Bộ khuếch đại thuật toán

Chia sẻ: vankent

Chương này nêu các tính chất của bộ khuếch đại thuật toán (BKĐTT), tầng khuếch đại vi sai và các mạch điện ứng dụng BKĐTT. Nội dung của chương gồm: - Tính chất chung của BKĐTT: trở kháng vào, trở kháng ra, hệ số khuếch đại. Giới thiệu đặc tuyến truyền đạt, đặc tuyến tần số của BKĐTT - Mạch khuếch đại vi sai: cấu tạo của tầng khuếch đại vi sai cơ bản, tầng khuếch đại vi sai có tải động kiểu gương dòng, tầng khuếch đại vi sai dùng tranzito trường. - Mạch khuếch đại đảo, mạch khuếch...

Bạn đang xem 10 trang mẫu tài liệu này, vui lòng download file gốc để xem toàn bộ.

Nội dung Text: Bộ khuếch đại thuật toán

Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán




CHƯƠNG 2: BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN


GIỚI THIỆU CHUNG
Chương này nêu các tính chất của bộ khuếch đại thuật toán (BKĐTT), tầng khuếch
đại vi sai và các mạch điện ứng dụng BKĐTT. Nội dung của chương gồm:
- Tính chất chung của BKĐTT: trở kháng vào, trở kháng ra, hệ số khuếch đại. Giới
thiệu đặc tuyến truyền đạt, đặc tuyến tần số của BKĐTT
- Mạch khuếch đại vi sai: cấu tạo của tầng khuếch đại vi sai cơ bản, tầng khuếch đại
vi sai có tải động kiểu gương dòng, tầng khuếch đại vi sai dùng tranzito trường.
- Mạch khuếch đại đảo, mạch khuếch đại thuận, mạch khuếch đại lặp lại.
- Phương pháp chống trôi và bù điểm không: dùng điện trở cân bằng, dùng nguồn
nuôi để hiệu chỉnh điện áp một chiều đầu ra ở chế độ tĩnh của BKĐTT. Mục đích của những
phương pháp này là giũ cho điện áp đầu ra cân bằng không khi không có tín hiệu vào.
- Mạch cộng: có mạch cộng thuận, mạch cộng đảo. Mạch cộng thuận các tín hiệu cần
cộng đưa vào của thuân. Mạch cộng đảo các tín hiệu cần cộng đưa vào cửa đảo.
- Mạch trừ: tín hiệu đưa vào hai cửa thuận và đảo. Tín hiệu bị trừ đưa vào cửa cộng,
tín hiệu trừ đưa vào cửa đảo.
- Mạch vi phân: mạch vi phân là mạch mà điện áp ra tỉ lệ với vi phân của điện áp vào.
- Mạch tích phân: mạch tích phân là mạch mà điện áp ra tỉ lệ với tích phân điện áp vào.
- Mạch tạo hàm loga: điện áp ra tỉ lệ với logarit tự nhiên của điện áp vào.
- Mạch tạo hàm mũ: điện áp ra tỷ lệ với mũ logarit tự nhiên của điện áp vào
- Mạch nhân tương tự: cho điện áp ra tỷ lệ với tích tức thời các điện áp vào.
- Mạch lọc tích cực: cấu tạo mạch lọc tích cực gồm có BKĐTT kết hợp với các phần
tử RC. Mạch lọc tích cực làm việc ở vùng tần tháp có ưu điểm gọn nhẹ, phẩm chất lọc cao.
Có các mạch lọc thông cao, thông thấp, thông giải, chặn giải tương tự như các mạch lọc thụ
động. Bậc của bộ lọc là số tụ điện chứa trong mạch lọc đó.
- Các mạch điện sử dụng BKĐTT ở trên đều làm việc ở chế độ tuyến tính.Trong quá
trình chứng minh các công thức điện áp ra của mạch luôn coi hiệu điện áp giữa hai cửa vào
BKĐTT U0 rất bé, gần đúng xem như bằng không.
- Cần chú ý các mạch điện BKĐTT đều được cấp nguồn đối xứng ±E. Khi vẽ mạch
nhiều lúc không vẽ nguồn vào, nhưng xem như mặc định. Điện áp ra đạt cực đại Ur =
+Urmax khi BKĐTT bão hoà dương. Điện áp ra đạt cực tiểu Ur = -Urmax khi BKĐTT bão
hoà âm, trong đó gần đúng |± Urmax| = E – 2 vôn.




57
Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán

Kết thúc chương này yêu cầu người học vận dụng lý thuyết làm tốt các bài tập . Qua
đó hiểu bài sâu sắc hơn ,nhớ mạch điện chính xác hơn.

NỘI DUNG
Danh từ ″khuếch đại thuật toán’’ thuộc về bộ khuếch đại dòng một chiều có hệ số
khuếch đại lớn, có hai đầu vào vi sai và một đầu ra chung. Tên gọi này có quan hệ tới việc
ứng dụng đầu tiên của chúng chủ yếu để thực hiện các phép tính cộng, trừ, tích phân v..v...
Hiện nay bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò quan trọng và ứng dụng rộng rãi trong kỹ
thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin và xung, trong bộ ổn áp và bộ lọc tích cực v.v...
2.1. CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA BKĐTT
Bộ khuếch đại thuật toán được biểu diễn trên hình 2-1. Trong đó Ut, It là điện áp,
dòng điện vào cửa thuận. Uđ, Iđ là điện áp, dòng điện vào cửa đảo.Ur ,Ir điện áp ra và dòng
điện ra. U0 là điện áp vào giữa hai cửa. Bộ khuếch đại thuật toán khuếch đại hiệu điện áp
U0=Ut-Uđ với hệ số khuếch đại K0 > 0.
Do đó điện áp ra: +EC
U r =K0.U0=K0(Ut-Uđ) (2-1) T It
+ Ir
U0
Nếu U đ = 0 thì U r = K o .U t lúc Iđ
Ut Đ -
này điện áp ra cùng pha với điện áp vào U t . Ura
Uđ -EC
Vì vậy cửa T gọi là cửa thuận của bộ
khuyếch đại thuật toán và ký hiệu dấu “+”.
Tương tự như vậy khi U t = 0 thì Hình 2-1: Bộ khuếch đại thuật toán
U r = −K 0 .U đ, điện áp ra ngược pha với
điện áp vào nên cửa Đ là cửa đảo của bộ khuyếch đại thuật toán và ký hiệu dấu “-”. Ngoài
ra bộ khuếch đại có hai cửa đấu với nguồn nuôi đối xứng ± E C và các cửa để chỉnh lệch
không và bù tần.
Một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng có những tính chất sau:
+ Trở kháng vào ZV = ∞
+ Trở kháng ra Zra = 0 (2-2)
+ Hệ số khuếch đại K0 = ∞
Thực tế bộ khuếch đại thuật toán có K0=104÷106 ở vùng tần số thấp. Lên vùng tần số
cao hệ số khuếch đại giảm xuống. Nguyên nhân do sự phụ thuộc tham số của Tranzito và
điện dung ký sinh trong sơ đồ. Đặc tuyến truyền đạt, đặc tuyến biên độ và đăc tuyến pha
như ở hình 2-2 và 2-3. IC khuếch đại thuật toán có khả năng nén tín hiệu đồng pha.
Ura K
EC K0
K0
đầu vào
2
-
58 f
UV 0
0
a) Đặc tuyến biên độ
f
đầu vào 0

- 45o
o
Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán




Gọi K CM là hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha thì hệ số nén tín hiệu đồng pha được
xác định theo biểu thức:
K0
G= (2-3)
K CM
Thường G =103 ÷ 105.
Một bộ khuếch đại thuật toán thường có 4 tầng ghép trực tiếp với nhau. Tầng vào là tầng
khuếch đại vi sai, tiếp theo là tầng khuyếch đại trung gian (có thể là tầng đệm hay khuếch đại
vi sai hai), đến tầng dịch mức và tầng khuếch đại ra.
2.2. MẠCH KHẾCH ĐẠI VI SAI
Trong IC khuếch đại thuật toán, ở phía đầu vào mạch khuếch đại vi sai có một đến
hai tầng. Hình 2-4 là cấu trúc điển hình của một tầng khuếch đại vi sai làm việc theo nguyên
lý cầu cân bằng song song. Hai nhánh cầu là RC1 và RC2, còn hai nhánh kia là các Tranzito
T1 và T2 được chế tạo trong cùng một điều kiện sao cho R C1 = R C 2 và T1, T2 có các thông
số giống hệt nhau.
Điện áp lấy ra giữa hai cực góp (kiểu ra đối xứng) hay trên mỗi cực góp với đất (kiểu
ra không đối xứng). Tranzito T3 làm nguồn ổn dòng giữ ổn định dòng IE (là tổng dòng IE1 và
IE2) của tranzito T1, T2. Trong sơ đồ nguồn ổn định dòng còn có R1, R2, R3 và nguồn cung
cấp EC2, T4 mắc thành điôt làm phần tử bù nhiệt ổn định nhiệt cho T3.
Trong sơ đồ rút gọn (hình 2-4b) phần nguồn ổn dòng T3 được thay bằng nguồn dòng IE.
+
IC1 EC1 +
RC1 RC2
IC2 IC1 EC1
UC1=Ur RC1 RC2
UC2=Ur IC2
Ur UC1=Ur
T1 T2 UC2=Ur
UV1 UV2 Ur
IE1 T1 T2
IE2 UV1 UV2
IC R1 IE1 IE2
T3
R2 59
IE ∨

C1 ,tăng2lên 0. b) BiểuIC2 giảm.thế.
a) Sơ đồ cực gốc Tkhi có xuống. vào với U và I 0 U V = còn IE2 và đồ điện Sự
thay đổi dòng điện của các tranzito xẩy ra ngược chiều nhau và với cùng một số gia vì tổng
dòng điện I E1 + I E 2 = I E giữ nguyên không đổi.
Điện áp trên cực góp của tranzito T1 là U C1 = E C1 − I C1 .R C1 giảm một lượng ΔU C1
ngược pha với điện áp vào. Điện áp U C 2 tăng và tạo ra số gia điện áp ΔU C 2 cùng pha với
điện áp tín hiệu vào.
Như vậy với cách đưa tín hiệu vào như sơ đồ đang khảo sát đầu ra của tầng lấy trên
cực góp T1 gọi là đầu ra đảo, còn đầu ra lấy trên cực góp T2 gọi là đầu ra không đảo (thuận).
Tín hiệu lấy giữa hai cực góp gọi là tín hiệu vi sai.
U ra = U C 2 − U C1 = ΔU C 2 + ΔU C1 = 2.ΔU C ≈ 2. ΔI C .R C .

