Giáo trình Kỹ thuật điện tử - chương 4

Giáo trình Kỹ thuật điện tử được biên soạn dựa theo nhiều tài liệu của những tác giả đã được xuất bản, cập nhật thông tin trên mạng sau đó chọn lọc, tổng hợp mà đặc biệt là bài giảng m

Chương - Khuếch đại chiều KĐTT Chương KHUẾCH ĐẠI MỘT CHIỀU VÀ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 5-1 KHÁI NIỆM VỀ KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU BIẾN THIÊN CHẬM Các dạng mạch khuếch đại ghép RC, biến áp mà ta khảo sát chương trước ứng dụng mạch khuếch đại tín hiệu xoay chiều, tần số thấp Hz Trong thực tế có tín hiệu tần số 1Hz, gọi tín hiệu biến thiên chậm, như: tín hiệu cảm biến từ biến thiên nhiệt độ, biến thiên độ ẩm, biến thiên mực chất lỏng, biến thiên cường độ ánh sáng, phản ứng hoá điện, dòng điện sinh học … Các tín hiệu biến thiên chậm xem tín hiệu chiều (DC) Bộ khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm nói chung có đặc điểm sau: - Tín hiệu có tần số thấp nhất, xem tín hiệu DC - Có ngõ vào đối xứng (các nguồn phát tín hiệu biến thiên chiên chậm thường có dạng đối xứng – Hình 5.1.1) - Hệ số khuếch đại cao (nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm thường có biên độ bé, từ vai µV đến vài chục µV) - Khả nắng chống nhiễu tốt - Áp phân cực ngõ vào ngõ không để dễ chuẩn hóa (khi chưa có tín hiệu, điện áp tónh zéro) - Phân cực phải ổn định, không bị trôi theo nhiệt độ (nếu không gây sai số ngõ ra) Đây điều kiện quan trọng mạch khuếch đại DC Với đặc điểm trên, phương diện tần số, rõ ràng khuếch đại ghép RC gheùp + e1 + + e - e (a) (b) e e2 (c) - Hình 5.1.1 a,b Các cảm biến nhiệt tạo tín hiệu đối xứng (c) Mô hình mạch điện nguồn tín hiệu đối xứng biến áp không đáp ứng với tín hiệu DC Ta dùng mạch khuếch đại ghép trực tiếp, bị hạn chế số tầng khuếch đại, tính toán phân cực phức tạp Hơn nữa, khả ổn định phân cực chống niễu số tầng khuếch đại tăng, ngõ vào đối xứng Trong chương này, ta khảo sát hai dạng khuếch đại DC (khuếch đại vi sai khuếch đại thuật toán) hoàn toàn đáp ứng đặc điểm 126 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Khuếch đại chiều KĐTT 5.2 KHUẾCH ĐẠI VI SAI 5.2.1 Dạng mạch hoạt động Khuếch đại vi sai khuếch đại DC đối xứng, có hai ngõ vào hai ngõ Hình 5.2.1 mô tả dạng mạnh Ngõ vào chọn bất đối xứng: Vi1, Vi2 (so với đất) hay đối xứng: Vi = Vi1 – Vi2 Tương tự, ngõ chọn đối xứng: VO1, VO2 (so với đất), hay đối xứng: VO = VO1 – VO2 Hai cực E hai BJT ghép chung với phân cực bỡi nguồn dòng Ik = const Điện trở nội nguồn dòng xem lớn, RK → ∞ Nguồn âm – VEE nhằm tạo điểm có điện chiều không cho ngõ vào ngõ theo yếu cầu chung khuếch đại DC Ta coù: VCC + vo1 - + + vo2 vi2 - + vi1 - - -VEE Hình 5.2.1 Dạng mạch khuếch đại vi sai IE1 + IE2 = IK (5.2.1) Ở trạng thái tónh: Vi1 = Vi2 = 0, Q1 Q2 hoàn toàn đối xứng: IE1 = IE2 = ½ IK (5.2.2) Vì IB < < IC nên bỏ qua dòng IB: IC1 = IC2 ≈ ½ IK • (5.2.3) Tín hiệu vào khuếch đại vi sai phân loại thành hai dạng (hình 5.2.2) ViCM Vid1 Vic1 Vid Vid2 Vic2 IK ViCM -VEE (a) -VEE (b) Hình 5.2.2 Tín hiệu vào vi sai tín hiệu vào cách chung (a) Biểu thị tổng quát; (b) Tách riêng loại tín hiệu cho ngõ vào Bài giảng Kỹ thuật điện tử 127 Chương - Khuếch đại chiều KĐTT - Tín hiệu vào sai (Differential input signal): hiệu ngược pha hai ngõ vào Đây tín