BÁO cáo bài tập lớn môn MẠCH điện tử THIẾT kế MẠCH KHUẾCH đại

Khái ni m v m ch khu c đ i đa t ng ệm về mạch khuếc đại đa tầng ề mạch khuếc đại đa tầng ạch khuếc đại đa tầng ếc đại đa tầng ạch khuếc đại đa tầng ầng .... Khái ni m đáp ng t n s và băn

TR ƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NG Đ I H C BÁCH KHOA THÀNH PH H CHÍ MINH ẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Ố HỒ CHÍ MINH Ồ CHÍ MINH

KHOA ĐI N – ĐI N T ỆN – ĐIỆN TỬ ỆN – ĐIỆN TỬ Ử NGÀNH ĐI U KHI N VÀ T Đ NG HÓA ỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Ự ĐỘNG HÓA ỘNG HÓA

BÁO CÁO BÀI T P L N MÔN M CH ĐI N T ẬP LỚN MÔN MẠCH ĐIỆN TỬ ỚN MÔN MẠCH ĐIỆN TỬ ẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ỆN – ĐIỆN TỬ Ử

THI T K M CH KHU CH Đ I ẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI ẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI ẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI ẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

GVHD: Đinh Quố c Hù ng

Lớ p L02 – Nhó m 1

Danh sá ch thà nh viê!n:

2014841 Đỗ"Cao Trí

TP Hồ)Chí Minh, ngà y 28 thá ng 4 nă3m 2022

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

I TÊN Đ TÀI ỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 3

II C S LÝ THUY T Ơ SỞ LÝ THUYẾT Ở LÝ THUYẾT ẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI 3

1 Khái ni m v m ch khu c đ i đa t ng ệm về mạch khuếc đại đa tầng ề mạch khuếc đại đa tầng ạch khuếc đại đa tầng ếc đại đa tầng ạch khuếc đại đa tầng ầng 3

2 Khái ni m ghép RC ệm về mạch khuếc đại đa tầng 4

3 Khái ni m đáp ng t n s và băng thông c a m ch khu ch đ i ệm về mạch khuếc đại đa tầng ứng tần số và băng thông của mạch khuếch đại ầng ố và băng thông của mạch khuếch đại ủa mạch khuếch đại ạch khuếc đại đa tầng ếc đại đa tầng ạch khuếc đại đa tầng 4

III Thi t k m ch ếc đại đa tầng ếc đại đa tầng ạch khuếc đại đa tầng 4

1 Ý t ưởng thiết kế ng thi t k ếc đại đa tầng ếc đại đa tầng 4

2 S đ nguyên lý ơ đồ nguyên lý ồ nguyên lý 5

3 Các b ước phân tích thiết kế c phân tích thi t k ếc đại đa tầng ếc đại đa tầng 5

a Phân c c cho BJT và tìm Zi ực cho BJT và tìm Zi 5

b Tính đ l i Av và Zo ộ lợi Av và Zo ợi Av và Zo 8

1. 8 c Tính các giá tr đi n tr c a t ng th hai ị điện trở của tầng thứ hai ện trở của tầng thứ hai ở của tầng thứ hai ủa tầng thứ hai ầng thứ hai ứ hai d Tính đáp ng t n s th p ứ hai ầng thứ hai ố thấp ấp 10

e Đáp ng t n s cao ứ hai ầng thứ hai ố thấp 11

IV Mô ph ng m ch ỏng mạch ạch khuếc đại đa tầng 11

1 Mô ph ng đ ki m ch ng Zi và Av ỏng mạch ể kiểm chứng Zi và Av ể kiểm chứng Zi và Av ứng tần số và băng thông của mạch khuếch đại 11

2 Mô ph ng đ ki m ch ng Zo ỏng mạch ể kiểm chứng Zi và Av ể kiểm chứng Zi và Av ứng tần số và băng thông của mạch khuếch đại 13

3 Mô ph ng đ ki m ch ng t n s c t th p ỏng mạch ể kiểm chứng Zi và Av ể kiểm chứng Zi và Av ứng tần số và băng thông của mạch khuếch đại ầng ố và băng thông của mạch khuếch đại ắt thấp ấp 13

4 Mô ph ng đ ki m ch ng t n s c t cao ỏng mạch ể kiểm chứng Zi và Av ể kiểm chứng Zi và Av ứng tần số và băng thông của mạch khuếch đại ầng ố và băng thông của mạch khuếch đại ắt thấp 15

V K t lu n ếc đại đa tầng ận 15

Thi t k m *ch khu ch đ *i th 8a đi )u ki !*nế t kế mạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ế t kế mạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ế t kế mạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ỏ8a điề)u kiệ!*n ề)u kiệ!*n ệ!*n

I TÊN Đ TÀI ỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Tr 8khá ng ngõ9ra

≤

II C S LÝ THUY T Ơ SỞ LÝ THUYẾT Ở LÝ THUYẾT ẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI

1 Khái ni m v m ch khu c đ i đa t ng ệm về mạch khuếc đại đa tầng ề mạch khuếc đại đa tầng ạch khuếc đại đa tầng ếc đại đa tầng ạch khuếc đại đa tầng ầng

ng,…)

Đ !*l *i t @ng c !*ng c 8a m *ch:ộ!*lợ*i A ợ*i A ổ@ng cộ!*ng củ8a mạ*ch: ộ!*lợ*i A ủ8a mạ*ch: ạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n

A =±A ×A ×…×A

+ Ghé p giá n ti p (t c cá ch liê!n l *c AC): dù ng RC, bi n á p, Optocouple,…ế t kế mạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ế t kế mạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n

+ Ghé p tr *c ti p (t c cá ch liê!n l *c DC): ghé p Darlington, ghé p ch )ng (Cascode).ế t kế mạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ồ)ng (Cascode)

2 Khái ni m ghép RC ệm về mạch khuếc đại đa tầng

Dù ng t *C đ @cá ch ly v )m 3*t DC gi 9a cá c t )ng ghé p, đi )u nà y d "dà ng cho vi !*c tí nh toá n ụ*c tiê!u thiế t kế cụ*thể@(chẳCng hạ*n ể@đượ*c ghé p lạ*i vớ i nhau theo mộ!*t cá ch nà o đó để@tạ*o ề)u kiệ!*n ề)u kiệ!*n ễ"u, phố i hợ*p trở8khá ệ!*n thi t k Tuy nhiê!n, cá ch ghé p nà y ch 8thí ch h *p v i cá c d *ng tí n hi !*u có t )n s đ 8cao, do lú c ế t kế mạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ế t kế mạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ợ*i A ớ i nhau theo mộ!*t cá ch nà o đó để@tạ*o ạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ệ!*n ố , pha, triệ!*t nhiễ"u, phố i hợ*p trở8khá ủ8a mạ*ch:

nà y dung khá ng X C c 8a t *nh 8và đ !*t @n hao đi !*n á p tí n hi !*u trê!n t *th p Đ i v i cá c lo *i ủ8a mạ*ch: ụ*c tiê!u thiế t kế cụ*thể@(chẳCng hạ*n ỏ8a điề)u kiệ!*n ộ!*lợ*i A ổ@ng cộ!*ng củ8a mạ*ch: ệ!*n ệ!*n ụ*c tiê!u thiế t kế cụ*thể@(chẳCng hạ*n ấ p Đố i vớ i cá c loạ*i ố , pha, triệ!*t nhiễ"u, phố i hợ*p trở8khá ớ i nhau theo mộ!*t cá ch nà o đó để@tạ*o ạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n

tí n hi !*u có t )n s quá th p, bi n đ @i ch !*m ho 3*c khô!ng có tí nh chu kỳ thì tí n hi !*u t @n hao ệ!*n ố , pha, triệ!*t nhiễ"u, phố i hợ*p trở8khá ấ p Đố i vớ i cá c loạ*i ế t kế mạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ổ@ng cộ!*ng củ8a mạ*ch: ậ!*m hoặ3*c khô!ng có tí nh chu kỳ thì tí n hiệ!*u tổ@n hao ệ!*n ổ@ng cộ!*ng củ8a mạ*ch:

