đồ án đồ án kỹ thuật mạch mạch khuyết đại công suất dạng ocl

Để khắc phục, ta mắc song song RE với một tụ điện CE có trị số đủ lớn dể sao cho đối với tín hiệu xoay chiều thì trở kháng của nó gần như bằng 0, còn đối với tín hiệu xoay chiều thì xem

LỜI MỞ ĐẦU

Ngành Điện tử Viễn thông là một trong những ngành quan trọng và mang tính quyết định cho sự phát triển của một quốc gia Sự phát triển nhanh chóng của Khoa học – Công nghệ làm cho ngành Điện tử Viễn thông ngày càng phát triển và đạt được nhiều thành tựu mới Nhu cầu con người ngày càng cao là điều kiện thuận lợi cho ngành Điện tử Viễn thông phải không ngừng phát minh ra các sản phẩm mới có tình ứng dụng cao, sản phẩm đa tính năng…Nhưng một điều căn bản là các sản phẩm đó đều bắt nguồn từ những linh kiện: R, L, C, Diode, BJT…mà nền tảng là môn Cấu kiện điện tử

Hiện nay, nước ta có rất nhiều loại máy khuyết đại âm thanh trên thị

trường mà tầng khuyết đại công suất được thiết kế từ các mạch như: mạch khuyết đại OTL, mạch khuyết đại OCL…Nhưng phổ biến nhất là loại mạch khuyết đại OCL Bởi vì dạng mạch này có ưu điểm về: hiệu suất, hệ số sử dụng BJT công suất, độ lợi băng thông, biên độ tín hiệu ra…Chính vì thế mà chúng

em chọn mạch khuyết đại công suất dạng OCL làm đồ án môn học

Qua nỗ lục nghiên cứu, tìm hiểu của bản thân cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo mà em đã hoàn thành đồ án này

Với khoảng thời gian có hạn cũng như trình độ kiến thức của em còn hạn chế nên em tin chắc ràng hệ thống hoạt động chưa được tối ưu và không tránh khỏi những thiếu sót Em kính mong thầy thông cảm giúp đỡ và chỉ bảo thêm cho em những kinh nghiệm Em xin chân thành cảm ơn

Đà Nẵng, ngày 1 tháng 5 năm 2010

MỤC LỤC

Phần A: Lý Thuyết

Chương I Đại cương về BJT 3

Chương II Các tầng khuyếch đại tín hiệu nhỏ 11

Chương III Diode bán dẫn 16

Chương IV Hồi tiếp 20

Chương V Khuyếch đại công suất 25

Phần B: Tính toán Phần I Tính toán nguồn 38

Phần II Tính toán tầng công suất 39

Phần III Tính tầng lái 41

Phần IV Tính toán và chọn tụ C2, C3, C4, C5 44

Phần V Tính hệ số khuyết đại toàn mạch 45

Phần VI Tính mạch bảo vệ .46

Phần VII Kiểm tra độ méo phi tuyến 48

E

C

E

E B

C

E

Phần A: LÝ THUYẾT

Chương I: TRANSISTOR LƯỠNG CỰC

1 Cấu tạo và cách mắc

1.1 Cấu tạo

Transistor là dụng cụ bán dẫn có hai tiếp giáp p-n và 3 điện cực được đưa ra từ

3 miền

Miền Emiter, miền này có nồng độ tạp chất lớn nhất, điện cực đưa ra từ miền này gọi là cực Emitter (cực phát), ký hiệu là E

Miền Base, miền này có nồng độ tạp chất nhỏ nhất, điện cực đưa ra từ miền này gọi là cực Base (cực gốc), ký hiệu là B

Miền Collecter, miền này có nồng độ tạp chất trung bình, điện cực đưa ra từ miền này gọi là cực Colectter(cực thu), ký hiệu là C

Tuỳ theo trình tự sắp xếp các miền p và n mà ta có transistor loại npn hay loại pnp

Ký hiệu:

1.2 Các cách mắc Transistor:

Có ba cách mắc Transistor là:

 Emiter chung, ký hiệu là EC

 Base chung, ký hiệu là BC

 Collecter chung, ký hiệu là CC

B

B

C

3 Các đặc tuyến Volt - Ampe

Đặc tuyến vào của BJT-BC

4 Dòng bão hoà ngược và ổn định nhiệt điểm công tác của Transistor

4.1 Dòng bão hoà ngược

Do tiếp giáp Jc phân cực ngược nên tồn tại dòng bão

hoà ngược ICB0, dòng ICB0 phụ thuộc nhiều vào

Sự biến thiên nhiệt độ ảnh hưởng đến các

tham số của Transistor Chịu ảnh hưởng nhiều nhất là

điện áp Emitter – Base và dòng ngược ICB0

Khi ICB0 tăng thì IC tăng, mật độ các hạt dẫn qua chuyển tiếp Colectter tăng, dẫn đến sự và chạm giữa các hạt với mạng tinh thể tăng làm cho nhiệt độ tăng và ICB0 tăng Như vậy, chu kỳ cứ lặp lại làm cho dòng IC và nhiệt độ Transistor tăng mãi Hiện tượng này gọi là hiện tượng hiệu ứng quá nhiệt Hiện tượng này làm thay đổi điểm công tác tinh, nếukhông có biện pháp khắc phục có thể làm hỏng Transistor

Khi nhiệt độ thay đổi, UBE cũng thay đổi dẫn đến dòng IC thay đổi làm thay đổi điểm công tác tĩnh.Tuy nhiên, ở điều kiện thường, ICB0 ảnh hưởng nhiều hơn so với UBE Như vậy, khi nói đến ảnh hưởng của nhiệt độ, ta thường quan tâm đến dòng ICB0

U BC (V)

I B (  A )

+ Ub

Rc Vcc

Điện áp trôi (VBE )có thể do sự biến đổi của nhiệt

độ gây ra, cũng có thể do tạp tán của tham số Transistor

gây ra

Nếu IE = const và nhiệt độ mặt ghép thay đổi lượng

t thì đặc tuyến IC = f(VBE) của Transistor Si và Ge sẽ tịnh

tiến song song với trục tung một lượng là 2,5(t (mV/0C)

Hệ số ổn định nhiệt của Transistor:

B

I

I I

CB

I

I I

I S

C

R

U U I

1 0

C

B C

B C

B

I I

S dI

dI I

Rc Vcc

Re

+ Ub

Rc Vcc

Rb

Ie Ib

=>

BE CC B

R R

U U I

R R

U U

BE CC C B C

C

R R

U U I R R

B C

B

R R

R dI

dI I

5.3 Phân cực Transistor bằng dòng Emiter

Áp dụng định lý Thevenin và Norton ta biến đổi mạch điện Hình a thành mạch

điện Hình b.Trong đó, RB và UB được xác định như sau:

2 1 2

.

R R

R V

2

1

R R

R R

R R

U U I

IC = IB=

BE B R R

U U

BE CC C B E

E

R R

U U I R R

B C

B

R R

R dI

dI I

E

R R R S

Nếu RE >> RB thì S 1

Như vậy, để mạch ổn định phải thiết kế sao cho RE càng lớn càng tốt Nhưng nếu RE quá lớn sẽ làm tăng phản hồi âm, do đó làm giảm tín hiệu xoay chiều của mạch Để khắc phục, ta mắc song song RE với một tụ điện CE có trị số đủ lớn dể sao cho đối với tín hiệu xoay chiều thì trở kháng của nó gần như bằng 0, còn đối với tín hiệu xoay chiều thì xem như hở mạch

Ưu điểm của mạch phân cực bằng dòng Emiter đó là hệ số ổn định nhiệt không phụ thuộc vào điện trở RC, nghĩa là không phụ thuộc điểm công tác

Vcc Ur

+ - Un Rn C1

R2 R1

Rt C2

Ce Re Rc

1 Mạch khuếch đại EC

R 1 ,R 2 : Điện trở phân cực cho BJT

R C : Điện trở tải cực C của BJT

t b i c i v i b i v i

t i

Ta có: iV.RV= iV.rV

b i c i

ie

Ucc

Rc R1

Ur

R3 1k

B

+ - En Rn

B

Sơ đồ mạch BC

iT.RT=iC(RC//RT) =>

t R t R c R c i

1.3 Hệ số khuếch đại điện áp (K u )

t i v

n v

t t n

r u

R R

R K R

R i

R i U

U K

1.6 Quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra

Ở bán kỳ dương (+) của tín hiệu vào làm ib tăng -> ic tăng -> UC giảm -> tín hiệu ra giảm

