KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ 2 docx

rất nhỏ và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tính toán, điều khiển, tạo hàm, tạo tín hiệu hình sin và xung, sử dụng trong ổn áp và các bộ lọc tích cực  Trong kỹ thuật tư

KỸ THUẬT MẠCH

ĐIỆN TỬ 2

Giáo viên: PHAN NGỌC KỲ

ĐT: 0983234494 Mail: ngockyphan@yahoo.com

THÔNG TIN VỀ MÔN HỌC

• Kế hoạch: 45 tiết lý thuyết (3 tín chỉ)

• Tài liệu tham khảo:

 Phạm Minh Hà, Kỹ thuật mạch điện tử tập1,2, NXBKHKT.

 James and Hardly, Electronic Communication Technology, Prentice

CHƯƠNG 1

1.1 Khái niệm chung Khuếch đại thuật toán ( KĐTT) :

 Là mạch KĐ có hệ số khuếch đại rất lớn, ….vào rất lớn và

… rất nhỏ và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tính toán, điều khiển, tạo hàm, tạo tín hiệu hình sin và xung, sử dụng trong ổn áp và các bộ lọc tích cực

 Trong kỹ thuật tương tự, các mạch tính toán và điều khiển được xây dựng chủ yếu dựa trên bộ KĐTT.

 Có hai dạng mạch tính toán và điều khiển :

• Tuyến tính : trong mạch hồi tiếp có các linh kiện có hàm truyền đạt tuyến tính.

• Phi tuyến : trong mạch hồi tiếp có các linh kiện có hàm phi tuyến

CHƯƠNG 1

1.1 Khái niệm chung :

OPAMP khuếch đại hiệu điện áp

CHƯƠNG 1

1.2 Các mạch tính toán và điều khiển:

1.2.1 Mạch cộng đảo

Hình 1.3 Sơ đồ mạch khuếch đại

có trở kháng vào lớn Coi OA lý tưởng nên dòng vào Io =0 và VP=VN

Viết phương trình dòng điện cho nút N :

CHƯƠNG 1

1.2.2 Mạch khuếch đại có trở kháng vào lớn

Hệ số khuếch đại của mạch :

Trở kháng vào :

Khi yêu cầu K lớn thì phải chọn R1 nhỏ tức là Zin= R1 cũng phải nhỏ

Với sơ đồ mạch 1.3 đã khắc phục nhược điểm đó nếu ta chọn R1=RNthì K chỉ phụ thuộc vào tỷ số R2/R3, ta có thể tăng tỷ số này tùy ý mà không ảnh hưởng đến trở kháng vào của mạch

Trong đó:

1.4 Các mạch tính toán và điều khiển

1.4.1 Khuếch đại đảo có phân cực và offsets

μA 741

Vout

VD (mV)

CHƯƠNG 1

1.2.4 Mạch trừ với trở kháng vào lớn

Vin2 Vin1

Vout

R/n

KR R

Hình 1.4.a Sơ đồ mạch trừ có một ngõ

vào trở kháng lớn

Viết phương trình dòng điện

nút cho nút N1 và N2 ta có :

Hệ số của Vin2 luôn luôn lớn hơn hệ số của Vin1 → mạch không tạo được điện áp ra có dạng : K (Vin2 -Vin1) Trở kháng vào của cửa P lớn (Zv = rd), nên không yêu cầu nguồn vin2 có công suất lớn.

CHƯƠNG 1

Vout Vin2

R2

R3 R1

R3

R1 Vin1

Hình 1.4.b Sơ đồ mạch trừ có hai ngõ vào trở kháng đều lớn

CHƯƠNG 1

Hình 1.4.b trình bày mạch điện có trở kháng vào của cả hai cửa (cửa

vin1 và vin2) đều lớn.

Viết phương trình dòng điện nút cho N1 và N2 ta có :

CHƯƠNG 1

Ta thấy trở kháng vào của cả hai cửa đều lớn và bằng rd của KĐTT Có

thể thay đổi được hệ số khuếch đại khi thay đổi R1.

3 1

3 1

2

R R

2R R

R 1 K’ = + +

Hình 1.5 Sơ đồ mạch tạo điện áp ra

có cực tính thay đổi

Khi thay đổi tiếp điểm trên chiết áp R2 ta có hệ số của vout lúc dương, lúc âm.

→ điện áp ra tỉ lệ với tích phân điện áp vào.

Thường chọn hằng số thời gian τ = RC = 1s

vout (t = 0) là điều kiện đầu, không phụ thuộc vào điện áp vào vin1

Nếu vin1 là điện áp xoay chiều hình sin: vin1 = Vin1 sinωt thì:

CHƯƠNG 1

Đặc tuyến biên độ - tần số của mạch tích phân :

)(

1

w

f V

V

in out = có độ dốc - 20dB/decade.

Mạch được gọi là mạch tích phân trong một phạm vi tần số nào đó nếu trong

phạm vi tần số đó đặc tuyến biên - tần của nó giảm với độ dốc 20dB/decade

Để giảm ảnh hưởng của dòng tĩnh It và điện áp lệch không có thể gây sai số đáng kể cho mạch tích phân, ở cửa thuận của bộ KĐTT người ta mắc thêm một điện trở thay đổi được R1 và nối xuống masse

Hình 1.6.b Mạch tích phân đảo có biến trở R1 bù dòng lệch không

Điều chỉnh R1 sao cho R1 ≅ R thì giảm

được tác dụng của dòng điện lệch không

Io = IP

- IN và điện áp lệch không vo = vP - vN

(khi vout = 0)

R1

R2

Rn

Hình 1.7 Sơ đồ mạch tích phân tổng

Dùng phương pháp xếp chồng và viết phương trình dòng điện nút đối với nút N tatìm được:

R1

Hình 1.8 Sơ đồ mạch tích phân hiệu

Viết phương trình đối với nút N :

Đối với nút P :

(1)

(2)

Biến đổi và cho vN = vP, R1CN = R2CP = RC

Suy ra:

giả thiết: vin1 = Vin1 sin w t

Hệ số khuếch đại của mạch: K’ =

K’ tỉ lệ với tần số, nín tạp đm tần số cao ở đầu ra mạch năy rất lớn

có thể lấn ât tín hiệu.

v1C

vout

vin

Hình 1.10.a Sơ đồ mạch PI

Mạch thường được sử dụng trong các mạch

indt R i

iC

v dtC

R

1

in 1

) t

cos(

V t

sin C R

V t

cos

V R

R

1

in in

1

N

ww

CHƯƠNG 1

1.2.11 Mạch PID (Proportional Integrated Differential)

R1

Hình 1.11.a Sơ đồ mạch PID

PID cũng là mạch hay được sử dụng trong

kỹ thuật điều khiển để mở rộng phạm vi tần

số điều khiển của mạch và trong nhiều

trường hợp tăng tính ổn định của hệ thống

điều khiển trong một dải tần số rộng

Điện áp ra có dạng:

Từ phương trình dòng điện nút tại N:

Và phương trình điện áp ra trên nhánh ra:

Thay (1) vào (2):

 ++

=

dt

dvCdt

vBAv

0

idt

dvC

R

v

N

in 1

i

N

N N

dt

dv C R

v C

1 R

dt

dv C R

in 1

1

in out

C1

iNN

CHƯƠNG 1

Suy ra:

dt

dv C

R dt

v C

R

1 v

C

C R

R

1 N

in N

1

in N

1 1

N

CR

1

=w

<<

w thì thành phần tích phân trong (*) chiếm ưu thế

1 1

N

CR

1

=w1

1 1

N

vC

CR

• Việc hạn chế HSKĐ ở tần số thấp và cao trong một giới hạn nào đó được thực hiện nhờ các R2 và R3.

Hình 1.12.a Sơ đồ mạch khuếch đại

Loga dùng Diode

1.3.1 Mạch khuếch đại Loga

Để tạo mạch khuếch đại loga, mắc diode hoặc

BJT ở mạch hồi tiếp của bộ KĐTT

Mạch điện dùng diode (1.12.a.) có thể làm

Dòng điện qua diode và điện áp đặt lên

diode có quan hệ :

Trong đó : iD, vD : dòng điện qua diode và điệp áp đặt lên diode

Io: dòng điện ban đầu, có trị số bằng dòng qua diode ứng với điện ápngược cho phép

vT :

 vout  - vD = - vT = - vT

o

in RI

v ln

o

D I i ln

CHƯƠNG 1

1.3 Các mạch khuếch đại và tính toán phi tuyến liên tục

1.3.1 Mạch khuếch đại Loga

Dòng Colectơ iC phụ thuộc vào điện áp Bazơ

-emitơ theo quan hệ :

iC = ANiE = ANIEbh( )

Với AN: hệ số khuếch đại dòng điện khi mắc

Bazơ chung (BC)(AN=)

IEbh: là dòng điện emitơ ở trạng thái bão hòa

1

e T

BE v

v

BE v

e

CHƯƠNG 1

Mà vout = - vBE và iC= vin/R

 vout = - vT

RI

A

vln

vI

A

iln

Ebh N

in T

Ebh N

C =

-Mạch chỉ làm việc với điện áp vào dương (do mối nối p-n)

Muốn làm việc với điện áp âm  thay BJT npn bằng BJT pnp.

Hình 1.13.a Sơ đồ mạch khuếch đại

đối Loga dùng Diode

R

out

Hình 1.13.b Sơ đồ mạch khuếch đại

đối Loga dùng Transitor

Mạch nhân tương tự :là một mạng 4 cực có 2 đầu vào

Trong đó, K là hệ số tỉ lệ, HS truyền đạt của mạch nhân, được xác định ứng với 1 điện áp chuẩn nào đó.

Bộ nhân lý tưởng có : ZvX, ZvY =  , Zr = 0 và HS truyền đạt của mạch nhân lý tưởng không phụ thuộc vào tần

số, không phụ thuộc vào trị số của các VX, VY , K=const

K X

Y

Z

vào = 0, tức bộ nhân lý tưởng

không có tạp âm nôi bộ và các

tham số của nó không chịu ảnh

hưởng nhiệt

Tuy nhiên, trong thực tế bộ nhân có điện áp lệch 0

và tạp âm ≠ 0.

Vì vậy, để giảm nhỏ sai số, người ta chọn điện áp chuẩn ứng với các hệ số truyền đạt K tương đối lớn

khoảng (1÷10)V

Các phương pháp thực hiện mạch nhân :

• Phương pháp phân chia thời gian : chuyển mạch điện tử

• Phương pháp KĐ loga và đối loga

• Phương pháp thay đổi hổ dẫn trong của Transistor

1.3.3 Mạch nhân dùng nguyên tắc khuếch đại loga và đối loga

• Các mạch khuếch đại loga và đối loga có thể dùng mạch như đã xét ở mục trên Coi mạch tổng có thể dùng một khuếch đại tổng KĐTT Mạch nhân này có sai số khoảng 0,25% đến 1% so với giá trị cực đại của tín hiệu vào.

• Mạch chỉ làm việc được với các tín hiệu vx, vy > 0 (do

tính chất hàm loga) Mạch nhân 4200 là một trong

những mạch tiêu biểu được chế tạo theo nguyên tắc này.

1.3.4 Mạch luỹ thừa bậc hai

Đấu hai đầu vào của mạch nhân với nhau ta sẽ có mạch lũy thừa:

1.3.5 Mạch chia theo nguyên tắc nhân đảo

a Mạch chia thuận

Hình 1.16 Sơ đồ mạch chia thuận

Ta có tại cửa thuận :

1.3.5 Mạch chia theo nguyên tắc nhân đảo

biểu thức trên vZ có thể lấy

dấu tùy ý, còn vX luôn luôn

dương.

Nếu vX < 0 thì hồi tiếp qua bộ

nhân về đầu vào bộ KĐTT là

hồi tiếp dương, làm cho

mạch chuyển sang trạng thái

bão hòa gây méo lớn.

vX > 0 chỉ đúng với mạch nhân thuận (K > 0)

vX < 0 chỉ đúng với mạch nhân đổi dấu (K < 0)

1.3.6 Chia mạch dùng khuếch đại loga và đối loga

z 3 v

v ln

v

v K v

v K

z

v

v K

K

v K

K

v

lnln

2

1 2

=-

x Z

2

2

= + x

v

K

v v

-• Mạch điện hình 1.19.a chỉ làm việc với điện áp vào vZ < 0, còn

mạch điện hình 1.19.b thì vZ > 0 Trong trường hợp ngược lại thì mạch sẽ có hồi tiếp dương làm mạch bị kẹt Để ngăn ngừa người

ta mắc thêm diode (mỗi mạch một diode) ở đầu ra của bộ KĐTT như hình vẽ.

v

Kvout = N  out = Z

1.4 Các mạch phi tuyến không liên tục

1.4.1 Nguyên tắc thực hiện các mạch phi tuyến không liên tục và các phần tử cơ bản của nó

Các phần tử cơ bản dùng để tạo

hàm phi tuyến không liên tục là các

bộ so sánh tương tự và diode lý

tưởng Diode lý tưởng được cấu tạo

bằng cách mắc vào mạch hồi tiếp

vout = vin - vD

Khi vin < vng thì mạch không làm việc, vout = 0

Khi vin < vng thì vout ≠ 0

 mạch điện dùng diode thực có điện áp ngưỡng vng nên

không thể làm việc với điện áp vào bé được.

ng ng

K v

v' =

1.4.2.2 Mạch chỉnh lưu toàn sóng dùng sơ đồ cầu:

(chỉnh lưu giá trị trung bình số học)

• Khi vin > 0  chạy qua R1, diode D1, điện trở tải (dụng cụ đo), diode D3 rồi đến đầu ra bộ KĐTT và về

iin = in

vout = vt (trên cơ cấu đo) = vin (lấy N làm mốc).

1.4.2.3 Mạch chỉnh lưu giá trị hiệu dụng

Khi mắc thêm vào cửa đảo mạch nối tiếp R2, C2 thì ta có một mạch chỉnh lưu giá trị hiệu dụng

Ta đã biết:



= T I t dt T

I I

T

2 sin

2 20

2

2/

T T

 so với trị trung bình số học thì trị hiệu dụng lớn gấp lần

2 2



Sh Sh

I

2 2 2

• Lúc đó điện áp xoay chiều thì R2, C2 tham gia vào điện trở R1 dưới dạng R1 // R2 Để đồng hồ chỉ giá trị hiệu dụng thì ta phải có :

Tụ C2 phải chọn sao cho trở kháng của nó đối với thành phần xoay chiều không đáng kể, nếu không hạ áp trên

nó sẽ gây ra sai số đo.

• Giả thiết sai số đo cho phép là 1% ứng với tần số vào thấp nhất fmin bằng cách tính toán trở kháng Z của R1 // (R2 + 1/j(C2) ta có thể tìm được giá trị C2.

C=

1 2

1 2

1

2 1

2 2

2 2 2

2

R R

R R

2

32 , 0

R f



1 min

2

32 , 0

R f



tụ C cho tới khi bằng điện

áp cực đại của tín hiệu vào

(điện áp đỉnh): vc  Vinmax.

• Nếu sau đó vin giảm thì D ngắt, tụ C phóng điện qua điện trở ngược của diode và tạo dòng tải it Nếu điện trở ngược của diode và điện trở vào A1 lớn  điện áp trên

tụ C là điện áp đỉnh có giá trị ổn định.

• Nếu đổi chiều diode D thì điện áp trên tụ C là điện áp đỉnh âm A2 là mạch lặp điện áp làm tầng đệm để tăng trở kháng tải cho mạch chỉnh lưu.

• Khóa K tạo đường xã cho tụ khi cần đo giá trị mới

1.4.2.5 Mạch so sánh tương tự

Mạch so sánh tương tự có nhiệm vụ so sánh một điện áp vào vin với một điện áp chuẩn Vch Tín hiệu vào dạng tương tự

sẽ được biến thành tín hiệu ra dưới dạng mã nhị phân Nghĩa

là đầu ra hoặc ở mức thấp (L) hoặc ở mức cao (H) Nó là mạch ghép nối giữa ANALOG và DIGITAL.

Đặc điểm: Phân biệt giữa bộ KĐTT thông thường với bộ so sánh chuyên dụng (mà thực chất cũng là một bộ KĐTT).

- Bộ so sánh có tốc độ đáp ứng cao hơn để thời gian xác lập và phục hồi nhỏ.vNvPvoutvoutvinVRHvP - vNHình 1.28 Mạch

so sánh và đặc tuyến vào ra

- Là KĐTT làm việc ở trạng thái bão hòa nên mức ra thấp (L)

và mức ra cao (H) của nó là mức dương và mức âm của nguồn Các mức này phải tương ứng với mức logic.

• Đặc tuyến truyền đạt tĩnh của bộ so sánh

vP - vN > 0  vout = vRH : điện áp ra ứng với mức cao.

vP - vN < 0  vout = vRL : điện áp ra ứng với mức thấp.

• Đặc tuyến truyền đạt thực

 v: đặc trưng cho bộ nhạy của bộ so sánh vo: điện áp lệch không.

tc  10ns : gọi là thời gian chết.

Sườn dốc của đặc tuyến ra tỷ lệ

thuận với biên độ vin.

Bộ so sánh yêu cầu phải có độ

nhạy cao : đáp ứng nhanh.

tc nhỏ và phải có độ dốc lớn :

vùng khuếch đại bé.

o in

I R

V V

R

V v

=

+

-2 1

1 2

1 2

1

R

R V

V R

-=



1 2

1 2

1

R

R V

V R

-=

