Báo cáo thí nghiệm mạch điện tử bài 1

nhóm kiểm chứng nguyên lý hoạt động và các thông số cơ bản của mạch khuếch đại ghép E chung 1. Mạch khuếch đại ghép E chung không hồi tiếp, • Đo trở kháng vào của mạch, • Đo trở kháng ra của mạch,Mạch phân cực BJT nối chung E khi không hồi tiếp sẽ cho độ lợi lớn nhưng áp ngõ ra lớn nhất mà không bị méo thì không cao .Còn mạch phân cực BJT nối chung E khi có hồi tiếp sẽ cho ngõ ra có điện áp cao hơn ,nhưng độ lợi lại không cao .

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

MẠCH ĐIỆN TỬ

BÀI SỐ 1 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TRẦN QUANG VIỆT

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 E chung 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 nhóm thêm tự tin hơn trong việc

sử dụng các thiết bị đo trong phòng thí nghiệm ( hộp thí nghiệm chính,máy đo đa năng Fluke, máy dao động ký…) cũng như trong thao tác thực hiện lắp mạch và thực hiện đo đạc để lấy số liệu cần thiết

- 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 Cụ thể : nhóm gặp sự cố khi đo dòng Ic và Ib để tính độ lợi hfe, các thành viên đều lúng túng khi thực hiện phương pháp đo dòng nhưng đã cùng nhau tìm ra lỗi mắc dây sai và sửa chữa vấn đề đó

II Các lý thuyết phải kiểm chứng

1 Mạch khuếch đại ghép E chung không hồi tiếp

 Nguyên lý hoạt động:

- Mạch khuếch đại ghép E chung (CE) có tín hiệu vào ở chân B và tín hiệu ra ở chân C

- Mạch có cực E thường nối xuống đất hoặc qua tụ rồi nối xuống đất để loại bỏ thành

phần xoay chiều nên tín hiệu sẽ được đưa từ cực B sang cực C

- Chức năng của mạch: Khuếch đại tín hiệu ở ngõ ra so với ngõ vào về mặt điện áp và

dòng

- Chức năng của các tụ điện trong mạch:

+ Các tụ decoupling như Ci và Co có tác dụng cho tín hiệu vào và ra với thành phần xoay chiều (AC) đi qua, ngăn áp một chiều lại

+ Tụ bypass CE nối vào chân E để thoát thành phần xoay chiều từ chân E xuống (nối đất)

Tín hiệu v0 ở ngõ ra có biên độ lớn hơn biên độ tín hiệu ngõ vào vi nhiều lần nên mạch khuếch đại về điện áp

Tin hiệu ngõ ra ngược pha với tín hiệu ngõ vào

Do mạch khuếch đại E chung có độ lợi áp khá lớn nên thường được dùng làm tầng khuếch đại chính trong các mạch khuếch đại liên tầng

 Tính toán dựa trên lý thuyết đã học:

Tìm điểm phân cực DC của mạch

Xét các mạch ở chế độ DC, cả 2 mạch đều có chung sơ đồ mạch sau:

Dùng định lý Thevenin ta được sơ đồ tương đương như hình

Trong đó:

2

5.6

*12 2.85( ) 5.6 18

B

R

R R

18*5.6

18 5.6



Sử dụng các kết quả đo được trong thực nghiệm, ta có các thông số của BJT như sau:

V BE=V γ=0.79 V; V CE(sat)=0.2 V; β=240

Giả sử BJT hoạt động ở miền tích cực thuận, ta có V BE=0.79 V và I B=I C/β

Xét định lý KVL ở vòng BE của BJT ta có

V BB=R BB I B+V BE+R E I E với RE = RE1 + RE2 = 412 Ω

=> 2.85=4.27∗I C

240 +0.79+I C

240 240+1∗0.412

=> I C=4.81(mA)

Áp dụng định lý KVL cho vòng CE ta có: V CC=R C I C+V CE+R E I E

Thay số ta có:12=1∗4.81+V CE+0.412∗241

240 ∗4.81 => V CE=5.197(V )

Ta thấy V CE=¿V CE(sat) đúng với giả thuyết đặt ra ban đầu.

