Luận văn tốt nghiệp Vật lý: Khảo sát đặc tính OPAMP - Ứng dụng lắp ráp máy phát sóng đơn giản

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM KHOA: VẬT LÝ

(cid:150)fl†fl(cid:151) LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH OPAMP.

ỨNG DỤNG LẮP RÁP MÁY PHÁT SÓNG ĐƠN GIẢN.

TP.HCM THÁNG 5 N ĂM 2010

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

GVHD: Thầy CAO ANH TU ẤN SVTH: NGUY ỄN THỊ THU TRANG

LỜI CẢM ƠN

Quá trình thực hiện luận văn chỉ diễn ra trong một thời gian ngắn. Song, để

hoàn thành tốt luận văn, em đã nh ận được rất nhiều sự giúp đỡ từ quý Th ầy, Cô trong khoa và các bạn sinh viên thuộc các chuyên ngành liên quan. Vì vậy, em xin gởi lời cám ơn chân thành đến:

- Thầy Cao Anh Tu ấn đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ, luôn ủng hộ và động

viên em ngay từ những ngày đầu tiên bắt đầu làm đề tài. Giúp em v ượt qua nh ững

bỡ ngỡ ban đầu cũng như sửa chữa cho em những sai sót và cung cấp cho em những

tài liệu cần thiết, giải đáp những thắc mắc của em.

- Quý Thầy, Cô trong khoa Vật Lý đã tạo mọi điều kiện tốt nhất có thể để giúp

em hoàn thành luận văn.

- Các bạn sinh viên thu ộc các chuyên ngành liên quan đã cung c ấp tài li ệu,

cũng như giúp em trong việc giải thích một số vấn đề còn đang vướng mắc.

- Gia đình, bạn bè luôn ủng hộ và động viên em trong suốt quá trình thực hiện

luận văn.

TP.HCM, tháng 05 n ăm 2010

Sinh viên

1

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Nguy ễn Thị Thu Trang

LỜI NÓI ĐẦU

Nội dung của luận văn này liên quan đến các khái ni ệm cần thiết cho quá

trình lắp ráp một máy phát sóng và cách l ắp ráp chiếc máy này sao cho đơn giản, ít

tốn kém lại hữu ích cho quá trình th ực 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 ch ọn 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 v ề lịch sử ra đời, chức năng, cấu tạo, kí hi ệu, nguyên lý ho ạt 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 th ực tế: mạch khu ếch đại đảo pha, m ạch khu ếch đại không đảo, mạch

đệm.

+ Một số mạch làm toán: mạch cộng đảo dấu, mạch cộng không đảo dấu, mạch trừ,

mạch tích phân, m ạch vi phân và ứng dụng của mạch khuếch đại thuật toán trong

2

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

thiết kế hệ thống điện tử.

Chương IV: Mạch dao động

+ Tìm hi ểu về mạch tạo dao động điều hòa: m ạch tạo sóng sin âm t ần, mạch tạo

sóng sin cao tần.

+ Tìm hiểu về mạch tạo sóng vuông, sóng răng cưa và tam giác.

Chương V: Xử lý tín hiệu.

+ Tìm hiểu phép phân tích chuỗi Fourier của tín hiệu tuần hoàn

+ Phép tích phân tính hiệu sóng vuông, sóng răng cưa.

- Phần thực hành:

Chương VI: Lắp ráp máy phát sóng.

+ Khảo sát thực nghiệm OPAMP

+ Lắp ráp mạch nguồn và mạch phát sóng.

Trong luận văn này, tôi c ố gắng chỉ đưa vào nh ững kiến thức nào th ật đơn

giản và cần thiết, dễ hiểu nhất cho quá trình th ực hiện lắp ráp. Mặc dù đã cố gắng

rất nhiều nhưng do th ời gian gấp rút và ch ỉ mới ở mức độ tìm hi ểu, nên ch ắc chắn

rằng lu ận văn này không tránh kh ỏi những thi ếu sót, kính mong nh ận được nhiều

3

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

góp ý từ quý Thầy, Cô và các bạn.

PHẦN MỞ ĐẦU

1. Lí do chọn đề tài.

Trong giao ti ếp hàng ngày, chúng ta luôn ph ải truy ền đi ti ếng nói, âm

thanh, hình ảnh; chúng ta trao nhận tín hiệu, tin tức cho nhau. Chẳng phải đi đâu xa,

chỉ cần dành 10 phút m ỗi ngày để ngồi trước màn hình máy tính, hay t ối 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 nh ững vấn đề gì. Th ậm chí ch ỉ cần một chiếc radio nh ỏ

bằng bàn tay, b ạn cũng đã có th ể 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 b ởi vì chúng ta đang được hưởng nh ững thành t ựu 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 m ột trong s ố nh ững sinh viên khoa V ật Lý tr ường ĐHSP

TP.HCM đã từng được học qua môn học này, tôi nhận thấy rằng những gì được tìm

4

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

hiểu qua sách v ở, qua kh ảo sát trên lý thuy ết mà ch ưa được thực hành nhiều, chưa

được làm quen và s ử dụng những linh ki ện 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 lu ận văn tốt nghiệp. Một mặt, giúp tôi ti ếp

cận được các linh kiện điện tử và hiểu được các đặc tính của chúng, mà có thể trong

quá trình học thậm chí tôi ch ưa được nhìn th ấy. Mặt khác, giúp tôi hi ểu được phần

nào rõ hơn các vấn đề mà trước đây tôi đã được khảo sát trên lý thuyết.

2. Mục đích nghiên cứu.

Trong suốt quá trình được học tại trường ĐHSP, tôi đã được làm quen với

các máy móc về vô tuyến điện tử thông qua các buổi thực hành. Tôi nhận thấy rằng,

với số lượng sinh viên đông, số máy móc còn h ạn ch ế, lại rất nh ạy cảm dễ bị hư

hỏng, là m ột trở ngại không tránh kh ỏi trong phòng thí nghi ệm vô tuy ến điện tử.

Trong điều ki ện khó kh ăn đó, không cho phép sinh viên hoàn thành t ốt việc th ực

hành các kiến thức đã học. Mặt khác, việc mua các máy móc hoàn toàn m ới với chi

phí cao và không thể mua ngay để trang bị kịp thời.

Xuất phát từ nhu cầu th ực tế đó, tôi quyết định thực hiện đề tài này nh ằm

lắp ráp được một chi ếc máy phát sóng đơn gi ản với linh ki ện chính là OPAMP.

Ngoài ra, các linh ki ện sử dụng trong đề tài này đều thông d ụng, dễ tìm ki ếm trên

thị trường và giá thành lại rẻ, với mong muốn góp một phần sức nhỏ bé vào việc cải

thiện một ph ần nh ỏ nào đó điều ki ện th ực hành cho các b ạn sinh viên khóa sau.

Đồng th ời giúp ích cho vi ệc sử dụng chiếc máy này trong quá trình gi ảng dạy tại

trường trung học phổ thông, minh h ọa các d ạng sóng điện cho h ọc sinh tương lai

của tôi.

3. Phương pháp nghiên cứu.

Để đạt được mục đích nghiên cứu đã đề ra, chúng tôi dùng ph ương pháp

nghiên cứu như sau:

- Đầu tiên là kh ảo sát trên lý thuy ết thông qua sách v ở, các giáo trình, các

trang web về điện tử về các vấn đề cần thiết cho quá trình l ắp ráp máy phát sóng.

5

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Cụ thể là:

+ Các linh kiện điện tử cơ bản: điôt, transistor,…

+ Mạch hồi tiếp, mạch khuếch đại.

+ 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 nh ững gì chúng tôi đã tìm hi ểu trên ph ương di ện lý thuy ết và

thông qua quá trình thực hành. Chúng tôi đã lắp ráp được một số mạch tạo sóng đơn

giản dùng linh ki ện 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 th ể

6

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

thay đổi được biên độ hoặc tần số, hoặc cả biên độ và tần số.

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 lo ại nên electron từ bán dẫn N sang kim lo ại dễ hơn electron từ kim lo ại

sang bán dẫn N, tạo nên điện trường tiếp xúc Etx , không cho electron t ừ bán dẫn N

tiếp tục sang kim loại. Hình thành một vùng nghèo hạt mang điện ở phía bán dẫn N.

Khi đặt một điện trường ngoài vào ti ếp xúc kim lo ại – bán d ẫn, sẽ cho dòng

điện từ kim lo ại qua bán d ẫn N. Lớp tiếp xúc kim lo ại - bán d ẫn có tính ch ỉnh lưu,

được ứng dụng để chế tạo các điôt tiếp xúc điểm, có điện dung ti ếp xúc nh ỏ, dùng

trong mạch điện tách sóng trong radio, TV ho ặc trong các m ạch điện chuyển mạch

Etx

KL

N

điện tử tần số cao.

Hình 1. 1: Tiếp xúc kim loại - bán dẫn

1.1.2. Tiếp xúc P – N:

Trong chất bán dẫn loại N: electron là hạt dẫn điện đa số, lỗ trống là hạt dẫn

điện thiểu số. Trong ch ất bán dẫn lo ại P: lỗ trống là hạt dẫn điện đa số, electron là

Etx

P

N

hạt dẫn điện thiểu số.

Hình 1. 2: Tiếp xúc P - N

7

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Electron từ N sang P, l ỗ trống từ P sang N, t ạo thành m ột điện tr ường ti ếp

xúc Etx (nhỏ). Điện trường này ng ăn cản không cho electron t ừ N ti ếp tục sang P.

Sau một thời gian ng ắn, hiện tượng khuếch tán sẽ chấm dứt, hai bên ti ếp 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:

- Engoài ngược chiều với Etx: làm vùng nghèo h ạt mang điện hẹp lại. Cho

dòng điện I qua từ P sang N.

- Engoài cùng chi ều Etx: không có dòng điện I qua ti ếp xúc P - N t ừ N

sang P.

1.1.3. Tiếp xúc kim loại – điện môi – chất bán dẫn.

Xét lớp điện môi SiO2, khi chưa đặt điên áp ngoài vào hai c ực AB thì không

xuất hiện điện tích ở hai bề mặt điện môi. Khi đặt điện áp âm vào A, d ương vào B:

electron trong lớp Si – P ch ạy về cực B, lỗ trống trong lớp Si – P chạy về phía vách

chất điện môi, sát l ớp điện môi gần ch ất bán dẫn xu ất hiện điện tích dương, trong

khi gần kim loại có điện tích âm.

Khi đặt điện áp d ương vào A, âm vào B: hai bên l ớp 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.

1.2.1. Cấu tạo, kí hiệu, công dụng.

a. Cấu tạo.

Điôt bán dẫn cơ bản tạo bởi tiếp xúc P – N, t ức là bởi vùng có độ dày nhỏ

(cỡ micron), trong đó tính dẫn điện của tinh thể bán dẫn là pha loại tạp chất bán dẫn

P vào loại N, có thể cho dòng điện có cường độ lớn qua được.

Diốt có thể cấu tạo là một thanh kim loại tiếp xúc với chất bán dẫn loại N, có

điện dung tiếp xúc nhỏ, dùng ở tần số cao.

8

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Ở đây ta xét điôt tạo thành từ một lớp tiếp xúc P – N.

A

K

b. Kí hiệu.

Hình 1. 3: Kí hiệu Điôt

c. Chức năng.

Chỉ cho dòng điện chạy theo chiều từ P đến N, tức là từ anôt A tới catôt K.

1.2.2. Nguyên lý làm việc.

Diốt có hai gi ới hạn tuyệt đối khi sử dụng để tránh sự đánh thủng nhiệt làm

hỏng điôt:

- Giới hạn về dòng điện Im .

- Giới hạn về điện áp Um.

Diốt có hai ch ế độ làm việc: chế độ thuận và chế độ ngược. Gọi UAK là điện

áp đặt vào hai đầu điôt, Ud là điện áp ngưỡng của điôt (điện áp rơi).

Chế độ thuận: là chế độ có UAK > UD

Điôt dẫn với điện trở động (hay điện trở thuận): rd=dU/dI (cỡ vài ohm), trong

chế độ thuận:

UAK = UD + rdi

tức là điôt tương đương với điện trở rd mắc nối tiếp nguồn điện áp có suất điện động

UD.

Chế độ ngược: đối với UAK £ UD.

Dòng cực nhỏ cỡ vài nano ampe ch ảy qua điôt. Điện trở điôt lúc này cỡ vài

chục mêga ôm. Dòng điện ở chế độ ngược có thể bỏ qua. Trong chế độ ngược, điôt

tương đương công tắc hở mạch.

