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 1 Mục lục 1 Thông số kỹ thuật của LM348 5 1.1 LM 348 có một số đặc điểm như sau: . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 Sơ đồ chân của IC như sau: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3 Một số tính chất điện của LM348: . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4 Các giá trị danh định cực đại của LM 348 (T A = +25 0 C) . . . 5 1.5 Các đặc trưng về điện (V C C = +15V, V EE = −15V, T A = 25 0 C) 6 2 Sơ đồ nguyên lý của mạch 6 2.1 Phân tích chi tiết các tầng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.1 Tầng khuếch đại đầu vào . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2 Tầng dịch mức điện áp một chiều và tiền khuếch đại . . 8 2.1.3 Tầng khuyếch đại công suất lối ra. . . . . . . . . . . . . 8 3 Một số ứng dụng mạch LM348 và mô phỏng 10 3.1 Bộ khuếch đại phản hồi âm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.2 Bộ lọc thông thấp tích cực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.3 Bộ chỉnh lưu nửa chu kì . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 4 Tài liệu tham khảo 15 2 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 3 Danh sách bảng 1 Các giá trị danh định cực đại của LM 348 . . . . . . . . . . . 6 2 Các đặc trưng về điện của IC LM348 . . . . . . . . . . . . . . 7 4 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: • Về mặt chức năng, LM348 có thể tương đương với một MC1741 • Dòng offset và dòng bias lối vào nhỏ. • Loại bỏ được méo ở lối ra do hoạt động ở chế độ AB • Các chân tương thích với MC3404 và LM324 • Lối vào vi sai thực • Bù tần số nội. • Bảo vệ ngắn mạch. • Dòng cung cấp nhỏ (0.6 mA/bộ khuyếch đại). 1.2 Sơ đồ chân của IC như sau: 1.3 Một số tính chất điện của LM348: • Nguồn nuôi đối xứng Vcc=15V, Vee=-15V. • Thế offset lối vào max=7.5 mV • Dòng offset lối vào max= 100 nA. • Hệ số khuyếch đại tín hiệu lớn • Triệt tín hiệu cùng pha min=70dB, max=90dB. • Giải truyền 0 -> 20 KHz. 1.4 Các giá trị danh định cực đại của LM 348 (T A = +25 0 C) (bảng 1) 5 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 V I C M ±18 V Thời gian ngắn mạch lối ra t S C Liên tục Nhiệt độ hoạt động T A 0 đến +70 0 C Nhiệt độ lớp tiếp giáp T j 150 0 C 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 = 25 0 C) (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 Q 1 , Q 2 , Q 3 , Q 4 . Các cặp transistor Q1-Q3, Q2-Q4 được đấu theo kiểu khuyếch đại chồng tầng Kascốt. Các nguồn dòng là Q 8 , Q 9 , Q 5 , Q 6 . 2. Tầng 2: Tầng dịch mức điện áp và tiền khuếch đại. Cụm R 8 , R 9 , Q 13 nhằm dịch mức điện áp một chiều. Q 11 vQ 14 mắc theo sơ đồ Darlington, được bảo 6 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 Dòng offset lối vào I I o - 4.0 50 nA Dòng bias lối vào I I B - 30 200 Trở kháng vào r i 0.8 2.5 - MΩ Dải điện áp đồng pha V I C R ±12 - - V Hệ số khuếch đại điện áp lớn A V OL 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 - Dao động điện áp lối ra V 0 V R L ≥ 10k ±12V ±13V - R L ≥ 20k ±10V ±12V - Dòng ngắn mạch lối ra I S C - 25 - mA Dòng cung cấp I D - 2.4 4.5 mA Dải băng tần bé (A v = 1) BW - 1.0 - MHz Di pha (A v = 1) φ m - 60 - degrees Tốc độ quay (A v = 1) SR - 0.5 - V/µ.s Bảng 2: Các đặc trưng về điện của IC LM348 vệ bởi Q 1 0. Tầng này được nuôi bởi nguồn dòng Q 12 . 3. Tầng 3:Tầng khuyếch đại công suất đầu ra. Q 16 vQ 17 là hai tranzito khác kiểu n-p-n và p-n-p được mắc theo sơ đồ kéo đẩy bù. Q 16 đóng vai trò là trở tải động cho Q 16 vQ 17 đóng vai trò là trở tải động cho Q 16 . 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 Q 8 vQ 9 . Ta thấy I D1 = I Q8 (dòng gương), I Q8 = I Q9 , 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 Q 1 , Q 2 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. Q 3 , Q 4 đấu theo kiểu Bazơ chung, có trở kháng vào nhỏ, hệ số khuếch đại dòng thấp. Các cặp transistor Q 1 − Q 3 , Q 2 − Q 4 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 Q 1 là Q 3 , Q 6 ; tải của Q 2 là Q 4 , Q 7 . Tải của Q 3 là Q 6 ; tải của Q 4 là Q 7 . Một bộ khuếch đại vi sai gồm Q 5 , Q 6 , Q 7 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 Q 6 , Q 7 hoạt động và đồng thời cũng là trở tải đảm bảo cho tính đối xứng lối ra của tầng khuyếch đại Q 1 , Q 3 vQ 2 , Q 4 . 7 Hình 2: Sơ đồ mạch nguyên lý biểu diễn 1/4 mạch Mặt khác, vì I Q6 = I Q7 vI Q6 + I Q7 = I D1 nên Q 6 , Q 7 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 Q 4 . 2.1.2 Tầng dịch mức điện áp một chiều và tiền khuếch đại Điện áp ra ở cực Collector của Q 4 được đưa tới bộ khuyếch đại Darlington tạo bởi hai transistor Q 11 và Q 14 , có tải là Q 12 . 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 Q 10 . Bình thường Q10 ở chế độ khoá cho tới lúc dòng ra ở Bazơ của Q 17 chưa đạt tới giới hạn I ramax . Khi dòng điện ra đạt tới giới hạn này, sụt áp trên R6 gây ra đẩy tới ngưỡng mở của Q 10 , làm Q 10 thông ngăn sự tăng của I ra . • Trong tầng này có dòng qua D2 bằng dòng qua Q 12 , chúng là các nguồn dòng gương đối xứng. • Cụm R 8 , R 9 , Q 13 nhằm dịch mức điện áp một chiều, điện áp dịch đi cỡ 1,4V (bằng hai lần điện áp sụt trên điốt). Mục đích là để lối ra tầng kéo đẩy không bị méo. • Tụ C=30 pF có tác dụng bù nội, làm cho đặc tính tần số của bộ khuếch 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. • Q 12 là nguồn dòng có nhiệm vụ ổn định điểm làm việc cho Q 16 , Q 17 . Điện áp tín hiệu đưa đến cực Bazơ của Q 16 đã được dịch mức tới cỡ UBE (cỡ 8 Hình 3: Sơ đồ tầng khuếch đại đầu vào Hình 4: Tầng dịch mức điện áp một chiều và tiền khuếch đại 9 Hình 5: Tầng khuyếch đại công suất lối ra 0,7V), do vậy trong nửa chu kỳ dương thì Q 16 dẫn. Q 16 và Q 17 là hai tranzito khác kiểu n-p-n và p-n-p được mắc theo sơ đồ kéo đẩy bù, Q 16 đóng vai trò là trở tải động cho Q 17 còn Q 17 đóng vai trò là trở tải động cho Q 16 . Nửa chu kỳ dương Q 16 dẫn, Q 17 ngắt còn trong nửa chu kỳ âm thì ngược lại. • Để bảo vệ lối ra quá tải (tức dòng lối ra lớn quá) người ta mắc thêm mạch hạn dòng Q 15 , Q 10 , R10, R11. Bình thường Q 15 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 • Để nâng cao tính ổn định của tầng khuyếch đại công suất, bảo vệ quá tải, 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 Tranzito Q 17 (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, 10 [...]... 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: • Bộ khuếch đại phản hồi âm • Bộ chỉnh lưu nửa chu kì • Bộ lọc thông thấp 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. .. tín hiệu lối vào AC là 70.71mV và tín hiệu lối ra là 706.9mV Như vậy, hệ số khuếch đại là K= 706.9 70.71 11 = 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 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... 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... 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 12 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... 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 Trên mạch điện ta chọn trường hợp đơn... 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... thông thấp tạo nên từ C2 và R3 Kết quả mô phỏng bằng cirmaker như sau: 13 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 14 4 Tài liệu tham khảo 1 Analog/Interface -Device Data Vol1 - Motorola 2 Kỹ thuật mạch điện tử -... nhau Ở đây, nửa chu kì âm của tín hiệu đã được chỉnh lưu 14 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 15 . của IC LM348 . . . . . . . . . . . . . . 7 4 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. 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. 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