Báo cáo bài tập lớnmôn mạch Điện tửthiết kế, thi công và mô phỏngmạchkhuếchđại

CƠ SỞ LÝ THUYẾTMạch khuếch đại là một loại mạch điện tử quan trọng, trong đó một thay đổinhỏ của tín hiệu điện ở đầu vào có thể tạo ra một thay đổi lớn ở đầu ra.. Mạch khuếch đại cực C c

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN: MẠCH ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ MÔ PHỎNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI

Đáp ứng yêu cầu sau:

Mục Lục

LỜI NÓI ĐẦU 1

PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2

1 Mạch khuếch đại cực E chung (Common - Emmiter - CE) 2

2 Mạch khuếch đại cực B chung (Common - Base - CB) 3

3 Mạch khuếch đại cực C chung (Common Collector - CC) 4

4 Mạch khuếch đại ghép liên tầng 4

4.1 Ghép gián tiếp: 5

4.1.1 Ghép RC 5

4.1.2 Ghép biến áp 6

4.2 Ghép trực tiếp: 6

4.2.1 Mạch khuếch đại Cascade 6

4.2.2 Mạch khuếch đại Cascode 7

4.2.3 Mạch khuếch đại Darlington 7

4.2.4 Mạch khuếch đại vi sai 7

5 Khái niệm về đáp ứng tần số và băng thông của mạch khuếch đại 8

PHẦN II THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ MÔ PHỎNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI 10

1 Thiết kế tầng ngõ vào 10

2 Thiết kế tầng CE với độ lợi 10 11

3 Thiết kế tầng ngõ ra 13

4 Ghép mạch 15

5 Tính tần số cắt thấp 16

6 Tính tần số cắt cao 19

7 Mô phỏng mạch khuếch đại trên Ltspice 20

LỜI NÓI ĐẦU

Điện tử là một trong những lĩnh vực quan trọng, góp phần không nhỏ vào sựphát triển của đất nước Với nhu cầu ngày càng cao của con người, ngành điện tử luôncần phải phát triển để đáp ứng những đòi hỏi khắt khe của cuộc sống hiện đại Từnhững linh kiện đơn giản như: điện trở (R), cuộn cảm (L), tụ điện (C), diode,transistor,… tất cả đều là nền tảng cơ bản của các sản phẩm điện tử tiên tiến

Nhằm vận dụng hiệu quả kiến thức đã được học và khám phá cách tạo ra mạchđiện tử ứng dụng thực tế, nhóm chúng em đã quyết định thực hiện đề tài: Thiết kế, thicông và mô phỏng mạch khuếch đại Để đáp ứng yêu cầu của đề tài, chúng em đã đặt

ra các tiêu chí cụ thể như sau:

PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mạch khuếch đại là một loại mạch điện tử quan trọng, trong đó một thay đổinhỏ của tín hiệu điện ở đầu vào có thể tạo ra một thay đổi lớn ở đầu ra Các thành phầnchính của mạch khuếch đại thường bao gồm BJT và FET Khi sử dụng BJT để thiết kếmạch khuếch đại, cần đảm bảo rằng BJT hoạt động trong chế độ active (tức là điểmlàm việc tĩnh nằm ở vùng active)

Ta đi vào tiến hành phân tích một số mạch khuếch đại sử dụng BJT

1 Mạch khuếch đại cực E chung (Common - Emmiter - CE).

 Trở kháng ngõ vào (Rin) nhỏ.

 Trở kháng ngõ ra (Rout) lớn

 Tín hiệu ngõ vào (Vin) là cực B

 Tín hiệu ngõ ra (Vout) là cực C

 Tín hiệu ngõ ra ngược pha so với tín hiệu ngõ vào

 Khi mắc cực E chung, transistor có khả năng khuếch đại dòng điện,khuếch đại điện áp, và khuếch đại công suất

2 Mạch khuếch đại cực B chung (Common - Base - CB).

Mạch mắc theo kiểu cực B chung có các đặc điểm sau:

 Trở kháng ngõ vào (Rin) lớn

 Trở kháng ngõ ra (Rout) lớn

 Tín hiệu ngõ vào (Vin) là cực E

 Tín hiệu ngõ ra (Vout) là cực C

 Tín hiệu ngõ ra cùng pha so với tín hiệu ngõ vào

 Khi mắc cực B chung, transistor có khả năng khuếch đại điện áp

3 Mạch khuếch đại cực C chung (Common Collector - CC).

Mạch mắc theo kiểu cực C chung có các đặc điểm sau:

 Trở kháng ngõ vào (Rin) lớn

 Trở kháng ngõ ra (Rout) nhỏ

 Tín hiệu ngõ vào (Vin) là cực B

 Tín hiệu ngõ ra (Vout) là cực E

 Tín hiệu ngõ ra cùng pha so với tín hiệu ngõ vào

 Khi mắc cực C chung, transistor có khả năng khuếch đại dòng điện

4 Mạch khuếch đại ghép liên tầng.

Mạch khuếch đại đa tầng là một loại mạch điện tử bao gồm nhiều tầng khuếchđại kết nối với nhau nhằm tăng cường biên độ tín hiệu Mỗi tầng khuếch đại đảm nhậnmột phần của quá trình khuếch đại, giúp cải thiện độ lợi và mở rộng khả năng hoạtđộng của thiết bị Ưu điểm của mạch khuếch đại đa tầng bao gồm độ lợi cao, đáp ứngtần số rộng và hiệu suất tốt hơn với ít nhiễu và méo tín hiệu Mạch này được ứng dụngrộng rãi trong hệ thống âm thanh, thiết bị viễn thông và thiết bị y tế, đóng vai trò quantrọng trong các hệ thống điện tử phức tạp

Độ lợi tổng của mạch:

��Σ =± ��1 ��2…���

��Σ =± ��1 ��2…���

Có 2 cách ghép cơ bản:

 Ghép gián tiếp (tức cách liên lạc AC): dùng RC, biến áp, Optocouple,…

 Ghép trực tiếp (tức cách liên lạc DC): ghép Darlington, ghép Cascode

4.1 Ghép gián tiếp:

4.1.1 Ghép RC

Dùng tụ C để cách ly về mặt DC giữa các tầng ghép, điều này dễ dàng cho việctính thiết kế Tuy nhiên, cách ghép này chỉ thích hợp với các dạng tín hiệu có tần số đủcao, do lúc này dung kháng XC của tụ nhỏ và độ tổn hao điện áp tín hiệu trên tụ thấp.Đối với các loại tín hiệu có tần số quá thấp, biến đổi chậm hoặc không có tính chu kìthì tín hiệu tổn hao trên tụ lớn và do đó phải dùng các tụ ghép có trị số điện dung lớn.Hơn nữa, cách ghép này gây ra độ dịch pha và mạch khuếch đại bị giới hạn bởi tần sốcắt thấp fCLdo qua mắc lọc RC

4.1.2 Ghép biến áp

Giống như cách ghép RC, cách ghép này dùng biến áp để cách ly về mặt DCgiữa các tầng, dễ phối hợp trở kháng và cải thiện đáp ứng ở tần số cao Cách ghép nàythường dùng ở các tầng khuếch đại cao tần, trung tần và khuếch đại công suất cungcấp trên tải Hạn chế của cách ghép này là kích thước và trọng lượng cồng kềnh

4.2 Ghép trực tiếp:

Một giải pháp dễ dàng và hữu ích là ghép trực tiếp DC Với cách ghép này thì

sự biến động điểm làm việc tĩnh Q của các tầng đều có sự liên hệ với nhau (hiện tượng trôi mức DC), vì thế vấn đề đặt ra là điểm làm việc tĩnh Q phải được chọn sao cho phù

hợp với nhiều tầng, tức cách sắp xếp hình thức ghép là công việc quan trọng Ở đây sẽxuất hiện nhiều đòi hỏi trái ngược nhau mà nhà thiết kế cần thỏa mãn

4.2.1 Mạch khuếch đại Cascade

Là mạch gồm nhiều mạch khuếch đại nối tiếp với nhau Ngõ ra của mạchkhuếch đại này là ngõ vào của mạch khuếch đại tiếp theo

4.2.2 Mạch khuếch đại Cascode

Là mạch ghép từ một mạch khuếch đại CE và một mạch khuếch đại CB Tínhiệu vào cấp cho mạch CE, tín hiệu ra lấy từ mạch CB Ưu điểm lớn nhất của mạch là

có đáp ứng tần số tốt hơn các kiểu mạch ghép khác, cũng như tốt hơn mạch khuếch đạiđơn tầng

4.2.3 Mạch khuếch đại Darlington

Là mạch dùng 2 BJT ghép chung cực C và cực E của BJT này ghép nối tiếp vớicực B của BJT kia Có thể xem tương đương với 1 con BJT có thông số:

4.2.4 Mạch khuếch đại vi sai

Mạch gồm 2 BJT hoàn toàn giống nhau về các thông số (có thể hiểu đơn giản làcùng loại), đối xứng nhau Nguồn dòng cực E xem như nguồn dòng lý tưởng với trởkháng → ∞ Có thể sử dụng REthay cho nguồn dòng

5 Khái niệm về đáp ứng tần số và băng thông của mạch khuếch đại

- Đáp ứng tần số: Đây là khả năng của mạch khuếch đại để truyền tải các tínhiệu ở các tần số khác nhau mà không làm giảm độ lớn hoặc độ trễ của chúng quánhiều Đáp ứng tần số được thể hiện thông qua một biểu đồ đáp ứng tần số, thường làbiểu đồ Bode, nó thể hiện sự phụ thuộc vào độ lớn và pha của đáp ứng của mạch theotần số

- Băng thông: Đây là phạm vi của các tần số mà mạch khuếch đại có thể truyềntải một cách hiệu quả mà không làm giảm độ lớn của tín hiệu quá nhiều Băng thôngthường được đo bằng độ rộng của dải tần số trong đó mạch có đáp ứng tần số thấp hơn

70.7% so với mạch đáp ứng tần số ở tần số tối đa Đối với mạch khuếch đại, băngthông càng rộng, mạch càng có khả năng truyền tải các tín hiệu với các tần số cao hơn.

Đáp ứng tần số và băng thông là hai yếu tố cơ bản quyết định hiệu suất củamạch khuếch đại trong việc truyền tải và xử lý tín hiệu

PHẦN II THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ MÔ PHỎNG MẠCH

Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ:

2 Thiết kế tầng CE với độ lợi 10

Phân tích DC

Chọn ��2 = 2��, ��2 = 1�

Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ:

≈ 168.63�

����3 = ��3|| ℎ��1 ℎ�� + ��3 = 5�||[1801 (2,25 + 220�)] = 0,99� Thỏa yêu cầu thiết kế ���� < 1�

��� = 0,464�

��� =� 1

�� �� = 15.103 2� → � = 15.103.2� 0,464.10,31 ≈ 2�� Chọn tụ � = 2��

Tiến hành vẽ mạch mô phỏng trên tool.

Tiếp đó, bấm Run

��� Để tính được độ lợi áp ta cần giá trị

���� và ��� do đó ta sẽ mô phỏng dạng sóng ngõ vào và ngõ ra.

Đặt giá trị cho nguồn ���.

Nguồn ��� ta chọn SINE trong functions, ���=1V nên ta đặt giá trị 0.5V cho Amplitude và tần số 1000 Hz cho Freq.

Đặt chế độ mô phỏng.

Mạch đo độ lợi

Av:

Kết quả thu được:

Ta thu được đồ thị như sau:

Đọc giá trị đỉnh trừ đi 3dB, ta thu được tần số cắt thấp và tần số cắt cao:

Đọc giá trị từ cursor1 và cursor2 ta có: �� = 14,577301�� và �� = 15,113749�Hz Qua đó, theo mô phỏng ta có được băng thông trong khoảng 14,5��- 15,11���, đạt yêu cầu của đề tài.