báo cáo bài tập lớn điện tử tương tự i đề tài mạch khuếch đại âm tần

THIẾT KẾ MẠCH2.1 Sơ đồ khối chức năngMạch khuếch đại âm thanh được thiết kế với đầu vào tín hiệu nhỏ 100mV, hệ sốkhuếch đại mong muốn đạt tới 40 lần.. Sơ đồ khối chức năng dưới đây mô tả

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

  

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ I

Đề tài: Mạch khuếch đại âm tần

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Anh Quang

3 Trình Hữu Giang 20203405

HÀ NỘI, 1/2024

Lời cảm ơn

Tóm tắt nội dung đề tài

3

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

CHƯƠNG 1 CHỈ TIÊU KỸ THUẬT 7

1.1 Chỉ tiêu chức năng 7

1.2 Chỉ tiêu phi chức năng 7

1.3 Phân công nhiệm vụ 7

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH 8

2.1 Sơ đồ khối chức năng 8

2.2 Lựa chọn linh kiện 9

2.3 Chi tiết thiết kế toàn mạch 10

2.3.1 Khối nguồn 10

2.3.2 Mạch khuếch đại 11

2.3.3 Thông số toàn mạch 19

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG MẠCH VÀ ĐO LƯỜNG THỰC TẾ 20

3.1 Sơ đồ mạch mô phỏng 20

3.1.1 Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Proteus 20

3.1.2 Kết quả mô phỏng Oscilloscopre trên Proteus: 20

3.2 Đo đạc trên board cắm 20

3.3 Báo cáo kết quả 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Sơ đồ khối chức năng cho mạch khuếch đại âm thanh 8

Hình 2 Khuếch đại tín hiệu nhỏ đầu vào kiểu CE 11

Hình 3 Tiền khuếch đại tín hiệu nhỏ lần 2 kiểu CC 13

Hình 4 Khuếch đại tín hiệu nhỏ lần 2 kiểu CE 15

Hình 5 Tiền khuếch đại công suất kiểu CC 17

Hình 6 Khuếch đại công suất chế độ AB 19

5

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Phân công nhiệm vụ 7Bảng 2 Lựa chọn linh kiện 9

CHƯƠNG 1 CHỈ TIÊU KỸ THUẬT

1.1 Chỉ tiêu chức năng

- Nguồn cung cấp: 12 VDC

- Trở kháng loa: 16 Ω

- Hệ số khuếch đại điện áp tối thiểu: 20 lần

- Tín hiệu đầu vào tối đa 100 mV

- Tín hiệu đầu ra tối thiểu: 2 V

1.2 Chỉ tiêu phi chức năng

- Nhiệt độ hoạt động ổn định 25 - 50 C⁰

- Dải tần hoạt động từ 20 đến 20kHz

1.3 Phân công nhiệm vụ

Bảng 1 Phân công nhiệm vụ

STT Nhiệm vụ Người phụ trách Ghi chú

7

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH 2.1 Sơ đồ khối chức năng

Mạch khuếch đại âm thanh được thiết kế với đầu vào tín hiệu nhỏ 100mV, hệ sốkhuếch đại mong muốn đạt tới 40 lần Sơ đồ khối chức năng dưới đây mô tả cấutrúc mạch của nhóm thiết kế gồm: khối nguồn, hai khối khuếch đại tín hiệu nhỏ

và một khối khuếch đại công suất ra tải

Hình 1 Sơ đồ khối chức năng cho mạch khuếch đại âm thanh

Tín hiệu đầu vào có biên độ dao động Vi = 100mV, tần số f=15kHz.Tầng khuếch đại được mắc theo kiểu CE với trở kháng vào lớn trung bình,trở kháng ra lớn trung bình, hệ số khuếch đại rất lớn Mục đích của tầng 1 là

khuếch đại điện áp đầu vào vừa đủ để ít méo và khối khuếch đại tín hiệu nhỏ số 2tiếp tục khuếch đại sau đó.

Tầng 2: Tiền khuếch đại điện áp lần 2

Chúng ta thiết kế tầng này mục đích phối hợp trở kháng giữa tầng 1khuếch đại tín điện áp và tầng 3 ở sau bên cạnh đó khuếch đại tín hiệu dòng điệnlên mức ổn định

Tầng này được mắc theo kiểu mạch Darlington chung C có đặc điểm trởkháng vào cao, trở kháng ra khá bé, hệ số khuếch đại điện áp xấp xỉ 1, hệ sốkhuếch đại dòng điện rất lớn βD = β 1∗β 2

Tầng 3: Khuếch đại tín hiệu nhỏ số 2

Tầng này mắc theo kiểu EC với mục đích phối với với tín hiệu khuếch đạiđược ổn định từ tầng 1 và 2, khuếch đại lên tối đa nhưng chưa tới mức bị méo tínhiệu

Tầng 4: Tiền công suất

Sau khi tín hiệu đã được khuếch đại đủ về mặt điện áp, ta sẽ khuếch đạidòng điện của nó lên để đảm bảo kích thích được tín hiệu ra tải ở tầng công suấtsau đây

Cách mắc mạch Darlington chung C với các thông số tính toán tương tựvới tầng số 3

Tầng 5: Khuếch đại công suất

Được mắc theo kiểu khuếch đại công suất đẩy kéo chế độ AB giúp tínhiệu ra ít bị cắt nhất có thể

2.2 Lựa chọn linh kiện

Tùy thuộc vào chi tiết thiết kế mạch, các linh kiện được nhóm lựa chọn như sau

Bảng 2 Lựa chọn linh kiện

Linh kiện Mục đích Giá thành

Tụ hóa 100 uF x6 Lọc tín hiệu xoay chiều giúp

chỉnh âm lượng ( tùy chọn )

2.3.1 Khối nguồn

Mạch khuếch đại cho 2 loa công suất thấp 8 0.5W thay thế cho loa 16 bởi vìΩ Ωkhông thể tìm được loại loa này Lựa chọn nguồn 12V 1A là phù hợp với khảnăng thiết kế

2.3.2 Mạch khuếch đại

2.3.2.1 Tầng 1 – Khuếch đại tín hiệu nhỏ đầu vào

Hình 2 Khuếch đại tín hiệu nhỏ đầu vào kiểu CE

Thông số cơ bản của tầng 1:

- Vcc = 12 V

11

- Mắc mạch khuếch đại kiểu CE, phân cực kiểu phân áp

- Transistor sử dụng là 2N2222A có β=150 tại Ic = 1mA, ở nhiệt độ 25 C⁰Chọn điểm làm việc tĩnh Q1(V , I ) = (5.5V, 1mA), CE C UBE=0.65 V, ta có:

khuếch đại điện áp), thấp quá thì mạch kém ổn định

- Điện trở R và R không thể tính trực tiếp từ chân B mà phải phân tích1 2

Thevenin tương đương cho mạch Để đơn giản tính toán ta chọn:

Tính toán chế độ xoay chiều:

- Mạch được nối đất bởi tụ 47uF trong chế độ xoay chiều

- Từ (1 - 2) và sau khi phối hợp với tầng khuếch đại thứ 3, ta chọn:

- Trở kháng vào, ra:

2.3.2.2 Tầng 2 – Tiền khuếch đại tín hiệu nhỏ lần 2

Hình 3 Tiền khuếch đại tín hiệu nhỏ lần 2 kiểu CC

Thông số cơ bản của tầng 2:

13

- Vcc = 12 V

- Mắc mạch khuếch đại kiểu CC, dạng mạch Darlington

- Hai loại transistor sử dụng là 2N2222A và TIP 41C có hệ số khuếch đạidòng điện lần lượt là β2và β3

- Hệ số khuếch đại dòng một chiều: β=β2 β3

Tính toán các tụ:

2.3.2.3 Tầng 3 – Khuếch đại tín hiệu nhỏ lần 2

Hình 4 Khuếch đại tín hiệu nhỏ lần 2 kiểu CE

Thông số cơ bản của tầng 3:

- Vcc = 12 V

- Mắc mạch khuếch đại kiểu CE, phân cực kiểu phân áp

- Transistor sử dụng là 2N2222A có β=150 tại Ic = 1mA, ở nhiệt độ 25 C⁰

15

Chọn điểm làm việc tĩnh Q4(V , I ) = (5.5V, 1mA), CE C UBE=0.65 V, ta có:

khuếch đại điện áp), thấp quá thì mạch kém ổn định

- Điện trở R và R không thể tính trực tiếp từ chân B mà phải phân tích8 9

Thevenin tương đương cho mạch Để đơn giản tính toán ta chọn:

Tính toán chế độ xoay chiều:

- Mạch được nối đất bởi tụ 47uF trong chế độ xoay chiều

- Từ (2) và sau khi phối hợp với tầng khuếch đại thứ nhất, ta chọn:

2.3.2.4 Tầng 4 – Tiền khuếch đại công suất

Hình 5 Tiền khuếch đại công suất kiểu CC

Thông số cơ bản của tầng 4:

- Vcc = 12 V

- Mắc mạch khuếch đại kiểu CC, dạng mạch Darlington

17

- Hai loại transistor sử dụng là 2N2222A và TIP 41C có hệ số khuếch đạidòng điện lần lượt là β5và β6

- Hệ số khuếch đại dòng một chiều: β=β5 β6

2.3.2.5 Tầng 5 – Khuếch đại công suất

Hình 6 Khuếch đại công suất chế độ AB

Thông số cơ bản của tầng 5:

- Nguồn sử dụng Vcc = 12 V, tụ hóa 1000uF 25V (cung cấp nguồn nuôi chonửa chu kỳ âm đồng thời xuất tín hiệu ra loa)

- Hai loại transistor sử dụng là TIP41 và TIP 42 có hệ số khuếch đại dòngđiện lần lượt là β7=β8=50 (gọichung là β )

19

- Mạch được mắc theo kiểu khuếch đại công suất đẩy kéo chế độ AB đượccài đặt thông qua 2 diode 1N4148 được phân cực thuận để tránh méo khichuyển transistor.

- R15và R16 được chọn là 1k thì mạch thiết kế vừa đủ để tránh được méoΩchuyển transistor và méo xuyên tâm

Tính toán các thông số của mạch

Tín hiệu mô phỏng có biên độ điện áp ra Vp = 3.7V

Công suất tính toán có trở công suất:

- Sử dụng tụ 1000uF 25V

2.3.3 Thông số toàn mạch

Hình 7 Mô hình số liệu mạch khuếch đại

Thông số toàn mạch được xác định như sau (giả sử trở kháng đầu vào rất nhỏ sovới Zi 1):

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG MẠCH VÀ ĐO LƯỜNG THỰC TẾ 3.1 Mô phỏng mạch

3.1.1 Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Proteus

Bản vẽ thiết kế mạch trên phần mềm Proteus của nhóm như sau:

Hình 8 Bản thiết kế mạch hoàn chỉnh trên Proteus

3.1.2 Kết quả mô phỏng Oscilloscopre trên Proteus:

Hình 9 Mô phỏng mạch bằng Oscilloscope trong Proteus

Nhận xét kết quả:

- Tín hiệu vào 200mVpp

- Tín hiệu ra có biên độ dương 3.7 V và biên độ âm 3.75 V

- Tín hiệu đầu ra có chút méo phi tuyến, không thể nâng cao hơn được vìtheo mô phỏng tín hiệu ra sẽ bị bão hòa ở cả 2 nửa âm và nửa dương

3.2 Đo đạc trên board cắm

3.2.1 Lắp đặt linh kiện

Hình 10 Hoàn thiện mạch trên board cắm linh kiện

3.2.2 Kết quả đo đạc thực tế bằng Oscilloscope

Hình 11 Tín hiệu vào và ra được đo bằng Oscilloscope tại phòng thí nghiệm

Nhận xét về kết quả:

23

- Tín hiệu đầu vào 200mVpp

- Tín hiệu đầu ra khoảng 2.8 V đến 3V

- Xuất hiện hiện tượng cắt ở 1 đỉnh của tín hiệu

- Xuất hiện một số tạp âm không mong muốn trên đầu ra tín hiệu

3.2.3 Đánh giá kết quả đạt được

Bảng 3 So sánh kết quả lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm

Thông số Lý thuyết Mô phỏng Thực tế

Po

3.3 Đánh giá kết quả thu được và kết luận

Với kết quả thu được từ việc mô phỏng và lắp mạch thực tế, nhóm nhận thấy:

- Tín hiệu đầu ra với biên độ được khuếch đại đạt với yêu cầu tối thiểu của

đề bài được đưa ra và hình dạng tín hiệu ra gần giống với tín hiệu gốcthông qua điều chỉnh giá trị các điện trở trong các tầng khuếch đại để đạtđược thông số mong muốn đối với từng tầng khuếch đại

- Có thế phần nào khắc phục được sự méo phi tuyến gây ra bởi mối quan hệkhông tuyến tính giữa điện áp U và dòng I thông qua việc điều chỉnhBE C

điểm làm việc tại đặc tuyến vào của mạch khuếch đại và chia nhỏ hệ sốkhuếch đại điện áp thành nhiều tầng khuếch đại nối tiếp

- Thông số tính toán lý thuyết có sự sai lệch với mô phỏng và thực tế

- Sử dụng nhiều tầng khuếch đại có thể làm ổn định dạng tín hiệu đầu ranhưng cũng đồng thời khiến cho tạp âm xuất hiện với biên độ đáng kể vàlàm tăng độ phức tạp của mạch trong việc điều chỉnh các tầng khuếch đại

và lắp ráp chế tạo mạch thực tế

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Bổ sung bảng 1.3

Bổ sung khối nguồn , tụ tầng 1,3, 2,4, nội dung tính toán tầng 5

Bổ sung sơ đồ mạch mô phỏng

Bổ sung kết quả đo trên board

25