Khảo sát đáp ứng tần số mạch khuếch đại BJT ghép e chung

Mục lục Bài 4: Khảo sát áp ứng tần số mạch khuếch ại BJT ghép E chung 1 Giới thiệu chung Các giả thuyết cần kiểm chứng .2 Các kết thí nghiệm 15 Phân tích kết so sánh 24 Kết luận chung .27 Bài 4: KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG TẦN SỐ MẠCH KHUẾCH ĐẠI BJT GHÉP E CHUNG I Giới thiệu chung Mục tiêu thí nghiệm Khảo sát áp ứng tần số mạch khuếch ại BJT ghép E chung - Tính tốn lý thuyết ộ lợi áp dãy mạch, tần số cắt cao, tần số cắt thấp từ thông số ã cho, thơng số cịn thiếu So sánh kết khảo sát với lý thuyết - Hiểu ược nguyên lý hoạt ộng mạch khuếch ại BJT ghép E chung tần số khác nhau: tần số thấp, tần số dãy giữa, tần số cao mạch có hồi tiếp không hồi tiếp - Dùng phần mềm mô phỏng, o phân cực DC mạch ể ảm bảo mạch hoạt ộng chế ộ tích cực - Thay ổi giá trị tụ ghép CC, CE tụ Cobext quan sát khác ộ lợi áp mạch bao gồm mạch có hồi tiếp khơng hồi tiếp - Biết cách xác ịnh ộ lợi áp dãy (ở tần số dãy giữa) - Từ ộ lợi áp tính ược từ tần số thấp ến tần số cao, vẽ áp ứng tần số mạch - Hiểu ược ảnh hưởng tụ Cobext lên ộ lợi áp mạch tần số cắt Phần mềm thí nghiệm: LTspice - LTspice phần mềm máy tính mơ mạch iện tử tương tự dựa SPICE, cung cấp tính chụp giản ể nhập giản iện tử cho mạch iện tử Module thí nghiệm: BJTLABSN001 II Các giả thuyết cần kiểm chứng Sơ mạch thí nghiệm giả thuyết lý thuyết cần kiểm chứng 1.1 Mạch khuếch ại ghép E chung khơng hồi tiếp Sơ mạch thí nghiệm phần mềm LTSpice 1.2 Mạch khuếch ại ghép E chung có hồi tiếp Sơ mạch thí nghiệm phần mềm LTSpice 1.3 Ảnh hưởng tụ iện lên áp ứng tần số mạch khuếch ại E chung - Việc phân tích ồng thời ảnh hưởng tất tụ lên mạch phức tạp, nên ể tiến hành phân tích áp ứng tần số mạch khuếch ại ta chia vùng tần số khác ể khảo sát - Ở chế ộ DC: Các tụ xem ược ngắn mạch hở mạch nên khơng ảnh hưởng ến giá trị tính tốn - Ở chế ộ AC: + Tần số thấp: Trở kháng tụ Ci, C0, CE trở nên kể (tụ CE nối với iện trở cục E, ịnh chủ yếu tần số cắt mạch khuếch ại, Ci, C0 óng vai trị tụ coupling ầu vào ầu mạch khuếch ại tụ ký sinh xem hở mạch) • Để tìm tần số cắt thấp ta giải phương trình sau: AM • s s swswsw s AM với s = jwL Hoặc có tần số cắt lớn nhiều so với tần số cắt cịn lại ta xấp xỉ tần số cắt thấp tần số lớn ó + Tần số dãy giữa: Ngắn mạch tụ Coupling Bypass, tụ khác xem hở mạch Các tụ Ci, C0, CE có trở kháng nhỏ, xem ngắn mạch, tụ Cobext iện dung ký sinh có giá trị nhỏ nên trở kháng lớn, xem hở mạch Ở ây nói mạch khuếch ại hoạt ộng không bị ảnh hưởng tụ + Tần số cao: Các tụ Ci, C0, CE trở kháng nhỏ, xem ngắn mạch, trở kháng Cobext vả iện dung ký sinh nhỏ, trở nên kể với hoạt ộng mạch, ịnh tới tần số cắt • Để tìm sau: tần số cắt cao ta giải phương trình với 𝑠 = 𝑗𝜔𝐻 • Hoặc có tần số cắt bé nhiều so với tần số cắt cịn lại ta xấp xỉ tần số cắt cao tần số bé ó Từ ó, ta có thị từ phân tích lý thuyết: Tính tốn lý thuyết 2.1 Khảo sát iểm làm việc tĩnh BJT Ta ược biết thông số mạch phụ thuộc vào nhiệt ộ lúc khảo sát mạch tùy thuộc vào loại mạch nên ta sử dụng lại giá trị thông số mạch o ược mạch phân cực DC Thơng qua q trình mơ phỏng, ta chọn giá trị β ≈ 128,48 Vb Sơ mạch phân cực DC LT Spice Áp cho = 4.27 Ω dụng Thevenin mạch ta ược: = 2.85 V Giả sử mạch hoạt ộng chế ộ tích cực: 𝑉𝐵𝐸on = 0.7 IB RTHV TH ( V1)BE.RE 4.27k 2.85(128.48 0.7 1)*412 37.32( A) IC IB 128.48 37.32 10 IE( 1)IB (128.48 4,79(mA) 1) 37.32 10 4,83(mA) 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶𝑅𝐶 − 𝐼𝐸 (R𝐸1 +RE2)= 12 − 4.79x10-3 × 1000 – 4.83 × 10 −3 × 412 = 5.22 (𝑉) > 𝑉𝐶𝐸(SAT) => Đúng với giả thiết Điểm tĩnh (𝐼𝐶, 𝑉𝐶𝐸) = (4.79 𝑚𝐴, 5.22 ) Ta có: hie r VT IB 0.025 669,88( ) 37.32 2.2 Khảo sát ộ lợi áp tần số dãy mạch khuếch ại ghép E chung 2.2.1 Mạch khuếch ại ghép E chung không hồi tiếp Sơ mạch khảo sát LT Spice Sơ mạch tương ương tín hiệu nhỏ (hfe = , Rb = RTH, h ie = rπ) Avmid Vo V.oib V Vibb Vbi 59.68(V/ V) (Rc / /R ) .L r1 RTHRTH/ /r/ / r Vi 2.2.2 Mạch khuếch ại ghép E chung có hồi tiếp Sơ mạch khảo sát LT Spice Ri 𝐶2 = 30,54pF → 𝑓 𝑓H = {𝑓1 , 𝑓2 } = 83,79 (kHz) Với 𝐶𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡 = 30pF → 𝐶1 = 7,636𝑛𝐹 → 𝑓 𝐶2 = 45,63pF → 𝑓 4,11MHz 𝑓H = {𝑓1 , 𝑓2 } = 56,84 (kHz) 2.4.4 Mạch khuếch ại ghép E chung có hồi tiếp Với k = - (Rc / /R ) .L r C1 = (Cobext + Cob).