MẠCH TƯƠNG TỰ

PHẦN II: MẠCH TƯƠNG TỰThí nghiệm 2.1: Bộ phân biệt33Thí nghiệm 2.2: Các bộ khuếch đại đảo và không đảo36Thí nghiệm 2.3: Bộ tích phân với sự thiết lập lại39Thí nghiệm 2.4: Máy phát xung và tín hiệu41Thí nghiệm 2.5: Lấy mẫu và lưu trữ44Thí nghiệm 2.6: Phép lấy vi phân và triệt tiêu polezero47Thí nghiệm 2.7: Bộ lọc cực phức hợp51Thí nghiệm 2.8: Bộ phục hồi đường cở bản53Thí nghiệm 2.9: Các khuếch đại phổ đơn giản57Thí nghiệm 2.10: Lựa chọn FET60Thí nghiệm 2.11: Tiền khuếch đại62Thí nghiệm 2.12: Các phép đo nhiễu66Thí nghiệm 2.13: Đặt hệ số khuếch đại cho bộ khuếch đại72Thí nghiệm 2.14: Cổng tuyến tính và tranzitor bão hoà74Thí nghiệm 2.15: Bộ biến đổi thời gian thành biên độ76Thí nghiệm 2.16: Cáp đồng trục và các đường dây trễ ..85

PHẦN HAI MẠCH TƯƠNG TỰ LỜI GIỚI THIỆU Yêu cầu đối thiết kế đầu dò ghi nhận xạ hạt nhân tích điện nhỏ (10 -16 – 1013 As) thực khoảng thời gian ngắn (1ns - 1µs) Điện tích tích tụ điện cỡ vài pF tạo nên điên áp từ 100µV tới 100mV Tốc độ đếm xung thường vượt 50.000cps Các xung vào cách ngẫu nhiên Nhận biết xung chuyển đổi thành tín hiệu số công việc quan trọng, công việc thực thiết bị điện tử tinh vi Độ xác q trình xử lí số liệu phi hạt nhân điển hình tương tự dao động xung quanh 1%, với thiết bị hạt nhân độ xác lên tới 10 lần đáp ứng yêu cầu Để đạt điều này, thiết bị chất lượng cao sử dụng, nhiều thiết kế đặc biệt áp dụng Tiền khuếch đại chế tạo từ thiết bị riêng lẻ, vấn đề nhiễu phải xem xét Khuếch đại tín hiệu nhanh khơng khó, ghép nối DC qua tất khuếch đại dẫn đến độ trôi DC lớn lối Vậy làm để giữ đường sở điện áp nhiệm vụ phục hồi Thơng thường có kiện lựa chọn có giá trị Sẽ có ích loại bỏ kiện mà không quan tâm kết sai Việc lựa chọn thực nhờ sử dụng cổng tuyến tính 42 Kĩ thuật tương tự dùng phép đo khoảng thời gian, khoảng thời gian chuyển đổi thành tín hiệu xung với độ rộng xung độ cao xung tỷ lệ với khoảng thời gian Sau phân tích biên độ xung ghi lại khoảng thời gian Thực với tất nhiệm vụ với mạch điện tử, tất cách làm điều có thực tập phần THÍ NGHIỆM 2.1 BỘ PHÂN BIỆT I Mục đích Tìm hiểu mối liên hệ vào-ra cho ứng dụng khuếch đại thuật toán mở thực để thu phân biệt điện áp thích hợp Vai trò phản hồi dương phân tích II Tổng quan Ký hiệu cho khuếch đại thuật tốn Hình 2.1.1 Điện áp V0=A(v+ + v-), A số lớn (A=105), với v- = mối tương quan lối vào V+ lối V0 phác hoạ hình 2.1.2A Điện áp V0 biểu thị cho bước nhảy vùng lân cận điện áp vào Zero, biên độ dao động điện áp bị giới hạn điện áp hoạt động khuếch đại E+ -E+ 43 Mạch chấp nhận điện áp -E+ trạng thái logic thấp (mức thấp) E+ trạng thái logic cao (mức cao) gọi mạch phân cực điện áp vào Nếu Vref thay cho điện áp Zero nối với lối vào khơng đảo, mối tương quan vào-ra trở thành v0=A(V+ - 3) Vref = 3V (miêu tả hình 2,1,2B) Hình 2.1.1 : Khuếch đại Hình 2.1.2 : Sự liên hệ vào-ra khuếch đại thuật thuật toán toán với trường hợp (A) : Vref=0V (B): Vref=3V Mạch phân biệt điện áp nhỏ Vref lớn Vref Tuy nhiên, với v- = vref V0 phải khơng Để nâng cao độ nhạy hệ thống, mạch phản hồi dương đưa hình 2.1.3 Trước mạch ổn định trở thành bất ổn định, nghĩa hai trạng thái E + –E+ Điều giải thích bên Giả sử hai tín hiệu vào v- vi 0; V0 0, điện áp lạị lệch khỏi 0, trường hợp thực tế, 1% độ lệch truyền tới lối vào không đảo, dẫn đến làm tăng điện áp Trạng thái cuối (E+ -E+) phụ thuộc vào độ phân cực ban đầu V0 Do đó, việc đưa vào mạch phản hồi dương dẫn đến chuyển đổi rõ nét trạng thái lối cao thấp mơ tả Hình 2.1.4A Trong Hình 2.1.3, độ thiếu hụt 0.02V Khi lối mức cao, ví dụ 10V, điện áp vào đủ để gây chuyển đổi điện áp từ cao xuống thấp phải lớn -0.01V để đưa điện áp lối vào không đảo xuống mức Tương tự trên, điện áp vào lớn 0.01V đủ để chuyển từ mức thấp lên mức cao 44 Hình 2.1.3 : Bộ phân biệt với mạch phản hồi dương Việc tăng điện trở vào R1 giảm trở phản hồi R2 làm tăng ảnh hưởng điện áp V0 Khoảng đánh trễ trở nên rộng Cuối cùng, điểm chuyển đổi dịch chuyển sang trái phải nhờ việc lựa chọn Vref phù hợp (Hình 2.1.4B) Xem xét xung phân biệt sau chỉnh sửa Mức phân biệt Vref nên đặt biên độ xung đến Xung sau chỉnh sửa có độ rộng hạn chế độ rộng xung ban đầu ln tiến tới (Hình 2.1.5) Hình 2.1.4 : Sự liên hệ vào-ra phân biệt với (A) : Vref=0V, (B): Vref=3V Hình 2.1.5: Ảnh hưởng tượng trễ lên độ rộng xung lối Một ưu điểm tượng trễ nhận rõ mức qua tín hiệu thấp kèm theo tiếng ồn hay tiếng kêu vo vo mạch (hình 2.1.6) Hình 2.1.6 : Sử dụng tưởng trễ để tránh khởi phát bội 45 Trong thiết bị điện tử hạt nhân, thường sử dụng mạch phân biệt xung Chúng hoạt động nhanh khuếch đại phục hồi nhanh sau bão hoà Điện áp dao động 3.5V -0.5V Một số mạch phân biệt tiêu biểu 710 với thời gian phân giải 10ns; LM 311 (14ns); TL 510 (30ns) AM 685 (6ns) nhanh đắt Khi lắp rắp bảng mạch in theo Hình 2.1.7 bỏ trở 100K Sử dụng điện áp vào dạng tam giác hiển thị đồng thời tín hiệu vào tín hiệu loại khác máy khuếch đại: 741 LF 356, LF 357 CA 3130 (trong trường hợp điện áp không vượt 12V) Chứng minh tín hiệu thấp đưa kết không đáng tin đạt tới Vref Hình 2.1.7 : Sơ đồ mạch phân biệt Hiện thị điện áp ngược với điện áp vào trục X-Y dao động ký Kiểm lại đường cong Hình 2.1.2 A B Đưa trở phản hồi vào mạch, kiểm lại đường cong hình 2.1.4 A B Tìm