Bài giảng Mạch điện tử: Phần 2 - Trường Đại học Thái Bình

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:61

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng gồm 5 chương, trình bày khá chi tiết về các Khi tìm hiểu cuốn bài giảng sinh viên biết cách tính toán các thông số cần quan tâm trên thực tế. Từ đó phân tích và ứng dụng trong thực tế. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 2 dưới đây.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Mạch điện tử: Phần 2 - Trường Đại học Thái Bình

Chương 4 OP-AMP-KHUẾCH ÐẠI VÀ ỨNG DỤNG 4.1 VI SAI TỔNG HỢP: Mạch vi sai trong thực tế thường gồm có nhiều tầng (và được gọi là mạch vi sai tổng hợp) với mục đích. - Tăng độ khuếch đại A VS - Giảm độ khuếch đại tín hiệu chung A C Do đó tăng hệ số λ1. - Tạo ngõ ra đơn cực để thuận tiện cho việc sử dụng cũng như chế tạo mạch khuếch đại công suất. Thường người ta chế tạo mạch vi sai tổng hợp dưới dạng IC gọi là IC thuật toán (op-amp _operational amplifier). Người ta chia một mạch vi sai tổng hợp ra thành 3 phần: Tầng đầu, các tầng giữa và tầng cuối. Tầng đầu là mạch vi sai căn bản mà ta đã khảo sát ở chương trước. 4.1.1 Các tầng giữa: Các tầng giữa có thể là vi sai hay đơn cực. a/Mắc nối tiếp vi sai với vi sai: Mục đích: RC Tăng AVS vì Avz   1 re RC Giảm AC vì AC   1 2RE Do đó tăng hệ số λ1 72
Ðể ý là tổng trở vào của tầng vi sai sau có thể làm mất cân bằng tổng trở ra của tầng vi sai trước. Tầng sau không cần dùng nguồn dòng điện. b/ Mắc vi sai nối tiếp với đơn cực: Người ta thường dùng tầng đơn cực để: - Dễ sử dụng. - Dễ tạo mạch công suất. Nhưng mạch đơn cực sẽ làm phát sinh một số vấn đề mới: - Làm mất cân bằng tầng vi sai, nên hai điện trở RC của tầng vi sai đôi khi phải có trị số khác nhau để bù trừ cho sự mất cân bằng. - Làm tăng cả A và A nên (1 có thể thay đổi, do đó chỉ nên dùng tầng đơn cực ở nơi VS C đã có thành phần chung thật nhỏ (sau hai hoặc ba tầng vi sai) Trong đó: RC = Rc’// Zv với ZV là tổng trở vào của tầng 4.1.2 Tầng cuối: Phải thỏa mãn các điều kiện: - Cho một tổng trở ra thật nhỏ. - Ðiện thế phân cực tại ngõ ra bằng 0 volt khi hai ngõ vào ở 0 volt. a/ Ðiều kiện về tổng trở ra: Ðể được tổng trở ra nhỏ, người ta thườngdùng mạch cực thu chung. 73
Ðể tính tổng trở ra ta dùng mạch tương đương hình 7.3b; Trong đó R là tổng trở ra S của tầng (đơn cực) đứng trước. vo Z  O vo Phân giải mạch ta tìm được: v Z  o  RE (RS  re )  io RE (1   )  re  RS o Thông thường βRE rất lớn nên Zo=vo/io =re + RS/β b/ Ðiều kiện về điện thế phân cực: Vì các tầng được mắc trực tiếp với nhau nên điện thế phân cực ngõ ra của tầng cuối có thể không ở 0 volt khi ngõ vào ở 0 volt. Ðể giải quyết người ta dùng mạch di chuyển điện thế (Level shifting network) gồm có: một nguồn dòng điện I và một điện trở R sao cho: E = RI. Trong đó E là điện thế phân cực ngõ ra ( # 0 volt ) của tầng cuối. Tuy nhiên, như vậy tổng trở ra sẽ tăng thêm một trị số là R. Vì vậy để thỏa mãn cảu hai điều kiện, người ta dùng mạch di chuyển điện thế trước cực thu chung. 74
4.1.3 Một ví dụ: Op-amp μpc 709 của hảng Fairchild. T , T : Mạch vi sai căn bản ngõ vào. 1 2 T : Nguồn dòng điện cho T và T . Ðiện thế phân cực tại cực nền của T được xác định 3 1 2 3 bởi cầu phân thế gồm T (mắc thành diode), điện trở 480Ω và 2.4kΩ. 6 T , T : không phải là vi sai vì 2 chân E nối mass. T có nhiệm vụ ổn định điện thế tại 4 5 4 điểm A cho T và T . 1 2 75
T : Là tầng đơn cực chuyển tiếp giữa vi sai và tầng cuối. 5 T : Là mạch cực thu chung đầu tiên và T là mạch di chuyển điện thế với điện trở 7 8 3.4k. T9: Là mạch cực thu chung cũng là tầng cuối để đạt được tổng trở ra nhỏ. 4.2 MẠCH KHUẾCH ÐẠI OP-AMP CĂN BẢN: Trong chương này, ta khảo sát op-amp ở trạng thái lý tưởng. Sau đây là các đặc tính của một op-amp lý tưởng: - Ðộ lợi vòng hở A (open loop gain) bằng vô cực. - Băng tần rộng từ 0Hz đến vô cực. - Tổng trở vào bằng vô cực. - Tổng trở ra bằng 0. - Các hệ số λ bằng vô cực. - Khi ngõ vào ở 0 volt, ngõ ra luôn ở 0 volt. Ðương nhiên một op-amp thực tế không thể đạt được các trạng thái lý tưởng như trên. 76
Từ các đặc tính trên ta thấy: - Z → ∞ nên không có dòng điện chạy vào op-amp từ các ngõ vào. i - Z → 0Ω nên ngõ ra v0 không bị ảnh hưởng khi mắc tải. 0 - Vì A rất lớn nên phải dùng op-amp với hồi tiếp âm. Với hồi tiếp âm, ta có hai dạng mạch khuếch đại căn bản sau: 4.2.1 Mạch khuếch đại đảo: (Inverting Amplifier) Dạng mạch căn bản. Zi , Zf có thể có bất kỳ dạng nào. Tín hiệu đưa vào ngõ vào (-). Vì có thể xoay chiều hoặc một chiều Do op lý tưởng nên: V1 = v 2 = 0 vi   vi   vo ii  i f  Zi Zi Zf Suy ra độ lợi điện thế của mạch: vo   Z f A v vi Zi Nhận xét: 77
0 - Khi Z và Z là điện trở thuần thì v và v sẽ lệch pha 180 (nên được gọi là mạch f i 0 i khuếch đại đảo và ngõ vào ( - ) được gọi là ngõ vào đảo). - Z đóng vai trò mạch hồi tiếp âm. Z càng lớn (hồi tiếp âm càng nhỏ) độ khuếch đại f f của mạch càng lớn. - Khi Z và Z là điện trở thuần thì op-amp có tính khuếch đại cả điện thế một chiều. f i 4.2.2 Mạch khuếch đại không đảo: (Non_inverting Amplifier) Dạng mạch căn bản. Suy ra: Nhận xét: - Z , Z có thể có bất kỳ dạng nào. f i - v và vi cũng có thể có bất kỳ dạng nào. 0 - Khi Z , Z là điện trở thuần thì ngõ ra v sẽ có cùng pha với ngõ vào vi (nên mạch f i 0 được gọi là mạch khuếch đại không đảo và ngõ vào ( + ) được gọi là ngõ vào không đảo). - Z cũng đóng vai trò hồi tiếp âm. Ðể tăng độ khuếch đại A , ta có thể tăng Z hoặc f V f giảm Z . i - Mạch khuếch đại cả tín hiệu một chiều khi Z và Z là điện trở thuần. Mạch cũng giữ f i nguyên tính chất không đảo và có cùng công thức với trường hợp của tín hiệu xoay chiều. - Khi Zf=0, ta có: AV=1 ⇒v0=vi hoặc Zi=∞ ta cũng có AV=1 và v0=vi (hình 7.10). Lúc này mạch được gọi là mạch “voltage follower” thường được dùng làmmạch đệm (buffer) vì có tổng trở vào lớn và tổng trở ra nhỏ như mạch cực thu chung ởBJT. 78
4.2.3 Op-amp phân cực bằng nguồn đơn: Phần trên là các đặc tính và 2 mạch khuếch đại căn bản được khảo sát khi op-amp được phân cực bằng nguồn đối xứng. Thực tế, để tiện trong thiết kế mạch và sử dụng, khi không cần thiết thì op-amp được phân cực bằng nguồn đơn; Lúc bấy giờ chân nối với nguồn âm -V được nối mass. CC Hai dạng mạch khuếch đại căn bản như sau: Người ta phải phân cực một ngõ vào (thường là ngõ vào +) để điện thế phân cực ở hai ngõ vào lúc này là V /2 và điện thế phân cực ở ngõ ra cũng là V /2. Hai điện trở R CC CC phải được chọn khá lớn để tránh làm giảm tổng trở vào của op-amp. Khi đưa tín hiệu vào phải qua tụ liên lạc (C trong mạch) để không làm lệch điện thế phân cực. Như 2 vậy, khi phân cực bằng nguồn đơn, op-amp mất tính chất khuếch đại tín hiệu một chiều. Trong hình a, mạch khuếch đại đảo, C là tụ lọc điện thế phân cực ở ngõ vào 1 (+). Trong hình b, mạch khuếch đại không đảo, C dùng để tạo hồi tiếp xoay chiều cho 1 mạch và giữ điện thế phân cực ở ngõ vào (-) là V /2. Ðộ khuếch đại của mạch vẫn CC không đổi. 4.3 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA OP-AMP: 4.3.1 Mạch làm toán: Ðây là các mạch điện tử đặc biệt trong đó sự liên hệ giữa điện thế ngõ vào và ngõ ra là các phương trình toán học đơn giản. 79
a/ Mạch cộng: Các dòng điện chạy qua điện trở là: v1 v2 vn i1 ;i 2  ;......i n  R1 R2 Rn Tổng các dòng điện này chạy qua Rf và tạo thành v0 nên ta có: v1 v2  ......  vn vo  Rf (  R1 R2 Rn  vo   `k j v j n j Rf Rf Rf Trong đó: k1   ; k2   ; ..... kn   R1 R2 Rn Nếu R f  R1  R2  Rn Thì ta có: vo   1v n j j Tín hiệu ngõ ra bằng tổng các tín hiệu ngõ vào nhưng ngược pha. Ta chú ý là vi là một điện thế bất kỳ có thể là một chiều hoặc xoay chiều. b/ Mạch trừ: Ta có 2 cách tạo mạch trừ. * Trừ bằng phương pháp đổi dấu: Ðể trừ một số, ta cộng với số đối của số đó. v2 đầu tiên được làm đảo rồi cộng với v1. Do đó theo mạch ta có: 80
Như vậy tín hiệu ở ngõ ra là hiệu của 2 tín hiệu ngõ vào nhưng đổi dấu. * Trừ bằng mạch vi sai: Dạng cơ bản Ta có: Rf vm  vn  vi . Rf  Ri Dòng điện vào từ v2 qua Ri sẽ qua Rf nên v2  vm vm  v0  Ri Rf Thay trị số của v vào biểu thức trên ta tìm được: m Rf v  (v1  v2 ) 0 Ri Nếu Rf = Ri ta có v0 = (v1 – v2) c/ Mạch tích phân: Dạng mạch Dòng điện ngõ vào: 81
Hai vấn đề thực tế: - Ðiều kiện ban đầu hay hằng số tích phân: Dạng mạch căn bản 82
Trước hết khhoas S1, khóa S2 đóng, tụ C sẽ nạp điện. Ngoc ra sẽ tăng từ 0 lên đến trị số V0 ( lưu ý sự đổi dấu). Sau đó S2 được mở ra và S1 đóng kín, tụ C vẫn giữ trị số này vì không có lối thoát. Mạch thành mạch lấy tích phân của vi. Do đó: 1 vo   v dt  V  RC i o Với V0 là điều kiện ban đầu hay hằng số lấy tích phân. - Trừ điện thế offset. Với các op-amp có điện thế offset lớn ở ngõ ra ( điện thế ngõ ra khi ngõ vào bằng 0 Volt), sẽ chịu một sai số đáng kể. Để khắc phục tình trạng này, một điện trở R f được mắc song song với C để tạo hồi tiếp âm cho tần thấp. Như vậy khi có R , mạch chỉ có f 1 tính tích phân khi tần số của tín hiệu f thỏa: f  với R không được quá lớn vì 2Rf .C f sự hồI tiếp âm sẽ yếu. d/ Mạch vi phân: Dạng mạch 83
dvi Tín hiệu vi nạp vào tụ C bằng dòng điện ii có trị số ii  C dt Đây cũng chính là dòng điện chạy qua điện trở R, vậy: dvi vo  RC dt Vấn đề thực tế: giảm tạp âm. Mạch đơn giản như trên ít được dùng trong thực tế vì có đặc tính khuếch đại tạp âm ở tần số cao, đây là do độ lợi của toàn mạchĠtăng theo tần số. Ðể khắc phục một phần nào, người ta mắc thêm một điện trở nối tiếp với tụ C ở ngõ vào như hình 5.19. Lúc này mạch chỉ cần có đặc tính lấy vi phân tốt khi tần số của tín hiệu nhỏ hơn 1/2πRiC. Phải lựa chọn Ri thế nào để mạch giảm thiểu tối đa tạp âm mà điều kiện trên vẫn được thỏa mãn 4.3.2 Mạch so sánh: a/ Ðiện thế ngõ ra bảo hòa: Ta xem mạch hình 5.20 84
Ta có v0 = A( vi – v2) = A.Ed Với Ed = v1 – v2. Ed là điện thế khác nhau giữa ngõ vào và được định nghĩa Ed = ( điên thế ngõ vào + ) – (điện thế ngõ vào -). Do mạch không có hồi tiếp âm nên : V0 = A.Ed Trong đó A là độ lợi vòng hở của op-amp. Vì A rất lớn nên theo công thức trên v rất 0 lớn. Khi E nhỏ, v được xác định. Khi E vượt quá một trị số nào đó thì v đạt đến trị số d 0 d 0 bảo hòa và được gọi là V .. Trị số của Ed tùy thuộc vào mỗi op-amp và có trị số vào Sat khoảng vài chục μV. - Khi E âm, mạch đảo pha nên v =-V d 0 Sat - Khi E dương, tức v >v thì v0=+V . d 1 2 Sat Ðiện thế ngõ ra bảo hòa thường nhỏ hơn điện thế nguồn từ 1 volt đến 2 volt. Ðể ý là |+V | có thể khác |-V |. Sat Sat Như vậy ta thấy điện thế E tối đa là: d b/ Mạch so sánh mức 0: (tách mức zéro) * So sánh mức zéro không đảo 85
Điện thế ở ngõ vào (-) được dùng làm điện thế chuẩn và Ei là điện thế muốn đem so sánh với điện thế chuẩn được đưa vào ngõ vào + Khi Ei > Vref thì vo = + Vsat Khi Ei < Vref thì vo = -Vsat Thí dụ khi Ei có dạng tam giác thì dạng sóng ngõ ra v0 có dạng như hình sauL Mạch so sánh mức zéro đảo: Điện thế chuẩn Vref = 0 đặt ở ngõ vào (+) Điện thế so sánh Ei đưa vào ngõ vào - Khi Ei > Vref thì vo = - Vsat Khi Ei < Vref thì vo = +Vsat 86
c/Mạch so sánh với 2 ngõ vào có điện thế bất kỳ: * So sánh mức dương đảo và không đảo: - So sánh mức dương không đảo: Điện thế chuẩn Vref >0 đặt ở ngõ vào (-) Điện thế so sánh Ei đưa vào ngõ vào + Khi Ei > Vref thì vo = + Vsat Khi Ei < Vref thì vo = -Vsat So sánh mức dương đảo: 87
Điện thế chuẩn Vref >0 đặt ở ngõ vào (-) Điện thế so sánh Ei đưa vào ngõ vào - Khi Ei > Vref thì vo = - Vsat Khi Ei < Vref thì vo = +Vsat So sánh mức âm đảo và không đảo: Điện thế chuẩn Vref Vref thì vo = + Vsat Khi Ei < Vref thì vo = - Vsat 88
So sánh mức âm đảo: Điện thế chuẩn Vref Vref thì vo = + Vsat Khi Ei < Vref thì vo = -Vsat d/ Mạch só sánh với hồi tiếp dương: * Mạch đảo: 89
Tín hiệu so sánh Ei được đưa vào ngõ vào -. Điện thế chuẩn Vref được lấy từ một phần của điện thế ngõ ra v0 qua cầu phân thế R1 và R2. Các điện trở R1 và R2 như vậy còn đóng vai trò một hồi tiếp dương nên v luôn luôn ở trạng thái bảo hòa. Tùy theo mức 0 tín hiệu vào mà v giao hoán ở một trong hai trạng thái +V và -V . 0 Sat Sat R2 R2 Ta có V ref  vo  VSAT  .v SAT R1  R2 R1  R2 R2 Trong đó   gọi là tỷ số hồi tiếp dương R1  R2 Nếu ta tăng E từ từ, ta nhận thấy: i Khi E V thì v =-V i ref 0 Sat Trị số của E =V =β.(+V ) làm cho mạch bắt đầu đổi trạng thái được gọi là điểm nảy i ref Sat trên (upper trigger point) hay điểm thềm trên (upper threshold point). V =β.(+V ) (7.12) UTP Sat Bây giờ nếu ta giảm E từ từ, chú ý là lúc này v =-V và V =β(-V ), ta thấy khi i 0 Sat ref Sat E
Khi thay đổi Ei ta nhận thấy: - Khi VA