PHẦN I : LÝ THUYẾT TỔNG QUÁT Chương I: Khuếch đại tín hiệu nhỏ 1.1. GIỚI THIỆU VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI ĐIỆN TỬ 1.1.1. Giới thiệu Bộ khuếch đại điện tử là một mạch điện tử mà tín hiệu đầu ra của mạch lớn gấp K lần tín hiệu đầu vào của mạch và dạng tín hiệu ở đầu ra giống hệt dạng của tín hiệu ở đầu vào. Tín hiệu của mạch là dòng điện i(t), điện áp u(t) hoặc công suất P(t). Tín hiệu cũng có thể là điện trường E(t) hoặc từ trường B(t). Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại điện tử cho ở hình 1.1 Trong sơ đồ, ký hiệu hình mô tả đây là bộ khuếch đại. K được gọi là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại. Hệ số này là tỉ số giữa giá trị tín hiệu ra chia cho giá trị tín hiệu vào. Nếu các tín hiệu vào, ra là điện áp thì chúng ta có hệ số khuếch đại điện áp. Ku = (1.1) Nếu các tín hiệu vào, ra là dòng điện thì chúng ta có hệ số khuếch đại dòng điện: Ki = (1.2) Nếu các tín hiệu vào ra là công suất thì ta có hệ số khuếch đại công suất: KP = (1.3) Ở đây Ur , Ir , Pr là điện áp, dòng điện, công suất trên đầu ra bộ khuếch đại và UV , IV , PV lần lượt là điện áp, dòng điện và công suất đặt vào bộ khuếch đại. Trên hình 1.1 en và Zn là sức điện động và trở kháng trong của tín hiệu đặt vào bộ khuếch đại. ZV là trở kháng vào tương đương của bộ khuếch đại: ZV = (1.4) Zr là trở kháng ra của bộ khuếch đại và: Zr = (1.5) Đặc tính biên độ của một bộ khuếch đại là quan hệ giữa đầu ra và đầu vào của bộ khuếch đại, xét ở một tần số xác định. Quan hệ này có thể là quan hệ Ur theo Uv hoặc Ir theo Iv. Hình 1.2 chỉ ra đặc tính biên độ ở tần số thấp. Đặc tính tần số của bộ khuếch đại là sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại vào tần số. Hình 1.3 là đặc tính tần số điển hình của 1 bộ khuếch đại. Méo phi tuyến (không đường thẳng) của bộ khuếch đại là sự thay đổi dạng của tín hiệu so với tín hiệu vào do tính phi tuyến của các phần tử của mạch gây ra, méo này được tính là tỷ số của tổng bình phương các thành phần bậc cao phát sinh khi đầu vào chỉ có thành phần tần số. Zt là trở kháng tải của bộ khuếch đại. Đây chính là phần tử tiêu thụ tín hiệu ra của bộ khuếch đại hay bộ khuếch đại cần phải cung cấp tín hiệu cần thiết cho phần tử này. Trong rất nhiều trường hợp thực tế các trở kháng này là thuần trở. Để bộ khuếch đại làm việc tốt chúng ta phải phối hợp trở kháng: Zn = ZV Zr = Zt¬ Nếu bộ khuếch đại có Ki =1 và KU > 1 thì chúng ta gọi nó là bộ khuếch đại điện áp.
Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ toàn giới, ngành điện tử lĩnh vực Đảng nhà nước quan tâm đầu tư phát triển Cùng với phát triển mạnh công nghệ vi điện tử vi điều khiển môn khoa học thuộc lĩnh vực điện tử có bước phát triển mạnh mẽ làm tảng cho ngành công nghệ khác Kỹ thuật mạch môn sở quan trọng phần chuyên ngành điện tử Đề tài thực tập tốt nghiệp chúng em nghiên cứu là:" Thiết kế Modul thực hành ứng dụng mạch EC.BC.CC mạch khuếch đại ghép tầng ” Đây đề tài trực thuộc môn điện tử bản, đề tài nhằm mục đích giúp sinh viên, học sinh nghiên cứu khảo sát cách khoa học, có hệ thống môn kỹ thuật mạch điện tử Thông qua sản phẩm chúng em hy vọng đóng góp phần nhỏ bé công phát triển xã hội hoá ngành giáo dục theo chủ trương đường lối nhà nước Qua đây, chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy, cô giáo viên khoa Điện tử, đặc biệt thầy giáo Lê Mạnh Long giành nhiều thời gian bảo, hướng dẫn chúng em trình thực tập làm đồ án Nhưng kiến thức thời gian hạn chế nên đề tài không tránh khỏi thiếu sót, em xin thầy, cô giáo bạn sinh viên, học sinh đóng góp ý kiến để đồ án em đuợc hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hà nội ngày 23 tháng năm 2013 sinh viên thực hiện: Nguyễn Tiến Trưởng Ma Kim Phúc Phạm Văn Thạo Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử PHẦN I : LÝ THUYẾT TỔNG QUÁT Chương I: Khuếch đại tín hiệu nhỏ 1.1 GIỚI THIỆU VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI ĐIỆN TỬ 1.1.1 Giới thiệu Bộ khuếch đại điện tử mạch điện tử mà tín hiệu đầu mạch lớn gấp K lần tín hiệu đầu vào mạch dạng tín hiệu đầu giống hệt dạng tín hiệu đầu vào Tín hiệu mạch dòng điện i(t), điện áp u(t) công suất P(t) Tín hiệu điện trường E(t) từ trường B(t) Sơ đồ khối khuếch đại điện tử cho hình 1.1 Trong sơ đồ, ký hiệu hình Z mô tả khuếch đại K gọi hệ số khuếch I n V U e n V I K Z V Z r U r Z r t đại khuếch đại Hệ số Hình 1.1: Bộ khuếch đại điện tử tỉ số giá trị tín hiệu chia cho giá trị tín hiệu vào Nếu tín hiệu vào, điện áp có hệ số khuếch đại điện áp Ur Uv Ku = (1.1) Nếu tín hiệu vào, dòng điện có hệ số khuếch đại dòng điện: Ki = Ir Iv U (V r (1.2) ) K Nếu tín hiệu vào công suất ta có hệ số U khuếch đại công suất: KP = Pr Pv U (m Hình1.2 Đặc tính biên độVcủa V) khuếch đại (1.3) Ở Ur , Ir , P r điện áp, dòng điện, công suất đầu khuếch đại U V , IV , PV điện áp, dòng điện công suất đặt Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử vào khuếch đại Trên hình 1.1 e n Z n sức điện động trở kháng tín hiệu đặt vào khuếch đại Z V trở kháng vào tương đương khuếch đại: ZV = Uv Iv (1.4) Zr trở kháng khuếch đại và: Zr = Ur Ir (1.5) Đặc tính biên độ khuếch đại quan hệ đầu đầu vào khuếch đại, xét tần số xác định Quan hệ quan hệ U r theo Uv Ir theo I v Hình 1.2 đặc tính biên độ |K| 2/2 tần số thấp Đặc tính tần số khuếch đại phụ thuộc hệ số khuếch đại khuếch đại vào tần số Hình 1.3 đặc tính tần số điển hình khuếch đại f C f f t Hình 1.3 Đặc tính tần khuếch đại số Méo phi tuyến (không đường thẳng) khuếch đại thay đổi dạng tín hiệu so với tín hiệu vào tính phi tuyến phần tử mạch gây ra, méo tính tỷ số tổng bình phương thành phần bậc cao phát sinh đầu vào có thành phần tần số Zt trở kháng tải khuếch đại Đây phần tử tiêu thụ tín hiệu khuếch đại hay khuếch đại cần phải cung cấp tín hiệu cần thiết cho phần tử Trong nhiều trường hợp thực tế trở kháng trở Để khuếch đại làm việc tốt phải phối hợp trở kháng: Zn = ZV Zr = Z t Nếu khuếch đại có K i =1 KU > gọi Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử khuếch đại điện áp Nếu khuếch đại có K U ≈ K i > gọi khuếch đại dòng điện, khuếch đại gọi lặp lại điện áp Nếu khuếch đại có K i > K U > gọi khuếch đại công suất 1.1.2 Bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ I Chúng ta thường hiểu đơn giản khuếch đại tín hiệu nhỏ tín hiệu vào B I đủ nhỏ Hiểu chưa đủ Để hiểu khái niệm tín hiệu nhỏ khuếch đại cần nhắc lại khái niệm đặc tính truyền dẫn hay đặc tính vào phần tử khuếch đại Ví dụ, ta sử C C B A I CA I BA I BB Hình1.4: Đặc tính truyền dẫn Transistor dụng transistor lưỡng cực làm khuếch đại Đặc tính truyền dẫn transistor thường có dạng cho hình 1.4 I B Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử Trên đặc tuyến có đoạn AB có dạng gần tuyến tính Nếu tín C 3,8mm 0,025mm E p n C 3,8mm 0,025mm B E C p E B U EE (a) p n B E n C B U U EE CC (b) U CC Hình 1.5: Cấu trúc transistor a) Transistor pnp kí hiệu ; b) Transistor npn kí hiệu hiệu vào (I B) thay đổi đoạn I BA IBB tín hiệu (I C) tỷ lệ tuyến tính với hay tín hiệu có dạng giống hệt tín hiệu vào không bị méo dạng Nếu tín hiệu vào bé lớn tín hiệu thay đổi không tỷ lệ tuyến tính với nên sinh méo dạng Chúng ta gọi khuếch đại tín hiệu nhỏ khuếch đại mà tín hiệu vào thay đổi vùng tuyến tính đặc tuyến truyền dẫn (đoạn AB) Vì khuếch đại tín hiệu nhỏ gọi khuếch đại tuyến tính TRANSISTOR LƯỠNG CỰC – BJT (Bipolar junction transistor) 1.2.1 Cấu trúc transistor Transistor linh kiện bán dẫn