BÁO cáo THÍ NGHIỆM MẠCH điện tử bài 2 MẠCH KHUẾCH đại GHÉP VI SAI DÙNG BJT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MẠCH ĐIỆN TỬ BÀI 2: MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP VI SAI DÙNG BJT GVHD: NGUYỄN NGỌC KỲ ================= Thành viên nhóm lớp L23: HỌ VÀ TÊN MSSV Trần Lê Đăng Khoa 1913827 Cao Tuấn Kiệt 2013559 Đào Nhựt Nam 1914214 MỤC LỤC I MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM • Bài thí nghiệm giúp nhóm kiểm chứng ngun lý hoạt động thông số mạch khuếch đại ghép vi sai dùng BJT Những số liệu sai lệch tính tốn lý thuyết đo phần mềm mô LTspice đưa nhiều câu hỏi giúp nhóm tìm hiểu hiểu thêm sai số thí nghiệm • Trong q trình thí nghiệm, thí nghiệm giúp thành viên nhóm thành thạo việc hoạt động nhóm sử dụng phần mềm mơ thành thạo điều khiện thực tế sử dụng phịng thí nghiệm • Bài thực hành thí nghiệm giúp rèn luyện cho thành viên khả làm việc nhóm chung, phân chia xếp cơng việc hợp lý, đặc biệt hết rèn luyện khả xử lý vấn đề nhóm gặp cố trình thực lắp mạch đo đạc II CÁC LÝ THUYẾT PHẢI KIỂM CHỨNG Mạch khuếch đại vi sai với RE cực phát: Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng cực phát: Chức Có khả khuếch đại tín hiệu có tần số nhỏ (tín hiệu chiều, có tần số vài Hz), giảm thiểu tiếng ồn linh kiện cản trở từ bên Liên kết tầng mà không cần dùng đến tụ Khuếch đại vi sai sử dụng để khuếch đại tín hiệu có tần số giới hạn nhỏ (tới vài Hz), gọi tín hiệu biến thiên chậm hay tín hiệu chiều Khuếch đại vi sai sở để xây dựng khuếch đại thuật toán sử dụng Op- Amp Nguyên lý hoạt động Khuếch đại vi sai có tín hiệu khơng tỉ lệ với trị tuyệt đối 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 tín hiệu độ lớn, mạch phản ứng với tín hiệu ngược pha khơng phản ứng với tín hiệu đồng pha Thơng số mạch Module thí nghiệm BJTLABSN010 phần mềm mô LTspice Mạch gồm hai BJT giống thơng số nguồn dịng Emitter điện áp chân, điện trở mắc vào chân C, B hai BJT giống hệt Điện trở mắc chung vào chân E hai BJT (đối với mạch khuếch đại vi sai với R E cực phát) BJT điện trở đóng vài trị nguồn dòng (đối với mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng cực phát) Tải mắc vào chân C BJT thông qua tụ Tụ: ngăn cản ảnh hưởng tải mạch DC Điện trở: điện trở hồi tiếp âm, giúp ổn định phân cực chân C, giảm lưởng biến thiên dòng cực phát Nguồn dịng có tổng trở lớn, làm giảm CMRR (hệ số tiệt tiêu dòng đồng pha), tăng khả ứng dụng mạch vi sai Phương trình cốt lõi: vd = v1 – v2 vc =  v1 = vc + ; v2 = vc vo = Ac.vc + Ad.vd Tính tốn lý thuyết 4.1 Mạch khuếch đại vi sai với RE cực phát Tìm điểm phân cực tĩnh DC ICQ1 = ICQ2 IEQ1 = IEQ2 = VCEQ1 = VCEQ2 = VCC + VEE – ICQ1(RC + 2RE) Ở chế độ AC Độ lợi cách chung: Ac = Độ lợi vi sai Ad = (Rc//RL) Tín hiệu đồng pha: CMRR =  Tín hiệu đồng pha CMRR, độ lợi cách chung Ac độ lợi vi sai Ad phụ thuộc vào giá trị RE cực phát chung 4.2 Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng cực phát Cơ sở lý thuyết: Dùng BJT Q3 cực phát nguồn dịng có chức sau: • Ở DC, phân cực điểm tĩnh Q3 tạo dòng điện I E1 = IE2 =  Tác động lên giá trị đến hib = dẫn đến định đến độ lợi vi sai Ad = (Rc//RL) • Ở AC, độ lợi cách chung A c = mà xem có điện trở ngõ vào BJT Q3 lớn dẫn đến RE = có giá trị tiến tới vơ cùng, dẫn đến độ lợi cách chung Ac =  CMRR theo lý thuyết có giá trị tiến tới vơ • So với khuếch đại vi sai có điện trở RE cực phát, mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng có nguồn phát có thơng số Ac, Ad, CMRR tốt hơn, gần với lý tưởng khả khử tín hiệu nhiễu cao III MƠ PHỎNG LTSPICE Mạch khuếch đại vi sai với RE cực phát Khảo sát mạch với giá trị RE để kiểm chứng ảnh hưởng RE đến thông số khuếch đại mạch Chọn RE = 5.6K Ω 6.8K Ω a) Đo phân cực, giá trị dòng áp điểm làm việc Trường hợp 1: RE = 5.6K Ω Cài đặt thí nghiệm sau: Cấp nguồn 12V VCC -12V VEE Lắp nguồn 0V để đo giá trị dòng điện cực B, C, E ứng với BJT Q1, Q2 Lắp điểm nút để đo giá trị điện áp cực B, C, E ứng với BJT Q1, Q2 Nối dây nguồn điện trở có giá trị tương ứng mạch lý thuyết có bảng tra Module Tiến hành chạy mô lấy số liệu Sơ đồ mạch: Kết mô phỏng: Ta có: Q1 (7.279 V; 0.9578 mA); hfe = 95.715 Q2 (7.026 V; 0.9635 mA); hfe = 95.659 Đối chứng với lý thuyết: Lấy hfe = 95, VBE = 0.7 ⋅ ⋅ ICQ1 = ICQ2 IEQ1 = IEQ2 = = 1.0078 mA VCEQ1 = VCEQ2 = VCC + VEE – ICQ1(RC + 2RE) = 7.0691V Nhận xét: Điểm tĩnh Q1 lý thuyết mô gần nhau, điểm tĩnh Q2 tương tự Tuy nhiên, theo lý thuyết ta có mạch đối xứng, điểm tĩnh Q1, Q2 giống nhau, theo số liệu mơ điểm khác Điều gây sai số chế tạo linh kiện mạch sai số phần mềm mô Trường hợp 2: RE = 6.8K Ω Thực tương tự trường hợp 1, ta có:  Q1 (7.75 V; 0.8719 mA) Q2 (7.52 V; 0.8769 mA) Tính theo lí thuyết: Q1 = Q2 = Q (8.0618 V; 0.8311 mA) b) Đo độ lợi cách chung Ac Trường hợp 1: RE = 5.6K Ω Cài đặt thí nghiệm: Giữ nguồn VCC VEE Nối dây cực C Q2 với tải R L lấy tín hiệu tín hiệu Vo Chọn R L = 2.7K Ohm module khơng có giá trị trở 12K tương ứng với mạch lý thuyết Tiến hành nối nguồn Vi vào cực B BJT Q1, Q2 Cấp nguồn AC vi=0V, tần số 10KHz, tăng giá trị biên độ, đến sóng ngõ bắt đầu méo dạng dừng lại Sơ đồ mạch: 10 Kết mô phỏng: Theo mô phỏng: Ad = 1.8891 / (40*10-3) = 47.2275 Theo lí thuyết: Ad = (Rc//RL) = 51.5971 15 Nhận xét: ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ Độ lợi khuếch đại vi sai Ad theo mô gần giống với lý thuyết Kết mô cho thấy chế độ vi sai, ngõ khuếch đại tầm 44.2275 lần ngõ vào vi sai mạch, với chức lý thuyết mạch khuếch đại chênh lệch điện áp ngõ vào mạch Kết cho thấy ngõ méo dạng với ngõ vào có giá trị 45MV trở lên  CMRR = |Ad|/|Acm| = 145.242 Trường hợp 2: RE = 6.8K Ω Thực trường hợp 1, ta có: 16 Theo kết mơ phỏng: Ad = 42.1625 Theo lí thuyết: Ad = 45.3288  CMRR = 141.01 17 So sánh RE trường hợp nhận xét: Q1 Q2 Ac Ad CMRR TH1 (RE=5.6K) (7.2791V;0.9578 mA) (7.0258V;0.9634 mA) TH2 (RE=6.8K) (7.7507V;0.8719 mA) (7.5212V;0.8769 mA) 145.242 141.01 Theo chiều tăng RE, ICQ mạch giảm dẫn đến hib tăng dẫn đến độ lợi vi sai A d giảm, đồng thời làm giảm độ lợi áp chung A c Mạch có khả giảm, triệt tiêu tín hiệu nhiễu xuất cực chung ngõ vào tốt hơn, nhiên theo hệ số khuếch đại độ chênh lệch điện áp ngõ vào giảm Đó đánh đổi Bên cạnh đó, hệ số tín hiệu đồng pha CMRR tăng Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng cực phát Khảo sát mạch với giá trị IC3 cực phát cách khảo sát RJ1 = 5.6K Ω 6.8K a) Đo phân cực, giá trị dòng áp điểm làm việc Trường hợp 1: RJ1 = 6.8K, RL = 2.7K Cài đặt thí nghiệm: Tiến hành nối dây mạch lý thuyết theo module thí nghiệm Cài đặt nguồn áp 0V để đo nguồn dòng qua cực B, C, E Q1, Q2 dịng IC3 Chạy mơ lấy số liệu điểm tĩnh Q đối chứng với lý thuyết Mạch mô phỏng: 18 Kết mô phỏng:  Q1 (6.3711 V; 1.1228 mA), Q2(6.0719V; 1.1299 mA); hfe = 98.28, IC3 = 2.2755 mA 19 So với lý thuyết: (Lấy VBE = 0.7, hfe = 100) • V1= -RJ1(  V1 = -6.0653 V • IC3 = 1.9388 mA • IC1 = IC2 = = 0.9694 mA  Q1(7.283 V; 0.9694 mA); Q2(7.283 V; 0,9694 mA) Nhận xét: Điểm tĩnh Q mô gần giống với lý thuyết Trường hợp 2: RJ1 = 5.6K, RL = 2.7K Thực trường hợp 1, ta được: Mạch mô phỏng: 20 Kết mô phỏng:  Q1 (5.8622 V; 1.2152 mA); Q2 (5.5373 V; 1.2231 mA) So với lý thuyết: So với lý thuyết: (Lấy VBE = 0.7, hfe = 100) • V1= -RJ1(  V1 = -5.48484 V • IC3 = 2.153763 mA • IC1 = IC2 = = 1.07688 mA  Q1(6.6824 V; 1.07688 mA); Q2(6.6824 V; 1.07688 mA) Nhận xét: Điểm tĩnh Q mô gần giống với lý thuyết b) Đo độ lợi cách chung Ac Trường hợp 1: RJ1 = 6.8K; RL = 2.7K Cài đặt thí nghiệm: Giữ nguồn VCC, VEE Cấp nguồn sin Vin cực B Q1, Q2 pha biên độ Cho Vin=0V, tăng dần giá trị đến sóng ngõ méo dạng dừng lại Mạch mơ phỏng: 21 Kết mô phỏng:  Ac = 46.8u / (2*20m) = 0.00117 Nhận xét: 22 ⋅ Theo lý thuyết, xem điện trở ngõ vào Q3 vô lớn, Ac lý thuyết tiến tới So với mơ phỏng, độ lợi cách chung Ac có giá trị nhỏ Ac = 0.0017, gần giống với lý thuyết Tuy nhiên điện trở ngõ vào Q3 giá trị xác định lớn vô cùng, giải mạch tín hiệu Ac, khơng hở mạch Q3 mà phải tương đương BJT Q3 thành trở ⋅ có giá trị lớn Vi với giá trị từ 100MV trở lên bắt đầu làm cho ngõ có đồ thị sóng méo ⋅ dạng Mạch hoạt động chức khử nhiễu tín hiệu mơi trường bên ngồi tác động vào Trường hợp 2: RJ1 = 5.6K; RL = 2.7K Thực tương tự trường hợp 1, ta có: Mạch mơ phỏng: Kết mô phỏng: 23  Ac = 16.96u / 2*10m = 0.000848 c) Đo độ lợi áp vi sai Ad Trường hợp 1: RJ1 = 6.8K; RL = 2.7K Cài đặt thí nghiệm: Giữ VCC, VEE Cấp nguồn Vi mạch phân áp R1, R2 có giá trị bé Ohm, đầu dương R1 nối với cực B Q1, đầu âm R2 nối với cực B Q2 Cho Vi=0V, tăng dần giá trị Vi đến đồ thị sóng ngõ bắt dầu méo dạng dừng lại Mạch mơ phỏng: 24 25 Kết mô phỏng:  Ad = 1.0709679 / 2*10m = 53.548 So sánh với lí thuyết: Ad = (Rc//RL) = 50.5196 Nhận xét: • Mạch có ngõ khuếch đại 53.548 lần so với ngõ vào Mạch hoạt động với chức khuếch đại vi sai (độ chênh lệch) nguồn ngõ vào • CMRR = 45767.5214 Với lý thuyết, CMRR tiến tới vô cùng, chạy mô phỏng, CMRR giá trị lớn xác định Trường hợp 2: RJ1 = 5.6K; RL = 2.7K 26 Thực tương tự trường hợp 1, ta có: Mạch mơ phỏng: Kết mơ phỏng:  Ad = 52.149 So với lí thuyết: Ad = 54.2121 27  CMRR = 61496.4257 So sánh nhận xét: Q1 Q2 Ac Ad CMRR TH1 (RJ1 = 6.8K) (6.3711V;1.1226mA) (6.0719V;1.1296mA) 53.548 45767.5214 TH2 (RJ1 =5.6K) (5.8622 V; 1.2152 mA) (5.5373 V; 1.2231 mA) 0.00084 55.6581 61496.4257 Nhận xét: • Độ lợi áp cách chung Ac: Theo chiều giảm R J1, nguồn dòng IC3 tăng lên, giá trị Ac thay đổi khơng đáng kể, giải thích A c = , điện trở ngõ vào lớn so với hib Rb/hfe giá trị xem thay đổi hiệu ứng Early gây Vậy độ lợi cách chung Ac định thơng số có sẵn linh kiện BJT, không bị ảnh hưởng nhiều giá trị nguồn dịng cực phát chung • Độ lợi vi sai Ad: Theo chiều giảm R J1, nguồn dòng IC3 tăng lên, giá trị Ad thay đổi nhiều, giải thích Ad = (Rc//RL), hib phụ thuộc vào giá trị nguồn dòng, nên giá trị Ad phụ thuộc vào giá trị nguồn dòng cực phát chung • Khảo sát mơ với sở lý thuyết cần kiểm chứng Tuy nhiên, so với lý thuyết, thông số Ac CMRR không tiến tới giá trị lý tưởng, Ac có giá trị nhỏ, so với độ khuếch đại Ad Ac xem khơng đáng kể, ta bỏ qua, mạch khuếch đại ghép vi sai hoạt động chức khử nhiễu tín hiệu ngõ vào IV KẾT LUẬN So sánh với mạch ghép vi sai có điện trở RE nối cực phát chung với mạch ghép vi sai có nguồn dịng cực phát chung • Cả hai mạch hoạt động chức mạch khuếch đại ghép vi sai, cụ thể khử tín hiệu nhiễu mơi trường gây cực ngõ vào, khuếch đại chênh lệch cực ngõ vào 28 • Mạch ghép vi sai có nguồn dịng cực phát chung có thơng số Ac, Ad, CMRR tốt so với mạch ghép vi sai có điện trở RE Bên cạnh đó, việc hiệu chỉnh giá trị thơng số, mạch có nguồn dịng có độ lợi tốt hơn, cụ thể:  Mạch có trở RE cực phát chung: Thay đổi thông số RE để giảm độ lợi Ac, đồng thời làm giảm độ lợi Ad, khuếch đại vi sai giảm, mang theo đánh đổi cao, CMRR tăng  Mạch có nguồn dịng cực phát chung: Thay đổi giá trị nguồn dòng để tăng khả khuếch đại vi sai Ad, Ac không thay đổi đáng kể có xu hướng giảm, giá trị nguồn dịng ảnh hưởng đến khả khử nhiễu mạch Tuy nhiên, chi phí chế tạo nguồn dịng gây nhiều tốn so với điện trở RE 29 ... lợi khuếch đại vi sai Ad theo mô gần giống với lý thuyết Kết mô cho thấy chế độ vi sai, ngõ khuếch đại tầm 44 .22 75 lần ngõ vào vi sai mạch, với chức lý thuyết mạch khuếch đại chênh lệch điện. ..MỤC LỤC I MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM • Bài thí nghiệm giúp nhóm kiểm chứng ngun lý hoạt động thông số mạch khuếch đại ghép vi sai dùng BJT Những số liệu sai lệch tính tốn lý thuyết đo phần... chân, điện trở mắc vào chân C, B hai BJT giống hệt Điện trở mắc chung vào chân E hai BJT (đối với mạch khuếch đại vi sai với R E cực phát) BJT điện trở đóng vài trị nguồn dịng (đối với mạch khuếch