Ứng dụng IC khuếch đại thuật toán PO AMP trong thiết kế mạch lọc tín hiệu

Trờng Đại học Vinh khoa vật lý -------------------- Hoàng minh đồng ứng dụng IC khuếch đại thuật toán op-amp trong thiết kế mạch lọc tín hiệu khoá luận tốt nghiệp đại học chuyên ngành: điện tử viễn thông ứng dụng IC khuếch đại thuật toán trong thiết kế mạch lọc tín hiệu Vinh, 5/2007 Sinh viên thực hiện : Hoàng Minh Đồng Lớp 44B Lý 2 ứng dụng IC khuếch đại thuật toán trong thiết kế mạch lọc tín hiệu Trờng Đại học Vinh khoa vật lý -------------------- ứng dụng IC khuếch đại thuật toán op-amp trong thiết kế mạch lọc tín hiệu khoá luận tốt nghiệp đại học chuyên ngành: điện tử viễn thông Giáo viên hớng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hoa L Sinh viên thực hiện : Hoàng Minh Đồng Lớp : 44B - Vật Lý Sinh viên thực hiện : Hoàng Minh Đồng Lớp 44B Lý 3 ứng dụng IC khuếch đại thuật toán trong thiết kế mạch lọc tín hiệu Vinh, 5/2007 Sinh viên thực hiện : Hoàng Minh Đồng Lớp 44B Lý 4 ứng dụng IC khuếch đại thuật toán trong thiết kế mạch lọc tín hiệu Mục lục Trang Lời mở đầu.1 Chơng 1. Tổng quan về IC khuếch đại. 1.1. Khái niệm vi mạch tích hợp (IC).3 1.2. Cấu trúc IC khuếch đại thuật toán op-amp 4 1.3. Các tham số cơ bản của IC op-amp.9 1.3.1. Hệ số khuếch đại hiệu K 0 .9 1.3.2. Đặc tuyến biên độ-tần số10 1.3.3. Hệ số khuếch đại đồng pha.11 1.3.4. Hệ số khuếch đại nén đồng pha 12 1.3.5. Trở kháng vào hiệu, trở kháng vào đồng pha và trở kháng ra . 12 1.3.6. Dòng vào tĩnh, điện áp vào lệch không và biện pháp bù.13 Chơng 2. ứng dụng điển hình của IC khuếch đại op-amp. 2.1. Mạch lọc tích cực .17 2.1.1 Khái niệm.17 2.1.2. Mạch lọc thông thấp bâc 2.19 2.1.3. Mạch lọc thông cao bậc 222 2.1.4. Mạch lọc chon lọc và mạch lọc thông dải .24 Chơng 3. Thiết kế mạch điện tử sử dụng IC khuếch đại thuật toán op-amp. 3.1. Thiết kế mạch lọc tích cực 29 3.2. Bài toán .30 3.3. Kết quả mô phỏng 31 3.3.1. Đặc tuyến biên độ-tần số và đáp ứng xung 31 3.3.2. Mô phỏng quá trình hoạt động36 Kết luận 38 Tài liệu tham khảo.39 Sinh viên thực hiện : Hoàng Minh Đồng Lớp 44B Lý 5 ứng dụng IC khuếch đại thuật toán trong thiết kế mạch lọc tín hiệu Lời mở đầu Đất nớc ta đang vơn lên trong những năm đầu của thế kỷ XXI, thế kỷ mà cả thế giới đang có nhiều chuyển biến. Đặc biệt là cuộc cách mạng Khoa học công nghệ hiện đại phát triển. Sự bùng nổ thông tin, tri thức nhân loại tăng vọt cả về chất lợng và số lợng. Thế kỷ của nền kinh tế tri thức. Trớc tình hình đó, sự nghiệp giáo dục nói chung các ngành nghiên cứu khoa học nói riêng của nớc ta cũng cần có những bớc thay đổi căn bản nhằm thích ứng, hoà nhịp với tốc độ phát triển của thế giới. Cùng sự phát triển đó, điện tử là một trong những ngành Khoa học đợc ứng dụng mạnh mẽ trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta. Sự luôn có mặt của các linh kiện khuếch đại trong các thiết bị điện tử là không thể thiếu, nó đóng vai trò cực kì quan trọng vì vậy cần đợc quan tâm và phát triển hơn nữa. Điễn hình ở đây là bộ khuếch đại thuật toán thờng viết tắt là OA( kí hiệu hai chữ cái đầu tiên của từ Operatioanal Amplifer). Nó đợc chế tạo dới dạng các vi mạch hay còn gọi là IC hoặc chíp. Với khả năng có thể thay đổi đợc tính chất tác dụng bằng cách thay đổi các linh kiện ở mạch ngoài, nó đã tạo tiền đề cho các ngành khoa học công nghệ khác phát triển. Với các lí do nêu trên tôi đã chọn đề tài nghiên cứu là: ứng dụng IC khuếch đại thuật toán op-amp trong thiết kế mạch lọc tín hiệu. Việc nghiên cứu cấu trúc, cơ chế hoạt động của chúng nhằm mục đích h- ớng tới thiết kế chế tạo các vi mạch dùng trong kĩ thuật khuếch đại tạo tín hiệu hình sin và xung trong bộ ổn áp và bộ lọc tích cực của các lĩnh vực công nghệ thông tin, tự động hoá, đo lờng v.v. Trong khuôn khổ một luận văn tốt nghiệp đề tài tập trung nghiên cứu IC khuếch đại thuật toán và các ứng dụng điển hình của nó trong kĩ thuật điện tử. Nội dung luận văn này đợc trình bày trong ba chơng: Chơng 1: Tổng quan về IC khuếch đại thuật toán op-amp. Chơng 2: ứng dụng điển hình của IC khuếch đại thuật toán op-amp. Chơng 3: Thiết kế mạch điện tử sử dụng IC khuếch đại thuật toán op-amp. Sinh viên thực hiện : Hoàng Minh Đồng Lớp 44B Lý 6 ứng dụng IC khuếch đại thuật toán trong thiết kế mạch lọc tín hiệu Do thời gian và trình độ còn hạn chế, vì vậy luận văn vẫn không tránh khỏi nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận đợc sự đóng góp, chỉ đạo của các Thầy, Cô giáo và các bạn sinh viên để nội dung của luận văn đợc hoàn thiện hơn. Cuối cùng tôi xin đợc bày tỏ lòng cảm ơn tới ban chủ nhiệm khoa Vật lí, các Thầy Cô giáo trong tổ Kĩ thuật đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo: PGS.TS Nguyễn Hoa L và thầy Phạm Mạnh Toàn. Ngời đã tận tình hớng dẫn và giúp đỡ tôi thực hiện luận văn này. Vinh: 5/2007 Tác giả: Hoàng Minh Đồng Chơng 1. tổng quan về IC khuếch đại 1.1 . khái niệm vi mạch tích hợp (IC) Sinh viên thực hiện : Hoàng Minh Đồng Lớp 44B Lý 7 ứng dụng IC khuếch đại thuật toán trong thiết kế mạch lọc tín hiệu Vi mạch tích hợp thờng viết tắt là IC (các chữ cái đầu của từ Integrated Circuit ). 0,1mm 0,2mm SiO 2 741 2 3 5 6 n n n p p p n Hình 1.1. IC gồm một số lớn các phần tử bán dẫn nằm trong một mẫu tinh thể nhỏ Silíc. Một ví dụ về IC đợc trình bày trên hình 1.1. Trong IC này từ một đế tinh thể nhỏ Silíc loại p, bằng công nghệ đặc biệt, ngời ta chế tạo các phần tử bán dẫn khác nhau nh : diode, transistor, điện trở, tụ điện . Để chế tạo diode ngời ta khuếch tán vào đế tinh thể p một ít tạp chất hoá trị 5. Điều đó cho ta một lớp bán dẫn loại p. Sau đó bằng cách khuếch tán vào lớp n này một ít tạp chất hoá trị 3 ta sẽ nhận đợc một lớp nhỏ bán dẫn loại p. hai lớp bán dẫn loại n và p này tạo nên một diode. để chế tạo Transistor, ta cũng làm nh trên để có hai lớp n và p, sau đó bằng cách khuếch tán vào lớp p một ít tạp chất hoá trị 5 ta nhận thêm một lớp nhỏ loại n. Ba lớp n, p, n này tạo nên một transistor. Để chế tạo điện trở ta cũng làm giống nh để chế tạo diode. Để cách li các phần tử trong IC với môi trờng bên ngoài ta phủ trên mảnh tinh thể một lớp mỏng cách điện SiO 2 , còn để cách li các phần tử đối với mảnh tinh thể ngời ta dùng một lớp tiếp giáp pn giữa mảnh tinh thể p và lớp n của các phần tử. Nh ta đã biết, nếu mảnh tinh thể p có điện thế âm hơn lớp n thì lớp tiếp Sinh viên thực hiện : Hoàng Minh Đồng Lớp 44B Lý 8 ứng dụng IC khuếch đại thuật toán trong thiết kế mạch lọc tín hiệu giáp pn này sẽ đợc phân cực ngợc. Trong trờng hợp đó ở mặt tiếp giáp pn này hình thành một lớp rất nghèo các hạt dẫn điện, lớp này có thể xem nh một lớp cách điện. Để tạo các tiếp điểm điện ở các phần tử ngời ta phải khoan các lỗ thích hợp trên mảnh tinh thể và đổ kim loại mỏng vào các lỗ đó. Còn để nối các phần tử đó với nhau theo một sơ đồ nguyên lí nào đó ta dùng kĩ thuật in litô. So với các thiết bị đợc chế tạo từ các phần tử bán dẫn rời rạc, IC có các u điểm chính sau đây: . Tiết kiệm đợc thời gian sản xuất vì không phải nối nhiều lần giữa các phần tử. . Giá thành thấp hơn nhiều so với tổng giá thành các phần tử rời rạc. Ví dụ một IC chứa hàng trăm Transistor chỉ đắt hơn từ hai đến ba lần một Transistor. . xác suất hỏng của các điểm nối bên trong IC là rất nhỏ so với các điểm nối của các phần tử thực hiện bằng phơng pháp hàn. . Các thiết bị dùng IC có kích thớc và trọng lợng bé hơn nhiều so với các thiết bị dùng các phần tử bán dẫn rời rạc. nhợc điểm chính của IC là không có khả năng thay đổi cơ cấu bên trong của nó. Bởi vì tất cả các phần tử đợc chế tạo trong cùng một mảnh tinh thể chung rất bé. Do các u điểm nổi bật trên đây, các IC ngày các đợc dùng nhiều trong kĩ thuật điện tử. 1.2. Cấu trúc IC khuếch đại thuật toán OP amp Bộ khuếch đại thuật toán là một IC có sơ đồ khối nh trên hình 1.2. Nói cách khác bộ khuếch đại thuật toán bao gồm 3 phần: N U v S 1 S 2 U r P U r1 U r2 Sinh viên thực hiện : Hoàng Minh Đồng Lớp 44B Lý 9 - 1 + 2 3 ứng dụng IC khuếch đại thuật toán trong thiết kế mạch lọc tín hiệu Hình 1.2 . Tầng vào 1 là một bộ khuếch đại một chiều Vi sai có hai đầu vào N, P và một đầu ra S 1 . Điện áp đa ra của tầng khuếch đại này là: U r1 = K u1 U v = K u1 (U v1 U v2 ) trong đó: K u1 là hệ số khuếch đại của tầng vào 1. U v1 là điện đặt vào đầu vào không đảo P. U v2 là điện áp đặt vào đầu vào đảo N. Yêu cầu của tầng vào 1 này là có trở kháng vào R v rất lớn. Để thực hiện yêu cầu này ngời ta thờng thay thế các Transistor lỡng cực trong tầng này bằng Transistor trờng (FET). . Các tầng khuếch đại trung gian 2 là các tầng khuếch đại điện áp hoặc dòng điện. Mục đích của tầng này là khuếch đại điện áp ra U r1 hoặc dòng điện ra i r1 lên nhiều lần. . Tầng ra 3 thờng là tầng khuếch đại công suất. Yêu cầu của tầng ra này là có hệ số khuếch đại công suất lớn và trở kháng ra nhỏ. Điều đó cần thiết để bảo đảm cung cấp cho tải một công suất đủ lớn theo yêu cầu của tải. Sinh viên thực hiện : Hoàng Minh Đồng Lớp 44B Lý 10 . ứng dụng IC khuếch đại thuật toán trong thiết kế mạch lọc tín hiệu Trờng Đại học Vinh khoa vật lý -------------------- ứng dụng IC khuếch đại thuật toán. Lý 10 ứng dụng IC khuếch đại thuật toán trong thiết kế mạch lọc tín hiệu Một ví dụ điển hình của bộ khuếch đại thuật toán là bộ khuếch đại thuật toán kiểu