Các phương pháp thiết kế mạch điện tử

Các IC analog được chế tạo chủ yếu dưới dạng khuếch đại thuật toán như một mạch khuếchđại lý tưởng thực hiện nhiều chức năng trong các máy điện tử một cách gọn - nhẹ - hiệusuất cao.. Cá

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

VŨ THU ÁNH

CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCHĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KY THUÂT ĐIÊN TƯ

Thái Nguyên 2016

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KY THUÂT CÔNG NGHIÊP

VŨ THU ÁNH

CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ

Chuyên ngành : Kỹ thu tật Điện tử Mã

số : 60520203

LU N ẬN VĂN THẠC SĨ KY THUÂT ĐIÊN TƯ

KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS

Nguyên Duy Cương

PHÒNG ĐÀO TẠO

Thái Nguyên 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn “Các phương pháp thiết kế mạch điện tử” đã được thực hiện theo đúng mục tiêu đề ra dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Duy Cương.

Kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của cá nhân tôi.Trong toàn bộ luận văn, nhữngđiều được trình bày là của cá nhân và được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất cả các tàiliệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong

đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luậnvăn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cholời cam đoan của mình

Thái Nguyên, ngày 24 tháng 8 năm 2016

HỌC VIÊN

Vũ Thu Ánh

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp, tôi đã nhận được rấtnhiều sự giúp đỡ từ thầy cô, gia đình và bạn bè,…

Tôi xin bày tỏ sự cảm ơn chân thành đến thầy PGS.TS.Nguyễn Duy Cương –

người đã hướng dẫn tận tình tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:

Các thầy cô giáo Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đãtruyền thụ kiến thức cho tôi trong khoảng thời gian học tập tại trường và nhà trường đã tạođiều kiện cơ sở vật chất, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, làm thực nghiệm

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn bố mẹ và gia đình đã bên cạnh động viên trong thời gianqua

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp và bạn bè đã đóng góp giúp tôihoàn thành luận văn

Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế củabản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tôi mong nhận được sựđóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè, đồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 24 tháng 8 năm 2016

HỌC VIÊN

Vũ Thu Ánh

MỤC LỤC

ĐOAN .i LỜI

CẢM ƠN .iv

MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x LỜI NÓI ĐẦU xiii

CHƯƠNG 1 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Đặc tính truyền đạt 6

1.3 Mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng 7

1.4 Các phép toán sử dụng mạch khuếch đại thuật toán .7

1.4.1 Mạch khuếch đại không đảo 7

1.4.2 Mạch khuếch đại đảo (Khâu tỷ lệ) 8

1.4.3 Mạch khuếch đại cộng đảo (bộ cộng) 9

1.4.4 Mạch tích phân 10

1.4.5 Mạch vi phân 11

1.4.6 Mạch nhân tương tự .12

Kết luận chương 1 15

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ TỪ BIỂU THỨC TOÁN 16

vi2.1 Cơ sở lý thuyết 162.2 Thiết kế mạch điện tử hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS sửdụng khuếch đại thuật toán

vi i

Kết luận chương 2 28

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ TỪ SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 29

3.1 Cơ sở lý thuyết 293.2 Thiết kế mạch điện tử tương đương hệ thống điều khiển tối ưu LQG sử dụng

khuếchđại thuật

toán 29

3.2.1 Xây dựng mạch điện tử tương đương cho bộ quan sát LQE 303.2.2 Xây dựng mạch điện tử tương đương của bộ hiệu chỉnh tham số LQR 323.2.3 Xây dựng mạch điện tử tương đương của đối tượng điều

khiển 34

3.3 Kết quả mô phỏng mạch điện tử LQG trên phần mềm Multisim 2013 37

Kết luận chương 3 38

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ TỪ ĐỒ THỊ BODE 39

4.1 Đặc tính tần số của hệ thống

39

4.2 Giản đồ Bode 404.2.1 Các bước vẽ giản đồ Bode bằng các đường gần đúng 404.2.2 Nhận dạng hàm truyền đạt từ đặc tính tần cho trước

CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM 56

vi ii

5.1 Phần mềm hỗ trợ thiết kế mạch PCB Altium Designer 2010 56

5.2 Thiết kế mô hình thực hệ thống LQG sử dụng IC khuếch đại thuật toán LM324 57

5.3 Thiết kế mô hình thực bộ lọc tích cực sử dụng IC khuếch đại thuật toán LM324 58

5.4 Kết quả đo hiển thị trên máy hiện sóng 59

5.4.1 Kết quả đo dạng sóng của bộ điều khiển LQG 59

5.4.2 Kết quả đo trên hiện sóng của mô hình bộ lọc tích cực 61

Kết luận chương

5 63

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 64

 Kết luận: 64

 Kiến nghị: 64

 Hướng nghiên cứu tiếp theo: 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

viii viiiv

DANH MỤC CÁC HÌNH

CHƯƠNG 1 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 1

Hình 1.1 Ký hiệu khuếch đại thuật toán trong sơ đồ mạch điện tử .2

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo bên trong của khuếch đại thuật toán µA741 3

Hình 1.3 Đặc tuyến truyền đạt của khuếch đại .6

Hình 1.4 Mạch khuếch đại không đảo 8

Hình 1.5 Mạch khuếch đại đảo 9

Hình 1.6 Mạch khuếch đại cộng đảo 10

Hình 1.7 Mạch tích phân 11

Hình 1.8 Mạch vi phân 12

Hình 1.9 Sơ đồ chân của IC nhân AD633JN/AN 13

Hình 1.10 Sơ đồ mạch nhân sử dụng IC AD633JN 13

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TỪ BIỂU THỨC TOÁN 16

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) 18

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) 21

Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện tử tương đương miêu tả “mô hìnhđối tượng” .22

Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện tử tương đương miêu tả “mô hình mẫu” .22

Hình 2.5 Sơ đồ mạch điện tử tương đương miêu tả “bộ điều khiển PD thích nghi” .24

Hình 2.6 Kết quả mô phỏng hệ thống MRAS trên phần mềm Multisim 2013 24

Hình 2.7 Tín hiệu thích nghi Kd 26

Hình 2.8 Tín hiệu thích nghi Kp 26 Hình 2.9 Sơ đồ mạch điện tử hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu MRAS sử dụng khuếch đại thuật toán

ixi xix 27

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ TỪ SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 29

Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nâng cao LQG 30

Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc bộ quan sát LQE 30

Hình 3.3 Sơ đồ mạch điện tử tương đương bộ quan sát LQE 31

Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc bộ hiệu chỉnh LQR 32

Hình 3.5 Mạch điện tử tương đương của bộ hiệu chỉnh LQR 33

Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc đối tượng điều khiển 34

Hình 3.7 Sơ đồ mạch điện tử hàm dấu sử dụng KĐTT 34

Hình 3.8 Sơ đồ mạch điện tử tương đương của đối tượng điều khiển sử dụng KĐTT 35

Hình 3.9 Sơ đồ mạch mô phỏng hệ thống điều khiển LQG trên Multisim 2013 36

Hình 3.10 Kết quả mô phỏng mạch điện tử tương đương LQG trên phần mềm Multisim 2013 37

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TỪ ĐỒ THỊ BODE 39

Hình 4.1 Giản đồ Bode (đặc tính biên độ) 42

Hình 4.2 Giản đồ Bode (đặc tính pha) 42

Hình 4.3 Biểu đồ Bode biên độ các hàm 44

Hình 4.4 Biểu đồ Bode biên độ tổng thể của hệ thống 44

Hình 4.5 Biểu đồ đặc tính biên độ gần đúng 45

Hình 4.6 Đặc tính biên độ của hàm truyền được nhận dạng ở bước 4 47

Hình 4.7 Biểu đồ Bode (đặc tính biên độ và đặc tính pha) 48

Hình 4.8 Đường gần đúng với đường biên độ của biểu đồ Bode 49

Hình 4.9 Biểu đồ Bode (đặc tính biên độ) với các tần số gãy của đường gần đúng 49

Hình 4.10 Biểu đồ Bode (Đặc tính biên độ, đặc tính pha) của hàm truyền vừa nhận dạng 51

