Giáo trình mạch điện tử nâng cao (nghề điện tử dân dụng trình độ cao đẳng)

MẠCH THUẬT TOÁN

Phân Loại

Bằng cách kết hợp các thành phần xung quanh một bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT), chúng ta có thể tạo ra hai mạch khuếch đại cơ bản: khuếch đại đảo và khuếch đại không đảo (khuếch đại đệm).

Trong bài này, ta khảo sát op-amp ở trạng thái lý tưởng Sau đây là các đặc tính của một op-amp lý tưởng:

- Ðộ lợi vòng hở A (open loop gain) bằng vô cực

- Băng tần rộng từ 0Hz đến vô cực

- Tổng trở vào bằng vô cực

- Các hệ số l bằng vô cực.

- Khi ngõ vào ở 0 volt, ngõ ra luôn ở 0 volt.

- Ðương nhiên một op-amp thực tế không thể đạt được các trạng thái lý tưởng như trên.

Hình 1.1Ký hiệu và mạch tương đương của opamp

- Từ các đặc tính trên ta thấy:

A = → ∞ nên khi V0 xác định và chưa bảo hòa thì V1 = V2

- Zi →∞ nên không có dòng điện chạy vào op-amp từ các ngõ vào

- Z0 →0Ω nên ngõ ra v0 không bị ảnh hưởng khi mắc tải

- Vì A rất lớn nên phải dùng op-amp với hồi tiếp âm Với hồi tiếp âm, ta có hai dạng mạch khuếch đại căn bản sau:

Mạch khuếch đại đảo là mạch khuếch đại tín hiệu vào thành tín hiệu ra có điện áp lớn hơn, nhưng bị đảo chiều so với tín hiệu vào.

2.1.1 Sơ đồ và nguyên lý mạch

Hình 1.2 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo

2.1.2 Chức năng và nhiệm vụ mạch

Chức năng của mạch là khuếch đại tín hiệu vào thành tín hiệu ra có điện áp lớn hơn , và đảo chiều cực tính của tín hiệu vào.

Tính toán thông số mạch

Mạch khuếch đại đảo ngược là một loại mạch khuếch đại tín hiệu đầu vào, trong đó hệ số khuếch đại được xác định bởi hai điện trở bên ngoài: điện trở hồi tiếp âm Rf và điện trở vào Rin.

Hình1.3Mạch khuếch đại đảo

+ Z i , Z f có thể có bất cứ dang nào.

+ Tín hiệu đưa vào ngõ vào (-) vi có thể xoay chiều hoặc một chiều.

- Do Op_amp lý tưởng nên: V1 = V2 = 0V

⇨ nên độ lợi áp của mạch:

Khi Zf và Zi là điện trở thuần, điện áp đầu ra v0 và điện áp đầu vào vi sẽ lệch pha 180 độ, do đó mạch được gọi là mạch khuếch đại đảo, với ngõ vào (-) được xác định là ngõ vào đảo.

- Zf đóng vai trò mạch hồi tiếp âm Zf càng lớn (hồi tiếp âm càng nhỏ) độ khuếch đại của mạch càng lớn

- Khi Zf và Zi là điện trở thuần thì op-amp có tính khuếch đại cả điện thế một chiều.

Bài tập tính toán mạch

- Tính hệ số khuếch đại của mạch sau với RfK,Ri=5K

Nếu cho một tín hiệu một chiều có đầu vào là 10mV, thì đầu ra sẽ bằng bao nhiêu ?

2.2Mạch khuếch đại không đảo

Hình1.4Mạch khuếch đại không đảo

- Chức năng của mạch là khuếch đại tín hiệu vào thành tín hiệu ra có điện áp lớn hơn , và cùng chiều so với tín hiệu vào.

Hình 1.5 Tính toán mạch khuếch đại không đảo

- Zf , Zi có thể có bất kỳ dạng nào

- v0 và vi cũng có thể có bất kỳ dạng nào

Khi Zf và Zi là điện trở thuần, ngõ ra v0 sẽ có cùng pha với ngõ vào vi, dẫn đến việc mạch được gọi là mạch khuếch đại không đảo Ngõ vào (+) trong trường hợp này được xác định là ngõ vào không đảo.

- Zf cũng đóng vai trò hồi tiếp âm Ðể tăng độ khuếch đại AV, ta có thể tăng Zf hoặc giảm Zi

Mạch khuếch đại tín hiệu một chiều với Zf và Zi là điện trở thuần, duy trì tính chất không đảo và áp dụng công thức tương tự như trong trường hợp tín hiệu xoay chiều.

Khi Zf = 0 hoặc Zi = ∞, ta có AV = 1 và v0 = vi, dẫn đến việc mạch được gọi là "voltage follower" Mạch này thường được sử dụng làm mạch đệm (buffer) nhờ vào đặc tính tổng trở vào lớn và tổng trở ra nhỏ, tương tự như mạch cực thu chung ở BJT.

- Tính hệ số khuếch đại của mạch sau với ZfK , Zi=5K

2.3.1 Khái Niệm Chung Về Mạch Cộng Ðây là các mạch điện tử đặc biệt trong đó sự liên hệ giữa điện thế ngõ vào và ngõ ra là các phương trình toán học đơn giản đó là phép toán cộng các tín hiệu hay cộng các điện áp của các tín hiệu ngõ vào.

2.3.2.1.1 Sơ đồ và nguyên lý mạch

Hình 1.6 Mạch cộng không đảo

2.3.2.1.2 Chức năng và nhiệm vụ mạch

Cộng các điện áp của các tín hiệu ngõ vào, tín hiệu điện áp ngõ ra là tổng các tín hiệu điện áp ngõ vào không đảo.

