Báo cáo đồ án điện tử 1 đề tài mạch khuếch đại âm tín hiệu âm tầng otl

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ BÁO CÁO ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ Giáo viên hướng dẫn: Th.S Võ Thị Hương Sinh viên thực hiện: Phạm Kỳ Thiên (1811505120151) Trần Quang Lĩnh (NT) (1811505120128) Võ Trung Kiệt (1811505120329) Đà Nẵng, tháng năm 2021 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển nhanh, điện tử lĩnh vực mũi nhọn Sự xuất vi mạch với mật độ tích hợp ngày cao đảm bảo nhiều chức năng, giá thành hạ sử dụng rộng rãi thiết bị điện tử Tuy nhiên, với mạch tích hợp tồn nhiều hạn chế nên khơng thể thay hồn tồn cho linh kiện rời thiết bị điện tử Mạch lắp ráp linh kiện rời có ưu điểm mà mạch tích hợp không đáp ứng công suất lớn, tuổi thọ cao, dễ dàng sữa chữa thay linh kiện hỏng Vì vậy, đồ án mơn học KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ bước đầu giúp cho sinh viên làm quen với việc thiết kế mạch, nắm bắt thực tế củng cố kiến thức học Tạo điều kiện để tiếp tục tìm hiểu thiết kế vi mạch thiết kế mạch điện tử sau Là sinh viên ngồi ghế nhà trường,,em trao dồi kiến thức chuyên môn ngành học.Tuy học thực hành nhiều lớp phần nhỏ bé so với kiến thức thực tế ngày sau trường chúng em gặp phải thế, em muốn vận dụng nhũng kiến thức học vào thực tiễn học hỏi cịn thiếu Trong năm học tập, thực nghiên cứu đồ án vừa qua, giúp đỡ thầy cô giáo môn,em học hỏi nhiều điều thực tế, tìm hiểu vấn đề, tài liệu liên quan giúp ích cho việc hồn thành báo cáo đồ án Vì sau cân nhắc góp ý thầy em chọn đề tài “Mạch khuếch đại âm tín hiệu âm tầng OTL” Vì lần viết báo cáo đồ án nên cịn nhiều thiếu sót, mong thầy thông cảm Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 1: Transistor lưỡng cực (Bipolar Juntion Transistor) .1 Cấu tạo: .1 Nguyên lý làm việc khả khuyếch đại: Nguyên lý làm việc: Chế độ làm việc BJT: Các sơ đồ ghép BJT đặc tuyến BJT: Tham số giới hạn thông số của transistor: Phân cực ổn định điểm làm việc: 10 Chương 2: Khuếch đại tín hiệu nhỏ .17 Mạch EC: 17 Mạch BC: 20 Mạch CC: 21 Nhận xét: 22 Chương 3: Hồi tiếp 23 Định nghĩa phân loại: 23 Hồi tiếp âm: 25 Chương 4: Mạch Khuyếch đại công suất 33 Tầng khuyếch đại công suất: .34 Tầng khuếch đại đơn:(tầng khuyếch đại chế độ A) 36 Tầng khuyếch đại đẩy kéo: 38 Phân loại tầng công suất khuyếch đại: 41 Chương 5: Mạch khuyếch đại công suất OTL 42 Chương 6: Mạch Dalington 43 Chương 7: Méo Crossover cách khắc phục 44 Méo Crossver: 44 Cách khắc phục: 44 Chương 8: Vấn đề tản nhiệt cho BJT cơng suất 46 PHẦN 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 47 Chương 1: Thiết kế mạch khuếch đại công suất âm tầng OTL 47 Sơ đồ khối: 47 Sơ đồ nguyên lý 47 Tác dụng linh kiện 49 Chương 2: Tính tốn .49 