Các mạch tính toán, điều khiển và tạo hàm dùng khuếch đại thuật toán

1 CHÆÅNG 1 CAÏC MAÛCH TÊNH TOAÏN, ÂIÃÖU KHIÃØN VAÌ TAÛO HAÌM DUÌNG KHUÃÚCH ÂAÛI THUÁÛT TOAÏN Chæång naìy nhàòm giåïi thiãûu viãûc æïng duûng maûch khuãúch âaûi thuáût toaïn (KÂTT) trong caïc maûch khuãúch âaûi, tênh toaïn, âiãöu khiãøn, taûo haìm. Khaío saït caïc maûch cäüng, træì, nhán chia, khai càn, maûch khuãúch âaûi loga vaì âäúi loga, maûch vi, têch phán, PD,PID, maûch chènh læu chênh xaïc, maûch so saïnh tæång tæû... 1.1 Khaïi niãûm chung Hiãûn nay, caïc bäü khuãúch âaûi thuáût toaïn (KÂTT) âoïng vai troì quan troüng vaì âæåüc æïng duûng räüng raîi trong kyî thuáût khuãúch âaûi, tênh toaïn, âiãöu khiãøn, taûo haìm, taûo tên hiãûu hçnh sine vaì xung, sæí duûng trong äøn aïp vaì caïc bäü loüc têch cæûc... Trong kyî thuáût maûch tæång tæû, caïc maûch tênh toaïn vaì âiãöu khiãøn âæåüc xáy dæûng chuí yãúu dæûa trãn bäü KÂTT. Khi thay âäøi caïc linh kiãûn màõc trong maûch häöi tiãúp ta seî coï âæåüc caïc maûch tênh toaïn vaì âiãöu khiãøn khaïc nhau. Coï 2 daûng maûch tênh toaïn vaì âiãöu khiãøn : tuyãún tênh vaì phi tuyãún. Tuyãún tênh : coï trong maûch häöi tiãúp caïc linh kiãûn coï haìm truyãön âaût tuyãún tênh. Phi tuyãún : coï trong maûch häöi tiãúp caïc linh kiãûn coï haìm truyãön phi tuyãún tênh. Vãö màût kyî thuáût, âãø taûo haìm phi tuyãún coï thãø dæûa vaìo mäüt trong caïc nguyãn tàõc sau âáy : 1. Quan hãû phi tuyãún Volt - Ampe cuía màût gheïp pn cuía diode hoàûc BJT khi phán cæûc thuáûn (maûch khuãúch âaûi loga) 2. Quan hãû phi tuyãún giæîa âäü däúc cuía âàûc tuyãún BJT læåîng cæûc vaì doìng Emitå (maûch nhán tæång tæû). 3. Laìm gáön âuïng âàûc tuyãún phi tuyãún bàòng nhæîng âoaûn thàóng gáúp khuïc (caïc maûch taûo haìm duìng diode). 4. Thay âäøi cæûc tênh cuía âiãûn aïp âàût vaìo phán tæí têch cæûc laìm cho doìng âiãûn ra thay âäøi (khoaï diode, khoaï transistor). 2 1.2 Caïc maûch tênh toaïn vaì âiãöu khiãøn 1.2.1 Maûch cäüng âaío Aïp duûng quy tàõc doìng âiãûn nuït cho N ta coï : 0 R v R v... R v R v N out n inn 2 2in 1 1in =++++ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +++−=⇒ inn n N 2in 1 N 1in 1 N out vR R ...v R R v R R v 1.2.2 Maûch khuãúch âaûi âaío våïi tråí khaïng vaìo låïn Viãút phæång trçnh doìng âiãûn cho nuït N: 0 R v R v N 3 1 in =+ Maì 32 3 out3 RR Rvv += (âiãöu kiãûn RN ≥ R3) in 3 2 1 N out v)R R1( R R v +=−⇒ ⇒ hãû säú khuãúch âaûi cuía maûch : K’ = 3 2 1 N R R1( R R + ) vin1 RN vin2 vinn vout R1 R2 Rn Hçnh 1.1. Så âäö maûch cäüng âaío RN v3 R3 R2 vin vout R1 Hçnh 1.2. Så âäö maûch khuãúch âaûi âaío våïi tråí khaïng vaìo låïn 3 Træåìng håüp yãu cáöu hãû säú khuãúch âaûi låïn thç phaíi choün R1 nhoí. Luïc âoï tråí khaïng vaìo cuía maûch ZV = R1 nhoí. Coï thãø khàõc phuûc nhæåüc âiãøm âoï bàòng caïch choün R1 = RN låïn. Do âoï K’ chè coìn phuû thuäüc vaìo 3 2 R R , coï thãø tàng tyí säú naìy tuìy yï maì váùn khäng aính hæåíng âãún tråí khaïng vaìo ZV = R1 = RN cuía maûch. Våïi caïc cáúu taûo nhæ váûy coï thãø tàng thãm säú âáöu vaìo âãø thæûc hiãûn caïc maûch cäüng hoàûc maûch træì coï tråí khaïng vaìo låïn. 1.2.3 Maûch træì Âiãûn aïp åí cæía vaìo thuáûn : a RR Rvv P P P 2inP + = Âiãûn aïp åí cæía vaìo âaío : ( ) out N N N out1inN v a RR Rvvv + + −= Vç vd = vp - vN = 0 ⇒ vp = vN ⇒ vin2 . a RR R P P P + = a RR R N N N + ( vin1-vout) + vout ⇒ vout = a (vin2-vin1) (Nãúu RN = RP) 1.2.4 Maûch træì våïi tråí khaïng vaìo låïn R/n KR R Vín2 vout Vin1 Hçnh 1.4.a. Så âäö maûch træì coï mäüt ngoî vaìo tråí khaïng låïn vin2 R2 Rp vin1 vout R1 Hçnh 1.3. Så âäö maûch træì RN 4 Viãút phæång trçnh doìng âiãûn nuït cho nuït N1 vaì N2 ta coï : 0 KR vv n R v R vv NoutNN1in =−+−− Maì vN = vin2 ⇒ vin1-vin2 = nvin2 + K vv 2inout − = 0 ⇒ Kvin1 - (n + 1) Kvin2 + vout - vin2 = 0 ⇒ vout = vin2 + K(n + 1) vin2 -Kvin1 ⇒ vout = (1 + K + nK) vin2 -Kvin1 Hãû säú cuía Vin2 luän luän låïn hån hãû säú cuía Vin1 ⇒ maûch khäng taûo âæåüc âiãûn aïp ra coï daûng : K (Vin2 -Vin1). Tråí khaïng vaìo cuía cæía P låïn (Zv = rd), nãn khäng yãu cáöu nguäön vin2 coï cäng suáút låïn. Hçnh 1.4.b trçnh baìy maûch âiãûn coï tråí khaïng vaìo cuía caí hai cæía (cæía vin1 vaì vin2) âãöu låïn. Viãút phæång trçnh doìng âiãûn nuït cho N1 vaì N2 ta coï : ⎪⎪⎩ ⎪⎪⎨ ⎧ =−+−+− =−+−+− 0 R vv R vv R vv 0 R v R vv R vv 1 2in1in 2 2inout 3 2in3 2 1in 1 1in2in 3 1in3 Suy ra: vout = (1 + R2 31 31 RR R2R + )(vin2 -vin1) vin2 v3 N2 N1 R3 R1R1 R3 R2 vout vin1 Hçnh 1.4.b. Så âäö maûch træì coï hai ngoî vaìo tråí khaïng âãöu låïn 5 Ta tháúy tråí khaïng vaìo cuía caí hai cæía âãöu låïn vaì bàòng rd cuía KÂTT. Coï thãø thay âäøi âæåüc hãû säú khuãúch âaûi K’ = 1 + R2 31 31 RR R2R + khi thay âäøi R1. K = Kmin khi R1 = ∞ Luïc âoï: vout = (1 + 3 2 R R )(vin2 -vin1) Vç R2 ≠ 0, R3 ≠ ∞ nãn K’ > 1 1.2.5 Maûch taûo âiãûn aïp ra coï cæûc tênh thay âäøi Ta coï : vN = 2 vv out1in − + vout = 2 vv out1in + vP = q vin1 Vç : vP = vN ⇒ 2 vv out1in + = qvin1 ⇒ vout = (2q - 1)vin1 Khi thay âäøi tiãúp âiãøm trãn chiãút aïp R2 ta coï hãû säú cuía vout luïc dæång, luïc ám. Khi q = 1/2 ⇒ vout = 0 màûc duì vin1 ≠ 0 Khi q > 1/2 ⇒ vout vaì vin1 cuìng pha Khi q < 1/2 ⇒ vout vaì vin1 ngæåüc pha 1.2.6 Maûch têch phán âaío qR2 R2 R1 R1 vout vin1 Hçnh 1.5. Så âäö maûch taûo âiãûn aïp ra coï cæûc tênh thay âäøi iC i1 vin1 vout R Hçnh 1.6.a. Så âäö maûch têch phán âaío 6 Phæång trçnh doìng âiãûn nuït taûi N: i1 + ic = 0 hay 0dt dv C R v out1in =+ Suy ra )0t(vdt)t(vRC 1dt).t(v RC 1v t 0 out1in1inout =+−=−= ∫∫ ⇒ âiãûn aïp ra tè lãû våïi têch phán âiãûn aïp vaìo. Thæåìng choün hàòng säú thåìi gian τ = RC = 1s vout (t = 0) laì âiãöu kiãûn âáöu, khäng phuû thuäüc vaìo âiãûn aïp vaìo vin1. Nãúu vin1 laì âiãûn aïp xoay chiãöu hçnh sin: vin1 = Vin1 sinωt thç: tcosVtcos.RC V dt.tsin.V RC 1v out 1in 1inout ωωωω ==−= ∫ ⇒ biãn âäü âiãûn aïp ra tyí lãû nghëch våïi táön säú. Âàûc tuyãún biãn âäü - táön säú cuía maûch têch phán : 1in out V V = f (ω) coï âäü däúc - 20dB/decade. Maûch âæåüc goüi laì maûch têch phán trong mäüt phaûm vi táön säú naìo âoï nãúu trong phaûm vi táön säú âoï âàûc tuyãún biãn - táön cuía noï giaím våïi âäü däúc 20dB/decade. Âãø giaím aính hæåíng cuía doìng ténh It vaì âiãûn aïp lãûch khäng coï thãø gáy sai säú âaïng kãø cho maûch têch phán, åí cæía thuáûn cuía bäü KÂTT ngæåìi ta màõc thãm mäüt âiãûn tråí thay âäøi âæåüc R1 vaì näúi xuäúng masse. Âiãöu chènh R1 sao cho R1 ≅ R thç giaím âæåüc taïc duûng cuía doìng âiãûn lãûch khäng Io = IP - IN vaì âiãûn aïp lãûch khäng vo = vP - vN (khi vout = 0) R1 C R vin1 vout Hçnh 1.6.b. Maûch têch phán âaío coï biãún tråí R1 buì doìng lãûch khäng. 7 1.2.7 Maûch têch phán täøng Duìng phæång phaïp xãúp chäöng vaì viãút phæång trçnh doìng âiãûn nuït âäúi våïi nuït N ta tçm âæåüc: dt R v... R v R v C 1v n inn 2 2in 1 1in out ∫ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +++−= 1.2.8 Maûch têch phán hiãûu Viãút phæång trçnh âäúi våïi nuït N : 0 dt )vv(d .C R vv Nout N 1 N1in =−+− (1) Âäúi våïi nuït P : 0 dt dv.C R vv P P 2 P2in =−− (2) Biãún âäøi vaì cho vN = vP, R1CN = R2CP = RC (1) ⇒ vin1 - vN = - R1CN . dt dv .CR dt dv N N1 out + (2) ⇒ vin2 - vP = R2CP . dt dvP Suy ra: vin2 - vin1 = RC dt dvout CP CN vin1 vout vin2 R1 R2 Hçnh 1.8. Så âäö maûch têch phán hiãûu vin1 R1 R2 C vout RP Rn vin2 vinn Hçnh 1.7. Så âäö maûch têch phán täøng 8 ⇒ vout = ∫ − dt)vv(RC1 1in2in 1.2.9. Maûch vi phán Ta coï : i = C1 N out1in R v dt dv = ⇒ vout = - RNC1 dt dv 1in giaí thiãút: vin1 = Vin1 sinωt ⇒ vout = -RNC1ωVin1cosωt = -Voutcosωt Hãû säú khuãúch âaûi cuía maûch: K’ = 1in out V V = ωRNC1 K’ tàng theo táön säú vaì âäö thë bode coï âäü däúc 20dB/decade. Váûy : Maûch âæåüc goüi laì maûch vi phán trong mäüt phaûm vi táön säú naìo âoï nãúu trong phaûm vi táön säú âoï âàûc tuyãún biãn - táön cuía noï tàng våïi âäü däúc 20dB/decade. 1.2.10 Maûch PI (Proportional Integrated) Maûch thæåìng âæåüc sæí duûng trong caïc maûch âiãöu khiãøn. Maûch coï âiãûn aïp ra âæåüc biãøu diãùn theo daûng: vout = Avin + B ∫ dtvin AÏp duûng phæång trçnh cán bàòng doìng taûi N: i1 + iN = 0 ⇒ iN = -i1 = - vin/R1 (1) RN voutvin1 C1 Hçnh 1.9. Så âäö maûch vi phán R1 i1 iN N RN v1 C voutvin Hçnh 1.10.a. Så âäö maûch PI 9 Màût khaïc: vout = vc + v1 = NNin iRdtiC 1 +∫ (2) Thay (1) vaìo (2) ⇒ vout = - RN/R1vin - ∫ dtvCR1 in1 Giaí sæí vin = Vincosωt ⇒ )tcos(Vtsin CR VtcosV R Rv out 1 in in 1 N out Φ+=−−= ωωωω ⇒ Âàûc tuyãún biãn táön: 22 2 o 1 22 22 N 2 1 22 2 N 1in out' C 1 R 1 C 1CR R 1 C 1R R 1 V VK ω ω ω ω ω ω +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ =+=+== Âàût: CR 1 N o =ω Khi oω<<ω thç C 1 R 1K 1 ' ω≈ Suy ra âàûc tuyãún biãn âäü táön säú coï âäü däúc -20dB/decade (tæång æïng khu væûc I) Suy ra så âäö laìm viãûc nhæ mäüt maûch têch phán Khi ⇒≈⇒ω>>ω 1 N' o R R K Maûch mang tênh cháút khuãúch âaûi nhiãöu hån (tæång æïng våïi khu væûc P). Khu væûc trung gian laì khu væûc chuyãøn tiãúp. 1.2.11 Maûch PID (Proportional Integrated Differential) 'Klog 1 N R R log CR 1 N o =ω ωlog -20dB/decade I P Hçnh 1.10.b. Âàûc tuyãún biãn táön cuía maûch PI R1 iN N RN v1 C VoutVin R Hçnh 1.11.a. Så âäö maûch PID 10 PID cuîng laì maûch hay âæåüc sæí duûng trong kyî thuáût âiãöu khiãøn âãø måí räüng phaûm vi táön säú âiãöu khiãøn cuía maûch vaì trong nhiãöu træåìng håüp tàng tênh äøn âënh cuía hãû thäúng âiãöu khiãøn trong mäüt daíi táön säú räüng. Âiãûn aïp ra coï daûng: ∫ ++= dtdvCdtvBAvv inininout Tæì phæång trçnh doìng âiãûn nuït taûi N: 0i dt dvC R v N in 1 1 in =++ (1) Vaì phæång trçnh âiãûn aïp ra trãn nhaïnh ra: ∫+= dtiC1Riv NNNNout (2) Thay (1) vaìo (2): ∫ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +−= dt dt dv C R v C 1R dt dv C R v v in1 1 in N N in 1 1 in out Suy ra: dt dv CRdtv CR 1v C C R R v in1Nin NN in N 1 1 N out −−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +−= ∫ (*) * ÅÍ táön säú tháúp NN N CR 1=ω<<ω thç thaình pháön têch phán trong (*) chiãúm æu thãú. * ÅÍ táön säú cao 11 N CR 1=ω>>ω thç thaình pháön vi phán trong (*) chiãúm æu thãú. • Trong daíi: 1N ω<ω<ω thç thaình pháön khuãúch âaûi in N 1 1 N v C C R R ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + chiãúm æu thãú. Do âoï âàûc tuyãún biãn táön cuía maûch coï daûng nhæ hçnh veî: 1.3 Caïc maûch khuãúch âaûi vaì tênh toaïn phi tuyãún liãn tuûc 1.3.1 Maûch khuãúch âaûi Loga Klog ωlog I P D ωN ω1 I: têch phán P: tè lãû D: vi phán Hçnh 1.11.b. Âàûc tênh biãn táön maûch PID D vout vin R Hçnh 1.12.a. Så âäö maûch khuãúch âaûi Loga duìng Diode 11 Âãø taûo maûch khuãúch âaûi loga, màõc diode hoàûc BJI åí maûch häöi tiãúp cuía bäü KÂTT. Maûch âiãûn duìng diode (1.12.a.) coï thãø laìm viãûc täút våïi doìng âiãûn I nàòm trong khoaíng nA → mA Doìng âiãûn qua diode vaì âiãûn aïp âàût lãn diode coï quan hãû : iD = Io exp ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ T D v v Trong âoï : iD, vD : doìng âiãûn qua diode vaì âiãûp aïp âàût lãn diode. Io: doìng âiãûn ban âáöu, coï trë säú bàòng doìng qua diode æïng våïi âiãûn aïp ngæåüc cho pheïp. vT : âiãûn aïp nhiãût. Åí nhiãût âäü bçnh thæåìng thç vT= 26mV ⇒ vout ≅ - vD = - vT o D I iln = - vT o in RI vln Maûch (1.12.b.) laìm viãûc täút våïi doìng âiãûn trong khoaíng pA → mA Doìng Colectå iC phuû thuäüc vaìo âiãûn aïp Bazå - emitå theo quan hãû : iC = ANiE = ANIEbh( 1e T BE v v − ) Våïi AN: hãû säú khuãúch âaûi doìng âiãûn khi màõc Bazå chung (BC) IEbh: laì doìng âiãûn emitå åí traûng thaïi baîo hoìa. Khi 1e T BE v v − >> 0 ⇔ 1e T BE v v >> Ta coï: iC = AN IEbh T BE v v e Maì vout = - vBE vaì iC=vin/R ⇒ vout = - vT RIA vln.v IA iln EbhN in T EbhN C −= R vin vout Hçnh 1.12.b. Så âäö maûch khuãúch âaûi Loga duìng BJT 12 Maûch chè laìm viãûc våïi âiãûn aïp vaìo dæång (do mäúi näúi p-n) Muäún laìm viãûc våïi âiãûn aïp ám → thay BJT npn bàòng BJT pnp. 1.3.2 Maûch khuãúch âaûi âäúi Loga vout = - IDR = - RIo T D V V e Vç: vD = vin nãn vout = - RIo T in V V e iC = ANIEbh T BE v v e = ANIEbh T in v v e − ( Do vBE =-vin) ⇒ vout = iCR = RANIEbh T in v v e − 1.3.3 Maûch nhán duìng nguyãn tàõc khuãúch âaûi loga vaì âäúi loga D vout vin R Hçnh 1.13.a. Så âäö maûch khuãúch âaûi âäúi Loga duìng Diode R vin vout Hçnh 1.13.b. Så âäö maûch khuãúch âaûi âäúi Loga duìng Transitor ln ln Täøng KÂaûi 1/K1 exp K1ln(vx/K2) K1ln(vy/K2) K1ln(vxvy/K2 2) vZ = K3vxvy/K2 2 vx vy ln(vxvy/K2 2) Hçnh 1.14. Maûch nhán duìng nguyãn tàõc khuãúch âaûi Loga vaì âäúi Loga 13 Caïc maûch khuãúch âaûi loga vaì âäúi loga coï thãø duìng maûch nhæ âaî xeït åí muûc trãn. Coi maûch täøng coï thãø duìng mäüt khuãúch âaûi täøng KÂTT. Maûch nhán naìy coï sai säú khoaíng 0,25% âãún 1% so våïi giaï trë cæûc âaûi cuía tên hiãûu vaìo. Maûch chè laìm viãûc âæåüc våïi caïc tên hiãûu vX, vY > 0 (do tênh cháút haìm loga). Maûch nhán 4200 laì mäüt trong nhæîng maûch tiãu biãøu âæåüc chãú taûo theo nguyãn tàõc naìy. 1.3.4 Maûch luyî thæìa báûc hai Âáúu hai âáöu vaìo cuía maûch nhán våïi nhau ta seî coï maûch luîy thæìa: Luïc naìy vX = vY ⇒ vZ = K. 2Xv Giaí sæí âiãûn aïp vaìo coï daûng sin: vX = Vcosωt Thç âiãûn aïp ra: vout = K(Vcosωt)2 = 2 KV2 (1 + cos2ωt) = 2 KV2 (1 + cos2ωt) ⇒ coï thãø duìng maûch luîy thæìa báûc hai âãø nhán táön säú. 1.3.5 Maûch chia theo nguyãn tàõc nhán âaío a. Maûch chia thuáûn Ta coï taûi cæía thuáûn : vN = KvXvY vP = vZ maì vP = vN ⇒ vZ = KvXvY ⇒ vin = vY = X Z Kv v K vZvx Hçnh 1.15. Så âäö maûch luîy thæìa báûc hai Maûch nhán K>0 Kvxvy vx vZ vy = vZ/Kvx Hçnh 1.16. Så âäö maûch chia tháûn 14 b. Maûch chia âaío PTCB doìng taûi N : R v R v.K ZX + = 0 ⇒ X Z Y Kv vv −= = 0 Trong caïc biãøu thæïc trãn vZ coï thãø láúy dáúu tuìy yï, coìn vX luän luän dæång. Nãúu vX < 0thç häöi tiãúp qua bäü nhán vãö âáöu vaìo bäü KÂTT laì häöi tiãúp dæång, laìm cho maûch chuyãøn sang traûng thaïi baîo hoìa gáy meïo låïn. vX > 0 chè âuïng våïi maûch nhán thuáûn (K > 0) vX < 0 chè âuïng våïi maûch nhán âäøi dáúu (K < 0) 1.3.6 Chia maûch duìng khuãúch âaûi loga vaì âäúi loga A = K1 x z 1 2 x 1 2 z v vlnK K vlnK K vln =− vY = K3. x z x z 3 v v ln v vK v vKe x z == Âiãöu kiãûn : vZ, vX, vY : chè láúy giaï trë dæång 1.3.7 Maûch khai càn K>0 R R vx vZ Kvxvy vy Hçnh 1.17. Så âäö maûch chia âaío ln ln Hiãûu Kâaûi 1/K1 exp K1ln(vZ/K2) K1ln(vx/K2) K1ln(vZ /vx) ln(vZ /vx) Vy = K3vZ/vx vZ vx Hçnh 1.18. Maûch chia tæång tæû duìng nguyãn tàõc khuãúch âaûi Loga vaì âäúi Loga 15 Maûch khai càn âæåüc thæûc hiãûn bàòng caïch màõc vaìo maûch häöi tiãúp cuía bäü KÂTT mäüt maûch luîy thæìa. vP = 0; vN = 2 Kv 2 v 2xZ + (duìng phæång phaïp xãúp chäöng) Do : vP = vN = 0 ⇒ 2 Kv 2 v 2xZ + = 0 ⇒ K vvvv Z2out 2 Y 2 X −=== ⇒ vout = )v(K 1 Z− våïi vZ < 0 Ta coï: vZ = vN Maì vN = 2out2Y2X KvKvKv == ⇒ K vvvKv ZoutZ 2 out =⇒= våïi vZ ≥ 0 Maûch âiãûn hçnh 1.19.a chè laìm viãûc våïi âiãûn aïp vaìo vZ < 0, coìn maûch âiãûn hçnh 1.19.b thç vZ > 0. Trong træåìng håüp ngæåüc laûi thç maûch seî coï häöi tiãúp dæång laìm maûch bë keût. Âãø ngàn ngæìa ngæåìi ta màõc thãm diode (mäùi maûch mäüt diode) åí âáöu ra cuía bäü KÂTT nhæ hçnh veî. K vx= vy vZ Kvx 2 R R Hçnh 1.19.a. Maûch khai càn âaío R vx = vy vZ K Kvx 2 Hçnh 1.19.b. maûch khai càn thuáûn 16 1.4 Caïc maûch phi tuyãún khäng liãn tuûc 1.4.1 Nguyãn tàõc thæûc hiãûn caïc maûch phi tuyãún khäng liãn tuûc vaì caïc pháön tæí cå baín cuía noï Caïc pháön tæí cå baín duìng âãø taûo haìm phi tuyãún khäng liãn tuûc laì caïc bäü so saïnh tæång tæû vaì diode lyï tæåíng. Diode lyï tæåíng âæåüc cáúu taûo bàòng caïch màõc vaìo maûch häöi tiãúp cuía bäü KÂTT mäüt diode thæûc. Ta so saïnh nguyãn lyï laìm viãûc vaì sai säú trong træåìng håüp duìng diode thæûc vaì diode lyï tæåíng. vout = vin - vD - Khi vin < vng thç maûch khäng laìm viãûc, vout = 0 - Khi vin < vng thç vout ≠ 0 ⇒ maûch âiãûn duìng diode thæûc coï âiãûn aïp ngæåîng vng nãn khäng thãø laìm viãûc våïi âiãûn aïp vaìo beï âæåüc. vo = Kovd = Ko (vin -vout) vD + vout = Ko (vin -vout) våïi Ko ≥ 1 ⇒vout ≈ vin - o D K v ⇒ âiãûn aïp ngæåîng: v’ng = o ng K v R~ vout vin vD Hçnh 1.20.a. Maûch phi tuyãún khäng liãn tuûc duìng diode thæûc R ~ vout vD Hçnh 1.20.b. Maûch phi tuyãún khäng liãn tuûc duìng diode lyï tæåíng Vin 17 Våïi Ko cåî 104 ÷ 105 vaì Vng ≈ 0,6V thç maûch âiãûn naìy coï thãø chènh læu âæåüc âiãûn aïp cåî mV. 1.4.2 Maûch chènh læu chênh xaïc Âæåüc duìng chuí yãúu trong caïc bäü nguäön cung cáúp, trong caïc maïy âo. Phán loaûi maûch chènh læu: - Maûch chènh læu næía soïng. - Maûch chènh læu toaìn soïng : gäöm chènh læu cán bàòng vaì chènh læu cáöu. 1.4.2.1 Maûch chènh læu næía soïng Khi vin < 0 thç vo < 0 ⇒ D1 tàõt ⇒ vout = 0 Khi vin > 0 thç vo > 0 ⇒ D1 måí ⇒ vout = vo Màût khaïc : vN = 2 vout = vin ⇒ vout = 2 vin 1.4.2.2 Maûh chènh læu toaìn soïng duìng så âäö cáöu: (chènh læu giaï trë trung bçnh säú hoüc) Khi vin > 0 ⇒ iin = 1 in R v chaûy qua R1, diode D1, âiãûn tråí taíi (duûng cuû âo), diode D3 räöi âãún âáöu ra bäü KÂTT vaì vãö âáút. Khi vin < 0 ⇒ iin chaûy tæì âáöu ra bäü KÂTT, qua D2, qua duûng cuû âo, qua diode D4, qua R1 räöi tråí vãö âáöu vaìo. Do âoï doìng âiãûn qua duûng cuû âo bàòng: iout = R vin vout vin Hçnh 1.24. Maûch chènh læu næía soïng vin vout R D1 R v0 18 vout = vt (trãn cå cáúu âo) = vin (láúy N laìm mäúc). 1.4.2.3 Maûch chènh læu giaï trë hiãûu duûng Khi màõc thãm vaìo cæía âaío maûch näúi tiãúp R2, C2 thç ta coï mäüt maûch chènh læu giaï trë hiãûu duûng. Ta âaî biãút: ISh = ∫ ω T 0 dttsinI T 1 ISh = π=ω∫ I2dttsin T I2 2 T 0 Ihd = ∫ ωT 0 2 dt)tsinI( T 1 = I 2 I2/T T 1 = ⇒ so våïi trë trung bçnh säú hoüc thç trë hiãûu duûng låïn gáúp 22 π láön. D1 D2 D4 vin vout D3 Hçnh 1.25. Maûch chènh læu toaìn soïng duìng så âäö cáöu R1 C2 R2 D1 D1 D4 Vin Vout D3 R1 Hçnh 1.26. Maûch chènh læu giaï trë hiãûu duûng 19 Ihd = 22 I 22 1 Sh ππ = ISh Luïc âo âiãûn aïp mäüt chiãöu thç R2, C2 khäng coï taïc duûng. Luïc âo âiãûn aïp xoay chiãöu thç R2, C2 tham gia vaìo âiãûn tråí R1 dæåïi daûng R1 // R2. Âãø âäöng häö chè giaï trë hiãûu duûng thç ta phaíi coï : 22 22R22R RR RR 21 21 21 −=⇒=+ ππ R1 Tuû C2 phaíi choün sao cho tråí khaïng cuía noï âäúi våïi thaình pháön xoay chiãöu khäng âaïng kãø, nãúu khäng haû aïp trãn noï seî gáy ra sai säú âo. Giaí thiãút sai säú âo cho pheïp laì 1% æïng våïi táön säú vaìo tháúp nháút fmin bàòng caïch tênh toaïn tråí khaïng Z cuía R1 // (R2 + 1/jωC2) ta coï thãø tçm âæåüc giaï trë C2. C2 = 1minRf2 32,0 π 1.4.2.4 Maûch chènh læu giaï trë âènh Khi vin > 0 vaì vin > vc thç diode thäng vaì doìng ra cuía bäü KÂTT A1 naûp âiãûn cho tuû C cho tåïi khi bàòng âiãûn aïp cæûc âaûi cuía tên hiãûu vaìo (âiãûn aïp âènh): vc ≈ Vinmax. Nãúu sau âoï vin giaím thç D ngàõt, tuû C phoïng âiãûn qua âiãûn tråí ngæåüc cuía diode vaì taûo doìng taíi it. Nãúu âiãûn tråí ngæåüc cuía diode vaì âiãûn tråí vaìo A1 låïn ⇒ âiãûn aïp trãn tuû C laì âiãûn aïp âènh coï giaï trë äøn âënh. Nãúu âäøi chiãöu diode D thç âiãûn aïp trãn tuû C laì âiãûn aïp âènh ám A2 laì maûch làûp âiãûn aïp laìm táöng âãûm âãø tàng tråí khaïng taíi cho maûch chènh læu. iC vC A1 A2 vout vin CK D v vin vout t Hçnh 1.27. Maûch chènh læu giaï trë âènh vaì daûng soïng ra 20 Khoïa K taûo âæåìng xaî cho tuû khi cáön âo giaï trë måïi. 1.4.2.5 Maûch so saïnh tæång tæû Maûch so saïnh tæång tæû coï nhiãûm vuû so saïnh mäüt âiãûn aïp vaìo vin våïi mäüt âiãûn aïp chuáøn Vch. Tên hiãûu vaìo daûng tæång tæû seî âæåüc biãún thaình tên hiãûu ra dæåïi daûng maî nhë phán. Nghéa laì âáöu ra hoàûc åí mæïc tháúp (L) hoàûc åí mæïc cao (H). Noï laì maûch gheïp näúi giæîa ANALOG vaì DIGITAL. Âàûc âiãøm: Phán biãût giæîa bäü KÂTT thäng thæåìng våïi bäü so saïnh chuyãn duûng (maì thæûc cháút cuîng laì mäüt bäü KÂTT). - Bäü so saïnh coï täúc âäü âaïp æïng cao hån âãø thåìi gian xaïc láûp vaì phuûc häöi nhoí. - Laì KÂTT laìm viãûc åí traûng thaïi baîo hoìa nãn mæïc ra tháúp (L) vaì mæïc ra cao (H) cuía noï laì mæïc dæång vaì mæïc ám cuía nguäön. Caïc mæïc naìy phaíi tæång æïng våïi mæïc logic. 1.4.2.5.1 Âàûc tuyãún truyãön âaût ténh cuía bäü so saïnh vP - vN > 0 ⇒ vout = vRH : âiãûn aïp ra æïng våïi mæïc cao. vP - vN < 0 ⇒ vout = vRL : âiãûn aïp ra æïng våïi mæïc tháúp. 1.4.2.5.2 Âàûc tuyãún truyãön âaût thæûc vN vP vout vout vin VRH vP - vN Hçnh 1.28. Maûch so saïnh vaì âàûc tuyãún vaìo ra vP - vN vout v0 ∆v COÏ BUÌ LÃÛCH KHÄNG CHÆA BUÌ LÃÛCH KHÄNG vout vout Hçnh 1.29. Âàûc tuyãún truyãön âaût thæûc 21 ∆v: âàûc træng cho bäü nhaûy cuía bäü so saïnh vo: âiãûn aïp lãûch khäng. 1.4.2.5.3 Âàûc tênh âäüng cuía bäü so saïnh tc ≈ 10ns : goüi laì thåìi gian chãút. Sæåìn däúc cuía âàûc tuyãún ra tyí lãû thuáûn våïi biãn âäü vin. Bäü so saïnh yãu cáöu phaíi coï âäü nhaûy cao : âaïp æïng nhanh. tc nhoí vaì phaíi coï âäü däúc låïn : vuìng khuãúch âaûi beï. 1.4.2.5.4 Bäü so saïnh khäng coï trãù Hçnh a) vin = vch + Vo Hçnh b) 2 Och 1 Oin R VV R Vv −+− = IN ⇒ vin = - 2 1 R R Vch + V0 ( 1 + 2 1 R R ) + IN.R1 ⇒ vin = - 2 1 R R Vch + V0 ( 1 + 2 1 R R ) + IN.R1 Vch Vo vin vout R2 R1 Vch + Vo vin vout 1 t vin = vP - vN vout t vin = 20mV vin = 1mV tc Hçnh 1.30. Âàûc tênh âäüng cuía bäü so saïnh Hçnh 1.31. Bäü so saïnh khäng trãùø (a) (b)