Theo lý thuyết, một bộ khuếch đại âm thanh thường có các tầngkhuếch đại: tầng tiền khuếch đại với mục đích tạo Rin lớn để dẫn tín hiệuvào mạch, tầng khuếch đại nhằm tạo Av lớn khuếch đại công suất và Tầngsau khuếch đại tạo Rout nhỏ để đưa hết tín hiệu ra tải. Sau đó, cần có tầngkhuếch đại công suất để đưa hết công suất ra tải.Tuy nhiên, do trở ở các nguồn tín hiệu xoay chiều được sử dụng(laptop, điện thoại) nhỏ hơn rất nhiều so với Rin của mạch khuếch đại nênnhóm sẽ bỏ qua tầng tiền khuếch đại mà thiết kế mạch gồm các 3 tầng:tầng khuếch đại, tầng sau khuếch đại, tầng khuếch đại công suất với sơ đồkhối sau
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ
GVHD: TS Nguyễn Anh Quang
Mã lớp: 112099
NHÓM THỰC HIỆN
Lê Việt Hùng
Lưu Văn Đức
20170028
20172482
Hà Nội, tháng 12 năm 2019
Trang 2MỤC LỤC 2
THIẾT KẾ 3
1 Phân tích thông số kỹ thuật 3
2 Sơ đồ khối mạch khuếch đại âm thanh 3
3 Thiết kế chi tiết 4
3.1 Tầng khuếch đại tín hiệu 4
3.2 Tầng sau khuếch đại tín hiệu 7
3.3 Tầng khuếch đại công suất 8
3.4 Các tụ dùng trong mạch 9
3.5 Kết quả mô phỏng toàn mạch 10
MẠCH THỰC TẾ 12
KẾT LUẬN 13
Trang 31 Phân tích thông số kỹ thuật
Yêu cầu kĩ thuật:
Input: 50m V-100mV Công suất ra tải: 2 W
Nguồn cung cấp: 5 V Tải: Loa 16𝛺
Từ các thông số trên, tính toán ta thấy: Uout = 8V >Vcc (Không thể xảy ra)
Với nguồn cung cấp 12V thì Vout max ≈ 4 volt
Do đó nhóm tiến thành làm mạch với các thông số như sau:
Nguồn cung cấp: 12 Volt Loa: 16 𝛺
Công suất ra trên tải: 0.8 W Rin lớn
Rout nhỏ Dải tần họa động: 20 Hz – 20000 Hz Với công suất và tải như trên yêu cầu Vout =3.5 Volt
2 Sơ đồ khối mạch khuếch đại âm thanh
Theo lý thuyết, một bộ khuếch đại âm thanh thường có các tầng
khuếch đại: tầng tiền khuếch đại với mục đích tạo Rin lớn để dẫn tín hiệu vào mạch, tầng khuếch đại nhằm tạo Av lớn khuếch đại công suất và Tầng sau khuếch đại tạo Rout nhỏ để đưa hết tín hiệu ra tải Sau đó, cần có tầng khuếch đại công suất để đưa hết công suất ra tải
Tuy nhiên, do trở ở các nguồn tín hiệu xoay chiều được sử dụng
(laptop, điện thoại) nhỏ hơn rất nhiều so với Rin của mạch khuếch đại nên nhóm sẽ bỏ qua tầng tiền khuếch đại mà thiết kế mạch gồm các 3 tầng: tầng khuếch đại, tầng sau khuếch đại, tầng khuếch đại công suất với sơ đồ khối sau:
Trang 4Hình 2.1: Sơ đồ khối mạch khuếch đại âm thanh
- Khối khuếch đại có yêu cầu tạo hệ số khuếch đại tín hiệu từ
50mV-100mV lên 3.5V ở đầu ra và Rin đủ lớn để không bị ảnh hưởng
bởi Rs
- Khối sau khuếch đại cần có Rin lớn để lây hết tín hiệu từ tầng trước
và Rout rất nhỏ (<<16 ôm) so với điện trở của loa
3 Thiết kế chi tiết
3.1 Tầng khuếch đại tín hiệu
Nhóm lựa chọn mạch khuếch đại E chung với sơ đồ như sau:
Hình 3.1: Mô hình khối khuếch đại tín hiệu
Trang 5Quá trình tính toán, lựa chọn linh kiện:
Nhóm lựa chọn Transistor 2N2222 vì tính phổ biến và được sử
dụng trong phòng thí nghiệm
Transistor 2N222 có hệ số β=200
• Phân tích chế độ 1 chiều, chọn điểm làm việc Q:
Với nguồn 12V, 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 3.5𝑉,
ta chọn 𝑉𝑐 = 6.5𝑉, 𝑉𝐸 = 0.6 V
Từ datasheet của 2N2222 ta chọn 𝐼𝑐 = 0.55 𝑚𝐴
Từ đó, chọn 𝑅𝐵 = 10𝐾, 𝑅𝐸 = 1𝐾
Ta có: 𝑉𝐵 = 0.6 + 0.7 = 1.3 𝑉 = 𝑅2
𝑅1+𝑅2
𝐼𝐵 = 𝐼𝐶
𝛽 =
0.55
200 = 3 (𝑚𝐴)
Từ đó chọn 𝑅1 = 100𝐾, 𝑅2 = 10𝐾
Với các giá trị điện trở như trên ta có Av = 𝑅𝑐
𝑔𝑚+𝑅𝑒 = 9.5
Ta thấy, Av nhỏ nên thiết kế lại mạch như sau:
Hình 3.2: Mạch tầng khuếch đại tín hiệu
Trang 6Kết quả mô phỏng một chiều:
Hình 3.3: Kết quả mô phỏng chế độ một chiều tầng khuếch đại
• Phân tích chế độ xoay chiều:
Với cách thiết kế mạch như trên
𝐴𝑣 ≈ 12 lần
𝑍𝑏 = β ∗ ( 𝑅𝐵 + 𝑅𝐸) = 250𝐾
𝑅𝑖𝑛 = 𝑅1 // 𝑅2 // 𝑍𝑏 ≈ 10𝐾
𝑅𝑜𝑢𝑡 = 𝑅𝑐 = 10𝐾
Nhận xét: Với giá trị Rin như trên đủ lớn để đưa hết tín hiệu từ điện thoại
hoặc laptop vào mạch
Kết quả mô phỏng tín hiệu xoay chiều:
Hình 3.4: Kết quả mô phỏng chế độ xoay chiều tầng khuếch đại
Trang 73.2 Tầng sau khuếch đại tín hiệu
Do mong muốn 𝑅𝑖𝑛 của tầng này lớn và Rout nhỏ nên ta lựa chọn mô hình mạch như sau:
Hình 3.5: Mô hình khối sau khuếch đại tín hiệu
• Phân tích chế độ 1 chiều:
Chọn 𝑉𝐵 = 6.25 𝑉 nên 𝑉𝐸 = 5.5 𝑉
Chọn 𝑅𝐸 = 1𝐾 ⇒ 𝐼𝐸 = 5.5 𝑚𝐴
Ta có:
𝐼𝐵 = 𝐼𝑐
β = 5.5𝑚𝐴
200 = 0.026𝑚𝐴 => 𝑅𝐵 = 5.75
0.026𝑚𝐴 ≈ 220𝐾 Như vậy, chọn 𝑅𝐵 = 220𝐾, 𝑅𝐸 = 1𝐾
Kết quả mô phỏng một chiều:
Hình 3.6: Kết quả mô phỏng chế độ một chiều tầng sau khuếch đại
Trang 8• Phân tích chế độ xoay chiều:
Kết quả mô phỏng sau khi nối với tầng 1
Hình 3.7: Kết quả mô phỏng chế độ xoay chiều tầng sau khuếch đại
