Giao trinh mach dien tu II

Giáo trình này giới thiệu một cách hệ thống về các mạch khuếch đại thuật toán, mạch dao động điều hòa và điều chế tín hiệu. Sau mỗi chương đều có phần câu hỏi và bài tập để giúp người học dễ dàng hệ thống lại và nắm bắt kiến thức tốt hơn. Trên cơ sở các kiến thức căn bản, giáo trình đã cố gắng tiếp cận các vấn đề hiện đại, đồng thời vận dụng với thực tế giảng dạy – học tập của giảng viên, giáo viên và học sinh – sinh viên. Giáo trình gồm hai phần: phần lý thuyết và phần thực hành, được bố cục như sau: Phần lý thuyết Chương 1: Các mạch khuếch đại thuật toán Chương 2: Mạch dao động điều hòa Chương 3: Điều chế Phần thực hành Bài 1: Lắp ráp và khảo sát các mạch khuếch đại thuật toán Bài 2: Lắp ráp và khảo sát các mạch dao động điều hòa Bài 3: Lắp ráp và khảo sát các mạch điều chế

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Chủ biên: ThS Phan Thị Năm Thành viên: ThS Mạc Văn Biên Cao Thị Hương

LỜI NÓI ĐẦU

Giáo trình này giới thiệu một cách hệ thống về các mạch khuếch đại thuật toán, mạch dao động điều hòa và điều chế tín hiệu Sau mỗi chương đều có phần câu hỏi và bài tập để giúp người học dễ dàng hệ thống lại và nắm bắt kiến thức tốt hơn

Trên cơ sở các kiến thức căn bản, giáo trình đã cố gắng tiếp cận các vấn đề hiện đại, đồng thời vận dụng với thực tế giảng dạy – học tập của giảng viên, giáo viên và học sinh – sinh viên

Giáo trình gồm hai phần: phần lý thuyết và phần thực hành, được bố cục như sau:

Phần lý thuyết

Chương 1: Các mạch khuếch đại thuật toán

Chương 2: Mạch dao động điều hòa

Chương 3: Điều chế

Phần thực hành

Bài 1: Lắp ráp và khảo sát các mạch khuếch đại thuật toán

Bài 2: Lắp ráp và khảo sát các mạch dao động điều hòa

Bài 3: Lắp ráp và khảo sát các mạch điều chế

Giáo trình được Hiệu trưởng phê duyệt làm tài liệu chính thức dùng cho giảng dạy, học tập môn học Kỹ thuật mạch điện tử II, tại trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghiệp

Do thời gian có hạn nên tài liệu này không tránh khỏi thiếu sót, rất mong bạn đọc góp ý Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về:

- Phan Thị Năm, Mạc Văn Biên, Cao Thị Hương - Giảng viên khoa Điện tử - Tin học, Cao Đẳng Kỹ thuật Công nghiệp, số 202 Trần Nguyên Hãn, TP Bắc Giang, Bắc Giang

- Văn phòng khoa Điện tử - Tin học, tầng 3, tòa nhà X1, số 202 Trần Nguyên Hãn,

TP Bắc Giang, Bắc Giang

- Thư viện Cao Đẳng Kỹ thuật Công nghiệp, số 202 Trần Nguyên Hãn, TP Bắc Giang, Bắc Giang

NHÓM TÁC GIẢ

MỤC LỤC

PHẦN LÝ THUYẾT 3

Chương 1: CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 3

1.1 Khái niệm chung 3

1.1.1 Giới thiệu 3

1.1.2 Chức năng của các bộ khuếch đại 4

1.2 Mạch khuếch đại đảo 5

1.3 Mạch khuếch đại không đảo 7

1.4 Mạch cộng và mạch trừ 8

1.4.1 Mạch cộng 8

1.4.2 Mạch trừ 11

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1 14

Chương 2: MẠCH TẠO DAO ĐỘNG ĐIỀU HOÀ 17

2.1 Tổng quan về mạch dao động điều hòa 17

2.1.1 Các vấn đề chung về tạo dao động điều hòa 17

2.1.2 Đặc điểm của các mạch tạo dao động điều hòa 18

2.1.3 Các phương pháp ổn định biên độ và tần số dao động 18

2.1.4 Phạm vi tần số của các mạch dao động điều hòa 19

2.1.5 Phương pháp tính toán các mạch tạo dao động 20

2.2 Các mạch dao động điều hòa 23

2.2.1 Mạch dao dộng cầu wien (wien bridge oscillator ) 23

2.2.2 Các mạch dao động dịch pha 27

2.2.3 Mạch dao động ba điểm 32

2.2.4 Mạch dao động ghép biến áp 41

2.2.5 Mạch dao động dùng thạch anh 44

2.2.6 Mạch dao động nghẹt (Blocking) 48

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 2 53

Chương 3: ĐIỀU CHẾ 58

3.1 Tổng quan 58

3.2 Điều biên 59

3.2.1 Khái niệm chung 59

3.2.2 Hệ số méo phi tuyến 61

3.2.3 Hệ số méo tần số 62

3.2.4 Điều biên dùng phần tử phi tuyến 63

3.2.5 Điều biên dùng phần tử tuyến tính có tham số thay đổi 66

3.3 Điều tần và điều pha 68

3.3.1 Quan hệ giữa điều tần và điều pha 68

3.3.2 Phổ của dao động điều tần và điều pha 71

3.3.3 Mạch điều tần và điều pha 72

3.3.4 So sánh giữa điều chế tần số và điều chế biến độ 75

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 3 78

PHẦN THỰC HÀNH 79

Bài 1: LẮP RÁP VÀ KHẢO SÁT CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 79

1.1 Lắp ráp và khảo sát mạch cộng và mạch trừ 79

1.1.1 Lắp ráp và khảo sát mạch cộng đảo 79

1.1.2 Lắp ráp và khảo sát mạch cộng không đảo 81

1.1.3 Lắp ráp và khảo sát mạch trừ 83

1.2 Lắp ráp và khảo sát mạch biến đổi xung dùng khuếch đại thuật toán 86

Bài 2: LẮP RÁP VÀ KHẢO SÁT CÁC MẠCH DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA 88

2.1 Lắp ráp và khảo sát mạch dao động cầu Wien 88

2.1.1 Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao động cầu wien dùng transistor 88

2.1.2 Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao động cầu wien dùng OA 91

2.2 Lắp ráp và khảo sát mạch dao động dịch pha 93

2.2.1 Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao dộng dịch pha dùng transistor 93

2.2.2 Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao dộng dịch pha dùng OA 97

2.3 Lắp ráp và khảo sát mạch dao động ba điểm điện dung 99

2.3.1 Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao động ba điểm điện dung dùng transistor 99

2.3.2 Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao động ba điểm điện dung dùng OA 102

2.4 Lắp ráp và khảo sát mạch dao động ba điểm điện cảm 105

2.4.1 Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao động ba điểm điện cảm dùng transistor 105

2.4.2 Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao động ba điểm điện cảm dùng OA 107

2.5 Lắp ráp và khảo sát mạch dao động điều hòa dùng thạch anh (Crystal Oscillator) 110

2.5.1 Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng song song 110

2.5.2 Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng nối tiếp 113

2.6 Lắp ráp và khảo sát mạch dao động nghẹt Bloking 115

2.6.1 Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao động nghẹt cực phát chung (CE) 115

2.6.2 Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao động nghẹt cực thu chung (CC) 118

Bài 3: LẮP RÁP VÀ KHẢO SÁT CÁC MẠCH ĐIỀU CHẾ 121

3.1 Lắp ráp và khảo sát mạch điều biên 121

3.2 Lắp ráp và khảo sát mạch điều tần và điều pha 123

3.2.1 Lắp ráp và khảo sát mạch điều chế dùng thạch anh và diode biến dung 123

3.2.2 Lắp ráp và khảo sát mạch điều chế FM sử dụng VCO 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO 129

DANH MỤC HÌNH VẼ

PHẦN LÝ THUYẾT 3

Hình 1.1 Ký hiệu của bộ khuếch đại thuật toán 3

Hình 1.2 Sơ đồ khối bộ khuếch đại điện tử 5

Hình 1.3 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo 5

Hình 1.4 Mạch khuếch đại không đảo 7

Hình 1.5 Mạch cộng không đảo 8

Hình 1.6 Mạch cộng không đảo 9

Hình 1.7 Mạch cộng đảo 10

Hình 1.8 Mạch cộng không đảo 11

Hình 1.9 Mạch trừ bằng phương pháp đổi dấu 12

Hình 1.10 Mạch trừ bằng phương pháp vi sai 12

Hình 1.11 Mạch trừ nhiều thành phần 13

Hình 1.12 14

Hình 1.13 15

Hình 1.14 15

Hình 1.15 16

Hình 1.16 16

Hình 2.1 Sơ đồ khối mạch tạo dao động điều hòa 17

Hình 2.2 Mạch tạo dao động ba điểm điện dung 21

Hình 2.3 Mạch dao động cầu Wien 23

Hình 2.4 Mạch tạo dao động cầu Wien 25

Hình 2.5 Mạch dao động cầu Wien dùng transistor 26

Hình 2.6 Mạch dao động cầu Wien dùng OA 27

Hình 2.7 Sơ đồ khối mạch dao động dịch pha 28

Hình 2.8 Sơ đồ tương đương mạch dao động dịch pha 28

Hình 2.9 Khâu hồi tiếp RC 28

Hình 2.10 Mạch dịch pha dùng transistor 30

Hình 2.11 Mạch dịch pha dùng OA 31

Hình 2.12 Sơ đồ mạch dao động ba điểm với thành phần xoay chiều 32

Hình 2.13 Sơ đồ mạch dao động ba điểm điện cảm (a) và ba điểm điện dung (b) 33

Hình 2.14 Mô hình tương đương mạch dao động 33

Hình 2.15 Mạch dao động ba điểm điện dung 35

Hình 2.16 Mạch dao động ba điểm điện dung sử dụng IC thuật toán (Colpitts) 36

Hình 2.17 Mô hình tương đương mạch dao động ba điểm điện cảm 38

Hình 2.18 Sơ đồ nguyên lý mạch dao động ba điểm điện cảm 39

Hình 2.19 Mạch dao động ba điểm điện cảm sử dụng IC thuật toán (Hartley) 40

Hình 2.20 Mạch dao động ghép biến áp (b) và sơ đồ tương đương (a) 41

Hình 2.21 Mạch dao động ghép biến áp dùng transistor 43

Hình 2.22 Mạch dao động ghép biến áp dùng vi mạch thuật toán 43

Hình 2.23 Hình dạng thạch anh trong thực tế 45

Hình 2.24 Ký hiệu quy ước và sơ đồ tương đương thạch anh 45

Hình 2.25 Biện pháp để điều chỉnh (vi chỉnh) tần số riêng thạch anh 46

Hình 2.26 Bộ tạo dao động thạch anh điều khiển bằng hồi tiếp song song 46

Hình 2.27 Bộ tạo dao động thạch anh điều khiển bằng hồi tiếp nối tiếp 47

Hình 2.28 Mạch dao động nghẹt Blocking 49

Hình 2.29 Giản đồ thời gian của mạch dao động nghẹt cực phát chung 51

Hình 2.30 Mạch dao động nghẹt cực thu chung 52

Hình 2.31 Mạch dịch pha dùng OA 53

Hình 2.32 Mạch dịch pha dùng transistor 54

Hình 2.33 54

Hình 2.34 Mạch dao động ba điểm điện dung sử dụng IC thuật toán 55

Hình 2.35 55

Hình 2.36 Mạch dao động ba điểm điện cảm 56

Hình 2.37 56

Hình 2.38 57

Hình 2.39 Mạch dao động ghép biến áp dùng transistor 57

Hình 3.1 Đồ thị thời gian tín hiệu điều biên 60

Hình 3.2 Phổ tín hiệu điều biên 60

Hình 3.3 Phổ tín hiệu điều biên có phổ biến thiên từ S minS max 60

Hình 3.4 Đặc tính điều chế tĩnh 62

Hình 3.5 Đặc tính biên độ tần số 62

Hình 3.6 Mạch điều chế dùng Diode 63

Hình 3.7 Đặc tuyến của diode và đồ thị thời gian của tín hiệu vào ra 64

Hình 3.8 Phổ tín hiệu điều biên khi làm việc ở chế độ A 64

Hình 3.9 Đặc tuyến của diode và đồ thị tín hiệu vào ra khi làm việc ở chế độ C 65

Hình 3.10 Mạch điều chế dùng diode 65

Hình 3.11 Mạch điều biên dùng phần tử tuyến tính 66

Hình 3.12 Mạch điều biên cân bằng dùng diode 66

Hình 3.13 Phổ tín hiều điều biên cân bằng 67

Hình 3.14 Mạch điều biên cân bằng dùng 2 BJT 67

Hình 3.15 Mạch điều chế vòng 67

Hình 3.16 Phổ tín hiệu điều chế cân vòng 68

Hình 3.17 Tín hiệu ra của quá trình điều tần 69

Hình 3.18 Tín hiệu ra của quá trình điều chế theo phương thức điều pha 70

Hình 3.19 Sơ đồ khối quá trình điều pha và điều tần 71

Hình 3.20 Mạch điều tần dùng diode biến dung và đặc tuyến C v 72

Hình 3.21 Mạch điều pha theo Amstrong 72

Hình 3.22 Đồ thị vecto của tín hiệu 72

Hình 3.23 Sơ đồ mạch tạo dao động điều tần bằng phẩn tử điện kháng phân áp RC 74

Hình 3.24 Mạch khuếch đại trước, hạn chế trước và đồ thị 77

PHẦN THỰC HÀNH 79

Hình 1 Mạch cộng đảo 79

Hình 2 Mạch cộng không đảo 81

Hình 3 Mạch trừ sử dụng IC 741 83

Hình 4 Mạch biến đổi xung răng cưa thành xung vuông 86

Hình 5 Mạch dao động cầu Wien dùng transistor 88

Hình 6 Mạch dao động cầu Wien dùng OA 91

Hình 7 Mạch dịch pha dùng transistor 94

Hình 8 Mạch dịch pha dùng OA 97

Hình 9 Mạch dao động ba điểm điện dung dùng transistor 100

Hình 10 Mạch dao động ba điểm điện dung dùng OA 102

Hình 11 Mạch dao động ba điểm điện cảm dùng transistor 105

Hình 12 Mạch dao động ba điểm điện cảm dùng IC thuật toán 108

Hình 13 Mạch dao động thạch anh với tần số cộng hưởng song song 110

Hình 14 Mạch dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng nối tiếp 113

Hình 15 Mạch dao động nghẹt cực phát chung 116

Hình 16 Mạch dao động nghẹt cực thu chung 118

Hình 17 Bộ điều chế Collector 121

Hình 18 Bộ điều chế dùng thạch anh và diode biến dung 123

Hình 19 Bộ điều chế tần số FM sử dụng VCO 126

3

PHẦN LÝ THUYẾT Chương 1: CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 1.1 Khái niệm chung

1.1.1 Giới thiệu

Mạch khuếch đại được sử dụng trong hầu hết các thiết bị điện tử, như mạch khuếch đại âm tần trong máy amply, khuếch đại tín hiệu video trong Tivi, LCD hay các mạch khuếch đại tín hiệu vô tuyến trong các bộ thu Radio, thu truyền hình v.v …

Mạch khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier - OA), thường được gọi tắt

là op-amp là một mạch khuếch đại một chiều nối tầng trực tiếp với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai, và thông thường có đầu ra đơn

Mạch khuếch đại thuật toán là mạch tích hợp rắn có thể ráp phối hợp với các mạch hồi tiếp bên ngoài để có thể điều chỉnh hàm truyền hay độ lợi của nó

Mạch khuếch đại thuật toán là mạch khuếch đại tổ hợp có hệ số khuếch đại lớn, trở kháng vào lớn, và trở kháng ra nhỏ

Ký hiệu của OA được cho trên hình 1.1

Hình 1.1 Ký hiệu của bộ khuếch đại thuật toán

OA khuếch đại hiệu điện áp U d = U p – U N với hệ số khuếch đại Kd

4

- Hệ số khuếch đại K =  d

- U = UN P

- I0− =I0+ = 0.

Trên thực tế không có bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng, thông thường một OA

có Zv cỡ hàng trăm KΩ tới hàng MΩ, Zra cỡ hàng Ω tới hàng vài chục Ω, Kd khoảng từ vài trăm tới hàng triệu lần

Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin, xung, trong bộ ổn áp và bộ lọc tích cực trải rộng trong rất nhiều các thiết bị điện tử như các thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp và khoa học Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra Các mạch khuếch đại thuật toán thông dụng hiện nay có giá thành thấp, thiết kế hiện đại đã được điện tử hóa chặt chẽ hơn trước đây, và một số thiết kế cho phép mạch điện chịu đựng được tình trạng ngắn mạch đầu ra mà không bị hư hỏng

1.1.2 Chức năng của các bộ khuếch đại

Chức năng chính của bộ khuếch đại tất nhiên là khả năng khuếch đại, tuy nhiên

vì cấu tạo đặc biệt, nên chúng có thể tạo ra nhiều chức năng khác nhau từ khuếch đại cho tới mạch cộng, trừ, vi tích phân

Thông thường một mạch khuếch đại hay bộ khuếch đại, đôi khi gọi gọn là khuếch đại, là một thiết bị hoặc linh kiện bất kỳ nào, sử dụng một lượng công suất nhỏ ở đầu vào để điều khiển một luồng công suất lớn ở đầu ra Trong các ứng dụng thông dụng, thuật ngữ này hiện nay được dùng chủ yếu cho các bộ khuếch đại điện tử và thông thường là các ứng dụng thu và tái tạo tín hiệu điện tử

Bộ khuếch đại điện tử là một mạch điện tử mà tín hiệu đầu ra của mạch lớn gấp

K lần tín hiệu đầu vào của mạch và dạng tín hiệu ở đầu ra giống hệt dạng của tín hiệu ở đầu vào

Tín hiệu của mạch là dòng điện i(t), điện áp u(t) hoặc công suất P(t ) Tín hiệu cũng có thể là điện trường E(t) hoặc từ trường B(t) Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại điện tử cho ở hình 1.2

Trong sơ đồ, ký hiệu hình mô tả đây là bộ khuếch đại

K được gọi là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại Hệ số này là tỉ số giữa giá trị tín hiệu ra chia cho giá trị tín hiệu vào

Mối liên quan giữa đầu vào và đầu ra của một bộ khuếch đại, thường được diễn giải như là một hàm của tần số, được gọi là hàm truyền và biên độ của hàm truyền được gọi là độ lợi hay độ khuếch Đánh giá đầy đủ về khuếch đại là ba lượng độ khuếch điện

áp (voltage gain), độ khuếch dòng (current gain) và độ khuếch công suất (power gain)

5

Nếu các tín hiệu vào, ra là điện áp thì chúng ta có hệ số khuếch đại điện áp:

( )1.1

r u v

U K U

=Nếu các tín hiệu vào, ra là dòng điện thì chúng ta có hệ số khuếch đại dòng điện:

( )1.2

r i v

I K I

=Nếu các tín hiệu vào, ra là công suất thì chúng ta có hệ số khuếch đại công suất:

( )1.3

r P v

P K P

=

Hình 1.2 Sơ đồ khối bộ khuếch đại điện tử

Trong bài này,chúng ta sẽ khảo sát các mạch khuếch đại sử dụng mạch khuếch đại thuật toán

1.2 Mạch khuếch đại đảo

a) Sơ đồ mạch nguyên lý

Hình 1.3 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo

6

b) Chức năng và nhiệm vụ

Mạch khuếch đại đảo là mạch khuếch đại tín hiệu vào thành tín hiệu ra có biên

độ điện áp lớn hơn, và đảo chiều cực tính của tín hiệu vào, có thực hiện hồi tiếp âm song song điện áp qua Rf

c) Tính toán thông số mạch

Hệ số khuếch đại được xác định dựa vào hai điện trở ngoài (điện trở hồi tiếp âm

Rf, và điện trở vào Rin) Zi, Zf có thể có bất cứ dạng nào

+ Tín hiệu đưa vào ngõ vào (-) Vi có thể xoay chiều hoặc một chiều

Coi Op_amp lý tưởng nên I0 = 0 (dòng vào OA ) và V1 = V2 = 0V (do U = UN P)

( )1.4

f out

V

Z V

- Khi Zf và Zi là điện trở thuần thì OA có tính khuếch đại điện thế một chiều

- Zf đóng vai trò mạch hồi tiếp âm, Zf càng lớn (hồi tiếp âm càng nhỏ) độ khuếch đại của mạch càng lớn

- Nếu Zf = Zi thì AV = -1thì sơ đồ hình 1.3 có tính chất lặp lại đảo tín hiệu

- Zi = 0 từ phương trình iin = −if , ta có: out

tỷ lệ với dòng điện vào Đây chính là mạch biến đổi dòng thành áp

Ví dụ: Cho bộ khuếch đại như hình 1.3,với Rin = 100KΩ, Rf = 500KΩ

Tính điện áp đầu ra khi Vin = 2V?

Mạch khuếch đại không đảo là khuếch đại tín hiệu vào thành tín hiệu ra có biên

độ điện áp lớn hơn, có hồi tiếp âm điện áp đặt vào đầu vào đảo và cùng chiều so với tín

Z V

- Khi Zf =0, ta có: AV=1, Vi = V0 hoặc Zi =∞ ta cũng có AV=1, Vi = V0 Lúc này mạch được gọi là mạch “voltage follower” thường được dùng làm mạch đệm (buffer) vì có tổng trở vào lớn và tổng trở ra nhỏ như mạch cực thu chung ở BJT

Ví dụ: Cho bộ khuếch đại như hình 1.4,với R1= 100KΩ, R2= 500KΩ Tính điện váp đầu ra khi Vin = 2V?

in i f out

1.4.1.1 Khái niệm chung về mạch cộng

Ðây là các mạch điện tử đặc biệt trong đó sự liên hệ giữa điện thế ngõ vào và ngõ

ra là các phương trình toán học đơn giản đó là phép toán cộng các tín hiệu

Vai trò và chức năng của mạch cộng: cộng các điện áp của các tín hiệu ngõ vào

1.4.1.2 Mạch cộng không đảo

a) Sơ đồ mạch nguyên lý

Hình 1.5 Mạch cộng không đảo

1 0

1

n f

Tín hiệu ngõ ra bằng tổng các tín hiệu ngõ vào nhưng ngược pha Ta chú ý là Vi

là một điện thế bất kỳ có thể là một chiều hoặc xoay chiều

Ví dụ: Cho mạch điện như hình 1.8 với Rf = 1MΩ biết:

1.4.2.1 Khái niệm chung

Ðây là các mạch điện tử đặc biệt trong đó sự liên hệ giữa điện thế ngõ vào và ngõ

ra là các phương trình toán học đơn giản đó là phép toán trừ các tín hiệu

12

Vai trò và chức năng của mạch trừ: lấy hiệu điện áp các tín hiệu ở các ngõ vào với nhau

1.4.2.2 Mạch điện nguyên lý

a) Sơ đồ mạch điện nguyên lý

Hình 1.9 Mạch trừ bằng phương pháp đổi dấu

Hình 1.10 Mạch trừ bằng phương pháp vi sai

b) Chức năng và nhiệm vụ của mạch

R2 , Rf1 có tác dụng đổi dấu tín hiệu V2 thành -V2 R3, Rf2 có tác dụng cộng hai tín hiệu V1 và –V2, và đổi dấu kết quả

Để trừ tín hiệu V1 với V2, thì ta đảo V2 thành –V2, sau đó cộng V1 với –V2, rồi đổi dấu kết quả

c) Tính toán thông số mạch

Xét sơ đồ nguyên lý hình 1.10, ta có:

14

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1

Câu 1: Bộ khuếch đại thuật toán là gi? Ký hiệu và các tính chất cơ bản của khuếch đại thuật toán?

Câu 2: Trình bày sơ đồ khối và chức năng của bộ khuếch đại?

Câu 3: Trình bày sơ đồ nguyên lý và chức năng của bộ khuếch đại đảo? Các công thức

tính toán các thông số của mạch?

Câu 4: Trình bày sơ đồ nguyên lý và chức năng của bộ khuếch đại không đảo? Các công thức tính toán các thông số của mạch?

Câu 5: So sánh điểm khác nhau cơ bản của bộ khuếch đại đảo và bộ khuếch đại không đảo?

Câu 6: Trình bày sơ đồ nguyên lý và chức năng của bộ cộng đảo? Các công thức tính toán các thông số của mạch?

Câu 7: Trình bày sơ đồ nguyên lý và chức năng của bộ cộng không đảo? Các công thức tính toán các thông số của mạch?

Câu 8: Trình bày sơ đồ nguyên lý và chức năng của mạch trừ? Các công thức tính toán các thông số của mạch?

Câu 9: Cho mạch điện như hình 1.12

với Rf=10KΩ, Ri=5KΩ

Hình 1.12

a) Tính hệ số khuếch đại của mạch?

b) Nếu cho một tín hiệu một chiều có đầu vào là 10mV, thì đầu ra sẽ bằng bao nhiêu ? Câu 10: Cho mạch điện như hình 1.13

với V1=V2=10mV, V3 = -10mV, R1=Rht=R=10kΩ

17

Chương 2: MẠCH TẠO DAO ĐỘNG ĐIỀU HOÀ 2.1 Tổng quan về mạch dao động điều hòa

2.1.1 Các vấn đề chung về tạo dao động điều hòa

Các mạch tạo dao động điều hòa (hay còn gọi là dao động hình sin) được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin, trong các máy phát, máy thu, trong máy đo, máy kiểm tra, thiết bị y tế… Hiểu một cách đơn giản, mạch dao động là mạch tạo ra tín hiệu

Tổng quát, người ta chia ra làm hai loại mạch dao động là dao động điều hòa tạo

ra các tín hiệu dạng hình sin và dao động tích thoát tạo ra các tín hiệu không sin như tạo xung răng cưa, xung nhọn, xung tam giác, xung vuông Ở đây, chúng ta chỉ nghiên cứu các mạch dao động điều hòa

Các mạch tạo dao động điều hòa có thể làm việc trong dải tần số từ vài hec (Hz) đến hàng nghìn megahec (MHz) Để tạo dao động có thể dùng các phần tử tích cực như transistor lưỡng cực, transistor trường, mạch khuếch đại thuật toán hoặc các phần tử đặc biệt như điốt Tunel, điốt Gunn…

Để tạo dao động điều hòa, có thể theo hai nguyên tắc cơ bản sau :

- Tạo dao động bằng hồi tiếp dương

- Tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch

Ở đây ta chỉ nghiên cứu các mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi tiếp dương

Sơ đồ khối:

Hình 2.1 Sơ đồ khối mạch tạo dao động điều hòa

Mạch dao động điều hòa có sơ đồ khối như hình 2.1, bao gồm:

- Khối khuếch đại (KĐ)

= là hệ số khuếch đại

18

ht

o

V V

 = là hệ số hồi tiếp

Trong đó: Klà góc di pha của bộ khuếch đại

 là góc di pha của mạch hồi tiếp

Điều kiện để tồn tại dao động là:

- Nếu ban đầu Kβ >> 1 và đảm bảo điều kiện về pha thì mạch dao động đạt ổn định nhanh nhưng dạng tín hiệu ra bị méo

- Nếu ban đầu Kβ ≥ 1 thì mạch đạt độ ổn định chậm nhưng ít méo

- Nếu Kβ < 1 thì mạch không dao động, khi đó Vo là dạng dao động tắt dần

2.1.2 Đặc điểm của các mạch tạo dao động điều hòa

Đặc điểm chung: Từ những phân tích trên, ta rút ra những đặc điểm cơ bản của một mạch dao động:

- Mạch dao động cũng là một mạch khuếch đại, nhưng là mạch khuếch đại tự điều khiển bằng hồi tiếp dương từ đầu ra về đầu vào Năng lượng tự dao động lấy từ nguồn cung cấp một chiều

- Muốn có dao động phải thỏa mãn điều kiện cân bằng biên độ và cân bằng về pha

- Mạch phải chứa ít nhất một phần tử tích cực làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng một chiều thành năng lượng xoay chiều, đồng thời có vai trò là một khâu điều chỉnh để đảm bảo biên độ dao động không đổi ở trạng thái xác lập

Nguồn cung cấp: phải sử dụng các nguồn ổn định hoặc nguồn có ổn áp

Kết cấu của mạch: Giảm ảnh hưởng của tải đến mạch dao động bằng cách thêm tầng đệm ở đầu ra của tầng tạo dao động

19

- Xác định biên độ điện áp ra bằng cách chọn trị số điện áp nguồn cung cấp một chiều thích hợp, với biên độ điện áp xoay chiều cực đại trên đầu ra mạch khuếch đại luôn nhỏ hơn giá trị điện áp nguồn cung cấp một chiều cho phần tử khuếch đại đó

- Dịch chuyển điểm làm việc trên đặc tuyến phi tuyến của phần tử tích cực nhờ thay đổi điện áp phân cực đặt lên cực điều khiển của phần tử khuếch đại

- Dùng mạch hồi tiếp phi tuyến hoặc dùng phần tử hiệu chỉnh (ví dụ: điện trở nhiệt hoặc điện trở thông của điốt)

Tùy thuộc vào mạch điện cụ thể có thể áp dụng những biện pháp trên

2.1.3.2 Ổn định tần số dao động

Vấn đề ổn định tần số dao động liên quan chặt chẽ đến điều kiện cân bằng pha Khi dịch pha giữa điện áp hồi tiếp đưa về và điện áp ban đầu thay đổi, sẽ dẫn đến sự thay đổi tần số dao động Để nâng cao độ ổn định tần số của mạch tạo dao động, cần áp dụng các biện pháp sau:

- Thực hiện các biện pháp nhằm hạn chế sự thay đổi các tham số của mạch tạo dao động như: Dùng nguồn ổn áp, dùng các linh kiện có hệ số nhiệt độ nhỏ, có sai số nhỏ, dùng các phần tử ổn định nhiệt…

- Thực hiện các biện pháp nhằm giảm sự thay đổi góc pha theo tham số của mạch tạo dao động, nghĩa là:

Trong đó: m.n đặc trưng cho các tham số của các phần tử trong mạch khuếch đại

Do đó, cần phải chọn mạch tạo dao động thích hợp: Mạch ba điểm điện cảm, ba điểm điện dung, ghép biến áp hay mạch tạo dao động đổi pha…

- Thực hiện các biện pháp làm tăng tốc độ biến đổi của các góc pha theo tần số tại điểm xảy ra dao động như: sử dụng các phần tử có phẩm chất cao (sử dụng mạch cộng hưởng thạch anh, dùng phần tử có hệ số khuếch đại lớn)

Theo các nghiên cứu thực tế cho thấy: nếu không dùng các biện pháp ổn định đặc biệt thì độ ổn định tần số

0

f f



của các bộ tạo dao động điều hòa có thể đạt được trong

khoảng 10-2…10-3 Khi dùng các biện pháp trên đây có thể tăng độ ổn định tới 10-4 hoặc cao hơn Trong trường hợp dùng thạch anh có thể đạt được 6 8

0

10 10

f f

20

2.1.4.2 Mạch dao động LC

Mạch dao động LC dùng để tạo ra các tín hiệu cao tần từ hàng trăm kilôhec đến hàng trăm megahec Với các kiểu mạch đa dạng, mạch tạo dao động LC tạo ra tần số dao động gần với tần số cộng hưởng của nó

2.1.5 Phương pháp tính toán các mạch tạo dao động

Có nhiều phương pháp để tính toán mạch dao động, trong đó phương pháp thông dụng nhất, đó là tính toán mạch dao động theo phương pháp mạch khuếch đại có hồi tiếp Nội dung của phương pháp này bao gồm: phương pháp tính toán linh kiện cân bằng

về biên độ và phương pháp tính toán linh kiện cân bằng về pha

2.1.5.1 Phương pháp tính toán điều kiện cân bằng về biên độ

Kβ ≥ 1 Khi tính toán phải căn cứ vào mạch điện cụ thể để xác định hệ số khuếch đại K

và hệ số Kht rồi buộc tích của chúng bằng 1, từ đó suy ra các thông số cần thiết của mạch

Phương pháp tính bao gồm 6 bước:

Bước 1: Tính toán hệ số khuếch đại

Bước 2: Xác định hệ số hồi tiếp

Bước 3: Tính tích số K.Kht Bước 4: Xác định điều kiện dao động của mạch Bước 5: Xác định hệ số hồi tiếp để mạch tự dao động được

Bước 6: Xác định trị số các linh kiện mắc trong mạch

Để minh họa, ta xét ví dụ sau: Tính điều kiện tự dao động của mạch ba điểm điện dung (mạch colpits) như hình 2.2

21

Hình 2.2 Mạch tạo dao động ba điểm điện dung

Giải:

Ta tính điều kiện cân bằng biên độ của mạch theo các bước trên

Giả thiết: R1 // R2 >> h11 (h11 là điện trở vào vi phân)

Bước 1: Tính toán hệ số khuếch đại K

(h21 bằng β là hệ số khuếch đại dòng điện vi phân)

Trong mạch điện trên, trở kháng giữa cực C và đất, ZC là một phần trở kháng của khung cộng hưởng, được xác định:

=

Trong đó: L là điện cảm của khung cộng hưởng

C là điện dung của khung cộng hưởng

r là điện trở tổn hao của khung cộng hưởng

Zvpa là trở kháng vào phản ánh sang nhánh colectơ-emitơ,

.7

V BE C n

11 11

2 2

(1 ) -

n n h

K

h R

( ).1

11

2.10

1

td ht

Dấu = ứng với trường hợp xác lập

Dấu < ứng với trường hợp quá độ lúc mới đóng mạch

Với cách trên ta có thể tính được điều kiện tự dao động cho các mạch khác nhau

Bước 5: Xác định hệ số hồi tiếp để mạch tự dao động được

Thông thường giá trị n << 1 nên được tính gần đúng:

Tính đạo hàm và xét dấu, ta được: n2 ≤ n ≤ n1

Như vậy, nếu hệ số hồi tiếp n thỏa mãn, thì trong mạch có dao động hình sin (ở trạng thái xác lập) tại n1 hoặc n2

Bước 6: Xác định trị số các linh kiện mắc trong mạch qua hệ số hồi tiếp n và qua tần số dao động của mạch





+

2.2 Các mạch dao động điều hòa

2.2.1 Mạch dao dộng cầu wien (wien bridge oscillator )

2.2.1.1 Giới thiệu về mạch dao động cầu Wien

a) Cấu trúc của mạch

Mạch dao động cầu Wien dùng mạch hồi tiếp dương là một bộ lọc băng như hình 2.3 Mạch sử dụng OA mắc theo kiểu không đảo do khâu hồi tiếp có độ lệch pha 00 ở tần số trung tâm:

1 1 2 2

12

24

Tìm điều kiện dao động và tần số dao động:

Ta có hàm truyền đạt của mạch hồi tiếp:

( )

1 1

2 7

C R C R

Khi đó điều kiện về biên độ : K.β ≥ 1

Ví dụ :

a) Tính toán tần số cộng hưởng của mạch tạo dao động cầu Wien trên hình 2.4 b) Thiết kế mạch tạo dao động cầu Wien để có tần số dao động f0 = 10kHz

26

Hình 2.5 Mạch dao động cầu Wien dùng transistor

b) Tác dụng của các linh kiện

R,C: Tạo khung dao động

R1,R2 : Bộ phân áp làm nhiệm vụ cung cấp điện áp cho cực B của T1

R4,R5 : Bộ phân áp làm nhiệm vụ cung cấp điện áp cho cực B của T2

R3,R6: Điện trở cung cấp điện áp một chiều cho cực C của T1 và T2

VR,CE1 : Bộ ổn định điểm công tác cho T1, mắc ở cực E của T

R7,CE2 : Bộ ổn định điểm công tác cho T2, mắc ở cực E của T2

C1 : Tụ dẫn hồi tiếp dương

C2 : Tụ liên lạc giữa 2 tầng

c) Nguyên lý làm việc

Hai transistor T1,T2 mắc theo kiểu CE nên là mạch khuếch đại đảo pha

Tín hiệu vào cực B1 và ra cực C2 sẽ là hai tín hiệu đồng pha để tạo hồi tiếp dương Mạch hồi tiếp từ C2 về B1 là mạch cầu Wien để chọn lọc tần số

d) Điều kiện để cầu cân bằng

Mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại K ≥ 3 và điện áp ra và vào không đảo pha nhau e) Tần số dao động của mạch

Tần số dao động của mạch được tính theo công thức: 1

27

2.2.1.3 Mạch dao dộng cầu wien dùng vi mạch thuật toán

a) Sơ đồ mạch điện

Hình 2.6 Mạch dao động cầu Wien dùng OA

b) Tác dụng của các linh kiện

Khung tạo dao động C1,R1,C2,R2

OA: Bộ thuật toán đầu vào đảo

Rht, Ro: Xác định hệ số khuếch đại của mạch

c) Nguyên lý làm việc

Điện áp đưa về đầu vào không đảo pha để điện áp hồi tiếp trùng pha với điện áp vào Hồi tiếp âm qua Rht để xác định hệ số khuếch đại

d) Điều kiện để mạch cân bằng

Để đảm bảo điều kiện về dao động ta thường chọn: R ht = 2R0+

Trong đó,  là một đại lượng rất nhỏ (≈ 0.01) để mạch dễ dao động

e) Tần số dao động của mạch

Tần số dao động của mạch được tính theo công thức:

1 1 2 2

12

28

Hình 2.7 Sơ đồ khối mạch dao động dịch pha

Phần khuếch đại có thể sử dụng BJT, FET, OA làm mạch khuếch đại đảo (đầu ra lệch pha 1800 so với đầu vào)

Phần hồi tiếp sử dụng ba mắt RC mắc nối tiếp, mỗi mắt làm lệch pha 600 nên khối hồi tiếp làm lệch pha 1800 Như vậy điều kiện về pha được đảm bảo

b) Phạm vi điều chỉnh tần số của mạch

Một mạch dao động dịch pha có sơ đồ tương đương như hình 2.8

Hình 2.8 Sơ đồ tương đương mạch dao động dịch pha

Nếu trở kháng vào Zi của mạch khuếch đại đủ lớn và trở kháng ra Zo đủ nhỏ thì : V2 = Vi, V1 = Vo = K.Vi Khi đó khâu hồi tiếp tương đương như hình 2.9

Hình 2.9 Khâu hồi tiếp RC

Để xác định điều kiện về biên độ và tính tần số dao động cần thực hiện theo 4 bước Bước 1: Viết phương trình tính hệ số hồi tiếp

2 1

(2.20)

v v

29

Bước 2 : Rút gọn phương trình về dạng:  = +a jb (2.21)

Bước 3 : Cho b=0 để tính tần số dao động f

Bước 4 : Thay f vào phương trình của  để xác định giá trị  tại f và suy ra điều kiện

3

2 3

30

c) Ứng dụng

Mạch dao động địch pha được sử dụng để tạo ra các dao động điều hòa có tần số thấp

2.2.2.2 Mạch dao dộng cầu dịch pha dùng transistor

I

b) Tác dụng của các linh kiện

RC : Là một khâu của dao động dịch pha Mạch dao động yêu cầu ba khâu RC, mỗi khâu lệch pha 600 nên tổng dịch pha là 1800

RE,CE : Ổn định chế độ làm việc của transistor NPN

R1,R2 : Tạo mạch định thiên kiểu phân áp cho cực B transistor

RC : Điện trở cung cấp điện áp 1 chiều cho cực C transistor

31

Vì transistor trong mạch dao động được mắc cực E chung nên các khâu dịch pha được mắc tạo hồi tiếp dương giữa đầu ra và đầu vào của transistor, tạo ra dao động d) Điều kiện để cầu cân bằng

Để tồn tại dao động thì hệ số khuếch đại của mạch dùng transistor phải thỏa mãn điều kiện :

Tính toán chi tiết mạch dịch pha dùng transistor, công thức tính tần số dao động được xác định :

(2.31)2

2.2.2.3 Mạch dao dộng dịch pha dùng vi mạch thuật toán

a) Sơ đồ mạch điện

Hình 2.11 Mạch dịch pha dùng OA

Chọn R* // R1 = R hay khi R* →  thì R1 = R

b) Tác dụng của các linh kiện

RC: Các khâu dịch pha dao động RC

Rht: Điện trở hồi tiếp

R1: Điện trở vào, mắc với đầu vào đảo

OA: Bộ thuật toán OA đầu vào đảo

áp ra và điện áp vào đồng pha nhau sẽ tạo ra dao động

d) Điều kiện để mạch cân bằng

Khi OA có trở kháng vào lớn và trở kháng ra nhỏ nên rất phù hợp sử dụng trong mạch tạo dao động dịch pha Hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại dùng OA:

1

ht

R K R

2.2.3.1 Giới thiệu về mạch dao động ba điểm

Mạch dao động sin ba điểm có thể dùng transistor hay IC để khuếch đại Với mạch dùng transistor mắc E chung còn IC khuếch đại thuật toán có cửa thuận nối đất Khung dao động chứa ba phần tử điện kháng thứ tự là Z1, Z2, Z3

Hình 2.12 Sơ đồ mạch dao động ba điểm với thành phần xoay chiều

Để mạch dao động được cần K  mà K< 0 nên cần β < 0, mặt khác tại tần số 1dao động có: Z1 + Z2 + Z3 = 0

33

Kết hợp lại ta thấy Z1 + Z2 phải khác dấu và Z2, Z3 phải cùng dấu, tức là: Nếu Z1 là điện cảm thì Z2, Z3 là tụ điện, ta có mạch ba điểm điện dung Nếu Z1 là tụ điện thì Z2, Z3 là điện cảm, ta có mạch ba điểm điện cảm Mạch điện dùng transistor như hình 2.13

Hình 2.13 Sơ đồ mạch dao động ba điểm điện cảm (a) và ba điểm điện dung (b)

2.2.3.2 Mạch dao động ba điểm điện dung

a) Cấu trúc của mạch

Cấu trúc của mạch dao động LC rất đa dạng, chúng có thể khác nhau do phương pháp mắc mạch dao động LC trong bộ khuếch đại và việc thực hiện hồi tiếp dương

Hình 2.14 Mô hình tương đương mạch dao động

Trong cấu trúc chung của mạch dao động LC như hình (2.14) các phần tử Z1,Z2

là phần tử dung kháng, còn Z3 là phần tử cảm kháng

35

Hình 2.15 Mạch dao động ba điểm điện dung

❖ Tác dụng của các linh kiện

Khung dao động gồm có tụ C1,C2 và cuộn cảm L

R1,R2 : Bộ phân áp làm nhiệm vụ cung cấp điện áp cho cực B của T

RC: Điện trở cung cấp điện áp một chiều cho cực C của T

RE,CE : Bộ ổn định điểm công tác cho T, mắc ở cực E của T

CB : Tụ dẫn hồi tiếp dương

Điện áp hồi tiếp lấy trên C2 qua tụ CB về đầu vào của transistor Điểm giữa hai tụ nối mass nên tín hiệu hồi tiếp luôn ngược pha với tín hiệu ra (cùng pha với tín hiệu vào) nên mạch luôn luôn đảm bảo điều kiện có hồi tiếp dương

❖ Nguyên lý làm việc

Khi cấp nguồn một chiều, trong mạch xuất hiện dòng IC biến đổi từ 0 ÷ ICO chạy theo chiều :

+VCC  RC  T  RE  Mass Dòng IC biến đổi chạy qua RC làm cho điện áp tại cực C của T thay đổi, tức là điện trường trên hai tụ C1,C2 biến đổi, nghĩa là khung dao động được cung cấp năng lượng ; quá trình trao đổi năng lượng dưới dạng từ trường WH (trên tụ điện C1,C2) và điện trường WE (trên hai đầu cuộn dây L) diễn ra quá trình trao đổi năng lượng :

WH  WE