Báo cáo thí nghiệm vật lí bán dẫn bài tn 1 khảo sát linh kiện r l c

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO THÍ NGHIỆM VẬT LÍ BÁN DẪN GV: Nhan Hồng Kỵ Lớp L13 – Nhóm 4: Nguyễn Nam Phú - 2011830 Võ Minh Trọng - 2012300 Lại Nguyễn Duy - 2010999 _ TP.Hồ Chí Minh tháng năm 2021 BÀI TN KHẢO SÁT LINH KIỆN R-L-C MỤC TIÊU:  Nắm cách sử dụng kit thí nghiệm, dụng cụ đo  Nắm đặc tính linh kiện điện trở, tụ điện, cuộn cảm  Thiết lập mạch đo đơn giản cho tụ điện, cuộn cảm CHUẨN BỊ:  Chuẩn bị PreLab nộp cho giáo viên trước vào lớp THÍ NGHIỆM Mục tiêu Đọc kiểm chứng giá trị điện trở Yêu cầu Đọc giá trị điện trở R1, R2, R3, R4 theo vòng màu, sau kiểm chứng giá trị thực R1, R2, R3, R4, R6, R7 VOM Đo giá trị biến trở VR5 Các kết điền vào bảng Đọc R1 R2 R3 R4 R6 R7 VR5 22.101 10.102 200.101 10.100 10.102 15.102 1Ω~10k Ω Đo 224 987 1980 9.9 999 1490 1.2Ω~9.8 kΩ Sai số 13 20 0.1 10 0.2Ω~20 0Ω Kiểm tra Xác định sai số kết đọc đo Sai số có với vòng màu sai số điện trở hay khơng THÍ NGHIỆM Mục tiêu Khảo sát mạch R-C, từ suy giá trị tụ điện Yêu cầu Kết nối máy phát sóng oscilloscope sau: Kiểm tra Chỉnh máy phát sóng phát sóng sine, tần số 1Khz, biên độ 2Vp-p Quan sát kênh dao động ký để có dạng sóng xác Quan sát điện áp tụ C1 dao động ký Biên độ điện áp tụ C1 bao nhiêu? - Biên độ điện áp tụ C1: 90 1.84 =45 =0.92 (v) 2 Từ đó, giá trị C1 bao nhiêu? Trình bày cách tính I= U √R +Z = C UC 0,92 1 ⇔ = ⇒ ZC ≈ 2316,9 Ω⇒ C= = ≈ 68,9nF 2 ZC Z Z πf 2316,9.2 π 1000 C C 98 + Z √ C Giá trị in C1 bao nhiêu? Từ suy sai số giá trị lý thuyết giá trị thực Giá trị in C1 100nF Vậy sai số giá trị lý thuyết giá trị thực ΔC =|100−68,9| ≈31,1 Vẽ lại dạng sóng ngõ vào tụ C1 Hai sóng có tương quan phase nào? Giải thích - Nhận xét: Sóng ngõ tụ C1 trễ phase sóng ngõ vào Khi có dịng xoay chiều vào tụ điện, dịng điện bắt đầu tích điện cho tụ điện nhờ lượng điện tích nạp tụ điện bắt đầu tăng điện áp lên Điện áp khơng tăng lúc với cường độ dịng điện mà cần thời gian để phân bố điện tích tạo nên điện áp tụ Do đó, tụ điện điện áp trễ pha cường độ dịng điện Khi tăng/giảm tần số tín hiệu vào biên độ tụ thay đổi nào? Giải thích - Khi tăng tần số tín hiệu vào biên độ tụ giảm, giảm tần số tín hiệu vào biên độ tụ tăng - Giải thích: tần số dịng điện lớn trở kháng tụ nhỏ, cường độ dòng điện hiệu dụng mạch lớn ngược lại Với dòng điện chiều, tụ điện có trở kháng dương vơ Đặc tính ứng dụng mạch truyền tín hiệu Chuyển tín hiệu Vin thành xung vng tần số 1Khz, biên độ 2V Vẽ dạng sóng Vin dạng sóng tụ điện Giải thích - Giải thích: ngun lý hoạt động tích phóng điện tụ THÍ NGHIỆM Mục tiêu Lặp lại thí nghiệm để đo giá trị tụ C6 Yêu cầu Kết nối R2 với tụ C6 Kiểm tra Chỉnh máy