khảo sát đặc tính opamp. ứng dụng lắp ráp máy phát sóng đơn giản

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM KHOA: VẬT LÝ –¯²¯— LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH OPAMP. ỨNG DỤNG LẮP RÁP MÁY PHÁT SÓNG ĐƠN GIẢN. GVHD: Thầy CAO ANH TUẤN SVTH: NGUYỄN THỊ THU TRANG TP.HCM THÁNG 5 NĂM 2010 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 1 LỜI CẢM ƠN Quá trình thực hiện luận văn chỉ diễn ra trong một thời gian ngắn. Song, để hoàn thành tốt luận văn, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ quý Thầy, Cô trong khoa và các bạn sinh viên thuộc các chuyên ngành liên quan. Vì vậy, em xin gởi lời cám ơn chân thành đến: - Thầy Cao Anh Tuấn đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ, luôn ủng hộ và động viên em ngay từ những ngày đầu tiên bắt đầu làm đề tài. Giúp em vượt qua những bỡ ngỡ ban đầu cũng như sửa chữa cho em những sai sót và cung cấp cho em những tài liệu cần thiết, giải đáp những thắc mắc của em. - Quý Thầy, Cô trong khoa Vật Lý đã tạo mọi điều kiện tốt nhất có thể để giúp em hoàn thành luận văn. - Các bạn sinh viên thuộc các chuyên ngành liên quan đã cung cấp tài liệu, cũng như giúp em trong việc giải thích một số vấn đề còn đang vướng mắc. - Gia đình, bạn bè luôn ủng hộ và động viên em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. TP.HCM, tháng 05 năm 2010 Sinh viên Nguyễn Thị Thu Trang PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 2 LỜI NÓI ĐẦU Nội dung của luận văn này liên quan đến các khái niệm cần thiết cho quá trình lắp ráp một máy phát sóng và cách lắp ráp chiếc máy này sao cho đơn giản, ít tốn kém lại hữu ích cho quá trình thực hành của sinh viên sư phạm vật lý. Tuy vậy, máy vẫn hội tụ được các yếu tố cần thiết cho việc thực hành có hiệu quả. Luận văn này gồm các phần sau: - Phần mở đầu: Trình bày lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và kết quả nghiên cứu. - Phần lý thuyết: Chương I: Tìm hiểu về chất bán dẫn: + Các hiện tượng tiếp xúc: kim loại - bán dẫn, P - N, kim loại - điện môi - bán dẫn. + Điôt bán dẫn: Cấu tạo, kí hiệu, chức năng, nguyên lý làm việc, các loại điôt. + Transistor: Transistor lưỡng cực, transistor trường có cực cửa tiếp giáp, transistor trường có cực cửa cách ly. Chương II: Giới thiệu chung về mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp: + Mạch khuếch đại: tìm hiểu nguyên lý xây dựng một tầng khuếch đại và các chế độ làm việc của nó. + Mạch hồi tiếp: định nghĩa và tìm hiểu hai loại hồi tiếp âm, hồi tiếp dương. Chương III: Tìm hiểu về linh kiện điện tử OPAMP + Trước tiên là về lịch sử ra đời, chức năng, cấu tạo, kí hiệu, nguyên lý hoạt động và đặc tính - thông số của một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng, một mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng là như thế nào? + Thông qua một số cách mắc hồi tiếp để tìm ra các công thức tính khá chính xác áp dụng vào thực tế: mạch khuếch đại đảo pha, mạch khuếch đại không đảo, mạch đệm. + Một số mạch làm toán: mạch cộng đảo dấu, mạch cộng không đảo dấu, mạch trừ, mạch tích phân, mạch vi phân và ứng dụng của mạch khuếch đại thuật toán trong thiết kế hệ thống điện tử. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 3 Chương IV: Mạch dao động + Tìm hiểu về mạch tạo dao động điều hòa: mạch tạo sóng sin âm tần, mạch tạo sóng sin cao tần. + Tìm hiểu về mạch tạo sóng vuông, sóng răng cưa và tam giác. Chương V: Xử lý tín hiệu. + Tìm hiểu phép phân tích chuỗi Fourier của tín hiệu tuần hoàn + Phép tích phân tính hiệu sóng vuông, sóng răng cưa. - Phần thực hành: Chương VI: Lắp ráp máy phát sóng. + Khảo sát thực nghiệm OPAMP + Lắp ráp mạch nguồn và mạch phát sóng. Trong luận văn này, tôi cố gắng chỉ đưa vào những kiến thức nào thật đơn giản và cần thiết, dễ hiểu nhất cho quá trình thực hiện lắp ráp. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng do thời gian gấp rút và chỉ mới ở mức độ tìm hiểu, nên chắc chắn rằng luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được nhiều góp ý từ quý Thầy, Cô và các bạn. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 4 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài. Trong giao tiếp hàng ngày, chúng ta luôn phải truyền đi tiếng nói, âm thanh, hình ảnh; chúng ta trao nhận tín hiệu, tin tức cho nhau. Chẳng phải đi đâu xa, chỉ cần dành 10 phút mỗi ngày để ngồi trước màn hình máy tính, hay tối tối quây quầy bên gia đình trước chiếc ti vi nhỏ của mình là bạn đã có thể biết được thế giới xung quanh đang diễn ra những vấn đề gì. Thậm chí chỉ cần một chiếc radio nhỏ bằng bàn tay, bạn cũng đã có thể biết được những điều tương tự.Thay vì mất công chờ đợi những cánh thư đi - về để biết tin tức một người bạn, một người thân ở cách ta hàng nghìn km, bạn chỉ cần nhấc chiếc điện thoại nhỏ xinh của mình lên là đã có thể nghe được giọng nói và cả hình ảnh của người mà bạn đang mong tin. Tại sao chúng ta lại làm được những điều kỳ diệu ấy? Đó là bởi vì chúng ta đang được hưởng những thành tựu của các ngành khoa học, trong đó có điện tử. Quả thật vậy, ngày nay kỹ thuật điện tử đã phát triển rất mạnh. Những sản phẩm điện tử tràn lan khắp nơi với trình độ ngày càng tinh vi, hiện đại, thiết kế thon gọn hơn. Chính vì vậy, kỹ thuật điện tử đã gây ra những chuyển biến thần kỳ trong ngành vô tuyến điện tử, bên cạnh đó nó còn trở thành một phương tiện kỹ thuật thúc đẩy sự phát triển của nhiều ngành khác. Nó hầu như chi phối đến mọi mặt đời sống của con người. Từ lâu, sinh viên thuộc các ngành kỹ thuật đã rất quen thuộc với bộ môn vô tuyến điện tử. Bởi vì, nó là một môn học, là tài liệu tham khảo không thể thiếu trong quá trình đào tạo các kỹ thuật viên, công nhân có tay nghề và thậm chí là những thợ sửa chữa muốn nâng cao hiểu biết về lĩnh vực điện tử. Riêng tôi - là một trong số những sinh viên khoa Vật Lý trường ĐHSP TP.HCM đã từng được học qua môn học này, tôi nhận thấy rằng những gì được tìm hiểu qua sách vở, qua khảo sát trên lý thuyết mà chưa được thực hành nhiều, chưa PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 5 được làm quen và sử dụng những linh kiện điện tử cơ bản, là một điều rất hạn chế đối với sinh viên sư phạm, so với thế giới ngập tràn các thiết bị điện tử ngày nay. Chính vì lý do đó, tôi đã chọn đề tài: "Khảo sát đặc tính OPAMP. Ứng dụng: lắp ráp máy phát sóng đơn giản" để làm luận văn tốt nghiệp. Một mặt, giúp tôi tiếp cận được các linh kiện điện tử và hiểu được các đặc tính của chúng, mà có thể trong quá trình học thậm chí tôi chưa được nhìn thấy. Mặt khác, giúp tôi hiểu được phần nào rõ hơn các vấn đề mà trước đây tôi đã được khảo sát trên lý thuyết. 2. Mục đích nghiên cứu. Trong suốt quá trình được học tại trường ĐHSP, tôi đã được làm quen với các máy móc về vô tuyến điện tử thông qua các buổi thực hành. Tôi nhận thấy rằng, với số lượng sinh viên đông, số máy móc còn hạn chế, lại rất nhạy cảm dễ bị hư hỏng, là một trở ngại không tránh khỏi trong phòng thí nghiệm vô tuyến điện tử. Trong điều kiện khó khăn đó, không cho phép sinh viên hoàn thành tốt việc thực hành các kiến thức đã học. Mặt khác, việc mua các máy móc hoàn toàn mới với chi phí cao và không thể mua ngay để trang bị kịp thời. Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, tôi quyết định thực hiện đề tài này nhằm lắp ráp được một chiếc máy phát sóng đơn giản với linh kiện chính là OPAMP. Ngoài ra, các linh kiện sử dụng trong đề tài này đều thông dụng, dễ tìm kiếm trên thị trường và giá thành lại rẻ, với mong muốn góp một phần sức nhỏ bé vào việc cải thiện một phần nhỏ nào đó điều kiện thực hành cho các bạn sinh viên khóa sau. Đồng thời giúp ích cho việc sử dụng chiếc máy này trong quá trình giảng dạy tại trường trung học phổ thông, minh họa các dạng sóng điện cho học sinh tương lai của tôi. 3. Phương pháp nghiên cứu. Để đạt được mục đích nghiên cứu đã đề ra, chúng tôi dùng phương pháp nghiên cứu như sau: - Đầu tiên là khảo sát trên lý thuyết thông qua sách vở, các giáo trình, các trang web về điện tử về các vấn đề cần thiết cho quá trình lắp ráp máy phát sóng. Cụ thể là: PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 6 + Các linh kiện điện tử cơ bản: điôt, transistor,… + Mạch hồi tiếp, mạch khuếch đại. + Tìm hiểu về linh kiện chính của mạch: OPAMP. +Tìm hiểu về mạch dao động. - Làm quen với một số linh kiện điện tử, các cách mắc mạch đơn giản, sau đó tiến hành lắp ráp một số mạch tạo sóng , rồi so sánh để tìm ra mạch tạo sóng nào ưu việt nhất. - Từ những kết quả đạt được ở trên, cho phép chúng tôi lắp ráp một máy phát sóng đơn giản mà hiệu quả của nó sẽ được kiểm chứng bằng thực nghiệm. 5. Kết quả nghiên cứu. Dựa vào những gì chúng tôi đã tìm hiểu trên phương diện lý thuyết và thông qua quá trình thực hành. Chúng tôi đã lắp ráp được một số mạch tạo sóng đơn giản dùng linh kiện chính là OPAMP và tìm ra được mạch nào là tối ưu nhất trong số những mạch đó. Mạch tạo sóng này tạo ra được các dạng sóng sin, vuông, tam giác, có thể thay đổi được biên độ hoặc tần số, hoặc cả biên độ và tần số. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 7 Chương I – BÁN DẪN 1.1. Các hiện tượng tiếp xúc. 1.1.1. Tiếp xúc kim loại – bán dẫn. Trong chất bán dẫn công thoát của electron nhỏ hơn công thoát của electron trong kim loại nên electron từ bán dẫn N sang kim loại dễ hơn electron từ kim loại sang bán dẫn N, tạo nên điện trường tiếp xúc E tx , không cho electron từ bán dẫn N tiếp tục sang kim loại. Hình thành một vùng nghèo hạt mang điện ở phía bán dẫn N. Khi đặt một điện trường ngoài vào tiếp xúc kim loại – bán dẫn, sẽ cho dòng điện từ kim loại qua bán dẫn N. Lớp tiếp xúc kim loại - bán dẫn có tính chỉnh lưu, được ứng dụng để chế tạo các điôt tiếp xúc điểm, có điện dung tiếp xúc nhỏ, dùng trong mạch điện tách sóng trong radio, TV hoặc trong các mạch điện chuyển mạch điện tử tần số cao. Hình 1. 1: Tiếp xúc kim loại - bán dẫn 1.1.2. Tiếp xúc P – N: Trong chất bán dẫn loại N: electron là hạt dẫn điện đa số, lỗ trống là hạt dẫn điện thiểu số. Trong chất bán dẫn loại P: lỗ trống là hạt dẫn điện đa số, electron là hạt dẫn điện thiểu số. Hình 1. 2: Tiếp xúc P - N E tx N KL E tx P N PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 8 Electron từ N sang P, lỗ trống từ P sang N, tạo thành một điện trường tiếp xúc E tx (nhỏ). Điện trường này ngăn cản không cho electron từ N tiếp tục sang P. Sau một thời gian ngắn, hiện tượng khuếch tán sẽ chấm dứt, hai bên tiếp xúc P- N sẽ tạo ra một vùng nghèo hạt mang điện đa số, vùng này có điện trở lớn. Khi đặt tiếp xúc P - N vào điện trường ngoài: - E ngoài ngược chiều với E tx : làm vùng nghèo hạt mang điện hẹp lại. Cho dòng điện I qua từ P sang N. - E ngoài cùng chiều E tx : không có dòng điện I qua tiếp xúc P - N từ N sang P. 1.1.3. Tiếp xúc kim loại – điện môi – chất bán dẫn. Xét lớp điện môi SiO 2 , khi chưa đặt điên áp ngoài vào hai cực AB thì không xuất hiện điện tích ở hai bề mặt điện môi. Khi đặt điện áp âm vào A, dương vào B: electron trong lớp Si – P chạy về cực B, lỗ trống trong lớp Si – P chạy về phía vách chất điện môi, sát lớp điện môi gần chất bán dẫn xuất hiện điện tích dương, trong khi gần kim loại có điện tích âm. Khi đặt điện áp dương vào A, âm vào B: hai bên lớp điện môi SiO 2 hình thành các điện tích có dấu trái nhau như ở hai bản cực tụ điện, chúng cho dòng xoay chiều đi qua. 1.2. Điôt bán dẫn. 1.2.1. Cấu tạo, kí hiệu, công dụng. a. Cấu tạo. Điôt bán dẫn cơ bản tạo bởi tiếp xúc P – N, tức là bởi vùng có độ dày nhỏ (cỡ micron), trong đó tính dẫn điện của tinh thể bán dẫn là pha loại tạp chất bán dẫn P vào loại N, có thể cho dòng điện có cường độ lớn qua được. Diốt có thể cấu tạo là một thanh kim loại tiếp xúc với chất bán dẫn loại N, có điện dung tiếp xúc nhỏ, dùng ở tần số cao. Ở đây ta xét điôt tạo thành từ một lớp tiếp xúc P – N. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 9 b. Kí hiệu. Hình 1. 3: Kí hiệu Điôt c. Chức năng. Chỉ cho dòng điện chạy theo chiều từ P đến N, tức là từ anôt A tới catôt K. 1.2.2. Nguyên lý làm việc. Diốt có hai giới hạn tuyệt đối khi sử dụng để tránh sự đánh thủng nhiệt làm hỏng điôt: - Giới hạn về dòng điện I m . - Giới hạn về điện áp U m . Diốt có hai chế độ làm việc: chế độ thuận và chế độ ngược. Gọi U AK là điện áp đặt vào hai đầu điôt, U d là điện áp ngưỡng của điôt (điện áp rơi). Chế độ thuận: là chế độ có U AK > U D Điôt dẫn với điện trở động (hay điện trở thuận): r d =dU/dI (cỡ vài ohm), trong chế độ thuận: U AK = U D + r d i tức là điôt tương đương với điện trở r d mắc nối tiếp nguồn điện áp có suất điện động U D. Chế độ ngược: đối với U AK ≤ U D. Dòng cực nhỏ cỡ vài nano ampe chảy qua điôt. Điện trở điôt lúc này cỡ vài chục mêga ôm. Dòng điện ở chế độ ngược có thể bỏ qua. Trong chế độ ngược, điôt tương đương công tắc hở mạch. 1.2.3. Phân loại điôt. Người ta có thể phân loại điôt tùy theo quan điểm khác nhau: - Theo đặc điểm cấu tạo: điôt tiếp điểm, điôt tiếp mặt. - Theo vật liệu sử dụng: điôt Ge, điôt Si. - Theo tần số sử dụng: điôt cao tần, điôt tần số thấp. - Theo công suất: điôt công suất lớn, công suất trung bình, công suất nhỏ. K A PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com [...]... thiết kế để thực hiện các phép tính bằng cách sử dụng điện áp như một giá trị tương tự để mô phỏng các đại lượng khác Đây là thành phần cơ bản trong các máy tính tương tự, trong đó mạch khuếch đại thuật toán sẽ thực hiện các thuật toán như Cộng, Trừ, Tích phân và Vi phân v.v Tuy nhiên, mạch khuếch đại thuật toán lại rất đa năng, với rất nhiều ứng dụng khác ngoài các ứng dụng thuật toán Trong khi các... www.pdffactory.com Mạch cực góp chung thường chỉ dùng ở tầng khuếch đại âm tần đầu cho các máy quay đĩa hoặc máy thu có đĩa Nó còn dùng trong tầng đệm thay biến áp giữa hai tầng mạch cực phát chung vì nó có trở kháng vào lớn dễ phối hợp với trở kháng vào nhỏ của transistor sau d So sánh giữa ba cách mắc: Đặc tính Mạch cực gốc Mạch chung cực phát Mạch cực chung chung Ngược pha Pha giữa tín hiệu Đồng pha góp Đồng pha... toán Trong khi các mạch khuếch đại thuật toán đầu tiên phát triển trên các đèn điện tử chân không, giờ đây chúng thường được sản xuất dưới dạng mạch tích hợp gọi là các IC, mặc dù vậy, những phiên bản lắp ráp bằng linh kiện rời cũng được sử dụng nếu cần những tiện ích vượt quá tầm của các IC Những mạch khuếch đại thuật toán tích hợp đầu tiên được ứng dụng rộng rãi từ cuối thập niên 1960 và ngày càng tốt... hết sức phổ biến và rất vạn năng trong số các mạch tích hợp tuyến tính Nó được coi là “viên gạch cơ bản” để xây dựng nên nhiều hệ thống điện tử tuyến tính (hoặc không tuyến tính) phức tạp Khuếch đại thuật toán là một bộ khuếch đại nối tầng trực tiếp, có hệ số khuếch đại rất lớn, thường sử dụng các mạch liên kết ngược để khống chế các đặc trưng, đồng thời để thỏa mãn các chức năng nhất định Từ khi mới... dòng máng ,ban đầu ID khác 0.Tùy cực tính của UGS mà MOSFET hoạt động ở chế độ giàu hay chế độ nghèo, dùng giá trị của UGS để điều khiển dòng ID tăng hay giảm Ta có đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của MOSFET kênh có sẵn loại N như hình vẽ: 26 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 1.4.4 Cấu tạo và hoạt động của MOSFET loại kênh cảm ứng a Cấu tạo Trên cùng một nền bán dẫn... 1000 Mạch cực gốc chung chỉ dùng trong tầng dao động của máy thu, để dao động được ổn định, ít méo hoặc trong các tầng khuếch đại âm tần đầu, yêu cầu độ méo nhỏ, tạp âm ít, ổn định cao, hoặc trong tầng công suất các máy tăng âm có chất lượng cao b Mạch cực phát chung: Sơ đồ mạch như hình vẽ: IC IB C2 C1 UI R1 E1 IE U0 R2 E2 Hình 1 13: Mạch cực phát chung Hai cực EB được phân cực thuận, BC được phân... hiệu ứng trường FET (cuối thập niên 1970) và transistor hiệu ứng trường có cổng cách điện MOSFET (đầu thập niên 1980) 3.2 Chức năng Khuếch đại thuật toán (KĐTT), còn gọi là OPAMP (viết tắt từ Operational Amplifier) là một bộ khuếch đại DC, có hệ số khuếch đại Av rất cao và thường được chế tạo dưới dạng tích hợp (IC) Khuếch đại thuật toán thường được dùng để thực hiện các thuật toán trong máy tính tương... máy tính tương tự cho nên nó có tên gọi như vậy Ngày nay, KĐTT được ứng dụng 34 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, với tầm tần số rộng từ DC đến hàng GHz như: tạo dao động, hạn chế, so sánh,… 3.3 Cấu tạo 3.3.1 Cấu tạo Các mạch khuếch đại thuật toán thực nghiệm, được lắp ráp bằng các transistor, các đèn điện tử chân không hoặc những linh... N Ta nói phần tử khuếch đại làm việc ở chế độ B Xem hình vẽ 31 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Hình 2 3: Điểm làm việc ở chế độ B (a) cùng dạng sóng tương ứng của dòng điện (b) và điện áp (c) Đặc điểm của chế độ này: - Khi dòng điện vào hoặc điện áp vào có dạng hình sin thì dòng điện ra hoặc điện áp ra chỉ còn nửa (hoặc già nửa) hình sin, nói cách khác: méo phi tuyến... 10000 Mạch cực phát chung là kiểu mạch được dùng phổ biến nhất vì Ki, Ku,Kp đều lớn và hơn nữa R1, R2 không quá chênh lệch như mạch cực gốc chung Nên trong máy thông dụng thường ghép tầng theo kiểu điện trở điện dung, vừa gọn nhẹ, vừa dễ lắp ráp, điều chỉnh c Mạch cực góp chung: Sơ đồ như hình vẽ 19 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com IC IB A C1 C2 R1 IE C R2 B D E1 E2 Hình . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH OPAMP. ỨNG DỤNG LẮP RÁP MÁY PHÁT SÓNG ĐƠN GIẢN. GVHD: Thầy CAO ANH TUẤN . Chính vì lý do đó, tôi đã chọn đề tài: " ;Khảo sát đặc tính OPAMP. Ứng dụng: lắp ráp máy phát sóng đơn giản& quot; để làm luận văn tốt nghiệp. Một mặt,