ĐỒ án kỹ THUẬT MẠCH điện tử đề tài MẠCH KHUẾCH đại CÔNG SUẤT OTL NGÕ vào VI SAI

1 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT OTL NGÕ VÀO VI SAI Giảng viên hướng dẫn : Lê Hồng Nam Sinh viên thực : Nguyễn Đại Đáo Tơn Thất Tịnh SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TƠN THẤT TỊNH MỤC LỤC Chương 1: Khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT I Khuếch đại tính hiệu nhỏ II Cách mắc BJT 2.1 Khuếch đại dùng E chung 2.2 Khuếch đại dùng C chung 2.3 Mạch khuếch đại dùng B chung III Mạch phân cực 3.1 Mạch phân cực dòng cố định 3.2 Mạch phân cực cầu phân áp 3.3 Mạch phân cực hồi tiếp âm điện áp song song 10 Chương 2: Hồi tiếp khuếch đại 11 I Mạch khuếch đại hồi tiếp 11 II Phân loại mạch khuếch đại hồi tiếp 11 2.1 Mạch khuếch đại hồi tiếp nối tiếp – điện áp .11 2.2 Mạch khuếch đại hồi tiếp nối tiếp – dòng điện 13 2.3 Mạch khuếch đại hồi tiếp song song – dòng điện .16 2.4 Mạch khuếch đại hồi tiếp song song – điện áp 18 Chương 3: Khuếch đại công suất 20 I Phân loại mạch khuếch đại công suất .17 Khuếch đại chế độ A .17 Mạch khuếch đại chế độ B 23 Mạch khuếch đại chế độ AB 24 II Mạch khuếch đại công suất 26 1.Mạch khuếch đại công suất OTL 26 2.Mạch khuếch đại công suất OCL 27 3.Mạch khuếch đại Darlington 27 Chương 4: Thiết kế mạch khuếch đại OTL SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TÔN THẤT TỊNH I Yêu cầu II Sơ đồ khối mạch khuếch đại OTL ngõ vào vi sai Sơ đồ mạch tổng quát Sơ đồ nguyên lý hoạt động Mạch nguồn bảo vệ III Tính tốn 3.1 Tính tốn nguồn 3.2 Tầng khuếch đại công suất 3.3 Tính tốn tầng lái 3.4 Tính chọn BJT thúc Q6: 3.5 Tính tốn tần nhận tín hiệu vào IV Đánh giá mạch 4.1 Mô tín hiệu ngõ vào ngõ 4.2 Mơ dịng loa: SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TÔN THẤT TỊNH CHƯƠNG I: KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ Mở đầu chương Trong chương này, đề cập tới khuếch đại tín hiệu nhỏ với phần tử điều khiển BJT Khi có thay đổi tín hiệu điện áp Vin , làm thay đổi cường độ dòng điện qua cực B Với đặc tính khuếch đại dịng điện BJT, cần dao động nhỏ Vin khuếch đại thay đổi xuất tín hiệu cực C hay Vout Và thơng số mạch khuếch đại: Độ lợi điện áp Độ lợi dòng điện Tổng trở kháng vào Tổng trở kháng Mỗi BJT có nhiều cách mắc khác nhau, tùy thuộc vào chức dùng để khuếch đại dòng, khuếch đại điện áp hay hai I Khuếch đại tính hiệu nhỏ Khuếch đại q trình làm biến đổi đại lượng( dòng điện điện áp) từ biên độ nhỏ thành biên độ lớn mà không làm thay đổi dạng II Cách mắc BJT Trong thực tế, có cách mắc Đó cách mắc E chung (EC), B chung (BC), C chung (CC) 2.1 Mạch khuyếch đại E chung ( EC ) SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TÔN THẤT TỊNH  Sơ đò tương đương Trở kháng vào Zin = (R1//R2) // Rpi Với Rpi= Vbe/ib Trở kháng ra: Zout=Rc//r0 Hệ số khuếch đại điện áp SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TÔN THẤT TỊNH V0 AV = Với Avt hệ số KĐ điện áp transistor: Vce Avt= Vi Vbe Trong đó: RL= ro // Rc // Rt Gm =40 Ic Hệ số khuếch đại dòng điện : Ai= Ii = io Ii với io= Vo Rt Vi Ri +Zin Nhận xét: Tín hiệu vào ngược pha nhau: o o Khi Vi ↑ => ii↑ => iD ↑ => ic ↑ => Vo=Vcc - IcRC ↓ Khi Vi ↓ => ii↓ => iD ↓ => ic ↓ => Vo=Vcc - IcRC ↑ Ưu nhược điểm ứng dụng Ưu điểm Mạch khuyếch đại E chung thường định thiên cho điện áp UCE khoảng 60% ÷ 70 % Vcc Có khả khuếch đại dịng áp Dịng điện tín hiệu lớn dịng tín hiệu vào không đáng kể Mạch mắc theo kiểu E chung ứng dụng nhiều thiết bị điện tử Nhược điểm Tín hiệu đầu ngược pha với tín hiệu đầu vào Ứng dụng Sử dụng khuếch đại tầng thúc ( chủ yếu khuếch đại dịng, việc khuếch đại áp khơng q trọng) 2.2Mạch khuếch đại C chung SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TÔN THẤT TỊNH  sơ đồ tương đương Trở kháng vào Zin = Rb // Rib ( Rib = rπ + (B+1)(RE // Rt) A= vt −gm Rl (R = R // R ) 1+gm Rl Ai = AV L Ri +Zin E t Rt Hệ số khuếch đại điện áp cửa ra: SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TÔN THẤT TỊNH Hệ số khuếch đại điện áp toàn mạch: Trở kháng vào nhìn từ cực xuống masse: Trở kháng tồn mạch: Hệ số khuếch đại dịng điện: Điện áp vào pha điện áp Ưu nhược điểm ứng dụng Ưu điểm Cường độ tín hiệu mạnh cường độ tín hiệu vào nhiều lần Tín hiệu pha với tín hiệu vào Tổng trở vào lớn ( vài trăm ohm), tổng trở nhỏ ( vài chục ohm ), không khuếch đại áp ( Av ~1) SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TÔN THẤT TỊNH Nhược điểm Mạch khuếch đại dịng, khơng khuếch đại áp Ứng dụng: Mạch ứng dụng nhiều mạch khuyếch đại đêm (Damper), ứng dụng nhiều mạch ổn áp nguồn 2.3Mạch khuếch đại B chung  Sơ đồ tương đương Trở kháng vào: Zin = RE // RiE SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TÔN THẤT TỊNH SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TÔN THẤT TỊNH 35 I tb/Q 3= I π E Công suất nguồn cung cấp cho Q3: PCC /Q 3=V CC Itb/Q 3= V CC IE π Công suất cung cấp cho tải Q3 : P t/Q 3=Zt / Q I E 3=Zt / Q π ∫π ¿¿ Công suất tiêu tán xoay chiều Q3 : P tt /Q =PCC /Q −Pt /Q V = πCC I E 3− Zt /Q I E Lấy đạo hàm theo IE M cho ta được: I E 30 Vậy cơng suất tiêu tán lớn dịng xoay chiều rơi Q3 là: P = tt max / Q Công suất tiêu tán tĩnh Q3 : P = dc/ Q Vậy công suất tiêu tán cực đại Q3 : Ptt ∑max =PDC /Q +Pttmax /Q =0,23+0,92=1,15 W Vậy chọnQ3 ,Q4 cặp bổ phụ thỏa mãn điều kiện sau: PC >(2 ÷3 ) Ptt ∑❑ =(2 ÷3 )1,15 W =(2,3:3,45 )W Q I C>I Cp/ Q 3=64 mAV CE 0>V CC=65V Ta chọn: Q3 : TI 41 C ;Q4 : TIP 42 C SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TÔN THẤT TỊNH 36 Tên TIP41C TIP42C III Tính tầng lái Để tính tốn tầng lái ta chọn βQ 3=75 ⇒I = B3p Tính chọn V R7 ,D1 , D2 , D3 Để tránh méo tín hiệu xuyên tâm đồng thời ổn định điểm làm việc cho cặp BJT khuyếch đại công suất tổ hợp phải làm việc chế độ AB Vì vậy, ta dùng D1 ,D2 , D3 ,VR7 để tạo áp ban đầu cho BJT để có tín hiệu vào BJT khuyếch đại công suất dẫn Chọn D1 ,D2 , D3 : loại D1N4007 loại diode cần dung Để Q1 ,Q2 làm việc chế độ dòng tĩnh 50mA điện áp tiếp giáp BE tổ hợp BJT chế độ tĩnh 0,6V Ta có: V B B Q =V BE +V BE 1+V BE 2+V BE +V R Q +V R Q V B B Q =0,6+0,6 +0,6+0,6+0,05.0,39+0,05.0,39=2,44 (V ) Để dịng tĩnh Q6ít thay đổi tránh méo tín hiệu ta chọn: I =20 I B p=20.0,84=16,8(mA) dùng Diode để ổn định áp phân (CQ 6) cực cho tầng lái Như vậy, ba diode D1 ,D2 , D3 VR7 đảm bảo cho Q1 ,Q3 Q2 ,Q4 làm việc chế độ AB, tức V B B Q =2,44 V có tín hiệu vào Lợi dụng tính chất ghim áp diode ( dịng qua diode tăng áp đặt lên diode không đổi Muốn ta chọn cho điểm làm việc nằm đoạn tuyến tính nhất(đoạn thẳng)) Lúc này: VR7= Chọn VR7=100 Ω/20,3 Ω Sau hiệu chỉnh lại SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TƠN THẤT TỊNH 37 Tính tốn Q6 làm nguồn dịng tạo dịng điện ổn định phân cực ổn định điểm làm việc cho hai cặp Dalington tầng khuyếch đại cơng suất Chính nội trở nguồn dòng chế độ xoay chiều lớn nên tăng hệ số khuyếch đại tầng lái, phối hợp trở kháng với trở kháng vào lớn cặp Dalington làm nâng cao hiệu suất mạch Q - Dòng collector qua Q6: ICQ/Q 6=16,8 mA - Chọn D4,D5 điode D1N4007 Chọn dòng qua hai diode dòng phân áp cho Q6 Chọn dòng phân áp I pa=12 mA.Lúc V D=0,7 V Sụt áp R10 là: V R 10=V CC −V D 4−V D 5=65−0,7−0,7=63,6(V ) ⇒R Chọn R10=4,7 KΩ Tính chọn VR6: Chọn V R 6=¿100 Ω / 66,6 Do Q5 hoạt động chế độ A, nên ta chọn điện áp VR5=0,7V Chọn VR5=100 (Ω)/58,3(Ω) sau hiệu chỉnh lại Do Q6 hoạt động chế độ A dùng làm nguồn dịng nên cơng suất tiêu tán lớn công suất tiêu tán tĩnh Điện áp DC tiếp giáp CE Q6 là: V CC V −V VR −V CE Q6= −0,7−0,6−0,6−(0,7+0,7−0,6 ) / 2Q4Q22 V CE/ Q 6=29,8 (V )⇒ PDC/ BE Q 6=V CE /Q điều kiện sau: SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TÔN THẤT TỊNH −V I BE C Q −V 65 VR 6= =29,8.12.1 0−3 =0,36 W Vậy ta chọn Q6 thỏa 38 { I >I C V =12 mA C6Q CEo >V CE/ Q 6=29,8 V PC >PDC/Q6=0,36W Dựa vào bảng tra cứu ta chọn Q6: 2SC2383 Tên 2SC238 3 Tính chọn BJT thúc Q5 Transistor Q5làm nhiệm vụ nâng cao tín hiệu đủ lớn để kích cho tầng thúc làm việc đảo pha cho tầng công suất Q5 chọn làm việc chế độ A Q5 có tải lớn nên hệ số khuyếch đại lớn,ta phải chọn điểm làm việc Q5 cho khơng có tín hiệu vào điện vào cực E Q1 ,Q2 ≈ 0, lúc sụt áp tải ≈0 Điện cực C, E Q5: V CC V (V ) CE Q5= / −VR5 −V EB −V EB −V 65 R1= −0,7−0,6−0,6−0,05.0,39=30,6 2Q3Q12 Công suất tiêu tán tĩnh Q5: PDC/Q5=V CE/Q5 IC/Q5=30,6.12 0−3=0,37(W ) Do ta chọn IC/ Q 5»IBP /Q nên có tín hiệu vào dịng IBP /Q 3khơng ảnh hưởng nhiều đến dòng dòng cực đại qua Q5 Từ tính tốn ta chọn Q 5phải thõa điều kiện sau: PC>Ptt max { I C >I V /Q =0,37 W =12mA C max /Q CE >V CC=30,6 V Theo tra cứu ta chọn Q5: 2SA1013 có thơng số sau: SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TƠN THẤT TỊNH 39 Tên 2SA101 Tính chọn nguồn dòng Q9 I = Bp /Q Chọn IC/ Q 7=10 I Bp /Q 5=2mA =I I E/Q9 =2 I C/ Q 0,7.2−0,6 VR19= =200 Ω =4 mA C/ Q 10−3 Chọn VR19 = 500Ω/200 Ω hiệu chỉnh lại Chọn dòng phân áp cho Q9là dòng làm việc diode D6 ID =10 mA ⇒ R11= V −V cc −V D6 D7 = 65−0,7−0,7 =6,36 KΩ 10 mA10.10−3 Chọn R21=5,6 KΩ Q9 làm việc chế độ khếch đại,chọn điểm làm việc tĩnh điểm làm việc đường đặc tuyến (Ic,Vce) - VCE/Q11=Vcc/2=65/2=32,5V Vậy công suất tiêu tán Q9 là(chủ yếu công suất chiều): Ptt /Q 9=V CE/ Q IC/ Q 9=32,5.4 0−3=130 mW Chọn Q11thỏa điều kiện sau: { Tra danh sách transistor ta chọn Q9 : 2SC2383 Tên 2SC238 SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TÔN THẤT TỊNH 40 Tầng khuếch đại vi sai: R13 có nhiệm vụ phân cực đưa đến chân B/Q5 VR13=VR12=VBE/Q5+VE/Q5=0,6+0,7=1,3V IE/Q7=IC/Q7/2=1mA Để phối hợp trở kháng tầng thúc tầng khuyếch đại vi sai ta chọn: R =R = 1,3 =1,3(KΩ) 13 12 10−3 Chọn R13=R12=1 KΩ Q Q8hoạt động chế độ khếch đại nên VCE/Q7=Vcc /2=65/2=32,5V Do cần chọn Q7 Q8như Q9 (được chọn làm nguồn dòng trên) { Tra danh sách transistor ta chọn Q7 Q8 : 2SC2383 Tên 2SC238 Biến trở V R14dùng đểcân dòng Emitor cho Q7 Q8 ta chọn V R14có giá trị nhỏ Chọn V R14=100 Ω Xét tầng vi sai có mạch hình vẽ: SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TƠN THẤT TỊNH 41 Vì mạch khuyếch đại vi sai thiết kế cho chế độ tỉnh hai nhánh cân VB/Q8= { VCC R15 /¿R16= R17 Vì R15 /¿ R16quyết định trở kháng vào mạch Theo yêu cầu thiết kế Z¿=220 KΩnên chọn R15 /¿ R16=220 KΩ Từ (1) (2) ta tính được: Tính tốn thơng số cịn lại - Tính tụ C12: Ta chọn tụ C12sao cho tầng số thấp sụt áp tụ nhỏ so với sụt áp loa để khơng ảnh hưởng đến tín hiệu loa Ta chọn C5=4700 μF /50V Tính tụ C2: C2là tụ liên lac ngõ vào nên để sụt áp tụ khơng ảnh hưởng đến tín hiệu vào chất lượng mạch ta chọn tụ Csao cho X = C2 10 Z ¿ SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TÔN THẤT TỊNH 42 ⇒C2= Chọn tụ C2=0,22 μF /50 V Tính tụ C3: Tụ C3 kết hợp với R17 ,R19tạo thành mạch hồi tiếp âm để ổn định thông số mạch.Chọn tụ C3 cho tỉ số hồi tiếp tín hiệu phụ thuộc vào R17 ,R19 sụt áp xoay chiều C4nhỏ R19rất nhiều Chọn R19=2,2 KΩChọn XC =10 R19 ⇒C3= Chọn C3=22 μF Tính VR8 ,R9 ,C4 Chọn IVR 8=I 9=20 IBp/ Q5=4 mA 0,7+0,6 VR8= =325 Ω 4.103 Chọn VR8=500 Ω /325 Ωrồi hiệu chỉnh lại R9 = 65 −1,3 =15 K Ω 4.10 Tụ C4 tụ liên lạc tầng vào vi sai tầng lái nên chọn tụ C4 cho sụt áp tụ khơng ảnh hưởng đến tín hiệu vào tầng lái Ta chọn tụ C4 cho X = C 15 Chọn C4=100 μF /50V Tính mạch lọc Zobel: Cấu tạo loa gồm cuộn cảm điện trở có ZL=RL + jωL Như vậy, trở kháng loa phụ thuộc vào tần số Khi tần số cao trở kháng loa lớn SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TÔN THẤT TỊNH 43 dẫn đến méo tín hiệu.Mạch lọc Zobel mạch ổn định trở kháng loa không đổi tần số cao C mắc nối tiếp với Rvà tất mắc song song với tải RL Ở tần số cao tụ ngắn mạch giảm tải ngõ tức X L ↑ , XC ↓ →RLkhơng đổi Ta có: Ztd =(R+ Để khơng phụ thuộc vào tần số R18=RL=8 Ω chọn tụ C6sao cho XC6= 10 RL ⇒C6= Với f max =20 KHz Kiểm tra độ méo phi tuyến Trong mạch hầu hết linh kiện làm việc chế độ A có cặp Q1 ,Q2làm việc chế độ AB nên độ méo phi tuyến toàn mạch phụ thuộc chủ yếu Q1 ,Q2 Giả sử tín hiệu vào hình sin V tiếp giáp BE Q1:V BE (t )=V BE Q lên +V ¿ BEm =0,775 V Lúc điện áp đặt sin ωt Trong đó: V BE Q =0,6 VV BEm =V BEp−V BE 1Q =1−0,6=0,4 V Gọi IC dòng rỉ Q1 Khai triễn y=eV sin BEm V BEm y=1+ V T sin Méo phi tuyến chủ yếu hài bậc cao gây Loại hài bậc cao biến y=1+ SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TÔN THẤT TỊNH 44 Theo định nghĩa méo phi tuyến: γ = I √∑ 1m Trong : I1m: thành phần dòng I ℑ : biên độ hài Loại bỏ hài bậc cao ta được: V BEm γ= Khi chưa có hồi tiếp: Khi có hồi tiếp: γ '= g: độ sâu hồi tiếp: g=128,01 gm : hỗ dẫn.gm = n i= I2 ℑ SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TÔN THẤT TỊNH ... khuếch đại công suất .17 Khuếch đại chế độ A .17 Mạch khuếch đại chế độ B 23 Mạch khuếch đại chế độ AB 24 II Mạch khuếch đại công suất 26 1 .Mạch khuếch đại công. .. kháng loa theo tần số mạch SVTH: NGUYỄN ĐẠI ĐÁO- TÔN THẤT TỊNH 29 Chương 4: Thiết kế mạch khuếch đại OTL Yêu cầu: Loại mạch: OTL Ngõ vào: Vi sai Công suất: 25W Trở kháng loa: Ohm Trở kháng vào: ... tiếp khuếch đại 11 I Mạch khuếch đại hồi tiếp 11 II Phân loại mạch khuếch đại hồi tiếp 11 2.1 Mạch khuếch đại hồi tiếp nối tiếp – điện áp .11 2.2 Mạch khuếch đại hồi