đồ án kỹ thuật điện điện tử Thiết kế mạch biến đổi sóng sin có biên độ 6V thành xung vuông có biên độ -13V Um +13V

2.Bộ khuếch đại thuật toán Bộ khuếch đại hiện đại là bộ khuếch đại ghép trực tiếp , IC hệ số khuếch đại cao có khả năng một số lớn các chức năng khuếch đại và xử lí tín hiệu tuyến tính

I Nhiệm vụ thiết kế

Thiết kế mạch biến đổi sóng sin có biên độ 6V thành xung vuông

có biên độ -13V < Um < +13V trong hai trường hợp

- Cực trị xung vuông dịch pha với cực trị sóng sin 6

- Cực trị xung vuông trùng với cực trị sóng sin

II Lý thuyết chung

1.Mở đầu

IC tuyến tính đơn quan trọng nhất là bộ khuếch đại thuật toán – op-amp Có thể có op-op-amp như môđun mạch rẻ tiền và chúng ta có thể thực hiện được rất nhiều chức năng xử lí tuyến tính và phi tuyến Cả phân tích và thiết kế nhiều mạch op-amp đều đơn giản tới mức kinh ngạc nếu ta có thể coi những mạch đó là lí tưởng

Ở đây ta sẽ nhấn mạnh cách tiếp cận lí tưởng hoá đó Đó là tập trung vào hoạt động và áp dụng sau đó của op-amp

2.Bộ khuếch đại thuật toán

Bộ khuếch đại hiện đại là bộ khuếch đại ghép trực tiếp , IC hệ số khuếch đại cao có khả năng một số lớn các chức năng khuếch đại

và xử lí tín hiệu tuyến tính và phi tuyến

Phần lớn chức năng xử lí tín hiệu tương tự công suất thấp và dải tần dưới 1Mhz đều có thể dễ dàng thực hiện bởi op-amp Vẫn phải cần những thành phần rời rạc ở tần số cao và mức công suất cao Tuy nhiên , hiện nay có thể có những op-amp có dải tần vượt quá

50 MHz và mức công suất trên 50W

Một số op-amp rẻ các áp dụng thường hạn chế ở một vài khz , nhưng các op-amp giá vừa phải tính năng cao thường mở rộng dải tới trên một 1Mhz

Sơ đồ thực tế của op-amp là phức tạp Nhưng không nhất thiết phải hiểu hết những gì xảy ra trong IC mà vẫn có thể sử dụng và thiết kế chúng một cách chuẩn xác Ta vẫn biết sử dụng và tiên đoán chức năng của chúng ở các ứng dụng khác nhau của mạch từ các dữ liệu định

2.1 Cách nối nguồn nuôi

Phần lớn các op-amp đều được cung cấp năng lượng từ các nguồn kép có cực tính ngược nhau Các trị số thông thường cho op-amp hiện đại là +15V và – 15V Tuy nhiên một số op-amp sử dụng điện áp thấp hơn hoặc cao hơn

Cách mắc nguồn cho op-amp theo hình sau

Đầu vào nguồn dương

Đầu vào nguồn âm

Hình 1 Cách nối nguồn kép

Đầu dương nối với điện áp đầu dương , đầu âm nối với điện áp đầu

âm của nguồn Những đầu nối đó được kí hiệu tương ứng là V+ và V- ở sơ đồ nối chân

Điểm nối đất chung thường không mắc với bản thân op-amp Đúng hơn , điểm giữa các nguồn nuôi trở thành điểm nối đất chuẩn

và tất cả các tín hiệu vào op-amp đều có nối đất chung với điểm này Hơn nữa , tất cả các đầu ra đều mắc giữa đầu nối tín hiệu ra của op-amp và điểm nối đất chung đó

Để đơn giản hoá sơ đồ mạch chi tiết chúng ta sẽ bỏ qua các cách mắc nguồn nuôi thường Sự có mặt của chúng được ngầm hiểu Mặc dù có rất nhiều loại khác nhau , xong ở bài thiết kế này ta chỉ

sử dụng một loại op-amp , đó là loại 741 Đây là một op-amp chuẩn được dùng rộng rãi , có giá bán rẻ , ổn định và có bảo vệ ngắn mạch bên trong

