ky thuat dien tu vo ky chau chapter 7 feedback cuuduongthancong com

Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Chương 7: KHUẾCH ĐẠI HỒI TIẾP ÂM VÀ DAO ĐỘNG SIN Có hai dạng mạch hồi tiếp Thứ hồi tiếp âm: phần hay toàn tín hiệu ngõ (điện áp dịng điện) đưa trở lại ngõ vào để trừ tín hiệu ngõ vào Theo cách này, tín hiệu ngõ vào đến khuếch đại giảm xuống, tín hiệu ngõ giảm xuống cho phù hợp Khuếch đại hồi tiếp âm đặc điểm có hệ số khuếch đại thấp khuếch đại tương tự khơng có hồi tiếp Dạng thứ hai hồi tiếp dương: phần hay toàn tín hiệu ngõ đưa đến ngõ vào để cộng thêm vào Hồi tiếp dương khơng có muốn khuếch đại thường gây khuyếch đại khơng an tồn dao động Tuy nhiên tính chất sử dùng nhiều mạch dao động Trong chương đề cập đến khuếch đại hồi tiếp âm 7.1 Những khái niệm tổng quát hồi tiếp Hồi tiếp cơng cụ vơ hữu ích nhiều ứng dụng, đặc biệt hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển bao gồm tất mạch điện ngõ sử dụng để điều khiển hiệu chỉnh ngõ vào, từ lại cung cấp ngõ mong muốn Sử dụng khác hồi tiếp “cảm nhận” ngõ ra, sau so sánh với tín hiệu khác, cuối điều khiển ngõ vào (và ngõ ra) cho phù hợp với khác tín hiệu ngõ vào tín hiệu tham chiếu Đặc biệt hồi tiếp âm khuyếch đại sử dụng để: Ổn định hệ số khuếch đại (điện áp hay dịng điện) Hình 7.1 : Sơ đồ khối mạch khuếch đại hồi tiếp Đạt phép tuyến tính Làm rộng băng thông Trang 7.1 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Giảm tăng trở kháng ngõ vào Giảm tăng trở kháng ngõ Giảm nhiễu khuếch đại Làm giảm hiệu ứng nhiệt Để ổn định hệ số khuếch đại, nghĩa muốn làm hệ số khuếch đại phụ thuộc vào thơng số đặc biệt thiết bị Sự tuyến tính quan trọng cho khuếch đại, cải tiến tính tuyến tính (làm méo ít) lại quan trọng khuếch đại công suất Nhiễu ( tín hiệu điện giả tạo khơng có khuếch đại ) đặc biệt phiền toái khuếch đại mức tín hiệu nhỏ Trong trường hợp này, hồi tiếp âm sử dụng làm giảm nhiễu khuyếch đại Chúng ta phân loại kiểu hồi hoạt động hồi tiếp độ lợi Hai kiểu mạch hồi tiếp dòng mạch hồi tiếp áp, chúng phân biệt suy giảm độ lợi Hai kiểu hồi tiếp khác, giới hạn mạch Shunt mạch hồi tiếp liên tục, xét Sơ đồ khối mạch khuếch đại hồi tiếp hình 7.1, với đường tín hiệu hình vẽ Tín hiệu điểm hình 7.1 điện áp dòng điện, phụ thuộc vào dạng mong muốn 7.2 KHUẾCH ĐẠI HỒI TIẾP ÁP Xem hình 7.1, thấy tồn tín hiệu điện áp, mạch điện khuếch đại hồi tiếp áp Dạng chung khuếch đại hồi tiếp áp thể hình 7.2 Hồi tiếp âm thiết lập cách lấy phần điện áp ngõ đưa trừ cho điện áp ngõ vào 7.2.1 Độ lợi áp Trong hình 7.2, điện áp ngõ xuất qua tải bên hệ thống hồi tiếp Hệ thống hồi tiếp điện áp ngược định nghĩa: Vf βv = (7.1 ) Vo Khuếch đại độ lợi áp mạch hở Av định nghĩa V Av = o (7.2) V1 Điện áp tổng ngõ vào rõ hình 7.2 Chúng ta tìm được: Vs = V1 + V f (7.3) Độ lợi dòng hở khuếch đại hồi tiếp Avf cho Vo V Vo V1 Avf = o = = Vf Vs V1 + V f 1+ V1 (7.4) Trang 7.2 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Mơn Kỹ Thuật Điện Tử Hình 7.2 : Sơ đồ khối mạch khuếch đại hồi tiếp áp Từ biểu thức (7.1) thấy Vf = β vVo Cũng ý Av = Vo/V1, tìm Av (7.5) Avf = + β v Av Chúng ta định nghĩa hồi tiếp âm cho ( + β v Av ) lớn hồi tiếp dương cho ( + β v Av ) nhỏ Thông thường | Av | lớn nhiều so với 1, đến mức xem gần Avf ≅ (7.6) βv 7.2.2 Điện trở ngõ vào Điện trở ngõ vào cho khuếch đại hồi tiếp định nghĩa tỉ số Vs với I1 Lấy Vf từ biểu thức (7.1) vào biểu thức (7.3), ta Vs = V1 + β vVo = V1 (1 + β v Av ) (7.7) Chúng ta thay V1 = RiI1 Như V Rif = s = Ri (1 + β v Av ) I1 Khi điện áp hồi tiếp âm sử dụng, điện trở ngõ vào tăng lên (7.8) 7.2.3 Điện trở ngõ Giả sử dòng lấy từ mạng hồi tiếp hình 7.2 nhỏ khơng đáng kể, viết Vo = AvV1 – IoRo (7.9) Trang 7.3 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Thế V1 từ biểu thức (7.3) có V0 = AvVs − AvV f − I o Ro (7.10) Sau xếp lại ta biểu thức: Vo (1 + β v Av ) = AvVs − I o Ro (7.11) Chia hai vế cho (1 + β v Av ) , Ro Vo = Avf Vs − I o + β v Av (7.12) Chúng ta tìm điện trở mạch hồi tiếp cách cho Vs = V Ro Rof = o = − I o + β v Av (7.13) Khi hồi tiếp âm, điện trở có hồi tiếp thấp điện trở vào khơng có hồi tiếp 7.2.4 Mạch tương đương Biểu thức (7.12) đưa mạch tương đương cho ngõ khuếch đại hồi tiếp Mạch tương đương hoàn chỉnh mạch khuếch đại hồi tiếp cho hình 7.3 Các cách xác định thông số mạch khuếch đại hồi tiếp áp minh họa ví dụ 7.1 Ví dụ 7.1 Một mạch khuếch đại hình 7.4 mạch khuếch đại hồi tiếp áp Bao gồm mạng hồi tiếp điện trở phân áp R9 R10 Khuếch đại khơng hồi tiếp có thông số Av =100, Ri = k, Ro = k Xác định thông số mạch khuếch đại hồi tiếp? Giải Hệ số hồi tiếp βv tính từ tỉ số điện trở: R10 1 βv = = = R10 + R9 0.1 + 2.2 23 Kế tiếp tìm thành phần hồi tiếp: 100 + β v Av = + = 5.35 23 Các thông số khuếch đại hồi tiếp áp tính tốn sau: Rif = Ri (1 + β v Av ) ≅ × 5.35kΩ ≅ 10.7kΩ ( theo 7.8) Rof = Ro + β v Av ≅ kΩ ≅ 0.935kΩ ≅ 93Ω 5.35 (theo 7.13) Trang 7.4 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Avf = Av + β v Av ≅ 100 ≅ 18.7 5.35 Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử (theo 7.5) Chú ý sử dụng gần biểu thức (7.6) có Avf ≈ 23, trường hợp số gần nguyên số gần sử dụng β v Av lớn 10 Tính tốn độ lợi, trở kháng vào trở kháng cho mạch khuếch đại khơng có hồi tiếp phải tính riêng, phần hồi tiếp khơng thể bỏ qua hồn tồn Tính tốn cho ngõ vào, khuếch đại hình 7.4 khơng có hồi tiếp phải xem có Vo = (ngắn mạch ngõ ra) Hình 7.3 : Mạch tương đương khuếch đại hồi tiếp điện áp Hình 7.4 : Ví dụ mạch khuếch đại hồi tiếp điện áp Tính tốn cho ngõ vào, khuếch đại phải xem có Vf = ( trường hợp này, R10 bị ngắn) Tuy nhiên trở kháng ngõ vào ví dụ xem khơng có kết hợp R1 R2 mắc song song Trở kháng tổng ngõ vào bao gồm hai điện trở 7.3 KHUẾCH ĐẠI HỒI TIẾP DỊNG Tồn tín hiệu hình 7.1 nguồn dịng, mạch khuếch đại hồi tiếp dòng Sơ đồ khối mơ tả hình 7.5 Hồi tiếp âm tạo làm cho dòng ngõ trừ với dòng ngõ vào Trang 7.5 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử 7.3.1 Độ lợi dịng Trong hình 7.5, dịng ngõ nguồn cung cấp cho tải RL nối đến mạng hồi tiếp Độ lợi dòng đảo mạng hồi tiếp, β I , định nghĩa: If βI = (7.14) Io Do đó, dịng ngõ Io chảy qua mạng hồi tiếp, thành phần đến ngõ vào mạch khuếch đại (7.15) If = β I I o Dòng khuếch đại ngõ vào I1 cho (7.16) I = I s – If = I s - β I I o Khuếch đại hồi tiếp dịng ngõ vào Is tìm từ biểu thức (7.16): (7.17) I s = I1 + β I I o Hình 7.5 : Sơ đồ khối mạch khuếch đại hồi tiếp dòng Độ lợi dòng ngắn mạch mạch khuếch đại là: I AI = o I1 Chúng ta viết Io = AII1 (7.18) (7.19) Độ lợi dòng ngắn mạch mạch khuếch đại hồi tiếp Aif tỉ số Io Is Sử dụng biểu thức (7.17) (7.19) ta tìm I AI I (7.20) Aif = o = I s I1 + β I I o Trang 7.6 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Chia tử số mẫu số biểu thức (7.20) cho I1 AI Aif = + β I AI (7.21) Biểu thức có quan hệ với độ lợi dòng ngắn mạch mạch khuếch đại hồi tiếp, Aif, với độ lợi dòng ngắn mạch mạch khơng có hồi tiếp, Ai Ta tính gần độ lợi dịng ngắn mạch mạch khuếch đại hồi tiếp để ý rằng, thông thường | Ai | lớn nhiều so với Vì vậy, chia tử mẫu biểu thức (7.21) cho Ai, ta có: AIf ≅ (7.22) βI Vậy thì, độ lợi dịng ngắn mạch mạch khuếch đại hồi tiếp làm khơng phụ thuộc vào tham số thiết bị mà phụ thuộc vào thành phần mạng hồi tiếp 7.3.2 Trở kháng ngõ vào Trở kháng ngõ vào mạch khuếch đại hồi tiếp Rif định nghĩa tỉ số Vs Is, Vs điện áp đầu vào hình 7.5 V IR Ri (7.23) Rif = s = i = If I s I f + I1 1+ I1 Chú ý If = β I I o , có Ri Rif = (7.24) + β I AI Khi hồi tiếp âm, (1+ β I AI ) lớn trở kháng ngõ vào thấp kết hồi tiếp 7.3.3 Trở kháng ngõ Theo hình 7.5, trở kháng ngõ vào mạch khuếch đại hồi tiếp định nghĩa tỉ số Vo –Io với điều kiện Is = Nếu giả sử điện áp tăng qua mạng hồi tiếp vịng ngõ nhỏ khơng đáng kể so với Vo hay điện áp qua Ro, nói điện áp qua Ro xấp xỉ gần Vo Vo = ( AI I I − I o ) Ro (7.25) Thay biểu thức (7.16) vào I1, có Vo = ( AI I s − β I AI I o − I o ) Ro (7.26) Bây đặt hệ số (1 + β I AI ) ngoài: Trang 7.7 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH  AI Vo =   + β I AI    I s − I o  Ro (1 + β I AI )   Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử (7.27) Khi Is = 0, tìm trở kháng mạch khuếch đại hồi tiếp V Rof = o = Ro (1 + β I AI ) (7.28) − Io Vì thế, thấy hiệu ứng hồi tiếp dịng âm làm cho trở kháng tăng lên 7.3.4 Mạch tương đương Ta thấy hiệu ứng hồi tiếp dòng âm độ lợi dòng, trở kháng ngõ vào trở kháng ngõ Trong biểu thức (7.27), tìm hệ số Is Aif Nếu sử dụng định nghĩa Rof, ta viết: Vo = ( AIf I s − I o ) Rof (7.29) Hình 7.6 : Mạch tương đương khuếch đại hồi tiếp dòng Biểu thức đưa mạch tương đương ngõ với dòng phát Aif Is trở kháng Rof Dòng ngõ vào Is trở kháng vào Rif Mạch tương đương khuếch đại hồi tiếp thể hình 7.6 Những thơng số mạch khuếch đại hồi tiếp dịng xác định rõ ví dụ 7.2 Ví dụ 7.2 Cho mạch hình 7.7 mạch khuếch đại hồi tiếp dịng Khi khơng hồi tiếp, thơng số mạch khuếch đại là: AI = 800, Ri = 1kΩ, Ro = 10kΩ Hồi tiếp đưa qua mạng hồi tiếp gồm có R8 R9 (220 Ω 4.7 kΩ) Chúng ta xác định hệ số khuếch đại hồi tiếp Giải Hệ số hồi tiếp β I tìm từ tỉ số trở kháng: R8 0.22 βI ≅ ≅ ≅ R8 + R9 0.22 + 4.7 22.4 Trang 7.8 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Mơn Kỹ Thuật Điện Tử Hình 7.7 : Ví dụ mạch khuếch đại hồi tiếp dòng Kế tiếp tính giá trị thực hồi tiếp 800 + β I AI ≅ + ≅ 36.7 22.4 Những hệ số khuếch đại hồi tiếp dịng tính tốn sau: Ri 1000 ≅ Ω ≅ 27Ω (theo 7.24) Rif = + β I AI 36.7 Rof = Ro (1 + β I AI ) ≅ 10 × 36.7kΩ ≅ 367kΩ (theo 7.28) AIf = AI + β I AI ≅ 800 ≅ 21.8 36.7 (theo 7.21) Biểu thức nghĩa mạch khuếch đại hồi tiếp dòng, độ lợi dòng ví dụ khơng phụ thuộc vào hệ số transistor phụ thuộc vào giá trị điện trở hồi tiếp R8 R9 Phải ý xác định hệ số khuếch đại khơng có hồi tiếp Nếu ta muốn xác định thông số ngõ vào, dịng ngõ phải để khơng (hở mạch ngõ cực phát thứ hai, xem hình 7.7) Khi tính tốn hệ số ngõ ra, dịng ngõ vào phải để không (hở mạch ngõ vào với cực đầu tiên) Theo cách này, hồi tiếp loại ra, tải mạch hồi tiếp khuếch đại khơng có hồi tiếp đưa vào tính tốn Trang 7.9 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử 7.4 Hiệu ứng hồi tiếp đáp ứng tần số Như thấy hai phần trước, hồi tiếp làm thay đổi độ lợi, trở kháng vào mạch khuếch đại, giảm bớt đáp ứng tần số mạch khuếch đại Một mạch khuếch đại khơng hồi tiếp có tần số thấp tần số cao dB kí hiệu tương ứng f1 f2 Mạch khuếch đại tương tự, hồi tiếp áp có tần số thấp tần số cao3 dB (kí hiệu tương ứng f1f f2f ) cho bởi: f1 f1 f = (7.30) + βA f f = f (1 + β A) (7.31) β A có giá trị thích hợp (I V) phụ thuộc vào mạch khuếch đại hồi tiếp dòng hay hồi tiếp áp Ảnh hưởng hồi tiếp làm giảm tần số dB thấp làm tăng tần số cao dB Vì vậy, băng thông mạch khuếch đại hồi tiếp áp bị thay đổi Nếu giả sử tần số thấp dB nhỏ so với tần số cao dB, băng thơng hồi tiếp cho BWf ≅ BW(1+ β A ) (7.32) Ảnh hưởng hồi tiếp khuếch đại đáp ứng tần số minh họa qua ví dụ 7.3 Ví dụ 7.3: Một mạch khuếch đại (khơng hồi tiếp) có độ lợi áp 1000 có tần số thấp tần số tương ứng 100 Hz 100 kHz Nó làm thành khuếch đại hồi tiếp có 20 dB hồi tiếp Xác định đáp ứng tần số mạch khuếch đại hồi tiếp? Giải Đáp ứng tần số mạch khuếch đại thể hình 7.8 Tổng lượng hồi tiếp dB of feedback = 20 log |1+ β A | = 20 dB Do đó, 1+ β A = 10 Khi hồi tiếp, độ lợi mạch khuếch đại 1000 AVf = = 100 hay 40 dB 10 Trang 7.10 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Hình 7.8 :Hiệu ứng hồi tiếp đáp ứng mạch khuếch đại Tần số thấp dB 100 Hz = 10 Hz 10 = (100)(10)kHz = 1MHz f if = f2 f Những kết tính hình 7.8 Chú ý băng thơng tăng độ lợi giảm Trong trường hợp này, băng thơng tăng 10 lần độ lợi giảm 10 lần 7.5 Mạch dao động Dao động mạch điện tử bản, chúng ngõ vào AC, lại cung cấp ngõ với tần số xác định Ngõ vào cho dao động nguồn áp cung cấp để phân cực cho linh kiện tích cực linh kiện đuợc sử dụng mạch dao động Thông thường mạch dao động khuếch đại hồi tiếp với hệ số tiếp dương 7.5.1 Tiêu chuẩn cho mạch dao động Cho mạch dao động tổng quát hình 7.9 Bộ khuếch đại (khơng thiết OPAMP) có độ lợi áp Av âm, tổng trở ngõ Ro & tổng trở vào R1 lớn Trong hình 7.10 , vẽ lại mạch để thấy rõ mạch hồi tiếp gồm Z1 & Z2 .Mạch dạng hồi tiếp áp Ta có độ lợi mạch là: A (7-33) G= − βA với β hệ số hồi tiếp Tuy nhiên mạch dao động độ lợi phải vơ hạn, tức mẫu số phương trình (733) 0, : Trang 7.11 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử − βA = hay β A = góc pha ( β A)=0 (7-34) Trong β A gọi độ lợi vòng lặp, β A hàm tần số & số phức Điều kiện phương trình (7-34) đuợc gọi tiêu chuẩn Barkhausen; xác định điều kiện để có dao động Theo tiêu chuẩn Barkhausen, tần số dao động tần số mà đó, tín hiệu di chuyển quanh vịng lặp Hình 7.9: Mạch dao động tổng qt Như hình vẽ, tín hiệu ban đầu ngõ vào; phải pha (để bảo đảm hồi tiếp dương), biên độ tín hiệu khơng giảm q trình lặp vịng Tần số dao động định độ dịch pha (proper) vòng hồi tiếp Chú ý độ lợi vòng lặp lớn (hơn 1) gây sái dạng tín hiệu & ngõ khơng cịn dạng sin Thay khuếch đại mạch tương đuơng hình 7.11 Hình 7.12 vẽ lại mạch hình 7.11 khơng có hồi tiếp, ta có độ lợi khơng hồi tiếp: A = Av ZL Z L + R0 (7.35) Trong đó, ta định nghĩa ZL tải khơng hồi tiếp : ZL = (Z1 + Z )Z Z1 + Z + Z Tương tự, ta xác định hệ số hồi tiếp β từ hình 7.5 Z2 β= Z1 + Z (7.36) (7.37) Trang 7.12 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Thay phương trình (7.35), (7.36) & (7.37) vào tiêu chuẩn Barkhausen, ta thấy phương trình (7.34) cho tần số dao động & độ lợi khuếch đại cần tìm Chúng ta xét trường hợp đặc biệt trở kháng linh kiện thụ động (thuần ảo) Z = jX Z = jX Z = jX (7.38) Hình 7.10 : Mạch dao động tổng quát vẽ lại Hình 7.11 : Mạch tương đương mạch hình 7.10 Hình 7.12 : Xác định độ lợi khơng hồi tiếp Sử dụng mối quan hệ phương trình độ lợi vịng lặp, ta có: β A = Av − X2X3 − X X − X X + jR0 ( X + X + X ) (7.39) Trang 7.13 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Mơn Kỹ Thuật Điện Tử Để có góc pha β A =0 , thành phần ảo mẫu số phương trình (7.39) phải Vì vậy: X1 + X + X = (7.40) Ở mạch cho trên, phương trình (7.40) cho tần số dao động Nếu ta cho biên độ độ lợi vòng lặp 1, ta có: X (7.41) Av = X2 phương trình 7.9 cho giá trị , biên độ độ lợi khuếch đại dao động Để ý thực tế, độ lợi khuếch đại âm Hình 7.13 : Xác định yếu tố hồi tiếp 7.5.2 Mạch dao động Hartley Mạch dao động Hartley dùng OpAmp hình 7.14 Ta kiểm tra mạch dạng từ hình 7.9 ta xem khuếch đại OpAmp với điện trở tạo độ lợi R1 & Rf Độ lợi áp từ Vi đến Vo đuợc cho : Rf (7.42) Av = − R1 Ta so sánh vị trí cuộn dây & tụ điện hình 7.14 với tổng trở hình 7.9, ta có: −1 X = ωL2 X = ωL3 (7.43) X1 = ωC1 tần số dao động tính cách thay phương trình (7.43) vào phương trình (7.40) −1 = ω ( L2 + L3 ) (7.44) ωC1 ta đuợc tần số dao động fo: với ω = 2πf fo = 2π ( L2 + L3 )C1 (7.45) Trang 7.14 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Độ lợi tối thiểu đuợc tính từ phương trình (7.41): L Av = L2 (7.46) Hình 7.14 : Mạch dao động Hartley dùng Op AMP Ví dụ 7.4: Thiết kế mạch dao động Hartley hình 7.14, với L3 =0,4mH, L2 =0,1mH & C1=0.002 µF Xác định tần số dao động & giá trị R1 & R f để bảo đảm mạch dao động Giải: Tần số dao động cho phương trình (7.39): f0 = Hz ≅ 159kHz 2π [(0.4 + 0.1)(2 x 10 −12 )]1 / Độ lợi tối thiểu từ phương trình (7.46): 0.4 Av = =4 0.1 Vì vậy, chọn R1= 100kΩ , R f = 430kΩ độ lợi áp 4.3, bảo đảm dao động 7.5.3 Mạch dao động Colpitts Mạch dao động Colpitts tương tự mạch Hartley ta thay tụ cuộn dây & ngược lại (hình 7.15) Ta phân tích mạch dao động Colpitts cách sử dụng kết tổng quát mục 7.5 Trang 7.15 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Hình 7.15 : Mạch dao động Colplitts Chú ý X = ωL1 X2 = −1 −1 X3= ωC ωC (7.47) Cho tổng phần tử 0, ta xác định tần số dao động: f0 = 2π L1C S (7.48) với C S giá trị tụ C nối tiếp C : C2C3 CS = C + C3 Độ lợi tối thiểu từ phương trình (7.41) với X = /(ωC ) & X = /(ωC ) C2 C3 độ lợi lớn 1, nên C phải lớn C Av = (7.49) Ví dụ 7.5: Mạch Opamp dao động Colpitts hình 7.15 có L1 =0,1mH, C = 800 pF & C = 400 pF Xác định tần số dao động độ lợi tối thiểu cần thiết để mạch dao động? Trang 7.16 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Giải: Đầu tiên, ta tính điện dung tương đương: CS = (800)(400) 800 + 400 pF ≅ 267 pF Tần số dao động: f0 = 2π 2.67 x 10 −14 Hz ≅ 0.97Μ Hz Độ lợi tối thiểu để mạch dao động: 800 Av = =2 400 Vì vậy, chọn R1= 100kΩ , R f = 200kΩ chọn R f = 220kΩ (cho giá trị chuẩn điện trở) mạch dao động 7.5.4 Mạch dao động dịch pha RC Cả dao động Hartley & Colpitts họat động giống nhau, tần số, mạch hồi tiếp cho độ dịch pha 180 Bộ khuếch đại cung cấp 180 khác để bảo đảm độ dịch pha quanh vòng lặp (hoặc bội số 360 ) Ta đạt điều mạch dịch pha RC hình 7.10 với tối thiểu RC cung cấp độ dịch pha 180 (1 tụ điện lý tưởng cho dịch pha 90 _vì cần tối thiểu RC, mạch có nhiều hơn) Mạng hồi tiếp cho độ dịch pha 180 tần số đuợc cho : f0 = 2π (2.45) RC (7.50) Vì khuếch đại phải có độ lợi tối thiểu 29 29 để bảo đảm dao động Suy ra, phương trình Rf Av = 29 = (7.51) R1 cho ta tìm điện trở cần thiết Ta chọn R1= 100kΩ & R f = 3.3MΩ để có độ Tại tần số này, độ lợi mạng hồi tiếp lợi 33 Trang 7.17 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Mơn Kỹ Thuật Điện Tử Hình 7.16 : Mạch dao động dịch pha Ví dụ 7.6: Thiết kế mạch dao động hình 7.16 với tần số dao động 10kHz Giải Chúng ta bắt đầu việc chọn tụ điện C = 0.001µF Sau tính giá trị từ phương trình ( 7.50) R= ≈ 6.5kΩ 2π (2.45)(0.001 × 10 −6 )(10 × 10 ) Để cung cấp độ lợi & ngăn chặn việc giảm tải từ mạng hồi tiếp ta chọn R1= 100kΩ & R f = 3.3MΩ Hình 7.17 minh họa mạch dao động dịch pha RC dùng BJT Để có ghép RC, ta phải bỏ điện trở R cuối tải nặng mạng hồi tiếp tổng trở ngõ vào hie BJT Để có tần số dao động, kết hợp song song R1, R2 & hie , tất nối tiếp với R’, tính cho tương đương với R Trang 7.18 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Hình 7.17 : Mạch dao động dịch pha RC 7.5.5 Bộ dao động cầu WIEN Mạch dao động cầu WIEN dùng OpAmp minh họa hình 7.18 Mạch hồi tiếp dương gồm mạch kết hợp điện trở & tụ điện: R1 song song với C1 R1 