Kiểm chứng mạch khuếch đại BJT ghép E chung: DC và AC
Mục tiêu thí nghiệm
Khảo sát mạch khuếch đại BJT ghép E chung không hồi tiếp và có hồi tiếp
- Đo điểm tĩnh DC: đo được ICQ, IBQ ,VCEQ của BJT ở chế độ DC
𝐼 𝐵𝑄 , so sánh với khoảng giá trị của β trong datasheet
- Dùng kết quả điểm tĩnh DC để tính các giá trị AV, ZIN, ZOUT theo lý thuyết
- Sử dụng thành thạo Scope có 2 chanel để quan sát dạng sóng ngõ vào , dạng sóng ngõ ra
- Tìm biên độ lớn nhất của áp ngõ vào mà ngõ ra không méo dạng |max để tìm được chính xác
Xác định tần số dãy giữa và đo AV mạch tại tần số này là rất quan trọng Khi tín hiệu ngõ vào và ngõ ra ngược pha, các tụ ghép hoạt động như ngắn mạch, trong khi các tụ kí sinh hoạt động như hở mạch Kết quả là độ lợi áp không bị ảnh hưởng nhiều bởi các tụ điện, giúp đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường.
- Với tần số dãy giữa, quan sát trên dao động kí dạng sóng ngõ vào và ngõ ra, đọc biên độ VIN, VOUT và tính độ lợi áp AV = |𝑉 𝐼𝑁 |
- Từ đó đưa ra nhận xét về sự khác nhau về độ lợi áp của BJT ghép E chung có hồi tiếp và không có hồi tiếp
- Đo tổng trở ngõ vào ZIN, so sánh với kết quả tính lý thuyết
- Đo tổng trở ngõ ra ZOUT, so sánh với kết quả tính lý thuyết
Mạch khuếch đại BJT E chung có sự khác biệt rõ rệt giữa hai loại mạch có hồi tiếp và không hồi tiếp Mạch có hồi tiếp giúp cải thiện độ ổn định và tuyến tính của tín hiệu, trong khi mạch không hồi tiếp thường cho phép khuếch đại tín hiệu mạnh hơn Từng phần tử trong mạch đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng đến hiệu suất và ứng dụng của mạch trong các hệ thống điện tử.
Các giả thuyết phải kiểm chứng
2.1.Nguyên lý hoạt động: Điện áp xoay chiều Vi đưa vào chân B của BJT, tín hiệu ở tần số dãy giữa, các tụ điện ghép xem như ngắn mạch, cho tín hiệu AC đi qua đồng thời cách li thành phần DC, do BJT được phân cực hoạt động ở chế độ tích cực, tín hiệu đưa vào là tín hiệu bé, độ dốc của IC gần như đường thẳng, mạch hoạt động gần như
5 tuyến tính, nên tín hiệu lấy ra ở chân C VO được khuếch đại, ngược pha với tín hiệu ngõ vào
2.2.Sơ đồ tương đương và các thông số quan trọng a) Mạch BJT khuếch đại E chung không hồi tiếp:
Hình 2.1: Mạch khuếch đại ghép E chng không hồi tiếp
VCEQ = 12 – RC.ICQ – (RE1 + RE2) 𝛽+1
• Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ mạch khuếch đại BJT E chung không hồi triếp:
Theo sơ đồ: ZIN = Rb // hie = RB1 // RB2 // hie
𝑅 𝑖 b) Mạch khuếch đại ghép E chung có hồi tiếp:
Hình 2.2: Mạch khuếch đại ghép E chung có hồi tiếp
VCEQ = 12 – RC.ICQ – (RE1 + RE2) 𝛽+1
• Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ:
Theo sơ đồ: ZIN = RB1 // RB2 // (hie +RE1(hfe + 1))
Lựa chọn các dữ kiện đầu vào và phương pháp đo đạc các đại lượng
+ Lắp mạch theo module trong hộp thí nghiệm
+ Ngắn mạch thành phần AC
+ Đo ICQ: dùng máy đo ở chế độ DC, thang đo 100mA, đo dòng ICQ chỉ vài mA, que đo nối tiếp với dòng ICQ
+ Đo IBQ: máy đo ở chế độ DC, thang đo 100mA, dòng IBQ có giá trị rất nhỏ, que đo nối tiếp với dòng IBQ
+ Đo VCEQ: máy đo cho đo V ở chế độ DC, cắm que đo vào đầu C và đầu
𝐼 𝐵𝑄 + Chọn ngõ vào Vi là sóng sin, biên độ tầm mV
+ Chọn các giá trị Vi nhỏ hơn |Vi|max để ngõ ra Vo không bị méo dạng
Chọn tầm số đo tần số dãy giữa để mạch hoạt động như một thuần trở, giúp AV không bị ảnh hưởng bởi trở kháng của các tụ điện ở các tần số 3kHz, 5kHz và 8kHz.
Để quan sát dạng sóng, kết nối Vi vào CH1 và Vo vào CH2 của dao động ký Chọn chế độ DUAL và điều chỉnh VOL/DIV cho phù hợp Ghi lại giá trị Vi và Vo theo trị đỉnh – đỉnh để tính AV = − 𝑉 𝑉 𝑖 𝑝−𝑝.
+ Cố định Vi và tần số, thay đổi các trở Ri, quan sát và ghi lại các giá trị
Vo khác nhau trên oscilloscope (trị đỉnh – đỉnh)
+ Chọn (Ri1, Ri2) = (1k, 2.7k), (1k, 6.8k), (2.7k, 6.8k) Các Ri khác nhau, chênh lệch đáng kể, ngõ ra sẽ chênh lệch, không quá gần nhau
+ Cố định Vi và tần số, thay đổi các trở RL, quan sát và ghi lại các giá trị
Vo khác nhau trên oscilloscope (trị đỉnh – đỉnh)
Các kết quả thí nghiệm
4.1 Đo phân cực tĩnh DC
ICQ = 5.201 mA ; IBQ = 0.019 mA ; VCEQ = 4.67 V β = 𝐼 𝐶𝑄
4.2 Đo độ lợi áp AV : a) Mạch khuếch đại BJT E chung không hồi tiếp:
Ngõ ra không bị méo dạng:
Bảng 4.1: Kết quả đo AV mạch khuếch đại BJT E chung không hồi tiếp
Tần số Vipp Vopp AV
→ AV = 𝐴̅̅̅̅ 𝑉 ± ∆AV = - 80 b) Mạch khuếch đại BJT E chung có hồi tiếp:
Ngõ ra không bị méo dạng
Bảng 4.2: Kết quả đo A V mạch khuếch đại BJT E chung co hồi tiếp
Tần số Vipp Vopp AV
4.3 Đo tổng trở ngõ vào: a) Mạch khuếch đại BJT E chung không hồi tiếp
Bảng 4.3: Kết quả đo Z in mạch khuếch đại BJT E chung không hồi tiếp
Ri1 Ri2 Vo1 Vo2 Zin
→ Zin = 𝑍̅̅̅̅ 𝑖𝑛 ± ∆Zin = 1.047 ± 0.106 kΩ b) Mạch khuếch đại BJT E chung có hồi tiếp
Bảng 4.4: Kết quả đo Z in mạch khuếch đại BJT E chung co hồi tiếp
Ri1 Ri2 Vo1 Vo2 Zin
4.4 Đo tổng trở ngõ ra: a) Mạch khuếch đại BJT E chung không hồi tiếp
Bảng 4.5: Kết quả đo Z out mạch khuếch đại BJT E chung không hồi tiếp
RL1 RL2 Vo1 Vo2 Zout
Công thức tính tổng trở ngõ ra :
14 b) Mạch khuếch đại BJT E chung có hôi tiếp
Bảng 4.6: Kết quả đo Z out mạch khuếch đại BJT E chung có hồi tiếp
RL1 RL2 Vo1 Vo2 Zout
Công thức tính tổng trở ngõ ra :
Phân tích so sánh và kết luận
Tính toán lý thuyết theo 2 dữ liệu đo được lúc làm thí nghiệm: hfe = β = 273.74, VBE = 0.621V
VCEQ = 12 – RC.ICQ – (RE1 + RE2) 𝛽+1
• Sai số so với thực tế
Công thức sai số: %sai số = |Thực tế −lý thuyết
+ hfe theo datasheet của BJT 2SD468 là 85 – 240 nhưng khi đo thì hfe của
BJT là 273.74 Nguyên nhân là do hfe thay đổi theo nhiệt độ, nhiệt độ càng tăng thì hfe càng lớn
+ Nhìn chung các sai số khi đó phân cực tĩnh DC là ICQ và VCEQ không khác biệt lắm so với tính toán trên lý thuyết
5.2 Mạch khuếch đại BJT E chung không hồi tiếp:
• Sai số so với thực tế
Hai đại lượng Zin và Zout phản ánh đúng thực tế, trong khi AV lại có sai số lớn do dụng cụ đo không hiển thị giá trị cụ thể Việc chỉ dựa vào vạch chia để xác định giá trị Vp-p và lập tỷ số dẫn đến sai sót trong dữ liệu.
Để tăng độ chính xác khi đọc giá trị Vout và Vin, cần điều chỉnh Volt/div nhỏ lại Ngoài ra, thực hiện thí nghiệm ở môi trường có nhiệt độ ổn định sẽ giúp hfe không bị thay đổi.
5.3 Mạch khuếch dại BJT E chung có hồi tiếp:
ZIN = RB1 // RB2 // (hie +RE1(hfe + 1))
• Sai số so với thực tế
+ Các đại lượng Zin, Zout không có sự chênh lệch nhiều giữa lý thuyết với thực tế nhưng AV lại có sự chênh lệch khá lớn
Nguyên nhân dẫn đến sai sót trong việc đo giá trị Vp-p là do dụng cụ đo không hiển thị giá trị cụ thể, mà chỉ cho phép xác định thông qua vạch chia Thêm vào đó, giá trị AV cũng bị ảnh hưởng bởi hfe, một đại lượng thay đổi theo nhiệt độ môi trường.
Kiểm chứng mạch khuếch đại ghép vi sai dùng BJT
Kiểm chứng được mạch khuếch đại vi sai dùng BJT:
Biết cách lắp mạch ghép BJT để tạo thành mạch khuếch đại vi sai từ module thí nghiệm là rất quan trọng Hiểu rõ nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại vi sai giúp nâng cao hiệu quả trong việc xử lý tín hiệu Việc nắm vững các kiến thức này không chỉ hỗ trợ trong nghiên cứu mà còn trong ứng dụng thực tiễn của điện tử.
BJT với điện trở RE ở cực phát và nguồn dòng ở cực phát
Để đảm bảo mạch hoạt động ổn định, cần duy trì nguồn DC và sử dụng máy đo đa năng để đo phân cực DC của mạch Đồng thời, cách ly thành phần DC với ngõ ra có thể thực hiện bằng cách ghép nối tụ điện.
Biết cách sử dụng máy phát sóng để tạo sóng ngõ vào phù hợp là rất quan trọng Bạn cần điều chỉnh biên độ và tần số dãy giữa để đảm bảo ngõ ra không bị méo dạng Đồng thời, cần tạo ra hai tín hiệu v1 và v2 cùng pha hoặc ngược pha, dựa trên các luật mạch cơ bản áp dụng trên module thí nghiệm theo yêu cầu của bài thí nghiệm.
Sử dụng dao động ký một cách hiệu quả giúp quan sát sóng ngõ vào và ngõ ra, đồng thời đọc các giá trị đỉnh trên dao động ký để tính toán độ lợi áp.
- Đo đạc, kiểm chứng độ lợi áp cách chung AC khi hai sóng ngõ vào chân
Khi hai sóng ngõ vào chân B ngược pha trong cả hai mạch, độ lợi áp vi sai Ad được phân tích và so sánh với lý thuyết Qua đó, chúng ta có thể rút ra những nhận xét và đánh giá về sự khác biệt giữa các kết quả thu được Sự khác nhau này cần được giải thích một cách chi tiết để hiểu rõ hơn về hiện tượng xảy ra trong mạch.
- Từ kết quả đo được độ lợi áp cách chung, độ lợi áp vi sai, tính được tỷ lệ triệt tín hiệu đồng pha CMRR
2 Các giả thuyết cần kiểm chứng
2.1 Mạch khuếch đại vi sai với RE ở cực phát:
Mạch hoạt động dựa trên nguyên lý ghép nối hai BJT giống nhau, với chân C và chân E được kết nối chung Tín hiệu đầu vào được đưa vào chân B, trong khi điện trở RE tạo hồi tiếp âm, giúp duy trì mạch ở chế độ tích cực Tín hiệu đầu ra được lấy từ chân của mạch.
C là khuếch đại hiệu giữa 2 tín hiệu đầu vào ( tín hiệu bé)
Hình 2.1: Mạch khuếch đại vi sai với RE ở cực phát
• Các thông số quan trọng:
2(𝑟 𝜋 + 𝑅 𝐵 )2.2 Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát:
Mạch khuếch đại sử dụng hai BJT giống nhau, với chân C và chân E được ghép chung Tín hiệu đầu vào được đưa vào chân B, trong khi nguồn dòng ở chân E cung cấp năng lượng cho mạch hoạt động ở chế độ tích cực Tín hiệu đầu ra lấy từ chân C, cho phép khuếch đại hiệu giữa hai tín hiệu đầu vào nhỏ.
Hình 2.3: Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát
• Các thông số quan trọng:
3 Lựa chọn dữ kiện đầu vào và phương pháp đo đạc các đại lượng
3.1 Mạch khuếch đại vi sai dùng BJT với điện trở RE ở cực phát a) Dữ kiện DC và đo phân cực DC:
Điện trở hồi tiếp âm R E 5.6kΩ được kết nối với nguồn -12V, giúp đảm bảo cả hai BJT có cùng thông số, từ đó thực hiện mạch khuếch đại vi sai và duy trì chế độ hoạt động tích cực Để đo phân cực DC, cần ngắn mạch thành phần DC và sử dụng máy đo đa năng để đo 𝐼 𝐶𝑄 và 𝐼 𝐵𝑄 theo kiểu nối tiếp, với thang đo 100mA, do tính toán lý thuyết cho thấy 𝐼 𝐶𝑄 và 𝐼 𝐵𝑄 nằm trong khoảng mA.
𝑉 𝐶𝐸𝑄 , 𝑉 𝐵𝐸 bằng máy đo đa năng ( đo song song) b) Dữ kiện để đo A C , A d Đo 𝐴 𝑐 :
Chọn sóng ngõ vào với tín hiệu nhỏ giúp đảm bảo ngõ ra không bị méo dạng Các giá trị khác nhau được sử dụng để tạo ra ngõ ra khác nhau, với các giá trị 𝑣 1 đỉnh đỉnh được chọn là 1.32V, 4.0V và 6.2V, tất cả đều cho ngõ ra không méo dạng.
Chỉnh tần số dãy giữa để đảm bảo rằng 𝑣 1 và 𝑣 𝑜 ngược pha với tần số chọn là 10kHz Khi quan sát, ta thấy 𝑣 1 và 𝑣 𝑜 thực sự ngược pha Để thực hiện điều này, tín hiệu 𝑣 1 được thiết lập bằng 𝑣 2 với cùng biên độ và cùng pha, sau đó được đưa qua 𝑅 𝐵 vào chân B của hai BJT.
Tín hiệu ngõ ra 𝑣 𝑜 lấy ra ở chân C của BJT Q2, mắc tụ ghép có giá trị
100𝜇𝐹 để ở tần số dãy giữa, tụ xem như ngắn mạch, mắc với tải 12kΩ, quan sát trên dao động ký trị đỉnh- đỉnh và ghi lại kết quả
Chọn sóng ngõ vào với tín hiệu nhỏ giúp đảm bảo ngõ ra không bị méo dạng Các giá trị khác nhau như 52mV, 26mV và 14mV được sử dụng để tạo ra ngõ ra khác nhau, tất cả đều đảm bảo ngõ ra không bị méo dạng.
Chỉnh tần số dãy giữa để 𝑣1 và 𝑣0 ngược pha với tần số chọn thang đo 10k, quan sát thấy 𝑣1 và 𝑣0 thực sự ngược pha Tín hiệu 𝑣1 và 𝑣2 (cùng biên độ, ngược pha) được đưa qua 𝑅𝐵 vào chân B của 2 BJT Hai đầu của máy phát sóng được kết nối với 2 nhánh của 2 điện trở bằng nhau, nối tiếp nhau, trong đó điểm nối giữa 2 điện trở được nối đất, còn 2 đầu còn lại nối với 𝑅𝐵 Giá trị của hai điện trở này rất nhỏ so với 𝑅𝐵, với giá trị chọn là 33Ω.
Tín hiệu ngõ ra 𝑣 𝑜 lấy ra ở chân C của BJT Q2, mắc tụ ghép có giá trị
100𝜇𝐹 để ở tần số dãy giữa, tụ xem như ngắn mạch, mắc với tải 12kΩ, quan sát trên dao động ký trị đỉnh- đỉnh và ghi lại kết quả
3.2 Mạch khuếch đại vi sai ùng BJT với nguồn dòng ở cực phát a) Dữ kiện DC và đo phân cực DC:
BJT Q1 và Q2 sử dụng transistor 2SD468 với giá trị điện trở 𝑅 𝐶1 = 𝑅 𝐶2 = 5.6𝑘𝛺 và 𝑅 𝐵1 = 𝑅 𝐵2 = 1.2𝑘𝛺 Chân E của cả hai BJT được nối chung với nguồn dòng từ BJT Q3, hoạt động như một nguồn dòng lý tưởng Cả hai BJT có thông số giống nhau, cho phép thực hiện mạch khuếch đại vi sai và luôn hoạt động ở chế độ tích cực Để đo phân cực DC, cần ngắn mạch thành phần DC và sử dụng máy đo đa năng để đo 𝐼 𝐶𝑄 và 𝐼 𝐵𝑄 theo chế độ nối tiếp với thang đo 100mA, vì lý thuyết 𝐼 𝐶𝑄 và 𝐼 𝐵𝑄 nằm trong khoảng mA.
𝑉 𝐶𝐸𝑄 , 𝑉 𝐵𝐸 bằng máy đo đa năng ( đo song song)
23 b) Dữ kiện để đo A c , A d Đo 𝐴 𝑐 :
Để đảm bảo ngõ ra không bị méo dạng, tín hiệu vào cần có giá trị nhỏ, với các giá trị đỉnh được chọn là 1.080V, 0.8V và 0.4V, tất cả đều cho ngõ ra không méo dạng khác nhau.
Chỉnh tần số dãy cao để quan sát được tín hiệu vào và ra, thang tần số ở
Cho tín hiệu 𝑣 1 = 𝑣 2 (cùng biên độ, cùng pha) qua 𝑅 𝐵 vào chân B của 2
BJT Tín hiệu ngõ ra 𝑣 𝑜 lấy ra ở chân C của BJT Q2, mắc tụ ghép có giá trị
100𝜇𝐹 để ở tần số dãy giữa, tụ xem như ngắn mạch, mắc với tải 12k, quan sát trên dao động ký trị đỉnh- đỉnh và ghi lại kết quả
Chọn sóng ngõ vào với tín hiệu nhỏ giúp đảm bảo ngõ ra không bị méo dạng Các giá trị khác nhau như 54mV, 42mV và 19mV được lựa chọn để đạt được ngõ ra khác nhau, tất cả đều đảm bảo không có méo dạng.
Chỉnh tần số dãy cao để quan sát được tín hiệu vào và ra, thang tần số ở
Cho tín hiệu 𝑣 1 , 𝑣 2 (cùng biên độ, ngược pha) qua 𝑅 𝐵 vào chân B của 2
Kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng Op – amp
Kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng Op – amp:
- Hiểu được nguyên lý hoạt động, cấu trúc và chức năng của từng mạch
Để lắp mạch trên module đúng cách, cần nắm rõ cách phân biệt cực đảo và cực dương để tránh nhầm lẫn Đồng thời, cũng cần đảm bảo rằng mạch được cung cấp nguồn DC ổn định.
Để sử dụng máy phát sóng và dao động ký hiệu quả, cần tạo ra các loại sóng phù hợp như sóng sin, sóng vuông và sóng tam giác Điều chỉnh biên độ ngõ vào là bước quan trọng nhằm đảm bảo ngõ ra không bị méo dạng Sử dụng dao động ký để quan sát, điều chỉnh các thông số vol/div và time/div giúp việc theo dõi sóng trở nên thuận tiện hơn Cuối cùng, hãy vẽ lại dạng sóng đã quan sát để có cái nhìn rõ nét hơn về tín hiệu.
So sánh thực nghiệm và lý thuyết các mạch khuếch đại như mạch khuếch đại đảo, không đảo, cộng điện áp, trừ điện áp, mạch so sánh và mạch Schmitt là rất quan trọng để đánh giá độ lợi áp và dạng sóng ngõ ra Việc phân tích các đặc tính này giúp hiểu rõ hơn về hiệu suất và ứng dụng của từng loại mạch trong thực tế.
Trigger, mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác, rồi đưa ra nhận xét, kết luận
2 Các giả thuyết cần kiểm chứng
2.1 Với các mạch khuếch đại
Hình 2.1: Mạch khuếch đại đảo
- Chức năng: Khuếch đại đảo điện áp ngõ vào ( tức ngõ ra ngược pha với ngõ vào)
Mạch có cấu tạo với tín hiệu vào qua điện trở Ri kết nối với cổng đảo (V -), trong khi tín hiệu hồi tiếp thông qua điện trở RF trở về cổng đảo Cổng không đảo (V +) được nối đất.
Mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại áp ngõ ra phụ thuộc vào các giá trị Ri và RF Do đó, khi chọn linh kiện để lắp mạch, cần lưu ý rằng trong mạch khuếch đại, giá trị RF phải lớn hơn hoặc bằng giá trị Ri.
- Điện áp ngõ ra ngược pha với điện áp ngõ vào
- Nếu Ri = RF , mạch tạo tầng đảo lặp lại điện áp
- Áp dụng KCL tại nút : 𝑉 𝑖
- Trong đó RL đóng vai trò là trở hồi tiếp âm, khi RL tăng thì AV tăng
• Mạch khuếch đại không đảo
Hình 2.2: Mạch khuếch đại không đảo
- Chức năng: khuếch đại điện áp ngõ vào
- Tín hiệu vào kết nối với cổng không đảo Cổng đảo nối với đầu ra qua điện trở RF và tiếp đất qua điện trở Ri
- Mạch có hệ số khuếch đại áp ngõ ra chỉ phụ thuộc vào các giá trị Ri , RF
Vì tích chất khuếch đại nên ta cần lưu ý chọn linh kiện có RF ≥ Ri
- Điện áp ngõ ra cùng pha với điện áp ngõ vào
- Nếu RF = 0 => AV = 1 , mạch dùng làm bộ đệm, áp giữ nguyên giá trị ngõ vào, tổng trở vào lớn, tổng trở ngõ ra nhỏ
- RL đóng vai trò là trở hồi tiếp âm dùng để tăng độ lợi AV
- Áp dụng KCL tại nút : 𝑉 𝑖
• Mạch khuếch đại cộng điện áp
Hình 2.3: Mạch khuếch đại cộng điện áp
- Chức năng khuếch đại thuật toán cộng
- Mạch khuếch đại đảo với cửa đảo Vs- nối với nhiều điện áp ngõ vào thông qua các điện trở Ri
- Mạch khuếch đại tín hiệu ngõ ra bằng tổng các tín hiệu ngõ vào nhưng ngược pha
- V- (đảo) nối với một hai nhiều điện áp ngõ vào
- Áp dụng KCL cho nút tại cổng đảo :
Ta có : Ri1 = Ri2 = Ri => 𝑉 0 = −𝑅 𝐹
• Mạch khuếch đại trừ điện áp
Hình 2.4: Mạch khuếch đại trừ điện áp
- Chức năng: mạch khuếch đại theo thuật toán trừ.
Mạch khuếch đại Op-amp với cửa đảo được kết nối với điện trở hồi tiếp RF, trong khi tín hiệu ngõ vào V2 đi qua điện trở Ri2 Cửa không đảo được mắc với điện trở RF, song song với tín hiệu ngõ vào V1 qua điện trở Ri1.
- Mạch khuếch đại có tín hiệu ngõ ra bẳng hiệu các tín hiệu ngõ vào
Ta có Ri1 = Ri2 = Ri => 𝑉 0 = 𝑅 𝐹
2.2 Với các mạch so sánh và tạo sóng
Mạch khuếch đại op-amp có cực đảo kết nối với điện thế so sánh Vref và cực thuận nối với điện thế chuẩn Vi Với hệ số khuếch đại lớn, mạch này cung cấp tín hiệu ra V0 ở nhiều mức giá trị khác nhau.
+ Khi Vi < Vref thì 𝑉 0 = +𝑉 𝑆𝑎𝑡 = 10𝑉 (thực tế nhóm đo được)
+ Khi Vi > Vref thì 𝑉 0 = −𝑉 𝑆𝑎𝑡 = −10𝑉(thực tế nhóm đo được)
- Mạch tạo sóng vuông ở ngõ ra (có độ dốc nhỏ)
- Khi v2 > v1, v0 dần về vH (+vsat)
- Khi v2 < v1, v0 dần về vL (-vsat)
- Mạch so sánh có hai biên so sánh và vùng đệm giữ VTH và VTL
Mạch khuếch đại Op-amp sử dụng cực đảo để kết nối với tín hiệu ngõ vào Vi, trong khi cực không đảo được nối với tín hiệu ngõ ra Điện trở hồi tiếp RF được kết nối song song với điện trở RG, giúp điều chỉnh mức khuếch đại của mạch.
- Chức năng : Giống mạch so sánh nhưng có tính năng là lọc nhiễu
- Lý thuyết : 𝑉 + không là hằng số mà dao động trong khoảng (VTL, VTH) :
• Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác
Mạch Schmitt Trigger với điện áp VS- = 0 ở cực đảo cho phép tạo ra xung vuông từ điện áp ngõ vào Vo1 của mạch 2 Mạch này sử dụng hồi tiếp RF qua điện trở Ri, giúp làm méo dạng ngõ ra Vo1 thành xung vuông.
Mạch tích phân (Mạch 2) có ngõ ra là hàm tích phân của ngõ vào, với cực không đảo được nối đất Cực đảo nhận tín hiệu vào là điện áp ra Vo1 từ mạch 1 qua điện trở R và tụ hồi tiếp Điện áp ra tỷ lệ nghịch với hằng số thời gian 𝜏, thể hiện mối quan hệ giữa điện áp vào và điện áp ra.
𝑅𝐶 ∫ 𝑉 0 𝑡 𝑜1 𝑑𝑡 ; =RC là hằng số thời gian
3 Lựa chọn dữ kiện đầu vào và phương pháp đo đạc các đại lượng
3.1 Với các mạch khuếch đại
- Lắp mạch theo các sơ đồ mạch điện trên module
- Cấp nguồn DC cho các Op- amp : +12V và -12V
- Các 𝑅 𝑖 chọn 12k, 𝑅 𝐹 chọn đo 2 lần 22k và 68k, hoặc 12k và 22k
- Cho 𝑉 𝑖 vào CH1, 𝑉 𝑜 vào CH2 của dao động ký, quan sát các dạng sóng, tính độ lợi áp và so sánh kết quả thí nghiệm với lý thuyết
- Chọn Vi để Vo không bị méo dạng ( dựa vào điện áp ngưỡng ngõ ra):
+ Mạch khuếch đại không đảo: 𝑅 𝐹 = 22𝑘𝛺 ; 𝑅 𝐹 = 68𝑘Ω
+ Mạch khuếch đại cộng điện áp: 𝑅 𝐹 = 12𝑘Ω ; 𝑅 𝐹 = 22𝑘Ω
+ Mạch khuếch đại trừ điện áp: 𝑅 𝐹 = 12𝑘𝛺 ; 𝑅 𝐹 = 22𝑘𝛺
- Đọc giá trị biên độ đỉnh – đỉnh của tín hiệu ngõ vào và ngõ ra trên dao động ký và điền kết quả thu được vào bảng số liệu
3.2 Với các mạch so sánh và tạo sóng
- Lắp mạch theo các sơ đồ mạch điện trên module
- Cấp nguồn DC cho các Op- amp : +12V và -12V
- Các 𝑅 𝑖 chọn 12k, 𝑅 𝐹 chọn đo 2 lần 12k và 22k
- Cho 𝑉 𝑖 vào CH1, 𝑉 𝑜 vào CH2 của dao động ký, quan sát các dạng sóng, tính độ lợi áp và so sánh kết quả thí nghiệm với lý thuyết
+ Mạch so sánh: Chọn giá trị Vref = 5V Chọn biên độ Vi lần lượt lớn hơn
Vref và nhỏ hơn Vref để được 2 dạng sóng ngõ ra khác nhau
+ Mạch Schmitt Trigger: Với 𝑅 𝐹 = 12𝑘𝛺 𝑉𝑖 ∈ (−6𝑉, 6𝑉); với 𝑅 𝐹 22𝑘𝛺 𝑉 𝑖 ∈ (−4.23𝑉; 4,23𝑉)
+ Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác: chọn (𝑅 𝐹 , 𝑅, 𝐶) (22𝑘𝛺, 5.6𝑘𝛺, 0.22𝜇𝐹), (68𝑘𝛺, 10𝑘𝛺, 0.047𝜇𝐹)
4 Các kết quả thí nghiệm
RF Vi-pp Vo-pp Av
Hình 4.1: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp R F = 22kΩ
Hình 4.2: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp R F = 68kΩ
4.2 Mạch khuếch đại không đảo
RF Vi-pp Vo-pp Av
Hình 4.3: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp R F = 68kΩ
4.3 Mạch khuếch đại cộng điện áp
RF Vi-pp Vo-pp
Hình 4.4: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp R F = 12kΩ
4.4 Mạch khuếch đại trừ điện áp
RF Vi-pp Vo-pp
Hình 4.5: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp R F = 12kΩ
Hình 4.6: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp R F = 22kΩ
Vi-pp Vref Vo-pp
Hình 4.7: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp V i lớn hơn V ref
Hình 4.8: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp V i bé hơn V ref
RF vH vL vTH vTL
Hình 4.9: Dạng sóng ngõ vào/ra khi R F = 12kΩ
Hình 4.8: Dạng sóng ngõ vào/ra khi R F = 22kΩ
4.7 Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác
5 Phân tích so sánh và kết luận
→ Vậy kết quả dạng sóng 𝑉 𝑖 , 𝑉 𝑜 khảo sát giống với lý thuyết, sai số rất nhỏ do
Op-amp hoạt động tốt
5.2 Mạch khuếch đại không đảo
→ Vậy kết quả dạng sóng 𝑉 𝑖 , 𝑉 𝑜 khảo sát giống với lý thuyết, sai số rất nhỏ do
Op-amp hoạt động tốt
5.3 Mạch khuếch đại cộng điện áp
𝑉 𝑜 có biên độ 𝑉 𝑜−𝑝𝑝 = 2𝑉, dao động tại vị trí cân bằng -5V, ngược pha 𝑉 𝑖1
Kết quả khảo sát giống với lý thuyết
𝑉 𝑜 có biên độ 𝑉 𝑜−𝑝𝑝 = 1.45𝑉, dao động tại vị trí cân bằng -5V, ngược pha
Kết quả khảo sát gần giống với lý thuyết, sai lệch do sai số thiết bị đo
5.4 Mạch khuếch đại trừ điện áp
𝑉 𝑜 có biên độ 𝑉 𝑜−𝑝𝑝 = 6𝑉, dao động tại vị trí cân bằng -5V, cùng pha 𝑉 𝑖1
Kết quả khảo sát giống với lý thuyết
𝑉 𝑜 có biên độ 𝑉 𝑜−𝑝𝑝 = 1.5𝑉, dao động tại vị trí cân bằng -5V, ngược pha
Kết quả khảo sát gần giống với lý thuyết, sai lệch do sai số thiết bị đo
Theo lý thuyết: khi 𝑉 𝑖 > 𝑉 𝑟𝑒𝑓 thì 𝑉 𝑜 = 𝑉 𝐿 ( mức điện áp thấp) , khi khi 𝑉 𝑖 < 𝑉 𝑟𝑒𝑓 thì 𝑉 𝑜 = 𝑉 𝐻 ( mức điện áp cao)
Vi-pp.9: Khi 𝑉 𝑖 > 5V thì 𝑉 𝑜 = 𝑉 𝐿 , 𝑉 𝑖 < 5V thì 𝑉 𝑜 = 𝑉 𝐻
→ Kết quả khảo sát giống với lý thuyết
Vi-pp = 8.36: Biên độ Vi < 5V nên 𝑉 𝑜 =𝑉 𝐻
→ Kết quả khảo sát giống với lý thuyết
𝑅 𝐹 + 𝑅 𝐺 Khi Vi > 𝑉 𝑇𝐻 : Vo= 𝑣 𝑆𝐿 ( bão hòa âm)
Khi Vi < 𝑉 𝑇𝐿 : Vo= 𝑣 𝑆𝐻 ( bão hòa dương)
Kết quả khảo sát giống với lý thuyết
Kết quả đo thường có sai lệch so với lý thuyết, nguyên nhân chủ yếu là do sai số từ dụng cụ đo Một số yếu tố gây ra sai số bao gồm nhầm lẫn khi đọc các giá trị trên máy phát sóng và việc cursor của biên độ cùng với thời gian không thể hiển thị đồng thời, dẫn đến khó khăn trong việc đọc chính xác các giá trị.
5.7 Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác
Kết quả khảo sát cho thấy có sự sai lệch với lý thuyết về tín hiệu qua các Op-amp do ảnh hưởng của độ trễ thời gian và quá trình nạp xả không đồng đều của tụ điện.
Khảo sát đáp ứng tần số mạch khuếch đại BJT ghép E chung
KHUẾCH ĐẠI BJT GHÉP E CHUNG
Khảo sát đáp ứng tần số mạch khuếch đại BJT ghép E chung
Tính toán lý thuyết độ lợi áp dãy giữa của mạch, tần số cắt cao và tần số cắt thấp dựa trên các thông số đã cho Các thông số còn thiếu sẽ được lấy từ kết quả thí nghiệm của bài 1 Cuối cùng, so sánh kết quả khảo sát thực nghiệm với lý thuyết để đánh giá độ chính xác và tính khả thi của các mô hình đã sử dụng.
Hiểu nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại BJT ghép E chung là rất quan trọng, đặc biệt ở các tần số khác nhau như tần số thấp, tần số dãy giữa và tần số cao Việc phân tích mạch có hồi tiếp và không hồi tiếp giúp tối ưu hóa hiệu suất khuếch đại và cải thiện chất lượng tín hiệu.
- Dùng máy đo, đo phân cực DC của các mạch để đảm bảo mạch hoạt động ở chế độ tích cực
Thay đổi giá trị của các tụ ghép CC, CE và tụ Cobext sẽ giúp quan sát sự khác biệt về độ lợi áp giữa các mạch có hồi tiếp và không hồi tiếp Việc này cho phép người nghiên cứu hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của các thành phần tụ điện đến hiệu suất của mạch điện.
- Biết cách xác định độ lợi áp dãy giữa (ở tần số dãy giữa)
Thay đổi tần số từ 100Hz đến 100kHz để quan sát độ lợi áp và xác định tần số cắt thông qua việc điều chỉnh biên độ ngõ ra.
- Sử dụng dao động kí để quan sát dạng sóng ngõ vào và ngõ ra ở các tần số khác nhau và tính được độ lợi áp
- Từ các độ lợi áp tính được từ tần số thấp đến tần số cao, vẽ đáp ứng tần số của các mạch
- Hiểu được ảnh hưởng của các tụ Cobext lên độ lợi áp của mạch và các tần số cắt
2 Các giả thuyết cần kiểm chứng
2.1 Mạch khuếch đại ghép E chung không hồi tiếp
Các thông số của mạch điện phụ thuộc vào nhiệt độ tại thời điểm khảo sát và loại mạch cụ thể Do đó, chúng ta có thể sử dụng lại các giá trị thông số đo được trong trường hợp mạch phân cực DC, bao gồm hfe = β = 240 và 𝑉 𝐵𝐸 = 0,66𝑉.
• Xét phân cực tĩnh DC:
Ta có: RTH = RB1 // RB2 = 18 ×5.6
53 Áp dụng KVL cho Loop I, ta có:
TH TH BQ BE E E BQ
Ta thấy V CEQ V CEQ sat , nên BJT đang hoạt động ở miền tích cực Điện trở: 𝑟 𝜋 = 𝑉 𝑇
• Xét tại chế độ AC
Mô hình tương đương tín hiệu nhỏ:
- Xét ảnh hưởng của tụ 𝐶 𝑖 ngắn mạch tụ 𝐶 𝑜 𝑣à 𝐶 𝐸
- Xét ảnh hưởng của tụ 𝐶 𝑜 ngắn mạch tụ 𝐶 𝑖 𝑣à 𝐶 𝐸
- Xét ảnh hưởng của tụ 𝐶 𝐸 ngắn mạch tụ 𝐶 𝑜 𝑣à 𝐶 𝑖
Do chênh lệch lớn giữa các tần số 𝑓 𝑝1 , 𝑓 𝑝2 , 𝑓 𝑝3 , chọn tần số cắt dưới của mạch:
➔ Nhận xét: mạch khuếch đại E chung thường có tần số cắt phụ thuộc vào tụ ở chân E
➢ Tần số dãy giữa: lúc này các tụ Ci,Co,CE xem như ngắn mạch, Cobext có giá trị rất lớn nên xem như hở mạch
Hệ số khuếch đại áp:
➢ Tần số cao: mạch chịu ảnh hưởng của các tụ kí sinh: Áp dụng Thevenin cho 𝑅 𝑖𝑛 𝑣à 𝑅 𝑜𝑢𝑡 , ta có:
Mô hình tương đương tín hiệu nhỏ:
Do ảnh hưởng của 𝐶 2 không đáng kể nên độ lợi áp của mạch là:
Với 𝐶 𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡 = 33𝑝𝐹 → 𝐶 1 = 9,74𝑛𝐹 → 𝑓 𝐻 ≈ 33𝑘𝐻𝑧 Độ lợi áp toàn mạch:
2.2 Mạch khuếch đại ghép E chung có hồi tiếp
Hình 2.2: Mạch khuếch đại ghép E chung có hồi tiếp
• Xét phân cực tĩnh DC: tương tự mạch khuếch đại E chung không hồi tiếp
Mô hình tương đương tín hiệu nhỏ:
- Xét ảnh hưởng của tụ 𝐶 𝑖 ngắn mạch tụ 𝐶 𝑜 𝑣à 𝐶 𝐸
- Xét ảnh hưởng của tụ 𝐶 𝑜 ngắn mạch tụ 𝐶 𝑖 𝑣à 𝐶 𝐸
- Xét ảnh hưởng của tụ 𝐶 𝐸 ngắn mạch tụ 𝐶 𝑜 𝑣à 𝐶 𝑖
Do chênh lệch lớn giữa các tần số 𝑓 𝑝1 , 𝑓 𝑝2 , 𝑓 𝑝3 , chọn tần số cắt dưới của mạch: 𝑓 𝐿 = max(𝑓 𝑝1 , 𝑓 𝑝2 , 𝑓 𝑝3 ) = 57 𝐻𝑧
➢ Tần số dãy giữa: các tụ Ci,Co,CE xem như ngắn mạch do trở kháng nhỏ,
Cobext xem như hở mạch do trở kháng lớn:
Hệ số khuếch đại áp:
➢ Tần số cao: chỉ có hoạt động của các tụ kí sinh trong BJT và Cobext: Áp dụng Thevenin cho 𝑅 𝑖𝑛 𝑣à 𝑅 𝑜𝑢𝑡 , ta có:
Mô hình tương đương tín hiệu nhỏ:
Do ảnh hưởng của 𝐶 2 không đáng kể nên độ lợi áp của mạch là:
Với 𝐶 𝑜𝑏𝑒𝑥𝑡 = 1𝑛𝐹 → 𝐶 1 = 181𝑛𝐹 → 𝑓 ℎ ≈ 1,6𝑘𝐻𝑧 Độ lợi áp toàn mạch:
3 Lựa chọn dữ kiện đầu vào và phương pháp đo đạc các đại lượng
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
3.2 Đo vo và vẽ đáp ứng tần số
- Đảm bảo mạch hoạt động ở chế độ AC tín hiệu nhỏ, đo Av tại tần số dãy giữa
- Chọn Vi từ vài chục mV đến vài trăm mV, tần số khoảng 1kHz đến 5kHz
Thông số cụ thể chọn ở phần dưới bảng
- Giữ nguyên biên độ ngõ vào, chỉnh tần số máy phát sóng từ 100Hz đến
Tại tần số 100KHz, chúng tôi đã lập bảng đo giá trị đỉnh – đỉnh của ngõ ra tương ứng với 10 giá trị tần số: 100, 200, 300, 500, 1k, 5k, 10k, 50k, 70k và 100k Sau đó, chúng tôi tính toán bảng độ lợi áp Av của mạch tương ứng với các giá trị này.
Đo tần số cắt bằng cách điều chỉnh tần số máy phát sóng từ tần số trung bình, tăng hoặc giảm cho đến khi biên độ ngõ ra giảm xuống còn 1/sqrt(2) của biên độ ngõ ra tại tần số trung bình Tần số này được xác định là tần số cắt.
- Từ bảng độ lợi áp thu được tiến hành vẽ đáp ứng tần số
Chọn tần số đo như sau f(Hz) 100 200 300 500 1k 5k 10k 50k 70k 100k
4 Các kết quả thí nghiệm
Tiến hành thí nghiệm trên mạch khuếch đại E chung – hoạt động ở chế độ
DC tích cực ta có bảng giá trị sau:
→ BJT hoạt động ở chế độ tích cực
4.2 Đo vo và vẽ đáp ứng tần số a) Mạch khuếch đại ghép E chung không hồi tiếp
• Thí nghiệm 1: Cobext = 0, Chọn Vi-pp = 80mV
→ Vo-pp tại tần số dãy giữa = 5V
31.19 34.61 35.74 36.666 36.824 36.9 36.98 36.09 35.74 34.81 Độ lợi áp dãy giữa:
Hình 4.1: Dạng sóng ngõ vào/ra tại tần số dãy giữa
Tần số cắt đo được: ( Với 𝑣 𝑜−𝑝𝑝 = 1
→ Tần số cắt dưới: fLC = 106.72 Hz; Tần số cắt trên: fHC = ꝏ
→ Vẽ đáp ứng tần số
100 200 300 500 1000 5000 10000 50000 70000 100000 Đáp ứng tần số thí nghiệm 1
• Thí nghiệm 2: Cobext = 15pF, Chọn Vi-pp = 80mV
→ Vo-pp tại tần số dãy giữa = 5.4V f(Hz) 100 200 300 500 1k 5k 10k 50k 70k 100k
30.725 33.98 35.38 36.26 36.745 36.9 36.824 34.61 33.3 31.48 Độ lợi áp dãy giữa:
Hình 4.2: Dạng sóng ngõ vào/ra tại tần số dãy giữa
Tần số cắt đo được: ( Với 𝑣 𝑜−𝑝𝑝 = 1
→ Tần số cắt dưới: fLC = 180.5 Hz
Hình 4.3: Dạng sóng ngõ ra tại tần số cắt dưới
Tần số cắt trên: fHC = 65.3 kHz
Hình 4.4: Dạng sóng ngõ ra tại tần số cắt trên
→ Vẽ đáp ứng tần số:
• Thí nghiệm 3: Cobext = 30pF, Chọn Vi-pp = 80mV
→ Vo-pp tại tần số dãy giữa = 5.2V f(Hz) 100 200 300 500 1k 5k 10k 50k 70k 100k
100 200 300 500 1000 5000 10000 50000 70000 100000 Đáp ứng tần số thí nghiệm 2
64 Độ lợi áp dãy giữa:
Hình 4.5: Dạng sóng ngõ vào/ra tại tần số dãy giữa
Tần số cắt đo được: ( Với 𝑣 𝑜−𝑝𝑝 = 1
→ Tần số cắt dưới: fLC = 171.26 Hz
Hình 4.6: Dạng sóng ngõ ra tại tần số cắt dưới
Tần số cắt trên: fHC = 45.9 kHz
Hình 4.7: Dạng sóng ngõ ra tại tần số cắt trên
→ Vẽ đáp ứng tần số: b) Mạch khuếch đại ghép E chung có hồi tiếp
• Thí nghiệm 4: Cobext = 0, Chọn Vi-pp = 43.8mV
→ Vo-pp tần số dãy giữa là: 0.836V Độ lợi dãy giữa:
100 200 300 500 1000 5000 10000 50000 70000 100000 Đáp ứng tần số thí nghiệm 3
Tần số cắt đo được: ( Với 𝑣 𝑜−𝑝𝑝 = 1
→ Tần số cắt dưới: 𝑓 𝐿𝐶 = 68.65 𝐻𝑧 Tần số cắt trên: 𝑓 𝐻𝐶 = ∞
• Thí nghiệm 5: Cobext = 1nF, Chọn Vi-pp = 43.8mV
→ Vo-pp tần số dãy giữa là: 0.876V f(Hz) 100 200 300 500 1k 5k 10k 50k 70k 100k
20 logA v 24.74 25.614 25.614 26.02 26.02 24.293 21.786 9.816 7.136 4.27 Độ lợi dãy giữa:
Tần số cắt đo được: ( Với 𝑣 𝑜−𝑝𝑝 = 1
→ Tần số cắt dưới: 𝑓 𝐿𝐶 = 70.4 𝐻𝑧; Tần số cắt trên: 𝑓 𝐻𝐶 = 7.017 𝑘𝐻𝑧
→ Vẽ đáp ứng tần số
100 200 300 500 1000 5000 10000 50000 70000 100000 Đáp ứng tần số thí nghiệm 5
5 Phân tích so sánh vá kết luận
Kết quả đo giống với lý thuyết, 𝛽 có sự thay đổi do đặc trưng của mạch và thiết bị đo chưa đo được chính xác
5.2 Đo vo, Av và vẽ đáp ứng tần số a) Mạch khuếch đại E chung không hồi tiếp
Độ lợi áp tại tần số dãy giữa có sự sai lệch so với lý thuyết, nhưng mức độ sai lệch này không quá lớn do sự thay đổi của β, không phải cố định Bên cạnh đó, sai số của máy đo và việc quan sát bằng dao động ký cũng góp phần vào việc không đạt được độ chính xác tuyệt đối.
+ Điện áp ngõ ra ngược pha so với điện áp ngõ vào phù hợp với bài toán
+ Khi Cobext=0, tần số cắt cao quá lớn nên không thể đo chính xác giá trị là bao nhiêu
Khi lắp thêm tụ Cobext, tần số thu được cho thấy rằng ở tần số cao độ, lợi áp và tần số cắt trên đều giảm so với trường hợp không có tụ Cobext (Cobext = 0).
Cụ thể, khi Cobext =0, tần số cắt trên fHC = ꝏ khi Cobext pF, tần số cắt trên fHC = 65.3 kHz khi Cobext = 30pF, tần số cắt trên fHC = 45.9 kHz
+ Trường hợp CobextpF do sai số trong quá trình đo dẫn đến hình dạng đáp ứng tần số không như mong muốn
Trong quá trình thí nghiệm, nhiều lần dây bị lỏng gây ra hiện tượng nhiễu dạng sóng hoặc không thể quan sát được Mạch khuếch đại E chung có hồi tiếp.
Từ các công thức của phần cơ sở lý thuyết và ICQ tính được
Kết quả đo 𝐴 𝑀𝐵 (𝑙𝑡) = −22.6 gần giống với lý thuyết, cho thấy sai lệch nhỏ do sự thay đổi của thiết bị đo và 𝛽 Tuy nhiên, sự lỏng lẻo của các dây dẫn đã gây ra nhiễu trong kết quả quan sát.
