Các loại mạch khuếch đại va Mô phỏng

Bài 1: Mạch khuếch đại vi sai dùng BJT Mạch khuếch đại vi sai nguồn dòng không đổi Mạch khuếch đại đảo- Mạch khuếch đại không đảo Mạch Cộâng Mạch Trừ Mạch So Sánh Mạch Schmitt Trigger.

THIẾT BỊ CHÍNH CHO CÁC BÀI THỰC HÀNH

I Thiết bị chính bao gồm các chức năng

• Nguồn DC ±10V, ±15V

• Các biến trở

• Các mô hình mạch chưa hoàn chỉnh

• Khối tạo xung

II Đặc trưng và chức năng của thiết bị

• Nguồn DC: được dùng để làm nguồn cấp cho mạch hoạt động, hoặc nó có thể kết hợp với biến trở làm nguồn DC thay đổi

• Biến trở: được sử dụng trong mạch hoặc dùng làm nguồn DC thay đổi

• Các mô hình mạch chưa hoàn chỉnh được vẽ sẳn trên thiết bị chính để cho

SV hoàn thiện mạch

• Khối tạo xung phục vụ cho bài ADC, mạch vi /tích phân

III Yêu cầu SV

Sinh viên tham gia thực hành phải có đầy đủ dụng cụ phục vụ bài thực hành đó Sinh viên được chia làm nhiều nhóm, mỗi nhóm từ 3
4 người Mỗi nhóm phải viết vào 1 tờ báo cáo kết quả và cuối giờ nộp lại cho GVHD

Nội dung

Bài 1: Mạch khuếch đại vi sai dùng BJT

Mạch khuếch đại vi sai nguồn dòng không đổi

Mạch khuếch đại đảo- Mạch khuếch đại không đảo

Mạch Cộâng

Mạch Trừ

Mạch So Sánh

Mạch Schmitt Trigger

Bài 2: Mạch chỉnh lưu chính xác

Bài 3: Mạch khuếch đại vi sai dùng Op-amp

Mạch biến đổi điện áp/ dòng điện

Bài 4: Mô phỏng

Bài 1:

KHẢO SÁT MẠCH ỨNG DỤNG CƠ BẢN

§1 Mạch khuếch đại vi sai dùng BJT I/ Thiết bị sử dụng:

- Dây nối (đồng)

II/ Mạch khuếch đại vi sai đơn giản:

* Giả sử cả hai tín hiệu ngõ vào Vin1 và Vin2 nối đất(Vin1=Vin2=0V), dòng điện

IB và IC đều qua transistor Giả định cả hai transistor đều giống nhau có

R

V E − − =

10

4

β IE1=0.71mA Điện áp ngõ ra:

VO1=VO2=VB-IC1.R1=15-7.1=7.9V

0V 0V

Ie

* Giả sử trong hai tín hiệu ngõ vào có: Vin1=0V, Vin2=0.1V Trong hai transistor sẽ có 1 tắt và 1 dẫn (Sinh viên tự tìm hiểu ) Kết quả T1 tắt, T2 dẫn

Khi T1 tắt sẽ không có hoặc dòng điện rĩ qua T1 Lúc đó VO1≅VB còn VO2 sẽ giảm vì lúc này IC2=IE3

b Anh chị hãy vẽ đồ thị VO1=f1(Vin1) và VO2=f2(Vin2)

c Nhận xét đồ thị và giải thích?

2/ Cho mạch như hình trên nhưng nối Vin1 và Vin2 với nhau và nối trực tiếp vào biến trở Dùng VOM đo VO1 và VO2 và ghi vào bảng kết quả:

b Anh chị hãy vẽ đồ thị VO1=f1(Vin1) và VO2=f2(Vin2)

c Nhận xét đồ thị và giải thích?

V O1 , V O2 (V)

V in

V O1 , V O2 (V)

V in

§2. Mạch khuếch đại vi sai nguồn dòng không đổi

I/ Thiết bị sử dụng:

- Dây nối (đồng)

II/ Mạch khuếch đại vi sai nguồn dòng không đổi:

Do dòng điện qua cực B của Q3 nhỏ không đáng kể nên dòng điện I chảy từ nguồn +10V qua R3, R4 xuống nguồn –15V là:

I=10−(−15)=2.27mA

VB= +15V

Vo1

Q1

0V R2

- 15V

Q4

- 10V

R5 10K

a Nhận xét kết quả đo được với lý thuyết

b Vẽ đồ thị Vo2=f(Vin)

2 Giả sử mạch trên cho Vin2=0V Chỉnh biến trở để thay đổi Vin1 Đo VO2 và ghi vào bảng kết quả:

Vin1(V) -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08

Vo2(V)

a Nhận xét kết qủa đo được

b Vẽ đồ thị VO2=f(Vin1)

3.Thay nguồn +10V bằng nguồn +15V Làm giống như câu 1

§3. Mạch khuếch đại đảo- Mạch khuếch đại không đảo

I/ Thiết bị sử dụng:

- Dây nối (đồng)

II/ Sơ lược về IC 741:

1k

R1

R9 39k

IC 741 có 8 chân Trong có ta quan tâm các chân:

• Chân 2: ngõ vào đảo

• Chân 3: ngõ vào không đảo

• Chân 6: ngõ ra

• Chân 4: chân cấp nguồn âm –Vcc

• Chân 7: chân cấp nguồn dương +Vcc

b Nhận xét đồ thị và giải thích

c Tại sao với Vin cố định, Av tăng thì Vo tăng đến 1 giá trị xác định

III/ Mạch khuếch đại không đảo

Ta có: V+=V-=Vin

Ro R

Vo R

V

in in

b Tính Vo theo công thức lý thuyết Từ đó so sánh với kết quả đo được Nhận xét

2 Ráp mạch như trên nhưng biến trở là R1 Vin=-5V, R2=Rin=Ro Đo Vo và ghi vào bảng kết quả:

Vo(V)

Av

a Từ bảng kết quả vẽ đồ thị Vo=f(R1)

b Nhận xét đồ thị

3 Thiết kế mạch khuếch đại Vo=5Vin

§4 Mạch Cộng

I/ Thiết bị sử dụng:

- Dây nối (đồng)

II/ Mạch Cộng:

10k Iin1 Iin1+Iin2

1 1

in in in

in in

R

V R

V V

I = − − =

2 2 2

2 2

in in in

in in

R

V R

V V

in in

o ín in

R

R V R R

Mạch trên là mạch cộng đảo Nếu ta nối mạch trên với mạch đảo ta được mạch cộng

10k +10V

1

in in

o ín in

R

R V

R R

1

2

R R

Một dạng khác nữa của mạch cộng chỉ dùng một Op-amp:

Vin1

10k 10k

10k +10V

a Từ bảng kết quả vẽ Vo=f(Vin1) trong các trường hợp

b Kiểm chứng lại với kết quả lý thuyết

Vin1

20k 10k

Vin1(V) 0 2 4 6 8 10 Vo(V)

Với Vin2=2V

Vo(V)

Với Vin2=-3V

a Từ bảng kết quả vẽ VO=f(Vin1) trong các trường hợp

b Kiểm chứng lại với kết quả lý thuyết

3 Thiết kế mạch cộng VO=2Vin1+3Vin2

4 Thiết kế mạch cộng VO=Vin1+2Vin2+3Vin3

§5 Mạch Trừ I/ Thiết bị sử dụng:

3

in in

V R R

in o o in

R R

R V R V V

V

2 3

1

3

in in

R Ro R R

Rin2

Vout

Iin3

R0

10k R3

10k

Vout 10k

R0 in3

10k

Vout=Vin1+Vin4-(Vin2+Vin3)

*Thực hành:

1/ Thiết kế mạch trừ Vout=Vin1-2Vin2

2/ Ráp mạch vừa thiết kế được Cho Vin1 và Vin2 thay đổi được đo Vout và ghi vào bảng giá trị:

a Từ kết quả thực nghiệm, hãy kiểm chứng lại mạch vừa thiết kế

b Vẽ đồ thị V =f(V ) trong các trường hợp

§6 Mạch So Sánh

I/ Thiết bị sử dụng:

- Dây nối (đồng)

II/ Mạch So Sánh:

Rin 10K

Nhắc lại: Mạch không có hồi tiếp âm

V+>V- : mạch bão hòa dương Vo=Vsat+

V+<V-: mạch bão hòa âm Vo=Vsat-

Vsat+≤+Vcc; Vsat-≥-Vcc(+Vcc,-Vcc là nguồn cấp cho opamp)

(Av*( V+-V-)=14, trong đó Av=200.000)

*Thực hành:

Rin 10K

a Nêu cách đo

b Nhận xét giá trị đo được và cách ráp mạch

c Vẽ đồ thị Vin2=f(Vin1)

d Tìm mối liên hệ giữa Vin2 và Vin1 khi mạch đảo trạng thái

§7 Mạch Schmitt-Triger

I/ Thiết bị sử dụng:

- Dây nối (đồng)

II/ Mạch Schmitt-Triger:

V0

Vin R1

Với nguồn cấp ±15V, điện áp ngõ ra VO=VOmax ≈ +13V⇒V+=

O

O

R R

R V

+

1

1 max

≈ 0.13V Trong khoảng t∈{0,t1) V+>V- ⇒VO=Vomax=+13V

- Tại t=t1 thì V+=V- mạch đảo trạng thái VO=-VOmax ≈ -13V Lúc này V+=-

max =-0.13 Trong khoảng t∈{t1,t2) V+<V- ⇒VO=-Vomax=-13V

- Tại t=t2 thì V+=V- mạch đảo trạng thái VO=VOmax ≈ 13V

Quá trình cứ thế tiếp diễn ta được dạng sóng ngõ ra là sóng xung vuông Gọi Vinon là điện áp ngõ vào làm cho điện áp ngõ ra VO chuyển trạng thái từ -

V0 1k

a Tính Vinon, Vinoff theo lý thuyết

b Nhận xét kết quả đo được

10k 1k

In

+10V

Out Rin

R1

R1

Bài 2: Mạch chỉnh lưu chính xác

I Thiết bị sử dụng:

- Dây nối (đồng)

II Mạch chỉnh lưu chính xác

Giả thiết là các diode là lý tưởng tức là Vγ=0V

• Nếu Vin>0, khi đó sẽ có dòng điện chảy từ Vin qua Rin, D2, D1 Lúc này

0Vneu V

0Vneu 0

in in

1 Ráp mạch như hình trên Không có kết nối giữa VO1 và VO2 Thay đổi Vin đo

VO1 và VO2 và ghi vào bảng giá trị:

Bài 3: Mạch khuếch đại vi sai dùng Op-amp-

Mạch biến đổi điện áp/ dòng điện

I Thiết bị sử dụng:

- Dây nối (đồng)

II Mạch khuếch đại vi sai dùng Op-amp:

Ro Rin Rin Ro

V in2 − in1 .

Thực hành:

1 Ráp mạch như hình trên Cho Vin=Vin1=Vin2 thay đổi Đo Vo và ghi vào bảng giá trị:

Vẽ Vo=f(Vin1) trong các trường hợp

III Mạch chuyển đổi điện áp và dòng điện:

V0 V0.VL

Ta có:

in

L in O

L O in R

L

R

V V R

V V I

1

in

L O in

L in in

R

V V R

V V

L in L

R

V V R

V V

L

R

V V

Bảng ghi IL bằng cách lấy VLchia cho RL

Nhận xét về giá trị V (V) đo được

Rin

100K

10K Out

Iin 2

R0

10K

R0 Rin

PHẦN 1 : GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH CIRCUIT

MAKER

Các công cụ sửa đổi (Editing Tools):

Thanh công cụ (Toolbar) bao gồm một vài nút đặc biệt xử lý bản vẽ mạch điện trong mô phỏng tương tự (Analog) và số (Digital)

Những nút này được mô tả dưới đây:

 Công cụ mũi tên (Arrow Tool): Có thể được chọn từ tùy chọn < Cursor Tools > trong trình đơn Options hoặc bằng cách chọn Alt+A Công cụ mũi tên để chọn các thành phần, các thành phần di dời, các công tắc chuyển, chọn các công cụ từ Toolbar Ngoài ra có thể nhấp đôi công cụ mũi tên để thực hiện nhiều chức năng, như là sửa đổi đặc trưng kỹ thuật Nếu tùy chọn công cụ mũi tên có thể được sử dụng để khởi đầu một dây nối khi nhấp vào đầu thiết bị

 Công cụ nối dây (Wire Tool): Có thể được chọn từ tùy chọn < Cursor Tools

>trong trình đơn Options hoặc bằng cách chọn Alt+W Sử dụng Wire Tool để đặt các dây nối vào vùng làm việc Các đường dây Bus được vẽ bằng cách giữ phím Shift khi bắt đầu vẽ dây nối

 Công cụ văn bản (Text Tool): Có thể được chọn từ tùy chọn < Cursor Tools

> trong trình đơn Options hoặc bằng cách chọn Alt+T Sử dụng công cụ văn bản để đưa văn bản vào trong mạch điện Ngay khi vừa chọn xong công cụ này, một hộp chữ nhật hiện ra, nhập văn bản vào trong hộp này Ngoài ra có thể thay đổi số hàng chữ trên văn bản này bằng cách dùng chuột thay đổi lại kích thước khung hình chữ nhật

 Công cụ xóa (Delete Tool): Có thể được chọn từ tùy chọn < Cursor Tools > trong trình đơn Options hoặc bằng cách chọn Alt+D Sử dụng công cụ để xóa các thành phần khi được chọn

 Công cụ Proble Tool : Có thể được chọn từ tùy chọn < Cursor Tools > trong trình đơn Options hoặc bằng cách chọn Alt+P Sử dụng để đặt các vị trí cần đo hoặc xem dạng sóng

 Công cụ phóng to (Zoom Tool): Có thể được chọn từ tùy chọn < Cursor Tools > trong trình đơn Options hoặc bằng cách chọn Alt+Z Cho phép phóng to (Zoom In) và thu nhỏ (Zoom Out) mạch đang được hiển thị Ngoài ra có thể sử dụng phím Page Up và Page Down để phóng to thu nhỏ

 Công cụ Zoom schematic to fit: Xem lại vị trí và kích cở nguyên thủy (Normal Size / Position) trong trình đơn View và đưa mạch điện vừa với cửa sổ màn hình

 Nút xoay 900 (Rotate): Từ trình đơn Edit hoặc bằng cách chọn Ctrl+R Sử dụng nút Rotate 900 để xoay thiết bị được chọn theo các gia số 900 Một thiết bị cũng có thể được xoay khi nó được chọn từ thư viện chương trình ( nút Rotate) hay bằng cách nhấn phím R trên bàn phím hoặc bằng cách nhấp nút phải chuột trước khi đặt nó vào trong mạch

 Nút đối xứng (Mirror): Từ trình đơn Edit hoặc bằng cách chọn Ctrl+M Sử dụng nút đối xứng để lật thiết bị theo chiều ngang Một thiết bị cũng có thể được đối xứng khi nó được chọn từ thư viện chương trình bằng cách nhấn phím

M trên bàn phím trước khi đặt nó vào trong mạch

Mạch tương tự hay còn gọi là mạch Analog - một thế giới điện tử cổ điển, không có những hạn chế logic nào như trong điện tử số, mức điện áp của bất kỳ các nút nào trong mạch cho sẵn sẽ bị giới hạn mức độ cao thấp Do đó mô phỏng tương tự (Analog ) của Circuit Maker được thực hiện theo Berkeley SPICE3 SPICE là từ viết tắc của (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) < Chương trình mô phỏng với cải tiến trên mạch tích hợp > Cho ta mô hình mô phỏng với sự khác nhau đa dạng của các thiết bị tương tự, bao gồm cả 2 linh kiện thụ động và tích cực, các thiết bị tương tự và các dụng cụ có trong thư viện chương trình như điện trở, tụ điện, transistor, máy phát…Có lẽ đây là phần trọng tâm của người học chương trình này và là phần khó nhất trong các phần Tham khảo thêm các tài liệu về SPICE hay PSPICE để hiểu sâu hơn về lĩnh vực < Thiết kế và mô phỏng mạch điện với sự trợ giúp của máy tính > qua đó nhiều đề tài cũng như dự án lớn sẽ được triển khai

* Nút Reset:

Trong chế độ Analog việc nhấn nút Reset sẽ tạo ra những con số nút trong mạch mà không chạy chế độ mô phỏng Điều này quan trọng nếu muốn lưu một danh sách SPICE vào một file hoặc xem những con số nút trên hệ thống, nhưng không chạy chế độ mô phỏng Reset Analog Simulation cũng có thể được chọn từ trình đơn < Simulation > hoặc bằng cách nhấn Ctrl+Q

* Nút Analyses Setup:

Dùng để thiết lập các chế độ mô phỏng khác nhau về AC, DC … Analyses Setup cũng có thể được chọn từ trình đơn < Simulation > hoặc phím F8

* Nút Run Analog Simulation:

Cũng có thể được chọn từ trình đơn < Simulation > hoặc phím < F10 > Nhấp Run để khởi động chế độ mô phỏng Biểu tượng Run được thay thế bởi một dấu hiệu Stop, việc nhấn nút Stop sẽ ngưng đi sự mô phỏng, đóng tất cả cửa sổ phân tích và trở về chế độ chỉnh sửa

Đo lường trở kháng hoặc điện áp DC, DC trung bình (AVG), đo áp hoặc dòng điện AC hiệu dụng (RMS)

- Khi đo điện áp nối máy đo song song với mạch

- Khi đo dòng điện nối máy đo nối tiếp với mạch

- Khi đo trở kháng, hãy bảo đảm tháo rời bất kỳ nguồn điện từ mạch điện và hãy nhận ra những thiết bị dao động nào có thể gây ra những lỗi SPICE Ghi chú:

- SPICE thấy dòng điện chạy vào đầu mút dương của nguồn điện một chiều, Multimeter hoặc Signal Generator như dòng điện dương

- Để đo lường những giá trị DC AVG hoặc AC RMS, Transient Analysis phải được chọn và mô phỏng đủ những chu kỳ về dữ liệu nhất thời cho việc đo lường có ý nghĩa Tương tự Operating Point Analysis phải được chọn để đạt những giá trị trở kháng và DC

2 1kHz

V1

-1/1V

SIGNAL GENERATOR (Bộ phát tín hiệu đa chức năng)

Có thể xếp đặt nhiều bộ phát tín hiệu trong mạch thiết kế Những chức năng dạng sóng bao gồm Sine Wave (Sóng sin), Pulse (Sóng vuông), AM Signal (Sóng AM), FM Signal (Sóng FM), Exponential (Sóng mũ), Piece-Wise (Sóng tuyến tính)

- Khi tham số UIC được chọn trong Transient and Fourier Analysis Setup, điện áp nút được xác định IC sử dụng để tính tụ điện, diode, transistor, JFet và các điều kiện khởi đầu MosFet

- Khi tham số UIC không được chọn trong Transient and Fourier Analysis Setup, giải pháp phân cực được tính trước khi phân tích quá độ Trong trường hợp này điện áp nút được xác định Trong quá trình quá độ sự duy trì điện áp trên những nút này bị hũy bỏ Đây là giải pháp mong muốn cho phép SPICE tính toán các giải pháp DC một cách tương thích

PHẦN 2 : MÔ PHỎNG CÁC MẠCH ỨNG DỤNG

§1 MẠCH KHUẾCH ĐẠI VI SAI DÙNG BJT

* Hãy vẽ mạch điện như hình sau trong Circuit Maker.

Nhận xét kết quả thu được so với tính toán trên lý thuyết?

2/ Cho mạch như hình trên nhưng nối Vin1 và Vin2 với nhau :

§2 Mạch khuếch đại vi sai nguồn dòng không đổi

* Hãy vẽ mạch điện như hình sau trong Circuit Maker

5 Đo V02 và ghi vào bảng kết quả:

Vo2(V)

Nhận xét kết quả thu được so với tính toán trên lý thuyết?

2 Giả sử mạch trên cho Vin2=0V Đo VO2 và ghi vào bảng kết quả:

VB= +15V

Vo1

Q1

0V R2

- 15V

Q4

R5 10K

§3 MẠCH SO SÁNH

* Hãy vẽ mạch điện như hình sau trong Circuit Maker.Dùng Opamp UA741:

1/ Cho Vin1 thay đổi Tìm Vin2 khi mạch đổi trạng thái:

Vin2(V)

Nhận xét kết quả thu được so với tính toán trên lý thuyết?

2/ Làm tương tự như bài 1 với mạch sau:

Vi1

+ 5V

A

Vcc -15V

Vcc +15v

1.0 kHz Vi2

-10/10V

+ U1 UA741

R1 10k

R2 10k

A

Vcc -15V

Vcc +15v

1.0 kHz Vi2

-10/10V

+ U1 UA741 R1 10k R2 10k

§4: MẠCH BIẾN ĐỔI DAC

* Hãy vẽ mạch điện như hình sau trong Circuit Maker

C B A

D

0V 0V 0V

819.2uV A

Vcc -15V

Vcc +15v + UA741U1

160k 80k 40k 20k

§5: MẠCH BIẾN ĐỔI ADC

* Hãy vẽ mạch điện như hình sau trong Circuit Maker

Thay đổi điện áp ngõ vào Vi,chạy mô phỏng để ghi lại các giá trị số ngõ

ra tương ứng Nhận xét kết quả thu được so với tính toán trên lý thuyết?

Chạy phân tích quá độ để quan sát áp ngõ ra tại các Opamp và ngõ ra số

D C B

.IC 0V

10 0Hz 0/5V 1uF

+ 10V

+ 10V

V4 +15v

V5 -15V

+ U2 UA741

74LS93 MR1 MR2 CP0 CP1

Q3 Q2 Q1 Q0

A V6

-15V

V7 +15v

+ UA741U41k

10M

1k