Ở bán kỳ âm (-) của tín hiệu vào làm ib giảm -> ic giảm ->UC tăng -> tín hiệu ra tăng

Vậy, với mạch EC thì tín hiệu vào và tín hiệu ra nghịch pha nhau

2 Mạch khuếch đại BC

2.1 Trở kháng vào của Transistor (r V ) và mạch khuếch đại (R V )

Ur

+ - Un Rn C1

R2 R1

Rt

C2 Re

Rv = Re // rv

Ta có: U1= iere + ibrb=ie(re +



 1

v i

R

R R r

R

K   // , Ki < 1

2.3 Hệ số khuếch đại điện áp (K u )

v n

t c v

v u

R R

R R r

R K



  //

2.4 Hệ số khuếch đại công suất

Kp = Ki.Ku

2.5 Trở kháng ra của mạch khuếch đại (Z r )

Khi không có tải Rt thì Zr = rr // Rc ( Rc với >> Rc

2.6 Quan hệ giữa tính hiệu vào và tín hiệu ra

Ở bán kỳ dương của tín hiệu vào làm ie giảm -> ic giảm -> Uc tăng -> tín hiệu ra tăng

Ở bán kỳ âm của tín hiệu vào làm ie tăng -> ic tăng -> Uc giảm -> tín hiệu ra giảm

Vậy, với mạch BC thì tín hiệu vào và tín hiệu ra đồng pha nhau

rc rb

R R r r

i U

R R i r i r i U

v i

R

R R r

t e v

v u

R R

R R r

3.5 Quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra

Ở bán kỳ dương (+) của tín hiệu và làm dòng ib tăng -> ie tăng -> Ue tăng -> tín hiệu ra tăng

Ở bán kỳ âm (-) của tín hiệu và làm dòng ib giảm -> ie giảm -> Ue giảm -> tín hiệu ra giảm

Vậy, tín hiệu vào và tín hiệu ra đồng pha nhau

Mạch CC có trở kháng vào lớn nên thường dùng để lăm mạch phối hợp trở kháng

Mạch BC và EC có hồi tiếp âm qua điện trở Re nên thường được dùng làm nguồn dòng, còn mạch CC thường được dùng làm nguồn áp

Ở tần số cao thì mạch BC có nhiều ưu điểm hơn so với mạch EC và CC

K A

Chương III DIODE BÁN DẪN

1 Cấu tạo

Diode bán dẫn là dụng cụ bán dẫn có một tiếp giáp p-n và hai điện cực đưa ra từ hai miền

Điện cực đưa ra từ miền bán dẫn p là điện cực Anod

Điện cực đưa ra từ miền bán dẫn n là điện cực Katod

Ký hiệu:

2 Phân cực và đặc tuyến tĩnh của Diode

Quan hệ giữa dòng điện đi qua diode và điện áp đặt trên Anod và Katod được tính bằng biểu thức sau :

Trong đó: I : dòng qua diode

IS: dòng bão hoà ngược

VAK: điện áp đặt giữa hai cực diode

VT= 26 mV : áp nhiệt K=1,381.1023J/K, q=1,6.10-19C

Phần dòng thuận: khi điện áp thuận tương đối nhỏ,điện trường trong vẫn đáng

kể so với điện trường ngoài, mà điện trường trong ngăn trở dòng khuếch tán nên dòng điện thuận rất nhỏ.Khi điện áp thuận vượt quá giá trị V được gọi là điện áp mở, phụ thuộc vào nhiệt độ và vật liệu bán dẫn

D

R D

Hiện tượng đánh thủng: đánh thủng diode có hai dạng cơ bản

 Đánh thủng điện là sự tăng đột ngột lượng hạt dẫn qua tiếp giáp p-n do tác dụng của điện trường mạnh lên các nguyên tử của tinh thể

 Đánh thủng nhiệt xảy ra khi tiếp giáp bị đốt nóng quá giới hạn cho phép

3 Đặc tính đóng mở của diode bán dẫn

Khi điện áp vào Vi biến đổi từ +V1 đến -V 1, nếu diode là khoá đóng mở lý tưởng, thì dạng sóng dòng điện qua tải RL có dạng Hình b Dòng thuận bằng, dòng nghịch gần bằng 0

