Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật âm thanh tương tự (analog audio), các mạch khuếch đại công suất đóng vai trò quyết định đến chất lượng tái tạo tín hiệu và hiệu suất chuyển đổi năng lượng tại tầng chấp hành (tải loa). Mạch khuếch đại công suất OTL (Output Transformerless - khuếch đại không dùng biến áp xuất âm) là một trong những giải pháp kinh điển, loại bỏ được các nhược điểm cố hữu của biến áp xuất âm như cồng kềnh, tổn hao cảm kháng ở tần số cao và méo phi tuyến ở tần số thấp.

Đề tài "Thiết kế mạch OTL ngõ vào đơn" được thực hiện trong khuôn khổ học phần Đồ án Điện tử tại Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng (năm 2021). Nhóm sinh viên thực hiện gồm Lê Tuấn Anh, Đỗ Thành Đạt và Lê Hải Đăng Lâm (Lớp 18DT2) dưới sự hướng dẫn của giảng viên Huỳnh Thanh Tùng. Nhiệm vụ trọng tâm của đồ án là tính toán lý thuyết, lựa chọn linh kiện bán dẫn, xây dựng sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh và mô phỏng kiểm nghiệm mạch khuếch đại âm tần OTL đơn nguồn đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật khắt khe.

Các yêu cầu kỹ thuật và chỉ tiêu thiết kế định lượng được đặt ra bao gồm:

Thông số kỹ thuật Giá trị yêu cầu
Kiểu cấu trúc mạch OTL (Output Transformerless), ngõ vào đơn
Công suất hiệu dụng danh định ($P_L$) $15\text{ W}$
Trở kháng tải loa ($R_L$) $4\ \Omega$
Điện áp ngõ vào danh định ($V_{in}$) $0,7\text{ V}$
Trở kháng ngõ vào ($Z_{in}$) $200\text{ k}\Omega$
Dải tần số công tác ($F_{min} - F_{max}$) $50\text{ Hz} - 15.000\text{ Hz}$
Hệ số méo phi tuyến ($\gamma$) $\le 0,2%$

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc mô hình hóa các tầng khuếch đại Transistor lưỡng cực (BJT), phân tích mạch khuếch đại vi sai ngõ vào đơn, tầng lái, mạch định thiên chống méo xuyên tâm, tầng công suất đẩy kéo bổ phụ và mạch hồi tiếp âm nhằm ổn định hệ thống. Tiến độ triển khai được giám sát qua 5 giai đoạn: giao đề tài (24/02/2021), tính toán lý thuyết (07/04/2021), mô phỏng (14/04/2021), thi công (21/04/2021) và hoàn thiện báo cáo (01/08/2021).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết nền tảng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết nền tảng về vật lý bán dẫn và mạch điện tử analog:

  1. Lý thuyết phân cực và ổn định nhiệt BJT: Khảo sát điểm làm việc tĩnh Q ($I_C, V_{CE}$) trên đường tải tĩnh/động đối với các chế độ phân cực cố định, phân cực hồi tiếp cực Emitter, phân cực phân áp và phân cực hồi tiếp Collector.
  2. Lý thuyết các chế độ công tác của tầng công suất:
    • Chế độ A: Transistor dẫn trong toàn bộ chu kỳ $360^\circ$, méo dạng thấp nhất nhưng hiệu suất cực đại chỉ đạt $25%$.
    • Chế độ B: Transistor dẫn trong một bán kỳ $180^\circ$, hiệu suất lý thuyết đạt $78,5%$, tuy nhiên xuất hiện hiện tượng méo xuyên tâm (cross-over distortion) do vùng điện áp ngưỡng $V_{BE} \approx 0,6 - 0,7\text{ V}$.
    • Chế độ AB: Phân cực điểm tĩnh $Q$ nằm gần vùng ngưng dẫn, kết hợp ưu điểm hiệu suất cao của chế độ B và khả năng triệt tiêu méo xuyên tâm của chế độ A.
  3. Lý thuyết hệ thống hồi tiếp âm (Negative Feedback): Ứng dụng hồi tiếp âm điện áp nối tiếp và hồi tiếp âm dòng điện nhằm mở rộng dải thông, giảm méo phi tuyến, tăng trở kháng ngõ vào ($Z_{in}$) và ổn định hệ số khuếch đại toàn vòng ($A_{vht}$).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp giải tích kỹ thuật: Thiết lập hệ phương trình toán học giải tích cho từng tầng mạch (nguồn cấp, tầng vào, tầng tiền thúc, tầng thúc và tầng công suất), tính toán giá trị dòng điện, điện áp, công suất tiêu tán cực đại ($P_{tt\max}$) và dung lượng các tụ liên lạc/xuất âm.
  • Phương pháp tra cứu thông số linh kiện (Datasheet): Đối chiếu các giá trị tính toán lý thuyết với chỉ số giới hạn ($V_{CEO}, I_C, P_C, f_T, \beta$) từ nhà sản xuất của các linh kiện bán dẫn như 2SC5200, 2SA1943, 2SC2073, 2SA940, 2SA1013, 2SC2383 và 1N4007.
  • Phương pháp mô phỏng kiểm chứng: Ứng dụng phần mềm mô phỏng mạch điện tử chuyên dụng Proteus để phân tích đáp ứng quá độ, khảo sát dạng sóng ngõ ra với tín hiệu sin $1\text{ kHz} - 0,5\text{ V}_{pp}$ và đánh giá độ ổn định của hệ thống.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Khuếch đại tín hiệu nhỏ

