Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Bài 7 - Lưu Đức Trung

Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Bài 7 - Lưu Đức Trung cung cấp cho học viên các kiến thức về khuếch đại thuật toán và ứng dụng; khuếch đại vi sai; khuếch đại thuật toán lý tưởng; phân tích khuếch đại thuật toán lý tưởng; bộ khuếch đại thuật toán không lý tưởng; đáp ứng tần số và dải tần; mô hình tín hiệu nhỏ;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ  ỨNG DỤNG  7.1 Khuếch đại vi sai 7.2 Khuếch đại thuật tốn lý tưởng 7.3 Phân tích khuếch đại thuật tốn lý tưởng 7.4 Bộ khuếch đại thuật tốn khơng lý tưởng 7.5 Đáp ứng tần số và dải tần 7.6 Mơ hình tín hiệu nhỏ  BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ ỨNG DỤNG BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ  ỨNG DỤNG Các     khuếch   đại   thuật   toán  (op   amp  –   operation  amplifier) là thành phần cơ  bản trong thiết kế  các mạch  điện logic tương tự Cái tên “khuếch đại thuật toán” bắt nguồn từ  việc sử  dụng các bộ  khuếch đại kiểu này để  thực hiện các hoạt  động và chức năng xác định như  điều chỉnh khoảng, tính  tổng, và tích phân trong các máy tính tương tự BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG 7.1 Khuếch đại vi sai Các bộ  khuếch đại vi sai đáp  ứng lại sự  sai khác giữa    tín   hiệu   vào   (và       đơi     cịn     gọi     bộ  khuếch đại khác biệt) là một lớp các mạch điện rất hữu  dụng Bộ khuếch đại có 2 đầu vào nối với hai điện áp v+ và v­,  và đầu ra là vo, tất cả các điện áp được tham chiếu đến đất  chung giữa hai nguồn cung cấp là VCC và VEE BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Trong hầu hết các ứng dụng, VCC   0 và VEE   0, và các  hiệu điện thế  này thường là đối xứng, ví dụ  ±5V, ±12V,  ±15V,±18V,±22V, v…v…  Những điện áp cung cấp này sẽ  giới hạn điện áp ra – VEE   VO   VCC Một cách đơn giản, các bộ khuếch đại thường được vẽ  mà khơng chỉ  rõ nguồn cung cấp, như  trong Hình  7.1.2(a),    nối   đất,     Hình  7.1.2(b)­nhưng   phải   nhớ   rằng  BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG nguồn và nối đất ln phải có trong khi triển khai mạch  thực tế Hình 7.1.1 Khuếch đại vi sai cộng với nguồn cung cấp BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Hình 7.1.2 (a) Khuếch đại (khơng bao gồm nguồn cung cấp)  (b) Khuếch đi vi sai mặc định đã nối đất BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Mơ hình mạch khuếch đại vi sai Với mục đích phân tích tín hiệu, mạch khuếch đại vi sai  có thể  được biểu diễn bởi trở  kháng vào  Rid, trở  kháng ra  Ro, và nguồn điều khiển Avid như hình 7.1.3 Hình 7.1.3 Khuếch đại vi sai BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG A = hệ  số  khuếch đại điện áp (hệ  số  khuếch đại điện  áp hở mạch) vid = (v+ ­ v­) = điện áp vào vi sai (7.1.1) Rid = trở kháng vào bộ khuếch đại R0 = trở kháng ra bộ khuếch đại  Tín hiệu điện áp tạo ra ở đầu ra bộ khuếch đại có cùng  pha với đầu vào + và ngược pha 1800 với đầu vào ­ BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Hai đầu v+ và v­ do đó được xem như  là đầu vào thuận  và đảo Hình 7.1.4 Khuếch đại được nối với nguồn và tải BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Trong     ứng   dụng   tiêu   biểu,       khuếch   đại  được điều khiển bởi một nguồn tín hiệu có điện áp tương  đương Thévenin vs và trở kháng Rs và được kết nối đến một  tải được biểu diễn bởi RL, như trong hình 7.1.4 Với mạch đơn giản này, điện áp ra có thể  được viết  phụ thuộc nguồn đầu vào như sau: vo Avid RL Ro RL (7.1.2) Và điện áp vid là BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 10 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Trong đó ID  và VD thể  hiện là các giá trị  của điểm phân  cực một chiều,  vd   id  là các thay đổi nhỏ  so với điểm Q.  Các thay đổi về điện áp và dịng điện được chỉ ra bằng hình  vẽ trên hình 7.6.2. Khi điện áp diode tăng nhẹ, thì dịng điện  cũng tăng lên một chút. Xét với những thay đổi nhỏ, id được  coi là tuyến tính (nghĩa là tăng theo cùng tỷ  lệ) với sự thay  đổi của vd và tỷ lệ khơng đổi này được gọi là hằng số  điện  dẫn của diode gd: id g d vd (7.6.2) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 88 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ ỨNG DỤNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 89 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Hình 7.6.2 Quan hệ giữa lượng tăng nhỏ của điện áp và  dịng điện xét tại điểm hoạt động của diode (ID, VD). Đối với  thay đổi nhỏ id = gdvd Như  được chỉ  ra trên hình  7.6.2, độ  điện  dẫn  gd  của  diode thực chất thể  hiện đường đặc trưng diode tại điểm  Q. gd được viết như sau: gd iD vD Q po int vd I S exp vD VT Q po int BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 90 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Trong đó chúng ta đã sử dụng mơ hình tốn hoc cho iD và  gd IS v exp D VT VT Q po int IS V exp D VT VT Khi phân cực thuận với  ID  ID IS VT (7.6.3)   IS  độ  dẫn của diode trở  thành gd ID  hoặc  g d VT ID 0.025V 40 I D   BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ (7.6.4) 91 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ ỨNG DỤNG Tại  nhiệt   độ   phòng.  Chú   ý  rằng  gd  là  nhỏ  nhưng   sẽ  khơng về  0 khi  ID  = 0 bởi vì đường đặc trưng của diode  khác khơng tại gốc, như được chỉ ra trên hình 7.6.3 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 92 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Hình 7.6.3 Độ điện dẫn diode khác khơng khi ID = 0 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 93 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG 7.6.2 Mơ hình hóa tín hiệu nhỏ của diode Bây giờ chúng ta sẽ sử dụng biểu thức của diode để tìm  hiểu một cách đầy đủ  hơn về  hoạt động với tín hiệu nhỏ  của diode và định nghĩa một cách cụ  thể  vd   id  lớn đến  mức nào trước khi biểu thức (7.6.2) khơng cịn chính xác Sự  liên hệ  giữa các giá trị  một chiều và xoay chiều có  thể được dẫn ra trực tiếp từ biểu thức của diode: BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 94 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG iD I S exp vD VT (7.6.5) Thay thế (7.6.1) vào (7.6.5) ta được: I D id I S exp VD vd VT I S exp v VD exp d VT VT (7.6.6) Và khai triển Maclourin ở vế thứ hai ta được: ID id IS exp VD VT vd VT vd VT vd VT BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ (7.6.7) 95 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Gộp các thành phần một chiều và xoay chiều với nhau  ta có: ID id V I S exp D VT V I S exp D VT vd VT vd VT vd VT (7.6.8) Chúng ta nhận ra thành phần thứ  nhất   vế  bên phải  của biểu thức (7.6.8) chính là giá trị  dịng một chiều của  diode ID: ID V I L exp D VT VD  và   I S exp VT ID IS   BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ (7.6.9) 96 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Loại bỏ  ID khỏi hai vế của biểu thức ta được một biểu  thức thể hiện sự liên hệ của id tính theo vd: id ID IS vd VT vd VT vd VT (7.6.10) Ta  muốn rằng  dịng của   tín hiệu  id  phải  là một  hàm  tuyến tính của tín hiệu điện áp vd. Sử dụng chỉ 2 thành phần  đầu tiên của biểu thức (7.6.10), ta sẽ  thấy rằng tính chất  tuyến tính như u cầu: BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 97 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG vd VT vd VT   hoặc   vd 2VT 0.05V (7.6.11) Nếu mối quan hệ  trong (7.6.11) được thỏa mãn, biểu  thức (7.6.10) có thể được viết lại: id ID IS vd VT   hoặc    id g d vd   và   iD BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ID g d vd  (7.6.12) 98 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Hình 7.6.4 (a) diode. (b) mơ hình tín hiệu nhỏ cho diode Trong đó gd là độ điện dẫn tín hiệu nhỏ của diode được  nhắc   đến   đầu   tiên     biểu   thức   (7.6.3)   Biểu   thức  BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 99 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG (7.6.12) khẳng định rằng dịng điện tổng của diode sẽ bằng  dịng một chiều ID (tại điểm Q) cộng với một thay đổi nhỏ  (id = gdvd) mà liên hệ tuyến tính với điện áp thay đổi vd trên  diode Giá trị gd độ dẫn của diode, hay là điện trở tương đương  rd của diode, được xác định bởi điểm hoạt động của diode  như trong biểu thức (7.6.4): gd ID IS VT ID VT 40 I D   và   rd   gd BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ (7.6.13) 100 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Diode và mơ hình tín hiệu nhỏ  tương  ứng của nó, thể  hiện bởi điện trở rd, được đưa ra trên hình 7.6.4 Biểu thức (7.6.11)  xác định u cầu cho hoạt động với  tín hiệu nhỏ của diode. Sự dịch chuyển của điện áp diode ra  khỏi giá trị  điểm Q cần phải nhỏ  hơn nhiều so với 50mV   Tỷ  số  10 là một giá trị  thích hợp được chọn cho u cầu  này có nghĩa là vd   0.005V cho hoạt động với tín hiệu nhỏ.  Thực ra đây là một thay đổi khá nhỏ BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 101 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Tuy nhiên cần chú ý rằng thay đổi lớn nhất của tín hiệu  nhỏ  đối với điện áp diode tạo ra một thay đổi đáng kể  cho  dịng điện của diode: id g d vd 0.005V ID 0.0025V 0.2 I D   (7.6.14) Thay đổi 5­mV của điện áp diode tương  ứng với thay  đổi 20% giá trị  dòng trên diode.  Sự  thay đổi này là do liên  hệ hàm số mũ giữa dòng điện và điện áp trên diode BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 102 ... hình? ?7. 3.3 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 31 BÀI? ?7? ?KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Hình? ?7. 3.3 Dịng thử được đưa vào khuếch đại để tính? ?điện? ? trở ra: Rout = vx/ix BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 32 BÀI? ?7? ?KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG... v1 (7. 3. 17) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 37 BÀI? ?7? ?KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Hình? ?7. 3.4 Mạch khuếch đại khơng đảo Tuy nhiên, giả thiết 1 u cầu rằng vid = 0, vì vậy: BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ... tương tự như công thức  (7. 3.6) cho i2: i2 v vo R2 vo R2 (7. 3.9) Thay     công   thức   (7. 3.6)     (7. 3.9)   vào   công   thức  (7. 3.3) tạo ra: vs R1 vo R2 (7. 3.10) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 27 BÀI? ?7? ?KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG