dự án thiết kế mạch khuếch đại âm thanh sử dụng transitor và khuếch đại thuật toán

Kể từ khi Transitor ra đời, công nghệđiện tử phát triển như vũ bão, mang lại nhiều lợi ích to lớn cho đời sống xã hội.OP-AMP operational amplifier là một mạch khuếch đại "DC-coupled" tín

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

DỰ ÁNTHIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH SỬ DỤNG TRANSITOR VÀ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

Đào Phương Thảo - Đỗ Thu Giang- Phạm Minh Đức

Thao.dp200600@sis.hust.edu.vnGiang.dt200182@sis.hust.edu.vnDuc.pm200177@sis.hust.edu.vn

Ngành Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa

MỞ ĐẦU

Transitor là đơn vị cơ bản tạo thành cấu trúc mạch trong máy tính điện tử

và tất cả các thiết bị điện tử hiện đại khác Kể từ khi Transitor ra đời, công nghệđiện tử phát triển như vũ bão, mang lại nhiều lợi ích to lớn cho đời sống xã hội

OP-AMP (operational amplifier) là một mạch khuếch đại "DC-coupled" (tín

hiệu đầu vào bao gồm cả tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, có đầuvào vi sai, và thông thường có đầu ra đơn Trong những ứng dụng thôngthường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xácđịnh độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra

Thông qua học phần Điện tử tương tự, chúng em được biết OP-AMPTransitor được sử dụng trong nhiều ứng dụng tương tự và kỹ thuật số, chẳnghạn như khuếch đại, chuyển mạch, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu và bộ

dao động Đề tài “Thiết kế mạch khuếch đại âm thanh sử dụng Transistor

và OPAM” mà chúng em thực hiện dưới đây là một trong những ứng dụng phổ

biến của chúng Trong dự án này, Transistor được sử dụng để thiết kế các tầngkhuếch đại nhằm biến đổi năng lượng nguồn tín hiệu DC thành năng lượng tínhiệu AC, từ đó khuếch đại tín hiệu AC từ cổng audio của điện thoại, máy tínhthành tín hiệu ấm thanh đủ lớn để nghe được trên loa

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu cùng với sự giảng dạy của cácthầy cô giáo cũng như sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Nguyễn QuốcCường, chúng em đã có thể hoàn thành dự án đầu tay này Do lần đầu được tựtay thiết kế và hoàn thiện một mạch điện tử nên dự án của chúng em còn rấtnhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự thông cảm và góp ý của thầy và các bạn

để dự án này được hoàn thiện hơn Chúng em xin chân thành cảm ơn!

I/ Yêu cầu thiết kế

1 Đối tượng thiết kế:

Mạch khuếch đại âm thanh cho tín hiệu stereo

2 Yêu cầu:

- Đầu vào: từ cổng AUX 3.5mm của máy tính, điện thoại hoặc máy nghe nhạc, có mức điện áp từ 20-40mV

- Đầu ra: 2 loa (Thông số mỗi loa: 8 Ohm, 3W)

- Mạch khuếch đại sử dụng Transistor

- Mạch khuếch đại sử dụng Op-Amp và Transistor

3 Yêu cầu chất lượng:

- Âm thanh đủ to (hệ số khuếch đại đủ lớn)

- Âm thanh không bị méo trong quá trình khuếch đại

Thiết kế tầng tiền khuếch đại X

Thiết kế tầng khuếch đại công

suất

X

- Địa điểm: MS Teams.

- Tham dự: Cả nhóm

- Nội dung:

+ Tìm hiểu đề tài, đối tượng thiết kế, yêu cầu thiết kế

+ Ôn lại cơ sở lý thuyết về Transistor

+ Tìm hiểu một số mạch khuếch đại cơ bản từ Transistor.+ Thử lập trình mạch với LTSpice

+ Phân công công việc

2 Tuần 2:

Họp lần 1:

- Thời gian: ngày 14 tháng 6 năm 2022

- Địa điểm: Thư viện Tạ Quang Bửu

- Thời gian: ngày 17 tháng 6 năm 2022

- Địa điểm: Thư viện Tạ Quang Bửu

- Tham dự: Cả nhóm

- Nội dung:

+ Tính toán mạch khuếch đại

+ Lên danh sách linh kiện cần mua

+ Đi mua linh kiện

3 Tuần 3:

- Thời gian: ngày 20 tháng 6 năm 2022

- Địa điểm: Thư viện Tạ Quang Bửu

- Tham dự: Cả nhóm

- Nội dung:

+ Lắp thử 1 mạch khuếch đại theo mô phỏng

+ Phân công viết báo cáo

4 Tuần 4:

- Thời gian: ngày 27 tháng 6 năm 2022

- Địa điểm: Thư viện Tạ Quang Bửu

- Tham dự: Cả nhóm

- Nội dung:

+ Hoàn thiện mạch khuếch đại 2 loa

+ Hoàn thiện báo cáo

+ Xuất file kết quả mô phỏng

5 Tuần 5

- Thời gian: các ngày 5,6,7 tháng 7 năm 2022

- Địa điểm: Online trên MS Teams

- Thời gian: các ngày 3,5,7 tháng 7 năm 2022

- Địa điểm: Online trên MS Teams

Khi điện áp đầu vào ở mức cao:

Q 1 thuận nên dẫn yếu, điện áp tại A bị kéo xuống V A=0

→ điện áp vào B của Q3 ở mức thấp nên Q3 nghịch, dẫn yếu

→ V CC có dòng dẫn qua R 7 và D1,D2 khiến điện áp tại Mvà Nở mức cao

→ Q 5 thuận nên không dẫn trong khi Q 4 nghịch nên 2 cực CEđược dẫn nênđiện áp tại EQ5 được kéo lên cao nạp cho tụ.

→Tụ phóng điện qua loa, màng loa được đẩy ra.

Khi điện áp đầu vào ở mức thấp:

Q 1 thuận nên dẫn mạnh, E Q1đang nối với V CC nên điện áp ở điểm Aở mức cao

→Điện áp vào cực BQ 3 cao, Q3 nghịch nên dẫn mạnh.

→ Mà cực E Q3 đang nối đất nên kéo M ,Nxuống mức thấp.

→ Q 4 nghịch nên không dẫn trong khi Q 5 thuận nên dẫn mạnh.

→Mà CQ3 đang nối đất nên thế tại EQ3bị kéo xuống GND tạo ra 1 dòng qualoa, R12,EQ5,C Q5về GND, kéo màng loa vào trong.

Kết luận:

- Đầu vào và đầu ra đồng pha

- Q4 sẽ hoạt động với nửa chu kỳ điện áp dương.

- Q5 sẽ hoạt động với nửa chu kỳ điện áp âm

2 Nguyên lý tầng vi sai:

- Khuếch đại Visai là mạch khuếch đại điện tử Thực hiện khuếch đại tín

hiệu điện theo sự khác nhau giữa hai điện áp ngõ vào Đồng thời ngăn chặn bất

kỳ điện áp chung nào tồn tại ở hai ngõ đó Mạch có sự kết hợp giữa hai phần tử gồm khuếch đại không đảo và khuếch đại đảo, từ đó cho ra tín hiệu ngõ ra là Vout chỉ phụ thuộc độ chênh áp của hai tín hiệu ngõ vào nó

a Khuếch đại vi sai sử dụng Transistor:

- Các linh kiện được chọn đối xứng nhau R6=R3, Q Q1= 2 và R5=R2Điện áp tại BQ1được cố định BQ1=1

2VCCKhi điện áp tại X được hồi tiếp về BQ2 nó đi qua cầu phân áp R 7 và R8 Saukhi đi qua R 7 và R 8 điện áp tại B Q2 là:

VBQ2

= VX R8+V7 R8Tức là điện áp tại V BQ bị giảm đi một lượng (1+R7

R8)lần so với RX

Độ sai lệch của V BQ và VB

Q :

VBQ2

Vout=VBQ

R8VBQ

b Khuếch đại vi sai sử dụng OP-AMP:

Mạch khuếch đại vi sai trên tương đương với 1 OP-AMP

R8 .

R3 R2+R3.V2;

Vì ta chọn R3=R8 và R2≈R7+ R T nên V A =R7+ RT

R8 (V2−V 1).

Mặt khác, do chọn R7,R 8≫ RT nên ta có thể coi V A≈R7

R8 ( V2−V 1)Trong mạch mô phỏng, vi sai sử dụng nguồn đơn 12 Vnên ta chuyển VCC=12V,

có thể coi −VCC là đất và R8 nối với 1

2VCC

3.Nguyên lý hồi tiếp:

a Nguyên lý hồi tiếp sử dụng Transistor:

- Khi có tín hiệu input tác động, đường hồi tiếp sẽ phản hồi lại điện áp của điểm

X Nếu điện áp tại X quá lớn, khối vi sai sẽ làm giảm nó về gần với 12V CC Ngược lại nếu điện áp tại X thấp thì sẽ được nâng lên gần với 1

2VCC.Kết quả là điện áp tại X dao động quanh vị trí 1

2VCCnhưng sẽ không bị lệch đi quá xa so với

điểm đó Điện áp tại Xsẽ luôn được giữ ở lân cận điểm 12V CC để mỗi trans Q 4, Q 5 hoạt động tốt ở mỗi nửa chu kỳ.

- Khi có sự cố (tác động của nhiệt độ, hoặc trong mạch có linh kiện bị lỗi hoặc điện áp từ nguồn tăng đột ngột), điện thế của Xtăng dẫn đến dòng qua loa tăng, công suất tăng và hỏng loa Vì vậy, cần phải có hồi tiếp từ Xđể đảm bảo điện áp

ở Xkhông được sai lệch lớn hơn 12V CC.

Khi VX>1

2VCC: + Q2 thuận nên dẫn yếu Dòng qua R1 chảy hoàn toàn về E Q1.

→ Dòng qua Q 1 tăng lên làm điện áp tại Abị kéo lên V CC.

→ Q 3 dẫn mạnh → Điện áp tại Nbị kéo xuống mức thấp, mà Q 5 thuận nên dẫn mạnh, kéo điểm Xvề xuống mức thấp nhất

Khi V X <1

2VCC:+ Điện áp hồi tiếp về Q 2 ở mức thấp nên Q 2 dẫn mạnh lên

→ Dòng điện I R2 chảy sang Q 2 mạnh lên Mà dòng qua R 1 được giữ gần như ổn định nên dòng qua Q1 bị giảm đi, Q 1 dần yếu nên điện áp ở A bị kéo xuống thấp hơn

→ Q 3 ngược nên dẫn yếu làm điện áp tại M cao lên.

→ Q 4 ngược nên dẫn mạnh → điện áp tại X được kéo lên V CC nên cao lên.

b Nguyên lý hồi tiếp sử dụng OPAMP:

2VCC Mà VP−1

2VCC >0nên ta có: Vout cao → Q3 dẫn mạnh→ Điện áp tại Nbị kéo xuống mức thấp, mà Q5thuận nên dẫn mạnh, kéo điểm Xvề xuống mức thấp nhất

Khi V X<1

2VCC:Hiệu VP−VN<0 → Mạch vi sai khuếch đại sai lệch VP−V N làm điện thế đầu ra ở mức thấp → Q3 ngược dẫn yếu→ Điện áp tại Ntăng → Q5 dẫn yếu kéo điện áp tại X tăng

V/ Tính toán thiết kế

1 Sơ đồ mạch nguyên lí

a) Mạch sử dụng transitor:

b) Mạch sử dụng OPAMP

Như đã giải thích ở phần nguyên lý, 2 transitor Q1 và Q2 ở mạch transitor có vai trò tương đương với OPAMP ở mạch OPAMP, vì thế chúng em sẽ tính toán thông số các linh kiện chung cho cả 2 mạch dưới đây

2 Giải thích nhiệm vụ của các linh kiện:

- R 5: có tác dụng bảo vệ thiết bị Input Nếu trong mạch có vấn đề làm dòng chạy ngược quá lớn, R 1 sẽ hạn chế dòng lại.

