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 NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO

Bài tập lớn : Thiết kế mạch khuếch đại âm tần

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Anh Quang Nhóm sinh viên thực hiện:

Hà Nội

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 video trong 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 nhỏ vào, 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 độ yếu vào, đầu ra ta sẽ thu được một tín hiệu cho cường độ dòng điện mạnh hơn nhiều lần

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

Vận dụng kiến thức được học trong môn Điện tử tương tự I, nhóm sinh viên chúng em thiết kế mạch khuếch đại âm tần với mục tiêu thiết kế được phân công 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

5 Tính toán đáp ứng tần số của mạch 10

Mạch thực tế 11

Kết luận 13

Tài liệu tham khảo, phần mềm sử dụng iii

Thiết kế

I 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 kế sao 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 để đưa toàn bộ tín hiệu từ tầng 2 ra ngoài

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

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

nhỏ

Hình 1: Sơ đồ khối khuếch đại âm tần

Nguồn

Khối khuếch đại dòng điện

Khôí khuếch đại công suất

Khối khuếch đại

điện 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 giống hoàn toàn với đầu vào, nhóm chọn mạch khuếch đại ở chế độ A với sơ đồ như 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 1

12 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 25 lần nên nhóm lựa chọn hệ số khuếch đại cho tầng này là 40 lần ( | AV1 | =

40 )

Mà | A | = V1

Rc 1 gm(Q1)+ R 5 6

40 =

4100 1 gm(Q1)+ R 5 6 Lại có: g m(Q1) = Ic (Q1)

Vt = 2(mA ) 26(mV

R56 = 42 (Ω) Như vậy chọn R =41 Ω56

R5//R6=82//82 Ω

Ở khía cạnh khác, ta có: V E(Q1) = 1 (V) nên:

IC(Q1) * ( R + R ) = 156 7

0.002 * (41+R ) = 17

R7 = 459 (Ω)

Như vậy chọn R = 470Ω.7

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)

Mà: +) IR1 * ( R + R ) = V1 23 CC

Theo công thức phân áp :

R 1+R 2 3 * V = VCC B(Q1) = V BE(Q1) + V E(Q1)

R 2 3

Từ (1) và (2) => Chọn R = 17.2kΩ; R = 100 kΩ23 1

Chọn R2=15k nối tiếp R3=2.2k

Ở chế độ xoay chiều ta có:

+) | A | = V1

R 4 1 gm(Q1)+R 5 6 = 40.7 (lần)

+) Rin1 = R // R // (r1 2 π(Q1) + β Q1 * 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 đại công suất với nhau, giá trị của các điện trở không phù hợp sẽ làm sai lệch thông số khuếch đại tính toán Vì vậy phải có một tầng làm nhiệm vụ phối hợp 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 là 2N2222A 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) =

1

β 3 IE(Q3) =

1

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=120k

Ở chế độ xoay chiều:

+) | A | 1 V2

+) Ai2

β (2 3 )∗R 8 9

B (2 3 )∗R 10+R 89 = 5566 (lần)

+) Rin2 = R // (r89 π(Q2) + β Q2 * rπ(Q3) + β Q2 *β Q3 * R10) = 263 (kΩ)

+) R out2 = R // ( 10

1 gm(Q 3) + β(Q3)∗1gm(Q 2) ) = 0.51 (Ω) Trong đó:

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 lượng biến 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 class

AB đẩy kéo với cặp transistor bổ sung nhau là TIP41C và TIP42C với hệ

số khuếch đại đều bằng 50 Để tránh tín hiệu bị méo khi transistor hoạt động, 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 để ghim điện áp giữa chân B của hai transistor

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

Ở chế độ một chiều:

Để chọn được transistor phù hợp cho tầng, ta cần tính toán công suất tiêu tán tối đa mà hai trans phải chịu Cụ thể:

Công suất trên trans = Công suất nguồn cấp – Công suất trên loa Nhận thấy, mạch được cấp nguồn V = 12V, do tính đối xứng nênCC

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 T

2 ∫

0

sin (t)dt = V * (I / π )CC P

Công suất của nguồn đạt cực đại khi tải tiêu thụ công suất cực đại, khi đó :

Psource_max = V * (Icc P_L(max) / π ) = V * cc

Vcc 2

π (R10+RL)

= (Vcc)2 / [2π(R + R )]

10 L

Như vậy: công suất tiêu tán tối đa trên Q và Q4 5 là:

PQ4_max + PQ5_max = (Vcc)2 / [2π(R + R )] - (V * R / [8(R + R ]

10 L cc)2

L 10 L)2

Nếu ta chọn R = R rất nhỏ so với R10 11 L ( 101 R ) thì:L

PQ4_max + PQ5_max = (Vcc)2 / (2πR ) - (V / (8R )

L cc)2

L

= 12 * (2 1

2 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 và TIP42C 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

Chọn R = R = 0.1 * R = 0.8 (Ω) 11 12 L

Công suất tối đa 2 điện trở này gánh chịu là:

PR10_max = PR11_max = [(UL(max)) / (R + R2 10 L)2 ] * R

10

= (6 *0.8) / (0.8+8)2 2

0.37(W) Như vậy cần chọn loại trở 0.8 Ω W đối với R và R 10 11

Ta có :

IC(Q4) = I + (I / π ) = I + C P C

Vcc 2

π (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

1.55 (mA) Từ đó ta tìm được :

R8 = R = (6-0.8)/[(1.55+2.13)*10 ] = 1.4 (kΩ)9 -3

Ở chế độ xoay chiều:

+) Rin3 = R // R // β ( R + R ) = 320 (Ω)10 11 Q4 10 L

+) Rout3 R + R = 8.8 (Ω) 10 L

4 Thông số khuếch đại toàn mạch

Hình 6: Mô phỏng toàn mạch

AVtotal = Av1* Rin 2

Rout 1+Rin * Av2* Rout 2+RinRin 3 * Av3

= 40.7 *

263000

2200 263000 + * * 1 0.51 320320+ * 1

= 38

Rin_total = R = 6.2 (kΩ)in1

Rout_total = Rout3 = 0.8 (Ω)

5 Tính toán đáp ứng tần số của mạch

Các tụ điện cùng trở kháng vào, ra ở các tầng tạo thành các mạch lọc thông cao Chọn tần số cắt dưới là 300 Hz, ta tính toán được:

+) Tụ C : f = 1 C1

1

2 πRin 1 1 C < 300

C1 > 85 (nF) Chọn C = 47 (µF)1

+) Tụ C : f = 2 C2

1

2 π (Rout 1+Rin 2) C< 300

C2 > 2 (nF) Chọn C = 47 (µF)2

+) Tụ C : f = 4 C4

1

2 π (Rout 2+Rin 3) C< 300

C4 > 1.65 (µF) Chọn C = 100 (µF)4

+) Tụ C : f = 5 C5

1

2 π (Rout 2 +Rin ) C 3 < 300

C5 > 1.65 (µF) Chọn C = 100 (µF)5

+) Tụ C : f = 6 C6

1

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 viên chúng em đã hoàn thành thiết kế mạch khuếch đại âm tần với mục tiêu thiết kế được 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 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

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

Tài liệu tham khảo

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

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