BÁO cáo đồ án kỹ THUẬT MẠCH điện tử đề tài MẠCH KHUẾCH đại CÔNG SUẤT OCL NGÕ vào đơn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT OCL NGÕ VÀO ĐƠN GVHD : Tăng Anh Tuấn Sinh viên thực : Nguyễn Thanh Sơn 106180170 Đoàn Minh Tuệ 106180182 Võ Bá Nguyên 106180160 Lớp : 18DT3 Nhóm HP : 18N39 Đà Nẵng, 2021 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU PHẦN I: LÝ THUYẾT CHƯƠNG KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ 1.1 Khuếch đại âm tần ? .6 1.2 Mạch phân cực .6 1.2.1 Mạch phân cực cố định 1.2.2 Mạch phân cực cầu phân áp 1.2.3 Mạch phân cực hồi tiếp Emittor 1.2.4 Mạch phân cực hồi tiếp Collector 1.3 Các cách mắc BJT 1.3.1 Mạch khuếch đại mắc E chung .9 1.3.2 Mạch khuếch đại mắc B chung .10 1.3.3 Mạch khuếch đại mắc C chung .11 1.4 Kết luận 12 KẾT LUẬN CHƯƠNG 12 CHƯƠNG 2: KHUẾCH ĐẠI HỒI TIẾP .12 2.1 Định nghĩa mạch khuếch đại hồi tiếp 13 2.2 Hồi tiếp âm 14 2.2.1 Các phương trình mạng cực hồi tiếp âm 14 2.2.2 Ảnh hưởng hồi tiếp âm đến tính chất khuếch đại 15 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn KẾT LUẬN CHƯƠNG 16 CHƯƠNG 3: CÁC CHẾ ĐỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT 17 3.1 Giới thiệu chung 17 3.2 Các tham số tầng khuếch đại công suất 17 3.3 Chế độ làm việc điểm làm việc cho tầng khuếch đại công suất .17 3.3.1 Chế độ A .18 3.3.2 Chế độ B .19 3.3.3 Chế độ AB 21 3.4 Mạch khuếch đại công suất OCL 22 3.4.1 Giới thiệu mạch OCL 22 3.4.2 Ưu điểm nhược điểm mạch 22 CHƯƠNG 4: CÁC MẠCH PHỤ TRỢ 23 4.1 Giới thiệu chung 23 4.2 Mạch khuếch đại Darlington 23 4.3 Nguồn dòng 24 4.4 Mạch bù trở kháng Zobell 25 PHẦN II: THIẾT KẾ & TÍNH TỐN 26 YÊU CẦU 26 SƠ ĐỒ THIẾT KẾ 26 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN PHẦN NGUỒN 27 CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN TẦNG CƠNG SUẤT 28 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn 6.1 Tính chọn trở R1, R2 28 6.2 Tính chọn cặp Q1, Q2 29 6.3 Tính chọn R3, R4 31 6.4 Tính chọn cặp Q3, Q4 32 CHƯƠNG 7: TÍNH TỐN TẦNG THÚC 35 7.1 Tính chọn D1, D2 R5 35 7.2 Tính chọn VR1 Q5 36 7.3 Tính chọn D3, D4, D5, VR2 37 7.4 Tính chọn R6, R7 Q6 38 7.5 Tính chọn tụ C1 C6 39 7.5.1 Tụ C1 39 7.5.2 Tụ C6 39 CHƯƠNG 8: TÍNH TỐN TẦNG ĐẦU VÀO ĐƠN 40 8.1 Tính chọn R8 .40 8.2 Tính chọn R10 .40 8.3 Tính chọn R9 .41 8.4 Tính chọn Q7 .41 8.5 Tính chọn R11, R12, R13, R14 42 8.6 Tính chọn tụ C2, C3, C4 C5 43 8.6.1 Tụ C2 43 8.6.2 Tụ C3, C4 .43 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn 8.6.3 Tụ C5 43 CHƯƠNG 9: TÍNH TỐN CÁC MẠCH PHỤ TRỢ 44 9.1 Tính tốn mạch bảo vệ 44 9.1.1 Tính chọn Q8, Q9 44 9.1.2 Tính R16, R17, R18, R19 .45 9.2 Tính tốn mạch lọc Zobell 45 CHƯƠNG 10: HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI CỦA MẠCH & MÉO PHI TUYẾN 47 10.1 Hệ số khuếch đại mạch 47 10.2 Tính chọn VR3 49 10.3 Kiểm tra méo phi tuyến 50 PHẦN III: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 52 Giá trị linh kiện sau tính toán 52 Sơ đồ sau tính tốn hồn chỉnh 53 Kết mô điện áp .54 Kết mơ dịng điện 55 Kết mô tín hiệu SINE tần số 1KHz 55 Kiểm tra khả đáp ứng băng thông mạch 56 Ảnh PCB - 3D mạch thiết kế Altium Designer 56 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn LỜI MỞ ĐẦU Là sinh viên năm 3, đồ án nên nhóm em khơng tránh khỏi khó khăn tiếp cận lí thuyết thực tế, nhờ hướng dẫn nhiệt tình thầy Tăng Anh Tuấn, tinh thần đam mê học hỏi háo hức nhận đồ án nhiều giúp đỡ bạn bè tài liệu tham khảo, chúng em hoàn thành đồ án cách tốt Mặc dù khơng tránh khỏi sai sót hạn chế định tính tốn thi cơng mạch Vì nhóm mong nhận góp ý, giúp đỡ thầy để có kinh nghiệm sau Cuối em xin chân thành cảm ơn thầy Tăng Anh Tuấn hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho chúng em hồn thành đồ án ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn PHẦN I: LÝ THUYẾT CHƯƠNG KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ Trong chương này, ta khảo sát chủ yếu BJT NPN kết phương pháp phân tích với BJT PNP, cần ý đến chiều dịng điện cực tính nguồn điện chiều 1.1 Khuếch đại âm tần ? - Định nghĩa: Mạch khuếch đại âm tần mạch hoạt động với tín hiệu hình sin khơng sin, có dải tần nằm khoảng tai người nghe Thơng thường, tai người có sức khoẻ tốt nghe âm từ 20Hz đến 20KHz - Ta sử dụng mạch khuếch đại âm tần nhiệm vụ khuếch đại điện áp cơng suất dạng tín hiệu xoay chiều dải tần số âm Mạch khuếch đại âm tần khuếch đại tín hiệu có tần số 20Hz đến 20KHz dải tần số nghe âm nên mạch khuếch đại âm tần lựa chọn để khuếch đại tín hiệu âm - Mạch khuếch đại công suất âm tần dùng để tạo lượng công suất để cung cấp cho tải (tải thường loa chúng địi hỏi lượng cơng suất lớn để biến đổi tín hiệu điện thành sóng âm) Mạch khuếch đại cơng suất âm tần thường sử dụng máy: radio, máy thu hình, máy nghe băng, máy tăng âm, hệ thống stereo, loa phát thanh,… 1.2 Mạch phân cực 1.2.1 Mạch phân cực cố định - Sơ đồ mạch ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn  Giả sử BJT hoạt động vùng tích cực (khuếch đại)  Áp dụng KVL mạch ngõ vào: V CC −I B R B −V BE=0  I B=       V CC −V BE RB Với Vbe = 0,7V loại Silic, Vbe = 0,3V loại Ge Do đó, dịng I B phụ thuộc vào giá trị điện áp điện trở RB Trong vùng khuếch đại Ic = β Ib Phương trình đường tải tĩnh Vce = Vcc – Ic.Rc Ưu điểm: Dòng lớn, dễ thiết kế Nhược điểm: Khi nhiệt độ thay đổi, đại lượng β, Vceo, Ib thay đổi dẫn đến điểm làm việc bị sai lệch Ứng dụng: Sử dụng tầng công suất lớn 1.2.2 Mạch phân cực cầu phân áp  Vbb=Vcc R2 R 1+ R  Rbb = R1//R2 Vbb−Vbe  Ib= Rbb+ ( β +1 ) ℜ  Ic = β Ib vùng khuếch đại  Vce = Vcc – (Rc + Re) Ic Vcc  Icsat= Rc+ ℜ ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn  Ưu điểm: Việc xác định điểm làm việc tĩnh Q phụ thuộc vào hệ số β  Nhược điểm: Thiết kế tính tốn phức tạp  Ứng dụng: Sử dụng phổ biến mạch khuếch đại, mạch công suất lớn, BJT hoạt động nhiệt độ cao 1.2.3 Mạch phân cực hồi tiếp Emittor Vcc−Vbe  Ib= Rb+ ( β +1 ) ℜ  Trong vùng khuếch đại Ic = β Ib  Phương trình đường tải tĩnh Vce = Vcc – (Rc + Re) Ic Vcc  Icsat= Rc+ ℜ  Ưu điểm: Có trở hồi tiếp cực E, tăng độ ổn định điểm làm việc tĩnh  Nhược điểm: Việc xác định điểm làm việc phụ thuộc nhiều vào β  Ứng dụng: Sử dụng tầng công suất ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn 1.2.4 Mạch phân cực hồi tiếp Collector Vcc−Vbe Rb+ β (Rc+ ℜ) Ic=β Ib vùng khuếch đại  Ib=   Vce = Vcc – (Rc + Re) Ic  Ưu điểm: Khả hồi tiếp tốt hồi tiếp cực Emitter, cải thiện độ ổn định BJT  Nhược điểm: Khó thiết kế tính tốn 1.3 Các cách mắc BJT 1.3.1 Mạch khuếch đại mắc E chung ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn 9.1.2 Tính R16, R17, R18, R19 Chọn βQ8 = 150 Dòng tĩnh cực B Q8: I BQ /Q = I CQ/ Q mA = =6,67 μA βQ8 150 Dòng qua R16, R17 : I R 16 ≫ I BQ /Q 8=¿ I R 16=15 I BQ /Q =0,1 m A Khi mạch hoạt động bình thường Q8, Q9 tắt nên I R max =2,55 A ¿>V R max =I R max R 1=2,55.0,47=1,19 V R16 + R17= R 17= V R 1max 1,19 = =11,9 KΩ I R 16 0,1m A V BE/ Q 0,6 = =6 KΩ I R 16 0,1m A  Chọn R17= 5,1KΩ ¿> R 16=11,9−5,1=6,8 KΩ  Chọn R16= 6,8KΩ  Chọn : R17=R18= 5,1KΩ, R16=R19= 6,8KΩ 9.2 Tính tốn mạch lọc Zobell Ta có: Z L =( R 15+ )/¿( RL+ j ω L) j ωC (¿ R 15+ j ω1C ).(RL+ j ω L) = R 15 RL+ R 15 j ω L+ j RLω C + CL R 15+ + RL+ jω L j ωC R 15+ + RL+ j ω L j ωC Để không phụ thuộc vào tần số Z L =RL 48 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn ¿> R 15 RL+ R 15 j ω L+ ¿> { RL L RL + =R15 RL+ + RL 2+ j ω L RL jω C C j ωC L =RL2 C R 15 j ω L= j ω L RL=¿ R 15=R L =8 Ω Vì L loa thường nhỏ ≈ 0,1 μH ¿>CX = L 0,1 10−6 = =1,6 nF 64 RL  Chọn CX= 10 nF, R15 = 8,2 Ω CHƯƠNG 10: HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI CỦA MẠCH & MÉO PHI TUYẾN 49 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn 10.1 Hệ số khuếch đại mạch Sử dụng công thức sau: gm =40 I C β o=β F (1+ V CE ) VA r π= βo gm ro = V A +V CE IC Sau tính tốn, ta có bảng thơng số BJT tín hiệu nhỏ, hoạt động chế độ DC V CE (V ) IC (mA) gm (S) βF βO r π (kΩ) r O (kΩ) Q1 – Q2 24 50 55 81,4 0,0407 1,48 Q3 – Q4 24 3,72 0,1488 75 111 0,746 19,9 Q5 21,9765 7,2 0,288 150 216 0,75 9,99 Q6 20,2 7,2 0,288 150 210,6 0,731 9,75 Q7 12 0,48 0,0192 200 248 12,92 129,2 Phân tích mạch chế độ AC 50 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn Sơ đồ tương đương cho chế độ AC Hệ số khuếch đại vịng hở mạch tính công thức: A v =A vt A vt Avt Ta có: Req 1=( β o +1 ) ¿ = (111 + 1).