điện trở Vref phù hợp cho tượng trễ để chuyển đổi tới 10V giảm xuống tới 0V Thời gian chuyển đổi không xác định cho tất khuếch đại khác Thời gian tăng nhanh lối giải thích V/µs gọi tốc độ chuyển đổi Đánh giá tốc độ chuyển đổi khuếch đại khác Tốc độ chuyển đổi đặc trưng khoảng 0.5V/µs mạch phân biệt loại 741 (rất chậm), vượt qua 10V/µs với loại LF 356 (giá trị đặc trưng cho khuếch đại đại), khoảng 1500 V/µs với NE 531 (rất nhanh) 46 THÍ NGHIỆM 2.2 CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI ĐẢO VÀ KHƠNG ĐẢO I Mục đích Chứng minh tính chất khuếch đại thuật toán giới thiệu mạch dựa khuếch đại tổng với lối vào trọng số sử dụng chuyển đổi tương tự số hai bít II Tổng quan Khuếch đại thuật toán hầu hết mạch đơn giản đáng ý để thiết kế mạch Nó dùng dạng mạch tích phân bao gồm hàng trăm thành phần khác Kí hiệu mạch đơn giản Hình 2.2.1, mạch phức hợp Kí hiệu hay sử dụng coi hộp đen mà đặt tín hiệu vào đưa tín hiệu theo mong muốn Hình 2.2.1: Khuếch đại thuật tốn 47 Một khuếch đại lý tưởng có hệ số khuếch đại (gain) vô cùng, trở kháng vào vô cùng, trở kháng 0, độ rộng dải vô Một điều đáng quan tâm mạch thực tế ngày tiến gần đặc điểm lí tưởng Kí hiệu mạch lược bỏ nhiều phần: chân nguồn, nguồn cung cấp (nguồn cung cấp nguồn lưỡng cực thường +/- 15V DC), tất điện áp kí tự đo với mạch nối đất, đường so sánh thông thường Các hệ số khuếch đại mạch hở nhiều loại khuếch đại thuật toán dễ dàng vượt 100,000 Các điện trở vào khuếch đại thuật toán loại FET 1013 ohm Dòng vào có giá trị từ 80nA (đối với loại 741) đến 70pA (LM 356) Điện trở số mạch tiêu biểu phần nhỏ Ohm, khuếch đại thuật tốn khơng có đệm cho dòng 10mA Độ rộng dải hẹp giới hạn thực khuếch đại thực Các mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại lớn bị giới hạn khoảng vài trăm Hz Các mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại nhỏ có độ rộng dải từ mức DC tới 100000Hz Đặc biệt tương lai khuếch đại mở rộng khả lên tần số cao 108Hz Việc tiến gần tới lí tưởng trước tiên thiết kế phải theo hai nguyên tắc “nguyên tắc vàng” sau Sự khác điện hai lối vào (Gain vô cùng) Dòng đến khuyếch đại thuật tốn chân vào (trở kháng vô cùng) Với quy tắc phải nhớ này, xem xét mạch Hình 2.2.2- khuếch đại khơng đảo Hình 2.2.2: Khuếch đại khơng đảo Hình 2.2.3: Khuếch đại đảo Ngun tắc có nghĩa điện chân đảo (đánh đấu kí hiệu -) điện áp vào Vi chân khơng đảo (kí hiệu dấu +) Ngun tắc thứ nói khơng có dòng vào chân khơng đảo, thế: 48 Vi = V0 R2 / (R1 + R2) xếp lại ta có: gain = V0/Vi = + R1/R2 Xét mạch khuếch đại khác - mạch khuếch đại đảo (hình 2.2.3) Trong mạch nguyên tắc chắn điện chân đảo Thực vậy, chân trở thành giá trị đất ảo Nguyên tắc đảm bảo dòng qua R1 Rf giống Do đó: Gain = V0 /Vi = -Rf/R1 Dấu ‘-‘ở có nghĩa lối đảo ngược lối vào, mạch đặt tên mạch đảo Một mạch hữu ích khác dựa khuếch đại khơng đảo xét đến Hình 2.2.4 Hình 2.2.4 : Bộ lặp Mạch rằng: giống Hình 2.2.2 với R1 = R2 = ∞ mà gain gần Tuy nhiên mày thiết thực trở kháng vào cao yêu cầu dòng từ 80nA (đối với 741) tới 70pA (với LM356) dòng lên tới 15mA trở kháng thấp Mạch hình 2.2.5 dựa khuếch đại đảo hình 2.2.3 Ở có hai lối vào Vì lối vào đảo chân nối đất ảo,nên chúng cô lập với chân khác Hơn nữa, lối mạch tổng lối vào (bằng gain vào riêng lẻ) Dùng nguyên tắc vàng bên để phát triển phương trình thức cho lối khuếch đại tổng III Thí nghiệm Lắp ráp mạch hình vẽ Chú ý trường hợp này, hệ số khuếch đại nhỏ Điều cho phép bạn quy định giá trị nhị phân cho điện áp cung cấp dương cho chân nối đất Như thể xảy có cặp vào khác nhau: 49 (0,0); (0,1); (1,0); (1,1) Ghi lại điện trường hợp vào Bạn làm để mạch trở thành biến đổi tương tự số bít? (chú ý: bạn phải thay đổi toàn hệ số khuếch đại mạch Tại sao?) Đánh giá số bít lớn mà mạch loại cung cấp Hình 2.2.5 : Khuếch đại tổng Thay đổi tất lối vào trừ chân Quan sát xung khuếch đại thuật toán LF 355, LF356, 741 mạch Đặt biên độ xung từ đến 10V với tốc độ lặp mức cao khoản thời gian xuất xung từ 0.5 đến 10µs Các xung lối vào bị làm trơn gain không đủ tần số cao Sẽ ảnh hưởng lớn hệ số khuếch đại tăng tới 100 cách thay trở phản hồi 5K6 với trở 1M (biên độ xung vào phải giảm bớt) 50 THÍ NGHIỆM 2.3 BỘ TÍCH PHÂN LẶP I Mục đích Phân tích hoạt động tích phân cách sử dụng DC tín hiệu vào dạng xung vng Trong tích phân lặp, tranzito hiệu ứng trường sử dụng tính chất đặc biệt II Tổng quan Mạch hình 2.2.1, mạch thực tích phân thời gian điện áp vào Vi V0    Vi dt RC Nếu điện áp không đổi nhỏ khoảng -100mV đặt vào lối vào mạch với R=1M, C=10nF độ dốc điện tạo V0  10 1  t  10 t 10  10 8 Bắt đầu tăng từ V0 = để đạt tới điện áp bão hoà 10V khoảngg 1s Khôi phục lại trạng thái ban đầu, tụ khơng tích điện Một cách khác để làm việc đưa FET 2N3819 n-kênh đóng vai trò khố tượng tự (hình 2.3.2) Khi cổng FET nối với điện áp nguồn –V, kênh dẫn nguồn mở (Roff = 109 ohm) Khi gate gần tới nhờ nối đất đầu dây bên trái trở 10K, FET vật dẫn (Ron= vài ohm đến 100 ohm) Trạng thái bão hoà khuếch đại tích phân loại trừ nhờ nối với trở R f lớn tụ phản hồi (hình 2.3) Trong trường hợp này, điện áp vào dc V c bị giới hạn – (Rf/R)Vc Do đó, với lối vào nối đất nên điện áp Sau hiệu chính, tích phân tín hiệu ac tần số f thực tích 2ΠfRfC >> 1.Trong trường hợp ngược lại, 2ΠfRfC