đồ án kỹ THUẬT MẠCH TƯƠNG tự và số đề tài mạch khuếch đại công suất OCL ngõ vào đơn

Hình sau mô tả cấu trúc của hai loại BJT NPN và PNP Ta thấy rằng, tương ứng với mỗi miền bán dẫn là một cực của BJT, sự phatạp nồng độ của lỗ trống hay điện tích tự do giảm dần từ cực E

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA : ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG

PHIẾU ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Tên đồ án: KỸ THUẬT MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ SỐ

Nhóm học phần : 1062363.2110.19.41A

Giảng viên hướng dẫn : TS HUỲNH THANH TÙNG

Tên đề tài : Mạch khuếch đại công suất OCL ngõ vào đơn.

Thông số thiết kế :

Quá trình thực hiện đồ án :

hướng dẫn

………

Đà Nẵng, Ngày 23 Tháng 12 Năm 2021

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TS Huỳnh Thanh Tùng

LỜI NÓI ĐẦU

Ngành Điện tử - Viễn thông là một trong những ngành quan trọng trong sự phát triển của đấtnước Sự phát triển nhanh chóng của khoa học - công nghệ làm cho ngành Điện tử - Viễn thôngngày càng phát triển và đạt được nhiều thành tựu mới Nhu cầu sử dụng máy móc công nghệngày càng cao của con người là điều kiện thuận lợi cho ngành Điện tử - Viễn thông phát triểnkhông ngừng, phát minh ra các sản phẩm mới có tính năng ứng dụng cao đa tính năng Nhưngmột điều căn bản của các sản phẩm đó là đều bắt nguồn từ các linh kiện R,L,C Diode, BJT, mànền tảng là môn cấu kiện điện tử

Hiện nay, nước ta có rất nhiều loại máy khuếch đại âm thanh trên thị trường, mà tầng khuếchđại công suất được thiết kế từ các loại mạch như OCL, OTL, Đến với đồ án kỹ thuật mạch

điện tử lần này, nhóm chúng em mang đến đây mạch khuếch đại âm thanh sử dụng mạch khuếchđại OCL

Qua nỗ lực nghiên cứu và tìm hiểu cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy Huỳnh Thanh Tùng

và thầy Vũ Vân Thanh đã giúp chúng em hoàn thành đồ án này

Với khoảng thời gian có hạn cũng như độ hiểu biết kiến thức còn hạn chế nên chúng em khó cóthể tránh khỏi những sai sót, chưa thể tối ưu mạch đã làm ra Chúng em mong quý thầy cô thôngcảm giúp đỡ và chỉ bảo thêm cho chúng em, cho chúng em thêm kinh nghiệm để cải thiện hơn vềmặt sản phẩm lần sự hiểu biết của chúng em Chúng em xin chân thành thầy Huỳnh Thanh Tùng

và các thầy, cô đã giúp đỡ chúng em trong thời gian qua

MỤC LỤC

PHẦN I: LÝ THUYẾTChương 1: Transitor lưỡng cực (BJT)

Chương 2: Các mạch ứng dụng

8 Mạch lọc ZOBEL

PHẦN I: LÝ THUYẾTCHƯƠNG I : TRANSISTOR (BJT)

1 Cấu tạo cơ bản của BJT :

Transitor lưỡng cực gồm hai mối nối pn nối tiếp nhau, được chế tạo trên cùng một mẫu bán dẫn Ge hoặc Si

Hình sau mô tả cấu trúc của hai loại BJT NPN và PNP

Ta thấy rằng, tương ứng với mỗi miền bán dẫn là một cực của BJT, sự phatạp (nồng độ của lỗ trống hay điện tích tự do) giảm dần từ cực E qua cực C,

mà điện tích sẽ khuếch tán từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ thấp nên, lỗ trống/điện tích tự do sẽ phát từ E nên cực này được gọi là cực phát (Emitter), cực C nhận các điện tích nên gọi là cực thu (Collector), cực B chuyển tiếp giữa 2 miền nên được gọi là cực nền (Base) Ngoài ra, miền chuyển tiếp B có độ rộng nhỏ nhất, kế tiếp là miền phát và rộng nhất là miền thu

