Dẫn nhập

mình khởi đầu làm nghề điện tử từ công việc ráp các máy tăng âm nhỏ, lúc đó mình ráp máy tăng âm bằng các đèn chân không. Mạch đơn giản nhất là 3 đèn, một đèn 2 cực dùng để nắn dòng, một đèn 3 cực đôi dùng làm tầng tiền khuếch đại và một đèn 5 cực làm tầng công suất. Khi tay nghề đã cứng hơn thì ráp qua mạch tăng âm lớn nhiều đèn hơn, công suất ra loa cũng mạnh hơn, tầng công suất đã dùng kiểu mạch kéo đẩy để có hiệu suất cao, tầng tiền khuếch đại thì dùng nhiều bóng 3 cực đôi hơn, tín hiệu âm thanh được xử lý tinh tế hơn. Rồi dòng đời cứ trôi lặng lẽ, và … đến thời kỳ của mạch tăng âm ráp bằng transistor, rồi tiến tới ráp bằng IC… Công việc của người thợ điện tử là cứ kiếm sơ đồ mạch điện máy hiệu, hay nài xin bạn bè cho các sơ đồ “chất lượng cao” và khi thấy ưng ý thì tìm mua linh kiện về để ráp, cứ ráp nghe thử, cứ ráp bán, công việc ngày ngày chỉ có vậy. Cho đến một ngày… mình làm quen và làm chủ được phần mềm PSpice của OrCAD thì công việc ráp mạch tăng âm đã trở thành chuyên nghiệp. Bây giờ mình có thể đánh giá chất lượng của các máy tăng âm hiện có, có thể tự thiết kế các mạch tăng âm do mình tự nghĩ ra, có thể lên mạng gõ từ khóa “power amplifier” để tìm và tìm ra vô số các sơ đồ mạch điện tăng âm công suất lớn của bá tánh, làm gì với các sơ đồ mạch điện này? Hôm nay mình sẽ trình bày công việc lắp ráp ampli với trình PSpice để trao đổi kinh nghiện với Bạn và với các đồng nghiệp. Mong bài viết được nhiều Bạn vào xem và cho ý kiến. Người soạn, thợ già: VKH.

Hãy làm quen với công việc thiết kế mạch

Thiết kế là bóp óc suy nghĩ tìm tòi và tạo ra các sản phẩm được nhiều người ưa thích. Với ngành điện tử thiết kế mạch là vẽ ra được các sơ đồ mạch điện có chất lượng, định được kiểu mạch, định được chủng loại linh kiện dùng trong mạch, xác định được hoạt động của mạch lúc ở trạng thái tĩnh, lúc ở trạng thái động. Khi Bạn làm công việc thiết kế trên một mạch điện là Bạn phải nói ra được các đặc tính của mạch, như mức áp có trên các đường mạch, cường độ dòng điện chảy vào chảy ra trên các chân của linh kiện, công suất tác động trên các linh kiện của mạch. Kể ra được các tham số kỹ thuật lúc mạch ở trạng thái tĩnh và lúc mạch ở trạng thái động.

Trong công việc thiết kế các mạch tăng âm điều cần biết trước tiên là âm thanh là gì? hay thanh âm là gì? Nó có các đặc tính gì? Nó liên quan đến các vấn đề gì? Do đó, ở đây trước hết, mình phải “vòng-vo-tam-quốc-tàu-lau-thiên-địa” kể các câu chuyện có liên quan đến bộ môn âm học, qua đó để hiểu rõ công việc mình sẽ làm là gì? Phục vụ cho cái gì?

Câu hỏi: Máy tăng âm dùng để làm gì?

Trả lời: Máy tăng âm dùng để xử lý tín hiệu âm thanh nhầm để phục vụ cho cái lỗ tai của con người. Vậy Bạn có biết đầy đủ về cái lỗ tai của mình chưa? mình thử tìm hiểu về vấn đề này trước.

Trong tai người có một màn nhĩ rất mỏng, nó sẽ rung theo tác động của sóng âm đến từ bên ngoài và kích thích vào các dây thần kinh thính giác rồi truyền các tín hiệu xung này về đại não, qua giải mã của đại não, mình sẽ nhận biết cái rung động đó là tín hiệu gì. Đó là cơ chế hoạt động của thính giác.

Bạn bè rất thân thiết với cái lỗ tai của mình chính là các máy tạo rung, như máy tăng âm, máy trợ thính…, công việc của nó là làm rung mạnh một màn giấy (gọi là màn loa) và cái loa tạo ra sóng âm để tác động vào màn nhĩ của lỗ tai để người nghe có cảm giác rõ ràng dễ chịu, đó chính là các thiết bị xử lý tín hiệu âm thanh vậy.

Vậy bản chất thật sự của âm thanh (hay thanh âm) là gì?

Nói theo kiểu chiết tự của chữ Hán, thanh âm là 聲音, trong chữ thanh (聲 có bộ nhĩ 耳, nhĩ là lỗ tai) và trong chữ âm (音 có bộ viết 曰, viết là lời nói). mình có thể mườn tượng người xưa hiểu âm là sự rung động của cái lưỡi nằm trong miệng và thanh là sự rung động của cái màn nhĩ trong tai. Sự tương tác này giúp cho con người hiểu nhau, lại gần nhau (…vì ở xa quá nói không nghe nên phải đến gần), rồi quen nhau, trên đời này ai không có miệng (口 Khẩu: hình vẽ cái miệng) để nói và ai không có tai (耳 Nhĩ: hình vẽ cái lỗ tai) để nghe, phải không?

Còn với môn vật lý, thanh âm là các rung động, quen gọi là sóng âm (Sound Wave), khi tác động vào màn nhĩ trong lỗ tai người thì người ta nhận biết được có các rung động này, mà một rung động thì luôn có các đặc tính sau:

  • Tần số (Frequency) của rung động.
  • Biên độ (Amplitude) tín hiệu.
  • Dạng sóng (Wave form) của tín hiệu.

(1) Ta hãy nói đến tần số của tín hiệu trước. Với các rung động có tính tuần hoàn lập-đi-lập-lại, gọi là dao động, thì số lần dao động đếm được trong 1 giây gọi là tần số, tính theo đơn vị Hertz (Hz).

Hiện tương trên là các dao động nhấp nháy của Led, cứ lập đi lập lại một cách tuần hoàn, nhưng nếu Bạn đếm số lần nhấp nháy trong 1 giây thì phát hiện ra có cái có tần số là 2Hz (1 giây nháy 2 nhịp), có cái là 1Hz và có cái là 0.5Hz. Tần số càng cao thì nhịp nhấp nháy càng nhanh.

Các rung động cơ học gọi là sóng âm, nếu nó có tần số từ 12Hz đến 20.000Hz thì tai người nghe được, cảm thấy, đó chính là tần số nghe được. Trong dãy tần này chia ra 3 vùng. Vùng tần số thấp gọi là thanh trầm (Bass), vùng tân số giữa gọi là thanh trung (Medium) và vùng tần số cao gọi là thanh bổng (Treble).

Vậy với các sóng âm có tần số thấp hơn 12Hz thì sao? Các sóng âm này màn nhĩ tai người không nghe được và gọi là ngoại âm. Các sóng âm có tần số cao hơn 20.000Hz thì sao? Các sóng âm này quá nhanh màn nhĩ tai người rung không kịp nên cũng không nhận biết được và gọi nó là sóng siêu âm.

Tóm lại màn nhĩ trong tai người chỉ rung được trong dãy tần số từ 12Hz cho đến 20.000Hz. Đó chính là dãy tần của tín hiệu âm thanh nghe được, và khi ráp các thiết bị âm thanh, Bạn chỉ cần chú ý đến dãy tần số này, không cho thiết bị làm việc với sóng siêu âm hay sóng ngoại âm, vô ích. Sau đây là phổ tần của một số nhạc cụ dùng trong ngành âm nhạc.

Bạn thấy, trong ngành vật lý (và cả các bộ môn chuyên ngành khác nữa) các đơn vị thường lấy theo tên của các nhà bác học, hay vật lý…. Vậy Hertz đơn vị chỉ tần số, Ông là ai?

Heinrich Hertz là nhà vật lý người Đức, ông là người đầu tiên dùng thực nghiệm để chứng minh sự tồn tại của sóng điện từ trường trong không gian tự do mà trên lý thuyết Maxwell đã chứng minh là nó có tồn tại. Tên ông được dùng làm đơn vị chỉ tần số của tín hiệu và viết tắt là Hz.

(2) Bây giờ nói đến biên độ của tín hiệu. Biên độ (Amplitude) là chỉ cường độ mạnh yếu, hay cao thấp của các rung động vật lý. Trong mạch điện, nếu biên độ đo theo áp mình có đơn vị là Vp-p (đọc là volt peak to peak), nếu đo theo dòng điện, mình sẽ có đơn vị là Ap-p (ở đây p-p là peak-to-peak, ý nói cho xác định biên độ tín hiệu đo từ đĩnh cao nhất đến đáy thấp nhất).

Hình vẽ cho thấy, với các dao động, các tín hiệu nhấp nhô, mình luôn muốn xác định được biên độ của nó. Với các tín hiệu có dạng sóng các (điều này rất phổ biến), mình thường cho xác định biên độ của nó theo mức đĩnh-đối-đĩnh. Trong ngành điện tử học, người ta thường dùng tín hiệu chuẩn dạng sin, với tín hiệu này, mình thường nói đến biên độ trung bình (volt trung bình), biên độ hiệu dụng (volt RMS), biên độ cực đại (volt max) và biên độ đĩnh đối đĩnh (volt peak-to-peak) nữa.

Trong thiết kế máy tăng âm, ở ngả ra mình thường xác định biên độ tín hiệu hiệu dụng (VRMS) lấy theo tín hiệu dạng sin ở tần số chuẩn 1KHz, và từ đó dùng công thức để tính ra công suất hiệu dụng của máy tăng âm và từ đó chọn lựa công suất của loa cho phù hợp.

Biết biên độ tín hiệu (đo theo mức volt hiệu dụng RMS) trên loa, biết trở kháng Z của loa, thường là 4 ohm, 8 ohm… (và cho tính ở tần số chuẩn 1KHz), mình có thể dùng công thức để tính ra được công suất hiệu dụng có trên loa.

Biết biên độ tín hiệu (đo theo cường độ dòng điện hiệu dụng RMS) trên loa, biết trở kháng Z của loa (tính ở tần số chuẩn 1KHz), mình có thể dùng công thức để tính ra được công suất hiệu dụng có trên loa.

Ở đây Bạn chú ý, nếu tính công suất máy tăng âm theo mức volt đĩnh-đối-đĩnh (quen gọi là công suất music) đó chỉ là công suất quảng cáo không có giá trị đánh giá công suất thật của máy tăng âm. Công suất danh định của các máy tăng âm phải tính theo công suất hiệu dụng của một tín hiệu dạng sin, có tần số là 1KHz, nghĩa là phải đo volt hiệu dụng (RMS) có trên trở kháng Z của loa rồi tính ra công suất hiệu dụng của loa.

(3) Với tín hiệu còn phải nói đến dạng sóng nữa. Dạng sóng là điệu biến đổi của tín hiệu, nó cho thấy kiểu dáng tín hiệu lúc lên ra sao, lúc xuống ra sao. Trong thực tế, mình có nhiều dạng tín hiệu, tuy nhiên có một tín hiệu rất cơ bản thường được dùng để làm chuẩn khi kiểm tra hay đo thử các mạch tăng âm, đó là dạng tín hiệu hình sin. Người ta xem hình dáng của các tín hiệu bằng máy hiện sóng. Qua các tín hiệu xem ở các điểm khác nhau của mạch tăng âm, người ta biết mạch tăng âm có trung thực không? Tín hiệu có bị méo không? Méo nhiều hay méo ít?

Hình vẽ trên đây cho thấy, các dạng tín hiệu thường gặp. Đó là tín hiệu dạng sin, tín hiệu xung vuông, tín hiệu tam giác và tín hiệu dạng răng cưa. Trong thực tiển còn rất nhiều dạng tín hiệu nữa, như tín hiệu âm thanh, tín hiệu hình, tín hiệu đồng bộ, tín hiệu cao tần, tín hiệu trung tần, tín hiệu nhiễu….

Nói tóm lại ở đây “tín hiệu âm thanh” là đối tượng chính mà mình sẽ phải “gia công” “chế biến” bằng các mạch tăng âm, mạch khuếch đại. mình sẽ biến đổi âm thanh, như lời nói giọng ca trong đời thật, vốn là các chấn động sóng âm ra dạng tín hiệu điện bằng microphone, chuyển nó vào mạch điện và rồi dùng các kiểu mạch khuếch đại để xử lý để sao cho có được tín hiệu trung thực đủ mạnh ít méo và sau cùng cho nó đến kích thích làm rung một màn loa (loud speaker) để tái tạo ra chấn động cơ học, để phát trở lại vào không gian thật. Đó chính là công dụng của các máy tăng âm vậy.

Kỹ thuật thiết kế mạch tăng âm

Người ta chia một máy tăng âm ra làm 4 khối chính như sau:

(1) Khối khuếch đại ở các ngả vào, nó thay đổi theo các dạng các nguồn âm.

(2) Khối xử lý âm sắc, dùng điều chỉnh biên độ của tín hiệu theo dãy tần âm thanh.

(3) Khối công suất, làm cho tín hiệu đủ mạnh để cho xuất ra ở loa.

(4) Khối nguồn nuôi.

Và các mạch điện phụ:

  • Mạch đo biên VU-LED
  • Mạch bảo vệ.
  • Mạch tạo hiệu ứng echo

Trước hết hãy tìm hiểu các mạch điện cơ bản: Đối với dân thiết kế tăng âm, dù mạch điện ở khối nào, nó làm chức năng gì đi nữa, cũng thật sự chỉ gồm có 2 kiểu mạch điện kinh điển mà thôi. Đó là mạch khuếch đại làm việc với các tin hiệu nhỏ và mạch khuếch đại làm việc với các tín hiệu lớn. Với các kiểu mạch khuếch đại này, người ta đã có nhiều kiểu mạch điện kinh điển rồi (Các mạch điện gọi là kinh điển vì nó đã được dùng rất hiệu quả trong sản xuất và đã được phân tích đến mức tận cùng rồi). Do vậy, vấn đề ở đây là mình chỉ phải hiểu các kiểu mạch này một cách rõ ràng và tùy trường hợp mà chọn ra kiểu mạch ứng dụng cho thích hợp mà thôi.

Phần 1:

Trình bày các kiểu mạch khuếch đại âm tần kinh điển.

Hãy nói qua về các mạch khuếch đại làm việc với tín hiệu nhỏ

Người ta đưa ra 5 kiểu mạch kinh điển dùng để khuếch đại tín hiệu có biên nhỏ. Các mạch điện có sơ đồ mạch như sau:

Kiểu 1: Kiểu này rất thông dụng ở tầng khuếch đại ngả vào, khuếch đại trung gian. Mạch dùng linh kiện ít, phù hợp với mức nguồn nuôi thấp.

Mạch điện hoàn chỉnh: Transistor có 3 chân.

Trên chân E thường có điện trở định mức dòng làm việc cho transistor và nó cũng còn dùng để lấy tín hiệu hồi tiếp nghịch để sửa méo (khi ngang điện trở không gắn tụ lọc hóa học).

Trên chân C có điện trở định mức áp phân cực cho chân C (gọi là điện trở lấy áp) và nó cũng dùng để lấy tín hiệu ra trên chân C. Tín hiệu này qua tụ liên lạc ngả ra để đến tải hay vào các tầng khuếch đại tiếp theo.

