ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Môn: Mạch điện tử Nội dung: Bài 4 – Khảo sát đáp ứng tần số mạch khuếch đại BJT gh
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Môn: Mạch điện tử Nội dung: Bài 4 – Khảo sát đáp ứng tần số mạch khuếch đại BJT ghép E chung
Giáo viên hướng dẫn: Cô Nguyễn Thanh Phương
Danh sách thành viên thực hiện báo cáo:
Trang 2MỤC LỤC
I Nguyên lý hoạt động:……… …….3
II Tính toán theo lý thuyết:……… ……… 3
III Lựa chọn dữ kiện và lắp mạch:… ……… 8
IV Phương pháp đo đạc:……….…… 9
V Kết quả thí nghiệm:……… ……….10
VI Phụ lục: Bảng giá trị các bộ phận trên mạch BJT……… 18
Trang 3I Nguyên lý hoạt động:
- Mạch khuếch đại CE ghép E chung có tín hiệu vào ở cực B, ra ở cực C, cực E nối qua tụ rồi nối đất để lọc xoay chiều nên tín hiệu sẽ đi từ cực B sang cực C
- Chức năng: khuếch đại tín hiệu ở ngõ ra so với ngõ vào về mặt điện áp và dòng
- Vai trò các tụ:
+ Các tụ Ci, Co dùng để cho tín hiệu xoay chiều đi qua, lọc áp 1 chiều lại
+ Tụ CE để lọc thành phần xoay chiều xuống dưới đất
- Vì đây là mạch khuếch đại nên tín hiệu ngõ ra vo có biên độ lớn hơn tín hiệu ngõ vào vi
- Do mạch khuếch đại E chung có độ lợi áp khá lớn nên thường được sử dụng làm tầng khuếch đại chính trong các mạch khuếch đại liên tầng
- Tín hiệu ngõ ra vo ngược pha với tín hiệu ngõ vào vi
II Tính toán theo lý thuyết:
(Ở thực nghiệm trên DC ta đo được ICQ = 5mA, IBQ = 0.022mA nên β = 227 Đo được
VBE = 0.6V)
Với mạch DC, cả hai mạch đều có thể tính chung:
Trang 4𝑉𝑡ℎ = 12 5,6
5,6 + 18 = 2,85𝑉, 𝑅𝐵𝐵 =
5,6 18 5,6 + 18 = 4,27𝑘Ω
Sử dụng KVL cho vòng từ B đến E, ta có:
𝑉𝑡ℎ = 𝐼𝐵𝑄 𝑅𝐵𝐵+ 𝐼𝐵𝑄 (𝛽 + 1).0,412 + 𝑉𝐵𝐸
=> 𝐼𝐵𝑄 = 𝑉𝑡ℎ − 𝑉𝐵𝐸
𝑅𝐵𝐵 + (𝛽 + 1).0,412=
2,85 − 0,6 4,27 + (227 + 1) 412= 0,023𝑚𝐴
=> 𝐼𝐶𝑄 = 𝐼𝐵𝑄 𝛽 = 0,023.227 = 5,2𝑚𝐴
=> 𝑟𝜋 = 𝑉𝑇
𝐼𝐵𝑄 =
25 0,023= 1087Ω Với mạch AC, ta chia làm 2 trường hợp khác nhau:
a) Mạch khuếch đại E chung không hồi tiếp:
Độ lợi dãy giữa:
𝐴𝑀 = 𝐴𝑣 = − 𝑅𝐵𝐵//𝑟𝜋
𝑅𝐵𝐵//𝑟𝜋+ 𝑅𝑖.
𝛽(𝑅𝐶//𝑅𝐿)
𝑟𝜋 = −82,26
Ta tính được các đại lượng sau:
𝐶𝑖 (𝑅𝐵𝐵//𝑟𝜋 + 𝑅𝑖)= 5,47𝐻𝑧
𝐶𝐸 (𝑅𝐵𝐵𝛽 + 1//𝑅𝑖+ 𝑟𝜋//𝑟𝑒)
= 1265,26𝐻𝑧
Trang 5𝑤𝑝3 = 1
𝐶𝑂 (𝑅𝐶 + 𝑅𝐿)= 1,52𝐻𝑧 Giải phương trình
𝑤6 (𝑤2+ 5,472)(𝑤2 + 1265,262)(𝑤2+ 1,522) =
1
2,
ta được nghiệm duy nhất 𝑤 = 1265,29(𝑟𝑎𝑑/𝑠)
Vậy 𝑤𝐿 = 2838,24𝐻𝑧, vì thế tần số thấp là 𝑓𝐿 = 𝑤𝐿
2.𝜋 = 201,38𝐻𝑧 Đối với tần số cắt cao, ta có mạch tương đương tín hiệu nhỏ:
Với:
𝑉′𝑖 = 𝑉𝑖 𝑅𝑖
𝑅𝐵𝐵+𝑅𝑖, 𝑅′𝑖 = 𝑅𝑖//𝑅𝐵𝐵//𝑟𝜋 = 464Ω, 𝑅′𝐿 = 𝑅𝐶//𝑅𝐿 = 850Ω
𝐶𝜇 = 22 + 𝐶𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡(𝑝𝐹), 𝐶𝜋 = 𝛽
𝑟𝜋 2𝜋 𝑓𝑇 = 0,192𝑛𝐹, 𝐶𝑒𝑞 = 𝐶𝜇 (1 +
𝛽
𝑟𝜋𝑅
′
𝐿)
Lúc này ta có tần số cắt cao: 𝑓𝐻 = 1
2𝜋.(𝐶𝑒𝑞+𝐶𝜋).𝑅′𝑖 + Với 𝐶𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡 = 0, ta có 𝑓𝐻 = 83𝑘𝐻𝑧
+ Với 𝐶𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡 = 15𝑝𝐹, ta có 𝑓𝐻 = 50𝑘𝐻𝑧
Trang 6+ Với 𝐶𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡 = 30𝑝𝐹, ta có 𝑓𝐻 = 36𝑘𝐻𝑧
b) Mạch khuếch đại E chung hồi tiếp:
Độ lợi dãy giữa:
𝐴𝑀 = 𝐴𝑣 = − 𝑅𝐵𝐵//(𝑟𝜋 + (𝛽 + 1)𝑅𝐸1)
𝑅𝐵𝐵//(𝑟𝜋+ (𝛽 + 1)𝑅𝐸1) + 𝑅𝑖.
𝛽(𝑅𝐶//𝑅𝐿)
𝑟𝜋+ (𝛽 + 1)𝑅𝐸1 = −22,57
Ta tính được các đại lượng sau:
𝐶𝑖 (𝑅𝐵𝐵//(𝑟𝜋+ (𝛽 + 1)𝑅𝐸1) + 𝑅𝑖) = 2,85𝐻𝑧
𝐶𝐸 ((𝑅𝐵𝐵𝛽 + 1//𝑅𝑖 + 𝑟𝜋 + 𝑅𝐸1)//𝑅𝐸2)
= 479,65𝐻𝑧
𝐶𝑂 (𝑅𝐶 + 𝑅𝐿)= 1,52𝐻𝑧 Giải phương trình
𝑤6 (𝑤2+ 2,862)(𝑤2+ 479,652)(𝑤2+ 1,522) =
1
2,
ta được nghiệm duy nhất 𝑤 = 479,67(𝑟𝑎𝑑/𝑠)
Vậy 𝑤𝐿 = 479,67𝐻𝑧, vì thế tần số thấp là 𝑓𝐿 = 𝑤𝐿
2.𝜋 = 76,34𝐻𝑧
Trang 7Đối với tần số cắt cao, ta có mạch tương đương tín hiệu nhỏ:
Với:
𝑉′𝑖 = 𝑉𝑖 𝑅𝑖
𝑅𝐵𝐵+𝑅𝑖, 𝑅′𝑖 = 𝑅𝑖//𝑅𝐵𝐵//𝑟𝜋 = 464Ω, 𝑅′𝐿 = 𝑅𝐶//𝑅𝐿 = 850Ω
𝐶𝜇 = 22 + 𝐶𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡(𝑝𝐹), 𝐶𝜋 = 𝛽
𝑟𝜋 2𝜋 𝑓𝑇 = 0.192𝑛𝐹, 𝐶𝑒𝑞 = 𝐶𝜇 (1 +
𝛽
𝑟𝜋𝑅
′
𝐿)
Ta có:
𝐶𝑒𝑞(𝑅𝑖//𝑅𝐵𝐵//(𝑟𝜋+ (𝛽 + 1)𝑅𝐸1),
từ đó suy ra 𝑓𝐻 = 𝑤𝐻
2𝑤𝐻 + Với 𝐶𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡 = 0, ta có 𝑤𝐻 = 2,7𝑀𝐻𝑧 => 𝑓𝐻 = 430𝑘𝐻𝑧
+ Với 𝐶𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡 = 1𝑛𝐹, ta có 𝑤𝐻1 = 58,1𝑘𝐻𝑧 => 𝑓𝐻 = 9,25𝑘𝐻𝑧
Trang 8III Lựa chọn dữ kiện và lắp mạch:
- Ta chọn tần số để khảo sát như sau:
- Lắp mạch khuếch đại E chung không hồi tiếp:
- Lắp mạch khuếch đại E chung có hồi tiếp:
Trang 9IV Phương pháp đo đạc:
- Ngắn mạch các thành phần DC Cấp nguồn DC 12V để mạch hoạt động Lắp mạch theo
sơ đồ nguyên lý ở module thí nghiệm Đo các thành phần ICQ, IBQ để suy ra β, đo VCEQ và
VBE
- Đảm bảo mạch hoạt động ở chế độ AC Đo AV tại tần số dãy giữa đã chọn
- Chọn Vi từ vài chục mV đến vài trăm mV Giữ nguyên biên độ ngõ vào, chỉnh tần số máy phát sóng từ 100Hz đến 100kHz Lập bảng đo giá trị đỉnh – đỉnh của ngõ ra tương ứng, sau đó tính AV tương ứng với các tần số đó
- Đo 2 tần số cắt: chỉnh tần số máy phát sóng từ tần số dãy giữa (tăng hoặc giảm) tới khi biên độ ngõ ra bằng 1
√2 biên độ ngõ ra tại dãy giữa Lúc này tần số hiển thị sẽ là tần số cắt
Trang 10V Kết quả thí nghiệm:
a) Mạch khuếch đại E chung không hồi tiếp:
Thí nghiệm 1: Cobext = 0:
Hình 1: Cobext = 0
Với Vi = 120mV, ta có bảng sau:
f(Hz) 100 200 500 1k 2k 3k 5k 10k 20k 50k
Vo 2 3,88 4,48 4,98 5,82 6,4 6,64 6,8 6,5 5,52
Av -16,7 -32,3 -37,3 -41,5 -48,5 -53,3 -55,3 -56,7 -54,2 -46 20log(|Av|) 24,45 30,19 31,43 32,36 33,71 34,57 34,82 35,07 34,68 33,26
Trang 11- Biên độ của điện áp ngõ ra dãy giữa: Vo-MB = 6,4V
- Độ lợi áp tại dãy giữa: 𝐴𝑣−𝑀𝐵 = −𝑉𝑜−𝑀𝐵
𝑉 𝑖−𝑀𝐵 = − 6,4
0,12 = −53,3
- Tần số cắt thấp đo được:
𝑓𝐿 = 181,05𝐻𝑧 → 𝑠𝑎𝑖 𝑠ố = |181,05 − 201,38
201,38 | 100% = 10,09%
- Tần số cắt trên đo được: Không thể đo được
=> Sai số nhỏ do sai số của máy đo, quan sát bằng dao động ký nên không thể chính xác tuyệt đối, tần số cắt trên quá lớn nên không thể đo được vì giới hạn máy đo là 50kHz
- Từ các số liệu trên ta có đồ thị đáp ứng tần số như sau:
-Thí nghiệm 2: Cobext = 15pF:
Trang 12Hình 2: Cobext = 15pF
Với Vi = 120mV, ta có bảng sau:
f(Hz) 100 200 500 1k 2k 3k 5k 10k 20k 50k
Vo 3,38 5,06 5,64 6,2 6,56 6,66 7 6,88 6,62 6,1
Av -28,2 -42,2 -47 -51,7 -54,7 -55,5 -58,3 -57,3 -55,2 -50,8 20log(|Av|) 29 32,51 33,44 34,27 34,76 34,89 35,31 35,16 34,84 34,12
- Biên độ của điện áp ngõ ra dãy giữa: Vo-MB = 6,66V
- Độ lợi áp tại dãy giữa: 𝐴𝑣−𝑀𝐵 = −𝑉𝑜−𝑀𝐵
𝑉 𝑖−𝑀𝐵 = −6,66
0,12 = −55,5
- Tần số cắt thấp đo được:
𝑓𝐿 = 159,74𝐻𝑧 => 𝑠𝑎𝑖 𝑠ố = |159,74 − 201,38
201,38 | 100% = 20,68%
- Tần số cắt trên đo được: Không thể đo được
- Từ các số liệu trên ta có đồ thị đáp ứng tần số như sau:
Trang 13
-Thí nghiệm 3: Cobext = 30pF:
Hình 3: Cobext = 30pF
Với Vi = 120mV, ta có bảng sau:
Trang 14f(Hz) 100 200 500 1k 2k 3k 5k 10k 20k 50k
Vo 3,66 5,48 6,72 7 7,16 7,3 7,52 7,2 6,42 5,08
Av -31,5 -45,7 -56 -58,3 -59,7 -60,8 -62,7 -60,3 -58,2 -42,3 20log(|Av|) 29,69 33,19 34,96 35,32 35,51 35,68 35,94 35,61 35,29 32,53
- Biên độ của điện áp ngõ ra dãy giữa: Vo-MB = 7,3V
- Độ lợi áp tại dãy giữa: 𝐴𝑣−𝑀𝐵 = −𝑉𝑜−𝑀𝐵
𝑉 𝑖−𝑀𝐵 = − 7,3
0,12 = −60,8
- Tần số cắt thấp đo được:
𝑓𝐿 = 176,52𝐻𝑧 => 𝑠𝑎𝑖 𝑠ố = |176,52 − 201,38
201,38 | 100% = 12,34%
- Tần số cắt trên đo được: 𝑓𝐻 = 38,8𝑘𝐻𝑧
- Từ các số liệu trên ta có đồ thị đáp ứng tần số như sau:
a) Mạch khuếch đại E chung không hồi tiếp:
Thí nghiệm 4: Cobext = 0:
Trang 15Hình 4: Cobext = 0
Với Vi = 120mV, ta có bảng sau:
f(Hz) 100 200 500 1k 2k 3k 5k 10k 20k 50k
Vo 1,9 2,11 2,18 2,22 2,24 2,28 2,29 2,28 2,24 2,12
Av -15,8 -17,6
-18,2 -18,5 -18,7 -19 -19,1 -19 -18,7 -17,7 20log(|Av|) 23,97 24,91 25,2 25,34 25,42 25,58 25,62 25,58 25,42 24,96
- Biên độ của điện áp ngõ ra dãy giữa: Vo-MB = 2,28V
- Độ lợi áp tại dãy giữa: 𝐴𝑣−𝑀𝐵 = −𝑉𝑜−𝑀𝐵
𝑉𝑖−𝑀𝐵 = −2,28
0,12 = −19
- Tần số cắt thấp đo được:
𝑓𝐿 = 60,57𝐻𝑧 => 𝑠𝑎𝑖 𝑠ố = |60,57 − 76,34
76,34 | 100% = 20,66%
- Tần số cắt trên đo được: Không thể đo được
=> Sai số nhỏ do sai số của máy đo, quan sát bằng dao động ký nên không thể chính xác tuyệt đối, tần số cắt trên quá lớn nên không thể đo được vì giới hạn máy đo là 50kHz
Trang 16- Từ các số liệu trên ta có đồ thị đáp ứng tần số như sau:
Thí nghiệm 5: Cobext = 1nF:
Hình 5: Cobext = 1nF
Với Vi = 200mV, ta có bảng sau:
Trang 17f(Hz) 100 200 500 1k 2k 3k 5k 10k 20k 50k
Vo 2,32 2,66 2,98 3,2 3,38 3,46 3,62 2,86 2,52 1,96
Av -11,6 -13,3
-14,9 -16 -16,9 -17,3 -18,1 -14,3 -12,6 -9,8 20log(|Av|) 23,97 24,91 25,2 25,34 25,42 25,58 25,62 25,58 25,42 24,96
- Biên độ của điện áp ngõ ra dãy giữa: Vo-MB = 3,38V
- Độ lợi áp tại dãy giữa: 𝐴𝑣−𝑀𝐵 = −𝑉𝑜−𝑀𝐵
𝑉 𝑖−𝑀𝐵 = −3,38
0,2 = −16,9
- Tần số cắt thấp đo được:
𝑓𝐿 = 58,71𝐻𝑧 => 𝑠𝑎𝑖 𝑠ố = |58.71−76,34
- Tần số cắt trên đo được:
𝑓𝐻 = 7,9𝑘𝐻𝑧 => 𝑠𝑎𝑖 𝑠ố = |7,9−9,25
9,25 | 100% = 14,6%
- Từ các số liệu trên ta có đồ thị đáp ứng tần số như sau:
-VI Phụ lục: Bảng giá trị các bộ phận trên mạch BJT: