Tài liệu Đồ án của môn kỹ thuật mạch điện tử : Mạch nhân Analog pptx

Đó không phải là một điều hạn chế của mạch nhân Analog vì ta có thể thay đổi các tín hiệu vào để có được hai ngõ vào cùng dương cho mạch Analog hoạt động mà tín hiệu giao tiếp với bên ng

Trường……… Khoa………

THIẾT KẾ MÔN HỌC

Mạch nhân Analog l

MỤC LỤC

Lời nói đầu 1

Chương 1: Tìm hiểu chung về điều chế 2

1.Khái niêm về điều chế: 2

Chương2: các phương án thực hiện mạch nhân 7

Chương3: Tìm hiểu về IC AD534 17

1 Mô tả kỹ thuật IC AD534 17

Chương 1: Tìm hiểu chung về điều chế 29

1.Khái niêm về điều chế: 29

Chương3: Tìm hiểu về IC AD534 43

1 Mô tả kỹ thuật IC AD534 43

Lời nói đầu

Mạch nhân Analog là một loại mạch thông dụng được sử dụng rộng

rãi trong việc điều chế tín hiệu Vì vậy có rất nhiều loại mạch nhân được sử

dụng trong thực tế Tuy nhiên do kiến thức của sinh viên còn hạn hẹp cho

nên đề tài này chỉ đề cập đến một số mạch nhân cơ bản và đơn giản

Đây là bộ môn thiết kế môn học được thực hiện trong một thời gian ngắn

với sự giúp đỡ tận tình của qúy thầy cô khoa điện tử-viễn thông đại học bách

khoa Hà Nội và các thầy cô trong khoa kỹ thuật và công nghệ đại học Quy

Nhơn Do những điều kiện còn hạn chế bài thiết kế hoàn thành nhưng còn

nhiều sai sót Kính mong các thầy cô bỏ qua và chỉ bảo để chúng em rút kinh

nghiệm cho những lần sau

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Viết Nguyê các bạn

sinh viên trong lớp đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này

Đề tài được chia làm 3 chương

Chương1: Tìm hiểu chung về điều chế tín hiệu

Chương2: Các phương án thực hiện mạch nhân

Chương3: Tìm hiểu về IC AD534 và ứng dụng trong mạch nhân

Quy Nhơn tháng 03/2009

Nhóm sinh viên thực hiện

Chương 1: Tìm hiểu chung về điều chế

1.Khái niêm về điều chế:

Thơng qua qu trình điều chế, tin tức ở miền tần số thấp được chuyển sang miền tần số cao để truyền đi xa Điều chế là quá trình ghi tin tức vo mộtdao động cao tần nhờ biến đổi một thông số nào đó( ví dụ: biên độ, tần số, pha, độ rộng xung,…) của dao đông cao tần theo tin tức

Trong trường hợp này tin tức gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần được gọi là tải tin, cịn dao động cao tần mang tin tức được gọi là dao động cao tần đ điều chế

Đối với tải tin điều hịa, người ta phân biệt hai loại điều chế: điều biên

và điều chế góc, trong đó điều chế góc bao gồm điều tần và điều pha

Tham gia vo qu trình điều chế gồm có:

Hm tin tức: m(t)

Hm tải tin : f(t)+ Khi m(t) la tín hiệu tương tự thì ta cĩ loại điều chế tương tự (Analog )+ Khi m(t) l tín hiệu số thì ta cĩ loại điều chế số

Ví dụ: Điều chế tương tự:

m(t) = cos tf(t) = U0cos ( 0t + 0 )(0 >>  )

2 Điều chế tương tự (Analog ):

- Khi m(t) tác động vào biên độ của tải tin U0, ta cĩ:

U(t) = U0 + U.m(t) = U0 [ 1+ (

Có sự tác động của tín hiệu điều biên

Có sự tác động của tín hiệu điều tần

Có sự tác động của tín hiệu điều pha

Hình 1: tính chất thời gian của tín hiệu điều biên

Hình 1.a: tin hiệu tin tức m(t), cĩ tần số Hình 1.b: tín hiệu tải tin U0, cĩ tần số 0

Hinh 1.c: tín hiệu điều biên UAM(t) cĩ tần số Tín hiệu điều biên biến đổi theo quy luật của tin tức

Dng bơ nhn ny thì việc thực hiện sẽ đơn giản.

