VI MẠCH LM358 VÀ CÁC ỨNG DỤNG

VI MẠCH LM358 VÀ CÁC ỨNG DỤNG LM358 là bộ khuếch đại thuật toán kép công suất thấp, bộ khuếch đại này có ưu điểm hơn so với các bộ khuếch đại thuật toán chuẩn trong các ứng dụng dùng nguồn đơn. Chúng có thể hoạt động ở nguồn điện áp thấp từ 3V hoặc cao đến 32V, với dòng tĩnh khoảng 15 dòng tĩnh của MC1741. Trong nhiều ứng dụng, dải điện áp lối vào đồng pha gồm cả nguồn âm, do đó có thể loại trừ sự cần thiết của các thành phần thiên áp bên ngoài trong nhiều ứng dụng. Dải điện áp lối ra cũng có thể bao gồm nguồn điện áp âm.

VI MẠCH LM358 VÀ CÁC ỨNG DỤNG I. TỔNG QUAN VỀ VI MẠCH LM358 LM358 là bộ khuếch đại thuật toán kép công suất thấp, bộ khuếch đại này có ưu điểm hơn so với các bộ khuếch đại thuật toán chuẩn trong các ứng dụng dùng nguồn đơn. Chúng có thể hoạt động ở nguồn điện áp thấp từ 3V hoặc cao đến 32V, với dòng tĩnh khoảng 1/5 dòng tĩnh của MC1741. Trong nhiều ứng dụng, dải điện áp lối vào đồng pha gồm cả nguồn âm, do đó có thể loại trừ sự cần thiết của các thành phần thiên áp bên ngoài trong nhiều ứng dụng. Dải điện áp lối ra cũng có thể bao gồm nguồn điện áp âm. * Các đặc trưng của IC LM358: 1. Công suất cực máng thấp. 2. Có 2 bộ khuyếch đại thuật toán bên trong IC, có độ lợi cao. 3. Tương thích với nhiều loại dạng mạch logic. 4. Các chân lối ra tương thích với khuếch đại thuật toán kép phổ biến MC1558. IC LM358 tương ứng với 1 nửa IC LM324 * Các tính năng của khuếch đại thuật toán: - Bảo vệ quá áp lối ra. - Tầng khuếch đại vi sai lối vào. - Dòng cung cấp lối vào thấp. - Bù nội. - Dải tín hiệu cùng pha mở rộng tới nguồn âm. - Hoạt động với nguồn đơn(3V - 32V) hoặc nguồn đối xứng (± 1.5V - ±16V). * Sơ đồ chân của vi mạch 1 * Thông số kỹ thuật của vi mạch LM358 - Các giá trị danh định cực đại (T A = +25 0 C). Giá trị danh định Ký hiệu LM358 Đơn vị Điện áp cung cấp Nguồn đơn Nguồn đối xứng V CC V CC , V EE 32 ±16 V dc Khoảng điện áp vi phân lối vào V IDR ±32 V dc Khoảng điện áp cùng pha lối vào V ICR -0.3 đến 32 V dc Thời gian ngắn mạch lối ra t SC Liên tục Nhiệt độ lớp tiếp giáp T j 150 0 C Khoảng nhiệt độ bảo quản T Stg -55 đến +125 0 C Khoảng nhiệt độ xung quanh T A 0 đến +70 0 C - Các đặc tính điện LM358 (V CC =5.0V, C EE =Gnd, T A =25 0 C) Các đặc tính Ký hiệu Cực tiểu Trung bình Cực đại Đơn vị Điện áp chênh lệch lối vào V CC =5.0V đến 30V,V IC =0V đến C CC -1.7V, V 0 =1.4V, R S =0Ω, T A =25 0 C, T A =T cao , T A =T thấp V I0 - - - 2.0 - - 7.0 9.0 9.0 mV Hệ số trung bình của điện áp chênh lệch lối ra và nhiệt độ: T A =T cao đến T thấp ∆V I0 /∆ T - 7.0 - µV/ 0 C Dòng chênh lệch lối vào: T A =T cao đến T thấp Dòng biến thiên lối vào: T A =T cao đến T thấp I I0 I IB - - - - 5.0 - -4.5 -5.0 50 150 -250 -500 nA Hệ số trung bình của dòng chênh lệch lối vào và nhiệt độ T A =T cao đến T thấp ∆V I0 /∆ T - 10 - pA/ 0 C Dải điện áp cùng pha lối vào, V CC =30V (chú ý 2) V CC =30V T A =T cao đến T thấp V ICR 0 0 - - 28.3 28 V Dải điện áp vi sai lối vào V IDR - - V CC V Hệ số khuếch đại điện áp vòng hở tín hiệu lớn R L =2.0kΩ, V CC =15V. Với dao động của V 0 lớn. T A =T cap đến T thấp (chú ý 1) A VOL 25 25 100 - - - V/mV 2 Tách kênh 1.0kHz ≤ f ≤ 20kHz CS - -120 - dB Triệt cùng pha R S ≤ 10kΩ CMR 65 70 - dB Triệt nguồn cung cấp PSR 65 100 - dB Điện áp lối ra - giới hạn cao (T A = T cao đến T thấp ) (Chú ý 1) V CC =5.0V, R 1 =2.0kΩ, T A =25 0 C, V CC =30V, R L =20kΩ V CC =30V, R L =10kΩ V 0H 3.3 26 27 3.5 - 28 - - - V Điện áp lối ra - giới hạn thấp V CC =5V, R L =10kΩ, T A = T cao đến T thấp (Chú ý 1) V OL - 5.0 20 mV Dòng nguồn lối ra V ID =+1.0V, V CC =15V I 0+ 20 40 - mA Dòng nhận lối ra V ID = -1.0V, V CC =15V V ID = -1.0V, V CC =200mV I 0- 10 12 20 50 - - mA µA Ngắn mạch lối ra với đất (Chý ý 3) I SC - 40 60 mA Dòng cung cấp (T A = T cao đến T thấp ) (Chú ý 1) V CC =30V, V 0 =0V, R L =∞ V CC =5V, V 0 =0V, R L =∞ I CC - - 1.5 0,7 3.0 1.2 mA * Những điểm cần quan tâm khi thiết kế mạch: 1. T thấp = 0 0 C, T cao =70 0 2. Điện áp cùng pha lối vào không nên nhỏ hơn 0.3V. Khoảng điện áp cùng pha giới hạn trên là V CC -1.7V. 3. Ngắn mạch từ lối ra tới V CC sẽ gây ra quá nhiệt và phá huỷ tranzito. Việc tiêu hao sự phá huỷ có thể là do tất cả các bộ khuếch đại đồng thời ngắn mạch. II. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ SƠ ĐỒ RÚT GỌN (Biểu diễn một nửa mạch) 3 * Sơ đồ nguyên lý * Sơ đồ rút gọn 4 * Phân tích cấu tạo và hoạt động của mạch. Vi mạch LM358 được cấu tạo bởi hai bộ khuếch đại thuật toán, có bù nội. Phần 1: Chia làm ba tầng khuếch đại như sau: + Tầng 1: Là tầng khuếch đại vi sai Darlington gồm bốn tranzito Q17, Q21, Q18 và Q20. Trong đó Q17 và Q21 mắc theo sơ đồ CC đóng vai trò là mạch đệm đầu vào. Q18, Q20 mắc theo sơ đồ E chung được nuôi bởi nguồn dòng không đổi có trở rất lớn tạo nên bởi Q19 do đó nó có khả năng triệt được tín hiệu đồng pha. Q3 và Q4 đóng vai trò là dòng gương và làm tải động lối ra của tầng khuếch đại vi sai, đồng thời chúng đóng vai trò là mạch biến đổi tín hiệu ra vi sai từ đối xứng sang không đối xứng. Trong tầng Darlington B và C của Q18 và Q20 được nối với nhau tạo thành các Diode nối từ E đến B dẫn đến làm giảm hỗ dẫn của mạch và dịch mức, nó giữ cho điện áp U BE của Q18 và Q20 ở mức <= U DT ( U DT là điện áp thông của Diode ) đồng thời là mạch hồi tiếp âm ổn định diểm làm việc tĩnh của Q18 và Q20. Mặt khác với cách mắc này để bù nội chỉ cần dùng tụ bù có giá trị =5pF nên tiết kiệm được không gian chip. Một đặc tính khác của tầng này là dải điện áp vào đồng pha có thể bao gồm cả nguồn âm hoặc đất, trong trường hợp nguồn nuôi âm mà không làm bão hoà các mạch KĐ vi sai hay mạch chuyển đối xứng sang không đối xứng. + Tầng 2. Là tầng khuếch đại trung gian bao gồm mạch Q2 và Q5 mắc theo sơ đồ C chung. Nguồn dòng không đổi Q19 có chức năng làm nguồn và làm tải động cho Q2 và Q5, mạch này còn đóng vai trò phối hợp trở kháng giữa tầng 1 và Q6. Q6 là mạch KĐ mắc kiểu E chung, cực C được nối với nguồn dòng không đổi Q16, cực E được nối với Transistor Q26 , Q26 đồng thời là tải động cho Q6. Tín hiệu ra từ E Q6 được đưa tới mạch tiền KĐ Q9 để đưa vào mạch KĐ công suất lối ra , Q9 mắc theo mạch E chung và được nuôi bằng nguồn dòng không đổi Q15, Q15 còn đóng vai trò là tải động cho Q9. Q7 và Q8 giữ cho Q6 và Q9 làm việc trong miền KĐ. + Tầng 3. Là tầng khuếch đại công suất mắc theo sơ đồ đẩy kéo nối tiếp dùng hai Transitor khác loại Q11 và Q13. Tín hiệu ra từ C của Q9 được đưa tới cực B của Q11 và Q14, Q14 và điện trở 40K Ω để tạo phân cực và đệm cho Q13. Giả sử dạng tín hiệu tại cực C của Q9 có dạng hình Sin thì trong nửa chu kỳ dương Q14 và Q13 dẫn còn Q11 ngắt, nửa chu kỳ âm ngược lại. Q12 và trở 25Ω bảo vệ quá tải lối ra. Khi quá tải điện áp sụt trên trở 25Ω đủ lớn làm cho Q12 thông dẫn đến điện áp trên B của Q14 thấp đi làm Q14 bớt dẫn -> Q13 bớt dẫn. Q10 có chức năng đảm bảo cho tầng đẩy kéo làm việc ở chế độ AB tránh méo ở mức tín hiệu nhỏ. Phần 2: Là mạch phân áp tạo nguồn nuôi chuẩn cho phần KĐ. mạch này gồm các linh kiện Q22, Q23, Q24, Q25, R 2.4k, Q1. Khi điện áp nguồn nuôi đưa vào mạch thì dòng chạy qua transistor trường Q22 mắc theo kiểu cực máng chung và chạy qua diode Q23 tạo điện áp phân cực trên Q23 là 0.7V phân cực cho transitor Q24 làm Q24 mở, điện áp U BE của Q24 không đổi bằng điện áp trên diode do vậy dòng I E của Q24 ổn định. Q24 đóng vai trò nguồn dòng, dòng này chạy qua điện trở 2.4k tạo điện thế phân cực ổn định cho Q25, U BE của Q25 ổn định. Q25 hoạt động như một nguồn dòng không đổi phân cực cho Q1 tạo nên nguồn dòng không đổi ở đầu ra Q1. Mỗi bộ khuếch đại được nuôi bởi nguồn điều chỉnh điện áp bên trong có hệ số nhiệt độ thấp, do đó đặc tính nhiệt của bộ KĐ được nâng cao III. CÁC ỨNG DỤNG CỦA VI MẠCH Vi mạch L358 là vi mạch khuếch đại thuật toán với dòng vào nhỏ. Vi mạch này có thể dùng để thiết kế: • Mạch khuếch đại: gồm khuếch đại điện áp đảo, không đảo, khuếch đại vi sai trở kháng lối vào lớn, khuếch đại chọn lọc • Mạch thực hiện các phép tính số học: cộng, trừ, tích phân, vi phân, • Mạch tạo dao động • Mạch lọc: thông thấp, thông cao, thông dải a. Mạch khuếch đại điện áp đảo pha: U RA = - K*U V 5 Kết quả mô phỏng: Rõ ràng U RA = - K*U V với K= 20/2= 10. Tín hiệu lối ra đảo pha và có biên độ gấp 10 lần tín hiệu lối vào. b. Mạch cộng đảo: U RA = - K*(U V1 + U V2 ) Kết quả mô phỏng: 6 Rõ ràng U RA = - K*(U V1 + U V2 ) với K= 4/2= 2. Tín hiệu lối ra đảo pha và có biên độ gấp 2 lần tổng 2 biên độ tín hiệu lối vào. c. Mạch tạo dao động cầu Wien: Một mạch khuếch đại khi có phản hồi dương về có thể trở thành một hệ tự dao động với tần số xác định. Điều kiện để có dao động là: • Điều kiện về pha ϕ K + ϕ Kht =2nΠ ( n=0,1,2 ) • Điều kiện về biên độ : K * K ht =1 Do LM358 là vi mạch hoạt động ở tần số thấp nên các mạch dao động thường không dùng khung cộng hưởng LC mà dùng các phần tử điện trở R và tụ điện C. Mạch dao động cầu Wien: dùng mạch cầu Wien kết hợp với LM358 tạo thành mạch dao động hình sin. Trong sơ đồ có hai mạch phản hồi: + Phản hồi âm nhờ hai điôt và hai điện trở 10k, 20k. + Phản hồi dương gồm một cụm RC song song và cụm RC nối tiếp. Ở sơ đồ trên ta dùng kết hợp mạch phản hồi âm và phản hồi dương: tại tần số dao động mạch có hệ số truyền đạt max và độ lệch pha bằng 0, do đó kết hợp với bộ khuyếch đại thuận tạo hồi tiếp dương làm nhiệm vụ tạo dao động. Hai điện trở 10k và 20k tạo thành một mạch hồi tiếp âm có hệ số khuếch đại là 3. Mạch hồi tiếp âm cùng với mạch lọc thông dải tạo thành mạch cầu Wien. Hệ số hồi tiếp của mạch cầu Wien trong trường hợp này là: 2 1 9 1       −+ = α α K với RC ω α 1 = khi RC 1 = ω thì K=K max =1/3. Tần số phát của hệ được xác định theo: Fo=1/(2*pi*RC). Trong sơ đồ trên có 2 điôt làm nhiệm vụ ổn định biên độ dao động. Khi biên độ dao động tăng, điện trở tương đương của mạch phản hồi âm giảm làm hồi tiếp âm tăng, do đó hệ số khuếch đại của mạch giảm. Với cách chọn như trên đã tạo được ở lối ra một hình sin có tần số là 1 kHz. 7 Kết quả mô phỏng: d. Mạch lọc . Là một ứng dụng quan trọng của khuếch đại thuật toán để thực hiện các mạch lọc ở tần số thấp (khoảng 0.1 đến vài MHz) mà các mạch lọc thụ động RLC khó thực hiện được. Mạch lọc tích cực được đặc trưng bởi ba thông số: tần số giới hạn, bậc của bộ lọc và loại bộ lọc. • Tần số giới hạn là tần số mà tại đó biên độ giảm 3dB so với hệ số truyền đại ở tần số trung tâm. • Bậc của bộ lọc xác định dạng của đặc tính biên độ - tần số ở những tần số rất lớn hơn tần số giới hạn. • Loại bộ lọc xác định dạng của đặc tuyến biên độ - tần số xung quang tần số giới hạn và trong khu vực thông của mạch lọc. Hàm truyền đạt tổng quát của một mạch lọc thông thấp là: 8 ( ) ( ) 2 0 1 PbPa K PK ii d d ++Π = trong đó K d0 là hệ truyền đạt ở tần số thấp, số mũ lớn nhất của P là bậc của bộ lọc. Có 3 loại mạch lọc thông dụng là: mạch lọc hồi tiếp âm một vòng, mạch lọc hồi tiếp âm nhiều vòng, mạch lọc hồi tiếp dương một vòng. Ứng với mỗi loại mạch lọc sẽ có hàm truyền đạt cụ thể. Từ các yêu cầu về đặc tuyến biên độ tần số của mạch lọc ta có thể xác định được các giá trị R, C trong mạch. - Mạch lọc thông thấp Đây là mạch lọc bậc hai dùng hồi tiếp dương một vòng, và chỉ thực hiện một khâu lọc (những điều này biết được từ hàm truyền đại của mạch lọc loại này). Nếu chọn R 1 =R 2 , C 1 =C 2 , ta có: Hệ số truyền đạt là: ( ) 2222 31 CRwPRCKPw K K gg d +−+ = Các hệ số của mạch lọc là: ( ) ( ) 2 2 1 1 3 RCwb RCKw g g = −= α nên: g f b RC π 2 1 = RCf a K g π 2 3 1 −= 9 Đáp ứng tần số lối ra. 1 10 100 1k 10k 100k 1Meg 10Meg 0 200m 400m 600m 800m 1 1.2 Xa: 9.772MegXb: 1.000 Yc: 0.000 Yd: 0.000 a-b: 9.772Meg c-d: 0.000 Ref=Ground X=frequency(Hz) Y=voltage dc b a A Phổ tín hiệu lối vào: Phổ tín hiệu lối ra (thành phần tần số cao đã bị lọc) : - Mạch lọc chọn lọc (thông dải). 10 [...]...Đây là mạch lọc chọn lọc bậc 2, hồi tiếp âm nhiều vòng, gồm hai khâu lọc thông thấp và thông cao R2 R3 C R1 + R3 Kd = RR 2 R R R 1 + 2 Pw0 1 3 + P 2 w0 1 2 3 C 2 R1 + R3 R1 + R3 − Pw0 Hàm truyền đạt có dạng: Tần số: w0 = 1 C R1 + R3 R1 R2 R3 Hệ số phẩm chất: Q= 1 w0 R2 C 2 Độ rộng băng: B= f0 1 = Q πR2 C Đáp ứng tần số lối ra Phổ tín hiệu ra: 11 Nhìn vào hình vẽ trên ta thấy khuyÕch... phẩm chất: Q= 1 w0 R2 C 2 Độ rộng băng: B= f0 1 = Q πR2 C Đáp ứng tần số lối ra Phổ tín hiệu ra: 11 Nhìn vào hình vẽ trên ta thấy khuyÕch ®¹i chän läc t¹i1 kHz e Mạch so sánh có trễ Với mạch so sánh thì tín hiệu ra ở dạng logic ( mức High và Low), mức H tương đương mức điện thế cao, mức L tương đương mức điện thế thấp Ta có: - Ura= H nếu U+ > U- Ura= L nếu U+ < U- Kết quả mô phỏng: 12 . lọc thông thấp và thông cao. Hàm truyền đạt có dạng: 2 31 32 1 2 0 2 31 31 0 31 32 0 21 C RR RRR wP RR RR Pw C RR RR Pw K d + + + + + − = Tần số: 32 1 31 0 1 RRR RR C w + = Hệ số phẩm chất: CRwQ 20 2 1 = Độ. (T A = T cao đến T thấp ) (Chú ý 1) V CC =5.0V, R 1 =2.0kΩ, T A =25 0 C, V CC =30 V, R L =20kΩ V CC =30 V, R L =10kΩ V 0H 3. 3 26 27 3. 5 - 28 - - - V Điện áp lối ra - giới hạn thấp V CC =5V, R L =10kΩ, T A =. Ký hiệu LM358 Đơn vị Điện áp cung cấp Nguồn đơn Nguồn đối xứng V CC V CC , V EE 32 ±16 V dc Khoảng điện áp vi phân lối vào V IDR 32 V dc Khoảng điện áp cùng pha lối vào V ICR -0 .3 đến 32 V dc Thời