Hình c biểu thị dòng điện thực tế Dòng thuận bằng, dòng nghịch có đột biến ,

chỉ sau thời gian phục hồi nghịch tre thì diode mới tiến đến trạng thái ngắt mạch, dòng điện xấp xỉ 0 Vì vậy, nếu tần số điện áp vào Vi rất cao sao cho nữa chu kỳ âm của Vi

bé hơn thời gian re thi diode không còn tác dụng dẫn điện một chiều nữa

4 Các tham số cơ bản của diode bán dẫn

C 5

4.1 Dòng chỉnh lưu trung bình cực đại IF

Đó là dòng diện thuận trung bình cực đại cho phép chạy qua diode trong thời gian sử dụng lâu dài, được xác định bởi điện tích chuyển tiếp p-n và điều kiện toả nhiệt Ta cần chú ý điều kiện toà nhiệt và bảo đảm dòng điện trung bình nhỏ hơn IF để diode khỏi hỏng

4.5 Thời gian phục hồi nghịch t rr

Thời gian trr được đo trong các điều kiện qui định về phụ tải, dòng điện thuận, dòng điện nghịch tức thời cực đại

trr = tS +tr Với: tS : thời gian lưu giữ

tr : thời gian chuyển tiếp

4.6 Điện dung tiếp giáp p-n

Giá trị điện dung này bao gồm điện dung khuếch tán và điện dung chuyển tiếp

Điện dung khuếch tán (điện dung tiếp giáp khi diode phân cực thuận):

T

T D T

T S D D

D D

V

v i V

I i dv

dQ

Trong đó : حT : gọi là thời gian chuyển tiếp

VT : Điện áp nhiệt

IS : dòng bão hoà ngựơc

Điện dung chuyển tiếp (điện dung tiếp giáp khi diode phân cực ngược):

j R

j

R

n j

v

C dv

dQ C

Với : điện dung tiếp giáp khi phân cực 0 của diode

Trong đó: A : tiết diện của tiếp giáp p - n

Chương IV HỒI TIẾP

Hồi tiếp là lấy một phần tín hiệu ra (điện áp hoặc dòng điện) của mạng 4 cực

tích cực đưa trở về đầu vào thông qua một mạng 4 cực gọi là mạng hồi tiếp Người ta chia hồi tiếp thành hai loại là hồi tiếp âm và hồi tiếp dương Hồi tiếp đòng vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật mạch tương tự Cho phép thay đổi tính chất của bộ khuếch đại, nâng cao chất lượng của bộ khuếch đại

Hồi tiếp có hai loại:

+ Hồi tiếp âm có tín hiệu hồi tiếp ngược pha tín hiệu vào nên làm giảm tín hiệu vào.Hồi tiếp âm một chiều được dùng để ổn định chế độ công tác, hồi tiếp âm xoay chiều dùng để ổn định các tham số của bộ khuếch đại

+ Hồi tiếp dương có tín hiệu hồi tiếp đồng pha tín hiệu vào nên làm mạnh tín hiệu vào Hồi tiếp dương thường làm cho khuếch đại mất ổn định nên thường được sử dụng để tạo dao động

Phân loại mạch hồi tiếp:

 Hồi tiếp nối tiếp điện áp: tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu và tỉ lệ điện áp đầu ra

 Hồi tiếp song song điện áp: tín hiệu hồi tiếp đưa vào đầu vào song song với nguồn tín hiệu ban đầu và tỉ lệ điện áp ra

 Hồi tiếp nối tiếp dòng điện: tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào nối tiếp nguồn tín hiệu và tỉ lệ dòng điện ra

 Hồi tiếp song song dòng điện: tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào song song nguồn tín hiệu và tỉ lệ dòng điện ra

(-)

X h

1 Hồi tiếp âm 1.1 Các phương trình cơ bản của mang 4 cực có hồi tiếp âm

Ta có các quan hệ sau:

Xr = K.Xh (1)

Xv= Kn.Xn (2)

Xh = Xv - Xht (3)

Xht= Kht.Xr (4)

Từ (1),(2),(3) và (4) =>

Hàm truyền đạt toàn phần:

n

r

X

X

K   '

Độ sâu hồi tiếp: g = 1 + K

Nếu |g| > 1 thì |K’| < |K| => hồi tiếp âm

Nếu |g| < 1 thì |K’| > |K| => hồi tiếp dương

1.2 Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến các tính chất của bộ khuếch đại

1.2.1 Ảnh hưởng đến hệ số khuếch đại

Ta có: K’ < K

Xht

Kht

Kn

Sơ đồ khối toàn phần của bộ khuếch đại có hồi tiếp

U



Iv1 Iv

+ -

1.2.2 Ảnh hưởng đến trở kháng vào

Hồi tiếp âm làm thay đổi trở kháng vào của phần mạch nằm trong vòng hồi tiếp

Sự thay đổi này chỉ phụ thuộc vào phương pháp mắc mạch hồi tiếp về đầu vào (nối tiếp hay song song), không phụ thuộc phương pháp lấy tín hiệu ở đầu ra để đưa vào mạch hồi tiếp

a Trở kháng vào của bộ khuếch đại có hồi tiếp âm nối tiếp

Khi không có hồi tiếp (Kht.Xr=0):

v h v

v

I

U U I

ht h

K U

1 '

Nếu rrht << rh => Z’v = g.Zv

b Trở kháng vào của bộ khuếch đại có hồi tiếp âm song song

Khi không có hồi tiếp:

rht h v v

r r Z

Y'  1  1  1

Khi có hồi tiếp:

rht h v

h r ht v

v v

r r

g U

I I X K U

I Z

a Trở kháng ra của bộ khuếch đại có hồi tiếp âm điện áp

Khi không có hồi tiếp: Zra = rr // rvht ( rr (vì rr<< rvht)

Khi có hồi tiếp:

r

v h r

h h rng

r

X K r

X K

r K K

r I

U

ht h r rng

b Trở kháng ra của bộ khuếch đại có hồi tiếp âm dòng điện

Khi không có hồi tiếp: Zra = rr + rvht ( rr , rr >> rvht )

Khi có hồi tiếp:

r v ng r h ng rh

ht ng

v ng v

ng rng

r X K r X K U

K K

X K X

K I

('

Vậy, hồi tiếp âm điện áp làm giảm trở kháng ra g lần, còn hồi tiếp âm dòng điện làm tăng trở kháng ra g lần

1.2.4 Ảnh hưởng đến nhiễu và tạp âm

Khi có tín hiệu đặt ở đầu vào bộ khuếch đại thì ở đầu ra ngoài tín hiệu được

khuếch đại còn có tín hiệu nhiễu và tạp âm (do mạch sinh ra)

ht

K K K

K X

K K K

K K

2 1

1 1

ht ta ht

K K

X K

Hồi tiếp âm làm giảm tín hiệu Kht lần nhưng làm giảm tạp âm hẳn đi K1Kht lần

1.2.5 Ảnh hưởng đến méo phi tuyến và dải động

Xh = Xv - KhtXr = Xv - K.KhtXh

=> Xh =

g

X K

2 Hồi tiếp dương

Giả sử khối khuếch đại và khối hồi tiếp có ej Kht

Để mạch tạo ra dao động thì: .ej( K Kht) 1

ht K

=>

,

2 , 1 , 0 , 2

1

K K Kht K

(1) là điều kiện cân bằng về biện độ cho biết mạch chỉ dao động khi hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại bù dược tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra

(2) là điều kiện cân bằng về pha cho biết dao động chỉ có thể phát sinh khi tín hiệu hồi tiếp đồng pha tín hiệu vào

K : mođun hệ số khuếch đại

Chương V KHUYẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT.

1 Chế độ công tâc vă đỉnh điểm lăm việc cho tầng khuếch đại công

suất

Tuỳ thuộc văo chế độ công tâc của Transistor người ta phđn biệt thănh câc

chế độ A, AB, B vă C

1.1 Chế độ A

Chế độ khuếch đại gần như tuyến tính, góc cắt ( = T/2 =1800 Khi tín hiệu văo

hình sin thì dòng tĩnh luôn luôn lớn hơn biín độ dòng điện ra Vì vậy, hiệu suất của bộ

khuếch đại chế độ A rất thấp (<50%)

1.2 Chế độ AB

Góc cắt 900 < ( < 1800 Ở chế độ năy có thể đạt hiệu suất cao hơn chế độ A vì

dòng tĩnh IC0 lúc năy nhỏ hơn dòng tĩnh ở chế độ A Điểm lăm việc nằm trín đặc tuyến

tải gần khu vực tắt của Transistor

Chế độ B

t2

t 1

chế độ B chế độ A

t2

t1

chế độ C

chế độ AB