MỞ ĐẦU Sự ra đời của Transistor vào năm 1948 đã mở ra một thời kì mới cho nghành kĩ thuật điện tử. Kể từ đó đến nay kĩ thuật điện tử đã phát triển một cách nhanh chóng, đem lại những lợi ích to lớn cho đời sống xã hội. Những sản phẩm của kĩ thuật điện tử có mặt hầu hết trong các hoạt động của con người. Trong những năm gần đây nước ta đã có những tiến bộ vượt bậc trong việc chế tạo các thiết bị điện tử. Sản phẩm điện tử của Việt Nam đã tạo được niềm tin của khách hàng trong nước cũng như các nước trên thế giới. Việt Nam đã chú trọng đầu tư cho việc nghiên cứu nhằm tạo ra những sản phẩm có chất lượng, đáp ứng được những nhu cầu của con người. Việc học tập nghiên cứu trong các trường đại học, cao đẳng cũng không nằm ngoài mục đích đó. Chúng ta đã biết được một trong những ứng dụng quan trọng của Transistor là để khuếch đại tín hiệu. Nghĩa là dùng Transistor để thiết kế các tầng khuếch đại nhằm biến đổi năng lượng của nguồn tín hiệu một chiều thành năng lượng của tín hiệu xoay chiều. Đề tài “Thiết kế mạch khuếch đại âm thanh dùng transistor lưỡng cực ” mà chúng em chọn làm dưới đây là một trong những ứng dụng phổ biến của nó. Sau một thời gian học tập và tìm hiểu cùng với sự giảng dạy của các thầy cô giáo, cùng với sự dẫn dắt nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn – thầy giáo Nguyễn Anh Quỳnh chúng em đã có thể hoàn thành đồ án này.Do kiến thức và trình độ năng lực hạn hẹp nên việc thực hiện đề tài này không thể tránh được thiếu sót, kính mong nhận được sự thông cảm và góp ý của thầy giáo, cô giáo và các bạn để đồ án này hoàn chỉnh hơn. Em xin chân thành cảm ơn! 1 PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT I.1. Cấu tạo của transistor lưỡng cực(BJT) BJT là một tổ hợp gồm 2 chuyển tiếp PN đặt cách nhau một khoảng W nhỏ hơn nhiều so với chiều dài khuyếch tán (L) của các hạt dẫn. Transistor có 3 cực: - cực phát(Emitor): miền pha tạp chất nhiều nhất, phát ra điện tích để tạo ra dòng điện cho transistor. - Cực góp(colector): miền pha tạp chất với nồng độ ít, thu góp điện tích từ emitor tới. - Cực gốc(Bazor): miền pha tạp chất ít, chiều dày rất mỏng, điều khiển số điện tích từ E→C, điều khiển dòng điện trong transistor. I.2. Một số vấn đề về mạch khuyếch đại I.2.1.Khái niệm: Khuếch đại là quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển.Năng lượng của nguồn cung cấp một chiều được biến đổi thành năng lượng xoay chiều. 2 nguồn một chiều (E c ) U Vào Ra Hình 1. Sơ đồ mạch khuếch đại. I.2.2.Các chỉ tiêu và tham số cơ bản của một tầng khuếch đại. A. Hệ số khuếch đại - Định nghĩa: Hệ số khuếch đại có giá trị là thương của đại lượng đầu ra với đại lượng tương ứng đầu vào. - Ký hiệu: K (Nếu lấy theo điện áp ta có K u , nếu lấy theo dòng điện ta có K i , nếu lấy theo công suất ta có K p → K p =K u .K i ) - Bản chất K là một đại lượng phức thường ký hiệu là . K =K.exp( ϕ k ) với ϕ k là độ lệch pha. Nếu K tính bằng db thì K=20lgK - Khi có nhiều tầng khuếch đại ghép nối lại với nhau Khi đó K=K 1. K 2 .K n Nếu tính theo db: K =K 1 +K 2 +…+K n . B. Thông số trở kháng vào: Z i = v i /i i Với Z là đại lượng phức Z=R+jK. Trong đó: R là điện trở thuần X là điện kháng K 1 K 2 K n 3 Mạch điều khiển C. Trở kháng ra: Z 0 =v 0 /i 0. D. Đặc tuyến biên độ tần số và đặc tuyến pha tần số - Đặc tuyến biên độ-tần số là đường cong mô tả sự phụ thuộc của K theo tần số tín hiệu vào . -Đặc tuyến pha tần số là đường cong mô tả sự phụ thuộc của độ lệch pha theo tín hiệu vào. E. Méo phi tuyến: -Định nghĩa: Méo phi tuyến là do các phần tử phi tuyến trong mạch gây nên như điốt, Transistor. -Biểu hiện: n ω ω Hình 2.Sơ đồ biểu hiện méo phi tuyến. Trong đó n=1,2… Tín hiệu vào chỉ có thành phần tần số ω , tín hiệu ra có các thành phần tần số n ω còn các hài khác là 1 phần nhỏ. - Hệ số méo phi tuyến : γ = mUr rnmUmrUrnmU 1 2 .322 +++ .100 0 o Trong đó biên độ U rnm là các giá trị cực đại của các thành phần tín hiệu n ω ở đầu ra. I.3. Một số mạch khuyếch đại cơ bản. Mạch khuyếch đại tín hiệu nhỏ dùng transistor. Có 3 cách mắc Transistor thông dụng là EC, CC, BC. Trong đó EC là cách mắc dễ dàng và đem lại hiệu quả cao. I.3.1.Mạch khuếch đại mắc theo kiểu EC. * Chế độ tĩnh. 4 KĐ Về nguyên tắc, việc cung cấp cho Transistor để xác định điểm công tác tĩnh phải đảm bảo sao cho nó luôn thoả mãn điều kiện cho phép.Muốn vậy phải đảm bảo những yêu cầu sau: • Điện thế colectơ phải dương hơn điện thế bazơ của Transistor npn và âm hơn điện thế bazơ của Transistor pnp từ một đến vài vôn. • Mặt ghép bazơ phải được phân cực thuận ( U BE =0.7V đối với bán dẫn làm bán dẫn làm bằng silic và U BE =0.3 V đối với bán dẫn làm bằng Ge ). • Dòng colectơ phải lớn hơn dòng điện dư colectơ-emitơ nhiều, có nghĩa 0IceIce > . • Phải đảm bảo các yêu cầu về dòng, áp, công suất, nhiệt độ. Hình 3.Mạch khuếch đại emitơ chung. U N , R N lần lượt là điện áp và điện trở trong nguồn tín hiệu. Chế độ tĩnh của 1 Transistor được xác định bởi 4 tham số I B , I C , U BE ,U CE . Trong đó thường cho biết trước 1 tham số.Ví dụ cho trước I C các tham số còn lại sẽ được xác định trong sự ràng buộc với sự ràng buộc với đặc tuyến vào ra của Transistor - Họ đặc tuyến vào B I = 1 f ( CE U , BE U ). - Họ đặc tuyến ra C I = 2 f ( CE U , B I ). 5 - Quan hệ ràng buộc được xác định bởi đường tải tĩnh I C =f 3 (U CE ). Nếu giả sử I C =I E thì 2 CC CE C C E C E U U I R R R R ≈ − + + Đường tải tĩnh có độ dốc : 1 C CE C E dI dU R R = − + a) b) Hình 4. Đặc tuyến và đường tải tĩnh của sơ đồ emiter chung. Hình a): Trường hợp Transistor có hệ số khuếch đại bé. Hình b): Trường hợp Transistor có hệ số khuếch đại lớn. Khi thay đổi giá trị R C +R E thì đường tải tĩnh quay xung quanh điểm P còn khi thay đổi điện áp cung cấp nguồn U CC thì đường tải tĩnh dịch trái hoặc dịch phải. Điểm làm việc phải nằm trên đường tải tĩnh, đó là giao điểm của đường tải tĩnh với đặc tuyến ra ứng với dòng vào I C0 và I B0 .Trong thực tế thường cho trước điện áp nguồn cung cấp, lúc đó việc chọn điểm làm việc và điện trở tuỳ thuộc vào các yếu tố sau: -Biên độ tín hiệu ra (dòng, áp, công suất). 6 -Hệ số khuếch đại. -Dải tần của tín hiệu vào -Tham số của mạng 4 cực. -Méo phi tuyến cho phép, điện trở vào và điện trở ra của mạch. -Tạp âm. -Tham số giới hạn I, U, P. Hình 5.Sự phụ thuộc của tần số vào dòng colectơ. * Chế độ động. Trong phạm vi đồ án nay em sử dụng Transistor mắc theo kiểu EC có phản hồi điện áp ở tầng khuếch đại công suất nên ở đây em chỉ trình bày sơ đồ EC có hồi tiếp âm điện áp. a) b) 7 c) Hình 6. Sơ đồ CE có hồi tiếp song song điện áp. Theo hình 6.c ta có: -Hệ số khuếch đại điện áp: ( ''// // ) ( // // ) B ce C C F ce r u be BE B be I R r R R R r U K r U I r β β − − = = = -Hệ số khuếch đại dòng điện: ( ) ( ''// // ) ( // // ) 1 // 1 / 1 C ce C C F ce i C C B ce C ce F I R r R R R r K R R I Rc r R r R β β β = = = =   + +  ÷   -Trở kháng vào: 1 10 1 1 // 1 U V be U K Z Z R r R K     = = + ≈    ÷ −     2 // 1 F V Bo be U R Z Z r K = = − -Trở kháng ra: 8 // '' // rh r ce ce F Cng U Z r R r R I = = ≈ -Hệ số khuếch đại điện áp toàn phần: 1 be BE utp u u be n Z U K K K R R U = = + Thông thường chọn ce r >> 1 F u R K− ⇒ ( ) 1 1 1 / 1 F be u F utp u u F u F u R r K R K K K R R K R K R − = = + − − I.3.2. Các chế độ hoạt động của mạch khuyếch đại công suất và nối tầng. * Mạch khuếch đại công suất loại A. Ở chế độ này, tín hiệu gần như tuyến tính.Góc cắt θ =T/2=180 0 .Nhược điểm của mạch loại này là hiệu suất của nó thấp, bé hơn 50% * Mạch khuếch đại công suất loại AB. Ở chế độ này tín hiệu ra bị méo nhưng hiệu suất của nó lớn. Góc cắt 90 0 < < θ 180 0 . * Mạch khuếch đại công suất loại B. Ứng với θ =90 0 . Điểm làm việc tĩnh được xác định tại U BE =0.Chỉ một nửa chu kì âm hoặc dương của điện áp được vào Transistor khuếch đại. Với mạch khuếch đại mà chúng em đang thiết kế thì sử dụng mạch loại AB và B. 9 Hình 7. Đặc tuyến truyền đạt của Transistor Với mục đích là để tạo ra hệ số khuếch đại lớn hơn. Có 3 cách ghép nối các tầng khuếch đại là: sơ đồ Darlington, ghép tầng bằng điện dung, ghép trực tiếp.Trong phạm vi đồ án này em sử dụng sơ đồ Darlington.Vì vậy em tập trung đi sâu vào cách ghép nối này. Hình 8.Sơ đồ Darlington Hai transistor được gọi là kết nối Darlington( hoặc tạo thành cặp Darlington) khi dòng Emitter của tầng đầu tiên chính là dòng base của dòng thứ 2. I B =(1- α )I E . I C1 = β 1 .I B1 . T1 C B E 10