Vậy điểm tĩnh Q của mạch đã cho là: Q()

Xét mạch ở chế độ AC ta có sơ đồ sau:

Vẽ sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ (π model) của hai mạch trên (bỏ qua hiệu ứng Early):

Tính toán các thông số đặc trưng của sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ:

g m=I CQ

V T=

4.81

0.025=192.4 (

mA

β

g m=

240 192.4=1.25 (kΩΩ)

Tính toán các thông số mạch khuếch đại E chung không hồi tiếp:

Trở kháng ngõ vào Zi: đại lượng này thể hiện mức độ phân chia điện áp giữa mạch khuếch đại và nội trở Ri, mạch có Zi càng lớn thì khuếch đại càng tốt Ở mạch đang xét, Zi có giá trị

là: Z i=R BB/¿r π=4.27∗1.25

4.27+1.25≈ 0.97 (kΩΩ)

Trở kháng ngõ ra Zo: đại lượng này thể hiện mức phân chia điện áp giữa mạch khuếch đại và tải RL, mạch có Zo càng bé thì khuếch đại càng tốt Ở mạch đang xét, Zo có giá trị là:

Z o=R C=1kΩΩ

Độ lợi áp Gv thể hiện mức độ khuếch đại của mạch Ở mạch đang xét, Gv có giá trị là:

G v=v o

v i=

v o

v π∗v π

−g m v π∗(R C/¿R L)

v π ∗R BB/¿r π

R BB/¿r π+R i =−g m

(R C/¿R L)∗Z i

Z i+R i ≈−80.38(

V

V)

Tương tự, ta tính được các thông số của mạch khuếch đại E chung có hồi tiếp:

Z i=R BB/¿[r¿ ¿π +(β+1) R E 1]≈ 2.59(kΩΩ)¿ Z o=R C=1kΩΩ

G v=v o

v i=

v o

v π

v π

v be

v be

v i =−g m

[R C/¿R L]∗r π

r π+(β +1) R E 1∗Z i

V

V)

Nhận xét: Nhìn chung mạch khuếch đại E chung có trở kháng vào khá nhỏ, nhưng cho độ

lợi áp khá lớn Mạch có hồi tiếp RE có độ lợi áp nhỏ hơn mạch không có hồi tiếp

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

1 Lựa chọn các dữ kiện đầu vào:

- Trong bài thí nghiệm này, ngoại trừ 2 thông số Ri và RL để đo trở kháng ngõ vào

và ra, thì hầu hết các giá trị của các linh kiện còn lại ta lấy theo giá trị trong mạch trong hình (Ở phần II)

- Chọn Ri1=2,7kΩ ,Ri2=1.2kΩ và RL1=1 kΩ,RL2=1,2kΩ Lý do: các giá trị này có sẵn trong Module mạch, gần vị trí cần lắp, khoảng cách giữa 2 giá trị Rivà RL

không quá nhỏ để giá trị trở kháng vào và ra tính theo công thức không bị âm Ngoài ra, có thể chọn nhiều các giá trị khác nhằm đa dạng hóa mạch nhưng vẫn đảm bảo đúng giá trị của Zi và Zo

2 Phương pháp đo đạc các đại lượng

 Đo hệ số khuếch đại hfe của BJT: Do ảnh hưởng của IClên hệ số khuếch đại

nên ta tiến hành đo hfe bằng cách đo dòng IBvà ICrồi sau đó xác định hfe theo

công thức:

C B

I hfe I



(Thực hiện trên Module Mạch DC)

 Đo phân cực tĩnh DC: khi đo phân cực phải ngắn mạch nguồn AC Thiết bị đo

áp, dòng phải được để ở chức năng DC Đo và ghi lại các giá trị của ICQ, VCEQ,

BE

Module

 Đo độ lợi áp của mạch:

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

- Chỉnh tín hiệu nhỏ: quan sát ngõ ra của mạch trên dao động ký, tăng biên độ

của máy phát sóng cho đến khi thấy ngõ ra méo dạng sau đó tiến hành giảm biên độ máy phát sóng cho đến khi ngõ ra không còn méo dạng, khi này ta mới tiến hành đo độ lợi áp của mạch được (chọn hai giá trị biên độ ngõ vào để đo độ lợi áp sau đó lấy trung bình).

- Chỉnh tần số dãy giữa: Dùng dao dộng kí quan sát ngõ ra và ngõ vào của mạch.

Lúc đầu đặt máy phát sóng ở tần số thấp (vài chục Hz), sau đó tăng dần lên cho đến khi thấy 2 tín hiệu ngõ vào và ngõ ra cùng pha hoặc ngược pha (khoảng vài kHz để điện trở do các tụ trong mạch gây ra là tối thiếu, tăng độ chính xác cho mạch)

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

vào

1 2

2

v

Module mạch ghép E chung không hồi tiếp:

Module mạch ghép E chung có hồi tiếp:

 Đo trở kháng vào của mạch:

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

- Với 2 giá trị Richọn trước (R

i1=2,7kΩ ,Ri2=1.2kΩ), giữ nguyên biên độ máy phát sóng, đo và ghi lại giá trị đỉnh của ngõ ra VO1, VO2 Từ đó tính được trở

kháng vào của mạch theo công thức:







 Đo trở kháng ra của mạch:

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

- Với 2 giá trị RLchọn trước (R

L1=1 kΩ,RL2=1,2kΩ), giữ nguyên biên độ máy phát sóng, đo và ghi lại giá trị đỉnh của ngõ ra VO1, VO2 Từ đó tính được trở

kháng ra của mạch theo công thức:







IV Các kết quả thí nghiệm

1 Đo hệ số khuếch đại áp (hfe)

Tiến hành thí nghiệm trên mạch DC của Mạch khuếch đại E chung- hoạt động ở chế độ tích cực :

- Dòng I B đo được: I B=0,0225 mA

- Dòng I CQ đo được: I CQ=5,2645 mA

Độ lợi áp hfe được xác định theo công thức: hfe=β= I CQ

I B =

5,2645 0,0225≈ 240

2 Đo phân cực tĩnh DC

Tiến hành thí nghiệm trên mạch DC của Mạch khuếch đại E chung- hoạt động ở chế độ tích cực :

- Dòng I CQ đo được: I CQ=5,2645 mA

- Dòng I E đo được: I E=5,2731mA

- Chênh lệch áp giữa hai chân B và E đo được: V BE=0,79 V

- Điện áp phân cực tĩnh V CEQ đo được: V CEQ=4,746 V

3 Đo độ lợi áp

 Mạch khuếch đại E chung không hồi tiếp: Tiến hành thí nghiệm trên mạch AC ta được bảng giá trị: tất cả hiển thị ở dạng trị đỉnh đỉnh(Vp-p)

Tần số

f (Hz)

Biên độ áp ngõ vào V i

(mV)

Biên độ áp ngõ ra V o

(V)

Độ lợi áp

G v (V/V)

Giá trị độ lợi áp trung bình : G vtb=−65,50(V/V)

Sai số của độ lợi áp :

% Sai số =|Gi á tr ịt í n h t h eo l ý t h uy ế t−Gi á tr ị đ o Gi á tr ị t í n h t h eo l ý t h uy ế t |=|−80,38−(−65,5)

−80,38 |.100=18,51 %

Giá trị độ lợi áp : G v=G vtb ± % Sai s ố G vtb=−65,50∓ 0,19( V

V)

@Hình minh họa trên Dao động ký: phần phụ lục hình ảnh trang (hình 1.1,1.2,1.3)

 Mạch khuếch đại E chung có hồi tiếp : Tiến hành thí nghiệm trên mạch AC ta được bảng giá trị: tất cả hiển thị ở dạng trị đỉnh đỉnh(Vp-p)

Tần số

f (Hz)

Biên độ áp ngõ vào V i

(V)

