Báo cáo bài tập lớn điện tử tương tự i đề tài mạch khếch đại âm thanh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
***** □□

*****

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN:

Điện tử tương tự I
ĐỀ TÀI: MẠCH KHẾCH ĐẠI ÂM THANH

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Anh Quang
Mã lớp: 133356
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quốc Minh - 20193017
Phạm Đức Duy – 20192803
Hồ Đức Cường – 20192734
Nguyễn Lê Đăng – 20192744
Lê Đức Dương - 20192793

Hà Nội, Tháng 7 /2022


MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH 9V

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU.......................................................................................................................................3
PHẦN I : Tổng quan đề tài...................................................................................................................4
1.

Giới thiệu đề tài:................................................................................................................4

1.1

Giới thiệu thành viên nhóm..............................................................................................4

1.2

Tên đề tài............................................................................................................................4

1.3

Mục tiêu đề tài:.................................................................................................................4

2.

Phân tích đề tài:................................................................................................................4

2.1

u cầu hệ thống:.............................................................................................................4

2.2

Yêu cầu phi chức năng:....................................................................................................4

Phần II: Yêu cầu thiết kế và sơ đồ khối mạch khuếch đại âm thanh...............................................5
1.

Yêu cầu thiết kế.................................................................................................................5

2.

Sơ đồ khối mạch khuếch đại âm thanh..........................................................................5

Phần III: Thiết kế mạch.......................................................................................................................6
1.

Khối khuếch đại điện áp..................................................................................................6

2.

Tầng tiền khuếch đại cơng suất.......................................................................................8

3.

Tầng khuếch đại cơng suất.............................................................................................10

4.

Tính tốn đáp ứng tần số...............................................................................................12

5.

Thơng số tồn mạch........................................................................................................12

Phần IV: Mơ phỏng trên phần mềm Proteus...................................................................................13
1.

Sơ đồ mạch......................................................................................................................13

2.

Kết quả mô phỏng...........................................................................................................14

3.

Mạch test board..............................................................................................................14

Phần V: Kết luận................................................................................................................................16

MÃ LỚP 133356

1


MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH 9V

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1: Sơ đồ khối mạch................................................................................................................................5
Hình 2: Tầng khuếch đại EC........................................................................................................................6
Hình 3: Tầng tiền khuếch đại cơng suất.........................................................................................................8
Hình 4: Tầng khuếch đại cơng suất…..........................................................................................................10
Hình 5: Mạch mơ phỏng trên phần mềm Proteus…....................................................................................13
Hình 6: Kết quả mơ phỏng trên oscilloscope...............................................................................................14
Hình 7: Mạch test board…...........................................................................................................................15

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Giới thiệu thành viên nhóm................................................................................................................4

MÃ LỚP 133356

2


MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH 9V

LỜI MỞ ĐẦU

Kinh tế ngày càng quốc tế hóa, xã hội cũng ngày càng phát triển. Để đáp ứng nhu cầu
bức thiết của cuộc sống và hội nhập tiến độ phát triển trên thế giới, các ngành khoa học kỹ thuật
hiện nay ngày phải một nâng cao và phát triển về chất lượng và khả năng ứng dụng rộng rãi.
Trong đó ngành cơng nghệ kỹ thuật điện tử cũng đóng một vai trị quang trọng trong sinh hoạt
cũng như trong sản xuất của thế giới. Là một sinh viên đang còn ngồi trên ghế nhà trường,…
chúng em đã được trao dồi những kiến thức chuyên môn của ngành học.
Tuy được học và thực hành nhiều trên lớp nhưng đó chỉ một phần nào đó nhỏ bé so với
những kiến thức ngoài thực tế ngày nay và sau này khi ra trường chúng em sẽ gặp phải. Vì thế,
chúng em rất muốn vận dụng nhũng kiến thức đã được học vào thực tiễn và học hỏi những gì
cịn thiếu. Qua sự giúp đỡ của thầy giáo bộ môn, chúng em đã học hỏi được rất nhiều điều trong
thực tế, cũng như tìm hiểu nhung vấn đề, tài liệu liên quan giúp ích cho việc hồn thành bài tập
lớn này. Bản báo cáo này trình bày chi tiết về thiết kế của mạch khếch đại âm thanh với đề bài 5
:
Nguồn 9V, tải dùng loa 16Ω, Av tối thiểu 15 lần, điện áp đầu ra tối thiểu 1,2V.

MÃ LỚP 133356

3


MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH 9V

PHẦN I : Tổng quan đề tài
1. Giới thiệu đề tài:
1.1 Giới thiệu thành viên nhóm :
STT
1
2
3
4
5

Họ và tên

Nguyễn Quốc Minh
Phạm Đức Duy
Hồ Đức Cường
Nguyễn Lê Đăng
Lê Đức Dương

Bảng 1: Giới thiệu thành viên nhóm

MSSV
20193017
20192803
20192734
20192744
20192793

1.2 Tên đề tài:
- Mạch khếch đại âm thanh
1.3 Mục tiêu đề tài:

- Thực hiện khuếch đại tín hiệu nhỏ từ đầu vào là âm thanh và phát ra loa
- Có kinh nghiệm thực nghiệm môn điện tử tương tự I
- Nắm vững kiến thức được học trên lớp
2. Phân tích đề tài:
2.1 Yêu cầu hệ thống:
- Mạch có chức năng khuếch đại tín hiệu âm thanh
- Mạch thiết kế đúng với thơng số u cầu
- Có thể dễ dàng bảo trì
2.2 u cầu phi chức năng:
- Khuếch đại tín hiệu âm thanh đầu vào phát ra tải là loa
- Áp dụng cho nhiều mạch âm thanh
- Đơn giản dễ làm, dễ sử dụng.
- Chất lượng tốt, ổn định

MÃ LỚP 133356

4


MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH 9V

Phần II: Yêu cầu thiết kế và sơ đồ khối mạch khuếch đại âm thanh
1. Yêu cầu thiết kế
-

Nguồn cung cấp là nguồn 9V DC

- Tải là loa : 16Ω
- Hệ số khuếch đại tối thiểu 𝐴𝑉 = 15
- Điện áp ra tối thiểu : 1.2V

- Tín hiệu vào : Vin =100mV, f=1kHz
2. Sơ đồ khối mạch khuếch đại âm thanh
Khối nguồn

Tín hiệu vào

Khối khuếch

Khối khuếch đại cơng suất
Khối tiền khuếch đại cơng suất

Tín hiệu ra

đại điện
áp
Hình 1: Sơ đồ khối mạch

Chức năng mỗi khối:
- Khối nguồn: cung cấp điện áp cho toàn hệ thống.
- Tín hiệu vào audio lấy từ điện thoại hoặc laptop.
- Khối khuếch đại điện áp: khuếch đại điện áp của tín hiệu đưa vào.
- Khối tiền khếch đại cơng suất: khuếch đại dịng và đưa tín hiệu khuếch đại vào khối
khuếch đại công suất.
- Khối khuếch đại công suất: khuếch đại cơng suất để đưa tín hiệu ra tải (loa).
- Tín hiệu ra loa 16Ω.

MÃ LỚP 133356

5

MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH 9V

Phần III: Thiết kế mạch
1. Khối khuếch đại điện áp
 Mạch phân cực bằng phân áp và khuếch đại CE.

Hình 2: Tầng khuếch đại EC

- Chế độ 1 chiều : Chọn điểm làm việc Q(VCE= 4.5V, IC = 1mA) theo datasheet của IC
2N2222A thì hệ số khuếch đại dòng β= 160 , VBE= 0.65V , IE~IC=1 mA ( ở điều kiện
T =25° 𝐶)
V CC =I C ( R 4 + R3 ) +V CE
⟺ R3 + R4 =

V CC−V CE 9−4.5
=
=4.5 k Ω
−3
IC
10

Chọn 𝑅3 = 4.4 𝑘Ω và 𝑅4 = 100 Ω

MÃ LỚP 133356

6


MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH 9V

V CC

• Điều kiện phân cực của mạch phân áp : R + R >10 I B
1
2
Mà có I B=

IC
=6.25( μA)
β

⇒ R 1 , R2 ≤

V CC
=144 kΩ
10 I B

V ∗R

CC
2
• V B = R + R =V BE + I C R 4 (2)
1
2

- Chế độ xoay chiều:
AV 1 =

−R3

≈−35
1
+ R4
gm

β

160∗0.026
1
=4.16 kΩ ¿
• Z¿ 1=(R ¿ ¿ 1/¿ R 2)/ ¿(r π 1+(1+ β) R4 ),r π 1 = g =
−3
10
⇒ Z ¿1=7.13 kΩ

m1

• Z out1 =R4 =4.4 kΩ

{

R1+ R 2=144 kΩ

Từ (1) và (2) ta có: V CC∗R2 =0.65+10−3∗100=0.75 V
R 1+ R 2

{

R =132 kΩ
⇒ Giải hệ ta được 1

R2=12 kΩ

Chọn các điện trở như đã giải được R1=132 kΩ , R2=12 kΩ, R3=4.4 kΩ , R 4=1 00 Ω

MÃ LỚP 133356

7


MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH 9V

2. Tầng tiền khuếch đại cơng suất

Hình 3: Tầng tiền khuếch đại cơng suất

- Gồm 2 tranzitor 2N2222 (Q2) và TIP 41(Q3) mắc theo kiểu Darlington phần cực
fixed-base, và mắc kiểu CC.
- Chế độ 1 chiều :
Chọn điểm làm việc theo datasheet của 2N2222A là Q(4.5V,1 mA) có β2= 160,
VBE = 0.65
Chọn điểm là việc theo datasheet của TIP41 là Q(4.5V,0.1A) có β3 = 50,
MÃ LỚP 133356

8


MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH 9V

VBE= 0.7
⇒ Hệ số khuếch đại dòng của 2 tranzitor mắc theo Darlington là

β=β 2∗β 3=160∗50=8000

IC 3

0.1

+) I E 3 ≈ I C 3 =0.1 A ⇒ I B 3= β = 50 =2 mA
3
I E 2 2∗10−3
+) Lại có I B 3=I E 2=2 mA ⇒ I B 2= β = 160 =12.5 ( μ A)
2

Ta có V CC =I C 3∗R6 +V CE 3
⇒ R 6=

V CC−V CE3 9−4.5
=
=45 Ω
IC3
0.1

Lại có V CC =I B 2 R 5+V BE 2+ V BE 3 + I R 3∗R 6
⇒ R 5=

V CC−I E 3∗R6 −V BE 2−V BE 3 9−0.1∗45−0.65−0.7
=
=252 k Ω
−3
I B2

0.0125∗10

Chọn R5=252k Ω , R6=45 Ω
Chế độ xoay chiều:
r π 2=
r π 3=

β 2∗V T 160∗0.026
=
=4.16 k Ω
IC2
0.001

β 3∗V T 50∗0.026
=
=13Ω
IC 2
0.1

Z¿ 2=R5 /¿( r π 2+ β 2 r π 3+ β 2∗β 3∗R6 )≈ 150 k Ω
Z out 2=R6 /¿(

1
1
+
)=0.77 Ω
gm3 β 3 g m 2

AV 2 ≈ 1 ⇒ Nhận xét : Tầng tiền khuếch đại có trở kháng vào tương đối lớn để lấy tín hiệu vào và

trở kháng ra rất nhỏ để cho tín hiệu đi ra mà không bị suy giảm. Hệ số khuếch đại Av ≈ 1 theo
lý thuyết của mạch khuếch đại CC.

MÃ LỚP 133356

9


MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH 9V

3. Tầng khuếch đại công suất
- Sử dụng 2 tranzitor công suất TIP41 và TIP42 khuếch đại ở chế độ AB mắc đẩy kéo
để cho hiệu xuất khuếch đại tốt và hạn chế nhiễu tín hiệu ở 2 nửa chu kỳ.

Hình 4: Tầng khuếch đại cơng suất



-

-

Q4 theo datasheet TIP 41 thì β4 =50 ( ở 25° C ).
Q5 theo datasheet TIP 42 thì β4 =50 ( ở 25° C).
Chọn diode là 1N4007 để ngăn cách ảnh hưởng của tín hiệu ở chu kì âm.

Ở một chiều : Mạch được cung cấp bới một nguồn DC 9V, do 2 tranzitor TIP41 và
TIP42 khuếch đại ở chế độ AB và các điện trở R7, R8 được mắc đối xứng nên có thể
coi như mỗi tranzitor được cung cấp bới một nguồn 𝑉𝐶𝐶 = 4.5 𝑉.
2

- R7, R8 là hai điện trở công suất giúp ổn định nhiệt, đồng thời ở mỗi nửa chu kỳ thì
dịng qua tải cũng chính là dịng qua R8, R9 nên ta chọn R7, R8 << 𝑅𝑡ả𝑖 = 16 Ω ⇒
Chọn R7, R8 = 0.1Ω
MÃ LỚP 133356

10


MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH 9V

-

Chọn điện áp thông của 2 diode D1 và D2 là UD = 0.7 V
Ta phân cực cho Q4, Q5, sử dụng các điện trở phân cực tương ứng là R9 , R10 ⇒ Chọn R9
, R10 = 470Ω
⇒ I 1=I R 9=I R 10=I D 1=I D 2=

I 1 ≫ I B (dòng cực base của các tranzitor)
Giả sử I 1 ≥ 10 I B
I1
⇒ I B = =0.81 mA
10
−3
⇒ I C =I B∗β 4 =I B∗β 5=0.38∗10 ∗50=40.5( mA)
IC
⇒ g m =g m = =1.55 ¿]
VT
4

-

V CC −2∗U D 9−2∗0.7
=
=8.1(mA )
R1 + R2
2∗470

5

Do ta coi mỗi tranzitor TIP41 và TIP42 được cung cấp bởi một nguồn 4.5 V, làm việc
ở chế độ AB
⇒ Biên độ điện áp đỉnh trên tải tối đa V pLmax =4.5 V

(

)(
2

)

V 2pLmax
=1.23 W
RL
1
Z out3 =R7 /¿
≈ 0.1 Ω
gm4

RL

1
⇒
P Lmax =
Công suất tối đa trên tải
2 Z out 3 + R L

Z¿ 3=R9 /¿ (r π 4 )=R10 /¿ r π 5=32.3 [Ω], r π 4 =r π 5

-

β4
=32.3 Ω
gm 4

Hệ số khuếch đại AV 3 ≈ 1 do mắc kiểu CC

MÃ LỚP 133356

11


MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH 9V

4. Tính tốn đáp ứng tần số
Chọn các tụ điện nối tầng sao cho các tần số cắt dưới nằm dưới ngưỡng nghe tối
thiểu của tai người vào khoảng 16 - 20 Hz.
-

1
Với tụ C1: f 1= 2 π Z C <20 Hz , Z v 1=7.13 k Ω

¿1 1
⇒ C1 > 1.1 µF
⇒ Chọn tụ C1 = 1000µF
⇒ 𝑓1 = 0.022 𝐻𝑧

- Với tụ C2 : 𝑓2
=

1
2𝜋(
𝑍𝑖𝑛2+𝑍𝑜𝑢𝑡1)𝐶2

<20 Hz, 𝑍𝑖𝑛2 = 150 kΩ , 𝑍𝑜𝑢𝑡1 = 4.4 𝑘Ω

⇒ C2 > 0.05 µF
⇒ Chọn tụ C2 = 47µF
⇒ 𝑓2 = 0.022 𝐻𝑧

- Với tụ C3 và C4 : 𝑓3 = 𝑓4 =
2𝜋(𝑍

1
𝑖

)
+
𝑍𝑜𝑢𝑡2 ∗𝐶

< 20 𝐻𝑧 , Zout2= 0.77 Ω, Zin3 = 32.3 Ω

3

⇒ C3 = C4 > 240µF ⇒ Chọn tụ C3 = C4 = 470 µF
⇒ 𝑓3 = 𝑓4 = 10.23 𝐻𝑧

- Tụ C5 có vai trị như nguồn ni của khối cơng suất ở nửa chu kỳ âm
⇒ Chọn tụ C5 = 1000 µF
⇒ 𝑓5 = 19.6 𝐻𝑧
Tần số cắt dưới toàn mạch fL =19.6Hz
5. Thơng số tồn mạch

-

AV 1∗Z ¿2
∗A V 2∗Z ¿3
Z out 1 + Z¿ 2
∗AV 3∗R L
(lần)
Z ¿3 +Z out 2
AV =
=33
R L + Z out 3

- Công suất ra trên tải P L=¿ ¿
- Zin = 𝒁𝒊𝒏𝟏 = 7.13 kΩ
- Zout = 𝒁𝒐𝒖𝒕𝟑 = 0.1 Ω
MÃ LỚP 133356

12

MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH 9V

Phần IV: Mô phỏng trên phần mềm Proteus
1. Sơ đồ mạch

Hình 5: Mạch mơ phỏng trên phần mềm Proteus

MÃ LỚP 133356

13


MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH 9V

2. Kết quả mơ phỏng

Hình 6: Kết quả mô phỏng trên oscilloscope
⇒ Nhận xét kết quả chạy mơ phỏng : Tín hiệu ra có dạng hình sin, điện áp ra đỉnh

V out− p =3V ⇒ AV =30 có chênh lệch so với tính tốn.

( )

2

3.0
2
⇒ Ta có cơng suất ra trên tải :
(V ¿ ¿ rms)

√2
P L=
=
=0.28(W )¿
RL
16

3. Mạch test board

MÃ LỚP 133356

14


MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH 9V

Hình 7: Mạch test board

MÃ LỚP 133356

15


MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH 9V

Phần V: Kết luận
Điện tử tương tự là một mơn học rất thú vị, nó là cơ sở, nhằm cung cấp cho người học
những kiến thức cơ bản nhất để phân tích, thiết kế các mạch điện trong hệ thống mạch điện tử.
Sau quá trình tự tìm hiểu và được sự hướng dẫn của thầy, nhóm chúng chúng em đã hồn thành
được sản phẩm thiết kế yêu cầu đề ra, mạch thiết kế của chúng chúng em đạt các yêu cầu tối

thiểu về hệ số khếch đại điện áp và điện áp ra, tín hiệu ra loa rõ ràng không bị méo. Tuy nhiên
do hạn chế về kiến thức, thời gian và kỹ năng, mạch làm thủ cơng nên chắc chắn vẫn cịn nhiều
sai sót, chúng em mong thầy chúng em báo cáo, nhận xét và góp ý để chúng chúng em hồn
thiện sản phẩm của mình hơn.
Một lần nữa chúng chúng em xin cảm ơn thầy Nguyễn Anh Quang đã tận tình hướng
dẫn, chỉ bảo trong suốt thời gian nhóm chúng em thực hiện đề tài này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy !

MÃ LỚP 133356

16


MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH 9V

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Dr. Nguyen Anh Quang, Slides Electronic Curcuit I

2. />3. />4. />5. Behzad Razavi , Fundamentals of Microelectronics

MÃ LỚP 133356

17