1.2.3. Phân loại điôt.

Người ta có thể phân loại điôt tùy theo quan điểm khác nhau:

- Theo đặc điểm cấu tạo: điôt tiếp điểm, điôt tiếp mặt.

- Theo vật liệu sử dụng: điôt Ge, điôt Si.

- Theo tần số sử dụng: điôt cao tần, điôt tần số thấp.

9

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

- Theo công suất: điôt công suất lớn, công suất trung bình, công suất nhỏ.

- Theo nguyên lý ho ạt động: điôt ch ỉnh lưu, điôt ổn áp (Zener), điôt biến

dung (Varicap), điôt dùng hiệu ứng đường hầm (Tunel).

1.3. Transistor.

1.3.1. Transistor lưỡng cực.

a. Cấu tạo:

Cùng trên một đế bán dẫn, lần lượt tạo ra hai ti ếp xúc công ngh ệ P – N g ần

nhau để được một linh kiện bán dẫn 3 cực, gọi là transistor lưỡng cực.

Nếu bán dẫn P nằm ở giữa hai lớp bán dẫn N, thì ta có transistor loại NPN

C

N

N

P

B

E

(được gọi là transistor ngược).

Hình 1. 4: Transistor NPN và kí hiệu

Nếu lớp bán dẫn N nằm giữa hai lớp bán dẫn P thì ta có loại transistor PNP

C

N

P

P

B

E

Hình 1. 5: Transistor PNP và Kí hiệu

(transistor thuận).

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.

10

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

- Vùng C: pha tạp chất trung bình.

- Vùng B: pha t ạp ch ất nồng độ rất ít (nh ỏ nh ất), vùng B r ất mỏng (vài

micromet).

b. Nguyên tắc hoạt động:

Để transitor ho ạt động phải đủ hai điều ki ện về điện áp để ti ếp tế và phân

cực.

Tiếp tế: cung cấp điện áp cho hai cực E,C bằng nguồn điện ECC.

- Transistor NPN : UCE > 0

- Transistor PNP : UCE < 0

Phân c ực: cung cấp điện áp cho hai cực B,E bằng nguồn điện EB.

- Transistor NPN: UBE > 0

- Transistor PNP : UBE < 0

Nguyên tắc hoạt động của transistor thể hiện qua các thí nghiệm sau:

K2

C

Rt

ECC

P

K1

N

B

P

EB

E

Chọn một loại transistor loại PNP

Hình 1. 6: Sơ đồ nguyên lý của một transistor loại PNP

Khi K1 đóng, K2 mở: có ngu ồn EB, không có ngu ồn ECC. Lớp ti ếp giáp EB

được phân cực thuận, lỗ trống từ vùng E sang vùng B. Khi qua vùng B: m ột số ít lỗ

trống tái hợp được với electron từ mạch ngoài lại đi vào B tạo nên dòng điện IB. Vậy

chỉ có dòng IB, không có dòng IC ở nguồn ECC.

Khi K1 mở, K2 đóng: có nguồn ECC, không có nguồn EB. Lúc này CE coi như

11

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

gồm hai điôt: CB và BE m ắc nối tiếp, do hai điôt này mắc ngược chiều nhau nên

không cho dòng điện qua CE, và ch ỉ có dòng rò I co rất nhỏ từ C sang B do các h ạt

không cơ bản gây ra.

Khi K1 đóng,K2 đóng: Nhờ nguồn EB, lỗ trống từ E sang vùng B:

- Số ít kết hợp với electron trong lớp B.

- Tại B: lỗ trống là hạt dẫn điện thiểu số.

Do độ dày c ủa vùng B r ất nh ỏ, ph ần lớn lỗ tr ống ch ưa kịp tái h ợp với

electron thì đã đến lớp tiếp giáp BC. Ở đây, lỗ trống gặp điện trường mạnh tăng tốc

và cuốn lỗ trống sang vùng C. Sang vùng C, l ỗ trống là hạt dẫn điện đa số nên b ị

nguồn ECC hút mạnh tạo nên dòng IC qua CE.

Đối với Transistor NPN thì ta đổi cực của nguồn.

*Nhận xét:

Ta nhận thấy:

- Nếu IB = 0 thì IC = 0

- IB tăng thì IC tăng

- IB giảm thì IC giảm

Suy ra IB có tính điều khiển dòng IC. Trong đó dòng IB cỡ nA, dòng IC 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 IB, phần lớn còn lại chạy đến cực góp C để tạo nên dòng I C.

Vậy ta luôn luôn có:

IE = IB + IC

Trong đó: IB << IC

Nên IE = IC

Để đánh giá mức độ hao hụt dòng khuếch tán trong vùng B, ng ười ta đưa ra

C

a =

hệ số khuếch đại dòng E:

I I

E

, a luôn luôn nhỏ hơn 1.

Để đánh giá mức độ điều khiển dòng I B lên dòng I C người ta đưa ra h ệ số

12

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

khuếch đại dòng điện tĩnh:

B

b =

I I

C

Trên đây là transistor ho ạt động ở chế độ tĩnh. Nếu bây giờ ta đặt vào mạch

cực phát một nguồn tín hi ệu biến thiên thì điện áp phân cực lớp tiếp giáp EB cũng

thay đổi làm cho IB biến thiên, kéo theo IE cũng biến thiên, và IC thay đổi.

Đặt ở cực góp một tải RC lớn, khi dòng I C biến thiên sẽ tạo ra trên R C một

điện áp bi ến thiên nh ưng biên độ lớn hơn nhi ều (nh ờ RC khá lớn).Ta nói r ằng

transistor đã khuếch đại tín hiệu.

c. Các chế độ làm việc:

Transistor có 3 chế độ làm việc: chế độ khóa, dẫn bão hòa, chế độ khuếch đại.

* Chế độ khóa và dẫn bão hòa:

K

IC

I1

R1

Rt

ECC

IB

UCE

UBE

R2

I2

IE

EB

Hình 1. 7: Sơ đồ mạch điện ở chế độ khóa điện tử của transistor loại NPN

Xét sơ đồ mạch điện như hình vẽ:

Khi K m ở: ti ếp xúc EB b ị phân c ực ngược, electron từ E không qua được

vùng B nên IB = 0, và transistor khóa, không có dòng IC qua tải Rt.

Khi K đóng: Dòng IB khác 0. Với UBE = 0.6V (Si), n ếu ta ch ọn R1, R2, ECC,

13

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

EB sao cho:

I

Cbh b

E CC b.C R

= IB = IBbh =

lúc này transistor mở bão hòa. Khi đó ta có:

E CC R C

UCE = 0V, IC =

* Chế độ khuếch đại:

K

IC

Rt

R1

I1

IB

ECC

UCE

R2

UBE

I2

IE

EB

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 EB có chiều như hình vẽ để tiếp xúc BE được phân

cực thuận. Dòng IB sẽ điều khiển dòng IC.

Ta có:

ECC = Rt.IC + UCE

UCE = ECC – Rt.IC

Nhận xét:

Khi IB tăng, Ic tăng theo và U CE giảm.Khi IB giảm, dòng IC giảm theo và U CE

tăng hay điện áp tín hiệu lấy ra ở chân C ngược pha với điện áp tín hiệu vào khuếch

đại ở chân B (vì ở đây ta xét transistor m ắc theo kiểu phát chung sẽ được trình bày

vào phần sau).

Dòng IB thay đổi ở mạch vào sẽ tạo ra dòng IC thay đổi đồng pha tương ứng ở

14

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

mạch ra ở cực C.Dòng IC qua Rt gây sụt áp UR, nên ta có điện áp UCE (chính là VC)

được tính theo công th ức trên. IC tăng làm VC giảm và ng ược lại, ta nói điện áp ra

VC ngược pha với điện áp vào.

1.3.2. Phân cực cho Transistor:

Phân cực cho Transitor là tạo ra điện áp phân cực cho tiếp giáp BE nh ằm để

tiếp xúc BE được phân cực thuận, để transistor hoạt động trong ch ế độ khuếch đại,

ta có các cách sau:

a. Phân cực cho transistor dùng dòng cố định.

Hình 1. 9: Phân cực dùng dòng cố định.

Xét transistor NPN.

Mắc một điện trở RB có trị số lớn vào giữa nguồn ECC và chân B như hình vẽ.

Lúc này:

U

CC

BE

ECC = UBE + RBIB

E - I

B

=> RB =

UBE thường được chọn trong khoảng từ 0.6V đến 0.7V

b. Phân cực cho transistor dùng điện áp phản hồi.

Mắc điện trở RB từ chân C về chân B.

Ta có:

UCE = ECC – RCIC

IC = b .IB

Suy ra:

Hình 1. 10: Phân cực dùng điện áp phản hồi.

15

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

U

CE

BE

U - I

B

RB =

c. Phân cực cho transistor dùng cầu chia thế.

Cầu chia thế gồm R1, R2 sẽ xác định điện thế VB.

Lúc này:

ECC + 1 R R 2

UBE = UB = R2.I = R2.

d. Dùng cầu chia thế có bổ chính nhiệt:

Hình 1. 11: Phân cực bằng cầu chia thế.

Ngoài R1,R2 như trên, chân E được mắc xuống

Masse qua một điện trở RE có tác dụng bổ chính nhiệt.

Ngoài ra người ta còn mắc song song với RE một tụ CE để nối tắt dòng tín hiệu từ E

xuống masse, thường chọn CE có dung kháng ZC <

1.3.3. Mạch khuếch đại cơ bản.

Tùy theo cách đặt tín hi ệu vào và l ấy tín hi ệu ra, transistor có th ể mắc theo

ba kiểu mạch: cực gốc chung, cực phát chung, cực góp chung.

Chúng ta lần lượt mắc một transistor PNP theo ba s ơ đồ đó, và xét các y ếu

tố:

- Pha giữa điện áp ra và điện áp vào.

- Trở kháng vào, trở kháng ra.

- Độ tăng dòng, độ tăng điện áp, độ tăng công suất.

- Công dụng.

a. Mạch cực gốc chung:

Sơ đồ mạch như hình vẽ.

Hình 1. 12: Mạch cực gốc chung.

16

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Tiếp giáp EB được phân c ực thu ận, còn ti ếp giáp BC được phân c ực

ngược.C1, C2 là tụ điện liên lạc tín hiệu với tầng trước và tầng sau.

Tín hiệu tới được đưa vào gi ữa hai cực phát – g ốc (E – B), tín hi ệu ra l ấy

giữa hai cực gốc – góp (B – C).

Cực gốc B chung cho c ả mạch vào và m ạch ra, nên g ọi là m ạch cực gốc

chung.

Khi ta đưa tín hiệu tới đầu vào của mạch:

- Nửa chu kỳ dương của tín hi ệu vào: Điện áp dương của tín hiệu hợp với

điện áp d ương của nguồn E1 , làm c ực phát có điện áp dương hơn trước

so với cực gốc. UBE tăng làm cho tiếp giáp EB phân cực thuận bởi điện áp

lớn hơn, do đó IE tăng lên, làm dòng I C tăng, sụt áp trên R 2 tăng, điện áp

UC giảm, nghĩa là dương lên, nên điện áp ra dương hơn.

- Nửa chu kỳ âm của tín hiệu vào: Điện áp âm c ủa tín hiệu làm gi ảm điện

áp dương của nguồn E1, làm cho U E bớt dương hơn so v ới cực gốc nên

UBE giảm, làm cho I E giảm, kéo theo I C giảm. Sụt áp trên R 2 giảm, điện

áp UC tăng lên, nghĩa là âm hơn, làm cho tín hiệu ra âm đi.

Như vậy, trong mạch cực gốc chung: điện áp ra đồng pha với điện áp vào.

Dựa vào tính toán, ng ười ta cũng tính được trở kháng vào và tr ở kháng ra, độ tăng

dòng, độ tăng áp, độ tăng công suất của transistor.

)

– 1M W . - Trở kháng vào R1 có trị số khoảng 30-300 (W - Trở kháng ra R2 có trị số khoảng 100 k W

- Độ tăng dòng:

C

a =

I I

E

D <1 = Ki D

2

- Độ tăng áp:

U U

1

RI . C 2 RI . E 1

R 2 R 1

= = Ku = vì IE » IC.

Ku lớn trong khoảng từ vài trăm đến một nghìn.

17

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

- Độ tăng công suất:

.

a

P 2 P 1

R 2 R 1

R» 2 R 1

2 RI C 2 2 RI 1 E

= = Kp =

Kp đạt giá trị khoảng 100 đến 1000.

Mạch cực gốc chung chỉ dùng trong tầng dao động của máy thu, để dao động

được ổn định, ít méo ho ặc trong các t ầng khuếch đại âm tần đầu, yêu cầu độ méo

nhỏ, tạp âm ít, ổn định cao, ho ặc trong t ầng công su ất các máy t ăng âm có ch ất

lượng cao.

b. Mạch cực phát chung:

IC

IB

C2

C1

U0

IE

R1

R2

UI

E1

E2

Sơ đồ mạch như hình vẽ:

Hình 1. 13: Mạch cực phát chung.

Hai cực EB được phân cực thuận, BC được phân cực ngh ịch. Tín hi ệu vào

đưa tới giữa hai cực BE. Tín hi ệu ra được lấy từ hai đầu điện trở R2, nghĩa là gi ữa

hai cực EC.

Cực phát E tham gia cả mạch vào và mạch ra, nên mạch này gọi là mạch cực

phát 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 làm cho

UB bớt âm hơn. UBE giảm, IB và IC đều giảm. Sụt áp trên R2 giảm đi, làm

18

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

cho UC tăng, tức là làm UC âm hơn.

- Nửa chu k ỳ âm c ủa tín hi ệu vào: điện áp âm c ủa tín hi ệu phối hợp với

điện áp âm ở cực gốc làm cho UB âm hơn. UBE tăng lên, IBvà IC đều tăng.

Sụt áp trên R2 tăng, làm cho UC giảm, tức là UC dương lên.

Như vậy điện áp ra và điện áp vào ngược pha nhau

.

– 2000 W – 100 k W . Qua đây ta thấy, UBE thay đổi thì IB,IE thay đổi, và IC cũng thay đổi theo. - Trở kháng vào R1 khoảng 200W - Trở kháng ra R2 khoảng 20 k W

- Độ tăng dòng:

C

b =

I I

B

D ( có trị số khoảng 20 – 100) D

I

a

C

C

b =

Ta có thể tính:

I I

I

I

-1

a

B

E

C

= = -

- Độ tăng điện áp :

RI C 2 RI B 1

R 2 R 1

Ku = = Ki

Ku có giá trị trong khoảng vài tăm đến vài nghìn.

- Độ tăng công suất:

2 RI C 2 2 RI B 1

P 2 P 1

R 2 R 1

= = a 2. Kp =

Ku có giá trị trong khoảng 1000 – 10000.

Mạch cực phát chung là kiểu mạch được dùng phổ biến nhất vì Ki, Ku,Kp đều

lớn và h ơn nữa R1, R2 không quá chênh l ệch như mạch cực gốc chung. Nên trong

máy thông dụng thường ghép tầng theo ki ểu điện trở điện dung, vừa gọn nhẹ, vừa

dễ lắp ráp, điều chỉnh.

c. Mạch cực góp chung:

19

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Sơ đồ như hình vẽ.

IC

IB

A

C1

C

C2

IE

R1

R2

B

D

E1

E2

Hình 1. 14: Mạch cực góp chung.

Cực góp vừa tham gia mạch vào, vừa tham gia mạch ra, nên gọi là mạch cực

góp chung. Tiếp giáp EB được phân cực thuận, tiếp giáp BC được phân cực ngược.

Khi ta đưa tín hiệu tới đầu vào của mạch:

- Nửa chu k ỳ dương của tín hi ệu vào: cực gốc có điện áp ít âm h ơn nên

UBE giảm, dòng phát I E giảm, sụt áp trên R 2 giảm, UE bớt âm hơn, nghĩa

là dương hơn trước khi có tín hiệu vào.

- Nửa chu kỳ âm của tín hi ệu vào: cực gốc có điện áp âm h ơn trước, UBE

tăng,làm cho IE tăng, sụt áp trên R2 tăng lên nên UE càng âm hơn.

– 500K W .

– 5K W . Như vậy điện áp ra đồng pha với điện áp vào. - Trở kháng vào R1 khoảng 20K W - Trở kháng ra R2 khoảng 50 W

I

E

B

C

- Độ tăng dòng g xấp xỉ bằng b trong câu b:

I I

I + I

B

B

g = = = b + 1 = Ki

- Độ tăng điện áp: Ku bao giờ cũng nhỏ hơn 1, vì điện áp vào bằng điện áp

sụt trên R 2 cộng điện áp sụt trên ti ếp giáp EB, điện áp ra là điện áp sụt

trên R2.

20

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

- Độ tăng công suất nhỏ khoảng vài chục.

Mạch cực góp chung th ường chỉ dùng ở tầng khuếch đại âm tần đầu cho các

máy quay đĩa hoặc máy thu có đĩa. Nó còn dùng trong t ầng đệm thay biến áp gi ữa

hai tầng mạch cực phát chung vì nó có tr ở kháng vào lớn dễ phối hợp với trở kháng

vào nhỏ của transistor sau.

d. So sánh giữa ba cách mắc:

Đặc tính Mạch cực gốc Mạch cực phát Mạch cực góp

chung chung chung

Pha gi ữa tín hi ệu Đồng pha Ngược pha Đồng pha

ra và vào

30 W – 500 W 200 W – 2000 W 20k W - 500kW Trở kháng vào R1

a

a = 0.9 – 0.99

g =1+ b =20-100

50k W – 1M W 20 k W – 100k W 50 W -5k W Trở kháng ra R2

b =

-1

a

Độ tăng dòng Ki =20-100

200 – 2000 500 – 2000 < 1 Độ tăng áp Ku

200 – 1000 100- 10000 20 - 50 Độ tăng suất Kp

Sử dụng Dao động nội Thông dụng Tầng khu ếch đại

đệm. khuếch đại âm t ần

đầu, khu ếch đại

công su ất méo

nhỏ, ổn định.

1.3.4. Các tham số giới hạn của Transistor.

a. Dòng cực đại cho phép.

Tùy theo diện tích mặt tiếp xúc, vật liệu và công ngh ệ chế tạo, điều kiện tỏa

nhiệt,…mỗi transistor ch ỉ cho phép m ột dòng điện tối đa trên m ỗi điện cực. Ta

thường kí hiệu các giới hạn này là: IEmax, IBmax, ICmax.

b. Điện áp cực đại cho phép.

Đó là các điện áp không được vượt quá để không gây đánh thủng các chuyển

21

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

tiếp P – N tương ứng.

c. Công suất tiêu tán cực đại cho phép.

Khi làm vi ệc trong m ột tầng khu ếch đại nào đó, để không phá h ỏng

transistor, công su ất tức thời tiêu tán trên transistor nh ất thiết không được vượt quá

giá trị PCmax.

PCmax = ICmax.UCE

Mỗi transistor có một công suất tiêu tán cực đại cho phép.

d. Tần số giới hạn.

Thông thường transistor ch ỉ làm việc một cách hiệu quả đến một tần số nhất

định. Khi tần số tín hi ệu tăng cao, vai trò điện dung các chuy ển tiếp P –N d ần dần

trở nên đáng kể. Mặt khác chuy ển động của hạt dẫn qua chi ều dày vùng B không

thể coi là t ức thời mà chiếm một thời gian đáng kể so với chu kỳ tín hi ệu, gây nên

tình trạng “méo pha”, “méo tần số”,…

1.4. Transistor trường (FET).

1.4.1. Cấu tạo.

Transistor trường gồm một thanh bán d ẫn lo ại N ho ặc P (kênh N ho ặc kênh

P) được cấy vào khoen chất bán dẫn loại P (hoặc N), có ba cực:

- Cực ngu ồn S (Source): c ực này được coi nh ư ngu ồn cung c ấp hạt dẫn

điện cơ bản.

- Cực máng D (Drain): đây là cực thu hút hạt dẫn điện cơ bản.

- Cực cổng G (gate): nằm ở giữa thanh, đây là một loại bán dẫn khác.

1.4.2. Transistor trường có cực cửa tiếp giáp(JFET).

a. Cấu tạo.

Sơ đồ cấu tạo và kí hiệu như hình vẽ.

b. Hoạt động.

Ta xét loại JFET kênh N:

Để cho transistor tr ường hoạt động, người ta phân cực cho các l ớp tiếp giáp

như hình vẽ. Giữa nguồn và máng có mắc thêm nguồn UDS. Khi đó electron bắt đầu

22

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

chuyển động từ nguồn về máng qua kênh dẫn, tạo nên dòng điện máng IDS (hay ID).

D

Kênh P

Vùng hiếm

Bán dẫn N

D

G

G

Kênh P

S

Kí hiệu

S

Hình 1. 15: Cấu tạo JFET kênh P

D

Kênh N

D

Vùng hiếm

Bán dẫn P

G

G

Kênh N

S

Kí hiệu

S

Hình 1. 16: Cấu tạo JFET kênh N

23

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đặt một điện áp phân c ực ngược UGS ở hai mặt tiếp xúc cổng G và kênh, s ẽ

tạo thành một vùng hi ếm electron ở kênh, vùng nghèo h ạt mang điện tăng lên làm

thu hẹp tiết diện của kênh dẫn, và tiết diện của kênh dẫn bị nghẽn lại.

Điện tr ở su ất của kênh dẫn khá lớn nên khi ch ạy qua kênh d ẫn, 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 t ăng 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 d ẫn

có tiết diện giảm dần : ở gần cực D kênh dẫn là hẹp nhất.

Nếu giữ UDS không đổi, tăng dần UGS:tình trạng phân cực nghịch của chuyển

tiếp P – N s ẽ càng tăng: vùng nghèo càng m ở rộng, kênh dẫn càng thu h ẹp. Do đó

điện trở kênh dẫn càng tăng và dòng máng I D càng gi ảm. Còn dòng gi ữa cực G và

cực S chỉ là dòng ngược của chuyển tiếp P – N, thường rất nhỏ không đáng kể.

Nếu UGS tiếp tục tăng thì kênh DS sẽ bị nghẽn hoàn toàn: ID = 0. Vậy ID phụ

thuộc UGS. Ta có: Đặc tuyến truyền đạt: ID = f(UGS), khi UDS = const.

Nếu UGS = 0, UDS tăng dần từ 0:

+ Khi U DS còn nh ỏ, phân bố điện th ế do U DS gây ra trên điện tr ở kênh d ẫn

ảnh hưởng ch ưa đáng kể đến chi ều dày vùng nghèo và ti ết diện của kênh, vì v ậy

kênh dẫn đóng vai trò như một điện trở thông thường với giá trị hầu như không đổi :

điện áp tăng khiến dòng điện tăng theo.

+ UDS 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 ID tăng chậm lại.

+ Khi UDS = U p : vùng nghèo m ở rộng đến tới mức choán hết tiết diện của

kênh tại vùng gần cực D, ngh ĩa là kênh d ẫn bị thắt lại ở phía cực máng.Up là điện

áp thắt.

+ Khi UDS > UP: vùng nghèo ti ếp 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 UDS tăng nhưng

dòng ID hầu như ít thay đổi và đạt giá trị bão hòa.

24

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

+ Khi UDS quá lớn: xảy ra hiện tượng đánh thủng chuyển tiếp P – N.

Vậy ID phụ thuộc UDS. Ta có đặc tuyến máng: ID = f(UDS), khi UGS = const.

1.4.3. Transistor trường có cực cửa cách ly (MOSFET).

a. Cấu tạo:

Kênh P

Cực D

D

Lớp nền N

G

Cực G

B hay SS

Lớp SiO2

S

Cực nền SS hay B

Kí hiệu

Cực S

Sơ đồ cấu tạo và kí hiệu như hình vẽ.

Hình 1. 17: Cấu tạo MOSFET kênh P

Kênh N

Cực D

D

Lớp nền P

G

Cực G

B hay SS

Lớp SiO2

S

Cực nền SS hay B

Kí hiệu

Cực S

Cấu tạo MOSFET kênh N

Hình 1. 18: Cấu tạo MOSFET kênh N

25

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Đó là một thanh bán dẫn loại N hay P dùng làm nền, nối ra ngoài bằng cực B

hay cực S. Phía trên thanh n ền có m ột kênh bán d ẫn lo ại P hay N m ỏng, hai đầu

kênh dẫn được nối ra hai c ực nguồn S và máng D. Phía trên kênh bán d ẫn là một

lớp cách điện bằng SiO2, được nối ra ngoài bằng cực cổng G, cách điện với các cực

kia.

b. Hoạt động:

Xét hoạt động của MOSFET kênh N.

Để phân cực cho MOSFET ng ười ta đặt một điện áp U DS>0. Ban đầu dưới

tác dụng của UDS, qua kênh dẫn và cực máng có dòng điện ID, tạo bởi hạt dẫn đa số

của kênh.