[220//(0,0407.103 +0,47 ¿+ ¿.8 ¿) = 77473 Ω *Tính hệ số khuếch đại tầng thúc A vt 51 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn A vt 2= v c6 vb v c6 =−gm v b [ ( r o + R ) /¿ r o /¿ R eq1 ]  A vt 2=−g m [ ( r o + R6 ) /¿ r o /¿ R eq1 ] ¿−0,288 =−1342 1 + + 9,75.103 +100 9,99.10 77473 *Tính hệ số khuếch đại tầng đầu vào A vt A vt 1= v c7 v b7 v c7 =−gm v b ¿  A vt 1=−g m ¿)] = -0,0192.[129,2.103 /¿ ¿)] = -346 Do tầng công suất mắc theo kiểu C chung, khuếch đại dòng, nên A vt 3=1 Vậy ta có hệ số khuếch đại vịng hở mạch:  A v =A vt A vt Avt 3=(−346) (−1342).1 = 464332 10.2 Tính chọn VR3 Hệ số khuếch đại có hồi tiếp: A vht= VR VR = (¿) VR 3+ R VR 3+6800 Hệ số khuếch đại mạch: 52 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn ' A v= V Lhd VL Av 20 = = = =18,25 1+ Av A vht V ¿ √ V ¿ √2 0,775  A vht=0,055 Thay A vht=0,055 vào (*)  VR3 = 395 Ω Vậy chọn biến trở VR3 = 1KΩ sau tinh chỉnh lại 10.3 Kiểm tra méo phi tuyến Giả sử tín hiệu vào hình sin Vin = 0,775V Lúc điện áp đặt lên tiếp giáp BE Q1: V BE ( t )=V BE Q +V BEm sinωt Có V BE Q = 0,6 V V BEm =V BE p−V BE 1Q =0,83−0,6=0,23V Gọi I C dòng rò Q1, Q2 : I C =I C e Khai triễn y=e y=1+ V BEm sinωt VT V BE 1Q VT e V BEm sinωt VT theo chuỗI Taylor: V BEm V BEm sinωt + sin2 ωt +… VT VT ( ) Méo phi tuyến chủ yếu hài bậc cao gây Loại hài bậc cao biến đổi sin2 ωt= y=1+ 1−cos 2ωt ta được: 2 V BEm V BEm V BEm + sinωt − cos ωt VT VT VT ( ) n Theo định nghĩa méo phi tuyến: γ= √∑ I 2ℑ i=2 I 1m 53 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn Trong : { I m :thành phần dòng I ℑ :biên độ hài Loại bỏ hài bậc cao ta được: V BEm2 I VT V BEm γ = 2m = = I 1m V BEm VT VT Khi chưa có hồi tiếp: γ = V BEm 0,23 = =2,3 VT 4.0,025 γ ' Khi có hồi tiếp: γ = 1+ gm R g ( L) g: độ sâu hồi tiếp: g= ( 1+ A v A vht ) = gm hỗ dẫn : gm = γ '= βQ1 r be/Q = A v 464332 = =25442 A ' v 18,25 I E Q 50 = =2 VT 25 γ 2,3 = =0,0005 %< 0,25% (1+ gm R L ) g ( 1+2.8 ) 25442  Đáp ứng yêu cầu đề 54 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn PHẦN III: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Giá trị linh kiện sau tính tốn Q1 D718 Q2 B688 Q3 TIP41 Q4 TIP42 Q5 A1013 Q6 C2383 Q7 A1013 Q8 C1815 Q9 A1015 R1, R2 0,47 Ω/5W R3, R4 220 Ω/2W R16, R19 6,8 KΩ R17, R18 5,1 KΩ VR1 200 Ω VR2 100 Ω VR3 1KΩ R5 2,2 KΩ/2W R6 100 Ω R7 150 Ω R8 6,8 KΩ R9 15 KΩ R10 8,2 KΩ R11 330 KΩ R12 820 KΩ R13 510 KΩ R14 330 KΩ 55 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn R15 D1,D2,D3,D4,D5 8,2 Ω 1N4007 C1 330 μF /50 V C2 220 μF /50V C3,C4 μF /50 V C5 0,47 μF /50 V C6 100pF 10nF CX Sơ đồ sau tính tốn hồn chỉnh 56 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn Kết mô điện áp 57 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn Kết mô dịng điện Kết mơ tín hiệu SINE tần số 1KHz 58 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn Kiểm tra khả đáp ứng băng thông mạch Băng thông đề cho: 0,04 – 18Khz Quan sát đồ thị ta thấy thấy tần số cắt mức khoảng 35Hz, tần số cắt khoảng 18KHz Nên băng thông mạch 35Hz – 18KHz Như thấy mạch thiết kế hoạt động tốt khoảng băng thông đề yêu cầu 0,04 – 18KHz Ảnh PCB - 3D mạch thiết kế Altium Designer 59 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN  Những kết đạt + Kết Qua hai tháng miệt mài làm việc, với hướng dẫn tận tình Thầy Tăng Anh Tuấn thầy cô, anh chị khoa Điện Tử-Viễn Thông, nhóm chúng em đạt kết sau: - Thiết kế chế tạo mạch khuếch đại cơng suất âm tần OCL-25W có khả sử dụng rộng rãi - Đạt mục tiêu yêu cầu ban đầu -Vận dụng nhiều kiến thức khuếch đại cơng suất q trình thi cơng - Tìm hiểu nhiều mẫu sử dụng sau - Khả tìm tài liệu mạng - Khả làm việc theo nhóm  Thuận lợi & khó khăn Thuận lợi: - Nhờ trang thiết bị nhà trường, tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm q trình tìm kiếm tài liệu mạng, q trình thiết kế thi cơng - Được hướng dẫn tận tình Thầy Tăng Anh Tuấn thầy cô khoa Điện TửViễn Thông suốt thời gian qua Khó khăn: - Thời gian thực đề tài có giới hạn - Nhóm gặp nhiều khó khăn việc tìm tài liệu (khả sử dụng tiếng Anh nhóm cịn hạn chế với tài liệu nước ngoài) - Mất nhiều thời gian trình thiết kế phải lựa chọn nhiều phương án nhằm đáp ứng yêu cầu đề ban đầu Tuy nhiên nhiều chỗ chưa ý muốn - Ảnh hưởng dịch COVID  Hướng phát triển: Chúng em cố gắng chỉnh sửa sai sót cịn tồn đọng để sau thực đồ án khác tốt 60 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Minh Hà – Kỹ thuật mạch điện tử - Nhà xuất khoa học kỹ thuật – Năm xuất 2002 [2] Microelectronic circuit design 4th edition: Richard D Jaeger and Travis N Blalock [3] Nguyễn Văn Tuấn – Giáo trình kỹ thuật mạch điện tử [4] https://www.alldatasheet.com 61 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn 62 ...   Công suất 25 W Kiểu ngõ vào đơn Kiểu mạch OCL Trở kháng vào 300 KΩ Tải loa Ω Méo phi tuyến 0.25 % Băng thông 0.04 – 18KHz Điện áp vào 0,775V SƠ ĐỒ THIẾT KẾ 28 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD:... hợp lý 3.2 Các tham số tầng khuếch đại công suất - Hệ số khuếch đại công suất Kp= Pr Pv - Hiệu suất ŋ= Pr Po với Po công suất cung cấp chiều 17 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn 3.3... tầng công suất 1.4 Kết luận - Tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ giúp khuếch đại dịng điện điện áp tạo tiền đề để chuyển qua tầng thúc 12 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬGVHD: Tăng Anh Tuấn - Mạch C chung khuếch