IC KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN LM348 NGUYÊN LÝ VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG

IC KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN LM348 NGUYÊN LÝ VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG LM348 được tạo bởi 4 vi mạch MC1741 độc lập, được tích hợp trên một chip đơn. Khuyếch đại hoạt động ở công suất thấp như đã được dùng thiết kế cho các MC1741 chuẩn trong công nghiệp. Bởi vậy có thể dùng thay thế MC1741 mà không làm thay đổi hoạt động của mạch. Tổng dòng điện cung cấp cho cả 4 bộ khuyếch đại này bằng một khuyếch đại MC1741 đơn. Các ưu điểm khác như các dòng offset, bias lối vào rất nhỏ so với tiêu chuẩn công nghiệp của MC1741.

IC KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN LM348 NGUYÊN LÝ VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG

Lâm Sinh Công, Đỗ Tiến Dũng, Nguyễn Thị Anh Đào

Nhóm 2 - K17Đ - Trường ĐH Công nghệ - ĐHQG Hà Nội

Ngày 17 tháng 3 năm 2011

Mục lục

2.1 Phân tích chi tiết các tầng 7

3.2 Bộ lọc thông thấp tích cực 12 3.3 Bộ chỉnh lưu nửa chu kì 13

Danh sách hình vẽ

1 Sơ đồ chân của IC LM238 6

2 Sơ đồ mạch nguyên lý biểu diễn 1/4 mạch 8

3 Sơ đồ tầng khuếch đại đầu vào 9

4 Tầng dịch mức điện áp một chiều và tiền khuếch đại 9

5 Tầng khuyếch đại công suất lối ra 10

6 Sơ đồ nguyên lý rút gọn 11

7 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo 11

8 Kết quả mô phỏng khuếch đại với lối vào đảo 12

9 Kết quả mô phỏng khuếch đại với lối vào đảo 12

10 Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông thấp 12

11 Tín hiệu lối vào của lọc thông thấp 13

12 Tín hiệu lối ra của lọc thông thấp 13

13 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu nửa chu kì 14

14 Kết quả mô phỏng mạch chỉnh lưu nửa chu kì 14

Danh sách bảng

1 Thông số kỹ thuật của LM348

Trong bài báo cáo này,chúng ta sử dụng datasheet LM348 trong cuốn Analog/Interface -Device Data Vol1 của Motorola

LM348 được tạo bởi 4 vi mạch MC1741 độc lập, được tích hợp trên một chip đơn Khuyếch đại hoạt động ở công suất thấp như đã được dùng thiết

kế cho các MC1741 chuẩn trong công nghiệp Bởi vậy có thể dùng thay thế MC1741 mà không làm thay đổi hoạt động của mạch Tổng dòng điện cung cấp cho cả 4 bộ khuyếch đại này bằng một khuyếch đại MC1741 đơn Các ưu điểm khác như các dòng offset, bias lối vào rất nhỏ so với tiêu chuẩn công nghiệp của MC1741

LM348 được dùng trong các ứng dụng yêu cầu về khuyếch đại tốt hay cần có mật độ đóng gói cao Các ứng dụng khác bao gồm các bộ khuyếch đại đệm trở kháng cao, các bộ lọc khuyếch đại tích cực

1.1 LM 348 có một số đặc điểm như sau:

• Dòng offset và dòng bias lối vào nhỏ

• Lối vào vi sai thực

• Bù tần số nội

1.2 Sơ đồ chân của IC như sau:

1.3 Một số tính chất điện của LM348:

• Hệ số khuyếch đại tín hiệu lớn

• Giải truyền 0 -> 20 KHz

1.4 Các giá trị danh định cực đại của LM 348 (TA= +25 0 C)

(bảng 1)

Hình 1: Sơ đồ chân của IC LM238

Giá trị danh định Ký hiệu Giá trị Đơn vị Điện áp cung cấp V C C +18 V dc

V E E -18 Điện áp vi phân lối vào V I D ±36 V Điện áp cùng pha lối vào VI C M ±18 V Thời gian ngắn mạch lối ra tS C Liên tục

Nhiệt độ hoạt động T A 0 đến +70 0C Nhiệt độ lớp tiếp giáp T j 150 0C Khoảng nhiệt độ lưu trữ T t sg -55 đến 125 0 C Khoảng nhiệt độ xung quanh T A 0 đến +70 0 C Bảng 1: Các giá trị danh định cực đại của LM 348