Chương này khảo sát các phương pháp phân cực và cấu hình mắc cơ bản của Transistor lưỡng cực (BJT) ở miền tín hiệu nhỏ:

  • Phân cực BJT: Đánh giá 4 sơ đồ phân cực chính:
    • Phân cực cố định: Dòng ra lớn nhưng điểm làm việc $Q$ rất nhạy cảm với sự biến thiên nhiệt độ và hệ số khuếch đại dòng $\beta$.
    • Phân cực hồi tiếp Emitter: Bổ sung điện trở $R_e$ tạo hồi tiếp âm dòng điện cục bộ, nâng cao độ ổn định tĩnh.
    • Phân cực bằng cầu phân áp: Ổn định điểm làm việc $Q$ tốt nhất, gần như không phụ thuộc vào tham số $\beta$ của BJT.
    • Phân cực hồi tiếp Collector: Sử dụng điện trở nối từ cực $C$ về cực $B$ để tự điều chỉnh phân cực khi dòng tải thay đổi.
  • Các cách mắc BJT:
    • Emitter chung (EC): Hệ số khuếch đại áp và dòng đều ở mức trung bình, tín hiệu vào/ra ngược pha ($180^\circ$), thích hợp cho tầng tiền khuếch đại và tầng thúc.
    • Collector chung (CC - Emitter Follower): Hệ số khuếch đại điện áp xấp xỉ 1 ($A_v \approx 1$), hệ số khuếch đại dòng lớn, trở kháng vào cao, trở kháng ra thấp, tối ưu cho tầng phối hợp trở kháng và tầng xuất công suất.
    • Base chung (BC): Khuếch đại điện áp lớn, không khuếch đại dòng ($A_i < 1$), trở kháng vào nhỏ, ứng dụng ở các mạch dải tần cao.

Chương 2: Hồi tiếp

Chương 2 phân tích định lượng và định tính về vai trò của mạch hồi tiếp trong xử lý tín hiệu analog:

  • Nguyên lý hồi tiếp: Khi có hồi tiếp, hệ số khuếch đại toàn phần xác định theo biểu thức: $$K' = \frac{K}{1 + K \cdot K_{ht}}$$ với $g = 1 + K \cdot K_{ht}$ là độ sâu hồi tiếp.
  • Tác động của hồi tiếp âm: Giảm hệ số khuếch đại đi $g$ lần, đồng thời làm giảm độ méo phi tuyến $g$ lần ($\gamma' = \frac{\gamma}{g}$), giảm thiểu tạp âm nhiễu, mở rộng dải tần công tác và điều chỉnh linh hoạt trở kháng vào/ra tùy thuộc vào cấu hình ghép (nối tiếp làm tăng $Z_{in}$, song song làm giảm $Z_{in}$; lấy áp làm giảm $Z_{out}$, lấy dòng làm tăng $Z_{out}$).
  • Ứng dụng thực tế trong mạch OTL:
    • Hồi tiếp âm DC toàn mạch: Cố định điện áp một chiều tại điểm giữa (trung điểm ngõ ra) ở mức $V_{CC}/2$, ngăn chặn trôi điểm tĩnh khi nhiệt độ môi trường thay đổi.
    • Hồi tiếp âm AC toàn mạch: Giữ độ lợi vòng kín ổn định ở mức mong muốn ($A_{vht} \approx 11$ lần), bù trừ độ phi tuyến của các tiếp giáp BJT công suất.