nối tiếp với Cc Điện trở R3& R4 quy định độ lợi OpAmp.Ta vẽ lại mạch để phân tích đơn giản hình 7.19 (nhưng tương đương nhau) Dao động xuất dịch pha qua mạng hồi tiếp =0; độ lợi cung cấp R3R4 đủ lớn để khơng bị tín hiệu mạng hối tiếp Tần số dao động xác định từ điều kiện mà tổng trở nhánh R1-C1 với tổng trở nhánh R2-C2 Vì vậy, (7.52) f0 = 2π R1 R2 C1C Tại tần số , độ lợi vòng lặp 1, độ lợi khuếch đại phải thỏa: Av ≥ R1 C + +1 R2 C1 (7.53) Từ , chọn đuợc điện trở R1& R2 , C1& C2 dễ dàng suy tần số dao động từ phương trình 7.52 Điện trở R3& R4 đuợc chọn độ lợi phương trình 7.53 Cơng thức độ lợi có R3& R4 là: Trang 7.19 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Av = Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử R3 + R4 R = 1+ R4 R4 (7.54) Hình 5.18 : Mạch dao động OPAMP cầu Wien Hình 7.19 : Vẽ lại mạch dao động OPAMP cầu Wien Vì vậy, ta tìm đuợc giá trị R3,& R4 cách kết hợp phương trình 7.53 & 7.54 R3 R1 C ≥ + R4 R2 C1 (7.55) Trong trường hợp đặc biệt, R1= R2 =R & C1=C2=C, tần dao động f0 = (7.56) 2πRC độ lợi tối thiểu cho mạch dao động Dĩ nhiên R3 ≥ R4 để bảo đảm mạch dao động (xem phương trình 7.54) Trang 7.20 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử Bài tập: Bài 1: Cho mạch dao động Hartley, hình 7.14, dùng OpAmp, với tần số dao động 455kHz Xác định giá trị linh kiện mạch Bài 2: Cho mạch dao động Colpitts dùng OpAmp hình 7.15 với: C = 5000 pF , C = 500 pF & L=1mH Xác định tần số dao động & giá trị điện trở để bảo đảm mạch dao động Bài 3: Cần thiết kế mạch dao động dịch pha dùng OpAmp với tần số dao động 18kHz Xác định giá trị mạch ( tất tụ điện 0.1 µF ) Bài 4: Lặp lại với mạch dao động dịch pha dùng BJT hình 7.17 với thông số BJT hie = 2kΩ , h fe = 100 bỏ qua hre , hoe Xác định giá trị R’ Bài 5: Cho mạch dao động cầu Wien hình 7.18 với R1= R2 =1 kΩ & C1=C2= 0.02 µF Xác định tần số dao động giá trị điện trở bảo đảm độ lợi cho mạch dao động? Trang 7.21 ... định hệ số hồi tiếp β từ hình 7. 5 Z2 β= Z1 + Z (7. 36) (7. 37) Trang 7. 12 Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Mơn Kỹ Thuật Điện Tử Thay phương trình (7. 35), (7. 36) & (7. 37) vào tiêu chuẩn Barkhausen,... qua Ro xấp xỉ gần Vo Vo = ( AI I I − I o ) Ro (7. 25) Thay biểu thức (7. 16) vào I1, có Vo = ( AI I s − β I AI I o − I o ) Ro (7. 26) Bây đặt hệ số (1 + β I AI ) ngoài: Trang 7. 7 Người soạn: NGUYỄN... ≅ (7. 6) βv 7. 2.2 Điện trở ngõ vào Điện trở ngõ vào cho khuếch đại hồi tiếp định nghĩa tỉ số Vs với I1 Lấy Vf từ biểu thức (7. 1) vào biểu thức (7. 3), ta Vs = V1 + β vVo = V1 (1 + β v Av ) (7. 7)