Nguyên lí kỹ thuật điện tử ( Nxb Giáo Dục 2005 ) - Chương 4 potx

Chơng linh kiện bán dẫn v mạch điện tử liên quan Các linh kiện điện tử, có linh kiện tích cực, tạo nên mạch điện tử thực nhiệm vụ khuếch đại, gia công xử lý tín hiệu Trớc đèn điện tử chân không (electronic vacumm tube) hoạt động nhờ hiệu ứng phát xạ nhiệt điện tử đóng vai trò hầu hết mạch điện Từ năm 50 kỷ trớc, dụng cụ bán dẫn điện nh diode, transistor sau vi mạch đơn khối (thờng gọi mạch tích hợp vi điện tử IC) đời đà thay dần đèn điện tử hầu hết linh kiện điện tử đợc chế tạo từ vật liệu bán dẫn Do giáo trình mạch điện tử đại, hầu nh linh kiện bán dẫn mạch điện liên quan đợc trình bày Vì cấu tạo nguyên lý hoạt động dụng cụ đà đợc trình bày giáo trình linh kiện bán dẫn nên mô tả tóm tắt cách đơn giản nguyên lý hoạt động chúng nhằm phục vụ cho mục đích khảo sát mạch điện tử liên quan sử dụng dụng cụ bán dẫn 4.1 Chất bán dẫn lớp tiếp giáp p-n 4.1.1 Chất bán dẫn Chất bán dẫn chất mà điện trở suất chúng nằm chất dẫn điện cách điện Dải điện trở suất ba loại nh sau: Chất dẫn điện: 10-3 đến 10-5 m Chất cách điện: 107 đến 1016 m Chất bán dẫn: 10-5 đến 107 m Đặc điểm chất bán dẫn tính chất điện phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, nồng độ tạp chất, tác dụng ánh sáng, xạ ion hoá, v.v Các nguyên tử vật rắn đợc xếp tạo thành mạng tinh thể với hạt nhân nguyên tử điện tử hoá trị liên kết với Chỉ điện tử tự không nằm vị trí liên kết, chuyển động theo điện trờng tác động lên vật tạo thành dòng điện Tại nhiệt độ đó, thí dụ nh nhiệt độ phòng, chất bán dẫn có số điện tử dao động nhiệt, bị bắn khỏi vị trí liên kết trở thành điện tử tự tham gia vào việc tạo nên dòng điện Các điện tử đợc gọi điện tử dẫn Khi điện tử rời khỏi vị trí liên kết để lại sau vị trí trống làm cho nguyên tử gần kề trở nên không trung hoà tích điện dơng Vị trí trống chuyển động ngợc với đờng điện tử dẫn đợc coi phần tử dẫn điện mang điện tích dơng đợc gọi lỗ trống Bằng cách thêm vào chất bán dẫn tinh khiết, thí dụ Si có hoá trị 4, tạp chất donor có hoá trị lớn (thí dụ hoá trị 5) hay tạp chất aceptor có hoá trị nhỏ (thí dụ hoá trị 3) ta lần lợt có chất bán dẫn loại n có phần tử tải điện (đa số) điện tử chất bán dẫn loại p có phần tử tải điện lỗ trống 51 Các chất bán dẫn đơn chất nh Si, Ge, Se hay ô-xýt, sunfua, selenua, v.v Từ năm 50 kỷ trớc, ngời ta đà chế tạo thành công dụng cụ bán dẫn nh diode transistor, thyristor gần mạch tích hợp đơn khối gọi vi mạch IC (integrated circuit) mà đỉnh cao mạch vi xử lý Do đặc điểm có tuổi thọ cao, gọn nhẹ, công suất tiêu tán nhỏ hiệu suất cao nên dụng cụ bán dẫn ngày có nhiều ứng dụng kỹ thuật mạch điện tử 4.1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động lớp tiếp giáp p-n Diode bán dẫn Sự tiếp xúc hai bán dẫn loại p n tạo nên vùng chuyển tiếp điện tửlỗ trống đợc gọi lớp chuyển tiếp p-n (hay tiếp giáp p-n) nh trình bày hình 4.1.a Nguyên tắc hoạt động dụng cụ bán dẫn dựa việc ứng dụng tính chất lớp tiếp giáp EJ p n Lớp tiếp giáp ch−a cã ph©n cùc (a) A K Engoμi Engoμi EJ EJ p n + (b) p - n - Líp tiếp giáp phân cực thuận Ep-n= Engoi- EJ (c) + Lớp tiếp giáp phân cực ngợc Ep-n= Engoi+ EJ Hình 4.1 Lớp tiếp giáp pn cấu tạo diode bán dẫn Do có chênh lệch nồng độ phần tử tải điện nên có khuếch tán lỗ trống từ miền p sang miền n khuếch tán điện tử từ miền n sang miền p, tức xuất dòng khuếch tán điện tử lỗ trống qua lớp tiếp giáp p- n Lỗ trống khuếch tán từ miền p làm xuất iôn ©m mét vïng cđa miỊn p s¸t víi miỊn n, điện tử khuếch tán từ miền n làm xuất iôn dơng vùng miền n sát với miền p Vì nguyên tử đợc phân bố nút mạng tinh thể chất bán dẫn nên iôn âm dơng đợc tạo nên dịch chuyển tự đợc Điều có nghĩa xuất lớp tiếp giáp điện tích không gian sinh ®ã mét ®iƯn tr−êng E j h−íng tõ miỊn n sang p Điện trờng hÃm trình khuếch tán làm giảm dòng khuếch tán Trong thời gian ấy, trờng làm tăng tốc chuyển động phần tử tải điện không tức điện tử từ miền p sang n lỗ trèng tõ miỊn n sang p Nh− vËy nã lµm xuất dòng điện trôi theo 52 hớng ngợc với dòng khuếch tán Kết trạng thái cân động, điện tích không gian không tăng vùng tiếp giáp thiếu vắng phần tử tải ®iƯn Do vËy ®iƯn trë cđa vïng nµy sÏ rÊt lớn đợc gọi vùng nghèo điện tích Các dòng điện khuếch tán trôi dòng tổng qua lớp tiếp giáp không Khi đặt nguồn điện bên lên lớp tiếp giáp theo hớng: cực dơng đặt lên miền p cực âm đặt lên miền n nh hình 4.1.b cờng độ điện trờng ngợc chiều với ®iƯn → tr−êng chun tiÕp E j , ®ã làm giảm tác dụng Kết dòng khuếch tán đợc tăng lên so với dòng trôi dòng tổng hợp đợc xác định dòng khuếch tán chảy theo chiều từ miền p sang n Điện tử từ miền n khuếch tán vào miền p dới tác dụng điện trờng trở thành phần tử tải không miền p Ngợc lại lỗ trống khuếch tán từ miền p sang n trở thành phần tử tải không miền Các tợng gọi phun phần tử tải điện sang miền mà thành không dòng chảy qua miền tiếp giáp gọi dòng phun dòng điện thuận Trong trờng hợp ta nói lớp tiếp giáp đợc phân cực thuận dòng điện thuận thờng lớn Ngợc lại mắc nguồn điện cho cực âm nối với miền p, cực dơng nối với miền n nh hình 4.1.c tiếp giáp đợc phân cực ngợc Chiều điện trờng lúc chiều với trờng E j làm tăng tác dụng Kết làm giảm thành phần khuếch tán dòng qua lớp tiếp giáp xuống dới giá trị ứng với trạng thái cân làm tăng thành phần trôi Dòng qua lớp tiếp giáp p-n lúc đợc xác định dòng trôi theo chiều ngợc với dòng điện thuận gọi dòng điện ngợc Vì nồng độ phần tử tải không nhỏ nồng độ phần tử tải nên dòng điện ngợc nhỏ so với dòng điện thuận Khi nối hai ®iƯn cùc vµo hai miỊn p vµ n nh− vËy ta có đợc dụng cụ gọi diode bán dẫn có ký hiệu nh hình 4.1.a ra, cực nối với miền p gọi Anode (A) cực nối với miền n gọi Kathode (K) I(mA) Sù phơ thc cđa dßng I d qua diode vào U d = UAK đặt Ge 40 - + ( ) + 30 trªn nã tÝnh theo c«ng thøc: I d = I s e Ud / UT − GaAs Si 20 (4.1) Trong ®ã: I S dòng bÃo hoà hay dòng nhiệt diode đợc phân cực ngợc; K số Boltzmann 1,38.10-23 J/K; 10 -30 -20 -10 UAK (V) 0,2 0,4 0,6 0,8 A Hình 4.2 Đặc trng V-A diode bán dẫn T nhiệt độ K; e0 điện tích điện tử 1,6 10-19C U T KT e0 gọi nhiệt Tại nhiệt độ phòng UT cỡ 25,5 mV 53 4.2 ứng dơng cđa diode b¸n dÉn Líp tiÕp gi¸p p-n cã thể đợc dùng nhiều mục đích nh chỉnh lu dòng điện, tách sóng tần số cao, biến đổi tín hiƯu phi tun, v.v V× vËy cịng cã rÊt nhiều loại diode Diode đợc phân loại theo nhiều đặc điểm khác tuỳ thuộc vào công nghệ chế tạo, phạm vi ứng dụng, v.v Còn tuỳ theo kích thớc cấu tạo mà phân diode tiếp mặt diode tiếp điểm Kích thớc diode tiếp điểm đợc xác định diện tích lớp tiếp giáp p-n có đờng kính nhỏ bề dày lớp Diode tiếp mặt có diện tích tiếp giáp lớn so với bề dày Diode tiếp điểm đợc dùng mạch điện tần số cao Diode chỉnh lu đợc chế tạo theo công nghệ chất bán dẫn Ge có điện trở thuận nhỏ từ 1,5 đến lần so với diode Si, song điện áp ngợc mà chịu đợc thấp không 400V diode Si chịu đợc tới vài ngàn vôn có dòng ngợc nhỏ Diode Si làm việc đợc dải nhiệt độ rộng từ -60C đến +150C Có thể liệt kê vài tham số diode nh sau: - Dòng điện chỉnh lu trung bình cực đại: dòng phân cực thuận trung bình cực đại cho phép chảy qua diode thời gian sử dụng dài mà diode không hỏng nhiệt - Điện áp ngợc cực đại: thờng 1/2 giá trị điện áp ngợc mà diode bị hỏng bị đánh thủng lớp tiếp giáp - Dòng điện ngợc: trị số dòng điện ngợc diode cha bị đánh thủng, phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ - Dải tần số làm việc: bị giới hạn chủ yếu điện dung lớp tiếp giáp p-n, tần số tín hiệu vợt trị số diode tính dẫn điện chiều 4.2.1 Diode chỉnh lu Chỉnh lu ứng dụng lớp tiếp giáp pn Các diode tiếp mặt thờng đợc dùng cho mục đích chỉnh lu nguồn nuôi mạch điện tử đợc cấp từ mạng điện công nghiệp ã Mạch chỉnh lu nửa sóng điện áp xoay chiều từ nguồn điện công nghiệp 50 Hz có sơ đồ nh hình 4.3.a Trong tính toán gần bậc biên độ điện áp vào đủ lớn, coi đặc tuyến diode đờng gấp khúc nh hình 4.3.b có điện trở thông rd = U d / I d = const Do nửa chu kỳ dơng tín hiệu vào, diode đợc phân cực thuận trở nên thông cho dòng điện chảy qua trở tải Dòng qua tải dÃy sóng nửa chu kỳ hình sin gây nên điện áp tải có dạng với dòng Ta đợc dạng chỉnh lu UT = UK nh đồ thị hình 4.3.c Id UA d A AC 50Hz K ~ t t RT Ud UT=UK 0V t t (a) 54 (b) Hình 4.3 Mạch chỉnh lu nửa sóng (c) ã Mạch chỉnh toàn sóng có sơ đồ chỉnh lu cầu đơn giản nh hình 4.4 Trong nửa chu kỳ điện áp vào dơng, hai diode hai nhánh AB DC đợc phân cực thuận trở nên thông, hai diode hai nhánh CB DA đợc phân cực ngợc trở nên bị cấm Do xuất dòng dẫn qua trở tải theo chiều từ B sang D theo ®−êng: A - B - RT - D - C Trong nưa chu kú ©m, hai diode ë hai nhánh CB DA lúc đợc phân cực thuận hai diode hai nhánh AB DC lại bị phân cực ngợc Do xuất dòng dẫn qua trở tải theo chiều từ B sang D nh−ng theo ®−êng: C - B - RT - D - A Kết hai nửa chu kỳ ta có dòng qua trở tải tạo nên UT nh đồ thị hình 4.4.b UA-C A t AC 50Hz B ~ D UB-D RT C t (a) (b) Hình 4.4 Mạch chỉnh lu toàn sóng ã Lọc gợn sóng lối trở tải: Trong hai sơ đồ trên, điện áp tải chiều nhng có biên độ biến đổi theo sóng hình sin Muốn có đợc điện áp chiều có biên độ không đổi (bằng phẳng) phải mắc song song với tải tụ điện C có điện dung đủ lớn nh hình 4.5.a Thực chất việc lắp vào lọc thông thÊp RC ë lèi m¹ch chØnh l−u Trong tr−êng hợp không tải (RT = ), điện trở R điện trở thuận rd diode Vì phỉ Fourier cđa d¹ng sãng lèi sau chØnh l−u (gồm nửa chu kỳ sin) gồm thành phần chiều sóng hài hình sin có tần số 50 Hz, 100 Hz, nên giá trị tụ C (tức số thời gian RC) phải đợc chọn đủ lớn cho tần số cắt lọc đủ thấp qua thành phần chiều thành phần khác bị suy giảm hết d AC 50Hz ~ UT rd C Thế tải có tụ U Thế tải tụ RT t (a) (b) Hình 4.5 Lọc gợn sóng tải Khi mắc tải điện trở tải tham gia vào mạch lọc điện trở tải nhỏ hiệu lọc (sóng mấp mô nhiều) Do mạch chỉnh lu có mắc tụ thoả mÃn dải điện trở tải định Đôi ngời ta dùng mạch lọc LC nhng hiệu cao 55 kinh tế để chặn hài bậc thấp đòi hỏi giá trị L lớn, cuộn cảm trở nên cồng kềnh giá thành cao 4.2.2 Diode ổn áp Trong chế độ phân cực ngợc, diode Si có đặc điểm nh sau: phân cực vợt giá trị xảy tợng đánh thủng lớp tiếp giáp p-n Lúc diode hầu nh không đổi dòng ngợc chảy qua thay đổi lớn Điều cho phép trì chế ổn áp trở tải mắc song song với diode Điện áp mà xảy tợng đánh thủng đợc gọi điện áp ổn UZ Có hai loại chế đánh thủng đợc phân định ngỡng UZ = 5,6V: - Đánh thủng loại zener, cho ta diode có hệ số nhiệt độ âm, nghĩa ứng với điện áp định dòng qua diode giảm nhiệt độ tăng - Đánh thủng loại thác lũ, cho ta diode có hệ số nhiệt độ dơng Dòng ổn áp cực đại bị hạn chế công suất cực đại chịu đợc diode ổn áp Khi vợt công suất này, diode trở nên nóng bị hỏng đánh thủng nhiệt Diode ổn áp đợc dùng cho nhiều mục đích, thí dụ nh tạo ổn áp thông số, hạn chế biên độ tín hiệu, v.v Hình 4.6.a thí dụ đặc trng V-A loại diode ổn áp ổn áp UZ =9,8 V Đặc trng thuận UZ = -9,8V UV Đặc tr−ng ng−ỵc I(mA ) UZ RS t UV ΔIZ = 40mA ΔUZ = 0,2V RT ~ IZ UT UZ IZmax (a) t (b) Hình 4.6 Đặc trng V-A diode ổn áp mạch hạn chế biên độ Trong chế độ đánh thủng, dòng ngợc tăng lên đến 40 mA thay đổi không 0,2V Hình 4.6.b sơ đồ ứng dụng diode ổn áp làm mạch hạn chế biên độ, RS điện trở bảo vệ diode khỏi bị dòng Nhìn vào đồ thị điện áp UT ta thấy: có khoảng thời gian nguồn tín hiệu có biên độ lớn mức ổn áp UZ nhiều nhng điện áp sụt tải lúc (cũng điện áp phân cực ngợc diode) UZ tính chất ổn áp diode miền đánh thủng Để đánh giá chất lợng ổn áp ngời ta hay dùng thông số hệ số ổn áp tỷ số biến thiên điện áp điện áp tải tính theo phần trăm U T % Để đảm bảo hệ số ổn áp theo yêu cầu, UT thờng chọn dòng đánh thủng qua diode lớn gấp từ đến lần dòng qua tải 56 4.2.3 Diode biến dung Chiều dày lớp tiếp giáp p-n đợc xác định độ sâu lớp ngăn miền p n Các phép tính chi tiết chứng tỏ độ thấm sâu lớp ngăn miền p n tỷ lệ ngợc với nồng độ tạp chất miền Trong miền tiếp giáp p-n hình thành hai loại điện dung: - Điện dung điện tích đợc xác định thay đổi điện tích khối (đợc tạo iôn dơng âm lớp tiếp giáp p-n) thay đổi điện áp tác dụng từ Theo quan điểm lớp tiếp giáp p-n tơng tự nh tụ điện phẳng có ®iÖn dung b»ng: C =ε S Trong ®ã S diện tích lớp tiếp giáp, số điện môi chất bán dẫn bề dày lớp tiếp giáp - Điện dung khuếch tán thể lớp tiếp giáp p-n đợc mắc theo chiều thuận đợc xác định biến đổi điện tích miền p miền n thay đổi số điện tử lỗ trống phun vào miền Dựa nguyên tắc ng−êi ta chÕ t¹o diode biÕn dung (varicap) cã điện dung lớp tiếp giáp p-n phụ thuộc vào điện áp ngợc tác dụng lên nh đặc trng C-U hình 4.7.a Ký hiệu varicap đợc vẽ sơ đồ ứng dụng hình 4.7.b (nF) CV = Cp-n Anten thu 200 C0 + - 100 Ung−ỵc 10 20 30 P L CV TÝn hiÖu (V) (a) (b) Hình 4.7 Đặc trng Vôn-Fara diode biến dung sơ đồ ứng dụng Đây sơ ®å ®iỊu h−ëng tÇn sè céng h−ëng cđa khung dao động LC hay đợc dùng kỹ thuật phát trun h×nh hiƯn Thay v× cho viƯc sư dụng tụ điện biến đổi (tụ xoay) khÝ nh− kiĨu cị khung LC, mét diode biÕn dung CV đợc vào vị trí Khi điều chỉnh vị trí chạy biến trở P, điện áp phân cực ngợc đặt vào diode thay đổi làm thay đổi điện dung CV Điều cho phép điều hởng giá trị tần số dao động riªng cđa khung ( ω = / LCV ) cho phù hợp với tần số nguồn tín hiệu cần thu để có đợc tợng cộng hởng dòng khung nhằm chọn lọc tín hiệu đài phát có tÇn sè b»ng tÇn sè ω0 Tơ C0 sơ đồ có tác dụng ngăn thành phần chiều từ nguồn vào cuộn cảm L; giá trị đợc chọn đủ lớn so với CV cho dải điều hởng, dung kháng (b»ng 1/ ωC0) cã thĨ coi b»ng kh«ng 4.2.4 Diode quang điện (photo diode) Diode quang điện dụng cụ bán dẫn có dòng ngợc tăng nhanh đợc chiếu sáng Khi chiếu sáng diode xạ ánh sáng có bớc sóng thích hợp, dòng ngợc tăng tạo 57 hạt tải điện không miền p n nh phát sinh cặp điện tử - lỗ trống vùng tiếp giáp p-n Họ đặc trng V-A diode quang điện với quang thông khác chiếu vào đợc biểu diễn nh hình 4.8.a Dòng ngợc diode cha đợc chiếu sáng (0 = 0) gọi dòng tối Khi 0, dòng quang điện tổng dòng thành phần: dòng khuếch tán điện tử miền p đợc sinh phô-tôn sáng chiếu vào, dòng khuếch tán quang lỗ trống miền n dòng phát quang vùng tiếp giáp p-n Diode quang điện đợc dùng sơ đồ thu chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Hình 4.8.b ký hiệu diode quang điện sơ đồ mạch øng dơng ph¸t hiƯn c¸c xung ¸nh s¸ng cđa nã K +Vcc Id S φ3>φ2 >φ1 >φ0 φ0 φ1 φ2 d Bộ khuếch đại Ud Điện áp RC (a) (b) Hình 4.8 Họ đặc trng vôn-ampe với quang thông khác (a) sơ đồ ứng dụng diode quang điện thu nhận xung ánh s¸ng (b) C¸c xung ¸nh s¸ng tõ nguån s¸ng S qua khe đĩa quay K đợc chiếu tới bề mặt diode quang điện d Nguồn +Vcc cấp điện áp ngợc cho diode qua điện trở gánh RC Trong thời khoảng xung sáng chiếu vào, dòng ngợc nhỏ, sụt trở tải không Khi có xung ánh sáng chiếu vào diode tạo nên dòng quang điện Id tỷ lệ với quang thông Dòng gây nên điện áp xung trở tải IdRC Điện áp đợc đa tới mạch khuếch đại công suất tải Đo tần số xung điện lối ta xác định đợc tốc ®é quay cđa ®Üa, v.v 4.2.5 Diode ph¸t quang LED (light emitting diode) Diode phát quang loại hoạt động với lớp chuyển tiếp p-n đợc phân cực thuận Lúc điện tử từ miền n đợc phun sang miền p tái hợp với lỗ trống Ngợc lại lỗ trống đợc phun từ miền p sang miền n tái hợp với điện tử Trong trình tái hợp, lợng đợc giải phóng dới dạng tia xạ ánh sáng Do diode loại đợc gọi diode phát quang LED Các đặc trng quan trọng diode phát quang là: phổ ánh sáng phát xạ, hiệu suất đáp ứng cđa diode víi xung kÝch thÝch C¸c diode ph¸t quang thông dụng gồm loại phát ánh sáng vùng khả kiến loại phát vùng hồng ngoại Chúng đợc sử dụng nhiều bảng thị (display), linh kiện ghép nối quang nhạy quang (nh optron) Thời gian đáp ứng chúng từ cỡ mili giây tới xung hẹp cỡ nanô giây Ngoài linh kiện diode kể nhiều loại khác đợc sử dụng nhiều thực tế nh diode đờng hầm (tunel), diode laser, diode siêu cao tần, v.v diode công suất lớn hoạt động với phân cực ngợc dòng lớn Nguyên tắc hoạt động đặc điểm kỹ thuật diode loại sơ đồ ứng dụng xem thêm giáo trình vật liệu, linh kiện bán dẫn 58 4.3 Transistor lỡng cực 4.3.1 Cấu tạo nguyên tắc hoạt động Transistor l−ìng cùc BJT (bipolar junction transistor) lµ mét linh kiƯn b¸n dÉn cã líp (miỊn) b¸n dÉn nèi tiếp p-n-p n-p-n Mỗi lớp lần lợt đợc gọi lớp phát E (emitter), lớp gốc B (base) lớp góp C (collector) Mỗi lớp đợc nối điện cực tơng ứng emitter, base collector Sự xếp lớp bán dẫn bố trí điện cực nh ký hiệu hai loại transistor sơ đồ mạch nh hình 4.9 Transistor hình (a) loại pnp hay gọi transistor thuận, loại hình (b) gọi transistor ngợc npn Với cách xếp nh vậy, transistor đợc coi nh diode mắc nối tiếp nh h×nh E p n p E C n p B B C B C n C C B B B E E E C E (a) (b) H×nh 4.9 Sù xếp lớp bán dẫn hai loại transistor ký hiệu Nguyên lý hoạt động transistor đà đợc khảo sát kỹ giáo trình linh kiện bán dẫn, ta điểm lại cách vắn tắt hoạt động transistor loại pnp để thấy tác dụng khuếch đại công suất đợc mắc sơ đồ thích hợp, thí dụ nh sơ đồ hình 4.10 Transistor ®−ỵc cÊp ®iƯn tõ hai n p p ngn E1 ta lại có giá trị hệ số khuếch đại trờng hợp lý tởng Nh độ sai lệch so với trờng hợp lý tởng đợc xác định hệ số AD Trở kháng vào sơ đồ khuếch đại đảo có trị số gần R1 Hình 4.66.b trờng hợp đặc biệt ứng dụng sơ đồ khuếch đại đảo để biến đổi đại lợng dòng điện lối vào thành đại lợng điện áp lối KĐTT Đây mạch phản hồi âm điện áp - song song Có thể tính hệ số truyền đạt cđa m¹ch nh− sau: U D = R f I V + U = U N = ®ã: U = − R f I V (4.78) 4.6.3 Các biện pháp bù lệch không KĐTT Khi dùng KĐTT để khuếch đại tín hiệu chiều có trị số nhỏ phải tính đến vào lệch không tợng trôi điểm không Các dòng điện tĩnh hai lối vào KĐTT thờng gần thờng đợc cho giá trị trung bình tài liệu kĩ thuật Các dòng gây nên sụt áp lối vào Do khác điện trở lối vào mà sụt áp khác gây nên hiệu điện chúng điện áp lệch không khác Vì sơ đồ thực tế cần 112 phải thiết kế cho điện áp lệch không nhỏ tốt Thí dụ, sơ đồ khuếch đại đảo hình 4.67.a, điểm P lối vào thuận không đợc nối trực tiếp xuống đất mà thờng đợc nối qua điện trở R2 có giá trị đợc tính cho giá trị điện trở vào lối vào đảo Nghĩa chọn cho: R = R // R f = ( lµ I N R // R f ) ( R1 R f R1 + R f vµ I P R // R f Lúc dòng tĩnh gây hai đầu vào sụt áp tơng øng ) b»ng UV R1 − N UV Ura R1 − − Ura + + + R4 IP R2 R3 − Ura + + P (a) UV Rf Rf R4 R2 R1 R3 − Rf R2 (b) (c) H×nh 4.67 Các sơ đồ bù điện áp lối vào lệch không ( Trên lối vào KĐTT có thêm ®iƯn ¸p ®ång pha U G = I t R // R f ) víi I t = I P + I N Điện áp lệch không gây lối KĐTT sai số Có thể tính sai số dựa vào phơng trình dòng điện cho nút N U V U U − U + =0 R1 Rf → U = − Rf ⎞ ⎛ ⎟U UV + ⎜1+ ⎜ R1 R1 ⎟ ⎝ ⎠ Rf Từ có sai số điện áp lệch không bằng: Rf ⎞ ⎛ ⎟U0 Ura = ⎜ + ⎜ R1 ⎟ ⎠ ⎝ (4.79) Râ rµng hƯ sè khuếch đại Af = Rf / R1 mạch lín, sai sè nµy cµng lín Trong thùc tÕ ng−êi ta thờng dùng sơ đồ bù điển hình nh hình 4.67.b 4.67.c việc chỉnh giá trị cđa biÕn trë R4 cho phÐp bï chÝnh x¸c thÕ lệch không Các sơ đồ cho phép bù lệch không mà số trờng hợp đặc biệt chỉnh điện áp ban đầu đến giá trị cần thiết khác 4.6.5 Các sơ đồ mạch ứng dụng KĐTT Nh đà nói, tính chất đặc biệt KĐTT nên việc mắc mạch phản hồi âm khác vào cho ta mạch điện ứng dụng khác Dới trình bày số mạch ứng dụng với tính toán coi KĐTT lý tởng Mạch lấy tổng đại số (cộng / trừ) Sơ đồ mạch nh hình 4.68 Sử dụng quy tắc dòng điện nút N ta tính đợc lèi nh− sau U v1 U v U U + + + + = R1 R2 Rn Rf 113 Rf Rf ⎞ ⎛Rf ⎟ U = ⎜ ⎜ R U v1 + R U v + + R U ⎟ n ⎠ ⎝ Rf UV1 (4.80) Rf R (U v1 + U v + + U ) Ura + Rn UVn (4.81) − N R1 UV2 NÕu chän R1 = R2 = = Rn ≡ R ta có: U = R1 Hình 4.68 Mạch lấy tổng Mạch khuếch đại trừ (sơ đồ vi sai) Sơ đồ mạch khuếch đại trừ nh hình 4.69 Ta sÏ chøng minh thÕ lèi Ura tû lÖ víi hiƯu cđa hai thÕ lèi vµo Uv2 vµ Uv1 RN/αN − RP/αP Ta cã: Ura = k1Uv1 + k2Uv với k1 k2 hệ RP Hình 4.69 Mạch khuếch đại trừ k = N Ura + UV2 số khuếch đại riêng tÝn hiƯu vµo Khi Uv2 = 0, tÝn hiƯu Uv1 đợc khuếch đại theo kiểu đảo: UraN = NUv1 RN UN UV1 Khi Uv1 = 0, tÝn hiÖu Uv2 đợc khuếch đại theo kiểu không đảo với hệ số khuếch đại 1+ RN N nhng tín hiệu bị qua phân áp gồm RP/P RP nªn: RN UraP = Uv RP RP + RP αP ⎡ α ⎤ VËy: Ura = UraN + UraP = ⎢ P (1 + α N )⎥ (Uv − Uv1 ) ⎣1 + αP ⎦ (4.82) Tr−êng hỵp ®Ỉc biƯt α N = α P ≡ α → U = α (U v − U v1 ) (4.83) Mạch tích phân Có vài sơ đồ cho phép tín hiệu lối tỷ lệ với tích phân theo thời gian tín hiệu vào - Sơ đồ tích phân đảo: nh trình bày h×nh 4.70.a dB C UVao R − N + R1 (a) 114 Ura 100 80 60 40 20 -20 -40 AD 1/2πRC f(Hz) 10-1 100 101 102 103 104 (b) Hình 4.70 Mạch tích phân đảo đặc trng tần số 105 106 Phơng trình cho dòng điện nót N: I V + I C = hay Tõ ®ã cã: U UV dU +C =0 R dt T 1 =− U V (t )dt = − U V (t )dt + U (t = 0) RC RC ∫ ∫ (4.84) Trong ®ã: T thời gian lấy tích phân, U (t = 0) lối thời điểm bắt đầu lấy tích phân (điều kiện đầu) Dòng vào lệch không nh dòng dò tĩnh qua tụ C ảnh hởng đáng kể tới lối mạch tích phân Khi cha lấy tích phân, dòng thăng giáng lối vào gây nên tợng trôi lối thời gian đủ lớn lệch đến tận cực đại Để giảm ảnh hởng tăng giá trị tụ C, chọn có vật liệu cách điện tốt, v.v Còn giảm dòng tĩnh lối vào kỹ thuật sơ đồ: không nối trực tiếp lối vào thuận với đất mà nối qua biến trở R1 Điều chỉnh xác giá trị R1 trở vào bên lối vào đảo (bằng trở R// trở dò qua C// trở vào KĐTT R) Đồ thị Bode đặc tuyến tần số tích phân điển hình nh hình 4.70.b h»ng sè tÝch ph©n τ = RC = 100μ s Đó đờng dốc 20 dB/ decad với hệ số khuếch đại cực đại mạch phản hồi cỡ 600 lần, nh đảm bảo độ xác phép tích phân đến 1/600 0,2% Thờng điều kiện đầu đợc chọn Trong trờng hợp đó, mạch lấy tích phân đợc thiết kế thêm vào khoá K1 K2 nh sơ đồ hình 4.71.a Khi cha lấy tích phân khoá vị trí 1, lối Các khoá đợc chuyển sang vị trí bắt đầu lấy tích phân Sơ đồ tránh đợc tợng tích phân (tích luỹ) điện áp thăng giáng trôi lối vào KĐTT cha lấy tích phân Sơ đồ tích phân không đảo đợc trình bày hình 4.71.b Viết phơng trình dòng điện cho điểm nút P: U V − U P U − U P CdU P + − =0 R R dt U vµ U P = U N nªn: U = U V (t )dt (4.85) RC Thực chất sơ đồ mạch tích phân RC đợc ghép với KĐTT có phẩm chất cao Theo sơ ®å th× U N = R1 K2 R1 UV R K1 − N + − C Ura Ura + UV R R C R1 (a) (b) Hình 4.71 Sơ đồ mạch tích phân có khoá đặt lại (reset) tích phân không đảo 115 Mạch vi phân Sơ đồ mạch vi phân đợc cho hình 4.72.a Viết phơng trình dòng điện cho nút N ta cã: dB R UV C N − Ura + (a) AD 100 80 60 40 20 -20 -40 1/2πRC f(Hz) 10-1 100 101 102 103 104 105 106 (b) Hình 4.72 Sơ đồ mạch vi phân đặc tr−ng tÇn sè U Q = I C dt nh−ng I C = − I R = − C C R dU V U = − RC (4.86) nên: dt Đặc trng biên độ - tần số (đồ thị Bode) theo thang lô-ga-rit đờng thẳng với độ dốc +20 dB decade Mạch điều khiển PID: mạch hay đợc dùng kỹ thuật điều khiển nhằm tăng UV = tính ổn định hệ thống dải tần rộng Lối mạch đợc thiết kế tỷ lệ với lối vào với hệ số tỷ lệ (Propotional), tích phân (Integration) vi phân (Diffrentiation) khác Hình 4.73.a sơ đồ mạch PID R2 R1 UV C1 N C2 log K − D I Ura P + log f f2 f1 (a) (b) Hình 4.73 Sơ đồ mạch PID (a) đặc trng tần số (b) Viết phơng trình dòng điện cho nót N: dU V UV + C1 + I2 = dt R1 Phơng trình điện áp nhánh ra: Ura = R2 I + Ta cã: 116 I 2dt C2 ∫ ⎛U dU U = −⎜ + C1 ⎜ R dt ⎝ ⎞ ⎟R − ⎟ C2 ⎠ ⎛ UV ∫ ⎜ R1 ⎜ ⎝ + C1 dU V dt ⎞ ⎟dt ⎟ ⎠ ⎛R C ⎞ − U = ⎜ + ⎟U V + ⎜R ⎟ R1C2 ⎝ C2 ⎠ Hay ∫ U V dt + R C1 Nhìn vào biểu thức (4.87) ta thÊy, ë tÇn sè thÊp ω > ω1 = dU V dt (4.87) m¹ch cã tÝnh chÊt nh− mét R C2 m¹ch cã tÝnh chất nh vi phân, dải tần R1C1 ω < ω < ω1 m¹ch gièng bé khuếch đại thông thờng Do đáp ứng tần số mạch có dạng nh hình 4.73.b Mạch khuếch đại lô-ga-rit Nhờ có việc mắc diode (hoặc transistor) vào mạch phản hồi KĐTT mà sơ đồ mạch nh hình 4.74.a 4.74.b cho phép điện áp lối tỷ lệ với lô-ga-rit điện áp vào Ta biết dòng chạy qua diode ID điện áp đặt lên UD có mối quan hệ: I D = I S (eU D / U T − 1) UD R − UV UV Ura R − Ura + + (b) (a) Hình 4.74 Sơ đồ mạch khuếch đại lô-ga Trong IS dòng ban đầu dòng ngợc UT 25,5 mV nhiệt độ phòng gọi nhiệt Nếu I D >> I S th×: I D ≈ I S eU D / U T ⎛I hay U D = U T ln⎜ D ⎜I ⎝ S ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ Nh−ng N đất ảo nên U = U D , ta cã: U vµo = − I D = − I S e Ura / U T R ⎛U ⎞ U = −U T ln⎜ vµo ⎟ ⎜ RI S (4.88) Mạch đối lô-ga-rit (mạch lấy hàm e mũ): Do phép lấy e mũ phép ngợc phép lấy lô-ga nên sơ đồ ta việc tráo vị trí diode transistor điện trở có mạch đối lô-ga nh hình 4.75.a 4.75.b R UV UD + (a) R Ura UV − Ura + (b) H×nh 4.75 Sơ đồ mạch khuếch đại đối lô-ga 117 Lý luận tơng tự nh ta có: U = RI D = RI S e U D / U T (4.89) Các mạch so sánh tín hiệu tơng tự Mạch so sánh có nhiệm vụ so sánh điện áp vào tơng tự Uv với điện áp chuẩn Uch Điện áp mạch so sánh mức thấp cao tuỳ vào mối tơng quan điện áp vào điện áp chuẩn Nếu dùng KĐTT để lắp mạch so sánh mức thấp cao mức điện áp lối bÃo hoà Uramin Uramax gần mức điện áp nguồn cung cấp -VCC +VCC - So sánh ngỡng: vào đặc tuyến truyền đạt KĐTT, nguyên tắc dùng làm mạch so sánh chênh lệch nhỏ lối vào UP UN (cỡ mV) gây nên bớc nhảy vùng khuếch đại tuyến tính tới hai ngỡng Uramin Uramax Hình 4.76.a KĐTT dùng nh so sánh đặc tuyến truyền đạt với sai khác Uv Uch lớn Tốc độ chuyển mạch so sánh (từ Uramin sang Uramax ngợc lại) phụ thuộc vào viƯc c¸c transistor IC tho¸t khái miỊn b·o hoà nhanh hay chậm Tốc độ gọi tốc độ tăng trởng tuỳ thuộc vào công nghệ chế tạo đợc đo đơn vị V/s Ura Uramax UV + UR Ura − Uch UV Uramin (a) (b) Hình 4.76 Bộ KĐTT nh so sánh (a) đặc tuyến truyền đạt (b) - So sánh hai ng−ìng: cho phÐp thÕ lèi chØ thÞ hai tr−êng hợp lối vào lớn mức điện áp chuẩn hay bé mức điện áp chuẩn khác Sơ đồ điển hình cho hình 4.77 X1 Uch2 + X1 U1v − Ura AND UV Uv + Uch1 X2 − X2 Ura Uch2 Uch1 (a) Uv (b) Hình 4.77 Bộ so sánh hai ngỡng (a) đặc tuyến truyền đạt (b) Sơ đồ sử dụng KĐTT mạch lôgic số AND Mạch số AND có chức năng: lối mức cao lối vào mức cao Ta có chức toàn m¹ch nh− biĨu thøc sau: Ura ë møc thÕ cao Uch1 < U v < Uch , Ura mức thấp trờng hợp lại 118 - Trigơ smith: so sánh có mức chuyển mạch không trùng mà khác giá trị gọi độ trễ Sơ đồ trigơ Smith đảo đợc trình bày nh hình 4.78.a có mạch phản hồi dơng qua phân áp R1, R2 Ura UV Ura Uramax + R2 UP2 R1 UP1 UV Uramin (a) (b) H×nh 4.78 Trigơ Smith (a) đặc tuyến truyền đạt (b) Khi U = U max điểm P b»ng: U P1 = R1 U max R1 + R2 NÕu Uv tiÕn tíi Uramax nh−ng vÉn nhá Ura không đổi Nhng U v U P1 lối nhảy xuống mức Uramin Quá trình xảy nhanh có phản hồi dơng Thế điểm P lúc b»ng: U P = R1 U R1 + R2 NÕu muèn thÕ lèi trë vÒ Uramax phải cho lối vào giảm xuống đến U v ≤ U P VËy nh− h×nh 4.78.b ta thấy có vòng trễ chuyển mạch hƯ lµ: ΔU v = U P1 − U P = R1 (U max − U ) R2 (4.93) Mạch diode lý tởng chỉnh lu nửa chu kỳ xác Một diode thông thờng chỉnh lu xác đợc sóng có biên độ nhỏ mức thông diode (thí dụ, 0,6 V với diode Silic) Muốn chỉnh lu đợc sóng có biên độ nhỏ cỡ mV phải có diode lý tởng có đặc trng V-A đà tuyến tính hoá nh hình 4.79.a, mức thông diode (mức ngỡng) đợc dịch gần 0V Mạch chỉnh lu xác đợc dùng máy đo lờng, tách sóng Dùng KĐTT kết hợp với diode thông thờng cho sơ đồ tách sóng lý tởng HÃy so sánh mạch: chØnh l−u nưa chu kú th«ng th−êng víi diode (hình 4.79.b) chỉnh lu có dùng KĐTT (hình 4.79.c) IID(V) Đặc trng lý tởng Ungỡng 0V _ §Ỉc tr−ng thùc Ung−ìng = 0,6(V) UV ~ Ura UD + RT UV ~ Ura RT UO UD(V) 0,6 (a) (b) (c) Hình 4.79 Đặc trng V-A diode lý tởng (a), mạch chỉnh lu diode thờng (b) mạch chỉnh lu xác với sơ đồ diode lý tởng (c) 119 Với mạch chỉnh lu thờng (hình 4.79.a) ta cã: U = U V − U D , Uvào phải lớn mức ngỡng mức thông diode đợc phân cực thuận UD t (thí dụ, 0,6V) Ura lớn Với mạch hình 4.79.c, ta có: U = U Dt + U = A D (U V − U ) → U ≈ U V − U Dt / A D (4.91) Rõ ràng với sơ đồ diode lý tởng, mức ngỡng giảm AD lần Vì hệ số khuếch đại KĐTT lớn (hàng trăm ngàn lần) nên mức giảm xuống đến mV sơ đồ cho phép chỉnh lu (tách sóng) tín hiệu vào nhỏ tới mV 600 mV nh bình thờng Sơ đồ hình 4.80.a mạch chỉnh lu nửa chu kỳ xác kiểu đảo Hình 4.80.b sơ đồ chỉnh lu xác kiểu không đảo R2 D1 R1 R2 D2 D1 Ura _ R1 D2 Ura _ UV + + UV (a) (b) Hình 4.80 Sơ đồ chỉnh lu xác kiểu đảo (a) không đảo (b) - Khi tín hiệu vào âm, Uv < diode D1 th«ng, D2 cÊm, ta cã: U = −U v R2 R1 Theo sơ đồ ta thấy điện áp lối vào đảo KĐTT là: UN = Uv R2 R1 U + Ura − Dt = R1 + R2 R1 + R2 AD Trong ®ã UDt1 điện áp thuận diode D1 thông bÃo hoà Do đó: Ura = Uv R2 UDt R1 + R2 ⎞ ⎜ ⎟ + R1 AD ⎜ R1 ⎟ ⎝ ⎠ Chó ý r»ng hƯ sè ph¶n hồi mạch lúc = Ura = −Uv R2 U Dt + R1 β AD R1 ta có: R1 + R (4.92) Điều nói lên lối ra, điện áp thông diode đà giảm AD lần làm cho đặc tuyến truyền đạt gần với dạng lý tởng U - Khi tín hiệu vào dơng, Uv > 0, diode D2 thông, D1 cÊm Do ®ã U = − Dt AD Hình 4.81 sơ đồ mạch chỉnh lu nửa chu kỳ xác đặc tuyến truyền đạt Đây gọi tạo giá trị tuyệt đối tín hiệu vào 120 D2 D1 IT RT D3 R1 IT D4 _ UV + UV (a) (b) Hình 4.81 Mạch chỉnh lu nửa chu kỳ xác (a) đặc tuyến truyền đạt (b) Khi điện áp vào dơng, dòng vào chảy qua R1, diode D1, điện trở tải, diode D4 tới đầu KĐTT đất Khi điện áp vào âm dòng vào chạy từ đầu KĐTT, qua D2, qua tải, đến D3, qua R1 trở đầu vào Nh dòng chảy qua tải là: IT = UV / R1 10 Mạch tách sóng đỉnh Hình 4.82.a mạch chỉnh lu giá trị đỉnh (mạch tách sóng điện áp đỉnh) Mạch có chức cho lối giá trị đỉnh vào biến đổi theo thời gian U UV D + _ A1 I1 UC I2 IC K Ura + _ A2 Ura UV C t (a) (b) Hình 4.82 Mạch tách sóng đỉnh (a) tÝn hiƯu vµo, theo thêi gian (b) Khi Uv > UC diode D thông dòng khuếch đại A1 nạp cho tụ C tới UC Uv đỉnh Nếu sau Uv giảm diode D cÊm, tơ C phãng ®iƯn qua ®iƯn trë ngợc diode trở lối vào khuếch đại A2 Vì điện trở ngợc diode nh trở vào A2 mạch khuếch đại lặp lại có giá trị lớn nên điện áp C hầu nh không suy giảm điện áp vào giảm Kết ta có đồ thị thời gian điện áp theo điện áp vào nh hình 4.82.b Khoá K sơ đồ để ngắn mạch tụ C, tạo đờng xả hết điện tụ cần đo giá trị 11 Các mạch lọc tích cực dùng KĐTT Có nhiều loại mạch lọc đợc phân biệt theo dải thông tần f đặc trng tần số nh minh hoạ hình 4.83: mạch lọc thông thấp (a), lọc thông cao (b), lọc thông dải (c) lọc chặn dải (d) K/Kmax 1,0 f 0,7 |K| |K| K/Kmax 1,0 Δf 0,7 Δf 0,7 Δf fC (a) f ft ∝ f ft fC (b) (c) Hình 4.83 Phân loại mạch lọc theo dải thông f ft fC f (d) 121 Các mạch lọc tần số cao hay đợc thiết kế phần tử thụ động RLC Tuy nhiên tần số thấp việc thiết kế nh gặp phải khó khăn giá trị điện cảm cần phải lớn nh hệ số phẩm chất mạch lọc dải tần thấp Các lọc thụ động có đợc độ dốc lớn (gần vuông góc) vùng tần số cắt nh đáp ứng lý tởng Vì hay sử dụng phần tử tích cực KĐTT kết hợp với phần tử RC để tạo nên mạch lọc tích cực Hàm truyền đạt lọc thông thấp thờng đợc biểu diễn nh sau: K0 (4.93) K ( P) = Π + a i P + bi P i Trong ®ã : P≡ p ωc = ( ) jω ωc = j f = j fc K0 hệ số truyền đạt tần số thấp; bi số thực dơng Bậc lọc đợc định sè mị lín nhÊt cđa P biĨu thøc, nã ảnh hởng đến độ dốc lọc quanh tần số cắt Dạng đáp ứng tần số xung quanh tần số giới hạn dải thông tần đợc xác định loại lọc Đó loại lọc Tschebyscheff, lọc Bessel lọc Butterworth Đặc tính mạch lọc thông thấp chúng đợc minh hoạ hình 4.84, thang tần số đợc chuẩn theo tần số cắt (tần số cắt = 1) Bộ lọc Butterworth (đờng a) có đáp ứng phẳng vùng truyền qua nhng đặc trng pha lại không tốt, đáp ứng biên độ có dạng: * K = (4.94) + ( f / f C )2 n Trong n bậc lọc fc tần số cắt Bậc lọc xác định độ dốc đặc tuyến tần số f > fc AD (dB) 10 -10 -20 -30 a b c -40 -50 -60 0,01 0,03 0,1 0,3 10 30 Hình 4.84 Đáp ứng tần số loại lọc thông thấp bậc Bộ lọc Tschebyscheff (đờng b) có độ dốc vùng tần số cắt cao nhng lại mấp mô vùng truyền qua Đáp ứng biên độ có dạng: 122 * K = (4.95) + ε Cn ( f / f C ) Trong ®ã ε số định độ mấp mô vùng truyền qua Cn hệ số đa thức Tschebyscheff bậc n Giống nh trên, lọc có đáp ứng pha không tốt Bộ lọc Bessel (đờng c) có đáp ứng biên độ không tốt hai lọc trên, giảm từ vùng truyền qua đến vùng chặn nhng lại có đáp ứng pha tốt Dới vài sơ đồ mạch lọc tích cực đơn giản ã Bộ lọc tích cực thông thấp thông cao bậc Hàm truyền đạt lọc thông thấp bậc trờng hợp tổng quát có dạng: K ( P) = K0 + a1 P Nh đà biết, mạch thụ động RC lối C cho ta mạch lọc thông thấp đơn giản với hệ số truyền đạt: K(P) = 1/(1+pRC) = 1/(1+ωCRCP) NÕu bæ sung cho nã KĐTT có nhiệm vụ biến đổi trở kháng khuếch đại tín hiệu nh sơ đồ hình 4.85.a ta có mạch lọc tích cực thông thấp bậc một, hệ số truyền đạt tín hiệu mét chiÒu K0 = + R2/R3 C2 R1 UV Ura + _ C1 R1 _ R2 UV R2 Ura + R3 (a) (b) Hình 4.85 Sơ đồ mạch lọc thông thấp bậc Mạch hình 4.85.b sử dụng mạch RC làm vòng phản hồi cho KĐTT Hàm truyền đạt đợc tính có dạng: K ( P) = − R2 / R1 + ωc R2C1P (4.96) Thờng ngời ta cho trớc tần số cắt c, hệ số truyền đạt chiều K0 C1, tính đợc: R2 = a1 / 2f c C1 R1 = R2 / K Để có sơ đồ lọc thông cao bậc 1, cần thay hƯ sè P biĨu thøc (4.99) b»ng 1/P Do cần tráo vị trí C1 R1 sơ đồ 4.85 đợc Sơ đồ lọc thông cao bậc có đảo nh hình 4.86 R2 Hàm truyền đạt sơ đồ có dạng: K ( P) = − C1 R2 / R1 1 1+ ωc R1C1 P (4.97) UV R1 _ Ura + TÝnh đợc trị số linh kiện: R1 = / 2fc a1C1 R2 = R1K Hình 4.86 Sơ đồ lọc thông cao bậc có đảo 123 ã Các lọc tích cực thông thấp thông cao bËc cao Víi bé läc th«ng thÊp bËc ta có hàm truyền đạt tổng quát: K ( P) = K0 + a1 P + b1 P H×nh 4.87 sơ đồ lọc tích cực thông thấp bậc có phản hồi âm dùng KĐTT Hàm truyền đạt đợc tính nh sau: C1 R2 R1 R3 _ UV R2 / R1 K ( P) = − ⎛ R R ⎞ + ωc C1 ⎜ R2 + R1 + ⎟ P + ωc C1C2 R2 R3 P ⎜ ⎟ R1 ⎠ ⎝ (4.98) Ura + C2 H×nh 4.87 Bé läc tÝch cùc th«ng thÊp bËc Gièng nh− bé läc bËc 1, ®Ĩ thùc hiƯn bé läc thông cao bậc dùng tất sơ đồ lọc thông thấp với điều kiện đổi chỗ vị trí R C Hình 4.88 sơ đồ lọc thông cao bậc có mạch phản hồi dơng Hàm truyền đạt có dạng: α K ( P) = 1+ R2 (C1 + C2 ) + R1C2 (1 − α ) 1 + R1 R2C1C2ωc P R1R2C1C2ωc P (4.99) NÕu đặc tính biên độ lọc bậc cha đủ dốc xây dựng R2 C1 C1 C2 läc cã bËc cao h¬n Muèn phải mắc nối + UV Ura tiếp mắt läc bËc hc bËc víi _ R1 Đặc tính toàn lọc tích đặc (-1)R3 tính mắt lọc thành phần Tuy nhiên R3 lúc bậc lọc tích bậc thành phần tần số cắt khác Do Hình 4.88 Bộ lọc tích cực thông cao bậc nguyên tắc phải cho hệ số mắt lọc cho kết nhân đặc tính tần số chúng cho loại lọc mong muốn Việc xếp thứ tự mắt lọc tuỳ thuộc vào trở gánh mắt (mắt lọc có tần số cắt nhỏ đợc chọn mắt thứ nhất), tuỳ thuộc vào mức tạp âm lọc (mắt lọc có tần số cắt nhỏ lại nên đợc đặt khâu cuối cùng), v.v ã Bộ lọc tích cực thông dải Nếu mắc mắt lọc thông thấp mắt lọc thông cao, ta nhận đợc lọc thông dải Xét lọc thông dải bậc đợc thiết kế từ việc mắc liên tiếp mắt lọc thông thấp thông cao bậc nh sơ đồ hình 4.89 124 R + UV C C Ura _ R/ Hình 4.89 Bộ lọc thông dải bậc Đáp ứng tần số tích đáp ứng khâu lọc riêng rẽ Kết ta có hàm truyền đạt nh sau: K ( P) = αpRC 1 = + (1 / αpRC ) + ( pRC / α ) + [ (1 + α ) / α ] pRC + ( pRC )2 (4.100) NÕu gäi ωr ≡ / RC tần số cộng hởng ta có dạng hàm truyền đạt đợc chuẩn hoá: K ( P) = αP (4.101) + [ (1 + α )2 / α ] P + P HÖ sè phÈm chÊt cđa bé läc lµ: Q = α Víi = 1, Q đặt cực đại 0,5 Để có phẩm 1+ chất lớn phải thực mạch đặc biệt Hình 4.90 mạch lọc thông dải có phản hồi âm phức tạp C R2 C R1 _ UV R3 Ura + H×nh 4.90 Bộ lọc thông dải có phản hồi âm Hàm truyền ®¹t cđa nã cã d¹ng: − R2 R3 Cωr P R1 + R3 K ( P) = R1R3 RR R 1+ Cωr P + C 3ωr P R1 + R3 R1 + R3 (4.102) Tần số cộng hởng lọc là: fr = 2πC HÖ sè phÈm chÊt: Q = R1 + R R1 R R R (R1 + R ) = πR Cf r R1 R Dải thông lọc là: f B= r = Q πR C (4.103) (4.104) (4.105) ã Bộ lọc tích cực chặn dải Để chặn dải tần số ta phải cần lọc có hệ số truyền đạt tần số vùng tần số thấp cao hơn, hệ số truyền đạt tăng đến giá trị không đổi Mạch lọc thụ động cầu chữ T kép (hình 4.91.a) có đặc tính biên độ - tần số K() pha - tần số () nh hình 4.91.b Tại tÇn sè céng h−ëng (Ω = 1) hƯ sè trun có pha 90 Kết hợp với KĐTT cho ta mạch lọc chặn dải tích cực nh sơ đồ hình 4.91.c 125 |K| 0,5R C C Ura UV R UV Ω R R _ R 90° (k-1)R1 2C (a) Ura + ϕ 0,5R 2C C C Ω R1 -90° (b) (c) H×nh 4.91 Mạch lọc tích cực chặn dải sử dụng cầu chữ T kép Các tín hiệu có tần số xa tần số cộng hởng chạy qua cầu chữ T kép không bị thay đổi kUv Tại tần số cộng hởng f r = /( 2RC) điện áp không Lúc cầu chữ T kép tơng đơng với trở R/2 nối đất Hàm truyền đạt läc cã d¹ng: K (P) = k (1 + P ) (4.106) + 2( − k ) P + P Q= HƯ sè phÈm chÊt cđa mạch là: 2(2 k ) (4.107) Việc điều chỉnh điện trở cho đạt tối u giá trị tần số cộng hởng hệ số truyền đạt lọc cầu chữ T kép khó khăn Do ngời ta sử dụng mạch lọc dùng cầu Viên (hình 4.92.a) làm mạch phản hồi cho KĐTT Đặc trng tần số cầu Viên giống nh cầu chữ T kép Sơ đồ mạch lọc tích cực chặn dải dùng cầu Viên nh hình 4.92.b Giá trị độ phẩm chất lọc không cầu chữ T kép nhng dễ điều chỉnh Hàm truyền đạt có dạng: [ /(1 + α )](1 + P ) + [ /(α + 1) / P ] + P Tần số cộng hởng là: fr = 2R C K ( P) = Hệ số truyền đạt K = − β (4.108) (4.109) vµ hƯ sè phÈm chÊt Q = 1+α 1+α (4.110) R1/α UV R1 2R1 R Ura UV C R1/β R2 _ _ + R C R1 126 Ura + C (k-1)R1 R2 (a) R3 (b) Hình 4.92 Bộ lọc chặn dải tích cực dùng cầu Viên 2R3 ... 0,2 0 ,4 0,6 0,8 UBE (V) 620mV 10 12 IC0 S = ΔIC/ ΔUBE 10 600mV (a) 15 640 mV 20 20 UCE = const UBE= 700mV 50 UCE (V) UBE (V) 0,2 0 ,4 0,6 (b) 0,8 (c) Hình 4. 14 Đặc tuyến lối vào (a), lối (b) đặc... truyền đạt ID ID (mA) D NJ-FET IDS N-JFET G + + - S UP -4 ID (mA) D PJ-FET P-JFET G VGS (V) - - UGS (V) + S Hình 4. 46 Ký hiệu đặc tính truyền đạt hai loại transistor trờng JFET 98 4. 4.2 Transistor... đại C T1 R1 T1 T2 T2 T1 T2 R2 (a) (c) (b) Tr d T1 T2 T1 (d) T1 T2 T3 T1 (f) (e) T2 T3 T2 T4 T (h) (g) H×nh 4. 30 Mét sè mạch ghép tầng điển hình Ghép trực tiếp nh hình 4. 30.b cách ghép đơn giản Về