Đề tài Thiết kế mạch khuyếch đại âm tần đối với nguồn tín hiệu vào micro M179

Thiết kế mạch khuyếch đại âm tần đối với nguồn tín hiệu vào micro M179 MỤC LỤC Chương I: Mạch khuếch đại âm tần 1. Thiết bị đầu vào 2. Xác định hệ số khuếch đại công suất của toàn mạch 3. Sơ đồ khối 4. Các chỉ tiêu kỹ thuật cần quan tâm Chương II: Chọn phương án cho từng tầng 1. Tầng tiền khuếch đại 2. Khối khuếch đại sơ bộ 3. Khuếch đại âm sắc 4. Tầng đảo pha 5. Tầng khuếch đại công suất 6. Phân bổ chỉ tiêu kỹ thuật cho các tầng Chương III .Tính toán sơ bộ 1. Tầng khuếch đại công suất 2. Tầng đảo pha 3. Tính toán mạch âm sắc 4. Tầng khuếch đại sơ bộ 5. Tầng tiền khuyếch đại Chương 4: Tính toán chi tiết tầng khuếch đại đảo pha Kết luận chương 1 mạch khuếch đại âm tần 1.Thiết bị đầu vào : M179 có các thông số kỹ thuật như sau: Dải tần làm việc f = 20Hz ÷ 20kHz Umax = 16mV Dải nhiệt độ làm việc 10B C ÷ 50B C Công suất ra yêu cầu lớn chọn tầng khuếch đại công suất dùng mạch đẩy kéo công tác ở chế độ B. 2. Xác định hệ số khuếch đại công suất của toàn mạch : Kptm = = = = 78125000 Dựa vào công suất đó theo sổ tay của đèn ta chọn transistor : MJE710 cho tầng công suất có các thông số như sau: Ucemax = 60 V; Ic = 5 A; Pmax = 25W; fmax = 300 kHz Xác định điện áp Ucb cho phép giữa colector và emitor : Ucb = (0.35÷0.4)*60 = 21V÷24 V Icm = Ibm = Hệ số khuyếch đại công suất Kp = 0,9 (lần) Biên độ tín hiệu vào Ubemin được xác định dựa trên đặc tuyến vào của Trasistor * Tầng trước cuối cùng làm nhiệm vụ đảo pha chọn Transitor loại BD813 (NPN) có các thông số sau: Ucb = 45(V); Icmax = 2(A); P = 12,5 (W); Fmin = 300 (KHz); bmin = 20 Hệ số khuyếch đại của tầng đảo pha là: Kđp = bmin = 20 Hệ số khuyếch đại công suất của tầng cuối và tầng đảo pha: Kp = KpcxKđp = 818x20 =16360 * Tầng tiền khuyếch đại mắc Collector chung : chọn transistor BFW60 (npn) có các thông số như sau: Ucemax=20V; Icmax=200mA; P = 0,3W b = 50 ; fT =800 kHz. có hệ số khuyếch đại công suất Kp = 0,7xbmin = 0,7x50 = 35 Lúc đó hệ số khuyếch đại công suất của 3 tầng là: 16360x35 = 572600 Hệ số khuyếch đại này nhỏ hơn so với yêu cầu bởi vậy cần phải thêm tầng khuyếch đại sơ bộ ghép RC dùng Transitor MPS 3567 (NPN) loại Silic SI có các thông số sau: UCE max = 40V; P = 0,5W; b = 30; FT = 600 KHz; Hệ số khuyếch đại công suất của tầng này là: KP = 0,3b2min = 0,3x900 = 270 (lần) Vậy hệ số khuyếch đại công suất của toàn máy: KPTM = 270x10x572600 = 1.546.020.000 (lần) Kết quả thỏa mãn với yêu cầu3.Sơ đồ khối 1 4 5 3 2 đầu vào 6 Khối 1: Mạch khuyếch đại đầu vào mắc Collector chung để có trở kháng vào lớn. Khối 2: Mạch khuếch đại sơ bộ ghép RC (khuếch đại tín hiệu nhỏ). Khối 3 : Mạch khuếch đại điều chỉnh âm sắc . Khối 4 : Mạch khuếch đại đảo pha để khuếch đại âm tần lên đủ lớn kích cho tầng công suất âm tần. Khối 5 : Mạch khuếch đại công suất, khuếch đại âm tần cho công suất đủ lớn theo yêu cầu để phát ra loa. Khối 6: Mạch ghép ra loa , có nhiệm vụ phối hợp trở kháng với loa , điều chỉnh âm lượng. 4.Các chỉ tiêu kỹ thuật cần quan tâm: Dải tần tín hiệu vào : 30Hz ¸ 15Khz Méo tần số : méo dưới Md = 4dB , méo tần trên Mtr = 3dB Tín hiệu vào max : 16xv điện trở vào : Rn = 200 W Công suất ra : 25 w ứng với tải trực tiếp là 8 W Méo phi tuyến : k = 7% Hiệu suất h = 70% Khuếch đại âm sắc ± 20 dB Chương II: Chọn phương án cho từng tầng 1.Tầng tiền khuếch đại: Yêu câù đối với tầng tiền khuếch đại : phải có trở kháng vào lớn để tăng độ nhạy . có chế độ làm việc ổn định giảm thiểu ảnh hưởng của nhiệt độ tới chế độ làm việc của transistor . Tầng tiền khuếch đại làm việc với tín hiệu nhỏ , không lớn hơn tạp âm nền bao nhiêu nên tầng vào phải có tạp âm nhỏ ( £ 3.5 dB min hay 7 dB ) .Để giảm tạp âm của mạch tầng đâù cần phải sử dụng mạch điện , chế độ làm việc thích hợp . Muốn vậy cần phải chọn mạch điện có độ ổn định nhiệt tốt và làm việc với dòng nhỏ (£ 1 mA), áp nhỏ ( Vc » 3 ÷ 5 v ) . Đồng nghĩa với hệ số khuếch đại nhỏ . - Các phương án: i.Mạch khuếch đại dùng JFET ưu điểm : trở kháng vào rất lớn làm tăng độ nhạy ở đâù vào . ii.Mạch khuếch đại vi sai : ưu điểm :độ ổn định điểm làm việc cao. Trong các mạch đã học sơ đồ mạch khuếch đại vi sai đáp ứng được yêu cầu trên . Ngoài mạch khuếch đại vi sai còn có thể sử dụng transistor trường FET hoặc mạch khuếch đại CASCODE . - Các sơ đồ mạch cụ thể: + Mạch khuếch đại Cascode thực tế : Ra Vao Vcc Hình 1 Đặc điểm của mạch khuếch đại Cascode : mạch sử dụng 2 tầng khuếch đại mắc song song . Tầng thứ hai mắc kiểu B chung để tăng tần số cắt ( f= 2/3 f) tạp nhiễu nhỏ ( vì nội trở vào nhỏ ) , giảm thiểu hiệu ứng Miller ở tần số cao . Tầng thứ nhất mắc kiểu E chung làm việc ở điện áp thấp ( nhằm giảm hiệu ứng Miller của tụ ở tần số cao ) Song hệ số khuếch đại của toàn mạch lại lớn. - Mạch dùng FET : Sử dụng một transistor trường mắc S chung : Uv Ura Hình 2 Uv1 -Vcc Uv2 +Vcc Ur +Mạch khuếch đại vi sai : Hình 3 ưu điểm : có mức trôi điện áp rất thấp nên b gần như là hằng số , tạp âm nội bộ nhỏ . Chọn mạch khuếch đại vi sai: Do mạch khuếch đại vi sai dễ thực hiện, có điểm làm việc tĩnh ổn định cao. Tầng khuyếch đại mắc Collector chung: Mạch này có trở kháng vào lớn. Hình 4 Chọn mạch khuếch đại mắc Colector chung do sơ đồ mạch này đơn giản dễ thực hiện. 2. Khối khuếch đại sơ bộ Yêu cầu đối với khối này : phải đảm bảo hệ số khuếch đại đủ lớn để khuếch đại điện áp và khuếch đại công suất đủ lớn cung cấp cho đầu vào tầng khuếch đại công suất . Sơ đồ mạch khuếch đại Ec ghép RC có hệ số khuếch đại lớn đáp ứng được yêu cầu trên . Ura Hình 5 3. Khuếch đại âm sắc Thực tế có nhiều sơ đồ mạch thực hiện điều chỉnh âm sắc . ở đây em xin đề cập hai sơ đồ mạch phổ biến thực hiện chức năng này . - Mạch Baxandall : Vào Ra Bass Treble Hình 6 Mạch hiệu chỉnh tone một cách liên bằng triết áp . Nhánh hồi tiếp Bass gồm R1 , R2 , C1 , C2 . Nhánh hồi tiếp Treble gồm R3 , R4 , C3 . Trở R5 ngăn cách nhiễu giữa Bass và Treble đồng thời cũng tham gia một phần vào mạch Treble . Khi con chạy R2 dịch hết về phía trái , tần số trầm được khuếch đại lên lớn nhất qua hàm truyền Av = 1+ R2/R1 » 10 = 20 dB . Khi biến trở R2 dịch hết về phía phải , hồi tiếp âm về lớn nhất , hàm truyền giảm cực tiểu Av = - ( 1+ R2/R1 ) = - 10 = - 20 dB . Tương tự khi biến trở R4 dịch chuyển hết về phía trái tần số bổng được khuếch đại , hệ số khuếch đại là lớn nhất Av = 10 = 20 dB . Khi biến trở dịch chuyển hết về phía phải hồi tiếp âm về lớn nhất Av = - 10 = - 20 dB. - Sơ đồ mạch baxandall dùng Transistor chỉ có một tụ Bass : Vcc Vào Ra Hình 7 Vào Ra - Mạch Equallizer : Hình 8 Mạch Equallizer 3 nút hiệu chỉnh ưu điểm : điều chỉnh được nhiều khoảng tần số do đó thay đổi hệ số khuếch đại trong nhiều dải tần hơn so với mạch Baxandall . Chọn sơ đồ mạch Baxandall vì mạch đơn giản , dễ thực hiện.  4.Tầng đảo pha: Do tầng khuếch đại công suất làm việc ở chế độ B nên ta sử dụng mạch đảo pha bằng biến áp. Sơ đồ mạch đảo pha mắc Colector chung: Hình 9 5.Tầng khuếch đại công suất : Để dạt được hiệu suất chỉ tiêu là 70% thì sơ khuếch đại đẩy kéo chế độ B.Yêu cầu của mạch công suất là giảm nhỏ méo sang hài và méo tần số do tấng này làm việc ở mức điện áp ra lớn. Công suất tín hiêụ ra P = 25 W Các sơ đồ mạch : + Mạch đẩy kéo mắc Emitor chung: Đặc điểm : hệ số khuếch đại điện áp và hệ số khuếch đại dòng điện là lớn nhất , do đó hệ số khuéch đại công suất là lớn nhất.Nhưng mạch này có nhược điểm là hệ số méo sóng hài là lớn nhất. Sơ đồ mạch : Hình 10 + Mạch đẩy kéo mắc collector chung. Đặc điểm : sơ đồ mạch này có thể tỏa nhiệt tốt nhát. Sơ đồ mạch: Hình 11 + Mạch đẩy kéo mắc Bazo chung. Đặc điểm: mạch có hệ số méo sóng hài nhỏ nhất Sơ đồ mạch : Hình 12 Chọn sơ đồ mạch đẩy kéo mắc Bazo chung do mạch này có hệ số méo sóng hài nhỏ nhất.  6. Phân bổ chỉ tiêu kỹ thuật cho các tầng. + Méo ở đoạn dưới của đặc tuyến Md: Biến áp ra : 1,2 dB. Biến áp đảo pha : 1,2 dB Tụ nối tầng thứ 2 : 0,3 dB Tụ Ce tầng 2 : 0,6 dB Tụ Cb của tầng đầu : 0,3 dB Tụ ghép mạch đầu vào :1,01 dB + Méo ở đoạn trên của đặc tuyến Mtr : Tầng công suất : 1,2 dB. Tầng vào : 0,6 dB Tầng khuếch đại sơ bộ : 0,6 dB Tầng khuéch đại đảo pha : 0,6 dB + Méo phi tuyến : Do tầng công suất chủ yếu công tác ở đặc tuyến động, điện áp lớn nên gây ra méo sóng hài lớn. Chọn Kméo ≤ 7% * Sơ đồ nguyên lý toàn mạch khuếch đại: Chương III .Tính toán sơ bộ 1.Tầng khuếch đại công suất Tầng công suất công tác ở chế độ B , Transistor mắc Bazo chung. công suất ra yêu cầu 25W Dải tần làm việc : fd = 30Hz, ftr = 15kHz, Md £ 1.2 dB, Méo sóng hài k £ 7% Nhiệt độ môi trường cực đại Tmmax = + 50°C Nguồn cung cấp là điện áp chỉnh lưu 20V Chọn hiệu suất của biến áp ra bằng 0.85 Ta có : P~ = W Chọn transistor BD109 loại npn (si) có các chỉ tiêu kỹ thuật như sau: Công suất cực đại khi có cánh tản nhiệt Pcmax = 25W Icmax = 5A, Ucbmax = 60V khi Tgh £ 50°C ở nhiệt độ 20°C thì bmin = 20. Nhiệt độ mặt ghép cho phép : Tghmax = 90°C ; nhiệt trở Rtt = 1 Sơ đồ nguyên lý mạch (hình 12 ) Chọn nhiệt độ mặt ghép cực đại trong điều kiện công tác là Tgh =70°C. Tính điện áp cung cấp cho phép cuả mạch ra: Ucb0 £ 0.4 Ucbmax(1- 0.08 Vì điện áp cho phép cuả transistor DB109 giảm đi 8% khi nhệt độ tăng lên 10°C lúc mà nhiệt độ mặt ghép > 50°C cho nên điiện áp cung cấp lấy từ nguồn chỉnh lưu = 20V là thỏa mãn . Điện trở tải ở mạch ra của một nhánh khi bỏ qua sụt áp của dòng điện trên cuộn sơ cấp của biến áp bằng : Rc~n = = ( Udư =0 do cách mắc Bazo chung) Giá trị cực đại của dòng tín hiệu trong mạch Colector là: Icmax = Công suất do tầng khuếch đại đưa ra P~ = 0.5 I2cmax Rc~n =28.59 W Chọn dòng điện tĩnh trong mạch Colector Ic0 = 0.05 Icmax = 0.145A Ic0 = Ie0 ứng với giá trị Ie0 trên đặc tuyến tĩnh ta tính được Ueb0 = 0.17 V. Căn cứ vào đặc tuyến tĩnh ta có Uebmax = 0.44V. Tầng đảo pha: Giả sử Rra = 300 W, r1 = 10W, n = W2/W1 = 0,08 Khi đó điện trở của nguồn tín hiệu đối với tầng cuối là Rn = (Rrae + r1 )n2 = (300 + 10)(0.08)2 = 2W; ứng với giá trị của Rn tuyến truyền dẫn động tương ứng với một nửa biên độ sức điện động ta có I1’ = 1,15(A) Các điểm 1 2 3 4 5 6 IC (mA) 0 0,49 0,89 1,46 1,92 2,35 IE (mA) 0 0,5 1 1,5 2 2,45 UEB (V) 0,07 0,285 0,38 0,465 0,543 0,61 Un = UEB + IERn (V) 0,07 1,285 2,38 3,465 4,543 15,51 Chọn hệ số không đối xứng b = 0,12 IC’Max = (1 + b). ICMax = (1 + 0, 12)x2,9 = 3,25AI1 = (1 + b). I’1 = (1 + 0, 12)x1,15 = 1,288A I0 = 2b. I’0 = 2x0,12x0,145 = 0,0348A I2 = - (1 - b). I’1 = - (1 - 0, 12)x1,15 = - 1,012A ICMin = - (1 - b). ICMax = - (1 - 0, 12)x2,9 = - 2,552A Từ các giá trị của thành phần hài của dòng điện ra ta tính hệ số hài theo phương pháp 5 tọa độ: I1m = 3,4A I2m = 0,13A I3m = -0,2A I4m = -0,04A K = IVmax = Iemax = Biên độ tín hiệu vào: Uvcm = Ubemax – Ubemin = 0,44 – 0,17 = 0,27 (V) Ivcm = Ivmax – Ivmin = 3,045 – 0,12 = 2,925(A) Công suất cực đại tiêu tán trên Collector của Transistor. Pc = 0,203IcmaxUcb0 – 0,1015Icmax Rc~n = 0,203x2,9x20 – 0,1015x2,9x6,8 = 9,7 (W) Cánh tản nhiệt của mỗi Transistor khi nhiệt độ mặt ghép cực đại Tghmax = + 700C P = Pc + Pe = Pc + (0,5 IcmaxUcbmax)/2 Pe << Pc Þ P » Pc Diện tích cánh tản nhiệt: S ³ (cm2) Điện trở một nửa sơ cấp biến áp: r1n = 0,58x Rc~n(1-hBA) = 0,58x6,8(1 - 0,85) = 0,59 W MdBA = 1,2 dB L1n = 2.Tầng đảo pha Tầng đảo pha làm việc ở chế độ A mắc Emitor chung , hiệu suất hA=0,45 , chọn hiệu suất biến áp bằng 0.7. Icomin= Biết Uracm=0,27 V Iracm=2,925 A Chọn transistor DB813 có các thông số sau: Ucbmax=45 V; Icmax=5A; bmin= 20 Ibmax= Ibmin= Icbmin= Kp=20 Pra= Pv= Uvàocm= 3.Tính toán mạch âm sắc Xác định giá trị linh kiện mạch thụ động chọn tần số cắt trầm fd2 = 30 Hz tần số cắt bổng ft2= 15kHz linh kiện tíh cực chọn IC741 để đạt độ tăng giảm cực đại trầm bổng là 10 lần hay ¡ 20 dB a) Mạch lọc thông thấp Chọn R2 = 100kW Hàm truyền Av= =10( ¡ 20 dB) Vậy R1 = = Tần số phân cách fB1= 10fd2=10*30Hz = 300Hz Vậy C1= Chọn C2 = C1 b) Tính mạch lọc tần cao Chọn điệntrở phân cách R5 = R1 = 11kW Hàm truyền đạt Avtmax= Vậy R3 = Tần số phân cách ft1 = ft2/10 = và C3 =2.94nF Chọn C3 = 2.2 nF Điều kiện chọn R4 > 10(R1+R3+2R5) = 10(11+3.6+2*11)*103 = 66kW chọn R4 = 470kW Hệ số khuyếch đại : Kpmax=10 lần Ki =1 Vậy Uvào=; Ivào = 0,146mA 4. Tầng khuếch đại sơ bộ Chọn Transistor MPS 3567 loại npn có các thông số như sau: Ucemax= 40V ; Pmax= 0,5 W; Icmax= 500mA ; b = 30; fT = 600kHz Hệ số khuếch đại công suất của mạch sẽ là Kp =270 lần. Điện áp ra Urcm= 9,6 mV dòng điện ra Iracm= 0,146 mA Transistor làm việc ở chế độ A: Pr =Urcm*Iracm = 9.6mV * 0,146mA =1,4 mW Vậy Pvào = Ivàocm= Uvàocm = 5. Tầng tiền khuyếch đại - Chọn transistor BFW60 (npn) có các thông số như sau: Ucemax=20V; Icmax=200mA; P = 0,3W b = 50 ; fT =800 kHz. Có hệ số khuyếch đại công suất: Kp = 0,7xbmin = 0,7x50 = 35 - Điện trở vào của tầng : Rvc =Rce + Re~(1+b) = chọn chế độ làm việc và bộ phân áp sao cho Rvc cỡ vài kW là được. - Méo tần ở đoạn dưới do tụ Cb gây ra chọn MdCb = 0,3 dB và méo dưới do tụ nối tầng ở mạch vào gây ra là Md =0,3 dB từ đó tính được Cb =10mF. Điện dung tải của tầng khuếch đại colecter chung Co và hệ số méo tần ở đoạn trên tính theo công thức: Co » Ceđ.s ≤ ≤ (Rv.s được tính trực tiếptại điểm làm việc trên đặc tuyến vào của tầng sau) Mtr = ≤ ( trong đó Rtđ =500 W =Rrac// Re~ các giá trị này được tính theo chế độ làm