MẠCH KHUẾCH ĐẠI HỒI TIẾP (Feedback Amplifier)
9.5IC CÔNG SUẤT:
Trong mạch công suất mà tầng ựầu là op-amp, nếu ta phân cực bằng nguồn ựơn thì mạch có dạng như sau:
- R1, R2 dùng ựể phân cực cho ngõ vào có ựiện thế bằng VCC/2. - Mạch hồi tiếp âm gồm R7, R8 và C3 với R8 << R7. tụ C3 ựể tạo ựộ lợi ựiện thế một chiều bằng ựơn vị. Như vậy khi chưa có tắn hiệu vào, ở hai ngõ vào + và ngõ vào - cũng như ở ngõ ra của tầng op-amp ựều có ựiện thế phân cực bằng VCC/2, bằng với ựiện thế một chiều ở ngõ ra của mạch công suất.
- Tụ C2 (tụ xuất) ựể ngăn ựiện thế một chiều qua tải và ựảm bảo ựiện thế phân cực ngõ ra bằng VCC/2.
Các IC công suất thường ựược chế tạo bên trong có cấu trúc gần tương tự như mạch trên. Với những IC công suất lớn, tầng cuối có thể là các cặp darlington-cặp hồi tiếp. Ngoài ra ựể nâng cao chất lượng, người ta còn chế tạo thêm một số mạch có chức năng ựặc biệt như bảo vệ nối tắt ngõ ra, bổ chắnh tần số ...
Thắ dụ ta xem Ic công suất LM1877 (bên trong có 2 mạch công suất với công suất ra tối ựa là 1w/kênh) có sơ ựồ chân như sau:
Mạch sau ựây cho thấy cách ráp thành mạch công suất 1watt với các linh kiện bên ngoài khi dùng 1 kênh.
Trong ựó chú ý một số ựặc ựiểm:
- R2, C7, R3, C4 quyết ựịnh ựộ khuếch ựại của mạch (mạch hồi tiếp âm).
- Tụ C7 quyết ựịnh ựáp ứng tần số cao. - R1 ựể phân cực ngõ vào.
R1 không ựược quá nhỏ sẽ làm biên ựộ tắn hiệu vào. - Độ khuếch ựại của mạch ở tần số giữa
BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG IX
******
Bài 1: Tắnh công suất vào, công suất ra và hiệu suất của mạch sau, biết rằng
khi có tắn hiệu ở ngõ vào dòng IB sẽ dao ựộng với biên ựộ ựỉnh là 10mA.
Bài 2: Trong mạch khuếch ựại công suất sau ựây:
1. Tắnh công suất vào, công suất ra và công suất tiêu phắ trong mỗi transistor.
2. Tắnh công suất và hiệu suất của mạch khi tắn hiệu vào có biên ựộ hiệu dụng là 12V(rms).
Bài 3: Một mạch công suất loại A dùng biến thế với tỉ số vòng 4:1. Dùng
nguồn cấp ựiện VCC = 36V ựể mạch cho công suất 2 watt trên tải 16Ω. Tắnh:
a/. P(ac) trên cuộn sơ cấp. b/. vL(ac).
c/. v(ac) trên cuộn sơ cấp.
d/. Trị hiệu dụng của dòng ựiện qua tải và trên cuộn sơ cấp.
Bài 4:Một mạch khuếch ựại công suất loại A như hình vẽ. Xác ựịnh: a/. Độ lợi ựiện thế gần ựúng của mạch.
b/. Công suất vào Pi(dc). c/. Công suất ra Po(ac).
d/. Hiệu suất của mạch.
Cho biết dòng tiêu thụ của LM324 khi chưa có tắn hiệu là 0.8mA.
Bài 5: Trong mạch công suất hình 9.23 cho biết VGS(th) của IRF532 thay ựổi
từ 2v ựến 4v và VGS(th) của IRF9532 thay ựổi từ -2v ựến -4v. Một cách gần ựúng, tắnh ựiện thế tối ựa và tối thiểu giữa 2 cực cổng của cặp công suất. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chương 10
MẠCH DAO ĐỘNG (Oscillators) ******* *******
1. Mục tiêu.
2. Kiến thức cơ bản cần có khi học chương này. 3. Tài liệu tham khảo liên quan ựến chương. 4. Nội dung:
10.1 10.110.1
10.1 Mạch dao ựộng sin tần số thấp.
10.2 Dao ựộng sin tần số cao.
10.3 Dao ựộng thạch anh.
10.4 Dao ựộng không sin.
Bài tập cuối chương. 5. Vấn ựề nghiên cứu của chương kế tiếp.
Ngoài các mạch khuếch ựại ựiện thế và công suất, dao ựộng cũng là loại mạch căn bản của ngành ựiện tử. Mạch dao ựộng ựược sử dụng phổ biến trong các thiết bị viễn thông. Một cách ựơn giản, mạch dao ựộng là mạch tạo ra tắn hiệu.
Tổng quát, người ta thường chia ra làm 2 loại mạch dao ựộng: Dao ựộng ựiều hòa (harmonic oscillators) tạo ra các sóng sin và dao ựộng tắch thoát (thư giãn - relaxation oscillators) thường tạo ra các tắn hiệu không sin như răng cưa, tam giác, vuông (sawtooth, triangular, square).
10.1 MẠCH DAO ĐỘNG SIN TẦN SỐ THẤP:
10.1.1 Dao ựộng dịch pha.
Ta xem lại mạch khuếch ựại có hồi tiếp
- Nếu pha của vf lệch 1800 so với vs ta có hồi tiếp âm.
- Nếu pha của vf cùng pha với vs (hay lệch 3600) ta có hồi tiếp dương.
Độ lợi của mạch khi có hồi tiếp:
Trường hợp ựặc biệt βAv = 1 ựược gọi là chuẩn cứ Barkausen (Barkausen criteria), lúc này Af trở nên vô hạn, nghĩa là khi không có tắn hiệu nguồn vs mà vẫn có tắn hiệu ra v0, tức mạch tự tạo ra tắn hiệu và ựược gọi là mạch dao ựộng. Tóm lại ựiều kiện ựể có dao ựộng là:
βAv=1
θA + θB = 00 (3600) ựiều kiện này chỉ thỏa ở một tần số nào ựó, nghĩa là trong hệ thống hồi tiếp dương phải có mạch chọn tần số.
Nếu βAv >> 1 (ựúng ựiều kiện pha) thì mạch dao ựộng ựạt ổn ựịnh nhanh nhưng dạng sóng méo nhiều (thiên về vuông) còn nếu βAv > 1 và gần bằng
1 thì mạch ựạt ựến ựộ ổn ựịnh chậm nhưng dạng sóng ra ắt méo. Còn nếu βAv < 1 thì mạch không dao ựộng ựược.
10.1.1 Dao ựộng dịch pha (phase shift oscillator):
- Tạo sóng sin tần số thấp nhất là trong dải âm tần. - Còn gọi là mạch dao ựộng RC.
- Mạch có thể dùng BJT, FET hoặc Op-amp. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Thường dùng mạch khuếch ựại ựảo (lệch pha 1800) nên hệ thống hồi tiếp phải lệch pha thêm 1800 ựể tạo hồi tiếp dương.
a. Nguyên tắc:
- Hệ thống hồi tiếp gồm ba mắc R-C, mỗi mắc có ựộ lệch pha tối ựa 900 nên ựể ựộ lệch pha là 1800 phải dùng ba mắc R-C.
- Mạch tương ựương tổng quát của toàn mạch dao ựộng dịch pha ựược mô tả ở hình 10.2
Nếu Ri rất lớn và R0 nhỏ không ựáng kể Ta có: v0 = v1 = Av.vi
- Hệ thống hồi tiếp gồm 3 măc C-R, và ựược vẽ lại như hình 10.3.
- Để phân giải mạch ta theo 4 bước:
+ Viết phương trình tắnh ựộ lợi ựiện thế β = v2/v1 của hệ thống hồi tiếp.
+ Rút gọn thành dạng a + jb
+ Cho b = 0 ựể xác ựịnh tần số dao ựộng f0
+ Thay f0 vào phương trình của bước 1 ựể xác ựịnh giá trị của β tại f0.
Và:
Để mạch lệch pha 1800:
b. Mạch dịch pha dùng op-amp:
- Do op-amp có tổng trở vào rất lớn và tổng trở ra không ựáng kể nên mạch dao ựộng này minh họa rất tốt cho chuẩn cứ Barkausen. Mạch căn bản ựược vẽ ở hình 10.4
- Tần số dao ựộng ựược xác ựịnh bởi:
c. Mạch dao ựộng dịch pha dùng FET:
- Do FET có tổng trở vào rất lớn nên cũng thắch hợp cho loại mạch này.
