BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM
KHOA: VẬT LÝ
–¯²¯—
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH OPAMP.
ỨNG DỤNG LẮP RÁP
MÁY PHÁT SÓNG ĐƠN GIẢN. GVHD: Thầy CAO ANH TUẤN
SVTH: NGUYỄN THỊ THU TRANG
2
LỜI NÓI ĐẦU
Nội dung của luận văn này liên quan đến các khái niệm cần thiết cho quá
trình lắp ráp một máy phát sóng và cách lắp ráp chiếc máy này sao cho đơn giản, ít
tốn kém lại hữu ích cho quá trình thực hành của sinh viên sư phạm vật lý. Tuy vậy,
máy vẫn hội tụ được các yếu tố cần thiết cho việc thực hành có hiệu quả.
Luận văn này gồm các phần sau:
- Phần mở đầu: Trình bày lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, phương pháp
nghiên cứu và kết quả nghiên cứu.
- Phần lý thuyết:
Chương I: Tìm hiểu về chất bán dẫn:
+ Các hiện tượng tiếp xúc: kim loại - bán dẫn, P - N, kim loại - điện môi - bán dẫn.
+ Điôt bán dẫn: Cấu tạo, kí hiệu, chức năng, nguyên lý làm việc, các loại điôt.
+ Transistor: Transistor lưỡng cực, transistor trường có cực cửa tiếp giáp, transistor
trường có cực cửa cách ly.
Chương II: Giới thiệu chung về mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp:
+ Mạch khuếch đại: tìm hiểu nguyên lý xây dựng một tầng khuếch đại và các chế độ
làm việc của nó.
+ Mạch hồi tiếp: định nghĩa và tìm hiểu hai loại hồi tiếp âm, hồi tiếp dương.
Chương III: Tìm hiểu về linh kiện điện tử OPAMP
+ Trước tiên là về lịch sử ra đời, chức năng, cấu tạo, kí hiệu, nguyên lý hoạt động
và đặc tính - thông số của một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng, một mạch khuếch
đại thuật toán lý tưởng là như thế nào?
+ Thông qua một số cách mắc hồi tiếp để tìm ra các công thức tính khá chính xác áp
dụng vào thực tế: mạch khuếch đại đảo pha, mạch khuếch đại không đảo, mạch
đệm.
+ Một số mạch làm toán: mạch cộng đảo dấu, mạch cộng không đảo dấu, mạch trừ,
mạch tích phân, mạch vi phân và ứng dụng của mạch khuếch đại thuật toán trong
chỉ cần dành 10 phút mỗi ngày để ngồi trước màn hình máy tính, hay tối tối quây
quầy bên gia đình trước chiếc ti vi nhỏ của mình là bạn đã có thể biết được thế giới
xung quanh đang diễn ra những vấn đề gì. Thậm chí chỉ cần một chiếc radio nhỏ
bằng bàn tay, bạn cũng đã có thể biết được những điều tương tự.Thay vì mất công
chờ đợi những cánh thư đi - về để biết tin tức một người bạn, một người thân ở cách
ta hàng nghìn km, bạn chỉ cần nhấc chiếc điện thoại nhỏ xinh của mình lên là đã có
thể nghe được giọng nói và cả hình ảnh của người mà bạn đang mong tin.
Tại sao chúng ta lại làm được những điều kỳ diệu ấy?
Đó là bởi vì chúng ta đang được hưởng những thành tựu của các ngành
khoa học, trong đó có điện tử.
Quả thật vậy, ngày nay kỹ thuật điện tử đã phát triển rất mạnh. Những sản
phẩm điện tử tràn lan khắp nơi với trình độ ngày càng tinh vi, hiện đại, thiết kế thon
gọn hơn. Chính vì vậy, kỹ thuật điện tử đã gây ra những chuyển biến thần kỳ trong
ngành vô tuyến điện tử, bên cạnh đó nó còn trở thành một phương tiện kỹ thuật thúc
đẩy sự phát triển của nhiều ngành khác. Nó hầu như chi phối đến mọi mặt đời sống
của con người.
Từ lâu, sinh viên thuộc các ngành kỹ thuật đã rất quen thuộc với bộ môn vô
tuyến điện tử. Bởi vì, nó là một môn học, là tài liệu tham khảo không thể thiếu trong
quá trình đào tạo các kỹ thuật viên, công nhân có tay nghề và thậm chí là những thợ
sửa chữa muốn nâng cao hiểu biết về lĩnh vực điện tử.
Riêng tôi - là một trong số những sinh viên khoa Vật Lý trường ĐHSP
TP.HCM đã từng được học qua môn học này, tôi nhận thấy rằng những gì được tìm
hiểu qua sách vở, qua khảo sát trên lý thuyết mà chưa được thực hành nhiều, chưa
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
5
được làm quen và sử dụng những linh kiện điện tử cơ bản, là một điều rất hạn chế
đối với sinh viên sư phạm, so với thế giới ngập tràn các thiết bị điện tử ngày nay.
Chính vì lý do đó, tôi đã chọn đề tài: "Khảo sát đặc tính OPAMP. Ứng dụng: lắp
ráp máy phát sóng đơn giản" để làm luận văn tốt nghiệp. Một mặt, giúp tôi tiếp
+ Tìm hiểu về linh kiện chính của mạch: OPAMP.
+Tìm hiểu về mạch dao động.
- Làm quen với một số linh kiện điện tử, các cách mắc mạch đơn giản, sau đó
tiến hành lắp ráp một số mạch tạo sóng , rồi so sánh để tìm ra mạch tạo sóng nào ưu
việt nhất.
- Từ những kết quả đạt được ở trên, cho phép chúng tôi lắp ráp một máy phát
sóng đơn giản mà hiệu quả của nó sẽ được kiểm chứng bằng thực nghiệm.
5. Kết quả nghiên cứu.
Dựa vào những gì chúng tôi đã tìm hiểu trên phương diện lý thuyết và
thông qua quá trình thực hành. Chúng tôi đã lắp ráp được một số mạch tạo sóng đơn
giản dùng linh kiện chính là OPAMP và tìm ra được mạch nào là tối ưu nhất trong
số những mạch đó.
Mạch tạo sóng này tạo ra được các dạng sóng sin, vuông, tam giác, có thể
thay đổi được biên độ hoặc tần số, hoặc cả biên độ và tần số.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
7
Chương I – BÁN DẪN
1.1. Các hiện tượng tiếp xúc.
1.1.1. Tiếp xúc kim loại – bán dẫn.
Trong chất bán dẫn công thoát của electron nhỏ hơn công thoát của electron
trong kim loại nên electron từ bán dẫn N sang kim loại dễ hơn electron từ kim loại
sang bán dẫn N, tạo nên điện trường tiếp xúc E
tx
, không cho electron từ bán dẫn N
tiếp tục sang kim loại. Hình thành một vùng nghèo hạt mang điện ở phía bán dẫn N.
(nhỏ). Điện trường này ngăn cản không cho electron từ N tiếp tục sang P.
Sau một thời gian ngắn, hiện tượng khuếch tán sẽ chấm dứt, hai bên tiếp xúc P- N
sẽ tạo ra một vùng nghèo hạt mang điện đa số, vùng này có điện trở lớn.
Khi đặt tiếp xúc P - N vào điện trường ngoài:
- E
ngoài
ngược chiều với E
tx
: làm vùng nghèo hạt mang điện hẹp lại. Cho
dòng điện I qua từ P sang N.
- E
ngoài
cùng chiều E
tx
: không có dòng điện I qua tiếp xúc P - N từ N
sang P.
1.1.3. Tiếp xúc kim loại – điện môi – chất bán dẫn.
Xét lớp điện môi SiO
2
, khi chưa đặt điên áp ngoài vào hai cực AB thì không
xuất hiện điện tích ở hai bề mặt điện môi. Khi đặt điện áp âm vào A, dương vào B:
electron trong lớp Si – P chạy về cực B, lỗ trống trong lớp Si – P chạy về phía vách
chất điện môi, sát lớp điện môi gần chất bán dẫn xuất hiện điện tích dương, trong
khi gần kim loại có điện tích âm.
Khi đặt điện áp dương vào A, âm vào B: hai bên lớp điện môi SiO
2
hình
thành các điện tích có dấu trái nhau như ở hai bản cực tụ điện, chúng cho dòng xoay
chiều đi qua.
1.2. Điôt bán dẫn.
áp đặt vào hai đầu điôt, U
d
là điện áp ngưỡng của điôt (điện áp rơi).
Chế độ thuận: là chế độ có U
AK
> U
D
Điôt dẫn với điện trở động (hay điện trở thuận): r
d
=dU/dI (cỡ vài ohm), trong
chế độ thuận:
U
AK
= U
D
+ r
d
i
tức là điôt tương đương với điện trở r
d
mắc nối tiếp nguồn điện áp có suất điện động
U
D.
Chế độ ngược: đối với U
AK
≤
U
D.
Một cực có thể điều khiển dòng điện qua hai cực còn lại gọi là cực khiển.
Điều kiện của các vùng tạp chất:
- Vùng E: pha tạp chất nhiều nhất.
- Vùng C: pha tạp chất trung bình.
P
N
P
E
C
B N
P
N
E
C
B
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
11
K
1
E
N
R
t
- Transistor PNP : U
BE
< 0
Nguyên tắc hoạt động của transistor thể hiện qua các thí nghiệm sau:
Chọn một loại transistor loại PNP
Hình 1. 6: Sơ đồ nguyên lý của một transistor loại PNP
Khi K
1
đóng, K
2
mở: có nguồn E
B
, không có nguồn E
CC
. Lớp tiếp giáp EB
được phân cực thuận, lỗ trống từ vùng E sang vùng B. Khi qua vùng B: một số ít lỗ
trống tái hợp được với electron từ mạch ngoài lại đi vào B tạo nên dòng điện I
B.
Vậy
chỉ có dòng I
B
, không có dòng I
C
ở nguồn E
CC
.
Khi K
1
qua CE.
Đối với Transistor NPN thì ta đổi cực của nguồn.
*Nhận xét:
Ta nhận thấy:
- Nếu I
B
= 0 thì I
C
= 0
- I
B
tăng thì I
C
tăng
- I
B
giảm thì I
C
giảm
Suy ra I
B
có tính điều khiển dòng I
C
. Trong đó dòng I
B
cỡ nA, dòng I
C
cỡ mA.
Nếu coi cực E là nguồn phát ra hạt dẫn đa số, hạt này một phần nhỏ chạy qua
cực gốc B tạo ra dòng I
,
α
luôn luôn nhỏ hơn 1.
Để đánh giá mức độ điều khiển dòng I
B
lên dòng I
C
người ta đưa ra hệ số
khuếch đại dòng điện tĩnh:
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
13
β
=
C
B
I
I
Trên đây là transistor hoạt động ở chế độ tĩnh. Nếu bây giờ ta đặt vào mạch
cực phát một nguồn tín hiệu biến thiên thì điện áp phân cực lớp tiếp giáp EB cũng
thay đổi làm cho I
B
biến thiên, kéo theo I
E
cũng biến thiên, và I
C
thay đổi.
Đặt ở cực góp một tải R
C
lớn, khi dòng I
2
, E
CC
,
E
B
sao cho:
K
I
B
I
2
R
2
R
1
R
t
U
BE
I
1
I
C
I
= 0V, I
C
=
C
CC
R
E
* Chế độ khuếch đại:
Xét sơ đồ mạch điện như hình vẽ:
Hình 1. 8: Mạch điện ở chế độ khuếch đại của transistor loại NPN
Lúc này nguồn phân cực E
B
có chiều như hình vẽ để tiếp xúc BE được phân
cực thuận. Dòng I
B
sẽ điều khiển dòng I
C
.
Ta có:
E
CC
= R
t
.I
C
+ U
CE
thay đổi đồng pha tương ứng ở
mạch ra ở cực C.Dòng I
C
qua R
t
gây sụt áp U
R
, nên ta có điện áp U
CE
(chính là V
C
)
U
BE
I
1
I
2
I
E
E
CC
E
B
R
a. Phân cực cho transistor dùng dòng cố định.
Xét transistor NPN.
Hình 1. 9: Phân cực dùng dòng cố định.
Mắc một điện trở R
B
có trị số lớn vào giữa nguồn E
CC
và chân B như hình vẽ.
Lúc này:
E
CC
= U
BE
+ R
B
I
B
=> R
B
=
B
BECC
I
UE
−
U
B
BECE
I
UU
−
c. Phân cực cho transistor dùng cầu chia thế.
Cầu chia thế gồm R
1
, R
2
sẽ xác định điện thế V
B
.
Lúc này:
U
BE
= U
B
= R
2
.I = R
2
.
21
RR
E
CC
+
a. Mạch cực gốc chung:
Sơ đồ mạch như hình vẽ.
Hình 1. 12: Mạch cực gốc chung.
Hình 1. 11: Phân cực
bằng cầu chia thế.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
17
Tiếp giáp EB được phân cực thuận, còn tiếp giáp BC được phân cực
ngược.C
1
, C
2
là tụ điện liên lạc tín hiệu với tầng trước và tầng sau.
Tín hiệu tới được đưa vào giữa hai cực phát – gốc (E – B), tín hiệu ra lấy
giữa hai cực gốc – góp (B – C).
Cực gốc B chung cho cả mạch vào và mạch ra, nên gọi là mạch cực gốc
chung.
Khi ta đưa tín hiệu tới đầu vào của mạch:
- Nửa chu kỳ dương của tín hiệu vào: Điện áp dương của tín hiệu hợp với
điện áp dương của nguồn E
1
, làm cực phát có điện áp dương hơn trước
so với cực gốc. U
BE
tăng làm cho tiếp giáp EB phân cực thuận bởi điện áp
lớn hơn, do đó I
E
tăng lên, làm dòng I
- Trở kháng vào R
1
có trị số khoảng 30-300 (
Ω
)
- Trở kháng ra R
2
có trị số khoảng 100 k
Ω
– 1M
Ω
.
- Độ tăng dòng:
α
=
E
C
I
I
∆
∆
<1 = K
i
- Độ tăng áp:
K
u
=
1
2
=
1
2
P
P
=
1
2
2
2
RI
RI
E
C
=
1
2
.
R
R
α
1
2
R
R
≈
K
p
đạt giá trị khoảng 100 đến 1000.
C
tăng, tức là làm U
C
âm hơn.
R
2
C
2
I
B
C
1
R
1
I
C
I
E
E
1
E
2
U
E
thay đổi, và I
C
cũng thay đổi theo.
- Trở kháng vào R
1
khoảng 200
Ω
– 2000
Ω
.
- Trở kháng ra R
2
khoảng 20 k
Ω
– 100 k
Ω
.
- Độ tăng dòng:
β
=
B
C
I
I
∆
∆
( có trị số khoảng 20 – 100)
Ta có thể tính:
β
2
R
R
K
u
có giá trị trong khoảng vài tăm đến vài nghìn.
- Độ tăng công suất:
K
p
=
1
2
P
P
=
1
2
2
2
RI
RI
B
C
=
α
2
.
1
2
- Nửa chu kỳ dương của tín hiệu vào: cực gốc có điện áp ít âm hơn nên
U
BE
giảm, dòng phát I
E
giảm, sụt áp trên R
2
giảm, U
E
bớt âm hơn, nghĩa
là dương hơn trước khi có tín hiệu vào.
- Nửa chu kỳ âm của tín hiệu vào: cực gốc có điện áp âm hơn trước, U
BE
tăng,làm cho I
E
tăng, sụt áp trên R
2
tăng lên nên U
E
càng âm hơn.
Như vậy điện áp ra đồng pha với điện áp vào.
- Trở kháng vào R
1
khoảng 20K
Ω
– 500K
Ω
.
- Trở kháng ra R
u
bao giờ cũng nhỏ hơn 1, vì điện áp vào bằng điện áp
sụt trên R
2
cộng điện áp sụt trên tiếp giáp EB, điện áp ra là điện áp sụt
trên R
2
.
- Độ tăng công suất nhỏ khoảng vài chục.
I
E
I
C
I
B
E
2
E
1
R
2
R
1
C
2
– 500
Ω
200
Ω
– 2000
Ω
20k
Ω
- 500k
Ω
Trở kháng ra R
2
50k
Ω
– 1M
Ω
20 k
Ω
– 100k
Ω
50
Ω
-5k
Ω
Độ tăng dòng K
i
α
= 0.9 – 0.99
, I
Bmax
, I
Cmax
.
b. Điện áp cực đại cho phép.
Đó là các điện áp không được vượt quá để không gây đánh thủng các chuyển
tiếp P – N tương ứng.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
22
c. Công suất tiêu tán cực đại cho phép.
Khi làm việc trong một tầng khuếch đại nào đó, để không phá hỏng
transistor, công suất tức thời tiêu tán trên transistor nhất thiết không được vượt quá
giá trị P
Cmax
.
P
Cmax
= I
Cmax
.U
CE
Mỗi transistor có một công suất tiêu tán cực đại cho phép.
d. Tần số giới hạn.
Thông thường transistor chỉ làm việc một cách hiệu quả đến một tần số nhất
định. Khi tần số tín hiệu tăng cao, vai trò điện dung các chuyển tiếp P –N dần dần
trở nên đáng kể. Mặt khác chuyển động của hạt dẫn qua chiều dày vùng B không
thể coi là tức thời mà chiếm một thời gian đáng kể so với chu kỳ tín hiệu, gây nên
tình trạng “méo pha”, “méo tần số”,…
D
S
G
Kênh N
Bán d
ẫn P
C
ấu tạo
JFET kênh N
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
24
Đặt một điện áp phân cực ngược U
GS
ở hai mặt tiếp xúc cổng G và kênh, sẽ
tạo thành một vùng hiếm electron ở kênh, vùng nghèo hạt mang điện tăng lên làm
thu hẹp tiết diện của kênh dẫn, và tiết diện của kênh dẫn bị nghẽn lại.
Điện trở suất của kênh dẫn khá lớn nên khi chạy qua kênh dẫn, dòng I
D
sẽ
gây ra một sự phân bố điện thế dọc theo chiều dài của kênh. Các điểm trong kênh có
vị trí càng gần cực D (tức là càng xa cực S) sẽ có điện thế càng cao, do đó tình trạng
phân cực nghịch của chuyển tiếp P – N tăng dần theo hướng từ cực S tới cực D. Vì
vậy bề dày của vùng nghèo cũng tăng dần theo hướng đó. Nói cách khác: kênh dẫn
có tiết diện giảm dần : ở gần cực D kênh dẫn là hẹp nhất.
Nếu giữ U
DS
không đổi, tăng dần U
GS
:tình trạng phân cực nghịch của chuyển
tiếp P – N sẽ càng tăng: vùng nghèo càng mở rộng, kênh dẫn càng thu hẹp. Do đó
điện trở kênh dẫn càng tăng và dòng máng I
D
càng giảm. Còn dòng giữa cực G và
cực S chỉ là dòng ngược của chuyển tiếp P – N, thường rất nhỏ không đáng kể.
Nếu U
lớn dần: vùng nghèo ngày càng mở rộng lấn sâu vào kênh dẫn, thu hẹp
tiết diện của kênh làm cho điện trở kênh tăng và dòng I
D
tăng chậm lại.
+ Khi U
DS
= U
p
: vùng nghèo mở rộng đến tới mức choán hết tiết diện của
kênh tại vùng gần cực D, nghĩa là kênh dẫn bị thắt lại ở phía cực máng.U
p
là điện
áp thắt.
+ Khi U
DS
> U
P
: vùng nghèo tiếp tục mở rộng, miền kênh bị thắt trải dài về
phía cực nguồn S, làm cho điện trở kênh dẫn càng tăng. Vì vậy tuy U
DS
tăng nhưng
dòng I
D
hầu như ít thay đổi và đạt giá trị bão hòa.
+ Khi U
DS
quá lớn: xảy ra hiện tượng đánh thủng chuyển tiếp P – N.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Copyright: Tài liệu đại học ©