Mạch khuếch đại thuật toán

Mạch khuếch đại thuật toán Mạch khuếch đại thuật toán Bởi: Lê Sắc CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA IC THUẬT TOÁN Bộ khuếch đại thuật toán ký hiệu hình 3-1 Trong Ut , It điện áp, dòng điện vào cửa thuận Uđ , Iđ điện áp, dòng điện vào cửa đảo, Ur , Irlà điện áp dòng điện U0 điện áp vào hai cửa Bộ khuếch đại thuật toán khuếch đại hiệu điện áp U0 = Ut- Uđ với hệ số khuếch đại K0 > Do điện áp ra: Ur =K0.U0= K0(Ut-Uđ) Nếu Uđ = Ur = K0.Ut lúc điện áp pha với điện áp vào Vì cửa T gọi cửa thuận khuyếch đại thuật toán ký hiệu dấu “+” Tương tự Ut = Ur = ? K0.Uđ, lúc điện áp ngược pha với điện áp vào nên cửa Đ gọi cửa đảo khuếch đại thuật toán ký hiệu dấu “-” Ngoài khuếch đại có hai cửa đấu với nguồn nuôi đối xứng ±EC cửa để chỉnh lệch bù tần Một khuếch đại thuật toán lý tưởng có tính chất sau: + Trở kháng vào ZV= ∞ + Trở kháng Zra = 1/34 Mạch khuếch đại thuật toán + Hệ số khuếch đại K0 = ∞ Thực tế khuếch đại thuật toán có K0 = 104 ? 106 vùng tần số thấp Lên vùng tần số cao hệ số khuếch đại giảm xuống Nguyên nhân phụ thuộc tham số tranzito điện dung ký sinh sơ đồ Đặc tuyến truyền đạt, đặc tuyến biên độ đăc tuyến pha hình 3-2 3-3 Một khuếch đại thuật toán thường có tầng ghép trực tiếp với Tầng vào tầng khuếch đại vi sai, tầng khuyếch đại trung gian (có thể tầng đệm hay khuếch đại vi sai thứ hai), đến tầng dịch mức tầng khuếch đại CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Do vi mạch khuếch đại thuật toán có hai cửa vào Khi đưa tín hiệu vào cửa đảo ta có mạch khuếch đại đảo, đưa tín hiệu vào cửa thuận ta có mạch khuếch đại thuận Mạch khuếch đại đảo Mạch khuếch đại đảo cho hình 3-4 có thực hồi tiếp âm điện áp qua Rht Đầu vào thuận nối đất Tín hiệu qua R1 đưa tới đầu vào đảo Nếu coi IC có trở kháng vào vô lớn tức ZV → ∞ dòng vào IC vô bé I0 = 0, nút N có phương trình dòng nút áp dụng định luật Kirchhoff 1: 2/34 Mạch khuếch đại thuật toán Từ có: Khi K→∞ điện áp đầu vào U =U K → đó: U R V = − U R ht Do hệ số khuếch đại điện áp mạch khuếch đại đảo Ku có hồi tiếp âm song song xác định phần tử thụ động sơ đồ: Nếu chọn Rht=R1 Kđ =-1, sơ đồ có tính chất tầng đảo lặp lại điện áp (đảo tín hiệu) Nếu R1 = từ phương trình Iv=Iht ta có I = − V U R hay Ura = -IV.Rht tức điện ht áp tỷ lệ với dòng điện vào Mạch trở thành biến đổi dòng thành áp Vì U0= nên Rv= R1, K→∞ Rra= Mạch khuếch đại thuận Mạch khuếch đại thuận có hình 3-5 gồm mạch hồi tiếp âm điện áp đặt vào đầu đảo tín hiệu đặt vào cửa thuận 3/34 Mạch khuếch đại thuật toán Vì điện áp đặt vào hai cửa bé, xem U0= nên quan hệ Uv Ura xác định U =U R R R V r + ht Hệ số khuếch đại điện áp mạch khuếch đại thuận Vì Rv= ∞nên IV = Được dùng cần mạch khuếch đại có trở kháng vào lớn Khi Rht=0 R1=∞, ta có sơ đồ lặp lại điện áp với Kt= (hình 3-6) Điện trở vào mạch khuếch đại thuận lớn, điện trở vào IC, điện trở Rra→ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG TRÔI VÀ BÙ ĐIỂM KHÔNG Khi dùng khuếch đại thuật toán để khuếch đại tín hiệu chiều có trị số nhỏ sai số chủ yếu dòng điện tĩnh, điện áp lệch tượng trôi gây 4/34 Mạch khuếch đại thuật toán Các dòng điện tĩnh It, Iđ đầu vào khuếch đại thuật toán thực chất dòng cực gốc tranzito tầng vào mạch khuếch đại vi sai Dòng tĩnh cửa thuận It dòng tĩnh cửa đảo gần Các dòng tĩnh It Iđ gây sụt áp cửa vào Do khác trị số điện trở cửa thuận T cửa đảo Đ nên sụt áp khác Hiệu điện chúng điện áp lệch Để giữ cho điện áp lệch nhỏ, mạch khuếch đại đảo, cửa thuận không đấu trực tiếp xuống đất mà đấu qua điện trở RC hình 3-7 RC có trị số điện trở vào cửa đảo, nghĩa là: Lúc dòng tĩnh gây hai đầu vào sụt áp It.RC Iđ.(R1//Rht) Thường It≈Iđ nên sụt áp gần Thực tế It ≠ Iđ nên dòng tĩnh I0= It - Iđ gây hiệu điện áp đầu vào, gọi điện áp lệch U0 Khi điện áp sai số U r0 = (1 + R ).U R ht Để khử sai số dùng mạch bù điển hình hình 3-8 Việc bù điện áp lệch thực theo nguyên tắc: hai đầu vào khuếch đại thuật toán với nguồn điện áp biến đổi để có điện áp ngược với điện áp lệch 5/34 Mạch khuếch đại thuật toán Khi cần phải để trống hai cửa vào mắc mạch bù vào cửa khác có liên quan đến cửa vào Cần phải chọn linh kiện mạch bù cho khuếch đại thuật toán làm việc bình thường Ngoài có tượng trôi điện áp đầu lượng trôi điện áp đầu vào ΔU0 lượng trôi dòng tĩnh vào ΔI0 Lượng trôi điện áp đầu xác định: Trong đó: ΔU0 lượng trôi điện áp lệch đầu vào ΔI0 lượng trôi dòng lệch đầu vào Biến đổi công thức ta có: Tóm lại: - Nếu nguồn tín hiệu có trở kháng lớn (R1 // Rht lớn) điện áp sai số đầu chủ yếu trôi dòng lệch đầu vào sinh Ngược lại nguồn tín hiệu có trở kháng nhỏ (R1 nhỏ) sai số đầu chủ yếu điện áp lệch đầu vào sinh Do cần khuếch đại dòng chiều nhỏ chọn R1 // Rht nhỏ, cần khuếch đại điện áp chiều nhỏ chọn R1 lớn Trong khuếch đại tín hiệu xoay chiều không cần quan tâm đến vấn đề bù lệch 6/34 Mạch khuếch đại thuật toán MẠCH CỘNG Mạch cộng thực cộng hai nhiều tín hiệu tương tự thành tín hiệu đầu Tuy nhiên, tín hiệu tổng lớn nguồn cung cấp cho khuếch đại tín hiệu giữ mức bão hòa ±Umax Mạch cộng đảo Mạch cộng tín hiệu vào đưa tới cửa đảo Sơ đồ hình 3-9 Coi điện trở vào Khi IV = (vì RV IC xem = ∞) Iht= I1 + I2 +…+In hay Tổng quát R1 ≠ … ≠ R2 có: với α=R R ht i i 7/34 Mạch khuếch đại thuật toán Mạch cộng thuận Sơ đồ mạch điện hình 3-10, tín hiệu vào đưa tới cửa thuận Khi U0=0 điện áp hai đầu vào bằng: Khi dòng vào đầu thuận không (RV = ∞) ta có: Hay từ Chọn tham số mạch thích hợp để có thừa số vế phải công thức 1: R R R n + ht đó: 8/34 Mạch khuếch đại thuật toán MẠCH TRỪ Khi cần trừ hai điện áp người ta thực theo sơ đồ hình 3-11 Khi điện áp đầu tính: Có thể tìm K1, K2 theo phương pháp cho điện áp vào cửa không Cho U2 = mạch làm việc khuếch đại đảo Ta có: Ura= - αα.U1 K1 = ?