BÁO CÁO Đề tài: Mạch khuếch đại âm thanh

2. Phân tích yêu cầu  Yêu cầu: • Tín hiệu đầu vào Vin = 50100mV • Công suất trên tải 2W • Tải dùng loa 8Ω  Yêu cầu chức năng: • Khuếch đại tín hiệu âm thanh. • Hạn chế tối đa sự ảnh hưởng của méo nhiễu tín hiệu.  Yêu cầu phi chức năng: • Ứng dụng cho nhiều hệ thống âm thanh. • Mạch đơn giản, dễ sử dụng. • Thời gian sử dụng lâu dài. • Sửa chữa, thay thế các linh kiện khi bị hỏng dễ dàng. • Giá thành rẻ.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

- -BÁO CÁO

Đề tài: Mạch khuếch đại âm thanh

Giáo viên hướng dẫn: Phùng Thị Kiều Hà

Nhóm sinh viên thực hiện:

1 Đỗ Văn Triều - 20153914

2 Trần Hồng Quân - 20167348

3 Nguyễn Minh Sơn - 20163543

4 Hoàng Anh Thái - 20172803

****Năm học 2019 - 2020****

1 Quy trình thực hiện

2 Phân tích yêu cầu

 Yêu cầu:

 Tín hiệu đầu vào Vin = 50-100mV

 Công suất trên tải 2W

 Tải dùng loa 8Ω

 Yêu cầu chức năng:

 Khuếch đại tín hiệu âm thanh

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

 Yêu cầu phi chức năng:

 Ứng dụng cho nhiều hệ thống âm thanh

 Mạch đơn giản, dễ sử dụng

 Thời gian sử dụng lâu dài

 Sửa chữa, thay thế các linh kiện khi bị hỏng dễ dàng

 Giá thành rẻ

3 Sơ đồ khối của mạch

4 Mạch nguyên lý

5 Tính toán lý thuyết

5.1 Tính toán ước lượng nguồn nuôi.

Tầng khuếch đại công suất được chọn mắc theo class AB nhằm có tín hiệu đầu ra ít méo

và hệ số khuếch đại đủ lớn

Hiệu suất của chế độ class AB vào khoảng 50%

PL = 2W; RL = 8W

ULhd = √2P L R L = 6(V)

ICmax = V0

R L = 68 = 0,75(A) (do V0 ≈ ULhd )

PDC = π2 Vcc ICmax = 0,48Vcc(W) Chọn bộ khuếch đại đẩy kéo với một nguồn cung cấp DC thì hiệu suất vào khoảng 25% -78.5%

H = P AC

P DC = 0,48 V2

cc ϵ (0,25; 0,785)

=> Vcc ϵ (8; 24)

Để giảm thiểu sự tốn kém cũng như đảm bảo để mạch hoạt động với hiệu suất phù hợp, ta chọn nguồn một chiều có độ lớn 16V

5.2 Thiết kế tầng khuếch đại công suất.

Yêu cầu thiết kế:

 Công suất đầu ra 2W

Giả sử ta chọn loa (tải) có thông số PL = 2W, RL = 8Ω và mạch khuếch đại công suất là mạch khuếch đại đẩy kéo dùng nguồn đơn, có sơ đồ nguyên lý như sau:

Hình 1 1 Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại công suất

Trên Hình 1.1 là sơ đồ nguyên lý của tầng khuếch đại công suất

Ta có:

P L= 12I2pL R L= 12U2pL R L

(R L)2

Ta tính gần đúng được:

P Lmax =2W U pLmax ≈ 5.7V

Mạch gồm 2 transistor được nuôi bởi nguồn 16VDC, do tính đối xứng, mỗi transistor coi như được nuôi bởi 1 nguồn điện 8VDC Do đó, giá trị biên độ tín hiệu tối đa trên tải chỉ đạt được mức U pLmax =5.7V (coi hệ số sử dụng điện áp =100%)

Mặt khác, tầng khuếch đại công suất gồm các transistor được mắc CC, do đó hệ số

khuếch đại điện áp có thể coi gần đúng bằng 1 (không khuếch đại điện áp, chỉ khuếch

đại dòng).

Công suất tiêu tán tối đa trên Q4 và Q5 được tính như sau:

P Q4 +P Q5 =P C =P CC −P L =V CC I Crms− U2pL R L

2(R6+R L)2

P CC =V CC U R pL

L −U pL

2 R L

2(R L)2

Với U pLmax =5.7 V ta tính được P CCmax =3,3W, từ đó suy ra:

P Q4 max =P Q 5 max =1,1W

Từ thông số tính toán ở trên, ta lựa chọn transistor sao cho hoạt động an toàn với các thông số tính được Transistor được chọn với các yêu cầu sau:

P Qmax ≥ 1,1W ,U CEmax ≥ V CC =16V ,I Cmax ≥ I Lmax= 5,710=0,57 A

Từ đó, ta chọn cặp transistor NPN và PNP lần lượt là TIP41 và TIP42 với các thông số:

P Qmax =65W ,U CEmax =40V ,I Cmax =6 A

Phân cực theo chế độ AB cho Q4 và Q5 với các thông số:

U BE =0.65 V , I C =50 mA

Theo datasheet của TIP41 và TIP42 tại 25C, giá trị =100

R7, R8 có tác dụng để ổn định nhiệt, cân bằng tầng đẩy kéo, dòng qua tải cũng chính là dòng qua các trở này ở từng bán kì

Các diode dùng để cố định điện áp chênh lệch giữa 2 cực B của 2 transistor, đảm bảo 2 transistor này luôn sẵn sàng mở Để chọn diode, ta tính dòng IBQ như sau:

I CQ =50mA+ U pL

I BQ=I CQ

❑ =5mA

Chọn diode có U D =U BEQ +I CQ r=0.65+0.05=0.7V

Có thể chọn diode D1, D2 làloại thông dụng 1N4007

Theo datasheet của 1N4007, tại UD = 0.7V, dòng qua diode khoảng 1.8mA Từ đó ta tính được IR8 = ID + IBQ = 6.8mA Suy ra:

R7=R8= 5.7−0.76.8 ≈ 1k Ω

5.3 Thiết kế tầng phối hợp trở kháng.

Tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ sẽ có tải là trở kháng vào của tầng sau và khá lớn Nếu ta nối hai tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ và tầng khuếch đại công suất với nhau thì các linh kiện hoạt động sẽ không cho ra kết quả như mong muốn Vì vậy phải có một tầng có nhiệm vụ phối hợp trở kháng giữa hai tầng này, đồng thời không được khuếch đại giá trị điện áp, chỉ được khuếch đại dòng điện để đưa vào tầng công suất

Ta chọn tầng phối hợp trở kháng dùng Darlington Với kiểu mắc C chung như vậy sẽ có đặc điểm là hệ số khuếch đại điện áp nhỏ (≈ 1), khuếch đại dòng lớn (β +1)

Chế độ một chiều:

Kết nối Darlington sẽ có hệ số khuếch đại dòng một chiều bằng βD = β1 β2

Chọn β1 = β2 = 200 => βD = 40000

Xét vòng BE và áp dụng định luật Kirchhoff ta có:

Vcc – Ib1.Rb - VBE1 - VBE2 – IeRe = 0

Ib1 = V cc −V R BE 1 −V BE2

b +β D R e = 1,2M +100.100 100(Ω)16−0,7−0,7 = 2,2 M7,6 = 6.63 (μA¿

Tính Ic1 ta được:

Ic1 = β1 I b 1 = 1,3(mA) Tính Ic2 ta được:

Ic2 = β D I b 1 = 0,27(V) Tính VCE với Ic2≈ I c1 :

VCE2 = Ic2.RE = 7(V) Chế độ xoay chiều:

Sử dụng IE tính ở phân tích một chiều t a được:

re1 = 26mA I

e1 = 75,36 (Ω)

re32 = 26 mA I

e 2 = β β I 26mA

B31 = 0,7536 (Ω)

Từ sơ đồ, ta có trở kháng vào của mạch:

Zi = RB || β D R E = 1,2M || 1M = 0,55 (MΩ)

Z0 = r e1

β1+r e 2 = 75,36100 + 0,7536 = 1,5 (Ω)

AV = V o

V i = I o R E

I i .(R B∨ ¿Z i) = Ai R E

Z i∨ ¿R B (1) Mặt khác: RB || Zi = RB || β D R E = β D R E R B

R B +β D R E ; Thay vào (1), ta có: AV≅1

Hệ số khuếch đại dòng: Ai = Rb+ β β D Rb

Dℜ = 21818

5.4 Thiết kế tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ.

Tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu âm thanh đưa vào (tín hiệu từ điện thoại, máy tính) thành tín hiệu điện áp có biên độ đủ lớn để đặt vào tầng khuếch đại công suất, do tầng khuếch đại công suất không khuếch đại điện áp

Chọn tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ sử dụng phân cực bằng phương pháp phân áp

EC Do dùng phương pháp này có trở kháng vào và trở kháng ra ở mức vừa phải đồng thời vừa khuếch đại điện áp vừa khuếch đại dòng điện

Ta chọn sơ đồ nguyên lý của tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ như trên Hình 2.1, với transistor được phân cực theo chế độ A để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu

Hình 2 1 Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ

 Tụ C1, C2 là các tụ nối tầng, ngăn dòng 1 chiều đi ra nguồn và đi vào tải, dẫn dòng xoay chiều

 Điện trở R1, R2, R3 để xác định điểm làm việc tĩnh của tầng khuếch đại này Trong

đó R1, R2 là cầu chia Volt

 Điện trở R4 hồi tiếp âm dòng điện một chiều, có tác dụng ổn định nhiệt, làm cho điểm làm việc tĩnh ổn định hơn nhưng lại làm hệ số khuếch đại của tầng giảm xuống

 Tụ C5 làm tăng hệ số khuếch đại của tầng

Ta chọn transistor khuếch đại là transistor 2N2222A Tại 25C, giá trị =200

Ta cũng chọn giá trị bất kì, giả sử R3 = 2kΩ

Biên độ tín hiệu ra từ điện thoại có giá trị khoảng 100mV, biên độ tín hiệu vào cho tầng khuếch đại công suất mà ta cần là 5.8V Như vậy, hệ số khuếch đại điện áp của tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ phải đạt:

Av = 57 lần

Khi tải RL của tầng này rất lớn, hệ số khuếch đại được tính gần đúng bằng:

A v= R3

r e +R4

Mặt khác, để transitor hoạt động ở chế độ A, ta cần phân cực sao cho giá trị

UCE = 5.8V Như vậy, R3 phụ thuộc vào ICQ theo biểu thức:

I CQ (R4+10 k)=5.8

Mà: r e = 26 mV I

E Từ các phụ thuộc hàm trên, ta xác định được ICQ ~IE= 0.57mA Chọn R4=150Ω ta được gần đúng với hệ số khuếch đại mong muốn

5 Mô phỏng bằng phần mềm proteus

Sử dụng tín hiệu vào với tần số 1Khz, 100mV

Osilo sử dụng 2 kênh A: tín hiệu vào (màu vàng)

kênh B: tín hiệu ra (màu xanh)

Ngoài ra sử dụng thêm kênh C: đo điện áp đưa vào tầng khếch đại công suất

Kết quả mô phỏng:Đầu vào hình sin đầu ra cũng hình sin

6 Thiết kế mạch in bằng phần PROTEUS

a Mạch đi dây

b Mạch 3D

KẾT LUẬN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu, đề tài đã được hoàn thành đúng thời hạn Tuy nhiên do hạn chế về kiến thức, thời gian và kỹ năng, mạch làm thủ công nên chưa hoạt động được đúng như đã tính toán và mô phỏng

Xin chân thành cảm ơn thầy!