87 Chương 4 BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ ỨNG DỤNG 4 1 Giới thiệu Như đã nói ở các chương trên, ngày nay IC analog sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử Khi sử dụng chúng cần đấu thêm các điện trở, tụ[.]
Chương BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ ỨNG DỤNG 4.1 Giới thiệu Như nói chương trên, ngày IC analog sử dụng rộng rãi kỹ thuật điện tử Khi sử dụng chúng cần đấu thêm điện trở, tụ điện, điện cảm tùy theo loại chức chúng Sơ đồ đấu trị số linh kiện cho sổ tay IC analog Các IC analog chế tạo chủ yếu dạng khuếch đại thuật toán - mạch khuếch đại lý tưởng - thực nhiều chức máy điện tử cách gọn - nhẹ - hiệu suất cao Ở chương ta xét khuếch đại thuật toán số ứng dụng chúng Danh từ: “khuếch đại thuật tốn” (operational amplifier) thuộc khuếch đại dịng chiều có hệ số khuếch đại lớn, có hai đầu vào vi sai đầu chung Tên gọi có quan hệ tới việc ứng dụng chúng chủ yếu để thực phép tính cộng, trừ, tích phân v.v Hiện khuếch đại thuật tốn đóng vai trị quan trọng ứng dụng rộng rãi kĩ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin xung, ổn áp lọc tích cực v.v… 4.1.1 Cấu tạo + EC1 R4 R1 R8 R2 T7 T5 Uvk T6 R9 T1 T2 T9 + - R5 Uvd Uvd - Uvk + T8 R10 T4 - R11 R6 T3 - Ur R3 R7 R12 - EC2 Hình 4-1 Kí hiệu khuếch đại thuật tốn sơ đồ điện tử Hình 4-2 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại thuật tốn ba tầng Kí hiệu quy ước khuếch đại thuật toán (OA) cho hình 4-1 với đầu vào Uvk (hay Uv+) gọi đầu vào không đảo đầu thứ hai Uvđ (hay Uv-) gọi đầu vào đảo Khi có tín hiệu vào đầu khơng đảo gia số tín hiệu dấu (cùng pha) với gia số tín hiệu vào Nếu tín hiệu đưa vào đầu đảo gia số tín hiệu ngược dấu (ngược pha) so với gia số tín hiệu vào Đầu vào đảo thường thực hồi tiếp âm bên cho OA Cấu tạo sở OA tầng vi sai dùng làm tầng vào tầng khuếch đại Tầng OA thường tầng lặp emitơ (CC) đảm bảo khả tải yêu cầu sơ đồ Vì hệ số khuếch đại tầng emitơ gần 1, nên hệ số khuếch đại đạt nhờ tầng vào tầng khuếch đại bổ sung mắc tầng vi sai tầng CC Tùy thuộc vào hệ số khuếch đại OA mà định số lượng tầng Trong 87 OA hai tầng (thế hệ mới) gồm tầng vi sai vào hai tầng bổ sung Ngồi OA cịn có tầng phụ, tầng dịch mức điện áp chiều, tầng tạo nguồn ổn dòng, mạch hồi tiếp 4.1.2 Nguyên lý làm việc Sơ đồ nguyên lý OA ba tầng vẽ hình 4-2, cung cấp từ hai nguồn Ecl Ec2 khơng nhau có điểm chung Tầng khuếch đại vào dùng T1 T2 tầng hai dùng T5 T6 mắc theo sơ đồ vi sai Tầng thứ ba gồm T7 T8 Đầu ghép vào với đầu vào T9 mắc theo tầng CC Điều khiển T7 theo mạch bazơ tín hiệu tầng hai, điều khiển T8 theo mạch emitơ điện áp điện trở R12 dịng emitơ T9 chảy qua T8 tham gia vào vòng hồi tiếp dương đảm bảo hệ số khuếch đại cao cho tầng ba Tác dụng đồng thời T T8 làm tăng làm giảm (tùy thuộc vào tín hiệu vào T6) điện áp tầng vào CC Tăng điện áp bazơ T9 giảm điện trở chiều T7 giảm điện trở T8 ngược lại Tranzitor T3 đóng vai trị nguồn ổn dòng Tranzitor T4 mắc thành điốt để tạo điện áp chuẩn, ổn định nhiệt cho T3 Khi điện áp vào OA Uvk = Uvđ = điện áp đầu OA Ur = Dưới tác dụng tín hiệu vào (h.4-2) có dạng nửa sóng “+”, điện áp collectơ T6 tăng, làm dòng IB IE T7 tăng Điều dẫn đến làm tăng dòng IB IE T9 Điện áp R12 tăng làm giảm dòng IB IC T8 Kết đầu OA có điện áp cực dương Ur > Nếu tín hiệu vào ứng với nửa sóng “-” đầu OA có điện áp cực tính âm Ur < 4.2 Đặc tính thơng số khuếch đại thuật toán Ur Ku + Ec Ku Ku đầu vào không đảo đầu vào đảo a) Urmax Uv - 20 dB/decac Urmax f fc f1 f f0 180 b) 300 360 420 500 - Ec Hình 4-3 Đặc tuyến truyền đạt khuếch đại thuật tốn f* f Hình 4-4 Đặc tuyến biên độ đặc tuyến pha Đặc tuyến quan trọng OA đặc tuyến truyền đạt điện áp (h 4-4), gồm hai đường cong tương ứng với đầu vào đảo không đảo Mỗi đường cong gồm đoạn nằm ngang đoạn dốc Đoạn nằm ngang tương ứng với chế độ tranzitor tầng (tầng CC) thơng bão hịa cắt dịng Trên đoạn thay đổi điện áp tín hiệu đặt vào, điện áp khuếch đại không đổi xác định giá trị U+r max U-r max gọi giá trị điện áp cực đại (điện áp bão hòa) gần EC nguồn cung cấp (trong IC thuật toán mức điện áp bão hòa thượng 88 thấp giá trị nguồn EC từ đến 3V giá trị) Đoạn dốc biểu thị phụ thuộc tỉ lệ điện áp với điện áp vào với góc nghiêng xác định hệ số khuếch đại OA (khi khơng có hồi tiếp ngoài) K = Un/ Uv Trị số K, tùy thuộc vào loại OA, từ vài trăm đến hàng trăm nghìn lần lơn Giá trị K lớn cho phép thực hồi tiếp âm sâu nhằm cải thiện nhiều tính chất quan trọng OA Đường cong lí tưởng (h 4-4) qua gốc tọa độ Trạng thái Ur = Uv = gọi trạng thái cân OA Tuy nhiên OA thực tế thường khó đạt cân hồn tồn, nghĩa Uv = Ur lớn nhỏ khơng Ngun nhân cân tản mạn tham số linh kiện khuếch đại vi sai (đặc biệt tranzitor) Sự phụ thuộc vào nhiệt độ tham số OA gây nên độ trôi thiên áp đầu vào điện áp đầu theo nhiệt độ Vì để cân ban đầu cho OA người ta đưa vào đầu vào điện áp phụ thích hợp điện trở để điều chỉnh dòng thiên áp mạch vào Điện trở tham số quan trọng OA OA phải có điện trở nhỏ (hàng chục hàng trăm Ω) để đảm bảo điện áp lớn điện trở tải nhỏ, điều đạt mạch lặp emitơ đầu OA Tham số tần số OA xác định theo đặc tuyến biên độ tần số (h 4-4) bị giảm miền tần số cao, tần số cắt fc với độ dốc (-20dB) khoảng mười (1 đề các) trục tần số Nguyên nhân phụ thuộc tham số tranzito điện dung kí sinh sơ đồ OA vào tần số Tần số f1 ứng với hế số khuếch đại OA gọi tần số khuếch đại đơn vị Tần số biên fc ứng với hệ số khuếch đại OA bị giảm lần, gọi dải thơng khơng có mạch hồi tiếp âm, fc thường thấp cỡ vài chục Hz Khi dùng OA khuếch đại tín hiệu thường sử dụng hồi tiếp âm đầu vào đảo Vì có dịch pha tín hiệu so với tín hiệu vào tần số cao nên đặc tuyến pha tần số OA theo đầu vào đảo cịn có thêm góc lệch pha phụ trở nên lớn 1800 Ở tần số cao f* , tổng góc lệch pha 3600 xuất hồi tiếp dương theo đầu vào đảo tần số làm mạch ổn định Để khắc phục tượng người ta mắc thêm mạch hiệu chỉnh pha RC để chuyển tần số f *ra khỏi dải thông khuếch đại Tham số mạch RC vị trí chúng sơ đồ IC để khử tự kích người sản xuất dẫn Dưới ta khảo sát số mạch ứng dụng OA chế độ làm việc miền tuyến tính đặc tuyến truyền đạt có sử dụng hồi tiếp âm để điều khiển tham số mạch 4.3 Các mạch ứng dụng 4.3.1 Mạch khuếch đại đảo Bộ khuếch đại đảo cho hình 4-5, có thực hồi tiếp âm song song điện áp qua Rht Đầu vào không đảo được nối với điểm chung sơ đồ (nối đất) Tín hiệu vào qua R1 đặt vào đầu đảo OA Nếu coi OA lí tưởng điện trở vào vơ lớn Rv , dịng vào OA vơ bé I0 = nút N có phương trình nút dịng điện: Iv Iht 89 Rht Iht Iv R1 I U0 UV U - r + Hình 4-5 Sơ đồ khuếch đại đảo Từ ta có: (4.1) , điện áp đầu