Báo cáo đồ án kỹ thuật mạch trường đại học Bách Khoa Đà Nẵng. Thiết kế mạch khuếch đại công suất 25W OTL vi sai sử dụng BJT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI OTL VI SAI SỬ DỤNG BJT GVHD Nhóm thực Lớp SH Nhóm HP : TS Nguyễn Duy Nhật Viễn : Ngơ Quang Bình : Lương Cơng Đức : 18DT3 : 18N39 Đà Nẵng, ngày 13 tháng năm 2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG PHIẾU ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN MƠN HỌC Tên đồ án: Kỹ thuật mạch điện tử Họ tên SV1: Ngô Quang Bình Lớp SH: 18DT3 Nhóm HP: 18N39 Họ tên SV2: Lương Cơng Đức Lớp SH: 18DT3 Nhóm HP: 18N39 Người hướng dẫn (NHD): TS Nguyễn Duy Nhật Viễn Tên đề tài: Thiết kế mạch khuếch đại OTL ngõ vào vi sai sử dụng BJT Thông số thiết kế: + Loại mạch: OTL; Ngõ vào: Vi sai; Linh kiện sử dụng: BJT; + Công suất: 25W + Điện áp ngõ vào: 0.75Vpp + Trở kháng vào: 300kΩ + Điện trở loa: 8Ω + Băng thông: 0.03 – 15kHz + Méo phi tuyến: 0.3% + CMRR: 40dB + Yêu cầu khác (nếu có): Quá trình thực đồ án: ST T Ngày Nội dung Đánh giá NHD Chữ ký NHD Đà Nẵng, ngày … tháng … năm 2021 * Ý kiến NHD: Người hướng dẫn TS Nguyễn Duy Nhật Viễn Lời nói đầu Bản báo cáo trình bày chi tiết trình thiết kế mạch khuếch đại OTL vi sai, sử dụng BJT kỹ thuật bao gồm Mục tiêu mà sinh viên thực phải hướng đến hiểu rõ, phân tích vấn đề giải chúng trình thiết kế Ứng dụng linh hoạt kiến thức học giảng đường, đồng thời có đổi mới, tìm kiếm học hỏi từ nguồn khác Biết sử dụng thiết bị đo đạc dụng cụ thực hành với mạch điện tử Sau hoàn thành đồ án, nhìn tính ứng dụng mơn học cho phép thân mở rộng, phát triển dựa tảng kiến thức mà môn học cung cấp Nhóm thực chân thành cám ơn đến thầy Nguyễn Duy Nhật Viễn cho nhóm lời khuyên dẫn tận tình Xin cám ơn đến thầy cô khoa Điện tử - Viễn thông trang bị đầy đủ kiến thức kỹ năng, tài liệu quý giá để nhóm hồn thành đồ án cách tốt Nhóm xin cám ơn đến anh chị khóa trên, anh chị CLB Pioneer hỗ trợ nhóm, khơng ngần ngại chia sẻ kinh nghiệm góp ý q trình tính tốn, thiết kế hồn thiện bo mạch PCB Đồng thời cho phép nhóm làm việc không gian động, sử dụng thiết bị CLB Đặc biệt cả, cám ơn bậc sinh thành, tạo hội niềm tin để nhóm hồn thành đồ án mơn học u cầu thiết kế • Mạch khuếch đại : OTL • Ngõ vào : vi sai sử dụng BJT • Cơng suất : 25W • Điện áp ngõ vào : 0.75Vpp • Trở kháng loa : 8Ω • Trở kháng vào : 300kΩ • Băng thơng : 0.03 – 15kHz • Méo phi tuyến : 0.3% • CMRR : 40dB Mục lục Mục Lục hình ảnh Chương 1: Phương pháp luận thiết kế mạch 1.1 Tổng quan Mạch OTL vi sai xây dựng từ mạch khuếch đại ba giai đoạn kinh điển Giai đoạn sử dụng mạch vi sai kết hợp với gương dòng Giai đoạn hai sử dụng mạch E-chung khuếch đại điện áp Giai đoạn đầu sử dụng mạch khuếch đại Class AB nhằm tăng hiệu suất Tất giai đoạn liên kết trực tiếp với mà không cần qua tụ liên lạc, giúp tăng hiệu băng thông mạch khuếch đại Nguồn điện cung cấp biến áp pha, chỉnh lưu qua cầu diode kết hợp với tụ lọc nguồn 1.2 Xây dựng sơ đồ mạch Phần bắt đầu vào chi tiết phương pháp, kỹ thuật cho giai đoạn Đồng thời phân tích để lựa chọn linh kiện cho mạch Phần định thơng số quan trọng cho phần tính tốn – phân tích mạch chế độ DC AC chương 1.2.1 Nguồn cấp Nguồn cấp thành phần quan trọng mạch khuếch đại Cần có điện áp dịng điện ổn định mạch hoạt động Giá trị công suất nguồn thường lớn so với thiết kế, nhằm tăng tính ổn định hệ thống Hình 1.1 Power supply 50V AC-DC converter Với ngõ điện áp AC sóng sin, nên cơng suất RMS tải: Suy điện áp đỉnh tải: Dòng điện đỉnh tải: Điện áp nguồn cấp: Vce(sat) BJT dẫn bão hòa tối đa khoảng 3V R1 cho phép cảm dòng qua RL – để lấy điện áp mẫu đưa vào BJT bảo vệ, đồng thời ổn định nhiệt BJT công suất Điện áp đỉnh rơi R1 xấp xỉ 0.55V, điện áp phân cực tiếp giáp BE BJT bảo vệ (tuy nhiên thiết kế nhóm khơng sử dụng mạch bảo vệ nhằm đơn giản hóa việc thiết kế) Thay số liệu vào công thức (4) thu được: (Vcc thường cao mức tính tốn, tránh tín hiệu ngõ bị xén nguồn bị sụt áp) Vì đặc điểm mạch OTL cấp điện cho tải chu kì đầu, chu kì sau dịng điện qua tải cung cấp tụ ngõ Nên công suất nguồn: Hiệu suất mạch: Điện áp AC sau qua cầu diode, có dạng sóng nhấp nhơ với tần số gấp hai lần tần số điện lưới Tụ C8 có chức làm phẳng điện áp DC ngõ Hình 1.2 mơ tả dạng sóng nguồn điện AC sau qua cầu Diode sau qua tụ: Hình 1.2 Dạng sóng ngõ mạch nguồn Điện áp nhấp nhô phù hợp với mạch thiết kế Tần số dịng điện sau chỉnh lưu tăng gấp lần, nên chu kì: Dịng điện xả qua tụ: Tụ C9, C10 thêm vào mạch có nội trở thấp, giúp làm giảm trở kháng mạch lọc nguồn Đèn báo LED hạn dịng R17 1.2.2 Mạch cơng suất ngõ Cấu hình mạch cơng suất thiết kế nhóm gọi mạch CFP (complementary feedback pair - tạm dịch cặp phản hồi bổ sung) Hay gọi the Sziklai-Pair Các BJT driver Q3, Q4 lắp để chúng so sánh điện áp ngõ vào với điện áp ngõ Ở Q1, Q2 hoạt động nguồn dòng chịu tải thay cho Q3, Q4 Do đó, mạch tạo nên vịng hồi tiếp âm cục bộ, cho độ tuyến tính tốt so với dạng mạch mắc kiểu Emitter-Follower - với kiểu hồi tiếp riêng biệt cho BJT ngõ BJT driver Hình 1.3 Emiter – Follower output Hình 1.4 CFP output Điện áp R1: , với ; Vì biên độ điện áp ngõ tiến đến Vcc, nên cần lựa chọn Q1, Q2 có Ic > IL Hơn nữa, điện áp tự cảm cuộn dây bên loa tăng vọt ảnh hưởng đến BJT, nên Vce cần lớn nhiều so với Vcc Công suất tiêu tán BJT công suất ngõ ra: (8) Chọn Q1-Q2: B688 – D718 Vce (max) Vce (sat) Vbe Ic (max) PD (max) hFE (β) B688 -120V -2.5V -0.7V -8A 80W 80 D178 120V 2.5V 0.7V 8A 80W 80 Giả sử dòng qua tải dẫn chủ yếu với Q1 Q2: Điện trở R3 R4 thêm vào để ngăn dịng rị từ cực C Q1-Q2, ngăn cho mạch tự dẫn, đồng thời giảm độ trễ (deadtime) BJT tắt Giá trị phải lựa chọn cẩn thận, thấp, BJT công suất ngõ không bật có tín hiệu, BJT driver Q3-Q4 bị tăng nhiệt độ dẫn đến méo xuyên tâm Nếu cao, deadtime tăng dẫn đến nhiệt độ tăng (nhiệt độ tăng lúc BJT dẫn chế độ khuếch đại), gây ổn định nhiệt +Với dòng định thời qua R3 chọn khoảng 2mA Giá