1. Trang Chủ
  2. Kĩ thuật Viễn thông
  3. Bộ khuếch đại thuật toán

Bộ khuếch đại thuật toán

Chương này nêu các tính chất của bộ khuếch đại thuật toán (BKĐTT), tầng khuếch đại vi sai và các mạch điện ứng dụng BKĐTT. Nội dung của chương gồm: - Tính chất chung của BKĐTT: trở kháng vào, trở kháng ra, hệ số khuếch đại. Giới thiệu đặc tuyến truyền đạt, đặc tuyến tần số của BKĐTT - Mạch khuếch đại vi sai: cấu tạo của tầng khuếch đại vi sai cơ bản, tầng khuếch đại vi sai có tải động kiểu gương dòng, tầng khuếch đại vi sai dùng tranzito trường. - Mạch khuếch đại đảo, mạch khuếch... Chương 2: Bộ

Thể loại Tài liệu miễn phí Kĩ thuật Viễn thông

Số trang 29

Ngày tạo 8/29/2018 5:47:38 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước

Tên tệp

Tải Bộ khuếch đại thuật toán (.pdf)

Xem mẫu

  1. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán CHƯƠNG 2: BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN GIỚI THIỆU CHUNG Chương này nêu các tính chất của bộ khuếch đại thuật toán (BKĐTT), tầng khuếch đại vi sai và các mạch điện ứng dụng BKĐTT. Nội dung của chương gồm: - Tính chất chung của BKĐTT: trở kháng vào, trở kháng ra, hệ số khuếch đại. Giới thiệu đặc tuyến truyền đạt, đặc tuyến tần số của BKĐTT - Mạch khuếch đại vi sai: cấu tạo của tầng khuếch đại vi sai cơ bản, tầng khuếch đại vi sai có tải động kiểu gương dòng, tầng khuếch đại vi sai dùng tranzito trường. - Mạch khuếch đại đảo, mạch khuếch đại thuận, mạch khuếch đại lặp lại. - Phương pháp chống trôi và bù điểm không: dùng điện trở cân bằng, dùng nguồn nuôi để hiệu chỉnh điện áp một chiều đầu ra ở chế độ tĩnh của BKĐTT. Mục đích của những phương pháp này là giũ cho điện áp đầu ra cân bằng không khi không có tín hiệu vào. - Mạch cộng: có mạch cộng thuận, mạch cộng đảo. Mạch cộng thuận các tín hiệu cần cộng đưa vào của thuân. Mạch cộng đảo các tín hiệu cần cộng đưa vào cửa đảo. - Mạch trừ: tín hiệu đưa vào hai cửa thuận và đảo. Tín hiệu bị trừ đưa vào cửa cộng, tín hiệu trừ đưa vào cửa đảo. - Mạch vi phân: mạch vi phân là mạch mà điện áp ra tỉ lệ với vi phân của điện áp vào. - Mạch tích phân: mạch tích phân là mạch mà điện áp ra tỉ lệ với tích phân điện áp vào. - Mạch tạo hàm loga: điện áp ra tỉ lệ với logarit tự nhiên của điện áp vào. - Mạch tạo hàm mũ: điện áp ra tỷ lệ với mũ logarit tự nhiên của điện áp vào - Mạch nhân tương tự: cho điện áp ra tỷ lệ với tích tức thời các điện áp vào. - Mạch lọc tích cực: cấu tạo mạch lọc tích cực gồm có BKĐTT kết hợp với các phần tử RC. Mạch lọc tích cực làm việc ở vùng tần tháp có ưu điểm gọn nhẹ, phẩm chất lọc cao. Có các mạch lọc thông cao, thông thấp, thông giải, chặn giải tương tự như các mạch lọc thụ động. Bậc của bộ lọc là số tụ điện chứa trong mạch lọc đó. - Các mạch điện sử dụng BKĐTT ở trên đều làm việc ở chế độ tuyến tính.Trong quá trình chứng minh các công thức điện áp ra của mạch luôn coi hiệu điện áp giữa hai cửa vào BKĐTT U0 rất bé, gần đúng xem như bằng không. - Cần chú ý các mạch điện BKĐTT đều được cấp nguồn đối xứng ±E. Khi vẽ mạch nhiều lúc không vẽ nguồn vào, nhưng xem như mặc định. Điện áp ra đạt cực đại Ur = +Urmax khi BKĐTT bão hoà dương. Điện áp ra đạt cực tiểu Ur = -Urmax khi BKĐTT bão hoà âm, trong đó gần đúng |± Urmax| = E – 2 vôn. 57
  2. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán Kết thúc chương này yêu cầu người học vận dụng lý thuyết làm tốt các bài tập . Qua đó hiểu bài sâu sắc hơn ,nhớ mạch điện chính xác hơn. NỘI DUNG Danh từ ″khuếch đại thuật toán’’ thuộc về bộ khuếch đại dòng một chiều có hệ số khuếch đại lớn, có hai đầu vào vi sai và một đầu ra chung. Tên gọi này có quan hệ tới việc ứng dụng đầu tiên của chúng chủ yếu để thực hiện các phép tính cộng, trừ, tích phân v..v... Hiện nay bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò quan trọng và ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin và xung, trong bộ ổn áp và bộ lọc tích cực v.v... 2.1. CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA BKĐTT Bộ khuếch đại thuật toán được biểu diễn trên hình 2-1. Trong đó Ut, It là điện áp, dòng điện vào cửa thuận. Uđ, Iđ là điện áp, dòng điện vào cửa đảo.Ur ,Ir điện áp ra và dòng điện ra. U0 là điện áp vào giữa hai cửa. Bộ khuếch đại thuật toán khuếch đại hiệu điện áp U0=Ut-Uđ với hệ số khuếch đại K0 > 0. Do đó điện áp ra: +EC U r =K0.U0=K0(Ut-Uđ) (2-1) T It + Ir U0 Nếu U đ = 0 thì U r = K o .U t lúc Iđ Ut Đ - này điện áp ra cùng pha với điện áp vào U t . Ura Uđ -EC Vì vậy cửa T gọi là cửa thuận của bộ khuyếch đại thuật toán và ký hiệu dấu “+”. Tương tự như vậy khi U t = 0 thì Hình 2-1: Bộ khuếch đại thuật toán U r = −K 0 .U đ, điện áp ra ngược pha với điện áp vào nên cửa Đ là cửa đảo của bộ khuyếch đại thuật toán và ký hiệu dấu “-”. Ngoài ra bộ khuếch đại có hai cửa đấu với nguồn nuôi đối xứng ± E C và các cửa để chỉnh lệch không và bù tần. Một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng có những tính chất sau: + Trở kháng vào ZV = ∞ + Trở kháng ra Zra = 0 (2-2) + Hệ số khuếch đại K0 = ∞ Thực tế bộ khuếch đại thuật toán có K0=104÷106 ở vùng tần số thấp. Lên vùng tần số cao hệ số khuếch đại giảm xuống. Nguyên nhân do sự phụ thuộc tham số của Tranzito và điện dung ký sinh trong sơ đồ. Đặc tuyến truyền đạt, đặc tuyến biên độ và đăc tuyến pha như ở hình 2-2 và 2-3. IC khuếch đại thuật toán có khả năng nén tín hiệu đồng pha. Ura K EC K0 K0 đầu vào 2 - 58 f UV 0 0 a) Đặc tuyến biên độ f đầu vào 0 - 45o o
  3. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán Gọi K CM là hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha thì hệ số nén tín hiệu đồng pha được xác định theo biểu thức: K0 G= (2-3) K CM Thường G =103 ÷ 105. Một bộ khuếch đại thuật toán thường có 4 tầng ghép trực tiếp với nhau. Tầng vào là tầng khuếch đại vi sai, tiếp theo là tầng khuyếch đại trung gian (có thể là tầng đệm hay khuếch đại vi sai hai), đến tầng dịch mức và tầng khuếch đại ra. 2.2. MẠCH KHẾCH ĐẠI VI SAI Trong IC khuếch đại thuật toán, ở phía đầu vào mạch khuếch đại vi sai có một đến hai tầng. Hình 2-4 là cấu trúc điển hình của một tầng khuếch đại vi sai làm việc theo nguyên lý cầu cân bằng song song. Hai nhánh cầu là RC1 và RC2, còn hai nhánh kia là các Tranzito T1 và T2 được chế tạo trong cùng một điều kiện sao cho R C1 = R C 2 và T1, T2 có các thông số giống hệt nhau. Điện áp lấy ra giữa hai cực góp (kiểu ra đối xứng) hay trên mỗi cực góp với đất (kiểu ra không đối xứng). Tranzito T3 làm nguồn ổn dòng giữ ổn định dòng IE (là tổng dòng IE1 và IE2) của tranzito T1, T2. Trong sơ đồ nguồn ổn định dòng còn có R1, R2, R3 và nguồn cung cấp EC2, T4 mắc thành điôt làm phần tử bù nhiệt ổn định nhiệt cho T3. Trong sơ đồ rút gọn (hình 2-4b) phần nguồn ổn dòng T3 được thay bằng nguồn dòng IE. + IC1 EC1 + RC1 RC2 IC2 IC1 EC1 UC1=Ur RC1 RC2 UC2=Ur IC2 Ur UC1=Ur T1 T2 UC2=Ur UV1 UV2 Ur IE1 T1 T2 IE2 UV1 UV2 IC R1 IE1 IE2 T3 R2 59 IE ∨
  4. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán Tín hiệu vào tầng vi sai có thể từ hai nguồn riêng biệt UV1 và UV2 hoặc từ một nguồn (hình 2-4c, d). Trong trường hợp sau tín hiệu vào đặt lên cực gốc của một trong hai Tranzito hay giữa hai cực gốc của chúng. Các đầu vào UV1 và UV2 nối theo sơ đồ hình 2-4c, d được gọi đầu vào vi sai. Điện áp một chiều cung cấp cho tầng vi sai là hai nguồn EC1 và EC2 có thể khác nhau hay bằng nhau về trị số. Vì hai nguồn nối tiếp nhau nên điện áp cung cấp tổng là EC = EC1 + EC2. Do có EC2 nên điện thế cực phát của Tranzito T1 và T2 giảm nhiều so với trong sơ đồ hình 2-5 và điều này cho phép đưa tín hiệu tới đầu vào của bộ khuếch đại vi sai mà không cần mạch bù điện áp ở đầu vào. Xét một số trường hợp điển hình. Sơ đồ tầng vi sai yêu cầu dùng Tranzito T1, T2 có tham số giống nhau và RC1 = RC2, do đó khi tín hiệu vào bằng không, cầu cân bằng, điện áp trên cực góp của hai Tranzito bằng nhau và như vậy điện áp ra lấy trên đường chéo cầu Ura = Ura1 +Ura2 = 0. Sơ đồ có độ ổn định cao đối với sự thay đổi điện áp cung cấp, nhiệt độ và yếu tố khác vì độ trôi của hai nhánh giống nhau, điện áp trên cực góp thay đổi cùng một gia số và độ trôi đầu ra gần như bị triệt tiêu. IE Dòng phát I E chia đều cho hai Tranzito nghĩa là I E1 = I E 2 = . Dòng cực gốc được 2 xác định: IE I B01 = I B02 = = I V0 . 2.(1 + β) 60
  5. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán IE IE Dòng cực góp I C1 = I C 2 = α. ≈ . 2 2 và điện áp cực góp là: I E .R C U C1 = U C 2 = E C1 − (2-4) 2 ở đây R C = R C1 = R C 2 . Trạng thái này đặc trưng cho chế độ cân bằng của tầng và gọi là chế độ cân bằng tĩnh. Khi có tín hiệu đưa tới một trong các đầu vào giả sử U V1 > 0 , U V 2 = 0. + IC1 IC2 EC1 RC1 RC2 IC2 RC2 - UC1 UC ΔUC2 Ur IC1 Rn RC1 IE1 IE2 IV UV EC1 + En ΔUC1 Ur UC2 UC1 - IE ∨ ∨ - EC2 a) + b) Hình 2-5: Do tác dụng của tín hiệu vào, xuất hiện dòng điện vào của hai tranzito, dòng cực gốc T1 tăng lên, dòngtầng vi sai 2 giảm tín hiệu Khi đó IE1 V 1 > C1 ,tăng2lên 0. b) BiểuIC2 giảm.thế. a) Sơ đồ cực gốc Tkhi có xuống. vào với U và I 0 U V = còn IE2 và đồ điện Sự thay đổi dòng điện của các tranzito xẩy ra ngược chiều nhau và với cùng một số gia vì tổng dòng điện I E1 + I E 2 = I E giữ nguyên không đổi. Điện áp trên cực góp của tranzito T1 là U C1 = E C1 − I C1 .R C1 giảm một lượng ΔU C1 ngược pha với điện áp vào. Điện áp U C 2 tăng và tạo ra số gia điện áp ΔU C 2 cùng pha với điện áp tín hiệu vào. Như vậy với cách đưa tín hiệu vào như sơ đồ đang khảo sát đầu ra của tầng lấy trên cực góp T1 gọi là đầu ra đảo, còn đầu ra lấy trên cực góp T2 gọi là đầu ra không đảo (thuận). Tín hiệu lấy giữa hai cực góp gọi là tín hiệu vi sai. U ra = U C 2 − U C1 = ΔU C 2 + ΔU C1 = 2.ΔU C ≈ 2. ΔI C .R C . Ta xác định hệ số khuếch đại điện áp của tầng vi sai. Khi hai Tranzito có tham số giống nhau thì dòng vào của tầng là: En En IV = = (2-5) R n + rv1 + rv 2 R n + 2.[rB + rE (1 + β)] 61
  6. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán trong đó En là nguồn tín hiệu vào Rn là điện trở nguồn rV là điện trở vào Tranzito. Dòng điện vào tạo ra số gia dòng điện ra nên ± ΔI C = ±β.I V khi đó ± ΔU r1, 2 = ± ΔU C = ± ΔI C .R C = ± ΔI V .β.R C (2-6) Hệ số khuếch đại của tầng riêng rẽ: ΔU r1,2 β .RC K1,2 = = (2-7) En Rn + 2.[ rB + (1 + β ).rE ] Nếu R n = 0 thì β.R C K 1, 2 = (2-8) 2.[rB + (1 + β).rE ] Hệ số khuếch đại của tầng vi sai khi Rt → ∞ . 2.ΔU ra 2.β .RC KVS = = (2-9) En Rn + 2.[ rB + (1 + β ).rE ] Nếu tính đến Rt thì: 2.β.(R C // Rt ) K VS = (2-10) R n + 2.rV β.R C β.R C Khi Rt → ∞ , R n → 0 thì: K VS = = (2-11) rV rB + (1 + β).rE Trong tầng khuếch đại vi sai của các IC thuật toán, người ta thường thay RC1, RC2 bằng Tranzito, thực hiện chức năng tải động của tầng. Sơ đồ này có hệ số khuếch đại KVS lớn hơn nhiều lần so với sơ đồ đã khảo sát có tải RC. Điều này rất + quan trọng khi thiết kế bộ UBC EC khuếch đại một chiều nhiều tầng. 1 Một trong những sơ đồ như vậy T5 T6 vẽ trên hình 2-6. Tranzito T5, T6 It dùng làm tải động của tầng có IC IC2 tham số giống nhau, T5 được mắc thành điôt. Cách mắc như Rt + Rn + Ut vậy còn được gọi là sơ đồ gương T1 T2 dòng điện. Dòng IC của T1 chảy + IV IE1 IE2 qua T5 tạo nên điện áp U BE 5 xác En U định điện áp vào UBE6. Vì T5 và T6 có tham số giống nhau nên IC6 IE >> 62 - EC 2 Hình 2-6: Sơ đồ tầng vi sai có tải động kiểu gương dòng điện
  7. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán giống IC1.Tín hiệu vi sai lấy ở cực góp T2. IE Khi En = 0 sơ đồ ở chế độ cân bằng tĩnh, dòng I C1 = I C 2 = I C 6 = . Dòng I C 6 chảy 2 qua T2 nên Ura= 0 vì itải = 0. Giả thiết tín hiệu vào có cực tính như ở hình 2-6. Dưới tác dụng của En dòng IB1 tăng, và như vậy làm giảm dòng IB2. Sự thay đổi dòng cực gốc làm thay đổi dòng cực góp. IE I C1 = + β.I V . 2 IE IC2 = − β.I V . 2 IC6 = IC1 nên IE Bởi vì dòng I C6 = + β.I V . 2 Khi đó dòng tải : Itải = I C 6 − I C 2 = 2.β.I V . Nên điện áp đầu ra trên tải: U ra = 2.β.I V .R t . Nếu tải tín hiệu vào đổi dấu thì làm đổi chiều I V , Itải và cực tính điện áp ra. Hệ số khuếch đại điện áp của tầng. U ra 2.β .Rt 2.β .Rt K= = = (2-12) En Rn + 2.rV Rn + 2.[ rB + (1 + β ).rE ] Khi Rn = 0: β.R t K= rB + (1 + β).rE (2-13) + Sơ đồ hình 2-6 có ưu điểm cơ bản là EC1 khả năng chịu tải cao và tải có ưu điểm nối RC1 RC2 - đất và hệ số khuếch đại lớn khoảng vài trăm lần. Trở kháng vào có thể đạt hàng chục Ur1 Ur Ur2 hoặc hàng trăm K Ω . Khi cần có trở kháng vào lớn hơn hàng chục ΜΩ dùng T1 và T2 là tranzito trường. Sơ đồ như ở hình 2-7. Nguyên lý làm việc tương tự như sơ đồ UV1 T1 T2 UV2 hình 2-4. 2.3. MẠCH KHUẾCH ĐẠI IS
  8. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán đảo ta có mạch khuếch đại đảo, nếu đưa tín hiệu vào cửa thuận ta có mạch khuếch đại thuận. 2.3.1. Mạch khuếch đại đảo Mạch khuếch đại đảo cho ở hình 2-8 có Iht Rht thực hiện hồi tiếp âm điện áp qua Rht. Đầu vào thuận được nối đất. Tín hiệu qua R1 đưa tới đầu vào đảo. Nếu coi IC có trở kháng vào vô Io IV R1 N cùng lớn tức ZV → ∞ thì dòng vào IC vô cùng _ bé I0 = 0, khi đó tải nút N có phương trình U0 dòng điện. uV + IV ≈ Iht ura Từ đó có: U V − U 0 U 0 − U ra = R1 R ht (2-14) Hình 2-8: Mạch khuếch đại đảo Khi K → ∞ điện áp đầu vào U ra U0 = → 0 vì vậy 2-14 có dạng: K UV U = − ra R1 R ht Do đó hệ số khuếch đại điện áp của mạch khuếch đại đảo K có hồi tiếp âm song song được xác định bằng phần tử thụ động trong sơ đồ: Rht K =− (2-15) R1 Nếu chọn Rht = R1 thì K = −1 , sơ đồ có tính chất tầng đảo lặp lại điện áp (đảo tín hiệu). U ra Nếu R1= 0 thì từ phương trình I V = I ht ta có I V = − hay U ra = − I V .R ht tức là R ht điện áp ra tỷ lệ với dòng điện vào. Mạch trở thành bộ biến đổi dòng thành áp. Vì U0 = 0 nên Rv = R1, khi K → ∞ thì Rht Rra = 0. 2.3.2. Mạch khuếch đại thuận _ Mạch khuếch đại thuận có hình 2-9 gồm một mạch hồi tiếp âm điện áp đặt vào đầu đảo còn tín hiệu đặt vào cửa thuận. + R1 Ura UV 64 Hình 2-9: Mạch khuếch đại thuận
  9. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán Vì điện áp đặt vào giữa hai cửa rất bé, xem U0 = 0 nên quan hệ giữa UV và Ura xác R1 định bởi: U V = U ra . R 1 + R ht Hệ số khuếch đại điện áp của mạch khuếch đại thuận. U ra R1 + Rht R K = = = 1 + ht (2-16) UV R1 R1 _ Vì R V = ∞ nên I V = 0 . Được dùng khi cần mạch khuếch đại có trở UV + Ura=UV kháng vào lớn. Khi Rht = 0 và R1 = ∞ ta có sơ đồ bộ lặp lại điện áp với K = 1 (hình 2-10). Điện trở vào của mạch Hình 2-10: Mạch khuếch đại lặp lại điện áp khuếch đại thuận rất lớn, bằng điện trở vào của IC, còn điện trở ra R ra → 0 . 2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG TRÔI VÀ BÙ ĐIỂM KHÔNG Khi dùng bộ khuếch đại thuật toán để khuếch đại tín hiệu một chiều có trị số nhỏ thì các sai số chủ yếu do dòng điện tĩnh, điện áp lệch không và hiện tượng trôi gây ra. Các dòng điện tĩnh It, Iđ ở đầu vào bộ khuếch đại thuật toán thực chất là các dòng cực gốc tranzito tầng vào mạch khuếch đại vi sai. Dòng tĩnh cửa thuận It và dòng tĩnh cửa đảo gần bằng nhau. Các dòng tĩnh It và Iđ gây sụt áp trên các cửa vào. Do sự khác nhau trị số các điện trở cửa thuận T và cửa đảo Đ nên sụt áp này cũng khác nhau. Hiệu điện thế của Rht chúng chính là điện áp lệch không. Để giữ cho điện áp lệch không nhỏ, trong mạch R1 khuếch đại đảo, cửa thuận không đấu trực _ tiếp xuống đất mà đấu qua điện trở RC như trên hình 2-11. + RC có trị số bằng điện trở vào cửa đảo, UV Ur nghĩa là: RC R 1 .R ht RC = R 1 + R ht Lúc đó dòng tĩnh gây ra trên hai đầu vào các sụt áp là It.RC và Iđ.(R1//Rht). Thường Hình 2-11: Mạch khuếch đại mắc thêm I t ≈ I đ nên các sụt áp đó gần bằng nhau. điện trở RC Thực tế It ≠ Iđ nên dòng tĩnh I0 = It - Iđ còn gây ra một hiệu điện áp ở đầu vào, gọi là điện áp lệch không U0. Khi đó điện áp ra sai số là: 65
  10. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán R ht U r0 = (1 + ).U 0 (2-17) R1 Để khử sai số này dùng các mạch bù điển hình ở hình 2-12. Việc bù điện áp lệch không được thực hiện theo nguyên tắc: một trong hai đầu vào của bộ khuếch đại thuật toán với một nguồn điện áp biến đổi để có một điện áp ngược với điện áp lệch không trên. Khi cần phải để trống cả hai cửa vào thì mắc mạch bù vào cửa khác có liên quan đến cửa vào. Cần phải chọn các linh kiện mạch bù sao cho bộ khuếch đại thuật toán làm việc bình thường. Ngoài ra còn có hiện tượng trôi điện áp đầu ra do lượng trôi điện áp đầu vào ΔU0 và lượng trôi của dòng tĩnh vào ΔI0. Lượng trôi điện áp đầu ra được xác định: R ht ΔU r 0 = ΔU 0 .(1 + ) − ΔI 0 .R ht (2-18) R1 trong đó: ΔU 0 là lượng trôi điện áp lệch không đầu vào. ΔI 0 là lượng trôi dòng lệch không đầu vào. Biến đổi (2-18) ta có: R ht R ΔU r 0 = .(1 + 1 ).[ΔU 0 − ΔI 0 .(R 1 // R ht )] (2-19) R1 R ht Rht Vào + R1 Ra _ Vào _ Rht Ra + + + R3 R3 R1 R4 R4 _ R2 _ R2 Từ (2-19) rút ra kết luận: Mạch bù điện áp lệch không Hình 2-12: - Nếu nguồn tín hiệu có trở kháng lớn (R1// Rht lớn) thì điện áp sai số ở đầu ra chủ yếu do trôi dòng lệch không đầu vào sinh ra. Ngược lại nếu nguồn tín hiệu có trở kháng nhỏ (R1 nhỏ) thì sai số đầu ra chủ yếu do điện áp lệch không đầu vào sinh ra. Do đó khi cần khuếch đại dòng một chiều nhỏ thì chọn R1 // Rht nhỏ, nếu cần khuếch đại điện áp một chiều nhỏ thì chọn R1 lớn. 66
  11. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán Trong bộ khuếch đại tín hiệu xoay chiều không cần quan tâm đến vấn đề bù lệch không. 2.5. MẠCH CỘNG 2.5.1. Mạch cộng đảo Mạch này các tín hiệu vào đưa tới cửa đảo. Sơ đồ hình 2-13. Coi các điện trở vào bằng nhau. R ht = R 1 = R 2 = ... = R n < R V . I1 R1 U1 Rht U2 R2 ..... Iht Un Rn _ In Ura + Hình 2-13: Mạch cộng đảo Khi IV = 0 thì (vì RV của IC xem = ∞ ) I ht = I1 + I 2 + ... + I n . hay n Ura = −(U1 + U2 + ...+ Un ) = −∑Ui (2 − 20) i =1 Tổng quát khi R 1 ≠ ... ≠ R n có: R ht R R U ra = −( .U1 + ht .U 2 + ... + ht .U n ) R1 R2 Rn U1 U 2 U n = − R ht .( + + ... + n ) = −∑ α i .U i (2-21) R1 R 2 Rn i =1 R ht với α i = Ri Rht 2.5.2. Mạch cộng thuận I1 R Sơ đồ mạch điện ở hình 2-14, ở đây các U1 tín hiệu vào đưa tới cửa thuận. Khi U0 = 0 R _ U2 điện áp ở hai đầu vào bằng nhau và bằng. ..... U0 Ura Un R + In UV_ R1 UV+ 67 Hình 2-14: Mạch cộng thuận
  12. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán R1 U V+ = U V− = .U ra . R 1 + R ht Khi dòng vào đầu thuận bằng không (RV= ∞ ) ta có: U1 − U V − U 2 − U V − U − U V− + + ... + n =0 R R R Hay: U 1 + U 2 + ... + U n = n.U V − R1 U1 + U 2 + ... + U n = n. .U ra R 1 + R ht Từ đó R 1 + R ht R + R ht n U ra = .( U1 + ... + U n ) = 1 .∑ U i (2-22) n.R 1 n.R 1 i =1 Chọn các tham số của mạch thích hợp để có thừa số đầu tiên của vế phải công thức R 1 + R ht (2-22) bằng 1 = 1 và khi đó: n.R 1 n U ra = U 1 + U 2 + ... + U n = ∑ U i i =1 2.6. MẠCH TRỪ Khi cần trừ hai điện áp người ta có thể thực hiện theo sơ đồ hình 2-15. Khi đó điện áp đầu ra được tính theo U ra = K 1 .U 1 + K 2 U 2 (2-23) Có thể tìm K1, K2 theo phương pháp cho điện áp vào từng cửa bằng không. Cho U2 = 0 thì mạch làm việc như một bộ khuếch đại đảo. Ta có: U ra = −α a .U 1 . vậy K 1 = −α a . Khi U1 = 0 mạch trở thành mạch khuếch đại thuận có phân áp vào. Khi đó: U2 Ub = .R b . Ra /αa R U1 Ra Rb + b αb αb Ua _ Hệ số phân áp: 1+ αb Ura αb Ub + Khi đó U ra = (1 + α a ). .U 2 1+ αb U2 Rb /αb Rb Hệ số khuếch đại Hình 2-15: Mạch trừ 68
  13. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán αb K 2 = (1 + α a ). 1+ αb nên Ura khi có U1, U2 là : αb U ra = (1 + α a ). .U 2 − α a .U1 1+ αb Nếu điện trở trên cả hai lối vào là như nhau tức là: αa = αb = α thì K 2 = α, K 1 = −α Vậy : U ra = α.( U 2 − U 1 ) (2-24) 2.7. MẠCH VI PHÂN, MẠCH TÍCH PHÂN 2.7.1. Mạch vi phân Mạch vi phân là mạch điện áp đầu ra tỷ lệ với vi phân điện áp đầu vào, tức là dU V U ra = K. , trong đó K là một hệ số. dt Mạch vi phân dùng IC khuếch đại thuật toán như hình 2-18 Xem như U0 = 0; I0 = 0 nên R dU IV = C V dt IV C I0 _ Mà U ra = −I V .R nên UV U0 dU + UR U ra = −R.C. V (2-26) dt trong đó K = R.C = τ gọi là hằng số vi phân của mạch. Dấu (-) nói lên Ura ngược Hình 2-18: Mạch vi phân pha UV. Khi tín hiệu vào là hình sin thì mạch vi phân làm việc như một bộ lọc tần cao. 2.7.2. Mạch tích phân Mạch tích phân là mạch mà điện áp đầu ra tỷ lệ với tích phân điện áp đầu vào. t U ra = k ∫ U V dt 0 trong đó k là hệ số. Mạch tích phân dùng IC khuếch IC C đại thuật toán có mạch hình 2-19. IV R _ 69V U A + UR Hình 2-19: Mạch tích phân
  14. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán Tại nút A ta có IV = IC hay: dU ra U V − C. = dt R t 1 R.C ∫ nên U ra = − . U V .dt + U ra 0 (2-27) 0 Ở đây Ura0 là điện áp trên tụ C khi t=0 (là hằng số tích phân xác định từ điều kiện ban đầu) Thường khi t=0 UV = 0 và Ura = 0 nên t 1 U ra = − .∫ U V dt (2-28) τ 0 τ = R.C gọi là hằng số thời gian của mạch tích phân. Khi tín hiệu vào thay đổi từng nấc, tốc độ thay đổi của điện áp ra bằng: ΔU ra U =− V Δt R.C nghĩa là ở đầu ra bộ tích phân có điện áp tăng hay giảm tuyến tính theo thời gian. Đối với tín hiệu hình sin mạch tích phân trở thành mạch lọc thông thấp. 2.8. MẠCH TẠO HÀM LOGARIT VÀ LŨY THỪA Trong thực tế thường cần tạo ra một điện áp Ur là hàm số nào đó của điện áp UV, tức là Ur = f(UV). ở đây f là một quan hệ hàm như hàm lôgarit, hàm mũ, hàm lượng giác... Ta xét một vài mạch tạo hàm cụ thể. 2.8.1. Mạch tạo hàm lôgarit Mạch tạo hàm số lôgarit cho điện áp đầu ra: Ur = α1.ln(α2.UV) Muốn vậy ta có thể dùng biểu thức của dòng qua điốt ở phần cấu kiện điện tử U ak I D = I S .(exp − 1) nU t trong đó: IS là dòng điện ngược bão hoà. UT là điện thế nhiệt KT/e0. m là hệ số hiệu chỉnh. 1 < m < 2. Uak là điện áp đặt lên điốt. Trong miền làm việc ID >> IS gần đúng có thể coi: U ak I D = I S .exp mU t 70
  15. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán ID Từ đó U ak = m.U T . ln (2-29) IS chính là hàm lôgarit cần tìm. Để thực hiện quan hệ này, có thể sử dụng như hình 2-20. Nếu vi mạch khuếch đại thuật toán là lý tưởng ta có thể tính như sau: UV ID = , U ra = − U ak R UV rút ra: U ra = −m.U T . ln( ) I S .R ID D IC T R R _ _ UV UV U0 + URa + URa U Hình 2-20: Mạch logarit dùng điôt Hình 2-21: Mạch logarit dùng Có thể thay điốt bằng tranzito nối kiểu điốt, khi đó loại trừ được m và mở rộng phạm vi Tranzitor nối kiểu điốt làm việc của mạch. Lúc này: UV U ra = − U BE = − U T . ln( ) (2-30) I ES .R Mạch điện ở hình 2-21. 2.8.2. Mạch tạo hàm đối lôgarit (hàm mũ) Để tạo hàm đối lôgarit ta mắc phần tử phi tuyến là điốt hay Tranzito vào nhánh vào của IC khuếch đại thuật toán. Mạch nguyên lý được biểu diễn trên hình 2-22. Với mạch dùng điốt ta có: Uv I D = I S .exp . mU t Uv Nên U ra = − R.I S .exp . (2-31) mU t R R ID D IC _ T _ UV U0 UV U0 URa 71 URa + + (a) (b) Hình 2-22: Mạch khuyếch đại đối loga a) Mạch dùng điốt
  16. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán Với mạch b ta dùng tranzito đấu theo kiểu điốt, lúc đó Uv U ra = − R.I S .exp . (2-32) Ut 2.9. MẠCH NHÂN TƯƠNG TỰ Mạch nhân tương tự có sơ đồ quy ước trên hình 2-23. Tín hiệu trên đầu ra của nó tỷ lệ với tích các tín hiệu đặt lên hai đầu vào. Z = k.X.Y. X Z Y k Trong đó: X, Y Là các tín hiệu vào. Z: tín hiệu ra Hình 2-23: Sơ đồ quy ước của mạch k: hệ số tỷ lệ còn gọi là hệ số nhân tương tự truyền đạt của mạch nhân. Trên hình 2-24 là sơ đồ mạch nhân điện áp và mạch tương đương của nó.Mạch nhân điện áp lý tưởng có trở kháng vào hai cửa ZVX, ZVY = ∞ và trở kháng ra Zr = 0. Hệ số truyền đạt lý tưởng không phụ thuộc vào tần số và trị số các điện áp vào UX, UY nghĩa là k là một hằng số. X Y k Zra UX ZVX ~ UZ UX Ura ~ UY ~ k.UX.UY UY ZY (a) (b) Mạch nhân thựcHìnhbởi mạch khuếch đạiđiện áp và mạchcó sơ đồ khối như hình 2-25. hiện 2-24: Mạch nhân lôga và đối lôga nhân tương đương X ln Z Tổng exp Y ln 72 Hình 2-25: Sơ đồ khối mạch nhân dùng mạch khuếch đại lôga và đối lôga
  17. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán Gọi X = kX.UX Y = kY.UY và Z = kZ.UZ. trong đó kX, kY, kZ lần lượt là hệ số tỷ lệ của các điện áp vào UX, UY và điện áp ra UZ. Từ mạch trên ta có: U Z = exp(lnU x + ln U y ) Z X Y XY tức là: = exp(ln + ln ) = expln kz kx ky kx k y Suy ra: kz Z= .X.Y. (2-33) k x .k y Các mạch khuếch đại lôga và đối lôga đã xét ở tiết trước, còn mạch tổng nhờ vi mạch khuếch đại thuật toán thực hiện. 2.10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC Ở tần số cao thường dùng các mạch lọc thụ động RLC. ở tần số thấp các mạch lọc đó có điện cảm quá lớn làm cho kết cấu nặng nề và tốn kém cũng như phẩm chất của mạch giảm. Vì vậy trong phạm vi tần số ≤ 100kHz người ta hay dùng bộ lọc khuếch đại thuật toán và mạng RC- gọi là mạch lọc tích cực để lọc. Khác với mạch lọc thụ động, mạch lọc tích cực được đặc trưng bởi ba tham số cơ bản: tần số giới hạn ωC, bậc của bộ lọc và loại bộ lọc. - Tần số giới hạn ωC là tần số tại hàm truyền đạt giảm đi 3 dB so với tần số ở trung tâm. - Bậc của bộ lọc xác định độ dốc của đặc tuyến biên độ tần số ngoài giải tần. Bậc của bộ lọc được tính bằng số tụ trong mạch lọc. - Loại bộ lọc xác định dạng đặc tuyến biên độ tần số xung quanh tần số cắt và trong khu vực thông của mạch lọc. Cần chú ý rằng mạch điện của các loại bộ lọc thì giống nhau, chúng chỉ khác nhau ở giá trị các linh kiện RC mà thôi. Người ta quan tâm đến 3 loại bộ lọc: lọc Bessel, lọc Butteewroth và lọc Tschcbyscheff. Đặc tính của các bộ lọc đó như ở hình 2-26. |Kd| (dB) 10 0 -10 -20 -30 4 3 2 1 -40 73 -50 f -60 Ω= fg 0,01 0,03 0,1 0,3 1 3 10 30 Hình 2-26: Đặc tính biên độ- tần số của mạch lọc thông thấp bậc bốn:
  18. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán Để tiện xét các mạch lọc, ta đưa vào hàm truyền đạt tổng quát của một mạch lọc thông thấp: K d0 K d ( p) = (2-34) 1 + C1 .p + C 2 .p + C 3 .p 3 + ... + C n .p n 2 j.ω trong đó: P = = jΩ Ci là các hệ số thực, dương. ωC Bậc của bộ lọc chính là số mũ lớn nhất của p. Để thực hiện bộ lọc đó thuận lợi ta phân tích mẫu số của biểu thức (2-34) thành tích các thừa số - có biểu thức: K d0 K d(p) = (2-35) ∏ (1 + a i .p + b i .p 2 ) Kd0 hệ số truyền đạt ở tần số thấp. ai, bi là các số thực, dương. Với bộ lọc bậc lẻ thì có một hệ số bi = 0. Để tính toán các linh kiện của bộ lọc ta dựa vào loại mạch lọc, bậc của bộ lọc n và các hệ số ai, bi ( i là số thứ tự các mắt lọc ), fci / fc, hệ số phẩm chất của mắt lọc thứ i: Qi được tra theo bảng: a. Bảng tham số của mạch lọc Butterworth (b¶ng 1). Bảng 1 n i ai(p) bi(p2) fCi/fC Qi 1 1 1,0000 0,0000 1,0000 - 2 1 1,4142 1,0000 1,0000 0,71 1 1,0000 0,0000 1,0000 - 3 2 1,0000 1,000 1,2720 1,00 4 1 1,8478 1,0000 0,7910 0,54 2 0,7654 1,0000 1,3900 1,31 74
  19. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán b. Bảng tham số của mạch lọc Bessel (b¶ng 2). Bảng 2: n i Ai(p) bi(p2) fCi/fC Qi 1 1 1,0000 0,0000 1,0000 - 2 1 1,3617 0,6180 1,0000 0,58 3 1 0,7560 0 1,3230 - 2 0,9996 0,4772 1,4140 0,69 4 1 1,3397 0,4889 0,9780 0,52 2 0,7743 0,3890 1,7970 0,81 2.10.1. Mạch lọc tích cực bậc một Loại này chỉ dùng cho mạch lọc thông thấp hay thông cao. 2.10.1.1. Mạch lọc thông thấp bậc một Theo (2-35) khi đó hàm truyền đạt có dạng: K do Kd = (2-36) 1 + a1 . p C R R - - R + + C Ura UV Ura UV a) b) Mạch điện như ở Hình2-27 a,b. hình 2-27: Mạch lọc tích cực thông thấp bậc 1 Mạch (a) ta có: Ur 1 1 j.ω K= = = (vì = p) U V 1 + j.ω.R.C 1 + p.ωC .R.C ωC ở đây K do = 1 a 1 = ω C .R.C a1 Biết a, ωC ; chọn R ta có C = ωC .R 75
  20. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán Mạch b ta có: −1 Kd = 1 + p.ω C .R.C ở đây K do = −1 và a 1 = R.C.ωC . a1 Khi biết a1 , ωC và chọn R ta cũng có: C= ωC .R 2.10.1.2. Mạch lọc tích cực thông cao bậc một Đổi chỗ R bởi C và C bởi R, ở mạch thông thấp ta có mạch lọc tích cực thông cao. Mạch như ở hình 2-28. R C _ -_ C + UV + Ura UV R Ura a) b) Hình 2-28: Mạch lọc tích cực thông cao bậc 1 1 Khi đó trong công thức 2-36 thay p ↔ p 1 1 Mạch a có: K= = 1 1 1 1+ 1+ . p.ωC .R.C p ωC .R.C ở đây: K do = 1 1 a1 = ω C .R.C 1 Khi biết a1 , ω C và chọn C ta tính được: R= a.C.ω C 1 Mạch b: K=− 1 1+ p.ωC .R.C ở đây: K do = −1 1 và tương tự khi biết ωC , chọn C ta tính được R (theo a) = . a.C.ω C 76
nguon tai.lieu . vn
Kiến trúc - Xây dựng Tự động hoá Điện - Điện tử Kĩ thuật Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Năng lượng Hoá dầu Hoá học Sinh học