báo cáo thiết kế mạch khuếch đại âm tần

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬBÁO CÁOBài tập lớn : Thiết kế mạch khuếch đại âm tầnGiảng viên hướng dẫn: TS.. Lời nói đầuMạch khuếch đại là mạch được sử dụng trong hầu hết

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO

Bài tập lớn : Thiết kế mạch khuếch đại âm tần

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Anh QuangNhóm sinh viên thực hiện:

Lời nói đầu

Mạch khuếch đại là mạch được sử dụng trong hầu hết các thiết bị điện tử,như mạch khuếch đại âm tần trong Cassete, Âmply, Khuếch đại tín hiệu videotrong Ti vi màu, … Mạch khuếch đại được phân loại như sau:

- Khuếch đại về điện áp : Là mạch khi ta đưa một tín hiệu có biên độ nhỏvào, đầu ra ta sẽ thu được một tín hiệu có biên độ lớn hơn nhiều lần.

- Khuếch đại về dòng điện: Là mạch khi ta đưa một tín hiệu có cường độyếu vào, đầu ra ta sẽ thu được một tín hiệu cho cường độ dòng điện mạnh hơnnhiều lần.

- Khuếch đại về công xuất: Là mạch khi ta đưa một tín hiệu có công xuấtyếu vào, đầu ra ta thu được tín hiệu có công xuất mạnh hơn nhiều lần, thực ramạch khuếch đại công xuất là kết hợp cả hai mạch khuếch đại điện áp và khuếchđại dòng điện làm một.

Vận dụng kiến thức được học trong môn Điện tử tương tự I, nhóm sinhviên chúng em thiết kế mạch khuếch đại âm tần với mục tiêu thiết kế được phâncông như sau:

- Nguồn cấp điện áp: 12V- Tải dùng loa 8 Ω- Hệ số khuếch đại 25 lần

- Điện áp tín hiệu đầu ra tối thiểu 2 V

Mục lục

Lời nói đầu i

Mục lục ii

Thiết kế 01

I Sơ đồ khối khuếch đại âm thanh 01

II Thiết kế chi tiết 02

1 Tầng khuếch đại tín hiệu vào 02

2 Tầng khuếch đại dòng điện 04

3 Tầng khuếch đại công suất 06

4 Thông số khuếch đại toàn mạch 09

Thiết kếI Sơ đồ khối mạch khuếch đại âm thanh

Theo yêu cầu đặt ra, nhóm xây dựng mạch khuếch đại gồm 3 tầng:- Tầng đầu tiên, khuếch đại điện áp vào Trong tầng này yêu cầu thiết kếsao cho trở kháng vào lớn để ta có thể lấy được tín hiệu đầu vào tốt.- Tầng thứ hai là tầng khuếch đại dòng điện

- Tầng thứ ba là tầng khuếch đại công suất: đặc điểm có trở ra rất nhỏ đểđưa toàn bộ tín hiệu từ tầng 2 ra ngoài.

Khối khuếch đại có yêu cầu tạo hệ số khuếch đại tín hiệu từ 100mVlên tối thiểu 2 V ở đầu ra và R đủ lớn để không bị ảnh hưởng bởi R ins

Khối sau khuếch đại cần có R lớn để lây hết tín hiệu từ tầng trước và Rinout

Hình 1: Sơ đồ khối khuếch đại âm tần

Nguồn

Khốikhuếch đại

dòng điện

Khôíkhuếch đại

công suất Khối

khuếch đạiđiện áp

II.Thiết kế chi tiết

1 Tầng khuếch đại tín hiệu vào

Để bảo toàn tính nguyên vẹn của tín hiệu và tín hiệu đầu ra giốnghoàn toàn với đầu vào, nhóm chọn mạch khuếch đại ở chế độ A với sơ đồnhư sau:

Nhóm lựa chọn transistor BC547 để khuếch đại điện áp Với transistor BC547, để tầng hoạt động ở chế độ A ta cần chọn:

VCE(Q1) 53% VCC

VE(Q1) << V => VCC E 112 VCC

VCE(Q1) = 6.4 (V)VE(Q1) = 1 (V)Ngoài ra chọn:

IC(Q1) = 2 (mA)βQ1 = 200

Hình 2: Sơ đồ khối khuếch đại tín hiệu vào

Ở chế độ một chiều ta có:

VCC = IC(Q1) * R + VC CE(Q1) + VE(Q1)

12= 0.002 * R + 6.4 + 1C

RC = 2.3 (kΩ)Nhóm chọn mắc trở R =2.2 kΩ.4

Theo yêu cầu bài toán, hệ số khuếch đại điện áp toàn mạch là 25lần nên nhóm lựa chọn hệ số khuếch đại cho tầng này là 40 lần ( | AV1 | =40 )

Mà | A | = V1

gm(Q1)+ R 5 6 40 =

41001gm(Q1)+ R 5 6Lại có: g m(Q1) = Ic (Q1)

Vt = 2(mA )26(mVR56 = 42 (Ω)

Ta có: +) IR1 = I >> IR2 B(Q1) = 1

β(Q1)IC(Q1) = 0.00 2200 = 10 (µA)IR1 = I ≥ R2 10 * IB(Q1) = 100 (µA)

Từ (1) và (2) => Chọn R = 17.2kΩ; R = 100 kΩ231

Chọn R2=15k nối tiếp R3=2.2kỞ chế độ xoay chiều ta có:

+) | A | = V1

R 41

gm(Q1)+R 5 6 = 40.7 (lần)

+) Rin1 = R // R // (r1 2 π(Q1) + βQ1 * R ) = 6.2 (kΩ)56

( với rπ(Q1) = βQ1

gm(Q 1) = 2.6 kΩ )

+) Rout1 = R = 2.2 (kΩ)4

2 Tầng khuếch đại dòng điện

Khi nối trực tiếp tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ và tầng khuếch đạicông suất với nhau, giá trị của các điện trở không phù hợp sẽ làm sai lệchthông số khuếch đại tính toán Vì vậy phải có một tầng làm nhiệm vụ phốihợp trở kháng giữa hai tầng này, đồng thời hạ khuếch đại điện áp Từ đó,nhóm lựa chọn tầng khuếch đại Darlinton mắc nối tiếp theo kiểu C chung.Từ yêu cầu trên, để đơn giản nhóm lựa chọn 2 transistor là2N2222A và Tip 41C với các thông số như sau:

IC(Q2) = 2 mA , VCE(Q2) = 6 V, β(Q2) = 200 , IBE(Q2) = 0.7 (V)

IC(Q3) = 0.1 A , VCE(Q3) = 7 V, β(Q3) = 50 , IBE(Q3) = 0.7 (V)β2_3 = β(Q2) * β(Q3) = 200*50 = 10000.

Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại dòng điện như sau:

Ở chế độ một chiều:

VCC = VCE(Q3) + IE(Q3) * R10

12 = 7 + 0.1* R8

R10 = 50 (Ω)Chọn R = 47Ω10

Lại có: IE(Q2) = IB(Q3) = 1β 3 IE(Q3) =

50 * 0.1 = 2(mA)I B(Q2) = 1

β 2 IE(Q2) = 1

200 * 0.002 = 10 (µA) Mặt khác :

VCC = IB(Q2) * R89 +VBE(Q2) + VBE(Q3) + IE(Q3) * R 10

12 = 10*10−6 * R + 0.7 + 0.7 +0.1 * 4789

R89 = 590 (kΩ)

Chọn R8=470k nối tiếp R9=120kỞ chế độ xoay chiều:

+) | A | 1 V2

gm(Q3) = IC(Q3) / V = T 0.1(A )26(mV = 3.8 (S)r π(Q3) = β (Q 3)

gm(Q 3) = 13 (Ω)gm(Q2) = IC(Q2) / V = T

2(mA )26(mV = 131 (S)r π(Q2) =

β (Q 2)

gm(Q 2) = 2600 (Ω)

3 Tầng khuếch đại công suất

Tầng khuếch đại công suất cung cấp một lượng lớn năng lượngbiến đổi năng lượng điện thành sóng âm, giúp loa đạt được công suất cao.Nhằm cho mạch chịu được công suất lớn, ta có thể lắp mạch theo classAB đẩy kéo với cặp transistor bổ sung nhau là TIP41C và TIP42C với hệsố khuếch đại đều bằng 50 Để tránh tín hiệu bị méo khi transistor hoạtđộng, ta phải phân cực trước cho mỗi trans Điện áp mối nối V và V BE EB

đủ lớn hơn 0.7V để khi có tín hiệu xoay chiều thì trans sẽ hoạt động ngay.Từ đó cần mắc thêm 2 diode Cụ thể nhóm chọn hai diode 1N4007 đểghim điện áp giữa chân B của hai transistor.

Sơ đồ tầng khuếch đại công suất như hình vẽ dưới đây:

hai transistor được nuôi bởi một nguồn điện bằng ½ V = 6 V Do đó,CC

giá trị điện áp tối đa đạt được trên tải ở mức UL(max) 6 V

+) Tính toán công suất trung bình phân phối trên tải ta có:PP_L = 12 * (IP_L)2* R =

L 1

2 [(U ) / (R + RP_L 2 11 L)2 ] * R

L

( IP_L ; U là biên độ dòng điện đỉnh và điện áp đỉnh của tải )P_L

Ta được công suất phân phối trên tải cực đại là:

P L(max) = 12 [(UL(max)) / (R2 10 +R )L2 ] * R = (VL cc)2 *RL / [8(R + R11 L) ]2

+) Công suất trung bình của nguồn cấp:

Psource = V * ICC AVG = V * ICC P T2 ∫

= 12 * (2 12 π∗8 - 8∗81 ) 0.61 (W)

=> PQ4_max = PQ5_max 0.31 (W)

Từ thông số trên ta lựa chọn transistor phù hợp là TIP41C vàTIP42C với PQ_max = 65W , VCE_max = 40V, IC_max = 6 A

Tiến hành phân cực theo chế độ AB với các thông số cho Q Q 4 5

như sau: V = 0.65(V), I = 50 (mA)BE C

IC(Q4) = I + (I / π ) = I + CP C

Vcc2π (R10+RL)

= 0.05 + π∗8.86 0.267(A)IB(Q4) = IC(Q4) / β = 2.13(mA) ( với β = 100 )Q4 Q4

Điện áp giữa hai đầu mỗi diode là : UDiode = V + IBE C(Q4) * R10

= 0.65 + 0.267*0.8= 0.8636 (V)Dựa vào đặc tuyến của diode 1N4007, khi U = 0.8 V thì dòng ID D

+) Tụ C : f = 2 C2

2 π (Rout 1+Rin 2) C< 300 C2 > 2 (nF)

Chọn C = 47 (µF)2

+) Tụ C : f = 4C4

2 π (Rout 2+Rin 3) C< 300 C4 > 1.65 (µF)

Chọn C = 100 (µF)4

+) Tụ C : f = 5C5

2 π (Rout 2+Rin ) C3 < 300 C5 > 1.65 (µF)

Chọn C = 100 (µF)5

+) Tụ C : f = 6C6

2 π (Rout 3).C 6< 300 C6 > 60 (µF)Chọn C = 1000 (µF)6

Kết luận

Vận dụng kiến thức được học trong môn Điện tử tương tự I, nhóm sinh viênchúng em đã hoàn thành thiết kế mạch khuếch đại âm tần với mục tiêu thiết kếđược phân công như sau:

- Nguồn cấp điện áp: 9V- Tải dùng loa 8 Ω- Hệ số khuếch đại 25 lần

- Điện áp tín hiệu đầu ra tối thiểu 1.5 V

Qua bài tập này, chúng em đã có thêm những kiến thức hữu ích, đã hiểu vàvận dụng những lý thuyết một cách rõ ràng hơn Tuy nhiên do thời gian có hạn vàkiến thức còn hạn hẹp, nếu có bất cứ sai sót nào trong bài báo tập lớn này, rấtmong được thầy thông cảm và chỉ bảo thêm

Qua đây, chúng em cũng xin cảm ơn thầy vì những giúp đỡ của thầy trongquá trình thực hiện bài tập lớn này Đây là một trải nghiệm thú vị mà không phảibất cứ sinh viên nào cũng được trải qua.

Tài liệu tham khảo

-Slide bài giảng Thầy Nguyễn Anh Quang và nhiều tài liệu khác trênmạng

-Sử dụng phần mềm Proteus để thiết kế mạch nguyên lý, phần mềmAltium Designer dùng để làm mạch in.