Bai giang kỹ thuật điện tử tương tự

Một bộ khuếch ñại bảo ñảm ñược sự chi tiết của dạng sóng tín hiệu ñược ñặc trưng bởi quan hệ: vo t = Av ti 1.4 Trong ñó v ivà v0theo thứ tự là tín hiệu ñầu vào và tín hiệu ñầu ra v

1.4 Khuếch ựại tắn hiệu

1.5 Mô hình mạch khuếch ựại

1.6 đáp ứng tần của mạch khuếch ựại

1.7 Phản hồi trong bộ khuếch ựại

Tài liệu học tập

1.1 TÍN HIỆU

Tín hiệu chứa ñựng thông tin về những sự vật sự việc khác nhau trong thế giới vật chất của chúng ta Có khá nhiều những ví dụ về tín hiệu như: Thông tin về thời tiết, ñược chứa ñựng trong những tín hiệu thể hiện nhiệt ñộ, áp suất, tốc ñộ gió,…Giọng nói trên một chương trình radio ñọc bản tin thời sự vào một mirco chính là một tín hiệu âm thanh

Nó chứa ñựng những thông tin về các vấn ñề của thế giới ðể kiểm tra tình trạng của một

lò phản ứng hạt nhân, người ta sử dụng những công cụ ñể ño ñạc vô số các thông số liên quan, mỗi công cụ cung cấp một loại tín hiệu

ðể thu ñược những thông tin cần thiết từ một tập hợp các tín hiệu ta phải xử lý tín hiệu theo những cách thức nhất ñịnh Quá trình xử lý thông tin này ñược thực hiện một cách thuận tiện bởi các hệ thống ñiện tử Tuy nhiên, ñể thực hiện ñược ñiều này, trước tiên tín hiệu cần xử lý phải ñược chuyển ñổi sang dạng tín hiệu ñiện, có thể là dòng ñiện hay ñiện áp Quá trình này ñược thực hiện bởi các thiết bị ñược gọi là bộ chuyển ñổi (cảm biến, sensor) Trong thực tế tồn tại rất nhiều bộ chuyển ñổi, mỗi bộ chuyển ñổi chỉ phù hợp với một trong vô số các dạng khác nhau của tín hiệu vật lý Ví dụ như, sóng âm thanh sinh ra bởi con người có thể chuyển ñổi sang tín hiệu ñiện bằng việc sử dụng một micro, dựa vào bộ chuyển ñổi áp suất Do mục tiêu của chúng ta ở ñây không phải là nghiên cứu các bộ chuyển ñổi, nên ta sẽ giả thiết rằng tín hiệu mong muốn ñã ñược chuyển về dạng tín hiệu ñiện và ñược biểu diễn thông qua một trong hai dạng tương ñương ñược mô tả trong Hình 1.1

Trong Hình 1.1(a) tín hiệu ñược miêu tả thông qua nguồn ñiện áp v t s( ) có nội trở nguồn R s Với cách miêu tả khác trong Hình 1.1(b) tín hiệu ñược thể hiện thông qua nguồn dòng ñiện i t s( ) có nội trở nguồn R s Mặc dù hai cách miêu tả này là tương ñương, nhưng dạng ở Hình 1.1(a) (ñược biết ñến như dạng Thevenin) ñược sử dụng nhiều hơn khi RS có giá trị thấp Còn dạng ở Hình 1.1(b) (dạng Norton) lại ñược sử dụng nhiều hơn khi RS có giá trị cao Phần sau của chương sẽ lý giải rõ ñiều này khi ñề cập về những dạng khác nhau của các bộ khuếch ñại Chú ý rằng với hai mô tả trong Hình 1.1 ñể cho tương ñương, những thông số của chúng phải thỏa mãn phương trình:

Từ phần thảo luận trên, ta thấy tín hiệu là một ñại lượng biến ñổi theo thời gian và

nó có thể ñược miêu tả thông qua một ñồ thị như Hình 1.2 Trong thực tế nội dung thông tin nằm trong sự thay ñổi ñộ lớn của tín hiệu theo thời gian - tức là thông tin ñược chứa

Tài liệu học tập

ñựng trong những “ñường gợn sóng” của dạng tín hiệu Nhìn chung, những dạng sóng như thế này khó có thể mô tả bằng toán học Nói theo cách khác, không dễ dàng ñể miêu

tả cô ñọng một dạng sóng bất kỳ như Hình 1.2 Hiển nhiên, việc mô tả dạng tín hiệu có một tầm quan trọng rất lớn ñối với mục ñích thiết kế những mạch xử lý tín hiệu thích hợp nhằm thực hiện những chức năng mong muốn trên những tín hiệu cho trước

Hình 1.1 Hai cách khác nhau khi thể hiện nguồn tín hiệu

(a) Dạng Thevenin (b) Dạng Norton

Hình 1.2 Tín hiệu ñiện áp bất kỳ 1.2 PHỔ TẦN SỐ CỦA TÍN HIỆU

Một phương pháp mô tả ñặc tính của tín hiệu rất hiệu quả, với bất kỳ hàm thời gian nào, là theo phổ tần số của nó Cách mô tả tín hiệu này ñạt ñược thông qua các công cụ toán học như chuỗi Furie và biến ñổi Furie Ở ñây, ta không cần quan tâm chi tiết ñến những biến ñổi này mà chỉ cần hiểu rằng chúng cho ta phương pháp mô tả một tín hiệu ñiện áp v t s( )hoặc một tín hiệu dòng ñiện i t s( ) như là tập hợp các tín hiệu hình sin có tần số

và biên ñộ khác nhau ðiều này làm cho sóng hình sin trở thành một tín hiệu rất quan

Tài liệu học tập

trọng trong phân tích, thiết kế và kiểm tra các mạch ñiện tử Chính vì vậy, trước tiên, ta sẽ

ñi tìm hiểu qua về những tính chất của ñường hình sin Hình 1.3 trình bày một dạng tín hiệu ñiện áp hình sin v t a( )

v t a( )= V asin ωt (1.1)

Hình 1.3 Tín hiệu ñiện áp hình sin với biên ñộ Va , chu kỳ T, tần số f = 1

T Hz Trong Hình 1.3, Va biểu thị giá trị cực ñại hay biên ñộ, có ñơn vị là volt và ω biểu thị tần số góc có ñơn vị radian trên giây ω= 2πf rad/s Tần số f ñược tính bằng hertz, f =

1/T Hz và T là chu kỳ tính bằng giây

Tín hiệu hình sin hoàn toàn có thể ñược ñặc trưng bởi các tham số là: giá trị cực ñại V a, tần số góc ω, góc pha của nó so với thời gian tham chiếu bất kỳ Trong trường hợp ñược mô tả trong Hình 1.3, thời ñiểm ban ñầu ñược chọn sao cho góc pha ban ñầu bằng 0

Ta cũng có thể biểu diễn biên ñộ của sóng sin theo giá trị hiệu dụng của nó (bằng giá trị giá trị cực ñại chia cho 2) Do ñó giá trị hiệu dụng của ñường hình sin v t a( ) của Hình 1.3 là V a/ 2 Ví dụ, khi ta nói rằng nguồn cung cấp trên lưới ñiện sinh hoạt của chúng ta là 220V, ta hiểu rằng nó có dạng một sóng hình sin có giá trị ñiện áp cực ñại

220 2V Trong việc thể hiện các tín hiệu bằng tổng các ñường hình sin, khi tín hiệu là một hàm thời gian có chu kỳ, chuỗi Furie ñược dùng ñể thực hiện nhiệm vụ này Mặt khác, trong trường hợp tổng quát, khi tín hiệu mà dạng sóng của nó là một hàm bất kỳ theo thời gian thì ta sử dụng biến ñổi Furie

Chuỗi Furie cho phép chúng ta biểu diễn một hàm tuần hoàn theo thời gian cho trước dưới dạng tổng của vô hạn của sóng hình sin có tần số cơ bản (cùng tần số với hàm tuần hoàn) và các sóng hài Ví dụ, tín hiệu xung vuông ñối xứng trong Hình 1.4 có thể ñược mô tả như sau:

Trong ñó V là biên ñộ của xung vuông và ω 0= 2 / Tπ (T là chu kỳ của xung vuông)

là tần số cơ bản Chú ý rằng do biên ñộ của các sóng hài bậc cao sẽ giảm dần, nên những chuỗi vô hạn có thể ñược loại bỏ, những chuỗi ñã lược bỏ sẽ làm cho dạng tín hiệu chỉ còn gần giống với xung vuông

Hình 1.4 Tín hiệu xung vuông tuần hoàn ñối xứng có biên ñộ V

Hình 1.5 Phổ tần số của xung vuông tuần hoàn trong Hình 1.4 Những thành phần hình sin trong những chuỗi của Phương trình 1.2 tạo thành phổ tần số của tín hiệu xung vuông Phổ này có thể ñược biểu diễn bằng ñồ thị như Hình 1.5,

ở ñó trục hoành thể hiện cho tần số góc ω và có ñơn vị là rad/s

Biến ñổi Furie ñược áp dụng trong trường hợp tổng quát cho một hàm bất kỳ không tuần hoàn theo thời gian (VD như tín hiệu ñược mô tả trong Hình 1.2) và kết quả là phổ tần số của tín hiệu giống như một hàm liên tục theo tần số (thể hiện trong Hình 1.6) ðiều này không giống như trường hợp các tín hiệu tuần hoàn mà ở ñó phổ tần bao gồm những tần số gián ñoạn (ở ω 0 và các sóng hài của nó) Nói chung phổ của tín hiệu không tuần hoàn bao gồm tất cả các tần số có thể

Tuy nhiên, những thành phần cần thiết trong phổ của những tín hiệu trong thực tế chỉ giới hạn trong một ñoạn tương ñối ngắn của trục tần số (ñây là một nhật xét rất có lợi trong quá trình xử lý những tín hiệu này) Ví dụ, phổ của những âm thanh nghe ñược như

Tài liệu học tập

tiếng nói và âm nhạc kéo dài trong khoảng 20Hz tới khoảng 20kHz- khoảng tần số ñó

ñược gọi là dải âm thanh Ở ñây ta nên lưu ý rằng mặc dù một số nhạc cụ phát ra âm

thanh có tần số cao hơn 20kHz, nhưng tai của con người không có khả năng nghe ñược

âm thanh ở những tần số lớn hơn nhiều 20 kHz Một ví dụ khác, những tín hiệu video tương tự có phổ tần nằm trong khoảng 0MHz tới 4.5MHz

