Báo cáo thí nghiệm mạch điện tử bài 4 kiểm chứng mạch khuếch đại ghép vi sai dùng bjt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ********************************************** BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MẠCH ĐIỆN TỬ BÀI KIỂM CHỨNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP VI SAI DÙNG BJT Lớp L07 - Nhóm - HK222 GV hướng dẫn: NGUYỄN THANH PHƯƠNG Sinh viên thực Mã số sinh viên Điểm Đồng Thanh Khoa 2113746 Lê Trọng Hùng 1911284 Thành phố Hồ Chí Minh - 2023 I MỤC TIÊU THÍ NHGIỆM Khảo sát đáp ứng tần số mạch khuếch đại 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 không 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 không 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 II CÁC LÝ THUYẾT PHẢI KIỂM CHỨNG 2.1 Mạch khuếch đại E chung không hồi tiếp Ta biết cấc thông số mạch phụ thuộc vào nhiệt độ lúc khảo sát mạch tùy thuộc vào loại mạch nên ta đo phân cực tĩnh DC, để xác định h f e = β = ICQ 5.04 = = 240,VBE = 0.62V IBQ 0.021 2.1.1 Xét phân cực tĩnh DC Ta có: 18 · 5.6 = 4.27KΩ 18 + 5.6 RB2 5.6 = 12 · = 12 · = 2.85V RB1 + RB2 18 + 5.6 RT H = RB1 ||RB2 = VT H Áp dụng KVL cho Loop I, ta có: VT H = RT H · IBQ +VBE + (β + 1) · IBQ VT H −VBE ⇒ IBQ = RT H − (β + 1) · (RE1 + RE2 ) 2.85 − 0.61 = = 0.022mA 4.27 + (240 + 1) · (0.022 + 0.39) ⇒ ICQ = β · IBQ = 5.19mA VC = 12 − RC · ICQ = 12 − · 5.19 = 6.81V VE = (RE1 + RE2 ) · ICQ · β +1 = 2.15V β ⇒ VCEQ = VC −VE = 4.66V Ta thấy VCEQ > VCEQ,sat nên BJT hoạt động miền tích cực 0.025 VT = = 1.17kΩ Điện trở: rπ = IB 0.022 2.1.2 Xét chế độ AC Mơ hình tương đương tín hiệu nhỏ: Tần số thấp Xét ảnh hưởng tụ C j , ta ngắn mạch Co CE : - Hệ số khuếch đại: Av = v0 −β · (RC ||RL ) = · vi rπ RT H ||rπ RT H ||rπ + Ri + jωCi s = AMB · Ci · (RT H ||rπ ) + Ri −β · (RC ||RL ) RT H ||rπ Với AMB = · ≈ 90(V /V ) rπ RT H ||rπ + Ri s+ - Tần số fP1 = = 0.76Hz 2πCi (RT H ||rπ + Ri ) Xét ảnh hưởng tụ Co ngắn mạch tụ Ci CE : - Hệ số khuếch đại: Av = vo −β = · vi rπ RC · RL RC + RL + jωCo · RT H ||Rπ RT H ||Rπ + Ri s = AMB · Co · (RC + RL ) −β · (RC ||RL ) RT H ||rπ Với AMB = · = −83.67(V /V ) rπ RT H ||rπ + Ri s+ - Tần số fP2 = = 0.24Hz 2πCo (RC + RL ) Xét ảnh hưởng tụ CE ngắn mạch tụ Co Ci : - Hệ số khuếch đại: Av = vo = AMB · vi s   CE · (RE1 + RE2 )|| (rπ + RT H ||Ri ) β +1 −β (RC ||RL ) RT H ||rπ Với AMB = · = −90(V /V ) rπ RT H ||rπ + Ri s+ - Tần số fP3 = 1 2πCE (RE1 + RE2 )|| (r + RT H ||Ri ) β + π] ≈ 215.2Hz Do chênh lệch lớn tần số fP1 , fP2 , fP3 chọn tần số cắt mạch: fLC = max( fP1 , fP2 , fP3 ) = 215.2Hz Nhận xét: mạch khuếch đại ghép E chung thường tần số cắt phụ thuộc vào tụ chân E Tần số dãy Lúc tụ Ci ,Co ,CE xem ngắn mạch, Cobext có giá trị lớn nên xem hở mạch Hệ số khuếch đại áp: Av = AMB = RT H ||rπ −β (RC ||RL ) · = −90(V /V ) rπ RT H ||rπ + Ri Tần số cao β ′ R ); rπ L 1 C2 = Cµ (1 − ) = Cµ (1 + R′L ); β Av rπ Với C1 = Cµ (1 − Av ) = Cµ (1 + Cµ = Cob +Cobext ; Cπ = β = 0.174nF; rπ · · π · fT Do ảnh hưởng tụ C2 không đáng kể nên độ lợi áp mạch là: Av = vo = AMB · vi + s(Cπ +C1 )R′i Với AMB = −90(V /V ) Tần số cắt trên: fHC = 2π(Cπ +C1 )R′i Với Cobext = → C1 = 3.897nF → fHC ≈ 77kHz Với Cobext = 15pF → C1 = 6.55nF → fHC ≈ 47kHz Với Cobext = 33pF → C1 = 9.74nF → fHC ≈ 33kHz Độ lợi áp toàn mạch: Av = AMB · 2.2 · · · fP1 fP2 fP3 f 1− j 1− j 1− j 1+ j f f f fHC Mạch khuếch đại ghép E chung có hồi tiếp 2.2.1 Xét phân cực tĩnh DC Tương tự mạch khuếch đại ghép E chung không hồi tiếp 2.2.2 Xét chế độ AC Mơ hình tương đương tín hiệu nhỏ: Tần số thấp Xét ảnh hưởng tụ C j , ta ngắn mạch Co CE : - Hệ số khuếch đại: Av = v0 −β · (RC ||RL ) = · vi rπ + (β + 1)RE1 RT H ||(rπ + (β + 1)RE1 ) RT H ||(rπ + (β + 1)RE1 ) + Ri + jωCi s = AMB · Ci · (RT H ||(rπ + (β + 1)RE1 )) + Ri −β · (RC ||RL ) RT H ||(rπ + (β + 1)RE1 ) · Với AMB = ≈ −22.6(V /V ) rπ + (β + 1)RE1 RT H ||(rπ + (β + 1)RE1 ) + Ri s+ - Tần số fP1 = = 0.442Hz 2πCi (RT H ||(rπ + (β + 1)RE1 ) + Ri ) Xét ảnh hưởng tụ Co ngắn mạch tụ Ci CE : - Hệ số khuếch đại: Av = −β vo = · vi rπ + (β + 1)RE1 RC · RL RC + RL + jωCo · RT H ||(rπ + (β + 1)RE1 ) RT H ||(rπ + (β + 1)RE1 ) + Ri s = AMB · Co · (RC + RL ) −β · (RC ||RL ) RT H ||(rπ + (β + 1)RE1 ) Với AMB = · = −22.6(V /V ) rπ + (β + 1)RE1 RT H ||(rπ + (β + 1)RE1 ) + Ri s+ - Tần số fP2 = = 0.24Hz 2πCo (RC + RL ) Xét ảnh hưởng tụ CE ngắn mạch tụ Co Ci : - Hệ số khuếch đại: Av = vo = AMB · vi s   CE · (RE1 + RE2 )|| (rπ + RT H ||Ri ) β +1 −β (RC ||RL ) RT H ||(rπ + (β + 1)RE1 ) Với AMB = · = −22.6(V /V ) rπ + (β + 1)RE1 RT H ||(rπ + (β + 1)RE1 ) + Ri - Tần số fP3 = s+  2πCE RE2 ||(RE1 +  ≈ 57.2Hz (rπ + RT H ||Ri )) β +1 Do chênh lệch lớn tần số fP1 , fP2 , fP3 chọn tần số cắt mạch: fLC = max( fP1 , fP2 , fP3 ) = 57.2Hz Nhận xét: mạch khuếch đại ghép E chung thường tần số cắt phụ thuộc vào tụ chân E Tần số dãy Lúc tụ Ci ,Co ,CE xem ngắn mạch, Cobext có giá trị lớn nên xem hở mạch Hệ số khuếch đại áp: Av = AMB = −β (RC ||RL ) RT H ||(rπ + (β + 1)RE1 ) · = −22.6(V /V ) rπ + (β + 1)RE1 RT H ||(rπ + (β + 1)RE1 ) + Ri Tần số cao Chỉ có tụ kí sinh BJT Cobext Áp dụng Thevenin cho Rin Rout , ta có: R′i = Ri ||RT H ||rπ = 488.7Ω Vi′ = RT H ||rπ ·Vi RT H ||rπ + Ri R′L = RC ||RL = 0.85kΩ Mơ hình tương đương tín hiệu nhỏ: β ′ R ); rπ L 1 C2 = Cµ (1 − ) = Cµ (1 + R′L ); β Av rπ Với C1 = Cµ (1 − Av ) = Cµ (1 + Cµ = Cob +Cobext ; Cπ = β = 0.174nF; rπ · · π · fT Do ảnh hưởng tụ C2 không đáng kể nên độ lợi áp mạch là: Av = vo = AMB · vi + s(Cπ +C1 )(R′i + RE1 ) Với AMB = −22.6(V /V ) Tần số cắt trên: fHC = 2π(Cπ +C1 )R′i Với Cobext = → C1 = 3.897nF → fHC ≈ 80.2kHz Với Cobext = 1nF → C1 = 6.55nF → fHC ≈ 1.6kHz Độ lợi áp toàn mạch: Av = AMB · · · · fP1 fP2 fP3 f 1− j 1− j 1− j 1+ j f f f fHC 10 III LỰA CHỌN DỮ KIỆN ĐẦU VÀO VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC CÁC ĐẠI LƯỢNG 3.3 Các thơng số đầu vào: • Chọn nguồn DC = 12V • Chọn giá trị tụ Cobext tài liệu hướng dẫn: – Mạch khuếch đại ghép E chung không hồi tiếp: 0, 15pF, 30pF – Mạch khuếch đại ghép E chung có hồi tiếp: 0, 1nF • Chọn biên độ ngõ vào Vi để chỉnh tín hiệu nhỏ, Vo khơng bị méo dạng (chọn chế độ sóng SINE AC) • Chọn 10 giá trị tần số từ 100Hz đến 80kHz để đo lợi áp tần số thấp, tần sô dãy giữa, tần số cao 3.4 3.4.1 Phương pháp đo đạc Đo phân cực tĩnh DC Ở chế độ đo DC giá trị IB ,VCE , β 3.4.2 Đo vẽ đáp ứng tần số mạch khuếch đại ghép E chung: • Đảm bảo mạch hoạt động chế độ AC tín hiệu nhỏ, tần số dãy • Giữ nguyên biên độ ngõ vão, chỉnh tần số máy phát sóng từ 100Hz đến 80kHz, lập bảng đo giá trị đỉnh - đỉnh ngõ tương ứng với khoảng 10 giá trị tần số khác (có thể chia tần số trên) 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 ngõ √ biên độ ngõ tần số dãy giữa, tần số tần số cắt • Với bảng Av 10 giá trị tần số tần số cắt, tiến hành vẽ đáp ứng tần số mạch khuếch đại (lưu ý thể theo thang tần số Logarit thang biên độ Logarit) 11 IV CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 4.5 Đo phân cực DC: Tiến hành thí nghiệm mạch khuếch đại ghép E chung hoạt động chế độ DC tích cực ta có bảng sau: Dịng IC1 (mA) Dịng IB1 (mA) β1 xác định VBE (V ) VC E(V ) 5.04 0.0021 240 0.62 4.82 Nhận xét: Từ bảng số liệu, ta kết luận BJT hoạt động chế độ tích cực 4.6 Đo vo vẽ đáp ứng tần số 4.6.1 Mạch khuếch đại ghép E chung không hồi tiếp Thí nghiệm 1: Cobext = 0, Chọn Vi−pp = 80mV Ta đo Vo−pp tần số dãy Vo−ppM B = 5.12V Dòng f (Hz) 100 200 300 500 1k 5k 10k 50k 70k Vo−pp 2.16 3.36 3.96 4.55 4.88 5.12 5.2 4.88 4.72 Av 27 42 49.5 56.875 61 64 65 61 59 28.63 32.46 33.89 35.09 20log(Av ) Độ lợi áp dãy giữa: AMB = −64(V /V ) 12 35.71 36.12 36.26 35.71 35.42 Tần số cắt đo được: (Với Vo−pp = √ Vo−ppMB = 3.62V ) Tần số cắt dưới: fLC = 253Hz Tần số cắt trên: fHC = ∞ Biểu đồ Bode đáp ứng tần số: Thí nghiệm 2: Cobext = 15pF, Chọn Vi−pp = 80mV Ta đo Vo−pp tần số dãy Vo−ppMB = 5.08V Dòng f (Hz) 100 200 300 500 1k 5k 10k 50k 70k Vo−pp 1.64 3.36 3.96 4.5 4.9 5.04 5.04 4.16 3.64 Av 20.5 42 49.5 63 63 52 45.5 20log(Av ) 26.24 32.46 33.89 56.25 61.25 35 Độ lợi áp dãy giữa: AMB = −63.5(V /V ) 13 35.74 35.99 35.99 34.32 33.16 Tần số cắt đo được: (Với Vo−pp = √ Vo−ppM B = 3.59V ) Tần số cắt dưới: fLC = 198Hz Tần số cắt trên: fHC = (không đo được) Biểu đồ Bode đáp ứng tần số: 14 Thí nghiệm 3: Cobext = 30pF, Chọn Vi−pp = 80mV Ta đo Vo−pp tần số dãy Vo−ppMB = 5.04V Dòng f (Hz) 100 200 300 500 1k 5k 10k 50k 70k Vo−pp 2.16 3.28 3.88 4.4 4.76 4.92 4.84 3.2 2.64 Av 27 41 48.5 55 59.5 61.5 60.5 40 33 20log(Av ) 28.63 32.26 33.71 33.81 35.49 35.78 35.64 32.04 30.37 Độ lợi áp dãy giữa: AMB = −63(V /V ) Tần số cắt đo được: (Với Vo−pp = √ Vo−ppMB = 3.56V ) Tần số cắt dưới: fLC = 235Hz Tần số cắt trên: fHC = 42KHz Biểu đồ Bode đáp ứng tần số: 15 4.6.2 Mạch khuếch đại ghép E chung có hồi tiếp Thí nghiệm 1: Cobext = 0, Chọn Vi−pp = 50mV Ta đo Vo−pp tần số dãy Vo−ppM B = 1.02V Dòng f (Hz) 100 200 300 500 1k 5k 10k 50k 70k Vo−pp (V ) 0.78 0.9 0.94 0.96 0.98 1.02 1.02 1.02 1.04 Av 15.6 18 18.8 19.2 19.6 20.4 20.4 20.4 20.8 20log(Av ) 23.86 25.11 25.48 25.67 25.85 26.19 26.19 26.19 26.36 Độ lợi áp dãy giữa: AMB = −20.4(V /V ) 16 Tần số cắt đo được: (Với Vo−pp = √ Vo−ppMB = 0.72V ) Tần số cắt dưới: fLC = 67.85Hz Tần số cắt trên: fHC = ∞ Biểu đồ Bode đáp ứng tần số: 17 Thí nghiệm 2: Cobext = 1nF, Chọn Vi−pp = 86mV Ta đo Vo−pp tần số dãy Vo−ppM B = 1.7V Dòng f (Hz) 100 200 300 500 1k 5k 10k 50k 70k Vo−pp (V ) 1.28 1.52 1.56 1.64 1.54 1.34 1.02 0.3 0.24 14.88 17.67 18.14 19.06 17.91 15.58 11.86 3.49 2.79 Av 20log(Av ) 23.45 24.94 25.17 25.60 25.06 23.85 21.48 10.86 8.91 Độ lợi áp dãy giữa: AMB = −19.77(V /V ) Tần số cắt đo được: (Với Vo−pp = √ Vo−ppMB = 1.2V ) Tần số cắt dưới: fLC = 78.56Hz Tần số cắt trên: fHC = 8.74Khz Biểu đồ Bode đáp ứng tần số: 18 19