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 MÔN MẠCH ĐIỆN TỬ TP HCM, năm 2022 I Mục tiêu thí nghiệm Bài thí nghiệm giúp nhóm kiểm chứng nguyên lý hoạt động và các thông số cơ bản của mạch khuếch đại ghép vi sai dùng BJT Những số liệu sai lệch khi tính toán lý thuyết và đo được trên thực tế đã đưa ra nhiều câu hỏi giúp nhóm tìm hiểu và hiểu thêm hơn về sự sai số trong môi trường thực nghiệm ( Các phân tích cụ thể được nhóm trình bày trong mục V ) Trong quá t.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MƠN: MẠCH ĐIỆN TỬ TP.HCM, năm 2022 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 thực tế đưa nhiều câu hỏi giúp nhóm tìm hiểu hiểu thêm sai số môi trường thực nghiệm ( Các phân tích cụ thể nhóm trình bày mục V ) - Trong q trình thí nghiệm, thí nghiệm giúp thành viên nhóm thành thạo việc sử dụng dụng cụ thí nghiệm (dao động ký, máy đo - đa ), nắm rõ quy tắc an tồn 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 q trình thực lắp mạch đo đạc II Các lý thuyết phải kiểm chứng: - Mạch khuếch đại vi sai với cực phát - Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dịng cực phát Chức năng: - 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 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 hai điện áp tín hiệu độ lớn, mạch phản ứng với tín hiệu ngược pha khơng phản ứng với tín hiệu đồng pha 3 Thơng số mạch: - Mạch gồm hai BJT giống thông số nguồn dòng Emitter điện áp chân, điện trở mắc vào chân C,B hai BJT giống hệt Điện trở mắc chung vào chân E hai BJT ( mạch khuếch đại vi sai cực phát) BJT điện trở đóng vai trị nguồn dịng ( mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng cực phát ) Tải mắc vào chân C BJT thơng qua tụ - BJT 2SD468 có thơng số mạch ở: • Tụ: ngăn cản ảnh hướng tải mạch DC • Điện trở: điện trở hồi tiếp âm, giúp ổn định phân cực chân C, giảm luồng biến thiên dịng cực phát • Nguồn dịng có tổng trở lớn, làm giảm CMRR ( hệ số triệt tiêu dòng đồng pha), tăng khả ứng dụng mạch vi sai • Có hfe từ 85-240; VCE,sat =0.2(V); VBE=0.8 V • Sử dụng nguồn DC: -12V; 12V Tính tốn lý thuyết: Mạch khuếch đại vi sai với RE cực phát Tìm điểm phân cực tĩnh DC Ta có: VE1=VE2=RE*(IE1+IE2)-12=2IE1*RE -12=2*IE2*R2 -12 Do mạch hồn toàn đối xứng, ta tách thành nhánh mạch với R’E=2RE Giả sử hai BJT hoạt động chế độ tích cực thuận Xét KVL vịng BE IB*RB1 +VBE+2RE*IE-12=0 IB= 12 − VBE RB1 + 2( β + 1) RE = 12 − 0.7 1.2 + 2(238 + 1)5.6 =0.0042(mA) ( giá trị hfe, VBE lấy datasheet)  IE1=IE2=1.01(mA) IC1=IC2= β β +1 IE1=1 (mA) VCE1=VCE2=12-(-12) -IC1(RC1+2RE)=7.2 (V) Ta thấy VCE1=VCE2=7.2 (V) >VCE,sat nên giả định đặt ban đầu Vậy Q1=(1.5mA; 7.2V) Q2=(1.5mA; 7.2V) Xét mạch chế độ AC: Do BJT phân cực điểm tĩnh nên I CQ gm1=gm2=gm= VT =40 (mA); rπ = rπ = rπ Xét KCL E ta có: vπ vπ vE + gm * vπ + gm * vπ + = rπ rπ RE vπ 1*  1+ β + β vE + vπ 2* = rπ rπ RE Mặt khác: vπ v1 − v E = rπ RB + rπ ; vπ v − v E = rπ RB + rπ β gm = =6 k Ω Vì vậy: (v1+v2-2vCE) 1+ β rπ + RB = vE RE  vE = Ta có : v1=vcm+ vd/2 ; v2=cm-vd/2  vE= Vo= -gm* vπ *(RC||RL) =-gm*(RC||RL) =-gm*(RC||RL) v1 + v rπ + RB 2+ (1 + β ) RE vcm rπ + RB 1+ 2(1 + β ) RE rπ (v − v E ) RB + rπ v rπ vcm (vcm − d − ) RB + rπ + RB + rπ 2( β + 1) RE = Advd+Acm*vcm Từ suy Av= gm(RC||RL) Acm= rπ 2*( rπ + RB ) − β ( RC || RL ) rπ + RB + 2( β + 1) RE = β ( RC || RL ) 2*(rπ + RB ) =63.6 (V/V) =-0.5 (V/V) Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng cực phát Tìm điểm phân cực DC Sử dụng tương đương Thevenin ta RTH= RJ1||RJ2=3.4 k VTH= RJ RJ + RJ Ω (-12)= -6 (V) Giả sử BJT hoạt động miền tích cực Xét KVL ta có: β 2*IE1=2*IE2=IC3= IB3=1.94 (mA)  IE1=IE2 = 0.97 (mA) IB= VTH + 12 − VBE RTH + ( β + 1) RE =0.008(mA)  IC1=IC2= β I E1 β +1 =0.968 (mA) KVL: IB1RB1 +VBE+VCE3+IE3RE3=12  VCE3=6.06 (V) 12=IC1RC1+VCE1+VCE3+IE3RE3-12  VCE1=VCE2=7.28 (V) Ta thấy VCE1=VCE2 > VCE,sat ; VCE3>VCE,sat nên giả định đặt Xét mạch chế độ AC Ad= β ( RC || RL ) 2*( rπ + RB ) Acm= =61.9 (V/V) − β ( RC || RL ) rπ + RB + 2( β + 1) Ro Ta có : Ro=ro= VA IC ; VA điện áp Early, VA  ∞ nên Ro  ∞ Do Acm  III Lựa chọn liệu đầu vào phương pháp đo đạc đại lượng: Lựa chọn liệu đầu vào: - Các thông số mạch DC hệ số khuếch đại hfe không chọn theo thông số mạch BJT 2SD468 mà chọn theo giá trị đo thí nghiệm dùng số liệu để tính tốn lý thuyết Nguyên nhân ảnh hưởng nhiệt độ lúc khảo sát lên thông số mạch sai lệnh thông số loại mạch điện - Chọn hai giá trị điên trở nối vào máy phát sóng mạch đo độ lợi vi sai 33Ω, nhỏ so với giá trị điện trở (=1k2Ω) Mục đích để tạo giá trị ngược pha cho hai giá trị áp ngõ vào Gía trị điện trở chọn nhỏ để không làm ảnh hưởng đến thông số mạch - Các giá trị tụ điện, điện trở, BJT, nguồn DC lại ta chọn theo giá trị danh sách linh kiện bên Hướng dẫn đo đại lượng mạch khuếch đại E chung: a Đo phân cực tĩnh DC: đo phân cực phải ngắn mạch nguồn AC (tháo hai dây nối máy phát sóng khỏi hai điểm tương ứng mạch, sau dùng dây nối ngắn mạch hai điểm lại với nhau) Thiết bị đo áp, dòng phải để chức DC b Đo độ lợi áp mạch: - Cho mạch hoạt động chế độ AC, không phép tháo bỏ nguồn ni DC (khơng có nguồn ni mạch khơng hoạt động) - Chỉnh tín hiệu nhỏ: quan sát ngỏ mạch khuếch đại dao động ký, tăng biên độ máy phát sóng tới thấy ngõ bị méo dạng (thường có dạng bị xén hai đỉnh tín hiệu) Sau đó, tiến hành giảm biên độ máy phát sóng quan sát ngõ tới ngõ khơng cịn méo dạng, mạch chế độ tuyến tính đo độ lợi áp Lưu ý chọn nhiều giá trị biên độ ngõ vào để đo độ lợi áp sau lấy giá trị trung bình - Chỉnh tần số dãy giữa: Dùng dao động ký quan sát đồng thời ngõ vào ngõ mạch khuếch đại Máy phát sóng đặt tần số thấp (vài chục Hz), sau tăng dần tần số tới quan sát thấy hai tín hiệu pha (đỉnh cực đại cực tiểu hai tín hiệu nằm đường thẳng đứng) ngược pha (đỉnh cực đại cực tiểu hai tín hiệu nằm đường thẳng đứng) Những tần số thỏa điều kiện thuộc tần số dãy Lưu ý chọn nhiều giá trị tần số dãy để đo độ lợi áp sau lấy giá trị trung bình - Xác định độ lợi áp cách lấy tỉ số biên độ (nên dùng trị đỉnh – đỉnh) ngõ với ngõ vào c Đo trở kháng vào mạch: - Đảm bảo mạch hoạt động chế độ AC, tín hiệu nhỏ, tần số dãy - Với hai giá trị Ri khác biết trước (giả sử Ri1, Ri2), giữ nguyên biên độ máy phát sóng đo trị đỉnh - đỉnh ngõ giả sử VO1 VO2 Khi ta có (Ri1+Zi)/(Ri2+Zi)=VO2/VO1 Từ tính giá trị Zi, lưu ý chọn Ri khác để đo Zi sau lấy trị trung bình d Đo trở kháng mạch: - Đảm bảo mạch hoạt động chế độ AC, tín hiệu nhỏ, tần số dãy - Với hai giá trị RL khác biết trước (giả sử RL1, RL2), giữ nguyên biên độ máy phát sóng đo trị đỉnh - đỉnh ngõ giả sử VO1 VO2 Khi ta có RL2(RL1+ZO)/RL1(RL2+ZO)=VO2/VO1 Từ tính giá trị ZO, lưu ý chọn RL khác để đo ZO sau lấy trị trung bình Moduel sử dụng: IV Các kết thí nghiệm: Đo phân cực tĩnh DC Mạch khuếch đại vi sai với RE cực phát Xét điểm phân cực tĩnh của: BJT Q1: IC1=0.966mA; IB1=0.0041mA; IE1=0.9701mA; VCE1=7.4091 V VBE1= 0.722V Độ lợi áp hfe đo xác theo cơng thức: hfe==235.6 BJT Q2: IC2=1.0222mA; IB2=0.0042mA; IE2=1.0264mA; VCE2=6.799 V VBE2= 0.539V Độ lợi áp hfe đo xác theo cơng thức: hfe==237.6 NHẬN XÉT: • Kết tính tốn phân cực BJT có sai số so với tính tốn lý thuyết đảm bảo phân cực chế độ phân cực thuận • Độ lớn hệ số hfe BJT gần xấp xỉ Sự chênh lệch đền từ kết đo I B nhỏ IC lại lớn, thay đổi nhỏ IB ảnh hưởng đến hfe Nhận xét kết đo: Kết đo có sai lệch nhỏ so với lý thuyết, nguyên nhân do: • Sai số điện trở BJT • Điện trở dây dẫn không lý tưởng Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng cực phát Xét điểm phân cực tĩnh của: BJT Q1: IC1=0.943mA; IB1=0.0041mA; IE1=0.947mA; VCE1=7.3513 V VBE1= 0.741V BJT Q2: IC2=1.0101mA; IB2=0.0042mA; IE2=1.0143mA; VCE2=6.824 V VBE2= 0.651V BJT Q3: IC3=1.8788mA; VCE3=5.884 V NHẬN XÉT: • Kết tính tốn phân cực BJT có sai số so với tính tốn lý thuyết đảm bảo phân cực chế độ phân cực thuận • Độ lớn hệ số hfe BJT gần xấp xỉ Sự chênh lệch đền từ kết đo I B nhỏ IC lại lớn, thay đổi nhỏ IB ảnh hưởng đến hfe Đo độ lợi cách chung Acm Ac= vo v1 + v 2 = vo vi Tiến hành theo module mạch, ta bảng giá trị: Mạch khuếch đại vi sai Acm (V/V) V0pp V1-pp V2-pp Vcm Lý thuyết Thực nghiệm RE cực phát 98mV 156mV 162mV 159mV Nguồn dòng cực phát 40mV 98mV 100mV 99mV -0.5 V/V V/V -0.6164 V/V -0.404 V/V Nhận xét kết đo: Kết đo có sai lệch nhỏ so với lý thuyết, ngun nhân do: • Sai số điện trở BJT • Điện trở dây dẫn không lý tưởng ( điện trở khác 0) Đo đội lợi vi sai Ad Ad= vo v − v1 = vo 2vi Tiến hành theo module mạch, ta bảng giá trị: Mạch khuếch đại vi sai RE cực phát Nguồn dòng cực phát Nhận xét kết đo: Kết đo có sai lệch nhỏ so với lý thuyết, nguyên nhân do: • Sai số điện trở BJT • Điện trở dây dẫn không lý tưởng ( điện trở khác 0) Hình ảnh đo máy dao động kí đo độ lợi cách chung phần 2: - Re cực phát V1pp V2pp -Nguồn dòng cực phát: Vo V1pp V2pp Vo Hình ảnh đo máy dao động kí đo độ lợi vi sai phần 3: RE cực phát V1pp V2pp Vo V1pp V2pp Vo V1pp V2pp Vo KẾT LUẬN CHUNG: Nhìn chung, từ lý thuyết thực nghiệm, mạch khuếch đại vi sai thực chức khuếch đại • Cần phải tính tốn xác hệ số hfe thơng số DC BJT, xác định rõ ràng chế độ phân cực Vì sai lệch nhỏ thơng số DC BJT dẫn đến sai sót q trình tính tốn •