2.2 Sơ qua về 741

Có nhiều loại 741 được sản xuất , hãng Fairchild dùng kí hiệu 

741 và các biến thể khác nhau được kí hiệu bởi 1 hay nhiều chữ cái tiếp sau con số Sơ đồ chân cho các đầu nối ra khác nhau của loại

vỏ flatpack 10 chân là khác so với những loại vỏ khác

Các chỉ tiêu danh định cực đại tuyệt đối của 741 như sau : Điện áp nuôi cực đại đối với 741A, 741 và 741B được cho là 

22V , và 741C có trị số tương ứng là 18V Công suất tiêu tán danh định phụ thuộc loại vỏ và trong khoảng 310 mW tới 570

mW Chú ý rằng khi nhiệt độ môi trường vượt quá 700 C thì cần giảm bớt các chỉ số danh định cực đại đó

Điện áp vi sai danh định cực đại 30V biểu thị hiệu điện áp cực đại ở hai đầu nối vào Như đã nói , trị số thông dụng nhất của điện áp nuôi là 15V Tuy nhiên thực tế có thể nuôi 741 bằng điện áp thấp hơn nhiều nếu chấp nhận một sự suy giảm nào đó của tính năng Ta thấy các đường cong của bản dữ liệu 741 có tên “Hệ

số khuếch đại điện áp vòng hở phụ thuộc vào điện áp nuôi” Các đường cong mở rộng xuống 2V , ngụ ý 741 sẽ vẫn làm việc ở dải điện áp thấp đó nhưng dải động của tín hiệu sẽ được giới hạn chặt chẽ Trị số vào danh định cực đại tuyệt đối của điện áp vào phải giảm tới các mức điện áp nuôi

2.3 Điện áp bão hoà

Ta sẽ xem xét khái niệm dải động , và giả thiết rằng điện áp

nguồn nuôi 15V Đối với mạch op-amp thuần trở , tín hiệu ở đầu ra không bao giờ vượt quá khoảng -15V -> +15V Thực ra nó không thể vượt qua ngưỡng đó Khi hệ mạch trong tiến tới mức nguồn nuôi cực trị thì những sự sụt áp do Transistor bão hoà và lớp chuyển tiếp xuất hiện giữa điện áp nguồn nuôi và đầu nối tín hiệu điện áp ra Một khi đạt được các giá trị tới hạn thì đầu ra thiết lập giá trị bão hoà cho tới khi đầu vào điều khiển đầu ra theo chiều ngược lại Trong trường hợp tổng quát thì giá trị bão hoà âm và dương là khác nhau nhưng với cách mắc nguồn nuôi đối xứng thì

giá trị của chúng gần xấp xỉ nhau Ta kí hiệu chúng là Vsat Nói chung độ lớn điện áp bão hoà nhỏ hơn thấp hơn mức điện áp

nguồn nuôi DC khoảng 2V Với điện áp nuôi là 15V thì điện áp

ra đỉnh-đỉnh là khoảng 26V với cả hai đường cong Trị số này cho biết rằng Vsat = 13V Đối với hoạt động tuyến tính thì điều quan trọng là không được để cho tín hiệu đầu ra đạt được bão hoà , nếu không tín hiệu sẽ bị méo

2.4 Kí hiệu op-amp và mô hình mạch

Kí hiệu đơn giản op-amp chỉ biểu thị các đầu nối tín hiệu như hình 2-3a Như đã nói các cách mắc nguồn nuôi là quan trọng xong thường được bỏ qua trong mô hình mạch Nhóm đầu nối ra không

vẽ là các đầu nối offset null ( bù điểm không ) Các đầu nối ra lệch

0 được để hở trong nhiều áp dụng không quan trọng

Mô hình mạch op-amp lí tưởng như hình 2-3b

Hình 2.a Kí hiệu của op-amp

2.b Mô hình hoạt động của op-amp lí tưởng

2.5 Đầu nối tín hiệu và điện áp

Ta thấy có hai đầu nối tín hiệu vào và một đầu nối tín hiệu ra Hai đầu nối bên trái và hai đầu nối bên phải Hai đầu nối vào kí hiệu tương ứng là đầu vào đảo (kí hiệu là -)và đầu vào không đảo (kí hiệu là +) Tuy nhiên các kí hiệu đó không có gì chung cực tính của các điện áp ở các đầu nối , vì điện áp của các tín hiệu so ở trong các đầu nối có thể là dương hay âm so với đất Đúng hơn các kí hiệu đó liên quan tới cực tính của hệ số khuếch đại điện áp

3 Bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng

Để sử dụng và thiết kế các op-amp cần phải có những giả thiết lí tưởng Các giả thiết đó có mặt hạn chế của chúng nhưng lại rất hữu ích khi giải các bài toán về thiết kế Như vậy , cần làm cho op-amp đem dùng cho các áp dụng riêng càng gần op-amp lí tưởng càng tốt

Trước hết cần giả thiết mọi mạch phân tích theo phương pháp này

đều hoạt động như mạch ổn định tuyến tính

Người ta kí hiệu điện áp đầu vào đảo là v_ và v+ và cả hai được so với đất Việc sử dụng chữ thường cho phần lớn các tín hiệu tức thời và chữ hoa cho điện áp nguồn nuôi Mỗi điện áp đều có thể dương hay âm so với đất Điện áp ra được kí hiệu là vo Trong phần lớn các sơ đồ mạch , cổng vào đảo được vẽ phía trên

3.1 Điện áp vào vi sai

Hiệu điện áp ở các đầu vào đảo và không đảo được định nghĩa là điện áp vi sai , và được kí hiệu là vd , như vậy :

vd = v+ - v- (2.1)

Tác động phức tạp của op-amp dẫn tới sự khuếch đại của điện áp

vi sai lên A lần Nguồn điện áp điều khiển bằng điện áp với trị số

Avd = A(v+ - v-) Khi đó điện áp ra so với đất là

vo = Avd = A(v+ - v-) (2.2)

Sau này A sẽ được định nghĩa lại như hệ số khuếch đại điện áp vi sai vòng hở và kí hiệu là Ad

3.2 Giả thiết lí tưởng

Các giả thiết với mô hình lí tưởng đó là như sau :

1 Trở kháng vào của op-amp nhìn từ hai đầu nối vào là vô hạn như chỉ ra ở hình 2 bởi mạch hở ở hai đầu vào

2 Trở kháng ra của op-amp nhìn từ đầu ra so với đất là 0 Điều kiện này chỉ ra ở hình 2-b ; chú ý điện trở Thevenin xuất hiện nối tiếp với nguồn điện áp phụ thuộc

3 Hệ số khuếch đại vòng mở A tiến gần tới trị số vô hạn trong trường hợp lí tưởng Trường hợp tới hạn A > ∞ được chỉ ra phía dưới nguồn phụ thuộc 2-b ; vì bất tiện khi chỉ ra như thế trên sơ đồ mạch

3.3 Hệ quả

1.Trở kháng vào vô hạn , suy ra không có dòng nào chạy vào hoặc chạy ra khỏi đầu nối vào nào của op-amp Như vậy khi mắc một

số mạch rẽ vào một đầu nối vào của op-amp thì có thể áp dụng định luật dòng Kirchoff cho nút có liên quan

2.Giả thiết trở kháng ra bằng không suy ra rằng điện áp v0 ở đầu nối ra không được thay đổi khi tải thay đổi Khi đó op-amp lí tưởng tạo ra cùng điện áp không phụ thuộc vào dòng rút ra tải 3.Hệ quả của giả thiết thứ ba là quan trọng nhất và được thấy rõ nhất bằng cách trước nhất giải tìm vd ở (2.2 ) ; ta có :

vd = v+- v- = A

vo

Bây giờ hãy xét giả thiết tổng quát rằng mạch cần quan tâm hoạt động ở chế độ tuyến tính ổn định Như vậy , vo phải là điện áp hữu hạn , mà đối với phần lớn các op-amp tín hiệu nhỏ nó có thể dưới 13V hoặc gần như vậy Khi A  trong 2.3 :

lim vd = lim vo A (khi A ) = 0 ;

Trong đó v0 là hữu hạn Kết quả cho thấy điện áp vi sai tiến tới 0 Kết quả tương là :

v+- v-= 0 hoặc v+ = v-

Nó cho thấy rằng điện áp ở hai đầu nối vào bị buộc phải bằng

nhau ở giới hạn Chú ý rằng mặc dù giả thiết điện áp ở hai đầu nối

vào của op-amp là giống nhau , song các đầu nối không được nối với nhau trong một mạch Như đã nói ở mục trước , cần phải có

hiệu thế nhỏ cho mạch hoạt động đúng và tình huống đó không thể xảy ra nếu các đầu được nối với nhau

II Thiết kế mạch biến đổi sóng sin thành sóng vuông

Yêu cầu : Sóng sin có biên độ 6V , xung vuông ra có biên độ

-13V<Um<+13V ; trong hai trường hợp sau :

a Cực trị xung vuông dịch pha với cực trị sóng sin 6

b Cực trị xung vuông trùng với cực trị của sóng sin

1 Nguyên tắc thiết kế

- Để biến sóng sin thành xung vuông tốt nhất ta dùng bộ so Bộ so hoạt động trên nguyên tắc khi đầu vào biến đổi qua một điện áp ngưỡng nào đó ( VT ) , thì đầu ra sẽ chuyển đổi trạng thái ( Mỗi trạng thái chỉ có một giá trị điện áp )

- Để điều khiển việc dịch pha của xung vuông ra so với sóng sin vào thì ta có một số phương án sau

2 Các phương án thiết kế

Phương án 1

Dùng bộ so thông thường ( không có hồi tiếp ) để tạo ra sóng vuông , tín hiệu sau đó đi qua bộ dịch pha Ở đây độ dịch pha của tín hiệu ra so với tín hiệu vào là có thể điều khiển được Mạch dịch pha có thể làm cho tín hiệu ra sớm pha hay chậm pha so với tín hiệu vào

Phương án 2

Dùng bộ so có hồi tiếp dương , tức là mạch trigơ Schmitt để làm sai pha tín hiệu so với tín hiệu vào một góc  nào đó Có thể lựa chọn mạch trigơ Schmitt đảo hay không đảo

Mạch Schmitt ở đây cũng có nhiều cách thực hiện ; Có thể tạo

ra chúng bằng Transistor , bằng các phần tử CMOS hay dùng

khuếch đại thuật toán (op-amp)

3 Lựa chọn phương án thiết kế

Ta chọn phương án 2 cho thiết kế ; lí do là thực hiện mạch Trigơ Schmitt bằng op-amp khá phổ biến cho độ ổn định cao ; mặt khác mạch này cũng khá đơn giản và dễ sửa chữa

a.Bộ so

Sơ đồ nguyên lý

Điện áp ngưỡng vào đầu đảo có thể khác 0 ; và chúng được cấp nhờ các điện trở phân áp

Đặc tuyến vào ra của mạch sẽ có dạng sau :

Tuy nhiên trên thực tế thì đặc tuyến vào ra có dạng như đường đứt nét Với một sóng sin ở đầu vào thì đầu ra của bộ so này có xung vuông như hình vẽ sau :

nhận xét

Với mạch này dường như ta có thể thực hiện việc biến sóng sin thành xung vuông một cách dễ dàng Tuy nhiên mạch này có hạn chế là hoạt động trong dải tần tương đối nhỏ và hiệu ứng đáp ứng tốc độ không rõ rệt Khi muốn cho đầu ra dịch pha so với đầu vào thì ta phải cho qua mạch xoay pha

b Mạch xoay pha

Người ta hay dùng mạch sớm pha toàn thông hay mạch trễ pha

toàn thông (nghĩa là ứng với mọi dải tần) Mạch trễ pha toàn

thông có sơ đồ như sau

4 Thiết kế mạch Trigger Schmitt

Ở mục này ta sẽ thảo luận các bộ so dùng hồi tiếp dương

Những bộ bộ so như vậy được biết rộng rãi như mạch trigger

Schmitt Thêm hồi tiếp dương dẫn tới hiệu ứng gọi là hiện tượng

trễ Trễ là hiện tượng trong đó điểm chuyển tiếp đối với điện áp

vào sẽ khác khi chuyển từ trạng thái thấp sang trạng thái cao khi so với chuyển từ trạng thái cao xuống trạng thái thấp Nói khác đi , quá trình chuyển tiếp nhạy với chiều

Hiện tượng trễ có một số ưu điểm sau Trước hết khả năng trạng thái không mong muốn thay đổi do cảm biến tiếng ồn tạp là tối thiểu nhờ sử dụng hiện tượng trễ Thứ hai , quá trình chuyển mạch

có thể được tăng cường nhờ hồi tiếp dương trong Trigger

Schmitt Cuối cùng , có thể dùng hiện tượng trễ có hiệu quả trong một số máy tạo dạng sóng

4.1 Trigơ Schmitt đảo

Sơ đồ khối

Thông thường trên đầu vào bộ so sánh ngoài điện áp tín hiệu còn

có nhiễu , vì vậy khi điện áp vào có trị số gần với trị số ứng với mức chuyển trạng thái của bộ so sánh thì điện áp nhiễu có thể làm cho bộ so sánh lật trạng thái liên tục , do đó mức tín hiệu ra không xác định Để loại trừ ảnh hưởng của nhiễu , người ta mắc vào bộ

so sánh một mạch hồi tiếp dương Như vậy chức năng của khối hồi tiếp dương là khử ảnh hưởng của ảnh hưởng của điện áp

nhiễu Còn khối khuếch đại tất nhiên chức năng của nó là khuếch đại tín hiệu vi sai

Khi hồi tiếp dương đủ lớn , sao cho hệ số khuệch đại dòng

Kv = K0.Kht >1 thì mạch hồi tiếp dương hoạt động như một mạch trigơ Do vậy người ta còn gọi mạch trên là mạch trigơ Schmitt

Sơ đồ nguyên lí và

nguyên tắc hoạt động

Hình 3 Mạch trigơ Schmitt bão hoà đảo và đặc tuyến vào ra của nó

Là loại dễ hiểu nhất là dạng bão hoà không đảo , do đó ta sẽ xem

mạch đó trước

Mạng chia gồm R1 , R2 thiết lập điện áp ở đầu nối vào không đảo tỉ

lệ với điện áp ra Độ lớn của điện áp trên R2 sẽ được định nghĩa như điện áp ngưỡng , kí hiệu là VT Điện áp đó là

VT = R R12VsatR2

Với chú ý rằng : v+ = VT khi vo = Vsat

v+ = -VT khi vo = -Vsat

Khi thảo luận về nguyên lí hoạt động thì đặc tuyến vào ra là rất hữu ích Để minh họa , đầu tiên ta giả sử rằng đầu tiên mạch ở trạng thái ứng với phần bên trái của đường A Khi vo = Vsat , v+= +VT và vi âm Vì v+= +VT , nên điện áp vào phải hơi vượt +VT để buộc điện áp vào vi sai của op-amp phải đổi dấu Mẫu này được chỉ ra bởi chiều mũi tên ở bên phải đường A

Khi vi đạt tới VT tín hiệu ra của op-amp bắt đầu giảm Điện áp ở đầu vào đảo , vốn luôn luôn là một phần không đổi của điện áp ra , cũng bắt đầu giảm , vốn làm tăng tiếp điện áp vào vi sai và tăng cường quá trình chuyển tiếp Như vậy tín hiệu ra của op-amp đổi

từ +Vsat tới – Vsat dọc theo đường B trong khoảng thời gian ngắn ,

bị giới hạn chủ yếu bởi tốc độ đáp ứng Bất kì sự thay đổi nào của

vi cũng làm cho điện áp ra thay đổi dọc theo đường C , nhưng điện

áp ra vẫn giữ ở mức boã hòa âm Vì vo= - Vsat ở trạng thái này nên

v+ = - VT

Để trở lại trạng thái trước , vi phải có trị số âm lớn hơn –VT Như vậy vi phải dịch theo C tới bên trái trị số - VT Tại điểm đó , điện

áp vào vi sai đổi dấu và tín hiệu ra trở về trạng thái bão hoà dương dọc theo đường D Bất kì sự giảm tiếp nào của vi cũng dẫn tới sự dịch chuyển về bên trái đường A : chính là miền lúc đầu được gỉa định

Ta thấy mức chuyển mạch phụ thuộc vào chiều thay đổi như thế nào Bằng cách chọn trị số thích hợp của VT ta có thể giảm tối thiểu hiệu ứng tiếng ồn ở các điểm chuyển tiếp Tuy nhiên nếu VT

quá lớn , độ chính xác của điểm cắt có thể giảm đối với một số áp dụng , do vậy phải chọn ngưỡng thận trọng

Hình chữ nhật ở đặc tuyến vào ra được gọi là vòng trễ Khó có thể viết biểu thức toán học đúng để mô tả Trigger Schmitt , Do đó đặc tuyến vào ra là hữu ích nhất trong trường hợp này