bao gồm ba lớp bán dẫn với bán dẫn p n xen kẽ Tùy theo trình tự miền p miền n mà ta có hai loại transistor : pnp (transistor thuận - H.1.5a) npn (transistor ngược - H.1.5b) Miền p thứ transistor pnp (với transistor npn miền n) gọi miền emitter, miền pha tạp chất với nồng độ lớn nhất, đóng vai trò phát xạ hạt dẫn (lỗ trống điện tử), điện cực nối với miền gọi cực emitter, ký hiệu E Miền n (với transistor npn miền p) gọi miền base, miền pha tạp Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử chất nhất, độ rộng nhỏ so với kích thước toàn transistor (với hình 1.6 tỷ lệ 3,8mm: 0,025mm = 152: 1), miền base đóng vai trò truyền đạt hạt dẫn, điện cực nối với miền gọi cực base, ký hiệu B Miền p (với transistor npn miền n) gọi miền collector, miền pha tạp miền emitter nhiều miền base, đóng vai trò thu gom hạt dẫn, điện cực nối với miền gọi cực collector, ký hiệu C Với cấu trúc vậy, transistor bao gồm hai chuyển tiếp PN, chuyển tiếp PN emitter base gọi chuyển tiếp emitter, chuyển tiếp PN base collector gọi chuyển tiếp collector 1.2.2 Nguyên tắc hoạt động transistor Để mô tả hoạt động transistor, ta lấy transistor loại pnp làm ví dụ Sự hoạt động transistor npn tương tự việc thay lỗ trống điện tử Trên hình 1.6 chuyển tiếp collector không phân cực, chuyển tiếp emitter phân cực thuận Độ rộng vùng nghèo bị giảm, mức giảm tuỳ theo điện áp phân cực, kết dòng hạt đa số (các lỗ trống) khuếch tán từ miền bán dẫn p (cực E) sang miền bán dẫn n (cực B) Khi chuyển tiếp emitter không phân cực, chuyển tiếp collector Dòng hạt thiểu số Dòng hạt đa số + + -+ + -+ -+ +- + -+ + +-n-+- + n +- Vùng nghèo U - + -+ +-+-+ - + -+ +-+-+ Vùng nghèo U EE CC Hình 1.6: Chuyển tiếp emitter phân cực thuận Hình 1.7: Chuyển tiếp collector phân cực ngược phân cực ngược dòng hạt đa số (điện tử bán dẫn n) có dòng hạt thiểu số (lỗ trống bán dẫn p) (hình 1.7) Trong trường hợp, chuyển tiếp emitter phân cực thuận, chuyển tiếp collector phân cực ngược (hình 1.8) Chuyển tiếp emitter phân cực thuận Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử nên hạt đa số khuếch tán qua chuyển tiếp tới miền base tạo Dòng hạt đa số I E Dòng hạt thiểu số C E I C B Vùng nghèo U I B U EE CC Hình 1.8: Nguyên tắc hoạt động transistor pnp lên dòng I E Tại miền base hạt đa số lại chuyển thành hạt thiểu số, phần bị tái hợp với điện tử tạo thành dòng I B Do độ rộng miền base mỏng, chuyển tiếp collector phân cực ngược nên lỗ trống miền base bị sang miền collector tạo lên dòng I c Dòng I c tạo hai thành phần: dòng hạt đa số từ miền emitter, dòng hạt thiểu số (lỗ trống miền base chưa có khuếch tán từ emitter sang) Dòng hạt thiểu số gọi dòng rò ký hiệu Ico Ico có giá trị nhỏ cỡ nA tới vài µA Áp dụng định luật Kirchhoff ta có: I E = IC + IB 1.2.3 Các cách mắc transistor Transistor có ba cực (E, B, C), đưa tín hiệu vào hai cực lấy tín hiệu hai cực phải có cực cực chung Do vậy, transistor có cách mắc bản: Base chung, emitter chung, collector chung 1.2.3.1.Base chung (CB – Common Base) Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử Sơ đồ cách mắc CB minh hoạ hình 1.9 I E p E C p n I C I E I E C C B I I B B B U U I E E (a) CC EE n C I n p I E C I E I B I C C B B B (b) U U CC EE Hình 1.9: Sơ đồ cách ghép CB a) Transistor pnp ; b) Transistor npn Vùn g bão hoà Trên hình vẽ chiều mũi tên chiều dòng điện cực I (mA) C transistor Để thấy I (mA) E rõ quan hệ cực transistor cách mắc CB người ta dùng hai đặc tuyến: đặc tuyến vào đặc tuyến Đặc tuyến Vùng tích cực U = 20V CB U = 10V CB U = mA 5mA CB 1V 7 mA mA 3mA 2mA 0, 0, 0, 0, (a) U (V) BE I = 1mA I =0 mA E 10 15 Vùng cắt (b) Hình 1.10: Đặc tuyến cách mắc CB a) Đặc tuyến vào ; b) Đặc tuyến E 20 U ( CB V) Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử vào (hình 1.10a) mô tả quan hệ dòng vào I E với điện áp đầu vào U BE , ứng với giá trị điện áp khác điện áp U CB Đặc tuyến (hình 1.10b) mô tả quan hệ dòng điện I C với điện áp U CB, ứng với giá trị khác dòng điện vào I E Trên đặc tuyến chia thành vùng: vùng tích cực, vùng cắt vùng bão hoà Vùng tích cực dùng để C E khuếch đại tín hiệu (nên gọi vùng khuếch đại) Trong vùng tích cực chuyển tiếp emitter I =0 E I CBO =I CO B Hình 1.11 Dòng bão hoà ngược ICO phân cực thuận, chuyển tiếp collector phân cực ngược Ở phần thấp vùng tích cực (đường I E = 0), dòng I C dòng bão hoà ngược I CO, dòng ICO nhỏ (cỡ µA) thường ký hiệu thay cho I CBO (hình 1.11) Khi transistor hoạt động vùng tích cực có quan hệ gần I E ≈ IC Vùng cắt vùng mà dòng I C = Trong vùng cắt chuyển tiếp emitter collector phân cực ngược Vùng bão hoà vùng bên trái đường U CB = đặc tuyến Trong vùng bão hoà chuyển tiếp emitter collector phân cực thuận + Hệ số α Trong chế độ chiều, để đánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán miền base, người ta định nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện αdc I α dc = c IE Với IC, IE dòng điện điểm làm việc Theo đặc tuyến hình 1.10b α = 1, thực tế α thường khoảng 0,9 ÷ 0,998 Trong chế độ xoay chiều, điểm làm việc thay đổi đặc Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử tuyến ra, hệ số α xoay chiều định nghĩa: ∆IC ∆I E V ù n g b ã o h o αac = (1.6) Hệ số αac gọi hệ số base chung, hệ số I C ngắn mạch, hay hệ số I (µA) khuếch đại Thông thường, 09 07 giá trị αdc ≠ αac 1.2.3.2.Emitter 04 0 20 10 chung U = CE U = 20V CE U10V= CE 1V B 0, , (CE- Common Emitter) 0, 0, (a) 1U (V) BE (mA) µA µA µA µA µA µA Vùng tích cực µA µA µA U CEbh Vùng cắt 10 I CEO ≈ I =0 B 15 µAU (V) (b) CE Hình 1.13 Đặc tuyến cách βI mắc CE CBO a) Đặc tuyến vào ; b) Đặc tuyến Sơ đồ cách mắc CE cho hình 1.12 Trong cách mắc I CE, đặc tuyến quan UCE, ứng I B C n U BB điện áp vào U BE, ứng p U p B C E I vào IB Đặc tuyến vào quan hệ dòng vào I B C n với khoảng giá trị dòng C C hệ dòng I C điện áp I C E I B C p U BB I I I B B với khoảng giá trị điện áp U CE I C I a) E C E E C I U n B I b) E Hình 1.12: Sơ đồ cách ghép CE a) Transistor npn ; b) Transistor pnp Chú ý hình 1.13, độ lớn I B cỡ µA , độ lớn I C cỡ mA Vùng tích cực cách mắc CE miền bên phải đường nét đứt UCEbh phía đường I B = Vùng phía trái đường U CEbh vùng bão hoà Vùng cắt vùng phía đường I B = Trong vùng tích cực chuyển tiếp emitter phân cực thuận, chuyển tiếp collector phân cực ngược, vùng dùng để 10 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử Trở kháng mạch Zr = R C//ro 5.2 mạch khuếch đại ghép biến áp Mạch khuếch đại ghép RC có số nhược điểm là: tụ ghép liên tầng làm suy giảm biên độ tín hiệu vùng tần số thấp, điện trở tải làm tiêu hao công suất AC DC giảm hiệu suất mạch khó phối hợp trở kháng tầng Do loại mạch ghép RC sử dụng để khuếch đại tín hiệu nhỏ Mạch khuếch đại ghép biến áp có vài yếu điểm như: làm giảm biên độ tín hiệu vùng tần số cao tụ tạp tán vòng dây biến áp, tổn hao lõi sắt cồng kềnh Song có số ưu điểm mà mạch ghép RC có được, hoàn toàn cách điện DC tầng Nội trở vòng dây đồng nhỏ (khoảng vài Ω) nên tiêu hao công suất chiều nhỏ, làm tăng hiệu suất mạch Việc phối hợp trở kháng tầng đáp ứng dễ dàng để giảm méo tăng công suất cực đại, nhờ ưu điểm nên mạch ghép biến áp vừa dùng làm mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ, để khuếch đại công suất Mạch khuếch đại hai tầng ghép biến áp mô tả hình 2.4: + 20kΩ >=50kΩ 20kΩ 20kΩ >=50kΩ 5:1 1:4 4kΩ 4kΩ 10µF 1kΩ 50µF 39 10µF 1kΩ 50µF Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử a) + 1:4 + + + + U U i - 5:1 Z U Z U Z U Z R - - - L 2kΩ b) Hình 2.4 a) Mạch khuếch đại ghép biến áp (β = 50, βr e = 2KΩ) b) Mạch tương đương AC Từ mạch tương đương b, ta có: U1 = Ku1 = N2 N1 U2 U1 Uv = 4.Uv = −βZ L βre 5.3 mạch khuếch đại ghép tầng trực tiếp Mạch khuếch đại ghép trực tiếp (không có tụ ghép) nên tổn hao điện áp tần số thấp tụ ghép Các tầng không bị ngăn cách nguồn DC nên ảnh hưởng lẫn rõ rệt từ việc tính toán đến việc thay transistor thay đổi nhiệt độ môi trường Do cần phải có mạch ổn định chế độ làm việc ổn nhiệt hồi tiếp âm emitter từ đầu đầu vào Nếu dùng tầng trở lên dễ gây tự kích, thông thường mắc thêm tụ có giá trị hàng chục pF cực C-B transistor Loại mạch có độ khuếch đại không lớn Một mạch khuếch đại ghép trực tiếp ví dụ sau: (hình 2.5) 40 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử +12V R C B 3,02V =3kΩ C1 R =186kΩ I v T + C T 6.2V E v 8V + I r E U R R =1.1kΩ R =1.2K E2 E1 - β = 40 T : T : r = 13.47Ω e1 β = 100 r = 5.2Ω e2 Hình 2.5 Mạch ghép tầng trực tiếp * Xác định phân cực DC + Với T2: Từ điện áp đầu U C2 = 8V, ta có: I(0,8kΩ) = 12 − 0.8kΩ =5mA Như vậy: I C2 ≈ IE2 = 5mA Và: UE2 = (5mA)(1.1kΩ) = 5,5V Từ: UBE2 = 0.7V, ta có: UB2 = UC1 = 5,5 + 0,7 = 6,2V áp dụng quan hệ I C2 = βIB2 ta có: IB2 = IC2 β2 I(3kΩ) = 12 − 6.2 3kΩ = 5mA 100 = 50µA + Với T1: = 1,93mA Ta thấy I(3kΩ) > IB2 , nên: IC1 ≈ I(3KΩ) = 1.93mA và: I E1 = 1.93 mA Vậy UE1 = (1.93mA)(1,2kΩ) = 2,32V 41 =8kΩ C2 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử Và: UB1 = UE1 + UBE1 = 2,32 + 0,7 = 3,02V * Xác định giá trị AC Trở kháng vào tầng lặp emitter gần βRE nên ta có: Zv1 = β1RE1 = 40(1.2kΩ) = 48kΩ Zv2 = β2RE2 = 100(1.1kΩ) = 110kΩ Ku1 = −R L1 R E1 = − RC1 // βR E2 R E1 Ku1 = −R L2 R E2 = −RC2 R E1 = = −3K //110K −3K ≈ 1.2K 1.2K −0,8K = 1,2K = - 2,5 - 0.7273 Ku = Ku1Ku2 = (- 2.5)(- 0.7273) = 1.818 (1,818)(48kΩ) = 0,8kΩ Ki = K u Z v1 / Z = 109,08 KP = K u K i = (1,818)(109,08)= 198.3 5.4 mạch khuếch đại cascode Đặc điểm mạch khuếch đại Cascode dùng tầng khuếch đại mắc U nối tiếp (hình 2.6) Tầng thứ hai mắc kiểu BC để tăng tần số cắt, giảm tạp R E1 nhiễm (vì nội vào tầng thứ mắc kiểu EC nhỏ nên hệ số khuếch đại tầng nhỏ), giảm thiểu hiệu ứng CC R T U C T U R v R E2 R E + C E R + E C L E miller tần số cao Tầng thứ mắc kiểu EC, làm việc điện áp thấp, hệ số Hình 2.6 khuếch đại điện áp nhỏ (cũng nhằm giảm hiệu ứng miller tụ tần số cao) Song hệ số khuếch đại điện áp toàn mạch lại lớn (khoảng vài trăm lần) 5.mạch khuếch đại darlington Mạch khuếch đại Darlington kiểu mô tả hình 2.8 Đặc điểm là: điện trở vào lớn, điện trở nhỏ, hệ số khuếch đại 42 r Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử dòng lớn, hệ số khuếch đại điện áp ≈ tải emitter * Cách phân cực mạch giống tầng lặp emitter dùng hồi tiếp dòng điện emitter, ý dòng emitter tầng thứ dòng bazơ tầng thứ hai Transistor sử dụng mạch Darlington có hệ số khuếch đại dòng βD (hệ số cao nhất), dòng cực gốc tính: IB = +U U CC − U BE R B + βD R E CC I Do βD lớn nên: C R C B IE = (βD+1)IB ≈ βD.IB I Điện áp phân cực là: B B UE = IE RE I E R E E UB = UE + UBE Hình 2.8 Sơ đồ Darlington * Mạch tương đương xoay chiều Một mạch Darlington lặp emitter hình 2.10 Tín hiệu đưa vào qua tụ C 1, tín hiệu V o đưa qua tụ C Mạch tương đương hình 2.11 + Tính trở kháng vào AC: Uv − Ur rv Dòng bazơ chạy qua r v : IB = +U CC (+18V) I I v B U R U v B r v 3,3MΩ C U BE DB R õ = 8000 v D 0,5ỡF C R E õ I = 1,6V 0,5ỡF U B R I U r r E r 390 Ω Hình 2.11 Sơ đồ Darlington lặp emitter tương đương Hình 2.10 Sơ đồ Darlington lặp emitter 43 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử Ur = (IB + βDIβ)RE Vì : ⇒ IB rv = Uv – Ur = Uv – IB(1+βD)RE ⇒ Uv = IB [rv + (1+βD)RE] ≈ IB (rv + βDRE) Trở kháng vào nhìn từ bazơ transistor: Uv IB ⇒ = r v + βDRE Trở kháng vào mạch: Zv = R B//(rv +βDRE ) + Hệ số khuếch đại dòng: Dòng điện R E: Ir = Iβ + βDRE = (βD +1)IB ≈ βDIB Với Ir IB = βD ⇒ Hệ số khuếch đại dòng mạch là: Ki = Với IB = Ir Iv RB (rv + βD R E ) + R B ⇒ Ir IB B v =I I Iv ≈ RB βD R E + R B Ki = βD .Iv RB βD R E + R B = βD R B βD R E + R B + Trở kháng AC : (Hình 2.12a,b) U r V Z U v I Z õ I V S U B DB r r R R E R B a) r v L I I B r + Ta có: õ I Ir = Ur RE Ur +r v DB - βDI B = R U E r 44 b) Hình 2.12 Sơ đồ tương đương AC để tính Z r Báo cáo thực tập tốt nghiệp = Ur RE + Ur rv - βD( + βD + rv rv = (R Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử E Ur rv ) ).U r Mặt khác: Zr = Ur Ir = 1/ R E + 1/ rv + βD / r v + Hệ số khuếch đại điện áp: r v Ur = (IB + βD IB )RE = + = IB (RE + βD RE ) U I B + õ I DB v _ Uv = IBrv + (IB + βD IB)RE R U _ Ta có: b) Uv = IB (rv + RE + βD Iv) Ur = Uv rv + (R E + βD R E ) Ku = Ur Uv Hình 2.13 Sơ đồ tương đương AC để tính K u ( R E + βD RE ) R E + βD R E ≈1 v + (R E + βD R E ) =r PHẦN II.THIẾT KẾ THIẾT KẾ MODUL THỰC HÀNH MẠCH ĐIỆN TỬ Chương I.Mục đích: Modul thực hành mạch điện tử mạch điện thiết kế để thực số thực hành môn kỹ thuật mạch điện tử Thông qua việc khảo sát modul thực nghiên cứu vấn đề chung mạch điện tử Chương II Tổng quan Modul thực hành mạch điện tử: Modul thực hành mạch điện tử có kích thước 300 X 350, bao gồm nguồn cung cấp ±12VDC, mạch khuếch đại mắc kiểu Darlingtin,visai, mạch khuếch đại , phát xung, (switching) chuyển mạch (switching) để thay 45 r E Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử đổi tham số mạch điện a.Bo mạch khảo sát: Gồm năm khối năm mạch chức năng, phía bố trí khoá chuyển mạch nhằm thay đổi tham số mạch điện, có đầu xung hình sin, chiết áp chỉnh biên độ, tần số; phân áp tín hiệu vào b Mạch chức năng: Gồm mạch khuếch đại Darlington , vi sai , khuếch đại công suất c.Mạch tạo xung: Mạch tạo xung mạch dao động kiểu cầu Viên sử dụng IC khuếch đại HA17741 d.Mạch nguồn: Gồm mạch chỉnh lưu, mạch lọc, mạch ổn áp dùng IC 7812,7912 e Các chuyển mạch (Switching): Các chuyển mạch chuyển mạch ba vị trí để thay đổi giá trị điện trở mạch Chương III Thiết kế Modul thực hành mạch điện tử 3.1 Nguồn cung cấp: Sơ đồ khối mạch nguồn cung cấp: Mạch nguồn cung cấp có nhiệm vụ cung cấp lượng điện cần thiết cho thiết bị điện điện tử Thông thường nguồn lượng tạo nguồn điện áp chiều lấy từ mạng điện xoay chiều pin,ắc quy Đầu vào AC Biến áp Chỉnh lưu Lọc 46 Ổn áp Tải Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử TIP42 R1 In (1 ) C1 D4 D1 D3 D2 + U vào 220Vac Out Com (3) (2) C2 F2 + 12Vdc C3 + BA 7812 + + F1 R2 Com (1) Out In (2 ) 7912 (3) C4 - 12Vdc TIP41 Hình 100: Nguồn DC Người ta phân loại mạch nguồn dựa vào đại lượng vào mạch nguồn như: - Đại lượng vào xoay chiều, đại lượng xoay chiều - Đại lượng vào xoay chiều, đại lượng chiều - Đại lượng vào môt chiều , đại lượng xoay chiều - Đại lượng vào chiều , đại lượng chiều Trong môđun thực hành mạch điện tử này, khối nguồn gồm: + Biến áp: ± 12Vac,3A + Bộ chỉnh lưu cầu + Bộ lọc: gồm tụ C1,C2,C3,C4 làm nhiệm vụ lọc cho nguồn DC trước sau nguồn ổn áp + Bộ ổn áp: dùng IC ổn áp 7812, 7912 có nhiệm vụ ổn áp mức điện áp ± 12Vdc Tuy nhiên, IC họ 78XX 79XX thường có dòng điện không lớn nên để tăng dòng điện cần kết hợp thêm với transisto TIP41, TIP42 để tăng dòng Ưu điểm phần nguồn đơn giản nhỏ gọn, dễ dàng kiểm tra thay thế, thích hợp với yêu cầu công suất nhỏ trung bình Các loại linh kiện đơn giản thông dụng nên thuận tiện công việc sửa chữa thay 47 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử 3.