Tài liệu giáo trình điện từ trường.
1CHỈÅNG 1 CẠC MẢCH TÊNH TOẠN, ÂIÃƯU KHIÃØN V TẢO HM DNG KHÚCH ÂẢI THÛT TOẠN Chỉång ny nhàòm giåïi thiãûu viãûc ỉïng dủng mảch khúch âải thût toạn (KÂTT) trong cạc mảch khúch âải, tênh toạn, âiãưu khiãøn, tảo hm. Kho sạt cạc mảch cäüng, trỉì, nhán chia, khai càn, mảch khúch âải loga v âäúi loga, mảch vi, têch phán, PD,PID, mảch chènh lỉu chênh xạc, mảch so sạnh tỉång tỉû . 1.1 Khại niãûm chung Hiãûn nay, cạc bäü khúch âải thût toạn (KÂTT) âọng vai tr quan trng v âỉåüc ỉïng dủng räüng ri trong k thût khúch âải, tênh toạn, âiãưu khiãøn, tảo hm, tảo tên hiãûu hçnh sine v xung, sỉí dủng trong äøn ạp v cạc bäü lc têch cỉûc . Trong k thût mảch tỉång tỉû, cạc mảch tênh toạn v âiãưu khiãøn âỉåüc xáy dỉûng ch úu dỉûa trãn bäü KÂTT. Khi thay âäøi cạc linh kiãûn màõc trong mảch häưi tiãúp ta s cọ âỉåüc cạc mảch tênh toạn v âiãưu khiãøn khạc nhau. Cọ 2 dảng mảch tênh toạn v âiãưu khiãøn : tuún tênh v phi tuún. Tuún tênh : cọ trong mảch häưi tiãúp cạc linh kiãûn cọ hm truưn âảt tuún tênh. Phi tuún : cọ trong mảch häưi tiãúp cạc linh kiãûn cọ hm truưn phi tuún tênh. Vãư màût k thût, âãø tảo hm phi tuún cọ thãø dỉûa vo mäüt trong cạc ngun tàõc sau âáy : 1. Quan hãû phi tuún Volt - Ampe ca màût ghẹp pn ca diode hồûc BJT khi phán cỉûc thûn (mảch khúch âải loga) 2. Quan hãû phi tuún giỉỵa âäü däúc ca âàûc tuún BJT lỉåỵng cỉûc v dng Emitå (mảch nhán tỉång tỉû). 3. Lm gáưn âụng âàûc tuún phi tuún bàòng nhỉỵng âoản thàóng gáúp khục (cạc mảch tảo hm dng diode). 4. Thay âäøi cỉûc tênh ca âiãûn ạp âàût vo phán tỉí têch cỉûc lm cho dng âiãûn ra thay âäøi (khoạ diode, khoạ transistor). 21.2 Cạc mảch tênh toạn v âiãưu khiãøn 1.2.1 Mảch cäüng âo p dủng quy tàõc dng âiãûn nụt cho N ta cọ : 0RvRv .RvRvNoutninn22in11in=++++ ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+++−=⇒innnN2in1N1in1NoutvRR .vRRvRRv 1.2.2 Mảch khúch âải âo våïi tråí khạng vo låïn Viãút phỉång trçnh dng âiãûn cho nụt N: 0RvRvN31in=+ M 323out3RRRvv+= (âiãưu kiãûn RN ≥ R3) in321Noutv)RR1(RRv +=−⇒ ⇒ hãû säú khúch âải ca mảch : K’ = 321NRR1(RR+) vin1 RN vin2 vinn vout R1 R2 Rn Hçnh 1.1. Så âäư mảch cäüng âoRN v3 R3R2vinvoutR1Hçnh 1.2. Så âäư mảch khúch âải âo våïi tråí khạng vo låïn 3Trỉåìng håüp u cáưu hãû säú khúch âải låïn thç phi chn R1 nh. Lục âọ tråí khạng vo ca mảch ZV = R1 nh. Cọ thãø khàõc phủc nhỉåüc âiãøm âọ bàòng cạch chn R1 = RN låïn. Do âọ K’ chè cn phủ thüc vo 32RR, cọ thãø tàng t säú ny ty m váùn khäng nh hỉåíng âãún tråí khạng vo ZV = R1 = RN ca mảch. Våïi cạc cáúu tảo nhỉ váûy cọ thãø tàng thãm säú âáưu vo âãø thỉûc hiãûn cạc mảch cäüng hồûc mảch trỉì cọ tråí khạng vo låïn. 1.2.3 Mảch trỉì Âiãûn ạp åí cỉía vo thûn : aRRRvvPPP2inP+= Âiãûn ạp åí cỉía vo âo : ()outNNNout1inNvaRRRvvv ++−= Vç vd = vp - vN = 0 ⇒ vp = vN ⇒ vin2 . aRRRPPP+ = aRRRNNN+ ( vin1-vout) + vout ⇒ vout = a (vin2-vin1) (Nãúu RN = RP) 1.2.4 Mảch trỉì våïi tråí khạng vo låïn R/nKRRVín2 voutVin1 Hçnh 1.4.a. Så âäư mảch trỉì cọ mäüt ng vo tråí khạng låïn vin2 R2Rpvin1voutR1Hçnh 1.3. Så âäư mảch trỉìRN 4Viãút phỉång trçnh dng âiãûn nụt cho nụt N1 v N2 ta cọ : 0KRvvnRvRvvNoutNN1in=−+−− M vN = vin2 ⇒ vin1-vin2 = nvin2 + Kvv2inout− = 0 ⇒ Kvin1 - (n + 1) Kvin2 + vout - vin2 = 0 ⇒ vout = vin2 + K(n + 1) vin2 -Kvin1 ⇒ vout = (1 + K + nK) vin2 -Kvin1 Hãû säú ca Vin2 ln ln låïn hån hãû säú ca Vin1 ⇒ mảch khäng tảo âỉåüc âiãûn ạp ra cọ dảng : K (Vin2 -Vin1). Tråí khạng vo ca cỉía P låïn (Zv = rd), nãn khäng u cáưu ngưn vin2 cọ cäng sút låïn. Hçnh 1.4.b trçnh by mảch âiãûn cọ tråí khạng vo ca c hai cỉía (cỉía vin1 v vin2) âãưu låïn. Viãút phỉång trçnh dng âiãûn nụt cho N1 v N2 ta cọ : ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=−+−+−=−+−+−0RvvRvvRvv0RvRvvRvv12in1in22inout32in321in11in2in31in3 Suy ra: vout = (1 + R2 3131RRR2R+)(vin2 -vin1) vin2 v3 N2 N1 R3R1R1R3R2voutvin1Hçnh 1.4.b. Så âäư mảch trỉì cọ hai ng vo tråí khạng âãưu låïn 5Ta tháúy tråí khạng vo ca c hai cỉía âãưu låïn v bàòng rd ca KÂTT. Cọ thãø thay âäøi âỉåüc hãû säú khúch âải K’ = 1 + R23131RRR2R+khi thay âäøi R1. K = Kmin khi R1 = ∞ Lục âọ: vout = (1 + 32RR)(vin2 -vin1) Vç R2 ≠ 0, R3 ≠ ∞ nãn K’ > 1 1.2.5 Mảch tảo âiãûn ạp ra cọ cỉûc tênh thay âäøi Ta cọ : vN = 2vvout1in− + vout = 2vvout1in+ vP = q vin1 Vç : vP = vN ⇒ 2vvout1in+ = qvin1 ⇒ vout = (2q - 1)vin1 Khi thay âäøi tiãúp âiãøm trãn chiãút ạp R2 ta cọ hãû säú ca vout lục dỉång, lục ám. Khi q = 1/2 ⇒ vout = 0 màûc d vin1 ≠ 0 Khi q > 1/2 ⇒ vout v vin1 cng pha Khi q < 1/2 ⇒ vout v vin1 ngỉåüc pha 1.2.6 Mảch têch phán âo qR2 R2R1R1voutvin1Hçnh 1.5. Så âäư mảch tảo âiãûn ạp ra cọ cỉûc tênh thay âäøi iC i1 vin1voutRHçnh 1.6.a. Så âäư mảch têch phán âo 6Phỉång trçnh dng âiãûn nụt tải N: i1 + ic = 0 hay 0dtdvCRvout1in=+ Suy ra )0t(vdt)t(vRC1dt).t(vRC1vt0out1in1inout=+−=−=∫∫ ⇒ âiãûn ạp ra tè lãû våïi têch phán âiãûn ạp vo. Thỉåìng chn hàòng säú thåìi gian τ = RC = 1s vout (t = 0) l âiãưu kiãûn âáưu, khäng phủ thüc vo âiãûn ạp vo vin1. Nãúu vin1 l âiãûn ạp xoay chiãưu hçnh sin: vin1 = Vin1 sinωt thç: tcosVtcos.RCVdt.tsin.VRC1vout1in1inoutωωωω==−=∫ ⇒ biãn âäü âiãûn ạp ra t lãû nghëch våïi táưn säú. Âàûc tuún biãn âäü - táưn säú ca mảch têch phán : 1inoutVV = f (ω) cọ âäü däúc - 20dB/decade. Mảch âỉåüc gi l mảch têch phán trong mäüt phảm vi táưn säú no âọ nãúu trong phảm vi táưn säú âọ âàûc tuún biãn - táưn ca nọ gim våïi âäü däúc 20dB/decade. Âãø gim nh hỉåíng ca dng ténh It v âiãûn ạp lãûch khäng cọ thãø gáy sai säú âạng kãø cho mảch têch phán, åí cỉía thûn ca bäü KÂTT ngỉåìi ta màõc thãm mäüt âiãûn tråí thay âäøi âỉåüc R1 v näúi xúng masse. Âiãưu chènh R1 sao cho R1 ≅ R thç gim âỉåüc tạc dủng ca dng âiãûn lãûch khäng Io = IP - IN v âiãûn ạp lãûch khäng vo = vP - vN (khi vout = 0) R1CRvin1voutHçnh 1.6.b. Mảch têch phán âo cọ biãún tråí R1b dng lãûch khäng. 71.2.7 Mảch têch phán täøng Dng phỉång phạp xãúp chäưng v viãút phỉång trçnh dng âiãûn nụt âäúi våïi nụt N ta tçm âỉåüc: dtRv .RvRvC1vninn22in11inout∫⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+++−= 1.2.8 Mảch têch phán hiãûu Viãút phỉång trçnh âäúi våïi nụt N : 0dt)vv(d.CRvvNoutN1N1in=−+− (1) Âäúi våïi nụt P : 0dtdv.CRvvPP2P2in=−− (2) Biãún âäøi v cho vN = vP, R1CN = R2CP = RC (1) ⇒ vin1 - vN = - R1CN . dtdv.CRdtdvNN1out+ (2) ⇒ vin2 - vP = R2CP . dtdvP Suy ra: vin2 - vin1 = RCdtdvout CPCNvin1voutvin2R1R2Hçnh 1.8. Så âäư mảch têch phán hiãûuvin1R1R2CvoutRPRnvin2vinnHçnh 1.7. Så âäư mảch têch phán täøng 8 ⇒ vout = ∫− dt)vv(RC11in2in 1.2.9. Mảch vi phán Ta cọ : i = C1 Nout1inRvdtdv= ⇒ vout = - RNC1 dtdv1in gi thiãút: vin1 = Vin1 sinωt ⇒ vout = -RNC1ωVin1cosωt = -Voutcosωt Hãû säú khúch âải ca mảch: K’ = 1inoutVV = ωRNC1 K’ tàng theo táưn säú v âäư thë bode cọ âäü däúc 20dB/decade. Váûy : Mảch âỉåüc gi l mảch vi phán trong mäüt phảm vi táưn säú no âọ nãúu trong phảm vi táưn säú âọ âàûc tuún biãn - táưn ca nọ tàng våïi âäü däúc 20dB/decade. 1.2.10 Mảch PI (Proportional Integrated) Mảch thỉåìng âỉåüc sỉí dủng trong cạc mảch âiãưu khiãøn. Mảch cọ âiãûn ạp ra âỉåüc biãøu diãùn theo dảng: vout = Avin + B∫dtvin Ạp dủng phỉång trçnh cán bàòng dng tải N: i1 + iN = 0 ⇒ iN = -i1 = - vin/R1 (1) RNvoutvin1C1Hçnh 1.9. Så âäư mảch vi phánR1i1 iNN RNv1Cvoutvin Hçnh 1.10.a. Så âäư mảch PI 9Màût khạc: vout = vc + v1 = NNiniRdtiC1+∫ (2) Thay (1) vo (2) ⇒ vout = - RN/R1vin - ∫dtvCR1in1 Gi sỉí vin = Vincosωt ⇒ )tcos(VtsinCRVtcosVRRvout1inin1NoutΦ+=−−=ωωωω ⇒ Âàûc tuún biãn táưn: 222o12222N21222N1inout'C1R1C1CRR1C1RR1VVKωωωωωω+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=+=+== Âàût: CR1No=ω Khi oω<<ω thç C1R1K1'ω≈ Suy ra âàûc tuún biãn âäü táưn säú cọ âäü däúc -20dB/decade (tỉång ỉïng khu vỉûc I) Suy ra så âäư lm viãûc nhỉ mäüt mảch têch phán Khi ⇒≈⇒ω>>ω1N'oRRK Mảch mang tênh cháút khúch âải nhiãưu hån (tỉång ỉïng våïi khu vỉûc P). Khu vỉûc trung gian l khu vỉûc chuøn tiãúp. 1.2.11 Mảch PID (Proportional Integrated Differential) 'Klog1NRRlogCR1No=ωωlog-20dB/decadeIPHçnh 1.10.b. Âàûc tuún biãn táưn ca mảch PI R1iNN RNv1CVoutVinRHçnh 1.11.a. Så âäư mảch PID 10PID cng l mảch hay âỉåüc sỉí dủng trong k thût âiãưu khiãøn âãø måí räüng phảm vi táưn säú âiãưu khiãøn ca mảch v trong nhiãưu trỉåìng håüp tàng tênh äøn âënh ca hãû thäúng âiãưu khiãøn trong mäüt di táưn säú räüng. Âiãûn ạp ra cọ dảng: ∫++=dtdvCdtvBAvvinininout Tỉì phỉång trçnh dng âiãûn nụt tải N: 0idtdvCRvNin11in=++ (1) V phỉång trçnh âiãûn ạp ra trãn nhạnh ra: ∫+= dtiC1RivNNNNout (2) Thay (1) vo (2): ∫⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−= dtdtdvCRvC1RdtdvCRvvin11inNNin11inout Suy ra: dtdvCRdtvCR1vCCRRvin1NinNNinN11Nout−−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−=∫ (*) * ÅÍ táưn säú tháúp NNNCR1=ω<<ω thç thnh pháưn têch phán trong (*) chiãúm ỉu thãú. * ÅÍ táưn säú cao 11NCR1=ω>>ω thç thnh pháưn vi phán trong (*) chiãúm ỉu thãú. • Trong di: 1Nω<ω<ω thç thnh pháưn khúch âải inN11NvCCRR⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+ chiãúm ỉu thãú. Do âọ âàûc tuún biãn táưn ca mảch cọ dảng nhỉ hçnh v: 1.3 Cạc mảch khúch âải v tênh toạn phi tuún liãn tủc 1.3.1 Mảch khúch âải Loga KlogωlogIPDωNω1I: têch phán P: tè lãû D: vi phán Hçnh 1.11.b. Âàûc tênh biãn táưn mảch PIDDvout vin RHçnh 1.12.a. Så âäư mảch khúch âải Loga dng Diode