Khóa luận tốt nghiệp Vật lý: Khảo sát đặc tính Opamp. Ứng dụng lắp ráp máy phát sóng đơn giản

+ Một SỐ mạch làm toán: mạch cộng đảo dau, mach cộng không dao dẫu, mạch trừ, mạch tích phân, mạch vi phân và ứng dụng của mạch khuếch đại thuật toán trong thiết kế hệ thong điện tử.. Kh

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

KHOA: VẬT LÝ

KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH OPAMP.

_UNG DUNG LAP RAP © MAY PHAT SONG DON GIAN.

GVHD: Thay CAO ANH TUAN

SVTH: NGUYEN THI THU TRANG

TP.HCM THANG 5 NAM 2010

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Trang 2

LỜI CẢM ƠN

Quá trình thực hiện luận văn chỉ diễn ra trong một thời gian ngắn Song, đểhoàn thành tốt luận văn, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ quý Thây, Cô

trong khoa và các bạn sinh viên thuộc các chuyên ngành liên quan.

Vì vậy, em xin gởi lời cám ơn chân thành đến:

- Thầy Cao Anh Tuan đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ, luôn ủng hộ và động

viên em ngay từ những ngày đầu tiên bắt đầu làm đề tài Giúp em vượt qua những

bỡ ngỡ ban đầu cũng như sửa chữa cho em những sai sót và cung cap cho em nhữngtài liệu cần thiết, giải đáp những thắc mắc của em

- Quý Thay, Cô trong khoa Vật Lý đã tạo mọi điều kiện tốt nhất có thé dé giúp

em hoàn thành luận văn.

- Các bạn sinh viên thuộc các chuyên ngành liên quan đã cung cấp tài liệu,

cũng như giúp em trong việc giải thích một số vấn đề còn đang vướng mắc.

- Gia đình, bạn bè luôn ủng hộ và động viên em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.

Trang 3

LỜI NÓI ĐÀU

Nội dung của luận van này liên quan đến các khái niệm can thiết cho quátrình lắp ráp một máy phát sóng và cách lắp ráp chiếc máy này sao cho đơn gián, íttốn kém lại hữu ích cho quá trình thực hành của sinh viên sư phạm vật lý Tuy vậy.máy vẫn hội tụ được các yếu tố cần thiết cho việc thực hành có hiệu quả

Luận văn này gồm các phần sau:

- Phan mở đầu: Trình bày lý do chọn dé tài mục đích nghiên cứu, phương pháp

nghiên cứu và kết quả nghiên cứu.

- Phần lý thuyết:

Chương I: Tìm hiệu về chat bán dẫn:

+ Các hiện tượng tiếp xúc: kim loại - bán dẫn, P - N, kim loại - điện môi - bán dẫn.+ Điôt bán dẫn: Cau tạo, kí hiệu, chức năng, nguyên lý làm việc, các loại đit

+ Transistor: Transistor lưỡng cực, transistor trường có cực cửa tiếp giáp, transistor

trường có cực cửa cách ly.

Chương II: Giới thiệu chung về mạch khuếch đại và mạch hôi tiếp:

+ Mạch khuếch đại: tìm hiểu nguyên lý xây dựng một tang khuếch đại và các chế độ

làm việc của nó.

+ Mach hỏi tiếp: định nghĩa và tim hiểu hai loại hoi tiếp âm, hồi tiếp đương

Chương II: Tìm hiểu về linh kiện điện tử OPAMP

+ Trước tiên là vẻ lịch sử ra đời chức năng, cấu tao, kí hiệu, nguyên lý hoạt động

và đặc tính - thông số của một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng, một mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng là như thé nào?

+ Thông qua một số cách mắc hồi tiếp dé tim ra các công thức tính khá chính xác áp

dung vào thực tế: mạch khuếch đại đáo pha, mạch khuếch đại không đảo, mạch

đệm.

+ Một SỐ mạch làm toán: mạch cộng đảo dau, mach cộng không dao dẫu, mạch trừ,

mạch tích phân, mạch vi phân và ứng dụng của mạch khuếch đại thuật toán trong

thiết kế hệ thong điện tử

2

Trang 4

Chương IV: Mạch dao động

+ Tìm hiểu về mach tạo dao động điều hòa: mạch tạo sóng sin âm tản, mạch tạoSóng sin cao tan

+ Tìm hiểu về mạch tạo sóng vuông, sóng răng cưa và tam giác

Chương V: Xử lý tín hiệu.

+ Tìm hiệu phép phân tích chuỗi Fourier của tín hiệu tuần hoàn+ Phép tích phân tính hiệu sóng vuông, sóng rang cưa.

- Phần thực hành:

Chương VI: Lap ráp máy phát sóng

+ Khảo sát thực nghiệm OPAMP

+ Lắp ráp mạch nguồn và mạch phát sóng

Trong luận văn này tôi cố gắng chi đưa vào những kiến thức nào thật đơngiản và can thiết, dé hiểu nhất cho quá trình thực hiện lắp ráp Mặc dù đã có gắng

rat nhiều nhưng do thời gian gấp rút và chỉ mới ở mức độ tìm hiểu nên chắc chắn

rằng luận văn này không tránh khói những thiểu sót, kính mong nhận được nhiềugóp ý từ quý Thây, Cô và các bạn

3

Trang 5

chi cần đành 10 phút mỗi ngày để ngôi trước màn hình máy tính, hay tối tôi quây

quay bên gia đình trước chiếc ti vi nhỏ của mình là bạn đã có thé biết được thé giớixung quanh đang dién ra những van đẻ gì Thậm chí chi can một chiếc radio nhỏ

bằng bàn tay, bạn cũng đã có thé biết được những điều tương tự.Thay vì mat công

chờ đợi những cánh thư đi - về để biết tin tức một người bạn, một người thân ở cách

ta hàng nghìn km, bạn chi can nhắc chiếc điện thoại nhỏ xinh của mình lên là đã có

thé nghe được giọng nói và cả hình ảnh cúa người mà bạn đang mong tin

Tại sao chúng ta lại làm được những điều kỳ diệu ay?

Đó là bởi vì chúng ta đang được hưởng những thành tựu của các ngành

khoa học, trong đó có điện tử.

Quả thật vậy, ngày nay kỹ thuật điện tử đã phát triển rất mạnh Những sản

phâm điện tử tran lan khắp nơi với trình độ ngày càng tinh vi, hiện đại, thiết kế thon

gọn hơn Chính vì vậy kỳ thuật điện tử đã gây ra những chuyển biến than ky trong

ngành vô tuyến điện từ, bên cạnh đó nó còn trở thành một phương tiện kỹ thuật thúc

đây sự phát triển của nhiều ngành khác Nó hầu như chỉ phối đến mọi mặt đời sôngcủa con người.

Từ lâu, sinh viên thuộc các ngành kỹ thuật đã rắt quen thuộc với bộ môn vôtuyến điện tử Bởi vì, nó là một môn học, là tài liệu tham khảo không thé thiếu trong quá trình đào tạo các kỹ thuật viên, công nhân có tay nghề và thậm chí là những thợ sửa chữa muốn nâng cao hiểu biết vẻ lĩnh vực điện tr.

Riêng tôi - là một trong số những sinh viên khoa Vật Lý trường ĐHSP

TP.HCM đã từng được học qua môn học này, tôi nhận thay rằng những gì được tìm

hiểu qua sách vở, qua khảo sát trên lý thuyết mà chưa được thực hành nhiều, chưa

4

Trang 6

được làm quen và sử dụng những linh kiện điện tử cơ bản là một điều rất hạn chế

đôi với sinh viên sư phạm, so với thé giới ngập tràn các thiết bị điện tử ngày nay.

Chính vì lý do đó tôi đã chọn đểtài: a4 = đặ Ứ ous a

do 4 = dé làm luận văn tốt nghiệp Một mặt, giúp tôi tiếp

cận được các linh kiện điện tử và hiểu được các đặc tính của chúng, mà có thẻ trong

quá trình học thậm chí tôi chưa được nhìn thay, Mặt khác, giúp tôi hiểu được phan nào rõ hơn các van đẻ mà trước đây tôi đã được khảo sát trên lý thuyết.

ụ đ ứ

Trong suốt quá trình được học tại trường ĐHSP, tôi đã được làm quen vớicác máy móc vẻ vô tuyến điện tử thông qua các budi thực hành Tôi nhận thấy răng,với SỐ lượng sinh viên đông, số may móc còn hạn chế, lại rất nhạy cảm dễ bị hưhong là một trở ngại không tránh khỏi trong phòng thí nghiệm vô tuyển điện tứ.Trong điều kiện khó khăn đó, không cho phép sinh viên hoàn thành tốt việc thựchành các kiến thức đã học Mặt khác, việc mua các máy móc hoàn toàn mới với chi

phí cao và không thé mua ngay dé trang bị kịp thời

Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, tôi quyết định thực hiện đẻ tài này nhằm lắp ráp được một chiếc máy phát sóng đơn giản với linh kiện chính là OPAMP.

Ngoài ra, các linh kiện sử dụng trong đẻ tài này đều thông dụng, dễ tìm kiếm trên

thị trưởng và giá thành lại rẻ, với mong muốn góp một phan sức nhỏ bé vào việc cải

thiện một phan nhỏ nào đó điều kiện thực hành cho các bạn sinh viên khóa sau.

Đông thời giúp ích cho việc sử dụng chiếc máy này trong quá trình giảng day taitrường trung học phô thông, minh họa các dạng sóng điện cho học sinh tương lai

của tôi.

ươ Ứ

Dé đạt được mục đích nghiên cứu đã đẻ ra, chúng tôi ding phương pháp

nghiên cứu như sau:

- Dau tiên là khảo sát trên lý thuyết thông qua sách vở, các giáo trình, các

trang web về điện tử về các vấn dé cần thiết cho quá trình lắp ráp máy phát sóng.

Cụ thẻ là:

5

Trang 7

+ Các linh kiện điện tử cơ bản: đit, transistor

+ Mạch hồi tiếp, mạch khuếch đại

+ Tìm hiéu về linh kiện chính của mach: OPAMP

+Tìm hiểu về mạch dao động

- Làm quen với một số linh kiện điện từ, các cách mắc mạch đơn giản, sau đó tiễn hành lắp ráp một số mạch tạo sóng , rồi so sánh dé tìm ra mạch tạo sóng nào ưuviệt nhất

- Từ những kết quả đạt được ở trên, cho phép chúng tôi lắp ráp một máy phát

sóng đơn giản mà hiệu quả của nó sẽ được kiểm chứng bằng thực nghiệm

é a ứ

Dựa vào những gì chúng tôi đã tìm hiểu trên phương diện lý thuyết vàthông qua quá trình thực hành Chúng tôi đã lắp ráp được một số mạch tạo sóng đơngiản dùng linh kiện chính là OPAMP và tìm ra được mạch nào là tối ưu nhất trong

số những mạch đó

Mạch tạo sóng này tạo ra được các đạng sóng sin, vuông, tam giác, có thê

thay đôi được biên độ hoặc tần số, hoặc cá biên độ và tần số

6

Trang 8

ệ ug đờ

ờ a A

Trong chat bõn dẫn cừng thoõt của electron nhụ hơn cừng thoõt của electrontrong kim loại nởn electron từ bõn dan N sang kim loại để hon electron từ kim loạisang bõn dẫn N, tạo nởn điện trường tiếp xỷc E,, , khừng cho electron từ bõn din N

tiếp tục sang kim loại Hớnh thỏnh một vỳng nghộo hạt mang điện ở phợa bõn dẫn N.

