121 Để bảo vệ các tranzito công suất trong điều kiện tải nhỏ hay bị ngắn mạch tài, người ta thường dùng các biện pháp tự động hạn chế dòng ra không quá 1 giới hạn cho trước ± maxraI (có hai cựa tính)[.]
Để bảo vệ tranzito công suất điều kiện tải nhỏ hay bị ngắn mạch tài, người ta thường dùng biện pháp tự động hạn chế dòng không giới hạn cho trước I ra± max (có hai cựa tính) Hình 2.92 đưa ví dụ mạch thường gặp IC khuếch đại cơng suất Bình thường, tranzito T3 T4 chế độ khóa lúc dịng điện chưa đạt tới giá trị tới hạn I ra± max Khi dòng điện mạch qua R1 R2 đạt tới giới hạn này, giảm áp R1 R2 gây đẩy tới ngưỡng mở T3 T4 (cỡ ±0.6V) làm T3 T4 mở ngăn gia tăng tiếp Ira nhờ tác dụng phân dòng IB1, IB2 T3 T4 Hình 2.92 : Mạch bảo vệ q dịng cho tầng IC khuếch đại cơng suất Từ chọn R1 R2 theo điều kiện R1 = + 0.6V ; + Iramax R2 = - 0.6V Iramax Các điện trở R3, R4 để hạn chế dòng, bảo vệ T3 T4 Thực tế lúc Ura lớn, R5R6 khơng có tác dụng với T3T4, Ura giảm nhỏ, phân áp có R5 R6 ảnh hưởng tới giá trị ngưởng Iramax Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 121 Iramax = R3 0.6V (E - Ura ) R1 R1.R tức giá trị ngưỡng dòng điện hạn chế lớn điện áp đạt tới giá trị xấp xỉ điện áp nguồn cung cấp 2.3.6 Khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm a- Khái niệm chung Mạch khuếch đại ghép trực tiếp Bộ khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm (tín hiệu chiều) làm việc với tín hiệu có tần số gần khơng có đặc tuyến biên độ tần số hình 2.93 Việc ghép nguồn tín hiệu với đầu vào khuếch đại tầng dùng tụ hay biến áp đặc tuyến biên độ tần số có dạng hình 2.76a, tức f = K = Ku f Hình 2.93: Đặc tuyến biên độ tần số khuếch đại chiều Để truyền đạt tín hiệu biến đổi chậm cần phải ghép trực dòng chiều nguồn tín hiệu với mạch vào khuếch đại tầng với Vì ghép trực tiếp nên việc chọn điểm làm việc điểm riêng so với khuếch đại khảo sát trước Chẳng hạn, khuếch đại ghép điện đung chế độ chiều tầng (chế độ tĩnh) xác định phần tử tầng định tham số tính riêng biệt tầng Tụ điện ghép tầng cách ly thành phần lnồt chiều theo nguyên nhân tầng không ảnh hưởng đến chế độ chiều tầng Trong khuếch đại ghép trực tiếp, khơng có chấn tử để cách ly thành phần chiều Vì vậy, điện áp khơng xác định tín hiệu có ích mà cịn tín hiệu giả thay đổi chế độ chiều tầng theo thời gian, theo nhiệt độ hay nguyên nhân lạ khác Tất nhiên, cần đặc biệt quan tâm đến tầng đầu thay đổi chế độ chiều tầng sau khuếch đại tiếp tục Sự thay đổi cách ngẫu nhiên điện áp khuếch đại chiều tín hiệu vào khơng đổi DUvào = gọi trôi điểm không khuếch đại Nguyên nhân trơi tính khơng ổn định điện áp nguồn cung cấp, tham số tranzito điện trở theo nhiệt độ thời gian Gia số điện áp trôi đầu DUtr.r xác định gắn mạch đầu vào khuếch đại (en = 0) Chất lượng khuếch đại chiều đánh giá theo điện áp trơi quy đầu vào nó: DUtr.v = DUtr.r K, K hệ số khuếch đại khuếch đại Độ trôi quy đầu vào đặc trưng cho trị số tín hiệu đầu vào khuếch đại có hệ số khuếch đại K Khi xác định dải biến đổi điện áp vào en phải ý đến DUtr.r Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 122 cho DUtr.r phần không đáng kể so với tín hiệu có ích Tùy thuộc vào u cầu khuếch đại mà trị số nhỏ phải lớn DUtr.v hàng chục hàng trăm lần Hình 2.94: Khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm Việc ghép trực tiếp tầng khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm định đặc điểm tính tốn chế độ tĩnh (điện áp dịng điện en = 0) Tính tốn tham số chế độ tĩnh tầng phải ý đến phần tử thuộc mạch tầng trước mạch vào tầng sau Dưới ta khảo sát mạch khuếch đại chiều hình 2.94 gồm tầng ghép trực tiếp Trong sơ đồ cơlectơ Tranzito trước nối trực tiếp với bazơ tranzito sau Khi điện trở RE nhờ dịng IEO tạo nên điện áp cần thiết UBEO cho chế độ tĩnh tầng Điều đạt cách tăng điện âm emitơ tranzito Chẳng hạn, tầng thứ hai UBEO2 = Uc01 - UEO2 = Uco1 – IEO2 RE2 (2-213) mạch vào khuếch đại (h.2.94a) người ta lắc nguồn điện áp bù đầu vào ebv nối tiếp với nguồn tín hiệu vào cho en = 0, dòng qua nguồn không Muốn phải chọn điện áp bù ebv UBO1 Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 123 Có thể tạo điện áp bù UBV nhờ RB1 RB2 theo sơ đồ (h: 2.94b) UBV = UBo1 = EC RB RB1 + RB2 Tương tự mạch ra, tải Rt (h: 2.94a) mắc vào đường chéo mạch cầu gồm phần tử mạch tầng cuối điện trở R3 R4 Khi đảm bảo điều kiện Ut = en = điện trở R3 R4 đóng vai trị phân áp để tạo nên điện áp bù Uco3 cho mạch tầng en = Ubr = E C R = UCO3 R3 + R (2-214) Dưới khảo sát tiêu đặc trưng cho khuếch đại dòng xoay chiều (đối với gia số điện áp tín hiệu vào) Nếu chọn R1 R2 đủ lớn, điện trở vào tầng tính từ: Rv = rb + (1 + b) (rE + RE) » b1RE (2-215) Để xác định hệ số khuếch đại tầng ta giả thiết Rc // Rv = Rc ; Rv1 > Rn hệ số khuếch đại tương ứng tầng là: K = β1 R R R C1 // R V = β1 C1 = C1 β1.RE1 RE1 R V1 (2-216) K = β2 R R R C // R V = β2 C = C2 β 2RE RE2 RV2 (2-217) K = β3 R C3 //(R t + R // R ) R C3 //(R t + R // R ) = RE3 R V3 (2-218) Rõ ràng hệ số khuếch đại tầng tỉ lệ nghịch với điện trở emitơ Điện trở RE1 tính theo chế độ ổn định nhiệt tầng đầu có trị số từ vài trăm đến vài kW Điện trở RE tầng sau vừa để ổn định nhiệt độ, vừa để đảm bảo trị số UBEO yêu cầu tương ứng chế độ tĩnh Khi ghép trực tiếp (h.2.94a) điện áp emitơ colectơ tầng sau phải tăng dần lên (về trị số tuyệt đối trường hợp dùng tranzito pnp) Điều dẫn tới phải tăng RE tầng sau để có UEO yêu cầu theo hệ thức (2-216) + (2-218) làm giảm hệ số khuếch đại chúng (K3 < K2 < Kl) hệ số khuếch đại chung Thiếu sót sơ đồ hình 2.94a khắc phục cách dùng sơ đồ (94c,d) Trong sơ đồ (h.94c) điện trở RE chọn nhỏ điện trở Rp, tạo thêm dòng điện phụ chạy qua RE Theo cơng thức (2-213) ta có (h.2.94a) Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 124 RE = Uc 01 - UBE02 IE02 (2-219) RE = Uc 01 - UBE02 IE02 + IP (2-220) sơ đồ (h.2.94c) Cũng thực theo sơ đồ (h.2.94d) cách mắc vào mạch emitơ điôt ổn áp mức Uz : RE = Uc 01 - UBE02 - UD IE02 (2-221) Các mạch khuếch đại chiều ghép trực tiếp có đặc điểm đơn giản, hệ số khuếch đại không cao (khoảng vài chục lần) dùng tín hiệu vào tương đối lớn 0,05 + 0,1V độ trơi địi hỏi khơng chặt chẽ Muốn có hệ số khuếch đại lớn (hàng trăm hàng nghẽn lần) cách ghép tầng khơng thể xuất độ trôi không cho phép việc bù nhiệt độ khó khăn Các mạch khuếch đại vi sai xét khắc phục nhược điểm vừa nêu b- Tầng khuếch đại vi sai Hình 2.95a cấu trúc điển hình tầng khuếch đại vi sai làm việc theo nguyên lý cầu cần song song Hai nhánh cầu hai điện trở Rcl vả Rc2 CÒN hai nhánh tranzito T T2 chế tạo điều kiện cho Rc1 = Rc2 T1 T2 có thơng số giống hệt Điện áp lấy hai colectơ (kiểu đối xứng) hay colectơ đất (kiểu không đối xứng) Tranzito T3 làm nguồn ổn dòng giữ ổn định dòng IE (là tổng dòng emitơ IEI IE2 tranzito T1 T2) Trong sơ đồ nguồn ổn dòng có điện trở R1, R2 R3 nguồn cung cấp Ec2, T4 mắc thành điôt làm phần tử bù nhiệt ổn định nhiệt cho T3 Muốn xác định đòng IE cần xác định điện áp điểm 1-2 sơ đồ Nếu bỏ qua dòng IB3 nhỏ dịng IE coi IE3 » IC3 = IE viết : UBE3 + IE R3 = I1 R2 + UBE4 I1 = (2-222) E C2 - UBE4 EC2 ≈ R1 +R R1 + R Từ phương trình 2-222 tìm IE = I1.R + (UBE - UBE3 ) R3 (2-223) Trị số I1R2 tử số (2-223) lớn hiệu điện áp U be tranzito T4 T3 Vì dịng IE xác định chủ yếu điền trở R1 R2 R3 dòng I1 Vì UBE4 UBE3 cơng thức (2-223) phụ thuộc vào nhiệt độ dạng hiệu số phụ thuộc nhiệt độ dòng IE nhỏ Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 125 Trong sơ đồ rút gọn (h.2.95b) phần nguồn ổn dòng dùng T3 thay nguồn dịng IE Hình 2.95: Khuếch đại vi sai a) Mạch nguyên lý; b) Sơ đồ đơn giản hóa; c,d) Phương pháp đưa tín hiệu vào Tín hiệu vào tầng vi sai từ hai nguồn riêng biệt (Uv1 Uv2) từ nguồn (h.2.e5c,d) Trong trường hợp sau tín hiệu vào đặt lên bazơ hai tranzito hay hai bazơ chúng Các đầu vào Uv1 Uv2 nối theo sơ đồ hình 2.95c,d gọi đầu vào vi sai Điện áp chiều cung cấp cho tầng vi sai hai nguồn Ec1 Ec2 khác hay trị số Vì hai nguồn nối tiếp nên điện áp cung cấp tổng Ec = Ec1 + Ec2 Do có Ec2 nên điện emitơ tranzito T1, T2 giảm nhiều so với sơ đồ hình 2.94a điều cho phép đưa tín hiệu tới đầu vào khuếch đại vi sai mà không cần thêm mạch bù điện áp đầu vào Hãy xét cụ thể số trường hợp điển hình sau: Sơ đồ tầng vi sai yêu cầu dùng tranzito T1, T2 có tham số giống Rc1 = Rc2 (h.2.94b), tín hiệu vào không (h.2.96a) Cầu cần bằng, điện áp colectơ hai tranzito điện áp lấy đường chéo cầu Ur= Ur1-Ur2 = Sơ đồ có độ ổn định cao tay đổi điện áp cung cấp, nhiệt độ yếu tố khác độ trơi theo hai nhánh giống nhau, điện áp coletơ thay đổi gia số độ trôi đầu gần bị triệt tiêu (Trong thực tế, tính tản mạn tham số tranzito hay thay đổi chúng không giống theo thời gian nên Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 126 đầu có độ trơi đó, nhỏ nhiều so với sơ đồ trước trị số độ trôi xác định hiệu độ trơi hai nhánh có tham số gần giống Hình 296:a) Sơ đồ khuếch đại vi sai tín hiệu vào 0; b) Biểu đồ tín hiệu Dịng emitơ - IE chia hai tranzito nghĩa IE1= IE2 = IE/2 xác định dòng bazơ tĩnh: IBO1 = IBO2 = IE/ 2(1+b) = lvo Dòng bazơ phần dòng emitơ chạy mạch có nguồn ổn địng IE điện áp Ec2 Các dịng colectơ dòng emitơ nhau: Ic1 = Ic2 = aIE/2 » IE/2 điện áp colectơ Uc1 = Uc2 = Ec1 - IERC /2 Rc1 = Rc2 = Rc Trạng thái sơ đồ đặc trưng cho chế độ cân tầng gọi chế độ cân tĩnh - Khi có tín hiệu đưa tới đầu vào, (giả sử Uv1 > 0; Uv2 = 0) Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 127 Hình 2.97: a) Sơ đồ tầng vi sai có tín hiệu vào với Uv1 > 0; Uv2 = 0; b) Biểu đồ điện Do tác dụng tín hiệu vào, xuất dòng điện vào hai tranzito Với giả thiết Uv1 > 0, Uv2 = 0, dòng vào làm tăng dòng bazơ tranzito T1 làm giảm dòng bazơ tranzito T2 Khi địng IE1 lc1 tăng, dòng IE2 Ic2 giảm Sự thay đổi dòng điện tranzito xảy ngược chiều với gia số, tổng dịng điện IE1 + IE2 = lE giữ nguyên không đổi Điện áp colectơ tranlito T1 Uc1 = Ec1 - ICLRC1 giảm, lượng DUc1 ngược dấu (đảo pha) với điện áp vào Điện áp Uc2 tăng tạo gia số điện áp +DUc2 dấu (không đảo pha) với điện áp tín hiệu vào Như với cách đưa tín hiệu vào sơ đồ khảo sát đầu tầng lấy colectơ T1 (Ur1) gọi đầu đảo, đầu lấy colectơ T2 (Ur2) gọi đầu khơng đảo Tín hiệu lấy hai colectơ gọi tín hiệu vi sai Ur = Uc2 - Uc1= +DUc2 + +DUc1 = 2+DUc = 2|+DIc| Rc Ta xác định hệ số khuếch đại điện áp tầng vi sai Khi hai tranzito có tham số giống dịng điện vào tầng Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 128 Iv = en en en = = Rn + rv1 + rv Rn + 2rv Rn + 2[rB + (1+ β)rE ] (2-224) rv điện trở vào tranzito Dòng điện vào tạo gia số dòng điện colectơ ±DIc = ± bIv gia số điện áp colectơ ±DU r12 = ±DIc.Ic = ± bIv Rc (2-225) Sau thay IV từ (2-224) vào (2-225) chia cho en ta xác định hệ số khuếch đại điện áp tầng (theo hai đầu Ur1 Ur2 riêng rẽ) K 1,2 = ΔUr1,2 βR C βR C = = en Rn + 2rv Rn + 2[rB + (1+ β)rE ] (2-226) K 1,2 = ΔUr1,2 βR C βR C = = R n + 2rv 2[rB + (1+ β)rE ] en (2-227) Khi Rn = Hệ số khuếch đại tầng theo đầu vi sai (Ur) Rt -> ¥ K v s = 2ΔUr1,2 2βR C 2βR C = = Rn + 2rv Rn + 2[rB + (1+ β)rE ] en (2-228) 2β(R C // R t ) Rn + 2rv (2-229) Nếu tính đến Rt K v s = Rt ®¥ ; Rn ® K v s = βR c βR C = rv rB + (1+ β).rE (2-230) Cơng thức (2-228), (2-230) dùng để tính hệ số khuếch đại tầng vi sai Hệ số khuếch đại theo đầu Ur1 Ur2 Rn = Rt = ¥ Sẽ gần K/2 hệ số khuếch đại điện áp theo đầu vi sai Kvs gần trị số hệ số khuếch đại K tầng đơn mắc EC Tín hiệu cung cấp cho tầng khuếch đại vi sai thực đồng thời hai đầu vào (h.295b) Khi tín hiệu Uv1 Uv2 có cực tính khác điện áp vào vi sai Uv =Uv1 + Uv2 điện áp vi sai là: Ur = KVS(UV1 - Uv2) - Ta khảo sát trường hợp tín hiệu vào có cực tính giống nhau, nghĩa hai tín hiệu vào đồng pha Tất nhiên, trường hợp điện áp vi sai tỉ lệ với hiệu (UV1 - Uv2): Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 129 Ur = Kvs (UV1 - Uv2) (2=231) Xét trường hợp Uv1 Uv2 đồng pha độ lớn, mạch khuếch đại hoàn toàn đối xứng điện áp lấy hai colectơ tầng vi sai không hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha Kđ khơng Tuy nhiên, khơng thể có mạch đối xứng lý tưởng nguồn dòng điện lý tưởng nên hệ số khuếch đại đồng pha khác không, thường nhỏ Chất lượng tầng vi sai đặc trưng tỉ số Kđ/KVS, rõ khà tầng khuếch đại phân biệt tín hiệu vi sai nhỏ điện áp đồng pha lớn Ở người ta đưa khái niệm hệ số nén tín hiệu đồng pha tầng vi sai ký hiệu N tính sau: N = 20 lg (Kđ/Kvs) (dB) Trong tầng khuếch đại vi sai nay, trị số N có giá trị từ - 60 ¸ 100 dB Hình 2.98: Khuếch đại vi sai có tải kiểu gương dịng điện - Trong tầng khuếch đại vi sai IC thuật toán, người ta thường thay điện trở Rc ằng tranzito thực chức năng, tải động tầng Sơ đồ có hệ sổ khuếch đại Kvs lớn nhiều lần so với sơ đồ khảo sát có tải Rc Điều quan trọng thiết kế khuếch đại chiều nhiều tầng Một sơ đồ vẽ hình 2.98 Tranzito T5, T6 dùng làm tải động tầng có tham số giống nhau, T5 Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 130 mắc thành điơt Cách mắc cịn gọi sơ đồ gương dòng điện (xem thêm 2.6.4.b) Dòng Ic1 tranzito T1 chảy qua T5 tạo nên điện áp UBE5 xác định điện áp vào UBE6 VÌ T5 T6 có tham số giống nên I c6 giống Ic1 Tín hiệu vi sai lấy từ colectơ T2 Ic6 Khi en = sơ đồ chế độ tĩnh (cần bằng) Dòng Ic1 = Ic2 = Ic6 = IE/2 Dòng chảy qua T2, dòng tải It = Ur = Giả thiết tín hiệu vào có cực tính hình 2.98 Dưới tác dụng nguồn en dịng điện vào làm tăng dòng IB1 làm giảm dòng IB2 Sự thay đổi dòng bazơ làm thay đổi dòng colectơ: Ic1 = IE/2 + bIv Ic2 = IE/2 - bIv Bởi dịng Ic6 = Ic1 nên Ic6 = I E/2 + bIv Khi dịng tải It = Ic6 - lc2 = 2Iv Điện áp đầu Ur = 2bIv Rt Nếu tín hiệu vào đổi dấu làm đổi chiều dịng điện IV, It cực tính điện áp Ur Hệ số khuếch đại điện áp tầng K= 2βR t 2βR t Ur = = en Rn + 2rv Rn + 2[rB + (1+ β)rE ] (2-232) K= βR t rB + (1+ β)rE (2-233) Khi Rn» Trong tử số (2-230) có điện trở Rc (h 295a) cịn tử số (2-233) có điện trở tài Rt Trong khuếch đại nhiều tầng Rt điện trở vào tầng sau Sơ đồ hình 2.98 có ưu điểm khả chịu tải cao tải có điểm nối đất, thêm vào hệ số khuếch đại Kvs tầng vi sai tải Rc khoảng tài chục, Cịn tầng có dải động khoảng vài trăm Vì đặc tuyến vào tranzito khơng tuyến tính nên chọn chế độ thích hợp, đạt điện trở vào hàng chục hàng trăm kΩ Tăng điện trở vào (tới hàng chục MΩ) đạt chọn T1 T2 FET (h.2.99) nguyên lý sơ đồ không khác sơ đồ (h.2.95) c - Khuếch đại chiều có biến đổi trung gian Hình 2.100a sơ đồ khối phương pháp khác để xây dựng khuếch đại chiều (kiểu gián tiếp) Điện áp chiều Uv đưa tới điều chế làm biến đổi thông số điện áp xoay chiều (biên độ hay tần số…) theo quy luật (thường thực theo nguyên lý điều biên, dùng nguyên lý điều tần điều pha) Lúc đầu điều chế ta có điện áp xoay chiều