báo cáo bài tập lớn học phần điện tử tương tự i thiết kế mạch khuếch đại âm tần

2 Sơ đồ mạch khuếch đại âm thanh.... Sau đó, cần có tầng khuếch đại công suất để đưa hết công suất ra tải.. Tuy nhiên, do trở ở các nguồn tín hiệu xoay chiều được sử dụng laptop, điện th

TRƯỜNG ĐẠ I H ỌC BÁCH KHOA HÀ NỘ I

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN

ĐỀ TÀI:

Thi ết k m ế ạch khu ếch đại âm tầ n

Gi ảng viên hướng dẫn: Nguyễn Anh Quang Nhóm sinh viên thực hiện:

Nguy ễn Tuấn Dũng 20172500

Tr ần Trường Độ 20182424

Ph ạm Quý Phong 20172746

Ph ạm Đức Hào 20172535

Hà Nội 12/2020

MỤC L C Ụ

MỤC LỤC 1

I Tính toán lí thuyết mạch được yêu cầu thi t k : ế ế 2

Phân tích yêu cầu 2

Sơ đồ mạch khuếch đại âm thanh 2

Thiết kế chi tiết: 3

Tầng khuếch đại tín hiệu 3

Tầng sau khuếch đại tín hiệ u 5 Tầng khuếch đại công suất 7

Các tụ dùng trong mạch 9

Thiết kế mạch 10

Kết qu ả mô phỏng toàn mạch 10

Thiết kế mạch in 11

Mạch in 3D 11

Mô phỏng trên testboard 12

II M ch th c tạ ự ế, so sánh và nhận xét các thông số trên mạch 12

Mạch th c tự ế 12

2 so sánh 12

3 Nhận xét 12

Tài liệu tham kh o ả 13

III K t lu n ế ậ 13

2 | P a g e

I Tính toán lí thuyế t m ạch được yêu cầ u thi t k : ế ế

Phân tích yêu cầu

- Yêu cầu hệ thống: Mạch có chức năng khuếch đại tín hiệu âm thanh đầu vào

- 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:

• Áp dụng được cho nhi u h ề ệ thống âm thanh

• Đơn giản, gọn nhẹ và dễ sử dụng

• Đảm b o chả ất lượng tốt

• Sử d ng nguụ ồn vào 12V

- Thông số kĩ thuật:

• Sử d ng nguụ ồn 12V DC

• Điện áp tín hiệu vào tối đa 100mV AC

• Hệ s khuố ếch đạ ối t i thi u 10 l n ể ầ

• Tải dùng loa 16Ω

• Trở kháng vào lớn, trở kháng ra nhỏ

• Dải t n hoầ ạt động: 20Hz- 20kHz

Sơ đồ mạch khuếch đại âm thanh

Theo lý thuyết, một bộ khuếch đại âm thanh thường có các tầng khuếch đại: t ng tiầ ền khuếch đại v i mớ ục đích tạo Rin lớn để dẫn tín hiệu vào mạch, tầng khuếch đại nhằm tạo Av lớn khuếch đại công suất và tầng sau khuếch đạ ại t o Rout nhỏ để đưa hết tín hiệu ra tải Sau đó, cần

có tầng khuếch đại công suất để đưa hết công suất ra tải

Tuy nhiên, do trở ở các nguồn tín hiệu xoay chiều được sử dụng (laptop, điện thoại) nhỏ hơn rất nhiều so với Rin của mạch khuếch đại nên nhóm sẽ bỏ qua tầng ti n khuếch đại mà thiếề t kế mạch gồm các 3 tầng: t ng khuầ ếch đại, t ng sau khuầ ếch đại, t ng khuầ ếch đại công suất với sơ đồ khối sau:

Hình 2.1 : sơ đồ khối mạch khu ếch đại âm thanh

- Khối khuếch đại có yêu cầu t o h s khuạ ệ ố ếch đại tín hiệu từ 100mV lên 3.5V ở đầu ra và Rin đủ ớn để không bị ảnh hưở l ng b i Rsở

- Khối sau khuếch đại cần có Rin lớn để l y hấ ết tín hiệu ở tầng trước và Rout rất nh so vỏ ới điện trở của loa

Thiết k chi ti t:ế ế

T ầng khuếch đại tín hiệ u

Nhóm lựa chọn mạch khuếch đại EC với sơ đồ sau:

Hình 3.1: mô hình khố i khu ếch đại tín hiệ u

Quá trình tính toán , lựa chọn linh kiện:

Input Tầng khuếch đại Tầng sau khu ch ế

đại

Tầng khuếch đại công suất Output

4 | P a g e

Nhóm lựa chọn Transistor 2N2222 vì tính phổ biến và được sử dụng trong phòng thí nghiệm với hệ số β=250,U =0,65VBE

• Phân tích chế độ 1 chiều, chọn điểm làm việc Q: Với nguồn 12V, 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 3.5 , ta ch𝑉 ọn 𝑉𝑐 = 6.5𝑉, 𝑉𝐸 = 0.6 V

Từ datasheet của 2N2222 ta chọn 𝐼𝑐 = 0.55 𝑚𝐴

Từ đó, chọn 𝑅E = 𝑅4 =1k, 𝑅B = 10k, mà muốn phân cực được cho transistor thì chọn R3=10.R4 =10k

IB = Ic𝛽 = 0,55250 = 2,2mA

VB=0,65+ 0,6=1,25V =𝑅1+𝑅3Ec.R3

➔ R1=86k

Ta ch n R =100k ọ 1

Từ các giá trị trên ta có Av = 1−𝑅𝑐

𝑔𝑚 +𝑅𝑐 =9,5 lần Với g m= Ic

𝑉𝑡 = 0,55mA26𝑚𝑉 = 0,021(S)

Ta th y, Av nh ấ ỏ nên thiế ế ạt k l i mạch như sau:

Hình 3.2 : mạ ch tầng khu ếch đại tín hiệ u

• Phân tích chế độ xoay chiều AC

Với cách thiết kế mạch như trên ta có:

Av≈12 l n ầ

Rin=R1//R3//Zin = 10k

Rout= R = 10k C

Zin = 300k

Nhận xét: với trở kháng vào lớn như trên đảm bảo lấy được hết tín hiệu đầu vào

• Kết quả mô phỏ ng xoay chi ều

Hình 3.3 kết quả mô phỏng chế độ xoay chi u t ng khuề ầ ếch đại

Tầng sau khu ếch đại tín hiệ u

Mạch này có tác dụng ph i h p tr ố ợ ở kháng , với mong mu n Rố in lớn và Rout nhỏ nên ta lựa chọn mạch khuếch đại CC để khuếch đại dòng như sau:

6 | P a g e

Hình 3.4 mô hình khối sau khuếch đại tín hiệu

• Phân tích chế độ 1 chiều

Chọn V B= 6.25V nên VE = 5.5V

Chọn R = 1k E → I = 5,5mA E

Ta có IB = 𝐼𝑐

𝛽 = 5,5𝑚𝐴

250 = 0,0275mA → R B= 𝐸𝑐−𝑉𝑏

𝐼𝑏 = 12−6,25 0,0275𝑚𝐴 = 210k

• Phân tích chế độ xoay chiều

Hình 3.5: mô hình chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ

Với mạch khuếch đại C chung không khuếch đại điện áp, chỉ khuếch đại dòng điện , giữ nguyên pha → Av≈ 1

Rin = R // Z5 in = 210210 200𝑘+𝑘 200𝑘𝑘 = 105k

V i Z = Rp + (ớ in β+1) R6 ≈ β R6

Rout r , n u b qua hi≈ o ế ỏ ệu ứng Early thì Rout<<

Hình 3.6: kết quả mô phỏng chế độ xoay chiều t ng sau khuếch đại tín hiệu ầ

Nhận xét: Rin của kh i khuố ếch đại đệm lớn hơn rất nhi u so v i R c a khề ớ out ủ ối tiền khuếch đại nên gần như tín hiệu vào của khối khuếch đại đệm chính là tín hiệu

ra c a kh i ti n khuủ ố ề ếch đại, không bị suy gi m R c a kh i khuả out ủ ố ếch đại đệm rất nhỏ tạo điều ki n thuệ ận lợi để tín hiệu đi vào khối khuếch đại công suất mà không

bị suy gi m ả

Tầng khu ếch đại công suấ t

- Đưa công suất ra tải và đảo pha tín hiệu do tín hiệu ở t ng 1 b ầ ị đảo pha vì mạch là mạch khuếch đại EC

- Mạch dùng 2 diode có tác dụng phân cực cho 2 transistor Tip41 và Tip42

8 | P a g e

- R7 và R8 dùng để phân áp cho tầng đảo pha Q R 3 9và 2 diode dùng để phân

áp cho 2 transistor khuếch đại công suất

- Mạch được ghép nối theo sơ đồ như sau:

Hình 3.7 : mô hình khối khuếch đại công suất

Nguyên lí hoạt động: khi điện áp tín hiệu vào giảm, thì trên cực C của transistor Q3 có điện áp tăng , làm cho transistor Q5 khóa nên Q3 không làm việc Trong khi đó, điện áp trên Q3 tăng làm cho D1 và D2 có xu hướng phân cực ngược và khóa lại làm cho điện áp tại c c bazo c a Q ự ủ 4tăng nên

Q4 làm việc Khi điện áp tín hiệu tăng thì quá trình diễn ra hoàn toàn ngượ ạc l i

• K t qu ế ả mô phỏng tín hiệu đầu ra

Hình 3.8 : tín hiệu đầu ra

Các tụ dùng trong mạ ch

Tần s cố ắt dưới f= 20Hz

C1 > 2𝜋.f.(𝑅1

𝑖𝑛1 ) = 1

2𝜋 .(𝑅 20 𝑖𝑛1 ) = 0,79 F µ Với R in1= 𝑅1+𝑅3𝑅1.𝑅3 = 10k

C2 > 1

2𝜋.f.(𝑅𝑜𝑢𝑡1+𝑅𝑖𝑛2) = 2𝜋 .( 𝑘+20 101 105𝑘) = 0,07 F µ

C3 > 1

2𝜋.f.(𝑅7//𝑅8) = 1

2𝜋 20 13𝑘=0,6 µ F

Bỏ qua Rout2 do r t rấ ất nh , Rỏ 7//R8 =100 𝑘 𝑘 15

100 𝑘+ 𝑘 15 =13k

C4 > 2𝜋.f.( //𝑅𝑜𝑢𝑡3)𝑅𝑙1 = 417 F µ

RX = R // (E

𝑅1// 𝑅2

β +re)

= 1000//(10𝑘

250 +0,55𝑚𝐴26𝑚𝑉 ) = 80.3 Ω

→CCE1 > 1

2𝜋.f.𝑅𝑥 = 1

2𝜋 ,3 20 80 =99 µ F

Tụ C1, C2, C3, C4 có tác dụng ngăn dòng 1 chiều

10 | P a g e

Tụ CCE1ngắt b R ỏ 12nhằm mục đích tăng Av

Thiết k mạch ế

Ta có mạch hoàn chỉnh như sau:

Hình 3.9: mạch hoàn chỉnh trên Proteus

Kết quả mô phỏng toàn mạch

Hình 3.11: đồ thị Vin-Vout

ch in trong proteus Hình 3.12: Mạ

Mạch in 3D

Hình 3.13: mạch in 3D trong proteus

12 | P a g e

II M ch th c t ạ ự ế, so sánh và nhận xét các thông số trên mạch

Mạch th c t ự ế

B ảng 1: Bảng so sánh các giá trị lí thuyết, mô phỏ ng, th ực tế của các thông số

2 so sánh

- Nguồn nuôi: Theo lý thuyết và mô phỏng như nhau còn trên thực tế có chênh lệch chút ít

- Vin: Theo lý thuyết và mô phỏng như nhau còn trên thực tế chênh lêch một phần nhỏ

- Vout : K t qu ế ả đo được trên thực tế khác xa so với mô phỏng và lý thuyết

3 Nhận xét

- K t quế ả đo thực tế trên mạch đã không được như tính toán theo lý thuyết tuy rằng ra th c t m ch v n ch y tự ế ạ ẫ ạ ốt

- M t s ộ ố nguyên nhân mà chúng em nghĩ gây ra sự khác biệt trên đó là

+ Thông số kĩ thuật của linh ki n lệ ắp đặt có sự sai số

+ Trong quá trình mua linh kiện lắp đặt có một số linh kiện không có thông

số như yêu cầu tính toán nên chúng em đã thay bằng nhưng linh kiện khác

có chức năng tương đương khác và có giá trị xấp xỉ nó

+ Do quá trình hàn, làm mạch thủ công

+ Do tín hiệu xoay chiều vào biên độ không ổn định nên không thể đo được chính xác biên độ ra tương ứng với biên độ vào tại cùng một thời điểm, nên khó để xác định được khuếch đại thực tế

Tài liệu tham khảo

Electronic Devices and Circuit Theory, 11th Edition

http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/2/N/3/9/2N3904.shtml http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/1/N/4/1/1N4148.shtml http://search.datasheetcatalog.net/key/TIP31

http://search.datasheetcatalog.net/key/TIP32

III K t lu n ế ậ

Qua bài tậ ớn môn Điệp l n t ử tương tự 1 này, chúng em đã có thêm những kiến thức hữu ích, đã hiểu và vận dụng những lý thuyết một cách rõ ràng hơn Tuy nhiên do thời gian có hạn và kiến thức còn hạn hẹp, nếu có bất cứ sai sót nào trong bài báo tập lớn này, rất mong được thầy thông cảm

và chỉ bảo thêm Email liên hệ nhóm: Van.lt182881@sis.hust.edu.vn Qua đây, chúng em cũng xin cảm ơn thầy vì những giúp đỡ của thầy trong quá trình thực hiện bài tậ ớn này Đây là mộp l t trải nghiệm thú vị mà không phải bất cứ sinh viên nào cũng được trải qua