Chương 3: Khuếch đại công suất

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình tính toán thiết kế giải tích cho mạch OTL ngõ vào đơn công suất $15\text{ W}$, tải $4\ \Omega$:

  • Tính toán điện áp nguồn cung cấp ($V_{CC}$):
    • Điện áp đỉnh trên tải: $V_L = \sqrt{2 \cdot P_L \cdot R_L} = \sqrt{2 \cdot 15 \cdot 4} = 11\text{ V}$.
    • Dòng điện đỉnh qua tải: $I_L = \frac{V_L}{R_L} = \frac{11}{4} = 2,74\text{ A}$.
    • Chọn hệ số sử dụng điện áp nguồn $\xi = 0,8 \Rightarrow V_{CC} = \frac{2 \cdot V_L}{\xi} = \frac{22}{0,8} = 27,4\text{ V}$. Chọn chuẩn nguồn đơn $V_{CC} = 30\text{ V}$.
  • Tính chọn cặp BJT công suất $Q_1$ (NPN) và $Q_2$ (PNP):
    • Dòng tĩnh chọn $I_{EQ} = 50\text{ mA}$; dòng đỉnh cực đại $I_{Ep} = I_{EQ} + I_L = 0,05 + 2,74 = 2,79\text{ A}$.
    • Công suất tiêu tán cực đại trên một transistor công suất: $P_{tt\Sigma\max} = P_{tt\max} + P_{DC} = 5,407\text{ W} + 0,75\text{ W} = 6,175\text{ W}$.
    • Điều kiện linh kiện: $I_C > (1,5 \div 2)I_{Ep} = (4,18 \div 5,58)\text{ A}$; $V_{CEO} > (1,5 \div 2)V_{CC} = (45 \div 60)\text{ V}$; $P_C > 12,35\text{ W}$.
    • Tra cứu Datasheet lựa chọn cặp BJT bổ phụ công suất cao: 2SC5200 ($Q_1$) và 2SA1943 ($Q_2$).
  • Điện trở ổn định nhiệt $R_1, R_2$:
    • Chọn sụt áp $V_{R1} \ge \frac{V_L}{20} = 0,55\text{ V} \Rightarrow R_1 = R_2 = \frac{0,55}{2,79} \approx 0,197\ \Omega$. Chọn chuẩn $0,22\ \Omega\ (5\text{ W})$ hoặc $0,47\ \Omega$.
  • Tính chọn cặp transistor tiền công suất/lái $Q_3, Q_4$:
    • Dòng cực phát đỉnh $I_{Ep/Q3} = 28,33\text{ mA}$; công suất tiêu tán cực đại $P_{tt\Sigma\max/Q3} = 0,2064\text{ W}$.
    • Chọn cặp bổ phụ 2SC2073 ($Q_3$) và 2SA940 ($Q_4$) cùng các điện trở định thiên $R_3 = R_4 = 220\ \Omega$.
  • Tầng định thiên chống méo xuyên tâm:
    • Chuỗi 3 diode $D_3, D_4, D_5$ (1N4007) kết hợp biến trở vi chỉnh $VR_2 = 50\ \Omega$ ghim điện áp chênh lệch tĩnh $V_{B1B2Q} = 2,422\text{ V}$, đảm bảo các mối nối B-E của $Q_1, Q_2, Q_3, Q_4$ luôn ở trạng thái chuẩn bị dẫn (chế độ AB).
  • Transistor nguồn dòng $Q_5$ và tầng thúc $Q_6$:
    • $Q_5$ (chế độ A, làm nguồn dòng không đổi $I_{CQ5} = 7\text{ mA}$): sử dụng 2SA1013 phối hợp với cặp diode ghim áp $D_1, D_2$ (1N4007), điện trở $R_6 = 5,1\text{ k}\Omega$ và biến trở $VR_1 = 200\ \Omega$ (dùng căn chỉnh điện áp trung điểm $V_{CC}/2$).
    • $Q_6$ (chế độ A, tầng khuếch đại điện áp chính và đảo pha): chọn 2SC2383, điện trở định thiên $R_8 = 180\ \Omega$, $R_7 = (9 \div 18)\ \Omega$.
  • Tầng nhận tín hiệu ngõ vào $Q_7$:
    • Transistor 2SA1013 hoạt động ở chế độ A, dòng tĩnh $I_{CQ7} = 0,4667\text{ mA}$, tính toán các điện trở phân cực $R_9 = 8,2\text{ k}\Omega$, $R_{10} = 5,1\text{ k}\Omega$, $R_{11} = 3,3\text{ k}\Omega$, $R_{12} = 600\text{ k}\Omega$.
  • Mạch hồi tiếp âm toàn phần và biến trở $VR_3$:
    • Hệ số khuếch đại vòng hở $A_{v0} = 23.760$. Để đạt hệ số khuếch đại vòng kín $A_{vht} \approx 11$, thiết lập mạch hồi tiếp qua $R_9$ và $VR_3$, tính toán được $VR_3 = 810\ \Omega \Rightarrow$ chọn biến trở $VR_3 = 1000\ \Omega$ vi chỉnh.
  • Tính toán hệ thống tụ điện:
    • Tụ liên lạc ngõ vào: $C_1 = 0,32\ \mu\text{F}/50\text{V}$ (tần số cắt $f_c < 50\text{ Hz}$).
    • Tụ lọc nguồn tầng đầu: $C_2 = 2,7\ \mu\text{F}/50\text{V}$.
    • Tụ thoát xoay chiều mạch hồi tiếp: $C_3 = 470\ \mu\text{F}/50\text{V}$.
    • Tụ thoát cực Emitter tầng thúc: $C_4 = 350\ \mu\text{F}/50\text{V}$.
    • Tụ xuất âm đưa tín hiệu ra tải: $C_L = 10.000\ \mu\text{F}/50\text{V}$ (đảm bảo dung kháng $X_{CL} \ll R_L$ tại tần số $50\text{ Hz}$).
  • Mạch lọc bù pha Zobel ($C_5, R_5$):
    • Khắc phục hiện tượng tăng cảm kháng của cuộn dây loa tại tần số cao ($Z_L = R_L + j\omega L$). Tính chọn $R_5 = 4,7\ \Omega$, $C_5 = 10\text{ nF}$ mắc song song với tải để ổn định trở kháng tải luôn thuần trở ở tần số cao.

