đồ án mạch khuếch đại âm thanh

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay,cùng với sự phát triển của kỹ thuật công nghệ, các bộ
tăng âm cũng được cải tiến đến mức hoàn hảo như hệ thống hifi stereo,
… âm thanh trung thực,hiệu suất cao là các chỉ tiêu mà các nhà thiết kế
luôn cố gắng để đạt được một cách tốt nhất.
Mạch khuếch đại công suất nói chung cũng đơn giản,nhưng để
làm được mạch khuếch đại có chất lượng cao không phải dễ dàng.Bởi vì
bản thân bộ khuếch đại có khả năng tiêu tán một lượng lớn công suất,nên
nó phải được thiết kế sao cho nhiệt độ mà nó tạo ra khi hoạt động ở mức
điện áp cao,dòng điện lớn sẽ được tải ra môi trường xung quanh nhanh
để tránh bị phá hủy nhiệt.Do đó khó tránh khỏi sự ảnh hưởng của méo
nhiễu,…dẫn đến tín hiệu ra không trung thực.Vậy nên đặc trưng của bộ
khuếch đại công suất thường là có khối tản nhiệt lớn,cồng kềnh nhằm
tăng diện tích tiếp xúc,trao đổi nhiệt tốt hơn với môi trường.
Hiện nay,các bộ khuếch đại công suất được sử dụng rộng rãi trong
các máy thu radio,máy nghe băng và các hệ thống stereo chất lượng
cao,trong các thiết bị phòng thu,sân khấu,hệ thống phóng thanh công
cộng.
Sau đây chúng em xin trình bày một loại mạch khuếch đại công
suất,đây có thể được xem là mạch tương đối phổ biến trong kho tàng
mạch khuếch đại .Đó là “ mạch khuếch đại âm thanh” Chúng em chọn
đề tài này bởi vì mạch khuếch đại công suất là một trong các mạch dân
1


dụng được ứng dụng nhiều trong thực tế và đời sống hàng ngày của gia
đình.
Nội dung đề tài gồm có chương:
 Chương 1:Tổng quan về đề tài
 Chương 2:Cơ sở lí thuyết
 Chương 3: Mạch khuếch đại công suất

 Chương 4: Thiết kế và thi công mạch
Và đây chính là một cơ hội tốt để chúng em có thể tự kiểm tra lại
kiến thức của mình, đồng thời có cơ hội để tìm hiểu, tiếp cận nghiên cứu
được với những vấn đề mình chưa biết, chưa hiểu rõ nhằm trang bị cho
bản thân nhiều kiến thức bổ ích sau này có thể ứng dụng vào thực tế
cuộc sống.
Với kiến thức còn hạn chế, kinh nghiện chưa tích lũy được nhiều
nên không tránh khỏi thiếu sót. Rất mong được sự giúp đỡ đóng góp ý
kiến của thầy giáo ,cô giáo và các bạn để đề tài của chúng em được hoàn
thiện hơn .
Chúng em xin chân thành cảm ơn !
Nhóm sinh viên thực hiện
Nguyễn Trung Nhất
Hoàng Thị Quỳnh

2


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
-----------------.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................

.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
Hưng Yên,ngày.....tháng.....năm 2017
Giáo Viên Hướng Dẫn

Nguyễn Tiến Dũng

CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3


1.1 Các linh kiện sử dụng trong mạch
1.1.1 Transistor 2SC5200

Hình 2.1 Transisor 2SC5200
-Transistor 2SC5200 cấu tạo gồm 3 lớp bán dẫn ghép với nhau thành hai
mối nối P-N
thuộc loại transistor nghịch NPN.
-Thông số kỹ thuật:Model :NPN-TO-3PL
-Điện áp cực đại:VCBO =230V
VCEO=230V
VEBO=5V
-Dòng điện cực đại:IC=15A
IB= 1.5A

-Công suất tối đa:P=150W
4


-Nhiệt độ làm việc:-55oC ~ 150oC
1.1.2 A1015
-Thông số kỹ thuật:Transistor A1015 là transistor thuộc loại PNP A1015
có:
+Uc cực đại =-50V;
+Ic cực đại =-150mA;
+Hệ số khuếch đại hFE của transistor A1015 trong khoảng từ 70 đến
400.

Hình 2.2: Trasistor A1015

1.1.3 TIP41C

Hình 2.3: TIP41C

-Trasistor tip41C là transistor công suất thuộc loại transistor NPN.
-Thông số kỹ thuật:
+Điện áp Uc cực đại =100V
5


+Dòng Ic cực đại=6A
+Hệ số khuếch đại:15~75
1.1.4 TIP42C

Hình 2.4: TIP42C

-Transistor TIP42C là phiên bản bổ sung cho TIP41C,là transistor lưỡng
cực.
-TIP42C có cấu tạo và hoạt động tương tự TIP41C nhưng TIP42C phân
cực PNP.
-Thông số kỹ thuật:
+Điện áp cực đại:Uc=-100V
+Dòng cực đại :Ic=-6A
+ Hệ số khuếch đại:15~75
+ Nhiệt độ làm việc: -65˚C -150˚C
+Công suất: P=65W
6


1.2 Khuếch đại dùng transistor lưỡng cực_BJT
1.2.1 Transistor mắc kiểu E chung
Mạch mắc theo kiểu E chung có cực E đấu trực tiếp xuống mas hoặc
đấu qua tụ xuống mass để thoát thành phần xoay chiều,tín hiệu đưa vào
cực B và lấy ra trên cực C,mạch có sơ đồ như sau:

Hình 2.5 Transistor mắc kiểu E chung

Rg : là điện trở gánh
Rđt : Là điện trở định thiên
Rpa : Là điện trở phân áp
Mạch khuyếch đại điện áp mắc kiểu E chung, tín hiệu đưa vào cực B
và lấy ra trên cực C.
-Đặc điểm của mạch khuyếch đại E chung:
+Mạch khuyếch đại E chung thường được định thiên sao cho điện
ápUCEkhoảng 60% ÷ 70 % Vcc.

7


+Biên độ tín hiệu ra thu được lớn hơn biên độ tín hiệu vào nhiều
lần, như vậy mạch khuyếch đại về điện áp.
+Dòng điện tín hiệu ra lớn hơn dòng tín hiệu vào nhưng không
đáng kể
+Tín hiệu đầu ra ngược pha với tín hiệu đầu vào : vì khi điện áp tín
hiệu vào tăng => dòng IBE tăng => dòng ICE tăng => sụt áp trên Rg tăng
=> kết quả là điện áp chân C giảm , và ngược lại khi điện áp đầu vào
giảm thì điện áp chân C lại tăng => vì vậy điện áp đầu ra ngược pha với
tín hiệu đầu vào. Mạch mắc theo kiểu E chung như trên được ứng dụng
nhiều nhất trong thiết bị điện tử.
1.2.2 Transistor mắc kiểu C chung

Hình 2.6 Transistor mắc kiểu C chung

-Mạch mắc theo kiểu C chung có chân C đấu vào mass hoặc dương
nguồn. Lưu ý về phương diện xoay chiều thì dương nguồn tương đương
với mass, tín hiệu được đưa vào cực B và lấy ra trên cực E.

8


-Mạch mắc kiểu C chung , tín hiệu đưa vào cực B và lấy ra trên cực
E.
-Đặc điểm của mạch khuyếch đại C chung:
+Tín hiệu đưa vào cực B và lấy ra trên cực E
+Biên độ tín hiệu ra bằng biên độ tín hiệu vào : Vì mối BE luôn

luôn có giá trị khoảng 0,6 V do đó khi điện áp chân B tăng bao nhiêu thì
áp chân C cũng tăng bấy nhiêu => vì vậy biên độ tín hiệu ra bằng biên độ
tín hiệu vào .
+Tín hiệu ra cùng pha với tín hiệu vào : Vì khi điện áp vào tăng =>
thì điện áp ra cũng tăng, điện áp vào giảm thì điện áp ra cũng giảm.
+Cường độ của tín hiệu ra mạnh hơn cường độ của tín hiệu vào
nhiều lần : Vì khi tín hiệu vào có biên độ tăng => dòng I BE sẽ tăng =>
dòng ICE cũng tăng gấp β lần dòng IBE vì ICE = β.IBE giả sử Transistor có
hệ số khuyếch đại β = 50 lần thì khi dòng IBE tăng 1mA => dòng ICE sẽ
tăng 50mA, dòng ICE chính là dòng của tín hiệu đầu ra, như vậy tín hiệu
đầu ra có cường độ dòng điện mạnh hơn nhiều lần so với tín hiệu vào.
-Mạch trên được ứng dụng nhiều trong các mạch khuyếch đại đêm
(Damper), trước khi chia tín hiệu làm nhiều nhánh , người ta thường
dùng mạch Damper để khuyếch đại cho tín hiệu khoẻ hơn .

Ngoài ra

mạch còn được ứng dụng rất nhiều trong các mạch ổn áp nguồn
1.2.3 Transistor mắc kiểu B chung
-Mạch mắc theo kiểu B chung có tín hiệu đưa vào chân E và lấy ra
trên chân C , chân B được thoát mass thông qua tụ.
9


-Mach mắc kiểu B chung rất ít khi được sử dụng trong thực tế.
-Mạch khuyếch đại kiểu B chung , khuyếch đại về điện áp và
không khuyếch đại về dòng điện.

Hình 2.7 Transistor mắc kiểu B chung

CHƯƠNG 2: KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT
2.1 Phân loại các chế độ hoạt động của mạch khuếch đại công suất.
10


Tùy theo chế độ làm việc của transistor, người ta thường phân
mạch khuếch đại công suất ra thành các loại chính như sau:
2.1.1 Khuếch đại công suất loại A:
Class A:Thiết kế hiệu suất thấp khoảng 25%(tức là nếu 1000W được
cung cấp đầu vào chỉ có 25W công suất phát ra loa 75W bị tổn hao dưới
dạng toả nhiệt trên sò hoặc đèn điện tử trong khi đó hiệ suất class AB
khoảng 35-50%(100W đầu vào cho 50W ra loa).Dodos kích thước chi
phí về tản nhiệt cho sò công suất của class A cũng vì thế ma lớn hơn của
class AB

Ưu điểm của ampli class A không có miền phi tuyến
(nonlinearities)và méo xuyên tâm(cross distortion, turn on/off delay) do
chỉ một sò duy nhất hoạt động.Âm thanh các ampli Class A theo đó được
đánh giá là ngọt ngào, trung thực. Một điểm cần lưu ý thêm là các ampli
có tên gọi “thuần” A (pure ClassA) sẽ hoạt động hoàn toàn ở chế độ A.
Cần chú ý một số ampli có quảng cáo Class A nhưng thực chất chỉ hoạt
động ở chế độ A ở miền công suất thấp, khi ampli bị yêu cầu hoạt động
cho ra công suất lớn điểm làm việc sẽ chuyển sang chế độ AB.
Amplifier Class A sử dụng một sò công suất (Bipolar, FET, hay
IGBT) kết nối chung trong hệ thống phát cho cả hai nửa của dạng sóng,
sò công suất sẽ luôn luôn có dòng điện chạy qua ngay cả khi không có
tín hiệu chính nào. Do đó phần output sẽ không được tải đầy đủ cho dù
sử dụng Bipolar, MOSFET hay IGBT, nó sẽ mang một mức bias Q-point
ở khoảng giữa dòng tải. Sò công suất này không bao giờ tắt, đây là một
11

trong những nhược điểm của Amplifier Class A.
Để đạt được độ tuyến tính cao và gain, phần output của Amplifier
Class A lúc nào cũng phải mang giá trị bias MỞ (hoạt động). Một
amplifier được xếp vào class A khi dòng tín hiệu nghỉ ở phần output có
giá trị bằng hoặc lớn hơn dòng tải cực đại (ví dụ: Loa) cần thiết để tạo ra
tín hiệu output lớn nhất
Do Amplifier Class A hoạt động trong phần tuyến tính, điện áp bias
của sò công suất DC phải được bảo đảm ổn định để duy trì hoạt động
hiệu quả cũng như mức sai số thấp. Tuy nhiên vì tầng output luôn luôn ở
trạng thái MỞ, nguồn điện lúc nào cũng đi qua nó nên sẽ xảy ra hiện
tượng sử dụng điện liên tục trong amplifier. Sự tốn điện liên tục này tạo
ra mức nhiệt cao và vì hiệu quả chỉ khoảng 30% nên amplifier class A
không có khả năng làm việc với các hệ thống khuếch đại công suất cao.
Mức sử dụng điện liên tục của amplifier class A cũng đòi hỏi một bộ
nguồn mạnh và được lọc điện ổn định, tránh các tiếng ồn khó chịu phát
ra từ amplifier khi dòng điện trồi sụt
2.1.2 Khuếch đại công suất loại B:
Có hiệu suất vào khoảng 70 – 80%, tức là tiêu thụ 100W điện sẽ đưa
ra công suất ra loa tối đa 80W, 20% năng lượng còn lại bị tiêu tán dưới
dạng nhiệt nên khi chạy rất mát. Nhưng class B có độ méo lớn và âm
thanh không hay nên ít được dùng trong caccs mạch audio cao cấp
Amplifier Class B được thiết kế nhằm triệt tiêu điểm yếu về hiệu
quả làm việc và nhiệt lượng của amplifier Class A. Amplifier Class B sử
dụng hai sò công suất Bipolar hay FET cho mỗi nửa dạng sóng với giai
đoạn output được hiệu chính theo dạng “push-pull” (PP), mỗi sò công
suất sẽ khuếch đại một nửa dạng sóng output.

12

Trong amplifier Class B không có dòng DC bias vì dòng nghỉ của
nó là 0, do đó công suất DC của nó rất nhỏ giúp cung cấp mức hiệu năng
cao hơn nhiều so với amplifer classA
Khi tín hiệu input có giá trị dương, sò công suất bias dương sẽ hoạt
động còn sò công suất bias âm tắt. Ngược lại khi sò công suất bias âm
hoạt động thì sò công suất bias dương tắt, tạo ra phần giá trị âm của tín
hiệu. Điều này chứng minh rằng mỗi sò công suất chỉ tạo ra một nửa
dạng sóng. Mỗi con sẽ hoạt động trong phần 180 độ của dạng sóng
output với thời gian tương ứng nhau, tạo ra dạng sóng output tuyến tính
hoàn chỉnh liên tục
Đây là thiết kế PP và có mức hiệu năng cao hơn so với amplifier
Class A vào khoảng 50%, tuy nhiên nó cũng tạo ra mức sai số đáng kể
trong phần tiếp xúc của dạng sóng vì điện áp input của sò công suất chỉ
nằm trong khoảng -0.7V to +0.7V.
Sò công suất output của amplifier Class B sẽ không hoạt động cho
đến khi đã nạp đủ điện. Điều này làm cho phần dạng sóng có giá trị trong
khoảng 0.7V sẽ được tạo ra một cách kém chính xác. Vì thế amplifier
Class B không được sử dụng trong các hệ thống đòi hỏi độ chính xác
cao.
2.1.3. Khuếch đại công suất loại AB
Thiết kế đẩy-kéo (push-pull) của class AB có hiệu suất cao nhằm
cho công suất ra loa lớn. Đây là thiết kế “lai” giữa Class A và Class B
với phương thức hoạt động được cải tiến. Hai sò công suất trong
13


amplifier Class AB sẽ hoạt động cùng lúc, triệt tiêu mức sai số tín hiệu
như ta thấy trong Class B. Hai sò công suất trong amplifier Class AB có

mức bias điện áp rất nhỏ, khoảng 5% đến 10% giá trị của dòng nghỉ cung
cấp cho sò công suất. Vấn đề là ở chỗ các ampli đẩy-kéo có điểm làm
việc tại khu vực ngưng (cutoff) của đường đặc tuyến tải. Tại điểm làm
việc cutoff này chỉ 50% tín hiệu ngõ vào được khuyếch đại, chính vì vậy
người ta phải dùng 2 sò công suất hoạt động, một sò sẽ khuyếch đại phần
tín hiệu dương và một sò khuyếch đại phần tín hiệu âm (đẩy-kéo), vì vậy
có tên gọi là Push-Pull. Class AB sẽ có mức làm việc cao hơn so với chỉ
nửa chu kỳ của Class B, nhưng lại ít hơn nhiều so với toàn chu kỳ của
Class A.

Ưu điểm của điện áp bias thấp là mức sai số sẽ được giảm thiểu so
với Class B và hiệu năng cũng được cải thiện so với Class A. Hiệu năng
của amplifier Class AB vào khoảng 50% đến 60%. Âm thanh của Class
AB Push-Pull theo đánh giá chung là có không gian rộng, hoành tráng và
độ động tốt.
2.1.4 Khuếch đại công suất loại C:

14


Thiết kế Amplifier Class C cung cấp hiệu năng cao nhất với độ tuyến
tính thấp nhất. Class C có mức bias rất lớn nên dòng output của nó mang
giá trị 0 trong hơn nửa chu kỳ của tín hiệu input hình sin với sò công suất
ở trạng thái ngắt điện. Phần hoạt động của sò công suất Amplifier Class
C chỉ trong khoảng 90 độ.
Sò công suất có mức bias cao cung cấp hiệu năng làm việc ấn tượng
(khoảng 80%) tuy nhiên giá trị sai số cũng rất cao. Vì thế Amplifier
Class C không được dùng trong âm thanh.
Amplifier Class C thường được sử dụng trong các thiết bị truyền
sóng radio do đặc thù mạch LC của các thiết bị thu.

2.2 Các loại mạch khuếch đại công suất âm tần
2.2.1.Mạch OTL (Output Transformer Less) :
* Đặc điểm :
-Được cấp nguồn đơn +Vcc và mass (0V).
-Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo dùng transistor bổ phụ đối
xứng nên điện thế điểm giữa ra loa bằng nửa nguồn .
-Ngõ ra loa phải ghép với một tụ điện Co.
* Ưu điểm :
-Âm thanh đạt chất lượng cao hơn do đáp tuyến tần số rộng ,
-Không bị suy giảm tín hiệu tần số cao do tụ kí sinh của biến áp.
15


-Hiệu suất cao vì không tổn hao trên biến thế . Giá thành rẻ, kích
thước nhỏ so với khi dùng biến áp ngõ ra.
* Khuyết điểm :
-Phải chỉnh điện thế DC của điểm giữa ra loa bằng nửa nguồn cung
cấp thì tín hiệu ngõ ra mới không bị méo .
-Cặp transistor công suất nếu không phải là cặp transistor bổ phụ
thì dễ gây méo phi tuyến.
-Tín hiệu ra bị méo ở tần số thấp do tụ C out gây ra (do tụ Cout không
thể tiến tới vô cùng).
2.2.2. Mạch OCL (Output Capicitor Less ) :
*Đặc điểm :
-Được cấp nguồn đối xứng +Vcc và –Vcc nên điện thế điểm giữa
bằng 0 .
-Tín hiệu vào mạch khuếch đại trực tiếp không cần qua tụ .
-Không có tụ Co ở ngõ ra loa.
* Ưu điểm:
-Khả năng chống nhiễu tốt do dùng kiểu khuyếch đại vi sai ở ngõ

vào .
-Đáp tuyến tần số rộng do không dùng tụ và biến thế ngõ ra.
* Khuyết điểm :
-Cần dùng 2 nguồn.
-Tín hiệu ra loa trực tiếp nên điện thế DC ở điểm giữa ngõ ra
khác 0V sẽ gây cháy loa vì vậy cần phải có mạch bảo vệ loa.
2.2.3. Mạch BTL (Bridge Transistor Line Out) :
* Đặc điểm :
Mạch BTL có hai loại :
-Dùng nguồn đơn là mạch ampli ghép từ hai mạch khuếch đại
công suất OTL.
-Dùng nguồn đơn là mạch ampli ghép từ hai mạch khuếch đại
công suất OCL.
16