vào U0 = Ur/K , (4.1) có dạng: Uv/R1 = - Ur/Rht (4.2) Do hệ số khuếch đại điện áp Kđ khuếch đại đảo có hồi tiếp âm song song xác định tham số phần tử thụ động sơ đồ: Kđ = Ur/Uv = - Rht/R1 (4.3) Nếu chọn Rht = R1, Kđ = -1, sơ đồ (h 4-5) có tính chất tầng đảo lặp lại điện áp (đảo tín hiệu) Nếu R1= từ phương trình Iv Iht ta có Iv = - Ura/ Rht hay Ura = - Iv.Rht tức điện áp tỉ lệ với dịng điện vào (bộ biến đổi dịng thành áp) Vì U0 nên Rv = R1, K Rv = 4.3.2 Mạch khuếch đại không đảo Bộ khuếch đại không đảo (h 4-6) gồm mạch hồi tiếp âm điện áp đặt vào đầu đảo, cịn tín hiệu đặt tới đầu vào khơng đảo OA Vì điện áp đầu vào OA (U0 = 0) nên quan hệ Uv Ur xác định bởi: Khi K U v = Ur Hệ số khuếch đại khơng đảo có dạng: Kk = = = 1+ (4.4) Rht U - r + + U = U r UV U UV R1 b) a) Hình 4-6 a) Sơ đồ khuếch đại không đảo 90 b) Sơ đồ lặp điện áp v Lưu ý đến vị trí nối vào nối tức thay Ura Uvào ngược lại sơ đồ (4-6a), ta có suy giảm điện áp: Ura = R1 (4.5) Khi Rht = R1 = ta có sơ đồ lặp lại điện áp (h 4-6b) với K = Điện trở vào khuếch đại không đảo điện trở vào OA theo đầu vào đảo lớn, điện trở Rr 4.3.3 Mạch đệm Hình 4-7 Sơ đồ mạch đệm Đây trường hợp đặc biệt mạch khuếch đại không đảo với: Rf = R1= Áp dụng công thức: AV = 4.3.4 Mạch cộng 4.3.4.1 Mạch cộng đảo Sơ đồ hình 4-8 có dạng khuếch đại đảo với nhánh song song đầu vào số lượng tín hiệu cần cộng Coi điện trở nhau: Rht = R1 =R2 = … = Rn < Rv Khi Iv = Iht = I1 + I2 + … + In Hay: n U r (U U U n ) U i (4.6) i 1 Công thức (4.6) phản ánh tham gia giống số hạng tổng Tổng quát: Khi R1 Rn có: Ur = - ( ) 91 (4.7) Un I1 I2 In R1 R2 Rn U0 Rht Iht - U1 + Ur U2 Un U2 U1 Hình 4-8 Sơ đồ cộng đảo R I1 R I2 In Rht U - + Ur R R1 Hình 4-9 Sơ đồ cộng không đảo 4.3.4.2 Mạch cộng không đảo Sơ đồ nguyên lý mạch cộng không đảo vẽ hình 4-9 Khi U0 = 0, điện áp hai đầu vào Uv+ = Uv- = Ur Khi dịng vào đầu khơng đảo khơng ( Rv = ), ta có: hay Từ đó: Ur R1 Rht R Rht (U1 U U n ) nR1 nR1 n U i 1 i (4.8) Chọn tham số sơ đồ thích hợp có thừa số vế phải công thức (4.7) (R1 + Rht) / (nR1) = 4.3.5 Mạch trừ Khi cần trừ hai điện áp, người ta thực theo sơ đồ hình 4-10 Khi điện áp đầu tính theo: Ur = K U1 + K U2 (4.9) Có thể tìm K1 K2 theo phương pháp sau: Cho U2 = mạch làm việc khuếch đại đảo, tức là: Ura = U1 Vậy K1 = - Khi U1 = mạch mạch khuếch đại khơng đảo có phân áp Khi đó: U2 Urb = 92 U Ra/a Ra V Ua Ub U + Rb/b r Rb b) Hình 4-10 Sơ đồ mạch trừ Hệ số khuếch đại mạch là: Vậy: Ur = Ura + Urb = Nếu điện trở hai lối vào nhau, tức là: K2 = , K1 = Vậy: Ura = (U2 – U1) Tổng quan, sơ đồ trừ vạn dùng để đồng thời lấy tổng lấy hiệu cửa số điện áp vào thực mạch hình 4-11 Để rút hệ thức cần thiết, ta sử dụng quy tắc nút cửa vào A khuếch đại: n U1 U a U a U 0 Ra a /i ) (R i 1 Rút ra: n n iU i U a i 1 U a i 1 i 1 U U U U, U, U, Ra/ n n Ra/2 1 Ra/1 , Ra/1 , Ra/2 Ra/n , Ua A + B Ub Ra Ur Rb n Hình 4-11 Sơ đồ lấy hiệu số lớn tín hiệu Tương tự cửa vào B khuếch đại: Nếu Ua = Ub thỏa mãn thêm điều kiện: 93 Thì sau trừ hai biểu thức ta có: 4.4 Các mạch ứng dụng tạo hàm 4.4.1 Mạch tích phân Sơ đồ tích phân mơ tả hình 4-12 Với phương pháp tính trên, từ điều kiện cân dòng nút A, iR = iC ta có: (4.10) Ở đây: Uro điện áp tụ C t = (là số tích phân xác định từ điều kiện ban đầu) Thường t = , Uv = Ur = nên ta có (4.11) Ở đây: = RC gọi số tích phân mạch ic ir UV R A U U - r + Hình 4-12 Sơ đồ tích phân Khi tín hiệu vào thay đổi nấc, tốc độ thay đổi điện áp bằng: nghĩa đầu tích phân có điện áp tăng (hay giảm) tuyến tính theo thời gian Đối với tín hiệu hình sin, tích phân lọc tần thấp, quay pha tín hiệu hình sin 900 hệ số khuếch đại tỉ lệ nghịch với tần số 4.4.2 Mạch vi phân Bộ vi phân cho hình 4-13 Bằng tính tốn tương tự phần có điện áp tỉ lệ với tốc độ thay đổi điện áp vào: Ur = - RC (4.12) Ở = RC gọi số vi phân mạch 94 R UV U - C r + Hình 4-13 Sơ đồ vi phân Khi tín hiệu vào hình sin, vi phân làm việc lọc tần cao, hệ số khuếch đại tỉ lệ thuận với tần số tín hiệu vào làm quay pha Uvào góc 900 Thường vi phân làm việc ổn định tần số cao zc = làm hệ số hồi tiếp âm giảm nên sử dụng cần lưu ý đặc điểm bổ c sung điện trở làm nhụt R1 4.4.3 Một số mạch tạo hàm phi tuyến khuếch đại thuật toán Để tạo mạch tạo hàm phi tuyến phải dùng phần tử phi tuyến vòng hồi tiếp KĐTT Các phần tử phi tuyến thường sử dụng điốt tranzistor 4.4.3.1 Mạch khuếch đại loga Mạch khuếch đại loga cho điện áp tỷ lệ với loga điện áp vào Mạch thực hình 4-14 Phần tử phi tuyến dùng điốt hình 4-14a tranzistor hình 4-14b Xét mạch hình 4-14a Dịng điốt có quan hệ: UD UT ID = I e (4.13) Id UD - dòng qua điốt điện áp đặt lên điốt; I0 dòng ban đầu ứng với điện áp ngược cho phép; UT điện áp nhiệt cỡ 26mV D ID U V R N P U + U r R N V P b) U + r b) H×nh 4-14 Khuếch đại loga UD Uv Uv Thay ID IR = vào (4.47) có = I0 e U R R Vì cực P đấu đất nên Ur Uv Ur - UD hay: = I0 e U R IE T 95 T Uv (4.14) RI Trong biểu thức tiện chọn RI0 = Trong mạch hình 4-14b dịng điện qua tranzistor có quan hệ với điện áp: Ur = - UT.ln U BE UT IE = IEbh( e ) IE bh - dịng IE chế độ bão hồ U BE U BE U U U Với e T >> IE IEbh e T ; IR = v nên R Uv Ur - UBE = - UT ln (4.15) R.I Ebh Mạch điện hình 4-14 làm việc với điện áp vào dương Khi điện áp vào âm mạch hồi tiếp bị ngắt nên khơng có khuếch đại lơga Có thể đổi tranzistor n-p-n thành p-n-p để đổi dấu điện áp 4.4.3.2 Mạch khuếch đại đối loga (nâng lên hàm mũ) Mạch hình 4-15 mạch khuếch đại đối loga Dễ dàng nhận thấy mạch hình (4-15a) thì: e UR = - RI0 UV UT (4.16) R U ID D N P V R U + r U ID V U - N P + a) r b) H×nh 4.15 Các mạch khuếch đại đối loga Ur = lnUv a) ln b) exp Ur = eUV Hình 4-16 Các mạch khuếch đại đối loga mch hình (4-14b): UV UT Ur - RIbh e (4.17) Ký hiệu mạch KĐ loga đối loga tương ứng hình 4-15a 4-15b 4.4.3.3 Mạch nhân tương tự mạch luỹ thừa Mạch nhân định nghĩa mạch có tín hiệu đầu Z tỷ lệ với tích tín hiệu đầu vào X Y, tức Z = k.X.Y với k - hệ số tỷ lệ hay hệ số truyền của mạch nhân Bộ nhân lý tưởng có trở kháng vào ZVX ZVY = , trở kháng ZR = hệ số truyền đạt k số Mạch nhân tương tự có ký hiệu hình 496 16a Mạch nhân thực theo phương pháp chia thời gian, dùng khuếch đại loga đối loga, thay đổi hỗ dẫn tranzistor Ở ta xét hai phương án dùng khuếch đại loga đối loga: U V1 X Z K ln exp + Ura Y a) U V2 ln b) Hình 4-17 Mạch nhân t-ơng tự a) Ký hiệu b) Thực KĐ loga ®èi loga Hình 4-17b mạch nhân tương tự xây dựng khuếch đại lôga đối lôga Đầu hai mạch loga ln1 ln2 tương ứng 1 ln U V1 , ln U V2 Ở đầu mạch tổng là: lnUV1 + lnUV2 = ln(UV1.UV2) (chọn 1 = 2 = 1); Ở đầu khuếch đại đối loga phép nhân: Ur = Ke ln( U U ) KU V1 U V2 (4.18) Mạch có lấy loga nên nhân với tín hiệu dương U V > Vi mạch nhân 4200 thực theo sơ đồ 4-17 Mạch nhân thực theo nguyên lý biến đổi hỗ dẫn tranzistor sau: Trong Tranzistor lưỡng cực có quan hệ: V1 S= V2 dIc = IC /UT dU BE (4.19) Quan hệ tuyến tính dịng colectơ nhỏ 0,1mA Sử dụng (4.19) để thực phép nhân khuếch đại vi sai sau: Khi tín hiệu vào X đưa đến đầu vào khuếch đại vi sai đầu Z = K X, với K hệ số khuếch đại khuếch đại vi sai Tín hiệu thứ hai Y đưa đến điều khiển dòng tĩnh colectơ tranzistor, dòng thay đổi làm hệ số khuếch đại biến đổi theo nên: Z=K.X.Y Đấu hai đầu mạch nhân với UX = Uy nên mạch luỹ thừa bậc hai UZ = KUX2 (4.20) 4.4.3.4 Mạch chia mạch khai Mạch chia xây dựng theo nguyên tắc sau: - Chia theo nguyên tắc nhân đảo - Chia cách biến đổi hỗ dẫn - Chia mạch loga đối loga 97 a) UX K>0 _ + UY b) UZ UX K>0 R UY R_ + UZ Hình 4-18 Các mạch chia lập từ mạch nhân đảo Mạch chia theo nguyên tắc nhân đảo có sơ đồ nguyên lý hình 4-18 Mạch hình 4-18a mạch chia thuận Ở đầu nhân tức đầu vào đảo khuếch đại thuật tốn có UN = K.UX.UZ, cửa thuận P có UY = UP Theo tính chất khuếch đại thuật tốn UN = UP nên KUXUZ = Uy từ ta có: URa = UZ = Uy KU X (4.21) Mạch hình 4-18b mạch chia đảo có quan hệ: KU X U Z Uy U P = = UN = Uy Từ ta có: UZ = KU X UV1 X : Y a) Z (4.22) ln - UV2 ln exp b) Ura Hình 4-19 Mạch nhân tương tự a) Ký hiệu b) Thực khuếch đại loga đối loga Trong biểu thức (4.21) (4.22) UY có đấu tuỳ ý, cịn UX ln dương Nếu UX < hồi tiếp qua đầu nhân hồi tiếp dương nhanh chóng đưa khuếch đại thuật tốn vào trạng thái bão hoà gây méo lớn.Nếu K < U X phải âm Hình 4-19a ký hiệu mạch chia, hình 4-19b mạch chia xây dựng đơn giản mạch loga đối loga Theo sơ đồ ta có: ln Ur = e ln U V1 ln U V e UV1 U V UV1 U V2 Hình 4-20 mạch khai Chúng thực cách mắc vào mạch hồi tiếp mạch luỹ thừa 98 a) UV UX K>0 _ + b) Ur UX K>0 R UV R_ + Ur Hình 4-20 Các mạch khai a) Mạch khai không đảo b) Mạch khai đảo Mạch hình 4-20a mạch khai khơng đảo, điện áp đầu mạch nhân UV = K.Ur2 Điện áp đưa tới đầu vào không đảo nên: U Ur = với UV >0 (4.23) K Mạch vào 4-20b mạch khai đảo V Ur = Uv K với UV < (4.24) 4.4.3.5 Mạch so sánh tương tự Mạch so sánh có nhiệm vụ so sánh điện áp vào UV với điện áp chuẩn UCh Trong mạch so sánh, tín hiệu vào tương tự biến thành tín hiệu dạng mã nhị phân, nghĩa có mức thấp (L) cao (H) Bộ so sánh thực khuếch đại thuật toán làm việc chế độ bão hồ nên thấp cao mức dương âm nguồn (Ở so sánh chuyên dụng hai mức ứng với mức logic) a Đặc tuyến truyền đạt so sánh Ở so sáng lý tưởng tín hiệu vào có quan hệ: UP - UN > Ura = Ur CAO = UrH (4.25) UP - UN < Ur = Ur THẤP = UrT Nếu UP = UN điện áp so sánh lý tưởng không.Nếu điện áp vào khác so sánh trạng thái bão hoà điện áp mức cao mức thấp Như đặc tuyến truyền đạt lý tưởng Mạch so sánh thực tế có hệ số truyền đạt hữu hạn miền khuếch đại có điện áp lệch khơng U0 cỡ mV Để có độ xác cao cần có mạch bù khơng b Bộ so sánh khơng có trễ Ở so sánh hình 4-21a, điện áp cần so sánh điện áp chuẩn đưa vào hai cửa khác nhau.Có thể đưa hai điện áp vào cửa hình 4-21b qua hai điện trở R1, R2 để tạo dịng cửa vào Điện áp vào hiệu khơng dòng vào ngược dấu, tức là: UV/R1 = - UCh/R2 Trong hai trường hợp đổi chỗ cho 99 UV Uch UP UCh R2 Ur U0 Ur a) U0 b) Hình 4-21 Bộ so sánh khuếch đại thuật tốn khơng có trễ Nếu ý đến điện áp lệch không đầu vào điện áp vào tương ứng với mức chuyển trạng thái mạch so sánh sơ đồ a) UV = UCh + U sơ đồ b) là: UV U UCh U IN R1 R2 UV R1 R1 UCh U 0(1 ) INR R2 R2 (4.26) c Bộ so sánh có trễ Thơng thường đầu vào so sánh ngồi tín hiệu thường có nhiễu nên điên áp vào mức gần với mức chuyển trạng thái so sánh điện áp nhiễu làm cho so sánh lật trạng thái liên tục, mức tín hiệu khơng xác định Để loại trừ khả người ta mắc mạch hồi tiếp dương Khi hồi tiếp dương đủ lớn cho hệ số truyền vịng K >1 mạch so sánh làm việc trigơ Có hai sơ đồ so sánh loại mắc đảo mắc khơng đảo Hình 4-22a so sánh mắc đảo Ở hồi tiếp dương từ đầu qua phân áp R1 - R2 quay trở lại đầu vào Khi Uv có giá trị âm lớn điện áp Ur = Urmax = UrH, lúc cửa vào thuận có điện áp: U p max U r max a) R1 R1 R2 (4.27) b) UrH UV lý tuëng Ur R1 Upmin UV UPmax Thùc UrL tÕ Utr R2 Hình 4-22 Bộ so sánh khuếch đại thuật tốn có trễ mắc đảo Nếu tăng Uv lúc đầu Ur = const, Uv = Upmax so sánh chuyển trạng thái từ Urmax sang Urmin , nghĩa là: Ur = Urmin = UrL Lúc điện áp hồi tiếp cửa thuận R1 U r (4.28) R1 R 100 Tiếp tục tăng Uv điện áp hiệu Ud = Up - Uv âm, làm cho tín hiệu giữ nguyên mức Urmin (xem hình 4-23a), trạng thái điện áp đặt vào cửa thuận Up có giá trị nhỏ, giảm Uv mạch khơng chuyển trạng thái Upmax mà chuyển trạng thái Upmin Do ta có đặc tuyến truyền đạt tĩnh có trễ hình 4-23b Điện áp vào trễ Utr xác định bởi: Utr = Upmax - Upmin (4.29) Thay (4.27) (4.28) vào (4.29) ta có: R U tr ( U r max U r ) K ht ( U r max U r ) (4.30) R R a) b) Lý tuëng UrH + _ UV Ur UVmin UVmax UV Thùc tÕ UrL Hình 4-23 Bộ so sánh khuếch đại thuật tốn có trễ mắc thuận Các điện áp nhiễu có biên độ nhỏ điện áp trễ, khơng có khả làm cho so sánh lật trạng thái Điện áp trễ phải chọn đủ lớn đảm bảo điều kiện Kv = Kht.K0 >1 để mạch lật trạng thái Lúc mạch tự dao động, sau lật trạng thái chuyển sang làm việc chế độ bão hòa Với sơ đồ so sánh thuận (h 4-24a), Uv> Ur = Urmax = UrH, giảm Uv điện áp giữ nguyên giá trị Up = (vì cửa đảo nối đất) tức: U p U r max R1 R2 Uv 0 R1 R2 R1 R2 Từ suy điện áp vào ứng với lật trạng thái từ mức cao sang mức thấp: U v1 U v U r max R1 R2 (4.31) Nếu tiếp tục giảm Uv Ur = Urmin = UrL giữ ngun khơng đổi Ngược lại, tăng Uv lúc đầu Ur = Urmin = const, lúc này: U p U a R1 R2 Uv R1 R R1 R (4.32) Nếu tăng Uv cho Up = mạch lại chuyển trạng thái Cho (4.32) không suy ra: U v U v max R1 U r R2 (4.33) 101 a) U UV Ura U pmax t U pmin b) U UVmax UV Ura UVmin t Hình 4-24 Đồ thị thời gian điện áp vào mạch so sánh có trễ a) Mắc đảo b) Mắc khơng đảo Đây điện áp vào ứng với chuyển trạng thái so sánh từ mức thấp lên mức cao (xem hình 4-24b) Các mạch so sánh có trễ thường dùng để biến đổi điện áp vào hình sin thành điện áp dạng xung có biên độ xác định Hình 4-24 minh hoạ ứng dụng 4.4.3.6 Mạch biến đổi trở kháng a Mạch tạo điện trở âm (NIC) Nếu dùng hồi tiếp dương hồi tiếp âm mạch hình 4-25 tạo điện trở vào có trị số âm Theo tính chất KĐTT IN Ip 0, UN = Up nên từ hình 4-25 I1 Ip P IN U = Up Ur Rp Ur N UN I1 = Rp + _ I2 R RN Hình 4-25 Mạch NIC ; U P I1R p U r Ur UN ; U N Ur I2RN RN Vì Up = UN nên I1RP = - I2RN hay I2 = 102 I1 = - IR N Rp (4.34) Nếu UP có cực tính dương dịng I2 dương dịng I1 âm, điện trở đầu vào RV = UP/I1 âm b Girato Girato tạo phần tử điện cảm L từ phần tử tích cực, thường dùng ngày KĐTT Girato có ký hiệu hình 4-26a Hệ phương trình truyền đạt girato phải thoả mãn: U2 I1 R M I U1 R M (4.35) RM tham số biến đổi Từ hệ phương trình (4.35) có sơ đồ tương đương girato hình 4-26b Girato xây dựng NIC có dạng hình 4-26c Lập phương trình cho nút P1, N1, P2 N2 có: U U2 U2 U U U U1 0; 0 I2 + RM RM RM RM U U1 U U1 U U U1 I1 ; 0 RM RM RM RM Loại U3, U4 khỏi hệ nhận được: U2 U ; I2 = RM RM I1 = a) I2 RM b) I2 I1 U1 U1 U2 I R M U2 U3 RM RM I1 RM RM RM N1 U1 RM + _ P2 I2 U2 U2 RM U4 + _ P1 I1 N2 I1 RM U1 c) Hình 4-26 Mạch Girato NIC Bây mắc tải Rt cho Girato vào đầu hình 4-27, tìm trở kháng vào đầu ZV2: 103 a) I2 RM I1 U1 Rt U2 b) I2 RM I1 U2 Rt 1 U1 Hình 4-27 Mạch Girato mắc tải U1 = I1Rt I2 = U1 I1R t U R2t RM RM RM ZV2 = U R M I2 (4.36) Rt Nếu mắc tải Rt vào đầu - thì: t I2 = - U ; I = U = - I R t U R R Rt M RM RM ZV1 = - U R M I (4.37) Rt RM Như mắc vào - - trở kháng vào đầu Rt Giả sử ta mắc tụ C vào trở kháng vào đầu là: R2 ZV = M jCRM Zt Giarato cho điện cảm tương đương L = C R 2M Ví dụ: RM = 100k , C = 1F, L = (105)2.10-6 = 104H Đó điện cảm có trị số lớn tạo từ hai khuếch đại thuật tốn, điện trở tụ điện (Hình 4-26c) Nếu mắc song song với girato tụ điện khung cộng hưởng song song khơng có tổn hao, tức có hệ số phẩm chất lớn 4.4.4 Khuếch đại vi sai Khuếch đại vi sai khuếch đại mà tín hiệu khơng tỷ lệ với trị tuyệt đối tín hiệu vào mà tỷ lệ với hiệu tín hiệu vào Khuếch đại vi sai sử dụng để khuếch đại tín hiệu có tần số giới hạn nhỏ (tới vài Hz), gọi tín hiệu biến thiên chậm hay tín hiệu chiều Ta coi dải thơng fC Nếu sử dụng khuếch đại RC để khuếch tín hiệu tụ nối tầng phải có trị số lớn nên bất tiện Khuếch đại vi sai thích hợp cho loại tín hiệu này,ngồi cịn có nhiều tính chất q báu mà ta nói tới sau Khuếch đại vi sai sở để xây dựng khuếch đại thuật toán nên ta xét lý thuyết loại khuếch đại 4.4.4.1 Sơ đồ nguyên lý khuếch đại vi sai Xét sơ đồ nguyên lý khuếch đại vi sai hình 4-28 Đây cầu cân song song, hai nhánh cầu RC1 RC2, hai nhánh hai tranzistor T1 T2 Nếu RC1 = RC2 hai tranzistor có tham số hệt cầu cân Mạch có hai đầu vào V1 V2, tín hiệu Ura lấy hai colectơ T1 T2 Nếu đưa vào hai 104 đầu vào hai tín hiệu giống hệt biên độ pha tín hiệu gọi đồng pha, cịn biên độ ngược pha gọi tín hiệu ngược pha hay tín hiệu Xét phản ứng mạch tín hiệu vào đồng pha ngược pha + Rc R1 , Rc Ecc - , R1 Ura V1 V2 , R2 R2 RE Hình 4-28 KĐ vi sai trªn tranzitor l-ìng cùc Nếu coi mạch hình 4-28 hồn toàn đối xứng (R’1 = R1, R’2 = R2, R’c = Rc, T1 T2 giống hệt nhau) tín hiệu vào đồng pha gây nên phản ứng hệt trị tuyệt đối dấu dòng emitơ colectơ T1 T2 điện áp hai colectơ biến thiên điện áp không, giống trạng thái tĩnh Nói cách khác mạch khuếch đại vi sai lý tưởng khơng phản ứng với tín hiệu vào đồng pha Trong gia số dòng emitơ T1, T2 tạo nên RE điện áp hồi tiếp âm làm giảm lượng biến thiên colectơ so với trường hợp RE = Khi tín hiệu vào ngược pha đặt vào hai bazơ dịng biến thiên trị tuyệt đối ngược chiều (ngược dấu), tức điện áp U xuất Lúc điện áp hồi tiếp âm RE khơng xuất dịng emitơ tranzistor tăng dịng emitơ tranzistor giảm nhiêu Như khuếch đại vi sai phản ứng với tín hiệu vào ngược pha Vì khuếch đại vi sai lý tưởng phản ứng với tín hiệu vào ngược pha, khơng phản ứng với tín hiệu vào đồng pha nên tất biến thiên nhiệt độ, lão hoá linh kiện, tạp âm, nhiễu coi tác động vào đồng pha Tức khuếch đại vi sai làm việc ổn định, bị nhiễu tác động Trên vừa phân tích tác dụng RE ta thấy RE lớn hồi tiếp âm lớn, có tác dụng nén tín hiệu vào đồng pha ký sinh Tuy nhiên RE chọn lớn nguồn ECC phải chọn lớn Cần chọn phần tử có trị số điện trở lớn biến nhanh (điện trở xoay chiều lớn), trị số điện trở nhỏ biến thiên chậm (điện trở chiều nhỏ) thay vào điện trở RE Phần tử tranzistor T3 sơ đồ hình 4-29a Đặc tính tranzistor trình bày hình 4-29b Từ hình ta thấy điện trở chiều R U CEo U CE nhỏ nhiều so với điện trở xoay chiều R ~ I Co I C Tranzistor T3 mắc vào mạch emitơ hình 4-29a làm tăng thêm khả ứng dụng khuếch đại vi sai Khuếch đại vi sai có hai nguồn độc lập ECC E02 hình 4-28a nguồn chung Các điện trở R3, R4, R5 có chức mạch khuếch đại xét Điốt D mắc thuận vào phân áp bazơ T3 nhằm tăng khả ổn định nhiệt, nói đến phần sau 105 Xét cách đưa tín hiệu vào lấy tín hiệu mạch hình 4-29a Tín hiệu vào đưa vào đầu vào ký hiệu V1, V2, V3 V4 theo phương án sau: - Tín hiệu vào đưa vào hai cực V1 V2 Lúc hai cực nguồn tín hiệu phải cách điện với "mass", phải có cực tính đối xứng qua "mass" Cách đưa tín hiệu vào gọi đưa vào đối xứng, đầu vào khuếch đại vi sai gọi đầu vào đối xứng - Tín hiệu vào đưa vào V1 (hoặc V2), lúc V2 (hoặc V1) phải đấu qua điện trở nhỏ đấu trực tiếp xuống “mass” Khuếch đại vi sai trường hợp gọi có đầu vào khơng đối xứng với tín hiệu vào khơng đối xứng - Tín hiệu vào đưa vào cực V3 V4 điểm "mass" Nếu nguồn tín hiệu có hai cực cách ly với "mass" đưa vào hai điểm V3 V4 - Tín hiệu lấy hai điểm ra1 ra2 lấy đối xứng lấy ra1 ra2 so với "mass" Nếu tín hiệu vào đưa vào V1 khơng đối xứng tín hiệu ra1 quay pha 1800, lúc ra1 gọi đầu đảo, ra2 gọi đầu khơng đảo 4.4.4.2 Đặc tính truyền đạt khuếch đại vi sai Nếu tín hiệu vào đối xứng đưa vào V1 V2 ký hiệu Uh đặc tính truyền đạt phụ thuộc dịng colectơ vào tín hiệu + ECC IC RC1 R1 RC2 Ura V1 T1 re1 R2 R4 D2 V2 T2 re2 R2 IC V3 R1 R5 T3 IC0 V4 -E UCE UC0 Uc 02 a) b) Hình 4-29 a) Mạch KĐVS có nguồn dòng b) Đặc tuyến tranzistor Nếu đầu vào V3 V4 khơng đưa tín hiệu vào T3 coi nguồn dịng I0 có nội trở R0 điểm cơng tác Điện trở thực tế có trị số lớn so với điện trở mạch nên coi nguồn dịng IO lý tưởng Ta tìm đặc tính truyền đạt IC = f(Uh) Dòng colectơ tranzistor chế độ khuếch đại có biểu thức: I E I E0e U BE UT (4.38) Trong IE dòng emitơ UBE = mặt ghép colectơ phân cực ngược UT điện áp nhiệt (0,25mV), lúc này: U BE U BE1 U BE1 UT I0 I E01 I E 02 I E 01e U (1 e ) (4.39) T Điện áp vào Uh = UV1 - UV2 = UBE1 - UBE2 IC IE nên 106 ... U4 khỏi hệ nhận được: U2 U ; I2 = RM RM I1 = a) I2 RM b) I2 I1 U1 U1 U2 I R M U2 U3 RM RM I1 RM RM RM N1 U1 RM + _ P2 I2 U2 U2 RM U4 + _ P1 I1 N2 I1 RM U1 c) Hình 4 -26 Mạch Girato NIC Bây... chọn phần tử có trị số điện trở lớn biến nhanh (điện trở xoay chiều lớn), trị số điện trở nhỏ biến thiên chậm (điện trở chiều nhỏ) thay vào điện trở RE Phần tử tranzistor T3 sơ đồ hình 4 -29 a Đặc... vào đầu hình 4 -27 , tìm trở kháng vào đầu ZV2: 103 a) I2 RM I1 U1 Rt U2 b) I2 RM I1 U2 Rt 1 U1 Hình 4 -27 Mạch Girato mắc tải U1 = I1Rt I2 = U1 I1R t U R2t RM RM RM ZV2 = U R M I2 (4.36) Rt