BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MẠCH ĐIỆN TỬ BÀI 2 MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP VI SAI DÙNG BJT

SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MƠN 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 SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) MỤC LỤC I MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM Chức Nguyên lý hoạt động Thơng số mạch Tính tốn lý thuyết 4.1 Mạch khuếch đại vi sai với RE cực phát 4.2 Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dịng cực phát III MƠ PHỎNG LTSPICE Mạch khuếch đại vi sai với RE cực phát a) Đo phân cực, giá trị dòng áp điểm làm việc 7 b) Đo độ lợi cách chung Ac 10 c Đo độ lợi áp vi sai Ad 14 Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng cực phát 18 a) Đo phân cực, giá trị dòng áp điểm làm việc 18 b) Đo độ lợi cách chung A c 21 c) Đo độ lợi áp vi sai A d 25 IV KẾT LUẬN 29 SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) I MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM ● Bài thí nghiệm giúp nhóm kiểm chứng nguyên 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 mô thành thạo điều khiện thực tế khơng thể sử dụng phịng thí nghiệm ● Bài thực hành thí nghiệm giúp rèn luyện cho thành viên khả làm việc nhóm chung, phân chia xếp công 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: SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) 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 SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) 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 RE 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 dòng 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+𝑣2 🡪 v1 = vc + 𝑣𝑑 ; v2 = vc - 𝑣𝑑 vo = A c.vc + A d.vd Tính toán lý thuyết 4.1 Mạch khuếch đại vi sai với RE cực phát Tìm điểm phân cực tĩnh DC ICQ1 = ICQ2 ≈ IEQ1 = IEQ2 = 𝑉𝐸𝐸 − 𝑉𝐵𝐸 2.𝑅𝐸 + 𝑅𝐵/ℎ𝑓𝑒 VCEQ1 = VCEQ2 = VCC + VEE – ICQ1(RC + 2RE) SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) Ở chế độ AC Độ lợi cách chung: A c = Độ lợi vi sai Ad = −1 2𝑅𝐸+ℎ𝑖𝑏+𝑅𝑏/ℎ𝑓𝑒 2(ℎ𝑖𝑏+𝑅𝐵/ℎ𝑓𝑒) Tín hiệu đồng pha: CMRR = (𝑅𝑐//𝑅𝐿) (Rc//RL) 2𝑅𝐸 + ℎ𝑖𝑏 +𝑅𝑏/ℎ𝑓𝑒 2(ℎ𝑖𝑏+𝑅𝐵/ℎ𝑓𝑒) ≈ 𝑅𝐸 ℎ𝑖𝑏+𝑅𝐵//ℎ𝑓𝑒 ⇨ 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 IE1 = IE2 = trị đến hib = 2.𝑉𝑇 𝐼𝐶3 dẫn đến định đến độ lợi vi sai Ad = ● Ở AC, độ lợi cách chung Ac = ngõ vào ℎ𝑜𝑒 −1 2𝑅𝐸+ℎ𝑖𝑏+𝑅𝑏/ℎ𝑓𝑒 𝐼𝑐3 🡪 Tác động lên giá 2(ℎ𝑖𝑏+𝑅𝑏/ℎ𝑓𝑒) (Rc//RL) (𝑅𝑐//𝑅𝐿) mà xem có điện trở BJT Q3 lớn dẫn đến RE = ℎ𝑜𝑒 có giá trị tiến tới vô cùng, dẫn đến độ lợi cách chung Ac = 🡪 CMRR theo lý thuyết có giá trị tiến tới vô ● So với khuếch đại vi sai có điện trở RE cực phát, mạch khuếch đại vi sai với nguồn dịng có nguồn phát có thông số Ac, Ad, CMRR tốt hơn, gần với lý tưởng khả khử tín hiệu nhiễu cao SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) III MÔ 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 V CC -12V V EE 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: SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) 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 = 𝑉𝐸𝐸 − 𝑉𝐵𝐸 2.𝑅𝐸 + 𝑅𝐵/ℎ𝑓𝑒 = 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 SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) 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) 10 SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) 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: 17 SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) Theo kết mơ phỏng: A d = 42.1625 Theo lí thuyết: A d = 45.3288 ⇨ CMRR = 141.01 18 SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) So sánh RE trường hợp nhận xét: TH1 (RE=5.6K) TH2 (RE=6.8K) Q1 (7.2791V;0.9578 mA) (7.7507V;0.8719 mA) Q2 (7.0258V;0.9634 mA) (7.5212V;0.8769 mA) Ac 3252 299 Ad 47 2275 42 1625 CMRR 145.242 141.01 Theo chiều tăng RE, ICQ mạch giảm dẫn đến hib tăng dẫn đến độ lợi vi sai Ad giảm, đồng thời làm giảm độ lợi áp chung Ac 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 dòng IC3 Chạy mô lấy số liệu điểm tĩnh Q đối chứng với lý thuyết Mạch mô phỏng: 19 SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) Kết mô phỏng: ⇨ Q1 (6.3711 V; 1.1228 mA), Q2(6.0719V; 1.1299 mA); hfe = 98.28, IC3 = 2.2755 mA 20 SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) So với lý thuyết: (Lấy VBE = 0.7, hfe = 100) ● V1= -RJ1( ● IC3 = 𝑉1−𝑉𝐸𝐸−0.7 𝑅𝐸(ℎ𝑓𝑒+1) 𝑉1−𝑉𝐸𝐸−0.7 𝑅𝐸 ● IC1 = IC2 = 𝐼𝑐3 + 𝑉1+12 𝑅𝐽2 ) 🡪 V1 = -6.0653 V = 1.9388 mA = 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: 21 SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) 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( ● IC3 = 𝑉1−𝑉𝐸𝐸−0.7 𝑅𝐸(ℎ𝑓𝑒+1) 𝑉1−𝑉𝐸𝐸−0.7 𝑅𝐸 ● IC1 = IC2 = 𝐼𝑐3 + 𝑉1+12 𝑅𝐽2 ) 🡪 V1 = -5.48484 V = 2.153763 mA = 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 A c 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 mô phỏng: 22 SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) Kết mô phỏng: 23 SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) ⇨ Ac = 46.8u / (2*20m) = 0.00117 Nhận xét: ⋅ Theo lý thuyết, xem điện trở ngõ vào ℎ𝑜𝑒 Q3 vô lớn, Ac lý thuyết tiến tới So với mô 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 khơng phải vơ cùng, giải mạch tín hiệu Ac, không 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: 24 SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) Kết mô phỏng: 25 SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) ⇨ Ac = 16.96u / 2*10m = 0.000848 c) Đo độ lợi áp vi sai A d 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 mô phỏng: 26 SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) Kết mô phỏng: ⇨ Ad = 1.0709679 / 2*10m = 53.548 So sánh với lí thuyết: Ad = 2(ℎ𝑖𝑏+𝑅𝑏/ℎ𝑓𝑒) (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 27 SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) Trường hợp 2: RJ1 = 5.6K; RL = 2.7K Thực tương tự trường hợp 1, ta có: Mạch mơ phỏng: Kết mô phỏng: 28 SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) 🡺 A d = 52.149 So với lí thuyết: A d = 54.2121 ⇨ CMRR = 61496.4257 So sánh nhận xét: TH1 (RJ1 = 6.8K) TH2 (RJ1 =5.6K) Q1 (6.3711V;1.1226mA) (5.8622 V; 1.2152 mA) Q2 (6.0719V;1.1296mA) (5.5373 V; 1.2231 mA) Ac 00117 0.00084 Ad 53.548 55.6581 45767.5214 61496.4257 CMRR Nhận xét: ● Độ lợi áp cách chung Ac: Theo chiều giảm RJ1, nguồn dòng IC3 tăng lên, giá trị Ac thay đổi khơng đáng kể, giải thích Ac = 29 ℎ𝑜𝑒 +ℎ𝑖𝑏+𝑅𝑏/ℎ𝑓𝑒 (𝑅𝑐//𝑅𝐿), SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) điện trở ngõ vào ℎ𝑜𝑒 lớn so với hib Rb/hfe giá trị xem thay đổi hiệu ứng Early gây Vậy độ lợi cách chung Ac định thông số có sẵn linh kiện BJT, khơng bị ảnh hưởng nhiều giá trị nguồn dòng cực phát chung ● Độ lợi vi sai Ad: Theo chiều giảm RJ1, nguồn dòng IC3 tăng lên, giá trị Ad thay đổi nhiều, giải thích Ad = 2(ℎ𝑖𝑏+𝑅𝑏/ℎ𝑓𝑒) (Rc//RL), hib phụ thuộc vào giá trị nguồn dòng, nên giá trị Ad phụ thuộc vào giá trị nguồn dịng 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 ● 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 30 SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net) 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 31