IC KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN MC3476 NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG

IC KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN MC3476 NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG MC3476 là một khuếch đại thuật toán giá rẻ theo chuẩn công nghiệp MC1776. Đặc trưng nổi bật của khuếch đại thuật toán MC3476 là tiết kiệm năng lượng, trở kháng lối vào cao. Hơn nữa, dòng tĩnh bên trong thiết bị có thể điều chỉnh được thông qua việc thay đổi giá trị của điện trở ngoài hoặc nguồn dòng đưa vào chân Iset.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Tiểu luận

IC KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN MC3476

NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG

Nhóm 9 lớp K17D ĐTVT

PHẠM QUỐC THỊNH

VŨ THỊ PHƯƠNG NGUYỄN TRỌNG GIÁP

HÀ NỘI, THÁNG 3 NĂM 2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Tiểu luận

IC KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN MC3476

NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG

Nhóm 9 lớp K17D ĐTVT

PHẠM QUỐC THỊNH

VŨ THỊ PHƯƠNG NGUYỄN TRỌNG GIÁP

MỤC LỤC

1 Giới thiệu 5

1.1 Giới thiệu 5

1.2 Sơ đồ chân 5

1.3 Thông số kỹ thuật 6

1.4 Đặc tuyến của vi mạch 7

2 Phân tích cấu tạo vi mạch 8

2.1 Sơ đồ nguyên lý của vi mạch MC3476 8

2.2 Phân tích nguyên lý 10

Mạch nguồn dòng phân cực 10

Tầng khuyếch đại vi sai lối vào 11

Tầng khuếch đại trung gian 12

Tầng khuyếch đại công suất lối ra và mạch bảo vệ 12

3 Ứng dụng 13

3.1 Khuếch đại có phản hồi âm 13

3.2 Mạch dao động cầu Wien 14

3.3 Mạch phát xung vuông, tam giác, xung sin 15

3.4 Mạch lọc thông thấp tích cực 16

3.5 Bộ phát hiện đỉnh 17

Tài liệu tham khảo 18

1 Giới thiệu

1.1 Giới thiệu

MC3476 là một khuếch đại thuật toán giá rẻ theo chuẩn công nghiệp MC1776 Đặc trưng nổi bật của khuếch đại thuật toán MC3476 là tiết kiệm năng lượng, trở kháng lối vào cao Hơn nữa, dòng tĩnh bên trong thiết bị có thể điều chỉnh được thông qua việc thay đổi giá trị của điện trở ngoài hoặc nguồn dòng đưa vào chân Iset Điều này cho phép khuếch đại thuật toán MC3476 có thể tối ưu dòng vào và năng lượng tiêu thụ thay đổi tuỳ theo nguồn cung cấp

Một số thông số kỹ thuật đặc trưng:

 ± 6.0V đến ± 18V

 Khuếch đại dải rộng

 Offset Null

 Không đòi hỏi phải bù tần số

 Bảo vệ đoản mạch

1.2 Sơ đồ chân

1.3 Thông số kỹ thuật

Các tham số cực đại (tại nhiệt độ T A =25 0 C)

Điện áp lối vào (Từ chân Iset

xuống đất)

Vset (VCC – 0.6V) đến

VCC

Vdc

Thời gian ngắn mạch lối ra tSC Không xác định Vdc Nhiệt độ môi trường hoạt động TA 0 đến +70 0C

Các đặc trưng điện của MC3476 (V cc =+15V, V EE =-15V, Iset=15 A, T A =+25 0 C)

Đặc trưng Ký hiệu Min Điển hình Max Đơn vị

Hệ số khuếch đại điện áp tín

Tỷ số triệt điện áp cùng cấp

Dao động điện áp lối ra

(RL≥10k)

(RL≥2k)

Vo ±12V±10V ±14V±13V -- V

Dòng cung cấp (cho tất cả các

Công suất tiêu thụ (của tất cả

Đáp ứng tức thời (hệ số khuếch

đại đơn vị, không đảo)

- (V1=20mV, RL≥2k,

CL≤100pF) thời gian tăng

- (V1=20mV, RL≥2k,

CL≤100pF) vượt ngưỡng

- (V1=10V, RL≥2k,

CL≤100pF) tốc độ chuyển

tTLH OS SR

-0.3 15 0.5

-s

% V/s

1.4 Đặc tuyến của vi mạch

Hình 1 - Đặt điện trở-Dòng đặt Hình 2 - Nguồn dòng cung cấp- Dòng đặt

Hình 3 - Độ khếch đại vòng mở-Dòng đặt Hình 4 - Dòng phân cực-Dòng đặt

Hình 5- Tốc độ chuyển mạch - Dòng đặt Hình 6 - Tỷ số khuếch đại giải thông-Dòng đặt

Hình 7- Dao động biên độ đỉnh đỉnh Hình 8 - Dao động điện áp lối ra

2 Phân tích cấu tạo vi mạch

2.1 Sơ đồ nguyên lý của vi mạch MC3476

Hình 2.1a - Sơ đồ nguyên lý của vi mạch MC3476

MC3476 sử dụng hai loại tranzito n-p-n và p-n-p, được chia thành các tầng:

 Mạch nguồn dòng phân cực

 Tầng khuyếch đại vi sai lối vào

 Tầng khuyếch đại trung gian

 Tầng khuếch đại công suất lối ra

 Mạch bảo vệ chập nguồn

Hình 2.1 b - Sơ đồ nguyên lý rút gọn của vi mạch MC3476

Sử dụng sơ đồ nguyên lý để mô phỏng khếch đại thuật toán ICMC3476 được mắc theo mạch khếch đại không đảo với độ khuếch đại bằng 11

in

R

R

10

9 1 ( 



Hình 2.2a - Sơ đồ mạch khếch đại khôngđảo

Hình 2.2b – Dạng sóng khếch đại không đảo

2.2 Phân tích nguyên lý

Hình 2.2 - Sơ đồ nguồn dòng

Từ sơ đồ ta có thể thấy các tranzitor Q11, Q12, Q13, Q14, tạo thành sơ đồ gương dòng điện với dòng được thiết lập từ bên ngoài thông qua chân Iset Dòng

Iset sẽ tạo ra các dòng gương không đổi và bằng nhau I11 = I13 = I14 Cũng dễ dàng nhận thấy rằng các cặp tranzitor Q7- Q8, Q9- Q10 tạo thành các gương dòng tương ứng, với dòng đặt cho Q9- Q10 là I11 được thiết lập bởi Q11 và dòng cho

Q1- Q2 là dòng I9 được thiết lập bởi Q Từ đó suy ra tất cả các dòng phân cực cho mạch IC là bằng nhau và bằng dòng lập trình Iset Bằng cách đặt một điện trở phù hợp giữa chân 8 và nguồnVEE ta có thể dễ dành thiết lập được một dòng phân cực ổn định cho toàn bộ hệ thống mạch trong IC Q7 và Q8 được mắc theo kiểu gương dòng điện mục đích tạo dòng cố định làm tải động cho tầng vi sai

Nguồn dòng lối vào

Nguồn dòng tầng 2

Nguồn dòng lối ra

lối vào, do đó I7 +I8 =I1 Dòng ổn định I17 cũng được sử dụng là tải cho tầng khếch đại trung gian

Hình 2.3 - Sơ đồ tầng khuếch đại lối vào

Đây là tầng khuếch đại vi sai cải tiến, được nuôi bởi dòng không đổi Q1 và Q2 Ta thấy I1=I2( dòng gương), 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

Các cặp transistor Q3-Q5 và Q4-Q6 được đấu theo kiểu khuếch 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 Q3 là Q5, Q7; tải của Q4 là Q6, Q8 Tải của Q5 là Q7; tải của Q6 là Q8

Mặt khác, vì I7=I8 và I7+I8=I1 nên Q7, Q8 cũng là các nguồn dòng Tín hiệu vào ngược pha được đưa vào 2 lối vào của khuếch đại vi sai Lối ra không đối xứng lấy từ Collector của Q7

Các lối vào Offset null đặt vào emitơ của Q7 và Q8 là các lối vào bù tần, đảm bảo sự ổn định của tầng khuếch đại đầu vào

Nguồn dòng Tín hiệu đến tầng 2

2.5 Tầng khuếch đại trung gian

Tầng này bao gồm các tranzitor Q13, Q15, Q16, Q17 Tranzitor Q15 được mắc theo sơ đồ Collector chung làm tầng khuếch đại đệm với độ khuếch đại bằng 1 Q13 và Q17 đóng vai trò nguồn dòng và tải cho Q16 Q16 mắc theo kiểu diot

để dịch mức điện áp xuống

Hình 2.4 - Sơ đồ tầng khuếch đại trung gian

Hình 2.5 - Sơ đồ tầng khuếch đại lối ra

Tầng lối ra là tầng công suất đẩy kéo gồm Q18 và Q20 được phân cực hoạt động trong chế độ AB Q19 mắc theo cấu hình tạo thành các diot dịch mức điện

áp Nguồn dòng Q14 có hai chức năng là: tạo dòng phân cực thuận cho các diot

Q19, đóng vai trò tải collecter của Q20

Q22 kết hợp với R4 bảo vệ ngắn mạch lối ra cho Q21 khi lối ra bị nối tắt xuống đất Một cách tương ứng Q23 và R8 bảo vệ ngắn mạch lối ra cho Q24 khi lối ra bị nối tắt lên nguồn Hãy xét cơ chế hoạt động của các mạch bảo vệ này Xét mạch Q22 và R4 như sau:

Iin = IB21 + IC22

IL = IC21 + IE22 - IB22

VBE22 = IL.R4

Với R4 được chọn đủ nhỏ, ở đây là 50 và RL đủ lớn thì sụt áp trên R4 nhỏ (<0.6V), VBE22 ≤ 0.6V, Q22 cấm, mạch hoạt động bình thường Bây giờ khi tải giảm xuống đủ nhỏ hoặc bị nối tắt xuống đất, dòng IC21 và do đó là dòng IL tăng dần tới sụt áp trên R4 đủ lớn để phân cực mở cho Q22 Dòng tải khi đó sẽ được ghim ở mức: IL = VBE22/ R4, do đó bảo vệ cho Q21

Hình 2.6 - Mạch bảo vệ ngắn mạch

Mạch Q23 và R8 hoạt động tương tự nhưng với trường hợp tải bị chập nguồn VCC Tụ điện C được sử dụng để cho phù hợp đáp ứng tần số của vi mạch

3 Ứng dụng

3.1 Khuếch đại có phản hồi âm

Đối với mạch khuyếch đại đảo thì tín hiệu khuyếch đại sẽ được cung cấp

U ra = -U vào* R F /R I

Hệ số khuyếch đại của mạch này phụ thuộc vào tỷ số giữa RF và RI, và theo mạch này thì có hệ số khuyếch đại là 10 lần

Hình 3.1a - Sơ đồ khuếch đại có phản hồi âm

Kết quả mô phỏng ta được:

Hình 3.1b - Dạng sóng của mạch khuyếch đại đảo

3.2 Mạch dao động cầu Wien

Mạch dao động cầu Wien: dùng mạch cầu Wien kết hợp với MC3476 tạo thành mạch dao động hình sin Trong sơ đồ có hai mạch phản hồi:

- Mạch phản hồi âm nhờ hai điốt , hai điện trở 12k, và biến trở 50k

- Mạch phản hồi dương gồm một cụm RC song song, một cụm RC nối tiếp (cầu Wien)

Hình 3.2a - Sơ đồ mạch cầu Wien

Ở sơ đồ trên ta dùng kết hợp mạch phản hồi âm và phản hồi dương như sau: Tại tần số dao động mạch cầu Wien có hệ số truyền đạt max và độ lệch pha bằng 0, do đó kết hợp với bộ khuếch đại thuận để tạo hồi tiếp dương làm nhiệm vụ tạo dao động Hai điện trở 12k và 50k 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















 với =

RC



1

, khi =

RC

1 thì K=Kmax=1/3

Tần số phát của hệ được xác định theo:f0=1/(2**RC)

Trong sơ đồ trên có hai điốt 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 Khi ấy, ta sẽ có ở lối ra tín hiệu hình sin có tần số 1kHz:

Hình 3.2b - Dạng sóng của mạch dao động cầu Wien

3.3 Mạch phát xung vuông, tam giác, xung sin

Hình 3.3a - Mạch phát xung vuông, tam giác, xung sin

nạp cho tụ Do vậy khi V+ > V- thì mạch giữ nguyên trạng thái Ura = Ura_max cho đến khi V+ < V- mạch lật trạng thái: Ura = Ura_min, kéo V+ xuống thấp vì V+ < V

-nên mạch giữ nguyên trạng thái Tụ phóng điện dần cho tới khi V+ > V- lối ra lại ở mức cao Quá trình lặp lại tiếp tục cho ta xung vuông như hình vẽ

Cụm thứ hai: máy phát xung tam giác, thực chất là bộ tích phân

Cụm thứ ba: máy phát hình sin, thực chất là bộ tích phân và bộ khuếch đại

có phản hồi âm

Với cách chọn như trên sơ đồ cho ta các xung vuông, tam giác và hình sin

có tần số khoảng 1kHz:

Hình 3.3b - Dạng xung mạch dao động

3.4 Mạch 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 < 100KHz người ta hay dùng bộ lọc khuếch đại thuật toán và mạch RC gọi là mạch lọc tích cực

Hình 3.3a - Mạch lọc thông thấp 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

Ta chọn trường hợp đơn giản: R1 = R2 = R = 100 k, C1= C2 = C = 0.001F, lúc đó hàm truyền đạt là:









R C P R C P

K

g g

, 2

1

1

2 2 2 2



Tần số cắt

2 3

2

1

C R

f c



 (Hz) ta sẽ 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:

Hình 3.3b - Đáp ứng tần số của mạch lọc

3.5 Bộ phát hiện đỉnh

Hình 3.4a - Mạch phát hiện đỉnh

Mạch thực hiện chức năng lưu lại giá trị cực đại của tín hiệu lối vào Khi

V1>Vc1 thì điốt thông và dòng được nạp cho tụ C1 đến khi Uc1V1 Nếu sau đó

V1 giảm thì D1 ngắt, tụ C1 phóng điện qua điện trở ngược của điốt cũng như qua MC3476 Vì điện trở ngược điốt lớn và MC3476 là mạch lặp điện áp đóng vai trò tầng đệm (trở kháng lớn) nên điện áp trên tụ giữ nguyên giá trị đỉnh Điện áp đỉnh được cất giữ ở C1 Bộ khuếch đại lặp có trở kháng lối vào rất lớn Điốt D1 ngăn cản những tác động trở lại của C1 với nguồn tín hiệu

Kết quả mô phỏng của bộ phát hiện đỉnh:

Tài liệu tham khảo

[1] Motorola , MC3476 datasheet

[2] Klaus Beuth, Wolfgang Schmusch, Mạch điện tử

[3] Đỗ Xuân Thụ, Kỹ thuật điện tử, nhà xuất bản giáo dục 1999