Báo cáo thí nghiệm mạch điện tử

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -⁂ - BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MƠN: MẠCH ĐIỆN TỬ Giảng viên hướng dẫn: NGUYỄN THANH PHƯƠNG LỚP: DT01 NHÓM Thành viên: Nguyễn Ngọc Tri MSSV: 1713601 Ngô Mai Xuân Đan MSSV: 1710055 Phạm Minh Đức MSSV: 1710073 13/05/2019 Mục lục Bài 1: Kiểm chứng mạch khuếch đại BJT ghép E chung: DC AC Mục tiêu thí nghiệm Các giả thuyết phải kiểm chứng .4 Lựa chọn kiện đầu vào phương pháp đo đạc đại lượng Các kết thí nghiệm Phân tích so sánh kết luận 14 Bài 2: Kiểm chứng mạch khuếch đại ghép vi sai dùng BJT .18 Mục tiêu thí nghiệm .18 Các giả thuyết phải kiểm chứng 18 Lựa chọn kiện đầu vào phương pháp đo đạc đại lượng .21 Các kết thí nghiệm 24 Phân tích so sánh kết luận 32 Bài 3: Kiểm chứng mạch ứng dụng dùng Op – amp 35 Mục tiêu thí nghiệm .35 Các giả thuyết phải kiểm chứng 35 Lựa chọn kiện đầu vào phương pháp đo đạc đại lượng .40 Các kết thí nghiệm 41 Phân tích so sánh kết luận .47 Bài 4: Khảo sát đáp ứng tần số mạch khuếch đại BJT ghép E chung 51 Mục tiêu thí nghiệm .51 Các giả thuyết phải kiểm chứng 51 Lựa chọn kiện đầu vào phương pháp đo đạc đại lượng .60 Các kết thí nghiệm 60 Phân tích so sánh kết luận 67 Bài 1: KIỂM CHỨNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI BJT GHÉP E CHUNG: DC VÀ AC Mục tiêu thí nghiệm Khảo sát mạch khuếch đại BJT ghép E chung khơng hồi tiếp có hồi tiếp - Đo điểm tĩnh DC: đo ICQ, IBQ ,VCEQ BJT chế độ DC - Tính hệ số β = , so sánh với khoảng giá trị β datasheet - Dùng kết điểm tĩnh DC để tính giá trị AV, ZIN, ZOUT theo lý thuyết - Sử dụng thành thạo Scope có chanel để quan sát dạng sóng ngõ vào , dạng sóng ngõ - Tìm biên độ lớn áp ngõ vào mà ngõ không méo dạng |max để tìm xác - Xác định tần số dãy đo AV mạch tần số dãy giữa: khoảng tần số tín hiệu ngõ vào ngõ ngược pha, tụ ghép xem ngắn mạch, tụ kí sinh xem hở mạch, kết độ lợi áp bị ảnh hưởng tụ điện - Với tần số dãy giữa, quan sát dao động kí dạng sóng ngõ vào ngõ ra, | | đọc biên độ V IN, V OUT tính độ lợi áp AV = Từ đưa nhận xét khác độ lợi áp BJT ghép E chung có hồi tiếp khơng có hồi tiếp Đo tổng trở ngõ vào ZIN, so sánh với kết tính lý thuyết Đo tổng trở ngõ ZOUT, so sánh với kết tính lý thuyết Thấy khác mạch khuếch đại BJT E chung có hồi tiếp khơng hồi tiếp Tác dụng loại mạch công dụng phần tử mạch | - | Các giả thuyết phải kiểm chứng 2.1.Nguyên lý hoạt động: Điện áp xoay chiều Vi đưa vào chân B BJT, tín hiệu tần số dãy giữa, tụ điện ghép xem ngắn mạch, cho tín hiệu AC qua đồng thời cách li thành phần DC, BJT phân cực hoạt động chế độ tích cực, tín hiệu đưa vào tín hiệu bé, độ dốc IC gần đường thẳng, mạch hoạt động gần tuyến tính, nên tín hiệu lấy chân C VO khuếch đại, ngược pha với tín hiệu ngõ vào 2.2.Sơ đồ tương đương thông số quan trọng a) Mạch BJT khuếch đại E chung khơng hồi tiếp: Hình 2.1: Mạch khuếch đại ghép E chng khơng hồi tiếp • Điểm tĩnh Q: − (12 ) + I CQ = ( // 2) +( + 1)( 1+ 2) +1 V CEQ = 12 – RC.ICQ – (RE1 + RE2) ICQ • Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ mạch khuếch đại BJT E chung không hồi triếp: hie = 0.025.ℎ ; hfe ≈ β Theo sơ đồ:ZIN = R b // h ie = RB1 // RB2 // hie ZOUT = RC AV = - hfe + // ℎ + // // // b) Mạch khuếch đại ghép E chung có hồi tiếp: Hình 2.2: Mạch khuếch đại ghép E chung có hồi tiếp • Điểm tĩnh Q: (12 − ) + I CQ = ( // 2) +( + 1)( 1+ 2) +1 V CEQ = 12 – RC.ICQ – (RE1 + RE2) ICQ • Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ: hie = 0.025.ℎ ; hfe ≈ β Theo sơ đồ:ZIN = R B1 // RB2 // (hie +RE1(h fe + 1)) ZOUT = RC AV = - hfe + ℎ // + (ℎ 1 // +1)+ // // Lựa chọn kiện đầu vào phương pháp đo đạc đại lượng 3.1.Đo DC: + Lắp mạch theo module hộp thí nghiệm + Ngắn mạch thành phần AC + Đo ICQ: dùng máy đo chế độ DC, thang đo 100mA, đo dòng ICQ vài mA, que đo nối tiếp với dòng ICQ + Đo IBQ: máy đo chế độ DC, thang đo 100mA, dịng IBQ có giá trị nhỏ, que đo nối tiếp với dòng IBQ + Đo VCEQ: máy đo cho đo V chế độ DC, cắm que đo vào đầu C đầu E BJT + Từ ICQ, IBQ tính β = + Chọn ngõ vào Vi sóng sin, biên độ tầm mV 3.2.Đo AV: + Chọn giá trị Vi nhỏ |Vi|max để ngõ Vo không bị méo dạng + Chọn tầm số đo tần số dãy để mạch xem trở, AV không phụ thuộc vào trở kháng tụ điện (3kHZ, 5kHz, 8kHz) + Quan sát dạng sóng dao động ký, Vi vào CH1, Vo vào CH2, chọn xem chế độ DUAL, điều chỉnh VOL/DIV phù hợp, ghi lại kết V i, Vo theo trị đỉnh – đỉnh từ tính AV = − − − 3.3.Đo Zin: + Cố định Vi tần số, thay đổi trở Ri, quan sát ghi lại giá trị Vo khác oscilloscope (trị đỉnh – đỉnh) + Chọn (Ri1, Ri2) = (1k, 2.7k), (1k, 6.8k), (2.7k, 6.8k) Các Ri khác nhau, chênh lệch đáng kể, ngõ chênh lệch, không gần + Tính Zin 3.4.Đo Zout: + Cố định Vi tần số, thay đổi trở RL, quan sát ghi lại giá trị Vo khác oscilloscope (trị đỉnh – đỉnh) + Chọn (RL1, RL2) = (5.6k, 1.2k), (5.6k, 1k), (1k, 1.2k) + Tính Zout Các kết thí nghiệm 4.1 Đo phân cực tĩnh DC Kết đo ICQ = 5.201 mA ; IBQ = 0.019 mA ; VCEQ = 4.67 V β == 5.201 0.019 = 273.74 4.2 Đo độ lợi áp AV : a) Mạch khuếch đại BJT E chung không hồi tiếp: Ngõ không bị méo dạng: Bảng 4.1: Kết đo AV mạch khuếch đại BJT E chung không hồi tiếp Tần số Vipp Vopp AV 3kHz 0.04V 3.2V -80 5kHz 0.08V 6.4V -80 8kHz 0.1V 8V -80 Hình 4.1: Kết đo Av1 Hình 4.2: Kết đo AV2 |} = Hình 4.3: Kết đo AV3 1+ 2+ = −80−80−80 = - 80 33   | ∆AV = || − 1+ |  − +| − 3| |−80−(−80)|+|−80−(−80)|+|−80−(−80)| = =  ± ∆A = - 80 → AV = b) Mạch khuếch đại BJT E chung có hồi tiếp: Ngõ khơng bị méo dạng V Bảng 4.2: Kết đo AV mạch khuếch đại BJT E chung co hồi tiếp Tần số Vipp Vopp AV 3kHz 0.15V 3.2V 21.333 5kHz 0.2V 4.4V 22 8kHz 0.38V 7.6V 20 Hình 4.4: Kết đo Av1 10 Hình 4.5: Kết đo AV2 Hình 4.6: Kết đo GV3 | } 33 = + + = −21.333 +(−22)+(−20) | ∆AV = = = - 21.111 | | − 1+ |  − +| − 3| |−21.111−(−21.333)|+|−21.111−(−22)|+|−21.111−(−20)| = 1.407  → AV = ± ∆AV = -21.111 ± 1.407 11 = + ( || Với= + ) − ( || ) ≈ 90 (V/V) || || + Tần số = = 0.76 Hz ( || + ) - Xét ảnh hưởng tụ ngắn mạch tụ Hệ số khuếch đại: = = − || || + + + = + ( Với = + ) − ( || ) = − 83.67 (V/V) || || + Tần số - 2=2 (+ ) = 0.24 Hz Xét ảnh hưởng tụ ngắn mạch tụ Hệ số khuếch đại: = = + [( Với = − ( || ) + )|| ( + || )] +1 = − 90 (V/V) || || + Tần số = [( 1+ 2)|| +11( + Do chênh lệch lớn tần số || )] ≈ 215.2 Hz 1, 2, 3, chọn tần số cắt mạch: = max( 1, 2, 3) = 215.2 54 ➔ Nhận xét: mạch khuếch đại E chung thường có tần số cắt phụ thuộc vào tụ chân E ➢ Tần số dãy giữa: lúc tụ Ci,Co,CE xem ngắn mạch, Cobext có giá trị lớn nên xem hở mạch Hệ số khuếch đại áp: = − ( || ) = || ≈ −90 (V/V) || + ➢ Tần số cao: mạch chịu ảnh hưởng tụ kí sinh: Áp dụng Thevenin cho , ta có: ′ = ′ = || || = 488,7Ω || || + ′ || = 0,85 Ω = Mơ hình tương đương tín hiệu nhỏ: Với = (1 − )= (1 + (1 − 1/ ) = 2= = = = ); ′ ); ; + = 0,174 Do ảnh hưởng ′ (1 + 1/ không đáng kể nên độ lợi áp mạch là: = 1+ ( + ) ′ Với = − ( || ) || = − 90 (V/V) || + 55 Tần số cắt trên: = ( + 1) ′ Với Với Với =0→ = 3,897 → ≈ 77 = 15 → = 6,55 → ≈ 47 = 33 → = 9,74 → ≈ 33 Độ lợi áp toàn mạch: = 1 1− 1− 1− 1+ ℎ 2.2 Mạch khuếch đại ghép E chung có hồi tiếp Hình 2.2: Mạch khuếch đại ghép E chung có hồi tiếp • Xét phân cực tĩnh DC: tương tự mạch khuếch đại E chung không hồi tiếp (ở 1) • Xét chế độ AC: Mơ hình tương đương tín hiệu nhỏ: 56 ➢ Tần số thấp: Xét ảnh hưởng tụ ngắn mạch tụ Hệ số khuếch đại: - = = − ( || ) + ( + 1) ||( + ( + 1) 1) ||( + ( + 1) )+ + = + ( ||( + ( + 1) ) + ) Với = +( +1) ||( +( +1) 1) − ( || ) = −22.6( / ) ||( +( +1) 1)+ 1 Tần số = = 0.442 +( +1) 1)+ ) ( ||( = Xét ảnh hưởng tụ ngắn mạch tụ Hệ số khuếch đại: = ||( + ( + 1) 1) − + ( + 1) 1 + ||( + ( + 1) + )+ = + ( Với + ) ||( +( +1) 1) − ( || ) = +( +1) = −22.6( / ) ||( +( +1) 1)+ 57 2=2 Tần số = ( + ) = 0.24 Xét ảnh hưởng tụ ngắn mạch tụ Hệ số khuếch đại: - = + [( + Với = ( + || )] +1 ||( +( +1) 1) − ( || ) +( +1) Tần số = )|| = − 22.6 (V/V) ||( +( +1) 1)+ 1 [( 2)||( 1+ +11( + || Do chênh lệch lớn tần số mạch: 1, 2, 3, ))] = 57.2 Hz chọn tần số cắt = max( 1, 2, 3) = 57 ➢ Tần sốdãy giữa: tụ Ci,Co,CE xem ngắn mạch trở kháng nhỏ, − ( || ) ||( + ( + 1) 1) == + ( + 1) ➢ = −22.6 ( / ) ||( + ( + 1) 1) + Tần số cao: có hoạt động tụ kí sinh BJT Cobext: Áp dụng Thevenin cho , ta có: ′ = || || = 488.7Ω ′ = ′ = || || + || = 0,85 Ω Mơ hình tương đương tín hiệu nhỏ: 58 Với = (1 − 2= )= (1 + (1 − 1/ ) = = ); ′ ); ; + = ′ (1 + 1/ = 0,174 Do ảnh hưởng = không đáng kể nên độ = lợi áp mạch là: 1+ ( + )( ′ + ) Với +( +1) ′ = − 22.6(V/V) ||( +( +1) 1)+ Tần số cắt trên: = ||( +( +1) 1) − ( || ) = 1 ( + 1)( + 1) Với Với =0→ =1 → = 3,897 → ℎ = 80.2 = 181 → ℎ ≈ 1,6 Độ lợi áp toàn mạch: = 1 1− 1− 1− 1+ ℎ 59 Lựa chọn kiện đầu vào phương pháp đo đạc đại lượng 3.1 Đo phân cực DC: Ngắn mạch thành phần DC, cấp nguồn DC 12V để mạch hoạt động, lắp mạch theo sơ đồ nguyên lý module thí nghiệm Đo thành phần ICQ IBQ VCEQ β VBE 3.2 Đo vo vẽ đáp ứng tần số - Đảm bảo mạch hoạt động chế độ AC tín hiệu nhỏ, đo Av tần số dãy - Chọn Vi từ vài chục mV đến vài trăm mV, tần số khoảng 1kHz đến 5kHz Thông số cụ thể chọn phần bảng - Giữ nguyên biên độ ngõ vào, chỉnh tần số máy phát sóng từ 100Hz đến 100KHz, lập bảng đo giá trị đỉnh – đỉnh ngõ tương ứng với khoảng 10 giá trị tần số 100, 200, 300, 500, 1k, 5k, 10k, 50k, 70k 100k Sau đó, tính bảng độ lợi áp Av mạch tương ứng với 10 tần số - Đo tần số cắt: chỉnh tần số máy phát sóng từ tần số dãy (tăng giảm) tới biên độ ngỏ giảm 1/sqrt(2) biên độ ngõ dãy Tần số tần số cắt - Từ bảng độ lợi áp thu tiến hành vẽ đáp ứng tần số Chọn tần số đo sau f(Hz) 100 200 300 500 1k 5k 10k 50k 70k 100k Các kết thí nghiệm 4.1 Đo phân cực DC: Tiến hành thí nghiệm mạch khuếch đại E chung – hoạt động chế độ DC tích cực ta có bảng giá trị sau: ICQ I BQ VCEQ 0.02mA 5.18mA 5.07V β 259.5 VBE 0.628V → BJT hoạt động chế độ tích cực 4.2 Đo vo vẽ đáp ứng tần số a) Mạch khuếch đại ghép E chung khơng hồi tiếp • Thí nghiệm 1: Cobext = 0, Chọn Vi-pp = 80mV → Vo-pp tần số dãy = 5V 60 f(Hz) 100 200 300 500 1k 5k 10k 50k 70k 100k Vo-pp 2.9 4.3 4.9 5.45 5.55 5.6 5.65 5.1 4.9 4.4 36.25 53.75 61.25 68.125 69.375 70 31.19 34.61 35.74 36.666 36.824 36.9 Av 20 logA v 70.625 63.75 61.25 36.98 55 36.09 35.74 34.81 Độ lợi áp dãy giữa: = −62.5 ( / ) =− 0.08 Hình 4.1: Dạng sóng ngõ vào/ra tần số dãy Tần số cắt đo được: ( Với = − → Tần số cắt dưới: fLC = 106.72 Hz; = 3.53V) √2 − Tần số cắt trên: fHC = ꝏ → Vẽ đáp ứng tần số Đáp ứng tần số thí nghiệm 37 36 35 34 33 32 31 100 200 300 500 1000 5000 10000 50000 70000 100000 61 • Thí nghiệm 2: Cobext = 15pF, Chọn Vi-pp = 80mV → Vo-pp tần số dãy = 5.4V 1k 5k 10k 50k 70k f(Hz) 100 200 300 500 Vo-pp 2.75 4.7 5.2 5.5 5.6 Av 34.375 50 58.75 65 68.75 70 20 logAv 30.725 33.98 35.38 36.26 Độ lợi áp dãy giữa: 5.4 =− 5.55 4.3 3.7 69.375 53.75 46.25 36.745 36.9 36.824 34.61 33.3 100k 37.5 31.48 = −67.5 ( / ) 0.08 Hình 4.2: Dạng sóng ngõ vào/ra tần số dãy Tần số cắt đo được: ( Với = − = 3.82V) √2 − → Tần số cắt dưới: fLC = 180.5 Hz Hình 4.3: Dạng sóng ngõ tần số cắt 62 Tần số cắt trên: fHC = 65.3 kHz Hình 4.4: Dạng sóng ngõ tần số cắt → Vẽ đáp ứng tần số: Đáp ứng tần số thí nghiệm 38 37 36 35 34 33 32 31 30 100 200 • Thí nghiệm 3: 300 500 1000 5000 10000 50000 70000 100000 Cobext = 30pF, Chọn Vi-pp = 80mV f(Hz) 100 200 300 500 → Vo-pp tần số dãy = 5.2V 1k 5k 10k 50k 70k Vo-pp 2.65 3.6 4.1 4.5 4.65 Av 33.125 45 20 logAv 30.4 51.25 56.25 58.125 33.06 34.19 35 100k 5.5 5.4 3.5 2.2 68.75 67.5 43.75 37.5 27.5 35.287 36.745 36.58 32.82 31.48 28.79 63 Độ lợi áp dãy giữa: 5.2 =− = −65 ( / ) 0.08 Hình 4.5: Dạng sóng ngõ vào/ra tần số dãy Tần số cắt đo được: ( Với = − = 3.677V) √2 − → Tần số cắt dưới: fLC = 171.26 Hz Hình 4.6: Dạng sóng ngõ tần số cắt 64 Tần số cắt trên: fHC = 45.9 kHz Hình 4.7: Dạng sóng ngõ tần số cắt → Vẽ đáp ứng tần số: Đáp ứng tần số thí nghiệm 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 100 200 300 500 1000 5000 10000 50000 70000 100000 b) Mạch khuếch đại ghép E chung có hồi tiếp • Thí nghiệm 4: Cobext = 0, Chọn Vi-pp = 43.8mV → Vo-pp tần số dãy là: 0.836V Độ lợi dãy giữa: =− 0.836 = −19.0867 ( / ) 0.0438 65 Tần số cắt đo được: =1 ( Với − = 0.591V) − √2 → Tần số cắt dưới:= 68.65 Tần số cắt trên:= ∞ C obext = 1nF, • Thí nghiệm 5: Chọn Vi-pp = 43.8mV → V o-pp tần số dãy là: 0.876V f(Hz) 100 200 300 Vo-pp(V) 0.756 0.836 0.836 AV 20 logA v 500 1k 0.876 0.876 5k 10k 0.718 0.538 17.260 19.087 19.087 20 20 16.393 12.283 24.74 25.614 25.614 26.02 26.02 24.293 21.786 Độ lợi dãy giữa: 0.876 =− 50k 70k 100k 135.6m 99.6m 71.6m 3.096 2.274 1.635 9.816 7.136 4.27 = −20 ( / ) 0.0438 Tần số cắt đo được: = ( Với − → Tần số cắt dưới:= 70.4 √2 = 0.619V) − Tần số cắt trên:= 7.017 ; → Vẽ đáp ứng tần số Đáp ứng tần số thí nghiệm 26 24 22 20 18 16 14 12 10 100 200 300 500 1000 5000 10000 50000 70000 100000 66 Phân tích so sánh vá kết luận 5.1 Đo phân cực DC Kết đo giống với lý thuyết, có thay đổi đặc trưng mạch thiết bị đo chưa đo xác 5.2 Đo vo, Av vẽ đáp ứng tần số a) Mạch khuếch đại E chung không hồi tiếp + Độ lợi áp tần số dãy có sai lệch so với lý thuyết khơng lớn β thay đổi không cố định, sai số máy đo, quan sát dao động ký nên khơng thể xác tuyệt đối + Điện áp ngõ ngược pha so với điện áp ngõ vào phù hợp với toán + Khi Cobext=0, tần số cắt cao q lớn nên khơng thể đo xác giá trị + Từ đáp ứng tần số thu ta thấy lắp thêm tụ Cobext tần số cao độ lợi áp tần số cắt giảm so với Cobext=0 Cụ thể, Cobext =0, tần số cắt fHC = ꝏ Cobext =15pF, tần số cắt fHC = 65.3 kHz Cobext = 30pF, tần số cắt fHC = 45.9 kHz + Trường hợp Cobext=15pF sai số trình đo dẫn đến hình dạng đáp ứng tần số không mong muốn + Trong trình tiến hành thí nghiệm có nhiều lần dây bị lỏng dẫn đến dạng sóng bị nhiễu khơng quan sát b) Mạch khuếch đại E chung có hồi tiếp Từ công thức phần sở lý thuyết ICQ tính ( ) = −22.6 => Kết đo gần giống với lý thuyết, sai lệch thiết bị đo 1= thay đổi, dây dẫn bị lỏng nên kết quan sát bị nhiễu = 0.428 [ + ||( + ( + 1) ] 1 = 2 ( + = 0.241 ) 67 3= = 56.92 [ 2|| ( + + ( || ) )] +1 Tần số cắt thấp: = + + 3= 57.589 Hz → Kết đo sai lệch so với lý thuyết lý thuyết, sai lệch thiết bị đo, dây dẫn bị lỏng dẫn đến sóng tần số không ổn định Tần số cắt cao: Với= 1= = 420610.9 [ || ||( + ( + 1) )] 1 = 2 = 81652922.6 [ || ] → Tần số cắt cao vô lớn, kết đo không xác định tần số cắt cao Với= 1= = 6664.32 [ || ||( + ( + 1) )] Vậy tần số cắt cao 6.664 kHz Vậy kết đo gần giống với lý thuyết, sai lệch thiết bị đo, sóng bị nhiễu, khơng ổn định 68 ... sánh thực nghiệm lý thuyết mạch ( độ lợi áp, dạng sóng ngõ ra): mạch khuếch đại đảo, mạch khuếch đại không đảo, mạch khuếch đại cộng điện áp, mạch khuếch đại trừ điện áp, mạch so sánh, mạch Schmitt... KIỂM CHỨNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP VI SAI DÙNG BJT Mục tiêu thí nghiệm - Biết cách lắp mạch ghép BJT tạo thành mạch khuếch đại vi sai từ module thí nghiệm, hiểu rõ nguyên lý hoạt động mạch khuếch... ; + = 10 + 39 • Mạch tạo sóng vng sóng tam giác Hinh2.7: Mạch tạo sóng vng sóng tam giác + Mạch : Mạch Schmitt Trigger mức điện áp VS- = cực đảo, điện áp ngõ vào điện áp Vo1 mạch mắc vào cực