Giáo trình Mô đun Điện tử tương tự - Lê Văn Hiền

Nội dung text: Giáo trình Mô đun Điện tử tương tự - Lê Văn Hiền

1. 0 BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH XÃ HỘI TỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH Mô đun: ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ NGHỀ: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số:120/QĐ-TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013 của Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề Năm 2013 Năm 2013
2. - 1 - TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
3. - 2 - LỜI GIỚI THIỆU Để thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện tử công nghiệp ở trình độ Cao Đẳng Nghề và Trung Cấp Nghề, giáo trình Điện tử tương tự là một trong những giáo trình môn học đào tạo chuyên ngành được biên soạn theo nội dung chương trình khung được Bộ Lao động Thương binh Xã hội và Tổng cục Dạy Nghề phê duyệt. Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức và kỹ năng chặt chẽ với nhau, logíc. Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết và thực hành được biên soạn gắn với nhu cầu thực tế trong sản xuất đồng thời có tính thực tiễn cao. Nội dung giáo trình được biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 60 giờ gồm có: MĐ18-01: Mạch khuếch đại thuật toán MĐ18-02: Ứng dụng của mạch khuếch đại thuật toán MĐ18-03: Mạch dao động MĐ18-04: Mạch nguồn MĐ18-05: Các vi mạch tương tự thông dụng Trong quá trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu cũng như khoa học và công nghệ phát triển có thể điều chỉnh thời gian và bổ sung những kiên thức mới cho phù hợp. Trong giáo trình, chúng tôi có đề ra nội dung thực tập của từng bài để người học cũng cố và áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ năng. Tuy nhiên, tùy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị, các trường có thề sử dụng cho phù hợp. Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết. Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, bạn độc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn. Các ý kiến đóng góp xin gửi về Trường Cao đẳng nghề Lilama 2, Long Thành Đồng Nai . Đồng Nai, ngày 10 tháng 06 năm 2013 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: TS. Lê Văn Hiền 2. Ths. Trần Minh Đức
4. - 3 - MỤC LỤC TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN - 1 - LỜI GIỚI THIỆU - 2 - MỞ ĐẦU - 7 - BÀI 1: KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN - 8 - 1. Khái niệm - 8 - 2. Cấu trúc của họ IC khuếch đại thuật toán thông dụng - 10 - 2.1 Giới thiệu - 10 - 2.1 Cấu trúc mạch điện - 11 - 2.2 Thông số và hình dạng vỏ bên ngoài của IC khuếch đại thuật toán - 13 - Yêu cầu về đánh giá - 14 - BÀI 2 : ỨNG DỤNG CỦA KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN - 15 - 1 Mạch khuếch đại đảo - 15 - 1.1 Nguyên lý hoạt động - 15 - 1.2 Thực hành mạch khuếch đại đảo - 17 - 2. Mạch khuếch đại không đảo - 20 - 2.1 Nguyên lý hoạt động - 20 - 2.2 Thực hành lắp mạch khuếch đại không đảo - 22 - 3. Mạch cộng - 24 - 3.1 Nguyên lý hoạt động của mạch cộng - 24 - 3.2 Thực hành mạch cộng - 25 - 4. Mạch trừ - 29 - 4.1 Nguyên lý hoạt động của mạch trừ - 29 - 4.2Thực hành mạch trừ - 30 - 5. Mạch nhân - 34 - 6. Mạch chia - 34 - 7. Mạch khuếch đại vi sai - 34 - 7.1 Giới thiệu - 34 - 7.2 Chế độ vi sai - 35 - 7.3 Chế độ đồng pha - 36 - 7.4 Thực hành mạch khuếch đại vi sai - 37 - 8. Mạch tích phân - 40 - 8.1 Nguyên lý hoạt động - 40 - 8.2 Ứng dụng mạch tích phân - 42 - 9 . Mạch vi phân - 42 - 9.1 Nguyên lý hoạt động - 42 - 9.2 Ứng dụng mạch vi phân - 43 - 10. Mạch tạo hàm logarit - 44 -
5. - 4 - 11. Bài tập thực hành cho học viên - 45 - Yêu cầu về đánh giá - 49 - BÀI 3: - 50 -MẠCH DAO ĐỘNG - 50 - Nội dung chính - 50 - 1. Mạch dao động sin - 50 - 2. Mạch dao động không sin - 53 - 2.1 Mạch dao động cầu T kép 1 khz - 53 - 2.2 Dao động cầu T kép ổn định bằng diode - 54 - 2.3 Mạch dao động cầu Wien 150 Hz – 1,5 KHz - 55 - 2.4 Mạch dao động Wien ổn định bằng diode - 56 - 2.5 Mạch dao động Wien ổn định bằng diode zener - 57 - 2.6 Dao động Wien một nguồn cung cấp - 58 - 3. Mạch tạo song đặc biệt - 59 - 3.1 Mạch dao động tích thoát - 59 - 3.2 Dao động sóng vuông 500 Hz – 5 KHz - 60 - 3.3 Dao động vuông 500 Hz – 5 KHz có cải tiến - 61 - 3.4 Dao động vuông thay đổi được tần số và bề rộng xung - 62 - 3.5 Mạch tạo sóng tam giác 300 Hz độ dốc thay đổi - 63 - 4. Thực hành - 68 - 4.1 Mục tiêu - 68 - 4.2 Dụng cụ thực hành - 68 - 4.3 Chuẩn bị lý thuyết - 68 - 4.4 Nội dung thực hành - 68 - Tiêu chí đánh giá - 70 - BÀI 4: MẠCH NGUỒN - 71 - 1. Mạch nguồn dùng IC ổn áp - 71 - 1.1 Mạch nguồn dùng IC ổn áp 78XX/79XX - 71 - 1.2 Họ 78xx/79xx - 73 - 2. Các mạch ứng dụng - 75 - 2.1 Nguồn ổn định dòng áp - 75 - 2.2 Nguồn ổn áp chính xác - 76 - 2.3 Nguồn áp chính xác có đầu ra tăng cường - 77 - 2.4 Bộ nguồn ổn đinh 3-30 V; 0-1 A - 79 - 2.5 Nguồn ổn áp 3 V- 30 V có hạn dòng ngõ ra - 80 - BÀI 5: CÁC VI MẠCH TƯƠNG TỰ THÔNG DỤNG - 82 - 1. Vi Mạch định thời - 82 - 1.1 Vi mạch IC 555 - 82 - 1.2 Chế độ đơn ổn - 84 -
6. - 5 - 1.3 Các chế độ dao động đa hài - 85 - 1.4 Chế độ chia tần số - 85 - 1.5 Chế độ điều chế độ rộng xung - 85 - 1.6 Điều chế vị trí xung - 85 - 1.7 Tạo xung dốc tuyến tính - 85 - 2. Vi mạch công suất âm tần - 85 - 2.1 Mạch khuếch đại công suất âm tần dùng IC LA4440 - 85 - 2.2 Mạch ứng dụng LA4440 - 85 - 3. Vi mạch tạo hàm - 85 - 4. Vi mạch ghi – phát âm tần - 85 - 4.1 Giới thiệu chung - 85 - 4.2 Đặc tính - 85 - 4.3 Mô tả chi tiết - 85 - 4.4 Cấu tạo chân ra - 85 - 4.5 Các chế độ hoạt động - 85 - 4.6 Mô tả các chế độ hoạt động - 85 - 4.6 Chất lượng âm thanh - 85 - 4.7 Tương thích với ISD1000A - 85 - 4.8 Giản đồ thời gian - 85 - 4.9 Ứng dụng - 85 - BÀI TẬP TỔNG KẾT - 85 - TÀI LIỆU THAM KHẢO - 85 -
7. - 6 - MÔ ĐUN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ Mã số mô đun: MĐ 18 I. Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trò của Mô đun Vị trí của mô đun: Mô đun được bố trí dạy sau khi học xong các môn học cơ bản chuyên môn như linh kiện điện tử, điện tử cơ bản,.  Tính chất của mô đun: Là mô đun chuyên môn nghề  Ý nghĩa của mô đun: giúp người học nắm bắt được cấu tạo và nguyên lý hoạt động các hệ dùng vi mạch  Vai trò của Mô-đun: Phán đoán được khi có sự cố sảy ra trong mạch điều khiển. khắc phục và sửa chữa các board điều khiển trong công nghiệp. II. Mục tiêu của mô- đun : Sau khi học xong mô đun này học viên có năng lực Về kiến thức: - Trình bày được nguyên lý hoạt động, công dụng của các mạch điện dùng vi mạch tương tự. - Giải thích được các sơ đồ ứng dụng vi mạch tương tự trong thực tế * Về kỹ năng: - Phân tích được các nguyên nhân hư hỏng trên mạch ứng dụng dùng vi mạch tương tự. - Kiểm tra, thay thế được các linh kiện hư hỏng trên các mạch điện tử dùng vi mạch tương tự. * Về thái độ: - Rèn luyện cho học sinh thái độ nghiêm túc, tỉ mỉ, chính xác trong thực hiện công việc. III. NỘI DUNG CỦA MÔ ĐUN: Thời gian Số Tên chương mục Tổng Lý Thực Kiểm TT số thuyết hành tra 1 Mở đầu: 2 Bài 1: Khuếch đại thuật 2 2 0 toán 3 Bài 2: Ứng dụng của 20 6 13 1 khuếch đại thuật toán 4 Bài 3: Mạch dao động 10 4 5 1 5 Bài 4: Mạch nguồn 10 3 6 1 6 Bài 5: Các vi mạch tương 18 5 12 1 tự thông dụng
8. - 7 - Tổng Cộng 60 20 36 4 MỞ ĐẦU Đây là một mô đun chuyên ngành được học sau khi học viên đã hoàn tất các mô đun hổ trợ trước đó như: Linh kiện điện tử, mạch điện tử. Sự phát triển của công nghệ vi mạch đã làm gia tăng khả năng ứng dụng điện tử trong nhiều lĩnh vực. Do mật độ tích hợp ngày càng cao nên thiết bị có nhiều tính năng hơn, giảm kích thước cũng như giá thành, quá trình thiết kế và thi công đơn giản, hoạt động với độ ổn định rất cao. Chính vì vậy việc nắm bắt được cấu tạo và nguyên lý hoạt động các hệ dùng vi mạch nói chung và vi mạch tương tự nói riêng là điều rất cần thiết cho công tác vận hành cũng như sửa chữa của người công nhân ngành sửa chữa thiết bị điện tử công nghiệp. Giáo trình được xắp xếp theo trình tự phù hợp giúp cho người học đạt được các mục tiêu chính như + Hiểu được cấu tạo, đặc tính của các họ vi mạch tương tự mà cơ bản nhất là op-amp + Nắm được các ứng dụng cơ bản và thông dụng của op-amp + Giải thích được các sơ đồ ứng dụng thực tế. + Lắp ráp và sửa chữa được các thiết bị điện tử dùng vi mạch tương tự. + Xác định được các nguyên nhân gây hư hỏng thường xảy ra trong thực tế + Sửa chữa và thay thế linh kiện hư hỏng + Kiểm tra được điều kiện hoạt động của thiết bị.
9. - 8 - BÀI 1: KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Mã bài: MĐ12-1 Giới thiệu Ngày nay IC analog sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử. Khi sử dụng chúng cần đấu thêm các điện trở, tụ điện, điện cảm tùy theo từng loại và chức năng của chúng. Sơ đồ đấu cũng như trị số của các linh kiện ngoài được cho trong các sổ tay IC analog. Các IC analog được chế tạo chủ yếu dưới dạng khuếch đại thuật toán - như một mạch khuếch đại lý tưởng - thực hiện nhiều chức năng trong các máy điện tử một cách gọn - nhẹ - hiệu suất cao.ở chương này ta xét các khuếch đại thuật toán và một số ứng dụng của chúng. Mục tiêu: - Trình bày được nguyên lý cấu tạo, các đặc tính cơ bản của khuếch đại thuật toán - Nhận dạng được các loại IC khuếch đại thuật toán thông dụng trong thực tế - Tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập 1. Khái niệm Hình 1.1. Ký hiệu op- amp Khuếch đại thuật toán (KĐTT) ngày nay được sản xuất dưới dạng các IC tương tự (analog). Có từ "thuật toán" vì lần đầu tiên chế tạo ra chúng người ta sử dụng chúng trong các máy điện toán. Do sự ra đời của khuếch đại thuật toán mà các mạch tổ hợp analog đã chiếm một vai trò quan trọng trong kỹ thuật mạch điện tử. Trước đây chưa có khuếch đại thuật toán thì đã tồn tại vô số các mạch chức năng khác nhau. Ngày nay,
10. - 9 - nhờ sự ra đời của khuếch đại thuật toán số lượng đó đã giảm xuống một cách đáng kể vì có thể dùng khuếch đại thuật toán để thực hiện các chức năng khác nhau nhờ mạch hồi tiếp ngoài thích hợp. Trong nhiều trường hợp dùng khuếch đại thuật toán có thể tạo hàm đơn giản hơn, chính xác hơn và giá thành rẻ hơn các mạch khuếch đại rời rạc (được lắp bằng các linh kiện rời ) . Ta hiểu khuếch đại thuật toán như một bộ khuếch đại lý tưởng : có hệ số khuếch đại điện áp vô cùng lớn K → ∞, dải tần số làm việc từ 0→ ∞, trở kháng vào cực lớn Zv → ∞, trở kháng ra cực nhỏ Zr → 0, có hai đầu vào và một đầu ra. Thực tế người ta chế tạo ra KĐTT có các tham số gần được lý tưởng. Hình 1.1a là ký hiệu của KĐTT : KĐTT ngày nay có thể được chế tạo như một IC hoặc nằm trong một phần của IC đa chức năng . Tên gọi, khuếch đại thuật toán“ trước đây dùng để chỉ một loại mạch điện được sử dụng trong máy tính tương tự, nhiệm vụ mạch này nhằm thực hiện các phép tính như: Cộng, trừ, vi phân, tích phân Khuếch đại thuật toán được viết tắt là OPs hoặc op-amp. Hiện nay, người ta sản xuất khuếch đại thuật toán dựa trên kỹ thuật mạch đơn tinh thể và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật tương tự. Điện áp một chiều cung cấp cho khuếch đại thuật toán là điện áp đối xứng ± VS, thông thường trong sơ đồ mạch không vẽ các chân cung cấp điện áp này. Tuy nhiên, trong các ứng dụng khuếch đại tín hiệu xoay chiều có thể sử dụng nguồn cấp điện đơn cực như + VS hoặc – VS so với masse. Khuếch đại thuật toán có hai ngõ vào ký hiệu là +Vin còn được gọi là ngõ vào không đảo hoặc ngõ vào P (positive) và ngõ vào -Vin còn gọi là ngõ vào đảo hoặc ngõ vào N(negative) như ở hình 1.1. Tín hiệu ở ngõ vào không đảo cùng pha với tín hiệu ra và tín hiệu ở ngõ vào đảo thì ngược pha với tín hiệu ngõ ra Điện áp một chiều cung cấp cho khuếch đại thuật toán là điện áp đối xứng ± UB, thông thường trong sơ đồ mạch không vẽ các chân cung cấp điện áp này. Tuy nhiên, trong các ứng dụng khuếch đại tín hiệu xoay chiều có thể sử dụng nguồn cấp điện đơncực như + UB hoặc – UB so với masse.
11. - 10 - Khuếch đại thuật toán có hai ngõ vào ký hiệu là E+ còn được gọi là ngõ vào không đảo hoặc ngõ vào P (positive) và ngõ vào E- còn gọi là ngõ vào đảo hoặc ngõ vào N(negative) như ở hình 1.1. Tín hiệu ở ngõ vào không đảo cùng pha với tín hiệu ra và tín hiệu ở ngõ vào đảo thì ngược pha với tín hiệu ngõ ra Đặc tính của opamp Ký hiệu ngõ ra là A, thông thường một vi mạch khuếch đại thuật toán có tối thiểu 5 chân ra đó là: 2 chân tín hiệu vào, một chân tín hiệu ra và 2 chân cấp điện một chiều, trong bảng dưới đây trình bày đặc tính của một khuếch đại thuật toán lý tưởng so sánh với khuếch đại thuật toán thực tế. Hiện nay hệ số khuếch đại mạch hở V0 và điện trở ngõ vào re của khuếch đại thuật toán thực tế cũng rất gần với các giá trị lý tưởng. 2. Cấu trúc của họ IC khuếch đại thuật toán thông dụng 2.1 Giới thiệu Tên gọi „khuếch đại thuật toán“ trước đây dùng để chỉ một loại mạch điện được sử dụng trong máy tính tương tự, nhiệm vụ mạch này nhằm thực hiện các phép tính như: Cộng, trừ, vi phân, tích phân Khuếch đại thuật toán được viết tắt là OPs hoặc op-amp. Hiện nay, người ta sản xuất khuếch đại thuật toán dựa trên kỹ thuật mạch đơn tinh thể và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật tương tự. Cấu tạo bên trong của khuếch đại thuật toán khá phức tạp, gồm nhiều linh kiện như: Điện trở, diode, transistor và ngõ ra là một tầng khuếch đại công suất đẩy kéo, có thể nói khuếch đại thuật toán là một linh kiện điện tử phức hợp với một số thông số xác định mà nhờ đó trong các ứng dụng có thể giãm được số lượng các linh kiện ngoài cần thiết và việc tính toán hệ số khuếch đại của
12. - 11 - mạch cũng trở nên đơn giản hơn. Hình 1.3 trình bày ký hiệu điện của khuếch đại thuật toán. 2.1 Cấu trúc mạch điện Khuếch đại gồm nhiều tầng khuếch đại ghép trực tiếp với nhau và được chế tạo dưới dạng một vi mạch, các tầng này được chia thành 3 khối cơ bản như sau: Khối ngõ vào. Khối khuếch đại điện áp. Khối ngõ ra. Hình 1.2. Cấu trúc chung của họ IC khuếch đại thuật toán Số lượng transistor, điện trở trong các loại khuếch đại thuật toán khác nhau thường không giống nhau. Trong thực tế sử dụng chỉ cần quan tâm đến khối vào và khối ra của khuếch đại thuật toán. Hình 1.2 trình bày cấu tạo của vi mach μA709 Khối vào là một khuếch đại vi sai BJT gồm hai transistor ráp theo kiểu khuếch đại cực phát chung, hai transistor này có thể dùng loại transistor trường nhằm tăng điện trở ngõ vào re của mạch, để hạn chế mức điện áp vào vi sai giữa E+ và E- không quá lớn, ở một vài loại khuếch đại thuật toán có đặt các diode song song ngược chiều nhau ở hai ngõ vào này.
