báo cáo thí nghiệm mạch điện tử

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM
MƠN: MẠCH ĐIỆN TỬ

TP.HCM, năm 2022


I. Mục tiêu thí nghiệm:
-

Bài thí nghiệm giúp nhóm kiểm chứng nguyên lý hoạt động và các thông số cơ
bản của mạch khuếch đại ghép vi sai dùng BJT . Những số liệu sai lệch khi tính
tốn lý thuyết và đo được trên thực tế đã đưa ra nhiều câu hỏi giúp nhóm tìm hiểu
và hiểu thêm hơn về sự sai số trong môi trường thực nghiệm. ( Các phân tích cụ
thể được nhóm trình bày trong mục V )

-

Trong q trình thí nghiệm, bài thí nghiệm đã giúp các thành viên trong nhóm
thành thạo hơn trong việc sử dụng các dụng cụ thí nghiệm (dao động ký, máy đo

-

đa năng...), nắm rõ các quy tắc an tồn trong phịng thí nghiệm.
Bài thực hành thí nghiệm giúp rèn luyện cho các thành viên khả năng làm việc
nhóm chung,

-

phân chia và sắp xếp công việc hợp lý, đặc biệt hơn hết là rèn luyện khả năng xử
lý vấn đề khi nhóm gặp những sự cố trong quá trình thực hiện lắp mạch và đo đạc.

II. Các lý thuyết phải kiểm chứng:
-

Mạch khuếch đại vi sai với ở cực phát.


-

Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát.

1. Chức năng:
- Có khả năng khuếch đại các tín hiệu có tần số nhỏ ( tín hiệu một chiều, có tần
số vài Hz), giảm thiểu tiếng ồn do linh kiện và sự cản trở từ bên ngoài. Liên kết
giữa các tầng mà không cần dùng đến tụ.
- Khuếch đại vi sai được sử dụng để khuếch đại tín hiệu có tần số giới hạn dưới
nhỏ ( tới vài Hz), gọi là tín hiệu biến thiên chậm hay tín hiệu một chiều.
- Khuếch đại vi sai là cơ sở xây dựng khuếch đại thuật toán sử dụng OP-Amp
2. Nguyên lý hoạt động:
- Khuếch đại vi sai có tín hiệu ra khơng tỉ lệ với trị tuyệt đối của tín hiệu vào
mà tỉ lệ với hiệu hai tín hiệu vào.
- Mạch khuếch đại vi sai có hai điện áp ngõ vào. Nếu đặt hai điện áp đó các tín
hiệu bằng nhau về độ lớn, mạch sẽ phản ứng với tín hiệu ngược pha và khơng
phản ứng với tín hiệu đồng pha.


3. Thông số mạch:
- Mạch gồm hai BJT giống nhau về thơng số nguồn dịng Emitter và điện áp

các chân, các điện trở mắc vào các chân C,B của hai BJT giống hệt nhau. Điện
trở mắc chung vào chân E của hai BJT ( đối với mạch khuếch đại vi sai ở cực
phát) và bộ BJT và các điện trở đóng vai trị như nguồn dịng ( đối với các
mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát ). Tải mắc vào chân C của
BJT thông qua tụ.
- BJT 2SD468 có các thơng số mạch ở:
• Tụ: ngăn cản ảnh hướng của tải đối với mạch DC.
• Điện trở: điện trở hồi tiếp âm, giúp ổn định phân cực chân C, giảm
luồng biến thiên dịng ở cực phát.
• Nguồn dịng có tổng trở rất lớn, làm giảm CMRR ( hệ số triệt tiêu dòng
đồng pha), tăng khả năng ứng dụng của mạch vi sai.
• Có hfe từ 85-240; VCE,sat =0.2(V); VBE=0.8 V
• Sử dụng nguồn DC: -12V; 12V
4. Tính tốn lý thuyết:
Mạch khuếch đại vi sai với RE ở cực phát
Tìm điểm phân cực tĩnh DC
Ta có: VE1=VE2=RE*(IE1+IE2)-12=2IE1*RE -12=2*IE2*R2 -12
Do mạch hoàn toàn đối xứng, ta tách thành 2 nhánh mạch với R’E=2RE
Giả sử cả hai BJT đều hoạt động ở chế độ tích cực thuận
Xét KVL tại vòng BE
IB*RB1 +VBE+2RE*IE-12=0


IB=

12 − VBE
RB1 + 2( β + 1) RE

=

12 − 0.7
1.2 + 2(238 + 1)5.6

=0.0042(mA) ( các giá trị hfe, VBE lấy trong datasheet)
 IE1=IE2=1.01(mA)

IC1=IC2=

β
β +1

IE1=1 (mA)

VCE1=VCE2=12-(-12) -IC1(RC1+2RE)=7.2 (V)
Ta thấy VCE1=VCE2=7.2 (V) >VCE,sat nên giả định đặt ra ban đầu là đúng
Vậy Q1=(1.5mA; 7.2V) và Q2=(1.5mA; 7.2V)
Xét mạch ở chế độ AC:
Do cả 2 BJT đều được phân cực ở điểm tĩnh như nhau nên
I CQ

gm1=gm2=gm=

VT

=40 (mA);

rπ 1 = rπ 2 = rπ

Xét KCL tại E ta có:
vπ 1

vπ 1 vE
+ gm * vπ 1 + gm * vπ 2 +
=
rπ
rπ
RE

vπ 1*



1+ β
1 + β vE
+ vπ 2*
=
rπ
rπ
RE

Mặt khác:

vπ 1 v1 − v E
=
rπ
RB + rπ

;

vπ 2 v 2 − v E
=

rπ
RB + rπ

β
gm

=

=6 k

Ω


Vì vậy: (v1+v2-2vCE)

1+ β
rπ + RB

=

vE
RE

 vE =

Ta có : v1=vcm+ vd/2 ; v2=cm-vd/2  vE=

Vo= -gm*

vπ 2

*(RC||RL) =-gm*(RC||RL)

=-gm*(RC||RL)

v1 + v 2
rπ + RB
2+
(1 + β ) RE
vcm
rπ + RB
1+
2(1 + β ) RE

rπ
(v 2 − v E )
RB + rπ

v
rπ
vcm
(vcm − d −
)
RB + rπ
2 1 + RB + rπ
2( β + 1) RE

= Advd+Acm*vcm

Từ đó suy ra

Av= gm(RC||RL)

Acm=

rπ
2*( rπ + RB )

− β ( RC || RL )
rπ + RB + 2( β + 1) RE

=

β ( RC || RL )
2*(rπ + RB )

=63.6 (V/V)

=-0.5 (V/V)

Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dịng ở cực phát
Tìm điểm phân cực DC
Sử dụng tương đương Thevenin ta được
RTH= RJ1||RJ2=3.4 k

VTH=

RJ 1
RJ 1 + RJ 2

Ω

(-12)= -6 (V)

Giả sử các BJT đều hoạt động ở miền tích cực


Xét KVL ta có:
β

2*IE1=2*IE2=IC3= IB3=1.94 (mA)
 IE1=IE2 = 0.97 (mA)

IB=

VTH + 12 − VBE
RTH + ( β + 1) RE

=0.008(mA)  IC1=IC2=

β
I E1
β +1

=0.968 (mA)

KVL: IB1RB1 +VBE+VCE3+IE3RE3=12  VCE3=6.06 (V)
12=IC1RC1+VCE1+VCE3+IE3RE3-12  VCE1=VCE2=7.28 (V)
Ta thấy VCE1=VCE2 > VCE,sat ; VCE3>VCE,sat nên giả định đặt ra là đúng
Xét mạch ở chế độ AC

Ad=

β ( RC || RL )
2*( rπ + RB )

Acm=

=61.9 (V/V)

− β ( RC || RL )
rπ + RB + 2( β + 1) Ro

Ta có :

Ro=ro=

VA
IC

; trong đó VA là điện áp Early, VA 

∞

nên Ro 

∞

Do đó Acm  0
III. Lựa chọn các dữ liệu đầu vào và các phương pháp đo đạc các đại

lượng:
1. Lựa chọn các dữ liệu đầu vào:
- Các thông số mạch DC như hệ số khuếch đại hfe và không chọn theo thông số

mạch của BJT 2SD468 mà chọn theo giá trị đo được trong thí nghiệm và


dùng số liệu này để tính tốn lý thuyết. Ngun nhân là do ảnh hưởng của
nhiệt độ lúc khảo sát lên các thông số mạch cũng như sự sai lệnh thông số
đối với từng loại mạch điện.
- Chọn hai giá trị điên trở nối vào máy phát sóng trong mạch đo độ lợi vi sai

là 33Ω, rất nhỏ so với giá trị điện trở (=1k2Ω). Mục đích là để tạo giá trị
ngược pha cho hai giá trị áp ngõ vào. Gía trị điện trở chọn rất nhỏ để khơng
làm ảnh hưởng đến thông số mạch.
- Các giá trị tụ điện, điện trở, BJT, nguồn DC còn lại ta chọn theo các giá trị

trong danh sách linh kiện bên dưới.

2. Hướng dẫn đo các đại lượng trong mạch khuếch đại E chung:
a. Đo phân cực tĩnh DC: khi đo phân cực phải ngắn mạch nguồn AC (tháo hai
dây nối của máy phát sóng ra khỏi hai điểm tương ứng trên mạch, sau đó dùng
dây nối ngắn mạch hai điểm này lại với nhau). Thiết bị đo áp, dòng phải được
để ở chức năng DC.
b. Đo độ lợi áp của mạch:
- Cho mạch hoạt động ở chế độ AC, nhưng không được phép tháo bỏ nguồn


ni DC (khơng có nguồn ni mạch sẽ khơng hoạt động)
- Chỉnh tín hiệu nhỏ: quan sát ngỏ ra của mạch khuếch đại bằng dao động ký,

tăng biên độ của máy phát sóng tới khi thấy ngõ ra bị méo dạng (thường có
dạng bị xén một hoặc hai đỉnh của tín hiệu). Sau đó, tiến hành giảm biên độ
máy phát sóng và quan sát ngõ ra tới khi nào ngõ ra khơng cịn méo dạng, khi
đó mạch đang ở chế độ tuyến tính mới có thể đo độ lợi áp được. Lưu ý có thể
chọn nhiều giá trị biên độ của ngõ vào để đo độ lợi áp sau đó lấy giá trị trung
bình.
- Chỉnh tần số dãy giữa: Dùng dao động ký quan sát đồng thời ngõ vào và ngõ
ra của mạch khuếch đại. Máy phát sóng đặt ở tần số thấp (vài chục Hz), sau đó
tăng dần tần số tới khi nào quan sát thấy hai tín hiệu cùng pha (đỉnh cực đại
hoặc cực tiểu của hai tín hiệu nằm trên cùng một đường thẳng đứng) hoặc
ngược pha (đỉnh cực đại và cực tiểu của hai tín hiệu nằm trên cùng một đường
thẳng đứng). Những tần số thỏa điều kiện trên đều thuộc tần số dãy giữa. Lưu ý
có thể chọn nhiều giá trị tần số dãy giữa để đo độ lợi áp sau đó lấy giá trị trung
bình.
- Xác định độ lợi áp bằng cách lấy tỉ số biên độ (nên dùng trị đỉnh – đỉnh) của
ngõ ra với ngõ vào.
c. Đo trở kháng vào của mạch:
- Đảm bảo mạch hoạt động ở chế độ AC, tín hiệu nhỏ, tần số dãy giữa.
- Với hai giá trị Ri khác nhau biết trước (giả sử là Ri1, Ri2), giữ nguyên biên
độ máy phát sóng lần lượt đo trị đỉnh - đỉnh của ngõ ra giả sử là VO1 và VO2.
Khi đó ta có (Ri1+Zi)/(Ri2+Zi)=VO2/VO1 . Từ đây tính ra giá trị Zi, lưu ý có
thể chọn các Ri khác nhau để đo Zi sau đó lấy trị trung bình.
d. Đo trở kháng ra của mạch:
- Đảm bảo mạch hoạt động ở chế độ AC, tín hiệu nhỏ, tần số dãy giữa.


- Với hai giá trị RL khác nhau biết trước (giả sử là RL1, RL2), giữ nguyên
biên độ máy phát sóng lần lượt đo trị đỉnh - đỉnh của ngõ ra giả sử là VO1 và
VO2. Khi đó ta có RL2(RL1+ZO)/RL1(RL2+ZO)=VO2/VO1 . Từ đây tính ra
giá trị ZO, lưu ý có thể chọn các RL khác nhau để đo ZO sau đó lấy trị trung

bình.
3. Moduel sử dụng:

IV. Các kết quả thí nghiệm:
1. Đo phân cực tĩnh DC
Mạch khuếch đại vi sai với RE ở cực phát
Xét điểm phân cực tĩnh của:
BJT Q1: IC1=0.966mA;
IB1=0.0041mA;
IE1=0.9701mA;
VCE1=7.4091 V
VBE1= 0.722V
Độ lợi áp hfe được đo chính xác theo cơng thức: hfe==235.6


BJT Q2: IC2=1.0222mA;
IB2=0.0042mA;
IE2=1.0264mA;
VCE2=6.799 V
VBE2= 0.539V
Độ lợi áp hfe được đo chính xác theo cơng thức: hfe==237.6
NHẬN XÉT:
• Kết quả tính tốn phân cực của 2 con BJT tuy có sai số so với tính tốn
lý thuyết nhưng vẫn đảm bảo cả 2 đều được phân cực ở chế độ phân cực
thuận
• Độ lớn hệ số hfe của cả 2 con BJT gần như xấp xỉ bằng nhau. Sự chênh
lệch đền từ kết quả đo I B rất nhỏ nhưng IC lại rất lớn, do đó sự thay đổi
nhỏ của IB có thể ảnh hưởng đến hfe
Nhận xét kết quả đo:
Kết quả đo có sự sai lệch nhỏ so với lý thuyết, ngun nhân có thể là do:

• Sai số trong điện trở và BJT
• Điện trở của dây dẫn khơng lý tưởng
Mạch khuếch đại vi sai với nguồn dòng ở cực phát
Xét điểm phân cực tĩnh của:
BJT Q1: IC1=0.943mA;
IB1=0.0041mA;
IE1=0.947mA;
VCE1=7.3513 V


VBE1= 0.741V
BJT Q2: IC2=1.0101mA;
IB2=0.0042mA;
IE2=1.0143mA;
VCE2=6.824 V
VBE2= 0.651V
BJT Q3: IC3=1.8788mA;
VCE3=5.884 V
NHẬN XÉT:
• Kết quả tính tốn phân cực của 3 con BJT tuy có sai số so với tính tốn
lý thuyết nhưng vẫn đảm bảo cả 3 đều được phân cực ở chế độ phân cực
thuận
• Độ lớn hệ số hfe của cả 2 con BJT gần như xấp xỉ bằng nhau. Sự chênh
lệch đền từ kết quả đo I B rất nhỏ nhưng IC lại rất lớn, do đó sự thay đổi
nhỏ của IB có thể ảnh hưởng đến hfe
2. Đo độ lợi cách chung Acm

Ac=

vo

v1 + v 2
2

=

vo
vi

Tiến hành theo module các mạch, ta được bảng giá trị:
Mạch
khuếch
đại vi
sai

Acm (V/V)
V0pp

V1-pp

V2-pp

Vcm

Lý
thuyết

Thực nghiệm


RE ở cực

phát

98mV

156mV

162mV

159mV

Nguồn dòng ở cực phát

40mV

98mV

100mV

99mV

-0.5
V/V
0 V/V

-0.6164 V/V
-0.404 V/V

Nhận xét kết quả đo:
Kết quả đo có sự sai lệch nhỏ so với lý thuyết, nguyên nhân có thể là do:
• Sai số trong điện trở và BJT

• Điện trở của dây dẫn không lý tưởng ( điện trở khác 0)

3. Đo đội lợi vi sai Ad

Ad=

vo
v 2 − v1

=

vo
2vi

Tiến hành theo module các mạch, ta được bảng giá trị:
Mạch
khuếch
đại vi sai
RE ở cực phát
Nguồn dòng ở
cực phát
Nhận xét kết quả đo:
Kết quả đo có sự sai lệch nhỏ so với lý thuyết, ngun nhân có thể là do:
• Sai số trong điện trở và BJT
• Điện trở của dây dẫn không lý tưởng ( điện trở khác 0)


Hình ảnh đo trên máy dao động kí đo độ lợi cách chung ở phần 2:
- Re ở cực phát

V1pp và V2pp
-Nguồn dòng ở cực phát:

Vo


V1pp và V2pp

Vo

Hình ảnh đo trên máy dao động kí đo độ lợi vi sai ở phần 3:
RE ở cực phát

V1pp và V2pp

Vo

V1pp và V2pp

Vo


V1pp và V2pp

Vo

KẾT LUẬN CHUNG:
Nhìn chung, từ lý thuyết và thực nghiệm, mạch khuếch đại vi sai đã thực hiện
đúng chức năng khuếch đại của nó
• Cần phải tính tốn chính xác hệ số hfe và các thơng số DC của BJT, xác định rõ

ràng chế độ phân cực. Vì một sự sai lệch nhỏ trong các thông số DC của BJT có
thể dẫn đến sai sót trong cả quá trình tính tốn
•