Trên chân B có điện trở cấp áp phân cực cho chân B, nó dùng để dẫn dòng IB chảy về nguồn (dòng IB rất nhỏ nên các điện trở trên chân B thường có trị lớn). Trên chân B có tụ liên lạc dùng lấy tín hiệu từ nguồn đưa vào mạch khuếch đại.

Để giới hạn dãy biên tần làm việc của mạch khuếch đại (chỉ giới hạn cho làm việc trong vùng âm tần), người ta dùng tụ hồi tiếp nghịch, cho lấy tín hiệu tần cao trên chân C trả về chân B, nên tụ hồi tiếp trên chân CB có trị thường rất nhỏ.

Điều kiện phân cực DC: Khi thiết kế một mạch khuếch đại, bước đầu tiên Bạn phải làm là lấy được điều kiện phân cực DC đúng cho transistor.

Sơ đồ trên cho thấy cách phân phối điện áp phân cực tĩnh trên các chân C, B, E của transistor.

Mức áp trên chân B thường cao hơn chân E khoảng 0.6V (đó là do tính ghim áp của các mối nối BE). Mức áp trên chân B nên lấy thấp để mở rộng phạm vi làm việc cho mức áp của chân C (nên lấy dưới 1.5V).

Mức áp trên chân C phải cao hơn chân B (để tạo phân cực nghịch cho mối nối CB, nhờ vậy dòng phun ra từ chân E mới bị hút và chảy gần hết vào vùng C và chảy ra trên chân C, chỉ có một ít rất ít chảy ra trên chân B). Do tín hiệu cho lấy ra trên chân C, mà tín hiệu chính là sự biến đổi của mức volt trên chân C, nên mình phải sắp xếp mức volt phân cực trên chân C sao cho hợp lý. Thế nào là hợp lý?

  • Không đặt mức volt phân cực trên chân C quá cao, vì khoảng cách từ mức volt phân cực đến mức nguồn bị thu hẹp (ở đây mức áp chân C không thể lên cao hơn mức áp của nguồn, khi transistor đã bị ngưng dẫn).
  • Không đặt ở mức volt phân cực trên chân C quá thấp, vì khoảng cách từ mức volt phân cực đến mức volt chân B sẽ bị thu hẹp (ở đây mức áp trên chân C không thể xuống thấp hơn mức áp của chân B, khi đó transistor đã bị bão hòa).

.

Với các transistor làm việc với tín hiệu nhỏ, Bạn không nên chọn dòng làm việc IC quá lớn. Vì sao? Vì dòng phân cực chảy qua transistor sẽ tạo ra tiếng ồn (nghe ở dạng tiếng sôi), tiếng ồn này sẽ làm giảm chất lượng của mạch khuếch đại, do vậy nhiều khi ở tầng này người ta còn dùng các linh kiện Low Noise ( LN nghĩa là tìm các linh kiện khi hoạt động không phát ra tiếng ồn lớn). Theo đề nghị, dòng làm việc của transistor ở tầng này lấy trong khoảng từ 300uA đến 1.2mA là hợp lý (mình biết dòng làm việc của transistor lấy càng lớn, độ lợi của mạch càng cao).

Từ các hiểu biết trên, Bạn thấy PSpice đã tính ra mức áp trên các đường mạch (số có màu nâu) và cường độ dòng điện chảy ra vào trên các chân linh kiện (số có màu đỏ), Bạn xem hình trên, qua các con số này mình thấy mạch đã được phân cực khá hợp lý. Như vậy mình đã lấy đúng phân cực DC cho mạch khuếch đại kiểu 1.

Tóm lại, khi phân tích một mạch khuếch đại, Bạn luôn nhìn nó theo các 3 trình tự:

Trình tự 1: Trước hết là điều kiện phân cực DC. Lúc này các tụ điện trong mạch hoàn toàn không có tác dụng, vì ở điều kiện DC tất cả các tụ điện đều xem như đã làm hở mạch.

Trình tự 2: Kế đó khảo sát mạch với nguồn tín hiệu chuẩn có dạng sin, có tần số chuẩn là 1KHz, có biên độ tùy theo nguồn tín hiệu ở ngả vào. Các ống nói (microphone) thường cho biên độ tín hiệu trung bình là 10mV.

Trình tự 3: Sau cùng là sử dụng các đường hồi tiếp nghịch để hoàn thiện mạch khuếch đại. Hồi tiếp nghịch tăng tính ổn định cho mạch, sửa méo, thay đổi trở kháng ngả vào ngả ra cho phù hợp và nhất là làm cho mạch ít phụ thuộc vào các linh kiện có tham số quá phân tán như transistor.

Trong chuyên mục này, mình sẽ luôn trình bày các mạch khuếch đại theo thứ tự của 3 trình tự này.

Hãy tìm hiểu tính khuếch đại của mạch điện kiểu 1. mình sẽ đưa một tín hiệu dạng sin chuẩn vào và khảo sát tín hiệu này khi nó đi qua các điểm của mạch điện qua đó để hiểu rõ hơn công việc của nhà thiết kế mạch:

Kết quả phân tích cho thấy, tín hiệu ngả vào ngả ra đều có dạng sin, vậy mạch khuếch đại này không làm méo tín hiệu. Khi tín hiệu ngả vào giảm thì tín hiệu ngả ra tăng, như vậy mạch khuếch đại với tín hiệu vào ở chân B lấy ra trên chân C có tính đảo pha, và nếu so sánh biên độ của 2 tín hiệu mình tính được độ lợi của mạch khoảng 43 lần.

Nói chung đặc tính của mạch như vậy là tốt rồi, dùng được rồi.

Để hiểu rõ hơn vai trò của điện trở R3, điện trở tạo tác dụng hồi tiếp nghịch để sửa méo, chung ta cho nối tắt điện trở này và trình PSpice cho kết quả tín hiệu ngả ra đã bị méo. Ở phần biên độ giảm xuống đã bị “bằng đầu”. mình biết R3 lấy tín hiệu trên chân E và tín hiệu này tạo tác dụng hồi tiếp nghịch, nên làm giảm độ lợi của mạch, đồng thời làm tăng trở kháng ngả vào. Với R3, độ lợi của mạch giảm nên tín hiệu ra ít bị méo hơn.

Khảo sát dãy tần làm việc của mạch khuếch đại:

Ở đây, tụ C3 (220pF) dùng lấy tín hiệu tần số cao có trên chân C hồi tiếp nghịch về chân B, tác dụng này sẽ làm giảm độ lợi của mạch ở vùng tần số cao, nó thu hẹp dãy tần làm việc của mạch. Nếu trị của tụ C3 lấy càng lớn dãy tần làm việc càng bị thu hẹp nhiều hơn. Trong thực tế người ta thường dùng tụ này để giữ cho mạch không tự phát sinh dao động ở vùng tần số cao.

Kiểu 2: Kiểu khuếch đại dùng cầu chia volt với R1-R2 cấp áp phân cực cho chân B, nên độ ổn định cao hơn kiểu 1, các tham số của mạch này ít phụ thuộc vào tham số của transistor. Đây là sơ đồ hoàn chỉnh.

Trong mạch R1-R2 dùng làm cầu chia volt, lấy một phần điện áp của nguồn cấp cho chân B. Ở đây R2 là điện trở lấy áp. Trị R2 không nên chọn quá nhỏ vì nó gây tổn hao tín hiệu ngả vào.

Điện trở R4 có công dụng định dòng. Nó định mức dòng chảy vào chân E của transistor. Dòng làm việc của transistor nên lấy trong khoảng từ 300uA đến 1.2mA. Ngang R4 mắc tụ lọc hóa C3, nó làm mất tín hiệu trên R4 để bỏ tác dụng hồi tiếp nghịch gây ra do R4. Điện trở R5 dùng lấy tín hiệu hồi tiếp nghịch, nó có tác dụng sửa méo và tăng trở kháng ngả vào.

