảy ra
'
R1

'
R2

ngắn mạch dòng qua Q1 ,Q2 lớn sẽ đánh thủng BJT công suất và điện
trở R1 , R2 . Vì vậy khi dòng qua hai BJT lớn sẽ kích thích mạch bảo vệ
Trang 13


Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai
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.
- Dòng đỉnh qua R1 , R2 : I E1 p = 4,23 A
-

Chọn dòng để mạch bảo vệ hoạt động là: I ' E1 p = 5 A
Sụt áp trên R1 : VR' 1 = I E' 1 p R1 = 5.0,39 = 1,95V

-

Chọn dòng tĩnh I C / Q 7 = I C / Q 6 = 1mA

- Ta có
VCE / Q7 = VCE / Q6 = VBE / Q3 + VBE / Q1 + VR' 1 = 0,6 + 0,6 + 1,95 = 3,15V

- Công suất tiêu tán trên Q5 ,Q6 là:
Ptt / Q 5 = Ptt / Q 6 = VCE / Q I C / Q = 3,15 .1 = 3,15 mW
Chọn Q5 ,Q6 thỏa những điều kiện sau:

I C  I C / Q = 1mA

VCE  2VCE / Q = 6,3mV

 P  (2  3) P = (2  3)3,15 mW
tt / Q

Dựa vào sách 1000 transistor quốc tế chọn:
Tên
P(mW) f(MHz)
VCE (V )
T oC
2SC1815
400
80
125
50
2SC1015
400
80
125
50

I C (mA )

150

150


80
80

6.1.4> Tính R5 , R6 , R7 , R8 :
Dòng tĩnh cực B của Q5 : I B / Q5 =

I C / Q5

 Q5

=

1
= 2A
250

Dòng qua R5 , R7 : I R 5 = I pa = 0,5mA  I B / Q 5
Khi mạch hoạt động bình thường thì Q5 ,Q6 tắt nên VBE / Q = 0,4V và

I R1max = I R1 p = 4,23 A
 VR1max = I R1maxR1 = 4,23.0,39 = 1,65V
V
1,65
R5 + R7 = R1 =
= 3,3K
I R 5 0,5
VBE / Q 5


0,4
= 0,8( K)
I R7
0,5.10 −3
Chọn R7 = 2,2 K
 R5 = 3,3 − 2,2 = 1,1K chọn  R5 = 1K
R7 =

=

Suy ra: R7 = 2,2 K = R6 = 2,2 K , R5 = 1K = R8 = 1K
6.2> Tính các tụ:
- Tính tụ C12 :

Trang 14


Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai
Ta chọn tụ C12 sao 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
1
X C12 = RL
10
1
1
1
X C12 =
= RL = 8 = 0,8
2 . f minC12 10

10

1
= 3980F
2.3,14.0,05.103.0,8
chọn C12 = 4700 F / 50V
Tính tụ C14 : C14 là 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
1
X C14 = Z in
10
 C12 =

-

10
10
=
= 0,15 F
2 . f m in .Z in 2.3,14 .0,05 .10 3.220 .10 3
Chọn tụ C14 = 0,3F / 50V
Tính tụ C15 :
Tụ C15 là tụ liên lạc giữa tầng vào vi sai và tầng lái nên chọn tụ C13 sao
cho sụt áp trên tụ không ảnh hưởng đến tín hiệu vào tầng lái. Ta chọn tụ
1
C15 sao cho X C15 = Z in / Q5
10
10
10
 C15 =

=
= 874 nF
2 . f m in .Z in / Q 5 2.3,14 .0,05 .10 3.36 ,4.10 3
 C14 =

-

-

-

Chọn C15 = 1F / 50V
Tính tụ C13 :
Tụ C13 kết hợp với R15 , R16 tạo 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 C 4 nhỏ hơn R16 rất nhiều.
1
X C13 = R16
10
Chọn
10
10
 C13 =
=
= 13,8F
2 . f m in .R16 2.3,14 .0,05 .10 3.2,3.10 3
Chọn C13 = 22 F
Tính tụ C 4 :
Tụ C 4 cùng với R23 tạo thành mạch lọc thông thấp lọc nhiễu (hài bậc
cao) từ nguồn để tránh hồi tiếp về tạo thành dao động tự kích.


Trang 15


Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai
1
R23
10
10
10
 C4 =
=
= 31,8F
2 . f m in .R23 2.3,14 .0,05 .10 3.1.10 3
Chọn C 6 = 100 F / 70V
X C4 =

Tính tụ C11 :
1
X C11 = R10
10
10
10
 C11 =
=
= 1592 F
2 . f m in .R10 2.3,14 .0,05 .10 3.20
Chọn C11 = 1000 F / 50V
6.3> Tính mạch lọc Zobel (C1 , R25 ) :
-


Cấu tạo của loa gồm một cuộn cảm và một điện trở có Z L = RL + jL .
Như vậy, trở kháng loa phụ thuộc vào tần số. Khi tần số cao trở kháng loa
càng lớn dẫn đến méo tín hiệu.Mạch lọc Zobel là mạch ổn định trở kháng
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 
→ RL không đổi.

Ta có: Z td = ( R +

1
j c

) //(RL + jL)

Để không phụ thuộc vào tần số thì R0 = RL = 8 và chọn tụ C1 sao cho X C1 =
 C1 =

1
RL
10

10
10
=
= 12 ,4F Với
2 . f m ax. RL 2.3,14 .16 .10 3.8

f m ax = 16 KHz .


Chọn C1 = 10 F / 50V
6.4> Kiểm tra độ méo phi tuyến:
Trong mạch hầu hết các linh kiện làm việc ở chế độ A chỉ có cặp
Q1 ,Q2 làm việc ở chế độ AB nên độ méo phi tuyến toàn mạch phụ thuộc
chủ yếu ở Q1 ,Q2 .
Giả sử tín hiệu vào là hình sin và Vin = 0,775V . Lúc này điện áp đặt lên
tiếp giáp BE của Q1 : V BE1 (t ) = V BE1Q + V BEm sin t
Trong đó:

VBE1Q = 0,6V
VBEm = VBEp − VBE1Q = 1 − 0,6 = 0,4V

Gọi I C 0 là dòng rỉ của Q1 ,Q2 . I C = I C 0 e
Khai triễn y = e

VBEm sin( t )
VT

VBE
VT

VBEQ

= I C0e

VT

e

VBEm sin( t )

VT

theo chuỗI Taylor:

Trang 16


Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai
2

V
1 V 
y = 1 + BEm sin t +  BEm  sin 2 (t ) + .....
VT
2  VT 

Méo phi tuyến chủ yếu do hài bậc cao gây ra. Loại hài bậc cao và biến
1 − cos(2t )
đổi sin 2 (t ) =
ta được:
2
2

2
V
1 VBEm
1 V 
y = 1+
+ BEm sin(t ) −  BEm  cos(2t )
2

4 VT
VT
4  VT 

n

Theo định nghĩa méo phi tuyến:  =

I
i =2

2
im

I 1m
Trong đó : I 1m : thành phần dòng cơ bản.
I im : biên độ hài.

Loại bỏ các hài bậc cao ta được:
2
VBEm
I 2m
4VT2 VBEm
 =
=
=
I 1m VBEm
4VT
VT
V

0,4
= 3,84
Khi chưa có hồi tiếp:  = BEm =
4VT
4.0,026

Khi có hồi tiếp:  ' =
(1 + g m R L ) g
g: độ sâu hồi tiếp: g = 128,01
 Q1
I E1Q 50mA
g m : hỗ dẫn. g m =
=
=
rbe / Q1
VT
26mV

3,84
 '=
=
= 0,18%  0,25%
50
(1 + g m RL ) g
(1 + .8)128,01
25

Trang 17



Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai
7> Mô phỏng bằng Pspice:
7.1> Mô phỏng phân cực BIAS POINT:

Trang 18


Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai

Trang 19


Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai

7.2> Mô phỏng băng thông:

Trang 20


Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai

7.3> Mô phỏng miền thời gian:
Biên độ Vin là 0,775V, tần số f=1kHz.

Trang 21


Thiết kế mạch khuếch đại công suất OTL ngõ vào vi sai
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.

Trang 22