báo cáo bài tập lớn điện tử tương tự i đề tài 11 thiết kế mạch khuếch đại âm tần

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU Ý TƯỞNG Thế giới luôn luôn vận động, đổi mới và phát triển không ngừng, kéo theođó là sự phát triển của các đất nước để bắt kịp xu hướng nói chung và sự pháttriển củ

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ I

ĐỀ TÀI 11: Thiết kế mạch khuếch đại âm tần

Hà Nội, ngày 2 tháng 1 năm 2024

Nhóm sinh viên thực hiện: Ngô Kim Sang 20214071 Hoàng Phạm Việt Khôi 20210490 Hoàng Việt Đức 20213879 Nguyễn Thắng Đạt 20192748 Bùi Hải Lâm 20210513

Giảng viên hướng dẫn : NGUYỄN ANH QUANG

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU 4

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU Ý TƯỞNG 5

CHƯƠNG II: THÔNG SỐ KỸ THUẬT 6

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH 7

3.1 Sơ đồ khối 7

3.2 Khối nguồn 7

3.3 Khối khuếch đại tín hiệu 7

3.3.1 Tầng khuếch đại điện áp 7

3.3.2 Tầng Darlington 9

3.4 Khối khuếch đại công suất 11

3.5 Thông số khuếch đại toàn mạch 12

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG VÀ MẠCH HÀN 12

4.1 Mô phỏng 12

4.2 Mạch thật 15

4.3 Nhận xét các số liệu thu được 16

KẾT LUẬN 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Mô hình mạch khuếch đại âm tần 6

Hình 2: Sơ đồ khối toàn mạch 7

Hình 3: Khối khuếch đại tín hiệu 8

Hình 4: Tầng Darlington làm việc ở chế độ 1 chiều 10

Hình 5: Tầng Darlington hoạt động ở chế độ xoay chiều 11

Hình 6: Khối khuếch đại công suất 12

Hình 7: Mô phỏng mạch trên phần mềm Proteus 13

Hình 8: PBC Layout 13

Hình 9: Mạch 3D 14

Hình 10: Kết quả đo đạc mô phỏng 14

Hình 11: Hoàn thiện mạch thật 15

Bảng 1: Bảng yêu cầu chỉ tiêu thông số kỹ thuật 6 Bảng 2: So sánh số liệu lý thuyết và mô phỏng 16

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU Ý TƯỞNG

Thế giới luôn luôn vận động, đổi mới và phát triển không ngừng, kéo theo

đó là sự phát triển của các đất nước để bắt kịp xu hướng nói chung và sự phát triển của ngành Điện tử viễn thông nói riêng để phục vụ cho nhu cầu của thời đại số 4.0 toàn cầu Không ai có thể phủ nhận được vai trò lớn lao cùng với những ứng dụng vô cùng thực tế của ngành Điện tử viễn thông đã góp phần mang lại nhiều lợi ích cho con người vào cuộc sống thường ngày Và một trong

số đó, việc sử dụng mạch khuếch đại trong thực tế ngày càng được ứng dụng phổ biến, rộng rãi và đem lại hiệu quả rất cao

Trên góc độ kinh tế, trong bối cảnh đi tắt đón đầu công nghệ cao, đa số các công

ty đa quốc gia trên thế giới đều chứng tỏ hiệu quả kinh tế của mình bằng những công nghệ nguồn đặc thù khác nhau Công nghệ nguồn càng cơ bản thì càng đưa đến nhiều ứng dụng khác nhau và đưa đến siêu lợi nhuận Một trong những công nghệ nguồn cơ bản là công nghệ bán dẫn vi mạch, đã đưa đến những cuộc cách mạng khoa học công nghệ trong lãnh vực công nghệ thông tin, công nghệ tự động hóa và cơ khí chính xác, công nghệ sinh học Ngày nay, vốn đầu tư cho công nghệ bán dẫn vi mạch để làm ra sản phẩm chip điện tử trong máy tính, các thiết bị cầm tay được số hóa (digital equipments) vẫn còn rất cao Đặc biệt nhu cầu về giải trí và nghe nhạc của con người đã trở thành một nhu cầu thất yếu trong cuộc sống Tổng hòa hai điều đó, để đưa ra một đáp án cho chiến lược đầu

tư phát triển công nghệ cao cho Việt Nam thì câu trả lời chính là công nghệ âm thanh chất lượng cao phục vụ trong các lĩnh vực về dịch vụ giải trí và thỏa mãn nhu cầu nghe, tiếp nhận thông tin của người tiêu dùng

