Báo cáo đồ án mạch khuếch đại âm thanh

Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Điện tử Viễn thông TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG =====000===== ĐỒ ÁN 1 Đề tài MẠCH KHUYẾCH ĐẠI ÂM THANH Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực.

ĐỒ ÁN 1

Đề tài: MẠCH KHUYẾCH ĐẠI ÂM THANH

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

tới những thứ mới mẻ nhằm cải thiện và nâng cao chất lượng cuộc sống Đứngtrước thời đại 4.0 – kỷ nguyên số của toàn nhân loại, những ngành công nghiệp chếtạo như phần mềm, phần cứng, vật liệu linh kiện bán dẫn đã đạt được nhiều thànhtựu đáng chú ý và góp phần không nhỏ vào sự thay đổi này.

Nhận thấy tầm quan trọng của sự thay đổi có thể quyết định vận mệnh quốcgia như vậy, những môn liên quan đến phần cứng và phần mềm đã được tích hợpsâu vào chương trình đào tạo như một phần không thể thiếu của các trường Caođẳng, Đại, đặc biệt là các trường kỹ thuật nhằm đào tạo ra thế hệ các kỹ sư chấtlượng trong tương lai Qua bộ môn “Đồ án 1”, sinh viên sẽ có cái nhìn cụ thể và chitiết hơn về ngành nghề mình được đào tạo và qua đó sẽ kích thích sự sáng tạo đểcho ra những sản phẩm thiết thực phục vụ đời sống

Qua đồ án này chúng em có cái nhìn thực tế hơn, sâu sắc hơn về mạch tương

tự, chúng em cũng đã hiểu thêm nhiều về cách thức xử lý một bài toán thực tế phứctạp và cách các linh kiện điện tử làm việc với nhau

Với sự hường dẫn tận tình của Ths Đào Xuân Phúc, chúng em hy vọng có thểhoàn thành tốt bài tập lần này

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy!

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CƠ SỞ 5

I Tụ điện 5

1 Cấu tạo 5

2 Phân loại 5

3 Điện dung, đơn vị và ký hiệu của tụ điện 6

II Điện trở 6

1 Khái niệm về điện trở 6

2 Hình dáng và ký hiệu 7

3 Cách đọc trị số điện trở 7

4 Ứng dụng của điện trở 8

III Transistor 9

1 Cấu tạo 9

2 Ký hiệu và hình dạng của Transistor 10

3 Nguyên tắc hoạt động của Transistor 10

4 Cấp điện cho Transistor (Vcc - điện áp cung cấp) 11

5 Định thiên ( phân cực ) cho Transistor 11

IV Mạch khuếch đại cơ bản 12

1 Sơ đồ khối 12

2 Các mạch khuếch đại cơ bản 12

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ 19

I Sơ đồ nguyên lý mạch 19

II Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạch 19

III Nguyên lý hoạt động 20

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CƠ SỞ

I Tụ điện

1 Cấu tạo

 Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cáchđiện gọi là điện môi

 Người ta thường dùng giấy, gốm , mica, giấy tẩm hoá chất làm chất điện môi

và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện môi này như

Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ hoá

2 Phân loại

a) Tụ không phân cực

Các loại tụ này không phân biệt âm dương và thường có điện dung nhỏ từ 0,47

μF trở xuống, các tụ này thường được sử dụng trong các mạch điện có tần số caohoặc mạch lọc nhiễu

b) Tụ phân cực

 Tụ hoá là tụ có phân cực âm dương, tụ hoá có trị số lớn hơn vầ giá trị từ 0,47μF đếnkhoảng 4.700 μF, tụ hoá thường được sử dụng trong các mạch có tần số thấp hoặcdùng để lọc nguồn, tụ hoá luôn có dạng hình tròn

3 Điện dung, đơn vị và ký hiệu của tụ điện

 Điện dung: Là đại lượng nói lên khả năng tích điện treen hai bản cực của tụ

điện, điện dung của tụ phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chất điệnmôi và khoảng cách giữ hai bản cực theo công thức:

C = ξ S /d

Trong đó: C là điện dung tụ điện, đơn vị là Fara (F)

ξ : Là hằng số điện môi của lớp cách điện

d : là chiều dày của lớp cách điện

Đơn vị điện dung của tụ: Đơn vị là Fara (F), 1 Fara là rất lớn do đó trong thực tế

thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như MicroFara (μF) , NanoFara (nF), PicoFara

(pF)

II Điện trở

1 Khái niệm về điện trở

 Điện trở là gì? Ta hiểu một cách đơn giản - Điện trở là sự cản trở dòng điệncủa một vật dẫn điện, nếu một vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điệnkém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùng lớn

2 Hình dáng và ký hiệu

 Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được

làm từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người tạo rađược các loại điện trở có trị số khác nhau

Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử

Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý

3 Cách đọc trị số điện trở

Quy ước vòng màu:

 Điện trở thường được ký hiệu bằng 4 vòng mầu, điện trở chính xác thì ký

hiệu bằng 5 vòng mầu

4 Ứng dụng của điện trở

 Điện trở có mặt ở mọi nơi trong thiết bị điện tử và như vậy điện trở là linhkiện quan trọng không thể thiếu được , trong mạch điện , điện trở có nhữngtác dụng sau:

 Khống chế dòng điện qua tải cho phù hợp, Ví dụ có một bóng đèn 9V,

nhưng ta chỉ có nguồn 12V, ta có thể đấu nối tiếp bóng đèn với điện trở đểsụt áp bớt 3V trên điện trở

Đấu nối tiếp với bóng đèn một điện trở

 Như hình trên ta có thể tính được trị số và công xuất của điện trở cho phùhợp như sau: Bóng đèn có điện áp 9V và công xuất 2W vậy dòng tiêu thụ là I

= P / U = (2 / 9 ) = Ampe đó cũng chính là dòng điện đi qua điện trở

 Vì nguồn là 12V, bóng đèn 9V nên cần sụt áp trên R là 3V vậy ta suy ra điệntrở cần tìm là R = U/ I = 3 / (2/9) = 27 / 2 = 13,5 Ω

 Công xuất tiêu thụ trên điện trở là : P = U.I = 3.(2/9) = 6/9 W vì vậy ta phảidùng điện trở có công xuất P > 6/9 W

 Mắc điện trở thành cầu phân áp để có được một điện áp theo ý muốn từ

một điện áp cho trước

III Transistor

1 Cấu tạo

 Transistor được hình thành từ ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành haimối tiếp giáp P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được transistor thuận, nếughép theo thứ tự NPN ta được transistor ngược Về phương diện cấu tạotransistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau Cấu trúc nàyđược gọi là Bipolar Junction Transistor (BJT) vì dòng điện chạy trong cấutrúc này bao gồm cả hai điện tích âm và dương (Bipolar nghĩa là hai cựctính)

 Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực, lóp giữa gọi là cực góc ký hiệu là B(Base), lớp bán dẫn B rấ mỏng và có nồng độ tạp chất thấp

 Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter) viết tắt là E,

và cực thu hay cực góp (Collector) viết tắc là C, vùng bán dẫn C và E có

cùng loại bán dẫn (loại N hay P) nhưng có kích thước và nòng độ khác nhaunên không hoán vị được cho.

2 Ký hiệu và hình dạng của Transistor

3 Nguyên tắc hoạt động của Transistor

 Xét hoạt động của Transistor NPN

 Mạch khảo sát về nguyên tắc hoạt động của transistor NPN

Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn vàocực C và (-) nguồn vào cực E

Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B và

E, trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E

Khi công tắc mở, ta thấy rằng, mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưngvẫn không có dòng điện chạy qua mối C E ( lúc này dòng IC = 0 )

Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy từ(+) nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về cực (-) tạothành dòng IB

Ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làmbóng đèn phát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB

Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theomột công thức:

IC = β.IB

Trong đó: IC là dòng chạy qua mối CE

IB là dòng chạy qua mối BE

β là hệ số khuyếch đại của Transistor

4 Cấp điện cho Transistor (Vcc - điện áp cung cấp)

 Để sử dụng Transistor trong mạch ta cần phải cấp cho nó một nguồn điện,tuỳ theo mục đích sử dụng mà nguồn điện được cấp trực tiếp vào Transistorhay đi qua điện trở, cuộn dây v v nguồn điện Vcc cho Transistor được quyước là nguồn cấp cho cực CE

5 Định thiên ( phân cực ) cho Transistor.

 Định thiên : là cấp một nguồn điện vào chân B ( qua trở định thiên) để đặtTransistor vào trạng thái sẵn sàng hoạt động, sẵn sàng khuyếch đại các tínhiệu cho dù rất nhỏ

IV Mạch khuếch đại cơ bản

- Khối mạch âm sắc: dùng chỉnh độ trầm – bổng của âm thanh

- Khối mạch khuếch đại trung gian: Tín hiệu từ mạch âm sắc còn yếu phải tiếptục khuếch đại mới đủ công suất kích cho tầng công suất

- Khối khuếch đại công suất: có nhiệm vụ khuếch đại công suất âm tần đủ lớn

để phát ra loa

2 Các mạch khuếch đại cơ bản

a) Mạch khuếch đại mắc theo kiểu EC

 Chế độ tĩnh

Về nguyên tắc, việc cung cấp cho Transistor để xác định điểm công tác tĩnhphải đảm bảo sao cho nó luôn thoả mãn điều kiện cho phép.Muốn vậy phải đảm bảonhững yêu cầu sau:

 Điện thế colectơ phải dương hơn điện thế bazơ của Transistor npn và âm hơn điệnthế bazơ của Transistor pnp từ một đến vài vôn

 Mặt ghép bazơ phải được phân cực thuận ( UBE=0.7V đối với bán dẫn làm bán dẫnlàm bằng silic và UBE=0.3 V đối với bán dẫn làm bằng Ge )

 Dòng colectơ phải lớn hơn dòng điện dư colectơ-emitơ nhiều, có nghĩa |Ice| > |Ice0|

 Phải đảm bảo các yêu cầu về dòng, áp, công suất, nhiệt độ.

Mạch khuếch đại emito chung

UN, RN 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 IB, IC, UBE,UCE.Trong đó thường cho biết trước 1 tham số.Ví dụ cho trước IC các tham sốcòn lại sẽ được xác định trong sự ràng buộc với sự ràng buộc với đặc tuyếnvào ra của Transistor

a) b)

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 RC+RE thì đường tải tĩnh quay xung quanh điểm P cònkhi thay đổi điện áp cung cấp nguồn UCC thì đường tải tĩnh dịch trái hoặcdịch phải Điểm làm việc phải nằm trên đường tải tĩnh, đó là giao điểm củađường tải tĩnh với đặc tuyến ra ứng với dòng vào IC0 và IB0.Trong thực tếthường cho trước điện áp nguồn cung cấp, lúc đó việc chọn điểm làm việc vàđiện trở tuỳ thuộc vào các yếu tố sau:

- Biên độ tín hiệu ra (dòng, áp, công suất)

Sự phụ thuộc của tần số vào dòng colectơ.

- Hệ số khuếch đại điện áp:

b) 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=1800.Nhược điểmcủa 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 900 < θ

<1800

 Mạch khuếch đại công suất loại B

Ứng với θ = 900 Điểm làm việc tĩnh được xác định tại UBE = 0.Chỉ một nửachu 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 vàB

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 bằngđiện dung, ghép trực tiếp.Trong phạm vi đồ án này em sử dụng sơ đồ Darlington.Vìvậy em tập trung đi sâu vào cách ghép nối này

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

Khi 2 transistor chế tạo trên cùng một đế bán dẫn thì β1 = β2 = β.

Cặp Darlington có hệ số khuyếch đại dòng cao và trở kháng vào cao Nó thường

được dùng để thay cho các mạch lặp E

Thông thường các nhà chế tạo Transistor sẽ đặt cặp Darlington vào trong một

vỏ đơn làm cho 2 Transistor có cùng nhiệt độ làm việc

Các mạch lặp E sử dụng kết nối Darlington có các đặc điểm so với mạch lặp E

sử dụng Transistor đơn là:

 Trở kháng vào cao hơn

 Hệ số khuyếch đại điện áp Av gần 1 hơn

 Hệ số khuyếch đại dòng cao hơn

⟹ Ki = U0/Ui = -R2/R1

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ

I Sơ đồ nguyên lý mạch

II Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạch

 Tầng khuyếch đại công suất.

- Yêu cầu thiết kế công suất ra loa Pl =4 W

Lúc này hệ số phẩm chất của transistor Pcmax/Plmax = 0.7/4 = 0.2

 Chọn các giá trị trở R9 và R10 có tác dụng ổn định nhiệt, tạo dòng hồi tiếp

để cân bằng đẩy kéo dòng qua tải cũng chính là dòng qua các trở này ở từngbán kỳ bởi vậy để không ảnh hưởng đến công suất của tải ta thường chọn R9

và R10 = 1Ω

 Tầng tiền khuyếch đại và tầng hồi tiếp:

 Qua sơ đồ mạch ta nhận thấy rằng có đến 2 mối nối BE cần được bù nhiệt,bởi vậy ta chọn 2 diot để thực hiện nhiệm vụ này, nhiệm vụ khác của 2 diotnày là phân cực DC cho cặp transistor Q3 và Q4 sao cho 2 transistor này làmviệc ở lớp AB tránh méo tín hiệu ở ngõ khuyếch đại ra loa, 2 điot này cònchịu dòng dò do transistor Q2 mang tới ở chế độ AC ta sẽ chọn diot dựa theocác thông số

{I d =20mA

V dr >7V

 Khảo sát tụ điện và băng thông của mạch

 Tụ C5 phải tích điện tốt do tần số cắt thấp là 100hz nên chọ giá trị

C5 = 2200uf F1(c5) =1/2π *(rl+re)*c5

 Tụ liên lạc cin = nối tín hiệu điện áp và tầng nhận tín hiệu vào, để không gâyméo tín hiệu ta chọn cin sao cho cin = 1/2*( π *fl*zin) = 10uF

III Nguyên lý hoạt động

 Chế độ tĩnh : Khi tín hiệu vào bằng 0:

- Mạch được thiết kế để Q1, Q2 hoạt động ở chế độ A Q3, Q4 có thể ở chế độ Ahoặc AB

- PR1 được điều chỉnh để Q3, Q4 có điện áp chân B bằng nhau, như vậy độ mởcủa Q3 = Q4 và kết quả là điện áp tại điểm C bằng 1/2 điện áp nguồn cấp(theo sơ đồ mạch được cấp 15V thì điện áp điểm C là 7.5V), điện áp tại điểm

C gọi là “điện áp trung điểm“

- Tụ C5 được nối vào điểm C Điện áp ban đầu trên tụ chính bằng điện áp điểm

C (7.5V)

 Khi tín hiệu vào ở bán kỳ dương (+):

- Điện áp chân B Q1 tăng → Q1 mở thêm, dòng Ic Q1 tăng → sụt áp trên R4

(UR4 = R4xIcQ1) tăng làm cho UcQ1 giảm Độ giảm của UcQ1 tỷ lệ thuận vớibiên độ tín hiệu vào

- Vì chân CQ1 nối trực tiếp chân BQ2 nên khi UcQ1 giảm thì UbQ2 giảm theolàm cho Q2 khóa bớt, như vậy dòng IcQ2 giảm xuống dẫn đến điện áp tạiđiểm A(UA) và điểm B(UB) đều giảm

- Q3 là PNP, Q4 là NPN do vậy khi UA giảm thì độ mở Q3 tăng (mở thêm), UBgiảm thì độ mở Q4 giảm (khóa bớt)

- Vì Q3 mở thêm, Q4 khóa bớt làm cho điện áp tại điểm C tăng lên dẫn tới tụ

C5 (ban đầu là 7.5V) nạp, dòng nạp cho C5 đi từ (+) nguồn 15V → CEQ3 →

R9 → C5 → loa → mass Dòng nạp qua loa là đi xuống Điện áp trên tụ C5

lúc này lớn hơn 7.5V

 Khi tín hiệu vào ở bán kỳ âm (-):

- Điện áp chân B Q1 giảm → Q1 khóa bớt, dòng IcQ1 giảm → sụt áp trên R4

(UR4 = R4xIcQ1) giảm làm cho UcQ1 tăng Độ tăng của UcQ1 tỷ lệ thuận vớibiên độ tín hiệu vào

- Vì chân CQ1 nối trực tiếp chân BQ2 nên khi UcQ1 tăng thì UbQ2 tăng theolàm cho Q2 mở thêm, như vậy dòng IcQ2 tăng lên dẫn đến điện áp tại điểmA(UA) và điểm B(UB) đều tăng

- Q3 là PNP, Q4 là NPN do vậy khi UA tăng thì độ mở Q3 giảm (khóa bớt), UBtăng thì độ mở Q4 tăng (mở thêm)

- Vì Q3 khóa bớt, Q4 mở thêm làm cho điện áp tại điểm C giảm lên dẫn tới tụ

C5 phóng, dòng phóng của C5 đi từ (+) tụ→R10→CQ4→mass→loa→(-)C5.Dòng phóng qua loa là đi lên

KẾT LUẬN

Như vậy, với cả chu kỳ của tín hiệu vào ta thu được 2 dòng điện liên tục đixuống/đi lên ở loa, đó chính là tín hiệu xoay chiều ra loa Cường độ 2 dòng này tỷ lệthuận với biên độ tín hiệu xoay chiều vào mạch

 Ứng dụng:

- Hệ thống mạch khuếch đại âm thanh có thể sử dụng để khuếch đại âm thanh

từ nguồn phát đến thiết bị phát âm thanh như loa

 Cải tiến:

- Thay thế hoặc nâng cấp các linh kiện để gia tăng mục đích sử dụng

Trên đây là toàn bộ báo cáo về mạch khuếch đại âm thanh của chúng em Chúng em hy vọng rằng mình sẽ được tiếp thu thêm những kiến thức quý báu từ đánh giá của thầy để từ đó chúng em có thể củng cố kiến thức và có thêm cơ sở để vận dụng vào những thiết bị thực tế sau này.

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy!