Thực tập vô tuyến đại cương - Bài 3 doc

Khảo sát một số sơ đồ ứng dụng các mạch khuếch đại nhiều tầng theo các cách ghép khác nhau.. Điện trở vào và ra của bộ khuếch đại sẽ được tính theo điện trở vào tầng đầu và điện trở ra t

Mục đích: Tìm hiểu về lý thuyết các mạch khuếch đại nhiều tầng Khảo sát một

số sơ đồ ứng dụng các mạch khuếch đại nhiều tầng theo các cách ghép khác nhau

Phần lý thuyết

1 khuếch đại nối tầng

Một bộ khuếch đại thường gồm nhiều tầng mắc nối tiếp nhau như hình

3-1A

N

o

2 1

Rn

En UV1

U r 1 = UV2 U r 2 UV(N-1) U r N

Rt N-1

Hình 3.1A

(vì thực tế một tầng khuếch đại không đảm bảo đủ hệ số khuếch đại cần thiết) ở

đây tín hiệu ra của tầng đệm hay tầng trung gian bất kỳ sẽ là tín hiệu vào tầng sau

nó và tải của 1 tầng là điện trở vào của tầng sau nó Điện trở vào và ra của bộ khuếch đại sẽ được tính theo điện trở vào tầng đầu và điện trở ra tầng cuối

Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại nhiều tầng được tính bằng tích hệ số khuếch đại của mỗi tầng (tính theo đơn vị số lần), hay bằng tổng của chúng tính theo đơn vị dB

N

U U U vN rN v

r n r n

t

U

U U

U E

U E

U

K

2 1 2

2

=

=

) (

) ( )

( )

Mạch ghép giữa các tầng có nhiệm vụ truyền đạt tín hiệu từ một tầng sang tầng tiếp theo sao cho tổn hao trên nó nhỏ nhất Vì điện áp ra tầng trước thường khác với điện áp vào tầng tiếp theo, nên ngoài nhiệm vụ truyền đạt tín hiệu, mạch ghép còn có nhiệm vụ dịch mức để phối hợp mức ra tầng trước với mức vào tầng sau Sau đây ta sẽ giới thiệu một số cách ghép quan trọng nhất

Bài 3

sơ đồ khuếch đại nhiều tầng

1.1 Ghép trực tiếp [hình 3-2A(a)]

Ghép trực tiếp là loại ghép đơn giản nhất Nó truyền đạt được các tín hiệu một chiều và xoay chiều hay được dùng trong các mạch tổ hợp, nhất là các mạch dùng MOSFET Trong cách ghép này, điện thế base tầng sau phụ thuộc vào điện thế collector tầng trước Đây là vấn đề cần lưu ý để chọn điểm làm việc tĩnh khi

sử dụng loại ghép này

1.2 Ghép điện trở [hình 3-2A(b)]

Do các điện trở R1, R2, nên trong mạch ghép có tổn hao và nó tạo ra một mức dịch điện áp nào đó Nếu trong mạch phân áp có thêm phần tử phụ thuộc tần

số, thì mạch ghép này có thể tạo nên một hàm truyền đạt tuỳ ý phụ thuộc tần số Trong thực tế, điện dung vào của transistor tầng sau có tham gia vào mạch ghép,

do đó đây là một mạch ghép phụ thuộc tần số Để truyền các tín hiệu tần số cao, người ta mắc song song với R1 thêm một tụ điện Mạch phải thoả mãn điều kiện

Io (qua R1, R2) >> IB2 sao cho điện thế điểm b hầu như không đổi

Ghép điện trở ít được dùng trong các mạch tổ hợp, vì các điện trở lớn chiếm thể tích lớn Có thể thay đổi R2 bởi một nguồn dòng có điện trở trong vi phân lớn

Do đó ở tần số thấp khi R1 còn nhỏ hơn nhiều so với (RV // R1), thì hầu như không

có sụt áp trên mạch ghép

1.3 Ghép dùng diode zener [hình 3-2A(d)]

Trong mạch phân áp hình 3-2A(b) thay R1 bởi một diode zener , là có ghép diode zener Loại ghép này vẫn tạo ra được một mức dịch điện áp nào đó, trong khi sụt áp trên nó không đáng kể, vì điện trở vi phân của diode zener nhỏ Để cho diode luôn làm việc trong vùng ổn áp, phải có dòng cỡ 1mA chạy qua diode Ghép diode zener đắt hơn các loại ghép khác, nên nó ít được dùng Để giảm giá thành có thể thay zener bởi một hay một số diode thường mắc nối tiếp và

được phân cực thuận hoặc dùng mạch ghép transistor như trên hình 3-2A(c), hình 3-2A(e), transistor ghép có hồi tiếp âm điện áp và nó giữ cho điện áp ra không

đổi Mạch ghép này thường được dùng trong các tầng đẩy kéo

1.4 Ghép RC [hình 3-2A(f)]

Đây là loại ghép được dùng rộng rãi trong các mạch rời rạc Điện dung ghép ngắn mạch tín hiệu từ đầu ra tầng trước tới đầu vào tầng sau Điện thế trên đầu ra tầng trước và trên đầu vào tầng sau có thể chọn tuỳ ý, vì không có dòng một chiều qua tụ ghép Nhược điểm cơ bản nhất là mạch không truyền đạt được tín hiệu có tần số thấp và loại ghép này gây ra di pha có thể ảnh hưởng đến tính ổn định của

bộ khuếch đại, nó ít được dùng trong các mạch tổ hợp vì khó tích hợp được các tụ

có điện dung lớn

o

o

o +

•

•

1

C

R

2

C R

1

E

R

2

E R

(a)

o

o +

T2

o

T1

R1

IB2

→

a

b

•

•

•

•

•

•

(b)

R2

RE

o o

1

r

RV

TÇng

M¹ch ghÐp

•

•

CV

R2

R1

(c)

o +

o

o T1

•

•

•

•

•

•

R2 RV

T2

R1

(d)

a o

a’o

a o

a’o

+

-o +

o −

o

•

•

•

•

•

•

•

R

R

R

R

R

T

T T

T

(e)

o

o

o +

•

•

•

•

• •

•

C

(f)

o

o

o +

•

•

•

R

R

L 1 L 2

(g)

o

o

T1

o +

T3

T2

•

•

•

•

•

•

(h)

o

o +

o

PhÇn tö ghÐp

•

•

•

(k)

o+

RC1

o

vµo 2

o

vµo 1

T2

R5

o−

⎪

⎭

⎪

⎬

⎫

•

•

•

•

RC2

•

T4

T5

(i)

H×nh 3 2A

1.5 Ghép biến áp [hình 3-2A(g)]

Đây là loại ghép cổ nhất Dùng ghép biến áp có thể cách ly được về điện giữa đầu ra và đầu vào và dễ phối hợp trở kháng Tuy nhiên, mạch ghép biến áp

có dải tần làm việc hẹp, có kích thước và trọng lượng lớn, không thể ghép một chiều được và không thể tích hợp được Vì lý do đó hiện nay nó rất ít được dùng 1.6 Ghép transistor bù [hình 3-2A(h)]

Ghép transistor bù [hình 3-2A(h)] không những có thể dịch mức điện áp trong một dải rộng và với cực tính tuỳ ý và còn cho hệ số khuếch đại tín hiệu lớn

Sự khác nhau về điện thế giữa collector T1 và base T2 được khắc phục bởi transistor T3 Loại ghép này thường hay được dùng bởi bộ khuếch đại vi sai [hình 3-2A(i)] Sự dịch mức điện áp về phía dương do bộ khuếch đại vi sai (T1, T2) gây

ra sẽ được bù lại nhờ bộ khuếch đại vi sai bù (T3, T4) và hạ áp của mạch lặp emitter T5 Trong các mạch tổ hợp R3, R4 thường được thay thế bởi các nguồn dòng

1.7 Ghép điện quang [hình 3-2A(k)]

Ghép điện quang là một loại ghép điện tử theo kiểu ghép biến áp, nhưng nó

có đặc tính tần số thuận lợi hơn ghép biến áp Nó có thể truyền đạt được từ các tín hiệu một chiều đến các tín hiệu có tần số nằm trong phạm vi GHz Mạch ghép có thể cách điện tới vài KV Nó được dùng chủ yếu để truyền đạt các tín hiệu số Do phần tử ghép điện quang có sai số phi tuyến tương đối lớn (cỡ vài 0 oo đến 1%), nên độ chính xác của mạch ghép loại này có giới hạn Nếu dùng mạch ghép này trong sơ đồ đẩy kéo thì sai số phi tuyến có được bù một phần

2 Tầng khuếch đại vi sai

Sơ đồ như sau:

RC1

T1

↓

IE1

o − EC2

R3

R2

T3

T4

R1

o U = U R 2

o UV2

Ur

RC2

T2

↓

IE2

↓

I1

•

•

•

•

•

1

1 R

o o

2

C

a) Sơ đồ nguyên lý

o +E

o

o UV2

T2

UV1o T1

↓

I E2

o

•

•

o Ur o

o − E b) Sơ đồ đơn giản Hình 3.3A

Sơ đồ (a) là sơ đồ nguyên lý của tầng khuếch đại vi sai làm việc theo nguyên

lý cầu cân bằng Hai nhánh của cầu điện trở RC1 và RC2, hai nhánh kia là transistor T1 T2 cùng loại Nếu RC1 = RC2, và 2 transistor T1, T2 giống nhau thì khi không có điện áp vào Ur = 0 Có thể lấy điện áp ra trên 2 collector T1 & T2 hoặc trên từng collector T1 & T2

Transistor T3 làm nguồn dòng, giữ ổn định dòng IE = IE1 + IE2 của T1, T2 Các

điện trở R1, R2, R3, T4 xác định dòng IE; T4+ mắc theo kiểu diode để ổn định nhiệt cho T3

Ta có:

3

2 1 3

3 4

2 1

R

R I R

U U

R I

I E = + BE ư BE ≈ Vì I1R2 >>(U BE4ưU BE3)

mà ⇒

2 1 2 2

1

4 2

1

R R

E R

R

U E

I C BE C

+

≈ +

ư

≈

Vì E C2 >>U BE4

) ( 1 2

3

2 2

R R R

R E

E = + rất ổn định Vì T4 mắc theo kiểu diode bù nhiệt cho T3 nên IE rất ít thay đổi theo nhiệt

độ Các lối vào UV1, UV2 trong sơ đồ này được gọi là đầu vào vi sai

Ta có thể thay 2 nguồn EC1 & EC2 bằng 1 nguồn EC = EC1 + EC2

Nếu RC 1 = RC 2 và 2 transistor T1, T2 giống nhau Tín hiệu ra bằng 0

0

2

U

Nếu các phần tử trên giống nhau một cách lý tưởng thì sự thay đổi nguồn nuôi, và nhiệt độ ảnh hưởng đến 2 nhánh như nhau, không có sự trôi

Nhưng các phần tử thực tế không giống nhau lý tưởng nên có độ trôi, nhưng

độ trôi giảm nhiều so với bộ khuếch đại 1 chiều gồm nhiều tầng ghép trực tiếp như khảo sát ở phần trước

Vì dòng emitter IE phân đều cho T1 và T2, tức là I E I E I E

2

1

2

Dòng base tĩnh:

0 02

01

) 1 (

E B

+

=

=

β

Dòng collector của T1, T2 :

2 2

2 1

E E C

C

I I I

Điện áp trên collector:

2

1 2 1

C E C C

C

R I E U

ở đây chọn RC 1 = RC 2 = RC

Đây là trạng thái cân bằng tĩnh

- Khi có tín hiệu đưa tới một lối vào (giả sử UV1 > 0, UV2 = 0) Khi đó dòng

base của T1 tăng làm cho IE1 tăng, IC1 tăng

Vì IE = IE1 + IE2 không đổi Do đó khi IE1 tăng → IE2 giảm → IC2 giảm

Điện áp trên collector T1:

UC1 = EC1 - RCIC1 giảm một lượng ∆U C1

Điện áp trên collector T2 tăng một lượng ∆U C2

Do đó:

C C C

C C

C

U = 2 ư 1 =∆ 2 +∆ 1 =2∆

Hệ số khuếch đại của tầng khuếch đại vi sai:

E B

C VS

r r

R K

) 1

β

+ +

= ; β là hệ số khuếch đại dòng

Tín hiệu lối vào của tầng khuếch đại vi sai có thể thực hiện đồng thời đưa tới

2 lối vào Khi UV1, UV2 có cực tính khác nhau, thì điện áp vào vi sai sẽ là:

UV = UV1 + UV2

Khi đó điện áp ra là: Ur = KVS(UV1 + UV2)

- Trường hợp tín hiệu vào có cùng cực tính, nghĩa là hai tín hiệu vào đồng

pha Tất nhiên trong trường hợp này điện áp ra vi sai sẽ tỉ lệ với (UV1 - UV2)

Ur = KVS(UV1 - UV2)

- Trường hợp UV1và UV2 đồng pha và bằng nhau về độ lớn, khi mạch

khuếch đại hoàn toàn đối xứng, điện áp ra lấy trên 2 collector của tầng khuếch đại

vi sai sẽ bằng không và hệ số khuếch đại đối với tín hiệu đồng pha Kđ sẽ bằng

không

Tuy nhiên không thể có mạch đối xứng lý tưởng và nguồn dòng điện lý

tưởng nên hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha khác không, và thường rất nhỏ so

với 1 Chất lượng của tầng khuếch đại vi sai được đặc trưng bằng tỉ số Kđ / KVS ,

chỉ rõ khả năng của tầng khuếch đại phân biệt tín hiệu vi sai nhờ trên nền điện áp

đồng pha lớn

ở đây người ta đưa ra khái niệm hệ số nén tín hiệu đồng pha kí hiệu là G và

được tính như sau:

G = 20log (Kđ / KVS) (dB)

Phần thực nghiệm

A Thiết bị sử dụng

1 Thiết bị chính cho thực tập tương tự

2 Panel thí nghiệm AE - 103N cho bài thực tập về transistor (Gắn lên khối thiết bị chính đế nguồn)

3 Dao động ký 2 chùm tia

4 Dây nối cắm 2 đầu

B Cấp nguồn và nối dây

Panel thí nghiệm AE -103N chứa 6 mảng sơ đồ A3- 1 A3- 6, với các chốt cắm nguồn riêng Khi sử dụng mảng nào thì cấp nguồn cho mảng sơ đồ đó Đất (GND) của các mảng sơ đồ đất được nối sẵn với nhau Do đó chỉ cần nối đất chung cho toàn khối A3-103N

1 Bộ nguồn chuẩn DC POWER SUPPLY của thiết bị cung cấp các thế

chuẩn ±5V , ±12V cố định

2 Bộ nguồn điều chỉnh DC ADJUST POWER SUPPLY của thiết bị cung

cấp các giá trị điện thế một chiều 0 +15V và 0 ư15V Khi vặn các biến trở chỉnh nguồn, cho phép định giá trị điện thế cần thiết Sử dụng đồng hồ đo thế DC trên thiết bị chính để xác định điện thế đặt

3 Khi thực tập, cần nối dây từ các chốt cấp nguồn của khối đế tới cấp trực

tiếp cho mảng sơ đồ cần khảo sát

(Chú ý: Cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo)

C Các bàI thực tập

1 khuếch đại nối tầng

Thí nghiệm về bộ khuếch đại nối tầng được thực hiện trên mảng sơ đồ hình A3-1

Nhiệm vụ:

- Tìm hiểu nguyên tắc xây dựng bộ khuếch đại nhiều tầng trên transitor

- Tìm hiểu nguyên nhân giảm hệ số khuếch đại khi ghép tầng và phương pháp làm giảm sự mất mát đó

Các bước thực hiện:

1.1 Cấp nguồn +12V cho mảng sơ đồ A3- 1

R-C COUPLED MULTI-STAGE AMPLIFIER: bộ khuếch đại nhiều tầng liên kết r - c

1.2 Đặt máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATOR của thiết bị chính ở

chế độ:

- Phát dạng sin (công tắc FUNCTION ở vị trí vẽ hình sin)

- Tần số 1KHz (công tắc khoảng RANGE ở vị trí 1K và chỉnh bổ sung biến trở chỉnh tinh FREQUENCY)

- Biên độ ra ± 10mV - từ đỉnh tới đỉnh (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE)

1.3 Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký kênh 1 ở 50m V cm và kênh 2 ở 2V cm, thời gian quét của dao động ký ở 1ms cm

Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng phần trên và phần dưới của màn dao

động ký để dịch tia theo chiều X, Y để vị trí dễ quan sát

Nối kênh 1 dao động ký với từng chốt vào tuỳ theo thí nghiệm Nối kênh 2 dao động ký với từng chốt ra tuỳ theo thí nghiệm

1.4 Nối tín hiệu từ máy phát vào IN/A theo hình A3-1a Đo biên độ xung

vào và xung ra (collector - lối ra A) của T1

Tính hệ số khuếch đại K1 = Ura / Uvào (T1) =

1.5 Nối tín hiệu từ máy phát với lối vào B theo hình A3-1b Đo biên độ

xung vào và xung ra (collector - lối ra OUT/C) của tầng T2

Tính hệ số khuếch đại K2 = Ura / Uvào (T2) =

1.6 Tính hệ số khuếch đại khi ghép hai tầng :

K(tính toán) = K1 K2 =

1.7 Nối A với B (hình A3-1c) để ghép hai tầng khuếch đại T1 T2 bằng mạch C4 - R8 // R9 Cấp tín hiệu máy phát vào IN Đo biên độ xung vào (tại IN)

và xung ra (taị C)

Tính hệ số khuếch đại K (đo) = Ura / Uvào (T1, T2) =

1.8 So sánh giá trị hệ số K (tính toán) và K (đo) Tính hệ số khuếch đại

mất mát khi nối tầng:

) (CR K

∆ [%] = [K (tính) - K (đo)] 100 / K (tính) =

1.9 Nối các chốt A với E và F với B để ghép hai tầng khuếch đại T1 T2

qua tầng lặp lại emitter T3 - hình A3-1d, (chú ý tầng lặp lại emitter có trở vào lớn

và trở ra nhỏ) Đo biên độ xung vào (tại IN), và xung ra (tại C) Tính hệ số khuếch đại K (đo 2) = Ura / Uvào (T1, T2, T3) Tính hệ số mất mát khi nối tầng:

∆K(T3) (%) = [K (tính) - K (đo)] 100 / K (tính)

Chú ý: Khi có tín hiệu nhiễu cao tần, nối G với H để tạô mạch phản hồi khử nhiễu

1.10 So sánh giá trị hệ số mất mát hệ số khuếch đại trong hai trường hợp

nối tầng bằng mạch CR và bằng tầng lặp lại Emitter Giải thích kết quả

2 khuếch đại vi sai

Thí nghiệm về bộ khuếch đại vi sai được thực hiện trên mảng sơ đồ hình A3-2

TRANSISTOR OPERATIONAL AMPLIFIER: bộ khuếch đại thuật toán dùng transistor

Nhiệm vụ:

- Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của bộ khuếch đại vi sai

- Tìm hiểu về hệ số khuếch đại và máy phát dòng của bộ khuếch đại vi sai

Các bước thực hiện:

2.1 Cấp nguồn ±12V cho mảng sơ đồ A3-2 Nối sơ đồ như hình A3-2a

2.2 Mắc các đồng hồ đo:

- Đồng hồ đo chênh lệch thế giữa hai collector của cặp transistor vi sai T1,

T2: Nối các chốt đồng hồ đo (V: C1 và C2) của mạch A3- 2a với đồng hồ đo thế hiện số DIGITAL VOLTMETER của thiết bị chính Khoảng đo đặt ở 20V

2.3 Nối J1 (các J còn lại ngắt) Nối các biến trở 1K và 10K (của khối thiết

bị chính) với nguồn +5V, đất và với lối vào sơ đồ khuếch đại vi sai như hình A3-2a

2.4 Vặn cả hai biến trở về nối đất UB(T1) = UB(T2) = 0 Ghi giá trị Ura chỉ thị trên đồng hồ Nếu Ura = Uoffset ≠ 0, giải thích nguyên nhân vì sao?

Xác định chiều thế Ura, để xem transistor nào trong T1, T2 cấm hơn Vặn

từ từ biến trở lối vào của nó cho đến khi thế ra Ura = 0 Đo thế UB0 tương ứng

2.5 Vặn biến trở 1K và 10K của khối thiết bị chính để tăng dần từng bước

UE(T1) hoặc UB(T2) ở mỗi bước, đo các giá trị thế lối vào UB(T1) hoặc UB(T2) và giá trị thế ra tương ứng Xác lập giá trị hệ số khuếch đại vi sai ứng với từng cặp giá trị thế lối vào theo biểu thức:

) 2 ( )

1

U

U U K

B B

offset ra

ư

ư

= 2.6 Xác định khoảng UB(T1) và UB(T2) mà hệ số K không đổi

2.7 Ngắt J1, nối J2 Lặp lại thí nghiệm trên So sánh kết quả cho hai

trường hợp Giải thích vai trò của T3

3 bộ khuếch đại thuật toán trên transistor

Thí nghiệm về bộ khuếch đại thuật toán dùng transistor thực hiện trên mảng sơ đồ hình A3-2

Nhiệm vụ:

- Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của bộ khuếch đại thuật toán

- Tìm hiểu về đặc trưng khuếch đại của bộ khuếch đại thuật toán

Các bước thực hiện:

3.1 Cấp nguồn ±12V cho mảng sơ đồ A3-2

Chú ý: cắm đúng phân cực nguồn

3.2 Đặt máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATOR của khối thiết bị

chính ở chế độ:

- Phát dạng sin (công tắc FUNCTION ở vị trí vẽ hình sin)

- Tần số 1KHz (công tắc khoảng RANGE ở vị trí 1K và chỉnh bổ sung biến trở chỉnh tinh FREQUENCY)