Giáo trình điện tử tương tự lê trần công (chủ biên)

TRƯỜNG CĐN CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI Chủ biên: LÊ TRẦN CƠNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MƠN ĐIỆN TỬ ­­­­­­­***­­­­­­­­­ GIÁO TRÌNH  ĐIỆN TỬ TƯƠ NG TỰ  ( Lưu hành nội bộ) HÀ NỘI 2012 Tun bố bản quyền Tài liệu này là loại giáo trình nội bộ dùng trong nhà trường với  mục đích làm tài liệu giảng dạy cho giáo viên và học sinh, sinh viên nên  các nguồn thơng tin có thể được tham khảo Tài liệu phải do trường Cao đẳng nghề Cơng nghiệp Hà Nội in ấn  và phát hành.  Việc sử dụng tài liệu này với mục đích thương mại hoặc khác với  mục đích trên đều bị nghiêm cấm và bị coi là vi phạm bản quyền Trường Cao đẳng nghề Cơng nghiệp Hà Nội xin chân thành cảm  ơn các thơng tin giúp cho nhà trường bảo vệ bản quyền của mình LỜI NĨI ĐẦU  Trong chương trình đào tạo của các trường trung cấp nghề, cao  đẳng nghề  Điện tử  cơng nghiệp thực hành nghề  giữ  một vị  trí rất quan   trọng: rèn luyện tay nghề cho học sinh. Việc dạy thực hành địi hỏi nhiều  yếu tố: vật tư thiết bị đầy đủ đồng thời cần một giáo trình nội bộ, mang  tính khoa học và đáp ứng với u cầu thực tế Nội dung của giáo trình “Điện tử tương tự” đã được xây dựng trên   sở  kế  thừa những nội dung giảng dạy của các trường, kết hợp với  những nội dung mới nhằm đáp ứng u cầu nâng cao chất lượng đào tạo  phục vụ sự nghiệp cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước,.  Giáo trình được biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, bổ  sung nhiều kiến  thức mới và biên soạn theo quan điểm mở, nghĩa là, đề  cập những nội  dung cơ  bản, cốt yếu để  tùy theo tính chất của các ngành nghề  đào tạo  mà nhà trường tự điều chỉnh cho thích hợp và khơng trái với quy định của  chương trình khung đào tạo cao đẳng nghề Tuy các tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình  chắc chắn khơng tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự  tham gia đóng góp ý kiến của các bạn đồng nghiệp và các chun gia kỹ  thuật đầu ngành Xin trân trọng cảm ơn!                   CH ƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC ĐIỆN TỬ TƯƠ NG TỰ Mã số mơn học:MH 12 Thời gian mơn học:  60 gi ờ;          (Lý thuyết: 20 giờ; Th ực hành: 40   giờ) I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠN HỌC:  * Vị  trí của mơn học: Mơn học đượ c bố  trí dạy sau khi học xong các   mơn cơ bản nh ư linh ki ện điệ n tử, đo lườ ng điệ n tử * Tính chất của mơn học: Là mơn học bắt buộc II. MỤC TIÊU CỦA MƠN HỌC:   Sau khi h ọc xong mơ đun này học viên có năng lực * Về kiến th ức:  ­ Trình bày đượ c ngun lý hoạt động, cơng dụng của các mạch  điện dùng vi mạch t ương t ự ­ Giải thích đượ c các sơ  đồ   ứng dụng vi m ạch t ương t ự  trong   thực tế * Về kỹ năng:  ­ Phân tích đượ c các nguyên nhân hư  hỏng trên mạch  ứng dụng  dùng vi m ạch t ương t ự ­ Kiểm tra, thay th ế  đượ c các linh kiện hư  hỏng trên các mạch   điện tử dùng vi mạch t ương t ự * Về thái độ:  ­ Rèn luyện cho học sinh thái  độ  nghiêm túc, tỉ  mỉ, chính xác  trong th ực hiện cơng việc.  III. NỘI DUNG C ỦA MÔN HỌC:  1. Nội dung t ổng quát và phân bổ thời gian: Thời gian Số  TT Tên chươ ng mục Tổ n g số Lý  Thực hành thuyế (Bài tập) t Kiểm tra* (LT hoặc   TH) Mở đầu:  I Khuếch đại thuật toán 2 20 13 ­ Mạch khuếch đại đảo ­   Mạch   khuếch   đại  không đảo 0,5 ­ Khái niệm ­ Cấu trúc chung của họ  IC khuếch đại thuật tốn  thơng dụng II Ứng   dụng     khuếch  đại thuật toán ­ Mạch cộng ­ Mạch tr 0,5 ­ Mạch nhân 0,5 ­ Mạch chia 0,5 ­ Mạch khuếch đại vi sai 0,5 1 0,5 ­ Mạch dao động sin 1 ­ Dao động khơng sin ­ Các mạch tạo sóng đặc  biệt 2 ­   Mạch   nguồn   dùng   IC  ổn áp  ­ Các mạch ứng d ụng 12 ­ Mạch vi phân ­ Mạch tích phân III IV V Mạch dao động  Mạch nguồn Các   vi   mạch   tươ ng   t ự  thông dụng ­ Vi mạch định thời  10 10 18 1 ­ Vi mạch công suất âm  tần ­ Vi mạch t ạo hàm ­ Vi mạch ghi ­ phát âm  tần 20 36 Cộng 60 * Ghi chú:  Thời gian ki ểm tra lý thuyết đượ c tính vào giờ  lý thuyết,   kiểm tra th ực hành đượ c tính vào giờ thực hành 2. Nội dung chi ti ết: Mở đầu:              Ch ương 1: Khu ếch đại thuật tốn Mục tiêu: ­ Trình bày đượ c ngun lý cấu tạo, các đặc tính cơ  bản của   khuếch đại thuật tốn ­ Nhận dạng đượ c các loại IC khu ếch đại thuật tốn thơng dụng   trong th ực tế ­ Tích cực, chủ động và sáng tạo trong h ọc t ập Nội dung:                                                  Th ời gian:2gi ờ (LT:2gi ờ;   TH:0giờ) 1.1. Khái niệm Thời gian:   1giờ 1.2   Cấu   trúc   chung     h ọ   IC   khu ếch   đại   thuật   toán  Thời gian:   thơng dụng 1giờ 1.2.1.  Gi ới thi ệu 1.2.2.  C ấu trúc mạch điện 1.2.3.  Thơng số và hình dạng bên ngồi             Ch ương 2:  Ứng d ụng c ủa khu ếch đạ i thuật tốn Mục tiêu:        ­ Phân tích đượ c ngun lý hoạt động của các mạch khuếch đại   đảo, mạch khuếch đại khơng đảo, mạch cộng, mạch tr ừ, m ạch nhân,  mạch nhân, mạch chia, mạch khu ếch đại vi sai, mạch vi phân, mạch  tích phân, mạch logarit dùng khuếch đại thuật tốn       ­ Tính tốn đượ c các thơng số hoạt động của các mạch khuếch đạ i  thông dụng trên       ­ Thiết k ế đượ c các mạch ứng dụng cho một số m ạch thông dụng            ­ Ki ểm tra, thay th ế  đượ c các linh kiện h  hỏng trên mạch  ứng  dụng trên       ­ Ch ủ động và tích cực trong h ọc t ập và rèn luyện Nội dung:                                                      Thời gian:20giờ (LT:6giờ;  TH:13giờ) 2.1. Mạch khuếch đại đảo Thời gian: 3 giờ   2.2. Mạch khuếch đại khơng đảo Thời gian: 3 giờ   2.3. Mạch c ộng Thời gian: 2,5   giờ   2.4. Mạch tr Thời gian: 1,5   giờ   2.5. Mạch nhân Thời gian: 1,5   giờ   2.6. Mạch chia Thời gian: 1,5   giờ   2.7. Mạch khuếch đại vi sai Thời gian: 2,5   giờ   2.8. Mạch vi phân 2.9. Mạch tích phân Thời gian:2 giờ   Thời gian: 1,5   giờ            Ch ương 3: M ạch dao động Mục tiêu: ­ Trình bày đượ c cấu tạo, ngun lý hoạt động các mạch dao động  sin, mạch dao động khơng sin, mạch t ạo sóng đặc biệt ­ Thực hiện các mạch dao động đúng u cầu kỹ thuật ­ Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác, an tồn và vệ sinh cơng nghiệp Nội dung:                                          Th ời gian: 10 gi ờ (LT: 4 gi ờ; TH:   6 giờ) 3.1. Mạch dao động sin Thời gian: 2 giờ   3.2. Mạch dao động khơng sin Thời gian: 3 giờ   3.3. Các mạch tạo sóng đặc biệt Thời gian: 5 giờ              Ch ương 4: M ạch ngu ồn Mục tiêu: ­ Thực hiện nâng cao đượ c tính năng của các bộ  nguồn ni theo   yêu cầu thi ết k ế ­ Thiết kế  đượ c các mạch  ứng dụng vi m ạch  ổn áp đạ t yêu cầu  kỹ thuật ­ Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác, an tồn và vệ sinh cơng nghiệp Nội dung:                                              Th ờigian: 10 gi ờ (LT: 3 gi ờ; TH: 7   giờ) 4.1. Mạch nguồn dùng IC ổn áp Thời gian: 4 giờ   1.1. Họ 78xx/79xx 1.2. Họ 78Lxx/79Lxx 4.2. Các mạch ứng dụng Thời gian: 6 giờ             Chươ ng 5: Các vi mạch tươ ng t ự thông dụng  10 chân B. Cách phân cực này gọi là phân cực loại AB. Chú ý là trong cách phân cực này  độ dẫn điện của transistor cơng suất khơng đáng kể khi chưa có tín hiệu   Ngồi ra, do hoạt động với dịng IC lớn, transistor cơng suất dễ bị nóng lên.  Khi nhiệt độ  tăng, điện thế  ngưỡng VBE giảm (transistor dễ dẫn điện hơn) làm dịng  IC  càng lớn hơn, hiện tượng này chồng chất dẫn đến hư  hỏng transistor. Ðể  khắc  phục, ngồi việc phải giải nhiệt đầy đủ  cho transistor, người ta mắc thêm một điện   trở  nhỏ  (thường là vài  Ω)   hai chân E của transistor cơng suất xuống mass. Khi   transistor chạy mạnh, nhiệt độ tăng, IC tăng tức IE làm VE tăng dẫn đến VBE giảm. Kết  quả là transistor dẫn yếu trở lại     Ngồi ra, người ta thường mắc thêm một điện trở nhiệt có hệ số nhiệt  âm  (thermistor) song song với R2 để  giảm bớt điện thế  phân cực VB bù trừ  khi nhiệt độ  tăng 9.4.2 Mạch cơng suất kiểu đối xứng ­ bổ túc: Mạch chỉ  có một tín hiệu   ngõ vào nên phải dùng hai transistor cơng   suất khác loại: một NPN và một PNP. Khi tín hiệu áp vào cực nền của hai transistor,   bán kỳ dương làm cho transistor NPN dẫn điện, bán kỳ âm làm cho transistor PNP dẫn  điện. Tín hiệu nhận được trên tải là cả chu kỳ 360               Cũng giống như mạch dùng biến thế, mạch cơng suất khơng dùng biến  thế mắc   trên vấp phải sự  biến dạng cross­over do phân cực chân B bằng 0v. Ðể  khắc   phục, người ta cũng phân cực mồi cho các chân B một điện thế  nhỏ  (dương đối với  transistor NPN và âm đối với transistor PNP). Ðể ổn định nhiệt, ở 2 chân E cũng được   mắc thêm hai điện trở nhỏ 361   Trong thực tế, để  tăng công suất của mạch, người ta thường dùng các  cặp Darlington hay cặp Darlington_cặp hồi tiếp như được mơ tả  ở hình 9.18 và hình  9.19.    362 9.4.3 Khảo sát vài dạng mạch thực tế: Trong phần này, ta xem qua hai dạng mạch rất thơng dụng trong thực   tế: mạch dùng transistor và dùng op­amp làm tầng khuếch đại điện thế 9.4.3.1 Mạch cơng suất với tầng khuếch đại điện thế là transistor: Mạch có dạng cơ bản như hình 9.20     Các đặc điểm chính: 363 ­   Q1    transistor   khuếch   đại   điện       cung   cấp   tín   hiệu   cho     transistor cơng suất ­ D1 và D2 ngồi việc  ổn định điện thế  phân cực cho 2 transistor cơng   suất (giữ cho điện thế phân cực giữa 2 chân B khơng vượt q 1.4v) cịn có nhiệm vụ  làm đường liên lạc cấp tín hiệu cho Q2 (D1 và D2 được phân cực thuận) ­ Hai điện trở 3.9( để ổn định hoạt động của 2 transistor cơng suất về  phương diện nhiệt độ ­ Tụ  47µF tạo hồi tiếp dương cho Q 2, mục đích nâng biên độ  của tín  hiệu ở tần số thấp (thường được gọi là tụ Boostrap) ­ Việc phân cực Q1 quyết định chế độ làm việc của mạch cơng suất 9.4.3.2 Mạch cơng suất với tầng khuếch đại điện thế là op­amp Một mạch cơng suất dạng AB với op­amp được mơ tả như hình 9.21: ­ Biến trở  R2: dùng chỉnh điện thế  offset ngõ ra (chỉnh sao cho ngõ ra  bằng 0v khi khơng có tín hiệu vào) ­ D1 và D2 phân cực thuận nên: VB1= 0.7v VB2= ­ 0.7v   364   ­ Ðiện thế VBE của 2 transistor cơng suất thường được thiết kế khoảng   0.6v, nghĩa là độ giảm thế qua điện trở 10Ω là 0.1v ­ Một cách gần đúng dịng qua D1 và D2 là: Như vậy ta thấy khơng có dịng điện phân cực chạy qua tải ­ Dịng điện cung cấp tổng cộng: In = I1 + I + IC = 1.7 + 9.46 + 10 = 21.2 mA (khi chưa có tín hiệu, dịng cung cấp qua op­amp 741 là 1.7mA ­nhà sản   xuất cung cấp) 365 ­ Cơng suất cung cấp khi chưa có tín hiệu: Pin (standby) = 2VCC . In (standby)  = (12v) . (21.2) = 254 mw ­ Ðộ khuếch đại điện thế của mạch: ­ Dịng điện qua tải: ­ Ðiện thế đỉnh qua tải: Vo(p) = 0.125 . 8 = 1v ­ Khi Q1 dẫn (bán kỳ dương của tín hiệu), điện thế đỉnh tại chân B của  Q1 là: 366 VB1(p) = VE1(p) + 0.7v = 2.25 + 0.7 = 2.95v ­ Ðiện thế tại ngõ ra của op­amp: V1 = VB1 ­ VD1 = 2.95 ­ 0.7 = 2.25v ­ Tương tự khi Q2 dẫn: VB2(p) = VE2(p) ­ 0.7v = ­2.25 ­ 0.7 = ­2.95v ­ Ðiện thế tại ngõ ra op­amp: V1 = VB2(p) + VD2 = ­2.95 + 0.7 = ­2.25v ­ Khi Q1 ngưng (Q2 dẫn) VB1 = V1 + VD1 = ­2.25 + 0.7 = ­1.55v ­ Tương tự khi Q1 dẫn (Q2 ngưng) VB2 = V1 ­ VD2 = 2.25 ­ 0.7 = 1.55v ­ Dịng bảo hịa qua mỗi transistor: ­ Ðiện thế Vo tối đa: Vo(p) max = 333.3 * 8 =2.67v 367 9.4.3.3 Mạch cơng suất dùng MOSFET: Phần này giới thiệu một mạch dùng MOSFET cơng suất với tầng đầu  là một mạch khuếch đại vi sai. Cách tính phân cực, về  nguyên tắc cũng giống như  phần trên. Ta chú ý một số điểm đặc biệt: ­ Q1 và Q2 là mạch khuếch đại vi sai. R2 để tạo điện thế phân cực cho  cực nền của Q1. R1, C1 dùng để giới hạn tần số cao cho mạch (chống nhiễu ở tần số  cao) ­ Biến trở R5 tạo cân bằng cho mạch khuếch đại visai ­ R13, R14, C3 là mạch hồi tiếp âm, quyết định độ  lợi điện thế  của toàn  mạch ­ R15, C2 mạch lọc hạ thơng có tác dụng giảm sóng dư trên nguồn cấp   điện của tầng khuếch đại vi sai ­ Q4 dùng như một tầng đảo pha ráp theo mạch khuếch đại hạng A ­ Q3 hoạt động như  một mạch  ổn áp để   ổn định điện thế  phân cực  ở  giữa hai cực cổng của cặp cơng suẩt ­ D1 dùng để giới hạn biên độ vào cực cổng Q 5. R16 và D1 tác dụng như  một mạch bảo vệ 368 ­ R17 và C8 tạo thành tải giả xoay chiều khi chưa mắc tải Hinh 9.23 Cong suat 30W dung MOSFET 9.5 IC CƠNG SUẤT: Trong mạch cơng suất mà tầng đầu là op­amp, nếu ta phân cực bằng  nguồn đơn thì mạch có dạng như sau: ­ R1, R2 dùng để phân cực cho ngõ vào có điện thế bằng VCC/2 ­ Mạch hồi tiếp âm gồm R7, R8 và C3 với R8