phát sóng phát sóng sine, tần số 1Khz, biên độ 2Vp-p Quan sát kênh dao động ký để có dạng sóng xác Quan sát điện áp tụ C6 dao động ký Biên độ điện áp tụ C6 bao nhiêu? - Biên độ điện áp tụ C6: 90 =45 mV Từ đó, giá trị C6 bao nhiêu? Trình bày cách tính I= U √R +Z = C UC 0,045 1 ⇔ = ⇒ Z C ≈ 34.75 Ω⇒ C= = ≈ 4,58 μF 2 ZC Z Z πf 34,75.2 π 1000 C C 100 + Z √ C Đọc giá trị in tụ C6 Giá trị điện áp tối đa theo lý thuyết C6 bao nhiêu? - Giá trị in tụ C6 μF THÍ NGHIỆM Mục tiêu Khảo sát mạch R-L, từ suy giá trị cuộn cảm Yêu cầu Kết nối máy phát sóng sau Dùng kênh oscilloscope đo dạng sóng Vin, kênh đo dạng sóng L5 Kiểm tra Chỉnh máy phát sóng phát sóng sine, tần số 5~10Mhz, biên độ 2Vp-p Quan sát kênh dao động ký để có dạng sóng xác Quan sát điện áp cuộn dây L5 dao động ký Biên độ điện áp cuộn dây L5 bao nhiêu? - Biên độ điện áp cuộn dây: 840 =420 mV Từ đó, giá trị L5 bao nhiêu? Trình bày cách tính U √R +Z 2 L = UL ZL 0,420 463 −5 ⇔ = ⇒ Z L ≈ 463 Ω⇒ L= = ≈ 1.473 10 H 2 Z L √ 100 + Z L ZL πf π Vẽ lại dạng sóng ngõ vào L5 Hai sóng có tương quan phase nào? Giải thích - Nhận xét: Sóng ngõ L5 có pha sớm sóng ngõ vào Khi có dịng điện qua cuộn dây cuộn dây đồng thời tạo từ trường chạy lòng cuộn dây Dựa nguyên lý cảm ứng điện từ, từ trường tăng dần theo dịng điện cuộn dây sinh dòng điện cảm ứng để chống lại tăng dần Khi dịng điện giảm, từ trường giảm có dịng điện cảm ứng sinh để chống lại giảm Vì cuộn dây, dòng điện trễ pha so với điện áp Khi tăng/giảm tần số tín hiệu vào biên độ L5 thay đổi nào? Giải thích - Khi tăng/giảm tần số tín hiệu vào biên độ L5 tăng/giảm tương ứng - U¿ UL U R R 2 = ⇒ U ¿ =U L 1+ Giải thích: ta có U ¿ =√ U + U I = = Z ZL R ZL R L ( ) Khi ZL tăng UL tăng ngược lại, ZL giảm UL giảm Uin R cố định Mà ZL tỉ lệ thuận với f nên tăng/giảm tần số tín hiệu vào biên độ L5 tăng/giảm tương ứng BÀI TN KHẢO SÁT DIOCE CHỈNH LƯU VÀ ZENER MỤC TIÊU:  Nắm cách sử dụng kit thí nghiệm, dụng cụ đo  Nắm đặc tính linh kiện diode chỉnh lưu, LED phát quang diode zener  Thiết lập mạch ổn áp đơn giản CHUẨN BỊ:  Chuẩn bị prelab  Xem lại cách sử dụng dụng cụ đo VOM, oscilloscope, máy phát sóng THÍ NGHIỆM Mục tiêu Khảo sát đặc tính diode miền thuận Yêu cầu Kết nối nguồn điện thay đổi 0-20V vào diode D1, dùng VOM chế độ đo mA kết nối D1 R1 Dùng VOM chế độ đo điện áp đo điện áp vào Vin, VOM khác đo điện áp đầu diode Nếu thiếu VOM dùng VOM đo điện áp Vin sau đo điện áp diode Kiểm tra Chỉnh điện áp Vin vị trí nhỏ bật nguồn Tăng dần Vin ghi giá trị đo vào bảng sau Vin (V) 10 12 14 16 18 Id (mA) 1,41 3,37 5,35 7,33 9,31 11,31 13,30 15,30 17,29 Dòng ổn áp tối thiểu Izmin = 1,81 mA Công suất R3 P R =I R R 3=( 20.1 −3 ) 550=0,22(W ) Chỉnh Vin cho Id = IR3 = mA Sau kết nối tải R4 song song với Zener Quan sát Volt kế Miliampe kế có tải giải thích thay đổi Khi ID=5 mA số Volt kế 4,926V Sau kết nối tải R4, số Miliampe 9mA song song với Zener số volt kế 2,9 V Quan sát : Số Miliampe kế tăng số Volt kế lại không nhiều Nguyên nhân với điều kiện thí nghiệm này, diode zener đạt trạng thái ổn áp dòng điện đạt giá trị ổn áp tối thiểu nên điện áp hai đầu diode zener ổn định mức điện áp áp Đối với Miliampe kế Miliampe kế lúc hiển thị cường độ dòng điện mạch, tức là tổng dòng điện qua diode zener tải nên lúc Miliampe kế hiển thị giá trị lớn ban đầu có dịng điện qua diode zener Giảm Vin mạch khơng cịn ổn áp So sánh với giá trị Vin theo lý thuyết Vin= 14 V Vin theo lý thuyết để ổn áp: Xét mạch ta có : V ¿ =V R + V z =I R R3 +V z I R =I Z + I R V R =V Z (với điều kiện Zener ổn áp, VZ không đổi ) 3 ( Suy ra: V ¿ = I z + ) VZ R +V R4 z Vì Vin hàm đồng biến với IZ thành phần lại không đổi nên với điều kiện diode zener ổn áp đạt giá trị điện áp VZ nên điện áp Vin nhỏ để diode zener ổn áp theo lý thuyết : ( V ¿ = I zmin + ( V ¿ = I zmin + ) ) ( ) VZ 4,9 −3 R 3+ V z = 1,81 10 + 550+ 4,9=14,2134 (V ) R4 324 ( ) VZ 4,9 −3 R + V = 1,81 10 + 550+ 4,9=14,2134 R4 z 324 BÀI TN KHẢO SÁT BJT MỤC TIÊU:  Nắm cách sử dụng kit thí nghiệm, dụng cụ đo  Nắm đặc tính linh kiện BJT loại npn, pnp  Khảo sát mạch khuếch đại, mạch đóng/ngắt dùng BJT CHUẨN BỊ:  Chuẩn bị prelab  Xem lại cách sử dụng công cụ đo VOM, DVM Oscilloscope (dao động ký - dđk) THÍ NGHIỆM Mục tiêu Đo kiểm tra BJT Yêu cầu Dùng VOM đo kiểm tra BJT module 2, phần BJT Kiểm tra Đưa VOM chế độ đo diode Đo điện áp chân BJT khối I II ghi nhận vào bảng sau Transistor Q1 Điểm đo P1-P2 P2-P1 P1-P3 P3-P1 P2-P3 P3-P1 Giá trị 0,653 0,656 0 Điểm đo P1-P2 P2-P1 P1-P3 P3-P1 P2-P3 P3-P1 Giá trị 0,729 0 0 1,464 Transistor Q2: Xác định xem transistor loại chân P1-P2-P3 chân gì, BJT cịn tốt hay khơng Giải thích P1 P2 P3 Loại BJT Chất lượng Q1 Base Collector Emitter N-P-N Tốt Q2 Collector Base Emitter P-N-P Tốt - Giải thích: P2-P3 P3-P2 khơng có giá trị  P2 P3 C E THÍ NGHIỆM Mục tiêu Khảo sát miền hoạt động tắt/khuếch đại/bão hòa BJT npn Chuẩn bị Đọc xem điện trở R1 có giá trị kiểm chứng lại VOM R1 = 1000 Ω (giá trị đọc) R1 = 990 Ω (giá trị đo) Chỉnh nguồn điện 12V kết nối mạch Hình Một VOM đo dòng điện Ib tầm uA, VOM đo dòng Ic tầm mA, VOM đo điện áp Vce Vặn biến trở VR3 mức nhỏ TP TP 1 TP TP R1 1K D1 LED TP 1 TP VR 10K TP R2 TP TP 50K TP Q3 C 1815 1 TP TP 1 C8 0.1u/50V 1 C6 10uF /50V TP TP TP Hình 1: Sơ đồ phần III Hình 2: Layout thực tế module thí nghiệm Tiến hành Bật nguồn Chỉnh biến trở để thay đổi dòng điện Ib, quan sát giá trị Ic Vce điền vào bảng sau: Ib 10uA 15uA 20uA 25uA 30uA 35uA 40uA 45uA 50uA Ic (mA) 3,3 4,94 6,52 8,02 9,09 9,18 9,2 9,22 9,23 Vce (V) 4,18 2,9 1,66 0,161 0,120 0,156 0,163 0,168 0,172 Với Ib khoảng transistor dẫn khuếch đại? Khi hfe bao nhiêu? - Với Ib khoảng 10 ~ 25uA transistor dẫn khuếch đại với hfe khoảng 316 Khi dùng transistor làm nhiệm vụ đóng/ngắt, ta đưa transistor vào chế độ nào? Vì sao? - Khi làm nhiệm vụ đóng/ngắt, ta đưa transistor vào chế độ ngắt Vì khơng có dịng điện thích hợp vào Base transistor ngắt khơng cho dịng điện qua Khi có dịng điện thích hợp vào Base transistor chuyển sang chế độ bão hồ cho dịng điện qua THÍ NGHIỆM Mục tiêu Khảo sát miền hoạt động tắt/khuếch đại/bão hòa BJT pnp Chuẩn bị Đọc xem điện trở R2 có giá trị kiểm chứng lại VOM Chỉnh nguồn điện 12V kết nối mạch Hình Một VOM đo dòng điện Ib tầm uA, VOM đo dòng Ic tầm mA, VOM đo điện áp Vce TP TP TP Q4 TP 2 TP TP 1 2N 3906 TP VR 10K TP TP R4 D2 LED 50K C1 0.1u/50V R6 1K C7 10uF /50V TP TP Hình Sơ đồ khối BJT pnp Hình Sơ đồ kết nối module thí nghiệm phần BJT pnp Vặn biến trở VR3 mức lớn Tiến hành Bật nguồn Chỉnh biến trở để thay đổi dòng điện Ib, quan sát giá trị Ic Vce điền vào bảng sau: Ib 10uA 15uA 20uA 25uA 30uA 35uA 40uA 45uA 50uA Ic (mA) 2,46 3,83 4,71 5,71 6,62 7,44 8,22 8,89 9,16 Vce (V) 4,897 3,966 3,121 2,353 1,66 1,026 0,1407 0,0303 0,1189 Với Ib khoảng transistor dẫn khuếch đại? Khi hfe bao nhiêu? - Với Ib khoảng 10 ~ 25uA transistor dẫn khuếch đại với hfe khoảng 228,5 Nếu thay đặt tải (điện trở+led) cực C, ta đặt cực E hình sau Khi BJT có bão hịa khơng? Vì sao? (Câu hỏi trả lời nộp báo cáo, khơng cần trả lời lúc tiến hành thí nghiệm) VC C D1 LE D BJT không khó bão hồ theo sơ đồ nối Vì để transitor pnp có bão hồ điện áp cục B phải đủ thấp cực E, R1 220 Q1 R2 10K theo sơ đồ hình ta có điện áp B tương đương lớn điện áp cực C, mà điện áp chênh lệch cực E cực C lại thấp điện áp chênh lệch cực B E chế độ bão hồ THÍ NGHIỆM Mục tiêu Khảo sát đặc tuyến vào BJT npn Chuẩn bị Chỉnh nguồn biến đổi 0-5V nhỏ (0V) Chỉnh biến trở VR2 vị trí nhỏ Kết nối nguồn điện 5V vào mạch cấp nguồn dòng, nguồn điện thay đổi 0-5V vào hai cực C-E Q2 Các VOM kết nối hình vẽ Hình Kết nối mạch đo đặc tuyến vào BJT Tiến hành Bật nguồn Chỉnh điện áp VCE cố định 2V, chỉnh biến trở R2 để thay đổi dòng I B ghi vào bảng sau Trong q trình thí nghiệm lưu ý giữ VCE cố định 2V IB (mA) 10uA 15uA 20uA 25uA 30uA 35uA 40uA 45uA 50uA VBE (V) 0,432 0.483 0,502 0,535 0,580 0,625 0,632 0,636 0,663 Chỉnh điện áp VCE cố định 4V, chỉnh biến trở R2 để thay đổi dòng I B ghi vào bảng sau Trong q trình thí nghiệm lưu ý giữ VCE cố định 4V IB (uA) 10uA 15uA 20uA 25uA 30uA 35uA 40uA 45uA 50uA VBE (V) 0,273 