LỜI MỞ ĐẦU Điện tử là một trong những ngành quan trọng góp phần vào sự phát triển của đất nước. Sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ làm cho ngành điện tử ngày càng đạt được nhiều thành tựu mới. Nhu cầu của con người ngày càng cao, đòi hỏi ngành điện tử phải không ngừng phát minh ra các sản phẩm mới có tính ứng dụng cao, có tính năng mới với độ bền cũng như độ ổn định cao. Một điều cơ bản là các sản phẩm đó đều bắt nguồn từ những linh kiện điện tử tương tự như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, diode, transistor.
Có thể nói, mạch khuếch đại âm thanh (Power Amplifier – hay còn gọi là mạch amply) là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của kĩ thuật điện tử. Ngày nay, các bộ tăng âm được cải tiến đến mức hoàn hảo, cho âm thanh trung thực và hiệu suất cao. Mạch khuếch đại công suất âm tần nói chung khá đơn giản, nhưng để làm được một mạch khuếch đại có chất lượng cao không hề đơn giản. Bởi lẽ, bản thân bộ khuếch đại có khả năng tiêu tốn một lượng lớn công suất, nên nó phải được thiết kế sao cho nhiệt độ mà nó tạo ra khi hoạt động ở mức điện áp cao, dòng điện lớn sẽ được tản ra môi trường xung quanh để tránh bị hỏng.
Ngoài ra còn phải tránh sự ảnh hưởng của méo, nhiễu dẫn đến tín hiệu ra không trung thực. Sau hơn 3 năm học, với sự tích lũy kiến thức từ các môn học như: Linh Kiện Điện Tử, Mạch Điện Tử 1 Và Mạch Điên Tử 2 đã cho phép chúng em có thể phân tích và thiết kế một mạch khuếch đại công suất âm tần. Hiện nay mạch khuếch đại âm thanh rất phổ biến trên thị trường, mà tầng khuếch đại công suất được thiết kế sử dụng BJT (hoặc FET) công suất như: mạch khuếch đại OTL (Output Tranformer Les), mạch khuếch đại OCL (Output Capacitor Less), mạch khuếch đại BTL (Bridge Transistor Line Out). Để đơn giản hơn có thể dùng các IC tích hợp như TDA, LA, LM, TL… Ở đây chúng em chọn mạch khuếch đại âm tần đơn giản dùng IC với công suất 40W cho đồ án của mình.
Định nghĩa mạch khuếch đại. Mạch khuếch đại công suất là mạch được thiết kế sao cho cung cấp một lượng lớn công suất cho tải, tức là mạch khuếch đại sẽ tạo ra điện áp cao và dòng điện lớn để tải cần công suất lớn. Mạch khuếch đại công suất được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực điện – điện tử. Ở đây chỉ xét đến mạch khuếch đại công suất dùng trong lĩnh vực âm thanh (hay còn gọi là mạch khuếch đại công suất âm tần).
Mạch khuếch đại công suất âm tần dùng để tạo ra một lượng công suất đủ cung cấp cho tải (thường là loa vì nó đòi hỏi một lượng công suất lớn để biến đổi tín hiệu điện thành sóng âm). Mạch khuếch đại công suất thường được sử dụng rộng rãi trong các máy radio, máy thu hình, máy nghe băng casette, máy tăng âm, các hệ thống stereo, loa phát thanh. Sơ lược về đặc tính của mạch khuếch đại Thông thường một mạch khuếch đại là một thiết bị hoặc linh kiện bất kỳ nào, sử dụng một lượng công suất rất lớn ở đầu vào để điều khiển một luồng công suất lớn ở đầu ra. Trong các ứng dụng thông thường, thuật ngữ này được dùng chủ yếu cho các bộ khuếch đại điện tử và thông thường là các ứng dụng thu và tái tạo âm thanh.
