bài thí nghiệm mạch khuếch đại và mạch lọc

Bài thí nghiệm mạch khuếch đại mạch lọc ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÀI MẠCH KHUẾCH ĐẠI 1 Bài thí nghiệm mạch khuếch đại mạch lọc BÀI 1: MẠCH KHUẾCH ĐẠI I MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐO Mục đích • Khảo sát mạch khuếch đại đo thực tế • Khảo sát ảnh hưởng lệch cân mạch khuếch đại vi sai • Khảo sát mạch khuếch đại làm việc chế độ Mode chung – Common mode Các thiết bò cần dùng thí nghiệm, gồm: • Máy phát tín hiệu tần thấp (Sin, xung vuông) có dải tần từ 20Hz đến 20KHz • Oscilloscope kênh • Bộ thí nghiệm Biosignal Processing Circuits Cơ sở lý thuyết Mạch khuếch đại đo dùng thí nghiệm gồm có tầng khuếch đại đầu, tầng khuếch đại vi sai Sơ đồ nguyên lý chi tiết mạch khuếch đại đo mô tả nội dung thí nghiệm Tầng khuếch đại đầu Tầng mạch khuếch đại đo mạch khuếch đại vi sai, có hai đầu vào nối trực tiếp với hai đầu vào không đảo hai khuếch đại thuật toán với mục đích tăng trở kháng vào mạch Hình vẽ sơ đồ nguyên lý tổng quát mạch khuếch đại đầu P1 + U A741 R Uvvs R Urvs R3 U A741 - + P2 Hình 1: Sơ đồ nguyên lý tổng quát mạch khuếch đại đầu Hệ số khuếch đại đầu tính sau: Với điều kiện R3=R1 ta có: 2 Bài thí nghiệm mạch khuếch đại mạch lọc Tầng khuếch đại vi sai Tầng khuếch đại cuối làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu từ tầng khuếch đại trước mạch khuếch đại đo Hình vẽ sơ đồ nguyên lý tổng quát tầng khuếch đại vi sai R R Uvvs Ur P4 U A741 + R3 - P3 R Hình 2: Sơ đồ nguyên lý tổng quát tầng khuếch đại vi sai  Mạch làm việc chế độ khuếch đại vi sai Nếu đưa tín hiệu vi sai vào hai đầu vào hình vẽ 2, hệ số khuếch đại mạch là: Với điều kiện R1 = R3, R2 = R4,ta có: R Ur K vs = = Uvvs R1  Mạch khuếch đại làm việc chế độ Mode chung Nếu nối tắt P3-P4 mạch làm việc chế độ Mode chung Khi tín hiệu vào mạch biểu diễn sau: R R Ur Uv + R U A741 - R Hình 3: Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại vi sai làm việc chế độ Mode chung 3 Bài thí nghiệm mạch khuếch đại mạch lọc Trong trường hợp này, hệ số khuếch đại Mode chung là: U K CM = r ⇒ Uv nhỏ so với hệ số khuếch đại Kvs, nhỏ cỡ (-80dB) – (-100dB) (10-4 – 10-5 lần) Đặc trưng khác hai chế độ khuếch đại vi sai Mode chung thể tỷ số nén Mode chung CMRR (Common Mode Rejection Ratio) K CMRR = vs K cm (Giá trò 10.000 ÷100.000 tương ứng với 80dB ÷ 100dB) 4 Bài thí nghiệm mạch khuếch đại mạch lọc Nội dung thí nghiệm Tầng tạo cặp tín hiệu đảo pha khuếch đại cuối Tầng khuếch đại vi sai Tầng Hình 4: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại đo lường Chú ý: + Chuyển mạch S1 dùng để tạo chế độ làm việc khác Các chuyển mạch S2, S3, S4 tạo lệch cân mạch khuếch đại cuối trình khảo sát sơ đồ mạch thí nghiệm + Trong hình vẽ có phần mạch “tầng tạo cặp tín hiệu đảo pha” Do tín hiệu dùng từ máy phát tín