Khi đặt một điện trường ngoỏi vỏo tiếp xỷc kim loại — bõn dẫn, sẽ cho dúng

điện từ kim loại qua bõn dẫn N Lớp tiếp xỷc kim loại - bõn dẫn cụ tợnh chỉnh lưu,

được ứng dụng đẻ chế tạo cõc điừt tiếp xỷc điểm cụ điện dung tiếp xỷc nhỏ, dỳngtrong mạch điện tõch sụng trong radio, TV hoặc trong cõc mạch điện chuyởn mạchđiện tử tan số cao

ờ

Trong chat bõn dẫn loại N: electron lỏ hạt dẫn điện da sụ, lỗ trờng lỏ hạt dan

điện thiởu số Trong chất bõn dan loại P: lỗ trống lỏ hat dẫn điện đa số, electron lỏ hạt dẫn điện thiởu số.

Trang 9

Electron từ N sang P, lỗ trong từ P sang N, tạo thành một điện trường tiếp

xúc E,, (nhỏ) Điện trường này ngăn can không cho electron từ N tiếp tục sang P.

Sau một thời gian ngăn, hiện tượng khuếch tán sẽ cham dứt, hai bên tiếp xúc P- N

sẽ tạo ra một vùng nghèo hạt mang điện đa số, vùng này có điện trở lớn

Khi đặt tiếp xúc P - N vào điện trường ngoài:

- Eazu; ngược chiêu với E,„: làm vùng nghèo hạt mang điện hẹp lại Cho

dong điện I qua từ P sang N.

- Engu cùng chiều Ex: không có dong điện I qua tiếp xúc P - N từ N

sang P.

é a dé ắ A

Xét lớp điện môi S102, khi chưa đặt dién áp ngoài vào hai cực AB thì không

xuất hiện điện tích ở hai bẻ mặt điện môi Khi đặt điện áp âm vào A, dương vào B:

electron trong lớp S¡ - P chạy về cực B, lỗ trống trong lớp Si - P chạy về phía vách

chất điện môi, sát lớp điện môi gần chất bán dẫn xuất hiện điện tích dương, trong

khi gần kim loại có điện tích âm

Khi đặt điện ap dương vào A, âm vào B: hai bên lớp điện môi SiO, hình

thành các điện tích có dau trái nhau như ở hai bản cực tụ điện, chúng cho dòng xoay

chiều đi qua.

D ẫ

A a ệ ụ

a, Câu tạo.

Điôt bán dẫn cơ ban tạo bởi tiếp xúc P - N, tức là bởi vùng có độ day nhỏ

(cỡ micron), trong đó tính dẫn điện của tinh thé bán dẫn là pha loại tạp chat bán dẫn

P vào loại N có thể cho dòng điện có cường độ lớn qua được

Diết có thé cấu tạo là một thanh kim loại tiếp xúc với chat bán dẫn loại N, có

điện dung tiếp xúc nhỏ, dùng ở tần số cao

Ở đây ta xét điột tạo thành từ một lớp tiếp xúc P - N.

§

Trang 10

hong đit;

Giới han về dong điện I,,

Giới hạn về điện áp U,,.

Diốt có hai chế độ làm việc: chế độ thuận và chế độ ngược Gọi Uax là điện

áp dat vào hai dau điôt, Uy là điện áp ngưỡng của đit (điện áp rơi).

Chế độ thuận: là chế độ có Uaw > UpĐiôt dẫn với điện trở động (hay điện trở thuận): ry=dU/dl (cỡ vai ohm), trongchế độ thuận:

Unk = Up + nại

tức là điôt tương đương với điện trở ry mắc nối tiếp ngudn điện áp có suất điện động

Up

Ché độ ngược: đối với Uaw < Up

Dòng cực nhỏ cỡ vài nano ampe chảy qua đit, Điện trở điột lúc này cỡ vài

chục méga ôm Dòng điện ở chế độ ngược có thé bỏ qua Trong chế độ ngược, điôt

tương đương công tắc hở mạch

ad

Người ta có thé phân loại điột tùy theo quan điểm khác nhau:

- Theo đặc điểm cau tạo: didt tiếp điểm, didt tiếp mặt.

- Theo vật liệu sử dụng: điệt Ge, điệt Si.

- Theo tan số sử dung: điôt cao tần điôt tan số thấp.

- Theo công suat: điôt công suat lớn, công suất trung bình công suất nhỏ

9

Trang 11

- Theo nguyên lý hoạt động: điôt chinh lưu, diét ôn áp (Zener), didt bien

dung (Varicap), điôt dùng hiệu ứng đường ham (Tuncl).

a Cấu tạo:

Cùng trên một để bán dẫn, lần lượt tạo ra hai tiếp xúc công nghệ P — N gần

nhau đê được một linh kiện bán dẫn 3 cực, gọi là transistor lưỡng cực

Nếu bán dẫn P năm ở giữa hai lớp bán dẫn N, thì ta có transistor loại NPN

(được gọi là transistor ngược).

Một cực có thé điều khiển dòng điện qua hai cực còn lại gọi là cực khiên.

Điều kiện của các vùng tạp chất:

Trang 12

- Vung B: pha tạp chất nòng độ rat ít (nhỏ nhất), vùng B rất mỏng (vài

Nguyên tắc hoạt động của transistor thê hiện qua các thí nghiệm sau:

Chọn một loại transistor loại

Khi Ki đóng, K› mở: có nguồn Eg, không có nguồn Ecc Lớp tiếp giáp EB

được phân cực thuận, lỗ trong từ vùng E sang vùng B Khi qua vùng B: một số ít lỗ

trong tái hợp được với electron từ mạch ngoài lại đi vào B tạo nên dòng điện Ip Vậy chỉ có dòng Ip không có dòng Ic ở nguồn Ecc.

Khi K, mở, K; đóng: có nguồn Ege, không có nguồn Ep Lúc nay CE coi nhưgồm hai điôt: CB và BE mắc nối tiếp, do hai điôt nay mắc ngược chiều nhau nên

ia]

Trang 13

không cho dòng điện qua CE, và chỉ có dòng rò I, rất nhỏ từ sang B do các hạt

không cơ bản gây ra.

Khi K¡ déng,K> đóng: Nhờ nguồn Eg, lỗ trồng từ E sang vùng B:

- Số ít kết hợp với electron trong lớp B.

- Tại B; lễ trong là hạt dẫn điện thiểu số

Do độ day của vùng B rất nhỏ phần lớn lỗ trồng chưa kịp tái hợp với

electron thì đã đến lớp tiếp giáp BC Ở đây lỗ trồng gặp điện trường mạnh tăng tốc

và cuốn lỗ trong sang vùng C Sang vùng C, lỗ trồng là hạt dẫn điện đa số nên bịnguồn Ecc hút mạnh tạo nên dong le qua CE

Đối với Transistor NPN thì ta đổi cực của nguồn

*Nhận xét:

Ta nhận thấy:

- Nếu Iz=0 thì l¿=0

- Ix tăng thì I, tang

- Ig giảm thi lẹ giảm

Suy ra lạ có tinh điều khién dong Ic Trong đó dong Ip cỡ nA, dòng I¿ cỡ mA.

Nếu coi cực E là nguồn phát ra hạt dẫn da số, hạt này một phan nho chay qua

cực gốc B tạo ra dong Iạ phần lớn còn lại chạy đến cực góp C dé tạo nên dong Ic.

Vậy ta luôn luôn có:

Ip = lạ + Ic Trong đó: Ip << lẹ

Dé đánh giá mức độ điều khiến dòng Ip lên dòng Ic người ta đưa ra hệ số

khuếch đại dòng điện tinh:

Trang 14

Trên đây là transistor hoạt động ở chế độ tĩnh Nếu bây gid ta đặt vào mạch cực phát một nguồn tín hiệu biến thiên thì điện áp phân cực lớp tiếp giáp EB cũng

thay đổi làm cho Ip biến thiên, kéo theo I; cũng biến thiên, va I; thay đôi.

Đặt ở cực góp một tải Rc lớn khi dong Ic biến thiền sẽ tạo ra trên Re một

điện áp biến thiên nhưng biên độ lớn hơn nhiều (nhờ Re khá lớn).Ta nói rằng transistor đã khuếch đại tín hiệu.

e Các chế độ làm việc:

Transistor có 3 chế độ làm việc: chế độ khóa dẫn bão hòa chế độ khuếch đại

* Chế độ khóa và dẫn bão hòa:

Xét sơ đồ mạch điện như hình vẽ:

odd a đệ ở độ đệ ừ ủ 2

Khi K mở: tiếp xúc EB bj phân cực ngược, electron từ E không qua được

vùng B nền lạ = 0, và transistor khóa, không có dòng Ic qua tai R,.

Khi K đóng: Dong Ip khác 0 Với Ugg = 0.6V (Si), nếu ta chọn Rj, Rạ Ecc,

Eg sao cho:

13

Trang 15

I = Ign = "=

lúc nay transistor mở bão hòa Khi đó ta có:

Uce = OV, Ip = Fee

* Chế độ khuéch đại:

Xét sơ đồ mạch điện như hình vẽ:

cực thuận Dòng Ig sẽ điều khiển dòng Ie.

Ta có:

Ecc = Ryle + Uc:

Uc = Ecc - Ri Ic

a

Khi Ig tang, I, tang theo và Ueg giam.Khi Ip giảm, dòng le giảm theo và Ucpr

tăng hay điện áp tín hiệu lay ra ở chân C ngược pha với điện áp tín hiệu vào khuếchđại ở chân B (vì ở đây ta xét transistor mắc theo kiểu phát chung sẽ được trình bàyvào phần sau)

Dòng ly thay đôi ở mạch vào sẽ tao ra dòng Ic thay đổi đồng pha tương ứng ở

mạch ra ở cực C.Dong Ic qua R, gây sụt áp Ug, nên ta có điện áp Uce (chính là Ve)

14

Trang 16

được tính theo công thức trên Ic tăng làm Ve giảm và ngược lại, ta nói điện ấp ra

Vc ngược pha với điện ap vào.

Ung thường được chon trong khoảng từ 0.6V đến 0.7V

b Phân cực cho transistor dùng điện áp phản hôi.

Mắc điện trớ Rg từ chân C vẻ chân B.

Trang 17

Ger —Ững * Ecce

Rp= ———n~B TR

c Phân cực cho transistor dùng cau chia thế Se Re

Cau chia thé gồm Rạ, R; sẽ xác định điện thể Vp |

Lúc này: ; 7 $ ¬

ae = Up = Re] = Re n +

d Dùng cầu chia thế có bé chính nhiệt:

Ngoài Rạ.R; như trên chân E được mắc xuống a oa a

Masse qua một điện trở Re có tác dụng bô chính nhiệt

Ngoài ra người ta còn mắc song song với Rp một tụ Cy đẻ nỗi tắt dong tín hiệu từ Exuống masse, thường chon Cr có dung kháng Zp <<Re

a é dao a

Tùy theo cách đặt tín hiệu vào va lay tín hiệu ra, transistor có thê mắc theo

ba kiểu mạch: cực gốc chung, cực phát chung, cực góp chung

Chúng ta lần lượt mắc một transistor PNP theo ba sơ đồ đó, và xét các yếu

to:

- Pha giữa điện ap ra va điện áp vào.

- Trở kháng vào, tro kháng ra.

- Độ tăng dòng, độ tăng điện áp, độ tăng công suất.

Trang 18

Tiếp giáp EB được phân cực thuận, còn tiếp giáp BC được phân cực

ngược.C¡, C¿ là tụ điện liên lạc tín hiệu với tầng trước và tang sau.

Tín hiệu tới được đưa vào giữa hai cực phát - gốc (E - B), tín hiệu ra lay

giữa hai cực gốc - góp (B - C).

Cực gốc B chung cho ca mạch vào và mạch ra, nên gọi là mạch cực gốc

chung.

Khi ta đưa tín biệu tới đầu vào của mạch:

- Nitra chu kỳ dương của tín hiệu vào: Điện áp đương của tín hiệu hợp với

điện áp đương của nguồn E, , làm cực phát có điện áp dương hơn trước

so VỚI Cực gốc Upe tăng làm cho tiếp giáp EB phan cực thuận bởi điện áp

lớn hon, do đó Ip tăng lên, làm dòng I¢ tăng sụt áp trên R, tăng điện áp

Ức giảm, nghĩa là dương lên, nên điện áp ra dương hơn.

- Nửa chu kỷ âm của tín hiệu vào: Điện áp âm của tín hiệu làm giảm điện

áp dương của nguồn E;, làm cho U; bớt dương hon so với cực gốc nên

Use giảm, làm cho I; giảm, kéo theo Ic giảm Sụt ap trên R2 giảm, điện

áp Úc tăng lên, nghĩa là âm hơn, làm cho tín hiệu ra âm đi.

Như vay, trong mach cực gốc chung: điện áp ra đồng pha với điện áp vào.

Dựa vào tính toán, người ta cũng tính được tro kháng vào và tro kháng ra, độ tang

dong, độ tăng áp, độ tăng công suất của transistor

- Tro kháng vào R; có trị số khoảng 30-300 (Q)

K, lớn trong khoảng từ vài trăm đến một nghìn

- Độ tăng công suât:

17

Trang 19

ER, R R,

= a.— =—

Ky dat giá trị khoảng 100 đến 1000.

Mạch cực gốc chung chi đùng trong tang dao động cúa máy thu, dé dao động được ôn định, ít méo hoặc trong các tang khuếch đại âm tân dau, yêu cau độ méo

nhỏ, tạp âm ít, ôn định cao, hoặc trong tầng công suất các máy tăng âm có chất

lượng cao.

b Mạch cực phát chung:

Sơ để mạch như hình vẽ:

Hai cực EB được phân cực thuận, BC được phân cực nghịch Tín hiệu vào

đưa tới giữa hai cực BE Tín hiệu ra được lấy từ hai đầu điện trở Rạ; nghĩa là giữa

hai cực EC.

Cực phát E tham gia cá mạch vào và mạch ra, nên mạch này gọi là mạch cực phát chung.

Khi ta đưa tín hiệu tới đầu vào của mạch:

- Nửa chu kỳ dương của tín hiệu vào: điện áp dương của tín hiệu làm cho

Us bớt âm hơn Use giảm, lạ và Ic đều giảm Sut áp trên Rạ giảm đi, làm

cho Uc tang, tức là làm Uc âm hơn.

18

Trang 20

- Nửa chu ky âm cua tín hiệu vào: điện ấp âm cua tín hiệu phối hợp với

điện áp âm ở cực gốc làm cho Up âm hơn Ưạp tăng lên, Iva Ic đều tăng.

Sut áp trên R; tăng, làm cho Uc giảm, tức là Uc dương lên.

Như vậy điện áp ra và điện áp vào ngược pha nhau

Qua đây ta thay, Upp thay đổi thì Iạ,Iz thay đôi, và Ic cũng thay đồi theo

K, có giá trị trong khoảng vài tăm đến vài nghìn.

- Độ tăng công suất;

: ER, R,>»

K, có giá trị trong khoảng 1000 — 10000.

Mach cực phát chung là kiều mạch được dùng phô biến nhất vì K,, K,,K, đều lớn và hơn nữa Ry, R; không quá chênh lệch như mạch cực gốc chung Nên trong

máy thông dụng thường ghép tang theo kiêu điện tro điện dung, vừa gọn nhẹ, vừa

Trang 21

Cực góp vừa tham gia mạch vào, vừa tham gia mạch ra, nên gọi là mạch cực

góp chung Tiếp giáp EB được phân cực thuận, tiếp giáp BC được phân cực ngược.

Khi ta đưa tín biệu tới đầu vào của mạch:

Nửa chu kỳ dương của tín hiệu vào: cực gốc có điện áp ít âm hơn nên

Uge giảm, dòng phát Ip giảm, sụt áp trên R: giảm, Ug bớt âm hơn, nghĩa

là dương hơn trước khi có tín biệu vào.

Nửa chu ky âm của tín hiệu vào: cực gốc có điện áp âm hơn trước, Use

tăng,làm cho ly tăng, sụt áp trên R¿ tăng lên nên Ủy càng âm hơn.

Như vậy điện áp ra đông pha với điện áp vào

Tro kháng vào R; khoảng 20KQ - 500K 9Ô.

Độ tăng công suất nhỏ khoảng vài chục.

20

Trang 22

Mach cực góp chung thường chi dùng ở tang khuếch đại âm tan dau cho các

máy quay đĩa hoặc máy thu có đĩa Nó còn dùng trong tang đệm thay biến áp giữa

hai tang mạch cực phát chung vì nó có trở kháng vào lớn dé phối hợp với trở kháng

vào nhỏ của transistor sau.

khuếch đại âm tan đệm.

đầu, khuếch đại

66 a a

a Dong cực đại cho phép.

Tùy theo diện tích mặt tiếp xúc, vật liệu và công nghệ chế tạo, điều kiện tỏa

nhiệt, mỗi transistor chỉ cho phép một dong điện toi đa trên mỗi điện cực Ta

thường kí hiệu các giới hạn này là: Tess Tama Lemar

b Điện áp cực đại cho phép.

Đó là các điện áp không được vượt quá dé không gây đánh thủng các chuyểntiếp P - N tương ứng

Trang 23

c Công suất tiêu tán cực đại cho phép.

Khi làm việc trong một tầng khuếch đại nào đó, để không phá hỏng

transistor, công suất tức thời tiêu tán trên transistor nhất thiết không được vượt quá

giá trị Pens.

Pcmsx = [cmx-Ucg

Mỗi transistor có một công suất tiêu tán cực đại cho phép

d Tần số giới hạn.

Thông thường transistor chí làm việc một cách hiệu qua đến một tần số nhất

định Khi tần số tín biệu tăng cao, vai trò điện dung các chuyền tiếp P —N dan dantré nên đáng kẻ Mặt khác chuyển động của hạt dẫn qua chiều day vùng B khôngthé coi là tức thời mà chiếm một thời gian đáng kế so với chu kỳ tín hiệu, gây nên

tinh trạng “méo pha”, “méo tần số”,

- Cực máng D (Drain): đây là cực thu hút hạt dan điện cơ bản.

- _ Cực công G (gate); năm ở giữa thanh, đây là một loại bán dẫn khác.

ườ ự ử é

a Cầu tạo

Sơ đỗ cấu tạo và kí hiệu như hình vẽ.

b Hoạt động.

Ta xét loại JFET kênh N:

Đề cho transistor trường hoạt động, người ta phân cực cho các lớp tiếp giáp

như hình vẽ Giữa nguồn và máng có mắc thêm nguồn Ups Khi đó electron bắt đầu

chuyên động tử nguồn về máng qua kênh dan, tạo nên dong điện máng Ips (hay Ip)

22

Trang 24

23

Trang 25

Đặt một điện áp phân cực ngược Ugs ở hai mặt tiếp XÚC công G và kênh, sẽ

tạo thành một vùng hiếm electron ở kênh, vùng nghèo hat mang điện tăng lên làm

thu hẹp tiết điện của kênh dẫn, và tiết diện của kênh dẫn bị nghẽn lại

Điện trở suất của kênh dẫn khá lớn nên khi chạy qua kênh dẫn, dòng Ip sẽ gây ra một sự phân bo điện the dọc theo chiều dài của kênh Các điểm trong kênh có

vị trí càng gần cực D (tức là càng xa cực S) sẽ có điện thé càng cao, do đó tình trạngphân cực nghịch của chuyển tiếp P - N tăng dan theo hướng từ cực S tới cực D Vì

vậy bé day của vùng nghèo cũng tăng dan theo hướng đó Nói cách khác: kênh dẫn

có tiết điện giảm dan : ở gan cực D kênh dẫn là hẹp nhất

Nếu giữ Ups không đôi tăng dan Ugs:tinh trang phân cực nghịch của chuyên

tiếp P — N sẽ càng tăng: vùng nghèo càng mở rộng, kênh dẫn càng thu hẹp Do đó

điện trở kênh dẫn càng tăng và dòng máng Ip càng giảm Còn dòng giữa cực G và

cực S chỉ là đòng ngược của chuyên tiếp P - N, thường rất nhó không đáng kẻ.

Nếu Ugs tiếp tục tăng thì kênh DS sẽ bị nghẽn hoàn toàn: Ip = 0 Vậy Ip phụ

thuộc Ugs Ta có: Đặc tuyên truyền dat: Ip = f(Ugs), khi Ups = const

Nếu Ugs = 0, Ups tăng dan từ 0:

+ Khi Ups còn nhỏ, phân bo điện the do Ups gây ra trên điện trở kênh dan ảnh hưởng chưa đáng kế đến chiều dày vùng nghèo và tiết diện của kênh, vì vậy

kénh dẫn đóng vai trò như một điện trở thông thường với giá tri hau như không đổi :

điện áp tăng khiến đòng điện tăng theo.

+ Ups lớn dan: vùng nghèo ngày càng mở rộng lan sâu vào kênh dan, thu hep

tiết điện của kênh làm cho điện trở kênh tang và dong Ip tăng chậm lại.

+ Khi Ups = U, : vùng nghèo mở rộng đến tới mức choán hết tiết diện của

kênh tại vùng gan cực D, nghĩa là kênh dẫn bị thắt lại ở phía cực mang.U, là điện

áp thắt

+ Khi Ups > Up: vùng nghèo tiếp tục mở rộng, miễn kênh bị that trải dai về

phía cực nguôn S, làm cho điện trở kênh dẫn càng tăng Vì vậy tuy Ups tăng nhưng

dong Ip hau như ít thay đôi và đạt giá trị bão hòa.

+ Khi Ups quá lớn: xảy ra hiện tượng đánh thủng chuyền tiếp P - N

24

Trang 26

Vậy Ip phụ thuộc Ups, Ta có đặc tuyến máng: Ip = f(Ups), khi Ugs = const.

ườ ui iw

a Cau tạo:

Sơ đỗ cau tạo và kí hiệu như hình vẽ.

Kênh P Cực D

Trang 27

Đó là một thanh bán dẫn loại N hay P dùng làm nẻn, nối ra ngoài bang cực B

hay cực S Phía trên thanh nên có một kênh bán dẫn loại P hay N mỏng, hai dau

kênh dẫn được nỗi ra hai cực nguồn S và máng D Phía trên kênh bán dẫn là một

lớp cách điện bang SiO, được nỗi ra ngoài bằng cực công G, cách điện với các cực

kia.

b Hoạt động:

Xét hoạt động của MOSFET kênh N.

Đề phân cực cho MOSFET người ta đặt một điện áp Ups>0 Ban đầu dưới

tác dụng của Ups qua kênh dẫn và cực máng có dòng điện Ip, tạo bởi hat dẫn đa số

của kênh.

Đặt điện áp âm phân cực ở công G :Ugs<0, các điện tích âm tích tụ trên cực

G, các điện tích dương sẽ tích tụ ở cực đối điện, tức là trong kênh dẫn (lớp SiO,

đóng vai trò điện môi của tụ) Các điện tích dương này sẽ tái hợp với điện tứ, làmgiảm nông độ hạt dẫn vốn có trong kênh, khiến điện trở của kênh tăng và dòng

máng Ip giảm.Càng tang trị số của Ugs dòng Ip càng giảm Chẻ độ làm việc như vậy

dùng giá trị của Ugs dé điều khiến dong Ip tăng hay giảm.

Ta có đặc tuyển truyền đạt và đặc tuyển ra của MOSFET kênh có sẵn loại N

như hình vẽ:

26

Trang 28

A a ado uw a a ứ

a Câu tạo.

Trên cùng một nén bán dẫn P hay N, trên đó có hai cực nguồn § và máng D bang chat bán dẫn N hay P, nhưng hai cực này tách biệt nhau không nỗi với nhau

như MOSFET loại kênh có sẵn

Sơ đồ cau tạo và kí hiệu như hình vẽ

Trang 29

b Hoạt động:

Xét hoạt động của MOSFET kênh N.

Đặt điện áp dương phân cực ở cực G: Ugs > 0, các điện tích dương thu nhận

các electron tự do từ cực nguôn S của chat bán dẫn N, tạo thành một kênh bán dan

N ngay dưới lớp SiO, làm cho dòng máng — nguôn Ip tăng lên.

Đặt điện áp âm phân cực ở cực cửa : Ugs = < 0, không có đòng cực máng Ip

do ton tại hai tiếp giáp P - N mắc đối nhau Do đó không tổn tại kênh nỗi

mang — nguồn.

28

Trang 30

ươ A E DA A OE

a é da

Một mạch khuếch đại thường gồm nhiều tằng, mỗi tầng gôm một số linh

kiện, có thê phân loại theo nhiệm vụ của nó:

- Khuếch đại điện áp.

- Khuéch đại công suất.

- Khuếch đại đòng một chiéu( các tín hiệu một chiều)

Hoặc phân loại theo dai tan hoạt động:

- Khuếch đại tần số thấp ( vài Hz đến vài chục Hz).

- Khuéch đại tần số cao ( vài chục KHz đến vài ngàn MHz)

Hoặc phân loại theo chế độ hoạt động:

- Khuếch đại hạng A: điểm làm việc nằm trên phần thăng của đặc tuyến,

khuếch đại trung thực, dùng trong mạch khuếch đại điện áp Khuyết điểm: hiệu suất

thấp đo dòng I tiêu thụ lớn

- Khuếch đại hạng B: điểm làm việc nằm ở gốc của đặc tuyến nên có một

phan nhỏ đặc tuyến nim trên đoạn cong ở gốc Dùng trong các mạch khuếch đại

công suất, hiệu suất lớn hơn nhiều ở chế độ A, có tín hiệu đến mạch thì dòng I mới

đáng kê.

- Khuếch đại hạng C: điểm hoạt động nằm xa gốc của đặc tuyến, biên độ tín

hiệu phải lớn mạch mới khuếch đại được, hiệu suất lớn hơn ở chế độ B, độ méo dang đáng kê.

Khuếch đại là một quá trình biến đôi năng lượng của nguồn cung cap một

chiều (không chứa đựng thông tin) được bien đổi thành dang năng lượng xoay chiều

(có quy luật bién đổi mang thông tin cân thiết)

ự ộ à é da

Phan tử điều khiến (transistor) có điện trở thay đổi theo sự điều khiển của

điện áp hay dòng điện đặt tới cực gốc của nó,qua đó điều khien quy luật bien đôi

29

Trang 31

đòng điện của mạch ra Tại lối ra người ta nhận được một điện áp biến thiên cùng

quy luật với tín hiệu vào nhưng độ lớn được tăng lên nhiều lần.

Giả thiết điện áp đặt vào cực B có dạng hình sin Ta thay điện áp, dòng ra ở

mạch tỉ lệ với điện áp dòng điện của tín hiệu vào Cụ thé là:

- Dòng điện ra coi như là tông đại số của hai thành phản: thành phần một chiều (ứng với trạng thái tĩnh) và thành phần xoay chiêu do tín hiệu xoay chiều Vs

gây ra.

- Điện áp ra Uce(t) coi như là tông của hai thành phần : thành phan một

chiều Ueso và thành phần xoay chiều Ucg

Một điểm cần lưu ý là: phải đảm bảo sao cho biên độ thành phần xoay chiềukhông vượt quá thành phan một chiều, nghĩa là lạ > lạ, Up = Um Nếu điều kiện

này không được thỏa man thì dong điện ở mạch ra trong từng khoảng thời gian

nhất định sẽ bằng không và sẽ làm méo đạng tín hiệu ra

Minh họa như hình vẽ:

Tùy theo vị trí điểm làm việc tĩnh Q trên đường tải xoay chiều, người ta phân

biệt các chế độ làm việc sau đây:

30

Trang 32

é độ

Chọn điện áp phân cực sao cho điểm tinh Q nam ở khoảng giữa đoạn MN

trên đường tải xoay chiều (M,N lần lượt là giao điểm của đường thang tai với đặc tuyến ra ứng với dòng cực đại Inu và dong cực tiểu I„x„).

Xem hình vẽ.

Đặc điểm của chế độ này là:

- Khuếch đại trung thực, vùng làm việc gây ra méo nhỏ nhất

- Dòng tĩnh và áp tĩnh luôn khác 0, nghĩa là ngay ở trang thái tinh, tang

khuếch đại đã tiêu hao một năng lượng đáng kẻ Biên độ dòng và áp xoay chiều lay

ra (Tem cg„) toi đa chỉ băng đòng và áp tĩnh Vì vậy chế độ Aco hiệu suất thấp.

Chế độ A thường dùng trong các tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ.

ế độ

Chọn điện áp phân cực sao cho vị trí điểm tĩnh Q trùng với điểm D hoặc

điểm N Ta nói phần tử khuếch đại làm việc ở chế độ B.

Xem hình vẽ.

31

Trang 33

Dé € 6

uw tf ou

Đặc điểm của chế độ nay:

- Khi dòng điện vào hoặc điện ap vào có dạng hình sin thì dòng điện ra

hoặc điện ấp ra chi còn nửa (hoặc già nửa) hình sin, nói cách khác: méo phi tuyến

trầm trọng

- Ở trạng thái tĩnh, dòng leo gần bằng 0, do đó năng lượng tiêu thụ bởi tang

khuếch đại rất nhỏ.Chỉ ở trang thái động, dong điện mới tăng dan theo biên độ tín

hiệu vào Do đó năng lượng tiêu thụ cũng tỉ lệ với biên độ tín hiệu xoay chiều lấy

ra Như vậy chế độ B có hiệu suất cao.

Ché độ B thường dùng trong các tầng khuếch đại công suất ( các tầng cuối của thiết bị khuếch đại) Dé khắc phục méo phi tuyến, nó đòi hỏi mạch phải có hai 2

về đối xứng, thay phiên nhau làm việc trong hai nửa chu ki (mạch push- pull)

Trên thực té người ta còn dùng chế độ AB: Diem Q chọn trên điểm N và gân

điểm này Lúc đó phát huy được ưu điểm của mỗi chế độ, giảm méo phi tuyến

nhưng hiệu suất kém hơn ở chế độ B.

é độ ọ é dod ở é độ

Tang khuếch đại làm việc ở một trong hai trạng thái đối lập: trạng thái khóa

(hoặc trạng thái tit) khi Q năm dưới điểm N, trạng thái dẫn bão hòa (hoặc trang thái

mở) khi Q nằm phía trên điểm M (gan điểm C) Chế độ thường gặp ở các mạch

xung.

32

Trang 34

a 6 é@

Di i

Hỏi tiếp là hiện tượng đưa tín hiệu ở ngõ ra của bộ khuếch đại (hoặc tầng

khuếch đại) ngược trở vẻ ngõ vào, nghĩa là trái với đường truyền thông thường của

quá trình khuếch đại

Un

a

Goi K là hệ số khuếch đại khi chưa có hỏi tiếp, K là hệ số khuếch đại khi có

hỏi tiếp

- Nếu K<K: Tín hiệu ra ngược pha tín hiệu vào Ta có hỏi tiếp âm Tuy

hệ số khuếch đại K giảm nhưng dai thông được mo rộng ca hai phía finip Ế:„›

- Nếu K >K: Tín hiệu ngã ra đồng pha tín hiệu ngã vào gọi là hồi tiếpđương.

Hệ số khuếch đại K tăng nhưng mạch khuếch đại kém ôn định Trong trường

hợp K rất lớn thì mạch khuếch đại trở thành mạch dao động

a

Hỏi tiếp âm rất thông dụng trong các mạch khuếch đại Nó cải thiện nhiều

tính năng của mạch Trái lại hỏi tiếp dương thường làm bộ khuếch đại giảm sút chat lượng, thậm chí pha hỏng trang thái ôn định của nó, do đó rất cần tránh Hỏi tiếp

đương chỉ được dùng trong các mạch dao động mà thôi.

33

Trang 35

& ệ iow

Đây là một loại mạch hết sức phô biến và rất van năng trong số các mạch tích hợp tuyến tính Nó được coi là “viên gạch cơ ban” dé xây dựng nên nhiều hệ thong điện tử tuyến tính (hoặc không tuyến tính) phức tạp Khuếch đại thuật toán là

một bộ khuếch đại nói ting trực tiếp, có hệ số khuếch đại rất lớn, thường sử dụng

các mạch liên kết ngược dé không chế các đặc trưng, đồng thời dé thỏa mãn các

chức năng nhất định.

Từ khi mới ra đời, mạch khuếch đại thuật toán được thiết kế để thực hiện các

phép tính bằng cách sử dụng điện áp như một giá trị tương tự dé mô phỏng các đạilượng khác Đây là thành phan cơ bản trong các máy tính tương tự, trong đó mạchkhuếch đại thuật toán sẽ thực hiện các thuật toán như Cộng, Trừ Tích phân và Viphân v.v Tuy nhiên, mạch khuếch đại thuật toán lại rất đa năng, với rất nhiều ứng

đụng khác ngoài các ứng dụng thuật toán.

Trong khi các mạch khuếch đại thuật toán đầu tiên phát triển trên các đèn

điện tử chân không giờ đây chúng thường được sản xuất dưới dạng mạch tích hợp

gọi là các IC, mặc dù vậy, những phiên bản lắp ráp bằng linh kiện rời cũng được sử

dụng nêu can những tiện ích vượt quá tâm của các IC

Những mạch khuếch đại thuật toán tích hợp đầu tiên được ứng dụng rộng rãi

từ cudi thập niên 1960 và ngày càng tốt hơn Những thiết kế tốt hơn đã được giới

thiệu, một số dựa trên transistor hiệu ứng trường FET (cuối thập niên 1970) va

transistor hiệu ứng trường có công cách điện MOSFET (dau thập niên 1980)

ứ A

Khuéch đại thuật toán (KDTT), còn gọi là OPAMP (viết tắt từ Opcrational

Amplifier) là một bộ khuếch dai DC, có hệ số khuéch dai A, rất cao và thường được

chế tạo dưới dạng tích hợp (IC).

Khuéch đại thuật toán thường được dùng dé thực hiện các thuật toán trong

máy tính tương tự cho nên nó có tên gọi như vậy Ngày nay, KDTT được ứng dụng

34

Trang 36

trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, với tầm tân số rộng từ DC đến hàng GHz như:

tạo đao động, hạn chế, so sánh

4a

Ấ ạ

Các mạch khuếch đại thuật toán thực nghiệm, được lắp ráp bằng các

transistor, các đèn điện tử chân không hoặc những linh kiện khuếch đại khác, được

trình bày dưới dạng những mạch linh kiện rời rạc hoặc các mạch tích hợp đã tỏ ra

rất tương hợp với những linh kiện thực sự.

Ngõ vào là tầng khuếch đại vi sai, tiếp theo là các tầng khuếch đại trung gian

(có thé là tầng đệm hoặc khuếch đại vi sai) tang dich mức DC đẻ đặt mức phân cực

DC ở ngõ ra, cudi cùng là tang đệm để khuếch đại dòng và có trở kháng ra thấp, tạo

tín hiệu bat đối xứng ở ngõ ra Các tang khuếch đại đều ghép trực tiếp với nhau

Tiêu đề	Khảo Sát Đặc Tính Opamp. Ứng Dụng Lắp Ráp Máy Phát Sóng Đơn Giản
Tác giả	Nguyễn Thị Thu Trang
Người hướng dẫn	Thầy Cao Anh Tuan
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm TP.HCM
Chuyên ngành	Vật Lý
Thể loại	khóa luận tốt nghiệp
Năm xuất bản	2010
Thành phố	TP.HCM

Định dạng
Số trang	73
Dung lượng	61,07 MB