trị từ 100Ω đến tối đa 1kΩ phù hợp với hầu hết khuếch đại, với giá trị thấp sử dụng tăng cơng suất Trong trường hợp này, nhóm chọn R3 R4 330Ω Giá trị nằm phạm vi cho phép Dòng qua Ic3: Dòng qua Q3-Q4 nhỏ dòng tải chủ yếu dẫn cặp BJT công suất Q1–Q2, mạch mắc kiểu C-chung nên điện áp Vce lớn xấp xỉ cặp BJT công suất Chọn Q3 – Q4: TIP41C – TIP42C Vce (max) Vce (sat) Vbe Ic (max) PD (max) hFE (β) TIP41C 100V 1.5V 0.6V 6A 65W 75 TIP42C -100V -1.5V -0.6V -6A 65W 75 Biểu thức (22) sở cho việc chọn nguồn dòng cho mạch khuếch đại điện áp 1.2.3 Mạch khuếch đại điện áp (Voltage amplifier stage – VAS) Giai đoạn sử dụng mạch E-chung, với Q5 – PNP có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu ngõ mạch vi sai lên nhiều lần Thay sử dụng điện trở thơng thường Rc, nhóm thay nguồn dòng I2 Điều giúp mạch hoạt động ổn định tăng hệ số khuếch đại mạch lên nhiều lần Giá trị nguồn dịng I2 chọn phải có giá trị lớn dòng Ib4 từ biểu thức (22) Điều đảm bảo tín hiệu bán kì âm khơng bị xén nguồn dịng khơng đủ lớn Chọn I2 = 2Ib4 ≈ 1mA Hình 1.5 Voltage amplifier stage configuration Vì mạch cơng suất mạch C-chung, điện áp ngõ mạch VAS có biên độ lớn xấp xỉ biên độ điện áp ngõ Nên lựa chọn Q5 có Vce >Vcc 10 Hình 2.19 Trở kháng vào miền tần số Trở kháng vào mạch tần số 10kHz đạt giá trị khoảng 340kΩ, lớn 300kΩ so với yêu cầu thiết kế Tuy tần số cao hơn, giá trị trở kháng vào bắt đầu giảm dần Lý cho điều bởi: Trong linh kiện, đặc biệt linh kiện bán dẫn, chúng tồn tụ điện ký sinh Công thức (74) cho thấy phụ thuộc giá trị dung kháng tần số Với giá trị tụ điện lớn, làm giảm giá trị trở kháng tần số tăng Trở kháng 30 Hình 2.20 Trở kháng miền tần số Trở kháng tần số thấp đạt khoảng 3.4Ω, giá trị gần với tính tốn phần 2.1 Tại tần số hoạt động cao hơn, giá trị trở kháng thấp khoảng 500mΩ Vậy thiết kế theo mô với u cầu tính tốn 31 2.2.2 Đo đạc test mạch thực tế (Không thể tiến hành đo đạc thiết bị phịng thí nghiệm dịch COVID Nên phần chưa thể hoàn thành.) Bảng điểm DC Q-point STT Điểm điện áp Giá trị (V) Điểm dòng điện Giá trị (mA) Bias 24.95 IR6 644uA Vc9 49.3 IR7 117uA Ve9 24.5 IR8 642uA Ve12 0.6 IR9 988uA Ve5 49.89 IR3 909uA Vb3 25.65 IR1 1.14mA Vb4 24.55 IC9 59uA Ve13 0.504 IR12 Vfb 25.1 IR10 Bảng 2-6 Giá trị điện áp dòng điện thực tế mạch chế độ DC Dạng sóng hệ số khuếch đại Hình 2.21 Dạng sóng ngõ ngõ vào thực tế Nhận xét: Tính hệ số khuếch đại: 32 Băng thơng tần số Hình 2.22 Tần số cắt Hình 2.23 Tần số cắt Nhận xét: 33 THD Hình 2.24 Phân tích Fourier tín hiệu ngõ N sóng Biên độ hài 10 Bảng 2-7 Biên độ sóng hài thực tế 34 Nhận xét: KẾT LUẬN Kết đạt Qua trình làm việc miệt mài, với giúp đỡ nhiệt tình Thầy Nguyễn Duy Nhật Viễn anh chị CLB Pioneer, nhóm đạt kết sau: • Thiết kế chế tạo mạch khuếch đại cơng suất âm tần OTL-25W có khả sử • • • • • dụng rộng rãi Đạt mục tiêu yêu cầu ban đầu Vận dụng nhiều kiến thức khuếch đại cơng suất q trình thi cơng Tìm hiểu nhiều mẫu sử dụng sau Khả tìm tài