Thiết kế mạch khuếch đại âm tần

Phân tích yêu c u ầnYêu cầu hệ thống: Mạch có chức năng khuếch đại tín hiệu âm thanh đầu vào 1.1.. Yêu c u ch c năng ần ức năng  Khuếch đại tín hiệu âm thanh  Hạn chế tối đa sự ảnh hưở

TR ƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NG Đ I H C BÁCH KHOA HÀ N I ẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ỘI

VI N ĐI N T VI N THÔNG ỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Ử VIỄN THÔNG ỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI T P L N ẬP LỚN ỚN

ĐI N T T ỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Ử VIỄN THÔNG ƯƠNG TỰ I NG T I Ự I

Đ TÀI: Ề TÀI:

Thi t k m ch khu ch đ i âm t n ết kế mạch khuếch đại âm tần ết kế mạch khuếch đại âm tần ạch khuếch đại âm tần ết kế mạch khuếch đại âm tần ạch khuếch đại âm tần ần

Gi ng viên h ảng viên hướng dẫn: ướng dẫn: ng d n: ẫn: Nguy n Quang Anh ễn Quang Anh

Nhóm th c hi n: ực hiện: ện:

Ngô Th Quân ế Quân 20172768

Bùi Vân Anh 20172412

Đ Tr ỗ Trường Giang ường Giang ng Giang 20172524

Vũ Th Minh Ph ị Minh Phương ương ng 20172757

Chu Minh Ph ượng ng 20170032

Hà N i, 12/2019 ội, 12/2019

M c l c ục lục ục lục

1 Phân tích yêu cầu 2

1.1 Yêu cầu chức năng 2

1.2 Yêu cầu phi chức năng 2

2 Thiết kế sơ đồ khối 3

3 Tính toán khối khuếch đại âm tần 4

3.1 Tầng 1 – Tầng khuếch đại điện áp 4

3.2 Tầng 2 – Tầng khuếch đại dòng điện 6

3.3 Tầng 3: Mạch Darlington 9

3.4 Tầng 4: Khuếch đại công suất 12

4 Thiết kế mạch 13

1 Phân tích yêu c u ần

Yêu cầu hệ thống: Mạch có chức năng khuếch đại tín hiệu âm thanh đầu vào

1.1 Yêu c u ch c năng ần ức năng

 Khuếch đại tín hiệu âm thanh

 Hạn chế tối đa sự ảnh hưởng của méo, nhiễu tín hiệu

1.2 Yêu c u phi ch c năng ần ức năng

 Áp dụng được cho nhiều hệ thống âm thanh

 Đơn giản, gọn nhẹ và dễ sử dụng

 Đảm bảo độ bền cao

 Sử dụng nguồn vào 9V

 Công suất ra 2W

 Tín hiệu vào 50 - 100mV

 Trở tải 8 Ω

2 Thi t k s đ kh i ết kế mạch khuếch đại âm tần ết kế mạch khuếch đại âm tần ơ đồ khối ồ khối ối

Hình 2-1 Sơ đồ khối mạch khuếch đại âm tần

 Khối nguồn

o Sử dụng nguồn điện 1 chiều 9V theo yêu cầu

o Mạch thực tế sử dụng 1 viên pin 9V

 Khối Tín hiệu vào

o Âm thanh từ điện thoại hoặc máy tính

o Tín hiệu được đưa vào mạch thông qua jack âm thanh 3.5mm

 Khối Tín hiệu ra

o Loa 8 Ω

 Khối Khuếch đại âm tần bao gồm

o Khối khuếch đại điện áp

o Khối khuếch đại dòng điện

o Mạch Dalington

o Khối khuếch đại công suất

3 Tính toán kh i khu ch đ i âm t n ối ết kế mạch khuếch đại âm tần ạch khuếch đại âm tần ần

3.1 T ng 1 – T ng khu ch đ i đi n áp ần ần ết kế mạch khuếch đại âm tần ạch khuếch đại âm tần ện áp

Yêu cầu: Ưu tiên trở kháng vào lớn

 Chế độ 1 chiều:

E c=I c R3+U CE+I E R4

¿U CE+I C(R3+R4)

E c=I B R1+U BE+I E R4

¿I B R1+U BE+β I B R4

⟹ U CE=E c−I c(R3+R4)

⟹ I B=E C−U BE

R1+β R4

⟹ I E ≈ I c=E c−U BE

R4+R1

β

U BE ≈ 0.65 V , E c−U BE ≫ 26 mV

I c0 ≪ R1⇒ βr e ≪ β R4

 Đường tải tĩnh

 Sơ đồ tương đương xoay chiều

∎ Z v=R1/¿Z v1

Z v1=βr e+( β+1) R4=β R4 (do βr e ≪ β R4)

U v=I B β r e+I E R4

Z v=R1⋅ z v1

R1+z v1=

R1β(R4)

R1+β(R4) với β ≫ 1 càng lớn càng tốt

R1+

1

β R4 càng nhỏ càng tốt

∎ Z r=R3

I B=U v

Z v1

U r=¿ −I r R3=−β I B R3

⟹ k u=U r

U v=

−β I B R3

I B Z v1 =

βr e+(β +1)R4≈−β R3/β R4=−R3/R4

|k u|>1⇒ R4nhỏ ⇒ R1rất lớn so với R3

Tuy nhiên nếu R1quá lớn thì Z v=R1/¿Z v1⇒ Z v ≈ Z v1=β R4nhỏ

Chọn k u=4−5 lần,R3=1 k Ω⇒ R4≈ 200−250(Ω)

3.2 T ng 2 – T ng khu ch đ i đi n áp ần ần ết kế mạch khuếch đại âm tần ạch khuếch đại âm tần ện áp

Yêu cầu: Hệ số khuếch đại lớn

 Chế độ 1 chiều

Coi r0≫ R C (r0>10 RC¿nên bỏ qua không xét r0

Ta có R5, R6được mắc song song Chọn R5≫ R6

⟹ R B ≈ R6

Ta có:

E c=I c R7+U CE+I E R8

U X=U BE+I E R8

R5+R6⋅ E c

⟹ I E ≈ I c=

R6

R5+R6⋅ E c−U BE

R8

⟹ I c R8= R6

R5+R6

⋅ E c−U BE

U BE ≈ 0.65 V , R6

R5+R6⋅ E c−U BE ≫ 26 mV

⟹ r e=26 mV

I c0 ≪ R B ⇒ βr e ≪ β R8

 Đường tải tĩnh:

 Chế độ xoay chiều

Chứng minh tương tự tầng 1 ta có:

Z v=R5‖R6‖Z v1

Z v1=β R8(do βr e ≪ β R8¿

⟹ Z v= R5R6

R5+R6

β R8≈ β R8R6

Gọi R i là điện trở tương đương nối giữa cực B và GND, tức là thay thế transitor và R E Khi bỏ đi R8, I B=E C−U BE

R B

R i=( β+1) R8

Nếu R i ≫ R6thì I B ≪ I2 và I1≈ I2 (dòng ưu tiên đi đến điện trở bé hơn)

( β +1) R8≫ R6

β R8≫ R6

Chọn β R8>10 R6 => R6<25 R8

k u=Ur

−I C R7

I B ⋅ z v1

=−β I B R7

I B ⋅ z v1

R8

|k u|lớn nênR R7

8lớn

Để transitor hoạt động ở chế độ khuếch đại tốt thì điểm làm việc tĩnh nằm chính giữa đường tải tĩnh thì:

{ I c ≈ I c max

2

U CE ≈ E c

Chọn R8=1.5 k Ω ⇒ R6<25 R8=37.5 k Ω

I c=E c−U CE

R8+R7

I c max= E c

R8+R7

2¿ ¿

Ta có tầng 3 và tầng 4 không khuếch đại điện áp

Với P=2 W, R t=8 Ω ⇒Ur ≈ 4 V

Chọn k u ≈ 10

Sau 2 tầng hệ số khuếch đại là k u (tp )=10.4=40(lần)

R7≈ 15 k Ω

R5

R6≈ 7.5 Ω

Thay các giá trị điện trở tương ứng ta có:

3.3 T ng 3 - M ch Darlington (T ng khu ch đ i dòng đi n) ần ạch khuếch đại âm tần ần ết kế mạch khuếch đại âm tần ạch khuếch đại âm tần ện áp

Tầng này gồm 2 tranzito Q4 và Q5 mắc darlington với nhau Ta có thể coi 2 con BJT này

là một con BJT mới với 𝛽 =2502

 Chế độ 1 chiều

E C=U B E1+U B E2+I E2⋅ R11+I B1⋅ R2

I B1=E C−u B E1−U B E2

R2+β R11

Ta có I E1=I B2

I E2=β2I B2=β2I E1=β1β2I B1=¿ 𝛽I B1

 Sơ đồ tương đương xoay chiều:

Hình 3- 3 Sơ đồ tương đương xoay chiều

⇓

Ta có I r=I B2+β2I B2=(β2+1)I B2

Và I B2=I B1+β1I B1=(β1+1)I B1

⟹ I r=(β2+1) (β1+1)I B

1

Mà I B1= R2

R2+z v I v

Chứng minh tương tự 2 tầng đầu ta có Z v=¿ 𝛽R11

k i=I r

I v=

(β2+1) (β1+1)R2

β R11+R2

Cố định R11=1 k Ω, điều chỉnh R2 ta được R2=¿ 510kΩ thì dạng tín hiệu ra trên oxilo

không bị cắt

k i=505

Mạch Darlington không khuếch đại điện áp

3.4 T ng 4: Khu ch đ i công su t ần ết kế mạch khuếch đại âm tần ạch khuếch đại âm tần ất

 Khối công suất đẩy kéo, dùng transistor Q5, Q3 làm việc ở chế độ AB Đây là cặp Transistor nghịch khuếch đại cả 2 chu kì của tín hiệu

o Điện trở R14 hạn dòng từ tầng 3

o Ở nửa chu kì dương, Q5 phân cực thuận, Q3 phân cực ngược

o Ở nửa chu kì âm, Q5 phân cực ngược, Q3 phân cực thuận

 Giữa 2 chu kì có 1 vùng bị cắt, gọi là méo xuyên tâm.

 Cố định 2 điện trở R9 và R15, thay đổi R10 và R12 sao cho tín hiệu trên oxilo giảm méo xuyên tâm

 Tầng khuếch đại công suất không khuếch đại điện áp

4 Thi t k m ch ết kế mạch khuếch đại âm tần ết kế mạch khuếch đại âm tần ạch khuếch đại âm tần

Hình 4- 2 Mạch mô phỏng trong Proteus

Hình 4-3 Mạch thiết kế trong Altium

Hình 4- 4 Mạch 3D trong Altium

Hình 4- 5 Mạch in sau khi hoàn thành