Biên độ áp ngõ ra V o

(V)

Độ lợi áp

G V (V/V)

Giá trị độ lợi áp trung bình : G vtb=−20,745 (V/V)

Sai số của độ lợi áp :

% Sai số ¿|Gi á tr ịt í n h t h eo l ý t h uy ế t−Gi á tr ị đ o Gi á tr ị t í n h t h eo l ý t h uy ế t |.100

¿|−22,47−(−20,745)

−22,47 |.100=7,65

Giá trị độ lợi áp : G v=G vtb ± % Sai số G vtb=−20,745∓ 0,077 (V/V)

@Hình minh họa trên Dao động ký: phần phụ lục hình ảnh trang (hình 2.1,2.2,2.3)

4 Đo trở kháng vào của mạch

Ta có: R R i 1+Z i

i 2+Z i=

V o 2

V o1

 Mạch khuếch đại E chung không hồi tiếp: Tiến hành thí nghiệm trên mạch AC, giữ nguyên biên độ áp ngõ vào V i , thay đổi giá trị của R i ta được bảng giá trị:

 Zitb=1,51kΩ

 Mạch khuếch đại E chung có hồi tiếp: Tiến hành thí nghiệm trên mạch AC, giữ nguyên biên độ áp ngõ vào V i , thay đổi giá trị của R i ta được bảng giá trị:

 Zitb=4,88kΩ

5 Đo trở kháng ngõ ra của mạch

Ta có: R R L 2(R L 1+Z o)

L 1(R L 2+Z o)=

V o 2

V o 1

 Mạch khuếch đại E chung không hồi tiếp: Tiến hành thí nghiệm trên mạch AC, giữ nguyên biên độ áp ngõ vào V i , thay đổi giá trị của R L ta được bảng giá trị:

 ZOtb=0,936kΩ

 Mạch khuếch đại E chung có hồi tiếp: Tiến hành thí nghiệm trên mạch AC, giữ nguyên biên độ áp ngõ vào V i , thay đổi giá trị của R L ta được bảng giá trị:

 ZOtb=0,833kΩ

V Các phân tích so sánh và kết luận

- Do đặc tính hoạt động của BJT là phi tuyến nên dạng sóng ngõ ra chỉ tương tự như dạng sóng ngõ vào chứ không phải là sóng sin Do đó không thể dùng DMM để đo biên độ điện

áp được mà bắt buộc phải dùng dao động kí

- Nếu tần số nằm trong dải giữa thì ít ảnh hưởng đến các đại lượng khác trong mạch

- Ở cùng 1 tần số thì Vin tối đa ở mạch có hồi tiếp sẽ lớn hơn , đồng nghĩa với việc ngõ ra sẽ đạt lớn hơn mà không méo ,so với mạch không hồi tiếp.Tuy nhiên độ lợi ở mạch có hồi tiếp lại nhỏ hơn và sai số lại nhiều hơn mạch không hồi tiếp

- Do tác dụng của RE1 nên mạch Zi ở mạch có hồi tiếp lớn hơn Zi ở mạch không hồi tiếp

- Nhìn chung sai số của các đại lượng khác ngoại trừ độ lợi áp thì nhỏ so với lý thuyết

- Hfe không thỏa mãn khoảng giá trị trong datasheet ,chứng tỏ thông số đó chỉ mang tính chất tương đối

- Đã kiểm chứng được ngõ vào và ngõ ra luôn ngược pha nhau Độ lợi áp lớn

Nhận xét chung : Mạch phân cực BJT nối chung E khi không hồi tiếp sẽ cho độ lợi lớn nhưng áp ngõ ra lớn nhất mà không bị méo thì không cao Còn mạch phân cực BJT nối chung E khi có hồi tiếp sẽ cho ngõ ra có điện áp cao hơn ,nhưng độ lợi lại không cao

 Phụ lục hình ảnh

(hình 1.1)

(hình 1.2)

(hình 1.3)

(hình 2.1)

(hình 2.2)

(hình 2.3)