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ: +12V R1 10k TP3 R2 10k TP8 TP +12V C4 1k 1uF TP10 TP TP TP13 Q2 0.47uF C828 TP1 R3 22k TP5 C2 TP9 R7 TP4 R8 C5 1k 1uF VR1 10K TP16 R13 10 Q3 C828 C7 10uF TP17 R17 1k TP VR2 10K R14 100 TP14 R4 10k TP7 R6 C3 1k 1uF R5 4.7K C1 Q1 TP12 C828 TP2 TP 0.47uF C6 TP15 TP 0.47uF R10 100 R15 4.7K TP18 TP TP6 TP TP11 R9 1k R12 100 +12V TP19 TP R11 470 VR3 10K C8 1uF TP20 TP TP R16 680 TP21 TP GND GND GND GND GND GND GND GND GND +12V Rsun 1k LED1 LED GND +12V +12V R20 1k TP24 TP28 TP C11 TP29 C14 TP31 Q4 C828 10uF R21 1k 10uF VR5 R23 1k TP37 TP R28 10 VR8 10K C17 10uF C9 TP27 TP30 1uF Q6 1uF TP23 C10 TP 1uF Q7 VR4 10K 10K R24 1M R29 10 C18 10uF TP35 TP36 TP R26 330 TP GND GND R19 4.7k C13 10K VR7 10K TP26 TP TP33 Q5 10uF C828 R22 1k VR6 TP C12 TP32 R18 47k TP22 TP25 GND GND 48 GND C15 1uF R25 1K R27 1K GND C16 1uF TP34 TP GND Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử a.Mạch khuếch đại EC: Sơ đồ nguyên lý: + Vcc R4 R1 C2 Vou t + C1 + Vin Q VR R2 R5 Mạch có chuyển mạch nhằm thay đổi giá trị điện trở R4 nhằm thay đổi thông số mạch khuếch đại EC Mạch khuếch đại EC có đặc điểm: tín hiệu vào tín hiệu ngược pha nhau, trở kháng vào có giá trị trung bình, Trở kháng có giá trị trung bình -> lớn, hệ số khuếch đại dòng điện điện áp lớn +Vcc R1 b.Mạch khuếch đại BC: `Sơ đồ nguyên Vin lý: R2 C2 Vout + C1 Q + VR R4 49 R3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử Mạch có chuyển mạch nhằm thay đổi giá trị điện trở nhằm thay đổi thông số mạch khuếch đại BC Mạch khuếch đại BC có đặc điểm: tín hiệu vào tín hiệu đồng pha nhau, trở kháng vào có giá trị bé, trở kháng có giá trị lớn, hệ số khuếch đại điện áp lớn, hệ số khuếch đại dòng điện bé c.Mạch khuếch đại CC: Sơ đồ nguyên lý: +Vcc R1 Uin C1 + Q R2 VR C2 + Uout R3 Mạch có chuyển mạch nhằm thay đổi giá trị điện trở R3 nhằm thay đổi thông số mạch khuếch đại CC Mạch khuếch đại BC có đặc điểm: tín hiệu vào tín hiệu đồng pha nhau, trở kháng vào có giá trị lớn, trở kháng có giá trị bé, hệ số khuếch đại điện áp bé, hệ số khuếch đại dòng điện lớn 50 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử d.Mạch khuếch đại ghép tầng RC: Sơ đồ nguyên lý: +Ucc R3 R1 R5 C2 + Uin C3 + Ura C1 + Q2 Q1 R4 R2 VR2 VR1 R6 R4 Mạch khuếch đại ghép RC có số nhược điểm là: tụ ghép tầng cách ly điện áp DC tầng, cách ghép đơn giản lại làm suy giảm biên độ tín hiệu vùng tần số thấp, điện trở tải làm tiêu hao công suất AC DC giảm hiệu suất mạch khó phối hợp trở kháng tầng … Do loại mạch ghép RC sử dụng để khuếch đại tín hiệu nhỏ Mạch ghép RC thay đổi giá trị điện trở R3, R5 nhằm thay đổi tham +Vcc số mạch điện R1 e Mạch khuếch đại ghép trực tiếp: Uin C1 + Sơ đồ nguyên lý: R3 R5 C2 Q1 Q2 VR R2 51 R4 R6 Uout Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử Mạch khuếch đại ghép trực tiếp (không có tụ ghép) nên tổn hao điện áp tần số thấp tụ ghép Các tầng không bị ngăn cách nguồn DC nên ảnh hưởng lẫn rõ rệt từ việc tính toán đến việc thay transistor thay đổi nhiệt độ môi trường 3.3.SƠ ĐỒ MẠCH IN 52 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử TÀI LIỆU THAM KHẢO Kỹ thuật mạch điện tử - Phạm Minh Hà - Nhà xuất khoa học kỹ thuật Kỹ thuật điện tử - Đỗ Xuân Thụ - Nhà xuất giáo dục Vi mạch mạch tạo sóng – Tống Văn On - Nhà xuất giáo dục Mạch điện tử – Trường Kỹ thuật Công nghiệp Việt Nam – Hàn Quốc - Nhà xuất lao động - xã hội Electronic Devices and Circuit Theory – Robert L Boylestad; Louis Nashelsky Kỹ thuật số thực hành – Huỳnh Đắc Thắng - Nhà xuất khoa học kỹ thuật 53 [...]