αa Khi U1 = mạch trở thành mạch khuếch đại thuận có phân áp vào Khi đó: Hệ số phân áp: α α b 1+ b 9/34 Mạch khuếch đại thuật toán Khi Hệ số khuếch đại nên Ura có U1, U2 : Nếu điện trở hai lối vào tức là: αa= αb= α K2= α; K1 = - α Vậy : Ura = α(U2- U1) Tổng quát sơ đồ vạn đồng thời dùng để lấy tổng lấy hiệu số điện áp vào thực mạch hình 3-12 10/34 Mạch khuếch đại thuật toán Kd0 = 1; a1 = ωC.RC Biết a1, ωC; chọn R ta có C = a ω C R Mạch b) ta có: Ở Kd0= -1 a1 = ωC.RC Khi biết a1, ωC chọn R ta có: • Mạch lọc tích cực thông cao bậc Đổi chỗ R C cho nhau, mạch thông thấp ta có mạch lọc tích cực thông cao Mạch hình 3-26 Mạch a) có: Ở đây: Kd0 = ; a = ω C Khi biết a1, ωC chọn C ta tính được: R.C 20/34 Mạch khuếch đại thuật toán Mạch b: Ở đây: Kd0 = -1 biết a1,ωC, chọn C ta tính Mạch lọc tích cực bậc hai • Mạch lọc thông thấp bậc hai Mạch lọc tích cực thông thấp bậc hai có dạng hồi tiếp âm vòng, hồi tiếp âm nhiều vòng, hồi tiếp dương vòng hình 3-27 + Xét mạch hình 3-27a ta có hàm truyền đạt (dùng phương trình điện nút): Dựa vào loại lọc xác định a1, b1, chọn trước C1 theo giá trị chuẩn tính R, C2 theo công thức: 21/34 Mạch khuếch đại thuật toán + Với mạch 4-27b: Từ xác định: Cho trước ωC, Kd0, chọn C1 C2 tính được: Để R2 có giá trị thực: 22/34 Mạch khuếch đại thuật toán + Với mạch 3-27c có hàm truyền đạt: Để đơn giản chọn K=1 (1-K)= Biểu thức viết lại: Nếu cho trước ωC, C1, C2 ta tính Kdo, R1, R2 K = Để R1,2 số thực cần: • Mạch lọc thông cao bậc hai Mạch lọc thông cao bậc hai dùng dạng thông thấp hình 3-27 Trong phải đổi chỗ C R cho Ví dụ mạch lọc thông cao bậc hai hồi tiếp dương vòng hình 3-28 Thay p =1/p, C R R C ta có hàm truyền đạt Cho K= C1=C2=C ta có: 23/34 Mạch khuếch đại thuật toán Ở Kđ0 = • Mạch lọc tích cực bậc hai thông dải Nếu mắc nối tiếp mắt lọc thông thấp mắt lọc thông cao ta nhận lọc thông dải Đặc tính tần số tích tần số hai khâu lọc riêng rẽ K = K đ1 K đ2 Mạch lọc tích cực thông dải bậc hai hình 3-29 24/34 Mạch khuếch đại thuật toán Mạch lọc tích cực bậc cao Khi cần đặc tính biên độ, tần số lọc vuông góc người ta phải thực lọc bậc cao Muốn mắc nối tiếp lọc bậc hai biết Lúc đặc tính tần số mạch tích đặc tính tần số mạch riêng rẽ BÀI TẬP CHƯƠNG Sơ đồ mạch hình 3-30 Biết IC lý tưởng, nguồn cung cấp cho IC Vẽ dạng điện áp vào điện áp điện áp vào là: Giải Đây mạch so sánh điện áp điện áp vào so sánh với điện áp chuẩn Uch=3V Khi uv>Uch điện áp bão hòa âm Khi uv[...]... để mạch làm việc tốt nhất? 29/34 Mạch khuếch đại thuật toán Giải Cho mạch điện hình 3-35 30/34 Mạch khuếch đại thuật toán a) Viết biểu thức Ur theo Uv b) Xác định Ur khi Giải 31/34 Mạch khuếch đại thuật toán Cho mạch điện hình 3-36 a) Viết biểu thức Ur theo cácUv b) Xác định Ur khi 32/34 Mạch khuếch đại thuật toán Giải Cho mạch điện hình 3-37 với a) Tìm Ur theo Uv b) Xác định Ur khi 33/34 Mạch khuếch. .. =5Vt2/500 Cho mạch điện hình 3-32 a) Xác định hệ số khuếch đại của mạch 26/34 Mạch khuếch đại thuật toán b) Xác định trở kháng vào của mạch Zv c) Xác định trở kháng ra lý tưởng của mạch d) Xác định điện áp vào đỉnh-đỉnh để mạch hoạt động tuyến tính e) Xác định điện áp ra với mỗi giá trị điện áp vào: Giải 27/34 Mạch khuếch đại thuật toán Cho mạch điện hình 3-33 a) Xác định hệ số khuếch đại của mạch b) Xác.. .Mạch khuếch đại thuật toán Để rút ra hệ thức cần thiết ta sử dụng quy tắc nút đối với cửa vào A của bộ khuếch đại Rút ra: Tương tự đối với cửa B của mạch khuếch đại: Nếu Ua = Ub thoả mãn thêm điều kiện ∑ni = 1 trên ta có: t α = ∑ α thì sau khi trừ hai biểu thức i n i=1 i 11/34 Mạch khuếch đại thuật toán MẠCH VI PHÂN, MẠCH TÍCH PHÂN Mạch vi phân Mạch vi phân là mạch điện áp đầu ra... 15/34 Mạch khuếch đại thuật toán Mạch lọc thụ động RC Mạch lọc thụ động RC ta xét hai loại lọc thông thấp và thông cao Bậc của loại mạch này được xác định bằng cấp đạo hàm cao nhất trong hàm truyền đạt của mạch, thường cũng chính là số phần tử tụ điện tham gia vào việc lọc tín hiệu trong mạch Mạch lọc thông thấp bậc 1 và bậc n Mạch điện như hình 3-23 Hàm truyền đạt phức của mạch là: 16/34 Mạch khuếch đại. .. thời gian Đối với tín hiệu hình sin mạch tích phân trở thành mạch lọc thông thấp 13/34 Mạch khuếch đại thuật toán MẠCH SO SÁNH ĐIỆN ÁP Mạch so sánh điện áp dùng IC khuếch đại thuật toán như hình 3-20 Đó là quá trình so sánh biên độ điện áp đưa vào với một điện áp chuẩn (Uch) có cực tính có thể dương hay âm Thông thường điện áp chuẩn đã được xác định trước Trong mạch hình 3-20a, điện áp vào đưa tới... cực thông cao bậc một Đổi chỗ R và C cho nhau, ở mạch thông thấp ta có mạch lọc tích cực thông cao Mạch như ở hình 3-26 Mạch a) có: Ở đây: Kd0 = 1 ; a 1 = 1 ω C Khi biết a1, ωC và chọn C ta tính được: R.C 20/34 Mạch khuếch đại thuật toán Mạch b: Ở đây: Kd0 = -1 và khi biết a1,ωC, chọn C ta tính được Mạch lọc tích cực bậc hai • Mạch lọc thông thấp bậc hai Mạch lọc tích cực thông thấp bậc hai có các dạng... vòng như ở hình 3-27 + Xét mạch ở hình 3-27a ta có hàm truyền đạt (dùng phương trình điện thế nút): Dựa vào loại bộ lọc xác định a1, b1, chọn trước C1 theo giá trị chuẩn và tính R, C2 theo công thức: 21/34 Mạch khuếch đại thuật toán + Với mạch 4-27b: Từ đây xác định: Cho trước ωC, Kd0, chọn C1 và C2 tính được: Để R2 có giá trị thực: 22/34 Mạch khuếch đại thuật toán + Với mạch 3-27c có hàm truyền đạt:... 14/34 Mạch khuếch đại thuật toán UV > Uch thì Ura = +Ura.max Khi làm việc với tín hiệu xung biến đổi nhanh cần chú ý đến tính quán tính (trễ) của IC thuật toán Với các IC thuật toán tiêu chuẩn hiện nay thời gian tăng của điện áp ra khoảng V/μs Trong điều kiện tốt hơn nên sử dụng các IC chuyên dùng có tốc độ chuyển biến nhanh hơn như loại μA710, A110, LM310… MẠCH LỌC Khái niệm về mạch lọc tần số Mạch. .. thì có một hệ số bi = 0 Mạch lọc tích cực bậc một Loại này chỉ dùng cho mạch lọc thông thấp hay thông cao • Mạch lọc thông thấp bậc một Hàm truyền đạt có dạng: Mạch điện như ở hình 3-25 Với mạch a): 19/34 Mạch khuếch đại thuật toán ở đây Kd0 = 1; a1 = ωC.RC Biết a1, ωC; chọn R ta có C = a ω 1 C R Mạch b) ta có: Ở đây Kd0= -1 và a1 = ωC.RC Khi biết a1, ωC và chọn R ta cũng có: • Mạch lọc tích cực thông... áp đầu vào U U dt trong đó k là hệ số t = k∫ ra 0 V Mạch tích phân sử dụng IC khuếch đại thuật toán như hình 3-14 12/34 Mạch khuếch đại thuật toán Tại nút A ta có Iv = IC hay: nên Ở đây Ura0 là điện áp trên tụ C khi t = 0 (là hằng số tích phân xác định từ điều kiện ban đầu) Thường khi t = 0, UV = 0 và Ura = 0 nên: τ = R.C gọi là hằng số thời gian của mạch tích phân Khi tín hiệu vào thay đổi từng nấc,