MỞ ĐẦU Sự ra đời của Transistor vào năm 1948 đã mở ra một thời kì mới cho nghành kĩ thuật điện tử. Kể từ đó đến nay kĩ thuật điện tử đã phát triển một cách nhanh chóng, đem lại những lợi ích to lớn cho đời sống xã hội. Những sản phẩm của kĩ thuật điện tử có mặt hầu hết trong các hoạt động của con người. Trong những năm gần đây nước ta đã có những tiến bộ vượt bậc trong việc chế tạo các thiết bị điện tử. Sản phẩm điện tử của Việt Nam đã tạo được niềm tin của khách hàng trong nước cũng như các nước trên thế giới. Việt Nam đã chú trọng đầu tư cho việc nghiên cứu nhằm tạo ra những sản phẩm có chất lượng, đáp ứng được những nhu cầu của con người. Việc học tập nghiên cứu trong các trường đại học, cao đẳng cũng không nằm ngoài mục đích đó. Chúng ta đã biết được một trong những ứng dụng quan trọng của Transistor là để khuếch đại tín hiệu. Nghĩa là dùng Transistor để thiết kế các tầng khuếch đại nhằm biến đổi năng lượng của nguồn tín hiệu một chiều thành năng lượng của tín hiệu xoay chiều. Đề tài “Thiết kế mạch khuếch đại âm thanh dùng transistor lưỡng cực ” mà chúng em chọn làm dưới đây là một trong những ứng dụng phổ biến của nó. Sau một thời gian học tập và tìm hiểu cùng với sự giảng dạy của các thầy cô giáo, cùng với sự dẫn dắt nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn – thầy giáo Nguyễn Anh Quỳnh chúng em đã có thể hoàn thành đồ án này.Do kiến thức và trình độ năng lực hạn hẹp nên việc thực hiện đề tài này không thể tránh được thiếu sót, kính mong nhận được sự thông cảm và góp ý của thầy giáo, cô giáo và các bạn để đồ án này hoàn chỉnh hơn. Em xin chân thành cảm ơn! 1 PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT I.1. Cấu tạo của transistor lưỡng cực(BJT) BJT là một tổ hợp gồm 2 chuyển tiếp PN đặt cách nhau một khoảng W nhỏ hơn nhiều so với chiều dài khuyếch tán (L) của các hạt dẫn. Transistor có 3 cực: - cực phát(Emitor): miền pha tạp chất nhiều nhất, phát ra điện tích để tạo ra dòng điện cho transistor. - Cực góp(colector): miền pha tạp chất với nồng độ ít, thu góp điện tích từ emitor tới. - Cực gốc(Bazor): miền pha tạp chất ít, chiều dày rất mỏng, điều khiển số điện tích từ E→C, điều khiển dòng điện trong transistor. I.2. Một số vấn đề về mạch khuyếch đại I.2.1.Khái niệm: Khuếch đại là quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển.Năng lượng của nguồn cung cấp một chiều được biến đổi thành năng lượng xoay chiều. nguồn một chiều (E c ) 2 U Vào Ra Hình 1. Sơ đồ mạch khuếch đại. I.2.2.Các chỉ tiêu và tham số cơ bản của một tầng khuếch đại. A. Hệ số khuếch đại - Định nghĩa: Hệ số khuếch đại có giá trị là thương của đại lượng đầu ra với đại lượng tương ứng đầu vào. - Ký hiệu: K (Nếu lấy theo điện áp ta có K u , nếu lấy theo dòng điện ta có K i , nếu lấy theo công suất ta có K p → K p =K u .K i ) - Bản chất K là một đại lượng phức thường ký hiệu là . K =K.exp( ϕ k ) với ϕ k là độ lệch pha. Nếu K tính bằng db thì K=20lgK - Khi có nhiều tầng khuếch đại ghép nối lại với nhau Khi đó K=K 1. K 2 K n Nếu tính theo db: K =K 1 +K 2 +…+K n . B. Thông số trở kháng vào: Z i = v i /i i Với Z là đại lượng phức Z=R+jK. Trong đó: R là điện trở thuần X là điện kháng C. Trở kháng ra: Z 0 =v 0 /i 0. D. Đặc tuyến biên độ tần số và đặc tuyến pha tần số K 1 K 2 K n 3 Mạch điều khiển - Đặc tuyến biên độ-tần số là đường cong mô tả sự phụ thuộc của K theo tần số tín hiệu vào . -Đặc tuyến pha tần số là đường cong mô tả sự phụ thuộc của độ lệch pha theo tín hiệu vào. E. Méo phi tuyến: -Định nghĩa: Méo phi tuyến là do các phần tử phi tuyến trong mạch gây nên như điốt, Transistor. -Biểu hiện: n ω ω Hình 2.Sơ đồ biểu hiện méo phi tuyến. Trong đó n=1,2… Tín hiệu vào chỉ có thành phần tần số ω , tín hiệu ra có các thành phần tần số n ω còn các hài khác là 1 phần nhỏ. - Hệ số méo phi tuyến : γ = mUr rnmUmrUrnmU 1 2 322 +++ .100 0 o Trong đó biên độ U rnm là các giá trị cực đại của các thành phần tín hiệu n ω ở đầu ra. I.3. Một số mạch khuyếch đại cơ bản. Mạch khuyếch đại tín hiệu nhỏ dùng transistor. Có 3 cách mắc Transistor thông dụng là EC, CC, BC. Trong đó EC là cách mắc dễ dàng và đem lại hiệu quả cao. I.3.1.Mạch khuếch đại mắc theo kiểu EC. * Chế độ tĩnh. Về nguyên tắc, việc cung cấp cho Transistor để xác định điểm công tác tĩnh phải đảm bảo sao cho nó luôn thoả mãn điều kiện cho phép.Muốn vậy phải đảm bảo những yêu cầu sau: 4 KĐ • Điện thế colectơ phải dương hơn điện thế bazơ của Transistor npn và âm hơn điện thế bazơ của Transistor pnp từ một đến vài vôn. • Mặt ghép bazơ phải được phân cực thuận ( U BE =0.7V đối với bán dẫn làm bán dẫn làm bằng silic và U BE =0.3 V đối với bán dẫn làm bằng Ge ). • Dòng colectơ phải lớn hơn dòng điện dư colectơ-emitơ nhiều, có nghĩa 0IceIce > . • Phải đảm bảo các yêu cầu về dòng, áp, công suất, nhiệt độ. Hình 3.Mạch khuếch đại emitơ chung. U N , R N lần lượt là điện áp và điện trở trong nguồn tín hiệu. Chế độ tĩnh của 1 Transistor được xác định bởi 4 tham số I B , I C , U BE ,U CE . Trong đó thường cho biết trước 1 tham số.Ví dụ cho trước I C các tham số còn lại sẽ được xác định trong sự ràng buộc với sự ràng buộc với đặc tuyến vào ra của Transistor - Họ đặc tuyến vào B I = 1 f ( CE U , BE U ). - Họ đặc tuyến ra C I = 2 f ( CE U , B I ). - Quan hệ ràng buộc được xác định bởi đường tải tĩnh I C =f 3 (U CE ). Nếu giả sử I C =I E thì 2 CC CE C C E C E U U I R R R R ≈ − + + Đường tải tĩnh có độ dốc : 5 1 C CE C E dI dU R R = − + a) b) Hình 4. Đặc tuyến và đường tải tĩnh của sơ đồ emiter chung. Hình a): Trường hợp Transistor có hệ số khuếch đại bé. Hình b): Trường hợp Transistor có hệ số khuếch đại lớn. Khi thay đổi giá trị R C +R E thì đường tải tĩnh quay xung quanh điểm P còn khi thay đổi điện áp cung cấp nguồn U CC thì đường tải tĩnh dịch trái hoặc dịch phải. Điểm làm việc phải nằm trên đường tải tĩnh, đó là giao điểm của đường tải tĩnh với đặc tuyến ra ứng với dòng vào I C0 và I B0 .Trong thực tế thường cho trước điện áp nguồn cung cấp, lúc đó việc chọn điểm làm việc và điện trở tuỳ thuộc vào các yếu tố sau: -Biên độ tín hiệu ra (dòng, áp, công suất). -Hệ số khuếch đại. -Dải tần của tín hiệu vào -Tham số của mạng 4 cực. -Méo phi tuyến cho phép, điện trở vào và điện trở ra của mạch. -Tạp âm. 6 -Tham số giới hạn I, U, P. Hình 5.Sự phụ thuộc của tần số vào dòng colectơ. * Chế độ động. Trong phạm vi đồ án nay em sử dụng Transistor mắc theo kiểu EC có phản hồi điện áp ở tầng khuếch đại công suất nên ở đây em chỉ trình bày sơ đồ EC có hồi tiếp âm điện áp. a) b) 7 c) Hình 6. Sơ đồ CE có hồi tiếp song song điện áp. Theo hình 6.c ta có: -Hệ số khuếch đại điện áp: ( ''// // ) ( // // ) B ce C C F ce r u be BE B be I R r R R R r U K r U I r β β − − = = = -Hệ số khuếch đại dòng điện: ( ) ( ''// // ) ( // // ) 1 // 1 / 1 C ce C C F ce i C C B ce C ce F I R r R R R r K R R I Rc r R r R β β β = = = =   + +  ÷   -Trở kháng vào: 1 10 1 1 // 1 U V be U K Z Z R r R K     = = + ≈    ÷ −     2 // 1 F V Bo be U R Z Z r K = = − -Trở kháng ra: 8 // '' // rh r ce ce F Cng U Z r R r R I = = ≈ -Hệ số khuếch đại điện áp toàn phần: 1 be BE utp u u be n Z U K K K R R U = = + Thông thường chọn ce r >> 1 F u R K− ⇒ ( ) 1 1 1 / 1 F be u F utp u u F u F u R r K R K K K R R K R K R − = = + − − I.3.2. Các chế độ hoạt động của mạch khuyếch đại công suất và nối tầng. * Mạch khuếch đại công suất loại A. Ở chế độ này, tín hiệu gần như tuyến tính.Góc cắt θ =T/2=180 0 .Nhược điểm của mạch loại này là hiệu suất của nó thấp, bé hơn 50% * Mạch khuếch đại công suất loại AB. Ở chế độ này tín hiệu ra bị méo nhưng hiệu suất của nó lớn. Góc cắt 90 0 < < θ 180 0 . * Mạch khuếch đại công suất loại B. Ứng với θ =90 0 . Điểm làm việc tĩnh được xác định tại U BE =0.Chỉ một nửa chu kì âm hoặc dương của điện áp được vào Transistor khuếch đại. Với mạch khuếch đại mà chúng em đang thiết kế thì sử dụng mạch loại AB và B. 9 Hình 7. Đặc tuyến truyền đạt của Transistor Với mục đích là để tạo ra hệ số khuếch đại lớn hơn. Có 3 cách ghép nối các tầng khuếch đại là: sơ đồ Darlington, ghép tầng bằng điện dung, ghép trực tiếp.Trong phạm vi đồ án này em sử dụng sơ đồ Darlington.Vì vậy em tập trung đi sâu vào cách ghép nối này. Hình 8.Sơ đồ Darlington Hai transistor được gọi là kết nối Darlington( hoặc tạo thành cặp Darlington) khi dòng Emitter của tầng đầu tiên chính là dòng base của dòng thứ 2. I B =(1- α )I E . I C1 = β 1 .I B1 . T1 C B E 10 [...]... mạch phải có một tầng khuếch đại công suất Nhưng để mạch có hệ số khuếch đại lớn trong trường hợp trong mạch có sử dụng hồi tiếp âm thì phải cần thêm khâu khuếch đại điện áp trước khi cho vào 12 khâu khuếch đại công suất Tín hiệu ra của tầng khuếch đại công suất có thể lấy trực tiếp ngay trên tải mắc trực tiếp với đầu ra của mạch khuếch đại công suất Mô hình của mạch khuếch đại âm tần là: tín hiệu vào... Cường độ 2 dòng này tỷ lệ thuận với biên độ tín hiệu xoay chiều vào mạch Sơ đồ thời gian: 18 PHẦN III: TỔNG KẾT Trong thời gian thực hiện đồ án với đề tài Thiết kế mạch khuếch đại âm thanh dùng transistor lưỡng cực ” em đã đạt được những kết quả sau: - Học hỏi được nhiều hơn và có thêm nhiều kiến thức - Có khả năng phân tích, thiết kế và thi công một sản phẩm - Đây cũng là một lần để em có thể thử... tín hiệu ra KĐĐA KĐCS II.2 Thiết kế mạch khuếch đại âm thanh II.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch: R3 R5 27k 330R C2 R1 R4 C3 C6 470u 27k 15k 220u 2200u BAT1 15V Q2 2N3903 C1 Q1 Q4 BC109 2N3906 10u D1 1N4148 R9 D2 1R 1N4148 R6 C5 1R R10 2200u 1R RV2 R2 100k 470R R7 LS1 1k Q3 2N3903 R8 C4 470R 330u II.2.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạch * Tầng khuyếch đại công suất - Yêu cầu thiết kế công suất ra loa Pl =4 W... Up=0; giả thiết ic lí tưởng nên K0 = cùng ⇒ Up-Un =0 ⇒ Up=Un=0 Zi0=Ud/I0N đạt giá trị vô cùng ⇒ I0N= 0 Ta áp dụng định lí Kiếc sốp cho nút N ⇒ I1=I2 ⇔ Ui/R1=-U0/R2 ⇒ Ki=U0/Ui=-R2/R1 11 Ur đạt giá trị vô Up −Un PHẦN II: PHÂN TÍCH,TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ II.1.Phân tích Mạch khuếch đại âm tần muốn tín hiệu vào được khuếch đại đủ lớn để cung cấp cho tải và tín hiệu ra đảm bảo không méo thì trong mạch phải... Khi 2 transistor chế tạo trên cùng một đế bán dẫn thì β 1= β 2= β Cặp Darlington có hệ số khuyếch đại dòng cao và trở kháng vào cao Nó thường được dùng để thay cho các mạch lặp E Thông thường các nhà chế tạo Transistor sẽ đặt cặp Darlington vào trong một vỏ đơn làm cho 2 Transistor có cùng nhiệt độ làm việc Các mạch lặp E sử dụng kết nối Darlington có các đặc điểm so với mạch lặp E sử dụng Transistor. .. - Hệ số khuyếch đại điện áp Av gần 1 hơn - Hệ số khuyếch đại dòng cao hơn - Trở kháng ra nhỏ hơn - Sơ đồ Darlington có dòng điện dư lớn hơn sơ đồ dùng một transistor vì dòng điện dư của T1 được T2 khuếch đại - Vì các điốt bazo-emito của 2 transistor nối tiếp nên điện áp một chiều bazoemito của sơ đồ Darlington cũng như mức trôi của điện áp này lớn gấp đôi so với trường hợp dùng một transistor - Để... chống tự kích cho tầng khuyếch đại 2, 1 Tuy nhiên nếu mắc ở đây thì tác dụng của R5-C3 không cao Muốn nâng cao tác dụng của nó bạn phải mắc mắt lọc này về phía cực (+) của C6 15 - R3-C2 : Mạch lọc RC ổn định nguồn, chống tự kích cho khuyếch đại 1 (khyếch đại cửa vào) - R1-R2 : Định thiên, phân áp để ổn định phân cực tĩnh cho Q1, để Q1 ko gây méo tuyến tính khi khuyếch đại thì R1 phải được chỉnh để Q1... của mạch đằng trước Nếu tín hiệu vào là micro thì R2 có giá trị chính bằng trở kháng của micro - R4 : Tải Q1, định thiên cho Q2 Trong mạch này Q1 và Q2 được ghép trực tiếp để tăng hệ số khuyếch đại dòng điện trước khi công suất (Q2 đóng vai trò tiền khuyếch đại công suất) Mặt khác cũng để giảm méo biên độ và méo tần số khi tần số, biên độ của tín hiệu vào thay đổi - R7-C4 : Hợp thành mạch hồi tiếp âm. .. Điều chỉnh phân cực Q4, thông qua đó chỉnh cân bằng cho “điện áp trung điểm” II.2.4 Nguyên lý hoạt động: * Chế độ tĩnh : Khi tín hiệu vào bằng 0 - Mạch được thiết kế để Q1, Q2 hoạt động ở chế độ A Q3, Q4 có thể ở chế độ A hoặc AB - PR1 được điều chỉnh để Q3, Q4 có điện áp chân B bằng nhau, như vậy độ mở của Q3=Q4 và kết quả là điện áp tại điểm C bằng 1/2 điện áp nguồn cấp (theo sơ đồ mạch được cấp 15V... hiện nhiệm vụ này, nhiệm vụ khác của 2 diot này là phân cực DC cho cặp transistor Q3 và Q4 sao cho 2 transistor này làm việc ở lớp AB tránh méo tín hiệu ở ngõ khuyếch đại ra loa, 2 điot này còn chịu dòng dò do transistor Q2 mang tới ở chế độ AC ta sẽ chọn diot dựa theo các thông số  Id = 20mA  Vdr > 7v * Khảo sát tụ điện và băng thông của mạch Tụ C5 phải tích điện tốt do tần số cắt thấp là 100hz . với đầu ra của mạch khuếch đại công suất. Mô hình của mạch khuếch đại âm tần là: tín hiệu vào tín hiệu ra II.2. Thiết kế mạch khuếch đại âm thanh II.2.1 vào mạch. Sơ đồ thời gian: 18 PHẦN III: TỔNG KẾT Trong thời gian thực hiện đồ án với đề tài Thiết kế mạch khuếch đại âm thanh dùng transistor lưỡng