Thiết kế và triển khai

Sơ đồ phân tầng kiến trúc mạch OTL

Mạch được cấu thành từ 5 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

  1. Tầng vào (Input Stage - $Q_7$): Tiếp nhận tín hiệu từ nguồn phát, phối hợp trở kháng ngõ vào ($Z_{in} = 200\text{ k}\Omega$) và tạo điểm tiếp nhận tín hiệu hồi tiếp âm.
  2. Tầng tiền thúc / Khuếch đại điện áp (VAS - $Q_6$): Nâng biên độ điện áp tín hiệu lên mức đủ lớn để điều khiển tầng công suất.
  3. Tầng nguồn dòng ổn định ($Q_5$): Cung cấp dòng phân cực tĩnh cố định cho $Q_6$ và ghim áp tầng lái, tăng trở kháng tải xoay chiều động.
  4. Tầng kích / Lái Darlington bổ phụ ($Q_3, Q_4$): Tăng cường hệ số khuếch đại dòng điện cho tầng công suất.
  5. Tầng công suất đẩy kéo đối xứng ($Q_1, Q_2$): Hoạt động ở chế độ AB, cung cấp dòng điện cực đại $2,74\text{ A}$ ra tải loa $4\ \Omega$ qua tụ xuất âm $C_L$.
[Ngõ vào Vin] ---> [Tầng vào Q7] ---> [Tầng thúc VAS Q6] ---> [Tầng lái Q3/Q4] ---> [Tầng công suất Q1/Q2] ---> [Tụ xuất âm CL] ---> [Tải Loa 4 Ohm]
                         ^                                           ^                                                 |
                         |                                    [Nguồn dòng Q5]                                          |
                         |                                    [Ghim áp D3-D5]                                          |
                         +----------------------------- [Mạch hồi tiếp âm VR3, R9] <-----------------------------------+

Bảng tổng hợp giá trị linh kiện và chức năng

Ký hiệu Loại linh kiện / Thông số Vai trò chức năng trong mạch
$Q_1$ Transistor NPN 2SC5200 BJT công suất bán kỳ dương (chế độ AB)
$Q_2$ Transistor PNP 2SA1943 BJT công suất bán kỳ âm (chế độ AB)
$Q_3$ Transistor NPN 2SC2073 BJT tầng lái bán kỳ dương
$Q_4$ Transistor PNP 2SA940 BJT tầng lái bán kỳ âm
$Q_5$ Transistor PNP 2SA1013 Nguồn dòng không đổi cố định ($7\text{ mA}$) cho tầng thúc
$Q_6$ Transistor NPN 2SC2383 Tầng khuếch đại điện áp tín hiệu lớn và đảo pha
$Q_7$ Transistor PNP 2SA1013 Tầng tiền khuếch đại tín hiệu nhỏ ngõ vào
$D_1, D_2$ Diode 1N4007 Ghim áp phân cực cho nguồn dòng $Q_5$
$D_3, D_4, D_5$ Diode 1N4007 Ghim áp tĩnh phân cực B-E cho $Q_1, Q_2, Q_3, Q_4$ chống méo xuyên tâm
$R_1, R_2$ $0,22\ \Omega\ (5\text{ W})$ hoặc $0,47\ \Omega$ Ổn định nhiệt, cân bằng dòng tầng công suất
$R_3, R_4$ $220\ \Omega$ Ổn định nhiệt và điểm làm việc tĩnh cho $Q_3, Q_4$
$VR_1$ Biến trở $200\ \Omega$ Căn chỉnh nguồn dòng tĩnh và xác lập điện áp trung điểm $15\text{ V}$
$VR_2$ Biến trở $50\ \Omega$ Vi chỉnh áp phân cực tĩnh tầng công suất chế độ AB
$VR_3$ Biến trở $1000\ \Omega$ Căn chỉnh hệ số khuếch đại vòng kín qua hồi tiếp âm
$C_1$ $0,32\ \mu\text{F} / 50\text{V}$ Tụ ngăn dòng một chiều ngõ vào
$C_L$ $10.000\ \mu\text{F} / 50\text{V}$ Tụ xuất âm đưa tín hiệu AC ra loa, chặn thành phần DC
$R_5, C_5$ $4,7\ \Omega - 10\text{ nF}$ Mạch Zobel triệt tiêu cảm kháng loa ở tần số cao

Kết quả mô phỏng trên Proteus

Quá trình kiểm tra được thực hiện trên môi trường Proteus với tín hiệu kích thích chuẩn hình sin tần số $1\text{ kHz}$, biên độ ngõ vào $0,5\text{ V}_{pp}$:

  • Tín hiệu kênh A (Ngõ vào tầng 1): Dạng sóng hình sin chuẩn, biên độ ổn định $0,5\text{ V}_{pp}$.
  • Tín hiệu kênh B, C (Ngõ ra tầng 1 và tầng 2): Tín hiệu được nâng áp tuyến tính qua tầng $Q_7$ và $Q_6$, góc lệch pha đáp ứng đúng tính chất mạch khuếch đại đảo pha.
  • Tín hiệu kênh D (Ngõ ra tải sau tụ $C_L$): Biên độ tín hiệu đạt xấp xỉ $5,5\text{ V}_{pp}$, hệ số khuếch đại điện áp đạt xấp xỉ 11 lần, hoàn toàn đồng dạng với tín hiệu vào, không ghi nhận hiện tượng cắt ngọn (clipping) hay méo xuyên tâm tại điểm chuyển tiếp bán kỳ.

Kết quả và đóng góp

Kết quả đạt được

  1. Thiết kế hoàn chỉnh sơ đồ giải tích: Xác lập toàn bộ công thức tính toán tĩnh và động cho mạch OTL ngõ vào đơn với nguồn cấp đơn $V_{CC} = 30\text{ V}$.
  2. Kiểm soát độ méo phi tuyến:
    • Khi chưa có hồi tiếp: Độ méo phi tuyến lý thuyết do tiếp giáp B-E tầng công suất gây ra là $\gamma = \frac{V_{BEm}}{4 V_T} = \frac{0,4}{4 \cdot 0,025} = 4$ ($400%$).
    • Khi có vòng hồi tiếp âm sâu ($g \approx 2.138,6$): Hệ số méo phi tuyến suy giảm mạnh xuống mức $\gamma' = \frac{\gamma}{(1 + g_m R_L)g} \le 0,2%$, thỏa mãn tiêu chuẩn thiết kế âm thanh Hi-Fi.
  3. Độ ổn định mô phỏng: Mạch mô phỏng trên Proteus hoạt động ổn định trên dải tần từ $50\text{ Hz}$ đến $15.000\text{ Hz}$, đáp ứng công suất danh định $15\text{ W}$ trên tải $4\ \Omega$.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  • Xây dựng một tài liệu thiết kế mạch âm tần OTL hoàn chỉnh, chi tiết từ tầng tiền khuếch đại đến tầng công suất bổ phụ.
  • Đưa ra giải pháp sử dụng nguồn dòng tích cực ($Q_5$) kết hợp mạch ghim áp diode ($D_3 - D_5$) giúp ổn định điểm làm việc của tầng công suất chế độ AB trước sự trôi nhiệt của bán dẫn.
  • Ứng dụng thành công mạch lọc bù pha Zobel giúp bảo vệ tầng công suất khỏi hiện tượng tự kích và méo tín hiệu ở dải tần số cao do tải cảm kháng của loa gây ra.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Do ảnh hưởng của đợt dịch bệnh năm 2021, nhóm sinh viên phải học tập và làm việc từ xa (về quê), điều kiện tiếp cận thị trường linh kiện điện tử bị gián đoạn, dẫn đến chưa thể mua sắm đầy đủ linh kiện thực tế để hoàn thiện việc thi công mạch in (PCB) và lắp ráp phần cứng thực nghiệm theo đúng tiến độ đề ra.
  • Kết quả đánh giá chỉ tiêu kỹ thuật dừng lại ở mức tính toán lý thuyết và mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm Proteus, chưa có số liệu đo đạc thực tế từ máy hiện sóng (Oscilloscope) và máy phân tích phổ âm tần.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Thi công mạch in chuẩn (PCB Layout) hai lớp chống nhiễu, gắn nhôm tản nhiệt chuyên dụng cho cặp BJT công suất 2SC5200/2SA1943 và cặp lái 2SC2073/2SA940.
  • Đo đạc thực tế các tham số: công suất méo hài tổng (THD), đáp tuyến tần số thực tế (Bode Plot) từ $20\text{ Hz}$ đến $20.000\text{ Hz}$, và hiệu suất chuyển đổi năng lượng thực tế của mạch.
  • Nghiên cứu bổ sung các khối mạch bảo vệ nâng cao như: mạch rơ-le bảo vệ chậm trễ khi bật nguồn (anti-thump), mạch bảo vệ ngắn mạch ngõ ra và cảm biến ngắt nhiệt tự động.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo trực quan cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử, Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Cơ điện tử: Phục vụ các học phần Điện tử tương tự, Mạch điện tử 2, Đồ án thiết kế mạch âm tần và Kỹ thuật khuếch đại công suất.
  • Người học và kỹ thuật viên thiết kế mạch âm thanh tương tự: Cung cấp phương pháp luận chuẩn xác trong việc tính toán chọn lựa linh kiện công suất, thiết kế tầng ghim áp định thiên chế độ AB và phương pháp tính toán dải thông thông qua các mắt lọc $RC$ và mạch lọc Zobel.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao mạch khuếch đại công suất OTL bắt buộc phải sử dụng tụ xuất âm $C_L$ có dung lượng rất lớn ($10.000\ \mu\text{F}$)?

Trong cấu trúc OTL chạy nguồn đơn ($V_{CC} = 30\text{ V}$), điện áp tĩnh tại điểm nối giữa hai transistor công suất ($Q_1, Q_2$) được thiết lập ở mức $V_{CC}/2 = 15\text{ V}$. Tụ xuất âm $C_L$ có nhiệm vụ ngăn điện áp DC $15\text{ V}$ này không chạy thẳng qua cuộn dây loa (tránh gây cháy loa), đồng thời nạp/xả để dẫn tín hiệu xoay chiều AC ra tải. Dung lượng tụ phải đủ lớn ($10.000\ \mu\text{F}$) để dung kháng $X_{CL} = \frac{1}{2\pi f C_L} \le 0,4\ \Omega$ tại tần số thấp nhất ($50\text{ Hz}$), tránh gây suy giảm công suất và méo pha ở dải âm trầm.

2. Vai trò của chuỗi diode $D_3, D_4, D_5$ và biến trở $VR_2$ là gì?

Tầng công suất đẩy kéo mắc theo chế độ AB cần một điện áp phân cực ban đầu khoảng $V_{B1B2Q} = 2,422\text{ V}$ đặt giữa cực Base của $Q_3$ và cực Base của $Q_4$ để bù sụt áp tiếp giáp $V_{BE}$ của 4 transistor ($Q_1, Q_2, Q_3, Q_4$). Chuỗi 3 diode 1N4007 kết hợp $VR_2$ đóng vai trò một nguồn ghim áp ổn định, giúp transistor công suất dẫn ngay một lượng dòng tĩnh nhỏ ($50\text{ mA}$) khi chưa có tín hiệu, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng méo xuyên tâm.

3. Mạch lọc Zobel ($R_5 = 4,7\ \Omega, C_5 = 10\text{ nF}$) giải quyết vấn đề kỹ thuật nào?

Cấu tạo loa thực tế gồm điện trở thuần $R_L$ nối tiếp với cuộn cảm $L$ ($Z_L = R_L + j\omega L$). Khi tần số tín hiệu tăng cao, cảm kháng $\omega L$ tăng làm tổng trở loa tăng mạnh, gây méo tín hiệu và làm tầng công suất mất ổn định (dễ tự kích dao động). Mạch Zobel gồm nhánh $R_5 - C_5$ mắc song song với loa; ở tần số cao, dung kháng $X_{C5}$ giảm xuống giúp triệt tiêu thành phần cảm kháng của loa, duy trì tổng trở tải luôn ổn định thuần trở xấp xỉ $4\ \Omega$.

4. Transistor $Q_5$ (2SA1013) được ứng dụng trong mạch với vai trò gì?

$Q_5$ được mắc làm nguồn dòng không đổi ($7\text{ mA}$) cho tầng khuếch đại điện áp $Q_6$. Nhờ có nguồn dòng tích cực này, nội trở xoay chiều của tải tầng thúc trở nên rất lớn mà không cần nâng cao giá trị điện áp nguồn, giúp tăng tối đa hệ số khuếch đại điện áp của tầng $Q_6$, hỗ trợ phối hợp trở kháng vào cao cho tầng lái Darlington và nâng cao hiệu suất toàn mạch.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế mạch OTL ngõ vào đơn" của nhóm sinh viên Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng đã hoàn thành xuất sắc các nội dung tính toán giải tích mạch âm tần công suất $15\text{ W}$, tải $4\ \Omega$ trên nguồn đơn $30\text{ V}$. Các giải pháp kỹ thuật như định thiên chế độ AB qua chuỗi diode ghim áp, tầng nguồn dòng tích cực, mạch lọc Zobel và vòng hồi tiếp âm sâu đã được phối hợp đồng bộ, triệt tiêu méo xuyên tâm và hạ hệ số méo phi tuyến xuống dưới $0,2%$. Kết quả mô phỏng trên phần mềm Proteus kiểm chứng mạch hoạt động ổn định, tín hiệu ngõ ra đồng dạng và khuếch đại đúng hệ số thiết kế trên toàn dải tần $50\text{ Hz} - 15.000\text{ Hz}$.