Hình 4.11 Sơ đồ cấu trúc của hàm truyền đạt .51

Hình 4.12 Sơ đồ mạch điện tử tương đương của bộ lọc .52

Hình 4.13 Sơ đồ mạch điện tử tương đương mô phỏng trên Multisim 2013 54

xHình 4.14 Kết quả mô phỏng hệ thống trên Multisim 2013 54

CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM 56

Hình 5.1 Mạch in (PCB) được hoàn thiện bằng phần mềm Altium Designer 2010 57

Hình 5.2 Mạch in (PCB) thực hiện với phần mềm Altium Designer 2010 58

Hình 5.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử của bộ lọc tích cực trên Altium Designer 58

Hình 5.4 Sơ đồ mạch in PCB của bộ lọc tích cực trên phần mềm Altium Designer 59

Hình 5.5 Hình ảnh thực nghiệm trên phòng thí nghiệm Khoa Điện tử -TNUT 59

Hình 5.6 Kết quả đo thực nghiệm dạng sóng đầu ra đối tượng của bộ điều khiển LQG 60

Hình 5.7 Kết quả đo thực nghiệm dạng sóng của khối quan sát LQE 60

Hình 5.8 Tín hiệu đầu ra của đối tượng điều khiển và khối quan sát 61

Hình 5.9 Kết quả đo thực nghiệm dạng sóng của bộ lọc tích cực 1 61

Hình 5.10 Kết quả đo thực nghiệm dạng sóng của bộ lọc tích cực 2 62

xi i

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các cấu hình khuếch đại thuật toán cơ bản 14

Bảng 3.1 Giá trị các linh kiện sử dụng để xây dựng bộ quan sát LQE 32

Bảng 3.2 Giá trị các linh kiện sử dụng để xây dựng bộ hiệu chỉnh LQR 33

Bảng 3.3 Giá trị các linh kiện sử dụng để xây dựng đối tượng điều khiển 35

Bảng 4.1 Các thông số giá trị các linh kiện (tụ điện, điện trở) 53

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

KCL : Kirchhoff Current Law

KVL : Kirchhoff Voltage Law

ĐLK1 : Định luật Kirchhoff về dòng điện ĐLK2 : Định luật Kirchhoff về điện áp KĐTT : Khuếch đại thuật toán

LQR : Linear Quadratic Regulator LQE :Linear Quadratic Estimator PCB : Printed Circuit Board KĐTT : Khuếch đại thuật toán

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến của thếgiới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Sự phát triển của kỹthuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xáccao, tốc độ đáp ứng nhanh,…là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của conngười đạt hiệu quả ngày càng cao hơn

Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Điện tử đã đáp ứng đượcnhững đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếucủa con người trong cuộc sống hằng ngày Điện tử tương tự là môn học cơ sở, nhằm cùngcấp cho người học những kiến thức cơ bản nhất để phân tích, thiết kế các mạch điện trong

hệ thống mạch điện tử Khi nghiên cứu chuyên sâu về kỹ thuật điện tử phải biết thiết kếmạch điện tử theo yêu cầu thực tế cuộc sống

Nhận thấy được mức độ cấp thiết của vấn đề và được sự gợi ý của thầy giáo hướng

dẫn em đã chọn đề tài: “Các phương pháp thiết kế mạch điện tử”làm luận văn tốt nghiệp

của mình

Phương pháp nghiên cứu của đề tài như sau:

- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng các bước thiết kế mạch điện tử từ yêu cầu chotrước, tính toán, thiết kế các mạch điện tử tương đương sử dụng IC khuếch đạithuật toán

- Kiểm chứng kết quả lý thuyết thông qua mô phỏng trên phần mềm Multisim 2013

- Tiến hành thiết kế mô hình thực sử dụng công cụ phần mềm hỗ trợ AltiumDesigner2010

- Tiến hành đo thực nghiệm thông qua máy hiện sóng

Cấu trúc luận văn bao gồm 5 chương, nội dung tóm tắt của các chương như sau:

Chương 1 Khuếch đại thuật toán.

Chương 2 Thiết kế mạch điện tử tương tự từ biểu thức toán.

Chương 3 Thiết kế mạch điện tử tương tự từ sơ đồ cấu trúc điều khiển.

Chương 4 Thiết kế mạch điện tử tương tự từ đồ thị Bode

Chương 5 Thực nghiệm.

www lr c.tnu.edu.vn

CHƯƠNG 1 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

Ngày nay IC analog sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử Khi sử dụng chúngcần đấu thêm các điện trở, tụ điện, điện cảm tùy theo từng loại và chức năng của chúng

Sơ đồ đấu cũng như trị số của các linh kiện ngoài được cho trong các sổ tay IC analog Các

IC analog được chế tạo chủ yếu dưới dạng khuếch đại thuật toán (như một mạch khuếchđại lý tưởng) thực hiện nhiều chức năng trong các máy điện tử một cách gọn - nhẹ - hiệusuất cao Chương này sẽ giới thiệu về IC khuếch đại thuật toán (Mục 1.1), đặc tính truyềnđạt (Mục 1.2), mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng (Mục 1.3), các cấu hình được thựchiện bởi khuếch đại thuật toán (Mục 1.4)

1.1 Giới thiệu chung

Khuếch đại thuật toán [1]; [2]; [3]; [5]; [7]; [8] (tiếng Anh: operational amplifier),

thường được gọi tắt là op-amp là một mạch khuếch đại "DC-coupled" (tín hiệu đầu vào

bao gồm cả tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai và thôngthường có đầu ra đơn Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiểnbằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào vàtổng trở đầu ra

Các mạch khuếch đại thuật toán có những ứng dụng trải rộng trong rất nhiều cácthiết bị điện tử thời nay từ các thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp và khoa học Cácmạch khuếch đại thuật toán thông dụng hiện nay có giá bán rất rẻ Các thiết kế hiện đại

đã được điện tử hóa chặt chẽ hơn trước đâyvà một số thiết kế cho phép mạch điện chịuđựng được tình trạng ngắn mạch đầu ra mà không làmhư hỏng

Danh từ "Khuếch đại thuật toán" (OA- Operational Amplifier) thuộc về bộ khuếchđại dòng một chiều có hệ số khuếch đại lớn, có hai đầu vào vi sai và một đầu ra chung.Tên gọi này có quan hệ tới việc ứng dụng đầu tiên của chúng chủ yếu để thực hiện cácphép tính cộng, trừ, tích phân, vi phân… Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán đóng vaitrò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin

và xung, trong bộ ổn áp và bộ lọc tích cực Ký hiệu quy ước của một bộ khuếch đạithuật toán (KĐTT) cho trên Hình 1.1với đầu vào không đảo (ký hiệu bằng dấu “+”) và đầuthứ hai là đầu vào đảo (ký hiệu bằng

www lr c.tnu.edu.vn

2

www lr c.tnu.edu.vn

3dấu “-”)

Hình 1.1.Ký hiệu khuếch đại thuật toán trong sơ đồ mạch điện tử

Khi có tín hiệu đưa vào đầu không đảo thì gia số tín hiệu ra cùng dấu (cùng pha)với gia số tín hiệu vào.Nếu tín hiệu được đưa vào đầu vào đảo thì gia số tín hiệu rangược dấu (ngược pha) so với gia số tín hiệu vào Đầu vào đảo thường được dùng để thựchiện phản hồi âm bên ngoài cho KĐTT

Cấu tạo cơ sở của KĐTT là các tầng vi sai dùng làm tầng vào và tầng giữa của bộkhuếch đại Tầng ra của KĐTT thường là tầng lặp phát (CC) đảm bảo khả năng tải yêu cầucủa các sơ đồ.Vì hệ số khuếch đại của tầng lặp phát gần bằng 1 nên hệ số khuếch đại đạtđược nhờ tầng vào và các tầng khuếch đại trung gian mắc giữa tầng vi sai và tầng ra.Tuỳthuộc vào hệ số khuếch đại của KĐTT mà quyết định số lượng tầng trung gian.Ngoài raKĐTT còn có các tầng phụ như tầng dịch mức điện áp một chiều, tầng tạo nguồn ổn dòng,mạch hồi tiếp

Hình 1.2.Sơ đồ cấu tạo bên trong của khuếch đại thuật toán µA741

Mặc dù các thiết kế có thể khác nhau giữa các sản phẩm và các nhà chế tạo,nhưng tất cả các mạch khuếch đại thuật toán đều có chung những cấu trúc bêntrong, bao gồm 3 tầng:

