Đề tài Thiết kế mạch khuếch đại âm thanh dùng transistor lưỡng cực

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! 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 (Ec) Mạch điều khiển 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 Ku , nếu lấy theo dòng điện ta có Ki , nếu lấy theo công suất ta có Kp Kp=Ku.Ki ) - Bản chất K là một đại lượng phức thường ký hiệu là =K.exp(k) với k là độ lệch pha. Nếu K tính bằng db thì K=20lgK - Khi có nhiều tầng khuếch đại ghép nối lại với nhau K1 K2 Kn Khi đó K=K1.K2...Kn Nếu tính theo db: K =K1+K2++Kn. B. Thông số trở kháng vào: Zi= vi/ii Với Z là đại lượng phức Z=R+jK. Trong đó: R là điện trở thuần X là điện kháng C. Trở kháng ra: Z0=v0/i0. D. Đặc tuyến biên độ tần số và đặc tuyến pha tần số - 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. KĐ -Biểu hiện: n Hình 2.Sơ đồ biểu hiện méo phi tuyến. Trong đó n=1,2 Tín hiệu vào chỉ có thành phần tần số , tín hiệu ra có các thành phần tần số ncòn các hài khác là 1 phần nhỏ. - Hệ số méo phi tuyến := .100 Trong đó biên độ Urnm là các giá trị cực đại của các thành phần tín hiệu n 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: 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 ( UBE=0.7V đối với bán dẫn làm bán dẫn làm bằng silic và UBE=0.3 V đối với bán dẫn làm bằng Ge ). Dòng colectơ phải lớn hơn dòng điện dư colectơ-emitơ nhiều, có nghĩa . Phải đảm bảo các yêu cầu về dòng, áp, công suất, nhiệt độ. Hình 3.Mạch khuếch đại emitơ chung. UN, RN 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 IB, IC, UBE,UCE. Trong đó thường cho biết trước 1 tham số.Ví dụ cho trước IC 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 =(,). - Họ đặc tuyến ra = (,). - Quan hệ ràng buộc được xác định bởi đường tải tĩnh IC=f3(UCE). Nếu giả sử IC=IE thì Đường tải tĩnh có độ dốc : 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 RC+RE thì đường tải tĩnh quay xung quanh điểm P còn khi thay đổi điện áp cung cấp nguồn UCC 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 IC0 và IB0.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. -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) 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: -Hệ số khuếch đại dòng điện: -Trở kháng vào: -Trở kháng ra: -Hệ số khuếch đại điện áp toàn phần: Thông thường chọn >> 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 =T/2=1800.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 900<1800. * Mạch khuếch đại công suất loại B. Ứng với =900. Điểm làm việc tĩnh được xác định tại UBE=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. 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. T1 C B E 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. IB=(1-)IE. IC1=1.IB1. IC2==2.IB2=2.IE1=2.(1+1).IB2. IC=IC1+IC2=(1+2+1.2).IB1. =1+2+1.2. Khi 2 transistor chế tạo trên cùng một đế bán dẫn thì 1=2=. 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 đơn là: trở kháng vào cao hơn. 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 bazo-emito của sơ đồ Darlington cũng như mức trôi của điện áp này lớn gấp đôi so với trường hợp dùng một transistor. - Để có hỗ dẫn lớn thường chọn IB1>IB2. Cửa thuận nối đất nên Up=0; giả thiết ic lí tưởng nên K0 =đạt giá trị vô cùngUp-Un =0Up=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. 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 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 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: KĐĐA KĐCS tín hiệu vào tín hiệu ra II.2. Thiết kế mạch khuếch đại âm thanh II.2.1. Sơ đồ nguyên lý mạch: 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. - Nguồn cung cấp: công suất trung bình tính trên tải được tính theo công thức. PL=I2PL.RL=V2.RL/2.(R9+RL) Ta sẽ chọn giá trị R9<< RL bởi vậy ta có thể tính gần đúng: VLP max =(RL*2*PL)1/2=(2*8*4)1/2=7v Trong mạch VLP max=Vcm/2, với hệ số sử dụng điện áp =Vcm/ Vcc=0.9, ta chọn nguồn Vcc=Vcm/0.9=2*Vlp/=2*7/0.9=15v. Chọn các giá trị điện trở Công suất tiêu tán tối đa trên 2 transistor Q3 và Q4 Ta có Pc=Pcc-Pl mà Pcc=Pstb=Vcc*Istb= Vcc*Vp/*(R9+Rl). Pc=Vcc*Vp/*(R16+Rl)-V2p*Rl/2**(R16+Rl)2 Pcmax=Vcc2/2**Rl vậy công suất tối đa trên mỗi transistor Q3 và Q4 là Pc3 max=Pc4 max = Vcc2/4*2*Rl =0.7w Lúc này hệ số phẩm chất của transistor Pcmax/Plmax=0.7/4=0.2 Chọn các giá trị trở R9 và R10 có tác dụng ổn định nhiệt,tạo dòng hồi tiếp để cân bằng đẩy kéo dòng qua tải cũng chính là dòng qua các trở này ở từng bán kỳ bởi vậy để không ảnh hưởng đến công suất của tải ta thường chọn R9 và R10 =1Ω * Tầng tiền khuyếch đại và tầng hồi tiếp: Qua sơ đồ mạch ta nhận thấy rằng có đến 2 mối nối BE cần được bù nhiệt, bởi vậy ta chọn 2 diot để thực 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 * Khảo sát tụ điện và băng thông của mạch Tụ C5 phải tích điện tốt do tần số cắt thấp là 100hz nên chọ giá trịC5=2200uf F1(c5) =1/2*(rl+re)*c5 Tụ liên lạc cin=nối tín hiệu điện áp và tầng nhận tín hiệu vào, để không gây méo tín hiệu ta chọn cin sao cho cin=1/2*(*fl*zin)= 10uf II.2.3. Tác dụng linh kiện: - C1 : Dẫn tín hiệu vào. - C6 : Tụ lọc nguồn chính, giá trị của C6 phụ thuộc vào dòng tải, nói cách khác phụ thuộc vào công suất hoạt động của mạch. Mạch có công suất càng lớn, ăn dòng càng lớn thì C6 phải có giá trị càng cao . Nếu không, sẽ gây hiện tượng “đập mạch” có nghĩa là điện áp trên C6 bị nhấp nhô và loa sẽ phát sinh tiếng ù_gọi là ù xoay chiều. Nếu điện áp nuôi mạch được cấp bởi biến áp 50Hz sẽ nghe tiếng ù (như còi tầm), nếu cấp bằng biến áp xung tần số cao sẽ nghe tiếng rít. - R5-C3 : Hợp thành mạch lọc RC ổn định nguồn cấp và 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. - 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 làm việc ở chế độ A (tương ứng Ube Q1 ~0.8V đối với BTJ gốc silic). Đồng thời R2 phải được chọn có giá trị bằng trở kháng ra 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 dòng điện có tác dụng ổn định hệ số khuyếch đại dòng điện cho Q1, giảm nhỏ hiện tượng méo biên độ. Khi điều chỉnh giá trị của C4 sẽ thay đổi hệ số khuyếch đại của Q1, nói cách khác điều chỉnh C4 sẽ làm mạch kêu to, nhỏ. - Q1 : Khuyếch đại tín hiệu vào, được mắc theo kiểu E chung. - Q2 : Đóng vai trò khuyếch đại tiền công suất được mắc kiểu C chung. Tín hiệu ra ở chân E cấp cho 2 BJT công suất. Ở đây, thực chất ko có tín hiệu xoay chiều nào hết, chỉ có điện áp một chiều thay đổi (lên xuống) quanh mức tĩnh ban đầu. Tín hiệu ra ở chân E Q2 được dùng kích thích (thông qua thay đổi điện áp) cho Q3, Q4. - Q3, Q4 : Cặp BJT công suất được mắc theo kiểu “đẩy kéo nối tiếp“. Hai BJT này thay nhau đóng/mở ở từng nửa chu kỳ của tín hiệu đặt vào. Q3 dùng PNP, Q4 dùng NPN nhưng phải có thông số tương đương nhau. Kiểu mắc Q2, Q3, Q4 như trên gọi là “đẩy kéo nối tiếp tự đạo pha” - R9, R10 : Điện trở cầu chì, bảo vệ Q3, Q4 khỏi bị chết khi có 1 trong 2 BJT bị chập. - D1, D2 : Ổn định nhiệt, bảo vệ tránh cho Q3, Q4 bị nóng. - PR1 : 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 thì điện áp điểm C là 7.5V), điện áp tại điểm C gọi là “điện áp trung điểm“. - Tụ C5 được nối vào điểm C. Điện áp ban đầu trên tụ chính bằng điện áp điểm C (7.5V) * Khi tín hiệu vào ở bán kỳ dương (+): - Điện áp chân B Q1 tăng → Q1 mở thêm, dòng IcQ1 tăng → sụt áp trên R4 (UR4 = R4xIcQ1) tăng làm cho UcQ1 giảm. Độ giảm của UcQ1 tỷ lệ thuận với biên độ tín hiệu vào. - Vì chân CQ1 nối trực tiếp chân BQ2 nên khi UcQ1 giảm thì UbQ2 giảm theo làm cho Q2 khóa bớt, như vậy dòng IcQ2 giảm xuống dẫn đến điện áp tại điểm A(UA) và điểm B(UB) đều giảm. - Q3 là PNP, Q4 là NPN do vậy khi UA giảm thì độ mở Q3 tăng (mở thêm), UB giảm thì độ mở Q4 giảm (khóa bớt). - Vì Q3 mở thêm, Q4 khóa bớt làm cho điện áp tại điểm C tăng lên dẫn tới tụ C5 (ban đầu là 7.5V) nạp, dòng nạp cho C5 đi từ (+) nguồn 15V → CEQ3 → R9 → C5 → loa → mass. Dòng nạp qua loa là đi xuống. Điện áp trên tụ C5 lúc này lớn hơn 7.5V. * Khi tín hiệu vào ở bán kỳ âm (-) - Điện áp chân B Q1 giảm → Q1 khóa bớt, dòng IcQ1 giảm → sụt áp trên R4 (UR4 = R4xIcQ1) giảm làm cho UcQ1 tăng. Độ tăng của UcQ1 tỷ lệ thuận với biên độ tín hiệu vào. - Vì chân CQ1 nối trực tiếp chân BQ2 nên khi UcQ1 tăng thì UbQ2 tăng theo làm cho Q2 mở thêm, như vậy dòng IcQ2 tăng lên dẫn đến điện áp tại điểm A(UA) và điểm B(UB) đều tăng. - Q3 là PNP, Q4 là NPN do vậy khi UA tăng thì độ mở Q3 giảm (khóa bớt), UB tăng thì độ mở Q4 tăng (mở thêm). - Vì Q3 khóa bớt, Q4 mở thêm làm cho điện áp tại điểm C giảm lên dẫn tới tụ C5 phóng, dòng phóng của C5 đi từ (+) tụ → R10 → CQ4 → mass → loa → (-)C5. Dòng phóng qua loa là đi lên. Kết luận : Như vậy, với cả chu kỳ của tín hiệu vào ta thu được 2 dòng điện liên tục đi xuống/đi lên ở loa, đó chính là tín hiệu xoay chiều ra loa. Cường độ 2 dòng này tỷ lệ thuận với biên độ tín hiệu xoay chiều vào mạch. Sơ đồ thời gian: 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 sức mình, thu nhập kinh nghiệm cho các lần làm đồ án sau được tốt hơn. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Anh Quỳnh và các thầy giáo, cô giáo đã nhiệt tình hướng dẫn và truyền đạt kiến thức trong suốt quá trình học tập và thực hiện đồ án này. Sinh viên thực hiện