Giáo trình : Kỹ thuật mạch điện tử 2 part 1

Chia sẻ: Awtaf Csdhhs | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

422
lượt xem 117
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

CÁC MẠCH TÍNH TOÁN, ĐIỀU KHIỂN VÀ TẠO HÀM DÙNG KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Chương này nhằm giới thiệu việc ứng dụng mạch khuếch đại thuật toán (KĐTT) trong các mạch khuếch đại, tính toán, điều khiển, tạo hàm. Khảo sát các mạch cộng, trừ, nhân chia, khai căn, mạch khuếch đại loga và đối loga, mạch vi, tích phân, PD,PID, mạch chỉnh lưu chính xác, mạch so sánh tương tự...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình : Kỹ thuật mạch điện tử 2 part 1

1 CHÆÅNG 1 CAÏC MAÛCH TÊNH TOAÏN, ÂIÃÖU KHIÃØN VAÌ TAÛO HAÌM DUÌNG KHUÃÚCH ÂAÛI THUÁÛT TOAÏN Chæång naìy nhàòm giåïi thiãûu viãûc æïng duûng maûch khuãúch âaûi thuáût toaïn (KÂTT) trong caïc maûch khuãúch âaûi, tênh toaïn, âiãöu khiãøn, taûo haìm. Khaío saït caïc maûch cäüng, træì, nhán chia, khai càn, maûch khuãúch âaûi loga vaì âäúi loga, maûch vi, têch phán, PD,PID, maûch chènh læu chênh xaïc, maûch so saïnh tæång tæû... 1.1 Khaïi niãûm chung Hiãûn nay, caïc bäü khuãúch âaûi thuáût toaïn (KÂTT) âoïng vai troì quan troüng vaì âæåüc æïng duûng räüng raîi trong kyî thuáût khuãúch âaûi, tênh toaïn, âiãöu khiãøn, taûo haìm, taûo tên hiãûu hçnh sine vaì xung, sæí duûng trong äøn aïp vaì caïc bäü loüc têch cæûc... Trong kyî thuáût maûch tæång tæû, caïc maûch tênh toaïn vaì âiãöu khiãøn âæåüc xáy dæûng chuí yãúu dæûa trãn bäü KÂTT. Khi thay âäøi caïc linh kiãûn màõc trong maûch häöi tiãúp ta seî coï âæåüc caïc maûch tênh toaïn vaì âiãöu khiãøn khaïc nhau. Coï 2 daûng maûch tênh toaïn vaì âiãöu khiãøn : tuyãún tênh vaì phi tuyãún. Tuyãún tênh : coï trong maûch häöi tiãúp caïc linh kiãûn coï haìm truyãön âaût tuyãún tênh. Phi tuyãún : coï trong maûch häöi tiãúp caïc linh kiãûn coï haìm truyãön phi tuyãún tênh. Vãö màût kyî thuáût, âãø taûo haìm phi tuyãún coï thãø dæûa vaìo mäüt trong caïc nguyãn tàõc sau âáy : 1. Quan hãû phi tuyãún Volt - Ampe cuía màût gheïp pn cuía diode hoàûc BJT khi phán cæûc thuáûn (maûch khuãúch âaûi loga) 2. Quan hãû phi tuyãún giæîa âäü däúc cuía âàûc tuyãún BJT læåîng cæûc vaì doìng Emitå (maûch nhán tæång tæû). 3. Laìm gáön âuïng âàûc tuyãún phi tuyãún bàòng nhæîng âoaûn thàóng gáúp khuïc (caïc maûch taûo haìm duìng diode). 4. Thay âäøi cæûc tênh cuía âiãûn aïp âàût vaìo phán tæí têch cæûc laìm cho doìng âiãûn ra thay âäøi (khoaï diode, khoaï transistor).
2 1.2 Caïc maûch tênh toaïn vaì âiãöu khiãøn 1.2.1 Maûch cäüng âaío R1 vin1 RN R2 vin2 vinn vout Rn Hçnh 1.1. Så âäö maûch cäüng âaío Aïp duûng quy tàõc doìng âiãûn nuït cho N ta coï : v v in1 v in 2 v + + ... + inn + out = 0 R2 Rn RN R1 ⎛R ⎞ R R ⇒ v out = −⎜ N v in1 + N v in 2 + ... + N v inn ⎟ ⎜R ⎟ R1 Rn ⎝1 ⎠ 1.2.2 Maûch khuãúch âaûi âaío våïi tråí khaïng vaìo låïn RN R1 vin vout R2 v3 R3 Hçnh 1.2. Så âäö maûch khuãúch âaûi âaío våïi tråí khaïng vaìo låïn Viãút phæång trçnh doìng âiãûn cho nuït N: vin v3 + =0 R1 R N R3 (âiãöu kiãûn RN ≥ R3) v 3 = v out Maì R2 + R3 RN R ⇒ − v out = (1 + 2 ) v in R1 R3 RN R ⇒ hãû säú khuãúch âaûi cuía maûch : K’ = (1 + 2 ) R1 R3
3 Træåìng håüp yãu cáöu hãû säú khuãúch âaûi låïn thç phaíi choün R1 nhoí. Luïc âoï tråí khaïng vaìo cuía maûch ZV = R1 nhoí. Coï thãø khàõc phuûc nhæåüc âiãøm âoï bàòng caïch choün R1 = RN R låïn. Do âoï K’ chè coìn phuû thuäüc vaìo 2 , coï thãø tàng tyí säú naìy tuìy yï maì váùn khäng R3 aính hæåíng âãún tråí khaïng vaìo ZV = R1 = RN cuía maûch. Våïi caïc cáúu taûo nhæ váûy coï thãø tàng thãm säú âáöu vaìo âãø thæûc hiãûn caïc maûch cäüng hoàûc maûch træì coï tråí khaïng vaìo låïn. 1.2.3 Maûch træì RN R1 vin1 vout vin2 R2 Rp Hçnh 1.3. Så âäö maûch træì Âiãûn aïp åí cæía vaìo thuáûn : RP v P = v in 2 R RP + P a Âiãûn aïp åí cæía vaìo âaío : RN v N = (vin1 − v out ) + v out RN RN + a Vç vd = vp - vN = 0 ⇒ vp = vN RN RP ⇒ vin2 . = ( vin1-vout) + vout RP RN RP + RN + a a ⇒ vout = a (vin2-vin1) (Nãúu RN = RP) 1.2.4 Maûch træì våïi tråí khaïng vaìo låïn Vín2 vout Vin1 R KR R/n Hçnh 1.4.a. Så âäö maûch træì coï mäüt ngoî vaìo tråí khaïng låïn
4 Viãút phæång trçnh doìng âiãûn nuït cho nuït N1 vaì N2 ta coï : v in1 − v N v N v out − v N − + = 0 Maì vN = vin2 R R KR n v out − v in 2 ⇒ vin1-vin2 = nvin2 + =0 K ⇒ Kvin1 - (n + 1) Kvin2 + vout - vin2 = 0 ⇒ vout = vin2 + K(n + 1) vin2 -Kvin1 ⇒ vout = (1 + K + nK) vin2 -Kvin1 Hãû säú cuía Vin2 luän luän låïn hån hãû säú cuía Vin1 ⇒ maûch khäng taûo âæåüc âiãûn aïp ra coï daûng : K (Vin2 -Vin1). Tråí khaïng vaìo cuía cæía P låïn (Zv = rd), nãn khäng yãu cáöu nguäön vin2 coï cäng suáút låïn. v3 vin1 R3 N1 R3 R1 R1 N2 R2 vout vin2 Hçnh 1.4.b. Så âäö maûch træì coï hai ngoî vaìo tråí khaïng âãöu låïn Hçnh 1.4.b trçnh baìy maûch âiãûn coï tråí khaïng vaìo cuía caí hai cæía (cæía vin1 vaì vin2) âãöu låïn. Viãút phæång trçnh doìng âiãûn nuït cho N1 vaì N2 ta coï : ⎧ v3 − vin1 vin 2 − vin1 − vin1 + + =0 ⎪R R1 R2 ⎪ 3 ⎨ ⎪ v3 − vin 2 + v out − vin 2 + vin1 − vin 2 = 0 ⎪ R3 R2 R1 ⎩ R 1 + 2R 3 Suy ra: vout = (1 + R2 )(vin2 -vin1) R 1R 3
