báo cáo thí nghiệm mạch điện tử

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN MẠCH ĐIỆN TỬ TP HCM, năm 2022 I Mục tiêu thí nghiệm Bài thí nghiệm giúp nhóm kiểm chứng nguyên lý hoạt động và các thông số cơ bản của mạch khuếch đại ghép vi sai dùng BJT Những số liệu sai lệch khi tính toán lý thuyết và đo được trên thực tế đã đưa ra nhiều câu hỏi giúp nhóm tìm hiểu và hiểu thêm hơn về sự sai số trong môi trường thực nghiệm ( Các phân tích cụ thể được nhóm trình bày trong mục V ) Trong quá t.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

MÔN: MẠCH ĐIỆN TỬ

TP.HCM, năm 2022

Mục tiêu thí nghiệm:

- Bài thí nghiệm giúp nhóm kiểm chứng nguyên lý hoạt động và các thông số cơ bản của mạch khuếch đại ghép vi sai dùng BJT Những số liệu sai lệch khi tính toán lý thuyết và đo được trên thực tế đã đưa ra nhiều câu hỏi giúp nhóm tìm hiểu

và hiểu thêm hơn về sự sai số trong môi trường thực nghiệm ( Các phân tích cụ thể được nhóm trình bày trong mục V )

- Trong quá trình thí nghiệm, bài thí nghiệm đã giúp các thành viên trong nhóm thành thạo hơn trong việc sử dụng các dụng cụ thí nghiệm (dao động ký, máy đo

đa năng ), nắm rõ các quy tắc an toàn trong phòng thí nghiệm

- Bài thực hành thí nghiệm giúp rèn luyện cho các thành viên khả năng làm việc nhóm chung,

- phân chia và sắp xếp công việc hợp lý, đặc biệt hơn hết là rèn luyện khả năng xử

lý vấn đề khi nhóm gặp những sự cố trong quá trình thực hiện lắp mạch và đo đạc

II.

Các lý thuyết phải kiểm chứng:

- Mạch khuếch đại vi sai với ở cực phát

- Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát.

1 Chức năng:

- Có khả năng khuếch đại các tín hiệu có tần số nhỏ ( tín hiệu một chiều, có tần

số vài Hz), giảm thiểu tiếng ồn do linh kiện và sự cản trở từ bên ngoài Liên kết giữa các tầng mà không cần dùng đến tụ

- Khuếch đại vi sai được sử dụng để khuếch đại tín hiệu có tần số giới hạn dưới nhỏ ( tới vài Hz), gọi là tín hiệu biến thiên chậm hay tín hiệu một chiều

- Khuếch đại vi sai là cơ sở xây dựng khuếch đại thuật toán sử dụng OP-Amp

2 Nguyên lý hoạt động:

- Khuếch đại vi sai có tín hiệu ra không tỉ lệ với trị tuyệt đối của tín hiệu vào

mà tỉ lệ với hiệu hai tín hiệu vào

- Mạch khuếch đại vi sai có hai điện áp ngõ vào Nếu đặt hai điện áp đó các tín hiệu bằng nhau về độ lớn, mạch sẽ phản ứng với tín hiệu ngược pha và không phản ứng với tín hiệu đồng pha

3 Thông số mạch:

- Mạch gồm hai BJT giống nhau về thông số nguồn dòng Emitter và điện áp các chân, các điện trở mắc vào các chân C,B của hai BJT giống hệt nhau Điện trở mắc chung vào chân E của hai BJT ( đối với mạch khuếch đại vi sai ở cực phát) và bộ BJT và các điện trở đóng vai trò như nguồn dòng ( đối với các mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát ) Tải mắc vào chân C của BJT thông qua tụ

- BJT 2SD468 có các thông số mạch ở:

• Tụ: ngăn cản ảnh hướng của tải đối với mạch DC

• Điện trở: điện trở hồi tiếp âm, giúp ổn định phân cực chân C, giảm luồng biến thiên dòng ở cực phát

• Nguồn dòng có tổng trở rất lớn, làm giảm CMRR ( hệ số triệt tiêu dòng đồng pha), tăng khả năng ứng dụng của mạch vi sai

• Có hfe từ 85-240; VCE,sat =0.2(V); VBE=0.8 V

• Sử dụng nguồn DC: -12V; 12V

4 Tính toán lý thuyết:

Mạch khuếch đại vi sai với RE ở cực phát

Tìm điểm phân cực tĩnh DC

Ta có: VE1=VE2=RE*(IE1+IE2)-12=2IE1*RE -12=2*IE2*R2 -12

Do mạch hoàn toàn đối xứng, ta tách thành 2 nhánh mạch với R’E=2RE

Giả sử cả hai BJT đều hoạt động ở chế độ tích cực thuận

Xét KVL tại vòng BE

IB*RB1 +VBE+2RE*IE-12=0

IB= 1

12

2( 1)

BE

V

−

=

12 0.7 1.2 2(238 1)5.6

−

=0.0042(mA) ( các giá trị hfe, VBE lấy trong datasheet)

 IE1=IE2=1.01(mA)

IC1=IC2= 1

β

β +

IE1=1 (mA) VCE1=VCE2=12-(-12) -IC1(RC1+2RE)=7.2 (V)

Ta thấy VCE1=VCE2=7.2 (V) >VCE,sat nên giả định đặt ra ban đầu là đúng Vậy Q1=(1.5mA; 7.2V) và Q2=(1.5mA; 7.2V)

Xét mạch ở chế độ AC:

Do cả 2 BJT đều được phân cực ở điểm tĩnh như nhau nên

gm1=gm2=gm=

CQ

T

I V

rπ =rπ =rπ

=gm

β

=6 kΩ Xét KCL tại E ta có:

E

v

gm v gm v



E

v

Mặt khác:

1

B

v v v

π

−

= +

;

2

B

v v v

π

−

= +

Vì vậy: (v1+v2-2vCE)

1

B

β π

+ +

=

E E

v R

 vE=

1 2 2

(1 )

B E

v v

R

π β

+ + + +

Ta có : v1=vcm+ vd/2 ; v2=cm-vd/2  vE=

1 2(1 )

B E

vcm

R

π β

+ + +

Vo= -gm* vπ2

*(RC||RL) =-gm*(RC||RL)

( 2 E)

B

r

v v

R r

π

+

=-gm*(RC||RL)

2 1

2( 1)

d

B B

E

v

vcm

R r

R r

R

π

π

π

β

+

= Advd+Acm*vcm

Từ đó suy ra

Av= gm(RC||RL)

2*( B)

r

π

π+

=

( || )

B

β

π +

=63.6 (V/V)

Acm=

( || ) 2( 1)

β

−

=-0.5 (V/V)

Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát

Tìm điểm phân cực DC

Sử dụng tương đương Thevenin ta được

RTH= RJ1||RJ2=3.4 kΩ

VTH=

1

1 2

RJ

RJ +RJ

(-12)= -6 (V) Giả sử các BJT đều hoạt động ở miền tích cực

Xét KVL ta có:

2*IE1=2*IE2=IC3=β

IB3=1.94 (mA)

 IE1=IE2 = 0.97 (mA)

IB=

12

( 1)

+ −

+ +

=0.008(mA)  IC1=IC2=

1

1I E

β

β +

=0.968 (mA) KVL: IB1RB1 +VBE+VCE3+IE3RE3=12  VCE3=6.06 (V)

12=IC1RC1+VCE1+VCE3+IE3RE3-12  VCE1=VCE2=7.28 (V)

Ta thấy VCE1=VCE2 > VCE,sat ; VCE3>VCE,sat nên giả định đặt ra là đúng

Xét mạch ở chế độ AC

Ad=

( || )

B

β

π +

=61.9 (V/V)

Acm=

( || ) 2( 1)

β

−

Ta có :

Ro=ro=

A

C

V

I

; trong đó VA là điện áp Early, VA  ∞ nên Ro  ∞

Do đó Acm  0

III Lựa chọn các dữ liệu đầu vào và các phương pháp đo đạc các đại lượng:

1 Lựa chọn các dữ liệu đầu vào:

- Các thông số mạch DC như hệ số khuếch đại hfe và không chọn theo thông số mạch của BJT 2SD468 mà chọn theo giá trị đo được trong thí nghiệm và

dùng số liệu này để tính toán lý thuyết Nguyên nhân là do ảnh hưởng của nhiệt độ lúc khảo sát lên các thông số mạch cũng như sự sai lệnh thông số đối với từng loại mạch điện

- Chọn hai giá trị điên trở nối vào máy phát sóng trong mạch đo độ lợi vi sai

là 33Ω, rất nhỏ so với giá trị điện trở (=1k2Ω) Mục đích là để tạo giá trị ngược pha cho hai giá trị áp ngõ vào Gía trị điện trở chọn rất nhỏ để không làm ảnh hưởng đến thông số mạch

- Các giá trị tụ điện, điện trở, BJT, nguồn DC còn lại ta chọn theo các giá trị trong danh sách linh kiện bên dưới

2 Hướng dẫn đo các đại lượng trong mạch khuếch đại E chung:

a Đo phân cực tĩnh DC: khi đo phân cực phải ngắn mạch nguồn AC (tháo hai dây nối của máy phát sóng ra khỏi hai điểm tương ứng trên mạch, sau đó dùng dây nối ngắn mạch hai điểm này lại với nhau) Thiết bị đo áp, dòng phải được

để ở chức năng DC

b Đo độ lợi áp của mạch:

- Cho mạch hoạt động ở chế độ AC, nhưng không được phép tháo bỏ nguồn

nuôi DC (không có nguồn nuôi mạch sẽ không hoạt động)

- Chỉnh tín hiệu nhỏ: quan sát ngỏ ra của mạch khuếch đại bằng dao động ký, tăng biên độ của máy phát sóng tới khi thấy ngõ ra bị méo dạng (thường có dạng bị xén một hoặc hai đỉnh của tín hiệu) Sau đó, tiến hành giảm biên độ máy phát sóng và quan sát ngõ ra tới khi nào ngõ ra không còn méo dạng, khi

đó mạch đang ở chế độ tuyến tính mới có thể đo độ lợi áp được Lưu ý có thể chọn nhiều giá trị biên độ của ngõ vào để đo độ lợi áp sau đó lấy giá trị trung bình

- Chỉnh tần số dãy giữa: Dùng dao động ký quan sát đồng thời ngõ vào và ngõ

ra của mạch khuếch đại Máy phát sóng đặt ở tần số thấp (vài chục Hz), sau đó tăng dần tần số tới khi nào quan sát thấy hai tín hiệu cùng pha (đỉnh cực đại hoặc cực tiểu của hai tín hiệu nằm trên cùng một đường thẳng đứng) hoặc ngược pha (đỉnh cực đại và cực tiểu của hai tín hiệu nằm trên cùng một đường thẳng đứng) Những tần số thỏa điều kiện trên đều thuộc tần số dãy giữa Lưu ý

có thể chọn nhiều giá trị tần số dãy giữa để đo độ lợi áp sau đó lấy giá trị trung bình

- Xác định độ lợi áp bằng cách lấy tỉ số biên độ (nên dùng trị đỉnh – đỉnh) của ngõ ra với ngõ vào

c Đo trở kháng vào của mạch:

- Đảm bảo mạch hoạt động ở chế độ AC, tín hiệu nhỏ, tần số dãy giữa

- Với hai giá trị Ri khác nhau biết trước (giả sử là Ri1, Ri2), giữ nguyên biên

độ máy phát sóng lần lượt đo trị đỉnh - đỉnh của ngõ ra giả sử là VO1 và VO2 Khi đó ta có (Ri1+Zi)/(Ri2+Zi)=VO2/VO1 Từ đây tính ra giá trị Zi, lưu ý có thể chọn các Ri khác nhau để đo Zi sau đó lấy trị trung bình

d Đo trở kháng ra của mạch:

- Đảm bảo mạch hoạt động ở chế độ AC, tín hiệu nhỏ, tần số dãy giữa

- Với hai giá trị RL khác nhau biết trước (giả sử là RL1, RL2), giữ nguyên biên độ máy phát sóng lần lượt đo trị đỉnh - đỉnh của ngõ ra giả sử là VO1 và VO2 Khi đó ta có RL2(RL1+ZO)/RL1(RL2+ZO)=VO2/VO1 Từ đây tính ra giá trị ZO, lưu ý có thể chọn các RL khác nhau để đo ZO sau đó lấy trị trung bình

3 Moduel sử dụng:

IV Các kết quả thí nghiệm:

1 Đo phân cực tĩnh DC

Mạch khuếch đại vi sai với RE ở cực phát

Xét điểm phân cực tĩnh của:

BJT Q1: IC1=0.966mA;

IB1=0.0041mA;

IE1=0.9701mA;

VCE1=7.4091 V

VBE1= 0.722V

Độ lợi áp hfe được đo chính xác theo công thức: hfe==235.6

BJT Q2: IC2=1.0222mA;

IB2=0.0042mA;

IE2=1.0264mA;

VCE2=6.799 V

VBE2= 0.539V

Độ lợi áp hfe được đo chính xác theo công thức: hfe==237.6

NHẬN XÉT:

• Kết quả tính toán phân cực của 2 con BJT tuy có sai số so với tính toán

lý thuyết nhưng vẫn đảm bảo cả 2 đều được phân cực ở chế độ phân cực thuận

• Độ lớn hệ số hfe của cả 2 con BJT gần như xấp xỉ bằng nhau Sự chênh lệch đền từ kết quả đo IB rất nhỏ nhưng IC lại rất lớn, do đó sự thay đổi nhỏ của IB có thể ảnh hưởng đến hfe

Nhận xét kết quả đo:

Kết quả đo có sự sai lệch nhỏ so với lý thuyết, nguyên nhân có thể là do:

• Sai số trong điện trở và BJT

• Điện trở của dây dẫn không lý tưởng

Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát

Xét điểm phân cực tĩnh của:

BJT Q1: IC1=0.943mA;

IB1=0.0041mA;

IE1=0.947mA;

VCE1=7.3513 V

VBE1= 0.741V

BJT Q2: IC2=1.0101mA;

IB2=0.0042mA;

IE2=1.0143mA;

VCE2=6.824 V

VBE2= 0.651V

BJT Q3: IC3=1.8788mA;

VCE3=5.884 V

NHẬN XÉT:

• Kết quả tính toán phân cực của 3 con BJT tuy có sai số so với tính toán

lý thuyết nhưng vẫn đảm bảo cả 3 đều được phân cực ở chế độ phân cực thuận

• Độ lớn hệ số hfe của cả 2 con BJT gần như xấp xỉ bằng nhau Sự chênh lệch đền từ kết quả đo IB rất nhỏ nhưng IC lại rất lớn, do đó sự thay đổi nhỏ của IB có thể ảnh hưởng đến hfe

2 Đo độ lợi cách chung A cm

Ac=

1 2 2

vo

v +v

=

vo vi

Tiến hành theo module các mạch, ta được bảng giá trị:

Mạch

khuếch

đại vi

sai

V 0 pp V 1 -pp V 2 -pp V cm

A cm (V/V)

Lý thuyết

Thực nghiệm

R E ở cực

Nhận xét kết quả đo:

Kết quả đo có sự sai lệch nhỏ so với lý thuyết, nguyên nhân có thể là do:

• Sai số trong điện trở và BJT

• Điện trở của dây dẫn không lý tưởng ( điện trở khác 0)

3 Đo đội lợi vi sai A d

vo

v −v

= 2

vo vi

Tiến hành theo module các mạch, ta được bảng giá trị:

Mạch khuếch đại vi sai

R E ở cực phát

Nguồn dòng ở

cực phát Nhận xét kết quả đo:

Kết quả đo có sự sai lệch nhỏ so với lý thuyết, nguyên nhân có thể là do:

• Sai số trong điện trở và BJT

• Điện trở của dây dẫn không lý tưởng ( điện trở khác 0)

Hình ảnh đo trên máy dao động kí đo độ lợi cách chung ở phần 2:

- Re ở cực phát

-Nguồn dòng ở cực phát:

V1pp và V2pp Vo

Hình ảnh đo trên máy dao động kí đo độ lợi vi sai ở phần 3:

R E ở cực phát

V1pp và V2pp Vo

KẾT LUẬN CHUNG:

• Nhìn chung, từ lý thuyết và thực nghiệm, mạch khuếch đại vi sai đã thực hiện đúng chức năng khuếch đại của nó

• Cần phải tính toán chính xác hệ số hfe và các thông số DC của BJT, xác định rõ ràng chế độ phân cực Vì một sự sai lệch nhỏ trong các thông số DC của BJT có thể dẫn đến sai sót trong cả quá trình tính toán