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 đ
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
BÀI 1 MẠCH KHUẾCH ĐẠI
Trang 2BÀI 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
R 3
U v v s
P 2
R 1
P 1
U r v s
-+
U A 7 4 1 3
2
6
7 1
4 5
R 2
-+
U A 7 4 1
3 2
6
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:
Với điều kiện R3=R1 ta cĩ:
Trang 3Tầng 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
P 3 R 2
R 3
U v v s
P 4
R 1
U r
R 4
-+
U A 7 4 1
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:
Với điều kiện R1 = R3, R2 = R4,ta cĩ:
1
2
R
R Uvvs
Ur
K vs = =
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
R 3
U v
R 1
U r
R 4
-+
U A 7 4 1
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
Trang 4Trong trường hợp này, hệ số khuếch đại Mode chung sẽ là:
⇒
=
v
r
CM
U
U
K
rất nhỏ so với hệ số khuếch đại Kvs, nhỏ cỡ (-80dB) – (-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)
cm
vs
K
K CMRR=
(Giá trị này bằng 10.000 ÷100.000 tương ứng với 80dB ÷
100dB)
Trang 54 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
Tầng tạo cặp tín hiệu đảo pha Tầng khuếch đại vi sai Tầng khuếch đại cuối
Trang 6các vị trí chuyển mạch S1, S2, S3, S4: khảo sát và vẽ lại dạng tín hiệu tại điểm P3, P4 và U ra trên Oscilloscope).
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
Trang 78) 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:
Khi:VR1 = max
VR2 = min
Khi: VR1 = max
VR2 = max
Khi:VR1 = min
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
Trang 85 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 sớ khuếch đại tầng
đầu:
2)Chế đợ vi sai:
• Ura = 5,5V
• UP3 = 0.28V
• UP4 = 0.29V
Hệ sớ khuếch đại tầng
đầu:
1+2(R1/R2) =
1+2(16/5,6) =
6.7
3)Chế đợ vi sai lệch
cân bằng KĐ cuới:
• Ura = 4V
• UP3 = 0.28V
• UP4 = 0.28V
Hệ sớ khuếch đại tầng
đầu:
Trang 94)Chế độ vi sai lệch
cân bằng KĐ cuối:
• Ura = 5.3V
• UP3 = 0.27V
• UP4 = 0.28V
Hệ số khuếch đại tầng
đầu:
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:
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
Trang 108)Chế độ Mode chung
lệch cân bằng KĐ
cuối:
• Ura = 2V
• UP3 = 0.27V
• UP4 = 0.28V
Hệ số khuếch đại tầng
đầu:
• 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
1+2(R1/R2) = 5.85
• Kvs = 104
VR1 max,VR2 max
U3 = 0.34V, U4= 0.28V,
Ura = 6.2V
R1=21K, R2=6.6K,
R3=16K
1+R1/R2+R3/R2=6.6
• Kvs = 124
Trang 11VR1 min, VR2 max
U3 = 0.4V, U4 = 0.29V,
Ura = 6.2V
R1 =21K, R2=5.6K,
R3=16K
+ R3/R2 = 7.6
• Kvs = 124
c) Trường hợp 3:VR3 = VR1 = VR2 = min, tăng dần biên độ tín hiệu:
Ura chưa xén
KVS = 112
Ura bắt đầu xén
KVS = 112.22
Ura xén nhiều
KVS = 58.82
Trang 12II 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
O C 2
O C 1
I b
-+
U A 7 4 1
3
2 6
I N
R b A
+ E
U v
R 3 + E
I a
R a
U r
O U T B
R 1
-+
U A 7 4 1
3
Hình 5: Sơ đồ nguyên lý tổng quát của mạch khuếch đại cách ly
quang
Dòng Ia và Ib được tính như sau: a
v a
A
R
U R
U
Ia= =
r b
B
R K
U R
U
khi Ia = Ib ta có a v
b
R
R K
U =
( Ra=Rb) Từ đây ta tính được hệ số khuếch đại: v b
a r
R U
R U
K =
Khi Ra>Rb thì Ia<Ib, Ia~(E-Vce)/Ra; Ib~(E-Vce)/Rb Ia=Ib(Rb/Ra) và kết quả hệ sớ 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 giớng mạch nguyên lý ở trên Lúc đĩ Ia=Ib với điều kiện +E1=+E2 và
Trang 13+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 không vôn 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 có tín hiệu AC là Uv lúc đó tụ C1 dẫn, op-am lý tưởng trở thành op-am khuếch đại lập lại,
hệ số bằng 1 Vì vậy nó khuếch đại tín hiệu Uv so với áp tại nút B
Trang 144 Nội dung thí nghiệm
Sơ đồ nguyên lý
Mạch khuếch đại cách ly quang (Optoisolation Amplifier)
R 2 3
1 K
C 1
1 n F
- E 1
-+
U A 7 4 1
3
2
6
I N
+ E 1
- E 2
- E 1
V R 4
5 k
+ E 1
R 1 9
1 0 K
R 2 1
1 0 K
+ E 2
R 2 4
1 0 K
-+
U A 7 4 1
3
O U T
+ E 2
B
R 2 2
1 0 K
R 2 0
1 0 K
- E 2
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
Trang 155 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
Uv = 0.6v
Ur = 1v
Uv = 2.2v
Ur = 15v
Uv = 10v
Ur = 9v
Trang 16c.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
Ur = 15v Ur = 9vUv = 10v
