Bài tập Điện tử tương tự - Ths. Lê Đức Toàn

135 trang phuongnguyen 5420

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài tập Điện tử tương tự - Ths. Lê Đức Toàn", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_tap_dien_tu_tuong_tu_ths_le_duc_toan.docx

Nội dung text: Bài tập Điện tử tương tự - Ths. Lê Đức Toàn

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI TẬP ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ Tài liệu dùng cho hệ Đại học - Cao đẳng ngành Điện - Điện tử và Điện tử - Viễn thông Biên soạn: Ths. LÊ ĐỨC TOÀN HÀ NỘI 2009 2
Lời nói đầu Cuốn này được dùng để giúp sinh viên học môn “Điện tử tương tự”. Đây là cuốn tài liệu tham khảo bổ ích cho sinh viên ngành Điện tử - Viễn thông và Điện - Điện tử. Trong quá trình biên soạn tác giả đã trình bày nội dung theo trình tự các chương của cuốn bài giảng “Điện tử tương tự”. Nội dung cuốn sách được chia làm 3 phần: Phần 1 Tóm tắt ngắn gọn lý thuyết theo thứ tự các chương. Phần 2 Bài tập có lời giải để giúp sinh viên làm quen với cách giải. Phần 3 Bài tập cho sinh viên tự giải. Trong quá trình biên soạn mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng không thể tránh được sai sót, tác giả mong nhận được sự góp ý của bạn đọc để sửa chữa và bổ sung thêm. Tác giả 3
PHẦN I TÓM TẮT LÝ THUYẾT Chương I KHUẾCH ĐẠI VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG KHUẾCH ĐẠI I. Các tham số cơ bản của một tầng khuếch đại Khuếch đại là quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở đó năng lượng một chiều của nguồn cung cấp (không chứa thông tin) được biến đổi thành năng lượng xoay chiều theo tín hiệu điều khiển đầu vào (chứa thông tin) làm cho tín hiệu ra lớn lên nhiều lần và không méo. 1. Hệ số khuếch đại Đại lượng đầu ra K = Đại lượng tương ứng đầu vào - Khuếch đại điện áp ta có KU. - Khuếch đại dòng điện ta có KI. - Khuếch đại công suất ta có KP. Vì tầng khuếch đại có chứa các phần tử điện kháng nên K là một số phức. K = K exp(j. k) Phần mô đun |K| thể hiện quan hệ về cường độ (biên độ) giữa các đại lượng đầu ra và đầu vào, phần góc k thể hiện độ dịch pha giữa chúng. Nhìn chung độ lớn của |K| và k phụ thuộc vào tần số  của tín hiệu vào. Đồ thị hàm│K| = f() gọi là đặc tuyến biên độ - tần số của tầng khuếch đại. Đồ thị hàm k=f() gọi là đặc tuyến pha - tần số của tầng khuếch đại. Có thể tính │K| theo đơn vị dB theo công thức: │K| (dB) = 20lg│K| Nếu có n tầng khuếch đại mắc liên tiếp thì hệ số khuếch đại sẽ là: KTP = K1.K2 Kn Với đơn vị dB sẽ là: KTP(dB) = K1(dB) + K2(dB) + .+ Kn(dB) 2. Trở kháng lối vào và lối ra Trở kháng lối vào, lối ra của tầng khuếch đại được định nghĩa: UV ZV . IV U r Z r . I r 4
3. Méo tần số Méo tần số là méo do độ khuếch đại của mạch khuếch đại bị giảm ở vùng hai đầu giải tần. ở vùng tần số thấp có méo thấp M t, ở vùng tần số cao có méo tần số cao M C. Chúng được xác định theo biểu thức: K 0 K 0 M t ; M C K t K C Trong đó:K 0 là hệ số khuếch đại ở vùng tần số trung bình. KC là hệ số khuếch đại ở vùng tần số cao. Kt là hệ số khuếch đại ở vùng tần số thấp. 4. méo phi tuyến Méo phi tuyến là khi UV chỉ có thành phần tần số  mà đầu ra ngoài thành phần hài co bản  còn xuất hiện các thành phần hài bậc cao n (n = 2, 3, 4 ) với biên độ tương ^ ^ ^ ứng U2 ,U 3 , U n giảm dần. Méo phi tuyến là do tính chất phi tuyến của các phần tử như tranzito gây ra. Hệ số méo phi tuyến được tính: U 2 U 2 U 2  2 3 n % U1 5. Hiệu suất của tầng khuếch đại Hiệu suất của một tầng khuếch đại là đại lượng được tính bằng tỷ số giữa công suất tín hiệu xoay chiều đưa ra tải Pr với công suất một chiều của nguồn cung cấp P0. P  r % P0 II. Phân cực và chế độ làm việc một chiều của Tranzito lưỡng cực 1. Nguyên tắc chung phân cực tranzito lưỡng cực Có hai cách phân áp cho Tranzito là phương pháp định dòng và định áp Bazơ như hình vẽ: +Ucc +Ucc Rc Rc RB Cr IP R1 Cr + + Cv Cv IB0 + Ur + Ur Uv Uv R2 Hình 1-1: Định dòng Bazơ Hình 1-2: Định áp Bazơ 5
Hình 1.1 là phương pháp định dòng Bazơ, từ sơ đồ ta có: UCC U BE0 UCC IB0 (vì UBE0 nhỏ). RB RB Hình 1.2 là phương pháp định áp Bazơ, thực tế thì IB0 << IP nên ta có: UCC U BE0 .R2 R1 R2 2. Hiện tượng trôi điểm làm việc và các phương pháp ổn định Trong quá tình làm việc của Tranzito điểm làm việc tĩnh có thể bị dịch chuyển do nhiệt hay tạp tán của nó. Để giữ điểm làm việc của Tranzito ổn định người ta dùng các phương pháp ổn định điểm làm việc. Có hai phương pháp ổn định: +12V a. Ổn định tuyến tính: dùng hồi tiếp âm một chiều làm thay đổi thiên áp mạch vào của Rc Tranzito để hạn chế sự di chuyển của điểm làm RB Cr việc. + Cv Hình 1-3 là sơ đồ ổn định điểm làm việc + bằng hồi tiếp âm điện áp. Ở đây R B vừa làm Ur nhiệm vụ đưa điện áp vào cực gốc bằng phương pháp định dòng Bazơ, vừa dẫn điện áp hồi tiếp Uv về mạch vào. Nếu có một nguyên nhân mất ổn định nào đó làm cho dòng một chiều IC0 tăng lên thì điện thế U CE0 giảm (do UCE UCC – IC0.RC) làm UBE0 giảm, kéo theo dòng IB0 giảm làm cho Hình 1-3 IC0 giảm (vì I C0 = .I B0 ), nghĩa là dòng I C0 ban đầu được giữ ổn định tương đối. +12V Hình 1-4 là sơ đồ ổn định điểm làm việc bằng hồi tiếp âm dòng điện. Trong sơ đồ này RE làm nhiệm vụ hồi tiếp âm dòng điện một chiều. Rc R1 Khi IC0 tăng do nhiệt độ tăng hay do độ tạp tán + tham số của tranzito thì điện áp hạ trên RE Cv (UE0 = IE0.RE) tăng. Vì điện áp UR2 lấy trên điện Cr + Ur trở R2 hầu như không đổi nên điện áp UBE0 = UR2 - UE0 giảm, làm cho IB0 giảm, do đó Uv R2 RE IC0 không tăng lên được, tức là I C0 được giữ ổn định tương đối. b. Ổn định phi tuyến: dùng phương pháp bù nhiệt nhờ các phần tử có tham số phụ thuộc vào Hình 1-4 nhiệt độ như tranzito, điốt, điện trở nhiệt. III. Phân cực và chế độ làm việc một chiều của Tranzito trường Về nguyên tắc, việc cung cấp và ổn định điểm làm việc của Tranzito trường cũng giống như với Tranzito lưỡng cực. Đối với Tranzito trường xác định điểm làm việc 6
thông qua ID, UGS, và UDS. Để JFET làm việc trong miền khuếch đại phải có các điều kiện sau: 1. 0 UGS với kênh p +UD +UD RD RD R1 Cr Cr Cv Ur Cv Ur Uv Q1 Uv Q1 + + Cs RG Rs Cs R2 Rs a. b. Hình 1-5. Sơ đồ cung cấp và ổn định điểm làm việc cho JFET Phương trình hàm truyền đạt của JFET: UGS 2 ID IDSS (1 ) (1) U P Vì dòng qua RG gần như bằng không nên ta có: UGS = - ID.RS (2) Điểm làm việc tĩnh là giao điểm của phương trình (1) và (2). Mạch ổn định điểm làm việc dùng hồi tiếp âm thông qua R S. Nếu không muốn hồi tiếp âm xoay chiều ta thêm CS như trên mạch điện. Với một số mạch có thể thêm R 1 (it dùng). Ưu điểm lớn nhất của Tranzito trường là trở kháng vào rất lớn, nên để R G ít ảnh hưởng tới trở kháng vào của mạch người ta chọn RG rất lớn (cỡ M). IV. Hồi tiếp trong mạch khuếch đại Hồi tiếp là ghép một phần tín hiệu ra (điện áp hoặc dòng điện) của bộ khuếch đại về đầu vào thông qua mạch hồi tiếp. Phân loại hồi tiếp: - Hồi tiếp dương: tín hiệu hồi tiếp cùng pha với tín vào, hồi tiếp dương sẽ làm bộ khuếch đại mất ổn định, do đó nó không được sử dụng trong mạch khuếch đại, hồi tiếp dương được sử dụng trong mạch tạo dao động. 7
- Hồi tiếp âm: tín hiệu hồi tiếp ngược pha với tín hiệu vào, hồi tiếp âm đóng vai trò rất quan trọng trong mạch khuếch đại. Nó cải thiện các tính chất của mạch khuếch đại. XV XR K Xht Kht Hình 1-6: Sơ đồ khối bộ khuếch đại có hồi tiếp. - Trong hồi tiếp âm có hồi tiếp âm một chiều và hồi tiếp âm xoay chiều. + Hồi tiếp âm một chiều được dùng để ổn định điểm làm việc tĩnh. + Hồi tiếp âm xoay chiều được dùng để ổn định các tham số của bộ khuếch đại. - Mạch điện bộ khuếch đại có hồi tiếp được phân làm 4 loại: + Hồi tiếp nối tiếp điện áp: Tín hiệu đưa về đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu vào và tỷ lệ với điện áp đầu ra. + Hồi tiếp nối tiếp dòng điện: Tín hiệu đưa về đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu vào và tỷ lệ với dòng điện ra. + Hồi tiếp song song điện áp: Tín hiệu đưa về đầu vào song song với nguồn tín hiệu vào và tỷ lệ với điện áp đầu ra. + Hồi tiếp song song dòng điện: Tín hiệu đưa về đầu vào song song với nguồn tín hiệu vào và tỷ lệ với dòng điện ra. 1. Các phương trình của mạng 4 cực khuếch đại có hồi tiếp K’ XV XR Xh K Xht Kht Hình 1-7: Sơ đồ khối bộ khuếch đại có hồi tiếp. Từ sơ đồ ta có: XR = K.Xh; Xht = Kht.XR; Xh = Xv – Xht. Từ 3 phương trình trên ta rút ra được: K K ' (*) 1 K.Kht 8
Trong đó: K’ là hệ số khuếch đại của mạng 4 cực khuếch đại có hồi tiếp âm. KV = K.Kht gọi là hệ số khuếch đại vòng. g = 1 + K.Kht gọi là độ sâu hồi tiếp. Khi K.Kht >>1 theo biểu thức (*) ta có: 1 K ' .Kht Từ biểu thức này ta có nhận xét: một bộ khuếch đại có hồi tiếp có hệ số khuếch đại vòng rất lớn thì hàm truyền đạt của nó (K’) hầu như không phụ thuộc vào tính chất của bộ khuếch đại mà chỉ phụ thuộc vào tính chất của mạch hồi tiếp. Tức là các tham số của bộ khuếch đại không ảnh hưởng đến hàm truyền đạt của bộ khuếch đại có hồi tiếp mà chỉ phụ thuộc vào các tham số của mạch hồi tiếp. 2. Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến tầng khuếch đại 2.1. Làm giảm hệ số khuếch đại. Hồi tiếp âm làm hệ số khuếch đại của tầng khuếch đại có hồi tiếp giảm g lần K K ' g g = 1 + K.Kht là độ sâu hồi tiếp. 2.2. Làm thay đổi trở kháng vào, trở kháng ra của mạch. - Hồi tiếp âm song song làm giảm trở kháng vào của tầng khuếch đại có hồi tiếp g lần. ZV’ = Zv/g - Hồi tiếp âm nối tiếp làm tăng trở kháng vào của tầng khuếch đại có hồi tiếp g lần. ZV’ = ZV.g - Hồi tiếp âm điện áp làm giảm trở kháng ra của tầng khuếch đại có hồi tiếp g lần. ZR’ = ZR/g - Hồi tiếp âm dòng điện làm tăng trở kháng ra của tầng khuếch đại có hồi tiếp g lần. ZR’ = ZR.g Trong đó Zv, ZR là trở kháng vào ra của tầng khuếch đại. Z v’, ZR’ là trở kháng vào ra của tầng khuếch đại có hồi tiếp âm. 2.3. Tăng độ rộng dải thông Trên hình 1-8 đường nét liền là đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại không có hồi tiếp âm. Nét đứt là đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại có hồi tiếp âm. Ta có thể nhận thấy khi có hồi tiếp âm hệ số khuếch đại của toàn tầng giảm nhưng giải thông của nó được tăng lên ( f’ > f). 9
K K / 2 K ' / 2 K’ K f 0 f f ’ Hình 1-8. Đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại Ngoài ra hồi tiếp âm còn có tác dụng quan trọng trong khuếch đại như: - Giảm nhiễu. - Giảm méo phi tuyến. - Giảm méo tần số. - Làm ổn định hệ số khuếch đại. 10
Chương II CÁC SƠ ĐỒ CƠ BẢN CỦA TẦNG KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ I. Sơ đồ dùng Tranzito lưỡng cực 1. Sơ đồ Emitơ chung (EC) +12V +UCC R1 Rc IB + Cv B C Cr + Ur rBE Uv IB rCE Rc Ur Uv RE + R2 CE E Hình 2-1. Sơ đồ Emitơ chung Hình 2-2. Sơ đồ tương đương Emitơ chung cung Trở kháng vào của mạch ZV = rBE Trở kháng ra ZR = rCE//RC RC Hệ số khuếch đại dòng Ki =  Hệ số khuếch đại điện áp  KU = - S.RC = - .RC rBE Góc pha Tín hiệu ra ngược pha tín hiệu vào. 2. Sơ đồ Colectơ chung (CC) Trở kháng vào của mạch ZV = rBE + (+1)RE. Trở kháng ra rBE ZR = RE//( ) .  1 Hệ số khuếch đại dòng 11
Ki =  + 1 Hệ số khuếch đại điện áp KU = 1. Góc pha Tín hiệu ra cùng pha tín hiệu vào. +Ucc R1 rBE IB RCE Cv Uv + Cr RE Ur + Uv R2 RE Ur Hình 2-3. Sơ đồ Colectơ chung Hình 2-4. Sơ đồ tương đương Colectơ chung 3. Bazơ chung (BC) +Ucc Rc R1 r Cv + CE + Cr Uv Ur RE rBE RE Uv IB Rc Ur + CB R2 Hình 2-5. Sơ đồ Bazơ chung Hình 2-6. Sơ đồ tương đương Bazơ chung Trở kháng vào của mạch rBE ZV = R // E  Trở kháng ra ZR = rCE//RC RC Hệ số khuếch đại dòng 12
Ki = 1 Hệ số khuếch đại điện áp  KU = S.RC = .RC rBE Góc pha Tín hiệu ra cùng pha tín hiệu vào. II. Sơ đồ dùng Tranzito trường 1. Sơ đồ cực nguồn chung (SC) +UD RD Cr gmUGS Cv Ur U Uv Q1 UV RG Rgs Rds RD R + RG Rs Cs Hình 2-7.Sơ đồ cực nguồn chung (SC) Hình 2-8. Sơ đồ tương đương SC Trở kháng vào của mạch ZV = RG//RGS = RG Trở kháng ra ZR = RD//RDS Hệ số khuếch đại điện áp KU = -gm.(RD//RDS) Góc pha Tín hiệu ra ngược pha tín hiệu vào. 2. Sơ đồ cực máng chung (DC) Trở kháng vào của mạch ZV = RG. Trở kháng ra 1 ZR RS // . gm 13
+UD gmUGS Rgs Rds Cv RG Uv Q1 Cr Uv Ur RG Rs Ur Rs Hình 2-9.Sơ đồ cực nguồn chung (SC) Hình 2-10. Sơ đồ tương đương SC Hệ số khuếch đại điện áp KU = 1 Góc pha Tín hiệu ra cùng pha tín hiệu vào. 3. Sơ đồ cực cổng chung (GC) +UD gmUGS RD Rds Cr Cv Q1 Uv Ur Uv Ur Rs Rgs RD Rs Hình 2-11.Sơ đồ cực nguồn chung (SC) Hình 2-12. Sơ đồ tương đương SC Trở kháng vào của mạch 1 ZV RS // gm Trở kháng ra ZR RD Hệ số khuếch đại điện áp KU = gmRD Góc pha Tín hiệu ra cùng pha tín hiệu vào. 14
III. Ảnh hưởng của nội trở nguồn tín hiệu và điện trở tải đến mạch khuếch đại Rn Iv Ir Zr Zv Ur Rt ~ Un Uv ~ K.Uv Hình 2-13. Sơ đồ tương đương mạng 4 cực khuếch đại Giả sử ta có tầng khuếch đại hình 2-13. Trong đó K là hệ số khuếch đại, Z V và ZR là trở kháng vào ra của tầng khuếch đại. Từ sơ đồ ta có hệ số khuếch đại toàn phần của mạch là: UR KUtp (1) Un K.UV UV (ZV Rn ) Ta có: U R .Rt và Un ZR Rt ZV Thay vào biểu thức (1) ta có: ZV Rt KUtp K. . (2) ZV Rn Rt ZR Như vậy khi có nội trở nguồn và điện trở tải thì hệ số khuếch đại điện áp bị giảm. Từ biểu thức (2) ta cũng có nhận xét trở kháng vào của mạch càng lớn càng tốt, trở kháng ra của mạch càng nhỏ càng tốt. 15
Chương III TẦNG KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT I. Chế độ công tác và điểm làm việc của tầng khuếch đại công suất (KĐCS) Tầng khuếch đại công suất là tầng khuếch đại cuối cùng của bộ khuếch đại, có tín hiệu vào lớn. Nó có nhiệm vụ khuếch đại cho ra tải một công suất lớn nhất có thể được, với độ méo cho phép vào bảo đảm hiệu suất cao. Các tham số cơ bản của tầng khuếch đại công suất là: - Hệ số khuếch đại công suất Kp là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào. Pr K p PV - Hiệu suất là tỷ số công suất ra và công suất cung cấp một chiều P0. P  r .% P0 Hiệu suất càng lớn thì công suất tổn hao trên cực góp của tranzito càng nhỏ. Tuỳ thuộc vào điểm là việc tĩnh của tranzito mà tầng khuếch đại công suất có thể làm việc ở các chế độ A, AB, B và C. IC PCmax PCma x Khu vực bão hòa A AB B IB=0 0 UCC Khu vực tắt UCE b) Hình 3-1. Điểm làm việc của các chế độ khuếch đại Chế độ A là chế độ mà điểm làm việc tĩnh của Tranzito nằm giữa đường tải một chiều, ở chế độ này tín hiệu được khuếch đại cả hai bán chu kỳ. Ở chế độ này dòng tĩnh luôn lớn hơn biên độ dòng điện ra nên méo nhỏ nhưng hiệu suất rất thấp (<50%), chế độ này chỉ dùng khi yêu cầu công suất ra nhỏ. Chế độ B là chế độ mà điểm làm việc tĩnh của Tranzito là điểm chuyển tiếp giữa vùng tắt và vùng khuếch đại của nó. Ở chế độ này tín hiệu được khuếch đại một nửa chu kỳ. Như vậy chế độ B có dòng tĩnh bằng không nên hiệu suất cao (trên dưới 78%). 16
Chế độ AB là chế độ mà điểm làm việc tĩnh của Tranzito là điểm giữa chế độ A và chế độ B. Ở chế độ này tín hiệu được khuếch đại hơn một nửa chu kỳ. Lúc này dòng tĩnh bé hơn chế độ A nên hiệu suất cao hơn (<70%). Chế độ AB và B có hiệu suất cao nhưng méo lớn. Để giảm méo người ta dùng mạch khuếch đại kiểu đẩy kéo. Chế độ C là chế độ mà điểm làm việc tĩnh của Tranzito nằm trong vùng tắt. Ở chế dộ này tín hiệu được khuếch đại nhỏ hơn một nủa chu kỳ. Nó được dùng trong các mạch khuếch đại cao tần có tải là khung cộng hưởng để chọn lọc sóng hài mong muốn và có hiệu suất cao. I C I IC C IC (A) (AB) IC0 (B) (C) IC0 0 t 0 t 0 t 0 t c) Hình 3-2. Dạng dòng điện ra ứng với các chế độ công tác của Tranzito. II. Tầng khuếch đại công suất chế độ A 1. Sơ đồ E chung +Ucc Rc RB Cr + Cv + Ur Uv Hình 3-3.Tầng công suất mắc E chung ^ ^ U R .I R PR~ 2 2 Nếu bỏ qua vùng tắt và vùng bão hòa của Tranzito từ đồ thị hình 3.4 ta thấy: ^ UCC U Rmax U CE0 2 ^ I Rmax IC0 17
