Bài giảng được biên soạn phù hợp với chương trình môn học Điện tử 2 mới nhất đã được Trường Đại học Lâm nghiệp phê duyệt năm 2014. Tài liệu gồm 08 bài thí nghiệm thuộc các nội dung về linh kiện bán dẫn, các dạng mắc mạch khuếch đại đơn, ghép các tầng khuếch đại, mạch khuếch đại ứng dụng sử dụng bộ khuếch đại thuật toán, bộ lọc và mạch tạo dao động.
Các trang thiết bị của phòng thí nghiệm
Nội dung thí nghiệm này là một phần quan trọng trong hệ thống giảng dạy tích hợp cho môn Điện tử 2, thuộc ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử Các mức độ khó và phân phối cho các lĩnh vực được trình bày rõ ràng trong các bảng hệ thống số 1, 2, 3 và 4 Thí nghiệm này không chỉ phục vụ cho các ngành cơ điện tử, điều khiển tự động và kỹ thuật điện tại các trường cao đẳng, đại học, mà còn hỗ trợ việc thực hành điện tử cho nhiều nghề khác như máy vi tính, kỹ thuật điện, phân phối điện công nghiệp và điều khiển thiết bị ngoài các mạch điện tử và tuyến tính.
IC thực hành của các loại nghề điện - điện tử và điện tử công nghiệp
Bài giảng thí nghiệm này giúp sinh viên ngành điện tử làm quen và thành thạo việc thao tác với các mạch cơ bản, bao gồm các linh kiện như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, diode, transistor và IC tuyến tính, từ đó phát triển khả năng thực hiện các ứng dụng đơn giản.
Bảng 1 Các thí nghiệm trong lĩnh vực điện tử
Lĩnh vực điện tử Đối tượng thực hành
1 Thực hành chung 1 Mạch điện tử 1 Lớp video
2 Điện tử cơ bản 2 Máy vi tính 2 Truyền thông
Bảng 2 Các thí nghiệm trong lĩnh vực kỹ thuật điện
Lĩnh vực kỹ thuật điện Đối tượng thực hành
1 Thực hành chung (1), (2) 1 Thực hành điện (1)
1 Thực hành điện (3): Điện cao thế và Cơ điện tử
2 Thực hành điện (4): Nguồn điện cung cấp cho máy vi tính
Bảng 3 Các thí nghiệm trong lĩnh vực tự động hóa
Lĩnh vực tự động hóa Đối tượng thực hành
1 Điện cơ bản 1 Mạch điện tử (bao gồm thực hành kỹ thuật số tuyến tính)
1 Thực hành điều khiển điện
2 Điện tử cơ bản 2 Cơ khí
2 Thực hành tự động 3 Thực hành điện công nghiệp
Bảng 4 Các thí nghiệm trong bảo dưỡng thiết bị điện tử
Lĩnh vực tự động hóa Đối tượng thực hành
1 Điện tử cơ bản 1 Điện tử cơ bản
2 Giới thiệu về nội dung thí nghiệm
Tài liệu “Hướng dẫn thí nghiệm Kỹ thuật Điện tử - tập 2” bao gồm 8 bài thí nghiệm phù hợp với đề cương môn học Điện tử 2 đã được phê duyệt Mỗi bài thí nghiệm được thiết kế đồng nhất về cấu trúc và trình tự, giúp sinh viên dễ dàng theo dõi và thuận tiện trong quá trình thực hành.
Các bài thí nghiệm bao gồm:
2.1 Thí nghiệm về các đặc tính của FET (KL - 23004)
2.1.1 Các đặc tính của JFET
2.1.2 Các đặc tính của MOSFET
2.2 Thí nghiệm về các mạch khuếch đại dùng FET (KL - 23004)
2.2.1 Mạch khuếch đại nguồn chung (CS) dùng JFET - tự phân cực
2.2.2 Mạch khuếch đại nguồn chung (CS) dùng JFET - phân cực cố định
2.2.3 Mạch khuếch đại máng chung (CD) dùng JFET - tự phân cực
2.2.4 Mạch khuếch đại máng chung (CD) dùng JFET - phân cực cố định
2.2.5 Mạch khuếch đại nguồn chung (CS) dùng MOSFET - tự phân cực
2.2.6 Mạch khuếch đại nguồn chung (CS) dùng MOSFET - phân cực phân chia điện áp
2.3 Thí nghiệm về ghép tầng khuếch đại (KL - 23005, 23006, 23007)
2.3.1 Ghép tầng khuếch đại bằng RC
2.3.2 Ghép tầng khuếch đại trực tiếp
2.3.3 Mạch khuếch đại đẩy - kéo
2.3.6 Mạch khuếch đại dùng IC
2.4 Thí nghiệm về các đặc tính của bộ khuếch đại thuật toán OA (KL - 23012)
2.4.1 Mạch khuếch đại vi sai
Đo lường các đặc tính cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán bao gồm các yếu tố quan trọng như trở kháng vào, trở kháng ra, băng thông, tốc độ biến thiên, điện áp lệch không ở đầu vào đảo và điện áp lệch không ở đầu vào không đảo Những đặc tính này đóng vai trò quyết định trong hiệu suất và ứng dụng của bộ khuếch đại thuật toán.
2.5 Thí nghiệm về các mạch khuếch đại cơ bản dùng OA (KL - 23013)
2.5.2 Mạch khuếch đại không đảo
2.5.6 Mạch điện áp không đổi
2.5.7 Mạch dòng điện không đổi
2.6 Thí nghiệm về ứng dụng của bộ khuếch đại thuật toán (KL - 23014,
2.6.1 Mạch khuếch đại lô ga rít
2.6.3 Mạch chỉnh lưu chính xác
2.6.5 Mạch lấy và giữ mẫu
2.6.6 Mạch khuếch đại nhạc cụ
2.7 Thí nghiệm về mạch lọc (KL - 23015, 23016)
2.7.5 Mạch điều khiển âm điệu
2.7.6 Mạch khuếch đại đảo với một nguồn cung cấp
2.8 Thí nghiệm về mạch tạo dao động (KL - 23008, 23009)
2.8.1 Mạch dao động tần số thấp dùng RC
2.8.2 Mạch dao động cao tần
2.8.3 Mạch dao động dùng thạch anh
3 Giới thiệu về phần cứng
Công cụ thí nghiệm này được chia thành hai phần chính sau:
Bao gồm các module KL - 23.001 ~ KL23017
Hệ thống chính bao gồm các đặc điểm kỹ thuật quan trọng, tập trung vào các thông số kỹ thuật của từng mục trong hệ thống Những đặc điểm này không chỉ đảm bảo hiệu suất hoạt động mà còn góp phần nâng cao tính ổn định và độ tin cậy của hệ thống.
A Nguồn cung cấp điện của hệ thống chính là AC 110V/220VAC 10%, 50/60Hz
Hệ thống chính của công cụ thí nghiệm tuyến tính được lắp đặt 1680 điểm chấm điện trên bảng điều khiển, cho phép nó hoạt động độc lập trong các thí nghiệm.
Hệ thống chính của công cụ thí nghiệm được trang bị 4 bộ module cố định trên bảng điều khiển, cho phép người dùng thực hiện thí nghiệm với bảng Module một cách linh hoạt và tiện lợi.
Các thông số của hệ thống chính:
- Nguồn cung cấp một chiều DC:
- Nguồn cung cấp xoay chiều AC:
2) Dòng điện ra tối đa: 500mA;
3) Có bảo vệ quá tải đầu ra
1) Dạng sóng đầu ra: hình sin, vuông, tam giác;
2) Tần số đầu ra: 10Hz ~ 100KHz, 4 mức điều chỉnh, có thể điều chỉnh được liên tục;
3) Độ chính xác: ±5% của giá trị thực;
- Ampe kế và vôn kế kỹ thuật số:
2) Độ chính xác của điện thế DC: ± 0,3% của phần đọc + 1digit;
3) Khoảng dũng điện DC: 200àA, 2000mA;
4) Độ chính xác của dòng DC: ±0,5% của phần đọc + 1digit
- Ampe kế và vôn kế tương tự:
- Loa: một loa 8Ω, 0,25W có mạch driver
- Các phụ kiện kèm theo hệ thống chính:
1) Dây nối 2mm: 0,65mm, dài 300mm, màu đỏ x 3;
2) Dây nối 2mm: 0.,65mm, dài 300mm, màu đen x 2;
3) Sách hướng dẫn sử dụng x 1;
- Phụ kiện kèm theo module thí nghiệm:
1) Dây nối 2mm: 2mm, dài 300mm, màu đỏ x 5;
2) Dây nối 2mm: 2mm, dài 300mm, màu đen x 5;
3) Dây nối 2mm: 2mm, dài 300mm, màu trắng x 5;
4) Dây nối 2mm: 2mm, dài 300mm, màu vàng x 5;
5) Dây nối 2mm: 2mm, dài 300mm, màu xanh lam x 5;
3.3 Sử dụng một cách tối ưu
Đồng hồ vạn năng tương tự là thiết bị quan trọng trong việc đo lường các đặc tính của chất bán dẫn, cũng như giá trị hiệu dụng của điện áp ACV và dòng điện lớn.
- Đồng hồ vạn năng kỹ thuật số được sử dụng chủ yếu là đo điện áp và dòng điện nhỏ…
- Sử dụng loa nên chú ý đến các đặc điểm kỹ thuật
- Các chiết áp: VR1K, VR10K, VR100K, VR1M được cố định trong bảng hệ thống chính và thường được sử dụng bởi tất cả các module thí nghiệm
4 Phương pháp thực hiện thí nghiệm
Công cụ thí nghiệm này hỗ trợ giảng dạy theo năng lực học tập của sinh viên, cho phép những sinh viên có khả năng học tốt hơn thực hành áp dụng qua các bài thí nghiệm Trong khi đó, sinh viên có khả năng học hạn chế hơn có thể tập trung vào việc sử dụng công cụ thử nghiệm (module) như một mục tiêu học tập.
Mỗi bài trong tập bài giảng thí nghiệm đều có mục tiêu học tập rõ ràng, giúp sinh viên nghiên cứu nội dung trước khi thực hành Việc này không chỉ giúp sinh viên hiểu kết quả thí nghiệm mà còn lý do đằng sau những kết quả đó, từ đó hỗ trợ quá trình học tập hiệu quả hơn.
Bộ bài giảng thí nghiệm này cung cấp nhiều dữ liệu tham khảo, được thiết kế từ cơ bản đến nâng cao Sinh viên có thể thực hiện từng thí nghiệm theo lịch trình và nội dung cụ thể mà giảng viên đã xác định.
Bộ thí nghiệm này được thiết kế dựa trên nguyên tắc phân nhóm thí nghiệm với thời gian hạn chế, nhằm tối ưu hóa khả năng tiếp thu của sinh viên Để đảm bảo hiệu quả học tập, phần lắp ráp (bao gồm điện tử và cách làm việc) chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong quá trình thực hiện Nếu cần thiết, giảng viên có thể yêu cầu sinh viên tìm hiểu trước quy trình lắp ráp để nâng cao hiệu quả thí nghiệm.