C

C

Trên đây là môt vài dạng áp dụng của tín hiệu điều biên thực hiện việcnhân tín hiệu tương tự.

Tuy nhiên cách đơn giản và mang lại hiệu quả tốt nhất là sử dụng ICnhân

Chương2: các phương án thực hiện mạch nhân

Mạch nhân analog là mạch điện có đáp ứng ở ngõ ra tỉ lệ với kích thích ở hai ngõ vào

ku 1 u 2

Tin tức

Khi k là một hằng số có thứ nguyên là nghịch đảo của điện áp Ta thường mong muốn hai ngõ vào có điện áp cùng âm hoặc cùng dương khi đó điện áp ra

sẽ cùng dấu với lối vào Tuy nhiên hầu như toàn bộ các công việcchỉ được thực hiện khi cả hai ngõ vào đều dương Đó không phải là một điều hạn chế của mạch nhân Analog vì ta có thể thay đổi các tín hiệu vào để có được hai ngõ vào cùng dương cho mạch Analog hoạt động mà tín hiệu giao tiếp với bên ngoài vẫn có thểlàm việc với bất kỳ loại điện áp nào.(Với điều kiện điện áp đó nằm trong khoảng giới hạn của mạch điện)

Ta sẽ có hai khả năng làm việc của mạch điện Trong cả hai trường hợp ta đều sử dụng bộ khuếch đại thuật toán Nhưng ở mạch thứ nhất ta sử dụng diode

để có được các mối liên hệ cần thiết, còn ở mạch thứ hai ta sẽ sử dụng MOSFET

để thiết lập các mối liên hệ cần thiết

1, Hoạt động của mạch sử dụng diode

Như chúng ta đã biết, khi sử dụng khuếch đại thuật toán và diode ta có thể

dễ dàng thực hiện được các hàm logarit và hàm Exp từ những ngõ vào xác định Công thức của hàm logarit

Ta có thể nhân hai tín hiệu lại với nhau bằng cách tính logarit của từng tín hiệu, sau đó cộng chúng lại với nhau và cuối cùng ta dùng hàm Exp để có được tín hiệu ra là tích của hai tín hiệu vào Từ quan điểm của toán học, công việc này chỉ có thể được thực hiện khi cả hai tín hiệu là dương Bởi vì không tồn tại logaritcủa một số âm (trong lĩnh vực thực tế) Chúng ta sẽ thấy rằng sự giới hạn này trong mạch điện thực tế, thậm chí là nguyên nhân của còn có tính chất vật lý hơn

Ta có sơ đồ khối thực hiện của mạch

Nếu ta chỉ chắp nối đơn thuần để tạo ra hàm logarit, cộng và hàm Exp thì

ta sẽ có sơ đồ sau:

Để tính toán mạch điện một cách đơn giản ta sẽ giả sử tất cả các điện trở R

có cùng một giá trị độ lớn Chắc chắn là khi ta sử dụng những giá trị khác nhau của điện trở R sẽ thu được những kết qủa khác nhau , nhưng tạm thời ta sẽ không quan tâm đến điều đó

Chúng ta sẽ sử dụng công thức sau cho sự liên hệ giữa dòng điện và điện

áp trên một diode :

ta phân tích mạch điện mà không đưa thêm vào phép toán xấp xỉ ta có công thức sau:

Vì vậy ở ngõ ra ta thu được kết qủa sau :

Công thức đã được chứng minh, ở ngõ ra ta có được sự khuếch đại mà ta tìm kiếm , Nhưng trong công thức trên còn có những thông số mà ta không mongmuốn Nó không chỉ đơn giản được xem như một lỗi sai bởi vì nó cũng tương đương với thành phần nhân lên, vì vậy nó cần phải được làm mất đi Đây là một

công việc dễ dàng, ta chỉ cần thêm vào lối ra một tầng khuếch đại nữa để cộng

một cách chính xác v1 + v2 , như vậy chúng ta đã làm mất đi được lỗi sai trong công thức của điện áp đầu ra Mach điện hoàn chỉnh của mạch nhân như sau:

Với điện áp ra được xácđịnh bởi công thức sau;

Đây là công thức mà chúng ta thực sự mong muốn Mạch điện hoạt động khi mà quan hệ sau đây được xác định :

2 Thực hiện mạch điện sử dụng MOSFET

Vì MOSFET là linh kiện có thể được sử dụng để điều khiển điện trở bằng điện áp nên ta dùng đặc điểm này để chế tạo một mạch nhân Analog Ta có sơ

đồ nhuên lý của MÒET như sau

Với G : cực cửa , D : cực máng S : cực nguồn

MOS la một linh kiện đối xứng , vì vậy ta có thể đổi chỗ cực máng và cực nguồn với nhau mà không làm ảnh hưởng đến hoạt động của linh kiện Tuy nhiên ta coi cực nguồn là cực có điện áp thấp nhất và cực máng là cực có điện ápcao nhất Khi điện áp giữa cực cửa và cực nguồn nhỏ hơn điện áp giữa cực máng

và cực nguồn V GS < V DS quan hệ giữa dòng điện và điện áp như sau:

Giả sử ta luôn luôn có thể sử dụng được công thức này, sơ đồ của mạch nhân Analog được thực hiện như sau :

Khi cực nguồn và cực máng của cả hai MOS được chỉ ra nếu V2 và Vref là dương Khi đó cực nguồn sẽ được giữ lại ở đó bởi vì điểm đó được nối tới đất ảo qua bộ khuếch đại thuật toán Dòng điện qua R1 được xác định: một đầu của điện

trở có điện thế là V1 , đầu kia được nối đất Dòng điện tương tự sẽ đi qua MOS M1

Vì vậy xác định được điện thế VG Dòng điện đó được cho bởi công thức:

Mặt khác ta có V GS1 = V G và V DS1 = V ref thay vào ta có:

Tương tự với MOS M2 ta có:

Với VGS2 = V G và V DS2 = v2 thay vào ta có

3, So sánh ưu nhược điểm giữa hai phương pháp

Mach dùng MOS đơn giản và dùng ít linh kiện hơn Nhưng khi tính toán tacần phải lấy xấp xỉ vì vậy sẽ cho kết qủa không chính xác

Mạch dùng diode ta cần dùng nhiều linh kiện hơn > NHưng nó có ưu điểm hơn so với mạch dùng MOS vì khi tính toán ta không cần lấy xấp xỉ do đố nó sẽ cho kết qủa chính xác hơn Mặt khác mạch nhân dùng diode có thể hoạt động tốt trong một dải rộng của tín hiệu vào

Hai mạch trên vẫn chưa đáp ứng được các chỉ tiêu đề ra vì vậy ta cần một mạch cải tiện hơn để có thể đạt được những thông số mong muốn

Ta có mạch nhân Analog cải tiến sử dụng khuếch đại vi sai

4 Mạch nhân cải tiến sử dụng hỗ dẫn Transitor

T’2 T’1

-+

+ Ux

T’2 T’1

+

+

U U

U U

T2 T1

R2

R1

+

+ Uy

-Ura R4

U U CS

U U CS

BE BE T



U U U

U



Nhận xét: ta thấy với mạch nhân Analog sử dụng hỗ dẫn Transitor ta

không mắc phải những những sai số như những cách thực hiện mạch trước Khi

ta chọn UREF=1V thì ở đầu ra URA= UX.UY Đây là công thức mà ta mong muốn

Ngoài ra khi muốn thay đổi biên độ của điện áp nhân ở lối ra có thể thay đổi thông qua việc thay đổi UREF

5 hực hiện với 2 thừa số : hàm tin tức Ux(t)= 2Vsin2.103t và hàm tải tin UY(t)=5Vsin5.105t.

Ta có Ux(t) UY(t)=10V sin2.103tsin2.105t

=5 V cos198.10 3 t – 5 V có202.10 5 t Phổ thời gian của tín hiệu điều biên

Nhận xét: phổ của tín hiệu điều biên gồm có 3 vạch :

Một vạch trung tâm có tần số là 105 Hz Là vạch của tần số sóng mangXung quanh tần số mang là 2 vạch bên có tần số là 99 103Hz và

101.103Hz cả 3 tần số này đều ở miền tần số cao nên dễ dàng bức xạ trong khônggian

Phổ năng lượng mà tín hiệu sau điều biên có được đều nằm ở miền tần số cao

Chương3: Tìm hiểu về IC AD534

1 Mô tả kỹ thuật IC AD534

IC AD534 là một linh kiện nguyên khối Có chức năng nhân và chia một cách chích xác mà trước đó chỉ có thể thực hiện được bằng các mạch

lai hoặc modul Sai số nhân lớn nhất của AD534 là ±0.25% được đảm bảo

mà không cần sử dụng thêm bất kỳ linh kiện nào bên ngoài Cung cấp khẳ

năng loại bỏ nhiễu tuyệt vời, hệ số nhiệt độ thấp AD534 có thời gian sử

dụng lâu dài do có các điện trở và rào chắn Zenner bảo vệ cho IC thậm chí là

trong những điều kiện sử dụng bất lợi Đây là bộ nhân đầu tiên đưa ra đầy đủtín hiệu vào vi sai với trở kháng cao lúc hoạt động ở tất cả các ngõ vào bao gồm cả ngõ vào Z, đây là chỉ số giúp cho nó tăng khẳ năng linh hoạt và dễ dàng để sử dụng Giá trị của thang đo chuẩn của AD534 là 10V, bằng cách

sử dụng các điện trở ngoài ta có thể hạ xuống mức thấp là 3V

Do khẳ năng ứng dụng rộng rãi và được đóng vỏ với nhiều dạng khác nhau nên bộ nhân này là sự lựa chọn đầu tiên của tất cả các thiết kế mới AD534J(có sai số tối đa là: ±1% ), AD534K(có sai số tối đa là:

±0.5% ),AD534L(có sai số tối đa là: ±0.25% ) là các loại IC được thiết kế đặc dụng ở dải nhiệt độ 0°C -70°C AD534S(có sai số tối đa là: ±1% )

AD534T(có sai số tối đa là: ±0.5% ) được thiết kế để sử dụng trong dải nhiệt

độ rộng hơn từ –55°C to +125°C Tất cả các thiết kế đều được đóng vỏ kimloại hoặc vỏ sứ hai hàng chân

Mô hình một số loại IC AD534

2 Ưu điểm của IC AD534

Hệ số khuếch đại điện áp đạt được với nhiễu thấp: AD534 là IC đa

chức năng đầu tiên đạt được độ khuếch đại lên tới 100 Sự loại bỏ nhiễu tần thấp giúp cho nó mở rộng dải khuếch đại vi sai của tín hiệu vào AD534 rất hiệu qủa trong việc làm thay đổi hệ số khuếch đại vi sai với khẳ năng chống nhiễn đồng pha cao Tất cả các loại AD534 đều có thuộc tính khuếch đại và

dễ dàng để thực hiện các thuật toán Như là tạo ra các hàm Sin và Tang những thuộc tính trên được tăng cường là do nhiễu thấp bên trong của

AD534 Chỉ số 10 là thấp hơn so với các bộ khuếch đại nguyên khối trước

đó Độ trôi và sự tiếp xuyên cũng được làm giảm đi so với các thiết kế trước nó

Sự linh hoạt chưa từng có : Sự chính xác về kích thước và điện áp vi

sai ở ngõ vào Z cung cấp một khẳ năng linh động cao trong mục đích sử dụng mà không có một bộ nhân nào khác đạt được Các chức năng cơ bản MDSSR ( nhân,chia,bình phương,căn bậchai ) dễ dàng được thực hiện trong khi những hạn chế bởi việc phân cực cho các ngõ vào và ngõ ra của các thiết

kế trước đó đã được loại bỏ Tín hiệu có thể được cộng lại ở ngõ ra, có thể được khuếch đại hoặc không được khuếch đại Với hoặc là chiều âm hoặc là chiều dương Nhiều mode dựa trên chức năng tổng hợp đã được thực hiện cóhiệu qủa Thường chỉ cần sử dụng các linh kiện bên ngoài thụ động Tín hiệungõ ra có thể là một loại dòng điện nếu được thiết kế và tạo điều kiện thuận lợi giống như là một mạch tích hợp

Kích thước của chip và sơ đồ liên kết

3 Mô tả chức năng

Sơ đồ dưới đây là sơ đồ khối chức năng của AD534 Các ngõ vào được chuyển thành các dòng điện khác nhau bằng 3 bộ chuyển điện áp thànhdòng điện đồng nhất, mỗi bộ đều được vi chỉnh xê dịch điểm không Các dòng điện X và Y được tạo ra bằng bộ nhân sử dụng công nghệ tuyến tính ngang của Gilbert Chip bên trong “Buried Zener” tạo ra một chỉ số ổn định cao đây là thiết bị được laser xén để tạo ra chỉ số thang đo toàn bộ là 10V

Sự khác biệt giữa XY/SF và Z sau đó được ứng dụng để có được hệ số khuếch đại lớn ở ngõ ra Nó cho phép làm thay đổi cấu hình của vòng kín

Và giảm một cách kinh ngạc những thành phần tuyến tính phụ thuộc vào

ngõ vào đây là một nguyên nhân lớn dẫn đến sự méo dạng trong các thiết kế trước đó

Sơ đồ khối chức năng AD534

Ưu điểm của thiết kế mới có thể được chứng thực dưới những điều kiện làm việc tiêu biểu Khi làm việc như một bộ nhân : khi tín hiệu vào Tại

X là mức tối đa 10V thì sai số phi tuyến ở ngõ vào Y ±0.05% , nói cách khác nó được định nghĩa hoàn toàn bởi bộ nhân và có đồ thị dạng Parabol Lỗi sai nhỏ này là một chỉ số chính tạo ra sự chính xác của toàn bộ các đơn

vị và vì thế nó có mối liên hệ gần gũi tới thiết bị

Sự tạo ra chức năng chuyển tiếp của AD534 được cho bởi công thực

Với A là hệ số của chu kỳ mở ở ngõ ra , thường có giá trị là 70 db ở điện áp một chiều

X,Y,Z : là các điện áp vào( thang đo tối đa là ±10V , giá trị đỉnh là

±12.5V )

Trong hầu hết các trường hợp thì chu kỳ khuếch đại mở là vô cực Và chỉ số thang đo là 10V Sự hoạt động của AD534 được mô tả bằng phương trình sau:

Người sử dụng có thể điều khiển thang đo điện áp để có thể cho giá trị

từ 3V đến 10V bằng cách mắc nối tiếp một điện trở ngoài và một chiết áp giữa SF(chỉ số thang đo) và -Vs Tổng giá trị điện trở cho bởi giá trị của thang do SF được cho bởi mối quan hệ sau:

Vì dung sai của thiết bị, sự cho phép có thể được thay đổi điện áp Rsf

bằng cách sử dụng bộ chiết áp ±25% Sự giảm đáng kể của các dòng điện phân cực, nhiễu và độ trôi có thể đạt được bằng cách giảm SF nó có toàn

bộ tác động bằng cách tăng tín hiệu khuếch đại mà không tăng nhiễu Chú ý rằng tín hiệu đỉnh đặt vào luôn luôn bị giới hạn tới 1.25 SF vì thế chỉ số chuyển đổi sẽ đưa ra hệ số khuếch đại đạt được là 1.25 Sự trình diễn của tínhiệu vào nhỏ tuy nhiên được tăng cường bằng cách sử dụng một tín hiệu SF nhỏ hình Sine khi mà cái dải hoạt động vào bây giờ hoàn toàn đạt được Băng thông không bị ảnh hưởng bởi thuộc tính này

Giả sử điện áp cung cấp là ±15 uy nhiên để thỏa mãn thì ta nên đặt vào điện áp là ±8V từ đó tất cả các ngõ vào đạt dược một điện áp vào đỉnh không đổi bằng ±1.25 SF Một số phản hồi giảm đi là cần thiết để đạt được điện áp ra dao động vượt qua ±12V khi sử dụng nguồn điện áp cung cấp lớn hơn

4 Sử dụng IC AD534 để tạo mạch nhân

Sơ đồ dưới đây là sơ đồ kết nối cơ bản để tạo ra một mạch nhân

Trong một số trường hợp muốn giảm thiểu sự xuyên qua của thành phần xoay chiều ( giống như trong mạch loại trừ sóng mang ) bằng cách ứng dụng thêm một bộ xén điện áp bên ngoài nữa ( dải điện

áp đòi hỏi ±30 mV) tới ngõ vào X hoặc Y

Cực trở kháng cao Z2 của AD534 có thể được để cộng tín hiệu vào ngõ ra Trong trường hợp này tín hiệu khuếch đại ở lối ra hoạt động như mộtđiện áp theo với băng thông tín hiệu nhỏ là 1 MHz và tỉ lệ dao động là 20 V/ms Cực này nên luôn được tham chiếu tới điểm đất của hệ thống kích , tương tự như vậy điện áp vào chênh lệch cũng nên được tham chiếu tới điểmđất tương ứng để thấy được đầy đủ sự chích xác của AD534.

Một thang điện áp nhỏ hơn có thể đạt được mà không cần bất kỳ sự làm giảm dải tín hiệu vào nào bằng cách sử dụng bộ hồi tiếp suy giảm như

sô đồ dưới đây

Trong ví dụ trên thang đo tương đương với VOUT = XY vì thế mà mạch có thể có thể đạt được hệ số khếch đại tối đa la 10 Sự kết nối này dẫn đến kết qủa là sự giảm xuống của băng thông tới khoảng 80 kHz nếu không

có tụ đỉnh CF = 200 pF Thêm vào đó điện áp lệnh ở ngõ ra tăng lên tới chỉ

số 10 làm cho ta cần phải trêm vào các thiết bị điều chỉnh bên ngoài trong một số ứng dụng Sự điều chỉnh được thiết lập bằng cách nối một điện trở 4.7 MW giữa Z1 và con chạy của một cổng qua nguồn cấp để cấp dải xén ở ngõ ra là ±300 mV

Méo dạng hồi tiếp cũng giữ lại điện dung để cộng vào tín hiệu ở ngõ

ra Tín hiệu có thể được đưa tới ngõ vào trở kháng cao Z2 khi mà

chúng được khuếch đại bởi +10 hoặc là nối tới đất chung khi nó được

khuếch đại bởi +1 Tín hiệu đưa vào cũng có thể được đưa tới cuối của điện

áp 10 kW , mang lại một hệ số khuếch đại la -9 Những giá trị khác của tỷ

lệ hồi tiếp lên tới X100 có thể được sử dụng để kết nối bộ nhân với khuếch đại

Đôi khi ta mong muốn chuyển đổi tín hiệu ở ngõ ra thành dòng điện, trong một tải ta không xác định được điện kháng hay là mức một chiều Ví

dụ chức năng của bộ nhân đôi khi được đi theo sự tích hợp, nếu tín hiệu ra làmột dạng của dòng điện, một tụ đơn sẽ tạo ra chức năng tổ hợp như sơ đồ dưới đây:

Sơ đồ chuyển đổi tín hiệu ra thành dòng điện

Công thức này cũng được áp dụng khi thực hiện phép chia, bình phương hay căn bậc hai bằng cách chọn một cực thích hợp Kỹ thuật này được sử dụng trong việc dùng điện áp để điề khiển bộ lọc thông thấp và tín hiệu vào vi sai , biến đổi điện áp –tần số

5 Một số úng dụng khác của IC AD534

5.1 Mạch chia

5.2 Bình Phương

5.3 Căn bậc hai

5.4 Điện áp điều khiển khuếch đại

5.5 Tạo tín hiệu hình Sin

5.6 Điều biên tuyến tính

5.7 Tính phần trăm