Báo cáo bài tập lớn môn mạchđiệntửthiết kế và thi công một mạchkhuếchđạicông suất âmtầnotl

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN MẠCH ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MỘT MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ÂM TẦN OTL GVHD: TS Đặng Nguyên Châu LỚP: N1HT SVTH: Nguyễn Phương Anh 2148001 Nguyễn Bảo Châu 2148005 Nguyễn Ngọc Mỹ Duyên 2148006 Phan Nguyễn Ngọc Duyên 2148007 TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN MẠCH ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MỘT MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ÂM TẦN OTL GVHD: TS Đặng Nguyên Châu LỚP: N1HT SVTH: Nguyễn Phương Anh 2148001 Nguyễn Bảo Châu 2148005 Nguyễn Ngọc Mỹ Duyên 2148006 Phan Nguyễn Ngọc Duyên 2148007 TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023 LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Khoa Điện - Điện tử - Trường Đại học Bách Khoa đưa môn học Mạch điện tử vào chương trình giảng dạy, mang lại nhiều hội cho sinh viên tiếp cận, học tập nắm vững kiến thức môn học Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên môn – Thầy Đặng Nguyên Châu dạy dỗ, truyền đạt kiến thức quý báu cho chúng em suốt hành trình học tập vừa qua Trong khoảng thời gian tiếp thu giảng, thấy học bổ ích với giá trị tinh thần mà Thầy mang lại điều quý giá Đây chắn kiến thức quý báu, hành trang để chúng em vững bước sau Trong q trình làm báo cáo, có sai sót điều khơng thể tránh khỏi, mặt hạn chế cách hành văn, vốn kiến thức nhiều hạn chế, chúng em mong nhận ý kiến đóng góp Thầy để có thêm kinh nghiệm mong hồn thành sn sẻ hơn, chất lượng tốt báo cáo tới BÁO CÁO KẾT QUẢ LÀM VIỆC NHÓM HỌC PHẦN: MẠCH ĐIỆN TỬ (MSMH: EE2035) Lớp: N1HT Tên nhóm: Nhóm Đề tài: Thiết kế thi cơng mạch khuếch đại công suất âm tần OTL MSSV Họ Tên Nhiệm vụ Nhóm đánh giá 2148001 Nguyễn Phương Anh Tính tốn,mơ 100% 2148005 Nguyễn Bảo Châu Tổng hợp,chỉnh sửa 70% 2148006 Nguyễn Ngọc Mỹ Dun Tính tốn,mơ 100% 2148007 Phan Nguyễn Ngọc Duyên Tổng hợp,chỉnh sửa 100% Điểm Ký tên Nhận xét GV: GIẢNG VIÊN (Ký ghi rõ họ, tên) Đặng Nguyên Châu MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN PHẦN I: LÝ THUYẾT I Khuếch đại tín hiệu nhỏ: Phân cực BJT: 1.1 Phân cực cố định (FIXED – BIAS) 1.2 Phân cực ổn định cực phát: (EMITTER – STABILZED BIAS) 1.3 Phân cực cầu chia 1.4 Phân cực với hồi tiếp điện thế: (DC BIAS WITH VOLTAGE FEEDBACK) II Các cách mắc BJT Mắc E chung: Mắc C chung: 10 Mắc B chung: 12 III Hồi tiếp 13 Theo tác dụng khuếch đại : 13 Theo dạng tín hiệu hồi tiếp: 13 Theo cách ghép với tín hiệu vào 14 Tác dụng hồi tiếp lên mạch khuếch đại 15 PHẦN II: NỘI DUNG 17 PHẦN I: LÝ THUYẾT I Khuếch đại tín hiệu nhỏ: Phân cực BJT: BJT hoạt động vùng: Vùng tác động (khuếch đại hay tuyến tính) với tiếp giáp B-C phân cực nghịch, tiếp giáp B-E phân cực thuận Vùng bão hoà với tiếp giáp B-E B-C phân cực thuận Vùng ngưng với tiếp giáp B-E phân cực nghịch Tùy theo nhiệm vụ mà hoạt động transistor phải đặt vùng Như thế, phân cực transistor đưa cá điện chiều vào cực transistor để transistor hoạt động vùng mong muốn 1.1 Phân cực cố định (FIXED – BIAS) Phương pháp chung để giải mạch phân cực gồm bước: - Bước 1: Dùng mạch điện ngõ vào để xác định dòng điện ngõ vào (IB IE ) - Bước 2: Suy dòng điện ngõ từ liên hệ IC = βIB - Bước 3: Dùng mạch ngõ để tìm thơng số cịn lại (điện chân, Hinh 0.1 Mạch Phân Cực chân BJT,…) Áp dụng vào mạch hình 2.1 ta có: Mạch ngõ vào cực phát: VCC − IB RB − VBE =  IB = VCC −VBE Với VBE = 0,7� BJT Si VBE = 0,3� Ge RB  Suy vùng khuếch đại: IC = �IB Mạch ngõ thu: VCC = IC RC + V�� hay V�� = VCC − IC RC Sự bảo hòa BJT: Sự liên hệ IC IB định BJT có oạt động vùng tuyến tính hay khơng Để BJT hoạt động vùng tuyến tính nối thu – phải phân cực nghịch Ở BJT NPN cụ thể hình 2.1 ta phải có: VC > VB → VC > VB = VBE → VC = VCC − IC RC = V�� > VBE = 0,7� Nếu IC → VCC − 0,7V RC Thì BJT dần vào hoạt động vùng bão hòa Từ điều kiện liên hệ IC = �IB ta tìm trị số tối đa IB từ chọn RB cho thích hợp Nếu VC < VB phân cực thuận, BJT nằm vùng bão hòa dòng điện IC = hòa ICsat VCC RC gọi dòng cực thu bảo 1.2 Phân cực ổn định cực phát: (EMITTER – STABILZED BIAS) Mạch giống mạch phân cực cố định, cực phát mắc thêm điện trở RE xuống mass Cách tính phân cực có bước giống mạch phân cực cố định Ta có: VCC = IB RB + V�� + IE RE thay IE = (1 + �) IB  IB = Ở mạch thu – phát: VCC − V�� RB +(1+ �)RE VCC = IC RC + V�� + IE RE IE = IB + IC  V�� = VCC − (RC + RE )IC Sự bảo hòa BJT: Tương tự mạch phân cực cố định, cách cho nối tắt cực thu cực phát ta tìm dòng điện cực thu bảo hòa ICsat 1.3 Phân cực cầu chia ICsat = VCC RC + RE Dùng định lý Thevenin để biến đổi thành mạch hình 2.3 Mạch – phát: RBB = R1 / /R2 = R1 R2 R1 +R2 ; VBB = V�� R2 R1 +R2 VBB = IBB RBB + V�� + I�� R�� Thay: IE = (1 + �) IB  IB = Suy IC từ liên hệ: IC = βIB VBB −V�� RBB +(1+ �)RE Mạch thu – phát: VCE = V�� −IC RC − I� R� I� ≠ I�  VCE = V�� −IC (RC + R�) Ngoài ra: V�� = V� − IC RC ; V� = V�� − IB RB ; V� = IE RE ≠ IC R� ; Sự bảo hòa BJT: ICsat = VCC RC + RE 1.4 Phân cực với hồi tiếp điện thế: (DC BIAS WITH VOLTAGE FEEDBACK) Mạch nền: V�� = �'� R� + IB RB + IE RE + V�� Với �'� = IB + IC  IB = II VCC −V�� RB +�(RE +RE ) Các cách mắc BJT ; VCE = V�� −IC (RC + R� ) Mắc E chung: Sơ đồ tương đương xoay chiều - Hệ số khuếch đại dòng: Ai = Av R1 +Rin R7 Hệ số khuếch đại công suất: Ap = Av.Ai Rout = Ric//R3 Ric = r0 (1+gm.(R1//R6)) - Điều kiện �� để mạch hoạt động tuyến tính �� ≤ 0,005 đồng pha �1 +��� ��� - Ưu điểm: Hệ số khuếch đại áp lớn, trở kháng vào mạch lớn - Nhược điểm: Khơng khuếch đại dịng - Ứng dụng: Sử dụng mạch yêu cầu áp cao Tín hiệu vào III Hồi tiếp - Mạch hồi tiếp mạch lấy phần lượng ngõ đưa đầu vào để làm tăng độ ổn định mạch cải thiện chất lượng mạch - Phân loại: Để phân loại hồi tiếp, người tâ dựa vào sở: Theo tác dụng khuếch đại : - Hồi tiếp âm: hồi tiếp mà tín hiệu đưa ngược pha tín hiệu vào Ưu điểm: Cải thiện độ ổn định, chất lượng mạch Nhược điểm: Giảm hệ số khuếch đại mạch Ứng dụng: Sử dụng phổ biến lĩnh vực khuếch đại - Hồi tiếp dương Ưu điểm: Tăng hệ số khuếch đại Nhược điểm: Mất tính ổn định mạch Ứng dụng: Sử dụng phổ biến mạch dao động Theo dạng tín hiệu hồi tiếp: - Hồi tiếp điện áp lấy điện áp ra, tạo diện áp hỏi tiếp đưa lại đầu vào - Hồi tiếp dòng lấy dòng tạo hồi tiếp đưa lại đầu vào 13 Theo cách ghép với tín hiệu vào - Hồi tiếp song song lấy áp (dòng) đầu vào mặc song song với áp (dòng) hồi tiếp - Hồi tiếp nối tiếp áp (dòng) đầu vào mắc nối tiếp với áp (dòng) hồi tiếp Lưu đồ chuẩn khuếch đại có hồi tiếp - Khi khơng có hồi tiếp Ktp = K Kn - Khi có hồi tiếp K’tp = Kn.K’ - Hệ số khuếch đại có hồi tiếp K' = Xr Xv = K 1+K.Kht - Hệ số khuếch đại toàn phần: Ktp = Kn K' = Kn.K g g < K' > K : Hồi tiếp dương Nhận xét: g > K' < K : Hồi tiếp âm Một hệ thống khép kín có hệ số khuếch đại vịng lớn, K" khơng phụ thuộc vào tính chất mạch mà phụ thuộc vào tính chất mạch hỏi tiếp Vì vậy, muốn xây dựng khuếch đại xác, phải dùng linh kiện xác khâu hối tiếp (điện trở) Hàm truyền toàn phần giảm g lần Như hồi tiếp âm làm giảm hệ số khuếch đại mạch 14 Tác dụng hồi tiếp lên mạch khuếch đại Hồi tiếp âm - Đối với hệ số khuếch đại: giảm hệ số khuếch đại - Đối với độ ổn định: tăng độ ổn định - Đối với nhiều: Giảm tác dụng ngô vào -> Giảm nhiễu, giảm méo - Đối với tổng trở vào: hồi tiếp âm nối tiếp làm tăng tổng trở vào Hồi tiếp âm song song làm giảm tổng trở vào - Đối với tổng trở ra: hồi tiếp âm điện áp làm giảm tổng trở Hồi tiếp âm dòng điện làm giảm tổng trở Hồi tiếp dương - Đối với hệ số khuếch đại Tổng hệ số khuếch đại - Đối với độ ổn định: Giảm độ ổn định - Đối với nhiều: Tăng hệ số khuếch đại —> Tăng nhiều, tăng độ méo dạng - Đối với tông trở vào: hồi tiếp dương nối tiếp làm giảm tông trở vào Hội tiếp dương song song làm tăng tổng trở vào - Đối với tổng trở ra: hội tiếp dương điện áp làm tăng tổng trở Hồi tiếp dương dòng điện làm giảm tổng trở Ứng dụng hồi tiếp mạch khuếch đại 3.1 Hồi tiếp âm dòng điện mạch định thiên Transitor 15 - Điện trở Re thực chất điện trở lấy tín hiệu dòng Dòng qua �� Rt thể qua Re, tạo nên sụt áp Re Đây mạch hồi tiếp dịng, có tín hiệu áp hồi tiếp tỉ lệ dòng ngõ Điện áp làm thay đổi VBE BJT nên xem hồi tiếp nối tiếp 3.2 Hồi tiếp âm điện áp mạch định thiên Transitor - Điện trở Rb lấy từ cực C làm hình thành vịng hồi tiếp điện áp - Điện áp phần điện áp tải, đưa vào cực B BJT, làm rẽ mạch dòng cực B, hồi tiếp áp song song 3.3 Hồi tiếp âm điện áp mạch C chung - Toàn điện áp tải đưa cực E làm thay đổi VBE  Hồi tiếp điện áp nối tiếp 3.4 Hồi tiếp âm DC toàn mạch mạch liên lạc trực tiếp - Nhằm mục đích ổn định tín hiệu DC mạch, đảm bảo điểm làm việc tĩnh 3.5 Hồi tiếp âm AC toàn mạch - Ổn định độ lợi miền định, giảm nhiều tăng độ ổn định 16 PHẦN II: NỘI DUNG I Thông số kỹ thuật Đầu vào 560mV nguồn 30V DC Điện áp đầu tối thiếu 1.2V Av tối thiểu 15 lần Tải dùng loa 8Ω Nhiệt độ làm việc ổn định: 35-60▫C II Sơ đồ khối Khối nguồn Do cần sử dụng nguồn nuôi có điện áp 30V DC, nên nhóm định sử dụng chuyển đổi nguồn xoay chiều 220V AC sang nguồn chiều 30V DC-2A, đáp ứng thông số yêu cầu, giá thành hợp lý, tín hiệu ổn định , nhiễu thấp Khối khuếch đại tín hiệu nhỏ Chọn mạch khuếch đại E chung sử dụng BJT 2N2222 loại NPN phân cực kiểu Vontage divider để tạo hệ số khuếch đại cao đồng thời giúp ổn định nhiệt ( hạn chế tác động Beta thay đổi) cho mạch khuếch đại, có điện trở RE để nâng cao trở kháng vào Chọn điểm làm việc tĩnh cho BJT có Q1(Ic, Vce)=(3mA,15V) 2.1 Chế độ chiều: 17 Chọn điểm làm việc tĩnh cho BJT có Q1(�� , ��� ) = �1 (0,9��, 6�) Ta có �� = 1,17 10−14 �, � = 210 ��� �� Ta có �� = �� � → ��� = �� �� → ��1 �� �� = 26 10−3 �� 3.10−3 1,17.10−14 �� 3.10−3 = = = � �� 26.10−3 26 = 0,68� Theo định luật Kirchhoff: ��� = �� �� + ��� + �� ��1 + ��2 Do �� ≈ �� → �� + ��1 + ��2 ≈ 5�Ω Để đạt phân cực cho BJT( NPN) hoạt động vùng khuếch đại → ��� > �� > �� > �� Chọn �� = 1� → �� �� = ��� − ��� − �� = 14� → �� ≈ 4,67�Ω → ��1 + ��2 ≈ 0,33�Ω Theo yêu cầu đặt có �� ≥ 15 → �� �� ≥ 15 → ��1 ≤ 300Ω + �� ��1 → �ℎọ� ��1 = 160Ω → �ℎọ� ��2 = 170Ω Ta có: �� = �� � = 3.10−3 210 = 14,3�� Theo điều kiện mạch phân cực vontage divider: Chọn ��1 ≫ �� → ��1 > 10 �� > 143�� → ��1 �1 + �2 = ��� → �1 + �2 < 211kΩ (1) Mà �� = ��� + �� = 0,68 + = 1,68� → ��� �2 = 1,68� �2 + �1 → �2 �1 +�2 = 125 → 7�1 − 118�2 = (2) 18 Chọn �1 = 110kΩ, �2 = 18kΩ, thỏa mãn (1) (2) 2.2 Chế độ xoay chiều tầng 1: Các thông số xoay chiều tầng 1: ���1 = �1 ∕∕ �2 ∕∕ (�� + + � ��1 ) = 10,8�Ω �ớ� �� = ����1 = �� = 5,5kΩ ��1 = � 210 = = 1820 ��1 26 ��1 �� = 27,7 + ��1 ��1 Mạch thiết kế với tín hiệu vào tín hiệu âm có dài tần hoạt động từ 20-2000Hz → �� = 20�� 19