Báo cáo bài tập lớn môn mạch Điện tử

Mạch khuếch đại công suất OTL Output Transformer Less: Mạch khuếch đại công suất là một loại mạch điện được thiết kế để khuếch đại tín hiệu điện có công suất cao.. Mục đích của mạch này

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

-o0o -BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

MÔN: MẠCH ĐIỆN TỬ

GVHD: Th.s Đinh Quốc Hùng

Nhóm 14 – Lớp DT01 – Học kì 231

Họ và tên MSSV Nhiệm vụ (tổng 100%) Đánh giá

Nguyễn Văn Cao Minh 1914172 Làm lý thuyết, mạch và

hoàn thiện báo cáo 50% Huỳnh Tấn Nhân 191443

2

Làm mạch thực tế +

Lê Trọng Hùng 191128

Nguyễn Lê Bảo Kha 201135

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2023

MỤC LỤC

YÊU CẦU ĐỀ BÀI 3

I Giới thiệu chung các mạch được sử dụng trong bài 4

1 Mạch khuếch đại công suất OTL (Output Transformer Less): 4

2 Mạch khuếch đại CE: 7

3 Mạch khuếch đại CC: 9

II Tính toán lý thuyết: 10

1 Mạch CC: 10

2 Mạch CE: 12

3 Xét đáp ứng tần số thấp: 14

4 Mạch khuếch đại công suất: 16

III Hình ảnh mô phỏng: 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

YÊU CẦU ĐỀ BÀI

Thiết kế mạch KĐCS Âm Tần OTL bù đối xứng, đáp ứng các yêu cầu sau:

- Ngõ vào: max 100 mVpp

- Băng thông: 15Hz -15KHz

- Công suất cực đại ngõ ra: 10 W

- Tải: 4 Ohm

- Dạng mạch: OTL bù đối xứng

I Giới thiệu chung các mạch được sử dụng trong bài

1 Mạch khuếch đại công suất OTL (Output Transformer Less):

Mạch khuếch đại công suất là một loại mạch điện được thiết kế để khuếch đại tín hiệu điện có công suất cao Mục đích của mạch này là để cung cấp đủ công suất cho tải điện, chẳng hạn như loa, đèn, máy nén khí…

Mạch khuếch đại công suất thường được xây dựng bằng cách sử dụng transistor, MOSFET hoặc IC khuếch đại công suất Ngoài ra, mạch này còn cần có các linh kiện bổ sung như biến áp, tụ điện và điện trở để đảm bảo hoạt động ổn định

Trong mạch khuếch đại công suất, tín hiệu đầu vào được đưa vào transistor và được khuếch đại để tạo ra tín hiệu đầu ra có công suất cao hơn Tuy nhiên, trong quá trình này, mạch sẽ tạo ra nhiều nhiệt và tiêu tốn năng lượng Do đó, mạch khuếch đại công suất cần được thiết kế sao cho hiệu suất cao và tiêu thụ năng lượng thấp

Mạch khuếch đại công suất được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng về âm thanh, điện tử công nghiệp, điều khiển động cơ và nhiều lĩnh vực khác

Các chế độ hoạt động của mạch khuếch đại phụ thuộc vào chế độ phân cực cho transistor Tùy theo mục đích sử dụng mà mạch khuếch đại được phân cực để khuếch đại

ở lớp A, lớp B, lớp C hoặc lớp AB

Hình 1: Mạch khuếch đại công suất âm tần OTL

Mạch khuếch đại công suất âm tần OTL chính là mạch khuếch đại đẩy – kéo lớp AB Mạch sử dụng nguồn đôi, tải R được ghép trực tiếp với ngõ ra của tầngL

công suất, 2 transistor Q1 và Q2 với Q1 là transistor loại NPN và Q2 là loại PNP Việc sử dụng cặp transistor đối xứng giúp loại bỏ việc sử dụng biến áp cồng kềnh

và tách pha tín hiệu đầu vào để điều khiển các transistor riêng lẻ

Nguyên lý hoạt động:

- Bán kì dương của Vi (Vi > 0.7): Q1 dẫn, Q2 tắt ⇒ V = V - 0.7 và i = 0o i T2

- Bán kì âm của V (V < -0.7): Q1 tắt, Q2 dẫn i i ⇒ V = -V + 0.7 và i = 0o i T1

- Khi -0.7 < V < 0.7: cả 2 BJT tắt i ⇒ V = 0o

- Dòng tải: i = i – iL T1 T2

- Dòng nguồn: i = i + iS T1 T2

Hình 2: Nguyên lý hoạt động của mạch OTL Các công thức quan trọng:

+ Ưu điểm:

- Hiệu suất cao

- Tín hiệu ra hạn chế được méo xuyên tâm

- Mạch không dùng biến áp ghép nối cồng kềnh

- Mạch không dùng tụ xuất âm như OTL nên không làm suy hao tín hiệu, băng thông của mạch được mở rộng ở tần số thấp

+ Khuyết điểm:

- Mạch khó thiết kế

- Mạch sử dụng nguồn đôi

2 Mạch khuếch đại CE:

Hình 3: Mạch khuếch đại CE

Mạch khuếch đại có transistor mắc theo kiểu E chung (CE – Common Emitter) là một trong ba kiểu mắc chính của transistor trong mạch khuếch đại và được ứng dụng nhiều nhất trong các thiết bị điện tử

Đặc điểm:

- Ngõ vào của mạch được nối với cực B (base) của transistor, ngõ ra được nối với cực C (collector) Còn lại cực E (emitter) nối với điện trở R mắc song song với tụE

phân dòng C và nối đất Tụ C được sử dụng để loại bỏ tín hiệu AC R và R làE E 1 2

các điện trở phân cực

- Các tụ C và C được sử dụng để tách thành phần DC ở ngõ vào và ngõ rain out

- C là tụ điện by-pass Khi xét thành phần DC, tụ C coi như thành dây dẫnE E

Khi xét ở chế độ DC: Khi xét ở chế độ AC:

3 Mạch khuếch đại CC:

Hình 4: Mạch khuếch đại CC Đặc điểm:

- Tín hiệu được đưa vào cực B và lấy ra trên cực E

- Có độ lợi thấp hơn 2 kiểu mắc còn lại là CE và CB, do đó thường được sử dụng trong các ứng dụng không đòi hỏi độ khuếch đại cao nhưng cần phải có sự ổn định tương đối

II Tính toán lý thuyết:

1 Mạch CC:

Với các thông số sau: R = 300kΩ, R = 510kΩ, R = 24kΩ, R = 545kΩ, R =1 2 E 1 S

100Ω, C = C = 100µF, β = 120 và R là trở ngõ vào của mạch CE1 2 L

Xét mạch ở DC:

V th =V CC

R2

R1+ R2

=18 510

300+510=11.33 V

Ta có: I B= V th −V BE

R th +(β+ 1 )R E

188.89×10 3 121 10

⇒ I C =β I B =0.412 mA

⇒ r π =β V T

I C=120 25×10−3

0.412×10−3=7.28 k Ω

⇒ V CE =V CC −R E I E =8.03V >V CEsat

Xét mạch ở AC:

Rin = R // R // [r + (β+1)R ] = 177.38 kΩ1 2 π E

Rout = RE // r π

β+1 = 0.06 kΩ

A v= (β +1) R E

r π +( β +1) R E =0.9974 V /V

⇒ G v =A v

R¿

R¿+ R .