liệu mạng Khả làm việc theo nhóm Những thuận lợi khó khăn Thuận lợi • Nhờ trang thiết bị nhà trường, tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm q • trình tìm kiếm tài liệu mạng, trình thiết kế thi cơng Được hướng dẫn tận tình Thầy Nguyễn Duy Nhật Viễn anh chị khóa • khoa Điện Tử-Viễn Thơng suốt thời gian qua Không bị áp lực thời gian thực đề tài lý COVID kéo dài Khó khăn • Dịch COVID gây khó khăn q trình làm việc giao tiếp • nhóm Nhóm gặp nhiều khó khăn việc tìm tài liệu (khả sử dụng • tiếng Anh nhóm cịn hạn chế với tài liệu nước ngoài) Mất nhiều thời gian trình thiết kế phải lựa chọn nhiều phương án nhằm đáp • ứng yêu cầu đề ban đầu Tuy nhiên nhiều chỗ chưa ý muốn Không thể sử dụng thiết bị đo đạc phịng thí nghiệm để kiểm tra sản phẩm tình hình dịch COVID-19 ngày nghiêm trọng Tham khảo Ebook Microelectronic circuit design 4th edition: Richard D Jaeger and Travis N Blalock Audio power amplifier design handbook 3rd edition: Douglas Seft Website Zobel network – Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Zobel_network#Zobel_networks_and_loudspeaker_drivers Understanding, Calculating, and Measuring Total Harmonic Distortion (THD) – All about circuit – by David Williams: https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/the-importance-of-total-harmonicdistortion Phụ Lục 1: GIẢI THÍCH BIỂU NGỮ, KÝ HIỆU, THÔNG SỐ (1) PHÂN CỰC CLASS AB BẰNG BJT Trong mạch khuếch đại âm tần, có nhiều cách phân cực cho class AB Phổ biến kể đến sử dụng diode nối tiếp, sử dụng điện trở, diode kết hợp với điện trở Ngoài cịn có số trường hợp sử dụng BJT phân cực chân B hai điện trở, cho BJT hoạt động vùng khuếch đại tạo điện áp Vce điện áp phân cực cho class AB Một nhược điểm mà mạch kể mắc phải khơng ổn định đặc tuyến I-V linh kiện điện trở hay diode Điện áp điện trở ảnh hưởng nhiệt độ, điện áp diode phụ thuộc vào dịng điện thay đổi qua Bằng việc sử dụng BJT mắc kiểu diode thay cho diode thơng thường khắc phục nhược điểm trên: Hình 25 Mạch phân cực classAB mơ hình tương đương Có thể nhận thấy điện áp phân cực điện áp hai diode mắc nối tiếp Tuy nhiên dòng qua diode lúc nhỏ Dòng tải chủ yếu nguồn dòng tương đương phụ trách Nên điện áp phân cực mạch ổn định (2) CMRR CMRR viết tắt Common – mode rejection ratio (tạm dịch: tỉ lệ loại bỏ tín hiệu đồng pha) CMRR hiểu thông số biểu thị khả loại bỏ tín hiệu khuếch đại mạch chế độ chung Tức hai ngõ vào lấy chung từ nguồn tín hiệu Khi mạch chế độ khuếch đại khác biệt hai ngõ vào, thơng số cho thấy khả chống nhiễu mạch (3) PHƯƠNG PHÁP ĐO GIÁ TRỊ TỪ DUNG CỦA CUỘN DÂY Phương pháp đo đơn giản sử dụng sử dụng mơ hình sụt áp cho tín hiệu chạy qua cuộn dây nối tiếp với điện trở mẫu Sơ đồ mạch hình sau: Hình 26 Sơ đồ mạch đo giá trị từ dung Biểu thức liên hệ điện áp điện trở cuộn cảm mạch RL sau: Vì lý cuộn cảm lý tưởng, hữu giá trị nội trở R Ở trường hợp cuộn dây bên loa, nội trở R=8Ω từ dung L giá trị cần tìm Sơ đồ hình 28 với