với biên độ tỉ lệ với điện áp vào Uv biến đổi chậm Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 131 Hình 2.99: Khuếch đại vi sai dùng tranzito trường Tín hiệu điều biên dưa tới khuếch đại xoay chiều có hệ số khuếch đại đủ lớn Trong khuếch đại thành phần chiều tầng cách li phần tử điện kháng (điện dung, điện cảm), độ trơi điểm “0” khơng có Điện áp sau khuếch đại dược tách sóng giải điều chế lọc khỏi điện áp tần số mang Như đầu khuếch đại ta có điện áp chiều khuếch đại mang quy luật biến đổi điện áp vào Uv Bộ điều chế khối chủ yếu gây trơi điểm khơng khuếch đại chiều loại Bộ điều chế dùng phần tử điện, từ điện hay bán dẫn Ví dụ điều chế đơn giản dùng khố bán dẫn cho hình (2.101) Điện áp Uv truyền tới điểm A, tranzito tắt, 0, tranzito mở Vì đặt tới đầu vào tranzito xung điện áp chữ nhật, điểm A có điện áp xung có biên độ tỉ lệ với Uv Điện áp qua tụ C đặt tới đầu vào khuếch đại xoay chiều Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 132 AC K AC Hình 2.100a: Khuếch đại chiều có biến đổi trung gian K K AC K AC Hình 2.100b: Khuếch đại chiều hai đường có biến đổi trung gian Có thể dùng ngun lý hình 2.100b thiết kế khuếch đại chiều có biến đổi trung gian Điện áp vào chiều Uv đồng thời đặt lên hai nhánh song song Một nhánh khuếch đại chiều theo sơ đồ hình 2.100a cịn nhánh khuếch đại chiều ghép trực tiếp có hệ số khuếch đại K1 Điện áp hai khuếch đại có đưa vào cộng sau đưa vào khuếch đại chung tiếp sau Nếu tính đến điện áp trôi ∆U khuếch đại chiều ghép trực tiếp gây ra, điện áp đưa vào cộng : 234) Ur = K2Uv + K1(Uv + ∆U) = (K1 + K2)Uv + K1∆U (2- Khi độ trơi điểm “khơng” tương đối khuếch đại chiều : h= K 1.ΔΔ K1 = h¢ (K1 + K )Uv K1 + K : h’ = ∆U/Uv độ trôi nhánh khuếch đại chiều trực tiếp Từ biểu thức ta thấy độ ổn định khuếch đại chiều cao tỉ số K2/K1 lớn Vì tham số khuếch đại chiều hai nhánh có biến đổi trung gian tốt nhiều so với khuếch đại chiều loại tương tự khác, chúng dùng Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 133 trường hợp cần hệ số khuếch đại cao với độ trơi điểm “khơng” nhỏ nhất, ví dụ máy tính tương tự thiết bi đo lường khác Hình 2.101: Bộ điều chế dùng tranzito 2.4 KHUẾCH ĐẠI DÙNG VI MẠCH THUẬT TOÁN 2.4.1 Khái niệm chung Danh từ : “khuếch đại thuật toán” (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 toán 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… Hình 2.102: Các kiểu IC khuếch đại thuật tốn Kí hiệu quy ước khuếch đại thuật tốn (OA) cho hình 2.102 với đầu vào Uvk (hay Uv+) gọi đầu vào không đảo đầu vào thứ hai Uvd (hay Uv-) gọi đầu vào đảo Khi có tín hiệu vào đầu khơng đảo gia số tín hiệu dấu (cùng pha) so 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 dùng để thực hồi tiếp âm bên vào cho OA Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 134 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 Tuỳ thuộc vào hệ số khuếch đại OA mà định số lượng tầng Trong OA hai tầng (thế hệ mới) gồm tầng vi sai vào tầng bổ sung, OA ba tầng (thế hệ cũ) 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 dịng, mạch hồi tiếp Hình 2.103: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại thuật toán Sơ đồ nguyên lý OA ba tầng vẽ hình 2.103, cung cấp từ hai nguồn Ec1 Ec2 khơng nhau có điểm chung Tầng khuếch đại vào dùng T1 T2, tầng hai dùng T5 T6 mắc theo sơ đồ vi sai (h.2.195a) Tầng thứ ba gồm T7 T8 Đầu ghép 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 dòng emitơ T9 chảy qua T8 tham gia vào vịng hồi tiếp dương đảm bảo hệ số khuếch đại cao cho tầng ba Tác dụng đồng thời T7 T8 làm tăng, làm giảm (tuỳ thuộc vào tín hiệu vào T6) điện áp tầng CC Tăng điện áp bazơ T9 giảm điện áp chiều T7 giảm điện trở T8 ngược lại Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 135 Tranzito T3 đóng vai trò nguồn ổn dòng, tranzito T4 mắc thành điốt để tạo điện áp chuẩn, ổn định nhiệt cho T3 nói tới 2.3.6b Khi điện áp vào ĨA Uvk = Uvd = điện áp đầu OA Ur = Dưới tác dụng tín hiệu vào (h.2.103) có dạng sóng “+”,điện áp colectơ T6 tăng, làm dòng IB IE T9 Điện áp R12 tăng làm giảm dòng IB IE 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 < Đặc tuyến quan trọng OA đặc tuyến truyền đạt điện áp (h.2.104), 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 tranzito tầng (tầng CC) thơng bão hồ 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 điện áp cực đại, (điện áp bão hoà) gần Ec nguồn cung cấp (trong IC thuật tốn mức điện áp bão hồ thường 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 ngồi) K = ∆Un/∆Uv Trị số K tuỳ thuộc vào loại OA, từ vài trăm đến hàng trăm nghìn lần lớn Giá trị K lớn cho phép thực hồi tiếp âm sâu nhằm cải thiện nhiều tính chất OA Đường cong lí tưởng (h.2.104) qua gốc toạ độ Trạng thái Ur = Uv = gọi trạng thái cân OA, 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 tranzito) 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 Ur Uv đảo Uv khơng đảo Uv Hình 2.104: Đặc tuyến truyền đạt IC thuật toán Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 136 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.2.105a) 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 hệ số khuếch đại OA gọi tần số khuếch đại đơn vị Tần số biên fc ứng với hệ số khuếch đại OA bị giảm √2 lần, gọi giải 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 cịn có thêm góc lệch pha phụ trở nên lớn 180o (h.1.105b) Ở tần số cao f* đó, tổng góc dịch pha 360o xuất hồi tiếp dương theo đầu vào đảo tần số làm mạch bị ổn định (xem 2.5.1) tần số Để khắc phục tượng trên, người ta mắc thêm mạch hiệu chỉnh pha RC để chuyển tần số f* khỏi dải thông khuếch đại Tham số mạch RC vị trí mắc chúngtring sơ đồ IC để khử tự kích người sản xuất dẫn Dưới ta khảo sát số mạch ứng dụng dùng OA chế độ làm việc miền tuyến tính đặc tuyến truyền đạt có sử dụng hồi tiếp âm để điều khiển tham số mạch Hình 2.105: Khảo sát IC thuật tốn mô Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 137 2.4.2 Bộ khuếch đại đảo Hình 2.106: Khuếch đại đảo dùng IC thuật toán Bộ khuếch đại đảo cho hình 2.106, có thực hồi tiếp âm song song điện áp qua Rht Đầu vào không đảo nối với điểm chung sơ đồ (nối đất) Tín hiệu vào qua R1 đặt vào đầu đảo OA Nếu coi OA lý tưởng điện trở vào vơ lớn Rv → ∞, dịng vào OA vơ bé I0 = 0, nút N có phương trình nút dịng điện : Iv ≈ Iht Từ ta có : Uv - U0 U0 - Ura = R1 Rht (2-325) Khi K → ∞, điện áp đầu vào U0 = Ur/K → 0, (2-235) có dạng : Uv/R1 = -Ur/Uht (2-236) 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 (2-237) Nếu chọn Rht = R1, Kđ = –1, sơ đồ (h.2.106) 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 dòng điện vào (bộ biến đổi dòng thành áp) Vì U0 → nên Rv = R1, K → ∞ Rr = Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 138 2.4.3 Bộ khuếch đại không đảo Bộ khuếch đại không đảo (h.2.107) gồm có 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 : Hình 2.107: Khuếch đại khơng đảo dùng IC thuật tốn Uv = Ur R1 R1 + Rht Hệ số khuếch đại khơng đảo có dạng : Kk = Ura Rht + R1 R = = 1+ ht Uvao R1 R1 (2-238a) Lưu ý đến vị trí lối vào lối tức thay Ura Uvào ngược lại sơ đồ (2.107a), ta có suy giảm điện áp : Ura = Uvao R (Rht + R1 ) (2-238b) Khi Rht = R1 = ∞ ta có sơ đồ lặp lại điện áp (h.2.107b) với Kk = Điện trở vào khuếch đại không đảo điện trỏ vào OA theo đầu vào đảo lớn, điện trở Rr 2.4.4 Mạch cộng a - Mạch cộng đảo: Sơ đồ hình 2.108 có dạng khuếch đại đảo với nhánh song song đầu vào số lượng tín hiệu cần cộng Coi điện trở : Rht = R1 = R2 = … = Rn < Rv Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 139 Khi Iv = Iht = I1 + I2 + … + In hay n Ur = –(U1+U2+ … +Un) = – å U i (2-239) i =1 Hình 2.108 Mạch cộng đảo Hình 2.109: Mạch cộng không đảo Công thức (2-239) phản ánh tham gia giống số hạng tổng Tổng quát : Khi R1 ≠ … ≠ Rn có : ổR R R Ur = ỗỗ ht U1 + ht U2 + + ht Un ÷÷ R2 Rn è R1 ø (2-240) n R æU U U = Rht ỗ + + + n ÷ = -å αiUi với αi = ht çR R ÷ Ri Rn ø i =1 è b - Mạch cộng không đảo : Sơ đồ ngun lý mạch cộng khơng đảo vẽ hình 2.109 Khi U0 = 0, điện áp hai đầu vào Uv+ = Uv– = R1 Ur R1 + Rht Khi dịng vào đầu khơng đảo khơng (Rv = ¥ ), ta có : Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 140 ... UBE3 + IE R3 = I1 R2 + UBE4 I1 = (2- 222 ) E C2 - UBE4 EC2 ≈ R1 +R R1 + R Từ phương trình 2- 222 tìm IE = I1.R + (UBE - UBE3 ) R3 (2- 223 ) Trị số I1R2 tử số (2- 223 ) lớn hiệu điện áp U be tranzito... khuếch đại điện áp tầng K= 2? ?R t 2? ?R t Ur = = en Rn + 2rv Rn + 2[ rB + (1+ β)rE ] (2- 2 32) K= βR t rB + (1+ β)rE (2- 233) Khi Rn» Trong tử số (2- 230) có điện trở Rc (h 29 5a) cịn tử số (2- 233) có điện. .. v s = 2? ?Ur1 ,2 2βR C 2? ?R C = = Rn + 2rv Rn + 2[ rB + (1+ β)rE ] en (2- 228 ) 2? ?(R C // R t ) Rn + 2rv (2- 229 ) Nếu tính đến Rt K v s = Rt đƠ ; Rn đ K v s = βR c βR C = rv rB + (1+ β).rE (2- 230) Cơng