Báo cáo bài tập lớn học phần Điện tử tương tự i Đề tài thiết kế mạch khuếch Đại Âm thanh

Nguyễn Thị Ngọc Ánh Thực hiện mô phỏng, lắp mạch, kiểm tra kết quả trên mô phỏng và thực tế, làm báo cáo.. Trần Đình Hiếu Thực hiện mô phỏng, lắp mạch, kiểm tra kết quả trên mô phỏng v

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN

ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ I

Đề tài: Thiết kế mạch khuếch đại âm thanh

Giảng viên hướng dẫn : TS Phùng Thị Kiều Hà

Nhóm: 07

Trần Hà Phương 20207579

Nguyễn Thị Ngọc Ánh 20207544

Trần Đình Hiếu 20207562

Trần Đăng Việt Hoàng 20204479

Trần Hà Phương Thiết kế và tính toán giá trị các khối mạch khuếch đại với

yêu cầu đề bài, thực hiện mô phỏng, lắp và hàn mạch

Nguyễn Thị Ngọc Ánh Thực hiện mô phỏng, lắp mạch, kiểm tra kết quả trên mô

phỏng và thực tế, làm báo cáo

Trần Đình Hiếu Thực hiện mô phỏng, lắp mạch, kiểm tra kết quả trên mô

phỏng và thực tế, làm báo cáo

Trần Đăng Việt Hoàng Thiết kế và tính toán giá trị các khối mạch khuếch đại với

yêu cầu đề bài, thực hiện mô phỏng, lắp và hàn mạch

PHẦN I: PHÂN TÍCH YÊU CẦU HỆ THỐNG VÀ SƠ ĐỒ KHỐI

I Yêu cầu hệ thống:

 Mạch khuếch đại âm thanh

 Công suất ra trên tải là: 1W

 Tải dùng loa 8ohm

 Tín hiệu đầu vào hiệu dụng: 50mV

 Nguồn nuôi tự chọn

II Thiết kế sơ đồ khối

Khối nguồn sử dụng nguồn DC 24V

INPUT: Đầu vào tín hiệu âm thanh

OUTPUT: Đầu ra tín hiệu âm thanh sau khuếch đại

Tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ: Tầng này có công dụng là lấy tín hiệu vào trong mạch là lớn nhất có thể

Tầng khuếch đại Darlington: Công dụng của tầng này là khuếch đại dòng lên đủ lớn để đưa vào tầng khuếch đại công suất

Tầng khuếch đại công suất: Nhiệm vụ khuếch đại công suất ra tải

PHẦN II: THIẾT KẾ CHI TIẾT TỪNG KHỐI

2.1 Các khối khuếch đại

a, Khối khuếch đại tín hiệu nhỏ

Mạch được mắc theo kiểu emitter chung vì khối nhận tín hiệu vào có trở kháng vào nhỏ, mạch khuếch đại được dòng điện và điện áp

b, Khối khuếch đại Darlington

Sử dụng khối Darlington mắc kiểu collector chung nhằm làm tăng dòng điện trước khi đến với khối khuếch đại công suất

c, Khối khuếch đại công suất

Tầng khuếch đại công suất mắc theo kiểu đẩy – kéo, hoạt động ở chế độ AB dùng diode và điện trở để phân cực

Nguyên lý hoạt động:

 Nửa chu kỳ dương TIP41 khuếch đại, TIP42 tắt

 Nửa chu kỳ âm TIP42 khuếch đại, TIP21 tắt

2.2 Tính toán chi tiết các khối

a, Tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ

Xét chế độ 1 chiều: Chọn transitor khuếch đại tín hiệu nhỏ 2N2222A

Do V0=√2 P0R L =4V mà V i (rms) =50 mV A v (total )=80 lần  Chọn A v tầng 1 là 80

Chọn điểm làm việc Q: 2N2222A ( VCEQ = 12V; IC = 1,5 mA; VBEQ = 0,7 V; IBQ = IC / β với β = 150 è IBQ = 10-5

(Datasheet của transistor 2N2222)

Ta có: VCC = IC ( R3 + R4 + R5 ) + VCE

è R3 + R4 + R5 = 8 kΩ

VE << VCC  VE = VCC / 10 =2,4V

VE = IE ( R4 + R5 ) è R4 + R5 = 1,6 kΩ

è Chọn R3 = 6,2 kΩ

gm = IC0 / VT = 1,5mA/26mA = 0,0577

Chọn Av = -80 = -R3 / (1/gm + R4 ) è R4 = 75 Ω è Chọn R4 = 75 Ω è R5 = 1,2 k Ω

Ta có: VB = VBE + IE.RE = 0,7 +1,5.10-3 1,6 k Ω = 3,1 V

Mà VB = R2 / (R1 + R2).VCC

 R2 / (R1+R2) = 31/240  240R2 = 31R1 +31R2  R1 = 209/31R2

I1 ≈ I2 >> IB è I1 = I2 = 10IB = 10-4

è R1+R2 £ VCC /10IB = 240 kΩ

è Chọn R1 = 200 kΩ ; R2 = 30 kΩ

Vin = V + I4 + R4 = V + ( ( V/ r ) + gm.V) R4

Vout = -gm.V.R3

 Av = -R3/(1/gm +R4 )

Zin = R1 // R2 // (r + ( β + 1)R4 ) ≈ 9 kΩ; Zout = R3 = 6,2 kΩ

b, Tầng khuếch đại Darlington

Xét chế độ 1 chiều, sử dụng 2N2222 với điểm làm việc ( β2 = 150; VCEQ = 12,5V; IC = 1,5 mA; VBE = 0,7 V) và TIP41 (β3 = 50; IC = 0,6 V; VCE = 12,5 V; VBE = 0,7 V)

(Datasheet của TIP41C)

Hệ số β của 2 transistor là βD = β2 β3 = 150.50 = 7500

IE3 = IC3 = 0,6 V  IB3 = IC3 / β3 = 0,012 A

IB3 = IE2 = 0,012 A  IB2 = IE2 / β2 =8.10-5 A

VCC = IC3.R7 + VCE3  R7 ≈ 19.1 Ω  chọn R7 = 22 Ω

VCC – VBE2 – VBE3 = IB2.R6 + IE3.R7 = IB2.R6 + βD.R7.IB2

è R6 + βD.R7 =295 kΩ è Chọn R6 = 200 kΩ

r2 = β2/gm2 = (β2 / IC02).VT = 2,6 kΩ; gm2 = 0,0577

r3 = β3/gm3 = (β3 / IC03).VT = 2,2 kΩ; gm3 = 23,0577

Vin = IB.( βD.re + (βD +1).R7)

Vin = (Vin / R6 ) + IB

Zin2 = R6 // Rin = R6 // (βD.re + (βD +1).R7) = R6 // (βD (26mV/ IE3) (βD +1).R7)

= R6 // (r2 + β2.r3 + β2 β3.R7) = ( 497600.R6) / (497600 + R6) = 140k

Zout2 = ((1/gm) + (1/ β3/gm2) //R7 ≈ 0,4 Ω ; Av2 ≈ 1

c, Tầng khuếch đại công suất

Chọn Transistor TIP41, TIP42, các transistor này có đặc điểm chịu được công suất lớn Phân cực cho transistor bằng 2 điện trở R8,R9 và 2 diode 1N4007

Điểm làm việc Q4 : TIP 41C : β4 = 50; IC = 0,6

Q5 : TIP 42C : β5 = 50; IC = 0,6

(Datasheet của TIP42C)

Chọn UD1 = UD2 = 0,7 V; R8 = R9 = 470 Ω

I1 = IR9 = IR8 = ID1 = ID2 = (VCC – 2UD)/(2R9) = 0,0786 A

I1 >> IB  IB = I1/10 = 7.87 mA

IC = β4.IB = β5.IB = 0,39 A

gm4 = gm5 =IC/VT = 23,077 s

Ta coi mỗi Q4, Q5 được cấp bởi nguồn 12V  Biên độ điện áp đỉnh trên tải tối đa 12V =

VPLmax

Công suất trên tải tối đa:PLmax =1/2 (RL /(Zout3 + RL )2 (VPLmax2 / RL )

Zout3 = 1/gm4 ≈ 0,04

Zin3 = R8 // r4 = R8 // ( β4 /gm4 ) ≈ 2 Ω ; Av1 ≈ 1

è Av total = Av1.(Zin2 /( Rin2 + Rout1)) Av2.(Zin3.(Zin3 + Rout2)) Av3.(RL/(RL+ Zout3)) ≈ 64 lần

d, Tính toán đáp ứng tần số

Chọn tụ điện nối tầng sao cho các tham số cắt dưới nằm dưới ngưỡng nghe tối thiểu của tai người khoảng 16 – 20 kHz

Zin1 = 9 kΩ Zout1 = 6,2 kΩ

Zin2 = 140 kΩ Zout2 = 0,4 Ω

Zin3 = 2 Ω Zout3 = 0,04 Ω

Tụ C1 : fL1 = 1/(2.Zin1.C1) < 20 kHz è C1 > 0.88mF è chọn C1 = 10mF

Tụ C2 : fL2 = 1/(2.XC.C2) < 20 kHz èXC < R5/10 = 150 Ω èC2 > 0,5mF

 chọn C2 = 10mF

Tụ C3 : fL3 = 1/(2.C3.(Zin2 + Zout1)) < 20 kHz èC3 > 5,47.10-8 F è chọn C3 = 10mF

Tụ C4,C5 : fL4= fL5 = 1/(2.C4.(Zin3 + Zout2))  chọn C4 = C5 = 47mF

Tụ C7 có giá trị lớn để tích điện làm nguồn cấp cho Q5 Chọn tụ C7 = 4700mF è fL6 = 1/2.(Zout + RL).C7 = 4,2 < 20kHz

PHẦN 3 : MÔ PHỎNG TRÊN PROTEUS

I Sơ đồ mạch :

II Kết quả mô phỏng :

Cho tín hiệu đầu vào là 50mV

Kết quả đo tín hiệu đầu vào :

Kết quả đo tín hiệu đầu ra :

III Sơ đồ hàn mạch trên PCB

PHẦN 4 : KẾT LUẬN

Qua việc so sánh các thông số mạch giữa tính toán, mô phỏng, thực tế ta nhận thấy  :

I Ưu điểm

- Mạch hoạt động ổn định, tín hiệu ra khá lớn, âm thanh rõ, ít bị méo tiếng, tín hiệu xuất hiện rè khi độ lớn tín hiệu vào tăng

- Các transistor đều được phân cực đúng và hoạt động ổn định

- Các thông số tính toán, mô phỏng và thực tế có sự trùng khớp với sai lệch với sai

số không đáng kể

- Đo được tín hiệu vào là 50mV và tín hiệu ra thu được Vpk-pk/2 = 4.3 V

- Công suất mạch đạt được 1W như yêu cầu

II Nhược điểm

- Mạch thưc tế khá to và chưa được đẹp do hạn chế kinh nghiệm làm mạch

- Tín hiệu đôi lúc chưa ổn định

- Thông số đo được sau khi thực hiện mạch có sai khác với kết quả đo được trên proteus và broad test