Hướng dẫn dùng PSpice phân tích các mạch khuếch đại âm tần.
Tìm hiểu PSpice (Phần mềm trong OrCAD)
Dĩ nhiên trên máy của Bạn đã có cài phần mềm OrCAD (ở đây mình dùng OrCAD 9.2), và Bạn kích mở trình OrCAD, khi cửa sổ của OrCAD mở ra, Bạn sẽ làm theo trình tự như sau:
Bước 1: Mở một file mới với tên file tùy Bạn, Bạn có thể đặt tên file là kh-dai-3 (Bạn xem hình).
- Bạn click chuột vào mục File để bung cửa sổ ra như hình chụp.
- Ở cửa sổ này chọn mục New
- Rồi chọn mục Project…
Trình OrCAD sẽ cho mở cửa sổ New Project. Trong cửa sổ này, ở mục name: Bạn gõ vào tên file (ở đây là kh-dai-3). Chọn và đánh dấu ở mục cho liên thông với trình Analog or Mixed A/D. Dĩ nhiên ở bên dưới Bạn đã xác định thư mục để cất các file của bài làm này.
Bước 2: OrCAD sẽ lại bung ra cửa sổ Create PSpice Project..
Trong cửa sổ này, Bạn chọn mục Create a blank project để mở trang vẽ trắng. Chọn xong Bạn nhấn phím OK.
Chọn xong nhấn phím OK để vào trang vẽ sơ đồ mạch điện của OrCAD.
Bước 3: Trong trang vẽ trắng, Bạn bắt đầu lấy linh kiện trong các thư viện ra.
Bạn có thể gõ vào chữ “p” để mở thư viện chứa các linh kiện.
Trong cửa sổ chứa các linh kiện, Bạn gõ vào tên linh kiện, như gõ vào Q2sc1815, Bạn sẽ thấy hiện ra ký hiệu transistor, nếu Bạn nhận thấy đúng là linh kiện mình muốn lấy thì nhấn phím OK.
Bạn gõ chữ R để lấy điện trở.
Bạn gõ chữ VDC để lấy nguồn nuôi DC.
Bước đầu Bạn cho lấy các linh kiện cần dùng, trên trang vẽ các linh kiện này đã được sắp xếp cho đúng vị trí. Khi sắp linh kiện, Bạn chú ý các phím tắt sau:
Phím “H” cho linh kiện lật theo chiều ngang.
Phím “V” cho linh kiện lật theo chiều dọc.
Phím “R” cho linh kiện quay, mỗi lần gỏ linh kiện quay 90 đô
Bước 4: Cho sắp xếp các linh kiện theo trình tự rõ ràng.
Lấy transistor làm linh kiện trung tâm, trên các chân của transistor đặt các điện trở phân cực (đặt cho ngay hàng thẳng lối). Như chân C thì đặt điện trở định áp, trên chân E thì đặt điện trở định dòng, trên chân B thì có điện trở cấp áp tạo phân cực thuận cho mối nối BE. Theo kinh nghiệm vẽ sơ đồ mạch điện, thì linh kiện lấy ra trước đặt ở góc trên trái, rồi xuống dưới và qua dần bên phải. Với mạch tiền khuếch đại dùng 2 transistor liên lạc thẳng, mình có sơ đồ mạch điện sắp xếp như hình trên.
Bước 5: Sau khi vẽ xong sơ đồ mạch điện, Bạn bắt đầu liên thông với trình PSpice để cho phân tích mạch
.
Trên trang vẽ của OrCAD, và trên thanh công cụ dùng liên thông với trình PSpice. Bạn click vào hình để mở cửa sổ New Simulation, và rồi đặt tên file để Psice cho lưu trữ các kết quả vào file này. Bạn có thể đặt tên các, thí dụ: tên kieu-3 (Bạn xem hình), đặt tên xong nhấn phím Create để vào cửa sổ chọn định kiểu phân tích.
Bước 6: Bạn chọn kiểu dạng phân tích.
PSpice có 4 dạng phân tích mạch, đó là:
- Phân tích biên độ theo trục thời gian (đó là: Time Domain)
- Phân tích biên dộ theo trục tần số (đó là: AC Sweep/Nise )
- Phân tích theo dạng quét DC (DC Sweep)
- Phân tích phân cực DC. (Bias Point)
Trong cửa sổ Simulation Setting có rất nhiều thẻ. Bạn chọn thẻ Analysis và trong cửa sổ Analysis type, Bạn chọn Bias Point, đây là mục cho phân tích điều kiện phân cực DC của mạch. Chọn xong nhấn phím OK để xác nhận.
Bước 7: Sau khi chọn type Bias Point, nhấn phím Run, trình PSpice sẽ cho kết quả trạng thái phân cực của mạch.
- Muốn xem điện áp DC có trên các đường mạch, Bạn nhấn phím chữ V.
- Muốn xem cường độ dòng điện chảy vào chảy ra trên các chân linh kiện, Bạn nhấn phím chữ I.
- Muốn xem công suất tiêu thụ trên các linh kiện, Bạn nhấn phím chữ W.
Bạn có thể khảo sát mạch trong một vùng biến đổi rộng của điện áp nguồn nuôi Vcc. Cách làm như sau:
Muốn tìm ra vùng phân cực tốt, Bạn có thể dùng hàm quét DC. Bạn cho mở cửa sổ Analysis type.
Chọn DC Sweep (Voltage source):
Name: V1
Chọn trị cho Sweep type:
Start: 0V (cho quét từ mức 0V)
End value: 60V (cho quét đến trị 60V)
Increment: 1V (bước tăng)
PSpice sẽ cho quét qua mạch từ trị 0V đến 60V theo bước tăng 1V. Bạn đặt đầu dò lên các đường mạch để xem kết quả với các đường vẽ trên đồ thị.
