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
LÝ THUYẾT
Transitor lưỡng cực (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
Hình sau mô tả cấu trúc của hai loại BJT NPN và PNP
Trong BJT, mỗi miền bán dẫn tương ứng với một cực, trong đó cực E (Emitter) là nơi phát ra các lỗ trống hoặc điện tích tự do do nồng độ giảm dần từ cực E qua cực C Cực C (Collector) nhận các điện tích, hoạt động như cực thu, còn cực B (Base) là miền chuyển tiếp có độ rộng nhỏ nhất, đóng vai trò trung gian giữa cực E và cực C Miền chuyển tiếp có độ rộng nhỏ nhất, tiếp theo là miền phát có độ rộng trung bình, và miền thu có độ rộng lớn nhất, điều này ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán và hoạt động của transistor.
- Tùy theo phân cực của các tiếp giáp mà ta có 3 vùng hoạt động
Vùng ngắt: BE phân cực nghịch Vùng tích cực: BE phân cực thuận, BC phân cực nghịch Vùng bão hòa: BE phân cực thuận, BC phân cực thuận
- Trong thực tế khi sử dụng BJT để khuếch đại tín hiệu, ta phân cực BJT ở vùng tích cực
- Xét BJT NPN hoạt động ở vùng tích cực (PNP tương tự)
Mối nối BE phân cực thuận nên vùng nghèo ở lớp tiếp giáp hẹp lại, BC phân cực nghịch nên vùng nghèo rộng ra
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
Trong vùng nền hẹp và ít lỗ trống, các điện tử sẽ tập trung khuếch tán theo chiều thẳng hướng sang vùng thu, tùy thuộc vào độ rộng của vùng nghèo BC Quá trình này dẫn đến dòng điện IC được tạo ra khi các điện tử đi về cực dương nguồn, góp phần đảm bảo hoạt động ổn định của mạch.
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 transistor BJT, người dùng thường kết nối theo ba cách căn bản: cực phát chung, cực nền chung và cực thu chung Trong đó, cực chung (cực nối với đất GND) được sử dụng cho cả ngõ vào và ngõ ra, giúp dễ dàng điều khiển tín hiệu và tối ưu hóa các mạch điện tử Các cấu hình này đóng vai trò quan trọng trong thiết kế mạch để phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.
- 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:
IE = (β+1)IB Với cực B chung:
- β thường có giá trị từ vài chục đến vài trăm lần, α thường có giá trị từ 0.95 – 0.999 lần
- Trong thực tế, β và α thường được nhà sản xuất cung cấp trong datasheet
- 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:
Trong thiết kế mạch khuyếch đại, ổn định nhiệt được xem là yếu tố hàng đầu do các thay đổi về thông số gây ra bởi nhiệt độ Để giữ cho hiệu suất của mạch ổn định, các phương pháp phổ biến như hồi tiếp âm và bổ chính nhiệt bằng diode thường được sử dụng Việc kiểm soát nhiệt độ giúp giảm thiểu sự biến đổi của các tham số, từ đó đảm bảo hoạt động chính xác và bền bỉ của mạch khuyếch đại.
6 Phân cực điểm tĩnh cho BJT – Ổn định phân cực
Trong bài phân tích này tập trung vào BJT NPN, tuy nhiên các kết quả khảo sát vẫn phù hợp với BJT PNP khi chú ý đến chiều dòng điện và cực tính của nguồn cung cấp Đặc biệt, phân cực cố định đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động chính xác của transistor Điều này giúp đảm bảo tính nhất quán và đáng tin cậy trong các mạch điện sử dụng BJT.
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:
Vcc – IC.RC > 0.7 (với BJT SI)
RB < β.RC b Phân cực ổn định cực phát
RE được thêm vào nhằm mục đích hồi tiếp âm ổn định phân cực
Bước 1 Sử dụng KVL ngõ vào ta có:
VCC = RB.IB + VBE + RE.IE
𝑅𝐵+(1+𝛽).𝑅𝐸Bước 3: Suy ra IC = β.IB c Phân cực bằng cầu chia điện thế Đây là cách được sử dụng phổ biến bởi độ ổn định và dễ tính toán
Bước 1: Dùng định lý Thevenin biến đổi mạch
Bước 2: KVL cho mạch ngõ vào
VBB = RBB.IB + VBE + RE.IE Bước 3: Thay IE = (1+β).IB
𝑅𝐵𝐵+(1+𝛽).𝑅𝐸 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 > IB, nhưng IPC càng lớn thì hiệu suất càng thấp, thế nên ta chọn IPC = 10.IB
7 Mô hình tín hiệu nhỏ
Trong chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ, BJT thường được mô tả bằng mô hình tương đương gồm các thành phần là điện trở và nguồn dòng phụ thuộc, giúp phân tích và thiết kế mạch hiệu quả hơn.
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
Để xác định sơ đồ AC, cần nối tất cả các nguồn về mass, nối tắt tụ và mở mạch cuộn cảm Sau đó, thay thế tất cả các transistor bằng mô hình tín hiệu nhỏ để phân tích chính xác hơn Điều này giúp đơn giản hóa mạch và thuận tiện cho quá trình đo lường, phân tích tín hiệu AC trong hệ thống điện tử.
Thông số của mạch bao gồm điện dẫn gm = 40.I_C, trở kháng vào r_π = β₀ / g_m và trở kháng ra r_o = V_A / I_C, trong đó V_A là điện áp Early Để tính toán các dòng và điện áp vào ra dựa trên sơ đồ mạch AC, cần xác nhận tất cả các thông số liên quan Đảm bảo mạch hoạt động trong vùng tín hiệu nhỏ đòi hỏi các yêu cầu kỹ thuật cụ thể nhằm duy trì hiệu suất ổn định và tránh méo tín hiệu.
Các mạch ứng dụng
1 Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ a Mạch khuếch đại E chung (có RE)
- 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
Trong mạch C2, tụ thoát xoay chiều được sử dụng để điều chỉnh trở kháng Khi RE càng lớn, điện áp trung bình (AV) của mạch càng giảm, nhưng nếu RE quá nhỏ, điểm làm việc (Qpoint) sẽ không ổn định Do đó, người ta thêm tụ C2 nhằm đảm bảo RE phù hợp để duy trì sự ổn định của Qpoint, đảm bảo hoạt động ổn định của toàn bộ mạch.
Bằng các phương pháp tính toán ta rút ra công thức tổng quát cho mạch: Đặc điểm của mạch:
- Mạch chủ yếu khuếch đại điện áp
- Ỏn định, ít biến thiên theo nhiệt độ
- Làm việc ở chế độ A nên tín hiệu ra chuẩn
- Thường được sử dụng với mục đích khuếch đại biên độ tín hiệu b Mạch khuếch đại C chung
- 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
- R1, R2, R4 là các trở phân cực tĩnh
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
- Chấp nhận tín hiệu đầu vào lớn
- 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 bộ phận nhận tín hiệu đầu vào, thực hiện khuếch đại sơ bộ và chống méo tín hiệu Nó cung cấp một trở kháng vào lớn nhằm phù hợp với công suất tín hiệu đầu vào rất nhỏ Trong thực tế, tầng này thường sử dụng mạch vi sai, có ưu điểm nổi bật nhờ thiết kế đối xứng giúp loại bỏ nhiễu đồng pha Tuy nhiên, đồ án này sử dụng mạch ngõ vào đơn E chung nên không đề cập đến loại mạch vi sai.
Tầng thúc là tầng kế tiếp của tầng tiền khuếch đại, có thể liên kết gián tiếp qua tụ hoặc liên kết trực tiếp, thường sử dụng mạch C chung để cung cấp độ lợi điện áp lớn, giúp nâng cao hiệu suất khuếch đại của mạch.
Tầng công suất là tầng xuất tín hiệu ra tải, có khả năng cách li tải có trở kháng thấp khỏi các tầng trước, giúp biên độ tín hiệu rất lớn và duy trì ổn định Để đảm bảo tín hiệu không bị suy giảm, AI cần có công suất đủ lớn phù hợp với yêu cầu, thường sử dụng mạch C/D chung để đáp ứng tốt các yêu cầu này Trong thực tế, hệ thống thường được mắc theo kiểu đẩy kéo và sử dụng mạch phù hợp để tối ưu hóa hiệu quả truyền tải.
Darlington để tăng độ lợi dòng
- Khó khăn khi thiết kế mạch amply nhiều tầng thường đến từ khâu ghép nối liên tầng
Trong ghép nối gián tiếp bằng tụ, các tầng được xem như riêng rẽ về mặt điện áp một chiều, mang lại ưu điểm là dễ tính toán và thực hiện Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm là tiêu tốn nhiều linh kiện và tụ liên lạc có thể làm giảm đáp ứng tần số của mạch, gây méo tín hiệu và ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Ghép nối trực tiếp giúp loại bỏ mọi nhược điểm của phương pháp ghép nối gián tiếp, mang lại hệ thống ổn định hơn Tuy nhiên, kỹ thuật này đòi hỏi độ khó tính toán thi công cao do tác động của điện áp một chiều từ các tầng khác nhau, gây khó khăn trong việc duy trì ổn định mạch.
3 Nguồn dòng ổn định dùng BJT
- Trong nhiều trường hợp, ta vừa muốn có trở kháng cao, vừa có dòng lớn và ổn định, thì nguồn dòng dùng BJT là một lựa chọn tối ưu
Mạch sử dụng một BJT được phân cực bằng cầu phân áp, với Io là dòng tải, và trở kháng
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 sử dụng để thay thế RC hoặc REE trong vi sai nhằm ổn định phân cực cho mạch và nâng cao độ lợi điện áp Ngoài ra, nó còn giúp cải thiện hệ số nén nhiễu đồng pha, đảm bảo tín hiệu hoạt động ổn định và chính xác hơn Sử dụng mạch này là giải pháp tối ưu để duy trì hiệu suất cao của hệ thống truyền tín hiệu.
- 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 * sin(𝜔𝑡) Công suất hữu ích trên tải:
PL = RL * ILP 2 /2 = VDD * ILP/2 Công suất nguồn cung cấp:
Hiệu suất của mạch chế độ A: b Mạch khuếch đại chế 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:
- Vấn đề của mạch chế độ B là vùng ngưng dẫn của transistor làm xuất hiện méo xuyên tâm:
Mỗi transistor đều có VBE > 0 (≈ 0.7V), khiến transistor luôn ở chế độ "ngủ sâu" khi không có dòng tĩnh phân cực Khi có tín hiệu vào, tín hiệu này phải vượt ngưỡng mới kích hoạt transistor hoạt động Điều này dẫn đến hiện tượng méo xuyên tâm trong tín hiệu ra, đặc biệt khi tín hiệu vin hình sin liên tục Trong mạch khuếch đại chế độ ABB, thiết kế này giúp cải thiện đặc tính tuyến tính và giảm méo tín hiệu.
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 số khuếch đại dòng cao và điện áp lớn, tuy nhiên, trong thực tế, để BJT chịu được dòng cao, kích thước của nó phải được mở rộng Tuy nhiên, càng mở rộng kích thước, hệ số khuếch đại dòng β lại càng giảm, gây ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của transistor.
- 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*β2 Rin = β1*β2*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 ổn định mạch khuếch đại hiệu quả, dựa trên nguyên lý trích xuất tín hiệu ra đưa về tầng đầu vào để điều chỉnh Khi mạch gặp tình trạng bất ổn định như tăng trở kháng phản hồi do nhiệt độ, hồi tiếp âm giúp duy trì tín hiệu đầu ra không thay đổi, đảm bảo hoạt động ổn định của thiết bị.
- Ta có độ lợi của mạch khuếch đại khi có hồi tiếp như mô hình trên là:
- Đặc điểm của mạch có hồi tiếp âm:
• Ổn định khuếch đại vòng kín:
Thông số của transistor sẽ thay đổi rất nhiều theo nhiệt độ, áp suất … Nên độ lợi A toàn mạch sẽ biến thiên rất nhiều
Ta thấy khi A thay đổi, thì Af sẽ thay đổi nhỏ hơn A là (1+ βA) lần Trong trường hợp | βA| >>1 thì:
Hệ số mở rộng của mạch khuếch đại sau khi hồi tiếp âm, ký hiệu là Af, xấp xỉ bằng 1 chia cho β (Af ≈ 1/β) Điều này có nghĩa là lợi nhuận của mạch phụ thuộc chủ yếu vào hệ số hồi tiếp β, thường được xác định dựa trên các thành phần thụ động như resistor R và các thành phần khác Với mạch hồi tiếp âm, lợi nhuận bị giới hạn và ổn định hơn nhờ vào mối quan hệ này, giúp thiết kế mạch dễ dàng kiểm soát và duy trì hiệu suất ổn định trong các ứng dụng điện tử.
C, ổn định theo điều kiện môi trường nên độ lợi toàn mạch được giữ vững
• 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 cao: do các tụ bên trong BJT
• Vùng tần số thấp: do các tụ liên lạc, thoát xoay chiều
• Vùng tần số trung bình: do các tụ kể trên
Trong mạch ampli, chúng ta thường tập trung vào đáp ứng tần số thấp vì các tụ liên lạc và thoát xoay chiều quyết định khả năng hoạt động của phần này, trong khi đáp ứng tần số cao ít được quan tâm hơn Đáp ứng tần số cao thường bị ảnh hưởng bởi các tụ ký sinh trong BJT, chủ yếu xuất hiện ở các tần số từ vài trăm kHz trở lên, trong khi fmax của mạch ampli thường chỉ khoảng từ 15kHz đến 20kHz.
- Các nguyên tắc tính toán chọn tụ:
Trong thực tế, tụ điện có điện dung càng cao và điện áp càng lớn thường có kích thước lớn hơn Do đó, việc chọn loại tụ điện phù hợp giúp giảm kích thước thiết bị và tiết kiệm chi phí, đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu.
• 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:
THIẾT KẾ
Tính toán
BW = 50Hz – 15kHz Méo phi tuyến 0.2%
Mạch được thiết kế theo sơ đồ mạch khuếch đại nhiều tầng có hồi tiếp âm như sau: vin Ngõ vào đơn Tầng thúc Tầng công suất
Ta có PL = 15W, RL = 4 Ohm ➔ ILP ( I tải đỉnh ) = √ 15
3 Thiết kế khối công suất a Nguồn Vcc:
- Ta có VLP = 11V, với hệ số sử dụng điện áp (tỷ số điện áp đỉnh đỉnh trên áp nguồn 2 đầu):
Trong bài viết này, chúng ta xác định giá trị của Vcc dựa trên tỷ lệ € = Vcm/Vcc = 0.8, từ đó tính được Vcc khoảng 14V và lựa chọn ±Vcc = ±18V để đảm bảo hoạt động ổn định Để đạt được Gain của bộ khuếch đại tín hiệu trung bình (Avcs) gần bằng 1, các giá trị của R1 và R2 cần nhỏ hơn nhiều so với R_L, cụ thể R1, R2 ≤ 0.4Ω, đồng thời phải đáp ứng điều kiện của mạch chống ngắn mạch R = 0.2Ω, dựa trên công thức R = 0.5 / I_LP Trong quá trình hoạt động, dòng điện qua tải R_L cùng lúc chạy qua R1 và R2 mỗi nửa chu kỳ, đảm bảo hiệu quả và ổn định của mạch khuếch đại.
Mà RL lớn hơn R1 R2: 4/0.2 lần
=> PL lớn hơn Pr1 + Pr2: 4/0.2 lần
=> Pr1 Pr2 /(4*2/0.2) = 0.4W Vậy chọn R1 R2 = 0.2Ohm/1W c Công suất của BJT tải chính:
Ta có Pc = Pcc – PL với : Pc là công suất của BJT,
PCC là công suất nguồn cung cấp,
2 ∗𝑅𝐿 2(𝑅1+𝑅𝐿) 2 Để tìm Pcmax ta đạo hàm Pc tìm đỉnh của parabol:
2𝜋 2 𝑅𝐿 = 4.1W Vậy Pcq1 max = Pcq2max = 4.1W
Các điều kiện chọn BJT:
Icmax > 3A Cộng các điều kiện DC và nhiệt độ hoạt động cao
Có thể chọn các cặp : 2SA1805 – 2SC4690; 2SA1941 – 2SC1598, D1047 – B817,
Thực tế ta mua được D718-B688: hfe = min 55, Vbe = 0.7V d R3 R4: Để chống méo xuyên tâm ta phải phân cực cho Q1 và Q3 (Q2 và Q4) Thường chọn Icq1 = 50-100mA
• Dòng qua R3 R4 nhỏ hơn beta1 lần so với dòng qua R1 R2
• Giá trị R3 R4 lớn hơn 220/0.2 = 1100 lần so với R1 R2
𝛽 2 Pr1 Pr2 = 0.2W => Chọn R3 R4 = 220Ohm/0.5W e BJT ghép darlington Q3 Q4:
- Dòng qua Q3 Q4 nhỏ hơn Q1 Q2 hfe = 55 lần
Chọn: 2SA1013 – 2SC2383 hfe = min 60, Vbe = 0.6
Ta chọn Ic : Ic >Icq3 /hfeq3 * 10 = 0.83mA
Chọn Ic = 2.5mA a Nguồn dòng ổn định:
Với Q6 cùng loại với Q4 là 2SA1013, chọn D4 D5 là diode 1N4007 (Vd = 0.6V – 1mA)
- R9 là trở phân cực cho 2 diode D4 và D5 ➔ R9 = (Vcc – 2*Vd)/Ipc = (18-1.2)/1m = 17k
Chọn R9 = 10k b Phân cực cho tầng công suất:
- Ta thấy có 4 mối nối BE cần bù nhiệt với tổng điện áp là:
Bù nhiệt bằng 3 diode 1N4007 và 1 biến trở mắc nối tiếp
- Giá trị biến trở R5 = (2.6-0.6*3)/2.5m = 320 Ohm
Chọn R5 là biến trở 500 Ohm c Phân cực cho Q5:
Q5 là bổ phụ với Q6 ➔ Q5 là 2SC2383
- Điểm giữa là 0V (mạch OCL) ➔ Vcq5 = 0-2.6/3 = -1.3V
- Q5 là transistor khuếch đại điện áp, nên Vceq5 > VLP = 11V
Re nằm trong khoảng từ 0 – 5.7/2.5mA = 0 – 2.2k Ohm Để đảm bảo hệ số khuếch đại, tránh méo, ta chọn Re = 340 Ohm
- Hệ số hồi tiếp β = 1/Av = 1/16
- Để mạch đảm bảo hồi tiếp âm ổn định, β*A >> 1
A = (gmRL)/(1+gmR6) Với RL = Rout nguồn dòng = (VA+Vce)/Ic = 28k
Vbq5 = -17.15 + 0.6 = -16.55V Với ghép nối trực tiếp, ta yêu cầu điện áp DC tại ngõ ra tầng tiền khuếch đại là :
5 Thiết kế ngõ vào đơn
- Ic >= 10 * Ibq5 = 10 * Icq5 / hfeq5 = 10*2.5m/200 = 0.125mA
- Q7 đóng vai trò tầng nhận tín hiệu nên công suất nhỏ nên ta chọn 2SA1015 hfe = 200, Vbe = 0.6
- Yêu cầu Vout mà tầng sau đặt ra là -16.55V
- Để hạn chế nhiễu và rò điện xảy ra khi điện áp DC của ngõ vào lệch 0,
- Tầng này có Avt từ 5 lần ➔ Vceq7 > 5*0.7 = 3.5V
- Mạch lọc nguồn tầng nhận tín hiệu vào:
Nguồn cung cấp không ổn định hoặc còn sóng AC sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng tín hiệu nhận, gây nhiễu qua mạch khuếch đại làm giảm rõ rệt hiệu suất của hệ thống Do đó, việc lọc nguồn cho tầng nhận tín hiệu là cực kỳ cần thiết để đảm bảo tín hiệu sạch và ổn định.
Thông thường, để lọc ổn định điện áp, người ta sử dụng mạch lọc RC hoặc kết hợp thêm diode zener nhằm duy trì mức áp ổn định Trong đó, lựa chọn áp ghim là 15V, sử dụng hai diode zener 15V/0.5W với dòng điện chạy qua là 3mA, giúp đảm bảo nguồn cung cấp ổn định và hiệu quả cho các ứng dụng điện tử.
- Ta có: Vbq7 = -2.5V, Vcc = ± 15V, Rin >= 250k
Mô phỏng kiểm thử
- Mô phỏng mạch bằng PS-Spice
- Ta thấy các thông số về điện áp, dòng điện đã gần như trùng khớp với tính toán
- Điện áp vào: Vin = 0.7, f = 500Hz
- Điện áp ra tại tầng công suất: (Vin = 0.7, f = 500Hz)
- Ta thấy dòng và áp ngõ ra đúng như thiết kế, mạch đáp ứng điều kiện công suất
- Tín hiệu ngõ ra tầng tiền khuếch đại (ngược pha so với tín hiệu vào):
- Tín hiệu tại ngõ ra tầng thúc:
Hệ số hồi tiếp 𝛽 = 11/0.7 = 16 lần
- Ta thấy biên độ đỉnh của dòng điện vào là 2.6uA
Vậy mạch đáp ứng điều kiện Rin
- Khi ngắn mạch, RL = 0, dòng điện chỉ giới hạn ở múc 3.4A nên không làm hỏng BJT công suất
- Mạch đáp ứng điều kiện băng thông BW = 50-15kHz