Thiết kế mạch điện tử

Tên đề tài : Mạch khuếch đại công suất OCL ngõ vào đơn. Nhóm học phần : 20.39 Giảng viên hướng dẫn : Thầy Lê Hồng Nam, Thầy Phan Trần Đăng Khoa Yêu cầu đề bài: • Thiết kế mạch OCL, ngõ vào đơn. • Công suất 15W • Trở kháng ngõ vào 300KΩ • Trở kháng của loa 8 Ω • Méo phi tuyến < 0,25% • Băng thông 20Hz – 20KHz

TÊN ĐỒ ÁN : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ Bảng phân công nhiệm vụ: Họ tên Lớp Mã số sinh viên Nhiệm vụ phân công - Lý thuyết chương 1,3 - Tính tốn tầng cơng suất -Mơ tầng thúc, công suất,mạch nguồn -Thi công tầng công suất ,mạch nguồn -Lý thuyết chương -Tính tốn tầng ngõ vào ,tầng thúc -Mô ngõ vào -Thi công tầng ngõ vào,tầng thúc Tên đề tài : Mạch khuếch đại công suất OCL ngõ vào đơn Nhóm học phần : 20.39 Giảng viên hướng dẫn : Thầy Lê Hồng Nam, Thầy Phan Trần Đăng Khoa Yêu cầu đề bài:  Thiết kế mạch OCL, ngõ vào đơn  Công suất 15W  Trở kháng ngõ vào 300KΩ  Trở kháng loa Ω  Méo phi tuyến < 0,25%  Băng thông 20Hz – 20KHz Ý KIẾN CỦA GIẢNG VIÊN : ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… Đà Nẵng, Ngày 23 Tháng 12 Năm 2022 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN LÊ HỒNG NAM NHÓM 39.20 TỔ 13 LỜI NÓI ĐẦU  Bước sang kỷ 21 , khoa học kỹ thuật mà Điện Tử Viễn Thông lại ngành mũi nhọn tiên phong lĩnh vực ngày phát triển với tốc độ đáng kinh ngạc Sự đời Chíp , Vi mạch với mức độ tích đến vài chục triệu Transistor/Chíp Tuy nhiên , với - Những sinh viên điện tử , bắt đầu ngành việc thiết kế mạch điện từ linh kiện rời thật bổ ích Mặc dù , để tiến tới hoàn chỉnh mạch Điện địi hỏi người thiết kế phải có kiến thức tối thiểu lĩnh vực Điện Tử ,từ linh kiện đơn giản thường dùng : Điện trở ; Tụ ;Cuộn dây ; Diode đặc biệt Transistor mà phải hiểu rõ nguyên lý , chất cách thấu đáo Để từ chọn giải pháp thiết kế vừa hiệu lại vừa kinh tế thẫm mỹ, hòng làm hài lòng người sử dụng Là sinh viên năm thứ , lại đồ án với nhiều bở ngỡ mà đặc biệt gặp phải nhiều khác biệt lý thuyết thực tế Nhưng với ham học hỏi tâm mà đặc biệt hướng dẫn tận tình thầy Lê Hồng Nam thầy Phan Trần Đăng Khoa giúp đỡ bạn bè, em cố gắng đồ án cách tốt Với tự tin vào khả , nghiên cứu ngiêm túc bước đầu tập làm người thiết kế máy tăng âm kiểu OCL với ngõ vào đơn , công suất vừa phải , thiết bị dễ mua , dễ kiếm lại không mắc Chúng em mong quý thầy cô thông cảm giúp đỡ bảo thêm cho chúng em, cho chúng em thêm kinh nghiệm để cải thiện mặt sản phẩm lần hiểu biết chúng em Chúng em xin chân thành thầy Lê Hồng Nam , thầy Phan Trần Đăng Khoa giúp đỡ chúng em thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn ! NHÓM 39.20 TỔ 13 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ I Mạch khuếch đại II Phân cực III.Nguyên lý hoạt động CHƯƠNG 2: MẠCH HỒI TIẾP 12 I ĐỊNH NGHĨA 13 II SƠ ĐỒ HÌNH KHỐI VÀ SƠ ĐỒ HÌNH MẠCH CỦA MẠCH HỒI TIẾP 13 III PHÂN LOẠI HỒI TIẾP 17 CHƯƠNG 3: CÁC CHẾ ĐỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT 21 I.Chế độ công tác đỉnh điểm làm việc cho tầng khuếch đại công suất 21 II.Khuếch đại công suất hạng A (Khuếch đại đơn) III.Tầng khuếch đại đẩy kéo 27 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN LINH KIỆN 31 I Tính toán phần nguồn: 31 II Tính tốn tầng cơng suất: 32 III Tính tốn tầng thúc: 35 IV Tính tốn tầng ngõ vào đơn: 37 V.Tính tốn mạch phụ trợ: 40 CHƯƠNG 5: KIỂM TRA MẠCH KHUẾCH ĐẠI 45 NHÓM 39.20 TỔ 13 CHƯƠNG 1: KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ Trong chương này, ta khảo sát chủ yếu BJT NPN kết phương pháp phân tích với BJT PNP, cần ý đến chiều dịng điện cực tính nguồn điện chiều I Mạch khuếch đại: Mạch khuếch đại âm gồm mạch khuếch đại mạch khuếch đại điện áp, mạch khuếch đại dịng điện, mạch khuếch đại cơng suất Trong mạch khuếch đại cơng suất có mạch khuếch đại điện áp dịng điện Vì hiểu mạch khuếch đại âm mạch khuếch đại công suất Mạch khuếch đại công suất sở hữu nhiều loại, mạch khuếch đại âm mạch phổ biến Mạch khuếch đại âm tần mạch hoạt động với tín hiệu hình sin khơng sin, có dải tần nằm khoảng tai người nghe Thơng thường, tai người có sức khỏe tốt nghe âm từ 20Hz đến 20KHz II Phân cực: 1.Mạch phân cực transistor: Phân cực transistor trình thiết lập điện áp hoạt động chiều transistor điều kiện dòng điện mức chinh xác để tín hiệu đầu vào AC khuếch đại xác transistor 2.Phân loại 2.1.Phân cực transistor dòng cố định Sơ đồ mạch:  Xét mạch vòng BE: Áp dụng định luật KVL mạch vịng BE: NHĨM 39.20 TỔ 13 VCC – IBRB – VBE = => IB = 𝑉𝐶𝐶 −𝑉𝐵𝐸 𝑅𝐵  Xét mạch CE: Trong vùng khuếch đại: IC = βIB Áp dụng định luật KVL mạch CE ta có: VCC – ICRC – VCE = => VCE = VCC - ICRC  Ưu điểm: Dòng lớn, dễ thiết kế  Nhược điểm: Khi nhiệt độ thay đổi dẫn đến điểm làm việc Q dễ bị lệch  Ứng dụng: Được sử dụng tầng công suất lớn 2.2 Phân cực dòng Emitter  Phân cực cầu phân áp Xét mạch vòng BE: Áp dụng định luật KVL mạch vòng BE: VCC – IBRB – VBE – IERE = Ta có: IE = (β + 1)IB thay vào phương trình ta được: VCC – IBRB – VBE – (β + 1)IBRE = 𝑉 −𝑉 => IB = 𝐶𝐶 𝐵𝐸 𝑅𝐵 +(𝛽+1)𝑅𝐸  Xét mạch CE: Trong vùng khuếch đại: IC = βIB Áp dụng định luật KVL mạch CE: VCC – ICRC – VCE – IERE = Vì IC = IE nên ta có điện áp VCE : VCE = VCC – IC(RC + RE)  Ưu điểm: Có trở hồi tiếp cực E, tăng độ ổn định điểm làm việc Q NHÓM 39.20 TỔ 13  Nhược điểm: Khó xác định điểm làm việc Q cịn phụ thuộc nhiều vào β  Ứng dụng: Sử dụng tầng công suất 2.3 Mạch phân cực cầu phân áp: Sơ đồ mạch:  Dùng mạch tương đương Thevenin: Xác định điện trở Thevenin RTh: RTh = R1//R2 Xác định điện áp Thevenin ETh: 𝑅 ETh = VR2 =VCC 𝑅1 +𝑅2 Mạch tương đương Thevenin dịng điện IB xác định định luật KCL: ETh – IBRTh – VBE – IERE = Thay dòng IE = (β + 1)IB vào ta dòng IB: 𝐸𝑇ℎ −𝑉𝐵𝐸 IB = 𝑅𝑇ℎ +(𝛽+1)𝑅𝐸  Xét mạch CE: Trong vùng khuếch đại: IC = βIB Áp dụng định luật KVL mạch CE: VCC – ICRC – VCE – IERE = Vì IC = IE nên ta có điện áp VCE : VCE = VCC – IC(RC + RE)  Ưu điểm: Việc xác định điểm làm việc tĩnh Q phụ thuộc vào hệ số β  Nhược điểm: Thiết kế tính tốn phức tạp NHĨM 39.20 TỔ 13 2.4 Mạch phân cực hồi tiếp từ collector: Sơ đồ mạch:  Xét mạch vòng BE: Áp dụng định luật KVL mạch vòng BE: VCC – I’CRC - IBRB – VBE – IERE = Có thể xem: I’C ≈ IC = βIB IE ≈ IC Thế vào phương trình ta được: VCC – VBE – βIB(RC + RE) – IBRB = 𝑉𝐶𝐶 −𝑉𝐵𝐸 => IB = ) 𝑅𝐵 +𝛽(𝑅𝐶 +𝑅𝐸  Xét mạch CE: VCC – I’CRC – VCE – IERE = Do I’C ≈ IC IE ≈ IC nên: VCE = VCC – IC(RC + RE)  Ưu điểm: Khả hồi tiếp tốt hồi tiếp cực Emitter, cải thiện độ ổn định BJT  Nhược điểm: Khó thiết kế tính tốn III.Ngun lý hoạt động Ở chế độ tích cực (chế độ khuếch đại), tiếp giáp B-E phân cực thuận, tiếp giáp B-C phân cực ngược - Tiếp giáp B-E phân cực thuận nên vùng nghèo thu nhỏ lại tạo điều kiện cho dòng khuếch tán hạt tải điện đa số qua tiếp giáp + Điện tử (->) khuếch tán từ vùng E -> B + Lỗ trống (O) khuếch tán từ vùng B -> E NHÓM 39.20 TỔ 13 - Điện tử thành phần tạo dịng chạy BJT -> xét đến dòng khuếch tán điện tử - Do vùng B bán dẫn loại p với điện tử hạt tải điện thiểu số có nồng độ thấp nên điện tử khuếch tán sâu vào vùng B, số điện tử tái hợp với lỗ trống có vùng B - Do độ rộng vùng B nhỏ so với độ dài khuếch tán nên đa số điện tử khuếch tán đến tiếp giáp B-C mà không bị tái hợp - Các điện tử không bị tái hợp vùng B khuếch tán đến tiếp giáp B-C - Trong vùng nghèo tiếp giáp B-C có điện trường Etx hướng C-B nên điện trở bị sang vùng C - Dòng dịch chuyển điện trở -> dòng điện chạy qua cực theo chiều ngược lại - Các dòng Ib Ic chạy vào cực, dòng Ie chạy  - Các cách mắc BJT : có cách + Kiểu Emtitter chung ( EC ) + Kiểu Bose chung ( BC ) + Kiểu Collector chung ( CC ) - Độ khuếch đại khả mạch điện tử để tăng cường độ tín hiệu Độ khuếch đại chức khuếch đại Là so sánh tính hiệu cung cấp vào khuếch đại với tín hiệu khuếch đại Do khuếch đại, tín hiệu ngõ thường lớn so với tín hiệu ngõ vào * Ký hiệu A 𝑖𝑜 - Độ khuếch đại dòng: Ai= ; 𝑣𝑜 𝑖𝑖 - Độ khuếch đại áp: Av= ; 𝑣𝑖 𝑃𝑜 -Độkhuếch đại công suất: Ap= ; 1.Mạch khuếch đại E chung: 2.Sơ đồ mạch: NHÓM 39.20 TỔ 13 𝑃𝑖 Sơ đồ mạch xoay chiều Hệ số khuếch đại điện áp: Av = -gm.RL  Hệ số khuếch đại dòng: Ai = Av 𝑅𝐼 +𝑅𝑖𝑛 𝑅𝑖𝑛 𝑅𝐼 +𝑅𝑖𝑛 với Rin = R1 // R2 // rπ 𝑅3  Hệ số khuếch đại công suất: Ap = Av.Ai  Điều kiện vi để mạch hoạt động tuyến tính: vi ≤ 0.005  Tín hiệu đầu vào đầu ngược pha  Ưu điểm: khuếch đại đồng thời áp dòng  Nhược điểm: hệ số khuếch đại mức trung bình NHĨM 39.20 TỔ 13 𝑅𝐼 +𝑅𝑖𝑛 𝑅𝑖𝑛  Ứng dụng: sử dụng tầng đầu vào tầng thúc mạch khuếch đại công suất 2.Mạch khuếch đại B chung : Sơ đồ mạch: Hệ số khuếch đại điện áp: Av = gm.RL NHÓM 39.20 TỔ 13 𝑅𝑖𝑛 𝑅𝐼 +𝑅𝑖𝑛 với Rin = 𝑔𝑚 // RE 10 Tác dụng linh kiện mạch: -Diode: D1, D2, D3, D4, D5 có tác dụng ghim áp, ổn định điểm làm việc, phân cực cho tầng cơng suất để có chế độ AB -Tụ: +C1: tụ nối tắt +C2: Tụ thoát xoay chiều +C3, C4: Tụ lọc nhiễu tầng, nhận tín hiệu vào +C5: Tụ liên lạc, ngăn dòng DC cho dòng AC qua +C6: tụ chống dao động tự kích +C7 R15: có tác dụng cân trở kháng loa, giữ cho điện trở tải không thay đổi tín hiệu ngõ vào khơng thay đổi -Trở: +R1 R2: có tác dụng cân dịng +R3 R4: giảm tổn thất tín hiệu rẽ dịng nhiệt +R6 R7: hồi tiếp âm dòng điện +R8: Điện trở hồi tiếp, ổn định tín hiệu đầu +R9 R10: dùng để phân cực cho Q6 +R12 R13: dùng để phân cực cho Q7 Chế độ làm việc BJT: -Tầng Ngõ vào: Q7 làm việc chế độ A, tầng ngõ vào khuếch đại tín hiệu nhỏ, giảm méo tín hiệu, phân cực nghịch - Tầng thúc: Q5 Q6 làm việc chế độ A, để khuếch đại biên độ, Q5 phân cực nghịch, Q6 phân cực thuận -Tầng công suất: Q1, Q2, Q3, Q4 làm việc chế độ AB, tầng cơng suất khuếch đại tín hiệu lớn Q8, Q9: khối mạch bảo vệ, bảo vệ mạch tải NHÓM 39.20 TỔ 13 53 1) 2SD718 NHÓM 39.20 TỔ 13 54 2) 2SC1815 NHÓM 39.20 TỔ 13 55 3) 2SA1013 NHÓM 39.20 TỔ 13 56 NHÓM 39.20 TỔ 13 57 NHÓM 39.20 TỔ 13 58 4) 2SA1015 NHÓM 39.20 TỔ 13 59 NHÓM 39.20 TỔ 13 60 5) 2SC2383 NHÓM 39.20 TỔ 13 61 NHÓM 39.20 TỔ 13 62 NHÓM 39.20 TỔ 13 63 NHÓM 39.20 TỔ 13 64 NHÓM 39.20 TỔ 13 65 KẾT LUẬN Những kết đạt được: -Qua kì miệt mài làm việc, với hướng dẫn tận tình Thầy Lê Hồng Nam bạn , nhóm chúng em đạt kết sau: - Thiết kế chế tạo mạch khuếch đại công suất âm tần OCL-15W có khả sử dụng rộng rãi - Đạt mục tiêu yêu cầu ban đầu -Vận dụng nhiều kiến thức khuếch đại công 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 thực đề tài: 2.2 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 Lê Hồng Nam 2.2 Khó khăn: - Thời gian thực đề tài có giới hạn - 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 thờ 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1, Phạm Minh Hà -Kỹ Thuật Mạch Điện Tử -Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật – Năm xuất bản: 2002 2, Nguyễn Bính – Điện Tử Cơng Suất – Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật – Năm xuất bản: 1995 3, Nguyễn Văn Tuấn – Giáo trình kỹ thuật mạch điện tử 4, Ks.Ngô Anh Ba – Mạch điện tử AMPLI HIFL -Nhà xuất bản: NXB Khoa học kỹ thuật 5, Trang Web: https://www.alldatasheet.com/ NHÓM 39.20 TỔ 13 66 NHÓM 39.20 TỔ 13 67