R L

2 Mạch CE:

Xét mạch ở DC:

V th =V CC R2

R1+ R2

=120 20.5

20.5+4.87=23.03 V

R th=R3R4

R3+R4

=20.5× 4.87

20.5+4.87=3.935 k Ω

Ta có: I B= V th −V BE

R th +(β+ 1 )(R6+R7)=

23.03−0.7 3.935× 103 121 19 10 + × ( +3 × 3

)=6.048 ×10

−5

A

⇒ I C =β I B =7.257 mA

⇒ r π =β V T

I C

=120 25×10

−3

7.257×10−3=413.39Ω

⇒ V CE =V CC −R5I C−(R6+R7)I E =39.85 V > V CEsat

Xét mạch ở AC (R là R của mạch CC, R là R của mạch công suất):S out L in

Ta có: i = i + iin 1 b

⇒ v¿

R¿ = v¿

R3 / ¿R4

+ v¿

r π 2 +(β +1) R6

⇒Rin = R // R // [r + (β+1)R ] = 1.606 kΩ3 4 π2 6

Để xác định R ta nối tắt v (v = 0) out in i ⇒ v = 0 π2 ⇒ R = R = 8 kΩo 5

⇒ G v =A v

R¿

R¿+ R S

R L +R out

¿ −353.86 1.606

1.606+0.06.

2.362 2.362+8=−−77.75 V /V

3 Xét đáp ứng tần số thấp:

Xét tụ C ảnh hưởng lên mạch CC 1 ⇒ Nối tắt C2

RC1 = R + R // R // [r + (β+1)(R // R ] = 190.227 kΩS 1 2 π E L

⇒ f L ,C 1= 1

2π τ C1= 1

2π R C 1 C1

380.454π C1

Xét tụ C ảnh hưởng lên mạch CC 2 ⇒ Nối tắt C1

RC1 = R + RL E //r π +R S/ ¿R1 / ¿R2

⇒ f L ,C 2= 1

2π τ C 2= 1

2π R C 2 C2

3.02π C2

Xét C E⇒ Nối tắt C , C3 4

Ta tưởng tượng C như 1 nguồn ảo:E

Ta có: = i + i = i - (β+1)ii 7 e 7 b

R CE= v

R7

r π 2 +(β +1) R6

( β +1)

⇒RCE = R7 // (r π 2

+R)= 0.0189 kΩ

Xét C 3⇒ Nối tắt C , CE 4

RC3 = Rin mạch cs + Rout mạch CE = 8 + 2.36 = 10.36 kΩ

⇒ f L ,C 3= 1

2π τ C 3= 1

2π R C 3 C3

Mà tụ C tương tự tụ C 4 3⇒ R = RC3 C4

⇒ f L ,C 4 =f L ,C 3= 1

2π R C 3 .C3

20.724π C3

Ta chọn f L ,CE =15 Hz ⇒C E =0.56 mF

f L ,C 1 =f L ,C 2 =f L,C 3 =f L, C 4 =1 Hz

⇒{ C1=83 μF

C2=0.1mF

C3=C4=15.3 μF

4 Mạch khuếch đại công suất:

P Lmax=1

2R L I cm

2

=U Cm

2R L ⇒ 10=U Cm

2× 4 →U Cm =8.94(V ) Tìm R của mạch: in

Chọn β = 65 ⇒ Khi mắc Darlington: β = 65D ×65 = 4225 Chọn điện áp của Diode là V = 0.72V và V = 0.68VD BE

Xét chế độ DC:

Áp dụng KVL ta có: 4V = 2V + R + RD BE EIE EIE + 2VBE

⇒ 4.0,72 = 2.0,68 + I 0,33 + I 0,33 + 2.0,68E E

⇒ I = 0,24A ≈ IE C

⇒ I = B

I c

β D

=0,24

4225=0,05mA

Có: hie = V T

I b

= 25

0,05=500(Ω)

⇒ r = 2.500 = 1000 (πD Ω¿

Rin = R11 // ( β + 0,33.4225) = 2362 (D Ω¿

III Hình ảnh mô phỏng:

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 https://linhkienthaomay.com/dien-tu-co-ban/mach-va-cac-nguyen-ly-co-ban/ mach-khuech-dai-cong-suat-class-b-13318.html?pdf=13318

2 https://dientuso.net/mach-khuech-dai

3 https://linhkienthaomay.com/dien-tu-co-ban/linh-kien-dien-tu-hoc/mach-khuech-dai-khong-dao-13156.html#gsc.tab=0