kỹ thuật mạch điện tử - mạch nhân analog

Lời nói đầu Lời nói đầu Mạch nhân Analog là một loại mạch thông dụng được sử dụng rộng rãi trong việc điều chế tín hiệu. Vì vậy có rất nhiều loại mạch nhân được sử dụng trong thực tế. Tuy nhiên do kiến thức của sinh viên còn hạn hẹp cho nên đề tài này chỉ đề cập đến một số mạch nhân cơ bản và đơn giản. Đây là bộ môn thiết kế môn học được thực hiện trong một thời gian ngắn với sự giúp đỡ tận tình của qúy thầy cô khoa điện tử-viễn thông đại học bách khoa Hà Nội và các thầy cô trong khoa kỹ thuật và công nghệ đại học Quy Nhơn . Do những điều kiện còn hạn chế bài thiết kế hoàn thành nhưng còn nhiều sai sót. Kính mong các thầy cô bỏ qua và chỉ bảo để chúng em rút kinh nghiệm cho những lần sau . Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Viết Nguyê các bạn sinh viên trong lớp đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này. Đề tài được chia làm 3 chương Chương1: Tìm hiểu chung về điều chế tín hiệu Chương2: Các phương án thực hiện mạch nhân Chương3: Tìm hiểu về IC AD534 và ứng dụng trong mạch nhân. Quy Nhơn tháng 03/2009 Nhóm sinh viên thực hiện Chương 1: Tìm hiểu chung về điều chế 1.Khái niêm về điều chế: Thơng qua qu trình điều chế, tin tức ở miền tần số thấp được chuyển sang miền tần số cao để truyền đi xa. Điều chế là quá trình ghi tin tức vo một dao động cao tần nhờ biến đổi một thông số nào đó( ví dụ: biên độ, tần số, pha, độ rộng xung,…) của dao đông cao tần theo tin tức. Trong trường hợp này tin tức gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần được gọi là tải tin, cịn dao động cao tần mang tin tức được gọi là dao động cao tần đ điều chế. Đối với tải tin điều hịa, người ta phân biệt hai loại điều chế: điều biên và điều chế góc, trong đó điều chế góc bao gồm điều tần và điều pha. Tham gia vo qu trình điều chế gồm có: Hm tin tức: m(t) Hm tải tin : f(t) + Khi m(t) la tín hiệu tương tự thì ta cĩ loại điều chế tương tự (Analog ) + Khi m(t) l tín hiệu số thì ta cĩ loại điều chế số. Ví dụ: Điều chế tương tự: m(t) = cos Ωt f(t) = U 0 cos ( Ω 0 t + ϕ 0 ) (Ω 0 >> Ω ) 2. Điều chế tương tự (Analog ): - Khi m(t) tác động vào biên độ của tải tin U 0 , ta cĩ: U(t) = U 0 + ∆U.m(t) = U 0 [ 1+ ( 0 U U∆ ).m(t) ] f(t) = U 0 [ 1 + δ u .m(t) ] cos(ω 0 t + ϕ 0 ) Có sự tác động của tín hiệu điều biên δ u = 0 U U∆ : độ sâu điều biến ∆U : độ lệch max - Khi m(t) tác động vào ω 0 (tần số của tải tin ): ω(t) = ω 0 + ∆ω.m(t) = ω 0 [ 1 + δ ω .m(t) ] f(t) = U 0 cos{ω 0 [1 + δ ω .m(t)] t + ϕ 0 } Có sự tác động của tín hiệu điều tần δ ϕ = 0 ω ω ∆ (%) : hệ số điều tần - Khi m(t) tác động tới ϕ 0 : ϕ(t) = ϕ 0 [ 1 + δ ϕ .m(t) ] f(t) = U 0 cos{ω 0 t + ϕ 0 [ 1 + δ ϕ .m(t) ]} Có sự tác động của tín hiệu điều pha δ ϕ = 0 ϕ ϕ ∆ (%) : hệ số điều pha 3. Tín hiệu điều biên : U AM (t) = U 0 [1 + δ u cos Ωt ] cosω 0 t (ϕ 0 = 0 ) - Tính chất thời gian : Hình 1: tính chất thời gian của tín hiệu điều biên Hình 1.a: tin hiệu tin tức m(t), cĩ tần số Ω Hình 1.b: tín hiệu tải tin U 0 , cĩ tần số ω 0 Hinh 1.c: tín hiệu điều biên U AM (t) cĩ tần số Ω Tín hiệu điều biên biến đổi theo quy luật của tin tức. - Tính chất tần số U AM (t) = U 0 [1 + δ u cos Ωt ] cosω 0 t (ϕ 0 = 0 ) t t t m(t) U AM (t ) 0 0 U 0 0 = U 0 cosω 0 t + δ u U 0 cosω 0 t cos Ωt U AM (t) = U 0 cosω 0 t + 2 1 δ u U 0 [ cos(ω 0 + Ω)t + cos(ω 0 - Ω)t] Phổ tần số của tin tức được dịch chuyển lên vùng cao tần và phân bố đối xứng quanh tần số tải tin. 4. Thực hiện. U AM = u 1 .u 2 Với: Tải tin : u 1 = U 0 cos ω 0 t Tin tức : u 2 = 1 + δ u cos Ωt Ta có những cách để thực hiện yêu cầu trên như sau: a.Dng bộ nhn analog : Dng bơ nhn ny thì việc thực hiện sẽ đơn giản. Cĩ thể thực hiện bằng IC nhn ( IC 5042 ): ω t ω ω 0 ω 0 Ω ω 0 - Ω ω 0 + Ω Trước điều chế Tín hiệu sau điều biên u 1 u 2 Tải tin Tin tức U AM nhn b. Dùng phần tử có đặc tuyến i = f( u ). Ta có thể dùng phương pháp điều biên ,thực hiện lọc lấy thành phần ku 1 u 2 (với k l hệ số). u 1 u 2 U AM +12V Tải tin Tin tức IC nhn 5042 4 5 2 1 6 8 3 7 10 9 C C u 1 u 2 U 2 ’ T 1 T 2 C C C ku 1 u 2 Tin tức Trên đây là môt vài dạng áp dụng của tín hiệu điều biên thực hiện việc nhân tín hiệu tương tự. Tuy nhiên cách đơn giản và mang lại hiệu quả tốt nhất là sử dụng IC nhân. Chương2: các phương án thực hiện mạch nhân Mạch nhân analog là mạch điện có đáp ứng ở ngõ ra tỉ lệ với kích thích ở hai ngõ vào Khi k là một hằng số có thứ nguyên là nghịch đảo của điện áp . Ta thường mong muốn hai ngõ vào có điện áp cùng âm hoặc cùng dương khi đó điện áp ra sẽ cùng dấu với lối vào. Tuy nhiên hầu như toàn bộ các công việcchỉ được thực hiện khi cả hai ngõ vào đều dương. Đó không phải là một điều hạn chế của mạch nhân Analog vì ta có thể thay đổi các tín hiệu vào để có được hai ngõ vào cùng dương cho mạch Analog hoạt động mà tín hiệu giao tiếp với bên ngoài vẫn có thể làm việc với bất kỳ loại điện áp nào.(Với điều kiện điện áp đó nằm trong khoảng giới hạn của mạch điện). Ta sẽ có hai khả năng làm việc của mạch điện. Trong cả hai trường hợp ta đều sử dụng bộ khuếch đại thuật toán. Nhưng ở mạch thứ nhất ta sử dụng diode để có được các mối liên hệ cần thiết, còn ở mạch thứ hai ta sẽ sử dụng MOSFET để thiết lập các mối liên hệ cần thiết. 1, Hoạt động của mạch sử dụng diode Như chúng ta đã biết, khi sử dụng khuếch đại thuật toán và diode ta có thể dễ dàng thực hiện được các hàm logarit và hàm Exp từ những ngõ vào xác định. Công thức của hàm logarit Ta có thể nhân hai tín hiệu lại với nhau bằng cách tính logarit của từng tín hiệu, sau đó cộng chúng lại với nhau và cuối cùng ta dùng hàm Exp để có được tín hiệu ra là tích của hai tín hiệu vào. Từ quan điểm của toán học, công việc này chỉ có thể được thực hiện khi cả hai tín hiệu là dương. Bởi vì không tồn tại logarit của một số âm (trong lĩnh vực thực tế). Chúng ta sẽ thấy rằng sự giới hạn này trong mạch điện thực tế, thậm chí là nguyên nhân của còn có tính chất vật lý hơn. Ta có sơ đồ khối thực hiện của mạch Nếu ta chỉ chắp nối đơn thuần để tạo ra hàm logarit, cộng và hàm Exp thì ta sẽ có sơ đồ sau: Để tính toán mạch điện một cách đơn giản ta sẽ giả sử tất cả các điện trở R có cùng một giá trị độ lớn. Chắc chắn là khi ta sử dụng những giá trị khác nhau của điện trở R sẽ thu được những kết qủa khác nhau , nhưng tạm thời ta sẽ không quan tâm đến điều đó. Chúng ta sẽ sử dụng công thức sau cho sự liên hệ giữa dòng điện và điện áp trên một diode : Với là điện áp ngưỡng và là dòng điện ngược qua diode. Nếu ta phân tích mạch điện mà không đưa thêm vào phép toán xấp xỉ ta có công thức sau: Vì vậy ở ngõ ra ta thu được kết qủa sau : Công thức đã được chứng minh, ở ngõ ra ta có được sự khuếch đại mà ta tìm kiếm , Nhưng trong công thức trên còn có những thông số mà ta không mong muốn . Nó không chỉ đơn giản được xem như một lỗi sai bởi vì nó cũng tương đương với thành phần nhân lên, vì vậy nó cần phải được làm mất đi. Đây là một công việc dễ dàng, ta chỉ cần thêm vào lối ra một tầng khuếch đại nữa để cộng một cách chính xác v 1 + v 2 , như vậy chúng ta đã làm mất đi được lỗi sai trong công thức của điện áp đầu ra . Mach điện hoàn chỉnh của mạch nhân như sau: Với điện áp ra được xácđịnh bởi công thức sau; Đây là công thức mà chúng ta thực sự mong muốn. Mạch điện hoạt động khi mà quan hệ sau đây được xác định : v 1 ,v 2 > − RI s Vì thế điện áp vào có thể bằng 0 vôn hoặc hơi âm một chút. Từ RI s sẽ là giá trị điện áp nhỏ nhất. Chúng ta được phép viết lại mối quan hệ một cách đơn giản . Xuất phát từ quan điểm toán học bởi vì ta không thể tính toán được logarit của một số âm, về mặt vật lý thì sự giới hạn này là do chúng ta chỉ có thể đạt được dòng điện ngược rất nhỏ xung quanh 0 vôn khi diode phân cực ngược 2. Thực hiện mạch điện sử dụng MOSFET Vì MOSFET là linh kiện có thể được sử dụng để điều khiển điện trở bằng điện áp nên ta dùng đặc điểm này để chế tạo một mạch nhân Analog . Ta có sơ đồ nhuên lý của MÒET như sau Với G : cực cửa , D : cực máng S : cực nguồn MOS la một linh kiện đối xứng , vì vậy ta có thể đổi chỗ cực máng và cực nguồn với nhau mà không làm ảnh hưởng đến hoạt động của linh kiện. Tuy nhiên ta coi cực nguồn là cực có điện áp thấp nhất và cực máng là cực có điện áp cao nhất . Khi điện áp giữa cực cửa và cực nguồn nhỏ hơn điện áp giữa cực máng và cực nguồn V GS < V DS quan hệ giữa dòng điện và điện áp như sau: Giả sử ta luôn luôn có thể sử dụng được công thức này, sơ đồ của mạch nhân Analog được thực hiện như sau : Khi cực nguồn và cực máng của cả hai MOS được chỉ ra nếu V 2 và V ref là dương. Khi đó cực nguồn sẽ được giữ lại ở đó bởi vì điểm đó được nối tới đất ảo qua bộ khuếch đại thuật toán. Dòng điện qua R1 được xác định: một đầu của điện trở có điện thế là V 1 , đầu kia được nối đất. Dòng điện tương tự sẽ đi qua MOS M 1 . Vì vậy xác định được điện thế V G . Dòng điện đó được cho bởi công thức: Mặt khác ta có V GS1 = V G và V DS1 = V ref thay vào ta có: Tương tự với MOS M 2 ta có: Với V GS2 = V G và V DS2 = v 2 thay vào ta có 3, So sánh ưu nhược điểm giữa hai phương pháp Mach dùng MOS đơn giản và dùng ít linh kiện hơn. Nhưng khi tính toán ta cần phải lấy xấp xỉ vì vậy sẽ cho kết qủa không chính xác Mạch dùng diode ta cần dùng nhiều linh kiện hơn > NHưng nó có ưu điểm hơn so với mạch dùng MOS vì khi tính toán ta không cần lấy xấp xỉ do đố nó sẽ cho kết qủa chính xác hơn. Mặt khác mạch nhân dùng diode có thể hoạt động tốt trong một dải rộng của tín hiệu vào. Hai mạch trên vẫn chưa đáp ứng được các chỉ tiêu đề ra vì vậy ta cần một mạch cải tiện hơn để có thể đạt được những thông số mong muốn Ta có mạch nhân Analog cải tiến sử dụng khuếch đại vi sai 4. Mạch nhân cải tiến sử dụng hỗ dẫn Transitor [...]... chế của mạch nhân Analog vì ta có thể thay đổi các tín hiệu vào để có được hai ngõ vào cùng dương cho mạch Analog hoạt động mà tín hiệu giao tiếp với bên ngoài vẫn có thể làm việc với bất kỳ loại điện áp nào.(Với điều kiện điện áp đó nằm trong khoảng giới hạn của mạch điện) Ta sẽ có hai khả năng làm việc của mạch điện Trong cả hai trường hợp ta đều sử dụng bộ khuếch đại thuật toán Nhưng ở mạch thứ... biên thực hiện việc nhân tín hiệu tương tự Tuy nhiên cách đơn giản và mang lại hiệu quả tốt nhất là sử dụng IC nhân Chương2: các phương án thực hiện mạch nhân Mạch nhân analog là mạch điện có đáp ứng ở ngõ ra tỉ lệ với kích thích ở hai ngõ vào Khi k là một hằng số có thứ nguyên là nghịch đảo của điện áp Ta thường mong muốn hai ngõ vào có điện áp cùng âm hoặc cùng dương khi đó điện áp ra sẽ cùng dấu... mạch cải tiện hơn để có thể đạt được những thông số mong muốn Ta có mạch nhân Analog cải tiến sử dụng khuếch đại vi sai 4 Mạch nhân cải tiến sử dụng hỗ dẫn Transitor Sơ đồ nguyên lý mạch nhân cải tiến sử dụng hỗ dẫn transitor URA = UX UY UREF Để thuận cho việc phân tích mạch ta sẽ phân chia mạch thành 2 phần để tính toán Ta có sơ đồ của mạch phía dưới như sau: ... này Giả sử điện áp cung cấp là ±15 uy nhiên để thỏa mãn thì ta nên đặt vào điện áp là ±8V từ đó tất cả các ngõ vào đạt dược một điện áp vào đỉnh không đổi bằng ±1.25 SF Một số phản hồi giảm đi là cần thiết để đạt được điện áp ra dao động vượt qua ±12V khi sử dụng nguồn điện áp cung cấp lớn hơn 4 Sử dụng IC AD534 để tạo mạch nhân Sơ đồ dưới đây là sơ đồ kết nối cơ bản để tạo ra một mạch nhân Trong... thành phần nhân lên, vì vậy nó cần phải được làm mất đi Đây là một công việc dễ dàng, ta chỉ cần thêm vào lối ra một tầng khuếch đại nữa để cộng một cách chính xác v1 + v2 , như vậy chúng ta đã làm mất đi được lỗi sai trong công thức của điện áp đầu ra Mach điện hoàn chỉnh của mạch nhân như sau: Với điện áp ra được xácđịnh bởi công thức sau; Đây là công thức mà chúng ta thực sự mong muốn Mạch điện hoạt... giới hạn này trong mạch điện thực tế, thậm chí là nguyên nhân của còn có tính chất vật lý hơn Ta có sơ đồ khối thực hiện của mạch Nếu ta chỉ chắp nối đơn thuần để tạo ra hàm logarit, cộng và hàm Exp thì ta sẽ có sơ đồ sau: Để tính toán mạch điện một cách đơn giản ta sẽ giả sử tất cả các điện trở R có cùng một giá trị độ lớn Chắc chắn là khi ta sử dụng những giá trị khác nhau của điện trở R sẽ thu được... 5.8 Chức năng cầu chỉnh lưu tuyến tính 5.9 Chuyển đổi điện áp thành tần số từ tín hiệu vào chênh lệch 5.10 Chuyển đổi RMS-DC, băng thông rộng ,chỉ số đỉnh cao Đây là bộ môn thiết kế môn học được thực hiện trong một thời gian ngắn với sự giúp đỡ tận tình của qúy thầy cô khoa điện t - viễn thông đại học bách khoa Hà Nội và các thầy cô trong khoa kỹ thuật và công nghệ đại học Quy Nhơn Do những điều kiện... của điện áp 10 kW , mang lại một hệ số khuếch đại la -9 Những giá trị khác của tỷ lệ hồi tiếp lên tới X100 có thể được sử dụng để kết nối bộ nhân với khuếch đại Đôi khi ta mong muốn chuyển đổi tín hiệu ở ngõ ra thành dòng điện, trong một tải ta không xác định được điện kháng hay là mức một chiều Ví dụ chức năng của bộ nhân đôi khi được đi theo sự tích hợp, nếu tín hiệu ra là một dạng của dòng điện, ... điều khiển điện trở bằng điện áp nên ta dùng đặc điểm này để chế tạo một mạch nhân Analog Ta có sơ đồ nhuên lý của MÒET như sau Với G : cực cửa , D : cực máng S : cực nguồn MOS la một linh kiện đối xứng , vì vậy ta có thể đổi chỗ cực máng và cực nguồn với nhau mà không làm ảnh hưởng đến hoạt động của linh kiện Tuy nhiên ta coi cực nguồn là cực có điện áp thấp nhất và cực máng là cực có điện áp cao... Tuy nhiên ta coi cực nguồn là cực có điện áp thấp nhất và cực máng là cực có điện áp cao nhất Khi điện áp giữa cực cửa và cực nguồn nhỏ hơn điện áp giữa cực máng và cực nguồn VGS < VDS quan hệ giữa dòng điện và điện áp như sau: Giả sử ta luôn luôn có thể sử dụng được công thức này, sơ đồ của mạch nhân Analog được thực hiện như sau : Khi cực nguồn và cực máng của cả hai MOS được chỉ ra nếu V2 và Vref . thực hiện việc nhân tín hiệu tương tự. Tuy nhiên cách đơn giản và mang lại hiệu quả tốt nhất là sử dụng IC nhân. Chương2: các phương án thực hiện mạch nhân Mạch nhân analog là mạch điện có đáp. loại điện áp nào.(Với điều kiện điện áp đó nằm trong khoảng giới hạn của mạch điện) . Ta sẽ có hai khả năng làm việc của mạch điện. Trong cả hai trường hợp ta đều sử dụng bộ khuếch đại thuật. công thức của điện áp đầu ra . Mach điện hoàn chỉnh của mạch nhân như sau: Với điện áp ra được xácđịnh bởi công thức sau; Đây là công thức mà chúng ta thực sự mong muốn. Mạch điện hoạt động