1.5 Các đặc trưng về điện (V C C = +15V, V E E = −15V, T A = 250C)

(bảng 2)

2 Sơ đồ nguyên lý của mạch

Theo như phân tích ở phần trên ta có, LM348 được tạo bởi 4 vi mạch MC1741 độc lập Do đó ta sẽ tìm hiểu mạch nguyên lý của 1/4 mạch LM348 tức là MC1741

Ta có sơ đồ mạch nguyên lý của 1/4 mạch là :

LM348 sử dụng hai loại tranzito n-p-n và p-n-p, gồm 3 tầng: Tầng khuyếch đại vi sai ở lối vào, tầng dịch mức điện áp một chiều và tầng khuyếch đại công suất ở lối ra

1 Tầng 1: Tầng khuếch đại đầu vào, là tầng khuếch đại vi sai cải tiến gồm Q1, Q2, Q3, Q4 Các cặp transistor Q1-Q3, Q2-Q4 được đấu theo kiểu khuyếch đại chồng tầng Kascốt Các nguồn dòng là Q8, Q9, Q5, Q6

2 Tầng 2: Tầng dịch mức điện áp và tiền khuếch đại Cụm R8, R9, Q13 nhằm dịch mức điện áp một chiều Q11vQ14 mắc theo sơ đồ Darlington, được bảo

Đặc trung Ký hiệu Min Typ Max Đơn vị

Điện áp chênh lệch lối vào R S ≤ 10K V I O - 1.0 6.0 mV

Dải điện áp đồng pha V I C R ±12 - - V

Hệ số khuếch đại điện áp lớn A V O L 25 160 - V/mV

(R L ≥ 20k, V 0 = ±12V )

Tách kênh (f=1.0Hz đến 20Khz) - - -120 - dB

Triệt cùng pha (R s ≤ 10k) CMR 70 90 - dB

Triệt điện áp cung cấp (R s ≤ 10k) PSR 77 96

Dải băng tần bé (Av = 1) BW - 1.0 - MHz

Tốc độ quay (A v = 1) SR - 0.5 - V/µ.s

Bảng 2: Các đặc trưng về điện của IC LM348

vệ bởi Q10 Tầng này được nuôi bởi nguồn dòng Q12

3 Tầng 3:Tầng khuyếch đại công suất đầu ra Q16vQ17 là hai tranzito khác

trở tải động cho Q16vQ17 đóng vai trò là trở tải động cho Q16

2.1 Phân tích chi tiết các tầng

2.1.1 Tầng khuếch đại đầu vào

Là tầng khuếch đại vi sai cải tiến, được nuôi bởi dòng không đổi qua điôt D1 và các nguồn dòng không đổi Q8vQ9 Ta thấy ID1 = IQ8 (dòng gương),

IQ8 = IQ9, chúng có trở nội vô cùng lớn nên có khả năng triệt nhiễu đồng pha,

do đó có khả năng triệt tín hiệu đồng pha rất cao

Hai transistor Q1, Q2 được đấu theo kiểu Colectơ chung (hệ số khuyếch đại điện áp là 1) Đặc điểm của chúng là trở kháng vào rất lớn và trở kháng ra nhỏ, hệ số khuếch đại dòng cao Q3, Q4 đấu theo kiểu Bazơ chung, có trở kháng vào nhỏ, hệ số khuếch đại dòng thấp Các cặp transistor Q1 − Q3, Q2 − Q4

được đấu theo kiểu khuyếch đại chồng tầng Kascốt Cách mắc như vậy nhằm phối hợp trở kháng, ngăn cách ảnh hưởng của mạch ra đến mạch vào của tầng khuếch đại, đặc biệt ở tần số cao Tải của Q1 là Q3, Q6; tải của Q2 là Q4, Q7 Tải của Q3 là Q6; tải của Q4 là Q7

Một bộ khuếch đại vi sai gồm Q5, Q6, Q7 mắc theo kiểu mạch cộng pha, biến điện áp vào thành điện áp ra không đối xứng Q5 có vai trò tạo ra điện áp phân cực cho Q6, Q7 hoạt động và đồng thời cũng là trở tải đảm bảo cho tính đối xứng lối ra của tầng khuyếch đại Q1, Q3vQ2, Q4

Hình 2: Sơ đồ mạch nguyên lý biểu diễn 1/4 mạch

Mặt khác, vì IQ6 = IQ7vIQ6+ IQ7 = ID1 nên Q6, Q7 cũng là các nguồn dòng Tín hiệu vào ngược pha được đưa vào 2 lối vào của khuyếch đại vi sai Lối ra không đối xứng lấy từ Collector của Q4

2.1.2 Tầng dịch mức điện áp một chiều và tiền khuếch đại

Điện áp ra ở cực Collector của Q4 được đưa tới bộ khuyếch đại Darlington tạo bởi hai transistor Q11 và Q14, có tải là Q12 Đặc điểm của tầng khuếch này

là trở kháng vào lớn để dòng vào nhỏ, hệ số khuếch đại lớn (thường lớn hơn

50 dB) Do hệ số khuếch đại lớn nên ta cần phải bảo vệ lối ra khi quá tải (tức dòng lối ra quá lớn) bằng cách mắc thêm tranzito Q10 Bình thường Q10 ở chế

độ khoá cho tới lúc dòng ra ở Bazơ của Q17 chưa đạt tới giới hạn Iramax Khi dòng điện ra đạt tới giới hạn này, sụt áp trên R6 gây ra đẩy tới ngưỡng mở của

Q10, làm Q10 thông ngăn sự tăng của Ira

dòng gương đối xứng

1,4V (bằng hai lần điện áp sụt trên điốt) Mục đích là để lối ra tầng kéo đẩy không bị méo

đại giảm với độ dốc –20dB/Decade trong khoảng tần số 5Hz và tần số đơn

vị 1MHz Điều này đảm bảo cho việc ổn định hệ thống có hồi tiếp

2.1.3 Tầng khuyếch đại công suất lối ra.

• Q12 là nguồn dòng có nhiệm vụ ổn định điểm làm việc cho Q16, Q17 Điện

Hình 3: Sơ đồ tầng khuếch đại đầu vào

Hình 4: Tầng dịch mức điện áp một chiều và tiền khuếch đại

Hình 5: Tầng khuyếch đại công suất lối ra

đóng vai trò là trở tải động cho Q17 còn Q17 đóng vai trò là trở tải động

thì ngược lại

• Để bảo vệ lối ra quá tải (tức dòng lối ra lớn quá) người ta mắc thêm mạch hạn dòng Q15, Q10, R10, R11 Bình thường Q15 ở chế độ khoá cho tới lúc dòng qua R10 chưa đạt tới giới hạn Iramax Khi dòng điện ra đạt tới giới hạn này, sụt áp trên R10 và R11 do nó gây ra đẩy tới ngưỡng mở của Q15, làm Q15 dẫn ngăn sự tăng của Ira

người ta mắc thêm hai điôt D4 và D5 nhằm hạn dòng và tạo điện áp chênh nhau giữa cực E và cực B của TranzitoQ17 (điều kiện phân áp cho tranzito p-n-p hoạt động ở chế độ khuếch đại (tức là lớp tiếp giáp JE phân cực thuận và JC phân cực ngược) là 1,4V)

Như vậy, ta có được sơ đồ nguyên lý rút gọn của LM348 như sau:

3 Một số ứng dụng mạch LM348 và mô phỏng

Theo trình bày ở trên, ta có thể thấy rằng, LM348 có thể được sử dụng trong rất nhiều mạch ứng dụng như bộ cộng, bộ trừ, mạch tạo dao động cầu viên, mạch tạo dao động hình sin, tam giác hay xung vuông, mạch chỉnh lưu,

Hình 6: Sơ đồ nguyên lý rút gọn

bộ phát hiện lên đỉnh, Tuy nhiên, do trong báo cáo này, chúng ta chỉ tìm hiểu

và mô phỏng một số ứng dụng cơ bản của LM348 như sau:

3.1 Bộ khuếch đại phản hồi âm

Trong phần này, chúng ta sẽ sử dụng LM348 đóng vai trò là khuếch đại thuật toán, với lối vào đảo, hệ số khuếch đại là 10 Ta có sơ đồ mạch nguyên

lý như sau:

Hình 7: Sơ đồ mạch khuếch đại đảo

Để đạt được giá trị khuếch đại là 10, chúng ta chọn giá trị của 2 điện trở là 100k và 10k Khi đó vẽ mô phỏng trên phần mềm circuit maker ta đo được mối quan hệ đầu ra và vào như sau:

Theo kết quả mô phỏng trên ta thấy, tín hiệu tín hiệu vào và tín hiệu

ra ngược pha nhau, chứng tỏ khuếch đại ở đây là khuếch đại đảo.Về biên độ ta

có thể nhận xét như sau:

Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng, biên độ tín hiệu lối vào AC là 70.71mV và tín hiệu lối ra là 706.9mV Như vậy, hệ số khuếch đại là

K = 706.970.71 = 10

Hình 8: Kết quả mô phỏng khuếch đại với lối vào đảo

Hình 9: Kết quả mô phỏng khuếch đại với lối vào đảo

Hệ số khuếch đại này tương ứng với hệ số khuếch đại ta sử dụng để lựa chọn các điện trở

3.2 Bộ lọc thông thấp tích cực

ở tần số cao thường dùng các mạch lọc thụ động RLC ở tần số thấp các mạch lọc đó có điện cảm quá lớn làm cho kết cấu nặng nề và tốn kém cũng như phẩm chất của mạch giảm.Vậy trong phạm vi tần số < 100 Khz người ta hay dùng bộ lọc khuyếch đại thuật toán và mạng RC gọi là mạch lọc tích cực

Đây là lọc thông thấp hồi tiếp dương một vòng (thực chất là mạch tích phân) Ngoài ra còn có hồi tiếp âm một vòng và hồi tiếp âm nhiều vòng

C2 = C = 0.001uF, lúc đó hàm truyền đạt là:

K = 1+2P ω 1

g C1R+P 2 ω 2 C 2 R 2 với P = jω

Ta dùng máy phát xung vuông lối vào để mô phỏng vì phổ của tín hiệu lối vào lúc này sẽ là tổng của các vạch phổ từ tần số thấp đến cao, cho ta một cái nhìn trực quan hơn về tính chất lọc của mạch

Hình 10: Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông thấp

Sử dụng chương trình mô phỏng circuit maker ta thu được kết quả sau:

• Tín hiệu lối vào

Hình 11: Tín hiệu lối vào của lọc thông thấp

• Tín hiệu lối ra

Hình 12: Tín hiệu lối ra của lọc thông thấp

Như vậy ta có thể thấy, bộ lọc trên đã lọc được cái tần số lớn hơn 1khz, tuy nhiên tại tần số 3khz, ta vẫn thấy một vạch phổ nhỏ Điều này có thể dải thích như sau: do bộ lọc là không lý tưởng nên nó vẫn còn tồn tại dải mấp mô

3.3 Bộ chỉnh lưu nửa chu kì

Ta thấy các điện áp rất nhỏ, không thể được chỉnh lưu một cách tuyến tính Nguyên nhân là khi điôt thông, điện áp sụt tối thiểu giữa các cực là 0.3 đến 0.7V tuỳ theo kiểu và hình thức sử dụng Nhưng ta có thể thực hiện với KĐTT LM348 như trên hình Mạch làm việc có phản hồi, ở phần trên phản hồi sửa chữa các khuyết tật và sửa tính phi tuyến của các linh kiện nằm trong vòng phản hồi

Khi D1 dẫn, hệ số khuyếch đại gần bằng không Khi D2 dẫn, D1 không dẫn và hệ số khuyếch đại bằng R2/R1=1 Tụ C1 loại trừ các thành phần một chiều lối vào ở đầu ra, thành phần một chiều bị cắt như các bộ chỉnh lưu khác

Ta lọc bằng bộ lọc thông thấp tạo nên từ C2 và R3

Kết quả mô phỏng bằng cirmaker như sau:

Hình 13: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu nửa chu kì

Hình 14: Kết quả mô phỏng mạch chỉnh lưu nửa chu kì

Như vậy, hoạt động của mạch trên theo mô phỏng và lý thuyết là tương đương nhau Ở đây, nửa chu kì âm của tín hiệu đã được chỉnh lưu

4 Tài liệu tham khảo

1 Analog/Interface -Device Data Vol1 - Motorola

2 Kỹ thuật mạch điện tử - Phạm Minh Hà

3 Cơ sở kỹ thuật điện tử - Nguyễn Kim Giao

4 Giáo trình kỹ thuật điện tử- HVCNBC-VT