Giáo trình Kĩ thuật mạch điện 1 (Chuẩn kiến thức)

gián tiếp) sử dụng mạch điều chế để biến đổi trung gian sang tín hiệu xoay chiều, xử lý khuếch đại tín hiệu cho đủ lớn rồi lại biến đổi trở lại tín hiệu một chiều. MỤC TIÊU  Kiến thức - Biết được sơ đồ khối chức năng, và chức năng từng khối của mạch khuếch đại một chiều có biến đổi trung gian. - Biết được sơ đồ, nguyên lý hoạt động của mạch điều chế dùng transistor. - Biết được sơ đồ, nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại một chiều có biến đổi trung gian.  Kỹ năng - Lắp rápmạch khuếch đại một chiều có biến đổi trung gian - Kiểm tra và sửa chữarápmạch khuếch đại một chiều có biến đổi trung gian. NỘI DUNG CHÍNH 15.1. Sơ đồ khối chức năng của mạch khuếch đại một chiều có biến đổi trung gian Mục tiêu: Biết được sơ đồ khối chức năng, và chức năng từng khối của mạch khuếch đại một chiều có biến đổi trung gian. 15.1.1. Sơ đồ khối của mạch khuếch đại một chiều có biến đổi trung gian Hình 15.1. Sơ đồ khối mạch khuếch đại một chiềumột đườngbiến đổi trung gian 247 Với tín hiệu đầu ra gấp K lần tín hiệu đầu vào: Ur= K.Uv Hình 15.2. Sơ đồ khối mạch khuếch đại một chiềuhai đườngbiến đổi trung gian Theo sơ đồ hình 15.2 điện áp một chiều UV được đặt lên hai nhánh song song, một trong hai nhánh là bộ khuếch đại một chiều có biến đổi trung gian, nhánh còn lại là bộ khuếch đại trực tiếp. Điện áp ra của hai bộ khuếch đại trên được đưa tới bộ cộng và sau đó đưa vào bộ khuếch đại chung. Nếu tính điện áp trôi ∆U do bộ khuếch đại trực tiếp gây ra thì điện áp đưa vào bộ cộng sẽ là: Ur = K2.UV + K1( UV +∆U) = (K2 + K1) UV + K1∆U. Độ trôi bộ tương đối (h) bộ khuếch đại gây ra: h = = .h’ Với h’ = là độ trôi của nhánh khuếch đại trực tiếp. Tỉ số càng lớn độ ổn định càng cao. Tham số của bộ khuếch đại một chiều hai nhánh có biến đổi trung gian tốt hơn nhiều so với bộ khuếch đại một chiều, cho nên chúng được dùng cho những trường hợp khi cần hệ số khuếch đại cao với độ trôi ‘0’ nhỏ nhất như được dùng trong máy tín tương tự, hay trong các thiết bị đo lường. 15.1.2. Chức năng của các khối Khối 1( chuyển đổi DC/ AC): Điện áp một chiều được đưa tới bộ điều chế làm biến đổi một trong những thông số của điện áp xoay chiều (các thông số đó là: biên độ, tần số, pha của tín hiệu) theo quy luật của tín hiệu một chiều biến thiên chậm. Ở đây thường dùng nguyên lý điều biên, ít khi dùng điều tần hay điều pha. Lúc này ở đầu ra của bộ điều chế, ta có điện áp xoay chiều có biên độ tỷ lệ với điện áp vào Uv biến đổi chậm. Khối 2 (khối khuếch đại): Tín hiệu xoay chiều được đưa tới bộ khuếch đại xoay chiều,có hệ số đủ lớn, tín hiệu sau khuếch đại tại khối 2 được đưa đến khối 3. 248 Khối 3( chyển đổi AC/ DC): Điện áp sau khi khuếch đại được tách sóng bằng bộ giải điều chế 3, nhằm chuyển đổi tín hiệu xoay chiều có chứa thông số của tín hiệu một chiều biến thiên chậm, thành tín hiệu một chiều gốc đã được khuếch đại lên nhiều lần. 15.2. Mạch điều chế dùng transistor Mục tiêu: Biết được sơ đồ mạch điện và tác dụng linh kiện, Nguyên lý hoạt động của mạch điện điều chế dùng transistor: 15.2.1. Sơ đồ mạch điện và tác dụng linh kiện  Sơ đồ mạch điện Hình 15.3. Mạch điều chế dùng transistor  Tác dụng linh kiện R: Điện trở cung cấp điện áp cho cực C transistor. C: Tụ nối tầng dẫn tín hiệu sau khi điều chế tới mạch ra. RB: Điện trở mắc nối tiếp tín hiệu vào và cực B transistor để phối hợp trở kháng và cách ly cực B transistor với cửa vào. T: Tranzito hoạt động như một khóa điện tử đóng mở. 15.2.2. Nguyên lý hoạt động mạch điện Đây là một bộ điều chế đơn giản dùng khóa điên tử, hoạt động như sau: Điện áp Uv được truyền tới cực B của transistor, nếu transistor tắt thì điện áp Ur ≈ VCC; trường hợp transistor mở thì Ur ≈ 0 bị sụt áp trên điện trở RC . 249 Khi đặt đầu vào của transistor tín hiệu một chiều biến thiên chậm biên độ điện áp nhỏ, thì tại Ur sẽ nhận một tín hiệu xoay chiều xung vuông có biên độ gần bằng VCC, tần số bằng với tín hiệu vào Uv. 15.3. Mạch khuếch đại một chiều có biến đổi trung gian 15.3.1. Sơ đồ mạch đện và tác dụng linh kiện  Sơ đồ mạch đện  Tác dụng linh kiện 15.3.2. Nguyên lý hoạt động của mạch điện 15.3.3. Ưu, nhược điểm của mạch khuếch đại một chiều có biến đổi trung gian  Ưu điểm  Mạch có độ ổn định càng cao trong khi hệ số khuếch đại điện áp của mạch càng lớn.  Mạch có độ trôi “0” nhỏ nên độ chính xác của mạch cao.  Nhược điểm  Mạch điện phức tạp, có thêm nhiều thành phần, chức năng mới mà mach khuếch đại một chiều ghép trực tiếp không có.  Tổn hao năng lượng một chiều lớn. 15.3.4. Ứng dụng của mạch điện Mạch khuếch đại một chiều có biến đổi trung gian dạng một nhánh hay hai nhánh có hệ số khuếch địa cao với độ trôi điểm ‘0’ nhỏ hơn so với mạch khuếch đại tín hiệu một chiều khác, nên được ứng dụng nhiều trong các mạch yêu cầu độ chính xác cao như trong thiết bị đo lường, trong máy tín tương tự. 15.3.5. Lắp ráp và cân chỉnh mạch khuếch đại một chiều có biến đổi trung gian 250 BÀI 16: MẠCH ỔN ÁP Mã môn học: MĐ13 16 GIỚI THIỆU Mọi thiết bị hoặc mạch điện tử đều cần có nguồn điện áp hay dòng điện một chiều ổn định cung cấp để duy trì hoạt động một cách tín hiệu cậy và có hiệu quả. Thông thường nguồn điện áp một chiều được chỉnh lưu từ mạng lưới xoay chiều 220V. MỤC TIÊU  Kiến thức - Biết được định nghĩa mạch ổn áp. - Biết được sơ đồ khối, sơ đồ mạch điện và tác dụng của các linh kiện, nguyên lý hoạt động của các mạch ổn áp, phương pháp tính toán và ứng dụng của các mạch ổn áp nối tiếp dùng transistor. - Biết được sơ đồ khối, sơ đồ mạch điện và tác dụng của các linh kiện, nguyên lý hoạt động của các mạch ổn áp, phương pháp tính toán của các mạch ổn áp nối tiếp dùng Op- Amp. - Biết được sơ đồ khối, sơ đồ mạch điện và tác dụng của các linh kiện, nguyên lý hoạt động của các mạch ổn áp, phương pháp tính toán và ứng dụng của các mạch ổn áp song dùng transistor. - Biết được sơ đồ khối, sơ đồ mạch điện và tác dụng của các linh kiện, nguyên lý hoạt động của các mạch ổn áp, phương pháp tính toán của các mạch ổn áp song dùng Op- Amp. - Biết được sơ đồ khối, sơ đồ mạch điện và tác dụng của các linh kiện, nguyên lý hoạt động của các mạch ổn áp, phương pháp tính toán và ứng dụng của các mạch ổn áp dùng OP-AMP và IC.  