Đặt điện áp âm phân c ực ở cổng G :UGS<0, các điện tích âm tích t ụ trên cực

G, các điện tích d ương sẽ tích tụ ở cực đối diện, tức là trong kênh d ẫn (l ớp SiO 2

đóng vai trò điện môi của tụ). Các điện tích dương này sẽ tái hợp với điện tử, làm

giảm nồng độ hạt dẫn vốn có trong kênh, khi ến điện tr ở của kênh t ăng và dòng

máng ID giảm.Càng tăng trị số của UGS dòng ID càng giảm. Chế độ làm việc như vậy

gọi là chế độ làm nghèo hạt dẫn.

Nếu đặt lên điện áp d ương phân c ực ở cổng G, U GS>0, quá trình x ảy ra

ngược lại, càng tăng trị số UGS, nồng độ hạt dẫn trong kênh càng tăng thêm, điện trở

kênh càng gi ảm.Và dòng ID càng tăng. Chế độ làm vi ệc như vậy gọi là ch ế độ làm

giàu.

* Nhận xét:

Ngay khi UGS = 0, MOSFET kênh có s ẵn đã có dòng máng ,ban đầu ID khác

0.Tùy cực tính c ủa UGS mà MOSFET ho ạt động ở chế độ giàu hay ch ế độ nghèo,

dùng giá trị của UGS để điều khiển dòng ID tăng hay giảm.

Ta có đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của MOSFET kênh có sẵn loại N

26

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

như hình vẽ:

1.4.4. Cấu tạo và hoạt động của MOSFET loại kênh cảm ứng.

a. Cấu tạo.

Trên cùng một nền bán dẫn P hay N, trên đó có hai cực nguồn S và máng D

bằng chất bán dẫn N hay P, nh ưng hai cực này tách bi ệt nhau không n ối với nhau

như MOSFET loại kênh có sẵn.

P

Cực D

D

N

G

G1

B hay SS

Lớp SiO2

P

B hay SS hay G2

S

Cực S

Kí hiệu

Sơ đồ cấu tạo và kí hiệu như hình vẽ.

Hình 1. 19: MOSFET kênh P

Cực D

N

D

P

G

G1

B hay SS

Lớp SiO2

B hay SS hay G2

N

S

Kí hiệu

Cực S

Hình 1. 20: MOSFET kênh N

27

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

b. Hoạt động:

Xét hoạt động của MOSFET kênh N.

Đặt điện áp dương phân cực ở cực G: UGS > 0, các điện tích dương thu nhận

các electron tự do từ cực nguồn S của chất bán dẫn N, tạo thành một kênh bán dẫn

N ngay dưới lớp SiO2 làm cho dòng máng – nguồn ID tăng lên.

Đặt điện áp âm phân cực ở cực cửa : UGS = < 0, không có dòng c ực máng ID

do tồn tại hai ti ếp giáp P – N m ắc đối nhau. Do đó không t ồn tại kênh n ối

28

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

máng – nguồn.

Chương II – MẠCH KHUẾCH ĐẠI VÀ MẠCH HỒI TIẾP

2.1. Mạch khuếch đại.

Một mạch khu ếch đại th ường gồm nhi ều tầng, mỗi tầng gồm một số linh

kiện, có thể phân loại theo nhiệm vụ của nó:

- Khuếch đại điện áp.

- Khuếch đại công suất.

- Khuếch đại dòng một chiều( các tín hiệu một chiều)

Hoặc phân loại theo dải tần hoạt động:

- Khuếch đại tần số thấp ( vài Hz đến vài chục Hz).

- Khuếch đại tần số cao ( vài chục KHz đến vài ngàn MHz)

Hoặc phân loại theo chế độ hoạt động:

- Khuếch đại hạng A: điểm làm vi ệc nằm trên ph ần th ẳng của đặc tuyến,

khuếch đại trung thực, dùng trong mạch khuếch đại điện áp. Khuyết điểm: hiệu suất

thấp do dòng I tiêu thụ lớn.

- Khuếch đại hạng B: điểm làm vi ệc nằm ở gốc của đặc tuyến nên có m ột

phần nh ỏ đặc tuyến nằm trên đoạn cong ở gốc. Dùng trong các m ạch khu ếch đại

công suất, hiệu suất lớn hơn nhiều ở chế độ A, có tín hi ệu đến mạch thì dòng I mới

đáng kể.

- Khuếch đại hạng C: điểm hoạt động nằm xa gốc của đặc tuyến, biên độ tín

hiệu ph ải lớn mạch mới khu ếch đại được, hiệu su ất lớn hơn ở ch ế độ B, độ méo

dạng đáng kể.

Khuếch đại là một quá trình bi ến đổi năng lượng của ngu ồn cung cấp một

chiều (không chứa đựng thông tin) được biến đổi thành dạng năng lượng xoay chiều

(có quy luật biến đổi mang thông tin cần thiết).

2.2. Nguyên lý xây dựng một tầng khuếch đại:

Phần tử điều khi ển (transistor) có điện tr ở thay đổi theo sự điều khi ển của

29

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

điện áp hay dòng điện đặt tới cực gốc của nó,qua đó điều khiển quy lu ật biến đổi

dòng điện của mạch ra. Tại lối ra ng ười ta nh ận được một điện áp bi ến thiên cùng

quy luật với tín hiệu vào nhưng độ lớn được tăng lên nhiều lần.

Giả thiết điện áp đặt vào cực B có dạng hình sin. Ta th ấy điện áp, dòng ra ở

mạch tỉ lệ với điện áp, dòng điện của tín hiệu vào. Cụ thể là:

- Dòng điện ra coi nh ư là t ổng đại số của hai thành ph ần: thành ph ần một

chiều (ứng với trạng thái tĩnh) và thành ph ần xoay chiều do tín hi ệu xoay chiều VS

gây ra.

- Điện áp ra U CE(t) coi nh ư là t ổng của hai thành ph ần : thành ph ần một

chiều UCEQ và thành phần xoay chiều UCE.

Một điểm cần lưu ý là: ph ải đảm bảo sao cho biên độ thành phần xoay chiều

Im, U0 ‡ Um. Nếu điều kiện không vượt quá thành ph ần một chiều, ngh ĩa là I0 ‡

này không được th ỏa mãn thì dòng điện ở mạch ra trong t ừng kho ảng th ời gian

nhất định sẽ bằng không và sẽ làm méo dạng tín hiệu ra.

Minh họa như hình vẽ:

Hình 2. 1: Các thành phần của dòng điện ra và điện áp ra

2.3. Các chế độ làm việc của tầng khuếch đại.

Tùy theo vị trí điểm làm việc tĩnh Q trên đường tải xoay chiều, người ta phân

30

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

biệt các chế độ làm việc sau đây:

2.3.1. Chế độ A:

Chọn điện áp phân c ực sao cho điểm tĩnh Q n ằm ở khoảng giữa đoạn MN

trên đường tải xoay chi ều (M,N lần lượt là giao điểm của đường th ẳng tải với đặc

tuyến ra ứng với dòng cực đại Imax, và dòng cực tiểu Imin).

Xem hình vẽ.

Hình 2. 2: Điểm làm việc ở chế độ A

Đặc điểm của chế độ này là:

- Khuếch đại trung thực, vùng làm việc gây ra méo nhỏ nhất.

- Dòng tĩnh và áp t ĩnh luôn khác 0, ngh ĩa là ngay ở tr ạng thái t ĩnh, tầng

khuếch đại đã tiêu hao một năng lượng đáng kể. Biên độ dòng và áp xoay chiều lấy

ra (Icm, UCEm) tối đa chỉ bằng dòng và áp tĩnh. Vì vậy chế độ A có hiệu suất thấp.

Chế độ A thường dùng trong các tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ.

2.3.2. Chế độ B.

Chọn điện áp phân c ực sao cho v ị trí điểm tĩnh Q trùng v ới điểm D ho ặc

điểm N. Ta nói phần tử khuếch đại làm việc ở chế độ B.

31

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Xem hình vẽ.

Hình 2. 3: Điểm làm việc ở chế độ B (a) cùng dạng sóng tương ứng của dòng điện (b) và điện áp (c)

Đặc điểm của chế độ này:

- Khi dòng điện vào ho ặc điện áp vào có d ạng hình sin thì dòng điện ra

hoặc điện áp ra ch ỉ còn nửa (hoặc già nửa) hình sin, nói cách khác: méo phi tuy ến

trầm trọng.

- Ở trạng thái tĩnh, dòng ICQ gần bằng 0, do đó năng lượng tiêu thụ bởi tầng

khuếch đại rất nhỏ.Chỉ ở trang thái động, dòng điện mới tăng dần theo biên độ tín

hiệu vào. Do đó, năng lượng tiêu th ụ cũng tỉ lệ với biên độ tín hi ệu xoay chiều lấy

ra. Như vậy chế độ B có hiệu suất cao.

Chế độ B th ường dùng trong các t ầng khuếch đại công su ất ( các t ầng cuối

của thiết bị khuếch đại). Để khắc phục méo phi tuyến, nó đòi hỏi mạch phải có hai 2

vế đối xứng, thay phiên nhau làm việc trong hai nửa chu kì (mạch push- pull).

Trên thực tế người ta còn dùng ch ế độ AB: Điểm Q chọn trên điểm N và gần

điểm này. Lúc đó phát huy được ưu điểm của mỗi ch ế độ, gi ảm méo phi tuy ến

nhưng hiệu suất kém hơn ở chế độ B.

2.3.3. Chế độ khóa (còn gọi là chế độ đóng mở hay chế độ D).

Tầng khuếch đại làm việc ở một trong hai tr ạng thái đối lập: trạng thái khóa

(hoặc trạng thái tắt) khi Q nằm dưới điểm N, trạng thái dẫn bão hòa (hoặc trạng thái

mở) khi Q n ằm phía trên điểm M (g ần điểm C). Ch ế độ th ường gặp ở các m ạch

32

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

xung.

2.4. Mạch hồi tiếp.

2.4.1. Định nghĩa.

Hồi tiếp là hi ện tượng đưa tín hi ệu ở ngõ ra c ủa bộ khu ếch đại (ho ặc tầng

khuếch đại) ngược trở về ngõ vào, ngh ĩa là trái với đường truyền thông th ường của

quá trình khuếch đại.

Uvà

' vàoU

Ura

.

>

b

raUb

Hình 2. 4: Mạch hồi tiếp

2.4.2. Phân loại.

Gọi K là hệ số khuếch đại khi chưa có hồi tiếp, K’ là hệ số khuếch đại khi có

hồi tiếp.

- Nếu K’< K : Tín hi ệu ra ng ược pha tín hi ệu vào. Ta có h ồi tiếp âm. Tuy

hệ số khuếch đại K’ giảm nhưng dải thông được mở rộng cả hai phía fthấp, fcao.

- Nếu K’ > K: Tín hi ệu ngã ra đồng pha tín hi ệu ngã vào g ọi là hồi ti ếp

dương.

Hệ số khuếch đại K’ tăng nhưng mạch khuếch đại kém ổn định. Trong trường

hợp K’ rất lớn thì mạch khuếch đại trở thành mạch dao động.

* Nhận xét:

Hồi tiếp âm r ất thông dụng trong các m ạch khu ếch đại. Nó cải thiện nhiều

tính năng của mạch. Trái lại hồi tiếp dương thường làm bộ khuếch đại giảm sút chất

lượng, th ậm chí phá h ỏng tr ạng thái ổn định của nó, do đó rất cần tránh. Hồi tiếp

33

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

dương chỉ được dùng trong các mạch dao động mà thôi.

Chương III - OPAMP

3.1. Giới thiệu chung – lịch sử.

Đây là m ột lo ại mạch hết sức phổ biến và r ất vạn năng trong số các mạch

tích hợp tuyến tính. Nó được coi là “viên g ạch cơ bản” để xây dựng nên nhi ều hệ

thống điện tử tuyến tính (hoặc không tuyến tính) phức tạp. Khuếch đại thuật toán là

một bộ khuếch đại nối tầng trực tiếp, có hệ số khuếch đại rất lớn, thường sử dụng

các mạch liên k ết ngược để kh ống ch ế các đặc tr ưng, đồng th ời để th ỏa mãn các

chức năng nhất định.

Từ khi mới ra đời, mạch khuếch đại thuật toán được thiết kế để thực hiện các

phép tính bằng cách sử dụng điện áp như một giá trị tương tự để mô phỏng các đại

lượng khác. Đây là thành ph ần cơ bản trong các máy tính t ương tự, trong đó mạch

khuếch đại thuật toán sẽ thực hiện các thu ật toán như Cộng, Trừ, Tích phân và Vi

phân v.v... Tuy nhiên, mạch khuếch đại thuật toán lại rất đa năng, với rất nhiều ứng

dụng khác ngoài các ứng dụng thuật toán.

Trong khi các m ạch khu ếch đại thu ật toán đầu tiên phát tri ển trên các đèn

điện tử chân không, gi ờ đây chúng thường được sản xuất dưới dạng mạch tích hợp

gọi là các IC, mặc dù vậy, những phiên bản lắp ráp bằng linh kiện rời cũng được sử

dụng nếu cần những tiện ích vượt quá tầm của các IC.

Những mạch khuếch đại thuật toán tích hợp đầu tiên được ứng dụng rộng rãi

từ cuối th ập niên 1960 và ngày càng t ốt hơn. Những thiết kế tốt hơn đã được giới

thiệu, một số dựa trên transistor hi ệu ứng tr ường FET (cu ối th ập niên 1970) và

transistor hiệu ứng trường có cổng cách điện MOSFET (đầu thập niên 1980).

3.2. Chức năng.

Khuếch đại thu ật toán (K ĐTT), còn gọi là OPAMP (vi ết tắt từ Operational

Amplifier) là một bộ khuếch đại DC, có hệ số khuếch đại Av rất cao và thường được

chế tạo dưới dạng tích hợp (IC).

Khuếch đại thu ật toán th ường được dùng để thực hiện các thu ật toán trong

34

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

máy tính tương tự cho nên nó có tên gọi như vậy. Ngày nay, KĐTT được ứng dụng

trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, với tầm tần số rộng từ DC đến hàng GHz nh ư:

tạo dao động, hạn chế, so sánh,…

3.3. Cấu tạo.

3.3.1. Cấu tạo.

Các mạch khu ếch đại thu ật toán th ực nghi ệm, được lắp ráp b ằng các

transistor, các đèn điện tử chân không ho ặc những linh ki ện khuếch đại khác, được

trình bày dưới dạng những mạch linh ki ện rời rạc hoặc các mạch tích hợp đã tỏ ra

- Vi

KĐ Vi sai

V0

KĐ trung gian

Dịch mức DC

+

Vi

Đệm ngõ ra

rất tương hợp với những linh kiện thực sự.

Hình 3. 1:Cấu trúc cơ bản của một bộ KĐTT.

Ngõ vào là tầng khuếch đại vi sai, tiếp theo là các tầng khuếch đại trung gian

(có thể là tầng đệm hoặc khuếch đại vi sai), tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực

DC ở ngõ ra, cuối cùng là tầng đệm để khuếch đại dòng và có trở kháng ra thấp, tạo

+VCC

7

8

5

- +

1

4

2

- VCC

tín hiệu bất đối xứng ở ngõ ra. Các tầng khuếch đại đều ghép trực tiếp với nhau.

6 3 Hình 3. 2: Sơ đồ chân thực tế của OMAMP

35

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

OPAMP gồm có 8 chân, ta chỉ quan tâm đến 5 chân trong số đó:

- Chân số 7: dương nguồn, kí hiệu là +Vcc

- Chân số 4: âm nguồn, kí hiệu là -Vcc

- Chân số 2: đầu vào đảo, kí hiệu là : -, tín hi ệu ra sẽ biến thiên ngược pha

với tín hiệu ở đầu vào này.

- Chân số 3: đầu vào không đảo, kí hiệu là: +, tín hiệu ra sẽ biến thiên cùng

pha với tín hiệu ở đầu vào này.

- Chân số 6: đầu ra.

3.3.2. Kí hiệu.

‾, + ), một ngõ ra (có điện áp V0), và nguồn cấp điện

Kí hiệu OPAMP là một tam giác có hai ngõ vào (ngõ vào đảo có điện áp Vi

ngõ vào không đảo có điện áp Vi

± Vcc.

Hình 3. 3: Kí hi ệu OPAMP

3.4. Nguyên lý hoạt động.

Đầu vào vi sai của mạch khuếch đại gồm có đầu vào đảo và đầu vào không

đảo, và mạch khuếch đại thuật toán thực tế sẽ chỉ khuếch đại hiệu số điện thế giữa

hai đầu vào này. Điện áp này gọi là điện áp vi sai đầu vào, hiệu điện thế vào vi sai:

‾ + - Vi

∆Vi = Vi

Trong hầu hết các tr ường hợp, điện áp đầu ra c ủa mạch khu ếch đại thu ật

toán sẽ được điều khi ển bằng cách trích m ột tỷ lệ nào đó của điện áp ra để đưa

ngược về ngõ vào. Tác động này được gọi là hồi tiếp.

Nếu tỷ lệ hồi tiếp bằng 0, nghĩa là không có mạch hồi tiếp, mạch khuếch đại

được gọi là ho ạt động ở tr ạng thái vòng h ở. Hệ số khu ếch đại điện áp của KĐTT

trong trạng thái đó kí hiệu là Av0 được gọi là hệ số khuếch đại vòng hở. Và điện áp

36

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

ra sẽ được tính theo công thức sau:

‾ ).Av0

+ - Vi

V0 = ∆Vi . Av0 = (Vi

Do giá trị của Av0 rất lớn và thường không được quản lý chặt chẽ ngay từ khi

chế tạo, các mạch khuếch đại thuật toán th ường ít khi làm vi ệc ở tình tr ạng không

có hồi tiếp. Ngoại trừ trường hợp điện áp vi sai đầu vào vô cùng bé, A v0 quá lớn sẽ

làm cho mạch khuếch đại làm việc ở trạng thái bão hòa trong các trường hợp khác.

3.4.1. Đặc tính và các thông số của một bộ KĐTT lý tưởng.

‾ ( Vm )

Ta có đáp ứng tín hiệu ra V0 theo các cách đưa tín hiệu vào như sau:

+

- Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo: V0 = - Av0. Vi

- Đưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo: V0 = Av0. Vi

- Đưa tín hiệu vào đồng thời cả hai ngõ: (gọi là tín hiệu vào vi sai):

+ = Vi

+Vcc

bão hòa dương

HSKĐ vòng hở AV0

Ở trạng thái tĩnh: Vi V0 = Av0. ∆Vi. ‾ = 0, suy ra V0 = 0.

=

+ -

-Vs

0 +Vs

V i

V i

V i

bão hòa âm

-Vcc

- D

Hình 3. 4: Đặc tuyến truyền đạt điện áp vòng hở của KĐTT.

- Vùng khuếch đại: .V0 = Av0. ∆Vi

Theo đặc tuyến này có 3 vùng làm việc:

+ - Vi

‾ nằm trong khoảng ±VS

- Vùng bão hòa dương: V0 = +Vcc , ∆Vi > VS

- Vùng bão hòa âm: V0 = - Vcc , ∆Vi < - VS

37

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

∆Vi = Vi

±VS là các mức ngưỡng của điện áp vào, giới hạn phạm vi mà quan hệ V0 (∆Vi) còn

là tuyến tính .Các KĐTT thường có VS khoảng từ vài chục Vm vài trăm Vm .

Trong thực tế người ta rất ít sử dụng KĐTT ở trạng thái vòng h ở vì tuy Av0

rất lớn nhưng tầm điện áp vào bị giới hạn quá bé (trong khoảng ±VS ). Mạch khuếch

đại vòng hở thường chỉ được sử dụng trong ch ế độ xung. Trong ch ế độ khuếch đại

tuyến tính, người ta phải dùng hồi tiếp âm để tạo sự làm việc ổn định cho bộ khuếch

đại, đồng th ời vùng làm vi ệc của tín hi ệu vào t ương ứng sẽ được mở rộng hơn.

Trạng thái KĐTT có thêm mạch hồi tiếp như vậy được gọi là trạng thái vòng kín.

3.4.2. Mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng.

¥ .

) 0 ( thường R0 < 1 W

¥ - Tổng trở vào lớn vô hạn: Ri fi - Tổng trở ra bằng không: R0 » - Hệ số khuếch đại điện áp lớn vô hạn: Av0 fi ( thực tế Av0 >10.000)

- Dòng phân c ực ngõ vào: I ib = 0 (th ực tế Iib từ vài ch ục nA đến hàng

trăm nA)

Cân bằng một cách lý t ưởng, ngh ĩa là khi tín hi ệu lối vào b ằng 0 thì m ức

điện áp lối ra phải bằng 0.

Trong thực tế các mạch khuếch đại thuật toán không hoàn toàn đáp ứng được

các yêu cầu nói trên.

3.5. Một số cách mắc hồi tiếp.

Để đơn gi ản trong vi ệc lập các công th ức tính toán ở ph ần này, ta xem b ộ

KĐTT là lý tưởng. Các công thức tính chỉ là gần đúng nhưng kết quả khá chính xác,

thường được áp dụng trong thực tế.

3.5.1. Mạch khuếch đại đảo (đảo pha):

38

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Dạng mạch căn bản.

Hình 3. 5: Mạch khuếch đại đảo.

Tín hiệu ra đảo pha với tín hiệu vào.

Tín hiệu được đưa vào ngõ vào đảo.

‾ = 0

+ = Vi

¥ Do OPAMP lý tưởng nên: , Ii » 0 nên Vi Ri fi

Ta có thể viết:

0

0

V = i

=

V =

I

2

VV ii R 1

R 1

iVV R 2

R 2

- - - - - ; I1 =

=

iV R 1

V 0 R 2

- I = I1 = I2 = I fi

Hệ số khuếch đại:

A v

V == - 0 V i

R 2 R 1

(1)

=

Tổng trở vào:

Z

i

R 1

V i I

»

* Nhận xét:

Dấu trừ trong biểu thức (1) nói lên tín hiệu ra bị đảo pha so với tín hiệu vào.

3.5.2. Mạch khuếch đại không đảo( đồng pha).

39

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Dạng mạch căn bản.

Hình 3. 6: Mạch khuếch đại không đảo

Tín hiệu ra đồng pha với tín hiệu vào.

Tín hiệu được đưa vào ngõ vào không đảo.

Hệ số khuếch đại:

0

V i

=

=

=

I

I 1

2

)

V i R 1

R 1

V V 0 i + R R ( 2

1

Ta có: - - - - - ;

= , Ri fi

VV ii

+= V i

- ¥ mặt khác coi: , Ii » 0 nên dòng qua R1, R2 là bằng nhau.

=

II 1

=== I 2

V 0 +

iV RR R 2

11

Suy ra: -

+ RR 12

R 2 1

A v

R

V === + 0 VR i

1

1

Từ đó rút ra:

Tổng trở vào:

VV i

=D + V b i

0

1

Ta có:

b =

= A

R 1 + RR 1

2

v

trong đó: b là hệ số hồi tiếp,

VA V=

0

0v

i

.

D = ii

iVI R

40

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

D

Ri : tổng trở bộ KĐTT

0

+

= VIRI R . iiii

i

A v A v

Thay vào Vi ta có:

0

Z

1

i

+(cid:231) R i

V == i I

i

A v A v

(cid:230) (cid:246) (cid:247) (2) Ł ł

* Nhận xét:

Mạch này có tổng trở rất lớn.

3.5.3. Mạch đệm (mạch theo điện áp):

Dạng mạch căn bản.

+

V0

Vi

-

Hình 3. 7: Mạch theo điện áp

Hệ số khuếch đại:

Trong cả hai trường hợp trên thì R2 đều đóng vai trò hồi tiếp âm.

Với mạch đệm này theo điện áp ta cũng có hồi tiếp âm 100%, V0 = Vi.

=

= 1

A v

V 0 V i

Do đó:

Tổng trở vào:

)

= ZR ii

+ A (1 v

0

Từ công thức (2), ta có:

* Nhận xét:

Ta thấy nếu đưa trở lại lối vào toàn bộ điện áp ra thì ta có m ạch lặp lại điện

41

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

áp, ngh ĩa là tín hi ệu lối ra lặp lại tín hi ệu lối vào. Mạch này có h ệ số khu ếch đại

bằng 1, có điện trở vào rất lớn và điện trở ra rất nhỏ, do đó thường được dùng làm

tầng đệm.

3.6. Mạch làm toán.

Đây là các mạch điện tử đặc biệt trong đó sự liên hệ giữa điện thế ngõ vào và

ngõ ra là các phép tính toán học đơn giản.

3.6.1. Mạch cộng đảo dấu.

Dạng mạch căn bản.

Hình 3. 8: Mạch cộng đảo dấu

Ta lần lượt tính V01, V02, V03 theo các kích thích ngõ vào độc lập I1, I2, I3 do

= -

V

V

01i1

R 2 R 11

= -

V

V

02i2

R 2 R 12

= -

V

V

03i3

R 2 R 13

Vi1, Vi2, Vi3 tạo ra như khuếch đại đảo dấu.

Từ đó:

+

VVVVV

V

=++=-+ 0010203i1i2i3

RR 22 V RR

R 2 R

111213

=

(cid:230) (cid:246) (cid:231) (cid:247) Ł ł

= RRR 111213

= R 1

)

=-+ VVV 0i1i2i3

R ( + 2 V R 1

Nếu chọn thì:

42

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Các công thức trên có thể được mở rộng đến n ngõ vào tùy ý.

* Nhận xét:

Tín hiệu ngõ ra bằng tổng các tín hiệu ngõ vào nhưng ngược pha.

3.6.2. Mạch cộng không đảo dấu.

R1

R2

R11

V0

- +

1iV

R12

2iV

Dạng mạch cơ bản.

Hình 3. 9: Mạch cộng không đảo dấu

Tương tự mạch khuếch đại không đảo, Vi là xếp chồng hai tín hiệu Vi1, Vi2.

Giả sử Vi2 = 0, ta tìm được điện áp ra V01 tương ứng với Vi1.

=+

V

1

V

01i1

R +

R 212 RR

R

11112

(cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:246) · (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) Ł ł Ł ł

Tương tự, khi Vi1 = 0, ta tìm được V02 tương ứng với Vi2:

=+

V

1

V

02i2

R +

R 211 RR

R

11112

(cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:246) · (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) Ł ł Ł ł

Vậy khi có cả Vi1, Vi2 và giả thiết R11 = R12 thì:

+

V

2i1i2

+

VV

=+= V

1

00102

2

RV R 1

=

R==

(cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) Ł ł Ł ł

RRR 1112

1

2

+ V

=+= VVVV 00102i1i2

Nếu có thì:

Công thức trên có thể mở rộng đến n ngõ vào tùy ý.

* Nhận xét:

Từ công th ức trên ta th ấy tín hiệu ngõ ra b ằng tổng các tín hi ệu ngõ vào và

43

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

đồng pha.

3.6.3. Mạch trừ (mạch khuếch đại vi sai):

Dạng mạch cơ bản.

Hình 3. 10: Mạch trừ

= -

V

V

01i1

R 4 R 3

Theo hinh vẽ Vi1 áp vào ngõ vào đảo, Vi2 áp vào ngõ vào không đảo,ta có:

R 4

V

V

= 02i2

R 2 + RR 12

+(cid:231) 1 R 3

(cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:247) (cid:231) (cid:247) Ł ł Ł ł

V

1

=+=+ VVVV 00102i2i1

R 4 R 3

RR 24 + RRR 123

(cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:246) - (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) Ł ł Ł ł

== RRR 123

= R 4

thì: Nếu ta chọn

V=

0i2i1VV

-

* Nhận xét:

Tín hiệu ngõ ra bằng hiệu các tín hiệu ngõ vào và đồng pha.

3.6.4. Mạch tích phân.

44

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Dạng mạch cơ bản.

Hình 3. 11: Mạch tích phân

Coi điện thế tại A xấp xỉ bằng 0, khi đó điện áp đặt lên hai đầu tụ C là –V 0.

= -

i

C

0dV dt

Từ đó:

=

i

iV R

Mặt khác:

Suy ra:

= - VVdt 0

i

1 RC

(cid:242)

* Nhận xét: Vậy điện áp ra có được bằng cách lấy tích phân điện áp vào.

3.6.5. Mạch vi phân.

Dạng mạch cơ bản.

Hình 3. 12: Mạch vi phân

45

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

= i C

idV dt

Do điện thế tại A xấp xỉ bằng 0 nên:

= -

i

0V R

Mặt khác:

= - VRC 0

idV dt

Suy ra:

* Nhận xét: Vậy điện áp ra có được bằng cách lấy vi phân điện áp vào.

3.7. Ứng dụng trong thiết kế hệ thống điện tử.

Sử dụng mạch khuếch đại thuật toán như một khối mạch điện sẽ dễ dàng và

rõ ràng hơn nhiều so với việc tính toán xác định tất cả các thông số của các phần tử

trong mạch (transistor, điện tr ở, vv...), cho dù m ạch khu ếch đại là m ạch tích h ợp

hay linh ki ện rời. Những mạch khuếch đại thuật toán đầu tiên có th ể được sử dụng

như thế nếu nó là một khối khuếch đại vi sai thực sự có hệ số khuếch đại đủ lớn.

Một mạch điện được thi ết kế th ường với sự tr ợ giúp c ủa các công c ụ mô

phỏng trên máy tính. Nh ững mạch khu ếch đại thu ật toán thông d ụng và các linh

kiện khác sẽ được chọn lựa sao cho phù h ợp với những yêu cầu của mạch và nằm

trong sai số cho phép với giá cả hợp lý. Nếu không đạt tất cả các yêu cầu của mạch,

46

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

các giá trị có thể được thay đổi.

Chương IV – MẠCH DAO ĐỘNG

Mạch dao động là m ạch điện tạo ra một hiệu điện th ế biến thiên tu ần hoàn

theo thời gian. Trong vô tuyến điện, các dao động điện tử được tạo ra nhờ các máy

phát điện tử. Các máy phát này là nh ững thiết bị biến đổi năng lượng của nguồn

điện không đổi thành năng lượng của dao động. Được chia làm hai lo ại: máy phát

dao động điều hòa và tích thoát hay còn gọi là máy phát dao động hình sin và không

hình sin.

Chúng ta có thể tạo ra các dạng sóng khác nhau một cách trực tiếp bằng cách

sử dụng các m ạch dao động ho ặc các mạch đa hài ho ặc tổng hợp các d ạng sóng

bằng cách s ử dụng mạch tạo hàm chuyên d ụng ho ặc các k ĩ thu ật vòng khóa pha

PLL. Sơ đồ của các m ạch tạo sóng có th ể được thi ết kế bằng cách s ử dụng các

transistor, các Opamp, các IC s ố ho ặc các IC t ạo hàm và t ạo sóng. Ở đây tôi ch ỉ

trình bày một số vấn đề cần thiết cho quá trình l ắp ráp một máy phát sóng v ới linh

kiện chính là OPAMP.

4.1. Mạch tạo dao động điều hòa (tạo sóng sin).

Dựa theo đặc tính v ề linh ki ện và t ần số dao động, ta có th ể phân lo ại các

dạng mạch tạo sóng hình sin như sau:

- Dao động RC: linh ki ện quyết định tần số dao động là RC, t ần số làm

việc từ dưới 1 Hz đến 1 KHz.

- Dao động LC: linh kiện quyết định tần số dao động là LC, tần số làm việc

từ 100 KHz đến hàng nghìn GHz.

4.1.1. Nguyên lý tạo dao động và duy trì dao động:

Ta có sơ đồ như hình vẽ.

Hình 4. 1: Hồi tiếp tạo dao động

47

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Hai yêu c ầu cơ bản ph ải được th ực hi ện để tạo ra m ột mạch dao động tạo

sóng sin đơn giản được trình bày như hình vẽ trên.

- Trước tiên ngõ ra c ủa một thành ph ần khu ếch đại phải được hồi tiếp trở

về ngõ vào c ủa thành ph ần này thông qua m ột mạch hồi tiếp sao cho t ổng độ dịch pha của mạch hồi tiếp và mạch khuếch đại bằng 00 hặc 3600. Do vậy nếu một mạch

khuếch đại có độ dịch pha là 180 độ giữa ngõ vào và ngõ ra, m ột độ dịch pha 180

độ nữa phải được đưa ra bởi mạch hồi tiếp nối giữa ngõ vào và ngõ ra để thõa mãn

yêu cầu thứ nhất của một mạch dao động tạo sóng sin.

- Yêu cầu th ứ hai để có dao động tạo sóng sin là: h ệ số khu ếch đại của

thành phần khuếch đại phải tỉ lệ nghịch chính xác v ới hệ số hồi tiếp của mạch hồi

vAb .

= 1 tiếp chọn tần số, nghĩa là:

vAb .

+ Nếu <1: mạch sẽ không dao động.

vAb .

+ Nếu > 1: m ạch dao động đạt ổn định nhanh nh ưng dạng sóng méo

nhiều, tạo ra dạng sóng không sin (bị sái dạng) thiên về vuông.

vAb .

+ Nếu > 1 và g ần bằng 1: m ạch đạt đến độ ổn định ch ậm nhưng dạng

sóng ra ít méo.

4.1.2. Mạch tạo sóng sin âm tần (mạch dao động RC).

a. Mạch dao động dời pha.

C

C

C

V0

KĐ đảo pha

Đệm AV=1

R

R

R

V1

=

=

=

V

VA

b

V 1

VA v

0

2

V 1

vb

0

Sơ đồ nguyên lý của mạch dao động dời pha.

Hình 4. 2: Sơ đồ nguyên lý của mạch dao động dời pha

48

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Khối hồi tiếp gồm 3 m ạch RC tạo ra s ự lệch pha gi ữa áp ngõ ra và áp ngõ

vào là 180 độ, qua tầng đệm có tổng trở nhập cao để tránh ảnh hưởng đến đặc tính

khối hồi ti ếp. Tín hi ệu sau đó được đưa qua m ạch khu ếch đại đảo pha có h ệ số

khuếch đại Av và đưa trở về ngõ vào khối hồi tiếp.

Mạch có thể dùng BJT, FET, OPAMP.

Người ta tính toán định lượng, xác định được:

1

=

f

0

6

RC

2 p

Tần số dao động:

29

vA ‡

và

Nếu mạch sử dụng opamp thì có sơ đồ như hình.

b. Mạch dao động cầu Wien:

Một trong những phương pháp tốt và dễ thực hiện để có một mạch dao động

tạo sóng sin là nối một mạch khuếch đại thuật toán (Opamp) với một mạng chọn tần

số dạng cầu Wien theo cấu hình như hình vẽ.

Hình 4. 3: Mạch dao động cầu Wien

RCR C tạo thành khối hồi tiếp dương, còn R3, R4 là nhánh

112

2

Nhánh cầu Wien

R=

= C=

= ,

hồi tiếp âm để ổn định biên độ tín hiệu dao động ở ngõ ra.

CC 1

2

RR 1

2

49

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

. Thực tế để đơn giản người ta chọn:

Đặc trưng chủ yếu của mạng cầu Wien là quan h ệ pha gi ữa ngõ ra và ngõ

090

090+

00 ở tần số trung tâm

0f ,

=

f

- đến , chính xác b ằng vào của mạng thay đổi từ

0

1 RCp 2

người ta xác định được , và R4 = 2R3

Trong hình vẽ, mạng cầu Wien được nối giữa ngõ vào không đảo và ngõ ra

=

của opamp nên m ạch có độ dịch pha toàn th ể bằng 0 và m ạch khuếch đại có hệ số

=+=+ 11

A v

R 4 R 3

R 2 3 3 R 3

) khuếch đại Av = 3 ( vì

4.1.3. Mạch tạo sóng sin cao tần (mạch dao động LC):

Gồm 3 phần:

- Khung dao động LC: tạo ra tín hiệu (sóng) hình sin (tắt dần).

- Mạch khuếch đại.

- Mạch hồi tiếp dương : b ổ sung năng lượng cho khung dao động LC tạo

dao động duy trì.

L

C

Ở đây, ta chỉ nói đến khung dao động LC:

Hình 4. 4: Khung dao động LC

Ban đầu tụ C được tích điện.

C // L: Điện tích trên C phóng qua L tạo nên dòng I giảm dần.

Trong L có i thay đổi đi qua sinh ra suất điện động cảm ứng e .

L

e = -

di dt

50

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

L // C : Suất điện động e tích điện cho C với chiều ngược lại:

C // L : Điện tích trên C phóng qua L

L

e = -

di dt

'

''

=

=

Suy ra trong khung LC, ta có suất điện động điện từ hình sin.

dqidt=

qit= fi

i

= fi q

q

dq dt

di dt

fi

Tất cả các công th ức điện một chiều đều áp dụng được cho điện xoay chiều

với giá trị tức thời.

Ta có:

r

fi = 0

u

e

.

ui r e= -

» ( )

Hai đầu tụ điện:

u

e= =

q C

q = C.u fi

Vậy:

=

Lqq

1 q

.

0

q fi+ =- CLC

2

2

¢ ¢ ¢ ¢

=+

:

q

0

w

w¢ = q

1 LC

¢ Đặt:

= qQ

)

+ tw j

0 sin(

)

+ ( w j

Đây là phương trình vi phân bậc hai có nghiệm là dao động điều hòa:

Qq == 0 uSin t C C

Suy ra:

¢== iqQ

)

+ tww j 0 cos(

fi

1

=

=

f

Vậy trong khung dao động LC có một dao động hình sin tạo ra có tần số:

w 2 p

LC

2 p

.

4.2. Mạch tạo sóng vuông.

Sóng vuông có th ể được xem như dạng xung tự do và dễ dàng hoặc được tạo

ra bằng cách bi ến đổi các dạng sóng có s ẵn ho ặc được tạo ra tr ực ti ếp từ các lo ại

51

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

mạch tạo sóng khác nhau.

Một phương pháp khác tạo ra các sóng vuông là s ử dụng một opamp kết nối

thành mạch tự dao động cơ bản như trình bày ở hình vẽ.

Hình 4. 5:Mạch dao động cơ bản dùng opamp

Mạch này s ử dụng ngu ồn cấp điện đôi đối xứng và ngõ ra c ủa Opamp s ẽ

chuyển đổi liên tục giữa các mức điện áp b ảo hòa d ương và mức điện áp bão hòa

âm của Opamp (trong th ực hành ng ười ta có th ể lấy điện áp của các mức điện áp

bão hòa bằng khoảng 90% điện áp của các nguồn cấp điện tương ứng).

Mạch chia áp R 2 – R3 cung cấp một phần các điện áp ngõ ra tr ở về ngõ vào

không đảo của opamp t ạo thành các điện áp ng ưỡng dương ( V ng+) và điện áp

ngưỡng âm ( Vng-) để so sánh. Điện áp ngưỡng bằng điện áp bão hòa nhân với hệ số

R 3 R+

3

R 2

). hồi tiếp (

Hoạt động của mạch ở hình vẽ trên như sau:

- Khi ngõ ra đang ở mức điện áp cao ( điện áp bão hòa d ương), tụ C1 nạp

điện thông qua R 1 cho đến khi điện áp trên C 1 đạt đến bằng điện áp ngưỡng dương

Vng+, ho ạt động so sánh xu ất hiện và ngõ ra c ủa opamp sẽ chuyển sang tr ạng thái

bão hòa âm. Tụ C1 bây giờ bắt đầu phóng điện qua R1, điện áp trên R 1 giảm xuống

cho đến khi đạt đến bằng điện áp ng ưỡng âm Vng-, hoạt động so sánh lại xuất hiện

và ngõ ra của opamp sẽ lại chuyển sang trạng thái bão hòa dương. Chu kỳ như vậy

52

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

cứ tiếp tục và ta có dạng sóng vuông đối xứng ở ngõ ra của opamp.

- Dạng sóng trên t ụ C1 là d ạng sóng tam giác không tuy ến tính có biên độ

thay đổi giữa hai điện áp ng ưỡng dương và âm của ngõ vào không đảo của opamp.

Các dạng sóng này dao động đối xứng qua mức điện áp 0 V. Với một opamp tần số

cao và tốc độ nhanh thì dạng sóng vuông sẽ có thời gian tăng và giảm nhỏ.

Tần số hoạt động của mạch này có thể thay đổi bằng cách thay đổi hoặc trị số

của R1 hoặc C1 hoặc thay đổi tỉ số R2 – R3, mạch này như vậy khá linh hoạt.

4.3. Mạch tạo sóng răng cưa và tam giác.

Các dạng sóng răng cưa và tam giác có nhi ều ứng dụng trong điện tử và có

thể được tạo ra theo nhi ều cách khác nhau. Sóng tam giác đặc biệt thường dùng để

kiểm tra độ sái d ạng xuyên tâm trong các m ạch khu ếch đại âm t ần ho ặc th ường

dùng để điều ch ế các tín hi ệu âm tần tạo ra các hi ệu ứng âm thanh đặc biệt,…Sóng

răng cưa có thể được dùng làm các chuẩn thời gian cho các máy hiện sóng…

Sau đây tôi sẽ trình bày mạch tạo sóng răng cưa dùng Opamp.

Các opamp có th ể được sử dụng để tạo ra các d ạng sóng răng cưa hoặc tam

giác tần số thấp. Một phương pháp đơn giản được thể hiện qua mạch như hình vẽ.

Hình 4. 6:Mạch tạo sóng tam giác tần số thấp

Trong đó IC 1 được nối thành mạch dao động tự phục hồi đơn giản có dạng

như hình vẽ ở mục 4 (tạo ra dạng sóng tam giác đối xứng nhưng không tuyến tính

trên tụ C1 và sóng vuông ở ngõ ra chân 6) và IC 2 được dùng làm m ạch khuếch đại

không đảo dấu có hệ số khuếch đại bằng 1 hoạt động như một mạch đệm giữa dạng

53

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

sóng trên tụ C1 và tải bên ngoài.

Hoạt động cơ bản của mạch ở hình vẽ trên như sau:

- Tụ C1 trước tiên nạp điện về phía điện áp dương ở ngõ ra c ủa IC1 qua R –

RV1 cho đến khi đạt điện áp kích khởi (xác định bởi mạch chia áp R2 – R3), lúc này

ngõ ra của opamp chuyển trạng thái xu ống mức th ấp và t ụ C1 phóng điện về phía

điện áp âm ở ngõ ra IC 1 qua R – RV 1 cho đến khi đạt điện áp kích kh ởi th ứ hai

(cũng xác định bởi mạch chia áp R 2 – R 3) làm cho ngõ ra c ủa opamp chuy ển về

trạng thái ban đầu và chu k ỳ như trên được lặp lại. Một dạng sóng tam giác t ương

đối tuyến tính có tần số thay đổi được lấy ra trên tụ C1.

- Mạch trên tạo ra dạng sóng tam giác đối xứng vì tụ C1 nạp điện và phóng

54

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

điện qua cùng một mạng điện trở.

Chương V – PHÂN TÍCH TÍN HIỆU

5.1. Phân tích chuỗi Fourier một tín hiệu tuần hoàn.

5.1.1. Biểu diễn thực.

Một tín hiệu s(t) biến đổi theo thời gian có thể phân tích thành tổng các hàm

) )

( cos .n

( .n

0

( .A n

) sin.Bt. n

= 1n

sin và hàm cos có vận tốc góc là bội số của w theo công thức sau: ¥ + + w w (cid:229) = A)t(s t.

( ) dt.ts

0

T

= với là giá trị trung bình của tín hiệu s(t) A (cid:242) 1 T

)

( ) .ts

( .n

n

T

= w A cos t. (cid:242) 2 T và

)

( ) sin.ts

( .n

n

T

= w B t. (cid:242) 2 T

5.1.2. Biểu diễn thực kiểu 2.

)

( cos .n

0

n

= 1n

n

Tín hi ệu s(t) cũng có thể phân tích theo dạng rút gọn của cách trên như sau: ¥ + j - w (cid:229) = A)t(s t. .C n

n

2 n

n

= j với C và tan + 2 BA n B = n A

Mỗi một xung của wn được gọi là sóng hài hạng n và hài hạng 1 được gọi là

hài chính.

5.2. Trường hợp đặc biệt đối với hàm chẵn và hàm lẽ.

Nếu s(t) là hàm ch ẵn, nghĩa là Bn = 0 khi n l ớn hơn hay bằng 1 (thành ph ần

hàm sin không có khi phân tích hàm s(t), tất nhiên vì hàm sin là hàm lẻ).

Nếu s(t) là hàm lẻ, nghĩa là An = 0 khi n lớn hơn hay bằng 1, thành phần hàm

55

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

cos không có khi phân tích fourier hàm s(t).

5.3. Phân tích chuỗi Fourier tín hiệu vuông và tín hiệu tam giác.

a. Tín hiệu sóng vuông.

s(t)

S

T

t

- S

Xét tín hiệu vuông sau:

Hình 5. 1: Tín hi ệu sóng vuông

Tín hiệu này là hàm lẻ, An = 0 đối với n 1‡ và giá trị A0 = 0. Sóng vuông

T

phân tích Fourier chỉ còn lại thành phần Bn.

T

T -+

( ) sin.ts

( .n

) dt.t.

2 sin.S

( .n

) dt.t.

( .n

) dt.t.

n

T

0

0

2

T

2

ø Ø œ Œ = = w w w sin.S B (cid:242) (cid:242) (cid:242) œ Œ 2 T 2 T ß º

(

] )

+

)T ] )

[

( .n

[ ( cos .n

T

0

n

2

= w w - cos t. t. B p S.2 n.2

) )

( 1.

( cos .n

= p - B n p S.2 n.

Khi n là số chẵn thì Bn = 0

= Khi n là số lẻ thì Bn p S.4 n.

)

)

Cuối cùng tín hiệu vuông được phân tích thành :

(

)

( .3 3

( .5 5

w w ø Ø S.4 sin t. sin t. = + + (cid:215)+ (cid:215) (cid:215) w )t(s sin t. œ Œ p ß º

b. Tín hiệu sóng tam giác.

56

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Xét sóng tam giác r(t) sau :

s(t)

R

T

t

- R

Hình 5. 2: Tín hiệu sóng tam giác

Ta thực hiện như trên, nhận thấy giá trị trung bình A0 = 0

Sóng tam giác cũng là hàm lẻ, thành phần Bn được tính, và tín hiệu tam giác

được phân tích thành :

)

)

(

)

( cos .3 2 3

( cos .5 2 5

w w - ø Ø t. t. = + + (cid:215)+ (cid:215) (cid:215) w )t(r cos t. Œ œ R.8 2 p º ß

* Nhận xét : So sánh kết quả phân tích chu ỗi Fourier của sóng vuông và sóng tam

giác, rõ ràng sóng tam giác là k ết qu ả tích phân c ủa sóng vuông. N ếu th ực hi ện

tương tự đối với sóng sin, ta cũng nhận thấy sóng sin là kết quả tích phân của sóng

57

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

tam giác.

Chương VI – LẮP RÁP MÁY PHÁT SÓNG

6.1. Khảo sát thực nghiệm của OPAMP:

6.1.1. Mạch tạo sóng vuông.

Giá trị các thành phần được sử dụng:

C1 = 0.01 Fm

R1 = 27 K

R2 = 100K

R = 100K

V15

– Nguồn VCC =

1

=

=

f

Ta có công thức xác định tần số sóng như sau:

1 T

+

.2

RC

1ln

R 12 R

2

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł

Quan sát dạng xung ra ta thấy hoàn toàn vuông:

Hình 6. 1: Mạch tạo sóng vuông và dạng sóng thu được.

Tần số đo được trong trường hợp này là gần 1000 Hz.

Theo tính toán ta có:

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

58

1

1

=

=

=

=

f

1157

(9,

Hz

)

1 T

6

+

+

.2

3 10.01,0.10.100

1ln

RC

2

1ln

27.2 100

R 2 1 R

2

(cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) - (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł ł Ł

Như vậy, ta thấy công thức tính gần đúng với thực nghiệm.

Mối quan hệ giữa tụ điện và tần số:

)

( Fm

Frequence(Hz) Periode(s) Capacite

0.011 1053 0.001

0.012 965 0.001

0.11 105 0.01

0.21 55 0.02

0.31 37 0.03

0.41 28 0.04

0.51 23 0.05

Ta có dạng đồ thị như sau:

120

100

80

60

e c n e u q e r F

40

20

0

0.31

0.51

0.11

0.21

0.41

Capacite

Hình 6. 2: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tụ điện và tần số

Khi mắc thêm tụ điện 0.001 Fm song song với tụ ban đầu thì ta có dạng sóng như

hình sau:

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

59

Hình 6. 3:Dạng sóng thu được khi mắc thêm tụ 0.001μm

Fm1.0

Tương tự như trên nhưng ta thay tụ vừa mắc bằng tụ thì dạng sóng như sau:

Hình 6. 4:Dạng sóng thu được khi mắc thêm tụ 0.1 μm

Như vậy, ta thấy rằng:số tụ mắc song song tăng lên, điện dung tăng thì tần số sẽ

giảm:

+ Điện dung tăng lên ít: Tín hiệu vẫn còn vuông, méo ít.

+ Điện dung tăng lên nhiều:Tín hiệu không còn vuông nữa.

Bây giờ, ta sẽ thay đổi tổng điện trở của mạch bằng cách mắc thêm một số điện trở

song song với điện trở R, cụ thể là mắc thêm ba điện trở 100K. Ta có dạng sóng

như hình sau:

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

60

Hình 6. 5: Sơ đồ mạch và dạng sóng thu được khi mắc thêm ba điện trở 100K

Khảo sát ảnh hưởng của điện trở đến tần số của mạch qua bảng số liệu sau:

W Frequence(Hz) Periode(s) Resistance(K )

6934 0.0001 16.7

5790 0.0002 20

4632 0.0002 25

3477 0.0003 33.3

2316 0.0004 50

Ta có đồ thị

8000

7000

6000

5000

4000 3000

e c n e u q e r F

2000

1000

0

50

16.7

33.3

20 25 Resistance

Hình 6. 6: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa điện trở và tần số.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

61

Nhận xét:

Khi điện trở trong mạch giảm đi, thì tần số tăng lên và tín hiệu vẫn là hình vuông.

6.1.2. Mạch tạo sóng tam giác từ sóng vuông.

Giá trị các thành phần được sử dụng: R' = 100K

R3 = 10K

R4 = 10K

C2 = 0.1 Fm

Sơ đồ mạch và dạng sóng như sau:

Tần số 1 KHz

Tần số 2 KHz

Tần số 3 KHz

Hình 6. 7: Mạch tạo sóng tam giác và dạng sóng thu được khi thay đổi tần số.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

62

Qua mạch tích phân trên thì từ dạng sóng vuông cung cấp ban đầu, ta có

sóng tam giác.Quan sát 3 dạng sóng ứng với 3 tần số khác nhau, ta thấy:khi càng

tăng tần số thì biên độ của sóng càng nhỏ.

Khảo sát ảnh hưởng của điện trở đến dạng sóng thu được.

- Lần lượt mắc 2 điện trở có giá trị 10K và hai điện trở 1K song song với

điện trở R', ta thu được dạng sóng như sau:

Hình 6. 8: Mạch tạo sóng tam giác mắc thêm điện trở và dạng sóng thu được.

Nhận xét:

Khi tổng trở của của mạch giảm xuống:

+ Giảm xuống ít (ứng với thêm hai điện trở loại 10K): sóng tam giác bị cong đi.

+ Giảm xuống nhiều (ứng với thêm hai điện trở loại 1K): không còn dạng sóng tam

giác nữa.

Tương tự như trên nhưng ta thay đổi điện dung của mạch bằng cách mắc

thêm một số tụ song song với tụ C ( ví dụ như loại tụ 104): nhận thấy khi điện dung

toàn mạch tăng lên, dạng sóng vẫn tam giác nhưng biên độ nhỏ hơn.

6.1.3. Mạch tạo sóng sin từ sóng tam giác.

Giá trị các thành phần sử dụng. R'' = 100K

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

63

R5 = 100K

R6 =10K

C3 = 0.001 Fm

Sơ đồ mạch như hình.

Hình 6. 9: Mạch tạo sóng sin

Quan sát dạng sóng ra như sau:

Tần số nhỏ Tần số lớn

Hình 6. 10: Dạng sóng thu được khi thay đổi tần số

Nhận xét:

Khi sóng tam giác cung cấp có:

+ Tần số nhỏ thì cho dạng sóng ra không sin.

tần số càng lớn sóng càng sin, đồng thời + Tần số lớn: dạng sóng ra là sóng sin fi

biên độ sóng giảm xuống.

Nếu mắc song song với tụ C3 một số tụ thì ta cũng nhận thấy tương tự: sóng

sin, biên độ giảm.

Như vậy: thông qua mạch điện sử dụng linh kiện chính là opamp, xuất phát

từ một mạch tạo sóng vuông ban đầu, ta đã thu được hai dạng sóng tam giác và

sóng sin.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

64

6.2. Sơ đồ khối:

Như ta th ấy với 3 IC OPAMP ta có th ể tạo thành một máy phát sóng hoàn

chỉnh, cho phép chọn loại dạng sóng, thay đổi tần số.

Sơ đồ khối của máy phát như sau:

– Nguồn 9 VDC

Tạo sóng vuông Tạo sóng tam giác Tạo sóng Sin Khuếch đại

Hình 6. 11: Sơ đồ khối máy phát.

6.2.1. Tạo bộ nguồn – 9V.

78xx

IN

OUT

GND

C1

C3

+ 9V

79xx

C2

- 9V

OUT

GND

C4

IN

a. Sơ đồ mạch:

Hình 6. 12: Mạch điện bộ nguồn

b) Giải thích:

Linh kiện sử dụng trên mạch gồm: 4 điôt, 4 tụ điện và hai ổn áp 7809 và

7909.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

65

- Bốn điôt có tác dụng chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều.

+ Nửa chu kỳ đầu: Đ1, Đ3 dẫn. Dòng điện qua Đ1, C1, C2, Đ3 rồi về nguồn. Đ1 dẫn

nạp cho tụ C1,C2 có chiều dương trên, âm dưới.

+ Nửa chu kỳ sau: Đ2, Đ4 dẫn. Dòng điện chạy qua Đ2, C1, C2, Đ4 về nguồn. Đ2 dẫn

nạp điện cho tụ C1, C2 có chiều dương trên âm dưới.

Như vậy, cả hai nửa chu kỳ: dòng điện đều qua hai tụ C1, C2 một chiều từ

trên xuống: trên dương, dưới âm.

- Trên hai tụ C1, C2 diễn ra quá trình nạp - xả, làm cho hiệu điện thế một chiều bớt

mấp mô.

- Hai ổn áp 7809 và 7909 có tác dụng ổn định điện áp ra:

+ Ổn áp 7809: ổn định điện áp dương đầu ra.

+ Ổn áp 7909: Ổn định điện áp âm đầu ra.

- Sau khi điện áp ra đã được ổn định, qua hai tụ C3, C4: hiệu điện thế 1 chiều trở nên

bằng phẳng hơn.

V9–

Như vậy, sau khi tiến hành lắp mạch tạo nguồn như ở hình vẽ trên: ta thu

tương đối bằng được điện áp ra trên hai tụ C3,C4 là điện áp 1 chiều có giá trị

phẳng.

Hình 6. 13: Bộ nguồn lắp thực tế.

6.2.2. Mạch tạo sóng và biến đổi sóng:

Ta lắp ráp mạch tạo sóng theo sơ đồ sau:

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

66

Sóng sin

R13

R12

R11

- +

C5

R10

R9

Sóng tam giác

R8

C - +

C4

R7

R6

Sóng vuông

R5

B - +

R4

R3

RV3

- +

RV2

R2

C1

C2

A

R1

C3

RV1

Hình 3.1: Sơ đồ mạch tạo sóng của máy phát sóng

Hình 6. 14: Sơ đồ máy phát sóng.

Bây giờ, ta xét từng mạch một.

Mạch tạo sóng vuông: Mạch (A)

Các giá trị sử dụng: R1 = 180K, R2 = 50K, R3 = 10K, R4 = 27K, R5 = 100K

C1 = 0,01 Fm , C2 = 0,01 Fm , C3 = 0,022 Fm

Mạch tạo sóng vuông được nối với mạch tích phân cho ta sóng tam giác thông qua

R6 = 10K. Mạch (B)

Mạch tích phân cho sóng tam giác : sử dụng các linh kiện sau:

R7 = 10K, R8 = 100K, C4 = 0,1 Fm .

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

67

Mạch tích phân này được nối với mạch tích phân thứ hai cho ta sóng sin thông qua

R9 = 100K : mạch (C)

Ở mạch này sử dụng các linh kiện: R10 = 10K, R11 = 100K, C5 = 0,1 Fm .

Và cuối cùng sóng sin này đi qua một mạch khuếch đại.

Nguồn cung cấp: 9V–

Sau khi lắp mạch vào nguồn, ta được dạng sóng vuông : ứng với R2

R2 lớn nhất

R2 nhỏ nhất

Sóng tam giác

R2 nhỏ nhất

R2 lớn nhất

Sóng tam giác

R2 nhỏ nhất

R2 lớn nhất

Sóng sin

Hình 6. 15: Các dạng sóng thu được qua các mạch A, B, C khi thay đổi R2

Tần số sóng thu được trong trường hợp này là:625 Hz - 1785 Hz.

Nhận xét: tần số các dạng sóng không thay đổi.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

68

Tương tự như trên, ta thay đổi biến trở RV2 hoặc RV3 cũng thu được dạng sóng

vuông, tam giác, sin tương ứng với các tần số sau:

+ Thay đổi RV1: 312 Hz – 500 Hz.

+ Thay đổi RV3: 1 470 Hz – 2 272 Hz.

Như vậy, ta có được mạch tạo sóng khá đa năng, nhờ vào các chuyển mạch.

Hình 6. 16: Mạch máy phát sóng thực tế.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

69

KẾT LUẬN

Sau khi nghiên cứu lý thuyết, chúng tôi đã tiến hành lắp ráp một số mạch rời,

cụ thể là:

- Lắp mạch tạo sóng vuông, sau đó tiến hành thay đổi điện trở và điện dung

của mạch, tùy vào vi ệc thay đổi mà ta thu được dạng sóng khác nhau v ới một độ

méo dạng nào đó. Ở phần trên tôi đã trình bày cụ thể vấn đề này.

- Lắp mạch tạo sóng tam giác sau khi cung c ấp sóng vuông cho đầu

vào.Sóng vuông qua mạch tích phân này, cho ta d ạng sóng tam giác ở đầu ra. Tiến

hành thay đổi tần số của sóng vuông đầu vào, nhận thấy biên độ của sóng tam giác

thay đổi.

Khảo sát sự ảnh hưởng của điện trở đối với dạng sóng ra, thông qua thay đổi

điện trở và gi ữ nguyên tần số, thu được kết quả sau: tổng trở của mạch càng gi ảm

thì dạng sóng không còn là tam giác.

Khi thay đổi điện dung toàn m ạch, cụ thể là tăng lên và gi ữ nguyên tần số:

Sóng vẫn tam giác nhưng biên độ nhỏ hơn.

- Lắp mạch tạo sóng sin v ới sóng đầu vào là sóng tam giác: sóng tam giác

qua mạch tích phân cho ta sóng sin ở đầu ra.Thay đổi tần số sóng đầu vào, ta thấy:

sóng không sin, t ần số lớn fi sóng càng sin và biên độ sóng gi ảm tần số nh ỏ fi

xuống.

Tiến hành thay đổi điện dung toàn mạch bằng cách mắc thêm một số tụ song

song với tụ ban đầu: ta cũng thu được kết quả như trên mà không cần phải thay đổi

tần số sóng đưa vào.

- Nhận th ấy biên độ tín hi ệu ra vẫn còn nhỏ nên chúng tôi ti ến hành lắp ráp

mạch tạo sóng sin v ới một mạch kh ếch đại để khu ếch đại biên độ tín hi ệu ra lớn

hơn.

Thông qua những kết quả nhận được như trên, chúng tôi đã tiến hành lắp ráp

V9–

mạch tạo sóng nh ư hình 6.13 và 6.16, đồng thời tạo nguồn điện cung cấp cho

mạch.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

70

Ở mạch này ta sẽ thu được các sóng vuông, tam giác, sin thông qua các ngõ

ra khác nhau. Bằng cách thay đổi biến trở, chúng ta thay đổi được biên độ và tần số

sóng ra. Có ba dải tần số hoạt động ứng với các dạng sóng khác nhau khi ti ến hành

chuyển mạch.

Máy phát sóng này tuy đơn giản nhưng mang đầy đủ các tính năng, giá thành

lại rẻ, dễ thực hiện. Tôi hy vọng sẽ giúp ích cho những bạn khác đam mê điện tử, và

giúp ích cho nh ững phòng thí nghi ệm ở phổ thông. Nếu có điều kiện tiếp tục tôi sẽ

thực hiện cải tiến máy phát để có dãy tầng rộng hơn và chính xác hơn.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

71

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Phan Thanh Vân (2007), " Giáo trình vô tuyến điện tử", Nxb ĐHSP TPHCM.

2. Tống Văn On (chủ biên) (2000), " Vi mạch và mạch tạo sóng", Nxb Giáo Dục.

3. Lê Phi Y ến, Lưu Phú, Nguyễn Nh ư Anh, " K ỹ thuật điện tử", Nxb Khoa h ọc và

kỹ thuật.

4. Nguyễn Ngọc Tân, Ngô Tấn Nhơn (2009), "Kỹ thuật đo".Tập 2: Đo điện tử, Nxb

ĐHQG TPHCM.

5. Ngô Tấn Nhơn (2008), " Hướng dẫn thực tập điện tử A", Nxb ĐHQG TPHCM.

6. Jean - Marie Bre'Bec (2002), "Điện tử - Điện động học 1", Nxb Giáo Dục.

7.Jean - Marie Bre'Bec (2002), " Điện tử - Điện động học 2", Nxb Giáo Dục.

8. Hoàng Thị Minh Nghi (2004),"Luận văn tốt nghiệp".

9.Website:http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/ky-thuat-dien-tu-nguyen-thanh-

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

trung.148194.html và nhiều trang web khác.