Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử - Chương 1: Các mạch tính toán, điều khiển và tạo hàm dùng khuếch đại thuật toán
1
CHƯƠNG 1
CÁC MẠCH TÍNH TOÁN, ĐIỀU KHIỂN VÀ TẠO HÀM DÙNG KHUẾCH
ĐẠI THUẬT TOÁN
Chương này nhằm giới thiệu việc ứng dụng mạch khuếch đại thuật toán
(KĐTT) trong các mạch khuếch đại, tính toán, điều khiển, tạo hàm. Khảo sát các mạch
cộng, trừ, nhân chia, khai căn, mạch khuếch đại loga và đối loga, mạch vi, tích phân,
PD, PID, mạch chỉnh lưu chính xác, mạch so sánh tương tự...
1.1 Khái niệm chung
Hiện nay, các bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) đóng vai trò quan trọng và được
ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tính toán, điều khiển, tạo hàm, tạo tín
hiệu hình sine và xung, sử dụng trong ổn áp và các bộ lọc tích cực... Trong kỹ thuật
mạch tương tự, các mạch tính toán và điều khiển được xây dựng chủ yếu dựa trên bộ
KĐTT. Khi thay đổi các linh kiện mắc trong mạch hồi tiếp ta sẽ có được các mạch tính
toán và điều khiển khác nhau.
Có 2 dạng mạch tính toán và điều khiển: tuyến tính và phi tuyến.
Tuyến tính: có trong mạch hồi tiếp các linh kiện có hàm truyền đạt tuyến tính.
Phi tuyến: có trong mạch hồi tiếp các linh kiện có hàm truyền phi tuyến tính.
Về mặt kỹ thuật, để tạo hàm phi tuyến có thể dựa vào một trong các nguyên tắc
sau đây:
1. Quan hệ phi tuyến Volt - Ampe của mặt ghép pn của diode hoặc BJT khi
phân cực thuận (mạch khuếch đại loga)
2. Quan hệ phi tuyến giữa độ dốc của đặc tuyến BJT lưỡng cực và dòng Emitơ
(mạch nhân tương tự).
3. Làm gần đúng đặc tuyến phi tuyến bằng những đoạn thẳng gấp khúc (các
mạch tạo hàm dùng diode).
4. Thay đổi cực tính của điện áp đặt vào phân tử tích cực làm cho dòng điện ra
thay đổi (khoá diode, khoá transistor).
1.2 Các mạch tính toán và điều khiển
1.2.1 Mạch cộng đảo
Áp dụng phương trình cân bằng dòng điện dòng tại nút N ta có :
vin1 vin2
vinn vout
+ = 0
+
+ ... +
R1
R2
Rn RN
2
⎛
⎞
RN
R1
RN
R2
RN
Rn
⎜
⎜
⎟
⎟
⇒ vout = −
vin1 +
vin2 + ...+
vinn
⎝
⎠
R1
R2
vin1
vin2
vinn
RN
vout
Rn
Hình 1.1 Sơ đồ mạch cộng
1.2.2 Mạch khuếch đại đảo với trở kháng vào lớn
RN
R1
vin
vout
R2
R3
v3
Hình 1.2 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo có trở kháng vào lớn
Viết phương trình cân bằng dòng điện tại nút N:
RN
R1
vin v3
+
= 0 suy ra v3 = −
vin
R1 RN
R2 + R
Mà vout
=
3 v3 ( với điều kiện RN >> R3 )
R3
RN
R1
R2
R3
⇒ vout = −
(1+
)vin
RN
R1
R2
R3
Vậy hệ số khuếch đại của mạch : K ' =
(1+
)
Trường hợp yêu cầu hệ số khuếch đại lớn thì phải chọn R1 nhỏ. Lúc đó trở kháng
vào của mạch ZV = R1 nhỏ. Có thể khắc phục nhược điểm đó bằng cách chọn R1 = RN
R
lớn. Do đó K’ chỉ còn phụ thuộc vào (1+ 2 ) , có thể tăng tỷ số này tùy ý mà vẫn
R3
không ảnh hưởng đến trở kháng vào ZV = R1 = RN của mạch.
3
1.2.3 Mạch trừ
RN
R1
R2
vin1
vin2
vout
Rp
Hình 1.3 Sơ đồ mạch trừ
RN RP
Giả thiết
=
= a
R1 R2
Điện áp ở cửa vào thuận:
RP
avin2
vP = vin2
=
(1)
(2)
RP
a
a +1
RP +
Điện áp ở cửa vào đảo:
vN =
RN
avin1 vout
+ vout = +
(
vin1 − vout
)
RN
a
a +1 a +1
RN +
Vì
vd = vP – vN = 0 ( vP = vN ) nên từ (1) và (2) ta suy ra:
avin2 avin1 vout
=
+
a +1 a +1 a +1
Vậy
vout = a(vin2-vin1)
1.2.4 Mạch trừ với trở kháng vào lớn
Vín2
vout
Vin1
R
KR
R/n
Hình 1.4 Sơ đồ mạch trừ với trở kháng vào lớn
Viết phương trình dòng điện nút cho nút N1 và N2 ta có :
vin1 − vN vN vout − vN
−
+
= 0 Mà vN = vin2
R
R
KR
n
4
vout − vin2
⇒ vin1-vin2 = nvin2 +
= 0
K
⇒ Kvin1 - (n + 1) Kvin2 + vout - vin2 = 0
⇒ vout = vin2 + K(n + 1) vin2 -Kvin1
⇒ vout = (1 + K + nK) vin2 -Kvin1
Hệ số của Vin2 luôn luôn lớn hơn hệ số của Vin1 ( mạch không tạo được điện áp ra
có dạng : K (Vin2 -Vin1). Trở kháng vào của cửa P lớn (Zv = rd), nên không yêu cầu
nguồn vin2 có công suất lớn.
v3
vin1
R3
N1
R3
R2
R1
N2
R2
vout
vin2
Hình 1.4.b mạch điện có trở kháng vào lớn ở cả hai cửa vào
Hình 1.4.b trình bày mạch điện có trở kháng vào của cả hai cửa (cửa vin1 và vin2)
đều lớn.
Viết phương trình dòng điện nút cho N1 và N2 ta có :
v − v
vin2 − vin1 − vin1
⎧
3
in1
+
+
= 0
⎪
R3
R1
R2
⎪
⎨
⎪
v3 − vin2 vout − vin2 vin1 − vin2
+
+
= 0
⎪
⎩
R3
R2
R1
R1 + 2R
R1R3
Suy ra:
vout = (1+ R2
3 )(vin2 -vin1)
Ta thấy trở kháng vào của cả hai cửa đều lớn và bằng rd của KĐTT. Có thể thay
R1 + 2R3
đổi được hệ số khuếch đại K’ = 1+ R2
khi thay đổi R1.
R1R3
K = Kmin khi R1 = ∞
R2
Lúc đó:
vout = (1+ )(vin2 -vin1)
R3
Vì
R2 ≠ 0,R3 ≠ ∞ nên K’ > 1
5
1.2.5 Mạch tạo điện áp ra có cực tính thay đổi
R1
R1
vin
vout
R2
qR2
Hình 1.5 mạch tạo điện áp ra có cực tính thay đổi
Vin −Vout
Vin +Vout
Ta có:
Vì:
VN =
+Vout =
2
2
VP = qVin
Vín +Vout
VP =VN ⇒
= qVin
2
⇒Vout = (2q −1)Vin
Khi thay đổi tiếp điểm trên chiết áp R2 ta có hệ số của Vin lúc dương, lúc âm.
Khi q = 1/2 (Vout = 0 mặc dù Vin ≠ 0)
Khi q > 1/2 ( Vout và Vin cùng pha)
Khi q < 1/2 ( Vout và Vin ngược pha)
1.2.6 Mạch tích phân đảo
iC
R
i1
vin
vout
1.6.a Mạch tích phân đảo
Phương trình dòng điện nút tại N:
v
dv
out
in +C
=0
i1 + ic = 0 hay
R
dt
t
1
1
vout =−
v (t).dt=−
v (t)dt+vout(t =0)
Suy ra
in
in
∫
∫
RC
RC0
(điện áp ra tỉ lệ với tích phân điện áp vào).
