Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Bài 6 - Lưu Đức Trung cung cấp cho học viên các kiến thức về các hệ thống tương tự; ví dụ về hệ điện tử tương tự; các vấn đề khuếch đại: Hệ số khuếch đại điện áp, dòng, công suất, thang decibel; các mô hình hai cổng;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!
BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ 6.1 Ví dụ về hệ điện tử tương tự 6.2 Các vấn đề khuếch đại: Hệ số khuếch đại điện áp, dịng, cơng suất, thang decibel 6.3 Các mơ hình hai cổng BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ 6.1 Ví dụ về hệ điện tử tương tự Vơ số thơng tin về thế giới, chẳng hạn nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, vận tốc, cường độ ánh sáng, âm thanh v.v… là “tương tự” trong tự nhiên, chúng được tạo ra bởi bất cứ giá trị nào trong miền liên tục và có thể được biểu diễn bởi tín hiêu tương tự Dưới dạng sóng điện, các tín hiệu này có thể là kết xuất của các bộ chuyển đổi từ áp suất, nhiệt độ, tốc độ dịng chảy, hay tín hiệu audio từ microphone hay bộ khuếch đại stereo BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ Đặc trưng của các tín hiệu này là hầu hết chúng có thể thao tác được sử dụng các bộ khuếch đại tuyến tính, là bộ thay đổi biên độ và/hoặc pha của tín hiệu mà khơng ảnh hưởng tới nội dung của phổ Phát minh đèn điện tử ba cực của Lee Deforest vào năm 1906 là mốc quan trọng trong các lĩnh vực điện tử, là thiết bị đầu tiên trình bày khuếch đại bằng cách cơ lập hợp lý giữa đầu vào và đầu ra Các bộ khuếch đại ngày nay – hầu hết dùng bán dẫn – đóng vai trị chủ yếu trong các thiết bị điện tử mà chúng ta tiếp xúc hàng ngày, kể cả các thiết bị mà chúng ta thường nghĩ chúng là các thiết bị có bản chất số BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ Ví dụ như điện thoại di động, các ổ đĩa, các bộ audio số và DVD, hay là hệ thống định vị tồn cầu GPS Dù chúng ta có coi chúng là các thiết bị có bản chất số, thì trên thực tế, chúng vẫn tận dụng các bộ khuếch đại để chuyển đổi các tín hiệu tương tự rất nhỏ thành các mức khác nhau mà chúng có thể nhận biết được để chuyển sang dạng tín hiệu số Cơng nghệ mạch tương tự cũng là trung tâm của sự tương tác giữa các phần tương tự và phần số của các thiết bị này dưới dạng các bộ chuyển đổi từ tương tự – số (A/D) và số tương tự (D/A) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ Thế giới ngày liên thông với gia tăng rất nhiều liên kết giao tiếp Các hệ thống cáp quang, cáp modem, các kênh thuê bao số giao tiếp sử dụng công nghệ khơng dây dựa vào khuếch đại trong cả trạm phát, và rồi dị tìm các tín hiệu vơ cùng nhỏ chứa các thơng tin đã được truyền đi các trạm thu BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ Hình 6.1.1. Một máy thu FM stereo 6.2 Các vấn đề khuếch đại: Hệ số khuếch đại điện áp, dịng, cơng suất, thang decibel BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ Các bộ khuếch đại tuyến tính là một lớp các mạch vơ cùng quan trọng, và hầu hết phần III thảo luận nhiều mặt về phân tích và thiết kế chúng Như một lời mở đầu về khuếch đại, chúng ta cùng tập trung vào một kênh âm thanh, là một phần của trạm thu FM, minh họa trong hình 6.2.1 Trong hình 6.2.1, đầu vào của kênh khuếch đại stereo được trình bày bằng nguồn tương đương Thévenin, v, điện trở nguồn Rs = 5k BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ Loa tại đầu ra được biểu thị bởi một điện trở 8 Hình 6.2.1 Kênh khuếch đại audio từ một trạm thu FM Dựa vào phân tích Fourier, ta biết rằng một tín hiệu chu kỳ phức tạp, v, có thể được trình bày như tổng của nhiều sóng hình sin riêng biệt: BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ vs Vi sin i i t i (6.2.1) với Vi = biên