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

Đồ án kỹ thuật mạch SVTH: M.Tuấn –V. Quyền – T.Viên Trang - 1 - 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 Đồ án kỹ thuật mạch SVTH: M.Tuấn –V. Quyền – T.Viên Trang - 2 - 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 C 2 , C 3 , C 4 , C 5 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 Đồ án kỹ thuật mạch SVTH: M.Tuấn –V. Quyền – T.Viên Trang - 3 - B 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. n p n p n p B B C E C E Đồ án kỹ thuật mạch SVTH: M.Tuấn –V. Quyền – T.Viên Trang - 4 - C 2. Các chế độ làm việc: Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà ta chọn chế độ làm việc thích hợp cho Transistor 2.1. Chế độ khuếch đại. Để BJT làm việc ở chế độ khuếch đại thì J E phải được phân cực thuận còn J c được phân cực nghịch cho cả hai loại BJT npn và pnp. Hệ thức liên hệ giữa các dòng điện: CBE III   (1) Hệ số truyền đạt dòng base-chung thuận: E C I I   (2) Hệ số khuếch đại dòng Emitter-chung thuận: B C I I   (3) Từ (1),(2) và (3) ta có:      1 hay 1     Chế độ này được sử dụng nhiều nhất trong kỹ thuật mạch tương tự. 2.2 Chế độ bão hoà. Các tiếp xúc cực phát (J E ) và tiếp xúc cực thu (J C ) đều được phân cực thuận. Dòng ngõ ra của BJT ở chế độ bão hoà giảm hơn so với ở chế độ khuếch đại và dòng ra bão hoà thoả mãn I CBbh < βI E và I CEbh < I B cho cách mắc EC và BC. 2.3 Chế độ ngưng dẫn. Các tiếp xúc J E và J C đều phân cực nghịch, dòng qua chỉ có dòng ngược qua tiếp xúc cực thu. Do phân cực nghịch cả hai tiếp giáp nên điện trở của BJT ở chế độ ngưng dẫn tăng đáng kể và điện áp hoạt động lớn. Ur B C Ur Uv B E C Ur Uv B E E B V B V CC I E I C I n p n CC EC BC Uv Đồ án kỹ thuật mạch SVTH: M.Tuấn –V. Quyền – T.Viên Trang - 5 - 3. Các đặc tuyến Volt - Ampe. 3.1. Cách mắc EC. a. Đặc tuyến ngõ vào : 3.2. Cách mắc BC. a. Đặc tuyến ngõ vào : 3.3. Cách mắc CC. Sơ đồ BJT mắch EC U BE (V) U CE =0 U CE <0 I B (A ) I B =100  A I B =80  A I B =60  A I B =40  A I B =20  A I B =0  A U v U r I E (mA ) Đặc tuyến vào của BJT-BC I E (mA) U CB (V) U BE (V) Đặc tuyến vào của BJT mắc EC I E =1  A I E =2  A I E =4  A I E =3  A Đồ án kỹ thuật mạch SVTH: M.Tuấn –V. Quyền – T.Viên Trang - 6 - t 2 =50 0 C t 1 =25 0 C I C0 I C  U BE  I C U BE U BE0 0 a. Đặc tuyến ngõ vào: 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 I CB0 , dòng I CB0 phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. I c = I E + I CB0 = ( I B + I C ) + I CB0  (1 -  ) I C =  I B + I CB0  I C = I B + ( 1 +  ) I CB0 4.2. Ổn định nhiệt điểm công tác của Transistor. 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 I CB0 . Khi I CB0 tăng thì I C 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 I CB0 tăng. Như vậy, chu kỳ cứ lặp lại làm cho dòng I C 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, U BE cũng thay đổi dẫn đến dòng I C thay đổi làm thay đổi điểm công tác tĩnh.Tuy nhiên, ở điều kiện thường, I CB0 ảnh hưởng nhiều hơn so với UBE. Như vậy, khi nói đến ảnh hưởng của nhiệt độ, ta thường quan tâm đến dòng I CB0 . U BC (V) I B (  A ) Sơ đồ BJT mắc CC U BC (V)<0 Đặc tuyến vào mắc CC Ảnh hưởng của nhiệt độ Đồ án kỹ thuật mạch SVTH: M.Tuấn –V. Quyền – T.Viên Trang - 7 - + Ub Rc Vcc Rb IbIb Đối với Transistor Silíc, dòng I CB0 tăng nhanh hơn theo nhiệt độ nhưng giá trị tuyệt đối lại nhỏ hơn so với Transistor Gecmani ở cùng nhiệt độ. Do đó với Transistor Si có thể bỏ qua I CB0 .Vì thế để đảm bảo cho mạch điện ổn định, đặc biệt ở nhiệt độ cao, hay dùng Transistor Si, lúc này cần quan tâm đến ảnh hưởng của (V BE ). Điện áp trôi (V BE )có thể do sự biến đổi của nhiệt độ gây ra, cũng có thể do tạp tán của tham số Transistor gây ra. Nếu I E = const và nhiệt độ mặt ghép thay đổi lượng t thì đặc tuyến I C = f(V BE ) 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: S càng nhỏ mạch càng ổn định Ta có: IC = βIB + ( 1 + β)I CB0  I C =  I B + (1 +  ) I CB0    C CB C B I I I I       0 11   C B C CB I I I I S           1 1 0 5. Phân cực cho Transistor. 5.1. Phân cực Transistor bằng dòng cố định. Ta có: B BEB BC R UU II    U CE = U CC - I C R C            1 1 1 0 C B C B C B I I S dI dI I I Như vậy, hệ số ổn định nhiệt phụ thuộc vào hệ số khuếch đại điện áp của Transistor thường lớn nên hệ số S của mạch này khá lớn do đó ổn định nhiệt kém. 5.2. Phân cực cho Transistor bằng điện áp phản hồi. Ta có: U CC = (I C + I B ) R C + I B R B + U BE U CC = I B [(1 +  ) R C + R B ] + U BE I C Đồ án kỹ thuật mạch SVTH: M.Tuấn –V. Quyền – T.Viên Trang - 8 - Rc Vcc Rb IbIb Vcc R2 R1 Rc Re Ib Re + Ub Rc Vcc Rb Ie Ib =>   BC BECC B RR UU I     1 I C = I B =   BC BECC RR UU    1 U CE = U CC - (I B + I C ) R C Hệ số ổn định nhiệt : Ta có: U CC = (I B +I B )R C + I B R B + U BE U CC = (R C + R B )I B + I C R C + U BE => I B = BEC BECC C BC C RR UU I RR R      => ` BC C C B C B RR R dI dI I I     Nếu R C >> R B thì S 1 Vậy : điện áp phản hồi qua điện trở RB trong mạch phân cực làm tăng độ ổn định nhiệt, đồng thời làm giảm hệ số khuếch đại tín hiệu xoay chiều. Ta thấy rằng, không thể nâng độ ổn định nhiệt lên cao vì điểm công tác tĩnh và độ ổn định nhiệt độ của mạch phụ thuộc lẫn nhau. 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, R B và U B được xác định như sau: 21 2 . RR RV U CC B   21 21 . RR RR R B   Ta có: U B = I b R C + I E R E + U BE =>   BE BEB B RR UU I     1 Hình a I C Hình b Ic +I B Đồ án kỹ thuật mạch SVTH: M.Tuấn –V. Quyền – T.Viên Trang - 9 - I C = I B =   BE BEB RR UU     1 U CC = I C R C + I E R E + U CE Coi I C  I E : => U CC = I C ( R C + R E ) + U CE => U CE = U cc - I C (R C + R E ) Hệ số ổn định nhiệt: Ta có: U B = I B R B + I E R E + U BE U B = I B (R B +R E ) + U BE + I C R E => I B = EC BECC C BE E RR UU I RR R      => BE E C B C B RR R dI dI I I     => BE E RR R S       1 1 Nếu R E >> R B thì S 1 Như vậy, để mạch ổn định phải thiết kế sao cho R E càng lớn càng tốt. Nhưng nếu R E 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 R E với một tụ điện C E 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 R C , nghĩa là không phụ thuộc điểm công tác. Đồ án kỹ thuật mạch SVTH: M.Tuấn –V. Quyền – T.Viên Trang - 10 - Vcc Ur + - Un Rn C1 R2 R1 Rt C2 CeRe Rc B Rc rcrb Ur Rt re E + - En Rn Chương II: CÁC TẦNG KHUYẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ 1. Mạch khuếch đại EC. R 1 ,R 2 : Điện trở phân cực cho BJT. R C : Điện trở tải cực C của BJT. R e : Điện trở ổn định nhiệt. R t : Điện trở tải. R n : Nội trở nguồn tín hiệu. U n : Nguồn tín hiệu. C e : Tụ thoát xoay chiều. C 1 : Tụ liên lạc ngõ vào. C 2 : Tụ liên lạc ngõ ra. 1.1. Trở kháng vào của Transistor (rv) và mạch EC (Rv). R V = R 1 // R 2 // r V . Ta có: U 1 = i b r b + i e r e = i b [ r b + (1 + β) r e ] => r v = r b + (1+ ) r e 1.2. Hệ số khuếch đại dòng điện của mạch (K i ). c i t i b i c i v i b i v i t i i K  Ta có: i V .R V = i V .r V i c =.i b =>   b i c i i e Sơ đồ mạch EC Sơ đồ tương đương U 1  i b R v r v i v i t i c R 1 //R 2 [...]... 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 SVTH: M.Tuấn –V Quyền – T.Viên Trang - 23 - Đồ án kỹ thuật mạch Chương V KHUYẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT 1 Chế độ công tác và đỉnh điểm làm việc cho tầng khuếch đại công. .. hiệu 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 SVTH: M.Tuấn –V Quyền – T.Viên Trang - 14 - Đồ án kỹ thuật mạch DIODE BÁN DẪN Chương III 1 Cấu tạo Diode bán dẫn là dụng cụ bán dẫn... - 25 - T1 Đồ án kỹ thuật mạch 2 U CC U CC U CC Công suất tín hiệu trao cho tải RL: PL  U 0 I 0   2 2 2 2 RL 8 RL + Công suất tiêu tán của điện trở : U 2 PR  I CQ RL   CC  2R  L 2 2  U CC  RL   4 RL  + Công suất của nguồn cung cấp: 2 2 2 U CC U CC U CC PCC  PD  PR    4 RL 4 RL 2 RL =>  2 U CC 2 RL 2 100%  25% 8RL U CC 3 Tầng khuếch đại đẩy kéo Để tăng công suất hiệu suất và giảm... sao cho khi có tín hiệu vào thì BJT dẫn ngay Do đó, hiệu suất của khuêch đại công suất hạng AB là: A < AB < B T1 R2 Ucc Uv RL T2 R1 Hai mạch thường dùng sau này là OTL và OCL 3.3 Mạch khuếch đại công suất kiểu OTL SVTH: M.Tuấn –V Quyền – T.Viên Trang - 27 - Đồ án kỹ thuật mạch 3.3.1 Dùng hai BJT mắc theo Vcc kiểu đẩy kéo Rc R1 T0 : BJT khuếch đại đảo pha T1 cùng loại T2, mắc theo kiểu C1 T1 To đẩy kéo... nên dùng để tăng hệ số khuếch đại Vì các tầng khuếch đại mắc nối tiếp nhau nên: AV = AV1.AV2 SVTH: M.Tuấn –V Quyền – T.Viên Trang - 33 - ZL Đồ án kỹ thuật mạch Trong đó: AV2 =  h fe hie Z Lxc ,ZLxc : trở kháng tải xoay chiều của BJT ZLxc = Rc //ZinQ3, ZinQ3: trở kháng vào tầng khuếch đại công suất ZinQ31 = hie1 + (1+ hfe13)RL Do hệ số khuếch đại dòng tầng khuếch đại công suất hfe13 rất lớn nên ZinQ31... tăng -> Uc giảm -> tín hiệu ra giảm Vậy, với mạch BC thì tín hiệu vào và tín hiệu ra đồng pha nhau 3 Mạch khuếch đại CC Vcc R1 C1 Ur C2 Rn R2 Re + Rt Un - iv SVTH: M.Tuấn –V Quyền – T.Viên Sơ đồ mạch CC Trang - 12 - Đồ án kỹ thuật mạch ib ib rc rb re Rn U1 + Ur R1//R2 En - Rv Rt Re rv Sơ đồ tương đương 3.1 Trở kháng vào của Transistor (rV) và mạch khuếch đại (RV) Rv = R1//R2//rv U1  ib rb  ie re.. .Đồ án kỹ thuật mạch iT.RT=iC(RC//RT) it Rc // Rt  ic Rt => 1.3 Hệ số khuếch đại điện áp (Ku) Ku  it Rt Rt Ur   Ki U n iv Rn  Rv  Rn  Rv 1.4 Hệ số khuếch đại công suất (Kp) KP = Ku.K I 1.5 Trở kháng ra của mạch khuếch đại (Zr) Khi hở mạch Rt, , Zr = rce // Rc => Zr = RC do rce >> Rc 1.6 Quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra Ở bán kỳ dương (+) của tín hiệu vào... 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 C1 C2 Ur Rc Rn R1 + R3 1k Re Un Cb - R2 Ucc Sơ đồ mạch BC re Ur rc Rn + Re rb Rc Rt En B 2.1 Trở kháng vào của Transistor (rV) và mạch khuếch đại (RV) SVTH: M.Tuấn –V Quyền – T.Viên Trang - 11 - Đồ án kỹ thuật mạch Rv = Re... hiệu ra đồng pha nhau 4 Nhận xét Tham số BC EC CC Ki Nhỏ(0.98) Lớn(-47.2) Lớn(48.2) SVTH: M.Tuấn –V Quyền – T.Viên Trang - 13 - Đồ án kỹ thuật mạch Ku Lớn(72) Lớn(-72) Nhỏ(0.99) Zin Nhỏ(20.4) Trung bình (986) Lớn(73K) Zout Lớn(1.03M) Trung bình(52.6K) Nhỏ(32) ZL//Zout 1.5K 1.46K 31 Mạch EC có Ku, Ki lớn nên Kp lớn, do đó được dùng trong các mạch khuếch đại công suất Trở kháng vào và trở kháng ra trung... C2,đi từ C2(+) -> T2 -> mass -> RL -> C2(-) 3.4 Mạch khuếch đại công suất kiểu OCL SVTH: M.Tuấn –V Quyền – T.Viên Trang - 28 - Đồ án kỹ thuật mạch Sử dụng hai nguồn đối xứng (UCC.) +Ucc Ở chế độ tĩnh ta có: UP=0 => US=0 Ở chế độ động: Rc T1 Bán kỳ âm (-) của tín hiệu vào IC2 D1 R1 làm T1 dẫn,tạo dòng T2 D2 RL IC1 chạy từ +UCC -> T1 -> RL -> C1 mass To Uv Ở bán kỳ dương (+) của tín R2 1k hiêu vào làm T2 . 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. 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