- Tổng trở ra của mạch khuếch ựại khi không có hồi tiếp:
R0 = RD||rD phải thiết kế sao cho R0 không ựáng kể so với tổng trở vào của hệ thống hồi tiếp ựể tần số dao ựộng vẫn thỏa mãn công thức:
Nếu ựiều kiện trên không thỏa mãn thì ngoài R và C, tần số dao ựộng sẽ còn tùy thuộc vào R0 (xem mạch dùng BJT).
- Độ lợi vòng hở của mạch: Av = -gm(RD||rD) ≥ 29 nên phải chọn Fet có gm, rD lớn và phải thiết kế với RD tương ựối lớn.
d. Mạch dùng BJT:
- Mạch khuếch ựại là cực phát chung có hoặc không có tụ phân dòng cực phát.
- Điều kiện tổng trở vào của mạch không thỏa mãn nên ựiện trở R cuối cùng của hệ thống hồi tiếp là:
R = RỖ + (R1||R2||Zb) (10.8) Với Zb = βre nếu có CE và Zb = β(re + RE) nếu không có CE.
- Tổng trở của mạch khi chưa có hồi tiếp R0≈ RC không nhỏ lắm nên làm ảnh hưởng ựến tần số dao ựộng. Mạch phân giải ựược vẽ lại (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
-Áp dụng cách phân giải như phần trước ta tìm ựược tần số dao ựộng:
- Thường người ta thêm một tầng khuếch ựại ựệm cực thu chung ựể tải không ảnh hưởng ựến mạch dao ựộng.
10.1.2 Mạch dao ựộng cầu Wien: (wien bridge oscillators)
- Cũng là một dạng dao ựộng dịch pha. Mạch thường dùng op-amp ráp theo kiểu khuếch ựại không ựảo nên hệ thống hồi tiếp phải có ựộ lệch pha 00. Mạch căn bản như hình 10.8a và hệ thống hồi tiếp như hình 10.8b
Trong mạch cơ bản hình 10.8a, ta chú ý:
- Nếu ựộ lợi vòng hở Av < 3 mạch không dao ựộng
- Nếu ựộ lợi vòng hở Av >> 3 thì tắn hiệu dao ựộng nhận ựược bị biến dạng (ựỉnh dương và ựỉnh âm của hình sin bị cắt).
- Cách tốt nhất là khi khởi ựộng, mạch tạo Av > 3 (ựể dễ dao ựộng) xong giảm dần xuống gần bằng 3 ựể có thể giảm thiểu tối ựa việc biến dạng. Người ta có nhiều cách, hình 10.9 là một vắ dụ dùng diode hoạt ựộng trong vùng phi tuyến ựể thay ựổi ựộ lợi ựiện thế của mạch.
- Khi biên ựộ của tắn hiệu ra còn nhỏ, D1, D2 không dẫn ựiện và không ảnh hưởng ựến mạch. Độ lợi ựiện thế của mạch lúc này là:
- Độ lợi này ựủ ựể mạch dao ựộng. Khi ựiện thế ựỉnh của tắn hiệu ngang qua R4 khoảng 0.5 volt thì các diode sẽ bắt ựầu dẫn ựiện. D1 dẫn khi ngõ ra dương và D2 dẫn khi ngõ ra âm. Khi dẫn mạnh nhất, ựiện thế ngang diode xấp xỉ 0.7 volt. Để ý là hai diode chỉ dẫn ựiện ở phần ựỉnh của tắn hiệu ra và nó hoạt ựộng như một ựiện trở thay ựổi nối tiếp với R5 và song song với R4 làm giảm ựộ lợi của mạch, sao cho ựộ lợi lúc này xuống gần bằng 3 và có tác dụng làm giảm thiểu sự biến dạng. Việc phân giải hoạt ựộng của diode trong vùng phi tuyến tương ựối phức tạp, thực tế người ta mắc thêm một ựiện trở R5 (như hình vẽ) ựể ựiều chỉnh ựộ lợi của mạch sao cho ựộ biến dạng ựạt ựược ở mức thấp nhất.
