2. Phân tích yêu cầu Yêu cầu: • Tín hiệu đầu vào Vin = 50100mV • Công suất trên tải 2W • Tải dùng loa 8Ω Yêu cầu chức năng: • Khuếch đại tín hiệu âm thanh. • Hạn chế tối đa sự ảnh hưởng của méo nhiễu tín hiệu. Yêu cầu phi chức năng: • Ứng dụng cho nhiều hệ thống âm thanh. • Mạch đơn giản, dễ sử dụng. • Thời gian sử dụng lâu dài. • Sửa chữa, thay thế các linh kiện khi bị hỏng dễ dàng. • Giá thành rẻ.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG - - BÁO CÁO Đề tài: Mạch khuếch đại âm Giáo viên hướng dẫn: Phùng Thị Kiều Hà Nhóm sinh viên thực hiện: Đỗ Văn Triều - 20153914 Trần Hồng Quân - 20167348 Nguyễn Minh Sơn - 20163543 Hoàng Anh Thái - 20172803 ****Năm học 2019 - 2020**** Quy trình thực 2 Phân tích u cầu Yêu cầu: Tín hiệu đầu vào Vin = 50-100mV Công suất tải 2W Tải dùng loa 8Ω Yêu cầu chức năng: Khuếch đại tín hiệu âm Hạn chế tối đa ảnh hưởng méo nhiễu tín hiệu Yêu cầu phi chức năng: Ứng dụng cho nhiều hệ thống âm Mạch đơn giản, dễ sử dụng Thời gian sử dụng lâu dài Sửa chữa, thay linh kiện bị hỏng dễ dàng Giá thành rẻ Sơ đồ khối mạch Nguồn DC Mạch ngun lý Tính tốn lý thuyết 5.1 Tính tốn ước lượng nguồn ni Tầng khuếch đại cơng suất chọn mắc theo class AB nhằm có tín hiệu đầu méo hệ số khuếch đại đủ lớn Hiệu suất chế độ class AB vào khoảng 50% PL = 2W; RL = 8W ULhd = √ P L R L = 6(V) ICmax = V0 = = 0,75(A) (do V ≈ ULhd ) RL PDC = Vcc ICmax = 0,48Vcc(W) π Chọn khuếch đại đẩy kéo với nguồn cung cấp DC hiệu suất vào khoảng 25% 78.5% H= P AC = 0,48 V ϵ (0,25; 0,785) P DC cc => Vcc ϵ (8; 24) Để giảm thiểu tốn đảm bảo để mạch hoạt động với hiệu suất phù hợp, ta chọn nguồn chiều có độ lớn 16V 5.2 Thiết kế tầng khuếch đại công suất Yêu cầu thiết kế: Công suất đầu 2W Nguồn sử dụng: 16VDC Giả sử ta chọn loa (tải) có thông số PL = 2W, RL = 8Ω mạch khuếch đại công suất mạch khuếch đại đẩy kéo dùng nguồn đơn, có sơ đồ nguyên lý sau: Hình 1 Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại cơng suất Trên Hình 1.1 sơ đồ ngun lý tầng khuếch đại cơng suất Ta có: 1 U pL R L P L= I 2pL R L = 2 (R L )2 Ta tính gần được: P Lmax =2W U pLmax ≈ 5.7 V Mạch gồm transistor nuôi nguồn 16VDC, tính đối xứng, transistor coi ni nguồn điện 8VDC Do đó, giá trị biên độ tín hiệu tối đa tải đạt mức U pLmax =5.7 V (coi hệ số sử dụng điện áp =100%) Mặt khác, tầng khuếch đại công suất gồm transistor mắc CC, hệ số khuếch đại điện áp coi gần (không khuếch đại điện áp, khuếch đại dịng) Cơng suất tiêu tán tối đa Q4 Q5 tính sau: PQ + P Q5=PC =PCC −P L=V CC I Crms− PCC =V CC U pL U 2pL R L − R L ( R L )2 U pL R L ( R6 + R L ) Với U pLmax =5.7 V ta tính PCCmax =3,3W , từ suy ra: PQ max=PQ max=1,1 W Từ thông số tính tốn trên, ta lựa chọn transistor cho hoạt động an tồn với thơng số tính Transistor chọn với yêu cầu sau: PQmax ≥ 1,1W , U CEmax ≥ V CC =16 V , I Cmax ≥ I Lmax = 5,7 =0,57 A 10 Từ đó, ta chọn cặp transistor NPN PNP TIP41 TIP42 với thông số: PQmax =65 W ,U CEmax=40 V , I Cmax =6 A Phân cực theo chế độ AB cho Q4 Q5 với thông số: U BE=0.65 V , I C =50 mA Theo datasheet TIP41 TIP42 25C, giá trị =100 R7, R8 có tác dụng để ổn định nhiệt, cân tầng đẩy kéo, dòng qua tải dịng qua trở bán kì Các diode dùng để cố định điện áp chênh lệch cực B transistor, đảm bảo transistor sẵn sàng mở Để chọn diode, ta tính dịng IBQ sau: U pL 5.7 =50 mA + =0.5 A RL I I BQ= CQ =5 mA ❑ Chọn diode có U D=U BEQ + I CQ r=0.65+ 0.05=0.7V I CQ =50 mA + Có thể chọn diode D1, D2 loại thơng dụng 1N4007 Theo datasheet 1N4007, UD = 0.7V, dịng qua diode khoảng 1.8mA Từ ta tính IR8 = ID + IBQ = 6.8mA Suy ra: R7 =R 8= 5.3 Thiết kế tầng phối hợp trở kháng 5.7−0.7 ≈1k Ω 6.8 Tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ có tải trở kháng vào tầng sau lớn Nếu ta nối hai tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ tầng khuếch đại cơng suất với linh kiện hoạt động khơng cho kết mong muốn Vì phải có tầng có nhiệm vụ phối hợp trở kháng hai tầng này, đồng thời không khuếch đại giá trị điện áp, khuếch đại dòng điện để đưa vào tầng công suất Ta chọn tầng phối hợp trở kháng dùng Darlington Với kiểu mắc C chung có đặc điểm hệ số khuếch đại điện áp nhỏ (≈ 1), khuếch đại dòng lớn ( β +1) Chế độ chiều: Kết nối Darlington có hệ số khuếch đại dịng chiều βD = β1 β2 Chọn β1 = β2 = 200 => βD = 40000 Xét vòng BE áp dụng định luật Kirchhoff ta có: Vcc – Ib1.Rb - VBE1 - VBE2 – IeRe = Ib1 = V cc −V BE 1−V BE 16−0,7−0,7 7,6 = = = 6.63 ( μA ¿ 1,2 M +100.100 100(Ω) 2,2 M R b + β D Re Tính Ic1 ta được: Ic1 = β I b = 1,3(mA) Tính Ic2 ta được: Ic2 = β D I b = 0,27(V) Tính VCE với Ic2 ≈ Ic1 : VCE2 = Ic2.RE = 7(V) Chế độ xoay chiều: Sử dụng IE tính phân tích chiều t a được: re1 = re32 = 26 mA I e1 = 75,36 (Ω) 26 mA 26 mA = Ie β β I B 31 = 0,7536 (Ω) Từ sơ đồ, ta có trở kháng vào mạch: Zi = RB || β D R E = 1,2M || 1M = 0,55 (MΩ) Z0 = AV = r e1 75,36 +r e = + 0,7536 = 1,5 (Ω) 100 β1 Io R E Vo RE = = Ai V i I i ( R B∨¿ Zi ) Z i∨¿ R B Mặt khác: RB || Zi = RB || β D R E = (1) β D R E RB ; RB+ β D RE Thay vào (1), ta có: AV ≅ Hệ số khuếch đại dịng: Ai = β D Rb = 21818 Rb+ β D ℜ 5.4 Thiết kế tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ Tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu âm đưa vào (tín hiệu từ điện thoại, máy tính) thành tín hiệu điện áp có biên độ đủ lớn để đặt vào tầng khuếch đại công suất, tầng khuếch đại công suất không khuếch đại điện áp Chọn tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ sử dụng phân cực phương pháp phân áp EC Do dùng phương pháp có trở kháng vào trở kháng mức vừa phải đồng thời vừa khuếch đại điện áp vừa khuếch đại dòng điện Ta chọn sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ Hình 2.1, với transistor phân cực theo chế độ A để đảm bảo tính tồn vẹn tín hiệu Hình Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ Tụ C1, C2 tụ nối tầng, ngăn dòng chiều nguồn vào tải, dẫn dòng xoay chiều Điện trở R1, R2, R3 để xác định điểm làm việc tĩnh tầng khuếch đại Trong R1, R2 cầu chia Volt Điện trở R4 hồi tiếp âm dịng điện chiều, có tác dụng ổn định nhiệt, làm cho điểm làm việc tĩnh ổn định lại làm hệ số khuếch đại tầng giảm xuống Tụ C5 làm tăng hệ số khuếch đại tầng Ta chọn transistor khuếch đại transistor 2N2222A Tại 25C, giá trị =200 Ta chọn giá trị bất kì, giả sử R3 = 2kΩ Biên độ tín hiệu từ điện thoại có giá trị khoảng 100mV, biên độ tín hiệu vào cho tầng khuếch đại công suất mà ta cần 5.8V Như vậy, hệ số khuếch đại điện áp tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ phải đạt: Av = 57 lần Khi tải RL tầng lớn, hệ số khuếch đại tính gần bằng: A v= R3 re+ R Mặt khác, để transitor hoạt động chế độ A, ta cần phân cực cho giá trị UCE = 5.8V Như vậy, R3 phụ thuộc vào ICQ theo biểu thức: I CQ (R +10 k )=5.8 26 mV Mà: r e = I Từ phụ thuộc hàm trên, ta xác định ICQ ~IE= 0.57mA E Chọn R4=150Ω ta gần với hệ số khuếch đại mong muốn Mơ phần mềm proteus Sử dụng tín hiệu vào với tần số 1Khz, 100mV Osilo sử dụng kênh A: tín hiệu vào (màu vàng) kênh B: tín hiệu (màu xanh) Ngoài sử dụng thêm kênh C: đo điện áp đưa vào tầng khếch đại công suất Kết mơ phỏng:Đầu vào hình sin đầu hình sin Thiết kế mạch in phần PROTEUS a Mạch dây 10 b Mạch 3D 11 KẾT LUẬN Sau thời gian học tập nghiên cứu, đề tài hoàn thành thời hạn Tuy nhiên hạn chế kiến thức, thời gian kỹ năng, mạch làm thủ công nên chưa hoạt động tính tốn mơ Xin chân thành cảm ơn thầy! 12 13 ... (1), ta có: AV ≅ Hệ số khuếch đại dòng: Ai = β D Rb = 21818 Rb+ β D ℜ 5.4 Thiết kế tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ Tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu âm đưa vào (tín hiệu... số sử dụng điện áp =100%) Mặt khác, tầng khuếch đại công suất gồm transistor mắc CC, hệ số khuếch đại điện áp coi gần (khơng khuếch đại điện áp, khuếch đại dịng) Cơng suất tiêu tán tối đa Q4 Q5... Thiết kế tầng khuếch đại công suất Yêu cầu thiết kế: Công suất đầu 2W Nguồn sử dụng: 16VDC Giả sử ta chọn loa (tải) có thơng số PL = 2W, RL = 8Ω mạch khuếch đại công suất mạch khuếch đại đẩy kéo