Đề cương mạch điện tử I

phân bình phương trị hiệu dụng của điện áp, dòng điện tạp âm theo tần số. Hoặc: Trong đó: uta, ita là điện áp, dòng điện phổ tạp âm có thứ nguyên V/ và A/, Uta (V) và Ita (A) là trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện tạp âm trong dải tần B = fc – ft; fc, ft là tần số cao nhất và thấp nhất của dải tần tính theo Hz 7.3.2. Sơ đồ tạp âm của bộ khuếch đại. Trong một bộ khuếch đại (KĐ) nhiều tầng, có rất nhiều nguồn tạp âm. Ta coi như bộ khuếch đại không có tạp âm để tính toán, mắc ở đầu vào bộ khuếch đại một nguồn điện áp tạp âm và một nguồn dòng điện tạp âm (hình 7.7). Bằng cách đó có thể so sánh tạp âm với tín hiệu và tìm được tỷ số tín hiệu/tạp âm một cách dễ dàng. Khi ngắn mạch đầu vào bộ khuếch đại, nguồn điện áp tạp âm Uta tạo nên trên đầu ra một tạp âm bằng tạp âm bộ khuếch đại thực về biên độ và pha. Tương tự như vậy khi hở mạch đầu vào bộ khuếch đại, nguồn dòng điện tạp âm Ita1, Ita2 tạo nên trên đầu ra một tạp âm bằng tạp âm của bộ khuếch đại thực. Ảnh hưởng của tạp âm (đến công tác của bộ khuếch đại) còn phụ thuộc vào điện trở trong của nguồn tín hiệu. Lúc đó nguồn điện áp tạp âm Uta, còn thành phần tạp âm do hạ áp của dòng Ita trên điện trở trong nguồn tín hiệu. Tạp âm của bộ khuếch đại nhiều tầng chủ yếu do tầng vào quyết định. Vì vậy khi điện trở trong của nguồn tín hiệu nhỏ (<< 50 kW) thì tầng vào nên dùng transistor lưỡng cực, ngược lại nếu điện trở trong lớn thì dùng transistor trường ở tầng vào. 7.3.3. Phân tích tạp âm. Như đã phân tích ở trên, có nhiều nguyên nhân gây ra tạp âm trong bộ khuếch đại. Đại diện cho mỗi ạp am là một nguồn tap âm. Ta giả thiết các nguông tạp âm này độc lập với nhau. Trong trường hợp này coi bình phương tạp âm ở đầu ra là tổng bình phương các tạp âm đầu vào. Trong thực tế, ngay cả khi nguồn tạp âm này không hoàn toàn độc lập, thì sai số khi tính toán như vậy cũng rất nhở và có thể bỏ qua. Các bước phân tích tạp âm của một hệ thống tuyến tính. Bước 1: Cho tất cả các nguồn tín hiệu và nguồn điện áp cung cấp bằng không Bước 2: Vẽ sơ đồ tương đương xoay chiều. Bước 3: Biểu diễn mỗi tạp âm bằng một nguồn tương đương tạp âm. Bước 4: Tính điện áp phổ tạp âm utâr ở đầu ra như sau: - Tính tạp âm thành phần |utar1|, |utar2|, |utar3| của các nguồn tạp âm theo biểu thức (7.14) utari = K(f).utai (7.14) Trong đó, K(f) là hàm truyền đạt của bộ khuếch đại Khi tính toán coi như nguồn tạp âm là một đại lượng hình sin - Lập tổng bình phương các tạp âm thành phần, sẽ nhận được: Bước 5: Xác định trị hiệu dụng của điện áp tạp âm theo biểu thức (7.12) Bước 6: Xác định điện áp phổ tạp âm tương đương ở đầu vào tương ứng với điện áp tạp âm tổng ở đầu ra theo thứ tự sau: - Tính hàm truyền đạt của phần mạch mắc giữa nguồn tín hiệu vào và đầu ra. - utatđ là thương của điện áp phổ tạp âm ở đầu ra utar và trị tuyệt đối của hàm truyền đạt - Trị hiệu dụng Utatđ của điện áp tạp âm vào tương đương tính được theo biểu thức (7.12) bằng cách thay u2tar bởi u2tatđ và U2tar bởi U2tatđ. Ví dụ: yêu cầu tính điện áp tạp âm vào tương đương của sơ đồ trên hình 7.8. Giả thiết rằng các điện áp phổ tạp âm uta1 và uta2 cũng như dòng điện phổ tạp âm ita không phụ thuộc tần số (tạp âm trắng). Bước 1 đến bước 3: chuyển từ sô đồ 7.8(a)sang sơ đồ 7.8(b) Bước 4: Bước 5: Bước 6: Hàm truyền đạt giữa nguồn tín hiệu và đầu ra Do đó: Trong đó (fc – ft) là dải phổ tạp âm, tính được từ hàm truyền đạt của bộ khuếch đại K*(f). Ngoài ra khi tính tạp âm cần chú ý đến các mối quan hệ sau; +/ Điện áp tạp âm tổng của một mạch gồm n nguồn tạp âm độc lập mắc nối tiếp là căn bậc hai của tổng bình phương các điện áp tạo âm thành phần. +/ Tính trị số hiệu dụng của điện áp tạp âm với hệ số 6,6 là giá trị đỉnh của điện áp tạp âm. +/ Điện áp tạp âm của một điện trở được xác định theo biểu thức (7.20) +/ Để giữ cho tạp âm ra của bộ khuếch đại nhỏ, chọn dải tần công tác của bộ khuếch đại nhỏ vừa đủ đối với tín hiệu hữu ích và nên chọn dùng các điện trở trị số nhỏ và ít tạp âm. 7.3.4. Dải tần của tạp âm, tỷ số tín hiệu trên tạp âm, hệ số tạp âm. a/ Dải tần tương đương tạp âm Btđ là dải tần của bộ lọc thông dải lý tưởng mà trị trung bình bình phương điện áp tạp âm ở đầu ra của nó khi đặt ở đầu vào một nguồn điện áp tạp âm trắng bằng trị trung bình của hệ thống thực. Theo định nghĩa trên cho thấy điện tích A2 của hệ thống thực bằng diện tích thực A1 của bộ lọc lý tưởng trên hình (7.9). Hoặc: Trong đó: K(f) - là hệ số khuếch đại của hệ thống K0 – là hệ số khuếch đại của hệ thống ở tần số trung bình b/ Tỷ số tín hiệu trên tạp âm S/N. Mục đích của việc nghiên cứu tạp âm là để tìm cách hạn chế nó ở mức nhỏ so với tín hiệu hữu ích. Để so sánh tạp âm với tín hiệu người ta dùng tỷ số S/N và được xác định theo biểu thức (7.23): Trong đó: Pth – công suất tín hiệu Pta – công suất tạp âm Xth – Trị hiệu dụng của tín hiệu (Uth hoặc Ith) Xta - Trị hiệu dụng của tạp âm (Uta hoặc Ita) c/ Hệ số tạp âm F: hệ số tạp âm F là tỷ số S/N ở đầu vào với tỷ số S/N ở đầu ra Trong đó: Pthv – công suất tín hiệu vào. Ptav – công suất tạp âm vào. Pthr – công suất tín hiệu ra. Ptar – công suất tạp âm ra. Kp – hệ số khuếch đại công suất. Hệ số tạp âm thường được tính theo dB F[dB] = 10.logF Hệ số tạp âm thường được dùng để so sánh tạp âm của nhiều bộ khuếch đại với nhau trong cùng những điều kiện như nhau. Để giảm sự ảnh hưởng tạp âm tới tín hiệu hữu ích thì mấu chốt phải tăng tỷ số S/N. 7.3.5. Tạp âm trong bộ khuếch đại nhiều tầng. Khi có nhiều tầng khuếch đại mắc nối tiếp, thì tính chất tạp âm của cả bộ khuếch đại chủ yếu được quyết định bởi tính chất tạp âm của tầng đầu tiên. Để chứng minh ta hãy xét một bộ khuếch đại gồm hai tầng khuếch đại như hình 7.10 Ta coi bộ khuếch đại không có tạp âm. Tạp âm nội của chúng được biểu diễn bởi hai nguồn tạp âm Pta1 và pta2 ở đầu vào. Trên hình 7.10 có Pv là công suất tạp âm đưa đến đầu vào các bộ khuếch đại, còn Pta1 và Pta2 là các công suất tạp âm sinh ra trong hai tầng khuếch đại. Ta có: Ptar1 = (Pv + Pta1).Kp1 Ptar2 = (Ptar1 + Pta2).Kp2 Trong đó: Kp1, Kp2 - Là hệ số khuếch đại công suất của hai tầng khuếch đại Cũng có thể viết: Ptar2 = [(Pv + Pta1).Kp1 + Pta2].Kp2 = (Pv + Pta1).Kp1. Kp2 + Pta2.Kp2 (7.25) Chia cả hai vế của biểu thức (7.25) cho tích hệ số khuếch đại công suất Kp1. Kp2 ta có: Hai thành phần cuối của vế phải biểu thức (7.26) biểu diễn công suất tạp âm nội bộ được xét đối với đầu vào của hai tầng khuếch đại mắc nối tiếp trên hình 7.10. Từ đó ta nhận thấy công suất tạp âm của bộ khuếch đại thứ hai giảm đi Kp1 lần trong biểu tức tạp âm của toàn hệ thống. Vậy tính chất tạp âm của bộ khuếch đại chủ yếu do tầng đầu quyết định. Chương VIII: BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG 8.1. Tổng quan về vi mạch thuật toán. 8.1.1. Các tính chất cơ bản. Giữa bộ khuếch đại thuật toán và các bộ khuếch đại thông thường về cơ bản không có sự khác nhau. Cả hai loại này đều được dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện hoặc công suất. Trong khi tính chất của bộ khuếch đại thông thường phụ thuộc vào kết cấu bên trong của mạch thì tác dụng của bộ khuếch đại thuật toán có thể thay đổi được và phụ thuộc vào các linh kiện mắc ở phía ngoài. Để thực hiện được điều đó, bộ khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại rất lớn, trở kháng vào rất lớn và trở kháng ra rất nhỏ. Bộ khuếch đại thuật toán được biểu diễn trên hình vẽ. Trong đó, Ud là điện áp vào hiệu; Up, Ip là điện áp và dòng điện vào cửa thuận; UN, IN là điện áp và dòng điện vào cửa đảo; Ur, Ir là điện áp vvaf dòng điện đầu ra. Bộ khuếch đại thuật toán khuếch đại điện áp Ud = Up – UN với hệ số khuếch đại Ko>0. Do đó điện áp ra Ur = K0.Ud = K0.(Up - UN). Nếu UN = 0 thì Ur = K0.Up, lúc này điện áp ra Ur đồng pha với điện vào Up. Vì vậy người ta gọi cửa P là cửa vào không đảo của bộ khuếch đaị thuật toán và được ký hiệu bởi dấu “+” Tương tự như vậy khi Up = 0 thì Ur = -K0.UN điện áp đầu ra luôn ngược pha với điện áp đầu vào. Nên đầu vào N được gọi là đầu vào đảo của bộ khuếch đại thuật toàn và được ký hiệu bởi dấu “-”. Ngoài ra bộ khuếch đại thuật toán còn có hai cửa để đấu với một nguốn điện áp đối xứng ±Ucc và các cửa để chỉnh lệch không và bù tần số. Một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng có các tính chất sau. Trở kháng vào Zv = Trở kháng ra Zr = 0 Hệ số khuếch đại K0 = ¥ Tuy nhiên trong thực tế thì không có bộ khuếch đại tuật toán lý tưởng. Để đánh giá bộ khuếch đại thuật toán thực với bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng người ta căn cứ vào các tham số của nó. 8.1.2. Các tham số của bộ khuếch đại thuật toán. */ Hệ số khuếch đại hiệu: Ở tần số thấp, K0 = K00 thường lấy giá trị khoảng 103 đến 106 */ Đặc tính biên độ - tần số: Trong đó: fa1, fa2, fa3 là tần số giới hạn của ba khâu lọc thông thấp. */ Hệ số khuếch đại đồng pha: Nếu đặt vào cửa thuận và cửa đảo của bộ khuếch đại thuật toán các điện áp bằng nhau, nghĩa là: UP = UN = Ucm ¹0 Thì Ud = 0. Gọi Ucm là điện áp vòa đồng pha. Về lý thuyết khi Ud = 0 thì Ur = 0. Tuy nhiên thực tế không như vậy mà điện áp ra có quan hệ với điện áp vào đồng pha theo một tỷ lệ nào đó. Hệ số tỷ lệ tương ứng gọi là hệ số khuếch đại đồng pha và được ký kiệu bởi chữ Kcm */ Hệ số nén đồng pha: Để đánh giá khả năng làm việc của bộ khuếch đại thực so với bộ khuếch đại lý tưởng (Kcm = 0), người ta dùng hệ số nén đồng pha G và được tính theo biểu thức. Thường G = 103 đến 105 */ Điện trở vào hiệu, điện trở vào đồng pha và điện trở ra: - Điện trở vào hiệu. - Điện trở vào đồng pha. - Điện trở ra. */ Dòng điện tĩnh, điện áp vào lệc không - Dòng điện tĩnh: là trị trung bình của dòng vào cửa thuận và dòng vào cửa đảo Với UP = UN = 0 - Dòng vào lệch không: là hiệu các dòng tĩnh ở hai cửa của bộ khuếch đại thuật toán Với UP = UN = 0 - Điện áp vòa lệch không: khi Ur = 0 8.2.     Vi sai tổng hợp. Mạch vi sai trong thực tế thường gồm có nhiều tầng (và được gọi là mạch vi sai tổng hợp) với mục đích. - Tăng hệ số khuếch đại AVS - Giảm hệ số khuếch đại tín hiệu chung AC Do đó tăng hệ số l1. - Tạo đầu ra đơn cực để thuận tiện cho việc sử dụng cũng như chế tạo mạch khuếch đại công suất. Thường người ta chế tạo mạch vi sai tổng hợp dưới dạng IC gọi là IC thuật toán (Op - Amp _Operational Amplifier). Người ta chia một mạch vi sai tổng hợp ra thành 3 phần: Tầng đầu, các tầng giữa và tầng cuối. Tầng đầu là mạch vi sai căn bản, có thể nói đây là tầng khuếch đại lý tưởng của bộ khuếch đại tuật toán. 8.2.1 Các tầng giữa. Các tầng giữa có thể là vi sai hay đơn cực. a/ Mắc nối tiếp vi sai với vi sai: Hình 8.1 Ðể ý là tổng trở vào của tầng vi sai sau có thể làm mất cân bằng tổng trở ra của tầng vi sai trước. Tầng sau không cần dùng nguồn dòng điện. b/ Mắc vi sai nối tiếp với đơn cực: Người ta thường dùng tầng đơn cực để: - Dễ sử dụng. - Dễ tạo mạch công suất. Nhưng mạch đơn cực sẽ làm phát sinh một số vấn đề mới: - Làm mất cân bằng tầng vi sai, nên hai điện trở RC của tầng vi sai đôi khi phải có trị số khác nhau để bù trừ cho sự mất cân bằng. - Làm tăng cả AVS và AC nên (tầng đầu có thể thay đổi, do đó chỉ nên dùng tầng đơn cực ở nơi đã có thành phần chung thật nhỏ (sau hai hoặc ba tầng vi sai) Hình 8.2 8.2.2 Tầng cuối. Phải thỏa mãn các điều kiện: - Cho một tổng trở ra thật nhỏ. - Ðiện áp phân cực tại đầu ra bằng 0 V khi hai đầu vào ở 0 V. a/ Ðiều kiện về tổng trở ra: Ðể được tổng trở ra nhỏ, người ta thường dùng mạch cực collector chung (hìn 8.3). Hình 8.3 Ðể tính tổng trở ra ta dùng mạch tương đương hình 8.3(b); Trong đó RS là tổng trở ra của tầng (đơn cực) đứng trước. (8.1) b/ Ðiều kiện về điện thế phân cực: Vì các tầng được mắc trực tiếp với nhau nên điện áp phân cực đầu ra của tầng cuối có thể không ở 0 volt khi đầu vào ở 0 V. Ðể giải quyết người ta dùng mạch di chuyển điện áp (Level shifting network) gồm có: một nguồn dòng điện I và một điện trở R sao cho: E = RI. Hình 8.4 Hình 8.5 8.2.3 thí dụ minh họa. Op - Amp mpc 709 của hảng Fairchild. T1, T2: Mạch vi sai căn bản ngõ vào. T3: Nguồn dòng điện cho T1 và T2. Ðiện áp phân cực tại cực basi của T3 được xác định bởi cầu phân áp gồm T6 (mắc thành diode), điện trở 480 W và 2,4 kW. T4, T5: không phải là vi sai vì 2 chân E nối mass. T4 có nhiệm vụ ổn định điện áp tại điểm A cho T1 và T2. Hình 8.6 T5: Là tầng đơn cực chuyển tiếp giữa vi sai và tầng cuối. T7: Là mạch cực collector chung đầu tiên và T8 là mạch di chuyển điện áp với điện trở 3.4k. T9: Là mạch cực thu chung cũng là tầng cuối để đạt được tổng trở ra nhỏ. 8.3.     Mạch khuếch đại OP-AMP căn bản. Trong chương này, ta khảo sát Op - Amp ở trạng thái lý tưởng. Sau đây là các đặc tính của một Op - Amp lý tưởng: - Ðộ khuếch đại vòng hở A (open loop gain) bằng vô cùng. - Băng tần rộng từ 0 Hz đến vô cùng. - Tổng trở vào bằng vô cùng. - Tổng trở ra bằng 0. - Các hệ số l bằng vô cùng. - Khi đầu vào ở 0 V, đầu ra luôn ở 0 V. Ðương nhiên một Op - Amp thực tế không thể đạt được các trạng thái lý tưởng như trên. Hình 8.7 Từ các đặc tính trên ta thấy: . - Zi ® ¥ nên không có dòng điện chạy vào Op - Amp từ các đầu vào. - Z0 ® 0 W nên đầu ra v0 không bị ảnh hưởng khi mắc tải. - Vì A rất lớn nên phải dùng Op - Amp với hồi tiếp âm. Với hồi tiếp âm, ta có hai dạng mạch khuếch đại căn bản sau: 8.3.1 Mạch khuếch đại đảo. Dạng mạch căn bản. Hình 8.8 (8.2) Nhận xét: - Khi Zf và Zi là điện trở thuần thì v0 và vi sẽ lệch pha 1800 (nên được gọi là mạch khuếch đại đảo và đầu vào (-) được gọi là đầu vào đảo). - Zf đóng vai trò mạch hồi tiếp âm. Zf càng lớn (hồi tiếp âm càng nhỏ) hệ số khuếch đại của mạch càng lớn. - Khi Zf và Zi là điện trở thuần thì Op - Amp có tính khuếch đại cả điện áp một chiều. 8.3.2 Mạch khuếch đại không đảo. Dạng mạch căn bản. Hình 8.9 Suy ra: (8.3) Nhận xét: - Zf, Zi có thể có bất kỳ dạng nào. - v0 và vi cũng có thể có bất kỳ dạng nào. - Khi Zf, Zi là điện trở thuần thì đầu ra v0 sẽ có cùng pha với đầu vào vi (nên mạch được gọi là mạch khuếch đại không đảo và đầu vào (+) được gọi là đầu vào không đảo). - Zf cũng đóng vai trò hồi tiếp âm. Ðể tăng hệ số khuếch đại điện áp AV, ta có thể tăng Zf hoặc giảm Zi. - Mạch khuếch đại cả tín hiệu một chiều khi Zf và Zi là điện trở thuần. Mạch cũng giữ nguyên tính chất không đảo và có cùng công thức với trường hợp của tín hiệu xoay chiều. - Khi Zf = 0, ta có: AV = 1 Þ v0 = vi hoặc Zi = ¥ ta cũng có AV = 1 và v0 = vi (hình 7.10). Lúc này mạch được gọi là mạch “voltage follower” thường được dùng làm mạch đệm (buffer) vì có tổng trở vào lớn và tổng trở ra nhỏ như mạch cực collector chung ở BJT. Hình 8.10 8.3.3 OP-AMP phân cực bằng nguồn đơn. Phần trên là các đặc tính và 2 mạch khuếch đại căn bản được khảo sát khi Op - Amp được phân cực bằng nguồn đối xứng. Thực tế, để tiện trong thiết kế mạch và sử dụng, khi không cần thiết thì Op - Amp được phân cực bằng nguồn đơn. Lúc bấy giờ chân nối với nguồn âm (-VCC) được nối mass. Hai dạng mạch khuếch đại căn bản như sau: Hình 8.11 Người ta phải phân cực một đầu vào (thường là đầu vào không đảo (+)) để điện áp phân cực ở hai đầu vào lúc này là VCC/2 và điện áp phân cực ở đầu ra cũng là VCC/2. Hai điện trở R phải được chọn khá lớn để tránh làm giảm tổng trở vào của Op - Amp. Khi đưa tín hiệu vào phải qua tụ ghép nối (C2 trong mạch) để không làm lệch điện áp phân cực. Như vậy, khi phân cực bằng nguồn đơn, Op - Amp mất tính chất khuếch đại tín hiệu một chiều. Trong hình 8.11a, mạch khuếch đại đảo, C1 là tụ lọc điện áp phân cực ở đầu vào không đảo (+). Trong hình 8.11(b), mạch khuếch đại không đảo, C1 dùng để tạo hồi tiếp xoay chiều cho mạch và giữ điện áp phân cực ở đầu vào đảo (-) là VCC/2. Hệ số khuếch đại của mạch vẫn không đổi. 8.4.     Một số ứng dụng của OP-AMP. 8.4.1 Mạch làm toán. Ðây là các mạch điện tử đặc biệt trong đó sự liên hệ giữa điện áp đầu vào và đầu ra là các phương trình toán học đơn giản. a/ Mạch cộng: Hình 8.12 (8.5) (8.4) Tín hiệu ngõ ra bằng tổng các tín hiệu ngõ vào nhưng ngược pha. Ta chú ý là vi là một điện thế bất kỳ có thể là một chiều hoặc xoay chiều. b/ Mạch trừ: Ta có 2 cách tạo mạch trừ. * Trừ bằng phương pháp đổi dấu: Ðể trừ một số, ta cộng với số đối của số đó. Hình 8.13 v2 đầu tiên được làm đảo rồi cộng với v1. Do đó theo mạch ta có: (8.6) Như vậy tín hiệu ở đầu ra là hiệu của 2 tín hiệu đầu vào nhưng đổi dấu. * Trừ bằng mạch vi sai: Dạng cơ bản Hình 8.14 Thay trị số của vm vào biểu thức trên ta tìm được: (8.7) (8.8) c/ Mạch tích phân: Dạng mạch Dòng điện đầu vào: Hình 8.15 (8.9) (8.10) * Hai vấn đề thực tế: - Ðiều kiện ban đầu hay hằng số tích phân: Dạng mạch căn bản Hình 8.17 số thấp. Như vậy khi có Rf, mạch chỉ có tính tích phân khi tần số của tín hiệu f thỏa mãn: , Rf không được quá lớn vì sự hồi tiếp âm sẽ yếu. d/ Mạch vi phân: Dạng mạch Hình 8.18 Vấn đề thực tế: giảm tạp âm. Mạch đơn giản như trên ít được dùng trong thực tế vì có đặc tính khuếch đại tạp âm ở tần số cao, đây là do độ khuếch của toàn mạch Ġ tăng theo tần số. Ðể khắc phục một phần nào, người ta mắc thêm một điện trở nối tiếp với tụ C ở đầu vào như hình 7.19. Hình 8.19 8.4.2 Mạch so sánh. a/ Ðiện thế ngõ ra bảo hòa: Ta xem mạch hình 8.20 Hình 8.20 Trong đó A là độ lợi vòng hở của Op - Amp. Vì A rất lớn nên theo công thức trên v0 rất lớn. Khi Ed nhỏ, v0 được xác định. Khi Ed vượt quá một trị số nào đó thì v0 đạt đến trị số bão hòa và được gọi là VSat. Trị số của Ed tùy thuộc vào mỗi Op - Amp và có trị số vào khoảng vài chục mV. - Khi Ed âm, mạch đảo pha nên v0 = -VSat - Khi Ed dương, tức v1 > v2 thì v0 = +VSat. Ðiện áp đầu ra bão hòa thường nhỏ hơn điện áp nguồn từ 1 V đến 2 V. Ðể ý là |+VSat| có thể khác |-VSat|. Như vậy ta thấy điện thế Ed tối đa là: b/ Mạch so sánh mức 0: (tách mức zéro) * So sánh mức zero không đảo Hình 8.21 Hình 8.22 Hình 8.22 * Mạch so sánh mức zéro đảo: Hình 8.23 Hình 8.24 c/Mạch so sánh với 2 ngõ vào có điện thế bất kỳ: * So sánh mức dương đảo và không đảo: - So sánh mức dương không đảo: Hình 8.26 Hình 8.25 - So sánh mức dương đảo: Hình 8.28 Hình 8.27 * So sánh mức âm đảo và không đảo: Hình 8.30 Hình 8.29 - So sánh mức âm đảo: Hình 8.32 Hình 8.31 d/ Mạch so sánh với hồi tiếp dương: * Mạch đảo: Hình 8.33 tiếp dương nên v0 luôn luôn ở trạng thái bão hòa. Tùy theo mức tín hiệu vào mà v0 giao hoán ở một trong hai trạng thái +VSat và -VSat. (8.11) Nếu ta tăng Ei từ từ, ta nhận thấy: Khi Ei<Vref thì v0=+VSat Khi Ei>Vref thì v0=-VSat Trị số của Ei = Vref = b.(+VSat) làm cho mạch bắt đầu đổi trạng thái được gọi là điểm lật trạng thái trên (upper trigger point). VUTP = b.(+VSat) (8.12) Bây giờ nếu ta giảm Ei từ từ, chú ý là lúc này v0 = -VSat và Vref = β(-VSat), ta thấy khi Ei < β(-VSat) thì v0 chuyển sang trạng thái +VSat. Trị số của Ei lúc này: Ei = Vref = β(-VSat) được gọi là điểm lật trạng thái dưới. Như vậy chu trình trạng thái của mạch như hình 7.34. Người ta định nghĩa: VH = (Hysteresis) = VUTP-VLTP VH = b{(+VSat)-(-VSat)] (8.13) Nếu |+VSat| = |-VSat|ÞVH = |2b.VSat| Hình 8.34 * Mạch không đảo: Dạng mạch Hình 8.35 - Bây giờ nếu ta giảm Ei (v0 đang là +VSat), khi VA bắt đầu nhỏ hơn Vref = 0V thì v0 đổi trạng thái và bằng -VSat. Trị số của Ei lúc này gọi là lật trạng thái dưới VLTP. Hình 8.36 Tính VUTP và VLTP (8.14) - Khi giảm Ei từ trị số dương dần xuống, lúc này v0 = +VSat nên: (8.16) (8.15) e/ Mạch so sánh trong trường hợp 2 đầu vào có điện áp bất kỳ với hồi tiếp dương: *Dùng mạch không đảo: Dạng mạch Hình 8.37 (8.17) Khi VA = Vref thì mạch đổi trạng thái (v0 đổi thành +VSat), trị số của Ei lúc này gọi là điểm lật trạng thái trên VUTP. Từ (8.17) ta tìm được: (8.19) (8.18) bằng Vref thì mạch sẽ đổi trạng thái, trị số của Ei lúc này gọi là điểm lật trạng thái dưới VLTP. Tương tự như trên ta tìm được: (8.21) (8.22) (8.20) nếu |+Vsat| = |-VSat| * Dùng mạch đảo: Dạng mạch căn bản như hình 8.38 Hình 8.38 đó, cũng là trị số của VA, gọi là điểm lật trạng thái trên VUTP. (8.23) Nếu ta giảm Ei từ từ, đến khi Ei = VA mạch sẽ đổi trạng thái (v0 = -VSat) và Ei = VA lúc đó có trị số là VLTP (điểm lật trạng thái dưới). (8.24) 8.4.3. Mạch lọc tích cực. Có 4 loại mạch chính: - Mạch lọc thông thấp. - Mạch lọc thông cao. - Mạch lọc thông dải. - Mạch lọc chặc dải. a/ Mạch lọc thông thấp (Low pass Filter-LPF) * Mạch lọc thông thấp căn bản: Dạng mạch Hình 8.39 (8.25) (8.26) Nếu ta chọn R2 = R1 thì |AV0| = 1 Ðáp tuyến tần số có độ dốc -20dB/dec vì khi tần số tăng lên 10 lần thì độ khuếch đại giảm đi 10 lần (tức -20dB). Người ta hay dùng mạch voltage follower để làm mạch lọc như hình 8.41. Ðây là mạch khuếch đại không đảo, nhưng do không có điện trở nối mass ở đầu vào (-) nên độ khuếch đại bằng +1. Người ta thường chọn Rf = R để giảm dòng offset. Hình 8.41 Hình 8.40 * Mạch lọc thông thấp-40dB/dec: Trong nhiều ứng dụng, ta cần phải giảm nhanh độ khuếch của mạch khi tần số vượt quá tần số cắt, có nghĩa là độ dốc của băng tần phải lớn hơn nữa. Ðó là mục đích của các mạch lọc bậc cao. Dạng mạch Hình 8.42 Nếu chọn C2 = 2C1, ta có: (8.27) Ở mạch này độ khuếch đại sẽ giảm đi 40 dB khi tần số tăng lên 10 lần (độ khuếch đại giảm đi 100 lần khi tần số tăng lên 10 lần). Hình 8.43 (8.27) * Mạch lọc thông thấp -60dB/dec: Ðể đạt được độ dốc hơn nữa - gần với lý tưởng, người ta dùng mạch lọc -20dB/dec mắc nối tiếp với mạch lọc -40dB/dec để được độ dốc -60dB/dec (độ khuếch đại giảm đi 60dB khi tần số tăng lên 10 lần-góc pha tại tần số cắt là -1350). Dạng mạch căn bản như hình 8.44 Hình 8.44 (8.28) Hình 8.45 b/ Mạch lọc thông cao (high-pass filter) Ðây là một mạch mà độ lợi của mạch rất nhỏ ở tần số thấp cho đến một tần số nào đó (gọi là tần số cắt) thì tín hiệu mới qua được hết. Như vậy tác dụng của mạch lọc thông cao ngược với mạch lọc hạ thông. * Mạch lọc thông cao 20dB/dec: Dạng mạch như hình 8.46 Ðây là mạch voltage follower nên AV = 1. Do điện thế đầu ra v0 bằng với điện áp 2 đầu điện trở R nên: Hình 8.46 Khi tần số cao, tổng trở của tụ điện không đáng kể nên AV0 = v0/vi = 1. Khi tần số giảm dần, đến lúc nào đó độ khuếch đại bắt đầu giảm. Tần số mà tại đó độ khuếch đại giảm còn 0.707 AV0 gọi là tần số cắt. Lúc đó ta có: (8.29) Ta cũng có thể dùng mạch như hình 8.48 Hình 8.47 Hình 8.48 * Mạch lọc thông cao 40dB/dec: Dạng mạch Hình 8.49 Do là mạch voltage follower nên điện thế 2 đầu R1 chính là v0. Ta có: (8.30) * Mạch lọc thông cao 60dB/dec Người ta dùng 2 mạch 40dB/dec và 20dB/dec nối tiếp nhau để đạt được độ dốc 60dB/dec. Hình 8.50 Chọn C1=C2=C3=C; Tại tần số cắt: (8.31) c/ Mạch lọc thông dải: (band pass filter) Ðây là một mạch mà ở đầu ra chỉ có một dải tần giới hạn nào đó trong toàn bộ dải tần của tín hiệu đưa vào đầu vào. Hình 8.51 Với mạch này điện áp đầu ra v0max đạt đến trị số tối đa ở một tần số nào đó gọi là tần số cộng hưởng wr. Khi tần số khác với tần số cộng hưởng, độ khuếch đại giảm dần. Tần số thấp hơn wr làm độ khuếch đại giảm đi còn 0,707.v0max gọi là tần số ngắt thấp wL và tần số cao hơn wr làm độ khuếch đại giảm còn 0,707.v0max gọi là tần số ngắt cao wh. Băng thông được định nghĩa: B = wH - wL Khi B 0,1.wr được gọi là mạch lọc dải thông băng tần rộng. * Mạch lọc dải thông băng tần hẹp Dạng mạch Hình 8.52 Tại tần số cộng hưởng wr: (8.32) Từ phương trình (a) ta tìm được: (8.33) (8.34) * Mạch lọc thông dải băng tần rộng Thông thường để được một mạch dải thông băng tần rộng, người ta dùng hai mạch lọc thông thấp và thông cao mắc nối tiếp nhau nhưng phải thỏa mãn điều kiện tần số cắt w2 của mạch lọc thông thấp phải lớn hơn tần số cắt w1 của mạch lọc thông cao. Hình 8.53 Hình 8.54 8.54 Ta tìm được 2 tần số cắt là: Phải chọn R1, R2, C1, C2 sao cho w1 < w2. d/Mạch lọc chặn dải: (Notch Filter) Ðây là mạch dùng để lọc bỏ một dải tần số nào đó trong toàn bộ dải tần. Mạch thường được dùng để lọc bỏ các nhiễu do một bộ phận nào đó trong mạch tạo ra thí dụ như tần số 50Hz, 60Hz hay 400Hz của môtơ. Có rất nhiều dạng mạch lọc chặn dải, thông dụng nhất là mắc 2 mạch thông thấp và thông cao song song với nhau hoặc có thể dùng mạch như hình 8.58. Hình 8.56 Hình 8.57 Hình 8.55 Bài tập cuối chương. Chương IX: MẠCH KHUẾCH ÐẠI CÔNG SUẤT (Power Amplifier) Mạch khuếch đại công suất là tầng khuếch đại cuối cùng được mắc với tải tiêu thụ, có nhiệm vụ tạo ra một công suất đủ lớn để cung cấp cho tải. Công suất ra có thể từ vài trăm mW đến vài trăm Watt. Như vậy mạch công suất làm việc với biên độ tín hiệu lớn ở đầu vào, do đó ta không thể dùng mạch tương đương tín hiệu nhỏ để khảo sát như trong các chương trước mà thường dùng phương pháp đồ thị. Tùy theo chế độ làm việc của transistor, người ta thường phân mạch khuếch đại công suất ra thành các loại chính như sau: - Khuếch đại công suất chế độ A: Tín hiệu được khuếch đại gần như tuyến tính, nghĩa là tín hiệu đầu ra thay đổi tuyến tính trong toàn bộ chu kỳ 360o của tín hiệu đầu vào (Transistor hoạt động cả hai nửa chu kỳ của tín hiệu đầu vào). - Khuếch đại công suất chế độ AB: Transistor được phân cực ở gần vùng ngắt. Tín hiệu đầu ra thay đổi hơn một nữa chu kỳ của tín hiệu vào (Transistor hoạt động hơn một nửa chu kỳ - dương hoặc âm - của tín hiệu đầu vào). - Khuếch đại công suất chế độ B: Transistor được phân cực tại VBE = 0 (vùng ngắt). Chỉ một nửa chu kỳ nhất định tín hiệu đầu vào được khuếch đại. - Khuếch đại công suất chế độ C: Transistor được phân cực trong vùng ngắt để chỉ một phần nhỏ hơn nửa chu kỳ của tín hiệu đầu vào được khuếch đại. Mạch này thường được dùng khuếch đại công suất ở tần số cao với tải cộng hưởng và trong các ứng dụng đặc biệt. Hình 9.1 mô tả việc phân loại các mạch khuếch đại công suất. Hình 9.1. Mạch khuếch đại công suất chế độ A, AB, B và C. 9.1. Mạch khuếch đại công suất chế độ A. Nội dung cần nghiên cứu trong phần này: - Khảo sát chế độ tĩnh (khảo sát phân cực).. - Khảo sát xoay chiều. - Khảo sát công suất. Mạch phân cực cố định như hình 9.2 là mô hình của một mạch khuếch đại công suất chế độ A đơn giản. Khảo sát phân cực: Khảo sát xoay chiều: Khi đưa tín hiệu vi vào đầu vào (hình 9.2), dòng IC và điện áp VCE (tín hiệu ra) sẽ thay đổi quanh điểm làm việc tĩnh Q. Với tín hiệu đầu vào nhỏ (hình 9.4), vì dòng điện cực base thay đổi rất ít nên dòng điện IC và điện áp VCE ở đầu ra cũng thay đổi ít quanh điểm làm việc tĩnh Q. Khi tín hiệu đầu vào lớn, đầu ra sẽ thay đổi rất lớn quanh điểm làm việc tĩnh. Dòng IC có thể sẽ thay đổi quanh giới hạn 0 mA và VCC/RC. Ðiện áp VCE cũng có thể thay đổi giữa hai giới hạn 0 V và nguồn VCC (hình 9.5). Khảo sát công suất: - Công suất cung cấp được định nghĩa: Pi(dc) = VCC.ICQ (9.1) - Công suất đầu ra lấy trên tải, trong trường hợp này là RC, được định nghĩa: * Nếu tính theo điện áp đỉnh và dòng điện đỉnh: * Nếu tính theo điện áp và dòng điện đỉnh- đỉnh (peak to peak):                      . Hiệu suất tối đa: Ta thấy trong mạch công suất chế độ A, VCE có thể thay đổi tối đa: VCE(p-p)max = VCC Dòng IC thay đổi tối đa: IC(p-p)max = VCC/RC Công suất ra tối đa: 9.2. Mạch khuếch đại công suất chế độ A dùng biến áp. Mạch cơ bản có dạng như hình 9.6 Biến áp sẽ làm tăng hoặc giảm điện thế hay dòng điện (tín hiệu xoay chiều) tùy vào số vòng quấn của cuộn sơ cấp và thứ cấp. Ở đây ta xem biến áp như lý tưởng nghĩa là truyền 100% công suất. Nếu gọi N1, N2, v1, v2, I1, I2 lần lượt là số vòng quấn, điện áp tín hiệu xoay chiều, dòng điện tín hiệu xoay chiều của cuộn sơ cấp và thứ cấp. Ta có: Như vậy có thể xem như điện trở tải phản chiếu qua cuộn sơ cấp là: Ðường tải tĩnh của bộ khuếch đại: Nếu ta xem biến áp lý tưởng, nghĩa là nội trở bằng 0 Ω. Như vậy không có điện áp một chiều giảm qua cuộn sơ cấp nên VCEQ = VCC. Do đó đường tải tĩnh là đường thẳng song song với trục tung IC và cắt trục hoành VCE tại điểm có trị số bằng VCC. Giao điểm của đường tải tĩnh và đặc tuyến ra ứng với giá trị IB tương ứng là điểm làm việc tĩnh Q. Ở chế độ xoay chiều, điện trở tải nhìn từ cuộn sơ cấp là R’L nên đường tải động bây giờ.                       Hiệu suất: Công suất cung cấp là: Pi(dc) = VCC . ICQ Công suất tiêu tán trong biến áp và transistor công suất là: PQ = Pi(dc) - Po(ac) Hiệu suất của mạch được định nghĩa: 9.3. Khảo sát mạch khuếch đại công suất chế độ B. Trong mạch khuếch đại công suất chế độ B, người ta phân cực với VB = 0V nên bình thường transistor không dẫn điện và chỉ dẫn điện khi có tín hiệu đưa vào đầu vào bộ khuếch đại đủ lớn. Do phân cực như thế nên transistor chỉ dẫn điện được ở một nửa chu kỳ của tín hiệu (nửa chu dương hay âm tùy thuộc vào transistor npn hay pnp). Do đó muốn nhận được cả chu kỳ của tín hiệu ở đầu ra người ta phải dùng 2 transistor, mỗi transistor dẫn điện ở một nữa chu kỳ của tín hiệu. Mạch này gọi là mạch khuếch đại công suất đẩy kéo (push-pull). Công suất cung cấp: (công suất vào) Ta có: Pi(dc) = VCC . IDC Trong đó IDC là dòng điện trung bình cung cấp cho mạch. Do dòng tải có đủ cả hai nửa chu kỳ nên nếu gọi IP là dòng điện đỉnh qua tải ta có: Công suất ra: Công suất ra lấy trên tải RL có thể được tính: Công suất tiêu tán trong transistor công suất: Tiêu tán trong 2 transistor: P2Q = Pi(dc) - Po(ac) Vậy công suất tiêu tán trong mỗi transistor công suất: Công suất tiêu tán tối đa của 2 transistor công suất không xảy ra khi công suất đầu vào tối đa hay công suất đầu ra tối đa. Công suất tiêu tán sẽ tối đa khi điện áp ở hai đầu tải là: 9.4. Dạng mạch khuếch đại công suất chế độ B. Trong phần này ta khảo sát một số dạng mạch công suất loại B thông dụng. Tín hiệu vào có dạng hình sin sẽ cung cấp cho 2 tầng công suất khác nhau. Nếu tín hiệu vào là hai tín hiệu sin ngược pha, 2 tầng công suất giống hệt nhau được dùng, mỗi tầng hoạt động ở một nửa chu kỳ của tín hiệu. Nếu tín hiệu vào chỉ có một tín hiệu sin, phải dùng 2 transistor công suất khác loại: một npn hoạt động ở nửa chu kỳ dương và một pnp hoạt động ở nửa chu kỳ âm. Ðể tạo được 2 tín hiệu ngược pha ở đầu vào (nhưng cùng biên độ), người ta có thể dùng biến áp có điểm giữa (biến áp đảo pha), hoặc dùng transistor mắc thành mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại điện bằng 1 hoặc dùng Op-Amp mắc theo kiểu voltage-follower như diễn tả bằng các sơ đồ sau: 9.4.1. Mạch công suất nghép bằng biến áp. Dạng mạch cơ bản như sau: - Trong nửa chu dương của tín hiệu, Q1 dẫn. Dòng i1 chạy qua biến áp đầu ra tạo cảm ứng cấp cho tải. Lúc này pha của tín hiệu đưa vào Q2 là âm nên Q2 không dẫn. - Ðến nửa chu kỳ kế tiếp, tín hiệu đưa vào Q2 có pha dương nên Q2 dẫn. Dòng i2 qua biến áp đầu ra tạo cảm ứng cung cấp cho tải. Trong lúc đó pha tín hiệu đưa vào Q1 là âm nên Q1 không dẫn. Chú ý là i1 và i2 chạy ngược chiều nhau trong biến áp đầu ra nên điện áp cảm ứng bên cuộn thứ cấp tạo ra bởi Q1 và Q2 cũng ngược pha nhau, chúng kết hợp với nhau tạo thành cả chu kỳ của tín hiệu. Thực tế, tín hiệu đầu ra lấy được trên tải không được trọn vẹn như trên mà bị biến dạng. Lý do là khi bắt đầu một nửa chu kỳ, transistor không dẫn điện ngay mà phải chờ khi biên độ vượt qua điện áp ngưỡng VBE. Sự biến dạng này gọi là sự biến dạng xuyên tâm (cross-over). Ðể khắc phục, người ta phân cực VB dương một chút (thí dụ ở transistor npn) để transistor có thể dẫn điện tốt ngay khi có tín hiệu áp vào chân B. Cách phân cực này gọi là phân cực loại AB. Chú ý là trong cách phân cực này độ dẫn điện của transistor công suất không đáng kể khi chưa có tín hiệu Ngoài ra, do hoạt động với dòng IC lớn, transistor công suất dễ bị nóng lên. Khi nhiệt độ tăng, điện áp ngưỡng VBE giảm (transistor dễ dẫn điện hơn) làm dòng IC càng lớn hơn, hiện tượng này chồng chất dẫn đến hư hỏng transistor. Ðể khắc phục, ngoài việc phải tản nhiệt đầy đủ cho transistor, người ta mắc thêm một điện trở nhỏ (thường là vài W) ở hai chân E của transistor công suất xuống mass. Khi transistor chạy mạnh, nhiệt độ tăng, IC tăng tức IE tăng, làm VE tăng dẫn đến VBE giảm. Kết quả là transistor dẫn yếu trở lại. Ngoài ra, người ta thường mắc thêm một điện trở nhiệt có hệ số nhiệt âm (thermistor) song song với R2 để giảm bớt điện thế phân cực VB bù trừ khi nhiệt độ tăng. 9.4.2. Mạch công suất đối xứng. Mạch chỉ có một tín hiệu ở đầu vào nên phải dùng hai transistor công suất khác loại: một npn và một pnp. Khi tín hiệu áp vào cực basi của hai transistor, nửa chu kỳ dương làm cho transistor npn dẫn điện, nửa chu kỳ âm làm cho transistor pnp dẫn điện. Tín hiệu nhận được trên tải là cả chu kỳ. Cũng giống như mạch dùng biến áp, mạch công suất không dùng biến áp mắc như trên vấp phải sự biến dạng (cross-over) do phân cực chân B bằng 0 V. Ðể khắc phục, người ta cũng phân cực mồi cho các chân B một điện áp nhỏ (dương đối với transistor npn và âm đối với transistor pnp). Ðể ổn định nhiệt, ở 2 chân E cũng được mắc thêm hai điện trở nhỏ. Trong thực tế, để tăng công suất của mạch, người ta thường dùng các cặp Darlington hay cặp Darlington_cặp hồi tiếp như được mô tả ở hình 9.18 và hình 9.19. 9.4.3. Khảo sát vài mạch thực tế. Trong phần này, ta xem qua hai dạng mạch rất thông dụng trong thực tế: mạch dùng transistor và dùng Op-Amp làm tầng khuếch đại điện thế. 9.4.3.1 Mạch công suất với tầng khuếch đại điện áp là transistor: Mạch có dạng cơ bản như hình 9.20 Các đặc điểm chính: - Q1 là transistor khuếch đại điện áp và cung cấp tín hiệu cho 2 transistor công suất. - D1 và D2 ngoài việc ổn định điện áp phân cực cho 2 transistor công suất (giữ cho điện áp phân cực giữa 2 chân B không vượt quá 1,4 V) còn có nhiệm vụ làm đường liên lạc cấp tín hiệu cho Q2 (D1 và D2 được phân cực thuận). - Hai điện trở 3,9 (để ổn định hoạt động của 2 transistor công suất về phương diện nhiệt độ. - Tụ 47 mF tạo hồi tiếp dương cho Q2, mục đích nâng biên độ của tín hiệu ở tần số thấp (thường được gọi là tụ Boostrap). - Việc phân cực Q1 quyết định chế độ làm việc của mạch công suất. 9.4.3.2 Mạch công suất với tầng khuếch đại điện áp là Op - Amp. Một mạch công suất dạng AB với Op-Amp được mô tả như hình 9.21: - Biến trở R2: dùng chỉnh điện áp offset đầu ra (chỉnh sao cho đầu ra bằng 0 V khi không có tín hiệu vào). - D1 và D2 phân cực thuận nên: VB1= 0,7 V VB2= - 0,7 V - Ðiện áp VBE của 2 transistor công suất thường được thiết kế khoảng 0,6 V. Nghĩa là độ sụt giảm điện áp qua điện trở 10 W là 0,1 V. - Một cách gần đúng dòng qua D1 và D2 là: Như vậy ta thấy không có dòng điện phân cực chạy qua tải. - Dòng điện cung cấp tổng cộng: In = I1 + I + IC = 1,7 + 9,46 + 10 = 21,2 mA (khi chưa có tín hiệu, dòng cung cấp qua op-amp 741 là 1,7 mA -nhà sản xuất cung cấp). - Công suất cung cấp khi chưa có tín hiệu: Pin (standby) = 2VCC.In (standby) = (12 V)(21,2) = 254 mw - Hệ số khuếch đại điện áp của mạch: - Dòng điện qua tải: - Ðiện áp đỉnh qua tải: Vo(p) = 0,125 . 8 = 1 V - Khi Q1 dẫn (nửa kỳ dương của tín hiệu), điện áp đỉnh tại chân B của Q1 là: VB1(p) = VE1(p) + 0.7 V = 2,25 + 0,7 = 2,95 V - Ðiện áp tại đầu ra của Op-Amp: V1 = VB1 - VD1 = 2.95 – 0,7 = 2,25 V - Tương tự khi Q2 dẫn: VB2(p) = VE2(p) - 0.7 V = -2,25 - 0.7 = -2,95 V - Ðiện áp tại đầu ra Op-Amp: V1 = VB2(p) + VD2 = -2.95 + 0,7 = -2,25 V - Khi Q1 ngưng (Q2 dẫn) VB1 = V1 + VD1 = -2.25 + 0,7 = -1,55 V - Tương tự khi Q1 dẫn (Q2 ngưng) VB2 = V1 - VD2 = 2,25 – 0,7 = 1,55 V - Dòng bảo hòa qua mỗi transistor: - Ðiện áp Vo tối đa: Vo(p) max = 333,3.10-3 . 8 = 2,67 V 9.4.3.3 Mạch công suất dùng MOSFET: Phần này giới thiệu một mạch dùng MOSFET công suất với tầng đầu là một mạch khuếch đại vi sai. Cách tính phân cực, về nguyên tắc cũng giống như phần trên. Ta chú ý một số điểm đặc biệt: - Q1 và Q2 là mạch khuếch đại vi sai. R2 để tạo điện áp phân cực cho cực base của Q1. R1, C1 dùng để giới hạn tần số cao cho mạch (chống nhiễu ở tần số cao). - Biến trở R5 tạo cân bằng cho mạch khuếch đại visai. - R13, R14, C3 là mạch hồi tiếp âm, quyết định độ khuếch đại điện áp của toàn mạch. - R15, C2 mạch lọc thông thấp có tác dụng giảm sóng dư trên nguồn cấp điện của tầng khuếch đại vi sai. - Q4 dùng như một tầng đảo pha mắc theo mạch khuếch đại chế độ A. - Q3 hoạt động như một mạch ổn áp để ổn định điện áp phân cực ở giữa hai cực cửa của cặp công suẩt. - D1 dùng để giới hạn biên độ vào cực cửa Q5. R16 và D1 tác dụng như một mạch bảo vệ. - R17 và C8 tạo thành tải giả xoay chiều khi chưa mắc tải. Hinh 9.23: Mạch khuếch đại công suất 30W dùng MOSFET 9.5. IC công suất. Trong mạch công suất mà tầng đầu là Op-Amp, nếu ta phân cực bằng nguồn đơn thì mạch có dạng như sau: - R1, R2 dùng để phân cực cho đầu vào có điện áp bằng VCC/2. - Mạch hồi tiếp âm gồm R7, R8 và C3 với R8 << R7. Tụ C3 để tạo độ lợi điện áp một chiều bằng đơn vị. Như vậy khi chưa có tín hiệu vào, ở hai đầu vào (+) và đầu vào (-) cũng như ở đầu ra của tầng Op-Amp đều có điện áp phân cực bằng VCC/2, bằng với điện áp một chiều ở đầu ra của mạch công suất. - Tụ C2 (tụ xuất) để ngăn điện áp một chiều qua tải và đảm bảo điện áp phân cực đầu ra bằng VCC/2. - Hệ số khuếch đại điện áp của toàn mạch: Av @ 1+R7/R8 Các IC công suất thường được chế tạo bên trong có cấu trúc gần tương tự như mạch trên. Với những IC công suất lớn, tầng cuối có thể là các cặp darlington-cặp hồi tiếp. Ngoài ra để nâng cao chất lượng, người ta còn chế tạo thêm một số mạch có chức năng đặc biệt như bảo vệ nối tắt đầu ra, bổ chính tần số ... Thí dụ ta xem IC công suất LM1877 (bên trong có 2 mạch công suất với công suất ra cực đại là 1w/kênh) có sơ đồ chân như sau: Mạch sau đây cho thấy cách lắp thành mạch công suất 1watt với các linh kiện bên ngoài khi dùng 1 kênh. Trong đó chú ý một số đặc điểm: - R2, C7, R3, C4 quyết định độ khuếch đại của mạch (mạch hồi tiếp âm). - R4, C5 làm tải giả cho mạch và điều hòa tổng trở loa ở tần số cao. - Tụ C7 quyết định đáp ứng tần số cao. - R1 để phân cực đầu vào. R1 không được quá nhỏ sẽ làm biên độ tín hiệu vào. - Ðộ khuếch đại của mạch ở tần số trung bình Trong trường hợp ráp 2 kênh, mạch điện như hình sau: Bài tập cuối chương. BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG II ******* Bài 1: Hãy thiết kế một mạch phân cực dùng cầu chia điện áp với nguồn điện VCC = 24V, BJT sử dụng có b =100/si và điều hành tại ICQ = 4mA, VCEQ = 8v. Chọn VE = 1/8VCC. Dùng điện trở có giá trị tiêu chuẩn. Bài 2: Thiết kế mạch đảo với thông số như hình 2.1. BJT dùng có b = 100 và ICsat = 8mA. Hãy thiết kế với IB = 120%IBmax và dùng điện trở tiêu chuẩn. Hình 2.1 Bài 3: Trong mạch điện hình 2.2 a. Xác định các trị phân cực IB, IC, VE, VCE . b. Vẽ mạch tương đương xoay chiều với tín hiệu nhỏ (không có CE) c. Tính tổng trở vào Zv và hệ số khuếch đại điện áp của mạch (không có CE) d. Lập lại câu b, c khi mắc CE vào mạch Hình 2.2 Bài 4: Trong mạch điện hình 2.3 a. Xác định trị phân cực IC, VC, VE, VCE . b. Vẽ mạch tương đương xoay chiều với tín hiệu nhỏ (không có CE) c. Tính tổng trở vào Zv và hệ số khuếch đại điện áp Av = vo/vi của mạch (không có CE) d. Lập lại câu b, c khi mắc CE vào mạch. Hình 2.3 Bài 5: Trong mạch điện hình 2.4 a. Vẽ mạch tương đương xoay chiều với tín hiệu nhỏ b. Thiết lập công thức tính Zv, Av c . Áp dụng bằng số để tính Zv và Av Hình 2.4 Bài 6: Trong mạch điện hình 2.5 c. Nhận xét gì giữa vo1 và vo2 Hình 2.5 Bài 7: Trong mạch điện hình 2.6 a. Vẽ mạch tương đương xoay chiều với tín hiệu nhỏ b. Thiết lập công thức tính tổng trở vào Zv và hệ số khuếch đại điện ápAv c. Áp dụng bằng số để tính Zv và Av. Hình 2.6 Bài 8: Trong mạch điện hình 2.7, Hãy xác định: Hình 2.7 BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG III ************* Bài 1: Xác định ID, VDS, VD và VS của mạch hình 3.1 Hình 3.1 Bài 2: Ở mạch hình 3.2, cho VDS = 8v. Xác định ID, VD, VS, VGS. Hình 3.2 Bài 3: Hãy thiết kế một mạch phân cực tự động dùng JFET có IDSS = 8mA; VGS(off) = - 6v và điểm làm việc tĩnh Q ở IDQ = 4mA với nguồn cung cấp VDD= +14v. Chọn RD = 3RS. Bài 4: Thiết kế một mạch phân cực bằng cầu chia điện áp dùng DE-MOSFET với IDSS = 10mA, VGS(off) = -4v có điểm làm việc tĩnh Q ở IDQ = 2.5mA và dùng nguồn điện áp cung cấp VDD = 24v. Chọn VG=4v và RD=2.5RS với R1=22MW. Bài 5: Tính Zi, Z0 và AV của mạch điện hình 3.3 Hình 3.3 Bài 6: Xác định giá trị của RD và RS trong mạch điện hình 3.4 khi được phân cực ở VGSQ = 1/2VGS(off) và VDSQ = 1/2VDD. Tính hệ số khuếch đại điện áp trong trường hợp này. Hình 3.4 Bài 7: Thiết kế mạch khuếch đại dùng JFET có dạng như hình 3.5, sao cho độ lợi điện áp là 8. Ðể giới hạn bước thiết kế, cho VGSQ gần trị số tối đa của gm, thí dụ như ở VGS(off)/4. Hình 3.5 Bài 8: Thiết kế mạch khuếch đại dùng JFET có dạng hình 3.6 sao cho độ lợi điện áp bằng 5. Chọn VGSQ=VGS(off)/4. Hình 3.6 BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG IV ********* Bài 1: Cho mạch điện hình 4.1 Hình 4.1 Cwi = 5pF, Cw0 = 8pF, Cbc = 12pF, Cbe = 40pF, Cce = 8pF a/ Xác định re b/ Tìm AV(mid) =v0/vi c/ Tính Zi d/ Tìm AVS = v0/vS e/ Xác định fLS, fLe, fLE f/ Xác định tần số cắt thấp g/ Vẽ đáp ứng tần số Bài 2: Với mạch điện và các thông số của bài 1: a/Xác định fHi và fH0 b/ Cho Cb’e = Cbe; Cb’c = Cbc. Tìm fb và fT c/ Xác dịnh tần số cắt cao và vẽ đáp ứng tần số. Bài 3: Lập lại các câu hỏi của bài 1 với mạch điện hình 4.2 Hình 4.2 Bài 4: Lập lại các câu hỏi bài 2 cho mạch điện và các thông số của bài 3. Bài 5: Cho mạch điện hình 4.3 a/ Xác định VGS và IDQ b/ Tìm gm0 và gm c/ Tinh AV = v0/vi ở tần số giữa d/ Xác định Zi e/ Tính AVS = v0/vS f/ Xác định fLG, fLC, fLS g/ Xác định fHi và fH0 i/ Vẽ đáp ứng tần số. Cho biết: VGS(off) = -6v, CWi = 3pF, Cdg = 4pF, IDSS = 6mA, Cw0 = 5pF, CgS = 6pF, rd = ¥, CdS = 1pF Hình 4.3 Bài 6: Lập lại các câu hỏi của bài 5 cho mạch điện hình 4.4 Cho biết: IDSS = 10mA, VGS(off) = -6v, rd = ¥, CWi = 4pF, CW0 = 6pF, Cgd = 8pF, Cgs = 12pF, CdS = 3pF Hình 4.4 BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG V ****** Bài 1: a/ Cho mạch điện như hình vẽ 5.1. Tìm điện áp xoay chiều vi (theo vS và vf). Giả sử mạch khuếch đại đảo có điện trở vào vô hạn và Transistor có các thông số b =100; phân cực với IC = 1,3mA Hình 5.1 Bài 2: Một mạch khuếch đại căn bản không hồi tiếp cho đầu ra là 30v với 10% biến dạng họa tần bậc hai (second-harmonic distortion) khi đầu vào ở 0.025v. a/ Nếu 1.5% đầu ra được hồi tiếp về đầu vào bằng mạch khuếch đại hồi tiếp âm điện thế nối tiếp thì điện thế đầu ra như thế nào? b/ Nếu đầu ra vẫn giữ ở 30v, nhưng họa tần bậc 2 giảm còn 1% thì điện thế đầu vào là bao nhiêu? Bài 3: Một mạch khuếch đại có hồi tiếp như hình 5.2 dùng 2 transistor có b = 100; phân cực với dòng IC = 1mA. Các tụ điện xem như nối tắt ở tần số của tín hiệu. Hình 5.2 Bài 4: Trong mạch khuếch đại hồi tiếp như hình 5.3, transistor có các thông số b =100, phân cực với IC = 1.3mA. Bỏ qua điều kiện phân cực. Hình 5.3 Bài 5: Transistor trong mạch hình 5.4 có các thông số b = 100; phân cực với IC = 1.3mA. Tính: Hình 5.4 Bài 6: Transistor trong mạch hình 5.5 có các thông số b =100, phân cực với IC = 1,3mA. a/ Với RE = 0. Xác định: RMf = V0/IS; AVf=V0/VS, trong đó IS=VS/RS Rif, R’0f b/ Lập lại bài toán với RE = 0.5k Hình 5.5 BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG VI ******* Bài 1: Tính tổng trở vào, tổng trở ra và hệ số khuếch đại của mạch điện hình 6.1 Hình 6.1 Bài 2: Lặp lại bài 1 với mạch điện hình 6.2 Hình 6.2 Bài 3: Trong mạch điện hình 6.3 1/ Xác định điện áp phân cực VB1, VB2, VC2 2/ Xác định hệ số khuếch đại điện áp Hình 6.3 Bài 4: Tính hệ số khuếch đại điện áp của mạch hình 6.4 Hình 6.4 Bài 5: cho mạch điện hình 6.5. Zener có VZ = 4.7V. Hình 6.5 Bài 6: Trong mạch điện hình 6.6 1/ Tính điện thế phân cực VC1, VC2. 2/ Xác định hệ số khuếch đại điện áp Hình 6.6 BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG VIII ******* Bài 1: Xác định v0 trong mạch hình 7.1 Hình 7.1 Bài 2: Xác định v0 trong mạch hình 7.2 Hình 7.2 Bài 3: Xác định IL trong mạch hình 7.3. Thay RL= 5kW, tính lại IL. Mạch trên là mạch gì? Hình 7.3 Bài 4: Một Op-Amp có các đặc tính như hình 7.4 Hình 7.4 Bài 5: Cho mạch hình 7.5 a/ Tính v0 b/ I0? Hình 7.5 Bài 6: Cho mạch điện hình 7.6 a/ Tính băng thông của mạch b/ Áp dụng bằng số khi: R1=R2=10kW C1=0.1mF; C2=0.002mF Rf=10 kW; Rg =5 kW Hình 7.6 Bài 7: Cho mạch điện hình 7.7 Hình 7.7 - Diode được xem như lý tưởng. - vi có dạng sin biên độ lớn. Tìm dạng tín hiệu ra v0 và biên độ của v0 theo vi. Mạch trên có tác dụng của mạch gì? Bài 8: Cho mạch hình 7.8 Chứng tỏ rằng: Hình 7.8 Bài 9: Cho mạch hình 7.9 Chứng tỏ nếu vi là tín hiệu điện áp một chiều thì đầu ra được xác định bằng phương trình: Hình 7.9 Bài 10: Cho mạch hình 7.10 Hình 7.10 a. Mạch trên là mạch gì? Nêu chức năng của từng BJT trong mạch. b. Các BJT hoàn toàn giống hệt nhau, được chế tạo bằng Si và được phân cực với VBE = 0.7v. Mạch hoàn toàn cân bằng và lý tưởng. Ước tính trị số của tất cả các dòng điện phân cực IC của các BJT trong mạch và điện thế các chân BJT (xem IC » IE). Bài 11: Cho mạch điện như hình 7.11. Giả sử Op-Amp lý tưởng và được phân cực bằng nguồn đối xứng ±15v a. Tìm v0 theo R, RA, v1, v2 b. Giả sử v1 biến đổi từ 0v ®0.8v và V2 biến đổi từ 0®1.3v. Cho R2=2kW và đầu ra bảo hòa của Op-Amp là ±V0Sat=±15v. Hãy ước tính trị số của RA để hệ số khuếch đại điện áp của mạch đạt trị số tối đa và v0 không biến dạng (chọn RA có giá trị tiêu chuẩn). Tính AV trong trường hợp đó. Hình 7.11 BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG IX ****** Bài 1: Tính công suất vào, công suất ra và hiệu suất của mạch hình 9.1, biết rằng khi có tín hiệu ở đầu vào dòng IB sẽ dao động với biên độ đỉnh là 10mA. Hình 9.1 Bài 2: Trong mạch khuếch đại công suất hình 9.2 sau đây: 1. Tính công suất vào, công suất ra và công suất tiêu phí trong mỗi transistor. 2. Tính công suất và hiệu suất của mạch khi tín hiệu vào có biên độ hiệu dụng là 12V(rms). Hình 9.2 Bài 3: Một mạch công suất chế độ A dùng biến áp với tỷ số vòng 4:1. Dùng nguồn cấp điện VCC = 36V để mạch cho công suất 2 watt trên tải 16W. Tính: a/. P(ac) trên cuộn sơ cấp. b/. vL(ac). c/. v(ac) trên cuộn sơ cấp. d/. Trị hiệu dụng của dòng điện qua tải và trên cuộn sơ cấp. Bài 4: Một mạch khuếch đại công suất chế độ A như hình 9.3. Xác định: a/. Hệ số khuếch đại điện áp gần đúng của mạch. b/. Công suất vào Pi(dc). c/. Công suất ra Po(ac). d/. Hiệu suất của mạch. Cho biết dòng tiêu thụ của LM324 khi chưa có tín hiệu là 0.8mA. Hình 9.3 Tài liệu tham khảo 1/ Kỹ thuật điện tử - Đỗ Xuâ Thụ - NXB GD. 2/ Ký thuật mạch điện tử - Phạm Minh Hà – NXB KHKT 3/ Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử - Phạm Minh Hà – NXB KHKT Mục lục Nội dung Trang Lời nói đầu 1 Chương I: KHÁI NIỆM CHUNG VÀ CƠ SỞ PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN TỬ Khái niệm mạch điện tử và nhiệm vụ của nó. 2 Đặc tính cơ bản và các tham số của diode (Tính dẫn điện, chỉnh lưu, ổn áp, đặc tuyến Vol - Ampe). 2 Đặc tính cơ bản và các tham số cơ bản của transistor lưỡng cực (BJT) 3 Đặc tính cơ bản và các tham số của transistor hiệu ứng trường (FET). 5 Chương II: MẠCH PHÂN CỰC VÀ KHUẾCH ÐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG BJT 2.1. Phân cực cố định. 12 2.2. Phân cực ổn bằng định cực Emitter. 13 2.3. Phân cực bằng cầu chia điện áp. 14 2.4. Phân cực bằng hồi tiếp điện áp. 17 2.5. Một số dạng mạch phân cực khác. 17 2.6. Thiết kế mạch phân cực. 18 2.7. BJT hoạt động như một chuyển mạch. 20 2.8. Tính khuếch đại của BJT. 24 2.9. Mạch khuếch đại cực Emitter chung (EC). 30 2.10. Mạch khuếch đại cực Collector chung (CC). 34 2.11. Mạch khuếch đại cực Base chung (BC). 37 Chương III: MẠCH PHÂN CỰC VÀ KHUẾCH ÐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG FET 3.1. Phân cực JFET và MOSFET điều khiển theo kiểu nghèo động tử. 38 3.2. MOSFET điều khiển theo kiểu giầu động tử. 40 3.3. Mạch phân cực E-MOSFET. 42 3.4. Mạch kết hợp BJT và FET. 44 3.5. Thiết kế mạch phân cực dung FET. 45 3.6. Tính khuếch đại của FET và mạch tương đương xoay chiều tín hiệu nhỏ. 46 3.7. Mạch khuếch đại dùng JFET hoặc DE-MOSFET điều khiển theo kiểu nghèo động tử. 47 3.8. Mạch khuếch đại dùng E-MOSFET. 50 3.9. Thiết kế mạch khuếch đại dùng FET. 52 Chương IV: ÐÁP ỨNG TẦN SỐ CỦA BJT VÀ FET 4.1. Decibel (đề xi ben). 53 4.2. Mạch lọc thông cao. 54 4.3. Mạch lọc thông thấp RC. 58 4.4. Đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đại dùng BJT. 59 4.5. Đáp ứng tần số thấp của mạch khuếch đại dùng FET. 61 4.6. Hiệu ứng Miller. 63 4.7. Đáp ứng tần số cao của mạch khuếch đại dùng BJT. 65 4.8. Đáp ứng tần số cao của mạch khuếch đại dùng FET. 69 Chương V: HỒI TIẾP 5.1. Các định nghĩa cơ bản. 71 5.2 Các phương trình cơ bản của mạng bốn cực có hồi tiếp. 75 5.3. Phương pháp phân tích bộ khuếch đại có hồi tiếp. 76 5.4. Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến các tính chất của bộ khuếch đại. 77 5.4.1. Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến độ ổn định của hệ số khuếch đại. 77 5.4.2. Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến trở kháng vào, ra của bộ khuếch đại. 79 5.4.3. Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến dải động và méo phi tuyến của bộ khuếch đại. 81 5.4.4. Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến tạp âm của bộ khuếch đại. 82 5.4.5. Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến đặc tần số và tính động của bộ khuếch đại. 83 Chương VI: CÁC DẠNG LIÊN KẾT CỦA BJT VÀ FET 6.1. Liên kết trực tiếp. 92 6.2. Liên kết chồng. 99 6.3. Liên kết Darlington. 100 6.4. Liên kết cặp hồi tiếp. 101 6.5. Mạch CMOS. 103 6.6. Mạch nguồn dòng điện. 104 6.7. Mạch khuếch đại visai. 105 Chương VII: CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI CHUYÊN DỤNG 7.1. Bộ khuếch đại chọn lọc. 112 7.2. Bộ khuếch đại dải rộng. 116 7.3. Tạp âm khuếch đại. 119 Chương VIII: BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG 8.1. Tổng quan về vi mạch thuật toán. 127 8.2.     Vi sai tổng hợp. 130 8.3.     Mạch khuếch đại OP-AMP căn bản. 135 8.4.     Một số ứng dụng của OP-AMP. 138 8.4.1 Mạch làm toán. 138 8.4.2 Mạch so sánh. 142 8.4.3. Mạch lọc tích cực. 151 Chương IX: MẠCH KHUẾCH ÐẠI CÔNG SUẤT (Power Amplifier) 166 9.1. Mạch khuếch đại công suất chế độ A. 167 9.2. Mạch khuếch đại công suất chế độ A dùng biến áp. 172 9.3. Khảo sát mạch khuếch đại công suất chế độ B. 176 9.4. Dạng mạch khuếch đại công suất chế độ B. 179 9.5. IC công suất. 189 Một số bài tập ứng dụng 193 Tài liệu tham khảo 214