0,432 0,503 0,544 0,566 0,583 0,607 0,628 0,648 Vẽ đặc tuyến vào IB-VBE ứng với hai trường hợp VCE=2V VCE=4V Nhận xét - Nhận xét: Đối với trường hợp VCE =2V, VBE tăng chậm IB nằm khoảng 10-15uA 25-35uA, khoảng lại VBE tăng nhanh, với trường hợp V CE =4V, IB khoảng 10-20uA, VBE tăng chậm, IB khoảng 20-50uA, VBE tăng nhanh THÍ NGHIỆM Mục tiêu Khảo sát đặc tuyến ngõ BJT npn Chuẩn bị Chỉnh nguồn biến đổi 0-20V nhỏ (0V) Chỉnh biến trở VR2 vị trí nhỏ Kết nối nguồn điện 5V vào mạch cấp nguồn dòng, nguồn điện thay đổi 0-20V vào mạch Các VOM kết nối hình vẽ Tiến hành Bật nguồn Chỉnh dòng điện I B cố định 20uA, thay đổi Vin để có giá trị V CE theo bảng sau Điền giá trị tương ứng dòng IC VCE 0.1V 0.2V 0.3V 0.5V 0.7V 1V 1.5V 2V 2.5V Ic (mA) 1.62 5.28 5.84 6.10 6.13 6.16 6.19 6.24 6.25 Lặp lại thí nghiệm với IB= 25uA IB=30uA VCE 0.1V 0.2V 0.3V 0.5V 0.7V 1V 1.5V 2V 2.5V Ic (mA) 2.23 6.08 7.21 7.42 7.48 7.53 7.57 7.61 7.66 VCE 0.1V 0.2V 0.3V 0.5V 0.7V 1V 1.5V 2V 2.5V Ic (mA) 2.55 7.42 8.59 8.86 9.01 9.09 9.13 9.16 9.22 Vẽ đặc tuyến ngõ IC-VCE ứng với trường hợp Nhận xét tương quan đặc tuyến Ước tính điện áp Early Tương quan ba đặc tuyến: Nếu IC=f(VCE) IC (IB=30µA)>IC(IB=25µA)> IC(IB=20µA) Dựa vào đồ thị VCE∈[0;0,3] miền bão hồ Chọn đường IB=20µA, lấy gần d I C 6.10−5.84 I CQ = = =1.3 d V CE 0.5−0.3 VA THÍ NGHIỆM Mục tiêu Khảo sát mạch khuếch đại ghép E chung Chuẩn bị Đọc dùng VOM xác định lại giá trị điện trở Điện trở R9 R10 R11 R12 R13 Giá trị 9,78 kΩ 9,87 kΩ 9,84 kΩ 9,87 kΩ 9,86 kΩ Kết nối mạch Hình Nguồn cấp Vin 12V Chỉnh nguồn tín hiệu Vs có biên độ 1V, tần số 1Khz Sau giảm biên độ Vs 0V Dùng VOM đo điện áp cực C E Q3 Dùng kênh dao động ký đo dạng sóng Vs, kênh đo dạng sóng cực C Q3 TP R 12 1K 47K VR TP 2 R 11 TP R9 120K C4 TP C5 TP TP Q3 C 1815 10uF R 13 10K R 10 10K 10uF TP 10K TP TP TP 1 TP TP TP TP Hình 6: Sơ đồ mạch khuếch đại E chung Hình 7: Sơ đồ kết nối mạch khuếch đại E chung Tiến hành Bật nguồn Chỉnh biến trở VR8 để VCE = 6V Tăng dần biên độ Vs Xác định biên độ tối đa Vs để ngõ không bị méo dạng (max swing) Nếu dạng sóng ngõ bị méo dạng đầu hình sine, chỉnh biến trở R8 để thay đổi phân cực cho đạt max swing Vẽ dạng sóng vs vce hệ tọa độ Xác định độ lợi mạch khuếch đại max-swing Kiểm chứng lại so với lý thuyết - Độ lợi mạch khuếch đại max-swing: hfe = Tắt nguồn, đo giá trị VR8 max swing kiểm chứng lại so với lý thuyết - Giá trị VR8: 34,56 kΩ Kết nối tải R13 vào mạch Chuyển kênh dao động ký sang đo dạng sóng ngõ R3 Nhận xét Chỉnh lại Vs cho đạt max swing trường hợp có tải R13 Xác định độ lợi Vs Max Swing Kiểm chứng lại so với lý thuyết - Độ lợi max-swing: hfe¿ ln ( I z+ ) VZ R +V z R4 V out 5,95 =ln ≈ 2,323 V¿ 0,583