Trong tập bài giảng thí nghiệm này, ngoài các thí nghiệm thực tế, còn có phần mô phỏng giúp sửa chữa các lỗi thường gặp trong quá trình thực hiện thí nghiệm, kèm theo các câu hỏi và bài tập liên quan.
14 tập (các câu hỏi trắc nghiệm và các bài thực hành) Giảng viên có thể sử dụng mô phỏng sửa chữa các lỗi để làm đánh giá việc học
Nội dung của tập bài giảng thí nghiệm này tập trung vào cả lý thuyết và thực hành, cung cấp nhiều dữ liệu hữu ích Đây là một tài liệu tuyệt vời cho sinh viên tự học và cũng là nguồn tham khảo tiện lợi cho giảng viên.
Bài giảng thí nghiệm này trình bày các bước thực hiện thí nghiệm cùng với các mẫu biểu để ghi lại kết quả Sinh viên cần tham gia đầy đủ để làm quen với các công cụ và hiểu rõ ý nghĩa của từng kết quả đạt được.
5 Các trang thiết bị của phòng thí nghiệm
CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA TRANSTISOR TRƯỜNG
Các biểu ghi kết quả thí nghiệm
- Đo được dòng I D bão hòa và điện áp thắt kênh V p của JFET (Junction Field Effect Transistor)
- Đo được dòng I D bão hòa và điện áp thắt kênh V p của MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
- JFET (Junction Field Effect Transistor): Transistor trường cực cửa tiếp giáp
- MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor): Transistor trường cực cửa cách ly
- G (Gate): Cực cửa (cổng); D (Drain): Cực máng; S (Source): Cực nguồn
- V p, V GS(cutoff): Điện áp khóa kênh, cắt kênh (Pinch-off, cutoff) giữa cực G, S
- I dss: Cường dộ dòng điện cực D, S bão hòa
- Quan hệ giữa dòng I d và điện áp thắt kênh:
Transistor là linh kiện điều khiển cường độ dòng điện, bao gồm dòng điện tử và dòng lỗ trống, được biết đến với tên gọi transistor lưỡng cực.
Transistor trường (FET) là linh kiện đơn cực, trong đó dòng điện của FET kênh n được tạo ra bởi dòng điện tử, trong khi FET kênh p được hình thành từ dòng lỗ trống FET hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển bằng điện áp.
FET có khả năng thực hiện các chức năng tương tự như transistor lưỡng cực, nhưng khác biệt về điều kiện phân cực và đặc trưng Khi sử dụng FET, cần lưu ý đến những ưu điểm và hạn chế của nó để phù hợp với mục đích và yêu cầu cụ thể.
- FET có trở kháng vào cao, thường khoảng 100M
- FET tương đối độc lập với nhiệt độ, trong khi BJT rất nhậy cảm với nhiệt độ
Nhiễu nội tại của FET thấp hơn so với BJT, làm cho FET trở thành lựa chọn lý tưởng cho các tầng đầu của bộ khuếch đại ở mức biên độ thấp, như trong trường hợp tầng khuếch đại đầu.
FET có khả năng ổn định nhiệt cao hơn BJT, nhưng cũng tồn tại một số hạn chế như băng tần tín hiệu đầu ra nhỏ hơn và dễ bị hư hỏng do tĩnh điện Phân loại và ký hiệu của FET được mô tả chi tiết trong bảng 1.1.
Bảng 1.1 Các loại FET và ký hiệu
1.2.3 Các họ đặc tuyến của JFET a) Họ đặc tuyến ra: Đối với FET nói chung và JFET nói riêng, giá trị dòng I D phụ thuộc mạnh vào giá trị của VDS và VGS Nếu giữ VGS = const và cho VDS biến đổi theo ta thu được đặc tuyến ra của JFET là quan hệ của I D và V DS theo biểu thức:
Tập hợp các đặc tuyến ra của JFET tương ứng với các giá trị VGS = const khác nhau ta thu được họ đặc tuyến ra
Khi VGS tăng lên, sự khuếch tán diễn ra ngay lập tức trong các kênh, tạo ra cường độ dòng điện cần thiết để hình thành vùng cắt kênh Đường cong VGS = -1V thể hiện trong hình 1.1.a cho thấy điện áp cực cổng hoạt động như một bộ điều khiển, có khả năng giảm cường độ dòng ID Ngược lại, khi VGS > 0 (đối với JFET - p), cường độ dòng ID sẽ gia tăng từ giá trị Idss, như thể hiện trong hình 1.1.b.
Khi điện áp cổng VGS tăng liên tục, cường độ dòng ID cũng sẽ tăng theo Tuy nhiên, khi VGS đạt đến một giá trị nhất định, cường độ dòng ID sẽ giảm xuống bằng 0, không còn phụ thuộc vào giá trị của VDS Giá trị điện áp VGS tại thời điểm này được gọi là điện áp thắt (pinch-off voltage), thường được ký hiệu là Vp.
VGS(cutoff) Từ hình 1.1 ta thấy V p < 0 với JFET - n và ngược lại với JFET - p b) Họ đặc tuyến truyền đạt:
Khi giữ điện áp VDS không đổi và thay đổi điện áp VGS, ta có thể xác định đặc tuyến truyền đạt của JFET, thể hiện mối quan hệ giữa dòng ID và điện áp VGS.
Trên đường cong đặc tính, điểm Idss và Vp là hai yếu tố quan trọng nhất, giúp xác định dòng điện máng cực đại và điện áp thắt kênh Hai điểm này nằm trên hai trục tọa độ và có thể được tính toán thông qua công thức (1-1).
Từ công thức (1-1) ta có:
Cho Id = 0 VGS = Vp a) Đặc tuyến ra của JFET-n b) Đặc tuyến ra của JFET-p
Hình 1.1 Đặc tuyến ra của JFET-n, JFET-p
Hình 1.2 Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của JFET
Phân cực cho JFET làm việc thường được thiết kế ở giữa của đặc tuyến truyền đạt Hình 1.3.a mô tả mạch đo Id (VGS = 0) và hình 1.3.b mô tả mạch đo
V p (trong mạch này V GS là một điện áp âm) a) b)
Hình 1.3 Mạch đo dòng I d (a) và điện áp cắt V p (b)
1.2.4 Các họ đặc tuyến của MOSFET a) Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của MOSFET kênh đặt sẵn a) Đặc tuyến truyền đạt b) Đặc tuyến ra
Hình 1.4 Các họ đặc tuyến của MOSFET kênh đặt sẵn loại n
Hình 1.4 minh họa đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của MOSFET kênh đặt sẵn loại n, cho thấy sự tương đồng với JFET Tuy nhiên, MOSFET thường được ưa chuộng hơn do khả năng hoạt động ở điện áp VGS > 0 trong đặc tuyến ra Đối với MOSFET kênh đặt sẵn loại p, đặc tuyến cũng có những đặc điểm riêng.
Hình 1.5 thể hiện 20 tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra, cho thấy chiều của đặc tuyến truyền đạt và dấu của VGS của MOSFET kênh đặt sẵn loại p ngược so với loại n.
MOSFET kênh cảm ứng không có kênh dẫn điện ban đầu giữa cực D và cực S Khi áp dụng điện trường phù hợp giữa cực G và S (V GS > 0), dòng điện tử sẽ di chuyển từ cực S về cực D, tạo ra dòng Id chảy từ cực D đến cực S Mối quan hệ giữa dòng điện Id và điện áp VGS được thể hiện qua một công thức cụ thể.
Giá trị K thường là 0,3mA/V², và khi V GS = 0, dòng I d không xuất hiện Đối với MOSFET kênh cảm ứng loại n và loại p, đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra được thể hiện trong hình 1.6 và hình 1.7.
Hình 1.6 Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của MOSFET kênh cảm ứng loại n
1.3 Thiết bị, vật tư thí nghiệm
- Các linh kiện và mạch được gắn trên module KL - 23004
- Nguồn cung cấp một chiều
- Các jack và dây nối đi kèm bộ thí nghiệm
1.3.1 Thí nghiệm về các đặc trưng của JFET
1.4.1.1 Đo dòng cực máng bão hòa (Idss) a) Quy trình thí nghiệm: a) Sơ đồ nguyên lý b) Sơ đồ gắn ghim mạch
Hình 1.8 Thí nghiệm đo dòng I dss của JFET
Bước 1: Gắn và cố định khối KL - 23004 lên bảng mạch KL - 2001;
Bước 2: Quan sát sơ đồ nguyên lý ở hình 1.8a và gắn các ghim mạch theo như sơ đồ hình 1.8b;
Bước 3: Kết nối ampe kế để đo Idss;
Hình 1.7 Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của MOSFET kênh cảm ứng loại p
Kết nối cực G tiếp đất và điều chỉnh Vdd trong khoảng 3 đến 18VDC, sau đó quan sát và ghi lại giá trị dòng Id tương ứng với từng giá trị điện áp Vdd Kết quả thí nghiệm sẽ được ghi lại trong bảng TN1-1.
1.4.1.2 Đo dòng cực cửa – nguồn (I gs ) a) Quy trình thí nghiệm: a) Sơ đồ nguyên lý b) Sơ đồ gắn ghim mạch
Hình 1.9 Thí nghiệm đo dòng I gs của JFET
Bước 1: Quan sát mạch ở hình 1.9a và gắn các ghim mạch như hình vẽ 1.9b; Bước 2: Kết nối ampe kế để đo dòng Igs;
- Kết nối nguồn +5V với Vo, nối cực D, S tiếp đất tương ứng Sau đó quan sát và ghi lại giá trị dòng Io;
- Kết nối nguồn -5V với V o , nối cực D, S tiếp đất tương ứng Sau đó quan sát và ghi lại giá trị dòng Io; b) Kết quả thí nghiệm: Ghi trong bảng TN1-2
1.4.1.3 Đo điện áp thắt kênh V p (V gs(cutoff) ) a) Quy trình thí nghiệm: a) Sơ đồ nguyên lý b) Sơ đồ gắn ghim mạch
Hình 1.10 Thí nghiệm đo điện áp thắt kênh V p của JFET
Bước 1: Quan sát mạch ở hình 1.10a và gắn các ghim mạch như hình vẽ
Bước 2: Kết nối ampe kế để đo dòng I d ;
Bước 3: Điều chỉnh VR4 (VR1M) để dòng Id = 0;
Bước 4: Khi I d = 0, sử dụng vôn kế để đo V gs(off); b) Kết quả thí nghiệm: ghi trong bảng TN1-3
1.3.2 Thí nghiệm về các đặc trưng của MOSFET
1.4.2.1 Đo dòng cực máng bão hòa (I dss ) a) Quy trình thí nghiệm: a) Sơ đồ nguyên lý b) Sơ đồ gắn ghim mạch
Hình 1.11 Thí nghiệm đo dòng I dss của MOSFET
Bước 1: Quan sát sơ đồ nguyên lý ở hình 1.11a và gắn các ghim mạch theo như sơ đồ hình 1.11b;
Bước 2: Kết nối ampe kế để đo Idss;
MẠCH KHUẾCH ĐẠI FET
Các biểu ghi kết quả thí nghiệm
- Sinh viên phân biệt được các phương pháp phân cực cho FET
- Lắp ráp các dạng mắc mạch cơ bản cơ bản của FET: nguồn chung (CS), máng chung (CD)
Đo lường và tính toán các thông số cơ bản của mạch khuếch đại sử dụng FET, như điện áp vào/ra, hệ số khuếch đại và độ lệch pha, giúp sinh viên nắm vững nguyên lý hoạt động của các mạch khuếch đại FET khác nhau.
Ba thông số quan trọng nhất của FET được mô tả như sau:
- Hỗ dẫn truyền đạt (gm):
- Điện trở vi phân đầu ra (r d ):
- Hệ số khuếch đại điện áp ():
Trong ba công thức trên, i d , V gs và V ds tương ứng là:
id: Cường độ dòng điện cực máng (dòng điện ra) xoay chiều
Vgs: Điện áp xoay chiều đưa tới cực G và S (tín hiệu nhỏ)
Vds: Điện áp xoay chiều tạo ra trên cực D và S
2.2.2.1 Các dạng phân cực cho FET a) Phân cực cố định (được mô tả ở hình 2.1)
Hình 2.1a mô tả phân cực cố định cho JFET kênh p, trong đó V dd cung cấp
Vds, Id và Vgg cung cấp Vgs, với Hình 2.1b thể hiện đặc tuyến ra và điểm làm việc tĩnh Q Từ phương trình mạch đầu ra Vdd = Id.Rd + Vds, đường tải một chiều được mô tả bằng một đường thẳng, cho phép xác định hai điểm trên các trục tọa độ: khi Id = 0, ta có Vdd = Vds = -20V (điểm A).
Khi Vds = 0 Id = Vdd/Rd = -20V/2,5K = -8mA (điểm B) Đường thẳng nối giữa các điểm A và B là đường tải một chiều
29 a) Sơ đồ nguyên lý b) Đặc tuyến ra và điểm làm việc tĩnh Q
Hình 2.1 Phân cực cố định cho JFET kênh p
Do Ri lớn nên Ig = 0 và cực S nối đất dẫn đến Vs = 0, do đó Vg – Vs = 2V Điểm làm việc tĩnh Q (VdsQ, IdQ) được xác định bằng giao điểm giữa đường tải một chiều và đường cong tương ứng với Vgs = 2V, hoặc có thể tính từ hai phương trình.
IdQ = Idss.(1 – VgsQ/Vp) 2 b) Phân cực tự động (được mô tả ở hình 2.2) a) Sơ đồ nguyên lý b) Đặc tuyến ra
Hình 2.2 Phân cực tự động cho JFET kênh n
Sơ đồ phân cực này chỉ dùng một nguồn Vdd, quá trình phân cực cho JFET được diễn ra khi điện áp tại cực G và cực S thỏa mãn Vgs < 0
Vgs = Vg – Vs = 0 – Vs = -Id.Rs
Từ phương trình mạch đầu ra Vdd = Id.Rd + Vds + Id.Rs, ta có thể xác định được hai điểm trên trục tọa độ của đường tải một chiều Khi Id = 0, giá trị Vdd và Vds đều bằng 12V, tạo thành điểm A.
Khi Vds = 0 Id = Vdd/(Rd + Rs) = 12V/(1K + 2K) = 4mA (điểm B) Đường thẳng nối giữa các điểm A và B là đường tải một chiều
Các điểm làm việc tĩnh là giao điểm của đường tải một chiều với đường cong của Vgs c) Phân cực phân chia điện áp
Hình 2.3 Sơ đồ phân cực phân chia điện áp cho JFET kênh n
Mạch phân cực phân chia điện áp của JFET kênh n được mô tả trong Hình 2.3, với giá trị Vg khác 0 Các thông số Vgs, Id và tọa độ điểm làm việc tĩnh Q được xác định tương tự như trong trường hợp tự phân cực.
Hình 2.4 Sơ đồ phân cực phân chia điện áp cho MOSFET kênh đặt sẵn loại n
Mạch phân cực loại này thích hợp cho MOSFET, với hình 2.4 minh họa mạch phân cực phân chia điện áp cho MOSFET kênh n Chúng ta cần xác định tọa độ của điểm làm việc tĩnh Q.
VdsQ = Vdd – Id.(Rs + Rd)
2.2.2.2 Các cách mắc mạch khuếch đại cơ bản dùng FET
Các sơ đồ khuếch đại dùng FET (phân tích tín hiệu nhỏ) thường được mắc theo 3 cách:
- Nguồn chung CS (Common Source) CE (transistor lưỡng cực)
- Máng chung CD (Common Drain) CC (transistor lưỡng cực)
- Cổng chung CG (Common Gate) CB (transistor lưỡng cực)
Trong phân tích tín hiệu nhỏ, cách mắc thứ 3 (CG) ít được sử dụng, vì vậy bài viết này sẽ tập trung vào hai phương pháp mắc chính là CS và CD Đặc biệt, bộ khuếch đại CS (hình 2.5) sẽ được xem xét kỹ lưỡng.
- Hệ số khuếch đại điện áp:
- Tín hiệu đầu ra ngược pha tín hiệu đầu vào (lệch pha 180 0 ) a) Sơ đồ nguyên lý b) Sơ đồ tương đương
Hình 2.5 Bộ khuếch đại CS dùng JFET kênh n b) Bộ khuếch đại CD (hình 2.6) a) Sơ đồ nguyên lý b) Sơ đồ tương đương
Hình 2.6 Bộ khuếch đại CD dùng JFET kênh n
- Hệ số khuếch đại điện áp:
- Trở kháng vào rất lớn: Zi =
- Tín hiệu đầu ra đồng pha tín hiệu đầu vào
2.3 Thiết bị, vật tư thí nghiệm
- Các linh kiện và mạch được gắn trên module KL - 23004
- Nguồn cung cấp một chiều
- Các jack và dây nối đi kèm bộ thí nghiệm
2.4.1 Mạch khuếch đại CS dùng JFET (tự phân cực) a) Quy trình thí nghiệm a) Sơ đồ nguyên lý b) Sơ đồ gắn ghim mạch
Hình 2.7 Thí nghiệm mạch khuếch đại CS dùng JFET (tự phân cực)
Bước 1: Gắn và cố định khối KL-23004 lên bảng mạch KL-2001
Bước 2: Quan sát sơ đồ nguyên lý ở hình 2.7a và gắn các ghim mạch theo như sơ đồ hình 2.7b (R12 = 3.3k, C3 = 22F)
Bước 3: Sử dụng vôn kế (DCV) để đo V GS và V D (sụt áp trên điện trở R 12 ) Sau đó ghi lại giá trị đo được
Kết nối bộ phát tín hiệu vào đầu vào (IN) của thiết bị đầu cuối và kết nối máy hiện sóng với đầu ra (OUT1) để hoàn thành bước 4.
Bước 5: Điều chỉnh máy phát tín hiệu đến tần số 1KHz với sóng hình sin và tăng biên độ từ từ để đảm bảo dạng sóng đầu ra hiển thị tối đa mà không bị biến dạng Sử dụng máy hiện sóng để đo dạng sóng ở đầu ra (OUT1) và ghi lại các kết quả đo được.
Bước 6: Thay đổi giá trị R 12 đến R 16 = 6.8k Sau đó lặp lại các bước (3),
(4), (5) Ghi, vẽ lại kết quả quan sát và đo được
Bước 7: Kết nối R12 với 3.3k và không kết nối C3 Tiếp theo, lặp lại các thao tác từ bước (5) Ghi chép và vẽ lại các kết quả quan sát và đo được b) Kết quả thí nghiệm cần được ghi vào bảng TN2-1.a, b, c.
2.4.2 Mạch khuếch đại CS dùng JFET (phân cực chia điện áp) a) Quy trình thí nghiệm a) Sơ đồ nguyên lý b) Sơ đồ gắn ghim mạch
Hình 2.8 Thí nghiệm mạch khuếch đại CS dùng JFET
(phân cực chia điện áp)
Bước 1: Quan sát mạch ở hình 2.8a và gắn các ghim mạch như hình vẽ 2.8b Bước 2: Sử dụng vôn kế (DCV) để đo V G , V S Từ đó tính V GS = V G – V S
Kết nối bộ phát tín hiệu vào đầu vào (IN) của thiết bị đầu cuối và kết nối máy hiện sóng với đầu ra (OUT1) của thiết bị này.
Bước 4: Điều chỉnh máy phát tín hiệu về tần số 1KHz với sóng hình sin và tăng dần biên độ để đảm bảo dạng sóng đầu ra tối đa không bị biến dạng Sử dụng máy hiện sóng để đo dạng sóng ở đầu vào (IN) và đầu ra (OUT1), đồng thời quan sát và ghi lại kết quả đo được.
Bước 5: Ngắt kết nối C 3 , sau đó lặp lại bước 4 b) Kết quả thí nghiệm: Ghi trong bảng TN2-2.a, b
2.4.3 Mạch khuếch đại CD dùng JFET (tự phân cực) a) Quy trình thí nghiệm: a) Sơ đồ nguyên lý b) Sơ đồ gắn ghim mạch
Hình 2.9 Thí nghiệm mạch khuếch đại CD dùng JFET (tự phân cực)
Bước 1: Quan sát mạch ở hình 2.9a và gắn các ghim mạch như hình vẽ 2.9b Bước 2: Sử dụng vôn kế (DCV) để đo VG, VS Từ đó tính VGS = VG – VS
Kết nối bộ phát tín hiệu của thiết bị đầu cuối với đầu vào (IN) và thiết lập máy hiện sóng với đầu ra 2 (OUT2) để đảm bảo hoạt động chính xác.
Bước 4: Điều chỉnh máy phát tín hiệu đến tần số 1KHz với sóng hình sin và tăng dần biên độ để đảm bảo dạng sóng đầu ra tối đa không bị biến dạng Sử dụng máy hiện sóng để đo dạng sóng ở đầu vào (IN) và đầu ra (OUT2) cùng một lúc Quan sát và ghi lại kết quả đo vào bảng TN2-3.a, b.
2.4.4 Mạch khuếch đại CD dùng JFET (phân cực chia điện áp) a) Quy trình thí nghiệm
Bước 1: Quan sát sơ đồ nguyên lý ở hình 2.10a và gắn các ghim mạch theo như sơ đồ hình 2.10b
Bước 2: Sử dụng vôn kế (DCV) để đo VG, VS Từ đó tính VGS = VG – VS
Kết nối bộ phát tín hiệu với đầu vào (IN) của thiết bị đầu cuối và đồng thời kết nối máy hiện sóng với đầu ra 2 (OUT2) để hoàn tất quá trình thiết lập.
MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐA TẦNG
Các biểu ghi kết quả thí nghiệm
- Sinh viên hiểu được các cách ghép tầng khuếch đại và nguyên lý hoạt động của các hệ thống khuếch đại
- Nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại ghép biến áp
- Nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại ghép điện dung
- Ứng dụng của IC âm thanh
- OTL AMP (Output Transformer Less Amplifier): Bộ khuếch đại ghép biến áp
- OCL AMP (Output Capacitor Less Amplifier): Bộ khuếch đại ghép tụ điện
Đáp tuyến tần số (Frequency Response) là khả năng khuếch đại của bộ khuếch đại ở các tần số khác nhau Thông thường, bộ khuếch đại sẽ có hệ số khuếch đại suy giảm ở cả tần số cao và tần số thấp.
Khi nhiệt độ tăng cao, các điện tử trong linh kiện bán dẫn di chuyển nhanh hơn, gây ra sự gia tăng cường độ dòng điện Quá trình này tiếp tục làm tăng nhiệt độ của chất bán dẫn, cuối cùng dẫn đến hiện tượng đánh thủng linh kiện như transistor.
- Hiệu suất (): Là tỷ số giữa tín hiệu AC do bộ khuếch đại biến đổi với nguồn DC cấp cho mạch khuếch đại làm việc
Một bộ khuếch đại có hiệu suất cao sẽ tiết kiệm nhiều năng lượng
Có ba cách ghép tầng khuếch đại thường được sử dụng là:
1 Ghép điện dung (tụ điện)
3.2.2.1 Ghép tầng khuếch đại bằng tụ điện a) Các đặc điểm
Tầng khuếch đại trước bao gồm điện trở Rc1 (R3) và tụ điện Cc (C2), có nhiệm vụ kết nối tín hiệu đầu ra của tầng trước với tầng khuếch đại tiếp theo.
- Chức năng ghép nối của tụ Cc: thành phần tín hiệu DC sẽ bị chặn (vì
Cc thường có giá trị từ 2 đến 50μF, cho phép tín hiệu AC đi qua trong khi cô lập các thành phần DC Việc này giúp các mạch phân cực cho từng tầng khuếch đại hoạt động độc lập.
Hình 3.1 Ghép tầng khuếch đại bằng tụ điện b) Ưu điểm
Ghép nối bằng tụ điện là phương pháp phổ biến nhất trong mạch đơn giản, giúp tiết kiệm chi phí và giảm diện tích mạch.
- Đáp ứng tần số tương đối bằng phẳng trên toàn dải tần số làm việc
- Nhiễu thấp hơn so với tín hiệu ghép biến áp c) Nhược điểm
Sự khuếch đại ở tần số thấp sẽ bị hạn chế bởi tụ điện ghép nối, do điện trở phản kháng Xc rất lớn tại tần số này, dẫn đến việc tín hiệu bị suy giảm đáng kể.
- Tiêu thụ nguồn DC lớn nên loại ghép nối này chỉ phù hợp cho khuếch đại công suất thấp hoặc khuếch đại điện áp
- Việc phối hợp trở kháng giữa tầng trước với tầng sau khó khăn vì tín hiệu bị dịch mức và pha
3.2.2.2 Ghép tầng khuếch đại bằng biến áp
Biến áp có khả năng cô lập phân cực DC giữa hai tầng khuếch đại, đồng thời thực hiện chức năng ghép nối tín hiệu và phối hợp trở kháng một cách dễ dàng.
Hình 3.2 Ghép tầng khuếch đại bằng biến áp
Các thông số cơ bản đặc trưng cho biến áp được mô tả ở hình 3.3
Hình 3.3 Các thông số cơ bản của máy biến áp
- Tỷ số điện áp sơ cấp/thứ cấp tỷ lệ với số vòng dây:
V1, V2: Điện áp cuộn dây sơ cấp, thứ cấp;
N1, N2: Số vòng dây cuộn sơ cấp, thứ cấp
- Tỷ số dòng điện sơ cấp/thứ cấp tỷ lệ nghịch với số vòng dây:
I1, I2: dòng điện áp trong cuộn dây sơ cấp, thứ cấp
- Tỷ số trở kháng sơ cấp/thứ cấp tỷ lệ với bình phương tỷ số số vòng dây:
Z1, Z2: trở kháng của cuộn dây sơ cấp, thứ cấp b) Ưu điểm
- Ghép nối bằng biến áp cho phép dễ dàng phối hợp trở kháng giữa các tầng khuếch đại và điều chỉnh điện áp tăng hoặc giảm
- Cho công suất và hiệu suất cao
- Dễ dàng cô lập thành phần DC giữa hai tầng khuếch đại liên tiếp c) Nhược điểm
- Kích thước mạch lớn hơn, cồng kềnh hơn so với ghép nối bằng tụ điện
- Đáp ứng tần số hẹp
- Chi phí đắt hơn so với ghép nối bằng tụ điện
3.2.2.3 Ghép nối trực tiếp tầng khuếch đại
Như thể hiện trong hình 3.4, khi ghép trực tiếp các tầng khuếch đại thì đầu ra của tầng trước sẽ là đầu vào của tầng kế tiếp a) Đặc điểm
- Phân cực và chế độ DC của các tầng khuếch đại không độc lập, có ảnh hưởng tới nhau
- Dòng ra của tầng khuếch đại trước là dòng vào của tầng kế tiếp
- Điện áp của nguồn cấp ổn định b) Ưu điểm
- Tổn hao ghép nối nhỏ
- Giảm sai khác pha gây ra bởi điện cảm
- Đáp tuyến tần số rộng, trong đó có thể từ 0 Hz Mạch này có thể khuếch đại tín hiệu một chiều c) Nhược điểm
Sự phụ thuộc của Ib vào nhiệt độ cùng với mối liên hệ giữa các tầng trong chế độ một chiều khiến cho sự thay đổi nhiệt độ có thể gây ra sự mất ổn định của mạch tổng thể.
- Việc lựa chọn chính xác điểm làm việc tĩnh của từng tầng khuếch đại là khó khăn nên tồn tại nhiễu và tiêu hao nhiều nguồn cung cấp
3.2.2.4 Hệ thống khuếch đại và độ khuếch đại a) Sơ đồ khối hệ thống khuếch đại
Hình 3.5 Sơ đồ khối hệ thống khuếch đại
Hình 3.5 mô tả sơ đồ khối hệ thống khuếch đại Các thành phần của hệ thống này bao gồm:
- Bộ chuyển đổi tín hiệu đầu vào (Input signal transducer): Biến đổi tín hiệu vật lý (âm thanh, hình ảnh, ánh sáng…) thành tín hiệu điện
- Bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ (Small-signal amplifier): Cung cấp tín hiệu cần khuếch đại đầy đủ (dạng, biên độ…)
- Bộ khuếch đại tín hiệu lớn (Large-signal amplifier): Tiếp tục khuếch đại
Hình 3.4 Ghép trực tiếp các tầng khuếch đại
Bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ cần đạt được đầu ra 49 để cung cấp tín hiệu với mức độ yêu cầu Thông thường, các bộ khuếch đại này thuộc loại công suất.
Bộ chuyển đổi tín hiệu đầu ra là thiết bị chuyển đổi tín hiệu từ bộ khuếch đại tín hiệu lớn thành tín hiệu phù hợp với trở kháng của thiết bị đầu ra Độ khuếch đại, hay hệ số khuếch đại, được định nghĩa là tỷ số giữa tín hiệu đầu ra và tín hiệu đầu vào tương ứng.
- Hệ số khuếch đại điện áp (A v ): là tỷ số giữa điện áp đầu ra với điện áp đầu vào
- Hệ số khuếch đại dòng điện (Ai): là tỷ số giữa dòng điện đầu ra với dòng điện đầu vào
- Hệ số khuếch đại công suất (Ap): là tỷ số giữa công suất đầu ra/điện áp đầu vào
Decibel (dB) là đơn vị đo lường thể hiện độ nhạy cảm của tai con người đối với âm thanh, sử dụng thang đo logarit để phản ánh sự khác biệt về độ lớn âm thanh.
- 0dB: Tương ứng với tải 600 có công suất tiêu thụ 1mW và điện áp là 0,77V
Ta có các hệ số khuếch đại công suất, điện áp và dòng điện tính theo dB:
dBm là giá trị đo được tính toán dựa trên trở kháng 600Ω làm tải tham chiếu và công suất 1mW làm mức tham chiếu Hệ số khuếch đại tổng của hệ thống khuếch đại cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của hệ thống này.
Hệ thống có N tầng khuếch đại với các hệ số khuếch đại lần lượt là K1, K2, , KN Hệ số khuếch đại tổng của hệ thống, ký hiệu là KΣ, có thể được tính bằng hai phương pháp khác nhau.
- Cách 1: Tính theo tỷ số độ lớn của tín hiệu đầu ra/tín hiệu đầu vào:
K(dB) = K1(dB) + K2(dB)… KN(dB) (dB) (3-12)
Hệ số K tính theo dB cho biết chức năng của mạch: nếu giá trị dương, mạch có khả năng tăng hoặc khuếch đại tín hiệu; ngược lại, nếu giá trị âm, mạch sẽ làm suy giảm biên độ tín hiệu.
Ví dụ: lg1 = 0; lg2 = 0,3; lg3 = 0,477; lg10 = 1
Av = 0,707 |Av|dB = 20lg(0,707) = -3dB
3.2.2.5 Đáp ứng tần số của bộ khuếch đại
Khi tính toán hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại, thường sử dụng tần số làm việc của các linh kiện ở dải tần số trung bình, giả định rằng ảnh hưởng của điện trở tụ điện là bằng không Tuy nhiên, ở dải tần số thấp và cao, hệ số khuếch đại sẽ bị suy giảm Cụ thể, ở tần số thấp, ghép nối bằng tụ điện sẽ bị ảnh hưởng bởi dung kháng, dẫn đến việc hệ số khuếch đại giảm do tác động của điện dung đầu vào và điện dung phân phối của các transistor mắc song song với tải Đáp ứng tần số này được thể hiện trong hình 3.6.
- Nếu hệ số khuếch đại ở dải tần số trung bình có giá trị 1 (tương đương 0 dB), hai điểm (F L , F H ) với giá trị 0,707 của A v được gọi là điểm giới hạn
+ FL: Tần số cắt của tần số thấp
+ F H : Tần số cắt của tần số cao
+ BW = FH – FL: Băng thông
3.2.2.6 Bộ khuếch đại tín hiệu lớn (khuếch đại công suất)
Tùy thuộc vào vị trí của điểm làm việc tĩnh Q mà các bộ khuếch đại tín hiệu lớn có các chế độ làm việc A, B, AB hoặc C