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

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 ưu tiên hàng đầu khi thiết kế mạch

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

Ý KIẾN CỦA GIẢNG VIÊN :

………

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 mạchđiện 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 THUYẾT

Chương 1: Transitor lưỡng cực (BJT)

4. Dòng rỉ trong transitor – điện áp tối đa

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

Chương 2: Các mạch ứng dụng

5. Mạch khuếch đại nối trực tiếp Darlington

2.Tính toán nguồn cung cấp

8 Mạch lọc ZOBEL

11 Giá trị các linh kiện sau khi tính toán II Kết quả

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 pha

tạp (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

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 :

- Khi sử dụng, BJT được ráp theo 3 cách căn bản: cực phát chung, cực nền chung vàcực thu 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 ICBO

Trong 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

- Ngoài ra, nhà sản xuất còn cung cấp thêm một số thông số khác như VCEO: điện áp VCE tối 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 ưu

tiên hàng đầu khi thiết kế mạch khuyếch đại, một số phương pháp thường sử

dụng 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 cựcnghịch: 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

d. Thiết kế mạch phân cực dùng trong khuếch đại tín hiệu nhỏ :

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

- Khi thiết kế mạch phân cực cho BJT trong vùng tích cực, ta cần chú ý: VCE > 0.2V

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 thể

được vẽ dưới dạng mô hình tương đương gồm các điện trở và nguồn

dòng 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

- Ngõ vào tín hiệu v1 tại cực B, tín hiệu lấy ra tại cực C

- C1 C3 là các tụ liên lạc xoay chiều, mục đích là ngăn dòng 1 chiều DC đi qua

- R1, R2, R3, RE, R6 là các trở phân cực Ngoài ra, R6 có vai trò ổn định 1 chiều, RE

có vai trò ổn định cả 1 chiều lẫn xoay chiều

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

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

Đặc điểm của mạch:

- Ỏn định, ít biến thiên theo nhiệt độ

- Thường được sử dụng với mục đích khuếch đại biên độ tín hiệu b Mạch khuếch đại Cchung

Phân tích mạch:

- Ngõ vào tín hiệu tại cực B, tín hiệu lấy ra tại cực E

- Do tín hiệu lấy ra tại cực E nên ta có thể xác định mạch này không khuếch đại điện áp

- Tụ C1, C3 là tụ liên lạc xoay chiều

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

Đặc điểm của mạch:

- Không khuếch đại điện áp tín hiệu mà khuếch đại dòng điện

- Do các đặc điểm trên nên thường được dùng để khuếch đại công suất

2 Mạch khuếch đại nhiều tầng – ghép nối BJT :

- Trong thực tế, một mạch amply công suất gồm nhiều tầng kết nối với nhau, mỗi tầng

có một 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

• Tầng thúc: là tầng kế tiếp tầng tiền khuếch đại, được liên kết gián tiếp bằng tụ hoặc liên kết trực tiếp Thông thường đây là mạch C chung nên cung cấp độ lợi điện áp lớn

• Tầng công suất: là tầng xuất tín hiệu ra tải, cách li tải có trở kháng nhỏ ra khỏi cáctầng 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

- Khó khăn khi thiết kế mạch amply nhiều tầng thường đến từ khâu ghép nối liên tầng

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

Io = (VB – VBE)/RE

Với VB được tính thông qua công thức cầu

phân áp Trở kháng Rout:

- Thực tế, R1 thường được thay thế bằng các diode để ổn định Io

- Mạch này thường được dùng để thay thế RC hoặc REE trong vi sai để ổn định phân cực cho mạch, nâng cao độ lợi điện áp, nâng cao hệ số nén nhiễu đồng pha

4 Khuếch đại công suất :

- Mạch này được thiết kế để cung cấp trở kháng ra nhỏ (thường là tải) và dòng ra lớn

a Mạch khuếch đại chế độ A :

- Transistor sẽ dẫn cả chu kỳ trong một chu kỳ tín hiệu vào, thông thường là mạch C chung hoặc D chung

- Mạch này có đặc điểm độ tuyến tính rất cao, độ méo nhỏ

- Nhưng vì có dòng phân cực tĩnh nên hiệu suất rất thấp

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

- Khi công suất tải cực đại thì điện áp trên tải cực đại (bằng điện áp nguồn cung cấp)

- Giả sử tín hiệu vào hình since, thì khi công suất cực đại: vo = VDD *β) sin( ) Công

suất hữu ích trên tải:

PL = RL *β) ILP2 /2 = VDD *β) ILP/

2 Công 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 hoạt động luân phiên, không có dòng tĩnh nên hiệu suất của mạch rất cao: Công suất trên 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:

- Bằng cách thêm điện áp mồi, các transistor luôn nằm trong vùng sẵn sàng hoạt động

- Điện áp mồi phải đủ lớn để giúp tín hiệu vượt qua V ngưỡng dễ dàng, nhưng không được quá lớn để đảm bảo hiệu suất mạch

- Thông thường, các điện áp mồi này được tạo ra bằng các diode có VD ≈ VBE (VGS)

5 Mạch khuếch đại nối trực tiếp Darlington :

- Mạch Darlington được thiết kế để dùng cho mạch công suất

- Tầng công suất yêu cầu hệ sô khuếch đại dòng cao, điện áp lớn, nhưng trong thực tế,

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

- Để giải quyết, người ta phát minh ra mô hình mạch Darlington, với 2 BJT được mắc theo sơ 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

- Mạch Darlington hoạt động tương tự như 1 transistor, nhưng có hệ số βtđ là tích 2 thành 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, nên trên được sử dụng rộng rãi và được chế tạo thành 1 linh kiện gọi là BJT Darlington

6 Hồi tiếp trong mạch khuếch đại :

- Hồi tiếp âm là phương pháp được sử dụng để ổn định mạch khuếch đại, nguyên lý của phương pháp này là trích xuất tín hiệu ra đưa về tầng đầu vào, qua nguyên lý cộng trừ mà khimạch 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|

• Ngoài ra, mạch khuếch đại có hồi tiếp âm còn có ưu điểm về băng thông và trở kháng vào so với mạch không có hồi tiếp

7 Đáp ứng tần số mạch khuếch đại :

- Ảnh hưởng của các tụ đến đặc tuyến của mạch khuếch đại:

• Vùng tần số thấp: do các tụ liên lạc, thoát xoay chiều

- Trong mạch ampli, ta thường chỉ quan tâm đến đáp ứng tần số thấp do các tụ liên lạc,

thoát 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

• Trong thực tế, tụ điện có điện dung càng cao, điện áp càng cao càng có kích thước

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

• Nguyên tắc chọn tụ: trở kháng của tụ nhỏ hơn rất nhiều trở kháng tương đương

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

( ∗ ) đ)

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=26W

Chọn 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,chọn dòng tính 20 ÷ 50 mA Dòng tĩnh qua Q1 , Q2 là :

- Chọn IE/Q1 = IE/Q2 = 0,05 (A)

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 :

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

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

Với : ZT/Q6 = rbe/Q3 +(1+ ß3 ) (R3 // ( rbe/Q1 + R1 )) + (1+ß3 ) (1 + ß1)

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

- Trường hợp xảy ra quá tải :

+ 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

30