𝑅𝑖𝑛 = 𝑅𝐵 // (β ∗𝑅𝐸) ≈ 105𝐾
𝑅𝑜𝑢𝑡 ≈ 𝑟0
Vì 𝑟0 rất nhỏ ta có thể bỏ qua
𝐴𝑣 ≈ 1
𝑅𝑜𝑢𝑡của khối tiền khuếch đại nên gần như tín hiệu vào của khối khuếch đại đệm chính là tín hiệu ra của khối tiền khuếch đại, không bị suy giảm Zout của khối khuếch đại đệm rất nhỏ tạo thuận lợi để tín hiệu đi vào khối
khuếch đại công suất mà không bị suy giảm
3.3 Tầng khuếch đại công suất
Khối này có tác dụng đưa công suất
ra tải và đảo pha tín hiệu, sử dụng
2transistor công suất Tip41(NPN) và
Tip42(PNP)
Hai diode có tác dụng phân cực cho
hai transiotro Tip41 và Tip42
R7 và R8 dùng để phân áp cho tầng
đảo pha Q3 R9 và 2 diode dùng để phân
áp cho transistor khuếch đại công suất Q4
và Q6
Hình 3.8: Mô hình khối khuếch đại công suất
Trang 9Nguyên lý làm việc của mạch: Khi điện áp tín hiệu vào giảm, thì trên cực C của transistor Q3 có điện áp tăng, làm cho transistor Q6 khóa nên Q3 không làm việc Trong khi đó, điện áp trên Q3 tăng, làm cho D1 D2 có
xu hướng phân cực ngược và khóa lại làm cho điện áp tại cực B của Q4 tăng nên Q4 làm việc Khi điện áp tín hiệu tăng thì quá trình diễn ra hoàn toàn ngược lại
Mô phỏng tín hiệu đầu ra:
Hình 3.9: Tín hiệu đầu ra
3.4 Các tụ dùng trong mạch
Hình 3.10: Mạch hoàn chỉnh
Trang 10Tần số cắt dưới f=20Hz
𝐶1 > 1
2𝜋 20.10𝐾 = 0.79𝜇
𝐶2 > 1
2𝜋 20.10𝐾 = 0.79𝜇
𝑅𝑋 = 𝑅𝐸// (𝑅1// 𝑅2
β + 𝑟𝑒) = 91.06 𝛺
𝐶𝐸1 > 1
2𝜋 ∗ 20 ∗ 91.06 = 87𝜇
Tụ C1, C2, C3, C4 có tác dụng ngăn dòng một chiều
CE1 ngắt bỏ R12 nhằm mục đích tăng Av
Chọn C1 = C2 = C3 = 47𝜇 CE1=100𝜇
Kết quả băng thông:
Hình 3.11: Kết quả băng thông
3.5 Kết quả mô phỏng toàn mạch
Hình 3.12: Đồ thị Vin-Vout
Trang 11Hình 3.13: Kết quả công suất
Hình 3.14: Kết quả băng thông
Trang 12Hình 1:Mạch thực tế trên board
Kết quả đo một chiều:
Tầng 1:
𝑉𝐶 = 6.46 𝑉
𝑉𝐸 = 0.48 𝑉
𝑉𝐵 = 1.08 𝑉
Tầng 2:
𝑉𝐶 = 11.76 𝑉
𝑉𝐸 = 6.68 𝑉
𝑉𝐵 = 6.11 𝑉
Tầng 3 (Transistor khuếch đại đảo pha):
𝑉𝐶 = 6.99 𝑉
𝑉𝐸 = 0.61 𝑉
𝑉𝐵 = 1.26 𝑉
Kết quả đo ở chế độ một chiều gần giống với thiết kế
Trang 13Qua bài tập lớn môn Điện tử tương tự 1 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 Email liên hệ nhóm: nguyencongphucsp@gmail.com Qua đây, chúng em cũng xin cảm ơn thầy vì những giúp đỡ của thầy 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