Công suất ra lớn nhất: U .I P CC C0 R~max 4 Công suất nguồn cung cấp cho mạch: P0 UCC .IC0 Ta có hiệu suất cực đại của mạch là: P 1  R~max .100% .100% 25%. P0 4 IC E C R C O ˆ I C IB0 Q P IC0 IB= 0 0 UCE UCE0 UCC UCE ˆ U C t Hình 3-4. Dạng tín hiệu trên đặc tuyến ra Hiệu suất này là đã bỏ qua vùng tắt và vùng bão hòa, trên thực tế hiệu suất cực đại của mạch nhỏ hơn 25%. Nếu đầu ra ghép điện dung với tải thì hiệu suất ra còn nhỏ hơn nữa vì tín hiệu bị tổn hao trên RC. Để tăng hiệu suất cho mạch người ta thường ghép biến áp với tải. Khi đó vừa phối hợp được trở kháng với tải vừa không bị tổn hao công suất nguồn trên RC. 2. Sơ đồ E chung ghép biến áp với tải Có thể nhận thấy đường tải 1 (hình 3-6) chiều gần như song song với trục tung do điện trở thuần của cuộn W1 là rất bé. 18
+Ucc R1 W1 W2 Rt Uv C + Q Hình 3-5. Tầng công suất ghép biến áp I C Đường tải 1 chiều IBmax B IC0 Q IB0 ˆ IC IBmin U CE0 UCEmax A UCE UCE min UCC ^ U C Hình 3-6. Dạng tín hiệu trên đặc tuyến ra Bỏ qua vùng tắt và vùng bão hòa của Tranzito ta có công suất ra: ^ ^ U R .I R PR~ 2. 2 Từ đồ thị ta thấy: ^ U Rmax UCE0 UCC ^ I Rmax IC0 19
Công suất ra lớn nhất: U .I P CC C0 R~max 2 Công suất nguồn cung cấp cho mạch: P0 UCC .IC0 Ta có hiệu suất cực đại của mạch là: P 1  R~max .100% .100% 50%. P0 2 IE 3. Sơ đồ C chung IBmax +Ucc B RB Cv IE0 Q IB0 ˆ + IE IBmin Rt Ur Uv U CE0 UCEmax A UCE UCE min Hình 3-7. Tầng công suất mắc ^ Colector chung U R ^ ^ U R .I R PR~ 2 2 Nếu bỏ qua vùng tắt và vùng Hình 3-8. Dạng tín hiệu trên đặc tuyến ra bão hòa của Tranzito từ đồ thị ta thấy: ^ UCC U Rmax U CE0 2 ^ I Rmax IE0 Công suất ra lớn nhất: U .I P CC E0 R~max 4 Công suất nguồn cung cấp cho mạch: P0 UCC .IE0 20
Ta có hiệu suất cực đại của mạch là: P 1  R~max .100% .100% 25%. P0 4 Nếu đầu ra ghép điện dung với tải thì hiệu suất ra còn nhỏ hơn nữa vì tín hiệu bị tổn hao trên RE. +Ucc +Ucc RB Cv RB R1 Cv T1 + Cr Cr + + + Uv T2 Uv RE Rt D Rt Hình 3-9. Tầng công suất mắc Colector Hình 3-10. Thay RE bằng nguồn dòng chung ghép điện dung với tải Để tăng hiệu suất cho mạch người ta thay R E bằng một nguồn dòng (hình 3-10) khi đó dòng tín hiệu sẽ hoàn toàn đi qua R t, do đó sẽ đạt được hiệu suất gần 25%. T 2, R1, D tạo thành nguồn dòng. III. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo Khi muốn tăng hiệu suất và công suất ra người ta dùng tầng khuếch đại đẩy kéo. Tầng khuếch đại đẩy kéo gồm ít nhất là hai Tranzito mắc chung tải, chúng sẽ thay nhau khuếch đại hai nửa chu kỳ tín hiệu. Tầng đẩy kéo có hai cách mắc là đẩy kéo nối tiếp và đẩy kéo song song. Đẩy kéo song song phải ghép biến áp với tải. Đẩy kéo có thể dùng Tranzito cùng loại hoặc khác loại (một Tranzito thuận một tranzito ngược). Nếu dùng Tranzito khác loại thì tín hiệu đưa vào hai tranzito là cùng pha, nếu dùng Tranzito cùng loại thì tín hiệu đưa vào hai tranzito là ngược pha, do đó trước tầng đẩy kéo dùng Tranzito cùng loại phải có tầng đảo pha tín hiệu. Tầng đẩy kéo thường làm việc ở chế độ B hoặc AB cũng có thể làm việc ở chế độ A nhưng ít gặp. Chế độ B cho công suất và hiệu suất ra lớn hơn nhưng méo lớn hơn chế độ AB. Hiệu suất và Công suất ra của hai chế độ này là gần bằng nhau, do đó khi tính toán để đơn giản người ta tính các thông số này ở chế độ B. 1. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo ghép biến áp Mạch gồm hai Tranzito Q1 và Q2 thay nhau khuếch đại hai nửa chu kỳ tín hiệu. BA2 là biến áp ghép 2 nửa chu kỳ tín hiệu để đưa ra tải. Cuộn sơ cấp của BA2 bao gồm hai cuộn có số vòng là W1 quấn cùng chiều, cuộn sơ cấp có số vòng là W2. 21
+Ucc R1 Q1 BA1 BA2 R2 W1 Uv W2 Ur Rt W1 Q2 Hình 3-11. Tầng đẩy kéo ghép biến áp BA1 là biến áp đảo pha để đưa hai nửa chu kỳ tín hiệu vào Q1 và Q2, cuộn thứ cấp bao gồm hai cuộn có số vòng bằng nhau và quấn cùng chiều. Mạch có thể làm việc ở chế độ B hoặc AB. Nếu chọn R 1 và R2 để giá trị điện áp một chiều trên cực Bazơ của Q 1 và Q2 thỏa mãn thì mạch làm việc ở chế độ AB. Nếu muốn mạch làm việc ở chế độ B tức là điện áp một chiều trên cực Bazơ của Q 1 và Q2 bằng không, khi đó chỉ việc bỏ R1 và nối tắt R2. Nguyên lý làm việc của mạch: + Với nửa chu kỳ dương của tín hiệu qua BA1 cực Bazơ của Q1 dương nên Q1 sẽ khuếch đại, cực Bazơ của Q2 âm nên Q2 tắt . Trên cuộn W 1 nối với cực Collectơ của Q1 sẽ có dòng IC1 = 1.IB1, dòng này sẽ qua BA2 đưa ra tải, còn trên cuộn W 1 nối với cực Collectơ của Q2 không có dòng do Q2 tắt. + Với nửa chu kỳ âm của tín hiệu qua BA1 cực Bazơ của Q2 dương nên Q2 sẽ khuếch đại, cực Bazơ của Q 1 âm nên Q1 tắt . Trên cuộn W 1 nối với cực Collectơ của Q2 sẽ có dòng IC2 = 2.IB2, dòng này sẽ qua BA2 đưa ra tải, còn trên cuộn W 1 nối với cực Collectơ của Q1 không có dòng do Q1 tắt. Như vậy trên tải sẽ có đủ hai nửa chu kỳ tín hiệu đã được khuếch đại. Để tính công suất và hiệu suất của mạch thì chỉ cần tính trong một nửa chu kỳ tín hiệu. Vì hiệu suất và công suất của hai chế độ AB và B là gần bằng nhau nên để đơn giản ta tính công suất và hiệu suất ra ở chế độ B. ' Khi có tín hiệu trên Collectơ của Q1 và Q2 sẽ có điện trở tải Rt do R t phản ánh qua ' BA2. Rt được tính như sau: ' 2 Rt = n .Rt w1 Trong đó: n là tỉ số BA2. w 2 Ta có phương trình đường tải xoay chiều cho Q1: ' UCE~ UCC IC~ .Rt 22
Đường tải xoay chiều được vẽ trên hình 3-12. Đường tải 1 chiều gần như thẳng đứng do điện trở thuần của cuộn W1 rất bé. Đường tải xoay chiều Đường tải 1 chiều IC ˆ IC IC0 0 UCEmin UCEmaxUCC UCE ^ U C Hình 3-12. Đường tải 1 chiều, xoay chiều và dạng tín hiệu ra. Công suất ra của mạch được tính: ^ ^ U R .I R P R~ 2 Công suất ra cực đại: ^ ^ U R~max .I R~max P R~max 2 Căn cứ vào đồ thị ta thấy: ^ U R~max UCEmax UCE min UCC ^ ^ UCC R~max C~max I I ' Rt Như vậy công suất ra cực đại của mạch là: 2 UCC PR~max ' 2.Rt Công suất của nguồn cung cấp: 23
P0 iTB .UCC ^ ^ 1 2.I C~max i I C~max sin(t).d(t) TB 0 ^ 2 2.I C~max 2.UCC P0 .UCC ' .Rt Hiệu suất lớn nhất của mạch: P  R~max .100% .100% 78,5% P0 4 2. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo nối tiếp 2.1. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo nối tiếp dùng Tranzito cùng loại +Ucc R1 RC T1 Cv + T3 T2 Rt UR Uv R2 RE -Ucc Hình 3-13. Tầng đẩy kéo dùng Tranzito cùng loại Vì tầng ra là đẩy kéo dùng Tranzito cùng loại nên trước nó là tầng đảo pha, tầng đảo pha là T3 nó có nhiệm vụ đảo pha tín hiệu để đưa tới đầu vào T 1 và T2. Phải chọn RC và RE thỏa mãn để tín hiệu ta không bị méo, đồng thời phải định thiên sao cho khi không có tín hiệu vào điện áp một chiều trên colletơ của T2 và emitơ của T1 bằng không để không có dòng một chiều qua tải. Với nửa chu kỳ dương tín hiệu tại collectơ của T 3 ngược pha tín hiệu vào nên trở thành nửa chu kỳ âm do đó T 1 tắt còn tín hiệu trên emitơ đồng pha tín hiệu vào nên vẫn là nửa chu kỳ dương do đó T 2 thông, lúc này trên tải có dòng điện tỷ lệ với nửa chu kỳ dương của tín hiệu. Dòng điện chạy từ đất, qua Rt, qua T2 về -UCC. Với nửa chu kỳ âm tín hiệu tại collectơ của T 3 ngược pha tín hiệu vào nên trở thành nửa chu kỳ dương do đó T 1 thông còn tín hiệu trên emitơ đồng pha tín hiệu vào nên vẫn là nửa chu kỳ âm do đó T 2 tắt, lúc này trên tải có dòng điện tỷ lệ với nửa chu kỳ âm của tín hiệu. Dòng điện chạy từ +UCC, qua T1, qua Rt về đất. 24
Đường tải xoay chiều IC ˆ IR IC 0 0 UCEmin UCEmax UCC UCE ^ U R Hình 3-14. Đường tải xoay chiều và dạng tín hiệu ra. Ta có thể tính công suất ra và hiệu suất lớn nhất của mạch như sau: Công suất ra của mạch: ^ ^ U R .I R P R~ 2 Công suất ra cực đại: ^ ^ U R~max .I R~max P R~max 2 Căn cứ vào đồ thị ta thấy: ^ U R~max UCEmax UCE min UCC ^ ^ UCC I R~max I C~max Rt Như vậy công suất ra cực đại của mạch là: 2 UCC PR~max 2.Rt Công suất của nguồn cung cấp: 25
P0 iTB .UCC ^ ^ 1 2.I C~max i I C~max sin(t).d(t) TB 0 ^ 2 2.I C~max 2.UCC P0 .UCC .Rt Hiệu suất lớn nhất của mạch: P  R~max .100% .100% 78,5% P0 4 2.2. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo nối tiếp dùng Tranzito khác loại +Ucc T1 Cv + UR Rt Uv T2 -Ucc Hình 3-15. Tầng đẩy kéo dùng tranzito khác loại IB IB T1 T1 UBE0 IB1 IB1 IB0 t IB0 0 IB2 UBE IB2 UBE0 T2 T2 a. b. Hình 3-16. Dạng tín hiệu khi tầng đẩy kéo làm việc ở chế độ B(a) và chế độ AB(b) 26
T1 và T2 làm việc ở chế độ B và thay nhau khuếch đại hai nửa chu kỳ tín hiệu như mạch dẩy kéo dùng tranzito cùng loại. Với mạch này sẽ xẩy ra méo tín hiệu ra (hình 3-16.a) vùng chuyển tiếp của nửa chu kỳ dương và âm do tính phi tuyến của đặc tuyến vào, gần gốc toạ độ không thẳng. Để tránh vùng méo người ta đưa tín hiệu vào vùng tuyến tính của đặc tuyến, bằng cách dịch nửa chu kỳ dương sang phải một đoạn là UBE0, và dich nửa chu kỳ âm sang trái một đoạn là U BE0 (tức là cung cấp cho UBE0 của T1 và T2 điện áp ban đầu). Hay là dịch đặc tuyến vào của T 1 sang trái một đoạn là UBE0, và dịch đặc tuyến của T2 sang phải một đoạn là UBE0 nếu giữ cố định tín hiệu vào (hình 3-16.b). Khi đó mạch sẽ làm việc ở chế độ AB. +Ucc +Ucc Rc Rc T1 T1 R1 D2 R1 D2 D1 D1 + Cv Cv CR Rt Rt + + T2 T2 T3 T3 Uv R2 Uv R2 -Ucc a. b. Hình 3-17. Tầng đẩy kéo làm việc ở chế độ AB Để tầng khuếch đại làm việc ở chế độ AB mạch điện sẽ như hình 3-17.a, theo mạch điện ta có 2UDT = UBE01 + UEB02, tức là UBE mỗi tranzito đã được cấp điện áp ban đầu là UDT. Mạch có thể dùng nguồn đơn như hình 3-17.b, khi đó đầu ra phải có CR để ngăn dòng một chiều qua tải đồng thời nạp điện ở nửa chu kỳ dương để cấp cho T 2 ở nửa chu kỳ âm. Có thể tăng công suất ra của mạch bằng cách thay T1 và T2 bằng các cặp Darlington như hình 3-18, khi đó phải có 4 Điốt mắc nối tiếp nhau vì lúc này có 4UBE0. +Ucc Rc T1 D4 D3 R1 D2 D1 Cv Rt + T2 T3 Uv R2 -Ucc Hình 3-18. Tầng công suất đẩy kéo dùng Darlington 27
Chương IV BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN I. Tính chất và tham số cơ bản 1. Các tính chất cơ bản Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) là IC khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, trở kháng vào lớn, trở kháng ra nhỏ. Bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò quan trọng và được dùng rộng rãi trong khuếch đại, tạo tín hiệu sin, xung, trong mạch ổn áp, bộ lọc tích cực Ký hiệu của bộ khuếch đại thuật toán như hình 2.1. +E UP UR Ud UN -E Hình 4-1. Ký hiệu của bộ KĐTT + UN điện áp vào cửa đảo + UP điện áp vào cửa thuận + UR điện áp lối ra + Bộ khuếch đại thuật toán được cấp nguồn đối xứng E. + Ud là điện áp vào hiệu:U d = UP - UN Khi đưa tín vào cửa thuận thì tín hiệu ra đồng pha với tín hiệu vào. Khi đưa tín hiệu vào cửa đảo thì tín hiêu ra ngược pha tín hiệu vào. - 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 = . 2. Hệ số khuếch đại hiệu K0 là hệ số khuếch đại không tải U R U R K0 Ud U P U N 3 6 Thực tế ở tần số thấp K0 thường có giá trị từ 10  10 . Đặc tuyến truyền đạt của bộ khuếch đại thuật toán hình 4-2. 28
Hình 4.2. Đặc tuyến truyền đạt của bộ KĐTT Từ đặc tuyến truyền đạt của bộ KĐTT thấy rằng trong miền tuyến tính khi Ud tăng thì UR tăng và ngược lại, còn ở hai miền bão hòa khi Ud thay đổi thì UR luôn không đổi và bằng các trị số -U Rmax (gọi là điện áp bão hòa âm), +URmax (gọi là điện áp bão hòa dương). Các giá trị này không phụ thuộc điện áp vào và nhỏ hơn điện áp nguồn từ 1V đến 3V. Thực tế thì miền tuyến tính rất hẹp, tức là Ud chỉ biến đổi trong khoảng từ -vài mV đến +vài mV. Trong quá trình tính toán với bộ KĐTT lý tưởng thì U d coi như bằng không. 3. Đặc tuyến biên độ tần số và đặc tuyến pha Hình 4-3. Đặc tuyến biên độ tần số và đặc tuyến pha của bộ KĐTT 29