Khi dùng hàm quét DC, kết quả sẽ cho hiện ra bằng đồ thị. Bạn có thể phóng to hay thu nhỏ các đồ thị, có thể khảo sát đồ thị trong vùng hẹp, vùng rộng. Sử dụng đồ thị sẽ cho Bạn cái nhìn bao quát hơn về cách phân cực của một mạch điện. Bạn sẽ tìm ra vùng phân cực tốt cho mạch khuếch đại, Bạn có thể thấy khả năng phân cực ổn định của mạch tốt nhất là ở vùng nào.
Bạn cho phóng lớn đồ thị để dễ xem và tìm ra vùng mà ở đó;
- Mức volt chân C phải cao hơn chân B. Ở mức lưng chừng giữa mức áp nguồn và mức áp chân B.
- Mức volt chân B cao hơn E khoảng 0.6V. Do mối nối BE phải cho phân cực thuận.
Thông thường Bạn đặt đầu dò trên các chân C, B và E để xem các mức áp trên các chân này. Một transistor ở vùng khuếch đại khi:
Mức áp chân C cao hơn chân B (mối nối CB phải cho phân cực nghịch)
Mức áp chân B cao hơn chân E khoảng 0.6V (mối nối BE phải cho phân cực thuận)
Khi chân BE phân cực thuận, từ vùng E sẽ phun ra các hạt tải điện, các hạt tải này vào vùng B và bị hút qua vùng C và chảy ra ở chân C. Chỉ một số ít hạt tải khi vượt qua vùng B bị hiện tượng phúc hợp và sẽ bị cho chảy ra trên chân B.
Với cách sắp xếp mức volt như vậy, transistor sẽ làm việc trong vùng khuếch đại.
mình biết: Khi mức volt chân C xuống bằng hay thấp hơn mức volt chân B, transistor đã nằm trong vùng bão hòa và khi mức volt chân B thấp hơn hay bằng mức volt chân E, transistor vào vùng ngưng dẫn. Mà vùng bão hòa hay ngưng dẫn, lúc đó transistor đều đã mất tính khuếch đại.
Bước 8: Khảo sát mạch với nguồn tín hiệu dạng sin, tần số 1KHz.
Muốn phân tích mạch ở dạng AC, Bạn phải đưa tín hiệu vào, tín hiệu vào mạch phải qua tụ liên lạc ngả vào C1, và dùng tụ liên lạc ngả ra C2 để đưa tín hiệu lên tải là điện trở R6. mình biết tụ có dung kháng DC rất lớn, nó không làm thay đổi điều kiện phân cực của mạch. Với tín hiệu tụ có dung kháng nhỏ, nó sẽ cho dòng điện tín hiệu đi qua. Để làm mất tín hiệu trên chân E của Q2 để khử tác dụng hồi tiếp nghịch, mình dùng tụ lọc C3.
Muốn xác định các tham số của mạch tiền khuếch đại ráp với Q1, Q2 liên lạc thẳng, mình cho kích thích mạch với nguồn tín hiệu dạng sin, có tần số chuẩn là 1KHz.
Bạn vào kho linh kiện, gõ chữ VSIN để lấy nguồn tín hiệu sin ra, gắn vào mạch. Rồi khai báo cho nguồn tín hiệu này:
Mức nên: 0V.
Biên độ: 5mV
Tần số: 1KHz
Bây giờ Bạn mở cửa sổ Simulation Setting, chọn thẻ Analysis và khai báo các điều kiện cho phân tích mạch.
Trong mục Analysis type, Bạn chọn kiểu phân tích là Time Domain (Kiểu phân tích biên độ của tín hiệu theo trục thời gian t).
Trong mục: Run to time. Bạn chọn 10ms. Bạn biết tín hiệu khảo sát có tần số là 1KHz vậy chu kỳ của nó là 1ms. Vậy với độ rộng màn hình là 10ms, Bạn sẽ có thể xem được 10 chu kỳ của tín hiệu.
Trong mục: Start saving data after. Bạn chọn 0, nghĩa là xem từ gốc tọa độ 0, Bạn muốn xem cả giai đoạn quá độ của mạch nên không bỏ đoạn đầu.
Trong mục: Maximum step size. Bạn chọn 0.01ms, nghĩa là trong 1ms Bạn yêu cầu cho tính 100 điểm để vẽ ra đồ thị với độ nét tốt. Chọn số điểm ít hình vẽ ra sẽ thô.
Chọn xong nhấn OK để xác nhận và kết đó nhấn nút RUN để chạy trình PSpice.
Sau khi trình PSpice đã phân tích xong. Bạn dùng các ống dò (lấy trên thanh công cụ của PSpice) cho gắn vào các đường mạch để xem tín hiệu.
Trên đồ thị của PSpice, các tín hiệu có thể xem chung trên một thang chia hay xem trên từng phần thang chia phân biệt, Có thể cho thay màu đồ thị, cho ghi chú… .
Nhìn vào các tín hiệu này, Bạn phải nói lên được các đặc tính của mạch điện, như:
- Tín hiệu ra có bị méo không?
- Độ lợi của mạch là bao nhiêu?
- Tín hiệu ngả vào ngả ra cùng pha hay đảo pha?
- Biên độ tín hiệu ra có dùng hết mức nguồn nuôi chưa?
- Với các phép tính Bạn còn xác định được trở kháng ngả vào, ngả ra
- ….
Bạn còn có thể dùng ống dò Watt để xác định công suất của tín hiệu trên tải, công suất tiêu tán trên các linh kiện trong mạch, như các điện trở, transistor…
Thường để xác định mức biên độ lớn nhất của tín hiệu ngả vào mà tín hiệu ngả ra tương ứng sẽ bắt đầu bị méo. Bạn cho tăng biên độ của tín hiệu ngả vào, đến một lúc, Bạn sẽ phát hiện tín hiệu ngả ra bị méo. Trong thí dụ ở đây, mình tăng biên độ tín hiệu lên 20mV thì tín hiệu ngả ra đã bị vuông hóa tức méo trầm trọng. Bạn có thể khảo sát dạng méo của tín hiệu bằng cách chuyển đồ thị theo trục t qua đồ thị Fourier theo trục f.
mình biết, ở đồ thị Fourier, trục hoành lấy theo tần số, một tín hiệu thuần sin, nó sẽ chỉ xuất hiện với 1 vạch ngay tại tần số của tín hiệu khảo sát. Nếu một tín hiệu phi sin (tín hiệu bị méo đã không còn ở dạng sin nữa) thì nó sẽ cho xuất hiện nhiều vạch hơn chung quanh vạch chính, đó là các tín hiệu hài của tín hiệu khảo sát.
Hình trên cho thấy, mình dùng đồ thị Fourier để phân tích các tín hiệu dạng sin.
- Một tín hiệu thuần sin, trên đồ thị Fourier chỉ hiện ra một vạch duy nhất.
- Một tín hiệu phi sin, trên đồ thị Fourier hiện ra nhiều vạch hơn, đó là các tín hiệu hài.
Bước 9: Khảo sát mạch dùng đồ thị đường cong biên tần và pha tần.
Dùng cách khảo sát mạch theo dạng đường cong biên tần để biết dãy tần làm việc của mạch. Từ đường cong này Bạn biết được ở tần số nào, mạch cho độ lợi là bao nhiêu.
Muốn khảo sát đường cong biên tần, Bạn vào thư viện của OrCAD để lấy nguồn tín hiệu dạng sin (Bạn gõ chữ VAC), nguồn tín hiệu này có biên độ mặc định là 1V, và đưa tín hiệu này vào mạch khuếch đại, lúc này mạch khuếch đại đã tuyến tính hóa (nên không đặt vấn đề méo nữa và chịu giới hạn của mức nguồi nuôi) và tùy theo độ lợi của mạch mà biên độ ở ngả ra sẽ được cho nhân lên với 1V. PSpice sẽ cho tính rất nhiều điểm tương ứng với các tần số khác nhau và vẽ ra đồ thị đường cong biên tần.
Hình vẽ trên mô tả các cách khai báo các tham số dùng để phân tích mạch điện theo kiểu dạng đường cong biên tần, pha tần. Bạn chọn Analysis type là AC Sweep/Noise. Ở các mục tần số quét. Bạn có thể chọn tần số quét khởi đầu là 10Hz và tần số quét kết thúc là 1Meg (với số triệu, Bạn phải viết Meg PSpice mới chấp nhận) và cứ trong một bước 10 thì tính 100 điểm. Khi khai báo xong, Bạn nhấn phím xác nhận OK. Và khi trở ra trang vẽ Capture CIS thì nhấn phím RUN để chạy PSpice.
Hình trên đây cho thấy kết quả phân tích của PSpice trên mạch khuếch đại 2 transistor liên lạc thẳng. mình thấy dãy tần làm việc của mạch bao phủ dãy tần tín hiệu âm thanh. Với kết quả này, có thể nói mạch khuếch đại của mình đã làm việc tốt trong mạch âm thanh.
mình thử dùng tụ nhỏ C4 (có trị 120pF) tạo tác dụng hồi tiếp nghịch trên chân C và B của Q2. Và kết quả phân tích của trình PSpice cho thấy dãy tần làm việc của mạch đã bị thu hẹp, hình vẽ cho thấy dãy tần làm việc chỉ còn khoảng 1KHz.
Trong thực tế, Bạn điều chỉnh trị của tụ C4 để có dãy thông tần phù hợp với dãy tần của tín hiệu âm thanh.
Các dạng khảo sát khác…
(1) Khảo sát các mạch lọc tín hiệu kinh điển.
Trước hết hãy nhắc lại các hệ thức cần nhớ về 3 linh kiện thụ động cơ bản, đó là: Điện trở R, cuộn cảm L và tụ điện C.
Trong bảng cho thấy:
- Tụ điện có dung kháng tính theo ohm, có sức cản dòng tỷ lệ nghịch với tần số f.
- Cuộn cảm có cảm kháng tính theo ohm, có sức cản dòng tỷ lệ thuận với tần số f.
- Điện tở R có sức cản dòng không phụ thuộc vào tần số f.
Với các hệ thức tính dung kháng của tụ C, cảm kháng của cuộn cảm L, mình có thể nói:
- Dòng điện có tần số càng cao càng dễ qua tụ điện và càng khó qua ống dây.
- Dòng điện có tần số càng thấp càng khó qua tụ điện và càng dể qua ống dây.
Do vậy, nếu nói cực đoan hơn mà không sai thì:
- Với nguồn DC có tần số f=0 thì tụ tác dụng như làm hở mạch và cuộn dây tác dụng như chập.
- Với nguồn AC có tần số f đủ cao thì tụ điện xem như chập và cuộn dây xem như hở mạch
.
Từ các đặc tính này của C và L, mà người ta dùng các tụ điện và các cuộn dây trong các mạch lọc lấy lọc bỏ các tín hiệu theo tần số.
Trong các mạch điện tử, người ta dùng các mạch lọc tần kinh điền như các hình sau:
- Mạch lọc tần thấp (LPF): Mạch này chỉ cho các tín hiệu tần số thấp đi qua, chắn các tín hiệu tần số cao.
- Mạch lọc tần cao (HPF): Mạch này chỉ cho các tín hiệu tần số cao đi qua, chắn các tín hiệu tần số thấp.
- Mạch lọc dãy thông (BPF): Mạch lọc dãy thông, chỉ cho tín hiệu nằm trong một dãy tần đi qua và chắn các tín hiệu tần số thấp và tần số cao.
Mạch lọc dãy chắn (uBPF): Mạch lọc dãy chắn, chỉ cho tín hiệu tần thấp và tần cao đi qua, nó chắn tín hiệu nằm trong dãy tần qui định không cho qua.
Kết quả phân tích PSpice của mạch lọc thấp qua. Nhìn đường cong biên tần mình thấy các tín hiệu vùng tần cao bị nén biên. Khi tín hiệu qua mạch lọc R-C, nó thay đổi biên độ và lệch pha, mạch lọc thấp qua có tác dụng làm trễ pha.
Kết quả phân tích PSpice của mạch lọc cao qua. Nhìn đường cong biên tần mình thấy các tín hiệu vùng tần thấp bị nén biên. Khi tín hiệu qua mạch lọc R-C, nó thay đổi biên độ và lệch pha, mạch lọc thấp qua có tác dụng làm sớm pha.
Kết quả phân tích PSpice của mạch lọc dãy qua (còn gọi là mạch lọc cầu Wien). Nhìn đường cong biên tần hình chuông úp, mình thấy các tín hiệu nằm trong dãy tần cho qua. Các tín hiệu vùng tần cao và tần thấp đều bị nén biên.
Kết quả phân tích PSpice của mạch lọc dãy chắn (còn gọi là mạch lọc 2 chữ T). Nhìn đường cong biên tần hình chuông ngữa, mình thấy các tín hiệu nằm trong dãy tần giữa đã bị lọc không cho qua. Các tín hiệu vùng tần cao và tần thấp đều cho qua với biên cao.
(2) Khảo sát họ các đường cong ngả ra của transistor nhị cực và dùng kết quả này trong thiết kế mạch khuếch đại.
PSpice có thể giúp Bạn khảo sát đặc tính của các linh kiện. Ở đây, mình sẽ dùng PSpice, với kiểu phân tích DC Sweep để khảo sát đặc tính ngả ra của các transistor.
Bạn vào thư viện của OrCAD và lấy ra một transistor quen thuộc, đó là 2SC1815 (Bạn xem hình). Trên trang vẽ của trình Capture CIS, Bạn dùng nguồn V1 cấp áp cho chân C để tạo dòng điện IC và dùng nguồn V2 với điện trở hạn dòng 47K để tạo ra dòng điện IB.
Cách khai báo dùng 2 nguồn quét:
Trước hết khai báo nguồn quét sơ cấp (Primary Sweep) là V1. Cách khai báo như hình trên.
Kế đó khai báo nguồn quét thứ cấp (Secondary Sweep) là V2. cách khai báo như hình trên.
Kết quả phân tích của PSpice cho thấy họ các đường cong ngả ra của transistor 2SC1815. Từ các đường cong này cho thấy, ứng với một dòng điện IB, trên một đường cong của nó, mình thấy sự biến đổi của IC và định áp VCE.
Khi tăng dòng IB thì dòng IC tăng theo và định áp VCE sẽ giảm và ngược lại. Khi VCE xuống gần bằng 0V, transistor vào vùng bão hòa và khi VCE gần bằng Vcc thì transistor vào vùng ngưng dẫn
Bạn hãy khảo sát tính khuếch đại của một transistor bằng cách đặt đường tải điện RL lên họ các đường cong ngả ra của trnsistor. Hình vẽ cho thấy:
- Khi đường tải là 2000 ohm (2K), mình có đường tải màu đỏ.
- Khi đường tải là 680 ohm, mình có đường tải màu xanh.
Trên họ các đường cong ngả ra, mình thấy có 3 vùng hoạt động. Đó là: Vùng khuếch đại, vùng bão hòa và vùng ngưng dẫn.
(3) Khảo sát điều kiện để có phối hợp đúng trở kháng, từ đó xác định trở kháng ngả vào ngả ra của các mạch khuếch đại.
Tạo một mạch điện mẫu, gồm nguồn và điện trở R1 (dùng làm nội trở của nguồn) và tải là điện trở R2. Khai báo tải R2 là biến RL. (Bạn xem cách khai báo một biến của trình PSpice)
Thiết lập biến mới trong trang quản lý điện trở R2. Cho R2 trị mặc định là 1K.
Cách cho hiện trị mặc định RL (1K) trên trang vẽ sơ đồ mạch điện.
Khai báo dạng phân tích mạch, dùng kiểu quét Parameter Sweep.
Khai báo các tham số của biến RL.
Sau khi chạy trình PSpice, khi làm xong, Bạn thấy thông báo sau. Chọn All và OK để cho hiện tất cả các tính toán đã có trên đồ thị.
Bây giờ Bạn chọn mục Trace, trong cửa sổ bung ra chọn mục Performance Analysis…
PSpice sẽ dùng giao thức có sẵn (Wizard) để Bạn dễ dàng xử dụng các hàm đặc biệt.
Bạn làm theo các chỉ dẫn của giao thức, chọn hàm Max để tìm trị cực đại.
Chọn xong nhấn phím Next và chuyển qua chọn biến mà Bạn muốn tìm cực trị.
Bảng liệt kê các biến của sơ đồ mạch điện mà Bạn có thể xem. Ở đây, Bạn chọn biết W(R2), nó là biến tính công suất trên điện trở R2.
Bạn chọn xong biết W(R2) mà Bạn muốn PSpice giúp Bạn tìm cực trị của nó.
Chọn xong nhấn phím Next. PSpice sẽ chuyển qua toán thuật tính cực trị từ các đường tín hiệu mà Bạn đã phân tích trước đó.
Kết quả mình có đường cong có một cực đại, nó cho thấy quan hệ giữa công suất Watt và trị điện trở của R2. Cho mở con trỏ để xác định nhanh điểm cực đại.
Bạn thấy gì trên đường cong cho thấy quan hệ giữa Watt và R2?
mình thấy chỉ khi R2 = R1 (bằng 1K) thì công suất lấy được trên R2 mới lớn nhất. mình sẽ dùng phương pháp này để tính trở kháng ngả vào và ngả ra của các mạch tăng âm. Phương pháp này vựa vào nguyên tắt là khi nội trở ngả ra của mạch tăng âm bằng trở kháng của Loa, lúc đó công suất tính được trên Loa sẽ lớn nhất.
(mình sẽ còn dùng cách tính này cho công việc phân tích các mạch tăng âm công suất lớn, sẽ trình bày ở phần tiếp theo…).
Thử dùng PSpice phân tích các mạch tăng âm máy hiệu.
Ngày nay, trên các trang Web điện tử, Bạn dễ dàng tìm ra vô số các sơ đồ mạch tăng âm công suất lớn, các sơ đồ này có đáng tin không? Nó có hoạt động đúng như phần giới thiệu không? Nếu muốn ráp theo sơ đồ này, mình có thể cải tiến ở phần nào? Đó là vấn đề mình sẽ bàn trong mục này.
mình sẽ vào trang Web sau và thử phân tích một sơ đồ mà trang Web này giới thiệu.
Sơ đồ được dùng làm một thí dụ.mình sẽ dùng trình PSpice để phân tích sơ đồ này.
Trước hết hãy vẽ lại sơ đồ mạch điện trên vào trang vẽ của Capture CIS và chọn trị số cho các linh kiện, sau đó mình làm các công việc sau:
- Xác định điều kiện phân cực DC của mạch, khi điều kiện phân cực đã tốt, thì…
- Chuyển qua phân tích mạch với tín hiệu dạng sin, tần số 1KHz, tính công suất ra loa và tìm trở kháng ngả ra, trở kháng ngả vào.
- Xác định dãy tần làm việc của mạch.
- Sau cùng cho nhận xét và đưa ra hướng cải tiến mạch.
Khi lấy phân cực DC, Bạn chú ý mức volt trung điểm, mức áp này phải bằng nửa mức áp nguồn nuôi. Với mạch này nguồn nuôi là 50V thì mức áp trung điểm phải là 25V.
- Nếu mức áp trung điểm qua thấp (so với mức 25V) là do Q2 dẫn điện quá mạnh, Bạn làm cho Q2 dẫn yếu bằng cách cho tăng trị của R2 hay giảm trị của R1.
- Nếu mức áp trung điểm cao hơn 25V là do Q2 dẫn điện yếu, làm cho Q2 dẫn điện mạnh bằng cách giảm R2 hay tăng R1.
Ngả ra phải cho đặt ở mức volt trung điểm, vì sao? Vì chỉ có như vậy, khi biên độ ra tăng lên nó sẽ tăng từ mức 25V, tăng lên đến mức 50V và khi biên độ ra giảm, nó sẽ từ mức 25V giảm xuống mức 0V. Tóm lại, mức volt trung điểm phải bằng nửa mức áp của nguồn nuôi.
Khi xem dòng phân cực trên mạch điện, Bạn hãy chú ý dòng làm việc của Q1, dòng này thường trên dưới 1mA là được.
Dòng làm việc của Q2 thường trên dưới 10mA. Q2 cho làm việc theo kiểu khuếch đại công suất nhỏ hạng A.
Các transistor kéo đẩy, các transistor công suất lớn có dòng phân cực rất nhỏ, vì nó được cho phân cực làm việc ở hạng B, nên bình thường nó không dẫn điện.
Người ta dùng kiểu khuếch đại hạng B là để lấy hiệu suất lớn, hiệu suất của mạch này có thể lên đến 78%. Nghĩa là Bạn cấp cho mạch công suất nuôi là 100 Watt thì Bạn có thể lấy ra công suất tín hiệu 78 Watt trên loa (còn lại 22 Watt đốt nóng mạch, nhất là đốt nóng 2 transistor công suất).
Trong mạch:
- Q1 dùng làm tầng khuếch đại ngả vào (pre-amp), transistor này Bạn cho làm việc với dòng phân cực nhỏ (trên dưới 1mA). Mạch dùng 2 điện trở R1(100K) – R2 (100K) để cấp dòng phân cực DC và đường nguồn cấp cho tầng khuếch đại đầu với R3 (22K) là điện trở giảm áp và C2 (220uF) là tụ lọc nguồn. Trên chân E có điện trở định dòng R5 (4.7K), tụ C6 (100uF) và điện trở R18 (180) là mạch định hệ số hồi tiếp nghịch. Tín hiệu đưa vào chân B qua tụ liên lạc C1 (10uF).
Chú ý:
- Trở kháng ngả vào phụ thuộc và trị của R1 và R2, nên 2 điện trở này không nên chọn trị quá nhỏ, sẽ gây nặng tải lên các tầng trước, cũng không nên chọn trị quá lớn vì điều này làm cho phân cực không ổn định.
- Với mạch khuếch đại có đường hồi tiếp nghịch, độ lợi của mạch hầu như phụ thuộc vào mạch hồi tiếp. Ở đây độ lợi của mạch tính theo tỷ số của R5 trên R18. Vậy nếu giảm R18 là tạo hồi tiếp nghịch yếu, độ lợi của mạch sẽ tăng cao và ngược lại nếu tăng R18 thì độ lợi của mạch sẽ giảm thấp.
- Q2 là tầng khuếch đại thúc (Driver), cho phân cực với dòng làm việc đủ lớn (trên dưới 10mA) và transistor này làm việc theo kiểu mạch khuếch đại công suất nhỏ hạng A. Chân B của Q2 cho ghép thẳng vào chân C của Q1, nhờ vậy mạch có đáp ứng ở vùng tần số thấp rất tốt (tốt hơn kiều liên lạc qua tụ), R4 (2.2K) dùng làm tăng hệ số ổn định nhiệt cho Q2 (vì qua R4 nó cho thoát dòng hạt tải thiểu trong transistor).
- Trên chân C có 2 điện trở định áp là R6 (1K), R7 (1.8K), ở đây 2 điện trở này còn có tác dụng định dòng (dòng làm việc của Q2). Mức áp ngả ra luôn phải được điều chỉnh ở mức áp trung điểm (bằng nửa mức áp nguồn nuôi) và mức áp này cũng phụ thuộc vào R6, R7.
- C3 (47uF) là tụ hồi tiếp tự cử, nhầm làm cân bằng biên độ tín hiệu ngả ra khi biên độ tín hiệu ra có biên lớn, Bạn không dùng tụ C3, biên độ tín hiệu ra không thể lên cao bằng mức nguồn nuôi, trong khi đó nó có thể xuống đến mức 0V, như vậy là biên độ ra không cân .
- Transistor Q7 với các điện trở R8 (1.5K), R9 (1K) và R10 (1.5K) dùng lấy áp DC cấp phân cực cho các transistor ở tầng công suất, nó tránh hiện tượng làm méo tại giao điểm của tín hiệu ra mỗi khi tín hiệu làm việc ở biên nhỏ (Trong các mạch điện đơn giản hơn người ta thường dùng các diode lấy áp phân cực cho các tầng kéo đẩy). mình biết ở mối nối BE của các transistor có rào áp, với transistor loại Silicon, rào áp thường là 0.5V, điện áp vào không cao hơn mức áp này, transistor sẽ không dẫn điện và chính nó tạo ra dạng méo tại giao điểm của tín hiệu.
- C5 (22pF) là tụ rất nhỏ, nó dùng tạo hồi tiếp nghịch ở vùng tần cao, tránh mạch không phát sinh dao động tự kích. C5 có tác dụng nén biên vùng tần số cao của dãy tần làm việc của mạch tăng âm.
- Tầng kéo đẩy dùng Q3 (2SC2383) và Q4 (2SA1013), đây là 2 transistor hổ bổ nên có thể dùng làm tầng khuếch đại kéo đầy mà tín hiệu ra vẫn có biên độ cân bằng. Để tăng công suất ngả ra, mạch dùng 2 transistor công suất lớn là Q5 (2N3055) và Q6 (2N3055). Q5 cho ghép phức hợp với Q3 và Q6 cho ghép phức hợp với Q4.
- 2 transistor ghép phức hợp còn gọi là ghép darlington, nó cho hệ số khuếch đại dòng rất lớn, nhưng độ ổn định nhiệt lại kém, do vậy người ta phải dùng R11 (330) và R12 (cũng 330) để tăng hệ số ổn định nhiệt. R13 (10) và R14 (10) dùng làm tăng trở kháng tạo nhẹ tải cho tầng Q3, Q4. R15 (0.22) và R16 (0.22) làm cân bằng dòng điện kéo đẩy qua 2 transistor công suất Q5, Q6. 2 transistor Q5, Q6 có kiểu chân TO3, phải cho gắn trên miếng nhôm lớn dùng để giải nhiệt.
Ghi chú: Đúng ta R16 đặt ở chân E của Q6, như vì muốn làm cân bằng trở kháng vào của 2 tầng kéo đẩy, nên người ta cho dời R6 lên chân E của Q4. Như vậy nếu ở tầng kéo đẩy trên nhìn vào thấy có R15 trên chân E của Q5 thì ở tầng khuếch đại dưới Bạn nhìn vào cũng thấy có R16 trên chân E của Q4.
- C4 (2200uF) dùng cấp dòng điện kéo đẩy lớn cho loa, do loa có trở kháng quá nhỏ nên tụ C4 phải lấy trị điện dung lớn.
- C7 (0.1uF) và R19 (10) là mạch lọc zobel, nó dùng giữ cho trở kháng của loa không thay đổi ở vùng tần số cao. mình biết, trong loa có linh kiện cuộn cảm nên khi loa làm việc ở vùng tần số cao, trở kháng của loa sẽ tăng và gây ra hiện tượng méo công suất. Khi mạch làm việc ở vùng tần cao, nội trở của tụ C7 sẽ nhỏ và lúc này R19 (10) sẽ mắc song song với loa để giữ cho trở kháng toàn phần không tăng.
Để biết mạch có hoạt động tốt hay không, Bạn cho kích thích mạch với nguồn tín hiệu dạng sin, có tần số là 1KHz (tất cả các tham số của mạch tăng âm đều lấy tần số 1KHz để tính). Kết quả phân tích cho thấy (xem các hình trên đồ thị):
- Khi mình cho tín hiệu dạng sin vào. Tín hiệu ra ra cũng có dạng sin, vậy mạch khuếch đại này không làm méo tín hiệu. Khi biên độ tín hiệu vào ở mức 0.8V thì biên độ tín hiệu ngả ra đã lên xuống gần mức +/- 25V. Tín hiệu ra có dạng cân bằng tốt, đó là do tác dụng của tụ tự cử.
- mình cũng khảo sát công suất của loa. Ở đây thể hiện công suất AC và công suất trung bình. Khi công bố công suất của một mạch tăng âm, mình công bố công suất trung bình. Hình vẽ cho thấy với loa 8 ohm, nguồn nuôi 50V, công suất trung bình là khoảng 33 watt.
- mình cũng chú ý đến công suất đốt nóng transistor. Do mạch dùng kiểu kéo đẩy, nên khi transistor trên dẫn thì transistor dưới tắt và ngược lại, khi transistor dưới dẫn thì transistor trên tắt. Điều này sẽ không làm cho các transistor quá nóng. Các transistor công suất luôn phải có linh kiện giải nhiệt dùng để làm nguội, transistor là linh kiện bán dẫn, nó chỉ hoạt động tốt ở điều kiện nhiệt độ không quá nóng, nếu quá transistor nóng, số lượng dòng hạt tải thiểu tăng mạnh, transistor sẽ mất tính khuếch đại.
Đến đây, mình sẽ khảo sát điều kiện để mạch tăng âm cho ra công suất lớn nhất. mình biết chỉ khi trở kháng của loa bằng với nội trở của mạch tăng âm thì lúc đó, mạch tăng âm mới cho công suất ra lớn nhất. Vậy làm sao biết được nội trở của mạch tăng âm? Bạn dùng cách phân tích theo trị biến, đặt trị của loa là {RL} và cho chạy PSpice với biến RL, PSpice sẽ giúp Bạn tìm ra nội trở của mạch tăng âm. Kết quả cho thấy, với mạch điện này, nếu Bạn dùng loa 0.7 ohm Bạn sẽ lấy được công suất ra là 262 Watt (công suất AC). Bây giờ Bạn có thể tập trung phân tích mạch tăng âm này chung quang trở kháng của loa là 0.7 ohm.
Chú ý: Khi trở kháng của loa nhỏ, và Bạn dùng loa có trở kháng là 0.7 ohm thì các điện trở cân bằng dòng kéo đẩy trên chân E của các transistor công suất cũng phải lấy nhỏ lại, vì nếu không, công suất ra sẽ mất quá nhiều trên các điện trở này.
Có Bạn hỏi làm sao có loa có trở kháng nhỏ? Khó gì, mình sẽ cho các loa mắc song song. Khi Bạn lấy 4 loa giống nhau, loa 4 ohm và 20W, cho mắc song song Bạn sẽ có loa 1 ohm và công suất là 80 Watt.
Bây giờ để biết dãy tần làm việc của mạch tăng âm này, mình sẽ chạy PSpice cho khảo sát theo dạng đường cong biên tần. Kết quả cho thấy, khi dùng tụ hồi tiếp C5 nhỏ (22pF) thì dãy tần làm việc của mạch quá rộng, vùng tần số cao vượt quá 30KHz rất xa, điều này khiến cho mạch tăng âm không ổn định, nó dễ bị dao động tự kích ở vùng tần số cao, khi để xẩy ra hiện tượng này, các transistor công suất rất nóng mà ở loa không nghe tiếng, và transistor rất dễ bị hõng (mà nhiều khi không kịp biết lý do).
mình biết với mạch tăng âm chỉ cần có dãy tần làm việc trong khoảng từ 10Hz đến 30.000Hz là đủ, để làm thu hẹp dãy tần làm việc, nhất là đối với các tín hiệu ở vùng tần số cao, mình cho tăng trị của tụ C5. Khi lấy trị của tụ C5 = 100pF thì dãy tần làm việc đã đúng yếu cầu của mạch. Nếu Bạn lấy trị C5 quá lớn mạch tăng âm sẽ mất tiếng bỗng (mình quen nói là thiếu treble).
Với tất cả mạch tăng âm Bạn còn cần phải biết trở kháng ngả vào để cho phối hợp với các nguồn âm một cách hiệu quả nhất, lúc đó công suất vào mạch tăng âm sẽ lớn nhất.
Để tính trở kháng ngả vào, Bạn gắn vào mạch một điện trở nối tiếp R26 (Bạn xem hình) và đặt nó là một biến {Rin} và sẽ dùng cách phân tích theo hàm biến để tìm ra trị công suất lớn nhất trên điện trở này, mình biết chỉ khi trị của Rin bằng trị trở kháng ngả vào của mạch tăng âm thì lúc đó công suất trên R26 mới cực đại. Dùng cách này qua kết quả trên đường cong có cực trị, mình thấy trở kháng ngả vào của mạch tăng âm này là 50K, nó chính là trị của 2 điện trở R1 (100K) và R2 (100K) cho mắc song song, điều này nói lên ngả vào của transistor Q1 với điện trở phản ánh từ chân E vào chân B là rất lớn nên hầu như không có tác động vào trở kháng ngả vào, đó cũng là đặc điểm của kiều mạch khuếch đại này vậy.
PSpice trong OrCAD đã gúp mình hiểu khá rõ về mạch tăng âm này, Bạn thấy có thích không?
Hỏi Bạn: Bạn có thấy cần phải cải tiến mạch này không? Mạch có chổ cần bổ xung không? Nếu tăng nguồn lên 80V thì liệu mạch này có chạy được không?… Nói chung nếu Bạn đã từng ráp mạch tăng âm thì ít nhiều Bạn cũng sẽ có ý kiến bổ xung và để làm cho mạch càng tốt hơn, đó là vấn đề mình sẽ bàn tiếp ở ngay phần sau đây.
Mạch này được cải biên từ sơ đồ mạch điện trên (lấy từ trang Web), chỉ có điểm khác với sơ đồ trên là mình thêm diode D2 trên chân E của Q4 và dùng điện trở R16 (1 ohm) để làm cân bằng trở kháng ngả vào của tầng kéo đẩy, và cho mắc song song các transistor công suất Q5, Q7 và Q6 với Q9 để giàm sức nóng trên các transistor công suất. Khi cho các transistor công suất mắc song song, Bạn nhớ trên các chân E phải gắn điện trở nhỏ dùng làm cân bằng các dòng điện qua các transistor này, tránh dòng dồn qua các transistor có nội trở nhỏ. Với mạch này, mình sẽ cho mạch tăng âm chạy với mức nguồn nuôi là 80V.
Phần sau mình sẽ dùng trình PSpice để phân tích mạch điện này.
Chạy phần mềm PSpice, cho phân tích mạch theo kiểu Bias Points, mình có kết quả như hình vẽ trên. Ghi nhận: Với nguồn nuôi là 80V, mức áp trung điểm là 39.92V, rất gần mức 40V. Vậy đã lấy được điện áp trung điểm. Mức áp trên chân CE của Q7 là 41.07V – 38.74V, mức áp này dùng sửa méo tại giao điểm của tín hiệu gây ra do rào áp của các transistor ở tầng công suất. Qua các điện áp phân cực như hình trên, điện áp trên các chân BE của các transistor ở tầng kéo đẩy, cho thấy các transistor này được cho gần trạng thái ngưng dẫn. Tóm lại, với cách phân cực này, mạch sẽ hoạt động tốt.
Kết quả phân tích Bias Points cũng cho thấy dòng chảy vào chảy ra trên các chân của các linh kiện. Theo hình trên mình thấy:
- Dòng làm việc của Q1 (tầng khuếch đại ngả vào) là 437.4uA là được.
- Dòng làm việc của Q2 (tầng thúc) là 13.91mA cũng đủ.
- Dòng điện toàn phần 40.93mA tuy hơi lớn, nhưng tín hiệu sẽ ít bị méo hơn. Nguyên dò dòng tĩnh của mạch tăng âm lớn là do mình đã chỉnh biến trở R9 (set=0.3), và làm tăng mức áp VCE của Q7.
Nói chung, với dòng phân cực như hình trên là tốt.
Dùng kiểu phân tích Time Domain, mình có các kết quả như hình trên, hình này cho thấy:
- Tín hiệu vào và tín hiệu ra giống nhau, nghĩa là mạch không làm méo tín hiệu.
- Biên độ tín hiệu ra lên xuống trong phạm vi 80V, mạch khai thác hết mức áp nguồn nuôi khi tín hiệu vào khoảng 1V.
- Công suất ra trên 100W với trở kháng của loa là 4 ohm.
- mình cũng nhìn thấy công suất đốt nóng các transistor 2N3055 từ đó chọn dùng kích cở miếng nhôm giải nhiệt..
- Với tín hiệu ngả vào ngả ra như trên, độ lợi của mạch tăng âm này khoảng 40 lần.
PSpice cũng tính được trở kháng của loa sao cho công suất lấy ra trên loa lớn nhất. Kết quả phân tích cho thấy: Khi mạch dùng loa 1.1 ohm, thì công suất xoay chiều ra loa sẽ là 734 Watt.
PSpice tính dãy tần làm việc của mạch tăng âm trên và biểu diễn bằng đường cong pha tần và biên tần. Với kết quả này, mình thấy mạch tăng âm trên làm việc tốt trong dãy tần của tín hiệu âm thanh.
mình dùng PSpice để chứng minh tác dụng của tụ tự cử. Khi biên độ tín hiệu vào mạch lớn.
- Nếu mạch không có tụ tự cử, biên độ tín hiệu ra ứng với phần lên sẽ không lên đến mức nguồn, ứng với phần xuống, thì nó xuống đến 0V. Do vậy biên độ tín hiệu ngả ra không cân bằng.
- Nếu mạch có dùng tụ tự cử thì mức áp trên chân B của Q3 sẽ lên cao hơn mức nguồn nuôi, điều này cho phép mức áp ra tăng lên đến mức nguồn nuôi và như vậy tín hiệu ra sẽ có dạng cân bằng.
Kết quả cho thấy khi mạch tăng âm có dùng tụ tự cử C3, chân B của Q3 có thể lên cao hơn mức 100V (cao hơn mức nguồn nuôi), điều này cho phép tín hiệu ngả ra có thể lên cao đến gần mức nguồn nuôi.
mình dùng PSpice để chứng minh tác dụng của mạch phân cực tạo bởi Q7. Mức áp VCE của Q7 dùng cấp phân cực cho các transistor ở tầng kéo đẩy, nó nhầm tránh ảnh hưởng gây ra do rào áp ở ngả vào của các transistor và có tác dụng sửa méo tại giao điểm của tín hiệu ra.
- Nếu bỏ tác dụng của transistor Q7, khi tín hiệu vào ở mức biên nhỏ, lúc đó tín hiệu ra sẽ bị méo tại giao điểm như hình vẽ.
- Nếu dùng Q7 cấp phân cực cho các mối nối BE của các transistor ở tầng thúc, tín hiệu ra sẽ không còn bị méo nữa (Bạn xem hình).
Khi các mối nối BE của các transistor ở tầng kéo đẩy có phân cực, tín hiệu ra đã không còn bị méo tại giao điểm nữa.
Tạm kết
Thiết kế các mạch tăng âm vốn là một đề tài rất lớn, rất rộng, rất xâu, trong một bài viết thì không thể trình bày đầy đủ hết ý được. Viết đến đây, mình ngồi đọc lại thấy bài viết đã quá dài nó sẽ khiến Bạn đọc thấy ngán, do vậy mình tạm gác lại và sẽ viết tiếp trong một diệp khác. Bây giờ mình sẽ chọn đề tài khác, giống như thay đổi món ăn để tránh nhàm chán, mong Bạn hưởng ứng. Người soạn: VKH