Thường chọn hằng số thời gian t = RC = 1s
6
vout (t = 0) là điều kiện đầu, không phụ thuộc vào điện áp vào vin.
Nếu vin là điện áp xoay chiều hình sin: vin =Vin sinωt thì:
V
1
in
vout =−
V .sinωt.dt =
.cosωt =Vout cosωt
in
∫
RC
ωRC
Nghĩa là biên độ điện áp ra tỷ lệ nghịch với tần số.
Đặc tuyến biên độ - tần số của mạch tích phân :
Vout
Vin
1
= f (ω) =
có độ dốc -20dB/decade.
ωRC
Mạch được gọi là mạch tích phân trong một phạm vi tần số nào đó nếu trong
phạm vi tần số đó đặc tuyến biên - tần của nó giảm với độ dốc 20dB/decade.
Để giảm ảnh hưởng của dòng tĩnh It và điện áp lệch không có thể gây sai số đáng
kể cho mạch tích phân, ở cửa thuận của bộ KĐTT người ta mắc thêm một điện trở
thay đổi được R1 và nối xuống masse.
C
R
vin
vout
R1
Hình 1.6.b Mạch tích phân đảo có điện trở R1 bù dòng lệch không
Điều chỉnh R1 sao cho R1 ≅ R thì giảm được tác dụng của dòng điện lệch không
Io = IP - IN
1.2.7 Mạch tích phân tổng
C
R1
vin1
vin2
R2
Rn
vinn
vout
RP
Hình 1.7 Sơ đồ mạch tích phân tổng
Dùng phương pháp xếp chồng và viết phương trình dòng điện nút đối với nút N ta tìm
được:
7
⎛
⎞
vin1 vin2
vinn
Rn
1
⎜
⎜
⎟
dt
vout = −
+
+ ...+
∫
⎟
C
R1
R2
⎝
⎠
1.2.8 Mạch tích phân hiệu
CN
R1
vin1
vin2
vout
R2
CP
Hình 1.8 Sơ đồ mạch tích phân hiệu
Viết phương trình đối với nút N :
vin1 − vN
d(vout − vN )
+ CN
= 0
(1)
(2)
R1
dt
vin2 − vP
dvP
= 0
dt
Đối với nút P :
−CP .
R2
Biến đổi và cho vN = vP, R1CN = R2CP = RC
dvout
dvN
dt
(1) ⇒ vin1 - vN = - R1CN
+ R1CN
dt
dvP
(2) ⇒ vin2 - vP = R2CP
dt
dvout
dt
Suy ra:
vin2 - vin1 = RC
1
⇒ vout
=
(vin2 − vin1)dt
∫
RC
1.2.9. Mạch vi phân
RN
C1
vin
vout
Hình 1.9 Sơ đồ mạch vi phân
dvin
dt
vout
RN
Ta có :
i = C1
= −
8
dvin
dt
⇒ vout = - RNC1
vin = Vinsinωt
Giả thiết:
⇒ vout = -RNC1ωVincosωt = -Voutcosωt
Đặc tuyến biên độ - tần số của mạch tích phân:
Vout
= f (ω) = ωRC có độ dốc 20dB/decade.
Vin
Vậy : Mạch được gọi là mạch vi phân trong một phạm vi tần số nào đó nếu trong
phạm vi tần số đó đặc tuyến biên - tần của nó tăng với độ dốc 20dB/decade.
1.2.10 Mạch PI (Proportional Integrated)
C
v1
RN
i1
R1
iN
vin
vout
N
Hình 1.9 Sơ đồ mạch PI
Mạch thường được sử dụng trong các mạch điều khiển.
Mạch có điện áp ra được biểu diễn theo dạng: vout = A.vin + B vindt
∫
vin
Áp dụng phương trình cân bằng dòng tại N: i1 + iN = 0 ⇒ iN = −i1 = −
(1)
R1
1
Mặt khác:
vout = vC + v1 = −
i1dt + RN iN
(2)
∫
C
1
RN
Thay (1) vào (2) ⇒vout = −vin
-
vindt
∫
R1
R1C
Giả sử
vin = Vincosωt
RN
Vin
⇒ vout = −
Vin cosωt −
sinωt =Vout cos(ωt + Φ)
R1
ωR1C
⇒ Đặc tuyến biên tần:
2
⎛
⎞
ω
ωo
⎜
⎜
⎟
⎟
+1
Vout
ω2 RN2 C2 +1
1
1
1
1
⎝
⎠
K ' =
=
RN2 +
=
=
Vin
R1
ω2C2 R1
ω2C2
R1
ω2C2
1
1 1
Đặt: ωo =
Khi ω << ωo thì K ' ≈
RN C
R1 ωC
Suy ra đặc tuyến biên độ tần số có độ dốc -20dB/decade (tương ứng khu vực I)
Suy ra sơ đồ làm việc như một mạch tích phân
9
′
log K
I
P
RN
R1
log
-20dB/decade
1
logω
ωo =
RN C
Hình 1.10 Đặc tuyến biên-tần của mạch PI
RN
Khiω >> ωo ⇒ K ' ≈
⇒ Mạch mang tính chất khuếch đại nhiều hơn (tương ứng với
R1
khu vực P). Khu vực trung gian là khu vực chuyển tiếp.
1.2.11 Mạch PID (Proportional Integrated Differential)
C1
v1
cN
RN
iN
Vin
Vout
N
R1
Hình 1.11.a Sơ đồ mạch PID
PID cũng là mạch hay được sử dụng trong kỹ thuật điều khiển để mở rộng
phạm vi tần số điều khiển của mạch và trong nhiều trường hợp tăng tính ổn định của
hệ thống điều khiển trong một dải tần số rộng.
dvin
Điện áp ra có dạng: vout = A.vin + B vindt +C
∫
dt
vin
R1
dvin
dt
Từ phương trình dòng điện nút tại N:
+ C1
+ iN = 0
(1)
(2)
1
Và phương trình điện áp ra trên nhánh ra: vout = iN RN +
iN dt
∫
CN
Thay (1) vào (2):
⎛
⎞
⎛
⎞
vin
R1
dvin
dt
vin
R1
dvin
dt
1
⎜
⎜
⎟
⎟
⎜
⎜
⎟
⎟
vout = −
+ C1
RN +
+ C1
dt
∫
CN
⎝
⎛
⎠
⎝
⎠
⎞
RN C1
+
dvin
dt
1
⎜
⎜
⎟
⎟
Suy ra:
vout = −
vin −
vindt − RN C1
(*)
∫
R1 CN
R1CN
⎝
⎠
10
1
RN CN
1
* Ở tần số thấpω << ωN =
* Ở tần số caoω >> ωN =
thì thành phần tích phân trong (*) chiếm ưu thế.
thì thành phần vi phân trong (*) chiếm ưu thế.
R1C1
⎛
⎞
RN C1
+
⎜
⎜
⎟
⎟
• Trong dải:ωN <ω <ω1 thì thành phần khuếch đại
vin chiếm ưu thế.
R1 CN
⎝
⎠
Do đó đặc tuyến biên tần của mạch có dạng như hình vẽ:
log K
I: Tích phân
P: Tỉ lệ
D: Vi phân
I
D
P
ωN
ω1
logω
Hình 1.11.b Đặc tuyến biên-tần của mạch PID
1.3 Các mạch khuếch đại và tính toán phi tuyến liên tục
1.3.1 Mạch khuếch đại Loga
D
R
vin
vout
Hình 1.12.a Sơ đồ mạch khuếch đại Loga dùng Diode
Để tạo mạch khuếch đại loga, mắc diode hoặc BJI ở mạch hồi tiếp của bộ KĐTT.
Mạch điện dùng diode (1.12.a.) có thể làm việc tốt với dòng điện I nằm trong
khoảng nA → mA
Dòng điện qua diode và điện áp đặt lên diode có quan hệ :
⎛
⎞
vD
vT
⎜
⎜
⎟
⎟
iD = Io exp
⎝
⎠
Trong đó :
iD, vD : dòng điện qua diode và điệp áp đặt lên diode.
Io: dòng điện ban đầu, có trị số bằng dòng qua diode ứng với điện áp ngược
cho phép.
vT : điện áp nhiệt. Ở nhiệt độ bình thường thì vT= 26mV
11
iD
v ≅ −v = −v ln = −vT ln
vin
⇒
out
D
T
Io
RIo
R
vout
vin
Hình 1.12.b Sơ đồ mạch khuếch đại Loga dùng BJT
Mạch (1.12.b.) làm việc tốt với dòng điện trong khoảng pA → pA
Dòng Colectơ iC phụ thuộc vào điện áp Bazơ - emitơ theo quan hệ :
VBE
iC = AN iE = AN IEbh (e v −1)
T
Với AN: hệ số khuếch đại dòng điện khi mắc Bazơ chung (BC)
IEbh: là dòng điện emitơ ở trạng thái bão hòa.
vBE
vBE
e v −1>> 0 ⇔ e v >>1
T
T
Khi
VBE
Ta có:
iC = AN IEbh (e v
)
T
Mà vout =-vBE; vin=RiC
iC
AN IEbh
vin
⇒ vout = −vT ln
= −vT .ln
AN IEbh
R
Mạch chỉ làm việc với điện áp vào dương (do mối nối p-n)
Muốn làm việc với điện áp âm thì ta thay BJT npn bằng BJT pnp.
1.3.2 Mạch khuếch đại đối Loga
R
D
vin
vout
Hình 1.13.a. Sơ đồ mạch khuếch đại đối Loga dùng Diode
VD
vout = −ID R = −RIoeV
T
Vin
vD = vin nên vout = −RIoeV
T
Vì:
12
R
vin
vout
Hình 1.13.b. Sơ đồ mạch khuếch đại đối Loga dùng Transitor
VBE
−Vin
iC = AN IEbhe V = AN IEbhe V
T
T
( Do vBE = -vin)
−Vin
⇒ vout = iC R = RAN IEbhe V
T
1.3.3 Mạch nhân dùng nguyên tắc khuếch đại loga và đối loga
vx
K1ln(vx/K2)
ln
2
2
2
vZ = K3vxvy/K2
K1ln(vxvy/K2 )
KĐại
1/K1
ln(vxvy/K2 )
Tổng
exp
vy
ln
K1ln(vy/K2)
Hình 1.14. Mạch nhân dùng nguyên tắc khuếch đại Loga và đối Loga
Các mạch khuếch đại loga và đối loga có thể dùng mạch như đã xét ở mục trên.
Coi mạch tổng có thể dùng một khuếch đại tổng KĐTT. Mạch nhân này có sai số
khoảng 0,25% đến 1% so với giá trị cực đại của tín hiệu vào.
Mạch chỉ làm việc được với các tín hiệu vx, vy > 0 (do tính chất hàm loga). Mạch
nhân 4200 là một trong những mạch tiêu biểu được chế tạo theo nguyên tắc này.
1.3.4 Mạch luỹ thừa bậc hai
Đấu hai đầu vào của mạch nhân với nhau ta sẽ có mạch lũy thừa:
vx
vZ
K
Hình 1.15. Sơ đồ mạch luỹ thừa bậc hai
Lúc này vx = vy ⇒( vZ = Kvx2)
Giả sử điện áp vào có dạng sin: vX = Vcosωt
KV 2
Thì điện áp ra: vout = K(V cosωt)2 =
(1+ cos2ωt)
2
13
⇒ có thể dùng mạch lũy thừa bậc hai để nhân tần số.
1.3.5 Mạch chia theo nguyên tắc nhân đảo
a. Mạch chia thuận
Kvxvy
Mạch nhân
vx
K>0
vy = vZ/Kvx
vZ
Hình 1.16. Sơ đồ mạch chia thuận
Ta có tại cửa thuận :
vN = KvX vY
vP = vZ
mà vP = vN
⇒
vZ = KvXvY
vZ
⇒
vout = vY =
KvX
b. Mạch chia đảo
Kvxvy
vx
K>0
R
R
vZ
vy
Hình 1.17. Sơ đồ mạch chia đảo
K.vx vz
vz
PTCB dòng tại N :
+
= 0 ⇒ vy = −
R
R
Kvx
Trong các biểu thức trên vZ có thể lấy dấu tùy ý, còn vX luôn luôn dương.
Nếu vX < 0 thì hồi tiếp qua bộ nhân về đầu vào bộ KĐTT là hồi tiếp dương, làm
cho mạch chuyển sang trạng thái bão hòa gây méo lớn.
vX > 0 chỉ đúng với mạch nhân thuận (K > 0)
vX < 0 chỉ đúng với mạch nhân đổi dấu (K < 0)
1.3.6 Chia mạch dùng khuếch đại loga và đối loga
14
K1ln(vZ/K2)
vZ
ln
ln
ln(vZ /vx)
K1ln(vZ /vx)
Vy = K3vZ/vx
Kđại
1/K1
Hiệu
exp
vx
K1ln(vx/K2)
Hình 1.18. Mạch chia tương tự dung nguyên tắc khuếch đại Loga và đối Loga
vz
vx
vz
vx
A = K1 ln
− K1 ln
= K1 ln
K2
K2
vz
ln
vz
3 vx
vz
vx
vx
vY = K3e
= K
= K
Điều kiện : vZ, vX, vY : chỉ lấy giá trị dương
1.3.7 Mạch khai căn
Mạch khai căn được thực hiện bằng cách mắc vào mạch hồi tiếp của bộ KĐTT
một mạch lũy thừa.
2
Kvx
K
R
R
vZ
vx= vy
Hình 1.19.a. Mạch khai căn đảo
vZ Kvx2
vP = 0;
+
= 0
R
R
vZ Kvx2
Do :
vP = vN = 0 ⇒
+
= 0
2
2
−vZ
K
⇒ vX2 = vY2 = vo2ut
=
1
⇒
v
=
(
− vZ
với vZ < 0
)
out
K
15
Kvx2
K
vx = vy
vZ
Hình 1.19.b. mạch khai căn thuận
Ta có:
Mà
vZ = vN
vN = KvX2 = KvY2 = Kvo2ut
vZ
⇒ Kvo2ut = vN ⇒ vout
=
với vZ ≥ 0
K
Mạch điện hình 1.19.a chỉ làm việc với điện áp vào vZ < 0, còn mạch điện hình
1.19.b thì vZ > 0. Trong trường hợp ngược lại thì mạch sẽ có hồi tiếp dương làm mạch
bị kẹt. Để ngăn ngừa người ta mắc thêm diode (mỗi mạch một diode) ở đầu ra của bộ
KĐTT như hình vẽ.
1.4 Các mạch phi tuyến không liên tục
1.4.1 Nguyên tắc thực hiện các mạch phi tuyến không liên tục và các phần tử cơ
bản của nó
Các phần tử cơ bản dùng để tạo hàm phi tuyến không liên tục là các bộ so sánh
tương tự và diode lý tưởng. Diode lý tưởng được cấu tạo bằng cách mắc vào mạch hồi
tiếp của bộ KĐTT một diode thực. Ta so sánh nguyên lý làm việc và sai số trong
trường hợp dùng diode thực và diode lý tưởng.
vD
vin
~
R
vout
Hình 1.20.a. Mạch phi tuyến không liên tục dùng diode thực
vout = vin - vD
- Khi vin < vng thì mạch không làm việc, vout = 0
- Khi vin > vng thì vout ≠ 0
⇒mạch điện dùng diode thực có điện áp ngưỡng vng nên không thể làm việc với
điện áp vào bé được.
16
vD
vo
vout
R
~
vin
Hình 1.20.b. Mạch phi tuyến không liên tục dùng diode lý tưởng
vo = AOLvD = AOL (vin -vout)
vD + vout = AOL (vin -vout) với AOL >> 1
vD
⇒ vout ≈ vin -
AOL
vng
⇒ điện áp ngưỡng: v'ng =
AOL
Với AOL cỡ 104 ÷105 và vng ≈ 0,6V thì mạch điện này có thể chỉnh lưu được điện
áp cỡ mV.
1.4.2 Mạch chỉnh lưu chính xác
Được dùng chủ yếu trong các bộ nguồn cung cấp, trong các máy đo.
Phân loại mạch chỉnh lưu:
- Mạch chỉnh lưu nửa sóng.
- Mạch chỉnh lưu toàn sóng : gồm chỉnh lưu cân bằng và chỉnh lưu cầu.
1.4.2.1 Mạch chỉnh lưu nửa sóng
R
D1
vout
v0
vout
R
vin
vin
Hình 1.24. Mạch chỉnh lưu nửa sóng
Khi vin < 0 thì vo < 0 ⇒ D1 tắt ⇒ vout = 0
Khi vin > 0 thì vo > 0 ⇒ D1 mở ⇒ vout = vo
vout
Mặt khác : vN =
= vin ⇒ vout = 2 vin
2
17
1.4.2.2 Mạh chỉnh lưu toàn sóng dùng sơ đồ cầu: (chỉnh lưu giá trị trung bình số
học)
vin
Khi vin > 0 ⇒iin =
chạy qua R1, diode D1, điện trở tải (dụng cụ đo), diode D3
R1
rồi đến đầu ra bộ KĐTT và về đất.
Khi vin < 0 ( iin chạy từ đầu ra bộ KĐTT, qua D2, qua dụng cụ đo, qua diode D4,
qua R1 rồi trở về đầu vào.
Do đó dòng điện qua dụng cụ đo bằng:
vin
iin =
R1
D2
D3
D1
D4
vout
R1
vin
Hình 1.25. Mạch chỉnh lưu toàn song dung sơ đồ cầu
vout = vt (trên cơ cấu đo) = vin (lấy N làm mốc).
1.4.2.3 Mạch chỉnh lưu giá trị hiệu dụng
Khi mắc thêm vào cửa đảo mạch nối tiếp R2, C2 thì ta có một mạch chỉnh lưu giá
trị hiệu dụng.
D2
D1
C2
D3
D4
R2
Vout
Vin
R1
Hình 1.26. Mạch chỉnh lưu giá trị hiệu dụng
18
1 T
Ta đã biết:
ISh
ISh
=
=
=
I sinωt dt
∫
T
0
T
2
2I
2I
sinωt dt =
∫
T
π
0
1 T
1
I
Ihd
(I sinωt)2 dt = I
T / 2 =
∫
T
T
2
0
π
⇒ so với trị trung bình số học thì trị hiệu dụng lớn gấp
lần.
2 2
1 π
π
Ihd
=
ISh =
ISh
2
2
2 2
Lúc đó điện áp một chiều thì R2, C2 không có tác dụng.
Lúc đó điện áp xoay chiều thì R2, C2 tham gia vào điện trở R1 dưới dạng R1 // R2.
Để đồng hồ chỉ giá trị hiệu dụng thì ta phải có :
R1R2
2 2
2 2
= R1
⇒ R2 =
R1
R1 + R2
π
π − 2 2
Tụ C2 phải chọn sao cho trở kháng của nó đối với thành phần xoay chiều không
đáng kể, nếu không hạ áp trên nó sẽ gây ra sai số đo.
Giả thiết sai số đo cho phép là 1% ứng với tần số vào thấp nhất fmin bằng cách
tính toán trở kháng Z của R1 // (R2 + 1/j(C2) ta có thể tìm được giá trị C2.
0,32
C2 =
2πfmin R1
1.4.2.4 Mạch chỉnh lưu giá trị đỉnh
D
vC
vin
vout
A1
A2
C
iC
K
v
vout
vin
t
Hình 1.27. Mạch chỉnh lưu giá trị đỉnh và dạng sóng ra
19
Khi vin > 0 và vin > vc thì diode thông và dòng ra của bộ KĐTT A1 nạp điện cho
tụ C cho tới khi bằng điện áp cực đại của tín hiệu vào (điện áp đỉnh): vc ≈ Vinmax
.
Nếu sau đó vin giảm thì D ngắt, tụ C phóng điện qua điện trở ngược của diode và
tạo dòng tải it. Nếu điện trở ngược của diode và điện trở vào A1 lớn ⇒ điện áp trên tụ
C là điện áp đỉnh có giá trị ổn định.
Nếu đổi chiều diode D thì điện áp trên tụ C là điện áp đỉnh âm A2 là mạch lặp
điện áp làm tầng đệm để tăng trở kháng tải cho mạch chỉnh lưu.
Khóa K tạo đường xã cho tụ khi cần đo giá trị mới.
1.4.2.5 Mạch so sánh tương tự
Mạch so sánh tương tự có nhiệm vụ so sánh một điện áp vào vin với một điện áp
chuẩn Vch. Tín hiệu vào dạng tương tự sẽ được biến thành tín hiệu ra dưới dạng mã
nhị phân. Nghĩa là đầu ra hoặc ở mức thấp (L) hoặc ở mức cao (H). Nó là mạch ghép
nối giữa ANALOG và DIGITAL.
Đặc điểm: Phân biệt giữa bộ KĐTT thông thường với bộ so sánh chuyên dụng
(mà thực chất cũng là một bộ KĐTT).
- Bộ so sánh có tốc độ đáp ứng cao hơn để thời gian xác lập và phục hồi nhỏ.
- Là KĐTT làm việc ở trạng thái bão hòa nên mức ra thấp (L) và mức ra cao (H)
của nó là mức dương và mức âm của nguồn. Các mức này phải tương ứng với
mức logic.
vout
VRH
vP
vin
vout
vN
vP - vN
VRL
Hình 1.28. Mạch so sánh và đặc tuyến vào ra
1.4.2.5.1 Đặc tuyến truyền đạt tĩnh của bộ so sánh
vP - vN > 0 ⇒ vout = vRH : điện áp ra ứng với mức cao.
vP - vN < 0 ⇒ vout = vRL : điện áp ra ứng với mức thấp.
1.4.2.5.2 Đặc tuyến truyền đạt thực
20
vout
vout
CHƯA BÙ LỆCH
KHÔNG
vP - vN
CÓ BÙ LỆCH
KHNG
∆v
vout
v0
Hình 1.29. Đặc tuyến truyền đạt thực
∆v: đặc trưng cho bộ nhạy của bộ so sánh vo: điện áp lệch không.
1.4.2.5.3 Đặc tính động của bộ so sánh
vin = vP - vN
1
t
vin = 20mV
vout
vin = 1mV
t
tc
Hình 1.30. Đặc tính động của bộ so sánh
tc ≈ 10ns : gọi là thời gian chết.
Sườn dốc của đặc tuyến ra tỷ lệ thuận với biên độ vin.
Bộ so sánh yêu cầu phải có độ nhạy cao : đáp ứng nhanh.
tc nhỏ và phải có độ dốc lớn : vùng khuếch đại bé.
1.4.2.5.4 Bộ so sánh không có trễ
R1
vin
Vch
R2
vin
Vch
vout
vout
V
+
Vo
Tải về để xem bản đầy đủ
21 trang
15680
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử - Chương 1: Các mạch tính toán, điều khiển và tạo hàm dùng khuếch đại thuật toán", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_ky_thuat_mach_dien_tu_chuong_1_cac_mach_tinh_toan.pdf
