ĐỒ án kỹ THUẬT MẠCH điện tử đề tài MẠCH KHUẾCH đại CÔNG SUẤT OTL NGÕ vào VI SAI

Với các đặc tính khuếch đại dòng điện của BJT, chỉ cần dao động nhỏ ở Vin sẽ khuếch đại sự thay đổi đó và xuất tín hiệu ra ở cực C hay Vout.. Khuếch đại tính hiệu nhỏ Khuếch đại là quá t

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT OTL NGÕ VÀO VI SAI

Giảng viên hướng dẫn : Lê Hồng Nam

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đại Đáo 17DT1 106170006

Tôn Thất Tịnh 17DT1 106170062

MỤC LỤC

Chương 1: Khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT 4

I Khuếch đại tính hiệu nhỏ 4

II Cách mắc BJT 4

2.1 Khuếch đại dùng E chung 5

2.2 Khuếch đại dùng C chung 7

2.3 Mạch khuếch đại dùng B chung 9

III Mạch phân cực 8

3.1 Mạch phân cực bằng dòng cố định 9

3.2 Mạch phân cực bằng cầu phân áp 9

3.3 Mạch phân cực bằng hồi tiếp âm điện áp song song 10

Chương 2: Hồi tiếp trong bộ khuếch đại 11

I Mạch khuếch đại hồi tiếp 11

II Phân loại mạch khuếch đại hồi tiếp 11

2.1 Mạch khuếch đại hồi tiếp nối tiếp – điện áp 11

2.2 Mạch khuếch đại hồi tiếp nối tiếp – dòng điện 13

2.3 Mạch khuếch đại hồi tiếp song song – dòng điện 16

2.4 Mạch khuếch đại hồi tiếp song song – điện áp 18

Chương 3: Khuếch đại công suất 20

I Phân loại mạch khuếch đại công suất 17

1 Khuếch đại chế độ A 17

2 Mạch khuếch đại chế độ B 23

3 Mạch khuếch đại chế độ AB 24

II Mạch khuếch đại công suất 26

1.Mạch khuếch đại công suất OTL 26

2.Mạch khuếch đại công suất OCL 27

3.Mạch khuếch đại Darlington 27

I Yêu cầu

II Sơ đồ khối mạch khuếch đại OTL ngõ vào vi sai

1 Sơ đồ mạch tổng quát

2 Sơ đồ nguyên lý và hoạt động

3 Mạch nguồn bảo vệ

III Tính toán

3.1 Tính toán nguồn

3.2 Tầng khuếch đại công suất

3.3 Tính toán tầng lái

3.4 Tính chọn BJT thúc Q6:

3.5 Tính toán tần nhận tín hiệu vào

IV Đánh giá mạch

4.1 Mô phỏng tín hiệu ngõ vào và ngõ ra

4.2 Mô phỏng dòng ra loa:

CHƯƠNG I: KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ

Mở đầu chương

Trong chương này, sẽ đề cập tới khuếch đại tín hiệu nhỏ với phần tử điều khiển là BJT Khi có một sự thay đổi tín hiệu điện áp ở Vin , làm thay đổi cường độ dòng điện đi qua cực B Với các đặc tính khuếch đại dòng điện của BJT, chỉ cần dao động nhỏ ở Vin

sẽ khuếch đại sự thay đổi đó và xuất tín hiệu ra ở cực C hay Vout Và các thông số chính của mạch khi khuếch đại:

I Khuếch đại tính hiệu nhỏ

Khuếch đại là quá trình làm biến đổi một đại lượng( dòng điện hoặc điện áp) từ biên độ nhỏ thành biên độ lớn mà không làm thay đổi dạng của nó

 Sơ đò tương đương

 Trở kháng vào Zin = (R1//R2) // Rpi Với Rpi= Vbe/ib

 Trở kháng ra: Zout=Rc//r0

 Hệ số khuếch đại điện áp

AV =V 0 Vi =V 0 Vbe Vbe Vi= Avt.Ri + Zin Zin =Ri + Zin Zin .gmR2

Với Avt là hệ số KĐ điện áp của transistor:

Avt=Vce Vbe = −Bin Rl

Vbe = −gm.Vbe Vbc =¿ -gmRl Trong đó: RL= ro // Rc // Rt

Nhận xét: Tín hiệu vào và ra ngược pha nhau:

 Có khả năng khuếch đại dòng và áp

 Dòng điện tín hiệu ra lớn hơn dòng tín hiệu vào nhưng không đáng kể

 Mạch mắc theo kiểu E chung như trên được ứng dụng nhiều nhất trong thiết

 sơ đồ tương đương

Hệ số khuếch đại điện áp toàn mạch:

Trở kháng vào nhìn từ cực nền xuống masse:

Trở kháng ra toàn mạch:

Hệ số khuếch đại dòng điện:

Điện áp vào cùng pha điện áp ra

Ưu nhược điểm và ứng dụng

Ưu điểm

 Cường độ của tín hiệu ra mạnh hơn cường độ của tín hiệu vào nhiều lần

 Tín hiệu ra cùng pha với tín hiệu vào

 Tổng trở vào lớn ( vài trăm ohm), tổng trở ra nhỏ ( vài chục ohm ), không

Nhược điểm

 Mạch chỉ khuếch đại dòng, không khuếch đại áp

Ứng dụng: Mạch trên được ứng dụng nhiều trong các mạch khuyếch đại đêm (Damper), và ứng dụng rất nhiều trong các mạch ổn áp nguồn.

2.3Mạch khuếch đại B chung

 Sơ đồ tương đương

Trở kháng vào: Zin = RE // RiE

Ưu nhược điểm và ứng dụng

Ưu điểm

 Mạch khuếch đại điện áp khá lớn

 Tổng trở vào nhỏ ( vài chục ohm), tổng trở ra lớn ( vài trăm ohm ), mạch không khuếch đại dòng( Ai ~ 1)

CHƯƠNG II : HỒI TIẾP TRONG BỘ KHUẾCH ĐẠI

Các khiếm khuyết trong mạch mắc Base chung, Emiter chung, hay Collector chung ở các dạng ghép RC hay biến áp có thể cải thiện được chất lượng bằng phương pháp bù hổi tiếp

âm Bốn dạng mạch hổi tiếp sau đây đều làm giảm độ khuếch đại, song lại mở rộng dải tần Bw, giảm méo, tạp , nhiễu ở mức tối thiểu và làm ổn định độ khuếch đại toàn mạch, đặc biệt khi thiế kế tăng âm loại công suất lớn cần bảo vệ quá tải hay khi hở tải cho cặp Transistor công suất cuối

I Mạch khuếch đại hồi tiếp

Sơ đồ khối

Hồi tiếp là lấy một phần tín hiệu đầu ra đưa trở lại đầu vào làm thay đổi đầu vào

 Hồi tiếp âm là làm giảm nhỏ đầu vào Vin, để ổn định điểm làm việc tĩnh

 Hồi tiếp dương là làm tăng điện áp Vin, sử dụng vào mạch tạo dao động.Tính hiệu vào tầng khuếch đại bao gồm tín hiệu vào và tín hiệu hồi tiếp

Đặc điểm hồi tiếp âm

II Phân loại mạch khuếch đại hồi tiếp

2.1 Mạch khuếch đại hồi tiếp nối tiếp – điện áp

 Sơ đồ khối

Ảnh hưởng của hồi tiếp đến trở kháng ra: Zr

Ngắn mạch tín hiệu đầu vào Us = 0, ta có:

U = I.Zr + kUv

Us = 0  U = -Uf

U = I.Zr –kUf = IZr – kβU

Vì Re được xem như tải Rl nên Rof = Ro

Kết luận: Mạch khuếch đại hồi tiếp nối tiếp điện áp cải thiện tổng trở vào và ra, giảm

méo tín hiệu, mở rộng bang thông và ổn định hàm truyền Nhưng lại làm giảm biên độ tínhiệu và có thể kém ổn định ở tần số cao

2.2 Mạch khuếch đại hồi tiếp nối tiếp – dòng điện

 IvZv=Us−βkUv

 Us=IvZv+ βkUv=IvZv (1+βk )

Tín hiệu hồi tiếp Xf = Vf là điện thế ngang qua điện Re và là cách nối tiếp.

Nếu cho Io = 0 (Rl = ∞¿nghĩa là dòng cực thu bằng 0 nên Vf ngang qua Re cũng bằng 0 Vậy mạch lấy mẫu dòng điện ngõ ra, suy ra đây là mạch hồi tiếp dòng nối tiếp

Vì điện thế hồi tiếp tỉ lệ với Io là dòng điện được lấy mẫu vào Vf xuất hiện ngang qua Re trong mạch tại ngõ ra và không phải ngang qua Re trong mạch ngõ vào

Io = Gmf Vs = r 6+ β ℜ+(1+β ) ℜ−β =Vs

ℜ

Dòng qua tải tỷ lệ trực tiếp với điện thế ngõ vào và dòng này chỉ cùng thuộc Re

Độ lợi ddienj thế cho tải:

Kết luận: Mạch khuếch đại hồi tiếp nối tiếp điện áp cải thiện tổng trở vào và ra, giảm

méo tín hiệu, mở rộng bang thông và ổn định hàm truyền Nhưng lại làm giảm biên độ tínhiệu và có thể kém ổn định ở tần số cao

2.3 Mạch khuếch đại hồi tiếp song song – dòng điện

Uv Iv+ βkIv=

Uv Iv

Rs chạy vào và mắc vào song song với Rs.

Để xác định hoặc lấy mẫu, ta cho Vo = 0 (Rc2 = 0) điều này không làm giảm Io và khônglàm cho dòng qua Re của Q2 xuống 0 và dòng If không giảm xuống 0, vậy mạch này không phải lấy mẫu điện thế

Bây giời cho Io = 0 ( Rc = ∞), dòng If sẽ bằng 0, vậy mạch lấy mẫu bằng dòng được Đó

là mạch hồi tiếp dòng điện song song Điện thế VB2 rất lớn đối với Vi , do Q1 khuếch đại Vb2 ngược pha so với Vi Vì tác động emitter follower, Ve2 thay đổi rất ít so với Vb

và 2 điện thế này cùng pha Vậy Vb2 có biên độ lớn hơn Vi là Vb và có pha ngược với Vi

Nếu tín hiệu vào tăng làm cho Is tăng và If cũng tăng, Ii = Is –If sẽ nhỏ hơn trong trường hợp không có hồi tiếp Nên mạch này là mạch hồi tiếp âm

Tín hiệu hồi tiếp là dong If chạy qua điện trở R’ nằm trong mạch ngõ ra, ta có:

Ib2 < Ic2 = | Io|

 Hồi tiếp điện áp làm giảm trở kháng ra, hồi tiếp dòng điện làm tăng trở kháng ra.

 Trở kháng vào lớn và trở kháng ra nhỏ là mong muốn của hầu hết các tầng khuếchđại Hồi tiếp điện áp nối tiếp đáp ứng cả 2 yêu cầu trên

 Khi hệ số hồi tiếp thay đổi sẽ làm thay đổi hệ số khuếch đại trở kháng vào – ra củamạch có hồi tiếp

 Bộ khuếch đại hồi tiếp âm còn giúp giảm méo tần số do làm thay đổi hệ số khuếchđại theo tần số trong mạch giảm một cách đáng kể

 Khi có hồi tiếp âm sẽ làm nhỏ tín hiệu nhiễu, giảm méo phi tuyến

2.4 Mạch khuếch đại hồi tiếp song song – điện áp

KIv Iv+βUr=

KIv Iv+ βkIv=

K

1+βK

 Trở kháng vào:

Zvf = Uv

Us=

Uv Iv+ If=

Uv Iv+ βUr=

Uv Iv

1+ β Ur

Iv

1+βK

 Zv giảm đi (1+βK) lần khi mạch có hồi tiếp

 Trở kháng ra: nối hở mạch đầu vào Is = 0, => Iv = -If

Ta có: Ur=Ir Zr +KIv=IrZr−KIf =IrZr−KβUr

Vì tín hiệu hồi tiếp là dòng điện, nguồn tín hiệu được biểu diễn bằng nguồn tương đương Narton với Is = Vs Rs

Tín hiệu hồi tiếp là dòng điện If chạy qua điện trở R’ nằm trong mạch ngõ ra, ta có

β= If

Vo=

−1

R '

Mạch khuếch đại hồi tiếp nối tiếp điện áp cải thiện tổng trở vào và ra, giảm méo tín hiệu,

mở rộng bang thông và ổn định hàm truyền Nhưng lại làm giảm biên độ tín hiệu và có thể kém ổn định ở tần số cao

Mạch khuếch đại hồi tiếp giúp cải thiện các tính chất của bộ khuếch đại, nâng coa chất lượng của bộ khuếch đại, kết hợp với tầng thúc đẻ đảm bảo tín hiệu ít bị méo phi tuyến vàcho ra chất lượng âm thanh tốt

Chương 3: KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

Mạch khuếch đại công suất có nhiệm vụ tạo ra một công suất đủ lớn để kích thích tải Công suất ra có thể từ vài trăm mw đến vài trăm watt Như vậy mạch công suất làm việc với biên độ tín hiệu lớn ở ngõ vào: do đó ta không thể dùng mạch tương đương tín hiệu nhỏ để khảo sát như trong các chương trước mà thường dùng phương pháp đồ thị

Tùy theo chế độ làm việc của transistor, người ta thường phân mạch khuếch đại công suất

ra thành các loại chính như sau

I Phân loại mạch khuếch đại công suất

1 Khuếch đại chế độ A

Khuếch đại công suất chế độ A

Tính hiệu khuếch đại gần như tuyến tính, nghĩa là tín hiệu ngõ ra thay đổi tuyến tính tỏngtoàn bộ chu kì 360o của tín hiệu ngõ vào( transistor hoạt động ở cả hai bán kì)

 Khảo sát phân cực:

Khi có tín hiệu vào, để dòng Ic có thể biến đổi tốt nhất, điểm tĩnh Q phải được phân cực sao cho:

Ic = Icsat2 và Vce = Vcc2Đặc điểm chính là tín hiệu ngõ ra của BJT luôn ở trong vùng tích cực có nghĩa là BJT được phân cực sao cho tín hiệu ngõ ra luôn biến thiên theo tín hiệu ngõ vào.

Tín hiệu khuếch đại trong cả chu kì 2ᴫ

Điểm làm việc tĩnh Q(Vce, Ic) thõa mãn điều kiện Vce = Vcc2

Đây là điểm phân cực để cho mạch có hiệu suất lớn nhất

 Khảo sát xoay chiều:

Khi đưa tín hiệu Vi vào ngõ vào, dòng Ic và điện thế Vce sẽ thay đổi quanh điểm làm việc tĩnh Q

Với tín hiệu ngõ vào nhỏ, nên dòng điện và điện áp ra cũng ít thay đổi

Với tín hiệu ngõ vào lớn, ngõ ra sẽ thay đổi rất nhiều quanh điểm Q, dòng Ic sẽ thay đổi quanh giá trị (0, Icsat) mA Còn Vce thay đổi giữa hai giới hạn ( 0, Vcc)

 Khảo sát công suất:

Công suất hữu ích trên tải:

𝑃𝐿 = 𝑅𝐿𝐼𝑅𝑀𝑆 = Rl Ilp2 Ilp = Vcc.Ilp/2

Công suất nguồn cung cấp:

Pcc = 2Vcc.𝐼lp Hiệu suất của chế độ A:

 Do được phân cực làm việc tối ưu, nên tiêu hao năng lượng lớn

 Hiệu suất của mạch thấp thường là ƞ = 25%

 Khảo sát công suất

Công suất hữu ích trên tải trong 1 chu kì:

𝑃𝐿 = 𝑅𝐿𝐼𝑅𝑀𝑆 = Rl Ilp2 Ilp = Vcc.Ilp/2Công suất nguồn cung cấp trong 1 chu kì:

Công suất nguồn cung cấp trong 1 chu kì:

 Mạch không hoạt động khi không có tín hiệu vào

 Năng lượng tiêu hao ít

 Hiệu suất cao từ 50-75%

 Nhược điểm:

 Tín hiêu ra bị méo xuyên tâm

 Yêu cầu cần phải có nguồn đôi

 Thường được sử dụng trong các mạch khuếch đại công suất đẩy kéo như công suất

âm tần, công suất mành của tivi,

3 Mạch khuếch đại chế độ AB

Đặc điểm là sự cải tiến nhược điểm méo xuyên tâm cuẩ lớp B bằng cách nâng áp phân cực điểm tĩnh Q sao cho nằm trong vùng giữa lớp A và lớp B, mạch được phân cực có Vbe gần bằng Vy của BJT Vì vậy tính hiệu ngõ ra hơn nữa chu kì

Mạch khuếch đại công suất thường được ghép dạng đối xứng bổ phụ, có nghĩa là hai BJT



 Ưu điểm:

 Hiệu suất cao

 Tiêu hao năng lượng khi không có tín hiệu ngõ vào ít hơn lớp A

 Tín hiệu ngõ ra ít bị méo

 Nhược điểm:

 Ứng dụng: Sử dụng trong mạch công suất đẩy kéo

II Mạch khuếch đại công suất

1 Mạch khuếch đại công suất OTL

 Méo phi tuyến lớn, do 2 Transistor không đối xứng

 Băng thông bị co hẹp (ảnh hưởng từ tụ Ct)

 Có thể khiến âm thanh ra loa bớt chân thực, bị hao tổn.

2 Mạch khuếch đại công suất OCL

 Sơ đồ mạch

 Đặc điểm:

 Mạch OCL dung 2 Transistor Q1, Q2 hoàn toàn giống hau về đăch tính

 Sử dụng nguồn đôi

 Dùng mạch đảo pha trước

 Tín hiệu đưa thẳng ra loa không cần qua tụ lọc

 Ưu điểm

 Không bị méo ở tần số thấp

 Bang thông được mở rộng

 Hiệu suấ cao (làm việc ở chế độ AB)

3 Mạch khuếch đại Darlington

Mạch Darlington là mạch gồm 2 Transistor cùng kiểu NPN hoặc PNP kết nối theo cách thức để khuếch đại dòng của Transistor đầu được khuếch đại them bởi Transistor thứ hai

 Độ Ku nhỏ 1 trên tải Emitter

 Cách phân cực giống tầng Emitter follower có hổi tiếp cực E

 Dòng IEQ1 là IBQ2

 Mạch Darlington tương đương

Chương 4: Thiết kế mạch khuếch đại OTL

Tín hiệu vào của mạch khuyếch đại có dạng sin: v=V sin ωt

Xem hệ thống là tuyến tính thì tín hiệu ra trên tải:

v L=V L sin ωt+V CE 0 i L=I L sin ωt +I C 0

với V L , I L: là biên độ điện áp và dòng ra trên tải.

V CE 0 , I C 0: là điện áp và dòng điện DC trên tải.

Do tầng công suất làm việc ở chế độ AB nên dòng tĩnh và điện áp tĩnh rơi trên tải không đáng kể

Do vậy: v L=V L sin ωti L=I L sin ωt

Gọi V Lh d , I Lh d: là điện áp hiệu dụng và dòng điện hiệu dụng trên tải.

2 Điện ấp cung cấp nguồn

Để đảm bảo về mặt năng lượng và tránh nhiễu phi tuyến thì điện áp nguồn phải bằng hai lần điện áp trên loa Mặc khác, vì Q1,Q2 làm việc ở chế độ AB nên chọn hệ số sử dụng nguồn là 0,75.

Do vậy: V CC=2V L

0,75=

2.200,75=53.3(V )

Công suất nguồn cung cấp:

II Tầng khuếch đại công suất

Tầng khuyếch đại công suất có nhiệm vụ phát trên loa một tín hiệu âm tầng được xác định theo yêu cầu thiết kế P L=25 W.

Các BJT làm việc ở mức điện áp cao, các dòng collector Q1,Q2 rất lớn

Vì vậy, Q1,Q2 phải được chọn phù hợp đồng thời phải chọn nguồn, dòng nguồn khong được vượt quá giá trị cho phép của BJT nhưng cũng phải

đủ lớn để đảm bảo công suất và hiệu suất của mạch.

Để tránh méo xuyên tâm đồng thời đảm bảo hiệu suất của mạch , ta chọn Q1,Q2 làm việc ở chế độ AB.Vì mạch làm việc ở chế độ AB nên dòng tĩnh collector nằm trong khoảng 20 ÷ 50 mA Ở đây ta chọn:

Dạng tín hiệu trên R1, R2 là: i e1=i e 2=I L sin ωt.

Nếu chọn R1, R2 lớn thì tổn hao trên loa nhiều do đó phải chọn sao cho tín hiệu ra loa là lớn nhất Để tránh tổn thất tín hiệu ra loa ta thường chọn:

Để R3, R4 không ảnh hưởng đến dòng ra ở chế độ xoay chiều thì

R3, R4 phải thỏa mãn điều kiện: Z B 1 M (ac)≪R3, R4≪Z B 1 M (dc).

R3, R4≪Z B 1 M(dc): để rẽ dòng nhiệt.

R3, R4≫Z B 1 Mac: để giảm tổn thất tín hiệu.

Với Z B 1 Mac , Z B 1 Mdc : là điện trở xoay chiều và một chiều từ cực Base Q1

đến M.

Từ đặc tuyến vào của Q1(2 SD 718) ta có:

I BQ=0,89 mA ⇒V BEQ=0,6 V

I Bp=45,53 mA⇒ V BEp=0,85 V

Để tìm được Q3,Q4 ta tìm công suất tiêu tán lớn nhất của chúng Gọi I E 3

là biên độ dòng AC chạy qua Q3, ta có:

Để Q1,Q2 làm việc ở chế độ dòng tĩnh 50mA thì điện áp trên tiếp giáp

BE của các tổ hợp BJT ở chế độ tĩnh là 0,6V.

Ta có: V B 3 B 4 Q=V BE 3+V BE 1+V BE 2+V BE 4+V R 1 Q+V R 2 Q

V B 3 B 4 Q=0,6+0,6 +0,6+0,6+0,05.0,39+0,05.0,39=2,44 (V )

Để dòng tĩnh Q6ít thay đổi và tránh méo tín hiệu ta chọn:

I(CQ 6)=20 IB 3 p=20.0,84=16,8(mA) và dùng Diode để ổn định áp phân cực cho tầng lái.

Như vậy, ba diode D1, D2, D3 và VR7 đảm bảo cho Q1,Q3 và Q2,Q4 làm việc ở chế độ AB, tức là V B 3 B 4 Q=2,44 V ngay khi có tín hiệu vào.

Lợi dụng tính chất ghim áp của diode ( dòng qua diode tăng nhưng áp đặt lên diode hầu như không đổi Muốn được như vậy ta chọn sao cho điểm làm việc nằm trong đoạn tuyến tính nhất(đoạn thẳng))

Lúc này: VR7=V B 3 B 4 Q−3 VD

I CQ5

=2,44−3.0,716,8.1 0− 3 =20,3 (Ω)

2 Tính toán Q6 làm nguồn dòng

Q6 tạo dòng điện ổn định phân cực và ổn định điểm làm việc của cho hai cặp Dalington ở tầng khuyếch đại công suất Chính nội trở nguồn dòng ở chế độ xoay chiều lớn nên tăng hệ số khuyếch đại của tầng lái, phối hợp trở kháng với trở kháng vào lớn của 2 cặp Dalington làm nâng cao hiệu suất của mạch.

Chọn R10=4,7 KΩ.

Tính chọn VR6: VR6=V D 4+V D 5−V BE

I CQ/ Q 6 =

0,7+0,7−0,612.1 0−3 =66,6 (Ω)

Chọn V R 6=¿100 Ω / 66,6 Ω sau đó hiệu chỉnh lại.

Do Q5 hoạt động chế độ A, nên ta chọn điện áp VR5=0,7V

VR5= 0,712.10−3=58,3 (Ω)

Chọn VR5=100 (Ω)/58,3(Ω) sau đó hiệu chỉnh lại.

Do Q6 hoạt động chế độ A được dùng làm nguồn dòng nên công suất tiêu tán lớn nhất của nó là công suất tiêu tán tĩnh.

Điện áp DC trên tiếp giáp CE của Q6 là: