chương 1 Câu 1: Định nghĩa âm thanh xác định biểu thức bước sóng cho ví dụ minh họa? Câu 2: Tìm hiểu và so sánh các sơ đồ của Audio đa kênh? Câu 3: Thế nào là đo biên độ của âm tần? Câu 4: Tình bày cấu tạo của micro và loa điện động? 7 Chương 2 MẠCH KHUẾCH ĐẠI AUDIO BIÊN ĐỘ NHỎ 2. Đặc trưng cơ bản Mạch khuếch đại có ký hiệu như hình 2-1 Năng lượng ở ngõ vào và ra thường được gọi là tín hiệu vào và tín hiệu ra. Tín hiệu vào và tín hiệu ra có thể ở dạng điện áp hay cường độ dòng điện và được ký hiệu là Vi, Vo hay Ii, Io Hình 2-1. Ký hiệu của mạch khuếch đại Những đặc trưng cơ bản của mạch tiền khuếch đại âm tần: Hệ số khuếch đại A (dB) Đặc tính truyền đạt tần số và đặc tính pha Đặc tính biên độ Dải động và mức nhiễu Méo phi tuyến.2 Hệ số khuếch đại A (dB) Hệ số khuếch đại điện áp của mạch được định nghĩa: 𝑉 𝐴𝑉 = 0 (2.1) 𝑉𝑖 Trong việc chuẩn hóa, độ khuếch đại thường được tính theo đơn vị dB bởi công thức: 𝑃 𝐴𝑃 (𝑑𝐵) = 10𝑙𝑜𝑔 0 (log 10 = 1; log 1 = 0) 𝑃𝑖 𝑈0 2 𝑅0 𝑈0 2 → 𝐴𝑃 (𝑑𝐵) = 10𝑙𝑜𝑔 𝑈 2 = 10𝑙𝑜𝑔 (𝑑𝑜 𝑅0 = 𝑅1 ) 𝑖 𝑈𝑖 2 𝑅𝑖 𝑈0 2 𝑈0 → 𝐴𝑃 (𝑑𝐵) = 10𝑙𝑜𝑔 ( ) = 20𝑙𝑜𝑔 𝑈𝑖 𝑈1 2.
Đặc tính truyền đạt A (dB) Hệ số khuếch đại điện áp Av thường được tính ở tần số chuẩn của âm tần là 1kHz, trong khi đặc tính truyền đạt mô tả dạng tín hiệu ra theo tín hiệu vào trong suốt dải âm tần (từ 20Hz đến 20kHz) và được biểu thị bằng hệ số truyền đạt K. Hệ số truyền đạt K được tính bằng tỉ lệ giữa độ lợi ở tần số đang xem xét Ai với độ lợi ở tần số chuẩn (1kHz) Ao.2) 𝐴0 8 hay K(dB) = 20log K Méo dạng tín hiệu do biên độ ra không đều trong suốt dải tần, gọi là méo tần số, được tính bằng dB. Méo dạng tín hiệu do sự dịch pha tín hiệu ra, gọi là méo pha. Đáp ứng biên độ Hình 2-3.
Đáp ứng pha Sự méo pha thường xảy ra ở vùng tần số thấp và tần số cao. Hai loại méo trên xảy ra trên các linh kiện tuyến tính được gọi chung là méo tuyến tính. Đặc tính biên độ - Dải động -Nhiễu Đặc tính biên độ của mạch khuếch đại là quan hệ giữa điện áp ra theo điện áp vào (Vo/Vi). Hình vẽ 2-4 cho thấy nếu điện áp vào Vi nhỏ dưới mức Vimin thì sẽ có nhiễu xuất hiện ở ngõ ra.
Phạm vi làm việc tốt nhất của mạch khuếch đại là đoạn tuyến tính. Nếu điện áp vào Vi vượt quá mức Vimax thì sẽ có hiện tượng quá tải ngõ vào và gây ra méo dạng tín hiệu. Nhiễu trong trường hợp này là nhiễu nội của linh kiện điện tử phi tuyến và nhiễu tạp âm nhiệt. Tỉ số giữa điện áp vào cực đại và cực tiểu gọi là dải động của tín hiệu theo định nghĩa: 𝑉𝑖𝑚𝑎𝑥 𝐷𝑠 = (2.3) 𝑉𝑖𝑚𝑖𝑛 Còn tính theo đơn vị dB: Ds(dB) = 20log Ds Hình 2-4.
Đặc tính biên độ Như vậy để tránh bị nhiễu ở ngõ ra và tín hiệu bị méo dạng, dải động của mạch 9 khuếch đại phải bằng hay lớn hơn dải động của tín hiệu vào. Méo phi tuyến Méo phi tuyến là do các đặc tuyến ngõ vào và ra của linh kiện điện tử không thẳng. Khi mạch khuếch đại phi tuyến sẽ làm méo dạng tín hiệu hình sin ởngõ vào và ngõ ra sẽ xuất hiện nhiều hài (họa tần) bậc cao có biên độ lớn. Méo sóng hài được biểu thị bằng hệ số sóng hài Kh và có thể tính theo điện áp hay đòng điện, đơn vị tính bằng %.6) 𝑉𝑖 Thông thường méo hài cho phép từ 5-7%.
Ampli chất lượng cao thì từ 1-2%. Nguồn tín hiệu âm tần Nguồn tín hiệu âm tần thường là micro, đầu từ, đầu đĩa. nên có biên độ rất nhỏ khoảng vài mV đến vài chục hay vài trăm mV. Tín hiệu này cần được khuếch đại lên đủ lớn trước khi đưa vào các mạch xử lý, chọn lọc hay điều chế.
Mạch tiền khuếch đại âm tần thường dùng transistor lưỡng cực hay các mạch khuếch đại thuật toán chuyên dùng. Một số trường hợp dùng transistor trường ứng để có tổng trở ngõ vào lớn. Transistor là linh kiện phi tuyến nhưng khi xét trong phạm vi biến thiên nhỏ thì mức độ phi tuyến ảnh hưởng không lớn nên có thể xem như mạch tuyến tính. Trong các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ, transistor được vẽ thành mạch tương đương gồm có các điện trở và nguồn dòng điện để có thể tính toán và phân tích nguyên lý theo lý thuyết của mạch tuyến tính.
Khuếch đại hạng A Để khuếch đại trung thực các tín hiệu Audio có biên độ nhỏ, các mạch khuếch đại được phân cực họat động ở hạng A. Phân cực hạng A Transistor khuếch đại hạng A được phân cực làm việc trong khoảng giữa của vùng khuếch đại. Điện áp phân cực ở ngõ vào: Vbe = 0,7V (transistor Si), Vbe = 0,2V (transistor Ge) Điện áp phân cực ở ngõ ra: VCE = l/2Vcc 2. Đặc tuyến ngõ vào IB/VBE Mạch khuếch đại hạng A có điểm hoạt động tĩnh Q ở khoảng giữa của đặc 10 tuyến (VB = 0,7V cho transistor Si, VBE =2V cho transistor Ge).
Khi nhận tín hiệu xoay chiều ở cực B, dòng điện IB sẽ thay đổi theo tín hiệu xoay chiều này (hình 2-5a). Đặc tuyến ngõ vào ở hạng A 2. Ðặc tuyến ngõ ra IC/VCE Mạch khuếch đại hạng A có điểm hoạt động tĩnh Q ở giữa đường tải và VCE = l/2Vcc. Khi dòng điện thay đổi theo tín hiệu xoay chiều sẽ làm cho dòng điện Ic thay đổi và kéo theo điện áp VCE cũng thay đổi (hình 2-5b).
Đặc tuyến ngõ ra ở hạng A Các đặc điểm của mạch khuếch đại hạng A là: Khuếch đại trung thực tín hiệu xoay chiều (khuếch đại được cả hai bán kỳ của tín hiệu xoay chiều hình sin). Dùng cho các mạch khuếch đại tín hiệu có biên độ nhỏ. Mạch khuếch đại hồi tiếp Mạch khuếch đại có ký hiệu dạng sơ đồ khối, khi có tín hiệu điện áp vs ở ngõ vào sẽ cho ra tín hiệu vo ở ngõ ra. Tỉ số Av = vo/VS được gọi là độ khuếch đại điện áp như đã trình bày trong chương trước.
Mạch khuếch đại kiểu này còn gọi là khuếch đại vòng hở để phân biệt với mạch khuếch đại hồi tiếp, độ khuếch đại điện áp của mạch khuếch đại vòng hở được ký hiệu là Avo (o: open).7) 𝑉𝑆 𝑉𝑖 Mạch hồi tiếp là mạch lấy một phần năng lượng ở ngõ ra đưa về cung cấp lại cho ngõ vào để điều chỉnh lại các thông số và chỉ tiêu kỹ thuật của mạch khuếch đại. Mạch hồi tiếp trong sơ đồ khối được viết tắt là FB do chữ “Feed Back”. Đối với mạch hồi tiếp, tín hiệu vào chính là tín hiệu ra của mạch khuếch đại (có thể là Vo hay Io), tín hiệu ra của mạch hồi tiếp ký hiệu là Vf được đưa vào mạch khuếch đại chung với tín hiệu Vi. Tỉ số giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào của mạch hồi tiếp được gọi là hệ số hồi tiếp ký hiệu là b.8) 𝑉𝑂 Mạch khuếch đại có đường hồi tiếp được gọi là mạch khuếch đại hồi tiếp (hay mạch khuếch đại vòng kín).
Tỉ số giữa điện áp ra v0 và điện áp nguồn vs bây giờ gọi là độ khuếch đại hồi tiếp ký hiệu là Avf (F tức Feed Back). Phân loại mạch hồi tiếp Có thể phân loại mạch hồi tiếp theo ba cách: theo tác dụng khuếch đại, theo dạng tín hiệu và theo cách ghép giữa tín hiệu hồi tiếp và tín hiệu vào. Theo tác dụng khuếch đại Mạch hồi tiếp dương: khi có hồi tiếp sẽ làm tăng độ khuếch đại điện áp. Trường hợp này ta có: AVF > Avo Mạch hồi tiếp âm: khi có hồi tiếp sẽ làm giảm độ khuếch đại điện áp.
Trường hợp này ta có: AVF < Avo 2. Theo dạng tín hiệu hồi tiếp Mạch hồi tiếp điện áp: mạch lấy điện áp ra V0 để tạo điện áp hồi tiếp Vf đưa trở lại ngõ vào. Mạch hồi tiếp dòng điện: mạch lấy dòng điện ra i0 để tạo điện áp hồi tiếp Vf đưa trở lại ngõ vào. Theo cách ghép với tín hiệu vào Hồi tiếp song song: khi điện áp nguồn tín hiệu Vs và điện áp hồi tiêp Vf ghép song song nhau.
Nói cách khác, hồi tiếp song song là khi hai tín hiệu Vs và Vf cùng đưa vào một cực của transistor. Trường hợp này ta có: Vi = Vs + Vf => Vs = Vi - Vf 12 Hồi tiếp nốì tiếp: khi điện áp nguồn tín hiệu Vs và điện áp hồi tiếp Vf ghép nối tiếp nhau. Nói cách khác, hồi tiếp nối tiếp là khi hai tín hiệu Vs và Vf đưa vào hai cực khác nhau của một transistor. Thí dụ: Vs đưa vào cực B còn Vi đưa vào cực E của cùng một transistor.
Trường hợp này ta có: Vi = Vs – Vf => Vs = Vi + Vf Một mạch hồi tiếp có tên gọi đủ gồm cả ba phần theo ba cách phân loại trên. Thí dụ: - Mạch hồi tiếp âm dòng điện ghép nối tiếp - Mạch hồi tiếp âm điện áp ghép song song. Cách xác định loại hồi tiếp 2. Công thức tổng quát Trong mạch khuếch đại vòng hở ta có: 𝑉𝑂 𝑉𝑂 Avo = = (nội trở rs của nguồn thường nhỏ) (2.9) 𝑉𝑆 𝑉𝑖 Trong mạch khuếch đại hồi tiếp, nếu chỉ xét từ ngõ vào đến ngõ ra thì độ khuếch đại điện áp chính là độ khuếch đại vòng hở Avo là: 𝑉𝑂 𝑉𝑂 Avo = = => 𝑉𝑂 = 𝑉𝑖 .10) 𝑉𝑆 𝑉𝑖 Trường hợp xét từ nguồn Vs đến ngõ ra Vo bao gồm cả mạch hồi tiếp thì độ khuếch đại hồi tiếp là: 𝑉𝑖 .11) 𝑉𝑖 ±𝑉𝑓 𝑉𝑖 ±𝑏𝑣𝑜 𝑉𝑖 ±𝑏𝑣𝑖 𝐴𝑣0 𝐴𝑣0 => AVF = 1±𝑏𝐴𝑣0 Gọi mẫu số 1 ± b.Avo là thừa số hồi tiếp F, ta có: 𝐴𝑣0 F = 1 ± bAv0 ; AVF = (2.
Trường hợp F = 1 - b.Avo Trong phần này, nếu vs và Vf đồng pha ta có: 𝑉𝑜 Vi = Vs + Vf => Vs = Vi – Vf => A VF = (2.13) 𝑉𝑖 −𝑉𝑓 𝐴𝑣0 Suy ra: AVF = và F =1 - bAv0 1−𝑏𝐴𝑣0 Ta có các trường hợp sau: - Nếu F = 1 - b.Avo > 1 => AVF < Avo Mạch hồi tiếp có tác dụng làm giảm độ khuếch đại nên là mạch hồi tiếp âm. Avo < 0, nghĩa là b và Avo trái dấu. Avo < 1 => AVF > Avo Mạch hồi tiếp có tác dụng làm tăng độ khuếch đại nên là mạch hồi tiếp dương.