Kỹ năng - Lắp rápcác mạch ổn áp dùng transistor. - Kiểm tra và sửa chữa được các hỏng hóc các mạch ổn áp dùng transistor. 251 NỘI DUNG CHÍNH 16.1. Định nghĩa mạch ổn áp Mục tiêu: Biết được định nghĩa mạch ổn áp. - Định nghĩa : Mạch ổn áp là mạch tạo điện áp một chiều đầu ra ổn định có giá trị không thay đổi khi có sự thay đổi nhỏ điện áp ngõ vào. - Để đánh giá chất lượng của mạch ổn áp chúng ta dựa vào tỉ số sự thay đổi điện áp ngõ vào với mức điện áp ngõ ra, khi điện trở tải không đổi. K= 16.2. Mạch ổn áp tuyến tính nối tiếp dùng transistor Mục tiêu : Biết được sơ đồ khối, sơ đồ mạch điện và tác dụng của các linh kiện, nguyên lý hoạt động, phương pháp tính toán và ứng dụng của các mạch ổn áp nối tiếp dùng transistor. 16.2.1. Sơ đồ khối và chức năng của các khối  Sơ đồ khối Hình 16.1 Sơ đồ khối của mạch ổn áp nối tiếp  Chức năng của các khối - Khối lấy mẫu: Lấy thành phần điện áp chưa ổn định (thay đổi) đưa vào khối so sánh. - Khối tạo điện áp chuẩn: Tạo ra điện áp chuẩn đưa vào khối so sánh. - Khối so sánh: So sánh điện áp chưa ổn định khối lấy mẫu đưa vào với điện áp chuẩn để lấy ra thành phần sai lệch rồi khuếch đại lên, cung cấp cho khối điều khiển. - Khối điều khiển: Điều chỉnh điện áp ngõ vào theo hướng ngược lại với điện áp thay đổi để giữ cho điện áp ra không thay đổi. Khi điện áp đầu vào không ổn định xuất hiện tín hiệu sai lệch, thành phần sai lệch được khối so sánh khuếch đại 252 lên tác động lên phần tử điều khiển, làm cho các tham số của phần tử điều chỉnh thay đổi bù lại tác nhân gây mất ổn định tạo điện áp ngõ ra được ổn định. Nếu điện áp đầu ra có chiều hướng tăng, bộ so sánh cung cấp tín hiệu điều khiển, phần tử điều khiển sẽ làm giảm điện áp đầu ra. Nếu điện áp đầu ra giảm, bộ so sánh cung cấp tín hiệu điều khiển, phần tử điều khiển sẽ làm tăng điện áp đầu ra. 16.2.2. Mạch điện và tác dụng của linh kiện  Mạch điện Hình 16.2 Mạch ổn áp nối tiếp dùng transistor và diode zener.  Tác dụng của linh kiện - C1, C2 : Các tụ lọc nguồn nhằm ổn định điện áp vào và ra - R1, R2 : Điện trở cầu phân áp lấy mẫu điện áp ngõ ra điều khiển T1. - DZ, R3 : Tạo điện áp chuẩn để so sánh. - T1, R4 : Phần tử so sánh, khuếch đại. - T2 : Phần tử điều chỉnh điện áp ngõ ra. 16.2.3. Nguyên lý hoạt động của mạch điện - Giả sử điện áp ngõ vào tăng dẫn đến điện áp ngõ ra tăng, tạo điện áp trên R2 tăng làm UBE1 tăng so sánh điện áp chuẩn trên DZ , nên transistor T1 dẫn mạnh dòng điện Ic1 tăng , IR4 = IC1 + IB2 ≈ IC1 làm điện áp UR4 rơi trên R4 tăng, điện áp VC1 giảm. Vì cực C transistor T1 nối với cực B transistor T2 , nên điện áp VB2 giảm làm transistor T2 dẫn yếu đi, tạo điện áp UCE2 tăng lên ∆U bù lại sự tăng đầu vào. Do đó điện áp ngõ ra Ur = Uv – ∆U được ổn định. 253 - Giả sử điện áp ngõ vào giảm dẫn đến điện áp ngõ ra giảm, tạo điện áp trên R2 giảm làm UBE1 giảm so sánh điện áp chuẩn trên DZ , nên transistor T1 dẫn yếu đi dòng điện Ic1 giảm, IR4 = IC1 + IB2 ≈ IC1 làm điện áp UR4 rơi trên R4 giảm, điện áp VC1 tăng. điện áp VB2 tăng làm transistor T2 dẫn mạch, tạo điện áp UCE2 giảm xuống ∆U bù lại sự giảm đầu vào. Do đó điện áp ngõ ra Ur = Uv – ∆U được ổn định. Vậy ta nhận thấy ∆U thay đổi tỉ lệ thuận điện áp Uv nên Ur = Uv – ∆U được ổn định. 16.2.4. Tính toán các thông số của mạch điện Ta có điện áp Vb1 = VDZ + UBE1 = VDZ + 0,7 = const Mặt khác điện áp Vb1 = . Ur → Ur = . Vb1 . Vậy muốn thay đổi điện áp ngõ ra, chúng ta có thể điều chỉnh điện trở lấy mẫu R1, R2, bằng cách mắc thêm biến trở VR vào giữa R1 và R2. Điện áp VC1 = Vb2 = Ur +UBE2 Dòng điện It = , và IR3 = Dòng điện điều khiển IE2 = It + IR3 rất lớn, để bảo vệ transistor T2 chúng ta cần mắc thêm điện trở R5 song song với transistor T2. Dòng điện IR4 = 16.2.5. Ứng dụng của mạch điện. - Tạo ra nguồn áp ổn định cung cấp cho các thiết bị, hay nguồn cung cấp cho mạch điện bên trong các thiết bị. Khi điện áp ngõ vào UV không ổn định. 16.2.6. Lắp ráp và cân chỉnh các mạch ổn áp tuyến tính nối tiếp dùng transistor Bước 1. Lắp mạch điện theo hình 16.3 254 Hình 16.3 Mạch ổn áp nối tiếp dùng transistor và diode zener Bước 2. Sử dụng VOM đo điện áp theo yêu cầu bảng số liệu 16.1.  Chỉnh biến trở VR= 50k, lấy mức điện áp UV. UV (V) 10 12 13 14 15 16 17 18 H1061 VBE(V) VCE(V) D468 VBE(V) VCE(V) UDZ(V) Ur(V) Bảng số liệu 16.1 Bước 3. Nhận xét kết quả đo: 255  Xác định mức điện áp ngõ ra ổn áp Ur =..(V).  Xác định mức điện áp ngõ vào UV = (V) nhỏ nhất để Ur ổn áp.  Khi mạch điện áp Ur chưa ổn áp, trạng thái hoạt động của: Transistor H1061 , transistor D468..  Khi mạch điện áp Ur đã ổn áp, trạng thái hoạt động của: Transistor H1061 , transistor D468. Bước 4. Kiểm tra kết quả đo với kết quả tính toán : .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. Bước 5. Nhận xét .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. 16.2.7. Kiểm tra chẩn đoán và sửa chữa hỏng hóc của các mạch ổn áp tuyến tính dùng Transistor Khi điện áp ngõ ra đạt tới mức ổn áp, nhưng khi đo điện áp ngõ ra vẫn không ổn áp thì chúng ta phải kiểm tra theo theo thứ tự sau:  Đo điện áp trên diode zener, kiểm tra diode zener.  Đo điện áp VBE transistor D468.  Đo điện áp VBE transistor H1061.  Sau đó kiểm tra linh kiên điện trở, và tụ điện Chú ý : Tụ điện có cực tính chúng ta phải mắc đúng cực, nếu không tụ se bị nổ 256 16.3. Mạch ổn áp tuyến tính nối tiếp dùng OP-AMP Mục tiêu : Biết được sơ đồ mạch điện và tác dụng của các linh kiện, nguyên lý hoạt động của các mạch ổn ápvà phương pháp tính toán của các mạch ổn áp nối tiếp dùng transistor. 16.3.1. Mạch điện và tác dụng của linh kiện  Mạch điện Hình 16.4 Mạch ổn áp DC sử dụng Opamp  Tác dụng của linh kiện - Op- Amp LM741: Đóng vai trò bộ so sánh và khuếch đại - R1, R2 : Điện trở cầu phân áp lấy mẫu điện áp ngõ ra, đưa vào ngõ (-) của Op- Amp LM 741 . - DZ, R3 : Tạo điện áp chuẩn cung cấp vào ngõ (+) của Op- Amp LM 741 . - T1 : Phần tử điều chỉnh điện áp ngõ ra ổn định. 16.3.2. Nguyên lý hoạt động Op- Amp lấy điện áp chuẩn trên diode zener tại Vin + , so sánh với điện áp hồi tiếp Vin - từ bộ phân áp qua R1, R2. Khi điện áp ngõ vào thay đổi thì transistor Q sẽ điều chỉnh điện áp ngõ ra không thay đổi 257 Khi điện áp ngõ ra tăng thì điện áp Vin - = 1 1 2 r R U R R cũng sẽ tăng theo, lúc này Op- Amp Vin - > Vin + tạo điện áp ngõ ra chân 3 ở mức thấp, nên transistor T1 chuyển sang trạng thái ngưng dẫn điện áp UCE tăng lên, làm điện áp Ur sẽ giảm. Khi điện áp ngõ ra giảm thì điện áp Vin - = 1 1 2 r R U R R cũng sẽ giảm theo, lúc này Op- Amp Vin - < Vin + tạo điện áp ngõ ra chân 3 ở mức cao, nên transistor T1 chuyển sang trạng thái dẫn điện áp UCE giảm xuống, làm điện áp Ur sẽ tăng lên. 16.3.3. Tính toán các thông số của mạch điện. Chọn điện áp điện áp diode Zener theo Vout: 1 1 2 Z r R U U R R   Xác định điện áp Ur theo VZ : 1 2 2 1 1 1r Z Z R R R U U U R R         16.3.4. Mạch bảo vệ ổn áp tuyến tính nối tiếp khi bị quá tải hoặc ngắn mạch.  Mạch điện bảo vệ quá dòng khi tải bị ngắn mạch, và tác dụng của linh kiện Hình 16.5 Mạch bảo vệ ổn áp tuyến tính nối tiếp khi bị ngắn mạch (quá dòng) Điện trở R4, T2 làm han chế đòng tải It cực đại. Khi điện trở tải Rt bị ngắn mạch dẫn đến dòng điện tải It tăng, nên điện áp trơi trên R4 đóng vai trò mạch lấy mẫu cũng tăng lên. Khi điện áp trên R4 tăng đủ lớn làm T2 mở. T2 mở làm dòng điện cực B transistor T1 sẽ giảm, dẫn đến dòng tải qua 258 transistor T1 tránh cho dòng qua Rt quá tải. mạch hình 16.5 chỉ làm hạn chế dòng điện.  Mạch điện bảo vệ quá dòng và áp khi tải bị quá tải hay ngắn mạch, và tác dụng của linh kiện Hình 16.6 Mạch bảo vệ ổn áp tuyến tính nối tiếp khi bị quá tải và ngắn mạch Điện trở R5, R6 tạo phân áp đưa vào cực B transistor T2. Khi dòng điện It trên tải Rt tăng lên giá trị cực đại, điện áp rơi trên R4 đủ lớn làm T2 mở . khi T2 mở dòng điện cực B transistor T1 sẽ giảm, dẫn đến dòng tải qua transistor T1 tránh cho dòng qua Rt quá tải. Khi điện áp Ur tăng thì transistor T1, T2 ngưng dẫn lúc này điện trở R5, R6 lấy một phần điện áp tại đầu ra Ur, làm giảm áp Ur. Mạch sẽ làm giảm cả điện áp và dòng điện ra để bảo vệ dòng và áp khi quá tải hay ngắn mạch 16.4. Mạch ổn áp tuyến tính mắc song song dùng Transistor Mục tiêu : Biết được sơ đồ khối, sơ đồ mạch điện và tác dụng của các linh kiện, nguyên lý hoạt động, phương pháp tính toán và ứng dụng của các mạch ổn áp song song dùng transistor. 16.4.1. Sơ đồ khối và chức năng của các khối.  Sơ đồ khối 259 Hình 16.7 Sơ đồ khối của mạch ổn áp song song  Chức năng của các khối  Khối điều khiển: Để điều chỉnh điện áp ngõ vào và ra.  Khối lấy mẫu: Lấy điện áp ngõ ra hồi tiếp đưa vào khối so sánh.  Khối tạo điện áp chuẩn: Tạo ra điện áp chuẩn đưa vào khối so sánh.  Khối so sánh: So sánh điện áp chuẩn với điện áp lấy mẫu đưa vào khối điều khiển. 16.4.2. Mạch điện và tác dụng của linh kiện  Mạch điện Hình 16.8 Mạch ổn áp song song  Tác dụng của linh kiện  DZ : Diode zener tạo điện áp chuẩn.  R1 : Điện trở nguồn vào ; R2 : Điện trở lấy mẫu.  T1 : Transistor điều khiển ; T2 : Transistor tham gia so sánh. 16.4.3. Nguyên lý hoạt động 260 - Diode zener tạo điện áp chuẩn, do đó điện trở lấy mẫu R2 quyết định điện áp ngõ ra. Khi điện trở tải Rt thay đổi làm dòng điện It cũng thay đổi theo sẽ điều khiểndòng điện qua T1 cũng thay đổi, giữ cho điện áp ngõ ra ổn định. - Khi điện trở Rt giảm làm dòng điện It tăng lên, Khi dòng điện It tăng dẫn đến dòng điện IZ sẽ giảm nên transistor T2 dẫn yếu đi, dòng điện IE2 đưa vào cực B của transistor T1 cũng dẫn yếu theo IC1 giảm, tạo sụt áp qua R1 giảm, làm điện áp ngõ ra ổn định. - Khi điện trở Rt tăng làm dòng điện It giảm xuống, Khi dòng điện It giảm dẫn đến dòng điện IZ sẽ tăng lên nên transistor T1,T2 dẫn mạnh, nên dòng điện IC1 tăng lên, tạo sụt áp qua R1 tăng, làm điện áp ngõ ra ổn định. 16.4.4. Tính toán các thông số của mạch điện. Điện áp ngõ ra : Ur = UZ + VBE1 + VBE2. Dòng điện trên tải : r t t U I R  Dòng điện qua R1 : I1 = IZ + IC1 + IC2 + It 16.4.5. Ứng dụng của mạch điện Tạo ra nguồn áp ổn định cung cấp cho các thiết bị, hay nguồn cung cấp cho mạch điện bên trong các thiết bị ( nguồn cung cấp cho mạch khuếch đại bên trong Ampli ..). khi điện trở tải Rt không ổn định làm ảnh hưởng dòng điện tải IL. 16.5. Mạch ổn áp song song dùng Op-Amp 16.5.1. Mạch điện và tác dụng của linh kiện  Mạch điện 261 Hình 16.9 Sơ đồ mạch ổn áp song đơn giản  Tác dụng của linh kiện  DZ : Diode zener tạo điện áp chuẩn.  R1, R2 : Tạo cầu phân áp hồi tiếp âm đưa vào bộ so sánh (Op- Amp LM741) để điều khiển transistor T1.  R4 : Điện trở lấy mẫu ; R4: Điện trở nguồn vào.  T1 : Transistor điều khiển điện áp ngõ ra. 16.5.2. Nguyên lý hoạt động - Điện áp Zener tạo điện áp chuẩn để so sánh với điện áp hồi tiếp qua điện trở R1, R2 để điều khiển transistor Q. Điện trở R4 tạo sụt áp khi có dòng điện đi qua nên điện áp ngõ ra được ổn định. - Khi điện trở Rt giảm làm dòng điện It có chiều hướng tăng lên, Khi dòng điện It tăng dẫn đến dòng điện qua R1, R2 giảm, tạo điện áp ngõ vào (+) nhỏ ngõ vào (-) của Op-Amp nên điện áp ngõ ra ở mức thấp, transistor T1 sẽ ngưng dẫn dòng điện IC1 = 0, lúc này sụt áp qua R1 giảm, làm điện áp ngõ ra ổn định. - Khi điện trở Rt tăng làm dòng điện It giảm xuống, Khi dòng điện It giảm dẫn đến Op-Amp nên điện áp ngõ ra ở mức cao, transistor T1 sẽ dẫn dòng điện IC1 tăng lên, lúc này sụt áp qua R1 tăng, làm điện áp ngõ ra ổn định. 16.5.3. Tính toán các thông số của mạch điện. - Điện áp ngõ ra Thí dụ 16.2: Cho mạch ổn áp sau: 262 Hình 16.10 Sơ đồ mạch ổn áp có dòng tải từ 0 đến 1A Điện áp ngõ ra . 16.6. Mạch ổn áp dùng IC Mục tiêu : Biết được sơ đồ khối, sơ đồ mạch điện và tác dụng của các linh kiện, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của các mạch ổn ápdùng IC. 16.6.1. Khái niệm chung - Các IC ổn áp bên trong bao gồm điện áp chuẩn, bộ khuếch đại so sánh và phần tử điều khiển bảo vệ quá tải. Điện áp áp ngõ ra của IC ổn định hơn so với mạch ổn áp thường. Mạch ổn áp dùng IC điện áp ra có thể điều chỉnh được hay cố định và dòng tải từ hàng mA đến hàng chục A, do đó rất phù hợp với các mạch yêu cầu thiết kế gọn nhẹ và độ chính xác cao. Thực tế có rất nhiều mạch ổn áp sử dụng IC ổn áp. Hình 16.11 Sơ đồ khối ổn áp dùng IC 263 16.6.2. Giới thiệu các họ IC ổn áp thông dụng và ứng dụng  IC ổn áp họ 78xx, 79xx - Họ 78xx cho ổn định điện áp đầu ra là dương. Còn xx là giá trị điện áp đầu ra. Ví dụ: IC 7805 điệp áp ngõ ra dương 5V, 7812 điệp áp ngõ ra dương 12V. - Họ 79xx ổn áp đầu ra là âm. Còn xx là giá trị điện áp đầu ra như : Ví dụ: IC 7905 điệp áp ngõ ra âm 5V, 7912 điệp áp ngõ ra âm 12V. Hình 16.12 Hình dáng và sơ đồ chân IC 78 xx, 79 xx, LM317, LM337 Hình 16.13 Mạch ổn áp nguồn dùng IC 78x 264 Hình 16.14 Mạch ổn áp nguồn dùng IC 7805 và 7808 16.7. Mạch ổn áp dùng IC có thể cân chỉnh được điện áp ra 16.7.1. Mach điện và tác dụng linh kiện  Mach điện Hình 16.15 Mạch ổn áp dùng IC LM317 chỉnh mức điện áp ngõ ra  Tác dụng linh kiện - IC LM 317 dùng tạo ra điện áp dương thay đổi được từ (1,2÷37)V. - Biến trở VR=5k , chỉnh làm thay đổi mức điện áp khi kết hợp điện trở R. 16.7.2. Nguyên lý hoạt động của mạch điện - Chỉnh biến trở VR= 5kΩ làm điện áp ngõ ra thay đổi . - Điện áp ngõ ra : - Trong đó URef = 1,25 V, Iadj = 100µA. 5K VIN 1N 40 02 U21 LM317 3 1 2 UI AD J UO 240 1uF 10uF 0.1uF VOUT 265 - Khi chỉnh VR = 0Ω thì điện áp ngõ ra Vout = 1,25V. Tương tự ICLM318 tạo ra nguồn ổn áp, điện áp ra âm.  Bộ nguồn ổn áp sử dụng IC ổn áp LM317, LM337có điện áp ra có thể điều chỉnh được R1 240 C1 2200uF/50V D1' D3 VR' 5K D3' C2' 0.1 24VAC 0V 6V 12V D1 -VOUT 1 2 C3 1uFC2 0.1 U3 LM 317 3 1 2 IN A D J OUT GND VR 5K +- ~ ~ D2 R1' 240 C1 2200uF/50V C1' 10uF C1 10uF +VOUT 1 2 C3' 1uF U3 LM 337 2 1 3 IN A D J OUT Hình 16.16 Mạch tạo nguồn đối xứng sử dụng vi mạch LM317 và LM337 16.8. Các mạch ổn áp dùng IC cải tiến Mục tiêu : Biết được sơ đồ mạch điện ổn áp dùng IC tăng dòng và điện. 16.8.1. Mạch tăng dòng ra Hình 16.17 Mạch tăng dòng ra 266 Họ IC 78xx ; 79xx thường có dòng ra nhỏ, khi điện áp ngõ ra cần dòng điện lớn chúng ta phải tăng dòng. Để tăng dòng điện ra phải kết hợp transistor Q khuếch đại dòng điện ngõ ra. 16.8.2. Mạch tăng điện áp ra Hình 16.18 Mạch tăng điện áp ra Điện áp ngõ ra Vout = VZ + Vra 78xx Bài tập : Bài 1: của mạch ổn áp hình 16.18 biết điện áp ngõ vào Vin = 24V, VZ = 12V, dùng transistor có hệ số  =100, UBE = 0,7V, điện trở tải RL= 1k, R1 =470. Câu a. Tính điện áp ngõ ra Câu b. Hãy tính các dòng điện I1, IL, IZ, Ib. Hình 16.19 Giải : Câu a. Tính điện áp ngõ ra, dòng điện qua diode zener - Điện thế ngõ ra: BEZout VVV  =12 – 0,7 = 11,3V Câu b. Hãy tính các dòng điện I1, IL, IZ, Ib - Dòng điện mA R VV I Zin 53,25 470 1224 1 1      267 - Dòng điện mA R V II L out LE 3,11 1000 3,11  , AmA I I EB   113113,0 100 3,11  - Dòng điện mAIII BZ 417,25113,053,251  Bài 2: Cho mạch ổn áp hình 16.19. Biết điện áp ngõ vào Vin= 22V, VZ= 8,2V, dùng transistor có hệ số  =100, UBE = 0,7V, điện trở tải RL= 100, R1 =120. Hình 16.20 Câu a. Xác định điện áp ngõ ra Vout. Câu b. Tính dòng điện IL, IC, IZ, I1. Giải Câu a. Xác định điện áp ngõ ra Vout Điện áp ngõ ra Vout = VZ + VBE = 8,9V Câu b. Tính dòng điện IL, IC, IZ, I1. Dòng điện qua tải : 89outL L V I mA R   Dòng điện trên R1 : 1 1 109in out V V I mA R    Dòng điện qua diode Zener: 1 0,198 198 1 L Z I I I mA A       Dòng điện trên cực C transistor: IC = βIb = βIZ = 19,8mA Bài 3: Cho mạch điện như hình 16.20. 268 0V Vz 7.2V C1 220uF 100 0V 6V 470 RL +12V 2SD138OG C2 1uF/50V Hình 16.21 Mạch ổn áp Radio cassette JVC PC 47U Câu a. Cho đây là mạch ổn áp song hay nối tiếp. Câu b. Xác định giá trị điện trở tải RL để mạch ổn định điện áp ngõ ra, biết VBE = 0,7V. Câu c. Tính dòng điện I chạy qua R= 470(Ω). Câu d. Tính công suất tiêu thụ PT trên transistor. Câu e. Tính công suất tiêu thụ PL trên tải RL. Đáp số: Câu a. Ổn áp nối tiếp. Câu b. RL = 1.2kΩ Câu c. I = 10,21mA Câu d. PT = 30mW Câu e. PL = 30mW Bài 4: Cho mạch điện như hình 16.21 Hình 16.22 Radio cassette National CW 43F Câu a. Tính điện áp ngõ ra trường hợp không tải Ur. 269 Câu b. Tính giá trị điện trở RL để điện áp ngõ ra Ur= 4,3V, biết VBE =0,7V và bỏ qua dòng điện Ib của transistor . Câu c. Tính dòng điện I chạy qua R= 470(Ω). Câu d. Tính công suất tiêu thụ PZ trên diode Zener Câu e. Tính công suất tiêu thụ PT trên transistor. Câu f. Tính công suất tiêu thụ PL trên tải RL. Đáp số: Câu a. Ur ≈5,2V Câu b. RL= 2,15kΩ Câu c. I=14,468mA Câu d. PZ= 75mW Câu e. PT =15mW Câu f. PL = 8,6mW 270 BÀI 17: MẠCH KHUẾCH ĐẠI VI SAI Mã môn học: MĐ13 17 GIỚI THIỆU Đối với tín hiệu một chiều hay tín hiệu biến thiên chậm, mạch khuếch đại khi ghép trực tiếp sẽ bị trôi do ảnh hưởng thành phần một chiều của nguồn cung cấp, còn thực hiện qua phép biến đổi trung gian thì mạch trở nên phức tạp. Để khắc phục điều đó thông thường chúng ta dùng mạch khuếch đại vi sai. MỤC TIÊU Học xong bài này học viên sẽ có khả năng - Trình bày chính xác các khái niệm chung của mạch khuếch đại vi sai. - Trình bày chính xác sơ đồ mạch điện, tác dụng của các linh kiện và ứng dụng của các mạch khuếch đại vi sai. - Trình bày đúng phương pháp tính toán cho các mạch khuếch đại vi sai. - Phân tích đúng nguyên lý hoạt động các mạch khuếch đại vi sai. - Lắp ráp và cân chỉnh chế độ các mạch khuếch đại vi sai đúng chỉ tiêu kỹ thuật. - Chẩn đoán, kiểm tra và sửa chữa được các hỏng hóc của các mạch khuếch đại vi sai. NỘI DUNG CHÍNH 17.1. Các vấn đề chung về mạch khuếch đại vi sai Mục tiêu: Biết được sơ đồ mạch điện nguyên lý tổng quát, điều kiện và đặc điểm của mạch điện, các phương pháp đưa tín hiệu vào. 17.1.1. Sơ đồ mạch điện nguyên lý tổng quát 271 Hình 17.1. Sơ đồ mạch khuếch đại vi sai 17.1.2. Các điều kiện và đặc điểm của mạch điện  Điều kiện của mạch khuếch đại vi sai, là mạch phải có tính đối xứng.  Đặc điểm của mạch khuếch đại vi sai, tín hiêu hai ngõ vào Vi1 và Vi2 đưa vào ở cực B, tín hiệu hai ngõ ra Uout lấy giữa hai cực C của hai transistor là Vo1, Vo2 .  Mạch khuếch đại vi sai là khuếch đại có tín hiệu ra không tỷ lệ với trị tuyệt đối của tín hiệu vào, mà tỷ lệ với hiệu của hai tín hiệu vào, và hiệu hiệu hai tín hiệu ngõ ra.  Mạch khuếch đại vi sai thường sử dụng đểkhuếch đại tín hiệu có tần số giới hạn dưới nhỏ vài Hz, tín hiệu biến thiên chậm hay tín hiệu một chiều. Mạch khuếch đại vi sai là cơ sở để xây dựng khuếch đại thuật toán. 17.1.3. Các phương pháp đưa tín hiệu vào.  Chế độ đơn: Đưa tín hiệu vào một, một đầu còn lại nối đất.  Chế độ vi sai: Đưa hai đầu ngõ vào tín hiệu khác nhau.  Chế độ đồng pha: Đưa hai đầu ngõ vào tín hiệu giống nhau. 17.2. Mạch khuếch đại vi sai hoạt động ở chế độ khuếch đại một chiều Mục tiêu: Biết được sơ đồ mạch điện tác dụng của linh kiện, nguyên lý hoạt động, tính toán các thông số của mạch, ứng dụng của mạch khuếch đại vi sai hoạt động ở chế độ khuếch đại một chiều. 272 17.2.1. Sơ đồ mạch điện và tác dụng của linh kiện  Sơ đồ mạch điện Hình 17.2. Sơ đồ mạch khuếch đại vi sai chế độ một chiều.  Tác dụng của linh kiện - Nguồn âm –VEE tạo phân cực cho transistor T1, T2. - Transistor T1, T2 có cùng mã số, dùng để khuếch đại tín hiệu. - Điện trở RC1, RC2 có giá trị bằng nhau, tạo điện áp ngõ ra. 17.2.2. Nguyên lý hoạt động của mạch điện - Khi xét mạch khuếch đại ở chế độ một chiều thì thành phần xoay chiều bằng không có nghĩa tín hiệu ngõ vào Vi1=Vi2 =0V, xem như được nối đất ở ngõ vào. - Cực B của transistor được nối đất làm cho điện áp VE và dòng điện IE bằng hằng số. Do mạch có tính đối xứng nên điện áp Vo1, Vo2 có giá trị như nhau, điện áp ngõ ra vi sai Uout = Vo1 - Vo2 = 0V. 17.2.3. Biểu đồ tín hiệu ra. 273 Hình 17.3. Biểu đồ tín hiệu ra mạch khuếch đại ở chế độ một chiều  Biên độ điên áp ngõ ra xét về mặt lý tưởng Vo1 = Vo2 vì mạch mang tính đối xứng, điện áp ngõ ra vi sai Vout = Vo1- Vo2 = 0. 17.2.4. Tính toán các thông số của mạch điện  Xét chế độ một chiều: Vi1= Vi2 = 0 nên :  Dòng điện  Hai transistor Tl và T2 hoàn toàn đối xứng ta có.  Dòng điện  Dòng điện  Điện áp ngõ ra Vo1= Vo2 = VCC – IC RC, nên Vout = Vo1 - Vo2 = 0. 17.2.5. Đặc tính của mạch điện  Điện áp vi sai ngõ ra Vout = Vo1- Vo2 = 0.  Điện áp ngõ ra Vo1= Vo2 = VCC – IC RC ,phụ thuộc vào điện trở RE và điện áp âm –VEE. 17.2.6. Ứng dụng của mạch điện  Mạch khuếch đại vi sai thường sử dụng trong mạch khuếch đại tần số thấp, mạch khuếch đại biến thiên chậm. 17.3. Mạch khuếch đại vi sai hoạt động ở chế độ khuếch đại xoay chiều ngõ vào đơn Mục tiêu: Biết được sơ đồ mạch điện tác dụng của linh kiện, nguyên lý hoạt động, tính toán các thông số của mạch, ứng dụng của mạch khuếch đại vi sai hoạt động ở chế độ khuếch đại xoay chiều ngõ vào đơn. 17.3.1. Sơ đồ mạch điện và tác dụng của linh kiện 274  Sơ đồ mạch điện Hình 17.4. Mạch khuếch đại vi sai tín hiệu ngõ vào AC chế độ đơn cực  Tác dụng của linh kiện - Nguồn âm –VEE tạo phân cực cho transistor T1, T2. - Transistor T1, T2 có cùng mã số dùng để khuếch đại tín hiệu. - Điện trở RC1, RC2 có giá trị bằng nhau tạo điện áp ngõ ra. 17.3.2. Nguyên lý hoạt động của mạch điện. Sơ đồ tương đương tín hiệu bé  Nguyên lý hoạt động của mạch điện - Tín hiệu Vi1 vào cực B, tín hiệu ngõ ra Vo1 tại cực C của transistor T1 nên điện áp ngõ ra Vo1 ngược pha ngõ vào Vi1, và tạo tín hiệu tại cực E là VE đồng pha với Vi1. - Tín hiệu Vi2 được nối đất nên transistor T2 lấy tín hiệu từ VE đồng pha Vi1, có thể T2 được xem như mạch khuếch đại kiểu Bchung nên tín hiệu ngõ V02 giống như Vo1 nhưng ngược pha nhau (Vo2 = - Vo1). - Tín ngõ ra Vout lấy giữa hai cực C của 2 transistor Vout = Vo1- Vo2 = 2Vo1  Sơ đồ tương đương tín hiệu bé 275 Hình 17.5. Sơ đồ tương đương tín hiệu bé, tín hiệu ngõ vào đơn cực 17.3.3. Tính toán các thông số của mạch điện - Mạch đối xưng ta có độ lớn: ib1= ib2 = ib; hie1= hie2= hie = hfe..re ; hfe1 = hfe2= hfe. - Điện trở RE có giá trị rất lớn so hie2 nên có thể xem như hở mạch ở RE. Cực B của T2 bằng 0 nên dòng điện ib2 thực tế phải đi xuống theo dòng điện ib1 ta có: - Điện áp ngõ vào Vi1= hie1. ib1+ hie2. ib2= 2 hie. ib =2hfe.re.ib. - Điện áp ngõ ra - Hệ số khuếch đại áp : Trong đó 17.3.4. Đặc tính của mạch điện - Mạch khuếch đại vi sai khi có một ngõ vào nối đất được gọi là mạch khuếch đại vi sai chế độ đơn. - Hệ số khuếch đại điện áp tương đối lớn. - Điện áp ngõ ra sẽ đảo pha với Vi1, điện áp ngõ ra sẽ đồng pha với Vi1. - Điện áp ngõ ra vi sai Uout 17.3.5. Ứng dụng của mạch điện. - Thường dùng trong các mạch tiền khuếch đại công suất biên độ tín hiệu nhỏ nhằm loại bỏ tín hiệu nhiễu. 