* Ưu điểm :
-Cho ra công suất lớn(gấp 4 lần so với OTL hay OCL) khi sử dụng
với nguồn điện áp thấp hoặc dùng cho các Ampli có công suất rất lớn từ
500W đến vài nghìn Walt.
* Khuyết điểm :
-Giá thành cao.
-Tín hiệu ra dễ bị méo hai mạch khuếch đại không giống nhau. Dễ
bị cháy nếu điện thế điểm giữa không bằng 0.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
Phần 1
THIẾT KẾ
3.1.1 Sơ đồ nguyên lý
17

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lí mạch

3.1.2 Sơ đồ nguồn

Hình 4.2 Sơ đồ nguồn

3.1.3 Sơ đồ mạch in

18


Hình 4.3 Sơ đồ bo mạch

3.1.4 Sơ đồ khối.

Hình 4.4 Sơ đồ khối của mạch
19


3.1.5 Phân tích các tầng làm việc của mạch
a)Khối nguồn:
Cung cấp nguồn DC với mức điện áp ổn định là ± 42V cho toàn
bộ mạch hoạt động.
b)Tầng tiền khuếch đại:
Là tầng đầu tiên tín hiệu đi vào, có nhiệm vụ biến tín hiệu có mức
điện thế thấp thành tín hiệu cường độ cao hơn để ghép vào tầng khuyếch
đại điện thế (đây là mạch khuếch đại biến điện thế thành cường độ). Do
đó tín hiệu phải trung thực, nguồn cấp điện phải được lọc kỹ để khỏi

ảnh hưởng tới tín hiệu tại tầng này.
c)Tầng khuếch đại
Tầng này có chức năng nhận tín hiệu từ tầng nhập vào, chuyển
đổi tín hiệu từ ngõ ra tầng nhập thành tín hiệu có mức điện thế cao hơn
để cung cấp cho tầng khuếch đại công suất.
d)Tầng khuếch đại công suất:
Nhận tín hiệu có điện áp cao từ tầng thúc rồi khuếch đại và cung
cấp dòng âm tần có cường đô lớn cho loa.
Phần 2
THI CÔNG
3.2.1Các thiết bị sử dụng.
1/ Sơ đồ nguyên lý
2/ Linh kiện lắp mạch
3/ Mạch in
4/ Nguồn cung cấp
5/ Loa và dây tín hiệu
6/ Đồng hồ đo
7/ Mỏ hàn và thiếc hàn
20


3.2.2Quá trình thi công
-Phân tích sơ đồ nguyên lý.
-Tiến hành gia công mạch.
-Lắp rắp và kiểm tra hoạt động của mạch
3.2.3 Kết quả.
Mạch đã hoàn thành xong,qua quá trình điều chỉnh thì mạch hoạt
động tốt,ổn định.

21

HÌNH ẢNH MẠCH THỰC TẾ


CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN

Trong quá trình thực hiện đề tài này mặc dù gặp rất nhiều khó
khăn song với sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Nguyễn Tiến Dũng
cùng với sự nỗ lực của thành viên trong nhóm,chúng em đã hoàn
thành xong đề tài.
Với đề tài này,ngoài những kiến thức đã học, chúng em còn tiếp
thu được một số kiến thức về các mạch khuếch đại công suất mà cụ
thể trong đồ án này chúng em đã làm ra mạch khuếch đại công suất có
thể sử dụng trong gia đình…..Qua đồ án này chúng em đã rút ra được
nhiều kinh nghiệm cho bản thân.Tuy nhiên do kiến thức của chúng em
còn hạn chế nên đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót.Chúng em
mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô trong khoa
cùng toàn thể các bạn sinh viên để đề tài này củ chúng em được hoàn
thiện hơn.

Chúng em xin trân thành cám ơn!