Mạch khuếch đại vi sai:

Tầng khuếch đại đầu vào, tạo ra độ khuếch đại tạp âm thấp, tổng trở vào cao,thường có đầu ra vi sai

Mạch khuếch đại điện áp:

Tầng khuếch đại điện áp, tạo ra hệ số khuếch đại điện áp lớn, độ suy giảm tần

số đơn cực, và thường có ngõ ra đơn

Mạch khuếch đại đầu ra:

Tầng khuếch đại đầu ra, tạo ra khả năng tải dòng lớn, tổng trở đầu ra thấp, cógiới hạn dòng và bảo vệ ngắn mạch

� �

(� + − � − − 2�� � )/39� 𝛺

Trạng thái của tầng khuếch đại đầu vàođược điều khiển bởi hai gương dòng

www lr c.tnu.edu.vn

điện bên phía trái Q10 and Q11 hình thành một nguồn dòng Widlar trong đó điệntrở 5kΩ sẽ đặt dòng điện của cực thu Q10 đến một trị số có tỷ lệ rất nhỏ so với dòng điệnban đầu Dòng điện cố định của Q10 cấp dòng cực nền cho transistor Q3 và Q4 nhưngcũng cấp dòng cực thu cho Q9, trong khi gương dòng điện Q8 và Q9 sẽ cố bám theo độlớn của dòng cực thu Q3 và Q4 Dòng nay cũng bằng với dòng điện yêu cầu cho đầu vào

và sẽ là một tỷ lệ nhỏ của dòng điện Q10 vốn đã nhỏ

Một cách khác để nhìn nhận vấn đề là nếu dòng điện của đầu vào có khuynhhướng tăng cao hơn dòng điện Q10, thì gương dòng điện Q8, Q9 sẽ tháo bớt dòng điện rakhỏi cực nền chung của Q3 và Q4, hạn chế dòng đầu vào và ngược lại Như vậy, điều kiện

về một chiều của tầng đầu vào sẽ được ổn định nhờ một hệ thống hồi tiếp âm có độ lợicao Vòng hồi tiếp này cũng loại trừ những thay đổi theo hướngđồng pha của cácthành phần khác trong mạch bằng cách làm cho điện áp cực nền của Q3/Q4 bám theo2Vbe thấp hơn trị số của điện áp đầu vào

Gương dòng điện ở góc trái trên Q12/Q13 tạo ra dòng điện cố định cho tầngkhuếch đại điện áp lớp A qua cực thu của Q13 và độc lập với điện áp ngõ ra

Tầng khuếch đại vi sai đầu vào:

Phần mạch điện tô màu xanh dương đậm là một tầng khuếch đại vi sai Q1 vàQ2 là transistor đầu vào, lắp theo kiểu theo cực phát (hay kiểu cực thu chung) phối hợpbởi đôi transistor Q3 và Q4 nối cực gốc chung thành mạch vi sai đầu vào Ngoài ra, Q3 vàQ4 cũng tác động như một bộ dời mức điện áp và tạo ra một độ lợi để kéo tầng khuếchđại lớp A Chúng cũng tăng cường khả năng chịu điện áp ngược của Vbe rating cho cáctransistor đầu vào

Mạch khuếch đại vi sai Q1 Q4 sẽ kéo một tải tích cực là gương dòng điện Q5 Q7 Q7 làm tăng độ chính xác của gương dòng điện bằng cách giảm trị số dòng điệntín hiệu cần thiết đi từ Q3 để kéo cực nền của Q5 và Q6 Gương dòng điện này sẽ biếnđổi tín hiệu vi sai thành tín hiệu đơn theo cách sau:

-Dòng điện tín hiệu của Q3 sẽ là đầu vào của gương dòng điện trong khi đầu racủa gương dòng điện (cực thu của Q6) được nối đến cực thu của Q4 Ở đây, dòng tín hiệucủa Q3 và Q4 sẽ được cộng lại với nhau Đối với nguồn vi sai đầu vào, tín

www lr c.tnu.edu.vn

hiệu của Q3 và Q4 bằng và ngược dấu với nhau Như thế, tổng này sẽ bằng hai lần dòngđiện tín hiệu Mạch này đã hoàn tất quá trình biến từ tín hiệu vào vi sai thành tín hiệu rađơn

Điện áp tín hiệu hở mạch xuất hiện ở điểm này do tổng dòng điện trên, các điệntrở cực thu của Q4 và Q6 nối song song Do điện trở cực thu của Q4 và Q6 đối với tín hiệu

sẽ rất lớn, nên độ li75 của điện áp hở mạch của tầng này sẽ rất lớn

Cần lưu ý rằng dòng điện cực nền của đầu vào khác không và tổng trở đầu vào visai của 741 sẽ xấp xỉ 2MΩ Chân "offset null" có thể được dùng để lắp các điện trở ngoàisong song với điện trở 1kΩ (thông thường đó sẽ là 2 đầu cuối của 1 biến trở tinh chỉnh)

để điều chỉnh cân bằng cho gương dòng điện Q5, Q6 và như thế sẽ gián tiếp điều chỉnhđiện áp ra khi tín hiệu đầu vào = 0

Tầng khuếch đại điện áp lớp A:

Phần nằm trong khối màu tím là một mạch khuếch đại lớp A Nó bao gồm 2transistor NPN nối Darling ton và sử dụng đầu ra của một gương dòng điện làm tải cựcthu nhằm có độ lợi lớn Tụ điện 30pF tạo ra hồi tiếp âm chọn lọc tần số cho tầngkhuếch đại này, hình thành một bộ bù tần số để tạo sự ổn định.Kỹ thuật này gọi là bù kiểuMiller và chức năng của nó giống như một mạch tích phân dùng mạch khuếch đại thuậttoán Đặc tuyến biên độ tần số của nó có độ dốc bắt đầu từ 10Hz và giảm 3dB/bát độtheo tần số Nó sẽ kết thúc khi độ lợi giảm xuống một

Mạch định thiên đầu ra:

Khối màu xanh lá cây (Q16) là một mạch dời mức điện áp hoặc một mạch nhânVbe, một dạng của nguồn điện áp Trong mạch điện như hình vẽ, Q16 tạo ra một sụt ápkhông đổi giữa cực thu và cực phát bất kể dòng điện qua mạch Nếu dòng điện cựcnền gần bằng không, điện áp giữa hai cực phát và cực nền là 0.625V (trị số tiêu chuẩncủa BJT trong miền tích cực) Do đó, dòng điện đi qua điện trở

4.5kΩ sẽ bằng với dòng đi qua điện trở 7.5kΩ và sẽ gây ra giảm áp trên đó là

0.375V Do đó, nó sẽ duy trì điện áp trên 2 đầu transistor và 2 điện trở là 0.625 +

0.375 = 1V Nó sẽ định thiên cho 2 transistor đầu ra ở vùng dẫn gần và giảm méo xuyêntâm.Trong một số mạch khuếch đại linh kiện rời, chức năng này được thực

Điện trở 25Ω trong mạch ra tác động như một mạch nhạy dòng, để tạo chức nănggiới hạn dòng ra của transistor Q14 đến trị số khoảng 25mA đối với 741.Giới hạn chodòng điện ra âm bằng cách sử dụng điện áp ngang qua điện trở cực phát của Q19 và dùngđiện áp này để giảm bớt dòng điện kéo cực nền của Q15.Với các phiên bản mới hơn cóthể thấy những sai biệt nhỏ trong mạch giới hạn dòng ra này.

Điện trở ra không bằng 0 nhưng nếu sử dụng hồi tiếp thì có thể tiến đến gần

0 nếu có sử dụng hồi tiếp âm

1.2 Đặc tính truyền đạt

Đặc tuyến quan trọng nhất của KĐTT là đặc tuyến truyền đạt Hình 1.3, gồm

hai đường cong tương ứng với các đầu vào đảo và không đảo

Hình 1.3.Đặc tuyến truyền đạt của khuếch đạiMỗi đường cong gồm hai đoạn nằm ngang và một đoạn dốc.Đoạn nằm ngangtương ứng với chế độ tranzitor tầng ra thông bão hòa hoặc cắt dòng Trên những

www lr c.tnu.edu.vn

đoạn đó khi thay đổi điện áp tín hiệu đặt vào, điện áp ra của bộ KĐTT không đổi và

được xác định bằng các giá trị U+ ra max, U− ra max gọi là giá trị điện áp ra cực đại

(điện áp bão hòa) gần bằng nguồn cung cấp EC (thường nhỏ hơn nguồn EC từ (13)

V) Đoạn dốc biểu thị phụ thuộc tỉ lệ của điện áp ra với điện áp vào với góc nghiêng xácđịnh hệ số khuếch đại của KĐTT (khi không có mạch phản hồi bên ngoài)

www lr c.tnu.edu.vn

� = � � �

Hiệu giữa các điện áp ở các đầu vào không đảo và đầu vào đảo được định

nghĩa là điện áp vào vi sai � 0 : � 0 = ��+ − �� –

Khi đó điện áp ra � �� (so với mass) được tính:

��� = � �0 = � (�� + − �� −) (1.2)

1.3 Mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng

- Trở kháng vào của KĐTT nhìn từ hai đầu lối vào là vô cùng lớn: � � = ∞

- Trở kháng ra của KĐTT nhìn từ đầu ra so với mass là bằng 0: �� = 0

- Hệ số khuếch đại (chưa thực hiện phản hồi) tiến tới vô cùng: � = ∞

- Độ "trôi điểm không" bằng 0 - các đường đặc tuyến đi qua gốc tọa độ

Hệ quả:

 Với giả thiết trở kháng vào là vô cùng lớn nên không có dòng điện vào hoặc ra

khỏi đầu vào của KĐTT: 𝐼� + = 𝐼� − = 𝐼� = 0

 Giả thiết trở kháng ra bằng 0 nên giá trị điện áp ở đầu ra ��� không phụ thuộc

vào dòng điện tải

 Vì ��� = � �0 = � (��+ − �� −) với giả thiết K =  (giá trị điện áp ra ���

hữu hạn) �0  0 �� + = �� –

1.4 Các phép toán sử dụng mạch khuếch đại thuật toán

1.4.1 Mạch khuếch đại không đảo

Điện áp vào được đưa đến đầu vào không đảo.Mạch thực hiện phản hồi âm điện

áp, thông qua điện trở R1, Rph đưa đến đầu vào đảo Giả thiết KĐTT là lý tưởng, ta có:

�� = U0 + �𝑁 �ì U0 = 0 �� = �𝑁

Hình 1.4.Mạch khuếch đại không đảo

Áp dụng định luật Kirchoff 1 tại điểm N ta có:

Iph = I1 + Io

� 𝑁 + 0𝑅1

� � � − � � 𝑅� ℎ

� �

=𝑅1Hay có thể biểu diễn dưới dạng đầu ra so với đầu vào như sau:

� � �

�� = 1 +

𝑅� ℎ 𝑅1

1.4.2.Mạch khuếch đại đảo (Khâu tỷ lệ)

Điện áp vào cần khuếch đại được đưa đến đầu vào đảo thông qua điện trở R1.Đầu vào không đảo được nối với điểm chung của sơ đồ (nối đất) Để lấy phản hồi âm tadùng điện trở Rph đưa từ đầu ra quay về đầu vào đảo

Hình 1.5.Mạch khuếch đại đảo

Giả thiết IC KĐTT là lý tưởng, chiều các dòng điện như Hình 1.5𝑖0 : Dòng điện đầu vào đảo của KĐTT

�0 : Điện áp giữa hai đầu vào của KĐTT (�0 = �𝑁 − �𝑃 = 0)

Do KĐTT có trở kháng đầu vào là vô cùng lớn (�� ) nên 𝑖0 = 0

Áp dụng định luật Kirchoff 1 tại nút N ta có:

𝑖1 − 𝑖� ℎ − 𝑖0 − = 0

Trong đó:

Suy ra:

𝑖1 = � � − �

𝑁 𝑅1

; 𝑖� ℎ

= � 𝑁 − �

� � 𝑅� ℎ

� � �

��

𝑅� ℎ

= −𝑅1

Ta nhận thấy hệ số khuếch đại của mạch chỉ phụ thuộc vào thông số của các phầntử thụ động trong sơ đồ Khi thay đổi giá trị điện trở Rph ta có thể thay đổi được hệ sốkhuếch đại của toàn mạch

1.4.3 Mạch khuếch đại cộng đảo (bộ cộng)

Hình 1.6.Mạch khuếch đại cộng đảoGiả thiết KĐTT là lý tưởng Áp dụng định luật Kirchoff 1 tại nút N ta có:

𝐼� ℎ = 𝐼1 + 𝐼2 + ⋯ + 𝐼�

Hoặc có thể viết dưới dạng:

� 𝑁 − �

� �

=𝑅� ℎ

�1 − �

𝑁 +𝑅1

� 2 − �

𝑁 𝑅2

+ ⋯ + � � − �

𝑁 𝑅�

Mặt khác ta có: �𝑁 = �𝑃 = 0 (tính chất của khuếch đại thuật toán)

Suy ra:

��� = −𝑅� ℎ �1

𝑅1

� 2+𝑅2

� � + ⋯ +

Sơ đồ mạch thể hiện khâu tích phân như Hình 1.7 Giả sử KĐTT là lý tưởng,

áp dụng định luật Kirchoff 1 tại nút N ta có phương trình dòng điện sau:

𝑖𝑅 = 𝑖� → � � − �

𝑁

= �𝑅

Hoặc

𝑖𝑅 = 𝑖� → � � − �

𝑁 =𝑅

� 𝑁 − �

� � 1

(**)

� �

Hình 1.7 Mạch tích phânMặt khác ta có: �𝑁 = �𝑃 = 0

Từ (*) ta có thể biểu diễn mối quan hệ dưới dạng đầu ra so với đầu vào như sau:

1 tura = − RC uv dt + ura (0)

Từ (**) ta có thể biểu diễn mối quan hệ vào ra trên miền S như sau:

1 1

1.4.5 Mạch vi phân

ura = − RC s uv

Sơ đồ mạch vi phân cho trên Hình 1.8.Giả thiết IC lý tưởng

Áp dụng định luật Kirchhoff 1 tại nút N ta có:

iC = iRHay

d(u v − u N )

C =dt

u N − u raRMặt khác ta có: �𝑁 = �𝑃 = 0

Hình 1.8 Mạch vi phânSuy ra ta có:

Biểu thức miêu tả mối quan hệ vào/ra trên miền thời gian:

du vura = −RC

dtBiểu thức miêu tả mối quan hệ vào/ra trên miền S:

ura = −s RCTrong đó: RC là hằng số tích phân của mạch

Khi tín hiệu vào là hình sin, bộ vi phân làm việc như là bộ lọc tần cao, hệ số khuếch đại của

nó tỷ lệ thuận với tần số tín hiệu vào và làm quay pha u vào một góc 90 độ Thường bộ vi phân làm việc kém ổn định ở tần cao vì khi đó:

1

�� =

𝜔� → 0làm hệ số hồi tiếp âm giảm

1.4.6 Mạch nhân tương tự

IC nhân AD633:

Hình 1.9 Sơ đồ chân của IC nhân AD633JN/AN

IC AD633 là bộ nhân tương tự 4 góc phần tư hoàn chỉnh, có trở kháng vào lớn, cácđầu vào vi sai X và Y và có trở kháng cộng với tín hiệu vào (Z) IC AD633 là một sản phẩm

có chi phí hợp lý và dễ sử dụng.Điện áp cấp để duy trì hoạt động

cho IC từ ±8�đến ±18� Điện áp chia tỷ lệ bên trong được tạo ra bởi đi-ốt Zener

ổn định điện áp

Mối liên hệ đầu vào – đầu ra:

Hình 1.10 Sơ đồ mạch nhân sử dụng IC AD633JN

Giả sử nhân 2 tín hiệu đầu vào lần lượt là X và Y, tín hiệu đầu ra được ký hiệu là

W Ta có công thức liên hệ sau:

�1 − �2 × �1 − �2

� = + �

10

Bảng1.1.Các cấu hình khuếch đại thuật toán cơ bản