Nhiều điện tử tử cực âm nguồn đi vào cực phát và khuếch tán sang cực nền (do

phân cực thuận) tạo ra dòng IE

Ta đã biết tại vùng nền hẹp và ít lỗ trống nên hầu hết điện tử sẽ khuếch tán thẳng

sang vùng thu tùy theo độ rộng của vùng nghèo BC và đi về cực dương nguồn tạo

ra dòng IC

Mặt khác một ít điện tử tại cực nền sẽ đi về cực dương nguồn VEE tạo ra dòng IB rất nhỏ

Như vậy theo định luật KCL: IE = IC + IB

Do IB rất nhỏ nên IE IC

Đặc tuyến của IC theo VCE và IB có dạng:

3 Các cách ráp và độ lợi dòng :

chung Cực chung là cực nối với đất (GND) và được sử dụng cho cả ngõ vào và ngõ ra

Dưới đây là sơ đồ 3 kiểu mắc:

Trong mỗi cách ráp, người ta định nghĩa độ lợi dòng :

Ai = dòng ngõ ra / dòng ngõ vào

Độ lợi dòng điện của BJT thường dùng là độ lợi trong cách ráp cực E chung và B

chung Với cực E chung:

Từ định nghĩa và định lý Kirchoff về dòng điện ta rút ra công thức liên hệ:

4 Dòng rỉ trong transitor – điện áp tối đa :

- Vì mối nối BC thường được phân cực nghịch nên cũng có dòng ngược bão

hòa ISAT chạy qua và được gọi là ICBOTrong trường hợp cực B để hở, ta đặt điện áp vào 2 đầu cực C và E cũng xuất hiện dòng điện, dòng này được gọi là ICEO

ICBO và ICEO thường được nhà sản xuất cung cấp

đa mà BJT chịu được

VEBO: điện áp VBE/VEB tối đa BJT chịu đươc

5 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới BJT :

Nhiệt độ ảnh hưởng lớn tới các thông số của BJT:

Vì sự thay đổi các thông số do nhiệt độ nên ổn định nhiệt được xem là ưutiên hàng đầu khi thiết kế mạch khuyếch đại, một số phương pháp thường sửdụng trong mạch là hồi tiếp âm, bổ chính nhiệt dùng diode…

6 Phân cực điểm tĩnh cho BJT – Ổn định phân cực :

Trong bài phân tích là BJT NPN, nhưng các kết quả khảo sát vẫn cùng với BJT

PNP, chỉ cần chú ý chiều dòng điện và cực tính nguồn cung cấp

a Phân cực cố định :

Cách tính toán :

Bước 1: Áp đụng định lý KCL cho ngõ vào ra tính được IB: IB = (Vcc-0.7)/RB

Bước 2: Sử dụng công thức liên hệ : IC = βIB

Bước 3: Áp dụng KVl cho ngõ ra tính được VCE: Vce = Vcc – IC.RC (1)

=> Điểm làm việc tĩnh Qpoint(IC, VCE) và đồ thị phương trình (1) gọi là

loadline (đường tải điện)

- Điều kiện BJT hoạt động trong vùng tuyến tính : Mối nối BE phân cực thuận, Mối BC phân cực nghịch: Vc >VB  VCE>VBE

Cách tính toán:

Bước 1 Sử dụng KVL ngõ vào ta có:

VCC = RB.IB + VBE + RE.IE

Bước 2: Thay IE = (1+β.IB)

=>

Bước 3: Suy ra IC = β.IB

Đây là cách được sử dụng phổ biến bởi độ ổn định và dễ tính toán

Cách tính toán:

Bước 1: Dùng định lý Thevenin biến đổi mạch

Với RBB = R1 // R2

VBB = VCC.R2/(R1+R2)

Bước 2: KVL cho mạch ngõ vào

VBB = RBB.IB + VBE + RE.IE

=>

Bước 4: Suy ra IC = β.IB

Mục đích của việc phân cực cho BJT là thiết lập một điểm làm việc tĩnh (Qpoint) và

nhờ đó xác định vùng hoạt động ban đầu của transistor

Thực tế, VCE thường được phân cực dựa theo yêu cầu về độ lợi áp của mạch,

nó phải lớn hơn VP của điện áp ngõ ra IPC << IC

IPC là dòng chạy trong cầu phân áp cực B trong mạch phân cực bằng cầu phân

áp Thông thường, để mạch hoạt động ổn định, ta cần IPC >> IB, nhưng IPC

càng lớn thì hiệu suất càng thấp, thế nên ta chọn IPC = 10.IB

7 Mô hình tín hiệu nhỏ :

Khi hoạt động trong chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ, BJT có thểđược vẽ dưới dạng mô hình tương đương gồm các điện trở và nguồndòng phụ thuộc Có 2 bước phân tích mạch:

Xác định sơ đồ DC bằng cách hở mạch tụ điện và ngắn mạch cuộn cảm

Xác định Qpoint tùy theo phương pháp phân cực

Xác định sơ đồ AC bằng cách nối tất cả nguồn về mass, nối tắt tụ và hở mạch cuộn

cảm Thay thế tất cả transistor bằng mô hình tín hiệu nhỏ:

Thông số:

Điện dẫn gm = 40.IC

Trở kháng vào rπ = β0/gm

Trở kháng ra ro = VA/IC với VA là điện áp Early Dựa trên sơ đồ

mạch AC tính toán tất cả các thông số dòng áp vào ra

Để đảm bảo cho mạch hoạt động trong vùng tín hiệu nhỏ, có một số yêu cầu sau:

|vbe| <= 2VT/10 = 5mV

|ic| <= 0.2IC

CHƯƠNG 2 : CÁC MẠCH ỨNG DỤNG

1 Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ :

a Mạch khuếch đại Echung có RE

SƠ ĐỒ MẠCH :

Phân tích mạch:

trò ổn định cả 1 chiều lẫn xoay chiều

không ổn định nên người ta mắc thêm tụ C2 nhằm đảm bảo RE phù hợp mà Qpoint vẫn ổn định

Bằng các phương pháp tính toán ta rút ra công thức tổng quát cho mạch:

Đặc điểm của mạch:

Phân tích mạch:

Bằng các phương pháp tính toán ta rút ra công thức cho mạch:

Đặc điểm của mạch:

2 Mạch khuếch đại nhiều tầng – ghép nối BJT :

chức năng xác định:

• Tầng tiền khuếch đại: là tầng nhận tín hiệu vào, khuếch đại sơ, chống méo tín hiệu Nó cung cấp một trở kháng vào lớn do công suất tín hiệu vào khuếch đại rất nhỏ Trong thực tế, tầng này thường dùng mạch vi sai, mạch này có ưu điểm rất lớn do thiết kế đối xứng loại bỏ được các loại nhiễu đồng pha Nhưng đồ án này

sử dụng mạch ngõ vào đơn E chung nên không đề cập tới

kết trực tiếp Thông thường đây là mạch C chung nên cung cấp độ lợi điện áp lớn

trước, nhận tín hiệu tử tầng thúc nên biên độ tín hiệu rất lớn, đồng thời tải trở kháng nhỏ nên để biên độ tín hiệu không suy giảm, AI phải đủ lớn, phù hợp với yêu cầu trên chỉ có mạch C/D chung Trong thực tế, người ta mắc theo kiểu đẩy kéo và dùng mạch Darlington để tăng độ lợi dòng

Với ghép nối gián tiếp bằng tụ, các tầng được coi như riêng rẽ về mặtđiện áp 1 chiều, cách ghép nối này có ưu điểm là dễ tính toán, dễ thực hiện, nhược điểm là tiêu tốn linh kiện, đồng thời tụ liên lạc sẽ làm giảm đáp ứng tần số mạch, gây méo tín hiệu

Ghép nối trực tiếp sẽ loại bỏ hết các nhược điểm mà ghép nối gián tiếp gây nên, nhưng độ khó khi tính toán thi công cao, điện áp một chiều ảnh hưởng từ tầng này tới tầng khác gây khó khăn khi ổn định mạch

3 Nguồn dòng ổn định dùng BJT

nguồn dòng dùng BJT là một lựa chọn tối ưu

Io = (VB – VBE)/REVới VB được tính thông qua công thức cầuphân áp Trở kháng Rout:

mạch, nâng cao độ lợi điện áp, nâng cao hệ số nén nhiễu đồng pha

4 Khuếch đại công suất :

khuếch đại chế độ A :

hoặc D chung

- Hiệu suất của mạch là tỷ số công suất tải và công suất do nguồn cung cấp cho cả mạch khuếch đại

suất hữu ích trên tải:

PL = RL *β) ILP2 /2 = VDD *β) ILP/2Công suất nguồn cung cấp:

PCC = 2VDD*β)ILP

 Hi ệu suất của mạch chế độ A : b M ạ ch khu ếch đạ i ch ế độ B

- Mạch sử dụng 2 con transistor bổ phụ mắc đẩy kéo, hoạt động theo nguyên tắc sau:

Giả sử tín hiệu vin hình sine

Khi ở bán kỳ dương của tín hiệu, VB cao nên M1 dẫn, M2 tắt, dòng tải chạy qua M1

Khi ở bán kỳ âm của tín hiệu, VB thấp nên M1 tắt, M2 dẫn, dòng tải chạy qua M2

do nguồn cung cấp ở 1 bán kỳ cho 1 transistor:

Hi ệu suất mạch:

- V ấn đề của mạch chế độ B là vùng ngưng dẫn của transistor làm xuất hiện méo xuyên tâm:

Do mỗi transistor đều có VBE > 0 (≈ 0.7 ), nên khi không có dòng tĩnh phân cực,

transistor luôn ở chế độ “ngủ sâu”, khi có tín hiệu vào, tín hiệu này phải vượt ngưỡng

thì mới làm transistor hoạt động Hậu quả là với tín hiệu vin hình since liền mạch như

sau, thì vout xuất hiện khoảng ngắt gọi là méo xuyên tâm:

19

c Mạch khuếch đại chế độ AB:

Ta có thể sửa méo ở chế độ B bằng cách kết hợp 2 chế độ AB:

lớn để đảm bảo hiệu suất mạch

5 Mạch khuếch đại nối trực tiếp Darlington :

chịu được dòng cao, thì kích thước phải càng lớn, mà kích thước càng lớn thì β càng nhỏ

đồ như trên:

T1 là transistor kích, có thước nhỏ, β1 lớn

T2 là transistor tải, có kích thước lớn, chịu dòng cao, β2 nhỏ

phần: βtđ = β1*β)β2

Rin = β1*β)β2*β)RL (rất lớn)

- βtđ thường có giá trị rất lớn, từ vài trăm đến vài chục nghìn lần, đồng thời chịu dòng cao, nêntrên được sử dụng rộng rãi và được chế tạo thành 1 linh kiện gọi là BJT Darlington

6 Hồi tiếp trong mạch khuếch đại :

phương pháp này là trích xuất tín hiệu ra đưa về tầng đầu vào, qua nguyên lý cộng trừ mà khi mạch bất ổn định (AV tăng cao do nhiệt độ…) thì tín hiệu ra vẫn không thay đổi

21

- Sơ đ ồ nguyên lý:

- Ta có đ ộ lợi c ủa mạch khu ếch đại khi có h ồi ti ếp như mô hình trên là:

Af = A(1+βA)Hồi tiếp âm: |Af| < |A|

so với mạch không có hồi tiếp

7 Đáp ứng tần số mạch khuếch đại :

xoay chiều quyết định, mà không quan tâm tới đáp ứng tần số cao Do tần số cao chỉ ảnh hưởng bởi các tụ ký sinh trong BJT, thường xuất hiện ở các tần số từ vài trăm kHz trở lên, mà fmax của mạch ampli thường khá thấp, từ 15k-20kHz

nên việc chọn tụ phù hợp có tác dụng giảm kích thước và giá thành

quanh tụ, tức tiêu hao trên tụ rất nhỏ không đáng kể:

2) Tính toán nguồn cung cấp :

Điện áp cực đại lên tải :

Giả sử tín hiệu vào có dạng : Vi = V Sinωt (V)t (V)

Khi đó tín hiệu ra có dạng : VL = VLP Sinωt (V)t (V)

iL = ILP Sinωt (V)t (A)Trong đó : VLP = √2 VL : Điện áp cực đại trên tải

ILP = √2 IL : Cường độ dòng điện cực đại trên tải Công suất trên tải : PL = RL IL 2 = RL ( ILP 2 / 2) = VLP 2 /

2RL Vậy biên độ điện áp ra cực đại lên tải

Vì là mạch OCL đơn nên ta chọn nguồn đối xứng VCC = ± 15

V Công suất nguồn cung cấp : PCC = 2 VCC ICC

Với ICC = ILP / π = 2,74 / π ≈ 0,87 (A)

 PCC =2.15.0,87=26WChọn Px/ct = ( VLhd / RL )2 = VLP 2 / 2RL = 10,952 / 8 = 15

W Công suất tiêu tán : Ptt = PCC – Px/ct = 26 – 15 = 11 W

Hiệu suất của mạch :

η = ( Px/ct / PCC ) 100 = ( 15 / 26 ) 100 = 57,7 %

2) Tính toán mạch khuếch đại :

Để tránh méo xuyên tâm, đồng thời đảm bảo hiệu suất ta chọn Q1 , Q2 làm việc ở chế độ AB,

Ta có : PCC = PQ1Q2 + PR1R2 + PL

 PQ1= PQ2= PQ1Q2/2 = ( PCC- 2 PR1 – PRL ) / 2 = (26 – 2.5 – 15 ) / 2 = 0,5 W Chọn Q1 , Q2 bổ phụ và thỏa mãn :

4,07Ω ZB1M/AC = 4,07 + 56 0,22 = 16,39 ΩChọn 16,39 Ω << R3 = R4 << 686 Ω

Chọn R3 = R4 = 220 Ω

PR3 = PR4 = (50m)2 220 = 0,55

W Chọn PR3 = PR4 = 3 WChọn R3 = R4 = 220 Ω/ 3WTính Q3 , Q4 :

IR3P = VR3P / R3 = VEP/Q1 / R3 = ( VR1P + 0,7 ) / R3 = 6,7 ( mA )

 IEP/Q3 = IBP/Q1 + IR3P = 50.10-3 + 6,7 10-3 = 56,7.10-3 A Zt/Q3 = R3 // ZB1M/AC = 220 // 16,39 = 15,25 Ω

Công suất : PQ3 = VCEP/Q3 IEP/Q3 = 15,25 56,7.10-3 = 0,9

W Chọn Q3 , Q4 thỏa :P≥2PQ3=1,8W VCEO

Để thay đổi điện áp phân cực cho BJT ta phải dùng thêm biến trở

VR2 VR2 = (VB3B4 – 3VD1 ) / ID1 = ( 2,42 – 3.0,6 ) / 13,8mA = 45 Ω

Chọn VR2 là vi trở 200 Ω rồi điều chỉnh

Tính nguồn dòng :

IC/Q5 = IEP/Q3 = ID1 = 13,8 mAChọn D4 , D5 là 1N4007 => VD4 = VD5 = 0,7 V

PR5 = IR5 2 R5 = (14,03m)2 969 = 0,2

W Chọn R5 = 1K Ω/2WTính Q6 , R6 , R7 :

IE/Q5 = ICQ/Q6 = 13,8 mAChọn VR6 + VR7 = (- VB4 + VCC ) / 10 = (-1,21+15) / 10 = 1,379

V Chọn R6 < R7 để tránh tổn hao công suất

27

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat

VCEO ≥ 2 VCE/Q6 = 30 V

IC ≥ 2 IC/Q6 = 0,0276 AChọn Q6 : 2SC2073

PQ7 = VCE/Q7 ICQ/Q7 = 6,721 4,7.10-3 = 0,03

W Chọn Q7 thỏa :P≥2PQ7=0,06W

VCEO ≥ 2 VEC/Q7 = 2 6,721 = 13,442

V IC ≥ IC/Q7 = 4,7 mAChọn Q7 là 2SA1013

 r’ce7 = ( rce7 ( VR4 + R8 )) / ( rce7 + VR4 + R8 )

29

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat

R2 rbe/Q3 = (ßQ3 VT ) / IE/Q3 = ( 40 0,025 ) / 6,7 10-3 = 149 Ω rbe/Q1 = (ßQ1 VT ) / IE/Q1 = (55 0,025 ) / 0,05 = 27,5 Ω

Chọn VR3 là vi trở 1000 Ω rồi điều chỉnh

6) Tính mạch bảo vệ :

+ Khi quá tải thì Q1 , Q2 dẫn bão hòa , khi đó điện áp đặt trên tải : VLmax = VCC = 15V

+ Dòng cực đại quá tải : ILmax = VCC / RL = 15/4 = 3,75 A

+ Công suất nguồn cung cấp : P’CC = (2.VCC ILmax ) / π = ( 2.15.3,75) / π = 35,8 W

+ Công suất loa : P’L = (RL I2Lmax) / 2 = (4.3,752) / 2 = 28,125W

+ Công suất trên R1 R2 : PR1R2 = (R1 I2Lmax ) / 4 = (0,22 3,752 ) / 4 = 0,77W Vậy R1 , R2 đều an toàn

Ptt = (P’CC – 2PR1 – P’L) / 2 = (35,8-2.0,77-28,125) / 2 = 3,0675 W

 Q1Q2 vẫn hoạt động nhưng tín hiệu sẽ bị méo - Trường hợp ngắn mạch tải :

+ Mạch không có loa hoặc cháy R1, R2 trở thành tải của mạch IR1max = VL / R1 = VCC / 0,22 = 68,18 A

+ Khi Q8 , Q9 dẫn , chọn dòng thiết kế : ICO/Q8 = 1mA

 VCEP/Q8 = VBEP/Q3 + VBEP/Q1 + VR1P = 0,8+0,9+0,825=2,525V + Công suất tiêu tán 1 chiều trên Q8Q9 :

Ptt/Q8Q9 = VCEP/Q8 ICO/Q8 = 2,525 1m = 2,525mW Chọn Q8 , Q9 thỏa :

Chọn R14 = 6,5 Ω => Chọn R15 = R16 = 1K Ω

R17 = R18 = 330 ΩChọn R19 = 2K Ω

- Tụ xoay chiều C5 ≥ 10/ (2π fmin (R7//R6))= 10/(2π.50.(32//68)=1500uF  Chọn tụ C5 = 330uF

9) Kiểm tra độ méo phi tuyến :

- Do chỉ có Q1 , Q2 , Q3, Q4 làm việc ở chế độ AB nên khả năng méo phi tuyến của mạch chỉ phụ thuộc vào BJT công suất

VBE/Q1 = VBEQ + VBEm Sin t

- Hệ số méo phi tuyến khi có hồi tiếp : ’ = / ((1+(1+Kht).RL).(ß1/re1))

=( VBEm / 4VT ) = 0,2/(4.0,025) = 200 %

10) Giá trị các linh kiện sau khi tính toán :

33

Tên linh kiện Giá trị

II) KẾT QUẢ :

1) Kết quả mô phỏng điện áp :

2) Kết quả đo OSCILLOSCOPE :

3) Kết quả ANALOGUE ANALYSIS :

4) Kết quả đo công suất :

P = U I = 7,79 1,95 = 15.1905 W ~ 15 W ( Đúng với yêu cầu đề bài )