Bài giảng môn Kỹ thuật mạch điện tử - Đào Thanh Toản

161 trang ngocly 1310

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng môn Kỹ thuật mạch điện tử - Đào Thanh Toản", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_mon_ky_thuat_mach_dien_tu_dao_thanh_toan.pdf

Nội dung text: Bài giảng môn Kỹ thuật mạch điện tử - Đào Thanh Toản

Đào Thanh Toản Phạm Thanh Huyền Võ Quang Sơn Vr Vro Bài giảng Kỹ thuật mạch điện tử Chuyên ngành: KTVT, KTTT, ĐKH-THGT Hà nội 5/ 2005
BomonKTDT-ĐHGTVT Lời nói đầu: Bài giảng Kỹ thuật Mạch Điện tử đ−ợc biên soạn dựa trên các giáo trình và tài liệu tham khảo mới nhất hiện nay, đ−ợc dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành: Kỹ thuật Viễn thông, Kỹ thuật Thông tin, Tự động hoá, Trang thiết bị điện, Tín hiệu Giao thông. Trong quá trình biên soạn, các tác giả đã đ−ợc các đồng nghiệp đóng góp nhiều ý kiến, mặc dù cố gắng sửa chữa, bổ sung cho cuốn sách đ−ợc hoàn chỉnh hơn, song chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, hạn chế. Chúng tôi mong nhận đ−ợc các ý kiến đóng góp của bạn đọc! Xin liên hệ: daothanhtoan@uct.edu.vn 2
DTT_PTH_VQS 3
BomonKTDT-ĐHGTVT Ch−ơng I. Những khái niệm chung và cơ sở phân tích mạch điện tử I. Mạch điện tử: Mạch điện tử là loại mạch có nhiệm vụ gia công tín hiệu theo những thuật toán khác nhau, chúng đ−ợc phân loại theo dạng tín hiệu đ−ợc xử lý. Tín hiệu: là số đo điện áp huặc dòng điện của một quá trình, sự thay đổi của tín hiệu theo thời gian tạo ra tin tức hữu ích. Tín hiệu đ−ợc chia làm 2 loại là tín hiệu t−ơng tự Anolog và tín hiệu só Digital. Tín hiệu t−ơng tự là tín hiệu biến thiên liên tục theo thời gian và có thể nhận mọi giá trị trong khoảng biến thiên của nó. Tín hiệu số: là tín hiệu đã đ−ợc rời rạc hoá về mặt thời gian và l−ợng tử hoá về mặt biên độ, nó đ−ợc biểu diễn bởi tập hợp xung tại những điểm đo rời rạc. Tín hiệu có thể đ−ợc khuếch đại; điều chế; tách sóng; chỉnh l−u; nhớ; đo ; truyền đạt; điều khiển; biến dạng; tính toán bằng các mạch điện tử. Để gia công 2 loại tín hiệu số và t−ơng tự dùng 2 loại mạch cơ bản: mạch t−ơng tự và mạch số, trong khuôn khổ giáo trình này chỉ xem xét các mạch t−ơng tự. Với mạch điện tử t−ơng tự, chỉ quan tâm tới 2 thông số: biên độ tín hiệu và độ khuếch đại tín hiệu. Biên độ tín hiệu: liên quan mật thiết đến độ chính xác của quá trình gia công tín hiệu và xác định mức độ ảnh h−ởng của nhiễu đến hệ thống. Khi biên độ tín hiệu nhỏ mV, huặc àV, thì nhiễu có thể lấn át tín hiệu, vì vậy khi thiết kế các hệ thống điện tử cần l−u ý nâng cao biên độ tín hiệu ngay ở tầng đầu của hệ thống. Khuếch đại tín hiệu là chức năng quan trọng nhất của mạch t−ơng tự, có thể thực hiện trực tiếp huặc gián tiếp trong các phần tử chức năng của hệ thống, thông th−ờng trong một hệ thông lại chia thành tầng gia công tín hiệu, tầng khuếch đại công suất. Hiện nay các mạch tổ hợp(IC) t−ơng tự đ−ợc dùng phổ biến, không những đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật mà còn có độ tin cậy cao và chi phí thấp, tuy nhiên chúng đ−ợc dùng chủ yếu cho tín hiệu có phạm vi tần số thấp. Xu h−ớng phát triển của kỹ thuật mạch điện tử t−ơng tự là nâng cao độ tích hợp, và khả năng ứng dụng của mạch. II. Các kiến thức cơ bản về transistor Xem lại ở các giáo trình Cấu kiện Điện tử, những nội dung sau: 1- Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, 2- Có 3 cách mắc cơ bản của BJT(FET) : EC(SC); CC(DC); BC(GC). 3- Các ứng dụng của BJT và FET, tuỳ theo việc phân cực mà T sẽ làm việc theo các chế độ sau: + Chế độ khuếch đại tín hiệu: phân cực ở chế độ khuếch đại + Làm việc ở chế độ khoá: miền bão hoà và miền cắt 4- Các sơ đồ t−ơng đ−ơng của T 5- Đặc tính tần số của T 6- Sơ đồ và cách tính toán cuả T khi khuếch đại tín hiệu nhỏ 7- So sánh giữa BJT và FET, Gợi ý : 4
DTT_PTH_VQS Fet có −u điểm kích th−ớc và điện áp cung cấp(dẫn đến công suất tiêu thụ) nhỏ hơn và độ tin cậy cao hơn BJT, nh−ng Fet lại có nh−ợc điểm là điện dẫn g nhỏ và nhạy cảm với điện tích tĩnh, vì vậy Fet th−ờng đ−ợc tích hợp trong mạch IC, còn BJT th−ờng dùng cho mạch rời. III. Mạch cấp nguồn và ổn định chế độ làm việc 1. Đặt vấn đề: Trong các tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ, điểm làm việc nằm trong miền tích cực của BJT, trong miền thắt của FET, ở chế độ tĩnh, trên các cực của T có các dòng điện tĩnh Ic(TD); IB(IG) và điện áp một chiều UCE(UDS); UBE(UGS). Điểm làm việc t−ơng ứng với chế độ này là điểm làm việc tĩnh Q. Khi có tín hiệu vào thì điện áp và dòng điện thay đổi xung quanh giá tri tĩnh, để đảm bảo cho các tầng làm việc bình th−ờng trong những điều kiện khác nhau, ngoài việc cung cấp điện áp thích hợp cho các cực, còn cần phải ổn định điểm làm việc tĩnh đã chọn, nếu không chất l−ơng làm việc của tầngbị giảm sút. 2. Với BJT. a. Sơ đồ ổn đinh tuyến tính: Sơ đồ phổ biến là sơ đồ hồi tiếp- một chiều: nhằm biến đổi điện áp mạch vào của T sao cho có thể hạn chế sự di chuyển điểm tĩnh trên đặc tuyến ra, gây nên bởi các yếu tố mất ổn định. Sơ đồ nh− sau: Ví dụ hình a: Vcc Vcc Rc R1 C1 C1 I1 R1 Ic C2 Ur Uv Q2 C2 Uv Ur Q1 Re R2 Vcc h.b h.a Rc Q3 Uv Ur R1 I1 C5 R2 h.c Mạch cung cấp và ổn định điểm làm việc bằng hồi tiếp âm điện áp ha. EC; hb:CC; hc: BC 5
BomonKTDT-ĐHGTVT Nguyên tắc ổn định: nếu có một nguyên nhân mất ổn định nào đó làm cho dòng một chiều ICEo trên colector tăng thì điện thế UCEo giảm, do đó dòng định thiên IBo= UCEo/R1 giảm theo, làm ICEo giảm xuống, nghĩa là dòng tĩnh ban đầu giữ nguyên. Cũng có thể dùng sơ đồ hồi tiếp dòng điện: Nguyên tắc ổn định nh− sau: Vcc Vcc ha Rc R1 C1 C1 R1 C2 Ur Uv C2 Q2 Uv Ur Q1 R2 Re R2 Re Ce Vcc hb R1 Rc Q3 Uv Ur Re C R2 1k 1uF hc Sơ đồ cung cấp và ổn định điểm làm việc bằng hồi tiếp - dòng điện một chiều. ha. EC; hb: CC; hc: BC Khi IC tăng, thì điện áp UEo=Ie. Re, tăng. vì điện áp Ue lấy trên bộ phân áp R1 và R2 không đổi, nên UBEo=IBR2- UEo giảm làm cho IB giảm, do vậy IC không tăng. Tụ Ce có tác dụng tránh hồi tiếp - xoay chiều. a. Sơ đồ ổn đinh phi tuyến : áp dụng ph−ơng pháp bù nhiệt nhờ các phần tử có tham số phụ thuộc vào nhiệt độ nhứ T, D, Điện trở nhiệt, ph−ơng pháp này thích hợp cho mạch tổ hợp. - Nếu D và T nh− hình a đều đ−ợc sản xuất từ một loại bán dẫn nh− nhau, và nhiệt độ mặt ghép của chúng nh− nhau, thì đặc tính nhiệt của điện áp B-E và của điện áp hạ trên D là nh− nhau; hơn nữa UBE; UD có chiều ng−ợc nhau, nên ảnh h−ởng của nhiệt độ đ−ợc bù hoàn toàn. - Sơ đồ hình B cũng làm việc theo nguyên tắc đó, khi mắc nối tiếp R2 với D phân cực thuận, thì R1, R2, D tạo thành mạch phân áp đ−a điện áp vào B, nếu chọn R2<<R1 thì UB hầu nh− không phụ thuộc nguồn Vcc. - Sơ đồ hình c: dùng điện trở có hệ số nhiệt - để bù, khi nhiệt độ tăng thì RT giảm, do đó điện áp UE tăng làm IC giảm sao cho có thể bù lại sự tăng của IC theo nhiệt độ Các mạch loại này có −u điểm có tổn hao phụ không đáng kể, không gây ảnh h−ởng đến áp ra. Vcc Vcc Vcc 6 Rc Rc1 Rt Rc C2 R1 (-) C4 Ur R1 C1 C1 C3 Ur R1 Uv Q3 Ur C2 Uv Q2 Uv Q1 R2 R2 Re1 R2 Re Re
DTT_PTH_VQS c. ổn định trong mạch tổ hợp t−ơng tự Dùng các nguồn điện để ổn định vì nguồn dòng dễ chế tạo d−ới dạng tổ hợp, trên sơ đồ d−ới đây, giả thiết IC không phụ thuộc UCE và Q1, Q2 có tham số hoàn toàn giống nhau và ở cùng một nhiệt độ, do đó: IC1=IC2 và IB1=IB2= IC1/BN Theo sơ đồ hình a: I1=IC1+ 2IB2 = IC2+ 2IC2/BN Từ đó suy ra: IC2= I1/(1+2/BN)≈ I1 khi BN>>2 Từ đây ta thấy có thể dùng I1 để điều khiển trị số của IC2. Để I1 ổn định, đơn giản nhất là nối A với Vcc qua R. Ucc Ucc Ucc Ucc R A Q1 Q2 Q1 Q2 Trong các mạch tổ hợp, tránh chế tạo các điện trở có trị số lơn, do vậy khó có dòng I1 nhỏ, vì vậy để đạt đ−ợc I1 nhỏ th−ờng dùng sơ đồ bên phải. 3. với FET Vấn đề ổn định nhiệt của FET là làm cho điểm làm việc không phụ thuộc vào độ tạp tán tham số của FET, không phụ thuộc nhiệt độ, thời gian, và các biến đổi của điện áp nguồn cung cấp, cũng giống BJT biện pháp ổn định nhiệt của FET cũng dùng nguyên tắc hồi tiếp - dòng điện và điện áp. ví dụ: Các loại sơ đồ hồi tiếp - dòng điện thông qua RS có dạng nh− hình sau: Nếu coi IG=0, ta có U'G=IDRS + UGS; biểu thức này cho biết dạng của đ−ờng điện trở Rs với độ dốc: UDD RD Ur Q1 RG 7 IS + RS Vs1 -
BomonKTDT-ĐHGTVT tgα=-(dID/dUGS) U'G phải chọn sao cho dòng máng ID không đổi khi thay FET, chọn U'G chính là chọn RG , điện trở ổn định. 8
DTT_PTH_VQS ch−ơng 2. Hồi tiếp I. Khái niệm: 1. Định nghĩa: Hồi tiếp là ghép một phần tín hiệu ra(điện áp huặc dòng điện) của mạng 4 cực tích cực(phần tử khuếch đại- Transistor huặc KĐTT) về đầu vào thông qua một mạng 4 cực, mạng 4 cực này gọi là mạng hồi tiếp. K XR XV +(-) X h Xht K ht XV: tín hiệu vào XR: tín hiệu ra Xht: tín hiệu hồi tiếp K: Hệ số khuếch đại của mạch Khuếch đại Kht: Hệ số khuếch đại mạch hồi tiếp Hình. Sơ đồ khối bộ khuếch đại có hồi tiếp Hồi tiếp đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật mạch điện tử t−ơng tự, nó cho phép cải thiện các tính chất của bộ khuếch đại nh−: trở kháng vào, trở kháng ra, băng thông, 2. Phân loại: Theo tác dụng hồi tiếp có hai loại về hồi tiếp cơ bản: - Hồi tiếp (-) : Tín hiệu hồi tiếp – ng−ợc pha với tín hiệu vào - Hồi tiếp (+): Tín hiệu hồi tiếp – cùng pha với tín hiệu vào Trong các loại hồi tiếp ta lại quan tâm: tín hiệu hồi tiếp là một chiều hay xoay chiều, hồi tiếp âm một chiều đ−ợc dùng để ổn định chế độ công tác, còn hồi tiếp âm xoay chiều đ−ợc dùng để ổn định các tham số của bộ khuếch đại. Quan tâm đến cách ghép nối tiếp hay song song. Tổng hợp ta có các loại nh− sau: + Hồi tiếp nối tiếp điện áp: tín hiệu hồi tiếp đ−a đến đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu ban đầu và tỷ lệ với điện áp đầu ra. + Hồi tiếp song song điện áp: tín hiệu hồi tiếp đ−a đến đầu vào song song với nguồn tín hiệu ban đầu và tỷ lệ với điện áp đầu ra. + Hồi tiếp nối tiếp dòng điện: tín hiệu hồi tiếp đ−a đến đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu ban đầu và tỷ lệ với dòng điện đầu ra. + Hồi tiếp song song dòng điện: tín hiệu hồi tiếp đ−a đến đầu vào song song với nguồn tín hiệu ban đầu và tỷ lệ với dòng điện đầu ra. 9
BomonKTDT-ĐHGTVT K uR uV K uht ht Hình. Sơ đồ khối hồi tiếp nối tiếp điện áp K uR uV iht Kht uht Hình. Sơ đồ khối hồi tiếp nối tiếp dòng điện K uR uV Kht uht Hình. Sơ đồ khối hồi tiếp song song điện áp K uR uV iht Kht uht Hình. Sơ đồ khối hồi tiếp song song dòng điện 10
DTT_PTH_VQS 3. Các ph−ơng trình cơ bản: + K XR Kn + X X - X n V h Xht Kht XV: tín hiệu vào X : tín hiệu ra R Xht: tín hiệu hồi tiếp K: Hệ số khuếch đại của mạch Khuếch đại Kht: Hệ số khuếch đại mạch hồi tiếp Xn: tín hiệu từ tầng tr−ớc Kn: Hệ số khuếch đại mạch ghép Hình. Sơ đồ khối bộ tổng quát khuếch đại có hồi tiếp Từ sơ đồ suy ra các quan hệ: + XR = KXh + Xv = KnXn + Xh = Xv - Xht nếu tín hiệu vào(Xh) và tín hiệu hồi tiếp Xht đồng pha (Xv = Xh + Xht) + Xh = Xv + Xht nếu tín hiệu vào(Xh) và tín hiệu hồi tiếp Xht ng−ợc pha (Xv = Xh - Xht) + Xht = KhtXr X R K X R K'= = ; K tp = = K' K n X V 1± KK ht X n K’ : Hàm truyền đạt mạng 4 cực tích cực có hồi tiếp Ktp: Hàm truyền đạt toàn phần của nó Kn: Hàm truyền đạt toàn phần của khâu ghép - Gọi Kv= KKht là hệ số khuếch đại vòng - Gọi g = 1 ± Kv=1 ± KKht là độ sâu hồi tiếp(dấu – khi hồi tiếp song song, dấu + khi hồi tiếp là nối tiếp) Các tham số này dùng để đánh giá mức độ thay đổi các tham số của bộ khuếch đại. Phân biệt các tr−ờng hợp sau: • g >1, tức K’<K, tức mạch hồi tiếp mắc vào làm giảm hệ số khuếch đại, ta có hồi tiếp (-). 11
BomonKTDT-ĐHGTVT • g K, tức mạch hồi tiếp mắc vào làm tăng hệ số khuếch đại, ta có hồi tiếp (+). • g=1, tức K’ = K, mạch trở thành mạch dao động(xem ch−ơng mạch dao động) III. Ph−ơng pháp phân tích mạch có hồi tiếp: Phân tích là việc tìm ra các thông số cơ bản: Zv, Zr, K, B Cơ bản giống nh− các mạch điện tử khác, chủ yếu vẫn dùng các kiến thức của lý thuyết mạch điện để phân tích, ngoài ra còn có thể kết hợp với các lý thuyết khác nh− lý thuyết điều khiển tự động. Hồi tiếp + sẽ xem xét tại ch−ơng dao động, sau đây xét cho các tr−ờng hợp hồi tiếp - Sau đây là ví dụ về các tr−ờng hợp, phần tử tích cực là Transistor: a, Hồi tiếp âm dòng điện, ghép nối tiếp Chọn giá trị của các tụ điện sao cho trở kháng của nó với tần số tín hiệu làm việc của mạch là rất nhỏ, để có thể coi tín hiệu đ−ợc nối tắt mà không qua Re ở sơ đồ không hồi tiếp. Với sơ đồ có hồi tiếp, không dùng Re, nên dòng ngõ ra ie≈ic, đi qua Re tạo ra điện áp xoay chiều, đây cũng chính là điện áp hồi tiếp Vht=Ve=Re.ie(phải tính là điện áp vì tín hiệu Xh là tín hiệu áp-Vs). Hệ số khuếch đại hồi tiếp: Kht=Xht/Xr = Vht/Vc=(iB.β.Re) /(-iB.β.Rc)= - Re/Rc Từ kết quả này ta có thể tình tiếp các thông số khác Vcc R1 Rc C2 C1 ur R2 uht= ve Vs Re=Rht ie hình. Mạch khuếch đại hồi tiếp 12
DTT_PTH_VQS Vcc R1 Rc C2 C1 ur R2 Vs Re Ce hình. Mạch khuếch đại không hồi tiếp b, Hồi tiếp âm điện áp, ghép nối tiếp Cặp điện trở Rht và Re1 tạo thành cặp phân áp lấy tín hiệu áp ur về đầu vào, điện áp hồi tiếp lấy trên điện trở Re1, có giá trị: Re1 Re1 Vht = .u => K'= Vht / u = Re1+ Rht r ủ Re1+ Rht Từ công thức ta thấy hệ số khuếch đại hồi tiếp phụ thuộc vào 2 điện trở Re1 và Rht, nh−ng để đảm bảo chế độ thiên áp một chiều cho Q1, Re1 không thể thay đổi trong phạm vi lớn, vì vậy hệ số khuếch đại hồi tiếp phụ thuộc chủ yếu vào Rht. Vcc R2 Rc2 C3 R1 Rc1 C1 Q2 Q1 C2 ur Vs Hình. Mạch khuếch đại không hồi tiếp 13
BomonKTDT-ĐHGTVT Vcc R2 Rc2 C3 R1 Rc1 + C1 - Q2 Q1 - C2 + ur R + ht Vs Re1 Vht Hình. Mạch khuếch đại hồi tiếp điện áp nối tiếp c, Hồi tiếp âm điện áp, ghép song song Điện trở Rht thay thế Rb phân áp cho B của Transistor, đồng thời Rht cũng lấy điện áp ra hồi tiếp về. Rht kết hợp với tổng trở ngõ vào tạo thành mạch phân áp, điện áp hồi tiếp đ−ợc xac đinh: hie hie Vht = .u => K'= Vht / u = hie + Rht r ủ hie + Rht Vcc Rc Rht C2 C1 Q1 uht hie Ur Vs Hình. Hồi tiếp âm điện áp song song 14
DTT_PTH_VQS Vcc Rb Rc C2 C1 Q1 Ur Vs Hình .Mạch không hồi tiếp d, Hồi tiếp âm dòng điện, ghép song song Mạch hồi tiếp dùng Rht lấy Ve2 để phân cực cho B1 đồng thời lấy tín hiệu ra ic2≈ ie2 qua Re2 tạo tín hiệu dòng iht. Dòng điện hồi tiếp iht phản ánh thành điện áp hồi tiếp Vht qua điện trở Rht đ−a đến đầu vào Hệ số hồi tiếp dòng điện: Ki=(Re2+Rht)/Re2 Vc c Rc2 Rc1 b Rb1 R C2 2 U r C Q2 C3 1 Q1 ie2 hi Rh t Vs e Re2 iht Mạch hồi tiếp âm dòng, ghép song song 15
BomonKTDT-ĐHGTVT Vcc Rc2 Rc1 Rb2 Rb1 C1 Q2 C3 Q1 C2 Re2 Vs Ce2 Mạch dạng không hồi tiếp IV. ảnh h−ởng của hồi tiếp đến các thống số của mạch. ảnh h−ởng của hồi tiếp đ−ợc tóm tắt theo bảng sau: Các thông số kỹ Hồi tiếp Hồi tiếp Hồi tiếp Hồi tiếp thuật âm âm điện âm điện âm dòng dòng áp nối áp song điện song điện nối tiếp song song tiếp Tổng trở ngõ vào: Zi.g Zi.g Zi /g Zi /g Zv Tổng trở ngõ ra: Zo.g Zo /g Zi /g Zi.g Zr Độ khuếch đại điện Ku/g Ku/g Ku/g Ku/g áp: KU Độ rộng băng B.g B.g B.g B.g thông: B Trong đó g =1± K.Kht Các mạch khuếch đại hồi tiếp âm làm tăng tổng trở ngõ vào th−ờng dùng cho tầng tiền khuếch đại, để không làm giảm biên độ của tín hiệu hữu ích, các mạch hồi tiếp âm làm giảm tổng trở ngõ ra th−ờng dùng cho các tầng cuối(công suất), để tăng khả năng cấp dòng cho tải. Ngoài các thông số thống kê trên, mạch hồi tiếp còn có tác dụng giảm biên độ nhiễu, giảm độ méo phi tuyến và méo tần số. 16
DTT_PTH_VQS Ch−ơng 3. Các sơ đồ cơ bản của tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng Transistor - Với tín hiệu nhỏ th−ờng dùng sơ đồ t−ơng đ−ơng để phân tích, có thể biểu diễn các phần tử tích cực bằng sơ đồ t−ơng đ−ơng Π, huặc sơ đồ t−ơng đ−ơng của mạng 4 cực I. Khái niệm - Transisor là linh kiện phi tuyến, nh−ng khi xét với tín hiệu trong phạm vi biến thiên nhỏ thì mức độ phi tuyến ảnh h−ớng không lớn, nên có thể xem nh− mạch tuyến tính, T đ−ợc vẽ thành các mạch t−ơng đ−ơng gồm R, nguồn dòng, để có thể tính toán và phân tích theo các nguyên lý của Lý thuyết mạch, có thể biểu diễn bằng sơ đồ t−ơng đ−ơng Π, huặc sơ đồ t−ơng đ−ơng của mạng 4 cực - Việc tính toán, phân tích một mạch khuếch đại dùng T bao gồm các phần sau: + Tính toán chế độ một chiều + Tính toán các tham số ở chế độ xoay chiều(chế độ động). Phần tính toán chế độ một chiều ta đã xem xét ở phần Cấu kiện Điện tử, vì vậy chỉ nghiên cứu chế độ động. II. Phân tích mạch khuếch đại bằng sơ đồ t−ơng đ−ơng 1. Mạch t−ơng đ−ơng của Transistor Điều kiện để một T dẫn là phân cực thuận với tiếp giám BE và phân cực ng−ợc với tiếp giám BC, mạch t−ơng đ−ơng của T nh− sau: C Rc ic Rb B ie Re E Trong đó: + Rb là điện trở đoạn từ cực B và giữa vùng bán dẫn của cực B. + Re là điện trở thuận ở trạng thái xoay chiều của mối nối BE: Re=26mV/IE(mA) + Rc là điện trở nghịch của mối nối BC. Mạch t−ơng đ−ơng T dùng thông số của ma trận H: Rb B C Ib Re Ie Ic=β.ib Uce Ube E 17
BomonKTDT-ĐHGTVT trong đó: + ib: dòng điện tín hiệu ngõ vào, giá trị phụ thuộc vào Rb, Re + ic : dòng điện tín hiệu ngõ ra, ic=βib Ph−ơng trình đặc tr−ng theo ma trận H: Ube=h11.ib+h12.Uce ic = h21.ib +h22.Uce + h11=Ube/Ib: điện trở ngõ vào + h21=Ic/Ib: hệ số khuếch đại dòng + h12=Ube/Uce: độ khuếch đại điện áp ng−ợc + h22=Ic/Uce: dẫn nạp ngõ ra. 2. Mạch t−ơng đ−ơng kiểu EC: Rb B C Re Ic R0 Rc - Tổng trở ngõ vào: Vi ib.rb + ie.re ib.rb + β.ib.re h11= hie=Ri= = = Ib ib ib - Tổng trở ngõ ra: ro=1/h22 - Độ khuếch đại dòng: Ki=h21=β - Độ khuếch đại điện áp: Uce 1 Rc Ku= = = −β. Ube h12 Rbe 3. Mạch t−ơng đ−ơng kiểu BC: - Tổng trở ngõ vào: ie.re + ib.rb β.re + re h11= hie=Ri= = = ie β - Tổng trở ngõ ra: ro=Vo/ic - Độ khuếch đại dòng: Ki=ic/ie=(β/(β+1))≈1 - Độ khuếch đại điện áp: − ic.Rc Rc Ku= = β. − ie.Ri Rbe 18
DTT_PTH_VQS Re Ic E C Rb Rc B 4. Mạch t−ơng đ−ơng kiểu CC: - Tổng trở ngõ vào: ib.rb + ie.re + ie.R1 h11= hie=Ri= = = rb + β.re + β.R1 ib - Tổng trở ngõ ra: ro=re+1/β(rs+rb) - Độ khuếch đại dòng: Ki=ie/ib=β+1 - Độ khuếch đại điện áp: ve β.R1 Ku= = ≈ 1 vb ib.rb + ie.re + ie.R1 Rb B C Rs Re Ic ie Vs R1 5. Phân tích mạch khuếch đại bằng mạch t−ơng đ−ơng Minh họa: 19
BomonKTDT-ĐHGTVT Vcc R1 Rc C2 C1 Q1 Zt Rs R2 Re Ce Vs Rs B C Ic Rc Zt Vs R1 R2 hie E Rs B C Ic Rc Zt Vs Vi Zi E ta có Zi=hie//R1//R2 -Ki=β Vo Zt - Ku= = −β Vi Zi Vi Zt -Hệ số khuếch đại toàn mạch Ktp=Ku. = −β Vs Zt + Rs III. Tính toán các thông số ở chế độ động Minh hoạ qua ví dụ: Tính toán chế độ động cho mạch có tham số nh− hình vẽ: 20
DTT_PTH_VQS Vcc Rs=600 C2=10àF R1=100K Ce=50àF R2=27K Rc=3,3K Re=1K C1=10à R1 Rc hie=2,5K β=100 C2 Zt=20K C1 Q1 Zt Rs R2 Re Ce Vs Giải: Sơ đồ t−ơng đ−ơng: Rs B C Ic Rc Zt Vs Vi Zi rb+re E -Tổng trở vào của T: Ri=hie=2,5K -Ki=β=100 lần Rc // Zt 2,8 - Ku= − β = −100. ≈ −112 lần(hệ số KĐ của riêng T) hie 2,5 hie.Zi hie(R1// R2) - Zv chung cả mạch=Zi//hie= = ≈ 2,2K hie + Zi hie + (R1// R2) - Độ khuếch đại áp toàn mạch: Vo Vi Zv 2,2 Ktp= . = Ku. = −112. = −88 Vi Vs Zv + Rs 2,2 + 600 Dấu - chứng tỏ tín hiệu ra ng−ợc pha với tín hiệu vào IV. Transistor Tr−ờng- FET Mạch khuếch đại điển hình dùng FET, nh− hình vẽ sau, dòng điện cực cửa IG, có giá trị nhỏ không đáng kể, nên sụt áp trên Rs là không đáng kể, có thể bỏ qua, , ta có: + VGS=-VGG +Vgs=Vs Điện áp tổng gồm cả một chiều và xoay chiều là : VGS=vgs+VGS, 21
BomonKTDT-ĐHGTVT VDD RD Ur Rs Q1 Vs -VGG + VGS vs Điện áp tại cực tháo là: VDS= VDD- RD.iD=VDD − RD .I DSS (1+ + ) VPO VPO - Công suất tiêu tán trên FET: PD=VDS.ID - Công suất ra trên tải: 2 2 PT=RD+I D+RD.Id Id: dòng trung bình của tín hiệu làm việc Sau đây là các mạch khuếch đại thông dụng: - Mạch SC(nguồn chung): VDD RD C2 Ur C1 Q1 Vs RG Rs Cs V 0 id Độ khuếch đại áp Ku tính gần đúng: Ku = = − .RD − Vgs vgs - Mạch DC(tháo chung): VDD Rs C1 Q1 Ur RG Vs Rs 22
DTT_PTH_VQS V 0 g .Rs Độ khuếch đại áp Ku tính gần đúng: Ku = = m Vgs 1+ g m Rs Trong đó gm=id/vgs V. Các ph−ơng pháp Ghép tầng giữa các bộ khuếch đại Một bộ khuếch đại th−ờng gồm nhiều tầng khuếch đại mắc liên tiếp vì thông th−ờng một tầng khuếch đại không đảm bảo đủ hệ số khuếch đại cần thiết. Trong tr−ờng hợp này tín hiệu ra của tầng tr−ớc là tín hiệu vào của tầng n sau và hệ số khuếch đại tổng K(dB) = ∑ Ki với Ki là hệ số khuếch đại tính i=1 theo dB của tầng khuếch đại thứ i trong tổng số n tầng khuếch đại. Chọn số tầng và kiểu tầng Việc lựa chọn số tầng khuếch đại, kiểu tầng và thứ tự của chúng chủ yếu dựa vào trở kháng nguồn, trở kháng tải và hệ số khuếch đại yêu cầu. Hầu hết các mạch khuếch đại cần: Trở kháng vào cao so với trở kháng nguồn. Trở kháng ra nhỏ so với trở kháng tải. Ví dụ: khi cần bộ khuếch đại có hệ số tăng ích và trở kháng vào cao thì sẽ sử dụng BJT mắc kiểu CC làm tầng 1 (trở kháng vào cao) và BJT mắc kiểu CE làm tầng 2 (hệ số khuếch đại lớn). Kiểu ghép giữa các tầng Có 3 kiểu ghép tầng: ghép trực tiếp, ghép RC, ghép biến áp. Phần tiếp sau đây sẽ giới thiệu các cách ghép giữa các tầng 1. Ghép RC Trong mạch khuếch đại nhiều tầng, mạch ghép RC sẽ thực hiện ghép giữa tầng này với tầng khác nhờ 1 tụ điện. Tụ C2 nh− trong hình d−ới đây biểu diễn kiểu ghép này giữa 2 tầng CE. 23
BomonKTDT-ĐHGTVT Ghép RC cho phép tín hiệu ac đi qua nh−ng lại ngăn cản tín hiệu dc. Nh− vậy, thành phần một chiều không ảnh h−ởng lẫn nhau giữa các tầng, đồng thời điểm làm việc tĩnh cũng đ−ợc cách ly. 2. Ghép biến áp Trong tr−ờng hợp này, việc liên kết giữa 2 tầng khuếch đại đ−ợc thực hiện bởi biến áp. D−ới đây là mạch ghép điển hình giữa 2 tầng dùng biến áp. Nh− ta thấy trong hình trên, cuộn sơ cấp của biến áp thay cho điện trở tải RL . Vì biến áp hoạt động giống nh− một cuộn cảm (có trở kháng bằng 0 hay rất nhỏ so với dòng dc), nên dòng tĩnh ICQ qua tầng thứ nhất sẽ không bị suy hao. Còn với thành phần dòng ac, tải động (tải xoay chiều) sẽ là tải thứ cấp khi nhìn từ cuộn sơ cấp, tức là bằng với (n2 . R) với n: là hệ số truyền đạt của biến áp. Việc sử dụng biến áp sẽ khiến các tầng khuếch đại đ−ợc cách ly với nhau. Điểm làm việc tĩnh Q có thể đ−ợc xác định tách biệt với từng tầng. Ưu điểm của ghép biến áp là: không có dòng một chiều trên tải và đạt đ−ợc hiệu suất cao hơn. Nh−ợc điểm của ghép biến áp là: kích cỡ và trọng l−ợng lớn của biến áp, giới hạn tần số của biến áp và sự không tuyến tính của đ−ờng cong đáp ứng tần số. Vì những nh−ợc điểm nh− vậy, biến áp sẽ không đ−ợc sử dụng trong các mạch tần số thấp, tín hiệu nhỏ. Nó chỉ đ−ợc dùng nhiều trong các mạch khuếch đại tần số cao điều chỉnh kênh thu, trong đó biến áp sử dụng để tạo mạch cộng h−ởng. Trong mạch khuếch đại sử dụng biến áp, thành phần tín hiệu ac trong cuộn sơ cấp sẽ phụ thuộc vào điện kháng của cuộn dây. Hệ số khuếch đại tỷ lệ với điện kháng của biến áp vì thế tín hiệu ra sẽ phụ thuộc vào tần số. Để khắc phục vấn đề này, cần mắc song song một mạch RC với cuộn sơ cấp.(hình bên). 24
DTT_PTH_VQS 3. Ghép trực tiếp. Ghép trực tiếp là ph−ơng pháp đ−a trực tiếp tín hiệu từ tầng tr−ớc tới tầng sau mà không thông qua bất cứ một linh kiện nào. Hình bên là một ví dụ của sơ đồ mạch ghép trực tiếp dùng 2 tầng T : một tải kép (tầng 1) và một CC (tầng 2). Đáp ứng tần số của sơ đồ mạch ghép trực tiếp đ−ợc xác định bởi từng tầng cấu thành mạch. Ghép trực tiếp đ−ợc viết tắt là “d.c”. Nh−ợc điểm lớn nhất của kiểu ghép trực tiếp là: điện áp một chiều giữa các tầng không độc lập với nhau. Sự dao động của điểm Q tại tầng 1 sẽ khiến điểm làm việc Q của tầng 2 thay đổi. 4. Các kiểu ghép transistor khác a. Mạch Darlington. Hai Transistor đ−ợc gọi là kết nối Darlington (hoặc tạo thành cặp Darlington) khi dòng emitter của tầng đầu tiên chính là dòng base của tầng thứ hai (hình d−ới đây) Cặp Darlington có hệ số khuếch đại dòng cao và trở kháng vào cao. Nó th−ờng đ−ợc dùng thay cho các mạch lặp E Thông th−ờng các nhà chế tạo Transistor sẽ đặt cặp Darlington vào trong 1 vỏ đơn làm cho cả 2 Transistor có cùng nhiệt độ làm việc. Các đặc điểm chính của mạch lặp E sử dụng kết nối Darlington so với mạch lặp E dùng Transistor đơn là: - Trở kháng vào cao hơn. - Hệ số khuếch đại áp Av gần 1 hơn. - Hệ số khuếch đại dòng cao hơn. - Trở kháng ra nhỏ hơn. 25
BomonKTDT-ĐHGTVT b. Mạch Cascode. Mạch khuếch đại Cascode là mạch khuếch đại nhiều tầng ghép trực tiếp. cấu hình này gồm một mạch Transistor kiểu CE và 1 Transistor CB nối với nhau nh− hình d−ới đây. Mạch này có các đặc điểm chính: Trở kháng ra rất cao giống nh− mạch CB. Độ ổn định và đáp ứng tần số cao. Các đặc tr−ng trên khiến mạch Cascode đặc biệt hữu dụng tại miền tần số cao. 5. Mạch khuếch đại vi sai * Cấu tạo: dạng căn bản của mạch khuếch đại vi sai nh− hình sau: - Có 2 ph−ơng pháp lấy tín hiệu ra: Lấy ra ở cả 2 cực C của 2 T huặc lấy ra từ một cực và điểm GND - Phân biệt 3 tr−ờng hợp: + Khi hai tín hiệu vào cùng biên độ và cùng pha v1=v2, do mạch Va= K.v1 Vb=K.v2 là đối xứng nên có Va=Vb=> ngõ ra vi sai=0 + Khi tín hiệu vào có dạng vi sai v1=-v2(cùng biên độ nh−ng ng−ợc pha): Khi đó Va-Vb=KVS(v1-v2) # 0, trong đó KVS là hệ số khuếch đại vi sai, giá trị này th−ờng rất lớn 26
DTT_PTH_VQS Nh− vậy, mạch khuếch đại vi sai chỉ khuếch đại đại l−ợng là sai số của 2 tín hiệu vào mà không khuếch đại từng tín hiệu thành phần + Khi 2 tín hiệu vào là bất kỳ, thì mạch khuếch đại sẽ khuếch đại cả thành phần vi sai và không vi sai của 2 tín hiệu đó. * Mạch phân cực: Khi mạch hoàn toàn đối xứng: IE= (VEE-VBE/)2RE=0 * Tín toán thông số: Ta tín cho tín hiệu vi sai: v1=-v2 va=-vb Nh− vậy dòng điện luôn ng−ợc chiều trong 2 T, không qua Re, nên có thể bỏ Re trong khi tính toán: 27
BomonKTDT-ĐHGTVT *. Các nguyên nhân gây mất cân bằng Các linh kiện hình thành mạch: T, R, không hoàn toàn giống nhau và đồng nhất. Khi đó mạch khuếch đại vi sai sẽ bị mất cân bằng, thành phân tín hiệu ra xuất hiện cả tín hiệu vi sai. Biện pháp khắc phục: - Lựa chọn thật kỹ linh kiện, nên chế tạo theo dạng mạch tích hợp. - Giữ dòng điện phân cực nhỏ, để sai số trên điện trở tạo ra điện áp vi sai nhỏ. - Thêm một điện trở R’E để cân bằng dòng điện phân cực 28
DTT_PTH_VQS CH−ơng 4 . Khuếch đại công suất I. Định nghĩa và phân loại Các mạch khuếch đại đã nói ở trên chỉ làm việc với tín hiệu nhỏ với công suất thấp. Để tín hiệu ra đủ lớn đáp ứng cho các phụ tải nh− loa, cuộn lái tia cần dùng đến bộ khuếch đại công suất lớn. Khuếch đại công suất là tầng khuếch đại cuối cùng của bộ khuếch đại. Nó có nhiệm vụ cho ra tải một công suất lớn nhất có thể với độ méo cho phép và đảm bảo hiệu suất cao. Tầng khuếch đại công suất có thể làm việc ở các chế độ A, B, AB và C, D tuỳ thuộc vào chế độ công tác của transistor. Chế độ A: là chế độ khuếch đại cả chu kỳ tín hiệu vào. Chế độ này có hiệu suất thấp nh−ng méo phi tuyến nhỏ nhất nên chỉ đ−ợc dùng trong các tầng khuếch đại đơn. Chế độ B: là chế độ khuếch đại nửa chu kỳ tín hiệu vào, chế độ này có hiệu suất cao nh−gn méo xuyên tâm lớn, có thể khắc phục bằng cách kết hợp với chế độ AB và dùng hồi tiếp âm. Chế độ AB: có tính chất chuyển tiếp giữa chế độ A và B. Nó có dòng tĩnh nhỏ để tham gia váo việc giảm méo lúc tín hiệu vào có biên độ nhỏ. Chế độ C: khuếch đại tín hiệu ra trong một phần nửa chu kỳ, nó có hiệu suất rất cao nh−ng méo cũng rất lớn. Chế độ này đ−ợc ứng dụng trong các mạch khuếch đại cao tần có tải là khung cộng h−ởng để chọn lọc tần số mong muốn hoặc các mạch khuếch đại đẩy kéo. Chế độ D: ở chế độ này transistor làm việc nh− một khoá điện tử D−ới đây sẽ xem xét chi tiết các chế độ A, B, AB và C là các chế độ hoạt động của transistor ở các tầng khuếch đại. II. Mạch khuếch đại chế độ A Ic Trong mạch khuếch đại chế độ A, có dòng chảy trong mạch ra trong cả chu kỳ tín hiệu. Kiểu mạch khuếch đại này đòi hỏi hoạt động trong miền tuyến tính. Khi tín hiệu vào thay đổi khiến dòng base thay đổi, và nếu sự thay đổi này đủ nhỏ để giữ điểm làm việc trong miền tuyến tính thì tín hiệu ra sẽ có dạng nh− tín hiệu vào. Dòng collector sẽ chảy trong cả chu v ce kỳ của tín hiệu và giá trị trung bình của nó bằng với giá trị tĩnh. Hình bên chỉ ra các đ−ờng đặc tuyến điển hình cho mạch khuếch đại sử dụng Transistor chế độ A: đ−ờng cong đặc tuyến ra, đ−ờng tải, dòng ic;điện áp ra vce Công suất. 29
BomonKTDT-ĐHGTVT Để tìm các giá trị công suất tiêu thụ trong chế độ A, giả thiết mạch khuếch đại nh− hình d−ới đây có điện áp tĩnh VCEQ = Vcc/2 , t−ơng ứng với dòng ICQ = Vcc*RL/2 . Công suất hữu ích Pu : với tín hiệu vào hình sin, điện áp trên tải RL là: VRL = Vs*sin(w.t) Công suất tiêu hao trên tải RL bằng với giá trị trung bình của công suất tức thời vs(t)*is(t) : Vcc 2 Vs 2 PRL = = 4 * RL 2 * RL Chỉ xem xét thành phần công suất liên quan tới tín hiệu , ta có: 2 Pu = Vs / 2*RL . Công suất Pcc cung cấp bởi nguồn dc. Đây là giá trị công suất trung bình (Vcc*iS) đ−ợc cung cấp bởi nguồn dc và bằng với: 2 Pcc = Vcc /2*RL . Công suất tiêu hao trên T : Đây là giá trị công suất tiêu hao trung bình trên T [vce(t)*is(t)]: 2 2 PD = Vcc /4*RL – VS /2*RL . Nh− ta thấy, PD sẽ nhỏ nhất nếu biên độ tín hiệu là lớn nhất. Hiệu suất. Hiệu suất đ−ợc định nghĩa là công suất hữu ích trên tải (Pu) và công suất cung cấp bởi nguồn (Pcc). 2 2 ηC = Pu/Pcc = VS / Vcc . Từ đây, có thể nhận thấy là hiệu suất sẽ lớn nhất khi Vs đạt giá trị max. Theo lý thuyết, Vsmax = Vcc/2 ; và trong điều kiện lý t−ởng hiệu suất lớn nhất đạt 25%. Thực tế, hiệu suất của mạch khuếch đại chế độ A chỉ đạt khoảng 20%. Mạch khuếch đại chế độ A đạt hiệu suất cao hơn (max=50%) nếu tải đ−ợc ghép biến áp. III. Mạch khuếch đại chế độ B. Hiệu suất thấp của mạch khuếch đại chế độ A phát sinh từ thực tế là ngay cả khi không có tín hiệu vào, Transistor vẫn tiêu thụ công suất. Giải pháp cho vấn đề này là cố định điểm Q gần với miền ngắt. Trong tr−ờng hợp này, nếu không có tín hiệu vào, dòng collector 30
DTT_PTH_VQS là rất thấp. Tuy nhiên, khi có tín hiệu vào, chỉ có dòng ra trong nửa chu kỳ d−ơng của tín hiệu vào. Mỗi nửa chu kỳ âm của tín hiệu vào mà thấp hơn giá trị ngắt cut-off , sẽ ngăn dòng collector. Hình trên là ví dụ của bộ khuếch đại tín hiệu ac ở chế độ B. Với tín hiệu ac, dòng collector chỉ chảy trong nửa chu kỳ tín hiệu có nghĩa 1800 . Góc này đ−ợc gọi là góc dẫn. Để có đ−ợc tín hiệu ra lặp lại dạng của tín hiệu vào, sẽ cần đến 2 linh kiện tích cực cùng hoạt động trong chế độ B. Mỗi một linh kiện sẽ khuếch đại tín hiệu trong 1/2 chu kỳ. Có 3 kiểu mạch thực hiện nguyên tắc này: Mạch đẩy kéo push-pull. Mạch kết cuối đơn (single - ended). Mạch đẩy kéo - đối xứng bù (complementary symmetry). a. Mạch khuếch đại đẩy kéo Mạch khuếch đại đẩy kéo gồm 2 Transistor NPN mà kết nối đối xứng với nhau và có điểm E chung nh− hình bên. Tại đầu ra của 2 tầng, có 1 biến áp với điểm giữa đấu nguồn. Vì 2 Transistor là cùng loại, mỗi dòng collector chỉ chảy trong một nửa cuộn dây của biến áp, chúng sẽ có h−ớng ng−ợc nhau và sẽ tạo 2 dòng chảy ng−ợc chiều. Trong chế độ tĩnh, vì cả 2 Transistor hoạt động ở chế độ B nên chúng sẽ ngắt. Trong chế độ động hay chế độ ac, giả thiết mỗi T sẽ thay phiên dẫn trong mỗi nửa chu kỳ của tín hiệu. Vì 2 nửa sóng trên cuộn thứ cấp là ng−ợc chiều nhau, dạng sóng sin hoàn chỉnh sẽ đ−ợc tạo lại trên tải. Mạch đẩy kéo sử dụng 2 Transistor dẫn luân phiên. Một biến áp vào có điểm giữa nối đất có nhiệm vụ đ−a đến base của 2 Transistor hai tín hiệu bằng nhau nh−ng ng−ợc pha. Một cách khác là dùng mạch đảo pha giống nh− tr−ờng hợp của mạch khuếch đại tải kép. Điều này sẽ cải thiện đáp ứng tần số hơn việc sử dụng biến áp. Các công thức tính công suất. 1. Công suất hữu ích Pu: Giả thiết điện áp trên tải có giá trị đỉnh là VM , công suất tiêu thụ hữu ích trên tải là: 2 Pu = VM / 2RL . 2. Công suất cung cấp bởi nguồn Pcc. Đây là giá trị trung bình của công suất cung cấp bởi nguồn dc: Pcc = 2*Vcc*VM/(π*RL). 31
BomonKTDT-ĐHGTVT từ đó, ta thấy rằng Pcc là max khi VM đạt max có nghĩa bằng Vcc. Lúc này: 2 Pcc = 2*Vcc / (πRL). 3. Công suất tiêu hao trên T. đây là giá trị trung bình của công suất tiêu hao trên mỗi T: 2 Vcc *VM VM PD = − π * RL 4* RL PD sẽ lớn nhất khi VM = 2*Vcc/π . Lúc này: 2 2 PDMAX = Vcc /(π *RL). và đạt xấp xỉ Pumax/5. 4. Hiệu suất: Đ−ợc định nghĩa nh− là tỷ số giữa công suất hữu ích trên tải Pu và công suất cung cấp bởi nguồn dc Pcc. η = Pu/Pcc = π*VM/(4*Vcc). từ công thức này, ta thấy rằng hiệu suất là một hàm tuyến tính của VM đạt max khi VM = Vcc . Lúc này, ηMAX = π/4 = 78,5%. Hiệu suất thực tế của mạch khuếch đại chế độ B là khoảng 70%. b. Mạch khuếch đại đẩy kéo, đối xứng bù (ng−ợc). Sơ đồ khối điển hình của các mạch khuếch đại đẩy kéo, đối xứng bù đ−ợc chỉ ra ở hình bên 2 Transistor khác loại (1 loại NPN và 1 loại PNP) và cả hai đ−ợc mắc theo kiểu lặp E. Trở tải đ−ợc điều khiển bởi T1 trong nửa chu kỳ d−ơng và bởi T2 trong nửa chu kỳ âmễnem hình d−ới đây) 32
DTT_PTH_VQS Tín hiệu vào và ra của mạch khuếch đại là cùng pha; cũng sẽ có méo qua điểm 0 đáng kể với mạch này. Méo qua điểm 0 là do 2 transistor T1 và T2 chỉ dẫn khi điện áp VBE của chúng đạt tới ng−ỡng dẫn (khoảng 0,7V). Ng−ợc lại chúng sẽ ngắt khi VBE rơi xuống thấp hơn 0,7V. Sử dụng nguồn cung cấp đơn. Mạch đối xứng ng−ợc cũng có thể chỉ dùng một nguồn cung cấp bởi việc nối tải với một tụ điện có trị số lớn nh− hình bên. c. Mạch khuếch đại kết cuối đơn với 2 nguồn cung cấp. Một mạch kết cuối đơn đ−ợc cho ở hình bên Trong chế độ tĩnh, 2 Transistor ngắt và điểm chung A của chúng đ−ợc nối đất. Không có dòng chảy qua tải. Trong chế độ động, T1 sẽ dẫn trong 1/2 chu kỳ d−ơng và có dòng chảy từ trái sang phải trên tải. Trong nửa chu kỳ âm, T2 dẫn và có dòng chảy trên 33
BomonKTDT-ĐHGTVT tải theo h−ớng ng−ợc lại. Nh− vậy, để tạo lại trung thực một tín hiệu, cần thiết đ−a vào base của 2 Transistor hai tín hiệu ng−ợc pha nhau. Khi xác định linh kiện, nhớ rằng, điện áp rơi trên Transistor ngắt là gấp 2 lần Vcc (điện áp sụt trên Transistor dẫn là bằng 0V). Nh− vậy, sẽ phải lựa chọn Transistor có VCE0 > 2Vcc (với VCE0 là giá trị điện áp đánh thủng của Transistor). Chú ý rằng, vì T1 hoạt động nh− mạch khuếch đại lặp emitter trong khi T2 hoạt động nh− mạch CE, nên hai nửa sóng trên tải sẽ không có cùng biên độ. Để T1 hoạt động nh− mạch CE, cần cung cấp tín hiệu vào giữa base và emitter . Điều này thực hiện đ−ợc bởi việc ghép biến áp nh− hình bên. d. Mạch khuếch đại kết cuối đơn với 1 nguồn cung cấp Để sử dụng chỉ 1 nguồn cung cấp nh− hình bên thì tải sẽ phải đ−ợc nối tới một tụ điện có giá trị cao (khoảng vài trăm àF). Trong tr−ờng hợp này, điện áp trên tụ sẽ là hằng số trong suốt chu kỳ hoạt động, giống nh− một nguồn cung cấp thứ 2. Nếu 2 Transistor giống nhau, tại điểm chung A có điện áp Vcc/2 và tụ sẽ duy trì điện áp này. Nh− vậy, hoạt động của mạch sẽ giống nh− tr−ờng hợp 2 nguồn cung cấp. Khi T1 dẫn, điện áp cung cấp cho mạch sẽ là hiệu của Vcc và điện áp trên tụ, tức là bằng Vcc/2. Còn khi T2 dẫn, chỉ có nguồn cung cấp bởi tụ là hoạt động, tức cũng bằng Vcc/2. IV. Mạch khuếch đại chế độ C. 34
DTT_PTH_VQS Trong mạch khuếch đại chế độ C, T sẽ đ−ợc phân cực trong miền ngắt. Với tín hiệu vào hình sin, tín hiệu ra sẽ là các xung với độ rộng nhỏ hơn 1/2 chu kỳ nh− hình d−ới đây. Méo trong tr−ờng hợp này là rất lớn. Hoạt động của mạch khuếch đại chế độ C không tuyến tính. Mạch khuếch đại lớp C th−ờng sử dụng kết hợp với tải cộng h−ởng và chủ yếu để khuếch đại công suất tần số cao. Hoạt động Khi tín hiệu sin v(t) = VM*sin (wt) , đ−ợc đ−a tới đầu vào mạch khuếch đại, dòng i(t) qua tải RL sẽ khác 0 trong khoảng thời gian dẫn T = t2 - t1 t−ơng ứng với góc dẫn φ = φ2 - φ1 với φ = ω*T. Trong mạch khuếch đại chế độ A góc: φ <1800 và phụ thuộc vào chế độ phân áp của Transistor. Mạch khuếch đại này không tiêu hao công suất trong chế độ tĩnh (vì ICQ= 0) trong khi công suất tiêu hao tại chế độ động phụ thuộc vào biên độ của tín hiệu vào v(t) và góc dẫn. Vì lý do đó, hiệu suất của mạch chế độ C là hàm của góc dẫn. Khi giảm góc dẫn φ này, hiệu suất tăng và có thể đạt tới 100%. Thực tế không thể giảm góc dẫn nhiều vì công suất tổng sẽ giảm theo. Các xung của dòng i(t) là một hàm tuần hoàn, chu kỳ của hàm bằng với chu kỳ tín hiệu vào. Sử dụng chuỗi Furier, dòng tải có thể đ−ợc biểu diễn bởi tổng của các sóng sin: i(t) = ICQ +i1*sin(wt) +i2*sin(2wt) + Nếu sử dụng tải là một mạch cộng h−ởng điều chỉnh đ−ợc tần số thì mạch khuếch đại này có thể ứng dụng làm bộ nhân tần. Tuy nhiên, do biên độ 35
BomonKTDT-ĐHGTVT của các hài bậc cao là nhỏ nên ứng dụng khuếch đại chủ yếu tại tần số cơ bản f=w/2π. Một bộ khuếch đại chế độ C hoạt động tại tần số cao, nh−ng chỉ dùng để khuếch đại 1 tần số, nó không thể dùng cho các ứng dụng khuếch đại đòi hỏi tuyến tính. 36
DTT_PTH_VQS Ch−ơng 5. Khuếch đại thuật toán Khuếch đại thuật toán (KĐTT) là một thuật ngữ đ−ợc đ−a ra để chỉ một bộ khuếch đại đặc biệt có thể có nhiều cấu hình hoạt động khác nhau bằng cách ghép nối thích hợp các thành phần bên ngoài. Các bộ KĐTT đ−ợc ứng dụng đầu tiên trong các máy tính t−ơng tự với các phép tính số học đơn giản nh− cộng, trừ, nhân, chia, vi phân và tích phân. Khả năng này là kết quả của sự kết hợp giữa hệ số khuếch đại lớn và hồi tiếp âm. Cùng với sự phát triển không ngừng của kỹ thuật điện tử từ cấu tạo bằng những bóng chân không nặng nề, sau đến các BJT rời rạc, tới nay các bộ KĐTT đều ở dạng tích hợp. Việc này làm cho các bộ KĐTT trở nên gọn nhẹ, tiêu thụ ít năng l−ợng, làm việc ổn định và đ−ợc ứng dụng rất rộng rãi. Ch−ơng này sẽ giới thiệu cơ bản về KĐTT cũng nh− các kỹ thuật phân tích các mạch KĐTT thông dụng nhất. I. cơ bản về bộ khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier) Một bộ KĐTT sẽ có hai đầu vào mà thực chất chính là 2 đầu vào của một bộ khuếch đại vi sai, tầng đầu của bộ KĐTT. Bộ KĐTT chỉ có một đầu ra duy nhất, hai đầu vào cấp nguồn và các chân bù điện áp, bù tần số (thông th−ờng bộ KĐTT là IC có 8 chân). Hình d−ới đây là ký hiệu và sơ đồ Đầu Đầu ra Đầu vào đơn giản minh hoạ cấu trúc bên trong của bộ KĐTT. Điện áp đầu ra Vr tỷ lệ với hiệu số của điện thế giữa hai đầu vào, và cho bởi: Vr = Kd.(Vb - Va). 37
BomonKTDT-ĐHGTVT với Kd là hệ số khuếch đại áp, th−ờng rất lớn cỡ 1 000 000 lần. Nh− vậy bộ KĐTT khuếch đại hiệu điện áp giữa hai đầu vào. Nếu Vb = 0 thì Vr = -Kd.Va nên Vr ng−ợc pha với tín hiệu vào. Vì vậy, ng−ời ta gọi a là đầu vào đảo và ký hiệu bởi dấu (-) hay chữ N (negative) Nếu Va = 0 thì Vr = Kd.Vb nên Vr đồng pha với tín hiệu vào. Vì vậy, ng−ời ta gọi b là đầu vào không đảo và ký hiệu bởi dấu (+) hay chữ P (positive) Một KĐTT lý t−ởng có: Trở kháng vào là vô cùng, Zv ≈ ∞ Trở kháng ra bằng không, Zr = 0 Hệ số khuếch đại Kd ≈ ∞ Đáp ứng tần số là nh− nhau ở mọi tần số Tuy nhiên trên thực tế các tham số chính của một KĐTT là: Điện áp lệch không là điện áp đ−a tới đầu vào để tạo điện áp 0 tại đầu ra. Điều này có nghĩa, khi không có điện áp tại đầu vào, đầu ra vẫn có một điện áp khác 0. Trở kháng vào rất lớn cỡ từ hàng trăm KΩ tới hàng MΩ Trở kháng ra rất nhỏ cỡ từ hàng Ω tới vài chục Ω Hệ số khuếch đại Kd từ vài trăm tới hàng triệu lần. Đáp ứng tần số có giới hạn II. các tham số cơ bản của bộ kđtt 1. Hệ số khuếch đại hiệu Kd Hệ số khuếch đại hiệu Kd đ−ợc định nghĩa nh− tỷ số điện áp đầu ra và điện áp đầu vào vi sai. N Kd = Vr/Vv - Vr với Vv = V - V + P N P Tuy nhiên, Vr chỉ tỉ lệ với Vv trong một dải điện áp nhất định từ Vrmin tới Vrmax. Dải điện áp này gọi là dải biến đổi điện áp ra của bộ KĐTT, ngoài dải này điện áp ra không đổi và không phụ thuộc vào điện áo vào, bộ KĐTT ở trạng thái bão hoà. Đối với điện áp ở tần số thấp Kd không phụ thuộc vào tần số nh−ng khi tần số càng cao hệ số này giảm xuống do ảnh h−ởng của các tham số điện dung ký sinh bên trong bộ KĐTT. Tần số giới hạn đ−ợc xác định tại vị trí Kd ở tần số trung tâm giảm xuống 2 lần và đó chính là độ rộng dải tần 38
DTT_PTH_VQS của bộ KĐTT. 2. Dòng vào tĩnh và điện áp lệch không Dòng vào tĩnh là giá trị trung bình của dòng vào đầu vào đảo và đầu vào không đảo khi không có tín hiệu vào. I + I I = P N với V = V = 0 t 2 P N Dòng vào lệch không là hiệu dòng vào ở hai đầu vào I 0 = I P − I N Vr Vro Thông th−ờng Io = 0,1It. Hai thông số này cho thấy tính không lý t−ởng của bộ KĐTT thực, chúng phụ thuộc vào nhiệt độ. Dòng vào lệch không là nguyên nhân gây ra hiệu điện áp lệch không. Trong một bộ KĐTT thực, khi VP = VN thì Vr vẫn khác không. Đó là vì sự không hoàn hảo của linh kiện trong mạch khiến mạch không hoàn toàn đối xứng. Lúc này điện áp ra do điện áp lệch không ở đầu vào gây nên. Ng−ời ta gọi điện áp Vr là điện áp lệch không cần đặt giữa hai đầu vào để điện áp ra bằng 0 Vrlt. Nói cách khác, điện áp lệch không là điện áp để cân bằng điện áp rất nhỏ tồn tại ở đầu vào. Mạch nh− hình d−ới đây sử dụng để đo điện áp lệch không. Vro là điện áp đầu ra không mong muốn gây ra bởi điện áp Vr tại đầu vào. Hai giá trị điện áp này phụ thuộc vào các giá trị trở kháng Ri và Rf: Ri V = V ro 0 Ri + Rf Vì không có tín hiệu nào đ−ợc đ−a tới bộ khuếch đại và giả thiết không có ảnh h−ởng của dòng lệch cũng nh− dòng phân cực thì điện áp ra chỉ có do điện áp lệch không. Đo đ−ợc Vro cho phép tính giá trị của điện áp lệch không Vr. Khi đó nếu ta đ−a một điện áp bằng nh−ng đảo dấu so với điện áp lệch không vào đầu vào thì điện áp đầu ra sẽ bằng 0. 3. Tỷ số nén tín hiệu đồng pha Tỷ số nén tín hiệu đồng pha CMRR(common mode rejection ratio). Nếu đặt vào đầu vào đảo và đầu vào không đảo các điện áp bằng nhau thì theo lý thuyết Vr phải bằng 0. Nh−ng trên thực tế lại không nh− vậy, lúc này sẽ có: Vr = Kc.Vcm 39
BomonKTDT-ĐHGTVT Với Kc là hệ số khuếch đại đồng pha (KĐTT lý t−ởng Kc = 0, tức là Vr = 0 nh− hình bên) Vcm = VP = VN Để đánh giá khả năng làm việc của bộ KĐTT thực so với bộ KĐTT lý t−ởng ng−ời ta đ−a ra hệ số CMRR để so sánh giữa hệ số khuếch đại hiệu Kd và hệ số khuếch đại đồng pha Kc CMRR = Kd / Kc (khoảng 103 – 105) Chú ý: Tỷ số nén tín hiệu đồng pha th−ờng đ−ợc tính theo đơn vị decibel K CMRR(dB) = 20lg d (khoảng 76dB – 100dB) K c III. Các sơ đồ cơ bản của bộ KĐTT 1. Bộ khuếch đại đảo Hệ số khuếch đại hở mạch của một bộ khuếch đại thuật toán rất lớn (điển hình khoảng 100 000 lần hay 100dB). Hệ số này quá lớn nên sẽ gây mất ổn định cho mạch, do đó không đ−ợc sử dụng trên thực tế. Để giảm bớt hệ số khuếch đại của mạch ng−ời ta sử dụng biện pháp hồi tiếp âm. Nghĩa là lấy một phần tín hiệu ra quay trở về đầu vào đảo của bộ KĐTT. Mạch cơ bản của cấu hình này nh− hình bên. Trong hình này, đầu vào đảo có cùng điện thế so với đầu vào không đảo tức bằng 0V, do vậy th−ờng gọi đầu vào đảo là điểm “đất ảo”. Dòng chảy qua R1 đ−ợc cho bởi: I = Vv / R1 Chú ý: Trở kháng vào có giá trị vô cùng nên dòng điện I này sẽ chảy qua Rf và điện áp Vr qua nó sẽ là: 40
DTT_PTH_VQS Vr = - R2 . I Dấu “-“ xuất phát từ thực tế rằng, nếu Vv > 0V dòng chảy từ Vv tới Vr bởi thế Vr có mức điện áp thấp hơn đầu vào đảo; tuy nhiên đầu vào đảo lại là điểm đất ảo (0V) nên Vr sẽ phải âm. Thay thế giá trị của I vào ta đ−ợc : Vr = - Vv . R2 / R1 vì hệ số khuếch đại đ−ợc định nghĩa nh− tỷ số giữa áp vào và áp ra nên: K = Vr / Vv = - R2 / R1 Chú ý: Với bộ khuếch đại thực, trở kháng vào và hệ số khuếch đại không phải là vô cùng nh−ng cũng rất lớn do đó công thức trên có thể chấp nhận đ−ợc. 2. Mạch khuếch đại không đảo Một mạch khuếch đại không đảo đơn giản đ−ợc chỉ ra nh− ở hình d−ới đây Để ổn định mạch khuếch đại, một phần tín hiệu ra đ−ợc lấy quay trở về đầu vào đảo (hồi tiếp âm). T−ơng tự, từ tính chất trở kháng vào bằng vô cùng, có thể thấy rằng dòng chảy qua R2 sẽ bằng dòng chảy qua R1. R1 và R2 sẽ tạo thành mạch phân áp đối với điện áp ra Vr. Từ đó, suy ra hệ số khuếch đại: Vr R2 K = = 1+ Vv R1 Các công thức trên đúng cho mạch KĐTT thực tế có hệ số khuếch đại lớn và trở kháng vào cao. Chú ý: Từ công thức trên thấy rằng hệ số khuếch đại của mạch không đảo không thể nhỏ hơn 1, hệ số này chỉ bằng 1 khi R2=0 hoặc R1 = ∞. 41
BomonKTDT-ĐHGTVT 3. Mạch khuếch đại tổng Mạch khuếch đại tổng có 2 đầu vào và có thể nhiều hơn nếu cần. Nh− thấy trong hình bên điện áp V1 và V2 đều đ−ợc đ−a đến đầu vào đảo của bộ KĐTT qua điện trở R1 và R2. Mỗi đầu vào sẽ tạo tác động trên đầu ra độc lập với nhau. Bởi thế, điện áp ra đ−ợc xác định bằng tổng kết quả tính với mỗi đầu vào. Vr ⎛ R3 R3 ⎞ Vr =− ⎜V1* + V 2* ⎟ ⎝ R1 R2 ⎠ Dấu “-“ biểu thị đầu ra sẽ ng−ợc pha với tín hiệu vào. Từ công thức trên, nếu yêu cầu đầu ra là tổng của các đầu vào thì tỷ số R3/R1= R3/R2 = 1. Lúc này: Vr = - (V1 +V2). Nếu đầu ra bằng trung bình điện áp của các đầu vào thì tỷ số R3/R1 =R3/R2=0,5. Tức là: Vr= -(V1+V2)/2. Chú ý: Có thể có rất nhiều đầu vào, nh−ng chú ý rằng số l−ợng này cũng giới hạn để không khiến cho bộ khuếch đại v−ợt ra khỏi khoảng làm việc tuyến tính, đồng thời tổng dòng phải nhỏ hơn dòng max cho phép do nhà sản xuất quy định. Mạch khuếch đại tổng sẽ làm việc với cả tín hiệu dc lẫn tín hiệu ac. 4. Mạch khuếch đại hiệu Mạch khuếch đại hiệu sẽ cho ta điện áp ra bằng hiệu của 2 (hay nhiều) điện áp vào. Mạch điển hình sử dụng bộ KĐTT để tính hiệu hai điện áp đ−ợc chỉ ra trong hình d−ới. Ta có thể tìm các công thức tính toán đối với mạch khuếch đại hiệu, giả thiết rằng bộ KĐTT là lý t−ởng. Vì trở kháng vào, trong tr−ờng hợp này song Vr song với R4, theo lý thuyết là vô cùng, nên điện áp vào cực không đảo sẽ là: 42
DTT_PTH_VQS R4 V 2'= V 2. R3 + R4 Vì mạch KĐTT lý t−ởng có hệ số khuếch đại vô cùng nên điện áp V1’=V2’. Do vậy, dòng I qua R1 là: V 2* R4 V1− V1−V1' I = = R3 + R4 R1 R1 Toàn bộ dòng điện này sẽ chảy qua R2 do trở kháng đầu vào bằng vô cùng. Do vậy, điện áp ra là: Vr = V1’ –I*R2 Thay các công thức trên vào ta tính đ−ợc Vr nh− sau: R2 R2 R4 Vr = − V1+ (1+ ) V 2 R1 R1 R3 + R4 Nếu tỷ số R2/R1=R4/R3 thì ta có: Vr = (V2 - V1)*R2/R1. và nếu R2=R1 và R4=R3 thì: Vr = V2 - V1. 5. Mạch tích phân Mạch tích phân đơn giản nhất đ−ợc cho ở hình bên. Ta thấy có tụ điện C trong mạch Vv hồi tiếp. Vr Đầu vào không đảo nối đất, do vậy đầu vào đảo coi nh− có điện áp 0 V (điểm đất ảo). Bởi thế, dòng chảy qua điện trở R sẽ đ−ợc tính bởi tỷ số Vv chia cho R. Toàn bộ dòng điện này sẽ nạp cho tụ. Nói cách khác, ta có: Vv dVr =C. R dt 1 vì Vr = -Vv, nên: dVr =− .Vv.dt RC tích phân 2 vế, ta có: 1 Vr =− Vv.dt RC ∫ vậy điện áp ra sẽ bằng tích phân của điện áp vào chia cho hằng số thời gian τ = RC 43
BomonKTDT-ĐHGTVT Biến τ có thể đ−ợc định nghĩa nh− là thời gian cần thiết cho điện áp Vr đạt tới biên độ bằng với điện áp vào, bắt đầu từ điều kiện 0 và với điện áp vào là hằng số. Xét với bộ KĐTT thực, ta có thể tìm đ−ợc điện áp lệch không, xuất hiện nh− là điện áp dc tại đầu vào và khi đ−ợc tích phân sẽ xuất hiện tại đầu ra nh− là một điện áp tăng tuyến tính. T−ơng tự, một phần của dòng thiên áp cũng đ−ợc tích phân, tạo nên sự thay đổi của điện áp ra. Hai nguyên nhân gây lỗi trên thực tế sẽ đ−a bộ KĐTT đến trạng thái bão hoà. Đây chính là một hạn chế của mạch. Vấn đề này sẽ đ−ợc khắc phục Vr bởi việc nối thêm 1 điện trở giữa đầu vào không đảo và đất, để bù ảnh h−ởng của dòng thiên áp; đồng thời thêm điện trở mắc song song với tụ C để trung hoà ảnh h−ởng của điện áp lệch (hình bên). 6. Mạch vi phân Sơ đồ mạch vi phân đ−ợc chỉ ra ở hình bên. Điện trở đ−ợc dùng trong mạch hồi tiếp, Vv trong khi tụ đ−ợc nối với điện áp vào. Giả sử bộ KĐTT lý t−ởng, đầu vào đảo sẽ Vr có mức điện áp 0 (điểm đất ảo), bởi thế, dòng chảy qua R đ−ợc cho bởi: i = Vr/R. với tụ điện, ta có quan hệ sau: i=C*dV/dt. vì trở kháng vào bằng vô cùng, nên dòng qua tụ sẽ bằng với dòng qua trở R, thay vào ta có: dVr Vr = −RC dt Nếu tín hiệu vào là tín hiệu dc, điện áp ra sẽ bằng 0V, vì tụ ngăn cản dòng dc. Nghĩa là hệ số khuếch đại sẽ bằng 0 với thành phần tín hiệu dc. Khi tần số tăng, biên độ điện áp ra cũng nh− hệ số khuếch đại cũng tăng từ công thức trên ta thấy: Vr tỷ lệ với ω (dựa vào đây ng−ời ta xây dựng mạch biến đổi tần số-điện áp) Theo lý thuyết, nếu tần số bằng vô cùng, tụ điện sẽ có dung kháng bằng 0, tức là hệ số khuếch đại bằng vô cùng với mạch vi phân. Tuy nhiên, hệ số khuếch đại cao khiến mạch không ổn định. Ngoài ra, vì hệ 44 Vr
DTT_PTH_VQS số khuếch đại gia tăng theo tần số, nên nhiễu giao thoa tại tần số cao sẽ đ−ợc khuếch đại gây biến dạng tín hiệu ban đầu. Do vậy điện trở R1 sẽ đ−ợc mắc nối tiếp với tụ C nh− hình trên để giới hạn hệ số khuếch đại của mạch vi phân, với tỷ số R/R1 tại tần số cao khi dung kháng của tụ là rất nhỏ (nói cách khác là mở rộng dải tần hoạt động của mạch) 7. Mạch so sánh Mạch so sánh là mạch mà so sánh tín hiệu vào Vv và tín hiệu chuẩn Vref. Điện áp ra của bộ so sánh Vr có thể nhận một trong hai giá trị: Vmin hay Vmax. Trong ứng dụng này, mạch khuếch đại hoạt động trong miền không tuyến tính. Xét mạch trong hình bên, giả thiết KĐTT là lý t−ởng, khi Vv>Vref Vref thì đầu ra của bộ so sánh sẽ đạt tới mức Vr Vv điện áp d−ơng max (bão hoà d−ơng); ng−ợc lại nếu Vv<Vref thì đầu ra đạt mức giá trị âm max (bão hoà âm). Hoạt động của mạch có đ−ợc do hệ số khuếch đại rất cao, bởi vì một điện áp hiệu rất nhỏ cũng đủ để đ−a mạch vào trạng thái bão hoà. Ta có thể thấy rằng mạch điện rất đơn giản không cần có thêm các linh kiện ngoài. ứng dụng chủ yếu của mạch là bộ phát hiện qua mức 0 và mạch tạo xung vuông. 8. Mạch khuếch đại logarit Mạch khuếch đại logarit có nhiệm vụ cung cấp tín hiệu ra có quan hệ logarit với tín hiệu vào. Sơ đồ mạch cho bộ khuếch đại này đ−ợc chỉ ra nh− hình bên trong đó nhánh hồi tiếp gồm 1 Transistor. Bộ KĐTT có hệ số khuếch đại rất cao, chỉ cần một điện áp lệch nhỏ cũng đủ để đ−a Vv đầu ra tới trạng thái bão hoà. Vì base của T nối đất và Emitter nối đầu ra nên điện áp ra Vr bằng điện áp base-emitter nh−ng trái dấu. Vr = -vBE Khi vBE tăng, dòng collector cũng tăng. Do trở kháng vào rất cao (vì thế dòng đi vào đầu vào đảo có thể bỏ qua), dòng collector của T sẽ bằng dòng qua R. Điều này khiến điện áp lệch giảm và do đó điện áp ra cũng giảm. Để 45
BomonKTDT-ĐHGTVT tránh bão hoà điện áp lệch sẽ nằm trong dải àV (do hệ số khuếch đại khoảng 100000). Trong chế độ hoạt động thông th−ờng, điện áp vBE của T là khoảng 0,5 – 1V; có nghĩa điện áp lệch sẽ rất nhỏ nên có thể coi đầu vào đảo nh− là điểm đất ảo. Dòng ic đ−a vào collector của T là: ic = Vv /R (1) Ta có tỷ số giữa dòng collector và dòng base là: ic = hFE*iB (2) đồng thời, ta có quan hệ giữa điện áp base-emitter và dòng base: vBE VT iB = Io*e (3) trong đó: iB là dòng base. Io = dòng rò (ng−ợc) bão hoà của chuyển tiếp PN. vBE = điện áp base-emitter. VT = K*T/ q là điện thế nhiệt với K: hằng số Boltzmann ; T : nhiệt độ tuyệt đối ; q: điện tích e. Từ (2) và (3) , ta có: ic vBE = VT * ln hFE * Io Thay giá trị của ic trong (1) vào ta có: Vv vBE =VT *ln R *hFE * Io vin Vr = − vBE =−VT *ln R *hFE * Io Nh− vậy điện áp đầu ra là một hàm logarit của điện áp đầu vào 9. Mạch exp: R1 Q1 U1 Uv + Ur Bạn đọc chứng minh t−ơng tự để tìm ra dạng kết quả: 46
DTT_PTH_VQS điện áp ra có dạng Ur=exp(uv) 10. Mạch nhân(chia) t−ơng tự: Y=X1.X2 Mạch nhân đ−ợc thực hiện trên cơ sở mạch log và Exp: X1 Ln Y=K.X1.X2 Tổng(hiệu) exp X2 Ln (Y=K.X1/X2) IV. Phần Bài tập 1. Bài toán thuận phân tích một mạch KĐTT đ−ợc thực hiện nh− sau: Viết ph−ơng trình KCL cho nút N để tìm VN theo các nguồn đầu vào đảo Viết ph−ơng trình KCL cho nút P để tìm VP theo các nguồn đầu vào thuận Cho VP = VN để tìm dạng điện áp đầu ra theo các điện áp đầu vào Chú ý: B−ớc 1 và 2 đ−ợc thực hiện với giả thiết dòng vào các cửa của bộ KĐTT bằng không. Ví dụ: Xác định điện áp đầu ra theo điện áp đầu vào của mạch sau: Ra Va Rf Vb Rb U1 Vm Rm IDEAL out V1 R1 V2 R2 Vn Rn áp dụng KCL cho nút P ta có: 47
BomonKTDT-ĐHGTVT V −V V −V V −V P 1 + P 2 + + P n = 0 R1 R2 Rn V V V → V = (R1// R2 // // Rn)( 1 + 2 + + n ) P R1 R2 Rn T−ơng tự, áp dụng dòng điện nút cho nút N ta có: V −V V −V V −V V −V N a + N b + + N m + N out = 0 Ra Rb Rm Rf V V V V → V = (R1// R2 // // Rn)( a + b + + m ) + out (R1// R2 // // Rn // Rf ) N Ra Rb Rm Rf Thay VN = VP ta đ−ợc: V V V Rf V = ( 1 + 2 + + n )(R1// R2// // Rn) out R1 R2 Rn Ra // Rb// // Rx // Rf V V V − Rf ( a + b + + m Ra Rb Rm) Bài tập mẫu: Cho mạch điện nh− hình vẽ. Tìm biểu thức của điện áp đầu ra theo các đầu vào V1 3k 12k V2 4k U4 IDEAL out V3 6k 4k Viết ph−ơng trình KCL tại điểm N với giả thiết trở kháng vào của bộ khuếch đại rất lớn nên coi nh− không có dòng vào cửa đảo. V − V V − V Vout − V 1 N + 2 N + N = 0 3 4 12 V 3.V 2 Vout → V = + + N 2 8 8 Cũng với giả thiết nh− trên ta coi nh− không có dòng vào cửa thuận. Khi đó ph−ơng trình KCL cho nút P sẽ là: 48
DTT_PTH_VQS V −V V P 3 + P = 0 6 4 4 2.V → V = V = 3 P 4 + 6 3 5 Theo tính chất của bộ khuếch đại thuật toán điện áp tại cửa đảo bằng điện áp tại cửa thuận nên ta có: VN = VP Do vậy : V1 3.V2 Vout 2.V3 VN = + + = VP = 2 8 8 5 16 → Vout = −4V − 3V + V 1 2 5 3 2. Bài toán ng−ợc Thiết kế một mạch KĐTT có ph−ơng trình: Vrut = X1.V1 + +XnVn – Y1Va - - YmVm Trong đó X1, X2, Xn là hệ số khuếch đại của các đầu vào không đảo Y1, Y2 Ym là hệ số khuếch đại của các đầu vào đảo Giả sử mạch cần thiết kế có dạng sau: Ra Va Rf Vb Rb U1 Vm Rm IDEAL out Ry V1 R1 V2 R2 Vn Rn Rx Từ phân tích lý thuyết ng−ời ta đ−a ra cách làm nh− sau: + Tính: n X = ∑ Xi = X1 + X2 + +Xn i=1 m Y = ∑Yj = Y1 + Y2 + +Ym j=1 Z = X- Y – 1 + Dựa vào giá trị của Z ta sẽ chọn 1 trong 3 tr−ờng hợp sau để tính: 49
BomonKTDT-ĐHGTVT TH Z Ry Rx R1,2 Ra,b 1 > 0 Rf/Z ∞ - 2 0 nên ta sẽ áp dụng cách tính của tr−ờng hợp 1. Chọn Rf = 120kΩ. Khi đó các giá trị còn lại đ−ợc tính nh− sau: Rf 120kΩ Rf 120kΩ R1 = = = 12kΩ Ra = = = 24kΩ X1 10 Ya 5 Rf 120kΩ Rf 120kΩ R2 = = = 20kΩ Rb = = = 60kΩ X 2 6 Yb 2 Rf 120kΩ Rf 120kΩ R3 = = = 30kΩ Ry = = = 10kΩ X 3 4 Z 12 Kết quả là ta có mạch nh− sau: 50
DTT_PTH_VQS Va 24k 120k Vb 60k U2 IDEAL out 10k V1 12k V2 20k V3 30k 3. Thiết kế một mạch KĐTT có ph−ơng trình của điện áp đầu ra chứa cả biểu thức tính tổng, hiệu, vi phân và tích phân. Ta thực hiện nh− sau: B−ớc 1: Thiết kế mạch dùng bộ KĐTT 1 thực hiện phép tính tổng, hiệu B−ớc 2: Thiết kế mạch dùng bộ KĐTT 2 thực hiện phép tính vi phân B−ớc 3: Thiết kế mạch dùng bộ KĐTT 3 thực hiện phép tính tích phân B−ớc 4: Dùng một bộ tổng với các hệ số bằng 1 để cộng các kết quả trên Bài tập mẫu: Thiết kế mạch sử dụng bộ KĐTT thực hiện hàm sau: da y = + 2 bdt + c − 3d 2dt ∫ Giải: Dựa vào biểu thức đã cho ta sẽ thiết kế mạch y1 = c − 3d 1 da y2 = − . 2 dt y3 = −2∫ bdt → y = y1− y2 − y3 áp dụng tính nh− các bài tập đã biết ta có kết quả nh− sau: 51
BomonKTDT-ĐHGTVT 30k d 10k 1M IDEAL 0.5u y1 a c 45k IDEAL y2 15k y2 10k 10k y3 10k 0.5u 1M IDEAL b y IDEAL y1 10k y3 5k Kết quả là ta có mạch sau: 0.5u 1M a IDEAL 0.5u 10k b 1M IDEAL 10k 10k IDEAL y 30k 10k d 10k 5k IDEAL c 45k 15k 52
DTT_PTH_VQS Ch−ơng 5 .Mạch lọc tích cực. I. Khái niệm về mạch lọc tần số Mạch lọc tần số là mạch chọn lọc lấy tín hiệu trong một hay một số khoảng tần số noà đó còn các tín hiệu ở tần số khác thì bị loại trừ. Nếu phân chia theo dải tần số thì có các loại mạch lọc sau: Mạch lọc thông thấp Mạch lọc thông cao Mạch lọc thông dải Mạch lọc chặn dải Mạch lọc pha Khi biểu diễn mạch lọc tần số thông qua hệ số truyền đạt điện áp thì có thể nói mạch lọc lý t−ởng là một mạng 4 cực có hệ số truyền đạt K = 1 trong dải thông và K = 0 ngoài dải thông. Nghĩa là mạch lọc lý t−ởng sẽ không gây suy giảm tín hiệu trong dải thông và triệt tiêu hoàn toàn tín hiệu ngoài dải thông, mạch này có vùng chuyển tiếp thẳng đứng và không gây di pha tín hiệu. Với các bộ lọc lý t−ởng ta có các dạng đặc tuyến nh− sau: K Mạch lọc thông thấp Mạch lọc thông thấp 1 Mạch lọc thông thấp cho qua các tần số từ 0 tới fc và chặn tất cả các tần số từ fc trở lên và fc gọi là tần số cắt của mạch. 0 fc f Mạch lọc thông cao K Mạch lọc thông cao chặn tất cả các tần số từ Mạch lọc thông cao 0 tới fc và cho qua tất cả các tần số từ tần số cắt fc 1 trở đi 0 fc f Mạch lọc thông dải K Mạch lọc thông dải Mạch lọc thông dải cho qua các tần số nằm B 1 trong khoảng từ f1 tới f2 và chặn tất cả các tần số nằm ngoài dải này. Độ rộng của dỉa thông đ−ợc tính bằng B = f2 – 0 f1 fo f2 f f1 53
BomonKTDT-ĐHGTVT Tần số trung tâm fo = f 1. f 2 Mạch lọc chặn dải Mạch lọc chặn dải cho qua các tần số nằm trong khoảng nhỏ hơn f1 và lớn hơn f2, và chặn tất cả các tần số nằm trong khoảng f1 – f2 Độ rộng của dỉa chặn đ−ợc tính bằng B = f2 – f1 K Mạch lọc chặn dải 1 0 f1 f2 f Tần số trung tâm fo = f 1. f 2 Mạch lọc pha Mạch lọc pha không có dỉa chặn, nó cho qua tất cả các tần số nh−ng giữa đầu và và đầu ra có sự dịch pha. K Mạch lọc pha 1 0 f II. Mạch lọc thụ động Mạch lọc thụ động là mạch chứa các phần tử thụ động R, L, C mà không có các phần tử tích cực nh− BJT hay KĐTT. Mạch lọc thụ động là Mạch lọc có hệ số truyền đạt K(ω) 1MHz) vì ở khu vực tần số thấp các mạch này có kết cấu nặng nề và hệ số phẩm chất giảm. Một số mạch lọc thụ động th−ờng gặp và đặc tuyến truyền đạt của chúng: 54
DTT_PTH_VQS 55
BomonKTDT-ĐHGTVT III. Mạch lọc tích cực Mạch lọc tích cực là mạch lọc có hệ số truyền đạt K(ω)≥1 Mạch lọc tích cực đ−ợc đặc tr−ng bởi 3 tham số cơ bản: tần số giới hạn fg, bậc của bộ lọc và loại bộ lọc. +Tần số giới hạn fg : là tần số mà tại đó hàm truyền đạt giảm 3 dB so với hàm truyền đạt ở tần số trung tâm. + Bậc của bộ lọc: xác định độ dốc của đặc tuyến biên độ - tần số ở tần số f >> fg . + Loại bộ lọc: xác định dạng của đặc tuyến biên độ – tần số xung quanh tần số giới hạn và trong khu vực thông của mạch lọc. Ng−ời ta quan tâm nhiều đến 3 loại bộ lọc: lọc Bessel, lọc Butterworth và lọc Tschebyscheff. Đặc tuyến của các bộ lọc đó đ−ợc thể hiện trên hình vẽ 1. | K| (dB) 10 0 -10 1 -20 -30 2 4 -40 3 -50 -60 0,01 0,03 0,1 0,3 1 3 10 30 Ω=f/fg Hình vẽ . Đặc tuyến biên độ – tần số của mạch lọc thông thấp bậc 4: 1-Lọc thụ động; 2- Lọc Bessel; 3- Lọc Butterworth; 4- Lọc Tschebyscheff. Mạch lọc Butterworth (3) có đặc tuyến phẳng kéo dài và gấp khúc tr−ớc khi đạt đ−ợc tần số giới hạn fg . Mạch lọc Tschebyscheff (4) có độ dốc lớn nhất ở tần số f> fg , đồng thời, trong dải thông, đặc tuyến không phẳng hoàn toàn mà có độ gợn sóng nhất định. Mạch lọc Bessel có đặc tuyến giảm đều từ khu vực thông sang khu vực chắn và có đáp ứng xung gần nh− lý t−ởng (hình d−ới). Tuỳ yêu cầu cụ thể, có thể chọn loại mạch lọc thích hợp. 56
DTT_PTH_VQS K 1 2 3 4 t Hình vẽ. Đáp ứng xung của mạch lọc thông thấp. 1-Lọc thụ động; 2- Lọc Bessel; 3- Lọc Butterworth; 4- Lọc Tschebyscheff. Hàm truyền đạt tổng quát của một mạch lọc thông thấp: Ko K(P) = 2 (1) ∏(1+ ai .P + bi .P ) i trong đó, P = j.Ω = j (ω/ωg) = j (f/fg) = p/ωg = p/ 2πfg. Hàm truyền đạt tổng quát của mạch lọc thông cao: K∞ K(P) = (2) a b (1 i i ) ∏ + + 2 i P P Ko: hàm truyền đạt ở tần số trung tâm (tần số thấp f >fg). ai,bi: các số thực d−ơng. Các hệ số ai,bi đ−ợc cho trong bảng chuẩn đối với các loại lọc Bessel, lọc Butterworth và lọc Tschebyscheff nh− sau: Bậc Lọc Bessel n a1 b1 a2 b2 1 1,000 0,000 0,000 0,000 2 1,362 0,618 0,000 0,000 3 0,756 0,000 1,000 0,477 4 1,340 0,489 0,774 0,389 Bậc Lọc Butterworth 57
BomonKTDT-ĐHGTVT n a1 b1 a2 b2 1 1,000 0,000 0,000 0,000 2 1,414 1,000 0,000 0,000 3 1,000 0,000 1,000 1,000 4 1,848 1,000 0,765 1,000 Bậc Lọc Tschebyscheff n a1 b1 a2 b2 1 1,352 0,000 0,000 0,000 2 0,978 1,663 0,000 0,000 3 3,480 0,000 0,369 1,283 4 2,140 5,323 0,192 1,154 Bảng: Các hệ số ai,bi của các loại mạch lọc. Trong đó, n: bậc của bộ lọc. i: số thứ tự mắt lọc. 1 Thực hiện mạch lọc thông thấp và thông cao bậc 2. Có 3 loại mạch lọc tích cực thông dụng: mạch lọc hồi tiếp âm một vòng, mạch lọc hồi tiếp âm nhiều vòng và mạch lọc hồi tiếp d−ơng một vòng. Các mạch lọc đó có thể thực hiện cho cả 3 loại: lọc Bessel, lọc Butterworth và lọc Tschebyscheff, chúng chỉ khác nhau ở hệ số ai,bi 1. Lọc thông thấp bậc 2: Sơ đồ mạch: C1 R2 R3 R2 C1 C2 Uv R1 R3 Uv R R Ur Ur C2 C2 a./ b./ 58
DTT_PTH_VQS C2 R1 R2 Uv Ur C1 c./ Hình vẽ 3. Mạch lọc thông thấp bậc 2. a./ hồi tiếp âm một vòng; b./ hồi tiếp âm nhiều vòng; c./ hồi tiếp d−ơng một vòng. Hàm truyền đạt Xét mạch lọc thông thấp hồi tiếp d−ơng một vòng, viết ph−ơng trình tại các đỉnh của mạch, ta sẽ có đ−ợc hàm truyền đạt sau: k K(P) = 2 2 1+ Pωg []R1C1+ R2C1 + (1− k)R1C2 + P ωg R1R2C1C2 (3) Xác định các phần tử của mạch Để đơn giản, ta xác định các phần tử của mạch trong 2 tr−ờng hợp sau: a. Cho R1 = R2 = R và k = 1. Khi đó, ta có Op-amp là một mạch lặp điện áp. Biểu thức hàm truyền đạt trở thành: 1 K(P) = 2 2 (3a) 1+ 2Pωg RC1 + P ωgC1C2 So sánh biểu thức 3a với 1, ta thấy: Ko = 1 C1 = a1/4πfgR ; C2 = b1/πfgRa1. Tuỳ theo loại lọc, mà ta sẽ xác định đ−ợc hệ số a1, b1 . b. Cho R1 = R2 = R C1 = C2 = C Biểu thức hàm truyền trở thành: k K(P) = 2 2 2 2 (3b) 1+ Pωg RC(3 − k) + P ωg R C 59
BomonKTDT-ĐHGTVT So sánh với (1), ta có: RC = b1 / 2πfg . k = Ko = 3 − a1/ b1 Lúc này, loại bộ lọc hoàn toàn đ−ợc xác định bởi k mà không phải bởi các linh kiện RC. Do đó, có thể thay đổi tần số giới hạn fg của mạch bằng cách thay đổi RC mà không ảnh h−ởng đến tính chất của bộ lọc. 2. Lọc thông cao bậc 2: Sơ đồ mạch: Xét mạch hồi tiếp d−ơng một vòng. R2 Uv Ur C1 C2 R1 Hình vẽ 3. Mạch lọc thông cao hồi tiếp d−ơng một vòng. Hàm truyền đạt: k K(P) = 1 R2 (C1 + C2 ) + R1C2 (1− k) 1 1 1+ + 2 2 P R1R2C1C2ωg P R1R2C1C2ωg (4) Xác định các phần tử mạch a. Chọn : C1 = C2 = C k = 1 Biểu thức (4) trở thành: 1 K(P) = (4a) 1 2 1 1 1+ + 2 2 2 P R1Cωg P R1R2C ωg So sánh (4a) với (2), ta có: K∞ = 1. 60
DTT_PTH_VQS 2 a1 = R1Cωg 1 1 a1 b1 = 2 2 = R1R2C ωg 2 R2Cωg b. Chọn R1 = R2 = R C1 = C2 = C Biểu thức (4) có dạng: k K(P) = (4b) 1 3 − k 1 1 1+ + 2 2 2 2 P RCωg P R C ωg Ta có: K∞ = 1. 3 − k a1 = RCωg 1 b1 = 2 2 2 R C ωg 2. Thực hiện mạch lọc thông thấp và thông cao bậc cao, n>2. Trong tr−ờng hợp đặc tuyến biên độ - tần số của bộ lọc không đủ vuông góc, phải thực hiện bộ lọc bậc cao hơn hi. Muốn vậy, mắc nối tiếp các bộ lọc thông thấp bậc một và bậc hai đã biết. Lúc đó, đặc tính tần số của mạch là tích đặc tính tần số của từng mạch riêng rẽ. 3. Mạch lọc chọn lọc và mạch lọc thông dải. 1. Mạch lọc thông dải. Nếu mắc nối tiếp một mạch lọc thông thấp có tần số giới hạn fg1 và một mạch lọc thông cao có tần số giới hạn fg2 ta sẽ nhận đ−ợc mạch lọc thông dải với điều kiện fg1 >fg2 . Lúc đó, fg1 đ−ợc gọi là tần số giới hạn trên (fgt) và fg2 đ−ợc gọi là tần số giới hạn d−ới (fgd). Đặc tính tần số của nó là tích đặc tính tần số của hai khâu lọc riêng rẽ. 2. Mạch lọc chọn lọc. Lọc chọn là lọc thông dải có tần số giới hạn trên bằng tần số giới hạn d−ới: fgt = fgd = fo. Để đơn giản, xét một bộ lọc chọn lọc đ−ợc cấu tạo từ một mạch lọc thông cao tích cực bậc một và mạch lọc thông thấp tích cực bậc một. 61
BomonKTDT-ĐHGTVT Hàm truyền đạt phức của bộ lọc: Ko K∞ KoK∞P K(P) = = (5) (1+ a P) a a + (a 2 +1)P + a P2 1 (1+ 1 ) 1 1 1 P Đặt: Ko.K∞=A. 2 a1 + 1 = β. chú ý rằng với bộ lọc bậc một: a1 = 1 ta sẽ viết lại biểu thức trên: AP K(P) = (6) 1+ βP + P2 Đặc tr−ng cơ bản của mạch lọc chọn là: hệ số khuếch đại của mạch ở tần số trung tâm fo và hệ số phẩm chất Q. Tại tần số trung tâm fo, ta có: Ω=f/fo = 1 và P =jΩ = j Lúc này, hệ số khuếch đại ở tấn số fo (tần số cộng h−ởng): A K = (6a) CH β Độ rộng dải thông đ−ợc xác định khi hệ số khuếch đại giảm 2 lần , nên ta có: K A K = CH = (6b) 2 β 2 Thay (6b) vào (6) và giải ph−ơng trình theo Ω, ta có 2 nghiệm: 2 + β 2 β Ω = ± 4 + β 2 (7) 1,2 2 2 Theo định nghĩa, phẩm chất của mạch: fo fo 1 Q = = = (8) B f2 − f1 Ω1 − Ω2 Thay nghiệm từ (7) vào (8), ta có: 1 Q = (9) β Thay (6a) và (9) vào (6), ta sẽ nhận đ−ợc hệ số khuếch đại của mạch lọc chọn: (K / Q).P K = CH (10) 1+ (1/ Q).P + P2 62
DTT_PTH_VQS Sơ đồ mạch. R/b bC C C C R2 Uv R1 C R R Ur R3 aC Uv Ur b./ a./ R Uv R C Ur C c./ Hình vẽ 5. Mạch lọc chọn lọc. a./ hồi tiếp âm một vòng; b./ hồi tiếp âm nhiều vòng; c./hồi tiếp d−ơng một vòng. Hàm truyền đạt Xét mạch phản hồi âm nhiều vòng, hàm truyền đạt đ−ợc viết: R R Pω 2 3 C O R + R K(P) = − 1 3 R1R3 2 2 R1R2 R3 2 1+ 2PωO C + P ωO C R1 + R3 R1 + R3 (11) So sánh (11) với (10), ta thấy, biểu thức (11) sẽ có dạng hệ số khuếch đại của mạch lọc chọn nếu hệ số P2 bằng 1, tức: 2 R1R2 R3 2 ωO . C = 1 R1 + R3 Do đó, tần số cộng h−ởng: 63
BomonKTDT-ĐHGTVT 1 R1 + R3 ωO = C R1R2 R3 Khi đó: R2 KCH= 2R1 Q = π.R2CfO. f 1 B = O = Q πR2C 4. Mạch nén chọn lọc Để nén một tần số nào đó, ng−ời ta dùng một bộ lọc có hệ số truyền đạt ở tần số cộng h−ởng bằng không, còn ở tần số thấp và tần số cao thì hệ số truyền đạt tăng đến một giá trị không đổi nào đó. Một mạch nén chọ lọc thụ động khá phổ biến là mạch T kép . Hàm truyền đạt của mạch: 1− Ω2 K = (12) T 1+ 4 jΩ − Ω2 với Ω = ωRC. 1+ P2 hay: K = (13) T 1+ 4P + P2 Biểu thức này t−ơng đ−ơng với biểu thức (6), trong đó: A=1 ; β = 4; Khi f >fO tức P >j thì KT = KTO=A còn khi, f=fO tức P=j thì KT=0. T−ơng tự với mạch lọc chọn lọc, ta tính đ−ợc 2 nghiệm Ω1 và Ω2, do đó: Q=fO/B = 1/ Ω1 - Ω2 = 1/β. (14) Thay (14) vào (6), ta có biểu thức: K (1+ P 2 ) K = TO (15) T 1 1+ P + P 2 Q So sánh với (13), rút ra: Q=1/4. Từ (15), tính đ−ợc modyn của KT: K (1− Ω2 ) K (1− Ω2 ) K = TO = TO T 2 2 2 2 1 (1− Ω ) + Ω /Q 1− Q 2 ( − 2) + Ω4 Q 2 64
DTT_PTH_VQS Ta đã tính đ−ợc hệ số phẩm chất của mạch T kép Q=1/4 Ta có thể tăng Q bằng cách mắc mạch T kép vào mạch hối tiếp của bộ KĐTT để tạo mạch lọc tích cực. R/2 C C Uv Ur R R (k-1)R1 R1 Hình vẽ 6. Sơ đồ mạch nén chọn lọc dùng mạch lọc T kép Tại tần số cao và thấp, tính chất truyền đạt của mạch T kép không có gì thay đổi, do đó, điện áp ra: ur = K.u1 Tại tần số cộng h−ởng ur = 0, lúc này coi nh− một đầu của R/2 nối đất, do đó tần số cộng h−ởng fO vẫn xác định theo biểt thức : 1 f = O 2πRC Hàm truyền đạt phức của mạch điện : k(1+ P2 ) K = 1+ 2(2 − k)P + P2 Do đó, KO= k và: 1 Q = 2(2 − k) Khi k=1 thì Q = 0,6; Khi k=2 thì Q = ∞. 65
BomonKTDT-ĐHGTVT Ch−ơng 6.Các mạch dao động I. KháI niệm Mạch dao động là mạch điện tử, dùng để tạo ra các tín hiệu hình sin, xung hình chữ nhật, xung tam giác, xung răng c−a Mạch điện dao động là thông qua các ph−ơng thức tự kích để có thể biến điện áp một chiều thành ra một điện áp biến đổi theo quy luật nhất định: sin, xung hình chữ nhật, xung tam giác, xung răng c−a Mạch dao động có các thông số cơ bản: + Tần số dao động: • Bộ dao động siêu thấp tần: d−ới 1Hz • Bộ dao động tần số thấp: 1Hz-3Khz(chứa âm tần) • Bộ dao động cao tần 3Khz-3Mhz • Bộ dao động siêu cao tần: trên 3Khz + Biên độ điện áp dao động + Độ ổn định tần số + Công suất ra + Hiệu suất Nguyên lý tạo dao động: + Tạo dao động bằng hồi tiếp d−ơng + Tạo dao động bằng ph−ơng pháp tổng hợp mạch 66
DTT_PTH_VQS Xa: 497.6u Xb: 0.000 a-b: 497.6u f Yc: 1.200 Yd:-1.200 c-d: 2.400 b a A c B Y=voltage d Ref=Ground X=time(S) Xa: 5.000m Xb: 0.000 a-b: 5.000m freq: 200.0 Yc: 20.00 Yd:-4.000 c-d: 24.00 b a A 20 c 16 12 8 4 0 -4 d 0 833u 1.67m 2.5m 3.33m 4.17m 5m Ref=Ground X=833u/Div Y=voltage Xa: 5.000m Xb: 0.000 a-b: 5.000m freq: 200.0 Yc: 32.00 Yd:-16.00 c-d: 48.00 b a A 32 c 24 16 8 0 -8 -16 d 0 833u 1.67m 2.5m 3.33m 4.17m 5m Ref=Ground X=833u/Div Y=voltage Xa: 10.000m Xb: 0.000 a-b: 10.000mfreq: 100.0 Yc: 12.00 Yd: 0.000 c-d: 12.00 b a A 12 c 10 8 6 4 2 0 d 0 1.67m 3.33m 5m 6.67m 8.33m 10m Ref=Ground X=1.67m/Div Y=voltage 67
BomonKTDT-ĐHGTVT 1.Điều kiện dao động và đặc điểm của mạch tạo dao động Phân tích mạch dao động theo quan điểm mạng 4 cực nh− sau: Xv Xv Xr K Xr & K htt Khtt K Xht Xht Sơ đồ khối mạch dao động Trong đó : - Khối K: là các phần tử khuếch đạI(cung cấp năng l−ợng cho quá trình dao động hệ số truyền đạt=>1). - Khối Kht: là các phần tử tạo dao động, th−ờng là sự tổ hợp của các phần tử thụ động(hệ số truyền đạt Kht.K=1 (4) Dạng tổng quát của (4): [K].[Kht].ej(ϕht +ϕk) =1 =>+ [K].[Kht]=1 (5) + ej(ϕht +ϕk) =1, tức là ϕht+ϕk =2n∏ (6), với n=0, ±1, ±2, ±3, Gọi ϕ =ϕht+ϕk gọi là tổng di pha của hồi tiếp và bộ khuếch đại, đậc tr−ng cho độ dịch pha giữa tín hiệu vào ban đầu Xv và tín hiệu ra mạch hồi tiếp Xht. 2. Tính toán mạch dao động 68
DTT_PTH_VQS Uht R2 M Ur U1 C (K*-1)R1 L R1 K Kht - R1, (K*-1)R1 là các điện trở của khâu khuếch đại không đảo. - R2 điện trở phối hợp trở kháng - LC khung dao động Mạch dao động LC - Biến áp: hồi tiếp tín hiệu(hỗ cảm cùng chiều) - Phần bù biên độ là mạch khuếch đại thuật toán mắc theo kiểu không đảo R (K * −1)R1 k = 1+ 2 = 1+ = K * (7) R1 R1 - Điện áp hồi tiếp về đầu vào thuận thông qua biến áp: uht=(M/L).u1=Kht.u1 (8) M: hệ số hỗ cảm của các cuộn dây, L- điện cảm khung dao động * - Điện áp ra của bộ khuếch đại ur= K.uv= K .uht - Theo định luật K1 với nút A: u − u du 1 r 1 − C 1 − u dt = 0 (9) R dt L ∫ 1 Thay (7) và (8) vào (9), ta đ−ợc: d 2u 1− K K * du 1 r + ht . r + u = 0 (10) dt 2 RC dt LC r Đặt : α=(1-K*Kht)/2RC 2 ω 0=1/LC (10) có dạng: d 2u du r + 2α. r + ω 2 .u = 0 (11) dt 2 dt 0 r 69
BomonKTDT-ĐHGTVT Ph−ơng trình vi phân trên là dạng cơ bản, có nghiệm dạng: −αt 2 2 ur = uro e .cos ωo −α .t (12) + Nếu α(=(1-K*Kht)/2RC)>0, tức là K*Kht 1, biên độ điện áp dao động tăng theo hàm mũ. Nh− vậy: để có đ−ợc dao động thì khi mới đóng mạch(quá độ) K*Kht>1 để biên độ dao động tăng dần, cho đến khi mach chuyển sang xác lập, hệ số khuếch đại giảm dần sao cho K*Kht=1 Đặc điểm cơ bản của mạch dao động: + Mạch dao động là mạch khuếch đại tự điều khiển bằng hồi tiếp (+) từ đầu ra đến đầu vào, năng l−ợng dao động từ nguồn điện một chiều. + Phải thoả mãn điều kiện cân bằng về biên độ và pha + Mạch phải chứa ít nhất một phần tử tích cực chuyển năng l−ợng một chiều thành xoay chiều. + Mạch phải chứa phần tử phi tuyến, huặc một khâu điều chỉnh để đảm bảo cho biên độ dao động không đổi ở trạng thái xác lập 3. Nguyên lý xây dựng các mạch dao động phổ biến: Phần tử tích cực Phần tử dao động Linh kiện Góc lệch pha Bộ linh kiện Góc lệch pha IC_KĐTT- mắc đảo Π LC 0 IC_KĐTT- không 0 RC Π/4- mỗi khâu đảo T-EC(SC) Π(giữa B và C) 3 điểm điện cảm Π T-BC(GC) 0 3 điểm điện cảm Π Các loại linh ? Bộ kết hợp các ? kiện khác linh kiện kiểu khác Ghép sao cho: + Thoả mãn điều kiện về biên độ + Thoả mãn điều kiện về pha II. Các loại mạch dao động 1. Mạch dao động L,C a. Vấn đề ổn định biên độ trong dao động LC - Chế độ dao động mềm và dao động cứng, để ổn định biên độ trong các bộ dao động trong loại này, th−ờng dùng ph−ơng pháp di chuyển điểm làm việc của phần tử tích cực. + Nếu phần tử tích cực làm việc với góc cắt tín hiệu θ=1800 đ−ợc gọi là chế độ dao động mềm. 70
DTT_PTH_VQS + Nếu phần tử tích cực làm việc với góc cắt tín hiệu θ + Dùng một khâu khuếch đại EC nữa: tốn nguồn + Dùng biến áp cuốn ng−ợc chiều ở khâu hồi tiếp- góc lệch pha là Π: Vcc C=voltage Hồi tiếp X=time(S) Rc R1 ur M Q1 C R2 l Re Ce K, lệch 180 Kht, lệch 180 Mạch dao động L-C dùng T - Xét điều kiện cân bằng biên độ: + K= -S.ZC (13) 1 1 n 2 1 h Trong đó = + + và S = 21e Z C Rtd h11e Z t h11e U B M + K ht = − = − = −n (14) U C L => Xét bất ph−ơng trình K.Kht≥1, ta có : 2 n -h21e.n+ h11e/Z ≤0, trong đó Z=Rtd//Zt (15) 71
BomonKTDT-ĐHGTVT h h h h h h => 21e − ( 21e ) 2 − 11e ≤ n ≤ 21e + ( 21e ) 2 − 11e (16) 2 2 Z 2 2 Z (16) chính là điều kiện về biên độ của mạch dao động L-C, mạch có dao động hình sin tại 2 điểm mút(cực trị) f = f = 1 Tần số dao động dd ch 2Π LC (17) Chú ý: với mạch dao động loại này, để tạo dao động tần số cao, dùng phần tử tích cực mắc theo kiểu BC(căn cứ vào bảng trên tự thiết kế) c. Mạch dao động dùng khung dao động ba điểm Phần trên đã xét mạch loại L- C, dịch pha là 0 độ, một loại khác là mạch dao động 3 điểm, đ−ợc thiết kế bằng cách tạo ra một điểm trung 0 tính, để có đ−ợc góc dịch pha là 180 - Nguyên lý thiết lập mạch 3 điểm: Mạch dao động 3 điểm có sơ đồ khối chung nh− hình vẽ d−ới đây, để thuận tiện cho việc tính toán: + Coi phần tử KĐ là một nguồn áp + Coi các trở kháng là thuần kháng Zi=j.Xi Z1 Z3 Rr B Z2 K1ud KĐ ud C E ur Sơ đồ tổng quát mạch dao động 3 điểm ur Zt K = = −K1 , (18), trong đó Zt = Z2//(Z1 nt Z3);K1 hệ số KĐ ud Rr + Zt không tải, Rr điện trở ra của bộ KĐ uB uB Z1 K ht = = = (19) uC ur Z1 + Z3 Từ các công thức trên, ta có: X1 X 2 K.Kht = −K1 (20) Rr(X1 + X 2 + X 3 )+ X 2 (X1 + X 3 ) Tại tần số cộng h−ởng, tổng trở bằng không: X1+ X2+X3=0, tức X1+ X3= - X2 (21), trong mạch dao động L-C, tần số dao động ≈tần số cộng h−ởng, thay (21) vào (20) ta có: 72
DTT_PTH_VQS X1 K.Kht = K1 (22) X 2 Mặt khác theo điều kiện cân bằng về pha, tín hiệu hồi tiếp, và tín hiệu vào(tại B), phải cùng dấu tức là K.Kht >0, tức là X1. X2>0(từ 22), theo (21) X3, trái dấu với X1 và X2. Tóm lại ta có 2 loại mạch dao động 3 điểm cơ bản: • Mạch 3 điểm điện cảm: (L)X1, (L)X2>0; (C)X3 0 - Mạch 3 điểm điện cảm(mạch Hartley) Vcc Rc R1 ur C Q1 L1 E C R2 Re Ce L2 B Hồi tiếp K, lệch 180 Kht, lệch 180 Hình. Mạch dao động 3 điểm điện cảm • X1= XBE=ωL2 > 0 • X2= XCE=ωL1 > 0 • X3= XCB= -1/ωC < 0 Tần số dao động của mạch đ−ợc xác định theo công thức: 73
BomonKTDT-ĐHGTVT 1 fdđ= fch= (23) 2Π (L1 + L2 )C Có thể mắc thêm các tụ điện ở ngõ ra và ngõ vào, để tăng thêm chất l−ợng của mạch: Vcc Rc ur R1 C Q1 L1 E C R2 Re Ce L2 B Hồi tiếp " Thiết kế mạch khi dùng T-BC, IC-KĐTT - Mạch 3 điểm điện dung Vcc Rc R1 ur C Q1 C1 R2 E Re L Ce LC2 B Hồi tiếp K, lệch 180 Kht, lệch 180 Mạch dao động 3 điểm điện dung • X1= XBE= -1/ωC1 0 74
DTT_PTH_VQS Tần số dao động của mạch đ−ợc xác định theo công thức: 1 f= f = (24) dđ ch C .C 2Π L ( 1 2 ) C1 + C2 Có thể mắc thêm các tụ điện ở ngõ ra và ngõ vào, để tăng thêm chất l−ợng của mạch(tự vẽ hình) Dạng khác của mạch 3 điểm điện dung: +Mạch Clapp: nhánh điện cảm L, đ−ợc mắc gồm L và C nối tiếp, nh−ng vẫn đảm bảo tính chất của mạch 3 điểm, nghĩa là phải chọn linh kiện sao cho đặc tính điện trên nhánh mang tính cảm kháng: X=XL-XC>0 A C1 L C1 LAB & C2 C2 C B Hình vẽ và công thức tính tần số dao động cũng giống nh− tr−ờng hợp trên(?), chỉ có tính Ctđ thêm thành phần C nối tiếp: 1 1 1 Ctd = + + (25) C1 C2 C " Thiết kế mạch khiC dùng T-BC(còn gọi là sơ đồ Colpits), dùng IC- KĐTT Vcc R1 Q C 1 2 L1 R2 R C 3 3 Hình. Mạch dao động Colpits 75
BomonKTDT-ĐHGTVT 2. Mạch dao động R,C a. Đặc điểm chung của mạch dao động R-C - Mạch dao động R-C: Có kích th−ớc nhỏ gọn, có thế chế tạo thành vi mạch. - Th−ờng dùng trong phạm vi tần số thấp -Cùng một giá trị của điện dung, có thể thay đổi phạm vi tần số lớn hơn loại L-C, vì giá trị tần số tỉ lệ với C, còn L-C là căn bậc hai của C. - Khâu hồi tiếp trong R-C, chỉ gồm các điện trở và tụ điện, nên không gây ra hiện t−ợng cộng h−ởng tại tần số dao động, vì vậy cơ cấu KĐ có thể dùng chế độ A, không gây méo tín hiệu ra. b. Bộ dao động dùng mạch di pha trong khâu hồi tiếp - Xét một khâu R-C: R K(ω)=Ur(ω)/Uv(ω)= 1 (26) R + jωC 1 ϕ = −arctg (27) RC ϖCR C R Uv Ur Vì đặc tính suy giảm -20dB/Decade(xem thêm phần bù tần số của ch−ơng KĐTT), cho nên góc di pha của cơ cấu phải thực hiện trong khoảng 00-900. Thực tế th−ờng dùng 3 khâu với góc di pha của mỗi khâu là 600 và 4 khâu, mỗi khâu di pha 450 để đảm bảo tổng di pha là 1800 . Các phần tử tích cực sử dụng phải có góc di pha là 1800. 76
DTT_PTH_VQS - Xét khi dùng 3 khâu: Vcc C C C Rc R1 R R U R U v r Q R2 R e h.a h.b Vcc Rc R1 C C C Q Vout R R R Re Mạch dao động dùng 3 khâu R-C + Xây dựng đặc tuyến truyền đạt của hình h.a, và đặt α=1/ωRC, ta đ−ợc 77
BomonKTDT-ĐHGTVT Ur Ub 1 K = = = (28) ht Uv Uc 1− 5α 2 − jα(6 −α 2 ) 1 α(6 −α 2 ) => ⎢Kht ⎢= ; ϕ = arctg (29) 1− 5α 2 − jα(6 −α 2 ) ht 1− 5α 2 0 2 Nh− trên đã xét ϕht=180 , nên α =6 => + Kht= -1/29 1 + fdđ= 2Π 6RC -Ngoài ra còn có thể dùng các kiểu khác: 4khâu R-C thông cao, khâu hồi tiếp là các khâu thông thấp (3, 4 khâu): R C Với các kết quả nh− sau: Loại fdđ Kht Hình vẽ Thông cao 3 khâu ? ? Tự vẽ Thông cao 4 khâu 1 -1/18,4 Tự vẽ 2Π 10 / 7RC Thông thấp 3 khâu 6 -1/29 Tự vẽ 2ΠRC Thông thấp 4 khâu 10 / 7 -/18,4 Tự vẽ 2ΠRC c. Bộ dao động dùng mạch lọc T + Xây dựng đặc tuyến truyền đạt , và đặt α=1/ωRC, ta đ−ợc Ur α 2 −1− j2α K = = (30) ht Uv α 2 −1− j3α 2 2 2 (α −1) + 4α α(1−α 2 ) => ⎢Kht ⎢= ; ϕ = arctg (31) (α 2 −1) 2 + 9α 2 ht (α 2 −1)2 + 6α 2 78
DTT_PTH_VQS R C C Vin R Vout Mạch lọc hình T Thực tế khâu T th−ờng xác định tần số dao động của mạch là 1 f = , kết hợp với điều kiện đặt ở đầu mục, ta có: α=1, dđ 2ΠRC 0 từ đó xác định đ−ợc ϕht=0 và Kht=2/3(là giá trị nhỏ nhất) 0 Nh− vậy, phần tử tích cực ghép với khâu T phải độ di pha cũng là 0 thì mới đảm bảo điều kiện cân bằng về pha, thực tế mạch T đ−ợc mắc vào nhánh hồi tiếp –(đầu N) của bộ khuếch đại, và làm nhiệm vụ chọn lọc tần số, và để mạch có thể dao động đ−ợc cần 1 nhánh hồi tiếp +(đảm bảo về pha) không phụ thuộc vào tần số dao động, nh− hình vẽ d−ới dây: R C C R Vout R1 R2 Mạch dao động khâu T 79
BomonKTDT-ĐHGTVT e. Bộ dao động dùng mạch lọc T-Kép + Xây dựng đặc tuyến truyền đạt , và đặt α=1/ωRC, chọn hệ số k=1/2 ta đ−ợc Uout α 2 −1 Kht = = 2 (32) U N α −1+ j4α 2 2 (α −1) 4α => ⎢Kht ⎢= ; ϕ = arctg (33) (α 2 −1)2 +16α 2 ht 1−α 2 C C R R k.C R/k Vout R1 R2 Mạch dao động khâu T- kép + Kht= 0 Khi α=1, ta có + ϕht=0 + Nh− vậy hệ số truyền đạt biên độ không thoả mãn, thực tế th−ờng chọn k là lân cận trên của 1/2, khi đó Kht >0, nh−ng vẫn có giá trị nhỏ, để bù đ−ợc thành phần biên độ và pha này cũng giống nh− mạch T, khâu T- Kép cũng đ−ợc nối vào nhánh hồi tiếp – nhằm chọn lọc tần số, nh− hình vẽ trên. f. Bộ dao động dùng mạch cầu Viên trong mạch hồi tiếp 80
DTT_PTH_VQS - Mạch cầu Viên chính là mạch lọc thông dải, đ−ợc ghép nối tiếp thông thấp và thông cao. + Xây dựng đặc tuyến truyền đạt ta đ−ợc Ur 1 K = = ht R1 C2 1 (34) Uv 1+ + + j(ωR1C2 − ) R2 C1 ωR2C1 1 => ⎢Kht ⎢= ; R1 C2 1 (1+ + )2 + (ωR1C2 − )2 R2 C1 ωR2C1 1 ωR1C2 − ϕ = −arctg ωR2C1 (35) ht R1 C2 1+ + R2 C1 Th−ờng chọn C1= C2 = C và R1= R2 = R, khi đó: 1 1 ωRC − => ⎢Kht ⎢= ; ϕ = −arctg ωRC (36) 1 ht 9 + (ωRC − )2 3 ωRC 1 + K =Kmax= 1/3 Tại tần số dao động f = , thì ht dđ 2ΠRC + ϕht=0 Tại tần số dao động, mạch có hệ số truyền đạt (hệ số hồi tiếp) lớn nhất và góc di pha bằng không, do đó có thể dùng mạch này kết hợp với độ khuyếch đại thuận 0 (ϕk=360 ) để tạo hồi tiếp d−ơng làm nhiệm vụ tạo dao động. Hình vẽ d−ới đây là mạch tạo dao động nh− vậy. Nhánh R1, R2 tạo thành một mạch hồi tiếp âm. Mạch hồi tiếp âm R1, R2 cùng với mạch lọc thông dải tạo thành mạch cầu Viên mà nhánh chéo thứ nhất là Ud và nhánh chéo thứ hai là Ur. Mạch dao động ứng với ωdđ khi Kht(+) = Kht(+)max = 1/3. Nhánh hồi tiếp âm không phụ thuộc tần số. Vì Kht(+) = 1/3 nên để đảm bảo điều kiện cân bằng biên độ, hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại có hồi tiếp âm phải bằng 3; nghĩa là : K 1 1 K'= 0 = ≈ = 3 1+ K 0 K ht(−) 1 K ht(−) + K ht(−) K 0 1 R1 hay K ht(−) = = . Từ đó suy ra : 3 R1 + R2 R1 = 2R2 Nh−ng đây cũng chính là điều kiện cân bằng của cầu, điện trở hồi tiếp về Ud = 0, do đó mạch không thể dao động đ−ợc. Vì vậy, ng−ời ta điều chỉnh cho cầu lệch cân bằng chút ít, nghĩa là: R1 > 2R2 một l−ợng nhỏ 81
BomonKTDT-ĐHGTVT C R C1 R1 C2 R2 R @ C Thông thấp D1 R1 D2 R2 R C Ur R C Bộ dao động dùng mạch cầu Viên trong mạch hồi tiếp Trong sơ đồ trên, hai điot mắc song song ng−ợc chiều với R1 có tác dụng hạn biên độ dao động. Khi biên độ dao động tăng thì điện trở t−ơng đ−ơng của nhánh R1 giảm làm cho hồi tiếp âm tăng và do đó hệ số khuyếch đại của mạch giảm và ổn định ứng với KKht(+) = 1. Ng−ời ta đã chứng minh đ−ợc với mạch điện này, hệ số khuyếch đại của phần tử khuyếch đại càng lớn thì độ ổn định tần số đạt đ−ợc càng cao, vì vậy dùng khuyếch đại thuật toán rất có lợi về ổn định tần số. 3. Mạch dao động dùng thạch anh. a. Cấu tạo và tính chất của thạch anh: 82
DTT_PTH_VQS XTAL1 1.000MHZ -Tinh thể thạch anh: Thành phần hoá học của thạch anh là SiO2, đ−ợc cắt theo những lớp nhất định đối với tinh thể thạch anh thành những lớp mỏng, gọi là lát tinh thể, có hình dạng Vuông, tròn, chữ nhật. Dao động của thạch anh dựa trên hiệu ứng áp điện: nếu giữa 2 bản cực của tinh thể thạch anh đặt vào một điện tr−ờng sẽ làm cho tinh thể sinh ra sự biến hình về mặt cơ khí; ng−ợc lại nếu giữa hai bản cực đặt vào một lực cơ khí sẽ sinh ra một điện tr−ờng trên một chiều t−ơng ứng, hiệu ứng này gọi là hiệu ứng áp điện: nếu giữa 2 bản cực đặt vào là điện áp biến thiên thì sẽ sinh ra dao động cơ, đồng thời dao động cơ sẽ sinh ra điện tr−ờng giao biến, biên độ dao động nhỏ và ổn định, nếu đặt vào một điện áp giao biến bên ngoài có tần số bằng với tần số cố hữu của lát tinh thể, thì sẽ cộng h−ởng làm biên độ dao động cơ tăng lên đáng kể, tức là có sự kết hợp cơ-điện, làm cho dao động đ−ợc duy trì và có độ ổn định cao. - Mạch t−ơng đ−ơng về điện của thạch anh: Cp - Cp: điện dung song song - Cq, Lq, Rq: điện dung, điện cảm, điện trở nối tiếp, các thông số này phụ thuộc vào kích th−ớc, và cách cắt khối thạch anh. A - Thông số của nhà sản xuất th−ờng là Tấn B số cộng h−ởng, điện trở nối tiếp, điện dung song song, hệ số phẩm chất Lq Cq Rq Các tính chất điện cơ bản của thạch anh : + Hệ số phẩm chất cao Q=104—105 + Tỉ số Lq/Cq là rất lớn. 83
BomonKTDT-ĐHGTVT + Cp>>Cq + Có độ ổn định tần số rất cao: (∆f/f)=10-6 –10-10 Giá trị của Rq nhỏ(vài chục-vài trăm Ω), nên có thể bỏ qua khi tính toán, để xác định đ−ợc tần số cắt(cũng trùng với tần số dao động), ta xác định tổng trở Z: ω 2LqCq −1 Z ≈ (CqntLq)// cp = j (37) ω(Cq + Cp − ω 2LqCqCp) 1 + Z=0, khi ω= =ωq, đây đ−ợc gọi là tấn số cộng h−ởng nối tiếp LqCq của thạch anh, Cp + Cq 1 + Z->∞, khi ω= = =ωp; trong đó Ctđ= Cp nt Cq LqCqCp LqCtd gọi là tần số cộng h−ởng song song của thạch anh. Nh− tính chất trên của thạch anh Cp>>Cq=> Ctđ≈Cq, tức là tần số cộng h−ởng song song gần bằng tần số cộng h−ởng nối tiếp. Trở kháng Z có quan hệ với tần số đ−ợc biểu diễn nh− hình vẽ sau: 2 ω LqCq −1 X = 2 ω(Cq + Cp − ω LqCqCp) fq 0 fp f - Để thay đổi tần số cộng h−ởng của thạch anh trong phạm vi hẹp, mắc nối tiếp thạch anh với một tụ điện Cs nh− hình vẽ d−ới đây; khi đó tần số cộng h−ớng sẽ là; 1 Cq f q = f 1+ (38) q Cp + Cs - Với thạch anh Cp có tính ổn định không cao so với Cq, để khắc phục nh−ợc điểm này có thể mắc một tụ điện Co(>>Cp) song song với Cp để tăng tính ổn định: 1 Cq f p = f 1+ , khi Co>> Cq thì fp≈fq q Cp + Co b. Một số mạch dao động dùng thạch anh - Mạch điện bộ dao động dùng thạch anh với tần số cộng h−ởng song song: XTAL1 XTAL1 Cs Co 84
DTT_PTH_VQS Vcc Rc R1 Q C1 XTAL1 R2 Ce Cs Re C2 L Mạch dao động dùng thạch anh với tấn số cộng h−ởng song song -Để thoả mãn điều kiện dao động 3 điêm, nhánh mắc thạch anh phải có tính cảm kháng, tức là Xthạch-anh-Xcs>0. Khi đó tần số dao động của mạch gần bằng tần số cộng h−ởng song song của thạch anh(hiểu thạch anh là một bộ lọc, cho tấn số dao động bằng tần số cộng h−ởng song song đi qua- cho nên tại đầu ra ta lấy đ−ợc tín hiệu dao động có tần số dao động bằng với tần số cộng h−ởng song song của thạch anh): 1 fdđ=fp= (39) 2π LqCtd - Mạch điện bộ dao động dùng thạch anh với tần số cộng h−ởng nối tiếp: Vcc Rc R1 Vai trò nh− một mạch lọc Q C1 L R2 Ce Re C2 L Mạch dao động dùng thạch anh với tấn số cộng h−ởng nối tiếp - Lúc này thạch anh đóng vai trò nh− một mạch lọc, không tham gia vào 85
BomonKTDT-ĐHGTVT điều kiện hình thành dao động 1 fdđ=fq= (40) 2π LqCq " Từ hai ví dụ sử dụng thạch anh trên, có thể thấy rằng, thạch anh đóng vai trò nh− là một mạch lọc, có hệ số phẩm chất cao, bản thân nó không hình thành nên dao động mà chỉ nâng cao đ−ợc chất l−ợng của tín hiệu dao động. " Thạch anh đ−ợc dùng nhiều trong các mạch yếu cầu độ ổn định tần số cao, thực tế th−ờng gặp các mạch nh−: mạch tạo xung nhịp cho Vi xử lý, mạch điều chế, vòng khoá pha PLL 86
DTT_PTH_VQS Ch−ơng7. điều chế biên độ I. Định nghĩa -Điều chế là quá trình ghi tin tức vào một dao động cao tần nhờ biến đổi một thông số nào đó: biên độ, tần số, pha, độ rộng xung của dao động cao tần theo tin tức. - Tin tức thông th−ờng là tín hiệu có tần số thấp(ví dụ tín hiệu âm tần 16hz- 20000hz) cho nên không thể truyền tải đi xa đ−ợc, thông qua quá trình điều chế tin tức ở miền tần số thấp đ−ợc chuyển sang miền tần số cao để truyền đi xa. -Tin tức gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần đ−ợc gọi là tải tin, dao động cao tần mang tin tức gọi là dao động cao tần đã điều chế. -Đối với tín hiệu điều hoà, phân biệt hai loại điều chế: điều biên và điều chế góc, trong đó điều chế góc bao gồm điều tần và điều pha. II.điều biên(AM) Điều biên là quá trình làm cho biên độ tải tin biến đổi theo tin tức 1 Phổ của tín hiệu điều biên Giả sử tín hiệu tin tức và tín hiệu tải tin là các dao động điều hoà, tín hiệu tải tin có tần số biên thiên từ fmin- fmax; tín hiệu tải tin có tần số ft>> fmax us(t) = Us.cos(ωs.t) (II.1) ut (t)= Ut.cos(ωt t) (II.2) Tín hiệu sin us(t) đ−ợc gọi là tín hiệu điều biến, tín hiệu ut(t)đ−ợc gọi là tín hiệu sóng mang. Tín hiệu điều biến biên độ đ−ợc xác định theo công thức : uđB (t)= [Ut + Us. cos(ωs.t)]. cosωt t (II.3) = Ut [1 +m cos(ωs.t)]. cosωt t (II.4) Với m là hằng số tỷ lệ, m= Us / Ut, hệ số m phải thoả mãn điều kiện không lớn hơn 1. Để tín hiệu điều chế không bị méo. áp dụng công thức l−ợng giác đối với II.4 ta đ−ợc: uđB (t)= Ut.cos(ωt t)+ m/2. Ut.cos(ωt +ωs )t+ m/2. Ut.cos(ωt -ωs )t (II.5) Từ đó ta có thể thấy tín hiệu đ−ợc điều biến biên độ gồm 3 thành phần sau: + Ut.cos(ωt t) Sóng mang + m/2. Ut.cos(ωt -ωs )t Dải băng thấp + m/2. Ut.cos(ωt +ωs )t Dải băng cao Hình d−ới đây đ−a ra các thành phần khác nhau cuả tín hiệu AM 87
BomonKTDT-ĐHGTVT Carrier signal: tín hiệu sóng mang Modulating signal: tín hiệu tin tức Modulated signal: tín hiệu đã điều chế Dạng sóng của tín hiệu điều biên 2 Quan hệ năng l−ợng trong điều chế biên độ Trong tín hiệu đã điều biên, các biên tần chứa tin tức , còn tải tin không mang tin tức . Cần xem xét năng l−ợng đ−ợc phân bố nh− thế nào đối với các thành phần phổ tín hiệu đã điều biên. Công suất tải tin là công suất bình quân trong một chu kỳ tải tin: 2 P~t=1/2Ut (II.6) Công suất biên tần: 2 P~bt=1/2(mUt /2) (II.7) Công suất của tín hiệu đã điều biên là công suất bình quân trong một chu kỳ của tín hiệu điều chế: 2 P~đb= P~t + 2P~bt = P~t(1+(1/2m) ) (II.8) Ta thấy rằng, công suất của tín hiệu đã điều biên phụ thuộc vào hệ số điều chế m. Hệ số điều chế m càng lớn thì công suất tín hiệu đã điều biên càng lớn. Khi m=1 thì ta có quan hệ giữa công suất hai biên tần và tải tần nh− sau: 2P~bt= P~t /2 (II.9) Để giảm méo, hệ số điều chế m th−ờng chọn nhỏ hơn 1, do đó công suất các biên tần thực tế chỉ bằng khoảng một phần ba công suất tải tần. Nghĩa là phần lớn công suất phát xạ đ−ợc phân bố cho thành phần phổ không mang tin tức, còn thành phần phổ chứa tin tức(các biên tần) chỉ chiếm phần nhỏ công suất điều biên. Ngoài ra, còn cần quan tâm đến công suất ở chế độ cực đại ứng với biên độ điện áp điều biên cực đại, để chọn đ−ợc phần tử tích cực hợp lý. Từ II.3 suy ra: Uđbmax = Ut(1+m) (II.10) 2 2 Do đó P~max= 1/2(1+m )Ut (II.11) 88
DTT_PTH_VQS modulator: tín hiệu tin tức Carrier: tín hiệu sóng mang lower side band: băng tần thấp upper side band: băng tần cao modulating signal: tín hiệu đã điều chế a, tín hiệu điều chế đơn tần b tín hiệu điều chế biến thiên f1-f2 Dạng tín hiệu và phổ t−ơng ứng của tín hiệu điều biên 3. Các chỉ tiêu cơ bản của dao động đ∙ điều biên - Hệ số méo phi tuyến 2 2 Iw ±2w + I + k = t s wt ±3ws (II.12) I wt ± ws Trong đó Iwt±nws n≥2 là biên độ các thành phần dòng điện ứng với hàI bậc cao của tín hiệu điều chế Iwt±ws Biên độ thành phần điều tần Để đặc tr−ng cho méo phi tuyến trong mạch điều biên, ng−ời ta dùng đặc tuyến điều chế tĩnh, đặc tuyến này cho biết quan hệ giữa biên độ tín hiệu ra và giá trị tức thời của tín hiệu điều chế đầu vào. Dạng tổng quát của đặc tuyến điều chế tĩnh đ−ợc biểu diễn trên hình: 89
BomonKTDT-ĐHGTVT I A t B U C s Đặc tuyến điều chế tĩnh Đ−ờng đặc tuyến điều chế tĩnh lý t−ởng là đ−ờng thẳng C->A. Đặc tuyến điều chế tĩnh không thẳng sẽ làm cho l−ợng biến đổi của biến đổi của biên độ dao động cao tần đầu ra so với giá trị ban đầu(điểm B) không tỉ lệ đ−ờng thẳng với trị tức thời của điện áp điều chế. Do đó trên đầu ra thiết bị điều biên, ngoàI các biên tần, còn có các thành phần bậc cao không mong muốn khác. Trong đó l−ợng chú ý nhất là thành phần Iwt±2ws có thể lọt vào các biên tần mà không thể lọc đ−ợc. Để giảm méo phi tuyến, cần hạn chế. Lúc đó buộc phảI giảm độ sâu điều chế. - Hệ số méo tần số Để đánh giá độ méo tần số, ng−ời ta căn cứ vào đặc tuyến biên - tần: m=f(Fs)|Us=hằng số Hệ số méo tần số đ−ợc xác định theo biểu thức: m M = 0 huặc M =20 lgM (II.13) m dB m0 : hệ số điều chế lớn nhất m : hệ số điều chế tại tần số đang xét It mo m Us Đặc tuyến biên độ- tần số Méo tấn số xuất hiện chủ yếu trong các tầng khuếch đại âm tần(tín hiệu điều chế), nh−ng cũng có thể xuất hiện trong các tầng điều chế và sau điều chế, khi mạch lọc đầu ra của tầng này không đảm bảo dải thông cho phổ của tín hiệu đã điều biên (2fsmax). 90
DTT_PTH_VQS 4. Ph−ơng pháp tính toán mạch điều biên Các mạch điều biên đ−ợc xây dựng dựa vào hai nguyên tắc sau đây: - Dùng các phần tử phi tuyến: cộng tải tin và tín hiệu điều chế trên đặc tuyến của phần tử phi tuyến đó. - Dùng phần tử tuyến tính có tham số điều khiển đ−ợc: nhân tải tin và tín hiệu điều chế nhờ phần tử tuyến tính đó. a. Điều biên dùng phần tử phi tuyến Các phần tử phi tuyến dùng để điều biên có thể là đèn điện tử, đèn bán dẫn, điện trở có trị số biến đổi theo điện áp đặt vào. Tuỳ thuộc vào điểm làm việc đ−ợc chọn trên đặc tuyến phi tuyến, hàm số dặc tr−ng cho phần tử phi tuyến có thể biểu diễn gần đúng theo chuỗi Taylor khi chế độ làm việc của mạch là chế độ A(θ=1800) huặc phân tích theo chuỗi Furier khi mạch làm việc ở chế độ góc cắt θ<1800(AB,B,C). *. Tr−ờng hợp 1: θ=1800 Giả thiết mạch điều biên dùng diode, để mạch làm việc ở chế độ A, phải thoả mãn điều kiện: |Ut| +|Us| <|Eo| Hàm số đặc tr−ng cho phần tử phi tuyến xung quanh điểm làm việc đ−ợc biểu diễn theo chuỗi Taylor: 2 3 iD=a1. uD+ a2. uD + a3. uD + (II.14) Với uD=ED+Utcosωtt+ Uscosωst (II.15) Thay II.15 vào II.14 ta đ−ợc: 2 iD=a1.(ED+Utcosωtt+Uscosωst) + a2.(ED+Utcosωtt+Uscosωst) + a3. (ED+Utcosωtt+ 3 Uscosωst) + (II.16) D1 Rt wt CB E0 L1 1uH + iD ws uD Sơ đồ điều chế biên độ dùng diode-và dạng tín hiệu ra 91
BomonKTDT-ĐHGTVT Khai triển II.16 và bỏ các số hạng bậc lớn hơn 4, ta sẽ biểu diễn đ−ợc dạng phổ tín hiệu nh− sau: t ω ss ss ss ω ω - t ω + t t ss ss ω ω ω ω ss ω ss ss ss ss 2 ω ω ω ω ss -2 +2 ω t ss - t + t 2 t ω ω ω ω -2 +2 ω ω t ss t 2 2 -3 +3 ω ω ω t t 2 3 2 ω ω . Phổ tín hiệu điều biên làm việc ở chế A Phổ tín hiệu ra trong tr−ờng hợp này gồm thành phần phổ mong muốn ωt± ωs và các thành phần phụ không mong muốn. Các thành phần phụ bằng không khi a3=a4= =0 Nghĩa là nếu đ−ờng đặc tính của phần tử phi tuyến là một đ−ờng cong bậc 2 thì tín hiệu đã điều biên không co méo phi tuyến. Phần tử phi tuyến có đặc tính gần với dạng lý t−ởng. Làm việc ở chế độ A biên độ của tải tin và tin tức phải có biên độ bé, vì vậy ít dùng chế độ này. *. Tr−ờng hợp θ 0, và =0 cho các tr−ờng hợp khác. (II.17) D Rt wt C B i D E0 L1 + 1uH ws uD Sơ đồ điều chế chế độ C và dạng tín hiệu ra 92
DTT_PTH_VQS Chọn điểm làm việc ban đầu trong khu tắt của diode, ứng với chế độ C. Vì dòng qua diode là một dãy xung hình sin nh− hình7, nên có thể biểu diễn iD theo chuỗi furier nh− sau: iD= I0+ I1cosωtt+ I2cos2ωtt+ I3cos3ωtt+ + Incosnωtt (II.18) i θ I = i cosω tdω t Trong đó : i ∫ D t t , i=1-n (II.19) Π 0 Từ II.15 và II.17 ta có: iD= S.Ut(cosωtt - cosθ) (II.21) và: cosθ = - (Eo + Uscosωst)/ Ut (II.22) Cũng từ II.21 và II.22 biên độ của các thành phần hài theo II.19 đ−ợc xác định. b.Điều biên dùng phần tử tuyến tính có tham số thay đổi Thực chất quá trình điều biên này là quá trình nhân tín hiệu, một ví dụ về mạch loại này là điều biên dùng bộ nhân t−ơng tự nh− hình d−ới đây: E us o u K đb ut sơ đồ điều chế biên độ dùng mạch nhân Trong mạch điện này quan hệ giữa điện áp ra uđb và điện áp vào ut là quan hệ tuyến tính. Tuy nhiên khi us biến thiên thì điểm làm việc chuyển từ đặc tuyến này sang đặc tuyến khác làm biên độ tín hiệu ra thay đổi để có tín hiệu điều biên. Căn cứ vào tính chất của mạch nhân ta có biểu thức: uđb= (Eo + Uscosωst) Utcosωtt = Eo Utcosωtt+(1/2) UsUt cos(ωt + ωs)t + (1/2) UsUt cos(ωt - ωs)t (II.23) t ω s s ω ω - t - t ω ω Phổ tín hiệu điều biên dùng mạch nhân 5. Mạch điều biên cụ thể Để thực hiện điều biên theo ph−ơng pháp thứ nhất, có thể dùng mọi phần tử phi tuyến, nh−ng nếu dùng đèn bán dẫn thì không những có thể điều biên tín hiệu mà còn có thể khuếch đại tín hiệu, về mạch điện phân làm các loại: điều chế đơn biên, điều biên cân bằng, điều biên vòng. Mạch điều biên đơn là mạch chỉ dùng một phần tử tích cực để điều chế, các mạch theo sơ đồ hình 5 và hình 7 là các mạch điều chế theo kiểu này, nh− đã xét, 93
BomonKTDT-ĐHGTVT dòng điện ra tải ngoài các thành phần hữu ích là các biên tần còn có đủ các thành phần hài và tải tần không mong muốn khác, đây cũng là đặc điểm của các mạch điều chế đơn biên. Trong tr−ờng hợp dùng đèn bán dẫn hay đèn điện tử, phân biệt các loại: điều biên bazơ, điều biên colector, điều biên cửa, điều biên máng, điều biên anot, điều biên l−ới chúng có tên gọi t−ơng ứng với cực mà điện áp điều chế đ−ợc đặt vào. Đề giảm méo phi tuyến, dùng mạch điều biên cân bằng theo sơ đồ sau: D1 C1 US UđB C2 D2 U t Sơ đồ điều chế cân bằng dùng Diode Theo sơ đồ hình 10 ta có, điện áp đặt lên D1 và D2 là u1 = Utcosωtt + Uscosωst (II.24) u2 = Utcosωtt - Uscosωst (II.25) Dòng qua diode đ−ợc biểu diễn theo chuỗi Taylor: 2 3 i1=a0 + a1. u1+ a2. u1 + a3. u1 + (II.26) 2 3 i2=a0 + a1. u2+ a2. u2 + a3. u2 + (II.27) Dòng điện ra tải i = i1 - i2 (II.28) Kết hợp II.24-II.28, và chỉ lấy 4 vế đầu ta có i= Acosωst + Bcos3ωst + C[cos(ωt +ωs)t + cos(ωt - ωs)t]+ D[cos(2ωt +ωs)t + cos(2ωt - ωs)t] (II.29) 2 2 Trong đó A= Us[2a1 + 3a3Ut + (a3/2) Us ] 3 B= (a3/2) Us C= 2 a2UsUt D= 3/2 a3UsUt t ω ss ss ss ω ω + t ω + ss ss t t ω ss ss ω ω ω ss ss ω ss 2 ω ω ss ω ω - -2 ss +2 ω t - t + t 2 t ω ω ω ω -2 +2 ss ω t ω t 2 2 -3 +3 ω ω ω t t 2 3 2 ω ω Phổ tín hiệu điều biên cân bằng So với phổ hình 6 ta thấy đã có nhiều thành phần đã đ−ợc triệt tiêu 94
DTT_PTH_VQS *. Một dạng khác của điều chế cân bằng là điều biên vòng, với loại điều chế này tài tần và các tín hiệu hài sẽ bị triệt bỏ. D1 C1 D3 US UđB C2 D4 D2 Ut Sơ đồ điều biên vòng T−ơng tự nh− cách tính toán trên, gọi dòng điện ra của mạch điều chế cân bằng gồm D1, D2 là iI và D3, D4 là iII. iI đã xác định theo II.29 iII= iD3 - iD4 (II.30) Trong đó: 2 3 iD3=a0 + a1. u3+ a2. u3 + a3. u3 + (II.31) 2 3 iD4=a0 + a1. u4+ a2. u4 + a3. u4 + (II.32) u3 = -Utcosωtt - Uscosωst (II.33) u4 = -Utcosωtt + Uscosωst (II.34) Từ (II.30 -II34) ta có: iII= -Acosωst - Bcos3ωst + C[cos(ωt +ωs)t + cos(ωt - ωs)t] - D[cos(2ωt +ωs)t + cos(2ωt - ωs)t] (II.35) 2 2 Trong đó A= Us[2a1 + 3a3Ut + (a3/2) Us ] 3 B= (a3/2) Us C= 2 a2UsUt D= 3/2 a3UsUt Từ (II.29) và (II.35) ta có iđB= iI +iII = 2C[cos(ωt +ωs)t + cos(ωt - ωs)t] (II.36) ss ss ω ω - t + t ω ω . Phổ tín hiệu điều biên vòng So với phổ các hình ìtrên ta thấy chỉ còn lại thành phần mang tin tức 95
BomonKTDT-ĐHGTVT Nh− vậy khi dùng mạch điều chế vòng còn có thể khử đ−ợc các hài bậc lẻ của ωs và các biên tần của ωt. III. Điều chế đơn biên 1. Khái niệm Nh− đã biết ở những phần trên, phổ của dao động đã điều biên gồm tải tần và hai dải biên tầnm trong đó chỉ có các biên tần la mang tin tức. Vì hai biên tần mang tin tức là nh− nhau(về biên độ và tần số), nên chỉ cần truyền đi một biên tần là đủ thông tin về tin tức. Tải tần chỉ cần dùng để tách sóng, do đó có thể nén toàn bộ huặc một phần tải tần tr−ớc khi truyền đi. Quá trình điều chế nhằm tạo ra một dải biên tần gọi là điều chế đơn biên. Điều chế đơn biên(với một phần d− của tải tần) mang ý nghĩa thực tế. Điều chế tuy phức tạp hơn nh−ng lại có −u điểm nh−: - Độ rộng dải tần giảm một nửa - Công suất phát xạ yêu cầu thấp hơn với cùng một cự ly truyền dẫn. - Tạp âm đầu thu giảm do dải tần của tín hiệu hẹp hơn. Từ biểu thức(II.5) ta có : uđB = m/2Ut(cos(ωt +ωs)t (III.1) m gọi là hệ số nén tải tin m=Us/Ut 2. Các ph−ơng pháp điều chế đơn biên Có 3 ph−ơng pháp điều chế đơn biên: ph−ơng pháp lọc, ph−ơng pháp quay pha, và ph−ơng pháp lọc và quay pha kết hợp. a, Điều chế đơn biên theo ph−ơng pháp lọc Từ việc phân tích phổ của tín hiệu điều biên, muốn có tín hiệu đơn biên cần lọc bớt một biên tần, thực tế rất khó làm đ−ợc nh− vậy. Khi tải tần cao tần thì vấn đề lọc để tách ra một dải tần gặp khó khăn. Giả sử tần số fsmin=300hz, lúc đó khoảng cách 2 biên tần là ∆f=2fsmin=600hz. Nếu tải tần là ft= 60Mhz, thì hệ số của bộ lọc là X=(∆f/ft)=10-5 , khá nhỏ rất khó lọc. Bởi vậy phải dùng một bộ biến đổi trung gian để có thể hạ thấp yêu cầu đối với bộ lọc, theo sơ đồ sau: ft2±(ft1+fs) ft2+ ft1+fs ĐCCB1 Lọc 1 ĐCCB2 Lọc 2 ft1±fs ft1+fs UđB Us(t) ft1 ft1 Tạo dao Tạo dao động 1 động 2 Sơ đồ khối mạch điều chế đơn biên dùng ph−ơng pháp lọc 96
DTT_PTH_VQS Trong sơ đồ trên tin tức ban đầu đ−ợc điều chế với tần số ft1, tần số này khá thấp so với tần số yêu cầu, sao cho hệ số lọc tăng lên, để có thể lọc bỏ một biên tần dễ dàng. Trên đầu ra bộ 1 lại đ−ợc điều chế với tần số ft2, ft2 yêu cầu sao cho ft= ft1+ ft2. Dạng phổ theo ph−ơng pháp này nh− sau: S(f f fmin fma S(f fsmi ft1 f S(f fsmi ft1 S(f f fsmi ft1 ft2 ft1 + ft2 f b, Điều chế đơn biên theo ph−ơng pháp quay pha Sơ đồ hình 15 là sơ đồ khối ph−ơng pháp điều chế đơn biên bằng ph−ơng pháp quay pha. Tin tức và tải tin thông qua mạch quay pha, và đ−ợc đ−a đến 2 bộ điều chế cân bằng lêch pha 900 do đó các biên tần trên của 2 bộ điều chế cân bằng lệch pha 1800. Còn các biên tần d−ới đồng pha, n ếu lấy hiệu của các điện áp ra trên 2 bộ điều chế ta nhận đ−ợc biên tần trên. Ng−ợc lại nếu lấy tổng các điện áp ra sẽ nhận đ−ợc biên tần d−ới. uCB1= UCB cosωst cosωtt =UCB/2[cos(ωt +ωs)t + cos(ωt - ωs)t] (III.2) uCB2= UCB sinωst sinωtt =UCB/2[-cos(ωt +ωs)t + cos(ωt - ωs)t] (III.3) 97
BomonKTDT-ĐHGTVT uđB=UCB1 - UCB2 = UCB cos(ωt +ωs)t (III.4) 00 us 0 90 mạch tổng uđB huặc mạch hiệu 00 ut 900 Sơ đồ điều chế đơn biên theo ph−ơng pháp quay pha s ω + t ω Phổ tín hiệu điều chế đơn biên theo ph−ơng pháp quay pha 98