Bài giảng môn Điện tử tương tự - Chương 2: Mạch khuếch đại thuật toán

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/thanhqn80@gmail.com 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 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 2 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 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 3 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 4 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 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 5 1. CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA BKĐTT Ir ItT U0 Uđ Iđ Ura -EC +EC Đ Hình 2-1: Bộ khuếch đại thuật toán Ut + - đầu vào thuận đầu vào đảo UV0 - EC Ura EC - EC Hình 2-2: Đặc tuyến truyền đạt của bộ khuếch đại thuật toán K0 K f f 0 a) Đặc tuyến biên độ b) Đặc tuyến pha 0 45o 90o 180o 360o Hình 2-3: Đặc tuyến biên độ và đặc tuyến pha của bộ khuếch đại thuật toán UR=K0.U0=K0(Ut-Uđ) Một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng:  Trở kháng vào: ZV =   Trở kháng ra: Zra = 0  Hệ số khuếch đại: K0 =  (104106)  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. BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 6 2. MẠCH KHẾCH ĐẠI VI SAI Hình 2-4: Tầng khuếch đại vi sai a) Mạch nguyên lý; b) Sơ đồ đơn giản hoá BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 7 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. BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 8 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 ht ra0 1 0V R UU R UU    0 K U U ra0  ht ra 1 V R U R U  1 htRK R   Zra = 0 ZV = R1 BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 9 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: Zra = 0 ZV =  ht1 1 raV RR R .UU   1 1 1 1ra ht ht V U R R R K U R R      BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 10 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. ht1 ht1 C RR R.R R   BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 11 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. BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 12 5. MẠCH CỘNG 5.1. Mạch cộng đảo 1 2 ...ht nI I I I= + + + 1 2 1 2 1 2 1 2 1 ( . . ... . ) .( ... ) . ht ht ht ra n n n ht n n i i i R R R U U U U R R R UU U R R R R Uα = = - + + + = - + + + = - å BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 13 5. MẠCH CỘNG 5.2. Mạch cộng thuận BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 14 6. MẠCH TRỪ BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 15 7. MẠCH VI PHÂN, MẠCH TÍCH PHÂN 7.1. Mạch vi phân BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 16 7. MẠCH VI PHÂN, MẠCH TÍCH PHÂN 7.2. Mạch tích phân BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 17 8. MẠCH TẠO HÀM LOGARIT VÀ LŨY THỪA 8.1. Mạch tạo hàm lôgarit ak t U .(exp 1) .exp nU ak D S S t U I I I mU    BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 18 8. MẠCH TẠO HÀM LOGARIT VÀ LŨY THỪA 8.2. Mạch tạo hàm lũy thừa ak t U .(exp 1) .exp nU ak D S S t U I I I mU    BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 19 9. MẠCH NHÂN TƯƠNG TỰ Z = exp(lnX + lnY) = exp(lnXY) = XY BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 20 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. BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 21 10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC  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: 0 0 ( ) 2 3 2 1 2 31 . . . ... . (1 . . ) d d d p n n i i K K K C p C p C p C p a p b p = = + + + + + + +Õ BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 22 10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC 10.1. Mạch lọc tích cực bậc một 10.1.1. Mạch lọc thông thấp bậc một BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 23 10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC 10.1. Mạch lọc tích cực bậc một 10.1.2. Mạch lọc thông cao bậc một BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 24 10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC 10.2. Mạch lọc tích cực bậc hai 10.2.1. Mạch lọc thông thấp bậc hai BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 25 10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC 10.2. Mạch lọc tích cực bậc hai 10.2.1. Mạch lọc thông thấp bậc hai BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 26 10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC 10.2. Mạch lọc tích cực bậc hai 10.2.1. Mạch lọc thông thấp bậc hai BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 27 10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC 10.2. Mạch lọc tích cực bậc hai 10.2.1. Mạch lọc thông thấp bậc hai BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 28 10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC 10.2. Mạch lọc tích cực bậc hai 10.2.2. Mạch lọc thông cao bậc hai BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 29 10. MẠCH LỌC TÍCH CỰC 10.2. Mạch lọc tích cực bậc hai 10.2.3. Mạch lọc tích cực bậc hai thông giải BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 30 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. BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH BỘ MÔN: LÝ THUYẾT MẠCH - KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Trang 31