Đề tài: Thiết kế mạch khuếch đại âm thanh dùng transistor lưỡng cực doc

Chúng ta đã biết được một trong những ứng dụng quan trọng của Transistor là để khuếch đại tín hiệu.. Nghĩa là dùng Transistor để thiết kế các tầng khuếch đại nhằm biến đổi năng lượng của

MỞ ĐẦU

Sự ra đời của Transistor vào năm 1948 đã mở ra một thời kì mới cho nghành kĩ thuật điện tử Kể từ đó đến nay kĩ thuật điện tử đã phát triển một cách nhanh chóng, đem lại những lợi ích to lớn cho đời sống xã hội Những sản phẩm của kĩ thuật điện

tử có mặt hầu hết trong các hoạt động của con người

Trong những năm gần đây nước ta đã có những tiến bộ vượt bậc trong việc chế tạo các thiết bị điện tử Sản phẩm điện tử của Việt Nam đã tạo được niềm tin của khách hàng trong nước cũng như các nước trên thế giới Việt Nam đã chú trọng đầu

tư cho việc nghiên cứu nhằm tạo ra những sản phẩm có chất lượng, đáp ứng được những nhu cầu của con người Việc học tập nghiên cứu trong các trường đại học, cao đẳng cũng không nằm ngoài mục đích đó

Chúng ta đã biết được một trong những ứng dụng quan trọng của Transistor là

để khuếch đại tín hiệu Nghĩa là dùng Transistor để thiết kế các tầng khuếch đại nhằm biến đổi năng lượng của nguồn tín hiệu một chiều thành năng lượng của tín

hiệu xoay chiều Đề tài “Thiết kế mạch khuếch đại âm thanh dùng transistor

lưỡng cực ” mà chúng em chọn làm dưới đây là một trong những ứng dụng phổ biến

của nó

Sau một thời gian học tập và tìm hiểu cùng với sự giảng dạy của các thầy cô giáo,

cùng với sự dẫn dắt nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn – thầy giáo Nguyễn Anh

Quỳnh chúng em đã có thể hoàn thành đồ án này.Do kiến thức và trình độ năng lực

hạn hẹp nên việc thực hiện đề tài này không thể tránh được thiếu sót, kính mong nhận được sự thông cảm và góp ý của thầy giáo, cô giáo và các bạn để đồ án này hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

I.1 Cấu tạo của transistor lưỡng cực(BJT)

BJT là một tổ hợp gồm 2 chuyển tiếp PN đặt cách nhau một khoảng W nhỏ hơn nhiều so với chiều dài khuyếch tán (L) của các hạt dẫn

Transistor có 3 cực:

- cực phát(Emitor): miền pha tạp chất nhiều nhất, phát ra điện tích để tạo ra dòng điện cho transistor

- Cực góp(colector): miền pha tạp chất với nồng độ ít, thu góp điện tích từ emitor tới

- Cực gốc(Bazor): miền pha tạp chất ít, chiều dày rất mỏng, điều khiển số điện tích từ E→C, điều khiển dòng điện trong transistor

I.2 Một số vấn đề về mạch khuyếch đại

I.2.1.Khái niệm:

Khuếch đại là quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển.Năng lượng của nguồn

cung cấp một chiều được biến đổi thành năng lượng xoay chiều

nguồn một chiều (Ec)

U

Vào Ra

Hình 1 Sơ đồ mạch khuếch đại

I.2.2.Các chỉ tiêu và tham số cơ bản của một tầng khuếch đại.

A Hệ số khuếch đại

- Định nghĩa: Hệ số khuếch đại có giá trị là thương của đại lượng đầu ra với đại

lượng tương ứng đầu vào

- Ký hiệu: K (Nếu lấy theo điện áp ta có Ku , nếu lấy theo dòng điện ta có Ki , nếu

lấy theo công suất ta có Kp  Kp=Ku.Ki )

- Bản chất K là một đại lượng phức thường ký hiệu là .

K =K.exp(k) với k là độ lệch pha

Nếu K tính bằng db thì K=20lgK

- Khi có nhiều tầng khuếch đại ghép nối lại với nhau

Khi đó K=K1.K2 Kn

Nếu tính theo db: K =K1+K2+…+Kn

B Thông số trở kháng vào: Zi= vi/ii

Với Z là đại lượng phức Z=R+jK

Trong đó: R là điện trở thuần

X là điện kháng

C Trở kháng ra: Z0=v0/i0.

D Đặc tuyến biên độ tần số và đặc tuyến pha tần số

Mạch điều khiển

- Đặc tuyến biên độ-tần số là đường cong mô tả sự phụ thuộc của K theo tần số tín hiệu vào

-Đặc tuyến pha tần số là đường cong mô tả sự phụ thuộc của độ lệch pha theo tín hiệu vào

E Méo phi tuyến:

-Định nghĩa: Méo phi tuyến là do các phần tử phi tuyến trong mạch gây nên như điốt, Transistor

-Biểu hiện:

n 

Hình 2.Sơ đồ biểu hiện méo phi tuyến

Trong đó n=1,2…

Tín hiệu vào chỉ có thành phần tần số , tín hiệu ra có các thành phần tần số n còn các hài khác là 1 phần nhỏ

- Hệ số méo phi tuyến :=

m Ur

rnm U m

r U rnm U

1

2

3 2

2    100o0

Trong đó biên độ Urnm là các giá trị cực đại của các thành phần tín hiệu n ở đầu ra

I.3 Một số mạch khuyếch đại cơ bản.

Mạch khuyếch đại tín hiệu nhỏ dùng transistor

Có 3 cách mắc Transistor thông dụng là EC, CC, BC Trong đó EC là cách mắc

dễ dàng và đem lại hiệu quả cao

I.3.1.Mạch khuếch đại mắc theo kiểu EC.

* Chế độ tĩnh

KĐ

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

 Điện thế colectơ phải dương hơn điện thế bazơ của Transistor npn và âm hơn điện thế 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 dẫn làm 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

0

Ice

Ice 

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

Hình 3.Mạch khuếch đại emitơ 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 số còn lại sẽ được xác định trong sự ràng buộc với sự ràng buộc với đặc tuyến vào ra của Transistor

- Họ đặc tuyến vào I B= f1(U CE,U BE)

- Họ đặc tuyến ra I C = f2(U CE,I B)

- Quan hệ ràng buộc được xác định bởi đường tải tĩnh IC=f3(UCE) Nếu giả sử IC=IE

C

I

Đường tải tĩnh có độ dốc :

1

C

dI

a) b)

Hình 4.Đặc tuyến và đường tải tĩnh của sơ đồ emiter chung

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 còn khi thay đổi điện áp cung cấp nguồn UCC thì đường tải tĩnh dịch trái hoặc dịch phải.Điểm làm việc phải nằm trên đường tải tĩnh, đó là giao điểm của đường tải tĩnh với đặc tuyến

ra ứng với dòng vào IC0 và IB0.Trong thực tế thường cho trước điện áp nguồn cung cấp, lúc đó việc chọn điểm làm việc và điện trở tuỳ thuộc vào các yếu tố sau:

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

-Hệ số khuếch đại.

-Dải tần của tín hiệu vào

-Tham số của mạng 4 cực

-Méo phi tuyến cho phép, điện trở vào và điện trở ra của mạch

-Tạp âm

-Tham số giới hạn I, U, P

Hình 5.Sự phụ thuộc của tần số vào dòng colectơ

* Chế độ động

Trong phạm vi đồ án nay em sử dụng Transistor mắc theo kiểu EC có phản hồi điện

áp ở tầng khuếch đại công suất nên ở đây em chỉ trình bày sơ đồ EC có hồi tiếp âm điện áp

a) b)

c)

Hình 6 Sơ đồ CE có hồi tiếp song song điện áp

Theo hình 6.c ta có:

-Hệ số khuếch đại điện áp:

r

u

be

U

K

r

-Hệ số khuếch đại dòng điện:

//

i

C ce

F

I R r R R R r

K

R r

R



-Trở kháng vào:

1

U

U

K

K



1

F

V Bo be

U

R

K

 -Trở kháng ra:

// '' //

rh

Cng

U

I

-Hệ số khuếch đại điện áp toàn phần:

1

be BE

be n

Z U

U



Thông thường chọn rce >>

1

F u

R K

1 / 1

F be

R r



I.3.2 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  =T/2=1800.Nhược điểm của 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< 

1800

* Mạch khuếch đại công suất loại B

Ứng với  =900 Điểm làm việc tĩnh được xác định tại UBE=0.Chỉ một nửa chu 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 và B

Hình 7 Đặc tuyến truyền đạt của Transistor

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 bằng điện dung, ghép trực tiếp.Trong phạm vi đồ án này em sử dụng sơ đồ Darlington.Vì vậy

em tập trung đi sâu vào cách ghép nối này

Hình 8.Sơ đồ Darlington

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

IB=(1- )IE

IC1= 1.IB1

IC2== 2.IB2= 2.IE1= 2.(1+ 1).IB2

T1

C

B

E

 IC=IC1+IC2=( 1+ 2+1. 2).IB1.

  = 1+2+ 1.2

Khi 2 transistor chế tạo trên cùng một đế bán dẫn thì  1= 2=

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

- Trở kháng ra nhỏ hơn

- Sơ đồ Darlington có dòng điện dư lớn hơn sơ đồ dùng một transistor vì dòng điện dư của T1 được T2 khuếch đại

- Vì các điốt emito của 2 transistor nối tiếp nên điện áp một chiều bazo-emito của sơ đồ Darlington cũng như mức trôi của điện áp này lớn gấp đôi so với trường hợp dùng một transistor

- Để có hỗ dẫn lớn thường chọn IB1>IB2

Cửa thuận nối đất nên Up=0; giả thiết ic lí tưởng nên K0 =Up Un

Ur

 đạt giá trị vô cùng

 Up-Un =0 Up=Un=0

Zi0=Ud/I0N đạt giá trị vô cùng  I0N= 0

Ta áp dụng định lí Kiếc sốp cho nút N  I1=I2

 Ui/R1=-U0/R2

 Ki=U0/Ui=-R2/R1.

PHẦN II: PHÂN TÍCH,TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ

II.1.Phân tích

Mạch khuếch đại âm tần muốn tín hiệu vào được khuếch đại đủ lớn để cung cấp cho tải và tín hiệu ra đảm bảo không méo thì trong mạch phải có một tầng khuếch đại công suất Nhưng để mạch có hệ số khuếch đại lớn trong trường hợp trong mạch

có sử dụng hồi tiếp âm thì phải cần thêm khâu khuếch đại điện áp trước khi cho vào

khâu khuếch đại công suất Tín hiệu ra của tầng khuếch đại công suất có thể lấy trực tiếp ngay trên tải mắc trực tiếp với đầu ra của mạch khuếch đại công suất

Mô hình của mạch khuếch đại âm tần là:

tín hiệu vào tín hiệu ra

II.2 Thiết kế mạch khuếch đại âm thanh

II.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch:

C1

10u

C2

470u

C3

220u

C4

330u

C5

2200u

C6

2200u

D1

1N4148

D2

1N4148

Q1

BC109

Q2

2N3903

Q3

2N3903

Q4

2N3906

R1

27k

R2

100k

R3

27k

R4

15k

R5

330R

R10

1R

R9

1R

R6

1R

R8

470R

BAT1

15V

R7

1k

LS1

SPEAKER

RV2

470R

II.2.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạch

* Tầng khuyếch đại công suất.

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

KĐĐA KĐCS

- Nguồn cung cấp:

công suất trung bình tính trên tải được tính theo công thức

PL=21 I2

PL.RL=V2.RL/2.(R9+RL)

Ta sẽ chọn giá trị R9<< RL bởi vậy ta có thể tính gần đúng:

VLP max =(RL*2*PL)1/2=(2*8*4)1/2=7v

Trong mạch VLP max=Vcm/2, với hệ số sử dụng điện áp

 =Vcm/ Vcc=0.9, ta chọn nguồn

Vcc=Vcm/0.9=2*Vlp/ =2*7/0.9=15v

Chọn các giá trị điện trở

Công suất tiêu tán tối đa trên 2 transistor Q3 và Q4

Ta có Pc=Pcc-Pl mà Pcc=Pstb=Vcc*Istb= Vcc*Vp/ *(R9+Rl)

 Pc=Vcc*Vp/ *(R16+Rl)-V2

p*Rl/2* *(R16+Rl)2

 Pcmax=Vcc2/2* *Rl vậy công suất tối đa trên mỗi transistor Q3 và Q4 là

Pc3 max=Pc4 max = Vcc2/4* 2*Rl =0.7w

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 từng bán 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 diot này là phân cực

DC cho cặp transistor Q3 và Q4 sao cho 2 transistor này làm việc ở lớp AB tránh méo tín hiệu ở ngõ khuyếch đại ra loa, 2 điot này còn chịu dòng dò do transistor Q2

mang tới ở chế độ AC ta sẽ chọn diot dựa theo các thông số









v Vdr

mA Id

7 20

Tụ C5 phải tích điện tốt do tần số cắt thấp là 100hz nên chọ giá trịC5=2200uf

F1(c5) =1/2 *(rl+re)*c5

Tụ liên lạc cin=nối tín hiệu điện áp và tầng nhận tín hiệu vào, để không gây méo tín hiệu ta chọn cin sao cho cin=1/2*( *fl*zin)= 10uf

- C1 : Dẫn tín hiệu vào

- C6 : Tụ lọc nguồn chính, giá trị của C6 phụ thuộc vào dòng tải, nói cách khác phụ thuộc vào công suất hoạt động của mạch Mạch có công suất càng lớn, ăn dòng càng lớn thì C6 phải có giá trị càng cao Nếu không, sẽ gây hiện tượng “đập mạch”

có nghĩa là điện áp trên C6 bị nhấp nhô và loa sẽ phát sinh tiếng ù_gọi là ù xoay chiều Nếu điện áp nuôi mạch được cấp bởi biến áp 50Hz sẽ nghe tiếng ù (như còi tầm), nếu cấp bằng biến áp xung tần số cao sẽ nghe tiếng rít

- R5-C3 : Hợp thành mạch lọc RC ổn định nguồn cấp và chống tự kích cho tầng khuyếch đại 2, 1 Tuy nhiên nếu mắc ở đây thì tác dụng của R5-C3 không cao Muốn nâng cao tác dụng của nó bạn phải mắc mắt lọc này về phía cực (+) của C6

- R3-C2 : Mạch lọc RC ổn định nguồn, chống tự kích cho khuyếch đại 1 (khyếch

đại cửa vào).

- R1-R2 : Định thiên, phân áp để ổn định phân cực tĩnh cho Q1, để Q1 ko gây méo tuyến tính khi khuyếch đại thì R1 phải được chỉnh để Q1 làm việc ở chế độ A (tương

ứng Ube Q1 ~0.8V đối với BTJ gốc silic) Đồng thời R2 phải được chọn có giá trị

bằng trở kháng ra của mạch đằng trước Nếu tín hiệu vào là micro thì R2 có giá trị chính bằng trở kháng của micro

- R4 : Tải Q1, định thiên cho Q2 Trong mạch này Q1 và Q2 được ghép trực tiếp

để tăng hệ số khuyếch đại dòng điện trước khi công suất (Q2 đóng vai trò tiền

khuyếch đại công suất) Mặt khác cũng để giảm méo biên độ và méo tần số khi tần

số, biên độ của tín hiệu vào thay đổi

- R7-C4 : Hợp thành mạch hồi tiếp âm dòng điện có tác dụng ổn định hệ số

khuyếch đại dòng điện cho Q1, giảm nhỏ hiện tượng méo biên độ Khi điều chỉnh giá trị của C4 sẽ thay đổi hệ số khuyếch đại của Q1, nói cách khác điều chỉnh C4 sẽ làm mạch kêu to, nhỏ

- Q1 : Khuyếch đại tín hiệu vào, được mắc theo kiểu E chung

- Q2 : Đóng vai trò khuyếch đại tiền công suất được mắc kiểu C chung Tín hiệu ra

ở chân E cấp cho 2 BJT công suất Ở đây, thực chất ko có tín hiệu xoay chiều nào hết, chỉ có điện áp một chiều thay đổi (lên xuống) quanh mức tĩnh ban đầu Tín hiệu

ra ở chân E Q2 được dùng kích thích (thông qua thay đổi điện áp) cho Q3, Q4

- Q3, Q4 : Cặp BJT công suất được mắc theo kiểu “đẩy kéo nối tiếp“ Hai BJT này

thay nhau đóng/mở ở từng nửa chu kỳ của tín hiệu đặt vào Q3 dùng PNP, Q4 dùng NPN nhưng phải có thông số tương đương nhau Kiểu mắc Q2, Q3, Q4 như trên gọi

là “đẩy kéo nối tiếp tự đạo pha”

- R9, R10 : Điện trở cầu chì, bảo vệ Q3, Q4 khỏi bị chết khi có 1 trong 2 BJT bị chập

- D1, D2 : Ổn định nhiệt, bảo vệ tránh cho Q3, Q4 bị nóng

- PR1 : Điều chỉnh phân cực Q4, thông qua đó chỉnh cân bằng cho “điện áp trung

điểm”

II.2.4 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 A hoặc AB

- PR1 được điều chỉnh để Q3, Q4 có điện áp chân B bằng nhau, như vậy độ mở của 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 IcQ1 tăng → sụt áp trên R4 (UR4

= R4xIcQ1) tăng làm cho UcQ1 giảm Độ giảm của UcQ1 tỷ lệ thuận với biên độ tín hiệu vào

- Vì chân CQ1 nối trực tiếp chân BQ2 nên khi UcQ1 giảm thì UbQ2 giảm theo làm cho Q2 khóa bớt, như vậy dòng IcQ2 giảm xuống dẫn đến điện áp tại điểm 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), UB giảm 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