Giáo trình Điện tử tương tự (Nghề Điện tử công nghiệp CĐ)

QUÂN KHU TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ SỐ 20 - - GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ Nghề đào tạo : Điện tử cơng nghiệp Trình độ đào tạo: Cao đẳng nghề LƯU HÀNH NỘI BỘ Năm 2022 LỜI NĨI ĐẦU Điện tử tương tự mơ đun sở ngành điện tử công nghiệp viết dựa chương trình khung ngành cao đẳng điện tử cơng nghiệp, nhằm cung cấp cho người học kiến thức để phân tích, thiết kế mạch điện hệ thống mạch điện tử sử dụng vi mạch dùng cho hệ trung cấp nghề, cao đẳng nghề điện tử công nghiệp Để nghiên cứu tài liệu thuận lợi, người học cần có trước kiến thức môn học Điện kỹ thuật, Linh kiện điện tử, Đo lường điện tử, Mạch điện tử Giáo trình chia thành chương Chương Khuếch đại thuật tốn: nêu đặc điểm tính chất khuếch đại thuật, đặc tính khuếch đại vi sai; nhận dạng mạch op-amp thông dụng thực tế Chương Ứng dụng khuếch đại thuật toán: nêu cấu tạo, nguyên lý hoạt động mạch ứng dụng dùng op-am: 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 Mạch dao động: đưa khái niệm mạch dao động tạo sóng sin sử dụng IC Op-amp mạch ứng dụng tạo sóng sin dùng op-amp; đồng thời trình bày hoạt động IC op-amp làm việc chế độ xung, mạch tạo xung: gồm mạch đa hài tự dao động, đa hài đợi, trigger, mạch tạo điện áp cưa Chương Mạch nguồn: nêu cấu tạo đặc tính điện vi mạch ổn áp chân thông dụng; thực nâng cao tính nguồn ni theo u cầu thiết kế; thiết kế mạch ứng dụng vi mạch ổn áp chân đạt yêu cầu kỹ thuật; đặc biệt chương tác giả đưa mạch nguồn đơn giản, ổn định sử dụng IC nguồn thực tế Chương Các vi mạch tương tự thơng dụng: nêu cấu trúc, đặc tính vi mạch tương tự thông dụng; thiết kế mạch ứng dụng yêu cầu kỹ thuật; vi mạch tương tự sử dụng chương gồm có IC vi mạch định thời (555), vi mạch công suất âm tần HA1392, LM1877, TDA2003, LA4440, TEA2025 , vi mạch tạo hàm đặc biệt XR2206, L8038, NE566 Trong trình biên soạn giáo trình tác giả có tham khảo số giáo trình trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Giao thơng vận tải…,tác giả cịn đồng nghiệp môn Điện tử khoa Điện - Điện tử - Điện lạnh đóng góp nhiều ý kiến, cố gắng sửa chữa, bổ sung cho sách hoàn chỉnh hơn, song chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, hạn chế Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc Nam Định, tháng 11 năm 2014 Người biên soạn Bùi Trung Kiên CHƯƠNG KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 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 ta xét khái niệm khuếch đại thuật tốn hình dạng, thơng số kỹ thuật chúng 1.1 Khái niệm 1.1.1 Khuếch đại vi sai a Khái niệm Để khuếch đại tín hiệu có tần số thấp hay tín hiệu biến thiên chậm khơng có tính chu kỳ, người ta thường dùng mạch khuếch đại DC theo kiểu liên lạc trực tiếp Mạch có đáp ứng tần số thấp tốt lại có tượng điện áp trơi Do để tránh tượng điện áp trơi tăng khả chống nhiễu tầng khuếch đại người ta dùng mạch khuếch đại vi sai ( Differential Amplifier ) Dạng mạch bản: mạch khuếch đại vi sai trạng thái cân có dạng hình 1.1 + +V VCCCC RRc1 C1 RC2 Rc2 v1 va va v1 Q1 Rb1 RB1 v2 vb vb v2 Q2 R RB2 Rb2 E -VEE -VEE Hình 1.1 Mạch khuếch đại vi sai - Mạch đối xứng theo đường thẳng đứng Các phần tử tương ứng giống đặc tính: Rb1 = Rb2; Rc1 = Rc2 VCC = VEE Q1 giống hệt Q2, thường chế tạo mẫu tinh thể - Mạch có hai ngõ vào v1, v2 hai ngõ va, vb - Có hai phương pháp lấy tín hiệu ra: + Phương pháp ngõ vi sai: tín hiệu lấy hai cực thu (C) + Phương pháp ngõ đơn cực: tín hiệu lấy cực thu (C) mass - Mạch phân cực hai nguồn điện đối xứng ( âm, dương ) để có điện cực volt b Chế độ đồng pha - Khi tín hiệu vào v1 = v2 (cùng biên độ pha) Do mạch đối xứng, tín hiệu ngõ va = vb Như vậy: va = AC.v1 vb = AC.v2 Trong AC độ khuếch đại transistor gọi độ lợi cho tín hiệu chung (common mode gain) Do v1 = v2 nên va = vb Vậy tín hiệu ngõ vi sai va - vb =0 - Khảo sát thơng số mạch: ta có v1 = v2 va = vb Do mạch hoàn toàn đối xứng, ta cần khảo sát nửa mạch, nên ý có dịng ie chạy qua nên phải tăng gấp đôi RE ib +VCC + RC + va vi Q1 vi  + RB  ib  re ib RB RC - 2RE 2RE - -VEE Z’C ZC Hình 1.2 Sơ đồ mạch tương đương chế độ đồng pha Phân giải mạch ta tìm được: v RC R AC  a    C v1 re  RE 2.RE Z C  RB // Z 'C với Z 'C  va vi   (re  RE ) ib c Chế độ vi sai Lúc v1 = -v2 (cùng biên độ ngược pha) Lúc đó: va = -vb Do v1 = -v2 nên Q1 chạy mạnh Q2 chạy yếu ngược lại nên va≠ vb Người ta định nghĩa: va - vb = AVS( v1 - v2 ) AVS gọi độ lợi cho tín hiệu vi sai (differential mode gain) Như ta thấy với ngõ vi sai, mạch khuếch đại tín hiệu vào vi sai (khác hai ngõ vào) mà khơng khuếch đại tín hiệu vào chung (thành phần giống nhau) - Khảo sát thông số mạch: Như dịng điện tín hiệu ln ln ngược chiều transistor khơng qua RE nên ta bỏ RE tính AVS ZVS ib2 ib1 v2 v1 RC  re RC va vb  ib  ib1  re Hình 1.3 Sơ đồ mạch tương đương chế độ vi sai va   ib1  RC v v v v R ib1   a    a   C  re RC re v1 re Ta có: va  vb 2va va RC A      Ngoài ra: VS v1  v2 2v1 v1 re Người ta thường để ý đến tổng trở ngõ vào cho tín hiệu vi sai ngõ vào với mass Giá trị gọi Z’VS Khi có RB ZVS = Z’VS //2RB Cần ý ib  v2  ib1  re Hệ thức chứng tỏ ngõ vào có dịng điện chạy qua Từ người ta định nghĩa: Z 'VS  v1  v2 2v1   2. re ib1 ib1 1.1.2 Khái niệm chung IC khuếch đại thuật tốn Vi mạch thuật tốn hay cịn gọi khuếch đại thuật toán (KĐTT) thuật ngữ đưa để khuếch đại đặc biệt có nhiều cấu hình hoạt động khác cách ghép nối thích hợp thành phần bên ngồi Các KĐTT ứng dụng máy tính tương tự với phép tính số học đơn giản cộng, trừ, nhân, chia, vi phân tích phân Khả kết kết hợp hệ số khuếch đại lớn hồi tiếp âm Cùng với phát triển không ngừng kỹ thuật điện tử từ cấu tạo bóng chân không nặng nề, sau đến BJT rời rạc, tới KĐTT dạng tích hợp Việc làm cho KĐTT trở nên gọn nhẹ, tiêu thụ lượng, làm việc ổn định ứng dụng rộng rãi 1.2 Cấu trúc chung họ IC khuếch đại thuật tốn thơng dụng 1.2.1 Giới thiệu a Ta xét khuếch đại thuật toán lý tưởng: - Khuếch đại thuật tốn có ký hiệu hình 1.4 Một OP-AMP lý tưởng có ngõ vào ngõ so đất (điểm chung M) +Vcc P V+ V N + OUT - V P V- N V P P -V+Vcc CC V M Hình 1.4 Ký hiệu OP-AMP lý tưởng V D + Ad.VD Rd N - Ro ~ M V V N M Hình 1.5 Mơ hình OP-AMP lý tưởng Ngõ vào có dấu (-) chữ N gọi ngõ vào đảo, có điện áp so với đất VN Ngõ vào có dấu (+) chữ P gọi ngõ vào khơng đảo, có điện áp so với đất VP Ngõ so với đất có điện áp V0 OP-AMP có hai đường cấp nguồn +VCC –VCC, nguồn cung cấp đối xứng với điểm M Trường hợp cấp nguồn đơn –VCC = 0V, tức đầu – VCC nối với điểm chung M + Mạch điện tương đương OP-AMP mơ tả hình 1.5: Trong VD hiệu điện áp ngõ vào: VD = VP – VN Mạch vào có điện trở vào ký hiệu Rd gọi điện trở vào vi sai Mạch gồm nguồn áp lệ thuộc vào Ad.Vd với điện trở R0 Quan hệ điện áp V0 hở mạch điện áp vi sai vào cho biểu thức: V0 = Ad(VP – VN) = Ad.VD Ad gọi hệ số khuếch đại vi sai - Các thông số lý tưởng OP-AMP sau: Điện trở vào vô lớn: Rd   Điện trở 0: R0  Hệ số khuếch đại vi sai vô lớn: Ad   Dải thơng tần ký hiệu BW có độ rộng từ 0Hz đến  Điện áp V0 VN = VP : V0  VD = Hệ quả: Vì Rd   nên khơng có dịng vào ngõ vào OP-AMP, nghĩa IN = IP = Vì Ad   nên VD  V0  , nghĩa tồn biểu thức VP = VN Ad Trạng thái mạch hình 1.4 gọi trạng thái khuếch đại vịng hở, có V0 = Ad.VD, với Ad   nên V0 =  , ta có V0 = +  VD > V0 = -  VD < Nếu VP = V0 ngược dấu với VN, VN = V0 dấu với VP Trong mạch khuếch đại OP-AMP, để mạch đơn giản người ta thường không vẽ nguồn cung cấp  VCC ta ngầm hiểu mạch cấp nguồn * Chế độ vi sai chế độ đồng pha: Một đặc tính quan trọng vi mạch OP-AMP khả khuếch đại với hệ số khuếch đại lớn tín hiệu vi sai khơng khuếch đại hay khuếch đại với hệ số khuếch đại nhỏ tín hiệu đồng pha Tín hiệu vi sai hiểu tín hiệu có biên độ ngược pha đặt hai ngõ vào OP-AMP, tín hiệu đồng pha tín hiệu có biên độ pha hai ngõ vào OP-AMP Như thực tế tín hiệu ngõ luôn gồm hai thành phần, thành phần khuếch đại tín hiệu vi sai, thành phần khuếch đại tín hiệu đồng pha Chế độ khuếch đại vi sai đồng pha vi mạch OP-AMP mơ tả hình 1.6 với định nghĩa sau : - V N +Vcc V+ N + -Vcc a) OUT - V cm V V- OUT P V P N + V+ +Vcc V D V- P -Vcc V b) Hình 1.6 a) Chế độ khuếch đại vi sai b) Chế độ khuếch đại đồng pha - Hiệu hai điện áp cửa vào OP-AMP gọi điện áp vi sai vào : VD = VP - VN - Trung bình cộng hai điện áp ngõ vào OP-AMP gọi điện áp vào đồng pha Vcm : Vcm  (VP  VN ) - Hệ số khuếch đại vòng hở điện áp vi sai, ký hiệu A D G (gọi tắt hệ số khuếch đại vi sai) - Hệ số khuếch đại điện áp đồng pha, ký hiệu Acm (gọi tắt hệ số khuếch đại đồng pha) - Điện áp ký hiệu V0 Điện áp gồm hai thành phần : V0  AD VD  Acm Vcm V0 Vcm = VD V Acm  VD = Vcm AD  - Hệ số nén tín hiệu đồng pha, ký hiệu CMRR (còn gọi hệ số triệt khử tín hiệu đồng pha – Common Mode Rejection Ratio) A A CMRR  D CMRR  20 log 10 D (dB) Acm Acm Trong thực tế Vcm nhiễu tác động hai ngõ vào vi mạch OP-AMP CMRR cho biết khả chống nhiễu đồng pha vi mạch, tiêu đánh giá chất lượng vi mạch Các vi mạch thuật toán có CMRR từ 104 (80dB) đến khoảng 3.107 ( khoảng 150dB) b Mơ hình mạch: Các thơng số kỹ thuật vi mạch khuếch đại thuật toán hữu hạn Ví dụ điện trở vào tín hiệu vi sai, đồng pha điện trở vi mạch có giá trị xác định Hệ số khuếch đại vi sai hàm tần số, ký hiệu G, tần số thấp G0 Do để phân tích đánh giá tiêu mạch khuếch đại sử dụng vi mạch OP-AMP người ta đưa mơ hình mạch tương đương: Hình 1.7 mạch mơ hình hóa IC khuếch đại thuật tốn tham số  A741 Phía mạch vào đặc trưng điện trở vào vi sai Rd, điện áp vào vi sai VD hai điện trở vào đồng pha ký hiệu 2Rcm Phía mạch bao gồm nguồn điện áp lệ thuộc G.VD điện trở R0 V P 2R + R d V N R cm V D V G V D - 2R cm Hình 1.7 Mạch tương đương vi mạch OP-AMP Với Rd = 2M  ; 2Rcm = 400M  R0 = 75  ; G0 = 105 c Đặc tuyến truyền đạt IC Op amp Khi xét mối quan hệ điện áp ngõ vào điện áp ngõ ta xét đặc tính truyền đạt mô tả mối quan hệ vào / vi mạch OP-AMP vịng hở, là: V0 = f(VD) V0 +VCC Bão hòa dương (+VSat) +VSat Lý tưởng Thực tế Bão hòa âm (-VSat) max V0 Offset VD(mV) -VSat -VCC Hình 1.8 Đặc tính truyền đạt OP-AMP Đồ thị hình 1.8 đặc tính truyền đạt với tín hiệu đặt ngõ vào khơng đảo Đặc điểm đặc tính truyền đạt OP-AMP V0 tỷ lệ với VD V0 nằm khoảng +VSat V-Sat Đặc tính truyền đạt bị bão hòa V0 = 10 +9V C1 -9V 10uF SY MA2 STO SY MA1 Level preset VR3 47k C3 C2 R1 10n 10k VR1 MO WAVEA2 Vcc WAVEA1 XR-2206 10uF AMSI TC1 GND TC2 SY NCO TR1 BIAS TR2 FSKI 100k Frequency 16 VR2 15 Distortion R2 VR4 4.7k 14 13 12 4.7k 470 Sin Sine/triangle output Triangle SW1 11 10 Square wave output C4 U1 10uF -9V Hình 5.55 Mạch tạo sóng sin/tam giác/vng cấp điện đối xứng * Tạo sóng cưa xung: XR-2206 cịn tạo dạng sóng khơng đối xứng cưa xung cách nối tắt chân số (FSKI) với chân 11 mạch hình 5.56 Lúc VCO sử dụng nhóm điện trở, biến trở R1 để xác định thời gian nửa dạng sóng nhóm điện trở, biến trở R2 để xác định thời gian nửa cịn lại dạng sóng +9V C1 -9V 10uF VR2 47k Ramp level preset C3 C2 10n 10uF R1 1k R2 100k 1k AMSI SY MA2 STO SY MA1 MO WAVEA2 Vcc WAVEA1 XR-2206 TC1 GND TC2 SY NCO TR1 BIAS TR2 FSKI 16 VR1 15 R3 4.7k 13 12 11 10 Pulse output 10uF 100k -9V Hình 5.56 Mạch tạo xung cưa 137 Ramp output C4 U1 4.7k 14 Mạch hình 5.56 cho ta dạng sóng cưa ngõ có độ dốc biên độ thay đổi nhờ VR1 đồng thời dạng sóng vng biên độ cố định có tỷ số M/S thay đổi chân 11 Thời gian tăng giảm thời gian mở tắt sóng cưa vng điều khiển độc lập nhờ vào R1 R2 * Tạo dịch khóa tần số FSK: Ngõ vào chân FSKI XR-2206 sử dụng ta mạch tạo sóng có điều chế FSK trình bày hình 5.57 +9V -9V C1 10uF VR1 47k Level preset C3 C2 10uF R1 1k 1k R2 100k AMSI SY MA2 STO SY MA1 MO WAVEA2 Vcc WAVEA1 XR-2206 TC1 GND TC2 SY NCO TR1 BIAS TR2 FSKI 16 15 R3 14 220 13 100k 12 11 10 Keying input >2V C4 U1 Sin output f1 10uF