... đương B của mạch CE như hình 1.42) I B C βr e βI B r o E E 2.3.1.3 Sơ đồ tương đương của mạch CC 16 Hình 1.42 Sơ đồ tương đương mắc CE Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử Tương tự như cách mắc CE , ta sẽ có sơ đồ tương đương của mạch CC Sơ đồ tương đương này sẽ được vẽ trong các mạch cụ thể ở phần sau 2.3.2 Các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ thông dụng dùng BJT 2.3.2.1 Mạch. .. điện làm tăng trở kháng ra Trở kháng vào lớn và trở kháng đầu ra nhỏ đó là mong muốn của hầu hết các tầng khuếch đại Cả hai yêu 29 R t t Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử cầu được đáp ứng trong hồi tiếp điện áp nối tiếp 3.4.3 Các mạch hồi tiếp thực tế Các ví dụ về mạch hồi tiếp sẽ giải thích, minh hoạ ảnh hưởng của hồi tiếp với càc kiểu kết nối khác nhau Trong phần này chỉ... nhỏ, tối đa là 50 Ω 15 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử Trở kháng ra được tính khi cho tín hiệu vào bằng không, vì thế I E = 0 nên I C = αIE = 0, nghĩa là đầu ra của hình 1.39 hở mạch, do đó: Zr = ∞ Thực tế, trở kháng ra của mạch CB cỡ vài MΩ 2.3.1.2 Sơ đồ tương đương của mạch CE Tương tự với cách mắc CB, ta có thể vẽ được sơ đồ tương đương của mạch CE như hình 1.40.a... áp dụng cho bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng, dòng điện vào I v = 0, điện áp vào U v = 0, hệ số khuếch đại bằng vô cùng, chúng ta có : I 1 Ur = ∞, β = f = − Iv Ur R0 K= R R 0 I I = U /R U R v S 1 U v 1 f U I r 0 v (b) (a) Hình 1.162 Bộ khuếch đại hồi tiếp âm điện áp dùng OA 32 r Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử a) Sơ đồ mạch ; b) Sơ đồ tương đương Hệ số khuếch đại. .. Hệ số khuếch đại điện áp : 35 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử Ur R = c U v1 2re Ku = 4.5.2.2 Chế độ vi sai Khi đưa tín hiệu khác nhau vào hai đầu vào của mạch vi sai, mạch sẽ làm việc trong chế độ vi sai Tương tự chế độ đơn, dễ dàng tính được hệ số khuếch đại vi sai : K vs = Ur R = c U vs 2re Với Uvs = Uv1 – Uv2, Ur = Ur1 – Ur2 4.5.2.3.Chế độ đồng pha Sơ đồ mạch vi... vẽ sơ đồ tương đương đối với tín hiệu xoay chiều cần chú ý 2 điểm sau: - Thiết lập tất cả các nguồn cấp một chiều ở mức điện thế 0V (ngắn 14 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử mạch nguồn cấp) ; - Ngắn mạch tất cả các tụ điện 2.3.1.1 Sơ đồ tương đương của mạch CB Trên hình 1.38a là sơ đồ cách mắc CB của transistor npn Như phần trên chúng ta đã biết transistor được cấu tạo... số khuếch đại dòng K i: 20 UV Z b RC Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử Giá trị của R B thường chọn gần với Z b nên cho phép xấp xỉ I b=Iv Theo luật phân dòng với mạch vào ta sẽ có kết quả: Ib = Hơn nữa : Ir Ib Do đó Ki = RB I v RB + Z b Ib RB = Iv RB + Zb nên =β Ir I I RB = r ⋅ b =β Iv Ib Iv RB + Zb Quan hệ giữa K i và Ku : Ki = - Ku Zr RC 2.3.2.4 Mạch khuếch. .. áp của mạch khi có hồi tiếp Kuf = U r Is − gm R D RsR F RF 1 = (− ) = (− g m R D ) Is U s R F + g m R D Rs Rs R F + gm R D Rs U cc R D R f R U R r I s I U s (a) U f f R s I R v s (b) Hình 1.163 Bộ khuếch đại hồi tiếp điện áp song song sử dụng FET ; a) Sơ đồ mạch ; b) Sơ đồ tương đương 33 D r Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử Chương IV:KHUẾCH ĐẠI VI U SAI CC `Sơ đồ mạch. .. được sử dụng để phối hợp trở kháng Hiệu quả của mạch có thể đạt được tương đương với một B U C v biến áp βr Bỏ qua ảnh hưởng của r 0 ta vẽ được mạch tương đương như hình 1.54 Ảnh hưởng của r o sẽ được xét sau Z v Z R B b E R βI e E I r B + U r Z r I =(β+1)I E B - 21 Hinh 1.54 Sơ đồ tương đương Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử Trở kháng vào được xác định như các mạch trên... khuếch mạch CB 12 đại của Báo cáo thực tập tốt nghiệp Modul thực hành kỹ thuật mạch điện tử Trong sơ đồ hình 1.15 ta chọn transistor có điện trở vào R v = 20 Ω, điện trở ra R r = 100kΩ Dòng điện vào: Uv 200mV = = 10mA Rv 20Ω Iv = Giả sử α ac = 1(Ie= Ic) thì I v = Ir = 10mA Khi đó điện áp ra sẽ là: U r = I r R = 10.5 = 50(V) Vậy hệ số khuếch đại điện áp: Ku = Ur 50V = = 250 Uv 200mV Như vậy, nguyên tắc khuếch