Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Điện tử Viễn thông TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG =====000===== ĐỒ ÁN 1 Đề tài MẠCH KHUYẾCH ĐẠI ÂM THANH Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG =====000===== ĐỒ ÁN Đề tài: MẠCH KHUYẾCH ĐẠI ÂM THANH Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: LỜI GIỚI THIỆU Con người sinh vật đặc biệt, phát triển hướng tới thứ mẻ nhằm cải thiện nâng cao chất lượng sống Đứng trước thời đại 4.0 – kỷ nguyên số toàn nhân loại, ngành công nghiệp chế tạo phần mềm, phần cứng, vật liệu linh kiện bán dẫn đạt nhiều thành tựu đáng ý góp phần không nhỏ vào thay đổi Nhận thấy tầm quan trọng thay đổi định vận mệnh quốc gia vậy, môn liên quan đến phần cứng phần mềm tích hợp sâu vào chương trình đào tạo phần khơng thể thiếu trường Cao đẳng, Đại, đặc biệt trường kỹ thuật nhằm đào tạo hệ kỹ sư chất lượng tương lai Qua mơn “Đồ án 1”, sinh viên có nhìn cụ thể chi tiết ngành nghề đào tạo qua kích thích sáng tạo sản phẩm thiết thực phục vụ đời sống Qua đồ án chúng em có nhìn thực tế hơn, sâu sắc mạch tương tự, chúng em hiểu thêm nhiều cách thức xử lý toán thực tế phức tạp cách linh kiện điện tử làm việc với Với hường dẫn tận tình Ths Đào Xuân Phúc, chúng em hy vọng hoàn thành tốt tập lần Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy! MỤC LỤC CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CƠ SỞ I Tụ điện .5 Cấu tạo Phân loại Điện dung, đơn vị ký hiệu tụ điện .6 II Điện trở Khái niệm điện trở Hình dáng ký hiệu Cách đọc trị số điện trở .7 Ứng dụng điện trở III Transistor .9 Cấu tạo Ký hiệu hình dạng Transistor 10 Nguyên tắc hoạt động Transistor 10 Cấp điện cho Transistor (Vcc - điện áp cung cấp) 11 Định thiên ( phân cực ) cho Transistor 11 IV Mạch khuếch đại 12 Sơ đồ khối 12 Các mạch khuếch đại cơ bản .12 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, TÍNH TỐN, THIẾT KẾ 19 I Sơ đồ nguyên lý mạch 19 II Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạch 19 III Nguyên lý hoạt động 20 Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Điện tử - Viễn thông CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CƠ SỞ I Tụ điện Cấu tạo Cấu tạo tụ điện gồm hai cực đặt song song, có lớp cách điện gọi điện môi Người ta thường dùng giấy, gốm , mica, giấy tẩm hố chất làm chất điện mơi tụ điện phân loại theo tên gọi chất điện môi Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ hố Phân loại a) Tụ khơng phân cực Các loại tụ không phân biệt âm dương thường có điện dung nhỏ từ 0,47 μF trở xuống, tụ thường sử dụng mạch điện có tần số cao mạch lọc nhiễu Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Điện tử - Viễn thơng b) Tụ phân cực Tụ hố tụ có phân cực âm dương, tụ hố có trị số lớn vầ giá trị từ 0,47μF đến khoảng 4.700 μF, tụ hoá thường sử dụng mạch có tần số thấp dùng để lọc nguồn, tụ hố ln có dạng hình trịn Điện dung, đơn vị ký hiệu tụ điện Điện dung: Là đại lượng nói lên khả tích điện treen hai cực tụ điện, điện dung tụ phụ thuộc vào diện tích cực, vật liệu làm chất điện môi khoảng cách giữ hai cực theo công thức: C = ξ S /d Trong đó: C điện dung tụ điện, đơn vị Fara (F) ξ : Là số điện môi lớp cách điện d : chiều dày lớp cách điện Đơn vị điện dung tụ: Đơn vị Fara (F), Fara lớn thực tế thường dùng đơn vị nhỏ MicroFara (μF) , NanoFara (nF), PicoFara (pF) II Điện trở Khái niệm điện trở Điện trở gì? Ta hiểu cách đơn giản - Điện trở cản trở dòng điện vật dẫn điện, vật dẫn điện tốt điện trở nhỏ, vật dẫn điện điện trở lớn, vật cách điện điện trở vơ lớn Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Điện tử - Viễn thơng Hình dáng ký hiệu Trong thiết bị điện tử điện trở linh kiện quan trọng, chúng làm từ hợp chất cacbon kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người tạo loại điện trở có trị số khác Hình dạng điện trở thiết bị điện tử Ký hiệu điện trở sơ đồ nguyên lý Cách đọc trị số điện trở Quy ước vòng màu: Màu sắc Giá trị Màu sắc Giá trị Đen Xanh Nâu Xanh lơ Đỏ Tím Cam Xám Vàng Trắng Nhũ vàng -1 Nhũ bạc -2 Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Điện tử - Viễn thông Điện trở thường ký hiệu vòng mầu, điện trở xác ký hiệu vịng mầu Ứng dụng điện trở Điện trở có mặt nơi thiết bị điện tử điện trở linh kiện quan trọng thiếu , mạch điện , điện trở có tác dụng sau: Khống chế dịng điện qua tải cho phù hợp, Ví dụ có bóng đèn 9V, ta có nguồn 12V, ta đấu nối tiếp bóng đèn với điện trở để sụt áp bớt 3V điện trở Đấu nối tiếp với bóng đèn điện trở Như hình ta tính trị số cơng xuất điện trở cho phù hợp sau: Bóng đèn có điện áp 9V cơng xuất 2W dịng tiêu thụ I = P / U = (2 / ) = Ampe dịng điện qua điện trở Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Điện tử - Viễn thông Vì nguồn 12V, bóng đèn 9V nên cần sụt áp R 3V ta suy điện trở cần tìm R = U/ I = / (2/9) = 27 / = 13,5 Ω Công xuất tiêu thụ điện trở : P = U.I = 3.(2/9) = 6/9 W ta phải dùng điện trở có cơng xuất P > 6/9 W Mắc điện trở thành cầu phân áp để có điện áp theo ý muốn từ điện áp cho trước III Transistor Cấu tạo Transistor hình thành từ ba lớp bán dẫn ghép với hình thành hai mối tiếp giáp P-N, ghép theo thứ tự PNP ta transistor thuận, ghép theo thứ tự NPN ta transistor ngược Về phương diện cấu tạo transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều Cấu trúc gọi Bipolar Junction Transistor (BJT) dịng điện chạy cấu trúc bao gồm hai điện tích âm dương (Bipolar nghĩa hai cực tính) Ba lớp bán dẫn nối thành ba cực, lóp gọi cực góc ký hiệu B (Base), lớp bán dẫn B rấ mỏng có nồng độ tạp chất thấp Hai lớp bán dẫn bên nối thành cực phát (Emitter) viết tắt E, cực thu hay cực góp (Collector) viết tắc C, vùng bán dẫn C E có Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Điện tử - Viễn thông loại bán dẫn (loại N hay P) có kích thước nịng độ khác nên khơng hốn vị cho Ký hiệu hình dạng Transistor Nguyên tắc hoạt động Transistor Xét hoạt động Transistor NPN Mạch khảo sát nguyên tắc hoạt động transistor NPN Ta cấp nguồn chiều UCE vào hai cực C E (+) nguồn vào cực C (-) nguồn vào cực E Cấp nguồn chiều UBE qua cơng tắc trở hạn dịng vào hai cực B E, cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E Khi công tắc mở, ta thấy rằng, hai cực C E cấp điện khơng có dịng điện chạy qua mối C E ( lúc dòng IC = ) Khi cơng tắc đóng, mối P-N phân cực thuận có dịng điện chạy từ (+) nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE cực (-) tạo thành dòng IB Ngay dòng IB xuất => có dịng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn phát sáng, dịng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB Như rõ ràng dòng IC hồn tồn phụ thuộc vào dịng IB phụ thuộc theo công thức: 10 Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Điện tử - Viễn thông IC = β.IB Trong đó: IC dịng chạy qua mối CE IB dòng chạy qua mối BE β hệ số khuyếch đại Transistor Cấp điện cho Transistor (Vcc - điện áp cung cấp) Để sử dụng Transistor mạch ta cần phải cấp cho nguồn điện, tuỳ theo mục đích sử dụng mà nguồn điện cấp trực tiếp vào Transistor hay qua điện trở, cuộn dây v v nguồn điện Vcc cho Transistor quy ước nguồn cấp cho cực CE Định thiên ( phân cực ) cho Transistor Định thiên : cấp nguồn điện vào chân B ( qua trở định thiên) để đặt Transistor vào trạng thái sẵn sàng hoạt động, sẵn sàng khuyếch đại tín hiệu cho dù nhỏ 11 Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Điện tử - Viễn thông IV Mạch khuếch đại Sơ đồ khối Chức khối: - Khối mạch vào: tiếp nhận tín hiệu âm tần từ: micro, audio jack, đĩa hát, điều chỉnh tín hiệu cho phù hợp với máy - Khối tiền khuếch đại: Tín hiệu âm tần qua mạch có âm độ nhỏ, cần khuếch đại trị số định - Khối mạch âm sắc: dùng chỉnh độ trầm – bổng âm - Khối mạch khuếch đại trung gian: Tín hiệu từ mạch âm sắc yếu phải tiếp tục khuếch đại đủ cơng suất kích cho tầng cơng suất - Khối khuếch đại cơng suất: có nhiệm vụ khuếch đại công suất âm tần đủ lớn để phát loa Các mạch khuếch đại cơ bản a) Mạch khuếch đại mắc theo kiểu EC Chế độ tĩnh Về nguyên tắc, việc cung cấp cho Transistor để xác định điểm công tác tĩnh phải đảm bảo cho nó luôn thoả mãn điều kiện cho phép.Muốn vậy phải đảm bảo những yêu cầu sau: Điện colectơ phải dương điện bazơ Transistor npn âm điện bazơ Transistor pnp từ đến vài vôn Mặt ghép bazơ phải phân cực thuận ( UBE=0.7V bán dẫn làm bán dẫn làm silic UBE=0.3 V bán dẫn làm Ge ) 12 Dòng colectơ phải lớn dịng điện dư colectơ-emitơ nhiều, có nghĩa |Ice| > |Ice0| Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Điện tử - Viễn thông Phải đảm bảo u cầu dịng, áp, cơng suất, nhiệt độ Mạch khuếch đại emito chung UN, RN điện áp điện trở nguồn tín hiệu Chế độ tĩnh Transistor xác định tham số IB, IC, UBE,UCE Trong thường cho biết trước tham số.Ví dụ cho trước IC tham số lại xác định ràng buộc với ràng buộc với đặc tuyến vào Transistor - Họ đặc tuyến vào IB = f1 (UCE, UBE ) - Họ đặc tuyến IC = f2 (UCE, IB) - Quan hệ ràng buộc xác định đường tải tĩnh I C=f3 (UCE) Nếu giả sử IC = IE Ic ≈ U CC U CE R C + R E R C + RE Đường tải tĩnh có độ dốc : d IC = - R +R d U CE