Bài giảng điện tử tương tự

LỜI NĨI ĐẦU Điện tử tương tự mơn học sở, nhằm cung cấp cho người học kiến thức để phân tích, thiết kế mạch điện hệ thống mạch điện tử Để nghiên cứu tài liệu thuận lợi, người đọc cần có kiến thức mơn học Lý thuyết mạch Cấu kiện điện tử Cuốn sách chia thành chương Chương 1: Mạch khuếch đại transistor Đề cập cách mắc mạch khuếch đại bản, vấn đề hồi tiếp mạch khuếch đại, cách ghép tầng khuếch đại, mạch khuếch đại công suất số mạch khuếch đại khác: khuếch đại Cascade, khuếch đại Darlingtơn, mạch khuếch đại dải rộng, mạch khuếch đại cộng hưởng Chương 2: Bộ khuếch đại thuật tốn (KĐTT) Các đặc điểm tính chất khuếch đại thuật toán, biện pháp chống trôi bù điểm không khuếch đại thuật tốn, ứng dụng nó: mạch khuếch đại, mạch cộng, mạch trừ, mạch vi phân, mạch tích phân, mạch tạo hàm lôga, hàm mũ, mạch nhân tương tự, mạch lọc tích cực Chương 3: Mạch tạo dao động sin: Nguyên lý tạo dao động sin Phân tích mạch tạo dao động sin ghép biến áp, dao động sin ghép RC, mạch dao động sin ba điểm Mạch tạo dao động sin ổn định tần số dùng phần tử áp điện thạch anh Mạch tạo sin kiểu xấp xỉ tuyến tính Chương 4: Mạch xung: Nêu tham số tín hiệu xung, tranzito BKĐTT làm việc chế độ xung, mạch tạo xung: gồm mạch đa hài tự dao động, đa hài đợi, trigger, dao động nghẹt, mạch hạn chế, mạch tạo điện áp cưa, mạch tạo dao động điều khiển điện áp (VCO) Chương 5: Điều chế - Tách sóng – Trộn tần: Điều biên, mạch điều biên, điều chế đơn biên Điều tần điều pha, mạch điều tần điều pha Tách sóng: mạch tách sóng điều biên, điều tần, điều pha Trộn tần, mạch trộn tần Nhân chia tần số dùng vòng giữ pha (PLL) Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A Giải thích q trình biến đổi A/D mạch thực Giải thích q trình biến đổi D/A mạch thực Nêu tóm tắt trình chuyển đổi A/D, D/A phi tuyến Chương 7: Mạch cung cấp nguồn Phân tích mạch cung cấp nguồn chiều: biến áp, chỉnh lưu, lọc ổn áp Phương pháp bảo vệ dòng, áp nguồn Nguyên lý nguồn chuyển mạch Mặc dù có nhiều cố gắng, sách chắn cịn thiếu sót, mong bạn đọc đóng góp ý kiến để sửa chữa, bổ sung thêm Xin chân thành cảm ơn! Các tác giả MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC CHƯƠNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANSISTOR 1.1 Định nghĩa, tiêu tham số mạch khuếch đại 1.1.1 Định nghĩa mạch khuếch đại 1.1.2 Các tiêu tham số tầng khuếch đại 1.2 Phân cực chế độ làm việc chiều transistor trường transistor lưỡng cực 10 1.2.1 Nguyên tắc chung phân cực transistor lưỡng cực 10 1.2.2 Mạch cung cấp điện áp phân cực cho transistor lưỡng cực 11 1.2.3 Hiện tượng trôi điểm làm việc phương pháp ổn định 122 1.2.4 Phân cực chế độ làm việc chiều transistor trường 13 1.3 Hồi tiếp tầng khuếch đại 15 1.3.1 Định nghĩa 15 1.3.2 Các phương trình mạng cực khuếch đại có hồi tiếp 16 1.3.3 Ảnh hưởng hồi tiếp âm đến tham số tầng khuếch đại 17 1.4 Các sơ đồ khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng transistor lưỡng cực (BJT) 19 1.4.1 Giới thiệu 19 1.4.2 Tầng khuếch đại Emitơ chung 19 1.4.3 Tầng khuếch đại Colectơ chung 210 1.4.4 Sơ đồ Bazơ chung 222 1.5 Các sơ đồ dùng transistor trường (FET) 233 1.5.1 Sơ đồ Source chung 233 1.5.2 Sơ đồ Drain chung 244 1.6 Một số mạch khuếch đại khác 255 1.6.1 Mạch khuếch đại Darlingtơn 255 1.6.2 Mạch Kaskode 266 1.6.3 Mạch khuếch đại dải rộng 2727 1.6.4 Mạch khuếch đại cộng hưởng 2727 1.6.5 Tầng khuếch đại đảo pha 27 1.6.6 Mạch