Báo cáo Điện tử tương tự i Đề tài mạch khuếch Đại Âm thanh 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIVIỆN ĐIỆN TỬ - VIỂN THÔNG ------BÁO CÁO ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ I Đề tài: Mạch khuếch đại âm thanh Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Anh Quang Nhóm sinh viê

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỂN THÔNG

- -BÁO CÁO ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ I

Đề tài: Mạch khuếch đại âm thanh

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Anh Quang

Nhóm sinh viên:

1

Mục lục

Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 3

1.1 Mô tả yêu cầu kỹ thuật: 3

1.1.1 Yêu cầu chức năng : 3

1.1.2 Yêu cầu phi chức năng : 3

Chương 2: Thiết kế kiến trúc 3

2.1 Thiết kế sơ đồ khối: 3

2.2 Thiết kế sơ bộ: 4

2.3 Thiết kế chi tiết: 5

2.3.1 Tầng khuếch đại tín hiệu: 5

2.3.2 Khối tiền khuếch đại công suất (Darlington): 8

2.3.3 Khối khuếch đại công suất: 10

2.3.4 Thông số toàn mạch: 12

Chương 3: Mô phỏng, kiểm tra và sửa sai 13

3.1 Mạch thiết kế mô phỏng : 13

3.2 Test board: 15

3.3 Mạch in : 15

Chương 4: Đo đạc các thông số yêu cầu thiết kế trên mạch đã lắp đặt 17

DANH MỤC HÌNH ẢNH 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

Tín hiệu vào Khối khuếch đại tín hiệu nhỏ Khối tiền công suất Khối khuếch đại công suất Tín hiệu ra

Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Mô tả yêu cầu kỹ thuật:

1.1.1 Yêu cầu chức năng :

Nguồn cung cấp

Tải dùng loa

Hệ sô khuếch đại tối thiểu

Điện áp tín hiệu đầu ra tối thiểu

: 12V : 16 𝛺 : 25 lần : 2.0 V

1.1.2 Yêu cầu phi chức năng :

Mạch thiết kế chạy được, tín hiệu âm thanh rõ ràng, không méo

Mạch đạt được chỉ tiêu kỹ thuật tối thiểu trong đề bài

Thiết kế tối đa hoá công suất ra tải

Chương 2: Thiết kế kiến trúc

2.1 Thiết kế sơ đồ khối:

Hình 2.1: Sơ đồ khối khuếch đại âm thanh

Hình 2.1 miêu tả sơ đồ khối của mạch Mạch gồm 3 tầng: Tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ; khối tiền công suất và khối khuếch đại công suất Jack điện thoại và loa là phụ kiện hỗ trợ mạch

 Khối khuếch đại tín hiệu nhỏ:

Khuếch đại tín hiệu vào Vin(p) = 100mV cho tín hiệu có công suất P = 0.2W trên tải loa RL=16Ω

 Khối tiền công suất:

Với mục đích để phục vụ cho việc ghép nối tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ với tầng khuếch đại công suất, nhóm thiết kế tầng hai để phối hợp trở kháng nhằm chuẩn bị cho tầng khuếch đại công suất

 Khối khuếch đại công suất:

Nhiệm vụ là khuếch đại công suất ra tải

2.2 Thiết kế sơ bộ:

Tính toán hệ số khuếch đại Av để thỏa mãn yêu cầu

Vout(p) ¿√2 P O R L = 2.53V

 Khối khuếch đại tín hiệu nhỏ:

Av= Vout(p)/ Vin(p) =25.3 (lần)

Dùng 1 tầng Emito chung

 Khối tiền khuếch đại công suất (Darlington):

Sử dụng khối Darlington mắc kiểu Colecto chung để nhằm làm giảm trở kháng trước khi đến với khối khuếch đại công suất và khuếch đại dòng điện

 Khối khuếch đại công suất:

Tầng khuếch đại đẩy kéo sử dụng chế độ AB để khuếch đại công suất ra tải

2.3 Thiết kế chi tiết:

2.3.1 Tầng khuếch đại tín hiệu:

Nhóm lựa chọn mạch khuếch đại Emito chung với sơ đồ khối như sau:

Hình 2.2: Mô hình mạch khuếch đại tín hiệu

Quá trình tính toán lựa chọn linh kiện :

Nhóm lựa chọn 2N2222 vì sự phổ biến và đáp ứng được yêu cầu mạch cần làm

 Phân tích chế độ 1 chiều , chọn điểm làm việc tĩnh Q:

Với nguồn 12V, Vout = 2.53V, ta chọn điểm làm việc tĩnh Q(VCE;ICQ) = (4.755V;0,9mA) ở điểm làm việc này thì hệ số β=180

Theo định luật Kirchhoff:

VCC= VCE+IC.R3+IE.(R5+R5)

Do IE≈IC

⇔VCC-VCE=IC.(R3+R5+R6)

⇔12-4.755 = 0,9.10-3 (R3 + R5 + R6 )

⇔(R3+ R5 + R6 ) = 8.05 (kΩ) (1)

Do VE<<VC

Chọn giá trị VE = 1.125 (V)

IC R3 = VCC -VCE – VE = 6.12 (V)

=> R3= 6.8 ( kΩ)

Từ (1) => R5 + R6 = 1.25 (kΩ) (2)

Gm= I C

V T=2609

Theo yêu cầu đặt ra, ta có : |AV| ≥ 20√2

⇒ g m R3

1+g m R5 ≥ 25.3⇒R5 240

Từ (2) ta chọn R5 = 150 (Ω) => R6 = 1100 (Ω)

Để transistor làm việc ở chế độ khuyếch đại thì VBE=0,7 V

Mà VB = VBE+ VE = 0.7+1.125 = 1.825 (V)

=> ( VCC.R2 )/( R1+R2 ) =1.825 (V)

=> 101,75.R2 -18,25.R1 =0 (3)

Ta có IB=I C

β =5 (μA)

Theo điều kiện của mạch phân cực vontage divider:

IR1 >>IB => IR1 >>10 IB > 50μA

Mà IR1 ( R1 + R2 ) = VCC => R1 + R2 <240 (kΩ) (4)

Từ (3) và (4) ta chọn R1 = 110 kΩ và R2 =20 kΩ

• Phân tích chế độ xoay chiều:

Hình 2.3 Sơ đồ tương đương xoay chiều EC

Các thông số xoay chiều ở tầng 1:

Zin1=R1//R2//(r π+(1+ β).R5) = 11.11 (kΩ) với r π =g β

m 1

Zout1=R3=6.8 (kΩ)

|AV1| = (gm.R3)/(1+gm1.R5) =38.01

Mạch được thiết kế với tín hiệu vào là tín hiệu âm thanh có dải tần số hoạt động từ 20-20000Hz => fL=20Hz

=> fL1=2 π Z1

¿ 1.C1<20 => C1 > 0.716 μF Chọn C1 = 100μF

Có fL2=2 π {R1

E/ ¿ ¿ ¿< 20 (với RE = RE1+RE2)

=> C3 > 68 μF Chọn C3 = 200 μF

2.3.2 Khối tiền khuếch đại công suất (Darlington):

Hình 2.4 Khối tiền khuếch đại công suất

 Chế độ một chiều:

Chọn điểm làm việc tĩnh:

- Transistor NPN 2N2222 là Q2(5V;2mA) , β2 =200

- Transistor PNP TIP41 là Q3(5V;0,1A), β3 =50

Hệ số β của 2 transistor mắc Darlington là βD = β2.β3 =120.50=6000

IC3 = 0.1A => IB3 = IC3 / β3 =2 mA

IE2 = IB3 =2mA => IB2 = IE2 / β2 = 10 μA

Theo định luật Kirchhoff :

VCC = VCE3 + IC3 R7 => R7 = 70 Ω

VCC = IB2 R4 + VBE2 + VBE3 + IB2 β2 β3 R7 ( VBE2 = VBE3 = 0.7 V)

=> R4 = 360 kΩ

 Chế độ xoay chiều:

Hình 2.5 Sơ đồ tương đương xoay chiều Darlington

Zin2=R4 // [β2 β3 R7] =237.7 kΩ

Có re2 = 1/gm2 = VT/IC2 = 13 Ω

Có re3 = 1/gm3 = VT/IC3 = 0.26 Ω

Zout2= re2/β3 + re3 = 0.52 Ω

Av2 = Vo/Vi ≈ 1

Ai2 = (β2 β3 R4)/(R4 + β2 β3 R7) = 3396

Có fL3 = 1/ (2.( Zin2 + Zout1 ).C2)≤ 20 => C2 ≥ 0.0325 μF => Chọn C2 =100 μF

2.3.3 Khối khuếch đại công suất:

Hình 2.6 Khối khuếch đại công suất

- Chọn chế độ khuyếch đại công suất AB đẩy kéo dùng 2 transistor công suất là TIP41(NPN), TIP42 (PNP)

- Sử dụng 2 điện trở R5 và R6 và 2 diode D1 D2 (1N4148) để phân cực cho mạch hoạt động ở chế độ AB

- Do tụ đầu ra phải có giá trị lớn để chịu được công suất ra tải lớn.

=> Chọn C6 = 1000μF

- Sử dụng 2 diode D1 và D2 để 2 transistor TIP41 và TIP42 phân cực đúng

- Phân cực cho transistor bằng R5 = R6 = 470 Ω và 2 diode giúp ổn định tín hiệu ra

Theo datasheet ta có TIP41 và TIP42 có β = 70

 Các thông số một chiều:

Mạch đối xứng nên coi transistor được nuôi bởi điện áp 6V

Giá trị tối đa đỉnh cực điện áp ra là:

VO(P) ≈ VCEQ = V CC

2 = VE = 122 = 6 (V) Giá trị tối đa đỉnh của dòng điện ra là :

IO(P) ≈ IC(SAT) = V R CEQ

L = 166 = 0.375 (A) Dòng điện 1 chiều IC được tính như sau:

IC = ICC = I C (SAT )

π = 0.375π = 0.1194 (A) Theo datasheet TIP41, TIP42 ta có : IC = 0,1194 A, VCEQ = 6 V => β ≈50

Dòng 1 chiều IB = I C

β

Theo datasheet 1N4148, VD = 0,7 A => ID = 3 mA (ID là dòng điện 1 chiều qua diode)

Áp dụng định luật Kirchhoff :

IR8 = IR9 = IB + ID = I C

β +ID = 5.39.10−3 (A)

=>R8 = R9 = V CC−V B

I R 8 = V CC−(V E+ 0,7)

I R 8 = 12−(6+0,7)

5.39 10−3 = 983,3 Ω

Chọn R8 = R9 = 1000 Ω

Độ hỗ dẫn:

gm4=gm5=IC/VT= 4.6 (s)

Công suất ra tải trong TH lý tưởng :

Pout = V C(SAT ) V CEQ

2 = V 2 R L(P )

L = 0.1194.62 = 0.3582 W Công suất đầu vào của nguồn trong TH lý tưởng:

Pin = I C (SAT ) V CC

π = 0.1194 12π =0.456 W Hiệu suất khuếch đại lý tưởng:

%n = P out

P¿ .100 % = 78,5%

 Các thông số xoay chiều

Zin3=R8//R9//Ztrans

Với Zvào trans = β/gm4 + (1 + β).RL=827 Ω

=> Zin3 = 311.6 Ω

Zout3=1/gm4=0.2174 Ω

AV3 ≈ 1

Có fL4=2 π (Z 1

¿ 3 +Z out 2).C4≤ 20

C4>25 μF => C4=C5=100 μF

2.3.4 Thông số toàn mạch:

|Av|T=|AV1| Z¿ 2

Z¿2+Z out 1.|AV2| Z¿ 3

Z¿3+Z out 2.|AV3| R L

R +Z out 3=36.39

Zin=Zin1=11.11 k Ω

Zout= Zout3=0.2174 Ω

Ptải=(V0)2/(2.RL) = (Vin.AvT)2/(2.RL)=0.4138 W

Chương 3: Mô phỏng, kiểm tra và sửa sai

3.1 Mạch thiết kế mô phỏng :

Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Proteus:

Hình 3.1 Mạch mô phỏng bằng phần mềm Proteus

Hình 3.2 Tín hiệu vào và ra

3.2 Test board:

Khi kiểm tra trên test board đo trên máy Oscillo thì ta thấy tín hiệu gần giống với

mô phỏng được.

3.3 Mạch in :

Sử dụng phần mềm Proteus để thiết kế mạch in

Hình 3.3 PCB trên Proteus

Hình 3.4 Mạch in

Chương 4: Đo đạc các thông số yêu cầu thiết kế

trên mạch đã lắp đặt

Các thông số Lý thuyết Mô Phỏng Mạch Thật

Hình ảnh đo đạc

Hình 4.1: Kết quả đo U vào trên Oscilloscope Hình 4.2: Kết quả đo U ra trên Oscilloscope

Hình 4.3: Hình ảnh sản phẩm thực tế

Nhận xét:

- Khi chỉnh âm lượng trên điện thoại nên to thì tín hiệu sẽ bị méo, nguyên nhân

là tín hiệu mà điện thoại có thể cung cấp lớp hơn so với điện áp max mà chúng ta cần (125mA>100mA)

- Hệ số khuếch đại trên mạch thực tế không được như mong muốn (25 lần)

- Nguyên nhân do: chất lượng linh kiện chất lượng chưa tốt

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Sơ đồ khối khuếch đại âm thanh 3

Hình 2.2 Mô hình mạch khuếch đại tín hiệu 5

Hình 2.3 Sơ đồ tương đương xoay chiều EC 7

Hình 2.4 Khối tiền khuếch đại công suất 8

Hình 2.5 Sơ đồ tương đương xoay chiều Darlington 9

Hình 2.6 Khối khuếch đại công suất 10

Hình 3.1 Mạch mô phỏng bằng phần mềm Proteus 13

Hình 3.2 Tín hiệu vào và ra 14

Hình 3.3 PCB trên Proteus 15

Hình 3.4 Mạch in 16

Hình 4.1 Kết quả đo U vào trên Oscilloscope 17

Hình 4.2 Kết quả đo U ra trên Oscilloscope 18

Hình 4.3 Hình ảnh thực tế sản phẩm 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 ROBERT L BOYLESTAD, LOUIS NASHELSKY, Electronic Devices and Curcuit Theory 11 th

2 Dr Nguyen Anh Quang, Slides Electronic Circuit I

3 THOMAS L FLOYD, Electronic Devices - Conventional Current Version 7th Edition

4 Cùng một số trang web:

https://dientutuonglai.com/

https://en.wikipedia.org/

https://alltransistors.com/