Tiểu luận môn Ứng dụng vi mạch IC khuếch đại thuật toán LM348 nguyên lý và một số ứng dụng

Tiểu luận môn Ứng dụng vi mạch IC khuếch đại thuật toán LM348 nguyên lý và một số ứng dụng, tài liệu dành cho các bạn nghiên cứu tham khảo, cũng như tìm hiểu trong quá trình học của mình về môn học này

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI Đại học Công Nghệ Tiểu luận môn ứng dụng vi mạch IC khuyếch đại thuật toán LM348 nguyên lý MộT Số ứng dụng Giáo viên hớng dẫn: PGS.TS Bch Gia Dng Nhóm 2- K17Đ: Lâm Sinh Công Đỗ Tiến Dũng Nguyễn Thị Anh Đào Hà nội 03/2011 MụC LụC Phần 1: Chỉ tiêu kü thuËt cña LM 348: .2 Đại Học Quốc Gia Hà Nội - Đại Học Công Nghệ Vi mạch LM348 Phần Sơ đồ nguyên lý PhÇn 3: Mét sè øng dơng cđa LM348 …… 10 Khuyếch đại có phản hồi âm .10 M¹ch dao động cầu Wien 11 M¹ch t¹o dao động hình sin có mạch hồi tiếp dùng mắt RC 12 Mạch phát xung vuông, tam giác, xung sin 13 Mạch lọc thông thấp tích cực 14 Mạch lọc thông dải 15 Bộ phát đỉnh … 17 ChØnh lu nöa chu kú 17 Tµi liƯu tham kh¶o 18 PhÇn 1: Chỉ tiêu kỹ thuật LM 348 LM348 đợc tạo vi mạch MC1741 độc lập, đợc tích hợp chip đơn Khuyếch đại hoạt động công suất thấp nh đà đợc dùng thiết kế cho MC1741 chn c«ng nghiƯp Bëi vËy cã thĨ dïng thay MC1741 mà không làm thay đổi hoạt động mạch Tổng dòng điện cung cấp cho khuyếch đại khuyếch đại MC1741 đơn Các u điểm khác nh dòng offset, bias lối vào nhỏ so với tiêu chuẩn công nghiệp MC1741 LớpK17 Nhóm 2 Đại Học Quốc Gia Hà Nội - Đại Học Công Nghệ Vi mạch LM348 LM348 đợc dùng ứng dụng yêu cầu khuyếch đại tốt hay cần có mật độ đóng gói cao C¸c øng dơng kh¸c bao gåm c¸c bé khuch đại đệm trở kháng cao, lọc khuyếch đại tích cực Tóm lại, LM 348 có số đặc điểm nh sau: Về mặt chức năng, LM348 tơng đơng với MC1741 Dòng offset dòng bias lối vào nhỏ loại bỏ đợc méo lối hoạt động chế độ AB Các chân tơng thích với MC3404 LM324 Lối vào vi sai thực Bù tần số nội Bảo vệ ngắn mạch Dòng cung cấp nhỏ (0.6 mA/bộ khuyếch đại) Sơ đồ chân: Một số tính chất điện LM348: - Nguồn nuôi đối xứng Vcc=15V, Vee=-15V - Thế offset lối vào max=7.5 mV - Dòng offset lèi vµo max= 100 nA - HƯ sè khuch ®¹i tÝn hiƯu lín - TriƯt tÝn hiƯu cïng pha min=70dB, max=90dB - Giải truyền -> 20 KHz Các giá trị danh định cực đại LM 348 (TA=+250C) Giá trị danh định Điện áp cung cấp Điện áp vi phân lối vào Điện áp pha lối vào Thời gian ngắn mạch lối LớpK17 Nhóm Ký hiệu VCC VEE VID VICM tSC Giá trị Đơn vị +18 Vdc -18 V 36 V 18 Liên tục Đại Học Quốc Gia Hà Nội - Đại Học Công Nghệ Nhiệt độ hoạt động Nhiệt độ lớp tiếp giáp Khoảng nhiệt độ lu trữ Khoảng nhiệt độ xung quanh TA Vi mạch LM348 TA TJ Ttsg đến +70 150 -55 ®Õn 125 ®Õn +70 C C 0C 0C 0 Các đặc trng điện (VCC=+15V, VEE=-15V, TA=250C) Đặc trng Điện áp chênh lệch lối vào (RS 10K) Dòng offset lối vào Dòng Bias lối vào Trở kháng vào Dải điện áp lối vào đồng pha Hệ số khuyếch đại điện áp lớn (RL20 k VO=12 V) Tách kênh (f=1.0 Hz đến 20 KHz) Triệt pha (RS 10K) Triệt điện áp cung cấp (RS 10K) Dao động điện áp lối Ký hiệu VIO Min - Typ 1.0 Max 6.0 Đơn vị mV IIO IIB ri VICR AVOL 0.8 50 200 - nA ±12 25 4.0 30 2.5 160 MΩ V V/mV - - -120 - dB CMR PSR 70 77 90 96 - dB VO V RL ≥ 10 k ±12 V ±13 V RL 2.0 k Dòng ngắn mạch lối Dòng cung cấp Dải băng tần bé (AV=1) Di pha (AV=1) Tèc ®é quay (AV=1) ±10 V - ±12 V 25 2.4 1.0 60 0.5 ISC ID BW φm SR 4.5 - mA mA MHz degrees V/às Các đặc trng điện (khi VCC=+15V, VEE=-15V, TA=0-700C) Đặc trng Điện áp chênh lƯch lèi vµo (RS≤ Ký hiƯu VIO Min - Typ - Max 7.5 Đơn vị mV 10K) Dòng offset lối vào Dòng Bias lối vào Dải điện áp lối vào đồng pha Hệ số khuyếch đại điện áp lớn IIO IIB VICR AVOL ±12 15 - 100 400 - nA CMR PSR 70 77 90 96 - (RL ≥ k VO=±10 V) TriƯt cïng pha (RS≤ 10K) TriƯt ®iƯn ¸p cung cÊp (RS≤ LípK17Đ – Nhãm V V/mV dB Đại Học Quốc Gia Hà Nội - Đại Học Công Nghệ 10K) Dao động điện áp lối Vi m¹ch LM348 VO V RL ≥ 10 k ±12 V ±13 V RL ≥ 2.0 k ±10 V ±12 V - Phần Sơ đồ nguyên lý (Biểu diễn 1/4 mạch) LM348 sử dụng hai loại tranzito n-p-n p-n-p, gồm tầng: Tầng khuyếch đại vi sai lối vào, tầng dịch mức điện áp chiều tầng khuyếch đại công suất lối + Tầng 1: Tầng khuếch đại đầu vào, tầng khuếch đại vi sai cải tiến gồm Q1, Q2, Q3, Q4 Các cặp transistor Q1-Q3, Q2-Q4 đợc đấu theo kiểu khuyếch đại chồng tầng Kascốt Các nguồn dòng Q8, Q9, Q5, Q6 + Tầng 2: Tầng dịch mức điện áp tiền khuếch đại Cụm R8, R9, Q13 nhằm dịch mức điện áp chiều Q11 Q14 mắc theo sơ đồ Darlington, đợc bảo vệ Q10 Tầng đợc nuôi nguồn dòng Q12 LớpK17 Nhóm Đại Học Quốc Gia Hà Nội - Đại Học Công Nghệ Vi mạch LM348 + Tầng 3:Tầng khuyếch đại công suất đầu Q16 Q17 hai tranzito khác kiểu n-p-n p-n-p đợc mắc theo sơ đồ kéo đẩy bù Q16 đóng vai trò trở tải động cho Q17 Q17 đóng vai trò trở tải động cho Q16 Phân tích sơ đồ chi tiết tầng Tầng khuếch đại đầu vào: Là tầng khuếch đại vi sai cải tiến, đợc nuôi dòng không đổi qua điôt D1 nguồn dòng không đổi Q8 Q9 Ta thấy I D1=IQ8 (dòng gơng), IQ8=IQ9, chúng có trở nội vô lớn nên có khả triệt nhiễu đồng pha, có khả triƯt tÝn hiƯu ®ång pha rÊt cao Hai transistor Q1, Q2 đợc đấu theo kiểu Colectơ chung (hệ số khuyếch đại điện áp 1) Đặc điểm chúng trở kháng vào lớn trở kháng 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 đợc đấu theo kiểu khuyếch đại chồng tầng Kascốt Cách mắc nh nhằm phối hợp trở kháng, ngăn cách ảnh hởng mạch đến mạch vào tầng khuếch đại, đặc biệt tần số cao Tải Q1 Q3, Q6; tải Q2 Q4, Q7 Tải Q3 Q6; tải Q4 Q7 LớpK17 Nhóm Đại Học Quốc Gia Hà Nội - Đại Học Công Nghệ Vi mạch LM348 Một khuếch đại vi sai gồm Q5, Q6, Q7 mắc theo kiểu mạch cộng pha, biến điện áp vào thành điện áp không đối xứng Q5 có vai trò tạo điện áp phân cực cho Q6, Q7 hoạt động đồng thời trở tải đảm bảo cho tính đối xứng lối tầng khuyếch đại Q1, Q3 Q2, Q4 Mặt khác, IQ6=IQ7 IQ6+IQ7=ID1 nên Q6, Q7 nguồn dòng Tín hiệu vào ngợc pha đợc đa vào lối vào khuyếch đại vi sai Lối không đối xứng lấy từ Collector Q4 Tầng dịch mức điện áp chiều tiền khuếch đại Điện áp cực Collector Q4 đợc đa tới khuyếch đại Darlington tạo hai transistor Q11 Q14, có tải Q12 Đặc điểm tầng khuếch trở kháng vào lớn để dòng vào nhỏ, hệ số khuếch đại lớn (thờng lớn 50 dB) Do hệ số khuếch đại lớn nên ta cần phải bảo vệ lối tải (tức dòng lối lớn) cách mắc thêm tranzito Q10 Bình thờng Q10 chế độ khoá lúc dòng Bazơ Q17 cha đạt tới giới hạn Iramax Khi dòng điện đạt tới giới hạn này, sụt áp R6 gây đẩy tới ngỡng mở Q10, làm Q10 thông ngăn tăng Ira - Trong tầng có dòng qua D2 dòng qua Q12, chúng nguồn dòng gơng đối xứng - Cụm R8, R9, Q13 nhằm dịch mức điện áp chiều, điện áp dịch cỡ 1,4V (bằng hai lần điện áp sụt điốt) Mục đích để lối tầng kéo đẩy không bị méo LớpK17 Nhóm Đại Học Quốc Gia Hà Nội - Đại Học Công Nghệ Vi mạch LM348 - Tụ C=30 pF có tác dụng bù nội, làm cho đặc tính tần số khuếch đại giảm với độ dốc 20dB/Decade khoảng tần số 5Hz tần số đơn vị 1MHz Điều đảm bảo cho việc ổn định hệ thống có hồi tiếp Tầng khuyếch đại công suất lối - Q12 nguồn dòng có nhiệm vụ ổn định điểm làm việc cho Q16, Q17 Điện áp tín hiệu đa đến cực Bazơ Q16 đà đợc dịch mức tíi cì UBE (cì 0,7V), vËy nưa chu kỳ dơng Q16 dẫn Q16 Q17 hai tranzito khác kiểu n-p-n p-n-p đợc mắc theo sơ đồ kéo đẩy bù, Q16 đóng vai trò trở tải động cho Q17 Q17 đóng vai trò trở tải động cho Q16 Nửa chu kỳ dơng Q16 dẫn, Q17 ngắt nửa chu kỳ âm ngợc lại - Để bảo vệ lối tải (tức dòng lối lớn quá) ngời ta mắc thêm mạch hạn dòng Q15, Q10, R10, R11 Bình thờng Q15 chế độ khoá lúc dòng qua R10 cha đạt tới giới hạn Iramax Khi dòng điện đạt tới giới hạn này, sụt áp R10 R11 gây đẩy tới ngỡng mở Q15, làm Q15 dẫn ngăn tăng Ira - Để nâng cao tính ổn định tầng khuyếch đại công suất, bảo vệ tải, ngời ta mắc thêm hai điôt D4 D5 nhằm hạn dòng tạo điện áp chênh cực E cực B