17.3.6. Lắp ráp và cân chỉnh các mạch khuếch đại vi sai hoạt động ở chế độ khuếch đại xoay chiều ngõ vào đơn 276 Các bước thực hành : Bước 1. Ráp mạch như hình 17.6 trên test board. Hình 17.6. Mạch khuếch đại vi sai ổn dòng Bước 2. Chỉnh biến trở (tại A) sao cho điện áp tại A bằng 4V. Bước 3. Chỉnh biến trở tại( tại B) dùng VOM đo điện áp tại B theo bảng số liệu sau. VB(V) 3 3.2 3.4 3.6 3,8 4 4,2 4,4 4,6 4,8 5 UCD(V) Kd Bước 4. Dùng VOM đo điện áp ngõ ra UCD. Bước 5. Tính hệ số khuếch đại: . 277 Bước 6. Chỉnh biến trở tại B sao cho điện áp UCD = 0. Bước 7. Cấp nguồn sin tại E có biên độ Vm =1V, tần số 1Khz. Bước 8. Dùng máy đo hiển thị sóng (Oscilloscope). Đo điện áp ngõ ra Vo tại D. Hình 17.7. Hình vẽ dạng sóng ngõ vào Vi và ngõ ra Vo Bước 9. Tính hệ số khuếch đại Bước 10. Nhận xét kết quả đo: .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. 17.3.7. Kiểm tra và sửa chữa các hỏng hóc của các mạch  Đo điện áp tại VZ có đúng 3V không ? Nếu không đúng kiểm tra lại mạch và diode zener 278  Đo điện áp VBE có thỏa điều kiện 0,4V ≤ VBE ≤0,8V không ? nếu không thỏa kiểm tra transisor.  Ngoài ra còn có nhiều nguyên nhân khác học viên cần kiểm tra lại các dây cấm có tiếp xúc không ? 17.4. Mạch khuếch đại vi sai hoạt động ở chế độ khuếch đại xoay chiều ngõ vào vi sai 17.4.1. Sơ đồ mạch điện và tác dụng của linh kiện  Sơ đồ mạch điện Hình 17.8. Hình mạch khuếch đại vi sai hoạt động chế độ vi sai  Tác dụng của linh kiện - Nguồn âm –VEE tạo dòng điện IE. - Transistor T1, T2 có cùng mã số dùng để khuếch đại tín hiệu. - Điện trở RC1, RC2 có giá trị bằng nhau tạo điện áp ngõ ra. 17.4.2. Nguyên lý hoạt động của mạch điện - Khi tín hiệu vào là ngược pha đặt vào hai base thì các dòng biến thiên như nhau về trị tuyệt đối nhưng ngược chiều ( ngược dấu). 279 - Điện áp ngõ ra Vo1, Vo2 có cùng biên độ nhưng ngược pha. làm cho điện áp hồi tiếp âm trên RE không xuất hiện vì dòng emitter của một transistor tăng bao nhiêu thì dòng emitter của transistor kia giảm đi bấy nhiêu. - Nên mỗi transistor T1, T2 chỉ hoạt động khuếch đại theo kiểu E chung. 17.4.3. Sơ đồ tương đương tín hiệu bé Hình 17.9. Sơ đồ tương đương tín hiệu bé khuếch đại vi sai, chế độ vi sai 17.4.4. Tính toán các thông số của mạch điện - Xét mạch chỉ có Vi1 ( xem Vi2 =0) ta có - Xét mạch chỉ có Vi2 ( xem Vi1 =0) ta có - Vậy 17.4.5. Đặc tính của mạch điện - Khi hai tín hiệu hai ngõ vào Vi1, Vi2 ngược pha được gọi là khuếch đại chế độ vi sai. - Điện áp ngõ ra Vo1 ngược với Vi1 (đồng pha Vi2). - Điện áp ngõ ra Vo2 ngược với Vi2 (đồng pha Vi1). - Điện áp ngõ ra vi sai Uout . 17.4.6. Ứng dụng của mạch điện - Mạch khuếch đại vi sai ở chế độ vi sai thường dùng trong các mạch tiền khuếch đại công suất tần số thấp biên độ nhỏ ,mạch biến thiên chậm. 280 17.5. Mạch khuếch đại vi sai hoạt động ở chế độ khuếch đại xoay chiều ngõ vào đồng pha 17.5.1. Sơ đồ mạch điện và tác dụng của linh kiện  Sơ đồ mạch điện Hình 17.10. Mạch khuếch đại vi sai chế độ đồng pha  Tác dụng của linh kiện - Nguồn âm –VEE tạo dòng điện IE. - Transistor T1, T2 có cùng mã số dùng để khuếch đại tín hiệu. - Điện trở RC1, RC2 có giá trị bằng nhau tạo điện áp ngõ ra. 17.5.2. Nguyên lý hoạt động của mạch điện. - Khi hai tín hiệu hai ngõ vào Vi1, Vi2 giống nhau được gọi là khuếch đại chế độ đồng pha. - Khi tín hiệu Vi1, Vi2 giống nhau được đưa vào biến thiên, làm dòng điện ie1 vàie2 của hai transistor thay đổi như nhau, nên điện áp Vo1, Vo2 bằng nhau. Như vậy điện áp ngõ ra vi sai bằng 0. 17.5.3. Sơ đồ tương đương tín hiệu bé. 281 Hình 17.11. Sơ đồ tương đương tín hiệu bé khuếch đại vi sai,chế độ đồng pha 17.5.4. Tính toán các thông số của mạch điện. - Điện áp ngõ vào - Điện áp ngõ ra - Điện áp ngõ ra vi sai - Vậy hệ số khuếch đại đồng pha 17.5.5. Đặc tính của mạch điện - Mạch khuếch đại chế độ đồng pha có hệ số khuếch đại nhỏ hơn hệ số khuếch đại vi sai. Nếu RE càng lớn thì Kđp càng giảm có khả năng tiến về 0. - Điện áp ngõ ra vi sai Uout = 0. 17.6. Mạch khuếch đại vi sai có tải động (kiểu gương dòng điện) 17.6.1. Mạch điện tác dụng linh kiện  Mạch điện 282 Hình 17.12. Mạch khuếch đại vi sai gương dòng.  Tác dụng linh kiện - Nguồn âm –VEE tạo dòng điện IE. - Transistor T1, T2 có cùng mã số dùng để khuếch đại tín hiệu. - Điện trở RC1, RC2 có giá trị bằng nhau, tạo điện áp phân cực nguồn một chiều cho hai transistor hoạt động, và tạo điện áp ngõ ra. - Điện trở Rb1, Rb2 có giá trị bằng nhau, tạo ổn định nguồn dòng i1, i2. - Điện trở tải RL1. RL2. 17.6.2. Nguyên lý hoạt động của mạch điện  Khuếch đại vi sai ở chế độ ngõ vào dòng đơn (ii2=0) Dòng điện ii1 đi vào cực B, ngõ ra io1ở cục C của transistor T1 nên mạch khuếch đại dòng theo kiểu E chung, do đó dòng điện ngõ ra io1ngược pha với ii1 tạo điện áp ngõ ra Vo1 trên tải RL1 sẽ ngược pha với ii1. Đối với transistor T2 sẽ có dòng điện ngõ vào lấy từ cực E đồng pha i1, ra cực C nên mạch khuếch đại dòng theo kiểu B chung, do đó dòng điện ngõ ra io2đồng pha với ii1 tạo điện áp ngõ ra Vo2 trên tải RL2 sẽ đồng pha với ii1  Khuếch đại vi sai ở chế độ ngõ vào dòng đồng pha (ii1 = ii2) Dòng điện ii1 , ii2 giống nhau đi vào cực B của hai transistor T1, T2, làm dòng điện ngõ ra io1 và io2 biến thiên như nhau nên dòng điện ngõ ra vi sai iout = io1- io2 = 0  Khuếch đại vi sai ở chế độ ngõ vào dòng vi sai (ii1 =- ii2) 283 Dòng điện ii1 , ii2 đi vào cực B của hai transistor T1, T2 làm dòng điện ngõ ra io1 và io2 biến thiên có biên độ bằng nhau nhưng ngược pha, nên dòng điện ngõ ra vi sai iout = io1- io2 ≠0 17.6.3. Tính toán các thông số của mạch điện  Xét chế độ một chiều: ii1= ii2 = 0 nên. - - Hai transistor Tl và T2 hoàn toàn đối xứng ta có. - Dòng điện - Dòng điện - Giá trị với  Xét chế độ xoay chiều: - Dòng điện ngõ vào ở chế độ đơn và vi sai, có độ lớn hệ số khuếch đại dòng: - Dòng điện ngõ vào ở chế độ đồng pha, có độ lớn hệ số khuếch đại dòng: 17.6.4. Đặc tính của mạch điện - Mạch khuếch đại vi sai gương dòng ở chế độ ngõ vào vi sai, dòng điện hai ngõ ra io1, io2 ngược pha nhau nên đo sai lệch dòng điện hai ngõ ra khác không. - Mạch khuếch đại vi sai gương dòng ở chế độ ngõ vào đồng pha, dòng điện hai ngõ ra io1, io2 giống nhau (cùng pha nhau) nên đo sai lệch dòng điện hai ngõ ra bằng không. 284 BÀI 18: VI MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN (OP-AMP) Mã môn học: MĐ13 18 GIỚI THIỆU Mạch khuếch đại thuật toán thuộc về bộ khuếch đại dòng một chiều có hệ số khuếch đại lớn, có hai đầu vào và một đầu ra chung. MỤC TIÊU Học xong bài này học viên sẽ có khả năng: - Trình bày chính xác định nghĩa, kí hiệu, các tính chất cơ bản và các tham số cơ bản của vi mạch khuếch đại thuật toán. - Trình bày đúng kí mã hiệu và các tham số đặc trưng của một số vi mạch khuếch đại thuật toán (OP-AMP) thông dụng. Nội dung: NÔI DUNG CHÍNH 18.1. Định nghĩa và kí hiệu của vi mạch thuật toán Mục tiêu: Biết được định nghĩa, Kí hiệu, hình dạng, đặc tính của Op- Amp. 18.1.1. Định nghĩa - Vi mạch khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier) goi tắt là Op- có khả năng thực hiện các phép biển đổi toán học như cộng trừ, biến đổi tỷ lệ, vi tích phân, khuếch đại, biến đổi tín hiệu, các bộ lọc tích cực, tạo hàm trong các tín hiệu tương tự. - Vi mạch khuếch đại thuật toán bên trong gồm các tầng khuếch đại vi sai, dùng khuếch đại tín hiệu vào, khuếch đại đầu ra. cho phép khả năng tải dòng lớn, có các mạch chống ngắn mạch và hạn chế dòng điện.Vi mạch khuếch đại thuật toán phổ dụng là 741. 18.1.2. Kí hiệu 285 Hình 18.1. Kí hiệu và hình dạng của vi mạch thuật toán (Op-Amp)  Vin - là điện áp ngõ vào tại (-) gọi là ngõ vào đảo.  Vin + là điện áp tại ngõ vào (+) gọi là ngõ vào không đảo.  Iin - là dòng điện ngõ vào tại (-).  Iin + là dòng điện tại ngõ vào (+). Hình 18.2. Sơ đồ bên trong của mạch khuếch đại thuật toán 741: 286 Hình 18.3. Sơ đồ chân của vi mạch thuật toán (Op-Amp) - Op-amp thường được đóng gói dưới dạng linh kiện tích hợp 8 chân hay 16 chân, tùy loại mà bên trong nó chứa 1(Single Op-amp), 2 (Dual Op-amp) hay 4 Op-amp (Quad Op-amp). Tính năng của từng chân IC được tiêu chuẩn hóa nên ta có thể thay thế các IC Op-amp tương đương. - Cách xác định chân số 1 trên IC Op-amp xoay IC về hướng mình, làm sao cho bạn có thể đọc được ký hiệu và mã linh kiện. Chân đầu tiên từ bên trái qua, ở hàng chân phía dưới được đánh bằng một dấu tròn định vị âm trên lưng IC – đó là chân số 1, bắt đầu từ chân này số chân sẽ được đánh dấu tuần tự theo chiều ngược kim đồng hồ, do vậy đối diện chân số 1 sẽ là chân số 8 (với loại IC có 8 chân). 18.2. Các tính chất cơ bản của OP-AMP Mục tiêu:Biết đượccác tính chất cơ bản của OP-AMP.  Trở kháng vào rất lớn cỡ từ hàng trăm K tới hàng M.  Trở kháng ra rất nhỏ cỡ từ hàng  tới vài chục .  Hệ số khuếch đại Kd từ vài trăm tới hàng triệu lần.  Đáp ứng tần số có giới hạn.  Khi xét trạng thái lý tưởng:  Trở kháng vào là vô cùng, Zv  .  Trở kháng ra bằng không, Zr = 0.  Hệ số khuếch đại Kd  .  Đáp ứng tần số là như nhau ở mọi tần số. Từ tính chất trên đối với Op-Amp lý tưởng ta có đặc điểm quan trọng:  Điện áp ngõ vào Vin + = Vin - . 287  Dòng điện ngõ vào Iin + = Iin - 18.3. Các tham số cơ bản của bộ KDTT Mục tiêu:Biết được hệ số khuếch đại tín hiệu, đặc tuyến truyền đạt, Hệ số khuếch đại đồng pha, tỷ số nén tín hiệu đồng pha, dòng vào tĩnh và điện áp lệch không. 18.3.1. Hệ số khuếch đại tínhiệu: Kd - Điện áp đầu ra Vra tỷ lệ với hiệu số của điện thế giữa hai đầu vào, và cho bởi: Vra = Kd.(Vin + - Vin -) Với Kd là hệ số khuếch đại áp, thường rất lớn cỡ 1 000 000 lần. - Mạch khuếch đại hiệu điện áp giữa hai đầu vào:  Nếu Vin + = 0 thì Vra = - Kd. Vin - nên Vra ngược pha với tín hiệu vào. Vậy điện áp Vin - tại ngõ vào (-) gọi là ngõ vào đảo.  Nếu Vin - = 0 thì Vra = Kd. Vin + nên Vra đồng pha với tín hiệu vào. Vậy điện áp Vin + tại ngõ vào (+) gọi là ngõ vào không đảo. 18.3.2. Đặc tuyến truyền đạt. Đối với Op- Amp điện áp ngõ ra không những phụ thuộc vào điện áp ngõ vào mà còn phụ thuộc vào nguồn cung cấp.  Điện áp Vra chỉ đạt một dải điện áp nhất định từ Vrmin tới Vrmax.  Giá trị Vrmin thường lớn hơn –VSS từ 1V đến 3V.  Giá trị Vrmax thường nhỏ hơn +VSS từ 1V đến 3V. Hình 18.4. Đặc tuyến hàm truyền đạt ngõ ra của Op-Amp. 288 Vậy Op-Amp hoạt động theo 3 vùng riêng biệt:  Điện áp Vrmin< Vra < Vrmax gọi là vùng hoạt động tuyến tính.  Điện áp Vra= Vrmin gọi là vùng bão hòa âm.  Điện áp Vra= Vrmax gọi là vùng bão hòa dương. 18.3.3. Hệ số khuếch đại đồng pha  Hệ số khuếch đại đồng pha được định nghĩa:  gọi là sự thay đổi mức điện áp ngõ ra.  gọi là sự thay đổi mức điện áp ngõ vào.  Kcm có giá trị luôn nhỏ hơn Kd. phụ thuộc vào điện áp ngõ vào đồng pha 18.3.4. Tỷ số nén tín hiệu đồng phaCMRR(common mode rejection ratio) - Đưa điện áp Vin + = Vin - theo lý thuyết Vra = Kd.(Vin + - Vin -) = 0. - Nhưng thực tế Vra 0 như vậy ta tính Vra = Kcm.Vcm  Vcm = Vin + = Vin - gọi là điện áp đồng pha.  Kcm gọi là hệ số khuếch đại đồng pha. - Để đánh giá khả năng làm việc của Op- Amp thực so với Op- Amp lý tưởng người ta đưa ra hệ số CMRR để so sánh. Hình 18.5. Trình bày tín hiệu ngõ ra thực và lý tưởng khi Vin + = Vin -  Giá trị khoảng 103 đến 105 Chú ý: Tỷ số nén tín hiệu đồng pha thường được tính theo đơn vị decibel c d K K dBCMRR lg20)(  (khoảng 76dB – 100dB) 18.3.5. Dòng vào tĩnh và điện áp lệch không - Dòng vào tĩnh là giá trị trung bình của dòng điện ngõ vào Iin - , Iin + 289 Ta có với Vin + = Vin - = 0. - Dòng vào lệch không là hiệu dòng điện ngõ vào Iin - , Iin + Ta có Io = Iin + - Iin - Thông thường Io = 0,1It. Hai thông số này cho thấy tính không lý tưởng của bộ Op- Amp chúng phụ thuộc vào nhiệt độ. - Dòng vào lệch không là nguyên nhân gây ra Vr 0 khi Vin + = Vin - . Người ta gọi điện áp Vr0 là điện áp lệch không. - Vậy cần đặt giữa hai đầu ngõ vào một điện áp bằng Vr0 để điện áp ra bằng 0 V. Nói cách khác, điện áp lệch không là điện áp để cân bằng điện áp rất nhỏ tồn tại ở đầu vào. Hình 18.6. Mạch đo điện áp lệch không. - Vro là điện áp đầu ra không mong muốn gây ra bởi điện áp Vr tại đầu vào Vin + = V0. Điện áp Vro Vo - Để cho điện áp ngõ ra bằng 0 thì ta phải bù điện áp Vr0 giữa hai đầu điện áp ngõ vào Vin + , Vin -. 18.4. Giới thiệu một số vi mạch khuếch đại thuật toán thông dụng Mục tiêu: Biết được một số vi mạch khuếch đại thuật toán thông dụng: họ Op- Amp LM 101và LM 741. 18.4.1. Op-Amp LM 101  Kí hiệu mã 290 Hình 18.7. Sơ đồ chân và hình dạng của Op-Amp LM 101A Hình 18.8. Sơ đồ chân Op-Amp LM 101AJ, LM101W 5 Hình 18.9. Sơ đồ chân Op-Amp LM 101AH, LM101AJ-14/883 - Op-Amp LM101A ; LM201A; LM301A có cùng một số đặc điểm chung nên có thể thay thế nhau được. - Op-Amp LM101AJ ; LM101J/ 883; LM201AN; LM301AN có cùng một số đặc điểm chung đặc điểm nên có thể thay thế nhau được. - Op-Amp LM101AH ; LM101AH/ 883; LM201AH; LM301AH có cùng một số đặc điểm chung đặc điểm nên có thể thay thế nhau được.  Các Thông số kỹ thuật LM101-201-301 291 18.4.2. Op-Amp LM 741  Kí hiêu mã Hình 18.10. Sơ đồ chân họ LM 741H; LM741J; LM741W - Op-Amp LM741H; LM741H/883; LM741AH/883; LM741CH có cùng một số đặc điểm chung nên có thể thay thế nhau được. - Op-Amp LM741J; LM741J/883; LM741CN có cùng một số đặc điểm chung nên có thể thay thế nhau được.  Các Thông số kỹ thuật họ LM741 292 18.5. Thực hành các mạch ứng dụng cơ bản: 18.5.1. Mạch khuếch đại đảo 18.5.1.1. Sơ đồ mạch điện 18.5.1.2. Các bước thực hành  Trường hợp1: Cấp nguồn đôi cho Op-Amp ±VSS = ±15V.  Bước 1: Ráp mạch như hình 18.11 trên mô hình ( test board). + - R2 R1 VoVo LM741 Vin R3 Hình 18.11. Mạch khuếch đại đảo. Giá trị linh kiện: - Op-Amp LM741 - R1= 2,2kΩ - R2 =5,6kΩ - R3 =1,5kΩ 293  Bước 2: Đo ghi kết quả theo bảng số liệu 18.1, và tính hệ số Vin(V) -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 V0(V) - Bước 3: Tính hệ số Kd theo lý thuyết - Bước 4: Vẽ đặc tuyến ngõ ra dựa vào bảng số liêu đo: Hình 18.12. Vẽ đặc tuyến ngõ ra V0 theo bảng số liệu 18.1  Trường hợp2: Cấp nguồn đơn cho Op-Amp (VSS = 15V ; -VSS = 0V)  Bước 4: Ráp mạch như hình 18.11 trên mô hình ( test board).  Bước 5: Đo ghi kết quả theo bảng số liệu18.2 và tính hệ số Vin(V) -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 V0(V) 294 - Bước 7: Tính hệ số Kd theo lý thuyết - Bước 8: Vẽ đặc tuyến ngõ ra dựa vào bảng số liêu đo: Hình 18.13. Vẽ đặc tuyến ngõ ra V0 theo bảng số liệu 18.2 - ............................................................................................................... N hận xét trong 2 trường hơp đo: .................................................................... ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ 18.5.2. Mạch khuếch đại Không đảo 18.5.2.1. Sơ đồ mạch điện 295 18.5.2.2. Các bước thực hành  Trường hợp1: Cấp nguồn đôi cho Op-Amp ±VSS = ±15V.  Bước 1: Ráp mạch như hình 18.14 trên mô hình ( test board).  Bước 2: Đo ghi kết quả theo bảng số liệu 18.4 và tính hệ số Vin(V) -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 Vin +(V) Vin -(V) V0(V) - Bước 3: Tính hệ số Kd theo lý thuyết = - Bước 4: Tính điện áp theo lý thuyết = - Bước 5: Vẽ đặc tuyến ngõ ra dựa vào bảng số liêu đo: Hình 18.14. Mạch khuếch đại không đảo. Giá trị linh kiện: - Op-Amp LM741 - R1= 2,2kΩ - R2 =5,6kΩ - R3 = R4=10kΩ 296 Hình 18.15. Vẽ đặc tuyến ngõ ra V0 theo bảng số liệu 18.2  Trường hợp2: Cấp nguồn đơn cho Op-Amp (VSS = 15V ; -VSS = 0V)  Bước 6: Ráp mạch như hình 18.14 trên mô hình ( test board).  Bước 7: Đo ghi kết quả theo bảng số liệu18.4 và tính hệ số Vin(V) -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 Vin +(V) Vin -(V) V0(V) - Bước 8: Tính hệ số Kd theo lý thuyết = - Bước 9: Tính điện áp theo lý thuyết - Bước 10: Vẽ đặc tuyến ngõ ra dựa vào bảng số liêu đo: 297 Hình 18.16. Vẽ đặc tuyến ngõ ra V0 theo bảng số liệu 18.4 - ............................................................................................................... N hận xét trong 2 trường hơp đo: .................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... 18.6. Kiểm tra mạch khuếch đại 18.6. 1. Mạch khuếch đại đảo - Kiểm tra lắp mạch có đúng sơ đồ chân và giá trị điện trở. - Kiểm trakết quả đo ở bảng số liêu. - Kiểm travẽ đặc tuyến ngõ ra. 18.6. 2. Mạch khuếch đại đảo - Kiểm tra lắp mạch có đúng sơ đồ chân và giá trị điện trở. - Kiểm trakết quả đo ở bảng số liêu. Kiểm travẽ đặc tuyến ngõ ra.