việc và điện trở phân áp) -Tính điện dung ở mạch vào C , méo tần số ở đoạn dưới do điện dung đó gây ra theo công thức : C = Chương 4 tính toán chi tiết tầng khuếch đại đảo pha Sơ đồ tầng khuyếch đại đảo pha Trong đó : C10 là tụ ghép giữa tầng đảo pha và tầng khuyếch đại sơ bộ R, C là điện trở và tụ điện có tác dụng lọc L1 là biến áp ghép giữa tầng khuyếch đại đảo pha và tầng khuyếch đại công suất đồng thời cũng là tải ra của tầng khuyếch đại đảo pha. Do nguồn điện áp Vcc mang giá trị âm nên trong lúc tính toán ta lấy giá trị tuyệt đối của các giá trịđiện áp và dòng điện. Nguồn điện áp của mạch là 20V Ta có: Uceo = = = = 10(V) Theo sổ tay điện tử ta có Icmax của Transistor DB813 là 5A nên ta có thể chọn Ico = 2,5A.Đồng thời hệ số khuyếch đại của Transistor là b = 20 lần. Rt chính là điện kháng của cuộn sơ cấp của biến áp ghép giữa tầng khuyếch đại đảo pha và tầng khuyếch đại công suất . Theo tính toán đã có ỏ phần tính toán sơ bộ ta có công suất ra của tầng khuyếch đại đảo pha là xấp xỉ 9,2W Rbeo = 300 + (1+b) = 300 + (1+20) = 218 kW Mà điều kiện làm việc của Transistor thuận là Rbeo> 300 W nên kết quả trên hoàn toàn thoả mãn. Pra = Ic* Rt Rt = = = 3 W Coi Ic » Ie Uce = Vcc – Ic ( Rt + R23) Rt + R23 = Rt + R23 = = 5 W R23 = 5 W - Rt = 5 – 3 » 2 W . Ibo = Ico/ b = = 0,25 A Chọn Ubeo = 0,25 V Theo các điều kiện để ổn định điểm làm việc ta có ; Ipa = (5¸10) Ibo Ubo = (5¸10) Ubeo Chọn : Ipa = 6 Ibo = 6* 0,25 =1,5 A Ubo = 10 Ubeo = 10 * 0,25 = 2,5 V R17 = = = 1,7 W chọn bằng 2 W R16 = = = 10 W C11³ = = 88,5 mF Có thể chọn giá tri tụ lớn hơn hoặc bằng 88,5 mF ở đây để thuận lợi với linh kiện có sẵn ta chọn C11 = 100 mF . Xác định phương trình đường tải : Phương trình đường tải 1 chiều : Uce = Vcc – Ic (R18+Rt) Điểm A : Vcc = 0V Þ Ic = = = 8 A Điểm B : Ic = 0 A Þ Uce = Vcc = 20V Ic Ico Uceo Uce Kết luận: Mạch khuếch đại âm tần được sử dụng rất rộng dãi trong thực tế. Trong giới hạn đồ án môn học em thiết kế mạch khuếch đại âm tần đối với nguồn tín hiệu vào là micro M179 có dải tần làm việc rất rộng 10Hz đến 20 kHz. Mạch khuếch đại đưa ra công suất khoảng 25W trên loa 8 W. Mạch có hệ số méo tần số Md cỡ 5%, Mtr khoảng 3% và méo sóng hài khoảng 7%, các thông số này chỉ phù hợp với mạch có chất lượng trung bình. Để cải thiện chất lượng của mạch có thể dùng linh kiện với chất lượng cao và dùng mạch hồi tiếp âm sâu hơn. Tài liệu tham khảo: Hướng dẫn thiết kế mạch khuếch đại âm tần bằng Transistor ( Nguyễn Văn Trà). Kỹ thuật mạch điện tử (Phạm Minh Hà). Cấu kiện điện tử (Đỗ Xuân Thụ). Sổ tay tra cứu Transistor thế giới(TECH PUBLICATION PTE LTD). Kỹ thuật mạch điện tử 2 (Đoàn Nhân Lộ).