Từ những ứng dụng thực tế xã hội nêu trên cộng hưởng với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo, nhóm em đã chọn đề tài “Mạch khuếch đại âm tần” Đây là một mạch điện tuy đơn giản nhưng là một trong những mạch rất căn bản, từ đó

có thể phát triển thành các mạch có nhiều tính năng hơn Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy đã cung cấp các bài giảng chi tiết, hữu ích giúp chúng

em rất nhiều trong bài tập lớn Báo cáo của chúng em còn nhiều thiếu sót chúng

em rất mong nhận được sự góp ý của thầy và các bạn để bản báo cáo được hoàn chỉnh hơn

CHƯƠNG II: THÔNG SỐ KỸ THUẬT

Đề tài: Thiết kế mạch khuếch đại âm tần

Hình 1: Mô hình mạch khuếch đại âm tần

Yêu cầu chỉ tiêu thông số:

Nguồn cung cấp Tải dùng loa Hệ số khuếch đại

tối thiểu cần thiết kế(Av) (lần)

Điện áp tín hiệu đầu ra tối thiểu

B!ng 1: B!ng yêu cầu chỉ tiêu thông số kỹ thuật

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH 3.1 Sơ đồ khối

Hình 2: Sơ đồ khối toàn mạch

3.2 Khối nguồn

Sử dụng Adapter đầu vào 220V AC, đầu ra 12V

3.3 Khối khuếch đại tín hiệu

Khuếch đại tín hiệu vào Vi ~ 100mV, f = 1000Hz cho tín hiệu ra có công suất

P = 1 W trên tải loa R = 8 Ωo L

Ta tính được điện áp ra V = o √2 P o R L=√2.1.8 ≈ 4 V

Chọn nguồn nuôi 12V

Hệ số khuếch đại A thỏa mãn yêu cầu:V

A =V

Vo

Vi =0.14 =40 lần

3.3.1 Tầng khuếch đại điện áp

Sử dụng cách mắc kiểu Emito chung:

Sử dụng transistor khuếch đại tín hiệu nhỏ BC547

Chọn điểm làm việc tĩnh Q (U ; I ) = (4V ; 10 A) ở điểm làm việc này hệ sốCE CE -3

β của transistor rơi vào khoảng 120

Hình 3: Khối khuếch đại tín hiệu

Emito chung:

Chế độ làm việc một chiều:

Ta có: (R + R + R ) I + U = V3 4 5 C CE CC

→ (R + R + R3 4 5).10-3 + 4 = 12 (1)

→ R + R + R = 8 kΩ3 4 5

• Vì VE<<VCC nên chọn V =1/10 *Vcc =1 Ta lại có: (RE 4+R ).I5 C = VE → R + R = V / I = 1kΩ 4 5 E c (2)

Từ (1) và (2) ta suy ra R = 7 kΩ3

• gm = I / V = 0.038 SC T

• AV = - R / (1/g + R ) = - 40 → R = 149 Ω3 m 4 4

• UBEo= 0.7V → V = U + V = 0.7 + 1 = 1.7 VB BEo E

• Theo công thức phân áp: V = B R 2

R 1 + R 2.Vcc →

R 2

R 1 + R 2=

17

120 (3)

• Để R nối tiếp R ( dòng điện chạy qua điện trở R và R bằng nhau ) thì1 2 1 2

I1,2 >> Iintrans → Chọn R << R2 intrans

Mà Rintrans ≈ (β + 1).R = 124k kΩE

( Để đảm bảo phân cực (I1 >> B I )

IB = C /I β = 8.33 (µA)

- I1 >> IB I > 10 I1 B = 83.3 (µA)

- VCC = I (R +R1 1 2) = 12 V R1 +R2 < 108 KΩ (tm)

Nên ta chọn R = 12 kΩ Thay R vào công thức (3) ta tính được R = 73 kΩ2 2 1

• Chế độ xoay chiều:

• AV = V / V ≈ -gout in m.RC/(1 + gm.RE) = -gm.R3/(1 + gm .R4) = - 40

• rπ = β / g = 120 / 0.038 = 3.16kΩm

• Rin = R1//R2//(rπ+(β+1) R ) = 5.8kΩ 4

• Rout = R = 7kΩC

• fL1 = 1/(2π.Rin.C1) ≤ 20 Hz → C ≥ 1.37 uF chọn C =100uF1 1

• fL2 =1/[2π.(R +R ).Cout inD 2]≤ 20 Hz → C ≥ 0.048 uF chọn C =100uF2 2

• fL3 = 1/2π.{RE1//[(R1//R2)/β+r ]}.Ce 3 ≤ 20 Hz → C ≥ 79 uF chọn C =100uF3 3

3.3.2 Tầng Darlington

Chế độ 1 chiều:

• Chọn điểm làm việc tĩnh của transistor NPN BC547 là Q (5V, 2mA) có 1

β1 = 120 và transistor PNP của TIP 41A là Q (5V, 0.1A) có β = 502 2

βD = β1.β2 = 120.50 = 6000

IE2 = 0.1A nên I = I / βB2 E2 2 =0.1A/50=2mA

IE1 = I =2mA nên IB2 B1=IE1/ β1=2mA/120=16.67uA

Ta có: U + ICE2 E2.R7 = V → R = (VCC 7 CC-U )/ICE2 E2 = (12-5)/0.1=70Ω Lại có: IB1.R6 +U +U + ICE1 CE2 E2.R7 =VCC

Hay: IB1.(R6 + βD.R )+U +U =V =12V→R =0.25MΩ7 CE1 CE2 CC 6

Hình 4: Tầng Darlington làm việc ở chế độ 1 chiều

Chế độ xoay chiều:

R =R //β R =Rin B D E 6// βD.R7=156 kΩ

ro1= U / ICE1 C1 =13Ω, r = U / Io2 CE2 C2=0.26Ω

R =r /βout o1 2 + r = 0.52 Ωo2

f =1/2π.R CL4 in in ≤ 20 Hz → Chọn C ≥ 0.053 uFin

→Chọn C =100uFin

f =1/2π(R //(R /β+r )).CL5 E B o out ≤ 20

→ C ≥ 258.37 uFout

Av ~ 1 lần

Ai= - βD.R /(RB B+ βD.(RB// βD o.r) ≈ -3000 lần

Hình 5: Tầng Darlington hoạt động ở chế độ xoay chiều

3.4 Khối khuếch đại công suất

• Chọn hai transistor TIP 41 và TIP42 do chịu được công suất lớn

• Transistoristor công suất khuếch đại bán chu kỳ dương (TIP41)

• Transistoristor công suất khuếch đại bán chu kỳ âm (TIP42)

• Phân cực cho transistor bằng 2 điện trở 1kΩ và 2 diode giúp ổn định tín hiệu đầu ra (được phân cực thuận để tạo ra sự sụt áp khoảng 2V phân cực cho hai Transistor công suất)

• Khi có nửa tín hiệu cùng đưa vào T , T khuếch đại Ở nửa chu kỳ dương1 2 thì T khuêch đại, T tắt vì U1 2 D1 > 0 và UD2 > 0, T khuếch đại nửa hình sin.1 Trong nửa chu kỳ sau U < 0, U < 0, T khuếch đại nửa hình sin D1 D2 2

• Xét về 1 chiều tại chân E của 2 transistor là V /2 = 6VCC

• Do Iphân cực>>IB → I = (V /2 – UCC BE)/R3 = 5.3 mA

• Công suất khi hai transisitor làm việc ở chế độ lý tưởng với biên độ cực đại URmax = 6V

• ro=26mV/I = 26mV/0.5A = 0.052 Ωc

• Chọn C raast lớn dùng làm nguồn nuôi cho khối công suất ở chu kỳ âm out

→ Chọn C = 1000 uFout

• Rout = R // r = 0.05 Ω → Tín hiệu không bị sụt khi ra tải 8 ΩE o

PL = U / R = 1Whd2 L

Hình 6: Khối khuếch đại công suất

3.5 Thông số khuếch đại toàn mạch

AV =R in2R out1 +R in2.A A AV1 V2 V3 ≈ 40

Trong đó: R = Rin in1

Rout = Rout3

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG VÀ MẠCH HÀN 4.1 Mô phỏng

4.2 Mạch mô phỏng dùng phần mềm Proteus

Hình 7: Mô phỏng mạch trên phần mềm Proteus

Hình 8: PBC Layout

Hình 9: Mạch 3D

Hình 10: Kết qu! đo đạc mô phỏng

Chú thích:

Màu vàng tín hiệu đầu vào

Màu xanh tín hiệu đầu ra cả mạch

Nhận xét: Tín hiệu đầu ra không bị méo, không bị cắt

4.2 Mạch thật

Hình 11: Hoàn thiện mạch thật

4.3 Nhận xét các số liệu thu được

B!ng 2: So sánh số liệu lý thuyết và mô phỏng

Quan sát ta thấy, tín hiệu đầu ra không bị méo, không bị cắt Theo kết quả mô phỏng thì điện áp ra đạt 3.59, hệ số khuếch đại điện áp bằng 36 lần thỏa mãn yêu cầu thông số đặt ra Tuy nhiên các kết quả này chưa tối ưu do còn chênh lệch và chưa đạt được các số liệu tính toán Kết quả theo số liệu tính toán và mô phỏng mạch đo được có sự sai khác, công suất ra tải là 0.897 W khi đo đạt bằng

mô phỏng nguyên nhân có thể là do tầng một khuếch đại không được tối ưu, do việc chọn hệ số khuếch đại của các tầng chưa đủ lớn ,do phối hợp trở kháng giữa các tầng khuếch đại và tải chưa phải là quá tốt

KẾT LUẬN

Thông qua bài tập lớn này, chúng em đã được khám phá sâu rộng thêm về quá trình thiết kế một mạch khuếch đại và cũng đã học được thêm nhiều bài học mới Trong quá trình bài tập lớn, cả nhóm đã hiểu được tầm quan trọng của hiểu biết về các nguyên tắc lắp đặt điện tử Quá trình làm bài tập và thiết kế mạch khuếch đại yêu cầu sự am hiểu rõ về nguyên tắc điện tử cơ bản Sự hiểu biết về dòng điện, điện áp, trở kháng và các thành phần điện tử khác là cơ sở để tạo nên mạch khuếch đại hiệu suất cao Bên cạnh đó chúng em còn phải tìm kiếm và lựa chọn linh kiện phù hợp, việc lựa chọn các linh kiện như transistor, tụ điện và điện trở có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất khi chạy của mạch khuếch đại Bài tập cũng yêu cầu từng thành viên phải tìm hiểu và kiểm tra từng thông số kĩ thuật như tần số cắt, hệ số khuếch đại và độ nhiễu, cần xem xét kĩ lưỡng để đảm bảo mạch hoạt động đúng theo yêu cầu của đề bài cũng như đạt được hiệu suất cao nhất Bên cạnh đó khi làm xong bài tập lớn, chúng em còn có cái nhìn tổng quát, phân tích sự khác nhau và giống nhau giữa lý thuyết và thực nghiệm từ đó đưa

ra những mô phỏng, dự đoán và đánh giá hiệu suất của mạch trước khi thực hiện thiết kế ngoài thực tế Điều này giúp tối ưu hóa mạch trước khi đưa vào sản xuất đời sống và giảm thiểu rủi ro có thể xảy ra Nhóm em xin cảm ơn thầy Nguyễn Anh Quang về những bài học, sự hướng dẫn tận tình giúp chúng em tìm hiểu sâu sắc hơn về ngành Điện tử viễn thông và bộ môn Điện tử tương tự I Đây là một

cơ hội chúng em rất trân trọng và rất mong nếu có sai sót gì trong bài tập lớn mong thầy và các bạn bỏ qua, góp ý để nhóm chúng em ngày càng hoàn thiện, đem đến kết quả tốt nhất

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Electronic Devices and Circuit theory – Robert Boylestad Louis Nashelsky [2] https://dientutuonglai.com/bc547.html

[3] https://www.studocu.com/vn

[4] https://khotrithucso.com/doc/p/thiet-ke-mach-khuech-dai-cong-suat-am-tan-249881

[5] https://dientutuonglai.com/tip41c.html

[6] https://kyoritsu.us/thiet-ke-mach-khuech-dai-am-thanh-don-gian/

[7] https://lagroup.edu.vn/cach-lam-mach-khuech-dai-am-thanh/