Báo cáo bài tập lớn (btl) mạch khuếch đại âm thanh môn điện tử tương tự 1 (đttt1) số 005 Ngành điện tử viễn thông (đtvt) đại học Bách Khoa Hà Nội (đhbk hn) Báo cáo có 5 phần: 1. lời nói đầu 2. mục lục 3. Bảng phân công công việc 4. Thiết kế 5. Kết quả mô phỏng 6. Mạch thực tế 7. Kết luận 8. Tài liệu tham khảo và phần mềm sử
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO Bài tập lớn : Thiết kế mạch khuếch đại âm tần Giảng viên hướng dẫn: Nhóm sinh viên thực hiện: Hà Nội Lời nói đầu Mạch khuếch đại mạch sử dụng hầu hết thiết bị điện tử, mạch khuếch đại âm tần Cassete, Âmply, Khuếch đại tín hiệu video Ti vi màu, … Mạch khuếch đại phân loại sau: - Khuếch đại điện áp : Là mạch ta đưa tín hiệu có biên độ nhỏ vào, đầu ta thu tín hiệu có biên độ lớn nhiều lần - Khuếch đại dịng điện: Là mạch ta đưa tín hiệu có cường độ yếu vào, đầu ta thu tín hiệu cho cường độ dịng điện mạnh nhiều lần - Khuếch đại công xuất: Là mạch ta đưa tín hiệu có cơng xuất yếu vào, đầu ta thu tín hiệu có cơng xuất mạnh nhiều lần, thực mạch khuếch đại công xuất kết hợp hai mạch khuếch đại điện áp khuếch đại dòng điện làm Vận dụng kiến thức học môn Điện tử tương tự I, nhóm sinh viên chúng em thiết kế mạch khuếch đại âm tần với mục tiêu thiết kế phân cơng sau: - Nguồn tín hiệu 100mV - Nguồn cấp điện áp 9VDC - Tải dùng loa Ω - Hệ số khuếch đại 40 lần - Điện áp tín hiệu đầu tối thiểu 1.5 V i Mục lục Lời nói đầu i Mục lục ii Bảng phân công công việc…………………………………………………… iii Thiết kế 01 I Sơ đồ khối khuếch đại âm .01 II Thiết kế chi tiết 02 Tầng khuếch đại tín hiệu vào 02 Tầng khuếch đại dòng điện 05 Tầng khuếch đại công suất 08 Thông số khuếch đại toàn mạch 11 Tính tốn đáp ứng tần số mạch .12 Kết mô phỏng…………………………………………………………… 13 Mạch thực tế 14 Kết luận 15 Tài liệu tham khảo, phần mềm sử dụng 16 ii Bảng phân công công việc Họ tên MSSV Nhiệm vụ Tính tốn số liệu, vẽ mạch Thuyết trình Mua linh kiện iii Thiết kế I Sơ đồ khối mạch khuếch đại âm Theo yêu cầu đặt ra, nhóm xây dựng mạch khuếch đại gồm tầng: - Tầng đầu tiên, khuếch đại điện áp vào Trong tầng yêu cầu thiết kế cho trở kháng vào lớn để ta lấy tín hiệu đầu vào tốt - Tầng thứ hai tầng khuếch đại dòng điện - Tầng thứ ba tầng khuếch đại cơng suất: đặc điểm có trở nhỏ để đưa tồn tín hiệu từ tầng ngồi Nguồn Input Khối khuếch đại điện áp Khối khuếch đại dịng điện Khối khuếch đại cơng suất Output Hình 1: Sơ đồ khối khuếch đại âm tần Khối khuếch đại có u cầu tạo hệ số khuếch đại tín hiệu từ 100mV lên tối thiểu 1.5 V đầu Rin đủ lớn để không bị ảnh hưởng R s Khối sau khuếch đại cần có Rin lớn để lấy hết tín hiệu từ tầng trước R out nhỏ II Thiết kế chi tiết Tầng khuếch đại tín hiệu vào Để bảo tồn tính ngun vẹn tín hiệu vào tín hiệu đầu giống hồn tồn với đầu vào, nhóm chọn mạch khuếch đại chế độ A với sơ đồ sau: Hình 2: Sơ đồ khối khuếch đại tín hiệu vào Nhóm lựa chọn transistor 2N3904 loại transistor phổ biến mạch khuếch đại âm tần dễ mua Với transistor 2N3904, để tầng hoạt động chế độ A ta cần chọn: V CE(Q 1) ≈ 50 % V CC V E(Q 1) ≪ V CC ⇒V E ≈ V 10 CC V CE(Q 1) =4.5(V ) V E(Q 1) =1(V ) Ngoài chọn: I C(Q 1)=0.75(mA ) β Q 1=140 Ở chế độ chiều ta có: V CC =I C ( Q 1) (R3 + R + R5 )+V E (Q 1) R3 + R 4+ R 5=6486 (Ω ¿ Mà IE = IC = 0.75 (mA), URE = (V) RE = R4 + R5 = 1333 (Ω ¿ R3=5.1( k Ω) Chọn R3 = 4.7 (kΩ) Theo yêu cầu toán, hệ số khuếch đại điện áp tồn mạch 28 lần nên nhóm lựa chọn hệ số khuếch đại cho tầng 40 lần (¿ A v1 ∨¿ 40) R3 ¿ A v1∨¿ Mà: g m(Q 1) Lại có: 40= + R4 4700 +R gm(Q1) gm (Q 1)= I C (Q 1) 0.75(mA ) 0.75 = = VT 26(mV ) 26 R4 =92 Ω Như chọn R4 =100 Ω Ở khía cạnh khác, ta có: V E(Q 1) =1(V ) nên: I C(Q 1)∗(R 4+ R5)=1 0.00075∗(100+ R 5)=1 R5=1.3 ¿) Như chọn R5=1.3 (k Ω) Vì transistor Q1 phân cực phân áp nên: +) I R ≫ I B(Q 1)= Vb(Q1) ≪ I ( R 2) ∗I β (Q 1) E(Q 1) Vb(Q1) ∗I β (Q 1) E (Q 1) R2 ≪ β Q 1∗R E (Q 1) R2 ≤ ∗β (Q )∗R E (Q )= 140 ∗(1300+100) 10 10 R2 ≤19( k Ω) Chọn R2 = 15 (kΩ ¿ +) VB = UBE + URE = 0.7 + = 1.7 R2 Mà VB = 9* R 1+ R R1 = 4.3R2 R1 = 64 (kΩ ¿ Ở chế độ xoay chiều ta có: +) ¿ A v1∨¿ R3 + R4 gm ( Q1 ) =40(lần) +) R¿ 1=R1 / ¿ R /¿(βr e +( β +1)∗R4 )=7.2(k Ω) +) Rout 1=R 3=5.1(k Ω) Tầng khuếch đại dòng điện Khi nối trực tiếp tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ tầng khuếch đại công suất với nhau, giá trị linh kiện không phù hợp làm sai lệch thông số khuếch đại tính tốn Vì phải có tầng làm nhiệm vụ phối hợp hai tầng với Từ đó, nhóm lựa chọn tầng khuếch đại Darlington mắc nối kiểu C chung Từ yêu cầu trên, để đơn giản nhóm lựa chọn transistor 2N2222A Tip41C với thông số sau: Q 2N2222A : I C(Q 2)=2mA , V CE(Q 2)=4 V , β(Q 2)=200,V BE(Q 2)=0.7 V Q3 TIP41C : I C(Q 3) =0.1 A , V CE(Q 3)=¿ 4.5 V , β (Q 3) =50, V BE(Q 3)=0.7 V ¿ β 23=β 2∗β 3=200∗50=10000 Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại điện áp hình bên: Hình 3: Sơ đồ khối khuếch đại dòng điện Ở chế độ chiều: V CC =V CE(Q 3) + I E (Q 3)∗R 9=4.5+ 0.1∗R7 R7 =45(Ω) Chọn R7 =47( Ω) 1 Lại có: I E ( Q 2)=I B (Q )= β ∗I E (Q )= 50 ∗0.1=2 ( mA ) Q3 1 I B (Q 2)= ∗I E (Q )= ∗0.002=10 ( μAA ) β2 200 Mặt khác: V CC =I B (Q )∗R6 +V BE (Q )+V BE (Q )+ I E (Q )∗R7 9=10∗10−6∗R 7+ 0.7+0.7+ 0.1∗47 R6 =290(k Ω) Chọn R6 =270(k Ω) Ở chế độ xoay chiều: +) ¿ A v2∨≈1 (do mắc theo kiểu C chung) β 23∗R6 =3650 (lần) β 23∗R7 + R6 +) Ai ≈ +) R¿ 2=R6 // ( r π (Q 2) + β Q 2∗r π (Q 3) + β Q2∗β Q 3∗R )=172 ( k Ω ) 1 + +) Rout 2=R /¿( g β(Q 3)∗g m(Q ) )=0.51( Ω) m( Q2 ) Trong đó: I C ( Q 2) gm ( Q ) = VT gm (Q 3)= r π (Q 2)= = 2(mA ) = (Ω) 26(mA ) 13 I C (Q 3) 0.1(mA ) = =3.8( Si) VT 26(mV ) βQ g m (Q ) =2.6 (k Ω) r π (Q 3)= βQ3 =13(Ω) gm (Q ) Tầng khuếch đại công suất Tầng khuếch đại công suất cung cấp lượng lớn lượng biến đổi lượng điện thành sóng âm, giúp loa đạt công suất cao Nhằm cho mạch chịu công suất lớn, ta lắp mạch theo class AB đẩy kéo với cặp transistor bổ sung TIP41C TIP42C với hệ số khuếch đại 100 Để tránh tín hiệu bị méo transistor hoạt động, ta phải phân cực trước cho trans Điện áp mối nối V BE (Q )và V BE (Q 5) đủ lớn 0.7V để có tín hiệu xoay chiều transistor hoạt động Từ cần mắc thêm diode Cụ thể nhóm chọn hai diode 1N4007 để ghim điện áp chân B hai transistor Sơ đồ tầng khuếch đại cơng suất hình vẽ đây: Hình 4: Sơ đồ khối khuếch đại công suất Để transistor Q Q5 ổn định nhiệt ta cần mắc thêm điện trở R10và R11 vào chân E cho R10=R11 ≪ R L, vậy, ta chọn R10=R11 =0.1(Ω) Để chọn transistor phù hợp cho tầng, ta cần tính tốn cơng suất tiêu tán tối đa mà hai transistor phải chịu Cụ thể: Ptrans=PV −P L=P DC −P AC CC Nhận thấy, mạch cấp nguồn V CC =9 V , tính đối xứng nên hai transistor nuôi nguồn điện V CC =4.5 V Do đó, giá trị điện áp tối đa đạt tải mức U L(max) =4.5 V Vì mạch mắc theo kiểu C chung nên ta có cơng suất phân phối tải cực đại là: V 2L (max ) P AC = =¿ ¿ 2∗R L 0.1∗40∗7200 ∗172000 15+7200 ( ∗1) 5100+172000 ¿ =1.9(W ) 2∗4 Công suất nguồn đạt cực đại tải tiêu thụ công suất cực đại, : V CC∗2 ∗V L (max ) V CC∗2 π P DC = ∗I C (max )= π RL V ¿∗A v 1∗R¿1 ∗R¿ R s + R¿1 9∗2 ∗ ∗1 π Rout + R¿ ¿ =5.6(W ) Như vậy, công suất tiêu tán tối đa Q Q5 là: PQ =PQ 5= P DC −P AC 5.6−1.9 = =1.85(W ) 2 Lại có: I C= V CC = =1.125 ( A ) 2∗R L 2∗4 I R =I B= I C 1.125 = =11.2( mA) β 100 V CC −1.4∗2 =0.55(k Ω) I R8 R8 =R 9= Chọn R8 =R 9=0.68 ( k Ω ) Như vậy: +) A v3 =1 (do mắc theo kiểu C chung) +) R¿ 3=R9 /¿ r π=2.3(Ω), với r π = +) Rout =R 11 + R L=4.1(Ω) +) η= β β∗V T = =2.3(Ω) gm IC P AC 1.9 = =34 % P DC 5.6 10 Thơng số khuếch đại tồn mạch Hình 5: Mơ tồn mạch Av total A v 1∗R¿2 ∗A v2∗R¿3 Rout 1+ R¿2 = =32 R out 2+ R ¿3 R¿ =R¿1=7.2(k Ω) total Rout =R out 3=4.1(Ω) total 11 Tính tốn đáp ứng tần số mạch Các tụ điện trở kháng vào, tầng tạo thành mạch lọc thông cao Chọn tần số cắt 300 Hz, ta tính tốn được: +) Tụ +) Tụ +) Tụ +) Tụ +) Tụ C1 : f C 1= π∗R ∗C 74 (nF ) Chọn C 1=100(μAF) C2 : f C 2= π∗(R ¿ ¿ out 1+ R )∗C 3 (nF) Chọn C 2=100( μAF) C3 : f C 3= π∗¿ ¿ C 3> 6(μAF) Chọn C 3=100(μAF) C4 = C5: f C 4= π∗(R ¿ ¿ out 2+ R )∗C < 300¿ ¿3 C >188( μAF) Chọn C 4=C 5=1000( μAF ) C6 : f C 6= π∗R ∗C 106 (μAF) Chọn C 6=1000( μAF) 12 Kết mô 13 Mạch thực tế 14 Kết luận Vận dụng kiến thức học môn Điện tử tương tự I, nhóm sinh viên chúng em hồn thành thiết kế mạch khuếch đại âm tần với mục tiêu thiết kế phân công sau: - Nguồn cấp điện áp: 9V - Tải dùng loa Ω - Hệ số khuếch đại 40 lần - Điện áp tín hiệu đầu tối thiểu 1.5 V Qua tập này, chúng em có thêm kiến thức hữu ích, hiểu vận dụng lý thuyết cách rõ ràng Tuy nhiên thời gian có hạn kiến thức cịn hạn hẹp, có sai sót báo tập lớn này, mong thầy thông cảm bảo thêm Qua đây, chúng em xin cảm ơn cô giúp đỡ q trình thực tập lớn Đây trải nghiệm thú vị mà sinh viên trải qua 15 Tài liệu tham khảo - Slide giảng Cô Phùng Thị Kiều Hà nhiều tài liệu khác mạng - Sử dụng phần mềm Proteus để thiết kế mạch nguyên lý 16 ... Mạch khuếch đại mạch sử dụng hầu hết thiết bị điện tử, mạch khuếch đại âm tần Cassete, Âmply, Khuếch đại tín hiệu video Ti vi màu, … Mạch khuếch đại phân loại sau: - Khuếch đại điện áp : Là mạch. .. thực mạch khuếch đại công xuất kết hợp hai mạch khuếch đại điện áp khuếch đại dòng điện làm Vận dụng kiến thức học mơn Điện tử tương tự I, nhóm sinh viên chúng em thiết kế mạch khuếch đại âm tần... khối khuếch đại âm .01 II Thiết kế chi tiết 02 Tầng khuếch đại tín hiệu vào 02 Tầng khuếch đại dòng điện 05 Tầng khuếch đại công suất 08 Thơng số khuếch đại