Điện trở R3 dùng định mức áp trên chân C và cũng là điện trở lấy tín hiệu ra trên chân C. Điện trở này không nên chọn trị quá nhỏ vì nó làm tổn thất tín hiệu ở ngả ra.

Tụ C1 làm tụ liện lạc ngả vào và tụ C2 làm tụ liên lạc ngả ra. Trị số của các tụ liên lạc có ảnh hưởng đến biên độ tín hiệu ở vùng tần số thấp. Các tụ này không nên lấy trị quá nhỏ vì sẽ làm mất tín hiệu vùng tần thấp. Cũng không nên chọn quá lớn, vì dòng rĩ của các tụ hóa lớn sẽ làm mạch mất ổn định.

Sơ đồ cho thấy cách lấy phân cực DC cho kiểu 2.

Trong mạch (Khi nói đến phân cực, vai trò của các tụ điện xem như hở mạch):

  • R1 (39K), R2 (10K) là cầu chia volt, dùng lấy ra điện áp VB = 1.78V cấp cho chân B.
  • R4 (1K) dùng để định dòng, dòng làm việc chảy vào ở chân E là IE = 963uA. Dòng này một phần rất nhỏ chảy ra trên chân B (IB = 6.48uA) và phần lớn chảy ra trên chân C (957,4uA). Điện trở R5 (100), đây là điện trở nhỏ ít ảnh hưởng đến tính định dòng, công dụng của nó là lấy tín hiệu tạo hồi tiếp nghịch trên chân E, giúp cho mạch làm việc với tín hiệu đủ lớn nhưng ít méo, làm tăng trở kháng ngả vào.
  • R3 là điện trở định mức áp trên chân C, với R3 = 4.7K, mức áp trên chân C sẽ là 4.5V.

Ghi nhận: Với cách phần cực này, transistor đã được cho làm việc trong vùng khuếch đại, bây giờ Bạn đưa tín hiệu vào và khảo sát mạch ở trạng thái động. Tóm lại, Bạn xem hình giải thich tóm lượt như sau:

Khảo sát mạch khuếch đại với nguồn tín hiệu dạng sin và ở tần số chuẩn 1KHz.

Với các mạch tăng âm, người ta thường dùng nguồn tín hiệu dạng sin, có tần số 1KHz để xác định các tham số của mạch. Do vậy trong PSpice Bạn sẽ chọn nguồn tín hiệu dạng sin để khảo sát mạch.

Đưa tín hiệu chân chân B (qua tụ liên lạc C1). Xem tín hiệu ở ngả ra trên điện trở tải. Từ kết quả này Bạn sẽ biết được:

  • Tín hiệu ra có bị méo không?
  • Độ lợi của mạch là bao nhiêu?
  • Biết được công suất của tín hiệu tác dụng trên tải.
  • Tính được trở kháng ngả vào, ngả ra.

Khảo sát vai trò của điện trở hồi tiếp trên chân E.

R5 (100) gắn trên chân E dùng lấy ra tín hiệu trên chân E và tín hiệu này có tác dụng hồi tiếp nghịch, hồi tiếp nghịch tuy làm giảm độ lợi nhưng nó có tính sửa méo và làm tăng trở kháng ngả vào. Bạn thấy khi mình cho nối tắt điện trở RE, điều kiện phân cực DC không có gì thay đổi lớn nhưng hình vẽ của PSpice cho thấy tín hiệu ngả ra đã bị méo biên, do đó, khi dùng kiểu mạch khuếch đại này Bạn nên gắn một điện trở nhỏ trên chân E, chất lượng của mạch khuếch đại sẽ được cải thiện tốt hơn rất nhiều.

Khảo sát tác dụng của tụ lọc trên chân E.

R4 (1K) là điện trở định dòng IE (dòng làm việc của tầng này thường lấy trên dưới 1mA), R4 có tác dụng tạo hồi tiếp nghich rất mạnh, người ta dùng R4 để tăng tính ổn định nhiệt cho mạch, nhưng điều này khiến cho độ lợi của mạch rất nhỏ, biên độ tín hiệu ra sẽ rất thấp, để khử tác dụng hồi tiếp nghịch AC của R4, ngang R4 mình mắc tụ lọc đủ lớn, vậy nếu tụ này hở mạch, tuy mạch vẫn hoạt động nhưng có độ lợi rất nhỏ. Dùng PSpice mình thấy rất rõ biên độ tín hiệu ngả ra đã giảm xuống rất thấp.

Ghi chú: Do vậy nhiều thợ điện tử, khi muốn tăng độ lợi để ampli lớn tiếng hơn thường mắc tụ hóa vào chân E của các tầng tiền khuếch đại, làm vậy là để bỏ tác dụng hồi tiệp nghịch với tín hiệu trên chân E.

Khảo mạch theo đường cong biên tần để thấy dãy tần làm việc của mạch.

PSpice cho mình cách khảo sát mạch theo đường cong biên tần và pha tần. Dùng cách khảo sát này, mình sẽ biết được mạch khuếch đại làm việc tốt ở vùng tần số nào của tín hiệu. Với đường cong biên tần và pha tần, mình sẽ biết được:

  • Mạch khuếch đại có làm sai pha không, sai bao nhiêu độ/
  • Cho biết ở một tần số đã chọn thì mạch cho độ lợi là bao nhiêu?
  • mình xác định được dãy tần làm việc của mạch, qua đó tìm cách sửa lại dạng đường cong theo đúng yêu cầu mình muốn. Thí dụ: Với các mạch tăng âm, mình chỉ cho mạch làm việc tốt trong vùng tín hiệu âm thanh là tốt, để mạch làm việc với các tín hiệu ở vùng tần cao khiến cho mạch dễ phát sinh dao động tự kích.

.

Khảo sát đường cong biên tần để thấy vai trò của các tụ điện ảnh hưởng đến dãy tần làm việc của mạch.

Hình vẽ cho thấy, mình dùng tụ C4 (120pF) là để lấy tín hiệu trên chân C trả về chân B, đó là tạo tác dụng hồi tiếp nghịch, với trị của tụ đủ nhỏ, nó chỉ có tác dụng hồi tiếp nghịch ở vùng tần cao, không ảnh hưởng đến tín hiệu âm thanh, điều này sẽ làm nén biên các tín hiệu vùng tần cao. Bạn xem kết quả trên đường cong ngả ra của PSpice. Bạn nhớ, dùng các tụ nhỏ tạo hồi tiếp nghịch trên chân CB của các transistor sẽ có tác dụng nén biên các tín hiệu vùng tần cao .

Kiểu 3: Kiểu mạch khuếch đại dùng 2 transistor cùng loại liên lạc thẳng.

Kiểu mạch khuếch đại 2 transistor liên lạc thẳng này hiện rất thông dụng, vì nó có nhiều ưu điểm, như:

  • Độ ổn định nhiệt rất tốt.
  • Hệ số khuếch đại cao, cho phép dùng đường hồi tiếp nghịch xâu.
  • Đáp ứng biên tần tốt.
  • Trở kháng ngả vào lớn, nên ít gây nặng tải lên nguồn tín hiệu.

mình thử tìm hiểu kiểu mạch khuếch đại này. Trong mạch:

  • Q1 làm tầng khuếch đại 1. Trên chân C có điện trở định áp R1 (lấy lớn 22K). Trên chân E có điện trở định dòng R2 (1K). Chân B được cấp dòng phân cực qua R5 (56K), mức áp phân cực lấy từ chân E của Q2 nên có tác dụng hồi tiếp nghịch dùng để tăng độ ổn định nhiệt. Tụ C1 (10uF) dùng lấy tín hiệu cho chân B.
  • Q2 là tầng khuếch đại 2. Trên chân C có điện trở định áp R3 (3.9K). Trên chân E có điện trở định dòng R4 (1K). Ngang R4 mắc tụ lọc lớn C4 (220uF) để bỏ tác dụng hồi tiếp nghịch AC trên chân E nhầm tăng cao độ lợi. Tín hiệu ra lấy trên chân C (với R3), qua tụ liện lạc C3 (10uF) cấp cho tải là R6 (20K). Người ta dùng tụ hồi tiếp nghịch AC C5 (5.6pF) để nén biên tín hiệu vùng tần cao, giữ cho mạch không bị tự kích ở vùng tần cao.

