Mạch Khuếch đại Thuật Toán - Tài Liệu Text - 123doc

Tải bản đầy đủ (.pdf) (34 trang)

1. Trang chủ
>>
2. Kỹ Thuật - Công Nghệ
>>
3. Điện - Điện tử

Mạch khuếch đại thuật toán

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (393.33 KB, 34 trang )

Mạch khuếch đại thuật toánMạch khuếch đại thuật toánBởi:Lê SắcCÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA IC THUẬT TOÁNBộ khuếch đại thuật toán được ký hiệu như hình 3-1. Trong đó Ut , It là điện áp, dòngđiện vào cửa thuận. Uđ , Iđ là điện áp, dòng điện vào cửa đảo, Ur , Irlà điện áp ra vàdòng điện ra. U0 là điện áp vào giữa hai cửa. Bộ khuếch đại thuật toán khuếch đại hiệuđiện áp U0 = Ut- Uđ với hệ số khuếch đại K0 > 0.Do đó điện áp ra: Ur =K0.U0= K0(Ut-Uđ)Nếu Uđ = 0 thì Ur = K0.Ut lúc này điện áp ra cùng pha với điện áp vào. Vì vậy cửa Tgọi là cửa thuận của bộ khuyếch đại thuật toán và ký hiệu dấu “+”.Tương tự khi Ut = 0 thì Ur = ? K0.Uđ, lúc này điện áp ra ngược pha với điện áp vàonên cửa Đ gọi là cửa đảo của bộ khuếch đại thuật toán và ký hiệu dấu “-”. Ngoài ra bộkhuếch đại có hai cửa đấu với nguồn nuôi đối xứng ±EC và các cửa để chỉnh lệch 0 vàbù tần.Một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng có những tính chất sau:+ Trở kháng vào ZV= ∞+ Trở kháng ra Zra = 01/34Mạch khuếch đại thuật toán+ Hệ số khuếch đại K0 = ∞Thực tế bộ khuếch đại thuật toán có K0 = 104 ? 106 ở vùng tần số thấp. Lên vùng tần sốcao hệ số khuếch đại giảm xuống. Nguyên nhân do sự phụ thuộc tham số của tranzito vàđiện dung ký sinh trong sơ đồ. Đặc tuyến truyền đạt, đặc tuyến biên độ và đăc tuyến phanhư ở hình 3-2 và 3-3. Một bộ khuếch đại thuật toán thường có 4 tầng ghép trực tiếp vớinhau. Tầng vào là tầng khuếch đại vi sai, tiếp theo là tầng khuyếch đại trung gian (cóthể là tầng đệm hay khuếch đại vi sai thứ hai), đến tầng dịch mức và tầng khuếch đại ra.CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁNDo vi mạch khuếch đại thuật toán có hai cửa vào. Khi đưa tín hiệu vào cửa đảo ta cómạch khuếch đại đảo, nếu đưa tín hiệu vào cửa thuận ta có mạch khuếch đại thuận.Mạch khuếch đại đảoMạch khuếch đại đảo cho ở hình 3-4 có thực hiện hồi tiếp âm điện áp qua Rht. Đầu vàothuận được nối đất. Tín hiệu qua R1 đưa tới đầu vào đảo. Nếu coi IC có trở kháng vàovô cùng lớn tức ZV → ∞ thì dòng vào IC vô cùng bé I0 = 0, khi đó tại nút N có phươngtrình dòng nút áp dụng định luật Kirchhoff 1:2/34Mạch khuếch đại thuật toánTừ đó có:Khi K→∞ điện áp đầu vàoU =U0Kra→ 0 do đó:URV= −1URrahtDo đó hệ số khuếch đại điện áp của mạch khuếch đại đảo Ku có hồi tiếp âm song songđược xác định bằng phần tử thụ động trong sơ đồ:Nếu chọn Rht=R1 thì Kđ =-1, sơ đồ có tính chất tầng đảo lặp lại điện áp (đảo tín hiệu).Nếu R1 = 0 thì từ phương trình Iv=Iht ta cóI= −VURrahay Ura = -IV.Rht tức là điệnhtáp ra tỷ lệ với dòng điện vào. Mạch trở thành bộ biến đổi dòng thành áp.Vì U0= 0 nên Rv= R1, khi K→∞ thì Rra= 0.Mạch khuếch đại thuậnMạch khuếch đại thuận có hình 3-5 gồm một mạch hồi tiếp âm điện áp đặt vào đầu đảocòn tín hiệu đặt vào cửa thuận.3/34Mạch khuếch đại thuật toánVì điện áp đặt vào giữa hai cửa rất bé, xem U0= 0 nên quan hệ giữa Uv và Ura xác địnhbởiU =U. RR R1Vr1+htHệ số khuếch đại điện áp của mạch khuếch đại thuận.Vì Rv= ∞nên IV = 0. Được dùng khi cần mạch khuếch đại có trở kháng vào lớn. KhiRht=0 và R1=∞, ta có sơ đồ bộ lặp lại điện áp với Kt= 1 (hình 3-6). Điện trở vào củamạch khuếch đại thuận rất lớn, bằng điện trở vào của IC, còn điện trở ra Rra→ 0.CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG TRÔI VÀ BÙ ĐIỂM KHÔNGKhi dùng bộ khuếch đại thuật toán để khuếch đại tín hiệu một chiều có trị số nhỏ thì cácsai số chủ yếu do dòng điện tĩnh, điện áp lệch 0 và hiện tượng trôi gây ra.4/34Mạch khuếch đại thuật toánCác dòng điện tĩnh It, Iđ ở đầu vào bộ khuếch đại thuật toán thực chất là các dòng cựcgốc tranzito tầng vào mạch khuếch đại vi sai. Dòng tĩnh cửa thuận It và dòng tĩnh cửađảo gần bằng nhau. Các dòng tĩnh It và Iđ gây sụt áp trên các cửa vào. Do sự khác nhautrị số các điện trở cửa thuận T và cửa đảo Đ nên sụt áp này cũng khác nhau. Hiệu điệnthế của chúng chính là điện áp lệch 0. Để giữ cho điện áp lệch 0 nhỏ, trong mạch khuếchđại đảo, cửa thuận không đấu trực tiếp xuống đất mà đấu qua điện trở RC như trên hình3-7.RC có trị số bằng điện trở vào cửa đảo, nghĩa là:Lúc đó dòng tĩnh gây ra trên hai đầu vào các sụt áp là It.RC và Iđ.(R1//Rht). ThườngIt≈Iđ nên các sụt áp đó gần bằng nhau.Thực tế It ≠ Iđ nên dòng tĩnh I0= It - Iđ còn gây ra một hiệu điện áp ở đầu vào, gọi làđiện áp lệch 0 U0. Khi đó điện áp ra sai số làUr0= (1 +R ).URht01Để khử sai số này dùng các mạch bù điển hình ở hình 3-8. Việc bù điện áp lệch 0 đượcthực hiện theo nguyên tắc: một trong hai đầu vào của bộ khuếch đại thuật toán với mộtnguồn điện áp biến đổi để có một điện áp ngược với điện áp lệch 0 trên.5/34Mạch khuếch đại thuật toánKhi cần phải để trống cả hai cửa vào thì mắc mạch bù vào cửa khác có liên quan đếncửa vào. Cần phải chọn các linh kiện mạch bù sao cho bộ khuếch đại thuật toán làm việcbình thường.Ngoài ra còn có hiện tượng trôi điện áp đầu ra do lượng trôi điện áp đầu vào ΔU0 vàlượng trôi của dòng tĩnh vào ΔI0. Lượng trôi điện áp đầu ra được xác định:Trong đó: ΔU0 là lượng trôi điện áp lệch 0 đầu vào.ΔI0 là lượng trôi dòng lệch 0 đầu vào.Biến đổi công thức này ta có:Tóm lại:- Nếu nguồn tín hiệu có trở kháng lớn (R1 // Rht lớn) thì điện áp sai số ở đầu ra chủ yếudo trôi dòng lệch 0 đầu vào sinh ra. Ngược lại nếu nguồn tín hiệu có trở kháng nhỏ (R1nhỏ) thì sai số đầu ra chủ yếu do điện áp lệch 0 đầu vào sinh ra. Do đó khi cần khuếchđại dòng một chiều nhỏ thì chọn R1 // Rht nhỏ, nếu cần khuếch đại điện áp một chiềunhỏ thì chọn R1 lớn.Trong bộ khuếch đại tín hiệu xoay chiều không cần quan tâm đến vấn đề bù lệch 0.6/34Mạch khuếch đại thuật toánMẠCH CỘNGMạch cộng thực hiện cộng hai hoặc nhiều tín hiệu tương tự thành một tín hiệu ở đầu ra.Tuy nhiên, nếu tín hiệu tổng lớn hơn nguồn cung cấp cho bộ khuếch đại thì tín hiệu rachỉ giữ ở mức bão hòa ±UmaxMạch cộng đảoMạch này cộng các tín hiệu vào đưa tới cửa đảo. Sơ đồ hình 3-9. Coi các điện trở vàobằng nhau..Khi IV = 0 thì (vì RV của IC xem = ∞) Iht= I1 + I2 +…+In hayTổng quát khi R1 ≠ … ≠ R2 có:vớiα=RRhtii7/34Mạch khuếch đại thuật toánMạch cộng thuậnSơ đồ mạch điện ở hình 3-10, ở đây các tín hiệu vào đưa tới cửa thuận. Khi U0=0 điệnáp ở hai đầu vào bằng nhau và bằng:Khi dòng vào đầu thuận bằng không (RV = ∞) ta có:Haytừ đóChọn các tham số của mạch thích hợp để có thừa số đầu tiên của vế phải công thức nàybằng 1:R RR1n.+htvà khi đó:18/34Mạch khuếch đại thuật toánMẠCH TRỪKhi cần trừ hai điện áp người ta có thể thực hiện theo sơ đồ hình 3-11. Khi đó điện ápđầu ra được tính:Có thể tìm K1, K2 theo phương pháp cho điện áp vào từng cửa bằng không.Cho U2 = 0 thì mạch làm việc như một bộ khuếch đại đảo. Ta có:Ura= - αα.U1 vậy K1 = ?αaKhi U1 = 0 mạch trở thành mạch khuếch đại thuận có phân áp vào. Khi đó:.Hệ số phân áp:ααb1+b9/34Mạch khuếch đại thuật toánKhi đóHệ số khuếch đạinên Ura khi có U1, U2 là :Nếu điện trở trên cả hai lối vào là như nhau tức là: αa= αb= α thì K2= α; K1 = - αVậy : Ura = α(U2- U1)Tổng quát sơ đồ vạn năng đồng thời dùng để lấy tổng và lấy hiệu của một số điện áp vàobất kỳ có thể thực hiện bằng mạch hình 3-12.10/34Mạch khuếch đại thuật toánĐể rút ra hệ thức cần thiết ta sử dụng quy tắc nút đối với cửa vào A của bộ khuếch đại.Rút ra:Tương tự đối với cửa B của mạch khuếch đại:Nếu Ua = Ub thoả mãn thêm điều kiện ∑ni = 1trên ta có:tα = ∑ α thì sau khi trừ hai biểu thứcini=1i11/34Mạch khuếch đại thuật toánMẠCH VI PHÂN, MẠCH TÍCH PHÂNMạch vi phânMạch vi phân là mạch điện áp đầu ra tỷ lệ với vi phân điện áp đầu vào, tức làUraU , trong đó K là một hệ số.d= k.VdtMạch vi phân dùng IC khuếch đại thuật toán như hình 3-13.Xem như U0 = 0, I0 = 0 nênMà Ura = -Iv.R nênUI=CV= −RC .radUVdtUdVdttrong đó k = RC = τ gọi là hằng số vi phân của mạch. Dấu (?) nói lên Ura ngược phavới Uv.Khi tín hiệu vào là hình sin thì mạch vi phân làm việc như một bộ lọc tần cao.Mạch tích phânMạch tích phân là mạch mà điện áp đầu ra tỷ lệ với tích phân điện áp đầu vào.UU dt trong đó k là hệ số.t= k∫ra0VMạch tích phân sử dụng IC khuếch đại thuật toán như hình 3-14.12/34Mạch khuếch đại thuật toánTại nút A ta có Iv = IC hay:nênỞ đây Ura0 là điện áp trên tụ C khi t = 0 (là hằng số tích phân xác định từ điều kiện banđầu).Thường khi t = 0, UV = 0 và Ura = 0 nên:τ = R.C gọi là hằng số thời gian của mạch tích phân.Khi tín hiệu vào thay đổi từng nấc, tốc độ thay đổi của điện áp ra bằng:nghĩa là ở đầu ra bộ tích phân có điện áp tăng hay giảm tuyến tính theo thời gian.Đối với tín hiệu hình sin mạch tích phân trở thành mạch lọc thông thấp.13/34Mạch khuếch đại thuật toánMẠCH SO SÁNH ĐIỆN ÁPMạch so sánh điện áp dùng IC khuếch đại thuật toán như hình 3-20. Đó là quá trìnhso sánh biên độ điện áp đưa vào với một điện áp chuẩn (Uch) có cực tính có thểdương hay âm. Thông thường điện áp chuẩn đã được xác định trước. Trong mạch hình3-20a, điện áp vào đưa tới cửa đảo còn ***SORRY, THIS MEDIA TYPE IS NOTSUPPORTED.*** ở cửa thuận.Khi UV < Uch thì U0< 0 do đó Ura = +Ura.maxKhi UV > Uch thì U0 > 0 do đó Ura= - Ura.maxKhi Ura = +Ura.max thì ta nói IC bão hoà dương.Ura = - Ura.max thì ta nói IC bão hoà âm.Về giá trị điện áp ra bão hoà thấp hơn nguồn nuôi (1? 3V) tuỳ vào từng loại ICỞ hình 3-20b điện áp vào đưa đưa tới cửa thuận còn điện áp chuẩn ở cửa đảo.UV < Uch thì Ura = - Ura.max14/34Mạch khuếch đại thuật toánUV > Uch thì Ura = +Ura.max.Khi làm việc với tín hiệu xung biến đổi nhanh cần chú ý đến tính quán tính (trễ) củaIC thuật toán. Với các IC thuật toán tiêu chuẩn hiện nay thời gian tăng của điện áp rakhoảng V/μs. Trong điều kiện tốt hơn nên sử dụng các IC chuyên dùng có tốc độ chuyểnbiến nhanh hơn như loại μA710, A110, LM310…MẠCH LỌCKhái niệm về mạch lọc tần sốMạch lọc tần số là mạch lọc lấy tín hiệu trong một hay một số khoảng tần số nào đó, cònở khoảng tần số khác lọc bỏ đi.Phân loại theo dải tần ta có mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc thôngdải và mạch lọc chặn dải.Khi biểu diễn mạch lọc tần số thông qua hệ số truyền đạt điện áp, thì có thể nói mạchlọc lý tưởng là một mạng bốn cực có môđun hệ số truyền đạt:Hình 3-21 biểu diễn hệ số truyền đạt của các mạch lọc trên, trong đó ωC là tần số cắt.Đối với mạch lọc thông dải ta có thêm khái niệm dải thông B và tần số giữa ω0 và chocả mạch lọc chặn dải. Đặc tuyến truyền đạt mạch lọc thực có dạng như hình 3-22 củamạch lọc thông thấp. Ở đây có dải thông, dải chuyển tiếp và dải chắn. ωC là tần số tạiđó K0 giảm đi √2 lần tức giảm 3dB.Yêu cầu các mạch lọc có K trong dải thông bằng phẳng, dải chuyển tiếp hẹp tức có độdốc cao và dải chắn có K rất bé.15/34Mạch khuếch đại thuật toánMạch lọc thụ động RCMạch lọc thụ động RC ta xét hai loại lọc thông thấp và thông cao. Bậc của loại mạchnày được xác định bằng cấp đạo hàm cao nhất trong hàm truyền đạt của mạch, thườngcũng chính là số phần tử tụ điện tham gia vào việc lọc tín hiệu trong mạch.Mạch lọc thông thấp bậc 1 và bậc nMạch điện như hình 3-23. Hàm truyền đạt phức của mạch là:16/34Mạch khuếch đại thuật toánvớiωC=1R.Clà tần số cắt. Khi ω = ωC tại đó |K| giảm đi √2 lần (hoặc -3dB)Với bộ lọc thụ động RC bậc n ta có:Ta thấy khi bậc càng cao, ngoài dải thông ω > ωC nên K giảm xuống càng nhanh, tấtnhiên mạch sẽ phức tạp hơn và tổn hao nhiều.Mạch lọc thông cao bậc 1 và bậc nMạch lọc thụ động RC thông cao bậc 1 như hình 3-24.Hàm truyền đạt của mạch:vớiωC=1R.Ccó:17/34Mạch khuếch đại thuật toánĐộ lớn của hàm truyền đạt:Tại ωC , K giảm √2 lần tương đương (-3dB). Khi ω Uch điện áp ra bão hòa âm.Khi uv