- C2,C 3 : lọc nguồn một chiều (DC) của Input và Output.

- R4, R6 : cặp trở phân áp cho BQ.

- R1,R ,R11 13 và Q1,Q 2: linh kiện thuộc mạch khuếch đại vi sai.

- R2,R 3: cặp trở điều chỉnh độ khuếch đại.

- D1,D2: 2 diode phân cực cho Q4 và Q5

- C1: khi dòng AC đi qua C 1 sẽ làm R 3 nối đất, thay đổi dòng vào BQ2

- Q3: transistor tiền khuếch đại mắc Emittor chung.

- R 12: cùng với Q3 tạo thành transistor kiểu E chung

- C 4: lọc nhiễu tần số cao.

- Q4 và Q5: cặp transistor khuếch đại công suất push – pull

- R8, R 9: các điện trở bảo vệ transistor Q4 và Q 5.

3 Phân tích – lựa chọn thông số linh kiện cho mạch vi sai:

a Chọn linh kiện điện trở:

*Chọn R1

- Chọn điểm làm việc tĩnh: 12V CC=12V

- Để Q1, Q2 làm việc ở chế độ tích cực thì VC B1>0.7 và VEB2>0.7 Chọn VEB1=V EB2 =1.0⇒ VE= 12+1 13 V =

- Dòng chạy qua Q1, Q2 trong khoảng từ 1 đến 3 mA Chọn IE1= IE2=1.2 mA

Dễ dàng tính được: IE= IE1+ IE2=2.4 mA

- Như vây: R1=VCC−V2

IE =

24−13 2.4 =4.6 kΩThực tế, để dễ dàng mua linh kiện, ta lấy R1=4.7 K

- Có thể coi mạch khuếch đại vi sai tương đương mạch khuếch đại

OP-Amp không đảo

- Hệ số khuếch đại hFe =1+R2

R3

- Như vậy, R 2 và R3 có tác dụng thay đổi hệ số khuếch đại Chọn R3=1 k Ω

Sử dụng chiết áp B50 K tại vị trí R2 nhằm thay đổi hệ số khuếch đại

b Chọn linh kiện tụ điện:

* Chọn tụ điện C1:

- C 1 có nhiệm vụ giữ điện áp hồi tiếp và giúp mạch không bị trượt khỏi điểm làm việc tĩnh Ngoài ra, nó còn giúp loại bỏ thành phần hồi tiếp quá lớn (không nghe được nhưng làm nóng mạch)

- Mặt khác, C 1 không được có trở kháng quá lớn Lí do là vì khi tổng trở của nhánh R3,C1 quá lớn sẽ ảnh hưởng đến hệ số khuếch đại hFe

- Tính toán được C1=0.8 μF Thực tế, để dễ dàng mua linh kiện, C 1=1 μF

4 Tính toán – lựa chọn thông số linh kiện cho tầng khuếch đại:

- Công suất cực đại: Pra =1

2.

U ra 2

UCE.ICdt=UCC.Uram

2 π Rt −

Uram2

4 RLvới UCE=VCC−VE=UCC

2 −Uram sin(ωt) và IC=Uram

RL .sin(ω t)

- Công suất tổn hao cực đại của transistor khi

- Có U ram=0.32 U CC=7.6 V Kiểm tra với giả thuyết

I B giảm, dẫn đến độ hiệu quả giảm.

IR7 ≥I Bmax= Uram

(β+1)RL=

0.9 76.8=0.012 A

- Với Q 4, ta có: UBE=0.7 V; mà VE=VX≈ 12 V →VB≈ 12 0.7 + =12.7 V

Do đó, R 7 được chọn lớn hơn giá trị VCC −VB

IR7 =941 Ω Ở đây, ta chọn điện trở

=IBQ 5

= IR9 β+1=0.0056 A

→ID1 =IR7 +I BQ

4 ≈ 0.018 A IBQ

VI/ Sử dụng phần mềm mô phỏng đánh giá:

Chúng em sử dụng phần mềm LTSpice để thực hiện mô phỏng mạch khuếch đạithuật toán đã cho

1 Mô phỏng đánh giá mạch khuếch đại sử dụng transistor:

a) Sơ đồ nguyên lý:

b) Kết quả mô phỏng:

Tín hiệu điện áp đầu vào so với đầu ra

Tín hiệu dòng điện đầu vào so với đầu ra

Tín hiệu công suất đầu vào so với đầu ra

Đồ thị Bode

c) Nhận xét

Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng khuếch đại của mạch khuếch đại vi saikhá tốt (từ 200 nW khuếch đại đến 600 mW) Độ quá điều chỉnh (h=10 mW ¿và thờigian xác lập ban đầu (9 ms ¿nhỏ, không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của loa

Từ đồ thị Bode, ta thấy trong miền tần số từ 100-20k Hz, độ lệch pha của đáp ứng đầu ra so với kích thích đầu vào xấp xỉ 0, tỷ lệ biên độ của đáp ứng đầu

ra so với kích thích đầu vào xấp xỉ 9dB

Mạch khuếch đại tương đối ổn định trọng miền tần số từ 100-20k Hz

2 Mô phỏng đánh giá mạch khuếch đại sử dụng OPAMP:

a) Sơ đồ mạch nguyên lý:

b) Kết quả mô phỏng:

Tín hiệu điện áp đầu vào so với đầu ra

Tín hiệu dòng điện đầu vào so với đầu ra

Tín hiệu công suất đầu vào so với đầu ra

Đồ thi Bode

c) Nhận xét

Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng khuếch đại của mạch khuếch đại vi saikhá tốt (từ 200 nW khuếch đại đến 300 mW) Độ quá điều chỉnh (h=10 mW¿và thờigian xác lập ban đầu (9 ms¿nhỏ, không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của loa

Từ đồ thị Bode, ta thấy trong miền tần số từ 100-20k Hz, độ lệch pha của đáp ứng đầu ra so với kích thích đầu vào giảm dần về 0 nhưng giảm rất chậm, tức là tín hiệu ra và tín hiệu vào vẫn bị lệch pha, tỷ lệ biên độ của đáp ứng đầu

ra so với kích thích đầu vào tăng lên đến 16dB chứng tỏ mạch OPAMP khuếch đại lớn hơn transitor nhưng không ổn định bằng, tần số càng cao thì độ khuếch đại càng lớn

3 Hiệu chỉnh mạch nguyên lý thiết kế:

- Thay vì sử dụng điện trở R2 cố định, ta có thể thay bằng chiết áp để thay đổi

âm lượng của loa

VII/ Triển khai lắp ráp mạch thực

1 Danh sách linh kiện:

VIII / Thử nghiệm , đánh giá

Chúng em lựa chọn phương pháp lắp ráp mạch trên test board vì dễ dàng điều chỉnh, thay thế các linh kiện và các thành viên trong nhóm đều chưa có kinh nghiệm và dụng cụ cần thiết làm mạch in trước đây

Theo yêu cầu thiết kế, cần khuếch đại 2 tín hiệu stereo ra 2 loa nên cần lắp ráp 2 mạch khuếch đại giống nhau dựa trên mô hình mạch đã thiết kế, sau

đó nối chung nguồn, đất và jack cắm cổng audio cho 2 mạch

Để đánh giá chất lượng hoạt động của mạch cũng như tìm ra điểm chưa tốt và khắc phục kịp thời, chúng em tiến hành thử nghiệm theo 2 bước, trước tiên thử nghiệm với 1 mạch ra 1 loa, sau đó mới tiến hành lắp ráp 2 mạch thành

- Độ lệch pha giữa tín hiệu

đầu ra và đầu vào vô cùng nhỏ

- Âm thanh được khuếchđại to, rõ ràng hơn mạch sửdụng Transistor

- Mạch đơn giản, dùng ítlinh kiện hơn

- Hệ số khuếch đại nhỏ

- Mạch phức tạp, nhiều linh kiện

- Khó điều chỉnh do hệ sốkhuếch đại lớn

- Bên trong IC OPAMP làcác transistor nối tầng, tín hiệutruyền qua bị chậm pha nhiềuhơn

* Phương án cải thiện:

- Hàn các mỗi nối của loa và nguồn

- Thay đổi các giá trị C4, R12 để lọc nhiễu cao tần

- Thay R2 bằng chiết áp để có thể điều chỉnh độ khuếch đại của mạch thông qua núm vặn trên chiết áp

- Cắm 2 mạch khuếch đại ra 2 test board riêng biệt để tránh nhầm lẫn trong quá trình lắp ráp, khi vận chuyển thì đặt mạch vào hộp để tránh bị va chạm nhiều nhất có thể

2 Thử nghiệm hệ thống 2 mạch khuếch đại stereo hoàn chỉnh:

*Ưu điểm:

- Âm thanh được khuếch đại to, rõ ràng, có thể điều chỉnh được thông quachiết áp

- 2 loa phát 2 tín hiệu âm thanh stereo theo đúng yêu cầu đề bài

- Không có hiện tượng quá tải, quá nóng sau một thời gian dài hoạt động

- Chất lượng âm thanh ổn định, ít bị nhiễu, dè

- Trễ truyền đạt không đáng kể

* Nhược điểm:

- Mạch cồng kềnh, dễ nhầm lẫn, khó vận chuyển.

- Cường độ và chất lượng âm thanh đôi khi chưa được đồng đều ở 2 loa

*Phương án cải thiện:

- Tiến hành làm mạch in

IX/ Kết luận:

Sản phẩm mạch khuếch đại chúng em làm ra về cơ bản đã đáp ứng được những yêu cầu thiết kế đặt ra đối với một mạch khuếch đại stereo, tuy nhiên, vẫn còn một khoảng cách khá xa giữa sản phẩm của chúng em với những sản phẩm được ứng dụng trong thực tế Mặc dù vậy, trong thời gian thực hiện dự ántrên, chúng em đã đạt được những kết quả quý báu sau:

- Tìm hiểu sâu hơn kiến thức về Transitor BJT cũng như các loại mạch khuếch đại

- Có khả năng đặt vấn đề, phân tích, thiết kế và thi công một sản phẩm

- Rèn luyện khả năng làm việc nhóm, phân chia công việc, hỗ trợ, phốihợp lẫn nhau để hoàn thiện dự án

- Tích lũy kinh nghiệm và kĩ năng để thực hiện các dự án sau này

Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Quốc Cường đã trao cho chúng em cơ hội thực hiện dự án cũng như nhiệt tình hướng

dẫn và truyền đạt kiến thức trong suốt quá trình chúng em học tập và hoàn thiện

dự án này

X/ Tài liệu tham khảo

[1] Nguyễn Trinh Đường, Lê Hải Sâm, Lương Ngọc Hải, Nguyễn Quốc Cường (2011), Giáo trình Điện tử tương tự, NXB Giáo dục Việt Nam, Hà Nội.[2] Behzad Razavi (2006), Fundamentals of Microelectronics, Wiley

[3] Đỗ Xuân Thụ, Đặng Văn Chuyết, Nguyễn Viết Nguyên, Nguyễn Vũ Sơn, Nguyễn Đức Thuận, Ngô Lệ Thủy, Ngọ Văn Toàn (2008), Kỹ thuật điện tử, NXB Giáo dục Việt Nam, Hà Nội

Đỗ Thu GiangĐào Phương ThảoPhạm Minh Đức