Báo cáo BÀI 1 MẠCH KHUẾCH ĐẠI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÀI 1 MẠCH KHUẾCH ĐẠI Nhóm Tạ Quang Huy K0904249 Phan Quang Tú K0[.]

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÀI 1 MẠCH KHUẾCH ĐẠI

Nhĩm : Tạ Quang Huy K0904249

Phan Quang Tú K0904769

Trần Nguyễn Quốc Việt K0904796

BÀI 1: MẠCH KHUẾCH ĐẠI

I MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐO

1 Mục đích

 Khảo sát mạch khuếch đại đo thực tế

 Khảo sát ảnh hưởng của sự lệch cân bằng trong mạch khuếch đại vi sai

 Khảo sát mạch khuếch đại làm việc ở chế độ Mode chung – Common mode

2 Các thiết bị cần dùng trong bài thí nghiệm, gồm:

 Máy phát tín hiệu tần thấp (Sin, xung vuông) có dải tần từ 20Hz đến 20KHz

 Oscilloscope 2 kênh

 Bộ thí nghiệm Biosignal Processing Circuits

3 Cơ sở lý thuyết

Mạch khuếch đại đo được dùng ở trong bộ thí nghiệm gồm có tầng khuếch đại đầu, tầng khuếch đại vi sai Sơ đồ nguyên lý chi tiết của mạch khuếch đại đo được mô tả ở nội dung bài thí nghiệm

Tầng khuếch đại đầu

Tầng đầu tiên của mạch khuếch đại đo là mạch khuếch đại vi sai, có hai đầu vào được nối trực tiếp với hai đầu vào không đảo của hai bộ khuếch đại thuật toán với mục đích tăng trở kháng vào của mạch

Hình vẽ dưới đây là sơ đồ nguyên lý tổng quát của mạch khuếch đại đầu

R3

Uvvs

P2

R 1

P1

Urvs

-+

U A 74 1

3

2

6

7 1

4 5

R 2

-+

U A 7 41

3

7 1

4 5

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý tổng quát của mạch khuếch đại đầu

Hệ số khuếch đại đầu được tính như sau:

K kđđ=U rvs

U vvs =1+ R 1

R 2 + R 3 R 2

Với điều kiện R3=R1 ta cĩ:

K kđđ=U rrs

U vvs =1+2 R 1 R 2

Tầng khuếch đại vi sai

Tầng khuếch đại cuối làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu từ tầng khuếch đại trước của mạch khuếch đại đo

Hình vẽ dưới đây là sơ đồ nguyên lý tổng quát của tầng khuếch đại vi sai

R3

Uvvs

P4

R 1

Ur

R 4

-+

U A 741

3

2

6

7 1

4 5

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý tổng quát của tầng khuếch đại vi sai

 Mạch làm việc ở chế độ khuếch đại vi sai

Nếu đưa tín hiệu vi sai vào hai đầu vào như hình vẽ 2, hệ số khuếch đại của mạch sẽ là:

U r =−R2 R 1 V3+ R 4 R 3+R 4 ( R 1+R 2 R 1 )V4

Với điều kiện R1 = R3, R2 = R4,ta cĩ:

K vs = Ur Uvvs=R R2

1

 Mạch khuếch đại làm việc ở chế độ Mode chung

Nếu nối tắt P3-P4 thì mạch sẽ làm việc ở chế độ Mode chung Khi đó tín hiệu vào của mạch có thể được biểu diễn như sau:

R 2

R3

Uv

R 1

Ur

R 4

-+

U A 741

3

2

6

7 1

4 5

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý của tầng khuếch đại vi sai làm việc ở

chế độ Mode chung

Trong trường hợp này, hệ số khuếch đại Mode chung sẽ là:

K CM=U U r

v⇒ rất nhỏ so với hệ số khuếch đại Kvs, nhỏ cỡ (-80dB) –

Tầng tạo cặp tín hiệu đảo pha Tầng khuếch đại vi sai Tầng khuếch đại cuối

(-100dB) (10-4 – 10-5 lần) Đặc trưng của sự khác nhau ở hai chế độ khuếch đại vi sai và Mode chung được thể hiện bằng tỷ số nén Mode chung CMRR (Common Mode Rejection Ratio)

CMRR= K vs

K cm (Giá trị này bằng 10.000 100.000 tương ứng với 80dB 

100dB)

4 Nội dung thí nghiệm

Hình 4: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại đo lường

Chú ý:

+ Chuyển mạch S1 dùng để tạo ra các chế độ làm việc khác nhau Các chuyển mạch S2, S3, S4 tạo ra sự lệch cân bằng của mạch khuếch đại cuối trong quá trình khảo sát sơ đồ mạch thí nghiệm.

+ Trong hình vẽ trên có phần mạch “tầng tạo cặp tín hiệu đảo pha” Do tín hiệu dùng từ máy phát là tín hiệu đơn mà mạch khuếch đại vi sai cần cặp tín hiệu đảo pha tại điểm P1 và P2 Nên cần lắp thêm mạch tạo cặp tín hiệu đảo pha Trong sơ đồ mạch thí nghiệm, các giá trị linh kiện đã được chọn để sao cho biện độ tín hiệu tại P1 và P2 gần bằng biên độ tín hiệu U v Vì vậy, khi tính toán hệ số khuếch đại của mạch có thể coi U P1m = U P2m = U Vm ?

Các bước thí nghiệm

 Nối đầu ra của máy phát tín hiệu vào kênh CH1 của Oscilloscope tới đầu IN của tầng tạo cặp tín hiệu đảo pha

 Bật công tắc nguồn xoay chiều về vị trí ON

 Bật công tắc nguồn một chiều của mạch khuếch đại đo lường vế vị trí ON

 Điều chỉnh tín hiệu từ máy phát tín hiệu có biên độ 50mV, tần số 1.000Hz

 Dùng que đo kênh CH2 của Oscilloscope đo tín hiệu tại các điểm P3 (Ura IC1), P4 (Ura IC2) và Ura của toàn mạch (OUT) Khi các vị trí chuyển mạch và biến trở ở các vị trí sau:

a.Trường hợp 1:

Khi VR1, VR2, VR3 ở vị trí min (có R nhỏ nhất) còn các vị

trí chuyển mạch như sau: (tại mỗi trường hợp của tổ hợp

các vị trí chuyển mạch S1, S2, S3, S4: khảo sát và vẽ lại

Lưu ý: Đo chính xác các biên độ tín hiệu tại các điểm trên

1) Mạch khuếch đại đo lường làm việc ở chế độ cân bằng

2) Mạch khuếch đại đo lường làm việc ở chế độ vi sai

3) Mạch khuếch đại đo lường làm việc ở chế độ vi sai lệch cân bằng khuếch đại cuối

4) Mạch khuếch đại đo lường làm việc ở chế độ vi sai lệch cân bằng khuếch đại cuối

5) Mạch khuếch đại đo lường làm việc ở chế độ Mode chung

5) Mạch khuếch đại đo lường làm việc ở chế độ Mode chung nhưng lệch cân bằng nhiều nhất

7) Mạch khuếch đại đo lường làm việc ở chế độ Mode chung lệch cân bằng khuếch đại cuối

S2 2

8) Mạch khuếch đại đo lường làm việc ở chế độ Mode chung lệch cân bằng khuếch đại cuối

b.Trường hợp 2:

Để các vị trí chuyển mạch ở trạng thái (4) (trong trường hợp 1) để VR3 = max, lần lượt thay đổi các giá trị của VR1, VR2 trong các trường hợp sau:

VR2 = min

VR2 = max

VR2 = max

c Trường hợp 3: Để các chuyển mạch ở các vị trí sau:

VR1 = min, VR2 = min, VR3 = min Tăng dần biên độ tín hiệu vào từ máy phát Quan sát trên màn hình Oscilloscope cho đến khi Ur bắt đầu méo Hãy:

 Vẽ dạng tín hiệu Ur

 Ghi lại giá trị biên độ tín hiệu của đầu vào IN

5 Báo cáo thí nghiệm

Vẽ các dạng tín hiệu đo được tại P3, P4 và Ur ứng với 3 trường hợp (trường hợp 1, trường hợp 2, trường hợp 3).

Tính hệ số khuếch đại của tầng khuếch đại đầu của mạch khuếch đại đo theo các số liệu đo được ứng với các trường hợp tổ hợp khác nhau của công tắc S1, S2, S3, S4 So sánh với số liệu tính theo công thức.

Tính hệ số nén tín hiệu Mode chung của tầng khuếch đại vi sai trong trường hợp công tắc S2 ở vị trí 2 theo số liệu đo được (với tất cả các trường hợp của công tắc).

a) Trường hợp 1:

1)Mạch cân bằng:

 Ura = 0.85V

 UP3 = 45mV

 UP4 = 45mV

Hệ số khuếch đại tầng

đầu:

 Kkđđ lý thuyết = 1

 Kkđđ thực tế = 0.9

2) Chế độ vi sai:

 Ura = 5,5V

 UP3 = 0.28V

 UP4 = 0.29V

Hệ số khuếch đại tầng

đầu:

 Kkđđ lý thuyết=

1+2(R1/R2) =

1+2(16/5,6) =

6.7

 Kkđđ thực tế = 5.7

3) Chế độ vi sai lệch

cân bằng KĐ cuối:

 Ura = 4V

 UP3 = 0.28V

 UP4 = 0.28V

Hệ số khuếch đại tầng

đầu:

 Kkđđ lý thuyết = 6.7

 Kkđđ thực tế = 5.6

4) Chế độ vi sai lệch

cân bằng KĐ cuối:

 Ura = 5.3V

 UP3 = 0.27V

 UP4 = 0.28V

Hệ số khuếch đại tầng

đầu:

 Kkđđ lý thuyết = 6.7

 Kkđđ thực tế = 5.5

5) Chế độ Mode

chung:

 Ura = 13mV

 UP3 = 0.27V

 UP4 = 0.28V

Hệ số khuếch đại tầng

đầu:

 KVS = 110

 KCM=0.26

 CMRR = 423

6) Chế độ Mode chung

lệch cân bằng nhiều

nhất:

 Ura = 2.3V

 UP3 = 0.27V

 UP4 = 0.28V

Hệ số khuếch đại tầng

đầu:

 KCM= 46

7) Chế độ Mode chung

lệch cân bằng KĐ

cuối:

 Ura = 0.09V

 UP3 = 0.27V

 UP4 = 0.28V

Hệ số khuếch đại tầng

đầu:

 KVS= 106

 KCM= 1.8

 CMRR = 59

8) Chế độ Mode chung

lệch cân bằng KĐ

cuối:

 Ura = 2V

 UP3 = 0.27V

 UP4 = 0.28V

Hệ số khuếch đại tầng

đầu:

 KVS= 80

 KCM= 40

 CMRR = 2

b) Trường hợp 2:VR3= max, điều chỉnh VR1 và VR2:

VR1 max, VR2 min

U3 = 0.28V, U4 = 0.29V,

Ura = 5.2V

R2 = 6.6K,R1=R3=16K

 Kkđđ lý thuyết =

1+2(R1/R2) = 5.85

 K kđđ thực tế = 5.7

 Kvs = 104

VR1 max,VR2 max

U3 = 0.34V, U4= 0.28V,

Ura = 6.2V

R1=21K, R2=6.6K,

R3=16K

 Kkđđ lý thuyết =

1+R1/R2+R3/R2=6.6

 Kkđđ thực tế = 6.2

 Kvs = 124

VR1 min, VR2 max

U3 = 0.4V, U4 = 0.29V,

Ura = 6.2V

R1 =21K, R2=5.6K,

R3=16K

 Kkđđ lý thuyết = 1+ R1/R2

+ R3/R2 = 7.6

 Kkđđ thực tế = 6.9

 Kvs = 124

c) Trường hợp 3:VR3 = VR1 = VR2 = min, tăng dần biên đợ tín hiệu:

Ura chưa xén

KVS = 112 Ura bắt đầu xénKVS = 112.22 Ura xén nhiềuKVS = 58.82

II MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÁCH LY QUANG

1 Mục đích

 Khảo sát mạch khuếch đại cách ly quang

 Tính hệ số khuếch đại của mạch theo lý thuyết và theo thực nghiệm So sánh hai kết quả

2 Các thiết bị cần dụng trong bài thí nghiệm, gồm:

 Máy phát tín hiệu tần thấp (Sin, xung vuông) có dải tần từ 20Hz đến 20KHz

 Oscilloscope 2 kênh

 Bộ thí nghiệm Biosignal Processing Circuits

3 Cơ sở lý thuyết

Mạch khuếch đại cách ly quang sử dụng 2 phần tử photocouple để cách ly tín hiệu điện giữa hai tầng khuếch đại Tín hiệu điện áp ra của bộ khuếch đại IC1 được chuyển đổi thành tín hiệu quang nhờ photocouple OC1, sau đó tín hiệu quang được biến đổi lại thành tín hiệu điện nhờ photocouple OC2

Sơ đồ nguyên lý tổng quát của mạch khuếch đại cách ly quang

R 2 OC2

OC1

Ib

-+

U A 741

3

2 6

7 1

4 5

IN

R b A

+E

Uv

R 3 +E

Ia

R a

UrOUT B

R 1

-+

U A 741

3

7 1

4 5

Hình 5: Sơ đồ nguyên lý tổng quát của mạch khuếch đại cách ly

quang

Dòng Ia và Ib được tính như sau: Ia= U R A

a=U R v

a ; Ib= U R B

b=U K r R1

b

khi Ia = Ib ta có U r =K R R b

a U v

( Ra=Rb) Từ đây ta tính được hệ số khuếch đại: K= U U r R a

v R b

Khi Ra>Rb thì Ia<Ib, Ia~(E-Vce)/Ra; Ib~(E-Vce)/Rb  Ia=Ib(Rb/Ra) và kết quả hệ số khuếch đại K vẫn giữ nguyên giá trị

*Giải thích mạch:

Giả sử chưa tín hiệu ở ngõ vào, Uv=0 hay áp tại ngõ “+” bằng zero Khơng cĩ dịng qua tụ C1

do tín hiệu DC Mạch giống mạch nguyên lý ở trên Lúc đĩ Ia=Ib với điều kiện +E1=+E2 và -E1= -E2 Áp tại ngõ ra chân 6 của Op-am ngõ vào bằng khơng Op-am lý tưởng nên áp tại ngõ

“-“ bằng zero Để làm được điều này phải chọn 2 con cách ly quang cùng loại, nguồn nuơi +E2=10V, -E2= -10V, và áp rơi trên diode phát quang phải bằng áp giữa chân nền “B” và chân phát “E” Suy ra áp tại B bằng 0V Nếu biến trở VR4=0 và R20=R21=10K thì áp tại chân A

bằng khơng vơn Vậy là khi thay đổi VR4 chúng ta thay đổi áp tại ngõ “-“ và ta đã tạo lệch áp

DC giữa hai nút B so với A

Khi cĩ tín hiệu AC là Uv lúc đĩ tụ C1 dẫn, op-am lý tưởng trở thành op-am khuếch đại lập lại,

hệ số bằng 1 Vì vậy nĩ khuếch đại tín hiệu Uv so với áp tại nút B

4 Nội dung thí nghiệm

Sơ đồ nguyên lý

Mạch khuếch đại cách ly quang (Optoisolation Amplifier)

R 23 1K

C 1 1n F -E1

-+

U A 7 41

3

2

6

7 1

4 5

IN

+E1

-E2 -E1

V R 4 5k

+E1

R 19

10 K

R 21

R 24 10K

-+

U A 7 41

3

7 1

4 5

OUT

+E2

B

R 22

10 K

R 20

10 K

-E2

Hình 6: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại cách ly quang

Các bước thí nghiệm

 Bật công tắc nguồn xoay chiều về vị trí ON

 Bật công tắc nguồn một chiều của mạch khuếch đại cách

ly quang về vị trí ON

 Đưa tín hiệu Uv có biên độ 500mV, tần số 1.000Hz từ máy phát vào đầu vào IN

 Mắc que đo CH1 của Oscilloscope vào đầu IN, kênh CH2 vào đầu OUT của mạch

a Để biến trở VR4 ở vị trí min (cận trái) sau đó tăng dần biến trở về max (cận phải) Quan sát dạng tín hiệu ra trên màn hình Oscilloscope Vẽ dạng tín hiệu ra ứng với sự thay đổi của biến trở VR4 tại một số vị trí

b Để biến trở VR4 ở vị trí gần min, tăng dần biên độ tín hiệu vào Quan sát trên màn hình Oscilloscope Hãy vẽ dạng Ur, đo biên độ Uv và Ur

Để biến trở VR4 ở vị trí gần max, tăng dần biên độ tín hiệu vào Quan sát trên màn hình Oscilloscope Hãy vẽ dạng

Ur, đo biên độ Uv và Ur

5 Báo cáo thí nghiệm

Vẽ dạng tín hiệu, đo biên độ Uv và Ur trong các trường hơp

a và b.

Tính hệ số khuếch đại của mạch theo thực nghiệm và so sánh với lý thuyết.

Giải thích sự méo dạng tín hiệu khi thay đổi biến trở VR4.

a.Trường hợp 1: biến trở VR4 ở vị trí min (cận trái) sau đĩ tăng dần biến biến trở về max (cận phải)

Ur = 1v Ur là đường thằng

b.Trường hợp 2: Để biến trở VR4 ở vị trí gần min, tăng dần biên đợ tín hiệu vào

Uv = 0.5v

Ur là đường thẳng Ur = 1vUv = 0.6v

Uv = 2.2v

c.Trường hợp 3: để biến trở ở gần vị trí gần max, tăng dần biên độ tín hiệu vào.

Uv = 0.5v

Ur là đường thẳng Uv = 0.9vUr = 1.5v

Uv = 2.8v