L R mơ hình hóa đơn giản cuộn dây loa Tiến hành lắp mạch đo điện áp hiển thị lên M1 M2 Từ biểu thức (76), suy biểu thức cho trường hợp hình 28 sau: Và: Giải hệ phương trình (77) (78) suy được: Mà: Thay (79) vào (80), thay (80) vào (81), sau thay (82) vào (81) suy ra: Giả sử nguồn phát có giá trị RMS Vs=10V, tần số f = 1kHz; Điện trở mẫu Rshunt = 10Ω Các giá trị đo được: VM1 = 4.83V, VM2 = 6.2V Áp dụng công thức (83) tính giá trị từ dung L: (4) THD – TOTAL HARMONIC DISTORTION Tổng méo sóng hài hay méo phi tuyến giá trị biểu thị hay phép đo cho biết mức độ méo điện áp dịng điện sóng hài lẫn tín hiệu gây nên THD khía cạnh quan trọng hệ thống âm thanh, thông tin liên lạc hệ thống điện hệ thống khác, giá trị THD phải mức thấp Sóng hài tần số hài điện áp dịng điện tuần hồn thành phần tần số tín hiệu Đây kết mà phân tích Fourier tín hiệu tuần hồn cho thấy Méo hài biến dạng tín hiệu sóng hài Một điện áp dịng điện hồn tồn hình sin khơng có biến dạng hài tín hiệu có tần số Một điện áp dịng điện có chu kỳ khơng phải sin chuẩn có thành phần tần số khác góp phần vào biến dạng hài tín hiệu Nói chung, tín hiệu tuần hồn nhiều sóng sin tần số khác thành phần sóng hài mạnh có nhiều biến dạng hài Hình bên cho thấy phân tích Fourier tín hiệu sin chuẩn tín hiệu sóng vng: Hình 27 Dạng sóng hài tín hiệu sóng sin tín hiệu sóng vng Có thể thấy rõ đồ thị phân tích Fourier sóng sin chuẩn phía Chỉ có sóng hài tần số tín hiệu Sóng hài cịn gọi sóng hài sở Trong đó, đồ thị phân tích Fourier sóng vng phía có nhiều sóng hài, ngồi sóng hài sở có biên độ cao cịn có sóng hài tần số khác với biên độ nhở Phụ Lục 2: DATASHEET CÁC LINH KIỆN ĐƯỢC SỬ DỤNG 1N4007: https://www.diodes.com/assets/Datasheets/ds28002.pdf 2N3904: https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/2N3904.pdf 2SA1013: http://dalincom.ru/datasheet/2SA1013.pdf 2SA1015: https://xtronics.com/uploads/2SA1015.pdf 2SB688: http://www.unisonic.com.tw/datasheet/2SB688.pdf 2SC1815: https://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/Toshiba%20PDFs/2SC1815.pdf 2SC2383: http://www.unisonic.com.tw/datasheet/2SC2383.pdf 2SD718: http://www.unisonic.com.tw/datasheet/2SD718.pdf TIP41C: https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/tip41c-d.pdf 10 TIP42C: https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/tip42c-d.pdf ... thiết kế mạch 1.1 Tổng quan Mạch OTL vi sai xây dựng từ mạch khuếch đại ba giai đoạn kinh điển Giai đoạn sử dụng mạch vi sai kết hợp với gương dòng Giai đoạn hai sử dụng mạch E-chung khuếch đại. .. Vi? ??n Tên đề tài: Thiết kế mạch khuếch đại OTL ngõ vào vi sai sử dụng BJT Thông số thiết kế: + Loại mạch: OTL; Ngõ vào: Vi sai; Linh kiện sử dụng: BJT; + Công suất: 25W + Điện áp ngõ vào: 0.75Vpp... KẾT LUẬN Kết đạt Qua trình làm vi? ??c miệt mài, với giúp đỡ nhiệt tình Thầy Nguyễn Duy Nhật Vi? ??n anh chị CLB Pioneer, nhóm đạt kết sau: • Thiết kế chế tạo mạch khuếch đại công suất âm tần OTL- 25W