Bài giảng Điện tử tương tự - Chương 2: Mạch khuếch đại thuật toán - Lê Xuân Thành

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ Giảng viên: Lê Xuân Thành Điện thoại/E-mail: 01655.111.888/[email protected] Bộ môn: Lý thuyết mạch-Khoa Kỹ thuật điện tử 1 Biên soạn: Học kỳ I năm học 2009-2010 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ NỘI DUNG MÔN HỌC  Chương 1. Mạch khuếch đại bán dẫn  Chương 2. Mạch khuếch đại thuật toán  Chương 3. Mạch tạo dao động điều hòa  Chương 4. Mạch xung  Chương 5. Mạch biến đổi tần số  Chương 6. Mạch chuyển đổi A/D và D/A  Chương 7. Mạch cung cấp nguồn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 2 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 3 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ Chương 2. Mạch khuếch đại thuật toán  1. Các tính chất chung của BKĐTT  2. Mạch khuếch đại vi sai  3. Mạch khuếch đại dùng BKĐTT  4. Các phương pháp chống trôi và bù điểm không  5. Mạch cộng  6. Mạch trừ  7. Mạch vi phân, mạch tích phân  8. Mạch tạo hàm logarit và luỹ thừa  9. Mạch nhân tương tự  10. Mạch lọc tích cực GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 4 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 1. CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA BKĐTT Ura K E K +EC C 0 đầu vào T It I thuận + r - U I f 0 đ EC U Ut Đ 0 V 0 - Ura a) Đặc tuyến biên độ U -EC f đ đầu vào 0 đảo 45o - 90o Hình 2-1: Bộ khuếch đại thuật toán E C 180o Hình 2-2: Đặc tuyến truyền đạt của bộ 360o UR=K0.U0=K0(Ut-Uđ) khuếch đại thuật toán Một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng: b) Đặc tuyến pha  Trở kháng vào: ZV =  Hình 2-3: Đặc tuyến biên độ và đặc tuyến pha của bộ khuếch đại thuật toán  Trở kháng ra: Zra = 0 4 6  Hệ số khuếch đại: K0 =  (10 10 )  Một bộ khuếch đại thuật toán thường có 4 tầng ghép trực tiếp với nhau: Tầng vào là tầng khuếch đại vi sai, tiếp theo là tầng khuyếch đại trung gian (có thể là tầng đệm hay khuếch đại vi sai hai), đến tầng dịch mức và tầng khuếch đại ra. GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 5 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 2. MẠCH KHẾCH ĐẠI VI SAI Hình 2-4: Tầng khuếch đại vi sai a) Mạch nguyên lý; b) Sơ đồ đơn giản hoá GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 6 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 2. MẠCH KHẾCH ĐẠI VI SAI  Tín hiệu vào tầng vi sai có thể từ hai nguồn riêng biệt UV1 và UV2 hoặc từ một nguồn.  Điện áp một chiều cung cấp cho tầng vi sai là hai nguồn EC1 và EC2 có thể khác nhau hay bằng nhau về trị số. Vì hai nguồn nối tiếp nhau nên điện áp cung cấp tổng là EC = EC1 + EC2. GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 7 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 3. MẠCH KHUẾCH ĐẠI 3.1. Mạch khuếch đại đảo  Nếu coi IC có trở kháng vào vô cùng lớn tức ZV   thì dòng vào IC vô cùng bé I0 = 0, khi đó tại nút N có phương trình dòng điện: IV  Iht U  U U  U V 0  0 ra R1 R ht U ra U V U ra U 0   0   K R1 R ht Rht K   Zra = 0 ZV = R1 R1 GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 8 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 3. MẠCH KHUẾCH ĐẠI 2. Mạch khuếch đại thuận  Khi IC làm việc trong miền tuyến tính thì coi như: U0 = 0V.  Vậy ta có: R1 U V  U ra . R1  R ht URRR K ra 1 ht 1  ht URRV 1 1 Zra = 0 ZV =  GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 9 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG TRÔI VÀ BÙ ĐIỂM KHÔNG  Khi dùng bộ khuếch đại thuật toán để khuếch đại tín hiệu một chiều có trị số nhỏ thì các sai số chủ yếu do dòng điện tĩnh, điện áp lệch không và hiện tượng trôi gây ra.  Để giữ cho điện áp lệch không nhỏ, trong mạch khuếch đại đảo, cửa thuận không đấu trực tiếp xuống đất mà đấu qua điện trở RC. R1.R ht R C  R1  R ht GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 10 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG TRÔI VÀ BÙ ĐIỂM KHÔNG  Nếu nguồn tín hiệu có trở kháng lớn (R1//Rht lớn) thì điện áp sai số ở đầu ra chủ yếu do trôi dòng lệch không đầu vào sinh ra. Ngược lại nếu nguồn tín hiệu có trở kháng nhỏ (R1 nhỏ) thì sai số đầu ra chủ yếu do điện áp lệch không đầu vào sinh ra. Do đó khi cần khuếch đại dòng một chiều nhỏ thì chọn R1//Rht nhỏ, nếu cần khuếch đại điện áp một chiều nhỏ thì chọn R1 lớn. GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 11 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 5. MẠCH CỘNG 5.1. Mạch cộng đảo IIIIht=1 + 2 +... + n RRRht ht ht UUUUra= -( .1 + . 