Giới thiệu chung ➢ Mục tiêu thí nghiệm: Kiểm chứng được mạch khuếch đại vi sai dùng BJT: - Biết cách lắp mạch ghép BJT tạo thành mạch khuếch đại vi sai từ module thí nghiệm, hiểu rõ nguy
KIỂM CHỨNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP VI SAI DÙNG BJT
Giới thiệu chung
Kiểm chứng được mạch khuếch đại vi sai dùng BJT:
- 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 duy 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
- 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
➢ Phần mềm thí nghiệm: LTspice
Các giả thiết cần kiểm chứng
1 Mạch khuếch đại vi sai với RE ở cực phát
Mạch gồm 2 BJT giống nhau về mọi thông số, ghép chung chân C, chân E, tín hiệu đầu vào đưa vào chân B, điện trở RE hồi tiếp âm giúp mạch luôn hoạt động ở chế độ tích cực, tín hiệu ngõ ra lấy ở chân C là khuếch đại hiệu giữa 2 tín hiệu đầu vào ( tín hiệu bé)
Hình 2.1: Mạch khuếch đại vi sai với RE ở cực phát
2 Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát
Mạch gồm 2 BJT giống nhau về mọi thông số, ghép chung chân C, chân E, tín hiệu đầu vào đưa vào chân B, nguồn dòng ở chân E cung cấp dòng cho mạch luôn
3 hoạt động ở chế độ tích cực, tín hiệu ngõ ra lấy ở chân C là khuếch đại hiệu giữa 2 tín hiệu đầu vào ( tín hiệu bé)
Hình 2.2: Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát
➢ Sơ đồ tương đương tín:
➢ Các thông số quan trọng:
3.1 Mạch khuếch đại vi sai với RE ở cực phát
Ta có VE1 = VE2 = RE (IE1 + IE2) + (-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:
Ta thấy 𝑉 𝐶𝐸 1 = 𝑉 𝐶𝐸 2 = 7.4𝑉 > 𝑉 𝐶𝐸 𝑠𝑎𝑡 nên giả định đặt ra ban đầu đúng
Kết quả thí nghiệm bằng phần mềm Ltspice XVII :
➢ Tính độ lợi cách chung Ac
Lưa chọn dữ liệu đầu vào
➢ Tính độ lợi vi sai Ad
3.2 Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát
Sử dụng sơ đồ tương đương Thevenin ta có:
Giả sử các BJT đều hoạt động ở miền tích cực
V V nên giả định đặt ra ban đầu đúng
Tương tự như trên ta có ( / / )
= − + + + với Ro=ro=VA/IC= +∞ (do VA early) Vậy A CM 0
Kết quả thí nghiệm bằng phần mềm Ltspice XVII :
➢ Tính độ lợi cách chung Ac
Lưa chọn dữ liệu đầu vào
➢ Tính độ lợi vi sai Ad
Kết luận chung
• Nhận xét: Độ lợi cách chung Acm đo được khác với lý thuyết ( Bằng 0) vì khi tính toán lý thuyết ta đang giả sử nguồn dòng lý tưởng ( Trở nguồn dòng bằng 0) còn khi thực hiện mạch thực, giá trị trở của nguồn dòng vẫn tồn tại Độ lợi vi sai giảm nếu mắc trở RE thay vì nguồn dòng ở chân E, vì nếu mắc thêm điện trở RE tổng trở ngõ vào của mạch khi ở chế độ vi sai sẽ tăng, dẫn đến vd tăng mà vd tỉ lệ nghịch với độ lợi nên Ad sẽ giảm
Đo dao động ký, khi đo độ lợi cách chung của mạch khuếch đại vi sai có nguồn dòng ở cực phát, vcm lệch pha 90 độ so với vi Nguồn dòng này hay transistor Q3 ở cực phát giúp tăng trở hồi tiếp âm, tăng hệ số CMRR, triệt tiêu tín hiệu đồng pha (nhiễu) Khi tín hiệu vào là nguồn sin thì vcm là hàm cos; khi vi dần về 1 thì vcm dần về 0; Acm dần về 0, giúp mạch khuếch đại vi sai trở nên lý tưởng.
KIỂM CHỨNG CÁC MẠCH ỨNG DỤNG DÙNG OP-AMP
Kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng Op – amp:
- Hiểu được nguyên lý hoạt động, cấu trúc và chức năng của từng mạch Op – amp khác nhau
- Biết cách lắp mạch trên module để được các mạch cần kiểm chứng, phân biệt cực đảo, cực đảo để tránh nhầm lẫn Ngoài ra ta cần đảm bảo mạch được cấp nguồn DC
Để tạo sóng phù hợp đưa vào Op - amp, cần biết cách điều chỉnh máy phát sóng, dao động ký Điều chỉnh biên độ ngõ vào sao cho ngõ ra không méo dạng, quan sát trên dao động ký để điều chỉnh vol/div, time/div cho thuận tiện quan sát rồi vẽ lại dạng sóng.
- So sánh thực nghiệm và lý thuyết các mạch ( độ lợi áp, dạng sóng ngõ ra): mạch khuếch đại đảo, mạch khuếch đại không đảo, mạch khuếch đại cộng điện áp, mạch khuếch đại trừ điện áp, mạch so sánh, mạch Schmitt Trigger, mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác, rồi đưa ra nhận xét, kết luận
➢ Phần mềm thí nghiệm: LTspice
II Các giả thiết cần kiểm chứng
• Cấu tạo: mạch có tín hiệu vào qua điện trở Ri nối với cổng đảo (V-), tại cổng ra tớn hiệu hồi tiếp thụng qua điện trở RF về cổng đảo Cổng khụng đảo (V+ơ) được nối đất
• Mạch có hệ số khuếch đại áp ngõ ra chỉ phụ thuộc vào các giá trị Ri , RF, nên ta lưu ý trong quá trình chọn linh kiện lắp mạch, vì tính chất là mạch khuếch đại nên RF>=Ri
• Điện áp ngõ ra ngược pha với điện áp ngõ vào
• Nếu Ri = RF , mạch tạo tầng đảo lặp lại điện áp
• Áp dụng KCL tại nút: Av = 𝑉 𝑖
Trong đó RL đóng vai trò là trở hồi tiếp âm, khi RL tăng thì AV tăng
Lựa chọn dữ kiện đầu vào: chọn RF=12KΩ với Av= 𝑉 0
Từ kết quả đo ta có 3.8 1 v 3.9
• Kết luận: qua kiểm chứng mạch hoạt động đúng ngõ ra có cùng biên độ (Av=1) và ngược pha với ngõ vào
2 Mạch khuếch đại không đảo
• Chức năng: khuếch đại điện áp ngõ vào
• Tín hiệu vào kết nối với cổng không đảo Cổng đảo nối với đầu ra qua điện trở
RF và tiếp đất qua điện trở Ri
20 chất khuếch đại nên ta cần lưu ý chọn linh kiện có RF>=Ri
• Điện áp ngõ ra cùng pha với điện áp ngõ vào
• Nếu RF = 0 => AV=1 , mạch dùng làm bộ đệm, áp giữ nguyên giá trị ngõ vào, tổng trở vào lớn, tổng trở ngõ ra nhỏ
• RL đóng vai trò là trở hồi tiếp âm dùng để tăng độ lợi AV
• Áp dụng KCL tại nút : 𝑉 𝑖
Chọn dữ kiện đầu vào: chọn RFKΩ
• Kết luận: mạch hoạt động đúng, ngõ ra có biên độ 2 gấp lần và cùng pha với ngõ vào
• Mạch khuếch đại đảo với cửa đảo Vs - nối với nhiều điện áp ngõ vào thông qua các điện trở Ri
• Mạch khuếch đại tín hiệu ngõ ra bằng tổng các tín hiệu ngõ vào nhưng ngược pha
• V - (đảo) nối với một hai nhiều điện áp ngõ vào
• Áp dụng KCL cho nút tại cổng đảo :
• Ta có : Ri1 = Ri2 = Ri => 𝑉 0 = −𝑅 𝐹
Dự kiện đầu vào: chọn RFkΩ; Ri=Ri1=Ri2kΩ ; V1=3sin(2 1000 ) t V;V2=3 V
• Kết luận: mạch hoạt động đúng với lý thuyết
• Chức năng: mạch khuếch đại theo thuật toán trừ.
24 hiệu ngõ vào V2 qua điện trở Ri2 Cửa không đảo được mắc với điện trở RF song song với tín hiệu ngõ vào V1 qua điện trở Ri1
• Mạch khuếch đại có tín hiệu ngõ ra bẳng hiệu các tín hiệu ngõ vào
• Ta có Ri1 = Ri2 = Ri => 𝑉 0 = 𝑅 𝐹
Dự kiện đầu vào: chọn RFkΩ và V1= 3sin(1000 t )V ;V2=3 V
• Kết luận: mạch hoạt động đúng với lý thuyết
Mạch Op-amp có cực đảo nối với điện thế so sánh Vref , cực thuận nối với điện thế chuẩn Vi Với giá trị rất lớn của hệ số khuếch đại, mạch khuếch đại op-amp cho tín hiệu ra V0 ở các mức giá trị :
+ Khi Vi < Vref thì 𝑉 0 = +𝑉 𝑆𝑎𝑡 = 10𝑉 (thực tế nhóm đo được)
+ Khi Vi > Vref thì 𝑉 0 = −𝑉 𝑆𝑎𝑡 = −10𝑉(thực tế nhóm đo được)
- Khi v2>v1, v0 dần về vH (+vsat)
- Khi v2 V O2 = - 6
➢ Kết luận: Vậy kết quả khảo sát tương đồng với lý thuyết so tín hiệu qua các Op-amp và quá trình nạp xả của tụ điện đồng đều
Kết quả khảo sát tương đồng với lý thuyết
KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG TẦN SỐ MẠCH KHUẾCH ĐẠI BJT GHÉP E
Khảo sát đáp ứng tần số mạch khuếch đại BJT ghép E chung
Tính toán lý thuyết độ lợi áp dãy giữa, tần số cắt cao và tần số cắt thấp dựa trên các thông số đã cho Những thông số còn thiếu sử dụng kết quả thí nghiệm từ Bài 1 So sánh kết quả khảo sát với lý thuyết để đánh giá độ chính xác của các phép tính.
- Hiểu được nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại BJT ghép E chung ở các tần số khác nhau: tần số thấp, tần số dãy giữa, tần số cao của mạch có hồi tiếp và không hồi tiếp
- Dùng máy đo, đo phân cực DC của các mạch để đảm bảo mạch hoạt động ở chế độ tích cực
- Thay đổi các giá trị của các tụ ghép CC, CE và tụ Cobext và quan sát sự khác nhau giữa các độ lợi áp của các mạch bao gồm mạch có hồi tiếp và không hồi tiếp
- Biết cách xác định độ lợi áp dãy giữa (ở tần số dãy giữa)
- Thay đổi tần số từ 100Hz đến 100kHz để thu được các giá trị độ lợi áp của bộ khuếch đại Sau đó, xác định tần số cắt thông qua việc theo dõi sự thay đổi biên độ ngõ ra tại các tần số khác nhau.
- Sử dụng dao động kí để quan sát dạng sóng ngõ vào và ngõ ra ở các tần số khác nhau và tính được độ lợi áp
- Từ các độ lợi áp tính được từ tần số thấp đến tần số cao, vẽ đáp ứng tần số của các mạch
- Hiểu được ảnh hưởng của các tụ Cobext lên độ lợi áp của mạch và các tần số cắt
➢ Phần mềm thí nghiệm: LTspice
II Các giả thiết cần kiểm chứng
1 Mạch khuếch đại ghép E chung không hồi tiếp
Các thông số của mạch phụ thuộc vào nhiệt độ khi đo và loại mạch cụ thể Do đó, chúng ta sử dụng lại các giá trị thông số đo được khi phân cực DC (hfe = β = 240, 𝑉𝐵𝐸 = 0,66𝑉) như đã đề cập trong bài trước.
➢ Đo tần số cắt và đồ thị
2 Mạch BJT khuếch đại E chung có hồi tiếp
Mô hình tương đương tín hiệu nhỏ:
Ta có hệ số khuếch đại:
Tần số cao: chỉ có hoạt động của các tụ kí sinh tỏng BJT và Cobext
• Đo đọ lợi dải giữa Am
Tần số dải giữa: các tự Ci, Co,Ce xem như ngắn mạch do trở kháng nhỏ Cobext xem như hở mạch do trở kháng lớn
Hệ số khuếch đại áp