trê!n t *l n và do đó ph 8i dù ng cá c t *ghé p có tr *s đi !*n dung l n H n n 9a, cá ch ghé p nà y gâ!y ụ*c tiê!u thiế t kế cụ*thể@(chẳCng hạ*n ớ i nhau theo mộ!*t cá ch nà o đó để@tạ*o ụ*c tiê!u thiế t kế cụ*thể@(chẳCng hạ*n ị*số điệ!*n dung lớ n Hơn nữ9a, cá ch ghé p nà y gâ!y ố , pha, triệ!*t nhiễ"u, phố i hợ*p trở8khá ệ!*n ớ i nhau theo mộ!*t cá ch nà o đó để@tạ*o

ra đ !* d *ch pha và m *ch khu ch đ *i b *gi i h *n b 8i t )n s c Mt th p f ộ!*lợ*i A ị*số điệ!*n dung lớ n Hơn nữ9a, cá ch ghé p nà y gâ!y ạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ế t kế mạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ị*số điệ!*n dung lớ n Hơn nữ9a, cá ch ghé p nà y gâ!y ớ i nhau theo mộ!*t cá ch nà o đó để@tạ*o ạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ở8khá ng ngõ9và o ố , pha, triệ!*t nhiễ"u, phố i hợ*p trở8khá ắMt thấ p f ấ p Đố i vớ i cá c loạ*i CL do qua m Mc l *c RC ắMt thấ p f ọ*c RC.

3 Khái ni m đáp ng t n s và băng thông c a m ch khu ch ệm về mạch khuếc đại đa tầng ứng tần số và băng thông của mạch khuếch đại ầng ố và băng thông của mạch khuếch đại ủa mạch khuếch đại ạch khuếc đại đa tầng ếc đại đa tầng

đ i ạch khuếc đại đa tầng

Đá p ng t )n s c 8a b !*khu ch đ *i cho bi t m c đ !*l *i c 8a đ )u ra đá p ng nh th nà o ố , pha, triệ!*t nhiễ"u, phố i hợ*p trở8khá ủ8a mạ*ch: ộ!*lợ*i A ế t kế mạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ế t kế mạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ộ!*lợ*i A ợ*i A ủ8a mạ*ch: ư ế t kế mạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n

v iớ i nhau theo mộ!*t cá ch nà o đó để@tạ*o

tí n hi !*u đ )u và o 8cá c t )n s khá c nhau B !*khu ch đ *i và b !*l *c là cá c m *ch đi !*n t 8đ *c ệ!*n ở8khá ng ngõ9và o ố , pha, triệ!*t nhiễ"u, phố i hợ*p trở8khá ộ!*lợ*i A ế t kế mạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ộ!*lợ*i A ọ*c RC ạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ệ!*n ử8đượ*c ượ*i A

s 8ử8đượ*c

d *ng r !*ng rã9i có cá c đ 3*c tí nh khu ch đ *i và l *c.ụ*c tiê!u thiế t kế cụ*thể@(chẳCng hạ*n ộ!*lợ*i A ế t kế mạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ọ*c RC

Bă3ng thô!ng c 8a m !*t m *ch khu ch đ *i th ng đ *c xá c đ *nh theo s * khủ8a mạ*ch: ộ!*lợ*i A ạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ế t kế mạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ườ ng đượ*c xá c đị*nh theo sự* kh ượ*i A ị*số điệ!*n dung lớ n Hơn nữ9a, cá ch ghé p nà y gâ!y á c bi !*t gi 9a ệ!*n

t )n

s ố , pha, triệ!*t nhiễ"u, phố i hợ*p trở8khá th p nh t và t )n s cao nh t 8đi @m mà h !*s khu ch đ *i gi 8m cò n 1/ Thô!ng s ấ p Đố i vớ i cá c loạ*i ấ p Đố i vớ i cá c loạ*i ố , pha, triệ!*t nhiễ"u, phố i hợ*p trở8khá ấ p Đố i vớ i cá c loạ*i ở8khá ng ngõ9và o ể@đượ*c ghé p lạ*i vớ i nhau theo mộ!*t cá ch nà o đó để@tạ*o ệ!*n ố , pha, triệ!*t nhiễ"u, phố i hợ*p trở8khá ế t kế mạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ạ*ch khuế ch đạ*i thỏ8a điề)u kiệ!*n ố , pha, triệ!*t nhiễ"u, phố i hợ*p trở8khá

nà y

2

III Thiết kế mạch

1 Ý tưởng thiết kế

Sử dụng một mạch khuếch đại liên tầng gồm 2 tầng CE mắc với nhau để vừa tạo trở kháng đầu vào cao, trở kháng đầu ra thấp và có độ lợi áp đạt yêu cầu như thiết kế

Ta sẽ phân cực cho 2 tầng hoàn toàn giống nhau ở chế độ DC Tầng thứ nhất ta sẽ tính toán giá trị các điện trở sao cho thỏa điều kiện phân cực và trở kháng ngõ vào lớn hơn hoặc bằng 20k Ω Để

có trở kháng đầu vào cao ta sẽ không cần tụ bypass ở cực E Khi đó độ lớn của tầng thứ nhất đã

cố định Ta sẽ sử dụng thêm các điện trở và tụ để điều chỉnh độ lợi áp Av2, trở kháng ngõ vào của tầng thứ hai (vì độ lợi áp Av của cả mạch khuếch đại còn phụ thuộc vào trở kháng ngõ ra của tầng 1 – đã cố định và trở kháng ngõ vào của tầng 2) và băng thông của mạch khuếch đại

2 Sơ đồ nguyên lý

Từ ý tưởng trên ta có sơ đồ mạch như sau:

3 Các bước phân tích thiết kế

a Phân cực cho BJT và tìm Zi

Ta có mạch tương đương tín hiệu nhỏ tầng 1 như sau:

Từ đó ta suy ra Zi = Zi1 = Rb1 // (hie1 + Re1*)

Ta có sơ đồ mạch tầng 1 ở chế độ DC như sau:

Để ICQ không phụ thuộc vào α khi nhiệt độ thay đổi thì Re1 >> (1 - α).Rb1

Vậy chỉ cần Rb1 ≤ 101

β min ℜ 1, với β min của BJT 2N5551 là 80 nên Rb1 ≤ 8 ℜ1

Ta cần Zi phải lớn hơn hoặc bằng 20kΩ nên nếu Rb > 20kΩ (vài chục kΩ), lúc này Re sẽ khoảng vài kΩ nên Re* sẽ khoảng vài trăm kΩ (do hfe của BJT 2N5551 có thể lên đến 250) Do đó Rb

1 // (hie1 + Re1*) sẽ lớn hơn hoặc bằng 20kΩ nếu Rb > 20kΩ Ban đầu ta sẽ chọn Rbmax = 24kΩ nên Re = 3kΩ và 20 < Rb1 ≤ 24

Chọn ICQ1 = 1 mA, suy ra VE = 3 (V)

Ta thường chọn VE1 = 101

V CC nên VCC = 10 × 3 = 30 (V)

2

Ta có: (Rc1 + Re1) ICQ1 = VCC – VCE1

⟺

(Rc1 +3) 1 = 30 – 15 = 15 ⟺ Rc1 = 12kΩ

Ta có: VT1 = VE1 + Vγ = 3 + 0.7 = 3.7 (V)

⟺ 11.40 < R1 17.11

R 1=

<R1≤

24

Tương tự ta có:

⟺ 81.08 < R2 ≤121.62

R2 = Rb1 VT nên 20 × 3.7 < R 2≤ 24 × 3.7

V

Chọn R2 = 100kΩ

Suy ra Rb1 =

R1.R2

= 13.04kΩ (thỏa điều kiện đã chọn)

R1+R2

Mô phỏng phân cực bằng Proteus để tìm hfe1 và ICQ1:

ICQ1 = 1.03mA, h fe1 ≈ β=

I

CQ 1

−3

10

Suy ra hie1 = hfe1

0.025

I

Zi = Zi1 =

Rb1(hie1+hfe1 ℜ1 )

=

23.478 (3.125+125× 3)

=12.605(kΩΩ)

Theo sơ đồ tương đương ở trên ta tìm được:

v

c Tính các giá trị điện trở của tầng thứ hai

Do ta phân cực tầng thứ , nhất và tầng thứ hai giống nhau nên ta có: R4 = R1 = 15 kΩΩ, R4 = R2 =100 kΩΩ, R7 = Rc = 12kΩΩ R5 = Re =3 kΩΩ

I CQ2 = I CQ1 = 1.03 1 mA, hfe 2 = hfe 1 = 1 125

1kΩ

ể iều chỉnh Av 2

Sơ ồ tương ương tín hiệu nhỏ của tầng 2:

Trong đó Rb2 = Rb1 =13.04 kΩ (do R3 = R1 và R4 = R2)

Re2* = hfe2(R5 // R6)

Ta có: Zo = Zo 2 = Rc 2 , mà Zo ≤ 1kΩ nên suy ra R 7 × R 8 ≤ 1 R7+R8

Suy ra: R8 ≤ 1.09 Chọn R8 = 1 kΩ ⟺ Rc2 = 0.923 kΩ

Ta có: Zi2 = Rb2 // (hie2 + Re2*) = Rb2 ¿¿

Av2 =

v

o 2

=

v

o 2

×

i

b 2

⟺12 ×R 8 ≤1

12+R8

1

=

115.375

1+13.04 ¿¿¿ ¿= 10 ⟺

Zi2

⟺ 125 × R5+R6 = 20.09 kΩ ⟺ 125 × 3+R 6= 19.451 kΩ ⟺ R6 = 121 Ω

d Tính đáp ứng tần số thấp

Ta sẽ tìm giá trị của các tụ từ C1 đến C4 là các tụ gây ra điểm gãy ở tần số thấp

Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ, tần số thấp:

Ta có: + Tụ C1 có ω z 1=0 và ω p 1= ZiC1 1 ⟺ Rp1 = Zi = 12.605kΩ

+ Tụ C2 có ω z 2=0 và ω p2 = ¿¿1

¿¿

⟺ R z3 = R5 + R6 = 3.121 kΩ

1

⟺ R z4 = R8 = 1 kΩ

Do Rp1 > Rp2 > Rp4 > Rz3 > Rz4 >> Rp3 nên nếu ta cho C1 = C2 = C3 = C4 thì ω L ≈ ω p 3

Suy ra:1 =15 ×2 π ⟺ C3 = 90μFF 0.122× 1000× 3

⟺C1=C2=C3=C4= 90μFF

Do C5 hở mạch nên không ảnh hưởng ến áp ứng tần số mà chỉ có tác dụng loại bỏ tín hiệu DC trước khi lấy tín hiệu ở ngõ ra Chọn C5 = 1uF.

e Đáp ứng tần số cao

Sơ đồ tương đương tần số cao

IV Mô phỏng mạch

1 Mô phỏng để kiểm chứng Zi và Av Nối mạch như hình sau:

Cho vi có biên độ là 10mV và tần số dãy giữa 1kΩ Tiến hành mô phỏng ta thu được kết quả:

= 0.31 √2 = 22.81 kΩ

Dạng sóng ngõ vào và ngõ ra có dạng:

Suy ra: Av =

v

op− p

2 Mô phỏng để kiểm chứng Zo

Ta nối ngõ ra của mạch khuếch đại với một Ampe kế để đo dòng ngõ ra (vẫn giữ nguyên biên độ

và tần số của ngõ vào) Tiến hành mô phỏng ta được kết quả như sau:

Io = 153 μFArms ⟺ Zo = v

om = 202.5√/2

=0.989 kΩ i om 72.4 2

3 Mô phỏng để kiểm chứng tần số cắt thấp

Nối mạch như hình sau:

Tạo đồ thị đáp ứng tần số thấp trong khoảng từ 50Hz đến 1kHz:

Ta thu được kết quả sau:

Ta thấy tại tần số khoảng hơn 300Hz thì độ lợi giảm 3dB.

Mô phỏng dạng sóng tại tần số 300Hz ta được:

Lúc này Av L = 71.25+71.25 = 7.09≈ Av

4 Mô phỏng để kiểm chứng tần số cắt cao V Kết luận

Mạch hoàn thành, thiết kế đúng với yêu cầu đưa ra, với sai số nhỏ từ 1 – 2%