- Ngoài ra cũng nên ựể ý là ựộ biến dạng sẽ càng nhỏ khi biên ựộ tắn hiệu ở ngõ ra càng thấp. Thực tế, ựể lấy tắn hiệu ra của mạch dao ựộng người ta có thể mắc thêm một mạch không ựảo song song với R1C1 như hình vẽ thay vì mắc nối tiếp ở ngõ ra của mạch dao ựộng. Do tổng trở vào lớn, mạch này gần như không ảnh hưởng ựến hệ thống hồi tiếp nhưng tắn hiệu lấy ra có ựộ biến dạng ựược giảm thiểu ựáng kể do tác ựộng lọc của R1C1.
- Một phương pháp khác ựể giảm biến dạng và tăng ựộ ổn ựịnh biên ựộ tắn hiệu dao ựộng, người ta sử dụng JFET trong mạch hồi tiếp âm như một ựiện trở thay ựổi. Lúc này JFET ựược phân cực trong vùng ựiện trở (ohmic region-vùng ID chưa bảo hòa) và tác ựộng như một ựiện trở thay ựổi theo ựiện thế (VVR-voltage variable resistor).
- Ta xem mạch hình 10.10
- D1, D2 ựược dùng như mạch chỉnh lưu một bán kỳ (âm); C3 là tụ lọc. Mạch này tạo ựiện thế âm phân cực cho JFET.
- Khi cấp ựiện, mạch bắt ựầu dao ựộng, biên ựộ tắn hiêu ra khi chưa ựủ làm cho D1 và D2 dẫn ựiện thì VGS = 0 tức JFET dẫn mạnh nhất và rds nhỏ nhất và ựộ lợi ựiện thế của op-amp ựạt giá trị tối ựa.
- Sự dao ựộng tiếp tục, khi ựiện thế ựỉnh ngõ ra âm ựạt trị số xấp xỉ - (Vz + 0.7v) thì D1 và D2 sẽ dẫn ựiện và VGS bắt ựầu âm.
- Sự gia tăng của tắn hiệu ựiện thế ựỉnh ngõ ra sẽ làm cho VGS càng âm tức rds tăng. Khi rds tăng, ựộ lợi Av của mạch giảm ựể cuối cùng ựạt ựược ựộ lợi vòng bằng ựơn vị khi mạch hoạt ựộng ổn ựịnh.
- Thực tế, ựể mạch hoạt ựộng ở ựiều kiện tốt nhất, người ta dùng biến trở R4 ựể có thể chỉnh ựạt ựộ biến dạng thấp nhất.
Vấn ựề ựiều chỉnh tần số:
- Trong mạch dao ựộng cầu Wien, tần số và hệ số hồi tiếp ựược xác ựịnh bằng công thức:
- Như vậy ựể thay ựổi tần số dao ựộng, ta có thể thay ựổi một trong các thành phần trên. Tuy nhiên, ựể ý là khi có hệ số hồi tiếp β cùng thay ựổi theo và ựộ lợi vòng cũng thay ựổi, ựiều này có thể làm cho mạch mất dao ựộng hoặc tắn hiệu dao ựộng bị biến dạng.
- Để khắc phục ựiều này, người ta thường thay ựổi R1, R2 hoặc C1, C2 cùng lúc (dùng biến trở ựôi hoặc tụ xoay ựôi) ựể không làm thay ựổi hệ sốβ. Hình 10.11 mô tả việc ựiều chỉnh này.
- Tuy nhiên, hai biến trở rất khó ựồng nhất và thay ựổi giống hệt nhau nên β khó giữ vững. Một cách khác ựể ựiều chỉnh tần số dao ựộng là dùng kỹ thuật hồi tiếp âm và chỉ thay ựổi một thành phần mạch và không làm thay ựổi ựộ lợi vòng dù β và Av ựều thay ựổi. Mạch ựiện như hình 10.12
- Tần số dao ựộng của mạch vẫn ựược xác ựịnh bởi:
Vậy khi R1 tăng thì f0 giảm, β tăng. Ngược lại khi R1 giảm thì f0 tăng và β giảm. Mạch A2 ựưa vào trong hệ thống hồi tiếp dùng ựể giữ vững ựộ lợi vòng luôn bằng ựơn vị khi ta ựiều chỉnh tần số (tức thay ựổi R1). Thật vậy, ta thử tắnh ựộ lợi vòng hở Av của mạch
Toàn bộ mạch dao ựộng cầu Wien có ựiều chỉnh tần số và biên ựộ dùng tham khảo ựược vẽ ở hình 10.14