Bài tập lớn ĐTTT1 Điện tử tương tự Mạch khuếch đại âm thanh

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

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ

GVHD: TS. Nguyễn Anh Quang

Mã lớp: 112099
NHÓM THỰC HIỆN
Họ và tên
Nguyễn Công Phúc
Trần Tuấn Điệp
Lê Việt Hùng
Lưu Văn Đức

MSSV
20172749
20172469
20170028
20172482

Hà Nội, tháng 12 năm 2019


MỤC LỤC ................................................................................................. 2
THIẾT KẾ ................................................................................................... 3
1. Phân tích thông số kỹ thuật ......................................................... 3
2. Sơ đồ khối mạch khuếch đại âm thanh ..................................... 3
3. Thiết kế chi tiết ...............................................................................4

3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.

Tầng khuếch đại tín hiệu ........................................................4
Tầng sau khuếch đại tín hiệu ................................................ 7
Tầng khuếch đại công suất ................................................... 8
Các tụ dùng trong mạch ....................................................... 9
Kết quả mô phỏng toàn mạch ........................................... 10

MẠCH THỰC TẾ .................................................................................... 12
KẾT LUẬN ............................................................................................... 13

2


1. Phân tích thông số kỹ thuật
Yêu cầu kĩ thuật:
Input: 50m V-100mV
Công suất ra tải: 2 W.
Nguồn cung cấp: 5 V
Tải: Loa 16𝛺
Từ các thông số trên, tính toán ta thấy: Uout = 8V >Vcc (Không thể
xảy ra)
Với nguồn cung cấp 12V thì Vout max ≈ 4 volt
Do đó nhóm tiến thành làm mạch với các thông số như sau:
Nguồn cung cấp: 12 Volt

Loa: 16 𝛺
Công suất ra trên tải: 0.8 W
Rin lớn
Rout nhỏ
Dải tần họa động: 20 Hz – 20000 Hz
Với công suất và tải như trên yêu cầu Vout =3.5 Volt
2. Sơ đồ khối mạch khuếch đại âm thanh
Theo lý thuyết, một bộ khuếch đại âm thanh thường có các tầng
khuếch đại: tầng tiền khuếch đại với mục đích tạo Rin lớn để dẫn tín hiệu
vào mạch, tầng khuếch đại nhằm tạo Av lớn khuếch đại công suất và Tầng
sau khuếch đại tạo Rout nhỏ để đưa hết tín hiệu ra tải. Sau đó, cần có tầng
khuếch đại công suất để đưa hết công suất ra tải.
Tuy nhiên, do trở ở các nguồn tín hiệu xoay chiều được sử dụng
(laptop, điện thoại) nhỏ hơn rất nhiều so với Rin của mạch khuếch đại nên
nhóm sẽ bỏ qua tầng tiền khuếch đại mà thiết kế mạch gồm các 3 tầng:
tầng khuếch đại, tầng sau khuếch đại, tầng khuếch đại công suất với sơ đồ
khối sau:

3


Hình 2.1: Sơ đồ khối mạch khuếch đại âm thanh
- Khối khuếch đại có yêu cầu tạo hệ số khuếch đại tín hiệu từ 50mV100mV lên 3.5V ở đầu ra và Rin đủ lớn để không bị ảnh hưởng
bởi Rs.
- Khối sau khuếch đại cần có Rin lớn để lây hết tín hiệu từ tầng trước
và Rout rất nhỏ (<<16 ôm) so với điện trở của loa.
3. Thiết kế chi tiết
3.1. Tầng khuếch đại tín hiệu
Nhóm lựa chọn mạch khuếch đại E chung với sơ đồ như sau:

Hình 3.1: Mô hình khối khuếch đại tín hiệu

4


Quá trình tính toán, lựa chọn linh kiện:
Nhóm lựa chọn Transistor 2N2222 vì tính phổ biến và được sử
dụng trong phòng thí nghiệm.
Transistor 2N222 có hệ số β=200
• Phân tích chế độ 1 chiều, chọn điểm làm việc Q:
Với nguồn 12V, 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 3.5𝑉,
ta chọn 𝑉𝑐 = 6.5𝑉, 𝑉𝐸 = 0.6 V
Từ datasheet của 2N2222 ta chọn 𝐼𝑐 = 0.55 𝑚𝐴.
Từ đó, chọn 𝑅𝐵 = 10𝐾, 𝑅𝐸 = 1𝐾.
Ta có: 𝑉𝐵 = 0.6 + 0.7 = 1.3 𝑉 =

𝑅2
𝑅1 +𝑅2

𝐼𝐶
0.55
=
= 3 (𝑚𝐴)
𝛽
200
Từ đó chọn 𝑅1 = 100𝐾, 𝑅2 = 10𝐾.
𝐼𝐵 =

𝑅𝑐

Với các giá trị điện trở như trên ta có Av =𝑔𝑚+𝑅𝑒 = 9.5
Ta thấy, Av nhỏ nên thiết kế lại mạch như sau:

Hình 3.2: Mạch tầng khuếch đại tín hiệu

5


Kết quả mô phỏng một chiều:

Hình 3.3: Kết quả mô phỏng chế độ một chiều tầng khuếch đại
• Phân tích chế độ xoay chiều:
Với cách thiết kế mạch như trên
𝐴𝑣 ≈ 12 lần
𝑍𝑏 = β ∗ ( 𝑅𝐵 + 𝑅𝐸 ) = 250𝐾
𝑅𝑖𝑛 = 𝑅1 // 𝑅2 // 𝑍𝑏 ≈ 10𝐾
𝑅𝑜𝑢𝑡 = 𝑅𝑐 = 10𝐾
Nhận xét: Với giá trị Rin như trên đủ lớn để đưa hết tín hiệu từ điện thoại
hoặc laptop vào mạch
Kết quả mô phỏng tín hiệu xoay chiều:

Hình 3.4: Kết quả mô phỏng chế độ xoay chiều tầng khuếch đại
6


3.2. Tầng sau khuếch đại tín hiệu
Do mong muốn 𝑅𝑖𝑛 của tầng này lớn và Rout nhỏ nên ta lựa chọn mô
hình mạch như sau:

Hình 3.5: Mô hình khối sau khuếch đại tín hiệu

• Phân tích chế độ 1 chiều:
Chọn 𝑉𝐵 = 6.25 𝑉 nên 𝑉𝐸 = 5.5 𝑉
Chọn 𝑅𝐸 = 1𝐾 ⇒ 𝐼𝐸 = 5.5 𝑚𝐴
Ta có:
𝐼𝐵 =

𝐼𝑐
β

=

5.5𝑚𝐴
200

= 0.026𝑚𝐴 => 𝑅𝐵 =

5.75
0.026𝑚𝐴

≈ 220𝐾

Như vậy, chọn 𝑅𝐵 = 220𝐾, 𝑅𝐸 = 1𝐾.
Kết quả mô phỏng một chiều:

Hình 3.6: Kết quả mô phỏng chế độ một chiều tầng sau khuếch đại

7


• Phân tích chế độ xoay chiều:

Kết quả mô phỏng sau khi nối với tầng 1.

Hình 3.7: Kết quả mô phỏng chế độ xoay chiều tầng sau khuếch đại
𝑅𝑖𝑛 = 𝑅𝐵 // (β ∗ 𝑅𝐸 ) ≈ 105𝐾
𝑅𝑜𝑢𝑡 ≈ 𝑟0
Vì 𝑟0 rất nhỏ ta có thể bỏ qua
𝐴𝑣 ≈ 1
Nhận xét: 𝑅𝑖𝑛 của khối khuếch đại đệm lớn hơn rất rất nhiều so với
𝑅𝑜𝑢𝑡 của khối tiền khuếch đại nên gần như tín hiệu vào của khối khuếch đại
đệm chính là tín hiệu ra của khối tiền khuếch đại, không bị suy giảm. Zout
của khối khuếch đại đệm rất nhỏ tạo thuận lợi để tín hiệu đi vào khối
khuếch đại công suất mà không bị suy giảm.
3.3. Tầng khuếch đại công suất
Khối này có tác dụng đưa công suất
ra tải và đảo pha tín hiệu, sử dụng
2transistor công suất Tip41(NPN) và
Tip42(PNP).
Hai diode có tác dụng phân cực cho
hai transiotro Tip41 và Tip42.
R7 và R8 dùng để phân áp cho tầng
đảo pha Q3. R9 và 2 diode dùng để phân
áp cho transistor khuếch đại công suất Q4
và Q6.
8

Hình 3.8: Mô hình khối
khuếch đại công suất


Nguyên lý làm việc của mạch: Khi điện áp tín hiệu vào giảm, thì trên

cực C của transistor Q3 có điện áp tăng, làm cho transistor Q6 khóa nên
Q3 không làm việc. Trong khi đó, điện áp trên Q3 tăng, làm cho D1 D2 có
xu hướng phân cực ngược và khóa lại làm cho điện áp tại cực B của Q4
tăng nên Q4 làm việc. Khi điện áp tín hiệu tăng thì quá trình diễn ra hoàn
toàn ngược lại.
Mô phỏng tín hiệu đầu ra:

Hình 3.9: Tín hiệu đầu ra
3.4. Các tụ dùng trong mạch

Hình 3.10: Mạch hoàn chỉnh

9


Tần số cắt dưới f=20Hz
1
𝐶1 >
= 0.79𝜇
2𝜋. 20.10𝐾.
1
𝐶2 >
= 0.79𝜇
2𝜋. 20.10𝐾
𝑅1// 𝑅2
𝑅𝑋 = 𝑅𝐸 // (
+ 𝑟𝑒 ) = 91.06 𝛺
β
1
𝐶𝐸1 >

= 87𝜇
2𝜋 ∗ 20 ∗ 91.06
Tụ C1, C2, C3, C4 có tác dụng ngăn dòng một chiều.
CE1 ngắt bỏ R12 nhằm mục đích tăng Av.
Chọn C1 = C2 = C3 = 47𝜇 . CE1=100𝜇
Kết quả băng thông:

Hình 3.11: Kết quả băng thông
3.5. Kết quả mô phỏng toàn mạch

Hình 3.12: Đồ thị Vin-Vout
10


Hình 3.13: Kết quả công suất

Hình 3.14: Kết quả băng thông

11


Hình 1:Mạch thực tế trên board
Kết quả đo một chiều:
Tầng 1:
𝑉𝐶 = 6.46 𝑉
𝑉𝐸 = 0.48 𝑉
𝑉𝐵 = 1.08 𝑉
Tầng 2:
𝑉𝐶 = 11.76 𝑉
𝑉𝐸 = 6.68 𝑉

𝑉𝐵 = 6.11 𝑉
Tầng 3 (Transistor khuếch đại đảo pha):
𝑉𝐶 = 6.99 𝑉
𝑉𝐸 = 0.61 𝑉
𝑉𝐵 = 1.26 𝑉
 Kết quả đo ở chế độ một chiều gần giống với thiết kế.

12


Qua bài tập lớn môn Điện tử tương tự 1 này, chúng em đã có thêm
những kiến thức hữu ích, đã hiểu và vận dụng những lý thuyết một cách rõ
ràng hơn. Tuy nhiên do thời gian có hạn và kiến thức còn hạn hẹp, nếu có
bất cứ sai sót nào trong bài báo tập lớn này, rất mong được thầy thông cảm
và chỉ bảo thêm. Email liên hệ nhóm:
Qua đây, chúng em cũng xin cảm ơn thầy vì những giúp đỡ của thầy
trong quá trình thực hiện bài tập lớn này. Đây là một trải nghiệm thú vị mà
không phải bất cứ sinh viên nào cũng được trải qua.

13