13. - 12 - Tiếp theo khối vào là khối khuếch đại điện áp cũng gồm một hoặc nhiều tầng khuếch đại vi sai tùy theo từng loại khuếch đại thuật toán, tín hiệu ra của khối này sẽ điều khiển khối khuếch đại công suất ở ngõ ra. Cấu tạo khối ra có thể là một mạch khuếch đại đơn với cực thu để hở (open collector), nhưng thông dụng nhất là một mạch khuếch đại đãy-kéo (push pull) tải cực phát nhằm mục đích giảm điện trở ngõ ra và nâng cao biên độ điện áp ra. Hình 1.3 trình bày hai dạng cấu tạo ngõ ra của khuếch đại thuật toán. a. Ngõ ra đẩy kéo b. Ngõ ra cực thu để hở Hình 1.3 Cấu tạo hai mạch ngõ ra Đối với loại ngõ ra khuếch đại đẩy kéo, điện trở ra ra vào khoảng từ 30 Ω đến 100 Ω và dòng tải lớn nhất tùy theo từng loại mạch có thể từ 10 mA đến 25 mA còn dòng tải củaloại cực thu để hở khoảng 70 mA. Hiện nay, các vi mạch khuếch đại thuật toán đều được chế tạo với ngõ ra có khả năng tự bảo vệ ngắn mạch. Sơ đồ mạch điện của IC khuếch đại thuật toán 741 Tầng thứ nhất là tầng khuếch đại vi sai đối xứng trên T1 và T2. Để tăng trở kháng vàochọn dòng colectơ và emitter của chúng nhỏ, sao cho hỗ dẫn truyền đạt nhỏ. Có thể thay T1 và T2 bằng transistor trường để tăng trở
14. - 13 - kháng vào T3, T4, R3, R4, và R5 tạo thành nguồn dòng (ở đây T4 mắc thành điôt để bù nhiệt ) Tầng thứ hai là khuếch đại vi sai đầu vào đối xứng, đầu ra không đối xứng: emitter của chúng cũng đấu vào nguồn dòng T3. Tầng này có hệ số khuếch đại điện áp lớn. Tầng thứ ba là tầng ra khuếch đại đẩy kéo T9 – T10 mắc colectơ chung, cho hệ số khuếch đại công suất lớn, trở kháng ra nhỏ. Giữa tầng thứ hai và tầng ra là tầng đệm T7,T8 nhằm phối hợp trở kháng giữa chúng và đảm bảo dịch mức điện áp. ở đây T7 là mạch lặp emitter, tín hiệu lấy ra trên một phần của tải là R9 và trở kháng vào của T8 . Tầng T8 mắc emitter chung. Chọn R9 thích hợp và dòng qua nó thích hợp sẽ tạo được một nguồn dòng đưa vào base của T8 sẽ cho mức điện áp một chiều thích hợp ở base của T9 và T10 để đảm bảo có điện áp ra bằng 0 khi không có tín hiệu vào . Mạch ngoài mắc thêm R10, C1, C2 để chống tự kích. 2.2 Thông số và hình dạng vỏ bên ngoài của IC khuếch đại thuật toán Tùy theo lĩnh vực ứng dụng, khuếch đại thuật toán được chế tạo với các thông số và hình dáng của vỏ phù hợp, hình 1.4 trình bày các thông số giới hạn và định mức của một số loại khuếch đại thuật toán điển hình. Hình 1.4: Giới hạn định mức của opamp
15. - 14 - Về hình dạng của vỏ, có loại khuếch đại thuật toán vỏ nhựa với từ 6, 8 cho đến 14 chân ra hoặc cũng có loại vỏ bằng kim loại, ở hình 1.5 trình bày các dạng vỏ của một số khuếch đại thuật toán thông dụng. Hình 1.5: Các dạng vỏ của mạch khuếch đại thuật toán Yêu cầu về đánh giá Về lý thuyết: Hiểu và thực hiện được các nội dung sau - Cấu tạo, đặc tính của op-amp. - Các ứng dụng cơ bản và thông dụng của op-amp - Giải thích sơ đồ khối cấu tạo các vi mạch tương tự Về thực hành: Có khả năng làm được - Phân tích cấu trúc IC Về thái độ - Cẩn thận, tỉ mỉ, chính xác.
16. - 15 - BÀI 2 ỨNG DỤNG CỦA KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Mã bài: MĐ 12-2 Giới thiệu + Bài học này tập trung về các ứng dụng cơ bản nhất của khuếch đại thuật toán từ các mạch làm toán như công, trù, cho đến các mạch khuếch đại một chiều, xoay chiều và cả khả năng thực hiện các mạch lọc tín hiệu + Kèm theo nội dung phần lý thuyết còn có các bài tập với các mạch ứng dụng cụ thể. Ngoài ra, việc rèn luyện kỹ năng tay nghề còn được thực hiện thông qua các bài thực hành lắp ráp, phân tích mạch tại xưởng. Mục tiêu + Phân tích nguyên lý hoạt động mạch khuếch đại đảo ,mạch khuếch đại không đảo , mạch cộng, mạch trừ, mạch nhân, mạch chia + Tính toán các thông số hoạt động của mạch khuếch đại thông dụng + Thiết kế các mạch ứng dụng cho một số mạch thông dụng + Kiểm tra, thay thế , sửa chữa, các linh kiện hư hỏng + Tích cự trong học tập, rèn luyện 1 Mạch khuếch đại đảo 1.1 Nguyên lý hoạt động Hình 2.1. Mạch khuếch đại đảo Hệ số khuếch đại điện áp V của mạch được tính với điều kiện khuếch đại thuật toán là lý tưởng có nghĩa là Vo = ∞ và re = ∞. Xét tại ngõ vào của mạch: UA = UD – U2 mà: UD = 0 V do đó: UA = - U2 Từ đó tính được hệ số khuếch đại của mạch
17. - 16 - Vì re = ∞ nên dòng qua R1 bằng dòng qua R2. Suy ra: Từ công thức trên cho thấy hệ số khuếch đại của mạch khuếch đai đảo chỉ phụ thuộc vào các linh kiện ngoài đó là hai điện trở R1 và R2 và dấu trừ chứng tỏ điện áp ra và điện áp vào ngược pha nhau. VD: cho mạch khuếch đại đảo với UE = 100 mV, UA = - 2 V và R1 = 10 KΩ. Tìm hệ số khuếch đại V và giá trị của R2 ? Giải : Hình 2.2 Trình bày ký hiệu điện của mạch khuếch đại đảo nói trên. Bảng 1 tóm tắt các thông số quan trọng nhất của mạch khuếch đại đảo dùng khuếch đại thuật toán. Hình 2.2: Ký hiệu của mạch khuếch đại đảo Bảng 1: Tóm tắt các thông số của mạch khuếch đại đảo Do cấu tạo của khuếch đại thuật toán gồm nhiều mạch khuếch đại liên lạc trực tiếp với nhau nên khuếch đại thuật toán có khả năng khuếch đại một chiều có nghĩa là giới hạn tần số thấp fmin = 0 Hz và giới hạn tần số cao fmax chỉ vào khoảng 1KHz. Hình 2.4 mô tả đáp ứng tần số của một mạch khuếch đại thuật toán.
18. - 17 - Hình 2.3: Đáp ứng tần số của opamp Từ hình 2.3 cho thấy sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại V theo tần số của điện áp vào, trong hầu hết các ứng dụng khuếch đại thuật toán luôn làm việc ở chế độ có hồi tiếp âm ở mạch ngoài. Vì vậy hệ số khuếch đại sẽ giảm xuống và giới hạn tần số cao tăng lên cũng có nghĩa là dải thông của mạch trở nên rộng hơn, như trong hình 2.3 cho thấy tại hệ số khuếch đại V = 10 dải thông b2 = 1 MHz Đối với mỗi loại khuếch đại thuật toán đều có một giá trị fT tương ứng, giống như transistor giữa hệ số khuếch đại , giới hạn tần số cao và tần số cắt fT có quan hệ với nhau theo biểu thức. V . fmax = fT = hằng số Vì fT không thay đổi nên khi tăng cao fmax thì phải giảm hệ số khuếch đại V Trên thực tế, đường đặc tính của Vo không tuyến tính như ở hình 2.4 mà luôn tồn tại một sai lệch nhất định, sai lệch này sẽ được giảm nhỏ bằng các mạch bù tần số ráp thêm bên ngoài thường là một điện dung hoặc một mạch RC, giá trị của các phần tử RC này được cho trong sổ tay của nhà sản xuất. 1.2 Thực hành mạch khuếch đại đảo 1.2.1 Dẫn nhập Khuếch đại thuật toán là một mạch khuếch đại một chiều lý tưởng có điện trở vào và hệ số khuếch đại rất lớn Khuếch đại thuật toán thường được chế tạo dưới dạng vi mạch VD :μA 741. Về cơ bản, tất cả các mạch điện đều có thể được thực hiện bằng transistor rời, và đối với op-amp cũng vậy. Thí nghiệm sau đây sẽ khảo sát đặc tính cơ bản của linh kiện này 1.2.2 Giới thiệu Khuếch đại đảo là mạch khuếch đại có tín hiệu vào và ra đảo pha nhau. Hệ số khuếch đại của mạch phụ thuộc vào điện trở RR và RE
19. - 18 - Cách tính được đơn giản như sau : + Trong vùng khuếch đại , sai biệt điện áp ngõ vào xem như bằng 0 + Dòng điện ngõ vào IE = 0 + Hệ số khuếch đại là Av = -1 (khi R R = RE ), có nghĩa là biên độ tín hiệu vào và ra bằng nhau Hình 2.4. Sơ đồ mạch khuếch đại đảo dùng op- amp Biểu diển quan hệ giữa điện áp ra với điện áp vào bằng đồ thị và khảo sát điện áp ra của mạch khi thay đổi tải 1.2.3 Mục đích thí nghiệm Biểu diển quan hệ giữa điện áp ra với điện áp vào bằng đồ thị và khảo sát điện áp ra của mạch khi thay đổi tải 1.2.4 Trình tự thí nghiệm Hình 2.5. Mạch thí nghiệm dùng khuếch đại đảo Bước 1: Ráp mạch điện theo sơ đồ hình 2.5. Dùng VOM đo và ghi lại giá trị điện áp ra UA khi với các điện trở hồi tiếp R R và điện áp vào UE khác nhau vào bảng 2.1
20. - 19 - Bước 2: Vẽ đồ thị quan hệ giữa điện áp ra U A với điện trở hồi tiếp R R và điện áp vào UE. Bước 3: Chỉnh điện áp vào UE = - 5 V. R R = RE = 10 KΩ. Thay đổi ngõ ra với các điện trở tải khác nhau (Bảng 2.2). Dùng VOM đo điện áp ra UA tương ứng Bảng 2.2 Bước 4: Ghi lại các giá trị đo được vào bảng 2.2 và cuối cùng vẽ đồ thị biểu diển quan hệ giữa điện áp ra UA với điện trở tải RL Báo cáo thực hành
21. - 20 - Câu hỏi 1: Quan hệ pha giữa điện áp vào U E với điện áp ra U A trong mạch khuếch đại đảo như thế nào ? Trả lời : Câu hỏi 2: Hệ số khuếch đại v của mạch khuếch đại đảo được xác định bởI các linh kiện nào ? Trả lời : Câu hỏi 3: Hệ số khuếch đại của mạch là bao nhiêu khi R R = 100 KΩ và RE = 10KΩ ? Trả lời : Câu hỏi 4: Nhận xét về đường đặc tính ở hình 2.5 Trả lời : 2. Mạch khuếch đại không đảo 2.1 Nguyên lý hoạt động
22. - 21 - Hình 2.6. Mạch khuếch đại không đảo Điện áp cần khuếch đại được đưa vào ngõ vào không đảo E+ và điện áp hồi tiếp là một phần của điện áp ra được đưa vào ngõ vào đảo E-.Giống như trong trường hợp khuếch đại đảo , khuếch đại thuật toán được xem nhưlà lý tưởng, phương trình điện áp ở ngõ vào và ngõ ra của mạch được viết như sau: UE = UD + U1 UA = U2 + U1 Vì UD = 0 V nên các phương trình trên trở thành UE = U1 UA = U2 + U1 Suy ra hệ số khuếch đại V Vì dòng điện ngõ vào của khuếch đại thuật toán xem như bằng 0 nên dòng qua R1và R2 bằng nhau, ta có: Nhận xét: Hệ số khuếch đại dương và luôn lớn hơn 1. Do đó, tín hiệu vào và ra đồng pha nhau và giá trị của V chỉ phụ thuộc vào hai điện trở R1 và R2 Ưu điểm của mạch khuếch đại không đảo là điện trở ngõ vào của mạch rất cao nên thường được gọi tên là mạch khuếch đại đo lường.
23. - 22 - Hình 2.7. Ký hiệu mạch khuếch đại không đảo Ví dụ: Cho mạch khuếch đại không đảo có sơ đồ ở hình 2.10 với các điện trở R1 = 10 KΩ và R2 = 200 KΩ. Tìm hệ số khuếch đại V và điện áp ra khi UE = 100 mV. Gải Như đã nói ở trên, đặc điểm của mạch là điện trở ngõ vào rất lớn. Tuy nhiên, trong trường hợp mạch khuếch đại đảo nếu chọn các giá trị của R1 và R2 một cách thích hợp có thể làm cho hệ số khuếch đại nhỏ hơn 1, có nghĩa là điện áp ra sẽ nhỏ hơn điện áp vào. Bảng sau đây trình bày một số đặc tính quan trọng nhất của mạch khuếch đại không đảo dùng khuếch đại thuật toán 2.2 Thực hành lắp mạch khuếch đại không đảo 2.2.1 Giới thiệu Điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch khuếch đại không đảo có cực tính giống nhau, đối với điện áp xoay chiều thì chúng cùng pha nhau. Như trong hình 2.8 cho thấy điện áp UE đặt vào ngõ vào không đảo +E Vì trong vùng khuếch đại , sai biệt điện áp giữa hai ngõ vào là 0 nên điện áp vầo cũng xem như đặt lên ngõ vào – E. Hệ số khuếch đại được tính theo công thức sau :
24. - 23 - 2.2.2 Mục đích thí nghiệm Biểu diển bằng đồ thị quan hệ giữa điện áp ra với điện áp vào tại các điện trở hồi tiếp khác nhau 2.2.3 Trình tự thí nghiệm Hình 2.8 Mô hình thí nghiệm mạch khuếch đại không đảo Bước 1: Ráp mạch điện theo sơ đồ hình 2.8. Dùng VOM đo điện áp vào UE, điện áp ra UA tại các giá trị điện trở hồi tiếp R R khác nhau như trong bảng trên Hình 2.9 Bước 2: Ghi các giá trị đo được vào hình 2.9 và vẽ đồ thị biểu diển quan hệ giữa điện áp ra UA với điện áp vào UE và điện trở hồi tiếp RR vào hình 2.2.3 2.2.4 Báo cáo thực hành Hệ số khuếch đại được xác định bởi linh kiện nào ? Trả lời :
25. - 24 - Điện áp ra UA là bao nhiêu khi RR = 47 Ω, RE = 10 KΩ, UE = 2 V Trả lời : Cực tính giữa điện áp vào UE đối với điện áp ra UA như thế nào ? Trả lời : 3. Mạch cộng 3.1 Nguyên lý hoạt động của mạch cộng Mạch khuếch đại đảo có thể khuếch đại và cộng nhiều nguồn điện áp đặt ở ngõ vào. Hình 2.9 trình bày một mạch cộng dùng khuếch đại đảo với hai điện áp ngõ vào (có thể nhiều hơn nếu cần thiết). Trong trường hợp khuếch đại đảo , ngõ vào E- được xem như là điểm masse giả. Do đó ta có quan hệ sau: Hoặc Hình 2.10 Sơ đồ mạch cộng Suy ra giá trị của UA Nếu chọn R1 = R2 = R, phương trình trên trở thành
26. - 25 - Kết quả trên cho thấy điện áp ra UA tỉ lệ với tổng số của hai điện áp vào và V là hệ số khuếch đại của mạch cộng, dấu trừ chứng tỏ mạch có góc pha ϕ= 1800.Trường hợp tổng quát Ứng dụng: Hình 2.11 Mạch cộng có hệ số khuếch đại thay đổi được Hình 2.11 trình bày sơ đồ mạch cộng điều chỉnh được, với hệ số khuếch đại của từng ngõ vào điều chỉnh được từ V = 2 đến V = 10, điện áp ra được tính như sau: Các biến trở tinh chỉnh R2, R4 và R6 dùng để bảo đảm độ chính xác của mạch, điều kiện cần thiết là điện trở trong của các nguồn điện áp vào phải rất nhỏ, nếu không phải sử dụng thêm ở ngõ vào các mạch phối hợp trở kháng sẽ đề cập sau. R4 chỉnh điện áp offset và R8 có tác dụng bù sai số gây ra bởi dòng phân cực ngõ vào. 3.2 Thực hành mạch cộng 3.2.1 Giới thiệu Mạch cộng có khả năng cộng các điện áp tương tự có dấu với nhau Về nguyên tắc mạch cộng có thể được tạo nên từ các điện trở. Tuy nhiên, khuyết điểm của phương pháp này là các điện trở ngõ có ảnh hưởng lẩn nhau
27. - 26 - Hình 2.12 trình bày sơ đồ mạch cộng hai điện áp UE1 và UE2 Trong trường hợp chỉ có điện áp UE1, lúc này chức năng của mạch chính là khuếch đại đảo Hình 2.12 Sơ đồ thực hành mạch cộng Nếu nối ngõ vào E2 xuống masse, đặc tính mạch khuếch đại đảo vẫn không thay đổi. Do tại E là masse nên điện áp rơi ở ngõ vào bằng 0, suy ra dòng vào IE2 = 0 Khi tại E1 = 1 V, tại E2 = 3 V, các dòng tương ứng lúc này là IE1 = 0,1 mA; IE2 = 0,3 mA Hai dòng này phải chảy ngang qua điện trở hồi tiếp RR, điện áp ra UA là UA = -(IE1 + IE2). RR = - (0,1 mA + 0,3 mA). 10 KΩ = - 4 V Tổng các dòng điện vào cũng chính là tổng các điện áp ngõ vào. Một điểm cần lưu ý là do đặc tính đảo pha dấu sẽ thay đổi điều này được khắc phục bằng cách thêm một mạch đảo Nếu một trong hai điện áp vào có giá trị âm thì dòng điện vào sẽ đảo chiều, một dòng điện vào sẽ trừ với dòng điện ở ngõ vào khác. Do đó, chỉ có dòng sai biệt chảy qua điện trở hồi tiếp và điện áp ra cũng chỉ là điện áp sai biệt giữa các ngõ vào Số lượng ngõ vào có thể là bất kỳ và điện áp ra luôn là tổng của tất cả điện áp vào Công thức tổng quát tính điện áp ra
28. - 27 - Với RE1 = RE2 = REn, suy ra : 3.2.2 Mục đích thí nghiệm Dùng phép đo khảo sát một mạch cộng dùng op – amp 3.2.3 Trình tự thí nghiệm Bước 1: Ráp mạch điện theo sơ đồ hình 2.13. Tại điện áp vào U E2 = 2 V, thay đổi UE1 theo bảng 2.1. Dùng VOM đo điện áp ra UA tương ứng. Lặp lại các thao tác trên với UE = - 2 V Hình 2.13 Bảng 2.1 Bước 2: Ghi các kết quả đo được vào bảng 2.1 và vẽ đồ thị quan hệ giữa điện áp ra UA với điện áp vào UE1 (UA =f(UE1)) vào hình 2.14 RE2 =10K Hình 2.14
29. - 28 - Bước 3: Cuối cùng, lặp lại các bước trên khi thay điện trở ngõ vào R E1 = 4,7 KΩ. Ghi điện áp ra UA vào bảng 2.2 và vẽ các đồ thị vào hình 2.13 RE1 = 4.7K Bảng 2.2 Hình 2.13 3.2.4 Báo cáo thực hành 1. Dòng vào IE1 và IE2 phải chảy qua điện trở nào ? Trả lời : Mạch có chức năng gì khi chỉ có một ngõ vào ? Trả lời : 2. Điện áp ra như thế nào khi có một điện áp vào dương và điện áp vào khác âm ? Trả lời :
30. - 29 - 4. Mạch trừ 4.1 Nguyên lý hoạt động của mạch trừ Mạch trừ là sự kết hợp giữa mạch khuếch đại đảo với mạch khuếch đại đo lường (không đảo ) hình 2.14 trình báy sơ đồ mạch của mạch trừ Hình 2.14 Sơ đồ mạch trừ Giả sử ngõ vào E2 là masse và điện áp vào đặt lên E1, theo kết quả của mạch khuếch đại đảo , ta được Giả sử E1 là masse và điện áp vào đặt lên E2, theo kết quả của mạch khuếch đại không đảo ta có Nếu cả hai E1 và E2 đều là ngõ vào, suy ra: Như vậy, điện áp ra tỉ lệ với hiệu số của 2 điện áp vào UE1 và UE2 nhưng với hai hệ số khuếch đại khác nhau. Mạch được hiệu chỉnh lại bằng cách giảm thành phần điện áp vào UE2 với cầu phân áp gồm hai điện trở R2 và R4 (hình 2.15). Lúc này điện áp tại ngõ vào E+ là
31. - 30 - Hình 2.15 Mạch trừ đã hiệu chỉnh Suy ra: Chọn R2 = R1; R4 = R3, phương trình trở thành Với hệ số khuếch đại của mạch trừ là 4.2Thực hành mạch trừ 4.2.1 Tổng quan . Khuếch đại vi sai chính là mạch trừ có hệ số khuếch đại khác 1 . Cả hai điện áp ngõ vào được khuếch đại với hệ số giống nhau . Hệ số nén tín hiệu đồng pha chỉ tốt khi hai hệ số khuếch đại bằng nhau. Hệ số nén tín hiệu đồng pha G được tính như sau : Đối với vi mạch μA 741, hệ số này vào khoảng 90 dB Trong trường hợp mạch trừ
32. - 31 - Hình 2.16 RE1= RE2 và R3 = RR Điện áp ngõ ra UA : Chỉ khi nào điện trở R R và hai điện trở ngõ vào R E bằng nhau thì sai biệt điện áp vào mới được khuếch đại với hệ số là RR chia cho RE Mạch khuếch đại vi sai dùng op – amp được ứng dụng trong các mạch khuếch đại đo lường Hình 2.17 4.2.2 Mục đích thí nghiệm Dùng thiết bị đo khảo sát hệ số nén tín hiệu đồng pha của mạch khuếch đại vi sai 4.2.3 Trình tự thí nghiệm Ráp mạch điện theo sơ đồ ở hình 2.18. Các điện áp vào UE1 và UE2 được chỉnh bằng biến trở P theo bảng 2.3. Đo điện áp ra UA tương ứng và ghi
33. - 32 - kết quả vào hình 2.17. Vẽ đồ thị quan hệ giữa điện áp ra UA với các điện áp vào UE1 và UE2 vào hình 2.19 Hình 2.18 Hình 2.19 Bước 2: Cuối cùng, ráp mạch điện có sơ đồ ở hình 2.20 . Đo điện áp ra UA tương ứng với các giá trị khác nhau của hai điện áp vào UE1 và UE2 theo bảng 2.3. Ghi kết quả đo vào bảng 2.4. và vẽ đồ thị quan hệ giữa điện áp ra UA với các điện áp vầo UE1 và UE2 vào hình 2.21
34. - 33 - Hình 2.20 Bảng 2.3 Hình 2.21 4.1.4 Báo cáo thực hành Câu hỏi 1 : Điều kiện nào tăng chất lượng hệ số nén tín hiệu đồng pha ? Trả lời :
35. - 34 - Câu hỏi 2 : Mạch khuếch đại vi sai giống mạch gì ? Trả lời : Câu hỏi 3 : Điện áp ra như thế nào khi điện áp điều khiển các ngõ vào giống nhau ? Trả lời : 5. Mạch nhân Muốn thực hiện phép nhân ta suy biến từ phép cộng. Thí dụ: 8x2 = 8+8 Tổng quát: mxn= m+m+ +m 6. Mạch chia Muốn thực hiện phép chia ta suy biến từ phép trừ Thí dụ: 8:2 = 4 Các bước thực hiện: dò 4x2 xem vừa gần với 8 không?. Rồi lấy kết quà trừ cho 8 xem phải nhỏ hơn 2 thì dừng. Tổng quát: m:n=p Các bước thực hiện: dò pxn xem sao cho m-pxn<n suy ra p chính là kết quả. 7. Mạch khuếch đại vi sai 7.1 Giới thiệu Khuếch đại vi sai là mạch khuếch đại gồm hai transistor có cực phát ghép chung, mạch có 2 ngõ vào đó là 2 cực nền, chênh lẹch điện áp giữa 2 cực nền là điện áp vào vi sai, tín hiệu ra có thể là đơn cực (điện áp từ một trong hai cực thu so với masse) hoặc vi sai (chênh lệch điện áp giữa hai cực thu). Một mạch khuếch đại vi sai lý tưởng có điện áp ra bằng 0 khi điện áp vi
36. - 35 - sai ở ngõ vào bằng 0, mạch khuếch đại vi sai được khảo sát ở hai chế độ: Chế độ khuếch đại vi sai và chế độ khuếch đại đồng pha. 7.2 Chế độ vi sai Hình 2.22 trình bày sơ đồ một mạch khuếch đại vi sai đơn giản, điện áp đặt lên hai ngõ vào được cung cấp từ hai cầu phân áp. Trước tiên chỉnh hai biến trở R5 và R8 sao cho UE1 = UE2, do cấu tạo đối xứng nên dẫn đến kết quả là UBE(T1) cũng băng với UBE(T2), dòng điện cực thu IC(T1) = IC(T2) và UA1 = UA2, suy ra chênh lệch điện áp UA giữa hai cực thu bằng 0. UA = UA1 – UA2 = 0 V Hình 2.22 Sơ đồ mạch khuếch đại vi sai Bây giờ chỉnh R5 sao cho UE1 giảm xuống, dẫn đến UBE(T1) và IC(T1) cũng giảm xuống, điện áp rơi trên điện trở R1 giảm làm cho UA1 tăng lên. Do đó, giũa ΔUE1 và ΔUA1 tồn tại một góc lệch pha ϕ= 1800. Đồng thời với việc giảm nhỏ điện áp ngõ vào UE1 sẽ làm giảm dòng ỈE(T1) và điện áp rơi trên điện trở chung của hai cực phát R3, dẫn đến UBE(T2), dòng IC(T2) và điện áp rơi trên R2 cũng tăng theo, kết quả là UA2 giảm . Như vậy biến thiên của UE1 và UA2 đồng pha với nhau (ϕ= 0). Những lý luận ở trên càng chính xác khi dòng qua R3 được giữ ở một trị số cố định, điều này trên thực tế được thực hiện bằng cách thay R3 bằng một nguồn dòng điện, khi đó: IE(T1) + IE(T2) = hằng số Vì vậy, biến thiên của hai dòng cực phát luôn bằng nhau và bù trừ cho nhau, tương tự như thế đối với ΔUA1 và ΔUA2. Suy ra chênh lệch điện áp giữa hai cực thu UΑ có giá trị được tính theo biểu thức sau: UA = 2. ΔUA1 = 2. ΔUA2
37. - 36 - Kết quả nhận được tương tự khi UE1 được giữ cố định và UA2 thay đổi, góc lệch pha giữa UE2 với UA2 là 1800 và với UA1 là 00. Hệ số khuếch đại điện áp được tính như sau: UE1 thay đổi, UE2 cố định UE2 thay đổi, UE1 cố định Gọi UD là điện áp sai biệt ở hai ngõ vào UD = UE1 – UE2 Và VD là hệ số khuếch đại vi sai của mạch Hệ số khuếch đại này có giá trị gần bằng với hệ số khuếch đại mạch cực phát chung đối với tín hiệu một chiều cũng như xoay chiều 7.3 Chế độ đồng pha Điện áp vi sai UA ở ngõ ra của mạch khuếch đại vi sai lý tưởng luôn bằng 0 mặc dù UE1 và UE2 thay đổi nhưng luôn bảo đảm quan hệ UE1 = UE2. Nhưng trên thực tế điện ápra này của mạch vẫn phụ thuộc theo giá trị của các điện áp vào theo biểu thức Trong đó: VGL là hệ số khuếch đại đồng pha, ΔUGL = ΔUE1 = ΔUE2 Như đã biết khi nhiệt độ môi trường thay đổi, điện áp UBE của các transistor cũng thay đổi khoảng từ 2 3 mV/0K và làm cho vị trí điểm làm việc của mạch khuếch đại cũng thay đổi theo. Trong mạch khuếch đại vi sai do thông số các transistor rất giống nhau và các transistor này lại được đặt rất gần nhau nên có thể xem như tác động của nhiệt độ lên chúng là như nhau, kết quả là điện áp UA ở ngõ ra luôn bằng 0 (điểm làm việc hầu như không bị ảnh hưởng theo nhiệt độ). Đây cũng là một ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai so với các loại mạch khuếch đại khác. Hình 2.17 cho thấy biến thiên điện áp ra của mạch khuếch đại vi sai thực tế xét ở chế độ đồng pha
38. - 37 - Hình 2.23 Đặc tính truyền ở chế độ đồng pha Để đánh giá chất lượng của mạch khuếch đại vi sai người ta dựa trên một hệ số gọi là hệ số nén tín hiệu đồng pha G gọi là CMRR (common mode rejection ratio) Mạch khuếch đại vi sai càng tốt khi G càng lớn, thường trị số của G vào khoảng10.000 (80 dB). Có nghĩa là mạch khuếch đại vi sai chỉ khuếch đại thành phần điện áp sai biệt giữa hai ngõ vào Ví dụ: Một mạch khuếch đại vi sai có G = 80 dB, để nhận được ở ngõ ra một lượng ΔUA như nhau thì điện áp sai biệt ΔUD phải là bao nhiêu khi ΔUGL = 2 V ? 7.4 Thực hành mạch khuếch đại vi sai 7.4.1 Tổng quan Khuếch đại vi sai chỉ khuếch đại điện áp sai biệt giữa hai ngõ vào. Điện áp ra sẽ bằng 0 nếu điện áp tại hai ngõ vào bằng nhau. Về cơ bản khuếch đại vi sai giống như tầng đảo pha ghép cực phát. Tuy nhiên, điện trở cực phát được thay bừng một transistor đóng vai trò một nguồn dòng điện. Do đó, tổng hai dòng cực phát của hai transistor ghép cực phát là hằng số. Vì vậy lượng biến thiên hai dòng cực phát luôn bằng nhau nhưng ngược chiều Mục đích Khảo sát đặc tính của khuếch đại vi sai khi hai ngõ vào là điện áp một chiều và trường hợp thứ hai là điện áp một chiều có cộng thêm thành phần xoay chiều
39. - 38 - 7.4.2 Trình tự thí nghiêm Hình 2.24 . Đặt lên ngõ vào của sơ đồ một điện áp một chiều Ugl = 20 V. Chỉnh biến trở P2 sao cho UE2 5,5 V và giữ nguyên giá trị này . Tiếp theo, thay đổi UE1 theo từng cấp. Ghi lại điện áp ra vào bảng 2.4 . Tính điện áp sai biệt ngõ vào UE Diff = UE1 – UE2 và ghi giá trị này vào bảng 2.4 . Chỉnh UE1 = 5,5 V và giữ nguyên giá trị này. Thay đổi điện áp UE2 theo từng cấp. Ghi lại điện áp ra tương ứng vào bảng 2.5 . Lại tính điện áp sai biệt giữa hai ngõ vào và ghi kết quả vào bảng 2.5 . Vẽ đồ thị quan hệ giữa điện áp với điện áp vi sai giữa hai ngõ vào trong hai trường hợp. Một khi UE1 là hằng số và hai khi UE2 là hằng số vào hình 2.5 Bảng 2.4UE1 = 5,5 V cố định Bảng 2.5UE1 cố định
40. - 39 - Hình 2.25 Hình 2.26 Phần tiếp theo đây sẽ khảo sát đặc tính động của sơ đồ mạch ở hình 2.26Trước tiên, chỉnh hai điện áp vào U E1 và UE2 bằng 5,5 V (UA = 0 V). Trước tiên, công thêm vào UE1 một điện áp xoay chiều U E SS = 0,6 V; f = 1 KHz. Vẽ dạng sóng điện áp ra UA1 và UA2 vào hình 2.27
41. - 40 - Hình 2.27 8. Mạch tích phân 8.1 Nguyên lý hoạt động Ở hình 2.28b, mạch tích phân được đặt lại (reset) nhờ tiếp điểm S và điện trở R1, điện tích chứa trong C sẽ phóng qua R1 khi S đóng, R1 hạn chế dòng phóng của C. Giả sử điện tích trong tụ đã phóng hết qua R1, phương trình điện áp ở ngõ vào và ngõ ra được biểu diển như sau: Hình 2.28 Sơ đồ mạch tích phân UE = UR + UD Và: UA = UD – UC UD rất nhỏ xem như bằng 0, phương trình trên trở thành UE = UR UC = - UA Vì dòng vào ngõ E- = 0 nên iE = iR và dòng này sẽ nạp vào tụ C, ta có: Suy ra điện tích trong tụ C
42. - 41 - Q = iC . t = iR . t Mà: Q = C , U Nên: Dòng nạp vào tụ được xác định bởi điện áp vào và điện trở R, do đó: Và điện áp ra của mạch được tính theo biểu thức sau Hình 2.29 Quan hệ giữa điện áp ra với điện áp vào khi Ki thay đổ Hình 2.30 Dạng sóng điện áp
43. - 42 - Thành phần 1/CR là hằng số phụ thuộc vào cấu tạo mạch điện và được ký hiệu là Ki, tích số RC là hằng số thời gian của mạch tích phân ký hiệu là Ti. Hình 2.30 cho thây ảnh hưởng của Ki và uE đến điện áp ra. Từ hình vẽ cho thấy khi RC càng lớn điện áp ra càng tuyến tính và khi điện áp vào càng cao thì tốc độ biến thiên của điện áp ra càng nhanh. Hình 2.30 là dạng sóng của điện áp ra và điện áp vào. 8.2 Ứng dụng mạch tích phân Nếu cho tín hiệu Vi vào ngõ (-) và mắc hồi tiếp trở về qua tụ C thì tín hiệu lấy ra t1,t2 : thời điểm đầu và thời điểm đang xét Nếu ta cho tín hiệu vuông vào ngõ(-) thì ngõ ra ta sẽ được tín hiệu tam giác 9 . Mạch vi phân 9.1 Nguyên lý hoạt động Nếu hoán đổi vị trí của R và C ở hình 2.34 với nhau thì mạch sẽ trở thành mạch vi phân, hình 2.21 là sơ đồ cơ bản của mạch vi phân Hình 2.31 Sơ đồ mạch vi phân
44. - 43 - Mạch vi phân ở hình 2.31 có đặc tính tương tự mạch vi phân dùng linh kiện thụ động RC. Hình 2.32 mô tả đặc tính của mạch vi phân tương ứng với điện áp vào có dạng xung và dạng tuyến tính. Hình 2.32 Dạng điện áp ra với các điện áp vào khác nhau Nếu đặt ở ngõ vào của mạch một xung điện áp hình chữ nhật UE, dòng điện nạp vào tụ lúc này chỉ bị giới hạn bởi điện trở trong của nguồn điện áp vào, dòng điện này có giá trị rất lớn và khi chảy ngang qua R sẽ làm cho điện áp ra uA có giá trị cũng lớn (phụ thuộc vào nguồn cấp điện UB), khi tụ đã đầy thì điện áp ra lại trở về 0, điện trở trong của nguồn điện áp vào càng nhỏ bề rộng của điện áp ra càng hẹp (hình 2.32) Nếu điện áp vào có dạng tuyến tính, dòng nạp vào tụ sẽ là hằng số (đồng thờI cũng là dòng qua R). Do đó, điện áp ra cũng là hằng số, độ lớn của điện áp ra phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của điện áp vào và trị số của RC, RC càng lớn điện áp ra càng lớn Hằng số phụ thuộc mạch điện là KD = RC Cả hai mạch tích phân và vi phân là những khối chức năng cơ bản trong kỹ thuật điều khiển tự động 9.2 Ứng dụng mạch vi phân
45. - 44 - Hình 2.33 Mạch vi phân Nếu ta cho tín hiệu vào ngõ (-) nối tiếp với tụ C và nhận hồi tiếp qua R2 thì ngõ ra V0 sẽ được Cụ thể nếu tín hiệu đặt ở ngõ vào có cạnh là tam giác thì sau khi lấy ra sẽ được dạng vuông. 10. Mạch tạo hàm logarit Hình 2.34: Mạch logarit Tương tự như mạch tạo hàm mũ. Ta có: Viết phương trình Kirchoff cho đầu vào v : + v = 0 + Viết phương trình Kirchoff cho đầu vào v : − Cho v = v = 0, Ta có: + −
46. - 45 - 11. Bài tập thực hành cho học viên 11.1 Thông số khuếch đại thuật toán Ví dụ: Một khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại mạch hở Ao = 80 dB và điện áp ra tối đa Uamax = ± 12 V, Điện áp vào phải là bao nhiêu để điện áp ra đạt cực đại ? Giải: 1. Một khuếch đại thuật toán có Ao = 88 dB, điện áp ra tối đa là 14 V, điện trở vào Re = 2 MΩ. a)Điện áp vào là bao nhiêu khi điện áp ra cực đại ? b) Dòng vào khuếch đại thuật toán khi điện áp ra cực đại ? c) Dòng ra khuếch đại thuật toán khi điện áp ra cực đại ? cho biết tải RL = 2 KΩ và RA = 75 Ω. 2.Điện áp ra của khuếch đại thuật toán 0,142 mV tương ứng với điện áp đồng pha ở ngõ vào là 0,9 mV. Tính hệ số khuếch đại đồng pha.
47. - 46 - 3 Khuếch đại thuật toán TBA 222 có: Ao = 100 dB, G = 90 dB. a. Hệ số khuếch đại đồng pha là bao nhiêu ? (tính bằng dB) b.Điện áp ra là bao nhiêu khi điện áp vào đồng pha là 4 V ? c.Điện áp vào vi sai là bao nhiêu khi điện áp ra giống như câu (b) ? d. Tính tỉ số UG/UE bằng dB và so sánh với hệ số G. Hãy cho biết một công thức tính hệ số G ? 11.2 Mạch khuếch đại đảo Ví dụ: Một khuếch đại điện áp một chiều từ 1 V lên 9 V có điện trở vào là 100 KΩ. Tính giá trị các điện trở R0 và R1. Bài giải : Điện trở vào của mạch khuếch đại đảo xem như được xác định bởi R0, do đó giá trị của R0 = 100 KΩ. 1. Một mạch khuếch đại đảo có điện trở vào R0 = 15 KΩ, điện trở hồI tiếp R1 = 150 KΩ. Hệ số khuếch đạ A của mạch là bao nhiêu ? 2. Một mạch khuếch đại đảo có điện trở hồi tiếp R1 = 48 KΩ, để có hệ số khuếch đại A = 30 thì điện trở vào phảI là bao nhiêu ?
48. - 47 - 3. Một mạch khuếch đại đảo có UE = 4 V, tín hiệu cực đại tương ứng với dòng tải Io = 0,25 mA và điện áp ra UA = 12 V. Tìm các điện trở R0 và R1. 4. Một nguồn tín hiệu cung cấp cho ngõ vào của mạch khuếch đại đảo dòng điện là 0,02 mA. Tính UE và UA khi R0 = 100 KΩ và R1 = 400 KΩ. 5. Một mạch khuếch đại đảo có R0 = 50 KΩ; R1 = 400 KΩ và UE = 1,5 V. a) Dòng vào của mạch khuếch đại là bao nhiêu ? b)Điện trở tải RL là bao nhiêu nếu dòng tải cho phép của mạch là 18 mA ? 11.3 Khuếch đại không đảo Ví dụ: Một mạch khuếch đại không đảo có R1 = 47 KW và R0 = 22 KW. Hãy tính hệ số khuếch đại điện áp A của mạch Giải 1 Một mạch khuếch đại không đảo có R1 = 120 KΩ và R0 = 47 KΩ. Để được điện áp ra là – 5 V thì điện áp vào phải là bao nhiêu ? 2 Một mạch khuếch đại không đảo làm việc ở phạm vi tuyến tính vớI điện áp ra bằng hai lần điện áp vào và giá trị biến thiên từ - 9 V đến + 9 V, điện trở hồi tiếp R1 = 68 KΩ. Tính: a)Điện trở R0. b) Giá trị đỉnh - đỉnh của điện áp vào.
49. - 48 - 3 Một mạch khuếch đại không đảo có R0 = 18 KΩ và giá trị đỉnh - đỉnh của điện áp vào là 4 V, phạm vi tuyến tính của điện áp ra trong khoảng từ + 8 V đến – 8 V. Tính điện trở hồi tiếp R1. 4 Một mạch khuếch đại không đảo có R1 = 56 KΩ, phạm vi tuyến tính của điện áp ra trong khoảng từ - 6 V đến + 6 V, điện áp vào biến thiên từ - 2 V đến + 2 V. Tính R0. 5 Một mạch khuếch đại thuật toán có điện trở vào Re = 2 MΩ được sử dụng trong mạch khuếch đại không đảo vớI điện áp vào UE = 2 V, giá trị các điện 11.4 Mạch cộng 1. Một mạch cộng gồm có 3 điện trở ngõ vào R01 = 120 KΩ, R02 = 60 KΩ và R03 = 12 KΩ, điện trở hồi tiếp R1 = 12 KΩ. Tính điện áp ra tương ứng với các điện áp vào UE1 = - 4 V; UE2 = 1 V và UE3 = - 2 V. 2. Một mạch cộng có R03 = 36 KΩ, điện áp ra UA = - (0,1UE1 + 0,2UE2 + 0,4UE3), các điện áp vào thay đổi từ 0 V đến - 10 V. Tính: a) Điện trở hồi tiếp R1. b) Các điện trở vào R01 và R02. c) Điện áp ra lớn nhất. 3. Một mạch cộng 3 điện áp của 3 microphone với cùng hệ số khuếch đại A = 120, điện trở vào R01 = 4,2 KΩ, điện áp ra biến thiên trong khoảng 12 V. Tính: a) Điện trở hồi tiếp R1. b) Giá trị đỉnh - đỉnh lớn nhất của từng điện áp vào. 4. Một mạch cộng có R1 = 120 KΩ, R01 = 120 KΩ, R02 = 60 KΩ, R03 = 10 KΩ được nối đến 3 điện áp vầo UE1 = 0,2 V, UE2 = 0,4 V, UE3 = 50 mV. Tính điện áp ra UA. 5. Một mạch cộng có điện áp ra UA = - (0,5UE1 + UE2 + 2UE3), điện trở vào nhỏ nhất là 25 KΩ. Tính: a) Tất cả các điện trở trong mạch.
50. - 49 - b) Giá trị lớn nhất của UE3 khi UE1 và UE2 biến thiên từ 0 V đến – 2 V và điện áp ra cực đại Uamax = + 12 V ? 11.5 Khuếch đại vi sai 1. Một mạch khuếch đại vi sai có R1 = 56 KΩ, R01 = 47 KΩ, R02 = 39 KΩ a) Tính điện trở R2. b) Điện áp ra là bao nhiêu khi UE1 = 20 V và UE2 = 25 V ? 2. Một mạch khuếch đại vi sai có R01 = R2 = 120 KΩ, điện áp ra bằng hai lần điện áp vi sai giữa hai ngõ vào. Tìm R1 và R02 ? Yêu cầu về đánh giá  Giải thích chức năng và nguyên lý hoạt động một sơ đồ cho trước  Các họ op –amp có trong thực tế : Đặc tính, phạm vi ứng dụng  Các phương pháp tính toán mạch điện ứng dụng op – amp Thực hành  Ráp các mạch ứng dụng theo sơ đồ trong phần lý thuyết  Chấm điểm dựa trên kết quả thực tập của từng bài thực tập Kết quả đo cho phép dung sai ± 20%
51. - 50 - BÀI 3 MẠCH DAO ĐỘNG M ã bài: 12-3 Giới thiệu Ngoài các mạch khuếch đại điện thế và công suất, dao động cũng là loại mạch căn bản của ngành điện tử. Mạch dao động được sử dụng phổ biến trong các thiết bị viễn thông. Một cách đơn giản, mạch dao động là mạch tạo ra tín hiệu. Tổng quát, người ta thường chia ra làm 2 loại mạch dao động: Dao động điều hòa (harmonic oscillators) tạo ra các sóng sin và dao động tích thoát (thư giãn - relaxation oscillators) thường tạo ra các tín hiệu không sin như răng cưa, tam giác, vuông (sawtooth, triangular, square). Mục tiêu: - Trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động các mạch dao động sin, mạch dao động không sin, mạch tạo sóng đặc biệt - Thực hiện các mạch dao động đúng yêu cầu kỹ thuật - Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác, an toàn và vệ sinh công nghiệp Nội dung chính 1. Mạch dao động sin Mục tiêu + Hiểu được nguyên lý mạch dao động sin + Cách tạo ra mạchdao động sin + Cách tạo ra các dạng sòng đặc biệt Người ta có thể tạo dao động hình Sin từ các linh kiện L - C hoặc từ thạch anh. Mạch dao động hình Sin dùng L – C
52. - 51 - Mach dao động trên có tụ C1 // L1 tạo thành mạch dao động L -C Để duy trì sự dao động này thì tín hiệu dao động được đưa vào chân B của Transistor, R1 là trở định thiên cho Transistor, R2 là trở gánh để lấy ra tín hiệu dao động ra , cuộn dây đấu từ chân E Transistor xuống mass có tác dụng lấy hồi tiếp để duy trì dao động. Tần số dao động của mạch phụ thuộc vào C1 và L1 theo công thức Mạch dao động hình sin dùng thạch anh. X1 : là thạch anh tạo dao động , tần số dao động được ghi trên thân của thach anh, khi thạch anh được cấp điện thì nó tự dao động ra sóng hình sin.thạch anh thường có tần số dao động từ vài trăm KHz đến vài chục MHz. Transistor Q1 khuyếch đại tín hiệu dao động từ thạch anh và cuối cùng tín hiệu được lấy ra ở chân C. R1 vừa là điện trở cấp nguồn cho thạch anh vừa định thiên cho Transistor Q1 R2 là trở ghánh tạo ra sụt áp để lấy ra tín hiệu . Thạch anh dùng để dao động 1.1 Khảo sát mạch dao động sin ở tần số thấp
53. - 52 - Ta xem lại mạch khuếch đại có hồi tiếp - Nếu pha của vf lệch 1800 so với vs ta có hồi tiếp âm. - Nếu pha của vf cùng pha với vs (hay lệch 3600) ta có hồi tiếp dương. Ðộ lợi của mạch khi có hồi tiếp: Trường hợp đặc biệt βAv = 1 được gọi là chuẩn cứ Barkausen (Barkausencriteria), lúc này Af trở nên vô hạn, nghĩa là khi không có tín hiệu nguồn vs mà vẫn có tín hiệu ra v0, tức mạch tự tạo ra tín hiệu và được gọi là mạch dao động. Tóm lại điều kiện để có dao động là: βAv=1 θA + θB = 0 (3600 ) điều kiện này chỉ thỏa ở một tần số nào đó, nghĩa là trong hệ thống hồi tiếp dương phải có mạch chọn tần số. Nếu βAv >> 1 (đúng điều kiện pha) thì mạch dao động đạt ổn định nhanh nhưng dạng sóng méo nhiều (thiên về vuông) còn nếu βAv > 1 và gần bằng 1 thì mạch đạt đến độ ổn định chậm nhưng dạng sóng ra ít méo. Còn nếu βAv < 1 thì mạch không dao động được. Dao động dịch pha (phase shift oscillator): a. Nguyên tắc:
54. - 53 - - Do op-amp có tổng trở vào rất lớn và tổng trở ra không đáng kể nên mạch dao động này minh họa rất tốt cho chuẩn cứ Barkausen. Mạch căn bản được minh họa như sau - Tần số dao động được xác định bởi: 2. Mạch dao động không sin 2.1 Mạch dao động cầu T kép 1 khz Các bộ KĐTT có thể được dùng trong những ứng dụng tạo sóng, chúng có thể thuyực hiện chức năng tạo sóng sin, sóng vuông, tam giác với tần số thấp vài Hz đến tần số cao khoảng 20 KHz. Sóng sin tần số thấp có thể được tạo ra bằng nhiều cách. Một cách rất đơn giản là ghép một mạch cầu T kép giữa đầu ra với đầu vào của mạch khuếch đại đảo dùng KĐTT như ở hình 3.1. Mạch cầu T kép gồm R1-R2-R3-R4 và C1-C2-C3, mạch cầu T kép được gọi là cân bằng khi R1 = R2 = 2(R3 + R4) và C1 = C2 = C3/2. Khi mạch hoàn toàn cân bằng nó sẽ trở thành bộ suy giảm phụ thuộc tần số, triệt hoàn toàn tín hiệu ra tại tần số trung tâm f = 1/6,28 R1C1 và cho các tần số
55. - 54 - khác truyền qua. Khi cầu không hoàn toàn cân bằng, nó vẫn đóng vai trò suy giảm nhưng lúc này có tín hiệu ra tại tần số trung tâm, và pha tín hiệu ra phụ thuộc vào chiều hướng mất cân bằng. Nếu 2(R3 + R4) nhỏ hơn R1 và R2 thì tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào. Hình 3.1 Mạch dao động cầu T kép 1 KHz Trong sơ đồ tín hiệu vào của mạch cầu T kép lấy từ đầu ra của KĐTT, đầu ra của nó lại đưa vào đầu vào đảo của KĐTT và R4 được hiệu chỉnh cẩn thận sao cho cầu T kép có điện áp ra nhỏ tại tần số trung tâm, tín hiệu ra này sẽ ngược pha với tín hiệu vào. Như vậy có hồi tiếp dương tại tần số trung tâm và mạch dao động tại tần số này, giá trị này trong sơ đồ khoảng 1 KHz. Biên độ ra có thể thay đổi từ 0 đến 5 V hiệu dụng nhờ R7, nên chỉnh R4 sao cho mạch vừa đúng dao động, khi đó tín hiệu ra có độ méo toàn phần <1%. Biên độ ra không thể tăng vọt cao quá nhờ đặc tuyến phi tuyến của KĐTT sẽ tự động điều chỉnh biên độ khi tín hiệu ra đạt đến mức bảo hòa của đặc tuyến. 2.2 Dao động cầu T kép ổn định bằng diode Mạch dao động 1 KHz ở hình 3.2 xử dụng một phương pháp khác để tự động điều chỉnh biên độ. Diode silic D1 được nối giữa đầu ra với đầu vào của KĐTT qua biến trở phân áp R7. Khi điện áp trên diode vượt quá vài trăm mV, diode sẽ dẫn và làm giảm độ lợi của mạch. Do đó, nó đóng vai trò điều chỉnh biên độ
56. - 55 - Hình 3.2 Dao động cầu T kép ổn định bằng diode Để chỉnh mạch ở hình 3.2. Trước tiên đặt con trượt của R7 tại điểm nối với đầu ra KĐTT, bây giờ chỉnh R4 để không có dao động, sau đó thay đổi R4 thật chậm cho đến khi bắt đầu xuất hiện dao động. Lúc này tín hiệu sin ra có biên độ khoảng 500 mVP-P hay 170mV hiệu dụng và quá trình cân chỉnh đẫ hoàn tất. Khi đó R7 có thể dùng để thay đổi tín hiệu ra từ 170 mV đến 3 V hiệu dụng với độ méo không đáng kể. Các mạch trong 2 sơ đồ trên dùng làm bộ dao động tần số cố định rất tốt nhưng không thể tạo ra nhiều tần số khác nhau do khó thay đổi cùng lúc ba hay bốn thành phần của cầu T kép. Tuy nhiên, bằng cách ghép mạch lọc Wien với KĐTT có thể tạo ra mạch dao động nhiều tần số khác nhau như ở hình 3.3 và 3.4. 2.3 Mạch dao động cầu Wien 150 Hz – 1,5 KHz Tần số ra của các mạch này có thể thay đổi mười lần nhờ bộ biến trở đôi R2 và R3, các mạch này chỉ khác nhau ở cách tự động điều chỉnh biên độ. Trong các sơ đồ, mạch lọc Wien gồm R1-R2-R3-R4 và C1-C2 nối giữa đầu ra với đầu vào không đảo của KĐTT và một cầu phân áp tự động điều chỉnh biên độ nối giữa đầu ra với đầu vào đảo . Cầu Wien thực chất là một mạch suy giảm phụ thuộc tần số có hệ số suy giảm là 1/3 tại tần số trung tâm. Do đó để có được sóng sin ít méo thì phần điều chỉnh biên độ của mạch luôn tự động thay đổi để bảo đảm duy trì độ lợi toàn phần của mạch gần bằng 1
57. - 56 - Hình 3.3 Mạch dao động cầu Wien 150 Hz – 1,5 KHz Mạch hình 3.3 tự động điều chỉnh biên độ bằng cách nối tiếp R5 và đèn tim LMP1 tạo thành một cầu phân áp tự điều chỉnh Đèn được chọn tùy ý từ 12 V đến 28 V và có dòng danh định nhỏ hơn 50 mA. Khi mạch đã hiệu chỉnh đúng, sóng sin ra có độ méo sóng hài khoảng 0,1% và mạch đòi hỏi nguồn cấp dòng khoảng 6 mA. Mạch này được hiệu chỉnh bằng cách đặt R6 ở mức ra cao nhất rồi chỉnh R5 để có đầu ra khoảng 2,5 V hiệu dụng. 2.4 Mạch dao động Wien ổn định bằng diode Hình 3.4 Mạch dao động Wien ổn định bằng diode Các mạch hình 3.3 và 3.4 xử dụng diode chỉnh lưu hay diode zener để ổn định độ lợi toàn phần. Cả hai dạng mạch này có độ méo từ 1 đến 2%
58. - 57 - nhưng lại có ưư điểm là không gây ra những biến động về biên độ khi thay đổi tần số. Biên độ ra đỉnh-đỉnh của mỗi mạch lớn nhất là bằng hai lần điện áp chuyển trạng thái của các diode. Mạch hình 3.11 gồm các diode bắt đầu dẫn tại 500 mV nên biên độ đỉnh-đỉnh lớn nhất chỉ là 1 V, còn các diode ở hình 3.12 là loại diode zener có điện áp đánh thủng cao khoảng 5,6 V nên biên độ ra đỉnh-đỉnh lớn nhất lên đến 12 V. 2.5 Mạch dao động Wien ổn định bằng diode zener Hình 3.5 Mạch dao động Wien ổn định bằng diode zener Quá trình hiệu chỉnh các mạch ở hình 3.4 và 3.5 như sau: Đầu tiên, thay đổi R5 sao cho mạch đạt đến trạng thái ổn định với độ méo thấp nhất. sau đó thay đổi tần số ra và kiểm tra để chắc chắn có dao động với mọi tần số. Nếu cần tìm những tần số mà tại đó dao động yếu rồi chỉnh R5 để thu được dao động tốt, khi đó mạch sẽ làm việc tốt trong toàn bộ dải tần. Mức ổn định trong toàn dải tần phụ thuộc vào mức đồng nhất giữa các biến trở R2-R3 và biến trở đôi này nên dùng loại chất lượng tốt. Các mạch ở hình 3.3 đến 3.5 được thiết kế để dao động từ 150 Hz đến 1,5 KHz. Nếu cần, dải tần có thể thay đổi được bằng cách dùng những tụ C1 và C2 khác nhau, tăng điện dung sẽ làm giảm tần số. Tần số ra cao nhất với độ méo thấp của mỗi mạch khoảng 25 KHz, do tốc độ quét của 741 có giới hạn. Mạch dao động Wien có thể được thay đổi theo nhiều cách tùy theo yêu cầu cụ thể.Chẳng hạn, nó có thể dùng làm bộ dao động tần số cố định hay bộ dao động tần số cốđịnh nhưng có thể tinh chỉnh hay sửa đổi để mạch chỉ cần dùng một nguồn cung cấp.
59. - 58 - Như mạch trong hình 3.6 là thay đổi của hình 3.3 để dao động 1 KHz với mộtnguồn cung cấp. R7 và R8 là cầu phân áp cung cấp điện áp tính tại điểm giữa và C3 nối tắt R8 về mặt xoay chiều nhằm làm giảm trở kháng nguồn trên đường truyền. Nếu khôngcó R3 và R4, dao động xảy ra tại tần số dưới 1 KHz một ít. R3 và R4 ghép song song với R2 của mạch Wien và có thể chỉnh tần số làm việc chính xác 1 KHz. 2.6 Dao động Wien một nguồn cung cấp Hình 3.6 Dao động Wien một nguồn cung cấp Cuối cùng mạch hình 3.5 thay đổi thành mạch ở hình 3.7 có tần số dao động 8 Hz hay còn gọi là mạch dao động tremolo. Cầu Wien gồm R1-R2 và C1-C2 với các diode zener ZD1 và ZD2, bộ phân áp cố định R3-R4 dùng để điều chỉnh biên độ, R3 lớn khoảng gấp đôi R4 để bảo đảm dao động với độ méo nhỏ. Hình 3.7 Mạch dao động tremolo
60. - 59 - 3. Mạch tạo song đặc biệt KĐTT có thể thực hiện được các yêu cầu tạo sóng vuông tần số thấp rất tốt bằng cách ráp mạch theo kiểu dao động tích thoát như ở hình 3.8. Mạch gồm hai bộ phân áp đều lấy tín hiệu từ đầu ra của KĐTT và lần lượt đưa tín hiệu ra của chúng đến hai đầu vào của KĐTT. Một bộ phân áp thuần trở gồm R2 và R3 có đầu ra nối với đầu vào không đảo của KĐTT, bộ phân áp kia gồm R1 và C1 xác định thời hằng sóng vuông nối với đầu vào đảo của KĐTT. Lúc này KĐTT đóng vai trò một mạch so sánh điện áp và chuyển trạng thái liên tục tùy theo mức chênh lệch giữa hai tín hiệu vào. 3.1 Mạch dao động tích thoát Hình 3.8 Mạch dao động tích thoát cơ bản Nguyên lý hoạt động của mạch: Giả thiết C1 đã hoàn toàn xả và đầu ra KĐTT đang ở mức bảo hòa dương và như vậy cả hai bộ phân áp đều có tín hiệu vào dương khá lớn. Do đó, qua bộ phân áp R2-R3, một nữa điện áp bảo hòa dương được đưa đến đàu vào không đảo , còn ở đầu vào đảo có điện áp dương tăng dần do C1 nạp theo hàm mũ qua R1 và đầu ra của KĐTT. Sau một thời gian khi điện áp ở đầu vào đảo vừa lớn hơn điện áp tại đầu vào không đảo thì KĐTT chuyển trạng thái và đầu ra của nó bắt đầu âm. Do đó, thông qua bộ phân áp R2-R3 điện áp tại đầu vào không đảo cũng âm theo, trong khi đó điện áp tại đầu vào đảo vẫn còn dương do điện áp trong C1 không thể thay đổi tức thời. Điều này làm cho đầu ra của KĐTT càng nhanh chóng chuyển sang vùng bảo hòa âm. Khi đầu ra đã rơi vào vùng bảo hòa âm thì thông qua bộ phân áp R2- R3, một nữa điện áp bảo hòa âm xuất hiện tại ngõ vào không đảo và C1 bắt đầu xả qua R1 và đầu ra của KĐTT. Điện áp tại đầu vào đảo sẽ âm dần theo quy luật hàm mũ. Cho đến khi điện áp ở đây vừa âm hơn điện áp ở đầu vào
61. - 60 - không đảo , hiện tượng chuyển mạch xảy ra và đầu ra KĐTT lại nhanh chóng chuyển vào vùng bảo hòa dương. Mạch cứ như thế chuyển trạng thái không ngừng. Như vậy đầu ra của KĐTT cho ra một chuỗi xung vuông và một chuỗi xung gần giống dạng tam giác trên tụ C1. Mạch dao động tích thoát cơ bản này có một số tính chất khá đặc biệt. Tần số dao động như đã phân tích ở trên phụ thuộc vào cả thời hằng R1-C1 và hệ số phân áp R2- R3. Do đó tần số dao động có thể thay đổi bằng cách thay đổi giá trị của một trong bốn linh kiện này. Tần số dao động hầu như bị khống chế bởi R1-R2-R3-C1, ít bị ảnh hưởng bởi điện áp nguồn. Vì vậy mạch có độ ổn định tần số rất tốt. Mạch ở hình 3.9 được sửa đổi từ mạch 3.8 để tạo ra bộ dao động sóng vuông có tần số biến đổi được từ 500 Hz đến 500 KHz. Trong trường hợp này, tần số thay đổi bằng cáh hiệu chỉnh hệ số phân áp của bộ phân áp R2-R3- R4. Hệ số phân áp cùng với tần số ra có thể thay đổi 10 lần. Nếu cần có thể hiệu chỉnh R1 hoặc thay R1 bằng một điện trở 47 KΩ ghép nối tiếp với biến trở 100 KΩ (hình 3.9) để có được tần số làm việcthấp nhất của mạch vừa đúng 500 Hz, mạch này cũng dùng biến trở 10 KΩ để thay đổibiên độ tín hiệu ra. 3.2 Dao động sóng vuông 500 Hz – 5 KHz Hình 3.9Dao động sóng vuông 500 Hz – 5 KHz
62. - 61 - Mạch hình 3.9 được sửa đổi thành mạch hình 3.10 để có thể thay đổi tần số từ 2 Hz đến 20 KHz với bốn thang. Mỗi thang ứng với từng vị trí của khóa chọn các điện trở và tụ định thời. Ở mỗi nhánh định thời đều có biến trở tinh chỉnh nhằm đặt tần số ra thấp nhất của mỗi thang, tránh hiện tượng bốn vùng tần số chồng lên nhau. 3.3 Dao động vuông 500 Hz – 5 KHz có cải tiến Hình 3.10Dao động vuông 500 Hz – 5 KHz có cải tiến (h 3.9) Hình 3.10Dao động sóng vuông 2 Hz – 20 KHz 4 thang
63. - 62 - Cuối cùng, hình 3.11 cho thấy cách sửa đổi mạch tạo sóng vuông cơ bản để làm bộ tạo âm thanh theo nút nhấn. Với các giá trị đã cho, mạch phát tần số 500 Hz với S1, 670 Hz với S2 và 760 Hz với S3. Có thể thay đổi tần số bằng cách đổi giá trị điện trở định thời. Mạch này có thể dùng làm thành phần cơ bản cho hệ thống phát âm VD dùng để điều khiển từ xa. Chú ý rằng loại KĐTT có thể dùng trong các mạch từ 3.8 cho đến 3.11 là loại 709 hoặc 741. KĐTT 709 có tốc độ quét cao hơn 741 nên có sóng vuông ra tốt hơn. 741 cho dạng sóng tốt ở tần số khoảng 2 KHz trong khi 709 cho dạng sóng khá tốt ở những tần số khoảng 20 KHz. Hình 3.11 Mạch tạo âm bằng nút nhấn 3.4 Dao động vuông thay đổi được tần số và bề rộng xung Mạch dao động tích thoát cơ bản ở hình 3.8 có dạng sóng tam giác xuất hiện trên tụ định thời và có sóng vuông ở đầu ra của KĐTT. Cả hai dạng sóng này đều đối xứng vì thời gian nạp và xả của tụ bằng nhau. Mạch này có thể tạo dạng sóng không đối xứng bằng cách tạo thời hằng nap- xả khác nhau như ở hình 3.12. Sóng ra có dạng hình chữ nhật hay vuông, có thể thay đổi cả về tần số lẩn bề rộng xung và hai đại lượng này có thể thay đổi độc lập không ảnh hưởng với nhau Bề rộng xung thay đổi được là nhờ biến trở R1 và các diode D1, D2. Ở nữa chu kỳdương tụ C1 nạp qua D1 và một phần R1 (bên trái con trượt) và ở nữa chu kỳ âm tụ lại xả qua D2 và phần còn lại của R1 (bên phải con trượt). Như vậy, hai thời hằng nạp xả vàcũng chính là bề rộng xung có thể thay đổi bằng R1. Tuy nhiên, cần nhớ rằng tổng hai thời hằng này vẫn là hằng số, do đó R1 không ảnh hưởng đến tần số ra của mạch. Tầnsố dao động thay đổi độc lập bởi R4. Thực tế thì sự thay đổi bề rộng xung bị giới hạntrong khoảng
64. - 63 - 11:1 (thời gian mức dương/thời gian mức âm) đến 1:11 và khi chỉnh R1trong suốt khoảng nó có thể làm thay đổi tần số khoảng dưới 5%. Hình 3.12Dao động vuông thay đổi được tần số và bề rộng xung Với những giá trị trong sơ đồ, mạch có thể tạo ra tần số trong khoảng 650 Hz đến6,5 KHz. Nếu cần có thể thêm các thang tần số khác bằng cách chọn các giá trị C1 thíchhợp. 3.5 Mạch tạo sóng tam giác 300 Hz độ dốc thay đổi Sửa mạch hình 3.12 thành bộ phát sóng tam giác có độ dốc thay đổi được ở tần sốcố định 300 Hz như trong hình 3.13. Tín hiệu lấy ra trên tụ C1 thực tế có dạng nạp-xả theo hàm mũ. Vì vậy để bảo đảm độ tuyến tính tốt cần phảu giới hạn biên độ đỉnh-đỉnh rakhoảng 1,7 V bằng bộ phân áp R3-R4- R5. Như vậy, tụ C chỉ nap-xả trong một phạm vihẹp gần tuyến tính của hàm mũ. R4 cho phép tín hiệu ra có tần số chính xác 300 hz mặcdù vẫn có thể tạo ra những tần số khác bằng cách chọn C1 thích hợp. Độ dốc lên/xuống của tín hiệu ra được thay đổi bằng R1. Chu kỳ của tín hiệu vẫn giữ nguyên 3,33 mS và chỉnh R1 sẽ làm thời gian cạnh lên (hay xuống) thay đổi từ 0,3mS đến 3 mS. Lưu ý mạch này có trở kháng ra cao vì vậy nếu ghép với trở kháng tải thấpphải có thêm một tầng đệm thích hợp, chẳng hạn một mạch khuếch đại thuật toán không đảo độ lợi đơn vị hay một mạch theo điện áp.
65. - 64 - Hình 3.13Mạch tạo sóng tam giác 300 Hz độ dốc thay đổi Mạch phát sóng cơ bản hình 3.18 có khuyết điểm là: Tụ C1 nap/xả theo hàm mũnên chắc chắn dạng sóng tam giác ra không thể có độ tuyến tính cao, mức phi tuyến tỉ lệvới biên độ của tín hiệu ra hình 3.8 giới thiệu một mạch tốt hơn. Mạch này cho các song tam giác và vuông rất tốt trong suốt dải tần từ 100 Hz đến 1 KHz. Dải tần này còn có thểmở rộng bằng cách dùng những giá trị C1 khác nhau. Hình 3.14 gồm hai phân: Một mạchtích phân (IC1) và một khóa so sánh điện áp vi sai (IC2). Giả sử ban đầu C1 đã xả hết vàIC2 đẫ chuyển về trạng thái bảo hòa dương. Với điều kiện này tại mạch tích phân có mộtđiện áp dương đặt vào mạch R3-R4-C1 thông qua một bộ phân áp biến đổi được R1-R2,do đó sẽ có một sườn dốc xuống bắt đầu xuất hiện tại đầu ra của IC1 và đưa đến đầu vào không đảo của IC2 nhờ R7, bên cạnh đó điện áp bảo hòa dương của IC2 cũng đưa đến đầu không đảo IC2 nhờ R8. Lúc này R7 và R8 được nối như một bộ phân áp giữa điện áp bảo hòa dương của IC2 với điện áp ra dốc âm của IC2, và vì điện áp dốc âm còn thấp (chưa đủ âm) nên đầu vào không đảo của IC2 vẫn còn dương, đầu ra của IC2 vẫn tiếp tục ở trạng thái bảo hòa dương.
66. - 65 - Hình 3.14Mạch tạo sóng tam giác/vuông 100 Hz – 1 KHz Theo thời gian, độ lớn của điện áp dốc âm tăng lên, điện áp tại đầu vào không đảo của IC2 kém dương hơn cho đến lúc bằng 0. Khi đó IC2 thoát ra khỏi trạng thái bảo hòa và đầu ra của nó bắt đầu giảm xuống. Độ giảm của điện áp ra lại hồi tiếp trở lại đầu vào nhờ R8, vòng hồi tiếp cứ thế xảy ra liên tục cho đến khi IC2 nhanh chóng chuyển sang vùng bảo hòa âm. Khi IC2 đạt đến trạng thái bảo hòa âm, điện áp nạp trên mạch R3-R4- C1 đảo dấu, vì vậy một điện áp dốc lên bắt đầu xuất hiện ở đầu ra của IC1 và đông fthời điện áp tại đỉnh R8 chuyển sang bảo hòa âm. Như vậy áp tại đầu vào không đảo của IC2 trở nên âm và IC2 được giữ ở vùng bảo hòa âm. Theo thời gian, biên độ xung dốc dương của IC1 tăng, điện áp ở đầu vào không đảo IC2 kém âm hơn và đến lúc phải bằng 0 Điều này được phát triển nhờ hiện tượng hồi tiếp dương tương tự như phần trên và nhanh chóng đưa IC2 chuyển sang vùng bảo hòa dương. Quá trình chuyển mạch cứ thế tiếp diển không ngừng. Như vậy mạch hình 3.15 tạo ra xung dốc tuyến tính từ IC1 và xung vuông từ IC2, tần số làm việc của mạch có thể thay đổi từ 100 Hz đến 1 KHz nhờ R1, tần số đạt giá trị cực đại khi con trượt của R1 đặt ở vị trí nối giữa R1-R2. Dải tần số ra có thể sửa đổi bằng cách chọn giá trị C1. Nếu dải tần số đòi hỏi trên 2 KHz thì nên dùng KĐTT 709 làm IC2. Biên độ của xung dốc ra thay đổi nhờ R6, cực đại khoảng 11 Vp-p. Biên độ của xung vuông ra thay đổi nhờ R10, cực đại khoảng 16 Vp-p.
67. - 66 - Xung dốc ra tuyến tính của mạch 3.14 có thể chuyển thành tín hiệu sin hay thành xung vuông có bề rộng xung thay đổi được bằng cách thêm các mạch phụ. Mạch biến đổi thành xung vuông vẽ ở hình 3.16. Ở đây KĐTT được mắc thành mạch so sánh điện áp vòng hở và có một đầu vào nhận xung dốc của sơ đồ hình 3.15, còn đầu vào kia nhận điện áp chuẩn từ một bộ phân áp nối giữa hai nguồn cung cấp dương và âm. KĐTT sẽ chuyển trạng thái sang vùng bảo hòa dương hoặc âm vào mỗi thời điểm mà xung dốc lớn hay nhỏ hơn vài mV so với điện áp chuẩn ở R2. Do vậy bằng cách hiệu chỉnh điện áp chuẩn, KĐTT có thể thay đổi trạng thái tại bất kỳ điểm nào của xung dốc và như thế đầu ra sẽ cho xung vuông có bề rộng thay đổi được Hình 3.16 Bộ biến đổi cho mạch tạo hàm có bề rộng xung thay đổi Mạch chuyển thành tín hiệu sin được vẽ ở hình 3.17 . Ở đây, tín hiệu dốc được đưa vào một ma trận diode-điện trở thông qua bộ phân áp R1-R2. Ma trận này sẽ ép tín hiệu dốc lên xuống theo dạng sóng sin bằng cách tự động thay đổi độ dốc của xung này theo từng bước khi biên độ xung dốc tăng. Tín hiệu sinh ra được đưa vào bộ khuếch đại DC không đảo độ lợi 2,2 và tạo thành tín hiệu có biên độ cực đại đỉnh-đỉnh 14 V trên biến trở R17. Như vậy, tín hiệu ra có thể được biểu diển thành nhóm những đường thẳng, cứ bốn đường ứng với một phần tư chu kỳ. Do đó dạng tín hiệu ra gần như sin, điển hình có độ méo nhỏ hơn 2%. Nên chỉnh R1 để có được dạng sóng sin tốt nhất.
68. - 67 - Hình 3.17 Bộ biến đổi tín hiệu độ dốc thành sin Cuối cùng, hình 3.18 cho thấy cách sửa đổi mạch hình 3.17 để tạo ra xung dốc tuyến tính với độ dốc thay đổi được hay xung vuông có bề rộng thay đổi được. Hai mạch này tương tự nhau, chỉ trừ mạch nạp/xả tích phân hình 3.18 gồm hai diode D1, D2 và biến trở R4. Các linh kiện này cho phép thay đổi được thời hằng nạp dương và âm. Ở nữa chu kỳ dương C1 nạp qua R3-D1 và nửa trên của R4, còn nữa chu kỳ âm C1 nạp qua R3-D2 và nữa dưới R4. Như vậy R4 cho phép thay đổi thời gian tồn tại của sườn lên và xuống xung dốc cũng như bề rộng của xung vuông. Nhưng cần lưu ý tần số làm việc được thay đổi hoàn toàn độc lập bằng R1. Hình 3.18 Mạch tạo sóng vuông và tam giác điều chỉnh đư
69. - 68 - 4. Thực hành Bài thực hành số 1: Khảo sát mạch dao động dùng IC 741 4.1 Mục tiêu + Thiết kế mạch dao động sóng sin + Hiểu được hoạt động hồi tiếp dương 4.2 Dụng cụ thực hành + Bàn thực hành + Bộ thực hành điện tử cơ bản + Dao động ký + Linh kiện điện tử 4.3 Chuẩn bị lý thuyết + Nguyên lý mạch dao động sóng sin + Các loại mạch dao động sóng sin + Công thức tính tần số của từng loại mạch 4.4 Nội dung thực hành Lắp mạch như hình sau Bước 1: Lắp mạch như hình vẽ Bước 2: Dùng dao động ký do, vẽ dạng sóng ra tại A,B,C,D,E Bước 3: Tính tần số dao động của mạch dao động dịch pha
70. - 69 - Thay giá trị của tụ C = 0.1uF, làm lại các bước từ bước 2 đến bước 4 4.5 Báo cáo kết quả thực hành + Báo cáo kết quả đo VOM + Báo cáo kết quả đo dao động ký + Nêu công dụng của biến trở trong mạch dao động + Các loại mạch dao động sóng sin + Công thức tính tần số của từng loại mạch Bài thực hành số 2: Thực hành lắp mạch dao động cầu Wien dùng opamp 1 Mục tiêu + Thiết kế mạch dao động sóng sin + Hiểu được hoạt động hồi tiếp dương 2 Dụng cụ thực hành + Bàn thực hành + Bộ thực hành điện tử cơ bản + Dao động ký + Linh kiện điện tử 3 Chuẩn bị lý thuyết + Nguyên lý mạch dao động sóng sin 4 Nội dung thực hành + Chọn opamp loại IC 741 hoặc TL082, nguồn +/-12V + Chọn diode D1 và D2 loại 1N4007 . biến trở 10K của cầu Wien là đồng chỉnh + Sử dụng dao động ký đo, vẽ dạng sóng tại điểm A và điểm B + Điều chỉnh biến trở sao cho sóng ra có dạng sin + Tính biên độ và tần số dao động theo lý thuyết và thực tế.
71. - 70 - 5. Báo cáo kết quả thực hành + Báo cáo kết quả đo VOM + Báo cáo kết quả đo dao động ký + Nêu công dụng của biến trở trong mạch dao động Tiêu chí đánh giá • Hiểu được nguyên lý và tính toán được thông số mạch điện cũng như giá trị linh kiện trong các mạch ứng dụng cơ bản của KĐTT. • Biết vận dụng một cách phù hợp các ứng dụng theo yêu cầu thực tế. • Thực hiện các mạch ứng dụng.
72. - 71 - BÀI 4 MẠCH NGUỒN Mã bài: 18-4 Giới thiệu Bài học này tập trung giới thiệu về đặc tính và các ứng dụng điển hình thường dùng trong thực tế của các họ vi mạch ổn áp 3 chân từ họ vi mạch ổn áp 3 chân cố định đến họ ổn áp 3 chân thay đổi được điện áp ra và một vài vi mạch ổn áp 3 chân song song. Ngoài phần lý thuyết để tiếp thu tốt kiến thức còn phải kết hợp với phần thực hành để tạo khả năng ứng dụng thực tế cho học viên Mục tiêu thực hiện Hiểu được cấu tạo và đặc tính điện của các loại vi mạch ổn áp 3 chân thong dụng Biết được các lĩnh vực ứng dụng và các phương pháp nâng cao tính năng của các bộ nguồn nuôi theo yêu cầu, Thực hiện được các mạch ứng dụng vi mạch ổn áp 3 chân 1. Mạch nguồn dùng IC ổn áp Mục tiêu: + Biết được một số loại IC ổn áp thông dụng + Hiểu được nguyên lý nguồn ổn áp chính xác dùng opamp 1.1 Mạch nguồn dùng IC ổn áp 78XX/79XX Họ IC ổn áp 3 chân đặc biệt thích hợp cho các yêu cầu thiết kế các bộ nguồn nhỏ, ổn định hay các ổn áp trên card. Các IC ổn áp rất thông dụng vì kích thước nhỏ và tốn ít linh kiện ngoài. Sử dụng IC ổn áp 3 chân thường không có vấn đề gì. Tuy nhiên, cũng cần nên chú ý đến một số điểm sau: Ngõ ra của các IC ổn áp thường là một tầng đệm NPN (CC) và các IC ổn áp âm có tầng ra là tầng đệm EC. Cấu hình tầng ra CC không được áp dụng cho các ổn áp âm vì các transistor điều khiển PNP khó chế tạo bởi công nghệ vi mạch. Do đó việc thêm tụ thoát ở ngõ ra IC ổn áp dương có thể không cần trong một số ứng dụng. Đối với ổn áp dương nên dùng tụ thoát 0,33 μF ở ngõ vào và để cải thiện đáp ứng quá độ của ổn áp có thể dùng tụ 0,1 μF ở ngõ ra, các tụ này nên đặt càng gần chân IC càng tốt.
73. - 72 - Hình 4.2 Ổn áp âm Mạch ổn áp dùng Diode Zener như trên có ưu điểm là đơn giản nhưng nhược điểm là cho dòng điện nhỏ ( ≤ 20mA ). Để có thể tạo ra một điện áp cố định nhưng cho dòng điện mạnh hơn nhiều lần người ta mắc thêm Transistor để khuyếch đại về dòng như sơ đồ dưới đây. Ở mạch trên điện áp tại điểm A có thể thay đổi và còn gợn xoay chiều nhưng điện áp tại điểm B không thay đổi và tương đối phẳng. Nguyên lý ổn áp : Thông qua điện trở R1 và Dz gim cố định điện áp chân B của Transistor Q1, giả sử khi điện áp chân E đèn Q1 giảm => khi đó điện áp UBE tăng => dòng qua đèn Q1 tăng => làm điện áp chân E của đèn tăng , và ngược lại Mạch ổn áp trên đơn giản và hiệu quả nên được sử dụng rất rộng dãi và người ta đã sản xuất các loại IC họ LA78 để thay thế cho mạch ổn áp trên, IC LA78 có sơ đồ mạch như phần mạch có mầu xanh của sơ đồ trên.
74. - 73 - LA7805 IC ổn áp 5V LA7808 IC ổn áp 8V LA7809 IC ổn áp 9V LA7812 IC ổn áp 12V Lưu ý : Họ IC78 chỉ cho dòng tiêu thụ khoảng 1A trở xuống, khi ráp IC trong mạch thì U in > Uout từ 3 đến 5V khi đó IC mới phát huy tác dụng. IC ổn áp họ 78 được dùng rộng rãi trong các bộ nguồn , như Bộ nguồn của đầu VCD, trong Ti vi mầu, trong máy tính v v 1.2 Họ 78xx/79xx Họ 78xx là họ IC 3 chân ổn áp dương trong đó xx là giá trị điện áp ra. Trong khi đó họ 79xx là họ IC ổn áp âm.
75. - 74 - Các IC này được sản xuất bởi nhiều hảng khác nhau. Ví dụ: μA7805, MC7805, AN7805, μPC7805, NJM7805, TA7805AP, HA17805 Tùy theo dòng điện ngõ ra, IC còn được thêm các ký tự tương ứng để nhận dạng. VD: 78Lxx : Dòng điện ra là 100 mA 78xx : Dòng điện ra là 1 A 78Hxx : Dòng điện ra là 5 A Họ LM340-xx tương đương với 78xx và LM320-xx tương đương với 79xx. Họ LM340 và LM320 còn có thêm các ký tự để chỉ hình dạng vỏ như: LM340-xxH, -xxK, -xxT hay LM340H-xx, LM340K-xx, LM340T-xx với H là vỏ T)-5, K vỏ T)-3 và T là dạng vỏ TO- 220. Sau đây là một số ứng dụng tiêu biểu: 1.2.1 Nâng điện áp ra của IC ổn áp 3 chân cố định Các IC ổn áp như 7805 và 7905 có thể cho ra điện áp cao hơn nếu ghép thêm hai điện trở như ở hình 4.3 với trị số như sau: R1 = Vr/0,02 R2 = VB/0,0025 Trong đó Vr là điện áp danh định của IC (Vr của 7805 là 5 V) và VB = Vo – Vr Để chỉnh được điện áp có thể thay R2 bằng một biến trở Hình 4.3 Nâng điện áp ra của IC ổn áp
76. - 75 - 1.2.2 Nâng dòng điện ra của IC ổn áp Bằng cách thêm transistor công suất PNP vào IC ổn áp dương có thể nâng dòng điện ra lớn hơn dòng định mức của IC như sơ đồ ở hình 4.4 có thể cấp được dòng lớn hơn 4 A với transistor có gắn thêm cánh tỏa nhiệt. Tương tự có thể áp dụng cho IC ổn áp âm với transistor công suất là loại NPN Hình 4.4 Nâng dòng điện ra của ổn áp 2. Các mạch ứng dụng 2.1 Nguồn ổn định dòng áp Nhiều ổn áp được trang bị các mạch giới hạn dòng để bảo vệ phần tử điều khiển khi quá tải . Mặc dù tải có thể bị ngắn mạch nhưng dòng sẽ bị giới hạn tại một giá trị đặt trước. Thật ra mạch này hoạt động như một mạch ổn định dòng điện. Op-amp không hoạt động khi mạch ở chế độ ổn áp, có thể xem LM317K như một transistor NPN, khi đó chân VIN trở thành collector, VOUT là emitter và chân ADJ là cực base và LM317K có chức năng lái transistor điều khiển MJ4502. Việc giới hạn dòng tự động xảy ra khi sụt áp do dòng tải trên điện trở lấy mẫu R3 đủ để chuyển trạng thái của op-amp LM301A, op-amp này làm việc như một mạch so sánh điện áp, lúc này D1 và D2 phân cực thuận và dòng vào cực nền của LM317K giảm đủ để duy trì op-amp ở trạng thái khóa. Giá trị dòng giới hạn được điều chỉnh bằng R2. Diode D3 sáng khi mạch làm việc ở chế độ dòng hằng, tụ ra C3 10 μF là tụ tantal
77. - 76 - Hình 4.5: Nguồn ổn định dòng áp 2.2 Nguồn ổn áp chính xác Trong các phòng thí nghiệm điện tử thường cần có một nguồn điện áp chuẩn chính xác để chỉnh lại thang đo cho các thiết bị. Loại pin chuẩn Weston có điện áp chính xác 1,018 V thường được dùng làm điện áp chuẩn cho yêu cầu này. Tuy nhiên, loại pin này lại có trở kháng ra từ 1 đến 2 KΩ và chính điều đó nên không thể dùng chúng làm điện áp chuẩn tại những dòng ra vượt quá 1 μA. Hình 4.5 giới thiệu một sơ đồ loại bỏ được khuyết điểm của pin Weston và cho phép dùng nó làm điện áp chuẩn ở các dòng ra lên đến vài mA. Hình 4.5 Nguồn áp chính xác Bộ KĐTT trong sơ đồ là mạch theo điện áp có độ lợi bằng 1, trong đó pin Weston được nối trực tiếp với đầu vào không đảo , vì trở kháng vào của KĐTT rất cao chỉ nhận dòng khoảng 0,03 mA từ pin Weston nhưng lại có trở
78. - 77 - kháng ra gần bằng 0 và có thể cấp dòng ra trên 5 mA. Như vậy mạch này có điện áp đầu ra chính xác 1,018 V và dòng ra trên 5 mA. Nếu cần có thể thêm một mạch tăng cường công suất (tầng đệm CC) để tăng khả năng cấp dòng của mạch (h 4.6 ). Lưu ý là tiếp giáp nền-phát của mạch CC được ghép nối tiếp với vòng hồi tiếp âm nên tiếp giáp này không ảnh hưởng đến điện áp ra của mạch. Cả hai mạch đều có biến trở 10 KΩ chỉnh điện áp offset. Đây là biện pháp để bảo đảm mức độ đồng nhất thật tốt giữa các điện áp vào và ra. Cách chỉnh đơn giản là xoay con trượt sao cho điện áp giũa đầu vào không đảo với đầu ra bằng 0 khi đã có nguồn pin Weston. Nếu chấp nhận sai số điện áp ra vài mV thì không cần biến trở này. 2.3 Nguồn áp chính xác có đầu ra tăng cường Hình 4.6 Nguồn áp chính xác có đầu ra tăng cường Thông thường các mạch hình 4.5 và 4.6 có thể bỏ trong một hộp nhỏ gồm cả nguồn pin cấp điện +9 V và có công tắc ON/OFF dùng để nối nguồn +9 V cho KĐTT nhưng pin Weston đặt ở ngoài hộp. Trong trường hợp này không nên nối pin Weston với mạch trước khi bật công tắc Hình 4.7 Bộ nguồn thay đổi được điện áp
79. - 78 - Bằng nhiều cách khác nhau, có thể dùng KĐTT để thực hiện các bộ nguồn công suất chỉnh được chất lượng cao. Một mạch đơn giản được trình bày ở hình 4.7. Mạch này có điện áp ra chỉnh được từ 0 V đến 12 V với dòng lớn nhất khoảng 50 mA. Nguyên tắc làm việc của mạch rất đơn giản: ZD1 là diode zener được cấp điện từ nguồn dương qua điện trở R1. Trên diode zener có điện áp chuẩn 12 V và một phần điện áp này được đưa vào KĐTT nhờ biến trở R2. Đầu ra của biến trở chỉnh được từ 0 V đến 12 V và đưa vào đầu vào không đảo , KĐTT được ráp theo kiểu mạch đêm có độ lợi bằng 1, Q1 là tầng tăng cường dòng điện ra. Như vậy, áp ra của mạch này bằng điện áp tại đầu vào không đảo và do đó chỉnh được từ 0 V đến 12 V. Chú ý mạch này dùng một nguồn dương +18 V và một nguồn âm -9 V. Hình 4.8 chỉ ra một phương pháp khác. Điện áp ra chỉnh được từ +3 V đến +15 V với dòng lớn nhất khoảng 50 mA. Mặc dù mạch này không thể chỉnh xuống 0 V nhưng có ưu điểm là chỉ dùng một nguồn dương +18 V. Hình 4.8 Nguyên tắc hoạt động của mạch này phức tạp hơn mạch hình 4.7 : ZD1 là diodezener 6,8 V được cấp dòng từ nguồn dương qua R1. Đầu ra của zener được đưa đến một mạch phân áp cố định R2-R3 và cho ra một điện áp chuẩn cố định khoảng 3 V ở đầu vào không đảo của KĐTT, bộ KĐTT được mắc theo sơ đồ mạch khuếch đại DC không đảo có độ lợi thay đổi được. Q1 là mạch tăng cường dòng điện CC ghép nối tiếp với đầu ra của KĐTT và độ lợi được xác định bởi cầu phân áp R4-R5 mắc giữa đầu ra emitter với đất. Khi con trượt của biến trở nằm ở vị trí emitter của Q1, lúc này hồi tiếp âm là 100% và độ lợi là đơn vị, mạch khuếch đại trở thành mạch theo điện áp và có điện áp đầu ra là 3 V tức là bằng điện áp chuẩn ở đầu vào không đảo . Khi con trượt ở tại điểm nối giữa R4- R5, hệ số hòi tiếp âm của mạch giảm xuống và độ lợi của mạch khoảng 5 lần nghĩa là điện áp ra là 15 V với dòng ra lên đến 50 mA. Vì cầu phân áp R4-R5 xác định độ lợi được láy trực tiếp từ
80. - 79 - đầu ra , điện áp ra của mạch này khá ổn định và hầu như không bị ảnh hưởng bởi dòng tải . Có thể cải tiến mạch hình 4.8 bằng cách cấp dòng cho diode zener từ một nguồn đã tương đối ổn định và như thế sẽ năng cao điưoc độ chính xác của điện áp chuẩn. Một cải tiến khác để tăng cường khả năng kéo tải là thay Q1 bằng một transistor công suất Darlington. 2.4 Bộ nguồn ổn đinh 3-30 V; 0-1 A Hình 4.9 Bộ nguồn ổn đinh 3-30 V; 0-1 A Hình 4.9 cho thấy một mạch thực tế bao gồm 3 cải tiến: Mạch có khả năng cấp điện áp ra thay đổi từ 3 V đến 30 V với dòng lên đến 1 A.Nguồn cung cấp cho mạch từ 40 V đến 45 V chưa ổn định, điện áp này được đưatrực tiếp đến cực thu của Q1 và Q2 nhưng lại gián tiếp cung cấp cho KĐTT qua R1 và diode zener ZD1. Điện áp ra 33 V đã ổn định của diode ZD1 cũng được dùng để tạo ra điện áp chuẩn ZD2 và do đó tạo ra được một điện áp chuẩn 3 V có độ ổn định rất cao. Cặp Darlington Q1-Q2 mắc nối tiếp với đầu ra của KĐTT, và tổ hợp transistor tạo thành mạch khuếch đại DC không đảo có độ lợi thay đổi được nhờ cầu phân áp R6-R7- R8, độ lợi thay đổi được từ 1 đến 10 lần, do đó điện áp ra thay đổi từ 3 V đến 30 V với dòng ra đến 1 A rất ổn định. Khuyết điểm của mạch hình 4.9 là không có bảo vệ ngắn mạch, do đó mạch có thể hư hỏng nếu đầu ra ngắn mạch. Có thể giải quyết bằng cách ghép
81. - 80 - nối tiếp với đầu ra một cầu chì nhưng an toàn hơn là dùng thêm một mạch bảo vệ như ở sơ đồ hình 4.10 . 2.5 Nguồn ổn áp 3 V- 30 V có hạn dòng ngõ ra Về cơ bản hình 4.10 cũng giống hình 4.9 chỉ thêm điện trở cãm biến dòng 0,6 Ωghép nối tiếp với đầu ra và transistor hạn dòng Q3 nối giữa cực nền Q1 với cực phát Q2 . Nguyên tắc hoạt động như sau: Q3 là transistor silic sẽ dẫn điện khi điện áp thuận giữa nên-phát lớn hơn 0,6 V, điện áp này chính là điện áp rơi trên điện trở 0,6 Ω và độ lớn của nó phụ thuộc vào dòng điện ra của mạch. dòng ra của mạch nhỏ hơn 1 A, dòng này chảy qua R9 tạo nên điện áp nhưng không đủ để Q3 dẫn, Q3 xem như hở mạch và không ảnh hưởng gì đến hoạt động của bộ nguồn. Nếu có ngắn mạch ngõ ra, dòng ra sẽ lớn hơn 1 A, điện áp rơi trên R9 lúc này lớn hơn 0,6 V, Q3 dẫn và làm rẻ mạch dòng cực nền của Q1, dẫn đến Q1 và Q2 tắt làm cho dòng ra giảm xuống. Thực tế khi có ngắn mạch xảy ra dòng ra tự động được giới hạn tại giá trị 1 A. Hình 4.10 Nguồn ổn áp 3 V- 30 V có hạn dòng ngõ ra Cả 4 mạch vừa khảo sát ở trên đầu chỉ là đơn cực, có những trường hợp yêu cầu đầu ra phải là điện áp 2 cực (VD tạo nguồn cấp điện cho KĐTT) riêng biệt. Thường thì cần hai nguồn bằng nhau về độ lớn nhưng ngược chiều nhau và có thể chỉnh biên độ 2 nguồn cùng lúc.
82. - 81 - Hình 4.11 Bộ nguồn đối xứng 0-30 V Mạch hình 4.11 có 3 cực ngõ ra ký hiệu +Vo, 0, và –Vo với dòng ra lớn nhất là 50mA. Nguyên lý làm việc như sau: Diode zener ZD1 tạo ra điện áp chuẩn cố định 5,6 V từ nguồn cung cấp +18 V, điện áp chuẩn này được đưa đến một cầu phân áp thay đổi được R2-R3, tạo ra điện áp từ 0- +5 V bằng cách chỉnh R3, điện áp này được đưa đến đầu vào không đảo của IC1, IC này kết hợp với transistor Q1 tạo thành mạch khuếch đại không đảo x3, đầu ra của mạch chính là đầu ra +Vo của bộ nguồn. Như vậy điện áp giữa cực +Vo với cực 0 có thể thay đổi từ 0 đến +15 V nhờ R3 và dòng ra lên đến 50 mA. IC2 và transistor Q2 tạo thành mạch khuếch đại đảo có độ lợi bằng 1 với điện áp vào là +Vo và đầu ra của mạch nàychính là –Vo. Bộ nguồn hình 4.11 chỉ có khả năng cấp dòng lớn nhất 50 mA và không có bảo vệquá tải . Có thể tăng dòng ra đến 1 A hoặc cao hơn bằng các cặp Darlington với cực tính phù hợp và cũng có thể thêm vào các mạch giới hạn dòng như đẫ đề cập ở trên.
83. - 82 - BÀI 5 CÁC VI MẠCH TƯƠNG TỰ THÔNG DỤNG Mã bài: MĐ 18-5 Giới thiệu Công nghệ vi mạch ngày càng phát triển nên: Mật độ tích hợp cao, làm việc được với điện áp và dòng điện lớn những đặc điểm này làm cho việc thiết kế mạch điện dễ dàng và ít linh kiện hơn, nộii dung bài này sẽ giới thiệu một vài loại vi mạch điển hình thường dùng trong thực tế, với mỗi vi mạch cụ thể có kèm theo các bài thực tập nhằm nâng cao tay nghề của học viên Mục tiêu thực hiện Hiểu được cấu trúc, đặc tính của các vi mạch tương tự phổ biến. Giải thích được nguyên lý hoạt động và thực hiện được các mạch điện ứng dụng 1. Vi Mạch định thời Mục tiêu + Hiểu được nguyên lý vi mạch định thời IC555 +Nguyên lý mạch khuếch đại công suất âm tần dung IC LA444 1.1 Vi mạch IC 555 Họ vi mạch LM555/NE555/SA555 có chức năng tạo thời gian trì hoãn chính xác và ổn định. Khi làm việc ở chế độ đơn ổn, thời gian này được xác định đơn giản bằng một điện trở và một tụ điện ráp thêm bên ngoài. Ở chế độ dao động đa hài, tần số và chu kỳ hoạt động (duty cycle) được điều khiển chính xác bởi hai điện trở và một tụ điện. Đặc tính kỹ thuật: • Khả năng cấp dòng ra cao (200 mA). • Điều khiển được chu kỳ hoạt động. • Độ ổn định nhiệt 0,005%/0C. • Thời gian trì hoãn từ mS đến hàng giờ. • Thời gian chuyển mạch toff < 2 μS. Lĩnh vực ứng dung: • Tạo thời gian chuẩn. • Dao động tạo xung. • Tạo thời gian trì hoãn. • Điều khiển tuần tự theo thời gian.
84. - 83 - Cấu tạo sơ đồ khối Thông tin ứng dụng Khi đặt một điện áp mức thấp vào chân RESET, ngõ ra sẽ xuống mức thấp bất chấp điện áp ngưỡng cũng như điện áp kích, ngõ ra của 555 chỉ thay đổi phụ thuộc vào hai điện áp này khi chân RESET ở mức cao. Khi điện áp ngưỡng lớn hơn 2Vcc / 3 và ngõ ra đang ở mức cao, transistor xả sẽ dẫn điện hạ điện áp ngưỡng xuống thấp hơn Vcc / 3. Trong khoảng thời gian này ngõ ra 555 xuống mức thấp. Tiếp theo đó nếu đưa điện áp thấp vào ngõ kích, điện áp ngưỡng bằng Vcc / 3, transistor xả tắt, điện áp ngưỡng tăng lên và điều khiển ngõ ra lên mứ
85. - 84 - 1.2 Chế độ đơn ổn a) Sơ đồ mạch đơn ổn b) Dạng sóng mạch đơn ổn Hình 5.1 Mạch đơn ổn 555 Hình 5.1 là mạch đơn ổn ứng dụng vi mạch 555 có chức năng tạo ra một xung cố định ngay tại thời điểm điện áp ngõ vào kích thấp hơn Vcc/3. Khi điện áp kích đưa vào chân 2 thấp hơn Vcc/3 và ngõ ra đang mức thấp, FF bên trong điều khiển transistor xả tắt dẫn đến ngõ ra trở lên mức cao thông qua việc cùng lúc nạp tụ C1 và đặt FF. Điện áp trên tụ C1 là VC1 tăng dần theo quy luật hàm mũ với thời hằng t = RA.C1 và đạt đến giá trị 2Vcc/3 tại thời điểm td = 1,1RA.C1, thời hằng càng lớn thì thời gian để điện áp trên tụ bằng 2Vcc/3 càng kéo dài, do đó bề rộng xung ra phụ thuộc vào RAC1.
86. - 85 - Khi VC1 = 2Vcc/3, bộ so sánh tại ngõ vào kích sẽ xóa FF, transistor xả ON, C1 phóng điện và ngõ ra xuống mức thấp. Cần lưu ý là để cho mạch hoạt động bình thường, điện áp ngõ vào kích ít nhất phải bằng Vcc/3 trước khi ngõ ra của 555 trở về mức thấp, có nghĩa là mặc dù việc duy trì mức cao ở ngõ ra không bị ảnh hưởng bởi xung kích trong khoảng thời gian này nhưng cũng sẽ làm cho dạng sóng ra không được bình thường như trình bày ở hình 5.2 Hình 5.2 Dạng sóng không bình thường trong mạch đơn ổn 1.3 Các chế độ dao động đa hài a) Sơ đồ mạch b) quan hệ giữa tần số với R và C c) Dạng sóng mạch dao động Hình 5.3 Mạch dao động đa hài 555
87. - 86 - Chế độ này được thực hiện bằng cách thêm điện trở RB vào sơ đồ ở hình 5.1a và trở thành sơ đồ như trình bày ở hình 5.2a trong đó ngõ vào điện áp ngưỡng và điện áp kích được nối chung lại với nhau để tạo khả năng tự kích. Khi ngõ ra 555 ở mức cao, transistor Tr tắt, điện áp VC1 tăng lên với thời hằng (RA + RB).C. Khi điện áp trên C1 cũng chính là điện áp ngưỡng bằng 2Vcc/3, ngõ ra bộ so sánh tại ngõ vào kích lên mức cao dẫn đến FF bị xóa và ngõ ra 555 xuống thấp. Lúc này Tr dẫn, C1 phóng điện qua điện trở RB cho đến khi VC1 < Vcc/3, ngõ ra bộ so sánh tại ngõ vào kích lên cao và ngõ ra 555 cũng lên mức cao trở lại , Tr tắt và VC1 lại tăng dần lên. Trong quá trình hoạt động, trong khoảng thời gian ngõ ra ở mức cao cũng chính là giai đoạn VC1 tăng từ Vcc/3 lên 2Vcc/3 và khoảng thời gian ngõ ra ở mức thấp tương ứng với VC1 giảm từ 2Vcc/3 xuống Vcc/3. Hình 5.4 là sơ đồ tương đương khi C1 nạp điện. Hình 5.4: sơ đồ tương đương
88. - 87 - Vì thời gian mức cao của bộ định thời (tH) là thời gian cần thiết để VC1(t) đạt đến giá trị 2Vcc/3. Do đó: Khi tụ phóng điện, ngõ ra bộ định thời ở mức thấp, sơ đồ tương đương như sau Khoảng thời gian ngõ ra mức thấp (t L) bằng với khoảng thời gian để điện áp VC1(t) giảm đến giá trị Vcc/3. Thông thường RB >> RD. Suy ra: tL = 0,693 RB.C1 (10) Do đó, chu kỳ của tín hiệu dao động là tổng của thời gian nạp với thời gian xả của tụ C1.
89. - 88 - 1.4 Chế độ chia tần số Bằng cách thay đổi thời gian trì hoãn thích hợp, mạch đơn ổn có thể thực hiện được chức năng của mạch chia tần số như trong hình 5.4 là dạng sóng của một mạch chia 3 . Tần số xung vào bằng 3 lần tần số xung ra. Hình 5.4 Dạng sóng mạch chia tần số 1.5 Chế độ điều chế độ rộng xung Dạng xung ra của bộ định thời có thể thay đổi bằng cách điều chế điện áp điều khiển tại chân 5 sự thay đổi áp chuẩn của các bộ so sánh bên trong. Hình 5.5 trình bày một mạch điều chế bể rộng xung. Khi các xung kích được đưa liên tục vào mạch đơn ổn, bề rộng xung ra của 555 sẽ bị điều chế theo điện áp đặt tại ngõ điều khiển, điện áp này có thể hình sin hoặc các dạng khác, hình 5.5b trình bày các dạng sóng nhận được. a) Sơ đồ mạch điện b) Dạng sóng nhận được Hình 5.5 Chế độ điều chế bề rộng xung
90. - 89 - 1.6 Điều chế vị trí xung Nếu điện áp điều chế được đưa vào ngõ điều khiển trong khi bộ định thời làm việc ở chế độ dao động đa hài như trong hình 5.6 thì 555 sẽ có chức năng điều chế vị trí xung. Trong chế độ này, áp chuẩn của các bộ so sánh bên trong được điều chế và dẫn đến làm thay đổi xung ra tương ứng. Hình 5.6b cho thấy tín hiệu điều chế có dạng sin vị trí xung ra thay đổi tương ưnga, Tuy nhiên, điện áp điều chế có thể có dạng bất kỳ. a) Sơ đồ mạch điện b) Dạng sóng nhận được Hình 5.6 Điều chế vị trí xung 1.7 Tạo xung dốc tuyến tính Hình 5.7 Mạch tạo điện áp tuyến tính Nguồn dòng trên sơ đồ gồm có: Transistor PNP Q1, R1, R2 và RE
91. - 90 - 2. Vi mạch công suất âm tần 2.1 Mạch khuếch đại công suất âm tần dùng IC LA4440 LA4440 do hảng SANYO sản xuất là một vi mạch khuếch đại âm thanh công suất trung bình được ứng dụng phổ biến trong lĩnh vực điện tử gia dụng, đặc tính được tóm tắt như sau: • Hoạt động được ở hai chế độ: Stereo 2 kênh riêng biệt 2x6 W (dual mode) hoặc kiểu mạch cầu (bridge) mono 19 W • Số linh kiện thêm bên ngoài rất ít. • Nhiễu lúc mở máy nhỏ và khả năng cân bằng tốt. • Lọc gợn sóng tốt: 46 dB. • Nhiễu xuyên kênh thấp. • Nhiễu nội bộ thấp: Rg = 0. • Độ méo phi tuyến thấp trên toàn bộ dải tần từ thấp đến cao. • Dễ thiết kế giải nhiệt. • Có chức năng tắt âm thanh cài sẵn . Có khả năng bảo vệ: Quá nhiệt, quá áp, bảo vệ điện áp đỉnh, bảo vệ ngắn mạch các chân ra. Sơ đồ khối Hình 5.8 Sơ đồ khối LA4440 2.2 Mạch ứng dụng LA4440 Mạch ứng dụng 1
92. - 91 - Hình 5.9 Mạch khuếch đại stereo Mạch ứng dụng 2 Hình 5.10 Mạch ứng dụng 3
93. - 92 - Hình 5.11 Chức năng các linh kiện ngoài C1 (C2) Tụ hồi tiếp: xác định giới hạn tần số thấp của mạch, thời gian khởi động sẽ bị chậm lại khi tăng giá trị tụ C3 (C4) Tụ tăng cường, tần số thấp ở ngõ ra giảm khi giảm giá trị tụ C5 (C6) Tụ triệt dao động, nên dùng tụ có đặc tính nhiệt và tần số tốt. C7 (C8) Tụ ngõ ra, ảnh hưởng đến giới hạn tần số thấp. Trong sơ đồ khuếch đại cầu hai tụ này được ghép nối tiếp với nhau. C9 Chức năng lọc gợn sóng, còn được dùng để tạo thời hằng cho mạch muting R1 (R2) Điện trở lọc dao động tự kích R3 (R4) Điện trở ngõ vào đảo , dùng để điều chỉnh độ lợi trong sơ đồ khuếch đại cầu 1 R5 Chỉnh thời gian khởi động trong sơ đồ khuếch đại cầu 2 C10 Tụ chống dao động cho mạch chỉnh độ lợi trong sơ đồ khuếch đại cầu 2 C11 Tụ lọc nguồn R6 (R7) Được dùng trong sơ đồ khuếch đại cầu để tăng tốc độ xả điện và ổn định đáp ứng ngõ ra Điều chỉnh độ lợi trong sơ đồ stereo
94. - 93 - Điều chỉnh độ lợi trong sơ đồ cầu 1 Trong sơ đồ cho thấy kênh 1 là mạch khuếch đại không đảo và kênh 2 là mạch khuếch đại đảo . Tín hiệu ra của khuếch đại không đảo qua cầu phân áp R3-R4 đưa đến đầu vào của khuếch đại đảo Vì hệ số R4/R3 và hệ số khuếch đại (Rf / R4+RNF) đươch cố định và bằng nhau nên tín hiệu ra của 2 mạch khuếch đại ở chân 12 và 10 có biên độ bằng nhau và lệch pha nhau 1800 nên độ lợi điện áp toàn mạch tăng lên 6 dB và được tính như sau:
95. - 94 - Trong trường hợp cần giảm độ lợi có thể thêm một điện trở vào mạch khuếch đại không đảo và công thức trở thành Điều chỉnh độ lợi trong sơ đồ cầu 2 Từ công thức trên cho thấp việc thêm điện trở RNF’ sẽ làm giảm độ lợi trong cả hai chế độ khuếch đại stereo và cầu. Chế độ tắt âm thanh Hình 5.12 Mạch muting
96. - 95 - Dòng vào IO được tính như sau: Tăng hệ số suy giảm lên 55 dB bằng cách nối tiếp một điện trở 5,6 KΩ với ngõ vào. Một điểm cần lưu ý là tụ ngõ vào CO có thể gây ra nhiễu khi áp dụng tín hiêu AC muting. Tăng giá trị RO-CO sẽ làm giảm hiện tượng này. Trong trường hợp IC ngắt hoàn toàn, chân 5 nối GND, tín hiệu điều khiển DC có hiệu lực và hệ số úy giảm trở thành ∞ 3. Vi mạch tạo hàm XR-2206 là vi mạch chuyên dùng được chế tạo để phục vụ các yêu cầu tạo dao động với các dạng sóng thông dụng như: Sin, vuông, tuyến tính có độ ổn định và chính xác rất cao. Xung ra có thể được điều chế biên độ cũng như tần số bởi điện áp đưa vào từ bên ngoài, dải tần số hoạt động từ 0,01 Hz đến trên 1 MHz. Mạch điện phù hợp với các ứng dụng truyền thông, thiết bị đo và các máy tạo sóng sin, AM, FM hoặc FSK, tần số dao động có thể quét tuyến tính với hệ số 2000:1 bởi điện áp ngoài trong khi vẫn duy trì được độ biến dạng thấp. Tóm tắt đặc tính kỹ thuật
97. - 96 - • Độ biến dạng sóng sin thấp, 0,5%, typ • Ổn định nhiệt độ cao, 20ppm/0C, typ • Dải quét tần rộng, 2000:1, typ. • Ảnh hưởng nguồn nuôi thấp, 0,01%/V, typ. • Điều chế biên độ tuyến tính. • Điều khiển FSK tương thích TTL. • Dải nguồn nuôi rộng, 10 V đến 26 V. • Thay đổi được bề rộng xung, 1% đến 99%. Lĩnh vực ứng dụng • Tạo sóng. • Tạo sóng quét. • Máy phát AM, FM. • Biến đổi V/F. • Máy phát FSK. • Vòng khóa pha Hình 5.13 Sơ đồ khối XR-2206 Hình 5.14 Sơ đồ chân XR-2206
98. - 97 - Mô tả cấu trúc XR-2206 XR-2206 gồm bốn khối chức năng: Khối dao động điều khiển bằng điện áp (VCO), khối sửa dạng sin và nhân analog, khối khuếch đại đệm độ lợi đơn vị và một tập hợp các chuyển mạch dòng điện. Tần số ngõ ra của VCO tỉ lệ với dòng điện ngõ vào, dòng điện này được xác định bởi điện trở định thời nối từ các ngõ vào định thời xuống GND. Do có hai chân vào định thời nên có thể tạo ra được hai tần số riêng biệt cho ứng dụng máy phát FSK băng cách xử dụng ngõ vào điều khiển FSK, tín hiệu này điều khiển chuyển mạch để chọn một trong các điện trở định thời và đưa nó vào mạch VCO. Hình 5.15 Mạch thử cơ bản
99. - 98 - Hình 5.16 Máy phát sin không có chỉnh ngoài Hình 5.17 Máy phát sin với độ biến dạng thấp nhất
100. - 99 - Hình 5.18 Máy phát FSK sóng sin Hình 5.19 Máy phát xung vuông và răng cưa Frequency – Shift keying Vi mạch XR-2206 có thể làm việc với hai điện trở định thời riêng biệt R1 và R2 nối vào các chân 7 và 8 như trong sơ đồ 5.18. Tùy theo cực tính
101. - 100 - của tín hiệu logic tại chân 9 mà một trong hai điện trở sẽ được tác động: Nếu chân 9 hở mạch hoặc được nối đến điện áp ≥ 2 V thì chỉ có R1 tác động, và nếu điện áp tại chân này ≤ 1 V thì chỉ có R2 được tác động. Do đó, tần số ra bị khóa giữa hai mức f1 và f2 f1 = 1 / R1C f2 = 1 / R2C Khi hoạt động với nguồn đối xứng thì điện áp tại chân 9 sẽ được tham chiếu với Điều khiển mức DC ở ngõ ra Mức DC ở ngõ ra (chân 2) gần bằng với mức DC tại chân 3. Trong các sơ đồ hình 5.16, 5.17 và 5.18, điện áp tại chân 3 la phân nữa điện áp giữa V+ với GND nên mức DC ra ≈ V+/ 2. Máy phát sin không có điều chỉnh ngoài Hình 5.16 trình bày mạch tạo sóng sin dùng XR-2206, tần số được thay đổi bằngbiến trở R1 tại chân 7, biên độ ra cực đại lớn hơn V+ / 2 với độ méo < 2,5%. Sơ đồ này có thể thay đổi để hoạt động với nguồn nuôi đối xứng bằng cách nối tất cả các điểm GND với V- và R3 được nối trực tiếp với GND. Thành phần sóng hài ở ngõ ra có thể giảm đến -0,5% bằng cách thêm khả năng chỉnh ngoài như ở hình 5.17, biến trở RA chỉnh dạng sin và RB tinh chỉnh sự đối xứng. Quá trình chỉnh được thực hiện như sau: 1. Đặt RB về vị trí giữa và chỉnh RA sao cho độ méo nhỏ nhất. 2. Giũ nguyên RA, chỉnh RB sao cho độ méo giảm nhỏ hơn. Máy phát sóng tam giác Sơ đồ ở hình 5.16 và 5.17 có thể được biến đổi để tạo thành mạch phát sóng hình tam giác bằng cách hở mạch giữa chân 13 và 14 (S1 hở). Biên độ sóng tam giác bằng khoảng hai lần sóng sin. Máy phát FSK Hình 5.17 trình bày sơ đồ mạch phát FSK dạng sin. Các mức Mark và Space có thể được chỉnh độc lập bằng cách thay đổi các điện trở định thời R1 và R2, pha tín hiệu ra liên tục trong suốt thời gian chuyển tiếp, tín hiệu khóa được đưa vào chân 9, mạch điệncó thể hoạt động với nguồn đối xứng bằng cách nối điểm GND xuống V-. Máy phát xung vuông và răng cưa Hình 5.18 là sơ đồ mạch phát xung vuông và răng cưa, ở chế độ này ngõ vào FSK (chân 9) được nối ngắn mạch với ngõ ra xung vuông (chân 11) và mạch tự điều chế FSK giữa hai tần số phân biệt trong suốt thời gian mức cao và mức thấp của xung ra, bề rộng xung có thể thay đổi từ 1% đến 99% bởi R1 và R2, giá trị các điện trở này nên chọn trong khoảng từ 1KΩ đến 2 MΩ.
102. - 101 - Nguyên lý hoạt động Tần số dao động f0 được xác định bởi tụ C bên ngoài nối giữa chân 5 và 6 với một trong hai điện trở định thời ở chân 7 và chân 8. Thay đổi tần số bằng cách thay đổi R và C, để có được độ ổn đinh nhiệt tối ưu nên chọn 4KΩ < R < 200 KΩ và C từ 1000 pF đến 100 μF. Điều chế và quét tần số Tần số dao động tỉ lệ với tổng dòng điện định thời IT chảy từ chân 7 hoặc 8 Các ngõ vào tại chân 7 và 8 có nội trở thấp và được phân cực bên trong với điện áp +3 V, tần số biến thiên tuyến tính theo IT trong một khoảng dòng điện rộng từ 1 mA đến 3mA, có thể thay đổi tần số bằng cách thay đổi điện áp VC đưa vào chân định thời đang tác động như ở hình 5.2 Hình 5.20 Sơ đồ tạo tần số quét Trong đó VC tính bằng volt, độ lợi biến đổi áp-tần K được tính theo công thức Biên độ tín hiệu ra Biên độ tín hiệu ra tỉ lệ nghịch với điện trở R3 nối ở chân 3. Trong chế độ sin, biên độ ra khoảng 60 mV đỉnh / 1 KΩ, trong chế độ tam giác giá trị này là 160 mV / 1 KΩ.Ví dụ với R3 = 50 KΩ thì biên độ sin ở ngõ ra gần bằng 13 V
103. - 102 - Điều chế biên độ Biên độ ra có thể được điều chế bẳng cách đưa 1 điện áp DC và tín hiệu điều chế vào chân 1. trở kháng chân này khoảng 100 KΩ. Biên độ ra biến thiên tuyến tính theo điện áp tại chân 1, thành phần DC phân cực khoảng 14 V (VCC / 2), tín hiệu ra đảo pha và đi qua điểm 0, đặc tính này thích hợp cho ứng dụng FSK và điều biên cân bằng. Dải động của điều biên vào khoảng 55 dB. Chú ý: Nên dùng nguồn nuôi có độ ổn áp tốt khi điều chế AM vì biên độ tín hiệu ra thay đổi theo điện áp nguồn. 4. Vi mạch ghi – phát âm tần 4.1 Giới thiệu chung Họ vi mạch ISD2560 cung cấp giải pháp ghi-phát đơn chip chất lượng cao từ 60 đến 120 giây. Các thành phần tích hợp trên chip bao gồm mạch dao động, khuếch đại micro, tự động điều chỉnh độ lợi , lọc nhiễu , lọc nguồn, khuếch đại loa và mảng lưu trữ mật độ cao đa cấp. Thêm vào đó ISD2500 kết hợp với vi điều khiển cho phép thực hiện các câu thông báo và địa chỉ phức tạp. Các mẩu ghi ghi được lưu trữ trong vùng nhớ không mất dữ liệu trên chip. Tiếng nói và âm thanh được ghi trực tiếp vào bộ nhớ dưới dạng thông thường đạt chất lượng cao và ổn định khi phát lại .
104. - 103 - Hình 5.22 Sơ đồ khối 2560/75/90/120 4.2 Đặc tính • Giải pháp ghi-phát âm thanh đơn giản • Khả năng phát lại âm thanh tự nhiên, chất lượng cao • Phát lại bằng nút nhấn hoặc vi điều khiển tác động theo cạnh hoặc mức điện áp • Đơn chíp trong khoảng 60, 75, 90 hoặc 120 giây • Cho phép nối thác trực tiếp dễ tăng thời gian hoạt động • Có chế độ giảm nguồn (dòng chờ 1μA) • Thông tin không mất khi tắt nguồn (không cần nguồn dự phòng) • Khả năng định địa chỉ cho nhiều thông báo • Dữ liệu tồn tại trong vòng 100 năm • Cho phép ghi 100.000 lần • Mạch dao động tích hợp trên chip • Nguồn nuôi đơn cực +5 4.3 Mô tả chi tiết 4.3.1 Chất lượng âm thanh Họ ISD2500 bao gồm các thiết bị được đề nghị tần số lấy mẩu là 4.0, 5.3, 6.4 và 8KHz cho phép người dùng chọn lựa tùy theo chất lượng âm thanh. Tăng thời gian hoạt động sẽ giảm tần số lấy mẩu và băng thông Mẩu âm thanh được lưu trữ trực tiếp trên chip không số hóa và kết hợp với giải pháp nén khác. Khả năng lưu trữ analog giúp quá trình tái tạo tiếng nói, âm nhạc và hiệu ứng âm thanh rất tự nhiên và chính xác mà hầu hết các giải pơháp số không đạt được
105. - 104 - 4.3.2 Thời gian hoạt động Họ đơn chíp ISD2500 cung cấp các thời gian hoạt động 60, 75, 90 và 120 giây và cho phép ghép nối thác với nhau để tăng thời gian này 4.3.3 Bộ nhớ EEPROM Một trong những tiện ích của công nghệ ghi âm chip ISD’s là việc ứng dụng bộ nhớ không mất dữ liệu để lưu trữ thông báo khi mất nguồn đến 100 năm, thêm vào đó thiết bị còn cho phép ghi lại trên 100.000 lần 4.3.4 Giao tiếp với vi điều khiển Ngoài đặc điểm đơn giản và dễ xử dụng họ ISD2500 còn bao gồm tất cả các yêu cầu giao tiếp với các ứng dụng dùng vi điều khiển. Các đường địa chỉ và điều khiển có thể kết nối với vi điều khiển để thực hiện một nhiệm vụ xác định 4.3.5 Lập trình Họ ISD2500 rất thích hợp với các ứng dụng chỉ có chức năng phát lại , trong đó các thông điệp được tham chiếu bởi các nút nhấn, công tắc hoặc vi điều khiển. Mỗi khi thong điệp cần thiết được tạo ra, một bản sao sẽ được phát ra một cách dễ dàng bằng thiết bị lập trình ISD Hình 5.23 Sơ đồ chân ISD2560/75/90/120 4.4 Cấu tạo chân ra Nguồn nuôi (VCCA, VCCD) Để giảm nhiễu , mạch digital và analog trong họ ISD2500 dùng các bus nguồn riêng biệt, các điện áp này được dẫn ra các chân khác nhau và nên nối đến nguồn nuôi càng gần càng tốt. Thêm vào đó nên cách ly các điện áp này với vỏ linh kiện GND (VSSA, VSSD)