Báo cáo thí nghiệm mạch điện tử bài 2

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 )

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 2 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 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 R E ở cực phát

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

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Chức năng

- Có khả năng khuếch đại cái 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 để 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 vào 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 Q1,Q2 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 (R B 1=R B 2 , R C 1=R C 2) Điện trở R E mắc chung vào chân E của hai BJT (đối với mạch khuếch đại vi sai với R E ở cực phát) và bộ BJT Q3 và các điện trở đóng vài trò như một nguồn dòng (đối với mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát) Tải R L mắc vào chân C của BJT Q2 thông qua tụ C O

- BJT 2SD468 có các thông số mạch ở T a=25℃ :V CE , SAT=(0,2−0,5 )mA ,

V BE=0.79 V ,hfe=β=85−240

- Tụ C o : ngăn cản ảnh hưởng của tải R L đối với mạch DC

- Điện trở R E : điện trở hồi tiếp âm, giúp ổn định phân cực chân C, giảm lưởng biến thiên dòng ở cực phát

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

4 Tính toán lý thuyết:

Mạch khuếch đại vi sai với R E ở cực phát

Tìm điểm phân cực tĩnh DC

Xét β=240

Ta có VE1 = VE2 = RE (IE1 + IE2) + (-12)

= 2IE1RE – 12 = 2IE2RE – 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 định lý KVL tại vòng BE:

1

12

0.0042( ) 2( 1)

1.01( )

1( ) 1

12 ( 12) ( 2 ) 7.2( )

B B BE E E

BE B

E E

V











Ta thấy V CE1 V CE2 7.2V V CE sat nên giả định đặt ra ban đầu đúng

 Vậy Q1(1.5mA;7.2 )V và Q2 (1.5mA;7.2 )V

_Xét mạch ở chế độ AC, vẽ sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ (π model):

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

T

I

V

và

m

g



Xét KCL tại node E ta có:

E

E E E

g v g v

v

Mặt khác:

1 1 E ; 2 2 E

Do đó:

1 2

1 2

1

2

E

B

E

r R

r R R

R

















Ta có v1v cm v d / 2 và v2 v cm v d / 2 1

2( 1) R

cm E

B E

v v

R r









2

2

[ / / ]

2 1

2( 1) R

o m C L

B

d cm

m C L cm

B B

E

d d cm cm

r

A v A v























Từ đó suy ra:

[ / / ]

[ / / ]

0.5( / ) 2( 1)

C L

d m C L

C L cm





















127.2

d

cm

A

CMRR

A

Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát

Tìm điểm phân cực tĩnh DC Xét β=240

Sử dụng sơ đồ tương đương Thevenin ta có:

1 2

1

1 2

J

TH

R

V

R R

Giả sử các BJT đều hoạt động ở miền tích cực

Xét KVL ta có:

3

12

0.008(mA) ( 1)

TH BE

B

I

 

 

0.97( )

0.968( ) 1

E E









KVL: I R B1 B1V BEV CE3I R E3 E3 12V CE3 6.06( )V

KVL: 12I R C1 C1V CE1V CE3I R E3 E312 V CE1V CE2 7.28( )V

Ta thấy V CE1 V CE2V CE sat và V CE3 V CE satnên giả định đặt ra ban đầu đúng

_Xét mạch ở chế độ AC, vẽ mô hình tương đương tính hiệu nhỏ (π model):

Tương tự ta có:

[ / / ]

61.9( / ) 2( )

[ / / ] 2( 1)

C L d

B

C L cm

A





















Với

A

o o

C

V

I

 

trong đó VA là điện áp Early, V   A nên R   o

Do đó Acm -> 0

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

1 Lựa chọn các dữ kiện đầu vào :

- Các thông số mạch DC như hệ số khuếch đại hfe và V BE 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 tín 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 R B 1 , R B 2(=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

pháp đo đạc các đại lượng:

a Đo các giá trị

phân cực tĩnh DC:

- Do ảnh hưởng của dòng I CQ lên hệ sô khuếch đại áp hfe nên ta tiến hành đo hệ số hfe bằng

cách đo dòng I B và dòng I CQ, xác định theo công thức hfe= I CQ

- Đo chênh lệch áp giữa chân B và chân E của BJT, đảm bảo V BE ≤ V BEmax=0,79V.

- Dùng số liệu đo được để tính toán lý thuyết của mạch và so sánh với kết quả thực nghiệm

Module mạch phân

Mạch khuếch đại E chung với R E ở cực phát

Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát

b Đo độ lợi cách chung:

- Để đo độ lợi cách chung ta phải đảm bảo rằng mạch hoạt động ở chế độ AC, tín hiệu nhỏ,

- Cấp tín hiệu vào v1và v2 với máy phát sóng Chỉnh tín hiệu nhỏ và tần số dãy giữa như đã thực hiện ở bài thí nghiệm 1

- Kiểm tra xem hai tín hiệu đã đồng pha và cùng biên độ chưa

- Đo tần số máy phát sóng, trị đỉnh-đỉnh của các giá trị v o , v1, v2 bằng dao động ký

- Tính độ lợi cách chung theo công thức A cm v c+A d v d=v o,với v d=v2−v1=0

và v c=(v1+v2)/2

Module mạch đo đô lợi cách chung (Mạch nối R E ở cực phát)

Module mạch đo đô lợi cách chung (Mạch nối nguồn dòng ở cực phát)

c Đo độ lợi vi sai :

- Để đo độ lợi vi sai, ta phải đảm bảo mạch hoạt động ở chế độ AC, tín hiệu nhỏ, tần số dãy giữa, hai tín hiệu vào phải cùng biên độ nhưng ngược pha

- Cấp tín hiệu vào v1và v2 với máy phát sóng Hai đầu máy phát sóng nối vào hai nhánh điện trở bằng nhau nối nối tiếp, điểm nối giữa hai điện trở dung làm GND,hai đầu còn lại của hai điện trở nối với R B 1 và R B 2, mắc như vậy đểv1và v2 bằng nhau về biên độ nhưng ngược pha Chỉnh tín hiệu nhỏ và tần số dãy giữa như đã thực hiện ở bài thí nghiệm 1

- Kiểm tra xem hai tín hiệu đã ngược pha và cùng biên độ chưa

- Đo tần số máy phát sóng, trị đỉnh-đỉnh của các giá trị v o , v1, v2 bằng dao động ký

- Tính độ lợi cách chung theo công thức A cm v c+A d v d=v o,với v d=v2−v1

và v c=v1+v2

2 =0

Module mạch đo đô lợi vi sai (Mạch nối R E ở cực phát)

Module mạch đo đô lợi vi sai (Mạch nối nguồn dòng ở cực phát)

IV Các kết quả thí nghiệm:

1 Đo phân cực tĩnh DC

 Mạch khuếch đại vi sai với R E ở cực phát

Dòng I CQ đo được: I CQ=0,962 mA

Dòng I E đo được: I E=1,004 mA

Chênh lệch áp giữa hai chân B và E đo được: V BE=0,581 V

Điện áp phân cực tĩnh V CEQ đo được: V CEQ=7,425 V

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

I B =240,75≈ 240

 Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát

Dòng I CQ1 đo được: I CQ1=1,156 mA

Dòng I E 1 đo được: I E 1=1,17 mA

Chênh lệch áp giữa hai chân B và E đo được: V BE=0,5808

Điện áp phân cực tĩnh V CEQ 1 đo được: V CEQ 1=6,303V

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

I B ≈ 289

2 Đo độ lợi cách chung A cm

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

Mạch

khuếch

đại vi sai

A cm (V/V) Lý

thuyết

Thực nghiệm

R E ở cực

Nguồn

dòng ở

cực phát

Kết quả đo trên máy dao động ký mạch khuếch đại vi sai với RE ở cực phát: (phần phụ lục hình ảnh): hình 1.1

Kết quả đo trên máy dao động ký mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát: (phần phụ lục hình ảnh): hình 1.2

3 Đo độ lợi vi sai A d

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

Mạch

khuếch

đại vi sai

A d (V/V) Lý

thuyết

Thực nghiệm

R E ở cực

Nguồn

Kết quả đo trên máy dao động ký mạch khuếch đại vi sai với RE ở cực phát: (phần phụ lục hình ảnh): hình 1.3

Kết quả đo trên máy dao động ký mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát: (phần phụ lục hình ảnh): hình 1.4

 PHẦN PHỤ LỤC HÌNH ẢNH: