DIEN TU TUONG TU NGHỀ ĐTCN

BÀI 1: KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Mục tiêu: Sau học xong sinh viên (học sinh) phải: - Trình bày nguyên lý cấu tạo, đặc tính khuếch đại thuật toán - Nhận dạng loại IC khuếch đại thuật tốn thơng dụng thực tế - Thông qua học làm sở cho việc phân tích nguyên lý làm việc mạch ứng dụng 1.1 Khái niệm khuếch đại thuật toán Khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier – viết tắt Op Amp) thuật ngữ đưa để khuếch đại đặc biệt có nhiều cấu hình hoạt động khác cách ghép nối hợp lý thành phần bên ngồi Khuếch đại thuật tốn (KĐTT) ứng dụng máy tính tương tự với phép tính số học đơn giản cộng, trừ, nhân, chia, vi phân tích phân Khả kết kết hợp hệ số khuếch đại lớn hồi tiếp âm 1.2 Cấu trúc chung họ IC khuếch đại thuật tốn thơng dụng: 1.2.1 Giới thiệu: Hình 1.1: Cấu trúc chung IC khuếch đại thuật toán Khối 1: Tầng khuếch đại vi sai có nhiệm vụ khuếch đại độ sai lệch tín hiệu hai đầu vào V+ V- Khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm , tổng trở đầu vào lớn, chống nhiễu tốt Khối 2: Tầng khuếch đại đệm gồm nhiều tầng khuếch đại vi sai mắc nối tiếp tạo nên tầng khuếch đại có hệ số khuếch đại lớn nhằm tăng độ nhạy cho KĐTT Khối 3: Tầng khuếch đại cơng suất giúp tăng dịng cung cấp tải 1.2.2 Cấu trúc mạch điện: Hình 2: Ký hiệu, nguồn đối xứng sơ đồ tương đương KĐTT Cấu trúc mạch điện KĐTT bao gồm: khuếch đại vi sai tầng vào, khuếch đại đệm khuếch đại công suất Các mạch khuếch đại transistor lưỡng cực (BJT) transistor trường (FET) Bộ KĐTT có hai đầu vào tín hiệu, đầu ra, hai đầu vào cấp nguồn chân bù điện áp lệch, bù tần số … Đầu vào đảo (ký hiệu dấu “-“ chữ N) đầu vào không đảo (ký hiệu dấu “+” chữ P) Hình 1.3: Sơ đồ bên khuếch đại thuật toán 741 1.2.3 Thơng số hình dạng bên ngồi: a Hệ số khuếch đại hở mạch K0 Hệ số khuếch đại hở mạch K định nghĩa tỷ số điện áp đầu điện áp đầu vào vi sai khơng có hồi tiếp Ur = K0(U2 - U1) = K0Ud K0 V1 + Ur V2 Hình 1.4 Mạch khuếch đại hở mạch Hệ số khuếch đại K0 có giá trị khoảng 105-106, nghĩa với giá trị nhỏ đầu vào làm cho đầu rơi vào trạng thái bão hoà Khi đó, đầu mang giá trị +Vcc V2 > V1 –Vcc V1 > V2, điều ứng dụng mạch so sánh (để lại cho phần bão hịa) b Hệ số khuếch đại có hồi tiếp âm: Sơ đồ hồi tiếp âm mạch KĐTT có hồi tiếp âm Đường liền nét hình đặc tuyến truyền đạt đặc tuyến truyền đạt KĐTT lý tưởng (mạch chế tạo hoàn tồn đối xứng), qua điểm 0, nghĩa V P = VN = 0, tức UD = Ur = Điều có dòng lối vào I P = IN = 0, tức dịng tĩnh lệch khơng I0 = IP - IN = Trong KĐTT thực, transistor vi sai đầu vào khơng hồn tồn giống dòng lối vào khác dù điện áp lối vào 0, tức dòng lệch khác làm cho Ur khác Khi ta coi đặc tuyến truỳên đạt bị lệch khỏi điểm đường chấm chấm hình đặc tuyến truyền đạt để làm cho điện áp cần đặt hai đầu vào hiệu điện ngược dấu có giá trị U0 để bù trừ gọi điện áp lệch Nói cách khác, điện áp lệch không điện áp để cân điện áp nhỏ tồn đầu vào c Hình dạng bên ngồi IC khuếch đại thuật tốn d Bảng so sánh thông số KĐTT thực tế với thông số KĐTT lý tưởng Giải thích thêm thơng số (bộ lý tưởng, thực tế) Thông số Trở kháng vào Bộ KĐTT lý tưởng Bộ KĐTT thực tế Zv khoảng 106 (với BJT) 109 – 1012 (với FET) Zv Hệ số khuếch đại điện K0 áp hở mạch K0 từ 105 - 109 Đáp ứng tần số tần số suy giảm tần số tăng lên (từ – 10MHz) Trở kháng Zr = Zr từ 100 - 1000 Dịng vào khơng Iv = Cỡ nA - pA Điện áp lệch U0 = #0 Nhiễu Khơng có Có BÀI 2: ỨNG DỤNG CỦA KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Mục tiêu: Sau học xong sinh viên (học sinh) phải: - Phân tích nguyên lý hoạt động mạch khuếch đại đảo, mạch khuếch đại không đảo, mạch cộng, mạch trừ, mạch nhân, mạch nhân, mạch chia, mạch khuếch đại vi sai, mạch vi phân, mạch tích phân, mạch logarit dùng khuếch đại thuật tốn - Tính tốn thông số hoạt động mạch khuếch đại thông dụng - Thiết kế mạch ứng dụng cho số mạch thông dụng - Kiểm tra, thay linh kiện hư hỏng mạch ứng dụng - Chủ động, tích cực học tập rèn luyện 2.1 Bộ khuếch đại đảo 2.1.1 Sơ đồ mạch Hình 2.1.1: Sơ đồ mạch khuếch đại đảo Tác dụng linh kiện : - Điện trở R1 trở hạn dòng đầu vào - Điện trở R2 trở hồi tiếp điện áp - IC khuếch đại thuật toán thực khuếch đại 2/ Nguyên lý hoạt động Hình 2.1.2: Sơ đồ biểu diễn dòng điện mạch Giả sử Op-amp lý tưởng ta có: K0 ≈ ∞, ZV ≈ ∞, ZR ≈ Ur = K0 Ud (với Ud = UP - UN) Do ta có: UP –UN = 0, hay UP = UN Nhìn vào sơ đồ ta thấy UP = nên UP = UN = (1) Xét nút N, với chiều dòng điện quy định hình vẽ theo định luật Kirchhoff I ta có sau : I1 + Iht - IN = I1 + Iht = IN = = I1 + Iht = (2) Theo định luật ôm ta có Thay giá trị I tương ứng vào (2) ta được: Do UN = nên ta có : Đặt hệ số khuếch đại mạch : Ta được: - Nhận xét Dấu “ - ” hệ số khuếch đại âm mà nghĩa tín hiệu vào tín hiệu ngược pha * Bài tập thực hành Cho sơ đồ mạch hình vẽ Biết: +Vcc = 12VDC, -Vcc = -12VDC, IC µ741 Hình 2.1.3 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo dùng IC µ741 a Lắp ráp mạch theo sơ đồ nguyên lý, dùng VOM đo ghi lại giá trị điện áp Ur với điện trở hồi tiếp Rht điện áp UV khác theo bảng sau: UV Ur với Rht =1 KΩ Ur với Rht =2.2 KΩ Ur với Rht =10 KΩ -3V -2V -1V 0V 1V 2V 3V b Vẽ đồ thị mối liên hệ điện áp Ur với điện trở hồi tiếp Rht điện áp vào UV 2.2 Mạch khuếch đại khơng đảo: 1/ Sơ đồ mạch Hình 2.2.1: Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo Tác dụng linh kiện: - Điện trở R1, R2 tạo mạch hồi tiếp điện áp - IC khuếch đại thuật toán thực khuếch đại 2/ Nguyên lý hoạt động Hình 2.2.2: Sơ đồ biểu diễn dòng điện mạch Giả sử Op-amp lý tưởng ta có: K0 ≈ ∞, ZV ≈ ∞, ZR ≈ Ur = K0 Ud (với Ud = UP - UN) Do ta có: UP –UN = 0, hay UP = UN Xét nút N, với chiều dịng điện quy định hình vẽ theo định luật Kirchhoff I ta có sau : - I1 + I2 - IN = I1 + Iht = IN = = -I1 + I2 = (2) Theo định luật ơm ta có Thay giá trị I tương ứng vào (2) ta được: Do UN = UV nên ta có : Đặt hệ số khuếch đại: Ta được: - Nhận xét: Hệ số khuếch đại mạch lớn băng 1, hệ số R2=0 R1 =  * Bài tập thực hành Cho sơ đồ mạch hình vẽ Biết: +Vcc = 12VDC, -Vcc = -12VDC, IC µ741 Hình 2.1.3 Sơ đồ mạch đảo dùng IC µ741 khuếch đại khơng a Lắp ráp mạch theo sơ dùng VOM đo ghi lại điện áp Ur với điện áp UV khác theo đồ nguyên lý, giá trị trở R1 , R2 điện bảng sau: UV Ur với R1 =1 KΩ , R2 =2,2 KΩ Ur với R1 =5,6 KΩ , R2 =2,2 KΩ Ur với R1 =1 KΩ , R2 =10 KΩ -3V -2V -1V 0V 1V 2V 3V b Vẽ đồ thị mối liên hệ điện áp Ur với điện trở R1 , R2 điện áp vào UV 2.3 Mạch cộng: 2.3.1 Mạch cộng đầu vào đảo: 1/ Sơ đồ mạch Mạch cộng đơn giản gồm có điện áp đầu vào: Hình 2.3.1: Sơ đồ mạch cộng tín hiệu đầu vào đảo Tác dụng linh kiện: - Điện trở R1, R2 trở hạn dòng đầu vào - Điện trở Rht trở hồi tiếp điện áp - IC khuếch đại thuật toán dùng để thực cộng đầu vào 2/ Nguyên lý hoạt động Hình 2.3.2: Sơ đồ biểu diễn dòng điện mạch Giả sử Op-amp lý tưởng ta có: K0 ≈ ∞, ZV ≈ ∞, ZR ≈ Ur = K0 Ud (với Ud = UP - UN) Do ta có: UP –UN = 0, hay UP = UN Nhìn vào sơ đồ ta thấy UP = nên UP = UN = (1) Xét nút N, với chiều dòng điện quy định hình vẽ theo định luật Kirchhoff I ta có sau : 10 4.2.1 Một số mạch ứng dụng dùng họ IC 78xx, 79xx  Mạch tạo điện áp nguồn 5V, dòng điện 1A Mạch sử dụng IC 7805 để tạo điện áp chuẩn 5V có dịng 1A  Mạch tạo điện áp nguồn -5V, dòng điện 1A Mạch sử dụng IC 7905 để tạo điện áp -5V, dòng 1A  Mạch tổ hợp tạo nguồn đối xứng ±5V dùng 7805 7905 BÀI TẬP THỰC HÀNH - Lắp mạch ứng dụng IC ổn áp họ 78xx 79xx với thơng số cho hình vẽ Đo kiểm tra giá trị điện áp đầu 42 43 BÀI : CÁC VI MẠCH TƯƠNG TỰ THÔNG DỤNG Mục tiêu: Sau học xong sinh viên (học sinh) phải: - Trình bày cấu trúc, đặc tính vi mạch tương tự thơng dụng - Thiết kế mạch ứng dụng yêu cầu kỹ thuật - Kiểm tra, thay vi mạch tương tự đạt yêu cầu kỹ thuật - Rèn luyện tính tỷ mỉ, xác, an tồn vệ sinh công nghiệp 5.1 Vi mạch định thời: Họ vi mạch LM555/NE555/SA555 có chức tạo thời gian trì hỗn xác ổn định Khi làm việc chế độ đơn ổn, thời gian xác định đơn giản điện trở tụ điện ráp thêm bên Ở chế độ dao động đa hài, tần số chu kỳ hoạt động (duty cycle) điều khiển xác hai điện trở tụ điện 5.1.1 Chế độ đơn ổn: 1/ Khái niệm mạch dao động chế độ đơn ổn: - Mạch dao động chế độ đơn ổn hoạt động khơng cung cấp điện áp điều khiển từ bên ngồi dao động trạng thái ổn định Khi có xung điều khiển, thường xung kich thích có độ rộng hẹp, chuyển sang chế độ không ổn định khoảng thời gian trở lại trạng thái ban đầu kết ngõ cho xung - Thời gian dao động nằm trạng thái không ổn định dài hay ngắn tham số mạch định Ngõ dao động đơn ổn có trạng thái ổn định(mức cao mức thấp) 2/ Mạch dao động chế độ đơn ổn dùng 555: a) Sơ đồ mạch đơn ổn 44 Điện áp tụ C1 VC1 tăng dần theo quy luật hàm mũ với thời t = RA.C1 đạt đến giá trị 2Vcc/3 thời điểm td = 1,1RA.C1, thời lớn thời gian để điện áp tụ 2Vcc/3 kéo dài, bề rộng xung phụ thuộc vào RAC1 Khi VC1 = 2Vcc/3, so sánh ngõ vào kích xóa FF, transistor xả ON, C1 phóng điện ngõ xuống mức thấp - Ứng dụng mạch: Mạch dao động đơn ổn dùng ic 555 ứng dụng mạch định thời gian, tạo thời gian trễ, mạch chng báo có hẹn 5.1.2 Chế độ dao động đa hài a) Sơ đồ mạch b) quan hệ tần số với R C 45 c) Dạng sóng mạch dao động Chế độ thực cách thêm điện trở RB vào sơ đồ hình 5.1a trở thành sơ đồ trình bày hình 5.2a ngõ vào điện áp ngưỡng điện áp kích nối chung lại với để tạo khả tự kích Khi ngõ 555 mức cao, transistor Tr tắt, điện áp VC1 tăng lên với thời (RA + RB).C Khi điện áp C1 điện áp ngưỡng 2Vcc/3, ngõ so sánh ngõ vào kích lên mức cao dẫn đến FF bị xóa ngõ 555 xuống thấp Lúc Tr dẫn, C1 phóng điện qua điện trở RB VC1 < Vcc/3, ngõ so sánh ngõ vào kích lên cao ngõ 555 lên mức cao trở lại , Tr tắt VC1 lại tăng dần lên Trong trình hoạt động, khoảng thời gian ngõ mức cao giai đoạn VC1 tăng từ Vcc/3 lên 2Vcc/3 khoảng thời gian ngõ mức thấp tương ứng với VC1 giảm từ 2Vcc/3 xuống Vcc/3 Hình 5.4 sơ đồ tương đương C1 nạp điện Hình 5.4: sơ đồ tương đương Do đó, chu kỳ tín hiệu dao động tổng thời gian nạp với thời gian xả tụ C1 46 Ứng dụng mạch: - Mạch dao động đa hài hai trạng thái không ổn định sử dụng để tạo mạch xung vuông, mạch tự dao động mà không cần có xung tín hiệu đầu vào - Các mạch tạo xung chuẩn điều khiển động hay mạch điều áp có mặt mạch dao động đa hài hai trạng thái không ổn định 5.1.3 Chế độ chia tần số: Bằng cách thay đổi thời gian trì hỗn thích hợp, mạch đơn ổn thực chức mạch chia tần số hình 5.4 dạng sóng mạch chia Tần số xung vào lần tần số xung Hình 5.4 Dạng sóng mạch chia tần số 5.1.4 Điều chế độ rộng xung:  Điều chế PWM: Phương pháp điều chế PWM ( Pulse Width Modulation) phương pháp điều chỉnh điện áp tải hay nói cách khác phương pháp điều chế dựa thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông dẫn đếm thay đổi điện áp 47 Sơ đồ dạng xung điều chế chu kì thời gian xung lên (Sườn dương) thay đổi dãn co vào Và độ rộng tính phần trăm tức độ rộng tính sau : Độ rộng = (t1/T).100 (%) Uo = Uv.t1/T (Điện áp đầu ra) Như thời gian xung lên lớn chu kì điện áp đầu lớn Nhìn hình vẽ ta tính điện áp tải : + Đối với PWM = 25% ==> Ut = Umax.(t1/T) = Umax.25% (V) + Đối với PWM = 50% ==> Ut = Umax.50% (V) + Đối với PWM = 75% ==> Ut = Umax.75% (V) Cứ ta tính điện áp đầu tải với độ rộng xung a Mạch ngun lý tạo xung vng có điều chỉnh tần số PWM Tác dụng linh kiện: 48 - Điện trở R1, tụ C2, có tác dụng tạo xung vuông - Tụ C1 dùng để lọc nhiễu - Biến trở R2 điều chỉnh độ rộng xung b Nguyên lý hoạt động mạch: - Nhìn sơ đồ xung ta thấy chu kì dao động : T = t1 + t2 (s) - Khi thay đổi xung sườn dương tức thay đổi thời gian t1 Nếu mà t1 lớn chu kì điện áp trung bình tải lớn cịn thời gian t1 nhỏ chu kì điện áp trung bình nhỏ Và đảm bảo t1