hiệu đơn mà mạch khuếch đại vi sai cần cặp tín hiệu đảo pha điểm P1 P2 Nên cần lắp thêm mạch tạo cặp tín hiệu đảo pha Trong sơ đồ mạch thí nghiệm, giá trò linh kiện chọn để cho biện độ tín hiệu P1 P2 gần biên độ tín hiệu Uv Vì vậy, tính toán hệ số khuếch đại mạch coi UP1m = UP2m = UVm.? Các bước thí nghiệm  Nối đầu máy phát tín hiệu vào kênh CH1 Oscilloscope tới đầu IN tầng tạo cặp tín hiệu đảo pha  Bật công tắc nguồn xoay chiều vò trí ON  Bật công tắc nguồn chiều mạch khuếch đại đo lường vế vò trí ON  Điều chỉnh tín hiệu từ máy phát tín hiệu có biên độ 50mV, tần số 1.000Hz  Dùng que đo kênh CH2 Oscilloscope đo tín hiệu điểm P3 (Ura IC1), P4 (Ura IC2) Ura toàn mạch (OUT) Khi vò trí chuyển mạch biến trở vò trí sau: a.Trường hợp 1: Khi VR1, VR2, VR3 vò trí (có R nhỏ nhất) vò trí chuyển mạch sau: (tại trường hợp tổ hợp 5 Bài thí nghiệm mạch khuếch đại mạch lọc vò trí chuyển mạch S1, S2, S3, S4: khảo sát vẽ lại dạng tín hiệu điểm P3, P4 Ura Oscilloscope) Lưu ý: Đo xác biên độ tín hiệu điểm 1) Mạch khuếch đại đo lường làm việc chế độ cân Khi: S1 S2 S3 S4 2) Mạch khuếch đại đo lường làm việc chế độ vi sai Khi: S1 S2 S3 S4 3) Mạch khuếch đại đo lệch cân khuếch Khi: S1 S2 S3 S4 lường làm việc chế độ vi sai đại cuối 2 4) Mạch khuếch đại đo lệch cân khuếch Khi: S1 S2 S3 S4 lường làm việc chế độ vi sai đại cuối 1 5) Mạch khuếch đại đo lường làm việc chế độ Mode chung Khi: S1 S2 S3 S4 5) Mạch khuếch đại đo lường làm việc chế độ Mode chung lệch cân nhiều Khi: S1 S2 S3 S4 7) Mạch khuếch đại đo lường làm việc chế độ Mode chung lệch cân khuếch đại cuối Khi: S1 S2 S3 S4 6 Bài thí nghiệm mạch khuếch đại mạch lọc 8) Mạch khuếch đại đo lường làm việc chế độ Mode chung lệch cân khuếch đại cuối Khi: S1 S2 S3 S4 b.Trường hợp 2: Để vò trí chuyển mạch trạng thái (4) (trong trường hợp 1) để VR3 = max, thay đổi giá trò VR1, VR2 trường hợp sau:  Khi:VR1 = max VR2 =  Khi: VR1 = max VR2 = max  Khi:VR1 = VR2 = max c Trường hợp 3: Để chuyển mạch vò trí sau: Khi: S1 S2 S3 S4 VR1 = min, VR2 = min, VR3 = Tăng dần biên độ tín hiệu vào từ máy phát Quan sát hình Oscilloscope Ur bắt đầu méo Hãy:  Vẽ dạng tín hiệu Ur  Ghi lại giá trò biên độ tín hiệu đầu vào IN 7 Bài thí nghiệm mạch khuếch đại mạch lọc Báo cáo thí nghiệm Vẽ dạng tín hiệu đo P3, P4 Ur ứng với trường hợp (trường hợp 1, trường hợp 2, trường hợp 3) Tính hệ số khuếch đại tầng khuếch đại đầu mạch khuếch đại đo theo số liệu đo ứng với trường hợp tổ hợp khác công tắc S1, S2, S3, S4 So sánh với số liệu tính theo công thức Tính hệ số nén tín hiệu Mode chung tầng khuếch đại vi sai trường hợp công tắc S2 vò trí theo số liệu đo (với tất trường hợp công tắc) a) Trường hợp 1: Trạng thái Ura P3 1) Mạch cân bằng: • • • Hệ sớ đầu: • • Ura = 0.85V UP3 = 45mV UP4 = 45mV khuếch đại tầng Kkđđ lý thuyết = Kkđđ thực tế = 0.9 2) Chế đợ vi sai: • • • Hệ sớ đầu: • Ura = 5,5V UP3 = 0.28V UP4 = 0.29V khuếch đại tầng Kkđđ lý thuyết= 1+2(R1/R2) = 1+2(16/5,6) = 6.7 • Kkđđ thực tế = 5.7 3) Chế đợ vi sai lệch cân bằng KĐ ći: • Ura = 4V • UP3 = 0.28V • UP4 = 0.28V Hệ sớ khuếch đại tầng đầu: • Kkđđ lý thuyết = 6.7 • Kkđđ thực tế = 5.6 8 P4 Bài thí nghiệm mạch khuếch đại mạch lọc 4) Chế đợ vi sai lệch cân bằng KĐ ći: • Ura = 5.3V • UP3 = 0.27V • UP4 = 0.28V Hệ sớ khuếch đại tầng đầu: • Kkđđ lý thuyết = 6.7 • Kkđđ thực tế = 5.5 5) Chế đợ Mode chung: • Ura = 13mV • UP3 = 0.27V • UP4 = 0.28V Hệ sớ khuếch đại tầng đầu: • KVS = 110 • KCM=0.26 • CMRR = 423 6) Chế đợ Mode chung lệch cân bằng nhiều nhất: • Ura = 2.3V • UP3 = 0.27V • UP4 = 0.28V Hệ sớ khuếch đại tầng đầu: • KCM= 46 7) Chế đợ Mode chung lệch cân bằng KĐ ći: • Ura = 0.09V • UP3 = 0.27V • UP4 = 0.28V Hệ sớ khuếch đại tầng đầu: • KVS= 106 • KCM= 1.8 • CMRR = 59 9 Bài thí nghiệm mạch khuếch đại mạch lọc 8) Chế đợ Mode chung lệch cân bằng KĐ ći: • Ura = 2V • UP3 = 0.27V • UP4 = 0.28V Hệ sớ khuếch đại tầng đầu: • KVS= 80 • KCM= 40 • CMRR = b) Trường hợp 2:VR3= max, điều chỉnh VR1 VR2: Ura P3 VR1 max, VR2 U3 = 0.28V, U4 = 0.29V, Ura = 5.2V R2 = 6.6K,R1=R3=16K • • • Kkđđ lý thuyết = 1+2(R1/R2) = 5.85 K kđđ thực tế = 5.7 Kvs = 104 VR1 max,VR2 max U3 = 0.34V, U4= 0.28V, Ura = 6.2V R1=21K, R2=6.6K, R3=16K • Kkđđ lý thuyết = 1+R1/R2+R3/R2=6.6 • Kkđđ thực tế = 6.2 • Kvs = 124 10 10 P4 Bài thí nghiệm mạch khuếch đại mạch lọc VR1 min, VR2 max U3 = 0.4V, U4 = 0.29V, Ura = 6.2V R1 =21K, R2=5.6K, R3=16K • Kkđđ lý thuyết = 1+ R1/R2 + R3/R2 = 7.6 • Kkđđ thực tế = 6.9 • Kvs = 124 c) Trường hợp 3:VR3 = VR1 = VR2 = min, tăng dần biên đợ tín hiệu: Ura chưa xén KVS = 112 11 Ura bắt đầu xén KVS = 112.22 11 Ura xén nhiều KVS = 58.82 Bài thí nghiệm mạch khuếch đại mạch lọc II MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÁCH LY QUANG Mục đích • Khảo sát mạch khuếch đại cách ly quang • Tính hệ số khuếch đại mạch theo lý thuyết theo thực nghiệm So sánh hai kết Các thiết bò cần dụng thí nghiệm, gồm: • Máy phát tín hiệu tần thấp (Sin, xung vuông) có dải tần từ 20Hz đến 20KHz • Oscilloscope kênh • Bộ thí nghiệm Biosignal Processing Circuits Cơ sở lý thuyết Mạch khuếch đại cách ly quang sử dụng phần tử photocouple để cách ly tín hiệu điện hai tầng khuếch đại Tín hiệu điện áp khuếch đại IC1 chuyển đổi thành tín hiệu quang nhờ photocouple OC1, sau tín hiệu quang biến đổi lại thành tín hiệu điện nhờ photocouple OC2 Sơ đồ nguyên lý tổng quát mạch khuếch đại cách ly quang U A741 IN Uv + OC1 R +E +E R B Ib U A741 OUT Ur Ia + A - OC2 R a R R b Hình 5: Sơ đồ nguyên lý tổng quát mạch khuếch đại cách ly quang U U U A Uv = Ib = B = r Ra Ra ; Rb K Rb Dòng Ia Ib tính sau: R Ur = K b Uv Ra Ia = Ib ta có ( Ra=Rb) U R K= r a U v Rb Từ ta tính hệ số khuếch đại: Khi Ra>Rb Ia