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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ I Đề tài : THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH Giảng viên hướng dẫn: TS.PHÙNG THỊ KIỀU HÀ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ I

Đề tài : THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM

THANH

Giảng viên hướng dẫn: TS.PHÙNG THỊ KIỀU HÀ

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 04

1 Bùi Kim Hải – 20198126

2 Nguyễn Trọng Đức – 20198119

3 Trần Đức Hiếu – 20198131

Hà Nội, 1-2022

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển của đất nước ngành Điện Tử Viễn Thông đã có những bước phát triển mạnh mẽ không ngừng và tin học đã trở thành chiếc chìa khóa dẫn đến thành công cho nhiều cá nhân trong nhiều lĩnh vực, hoạt động Với những ứng dụng của mình, ngành Điện Tử Viễn Thông đã góp phần mang lại nhiều lợi ích mà không ai có thể phủ nhận được Việc sử dụng mạch khuếch đại trong thực tế là một phần ứng dụng rất rộng rãi

Trên góc độ kinh tế, trong bối cảnh đi tắt đón đầu công nghệ cao, đa số các công

ty đa quốc gia trên thế giới đều chứng tỏ hiệu quả kinh tế của mình bằng những công nghệ nguồn đặc thù khác nhau Công nghệ nguồn càng cơ bản thì càng đưa đến nhiều ứng dụng khác nhau và đưa đến siêu lợi nhuận Một trong những công nghệ nguồn cơ bản là công nghệ bán dẫn vi mạch, đã đưa đến những cuộc cách mạng khoa học công nghệ trong lãnh vực công nghệ thông tin, công nghệ tự động hóa và cơ khí chính xác, công nghệ sinh học Ngày nay, vốn đầu tư cho công nghệ bán dẫn vi mạch để làm ra sản phẩm chip điện tử trong máy tính, các thiết bị cầm tay được số hóa ( Digital equipments ) vẫn còn rất cao Do đó nếu đưa ra một đáp

án cho chiến lược đầu tư phát triển công nghệ cao cho Việt Nam thì câu trả lời chính là công nghệ âm thanh chất lượng cao phục vụ cho các dịch vụ giải trí và nghe nhìn của người tiêu dùng

Có thể nói mạch khuếch đại âm thanh là 1 trong những sản phẩm tạo nền tảng phát triển của những sản phẩm điện tử phục vụ cho nhu cầu giải trí của con người Mạch có ứng dụng vô cùng rộng rãi trong nền công nghiệp nghe nhìn đang phát triến Hiện nay mạch khuếch đại âm thanh rất phổ biến trên thị trường mà tầng khuếch đại công suất được thiết kế sử dụng BJT (FET) công suất ( Mạch khuếch đại OTL, OLC, BCL… ) hay ICKĐTT ( TDA, LM, TL… )

Từ thực tế đó, được sự hướng dẫn tận tình của cô giáo , nhóm chúng em đã chọn

đề tài “ Mạch khuếch đại âm thanh ” Đây là một mạch điện tuy đơn giản nhưng

là một trong những mạch rất căn bản, từ đó phát triển các mạch nhiều tính năng hơn Và cũng xuất phát từ tìm hiểu về ứng dụng và nguyên lí làm việc của các mạch khuếch đại nên nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài này

PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC

Báo cáo, so sánh và nhận xét các thông số

đo trên mô phỏng mạch với các thông số đã tính toán

yêu cầu thiết kế

phần mềm mô phỏng mạch

MỤC LỤC

Phần I: Phân tích yêu cầu 5

1.1 Phân tích yêu cầu 5

1.2 Thiết kế sơ đồ khối 5

Phần II: Thực hiện yêu cầu 6

2.1 Tính toán lý thuyết mạch được yêu cầu thiết kế 6

2.1.1 Khối khuếch đại điện áp 6

2.1.2 Thiết kế tầng khuếch đại điện áp 6

2.1.3 Tầng khuếch đại công suất 8

Phần III: MÔ PHỎNG 14

3.1 Mạch mô phỏng trên Proteus 14

3.2 Các thông số hiển thị trên oscillo 14

Phần IV: Các thống số trên mạch đã lắp đặt 16

Phần V: So sánh và nhận xét các thông số đo trên mạch 17

Phần I: Phân tích yêu cầu

1.1 Phân tích yêu cầu

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

- Yêu cầu chức năng:

+ Khuếch đại tín hiệu 50mV

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

+ Hoạt động với tải loa 8ohm, công suất thiết kế 10W

- Yêu cầu phi chức năng:

+ Đơn giản,gọn nhẹ và dễ sử dụng

+ Đảm bảo chất lượng tốt

+ Sử dụng nguồn vào 24V

- Thông số kĩ thuật:

+ Công suất 10W

+ Sử dụng nguồn 24VDC

+ Điện áp tín hiệu vào tối đa 50mV

+ Sử dụng các linh kiện cơ bản

+ Sử dụng loa 8ohm

1.2 Thiết kế sơ đồ khối

Phần II: Thực hiện yêu cầu

2.1 Tính toán lý thuyết mạch được yêu cầu thiết kế

2.1.1 Khối khuếch đại điện áp

2.1.2 Thiết kế tầng khuếch đại điện áp

Ở tầng khuếch khuếch đại điện áp chúng em thiết kế gồm 2 tầng bao gồm:

- Tầng 1: Tiền khuếch đại

- Tầng 2: Khuếch đại tín hiệu nhỏ

→ Vo =√2 𝑅𝐿 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 4√10 𝑉

→ Hệ số khuếch đại AV thoả mãn yêu cầu là: AV =Vo /Vin ≈ 253

Tại tầng 1: Tiền khuếch đại

Công dụng: Tầng này có công dụng là lấy tín hiệu vào trong mạch là lớn nhất có

thể

Dùng BJT mắc EC, phân cực bằng phân áp:

Xét chế độ một chiều: chọn Transistor BC547 Chọn điểm làm việc tĩnh

Q(UCE;ICQ) = (4; 10-3mA), tại điểm làm việc này hệ số β của transitor vào khoảng

120

Ta có

(RC + RE) IC + UCE = VCC

⇔ RC + RE = 20kΩ

IB = ICQ/ β = 8,33.10-6

⇔ VCC = IB.R2 + IE.RE + 0.7

⇔ IB.(R2 + β.RE) + 0.7 = 24

⇔ R2 + 120.RE ≈ 3.106 Ω

re = 0.026/IE = 13Ω

Xét chế độ xoay chiều:

Ta có: Rin = R2//[βre + (β + 1)RE)] Rout = RC

AV = Vout / Vin ≈ -β RC/ [β(re + RE)] = -253

Từ các phương trình trên ta tính được RC ≈ 20k Ω , RE ≈ 60 Ω , R2 ≈ 3M Ω Chọn RC = 22k Ω , RE = 51 Ω , R2 = 3M Ω

Rin1 = 2.4k Ω

Rout1 = 5k Ω

Tại tầng 2: Khuếch đại tiền công suất

Công dụng tầng này khuếch đại áp lên đủ lớn để đưa vào tầng khuếch đại công suất

Xét chế độ DC: Chọn điểm làm việc tĩnh của trans NPN BC547 là Q1(5V,2mA)

và của trans NPN TIP41 là Q2(5V, 0.1A)

Hệ số β của 2 transistor là βD = β1 β2 = 120*50 = 6000

IE2 = 0,1 (A) nên IB2 = IE2/ β2 = 2(mA)

IE1 = IB2 = 2(mA) ➔ IB1 = IE1/ β1 = 16,67(uA)

Theo công thức ta có :

RE = (VCC-UCE)/IC = 40 Ω

 Chọn RE = 39 Ω

IB1=(Vcc-Ube1-Ube2)/( RB + βD* RE ) nên RB <1M Ω

Xét chế độ AC:

Rin2 = RB//βD.RE = 147 (kΩ)

re1 = 26mV/IE1 = 13(Ω)

re2 = 26mV/IE2 = 0.26(Ω)

Rout2 = re1/β2 + re2 = 0,52(Ω)

Ai = - βD RB/(RB+ βD RE)= -8760 (lần)

Av ~ 1 (lần)

2.1.3 Tầng khuếch đại công suất

Chọn Transistor TIP41, TIP42, các transistor này có đặc điểm chịu được công suất lớn

Phân cực cho transistor bằng 2 trở 1k và 2 diode 1N4148 để ổn định tín hiệu đầu

ra

Ta có hệ số khuếch đại toàn mạch AV = AV1.Rin2/(Rout1 + Rin2).AV2.AV3 = 249 ~

AV1= 253

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý mạch

- Thông số của từng linh kiện:

+ R1 = 22K, R2 = 3M, R3 = 51

+ R4 = 40, R5 = 1k

+ R6 = 1K, R7 = 8

+ C1 = C2 = 10uF, C3 = C4 = 100uF, C5 = 1000uF

+ Q1, Q2: BCS547

+ Q3,Q4: TIP41

+ Q5: TIP42

+ D1 = D2: 1N4148

- Tác dụng của linh kiện

Linh

Lớn hơn giá trị nên dùng

Nhỏ hơn giá trị nên dùng

Thiết lập vòng khuếch đại khép

kín

Tăng độ khếch đại

Giảm độ khuếch đại

R1 22kΩ

Thiết lập vòng khuếch đại khép

kín

Giảm độ khuếch đại

Tăng độ khuếch đại

tín hiệu vào

Tăng trở kháng đầu vào

Giảm trở kháng đầu vào

Nguy hiểm với tần số cao đặt trên nhiều tải

suất

chiều

Tăng tần số cắt dưới

chiều

Tăng tần số cắt dưới

rẽ nhánh

Nguy hiểm dao động

rẽ nhánh

Nguy hiểm dao động

Phần III: MÔ PHỎNG

3.1 Mạch mô phỏng trên Proteus

Hình 2: Mạch mô phỏng trong proteus

3.2 Các thông số hiển thị trên oscillo

Proteus hỗ trợ Oscillo để đo dạng tín hiệu, tần số, biên độ của tín hiệu

Hình 3: Tín hiệu đầu vào đo trên oscillo

Hình 4: Tín hiệu ra đo trên oscillo

Hình 5: So sánh 2 tín hiệu

Phần IV: Các thống số trên mạch đã lắp đặt

Bảng 1: Bảng so sánh các giá trị lí thuyết, mô phỏng, thực tế của các thông số

Phần V: So sánh và nhận xét các thông số đo

trên mạch

5.1 So sánh

- Nguồn nuôi: Theo lý thuyết và mô phỏng như nhau còn trên thực tế có chênh lệch chút ít

- Vin: Theo lý thuyết và mô phỏng như nhau còn trên thực tế chênh lêch một phần nhỏ

- Vout : Mô phỏng đầu ra có sai số nhỏ so với lý thuyết

Kết Luận

Qua bài tập lớn về mạch khuếch đại âm thanh đã giúp chúng em giành nhiều thời gian để nghiên cứu lý thuyết để từ đó có thể thiết kế mạch sao cho vừa tối

ưu, giá thành vừa rẻ so với sinh viên chúng em Viêc được làm bài tập lớn giúp chúng em có cái nhìn thực tế hơn về cách thức hoạt động linh kiện bên ngoài và chúng em cũng học hỏi được những kinh nghiệm từ cô Phùng Thị Kiều Hà trong quá trình cô giúp đỡ, đưa ra các giải pháp đối với mạch của chúng em Tuy đã rất

cố gắng trong quá trình làm nhưng vẫn không tránh khỏi những sai sót, mong cô

và các bạn đóng góp ý kiến với nhóm em để nhóm em sẽ lắng nghe và hoàn thiện hơn nữa