Thực tập vô tuyến đại cương - Bài 7 ppt

Khái niệm về thế OFFSET và cách xác định nó: Theo tính toán lý thuyết dựa trên một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng thì khi một khuếch đại thuật toán được nuôi bằng 2 nguồn và và hai

Bài 7

Bộ khuếch đại thuật toán (1)

Mục đích: Khảo sát và đo một số thông số quan trọng của một bộ khuếch đại

thuật toán Sử dụng một vi mạch khuếch đại thuật toán trong một số mạch khuếch

đại thông dụng nhất

Phần lý thuyết 1.Khảo sát và đo 1 số thông số của bộ khuếch đại thuật toán 1.1 Khái niệm về thế OFFSET và cách xác định nó:

Theo tính toán lý thuyết dựa trên

một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng thì

khi một khuếch đại thuật toán được nuôi

bằng 2 nguồn và và hai lối vào có

V V

U ra Tuy nhiên với một bộ khuếch đại thực thì

Nguyên nhân là do công nghệ chế tạo mà hai lối vào của tầng vi sai không cân xứng hoàn toàn, có sai lệch ở tầng dịch mức điện áp, tầng đệm lối

Ta có thể làm cho U ra =∆U ra =0 bằng cách thêm vào lối vào (+) hoặc

(ư) một lượng thế ∆U vào âm hoặc dương tuỳ theo độ lệch ∆U ra là âm hoặc dương Đại lượng bổ xung ∆U vào này được gọi là thế OFFSET Ta có thể dùng các dụng cụ đo chính xác để xác định trực tiếp thế OFFSET này Tuy nhiên trong

thực tế ta xác định như sau: Ta thấy là nếu coi ∆U vào (thế OFFSET) là tín hiệu vào thì ta có:

∆

− U ra

0 K o ∆U vào

ở đây Ko là hệ số khuếch đại hở mạch (không có trở phản hồi)

Hay U OFFSET (vào) = U OFFSET(ra) K o

ở đây UOFFSET (vào) = ∆U vào ; U OFFSET (ra) = ∆U ra

Nh− vậy chúng ta chỉ phải đo ∆U ra và sau đó chia cho K o (có trong sách

tra cứu)

Hình A7-1b (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ dùng để đo thế OFFSET của

vi mạch thuật toán 741

1.2.Đo đặc tr−ng biên độ và đặc tr−ng tần số của bộ khuếch đại thuật toán

*) Đặc tr−ng biên độ: là mối quan hệ giữa thế ra và độ lệch thế giữa hai lối vào của bộ khuếch đại thuật toán

Với một bộ khuếch đại thuật toán dải rộng (không phải là bộ khuếch đại

(phần thực nghiệm) được sử dụng để đo đặc

trưng biên độ và tần số của bộ khuếch đại

thuật toán 741 Một điều cần lưu ý khi đo

đặc trưng biên độ là: vì ta đo đặc trưng biên

độ của bộ khuếch đại ở chế độ để hở mạch

phản hồi nên đặc trưng biên độ sẽ rất dốc,

tức là đoạn tuyến tính chỉ ở trong một

sẽ không thu được đặc trưng biên độ

1.3 Đo điện trở vào và điện trở ra

Sơ đồ tương đương đơn giản của 1 bộ khuếch đại thuật toán được thể hiện như sau: (Hình 7.4)

Tức là bộ khuếch đại thuật toán có Rvào và Rra

Nếu Rvào không đủ lớn sẽ gây ra tiêu hao công suất nguồn tín hiệu vào Còn nếu

Rra không đủ nhỏ sẽ tiêu hao vô ích công suất tín hiệu ra Để xác định được Rvào

và Rra ta sử dụng sơ đồ trên hình A7-1e và hình A7-1f (Xem phần thực nghiệm)

Tuy nhiên vì Rvào của khuếch đại thuật toán khá lớn nên để xác định được chính

Trong một số trường hợp nguồn tín hiệu có biên độ điện áp của tín hiệu

đủ lớn nhưng vẫn không đủ khả năng cung cấp công suất cho tải Nguyên nhân là

do công suất nguồn tín hiệu nhỏ, thể hiện ở chỗ là điện trở nội của nguồn tín hiệu lớn Lúc này, thường ta phải sử dụng bộ lặp lại thế để khuếch đại công suất nguồn tín hiệu Các vi mạch thuật toán đặc biệt thích hợp cho mục đích này vì điện trở lối vào vô cùng lớn, điện trở lối ra rất nhỏ

2.2 Khuếch đại đảo:

Ura ngược pha với Uvào và

v

f ra

R

R

U =ư Uvào

2.3 Khuếch đại không đảo:

Ura đồng pha với Uvào và

v

v f ra

R

R R

= Uvào

Để tiến hành thực nghiệm ta hãy xem các sơ đồ ở phần thực nghiệm

Hình A7- 1g là sơ đồ lặp lại thế dùng khuếch đại thuật toán LM-741

Hình A7- 3a là sơ đồ của bộ khuếch đại không đảo và Hình A7- 3b là sơ

đồ của bộ khuếch đại đảo Sơ đồ có mắc Rf với các giá trị khác nhau để thay đổi

hệ số khuếch đại

3 Bộ tạo thế chuẩn ổn định công suất trung bình

Mạch thực hiện chức năng: U ra = U k chuẩn = const khi Unguồn thay đổi và Itải thay đổi trong một giới hạn nào đó

Sơ đồ của mạch thường có dạng sơ đồ ổn áp loại nối tiếp như sau Mạch gồm 3 phần chính: (Xem hình 7.6)

1 Là yếu tố điều chỉnh: Thường dùng transistor

2 yếu tố khuếch đại và so sánh: ở đây dùng bộ khuếch đại thuật toán

3 Bộ tạo thế chuẩn: Thường dùng diode zener

Uvào = U ra +U∗ →U ra = U

vào - U∗

Uvào có thể thay đổi do bản thân Uvào thay đổi hoặc do dòng Itải thay đổi

vì nguồn Uvào có điện trở nội Để U ra =const thì U∗ cũng thay đổi theo Uvào Yếu tố điều chỉnh thực hiện chức năng này

Hình 7.6

1

3o

Vi mạch LM - 741 sẽ làm nhiệm vụ so sánh Ura với một trong hai Uchuẩn để

điều khiển T1 sao cho Ura = Uchuẩn khi Uvào = Unguồn thay đổi và dòng tải thay đổi

4 Bộ tổng đại số các tín hiệu tương tự

Hàm số mà mạch điện tử cần thực hiện là:

vn n v

v

U = 1 1+ 2 2 + +: Là các hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại ứng với các lối vào

2

2 1

f

ra N

N v

v

U

U R

U R

U R U

f V

f

R

R U

R

R U R

R

2

1 1Hình A7- 4a (phần thực nghiệm) là sơ đồ của bộ tổng dùng vi mạch thuật toán LM-741 với 4 lối vào Sơ đồ có 3 nguồn tín hiệu điện áp một chiều được tạo

nên từ 3 mạch phân thế là 3 chiết áp P1, P2, P3 Lối vào IN dùng để đưa tín hiệu xung từ máy phát vào bộ tổng

Sơ đồ có khả năng lấy tổng 4 tín hiệu tương tự lối vào với 4 hệ số khác nhau

5 Bộ khuếch đại vi sai (mạch trừ)

Mạch thực hiện chức năng lấy hiệu hai tín hiệu tương tự lối vào

)( v1 v2

Theo sơ đồ ta có điện áp lối vào cửa thuận:

K

R R

R U

U

c c

c v

v f f

f

U U

U

K

R R

Sơ đồ hình A7- 4b (xem phần thực nghiệm) đ−ợc dùng làm bộ khuếch đại

vi sai Trong sơ đồ này R8 =5K1 đóng vai trò R c

Phần thực nghiệm

A Thiết bị sử dụng:

1 Thiết bị chính cho thực tập tương tự

2 Panel thí nghiệm AE - 107N cho bài thực tập về bộ khuếch đại thuật

toán (Gắn lên khối đế nguồn)

3 Dao động ký 2 chùm tia

4 Dây nối cắm 2 đầu

B Cấp nguồn và nối dây

Panel thí nghiệm AE-107N chứa 4 mảng sơ đồ A7-1 A7- 4, với các chốt

cắm nguồn riêng Khi sử dụng mảng nào thì cần nối dây cấp nguồn cho mảng đó

Đất (GND) của các mảng sơ đồ đất được nối sẵn với nhau Do đó chỉ cần nối đất chung cho toàn khối AE -107N

1 Bộ nguồn chuẩn DC POWER SUPPLY của thiết bị chính, cung cấp các

thế chuẩn ±5V, ±12V cố định

2 Bộ nguồn điều chỉnh DC ADJUST POWER SUPPLY của thiết bị chính,

cung cấp các giá trị điện thế một chiều 0 +15V và 0 ư15V Khi vặn các biến trở chỉnh nguồn, cho phép định giá trị điện thế cần thiết Sử dụng đồng hồ đo thế

chỉnh tinh FREQUENCY)

- Biên độ ra 4V (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE)

OP.AMP.CHARACTERISTICS: mạch đo đặc tr−ng bộ kđTT

1.3 Đo thế OFFSET của bộ khuếch đại thuật toán: Hình A7- 1b

Nối các chốt và với K và L, để nối cả hai lối đảo và không đảo của

bộ khuếch đại thuật toán xuống đất Bật điện thiết bị chính Đo giá trị điện thế lối

Ko : hệ số khuếch đại riêng hay hệ số khuếch đại không có hồi tiếp của khuếch đại thuật toán, Ko (IC-741) ~ 2.105

1.4 Đo đặc tr−ng biên độ của bộ khuếch đại thuật toán: Hình A7- 1c

- Nối chốt i+với H , để cấp thế từ biến trở P1 vào lối vào không đảo IC1

- Nối chốt i−với K, để nối đất với lối vào đảo

- Vặn biến trở P1 quanh giá trị 0V Đo các giá trị điện thế vào và ra Ghi kết quả giá trị đo vào bảng A7-1

Bảng A7-1

Lập đồ thị sự phụ thuộc thế ra (trục y) và thế vào (trục x)

- Xác định giá trị điện thế ra cực đại và cực tiểu của IC Tính số % giá trị này so với thế nguồn

- Trên cơ sở đồ thị thu đ−ợc, xác định độ nhạy của IC, bằng giá trị chênh lệch thế cực tiểu giữa hai lối vào đảo và không đảo của IC làm thay đổi thế lối ra

- Căn cứ độ dốc đồ thị, xác định hệ số khuếch đại hở của bộ khuếch đại thuật toán

1.5 Đo đặc tr−ng tần số của bộ khuếch đại thuật toán: Hình A7- 1d

- Sử dụng máy phát xung ngoài có dải tần số tới 2MHz Nối lối ra của máy phát với lối vào IN/A của mạch A7- 1

- Nối với F và G với L, để đ−a tín hiệu vào lối vào “+” của bộ khuếch

đại thuật toán

+

i

- Nối i− với “O” để tạo bộ lặp lại thế

- Sử dụng kênh 1 dao động ký nối với IN/A Nối kênh 2 với lối ra OUT/C Dao động ký đặt thang lối vào 2V/cm, thời gian quét 1ms cm Thay đổi

tần số tín hiệu vào và ghi các kết quả đo thế ra vào bảng A7- 2

Lập đồ thị sự phụ thuộc hệ số K (trục y) theo tần số tín hiệu (trục x) Xác

định khoảng tần số làm việc của sơ đồ khuếch đại thuật toán

1.6 Đo điện trở vào Ri của bộ khuếch đại thuật toán: Hình A7- 1e

- Máy phát xung của thiết bị chính ở chế độ máy phát xung vuông góc, biên độ tần số 1KHz

- Nối máy phát xung với lối vào IN/A của sơ đồ Nối F với G để cấp tín hiệu từ máy phát qua điện trở R3 vào IC1 Điện trở R3 khi đó đ−ợc mắc nối tiếp với điện trở Ri của bộ khuếch đại thuật toán

- Nối i− với “O”

- Dao động ký đặt ở thang lối vào 0,1V/cm, thời gian quét 1ms cm, đầu

đo (probe), đặt ở vị trí 1:10 để tăng tổng trở đo của dao động ký

- Nối kênh 1 dao động ký với IN/A Nối kênh 2 vào i+

- Đo biên độ tín hiệu Uif tại lối vào IN/A và biên độ Ui tại Bỏ qua điện trở nội máy phát, tính điện trở vào của IC1 theo công thức:

1.7 Đo điện trở ra Ro của bộ khuếch đại thuật toán: Hình A7- 1f

- Nối máy phát xung với lối vào IN/A của mạch A7- 1

- Nối i+với F và G với L và i− với “O”

- Nối kênh 1 dao động ký với lối vào IN/A, kênh 2 với lối ra OUT/C Dao

động ký đặt ở thang lối vào 2V/cm Đo biên độ tín hiệu ra Uo khi không nối J1 và giá trị Uof khi có nối J1

- Giả thiết điện trở vào dao động ký là vô cùng lớn so với trở ra IC1, tính

điện trở ra của IC1 theo công thức:

2.1 Cấp nguồn ±12V cho mảng sơ đồ A7- 1

2.2 Nối IC1 theo sơ đồ lặp lại thế: Hình A7- 1g

- Nối chốt với “O” iư

- Nối với E và để cấp điện thế từ biến trở P2 cho lối vào “+” của IC1 i+

2.3 Vặn biến trở P2 từ giá trị thấp đến cao Đo và ghi giá trị điện thế vào

và ra vào bảng A7- 3

Bảng A7- 3

2.4 Lập đồ thị sự phụ thuộc thế ra (trục y) và thế vào (trục x)

2.5 Xác định độ lệch cực đại của đường đặc trưng thu được so với đường

thẳng (tuyến tính), định khoảng làm việc tuyến tính cho sơ đồ

2.6 Nêu ưu điểm của bộ lặp lại thế trên OP.AMP so với bộ chia thế dùng

biến trở

3 khuếch đại đảo và không đảo

Nhiệm vụ:

Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của bộ khuếch đại thuật toán đảo và không

- Biên độ ra 100mV (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE)

3.3 Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký kênh 1 ở 1V cm, thời gian quét của dao động ký ở 0,1ms cm Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng phần trên

và phần dưới của màn dao động ký

Nối kênh 1 dao động ký vào lối vào IN/A Nối kênh 2 dao động ký vào lối

ra OUT/ C

3.4 Khuếch đại không đảo:

- Nối máy phát xung của thiết bị chính vào lối vào IN/A

- Nối J1, J3 (hình A7- 3a) để đưa tín hiệu lối vào “+” IC1 và nối đất cho

đầu còn lại của điện trở R1

- Thay đổi biên độ tín hiệu vào (Uvào) theo bảng A7- 4, quan sát dạng và

đo biên độ tín hiệu ra (Ura), ghi các kết quả vào bảng A7- 4 Tính giá trị

- Tính các giá trị : K t1 =R3 R1 = 1+R3 R1

K t2 =R4 R1 = 1+R4 R1

1 5

3 R R

K t = = 1+=R5 R1

1 6

K 1 =

Ura (nối K với K2)

vào ra

K 2 =

Ura (nối K với K3)

vào ra

K 3 =

Ura (nối K với K4)

vào ra

K 4 =

- So sánh giá trị Kd và Kt cho các trường hợp Nếu xem chúng bằng nhau thì sai số là bao nhiêu? Giải thích sự không tương ứng của chúng trong một số trường hợp

3.5 Khuếch đại đảo:

- Nối máy phát xung của thiết bị chính vào lối vào IN/A

- Nối J2 (hình A7- 3b) để đưa tín hiệu lối vào “-” IC1

- Thay đổi biên độ tín hiệu vào (Uvào) theo bảng A7- 5, quan sát dạng và

đo biên độ tín hiệu ra (Ura), ghi các kết quả vào bảng A7- 5 Tính giá trị

3 R R

K t = = ưR5 R1

1 6

4 R R

K t = = ưR6 R1

- Thay đổi biên độ tín hiệu vào (Uvào), vẽ dạng và đo biên độ tín hiệu ra (Ura), đo thế U inư trên lối vào iư, ghi các kết quả vào bảng A7- 5

K 1 =

Ura (nối K với K2)

vào ra

K 2 =

Ura (nối K với K3)

vào ra

K 3 =

Ura (nối K với K4)

vào ra

K 4 =

- Nhận xét về giá trị cho tất cả các trường hợp để chứng minh điểm

“-’’ trong sơ đồ sử dụng gọi là gọi là điểm đất ảo Giải thích bằng lý thuyết cho giá trị đất ảo

