Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật điện tử tương tự, các tầng khuếch đại công suất âm tần đóng vai trò quyết định đến chất lượng tái tạo tín hiệu và hiệu suất chuyển đổi năng lượng của thiết bị đầu cuối. Đồ án môn học "Kỹ thuật mạch tương tự và số" do sinh viên Trần Duy Vỹ và Nguyễn Phúc Ánh (lớp 19DTCLC3, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa) thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Huỳnh Thanh Tùng và thầy Vũ Vân Thanh, tập trung giải quyết bài toán thiết kế, tính toán, mô phỏng và thi công mạch khuếch đại công suất âm thanh cấu trúc OCL (Output Capacitor-Less) ngõ vào đơn sử dụng linh kiện bán dẫn rời rạc.

Bối cảnh thực tiễn được tác giả nêu rõ xuất phát từ sự phát triển của ngành Điện tử - Viễn thông và nhu cầu ứng dụng các thiết bị khuếch đại âm thanh đa tính năng trên thị trường. Các hệ thống âm thanh hiện đại sử dụng phổ biến các cấu trúc mạch khuếch đại như OCL hoặc OTL (Output Transformer-Less), trong đó toàn bộ hoạt động của mạch đều xây dựng trên nền tảng các linh kiện điện tử cơ bản gồm điện trở (R), cuộn cảm (L), tụ điện (C), diode và transistor lưỡng cực (BJT). Mục tiêu trung tâm của đồ án là hiện thực hóa một hệ thống mạch khuếch đại OCL ngõ vào đơn đáp ứng chính xác 7 thông số kỹ thuật được giao:

  1. Cấu trúc mạch: Mạch khuếch đại công suất OCL đơn (ngõ vào đơn, không dùng tụ xuất âm ra tải).
  2. Công suất ra tải ($P_L$): $15\text{ W}$.
  3. Biên độ điện áp tín hiệu vào ($V_i$): $0,7\text{ V}$.
  4. Trở kháng tải loa ($R_L$): $4,\Omega$.
  5. Dải thông tần số (băng thông): $50\text{ Hz} - 15.000\text{ Hz}$.
  6. Trở kháng vào định mức ($Z_i$): $200.000,\Omega$ ($200\text{ k}\Omega$).
  7. Hệ số méo phi tuyến toàn phần ($THD / \gamma'$): $\le 0,2%$.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mạch khuếch đại công suất âm tần OCL ngõ vào đơn sử dụng các transistor BJT rời rạc, bao gồm tầng tiền khuếch đại cực phát chung (CE), tầng thúc (VAS) có tải nguồn dòng tích cực, tầng công suất đẩy kéo bán dẫn bổ phụ mắc cấu trúc Darlington hoạt động ở chế độ AB, cùng khối mạch bảo vệ chống quá tải, chống ngắn mạch tải và mạch bù trở kháng Zobel.

Phạm vi nghiên cứu được xác định theo tiến trình kỹ thuật thực tế từ ngày 18/10/2021 đến ngày 23/12/2021 tại Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng, bao gồm 5 mốc nhiệm vụ: giao đề tài (18/10/2021), tính toán lý thuyết phân cực và tín hiệu (30/10/2021), mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm chuyên ngành (12/11/2021), thi công mạch in phần cứng (08/12/2021), hoàn thiện mạch và bảo vệ đồ án (23/12/2021).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết cấu kiện bán dẫn và nguyên lý thiết kế mạch khuếch đại tín hiệu tương tự nhiều tầng, sử dụng các mô hình giải tích sau:

  • Lý thuyết transistor lưỡng cực (BJT): Mô tả cấu trúc tiếp giáp $p\text{-}n$, nồng độ pha tạp giảm dần từ cực E qua cực C, bề rộng vùng base nhỏ nhất. BJT hoạt động ở ba vùng: vùng ngắt ($BE$ và $BC$ phân cực nghịch), vùng bão hòa ($BE$ và $BC$ phân cực thuận), và vùng tích cực ($BE$ phân cực thuận, $BC$ phân cực nghịch). Dòng điện tuân theo định luật Kirchhoff: $I_E = I_C + I_B$. Các chế độ mắc gồm cực phát chung (CE), cực nền chung (CB) và cực thu chung (CC), với hệ số khuếch đại dòng tương ứng $\beta$ ($h_{fe}$) và $\alpha$ ($h_{fb}$).
  • Mô hình tín hiệu nhỏ BJT: Tách biệt phân tích tĩnh DC (hở mạch tụ, ngắn mạch cuộn cảm để xác định điểm tĩnh $Q$) và phân tích động AC (ngắn mạch tụ, nối mass các nguồn DC) với các tham số: độ dẫn truyền $g_m = 40 \cdot I_C$, trở kháng vào $r_\pi = \beta_0 / g_m$, trở kháng ra $r_o = V_A / I_C$ (với $V_A$ là điện áp Early). Điều kiện đảm bảo chế độ tín hiệu nhỏ: $|v_{be}| \le 5\text{ mV}$ và $|i_c| \le 0,2 \cdot I_C$.
  • Lý thuyết chế độ khuếch đại công suất: Phân tích chế độ A (transistor dẫn trọn chu kỳ $360^\circ$, tuyến tính cao nhưng hiệu suất cực đại lý thuyết chỉ đạt $25% - 50%$), chế độ B (hai transistor bổ phụ dẫn luân phiên từng nửa chu kỳ $180^\circ$, hiệu suất đạt $78,5%$ nhưng xuất hiện méo xuyên tâm tại vùng tiếp giáp $V_{BE} \approx 0,7\text{ V}$), và chế độ AB (phân cực mồi dòng tĩnh nhỏ bằng chuỗi diode để duy trì transistor ở ngưỡng dẫn, loại bỏ méo xuyên tâm mà vẫn đạt hiệu suất cao).
  • Cấu trúc ghép Darlington: Kết hợp hai BJT nhằm tăng tích độ lợi dòng $\beta_{td} = \beta_1 \cdot \beta_2$ và trở kháng vào $R_{in} = \beta_1 \cdot \beta_2 \cdot R_L$, giải quyết mâu thuẫn giữa yêu cầu chịu dòng lớn và suy giảm hệ số khuếch đại dòng của các tranzitor công suất kích thước lớn.
  • Lý thuyết hồi tiếp âm (Negative Feedback): Sử dụng mạch hồi tiếp âm điện áp nối tiếp để ổn định độ lợi vòng kín $A_f = A / (1 + \beta A) \approx 1/\beta$, mở rộng dải tần đáp ứng, giảm thiểu méo phi tuyến và ổn định điểm làm việc trước biến thiên nhiệt độ.
  • Lý thuyết đáp ứng tần số và mạch Zobel: Lựa chọn điện dung tụ liên lạc và tụ thoát xoay chiều theo nguyên tắc suy hao tối thiểu ở tần số cắt thấp: $Z_C \ll R_{td} \implies C \ge 10 / (\omega \cdot R_{td})$. Mạch bù Zobel gồm nhánh RC nối song song tải loa để triệt tiêu thành phần cảm kháng ký sinh của cuộn dây loa ở tần số cao, duy trì trở kháng tải thuần trở ổn định $R_L = 4,\Omega$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm ba bước tuần tự:

  1. Phương pháp giải tích tính toán ngược: Xuất phát từ yêu cầu công suất tải $P_L = 15\text{ W}$ và $R_L = 4,\Omega$ để tính điện áp đỉnh $V_{LP}$, dòng đỉnh tải $I_{LP}$, từ đó xác định điện áp nguồn cung cấp đối xứng $\pm V_{CC}$, công suất tiêu tán, dòng phân cực và giá trị danh định của từng linh kiện từ tầng công suất ngược về tầng tiền khuếch đại.
  2. Phương pháp mô phỏng máy tính: Thiết lập sơ đồ nguyên lý trên phần mềm mô phỏng mạch điện tử, tiến hành phân tích điểm làm việc DC, kiểm tra dạng sóng tức thời bằng dao động ký ảo (Oscilloscope), đo công suất ra tải, phân tích đáp ứng tần số biên độ (Frequency Response), phân tích hài Fourier (Fourier Analysis) và kiểm tra tín hiệu âm thanh ngõ ra (Audio Analysis).
  3. Phương pháp thực nghiệm phần cứng: Chế tạo mạch in (PCB), hàn lắp các linh kiện rời và tinh chỉnh thực tế các biến trở vi chỉnh để mạch đạt trạng thái cân bằng.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm các yêu cầu kỹ thuật do giảng viên hướng dẫn quy định và hệ thống tài liệu thông số kỹ thuật (Datasheet) chính hãng của các linh kiện bán dẫn: diode chỉnh lưu 1N4007, transistor công suất 2SD718 / 2SB688, transistor tầng thúc 2SC2073 / 2SA940, transistor tiền khuếch đại và nguồn dòng 2SA1013, transistor bảo vệ 2SC1815 / 2SA1015.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống mạch OCL ngõ vào đơn được tác giả thiết kế theo cấu trúc liên kết trực tiếp giữa các tầng, loại bỏ tụ ghép liên tầng nhằm cải thiện đáp ứng tần số thấp và loại bỏ hiện tượng lệch pha. Kiến trúc tổng thể bao gồm 5 khối chức năng chính:

  1. Khối nguồn cung cấp đối xứng:

    • Điện áp đỉnh trên tải: $V_{LP} = \sqrt{2 \cdot P_L \cdot R_L} = \sqrt{2 \cdot 15 \cdot 4} \approx 10,95\text{ V}$.
    • Dòng điện cực đại trên tải: $I_{LP} = V_{LP} / R_L = 10,95 / 4 = 2,74\text{ A}$; dòng hiệu dụng $I_{hd} = I_{LP} / \sqrt{2} = 1,94\text{ A}$.
    • Chọn điện áp nguồn cấp: $V_{CC} \ge V_{LP} + V_{CES1} + V_{RE} = 10,95 + 2 + 1 = 13,95\text{ V} \implies$ chuẩn hóa nguồn đối xứng $V_{CC} = \pm 15\text{ V}$.
    • Dòng trung bình cấp từ nguồn: $I_{CC} = I_{LP} / \pi = 2,74 / \pi \approx 0,87\text{ A}$.
    • Công suất nguồn cung cấp: $P_{CC} = 2 \cdot V_{CC} \cdot I_{CC} = 2 \cdot 15 \cdot 0,87 \approx 26\text{ W}$.
    • Hiệu suất năng lượng của mạch: $\eta = (P_L / P_{CC}) \cdot 100% = (15 / 26) \cdot 100% \approx 57,7%$. Công suất tiêu tán nhiệt toàn mạch: $P_{tt} = P_{CC} - P_L = 11\text{ W}$.

  2. Khối tầng công suất đẩy kéo chế độ AB:

    • Cặp BJT công suất xuất âm đối xứng bổ phụ gồm $Q_1$ (loại NPN - 2SD718) và $Q_2$ (loại PNP - 2SB688), hoạt động ở chế độ AB với dòng tĩnh phân cực $I_{E/Q1} = I_{E/Q2} = 50\text{ mA}$ ($0,05\text{ A}$) nhằm loại bỏ hoàn toàn méo xuyên tâm.
    • Điện trở suy giảm nhiệt cực phát: $R_1 = R_2 = 0,22,\Omega / 5\text{W}$, sụt áp cực đại $V_{R1} = 0,825\text{ V}$.
    • Cặp BJT lái (tầng kích) mắc phối hợp Darlington: $Q_3$ (2SC2073) và $Q_4$ (2SA940), định thiên qua các điện trở cực phát $R_3 = R_4 = 220,\Omega / 3\text{W}$.

  3. Khối tầng thúc (VAS) và nguồn dòng phân cực:

    • Tầng khuếch đại điện áp sử dụng transistor $Q_6$ (2SC2073) mắc cực phát chung có điện trở ổn định $R_6 = 33,\Omega$ và $R_7 = 100,\Omega$.
    • Tải tích cực của tầng thúc là nguồn dòng hằng dùng BJT $Q_5$ (2SA1013), phân cực bằng hai diode $D_4, D_5$ (1N4007) và vi trở tinh chỉnh $VR_1 = 200,\Omega$ cùng điện trở $R_5 = 1\text{ k}\Omega / 2\text{W}$, cung cấp dòng ổn định $I_{C/Q5} \approx 13,8\text{ mA}$.
    • Mạch tạo điện áp mồi phân cực cho các BJT công suất gồm 3 diode $D_1, D_2, D_3$ (1N4007) mắc nối tiếp kết hợp biến trở vi chỉnh $VR_2 = 200,\Omega$, tạo sụt áp $V_{B3B4} = 2,42\text{ V}$.

  4. Khối tầng tiền khuếch đại ngõ vào:

    • Sử dụng một transistor đơn $Q_7$ (2SA1013) mắc cực phát chung, phân cực bằng mạng điện trở $R_9 = 300\text{ k}\Omega$, $R_{10} = 600\text{ k}\Omega$, $R_{11} = R_{12} = 100\text{ k}\Omega$ nhằm thiết lập trở kháng vào định mức $Z_i \approx 200\text{ k}\Omega$.
    • Điện trở tải cực thu $R_8 = 1\text{ k}\Omega$, biến trở vi chỉnh phân cực $VR_4 = 2\text{ k}\Omega$, điện trở hồi tiếp âm $R_{13} = 6,8\text{ k}\Omega$ kết hợp vi trở $VR_3 = 1\text{ k}\Omega$ (giá trị tính toán $32,8,\Omega$) để xác lập hệ số khuếch đại vòng kín $A_{Vf} = (R_{13} + VR_3) / VR_3 \approx 11,06$.

  5. Khối bảo vệ và mạch bù Zobel:

    • Mạch bảo vệ quá tải và ngắn mạch tải sử dụng cặp transistor cảm biến dòng $Q_8$ (2SC1815) và $Q_9$ (2SA1015) kết hợp mạng điện trở chia áp $R_{14} = 6,5,\Omega$, $R_{15} = R_{16} = 1\text{ k}\Omega$, $R_{17} = R_{18} = 330,\Omega$, $R_{19} = 2\text{ k}\Omega$. Khi tải bị ngắn mạch, sụt áp trên $R_1, R_2$ tăng vọt kích mở $Q_8, Q_9$ dẫn bão hòa, xả bớt dòng kích cực B của tầng công suất, ghim dòng cực đại và bảo vệ $Q_1, Q_2$ không bị đánh thủng.
    • Mạch lọc Zobel gồm cuộn cảm $L = 1,\mu\text{H}$ và tụ điện $C_1 = 0,47,\mu\text{F}$ mắc song song tải để bù cảm kháng loa ở dải tần số cao.

Toàn bộ thông số linh kiện sau khi tính toán giải tích được tổng hợp tại bảng dưới đây:

Ký hiệu linh kiện Chức năng trong mạch Giá trị danh định / Mã linh kiện
$R_1, R_2$ Điện trở ổn định cực phát tầng công suất $0,22,\Omega / 5\text{W}$
$R_3, R_4$ Điện trở phân cực cực phát cặp transistor lái $220,\Omega / 3\text{W}$
$R_5$ Điện trở định dòng cho nguồn dòng $Q_5$ $1\text{ k}\Omega / 2\text{W}$
$R_6, R_7$ Điện trở cực phát tầng thúc $Q_6$ $R_6 = 33,\Omega$; $R_7 = 100,\Omega$
$R_8$ Điện trở tải tầng tiền khuếch đại $Q_7$ $1\text{ k}\Omega$
$R_9, R_{10}$ Điện trở phân áp xác lập trở kháng ngõ vào $R_9 = 300\text{ k}\Omega$; $R_{10} = 600\text{ k}\Omega$
$R_{11}, R_{12}$ Mạng phân áp cách ly tầng công suất $100\text{ k}\Omega$
$R_{13}$ Điện trở nhánh hồi tiếp âm toàn mạch $6,8\text{ k}\Omega$
$R_{14}$ Điện trở trích mẫu dòng bảo vệ $6,5,\Omega$
$R_{15}, R_{16}$ Điện trở phân cực mạch bảo vệ $1\text{ k}\Omega$
$R_{17}, R_{18}$ Điện trở chia áp cực B transistor bảo vệ $330,\Omega$
$R_{19}$ Điện trở phân cực mạch bảo vệ $2\text{ k}\Omega$
$VR_1$ Vi trở điều chỉnh dòng nguồn dòng hằng $200,\Omega$ (tính toán $50,7,\Omega$)
$VR_2$ Vi trở điều chỉnh điện áp phân cực tĩnh AB $200,\Omega$ (tính toán $45,\Omega$)
$VR_3$ Vi trở điều chỉnh hệ số khuếch đại vòng kín $1\text{ k}\Omega$ (tính toán $32,8,\Omega$)
$VR_4$ Vi trở phân cực tĩnh tầng tiền khuếch đại $2\text{ k}\Omega$ (tính toán $491,\Omega$)
$C_1$ Tụ điện mạch lọc bù Zobel $0,47,\mu\text{F}$
$C_2, C_3$ Tụ liên lạc xoay chiều ngõ vào $1,\mu\text{F}$
$C_4$ Tụ hồi tiếp âm $220,\mu\text{F}$
$C_5$ Tụ thoát xoay chiều cực phát $330,\mu\text{F}$
$C_6$ Tụ lọc tần số cao $10\text{ nF}$
$C_7$ Tụ bù pha chống tự kích $100\text{ pF}$
$D_1, D_2, D_3, D_4, D_5$ Diode phân cực mồi và ổn định nguồn dòng 1N4007
$Q_1, Q_2$ Cặp BJT công suất xuất âm bổ phụ 2SD718 (NPN) / 2SB688 (PNP)
$Q_3, Q_4$ Cặp BJT lái cấu trúc Darlington 2SC2073 (NPN) / 2SA940 (PNP)
$Q_5$ Transistor nguồn dòng hằng tải tích cực 2SA1013 (PNP)
$Q_6$ Transistor tầng thúc khuếch đại điện áp 2SC2073 (NPN)
$Q_7$ Transistor tầng tiền khuếch đại ngõ vào đơn 2SA1013 (PNP)
$Q_8, Q_9$ Transistor khối bảo vệ ngắn mạch và quá tải 2SC1815 (NPN) / 2SA1015 (PNP)

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Lý thuyết - Chương 1: Transistor lưỡng cực (BJT)

Chương này trình bày cơ sở vật lý bán dẫn và các biểu thức giải tích của transistor BJT làm nền tảng cho việc tính toán mạch tương tự. Tác giả phân tích cấu trúc hạt dẫn đa số, cơ chế khuếch tán điện tích từ vùng cực phát qua vùng nền hẹp sang vùng thu, dẫn đến hệ thức dòng $I_E = I_C + I_B$. Các chế độ phân cực được khảo sát chi tiết:

  • Phân cực cố định: Dễ trôi điểm làm việc khi nhiệt độ biến thiên do phụ thuộc trực tiếp vào $\beta$.
  • Phân cực ổn định cực phát có $R_E$: Tạo hồi tiếp âm dòng điện một chiều giúp ghim giữ dòng $I_C$.
  • Phân cực bằng cầu chia điện áp: Sử dụng định lý Thevenin tính nguồn tương đương $V_{BB} = V_{CC} \cdot R_2 / (R_1 + R_2)$ và $R_{BB} = R_1 \parallel R_2$. Đây là phương pháp tối ưu có độ ổn định nhiệt cao nhất, được chọn dùng cho toàn bộ các tầng trong mạch.
  • Phân tích tín hiệu nhỏ AC: Thiết lập sơ đồ tương đương hình $\pi$, cung cấp công thức xác định trở kháng vào $r_\pi$, điện dẫn truyền $g_m$ và trở kháng ra $r_o$ có tính đến điện áp Early $V_A$.

Phần I: Lý thuyết - Chương 2: Các mạch ứng dụng

Chương 2 tổng hợp nguyên lý hoạt động của các khối chức năng cấu thành amply âm tần:

  • Cấu hình cực phát chung (CE) có $R_E$: Đảm nhiệm khuếch đại biên độ điện áp với độ ổn định cao.
  • Cấu hình cực thu chung (CC): Độ lợi điện áp xấp xỉ 1, độ lợi dòng rất lớn, trở kháng vào cao và trở kháng ra rất nhỏ, dùng làm tầng đệm công suất phối hợp tải loa.
  • Ghép nối đa tầng: So sánh ưu khuyết điểm giữa ghép gián tiếp qua tụ điện (dễ tính toán DC nhưng suy giảm đáp ứng tần số thấp) và ghép trực tiếp (loại bỏ tụ liên lạc, đáp ứng tần số tốt từ dải rất thấp nhưng phức tạp trong việc kiểm soát trôi điện áp một chiều liên tầng).
  • Nguồn dòng hằng BJT: Ứng dụng BJT kết hợp diode phân cực để tạo trở kháng ra động cực cao, dùng làm tải tích cực nhằm tối đa hóa hệ số khuếch đại của tầng thúc.
  • So sánh các chế độ công suất: Khảo sát chi tiết đặc tính công suất và hiệu suất của chế độ A, chế độ B và chế độ AB; chứng minh nguyên nhân sinh méo xuyên tâm ở chế độ B do ngưỡng rào thế $V_{BE} \approx 0,7\text{ V}$ và giải pháp dùng diode tạo điện áp mồi ở chế độ AB.
  • Mạch Darlington và hồi tiếp âm: Chứng minh tính chất nhân đôi hệ số dòng $\beta_{td} = \beta_1 \cdot \beta_2$ và công thức ổn định độ lợi vòng kín $A_f \approx 1/\beta$ khi độ lợi vòng hở đủ lớn.
  • Nguyên lý chọn tụ: Thiết lập công thức tính điện dung tối thiểu $C \ge 10 / (\omega \cdot R_{td})$ để đảm bảo suy hao trên tụ nhỏ hơn $10%$ trở kháng xung quanh ở tần số cắt dưới.

Phần 2: Thiết kế - Tính toán thông số mạch và kết quả mô phỏng

Phần này là trọng tâm kỹ thuật của đồ án, hiện thực hóa các công thức giải tích thành các giá trị linh kiện cụ thể và tiến hành đo đạc mô phỏng:

  • Tính toán điện áp và dòng điện: Xác định điện áp đỉnh tải $V_{LP} = 10,95\text{ V}$, dòng đỉnh tải $I_{LP} = 2,74\text{ A}$, nguồn cấp $\pm 15\text{ V}$, công suất nguồn $P_{CC} = 26\text{ W}$, công suất tiêu tán $P_{tt} = 11\text{ W}$, hiệu suất mạch đạt $57,7%$.
  • Phân cực tầng công suất AB: Dòng tĩnh $I_{E} = 50\text{ mA}$, điện trở phát $R_1 = R_2 = 0,22,\Omega / 5\text{W}$, chọn cặp transistor xuất âm $Q_1$ (2SD718) và $Q_2$ (2SB688) có thông số chịu đựng $V_{CEO} \ge 30\text{ V}$, dòng $I_C \ge 5,5\text{ A}$.
  • Tính toán tầng kích và tầng thúc: Tầng kích dùng cặp $Q_3$ (2SC2073) / $Q_4$ (2SA940). Tầng thúc dùng $Q_6$ (2SC2073) có hệ số khuếch đại điện áp riêng phần $A_{v6} = -46,2$, tải nguồn dòng $Q_5$ (2SA1013) cung cấp dòng hằng $13,8\text{ mA}$.
  • Tính toán tầng ngõ vào và hồi tiếp: Transistor $Q_7$ (2SA1013) có độ lợi điện áp riêng phần $A_{v7} = -4,5$. Mạch hồi tiếp âm toàn phần xác lập hệ số khuếch đại vòng kín $A_{Vf} = 11,06$.
  • Tính toán bảo vệ và kiểm tra méo: Thiết kế mạch bảo vệ $Q_8, Q_9$ kích hoạt khi dòng tải vượt ngưỡng; tính toán kiểm tra hệ số méo phi tuyến khi có hồi tiếp âm thu được $\gamma' = 0,0008% \ll 0,2%$, hoàn toàn thỏa mãn chỉ tiêu đề ra.
  • Kết quả đo đạc mô phỏng: Tiến hành trên các công cụ phân tích tín hiệu:
    • Đo dao động ký (Oscilloscope): Dạng sóng điện áp trên tải đạt dạng hình sin chuẩn, không bị méo xuyên tâm, không bị xén đỉnh biên độ.
    • Kết quả phân tích tương tự (Analogue Analysis): Điểm tĩnh điện áp một chiều tại ngõ ra loa ghim chính xác ở mức $0\text{ V}$ (cân bằng đối xứng).
    • Đo công suất ra tải: Giá trị công suất đo được đạt $P = 15,1905\text{ W} \approx 15\text{ W}$, khớp với yêu cầu đề tài.
    • Khảo sát đáp ứng tần số (Frequency Response): Đường đặc tuyến biên độ bằng phẳng trong suốt dải tần $50\text{ Hz} - 15.000\text{ Hz}$.
    • Phân tích phổ Fourier (Fourier Analysis) và kiểm tra âm thanh (Audio Analysis): Xác nhận sóng hài bậc cao suy giảm mạnh và tín hiệu âm thanh ngõ ra phát ra rõ ràng, đạt chuẩn.

Phần 3: Tra cứu thông số linh kiện (Datasheet)

Phần cuối của đồ án tập hợp các tài liệu tra cứu thông số kỹ thuật chuẩn của các linh kiện bán dẫn được sử dụng trong thiết kế, bao gồm:

  • Diode 1N4007: Dòng chỉnh lưu định mức $1\text{ A}$, điện áp ngược cực đại $1000\text{ V}$.
  • Transistor 2SA1015 / 2SC1815: Cặp transistor tín hiệu nhỏ bổ phụ, dòng cực thu tối đa $150\text{ mA}$, điện áp $V_{CEO} = 50\text{ V}$, dùng cho khối mạch bảo vệ.
  • Transistor 2SB688 / 2SD718: Cặp transistor công suất bổ phụ âm tần chuyên dụng dạng vỏ TO-3P, công suất tiêu tán tối đa $80\text{ W}$, dòng cực thu định mức $8\text{ A}$, điện áp chịu đựng $V_{CEO} = 120\text{ V}$.
  • Transistor 2SA1013: Transistor PNP có điện áp đánh thủng cao $V_{CEO} = 160\text{ V}$, dòng $I_C = 1\text{ A}$, công suất $P_C = 900\text{ mW}$, phù hợp làm tầng tiền khuếch đại và nguồn dòng.
  • Transistor 2SC2073 / 2SA940: Cặp BJT trung công suất bổ phụ dạng vỏ TO-220, điện áp $V_{CEO} = 150\text{ V}$, dòng $I_C = 1,5\text{ A}$, công suất $P_C = 25\text{ W}$, dùng cho tầng thúc và tầng kích Darlington.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành toàn diện việc thiết kế, tính toán giải tích, mô phỏng và thi công thực nghiệm mạch khuếch đại công suất OCL ngõ vào đơn. Các chỉ tiêu kỹ thuật đạt được khi đối chiếu giữa yêu cầu đề bài và kết quả thực hiện được thể hiện chi tiết trong bảng tổng hợp sau:

Thông số kỹ thuật Yêu cầu thiết kế Kết quả tính toán & mô phỏng Đánh giá
Cấu trúc mạch OCL ngõ vào đơn Mạch OCL đơn, liên kết trực tiếp, tải nối đất trực tiếp Đạt yêu cầu
Công suất ra tải ($P_L$) $15\text{ W}$ Đo đạc mô phỏng đạt $P = 15,1905\text{ W}$ Đạt yêu cầu
Điện áp ngõ vào ($V_i$) $0,7\text{ V}$ $0,7\text{ V}$ (biên độ hiệu dụng) Đạt yêu cầu
Trở kháng tải ($R_L$) $4,\Omega$ $4,\Omega$ (loa thử nghiệm) Đạt yêu cầu
Dải thông tần số $50\text{ Hz} - 15.000\text{ Hz}$ Đáp ứng biên độ phẳng đều trên dải $50\text{ Hz} - 15.000\text{ Hz}$ Đạt yêu cầu
Trở kháng vào ($Z_i$) $200.000,\Omega$ Phân áp ngõ vào xác lập $Z_i \approx 200\text{ k}\Omega$ Đạt yêu cầu
Hệ số méo phi tuyến $\le 0,2%$ Tính toán lý thuyết có hồi tiếp đạt $\gamma' = 0,0008%$ Đạt yêu cầu
Điện áp nguồn cấp Không quy định trước Xác lập đối xứng $V_{CC} = \pm 15\text{ V}$, công suất $P_{CC} = 26\text{ W}$ Đạt yêu cầu
Hiệu suất năng lượng Không quy định trước Đạt $\eta = 57,7%$ ở chế độ AB Tối ưu

Các giải pháp kỹ thuật cụ thể do nhóm tác giả đề xuất và áp dụng bao gồm:

  • Sử dụng các biến trở vi chỉnh ($VR_1, VR_2, VR_3, VR_4$) tại các vị trí phân cực then chốt, cho phép kỹ sư linh hoạt điều chỉnh điểm làm việc tĩnh DC, ghim điện áp ngõ ra tại $0\text{ V}$ và bù sai số linh kiện thực tế khi thi công phần cứng.
  • Tích hợp khối bảo vệ điện tử tích cực gồm hai transistor $Q_8, Q_9$ cảm biến sụt áp trên điện trở cực phát $R_1, R_2$. Trong tình huống ngắn mạch tải (khi dòng ngắn mạch lý thuyết có thể đạt $I_{R1\max} = V_{CC} / R_1 = 15 / 0,22 = 68,18\text{ A}$), mạch bảo vệ sẽ dẫn dòng giải phóng cho tầng lái, ngăn ngừa nguy cơ phá hủy cặp BJT công suất $Q_1, Q_2$.
  • Lắp đặt mạng lọc Zobel ($L = 1,\mu\text{H}, C_1 = 0,47,\mu\text{F}$) tại ngõ ra để ổn định tải cảm kháng của loa ở vùng tần số cao.

Đóng góp chính của đồ án là đã cung cấp một quy trình tính toán kỹ thuật hoàn chỉnh, chuẩn xác theo phương pháp giải tích từ ngõ ra về ngõ vào cho mạch khuếch đại công suất âm tần rời rạc OCL; đồng thời chứng minh tính khả thi của lý thuyết thông qua việc kiểm chứng đa chiều bằng mô phỏng chuyên sâu và thi công mạch in thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù đã hoàn thành các chỉ tiêu kỹ thuật được giao, tác giả cũng thẳng thắn thừa nhận các hạn chế tồn tại do hạn chế về mặt thời gian và kiến thức:

  • Cấu trúc tầng ngõ vào: Tầng tiền khuếch đại mới chỉ sử dụng cấu hình ngõ vào đơn cực phát chung (transistor $Q_7$). Văn bản nêu rõ: trong thực tế tầng tiền khuếch đại của amply công suất thường sử dụng cấu trúc khuếch đại vi sai đối xứng nhằm triệt tiêu nhiễu đồng pha (CMRR) và giữ điện áp DC ngõ ra ổn định tuyệt đối tại mức $0\text{ V}$; tuy nhiên do giới hạn của đề tài ngõ vào đơn nên mạch chưa khai thác được ưu điểm này.
  • Phân tích đáp ứng tần số cao: Đồ án tập trung khảo sát đáp ứng tần số thấp do các tụ điện liên lạc và tụ phân dòng quyết định, đồng thời giản lược không tính toán chi tiết đáp ứng tần số cao do cho rằng các tụ ký sinh bên trong BJT chỉ tác động ở dải tần số từ vài trăm kHz trở lên, vượt ngoài dải âm tần $15\text{ kHz}$.
  • Tối ưu hóa nhiệt và mạch thực tế: Báo cáo tự nhận định chưa thể tối ưu hóa triệt để bo mạch phần cứng đã thi công, đặc biệt là cơ chế bù nhiệt độ trực tiếp cho cặp transistor công suất (như gắn tiếp xúc nhiệt giữa chuỗi diode phân cực mồi với cánh tản nhiệt của BJT công suất).

Các hướng mở rộng tiếp theo từ tài liệu bao gồm:

  • Nâng cấp tầng tiền khuếch đại ngõ vào thành mạch vi sai đối xứng sử dụng nguồn dòng hằng gương để tăng khả năng chống nhiễu và kiểm soát trôi điện áp DC ngõ ra.
  • Thiết kế hoàn thiện hệ thống tản nhiệt cưỡng bức và mạch cảm biến nhiệt bảo vệ nhiệt độ cho cặp tranzitor công suất 2SD718 / 2SB688 khi vận hành liên tục ở công suất cực đại.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Cơ điện tử khi thực hiện đồ án môn học "Kỹ thuật mạch điện tử", "Mạch tương tự", hoặc các bài tập lớn thiết kế mạch khuếch đại âm tần dùng linh kiện rời.
  • Kỹ sư thiết kế phần cứng tương tự cần tài liệu tra cứu quy trình tính toán phân cực, lựa chọn thông số linh kiện theo công suất tải định mức và phương pháp ghép tầng Darlington trong amply công suất.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong đồ án gồm:

  • Phương pháp tính toán giải tích ngược từ tải $R_L$ và công suất yêu cầu $P_L$ để xác lập điện áp nguồn cấp đối xứng $V_{CC}$, dòng đỉnh và công suất tiêu tán trên từng tranzitor.
  • Sơ đồ nguyên lý và công thức tính toán mạng điện trở cho mạch bảo vệ chống ngắn mạch tải và mạch bù trở kháng loa Zobel.
  • Bộ thông số linh kiện chuẩn xác đã được kiểm chứng hoạt động tốt qua mô phỏng và thi công phần cứng thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Mạch khuếch đại công suất trong đồ án sử dụng cấu hình nguồn cung cấp nào và giá trị điện áp bằng bao nhiêu?
Mạch sử dụng cấu hình nguồn đối xứng hai cực tính không nối đất trực tiếp ngõ ra qua tụ, với giá trị danh định $V_{CC} = \pm 15\text{ V}$. Mức điện áp này được tính toán từ điện áp đỉnh trên tải $V_{LP} = 10,95\text{ V}$ cộng thêm độ sụt áp bão hòa $V_{CES1} \le 2\text{ V}$ và sụt áp trên điện trở cực phát $V_{RE} \le 1\text{ V}$, cho ra điện áp tính toán tối thiểu $13,95\text{ V}$ và được làm tròn chuẩn hóa thành $\pm 15\text{ V}$.

2. Vì sao tầng công suất $Q_1, Q_2$ được chọn hoạt động ở chế độ AB thay vì chế độ B thuần túy?
Tầng công suất được chọn hoạt động ở chế độ AB với dòng tĩnh phân cực $50\text{ mA}$ nhằm loại bỏ hoàn toàn hiện tượng méo xuyên tâm (crossover distortion). Ở chế độ B thuần túy, do các transistor đều có ngưỡng điện áp kích mở rào thế $V_{BE} \approx 0,7\text{ V}$ nên khi tín hiệu vào ở lân cận điểm $0\text{ V}$, cả hai BJT đều ngưng dẫn, tạo ra khoảng ngắt tín hiệu ngõ ra. Chế độ AB sử dụng chuỗi 3 diode kết hợp biến trở tạo điện áp mồi $2,42\text{ V}$, đưa các transistor vào trạng thái sẵn sàng dẫn mà vẫn bảo toàn hiệu suất cao ($57,7%$).

3. Mạch lọc Zobel trong đồ án có chức năng gì và thông số linh kiện được chọn ra sao?
Mạch lọc Zobel được mắc song song với loa nhằm bù trừ cảm kháng ký sinh của cuộn dây loa ở dải tần số cao. Do cuộn cảm của loa làm trở kháng tăng dần theo tần số khiến tín hiệu ngõ ra mất ổn định, mạch Zobel tạo một nhánh dung kháng bù lại sự thay đổi này. Dựa trên trở kháng loa $R_L = 4,\Omega$ và điện cảm ký sinh giả định $L = 1,\mu\text{H}$, điện dung tính toán là $C = L / R_L^2 = 1,\mu\text{H} / 4^2 = 62,5\text{ nF}$, và tác giả đã chuẩn hóa chọn tụ $C_1 = 0,47,\mu\text{F}$.

4. Khối bảo vệ ngắn mạch tải hoạt động theo nguyên lý nào khi xảy ra sự cố chập tải?
Khối bảo vệ sử dụng hai transistor $Q_8$ (2SC1815) và $Q_9$ (2SA1015). Ở trạng thái bình thường, sụt áp trên hai điện trở phát $R_1, R_2$ ($0,22,\Omega$) nhỏ nên $Q_8, Q_9$ tắt hoàn toàn. Khi xảy ra sự cố chập tải hoặc không tải, dòng chạy qua $R_1, R_2$ tăng vọt tạo sụt áp lớn kích mở $Q_8, Q_9$ dẫn bão hòa, từ đó chuyển hướng và triệt tiêu dòng kích cấp vào cực B của tầng công suất $Q_1, Q_2$, ngăn ngừa nguy cơ hỏng linh kiện do quá dòng hoặc quá nhiệt.

5. Kết quả đo đạc công suất ra tải trên phần mềm mô phỏng đạt giá trị bao nhiêu so với yêu cầu đề tài?
Kết quả đo đạc công suất thực tế trên phần mềm mô phỏng đạt $P = 15,1905\text{ W}$ trên tải loa $4,\Omega$, bám sát và đáp ứng chính xác chỉ tiêu công suất thiết kế được giao là $15\text{ W}$.

Kết luận

Đồ án "Mạch khuếch đại công suất OCL ngõ vào đơn" của sinh viên Trần Duy Vỹ và Nguyễn Phúc Ánh là một công trình thiết kế kỹ thuật phần cứng tương tự hoàn chỉnh, giải quyết trọn vẹn bài toán từ cơ sở lý thuyết, tính toán giải tích phân cực đến mô phỏng kiểm chứng và chế tạo mạch in thực tế. Hệ thống đạt công suất ra tải $15,19\text{ W}$, hoạt động ổn định trên dải tần $50\text{ Hz} - 15.000\text{ Hz}$ với hệ số méo phi tuyến lý thuyết chỉ $0,0008%$, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật của môn học Kỹ thuật mạch tương tự và số. Mặc dù còn hạn chế ở cấu trúc ngõ vào đơn và việc khảo sát đáp ứng tần số cao, đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng cao cho sinh viên ngành Điện tử - Viễn thông trong việc nghiên cứu và thiết kế các tầng khuếch đại âm tần rời rạc.