Báo cáo đttt1 mạch khuếch đại âm thanh số 005

Báo cáo bài tập lớn (btl) mạch khuếch đại âm thanh môn điện tử tương tự 1 (đttt1) số 005 Ngành điện tử viễn thông (đtvt) đại học Bách Khoa Hà Nội (đhbk hn) Báo cáo có 5 phần: 1. lời nói đầu 2. mục lục 3. Bảng phân công công việc 4. Thiết kế 5. Kết quả mô phỏng 6. Mạch thực tế 7. Kết luận 8. Tài liệu tham khảo và phần mềm sử

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO

Bài tập lớn : Thiết kế mạch khuếch đại âm tần

Giảng viên hướng dẫn:

Nhóm sinh viên thực hiện:

Lời nói đầu

Mạch khuếch đại là mạch được sử dụng trong hầu hết các thiết bị điện tử, như mạch khuếch đại âm tần trong Cassete, Âmply, Khuếch đại tín hiệu video trong Ti vi màu, … Mạch khuếch đại được phân loại như sau:

- Khuếch đại về điện áp : Là mạch khi ta đưa một tín hiệu có biên độ nhỏ vào, đầu ra ta sẽ thu được một tín hiệu có biên độ lớn hơn nhiều lần

- Khuếch đại về dòng điện: Là mạch khi ta đưa một tín hiệu có cường độ yếu vào, đầu ra ta sẽ thu được một tín hiệu cho cường độ dòng điện mạnh hơn nhiều lần

- Khuếch đại về công xuất: Là mạch khi ta đưa một tín hiệu có công xuất yếu vào, đầu ra ta thu được tín hiệu có công xuất mạnh hơn nhiều lần, thực ra mạch khuếch đại công xuất là kết hợp cả hai mạch khuếch đại điện áp và khuếch đại dòng điện làm một

Vận dụng kiến thức được học trong môn Điện tử tương tự I, nhóm sinh viên chúng em thiết kế mạch khuếch đại âm tần với mục tiêu thiết kế được phân công như sau:

- Nguồn tín hiệu 100mV

- Nguồn cấp điện áp 9VDC

- Tải dùng loa 4 Ω

- Hệ số khuếch đại 40 lần

- Điện áp tín hiệu đầu ra tối thiểu 1.5 V

Mục lục

Lời nói đầu i

Mục lục ii

Bảng phân công công việc……… iii

Thiết kế 01

I Sơ đồ khối khuếch đại âm thanh 01

II Thiết kế chi tiết 02

1 Tầng khuếch đại tín hiệu vào 02

2 Tầng khuếch đại dòng điện 05

3 Tầng khuếch đại công suất 08

4 Thông số khuếch đại toàn mạch 11

5 Tính toán đáp ứng tần số của mạch 12

Kết quả mô phỏng……… 13

Mạch thực tế 14

Kết luận 15

Tài liệu tham khảo, phần mềm sử dụng 16

Bảng phân công công việc

Tính toán số liệu,

vẽ mạch Thuyết trình Mua linh kiện

Thiết kế

I Sơ đồ khối mạch khuếch đại âm thanh

Theo yêu cầu đặt ra, nhóm xây dựng mạch khuếch đại gồm 3 tầng:

- Tầng đầu tiên, khuếch đại điện áp vào Trong tầng này yêu cầu thiết kế sao cho trở kháng vào lớn để ta có thể lấy được tín hiệu đầu vào tốt

- Tầng thứ hai là tầng khuếch đại dòng điện

- Tầng thứ ba là tầng khuếch đại công suất: đặc điểm có trở ra rất nhỏ để đưa toàn bộ tín hiệu từ tầng 2 ra ngoài

Khối khuếch đại có yêu cầu tạo hệ số khuếch đại tín hiệu từ 100mV lên tối thiểu 1.5 V ở đầu ra và Rin đủ lớn để không bị ảnh hưởng bởi Rs Khối sau khuếch đại cần có Rin lớn để lấy hết tín hiệu từ tầng trước và Rout

nhỏ

Nguồn

Output

Khối khuếch đại điện áp

Khối khuếch đại công suất Input

Khối khuếch đại dòng điện

Hình 1: Sơ đồ khối khuếch đại âm tần

II.Thiết kế chi tiết

1 Tầng khuếch đại tín hiệu vào

Để bảo toàn tính nguyên vẹn của tín hiệu vào và tín hiệu đầu ra

giống hoàn toàn với đầu vào, nhóm

chọn mạch khuếch đại ở chế độ A với

sơ đồ như sau:

Nhóm lựa chọn transistor 2N3904 bởi đây là loại transistor phổ biến trong mạch khuếch đại âm tần và dễ mua

Với transistor 2N3904, để tầng hoạt động ở chế độ A ta cần chọn:

V CE(Q 1) ≈ 50 % V CC

V E(Q 1) ≪ V CC ⇒V E ≈ 1

10V CC

V CE(Q 1)=4.5(V )

V E(Q 1)=1(V )

Ngoài ra chọn:

I C(Q 1)=0.75(mA)

Hình 2: Sơ đồ khối khuếch đại tín hiệu vào

β Q 1=140

V CC=I C(Q 1)(R3+R4+R5)+V E (Q 1)

 R3+R4+R5=6486 (Ω¿

Mà IE= IC = 0.75 (mA), URE = 1 (V)

 RE = R4 + R5 = 1333 (Ω¿

 R3=5.1(k Ω)

Chọn R3 = 4.7 (kΩ) Theo yêu cầu bài toán, hệ số khuếch đại điện áp toàn mạch là 28 lần nên nhóm lựa chọn hệ số khuếch đại cho tầng này là 40 lần ( ¿A v1∨ ¿ 40)

Mà: ¿A v1∨ ¿ R3

1

g m(Q 1)+R4

 40= 4700

1

gm(Q1)+R 4

Lại có: g m (Q 1)=I C (Q 1)

V T =

0.75(mA) 26(mV ) =

0.75 26

 R4=92 Ω Như vậy chọn R4=100 Ω

Ở khía cạnh khác, ta có: V E(Q 1)=1(V ) nên:

I C(Q 1)∗(R4 +R5 )=1

 0.00075∗(100+R5 )=1

 R5=1.3 ¿) Như vậy chọn R5=1.3 (k Ω)

Vì transistor Q1phân cực bằng phân áp nên:

+) I R 2 ≫ I B(Q 1)= 1

β (Q 1)∗I E(Q 1)



Vb(Q1)

I (R 2) ≪

Vb(Q1)

1

β (Q 1)∗I E (Q 1)

 R2≪ β Q 1∗R E (Q 1)

 R2≤ 1

10∗β(Q 1) ∗R E(Q 1)= 140

10∗(1300+100)

 R2≤19(k Ω)

Chọn R2 = 15 (kΩ¿

+) VB = UBE + URE = 0.7 + 1 = 1.7

Mà VB = 9* R 1+R 2 R 2

 R1 = 4.3R2

 R1 = 64 (kΩ¿

Ở chế độ xoay chiều ta có:

+) ¿A v1∨ ¿ R3

1

gm (Q1)+R4

=40(lần)

+) R¿1=R1/ ¿R2/ ¿ (βr e+(β +1)∗R4)=7.2(k Ω)

+) R out 1=R3=5.1(k Ω)

2 Tầng khuếch đại dòng điện

Khi nối trực tiếp tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ và tầng khuếch đại công suất với nhau, giá trị của các linh kiện không phù hợp sẽ làm sai lệch thông số khuếch đại tính toán Vì vậy phải có một tầng làm nhiệm vụ phối hợp giữa hai tầng này với nhau Từ đó, nhóm lựa chọn tầng khuếch đại Darlington mắc nối tiếp theo kiểu C chung

Từ yêu cầu trên, để đơn giản nhóm lựa chọn 2 transistor là 2N2222A và Tip41C với các thông số như sau:

Q2 2N2222A :

I C(Q 2)=2mA , V CE(Q 2)=4 V , β(Q 2)=200,V BE(Q 2)=0.7 V

Q3 TIP41C :

I C(Q 3)=0.1 A , VCE(Q 3)=¿4.5V , β

(Q 3)=50,VBE(Q 3)=0.7 V ¿

β23=β2∗β3=200∗50=10000

Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch

đại điện áp như hình bên:

Hình 3: Sơ đồ khối khuếch đại dòng điện

Ở chế độ một chiều:

V CC=V CE(Q 3)+I E (Q 3)∗R7

 9=4.5+0.1∗R7

 R7=45(Ω)

 Chọn R7 =47(Ω) Lại có: I E(Q 2)=I B(Q 3)= 1

β Q3∗I E(Q 3) = 1

50∗0.1=2 (mA)

 I B(Q 2)= 1

β2∗I E(Q 2) = 1

200∗0.002=10 ( μAA ) Mặt khác:

V CC=I B(Q 2)∗R6+V BE(Q 2)+V BE(Q 3)+I E(Q 3)∗R7

 9=10∗10−6∗R7+ 0.7+0.7+0.1∗47

 R6=290(k Ω)

 Chọn R6=270(k Ω)

Ở chế độ xoay chiều:

+) ¿A v2∨≈1 (do mắc theo kiểu C chung)

+) A i 2 ≈ β23∗R6

β23∗R7+R6=3650 (lần)

+) R¿2=R6//(r π(Q 2)+β Q 2∗r π(Q 3)+β Q2∗β Q 3∗R7)=172 (k Ω)

+) R out 2=R7/ ¿ ( 1

g m(Q 3 )+

1

β(Q 3)∗g

m( Q2 )

)=0.51(Ω) Trong đó:

g m(Q 2)=I C(Q 2)

V T =

2(mA ) 26(mA )=

1

13(Ω)

g m (Q 3)=I C (Q 3)

V T

=0.1(mA ) 26(mV )=3.8(Si)

r π (Q 2)= β Q 2

g m (Q 2 )=2.6 (k Ω)

r π (Q 3)= β Q 3

g m (Q 3 )=13(Ω)

3 Tầng khuếch đại công suất

Tầng khuếch đại công suất cung cấp một lượng lớn năng lượng biến đổi năng lượng điện thành sóng âm, giúp loa đạt được công suất cao Nhằm cho mạch chịu được công suất lớn, ta có thể lắp mạch theo class

AB đẩy kéo với cặp transistor bổ sung nhau là TIP41C và TIP42C với hệ

số khuếch đại đều bằng 100 Để tránh tín hiệu bị méo khi transistor hoạt động, ta phải phân cực trước cho mỗi trans Điện áp mối nối V BE (Q 4 )và

V BE (Q 5) đủ lớn hơn 0.7V để khi có tín hiệu xoay chiều thì transistor sẽ hoạt động ngay Từ đó cần mắc thêm 2 diode Cụ thể nhóm chọn hai diode 1N4007 để ghim điện áp giữa chân B của hai transistor

Sơ đồ tầng khuếch đại

công suất như hình vẽ dưới đây:

Để các transistor Q4 và Q5 ổn định nhiệt thì ta cần mắc thêm 2 điện trở R10và R11 vào chân E sao cho R10=R11≪ R L, vì vậy, ta có thể chọn

R10=R11=0.1(Ω)

Để chọn được transistor phù hợp cho tầng, ta cần tính toán công suất tiêu tán tối đa mà hai transistor phải chịu Cụ thể:

Hình 4: Sơ đồ khối khuếch đại công suất

P trans=P V CC−P L=P DC−P AC

Nhận thấy, mạch được cấp nguồn V CC=9 V, do tính đối xứng nên hai transistor được nuôi bởi một nguồn điện bằng 12V CC=4.5 V Do đó, giá trị điện áp tối đa đạt được trên tải ở mức U L(max)=4.5 V

Vì mạch mắc theo kiểu C chung nên ta có công suất phân phối trên tải cực đại là:

P AC=V L2(max)

2∗R L=¿ ¿

¿ (

0.1∗40∗7200 15+7200 ∗172000 5100+172000 ∗1)

2

Công suất của nguồn đạt cực đại khi tải tiêu thụ công suất cực đại, khi đó :

P DC=V CC∗2

π ∗I C(max) =

V CC∗2

π ∗V L(max)

R L

¿

9∗2

π ∗

V¿∗A v 1∗R¿1

R s+R¿1

∗R¿2

R out 1+R¿2 ∗1

Như vậy, công suất tiêu tán tối đa trên Q4và Q5là:

P Q 4=P Q 5=P DC−P AC

5.6−1.9

2 =1.85(W ) Lại có:

I C= V CC

2∗R L=

9 2∗4=1.125 ( A)

 I R 8=I B=I C

β =

1.125

100 =11.2(mA)

 R8=R9=V CC−1.4∗2

I R 8 =0.55(k Ω)

 Chọn R8=R9=0.68 (k Ω)

Như vậy:

+) A v3=1 (do mắc theo kiểu C chung)

+) R¿ 3 =R9 / ¿r π=2.3(Ω), với r π= β

g m=

β∗V T

I C =2.3(Ω)

+) R out 3=R11+R L=4.1(Ω)

+)η= P AC

P DC=

1.9

5.6=34 %

4 Thông số khuếch đại toàn mạch

1

A v total=

A v 1∗R¿2

R out 1+R¿2∗A v2∗R¿3

R out 2+R¿3 =32

Hình 5: Mô phỏng toàn mạch

5 Tính toán đáp ứng tần số của mạch

Các tụ điện cùng trở kháng vào, ra ở các tầng tạo thành các mạch lọc thông cao Chọn tần số cắt dưới là 300 Hz, ta tính toán được:

+) Tụ C1 : f C 1= 1

2 π∗R¿1∗C1<300

 C1>74 (nF )

 Chọn C1=100(μAF)

+) Tụ C2 : f C 2= 1

2 π∗(R¿¿out 1+ R¿2)∗C2< 300 ¿

 C2>3 (nF)

 Chọn C2=100(μAF)

+) Tụ C3 : f C 3= 1

2 π∗¿ ¿

 C3 >6(μAF)

 Chọn C3 =100(μAF)

+) Tụ C4 = C5: f C 4= 1

2 π∗(R¿¿out 2+R¿3)∗C4< 300 ¿

 C4>188(μAF)

 Chọn C4=C5=1000(μAF )

+) Tụ C6: f C 6= 1

2 π∗R out 3∗C6<300

 C2>106 (μAF)

 Chọn C6=1000(μAF)

Kết quả mô phỏng

Mạch thực tế

Kết luận

Vận dụng kiến thức được học trong môn Điện tử tương tự I, nhóm sinh viên chúng em đã hoàn thành thiết kế mạch khuếch đại âm tần với mục tiêu thiết kế được phân công như sau:

- Nguồn cấp điện áp: 9V

- Tải dùng loa 4 Ω

- Hệ số khuếch đại 40 lần

- Điện áp tín hiệu đầu ra tối thiểu 1.5 V

Qua bài tập này, chúng em đã có thêm những kiến thức hữu ích, đã hiểu và vận dụng những lý thuyết một cách rõ ràng hơn Tuy nhiên do thời gian có hạn và kiến thức còn hạn hẹp, nếu có bất cứ sai sót nào trong bài báo tập lớn này, rất mong được thầy thông cảm và chỉ bảo thêm

Qua đây, chúng em cũng xin cảm ơn cô vì những giúp đỡ của cô trong quá trình thực hiện bài tập lớn này Đây là một trải nghiệm thú vị mà không phải bất cứ sinh viên nào cũng được trải qua

Tài liệu tham khảo

- Slide bài giảng Cô Phùng Thị Kiều Hà và nhiều tài liệu khác trên mạng

- Sử dụng phần mềm Proteus để thiết kế mạch nguyên lý