Mối liên quan giữa đầu vào và đầu ra của một bộ khuếch đại thường được diễn giải như là một hàm của tần số được gọi là hàm truyền và biên độ của hàm truyền được gọi là độ lợi. Những đặc tính chung: Hầu hết các mạch khuếch đại được định giá bằng các thông số: • Độ lợi Độ lợi của mạch khuếch đại là tỉ số giữa công suất đầu vào và công suất đưa vào điều khiển, thông thường được tính trên thang đo decibel (dB) 𝑃 G (dB) = 10log 𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛 • Dải động ngõ ra Dải động ngõ ra là một dải biên độ, thường sử dụng đơn vị dB, là khoảng cách giữa tín hiệu lớn nhất và tín hiệu nhỏ nhất mà đầu ra có thể phản ánh được. Vì tín hiệu 9 nhỏ nhất thường bị giới hạn bởi biên độ nhiễu, nên người ta lấy luôn tỉ số giữa biên độ tín hiệu lớn nhất và nhiễu làm dải động ngõ ra. • Băng thông và thời gian đáp ứng của mạch khuếch đại Băng thông của một mạch khuếch đại thường được xác định theo sự khác biệt giữa tần số này còn gọi là băng thông −3 dB.
Trong trường hợp những băng thông ứng với những độ chính xác khác nhau thường phải ghi chú thêm, thí dụ như (−1 dB, −6 dB, v. Thí dụ như một mạch khuếch đại âm tần tốt phải có đáp ứng bằng phẳng từ 20 Hz đến 20 kHz (dải âm thanh mà người ta nghe được), như vậy đáp ứng tần số của nó phải mở rộng thêm ra bên ngoài dải này từ 1 đến 2 bát độ mỗi bên. Thông thường một mạch khuếch đại âm tần tốt có băng thông từ 10 Hz đến 65 kHz. Thời gian đáp ứng (còn gọi là thời gian tăng trưởng) của một mạch khuếch đại là thời gian cần thiết để nâng mức điện áp ngõ ra từ 10% đến 90% tín hiệu đỉnh khi đặt ở đầu vào một điện áp bước (hàm đơn vị).
Nhiều mạch khuếch đại bị giới hạn bởi tốc độ tăng, thường là do trở kháng của mạch dòng điện điều khiển phải chịu hiệu ứng tụ điện ở vài điểm trong mạch. Điều này làm cho băng thông ở công suất lớn nhất sẽ thấp hơn so với đáp ứng tần số ở mức tín hiệu nhỏ. Đối với một mạch đơn giản chỉ có RC, còn gọi là đáp ứng Gauss, thời gian tăng trưởng được tính gần đúng: Tr × BW = 0,35 Trong đó: Tr là thời gian đáp ứng tính bằng giây BW là băng thông tính bằng Hz. • Thời gian trả về và sai số Đó là thời gian để ngõ ra trả về đến một mức nào đó (ví dụ 0,1%) của tín hiệu hoàn chỉnh.
Điều này thường được đặt ra với các mạch khuếch đại trục tung của máy hiện sóng và các mạch khuếch đại trong các hệ thống đo lường chính xác. 10 • Tốc độ đáp ứng Tốc độ đáp ứng là tốc độ thay đổi tín hiệu cao nhất ở ngõ ra, thường được tính bằng volt/giây (hoặc mili giây, micro giây). • Tạp âm Tạp âm (còn gọi là tiếng ồn hay nhiễu) hiển thị số đo có bao nhiêu tạp âm được tạo ra trong quá trình khuếch đại. Tạp âm là những thành phần không mong muốn, nhưng cũng không tránh khỏi của các linh kiện và các thành phần trong mạch.
Nó được đo bằng thang dB hoặc bằng điện áp đỉnh của nhiễu đầu ra, khi không có tín hiệu đầu vào. • Hiệu suất Hiệu suất là một số đo biểu thị mức độ bao nhiêu công suất ở đầu vào đã được chuyển hóa thành năng lượng hữu ích ở đầu ra của mạch khuếch đại. Các mạch khuếch đại lớp A có hiệu suất rất thấp, trong khoảng từ 10 đế 20%, và hiệu suất tối đa là 25%. Các mạch khuếch đại lớp B hiện đại có hiệu suất trong khoảng 35 đến 55%, với hiệu suất cao nhất theo lý thuyết là 78,5%.
Các mạch khuếch đại lớp D tiên tiến sử dụng kỹ thuật điều biến độ rộng xung cho hiệu suất lên đến 97%. Hiệu suất của một mạch khuếch đại giới hạn độ lớn của công suất hữu dụng ở ngõ ra. Lưu ý rằng các mạch khuếch đại có hiệu suất cao sẽ chạy mát hơn, và có thể không cần đến quạt làm mát ngay cả khi thiết kế lên đến nhiều kilowat. • Độ tuyến tính Một mạch khuếch đại lý tưởng phải là một thiết bị tuyến tính hoàn toàn, nhưng những mạch khuếch đại thực tế thường chỉ tuyến tính trong một phạm vi giới hạn nào đó.
Khi tín hiệu được đưa đến đầu vào tăng, thì đầu ra cũng tăng theo cho đến khi đạt đến một điểm mà một linh kiện nào đó trong mạch bị bão hòa, và không thể cho thêm tín hiệu ra. Ta nói tín hiệu bị cắt xén, và đây là một trong những nguyên nhân gây ra méo dạng. Một số mạch khuếch đại được thiết kế để hoạt động theo kiểu chấp nhận giảm bớt độ lợi thay vì phải chịu méo dạng. Kết quả là tín hiệu chịu một hiệu ứng nén, và nếu là tín hiệu âm thanh thì hiệu ứng này không làm thỏa mãn người nghe lắm.
Đối với các mạch khuếch đại này, điểm nén 1 dB được đặt ra, xác định là độ lợi ở tín hiệu 1 dB sẽ nhỏ hơn độ lợi ở các tín hiệu nhỏ. 11 Tuyến tính hóa là một lĩnh vực nổi bật. Có rất nhiều kỹ thuật được sử dụng để giảm bớt méo dạng do không tuyến tính. • Tỉ số tín hiệu trên tạp âm Tỉ số = Tín hiệu / Tạp âm = S / N Trong đó: • S: Tín hiệu hữu ích • N: Tạp âm (nhiễu) • Đáp ứng tần số Đáp ứng tần số (hay dải tần hoạt động của mạch) được định nghĩa là một khoảng tần số mà khi tần số tín hiệu ngõ vào nằm trong khoảng tần số này thì độ khuếch đại của mạch sẽ là cực đại.
Khoảng tần số này được giới hạn bởi: fH: tần số cắt cao. fL: tần số cắt thấp. Hiệu số giữa fH và fL được gọi là băng thông của mạch: BW = fH - fL Hình 1. 1 Đáp ứng tần số của một mạch khuếch đại - Nếu tín hiệu ngõ vào nằm ngoài băng thông của mạch thì độ khuếch đại của mạch sẽ thay đổi theo tần số.
- Nếu tín hiệu ngõ vào ở tần số fH hay fL thì độ khuếch đại của mạch ở tần số đó sẽ giảm đi √2 lần hay suy giảm -3dB với độ lớn cực đại. 12 - Dải tần số hoạt động lý tưởng của mạch khuếch đại âm tần nằm trong khoảng từ 20Hz đến 20 KHz. • Hệ số khuếch đại Hệ số khuếch đại là khả năng khuếch đại của 1 mạch được đặc trưng bằng một thông số gọi là độ lợi khuếch đại. Gồm nhiều loại như: VO • Độ lợi điện áp (AV) : AV = VI IO • Độ lợi dòng điện (AI) : AI = II PO • Độ lợi công suất (AP) : AP = PI • Hiệu suất của mạch khuếch đại (): Hiệu suất của bộ khuếch đại công suất được định nghĩa là tỉ số giữa công suất tín hiệu trung bình được phân bố trên tải với công suất trung bình được kéo từ nguồn: PL (%) = .100% PCC Với: PL: công suất tín hiệu trung bình được phân phối trên tải.