đáp án đề thi mạch điện tử nâng cao

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ ĐIỆN TỬ ĐỀ THI CUỐI KỲ Mơn thi: ĐIỆN TỬ NÂNG CAO Lớp: DHVT13 GL - DHVT11TT Họ tên thí sinh: Hình thức thi: Tiểu luận Ngày thi: Thời gian thi: …………… (Không kể thời gian phát đề) Câu (2đ) Phân tích đáp ứng tần số thấp mạch khuếch đại BJT hình vẽ Biết Transistor có Ri = 20Ω, R1 = 1.5KΩ, R2 = 5KΩ, RE = 100Ω, RC = RL = 1KΩ, β = 150, VCC = +5V Các tụ CB = CC = 0.33µF, CE = 3.3µF a) Xác định điểm phân cực tĩnh Q b) Vẽ mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số thấp theo đáp ứng tụ CE (0.5đ) c) Thiết lập biểu thức hàm truyền Av mạch (0.5đ) d) Vẽ biểu đồ Bode cho biên độ Av (dB) (0.5đ) e) Xác định tần số cắt dưới, tần số cắt ngõ vào mạch (0.5đ)) GIẢI a) Tính phân cực DC Ta có 𝑅𝐵 = 𝑅1 𝑅2 𝑅1 +𝑅2 𝑉𝐵𝐵 = = 1.1𝑘𝛺 𝑅1 𝑉 𝑅1 +𝑅2 𝐶𝐶 = 1.15𝑉 (1.1) (1.2) Giải sử mạch hoạt động ở chế độ khuếch đại, Ta có: 𝑉𝐵𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 = 𝐼𝐸 𝛽 𝑅𝐵 + 𝐼𝐸 𝑅𝐸 (1.3) 𝐼𝐸𝑄 = 𝑉𝐵𝐵 −𝑉𝐵𝐸 (1.4) 𝑅𝐵 +𝑅𝐸 𝛽 𝐼𝐸𝑄 ≈ 𝐼𝐶𝑄 = 𝑉𝐵𝐵 −𝑉𝐵𝐸 𝑅𝐵 +𝑅𝐸 𝛽 = (1.5)  𝑉𝐶𝐸𝑄 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶𝑄 (𝑅𝐶 + 𝑅𝐸 ) >0.2V, mạch khuếch đại Vậy mạch hoạt dộng ở chế dộ khuếch đại, với điểm phân cực Q (4.2mA, 0.36𝑉) b) Vẽ mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số thấp Ta vẽ mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số thấp mạch khuếch đại, Hình 1.1 Hình 1 Mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số thấp Hình Biến đổi tương đương nguồn dịng dùng tính chất bắc cầu Hình Mạch tương đương Norton cho mạch 𝑣𝑖 𝑅𝑖 Hình Mạch tương đương Norton cho mạch Với 𝑅𝑖∗ = 𝑅𝑖 //𝑅1 //𝑅2 +ℎ𝑖𝑒 𝛽 𝑣𝑖∗ = 𝑣𝑖 = 6𝛺 (1.6) 𝑅𝑖 //𝑅1 //𝑅2 (1.7) 𝑅𝑖 c) Xác định biểu thức hàm truyền độ lợi áp 𝐴𝑣 = 𝑣𝑙 𝑣𝑖∗ = 𝑣𝑙 𝑖𝑒 × 𝑖𝑒 𝑣𝑖∗ × 𝑣𝑖∗ 𝑣𝑖 = (−𝑅𝐶 //𝑅𝐿 ) × 1 𝑗𝑤𝐶𝐸 ∗ 𝑅𝑖 +( ) 𝑅𝐸 + 𝑗𝑤𝐶𝐸 𝑅𝐸 × × 𝑅𝑖 //𝑅1 //𝑅2 𝑅𝑖 Do 𝑅𝑖 ≪ 𝑅1 //𝑅2 nên ta có, 𝐴𝑣 ≈ − 𝑅𝐶 //𝑅𝐿 𝑅𝑖∗ +𝑅𝐸 × 1+𝑗𝜔𝐶𝐸 𝑅𝐸 (1.8) 1+𝑗𝜔𝐶𝐸 (𝑅𝐸 //𝑅𝑖∗ ) d) Vẽ biểu đồ Bode cho độ lợi áp 𝑅𝐶 𝐴0𝑑𝐵 = 20 log ( 𝑅𝐿 ∗ 𝑅𝑖 +𝑅𝐸 ) = 13.3𝑑𝐵 (1.9) Hình Biểu đồ Bode cho hàm truyền biên độ 𝑓1 = Với { 𝑓2 = 2𝜋𝐶𝐸 𝑅𝐸 = 482𝐻𝑧 2𝜋𝐶𝐸 (𝑅𝐸 //𝑅𝑖∗ ) (1.10) = 8.4𝐾𝐻𝑧 Q0 =13.3dB, Q1 = Q0 + 3, Q2 = Q3 - 3, Q3 = 𝟑𝟖 𝟏𝒅𝑩 Tần số cắt 𝑓𝐿 mạch định nghĩa điểm cực đại biên độ hàm truyền 3dB Vậy tần số cắt 𝑓𝐿 đáp ứng mạch khuếch đại tần số thấp tần số 𝑓2 e) Xác định tần số cắt ngõ vào Để đơn giản cho việc xác định tần số cắt ngõ vào mạch, ta xem CE bypass ở tần số làm việc Ta có mạch tương đương Hình 1.7 Vịng ngõ vào dạng nguồn áp, nên biểu thức hàm truyền là, 𝐴𝑣_𝑖𝑛 = 𝑣𝑏 𝑣𝑖 = 𝑅12 //ℎ𝑖𝑒 𝑅𝑖 +𝑅12 //ℎ𝑖𝑒 + 𝑗𝑤𝐶𝑐 = 𝑗𝑤𝐶𝑐 (𝑅12 //ℎ𝑖𝑒 ) 1+𝑗𝑤𝐶𝑐 (𝑅𝑖 +𝑅12 //ℎ𝑖𝑒 ) (1.11) Vậy ta có tần số cắt ngõ vào là, 𝑓𝑏 = 2𝜋𝐶𝑏 (𝑅𝑖 +𝑅12 //ℎ𝑖𝑒 ) = 923𝐻𝑧 (1.12) Hình Mạch tương đương cho đáp ứng tụ ngõ vào/ra Tương tự, vòng ngõ dạng nguồn dòng, nên biểu thức hàm truyền là, 𝐴𝑖_𝑜𝑢𝑡 = 𝑙𝐿 𝛽𝑖𝑏 = 𝑅𝐶 𝑅𝐶 +𝑅𝐿 + 𝑗𝑤𝐶𝑐 = 𝑗𝑤𝐶𝑐 𝑅𝐶 1+𝑗𝑤𝐶𝑐 (𝑅𝐶 +𝑅𝐿 ) (1.13) Vậy ta có tần số cắt ngõ là, 𝑓𝑐 = 2𝜋𝐶𝑐 (𝑅𝐶 +𝑅𝐿 ) = 241𝐻𝑧 (1.14) Câu (3đ) Phân tích đáp ứng tần số cao cho mạch khuếch đại hình Biết mạch có Ri = 50Ω, R1 = R2 = 20KΩ, Rs = 100Ω, RL = RD = 5KΩ eMosFET phân cực 𝑔𝑚 = × 10−3 (1/𝑜ℎ𝑚), rds = 120KΩ, Cgd = 1.6pF, Cgs = 22pF Các tụ Cg = Cd = 4.7µF, Cs = 47µF xem nối tắt (bypass) ở tần số làm việc a) Vẽ mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao cho mạch khuếch đại (0.5đ) b) Xác định biểu thức hàm truyền hệ số khếch đại áp Av mạch (0.5đ) c) Vẽ biểu đồ Bode cho phổ biên độ hàm truyền Av (0.5đ) d) Xác định tần số cắt mạch (0.5đ) e) Thiết kế mạch cho hệ số khuếch đại mạch đạt gần 50 tốt (0.5đ) f) Mô Multisim cho mạch vừa thiết kế so sánh kết lý thuyết mô (0.5đ) GIẢI a) Vẽ mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao cho mạch Hình Mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao mạch KĐ FET Hình Mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao dùng lý thuyết Miller Hình Mạch biến đổi tương đương nhánh 𝑣𝑖 , 𝑟𝑖 , 𝑅𝐵 𝐶𝑀 = (1 + 𝑔𝑚 ∙ 𝑟𝑑𝑠 //𝑅𝐷 //𝑅𝐿 ) ∙ 𝐶𝑔𝑑 = 21.2𝑝𝐹 (1.15) Đặt C = 𝐶𝑔𝑠 + 𝐶𝑀 = 43.2𝑝𝐹 text of specified style in document 16) (Error! No b) Thiết lập biểu thức hàm truyền Av mạch 𝐴𝑣 = 𝑣𝐿 𝑣𝑖 = 𝑣𝐿 𝑔𝑚 𝑣𝑔𝑠 ∙ 𝑔𝑚 𝑣𝑔𝑠 𝑣𝑔𝑠 ∙ 𝑣𝑔𝑠 (1.17) 𝑣𝑖 = −𝑟𝑑𝑠 //𝑅𝐿 //𝑅𝐷 ∙ 𝑔𝑚 ∙ = −𝑔𝑚 ∙ 𝑟𝑑𝑠 //𝑅𝐿 //𝑅𝐷 ( 𝑗𝑤𝐶 𝑟𝑖 + 𝑗𝑤𝐶 1+𝑗𝑤𝐶𝑟𝑖 (1.18) ) (1.19) c) Vẽ biểu đồ Bode cho biên độ hàm truyền độ lợi áp |𝐴𝑣 | = |𝑔𝑚 ∙ 𝑟𝑑𝑠 //𝑅𝐿 //𝑅𝐷 | ∙ √1+( 𝑤 ) 𝑤ℎ 𝑄0𝑑𝐵 = 20𝑙𝑜𝑔(𝑔𝑚 ∙ 𝑟𝑑𝑠 //𝑅𝐿 //𝑅𝐷 ) = 21.7𝑑𝐵 (1.20) (1.21) d) Xác định tần số cắt mạch (0.5đ) 𝑓𝐻 = 2𝜋𝐶𝑟𝑖 ≈ 73.7𝑀𝐻𝑧 Hình 10 Biểu đồ Bode cho hàm truyền độ lợi áp (1.22) e) Thiết kế mạch cho hệ số khuếch đại mạch đạt gần 50 tốt (0.5đ) i Xác định thông số đầu vào/ra toán thiết kết (0.5đ) ii Vẽ sơ đồ mạch ngun lý (0.5đ) iii Tính tốn giá trị thành phần mạch (0.5đ) iv Mô Multisim cho kết gần trùng khớp với lý thuyết tính toán (0.5đ) f) Mô Multisim cho mạch khuếch đại so sánh kết lý thuyết mô i Cài đặt thông số mô ii Biểu đồ Bode kết mô Multisim lý thuyết iii Nhận xét so sánh Câu (3đ) Phân tích mạch khuếch đại công hưởng, ứng dụng làm mạch chọn sóng RF, Biết Transistor có β = 80, fT = 500MHz, Ccb = 1.6pF, Ri = 20Ω, R1 = 5KΩ, R2 = 15KΩ, RE = 100Ω, RC = RL = 1KΩ, VCC = +5V, L = 0.12µH, Qc = 100, C’ = 100pF Các tụ CB, Cc CE xem nối tắt (bypass) ở tần số làm việc a) Tính Avo dB (0.5đ) b) Tính tần số cộng hưởng băng thông mạch (0.5đ) c) Thiết kế mạch cho tần số cộng hưởng 315MHz hệ số khuếch đại 30dB (1đ) d) Mô Multisim cho mạch khuếch đại thiết kế so sánh kết lý thuyết mô (1đ) GIẢI a) Tính phân cực DC 𝑅1 𝑅2 Ta có 𝑅𝐵 = 𝑅1 +𝑅2 𝑉𝐵𝐵 = = 3.75 𝐾Ω 𝑅1 𝑉 𝑅1 +𝑅2 𝐶𝐶 = 1.25𝑉 Giải sử mạch hoạt động ở chế độ khuếch đại, 𝑉𝐵𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 = Ta có: 𝐼𝐸 = 𝐼𝐸 𝛽 𝑅𝐵 + 𝐼𝐸 𝑅𝐸 𝑉𝐵𝐵 −𝑉𝐵𝐸 𝑅𝐵 +𝑅𝐸 𝛽 𝐼𝐸 ≈ 𝐼𝐶 = 𝑉𝐵𝐵 −𝑉𝐵𝐸 𝑅𝐵 +𝑅𝐸 𝛽 =  𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶𝑄 (𝑅𝐶 + 𝑅𝐸 ) => 0.2𝑉 Vậy mạch hoạt dộng ở chế độ khuếch đại, với điểm phân cực Q (3.75mA, 0.88V) b) Vẽ mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao cho mạch Hình Mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao mạch Trong đó: 𝑅𝑏𝑒 = 𝑅1 //𝑅2 //ℎ𝑖𝑒 = 467Ω 𝑔𝑚 = 𝛽 ℎ𝑖𝑒 = 0.149 (2 1) (2 2) 𝑅𝐿∗ = 𝑅𝐿 //𝑅𝐶 (2 3) 𝐶𝑀 = (1 + 𝑔𝑚 𝑅𝐿∗ )𝐶𝑏𝑐 = 121.4𝑝𝐹 (2 4) 𝐶𝑏𝑒 = 𝑔𝑚 2𝜋𝑓𝑇 = 47.6𝑝𝐹 Đặt C = 𝐶𝑏𝑒 + 𝐶𝑀 = 169𝑝𝐹 (2 5) (2 6) Tiếp tục biến đổi tương đương, ta được: Hình 2 Mạch tương đương rút gọn ∗ Với: 𝑅𝑏𝑒 = 𝑟𝑖 //𝑅𝑝 //𝑅𝑏𝑒 = 19𝛺 (2 7) 𝑅𝑝 điện trở qui đổi tương đương mắc song song với cuộn dây, 𝑅𝑝 = (𝑤𝐿)2 𝑟𝑐 = 𝑤𝐿𝑄𝑐 = 𝑟𝑐 𝑄𝑐2 = 2.1kΩ (2 8) Với 𝑟𝑐 nội trở cuộn dây 𝑄𝑐 hệ số phẩm chất cuộn dây Thông thường 𝑄𝑐 =100 𝐶 ∗ = 𝐶 + 𝐶 ′ = 269𝑝𝐹 (2 9) c) Thiết lập biểu thức hàm truyền Av mạch 𝐴𝑣 = 𝑣𝐿 𝑣𝑖 = 𝑣𝐿 𝑔𝑚 𝑣𝑏𝑒 ∙ = −𝑅𝐿∗ ∙ 𝑔𝑚 ∙ 𝑔𝑚 𝑣𝑏𝑒 𝑣𝑏𝑒 𝑣𝑏𝑒 ∙ 𝑣𝑖 𝑟𝑖 ∙ 𝑣𝑖 𝑟𝑖 1 +𝑗𝑤(𝐶+𝐶 , )+ 𝑗𝑤𝐿 𝑅∗𝑏𝑒 = −𝑅𝐿∗ ∙ 𝑔𝑚 ∙ |𝐴𝑣 | = 𝑅𝐿∗ ∙ 𝑔𝑚 ∙ ∗ 𝑅𝑏𝑒 ∗ 𝑅𝑏𝑒 𝑟𝑖 𝑟𝑖 ∙ ∙ (2 10) 𝑣𝑖 ∙ 𝑟𝑖 ∗ − 1+𝑗(𝑤𝐶 ∗ 𝑅𝑏𝑒 𝑅∗𝑏𝑒 𝑤𝐿 (2 11) ) ∗ ∗ − 𝑅𝑏𝑒) √1+(𝑤𝐶 ∗ 𝑅𝑏𝑒 𝑤𝐿 𝐴𝑣𝑚𝑎𝑥_𝑑𝐵 = 𝐴𝑜𝑑𝐵 = 20log (𝑔𝑚 𝑅𝐿∗ ∙ ∗ 𝑅𝑏𝑒 𝑟𝑖 ) = 37dB Tần số cắt mạch khuếch đại điểm w cho, 𝐴 𝐴𝑜 √2 | 𝑣| = 𝐴 tương ứng với | 𝑣 | 𝐴𝑜 𝑑𝐵 = 3𝑑𝐵 (2 12) (2 13)  ∗ ∗ − 𝑅𝑏𝑒)| |1+𝑗(𝑤𝐶 ∗ 𝑅𝑏𝑒 𝑤𝐿  = ∗ − √1+(𝑤𝐶 ∗ 𝑅𝑏𝑒 ∗ (𝑤𝐶 ∗ 𝑅𝑏𝑒 − 𝑅∗𝑏𝑒 ) 𝑤𝐿 ∗ 𝑅𝑏𝑒 𝑤𝐿 = (2 14) √2 √2 ) =1 (2 15) Vậy ta tính tần số cắt hàm truyền biên độ cách giải pt (2.15), tìm nghiệm w sau: 𝑤𝐻 = 𝑤𝐿 = 𝑤1 (√1 + 𝑤1 ( √1 + Với 𝑤1 = ∗ 𝐶 ∗ 𝑅𝑏𝑒 𝑤2 𝑤1 𝑤2 𝑤1 + 1) (2 16) − 1) (2 17) = 195.5𝑀𝑟𝑎𝑑/𝑠 𝑤2 = ∗ 𝑅𝑏𝑒 𝐿 = 158.4𝑀𝑟𝑎𝑑/𝑠 (2 18) 𝑓𝐿 = 16.4MHz, 𝑓𝐻 = 47.6MHz Vậy ta có băng thơng hàm truyền mạch khuếch đại là: BW = 𝑓𝐻 − 𝑓𝐿 = ∗ 2𝜋𝐶 ∗ 𝑅𝑏𝑒 = 31.1MHz (2 19) Mạch cộng hưởng tần số w, cho: ∗ 𝑤𝐶 ∗ 𝑅𝑏𝑒 − 𝑓0 = 2𝜋√𝐿𝐶 ∗ ∗ 𝑅𝑏𝑒 𝑤𝐿 =0 = 28MHz (2 20) (2 21) d) Vẽ biểu đồ Bode cho biên độ hàm truyền độ lợi áp Biểu đồ Bode hàm truyền biên độ pt (2.14) có dạng Hình 2.4 Tại các điểm 𝑓𝐿 𝑓𝐻 , giá trị 𝐴𝑣𝑑𝐵 = 𝐴0𝑑𝐵 − 3𝑑𝐵 Hình Biểu đồ Bode cho đáp tuyến hàm truyền độ lợi áp e) Thiết kế mạch cho hệ số khuếch đại cộng hưởng tần số 315MHz mạch đạt độ lợi 30dB (1đ) i Xác định thơng số đầu vào/ra tốn thiết kết (0.5đ) ii Vẽ sơ đồ mạch ngun lý tính tốn giá trị thành phần mạch (0.5đ) f) Mô Multisim cho mạch khuếch đại so sánh kết lý thuyết mô (1đ) i Cài đặt thông số mô ii Biểu đồ Bode kết mô Multisim lý thuyết iii Nhận xét so sánh Câu (2đ) Thiết kế mạch lọc RC thơng dãy có BW = [20 – 20K] Hz u cầu: dùng phần mềm Multisim mô kết thiết kế GIẢI 1) Xác định thông số đầu vào/ra toán thiết kết (0.5đ) 2) Vẽ sơ đồ mạch ngun lý (0.5đ) 3) Tính tốn giá trị thành phần mạch (0.5đ) 4) Mô Multisim cho kết gần trùng khớp với lý thuyết tính tốn (0.5đ) Giáo viên đề TP HCM, ngày ………………………… Trưởng Bộ Môn Viễn Thông ... Nhận xét so sánh Câu (2đ) Thi? ??t kế mạch lọc RC thông dãy có BW = [20 – 20K] Hz Yêu cầu: dùng phần mềm Multisim mô kết thi? ??t kế GIẢI 1) Xác định thông số đầu vào/ra toán thi? ??t kết (0.5đ) 2) Vẽ... Biểu đồ Bode cho hàm truyền độ lợi áp (1.22) e) Thi? ??t kế mạch cho hệ số khuếch đại mạch đạt gần 50 tốt (0.5đ) i Xác định thông số đầu vào/ra toán thi? ??t kết (0.5đ) ii Vẽ sơ đồ mạch ngun lý (0.5đ)... tần số cộng hưởng băng thông mạch (0.5đ) c) Thi? ??t kế mạch cho tần số cộng hưởng 315MHz hệ số khuếch đại 30dB (1đ) d) Mô Multisim cho mạch khuếch đại thi? ??t kế so sánh kết lý thuyết mô (1đ) GIẢI