Bài thí nghiệm kiểm chứng mạch khuếch đại vi sai dùng bjt

lOMoARcPSD|20597478 ĐẠI HỌC QUỐC GIA ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH  BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MƠN: MẠCH ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN: NGUYỄN NGỌC KỲ BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI VI SAI DÙNG BJT Danh sách thành viên Nhóm L04-tổ Vũ Nhật Tân 2010602 Nguyễn Đăng Thức 2014691 Trần Nhật Tân 1910520 Link video thí nghiệm https://drive.google.com/file/d/1l7CCwQioiJlPf6RUmDutnTgiaLFwCBO-/vie w?usp=sharing Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 NGÀY HOÀN THÀNH BÁO CÁO: 04-03-2022 I Contents III Giới thiệu chung IV Sơ đồ lý thuyết hai mạch cần kiểm chứng: V Tính tốn lý thuyết Mạch khuếch đại vi sai với RE cực phát Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng cực phát VI Các thí nghiệm kiểm chứng .8 Đo phân cực, giá trị dòng áp điểm làm việc a) Mạch khuếch đại vi sai với RE cực phát b) Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng cực phát Đo độ lợi cách chung Ac 10 a) Mạch khuếch đại vi sai với RE cực phát .10 b) Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng cực phát 14 Đo độ lợi vi sai Ad 17 VII a) Mạch khuếch đại vi sai với RE cực phát .17 b) Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng cực phát 20 Kết thí nghiệm 23 Đo phân cực tĩnh DC .23 a) Mạch khuếch đại vi sai với RE cực phát .23 b) Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng cực phát 23 Đo độ lợi cách chung Acm .23 Đo độ lợi vi sai Ad 24 VIII Kết luận nhận xét 24 II Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 III Giới thiệu chung - Mục tiêu thí nghiệm: Bài thí nghiệm giúp nhóm kiểm chứng ngun lý hoạt động thơng số mạch khuếch đại ghép vi sai dùng BJT - 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 Phần mềm thí nghiệm: LTspice Module thí nghiệm: BJTLABSN010 Hình 1: Module BJT BJT 2SD592 có thơng số mạch Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 IV Sơ đồ lý thuyết hai mạch cần kiểm chứng: Mạch khuếch đại vi sai với cực phát Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 Hình 2: Mạch khuếch đại vi sai với RE cực phát Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng cực phát Hình 3: 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 Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 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 Thông số mạch 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 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 thơng qua tụ V Tính toán lý thuyết Mạch khuếch đại vi sai với RE cực phát Xét , VBE = 0.85V, VCesat=0.2 (Tương ứng với giá trị hfe khảo sát module thí nghiệm) Tìm điểm phân cực tĩnh DC Ta có VE1 = VE2 = RE (IE1 + IE2) + (-12) = 2IE1RE – 12 = 2IE2RE – 12 Do mạch hoàn toàn đối xứng, ta tách thành nhánh mạch với R’E = 2RE Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 Giả sử hai BJT hoạt động chế độ tích cực thuận Xét định lý KVL vòng BE : I B RB1  VBE  RE I E  12 0  IB  12  VBE 0.01025( mA) RB1  2(   1) RE  I E1 I E2 0.9944(mA)  I C1 I C2   VCE1 VCE2 Ta thấy  I E 0.9842(mA)  1 12  ( 12)  IC1 ( RC1  RE ) 7.466(V ) VCE1 VCE2 7.466V  VCEsat nên giả định đặt ban đầu Vậy Q1 (0.984mA;7.466V ) Q2 (0.984mA;7.466V ) Xét mạch chế độ AC, vẽ sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ ( model): Do BJT phân cực điểm tĩnh nên g m1  g m  g m  I CQ VT r r r  39.37(mA) Xét KCL node E ta có: v v v  g m v  g m v    E r r RE 1  1  v  v ( )  v ( ) E r r RE Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com)  2.4386(k ) gm lOMoARcPSD|20597478 Mặt khác: v v1  vE v v2  vE  ;  r RB  r r RB  r (v1  v2  2vCE ) Do đó: Ta có v1 vcm  vd / 1  v v1  v2  E  vE  r  RB r  RB RE 2  (1   ) RE v2 vcm  vd /  vE  1 vcm RB  r 2(   1) R E vo  g m v [RC / / RL ]  g m [RC / / RL ] r (v2  vE ) RB  r  g m [RC / / RL ] r v (vcm  d  RB  r 1 vcm ) RB  r 2(   1) R E  Ad vd  Acmvcm Từ suy ra: r  [RC / / RL ]   Ad g m [RC / / RL ] 2( R  r )  2( R  r ) 50.37(V / V )    B B    [RC / / RL ] A   0.3363(V / V ) cm  RB  r  2(   1) RE Tỉ số nén tín hiệu đồng pha: CMRR  Ad 149.777 Acm Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng cực phát Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 Tìm điểm phân cực tĩnh DC , xét Sử dụng sơ đồ tương đương Thevenin ta có: RTH RJ / / RJ 3.4(k ) VTH  RJ (  12)  6(V) RJ  RJ Giả sử BJT hoạt động miền tích cực Xét KVL ta có : I E1 2 I E IC  I B 1.864( mA)  I E1 I E 0.932(mA) I B3  VTH  12  VBE 0.0194(mA)  I C1 I C   I E1 0.922(mA) RTH  (   1) RE  1 KVL : I B1 RB1  VBE  VCE  I E RE 12  VCE 6.106(V ) KVL : 12 I C1 RC1  VCE1  VCE  I E RE  12  VCE1 VCE 7.697(V ) Ta thấy VCE1 VCE  VCEsat VCE  VCEsat nên giả định đặt ban đầu Xét mạch chế độ AC, vẽ mơ hình tương đương tính hiệu nhỏ ( model) : Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478  [RC / / RL ]  A  49.19(V / V ) d  2( RB  r )    A    [RC / / RL ]  cm RB  r  2(   1) Ro Tương tự ta có :  V Ro ro  A I C V điện áp Early, VA   nên Ro   Với A Do Acm  VI Các thí nghiệm kiểm chứng Đo phân cực, giá trị dòng áp điểm làm việc a) Mạch khuếch đại vi sai với RE cực phát Sơ đồ mạch LTspice: Hình 4: Sơ đồ mạch phân cực DC với Re cực phát Thông số đo đạc: Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 Tại với f=1kHz: Do biên độ vi lớn làm dạng điện áp ngõ vo bị xén Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 Tại với f=1kHz: Dạng điện áp ngõ vo không bị xén Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 Theo thông số đo được, ta có: Đo độ lợi vi sai Ad a) Mạch khuếch đại vi sai với RE cực phát vi = A sin(2 f ) mV Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 Hình 6: Sơ đồ mạch LTspice đo độ lợi áp vi sai Ad với RE cực phát Tại A=100, f = 1kHz: Do biên độ vi lớn làm dạng điện áp ngõ vo bị xén Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 Hình 7: Dạng sóng ngõ vo bị xén Tại A=20, f = 1kHz: Dạng điện áp ngõ vo không bị xén Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 Hình 8: Dạng sóng ngõ A = 20, f=1kHz Theo thơng số đo được, ta có: Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 Tại A=20, f = 100 kHz: Ta thấy có ảnh hưởng tụ kí sinh bên BJT làm méo dạng vo Hình 9: Tại A=20, f = 100 kHz Tại A = 20, f = 0.1 Hz: Ta thấy có ảnh hưởng tụ bypass tụ coupling làm méo dạng vo Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 Hình 10: Tại A = 20, f = 0.1 Hz d) Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng cực phát Sơ đồ mạch LTspice: Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 Tại vi = 100sin(2 f ) mV với f = kHz: Do biên độ vi lớn làm dạng điện áp ngõ vo bị xén Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 Tại vi = 20sin(2 f ) mV với f = kHz: Dạng điện áp ngõ vo khơng cịn bị xén Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 Theo thông số đo được, ta có: Tại vi = 20sin(2 f ) mV với f = 100 kHz: Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 Ta thấy có ảnh hưởng tụ kí sinh bên BJT làm méo dạng vo Tại vi = 20sin(2 f ) mV với f = 0.1 Hz: Ta thấy có ảnh hưởng tụ bypass tụ coupling làm méo dạng vo Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 VII Kết thí nghiệm Đo phân cực tĩnh DC a) Mạch khuếch đại vi sai với RE cực phát Dòng đo được: Dòng đo được: Chênh lệch áp hai chân B E đo được: Điện áp phân cực tĩnh đo được: Độ lợi áp hfe xác định theo công thức: e) Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng cực phát Dòng đo được: Dòng đo được: Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 Chênh lệch áp hai chân B E đo được: Điện áp phân cực tĩnh đo được: Độ lợi áp hfe xác định theo công thức: Đo độ lợi cách chung Acm Tiến hành theo module mạch, ta bảng giá trị: Acm (V/V) Mạch khuếch đại vi sai V0 RE cực phát 3,2V 9,2V 9,2V Nguồn dòng cực phát 0,76V 9,2V 9,2V V1 V2 Vcm Lý thuyết Thực nghiệm 9,2V -0.5 -0.35 9,2V 0,0083 Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com) lOMoARcPSD|20597478 Đo độ lợi vi sai Ad Tiến hành theo module mạch, ta bảng giá trị: Ad (V/V) Mạch khuếch đại vi sai V0 RE cực phát 7,22V -0,17V 0,17V Nguồn dòng cực phát 2,8V -0,026V 0,026V V1 V2 Vd Lý thuyết Thực nghiệm 0,34V 63,6 21,18 0,052V 61,9 53,85 VIII Kết luận nhận xét Độ lợi cách chung Acm đo khác với lý thuyết ( Bằng 0) tính tốn lý thuyết ta giả sử nguồn dòng lý tưởng ( Trở nguồn dòng 0) thực mạch thực, giá trị trở nguồn dòng tồn Độ lợi vi sai giảm mắc trở RE thay nguồn dịng chân E, mắc thêm điện trở RE tổng trở ngõ vào mạch chế độ vi sai tăng, dẫn đến vd tăng mà vd tỉ lệ nghịch với độ lợi nên Ad giảm Bổ sung: dựa vào dao động ký, đo độ lợi cách chung mạch khuếch đại vi sai có nguồn dòng cực phát, ta thấy vcm lệch pha 900 so với vi Ta giải thích, lắp nguồn dòng hay bjt Q3 cực phát để tăng trở hồi tiếp âm, tăng hệ số CMRR giúp triệt tiêu tín hiệu đồng pha (nhiễu ) Khi tín hiệu vào nguồn sin vcm hàm cos, vi dần vcm dần 0, Acm dần giúp cho mạch khuếch đại vi sai trở nên lý tưởng Downloaded by Vu Gi (vuchinhhp4@gmail.com)