C E 13 Đại học Mở Hà Nội a) Khoa Công nghệ Điện tử - Viễn thông b) Hình a): Trường hợp Transistor có hệ sớ kh́ch đại bé Hình b): Trường hợp Transistor có hệ số khuếch đại lớn Khi thay đổi giá trị RC+RE đường tải tĩnh quay xung quanh điểm P thay đổi điện áp cung cấp nguồn UCC đường tải tĩnh dịch trái dịch phải Điểm làm việc phải nằm đường tải tĩnh, giao điểm đường tải tĩnh với đặc tuyến ứng với dòng vào IC0 IB0.Trong thực tế thường cho trước điện áp nguồn cung cấp, lúc việc chọn điểm làm việc điện trở tuỳ thuộc vào yếu tố sau: - Biên độ tín hiệu (dịng, áp, cơng suất) - Hệ số khuếch đại - Dải tần tín hiệu vào - Tham số mạng cực - Méo phi tuyến cho phép, điện trở vào điện trở mạch Tạp âm - 14 Tham số giới hạn I, U, P Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Điện tử - Viễn thông Sự phụ thuộc tần số vào dòng colectơ Chế độ động Trong phạm vi đồ án em sử dụng Transistor mắc theo kiểu EC có phản hồi điện áp tầng khuếch đại công suất nên em trình bày sơ đồ EC có hồi tiếp âm điện áp 15 Đại học Mở Hà Nội Ku = Khoa Công nghệ Điện tử - Viễn thông Hệ số khuếch đại điện áp: '' Ur −β I B (R / ¿ r CE / ¿ R C ) −β ( RC /¿ RF /¿ r ce ) = = r be U BE I B r be - Hệ số khuếch đại dòng điện: I C β( R '' / ¿ r be / ¿ R C ) β( R C /¿ R F /¿ r ce) β Ki = = = = ( 1+ R / r )(1+ RC / ¿ r ce ) RC IB RC C ce RF - Trở kháng vào: ZV1 = Z10 = R1 + [r be /¿ ( ZV2 = ZBo = rbe // Zr = KU )]≈ R1 1−K U RF 1−K U Trở kháng ra: U rh = rce // R’’ ≈ rce // RF I Cng - Hệ số khuếch đại điện áp toàn phần: Kutp = Ku U BE Z be = Ku Un R 1+ R be Thông thường chọn rce >> RF 1−K u RF RF 1−K u ⇒ Kutp = Ku = Ku R F −K u R1 R 1+ R F /(1−K u) r be b) Các chế độ hoạt động mạch khuyếch đại công suất nối tầng Mạch khuếch đại cơng suất loại A Ở chế độ này, tín hiệu gần tuyến tính.Góc cắt θ =T/2=1800.Nhược điểm mạch loại hiệu suất thấp, bé 50% Mạch khuếch đại công suất loại AB Ở chế độ tín hiệu bị méo hiệu suất lớn Góc cắt 90 < θ IB2 Cửa thuận nối đất nên Up = 0; giả thiết ic lí tưởng nên K0 = vô ⟹ Up - U n = ⟹ Up = U n = Zi0 = Ud/I0N đạt giá trị vô ⟹ I0N= Ta áp dụng định lí Kiếc sốp cho nút N ⟹I1 = I2 ⟺ Ui/R1 = -U0/R2 18 Ur đạt giá trị U p−U n Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Điện tử - Viễn thông ⟹ Ki = U0/Ui = -R2/R1 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, TÍNH TỐN, THIẾT KẾ I Sơ đồ nguyên lý mạch II Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạch Tầng khuyếch đại công suất - Yêu cầu thiết kế công suất loa Pl =4 W - Nguồn cung cấp: Công suất trung bình tính tải tính theo cơng thức: PL= I2PL.RL=V2.RL/2.(R9+RL) Ta chọn giá trị R9 7 V Khảo sát tụ điện băng thông mạch Tụ C5 phải tích điện tốt tần số cắt thấp 100hz nên chọ giá trị C5 = 2200uf F1(c5) =1/2 π *(rl+re)*c5 Tụ liên lạc cin = nối tín hiệu điện áp tầng nhận tín hiệu vào, để khơng gây méo tín hiệu ta chọn cin cho cin = 1/2*( π *fl*zin) = 10uF III Nguyên lý hoạt động Chế độ tĩnh : Khi tín hiệu vào 0: - Mạch thiết kế để Q1, Q2 hoạt động chế độ A Q3, Q4 chế độ A AB 20