5 Ta tháúy tråí khaïng vaìo cuía caí hai cæía âãöu låïn vaì bàòng rd cuía KÂTT. Coï thãø thay R + 2R 3 âäøi âæåüc hãû säú khuãúch âaûi K’ = 1 + R2 1 khi thay âäøi R1. R 1R 3 K = Kmin khi R1 = ∞ R2 Luïc âoï: vout = (1 + )(vin2 -vin1) R3 R2 ≠ 0, R3 ≠ ∞ nãn K’ > 1 Vç 1.2.5 Maûch taûo âiãûn aïp ra coï cæûc tênh thay âäøi R1 R1 vin1 vout R2 qR2 Hçnh 1.5. Så âäö maûch taûo âiãûn aïp ra coï cæûc tênh thay âäøi v in1 − v out v + v out + vout = in1 Ta coï : vN = 2 2 vP = q vin1 v in1 + v out v P = vN ⇒ Vç : = qvin1 2 ⇒ vout = (2q - 1)vin1 Khi thay âäøi tiãúp âiãøm trãn chiãút aïp R2 ta coï hãû säú cuía vout luïc dæång, luïc ám. Khi q = 1/2 ⇒ vout = 0 màûc duì vin1 ≠ 0 Khi q > 1/2 ⇒ vout vaì vin1 cuìng pha Khi q < 1/2 ⇒ vout vaì vin1 ngæåüc pha 1.2.6 Maûch têch phán âaío iC i1 R vin1 vout Hçnh 1.6.a. Så âäö maûch têch phán âaío
6 Phæång trçnh doìng âiãûn nuït taûi N: vin1 dv + C out = 0 i1 + ic = 0 hay R dt t 1 1 ∫ ∫ vout = − vin1 (t).dt = − vin1 (t)dt + vout(t = 0) Suy ra RC RC 0 ⇒ âiãûn aïp ra tè lãû våïi têch phán âiãûn aïp vaìo. Thæåìng choün hàòng säú thåìi gian τ = RC = 1s vout (t = 0) laì âiãöu kiãûn âáöu, khäng phuû thuäüc vaìo âiãûn aïp vaìo vin1. Nãúu vin1 laì âiãûn aïp xoay chiãöu hçnh sin: vin1 = Vin1 sinωt thç: V 1 ∫ Vin1.sinωt.dt = in1 . cosωt = Vout cosωt vout = − ωRC RC ⇒ biãn âäü âiãûn aïp ra tyí lãû nghëch våïi táön säú. Âàûc tuyãún biãn âäü - táön säú cuía maûch têch phán : Vout = f (ω) coï âäü däúc - 20dB/decade. Vin1 Maûch âæåüc goüi laì maûch têch phán trong mäüt phaûm vi táön säú naìo âoï nãúu trong phaûm vi táön säú âoï âàûc tuyãún biãn - táön cuía noï giaím våïi âäü däúc 20dB/decade. Âãø giaím aính hæåíng cuía doìng ténh It vaì âiãûn aïp lãûch khäng coï thãø gáy sai säú âaïng kãø cho maûch têch phán, åí cæía thuáûn cuía bäü KÂTT ngæåìi ta màõc thãm mäüt âiãûn tråí thay âäøi âæåüc R1 vaì näúi xuäúng masse. C R vin1 vout R1 Hçnh 1.6.b. Maûch têch phán âaío coï biãún tråí R1 buì doìng lãûch khäng. Âiãöu chènh R1 sao cho R1 ≅ R thç giaím âæåüc taïc duûng cuía doìng âiãûn lãûch khäng Io = IP - IN vaì âiãûn aïp lãûch khäng vo = vP - vN (khi vout = 0)
7 1.2.7 Maûch têch phán täøng C R1 vin1 vin2 R2 vinn vout Rn RP Hçnh 1.7. Så âäö maûch têch phán täøng Duìng phæång phaïp xãúp chäöng vaì viãút phæång trçnh doìng âiãûn nuït âäúi våïi nuït N ta tçm âæåüc: 1 ⎛ vin1 vin 2 v⎞ C ∫ ⎜ R1 R 2 ⎜ + ... + inn ⎟dt vout = − + Rn ⎟ ⎝ ⎠ 1.2.8 Maûch têch phán hiãûu CN R1 vin1 vout vin2 R2 CP Hçnh 1.8. Så âäö maûch têch phán hiãûu Viãút phæång trçnh âäúi våïi nuït N : v in1 − v N d ( v out − v N ) + CN. =0 (1) R1 dt v in 2 − v P dv − CP . P = 0 Âäúi våïi nuït P : (2) R2 dt Biãún âäøi vaì cho vN = vP, R1CN = R2CP = RC dv out dv (1) ⇒ vin1 - vN = - R1CN . + R 1C N . N dt dt dv P (2) ⇒ vin2 - vP = R2CP . dt dv out Suy ra: vin2 - vin1 = RC dt
8 1 RC ∫ ⇒ vout = ( vin 2 − vin1 )dt 1.2.9. Maûch vi phán RN C1 vin1 vout Hçnh 1.9. Så âäö maûch vi phán dv in1 v out = Ta coï : i = C1 dt RN dv in1 ⇒ vout = - RNC1 dt giaí thiãút: vin1 = Vin1 sinωt ⇒ vout = -RNC1ωVin1cosωt = -Voutcosωt Vout = ωRNC1 Hãû säú khuãúch âaûi cuía maûch: K’ = Vin1 K’ tàng theo táön säú vaì âäö thë bode coï âäü däúc 20dB/decade. Váûy : Maûch âæåüc goüi laì maûch vi phán trong mäüt phaûm vi táön säú naìo âoï nãúu trong phaûm vi táön säú âoï âàûc tuyãún biãn - táön cuía noï tàng våïi âäü däúc 20dB/decade. 1.2.10 Maûch PI (Proportional Integrated) C v1 RN i1 iN vin vout N R1 Hçnh 1.10.a. Så âäö maûch PI Maûch thæåìng âæåüc sæí duûng trong caïc maûch âiãöu khiãøn. Maûch coï âiãûn aïp ra âæåüc biãøu diãùn theo daûng: vout = Avin + B ∫ v in dt AÏp duûng phæång trçnh cán bàòng doìng taûi N: i1 + iN = 0 ⇒ iN = -i1 = - vin/R1 (1)
9 1 C∫ i in dt + R N i N (2) Màût khaïc: vout = vc + v1 = 1 R 1C ∫ ⇒ vout = - RN/R1vin - v in dt Thay (1) vaìo (2) Giaí sæí vin = Vincosωt RN V ⇒ v out = − Vin cos ωt − in sin ωt = Vout cos(ωt + Φ ) ωR 1C R1 ⇒ Âàûc tuyãún biãn táön: 2 ⎛ω ⎞ ⎜ ⎟ +1 ⎜ω ⎟ 1 ω 2R 2 C2 + 1 1 Vout 1 1 ⎝ o⎠ K' = = R2 + 2 2 = = N ωC ω 2C 2 ω 2C 2 N Vin R1 R1 R1 1 11 Âàût: ωo = Khi ω > ωo ⇒ K ' ≈ ⇒ Maûch mang tênh cháút khuãúch âaûi nhiãöu hån (tæång æïng R1 våïi khu væûc P). Khu væûc trung gian laì khu væûc chuyãøn tiãúp. 1.2.11 Maûch PID (Proportional Integrated Differential) R RN v1 C iN Vin Vout N R1 Hçnh 1.11.a. Så âäö maûch PID
10 PID cuîng laì maûch hay âæåüc sæí duûng trong kyî thuáût âiãöu khiãøn âãø måí räüng phaûm vi táön säú âiãöu khiãøn cuía maûch vaì trong nhiãöu træåìng håüp tàng tênh äøn âënh cuía hãû thäúng âiãöu khiãøn trong mäüt daíi táön säú räüng. dvin v out = Avin + B∫ vin dt + C Âiãûn aïp ra coï daûng: dt v in dv in + C1 + iN = 0 Tæì phæång trçnh doìng âiãûn nuït taûi N: (1) R1 dt 1 CN ∫ Vaì phæång trçnh âiãûn aïp ra trãn nhaïnh ra: v out = i N R N + i N dt (2) Thay (1) vaìo (2): ⎛v dv ⎞ 1 ⎛ v in dv ⎞ CN ∫ ⎜ R1 v out = −⎜ in + C1 in ⎟R N + ⎜ + C1 in ⎟dt ⎜R dt ⎟ dt ⎟ ⎝1 ⎠ ⎝ ⎠ ⎛R C⎞ dv in 1 ∫ v in dt − R N C1 dt v out = −⎜ N + 1 ⎟ v in − Suy ra: (*) ⎜R ⎟ ⎝ 1 CN ⎠ R NCN 1 * ÅÍ táön säú tháúp ω > ω N = thç thaình pháön vi phán trong (*) chiãúm æu thãú. R 1 C1 ⎛ R N C1 ⎞ • Trong daíi: ω N < ω < ω1 thç thaình pháön khuãúch âaûi ⎜ ⎟ v in chiãúm æu thãú. + ⎜ R1 C N ⎟ ⎝ ⎠ Do âoï âàûc tuyãún biãn táön cuía maûch coï daûng nhæ hçnh veî: log K I I: têch phán D P: tè lãû P D: vi phán ωN ω1 log ω Hçnh 1.11.b. Âàûc tênh biãn táön maûch PID 1.3 Caïc maûch khuãúch âaûi vaì tênh toaïn phi tuyãún liãn tuûc 1.3.1 Maûch khuãúch âaûi Loga D R vin vout Hçnh 1.12.a. Så âäö maûch khuãúch âaûi Loga duìng Diode