bài giảng vi mạch là tài liệu giới thiệu chung về các loại vi mạch trong ngành điện tử và nó bao gồm các bài tập giúp người học có thể hiểu sâu hơn về các loại mạch điện tử.ví dụ như các bài tập về mạch đảo mạch, mạch không đảo , mạch khuếch đại, mạch cộng đảo dấu,...
CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VI MẠCH VÀ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 1.1 Giới thiệu vi mạch tương tự 1.1.1 Phân loại vi mạch Người ta chia vi mạch (integrated circuit) thành hai lọai chính: − Vi mạch tương tự (analog) − Vi mạch số (digital) − Vi mạch hổn hợp Có nhiều định nghĩa để phân nhóm vi mạch theo tương tự hay số Thí dụ: theo dãy tín hiệu vào dạng liên tục, hay số, hai mức tín hiệu cao thấp Ở ta phân loại theo ứng dụng Nếu vi mạch dùng chủ yếu cho ứng dụng số xử lý tín hiệu số xếp vào vi mạch số, ngược lại vi mạch tương tự (analog integrated circuit) Các hệ thống số làm việc cách vận dụng cổng logic AND, NAND, OR, NOR, NOT flip-flop, chuyển đổi Analog sang digital ngược lại, dụng cụ dùng để giao tiếp thiết bị tương tự số, đệm thiết kế chủ yếu cho ứng dụng số thuộc dụng cụ số Phần lớn dụng cụ khác coi vi mạch tương tự Chúng bao gồm mạch khuếch đại, so sánh, ổn áp, dao động vi mạch thông tin, audio, video thu AM, FM, tách sóng FM, giải điều chế stereo, điều khiển âm thanh, equalizer, khuếch đại video TV, tách sóng đồng ) 1.1.2 Đóng gói vi mạch (packaging of Integrated circuits) Có nhiều dạng đóng gói như: TO – 5, DIP – 8, TO – 3, SIP – Dạng vỏ kim loại TO – có dạng hình 1.1, 8, 10, hay 12 chân thường dùng cho IC cũ Dạng DIP (Dual In Line Package) hình 1.2 dạng đóng gói có hai hàng chân, cấu trúc thường gặp: 8, 14, 16, 18, 20, 24, 28 40 chân Đối với lọai DIP8, 14, 16, 18, 20, hàng chân cách 0,3 inch DIP40 khoảng hai hàng chân gấp đôi so với DIP8 Các chân kề cách 0,1 inch Hình 1.1: Dạng vỏ TO-3, TO-5 Hình 1.2: Dạng vỏ DIP-8, DIP-16 Những năm gần đây, người ta chế tạo loại vỏ gắn bề mặt (surface mount package) dùng để gắn IC lên bề mặt mạch in không cần khoan lỗ hình 1.3 Ví dụ: SO – 8, SO–14 Hình 1.3: Dạng SO -8, SO -16 Dạng gắn bề mặt PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) 20 tiếp xúc Các mạch xử lý công suất ổn áp, khuếch đại công suất thường dùng dạng đóng gói khác Đối với loại tiêu tán công suất từ 20 W trở lên người ta thường dùng dạng TO–3 Ổn áp đơn giản có hai chân với chân thứ (thường chân mass) vỏ Đối với công suất tiêu tán nhỏ 15W dạng TO – 220 phổ biến TO – 39 cho ổn áp với công suất nhỏ 2W, TO – 92 cho ổn áp với công suất nhỏ 0,5W Các mạch khuếch đại công suất dạng vỏ hàng chân (SIP: Single in line package) Ví dụ: SIP – Hình 1.4: Dạng vỏ SIP-9 1.1.3 Nhận dạng vi mạch tương tự Dựa vào tiếp đầu ngữ (prefix) ví dụ µA741 Ta có bảng tiếp đầu ngữ thông thường cho vi mạch tương tự dùng hãng sản xuất chính: Bảng 1.1 tiếp đâu ngữ kí hiệu hãng Hãng sản xuất Analog Devices Exar Corporation Fauchild linear Division Intersil, Inc Motorola Semiconductor Linear technology Corp National Semiconductor Corp Precision monolithics, Inc RCA Corporation Signetics corporation Silicon general Texas Instruments Tiếp đầu ngữ AD XR µA, UA Mc LT LF, LH, LM, TBA OP CA NE, SE SG TL Số linh kiện theo sau tiếp đầu ngữ hãng sản xuất Theo sau số linh kiện thường hay nhiều chữ Thí dụ: C: Cấp thông mại (commercial) M: Cấp quân đội (Military) I: Cấp công nghiệp (Industrial) Chữ thứ hai lọai vỏ, tùy theo hãng Thí du: P: Vỏ DIP Plastic Motorola N: Vỏ DIP Plastic national semiconductor Ngày xuất xưởng thường người ta phân biệt với số linh kiện nhờ vào số linh kiện có tiếp đầu ngữ nhà sản xuất Ta thấy có tổ hợp chữ số thường chữ số: YYWW WW: tuần thứ năm YY: năm sản xuất Ví dụ: Hình 1.5 TL081C Op –amp TL081C C: cấp thương mại 9102: Sản xuất vào tuần thứ hai năm, năm sản suất: 1991 Logo biểu tượng hãng sản xuất: Sau logo số hãng chính: Analog Devices Exar Corporation Intersil, Inc Motorola Semiconductor Product National Semiconductor Corporation Precision Monolithics, Inc Signetics Corporation Texas Instruments SONY Hình 1.6 logo hãng 1.2 Giới thiệu chung khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier: Op-Amp) Một dụng cụ mạch điện tử analog mạch khuếch đại (amplifier) Nó khối xây dựng cho mạch điện tử phức tạp Các mạch khuếch đại transistor đơn giản thường dùng tụ điện để ngăn dòng phân cực DC Các tụ khó đưa vào IC Từ có loại khuếch đại đặc biệt – Khuếch đại vi sai (differential amplifier) dùng mạch để tránh dùng tụ vấn đề trôi (drift) Bởi mạch khuếch đại vi sai dùng để mô phép toán nên chúng thường gọi Op-Amp Op-amp loại mạch tích hợp linh động, dùng làm mạch khuếch đại đơn giản, khuếch đại vi sai, khuếch đại đo lường hay khuếch đại dòng Nó dùng để lấy tổng, tích, bình phương hay logarithm tín hiệu tương tự Nó phần tử nhiều mạch lọc, dao động ổn áp Hình 1.7 Các dạng vỏ Op - Amp KĐTT vốn dùng để thực phép toán, thuật toán máy tính tương tự có tên gọi Ngày nay, KĐTT ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, với tần số rộng từ DC đến hàng GHz Hình 1.8 Cấu trúc chân Op – Amp LM 741 Chân 1: Offset null Chân 2: Ngõ vào đảo Chân 3: Ngõ vào không đảo Chân 4: Cấp nguồn âm Chân 5: Offset null Chân 6: Ngõ Chân 7: Cấp nguồn dương Chân 8: NC (không sử dụng) Hình 1.8 Cấu trúc chi tiết của Op – Amp LM 741 Điện áp V0 dấu pha với điện áp vào cực B Q 1, khác dấu ngược pha với điện áp vào cực B Q2 Vì vậy, hai ngõ vào theo thứ tự gọi ngõ vào không đảo tương ứng với chân có kí hiệu dấu “+” ngõ vào đảo tương ứng với chân có kí hiệu dấu trừ “-” kí hiệu Op – Amp Với Op – Amp lý tưởng, tín hiệu vào vi sai ∆Vi = V+I – V-I = 0, điện áp V0 = Nhưng thực tế, linh kiện bên mạch không hoàn toàn đối xứng, mạch khuếch đại vi sai ngõ vào, nên ngõ xuất điện áp nhỏ khác không, gọi điện áp lệch không ngõ (output offset voltage) Để điều chỉnh điện áp ngõ không trở lại, ta phải đặt điện áp nhỏ hai ngõ vào ∆Vi = Vio ≠ Vio gọi điện áp lệch ngõ vào (input offset voltage) Trong thực tế, Op – Amp thường có hai chân ký hiệu null offset cho phép mắc thêm biến trở bên để chỉnh không ngõ Nguyên lý hoạt động: Mặc dù thiết kế khác sản phẩm nhà chế tạo, tất mạch khuếch đại thuật toán có chung cấu trúc bên trong, bao gồm tầng: − Mạch khuếch đại vi sai tầng khuếch đại đầu vào tạo độ khuếch đại tạp âm thấp, tổng trở vào cao, thường có đầu vi sai − Mạch khuếch đại điện áp tầng khuếch đại điện áp trung gian, tạo hệ số khuếch đại điện áp lớn thường có ngõ đơn − Mạch khuếch đại đầu tầng khuếch đại đầu ra, tạo khả tải dòng lớn, tổng trở đầu thấp, có giới hạn dòng bảo vệ ngắn mạch Nguồn dòng phân cực: Mạch tạo nguồn dòng phân cực cho transistor khối gồm Q Q9, Q10 Q11, Q12 Q13 Dòng điện ban đầu sinh dòng điện khác xác định điện áp cấp nguồn điện trở 39 kΩ với mối nối pn tạo Dòng điện tính gần bằng: (VS+ − VS− − 2Vbe)/39 kΩ Trạng thái tầng khuếch đại đầu vào điều khiển hai nguồn dòng Q 10 Q11 hình thành nguồn dòng điện trở kΩ đặt dòng điện cực thu Q10 đến trị số có tỷ lệ nhỏ so với dòng điện ban đầu Dòng điện cố định Q 10 cấp dòng cực cho transistor Q Q4 cấp dòng cực thu cho Q 9, nguồn dòng điện Q8 Q9 cố bám theo độ lớn dòng cực thu Q Q4 Dòng với dòng điện yêu cầu cho đầu vào, tỷ lệ nhỏ dòng điện Q 10 vốn nhỏ Một cách khác để nhìn nhận vấn đề dòng điện đầu vào có khuynh hướng tăng cao dòng điện Q 10, nguồn dòng điện Q8, Q9 tháo bớt dòng điện khỏi cực chung Q3 Q4, hạn chế dòng đầu vào, ngược lại Như vậy, điều kiện chiều tầng đầu vào ổn định nhờ hệ thống hồi tiếp âm có độ lợi cao Vòng hồi tiếp loại trừ thay đổi theo hướng đồng pha thành phần khác mạch cách làm cho điện áp cực Q 3, Q4 bám theo 2Vbe thấp trị số điện áp đầu vào Nguồn dòng Q 12 Q13 tạo dòng điện cố định cho tầng khuếch đại điện áp lớp A qua cực thu Q13, độc lập với điện áp ngõ Tầng khuếch đại vi sai đầu vào: Q1 Q2 transistor đầu vào, lắp theo kiểu theo cực phát (hay kiểu cực thu chung) phối hợp đôi transistor Q3 Q4 nối cực gốc chung thành mạch vi sai đầu vào Ngoài ra, Q3 Q4 tác động dời mức điện áp tạo độ lợi để kéo tầng khuếch đại lớp A Chúng tăng cường khả chịu điện áp ngược cho transistor đầu vào Mạch khuếch đại vi sai đầu vào kéo tải tích cực gương dòng điện Q5, Q6, Q7 Q7 làm tăng độ xác gương dòng điện cách giảm trị số dòng điện tín hiệu cần thiết từ Q3 để kéo cực Q5 Q6 Gương dòng điện biến đổi tín hiệu vi sai thành tín hiệu đơn theo cách sau: Dòng điện tín hiệu Q đầu vào gương dòng điện đầu gương dòng điện (cực thu Q 6) nối đến cực thu Q4 Ở đây, dòng tín hiệu Q3 Q4 trừ với Đối với nguồn vi sai đầu vào, tín hiệu Q Q4 ngược dấu với Như thế, hiệu hai lần dòng điện tín hiệu Mạch hoàn tất trình biến từ tín hiệu vào vi sai thành tín hiệu đơn Cần lưu ý dòng điện cực đầu vào khác không, tổng trở đầu vào vi sai 741 xấp xỉ MΩ Chân "offset null" dùng để lắp điện trở song song với điện trở kΩ (thông thường đầu cuối biến trở tinh chỉnh) để điều chỉnh cân cho gương dòng điện Q 5, Q6, gián tiếp điều chỉnh điện áp tín hiệu đầu vào = Tầng khuếch đại điện áp lớp A: Nó bao gồm transistor NPN nối Darlington sử dụng đầu gương dòng điện làm tải cực thu nhằm có độ lợi lớn Tụ điện 30pF tạo hồi tiếp âm chọn lọc tần số cho tầng khuếch đại này, hình thành bù tần số để tạo ổn định Mạch định thiên đầu ra: Q16 mạch dời mức điện áp, mạch nhân V be, dạng nguồn điện áp Trong mạch điện, Q16 tạo sụt áp không đổi cực thu cực phát dòng điện qua mạch Nếu dòng điện cực gần không, điện áp hai cực phát cực 0.625V (trị số tiêu chuẩn BJT miền tích cực), Do dòng điện qua điện trở 4.5KΩ với dòng qua điện trở 7.5KΩ, gây giảm áp 0.375V Do trì điện áp đầu transistor điện trở 0.625 + 0.375 = 1V Nó định thiên cho transistor đầu vùng gần dẫn giảm méo xuyên tâm Trong số mạch khuếch đại linh kiện rời, chức thực với diode Tầng xuất: Tầng xuất mạch khuếch đại đầy kéo lớp AB (Q 14, Q20) định thiên nhân điện áp Vbe Q16 điện trở cực thu Tầng kéo cực thu Q13 Q19 Dải điện áp khoảng thấp volt so với nguồn cấp ứng bao gồm phần điện áp Vbe transistors Q14 Q20 Điện trở 50 Ω mạch tác động mạch nhạy dòng, để tạo chức giới hạn dòng transistor Q 14 đến trị số khoảng 25mA 741 Giới hạn cho dòng điện âm cách sử dụng điện áp ngang qua điện trở cực phát Q 19 dùng điện áp để giảm bớt dòng điện kéo cực Q 15 Với phiên thấy sai biệt nhỏ mạch giới hạn dòng Điện trở không sử dụng hồi tiếp tiến đến gần có sử dụng hồi tiếp âm Ghi chú: Vi mạch 741 dùng thiết bị âm thiết bị nhạy cảm khác, dùng hơn, mạch khuếch đại đời đại có nhiều tiến việc loại trừ tạp âm Bên cạnh tạp âm phát sinh, 741 mạch cũ có tỷ số nén tín hiệu đồng pha không tốt nên chúng sinh tiếng ù tương tác đồng pha khác thí dụ tiếng "click" đóng ngắt nguồn thiết bị nhạy cảm 1.3 Đặc tính khuếch đại thuật toán: Dạng phổ biến mạch khuếch đại dùng IC mạch khuếch đại thuật toán (operational Amplifier) hay đơn giản dùng từ Op-amp Mạch Op-amp tích hợp gồm mạch khuếch đại vi sai có chất lượng cao để tổng trở vào op-amp vô lớn, tổng trở thấp, độ lợi vi sai cao tỉ số triệt cách chung cao Giống khuếch đại vi sai thật, Op-amp có hai ngõ vào, ngõ vào đảo không đảo ngõ Các Op-amp thường hoạt động tầm nguồn cấp điện rộng Băng thông độ lợi đơn vị tiêu biểu cho op-amp từ 1MHz trở lên Từ op-amp có từ thời máy tính analog, chủ yếu lúc dùng để thực phép toán cộng, bình phương, vi phân hay tích phân Hầu hết thiết kế mạch dùng op-amp hiểu cách ghi nhận đặc tính Các đặc tính quan trọng − Cả hai ngõ vào đảo không đảo có tổng trở vào cao từ hoạt động mạch hở tín hiệu vào − Với hồi tiếp âm, điện áp ngõ đảo với điện áp ngõ vào không đảo − Khi ngõ vào không đảo nối đất ngõ vào đảo hoạt động đất giả Chúng ta sử dụng đặc tính để phát triển công thức thiết kế phân tích mạch dùng op-amp 1.3.1 Các kiểu op-amp Có hai kiểu op-amp chính: Op-amp lưỡng cực (bipolar) xây dựng từ công nghệ lưỡng cực, tiêu biểu µA741C Op-amp ngõ vào FET hay BiFET: mạch khuếch đại vi sai ngõ vào dùng FET tổng trở vào cao BJT dùng để khuếch đại trung gian ngõ ra, tiêu biểu TL081C Vì FET linh kiện họat động áp nên dòng phân cực nhỏ, bỏ qua So với op-amp lưỡng cực op-amp BIFET có băng thông rộng cho công suất lớn Hình 1.9 Kí hiệu Op-amp Giới hạn nguồn cấp điện: Một đặc tính quan trọng op-amp có khả hoạt động dải rộng nguồn cấp điện Giống mạch khuếch đại vi sai, hầu hết op-amp cần hai nguồn cấp điện Các op-amp thường làm việc ±15V hay ±12V Tuy nhiên, tiêu biểu chúng làm việc từ nguồn cấp điện kép tầm từ ±3V đến ±20V, thường dùng nguồn cấp điện cân bằng, điện áp không cần giống cho hai nguồn cấp Op-amp thiết kế không nhạy với thay đổi nguồn cấp điện Đặc tính sổ tay gọi tỉ số triệt nguồn cấp điện (supply voltage rejection ratio), logarithm số 10 thay đổi điện áp chia cho thay đổi nguồn cấp Mặc dù op-amp không nhạy với thay đổi nguồn cấp, điện áp nguồn cấp ảnh hưởng đến biên độ tối đa điện áp Điện áp tối đa mà op-amp cho tiêu biểu nhỏ nguồn cấp điện 1V Ví dụ: op-amp làm việc với nguồn ±15V điện áp xấp xỉ 14V hay -14V hay 28V p-p điện áp cực đại ngõ gọi điện áp bão hòa (saturation voltage) op-amp kí hiệu V sat+ hay Vsat- Sự giới hạn băng thông: Vì op-amp ghép trực tiếp nên đáp ứng tần số hình 1.10: BW 3dB Av BW độ lợi đơn vị f Hình 1.10 Đáp ứng tần số thực op-amp Độ lợi BW – 3dB -20dB/decade BW – Độ lợi đơn vị 1Hz 1MHz f Hình 1.11 Đáp ứng tiệm cận tần số Để ý tần số 3dB vào khoảng 5Hz, tần số lớn hơn, độ lợi giảm tốc độ 20dB/decade, đạt đơn vị xấp xỉ 1MHz BW-3dB Hz không hữu dụng lắm, ta cải thiện BW-3dB hồi tiếp Sự giảm 20dB độ lợi hầu hết op-amp tụ nhỏ (tiêu biểu từ 15 dến 30pF tạo thành phần vi mạch) Tụ gọi tụ bổ Nó góp phần vào ổn định op-amp tránh tiến tới dao động Nếu bỏ tụ mạch khuếch đại có băng thông rộng hơn, không ổn định, dễ dao động Một số op-amp chế tạo tụ bên bổ bên ngoài, đạt băng thông rộng 1.3.2 Đặc tính thông số KĐTT lý tưởng Hình 1.12 Op-amp trạng thái vòng hở Hình 1.12 minh họa KĐTT thông dụng trạng thái vòng hở Ta thấy có hai ngõ vào (ngõ vào đảo có điện áp V in-, ngõ vào không đảo có điện áp V +in) ngõ (có điện áp V0), nguồn cấp điện ± Vcc Trạng thái ngõ mạch hồi tiếp ngõ vào hình hình 1.12 gọi trạng thái vòng hở Hệ số khuếch đại điện áp KĐTT trạng thái đó, ký hiệu A vo, gọi hệ số khuếch đại vòng hở (Opened – loop gain) Ta có đáp ứng tín hiệu V0 theo cách đưa tín hiệu vào sau: − Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo V0 = - AvoVi− Đưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo V0 = AvoVi+ − Đưa tín hiệu vào đồng thời hai ngõ V o = Avo (V+i – V-i) = Avo∆Vi trạng thái tĩnh, V+i = V-i , suy V0 = Vsat Vo -VS VS ∆Vi -Vsat Hình 1.13 Đặc tuyến truyền đạt Hình 1.13 minh họa đặc tuyến truyền đạt điện áp vòng hở KĐTT Theo đặc tuyến này, có vùng làm việc: − Vùng khuếch đại: V0 = Avo∆Vi , -Vs ≤ ∆Vi ≤ Vs , (∆Vi=V+i – V-i) − Vùng bão hòa dương: V0 = +Vsat , ∆Vi > Vs − Vùng bão hòa âm: V0 = - Vsat , ∆Vi < - Vs ±Vs mức ngưỡng điện áp vào, giới hạn phạm vi mà quan hệ V 0(∆Vi) tuyến tính Các KĐTT thường có Vs khoảng từ vài chục µV đến vài trăm µV Trong thực tế, người ta sử dụng KĐTT trạng thái vòng hở A vo lớn tầm điện áp vào bị giới hạn bé (trong khoảng ±V s) cần trôi nhiệt, nguồn không ổn định, nhiễu biên độ bé đủ tạo ∆Vi vượt tầm ±Vs làm ngõ bão hòa dương bão hòa âm Mạch khuếch đại vòng hở thường sử dụng hồi tiếp âm để tạo làm việc ổn định cho khuếch đại, đồng thời vùng làm việc tín hiệu vào tương ứng mở rộng (hình 1.14) Trạng thái KĐTT có thêm mạch hồi tiếp âm gọi trạng thái vòng kín Vo Vsat -VSf VSf ∆Vi -Vsat Hình 1.14 Đặc tuyến truyền đạt có hồi tiếp âm Một KĐTT lý tưởng có thông số sau: − Hệ số khuếch đại vòng hở: Avo →∞ (thực tế Avo >10000) − Tổng trở vào Ri →∞ (loại BJT Ri > MΩ, loại FET Ri> 109 Ω) − Tổng trở R0 ≈ (thường R01,5 H0 ≠2 Khi H0 = 2, giải hệ (4.15) (4.16) để tìm nghiệm Muốn mạch có độ lợi ≤1,5 ta cần chọn lại C1 C2 (C1 ≠ C2) giải lại theo bước Ví dụ: Thiết kế mạch lọc thông thấp bậc Butterworth có tần số cắt 1khz, độ lợi 11 Ta có: H0=11, từ (4.19) suy ra: R1 ( K ) = 10 − 2(11 − 1,5) 2 (2 − 11) = 0,420kΩ Từ (4.18), có R2(K) = 6,03 kΩ Chọn R3 = 100 kΩ, để H0 =11, từ (4.5) suy R4=10 kΩ Chọn C =10 nF, từ (4.13) suy K = 10 Khi R1 = 4,2 kΩ, R2 = 60,3 kΩ 4.3 Mạch lọc thông cao Mạch lọc thông cao mạch lọc cho tín hiệu tần số lớn tần số cắt f c qua Đáp ứng tần số lý tửơng trình bày hình 4.3a 4.3.1 Mạch lọc thông cao bậc Mạch lọc thông cao bậc có đáp ứng tần số hình 4.3b Hàm truyền H(s) có dạng sau: H(s) = H 0s s + ω0 (4.21) Trong đó: H0- độ lợi cực đại; ωo=2πf – tần số cắt (tần số 3db) Độ dốc hàm truyền xác định từ (4.3) +20dB/dec Mạch lọc thông cao bậc dùng OP-AMP hình 4.4a Hàm truyền có dạng biểu thức (4.21), với H0 = − R2 , ω0 = R 1C R1 61 (4.22) Hình 4.3a: Mạch lọc thông cao bậc 4.3.2 Mạch lọc thông cao bậc Butterworth Mạch lọc thông cao bậc có đáp ứng tần số hình 4.3c Hàm truyền H(s) có dạng sau: H 0s H(s) = ω s + ( )s + ω02 Q (4.23) Trong đó: H0 – độ lợi; ω0 = 2πfc – tần số cắt; Q hệ số phẩm chất mạch Tùy vào giá trị Q mà mạch có đáp ứng tần số hình 4.3c Khi Q = 0.707, mạch có đáp ứng phẳng nhất, gọi mạch lọc Butterworth Độ dốc hàm truyền xác định từ 4.3 40db/dec Mạch lọc thông cao bậc dùng OP-AMP hình 4.4b, hàm truyền có dạng biểu thức (4.23), với: R3 R4 H0 = 1+ ω0 = Q= R R C1 C R R C1 C R (C1 + C ) + R C (1 − H ) (4.24) (4.25) (4.26) Chọn C1=C2=C Bằng cách đặt R1=KR1(K), R2=KR2(K), R1(K) R2(K) tính theo kΩ phần mạch lọc thấp bậc Butterworth ta có cách thiết kế mạch lọc thông cao bậc Butterworth sau: 10 −4 fc × C 100 R (K ) = 4π R ( K ) K= R (K ) = 10 ± 4H − 3) 2 (1 − H ) (4.27) (4.28) (4.29) Chú ý: Hệ (4.28) (4.29) áp dụng H # 0.75 H0# Nếu cần H0 = phải giải lại hệ phương trình (4.25) (4.26) C = C2 = C kết hợp với (4.27) (4.28) Ví dụ: Thiết kế mạch lọc thông cao bậc Butterworth có tần số cắt 1khz, độ lợi 11 H0=11, từ (4.29) suy ra; 62 R (K ) = 10 − 44 − 2π(1 − 11) = 0.608kΩ Từ 4.28 ta có: R1(K)=4,166 kΩ Chọn R3= 100kΩ, suy R4=10 kΩ Chọn C=47nf, từ 4.27 ta có K=2.127 Suy R1=12,498 kΩ, R2=1,824 kΩ Hình 4.4a 4.3.3 Mạch lọc thông dải: Mạch lọc thông dải mạch lọc cho tín hiệu tần số khoảng f l ÷ fh qua Đáp ứng tần số lý tưởng trình bày hình 4.5a, đáp ứng tần số thực hình 4.5b Hình 4.5: Đáp ứng tần số mạch loc thông dải Mạch lọc thông dãi có cấu trúc hình 4.6 gọi mạch lọc thông dải Sallen_Key Hàm truyền H(s) có dạng sau: H(s) = H0 ( ω0 )s Q ω s + ( )s + ω02 Q (4.30) Trong đó: Ho – độ lợi cực đại; ω0=2πf0 – tần số trung tâm; Q – hệ số phẩm chất mạch Trên hình 4.6 chọn R1 = R2 = R3/2 = R; C1 = C2 = C thì: 63 R4 R5 K H0 = 3− K ω0 = RC Q= 3−K f BW = Q K =1+ Hình 4.6: Mạch lọc thông dải Bài tập chương 4: Cho mạch điện hình 0 V H ω a Chứng minh H(jω) = = ω + jω Vi Với H0 = 1+ R2 , ω0 = R1 RC b Phát họa đáp ứng tần số mạch c Mạch hình 4.7 mạch gì? Hình 4.7 64 (4.31) (4.32) (4.33) (4.34) (4.35) Thiết kế mạch lọc thông cao bậc 1, biết mạch có tần số cắt 2KHz, độ lợi áp cực đại -5, điện dung C = 47nF a Vẽ mạch thiết kế b Tính giá trị linh kiện mạch c Viết biểu thức hàm truyền đạt H(jω), vẽ đồ thị biểu diễn đáp ứng tần số thực tế mạch Thiết kế mạch lọc thông thấp bậc Butterworth có tần số cắt 1,5KHz, độ lợi cực đại 10 Các tụ C chọn có giá trị 15nF a Vẽ mạch thiết kế b Tính giá trị linh kiện mạch c Viết biểu thức hàm truyền H(jω) mạch, vẽ đồ thị biểu diễn đáp ứng tần số mạch Thiết kế mạch lọc thông cao bậc Butterworth có tần số cắt 1KHz, độ lợi cực đại 11 Các tụ C chọn có giá trị 47nF a Vẽ mạch thiết kế b Tính giá trị linh kiện mạch c Viết biểu thức hàm truyền H(jω) mạch, vẽ đồ thị biểu diễn đáp ứng tần số mạch Thiết kế mạch lọc thông thấp bậc 1, biết mạch có tần số cắt 2KHz, độ lợi áp cực đại -4, điện dung C = 47nF a Vẽ mạch thiết kế b Tính giá trị linh kiện mạch c Viết biểu thức hàm truyền đạt H(jω), vẽ đồ thị biểu diễn đáp ứng tần số thực tế mạch 65 CHƯƠNG VI MẠCH ỔN ÁP DC TUYẾN TÍNH 5.1 VI MẠCH ỔN ÁP Để thu nhỏ kích thước chuẩn hóa tham số ổn áp chiều kiểu bù tuyến tính người ta chế tạo chúng dạng vi mạch, nhờ việt sử dụng dễ dàng Cấu trúc chung IC ổn áp thực tế bao gồm phần tạo điện áp chuẩn, khuếch đại tín hiệu sai lệch, tranzito điều chỉnh, hạn chế dòng (trong phần lớn ổn áp có hạn chế dòng) Các IC ổn áp thường bảo đảm dòng khoảng từ 100mA đến 1A điện áp tới 50V, công suất tiêu tán khoảng 500 800 mw Hiện người ta chế tạo IC ổn áp cho dòng tới 10A, điện áp từ 250V Các loại IC ổn áp điển hình thường dùng là: LM105, LM309, mA723, LM323, LM345, LM350, LM337, LM338, Seri 78Hxx… Tùy thuộc vào yêu cầu tham số kỹ thuật điện áp ra, dòng ra, hệ số ổn định điện áp, khả điều khiền điện áp ra, dải nhiệt độ làm việc, nguồn cung cấp, độ ổn định theo thời gian v.v Mà người ta chế tạo nhiều loại (có cấu trúc mạch bên trong) khác nhau, với chân giúp cho việc sử dụng thuận tiện Cấu trúc điển hình bên IC ồn áp loại mA78xx hay mA 78G Hình 5.1: Cấu trúc điển hình họ 78xx · Với loại cấu trúc chân (không có chân số 4) điện trở hồi tiếp R1, R2 chế tạo bên vỏ IC (mA7800) Còn với loại có cấu trúc chân, cực B T2 để ngỏ để đưa đấu R1, R2 từ ngoài, chọn (hoặc điều chỉnh) mức điện áp lấy chân Ura = U CH (1 + R2 ) R1 Để chống tượng tải(ngắn mạch tải hay tăng mức điện áp vào) người ta đưa vào khâu mạch bảo vệ áp (dùng R ĐZ2) bảo vệ dòng (dùng R3, R4) kết hợp với tranzito T3 66 Dòng cực bazơ Cặp tranzito điều chỉnh Darìingtơn T’ T4 trì không vượt giới hạn IBmax (cỡ vàì mA) nhờ tác dụng phân dòng T lúc áp hay dòng Từ dòng điện lối ra: Ira ≤ Iramax = β’β4.Imax · Bình thường T3 trạng thái khóa nhờ việc chọn R3 R4 thích hợp Khi sụt áp R3 tăng lên dòng đạt tới giá trị UR3 ≥ 0,6V, T3 chuyển sang mở, ngăn ngừa gia tăng tiếp tục dòng I’B4.Từ mức hạn chế dòng xác định bởi: Iramax = 0.6V R3 (chú ý mức hạn dòng thích hợp Ura nhỏ, U lớn giảm ảnh hưởng R4 R5) · Công suất nhiệt tiêu tán cực đại T’4 T4 xác định từ hệ thức Vì nguyên nhân không mong muôn, mạch bị chập ( U ≈ 0) Ira ↑ hay điện áp lối vào tăng cao dẫn tới khả bị nhiệt gây hư hỏng cho T’ T4 Mạch dùng ĐZ2 R5 có tác dụng bảo vệ T4 khỏi nguyên nhân - Nếu Uvào - Ura < Uz (Uz giá trị điện áp đánh thủng Zener ĐZ 2), dòng qua R5 mạch hạn chế R3R4T3 hoạt động lúc dòng - Nếu Uvào - Ura ≥ Uz nhánh ĐZ2, R5 dẫn dòng, qua phân áp R4.R3 đặt điện áp dương lên T3 làm mở dòng R3 chưa đạt tới trị Iramax (và nhờ làm giảm dòng kể điều kiện Ira ≥ Iramax không thỏa mãn) 5.1.1 Mạch ổn áp nguồn dùng IC họ 78xx, 79xx Một loại vi mạch ổn áp DC tuyến tính thông dụng họ vi mạch 78XX (ổn áp dương) 79XX (ổn áp âm) có chân hình 5.2 Tùy theo hình dạng vỏ ngoài, vi mạch ổn áp chân cung cấp dòng từ 100mA đến 1A cho điện áp cố định nhiều giá trị khác Loại IC ồn áp chân nối(đầu ra, đầu vào đất) thường cho điện áp cố định Đại diện cho loại Seri 78xx hay 79xx Điện áp số cuối kí hiệu Ví dụ 7805 (ổn áp 5v) ; 7812 (+ 12V) ; 7815 (+ 15V); 7818 (+ 18V); 7824 (+ 24V) Tụ điện C = 0,1 µF để cải thiện trình độ giữ cho điện trở mạch đủ nhỏ tần số cao, dòng điện ra, phổ biến ≤ 1A o 78XX: 1: Ngõ vào 2: GND 78XX 3: Ngõ 79XX: 1: GND 2: Ngõ vào 3: Ngõ Hình 5.2: Dạng vỏ kí hiệu chân 5.1.2 C0 khoảng vài nF để lọc nhiễu cao tần Điện áp ngõ vào tối thiểu phải cao ngõ 2V để vi mạch hoạt động tốt 67 78X X V IN VO U T Vo Ci G N D Vi Co Ci V IN VO U T Vo G N D 79X X Vi Co Hình 5.3: Mạch ổn p dng vi mạch 6.2 MẠCH ỔN ÁP DÙNG VI MẠCH ĐIỀU CHỈNH ĐƯỢC ÁP RA Để mở rộng khả sử dụng vi mạch ổn áp chân, ta mắc thêm mạch điều chỉnh điện áp hình 3.22, mạch nâng dòng tải hình 3.23 Từ hình 3.22 ta có: VL = V0 + αVL 5.1 R2 R1 + R V Hay VL = 1− α Với α = 5.2 Điện áp ngõ vào: Vi = Vs + αVL 5.3 Công thức (5.2) cho thấy: thay đổi hệ số α(bằng cách chỉnh biến trở R2), điều chỉnh điện áp V L α = (R2 = 0), VL = VLmin = V0, lúc Vi=Vs (theo 5.3) Trên thực tế, vi mạch có điện áp vào cực đại cho phép V smax cho nhà sản xuất (thông thường Vsmax = 35V ÷ 50V) Đẳng thức cho phép ta xác định giá trị điện áp vào tối đa cho phép Vimax = Vsmax Khi tăng α (bằng cách tăng R2) VL tăng Tuy vậy, để đảm bảo cho vi mạch ổn áp hoạt động bình thường, giá trị VLmax luôn phải nhỏ Vi tối thiểu 2V: VLmax = Vi – (V) Giá trị α tương ứng là: α max = − 6.4 V0 VL max 6.5 Điện trở R3 chọn cho đảm bảo dòng phân cực tĩnh tối thiểu I Q vi mạch: R3 = α VL α VL = IQ Is − IL 6.6 68 Trong mạch hình 3.22, Q1 bổ sung thêm dòng cho tải tải cần tăng dòng Q Rs đóng vai trò mạch hạn dòng Hoạt động mạch sau: Khi dòng tải I L bé, dòng ngõ vi mạch IL bé dòng Is bé, điện áp rơi R bé làm Q tắt dòng tải tăng đến giá trị định trước, dòng I tăng Is tăng theo, dẫn đến áp rơi R đủ phân cực thuận Q1, Q1 dẫn bổ sung thêm dòng tải Ic1 cho tải kết IL = Ic1 + I0 giá trị định trước dòng tải IL (để Q1 dẫn cấp dòng bổ sung) lựa chọn cho dòng tương ứng vi mạch I0 phải nhỏ giá trị dòng cực đại cho phép I0max Ví dụ 9.7: Mạch ổn áp hình 3.21 sử dụng vi mạch 7815 có V smax = 35V, R1 = 15K a.Giả sử ta chưa xét đến dòng tĩnh vi mạch Biết điện áp vào V i = 30V, tính điện áp ngõ vào cực đại, tầm biến áp ngõ giá trị tương ứng R để đạt tầm Tính giá trị R3 op-amp có khả cấp dòng đến 15mA b.Cho dòng tĩnh IQ vi mạch 3mA, xác định VLmin với giá trị R3 tìm câu a? Giải a.Vimax = Vsmax = 35V α = 0, R2 = 0: VLmin = V0 = 15V từ 9.54: VLmax =Vi – = 28V từ 9.55: α max = − suy ra: R max = V0 15 = 1− = 0.464 VL max 28 R xα max 15x 0.464 = = 13K − α max − 0.464 trường hợp OPAMP cấp dòng cho R 3, ta phải chọn giá trị R3 tối thiểu cho VLmax, dòng OPAMP không vượt giới hạn 15mA R = α max xVL max 0.464x 28 = ≈ 866Ω I OPAMP max 15x10 −3 b.Trong trường hợp dòng tĩnh qua R3 IQ IQ=IS – IL=3mA, ta có: VLmin=V0 + IQ x R3 = 15 + x 10-3 x 866 = 17,6V Lưu ý: chỉnh R2 = 0, op-amp không cấp dòng cho R3, dòng qua R3 chủ yếu dòng tính IQ vi mạch 69 78XX + Vi R1 + - VL + + αVL αVL - _ 70 R2 _ RL