2.3.2.1.3 Tính toán thông số mạch

Hình 1.7 Tính toán mạch cộng không đảo

Các dòng điện chạy qua điện trở là: = , = , =

Tổng các dòng điện này chạy qua Rf và tạo thành Vo nên ta có:

Tín hiệu đầu ra được xác định bởi tổng điện áp của các tín hiệu đầu vào Cần lưu ý rằng Vi có thể là một điện thế bất kỳ, bao gồm cả điện một chiều và điện xoay chiều.

2.3.2.1.4 Bài tập tính toán mạch

- Tìm Vout ? Với V1= V2 = 10mV, V3 = - 10mV.

Cộng các điện áp của các tín hiệu ngõ vào, và đảo điện áp tín hiệu tổng ở ngõ ra.

Hình 1.9 Tính toán mạch cộng đảo

Các dòng điện chạy qua các điện trở là:

= ; = ; ; Tổng các dòng này chạy qua Rf tạo thành dòng V0 nên ta có:

Tín hiệu đầu ra được tạo ra bằng cách tổng hợp các tín hiệu đầu vào nhưng có pha ngược Cần lưu ý rằng Vi là một điện thế bất kỳ, có thể là điện một chiều hoặc điện xoay chiều.

Tìm Vout ? Với V1= V2 = 10mV, V3 = - 10mV.

2.4.1.1 Khái niệm chung về mạch trừ Ðây là các mạch điện tử đặc biệt trong đó sự liên hệ giữa điện thế ngõ vào và ngõ ra là các phương trình toán học đơn giản đó là phép toán trừ các tín hiệu.

2.4.1.2 Vai trò và chức năng của mạch trừ

Mạch trừ là mạch lấy hiệu điện áp các tín hiệu ở các ngõ vào với nhau.

Hình 1.10 Mạch trừ bằng phương pháp đổi dấu

Hình 1.11 Mạch trừ bằng phương pháp vi sai 2.4.2.1 Tác dụng của các linh kiện trong mạch

Op_amp1, R1 có tác dụng đổi dấu tín hiệu V2 thành -V2 Op_amp2, R2, Rf có tác dụng cộng hai tín hiệu V1 và –V2, và đổi dấu kết quả

2.4.2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch Để trừ tín hiệu V1với V2, thì ta đảo V2 thành –V2, sau đó cộng V1 với –V2, rồi đổi dấu kết quả.

2.4.2.3 Chức năng và nhiệm vụ của mạch

Trừ tín hiệu V1 cho V2,và đổi dấu kết quả

2.4.2.4 Tính toán thông số mạch

V2 đầu tiên được đảo rồi cộng với V1 Do đó theo mạch ta có:

Nếu ta chọn: R1 = R2 = Rf, ta được:

- Như vậy tín hiệu ở ngõ ra là hiệu của 2 tín hiệu ngõ vào nhưng đổi dấu. Đối với mạch trừ bằng phương pháp vi sai thì ta có:

Dòng điện vào từ V2 qua Ri sẽ qua Rf nên:

- Thay trị số của Vm vào biểu thức trên ta tìm được:

Nếu Rf = Ri ta có:

- Như vậy tín hiệu ngõ ra là hiệu của hai tín hiệu ngõ vào.

Lưu ý: Nếu hệ số Thì mạch trên gọi là mạch khuếch đại vi sai, với hệ số khuếch đại là A.

2.4.2.5 Bài tập tính toán mạch

1) Cho mạch trừ như sau:

V1 = 20mV, V2 = 10mV, R1 = R2 kΩ, Rf = 20kΩ Tính Vo = ?V.

2) Cho mạch vi sai như sau:

V1 = 20mV, V2 = 10mV , Ri = Rf = 10kΩ Tính Vo = ?V.

MẠCH TẠO ĐIỆN ÁP RA CÓ CỰC TÍNH THAY ĐỔI

Mạch tạo điện áp ra với cực tính thay đổi có nhiều ứng dụng thực tiễn, chẳng hạn như cung cấp điện áp tham khảo cho các bộ lấy mẫu ADC Ngoài ra, mạch này còn có thể được sử dụng để tạo nguồn áp hoặc nguồn dòng với công suất nhỏ.

Học xong bài này học viên có khả năng:

- Trình bày được chức năng, nhiệm vụ và nguyên lý làm việc của mạch tạo điện áp ra có cực tính thay đổi

- Tính toán được các mức tín hiệu ra so với tín hiệu vào đúng yêu cầu của của mạch điện.

- Lắp ráp và cân chỉnh được mức điện áp ra đúng yêu cầu thiết kế

- Có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, chủ động và sáng tạo trong học tập.

1.Khái niệm về mạch tạo ra điện áp ra có cực tính thay đổi

Mạch này tạo ra điện áp DC có khả năng điều chỉnh liên tục từ +Vcc (dương) đến -Vss (âm), dựa trên sự thay đổi của điện áp điều chỉnh trên Vr so với điện áp chuẩn U1 đầu vào.

1.2 Vai trò và chức năng của mạch

Mạch này tạo ra điện áp tham khảo chính xác cho các mạch ADC và các mạch cần điện áp tham chiếu, đồng thời có thể được sử dụng như nguồn áp cho dòng tải nhỏ.

Hình 2.6 Mạch tạo điện áp ra có cực tính thay đổi

2.Mạch tạo điện áp ra có cực tính thay đổi (0 < q < 1)

2.1 Nguyên lý hoạt động của mạch

Mạch tạo điện áp ra với cực tính thay đổi thực chất là mạch trừ vi sai, trong đó điện áp ở chân + của opamp có thể được điều chỉnh.

2.2 Chức năng và nhiệm vụ của mạch

Mạch điện có khả năng tạo ra điện áp với giá trị và cực tính có thể điều chỉnh Thông qua việc điều chỉnh biến trở, người dùng có thể thay đổi điện áp đầu ra trong một khoảng nhất định, bao gồm cả việc thay đổi cực tính của điện áp.

3.Tính toán thông số mạch

3.1 Chức năng của các linh kiện trong mạch

Mạch tạo điện áp ra với cực tính thay đổi thực chất là mạch trừ vi sai, trong đó điện áp ở chân + của opamp có thể điều chỉnh Các linh kiện trong mạch này hoạt động dựa trên nguyên tắc tương tự như mạch trừ vi sai.

3.2 Tính toán thông số mạch

Ta có điện áp trên nút N và P lần lượt là:

Như vậy khi thay đổi giá trị của biến trở phân áp R2 thì ta có hệ số của Ur lúc dương, lúc âm Khi q = 0,5 thì Ur = 0V.

4.Đo, kiểm tra, cân chỉnh các thông số mạch

Chuẩn bị các linh kiện sau:

4.1.2 Chuẩn bị dụng cụ, testboard

Chuẩn bị các dụng cụ sau:

Kìm cắt, kìm kẹp, nhíp.

4.2.1 Lắp ráp mạch trên testboard

Lắp ráp mạch trên testboard theo sơ đồ nguyên lý sau:

Dùng VOM đo giữa hai đầu CN1, CN2 và nguồn +/-5VDC xem có chạm nguồn hay không

4.3.1 Chỉnh nguồn, áp phù hợp

Chỉnh bộ nguồn +/-5VDC cung cấp cho mạch.

Sau khi đã chỉnh nguồn, cấp nguồn cho mạch thông qua CN1.

4.4 Đo đạc và cân chỉnh

Chỉnh biến trở R1 về 0 Đo đầu ra trên CN2

Chỉnh biến trở R1 về maximum Đo đầu ra trên CN2

4.4.2 Cân chỉnh thông số theo yêu cầu

Chỉnh biến trở R1 để có các giá trị điện áp -5V,-2.5V, 0V, +2.5V,+5V.

MẠCH CHUYỂN ĐỔI TRỞ KHÁNG

Mạch chuyển đổi trở kháng có nhiều ứng dụng thực tiễn, cho phép tạo ra các trở kháng rất nhỏ hoặc rất lớn, giúp cách ly giữa các tầng tín hiệu Ngoài ra, mạch này còn được ứng dụng rộng rãi trong các nguồn dòng.

- Trình bày được chức năng, nhiệm vụ và nguyên lý làm việc của mạch chuyển đổi trở kháng

- Phân loại được các mạch chuyển đổi trở kháng theo đúng nội đã học.

1 Khái niệm chung về mạch chuyển đổi trở kháng

Mạch biến đổi trở kháng là mạch cho phép tạo ra các giá trị trở kháng thay đổi một giá trị tùy ý theo trở kháng đầu vào.

1.1 Chức năng và nhiệm vụ của mạch chuyển đổi trở kháng

Mạch tạo trở kháng âm được dùng trong các mạch cần sử dụng trở kháng âm, hoặc nguồn áp có nội trở âm

Sử dụng mạch tạo giá trị trở kháng cho phép chúng ta điều chỉnh giá trị trở kháng theo tỷ lệ với trở kháng ban đầu, giúp tối ưu hóa hiệu suất trong các ứng dụng điện tử.

Mạch biến đổi trở kháng là mạch điều chỉnh mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp nhằm thay đổi trở kháng Thông thường, mạch này sử dụng khuếch đại thuật toán để tạo ra các nguồn dòng phụ thuộc, từ đó thay đổi trở kháng tương đương của trở kháng đầu vào.

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý của rotato 2.2 Tác dụng của mạch

Mạch Rotato là mạch thay đổi giá trị trở kháng đầu vào RM thành giá trị trở kháng

Mạch Rotato là loại mạch thực hiện việc quay một đường đặc tính quanh trục tọa độ, với quy ước rằng góc quay θ > 0 tương ứng với chiều quay cùng chiều kim đồng hồ Khi đường cong (1) được quay một góc θ, nó sẽ trở thành đường cong (2), và giá trị của θ phụ thuộc vào hệ số tỷ lệ của hai trục Cụ thể, nếu x = aU và y = bI, thì a và b có thứ nguyên lần lượt là cmV và cmA Tỷ số b/a có thứ nguyên là điện trở, do đó nó được gọi là một điện trở.

Khi quay đường cong (1), một điểm bất kỳ P1 (x1, y1) trên đường cong sẽ chuyển thành điểm P2 (x2, y2) Mối quan hệ giữa các tọa độ cũ và mới được xác định thông qua hệ phương trình.

Thay hệ số tỷ lệ của trục vào, ta có:

Hệ phương trình cho a và b thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện ở đầu ra với điện áp và dòng điện ở đầu vào của mạch Rotato, như được minh họa trong sơ đồ Hình 3.3.

2.4 Tính toán các thông số mạch Áp dụng nguyên lý xếp chồng ta có thể viết:

- Vậy ta có thể viết lại phương trình truyền đạt như sau:

So sánh hệ số của các phương trình của (3.67c) và (3.68a), (3.68b) ta có:

- Từ (3.69.a) và (3.69.b) ta xác định được:

Thay vào (3.69.c) Ta thấy kết quả trên là phù hợp:

Dựa trên R, M và θ, ta có thể thiết kế mạch điện như hình 3.2 với RM luôn dương Khi 0 < θ < 180°, R4 sẽ có giá trị âm, trong khi nếu θ > 180°, cả R3 cũng trở thành âm Để tạo ra điện trở âm, người ta sử dụng NIC, và việc thay thế R4 bằng NIC là rất thuận tiện do R4 có một đầu nối đất.

Hình 3.9 Mạch rotato với góc quay 0 <

Do tính đối xứng của mạch điện, đầu ra và đầu vào có thể hoán đổi cho nhau mà không làm thay đổi tính chất của mạch Cần lưu ý rằng R4 trong hình 5.3 là một điện trở thông thường, khác với R4 trong hình 3.1, là điện trở của cả nhánh.

3.1 Sơ đồ và nguyên lý mạch điện

Hình 3.4 Một phương án thực hiện mạch gyrato

Gyrato là mạch biến đổi trở kháng Z thành R 2 /Z, Phương trình truyền đạt có dạng: trong đó RM là hệ số biến đổi.

3.2 Tính toán các thông số của mạch

Hình 3.5 Sơ đồ quy ước của gyrato

Hình 3.6 Sơ đồ tương đương của gyrato

Dòng điện trên đầu của Gyrato tỷ lệ với điện áp trên đầu kia, cho thấy mạch điện của Gyrato bao gồm hai nguồn dòng được điều khiển bằng điện áp Một phương pháp để thiết lập mạch điện Gyrato là sử dụng hai NIC.

Hình 3.7 Mạch gyrato gồm hai bộ khuếch đại thuật toán (2 NIC)

Viết phương trình dòng điện nút cho các nút P và N, ta có:

Loại U3và U4 ra khỏi các phương trình trên, ta có:

- Hay chính là các quan hệ (3.72.a) và (3.72.b)

- Mạch Gyrato cũng có thể mắc như Hình 5.7 Phương trình dòng điện nút trên các nút của bộ khuếch đại thuật toán có dạng:

- Loại U3, U4, U5 ta sẽ rút ra quan hệ (3.72.a) và (3.72.b)

- Bây giờ, giả sử có một điện trở tải R1 mắc vào đầu vào U1, Vì I1 và U1 cùng chiều nên theo định luật Ohm ta có.

- Thay vào (3.72.a) và (3.72.b) ta có:

Nếu mắc một điện trở thuần ở đầu bên phải, nhìn từ đầu bên trái, ta sẽ thấy một điện trở có giá trị tương ứng Ngược lại, khi mắc một điện trở thuần ở đầu bên trái, tình huống cũng tương tự.

- Lúc này biểu thức hàm truyền đạt có dạng:

- Như vậy, trở kháng của mạch nhìn từ bên trái sẽ là:

- Tương tự (3.73) Đối với trở kháng phức ta cũng có kết quả tương tự:

Khi mắc một tụ điện vào một đầu của gyrato, đầu còn lại sẽ nhận được một trở kháng phức với giá trị nhất định.

- Đây là trở kháng phức của một điện cảm L có trị số:

Hình 3.8 Sơ đồ tương đương mạch tạo điện cảm không tổn hao

Gyrato được ứng dụng để tạo ra giá trị điện cảm lớn mà không gây tổn hao, như thể hiện trong mạch tương đương ở hình 3.8 Khi mắc song song với điện dung, ta tạo ra khung cộng hưởng không tổn hao, cho phép thiết kế các bộ lọc LC có phẩm chất cao, phụ thuộc vào sai số của các điện trở trong gyrato Để thay đổi trị số điện cảm của gyrato, cần điều chỉnh tất cả các điện trở RM trong sơ đồ hình 3.8, tuy nhiên, việc này khá phức tạp Thay vào đó, có thể thay đổi L bằng cách điều chỉnh một điện trở duy nhất tại cửa P1, với giả thuyết điện trở có giá trị α RM, từ đó cho ra các phương trình truyền đạt tương ứng.

- Điện trở biến đổi sẽ là:

Hình 3.9 Biến đổi nhị phân mạng 4 cực

Sơ đồ 3.9.a) trình bày cách mắc hai gyrato vào mạng 4 cực hình T, có thể chuyển đổi thành sơ đồ tương đương hình π như thể hiện trong hình 3.9.b) Biến đổi này được gọi là biến đổi nhị phân mạng 4 cực Để tính hệ phương trình truyền đạt, chúng ta nhân ma trận của hai gyrato với ma trận của mạng.

4 cực hình T để có ma trận mới.

- Ag1, Ag2 lần lược là ma trận của gyrato thứ nhất và thứ hai, AT – ma trận của mạng

4 cực T, các ma trận Ag được rút ra từ hệ phương trình truyền đạt của Gyrato như sau:

Có thể áp dụng các quan hệ này để xây dựng một mạch điện có ba điện cảm bằng mạch điện gồm Gyrato đấu với ba điện dung (hình 3.10).

Hình 3.10 Biến đổi nhị phân điện cảm

Mắc thêm vào mạch ngoài các điện dung song song với L1 và L2 sẽ nhận được mạch lọc dải, ghép điện cảm áp dụng các phương trình (3.77) ta có:

Hình 3.110 Sơ đồ quy ước của Xiecculato

Xiecculato là một mạch điện có tối thiểu ba cửa, được biểu diễn qua sơ đồ quy ước trong hình 3.11 Mạch Xiecculato có thể được thực hiện bằng cách sử dụng ba opamp.

Hình 3.111 Một cách thực hiện mạch Xiecculato gồm 3 khâu khác nhau:

4.2 Nguyên lý hoạt động của mạch Đặc điểm cơ bản của xiecculato là:

- Tín hiệu đặt trên một cửa nào đó được chuyển tiếp theo chiều mũi tên.

- Tín hiệu không thay đổi khi truyền qua cửa sổ hở mạch.

- Tín hiệu bị đổi dấu khi truyền qua cửa ngắn mạch.

Khi đấu một điện trở R = RM giữa một cửa và đất, điện áp tín hiệu sẽ hạ xuống trên điện trở đó, dẫn đến việc tín hiệu không được truyền sang cửa tiếp theo.

Hình 3.112 Một khâu của mạch của Xiecculato Đối với khâu này ta có ba trường hợp như sau:

- Hở mạch đầu 1 thì I1 = 0, do đó U P = U V = U N , không có dòng qua nhánh hồi tiếp nên Ur = Uv.

- Ngắn mạch điểm 1, U1 = 0V, mạch trở thành mạch khuếch đại với hệ số khuếch đại

- Mắc vào điểm 1 một điện trở RM thì mạch điện là một mạch trừ với điện áp vào bằng nhau và bằng Uv nên Ur = 0V.

- Cho Uv = 0V, và đặt vào điểm 1 một điện áp U1 thì mạch điện là một mạch khuếch đại thuận với hệ số khuếch đại K’ = 2, do đó Ur = 2U1.

4.3 Tính toán thông số mạch

MẠCH TÍCH PHÂN- VI PHÂN

Mạch tích phân có nhiều ứng dụng thực tiễn, bao gồm việc tạo ra các dạng sóng thông qua việc tích phân tín hiệu chuẩn, và được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển.

- Trình bày được chức năng, nguyên lý làm việc nhiệm vụ của mạch tích phân

- Phân loại được các mạch tích phân

- Trình bày được chức năng, nhiệm vụ và nguyên lý làm việc của mạch vi phân

- Tính toán được các mức tín hiệu ra so với tín hiệu vào đúng yêu cầu của mạch điện.

- Lắp ráp và cân chỉnh được mức điện áp ra đúng yêu cầu thiết kế.

Mạch tích phân là các mạch điện tử đặc biệt, trong đó mối quan hệ giữa điện thế đầu vào và đầu ra được thể hiện qua các phương trình toán học, cụ thể là phép toán tích phân tín hiệu đầu vào.

2.Chức năng và nhiệm vụ của mạch tích phân

Giá trị điện thế ở ngõ ra là kết quả tích phân điện thế ngõ vào theo hệ số tích phân

3.Mạch tích phân không đảo

Mạch tích phân không đảo (Hình 4.13) là một mạch tích phân ghép RC sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để thực hiện chức năng đệm Các linh kiện trong mạch này đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và độ chính xác của tín hiệu.

3.3 Nguyên lý hoạt động mạch tích phân

Mạch khuếch đại thuật toán hoạt động ở chế độ hồi tiếp âm và dương, với bộ tích phân RC

Tại nút P ta có phương trình dòng điện:

Hình 4.2 Mạch tích phân đảo 4.2 Tính toán các thông số của mạch

Như vậy điện áp ra là tích phân điện áp vào.

Trong biểu thức (1), ur(t = 0) là điều kiện ban đầu.

Nếu u1 là điện áp xoay chiều hình sin:

Ta thấy, biên độ điện áp ra tỉ lệ nghịch với tần số và đặt tuyến biên độ_ tần số của mạch tích phân.

35 Đây là một dấu hiệu đặc trưng của một mạch tích phân Từ đặt điểm này ta có định nghĩa sau:

Mạch tích phân là loại mạch có đặc tính tần số giảm với độ dốc 6dB/Octave trong một phạm vi tần số nhất định.

Trong một bộ khuếch đại thuật toán thực, dòng tĩnh It và điện áp lệch không gây ra sai số đáng kể trong mạch tích phân Bài viết sẽ tiến hành tính toán sai số này để có cái nhìn rõ hơn về ảnh hưởng của chúng.

Giả thuyết U1 = 0, dòng qua tụ điện sẽ là:

- Vậy nếu dũng sai số qua C là 1àA và C =1àF thỡ

Để giảm sai số, có thể tăng giá trị tụ điện C, nhưng không thể tùy ý làm lớn C Do đó, cần sử dụng Hình 3 để giảm ảnh hưởng của dòng tĩnh Trong Hình 6.3, chọn R1 ≈ R, vì vậy nếu U1 = 0 thì dòng qua R sẽ được xác định.

Hình 4.3 Mạch tích phân có bù dòng tĩnh đầu vào

Sai số qua tụ C được triệt tiêu, nhờ vào việc điều chỉnh R1 có thể bù đắp một phần cho dòng lệch không và điện áp lệch không Tuy nhiên, việc bù đắp cho trôi dòng lệch không và trôi áp lệch không thường gặp khó khăn do chúng thường lớn.

* Điều kiện đầu của mạch tích phân

Mạch tích phân chỉ có ý nghĩa khi điều kiện ban đầu u r (t = 0) không phụ thuộc vào điện áp vào u1 Để đạt được điều kiện đầu cho mạch, ta sử dụng hình 4.4 Khi cả K1 và K2 đều ở vị trí 1, mạch hoạt động như một mạch tích phân thông thường Nếu K1 được chuyển sang vị trí 2, dòng điện Iv sẽ bằng 0 và điện áp ra sẽ giữ nguyên giá trị tại thời điểm chuyển mạch.

Hình 4.4 Mạch tích phân có điều kiện đầu

Trạng thái này được sử dụng để tạm dừng quá trình tính toán nhằm đọc điện áp đầu ra Nếu K2 chuyển sang vị trí 2, điện áp U2 sẽ nạp cho tụ điện C đến giá trị U2 Điện áp ban đầu u r (t 0) chỉ xuất hiện sau khi tụ C đã hoàn tất quá trình nạp, và thời gian nạp là yếu tố quan trọng trong quá trình này.

- Giá trị của điện áp ra tại t = 0:

Hình 4.5 Mạch tích phân có điều kiện đầu dùng nguồn điện áp nối đất

5.Mạch tích phân tổng và hiệu

5.1 Sơ đồ và nguyên lý

Hình 4.6 Mạch tích phân tổng

Hình 4.7 Mạch tích phân hiệu 5.2 Tính toán các thông số mạch tích phân hiệu

- Tại nút N và P ta có:

- Biến đổi và cho ,R1CN = R2CP = RC ta được:

Hình 4.8 Mạch tích phân kép

Viết phương trình dòng điện cho các nút 1, 2 và 3 ta có :

Rút u2 ở phương trình thứ nhất và thay vào phương trình thứ hai ta có:

Vi phân (5) theo t và nhân với RC ta có:

Hay Đây là kết quả của mạch tích phân kép đối với ngõ vào

Mạch điện tử đặc biệt này có sự liên hệ giữa điện thế ngõ vào và ngõ ra thông qua các phương trình toán học, cụ thể là phép toán vi phân tín hiệu vào.

7.2 Vai trò và chức năng của mạch

Giá trị điện thế ở ngõ ra là kết quả tích phân điện thế ngõ vào theo hệ số vi phân RC.

Hình 4.9 Mạch vi phân lý thuyết

Hình 4.10 Mạch vi phân sử dụng trong thực tế

7.3.2 Tác dụng của linh kiện trong mạch

Mạch vi phân tương tự như mạch tích phân, nhưng trong đó các linh kiện R và C được hoán đổi vị trí Mạch này sử dụng chip khuếch đại thuật toán để tạo ra tín hiệu vi phân từ tín hiệu đầu vào.

7.3.3 Nguyên lý hoạt động của mạch

Nguyên lý hoạt động của mạch dựa trên nguyên tắc nạp xả của tụ điện, kết hợp với đặc tính của mạch khuếch đại thuật toán, cho phép tạo ra tín hiệu vi phân từ tín hiệu đầu vào.

7.3.4 Chức năng và nhiệm vụ của mạch

Mạch vi phân có chức năng tạo ra các tín hiệu vi phân từ tín hiệu đầu vào Chúng có thể được áp dụng trong các mạch xử lý tín hiệu tương tự hoặc trong các mạch chuyển đổi dạng sóng tín hiệu.

7.3.5 Tính toán thông số mạch (cho mạch trong hình 4.10)

Viết phương trình dòng điện cho nút cho nút N ta có:

Do vậy hệ số khuếch đại của mạch:

Mạch vi phân có tỷ lệ K’ tương ứng với tần số và đồ thị Bode với độ dốc 6dB/Octave, được định nghĩa là mạch có tuyến tần số tăng với độ dốc này.

Mạch điện hình 8.1 có các nhược điểm sau:

Hệ số khuếch đại của mạch tỉ lệ thuận với tần số, do đó tạp âm tần số cao ở đầu ra của mạch có thể rất lớn và dễ dàng lấn át tín hiệu.

MẠCH PI-PID

Khái niệm chung về mạch PI

điện áp ra có cực tính thay đổi 0.5 0.5

Sơ đồ mạch điện

3 Tính toán các thông số của mạch 1 1

4 Đo, kiểm tra và cân chỉnh các thông số của mạch 2 2

3 Bài 3: Mạch chuyển đổi trở kháng 4 1 3

1 Khái niệm chung về mạch chuyển đổi trở kháng 0.25 0.25

5 Lắp ráp và cân chỉnh các thông số của mạch 3 3

4 Bài 4: Mạch tích phân-vi phân 4 2 2

1 Khái niệm chung về mạch tích phân 0.25 0.25

2 Chức năng và nhiệm vụ của mạch tích phân 0.25 0.25

3 Mạch tích phân không đảo 0.25 0.25

5 Mạch tích phân tổng và hiệu 0.25 0.25

7 Khái niệm chung về mạch vi phân 0.25 0.25

8 Đo, kiểm tra và cân chỉnh các thông số của mạch điện 2.25 0.25 2

1 Khái niệm chung về mạch PI 0.5 0.5

3 Lắp ráp và cân chỉnh các thông số của mạch điện 3 3

4 Khái niệm chung về mạch PID 0.5 0.5

6 Đo, kiểm tra và cân chỉnh các thông số của mạch điện 2 2

6 Bài 6: Mạch lọc bậc hai 13 3 10

1 Khái niệm chung về mạch lọc thông thấp bậc hai 0.5 0.5

2 Chức năng và nhiệm vụ của mạch lọc thông thấp bậc hai 0.5 0.5

3 Lắp ráp mạch lọc thông thấp bậc hai 3 3

4 Khái niệm chung về mạch lọc thông cao bậc hai 0.5 0.5

5 Chức năng và nhiệm vụ của mạch lọc thông cao bậc hai 0.5 0.5

6 Lắp ráp mạch lọc thông cao bậc hai 3 3

7 Khái niệm chung về mạch lọc chọn lọc và mạch lọc thông dải 0.5 0.5

8 Chức năng và nhiệm vụ của mạch lọc chọn lọc và mạch lọc thông dải

7 Bài 7: Mạch nén chọn lọc 4 1 2 1

1 Khái niệm chung về mạch nén 0.5 0.5

2 Chức năng và nhiệm vụ của mạch nén chọn lọc 0.5 0.5

8 Bài 8: Mạch vòng khóa pha 4 2 2

1 Sơ đồ khối vòng khoá pha

2 Tính chất của PLL tuyến tính 0.5 0.5

4 Lắp ráp và cân chỉnh mạch vòng khoá pha 2 2

- Trình bày được chức năng nhiệm vụ và nguyên lý làm việc của bộ khuếch đại.

- Tính toán được các mức tín hiệu ra so với tín hiệu vào đúng yêu cầu của của mạch

- Trình bày được chức, năng nhiệm vụ và nguyên lý làm việc của mạch cộng

- Phân loại được các mạch cộng

-Trình bày được chức năng nhiệm vụ và nguyên lý làm việc của mạch trừ

- Tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập

1.Khái niệm chung về bộ khuếch đại

Mạch khuếch đại là thành phần thiết yếu trong hầu hết các thiết bị điện tử, bao gồm mạch khuếch đại âm tần trong máy nghe nhạc, amply, và mạch khuếch đại tín hiệu video trong TV và LCD Ngoài ra, chúng còn được sử dụng để khuếch đại tín hiệu vô tuyến trong các bộ thu radio và truyền hình.

Mạch khuếch đại thuật toán (op-amp) là một mạch khuếch đại một chiều với hệ số khuếch đại cao, có đầu vào vi sai và đầu ra đơn Trong các ứng dụng phổ biến, đầu ra được điều khiển bởi mạch hồi tiếp âm, cho phép xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra.

Mạch khuếch đại thuật toán hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị điện tử, từ thiết bị dân dụng đến công nghiệp và khoa học Với mức giá rẻ, các mạch khuếch đại này ngày càng trở nên phổ biến Thiết kế hiện đại đã được tối ưu hóa và điện tử hóa, cho phép mạch chịu đựng tình trạng ngắn mạch đầu ra mà không bị hư hỏng.

1.2 Chức năng của các bộ khuếch đại

Bộ khuếch đại không chỉ có chức năng chính là khuếch đại tín hiệu mà còn sở hữu khả năng thực hiện nhiều chức năng khác nhau như mạch cộng, trừ và vi tích phân nhờ vào cấu tạo đặc biệt của chúng.

Trong bài này ta sẽ khảo sát các mạch khuếch đại sử dụng mạch khuếch đại thuật toán

Bằng cách kết nối các thành phần xung quanh một bộ khuếch đại tín hiệu, chúng ta có thể tạo ra hai loại mạch khuếch đại cơ bản: khuếch đại đảo và khuếch đại không đảo (khuếch đại đệm).

Trong bài này, ta khảo sát op-amp ở trạng thái lý tưởng Sau đây là các đặc tính của một op-amp lý tưởng:

- Ðộ lợi vòng hở A (open loop gain) bằng vô cực

- Băng tần rộng từ 0Hz đến vô cực

- Tổng trở vào bằng vô cực

- Các hệ số l bằng vô cực.

- Khi ngõ vào ở 0 volt, ngõ ra luôn ở 0 volt.

- Ðương nhiên một op-amp thực tế không thể đạt được các trạng thái lý tưởng như trên.

Hình 1.1Ký hiệu và mạch tương đương của opamp

- Từ các đặc tính trên ta thấy:

A = → ∞ nên khi V0 xác định và chưa bảo hòa thì V1 = V2

- Zi →∞ nên không có dòng điện chạy vào op-amp từ các ngõ vào

- Z0 →0Ω nên ngõ ra v0 không bị ảnh hưởng khi mắc tải

- Vì A rất lớn nên phải dùng op-amp với hồi tiếp âm Với hồi tiếp âm, ta có hai dạng mạch khuếch đại căn bản sau:

Mạch khuếch đại đảo là mạch khuếch đại tín hiệu vào thành tín hiệu ra có điện áp lớn hơn, nhưng bị đảo chiều so với tín hiệu vào.

Hình 1.2 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo

Chức năng của mạch là khuếch đại tín hiệu vào thành tín hiệu ra có điện áp lớn hơn , và đảo chiều cực tính của tín hiệu vào.

Mạch khuếch đại đảo ngược là một loại mạch điện tử dùng để khuếch đại tín hiệu đầu vào Hệ số khuếch đại của mạch này được xác định bởi hai điện trở ngoài, bao gồm điện trở hồi tiếp âm Rf và điện trở vào Rin.

Hình1.3Mạch khuếch đại đảo

+ Z i , Z f có thể có bất cứ dang nào.

+ Tín hiệu đưa vào ngõ vào (-) vi có thể xoay chiều hoặc một chiều.

- Do Op_amp lý tưởng nên: V1 = V2 = 0V

⇨ nên độ lợi áp của mạch:

Khi Zf và Zi là điện trở thuần, điện áp đầu ra v0 và điện áp đầu vào vi sẽ lệch pha 180 độ, do đó mạch này được gọi là mạch khuếch đại đảo Ngõ vào âm được gọi là ngõ vào đảo.

- Zf đóng vai trò mạch hồi tiếp âm Zf càng lớn (hồi tiếp âm càng nhỏ) độ khuếch đại của mạch càng lớn

- Khi Zf và Zi là điện trở thuần thì op-amp có tính khuếch đại cả điện thế một chiều.

- Tính hệ số khuếch đại của mạch sau với RfK,Ri=5K

2.2Mạch khuếch đại không đảo

Hình1.4Mạch khuếch đại không đảo

- Chức năng của mạch là khuếch đại tín hiệu vào thành tín hiệu ra có điện áp lớn hơn , và cùng chiều so với tín hiệu vào.

Hình 1.5 Tính toán mạch khuếch đại không đảo

- Zf , Zi có thể có bất kỳ dạng nào

- v0 và vi cũng có thể có bất kỳ dạng nào

Khi Zf và Zi là điện trở thuần, ngõ ra v0 sẽ có cùng pha với ngõ vào vi, do đó mạch này được gọi là mạch khuếch đại không đảo, với ngõ vào (+) được xác định là ngõ vào không đảo.

- Zf cũng đóng vai trò hồi tiếp âm Ðể tăng độ khuếch đại AV, ta có thể tăng Zf hoặc giảm Zi

Mạch khuếch đại có khả năng khuếch đại tín hiệu một chiều khi Zf và Zi là điện trở thuần Đồng thời, mạch vẫn duy trì tính chất không đảo và áp dụng cùng công thức như trong trường hợp tín hiệu xoay chiều.

Khi Zf = 0 hoặc Zi = ∞, ta có AV = 1 và v0 = vi, lúc này mạch được gọi là mạch “voltage follower” Mạch này thường được sử dụng làm mạch đệm (buffer) nhờ vào tổng trở vào lớn và tổng trở ra nhỏ, tương tự như mạch cực thu chung ở BJT.

- Tính hệ số khuếch đại của mạch sau với ZfK , Zi=5K

2.3.1 Khái Niệm Chung Về Mạch Cộng Ðây là các mạch điện tử đặc biệt trong đó sự liên hệ giữa điện thế ngõ vào và ngõ ra là các phương trình toán học đơn giản đó là phép toán cộng các tín hiệu hay cộng các điện áp của các tín hiệu ngõ vào.

Hình 1.6 Mạch cộng không đảo

Cộng các điện áp của các tín hiệu ngõ vào, tín hiệu điện áp ngõ ra là tổng các tín hiệu điện áp ngõ vào không đảo.

Hình 1.7 Tính toán mạch cộng không đảo

Các dòng điện chạy qua điện trở là: = , = , =

Tổng các dòng điện này chạy qua Rf và tạo thành Vo nên ta có:

Tín hiệu ngõ ra được xác định bằng tổng điện áp của tất cả các tín hiệu ngõ vào Cần lưu ý rằng Vi có thể là một điện thế bất kỳ, bao gồm cả điện một chiều và điện xoay chiều.

- Tìm Vout ? Với V1= V2 = 10mV, V3 = - 10mV.

Cộng các điện áp của các tín hiệu ngõ vào, và đảo điện áp tín hiệu tổng ở ngõ ra.

Hình 1.9 Tính toán mạch cộng đảo

Các dòng điện chạy qua các điện trở là:

= ; = ; ; Tổng các dòng này chạy qua Rf tạo thành dòng V0 nên ta có:

Tín hiệu đầu ra được tạo ra bằng cách tổng hợp các tín hiệu đầu vào nhưng với pha ngược lại Cần lưu ý rằng Vi có thể là một điện thế bất kỳ, bao gồm cả điện một chiều và điện xoay chiều.

Tìm Vout ? Với V1= V2 = 10mV, V3 = - 10mV.

2.4.1.1 Khái niệm chung về mạch trừ Ðây là các mạch điện tử đặc biệt trong đó sự liên hệ giữa điện thế ngõ vào và ngõ ra là các phương trình toán học đơn giản đó là phép toán trừ các tín hiệu.

2.4.1.2 Vai trò và chức năng của mạch trừ

Mạch trừ là mạch lấy hiệu điện áp các tín hiệu ở các ngõ vào với nhau.

Hình 1.10 Mạch trừ bằng phương pháp đổi dấu

Hình 1.11 Mạch trừ bằng phương pháp vi sai 2.4.2.1 Tác dụng của các linh kiện trong mạch

Op_amp1, R1 có tác dụng đổi dấu tín hiệu V2 thành -V2 Op_amp2, R2, Rf có tác dụng cộng hai tín hiệu V1 và –V2, và đổi dấu kết quả

2.4.2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch Để trừ tín hiệu V1với V2, thì ta đảo V2 thành –V2, sau đó cộng V1 với –V2, rồi đổi dấu kết quả.

2.4.2.3 Chức năng và nhiệm vụ của mạch

Trừ tín hiệu V1 cho V2,và đổi dấu kết quả

2.4.2.4 Tính toán thông số mạch

V2 đầu tiên được đảo rồi cộng với V1 Do đó theo mạch ta có:

Nếu ta chọn: R1 = R2 = Rf, ta được:

- Như vậy tín hiệu ở ngõ ra là hiệu của 2 tín hiệu ngõ vào nhưng đổi dấu. Đối với mạch trừ bằng phương pháp vi sai thì ta có:

Dòng điện vào từ V2 qua Ri sẽ qua Rf nên:

- Thay trị số của Vm vào biểu thức trên ta tìm được:

Nếu Rf = Ri ta có:

- Như vậy tín hiệu ngõ ra là hiệu của hai tín hiệu ngõ vào.

Lưu ý: Nếu hệ số Thì mạch trên gọi là mạch khuếch đại vi sai, với hệ số khuếch đại là A.

2.4.2.5 Bài tập tính toán mạch

1) Cho mạch trừ như sau:

V1 = 20mV, V2 = 10mV, R1 = R2 kΩ, Rf = 20kΩ Tính Vo = ?V.

2) Cho mạch vi sai như sau:

V1 = 20mV, V2 = 10mV , Ri = Rf = 10kΩ Tính Vo = ?V.

BÀI 2: MẠCH TẠO ĐIỆN ÁP RA CÓ CỰC TÍNH THAY ĐỔI

Mạch tạo điện áp ra có cực tính thay đổi có nhiều ứng dụng thực tiễn, như cung cấp điện áp tham khảo cho các bộ lấy mẫu ADC Ngoài ra, mạch này còn có thể được sử dụng để tạo nguồn áp hoặc nguồn dòng công suất nhỏ.

- Trình bày được chức năng, nhiệm vụ và nguyên lý làm việc của mạch tạo điện áp ra có cực tính thay đổi

1.Khái niệm về mạch tạo ra điện áp ra có cực tính thay đổi

MẠCH LỌC BẬC HAI

MẠCH NÉN CHỌN LỌC

MẠCH VÒNG KHOÁ PHA (PLL)

Tiêu đề	Giáo trình mạch điện tử nâng cao
Tác giả	Nguyễn Phương Uyên Vũ, Đỗ Hữu Hâ âu
Trường học	Cao đẳng nghề Cần Thơ
Chuyên ngành	Điện tử dân dụng
Thể loại	Giáo trình
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Cần Thơ

Định dạng
Số trang	78
Dung lượng	2,1 MB