Như vậy, một tín hiệu có thể ñược biểu diễn theo cách mà dạng sóng của nó biến ñổi theo thời gian, như ñối với tín hiệu ñiện áp v t a( ) mô tả trong Hình 1.2 hoặc theo phổ tần số của nó, như trong Hình 1.6 Hai cách biểu diễn khác nhau này lần lượt ñược gọi là hai cách biểu diễn tín hiệu trên miền thời gian và miền tần số Biểu diễn miền tần số của ( )

a

v t sẽ ñược biểu thị bằng ký hiệu V a( )ω

Hình 1.6 Phổ tần tín hiệu trong Hình 1.2

1.3 TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ VÀ TÍN HIỆU SỐ

Tín hiệu ñiện áp ñược mô tả trong Hình 1.2 ñược gọi là tín hiệu tương tự Tên gọi này xuất phát từ thực tế là tín hiệu này gần như tương tự với tín hiệu vật lý mà nó biểu diễn ðộ lớn của một tín hiệu tương tự có thể nhận một giá trị bất kỳ ở bất cứ thời ñiểm nào Tức là, biên ñộ và thời gian của tín hiệu tương tự biến ñổi liên tục trên khoảng làm việc của nó Phần lớn các tín hiệu ở thế giới xung quanh chúng ta là tín hiệu tương tự Các mạch ñiện tử ñể xử lý những tín hiệu này ñược gọi là mạch tương tự Môn học này sẽ nghiên nghiên cứu rất nhiều mạch tương tự với các chức năng khác nhau

Một số tín hiệu còn có thể ñược biểu diễn thông qua một dãy số Trong ñó, mỗi số

sẽ biểu diễn ñộ lớn của tín hiệu tại một thời ñiểm nhất ñịnh Tín hiệu này ñược gọi là tín hiệu số Hình 1.7(a) cho thấy làm thế nào ñể có thể biểu diễn tín hiệu theo cách này Tức

là, làm thế nào mà tín hiệu có thể ñược chuyển ñổi từ dạng tương tự sang dạng số Ở ñây ñường cong biểu diễn một tín hiệu ñiện áp, giống như Hình 1.2 Ở những khoảng thời gian bằng nhau trên trục thời gian ta ñánh dấu những thời ñiểmt t t0 1 2 , , ,…Tại mỗi thời ñiểm

Tài liệu học tập

này ta ño ñược ñộ lớn của tín hiệu, quá trình này ñược gọi là quá trình lấy mẫu Hình 1.7(b) cho thấy cách biểu diễn tín hiệu của Hình 1.7a theo các mẫu của nó

Tín hiệu trong Hình 1.7(b) chỉ ñược xác ñịnh ở thời ñiểm lấy mẫu Nó không còn

là một hàm liên tục theo thời gian nữa, mà nó là một tín hiệu rời rạc theo thời gian Tuy nhiên, vì ñộ lớn của một mẫu có thể lấy bất kỳ giá trị nào trong một khoảng liên tục nên tín hiệu trong Hình 1.7(b) vẫn còn là một tín hiệu tương tự

Nếu chúng ta biểu diễn xấp xỉ ñộ lớn của mỗi mẫu tín hiệu trong Hình 1.7(b) bằng một số ta sẽ ñược một số dưới dạng một nhóm các chữ số (tùy thuộc vào việc dụng hệ cơ

số nào ñể biểu diễn) Như vậy biên bộ của tín hiệu sẽ không còn liên tục nữa Nói ñúng hơn, nó ñã ñược lượng tử hóa, rời rạc hóa hay số hóa Tín hiệu số ñược minh họa bằng một dãy số thể hiện ñộ lớn của những mẫu tín hiệu liên tục

Việc lựa chọn các các hệ cơ số ñể biểu diễn các mẫu tín hiệu sẽ tác ñộng tới dạng tín hiệu số ñược sinh ra và ảnh hưởng lớn ñến ñộ phức tạp của mạch số cần thiết ñể xử lý tín hiệu

Hình 1.7 (a) Lấy mẫu tín hiệu tương tự liên tục (b) Tín hiệu rời rạc sau khi lấy mẫu

Ta có thể thấy rằng một hệ thống số nhị phân sẽ ñem lại những tín hiệu và mạch số ñơn giản nhất có thể Trong một hệ thống nhị phân, mỗi bit trong một số chỉ nhận một trong hai giá trị có thể, là 0 và 1 Tương ứng, các tín hiệu số trong những hệ thống nhị phân chỉ cần duy nhất hai mức ñiện áp có thể ñược gán là mức thấp và mức cao Trong một số mạch ñiện tử ñược nghiên cứu trong môn học này, các mức ñiện áp ñó lần lượt là 0V và 5V Hình 1.8 thể hiện sự biến ñổi theo thời gian của một mạch số như trên Có thể quan sát thấy dạng sóng trong hình là một chuỗi xung với 0V thể hiện cho tín hiệu bằng 0 hay mức logic 0, và +5V thể hiện cho mức logic 1

Tài liệu học tập

Hình 1.8 Sự biến ñổi của tín hiệu số nhị phân theo thời gian Nếu ta sử dụng N bit nhị phân ñể biểu diễn mỗi mẫu của tín hiệu tương tự, thì giá trị mẫu ñã ñược số hóa có thể ñược thể hiện như sau:

02 12 22 N 12N

D=b +b +b + +b − − (1.3)

Trong ñó dãy b b0 , , 1 b N−1 gồm N bit và mỗi bit có giá trị bằng 0 hoặc 1 Ở ñây bit b0

là bít có trọng số thấp nhất (LSB) và bit b N−1 là bit có trọng số cao nhất (MSB) Theo quy ước, số nhị phân này ñược viết là b N−1b N−2 b0 Ta thấy rằng cách biểu diễn này lượng tử hóa mẫu tương tự thành một trong 2Nmức Nhận thấy rằng số lượng các bit càng lớn (tức

là N càng lớn), thì từ số D càng xấp xỉ bằng ñộ lớn mẫu tương tự Nói cách khác, số lượng các bit tăng sẽ làm giảm sai số lượng tử hóa và làm tăng ñộ phân giải của bộ chuyển ñổi tương tự - số Tuy nhiên, mạch chuyển ñổi thường phải phức tạp hơn và vì thế dẫn ñến tốn kém hơn khi chế tạo mạch Mục ñích của chúng ta ở ñây không phải là ñể tìm hiểu sâu hơn về chủ ñề này mà chỉ ñơn thuần muốn thấy ñược bản chất của các tín hiệu tương

tự và số Tuy vậy, ñây là cơ hội ñể giới thiệu một modul mạch rất quan trọng cho các hệ

thống ñiện tử hiện ñại: Bộ chuyển ñổi tương tự sang số (A/D hoặc ADC) ñược thể hiện ở

dạng sơ ñồ khối trong Hình 1.9 Bộ chuyển ñổi ADC nhận ở ñầu vào của nó các mẫu của một tín hiệu tương tự và cung cấp cho mỗi mẫu ñầu vào một biểu diễn số N-bit tương ứng tại N chân ñầu ra của nó (theo Phương trình 1.3) Do ñó, dù cho ñiện áp ở ñầu vào có thể là 6.51V, ở mỗi chân ñầu ra (chân thứ i), ñiện áp sẽ hoặc là mức thấp (0V) hoặc mức

cao (5V) tùy theo việc chân bi tương ứng ñược gán là 0 hay 1 Chúng ta sẽ nghiên cứu bộ

ADC và mạch ñối ngẫu của nó bộ biến ñổi số - tương tự (D/A hoặc DAC) ở nội dung môn học Kỹ thuật ñiện tử số

Khi tín hiệu ở dạng số, tín hiệu này có thể ñược xử lý bởi các mạch số Tất nhiên các mạch số cũng có thể xử lý các tín hiệu không có nguồn gốc tương tự, ví dụ như những tín hiệu biểu diễn những lệnh khác nhau của một máy tính số

Tài liệu học tập

Do các mạch số chỉ xử lý với các tín hiệu nhị phân, nên thiết kế của chúng ñơn giản hơn các mạch tương tự Hơn nữa, trong thực tế, các hệ thống số ñược thiết kế sử dụng một số dạng tương ñối khác nhau của các khối mạch số Các mạch số thực tế thường cần một số lượng lớn (hàng trăm ngàn hoặc thậm chí hàng triệu) những khối này Do ñó thiết kế của các mạch số tuy ñặt ra những thách thức ñối với người thiết kế nhưng mang ñến sự thực hiện tin cậy và kinh tế khi cần có sự thay ñổi lớn của hàm xử lý tín hiệu ðặc biệt là khi một trong số các biến ñổi tín hiệu ñó không thể thực hiện ñược với mạch tương

tự Hiện tại, càng ngày càng nhiều hàm xử lý tín hiệu ñược thực hiện theo dạng số

Có rất nhiều những ví dụ về hệ thống xử lý số xung quanh ta: Từ ñồng hồ số và máy tính tới hệ thống âm thanh số và, gần ñây hơn là TV số Hơn nữa, tới thời ñiểm hiện tại, một số hệ thống tương tự lâu ñời như hệ thống truyền thông ñiện thoại hầu như ñã ñược số hóa toàn bộ Và ta cũng không nên quên một ứng dụng quan trọng nhất trong tất

tự Hơn nữa, nhiều hệ thống ñiện tử bao gồm cả phần tương tự và phần số Do ñó một kỹ

sư ñiện tử giỏi phải thành thạo trong thiết kế cả mạch tương tự và mạch số, hoặc là thiết

kế các tín hiệu hỗn hợp hoặc mạch tổ hợp mà gần ñây hay ñược nhắc ñến

1.4 CÁC BỘ KHUẾCH ðẠI

Trong phần này, chúng ta sẽ giới thiệu một hàm xử lý tín hiệu cơ bản ñược sử dụng trong hầu hết các hệ thống ñiện tử ñược gọi là khuếch ñại tín hiệu Trước tiên, ta sẽ nghiên cứu bộ khuếch ñại như một khối mạch xây dựng sẵn Tức là, xem xét các ñặc tính ngoài của nó và ñể dành việc thảo luận vấn ñề thiết kế mạch ñiện bên trong ở những chương sau

Tài liệu học tập

1.4.1 Khuếch ñại tín hiệu

Từ quan ñiểm lý thuyết, xử lý tín hiệu ñơn giản nhất là khuếch ñại tín hiệu Yêu cầu khuếch ñại sinh ra do các bộ biến ñổi cung cấp những tín hiệu ñược cho là tương ñối

“yếu”, tức là trong khoảng microvolt ( µV) hay milivolt (mV) và với năng lượng nhỏ

Những tín hiệu như vậy là quá nhỏ ñể có thể xử lý một cách tin cậy, và việc xử lý sẽ dễ dàng hơn nhiều nếu biên ñộ tín hiệu ñược tạo ra lớn hơn Khối chức năng thực hiện nhiệm

vụ này ñược gọi là bộ khuếch ñại tín hiệu

Trước tiên, ta xem xét về sự cần thiết của mức ñộ tuyến tính trong các bộ khuếch

ñại Khi khuếch ñại một tín hiệu, chúng ta phải thật cẩn thận sao cho thông tin trong tín hiệu không bị thay ñổi và không sinh ra những thông tin mới Do ñó khi cung cấp tín hiệu trong Hình 1.2 cho một bộ khuếch ñại, ta mong muốn tín hiệu ñầu ra của bộ khuếch ñại trở thành một bản sao y hệt của nó ở ñầu vào, tất nhiên loại trừ việc nó có biên ñộ lớn hơn Nói theo cách khác, những dao ñộng ở dạng sóng ñầu ra phải ñồng nhất với dạng

sóng ñầu vào Bất kỳ thay ñổi nào trong dạng sóng ñều ñược coi như sự méo dạng và tất

nhiên là không mong muốn

Một bộ khuếch ñại bảo ñảm ñược sự chi tiết của dạng sóng tín hiệu ñược ñặc trưng bởi quan hệ:

vo( ) t = Av ti( ) (1.4) Trong ñó v ivà v0theo thứ tự là tín hiệu ñầu vào và tín hiệu ñầu ra và A là một hằng

số thể hiện cho khả năng của bộ khuếch ñại, ñược gọi là hệ số khuếch ñại Khi phương trình (1.4) là một quan hệ tuyến tính, bộ khuếch ñại mà nó mô tả là một bộ khuếch ñại

tuyến tính Có thể dễ dàng nhận thấy rằng nếu quan hệ giữa v và o v chứa ñựng những i

bậc cao hơn v , thì dạng sóng của i v o không còn ñồng nhất với v nữa Do ñó bộ khuếch iñại thể hiện sự méo dạng phi tuyến

Các bộ khuếch ñại ñã ñược thảo luận ở trước chủ yếu ñược dùng ñể hoạt ñộng với những tín hiệu vào nhỏ Mục tiêu của chúng là làm cho biên ñộ của tín hiệu lớn hơn và vì thế ñược gọi là bộ khuếch ñại ñiện áp Bộ tiền khuếch ñại trong hệ thống dàn âm thanh gia ñình là một ví dụ của bộ khuếch ñại ñiện áp Tuy nhiên, thường thì nó không chỉ làm nhiệm vụ khuếch ñại tín hiệu ðặc biệt hơn, nó thực hiện một số ñịnh dạng lên phổ tần số của tín hiệu ñầu vào Tuy nhiên, chủ ñề này nằm ngoài những gì chúng ta cần tại thời ñiểm này và sẽ ñược thảo luận kỹ lưỡng trong môn học Xử lý tín hiệu số

Tài liệu học tập

Tiếp theo, chúng ta sẽ ựề cập ựến một dạng khác của bộ khuếch ựại, ựó là bộ khuếch ựại công suất Bộ khuếch ựại công suất có thể chỉ cung cấp một hệ số khuếch ựại ựiện áp khiêm tốn nhưng hệ số khuếch ựại dòng ựáng kể Do ựó thường thì với một bộ tiền khuếch ựại dù tiêu thụ ắt năng lượng từ nguồn tắn hiệu ựầu vào, nó vẫn có thể sinh ra một giá trị công suất lớn tới tải của nó Ta có thể thấy vắ dụ cụ thể về bộ khuếch ựại công suất trong hệ thống dàn âm thanh gia ựình, mục ựắch của nó là ựể cung cấp ựủ công suất

ựể dàn loa công suất hoạt ựộng Ờdàn loa này là một tải khuếch ựại

Ở ựây ta nên chú ý rằng dàn loa công suất là bộ chuyển ựổi ựầu ra của hệ thống âm thanh Nó chuyển ựổi tắn hiệu ựiện ựầu ra của hệ thống thành tắn hiệu âm thanh đánh giá thêm về sự cần thiết tắnh tuyến tắnh có thể thu ựược thông qua việc dựa trên hoạt ựộng của

bộ khuếch ựại công suất Một bộ khuếch ựại công suất tuyến tắnh sinh ra cả những ựoạn nhạc nhẹ lẫn ựoạn nhạc lớn ựược sao lại mà không hề bị méo dạng

1.4.2 Ký hiệu mạch khuếch ựại

Bộ khuếch ựại tắn hiệu hiển nhiên là một mạng hai cửa (cổng vào và cổng ra)

Chức năng của nó ựược thể hiện một cách rõ ràng thông qua ký hiệu mạch trong Hình 1.10(a) Ký hiệu này phân biệt rõ các cổng vào ra và mô tả hướng truyền tắn hiệu Do ựó, trong những sơ ựồ sau này không còn cần thiết ựể ựánh dấu hai cổng ỘvàoỢ, ỘraỢ nữa Nói

chung ta ựã biểu diễn bộ khuếch ựại thành mạng bốn cực gồm hai tiếp ựiểm vào tách biệt

với hai tiếp ựiểm ra Một tắnh huống thường thấy hơn ựược minh họa trong Hình 1.10(b),

ở ựó một tiếp ựiểm chung tồn tại giữa các cổng vào ra của bộ khuếch ựại Tiếp ựiểm chung này ựược sử dụng như một ựiểm tham chiếu và ựược gọi là ựiểm ựất của mạch

1.4.3 Hệ số khuếch ựại ựiện áp

Một bộ khuếch ựại tuyến tắnh thu nhận một tắn hiệu ựầu vào v t i( )và cung cấp ở ựầu ra, qua một tải trở kháng RL (xem trong Hình 1.11(a)), một tắn hiệuv t o( )là bản sao khuếch ựại của v t i( ) Hệ số khuếch ựại ựiện áp của bộ khuếch ựại ựược ựịnh nghĩa bởi

Hệ số khuếch ựại ựiện áp (A v) ≡ o

Hình 1.10 (a) Ký hiệu mạch ñiện bộ khuếch ñại (b) Bộ khuếch ñại với một tiếp ñiểm chung (ñất) giữa cổng vào và cổng ra

Hình 1.11 (a) Bộ khuếch ñại ñiện áp với ñầu vào là tín hiệu v t I( )và ñầu ra ñược nối với

tải trở kháng R L

(b) ðặc tính truyền ñạt của bộ khuếch ñại ñiện áp tuyến tính với hệ số khuếch ñại A V

1.4.4 Hệ số khuếch ñại công suất và khuếch ñại dòng ñiện

Một bộ khuếch ñại sẽ làm tăng công suất tín hiệu ðây một ñiểm quan trọng ñể phân biệt một bộ khuếch ñại so với một biến áp Trong trường hợp của một biến áp, dù ñiện áp ñưa ra tải có thể lớn hơn nhiều so với ñiện áp cung cấp bên phía ñầu vào (sơ cấp), công suất ñưa ñến tải (phía thứ cấp của biến áp) vẫn nhỏ hơn hoặc gần bằng với công suất cung cấp bởi nguồn tín hiệu Nói cách khác, một bộ khuếch ñại cung cấp cho tải công suất lớn hơn nhiều so với công suất thu ñược từ nguồn tín hiệu

Như vậy các bộ khuếch ñại có hệ số khuếch ñại công suất Hệ số khuếch ñại công suất của bộ khuếch ñại trong Hình 1.11(a) ñược xác ñịnh như sau:

Hệ số khuếch ñại công suất( p) input power (P )load power (P )L

i

v0 0

= (1.7)

Trong ñó iolà dòng ñiện mà bộ khuếch ñại ñưa tới tải (RL), io=vo/RL , và iilà dòng

ñiện bộ khuếch ñại rút ra từ nguồn tín hiệu Hệ số khuếch ñại dòng của bộ khuếch ñại ñược xác ñịnh như sau:

Hệ số khuếch ñại dòng ( i) o

i

i A i

Tài liệu học tập

Từ Phương trình 1.5 tới Phương trình 1.8 ta thấy rằng:

Ap = A Av i (1.9)

1.4.5 Biểu thị hệ số khuếch ñại theo Decibels

Các hệ số khuếch ñại ñã xác ñịnh bên trên là một loạt tỷ số của các ñại lượng cùng thứ nguyên, kết quả là chúng sẽ thể hiện những số không thứ nguyên ðể nhấn mạnh vai trò của thứ nguyên, ta phải thể hiện V/V với hệ số khuếch ñại ñiện áp, A/A với hệ số khuếch ñại dòng, và W/W với hệ số khuếch ñại công suất Thêm vào ñó, vì một số lý do khách quan, một trong số chúng là do lịch sử ñể lại, các kỹ sư ñiện tử thể hiện hệ số khuếch ñại theo ñơn vị ño loga ðặc biệt hệ số khuếch ñại ñiện áp A vcó thể ñược thể hiện như sau:

Hệ số khuếch ñại ñiện áp theo decibels = 20 log A dB v

Và hệ số khuếch ñại dòng ñiện A icó thể ñược thể hiện như sau:

Hệ số khuếch ñại dòng ñiện theo decibels = 20 log A dB i

Do công suất tỷ lệ với bình phương của ñiện áp (hay dòng ñiện), hệ số khuếch ñại công suất có thể ñược biểu diễn theo dB như sau:

Hệ số khuếch ñại công suất theo decibels = 10 log A dB p

Giá trị tuyệt ñối của hệ số khuếch ñại dòng, áp ñược sử dụng vì trong một số trường hợp A vhoặc A icó thể là số âm Một hệ số khuếch ñại âm chỉ ñơn giản nghĩa là bộ khuếch ñại làm tín hiệu yếu ñi Chẳng hạn, một bộ khuếch ñại có hệ số khuếch ñại -20dB nghĩa là trong thực tế nó làm giảm tín hiệu ñi 10 lần

1.4.6 Những ứng dụng bộ khuếch ñại công suất

Do công suất ñưa tới tải là lớn hơn nhiều so với công suất ñược cung cấp từ nguồn tín hiệu, một câu hỏi ñặt ra là công suất thêm vào ñến từ nguồn nào Câu trả lời tìm ñược thông qua việc quan sát thấy các bộ khuếch ñại cần nguồn cung cấp một chiều cho quá trình hoạt ñộng Những nguồn một chiều này cung cấp công suất phụ ñưa tới tải cũng như các công suất tiêu tán bên trong mạch ñiện của bộ khuếch ñại (công suất này ñược chuyển ñổi thành nhiệt) Trong Hình 1.11(a) ta ñã không mô tả một cách rõ ràng những nguồn một chiều này

Hình 1.12(a) mô tả một bộ khuếch ñại trong ñó yêu cầu hai nguồn một chiều: một

mang giá trị dương V1 và một mang giá trị âm V2 Bộ khuếch ñại có hai cực, ñược gắn

nhãn V+ và V−, ñể nối với nguồn một chiều ðể bộ khuếch ñại hoạt ñộng, ñầu nối V+ phải

Tài liệu học tập

ñược nối với cực dương của nguồn một chiều ñiện áp V1 và cực âm nối với ñiểm ñất của mạch Ngoài ra, ñầu cực V−phải ñược nối với cực âm của nguồn một chiều ñiện áp V2 và cực dương của nguồn ñược nối với ñiểm ñất của mạch

Nếu dòng ñiện ñặt vào từ nguồn dương ñược thể hiện là I1và từ nguồn âm là

Trong ñó P1 là công suất ñưa vào từ nguồn tín hiệu và P Llà công suất ñưa tới tải

Vì công suất ñưa vào từ nguồn tín hiệu thường có giá trị nhỏ, hiệu suất khuếch ñại ñược ñịnh nghĩa như sau:

L 100

dc

P x P

Hình 1.12 Một bộ khuếch ñại yêu cầu hai nguồn cung cấp một chiều (ñược thể hiện như

những nguồn pin) cho quá trình hoạt ñộng

Hiệu suất khuếch ñại là một thông số quan trọng ñối với các bộ khuếch ñại sử dụng công suất lớn Những bộ khuếch ñại này ñược gọi bộ khuếch ñại công suất, ví dụ như chúng ñược sử dụng như các bộ khuếch ñại ñầu ra của các hệ thống dàn âm thanh

Tài liệu học tập

ðể ñơn giản hóa những sơ ñồ mạch, chúng ta sẽ chấp nhận những quy ước ñã minh họa trong Hình 1.12(b) Ở ñây mô tả ñầu cựcV+ñược nối với ñầu mũi tên chỉ lên và ñầu cực V− ñược nối với ñầu mũi tên chỉ hướng xuống ðiện áp tương ñương ñược mô tả bên cạnh mỗi mũi tên Chú ý rằng trong nhiều trường hợp ta sẽ không thể hiện một cách rõ ràng các liên kết với các bộ nguồn một chiều Cuối cùng, chúng ta cũng chú ý rằng một số

bộ khuếch ñại chỉ yêu cầu một nguồn cung cấp

1.4.7 Trạng thái bão hòa bộ khuếch ñại

Thực tế mà nói, ñặc tính truyền ñạt bộ khuếch ñại chỉ thực sự tuyến tính trong một khoảng giới hạn của ñiện áp vào ra Với một bộ khuếch ñại ñược hoạt ñộng bởi nguồn cung cấp một chiều hai cực ñối xứng, ñiện áp ñầu ra không thể vượt quá một giới hạn dương của nguồn và không thể giảm quá một giới hạn âm của nguồn ðặc tuyến truyền ñạt ñầu ra của bộ khuếch ñại ñược mô tả trong Hình 1.13 với mức bão hòa dương và bão hòa âm ñược thể hiện tương ứng là L+và L−

Hình 1.13 ðặc tính truyền ñạt bộ khuếch ñại có dạng tuyến tính trừ khi ñầu ra bão hòa Một trong hai mức trạng thái bão hòa thường nằm trong vòng một volt so với ñiện

áp nguồn cung cấp tương ứng

Rõ ràng, ñể tránh sự méo dạng sóng tín hiệu ñầu ra, dải tín hiệu ñầu vào phải ñược giữ nằm trong khoảng hoạt ñộng tuyến tính

Hình 1.13 Mô tả hai dạng sóng ñầu vào và dạng sóng tương ứng ñầu ra Ta chú ý rằng giá trị cực ñại của dạng sóng ñầu ra lớn hơn ñã bị cắt bớt ñi do sự bão hòa của bộ khuếch ñại

1.4.8 ðặc tính truyền ñạt phi tuyến và sự phân cực

Ngoại trừ sự ảnh hưởng của trạng thái bão hòa ñầu ra, các ñặc tính truyền ñạt bộ khuếch ñại ñã ñược giả thiết là tuyến tính hoàn toàn Trong thực tế, ñặc tính truyền ñạt của các bộ khuếch ñại có thể thể hiện tính phi tuyến với nhiều mức ñộ lớn, tùy theo việc mạch khuếch ñại phức tạp như thế nào và bao nhiêu cố gắng ñã ñược sử dụng trong thiết

kế ñể ñảm bảo bộ khuếch ñại hoạt ñộng tuyến tính Hãy quan sát ví dụ về ñặc tính truyền ñạt ñược mô tả trong Hình 1.14

ðặc ñiểm này là ñặc thù ñối với các mạch khuếch ñại ñược hoạt ñộng bởi một nguồn cung cấp ñơn (nguồn dương) Rõ ràng ñặc tính truyền ñạt là phi tuyến do việc hoạt ñộng sử dụng nguồn cung cấp ñơn không tập trung quanh ñiểm gốc May mắn là tồn tại một công nghệ ñơn giản dùng ñể ñạt ñược sự khuếch ñại tuyến tính từ một bộ khuếch ñại với ñặc tính truyền ñạt phi tuyến này

Việc trước tiên của công nghệ này là phân cực mạch ñiện ñể nó hoạt ñộng ở một ñiểm gần với chính giữa ñặc tính truyền ñạt ðiều này ñạt ñược bằng cách ñưa vào một ñiện áp V I, như mô tả trong Hình 1.4 Theo ñó, ñiểm làm việc ñược ñặt tên là Q và ñiện

áp một chiều tương ứng ở ñầu ra là V O ðiểm Q ñược biết ñến như ñiểm ổn ñịnh, ñiểm

phân cực một chiều hay ñơn giản là ñiểm làm việc Tín hiệu biến ñổi theo thời gian ñược khuếch ñại, v t i( ), ñược thêm vào ñiện áp phân cực một chiều V Inhư mô tả trong Hình 1.14

Bây giờ, tổng ñầu vào tức thời là v t i( ),

I atQ

dv A dv

Hình 1.14 (a) ðặc tính truyền ñạt bộ khuếch ñại thể hiện tính phi tuyến ñáng kể

(b) ðể ñạt ñược quá trình hoạt ñộng tuyến tính bộ khuếch ñại ñược phân cực và biên ñộ của tín hiệu ñược giữ ở mức nhỏ Bộ khuếch ñại này ñược hoạt ñộng bởi một nguồn cung cấp một chiều, V DD

Tài liệu học tập

Khi một bộ khuếch ñại ñược phân cực một cách thích hợp và tín hiệu ñầu vào ñược giữ tương ñối nhỏ, quá trình hoạt ñộng ñược giả thiết là tuyến tính Nhờ ñó ta có thể ứng dụng phép phân tích mạch tuyến tính ñể phân tích quá trình gia công lên tín hiệu của mạch khuếch ñại ðây là chủ ñề chính của phần 1.5 và 1.6

1.4.9 Quy tắc ký hiệu

ðể thuận tiện cho việc thảo luận, ta nhắc lại các thuật ngữ ñã ñược sử dụng phía trên và những thuật ngữ sẽ ñược sử dụng xuyên suốt bài giảng Các ñại lượng tức thời ñược ký hiệu bằng chữ in thường với chỉ số dưới viết hoa, ví dụ như i t v A( ), C( )t Các ñại lượng một chiều sẽ ñược ký hiệu bằng ký hiệu chữ in hoa với chỉ số dưới viết hoa, ví dụ như I V A, C ðiện áp nguồn (một chiều) ñược ký hiệu bằng chữ in hoa V với chỉ số dưới

dòng là hai chữ in hoa, ví dụ như, V DD

Một ký hiệu tương tự ñược sử dụng cho dòng ñiện một chiều ñược ñưa ra từ nguồn cung cấp, ví dụ như I DD Cuối cùng, các ñại lượng tín hiệu biến thiên theo thời gian sẽ ñược ký hiệu bằng một ký hiệu chữ in thường với chỉ số dưới viết thường, ví dụ, i t v t a( ), c( ) Nếu tín hiệu là sóng sin, thì biên ñộ của nó ñược ký hiệu bằng chữ in hoa với chỉ số dưới

in thường, ví dụ như, I V a, c Ký hiệu này ñược minh họa trong Hình 1.16

Hình 1.16 Quy ước các ký hiệu ñược sử dụng

1.5 MÔ HÌNH MẠCH ðIỆN BỘ KHUẾCH ðẠI

Phần quan trọng trong nội dung môn học này là thiết kế các mạch khuếch ñại sử dụng nhiều loại tranzito khác nhau Những mạch này biến ñổi một cách phức tạp từ những mạch sử dụng một tranzito tới những mạch với 20 tranzito hoặc nhiều hơn thế ðể

có thể áp dụng mạch khuếch ñại thu ñược như một khối xây dựng sẵn trong hệ thống,

Tài liệu học tập

chúng ta phải ñặc tính hóa, hoặc mô hình hóa trạng thái tại các ñầu cực của nó Trong phần này, ta sẽ nghiên cứu các mô hình bộ khuếch ñại ñơn giản nhưng hiệu quả Những

mô hình này ñược áp dụng mà không cần quan tâm ñến mức ñộ phức tạp của mạch ñiện bên trong của bộ khuếch ñại Giá trị của các thông số mô hình có thể ñược xác ñịnh bởi phân tích mạch khuếch ñại hay biểu diễn qua các ñại lượng ño tại ñầu cực bộ khuếch ñại

1.5.1 Bộ khuếch ñại ñiện áp

Hình 1.17(a) mô tả một mô hình mạch ñiện cho khuếch ñại ñiện áp Mô hình bao gồm một ñiện áp vào, nguồn ñiện áp ñiều khiển có hệ số khuếch ñại A vo, trở kháng vào

I

R là nguyên nhân khiến cho bộ khuếch ñại sinh ra dòng vào từ nguồn tín hiệu, và một trở kháng ra R olà nguyên nhân dẫn ñến sự thay ñổi của ñiện áp ra như bộ khuếch ñại ñược trình bày trước ñó ñể cung cấp dòng cho một tải

Hình 1.17 (a) Mô hình mạch ñiện cho bộ khuếch ñại ñiện áp

(b) Bộ khuếch ñại ñiện áp với nguồn tín hiệu ñầu vào và tải

ðể cho rõ ràng, ta thể hiện trong Hình 1.17(b) mô hình bộ khuếch ñại ñược cung cấp bởi một nguồn tín hiệu ñiện v scó trở kháng R svà kết nối ở ñầu ra một tải trở kháng

Tài liệu học tập

ñịnh ðể giữ ñiện áp ra v ocó thể gần như ổn ñịnh, bộ khuếch ñại ñược thiết kế với R onhỏ hơn nhiều so với giá trị nhỏ nhất của R L Một bộ khuếch ñại ñiện áp lý tưởng là bộ khuếch ñại có R = o 0 Phương trình (1.12) cũng mô tả cho R L= ∞ ,A v=A vo Do ñó A volà hệ số khuếch ñại ñiện áp của bộ khuếch ñại không tải, hay hệ số khuếch ñại ñiện áp hở mạch

Cần chú ý rằng trong việc xác ñịnh hệ số khuếch ñại ñiện áp của bộ khuếch ñại, cần phải xác ñịnh giá trị của trở kháng tải ở ñó hệ số khuếch ñại ñược ño ñạc hoặc tính toán Nếu trở kháng tải không ñược ñịnh rõ, ta thường giả thiết rằng hệ số khuếch ñại cho trước là hệ số khuếch ñại hở mạch A vo

Trở kháng vào xác ñịnhR igây ra một tác ñộng phân áp khác lên ñầu vào, với kết quả là chỉ một phần tín hiệu nguồn v sthực sự ñược ñưa tới ñiện cực vào của bộ khuếch ñại; ñó là :

Hệ số khuếch ñại ñiện áp tổng ( v o/v s) có thể ñược tìm bằng kết hợp Phương trình (1.12) và (1.13),

Trong một số trường hợp, ñiều cần quan tâm không phải hệ số khuếch ñại ñiện áp

mà là một hệ số khuếch ñại công suất ñáng kể Ví dụ, tín hiệu từ nguồn có thể có một ñiện

áp ñáng kể nhưng trở kháng nguồn lại có giá trị lớn hơn nhiều so với trở kháng tải Khi kết nối trực tiếp nguồn với tải sẽ dẫn ñến sự suy giảm ñáng kể năng lượng tín hiệu Trong trường hợp này, cần có một bộ khuếch ñại với trở kháng vào cao (lớn hơn nhiều so với trở kháng nguồn) và trở kháng ra thấp (nhỏ hơn nhiều so với trở kháng tải) nhưng với một hệ

Tài liệu học tập

số khuếch ựại ựiện áp vừa phải (thậm chắ hệ số khuếch ựại ựiện áp bằng một) Bộ khuếch ựại này ựược xem như một bộ khuếch ựại ựệm Chúng ta sẽ thường xuyên bắt gặp các bộ khuếch ựại ựệm trong môn học này

1.5.2 Bộ khuếch ựại ghép tầng

để ựáp ứng những ựặc ựiểm kỹ thuật của bộ khuếch ựại cho trước, nảy sinh yêu cầu phải thiết kế một bộ khuếch ựại gồm hai hay nhiều tầng Các tầng thường không ựồng nhất với nhau đúng hơn, mỗi tầng ựược thiết kế ựể ựáp ứng một mục ựắch ựặc biệt Vắ

dụ, tầng ựầu tiên thường bắt buộc phải có trở kháng vào lớn, và tầng cuối cùng ựược thiết

là phổ biến nhất thì bộ khuếch ựại ựã xem xét bên trên chỉ là một trong bốn dạng khuếch ựại có thể thực hiện ựược Ba dạng còn lại là các bộ khuếch ựại dòng, khuếch ựại chuyển ựổi ựiện áp và khuếch ựại chuyển ựổi dòng ựiện Bảng 1.1 mô tả bốn dạng khuếch ựại, mô hình mạch ựiện của chúng, dẫn giải về thông số khuếch ựại và giá trị lý tưởng của trở kháng ựầu vào và ựầu ra của chúng

1.5.4 Mối quan hệ giữa các mô hình của bốn bộ khuếch ựại

Mặc dù với mỗi bộ khuếch ựại cho trước sẽ có một dạng trong bốn mô hình trong Bảng 1.1 là ựặc biệt thắch hợp nhất, bất cứ dạng nào trong bốn dạng ựều có thể ựược sử dụng ựể mô hình hóa bộ khuếch ựại Trong thực tế, những mối quan hệ ựơn giản có thể xuất phát từ liên hệ giữa các thông số của nhiều mô hình Vắ dụ, hệ số khuếch ựại hở mạch Avo có thể ựược liên hệ với hệ số khuếch ựại dòng ngắn mạch Ais như sau: điện áp ựầu ra hở mạch sinh ra bởi mô hình bộ khuếch ựại ựiện áp trong Bảng 1.1 là A vvo i Mô hình khuếch ựại dòng ựiện trong cùng bảng sinh ra một ựiện áp ra hở mạch bằng A i Ris i o Cân bằng hai giá trị này và chú ý rằng i i=v i/R icho ta:

Loại Mạch mẫu Thông số khuếch

ñại

ðặc tính lý tưởng

Khuếch

ñại

ñiện áp

Hệ số khuếch ñại ñiện áp khi hở mạch ñầu ra

0

o

o vo

i i

v A

i

R R

0

o

o is

i v

i A

o

o m

i v o

i G

i

R R

i i

v R

00

i

R R

ra hở mạch với dòng ngắn mạch ñầu ra

Nói cách khác, trở kháng ra có thể ñược xác ñịnh bằng cách loại bỏ ñi nguồn tín hiệu ñầu vào (i i và v i sẽ ñều bằng 0) và ñưa một tín hiệu ñiện áp v x tới ñầu ra của bộ khuếch ñại Nếu ta ký hiệu dòng ñiện do v x tạo ra ở ñầu ra là i x (chú ý rằng i x là ngược chiều với i o), thì R o =v x/i x

Cho dù những phương pháp này ñúng về lý thuyết, trong thực tiễn những phương pháp ñặc biệt hơn ñược sử dụng trong ño ñạc R i vàR o

Các mô hình bộ khuếch ñại ñược xem xét bên trên là một chiều; theo ñó, ñường truyền của tín hiệu theo một hướng duy nhất, từ ñầu vào tới ñầu ra Hầu hết các bộ khuếch ñại thực tế tồn tại sự truyền dẫn ngược, ñây là ñiều không mong muốn tuy nhiên vẫn phải

Tài liệu học tập

Hình 1.20 Phép xác ñịnh ñáp ứng tần số của bộ khuếch ñại tuyến tính Ở tần số thử ω , hệ

số khuếch ñại ñược miêu tả bởi ñộ lớn O

i

V

V và góc pha φ Như hình vẽ ñã thể hiện, tín hiệu ñược ño ở ñầu ra bộ khuếch ñại có dạng hình sin với tần số giống hệt tần số ω ðây là một ñiểm quan trọng ñể chú ý rằng: Bất cứ khi nào một tín hiệu sóng sin ñược cung cấp cho một mạch tuyến tính, ñầu ra cuối cùng có dạng hình sin cùng tần số với ñầu vào Trong thực tế, sóng sin là tín hiệu duy nhất, mà hình dạng của nó không thay ñổi khi ñi qua một mạch tuyến tính Tuy nhiên theo ñó khi quan sát ta thấy hình sin ñầu ra nói chung là sẽ có sự khác biệt về biên ñộ và sẽ dịch pha so với ñầu vào Tỉ lệ biên ñộ của hình sin ñầu ra (V o) so với biên ñộ của hình sin ñầu vào (V i) là

ñộ lớn của hệ số khuếch ñại (hay hệ số truyền) ở tần số thử ω Nếu chúng ta thể hiện hệ

số truyền của bộ khuếch ñại, hay hàm truyền như nó thường ñược biết ñến, là T( ) ω , thì

( ) ( )

o i

V T V T

1.6.2 Dải thông của bộ khuếch ựại

Hình 1.21 mô tả ựáp ứng tần số của một bộ khuếch ựại Nó mô tả rằng hệ số khuếch ựại hầu hết là cố ựịnh trong một khoảng tần số rộng giữaω1 và ω2 Những tắn hiệu

có tần số dưới ω1và trên ω2 sẽ trải qua hệ số khuếch ựại thấp và hệ số khuếch ựại giảm khi ta di chuyển ra xa ω1 và ω2 Dải tần số mà hệ số khuếch ựại của bộ khuếch ựại trong dải tần số này thường là cố ựịnh với một số cụ thể và sai khác trong phạm vi vài decibel (thường là 3dB) ựược gọi là băng thông của bộ khuếch ựại Thông thường bộ khuếch ựại ựược thiết kế ựể sao cho băng thông của nó trùng với phổ của tắn hiệu cần khuếch ựại Nếu không bộ khuếch ựại sẽ làm méo dạng phổ tần số của tắn hiệu vào, những thành phần khác nhau của tắn hiệu vào sẽ ựược khuếch ựại với ựộ lớn khác nhau

Hình 1.21 đáp ứng biên ựộ ựặc trưng của một bộ khuếch ựại T v( ) là ựộ lớn của hàm

truyền bộ khuếch ựại, chắnh là tỷ lệ của ựầu ra V v O( )và ựầu vào V v I( )

1.6.3 đánh giá ựáp ứng tần của các bộ khuếch ựại

Từ phần trước, ta ựã mô tả về phương pháp xác ựịnh ựáp ứng tần của bộ khuếch ựại Tiếp theo, ta sẽ thảo luận qua về phương pháp phân tắch nhằm tìm ra biểu thức cho ựáp ứng tần số

để xác ựịnh ựáp ứng tần của bộ khuếch ựại trước tiên phải phân tắch mô hình mạch khuếch ựại tương ựương, tắnh toán tất cả các thành phần phản kháng Việc phân tắch mạch bắt ựầu như thường lệ thông thường thêm vào các cuộn dây và tụ ựiện ựược mô tả bởi

ựiện kháng của nó Một cuộn dây L có ựiện kháng hoặc trở kháng j Lω , và một tụ ựiện C

có ựiện dung hoặc trở kháng 1 / j Cω hay tương ựương với một ựiện nạp hoặc ựiện dẫn

j Cω Do ựó trong quá trình phân tắch vùng tần số ta cần ựề cập tới trở kháng và ựiện dẫn Kết quả của việc phân tắch là hàm truyền bộ khuếch ựại T( ) ω :

( ) ( ) ( )

o i

V T V

ω ω ω

=

Tài liệu học tập

Trong ñó V i( ) ω và V o( ) ω theo thứ tự thể hiện tín hiệu ñầu vào và ñầu ra, T( ) ω là thường

là một hàm phức có ñộ lớn T( ) ω cho ta ñáp ứng biên ñộ tần số của bộ khuếch ñại Góc pha ( )

T ω cho ta ñáp ứng pha của bộ khuếch ñại

Trong quá trình phân tích một mạch ñiện ñể xác ñịnh ñáp ứng tần của nó, thao tác ñại số có thể ñược ñơn giản hóa một cách ñáng kể bằng cách sử dụng biến ñổi tần số phức

s Dưới dạng s, trở kháng của cuộn dây L là sL và của tụ ñiện C là 1

sC Việc thay thế phần

tử tích cực bằng trở kháng của chúng và thực hiện phân tích các mạch tiêu chuẩn cho

phép ta thu ñược hàm truyền T(s) như sau:

nhấn mạnh rằng T j( ω)thu ñược nhờ thay thế s trong T(s) bằng j ω

1.6.4 Hệ thống STC (hằng số thời gian duy nhất)

Trong phân tích các mạch khuếch ñại, ñể xác ñịnh ñáp ứng tần số của chúng, ta cần

có kiến thức về ñáp ứng tần số của hệ thống STC Hệ thống STC là hệ thống ñược tổng hợp hay có thể tối giản gồm một thành phần phản kháng (cuộn dây hoặc tụ ñiện) và một trở kháng Ví dụ ñược thể hiện trong Hình 1.22 Một hệ thống STC ñược tạo thành từ một

cuộn dây L và một trở kháng R có hằng số thời gian τ =L R/ Hằng số thời gian τ của hệ

thống STC kết hợp từ tụ ñiện C và trở kháng R ñược cho bởi τ =C R

Hình 1.22 Hai ví dụ về hệ STC : (a) hệ thông thấp (b) hệ thông cao

Tài liệu học tập

Thông thấp (LP) Thông Cao (HP)

hệ số truyền của mạch ñiện trong Hình 1.22(a) sẽ giảm theo tần số và tiến tới 0 khi ωtiến tới∞ Do vậy, mạch ñiện trong Hình 1.22(a) hoạt ñộng như một bộ lọc thông thấp; Mạch

Tài liệu học tập

này cho những ựầu vào có sóng sin tần số thấp ựi qua với việc ắt hoặc gần như không làm

yếu ựi tắn hiệu ựó (ởω = 0,hệ số truyền là hằng số) nhưng lại làm yếu ựi các hình sin cao

tần Mạch ựiện trong Hình 1.22(b) thì ngược lại; hệ số truyền của nó là hằng số với

ω = ∞và giảm khi ωnhỏ dần, và bằng 0 khi ω = 0 Mạch ựiện theo ựó sẽ hoạt ựộng như một

bộ lọc thông cao

Bảng 1 tóm tắt các kết quả ựáp ứng tần số cho hệ thống STC của cả hai dạng

Ngoài ra mô tả về ựáp ứng ựộ lớn và ựáp ứng pha ựược thể hiện trong Hình 1.23 và 1.24

Hình 1.23 (a) đáp ứng ựộ lớn và (b) ựáp ứng pha của hệ thống STC dạng thông thấp

Hình 1.24 (a) đáp ứng ựộ lớn và (b) ựáp ứng pha của hệ thống STC dạng thông cao

Những ựồ thị về ựáp ứng tần số trên ựược gọi la ựồ thị Bode và tần số 3-dB (ωo)

cũng ựược gọi là tần số cắt

1.6.5 Phân loại các bộ khuếch ựại dựa trên ựáp ứng tần số

Các bộ khuếch ựại có thể ựược phân loại dựa trên hình dạng của ựường cong ựáp

ứng biên ựộ Hình 1.26 mô tả ựường cong ựặc tắnh tần số ựặc trưng của một số bộ khuếch

ựại Trong Hình 1.26a hệ số khuếch ựại giữ không ựổi qua một khoảng tần số rộng nhưng

giảm mạnh ở tần số cao và tần số thấp đây là dạng phổ biến của ựáp ứng tần số thấy ở

các bộ khuếch ựại âm thanh

Như sẽ thể hiện trong các chương sau, ựiện dung ký sinh trong các linh kiện

(tranzito) khiến cho hệ số khuếch ựại giảm mạnh ở tần số cao, cũng giống như C igây ra

Tài liệu học tập

trong mạch của Vắ dụ 1.5 Nói theo cách khác, sự giảm mạnh của hệ số khuếch ựại ở tần

số thấp thường bị gây ra bởi tụ ựiện ghép sử dụng ựể nối một tầng khuếch ựại với tầng còn lại, như mô tả trong Hình 1.27 Tắnh chất này thường ựược sử dụng ựể ựơn giản hóa việc xử lý tắn hiệu của các tầng khác nhau Giá trị của tụ ựiện ghép thường ựược chọn trong một khoảng khá rộng (với tỷ lệ từ một microfara tới vài chục mircrofara) do ựó ựiện kháng (trở kháng) nhỏ ở những tần số mong muốn Tuy vậy, ở tần số thấp thắch hợp ựiện kháng của tụ ựiện ghép sẽ trở nên ựủ lớn và do ựó không tới ựược tầng tiếp theo

Các tụ ựiện ghép do ựó sẽ gây ra mất hệ số khuếch ựại ở tần số thấp và khiến cho

hệ số khuếch ựại bằng không với dòng một chiều điều này không hề ngạc nhiên vì từ Hình 1.27 ta thấy rằng tụ ựiện ghép phối hợp với trở kháng vào của tầng tiếp theo tạo thành mạch STC thông cao

đáp ứng tần số của mạch thông cao coi như có dạng của ựáp ứng tần số trong Hình 1.26(a) ựoạn cuối ở tần số thấp

Hình 1.26 đáp ứng tần số của (a) Bộ khuếch ựại ghép tụ ựiện (b) Bộ khuếch ựại ghép trực

tiếp (c) Bộ khuếch ựại công hưởng và bộ khuếch ựại thông dải

Hình 1.27 Sử dụng tụ ựiện ựể ghép các tầng khuếch ựại

Có nhiều ứng dụng trong ựó quan trọng là bộ khuếch ựại duy trì ựược hệ số khuếch ựại của nó ở tần số thấp gần bằng ựiện áp một chiều Hơn nữa, công nghệ mạch tắch hợp nguyên khối không cho phép sản xuất những tụ ghép lớn Do ựó các IC khuếch ựại thường ựược thiết kế như khuếch ựại ghép trực tiếp hay khuếch ựại dc (ngược lại với

Tài liệu học tập

khuếch ựại ghép ựôi ựiện dung hay khuếch ựại AC) Hình 1.26(b) mô tả ựáp ứng tần số của một bộ khuếch ựại dc đáp ứng tần số này ựược xem như ựáp ứng của một bộ khuếch ựại thông thấp

Trong một số ứng dụng, như trong thiết kế bộ thu của radio và TV, yêu cầu nảy sinh với một bộ khuếch ựại là ựáp ứng tần số của nó ựạt mức cao nhất quanh một tần số không ựổi (ựược gọi là tần số trung tâm) và giảm mạnh ở hai phắa của tần số này (như mô

tả trong Hình 1.26c) Các bộ khuếch ựại với ựáp ứng như thế này ựược gọi là khuếch ựại cộng hưởng, khuếch ựại thông dải, hay bộ lọc thông dải Một bộ khuếch ựại cộng hưởng tạo nên trái tim của phần tiền xử lý hay bộ cộng hưởng trong máy thu thông tin Bằng việc ựiều chỉnh tần số trung tâm sao cho cho trùng với tần số của kênh thông tin liên lạc yêu cầu (vắ dụ, một ựài phát thanh), tắn hiệu của các kênh ựặc biệt có thể ựược thu trong khi tắn hiệu của các kênh khác bị tắt dần hoặc bị lọc ựi

1.7 Phản hồi trong bộ khuếch ựại

định nghĩa

Hồi tiếp (hay còn gọi là phản hồi) là quá trình ựưa một phần tắn hiệu từ ựầu ra quay

về ựầu vào với mục ựắch thay ựổi các tham số cũng như chế ựộ làm việc cho bộ khuếch ựại Phản hồi cho phép cải thiện các tắnh chất của bộ khuếch ựại, nâng cao về chất lượng

Sơ ựồ khối của một bộ khuếch ựại có phản hồi

Trong ựó:

K: hệ số khuếch ựại khi chưa có phản hồi

β: hệ số phản hồi;

Uv : tắn hiệu vào; Ura : tắn hiệu ra;

Uε : tắn hiệu sai lệch; Uph : tắn hiệu phản hồi

+ Phản hồi âm: là phản hồi mà tắn hiệu phản hồi ngược pha (ngược dấu) so với tắn hiệu vào bộ khuếch ựại nên làm yếu tắn hiệu vào, giảm hệ số khuếch ựại của mạch nhưng các tắnh chất khác ựược cải thiện như nâng cao ựộ ổn ựịnh, mở rộng dải thông, giảm ựộ méo

+ Phản hồi dương: là phản hồi mà tắn hiệu phản hồi cùng pha (cùng dấu) so với tắn hiệu vào, cho nên làm tăng tắn hiệu vào, tăng hệ số khuếch ựại nhưng lại làm cho mạch làm việc không ổn ựịnh có thể gây nên hiện tượng tự kắch (tự dao ựộng)

Ngoài ra, phụ thuộc vào loại dòng ñiện ñược truyền từ ñầu ra trở lại ñầu vào bộ khuếch ñại ta có các loại phản hồi theo dòng một chiều và phản hồi theo dòng xoay chiều, trong ñó phản hồi âm dòng một chiều dùng ñể ổn ñịnh chế ñộ làm việc cho tranzito khi chịu ảnh hưởng của nhiệt ñộ, còn phản hồi âm dòng xoay chiều ñể ổn ñịnh các tham số cho mạch khuếch ñại

Ảnh hưởng của phản hồi ñến hệ số khuếch ñại của mạch

Từ sơ ñồ khối ta có: Uε = Uv ± Uph → Uv = Uε ∓ Uph (*) Chia hai vế của (*) cho Ura ta

r ph r r

V

U

U U

U U

U

∓

ε

=

Trong ñó: Kph = Ura / Uv : hệ số khuếch ñại khi có phản hồi

K = Ura / Uε : hệ số khuếch ñại khi chưa có phản hồi

β = Uph / Ura : hệ số truyền ñạt của khâu phản hồi

→ Kph = K / (1∓ K.β) Dấu (-) là hồi tiếp dương, dấu (+) là hồi tiếp âm

* Nếu là phản hồi âm: Kph = K / (1 + K.β) < K Tức là hệ số khuếch ñại khi có phản hồi âm bị giảm, tuy nhiên ñộ ổn ñịnh của mạch sẽ tăng, khi tăng ñộ sâu hồi tiếp ñộ ổn ñịnh của mạch càng tăng, vì vậy hồi tiếp âm hay ñược dùng trong khuếch ñại

* Nếu là phản hồi dương: Kph = K / (1 - K.β) > K Tức là hệ số khuếch ñại của mạch tăng, ñộ ổn ñịnh của mạch bị giảm Trường hợp ñặc biệt, khi K β = 1 thì Kph = ∞ Khi ñó

sơ ñồ làm việc ở chế ñộ tự kích thích, khi ñó nhận ñược tín hiệu ra ngay cả khi không có tín hiệu vào nên hồi tiếp dương ít ñược sử dụng trong khuếch ñại

Tài liệu học tập

CHƯƠNG 2

KHUẾCH ðẠI THUẬT TOÁN

Giới thiệu

2.1 Khuếch ñại thuật toán lý tưởng

2.1.1 Các ñầu vào/ra của khuếch ñại thuật toán

2.1.2 Chức năng và ñặc tính của khuyếch ñại thuật toán lý tưởng

2.1.3 Tín hiệu vi sai và tín hiệu chế ñộ chung

2.3.2 ðặc ñiểm của mạch khuếch ñại không ñảo

2.3.3 Ảnh hưởng của hệ số khuếch ñại vòng hở hữu hạn

2.3.4 Mạch lặp ñiện áp

2.4 Bộ khuếch ñại vi sai

2.4.1 Mạch khuếch vi sai dùng khuếch ñại thuật toán ñơn

2.4.2 Bộ khuếch ñại vi sai cải tiến

Giới thiệu

Khuếch đại thuật tốn đã được sử dụng trong một thời gian dài, nhưng những ứng dụng ban đầu của chúng chủ yếu là trong các lĩnh vực tính tốn tương tự và thiết bị đo phức tạp Lúc đầu khuếch đại thuật tốn được xây dựng từ các linh kiện rời rạc (các đèn chân khơng, sau đĩ là các transistor và điện trở) và giá thành của chúng là tương đối cao Nhưng vào giữa những năm 1960 khuếch đại thuật tốn đã được tích hợp thành một IC Linh kiện này (µA709) được chế tạo từ một số lượng tương đối lớn các transistor và các điện trở tích hợp trên cùng một chip silicon Mặc dù đặc tính của nĩ là khá nghèo nàn (so với tiêu chuẩn hiện nay) và giá thành vẫn cịn khá cao nhưng sự xuất hiện của nĩ đã đánh dấu một kỷ nguyên mới trong thiết

kế mạch điện tử

Khi các kỹ sư điện tử bắt đầu sử dụng bộ khuếch đại thuật tốn với số lượng lớn, nên đĩ chính là nguyên nhân làm cho giá thành của chúng giảm xuống đáng kể Các nhà thiết kế địi hỏi những bộ khuếch đại thuật tốn cĩ chất lượng tốt hơn Nên các hãng sản xuất bán dẫn đã đáp ứng nhanh chĩng điều này và trong một khoảng thời gian một vài năm những bộ khuếch đại thuật tốn chất lượng cao trở lên thơng dụng hơn, với mức giá cực kì thấp từ rất nhiều nhà cung cấp khác nhau

Một trong những lý do cho sự phát triển thơng dụng của khuếch đại thuật tốn là tính đa năng của nĩ Mọi người ta cĩ thể làm hầu như là bất cứ việc gì với khuếch đại thuật tốn Và

cĩ một thực tế quan trọng đối với IC khuếch đại thuật tốn đĩ là cĩ một số đặc tính đã gần đạt đến giả thiết lý tưởng ðiều này cĩ nghĩa là thật dễ dàng để thiết kế các mạch điện mà cĩ sử dụng khuếch đại thuật tốn ðồng thời, các mạch khuếch đại thuật tốn làm việc với các hiệu suất khá gần với dự đốn trước trên lý thuyết Vì lý do này mà chúng ta sẽ đi nghiên cứu IC khuếch đại thuật tốn ở đầu chương này

Như đã được nĩi đến, một IC khuếch đại thuật tốn được chế tạo từ rất nhiều các Transistor, điện trở và tụ điện theo một mạch khá phức tạp Vì chúng ta vẫn chưa nghiên cứu mạch transistor nên các mạch bên trong khuếch đại thuật tốn sẽ khơng được đề cập đến trong chương này Thay vào đĩ ta xem khuếch đại thuật tốn như là một khối mạch hợp nhất và đi nghiên cứu các đặc điểm của các cực vào/ra và ứng dụng của nĩ Cách tiếp cận này thích hợp trong nhiều ứng dụng của khuếch đại thuật tốn Tuy nhiên, đối với những ứng dụng khĩ và địi hỏi tính khắt khe thì việc nắm bắt được cấu trúc bên trong của một IC khuếch đại thuật tốn là cần thiết Chủ đề này sẽ được nghiên cứu trong chương tiếp theo

Tài liệu học tập

2.1 Khuếch ñại thuật toán lý tưởng

2.1.1 Các ñầu vào/ra của khuếch ñại thuật toán

Nhìn từ góc ñộ tín hiệu thì mạch khuếch ñại thuật toán gồm có 3 cực: 2 cực ñầu vào và một cực ñầu ra Hình 2.1 là kí hiệu chung của mạch khuếch ñại thuật toán Các ñầu 1 và 2 là ñầu vào và ñầu 3 là ñầu ra Và hai cực 4 và 5 là hai cực cấp nguồn một chiều cho khuếch ñại

thuật toán Trong ñó, cực số 4 nối với ñiện áp dương V cc và cực số 5 nối với ñiện áp âm –V EE

Hình 2.1 Kí hiệu mạch của khuếch ñại thuật toán

Trong hình 2.2(b) chúng ta thấy rõ ràng các nguồn pin sẽ cung cấp hai nguồn ñiện một chiều với một ñiểm ñất chung Cần lưu ý rằng ñiểm tham chiếu nối ñất trong mạch khuếch ñại chỉ là ñiểm chung giữa hai nguồn cấp, tức là không có cực cụ thể nào của khuếch ñại thuật toán ñược kết nối vật lý với ñất Do ñó, chúng ta có thể ký hiệu ngắn gọn như hình 2.2(a)

Hình 2.2 Sự thể hiện của khuếch ñại thuật toán khi kết nối với nguồn cấp một chiều

Ngoài ba cực tín hiệu và 2 cực ñầu vào nguồn cung cấp, một khuếch ñại thuật toán có thể

có các cực khác dành cho những mục ñích riêng như: cực bù tần số, cực hiệu chỉnh sai lệch tĩnh

2.1.2 Chức năng và ñặc tính của khuyếch ñại thuật toán lý tưởng

Mạch khuếch ñại thuật toán ñược thiết kế ñể thu nhận hiệu số giữa hai tín hiệu ñiện áp ñặt vào hai cực ñầu vào của nó (tức là ñại lượng v −2 v1), sau ñó nhân hiệu số này với một hệ số A

và kết quả thu ñược sẽ là một ñiện áp A(v2−v1) ở cực ñầu ra số 3

Ở ñây cần nhấn mạnh rằng khi ta nói ñiện áp tại một cực có nghĩa là ñiện áp giữa cực ñó

so với ñất, do vậy v1 có nghĩa là ñiện áp ứng với cực 1 và ñất

Một mạch khuếch ñại thuật toán lý tưởng không cho phép bất kì dòng ñiện vào nào; tức là tín hiệu dòng ñiện vào cực 1 và tín hiệu dòng ñiện vào cực 2 ñều phải bằng 0 Nói theo cách

khác là trở kháng ñầu vào của một khuếch ñại thuật toán lý tưởng ñược coi là bằng vô cùng

Tài liệu học tập

Còn cực số 3 ñược coi như hoạt ñộng giống ñầu ra của một nguồn áp lý tưởng Do vậy ñiện áp giữa cực 3 và ñất luôn luôn bằng A(v2−v1), không phụ thuộc vào dòng ñiện từ cực 3

qua ñiện trở tải Nói theo cách khác, trở kháng ñầu ra của một khuếch ñại thuật toán lý tưởng

ñược coi là bằng 0

Từ tất cả những ñiều trên, chúng ta có ñược mô hình mạch ñiện tương ñương thể hiện như

trong hình 2.3 Chú ý rằng ñầu ra cùng pha (có cùng dấu) với v2 và ngược pha (ngược dấu) với

v1 Ví lý do ñó, ñầu vào cực 1 ñược gọi là ñầu vào ñảo và ñược nhận biết bởi dấu “-” , còn ñầu vào cực 2 ñược gọi là ñầu vào không ñảo và ñược nhận biết bởi dấu “+”

Như ñã phát biểu ở trên, khuếch ñại thuật toán chỉ ñáp ứng với tín hiệu sai lệch v −2 v1và

vì vậy nó bỏ qua bất kỳ tín hiệu chung nào của cả hai cực ñầu vào Tức là, nếu v1=v2=1V thì

ñầu ra lý tưởng sẽ bằng 0 Ta gọi ñặc tính này là loại bỏ chế ñộ chung, có nghĩa là một

khuếch ñại thuật toán lý tưởng có hệ số khuếch ñại chế ñộ chung là bằng không, hoặc sự loại

bỏ chế ñộ chung là vô hạn.Nói cách khác, khuếch ñại thuật toán là bộ khuếch ñại ñầu vào vi sai

Như vậy hệ số khuếch ñại A ñược gọi là hệ số khuếch ñại vi sai Ngoài ra, A còn ñược biết

ñến dưới một tên khác là: hệ số khuếch ñại vòng hở Và khi ta ‘khép vòng’ mạch khuếch ñại

thuật toán thì hệ số khuếch ñại sẽ có một tên khác ñó là hệ số khuếch ñại vòng kín

Về vấn ñề ñáp ứng tần thì khuếch ñại thuật toán lý tưởng có hệ số khuếch ñại A luôn luôn

bằng hằng số dù tần số có giảm xuống bằng không hoặc tăng ñến vô cùng Tức là, khuếch ñại thuật toán lý tưởng khuếch ñại những tín hiệu ở bất kì tần số nào với cùng một hệ số khuếch

ñại và vì vậy ta nói rằng khuếch ñại thuật toán có dải tần vô hạn

Về hệ số khuếch ñại, một mạch khuếch ñại thuật toán ñược gọi là lý tưởng nếu nó có một

hệ số khuếch ñại A mà giá trị của nó là rất lớn và lý tưởng là bằng vô cùng

ðể phục vụ cho những nghiên cứu sau này, bảng 2.1 liệt kê các ñặc tính của một mạch khuếch ñại thuật toán lý tưởng

Hình 2.3 Mạch tương ñương của khuếch ñại thuật toán lý tưởng

Bảng 2.1 ðặc ñiểm của mạch khuếch ñại thuật toán lý tưởng

1 Trở kháng vào vô cùng lớn

Tài liệu học tập

2 Trở kháng ra bằng 0

3 Hệ số khuếch ñại chế ñộ chung bằng 0 hay tương ñương, sự loại bỏ chế ñộ chung là vô hạn

4 Hệ số khuếch ñại vòng hở A vô cùng lớn

5 Dải tần số làm việc vô cùng lớn

2.1.3 Tín hiệu vi sai và tín hiệu chế ñộ chung

Tín hiệu vào vi sai v Idñơn giản là sự sai lệch giữa hai tín hiệu ñầu vào v1vàv2, tức là:

v Icm = +

Từ phương trình (2.1) và (2.2) có thể biểu diễn tín hiệu vào v1vàv2 theo v Icmvà v Id :

21

Id Icm

v v

(2.3)

và

22

Id Icm

v v

Hình 2.5 Một cấu trúc dạng ñảo của mạch khuếch ñại thuật toán

Hình 2.5 biểu diễn cấu trúc dạng ñảo Cấu trúc này gồm có: một khuếch ñại thuật toán và hai ñiện trở R1 và R2 ðiện trở R2 nối từ cực ra của khuếch ñại thuật toán (chân số 3) quay trở lại cực ñầu vào ñảo hay ñầu vào âm (chân số 1) của khuếch ñại thuật toán Ta nói R2 ñang

ñặt một hồi tiếp âm; nếuR2ñược nối giữa chân 3 và 2 ta gọi là hồi tiếp dương ðồng thời,

chú ý rằng R2 ñang khép vòng quanh khuếch ñại thuật toán Ngoài việc thêmR2, ta nối ñất chân số 2 và kết nối một ñiên trở R1 giữa chân số 1 và nguồn tín hiệu vào với một ñiện áp là

1

v ðầu ra của mạch tổng thể lấy tại chân số 3 (tức là giữa chân số 3 với ñất) Vì chân số 3 có trở kháng lý tưởng bằng 0 nên giá trị ñiện áp v osẽ không phụ thuộc vào giá trị của dòng ñiện cung cấp cho trở kháng tải nối giữa chân số 3 với ñất

Ta giả thiết rằng khuếch ñại thuật toán là lý tưởng Hình 2.6(a) biểu diễn mạch ñiện

tương ñương và chúng ta tiến hành phân tích như sau: Hệ số khuếch ñại A là rất lớn (lý tưởng

là bằng vô cùng) Nếu ta giả giả thiết rằng mạch ñiện ñang làm việc và tạo ra một ñiện áp xác ñịnh trên chân số 3, thì ñiện áp giữa các chân ñầu vào mạch khuếch ñại thuật toán là nhỏ không ñáng kể và lý tưởng là bằng không

Nếu ta gọi ñiện áp ñầu ra làv othì theo ñịnh nghĩa:

01

A

v v

Tài liệu học tập

điều ựó dẫn ựến ựiện áp tại ựầu vào ựảo (v1) là v =1 v2 đó là vì hệ số khuếch ựại A gần

như bằng vô cùng, ựiện áp v1 gần bằng và lý tưởng là bằngv2 Ta nói về ựiều này như là hai ựầu vào có Ộựiện thế bám lẫn nhauỢ đồng thời, chúng ta cũng chú ý ựến một hiện tượng

Ộngắn mạch ảoỢ tồn tại giữa 2 cực ựầu vào Từ ỘảoỢ ở ựây cần ựược nhấn mạnh và ta không nên nhầm lẫn với ngắn mạch vật lý giữa chân số 1 và 2 trong khi phân tắch mạch ựiện

Sự ngắn mạch ảo nghĩa là bất kỳ ựiện áp nào ở chân 2 sẽ tự ựộng xuất hiện ở chân 1 bởi

vì hệ số A là vô cùng Nhưng chân 2 lại ựược nối xuống ựất do ựó v2 =0 và v1=0 Ta nói rằng chân 1 như là một ựiểm ựất ảo vì có ựiện áp bằng 0 nhưng không nối trực tiếp xuống ựất

Bây giờ chúng ta ựã xác ựịnh ựược ựiện áp v1 và tiến hành áp dụng ựịnh luật Ohm ựể tìm dòng i1 chạy qua R1 (xem hình 2.6) như sau:

1 1 1 1

1 1

0

R

v R

v R

v v

i = I − = − = I

Tuy nhiên dòng ựiện này không thể chạy vào khuếch ựại thuật toán vì khuếch ựại thuật toán lý tưởng có trở kháng ựầu vào là vô cùng do vậy dòng ựiện vào này sẽ phải bằng 0 Do

ựó thì dòng i1 sẽ phải chảy qua R2 tới chân số 3 có trở kháng thấp hơn Ta có thể áp dụng

ựịnh luật Ohm cho R2và xác ựịnh v o:

2 1

1 2

1

R

v R

i v

v o= − = −

Vì vậy

1 2

R v

Hệ số khuếch ựại vòng kắn ựơn giản là chỉ tỉ số của hai ựiện trở R2vàR1 Dấu (-) có nghĩa

là bộ khuếch ựại vòng kắn ựưa ra tắn hiệu từ ựầu vào ựảo Vì thế nếu R2/R1=10 và ta ựưa vào ựầu vào vI một tắn hiệu hình sin có biên ựộ ựỉnh ựỉnh là 1V thì ựầu ra v osẽ là một sóng hình sin có biên ựộ ựỉnh ựỉnh là 10V và bị lệnh pha 1800 so với tắn hiệu sóng sin ựầu vào Vì dấu (-) kết hợp với hệ số khuếch ựại vòng kắn, cấu trúc này ựược gọi là cấu trúc dạng ựảo

Thực tế là hệ số khuếch ựại vòng kắn phụ thuộc hoàn toàn vào các phần tử thụ ựộng bên ngoài (ựiện trởR1 và R2) điều này có nghĩa là ta có thể tạo ra một hệ số khuếch ựại vòng kắn một cách chắnh xác như chúng ta muốn bằng cách lựa chọn các phần tử thụ ựộng một cách thắch hợp điều này cũng có nghĩa là hệ số khuếch ựại vòng kắn (một cách lý tưởng) ựộc lập với hệ số khuếch ựại của khuếch ựại thuật toán đây là một sự minh họa rõ ràng cho hồi tiếp

âm: Với một khuếch ựại thuật toán có hệ số khuếch ựại rất lớn A và qua việc áp dụng hồi tiếp

âm ta thu ựược một hệ số khuếch ựại vòng kắn R2/ R1 nhỏ hơn rất nhiều so với A nhưng ổn

ựịnh và có thể dự ựoán trước

Tài liệu học tập

1 1 2

R

v i

1 1

R

v

i = I

2 1

R R

v

o=−

2 1

R

v

vo= − I

Hình 2.6 Phân tích mạch dạng ñảo Các số ñược khoanh tròn cho thấy các bước phân tích

2.2.2 Ảnh hưởng của hệ số khuếch ñại vòng hở hữu hạn

Những quan ñiểm trên sẽ ñược minh họa một cách rõ ràng hơn bằng cách biểu diễn hệ số khuếch ñại vòng kín với giả thiết hệ số khuếch ñại vòng hở là hữu hạn Hình 2.7 minh họa quá trình phân tích này Nếu ta ký hiệu ñiện áp ñầu ra là v o, thì ñiện áp giữa hai cực ñầu vào khuếch ñại thuật toán sẽ là v o/A Vì cực ñầu vào dương ñược nối xuống ñất, nên ñiện áp tại cực ñầu vào âm sẽ phải bằng −v o/A Dòng ñiện qua R1 có thể ñược xác ñịnh theo biểu thức:

1 1

1

//

R

A v v R

A v v

i = I − − o = I + o

Trở kháng ñầu vào của khuếch ñại thuật toán vô cùng lớn nên dòng ñiện i1 sẽ chạy qua R2

Do vậy ñiện áp ñầu ra v o ñược xác ñịnh như sau:

2 1

A v v A

Từ các ñiều kiện trên thì hệ số khuếch ñại vòng kín ñược tính như sau:

R R v

v G

I

o

//11

/1 2

1 2++

−

=

Chúng ta nên chú ý rằng nếu hệ số khuếch ñại A tiến ñến ∞ thì G xấp xỉ bằng giá trị lý

tưởng −R2/ R1 ðồng thời, từ hình 2.7 ta thấy rằng khi A tiến tới ∞, thì ñiện áp tại cực ñầu

vào ñảo tiến tới 0

Phương trình (2.5) chỉ ra rằng: ñể giảm thiểu sự phụ thuộc của hệ số khuếch ñại vòng kín

G vào giá trị của hệ số khuếch ñại vòng hở, ta nên làm cho:

A R

R <<

+1

21

A

v o

−

Hình 2.7 Phân tích cấu trúc mạch ñảo ñể thấy ñược tính hữu hạn của hệ số khuếch ñại vòng hở của

mạch khuếch ñại thuật toán

2.2.3 Trở kháng vào/ra

Giả sử một khuếch ñại thuật toán lý tưởng với hệ số khuếch ñại vòng hở là vô cùng, trở kháng vào của bộ khuếch ñại ñảo vòng kín trong hình 2.5 ñơn giản chỉ bằng R1 ðiều này có thể dễ dàng nhận thấy ở hình 2.6 (b), trong ñó:

1 1

v i

v R

I

I I

Trở kháng vào của bộ khuếch ñại tạo ra mạch phân áp với ñiện trở của nguồn cấp cho bộ khuếch ñại Do ñó, ñể tránh suy giảm cường ñộ tín hiệu, các bộ khuếch ñại ñiện áp cần phải

có trở kháng ñầu vào lớn Trong trường hợp của bộ khuếch ñại ñảo ta ñang nghiên cứu, ñể tạo

ra giá trị R i lớn ta nên chọn giá trị ñiện trở R1 lớn Tuy nhiên, nếu hệ số khuếch ñại R2/ R1

cũng yêu cầu giá trị lớn, thì giá trị ñiện trở R2 có thể rất lớn (lớn hơn một vài MΩ) không thực hiện ñược Ta có thể kết luận rằng bộ khuếch ñại ñảo có trở kháng ñầu vào thấp ðể khắc phục vấn ñề này ta xem ví dụ 2.1

Vì ñầu ra của cấu trúc ñảo ñược lấy ở các cực của nguồn áp lý tưởng A(v2−v1) (Hình 2.6a), ñiều này dẫn tới trở kháng ra của bộ khuếch ñại vòng kín là bằng 0

Tài liệu học tập