2 + ... + . n ) RRR1 2 n UU1 2 Un = -Rht .( + + ... + ) RRR1 2 n n = - å α i.U i i= 1 GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 12 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 5. MẠCH CỘNG 5.2. Mạch cộng thuận GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 13 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 6. MẠCH TRỪ GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 14 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 7. MẠCH VI PHÂN, MẠCH TÍCH PHÂN 7.1. Mạch vi phân GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 15 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 7. MẠCH VI PHÂN, MẠCH TÍCH PHÂN 7.2. Mạch tích phân GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 16 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 8. MẠCH TẠO HÀM LOGARIT VÀ LŨY THỪA 8.1. Mạch tạo hàm lôgarit Uak Uak IIIDSS.(exp  1)  .exp nUt mUt GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 17 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 8. MẠCH TẠO HÀM LOGARIT VÀ LŨY THỪA 8.2. Mạch tạo hàm lũy thừa Uak Uak IIIDSS.(exp  1)  .exp nUt mUt GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 18 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 9. MẠCH NHÂN TƯƠNG TỰ Z = exp(lnX + lnY) = exp(lnXY) = XY GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 19 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC  Tần số giới hạn C là tần số tại hàm truyền đạt giảm đi 3 dB so với tần số ở trung tâm.  Bậc của bộ lọc xác định độ dốc của đặc tuyến biên độ tần số ngoài giải tần. Bậc của bộ lọc được tính bằng số tụ trong mạch lọc.  Loại bộ lọc xác định dạng đặc tuyến biên độ tần số xung quanh tần số cắt và trong khu vực thông của mạch lọc: bộ lọc Bessel, bộ lọc Butteewroth và bộ lọc Tschcbyscheff. GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 20 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC KKd0 d 0 Kd() p =2 3n = 2 1+CpCpCp1 . + 2 . + 3 . + ... + Cpn .Õ (1 + apbp i . + i . )  Để tính toán các linh kiện của bộ lọc ta dựa vào loại mạch lọc, bậc của bộ lọc n và các hệ số ai, bi (i là số thứ tự các mắt lọc), fci / fc và hệ số phẩm chất Qi của mắt lọc thứ i được tra theo bảng: GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 21 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC 10.1. Mạch lọc tích cực bậc một 10.1.1. Mạch lọc thông thấp bậc một GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 22 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC 10.1. Mạch lọc tích cực bậc một 10.1.2. Mạch lọc thông cao bậc một GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 23 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC 10.2. Mạch lọc tích cực bậc hai 10.2.1. Mạch lọc thông thấp bậc hai GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 24 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC 10.2. Mạch lọc tích cực bậc hai 10.2.1. Mạch lọc thông thấp bậc hai GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 25 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC 10.2. Mạch lọc tích cực bậc hai 10.2.1. Mạch lọc thông thấp bậc hai GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 26 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC 10.2. Mạch lọc tích cực bậc hai 10.2.1. Mạch lọc thông thấp bậc hai GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 27 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC 10.2. Mạch lọc tích cực bậc hai 10.2.2. Mạch lọc thông cao bậc hai GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 28 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC 10.2. Mạch lọc tích cực bậc hai 10.2.3. Mạch lọc tích cực bậc hai thông giải GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 29 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC 10.2. Mạch lọc tích cực bậc hai 10.2.3. Mạch lọc tích cực bậc hai thông giải 10.3. Mạch lọc tích cực bậc cao  Khi cần đặc tính biên độ, tần số của bộ lọc vuông góc người ta phải thực hiện bộ lọc bậc cao. Muốn vậy mắc nối tiếp các bộ lọc bậc một và hai đã biết. Lúc đó đặc tính tần số của mạch là tích các đặc tính tần số của các mạch riêng rẽ. GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 30 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH www.ptit.edu.vn Trang 31 BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1