1 Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh Trường đại học Bách Khoa BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MẠCH ĐIỆN TỬ Bài 4 KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG TẦN SỐ MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP E CHUNG Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Thanh Phương Nhó[.]
Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh Trường đại học Bách Khoa BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MẠCH ĐIỆN TỬ Bài 4: KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG TẦN SỐ MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP E CHUNG Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thanh Phương Nhóm thí nghiệm: Nhóm Lớp: L05 Danh sách thành viên : STT Họ tên MSSV Hồ Vũ Hùng 2111383 Đỗ Quốc Hùng 2111380 MỤC LỤC Mục tiêu thí nghiệm Các giả thuyết cần kiểm chứng 2.1 Phân cực tĩnh DC 2.2 Mạch khuếch đại ghép E chung không hồi tiếp 2.2 Mạch khuyếch đại ghép E chung có hồi tiếp: 3.Lựa chọn liệu đầu vào phương pháp đo dạc địa lượng 3.1 Đo phân cực DC 3.2 Đo vo vẽ đáp ứng tần số 4.Các kết thí nghiệm 4.1 Đo phân cực DC 4.2 Đo vo vẽ đáp ứng tần số 4.2.a Mạch khuyếch đại ghép E chung không hồi tiếp 4.2.b Mạch khuếch đại ghép E chung có hồi tiếp Phân tích kết kết luận 5.1 Đo phân cực DC 5.2 Đo vo,Av vẽ đáp ứng tần số Mục tiêu thí nghiệm Khảo sát đáp ứng tần số mạch khuếch đại BJT ghép E chung - Tính tốn lý thuyết độ lợi áp dãy mạch, tần số cắt cao, tần số cắt thấp từ thông số cho, thơng số cịn thiếu lấy kết thí nghiệm So sánh kết khảo sát với lý thuyết - Hiểu nguyên lý hoạt động mạch khuếch đại BJT ghép E chung tần số khác nhau: tần số thấp, tần số dãy giữa, tần số cao mạch có hồi tiếp khơng hồi tiếp - Dùng máy đo, đo phân cực DC mạch để đảm bảo mạch hoạt động chế độ tích cực - Thay đổi giá trị tụ ghép CC, CE tụ Cobext quan sát khác độ lợi áp mạch bao gồm mạch có hồi tiếp khơng hồi tiếp - Biết cách xác định độ lợi áp dãy (ở tần số dãy giữa) - Thay đổi tần số từ 100Hz tới 100kHz quan sát giá trị độ lợi áp, biết xác định tần số cắt thông qua việc thay đổi biên độ ngõ - Sử dụng dao động kí để quan sát dạng sóng ngõ vào ngõ tần số khác tính độ lợi áp - Từ độ lợi áp tính từ tần số thấp đến tần số cao, vẽ đáp ứng tần số mạch - Hiểu ảnh hưởng tụ Cobext lên độ lợi áp mạch tần số cắt Các giả thuyết cần kiểm chứng 2.1 Phân cực tĩnh DC ( dùng chung cho mạch): RTH = 18.5,6 12.5,6 =4,2712 KΩ; V TH = =2,8475(V ) 18+5,6 18+5,6 Giả sử BJT hoạt động chế độ tích cực thuận với VBE = 0,62V, VCEsat = 0,2V Chọn β = 236 (dựa vào kết đo phân cực tĩnh) Sử dụng phương pháp dòng mắc lưới: -VTH + IBRB + VBE + IC(RE1 + RE2) =0 Mà IC = (1+β).IB nên -VTH + IBRTH + VBE + (1+β).IB.(RE1 + RE2) = I B= V TH −V BE 2,8475−0,62 = =0,0218 mA RTH +(1+ β)(R E + R E 2) 4,2712 K +( 1+ 236)( 22+ 390) I C =βI B =5,1448 mA Ta có :12=I C RC +V CE + ( 1+ β ) I B ( R E + RE 2) Ta có : V CE =12−I C RC −( 1+ β ) I B ( R E + R E ) ¿ 12−5,1448 10−3 10 3−( 1+236 ) 0,0218 10−3 ( 22+390 )=4,7265 V Do V CE >V CEsat nên giả thuyết ban đầu Vậy: Điểm làm việc cảu BJT Q(0,0218mA; 4,7265 V) r π= β V T 236.0,026 = =1,192 kΩ −3 IC 5,1448.10 gm = I C 5,1448 10−3 mA = =197,87( ) VT 0,026 V 2.2 Mạch khuếch đại E chung không hồi tiếp: + Ở tần số dãy giữa, ta có độ lợi mạch: A M= v o v o i c i b −( RC /¿ R L )β ( R B /¿ r π ) = = =−81,0344 v i ic ib v i r π (R B /¿ r π + Ri ) + Ở tần số thấp, mạch chịu ảnh hưởng lớn tụ Coupling tụ Bypass: ω pi = 1 → f pi = πCi ¿ ¿ C i ( Ri + R B / ¿ r π ) ω po= 1 → f po= =0,2411 Hz C o ( R C+ R L) π C o ( R C+ R L) ω pE= 1 → f pE= =192,246 Hz C E ( R E + R E 2)/¿ Rtd π C E (R E + R E 2)/¿ Rtd Rtd = Ri /¿ R B +r π β+1 Tần số cắt thấp nghiệm phương trình: | AM | s s s =¿ A M ∨ ¿ ¿ s +ω pi s+ω pE s +ω po √2 Tần số cắt thấp: f L =192,246( Hz) Do tần số cao, mạch CE có hiệu ứng Miller, nên ta áp dụng phương pháp để phân tích đáp ứng tần số cao mạch: Từ sơ đồ mạch ta có: V ' i=V i Ri /¿ r π R i / ¿ rπ + R i R ' i=R i /¿ R B /¿ r π=482,38 Ω R ' L =R C /¿ R L =848,48 Ω Với : C μ=C ob +C obexit =22 pF+C obexit ' C 1=C μ (1+ gm R L ) C 2=C μ (1+ Cπ= ) ' gm R L β =132,51( pF ) π rπ f T Độ lợi thu tần số cao: A v =A M 1+ S (C π +C 1) R ' i f H= ωH = π π (C π +C1 )R ' i Với: Cobext pF C 22 pF C1 3.7155nF fH 85.764(kHz) Cobext 15 pF C 37 pF C1 6.2488nF fH 51,711(kHz) Cobext 30 pF C 52 pF C1 8,7822nF fH 37.014(kHz) 2.3Mạch khuếch đại E chung có hồi tiếp: +Độ lợi dãy giữa: Ở tần số dãy thi ngắn mạch tụ coupling bypass, tụ ký sinh xem hở mạch Ta độ lợi áp dãy A M= RL R B /¿( r π + ( β+1 ) R E 1) −β RC RL R¿ Av = R¿ + R sig R L + Rout RB /¿(r π + ( β +1 ) R E )+ Ri r π + ( β+1 ) R E R L + R C A M =−22,4842 + Tần số cắt thấp mạch Ở tần số thấp mạch tương đương AC cần xét tới tụ coupling bypass, tụ ký sinh xem hở mạch Xét tụ Ci, ngắn mạch Co,CE Xét tụ Co, ngắn mạch Ci,CE → f L2= ≈ 0,2411 Hz π C o R Co Xét tụ CE, ngắn mạch Ci,Co => tần số cắt thấp = 57.873Hz Ta có mạch CE có hồi tiếp tần số cao: f H= 1 = ' π R ep C ep π R sig (C M +C π ) R sig ' =Ri/¿ RB /¿(rπ +(β +1) ℜ1)=719 Ω CM =(1−AM )Cμ → { CM =( 1− AM ) Cμ=516,65 pF CM =( 1− AM )( Cμ+Cobexit )=24 nF Vậy tần số cắt theo lý thuyết mạch ứng với trường hợp là: V iCobext =0 F → fH =340.988 kHz V iCobext =1 nF → fH =9,172 kHz 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 100, 200, 300, 500, 1k, 5k, 10k, 50k, 70k, 100kHz 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 IBQ VCEQ 5.19 (mA) 0.022 (mA) 4.73 (V) → BJT hoạt động chế độ tích cực β 236 VBE 0.62 (V) 4.2 Đo vo vẽ đáp ứng tần số: a) Mạch khuếch đại ghép E chung không hồi tiếp • Thí nghiệm 1: Cobext = 0, Chọn Vi-pp = 80mV → Vo-pp tần số dãy = 4.48V f (Hz) 100 Vo-pp 1.96 Av 24.5 20logAv 27.78 Độ lợi áp dãy giữa: 200 3.12 39 31.8 300 3.64 45.5 33.16 500 4.04 50.5 34.0 AMB = 1K 5K 4.08 4.48 51 56 34.15 34.97 10K 4.48 56 34.9 15K 4.48 56 34.97 = -56 (V/V) Hình 4.1: Dạng sóng ngõ vào/ra tần số dãy 10 30K 4.32 54 34.6 50K 4.24 53 34.49 Tần số cắt đo được: ( Với Vo-pp = Tần số cắt dưới: fLC = 228 Hz Vo-ppMB = 3.167V) Tần số cắt trên: fHC = ꝏ → Vẽ đáp ứng tần số • Thí nghiệm 2: Cobext = 15pF, Chọn Vi-pp = 80mV → Vo-pp tần số dãy = 4.4V f (Hz) Vo-pp Av 20logAv 100 2.08 26 28.3 Độ lợi áp dãy giữa: 200 3.04 38 31.6 300 3.36 42 32.46 AMB = 500 3.84 48 33.6 1K 4.08 51 34.15 3K 4.4 55 34.8 5K 4.4 55 34.8 10K 4.4 55 34.8 = -55 (V/V) 11 30K 3.66 45.75 33.2 50K 3.66 45.75 33.2 Hình 4.2: Dạng sóng ngõ vào/ra tần số dãy Tần số cắt đo được: ( Với Vo-pp = Tần số cắt dưới: fLC = 272 Hz Vo-ppMB= 3.11V) Tần số cắt trên: fHC = 69.9 KHz → Vẽ đáp ứng tần số: 12 • Thí nghiệm 3: Cobext = 33pF, Chọn Vi-pp = 80mV → Vo-pp tần số dãy = 4.16V f (Hz) Vo-pp Av 20logA 100 1.98 24.75 27.87 200 2.96 37 31.36 Độ lợi áp dãy giữa: 300 3.36 42 32.46 AMB = 500 3.76 47 33.4 1K 4.04 50.5 34.07 3K 4.16 52 34.32 5K 4.16 52 34.32 10K 4.16 52 34.3 = -52 (V/V) 13 30K 3.16 39.5 31.93 50K 2.96 37 31.36 Hình 4.3: Dạng sóng ngõ vào/ra tần số dãy Tần số cắt đo được: ( Với Vo-pp= Vo-ppMB= 2.94V) Tần số cắt dưới: fLC = 195.7 Hz: Tần số cắt trên: fHC = 53.2 KHz → Vẽ đáp ứng tần số: 14 b) Mạch khuếch đại ghép E chung có hồi tiếp • Thí nghiệm 4: Cobext = 0, Chọn Vi-pp = 400mV → Vo-pp tần số dãy là: 8V f (Hz) Vo-pp Av 100 6.56 16.4 200 7.6 19 300 7.74 19.35 20logAv 24.3 25.5 25.73 25.85 Độ lợi dãy giữa: AMB = 500 7.84 19.6 1K 7.9 19.7 25.9 3K 7.96 19.9 5K 20 7K 20 10K 20 30K 7.84 19.6 25.98 26.0 26.02 26.0 25.85 25.76 = -20 (V/V) 15 50K 7.76 19.4 Hình 4.4: Dạng sóng ngõ vào/ra tần số dãy Tần số cắt đo được: ( Với Vo-pp= Tần số cắt dưới: fLC = 67 Hz Vo-ppMB = 5.657V) Tần số cắt trên: fHC = ꝏ → Vẽ đáp ứng tần số 16 • Thí nghiệm 5: Cobext = 1nF, Chọn Vi-pp = 400mV → Vo-pp tần số dãy là: 7.76V f (Hz) Vo-pp Av 20logAv 100 6.56 16.4 24.3 200 7.2 18 25.1 Độ lợi áp dãy giữa: 300 7.6 19 25.57 AMB = 500 7.68 19.2 25.67 1K 7.76 19.4 25.76 2K 7.76 19.4 25.76 3K 7.76 19.4 25.76 5K 6.4 16 24.08 = -19.4 (V/V) 17 10K 6.2 15.5 23.8 30K 5.9 14.75 23.38 Hình 4.5: Dạng sóng ngõ vào/ra tần số dãy Tần số cắt đo được: ( Với Vo-pp = Vo-ppMB = 5.487V) Tần số cắt dưới: fLC = 64 Hz: Tần số cắt trên: fHC = 8.4 KHz → Vẽ đáp ứng tần số: 18 Phân tích so sánh vá kết luận 5.1 Đo phân cực DC Kết đo giống với lý thuyết, β 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 không 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 lớn nên 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 = 69.9 kHz Cobext = 33pF, tần số cắt fHC = 53.2kHz + Trong trình tiến hành thí nghiệm có nhiều lần dây bị lỏng dẫn đến dạng sóng bị nhiễu khơng quan sát 19 b) Mạch khuếch đại E chung có hồi tiếp + Độ lợi áp tần số dãy có sai lệch so với lý thuyết không 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 tốn + Vì thay đổi điện áp ngõ vào so với thí nghiệm mạch khuếch đại E chung khơng hồi tiếp nên có thay đổi tỉ lệ phần đo đạc điện áp ngõ Cụ thể, Cobext =0, tần số cắt fHC = ꝏ Cobext = 1nF, tần số cắt fHC = 8.4 KHz Vậy kết đo gần giống với lý thuyết, sai lệch thiết bị đo, sóng bị nhiễu, không ổn định 20