(1-k) C2 = (Cobext + Cob) (1 ) k C3 = Cπ = 210,52 pF Tần số cắt cao gây tụ iện C 1: f1 C1.R / /Ri TH / /[r ( 1)RE1] Tần số cắt cao gây tụ iện C 2: RE1( 1) 30,98 f2 C2.(R / /R1c L) Tần số cắt cao gây tụ iện C π: f ( 1)RE ] C1.r / /[R / /R i TH Với 𝐶𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡 = → 𝐶1 = 0.491𝑛𝐹 → 𝑓 𝑘𝐻𝑧 𝐶2 = 15,85pF → 𝑓 1,84MHz 𝐶3 = 210,52pF → 𝑓π 1,34MHz 𝑓H = {𝑓1 , 𝑓2 , 𝑓π } = 492,29 (kHz) Với 𝐶𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡 = 1nF → 𝐶1 = 32,47𝑛𝐹 → 𝑓 𝐶2 = 1,048nF → 𝑓 0,179MHz 𝐶3 = 210,52pF → 𝑓π 𝑓H = {𝑓1 , 𝑓2 , 𝑓π } = 7,44 (kHz) Các kết thí nghiệm 3.1 Đo iểm làm việc tĩnh BJT Dựa vào thơng số o ạc LTSpice, ta có: 128,48 𝐼𝐶𝑄 = 4,597 mA VBE= 𝑉B − 𝑉𝐸 = 0,6131V 𝑉𝐶𝐸𝑄 = 𝑉𝐶 − 𝑉𝐸 = 5.238 𝑉 => Điểm tĩnh Q (4.597 mA; 5.238 𝑉) 3.2 Khảo sát ộ lợi áp tần số dãy 𝑨𝑴 3.2.1 Mạch khuếch ại ghép E chung không hồi tiếp + Các thông số cài ặt mạch: Vin = 2mV f = 10KHz + Kết o giá trị Vin Vout mạch: Vout 121.6968 122.5908 Avmid Vout Vin 122,1438 122,1438(V) 61,07(V/ V) Avmid (lý thuyết) = -59,68 (V/V) 3.2.2 Mạch khuếch ại ghép E chung có hồi tiếp + Các thông số cài ặt mạch: Vin = 2mV f = 10KHz + Kết o giá trị Vin Vout mạch: 3.72ms 3.75ms 3.78ms 3.81ms 3.84ms 3.87ms 3.90ms 3.93ms 3.96m s 3.99ms 4.02ms 4.05ms 39,3401 39,2826 Vout 39,3114(V) Avmid Vout Vin 39,3114 19,66(V/ V) Avmid (lý thuyết) = -20,41 (V/V) 3.3 Khảo sát áp ứng tần số tần số cao thấp 3.3.1 Mạch khuếch ại ghép E chung không hồi tiếp + Thí nghiệm 1: Cobext = ( iện áp Vin=1V) Sơ mô LTSpice Tần số cắt thấp f L (lý thuyết) = 143.09Hz, o = 148.36Hz thuyết) = 159.33 kHz, o = 155.71kHz + Thí nghiệm 2: Cobext = 15pF ( iện áp V in=1V) Tần số cắt cao f H (lý Sơ mô LTSpice • • Tần số cắt thấp f L (lý thuyết) = 143.09Hz, o = 148.36Hz Tần số cắt cao f H (lý thuyết) = 83,79 kHz, o = 84,11kHz + Thí nghiệm 3: Cobext = 30pF ( iện áp Vin=1V) Sơ mô LTSpice 1Hz 10Hz 100Hz 1KHz 10KHz 100KHz 1MHz Tần số cắt thấp f L (lý thuyết) = 143.09Hz, o = 148.06Hz Tần số cắt cao f H (lý thuyết) = 56,84 kHz, o = 52,81kHz 10MHz 100MHz 1GHz 3.3.2 Mạch khuếch ại ghép E chung có hồi tiếp + Thí nghiệm 1: Cobext = ( iện áp Vin=1V) Sơ mô LTSpice Cobext 1Hz • • 10Hz 100Hz 1KHz 10KHz 100KHz 1MHz Tần số cắt thấp f L (lý thuyết) = 51.69Hz, o = 51.88Hz Tần số cắt cao f H (lý thuyết) = 492,29 kHz, o = 461,67kHz + Thí nghiệm 1: Cobext = 1nF ( iện áp V in=1V) 10MHz 100MHz 1GHz • Tần số cắt thấp f L (lý thuyết) = 51.69Hz, o = 51.88Hz thuyết) = 7,44 kHz, o = 7,42kHz Tần số cắt cao f H (lý Phân tích kết so sánh 4.1 Sai số ộ lợi áp tần số dãy 𝑨𝒗𝒎𝒊𝒅: 4.1.1 Sai số ộ lợi áp tần số dãy 𝐴𝑣𝑚𝑖𝑑 mạch khuếch ại ghép E chung không hồi tiếp: Lý thuyết: 𝑉𝑜 𝐴𝑣𝑚𝑖𝑑𝑙𝑡 = = −59.68( 𝑉/𝑉) 𝑉𝑖 Đo: 𝑉𝑜𝑢𝑡 122,1438 𝐴𝑣𝑚𝑖𝑑đ𝑜 = =− = −61,07( 𝑉/𝑉) 𝑉𝑖𝑛 ➢ Sai số: % Sai số = | 𝐴𝑣𝑚𝑖𝑑đ𝑜−𝐴𝑣𝑚𝑖𝑑𝑙𝑡| = | 𝐴𝑣𝑚𝑖𝑑𝑙𝑡 |.100%= 2.33% 4.1.2 Sai số ộ lợi áp tần số dãy 𝐴𝑣𝑚𝑖𝑑 mạch khuếch ại ghép E chung hồi có tiếp: • Lý thuyết: 𝑉𝑜 𝐴𝑣𝑚𝑖𝑑𝑙𝑡 = = −20,41 (𝑉/𝑉) 𝑉𝑖 • Đo: 𝑉𝑜𝑢𝑡 39.3114 𝐴𝑣𝑚𝑖𝑑đ𝑜 = =− = −19.66 ( 𝑉/𝑉) 𝑉𝑖𝑛 ➢ Sai số: % Sai số = | 𝐴𝑣𝑚𝑖𝑑đ𝑜−𝐴𝑣𝑚𝑖𝑑𝑙𝑡| = | |.100%= 3.67% 𝐴𝑣𝑚𝑖𝑑𝑙𝑡 4.2 Sai số tần số cắt gây tụ iện C: 4.2.1 Sai số tần số cắt gây tụ iện C mạch khuếch ại ghép E chung không hồi tiếp: a) Tần số cắt thấp( thí nghiệm với 𝐶𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡 = 0( 𝐹), 𝐶𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡 = 15( 𝑝𝐹), 𝐶𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡 = 30( 𝑝𝐹)): • Lý thuyết: 𝑓𝐿𝑙𝑡 = 𝑚𝑎𝑥{𝑓𝑝1,𝑓𝑝2, 𝑓𝑝3} = 143.09( 𝐻𝑧) • Đo: 𝑓𝐿đ𝑜 = 148.36( 𝐻𝑧) ➢ Sai số: % Sai số = | 𝑓𝐿đ𝑜−𝑓𝐿𝑙𝑡| = | 𝑓𝐿𝑙𝑡 b) Tần số cắt cao: ❖ Thí nghiệm với 𝐶𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡 = 0( 𝐹): • Lý thuyết: 𝑓𝐻𝑙𝑡 = 𝑚𝑖𝑛{𝑓1 , 𝑓2 } = 159,33 (𝑘𝐻𝑧) |.100%= 3.68% • Đo: 𝑓𝐻đ𝑜 = 155.71( 𝑘𝐻𝑧) ➢ Sai số: % Sai số = | 𝑓𝐻đ𝑜−𝑓𝐻𝑙𝑡| = | |.100%= 2.27% 𝑓𝐻𝑙𝑡 ❖ Thí nghiệm với 𝐶𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡 = 15( 𝑝𝐹): Lý thuyết: 𝑓𝐻𝑙𝑡 = 𝑚𝑖𝑛{𝑓1 , 𝑓2 } = 83,79 (𝑘𝐻𝑧) Đo: 𝑓𝐻đ𝑜 = 84,11( 𝑘𝐻𝑧) ➢ Sai số: % Sai số = | 𝑓𝐻đ𝑜−𝑓𝐻𝑙𝑡| = | 84,11− 𝑓𝐻𝑙𝑡 (83,79 ) |.100%= 0.38% 83,79 ❖ Thí nghiệm với 𝐶𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡 = 30( 𝑝𝐹): Lý thuyết: 𝑓𝐻𝑙𝑡 = 𝑚𝑖𝑛{𝑓1 , 𝑓2 } = 56,84 (𝑘𝐻𝑧) Đo: 𝑓𝐻đ𝑜 = 52,81( 𝑘𝐻𝑧) ➢ Sai số: % Sai số = | 𝑓𝐻đ𝑜−𝑓𝐻𝑙𝑡| = | |.100%= 7.10% 𝑓𝐻𝑙𝑡 4.2.2 Sai số tần số cắt gây tụ iện C mạch khuếch ại ghép E chung có hồi tiếp: a) Tần số cắt thấp( thí nghiệm với 𝐶𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡 = 0( 𝐹), 𝐶𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡 = 1( 𝑛𝐹)): thuyết: 𝑓𝐿𝑙𝑡 = 𝑚𝑎𝑥{𝑓𝑝1,𝑓𝑝2, 𝑓𝑝3} = 51.69( 𝐻𝑧) Lý Đo: 𝑓𝐿đ𝑜 = 51.88( 𝐻𝑧) ➢ Sai số: % Sai số = | 𝑓𝐿đ𝑜−𝑓𝐿𝑙𝑡| = | |.100%= 0.37% 𝑓𝐿𝑙𝑡 b) Tần số cắt cao: ❖ Thí nghiệm với 𝐶𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡 = 0( 𝐹): • Lý thuyết: 𝑓𝐻𝑙𝑡 = 𝑚𝑖𝑛{𝑓1 , 𝑓2 } = 492,29 (𝑘𝐻𝑧) • Đo: 𝑓𝐻đ𝑜 = 461,67( 𝑘𝐻𝑧) ➢ Sai số: % Sai số = | 𝑓𝐻đ𝑜−𝑓𝐻𝑙𝑡| = | |.100%= 6.22% 𝑓𝐻𝑙𝑡 ❖ Thí nghiệm với 𝐶𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡 = 1( 𝑛𝐹): • Lý thuyết: 𝑓𝐻𝑙𝑡 = 𝑚𝑖𝑛{𝑓1 , 𝑓2 } = 7,44 (𝑘𝐻𝑧) • Đo: 𝑓𝐻đ𝑜 = 7,42( 𝑘𝐻𝑧) ➢ Sai số: % Sai số = | 𝑓𝐻đ𝑜−𝑓𝐻𝑙𝑡| = | |.100%= 0.27% 𝑓𝐻𝑙𝑡 Kết luận chung 5.1 Đo phân cực DC - tính ược từ thực nghiệm nằm khoảng cho phép BJT = 128.48 - Giá trị o mơ nên xác với lý thuyết: (4.597 mA; 5.238 𝑉) mô so với (4.79 𝑚𝐴, 5.22 ) tính tốn lý thuyết 5.2 Đo Av xác ịnh giá trị áp ứng tần số - Qua việc thí nghiệm giúp thể ảnh hưởng tụ coupling tụ bypass tới tần số cắt mạch khuếch ại Dạng áp ứng tần số giá trị ộ lợi áp lý thuyết thực nghiệm tương tự - Mạch khuếch ại E chung có hồi tiếp có thêm iện trở 𝑅𝐸 giúp ổn ịnh phân cực nên ộ lợi áp không chênh lệch nhiều - Qua kết thí nghiệm ta thấy mạch khuếch ại có hồi tiếp có ộ lợi tần số dãy nhỏ ộ lợi dãy mạch khuếch ại không hồi tiếp Tuy nhiên băng thông mạch khuếch ại có hồi tiếp rộng so với băng thơng mạch khơng hồi tiếp Vì tùy theo ứng dụng mà ta tùy chỉnh loại có khơng có hồi tiếp cho phù hợp - ... Kết luận chung .27 Bài 4: KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG TẦN SỐ MẠCH KHUẾCH ĐẠI BJT GHÉP E CHUNG I Giới thiệu chung Mục tiêu thí nghiệm Khảo sát áp ứng tần số mạch khuếch ại BJT ghép E chung - Tính... ) Ta có: hie r VT IB 0.025 669,88( ) 37.32 2.2 Khảo sát ộ lợi áp tần số dãy mạch khuếch ại ghép E chung 2.2.1 Mạch khuếch ại ghép E chung không hồi tiếp Sơ mạch khảo sát LT Spice Sơ mạch tương... phụ thuộc vào tụ chân E 2.4 Khảo sát áp ứng tần số mạch khuếch ại ghép E chung tần số cao 2.4.1 Xác ịnh giá trị tụ C ob BJT giá trị phân cực Sơ mô LTSpice Dựa theo thị khảo sát, ta có dẫn nạp tụ