Ta xác định hệ số khuếch đại điện áp của tầng vi sai. Khi hai Tranzito có tham số
giống nhau thì dòng vào của tầng là:
En En
IV = = (2-5)
R n + rv1 + rv 2 R n + 2.[rB + rE (1 + β)]


61
Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán

trong đó En là nguồn tín hiệu vào
Rn là điện trở nguồn
rV là điện trở vào Tranzito.
Dòng điện vào tạo ra số gia dòng điện ra nên ± ΔI C = ±β.I V khi đó
± ΔU r1, 2 = ± ΔU C = ± ΔI C .R C = ± ΔI V .β.R C (2-6)

Hệ số khuếch đại của tầng riêng rẽ:
ΔU r1,2 β .RC
K1,2 = = (2-7)
En Rn + 2.[ rB + (1 + β ).rE ]

Nếu R n = 0 thì
β.R C
K 1, 2 = (2-8)
2.[rB + (1 + β).rE ]
Hệ số khuếch đại của tầng vi sai khi Rt → ∞ .
2.ΔU ra 2.β .RC
KVS = = (2-9)
En Rn + 2.[ rB + (1 + β ).rE ]
Nếu tính đến Rt thì:
2.β.(R C // Rt )
K VS = (2-10)
R n + 2.rV

β.R C β.R C
Khi Rt → ∞ , R n → 0 thì: K VS = = (2-11)
rV rB + (1 + β).rE
Trong tầng khuếch đại vi sai của các IC thuật toán, người ta thường thay RC1, RC2
bằng Tranzito, thực hiện chức năng tải động của tầng. Sơ đồ này có hệ số khuếch đại KVS
lớn hơn nhiều lần so với sơ đồ đã
khảo sát có tải RC. Điều này rất +
quan trọng khi thiết kế bộ UBC EC
khuếch đại một chiều nhiều tầng. 1
Một trong những sơ đồ như vậy T5 T6
vẽ trên hình 2-6. Tranzito T5, T6 It
dùng làm tải động của tầng có IC
IC2
tham số giống nhau, T5 được
mắc thành điôt. Cách mắc như Rt +
Rn + Ut
vậy còn được gọi là sơ đồ gương T1 T2
dòng điện. Dòng IC của T1 chảy + IV IE1 IE2
qua T5 tạo nên điện áp U BE 5 xác En U
định điện áp vào UBE6. Vì T5 và
T6 có tham số giống nhau nên IC6
IE
>>




62
-
EC
2



Hình 2-6: Sơ đồ tầng vi sai có tải động kiểu
gương dòng điện
Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán

giống IC1.Tín hiệu vi sai lấy ở cực góp T2.
IE
Khi En = 0 sơ đồ ở chế độ cân bằng tĩnh, dòng I C1 = I C 2 = I C 6 = . Dòng I C 6 chảy
2
qua T2 nên Ura= 0 vì itải = 0.


Giả thiết tín hiệu vào có cực tính như ở hình 2-6. Dưới tác dụng của En dòng IB1 tăng,
và như vậy làm giảm dòng IB2. Sự thay đổi dòng cực gốc làm thay đổi dòng cực góp.
IE
I C1 = + β.I V .
2
IE
IC2 = − β.I V .
2

IC6 = IC1 nên IE
Bởi vì dòng I C6 = + β.I V .
2
Khi đó dòng tải : Itải = I C 6 − I C 2 = 2.β.I V . Nên điện áp đầu ra trên tải:

U ra = 2.β.I V .R t .

Nếu tải tín hiệu vào đổi dấu thì làm đổi chiều I V , Itải và cực tính điện áp ra.
Hệ số khuếch đại điện áp của tầng.
U ra 2.β .Rt 2.β .Rt
K= = = (2-12)
En Rn + 2.rV Rn + 2.[ rB + (1 + β ).rE ]
Khi Rn = 0:
β.R t
K=
rB + (1 + β).rE
(2-13)
+
Sơ đồ hình 2-6 có ưu điểm cơ bản là EC1
khả năng chịu tải cao và tải có ưu điểm nối RC1 RC2
-
đất và hệ số khuếch đại lớn khoảng vài trăm
lần. Trở kháng vào có thể đạt hàng chục Ur1 Ur
Ur2
hoặc hàng trăm K Ω . Khi cần có trở kháng
vào lớn hơn hàng chục ΜΩ dùng T1 và T2
là tranzito trường. Sơ đồ như ở hình 2-7.
Nguyên lý làm việc tương tự như sơ đồ
UV1 T1 T2 UV2
hình 2-4.
2.3. MẠCH KHUẾCH ĐẠI
IS

IS gần đúng có thể coi:
U ak
I D = I S .exp
mU t



70
Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán

ID
Từ đó U ak = m.U T . ln (2-29)
IS
chính là hàm lôgarit cần tìm.
Để thực hiện quan hệ này, có thể sử dụng như hình 2-20. Nếu vi mạch khuếch đại
thuật toán là lý tưởng ta có thể tính như sau:
UV
ID = , U ra = − U ak
R
UV
rút ra: U ra = −m.U T . ln( )
I S .R
ID D IC T



R R
_ _
UV UV U0
+ URa + URa
U




Hình 2-20: Mạch logarit dùng điôt Hình 2-21: Mạch logarit dùng
Có thể thay điốt bằng tranzito nối kiểu điốt, khi đó loại trừ được m và mở rộng phạm vi
Tranzitor nối kiểu điốt
làm việc của mạch.
Lúc này:
UV
U ra = − U BE = − U T . ln( ) (2-30)
I ES .R
Mạch điện ở hình 2-21.

2.8.2. Mạch tạo hàm đối lôgarit (hàm mũ)
Để tạo hàm đối lôgarit ta mắc phần tử phi tuyến là điốt hay Tranzito vào nhánh vào
của IC khuếch đại thuật toán. Mạch nguyên lý được biểu diễn trên hình 2-22.
Với mạch dùng điốt ta có:
Uv
I D = I S .exp .
mU t
Uv
Nên U ra = − R.I S .exp . (2-31)
mU t
R R


ID D IC
_ T _
UV U0 UV U0
URa 71 URa
+ +

(a) (b)


Hình 2-22: Mạch khuyếch đại đối loga
a) Mạch dùng điốt
Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán




Với mạch b ta dùng tranzito đấu theo kiểu điốt, lúc đó
Uv
U ra = − R.I S .exp . (2-32)
Ut

2.9. MẠCH NHÂN TƯƠNG TỰ
Mạch nhân tương tự có sơ đồ quy ước trên hình 2-23. Tín hiệu trên đầu ra của nó tỷ lệ
với tích các tín hiệu đặt lên hai đầu vào.
Z = k.X.Y. X Z
Y k
Trong đó: X, Y Là các tín hiệu vào.
Z: tín hiệu ra
Hình 2-23: Sơ đồ quy ước của mạch
k: hệ số tỷ lệ còn gọi là hệ số nhân tương tự
truyền đạt của mạch nhân.
Trên hình 2-24 là sơ đồ mạch nhân điện áp và mạch tương đương của nó.Mạch nhân
điện áp lý tưởng có trở kháng vào hai cửa ZVX, ZVY = ∞ và trở kháng ra Zr = 0. Hệ số
truyền đạt lý tưởng không phụ thuộc vào tần số và trị số các điện áp vào UX, UY nghĩa là k
là một hằng số.
X
Y k
Zra
UX ZVX
~ UZ UX Ura
~ UY ~ k.UX.UY
UY ZY



(a) (b)

Mạch nhân thựcHìnhbởi mạch khuếch đạiđiện áp và mạchcó sơ đồ khối như hình 2-25.
hiện 2-24: Mạch nhân lôga và đối lôga nhân tương đương
X
ln

Z
Tổng exp

Y
ln
72
Hình 2-25: Sơ đồ khối mạch nhân dùng mạch khuếch đại lôga và đối lôga
Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán




Gọi X = kX.UX
Y = kY.UY và Z = kZ.UZ.
trong đó kX, kY, kZ lần lượt là hệ số tỷ lệ của các điện áp vào UX, UY và điện áp ra UZ.
Từ mạch trên ta có:
U Z = exp(lnU x + ln U y )

Z X Y XY
tức là: = exp(ln + ln ) = expln
kz kx ky kx k y

Suy ra:
kz
Z= .X.Y. (2-33)
k x .k y

Các mạch khuếch đại lôga và đối lôga đã xét ở tiết trước, còn mạch tổng nhờ vi mạch
khuếch đại thuật toán thực hiện.
2.10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC
Ở tần số cao thường dùng các mạch lọc thụ động RLC. ở tần số thấp các mạch lọc đó
có điện cảm quá lớn làm cho kết cấu nặng nề và tốn kém cũng như phẩm chất của mạch
giảm. Vì vậy trong phạm vi tần số ≤ 100kHz người ta hay dùng bộ lọc khuếch đại thuật
toán và mạng RC- gọi là mạch lọc tích cực để lọc.
Khác với mạch lọc thụ động, mạch lọc tích cực được đặc trưng bởi ba tham số cơ
bản: tần số giới hạn ωC, bậc của bộ lọc và loại bộ lọc.
- Tần số giới hạn ωC là tần số tại hàm truyền đạt giảm đi 3 dB so với tần số ở trung tâm.
- Bậc của bộ lọc xác định độ dốc của đặc tuyến biên độ tần số ngoài giải tần. Bậc của
bộ lọc được tính bằng số tụ trong mạch lọc.
- Loại bộ lọc xác định dạng đặc tuyến biên độ tần số xung quanh tần số cắt và trong
khu vực thông của mạch lọc. Cần chú ý rằng mạch điện của các loại bộ lọc thì giống nhau,
chúng chỉ khác nhau ở giá trị các linh kiện RC mà thôi. Người ta quan tâm đến 3 loại bộ
lọc: lọc Bessel, lọc Butteewroth và lọc Tschcbyscheff. Đặc tính của các bộ lọc đó như ở
hình 2-26.
|Kd| (dB)

10
0
-10
-20
-30 4 3 2 1

-40 73
-50
f
-60 Ω=
fg
0,01 0,03 0,1 0,3 1 3 10 30

Hình 2-26: Đặc tính biên độ- tần số của mạch lọc thông thấp bậc bốn:
Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán




Để tiện xét các mạch lọc, ta đưa vào hàm truyền đạt tổng quát của một mạch lọc
thông thấp:
K d0
K d ( p) = (2-34)
1 + C1 .p + C 2 .p + C 3 .p 3 + ... + C n .p n
2



j.ω
trong đó: P = = jΩ Ci là các hệ số thực, dương.
ωC
Bậc của bộ lọc chính là số mũ lớn nhất của p. Để thực hiện bộ lọc đó thuận lợi ta
phân tích mẫu số của biểu thức (2-34) thành tích các thừa số - có biểu thức:
K d0
K d(p) = (2-35)
∏ (1 + a i .p + b i .p 2 )
Kd0 hệ số truyền đạt ở tần số thấp.
ai, bi là các số thực, dương.
Với bộ lọc bậc lẻ thì có một hệ số bi = 0.
Để tính toán các linh kiện của bộ lọc ta dựa vào loại mạch lọc, bậc của bộ lọc n và các
hệ số ai, bi ( i là số thứ tự các mắt lọc ), fci / fc, hệ số phẩm chất của mắt lọc thứ i: Qi được
tra theo bảng:
a. Bảng tham số của mạch lọc Butterworth (b¶ng 1).
Bảng 1
n i ai(p) bi(p2) fCi/fC Qi
1 1 1,0000 0,0000 1,0000 -
2 1 1,4142 1,0000 1,0000 0,71
1 1,0000 0,0000 1,0000 -
3
2 1,0000 1,000 1,2720 1,00