khuếch đại vi sai 29 1.7 Các phương pháp ghép tầng khuếch đại 30 1.7.1 Ghép tầng tụ điện 311 1.7.2 Ghép biến áp 312 1.7.3 Mạch ghép trực tiếp 322 1.8 Tầng khuếch đại công suất 322 1.8.1 Chế độ công tác điểm làm việc tầng khuếch đại công suất 322 1.8.2 Tầng khuếch đại công suất chế độ A 344 1.8.3 Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo 3737 CHƯƠNG BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 455 2.1 Tính chất tham số 455 2.1.1 Các tính chất 455 2.1.2 Hệ số khuếch đại hiệu 455 2.1.3 Đặc tuyến biên độ tần số đặc tuyến pha 466 2.1.4 Hệ số nén đồng pha 466 2.2 Các mạch khuếch đại 4747 2.2.1 Mạch khuếch đại đảo 47 2.2.2 Mạch khuếch đại không đảo 48 2.2.3 Hiện tượng lệch không biện pháp bù 49 2.3 Các mạch điện ứng dụng KĐTT 49 2.3.1 Mạch cộng 49 2.3.2 Mạch trừ 50 2.3.3 Mạch tích phân 511 2.3.4 Mạch vi phân 511 2.3.5 Mạch tạo hàm loga 511 2.3.6 Mạch tạo hàm đối loga 522 2.3.7 Mạch nhân 522 2.3.8 Mạch chia 533 2.3.9 Mạch so sánh 544 CHƯƠNG MẠCH TẠO DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA 56 3.1 Khái niệm chung dao động 56 3.2 Điều kiện tạo dao động đặc điểm mạch tạo dao động 56 3.3 Ổn định biên độ tần số dao động 57 3.4 Mạch dao động LC 58 3.4.1 Mạch dao động ghép biến áp 58 3.4.2 Mạch tạo dao động ba điểm 58 3.5 Mạch dao động RC 60 3.5.1 Mạch dao động dùng mắt RC khâu hồi tiếp 60 3.5.2 Mạch dao động dùng mạch cầu Viên khâu hồi tiếp 61 3.6 Mạch dao động dùng thạch anh 63 3.6.1 Các tính chất thạch anh 63 3.6.2 Một số mạch dao động dùng thạch anh 64 3.7 Mạch tạo sóng sin kiểu xấp xỉ tuyến tính 65 CHƯƠNG MẠCH XUNG 67 4.1 Tín hiệu xung tham số 67 4.2 Chế độ khóa transistor 67 4.3 Chế độ khóa KĐTT 68 4.4 Trigơ 69 4.4.1 Trigơ đảo 69 4.4.2 Trigơ thuận 70 4.5 Mạch đa hài đợi 70 4.6 Mạch đa hài tự dao động 72 4.6.1 Mạch đa hài tự dao động dùng transistor 72 4.6.2 Mạch đa hài tự dao động dùng khuếch đại thuật toán 74 4.7 Mạch hạn chế biên độ 76 4.7.1 Mạch hạn chế 76 4.7.2 Mạch hạn chế 77 4.7.3 Mạch hạn chế hai phía 78 4.8 Mạch tạo xung cưa 79 4.8.1 Tham số tín hiệu xung cưa 79 4.8.2 Mạch tạo xung cưa dùng mạch tích phân RC 79 4.8.3 Mạch tạo xung cưa dùng nguồn dòng 80 4.8.4 Mạch tạo xung cưa thêm tầng khuếch đại có hồi tiếp 81 4.9 Mạch tạo dao động có tần số điều khiển điện áp (VCO) 82 CHƯƠNG ĐIỀU CHẾ - TÁCH SÓNG - TRỘN TẦN 84 5.1 Điều chế 84 5.1.1 Khái niệm 84 5.1.2 Điều chế biên độ 84 5.1.3 Điều chế đơn biên 89 5.1.4 Điều tần điều pha 93 5.2 Tách sóng 98 5.2.1 Khái niệm 98 5.2.2 Tách sóng điều biên 98 5.2.3 Tách sóng điều tần điều pha 101 5.3 Trộn tần 104 5.3.1 Định nghĩa 104 5.3.2 Nguyên lý trộn tần 104 5.3.3 Mạch trộn tần 105 5.4 Mạch nhân chia tần số 108 CHƯƠNG CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ VÀ SỐ - TƯƠNG TỰ 111 6.1 Khái niệm tham số 111 6.1.1 Khái niệm chung 111 6.1.2 Các tham số 11212 6.1.3 Nguyên tắc làm việc A/D 113 6.2 Các phương pháp chuyển đổi tương tự số 115 6.2.1 Phân loại 115 6.2.2 Một số mạch chuyển đổi tương tự - số 115 6.3 Các phương pháp chuyển đổi số tương tự 12424 6.3.1 Chuyển đổi D/A phương pháp thang điện trở 124 6.3.2 Chuyển đổi D/A phương pháp mạng điện trở 125 CHƯƠNG MẠCH CUNG CẤP NGUỒN MỘT CHIỀU 12727 7.1 Khái niệm chung 12727 7.2 Biến áp nguồn mạch chỉnh lưu 12727 7.2.1 Chỉnh lưu nửa chu kỳ 12828 7.2.2 Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ 12828 7.3 Bộ lọc nguồn 13030 7.3.1 Bộ lọc dùng tụ điện 13131 7.3.2 Bộ lọc RC, LC 13131 7.4 Mạch ổn áp 13232 7.4.1 Ổn áp dùng điốt Zener 13232 7.4.2 Ổn áp dùng transistor 13333 7.4.3 Ổn áp dùng IC 13737 7.5 Nguồn ổn áp chuyển mạch 13838 7.5.1 Khái niệm nguồn chuyển mạch 13838 7.5.2 Sơ đồ khối nguồn chuyển mạch 14040 7.5.3 Các khối nguồn chuyển mạch 14141 TÀI LIỆU THAM KHẢO 14545 CHƯƠNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANSISTOR 1.1 Định nghĩa, tiêu tham số mạch khuếch đại 1.1.1 Định nghĩa mạch khuếch đại Một số ứng dụng quan trọng transistor sử dụng mạch để làm tăng cường độ điện áp hay d òng điện tín hiệu mà thường gọi mạch khuếch đại Thực chất khuếch đại trình biến đổi lượng có điều khiển, lượng chiều nguồn cung cấp (không chứa thông tin), biến đổi thành lượng xoay chiều theo tín hiệu điều khiển đầu vào (chứa đựng thơng tin), làm cho tín hiệu lớn lên nhiều lần khơng méo Phần tử điều khiển transistor Sơ đồ tổng quát mạch khuếch đại hình 1-1, Un nguồn tín hiệu vào, Rn điện trở nguồn tín hiệu, Rt tải nơi nhận tín hiệu Iv Rn Un ~ Uv Ir Mạch khuếch đại Ur Rt Nguồn cung cấp (UCC) Hình 1-1 Sơ đồ tổng quát mạch khuếch đại Hình 1-2 đưa cấu trúc nguyên lý để xây dựng tầng khuếch đại Phần tử phần tử điều khiển transistor có điện trở thay đổi theo điều khiển điện áp hay dòng điện đặt tới cực điều khiển (cực gốc) nó, qua điều khiển quy luật biến đổi dòng điện mạch bao gồm transistor điện trở RC Tại lối cực góp cực phát, ta nhận điện áp biến thiên quy luật với tín hiệu vào độ lớn tăng lên nhiều lần Để đơn giản, giả thiết điện áp đặt vào cực gốc có dạng hình sin Từ sơ đồ hình 1-2 ta thấy dòng điện điện áp mạch (tỷ lệ với dịng điện điện áp tín hiệu vào) tổng thành phần xoay chiều (dòng điện điện áp) thành phần chiều Ir0 Ur0 Phải đảm bảo cho biên độ thành phần xoay chiều không ^ ^ vượt thành phần chiều, nghĩa I r  I r Ur  U r Nếu điều kiện khơng thoả mãn làm méo dạng tín hiệu Như để đảm bảo cơng tác cho tầng khuếch đại (khi tín hiệu vào xoay chiều) mạch phải tạo nên thành phần dòng chiều Ir0 điện áp chiều Ur0 Chính vậy, mạch vào tầng, ngồi nguồn tín hiệu cần khuếch đại, người ta phải đặt thêm điện áp chiều Uv0 (hay dòng điện chiều Iv0) Các thành phần dòng điện điện áp chiều xác định chế độ làm việc tĩnh tầng khuếch đại Tham số chế độ tĩnh theo mạch vào (Iv0, Uv0) theo mạch (Ir0, Ur0) đặc trưng cho trạng thái ban đầu sơ đồ chưa có tín hiệu vào Ir +UCC Uv i t B t C PĐK Iˆr Ur RC Ir0 E Uv t Ur Rt Ur Uˆ r Ur0 a t b Hình 1-2 a Nguyên lý xây dựng tầng khuếch đại b Biểu đồ thời gian 1.1.2 Các tiêu tham số tầng khuếch đại Để đánh giá chất lượng tầng khuếch đại người ta đưa tiêu tham số sau: 1.1.2.1 Hệ số khuếch đại K = Đại lượng đầu Đại lượng tương ứng đầu vào (1-1) Nói chung tầng khuếch đại có chứa phần tử điện kháng nên K số phức K = K exp(j. k) Mô đun |K| thể quan hệ cường độ (biên độ) đại lượng đầu đầu vào, phần góc k thể độ dịch pha chúng Độ lớn |K| k phụ thuộc vào tần số  tín hiệu vào Đồ thị hàm số |K| = f() gọi đặc tuyến biên độ - tần số tầng khuếch đại Đồ thị hàm số k = f() gọi đặc tuyến pha - tần số Có thể tính |K| theo đơn vị logarit, gọi đơn vị đề xi ben (dB) K (dB)  20 lg K Khi ghép liên tiếp n tầng khuếch đại với hệ số khuếch đại tương ứng K1, K2, Kn hệ số khuếch đại chung khuếch đại xác định: KTP = K1.K2 Kn Nếu tính theo đơn vị dB ta có: KTP(dB) = K1(dB) + K2(dB) + + Kn(dB) Hình 1-3 dạng K = f() khuếch đại điện áp tần số thấp |K| K0 f (Hz) Hình 1-3 Đặc tuyến biên độ - tần số 1.1.2.2 Trở kháng lối vào lối Trở kháng vào, tầng khuếch đại định nghĩa: ZV  UV ; IV Zr  Ur Ir (1-2) Nói chung chúng đại lượng phức nên ta viết: Z = R + jX 1.1.2.3 Méo t ần số Méo tần số méo hệ số khuếch đại mạch khuếch đại bị giảm vùng hai đầu giải tần vùng tần số thấp có méo thấp Mt, vùng tần số cao có méo tần số cao MC Chúng xác định theo biểu thức: Mt  Trong đó: K0 Kt ; MC  K0 KC (1-3) K0 hệ số khuếch đại vùng tần số trung bình KC hệ số khuếch đại vùng tần số cao Kt hệ số khuếch đại vùng tần số thấp Méo tần số tính theo đơn vị đề xi ben 1.1.2.4 Méo phi tuyến Méo phi tuyến tính chất phi tuyến phần tử transistor gây thể tín hiệu đầu xuất thành phần tần số (khơng có đầu vào) Khi Uv có thành phần tần số  Ur nói chung có thành phần n (với n = 0,1,2 ) với biên độ tương ứng Ûn Lúc hệ số méo khơng đường thẳng tầng khuếch đại gây đánh giá là:  22  U  32   U  n2 U %  U1  (1-4) 1.1.2.5 Hiệu suất tầng khuếch đại Hiệu suất tầng khuếch đại đại lượng tính tỷ số cơng suất tín hiệu xoay chiều đưa tải Pr với công suất chiều nguồn cung cấp P0 H Pr % P0 (1-5) Trên nêu số tiêu quan trọng tầng (hay khuếch đại gồm nhiều tầng) Căn vào tiêu người ta phân loại khuếch đại với tên gọi với đặc điểm khác Có thể phân loại theo dạng đặc tuyến tần số K = f(), từ có khuếch đại chiều, khuếch đại tần số thấp, khuếch đại tần số cao, khuếch đại chọn lọc tần số v.v 1.2 Phân cực chế độ làm việc chiều transistor trường transistor lưỡng cực 1.2.1 Nguyên tắc chung phân cực transistor lưỡng cực Để transistor làm việc phần tử tích cực tham số phải thoả mãn điều kiện thích hợp Những tham số transistor phụ thuộc nhiều vào điện áp phân cực chuyển tiếp góp, phát Nói cách khác giá trị tham số phụ thuộc vào điểm làm việc transistor Một cách tổng quát, dù transistor mắc theo kiểu nào, muốn làm việc chế độ khuếch đại cần có điều kiện sau: chuyển tiếp gốc-phát ln phân cực thuận, chuyển tiếp gốc - góp ln phân cực ngược Đối với transistor n-p-n điều kiện phân cực để làm việc chế độ khuếch đại là: UBE = UB - UE > UCE = UC - UE > UE < UB < UC Hình 1-4 biểu diễn điện áp dòng điện phân cực transistor chế độ khuếch đại IC UC IB UCE > UB UB UE UCE < UE IE IE UBE > IC UC IB UBE > IB0, nên điện áp điểm làm việc cực gốc xác định theo biểu thức: U BE0  U CC R = U CC - I p R R +R Trong IP dịng phân áp chạy qua điện trở R1, R2 11 ^ U DC  0,636 U ^ U rms  0,308U Độ gợn sóng mạch là: ^ r U rms UDC 100%  0,608 U ^ 100%  48% 0,636 U 7.3.1 Bộ lọc dùng tụ điện Mạch lọc thông dụng dùng tụ điện hình 7-11 Tụ ngắn mạch thành phần xoay chiều làm độ gợn sóng tải nhỏ cịn nhấp nhơ UC D1 U U2 U2 D2 + U1 C Rt Hình 7-11 Mạch chỉnh lưu có tụ lọc nguồn Hình 7-12 Dạng điện áp có tụ lọc nguồn Đường nét đứt hình 7-12 điện áp sau chỉnh lưu chưa có tụ lọc nguồn, cịn đường nét liền có tụ lọc nguồn Khi điện áp tăng tụ nạp, điện áp giảm tụ phóng qua Rt Nếu ^ Rt  UC ln U Điện áp gợn sóng sau lọc tính theo cơng thức: U rms  I DC f C (7-5) Điện áp UDC sau lọc tính theo cơng thức: ^ U DC  U  Trong đó: ^ IDC f Rt C  U 2( ) f C f Rt C  (7-6) ^ U - Biên độ điện áp sau chỉnh lưu IDC – Dòng tải, đơn vị mA C – Điện dung lọc, đơn vị F f – Tần số mạng điện, đơn vị kHz 7.3.2 Bộ lọc RC, LC Để giảm nhỏ độ gợn sóng, đầu lọc tụ điện ta mắc thêm khâu lọc RC hình 7-13 131 D1 U2 R D2 + U2 + U1 C1 C2 Rt Hình 7-13 Mạch chỉnh lưu có khâu lọc RC Điện áp chiều trước sau điện trở R U DC U 'DC tính sau: '  U DC Rt U DC R  Rt (7-7) Với mạch lọc RC, gợn sóng sau R nhỏ, nhiên mạch dùng dòng tải nhỏ, dòng tải lớn công suất tổn hao R lớn, để tránh điều người ta thay điện trở R cuộn cảm (hình 7-14) Điện trở cuộn cảm nhỏ nên tổn hao cơng suất nhỏ, điện áp xoay chiều bị chặn lại không cho tải D1 L U2 D2 + U1 + U2 C1 C2 Rt Hình 7-14 Mạch chỉnh lưu có khâu lọc LC 7.4 Mạch ổn áp Mạch ổn áp có nhiệm vụ ổn định điện áp điện lưới (U1) thay đổi tải (Rt) thay đổi 7.4.1 Ổn áp dùng điốt Zener Sơ đồ mạch ổn áp dùng điốt Zener hình 7-15 Điốt zener phân cực ngược làm việc vùng đánh thủng đặc điểm dòng ngược qua điốt thay đổi lớn điện áp ngược hai đầu điốt thay đổi Nếu điốt có đặc tuyến ngược dốc hay đặc tuyến gần song song với trục tung độ ổn định điện áp tốt R Uv Z Rt Hình 7-15 Sơ đồ mạch ổn áp dùng điốt Zener 132 IZ UZ UZMax UZMin UZ IZmin IZTB Vùng ổn áp IZMax Hình 7-16 Đặc tuyến V-A điốt Zener Từ mạch điện ta có: U Rt  U Z  U V  R.(I Z  I Rt ) (7-8) Từ công thức ta thấy UV tăng giảm dịng qua điốt tăng hay giảm theo nên sụt áp R tăng giảm làm cho điện áp ổn định Để ổn định điện áp cân hai phía (tăng giảm) ta phải chọn R cho điểm làm việc nằm đặc tuyến vùng đánh thủng điốt 7.4.2 Ổn áp dùng transistor Có hai loại ổn áp dùng transistor ổn áp nối tiếp ổn áp song song Ổn áp nối tiếp transistor mắc nối tiếp với tải, ổn áp song song transistor mắc song song với tải 7.4.2.1 Ổn áp nối tiếp Sơ đồ khối mạch ổn áp nối tiếp hình 7-17 Chức khối sau: - Mạch lấy mẫu: Lấy mẫu điện áp - Nguồn chuẩn: Là điện áp có giá trị chuẩn - Mạch so sánh: So sánh điện áp lấy mẫu điện áp chuẩn - Khâu khuếch đại: Khuếch đại điện áp sai lệch nguồn chuẩn điện áp mẫu UV PTHC Khuếch đại Hình 7-17 Sơ đồ khối mạch ổn áp nối tiếp Nguồn chuẩn Ur Tải Lấy mẫu So sánh 133 - PTHC: Là transistor công suất làm việc chế độ khuếch đại Khi điện áp vào hay tải thay đổi, điện áp mẫu thay đổi điện áp sai lệch mạch so sánh đưa thay đổi làm cho transistor thông nhiều hay thơng nên điện áp ổn định a Ổn áp khơng có khâu khuếch đại Mạch ổn áp khơng có khâu khuếch đại hình 7-18, cho điện áp ra: Ur = UZ - UBE (7-9) Giả sử Ur tăng tức UE tăng nên UBE giảm (do điện áp UB giữ cố định Z) làm cho transistor thông yếu làm cho UR giảm, Ur trì ổn định Ngược lại Ur giảm tức UE giảm nên UBE tăng (do điện áp UB giữ cố định Z) làm cho transistor thông mạnh làm cho Ur tăng, Ur trì ổn định T R Uv Ur Rt Z Hình 7-18 Ổn áp khơng có khuếch đại b Ổn áp có khâu khuếch đại Ổn áp có khâu khuếch đại hình 7-19 T1 R R1 T2 Uv Z Ur R2 Hình 7-19 Ổn áp có khuếch đại Nguyên lý ổn áp sau: Giả sử Ur tăng lên  UB2 tăng lên, UBE2 = UB2 - UZ tăng lên  T2 thông mạnh làm cho UCE2 giảm tức UB1 giảm làm cho T1 giảm thơng, UR giảm xuống nên trì ổn định Ur Nếu Ur giảm giải thích ngược lại Vì dịng IB2 nhỏ nên từ mạch điện ta có: Ur R  U BE2  U Z R1  R2 U r  R1  R2 (U BE U Z ) R2 (7-10) 134 c Mạch ổn áp với khâu khuếch đại dùng KĐTT Hình 7-20 mạch ổn áp dùng KĐTT Ta tính điện áp theo cơng thức : Ur ( R3  R2 ).U Z R3 (7-11) T R1 R2 Uv Ur Z R3 Hình 7-20 Mạch ổn áp dùng KĐTT Giả sử Ur tăng làm cho điện áp cửa đảo KĐTT tăng theo nên điện áp giảm xuống, trì ổn định điện áp Nếu Ur giảm ta giải thích ngược lại d Mạch ổn áp có hạn chế dòng Để bảo vệ mạch ổn áp bị tải ngắn mạch ta dùng sơ đồ hình 7-21 Khi dịng tải tăng q giới hạn sụt áp R4 tăng lên, làm cho T2 thông, làm giảm dịng IB1 giảm dịng qua T1 tránh dòng tải T1 R4 R1 T2 R2 Ur Uv Z R3 Hình 7-21 Mạch ổn áp có hạn dịng 7.4.2.2 Ổn áp song song Hình 7-22 sơ đồ khối mạch ổn áp song song Các khối chức giống với sơ đồ khối mạch ổn áp nối tiếp Mạch ổn áp song song khác với mạch ổn áp nối tiếp chỗ phần tử hiệu chỉnh mắc song song với tải, có tác dụng tăng giảm dịng điện áp vào tăng giảm làm cho sụt áp R tăng giảm theo nên Ur ổn định 135 R UV Ur Lấy mẫu Rt PTHC Nguồn chuẩn So sánh Khuếch đại Hình 7-22 Sơ đồ khối mạch ổn áp song a Ổn áp khâu khuếch đại Điện áp mạch hình 7-23 tính theo cơng thức : U r  U Z  U BE (7-12) Giả sử Ur tăng lên làm cho UBE = Ur - UZ tăng lên, T thơng mạnh hơn, dịng qua T tăng làm cho sụt áp R tăng, kéo Ur giảm xuống, nên UR trì ổn định Nếu Ur giảm ta giải thích ngược lại R Z Uv T Rt Ur Hình 7-23 Ổn áp song song khơng có khuếch đại b Ổn áp có khâu khuếch đại Điện áp mạch điện hình 7-24 tính theo cơng thức : Ur  U Z  U BE1  U BE (7-13) Giả sử Ur tăng lên làm cho UB2 tăng lên, T2 thơng mạnh hơn, dịng qua T2 tăngtức dòng IB1 tăng, làm cho dòng qua T1 tăng, sụt áp T tăng, kéo UR giảm xuống, nên Ur trì ổn định Nếu Ur giảm ta giải thích ngược lại R1 T2 T1 Z Uv Rt Ur R2 Hình 7-24 Ổn áp song song có khuếch đại 136 c Ổn áp với khâu khuếch đại dùng KĐTT Hình 7-25 ổn áp song song dùng KĐTT Điện áp UZ ổn định so sánh với điện áp hồi tiếp từ phân áp R3 R4 để điều khiển transistor Giả sử Ur tăng làm cho điện áp cửa thuận KĐTT tăng theo nên điện áp KĐTT tăng lên, tranzito thơng mạnh làm cho sụt áp R2 tăng  Ur giảm xuống, trì ổn định điện áp Nếu Ur giảm ta giải thích ngược lại R2 R1 R3 Ur Uv Z R4 Hình 7-25 Mạch ổn áp dùng KĐTT 7.4.3 Ổn áp dùng IC Các mạch ổn áp nối tiếp hay song song tích hợp thành IC ổn áp, cấu tạo bên IC khác tác dụng chúng Điện áp ổn định thay đổi cách nối thêm linh kiện bên 7.4.3.1 IC ổn áp cố định Họ IC 78xx cung cấp điện áp từ +5V đến +24V ký hiệu xx để điện áp VD: 7805 cho điện áp 5V; 7812 cho điện áp 12V Họ IC 78xx cung cấp dòng cho tải tối đa 1A 78xx có chân chân vào, chân chân nối đất (hình 7-26) + Uv + 78xx C1 C2 Ur Hình 7-26 Họ IC ổn áp 78xx Họ IC 79xx tương tự họ 78xx khác cung cấp điện áp cố định từ -5V đến -24V 137 Để tăng điện áp dòng điện họ IC người ta nối mạch theo hình 7-27 hình 7-28 T 78xx R Uv R 78xx Ur Uv Dz Ur Hình 7-28 Tăng dịng cho họ 78xx Hình 7-27 Tăng điện áp cho họ 78xx Với mạch điện hình 7-27 ta có: Ur = UZ + UR78xx (7-14) Mạch hình 7-28, điện áp điện áp 78xx dịng tăng lên có Transistor T 7.4.3.2 IC ổn áp điều chỉnh điện áp Một số loại IC ổn áp điều chỉnh điện áp theo yêu cầu IC LM317, điều chỉnh điện áp từ 1,2V đến 37V tùy theo linh kiện đấu bên ngồi (hình 7-29) Khi điều chỉnh chiết áp VR điện áp thay đổi theo cơng thức: U r  1, 25.(1  LM317 R Uv VR )  I adj (VR ) R Ur Iadj VR Hình 7-29 Ổn áp dùng LM317 (7-15) 7.5 Nguồn ổn áp chuyển mạch 7.5.1 Khái niệm nguồn chuyển mạch Để có khái niệm nguồn ổn áp chuyển mạch ta lấy ví dụ mạch điện hình 7-30 Nguồn điện áp chiều UV thông qua chuyển mạch S đặt vào sơ cấp biến áp Tr Khi S đóng, có dịng qua W1 S mở  khơng có dịng qua W1 Hai cuộn sơ cấp thứ cấp cuấn chiều nên cuộn thứ cấp W2 xuất chuỗi xung chiều với chuỗi xung cuộn sơ cấp, nên S đóng D1 dẫn, có dịng iD1 qua cuộn chặn L tải, cuộn L tích lượng Khi S mở dịng iD1 đột ngột, lượng L đổi dấu làm D2 dẫn, có dịng iD2 qua tải, dịng qua tải có liên tục S mở 138 + S Tr D1 + iD1 U1 W1 UV W2 U2 C D2 Ur iD2 _ _ Điều khiển đóng mở S Hình 7-30 Mơ tả khải niệm nguồn chuyển mạch U1  UV t U2 UR T t Hình 7-31 Dãy xung điện áp W1, W2 điện áp mạch hình 6-10 Trong : U1 biên độ xung cuộn W1; U1 = Uv U2 biên độ xung cuộn W2 (giả sử Tr biến áp hạ áp) Ur điện áp chiều tải T chu kỳ đóng mở S  thời gian đóng S n tỉ số biến áp n W1 coi lọc LC lý tưởng W2 Ta có:  U r  UV n T (7-16) 139 Đặt    gọi độ xốp xung (Hệ số lấp đầy) T Từ (7-16) ta thấy điện áp phụ thuộc Uv độ rộng xung Từ ta thấy: muốn Ur khơng đổi Uv thay đổi ta làm thay đổi độ xốp xung  Có cách khống chế  - Thay đổi  giữ nguyên T - Thay đổi T giữ nguyên  - Thay đổi kết hợp T  Cách thay đổi  giữ nguyên T gọi " Điều chế độ rộng xung ĐRX" (Pulse - Width Modulation PWM) Phương pháp điều chế độ rộng xung sử dụng phổ biến nguồn kiểu chuyển mạch Tất nguồn biến đổi từ chiều vào chiều phương pháp chuyển mạch có điều khiển điện áp gọi nguồn chuyển mạch 7.5.2 Sơ đồ khối nguồn chuyển mạch (1) Bộ lọc nhiễu tần số cao (2) Bộ chỉnh lưu lọc sơ cấp (Nếu UV chiều khơng có phần này) (3) Phần chuyển mạch (4) Phần chỉnh lưu lọc thứ cấp (5) Phần hồi tiếp (lấy mẫu) (6) Phần khuyếch đại sai lệch (7) Tạo áp chuẩn (8) Tạo dao động sóng tam giác (9) Điều chế độ rộng xung (10) Bộ khuyếch đại kích thích đảo pha Đầu vào (9) cịn tín hiệu khống chế khác (P) để ngắt nguồn Tần số công tác (tần số chuyển mạch) nguồn xung thường khoảng 15kHz đến 50kHz để giảm nhỏ kích thước biến áp nâng cao hiệu suất Phần chuyển mạch sử dụng transistor lưỡng cực transistor trường công suất lớn, có tốc độ chuyển mạch cao, làm việc trạng thái: bão hồ ngắt nên có tổn hao tranzito chuyển mạch nhỏ, nên toả nhiệt cho chúng đơn giản Với đặc điểm làm cho nguồn chuyển mạch có ưu điểm hẳn nguồn ổn áp thông thường như: - Hiệu suất cao từ 80%  90%, nguồn ổn áp thơng thường có  65% 140 - Dải ổn định rộng - Độ bền, tuổi thọ cao - Kích thước trọng lượng nhỏ - Giá thành rẻ     UR UV~      Khối điều khiển  Hình 7-32 Sơ đồ khối nguồn chuyển mạch 7.5.3 Các khối nguồn chuyển mạch Lch 7.5.3.1 Khối lọc nhiễu đầu vào C1 C2 Để lọc bỏ nhiễu cao tần nguồn xung nên có nhiều thành phần tần số cao tần gây nhiễu cho thiết bị điện tử khác vùng, nên lọc chặn lại tín hiệu nhiễu khơng Hình 7-33 Mạch lọc nhiễu tần số đưa đường dây dẫn gây nhiễu Đồng thời cao đầu vào chặn xung nhiễu cao tần từ ngồi khơng cho vào nguồn khỏi ảnh hưởng đến làm việc hệ thống chuyển mạch Biến áp cao tần, có vịng dây cách bố trí hình 7-33 chặn lại nhiễu cao tần đối xứng từ đầu vào đầu Còn dòng cung cấp ngược chiều tần số 50/60Hz biến áp lọc có trở kháng coi Các tụ lọc C1, C2 tụ cao tần (khoảng vài chục nF) để lọc nhiễu cao tần đầu vào, đầu không đối xứng, tần số điện mạng 50/60Hz ZC1,2   7.5.3.2 Phần chỉnh lưu lọc sơ cấp 141 + C AC Hình 7-34 Bộ chỉnh lưu lọc sơ cấp nguồn chuyển mạch 7.5.3.3 Phần chuyển mạch chỉnh lưu, lọc thứ cấp Phần thường gọi biến đổi chiều vào chiều (DC to DC Converter) đầu vào chiều đầu chiều Nếu nguồn công suất nhỏ Uv thấp chuyển mạch dùng transistor hình 7-35 Tr + L D2 D3 UV D1 + C1 Ur T1 Hình 7-35 Phần chuyển mạch nắn lọc thứ cấp nguồn xung công suất nhỏ Mạch hình 7-35 biến áp Tr có cuộn sơ cấp thứ cấp cuấn chiều, nên mạch gọi đồng pha dẫn Khi xung mức cao kích mở T1 bên sơ cấp có dịng cuộn sơ cấp có xung dương cuộn thứ cấp có xung dương D1 dẫn D2 khép kín dịng qua tải T1 D1 ngắt Khi cần nâng công suất nguồn mà với điện áp vào thấp phần tử chuyển mạch dùng mạch đẩy kéo mắc song song hình 7-36 Tr D3 + L + UV _ T1 Rt D1 _ D2 D4 T2 Hình 7-36 Chuyển mạch kiểu đẩy kéo song song 142 T1 T2 kích thích xung ngược pha phần nắn, lọc thứ cấp nắn tồn sóng với biến áp thứ cấp điểm Với nguồn điện áp vào cao cơng suất trung bình chuyển mạch theo kiểu đẩy kéo nối tiếp 7.5.3.4 Khối điều khiển Khối điều khiển gồm khối (5,6,7,8,9,10) hình 7-32 Khối điều khiển làm nhiệm vụ sau: Tạo xung vng có tần số cố định độ rộng biến đổi ngược với điện áp tải để điều khiển transistor chuyển mạch Đủ cơng suất kích thích cho chuyển mạch Ngồi khối làm nhiệm vụ: Bảo vệ dòng, áp tải bảo vệ mạch khử điện áp vào thấp, cao - Nguyên lý điều chế độ rộng xung: Để thực việc điều chế độ rộng xung, mạch phải có cấu trúc hình 7-37 Điện áp DC tải qua phân áp lấy điện áp hồi tiếp Uht đưa đầu đảo khuyếch đại thuật toán làm khuyếch đại sai lệch (1) Mạch hồi tiếp (phân áp) (2) Bộ khuyếch đại sai lệch (3) Bộ tạo áp chuẩn (4) Bộ tạo sóng tam giác (5) Bộ so sánh (bộ điều chế độ rộng xung) + Rt Ur _ U1 U2  R2 (1) U1 (5) U P + _ UP (4) _ (2) + R1 U ht Uch (3) Hình 7-37 Mạch điều chế độ rộng xung 143 Uht phản ánh đầy đủ thay đổi Ur , đầu không đảo khuyếch đại sai lệch đưa vào điện áp chuẩn Uch Nguồn Uch cố định không phụ thuộc Ur Điện áp đầu khuyếch đại SL là: U1  (1  R2 R )Uch  Uht R1 R1 (7-17) Điện áp U1 biến đổi tuyến tính theo Uht (tức theo điện áp ra) với chiều ngược, U1 điện áp chiều Bộ so sánh (5) điều chế độ rộng xung, tín hiệu điều chế (U1) đưa vào đầu (+) Tín hiệu sóng mang (UP) sóng tam giác đưa vào đầu (-) điều chế Bộ điều chế so sánh biên độ sóng mang Up tín hiệu điều chế U1 Dạng sóng điều chế U2 sóng vng có tần số tần số sóng mang (sóng tam giác) độ rộng xung  biến đổi theo tín hiệu điều chế U1 Hình 7-38 mô tả nguyên lý điều chế ĐRX UP (1+R2/R1)Uch Uht = UP U1 U2 UP (1+R1/R2)Uch=Uht U1 = 2  t T Hình 7-38 Nguyên lý điều chế ĐRX Nếu U1 biến đổi từ đến Up = (1 + R2 R )Uch ứng với Uht = (1 + )Uch đến Uht = 0,  R1 R2 biến thiên khoảng từ đến T, chuỗi xung U2 đưa đến kích mở transistor chuyển mạch, chuyển mạch đóng ngắt theo U2 Tỉ số U1  M gọi hệ số điều chế UP M biến đổi khoảng < M < Có nguồn chuyển mạch cơng suất nhỏ duới 100w mà chuyển mạch tầng đơn, có transistor chuyển mạch cấu trúc vi mạch điều chế độ rộng xung 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Minh Hà: Kỹ thu ật mạch điện tử, [2] Đỗ Xuân Thụ: Kỹ thuật điện tử, NXB Khoa học kỹ thuật, 2002 NXB Giáo dục, 1997 [3] Lê Phi Yến: Kỹ thuật mạch điện tử, NXB Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, 1996 [4] William D.Stanley: Bộ khuếch đại xử lý IC tuyến tính, NXB Khoa học kỹ thuật, 1994 [5] Phạm Minh Việt, Trần Công Nhượng: Kỹ thuật mạch điện tử phi tuyến, NXB Giáo dục, 2000 [6] Đặng Văn Chuyết: Kỹ thuật mạch điện tử NXB Giáo dục, 2008 [7] Donald L Schilling, Charles Belove, Tuvia Apelewicz, Raymond J Saccardi: ELECTRONIC CIRCUITS DISCRETE AND INTEGRATED Printed in Singapore 145 ... phương pháp chuyển đổi tương tự số 115 6.2.1 Phân loại 115 6.2.2 Một số mạch chuyển đổi tương tự - số 115 6.3 Các phương pháp chuyển đổi số tương tự 12424 6.3.1... khuếch đại Phần tử phần tử điều khiển transistor có điện trở thay đổi theo điều khiển điện áp hay dòng điện đặt tới cực điều khiển (cực gốc) nó, qua điều khiển quy luật biến đổi dòng điện mạch bao... có dạng hình sin Từ sơ đồ hình 1-2 ta thấy dịng điện điện áp mạch (tỷ lệ với dòng điện điện áp tín hiệu vào) tổng thành phần xoay chiều (dòng điện điện áp) thành phần chiều Ir0 Ur0 Phải đảm bảo