Tài liệu hướng dẫn thực tập môn Điện tử tương tự - Đại học Công nghệ

• Trường học: Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Tài liệu hướng dẫn thực tập môn điện tử tương tự
• Loại tài liệu: Tài liệu hướng dẫn thực tập
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về tài liệu thực tập điện tử tương tự

Tài liệu hướng dẫn thực tập môn điện tử tương tự do Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ biên soạn và cập nhật tháng 12/2020. Tài liệu gồm 10 bài thí nghiệm bao quát toàn bộ kiến thức nền tảng của điện tử tương tự. Các bài thí nghiệm được sắp xếp theo trình tự từ linh kiện cơ bản đến mạch ứng dụng phức tạp. Bài đầu tiên khảo sát diode và các mạch ứng dụng. Các bài tiếp theo đi sâu vào transistor BJT, FET, bộ khuếch đại thuật toán và các mạch dao động. Hai bài cuối nghiên cứu thyristor, triac và mạch điều chế. Tài liệu yêu cầu sinh viên chuẩn bị kỹ lý thuyết trước mỗi buổi thực hành. Việc đọc trước hướng dẫn, dự đoán kết quả và ghi chú điểm lưu ý là bắt buộc. Mục tiêu cuối cùng là giúp sinh viên nắm vững nguyên lý hoạt động của từng linh kiện và biết vận dụng vào thiết kế mạch thực tế. Phần hướng dẫn sử dụng thiết bị thí nghiệm được bổ sung ở cuối tài liệu nhằm hỗ trợ sinh viên làm quen với máy đo và bộ thí nghiệm.

1.1. Cấu trúc và nội dung 10 bài thí nghiệm

Mười bài thí nghiệm trong tài liệu phủ rộng các chủ đề cốt lõi của điện tử tương tự. Từ diode chỉnh lưu đến transistor BJT và FET, từ khuếch đại thuật toán đến mạch dao động sin và không sin. Thyristor, triac cùng các mạch điều chế AM và FM khép lại chương trình. Mỗi bài xây dựng trên nền kiến thức của bài trước, tạo thành chuỗi học tập có hệ thống. Sinh viên được tiếp cận cả lý thuyết lẫn kỹ năng đo lường thực tế trong từng buổi thí nghiệm.

1.2. Yêu cầu chuẩn bị trước khi thực hành

Trước mỗi buổi thực hành, sinh viên phải đọc kỹ tài liệu lý thuyết liên quan. Cần hình dung trước các bước thực nghiệm và dự đoán kết quả sẽ nhận được. Ghi chú các điểm lưu ý vào sổ tay để tra cứu trong phòng thí nghiệm. Thảo luận nhóm được khuyến khích nhằm phát hiện vấn đề trước khi bắt tay vào mạch. Việc chuẩn bị kỹ giúp tiết kiệm thời gian thực hành và tăng độ chính xác của kết quả đo.

II. Phân tích các linh kiện và mạch điện tử tương tự cơ bản

Điện tử tương tự xây dựng trên ba nhóm linh kiện chủ chốt: diode, transistor lưỡng cực BJT và transistor trường FET. Diode hoạt động dựa trên tiếp giáp p-n, cho dòng chạy một chiều và được ứng dụng trong mạch chỉnh lưu, ghim điện áp. Transistor BJT là linh kiện ba cực gồm emitter, base và collector. Nguyên tắc hoạt động dựa trên hai tiếp giáp p-n xen kẽ theo cấu trúc npn hoặc pnp. BJT được dùng phổ biến để khuếch đại tín hiệu và đóng cắt mạch. Ba cách mắc BJT gồm emitter chung CE, base chung CB và collector chung CC cho đặc tính khuếch đại khác nhau. Transistor FET hoạt động theo nguyên lý điều khiển bằng điện trường, tiêu thụ dòng cổng rất nhỏ. Bộ khuếch đại thuật toán Op-Amp là linh kiện tích hợp có hệ số khuếch đại vòng hở rất lớn, là nền tảng của vô số ứng dụng tương tự. Thyristor và triac là các linh kiện công suất dùng trong điều khiển điện áp xoay chiều. Hiểu rõ đặc tính I-V của từng linh kiện là điều kiện tiên quyết để phân tích mạch chính xác.

2.1. Đặc tính và mô hình hoạt động của transistor BJT

Transistor BJT có họ đặc tuyến I-V đặc trưng cho từng cách mắc. Khi hoạt động ở tần số thấp, các điện dung tiếp giáp p-n được bỏ qua và BJT được mô hình hóa bằng hai diode nối đấu lưng cùng nguồn dòng điều khiển. Ở tần số cao, điện dung ký sinh ảnh hưởng rõ rệt đến đáp ứng tần số. Mô hình Ebers-Moll và mô hình chuyển vận là hai biểu diễn toán học phổ biến. Thực hành tập trung vào khảo sát đặc tuyến và xác định các tham số h của BJT.

2.2. Bộ khuếch đại vi sai và khuếch đại thuật toán Op Amp

Bộ khuếch đại vi sai là khối cơ bản cấu thành Op-Amp. Phẩm chất của mạch vi sai đánh giá qua tỷ số CMRR, phụ thuộc vào điện trở thiên áp emitter REE. Để tăng CMRR, REE được thay bằng nguồn dòng có điện trở động cao, thường dùng gương dòng điện với transistor T3 và T4 bù nhiệt cho nhau. Op-Amp thương phẩm như µA741 có cấu hình tương tự mạch BJT rời rạc nhưng tích hợp hoàn chỉnh. Thực hành khảo sát hai bài Op-Amp liên tiếp với các cấu hình đảo, không đảo và tích phân.

III. Phương pháp thực hành và đo lường trong phòng thí nghiệm

Kết quả thực hành phụ thuộc trực tiếp vào kỹ năng đo lường và thao tác mạch. Nguyên tắc quan trọng nhất là đọc kỹ từng bước hướng dẫn trước khi thực thi. Không ngắt ngang giữa chừng để nối lại dây vì bước tiếp theo có thể cần dữ liệu đã đo. Vẽ đồ thị ngay trong quá trình đo giúp phát hiện sai lệch so với lý thuyết kịp thời. Nếu đồ thị bất thường, mạch có thể bị hỏng và cần kiểm tra lại trước khi tiếp tục. Dải đo của thiết bị phải chọn phù hợp để có đủ chữ số có nghĩa và giảm tác động đến mạch. Ampe kế mắc nối tiếp có điện trở nội làm thay đổi dòng mạch nên cần dùng dải đo thích hợp. Phép trừ hai số đo lớn gần nhau dễ mất độ chính xác do sai số tích lũy. Luôn ước lượng sai số cho mỗi phép đo và đưa ra nhận xét về độ tin cậy của kết quả. Kỹ năng sử dụng máy hiện sóng, máy phát tín hiệu và đồng hồ vạn năng là nền tảng không thể thiếu trong thực hành điện tử tương tự.

3.1. Sử dụng thiết bị đo và phòng tránh sai số

Máy hiện sóng dùng để quan sát dạng sóng và đo biên độ, tần số tín hiệu. Máy phát tín hiệu cung cấp nguồn kích thích cho mạch. Đồng hồ vạn năng đo điện áp, dòng điện và điện trở một chiều. Không nhấn phím tùy tiện khi chưa hiểu chức năng để tránh hỏng thiết bị. Hai người không được cùng đo trên một mạch đang hoạt động nếu chưa phối hợp. Sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên cần được nhận biết và ghi chú vào báo cáo thực hành.

3.2. Kỹ thuật vẽ đồ thị và phân tích kết quả thực nghiệm

Đồ thị nên vẽ nháp ngay khi có số liệu để kiểm tra tính hợp lý. Đường cong đặc tuyến I-V của diode hay BJT phải có dạng phù hợp với lý thuyết. Vùng đo cần nhiều điểm hơn là vùng đặc tuyến thay đổi nhanh như vùng gối của BJT. Trục tọa độ phải có nhãn đơn vị rõ ràng. Kết quả thực nghiệm so sánh với giá trị lý thuyết để đánh giá sai lệch. Báo cáo phải trình bày đủ bảng số liệu, đồ thị và nhận xét phân tích.

IV. Ứng dụng và kết luận về thực tập điện tử tương tự

Thực tập điện tử tương tự trang bị cho sinh viên kỹ năng thiết kế và phân tích mạch điện thực tế. Sau khi hoàn thành 10 bài thí nghiệm, sinh viên có thể khảo sát đặc tính linh kiện, lắp ráp mạch khuếch đại nhiều tầng và thiết kế bộ dao động. Kiến thức về mạch điều chế AM và FM là nền tảng cho các môn thông tin vô tuyến. Thyristor và triac ứng dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ và điều chỉnh công suất. Bộ khuếch đại thuật toán là linh kiện không thể thiếu trong các hệ thống đo lường, lọc tín hiệu và điều khiển tự động. Kỹ năng đọc sơ đồ mạch, lắp ráp linh kiện và sử dụng thiết bị đo là ba năng lực cốt lõi được hình thành qua quá trình thực tập. Nền tảng điện tử tương tự còn là điều kiện cần thiết để tiếp cận các môn học nâng cao như xử lý tín hiệu số, hệ thống nhúng và thiết kế vi mạch. Đây là môn học thực hành quan trọng trong chương trình đào tạo kỹ sư điện tử viễn thông.

4.1. Mạch dao động và điều chế trong ứng dụng thực tế

Mạch phát dao động sin dùng trong máy phát tín hiệu và mạch chuẩn tần số. Các bộ dao động RC, LC và thạch anh có ứng dụng khác nhau tùy theo yêu cầu về độ ổn định tần số. Dao động không sin như mạch multivibrator tạo xung vuông dùng trong mạch số và điều khiển. Mạch điều chế AM và FM là khối chức năng cơ bản của hệ thống truyền thông vô tuyến. Thực nghiệm các mạch này giúp sinh viên hiểu nguyên lý truyền thông tương tự trước khi chuyển sang xử lý số.

4.2. Kỹ năng nghề nghiệp hình thành qua thực tập điện tử

Thực tập điện tử tương tự rèn luyện tư duy phân tích và kỹ năng debug mạch điện. Kỹ sư điện tử cần nhận biết nhanh dạng sóng bất thường trên máy hiện sóng. Kỹ năng tra datasheet linh kiện và chọn giá trị linh kiện phù hợp được hình thành qua các bài thực hành. Làm việc nhóm và viết báo cáo kỹ thuật là hai kỹ năng mềm bổ trợ quan trọng. Những kỹ năng này đặt nền móng vững chắc cho công việc thiết kế mạch và nghiên cứu phát triển sản phẩm điện tử sau khi tốt nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THỰC TẬP MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ (Cập nhật tháng 12/2020) Hà Nội, 2020 MỤC LỤC Nội dung Trang Lời nói đầu 1 Thí nghiệm 1: Diode và các mạch ứng dụng 4 Thí nghiệm 2: Transistor BJT và mạch khuếch đại 23 Thí nghiệm 3: Các bộ khuếch đại ghép tầng 42 Thí nghiệm 4: Transistor FET – Khóa chuyển mạch FET 56 Thí nghiệm 5: Bộ khuếch đại thuật toán 1 69 Thí nghiệm 6: Bộ khuếch đại thuật toán 2 83 Thí nghiệm 7: Các mạch phát dao động dạng sin 94 Thí nghiệm 8: Các mạch phát dao động khác sin 110 Thí nghiệm 9: Thyristor, Triac và các mạch ứng dụng 124 Thí nghiệm 10: Các mạch điều chế và giải điều chế 140 Hướng dẫn sửa dụng các thiết bị thí nghiệm 170 1 Lời nói đầu Để hoàn thành các bài thực hành trong tài liệu này đúng giờ và có hiệu quả, yêu cầu sinh viên phải chuẩn bị đọc và tìm hiểu kỹ nội dung các bài trước khi đến phòng thực tập: - Nhất thiết phải đọc kỹ các tài liệu lý thuyết liên quan đến bài thực nghiệm trước khi đến phòng thực hành. - Đọc từng hướng dẫn thực nghiệm trong tài liệu thực hành một cách cẩn thận, cố gắng tưởng tượng sẽ tiến hành các bước thực nghiệm của mình như thế nào. - Cố gắng dự đoán trước các kết quả có thể nhận được qua các phép đo cũng như các hiệu ứng sẽ xuất hiện trong thực nghiệm. - Ghi cẩn thận các điểm lưu ý cần thiết, để khi thực nghiệm đem ra sử dụng. - Khuyến khích việc thảo luận với nhóm cùng thực nghiệm trên một bài với mình. Trong khi tiến hành thực nghiệm, cần tuân thủ các điều sau: - Luôn đọc kỹ từng bước hướng dẫn trước khi thực thi. Không dừng ở giữa chừng để bắt đầu lại nối dây hoặc đo, vì phần còn lại của bước thực nghiệm có thể cần các thông tin vừa đã nhận được. - Cố gắng hình dung kết quả của mỗi bước trước khi thực thi nó. Điều này sẽ tăng cường sự hiểu biết của anh/chị và cho phép giải quyết tốt nhiệm vụ cũng như tiết kiệm được thời gian thực hành. - Nên vẽ nháp ngay các đồ thị khi có yêu cầu trong bài trong quá trình thực nghiệm. Bởi vì một vài đồ thị có thể cho thấy ngay sự đúng, sai các kết quả đo so với lý thuyết, trong vài trường hợp có thể cho biết ngay mạch thí nghiệm bị hỏng hóc và như vậy sẽ tiết kiệm được thời gian. Vẽ ngay đồ thị cũng cho phép ta biết được vùng đang đo cần nhiều điểm hay ít điểm hơn trong khi mạch vẫn đang hoạt động. - Nhớ rằng các phép đo không bao giờ chính xác tuyệt đối cả, do đó luôn cố gắng đo cẩn thận càng chính xác càng tốt. Hãy suy nghĩ về sai số gây nên trong mỗi trường hợp và suy đoán kết quả tương ứng. - Sử dụng dải đo của thiết bị một các thích hợp để nhận được đủ các con số có ý nghĩa và ít tác động nhất đến mạch đo (thí dụ khi dùng ampemeter). - Cần rất cẩn thận nếu ta cần có kết quả là một số nhỏ bằng phép trừ hai số lớn. Nhưng nếu hai số này đã được đo chỉ với 3 con số có ý nghĩa thì kết quả chỉ là: 1,34 - 1,34 = 0! 1 - Cần nắm vững cách sử dụng các thiết bị, dụng cụ đo trong thực nghiệm. Không được tùy tiện nhấn các phím nhấn (button) khi chưa hiểu về nó, phải biết phím nào để nhấn. - Hai người cùng làm thực nghiệm phải đóng góp công sức như nhau trong suốt quá trình. Nếu anh/chị không tham gia thực sự thì không chỉ là hành vi không hay với người cùng làm mà mình cũng chẳng học được gì. Cũng nhớ rằng: quan sát thụ động không thể thay thế việc bắt tay làm thực sự. Hãy chắc rằng cả hai đều có cơ hội tham gia trong mỗi nhiệm vụ của bài thực nghiệm. Thí dụ, nếu anh/chị nối dây thì người cùng làm sẽ có nhiệm vụ đo lấy số liệu và lần sau thì đổi lại. - Với tất cả những điều nói trên, cần tránh sự thực hiện các nhiệm vụ của bài thực hành một cách thụ động. Cần quan sát, suy nghĩ, thực thi và khám phá! Nhiều câu hỏi “tại sao” trong tài liệu này là cách để anh/chị suy nghĩ. Nhưng đừng dừng ở đó, hãy tự mình đặt câu hỏi hơn nữa: tại sao việc này lại làm như vậy? tại sao không làm khác đi? điều gì sẽ xảy ra nếu làm khác đi?v. Đây là phần rất quan trọng trong việc học thực hành của anh/chị. Hãy thảo luận các câu hỏi kiểu như vậy với bạn cùng nhóm. Nếu anh/chị có một ý tưởng mới muốn thử làm, đầu tiên hãy đảm bảo nó là chắc chắn; nếu còn nghi ngờ, có thể hỏi các thày/cô hướng dẫn. Phòng Thực tập Điện tử - Viễn thông Tháng 12/2020 CÁC KÝ HIỆU CẦN BIẾT TRÊN BẢN MẠCH THỰC NGHIỆM Chốt cắm dây điện Dây điện hay chân linh kiện được hàn vào mối nối Hình trang trí khối thực nghiệm Dây điện đã nối ở mặt dưới bản mạch panel 2 THIẾT BỊ VÀ PHỤ KIỆN DÙNG TRONG CÁC THỰC NGHIỆM Ngoài bản mạch (panel) dùng cho từng bài thực hành, trong quá trình thực nghiệm còn cần một số thiết bị và các phụ kiện kèm theo dùng cho đo đạc. Sinh viên cần kiểm tra trước khi thực hành xem có đầy đủ không. Nếu thiếu, có thể hỏi các thày/cô hướng dẫn để đảm bảo có đủ các thiết bị và phụ kiện này. Danh mục các thiết bị và phụ kiện về cơ bản dùng cho các bài thực hành như sau: 1. Bộ thiết bị cơ bản, trong đó có: - Nguồn xoay chiều mạng điện thành phố: 9VAC, 50 Hz. - Nguồn một chiều DC: ± 12 V. Bộ nguồn chuẩn DC POWER SUPPLY của thiết bị cung cấp các điện áp ổn áp ± 5V, ± 12V. Bộ nguồn điều chỉnh DC ADJUST POWER SUPPLY của thiết bị cung cấp các giá trị điện áp một chiều 0. Khi vặn các biến trở chỉnh nguồn, cho phép định giá trị điện áp cần thiết. Sử dụng đồng hồ đo thế DC trên thiết bị chính để xác định điện áp đặt. Đồng hồ vạn năng (V-A-Ω Multimeter). Máy phát sóng tạo hàm (Function Generator), có sẵn cáp truyền tín hiệu. Máy hiện sóng 2 kênh (2-channels Oscilloscope), có sẵn cáp đo. Cáp nguồn và các dây nối có đầu cắm. Bản mạch thực nghiệm đã cắm và hàn sẵn các linh kiện điện tử. Nhớ rằng đây chưa phải là một mạch hoàn chỉnh cho thực nghiệm. Căn cứ vào hướng dẫn và sự chuẩn bị trên cơ sở lý thuyết, sinh viên có nhiệm vụ nối các chốt cắm dây trên bản mạch bằng các dây nối có đầu cắm hay cáp truyền tín hiệu của các thiết bị đo để hoàn thiện thiết kế mạch điện cho đo đạc thực nghiệm. LƯU Ý CÁCH NỐI DÂY KHI CHUẨN BỊ THỰC NGHIỆM 1. Các panel thí nghiệm gồm một số mạch điện riêng rẽ. Khi sử dụng mảng nào thì cấp nguồn cho mảng sơ đồ đó. Đất (GND) của các mảng sơ đồ đã được nối sẵn với nhau. Do đó chỉ cần nối đất chung cho toàn khối. Chú ý cắm đúng phân cực nguồn và các đồng hồ đo. Chú ý sử dụng đúng đầu tín hiệu và đầu đất (dây chung) của các thiết bị (như dao động ký, máy phát sóng). Nếu không thì có thể làm hỏng thiết bị hay mạch thực nghiệm do hiện tượng đoản mạch đầu ra. CHÚ Ý: Ký hiệu các vấn đề phải chuẩn bị trả lời trong hay sau khi thực nghiệm, viết báo cáo. 3 THỰC NGHIỆM 1 CÁC LOẠI DIODE VÀ MẠCH ỨNG DỤNG Mục đích: Khảo sát đặc tuyến I-V của các loại diode và dùng chúng để xây dựng một số ứng dụng như bộ nguồn chỉnh lưu DC, mạch sửa dạng sóng. Cấu tạo và các đặc điểm của diode Diode là một linh kiện điện tử có 2 đầu (cực) được chế tạo trên cơ sở sử dụng lớp tiếp giáp bán dẫn p-n (nguyên tắc hoạt động của lớp tiếp giáp này được trình bày trong giáo trình linh kiện bán dẫn). Trong thực hành này, chúng ta chỉ quan tâm đến các đặc tính bên ngoài của diode (như đặc tuyến I-V, gọi là đặc tuyến Vôn-Ampe) và một số mạch điện tử sử dụng diode. Ký hiệu diode được chỉ ra trên hình 1. Hình một trong những diode thực được chỉ ra trên hình 1.1(b), trong đó đầu K được đánh dấu bằng một vòng sơn tròn bao quanh thân vỏ diode. Ký hiệu của diode (a) và hình dạng đóng vỏ thực (b) Sự phụ thuộc của dòng chảy qua diode iD vào thế sụt trên 2 đầu của nó VD được xác định theo công thức: Trong đó: IS là dòng bão hoà hay dòng ngược khi diode được phân cực ngược; gọi là thế nhiệt. Tại nhiệt độ phòng VT cỡ 25,5 mV. Với K là hằng số Boltzmann (bằng 1,38.10-23 J/K ), T là nhiệt độ Kenvin, là điện tích của điện tử (bằng 1,6. 4 Khi dương, diode được thiên áp thuận, một dòng thuận lớn có thể chảy qua diode. Thường khi lớn hơn một thế gọi là dòng qua diode tăng rất nhanh theo hàm số mũ / , diode được coi là dẫn điện (thông). Thế chính bằng hiệu thế tiếp xúc của lớp p-n (với diode Si thì ≈0,7V và với diode Ge thì ≈ 0,3V). Còn khi âm, diode được thiên áp ngược, dòng chảy qua diode rất nhỏ cỡ ≈ , diode được coi là không dẫn điện (cấm). Vậy, với các ứng dụng thông thường có thể coi diode là một linh kiện điện tử có tính dẫn điện chỉ theo một chiều. Đặc tuyến I-V điển hình của diode như trên hình 2. Đặc tuyến I-V điển hình của diode Do còn có mặt của điện trở ohmic của các miền bán dẫn và điện dung nội của diode, nên sơ đồ tương đương tổng quát của một diode như hình 1. Sơ đồ tương đương của diode trong mạch điện Trong đó: RS: điện trở tiếp xúc điện ohmic. iD: nguồn dòng được điều khiển bởi thế (VCCS) : dòng trong mạch điện qua diode. 5 C: điện dung của diode. Cj: điện dung lớp tiếp giáp p-n (điện dung ngược). CD: điện dung khuếch tán (điện dung thuận). Điện dung trên lớp tiếp giáp p-n ảnh hưởng tới quá trình quá độ khi diode chuyển giữa 2 trạng thái thông và cấm, tức là làm tăng thời gian chuyển tiếp khi diode hoạt động với các tín hiệu ở tần số cao. Vì vậy, khi dùng diode làm các chuyển mạch ở tần số cao thì mới phải chú ý đến các điện dung này.