4 1 1,8478 1,0000 0,7910 0,54
2 0,7654 1,0000 1,3900 1,31


74
Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán

b. Bảng tham số của mạch lọc Bessel (b¶ng 2).
Bảng 2:
n i Ai(p) bi(p2) fCi/fC Qi
1 1 1,0000 0,0000 1,0000 -

2 1 1,3617 0,6180 1,0000 0,58
3 1 0,7560 0 1,3230 -
2 0,9996 0,4772 1,4140 0,69
4 1 1,3397 0,4889 0,9780 0,52
2 0,7743 0,3890 1,7970 0,81


2.10.1. Mạch lọc tích cực bậc một
Loại này chỉ dùng cho mạch lọc thông thấp hay thông cao.
2.10.1.1. Mạch lọc thông thấp bậc một
Theo (2-35) khi đó hàm truyền đạt có dạng:
K do
Kd = (2-36)
1 + a1 . p
C


R
R
- -
R
+ +
C Ura UV Ura
UV


a) b)

Mạch điện như ở Hình2-27 a,b.
hình 2-27: Mạch lọc tích cực thông thấp bậc 1
Mạch (a) ta có:
Ur 1 1 j.ω
K= = = (vì = p)
U V 1 + j.ω.R.C 1 + p.ωC .R.C ωC
ở đây K do = 1
a 1 = ω C .R.C
a1
Biết a, ωC ; chọn R ta có C =
ωC .R


75
Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán

Mạch b ta có:
−1
Kd =
1 + p.ω C .R.C
ở đây K do = −1 và a 1 = R.C.ωC .

a1
Khi biết a1 , ωC và chọn R ta cũng có: C=
ωC .R

2.10.1.2. Mạch lọc tích cực thông cao bậc một
Đổi chỗ R bởi C và C bởi R, ở mạch thông thấp ta có mạch lọc tích cực thông cao.
Mạch như ở hình 2-28.

R
C
_ -_
C
+ UV +
Ura
UV R Ura


a) b)

Hình 2-28: Mạch lọc tích cực thông cao bậc 1
1
Khi đó trong công thức 2-36 thay p ↔
p
1 1
Mạch a có: K= =
1 1 1
1+ 1+ .
p.ωC .R.C p ωC .R.C
ở đây: K do = 1
1
a1 =
ω C .R.C
1
Khi biết a1 , ω C và chọn C ta tính được: R=
a.C.ω C
1
Mạch b: K=−
1
1+
p.ωC .R.C
ở đây: K do = −1
1
và tương tự khi biết ωC , chọn C ta tính được R (theo a) = .
a.C.ω C



76
Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán

2.10.2. Mạch lọc tích cực bậc hai
2.10.2.1. Mạch lọc thông thấp bậc hai
Mạch lọc tích cực thông thấp bậc hai có các dạng hồi tiếp âm một vòng, hồi tiếp âm
nhiều vòng, hồi tiếp dương một vòng như ở hình 2-29.




C1
R 3 R R2 C1
C2
R1 R3
R 1 R _
_ U1 1 2
U1 2
C2 + Ur
C2 + U1

b)
a)
C2
Hình 2-29: Mạch lọc thông thấp bậc hai: R1 R2
2 +
a) hồi tiếp âm một vòng U1 1
b) hồi tiếp âm nhiều vòng _ U2
C1 (K-1)R3
c) hồi tiếp dương một vòng
c)
R3
+ Xét mạch ở hình 2-29a ta có hàm truyền đạt (dùng phương trình điện thế nút):
Ur 1
Kd = = (2-37)
U V 1 + 2.p.ωC .R.C1 + p 2 .ωC .R 2 .C1 .C 2
2



So sánh với (2-35) ta có:
K do = 1 ; a 1 = 2.ω C .R.C1 ; b1 = ω C .R 2 .C1 .C 2 .
2



Dựa vào loại bộ lọc xác định a1, b1, chọn trước C1 theo giá trị chuẩn và tính R, C2
theo:
a1 4.b1 .C1
R= ; C2 =
2.ωC .C1 a1
2



+ Với mạch 2-29b ta có:
R 2 / R1
Kd =
R .R 2
1 + p.ωC .C1 (R 2 + R 3 + 2 3 ) + p 2 .ω C .C1 .C 2 .R 2 .R 3
R1

77
Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán

Từ đây xác định:
R2
K do =
R1

R 2 .R 3
a 1 = ωC .C1 .(R 2 + R 3 + )
R1
2
b1 = ωC .C1 .C 2 .R 2 .R 3 .
Cho trước ωC , Kdo, chọn C1 và C2 tính được:
2 2
a 1 .C 2 − a 1 .C 2 − 4.C1 .C 2 .b1 .(1 + K do )
R2 =
2.ωC .C1 .C 2
R2 b1
R1 = và R 3 = 2
K do ω C .C1 .C 2 .R 2
Để R2 có giá trị thực:
C 2 4.b1 .(1 + K do )
≥ 2
C1 a1
+ Với mạch 2-29c có hàm truyền đạt:
K
Kd = (2-38)
1 + p.ωC [R 1 .C1 + R 2 .C1 + (1 − K ).R 1 .C 2 ] + p 2 .ωC .C1 .C 2 R 1 R 2
2



Để đơn giản chọn K=1 khi đó (K-1).R3=0 .
Biểu thức trên viết lại:
1
Kđ =
1 + p.ω C .C1 .( R 1 + R 2 ) + p 2 .ω C .C1 .C 2 .R 1 .R 2

Nếu cho trước ωC, C1, C2 ta tính được Kđo, R1, R2.
Kđo =1
2 2
a 1 .C 2 ± a 1 .C 2 − 4.b1 .C1 .C 2
R 1, 2 =
2.ωC .C1 .C 2
Để R1,2 là số thực cần:
C1 4.b1
≥ 2 .
C2 a1

2.10.2.2. Mạch lọc thông cao bậc hai
Mạch lọc thông cao bậc hai có thể dùng các dạng ở thông thấp
hình 2-29. Trong đó phải đổi chỗ C và R cho nhau. Ví dụ mạch lọc thông cao bậc hai hồi



78
Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán

1
tiếp dương một vòng có hình 2-30. Thay p = , C bởi R và R bởi C vào công thức (2-38)
p
ta có:
K
K đ=
1 R (C + C 2 ) + R 1 .C 2 .(1 − K ) 1 1
1+ . 2 1 + 2. 2
p ω C .R 1 .R 2 .C1 .C 2 p ω C .C1 .R 1 .R 2 .C 2
Cho K=1 và C1 = C2 = C ta có:
1
Kđ = .
1 2 1 1
1+ . + 2. 2 2
p ωC .R 1 .C p ω C .C .R 1 .R 2

ở đây K đo = 1
2 R2
a1 =
ω C .R 1 .C
2 +
nên R1 = U C1 C2
ω C .a 1 .C - Ua
R1 (K-1)R3
1
b1 = 2
ωC .C 2 .R 1 .R 2 R3
a1
nên R2 =
2.ωC .C.b1
Hình 2-30: Sơ đồ mạch lọc thông cao bậc hai một
vòng hồi tiếp dương
2.10.2.3. Mạch lọc tích cực bậc hai
thông giải
R
Nếu mắc nối tiếp một mắt lọc
C1
thông thấp và một mắt lọc thông cao ta -
nhận được bộ lọc thông giải. Đặc tính tần R C2 +
số là tích tần số của hai khâu lọc riêng rẽ. UV R3
Ura
K = Kđ1.Kđ2
Mạch lọc tích cực thông giải bậc
hai như ở hình 2-31.
Hình 2-31: Mạch lọc thông giải
2.10.3. Mạch lọc tích cực bậc cao
Khi cần đặc tính biên độ, tần số của bộ lọc vuông góc người ta phải thực hiện bộ lọc
bậc cao. Muốn vậy mắc nối tiếp các bộ lọc bậc một và hai đã biết. Lúc đó đặc tính tần số
của mạch là tích các đặc tính tần số của các mạch riêng rẽ.




79
Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán

TÓM TẮT
Kết thúc chương hai yêu cầu người học hiểu và nắm được:
- Các tính chất chung của BKĐTT: Trở kháng vào rất lớn, lý tưởng Zv = ∞. Trở
kháng ra rất nhỏ, lý tưởng Zr = 0. Hệ số khuếch đại điện áp rất lớn ký hiệu K0, lý tưởng K0 =
∞. Đặc tuyến truyền đạt BKĐTT nêu quan hệ điện áp ra Ur là hàm số của điện áp vào Uv.
Khi Uv còn bé Ur tăng tuyến tính theo Uv. Khi Uv tăng mà Ur không tăng nữa là BKĐTT
bão hoà. Ur = +Ur max gọi là bão hoà dương. Khi Ur = -Ur max gọi là bão hoà âm. Có thể xem
gần đúng ⎜±Ur max ⎜ = E -2V khi nguồn nuôi đối xứng ±E.
- Đặc tuyến tần số mô tả quan hệ hệ số khuếch đại K0 theo tần số của tín hiệu vào. Do
các tầng khuếch đại trong BKĐTT ghép trực tiếp nên nó có thể khuếch đại được tín hiệu
một chiều. BKĐTT có khả năng nén tín hiệu đồng pha.
- Tầng khuếch đại vi sai: cấu tạo tầng khuếch đại vi sai, xác định hệ số khuếch đại
điện áp của nó. Tầng khuếch đại vi sai có tải động kiểu gương dòng có hệ số khuếch đại rất
lớn. với tầng khuếch đại vi sai dùng tranzito trường còn có ưu điểm trở kháng vào lớn.
- Mạch khuếch dại dùng BKĐTT có mạch khuếch đại thuận, khuếch đại đảo. Đặc
điểm chung của các mạch khuếch đại hệ số khuếch đại của mạch phụ thuộc vào trị số các
linh kiện ngoài được đáu nối để có hồi tiếp âm điện áp. Mạch khuếch đại đảo có hệ số
khuếch đại âm, tức là tín hiệu ra ngược pha tín hiệu vào. Mạch khuếch đại thuận cho tín
hiệu ra cùng pha.
- Các phương pháp chống trôi và bù điểm không là tìm biện pháp để giữ cho đầu ra
BKĐTT có điện áp ra bằng không ở chế độ tĩnh. Có thể dùng điện trở cân bằng RC để thực
hiên như ở hình 2-11. Cũng có thể dùng mạch hiệu chỉnh nhờ điện áp nguồn nuôi như ở
hình 2-12.
- Mạch cộng. Mạch cộng đảo là mạch các tín hiệu cần cộng đưa vào cửa đảo. Điện áp
đầu ra bằng trừ tổng tỷ lệ các điện áp đầu vào. Mạch cộng thuận là mạch các tín hiệu cần
cộng đưa vào cửa thuận. Đầu ra nhận được điện áp tỷ lệ với tổng các điện áp vào.
- Mạch trừ tín hiệu đưa vào hai cửa. Tín hiệu bị trừ đưa vào cửa thuận. Tín hiệu trừ
đưa vào cửa đảo. Đầu ra nhận được điện áp tỷ lệ với hiệu của hai điện áp vào.
- Mạch tích phân cho điện áp ra tỷ lệ với tích phân điện áp vào. Khi cho tín hiệu vào
mạch là dãy xung vuông đầu ra nhận được dãy xung tam giác.
- Mạch vi phân cho điện áp ra tỷ lệ với vi phân của điện áp vào. Đầu ra mạch này
nhận được dãy xung nhọn có cực tính thay đổi khi đầu vào tác dụng vào dãy xung vuông.
- Mạch tạo hàm logarit cho tín hiệu ra tỷ lệ với loga tự nhiên của điên áp vào.
- Mạch tạo hàm mũ cho tín hiệu ra tỷ lệ với hàm mũ tự nhiên của tín hiệu vào.
- Mạch nhân tương tự cho tín hiệu ra tỷ lệ với tích tức thời của hai tín hiệu vào. Trong
kỹ thuật mạch nhân tương tự có thể dùng để điều chế tín hiệu, tách sóng tín hiệu.
- Mạch lọc tích cực. Cấu tạo mạch lọc tích cực gồm BKĐTT và các phần tử RC. Ưu
điểm của mạch lọc tích cực dùng ở vùng tần số thấp là đơn giản gọn nhẹ và có phẩm chất
lọc cao. Nếu dung mạch lọc thụ động L, R, C nặng, cồng kềnh do điện cảm L phải lớn,


80
Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán

phẩm chất lọc kém do tiêu hao năng lượng nhiều. Bậc của bộ lọc tích cực là số tụ điện trong
mạch lọc đó. Phân tích các loại mạch lọc thông thấp, thông cao, thông giải và chặn giải.
Cách xác định giá trị các điện trở, tụ điện trong các mạch lọc tích cực nói trên.

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
2.1. Nêu các tính chất của BKĐTT lý tưởng?
2.2. Tại sao khi dùng BKĐTT làm mạch khuếch đại phải đấu nối thêm linh kiện ngoài tạo
hồi tiếp âm?
2.3. Trình bày mạch khuếch đại đảo?
2.4. Trình bày mạch khuếch đại thuận? Mạch khuếch đại lặp?
2.5. Nêu tác dụng của điện trở cân bằng Rc ở hình 2-11? Biểu thức tính giá trị Rc?
2.6. Trình bày mạch cộng thuận?
2.7. Trình bày mạch cộng đảo?
2.8.Trình bày mạch trừ?
2.9. Các mạch cộng, mạch trừ làm việc ở chế độ tuyến tính hay phi tuyến? Tại sao?
2.10. Trình bày mạch vi phân? ứng dụng của nó?
2.11. Trình bày mạch tích phân? ứng dụng của nó?
2.12. Trình bày mạch tạo hàm loga?
2.13. Trình bày mạch tạo hàm mũ?
2.14. Thế nào là mạch nhân tương tự?
2.15. Thế nào là mạch lọc thụ động, mạch lọc tích cực?
2.16 Tại sao ở dải tần số ≤ 100KHz ta nên dùng mạch lọc tích cực để thực hiện?
2.17. Cho mạch hình P2-17. Biết nguồn nuôi E = ± 12v, R1 = 10KΩ, Rht = 50KΩ

Rht

Uv R1
Ur




Hình 2-17.
a. Xác định hệ số khuếch đại của mạch?
b. Xác định trở kháng vào của mạch?
c. Xác định điện áp ra đối với mỗi giá trị sau của điện áp vào UV = 0v, -1v, 2v, -3v.
2.18 Cho mạch điện hình P2-17 với R1 = 1,2KΩ; Rht = 18KΩ, nguồn E = ±15v.
a. Xác định hệ số khuếch đại của mạch?
b. Xác định trở kháng vào của mạch?
c. Xác định điện áp vào đỉnh Uv để mạch hoạt động tuyến tính?


81
Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán

d. Xác định điện áp ra đối với mỗi giá trị sau của điện áp vào Uv = 0v;
0,4v; 0,8v; -1,2v;1,6v.
2.19. Cho mạch điện hình P2-19 với R1 = 10KΩ, Rht = 50K. Biết E = ±15v;
Uv
Ur




Rht
R1

Hình P2-19.
a. Xác định hệ số khuếch đại của mạch?
b. Xác định trở kháng vào lý tưởng của mạch?
c. Xác định điện áp vào đỉnh để mạch hoạt động tuyến tính?
d. Xác định điện áp ra đối với mỗi giá trị sau của điện áp vào :
Uv = 0v ; -1v ;2v ;-3v ; 4v .
2.20. Cho mạch hình 2-19 với R1 = 12kΩ; Rht = 180kΩ; E = ±15v
a. Xác định hệ số khuếch đại của mạch?
b. Xác định trở kháng vào lý tưởng của mạch?
c. Xác định điện áp vào đỉnh mà mạch hoạt động tuyến tính?
d. Xác định điện áp ra đối với mỗi giá trị sau của điện áp vào
Uv= 0v; -0,4v; 0,8v; -1,2 v.
2.21 .Cho mạch hình P2-21. Với Rht = 100kΩ, R1 = 100kΩ, R2 = 50kΩ, R3 = 25kΩ, nguồn
E = ±15v
a. Viết phương trình Ur theo ba điện áp vào?
b. Xác định Ur khi U1 = 10v; U2 = 3v và U3 = -7v
c. Xác định Ur khi U1 = 8v; U2 = - 4v và U3 = 5v.

U1 R1

U2 R2 Rht

U3 R3 Ur



Hình P2-21.
2.22. Cho mạch hình P2-21. Với Rht = 100kΩ; R1 = 20kΩ; R2 = 10kΩ; R3 = 5kΩ. nguồn
E= ±15v.
a. Viết phương trình Ur theo ba điện áp vào?
b. Xác định Ur khi U1 = -2v; U2 = 1,5v và U3 = - 0,8v.


82
Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán

2.23. Cho mạch hình P2-23. Với R1 = 10kΩ; R2 = 20kΩ. Nguồn E = ±15v.

R2

U1 R1
Ur
U2 R1



R2

Hình P2-23.
a. Viết phương trình Ur theo hai điện áp vào?
b. Xác định Ur với U1 = 3v; U2 = 3v.
c. Xác định Ur với U1 = 3v; U2 = -3v.
d. Xác định Ur khi U1 = 5v; U2 = -5v.
2.24. Cho mạch hình P2-23 với R1 = 10kΩ; R2 = 50kΩ, nguồn E = ±15v.
a. Viết phương trình Ur theo hai điện áp vào?
b. Xác định Ur khi U1 = 4v; U2 = 4v.
c. Xác dịnh Ur khi U1 = 2v; U2 = 4v.
d. Xác định Ur khi U1 = 4v; U2 = -2v.
2.25 . Cho mạch điện hình P2-25 làm việc ở chế độ tuyến tính. Chứng minh điện áp ra Ur
cho bởi công thức :
U1 R1

U2 R2 Ur


R4


R3

Hình P2-25.
Ur = (R3 + R4)(R2U1 + R1U2) / R3(R1 + R2).
2.26. Cho mạch P2-26. Biết R3 = 8,25kΩ; R6 = 4,7kΩ, nguồn E = ±12v.

Ux R1 R3 R6

Uy R2 R4
Ur
R5
Uz

Hình P2-26.




83
Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán

a. Thiết lập biểu thức tổng quát Ur theo các điện áp vào Ux, Uy, Uz và các
tham số của mạch?
b. Xác định giá trị các điện trở R1, R2, R4 và R5 để mạch thực hiện được hàm
số sau:
Ur = 2,5Ux - 4,7Uy + 4,1Uz.
2.27. Viết biểu thức tính hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại đảo?
a. K = - R1 / Rht.
b. K = Rht / R1.
c. K = - Rht / R1.
2.28. Viết biểu thức tính hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại thuận?
a. K = R1 / Rht.
b. K = 1 + Rht / R1.
c. K = 1 - Rht / R1.
2.29. Xác định giá trị điện trở cân bằng RC trong mạch khuếch đại đảo?
a. RC = R1.Rht // (R1 + Rht).
b. RC = Rht + R1.
c. RC = Rht – R1.
2.30. Thế nào là mạch cộng đảo?
a. Là mạch mà các tín hiệu cần cộng đưa vào cửa thuận.
b. Là mạch mà các tín hiệu cần cộng đưa vào của đảo.
c. Là mạch mà các tín hiệu cấn cộng đưa vào cửa thuận và cửa đảo.
2.31. Thế nào là mạch cộng thuận?
a. Là mạch mà các tín hiệu cần cộng đưa vào cửa thuận.
b. Là mạch mà các tín hiệu cần cộng đưa vào cửa đảo.
c. Là mạch mà các tín hiệu cần cộng đưa vào của thuận và cửa đảo.
2.32. Xác định dạng xung đầu ra mạch vi phân khi đầu vào tác dụng dãy xung vuông?
a. Dãy xung nhọn có cực tính thay đổi.
b. Dãy xung tam giác.
c. Dãy xung nhọn một cực tính.
2.33. Xác định dạng xung đầu ra của mạch tích phân khi đầu vào tác dụng dãy xung vuông?
a. Dãy xung tam giác.
b. Dãy xung nhọn.
c. Dãy xung hình thang.
2.34. Nêu nhược điểm của mạch lọc thụ động R, L, C ở tần số thấp?
a. Mạch điện phức tạp.
b. Mạch nặng nề, tốn kém và phẩm chất của mạch giảm.


84
Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán

c. Mạch gọn nhẹ nhưng phẩm chất của mạch giảm.
2.35. Cấu tạo của mạch lọc tích cực gồm các phần tử nào?
a. BKĐTT và các phần tử LC.
b. BKĐTT và các phần tử LR.
c. BKĐTT và các phần tử RC.
2.36. Nêu ưu điểm của mạch lọc tích cực ở vùng tần số thấp?
a. Gọn nhẹ, rẻ tiền và phẩm chất lọc cao.
b. Gọn nhẹ nhưng phẩm chất lọc giảm.
c. Phức tạp nhưng phẩm chất lọc cao.
2.37. Nêu cơ sở xác định bậc của một bộ lọc tích cực?
a. Là số tụ điện tham gia trong bộ lọc.
b. Là số điện trở tham gia trong bộ lọc.
c. Là số tụ điện và điện trở tham gia trong bộ lọc.
2.38. Nêu mức biên độ tín hiệu ra cực đại (đỉnh) trong các mạch dùng BKĐTT có nguồn
nuôi đối xứng?
a. E – 2 Vôn.
b. E vôn.
c. E/2 vôn.




85
Đề thi vào lớp 10 môn Toán |  Đáp án đề thi tốt nghiệp |  Đề thi Đại học |  Đề thi thử đại học môn Hóa |  Mẫu đơn xin việc |  Bài tiểu luận mẫu |  Ôn thi cao học 2014 |  Nghiên cứu khoa học |  Lập kế hoạch kinh doanh |  Bảng cân đối kế toán |  Đề thi chứng chỉ Tin học |  Tư tưởng Hồ Chí Minh |  Đề thi chứng chỉ Tiếng anh
Theo dõi chúng tôi
Đồng bộ tài khoản