Bài tập lớn học phần nguyên lý kỹ thuật Điện tử tên Đề tài mạch khuếch Đại Âm thanh

Khoa Cơ Học Kỹ Thuật và Tự Động Hóa BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN NGUYÊN LÝ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Tên đề tài: Mạch khuếch đại âm thanh Giảng viên hướng dẫn: TS.. So sánh các thông số đo trên mạch

Khoa Cơ Học Kỹ Thuật và Tự Động Hóa



BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN NGUYÊN LÝ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Tên đề tài: Mạch khuếch đại âm thanh

Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Duy Hưng

Nhóm sinh viên thực hiện

Hà Nội,2024

Lời Nói Đầu 1

I Tính toán lý thuyết mạch 2

1 Thông số kỹ thuật 2

2 Sơ đồ khối 2

3 Tính toán chi tiết 2

II Mô phỏng 9

1 Mạch thiết kế mô phỏng: 9

2 Test 10

III Lắp đặt mạch in 11

1 Mạch in 11

2 Linh kiện cần chuẩn bị 12

3 Đặc tính của các linh kiện 12

4 Sản phẩm 14

5 Video sản phẩm thực tế 14

6 So sánh các thông số đo trên mạch với các thông số đã tính toán theo lý thuyết và theo chương trình mô phỏng 14

IV Kết luận 15

Lời Nói Đầu

Điên tử nói riêng và cơ điện tử nói chung là ngành rất nóng ở Việt Nam cũng như trường đại học công nghệ-đại học quốc gia Hà Nội Một trong những cái cơ bản

và quan trọng nhất mà mọi sinh viên đều cần phải nằm lòng và nắm chắc để có kiến thức và các hành trang cần thiết cho các học phần sau này cũng như trong công việc khi ra ngoài xã hội đó là học phần Nguyên lý kỹ thuật điện tử Học phần cho ta 1 cái nhìn tổng quát về nguyên lý của các linh kiện điện tử như diode, transistor… cũng như các mạch điện cơ bản: mạch khuếch đại, mạch chỉnh lưu…Để tổng hợp các kiến thức đã được dạy và để hoàn thành yêu cầu của thầy đối với học phần này, nhóm chúng em đã làm một bài tập lớn về mạch khuếch đại âm thanh Nhóm chúng em xin

được cảm ơn thầy Phạm Duy Hưng với sự chỉ bảo nhiệt tình và niềm đam mê hang

hái khi dạy của thầy trong suốt 1 học kỳ vừa qua, chúng em đã có được những kiến thức quan trọng, cần thiết và đã có thể hoàn thành được bài tập lớn này 1 cách suôn sẻ!

I Tính toán lý thuyết mạch

1 Thông số kỹ thuật

1.1 Yêu cầu hệ thống: Mạch có chức năng khuếch đại tín hiệu âm thanh đầu vào

2 Sơ đồ khối

Hình 1.1: Sơ đồ hoạt động của mạch

3 Tính toán chi tiết

3.1 Thiết kế chi tiết từng khối

1.1.1 Khối nguồn :Đầu vào 220V AC , đầu ra 9V DC sử dụng Adapter 9V-2A 1.1.2 Khối khuếch đại :

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

Po =1 W trên tải loa RL =16 Ω

- Tính toán hệ số A= √P O R L ≈ 4 V

 A= VO /VI =4/0,1 =40

- Tầng khuếch đại Emito chung :

Hình 3.1.2.a Tầng Emito chung

 Chế độ một chiều

- Chọn điểm làm việc tĩnh Q (UCE,ICQ )=(4,1.10-3 ) tại điểm làm việc này hệ số khuếch đại βcủa transitor khoảng 120

- Do đó ta tính được: gm = IC/VT = 0.038 (S)

(RC + RE1+ RE2)Ic + UCE = VCC

 RC + RE1+ RE2= 5(kΩ)

VE < VCC => Chọn VE = 1V => RE1 + RE2= 1(kΩ)

=>RC = 4(kΩ)

A =RC/(1/gm + RE1) =  40 => RE1 = 82(Ω)

UBE0= 0.7V => VB = UBE0 + VRE = 1.7 (V)

