Tiểu luận môn Ứng dụng vi mạch IC khuếch đại thuật toán LM348 nguyên lý và một số ứng dụng

Tiểu luận môn Ứng dụng vi mạch IC khuếch đại thuật toán LM348 nguyên lý và một số ứng dụng, tài liệu dành cho các bạn nghiên cứu tham khảo, cũng như tìm hiểu trong quá trình học của mình về môn học này

MụC LụC

Phần 1:Chỉ tiêu kỹ thuật của LM 348: ….2

Phần 2 Sơ đồ nguyên lý 5

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

Đại học Cụng Nghệ

Tiểu luận môn ứng dụng vi mạch

IC khuyếch đại thuật toán LM348

nguyên lý và MộT Số ứng dụng

Giáo viên hớng dẫn:

PGS.TS Bạch Gia Dương

Nhóm 2- K17Đ:

Lâm Sinh Công

Đỗ Tiến Dũng Nguyễn Thị Anh Đào

Hà nội 03/2011

Phần 3 : Một số ứng dụng của LM348 …… 10

1 Khuyếch đại có phản hồi âm … .10

2 Mạch dao động cầu Wien 11

3 Mạch tạo dao động hình sin có mạch hồi tiếp dùng 3 mắt RC 12 4 Mạch phát xung vuông, tam giác, xung sin 13

5 Mạch lọc thông thấp tích cực 14

6 Mạch lọc thông dải 15

7 Bộ phát hiện đỉnh … 17

8 Chỉnh lu nửa chu kỳ 17

Tài liệu tham khảo 18

Phần 1: Chỉ tiêu kỹ thuật của LM 348

LM348 đợc tạo bởi 4 vi mạch MC1741 độc lập, đợc tích hợp trên một chip đơn Khuyếch đại hoạt động ở công suất thấp nh đã đợc dùng thiết kế cho các MC1741 chuẩn trong công nghiệp Bởi vậy có thể dùng thay thế MC1741 mà không làm thay đổi hoạt động của mạch Tổng dòng điện cung cấp cho cả 4 bộ khuyếch đại này bằng một khuyếch đại MC1741 đơn Các u điểm khác nh các dòng offset, bias lối vào rất nhỏ so với tiêu chuẩn công nghiệp của MC1741

LM348 đợc dùng trong các ứng dụng yêu cầu về khuyếch đại tốt hay cần có mật độ đóng gói cao Các ứng dụng khác bao gồm các bộ khuyếch

đại đệm trở kháng cao, các bộ lọc khuyếch đại tích cực

Tóm lại, LM 348 có một số đặc điểm nh sau:

 Dòng offset và dòng bias lối vào nhỏ

Sơ đồ chân:

Một số tính chất điện của LM348:

- Nguồn nuôi đối xứng Vcc=15V, Vee=-15V

- Thế offset lối vào max=7.5 mV

- Dòng offset lối vào max= 100 nA

- Hệ số khuyếch đại tín hiệu lớn

- Triệt tín hiệu cùng pha min=70dB, max=90dB

- Giải truyền 0 -> 20 KHz

Các giá trị danh định cực đại của LM 348 (T A =+25 0 C)

+18

Các đặc trng về điện (VCC=+15V, VEE=-15V, TA=250C)

Đặc trng Ký hiệu Min Typ Max Đơn vị

Điện áp chênh lệch lối vào

Dòng offset lối vào

Dòng Bias lối vào

IIO

IIB

-4.0 30

50 200

nA

Hệ số khuyếch đại điện áp lớn

Tách kênh (f=1.0 Hz đến 20

KHz)

10K)

CMR PSR

70 77

90 96

-dB

Dao động điện áp lối ra

10 V 13 V

12 V

-V

Các đặc trng về điện (khi VCC=+15V, VEE=-15V, TA=0-700C)

Điện áp chênh lệch lối vào

Dòng offset lối vào

Dòng Bias lối vào

IIO

IIB

-100 400

nA

Hệ số khuyếch đại điện áp lớn

10K)

CMR PSR

70 77

90 96

-dB

Dao động điện áp lối ra

10 V 13 V

12 V

-V

Phần 2 Sơ đồ nguyên lý

(Biểu diễn 1/4 mạch)

LM348 sử dụng hai loại tranzito n-p-n và p-n-p, gồm 3 tầng: Tầng khuyếch đại vi sai ở lối vào, tầng dịch mức điện áp một chiều và tầng khuyếch đại công suất ở lối ra

+ Tầng 1: Tầng khuếch đại đầu vào, là tầng khuếch đại vi sai cải

tiến gồm Q1, Q2, Q3, Q4 Các cặp transistor Q1-Q3, Q2-Q4 đợc đấu theo kiểu khuyếch đại chồng tầng Kascốt Các nguồn dòng là Q8, Q9, Q5, Q6

+ Tầng 2: Tầng dịch mức điện áp và tiền khuếch đại Cụm R8, R9,

Q13 nhằm dịch mức điện áp một chiều Q11 và Q14 mắc theo sơ đồ Darlington, đợc bảo vệ bởi Q10 Tầng này đợc nuôi bởi nguồn dòng Q12

+ Tầng 3:Tầng khuyếch đại công suất đầu ra Q16 và Q17 là hai

tranzito khác kiểu n-p-n và p-n-p đợc mắc theo sơ đồ kéo đẩy bù Q16

đóng vai trò là trở tải động cho Q17 còn Q17 đóng vai trò là trở tải động cho Q16

Phân tích sơ đồ chi tiết các tầng

1 Tầng khuếch đại đầu vào:

Là tầng khuếch đại vi sai cải tiến, đợc nuôi bởi dòng không đổi qua

đồng pha, do đó có khả năng triệt tín hiệu đồng pha rất cao

Hai transistor Q1, Q2 đợc đấu theo kiểu Colectơ chung (hệ số khuyếch đại điện áp là 1) Đặc điểm của chúng là trở kháng vào rất lớn và trở kháng ra nhỏ, hệ số khuếch đại dòng cao Q3, Q4 đấu theo kiểu Bazơ chung, có trở kháng vào nhỏ, hệ số khuếch đại dòng thấp Các cặp transistor Q1-Q3, Q2-Q4 đợc đấu theo kiểu khuyếch đại chồng tầng Kascốt Cách mắc nh vậy nhằm phối hợp trở kháng, ngăn cách ảnh hởng của mạch ra đến mạch vào của tầng khuếch đại, đặc biệt ở tần số cao Tải của Q1 là Q3, Q6; tải của Q2 là Q4, Q7 Tải của Q3 là Q6; tải của Q4 là Q7

Một bộ khuếch đại vi sai gồm Q5, Q6, Q7 mắc theo kiểu mạch cộng pha, biến điện áp vào thành điện áp ra không đối xứng Q5 có vai trò tạo ra điện áp phân cực cho Q6, Q7 hoạt động và đồng thời cũng là trở tải đảm bảo cho tính đối xứng lối ra của tầng khuyếch đại Q1, Q3 và Q2, Q4

dòng Tín hiệu vào ngợc pha đợc đa vào 2 lối vào của khuyếch đại vi sai Lối ra không đối xứng lấy từ Collector của Q4

2 Tầng dịch mức điện áp một chiều và tiền khuếch đại.

Điện áp ra ở cực Collector của Q4 đợc đa tới bộ khuyếch đại Darlington tạo bởi hai transistor Q11 và Q14, có tải là Q12 Đặc điểm của tầng khuếch này là trở kháng vào lớn để dòng vào nhỏ, hệ số khuếch

đại lớn (thờng lớn hơn 50 dB) Do hệ số khuếch đại lớn nên ta cần phải bảo vệ lối ra khi quá tải (tức dòng lối ra quá lớn) bằng cách mắc thêm tranzito Q10 Bình thờng Q10 ở chế độ khoá cho tới lúc dòng ra ở Bazơ

sụt áp trên R6 gây ra đẩy tới ngỡng mở của Q10, làm Q10 thông ngăn

- Trong tầng này có dòng qua D2 bằng dòng qua Q12, chúng là các nguồn dòng gơng đối xứng

- Cụm R8, R9, Q13 nhằm dịch mức điện áp một chiều, điện áp dịch

đi cỡ 1,4V (bằng hai lần điện áp sụt trên điốt) Mục đích là để lối ra tầng kéo đẩy không bị méo

- Tụ C=30 pF có tác dụng bù nội, làm cho đặc tính tần số của bộ khuếch đại giảm với độ dốc –20dB/Decade trong khoảng tần số 5Hz và tần số đơn vị 1MHz Điều này đảm bảo cho việc ổn định hệ thống có hồi tiếp

3 Tầng khuyếch đại công suất lối ra

- Q12 là nguồn dòng có nhiệm vụ ổn định điểm làm việc cho Q16, Q17 Điện áp tín hiệu đa đến cực Bazơ của Q16 đã đợc dịch mức tới cỡ

hai tranzito khác kiểu n-p-n và p-n-p đợc mắc theo sơ đồ kéo đẩy bù, Q16

đóng vai trò là trở tải động cho Q17 còn Q17 đóng vai trò là trở tải động cho Q16 Nửa chu kỳ dơng Q16 dẫn, Q17 ngắt còn trong nửa chu kỳ âm thì ngợc lại

- Để bảo vệ lối ra quá tải (tức dòng lối ra lớn quá) ngời ta mắc thêm mạch hạn dòng Q15, Q10, R10, R11 Bình thờng Q15 ở chế độ khoá

tới giới hạn này, sụt áp trên R10 và R11 do nó gây ra đẩy tới ngỡng mở

- Để nâng cao tính ổn định của tầng khuyếch đại công suất, bảo vệ quá tải, ngời ta mắc thêm hai điôt D4 và D5 nhằm hạn dòng và tạo điện

áp chênh nhau giữa cực E và cực B của Tranzito Q17 (điều kiện phân áp

Trên cơ sở đó ta có sơ đồ rút gọn của IC LM 348 nh hình dới:

5k

R5 50k 50kR6

R10 25

R11 50

NonInv

Inv

D1

Vcc

Vee

C 30pF

Output

Sơ đồ rút gọn của IC LM 348

Phần 3: Một số ứng dụng của LM348

1 Khuyếch đại có phản hồi âm

10kHz

Vin1 -100m/100mV

Vcc1 +15V

Vee1 -15V

+ LM348 + LM348

Vee -15V

Vcc +15V

10kHz

Vin

-100m/100mV

RI1 10k

RF1 1000k RF

100k

RI 10k

A B

Sơ đồ minh hoạ mối quan hệ giữa độ khuyếch đại khi có phản hồi

nhng dải tần làm việc lớn Trờng hợp sau hệ số khuyếch đại lớn nhng dải tần hẹp

- Kết quả liên hệ giữa lối ra và lối vào Lối ra đợc khuyếch đại lên 10 lần

Xa: 275.6u Xb: 175.6u Yc: 1.000 Yd:-1.000

a-b: 100.0u c-d: 2.000

freq: 10.00k

Ref=Ground X=50u/Div

d

c

A

B

- So sánh dải tần làm việc trong 2 trờng hợp có hệ số khuếch đại khác nhau

1 10 100 1k 10k 100k 1Meg

Xa: 61.90k Xb: 10.49k Yc:-466.7m Yd: 18.20

a-b: 51.41k c-d:-18.67

Ref=Ground X=frequency(Hz)

c

b a A

B

2 Mạch dao động cầu Wien

Mạch dao động cầu Wien: dùng mạch cầu Wien kết hợp với LM348 tạo thành mạch dao động hình sin Trong sơ đồ có hai mạch phản hồi:

+ Phản hồi âm nhờ hai điôt và hai điện trở 10k, 20k

ở sơ đồ trên ta dùng kết hợp mạch phản hồi âm và phản hồi dơng: tại tần số dao động mạch có hệ số truyền đạt max và độ lệch pha bằng 0,

do đó kết hợp với bộ khuyếch đại thuận tạo hồi tiếp dơng làm nhiệm vụ

tạo dao động Hai điện trở 10k và 20k tạo thành một mạch hồi tiếp âm

có hệ số khuếch đại là 3 Mạch hồi tiếp âm cùng với mạch lọc thông dải

tạo thành mạch cầu Wien

Hệ số hồi tiếp của mạch cầu Wien trong trờng hợp này là:

2 1 9

1























K

với

RC



 1

RC

1



Tần số phát của hệ đợc xác định theo: Fo=1/(2*pi*RC)

Trong sơ đồ trên có 2 điôt làm nhiệm vụ ổn định biên độ dao động

Khi biên độ dao động tăng, điện trở tơng đơng của mạch phản hồi âm

giảm làm hồi tiếp âm tăng, do đó hệ số khuếch đại của mạch giảm Với

cách chọn nh trên đã tạo đợc ở lối ra một hình sin có tần số là 1 kHz.

Xa: 7.275m Xb: 6.275m Yc: 7.499 Yd: 7.499

a-b: 1.000m c-d: 3.040n

freq: 1.000k

Ref=Ground X=1.67m/Div

d

c

b a A

3 Mạch tạo dao động hình sin có mạch hồi tiếp dùng 3 mắt RC

một góc di pha < 90 khi trị số R,C khác không Vì vậy để đảm bảo điều

kiện về pha mạch hồi tiếp ít nhất phải 3 mắt RC, mỗi khâu thực hiện di

Tần số dao động là:

C R

dd

6

1





bảo cho tích của HSKĐ và phản hồi âm=1) ta sẽ tạo đợc hình sin với tần

số 1 kHz

15 C

0.01uF

C 0.01uF

C

Rht 188.4k

R 6407

R 6497

R2 6497

R1 6.28k

Xa: 5.254m Xb: 4.254m

Yc: 5.455m Yd: 5.455m

a-b: 1.000m c-d: 6.000n

freq: 1.000k

Ref=Ground X=1.67m/Div

d

c

A

4 Mạch phát xung vuông, tam giác, sin

xung vuông nh hình vẽ

- Cụm thứ hai: máy phát xung tam giác: thực chất là bộ tích phân

- Cụm thứ ba: máy phát hình sin: thực chất là bộ tích phân và bộ khuyếch đại có phản hồi âm

Với cách chọn nh trên sơ đồ cho ta các xung vuông, tam giác và hình sin có tần số khoảng 1 kHz

0 833u 1.67m 2.5m 3.33m 4.17m 5m -15

-10

-5

0

5

10

15

Xa: 4.317m Xb: 3.467m

Yc: 15.00 Yd: 7.000

a-b: 850.0u c-d: 8.000

freq: 1.176k

Ref=Ground X=833u/Div Y=voltage

d c

A

B

C

5 Mạch lọc thông thấp tích cực

ở tần số cao thờng dùng các mạch lọc thụ động RLC ở tần số thấp các mạch lọc đó có điện cảm quá lớn làm cho kết cấu nặng nề và tốn kém cũng nh phẩm chất của mạch giảm.Vậy trong phạm vi tần số < 100 Khz ngời ta hay dùng bộ lọc khuyếch đại thuật toán và mạng RC gọi là mạch lọc tích cực

Đây là lọc thông thấp hồi tiếp dơng một vòng (thực chất là mạch tích phân) Ngoài ra còn có hồi tiếp âm một vòng và hồi tiếp âm nhiều vòng

Trên mạch điện ta chọn trờng hợp đơn giản: R 2 =R 3 =R=100k,

C 1 =C 2 =C=.001uF, lúc đó hàm truyền đạt là:

2 2 2 2 1

2 1

1

R C P R C P

K

g

 



Ta dùng máy phát xung vuông lối vào để mô phỏng vì phổ của tín hiệu lối vào lúc này sẽ là tổng của các vạch phổ từ tần số thấp đến cao, cho ta một cái nhìn trực quan hơn về tính chất lọc của mạch

+ LM348 1kHz

V1 0/100mV

V2 -15V

V3 +15V

C2 001uF

C3 002uF

R1 30k

R2 100k 100kR3

Đáp ứng tần số lối ra:

Phổ của tín hiệu lối vào:

Phổ tín hiệu lối ra (thành phần tần số cao đã bị lọc bỏ) :

6 Mạch lọc thông dải

Mắc xâu chuỗi một khâu lọc thông thấp với một khâu lọc thông cao,

ta nhận đợc một bộ lọc thông dải Đây là mạch lọc thông dải hồi tiếp âm

thông cao

Với cách chọn thông số R,C ta thu đợc mạch lọc thông dải khuyếch đại lớn nhất tại 1 kHz (khuyếch đại chọn lọc).

Đáp ứng tần só lối ra: Tín hiệu vào và ra

Phổ tín hiệu lối vào: Phổ tín hiệu lối ra (khuyếch đại

chọn lọc tại1 kHz):

7 Bộ phát hiện đỉnh

Mạch thực hiện chức năng lu lại giá trị cực đại của tín hiệu lối

1

ngợc của diôt cũng nh qua LM348 Vì điện trở ngợc diôt lớn và LM348 là mạch lặp điện áp đóng vai trò tầng đệm (trở kháng lớn) nên điẹn áp trên

tụ giữ nguyên giá trị đỉnh

Điện áp đỉnh đợc cất giữ ở C1 Bộ khuyếch đại lặp có trở kháng lối vào rất lớn Diôt D1 ngăn cản những tác động trở lại của C1 với nguồn tín hiệu

0 500u 1m 1.5m 2m 2.5m 3m -9

-6

-3

0

3

6

9

Xa: 3.000m Xb: 0.000

Yc: 9.000 Yd:-9.000

a-b: 3.000m c-d: 18.00

freq: 333.3

Ref=Ground X=time(S) Y=voltage

d

c

A

B

8 Chỉnh lu nửa chu kỳ

Ta thấy các điện áp rất nhỏ, không thể đợc chỉnh lu một cách tuyến tính Nguyên nhân là khi điôt thông, điện áp sụt tối thiểu giữa các cực là 0.3 đến 0.7V tuỳ theo kiểu và hình thức sử dụng Nhng ta có thể thực hiện với KĐTT LM348 nh trên hình Mạch làm việc có phản hồi, ở phần trên phản hồi sửa chữa các khuyết tật và sửa tính phi tuyến của các linh kiện nằm trong vòng phản hồi

Khi D1 dẫn, hệ số khuyếch đại gần bằng không Khi D2 dẫn, D1 không dẫn và hệ số khuyếch đại bằng R2/R1=1 Tụ C1 loại trừ các thành phần một chiều lối vào ở đầu ra, thành phần một chiều bị cắt nh các bộ chỉnh lu khác Ta lọc bằng bộ lọc thông thấp tạo nên từ C2 và R3

Tµi liÖu tham kh¶o:

1 Motorola Semiconductor

2 Kü thuËt m¹ch ®iÖn tö - Ph¹m Minh Hµ

3 C¬ së kü thuËt ®iÖn tö - NguyÔn Kim Giao

4 Gi¸o tr×nh kü thuËt ®iÖn tö- HVCNBC-VT