hiệu có ích cần khuếch đại: V Vid1 = − Vid = id - Tín hiệu vào cách chung (common mode signal) gọi: tín hiệu vào đồng pha hai ngõ vào Chúng thường nhiễu, Ví dụ điện áp trôi theo nhiệt độ, lượng biến động nguồn cung cấp v.v… Vic1 = Vic2 = VicM (5-2-5) Như vậy, ngõ vào ta có: V Vi1 = Vid1 + Vic1 = id + VicM (5-2-6) V Vi2 = Vid2 + Vic2 = - id + VicM (5-2-7) Với tín hiệu vi sai, ta có biến thiện điện áp ngõ vào ∆ Vid1 ∆ Vid2 = - ∆ Vid1, dẫn đến dòng IC1 tăng lượng ∆ IC1 dòng IC2 giảm lượng ∆ IC2 Do IK = const neân ∆ IC1 = ∆ IC2, tín hiệu khuếch đại ngõ Do tín hiệu cách chung, hai tín hiệu vào đồng pha: ∆ ViC1 = ∆ ViC2 nên dòng IC1, IC2 biến thiện pha: ∆ IC1 = ∆IC2 Nhưng dòng điện tổng IK = const nên lượng phải triệt tiêu: ∆ IC1 = ∆IC2 = nghóa tín hiệu đồng pha không khuếch đại ngõ Từ trên, ta thấy mạch khuếch đại vi sai có tác dụng chống nhiễu đồng pha tốt, phân cực ổn định, không bị trôi theo biến thiện nhiệt độ nguồn cung cấp Nguồn dòng IK ổn định, RK lớn khả chống nhiễu ổn định phân cực mạch cao hay dùng BJT, ta thấy phân sau 128 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Khuếch đại chiều KĐTT 5.2.2 Chế độ DC mạch khuếch đại vi sai Sơ đồ mạch phân cực thuận thực tế cho độ khuếch đại vi sai hình 5.2.3a, RE đóng vai trò ViCM nguồ n dòng Vid2 Vid1 IK Vid IK Do ViCM Vic2 Vic1 hai vế -VEE -VEE mạch (a) (b) hoàn toàn Hình 5.2.2 Tín hiệu vào vi sai tín hiệu vào cách chung đối (a) Biểu thị tổng quát; (b) Tách riêng loai tín hiệu cho ngõ vào xứng , ta cần tín toán phân cực cho vế Do dòng qua RE 2IE, nên đưa vế, RE thay 2RE hình 5.2.3 b) Từ hình 5.2.3b, viết phương trình cho hai vòng kín BE CE ta được: BBIBQ + VBEQ + 2RE (β+ 1) IBQ – VEE = - VCC + ICQRC + VCEQ + 2RE (ICQ + IBQ) – VEE = vaø: (5.2.8) (5.2.9) ICQ = βIBQ (5.2.10) Từ phương trình trên, ta suy trị số dòng áp trạng thái tónh Ngược lại, biết điện áp dòng trạng thái tónh, hệ thức giúp ta xác định giá trị điện trở phân cực Chẳng hạn từ (5.2.9) suy ra: V + VEE − VEQ RC + 2RE ≈ CC (5.2.11) ICQ Ta chọn trước RC theo điều kiện hệ số khuếch đại, chọn trước RE theo yếu cầu chống nhiễu hay chọn theo yêu cầu cụ thể giá trị điện áp phân cực ngõ vào ngõ ra, từ suy giá trị lại Tương tự, từ (5.2.8), ta tính RB: V − VBEQ − 2R E (β + 1)I BQ RB = EE I BQ (V − VBEQ )β Hay RB = EE − 2R E (β + 1) I CQ (5.2.12) • Ví dụ 5.1 Mạch khuếch đại vi sai hình 5.2.3 a có dạng thông số VCC = + 12V, -VEE = -12V, RC = 2K, RE = 5K, RB = 50K, Q1 = Q2 (Si) Coù β= 100; VBEQ = 0,6 V Tính giá trị dòng, áp cực B,C,E mạch Bài giảng Kỹ thuật điện tử 129 Chương - Khuếch đại chiều KĐTT Giải Từ (5.2.8) suy ra: VEE − VBEQ 12 − 0,6 = = 0,01 mA IBQ = R B + 2R E (β + 1) 50 + 2.5(100 + 1) ICQ = βIBQ = 100 x 0,01 = mA IEQ = ICQ + IBQ = + 0,01 = 1,01 mA Từ (5.2.9) suy ra: VCEQ = VCC + VEE – ICQRC – 2RE (ICQ + IBQ) = 12 + 12 – x – x x 1,01 = 11,9V VEQ = 2REIEQ – VEE = x x 1,01 – 12 = -1,9 V VCQ = VCEQ + VEQ = 11,9 – 1,9 = 10V VBQ = VBEQ + VEQ = 0,6 – 1,9 = - 1,3V • Ví dụ 5.2 Cho mạch khuếch đại vi sai hình 5.2.3.a VCC = 12V, -VEE = -12 V, BJT có β= 100 yêu cầu phân cực mạch với thông số sau: ICQ = mA, VCEQ = 4V, VBEQ = 0,6 V, VCQ = V Tính RC, RE, RB Giải Từ yêu cầu phân cực VCQ = V, ta tìm R V − VCQ 12 − RC = CC = = 12K ICQ Từ (5.2.11) suy ra: RE = ⎤ ⎡12 + 12 − ⎤ ⎡ VCC + VEE − VCEQ − RC ⎥ = ⎢ ⎢ ⎥ = 4K 2⎢ ICQ ⎦ ⎥ 2⎣ ⎣ ⎦ Từ (5.2.12) suy ra: (VEE − VBEQ ) × β 12 − 0,6 RB = − 2R E (β + 1) = × 100 − × 4(100 + 1) = 339K I CQ 5.2.3 Cheá độ AC mạch khuếch đại vi sai 1) Hệ số khuếch đại Ta khảo sát lại sơ đồ hình 5.2.3 a xét tín hiệu vi sai ngõ vào cực B1 V V Vid1 = id cực B2 Vid = − id Trên cực E1 E2 có điện áp Vid vaø Vid Do 2 Vid = − Vid , nên áp AC E1 E2 bị triệt tiêu Như vậy, mặt AC, xem E1, E2 điểm đất (đất xoay chiều) tín hiệu vi sai Từ có mạch tương đương hình 5.2.4 a Lý luận tương tự tín hiệu cách chung, điện áp tin hiệu tổng E1 E2 ViCM, tín hiệu vào B1, B2 Vic1 = Vic = ViCM Trong trường hợp RE xuất sơ đồ tương đương điện trở hồi tiếp âm, phản ánh vế mạch, tương đương với giá trị 2RE 130 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Khuếch đại chiều KĐTT Hình 5.2.4 b sơ đồ tương đương tin 1hiệu cách chung, RE phản ánh từ mạch cực E mạch cực B có giá trị tương đương RE (hfE + 1) Từ hình 5.2.4a tính hệ số khuếch đại tín hiệu vi sai: V h fE Av1d = O1d = − (5.2.13a) (R C // / h OE ) ≈ − h fE R C Vid h iE h iE V h fE Av2d = O d = (5.2.13b) (R C // / h OE ) ≈ h fE R C Vid h iE h iE Như vậy: Av1d = -Av2d = Avd = Ta thấy hệ số khuếch đại tầng khuếch đại vi sai với hệ số khuếch đại tầng khuếch đại đơn EC, hệ số ½ tín hiệu vào tầng khuách đại vi sai phân nửa biên độ so với tín hiệu vào tầng khuếch đại đớn EC h fE R C h iE (5.2.13c) + B1 + Vi1d = Vid - Vi d - + + Vi1c = ViCM C1 hie Vid E1 E2 V = id hie hfeib B2 hie (hfe+1)Re (hfe+1)Re RC Vod Vod + C2 (a) + hfeib hfeib + hie RC hoe hfeib Vi2c = ViCM hoe + hoe RC Vo1C - hoe RC Vo2C + (b) Hình 5.2.4 Sơ đồ tương đương tham số h mạch khuyếch đại vi sai hình 5.2.3.a tín hiệu vi sai (a) tín hiệu cách chung (b) Từ hình 5.2.14 b, ta có: ⎛ ⎞ ⎜ R C // ⎟ ⎜ h OE ⎟ VO1C VO C ⎝ ⎠ = = −h fE x A v1c = A v c = ViCM ViCM h iE + 2(h fE + 1)R E > > RC nên Thực tế, hfE > > (h fE + 1) RE > > hiE, h OE Bài giảng Kỹ thuật điện tử (5.2.14) 131 Chương - Khuếch đại chiều KĐTT AVCM = Av1C = Av2C ≈ − RC RE (5.2.15) Như điện áp ngõ ra: Vid + A vCM ViCM V Vo2 = - Avd × id + AvCM ViCM Vo1 = Avd × (5.2.16) 2) Tỉ số nén tín hiệu cách chung (CMRR: Common – Mode Rejection Ratio) Để đánh giá mức độ triệt nhiễu tín hiệu cách chung hay nhiều đồng pha, người ta đưa thông số CMRR định nghóa sau: A vd CMRR = 20 lg (dB) (5.2.17) A vCM Từ (5.2.13) (5.2.15) suy ra: CMRR ≈ 20 lg h fE xR E = 20 lg(g m R E ) h iE (5.2.18) Tỉ số CMRR cao, mạch có tính triệt nhiễu đồng pha tốt 3) Tổng trở vào, tổng trở - Từ hình 5.2.4 a, nhìn từ hai cực B1 B2 , ta có: Tổng số vào si sai: Rid = 2hiE (5.2.19) Tương tự, từ hình 5.2.4 b, sau quy vế, suy ra: Tổng số vào cách chung: Ro = (R C // / h oE ) ≈ R C (5.2.20) Còn tổng trở hai cực collec đất: Ro = (R C // / h OE ) ≈ R C • Ví dụ 5.3: Từ thông số ví dụ 5.2 cho hfE = β, (5.2.21) → ∞ tính: h oE a) hệ số khuếch đại vi sai Avd hệ số khuếch đại cách chung AvCM b) Tổng số vào vi sai Rid, tổng trở vào cách chung RiCM, tổng trở c) Tỉ số CMRR a) Trước tiên, ta tìm hiE: Giải hiE = rB + (h fE + 1)rE ≈ h fE rE = 132 25h fE 25 × 100 = = 2,5K I CQ (mA) Baøi giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Khuếch đại chiều KĐTT h fE R C 100 x12 =− x = −240 h iE 2,5 RC 12 ≈− = − x = −1,5 RE Avd = AvCM Rid = 2hiE = x 2,5 = 5K RiCM = hiE + (β+ 1) RE = 2,5 K + ×101 × 4K = 810,5K Ro = RC = 12 K A cd − 240 c) CMRR = 20 lg = 20 lg = 44dB A vCM − b) hay tính theo (5.2.18) h R 100 x CMRR ≈ 20 lg fE E = 20kg = 44 dB h iE 2,5 4) Nguồn dòng dùng BJT Từ (5.2.18) ta thấy RE lờn, tỷ số CMRR cao khả chống nhiễu tốt Tuy nhiên, tăng RE lớn không đảm bảo điều kiện phân cực cho mạch Để thỏa mãn phân cực DC đồng thời tăng CMRR, ta thay RE nguồn dùng Q3 laoi5 bán dẫn với Q1 Q2 (h 5.2.5) Về mặt DC, ta phân cực cho VCE3 + VR2 với áp hạ RE hình 5.2.3 a Về mặt AC, điện trở tương đương hai cực C-E Q3 có giá vào cỡ vài trị lớn (bằng h oE trăm K Ω ) tằng CMRR cao V + VD − VBE IC3 ≈ I E = z R2 chọn diode loại bán dẫn với Q3 : VD = VBE3 : V IC3 = z = const R2 VCC RC RC Q1 Q2 RB RB D R2 R1 DZ -VEE Hình 5.2.5 Dùng Q3 làm nguồn dòng thay cho RE (5.2.22) 5.2.4 Các ứng dụng khác khuếch đại vi sai Ngoài ứng dụng khuếch đại tính hiệu DC ngõ vào đối xứng, đặc tính ổn định phân cực chống nhiễu tốt, mạch khuếch đại vi sai dùng rỗng rãi khuếch đại AC, ngõ vào bất đối xứng như: khuếch đại đão pha (h 5.2.6a), khuếch đại đồng pha (h 5.2.6b), khuếch đại có hồi tiếp (hình 5.2.6 c) Bài giảng Kỹ thuật điện tử 133 Chương - Khuếch đại chiều KĐTT VCC RC + Vi - RC Vo CB RB RB RE (a) -VEE +VCC RC + vi - + Q1 Q2 RB RB CB vo - RE (b) -VEE +VCC RC Q1 Q2 + vi - Các tầng KĐ RBi + vo - RB2 RB1 RE CB (c) -VEE Hình 2.5.6 Các ứng dụng khác khuếch đại vi sai (a) Khuếch đại đảo pha (b) Khuếch đại đồng pha (c) Khuếch đại có hồi tiếp 134 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Khuếch đại chiều KĐTT 5.3 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ ỨNG DỤNG 5.3.1 Giới thiệu chung bọ khuếch đại thuật toán: Khuếch đại thuật toán (KĐTT), gọi OPAMP (viết tắt từ Operational Amplifier), khuếch đại DC có hệ khuếch đại AV cáo thường chế tạo dạng tích hợp (IC: Integrated Circuit) Các dạng vỏ sơ đồ chân chức minh họa h 5.3.1 KĐTT vốn dùng để thực thuật toán máy tính tương tự có tên gọi Ngày nay, KĐTT ứng dụng nhiều lãnh vực khác nhau, với tầm tần số rộng từ DC đến hàng GHz Cấu trúc KĐTT hình 5.3.2 Ngõ vào tầng khuếch đại vi sai; tầng khuếch đại trung gian (có thể tầng đệm khuếch đại vi sai), tầng dích mức DC để đặt mức phân cực DC ngõ ra; cuối tầng đệm để khuếch đại dòng có trở kháng thấp, tạo tín hiệu bất đối xứng ngõ Các tầng khuếch đại ghép trục tiếp với vivi + KĐ vi sai KĐ trung gian Dịch mức DC Đệm ngõ V0 Hình 5.3.2 Sơ đồ khối khuếch đại thuật toán Hình 5.3.3 giới thiệu chi tiết khuếch đại thuật toán Cặp transistor Q1 Q2 tạo thành khuếch đại vi sai ngõ vào Tín hiệu từ cực C Q1 Q2 đưa đến cực B Q3 Q4 Cặp transistor tạo thành mạch khuếch đại vi sai thứ hai Tín hiệu lấy từ cực C Q4, đưa vào cực B Q5 Q5 Q6 tạo thành mạch ghép Darlington để dịch mức DC, tăng hệ số khuếch đại dòng với kiểu mắc C chung để có trở kháng thấp Tín hiệu lấy R4, điện trở phân cực E Q6 Q7 nguồn dòng cho cặp vi sai Q1 vaø Q2 R7, R6, D1 vaø R5 tạo thành mạch phân cực ổn định nhiệt cao Q7 Tương tự, mạch phân cực ổn định nhiệt cho Q8 gồm R10, R9, D2 R8 Bài giảng Kỹ thuật điện tử 135 Chương - Khuếch đại chiều KĐTT +VCC R2 R1 vi+ + vi- R3 - + Vo D1 R5 R6 D2 R7 R8 R10 R4 R9 -VEE Hình 5.3.3 Mạch cụ thể KĐTT Điện áp Vo dấu (hoặc pha) với điện áp vào điện cực B Q2 Vì hai ngõ vào theo thứ tự gọi ngõ vào không đào (hoặc ngõ vào thuận, ký hiệu :dấu +) ngõ vào đảo (ký hiệu: dấu -) 5.3.2 Đặc tính thông số cỉa KĐTT lý tưởng: hình 5.3.4 a minh họa ký hiệu KĐTT thông dụng Ta thấy có hai ngõ vào (ngõ vào đảo có điện áp Vi− , ngõ vào không đảo có điện áp Vi+ ) ngõ (có điện áp Vo), nguồn cúp điện ± VCC Trạng thai ngõ mạch hối tiếp ngõ vào h 5.3.4 a gọi trạng thái vòng hở Hệ số khuếch đại điện áp KĐTT trạng thái đó, ký hiệu Avo, gọi hệ số khuếch đại vòng hở (Opened – loop gain) +VCC + vi vi- + - -VCC V0 +VCC + V0 - Bão hòa dương HSKĐ vòng hở -Vs +Vs ∆Vi = vi+ − vi− -VCC (a) (b) Hình 5.3.4 Ký hiệu đặc tính truyền đạt điện áp vòng hở KĐTT (a) 136 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Khuếch đại chiều KĐTT Ta có đáp ứng tín hiệu Vo theo cách đưa tín hiệu vào sau: • Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo: Vo = - Avo Vi− • Dưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo: Vo = Avo Vi+ (5.3.1) • Đưa tín hiệu vào đồng thời hai ngõ (gọi tín hiệu vào vi sai) Vo = Avo (Vi+ − Vi− ) = A vo ∆Vi Ở trạng thái tónh, Vi+ = Vi− = 0, suy Vo = Hình 5.3.4 b minh họa đặc tuyến truyền đạt điện áp vòng hở KĐTT Theo đặc tuyến này, có vùng làm việc: • Vùng khuếch đại: Vo = Avo ∆ I, ∆Vi = Vi+ - Vi− nằm khoảng ± VS • Vùng bão hòa dương: Vo = + VCC , ∆ Vi > VS • Vùng đão hòa âm: Vo = - VCC , ∆ Vi < - VS ± VS mức ngưỡng điện áp vào, giới hạn phạm vi mà quan hệ Vo (∆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 thai vòng hở Avo lớn tầm điện áp vào bị giới hạn bé (trong khoảng V0 ± VS) Chỉ cần trôi nhiệt, nguồn không ổn định, nhiều biến độ bé đủ tạo ∆ Vi vượt tầm +VCC Avo ± VS làm ngõ bão hoà dương bão Avf hoà âm Mạch khuếch đại vòng hở -Vsf -Vs thường sử dụng chế độ xung +Vs +Vsf ∆Vi = vi+ − vi− Trong chế độ khuếch đại tuyến tính, người ta phải dùng hối tiếp âm để tạo -VCC làm việc ổn định cho khuếch, đồng thời vùng làm việc tín hiệu vào tương ứng mở rộng (hình 5.3.5) trạng thái KĐTT có thêm mạch Hình 5.3.5 Đặc tính KĐTT có hồi tiếp âm hối tiếp âm gọi trạng thái vòng kín Một KĐTT lý tưởng có thông số sau: • Hệ số khuếch đại vòng hở: AVO → ∞ (thực tế AVO > 10.000) • Tổng trở vào Ri → ∞ (loại BJT Ri > M Ω , loaïi FET Ri > 109 Ω ) • Tổng trở RO ≈ (thường RO < Ω ) • Dòng phân cực ngõ vào: Iib = (thực tế Iib từ vài chục nA đến hàng trăm nA) Để đơn giản việc lập công thức tính toán phần sau, ta xem KĐTT lý tưởng Các công thức tính gân kết qủa xác, thường áp dụng thực tế 5.3.3 Các mạch ứng dụng KĐTT 1) khuếch đại đảo (đảo pha) Bài giảng Kỹ thuật điện tử 137 Chương - Khuếch đại chiều KĐTT R2 Tín hiệu đảo pha với tín hiệu vào (h 5.3.6) Do Ri → ∞ , Ii ≈ neân Vi + = Vi − ≈ R1 + vi - hệ số khuếch đại: V R AV = O = − Vi R1 (5.3.2) + vo - - Từ đó, dòng qua R1: V V I= i =− O R1 R2 Hình 5.3.6 Tầng khuếch đại đảo pha - Tổng số trở vào: Vi ≈ R1 I Ví đụ 5.4: Mạch khuếch đại đảo pha có thông số hình 5.3.7a Zi = R1 vi 10k 0.2V + vo - + Hình 5.3.7a R2 + - AVO : hệ số khuếch đại vòng hở (AVO đồng thới với ký hiệu AV chương Ở thêm số “0” để nhấn mạnh ý nghóa dòng hở (chưa có hối tiếp)) + vi I1 R1 - Vo = - 10 x 0,2 = -2V b) Zi = R I = 10K c) Theo công thức (4.4.7)về hệ số khuếch đại mạch số hối tiếp A VO Avf = − β.A VO R2 100k - • Tính: a) Điện áp ngõ KĐTT tý tưởng b) Tổng trở vào c) Điện áp ngõ rakhi KĐTT có AVO = 20.000 Từ suy sai số kết a) Giải a) Vo = AVVi − R2 100 =− = −10 Av = Ri 10 (5.3.3) + vo - Hình 5.3.7b β: hệ số hối tiếp: Avf : hệ số khuếch đại có hối tiếp Ở hối tiếp âm (mạch khuếch đại đảo pha) nên ta thấy dấu + trước βAVO thêm dấu – trước biểu thức Avf A VO Avf = + βf A VO Trong mạch trên, hối tiếp thuộc dạng hối tiếp âm điện áp song song Ta xác định hệ số hối tiếp β dựa vào hình 5.3.7 b ∆ Vi = Vi – I1R1 138 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Khuếch đại chiều KĐTT I1 ≈ I ≈ − VO R2 Vo = AVO ∆Vi = AVO (Vi − I1R1 ) Thay trị I1 vào vài biến đổi có V A VO Avf = O = Vi − R A VO R2 R So với công thức tổng quát trên, suy β = R2 Từ ta tính được: 20.000 = −9,995 Avf = 10 1+ x 20.000 100 Vo = AvfVi = -9,995 x 0,2 = -1,999V Sai số điện áp ngõ KĐTT lý tưởng so với thực tế: ε = – 1,999 = 0,001 V = 1mV 0.001 ε% = x100 = 0,05% 2 Khuếch đại không đảo (đồng pha) Tín hiệu đồng pha với tín hiệu vào - Hệ số khuếch đại: R2 R1 Do nội trợ Ri → ∞ , Ii ≈ nên dòng qua R1, R2 baèng VO V I= i = R1 R1 + R - vi Hình 5.3.8 Tầng khuếch đại không đảo - Tổng trở vào: Để tính Zi vẽ lại mạch h 5.3.9 Vi = ∆Vi + βVo, R1 Với β= = R1 + R A V Vo = AVo ∆ Vi ∆ Vi = Ii Ri Ri: Tổng trở số KĐTT vi I1 ∆vi + + - R2 R1 Thay vào biểu thức Vi Vi = Ii Ri + + vo - + Mặt khác, coi Vi− ≈ Vi+ = Vi Từ rút ra: V R + R2 R AV = O = (5.3.4) = 1+ Vi R1 R1 I + βV0 Hình 5.3.9 vo - AVO Ii Ri AV Bài giảng Kỹ thuật điện tử 139 Chương - Khuếch đại chiều KĐTT Zi = ⎛ A ⎞ Vi = R i ⎜1 + VO ⎟ ⎜ Ii AV ⎟ ⎝ ⎠ (5.3.5) Vậy mạch có tổng số lớn Mạch đệm (mạch theo điện áp – voltage follower) - Hê số khuếch đại: Với mạch điện áp (hình 5.3.10), ta có hồi tiếp âm điện áp 100%:Vo = Vi Do đó: V AV = O = (5-3-6) Vi + vo - + (5-3-7) - - Tổng trở vào: Từ (5.3.5) ta suy Zi = Ri (1+AVO) + vi - Hình 5.3.10 Tầng khuếch đại theo điện áp Mạch cộng đảo dấu Dùng phương pháp xếp chồng, tính Vo1, Vo2, Vo3 theo kích thích ngõ vào độc lập I!, I2, I3 Vo1, Vo2, Vo3 tạo khuếch đại đảo dấu R I1 R11 Vo1 = - Vi1 vi1 R2 R 11 I2 R12 I =I1+I2+I3 R vi2 Vo2 = - Vi vo + R 12 vi I3 R13 R vi3 Vo3 = - Vi R 13 + Từ đó: Hình 5.3.11 Mạch cộng đảo dấu Vo = Vo1 + Vo2 + Vo3 = ⎛ R2 R2 R2 ⎞ ⎜ ⎜ R Vi1 + R Vi + R ⎟ ⎟ 12 13 ⎠ ⎝ 11 (5.3.8) Nếu chọn R11 = R12 = R 13 = R1 thì: R Vo = - (Vi1 + Vi + Vi ) R1 (5.3.9) Caùc công thúc (5.3.8) (5.3.9) mở rộng đến n ngõ vào tùy ý Mạch cộng không đảo dấu R1 Tương tự mạch khuếch đại không đảo, Vi xếp chồng hai tín hiệu Vi1 Vi2 R11 vi2 vo R12 + vi1 - Giả sử Vi2 = 0, ta tìm điện áp Vo1 tương ưng với Vi1: R2 ⎛ R ⎞ ⎛ R 12 ⎞ Hình 5.3.12 Mạch cộng không đảo dấu Vo1 = ⎜1 + ⎟ × ⎜ ⎜ ⎟ ⎜ R + R ⎟Vi1 ⎟ R ⎠ ⎝ 11 12 ⎠ ⎝ Tương tự, Vi1 = ta tìm Vo2 tương ứng với Vi2: 140 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Khuếch đại chiều KĐTT ⎛ R ⎞ ⎛ R11 ⎞ ⎟VV Vo2 = ⎜1 + ⎟ x⎜ ⎜ R1 ⎟ ⎜ R11 + R12 ⎟ ⎠ ⎠ ⎝ ⎝ Vậy có Vi1, Vi2 giả thiết R11 = R12 thì: ⎛ R ⎞⎛ V + Vi ⎞ Vo = Vo1 + Vo2 = ⎜1 + ⎟⎜ i1 ⎟ ⎜ R1 ⎟⎝ ⎠ ⎠ ⎝ Nếu có R11 = R12 = R1 = R2 thì: (5.3.10a) Vo = Vo1 + Vo2 = Vi1 + Vi2 (5.3.10 b) Công thức (5.3.10) mở rộng đến n ngõ vào tùy ý ⎞⎛ R ⎞ ⎟⎜1 + ⎟⎜ R ⎟Vi ⎟ ⎠ ⎠⎝ ⎛ R2 Vo = Vo2 + Vo1 = ⎜ ⎜R +R ⎝ Vi1 Vi2 R3 R4 R1 + Theo hình 5.3.13, Vi1 áp ngõ vào đảo, Vi2 áp vào ngõ vào không đảo, p dụng phương pháp xếp chồng cho kích thích ngõ vào, ngắn mạch ngõ vào lại, ta được: R Vo1 = - Vi1 R3 - Mạch khuếch đại vi sai (mạch trừ) Vo R2 Hình 5.3.13 Mạch khuếch đại vi sai (mạch trừ) ⎛ R2 Vo2 = ⎜ ⎜R +R ⎝ ⎞⎛ R ⎞ R4 ⎟⎜1 + ⎟⎜ R ⎟Vi − R Vi1 ⎟ ⎠ ⎠⎝ (5.3.11) Nếu ta chọn R1 = R2 = R3 = R4 thì: Vo = Vi2 – Vi1 (5.3.12) RT=R0+∆RT + • Ví dụ 5.5 Mạch đo nhiệt độ dùng KĐTT hình 5.3.14 rt cảm biến nhiệt thay đổi giá trị điện trở theo nhiệt độ: RT = Ro + ∆ RT, với Ro: điện trở nhiệt độ R0 TO, ∆ RT: biến thiên điện trở theo nhiệt độ, ∆ RT = α T (T: oC, α = const) Chứng minh điện áp ngõ R0 mọt hàm tuyến tính theo T Giải E=const Theo (5.3.11), ta coù: ⎛ R ⎞⎛ R T ⎞ R ⎟E − T E ⎟⎜1 + Vo = ⎜ ⎜ R + R ⎟⎜ R3 R3 ⎟ ⎠⎝ ⎝ ⎠ v0 R0 Hình 5.3.14 Nếu chọn R1 = R2 = R3 = Ro, ta được: R + ∆R T ⎛ R + ∆R T ⎞ ⎟E − O E Vo = ⎜1 + O ⎜ ⎟ RO RO 2⎝ ⎠ Vo = - ∆R T E RO Thay ∆ RT = αT vaøo biễu thức trên: Bài giảng Kỹ thuật điện tử 141 Chương - Khuếch đại chiều KĐTT Τ Vo = - α E = KT RO Với E K=- α = const RO Vậy điện áp ngõ VO tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ 5.3.4 Các ứng dụng tạo hàm KĐTT 1) Mạch tích phân Coi điện điểm A xấp xỉ không Do điện áp đặt lên hai đầu tụ C – Vo từ đó: dVO i = -C C dt V mặt khác: i = i R vi R vo i Suy ra: Vo = - ∫ idt C Hay Vo = (5.3.13) Vi dt Hình 5.3.15 Mạch tích phân RC ∫ + 2) Mạch vi phân Ví dụ 5.6 mạch vi phân hình 5.3.16 có R = 10 K, C = 0,001µF Vi có dạng sóng hình 5.3.17.a C vi +10 Giải 142 vo Hình 5.3.16 Mạch vi phân vi(V) Vẽ dạng sóng ngõ Vo (t) Ta cần xét chu kỳ T = ms • ≤ t < ms : Vi = 10 (t - 1) (t tính theo đơn vị ms) = 104 (t - 1) (t tính theo đơn vị s) dVi = - 104 x 10-9 x 104 = 0,1 V Vo = -RC dt • ms ≤ t < ms: Vi = -10 (t - 3)(t:ms) = - 104(t – 3) (t:s) dVi Vo = - RC = −10 x 10-9 x (-104 ) = +0,1V dt Dạng sóng Vo (t) hình 5.3.17b i + • R - Do điện điểm A xấp xỉ không nên dVi i=C dT VO Mặt khác: i=R dVi Suy ra: VO = - RC (5.3.14) dT t(ms) -10 +0.1 Bài giảng Kỹ thuật điện tử vo(V) t(ms) -0.1 Hình 5.3.17 Chương - Khuếch đại chiều KĐTT 3) Mạch tạo hàm mũ Ta biết dòng điện qua diot phân cực thuận xác định (2.3.12) ⎡ ⎛ V ⎞ ⎤ V ID = IS ⎢exp⎜ D ⎟ − 1⎥ ≈ IS exp D ⎜ ⎟ D mϕT ⎢ ⎝ mϕT ⎠ ⎥ ⎣ ⎦ v vo - I + Hình 5.3.18 Mạch tạo hàm mũ (5.3.15) D I vo + vi - ID: Dòng thuận qua D VD: p rơi D từ hình 5.3.18, ta có: ⎛ V ⎞ ⎛ V ⎞ I = ID = IS exp ⎜ D ⎟ = IS exp⎜ i ⎟ ⎜ mϕ ⎟ ⎜ mϕ ⎟ T ⎠ T ⎠ ⎝ ⎝ V Mặt khác I = - O R ⎛ V ⎞ Do đó: VO = -RIS exp ⎜ i ⎟ = A exp(BVi ) ⎜ mϕ ⎟ T ⎠ ⎝ 4) Mạch tạo hàm loga: V I= i R ⎛ − VO ⎞ Mặt khác I = IS exp ⎜ ⎜ mϕ ⎟ ⎟ T ⎠ ⎝ Do đó: ⎛ I⎞ Vo = - mϕT ln⎜ ⎟ ⎜I ⎟ ⎝ S⎠ V Vo = - mϕT ln i RIS i Hình 5.3.19 Mạc h tạo hàm loga = - mϕT ln Vi + mϕT ln(RIS ) hay Vo = A ln Vi + B (5.3.16) 5.3.5 Hiện tượng trôi điểm 1) Điện áp lệch không (offset voltage) Với KĐTT lý tưởng, tín hiệu vào vi sai ∆Vi = Vi+ − Vi− = , điện áp Vo = Nhưng thực tế, linh kiện bên mạch không hoàn toàn đối xứng, mạch khuếch đại vi sai ngõ vào nên ngõ vễn xuất điện áp nhỏ khác không, gọi điện áp lệch không ngõ (output offset voltage) Để điều hỉnh điện áp ngõ không trở lại, ta phải đặt điện áp nhỏ hai ngõ vào ∆Vi = ViO ≠ Vio gọi điện áp lệnh ngõ vào (input offset voltage) Trong thực tế IC KĐTT thường có hai chân đưa (kí hiệu null offset) cho 5.3.20 a Hoặc ta mắc thêm mạch chỉnh không bên gồm biến trở VR (đấu hai nguồn ± VCC) điện trở R đưa đến ngõ vào hình 5.3.20 b) R phải có giá trị lớn hớn R1 để tránh phân dòng qua R Bài giảng Kỹ thuật điện tử 143 Chương - Khuếch đại chiều KĐTT 2) Dòng điện phân cực ngõ vào dòng điện lệch không VR offset NULL Với KĐTT lý tưởng, điện trở vào RI → ∞ , nên dòng ngõ vào không Trong KĐTT thực tế, ngõ vào đảo không đảo − + có dòng phân cực tương ứng Iib Iib + NULL (a) VCC R2 R VR offset vi R1 vo + Do hai vế không hoàn toàn đối xứng, dòng không lượng chênh lệch chúng gọi dòng chênh lệch ngõ vào (input offset current), ký hiệu Iio - nhỏ (hàng trăm nA) gọi dòng phân cực ngõ vào (input bias current) Xét mạch hình 5.3.22 a, giả sử tổng trở raKĐTT Ro nhỏ so với R2 Dòng phân cực ngõ đảo (điểm A) gây điện điểm A là: R 1R − − VA = Iib (R1 // R ) = Iib R1 + R -VCC -VCC (b) Hình 5.3.20 Chỉnh điểm không ngõ IC có chân offset (a) Lắp mạch chỉnh bên (b) Suy dòng qua R1 R2 là: V R2 − I1 = A = Iib R1 R1 + R V R2 − I2 = A = Iib R1 R1 + R I1 tạo điện áp ngõ Vo1 qua mạch khuếch đại đảo: R R2 − Vo1 = - x (R1I1 ) = − Iib R1 R1 + ' R Hình 5.3.21 Dòng phân cực ngõ vào KĐTT I2 tạo điện áp ngoõ Vo2: Vo2 = -R2I2 = - R xR − Iib R1 + R − Điện ngõ tạo Iib tổng hai giá trị trên: Vo = Vo1 + Vo2 = - R2 R xR − − − Iib - Iib = -R2 Iib R1 + R R1 + R (5.3.17) − Điện áp ngõ tạo Iib (và điện VA) gây lệch không ngõ Để bù điện áp + lệch không ta lợi dụng phần điện áp dòng phân cực Iib gây nên Thật mắc thêm + + điện trở R3 ngõ vào không đảo dòng phân cực vào Iib tạo R3 điện áp VB = R3 Iib Chính điện áp se làm lệch ngõ theo chiều ngược lại Chọn R3 cho VA = VB, ta bù − + áp lệch không ngõ Giả sử Iib = Iib , từ (5.3.18) dễ dàng chọn được: 144 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Khuếch đại chiều KÑTT R 1R R1 + R (5.3.19) R2 R3, ngõ điện áp lệch không dòng + − chênh lệch ngõ vào Iio = Iib − Iib Lúc đó, điện áp lệch không ngõ là: VO = IioR2 (5.3.20) R1 I1 I2 Iib vo + + − Trong thực tế, Iib ≠ I ib nên dù thêm điện trở - R3 = (a) Ví dụ 5.7: Vi mạch KĐTT LM741C có R2 thông số sau: − R1 I ib - Dòng điện phân cực ngõ vào Iiomax = 500 vo nA + - Dòng điện che6ch lệch ngõ vào Iiomax = I ib R3 200 nA (b) a) Mạch mắc hình 5.3.22 a với R2 = 100 K, R1 = 10 K Tính điện áp lệch Hình 5.3.22 (a) Áp lệch không ngõ I-ib không ngõ Iib gây nên gây nên (b) Bù lại áp lệch không ngõ b) Tính giá trị R3 thêm vào hình 5.3.22b để bù lệch không Iib c) Tính giá trị điện áp lệch không ngõ sau thêm R3 • + Giải − a) VO = R2 Iib = 100 x 103 x 500 x 10-9 = 50 mV b) R3 = R xR 100 x10 = = 9091Ω R + R 100 + 10 c) V O = R2 Iio = 100 x 103 x 200 x 10-9 = 50 mV mV Sau thêm R3 bù lệch không Iib, điện 1p lệch không ngõ giảm từ 50 mV xuống 20 Bài giảng Kỹ thuật điện tử 145 ... giảng Kỹ thuật điện tử 133 Chương - Khuếch đại chiều KĐTT VCC RC + Vi - RC Vo CB RB RB RE (a) -VEE +VCC RC + vi - + Q1 Q2 RB RB CB vo - RE (b) -VEE +VCC RC Q1 Q2 + vi - Các tầng KĐ RBi + vo - RB2... giảng Kỹ thuật điện tử 135 Chương - Khuếch đại chiều KĐTT +VCC R2 R1 vi+ + vi- R3 - + Vo D1 R5 R6 D2 R7 R8 R10 R4 R9 -VEE Hình 5.3.3 Mạch cụ thể KĐTT Điện áp Vo dấu (hoặc pha) với điện áp vào điện. .. vi vi- + - -VCC V0 +VCC + V0 - Bão hòa dương HSKĐ vòng hở -Vs +Vs ∆Vi = vi+ − vi− -VCC (a) (b) Hình 5.3 .4 Ký hiệu đặc tính truyền đạt điện áp vòng hở KĐTT (a) 136 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương