BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MẠCH ĐIỆN TỬ KHẢO SÁT đáp ỨNG TẦN SỐ MẠCH KHUẾCH đại GHÉP e CHUNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MƠN ĐIỆN TỬ *********** BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MẠCH ĐIỆN TỬ BÀI 4: KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG TẦN SỐ MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP E CHUNG Giàng viên hướng dẫn : Nguyễn Thanh Phương Sinh viên thực 1910237 : Võ Dân Anh Kha Nguyễn Huy Hoàng 1910170 1911198 Huỳnh Nguyễn Đức Phúc Hậu Link record báo cáo : https://drive.google.com/file/d/16ClQPMuLILtV4F3j98GNJ2FnboRMzcI/view?usp=sharing Thành phố Hồ Chí Minh – 2021 I Mục tiêu thí nghiệm Bài thí nghiệm có mục đích giúp kiểm chứng nguyên lý hoạt động thông số hai mạch khuếch đại dùng BJT: Mạch khuếch đại ghép E chung không hồi tiếp mạch khuếch đại ghép E chung có hồi tiếp Hiểu rõ công dụng nguyên lý hoạt động mạch, góp phần việc hiểu xác cách tính tốn lý thuyết cúng vận dụng mạch vào thực tiễn nâng cao trình độ hiểu biết Cụ thể, thí nghiệm kiểm chứng tính toán lý thuyết độ lợi áp dãy mạch, tần số cắt thấp, tần số cắt cao từ thơng số cho, thơng số cịn thiếu lấy từ kết thí nghiệm thí nghiệm Tiếp theo đó, thí nghiệm u cầu sử dụng dao động ký để quan sát dạng sóng ngõ vào ngõ mạch tần số khác tính tồn độ lơi áp Từ độ lơi áp tính từ tần số thấp đến tần số cao, vẽ đáp ứng tần số mạch Trong q trình thí nghiệm, thí nghiệm giúp bạn hiểu thành thạo thao tác việc sử dụng thiết bị đo phòng thí nghiệm giả lập (hộp thí nghiệm chính, máy dao động ký…) thao tác thực dây mạch thực đo đạc để lấy số liệu cần thiết II Thí nghiệm kiểm chứng Hình 1: Mạch khuếch đại ghép E chung không hồi tiếp Mạch khuếch đại ghép E chung không hồi tiếp Thay BJT 2SD468 BJT 2SD592 sử dụng kit thí nghiệm, theo datasheet, ta có β = 128 (phân tích DC với hai mạch tương tự nhau) a Kiểm chứng lý thuyết mạch DC - Tính tốn lý thuyết: Ta có: V th = I B= V cc R R R =2.85V ; Rth = =4.27 kΩΩ R 1+ R R 1+ R V th −V BE −5 =3.74 × 10 A ( ) Rth + β+ R E I c =β × I β=0.004787 A V CE =5.225 V gm = Ic β =0.1915 A /V ; r Π = g =668 Ω 0,025 m Hình 2:Mạch phân tích DC - Kiểm chứng lý thuyết I C , β LTspice - Sơ đồ mạch kiểm chứng: op IC VCC 12 R22 C3 R16 R14 R12 R10 R3 C1 R8 R7 R23 R21 IB FEEE - BEE BK C&M LAB TP.HCM 2SD592/3 Q3 S/N: BJTLABSN004 2SD592/1 C2 R9 Q2 Q1 R11 IE Hình 3: Sơ đồ dây LTspice kiểm chứng DC Khi đo ta thu được: I(Ic): 0.00444359 device_current R17 R4 2SD592/2 R20 R19 R18 I(Vcc): I(Ib): I(Ie): -0.0049749 device_current 3.48145e-005 0.00447841 device_current device_current I C =0.00444359 ; I b =3.48 ×10−5 β= Ic =127.63 ≈ 128 Ib Bên cạnh đó, xem thơng số khác mục Text (tại thư mục lưu mạch làm): Semiconductor Device Operating Points: - Bipolar Transistors Name: q:u1:3 q:u1:2 q:u1:1 Model: u1:2sd592q3 u1:2sd592q2 u1:2sd592q1 Ib: 0.00e+00 0.00e+00 3.48e-05 Ic: 0.00e+00 0.00e+00 4.44e-03 Vbe: 0.00e+00 0.00e+00 6.12e-01 Vbc: 0.00e+00 0.00e+00 -4.62e+00 Vce: 0.00e+00 0.00e+00 5.24e+00 BetaDC: 0.00e+00 0.00e+00 1.28e+02 Gm: 0.00e+00 0.00e+00 1.71e-01 Rpi: 1.84e+10 1.84e+10 9.06e+02 Rx: 0.00e+00 0.00e+00 0.00e+00 Ro: 1.15e+11 1.15e+11 2.34e+04 Cbe: 5.00e-12 5.00e-12 1.79e-10 Cbc: 3.92e-11 3.92e-11 1.53e-11 Cjs: 0.00e+00 0.00e+00 0.00e+00 BetaAC: 0.00e+00 0.00e+00 1.55e+02 Cbx: 0.00e+00 0.00e+00 0.00e+00 Ft: 1.96e-01 1.96e-01 1.40e+08 Date: Mon Nov 15 16:58:06 2021 Total elapsed time: 0.069 seconds Các thơng số kể đến như: β=128 ; C μ=15.3 ×10−11 ; C π =1.79× 10−10 I c =0.0044 ; I b=3.48 ×10−5 ; gm =0.171; r π ¿ 906 Ω ; r =23.4 kΩΩ Kết luận: Có thể thấy tính tốn lý thuyết phép đo có chênh lệch nhỏ, vài sai số chênh lệnh giá trị thiết bị đo giả lập, không đáng kể b Khảo sát độ lợi áp tần số dãy A M mạch không hồi tiếp: Hình 4: Sơ đồ mạch tín hiệu nhỏ tần số dãy mạch khơng hồi tiếp Tính toán lý thuyết: R B=Rb /¿ r π =578 Ω với r π =668Ω , Rb =Rth=4.27 kΩΩ A M= V V o i c V be RB V = × × =−(r /¿ Rc /¿ R L ) × gm × =−57.43 V i i c V be V i Ri + R B V | A M|=35.1828 ⅆBB - Sơ đồ mạch LTspice: - Các thông số chính: - Vin hình sin, 10mV, tần số f = 10kHz, tụ có giá trị 100uF, thời gian giả lập 0.4ms Vout VCC VCC FEEE - BEE BK C&M LAB R21 2SD592/3 Q3 S/N: BJTLABSN004 2SD592/2 R4 R22 C3 R16 R14 R12 TP.HCM 12 R10 R3 2SD592/1 C2 R9 R23 Q1 Q2 R17 Vi C1 R7 R8 Vi VCC Vi SINE(0 10m 10k) R11 R20 R19 R18 tran 0.4m Hình 5: Sơ đồ mạch kiểm chứng Am - Dạng sóng ngõ quan sát so với dạng sóng ngõ vào: V(vi) 10mV 8mV 6mV 4mV 2mV Vin 0mV -2mV -4mV -6mV -8mV -10mV V(vout) 700mV 600mV 500mV 619.1616mV 400mV 300mV 200mV 100mV 0mV Vout -100mV -200mV -300mV -400mV -500mV -649.20114mV -600mV -700mV 0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µs 240µs 280µs 320µs 360µs 400µs So sánh, nhận xét kết luận: Ta có giá trị A M ≈ 63 V 0= V o p −p 619.1616+649.20114 = =634.18137 mV 2 V =¿|A M 1|≈ 36 dB V c Khảo sát đáp ứng tần số mạch - Tính toán lý thuyết tần số cắt cao thấp: - Đối với tần số cắt thấp, ta có: Hình 6b: Xét tụ Co Hình 6a: Xét tụ Ci RC 1=R B /¿ R B /¿ r π + Ri=1578 Ω RC 2=RC + R L =6.6 kΩΩ RC 3=R E /¿ r π + Rb ¿/ Ri =11.15 Ω β+1 Từ ta tính được: ω p 1= ω rad =6.337 =¿ f 1= =1.009 Hz R c1 ×C s 2π ( ) ω p 2= ω rad =1.51 =¿ f 2= =0.24 Hz R c2 ×C s 2π ω p 3= ω rad =897 =¿ f 3= =142.76 Hz R c3 ×C s 2π ( ) ( ) Vậy, ta có f L =f 3=142.76 Hz Với C 1=C2 =C3=100 μF Hình 6c: Xét tụ CE - Đối với tần số cắt cao, áp dụng hiệu ứng Miller ta có: Hình 7: Mạch tín hiệu nhỏ tần số cắt cao C μ=15.3 pF ; C π =179 pF C ¿=C π +Cμ× ( 1+ gm R'L ) =2.6 ×10−9F ( C out =Cμ × 1+ =15.4 pF gm R'L ) R'L=r ¿ /R C /¿ R L =819 Ω R'i=r π /¿ ¿ Suy ra: ω pi = rad =666981.9308 =¿ f pi ≈ 164.552 kΩHz s R ×C ¿ ( ) ' i ω po= rad =79298395.95 =¿ f po ≈ 12.62 MHz s R × Cout ' L ( ) Vậy f H =f pi ≈164.552 kΩHz d Thí nghiệm kiểm chứng - Sơ đồ nối dây LTspice Trước hết ta vào Simulate – Edit Simulatin Cmd – AC Analysis Vin Hình 8: Cấu hình AC Analysis VCC VCC Vin SINE() AC out ac dec 100 1G VCC FEEE - BEE BK C&M LAB 2SD592/2 2SD592/1 C2 R9 Q1 Q2 R11 Hình 9: Sơ đồ mạch kiểm chứng fL fH - Kết dạng sóng quan sát R23 R21 2SD592/3 Q3 S/N: BJTLABSN004 R4 R22 C3 R16 R14 R12 TP.HCM 12 R10 R3 R17 Vin C1 R8 R7 R20 R19 R18 V(out) 45dB -60° 140.8604KHz,33.12286dB 142.31214Hz,32.934934dB 36dB -90° 27dB -120° 18dB -150° 9dB -180° 0dB -210° -9dB -240° -18dB -270° -27dB -300° -36dB -330° -45dB -360° -54dB -390° -63dB 1Hz 10Hz 100Hz 1KHz 10KHz 100KHz 1MHz 10MHz Hình 10: Đồ thị dạng sóng ngõ khảo sát - Các giá trị f L , f H quan sát được: f L ≈ 142.31 Hz f H ≈ 140.86 kΩHz 100MHz -420° 1GHz Mạch khuếch đại ghép E chung có hồi tiếp Hình 11: Mạch khuếch đại ghép E chung có hồi tiếp a Khảo sát độ lợi áp tần số dãy A M mạch hồi Hình 12: Sơ đồ mạch tín hiệu nhỏ tần số dãy mạch hồi tiếp tiếp: Tính tốn lý thuyết: r π =668Ω , Rb =Rth =4.27 kΩΩ, R E=R E 1=22 Ω R B=Rb /¿ (r π + ( β +1 ) R E )=1925 Ω A M= V V o i c i b V be = × × × V i i c i b V be V i ¿−(r /¿ R c /¿ R L ) × β × RB V × =−19.67 ( ) R + R V r π + β +1 R E B i | A M|=25.8797 ⅆBB - Sơ đồ mạch LTspice: - Các thơng số chính: - Vin hình sin, 5mV, tần số f = 10kHz, tụ có giá trị 100uF, thời gian giả lập 0.4ms Vin VCC Vout FEEE - BEE BK C&M LAB TP.HCM 2SD592/2 2SD592/1 C2 R9 Q1 Q2 R17 R4 R11 R23 R21 2SD592/3 Q3 S/N: BJTLABSN004 12 R22 C3 R16 R14 R12 R10 R3 C1 R7 R8 Vin VCC Vin VCC SINE(0 5m 10k) R20 R19 R18 tran 0.4m Hình 13: Sơ đồ mạch kiểm chứng Am - Dạng sóng ngõ quan sát so với dạng sóng ngõ vào: V(vin) 5mV 4.9946418mV 4mV 3mV 2mV 1mV Vin 0mV -1mV -2mV -3mV -4mV -4.9934297mV -5mV V(vout) 120mV 100mV 102.89254mV 80mV 60mV 40mV 20mV Vout 0mV -20mV -40mV -60mV -80mV -102.43456mV -100mV -120mV 0µs 40µs 80µs 120µs 160µs 200µs 240µs 280µs Hình 14: Dạng sóng ngõ so với dạng sóng ngõ vào mạch hồi tiếp So sánh lý thuyết: 320µs 360µs 400µs Ta có giá trị A M ≈ 20.53 V 0= V o p −p 102.89254+102.43456 = =102.66355mV 2 V =¿| A M 1|≈ 26.25 dB V b Khảo sát đáp ứng tần số mạch - Tính tốn lý thuyết tần số cắt cao thấp: - Đối với tần số cắt thấp, ta có: RC 1=R B=1925 Ω RC 2=RC + R L =6.6 kΩΩ (tương tự mạch khơng hồi tiếp) Hình 15a: Khảo sát Ci RC 3=R E /¿( R E + r π + Rb ¿/ Ri )=31Ω β+1 Hình 15b: Khảo sát Ce Từ ta tính được: ω p 1= ω rad = =¿ f 1= =0.827 Hz R c1 ×C s 2π ( ) ω p 2= ω rad =1.51 =¿ f 2= =0.24 Hz R c2 ×C s 2π ω p 3= ω rad =322.58 =¿ f 3= =51.34 Hz R c3 ×C s 2π ( ) ( ) Vậy, ta có f L =f 3=51.34 Hz Với C 1=C2 =C3=100 μF - Đối với tần số cắt cao, áp dụng hiệu ứng Miller ta có: V 1=V b = r π + ( β+1 ) × R E × V be; rπ Theo hiệu ứng Miller ta có: V 2=V 0=−gm R'L V be= −g m R L r π r π + ( β +1 ) R E z 1−kΩ z z 2= 1− kΩ ' −g m R L r π kΩ= =−29.88 r π + ( β +1 ) R E z1 = { C μ=15.3 pF ; C π =179 pF C ¿=C π +Cμ× ( 1−kΩ )=6.515 ×10−10 F ( 1kΩ )=1.58× 10 −11 C out =Cμ × 1− F R'L=r ¿ /R C /¿ R L =819 Ω R'ⅈ=(R ¿ ¿ i¿ /R b+( β +1)× R E )/¿ r π =565 Ω ¿ Hình 16: Khảo sát R'i Suy ra: ω pi = rad =2716671.534 =¿ f pi ≈ 432.4 kΩHz s R ×C ¿ ( ) ' i ω po= rad =77278558.29 =¿ f po ≈ 12.3 MHz s R × Cout ' L ( ) Vậy f H =f pi ≈ 432.4 kΩHz c Thí nghiệm kiểm chứng - Các bước tương tự thực với mạch không hồi tiếp - Sơ đồ nối dây LTspice kết quan sát Vout Vin VCC VCC ac dec 100 1G R22 C3 R16 R14 R12 R10 R3 C1 R7 R8 R23 R21 VCC FEEE - BEE BK C&M LAB TP.HCM 12 2SD592/3 Q3 S/N: BJTLABSN004 2SD592/2 2SD592/1 R4 C2 R9 Q2 Q1 R11 R17 Vin AC Vin SINE() R20 R19 R18 Hình 17: Sơ đồ mạch LTspice cho mạch hồi tiếp khảo sát fL, fH V(vout) 50dB -40° 40dB -80° 30dB -120° 51.08866Hz,23.354713dB 422.29483KHz,23.297066dB 20dB -160° 10dB -200° 0dB -240° -10dB -280° -20dB -320° -30dB -360° -40dB -400° -50dB 1Hz 10Hz 100Hz 1KHz 10KHz 100KHz 1MHz 10MHz Hình 8: dạng sóng quan sát ngõ với tần số cắt cao thấp Các giá trị f L , f H quan sát được: f L ≈ 51.1 Hz f H ≈ 422.3 kΩHz 100MHz -440° 1GHz III Nhận xét kết luận  Cả hai mạch dạng DC nên khảo sát DC ta khảo sát cho hai mạch  LTspice text giúp cung cấp thêm cơng cụ số liệu để tính tốn mạch lý thuyết cách xác  Kiểm chứng DC với sai số nhỏ, không đáng kể  Đối với độ lợi áp dãy A M , mạch khơng hồi tiếp có sai số cao mạch hồi tiếp ngưỡng chấp nhận, cụ thể: 63−57.43 - Với mạch không hồi tiếp : %Δ= 57.43 ×100 %=9.69 % - Với mạch hồi tiếp 20.53−19.67 ×100 %=4.37 % : %Δ= 19.67 - Sai số khâu làm tròn tính tốn lý thuyết, thơng số mạch mơ phỏng, bên cạnh cịn sai số chọn khoảng người thực  Bên cạnh đó, đáp ứng tần số có sai số nhỏ tần số thấp sai số cao tần số cao, cụ thể: - Với mạch không hồi tiếp :%Δ f L=0.315% ; %Δ f H =14 % - Với mạch hồi tiếp - : %Δ f L=0.46 % ; %Δ f L=2.33 % Sai số lớn tần số cao giải thích đánh giá chủ quan, làm tròn qua nhiều khâu tính tốn, sai số phân đồ thị để đánh dấu tần số cắt Kết luận chung: Bài thí nghiệm thực tồn mục tiêu đề ra, giúp sinh viên nâng cao kiến thức, hiểu cách nối dây, trình tự khảo sát cách thực khảo sát mạch khuếch đại BJT không hồi tiếp ... Vbe: 0.0 0e+ 00 0.0 0e+ 00 6.1 2e- 01 Vbc: 0.0 0e+ 00 0.0 0e+ 00 -4.6 2e+ 00 Vce: 0.0 0e+ 00 0.0 0e+ 00 5.2 4e+ 00 BetaDC: 0.0 0e+ 00 0.0 0e+ 00 1.2 8e+ 02 Gm: 0.0 0e+ 00 0.0 0e+ 00 1.7 1e- 01 Rpi: 1.8 4e+ 10 1.8 4e+ 10 9.0 6e+ 02... Rx: 0.0 0e+ 00 0.0 0e+ 00 0.0 0e+ 00 Ro: 1.1 5e+ 11 1.1 5e+ 11 2.3 4e+ 04 Cbe: 5.0 0e- 12 5.0 0e- 12 1.7 9e- 10 Cbc: 3.9 2e- 11 3.9 2e- 11 1.5 3e- 11 Cjs: 0.0 0e+ 00 0.0 0e+ 00 0.0 0e+ 00 BetaAC: 0.0 0e+ 00 0.0 0e+ 00 1.5 5e+ 02 Cbx:... I(Ib): I(Ie): -0.0049749 device_current 3.4814 5e- 005 0.00447841 device_current device_current I C =0.00444359 ; I b =3.48 ×10−5 β= Ic =127.63 ≈ 128 Ib Bên cạnh đó, xem thông số khác mục Text (tại