Tranzito Q17 (điều kiện phân áp cho tranzito p-n-p hoạt động chế độ khuếch đại (tức lớp tiếp giáp J E phân cực thuận JC phân cực ngợc) 1,4V) Trên sở ta có sơ đồ rút gọn IC LM 348 nh hình dới: LớpK17 Nhóm Đại Học Quốc Gia Hà Nội - Đại Học Công Nghệ Vi mạch LM348 Vcc D1 NonInv Q1 Q2 Q3 C 30pF Q4 R10 25 Output Inv R11 50 R1 1k R3 1k R5 50k R4 5k R6 50k Vee Sơ đồ rút gọn cđa IC LM 348 PhÇn 3: Mét sè øng dơng LM348 Khuyếch đại có phản hồi âm Vcc1 +15V Vcc +15V Vin -100m/100mV LM348 + B 10kHz 10k RI Vee -15V RF 100k Vin1 -100m/100mV + LM348 A 10kHz 10k RI1 Vee1 -15V RF1 1000k Sơ đồ minh hoạ mối quan hệ độ khuyếch đại có phản hồi âm với dải tần làm việc Trờng hợp đầu hệ số khuyếch đại nhỏ (R F/RI=10) nhng dải tần làm việc lớn Trờng hợp sau hệ số khuyếch đại lớn nhng dải tần hẹp - Kết liên hệ lối lối vào Lối đợc khuyếch đại lên 10 lần LớpK17 Nhóm Đại Học Quốc Gia Hà Nội - Đại Học Công NghÖ Xa: 275.6u Yc: 1.000 a-b: 100.0u freq: 10.00k c-d: 2.000 b Y=voltage A B Xb: 175.6u Yd:-1.000 Vi m¹ch LM348 a c d Ref=Ground X=50u/Div - So sánh dải tần làm việc trờng hợp có hệ số khuếch đại khác Xa: 61.90k Yc:-466.7m a-b: 51.41k c-d:-18.67 b a Y=voltage(db) A B Xb: 10.49k Yd: 18.20 d c 10 100 Ref=Ground 1k 10k 100k X=frequency(Hz) 1Meg Mạch dao động cầu Wien Mạch dao động cầu Wien: dùng mạch cầu Wien kết hợp với LM348 tạo thành mạch dao động hình sin Trong sơ đồ có hai mạch phản hồi: + Phản hồi âm nhờ hai điôt hai điện trở 10k, 20k + Phản hồi dơng gồm cụm RC song song cụm RC nối tiếp sơ đồ ta dùng kết hợp mạch phản hồi âm phản hồi dơng: tần số dao động mạch có hệ số truyền đạt max độ lệch pha 0, LớpK17 Nhóm 10 Đại Học Quốc Gia Hà Nội - Đại Học Công Nghệ Vi mạch LM348 kết hợp với khuyếch đại thuận tạo hồi tiếp dơng làm nhiệm vụ tạo dao động Hai điện trở 10k 20k tạo thành mạch hồi tiếp âm có hệ số khuếch đại Mạch hồi tiếp âm với mạch lọc thông dải tạo thành mạch cầu Wien Hệ số hồi tiếp mạch cầu Wien trờng hợp nµy lµ: K= 1  +  −α  α  víi α = ωRC = K=Kmax=1/3 RC Tần số phát hệ đợc xác định theo: Fo=1/(2*pi*RC) Trong sơ đồ có điôt làm nhiệm vụ ổn định biên độ dao động Khi biên độ dao động tăng, điện trở tơng đơng mạch phản hồi âm giảm làm hồi tiếp âm tăng, hệ số khuếch đại mạch giảm Với cách chọn nh đà tạo đợc lối hình sin có tần số kHz Xa: 7.275m Yc: 7.499 Xb: 6.275m Yd: 7.499 a-b: 1.000m freq: 1.000k c-d: 3.040n b A a Y=voltage c d Ref=Ground X=1.67m/Div Mạch tạo dao động hình sin có mạch hồi tiếp dùng mắt RC phần tử khuyếch đại đà có di pha 180 khuyếch đại đảo pha, nê mạch hồi tiếp phải có góc pha 180 Mỗi khâu RC chØ t¹o mét gãc di pha < 90 trị số R,C khác không Vì để đảm bảo điều kiện pha mạch hồi tiếp phải mắt RC, khâu thực di pha 600 Với trờng hợp dùng ba khâu RC nh hình vẽ dới: Tần số dao động là: dd = R.C Với cách chọn đơn giản R= 6497, C =.01àF, Rht=188,4k (đảm bảo cho tích HSKĐ phản hồi âm=1) ta tạo đợc hình sin với tần số kHz LớpK17 Nhóm 11 Đại Học Quốc Gia Hà Nội - Đại Học Công Nghệ R 6497 C 0.01uF R1 6.28k R 6407 C C 0.01uF 0.01uF Vi m¹ch LM348 R2 6497 15 + LM348 -15 Rht 188.4k Xa: 5.254m Yc: 5.455m Xb: 4.254m Yd: 5.455m a-b: 1.000m freq: 1.000k c-d: 6.000n b a c Y=voltage A Ref=Ground X=1.67m/Div d Mạch phát xung vuông, tam giác, sin - Cụm thứ nhất: máy phát xung vuông: giả sử có thăng giáng V +>Vthì Ura=Ura max Nhờ phản hồi qua R15 mà V+ tăng lên V- tăng dần để nạp cho tụ Do V +> V- mạch giữ nguyên trạng thái Ura=Ura max V+< V- mạch lật trạng thái: Ura=Ura min, kéo V+ xuống thấp V+< V- nên mạch giữ nguyên trạng thái Tụ phóng điện dần V+> V- lối lại mức cao Quá trình lặp lai tiếp tục cho ta xung vuông nh hình vẽ - Cụm thứ hai: máy phát xung tam giác: thực chất tích phân - Cụm thứ ba: máy phát hình sin: thực chất tích phân khuyếch đại có phản hồi âm Với cách chọn nh sơ đồ cho ta xung vuông, tam giác hình sin có tần số khoảng kHz LớpK17 Nhóm 12 Đại Học Quốc Gia Hà Nội - Đại Học C«ng NghƯ Xa: 4.317m Yc: 15.00 A B C Xb: 3.467m Yd: 7.000 Vi m¹ch LM348 a-b: 850.0u freq: 1.176k c-d: 8.000 b 15 10 -5 -10 -15 a c d 833u 1.67m Ref=Ground 2.5m 3.33m X=833u/Div Y=voltage 4.17m 5m Mạch lọc thông thấp tích cực tần số cao thờng dùng mạch lọc thụ động RLC tần số thấp mạch lọc có điện cảm lớn làm cho kết cấu nặng nề tốn nh phẩm chất mạch giảm.Vậy phạm vi tần số < 100 Khz ngời ta hay dùng lọc khuyếch đại thuật toán mạng RC gọi mạch lọc tích cực Đây lọc thông thấp hồi tiếp dơng vòng (thực chất mạch tích phân) Ngoài có hồi tiếp âm vòng hồi tiếp âm nhiều vòng Trên mạch điện ta chọn trờng hợp đơn giản: R2=R3=R=100k, C1=C2=C=.001uF, lúc hàm truyền đạt là: K= + Pω g C1 R + P 2ω g C R víi P = jΩ Ta dïng máy phát xung vuông lối vào để mô phỉ cđa tÝn hiƯu lèi vµo lóc nµy sÏ lµ tổng vạch phổ từ tần số thấp đến cao, cho ta nhìn trực quan tÝnh chÊt läc cđa m¹ch C3 002uF V1 0/100mV 1kHz V3 +15V R2 100k R3 100k C2 001uF LM348 + -15V V2 30k R1 Đáp ứng tần số lối ra: LớpK17 Nhóm 13 Đại Học Quốc Gia Hà Nội - Đại Học Công Nghệ Vi mạch LM348 Phổ cđa tÝn hiƯu lèi vµo: : Phỉ tÝn hiƯu lèi (thành phần tần số cao đà bị lọc bỏ) LớpK17 Nhóm 14 Đại Học Quốc Gia Hà Nội - Đại Học Công Nghệ Vi mạch LM348 Mạch lọc thông dải Mắc xâu chuỗi khâu lọc thông thấp với khâu lọc thông cao, ta nhận đợc lọc thông dải Đây mạch lọc thông dải hồi tiếp âm nhiều vòng.K()=K1().K2() với K1, K2 đáp ứng khâu thông thấp thông cao Với cách chọn thông số R,C ta thu đợc mạch lọc thông dải khuyếch đại lớn kHz (khuyếch đại chọn lọc) Đáp ứng tần só lối ra: LípK17Đ – Nhãm TÝn hiƯu vµo vµ 15 Đại Học Quốc Gia Hà Nội - Đại Học Công Nghệ Phổ tín hiệu lối vào: Vi mạch LM348 Phổ tín hiệu lối (khuyếch đại chọn lọc tại1 kHz): Bộ phát đỉnh Mạch thực chức lu lại giá trị cực đại tín hiệu lối vào Khi V1>Vc1 diôt thông dòng đợc nạp cho tơ C1 ®Õn U C1 ≈ V1 Nếu sau V1 giảm D1 ngắt, tụ C1 phóng điện qua điện trở ngợc diôt nh qua LM348 Vì điện trở ngợc diôt lớn LM348 mạch lặp điện áp đóng vai trò tầng đệm (trở kháng lớn) nên điẹn áp tụ giữ nguyên giá trị đỉnh Điện áp đỉnh đợc cất giữ C1 Bộ khuyếch đại lặp có trở kháng lối vào lớn Diôt D1 ngăn cản tác động trở l¹i cđa C1 víi ngn tÝn hiƯu LípK17Đ – Nhãm 16 Đại Học Quốc Gia Hà Nội - Đại Häc C«ng NghƯ Xa: 3.000m Yc: 9.000 A B b -3 -6 -9 Xb: 0.000 Yd:-9.000 Vi m¹ch LM348 a-b: 3.000m freq: 333.3 c-d: 18.00 a 500u 1m Ref=Ground 1.5m 2m X=time(S) Y=voltage 2.5m 3m c d ChØnh lu nöa chu kú Ta thÊy điện áp nhỏ, đợc chỉnh lu cách tuyến tính Nguyên nhân điôt thông, điện áp sụt tối thiểu cực 0.3 đến 0.7V tuỳ theo kiểu hình thức sử dụng Nhng ta cã thĨ thùc hiƯn víi K§TT LM348 nh hình Mạch làm việc có phản hồi, phần phản hồi sửa chữa khuyết tật sửa tính phi tuyến linh kiện nằm vòng phản hồi Khi D1 dẫn, hệ số khuyếch đại gần không Khi D2 dẫn, D1 không dẫn hệ số khuyếch đại R2/R1=1 Tụ C1 loại trừ thành phần chiều lối vào đầu ra, thành phần chiều bị cắt nh chỉnh lu khác Ta lọc lọc thông thấp tạo nên từ C2 R3 LớpK17 Nhóm 17 Đại Học Quốc Gia Hà Nội - Đại Học Công Nghệ Vi mạch LM348 Tài liệu tham khảo: Motorola Semiconductor Kỹ thuật mạch điện tử - Phạm Minh Hà Cơ sở kỹ thuật điện tử - Nguyễn Kim Giao Giáo trình kỹ thuật điện tử- HVCNBC-VT LớpK17 – Nhãm 18 ... Nội - Đại Học Công Nghệ Vi mạch LM348 LM348 đợc dùng ứng dụng yêu cầu khuyếch đại tốt hay cần có mật độ đóng gói cao Các ứng dụng khác bao gồm khuyếch đại đệm trở kháng cao, lọc khuyếch đại tích... LớpK17 Nhóm Đại Học Quốc Gia Hà Nội - Đại Học Công Nghệ Vi mạch LM348 Một khuếch đại vi sai gồm Q5, Q6, Q7 mắc theo kiểu mạch cộng pha, biến điện áp vào thành điện áp không đối xứng Q5 có vai... LớpK17 Nhóm Đại Học Quốc Gia Hà Nội - Đại Học Công Nghệ Vi mạch LM348 - Tụ C=30 pF có tác dụng bù nội, làm cho đặc tính tần số khuếch đại giảm với độ dốc 20dB/Decade khoảng tần số 5Hz tần số đơn vị