Bài giảng mạch điện tử phần 2 trường đại học thái bình

Chương OP-AMP-KHUẾCH ÐẠI VÀ ỨNG DỤNG 4.1 VI SAI TỔNG HỢP: Mạch vi sai thực tế thường gồm có nhiều tầng (và gọi mạch vi sai tổng hợp) với mục đích - Tăng độ khuếch đại A VS - Giảm độ khuếch đại tín hiệu chung A C Do tăng hệ số λ1 - Tạo ngõ đơn cực để thuận tiện cho việc sử dụng chế tạo mạch khuếch đại công suất Thường người ta chế tạo mạch vi sai tổng hợp dạng IC gọi IC thuật toán (op-amp _operational amplifier) Người ta chia mạch vi sai tổng hợp thành phần: Tầng đầu, tầng tầng cuối Tầng đầu mạch vi sai mà ta khảo sát chương trước 4.1.1 Các tầng giữa: Các tầng vi sai hay đơn cực a/Mắc nối tiếp vi sai với vi sai: Mục đích: Tăng AVS Avz   Giảm AC AC   RC 1 re RC 1 2RE Do tăng hệ số λ1 72 Ðể ý tổng trở vào tầng vi sai sau làm cân tổng trở tầng vi sai trước Tầng sau khơng cần dùng nguồn dịng điện b/ Mắc vi sai nối tiếp với đơn cực: Người ta thường dùng tầng đơn cực để: - Dễ sử dụng - Dễ tạo mạch công suất Nhưng mạch đơn cực làm phát sinh số vấn đề mới: - Làm cân tầng vi sai, nên hai điện trở RC tầng vi sai phải có trị số khác để bù trừ cho cân - Làm tăng A A nên (1 thay đổi, nên dùng tầng đơn cực nơi VS C có thành phần chung thật nhỏ (sau hai ba tầng vi sai) Trong đó: RC = Rc’// Zv với ZV tổng trở vào tầng 4.1.2 Tầng cuối: Phải thỏa mãn điều kiện: - Cho tổng trở thật nhỏ - Ðiện phân cực ngõ volt hai ngõ vào volt a/ Ðiều kiện tổng trở ra: Ðể tổng trở nhỏ, người ta thườngdùng mạch cực thu chung 73 Ðể tính tổng trở ta dùng mạch tương đương hình 7.3b; Trong R tầng (đơn cực) đứng trước Z  O S tổng trở vo vo Phân giải mạch ta tìm được: v RE (RS  re ) Z  o  o io RE (1   )  re  RS Thông thường βRE lớn nên Zo=vo/io =re + RS/β  b/ Ðiều kiện điện phân cực: Vì tầng mắc trực tiếp với nên điện phân cực ngõ tầng cuối không volt ngõ vào volt Ðể giải người ta dùng mạch di chuyển điện (Level shifting network) gồm có: nguồn dịng điện I điện trở R cho: E = RI Trong E điện phân cực ngõ ( # volt ) tầng cuối Tuy nhiên, tổng trở tăng thêm trị số R Vì để thỏa mãn cảu hai điều kiện, người ta dùng mạch di chuyển điện trước cực thu chung 74 4.1.3 Một ví dụ: Op-amp μpc 709 hảng Fairchild T , T : Mạch vi sai ngõ vào T : Nguồn dòng điện cho T T Ðiện phân cực cực T xác định 3 cầu phân gồm T (mắc thành diode), điện trở 480Ω 2.4kΩ T , T : vi sai chân E nối mass T có nhiệm vụ ổn định điện điểm A cho T T 75 T : Là tầng đơn cực chuyển tiếp vi sai tầng cuối T : Là mạch cực thu chung T mạch di chuyển điện với điện trở 3.4k T9: Là mạch cực thu chung tầng cuối để đạt tổng trở nhỏ 4.2 MẠCH KHUẾCH ÐẠI OP-AMP CĂN BẢN: Trong chương này, ta khảo sát op-amp trạng thái lý tưởng Sau đặc tính op-amp lý tưởng: - Ðộ lợi vòng hở A (open loop gain) vô cực - Băng tần rộng từ 0Hz đến vô cực - Tổng trở vào vô cực - Tổng trở - Các hệ số λ vô cực - Khi ngõ vào volt, ngõ volt Ðương nhiên op-amp thực tế đạt trạng thái lý tưởng 76 Từ đặc tính ta thấy: - Z → ∞ nên khơng có dòng điện chạy vào op-amp từ ngõ vào i - Z → 0Ω nên ngõ v0 không bị ảnh hưởng mắc tải - Vì A lớn nên phải dùng op-amp với hồi tiếp âm Với hồi tiếp âm, ta có hai dạng mạch khuếch đại sau: 4.2.1 Mạch khuếch đại đảo: (Inverting Amplifier) Dạng mạch Zi , Zf có dạng Tín hiệu đưa vào ngõ vào (-) Vì xoay chiều chiều Do op lý tưởng nên: V1 = v = ii  i f  vi   vi   vo Zi Zi Zf Suy độ lợi điện mạch: A v  vo   Z f vi Zi Nhận xét: 77 - Khi Z Z điện trở v f i 0 v lệch pha 180 (nên gọi mạch i khuếch đại đảo ngõ vào ( - ) gọi ngõ vào đảo) - Z đóng vai trị mạch hồi tiếp âm Z lớn (hồi tiếp âm nhỏ) độ khuếch đại f f mạch lớn - Khi Z Z điện trở op-amp có tính khuếch đại điện chiều f i 4.2.2 Mạch khuếch đại không đảo: (Non_inverting Amplifier) Dạng mạch Suy ra: Nhận xét: - Z , Z có dạng f i - v vi có dạng - Khi Z , Z điện trở ngõ v f i có pha với ngõ vào vi (nên mạch gọi mạch khuếch đại không đảo ngõ vào ( + ) gọi ngõ vào khơng đảo) - Z đóng vai trò hồi tiếp âm Ðể tăng độ khuếch đại A , ta tăng Z f V f giảm Z i - Mạch khuếch đại tín hiệu chiều Z Z điện trở Mạch giữ f i ngun tính chất khơng đảo có cơng thức với trường hợp tín hiệu xoay chiều - Khi Zf=0, ta có: AV=1 ⇒v0=vi Zi=∞ ta có AV=1 v0=vi (hình 7.10) Lúc mạch gọi mạch “voltage follower” thường dùng làmmạch đệm (buffer) có tổng trở vào lớn tổng trở nhỏ mạch cực thu chung ởBJT 78 4.2.3 Op-amp phân cực nguồn đơn: Phần đặc tính mạch khuếch đại khảo sát op-amp phân cực nguồn đối xứng Thực tế, để tiện thiết kế mạch sử dụng, không cần thiết op-amp phân cực nguồn đơn; Lúc chân nối với nguồn âm -V nối mass CC Hai dạng mạch khuếch đại sau: Người ta phải phân cực ngõ vào (thường ngõ vào +) để điện phân cực hai ngõ vào lúc V /2 điện phân cực ngõ V /2 Hai điện trở R CC CC phải chọn lớn để tránh làm giảm tổng trở vào op-amp Khi đưa tín hiệu vào phải qua tụ liên lạc (C mạch) để không làm lệch điện phân cực Như vậy, phân cực nguồn đơn, op-amp tính chất khuếch đại tín hiệu chiều Trong hình a, mạch khuếch đại đảo, C tụ lọc điện phân cực ngõ vào (+) Trong hình b, mạch khuếch đại khơng đảo, C dùng để tạo hồi tiếp xoay chiều cho mạch giữ điện phân cực ngõ vào (-) V /2 Ðộ khuếch đại mạch CC không đổi 4.3 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA OP-AMP: 4.3.1 Mạch làm toán: Ðây mạch điện tử đặc biệt liên hệ điện ngõ vào ngõ phương trình tốn học đơn giản 79 a/ Mạch cộng: Các dòng điện chạy qua điện trở là: i1 v1 ;i R1  v2 R2 ; i n  Rn Tổng dòng điện chạy qua Rf tạo thành v0 nên ta có: vo  Rf ( v1 v2    R1 R2 Rn  vo  j `k j v j n Trong đó: k1   Rf R1 ; k2   Rf R2 ; kn   Rf Rn Nếu R f  R1  R2  Rn Thì ta có: vo  j 1vj n Tín hiệu ngõ tổng tín hiệu ngõ vào ngược pha Ta ý vi điện chiều xoay chiều b/ Mạch trừ: Ta có cách tạo mạch trừ * Trừ phương pháp đổi dấu: Ðể trừ số, ta cộng với số đối số v2 làm đảo cộng với v1 Do theo mạch ta có: 80 Như tín hiệu ngõ hiệu tín hiệu ngõ vào đổi dấu * Trừ mạch vi sai: Dạng Ta có: vm   vi Rf Rf  Ri Dòng điện vào từ v2 qua Ri qua Rf nên v2  vm vm  v0  Ri Rf Thay trị số v vào biểu thức ta tìm được: v  Rf Ri m (v1  v2 ) Nếu Rf = Ri ta có v0 = (v1 – v2) c/ Mạch tích phân: Dạng mạch Dịng điện ngõ vào: 81  Công suất ra: Công suất lấy tải R tính: L Po(ac)  V L(rms) R L Tính theo điện đỉnh – đỉnh: V L(2 p p) Po(ac)  8R L Tính theo điện đỉnh: V L(rms) Po(ac)  2R L Hiệu suất: %  P0(ac) 100% Pi(dc)  VL(2 p) / 2RL 100%  2  V I ( p)  CC    Vì I ( p)  VL ( p) nên %   vL( P) 100% VCC RL Trị tối đa VL(p) VCC nên hiệu suất tối đa là:  %  100%  78.54% Công suất tiêu tán transistor công suất: Tiêu tán transistor: P =P -P 2Q i(dc) o(ac) Vậy công suất tiêu tán transistor công suất: PQ P2Q Công suất tối đa: Công suất tối đa VL(P) = VCC 118 Po(ac) max  V2 cc 2Rl Lúc dịng đỉnh là: I ( p)  Vcc RL Và trị tối đa dịng trung bính là: IDcmax = 2/ΠI(p) = 2/π.VCC/RL Trị tối đa công suất ngõ vào : Pi(dc) max = Vcc.I(dc)max 2V 2 V Pi(dc) max  VCC  CC CC  RL RL Hiệu suất tối dda mạch công suất là: max V CC P 2RL 100%   100%  78.54%  o(ac) max 100%  Pi(dc) max 2VCC RL Công suất tiêu tán tối đa transistor công suất không xảy công suất ngõ vào tối đa hay công suất ngõ tối đa Công suất tiêu tán tối đa điện hai đầu tải là: 5.4 DẠNG MẠCH CÔNG SUẤT LOẠI B: Trong phần ta khảo sát số dạng mạch công suất loại B thơng dụng Tín hiệu vào có dạng hình sin cung cấp cho tầng công suất khác Nếu tín hiệu vào hai tín hiệu sin ngược pha, tầng công suất giống hệt dùng, 119 tầng hoạt động bán kỳ tín hiệu Nếu tín hiệu vào có tín hiệu sin, phải dùng transistor công suất khác loại: NPN hoạt động bán kỳ dương PNP hoạt động bán kỳ âm Ðể tạo tín hiệu ngược pha ngỏ vào (nhưng biên độ), người ta dùng biến có điểm (biến đảo pha), dùng transistor mắc thành mạch khuếch đại có độ lợi điện dùng op-amp mắc theo kiểu voltagefollower diễn tả sơ đồ sau: 5.4.1 Mạch khuếch đại công suất Push-pull liên lạc biến thế: Dạng mạch sau: - Trong bán kỳ dương tín hiệu, Q dẫn Dòng i chạy qua biến ngõ tạo cảm 1 ứng cấp cho tải Lúc pha tín hiệu đưa vào Q âm nên Q ngưng dẫn 2 - Ðến bán kỳ kế tiếp, tín hiệu đưa vào Q có pha dương nên Q dẫn Dòng i qua biến 2 ngõ tạo cảm ứng cung cấp cho tải Trong lúc pha tín hiệu đưa vào Q âm nên Q ngưng dẫn 120 Chú ý i i chạy ngược chiều biến ngõ nên điện cảm ứng bên cuộn thứ cấp tạo Q Q ngược pha nhau, chúng kết hợp với tạo thành chu kỳ tín hiệu Thực tế, tín hiệu ngõ lấy tải khơng trọn vẹn mà bị biến dạng Lý bắt đầu bán kỳ, transistor không dẫn điện mà phải chờ Sự biến dạng gọi biến dạng biên độ vượt qua điện ngưỡng V BE xuyên tâm (cross-over) Ðể khắc phục, người ta phân cực VB dương chút (thí dụ transistor NPN) để transistor dẫn điện tốt có tín hiệu áp vào chân B Cách phân cực gọi phân cực loại AB Chú ý cách phân cực độ dẫn điện transistor công suất không đáng kể chưa có tín hiệu Ngồi ra, hoạt động với dịng I lớn, transistor cơng suất dễ bị nóng lên Khi nhiệt C độ tăng, điện ngưỡng V giảm (transistor dễ dẫn điện hơn) làm dòng I lớn BE C hơn, tượng chồng chất dẫn đến hư hỏng transistor Ðể khắc phục, việc phải giải nhiệt đầy đủ cho transistor, người ta mắc thêm điện trở nhỏ (thường làvài Ω) hai chân E transistor công suất xuống mass Khi transistor chạy mạnh, nhiệt độ tăng, I tăng tức I làm V tăng dẫn đến V giảm Kết transistor dẫn yếu trở lại C E E BE 121 Ngoài ra, người ta thường mắc thêm điện trở nhiệt có hệ số nhiệt âm (thermistor) song song với R để giảm bớt điện phân cực V bù trừ nhiệt độ tăng B 5.4.2 Mạch công suất kiểu đối xứng - bổ túc: Mạch có tín hiệu ngõ vào nên phải dùng hai transistor công suất khác loại: NPN PNP Khi tín hiệu áp vào cực hai transistor, bán kỳ dương làm cho transistor NPN dẫn điện, bán kỳ âm làm cho transistor PNP dẫn điện Tín hiệu nhận tải chu kỳ Cũng giống mạch dùng biến thế, mạch công suất không dùng biến mắc nhưtrên vấp phải biến dạng cross-over phân cực chân B 0v Ðể khắc phục, người ta phân cực mồi cho chân B điện nhỏ (dương đối vớitransistor NPN âm transistor PNP) Ðể ổn định nhiệt, chân E mắc thêm hai điện trở nhỏ 122 Trong thực tế, để tăng công suất mạch, người ta thường dùng cặp Darlington hay cặp Darlington_cặp hồi tiếp mơ tả hình: 123 5.4.3 Khảo sát vài dạng mạch thực tế: Trong phần này, ta xem qua hai dạng mạch thông dụng thực tế: mạch dùng transistor dùng op-amp làm tầng khuếch đại điện 5.4.3.1 Mạch công suất với tầng khuếch đại điện transistor: Mạch có dạng hình 5.20 Các đặc điểm chính: - Q1 transistor khuếch đại điện cung cấp tín hiệu cho transistor cơng suất 124 - D D ngồi việc ổn định điện phân cực cho transistor công suất (giữ cho điện phân cực chân B khơng vượt q 1.4v) cịn có nhiệm vụ làm đường liên lạc cấp tín hiệu cho Q (D D phân cực thuận) 2 - Hai điện trở 3.9( để ổn định hoạt động transistor công suất phương diện nhiệt độ - Tụ 47μF tạo hồi tiếp dương cho Q , mục đích nâng biên độ tín hiệu tần số thấp (thường gọi tụ Boostrap) - Việc phân cực Q định chế độ làm việc mạch công suất 5.4.3.2 Mạch công suất với tầng khuếch đại điện op-amp Một mạch công suất dạng AB với op-amp mơ tả hình 9.21: - Biến trở R : dùng chỉnh điện offset ngõ (chỉnh cho ngõ 0v khơng có tín hiệu vào) - D D phân cực thuận nên: V = 0.7v B1 V = - 0.7v B2 - Ðiện V BE transistor công suất thường thiết kế khoảng 0.6v, nghĩa độ giảm qua điện trở 10Ω 0.1v - Một cách gần dòng qua D1 D2 là: 125 Như ta thấy dịng điện phân cực chạy qua tải - Dịng điện cung cấp tổng cộng: I = I + I + I = 1.7 + 9.46 + 10 = 21.2 mA n C (khi chưa có tín hiệu, dịng cung cấp qua op-amp 741 1.7mA -nhà sản xuất cung cấp) - Cơng suất cung cấp chưa có tín hiệu: Pin (standby) = 2V I (standby) CC n = (12v) (21.2) = 254 mw - Ðộ khuếch đại điện mạch: - Dòng điện qua tải: - Ðiện đỉnh qua tải: V = 0.125 = 1v o(p) - Khi Q dẫn (bán kỳ dương tín hiệu), điện đỉnh chân B Q là: 1 V =V + 0.7v = 2.25 + 0.7 = 2.95v B1(p) E1(p) - Ðiện ngõ op-amp: V = V - V = 2.95 - 0.7 = 2.25v B1 D1 - Tương tự Q dẫn: V =V - 0.7v = -2.25 - 0.7 = -2.95v B2(p) E2(p) - Ðiện ngõ op-amp: 126 V =V + V = -2.95 + 0.7 = -2.25v B2(p) D2 - Khi Q ngưng (Q dẫn) V = V + V = -2.25 + 0.7 = -1.55v B1 D1 - Tương tự Q dẫn (Q ngưng) V =V-V B2 D2 = 2.25 - 0.7 = 1.55v - Dòng bảo hòa qua transistor: - Ðiện V tối đa: o V = 333.3 * =2.67v o(p) max 5.4.3.3 Mạch công suất dùng MOSFET: Phần giới thiệu mạch dùng MOSFET công suất với tầng đầu mạch khuếch đại vi sai Cách tính phân cực, nguyên tắc giống phần Ta ý số điểm đặc biệt: - Q Q mạch khuếch đại vi sai R để tạo điện phân cực cho cực Q 2 R , C dùng để giới hạn tần số cao cho mạch (chống nhiễu tần số cao) 1 - Biến trở R tạo cân cho mạch khuếch đại visai - R , R , C mạch hồi tiếp âm, định độ lợi điện toàn mạch 13 14 15 - R , C mạch lọc hạ thơng có tác dụng giảm sóng dư nguồn cấp điện tầng khuếch đại vi sai - Q dùng tầng đảo pha ráp theo mạch khuếch đại hạng A - Q hoạt động mạch ổn áp để ổn định điện phân cực hai cực cổng cặp công suẩt - D dùng để giới hạn biên độ vào cực cổng Q R 16 D tác dụng mạch bảo vệ - R C tạo thành tải giả xoay chiều chưa mắc tải 17 5.5 IC CÔNG SUẤT: Trong mạch công suất mà tầng đầu op-amp, ta phân cực nguồn đơn mạch có dạng sau: - R , R dùng để phân cực cho ngõ vào có điện V /2 CC để tạo độ lợi điện - Mạch hồi tiếp âm gồm R , R C với R