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

Mục tiêu thí nghiệm  Biết cách lắp mạch ghép BJT tạo thành mạch khuếch đại vi sai từ module thí nghiệm, hiểu rõ nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại vi sai dùng BJT với điện trở RE ở

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

MÔN: MẠCH ĐIỆN TỬ

KIỂM CHỨNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP VI SAI

DÙNG BJT

GVHD: Cô NGUYỄN THANH PHƯƠNG

Lớp: L23 - Nhóm: 10

STT Họ tên MSSV

1 Nguyễn Hoàng Nguyên

2 Trần Nguyên Vũ

3 Trịnh Quang Nam Vũ 2115330

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 03/2023

BÀI 2: KIỂM CHỨNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP

VI SAI DÙNG BJT

I Mục tiêu thí nghiệm

 Biết cách lắp mạch ghép BJT tạo thành mạch khuếch đại vi sai từ module thí nghiệm, hiểu rõ nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại vi sai dùng BJT với điện trở RE ở cực phát và nguồn dòng ở cực phát

 Đảm bảo mạch có nguồn DC dùy trì hoạt động, dùng máy đo đa năng đo được phân cực DC của mạch và cách li thành phần DC với ngõ ra bằng cách ghép nối tụ điện

 Biết cách sử dụng máy phát sóng để tạo sóng ngõ vào phù hợp: điều chỉnh biên độ phù hợp, tần số dãy giữa để quan sát ngõ ra không méo dạng, biết cách tạo hai tín hiệu 𝑣1, 𝑣2 cùng pha, ngược pha từ những luật mạch cơ bản

áp dụng trên module thí nghiệm theo yêu cầu của bài thí nghiệm

 Sử dụng hiệu quả dao động ký để quan sát sóng ngõ vào, ngõ ra, đọc được các giá trị đỉnh đỉnh trên dao động ký để phục vụ cho việc tính toán độ lợi

áp

 Đo đạc, kiểm chứng độ lợi áp cách chung 𝐴𝑐 khi hai sóng ngõ vào chân B cùng pha, độ lợi áp vi sai 𝐴𝑑 khi hai sóng ngõ vào chân B ngược pha của cả hai mạch, so sánh với lý thuyết, rút ra nhận xét, đánh giá và giải thích về sự khác nhau giữa các kết quả

 Từ kết quả đo được độ lợi áp cách chung, độ lợi áp vi sai, tính được tỷ lệ triệt tín hiệu đồng pha CMRR

II Các giả thuyết cần kiểm chứng

Kiểm chứng độ lợi vi sai và độ lợi cách chung giữa hai mạch BJT với RE ở cực phát và mạch BJT với nguồn dòng ở cực phát Sự khác nhau hai đại lượng độ lợi vi sai, độ lợi cách chung giữa hai mạch

1 Nguyên lí hoạt động

 Khuếch đại vi sai có tín hiệu ra không tỉ lệ với giá trị tuyệt đối của 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 đó các tín hiệu bằng nhau về độ lớn, mạch sẽ phản ứng với tín hiệu ngược pha

và không phản ứng với tín hiệu đồng pha

2 Chức năng

 Có khả năng khuếch đại cái tín hiệu có tần số nhỏ (tín hiệu một chiều, có tần

số vài Hz), giảm thiểu tiếng ồn do linh kiện và sự cản trở từ bên ngoài Liên kết giữa các tầng mà không cần dùng đến tụ

 Khuếch đại vi sai được sử dụng để khuếch đại tín hiệu có tần số giới hạn dưới nhỏ (tới vài Hz), gọi là tín hiệu biến thiên chậm hay tín hiệu một chiều

 Khuếch đại vi sai là cơ sở để xây dựng khuếch đại thuật toán sử dụng Op- Amp

3 Tính toán lý thuyết

a) Mạch khuếch đại vi sai dùng BJT với điện trở 𝑅𝐸 ở cực phát

Tìm điểm phân cực tĩnh DC ( với 𝛽 = hfe = 240 và VBE = 0.6)

Ta có: VE1 = VE2 = RE (IE1 + IE2) + (-12)

= 2IE1RE - 12 = 2IE1RE - 12

Do mạch hoàn toàn đối xứng, ta tách thành 2 nhánh mạch với R′E = 2RE

Giả sử cả hai BJT đều hoạt động ở chế độ tích cực thuận

Xét định lý KVL tại vòng BE:

IBRB1 + VBE + 2REIE – 12 = 0

⟹ IB = 12− VBE

RB1+2(𝛽+1)RE ≈ 0,0042 (mA)

⟹ IE1= IE2= 1,01 (mA)

⟹ IC1= IC2= 𝛽

𝛽+1IE1 = 1,009 (mA)

⟹ VCE1= VCE2= 12 – (-12) - IC(RC1 + 2RE) = 7,05 (V)

Ta thấy VCE1= VCE2 > VCEsat nên giả định ban đầu đặt ra đúng

⟹ Vậy Q1= (1,009mA; 7,05V) và Q2= (1,009mA; 7.2V)

 Sơ đồ tương đương

Do cả 2 BJT đều được phân cực ở điểm tĩnh như nhau nên

gm1 = gm2= gm= ICQ

VT = 0,04 (A/V) và rπ1 = rπ2 = rπ = β

gm = 6K Xét KCL tại nút E ta có:

Vπ1

rπ + gmVπ1 + gmVπ2 + Vπ2

rπ = VE

RE

⟹ Vπ1(1+ 𝛽

rπ ) + Vπ2(1+ 𝛽

rπ ) = VE

RE

Mặt khác: Vπ1

rπ = V1− VE

RB+ rπ; Vπ2

rπ = V2− VE

RB+ rπ

Do đó: (V1 + V2 - 2VCE) 1+ 𝛽

rπ+ RB = VE

RE ⟹ VE = V1+ V2

2+ RB+ rπ (1+ 𝛽)RE

Ta có: V1 = Vcm + Vd/2 và V2 = Vcm - Vd/2

⟹ VE = Vcm

1+ RB+ rπ

2(1+ 𝛽)RE

v0= -gmVπ2[RC RL]

= -gm[RC RL] r rπ

π + RB(v2− vπ)

= -gm[RC RL] rπ

rπ+ RB(Vcm - Vd/2 - Vcm

1+ RB+ rπ 2(1+ 𝛽)RE

)

= Advd + Acvcm

Từ đó suy ra:

Ad= β [RC  RL]

2(RB + rπ) ≈ 63,64

AC = −β [RC RL]

RB + rπ+ 2(β+1)RE ≈ -0,338

b) Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát

Giả sử BJT đều hoạt động ở miền tích cực

IB3 = VTH+ 12 − VBE

RTH + (β + 1)RE = 0,008 (mA)

Xét KVL, ta có: 2IE1 = 2IE2 = I3= βIB3 = 1,98 (mA)

⟹ IE1 = IE2 = 0,99 (mA)

⟹ IC1 = IC2 = β

β + 1IE1 = 0,98 (mA) KVL: IBRB1 + VBE + VCE3 + REIE – 12 = 0

⟹ VCE3 = 6,06 (V)

KVL: 12 = IC1RC1 + VCE3 + VCE1 + RE3IE3 – 12

⟹ VCE1 = VCE2 = 7,28 (V)

KVL: VCE1 = VCE2 > Vsat và VCE3 > Vsat nên giả định đặt ra ban đầu là đúng

 Sơ đồ tương đương

gm1 = gm2= gm= ICQ

VT = 0,039 và rπ1 = rπ2 = rπ = β

gm = 6154 (Ω) Tương tự, ta có:

Ac = −β [RC RL]

RB + rπ+ (β+1)R0

Ad = β [RC  RL]

2(RB + rπ) = 62,3

Trong đó: R0 = r0 = Va

IC với Va là điện áp Early, Va →∞ ⟹ R0→∞

Suy ra: Ac → 0

III Lựa chọn dữ kiện đầu vào và phương pháp đo đạc các đại lượng

1 Lựa chọn các dữ kiện đầu vào

 Các thông số mạch DC như hệ số khuếch đại hfe và không chọn theo thông

số mạch của BJT 2SD468 mà chọn theo giá trị đo được trong thí nghiệm và dùng số liệu này để tính toán lý thuyết Nguyên nhân là do ảnh hưởng của nhiệt độ lúc khảo sát lên các thông số mạch cũng như sự sai lệnh thông số đối với từng loại mạch điện

 Chọn hai giá trị điên trở nối vào máy phát sóng trong mạch đo độ lợi vi sai

là 33Ω, rất nhỏ so với giá trị điện trở (=1,2kΩ) Mục đích là để tạo giá trị ngược pha cho hai giá trị áp ngõ vào Giá trị điện trở chọn rất nhỏ để không làm ảnh hưởng đến thông số mạch

 Các giá trị tụ điện, điện trở, BJT, nguồn DC còn lại ta chọn theo các giá trị trong danh sách linh kiện bên dưới

2 Phương pháp đo đạc các đại lượng

a) Đo phân cực tĩnh DC

 Do ảnh hưởng của dòng lên hệ sô khuếch đại áp hfe nên ta tiến hành đo hệ

số hfe bằng cách đo dòng và dòng, xác định theo công thức

 Đo chênh lệch áp giữa chân B và chân E của BJT, đảm bảo

 Dùng số liệu đo được để tính toán lý thuyết của mạch và so sánh với kết quả thực nghiệm

Module mạch phân cực tĩnh DC của mạch khuếch đại E chung với RE ở cực phát

Module mạch PCT DC của mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát

b) Đo độ lợi cách chung

 Để đo độ lợi cách chung ta phải đảm bảo rằng mạch hoạt động ở chế độ AC, tín hiệu nhỏ, tần số dãy giữa, hai tín hiệu ngõ vào v1, v2 phải hoàn toàn giống nhau (cả về pha và biên độ)

 Cấp tín hiệu vào v1, v2 với máy phát sóng Chỉnh tín hiệu nhỏ và tần số dãy giữa như đã thực hiện ở bài thí nghiệm 1

 Kiểm tra xem hai tín hiệu đã đồng pha và cùng biên độ chưa

 Đo tần số máy phát sóng, trị đỉnh-đỉnh của các giá trị v0, v1, v2 bằng dao động ký

 Tính độ lợi cách chung theo công thức: v0= Acvc + Advd với vd = v2 - v1

=0; vc = (v2 + v1)/2

Module mạch đo độ lợi cách chung (mạch nối RE ở cực phát)

Module mạch đo độ lợi cách chung (mạch nối nguồn dòng ở cực phát)

c) Đo độ lợi vi sai

 Để đo độ lợi vi sai, ta phải đảm bảo mạch hoạt động ở chế độ AC, tín hiệu nhỏ, tần số dãy giữa, hai tín hiệu vào phải cùng biên độ nhưng ngược pha

 Cấp tín hiệu vào với máy phát sóng Hai đầu máy phát sóng nối vào hai nhánh điện trở bằng nhau nối nối tiếp, điểm nối giữa hai điện trở dung làm GND, hai đầu còn lại của hai điện trở nối với RB1 và RB2, mắc như vậy để

v1 và v2 bằng nhau về biên độ nhưng ngược pha Chỉnh tín hiệu nhỏ và tần

số dãy giữa như đã thực hiện ở bài thí nghiệm 1

 Kiểm tra xem hai tín hiệu đã ngược pha và cùng biên độ chưa

 Đo tần số máy phát sóng, trị đỉnh-đỉnh của các giá trị v0, v1, v2 bằng dao động ký

 Tính độ lợi vi sai theo công thức: v0= Acvc + Advd với vd = v2 - v1 = 2v1;

vc = (v2 + v1)/2 = 0

Module mạch đo độ lợi vi sai (mạch nối RE ở cực phát)

Module mạch đo độ lợi vi sai (mạch nối nguồn dòng ở cực phát)

IV Các kết quả thí nghiệm

a) Đo phân cực tĩnh DC

 Mạch khuếch đại vi sai với RE ở cực phát

ICQ = 0,9407 (mA) VCEQ = 7,36 (V)

IBQ = 0,0033 (mA) VBE = 0,575 (V)

𝛽 = ICQ

IBQ = 285,06

 Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát

ICQ = 0,8912 (mA) VCEQ = 7,59 (V)

IBQ = 0,0031 (mA) VBE = 0,574 (V)

𝛽 = ICQ

IBQ = 287,48

b) Đo độ lợi cách chung

Ta có: v0= Acvc + Advd với vd = v2 - v1 =0; vc = (v2 + v1)/2

⟹ Ac= - V0

V𝐶 = - V0

V1

Mạch khuếch đại vi sai V1(V) V0(V) 𝐴𝐶

Lý thuyết Đo được

RE ở cực phát 4,48 1,7 -0,338 -0,38 Nguồn dòng ở cực phát 3,04 0,07 0 -0,023

 Nhận xét:

 Từ bảng so sánh kết quả thực nghiệm và lý thuyết, ta thấy được có sự khác nhau là do quá trình thực hiện có sai số dụng và thao tác thực hiện

 Đối với mạch có nguồn dòng thì khi giải theo lý thuyết ta xem điện trở nguồn dòng là vô cùng lớn do vậy nên Ac xấp xỉ bằng 0, nhưng thực tế thì không do vậy ta vẫn tính được giá trị Ac mặc dù nó cũng rất gần 0

Mạch khuếch đại vi sai với RE ở cực phát

Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát

c) Đo độ lợi vi sai 𝐴𝑑

Ta có: v0= Acvc + Advd với vd = v2 - v1 = 2v1; vc = (v2 + v1)/2 = 0

⟹ Ad= V0

V𝑑 = V0

2V1

Mạch khuếch đại vi sai V1(mV) V0(V) 𝐴𝑑

Lý thuyết Đo được

RE ở cực phát 36 2,96 63,64 41,11

Nguồn dòng ở cực phát 41 3,04 62,3 37,07

 Nhận xét:

 Từ bảng so sánh kết quả thực nghiệm và lý thuyết, ta thấy được có sự khác nhau là do quá trình thực hiện có sai số dụng và thao tác thực hiện

 Ngoài ra, còn có sự phụ thuộc của tần số vào 𝐴𝑑 và 𝐴𝑐 do vậy khi thực hiện tại các tần số khác nhau thì độ lợi này sẽ thay đổi

Mạch khuếch đại vi sai với RE ở cực phát

Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát