(Đồ án) đồ án kỹ thuật mạch điện tử 1 đề tài thiết kế và thi công mạch khuếch đại công suất ocl ngõ vào đơn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG  Đồ án Kỹ thuật mạch điện tử Đề tài: Thiết kế thi công mạch khuếch đại công suất OCL ngõ vào đơn GHHD: TS Huỳnh Thanh Tùng SV: Trần Chí Cường 18DT1 Hồ Thanh Long 18DT1 Đặng Cơng Minh 18DT1 Nhóm HP: 18N40 Đà Nẵng, năm 2021 h Lời nói đầu Cơng nghệ thời 4.0 có bước nhảy vọt đáng kể, ngành Điện tử & Viễn thông mũi nhọn tiên phong lĩnh vực Mọi thứ điều đơn giản nhất, giới chế tạo vi mạch tích hợp với bóng bán dẫn có kích thước hàng nanomet, chúng ta, sinh viên vào nghề, cần phải hiểu sâu nguyên lý hoạt động, quy trình tạo sản phẩm, việc thiết kế mạch điện từ từ linh kiện điều cần thiết Một tiến sĩ nói: “Nguyên lý khơng khó, để tạo sản phẩm trình nghiên cứu, phải thật nắm vững sản phẩm thuộc chúng ta” Việc thiết kế sản phẩm mạch loa giúp sinh viên thật hiểu linh kiện hoạt động nào, chúng kết nối thành hệ thống sao, quan trọng vấn đề xuất bắt tay thực buộc phải tìm hiểu thêm điều khơng có sách Covid lấy nhiều hội để nghiên cứu trực tiếp bảo vệ đồ án trước thầy cơ, nên thiếu sót điều khơng thể tránh khỏi Nhưng với nhiệt huyết với hướng dẫn thầy Huỳnh Thanh Tùng, nhóm thành cơng việc thiết kế thi công mạch khuếch đại Em xin cảm ơn thầy cô giảng dạy hướng dẫn nhóm thực đồ án này! Đồ án có tham khảo tài liệu sau: Slice giảng môn KTMĐT thầy Tăng Tấn Chiến Mạch điện tử & – Trương Văn Tám Microelectronics circuit design 4t – Richard C Jaeger – Travis N Blalock Đồ án mẫu khóa trước Đà Nẵng, ngày 04/08/2021 h Trường Đại Học Bách Khoa Khoa Điện Tử - Viễn Thơng PHIẾU ĐÁNH GIÁ Q TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC Tên đồ án: Kỹ Thuật Mạch Điện Tử STT Họ tên Trần Chí Cường Hồ Thanh Long Đặng Cơng Minh Nhóm HP: 18N40A Lớp 18DT1 18DT1 18DT1 Mã số sinh viên 106180008 106180029 106180051 Người hướng dẫn: TS HUỲNH THANH TÙNG Tên đề tài: Mạch khuếch đại công suất OCL ngõ vào đơn Thông số thiết kế: + Loại mạch: OCL + Ngõ vào: Đơn + Công suất: 15 [W] + Điện áp ngõ vào: 0.7 [V] + Băng thông: 0.05-15 [khz] + Điện trở loa: [Ω] Quá trình thực đồ án: TT Ngày 20/01/2021 Nội dung Giao đề tài + Linh kiện sử dụng: BJT + Trở kháng vào: 250 [KΩ] + Méo phi tuyến: 0.2 [%] Đánh giá NHD Đạt u cầu 21/02/2021 Hồn thành tính tốn Mơ Đạt u cầu 26/04/2021 Thi cơng mạch Đạt yêu cầu 27/04/2021 Kiểm tra & Chạy thử Hoàn thành báo cáo Đạt yêu cầu Chữ ký NHD Đà Nẵng, ngày 18 tháng năm 2021 Người hướng dẫn *Ý kiến NHD ……………………………………………… ……………………………………………… ……………………………………………… ……………………………………………… TS Huỳnh Thanh Tùng h Contents PHẦN I: LÝ THUYẾT Chương 1: Transitor lưỡng cực (BJT) 1 Cấu tạo BJT Hoạt động Các cách ráp độ lợi dòng Dòng rỉ transitor – điện áp tối đa Ảnh hưởng nhiệt độ tới BJT Phân cực điểm tĩnh cho BJT – Ổn định phân cực Mơ hình tín hiệu nhỏ Chương 2: Các mạch ứng dụng Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ Mạch khuếch đại nhiều tầng – ghép nối BJT 11 Nguồn dòng ổn định dùng BJT 11 Khuếch đại công suất 12 Mạch khuếch đại nối trực tiếp Darlington 15 Hồi tiếp mạch khuếch đại 15 Đáp ứng tần số mạch khuếch đại 16 PHẦN 2: THIẾT KẾ 18 Sơ đồ mạch: 18 Chương 1: Tính toán 18 Yêu cầu: 18 Sơ đồ khối 18 Thiết kế khối công suất 19 Thiết kế tầng thúc: 20 Thiết kế ngõ vào đơn 21 Tính tốn tụ 21 Chương 2: Mô kiểm thử 23 Kiểm tra phân cực 23 Kiểm tra tín hiệu 24 Trở kháng vào 28 Băng thông 30 h PHẦN 3: DATASHEET 31 2SA1015 31 2SC1815 34 2SA1013 38 2SC2383 41 D718 44 B688 48 h PHẦN I: LÝ THUYẾT Chương 1: Transitor lưỡng cực (BJT) Cấu tạo BJT Transitor lưỡng cực gồm hai mối nối pn nối tiếp nhau, chế tạo mẫu bán dẫn Ge Si Hình sau mô tả cấu trúc hai loại BJT NPN PNP Ta thấy rằng, tương ứng với miền bán dẫn cực BJT, pha tạp (nồng độ lỗ trống hay điện tích tự do) giảm dần từ cực E qua cực C, mà điện tích khuếch tán từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ thấp nên, lỗ trống/điện tích tự phát từ E nên cực gọi cực phát (Emitter), cực C nhận điện tích nên gọi cực thu (Collector), cực B chuyển tiếp miền nên gọi cực (Base) Ngồi ra, miền chuyển tiếp B có độ rộng nhỏ nhất, miền phát rộng miền thu Hoạt động - Tùy theo phân cực tiếp giáp mà ta có vùng hoạt động Vùng ngắt: BE phân cực nghịch Vùng tích cực: BE phân cực thuận, BC phân cực nghịch Vùng bão hòa: BE phân cực thuận, BC phân cực thuận - Trong thực tế sử dụng BJT để khuếch đại tín hiệu, ta phân cực BJT vùng tích cực - Xét BJT NPN hoạt động vùng tích cực (PNP tương tự) Mối nối BE phân cực thuận nên vùng nghèo lớp tiếp giáp hẹp lại, BC phân cực nghịch nên vùng nghèo rộng Nhiều điện tử tử cực âm nguồn vào cực phát khuếch tán sang cực (do phân cực thuận) tạo dòng IE Ta biết vùng hẹp lỗ trống nên hầu hết điện tử khuếch tán thẳng sang vùng thu tùy theo độ rộng vùng nghèo BC cực dương nguồn tạo dịng IC Mặt khác điện tử cực cực dương nguồn VEE tạo dòng IB nhỏ h Như theo định luật KCL: IE = IC + IB Do IB nhỏ nên IE ≈ IC Đặc tuyến IC theo VCE IB có dạng: h Các cách ráp độ lợi dòng - Khi sử dụng, BJT ráp theo cách bản: cực phát chung, cực chung cực thu chung Cực chung cực nối với đất (GND) sử dụng cho ngõ vào ngõ - Dưới sơ đồ kiểu mắc: Trong cách ráp, người ta định nghĩa độ lợi dòng: Ai = dòng ngõ / dòng ngõ vào - Độ lợi dòng điện BJT thường dùng độ lợi cách ráp cực E chung B chung Với cực E chung: Ai = hfe = β = IC/IB  IE = (β+1)IB Với cực B chung: Ai = hfb = α = IC/IE - β thường có giá trị từ vài chục đến vài trăm lần, α thường có giá trị từ 0.95 – 0.999 lần Trong thực tế, β α thường nhà sản xuất cung cấp datasheet Từ định nghĩa định lý Kirchoff dịng điện ta rút cơng thức liên hệ: 𝛼 𝛽= 1−𝛼 h Dòng rỉ transitor – điện áp tối đa - Vì mối nối BC thường phân cực nghịch nên có dịng ngược bão hòa ISAT chạy qua gọi ICBO Trong trường hợp cực B để hở, ta đặt điện áp vào đầu cực C E xuất dòng điện, dòng gọi ICEO ICBO ICEO thường nhà sản xuất cung cấp - Ngoài ra, nhà sản xuất cung cấp thêm số thông số khác VCEO: điện áp VCE tối đa mà BJT chịu VEBO: điện áp VBE/VEB tối đa BJT chịu đươc Ảnh hưởng nhiệt độ tới BJT Nhiệt độ ảnh hưởng lớn tới thông số BJT: Vì thay đổi thơng số nhiệt độ nên ổn định nhiệt xem ưu tiên hàng đầu thiết kế mạch khuyếch đại, số phương pháp thường sử dụng mạch hồi tiếp âm, bổ nhiệt dùng diode… Phân cực điểm tĩnh cho BJT – Ổn định phân cực Trong phân tích BJT NPN, kết khảo sát đùng với BJT PNP, cần ý chiều dịng điện cực tính nguồn cung cấp a Phân cực cố định Cách tính tốn: Bước 1: Áp đụng định lý KCL cho ngõ vào tính IB: IB = (Vcc-0.7)/RB Bước 2: Sử dụng công thức liên hệ : IC = βIB Bước 3: Áp dụng KVl cho ngõ tính VCE: Vce = Vcc – IC.RC (1) h -  Điểm làm việc tĩnh Qpoint(IC, VCE) đồ thị phương trình (1) gọi loadline (đường tải điện) Điều kiện BJT hoạt động vùng tuyến tính: Mối nối BE phân cực thuận, Mối BC phân cực nghịch: Vc >VB  VCE>VBE  Vcc – IC.RC > 0.7 (với BJT SI)  (Vcc – 0.7)/RC > IC  IB < (Vcc-0.7)/(RC*β)  RB < β.RC b Phân cực ổn định cực phát RE thêm vào nhằm mục đích hồi tiếp âm ổn định phân cực Cách tính tốn: Bước Sử dụng KVL ngõ vào ta có: VCC = RB.IB + VBE + RE.IE Bước 2: Thay IE = (1+β.IB)  𝐼𝐵 = 𝑉𝐶𝐶−𝑉𝐵𝐸 𝑅𝐵+(1+𝛽).𝑅𝐸 Bước 3: Suy IC = β.IB h 37 h 2SA1013 38 h 39 h 40 h 2SC2383 41 h 42 h 43 h D718 44 h 45 h 46 h 47 h B688 48 h 49 h 50 h 51 h