VB = R3/(R3 + R2).VCC = 1.7

R3/(R3 + R2) = 17/90

Chọn R3 <Rintran =>R3 = 12(kΩ)

R2 = 51(kΩ)

 Chế độ xoay chiều

Hình 3.1.2 b Sơ đồ tương đương xoay chiều EC

r π = β /gm = 3.16(kΩ)

Rin = R2//R3//( r π +(β+1) RE1) = 5,5 (kΩ)

fL1 = 1/2Rin.Cin ≤  20  → Chọn Cin ≥ 1.45μF

fL2 = 1/2π(Rout + RinD).Cout ≤ 20 → Chọn Cout ≥ 0.012μF

fL3 = 1/2π(RE//((R3//R2)/β +re) ≤ 20 → Chọn CE ≥ 82μF

Rout = RC = 4 (kΩ)

Av = Vout / Vin ≈ gm.RC/(1+gm.RE) = -40 (lần)

Ai = Vin / Rin = v π *( 1+RE1/r π +gm RE1)/ Rin= -10(lần)

- Tầng DarLington:

Hình 3.1.2 c Khối Darlington

 Chế độ 1 chiều :

- Chọn điểm làm việc tĩnh của trans NPN BC457 là Q1(5V,2mA) và của trans PNP TIP41 là Q2(5V,0,1A)

Hệ số β của 2 trans mắc Darlington là βD = β1.β2 =120*50=6000

IE2= 0,1(A) nên IB2= IE2 / β2 = 2( mA)

IE1 = IB2 = 2(mA) nên IB1=IE1 / β1=16,67(μA)

Theo công thức, ta có : IB1=(Vcc-Ube1-Ube2)/( RB + βD* RE ) nên RB ~0,4MΩ

RE = (VCC-UCE)/IC = 47Ω

 Chế độ xoay chiều

Hình 3.1.2 d Sơ đồ tương đương xoay chiều Darlington

Rin = RB//βD.RE = 150 (kΩ)

r01 = 26mV/IC1 = 13(Ω)

r02 = 26mV/IC2 = 0.26(Ω)

Rout = r01/β2 + r02 = 0,52(Ω)

fL4 = 1/2πRinCin ≤ 20 → Chọn Cin ≥ 0.053μF

fL5 = 1/2π(RE//(RB/β + r0) ≤ 20 → Chọn Cout ≥ 298.5μF

Ai = - βD RB/(RB+ βD *(RB// βD* r0)= -3333,33 (lần)

Av ~ 1 (lần)

1.1.3 Khối khuếch đại công suất

Hình 3.1.3 a Khối khuếch đại công suất

Chọn transitor TIP41,TIP42 do chịu được công suất lớn

Phân cực cho transitor bằng 2 trở 1k và 2 diodes giúp ổn định tín hiệu ra

Khi có nửa tín hiệu cùng đưa vào TIP41,TIP42 khuếch đại Ở nửa chu kỳ (+)

TIP41 khuếch đại ,TIP42 tắt vì UBE1 > 0 và UBE2 > 0 (TIP42thuận), TIP41 khuếch đại nửa hình sin Trong nửa chu kì sau UBE1 < 0 UBE2 < 0, TIP42 khuếch đại nửa hình sin Xét về 1 chiều tại chân E của 2 transistor là VCC/2= 4.5V và R7 =R= 1kΩ

+ I phân cực >>Ib => I=(VCC/2-UBE)/R3= 0.0038(A)

Công suất  khi 2 transistor làm việc ở chế độ lí tưởng với biên độ cực đại  URmax = 4,5 V

r0 = 26mV/IC = 26mV/0.5 = 0.052 (Ω)

Chọn Cout lớn dùng làm nguồn nuôi ở chu kì âm cho transitor đầy kéo công suất ở chu

kì âm → Chọn Cout = 1000μF

II Mô phỏng

1 Mạch thiết kế mô phỏng:

 Thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Proteus 8

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý mạch

2 Test

 Khi thực hiện mô phỏng trên máy Oscillo, nhận thấy tín hiệu đầu ra và vào có dạng:

Hình 2.2: Mô phỏng tín hiệu đầu vào và ra

-Từ mạch mô phỏng ta được biên độ ra là 3 V=> hệ số khuếch đại trên mô phỏng

là A~=30

III Lắp đặt mạch in

1 Mạch in

 Sử dụng phần mềm Proteus để thiết kế mạch in

Hình III.Mạch PCB

2 Linh kiện cần chuẩn bị

các tầng, ngăn hồi tiếp xoay chiều

đại công suất

3 Đặc tính của các linh kiện

 Diode

 Đặc tính dòng điện áp I-V

 Phân cực thuận

- Khi điện áp đặt vào diode theo chiều phân cực thuận (anode dương hơn cathode), dòng điện không đáng kể cho đến khi điện áp đạt giá trị

"ngưỡng" (khoảng 0.7V với diode silicon, 0.3V với diode germanium)

- Sau ngưỡng này, dòng điện tăng nhanh theo cấp số mũ khi điện áp tăng.

 Phân cực ngược

- Khi điện áp đặt ngược chiều (cathode dương hơn anode), dòng điện rất nhỏ, gần như bằng không (gọi là dòng điện ngược hay dòng rò)

- Nếu điện áp ngược tăng đến giá trị "điện áp đánh thủng" (breakdown voltage), dòng điện sẽ tăng mạnh dù điện áp vẫn ngược

 Đặc tính tần số

 Diode có thể hoạt động ở các tần số cao, nhưng hiệu quả của nó phụ thuộc vào loại diode (ví dụ: diode tín hiệu, diode Schottky, diode PIN)

 Ở tần số cao, hiệu ứng dung ký sinh và điện cảm ký sinh có thể ảnh hưởng đến hoạt động của diode

 Transistor

 Transistor BJT

- Đặc tính Input (I B −V BE): cần V BE ≈ 0.7 V( Silicon) để dẫn

- Đặc tính Output (I C −V CE): có 3 vùng:

o Cắt (Cut-off): I C ≈ 0 , I B=0

o Bão hòa (Saturation): Transistor dẫn mạnh

o Hoạt động (Active): I C =h fe × I B (khuếch đại dòng)

 Transistor MOSFET

- Đặc tính Input (V GS): Điều khiển bởi dòng điện áp cổng V GS

- Đặc tính Output (I D −V D S): có 2 vùng

o Ohmic (Linear): I Dtăng tuyến tính với V DS

o Bão hòa (Saturation): I D ổn định dù V DS tăng

 Điện trở

 Đặc tính cơ bản:

- cản trở dòng điện

- Tuân theo định luật Ohm

 Đặc tính I-V

- Đường đặc tính I-V của điện trở là một đường thẳng, thể hiện mối quan

hệ tuyến tính giữa điện áp và dòng điện, Đặc tính tuyến tính này thể hiện rằng điện trở không phụ thuộc vào dòng điện hoặc điện áp

4. Sản phẩm

Hình ảnh sản phẩm thực tế

5 Video sản phẩm thực tế

 Sản phẩm thực tế

6 So sánh các thông số đo trên mạch với các thông số đã tính toán theo lý thuyết và theo chương trình mô phỏng

IV Kết luận

Đề tài “Mạch khuếch đại âm thanh” của chúng em là đứa con tinh thần đầu tiên bọn em thực hiện, sản phẩm là kết tinh của những gì chúng em được học được trong học kỳ này và tìm hiểu có nhặt thêm trên internet Do là bản sơ khai lên 1 số chức năng vẫn có phần đơn điệu và trong tương lai sẽ còn cải biến thêm, hiện tại sản phẩm

đã đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật mà bọn em đề ra Tuy là đã đáp ứng được các yêu cầu, nhưng trong quá trình làm, do thiếu kinh nghiệm nên việc có sai sót là điều không thể tránh khỏi Dù vậy, em mong thầy cảm thông cũng như giúp đỡ, hướng dẫn bọn em để bọn em có thêm tầm nhìn mới về đề tài Một lần nữa, chúng em xin cảm ơn thầy Phạm Duy Hưng vì những kiến thức cũng như kinh nghiệm thầy đã truyền đạt!