Những vẫn đề chung về khuếch đại pdf

Những vẫn đề chung về khuếch đại Chơng I: những vấn đề chung về khuếch đại 1. Mô hình mạch khuếch đại Mạch khuếch đại đợc cấu tạo từ các phân tử tích cực và các phần tử thụ động. Quá trình điều khiển dòng, áp trong mạch khuếch đại đợc thực hiện nhờ các phần tử tích cực. Để nghiên cứu mạch khuếch đại, ngời ta mô tả nó bằng mô hình mạng hai cửa tuyến tính, tín hiệu nhỏ, hình 1: 2. Các tham số cơ bản của khuếch đại Các tham số cơ bản của mạch khuếch đại đợc xét dựa trên các định nghĩa vê tham số mạng hai cửa đối với tín hiệu, nh hình 2, với các định nghĩa sau: a. Quan hệ dòng _ áp trên lối vào U v = i v R v R v = v v i U Khi nguồn tín hiệu U x có nội trở là R x đặt ở lối vào thì có quan hệ U v = U x xv v RR R + b. Quan hệ dòng _ áp trên lối ra Khi cha có tải: R ra = )ngan(ra )ho(ra i U Khi có tải R t : U ra = i ra Rt = i t R t c. Hệ số khuếch đại Hệ số khuếch đại áp dụng (Ký hiệu là K u hoặc A v ) K u = vao ra U U Hệ số khuếch đại dòng điện (Ký hiệu là K i hoặc A i ) K i = vao ra i i Quan hệ giữa K i , K u ,R t và R v : Từ các biểu thức định nghĩa trên suy ra: K u = K i v t R R Trờng hợp nội trở của nguồn tín hiệu R x 0 và trở ra của mạch khuếch đại khác với trở tải tức R ra R t thì hệ số khuếch đại đợc tính là tỷ số của điện áp ra tải trên điện áp vào U x . Khi đó có hệ số khuếch đại đối với tín hiệu vào là: K ux = x t U U = k v . K O . k r Trong đó: k v = xv v RR R + K 0 = v )ho(ra U U k r = tra t RR R + d. Hệ số khuếch đại decibel dB Dạng decibel của hệ số khuếch đại đợc sử dụng thuận tiện. Khi phân tích và tính toán đặc tính tần khuếch đại. Hệ số khuếch đại áp decibel đợc định nghĩa: K u (dB) = 20 log 10 K u Ví dụ, một mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại áp K u = 100 thì hệ số khuếch đại áp decibel là dB = 20lg100 = 40dB Bảng 1: Cho một số trị số K u và K u dB. 3. Đặc tính tần của khuếch đại Hệ số khuếch đại nói chung là hàm tần số, đợc biểu thị bằng biểu thức K u (j) = )t(U )t(U v ra = K u ().e j ( ) Trong đó K u () là Modul () là arfument Đặc tính tần 1 tầng khuếch đại đợc mô tả nh đặc tính tần của lọc thông thấp RC với tử số là hệ số là hệ số khuếch đại trong dải thông K u0 , có dạng: K u (j) = c uO c uO f f j1 K j1 K + = + Do đó: K u () = 2 c uO 2 c uO f f 1 K 1 K + = + () = - arctg c = - arctg c f f c (hay f c ) là tần số cắt, ở tần số cắt thì có K u ( c ) = 2 K uO hay K u ( c ) dB = 20 log 10=K u0= - 3,01) dB c (hay f c ) còn gọi là tần số gy góc hay tần số 3dB. K u 2 3,16 10 31,6 100 1000 10000 K u dB 6 10 20 30 40 60 80 Bảng 1: Một vài trị số K u và K u dB. Trong trờng hợp chung (khuếch đại xoay chiều) đặt tính biên tần và pha tần có dạng Hình 3a, b Nếu khuếch đại lý tởng thì đặc tính biên tần K u () là đờng (1) có hệ số khuếch đại luôn bằng K uO đối với mọi tần số, và góc lệch pha tỷ lệ với tần số hoặc không đổi với mọi tần số. Thực tế thì đặc tính biên tần và pha tần là đờng (2). Trong dải thông B = f H - f 1 thì K u đợc coi là không đổi bằng K uO và góc lệch pha trong dải thông rất nhỏ. Khuếch đại tần số thấp có giải thông từ (5ữ150) Hz đến 5 ữ 10) KHz. Khuếch đại dải rộng và khuếch đại xung thì giải thông lớn hơn MHz. Tỷ số uL uO K K gọi là hệ số méo của tần thấp và uH uO K K là méo tần số cao. Đặc tính vào ra của khuếch đại U ra = f(U vao ) của khuếch đại có dạng tổng quát nh hình 4. Khi tín hiệu vào nhỏ thì đặc tính tuyến tính. Trong miền tuyến tính việc phân việc phân tích mạch khuếch đại dùng Transistor và FET đợc thực hiện bằng sơ đồ tơng đơng. Khi tín hiệu lớn thì đặc tính có phi tuyến và bo hoà. Trong miền phi tuyến thì trong khuếch đại phát sinh méo phi tuyến. Đồ thị Bode Để đánh giá đặc tính tần của hàm khuếch đại K u (j), ngời ta thờng dùng đồ thị Bode. Đó là đồ thị có trục tung biên độ tính băng dB, trục hoành tần số tính theo thang logarith. Đồ thị Bode của mạch khuếch đại một chiều đơn giản gồm một đoạn thẳng song song với trục hoành ở độ cao 20lgK uo và một đoạn thẳng có độ dốc là -20dB/dccade, điểm tiếp nối (điểm gy) của 2 đoạn thẳng ứng với tần số cắt f c nh hình 5. Theo định nghĩa hệ số khuếch đại decibel ta có 2logK u () = 20lgK uO - 20lg 2 c f f 1 + Biểu thức này cho thấy: Khi f = f C thì: -20lg 2 c f f 1 + = -20lg 2 = - 3,01 dB 3dB Khi c f f 1 thì: -20lg 2 c f f 1 + = 0 * Khi c f f 1 thì -20lg 2 c f f 1 + = -20lg c f f , biểu thức biểu thị độ dốc -20dB/decad. Tại tần số f = f T thì hệ số khuếch đại bằng 1 (hay 0dB), f T gọi là tấn số dơn vị. K u ( ) 2 C T uO f f K = 1 Do đó tại f T có quan hệ: K uO.0 f C = f T Nghĩa là tần số đơn vị f T bằng tích số của tần số 3dB (f C ) với hệ số khuếch đại trong dải thông K uO 4. Phản hồi trong khuếch đại 4.1 Khái niệm: Phản hồi trong mạch khuếch đại là quá trình lấy một phần tín hiệu ra của mạch khuếch đại đa trở về đầu vào để cộng với tín hiệu vào làm cho tín hiệu vào trên cửa sổ vào của khuếch đại tăng lên, hoặc trừ đi tín hiệu vào để làm cho tín hiệu vào trên cửa sổ vào của khuếch đại giảm đi. Nếu qua trình phản hồi làm cho tín hiệu vào tăng thì ta nói mạch có phản hồi dơng, ngợc lại là phản hồi âm. Trong khuếch đại đo lờng và điều khiển, để đảm bảo các chỉ tiêu chất lợng cân phải dùng phản hồi âm. Trong việc tạo dao động thì phải dùng phản hồi dơng. 4.2 . Sơ đồ khối khuếch đại có phản hồi âm (Hình 6) K 0 : Hệ số khuếch đại vòng hở : Hệ số phản hồi K F : Hệ số khuếch đại có phản hồi (Hệ số khuếch đại vòng đóng) Biểu thức: Từ sơ đồ ta có: U ra = K 0 U vao - .K 0 U ra + = 0 0 vao ra K1 K U U = K F (1) Ta gọi K F là hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại có phản hồi âm. Trờng hợp có K 0 1 thì ta thấy K F 1 nghĩa là hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại có phản hồi âm K F lúc này chỉ phụ thuộc hệ số phản hồi . Ví dụ: K 0 = 3000, = 0,01 tức là K 0 1 ta có K F 01,0 11 = = 100 4.3 Tác dụng của phản hồi âm + Trong thực tế có nhiều nguyên nhân làm cho hệ số khuếch đại của một mạch khuếch đại đợc thiết kế ra là K 0 không đủ chính xác và thờng hay biến động. Do đó nếu ta thiết kế sao cho K 0 và tích K 0 với hệ số phản hồi đủ lớn và có độ chính xác cao thì mạch khuếch đại với K F 1 sẽ ít chịu ảnh hởng của biến động của K 0 . + Khi có phản hồi âm thì hệ số khuếch đại giảm nhng độ chính xác tăng. Vi phân K F theo K 0 của biểu thức (1) ta có: 0 0 0F F K K . K1 1 K K + = Với các định nghĩa sau: =+ = = F 0 0 0 0 0 F F F K K )K1( %K K K %K K K Ta nhận đợc K F % = 0 0F K %K.K (2) + Ví dụ: Một mạch khuếch đại có K 0 = 100, = 0,05. Khi K 0 thay đổi 30% thì K F thay đổi. K F % = 05,0.1001 %30 + = 5% Hoặc viết: K F = 6 100 05,0.1001 100 K1 K 0 0 = + = + K F % = 100 %)30( 6 100 = 5% + Khi có phản hồi âm thì hệ số khuếch đại giảm nhng mở rộng đợc dải thông. Nếu mạch khuếch đại có K 0 ( ) có tần số cắt là f 0C thì khi có phản hồi âm hệ số khuếch đại của mạch là K F ( ) với 0F KK < nhng tần số cắt của K F ( ) là f 0F đợc tăng lên F 0 K K lần. Chú ý: ở đây ta giả thiết dải thông B = f 0tháp - f 0 cao f 0 cao Ký hiệu f 0 cao = f 0 C Ví dụ: Một mạch khuếch đại có: K 0 = 4000, f 0C = 2000 Hz. Giả sử khi K F = 100 thì ta có f 0C = 100 4000 f K K 0 F 0 = .2000Hz. Tức là giải thông đ tăng từ 2000 Hz đến 80000 Hz. (Hình 7) Ngời ta chứng minh đợc rằng K F B F = K 0 B 0 = hằn số (sẽ trở lại vấn đề này trong khuếch đại thuật toán). + Độ sâu phản hồi âm. Để đánh giá phản hồi ngời ta đa ra một chỉ tiêu quan trọng là độ sâu phản hồi đợc định nghĩa nh sau: [...]... với khi cha có tải chơng III: Khuếch đại thuật toán opam Khuếch đại thuật toán l khuếch đại điện áp một chiều Cấu trúc cơ bản của các tầng khuếch đại v o v khuếch đại trung gian l tầng vi sai Trớc đây loại khuếch đại n y đợc dùng để thực hiện các phép toán giải tích trong máy tính tơng tự, do đó ngời ta gọi l khuếch đại thuật toán (Operational Amphfrer) Ng y nay khuếch đại thuật toán đợc ứng dụng nhiều... tả khuếch đại có điện áp lệch không v khuếch đại có bù Nguyên lý bù điện áp lệch không cho các sơ đồ khuếch đại đảo v không đảo cho ở hình 3.2.8a,b 3.2.4.3 Bù tần số Khuếch đại thuật toán cũng có đặc tính tần giống nh khuếch đại dùng Transistor ở tần số cao thì hệ số khuếch đại vi sai giảm v xuất hiện sự lệch pha giữa áp ra v áp v o OPAM thờng đợc mô tả nh một mạch khuếch đại gồm ba tầng khuếch đại. .. tầng công suất còn có các mạch bảo vệ ngắn mạch Các IC khuếch đại thuật hiện đại có độ trôi dòng v áp offset v o rất nhỏ Tuy nhiên để nâng cao độ chính xác khi khuếch đại các dòng điện v điện áp một chiều nhỏ ngời ta phải dùng khuếch đại điều chế v khuếch đại chống trôi Mạch bên trong IC thuật toán chứa khoảng 20 Transitor Hiện nay các chíp khuếch đại thuật toán kết hợp cả Transistor lỡng cực v FET có... 3.2a Bảng 1 liệt kê các thông số kỹ thuật quan trọng của các IC khuếch đại thuật toán thông dụng (741), tốc độ cao (715), ít trôi (5534) Nguồn cung cấp cho khuếch đại thuật toán thông thờng l nguồn ổn định v đối xứng +VCC Hai mạch khuếch đại cơ bản dùng IC thuật toán l khuếch đại đảo v không đảo, về mặt nguyên lý đ xét trong phần khuếch đại thuật toán lý tởng, trong các phần sau sẽ đợc nghiên cứu chi... công suất Tầng v o của OPAM l tầng khuếch đại vi sai có các đặc tính kỹ thuật sau: - Dòng v o rất nhỏ - Điện trở v o rất lớn - Độ trôi (Drift) nhỏ - Đặc tính động tốt - Có khả năng bù lệch 0 (offset) Tầng trung gian gồm có - L tầng khuếch đại vi sai biến đổi đối xứng _ không đối xứng - L tầng khuếch đại lặp Emitter v định mức - L tầng khuếch đại E chung có hệ số khuếch đại rất lớn Tầng công suất có nhiệm... xuất ra các vi mạch khuếch đại thuật toán có các tham số gần lý tởng Các ứng dụng của khuếch đại thuật toán trong trờng hợp đơn giản thờng đợc coi l lý tởng Tuy nhiên các tham số thực của vi mạch thuật toán l hữu hạn Trong chơng n y ta sẽ xét khuếch đại thuật toán trong trờng hợp lý tởng lý tởng v không lý tởng 3.1 Khuếch đại thuật toán lý tởng 3.1.1 Ký hiệu v các định nghĩa Khuếch đại thuật toán viết... UG gọi l hệ số khuếch đại vòng hở, từ (3.0) có: V (V+ - V-) = 0 G Khi G thì V+ - V- = 0 Nghĩa l hiệu điện thế giữa đầu v o (+) v đầu ra (-) bằng 0 hay V+ = V- (Hoặc viết VP = VN) Rin = cho nên dòng v o cả hai phía (+) v (-) đều bằng 0 3.1.2 Các mạch khuếch đại cơ bản dùng OPAM lý tởng 3.1.2.1 Mạch khuếch đại đảo: Hình 31.2a l mạch khuếch đại đảo, gồm một điện trở RF nối từ đầu ra về đầu v o đảo... hồi âm (trong mạch khuếch đại đảo v không đảo) Hệ số khuếch đại vòng hở của OPAM rất lớn, trong trờng hợp lý tởng l Đối với àA741 thì G0 = 100dB hoặc 105 v giảm với độ dốc 20dB/decade với tần số cắt góc l 20 Radian trên giây Để ứng dụng OPAM trong khuếch đại, phải thiết lập mạch phản hồi âm cho cả khuếch đại đảo v không đảo gồm có RF v RA Mạch phản hồi âm sẽ xác lập hệ số khuếch đại vòng đóng AV, giải... qua điện trở ra Mạch khuếch đại đảo có sơ đồ tơng đơng hình 31.2b Để phân tích mạch, ta viết các biểu thức sau 1 V+ =0 R 2 Vi V V0 V + =0 Ra RF 3 V+ = V- ; mạch trên có V+ = 0 4 Hệ số khuếch đại vòng đóng (của mạch) Từ các quan hệ trên suy ra: V0 R F = Vi Ra (3.1) Biểu thức (3.1) l hệ số khuếch đại vòng đóng, chỉ phụ thuộc RF v Ra của mạch ngo i m không phụ thuộc hệ số khuếch đại vòng hở G của OPAM... j=a (3.2) j V+ = VP Chú ý ký hiệu: V = VN 3.1.2.3 Mạch khuếch đại không đảo Mạch khuếch đại không đảo hình 31.4, khác với mạch khuếch đại đảo l điện trở ra nối đất, còn điện áp v o Vi đặt trên lối v o không đảo qua điện trở R1 Điện trở R1 không tham gia v o quá trình xử lý tín hiệu, trong nhiều trờng hợp R1 = 0 Để tìm biểu thức hệ số khuếch đại của mạch ta viết các biểu thức sau: 1 V+ = V2 V V V0 . Những vẫn đề chung về khuếch đại Chơng I: những vấn đề chung về khuếch đại 1. Mô hình mạch khuếch đại Mạch khuếch đại đợc cấu tạo từ các phân tử. III: Khuếch đại thuật toán opam Khuếch đại thuật toán là khuếch đại điện áp một chiều. Cấu trúc cơ bản của các tầng khuếch đại vào và khuếch đại trung gian là tầng vi sai. Trớc đây loại khuếch. hệ số khuếch đại trong dải thông K uO 4. Phản hồi trong khuếch đại 4.1 Khái niệm: Phản hồi trong mạch khuếch đại là quá trình lấy một phần tín hiệu ra của mạch khuếch đại đa trở về đầu