- Đồng hồ đo thế nuôi sơ đồ: Nối chốt “+’’ của mạch A7- 3 với đồng hồ

đo thế DIGITAL VOLTMETER của thiết bị chính Khoảng đo đặt ở 20V

- Đồng hồ đo thế chuẩn lối ra: Nối chốt OUT/C của mạch A7- 3 với đồng

hồ đo thế DIGITAL METER V-A của thiết bị chính Đặt các công tắc của bộ đo hiện số ở chế độ đo thế (V) và khoảng đo 20.0V

(Chú ý cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo)

REF.VOLT.CIRCUIT: mạch tạo thế chuẩn

4.3 Nối J1, không nối J2, để sử dụng thế chuẩn từ zener D1 = 5V6 Ghi

giá trị điện thế ra Thay đổi thế +V nuôi sơ đồ, ghi lại giá trị thế lối ra vào bảng A7- 6

Bảng A7- 6 Thế nuôi +10V +11V +12V +13V +14V

Thế lối ra

4.4 Nối J2, không nối J1, để sử dụng thế chuẩn từ zener D2 = 8V2 Ghi

giá trị điện thế ra Thay đổi thế +V nuôi sơ đồ, ghi lại giá trị thế lối ra vào bảng A7- 7

Bảng A7- 7 Thế nuôi +10V +11V +12V +13V +14V

Thế lối ra

4.5 Nối J2 Nối lần lượt J3, J4 để thay đổi tải theo bảng A7- 8 Ghi giá trị

điện thế tại các vị trí tương ứng vào bảng A7- 8

Bảng A7- 8 Dòng tải V(IC13) V(IC1 2) V(IC1 6) V(OUT C)

5.2 Phép lấy tổng được thực hiện với hai tổng số hạng:

- Nguồn nối cố định từ biến trở P2 qua trở R4 tới lối vào “-’’ bộ khuếch

đại thuật toán

- Nguồn nối qua các chốt E, F từ biến trở P1 hoặc P3 tới lối vào “+’’ bộ khuếch đại thuật toán

5.2.1 Phép thử 1: Lấy tổng các giá trị điện thế

- E lần lượt nối với H , I , K để thực hiện lấy tổng từ nguồn P1 và P2 theo các hệ số khác nhau

- F lần lượt nối với H , I , K để thực hiện lấy tổng từ nguồn P3 và P2 theo các hệ số khác nhau

- Đo các giá trị điện thế ra Uo của IC1 (điểm OUT/C) cho từng trường hợp Ghi các kết quả vào bảng A7- 9

9 . in

j in

R

R V

9 . in

j in

R

R V

V in1( 1)=+1,5 , V in2(P2)=ư1V , V in3(P3)=ư0,5V

So sánh các kết quả đo và tính toán tương ứng Nếu xem chúng bằng nhau thì sai số là bao nhiêu? Tìm những nguyên nhân gây nên sự sai khác đó

5.2.2 Phép thử 2: Lấy tổng các giá trị điện thế

5.3 Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký ở 1V/cm, thời gian quét ở

1ms/cm Chỉnh cho cả hai tia nằm giữa khoảng phần trên và phần dưới của màn dao động ký

Nối kênh 1 dao động ký vào lối vào IN/A Nối kênh 2 dao động ký vào lối

- Biên độ ra 1V (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE)

5.5 Lấy tổng các giá trị điện thế và tín hiệu xung

- Nguồn 2: Đặt biến trở P2=ư0,25V =V in2

- Nguồn 4: Nối máy phát xung của thiết bị chính với lối vào IN/A của sơ

đồ A7- 4 Nối chốt G với I

5.6 Vặn biến trở P2 để thay đổi Vin2, đo biến độ tín hiệu ra và mức thế một chiều nền của tín hiệu, ghi kết quả vào bảng A7- 11

Bảng A7- 11 2

6.1 Sử dụng sơ đồ hình A7- 4: Trong đó cấp các nguồn thế tới cả hai lối

vào “+” và “−’’ của bộ khuếch đại thuật toán IC1

- Nguồn cho lối vào “+” : Vin3 − thế âm lấy từ biến trở P3 Nối J1

- Nguồn cho lối vào “− ” : Vin2 − thế âm lấy từ biến trở P2

6.2 Phép thử 1: Đặt các biến trở P2 = −1V, P3 ở các giá trị theo bảng

A7- 12