độ thành phần của tín hiệu thứ i = radian của tần số i = pha i Nếu khuếch đại tuyến tính, ngun tắc chồng chất được áp dụng, qua đó, mỗi tín hiệu thành phần được xử lý riêng lẻ và lấy tổng các kết quả để tìm ra cho tồn bộ tín hiệu BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ Nhằm đơn giản hóa phân tích, ta sẽ chỉ xét một thành phần tín hiệu, với tần số s, và biên độ Vi : vs Vs sin s t (6.2.2) Với ví dụ này, giả thiết Vs = 0.001V, 1mV. Bởi vì tín hiệu này được coi như đầu vào, ta có thể giả thiết s = 0 và khơng có suy hao Đầu ra của bộ khuếch đại tuyến tính là một tín hiệu hình sin có cùng tần số nhưng khác biên độ với V0 và pha : BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 10 BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ của nó trong tính ổn định của các đáp ứng của bộ khuếch đại. Một lần nữa, thay s=jω vào cơng thức 6.3.12, đáp ứng pha của bộ khuếch đại thơng thấp sẽ là A v jω Ao j ω ωH Ao tan ω ωH Bộ khuếch đại thơng cao Một hàm truyền đạt đơn cực cơ bản khác có đặc trưng thơng cao, nó tổ hợp một điểm cực với một điểm khơng tại BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 52 BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ gốc. Chúng ta sẽ thường xun tìm thấy hàm này kết hợp với hàm thơng thấp để tạo nên các bộ khuếch đại thơng dải. Thực tế, một đặc trưng thơng cao đích thực là khơng thể có được một khi ta thấy rằng nó địi hỏi băng thơng vơ tận. Cái tốt nhất mà chúng ta có thể hy vọng chỉ là xấp xỉ đặc trưng thơng cao dựa vào một miền tần số có băng thơng hữu hạn BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 53 BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ Hình 6.3.6 (a) Bộ khuếch đại thơng cao. (b) Ký hiệu của bộ lọc thơng cao BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 54 BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ Hàm truyền đạt cho một bộ khuếch đại thơng cao đơn cực có thể được viết như sau: A v (s) A os s ωL (6.3.19) và với s = jω thì độ lớn của cơng thức 6.3.19 là A v jω A o jω jω ωL A oω ω2 ω2 L (6.3.20) Độ lớn đồ thị Bode cho hàm này được minh họa trong hình 6.3.6. Trong trường hợp này, hệ số khuếch đại của bộ BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 55 BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ khuếch đại là hằng số với tất cả các tần số trên giới hạn tần số thấp ω L. Tại các tần số đủ cao để thỏa mãn ω>>ωL độ lớn có thể đạt xấp xỉ: Aoω ω ω Aoω L ω ωL ω (6.3.21) A o hay (20logA o ) dB Khi ω vượt quá ωL, hệ số khuếch đại là hằng số tại khuếch đại trung tần Amid= Ao. Tại các tần số thấp dưới ωL Aoω ω ω Aoω L ω ωL ωL Aoω ωL (6.3.22) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 56 BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ Chuyển công thức 6.3.22 sang dB, ta thu được A v jω ω (20logA o ) 20log ωL (6.3.23) Tại các tần số thấp dưới ωL, hệ số khuếch đại tăng theo tỷ lệ của 20dB cho mỗi thang mười tần số tăng Tại tần số giới hạn ω=ωL, A v jωL A o ωL ω ω Ao L hay 20logA o dB BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ (6.3.24) 57 BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ Hệ số khuếch đại một lần nữa thập dưới giá trị trung tần của nó 3dB. Ngồi việc được gọi là tần số giới hạn thấp, ωL cũng được gọi là tần số giới hạn dưới 3dB hay là điểm cơng suất nửa dưới Bộ khuếch đại thơng dải Trong một số trường hợp, chúng ta có thể khơng cần hoặc khơng muốn khuếch đại tại các tín hiệu một chiều và các tụ điện được thêm vào mạch để tạo ra bộ khuếch đại cặp BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 58 BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ đơi xoay chiều. Một bộ khuếch đại cặp đơi xoay chiều sẽ có một đặc trưng thơng dải tương tự như minh họa trong hình 6.3.7. Các tụ điện thêm vào làm cho tần số hưởng ứng khơng tiếp tục xuống q thấp, và cũng hạn chế các tần số cao khơng tiếp tục cao hơn nữa Hàm truyền đạt cho một bộ khuếch đại thơng dải cơ bản được xây dựng từ tích của các hàm truyền đạt thơng thấp và thơng cao qua cơng thức 6.3.12 và 6.3.19 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 59 BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ Av ( s ) Ao s s L H s Ao H s s L s (6.3.25) H Hình 6.3.7 Bộ khuếch đại thơng dải BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 60 BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ Hình 6.3.7 là một đồ thị độ lớn của hàm truyền đạt này. Khái niệm về hệ số khuếch đại băng trung càng thấy rõ ràng hơn qua hình này. Khoảng trung tần của các tần số được định nghĩa bởi ωL ω ωH cho Av j Ao (6.3.26) Trong đó: Ao : biểu thị hệ số khuếch đại trong miền trung tần: Amid=Ao Biểu thức toán học cho độ lớn của Av(jω) là: BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 61 BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ Av ( j ) Ao j j j L Ao H H H L 2 H (6.3.27) Ao Av ( j ) L 2 H (6.3.28) Biểu thức 6.3.28 bộc lộ hệ số khuếch đại trong miền trung tần BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 62 BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ Bộ khuếch đại chắn dải Trong một số trường hợp, chúng ta cần một bộ khuếch đại mà có thể loại bỏ các tần số của một băng hẹp, như minh họa trong hình 6.3.8. Ví dụ, một mạch như thế là rất tiện lợi trong việc loại trừ một tín hiệu nhiễu gần với một tín hiệu mong muốn trong các ứng dụng truyền thơng của người nhận Hàm truyền đạt gọi bộ khuếch đại chắn dải hay như một bộ lọc khe và biểu thị một hình khe rỗng tại trung tâm tần số ωo. Tại các tần số BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 63 BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ nên được gỡ bỏ kể từ ωo, hệ số khuếch đại tiến tới Ao. Để thu được một khe rỗng, hàm truyền đạt có một cặp điểm khơng trên trục jω tại tần số khe ωo, và các cực của bộ khuếch đại là số phức: Av ( s ) Ao s2 s2 s o o Q o (6.3.29) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 64 BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ Hình 6.3.8 (a) Hàm truyền đạt chắn dải với Ao=10, ω o=1, và Q=10. Chú ý việc sử dụng tỷ lệ tuyến tính trên cả hai trục. (b) Ký hiệu bộ lọc chắn dải BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 65 BÀI 6 CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ Hình 6.3.8 là một sơ đồ Bode cho cơng thức 6.3.29 với trường hợp Ao=10, ωo=1, và Q=10. Chú ý khe rỗng tại ω=ωo. Chi tiết về đáp ứng pha của hàm truyền đạt này được dành lại cho phần bài tập tiếp theo. Tuy nhiên, nó sẽ được khám phá để thay đổi đột ngột 180o gần ω=ωo BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 66 ... thu BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI? ?6? ?CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ Hình? ?6. 1.1. Một máy thu FM stereo 6. 2 Các vấn đề khuếch đại: Hệ số khuếch đại? ?điện? ? áp, dịng, cơng suất, thang decibel BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ... điện? ?trở dẫn đầu vào hở mạch điện trở truyền dẫn hở mạch i1 (6. 3.6a đảo điện trở truyền dẫn hở mạch ) i2 i1 thuận điện? ?trở ra hở mạch BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 35 BÀI? ?6? ?CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ... độ? ?điện? ?dẫn ra ngắn mạch v1 6. 3.4 Trở kháng hay các tham số z v1 z11i1 z12 i v2 z 21i1 z 22 i (6. 3 .6) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 33 BÀI? ?6? ?CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ Hình? ?6. 3.4 Biểu diễn tham số z hai cổng Hình 6. 3.4