Nguồn cung cấp 49 Tính tốn tầng cơng suất: 51 Tầng thúc 55 Tầng nhận tính hiệu vào (đơn) 59 Tính tụ 60 Tính mạch lọc Zobel (C , R 18): .62 Chương 3: Mô 63 Kết mô chế độ tĩnh .63 Mơ tín hiệu vào, mạch 63 Mạch in sản phẩm 65 PHẦN 3: KẾT LUẬN .66 Tài liệu tham khảo 66 PHẦN 4: NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .67 Trang PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 1: TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BIPOLAR JUNTION TRANSISTOR) Cấu tạo: BJT loại linh kiện bán dẫn gồm lớp bán dẫn loại p n đặt xen kẽ đơn tinh thể bán dẫn Các miền phân cách hai lớp chuyển tiếp p-n Tùy theo thứ tự bố trí lớp bán dẫn p n mà ta có BJT loại npn hay pnp C B E C B E Tương ứng với miền cực BJT Miền bán dẫn hai lớp chuyển tiếp p-n gọi miền gốc (Base – B) Hai miền lại bất đối xứng cho miền có khả kích hoạt hạt tải điện vào miền Base, miền miền phát (Emitter-E), miền miền thu (Collector-C) có khả nhận tất hạt điện kích từ miền Emitter sang Base Nồng độ pha tạp miền khác nhau, đó: - 19 21 Miền Emitter có nồng độ pha tạp lớn nhất, 10  10 nguyên tử Miền Base có nồng độ pha tạp thấp Nồng độ pha tạp miền Base thấp lợi hệ số truyền đạt 13 15 Miền Collector có nồng độ pha tạp trung bình 10  10 ngun tử Do có phân bố nên hình thành hai lớp chuyển tiếp pn gần nhau: - Chuyển tiếp Emitter( J e ) miền E-B Trang - Chuyển tiếp Collector ( J c ) miền C-B Nguyên lý làm việc khả khuyếch đại: Tùy theo thứ tự sếp miền bán dẫn mà ta chia BJT thành hai loại PNP NPN Nguyên lý làm việc loại BJT giống Ta xét nguyên lý làm việc NPN Nguyên lý làm việc: Xét BJT loại NPN: Khi chưa cấp áp nguồn tiếp giáp p-n có độ chênh lệch nồng độ pha tạp miền mà sinh tượng khuyếch tán ( khuyếch tán hạt điện tích (điện tử lỗ trống)) nên bên hình thành hai lớp tiếp giáp J e J c cân động Phân cực thuận cho tiếp giáp J e , Etr giảm chiều cao hàng rào − − hạt đa số giảm, e vọt từ E sang B Nếu C để hở mạch e di chuyển từ E sang B dịng phạt xạ bình thường điơt tạo thành dịng từ B sang E tiếp giáp p-n thông thường − − Để e kéo sang miền C ta tăng Eng tiếp giáp J c e Eng kéo sang C tạo thành dòng I C Khi điện tử từ E sang B đại đa số thẳng C tạo thành dịng I C số tái hợp B tạo thành dòng I B I E =I B +I C Chế độ làm việc BJT: BJT có chế độ àm việc là: ngưng dẫn, khuyếch đại, dẫn bão hịa Trang 4.1 Chế độ ngưng dẫn: Tiếp giáp J C tiếp giáp J E phân cực ngược hình vẽ Ở chế độ BJT dùng khóa điện tử Ở chế độ tiếp giáp J C tiếp giáp J E phân cực ngược nên có dịng phân cực ngược( dịng rị) nhỏ Xem khơng dịng chạy qua tiếp giáp Ở chế độ BJT tắt tương ứng với khóa đóng Điều kiện để BJT tắt J E phân cực ngược Vbe I Cp/ Q 3=58.53 mAV CE >V CC =50V Dựa vào sổ tay tra cứu Transistor cột bổ phụ ta chọn: T ên P(mW) f(MHz) T C o V CEo (V ) IC ( A ) β 2SC2383 900 100 150 160 60 - 320 2SA1013 900 100 150 160 60 - 320 Tầng thúc Để tính tốn tầng lái ta chọn β Q 3=75 ⇒ I B p= I Ep /Q 58.53 I 3.7 = =0.77(mA )⇒ I B Q = EQ /Q = =0.048(mA ) 1+ β Q 1+75 1+ β Q 1+ 75 3.1 Tính chọn VR1, D1, D2, D3 Để tránh méo tín hiệu xuyên tâm đồng thời ổn định điểm làm việc cho cặp BJT khuyếch đại cơng suất tổ hợp phải làm việc chế độ AB Vì vậy, ta dùng VR1, D1, D2, D3 để tạo áp ban đầu cho BJT để có tín hiệu vào BJT khuyếch đại cơng suất dẫn Chọn D1, D2, D3 loại 1N4148 loại diode thuỷ tinh Để Q1, Q2 làm việc chế độ dịng tĩnh 50mA điện áp tiếp giáp BE tổ hợp BJT chế độ tĩnh 0.6V Trang 61 Ta có: V B B Q =V BE +V BE 1+V BE +V BE + V R Q +V R Q V B B Q =0.6+0.6 +0.6+0.6+ 0.05 ×0.4+ 0.05× 0.4=2.44( V ) Để dịng tĩnh Q5 thay đổi tránh méo tín hiệu ta chọn I CQ5=20 I B p =20× 0.77=15.4( mA) Ba diode D , D2 , D3 V R1 đảm bảo cho Q1 ,Q3 Q2 ,Q làm việc chế độ AB, tức V B B Q =2.44 V có tín hiệu vào Lợi dụng tính chất ghim áp diode ( dòng 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: V R1 = V B B Q−3V D 2.44−3 ×0.6 = =41.56( Ω) −3 I CQ5 15.4 ×1 Chọn V R1=100 Ω sau hiệu chỉnh lại 3.2 Tính chọn R5, R6 R5, R6 có tác dụng phân cực DC cho BJT diode Để giảm tổn thất dịng tín hiệu loa chọn R5 >> RL => Chọn R5 = 200Ω V R5R6= R5 + R6 = V CC −V BE 3−V BE 1−V R 1=25−0.6−0.6−0.05× 0.4=23.78(V ) V R5R 23.78 = =1544.15(Ω) I CQ 15.4 × 10−3 Chọn R6 = 1.3 (KΩ) 3.3 Tính chọn BJT Q5: Do Q5 làm việc chế độ A, ta chọn trước điện áp tĩnh điện trở hồi tiếp chiều R7, R8 3V Ta có: { R7 V R = R8 V R V R +V R =3V Để tránh hồi tiếp âm nhiều làm giảm hệ số khuyếch đại Q5, ta chọn < R8 => VR7 < VR8 R7 Trang 62 Chọn ⇒ { { V R =1V V R 8=2V R7= R8= Chọn { V R7 = =65 ( Ω ) I CQ5 15.4 ×1 0−3 V R8 = =129.8 ( Ω ) I CQ5 15.4 ×1 0−3 R 7=68 Ω R8=130 Ω Với hai giá trị trở áp rơi hai điện trở là: −3 V R R =(R7 + R 8) I CQ 5=(68+130)× 15.4 ×1 =3.05V Điện cực C, E Q5: V CE/ Q 5= V CC −V VR −V EB /Q 4−V EB /Q 2−V R R ¿ 50 −(0.7+ 3−0.6)−0.6−0.6−3.05=17.65(V ) Công suất tiêu tán tĩnh Q5: −3 P DC/ Q 5=V CE/ Q × I C/ Q 5=17.65 ×15.4 × 10 =0.27 (W ) Từ tính tốn ta chọn Q5 phải thoã điều kiện sau: { PC > Ptt max/ Q 5=0.27 W I C > I C max/Q 5=15.4 mA V CE >V CC=50 V Tra cứu 1000 transistor quốc tế ta chọn Q5: 2SC2383 có thông số sau: Tên P(mW) f(MHz) ToC V CE (V ) IC ( A ) β 2SC2383 900 20 150 160 60/320 3.4 Tính chọn R9, R10, VR2 Với β Q 5=60 ta có dịng tĩnh Q5 là: I BQ /Q = I CQ/ Q 15.4 = =0.26(mA) βQ5 60 Trở kháng vào tầng thúc: Trang 63 Z¿ /Q5=(R9 /¿ R10 /¿ V R 2)/¿(r be /Q +( 1+ βQ 5)R 7) Với: r be/ Q 5=β Q VT I EQ/ Q =60 × 25 =97.4 (Ω) 15.4 ⇒ Z ¿/Q =( R9 /¿ R10 /¿ V R 2)/¿(97.4+61 ×68) ¿( R /¿ R 10 /¿ V R2 )/¿ 4245.4( Ω) Chọn VR9 = 40V Áp B Q5: V BQ 5=V BE /Q 5+ V R R 8=0.6 +3.05=3.65( V ) Chọn dòng phân áp cho Q5 thoả mãn I pa»10 I BQ /Q7 Ta chọn I pa =10 I BQ/ Q 5=2.6 mA → VR 2= R10 = Chọn V BQ 3.65 = =1.4(KΩ) I pa 2.6 V R 9−V BQ 40−3.65 = =14 (KΩ) I pa 2.6 { R9 = R10=14 KΩ sau hiệu chỉnhlại VR VR 2=1.4 KΩ V cc −V R 50−40 = =3.8 (kΩ) I pa 2.6 Chọn R9 = 3.9 kΩ Trở kháng vào tầng thúc: Z INQ 5=(3.9/¿14 /¿ 1.4)/¿ 4.3=2(kΩ) Hệ số khuếch đại tầng thúc: Theo cơng thức ( ) ta có hệ số khuyếch đại tầng thúc là: Zt ∕ Q 5=r be 3+ ( 1+ β Q ) × Z t ∕ Q 3=75 × K U =−βQ Zt ∕ Q5 r be ∕ Q + ( 1+ β Q ) R7 25 +(1+75)× 471.63=36.35 k Ω 3.7 =−60 36350 =−513.7 97.4+ (1+ 60 ) 68 Tính theo đơn vị dB: K U (dB)=20lg (¿ 513.7) ≈ 54 dB ¿ Trang 64 Tầng nhận tính hiệu vào (đơn) 4.1 Tính chọn R16, R15, R14, R12: Để mạch làm việc ổn định Q5không ảnh hưởng nhiều đến tầng ta chọn I C/ Q ≫ I BQ /Q Với I BQ /Q =0.26 mA chọn I C/ Q 6=2 mA R12 lớn tác dụng hồi tiếp âm dồng chiều lớn, điểm làm việc cua Q6 ổn định Điện áp chiều VR12 chọn V R 12= 50 V CC= =5(V ) 10 10 R12= V R 12 = =2.5 (kΩ) I C /Q Chọn R12 =3kΩ Ta có: V R 14=V BE ∕ Q 5+V R R 8=0.6 +3.05=3.65(V ) R14 = V R 14 3.65 = =1.8 (kΩ) I C ∕ Q6 Chọn R14 = 1.8 kΩ Chọn R16 = 150 kΩ, Zin = 100 kΩ Z¿ = R16 × R15 150 × R 15 =100⇔ =100 R16 + R15 150+ R15 ⇒ R15=300 kΩ Độ lợi mạch phụ thuộc vào tỷ số R12/R13 R12 =3kΩ, R13 nhỏ hồi tiếp nghịch yếu, độ lợi lớn ảnh hưởng đến chất lượng âm loa Chọn R13 = 150Ω Kf = R12 3000 = =20 R13 150 Trang 65 4.2 Tính chọn Q6: V CE ∕ Q 6= V CC 50 −V R 12−V R 14= −5−3.65=16.35 2 Vậy công suất tiêu tán Q6: −3 Ptt /Q =V CE ∕ Q × I C /Q =16.35× 2× 10 =0.03(W ) Chọn Q6 thỏa mãn điều kiện sau: { PC > P tt/ Q 6=0.03W I C > I C /Q 6=2 mA V CE 0> 16.35 V Tên P(mW) f(MHz) ToC V CE (V ) IC ( A ) β 2SA1013 900 15 150 160 60 4.3 Tính R17 Ta có: V R 17=V CC −V R 16−V R 15 =50−( 150+300 ) × R17 = =35 V 60 V 17 35 = =17.5 kΩ I C/ Q Chọn R17 = 18kΩ Tính tụ 5.1 Tính tụ C1: C1 tụ liên lạc ngõ vào nên để sụt áp tụ khơng ảnh hưởng đến tín hiệu vào chất lượng mạch ta chọn tụ C1 cho: X C 1= 100 Z= =10 k Ω 10 ¿ 10 ⇒ C 1= 1 = =0.32 μF π × finmin × X c1 π ×50 ×10 ×10 → Chọn tụ C1 = 0.33μF/50V 5.2 Tính tụ C2: C2 tụ liên lạc tầng nhận tín hiệu vào tầng thúc nên tụ C dược chọn cho sụt áp tụ không ảnh hưởng tới tin hiệu vào tầng thúc Ta chọn tụ C cho: Trang 66 XC 2= ⇒ C 2= 2.5 Z ¿ ∕ Q = =0.25 kΩ 10 10 1 = =12.6 μF π × finmin × X c2 π ×50 × 0.25× 103 → Chọn tụ C2 = 12μF/50V 5.3 Tính tụ C3: Tụ C3 kết hợp với R17 tạo thành mạch lọc thông thấp lọc nhiễu từ nguồn để tránh hồi tiếp tạo thành giao động tự kích XC 3= ⇒ C 3= 18 R = =1.8 kΩ 10 17 10 1 = =1.7 μF π × finmin × X c3 π ×50 × 1.8× 103 → Chọn tụ C3 = 1.8μF/50V 5.4 Tính tụ C5: Tụ C5 kết hợp với R12, R13 tạo thành mạch hồi tiếp âm ổn định thông số mạch Chọn tụ C5 cho tỉ số hồi tiếp tín hiệu phụ thuộc vào R 12, R13 sụt áp xoay chiều C5 nhỏ R13 nhiều: XC 5= ⇒ C 5= 150 R 13= =15Ω 10 10 1 = =210 μF π × finmin × X c5 π ×50 × 15 → Chọn tụ C5 = 220μF/50V 5.5 Tính tụ C 6: Ta chọn tụ C 6sao cho tầng số thấp sụt áp tụ nhỏ so với sụt áp loa để không ảnh hưởng đến tín hiệu loa Ta chọn: XC 6= RL = =0.8 Ω 10 10 ⇒ C 6= =3900 μF π ×50 × 0.8 Tính mạch lọc Zobel (C , R18 ): Cấu tạo loa gồm cuộn cảm điện trở có Z L =RL + jωL Như vậy, trở kháng loa phụ thuộc vào tần số Khi tần số cao trở kháng loa lớn dẫn đến méo tín hiệu Mạch lọc Zobel mạch ổn định trở kháng loa không đổi tần số cao C mắc nối tiếp với R tất mắc song song với tải RL Ở tần số cao tụ ngắn mạch giảm tải ngõ tức X L ↑ , X C ↓ → R Lkhông đổi Trang 67 Ta có: Ztd =( R+ )/¿(R L + jωL) jωC Để khơng phụ thuộc vào tần số R18=R L =8 Ω chọn tụ C 7sao cho: XC 7= R 10 L ⇒ C 7= 10 10 = =9.9 μF π × f max × R L π × 20× 103 × → Chọn tụ C7 = 10μF/50V Trang 68 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG Kết mô chế độ tĩnh 1.1 Kết mô điện áp chế độ tĩnh: 1.2 Kết mơ dịng điện chế độ tĩnh: Mơ tín hiệu vào, mạch Trang 69 2.1 Kết mô chế độ động: 2.2 Dạng sóng tín hiệu vào/ra: Trang 70 2.3 Biên độ tín hiệu vào/ra: Mạch in sản phẩm Trang 71 PHẦN 3: KẾT LUẬN Trong trình nghiên cứu xây dựng đề tài em vận dụng kiến thức chun mơn nhằm để hồn thành u cầu đặt Qua em dịp cố lại kiến thức chuyên ngành Trên sơ chúng em đánh giá lại có sau học Trong thời gian thực đề tài với bảo giúp đỡ tận tình giảng viên hướng dẫn, đến mạch khuếch đại cơng suất âm tầng OTL hồn thành Tuy nhiên dịch bệnh trình độ chun mơn cịn hạn chế nên đồ án cịn tồn thiếu sót Em mong nhận ý kiến góp ý quý thầy cô khoa để sản phẩm em hoàn thiện Cuối chúng em xin cảm ơn quý thầy cô giáo giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài Em xin chân thành cảm ơn! TÀI LIỆU THAM KHẢO - Giáo trình Mạch điện tử kỹ sư Nguyễn Văn Điềm Giáo trình kỹ thuật mạch điện tử PGS TS Đặng Văn Chuyết Giáo trình lý thuyết mạch thầy Đỗ Huy Giác - Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử PGS TS Trương Văn Cập - Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự Datasheet hãng trang https://www.alldatasheet.com/ Số tay tra cửu thay linh kiện điện tử -NXB khoa học – kỹ thuật Trang 72 PHẦN 4: NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên: Phạm Kỳ Thiên MSV: 1811505120151 Lớp: 18D3 Trần Quang Lĩnh MSV: 1811505120128 Lớp: 18D3 Võ Trung Kiệt Lớp: 18D4 MSV: 1811505120329 Khoa: Khoa Điện-Điện tử Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Tên đề tài: Thiết kế mạch khuếch đại công suất âm tầng OTL I Nhận xét GVHD: Ưu điểm: Nhược điểm: II Điểm đánh giá: Ngày….tháng……năm 2021 Giảng viên hướng dẫn Ths Võ Thị Hương Trang 73