Báo cáo bài tập lớn điện tử tương tự i đề tài mạch khếch đại âm thanh

MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH 9V TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ( □ )***** □ ***** BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Điện tử tương tự I ĐỀ TÀI MẠCH KHẾCH ĐẠI ÂM THANH Giảng viên hướng dẫn Nguyễn[.]

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

***** □ *****

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN:

Điện tử tương tự I

ĐỀ TÀI: MẠCH KHẾCH ĐẠI ÂM THANH

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Anh Quang

Mã lớp: 133356 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quốc Minh - 20193017

Phạm Đức Duy – 20192803

Hồ Đức Cường – 20192734 Nguyễn Lê Đăng – 20192744

Lê Đức Dương - 20192793

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

PHẦN I : Tổng quan đề tài 4

1 Giới thiệu đề tài: 4

1.1 Giới thiệu thành viên nhóm 4

1.2 Tên đề tài 4

1.3 Mục tiêu đề tài: 4

2 Phân tích đề tài: 4

2.1 Yêu cầu hệ thống: 4

2.2 Yêu cầu phi chức năng: 4

Phần II: Yêu cầu thiết kế và sơ đồ khối mạch khuếch đại âm thanh 5

1 Yêu cầu thiết kế 5

2 Sơ đồ khối mạch khuếch đại âm thanh 5

Phần III: Thiết kế mạch 6

1 Khối khuếch đại điện áp 6

2 Tầng tiền khuếch đại công suất 8

3 Tầng khuếch đại công suất 10

4 Tính toán đáp ứng tần số 12

5 Thông số toàn mạch 12

Phần IV: Mô phỏng trên phần mềm Proteus 13

1 Sơ đồ mạch 13

2 Kết quả mô phỏng 14

3 Mạch test board 14

Phần V: Kết luận 16

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1: Sơ đồ khối mạch 5

Hình 2: Tầng khuếch đại EC 6

Hình 3: Tầng tiền khuếch đại công suất 8

Hình 4: Tầng khuếch đại công suất… 10

Hình 5: Mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus… 13

Hình 6: Kết quả mô phỏng trên oscilloscope 14

Hình 7: Mạch test board… 15

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Giới thiệu thành viên nhóm 4

LỜI MỞ ĐẦU

Kinh tế ngày càng quốc tế hóa, xã hội cũng ngày càng phát triển Để đáp ứng nhu cầu bức thiết của cuộc sống và hội nhập tiến độ phát triển trên thế giới, các ngành khoa học kỹ thuật hiện nay ngày phải một nâng cao và phát triển về chất lượng và khả năng ứng dụng rộng rãi Trong đó ngành công nghệ kỹ thuật điện tử cũng đóng một vai trò quang trọng trong sinh hoạt cũng như trong sản xuất của thế giới Là một sinh viên đang còn ngồi trên ghế nhà trường,… chúng em đã được trao dồi những kiến thức chuyên môn của ngành học

Tuy được học và thực hành nhiều trên lớp nhưng đó chỉ một phần nào đó nhỏ bé so với những kiến thức ngoài thực tế ngày nay và sau này khi ra trường chúng em sẽ gặp phải Vì thế, chúng em rất muốn vận dụng nhũng kiến thức đã được học vào thực tiễn và học hỏi những gì còn thiếu Qua sự giúp đỡ của thầy giáo bộ môn, chúng em đã học hỏi được rất nhiều điều trong thực tế, cũng như tìm hiểu nhung vấn đề, tài liệu liên quan giúp ích cho việc hoàn thành bài tập lớn này Bản báo cáo này trình bày chi tiết về thiết kế của mạch khếch đại âm thanh với đề bài 5 :

Nguồn 9V, tải dùng loa 16 Ω , Av tối thiểu 15 lần, điện áp đầu ra tối thiểu 1,2V

PHẦN I : Tổng quan đề tài

1.1 Giới thiệu thành viên nhóm :

Bảng 1: Giới thiệu thành viên nhóm

1.2 Tên đề tài:

- Mạch khếch đại âm thanh

1.3 Mục tiêu đề tài:

- Thực hiện khuếch đại tín hiệu nhỏ từ đầu vào là âm thanh và phát ra loa

- Có kinh nghiệm thực nghiệm môn điện tử tương tự I

- Nắm vững kiến thức được học trên lớp

2 Phân tích đề tài:

2.1 Yêu cầu hệ thống:

- Mạch có chức năng khuếch đại tín hiệu âm thanh

- Mạch thiết kế đúng với thông số yêu cầu

- Có thể dễ dàng bảo trì

2.2 Yêu cầu phi chức năng:

- Khuếch đại tín hiệu âm thanh đầu vào phát ra tải là loa

- Áp dụng cho nhiều mạch âm thanh

- Đơn giản dễ làm, dễ sử dụng

- Chất lượng tốt, ổn định

Khối khuếch đại công suất Khối tiền khuếch đại công suất

Khối nguồn

Phần II: Yêu cầu thiết kế và sơ đồ khối mạch khuếch đại âm thanh

1 Yêu cầu thiết kế

- Nguồn cung cấp là nguồn 9V DC

- Tải là loa : 16Ω

- Hệ số khuếch đại tối thiểu 𝐴𝑉 = 15

- Điện áp ra tối thiểu : 1.2V

- Tín hiệu vào : Vin =100mV, f=1kHz

2 Sơ đồ khối mạch khuếch đại âm thanh

Hình 1: Sơ đồ khối mạch

Chức năng mỗi khối:

- Khối nguồn: cung cấp điện áp cho toàn hệ thống

- Tín hiệu vào audio lấy từ điện thoại hoặc laptop

- Khối khuếch đại điện áp: khuếch đại điện áp của tín hiệu đưa vào

- Khối tiền khếch đại công suất: khuếch đại dòng và đưa tín hiệu khuếch đại vào khối khuếch đại công suất

- Khối khuếch đại công suất: khuếch đại công suất để đưa tín hiệu ra tải (loa)

- Tín hiệu ra loa 16Ω

Khối khuếch đại điện áp

1 Khối khuếch đại điện áp

Phần III: Thiết kế mạch

 Mạch phân cực bằng phân áp và khuếch đại CE.

Hình 2: Tầng khuếch đại EC

- Chế độ 1 chiều : Chọn điểm làm việc Q(VCE= 4.5V, IC = 1mA) theo datasheet của IC 2N2222A thì hệ số khuếch đại dòng β= 160 , VBE= 0.65V , IE~IC=1 mA ( ở điều kiện

T =25° 𝐶)

V CC =I C(R4+R3)+V CE

⟺ R3+R4=V CC −V CE

I C = 9−4.5

10 −3 =4.5 kΩ

Chọn 𝑅3 = 4.4 𝑘Ω và 𝑅4 = 100 Ω

• Điều kiện phân cực của mạch phân áp : V CC

R1+R2>10 I B

Mà có I B=I C

β =6.25(μA)

⇒ R1, R2≤ V CC

10I B =144 kΩ

• V B=V CC ∗R2

R1+R2 =V BE +I C R4(2)

- Chế độ xoay chiều:

A V 1= −R3

1

g m + R4

≈−35

• Z¿ =(R¿¿1/ ¿R2)/ ¿(r π 1 +(1+β) R4),r π 1= β1

g m1= 160∗0.026

10 −3 =4.16 kΩ¿

⇒ Z¿ =7.13 kΩ

• Z out1 =R4=4.4 kΩ

Từ (1) và (2) ta có: { R1+R2=144 kΩ

V CC ∗R2

R1+ R2 =0.65+10 −3∗100=0.75 V

⇒ Giải hệ ta được {R1=132kΩ

R2=12 kΩ

Chọn các điện trở như đã giải được R1=132 kΩ, R2=12 kΩ, R3=4.4kΩ ,R4=1 00Ω

2 Tầng tiền khuếch đại công suất

Hình 3: Tầng tiền khuếch đại công suất

- Gồm 2 tranzitor 2N2222 (Q2) và TIP 41(Q3) mắc theo kiểu Darlington phần cực

fixed-base, và mắc kiểu CC

- Chế độ 1 chiều :

Chọn điểm làm việc theo datasheet của 2N2222A là Q(4.5V,1 mA) có β2= 160,

VBE = 0.65

Chọn điểm là việc theo datasheet của TIP41 là Q(4.5V,0.1A) có β = 50,

VBE= 0.7

⇒ Hệ số khuếch đại dòng của 2 tranzitor mắc theo Darlington là

β=β2∗β3=160∗50=8000 +) I E3 ≈ I C 3 =0.1 A ⇒ I B3=I C 3

β3 = 0.1

50=2mA +) Lại có I B3 =I E2 =2mA ⇒ I B2=I E2

β2 = 2∗10

−3

160 =12.5 (μ A)

Ta có V CC =I C 3 ∗R6+V CE 3

⇒ R6=V CC −V CE3

I C 3 = 9−4.50.1 =45Ω

Lại có V CC =I B2 R5+V BE2 +V BE3 +I R 3 ∗R6

⇒ R5=V CC −I E 3 ∗R6−V BE 2 −V BE3

I B2 =9−0.1∗45−0.65−0.7

0.0125∗10 −3 =252 kΩ

Chọn R5=252k Ω, R6=45Ω

Chế độ xoay chiều:

r π2=β2∗V T

I C 2 = 160∗0.026

0.001 =4.16 k Ω

r π3=β3∗V T

I C 2 =50∗0.0260.1 =13Ω

Z¿ =R5 / ¿(r π 2 +β2r π 3 + β2∗β3∗R6)≈ 150 k Ω

Z out 2 =R6/ ¿ ( 1g

m3+ 1β

3g m2 )=0.77 Ω

A V 2 ≈ 1⇒ Nhận xét : Tầng tiền khuếch đại có trở kháng vào tương đối lớn để lấy tín hiệu vào và trở kháng ra rất nhỏ để cho tín hiệu đi ra mà không bị suy giảm Hệ số khuếch đại Av ≈ 1 theo

lý thuyết của mạch khuếch đại CC

3 Tầng khuếch đại công suất

- Sử dụng 2 tranzitor công suất TIP41 và TIP42 khuếch đại ở chế độ AB mắc đẩy kéo

để cho hiệu xuất khuếch đại tốt và hạn chế nhiễu tín hiệu ở 2 nửa chu kỳ

Hình 4: Tầng khuếch đại công suất

 Q4 theo datasheet TIP 41 thì β4 =50 ( ở 25° C )

 Q5 theo datasheet TIP 42 thì β4 =50 ( ở 25° C)

- Chọn diode là 1N4007 để ngăn cách ảnh hưởng của tín hiệu ở chu kì âm

- Ở một chiều : Mạch được cung cấp bới một nguồn DC 9V, do 2 tranzitor TIP41 và TIP42 khuếch đại ở chế độ AB và các điện trở R7, R8 được mắc đối xứng nên có thể coi như mỗi tranzitor được cung cấp bới một nguồn 𝑉𝐶𝐶 = 4.5 𝑉

2

- R7, R8 là hai điện trở công suất giúp ổn định nhiệt, đồng thời ở mỗi nửa chu kỳ thì dòng qua tải cũng chính là dòng qua R8, R9 nên ta chọn R7, R8 << 𝑅𝑡ả𝑖 = 16 Ω ⇒

- Chọn điện áp thông của 2 diode D1 và D2 là UD = 0.7 V

- Ta phân cực cho Q4, Q5, sử dụng các điện trở phân cực tương ứng là R9, R10 ⇒ Chọn R9

, R10 = 470Ω

⇒ I1=I R 9 =I R10 =I D 1 =I D2=V CC R −2∗U D

1+R2 = 9−2∗0.72∗470 =8.1(mA)

I1≫I B (dòng cực base của các tranzitor) Giả sử I1≥ 10 I B

⇒ I B=I1

10=0.81 mA

⇒ I C =I B ∗β4=I B ∗β5 =0.38∗10 −3∗50=40.5(mA)

⇒ g m4=g m5=V I C

T=1.55 ¿]

- Do ta coi mỗi tranzitor TIP41 và TIP42 được cung cấp bởi một nguồn 4.5 V, làm việc

ở chế độ AB

⇒ Biên độ điện áp đỉnh trên tải tối đa V pLmax =4.5V

⇒ Công suất tối đa trên tải P Lmax=1

2( R L

Z out 3 +R L)2

(V2pLmax

R L )=1.23 W

Z out3 =R7/ ¿g1

m4

≈ 0.1Ω

Z¿ =R9/ ¿(r π 4 )=R10/ ¿r π5 =32.3[Ω],r π4 =r π5 β4

g m 4 =32.3Ω

- Hệ số khuếch đại A V 3 ≈ 1 do mắc kiểu CC

4 Tính toán đáp ứng tần số

Chọn các tụ điện nối tầng sao cho các tần số cắt dưới nằm dưới ngưỡng nghe tối thiểu của tai người vào khoảng 16 - 20 Hz

- Với tụ C1: f1= 1

2π Z¿ C1<20 Hz ,Z v 1 =7.13 k Ω

⇒ C1 > 1.1 µF

⇒ Chọn tụ C1 = 1000µF

⇒ 𝑓1 = 0.022 𝐻𝑧

- Với tụ C2 : 𝑓2

=

1 2𝜋(

𝑍 𝑖𝑛2 +𝑍 𝑜𝑢𝑡1 )𝐶 2

<20 Hz, 𝑍𝑖𝑛2 = 150 kΩ , 𝑍𝑜𝑢𝑡1 = 4.4 𝑘Ω

⇒ C2 > 0.05 µF

⇒ Chọn tụ C2 = 47µF

⇒ 𝑓2 = 0.022 𝐻𝑧

- Với tụ C3 và C4 : 𝑓3 = 𝑓4 =

2𝜋(𝑍

1 +

𝑍𝑜𝑢𝑡2

)

∗𝐶

3

< 20 𝐻𝑧 , Zout2= 0.77 Ω, Zin3 = 32.3 Ω

⇒ C3 = C4 > 240µF ⇒ Chọn tụ C3 = C4 = 470 µF

⇒ 𝑓3 = 𝑓4 = 10.23 𝐻𝑧

- Tụ C5 có vai trò như nguồn nuôi của khối công suất ở nửa chu kỳ âm

⇒ Chọn tụ C5 = 1000 µF

⇒ 𝑓5 = 19.6 𝐻𝑧

5 Thông số toàn mạch

-A V=

A V 1 ∗Z¿

Z out 1 +Z¿ ∗A V 2 ∗Z¿

Z¿ +Z out 2 ∗A V 3 ∗R L

R L +Z out 3 =33

(lần)

- Công suất ra trên tải P L= ¿¿

𝑖

1 Sơ đồ mạch

Phần IV: Mô phỏng trên phần mềm Proteus

Hình 5: Mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus

2 Kết quả mô phỏng

Hình 6: Kết quả mô phỏng trên oscilloscope

V out− p =3V ⇒ A V=30 có chênh lệch so với tính toán

⇒ Ta có công suất ra trên tải : P

L =(V¿¿rms)2

R L =(3.0

√2)2

16 =0.28(W )¿

3 Mạch test board

Hình 7: Mạch test board

Phần V: Kết luận

Điện tử tương tự là một môn học rất thú vị, nó là cơ sở, nhằm cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản nhất để phân tích, thiết kế các mạch điện trong hệ thống mạch điện tử Sau quá trình tự tìm hiểu và được sự hướng dẫn của thầy, nhóm chúng chúng em đã hoàn thành được sản phẩm thiết kế yêu cầu đề ra, mạch thiết kế của chúng chúng em đạt các yêu cầu tối thiểu về hệ số khếch đại điện áp và điện áp ra, tín hiệu ra loa rõ ràng không bị méo Tuy nhiên

do hạn chế về kiến thức, thời gian và kỹ năng, mạch làm thủ công nên chắc chắn vẫn còn nhiều sai sót, chúng em mong thầy chúng em báo cáo, nhận xét và góp ý để chúng chúng em hoàn thiện sản phẩm của mình hơn

Một lần nữa chúng chúng em xin cảm ơn thầy Nguyễn Anh Quang đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt thời gian nhóm chúng em thực hiện đề tài này

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy !

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Dr Nguyen Anh Quang, Slides Electronic Curcuit I

2 https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/447006/TGS/2N2222A.html

3 https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/427087/ONSEMI/TIP41.html

4 https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/174530/FAIRCHILD/1N4007.html

5 Behzad Razavi , Fundamentals of Microelectronics