Cách lấy phân cực DC cho mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ kiểu 3.

Dùng trình PSpice của OrCAD. mình xác định được dễ dàng các mức áp phân cực DC trên các chân C B E của transistor và định được mức dòng chảy qua các linh kiện, và xác định được mức dòng làm việc IC của các transistor.

  • Khi cấp volt phân cực mình chú ý: Mức volt chân C phải lấy cao hơn chân B, để mối nối CB phân cực nghịch, như vậy dòng phun ra từ chân E (chân phát) sẽ bị hút vào vùng C và chảy ra trên chân C, mức áp này sẽ “nhấp nhô” đó chính là tín hiệu xuất hiện trên chân C. Mức volt phân cực cấp cho chân B không lấy quá cao, vì nó sẽ hạn chế biên độ tín hiệu ra (mức volt chân C không thể xuống thấp hơn mức volt chân B, vì như vậy transistor đã vào vùng bão hòa và mất tính khuếch đại). Mối nối BE phải cho phân cực thuận, nhờ vậy chân E mới phun dòng vào vùng B và rồi bị hút vào vùng C, cũng do vậy trở kháng ngả vào của các transistor nhỏ, thường chỉ khoảng trên dưới 2K.
  • Khi cấp dòng làm việc cho các transistor, Bạn chú ý: Dòng làm việc Ic lấy nhỏ thì độ lợi kém nhưng ít ồn và ngược lại dòng làm việc Ic lấy lớn thì độ lợi lớn nhưng tiếng ồn, do dòng chảy phát ra, lớn. Với các tầng transistor làm việc với tín hiệu biên nhỏ, dòng làm việc thường lấy trên dưới 1mA là hợp lý.

Khảo sát mạch với nguồn tín hiệu sin, có tần số chuẩn là 1KHz và biên độ tín hiệu là 5mV.

Khi đã lấy xong phân cực DC (quen nói là đã xác lập được trạng thái tĩnh), Bạn sẽ chuyển qua khảo sát tính khuếch đại của mạch với nguồn tín hiệu đưa vào trên chân B của Q1. Khi mạch làm việc với các tín hiệu thì vai trò của các tụ điện là quan trọng. Tại sao? Vì các tụ điện dùng bắt cầu cho tín hiệu đi qua mà không làm thay đổi mức volt phân cực DC trên các chân của transistor (bão toàn mức volt phân cực). Nói theo vật lý; Với các tụ điện trong mạch, đối với nguồn DC nó xem như hở mạch và đối với nguồn AC, nó xem như chập.

Với các mạch tăng âm, mình xác định các thông số của mạch vựa theo nguồn tín hiệu chuẩn, đó là: Tín hiệu dạng sin, có tần số chọn là 1KHz.

Dùng PSpice mình sẽ thấy được các biến đổi của mức volt trên các điểm của mạch khuếch đại, quan trọng là so sánh 2 tín hiệu: Tín hiệu ở ngả vào và tín hiệu ở ngả ra. Qua 2 tín hiệu này mình sẽ biết:

  • Mạch khuếch đại có độ lợi là bao nhiêu.
  • Mạch khuếch đại có làm méo tín hiệu hay không.
  • Mạch khuếch đại có đảo pha tín hiệu không. Có làm lệch pha giữa các tín hiệu trên các điểm mà tín hiệu đi qua không.

Hình vẽ trên của PSpice sẽ cho Bạn thấy được các điều trên.

Khảo sát mạch với nguồn tín hiệu sin, có tần số chuẩn là 1KHz và biên độ tín hiệu là 50mV.

Ghi nhận: Kiểu mạch khuếch đại này có độ lợi rất lớn (trên vài trăm lần), do đó khi tăng biên độ tín hiệu ngả vào lên 50mV, thì tín hiệu ngả ra đã bị méo (bị vuông hóa), nguyên do là tín hiệu lấy ra trên chân C chính là sự tăng giảm của mức volt, khi mức volt tăng lên thì không thể vượt quá mức nguồn (vì lúc này transistor đã ở vùng ngưng dẫn, mất tính khuếch đại) và khi mức volt trên chân C giảm xuống thì không thể xuống thấp hơn mức volt trên chân B (vì lúc đó transistor đã ở vùng bão hòa, mất tính khuếch đại).

Nhắn Bạn: Có nhiêu lúc Bạn cần có một tín hiệu có dạng xung vuông, Bạn có thể dùng mạch khuếch đại có độ lợi lớn và cho tín hiệu dạng sin biên lớn vào, nó sẽ cho Bạn một tín hiệu dạng xung vuông ở ngả ra. Người ta nói mạch khuếch đại đã “vuông hóa” tín hiệu.

Khảo sát mạch qua phân tích đường cong biên tần (Lúc chưa có tụ hồi tiếp nghịch trên chân CB của Q2).

Cách vẽ đường cong biên tần là giữ cho biên độ tín hiệu vào không đổi (như 1VAC), rồi cho thay đổi tần số của tín hiệu, ở mỗi tần số của tín hiệu cho đo biên độ tín hiệu ở ngả ra, với nhiều tần số thay đổi mình sẽ có đường cong biên tần. Đường cong này cho mình biết điều gì?

mình biết ở tần số nào của tín hiệu, mạch sẽ cho độ lợi là bao nhiêu. Dãy tần làm việc của mạch rộng hay hẹp.

Khảo sát mạch qua phân tích đường cong biên tần (Lúc có tụ hồi tiếp nghịch trên chân CB của Q2).

Với mạch khuếch đại âm tần, Bạn điều chỉnh dãy tần làm việc nằm trong khoảng từ 20Hz đến 20000Hz là được. Một trong các cách nén biên tín hiệu vùng tần số cao hiệu quả nhất là dùng tụ nhỏ mắc trên chân CB của các transistor tạo hồi tiếp nghịch. Bạn xem kết quả phân tích của PSpice cho thấy dãy tần đã bị nén biên vùng tần cao.

Kiểu 4: Kiểu mạch khuếch đại dùng 2 transistor khác loại liên lạc thẳng.

Đây là kiểu khuếch đại dùng 2 transistor khác loại, một npn và một pnp cho ghép thẳng. Đặc điểm của mạch khuếch đại này là mạch có tác dụng hồi tiếp nghịch rất mạch nên cho độ lợi nhỏ, nhưng bù lại tín hiệu ít bị méo, dù cho biên độ tín hiệu vào lớn. Trong mạch:

  • R1- R2 lấy áp nguồn cấp cho chân B của Q1 để tạo phân cực thuận cho mối nối BE, nhờ vậy từ chân E phun ra dòng và dòng này chảy vào vùng B rồi sẽ bị hút qua vùng C và chảy ra trên chân C, tạo ra dòng làm việc của transistor.
  • R4 là điện trở dùng để định dòng làm việc cho Q1, nó có tác dụng hồi tiếp nghịch nên làm tăng trở kháng ngả vào và sửa méo.
  • R3 điện trở chia dòng, có tác dụng tăng hệ số ổn định nhiệt cho Q2. Dòng chảy ra trên chân C tạo dòng IB cho Q2.
  • R5 là điện trở định dòng cho Q2. Ngang R5 mắc tụ lọc C3 để khử tác dụng hồi tiếp nghịch để tăng độ lợi.
  • R6 là điện trở định áp chân C của Q2.
  • C1 là tụ liên lạc ngả vào, C2 là tụ liên lạc ngả ra. R7 là điện trở tải.

Cách lấy phân cực DC cho mạch khuếch đại kiểu 4.

Dùng PSpice để thấy phân cực DC trên các chân của các transistor và thấy dòng làm việc chảy qua transistor. Với điều kiện phân cực này, mạch có thể khuếch đại tốt.

Khảo sát mạch khuếch đại với nguồn tín hiệu dạng sin, tần số chuẩn 1KHz.

PSpice cho thấy độ lợi của mạch nhỏ, nhưng bù lại nó không làm méo biên độ các tín hiệu có biên lớn.

Khảo sát mạch khuếch đại với nguồn tín hiệu vào có biên lớn.

Chỉ khi biên độ tín hiệu vào là 600mV, lúc đó tín hiệu ngả ra mới bị méo.

Khảo sát mạch khuếch đại theo dạng đường cong biên tần.

Từ kết quả đường cong biên tần, mình thấy dãy tần làm việc của mạch rất rộng, điều này khiến cho mạch khuếch đại luôn các tín hiệu nhiều ở vùng tần cao.

Khảo sát tác dụng của các tụ hồi tiếp gắn trên chân CB của các transistor.

Khi dùng tụ hồi tiếp nghịch C4, mình đã cho nén biên các tín hiệu ở vùng tần cao, chỉ cho mạch làm việc trong dãy tần của tín hiệu âm thanh là từ 20Hz đến 20.000Hz.

Kiểu 5: Kiểu mạch khuếch đại vi sai dùng nguồn bơm dòng hằng.

Ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai là có khả năng kháng nhiễu cộng sai rất mạnh. Trong mạch:

  • Q1, Q2 ráp thành mạch khuếch đại vi sai. Kiểu khuếch đại này có 4 dạng:

(1) Dạng tín hiệu vào trên 2 chân B, và lấy ra trên 2 chân C (dạng đối xúng toàn phần).

(2) Dạng tín hiệu vào trên 1 chân B và lấy ra trên 2 chân C.

(3) Dạng tín hiệu vào trên 2 chân B và lấy ra trên 1 chân C.

(4) Dạng tín hiệu vào trên 1 chân B và lấy ra trên 1 chân C.

Đặc điểm của kiểu mạch khuếch đại vi sai là mạch chỉ khuếch đại các tín hiệu sai pha đưa vào ở 2 ngả vào, với các tín hiệu vào cùng pha, mức volt biến đổi trên 2 chân C cũng cùng pha (cùng lên hay cùng xuống) nên không tạo dòng điện cấp cho tải, ngoài ra với mạch bơm dòng hằng (ráp với Q3), trở kháng trên chân E chung của Q1, Q2 rất lớn, nó tạo tác dụng hồi tiếp nghịch rất mạnh, càng làm tăng khả năng kháng nhiễu tốt hơn.

  • R4, R6 là các điện trở cấp phân cực cho chân B của Q1, Q2, hai điện trở này thường lấy trị bằng nhau
  • R1, R2 là các điện trở định áp chân C và cũng là điện trở dùng để lấy tín hiệu ra trên chân C.
  • D1 là diode zener dùng đển ghim áp và R3 là điện trở định dòng làm việc cho D1.
  • R5 là điện trở dùng định mức dòng hằng cấp cho Q1, Q2.
  • C1, C2, C3 là các tụ liên lạc.

Trong mạch này, mình khảo sát tín hiệu vào trên 1 chân B và lấy ra trên 1 chân C. Kiểu khuếch đại này thường được dùng làm tầng khuếch đại đầu của mạch khuếch đại công suất lớn (ráp theo kiểu 3, Bạn xem phần bên dưới).

Cách lấy phân cực DC cho mạch khuếch đại vi sai.

Bạn dùng Pspice để xác định các mức áp phân cực và dòng làm việc của các transistor trong mạch, muốn thay đổi các mức áp và dòng phân cực, Bạn thay đổi trị các điện trở trong mạch. Kết quả phân tích của Pspice cho thấy điều kiện phân cực đã tốt. Nghĩa là mức áp chân C phải cao hơn chân B để mối nối CB phân cực nghịch và mức áp chân B phải cao hơn chân E để mối nối BE phân cực thuận

Khảo sát mạch khuếch đại vi sai với nguồn tín hiệu sin, có tần số chuẩn là 1KHz.

Kết quả xem các tín hiệu trên trang đồ thị của PSpice.

Muốn hiểu nguyên lý làm việc của một mạch khuếch đại, mình khảo sát mạch với nguồn tín hiệu dạng sin, xem kết quả ở ngả ra và so sánh với tín hiệu ngả vào. Với các mạch khuếch đại tín hiệu âm thanh, nguồn tín hiệu dạng sin sẽ cho làm việc ở tần số 1KHz.

Kết quả phân tích của Pspice cho thấy tín hiệu vào dạng sin và tín hiệu lấy ra trên 2 chân C cũng có dạng sin, vậy mạch khuếch đại không làm méo tín hiệu, và tín hiệu trên 2 chân C thì ngược pha

Khảo sát mạch khuếch đại vi sai theo dạng đường cong biên tần.

Kết quả xem các dạng đường cong trên đồ thị của PSpice.

Và PSpice cũng cho thấy đường cong biên tần của mạch khuếch đại, qua đường cong này, mình thấy được dãy tần làm việc của mạch. Với các mạch khuếch đại tín hiệu âm thanh dãy tần làm việc cho nằm trong khoảng từ 20Hz đến 20.000Hz

Bây giờ nói đến các mạch khuếch đại làm việc với tín hiệu lớn

Các mạch tăng âm là mạch khuếch đại làm việc với các nguồn tín hiệu lớn, hiện này có rất nhiều kiểu mạch tăng âm hay còn gọi là main amplifier, ở đây mình phân tích 3 kiểu mạch kinh điển, khi đã hiểu rõ nguyên lý vận hành của các kiểu mạch này, Bạn sẽ dễ dàng hiểu được tất cả các mạch tăng âm khác.

Kiểu 1: Khuếch đại công suất âm thanh, tầng tiền khuếch đại liên lạc qua tụ (Mạch làm việc với biên độ tín hiệu lớn)

Trong mạch:

  • Q1 là tầng tiền khuếch đại với R1-R2 là cầu chia volt, lấy áp phân cực cho chân B của Q1. R4 là điện trở định dòng làm việc cho Q1. R5 là điện trở lấy tín hiệu hồi tiếp nghịch và R3 là điện trở định áp cho chân C. Tín hiệu qua tụ liên lạc ngả vào C1 vào trên chân B và qua tụ liên lạc ngả ra C3 ra trên chân C. C4 là tụ hóa lớn dùng lọc bỏ tín hiệu trên R4 để làm mất tác dụng hồi tiếp nghịch gây ra do R4. Tầng tiền khuếch đại được cấp nguồn nuôi qua điện trở giảm áp R6 và tụ lọc C2.
  • Q2 là tầng thúc, nó là tầng khuếch đại công suất nhỏ hạng A, nên dòng làm việc IC lấy khoảng 10mA. R13 là điện trở lấy mức áp trung điểm cấp phân cực cho chân B của Q2. R14 là điện trở làm tăng độ ổn định nhiệt cho Q2. R7 và R8 dùng định áp chân C và cũng dùng định dòng cho Q2. Các diode D1, D2, D3 dùng lấy áp phân cực DC cấp cho các transistor tầng công suất để sửa méo tại giao điểm của tín hiệu. Tín hiệu lấy ra trên chân C cấp cho tầng kéo đẩy ráp với Q3, Q4. Tụ C5 tạo tác dụng hồi tiếp tự cử dùng để làm cân bằng biên độ của tín hiệu ở ngả ra (biên độ tín hiệu phần lên và phần xuống bằng nhau ).
  • Q3, Q4 là 2 transistor hỗ bổ (hỗ tương bổ túc cho nhau). Q3 là loại transistor npn và Q4 là loại transistor pnp. Như vậy khi tín hiệu ra trên chân C của Q2 tăng lên sẽ làm Q3 dẫn điện thì Q4 ngưng dẫn và ngược lại, khi tín hiệu trên chân C của Q2 giảm xuống, thì Q4 dẫn điện và Q3 ngưng dẫn.

Để có công suất ra loa lớn, mạch dùng 2 transistor công suất (gắn trên lá nhôm giải nhiệt).

  • Q5 ghép phức hợp với Q3 và Q6 ghép phức hợp với Q4. Với các transistor ghép phức hợp thường có độ ổn định nhiệt kém, do đó người ta dùng các điện trở R9 và R10 để gia tăng hệ số ổn định nhiệt cho Q5, Q6. R11 và R12 là các điện trở nhỏ có công dụng cân bằng dòng kéo đẩy qua loa. C7 là tụ ra loa, C7 phải lấy trị lớn vì loa vốn có trở kháng nhỏ. Ngang loa mắc mạch lọc zobel để ổn định trở kháng của loa trong dãy tần tín hiệu âm thanh.

Cách lấy phân cực DC: Vấn đề cấp các mức volt phân cực.

Dùng PSspice để xác định trạng thái phân cực DC của mạch. Với các kết quả như hình trên, mình thấy điều kiện phân cực của mạch đã chuẩn xác.

Chú ý: Với mạch khuếch đại kéo đẩy này, mức áp ngả ra ở trung điểm phải lấy bằng nửa mức áp nguồn. mình biết mức áp trung điểm phụ thuộc vào mức áp trên chân C của Q2, vậy khi điều chỉnh trị của điện trở R13 cũng sẽ làm thay đổi mức áp trung điểm. Trong mạch với nguồi nuôi là 30V, mức áp trung điểm phải là 15V.

Cách lấy phân cực DC: Vấn đề cấp các mức dòng phân cực.

Kết quả phân tích cho thấy:

  • Dòng làm việc của Q1 lấy khoảng 1mA.
  • Dòng làm việc của tầng thúc lấy khoảng 10mA.

Ở trạng thái tĩnh các transistor ở tầng công suất kéo đẩy được cho phân cực gần như ngưng dẫn, vì tầng công suất cho làm việc ở hạng B để mạch cho hiệu suất cao, khoảng 78%. Dòng toàn phần khoảng 12mA là tốt

Khảo sát mạch theo nguồn tín hiệu dạng sin, tần số 1KHz.

Khi đã lấy được điều kiện phân cực rồi, mình chuyển qua khảo sát mạch với nguồn tín hiệu dạng sin có tần số chuẩn là 1KHz. Kết quả cho thấy: Tín hiệu ngả vào và ngả ra không méo. Biên độ tín hiệu ngả ra khai thác gần bằng mức nguồn nuôi (lúc lên gần bằng 15V và lúc xuống gần bằng -15V).

Cũng trên đồ thị này, Bạn có thể xem kết quả công suất xoay chiều và công suất trung bình. Và từ đồ thị có thể tính ra độ lợi của mạch.

Chú ý: Độ lợi của mạch phụ thuộc vào tỷ số của 2 điện trở ở mạch hồi tiếp nghịch R16 và R5. Nếu giảm R5, mức độ hồi tiếp nghịch sẽ giảm và mạch sẽ tăng độ lợi và ngược lại, nếu tăng trị của điện trở R5, mức độ hồi tiếp nghịch lớn sẽ làm giảm độ lợi.

Khảo sát mạch theo dạng đường cong biên tần.

Cũng như các phần trên, Bạn sẽ cho khảo sát mạch theo dạng đường cong biên tần và nếu cần thì dùng các mạch hồi tiếp qua các tụ điện nhỏ gắn trên các chân CB của các transistor để sửa dạng đường cong cho phù hợp với kiểu mạch khuếch đại âm thanh. Mạch làm việc trong dãy tần từ 10Hz đến 20.000Hz.

Cách xác định trở kháng ngả ra (Tìm trị của Loa để có công suất cực đại).

Phần mềm PSpice có thể xác định công suất ra thay đổi theo trở kháng của loa. Hình trên cho thấy, PSpice cho thấy công suất ra loa lớn nhất là 53W ở trở kháng loa là 2 ohm.

Kiểu 2: Khuếch đại công suất âm thanh, tầng tiền khuếch đại liên lạc thẳng (Mạch làm việc với biên độ tín hiệu lớn)

Trong mạch:

  • Q1 là tầng tiền khuếch đại dùng làm tầng khuếch đại ngả vào. R1 – R2 dùng cấp dòng phân cực cho Q1. R5 là điện trở định dòng trên chân E. R4 là điện trở làm tăng độ ổn định nhiệt cho Q2. tầng này được cấp nguồn DC với điện trở giảm áp R3 và tụ lọc nguồn C2.
  • Q2 là tầng thúc (tầng thúc cho làm việc theo kiểu khuếch đại công suất nhỏ hạng A), chân B cho nối thẳng vào chân C của Q1. Trên chân C có R6 – R7 là điện trở vừa định áp chân C và vừa định dòng IC. D1, D2, D3 dùng để lấy áp DC phân cực cho các transistor ở tầng kéo đẩy nhầm giảm méo gây ra do rào áp (ở ngả vào của các transistor, trên chân BE đều có rào áp khoảng 0.5V). C4 là tụ có trị nhỏ dùng để tạo hồi tiếp nghịch ở vùng tần số cao để giữ cho mạch không phát sinh dao động tự kích. C3 là tụ hồi tiếp tự cử dùng để làm cân bằng biên độ tín hiệu ở ngả ra (giữ cho biên độ tín hiệu lên bằng với biên độ của tín hiệu xuống. Dĩ nhiên Bạn có thể dùng PSpice để thấy rõ hơn vai trò của tụ tự cử ).
  • Q3, Q5 và Q4, Q6 là các transistor ghép phức hợp (còn gọi là transistor darlington) dùng làm tầng khuếch đại công suất dạng kéo đẩy. R8 và R9 dùng làm tăng hệ số ổn định nhiệt cho các transistor phức hợp. R10, R11 là các điện trở nhỏ dùng làm cân bằng dòng điện qua các transistor công suất. C5 là tụ hóa có trị lớn, dùng để cấp dòng điện kéo đẩy cho loa. Ngang loa dùng mạch lọc zobel để ổn định trở kháng của loa trong dãy tần tín hiệu âm thanh (ở vùng tần số cao, trở kháng của loa tăng, lúc đó mạch lọc zobel sẽ làm giảm trở kháng của loa, ở vùng tần số thấp, trở kháng của loa nhỏ, mạch lọc zobel sẽ không có tác dụng).

Mạch làm việc như sau: Khi tín hiệu dạng sin qua tụ liên lạc C1 vào chân B của Q1, tín hiệu này sẽ được khuếch đại và cho ra trên chân C, nó tác dụng thẳng vào chân B của Q2, tín hiệu ra trên chân C của Q2 sẽ vào thẳng tầng công suất kéo đẩy. Khi biên độ tín hiệu tăng nó sẽ làm cho Q3, Q5 dẫn điện và lúc này Q4, Q6 ở trạng thái ngưng dẫn, và ngược lại, khi biên độ tín hiệu trên chân C của Q2 giảm xuống, nó sẽ làm cho Q4, Q6 dẫn điện và lúc này thì Q3, Q5 ở trạng thái ngưng dẫn. Sự lên xuống của mức áp ở trung điểm sẽ qua tụ C5 tạo dòng xoay chiều làm rung màn loa.

Chú ý: Độ lợi của mạch phụ thuộc vào hệ số hồi tiếp nghịch tạo bởi R5 và R13. Tăng trị R13, mức độ hồi tiếp nghịch sẽ tăng cao và độ lợi của mạch sẽ giảm và ngược lại, nếu cho giảm trị của R13, mức độ hồi tiếp nghịch sẽ giảm và độ lợi của mạch sẽ tăng lên. Bạn có thể kiểm tra điều này một cách dễ dàng khi dùng PSpice để phân tích mạch.

Mạch cấp mức volt phân cực DC.

Bạn dùng PSpice để thấy mức áp phân cực cấp cho cách chân của các transistor.

Mạch cấp mức dòng phân cực DC.

Bạn dùng PSpice để thấy mức dòng làm việc cấp cho cách chân của các transistor.

Khảo sát mạch khuếch đại công suất kiểu 2 với nguồn tín hiệu sin, tần số chuẩn là 1KHz.

Dùng PSpice để khảo sát mạch làm việc với tín hiệu (khảo sát mạch ở trạng thái động). Nguồn tín hiệu đưa vào là dạng sin, tần số 1KHz. Với kết quả hiện ra trên đồ thị, Bạn có thể biết được:

  • Tín hiệu ra có bị méo không?
  • Biên độ tín hiệu ra loa có khai thác hết mức áp của nguồn nuôi không?
  • Độ lợi của mạch là bao nhiêu?
  • Công suất xoay chiều? và công suất trung bình là bao nhiêu?

Khi Bạn muốn tìm hiểu công dụng của từng linh kiện một trên mạch khuếch đại, Bạn có thể cho bỏ nó, cho nó nối tắt hay cho trị của nó thay đổi rồi nhờ PSpice tính toán lại (việc này PSpice làm rất nhanh), dùng cách làm này, mình sẽ nhanh chóng hiểu rõ được vai trò của các linh kiện trong mạch.

Dùng PSpice để xác định trở kháng của loa cho công suất ra lớn nhất.

Cũng như ở mạch kiểu 1, mình sẽ cho tính trở kháng của loa sao cho công suất ra loa được lớn nhật. Kết quả cho thấy: Với loa có trở kháng là 2.4 ohm, công suất ra lớn nhật gần bằng 46Watt. Bây giờ Bạn có thể cho khảo sát mạch với loa có trở kháng là 2.4 ohm. (Phương pháp tính sẽ được hướng dẫn ở phần 2. Bạn xem tiếp qua phần 2)

Khảo sát mạch khuếch đại công suất âm tần với đường cong biên tần.

Trên đây là kết quả phân tích mạch tăng âm kiểu 2 theo dạng đường cong biên tần. Nó cho thấy dãy tần làm việc của mạch tăng âm kiểu 2. Thường đường cong biên tần của các mạch tăng âm, Bạn điều chỉnh cho làm việc trong dãy tần từ 20Hz đến 20.000Hz là đủ.

Kiểu 3: Khuếch đại công suất với ngả vào dạng vi sai, các tầng liên lạc thẳng.

Trong mạch:

  • Q1, Q2 ráp thành mạch khuếch đại vi sai. R1, R5 là điện trở cấp dòng phân cực cho chân B. Chân E chung của Q1, Q2 được cấp dòng hằng (dòng không đổi). Tín hiệu cho qua tụ liên lạc C1 vào chân B của Q1 và lấy ra trên chân C vào thẳng chân B của tầng Q4 (Q4 là tầng thúc).
  • Q3 ráp thành mạch cấp dòng hằng. Chân B cho ghim áp với diode zener D1 và D1 được định dòng với điện trở R4. Cường độ dòng điện cấp cho Q1, Q2 lấy theo trị của điện trở R3.
  • Q4 là tầng thúc, nó là tầng khuếch đại công suất nhỏ hạng A. Transistor này được cấp dòng làm việc bởi Q5. Q5 là nguồn bơm dòng hằng, chân B cho ghim áp với D1 và chân E định dòng với R6. Các diode D2, D3, D4 dùng lấy áp DC (mỗi diode lấy 0.6V) cấp cho các transistor ở tầng khuếch đại kéo đẩy để sửa méo gây ra do rào áp trên các mối nối BE. Tụ nhỏ C3 dùng tạo tác dụng hồi tiếp nghịch ở vùng tần số cao giữ cho mạch không phát sinh dao động tự kích.
  • Q6, Q8 và Q7, Q9 là tầng công suất ráp theo kiểu kéo đẩy. Các transistor ghép theo kiểu phức hợp còn gọi là các transistor darlington. R7, R8 (phải lấy trị bằng nhau) là các điện trở làm tăng độ ổn định nhiệt của các transistor darlington. D5 là diode làm cân bằng trở kháng ngả vào của Q7 với ngả vào trên Q6, Q8. Điện trở R9, R10 dùng làm cân bằng dòng điện qua transistor công suất Q8, Q10. Tụ C4 và R13 làm mạch lọc zobel giữ cho trở kháng của loa không thay đổi trong dãy tần của tín hiệu âm thanh.

Đặt điểm của kiểu mạch tăng âm này là ngả vào dùng khuếch đại vi sai nên có tính kháng nhiễu cộng sai rất tốt, ngả ra không dùng tụ ra loa nên có đáp ứng ở vùng tần số thấp rất tốt.

Chú ý: Độ lợi của mạch tùy thuộc vào tỷ số hồi tiếp nghịch tạo bởi R5 và R11. Nếu tăng trị của R11, tác dụng hồi tiếp nghịch sẽ lớn, độ lợi của mạch sẽ giảm và nếu giảm trị của R11, tác dụng hồi tiếp nghịch sẽ nhỏ và độ lợi của mạch khuếch đại sẽ tăng.

Nhận xét chung, đây là kiểu mạch hiện rất thông dụng, nó được dùng và phát triễn ráp nhiều mạch tăng âm công suất lớn khác. Trong các phần sau mình sẽ còn phân tích kỹ loại mạch này.

Cách cấp điện áp phân cực DC cho mạch tăng âm kiểu 3.

Dùng kết quả phân tích của PSpice, mình thấy được các mức áp phân cực trên các chân của các transistor. Khi lấy phân cực cho mạch này, điều cần thiết nhất là mức áp ngả ra phải bằng 0V hay gần bằng 0V. Qua các mức volt cấp cho các chân E, B, C mình thấy các transistor ở tầng công suất được phân cực ở trạng thái gần ngưng dẫn, nghĩa là tầng kéo đẩy cho làm việc theo hạng B, nhờ vậy hiệu suất của mạch mới được nâng cao, khoảng 78%

Cách cấp dòng điện phân cực DC cho mạch tăng âm kiểu 3.

PSpice cũng cho thấy dòng phân cực của các transistor. Với nguồn cấp dòng hằng ráp với Q1, do dùng điện trở định dòng R3 = 1K, nên mức dòng hằng sẽ là 1.5mA, dòng này cấp cho Q1, Q2.

Q4 làm việc với mức dòng là 19.92mA, đây là dòng hằng được cấp bởi Q5 với điện trở định dòng là R6 (120). Dòng toàn phần của mạch là 30.79mA.

Khảo sát mạch khuếch đại kiểu 3 với nguồn tín hiệu ngả vào dạng sin, tần số 1KHz

Khảo sát mạch tăng âm với nguồn tín hiệu dạng sin tần số là 1KHz , qua kết quả (xem hình trên) mình nhìn thấy tín hiệu ngả vào và ngả ra không méo và từ hình vẽ này có thể tính được độ lợi của tầng khuếch đại, và cũng tính được công suất xoay chiều và công trung bình trên loa. Với Loa 8 ohm, công suất trung bình là 64 Watt.

PSpice xác định trở kháng của loa để lấy được công suất ra lớn nhất.

PSpice cũng cho mình cách xác định công suất ra lớn nhất theo trở kháng của loa, với loa 3 ohm công suất xoay chiều ra là 252 Watt.

TRUNG TÂM SỬA CHỮA ĐIỆN TỬ QUẢNG BÌNH
MR. XÔ - 0901.679.359 - 80 Võ Thị Sáu, Phường Quảng Thuận, tx Ba Đồn, tỉnh Quảng Bình
Sửa điện tử tại Quảng Bình

Khảo mạch mạch theo dạng đường cong biên tần.

PSpice cũng cho mình thấy kết quả đường cong biên tần của mạch khuếch đại này. Kết quả cho thấy, mạch có đáp ứng ở vùng tần số thấp tốt, ở vùng tần cao biên độ còn được nâng lên.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

65 + = 69