Hình 4-3 là đặc tuyến biên độ tần số và đặc tuyến pha của bộ KĐTT. Tần số giới hạn dưới fd = 0, tức là khuếch đại cả điện áp một chiều, tần số giới hạn trên là f t là tạ tần số mà hệ số khuếch đại giảm 2 lần (3dB). Tại tần số f 0 hệ số khuếch đại bắt đầu giảm và xuất hiện góc lệch pha giữa Ud và UR. Nếu tần số tiếp tục tăng thì hệ số khuếch đại càng giảm và góc lệch pha càng lớn. 4. Hệ số nén đồng pha Nếu đặt vào cửa thuận và cửa đảo của bộ KĐTT một điện áp đồng pha tức là: UP = UN = UCM 0 (UCM gọi là điện áp đồng pha), theo lý thuyết thì lúc đó U R = 0V, nhưng thực tế thì không như vậy: UR = KCM. UCM. KCM gọi là hệ số khuếch đại đồng pha. Nếu lý tưởng thì K CM = 0. Để đánh giá bộ KĐTT thực tế với lý tưởng người ta đưa ra hệ số nén đồng pha: K G 0 KCM Giá trị này càng lớn thì bộ KĐTT càng gần với lý tưởng, thường G = 103  105. II. Các mạch khuếch đại 1. Mạch khuếch đại đảo Iht I1 Hình 4-4. Mạch khuếch đại đảo Vì trở kháng vào của bộ KĐTT bằng vô cùng nên dòng vào cửa đảo của nó bằng không. Tại nút N ta có: I1 + Iht = 0 (1) Ta lại có: Ud = UP - UN = 0V. Mà UP = 0V nên UN = 0V. UV U N UV I1 (2) R1 R1 U R U N U R Iht (3) Rht Rht Thay (2), (3) vào (1) ta có: 30
UV U R Rht 0 U R UV R1 Rht R1 Rht Kd R1 Như vậy khi có hồi tiếp âm hệ số khuếch đại của mạch nhỏ hơn K 0 và chỉ phụ thuộc vào linh kiện ngoài. Nếu chọn R 1 bằng Rht thì UR = UV mạch có tính chất đảo điện áp. Trở kháng vào của mạch: UV UV ZV R1 . I1 (UV Ud ) / R1 2. Mạch khuếch đại không đảo Rht Uv N Ur R1 Hình 4-5. Mạch khuếch đại thuận Vì dòng vào của bộ khuếch đại thuật toán rất nhỏ và Ud =0V nên: U R UV U N R1 R1 Rht U R Rht Kt 1 UV R1 Trở kháng vào của mạch: ZV rd (R1 // Rht ) . (rd là trở kháng vào của bộ KĐTT). 3. Hiện tượng trôi và bù điện áp lệch không Khi sử dụng bộ KĐTT làm mạch khuếch đại thì phải mắc thêm các điện trở ngoài. Dòng tĩnh trên các cửa vào sẽ gây sụt áp trên các điện trở, do điện trở các cửa vào là khác nhau nên các sụt áp này sẽ khác nhau, hiệu điện thế này là điện áp lệch không. Điện áp lệch không này sẽ được khuếch đại đưa tới đầu ra. Để khử điện áp lệch không thì người ta sẽ mắc sao cho điện trở trên các cửa là bằng nhau khi đó điện áp lệch không sẽ bằng không. Như vậy trong mạch khuếch đại đảo (hình 4-6) cửa thuận không nối trực tiếp xuống đất mà thông qua một điện trở R có trị số: R = R1//Rht. 31
Đối với mạch khuếch đại thuận (hình 4-7) điện áp vào không đưa trực tiếp tới của thuận mà thông qua một điện trở R có trị số: R = R1//Rht. Rht R R1 Rht Uv Ur Uv Ur R R1 Hình 4-6. Mạch khử điện áp lệch không Hình 4-7. Mạch khử điện áp lệch không III. Các mạch điện ứng dụng bộ KĐTT 1. Mạch cộng 1.1. Mạch cộng đảo I1 R1 U1 I2 R2 Rht U2 Iht In Rn N Un Ur P Hình 4-8. Mạch cộng đảo. Vì UN = UP = 0V nên áp dụng quy tắc dòng điện nút tại N: I1 I2 In Iht 0 U U U U 1 2 n R 0 R1 R2 Rn Rht Rht Rht Rht U R ( .U1 .U2 .Un ) R1 R2 Rn Nếu chọn R1 = R2 = = Rn = Rht/ U R (U1 U2 Un ) . 32
1.2. Mạch cộng không đảo I1 R U1 I2 R U2 In R P Un Ur N Rht R1 Hình 4-9. Mạch cộng thuận Vì dòng vào của bộ KĐTT xấp xỉ bằng không nên ta có thể tính điện áp tại N như sau: U R U N R1 (1) Rht R1 Áp dụng quy tắc dòng điện nút tại P ta có: I1 I2 In 0 U U U U U U (2) 1 P 2 p n p 0 R R R Do UN = UP thay (1) vào (2): U R U1 U2 Un n .R1 R1 Rht R1 Rht U R (U1 U2 Un ) nR1 2. Mạch trừ I1 R1 R2 U1 N I2 R3 U2 Ur P R4 Hình 4-10. Mạch trừ 33
Tại nút P: U2 U P R4 (1) R3 R4 Tại nút N: I1 I2 0 U U U U (2) 1 N R N 0 R1 R2 Vì UN = UP nên thay (1) vào (2) ta có: U U U 2 R U 2 R 1 R R 4 R R R 4 3 4 3 4 0 R1 R2 R4 (R1 R2 ) R2 U R U2 U1 R1 (R3 R4 ) R1 Nếu chọn R2 = R1, R4 = R3 ta có: UR = (U2 – U1) 3. Mạch tích phân Mạch tích phân là mạch có tín hiệu ra tỉ lệ với tích phân tín hiệu vào. t U K U dt R v 0 C Ic Iv R Uv Ur Hình 4-11. Mạch tích phân Vì UN = UP = 0V nên UR = UC Tại cửa N: IV IC 0 U dU V C C 0 R dt U dU V C R 0 R dt 1 t U U dt U R V R0 RC 0 34
Tại thời điểm t = 0 thường UR0 = 0 nên: 1 t 1 t U U dt U dt R V V RC 0  0  = RC gọi là hằng số tích phân. 4. Mạch vi phân Mạch vi phân là mạch có tín hiệu ra tỉ lệ với vi phân tín hiệu vào. dU U K V R dt R IR Ic C Uv Ur Hình 4-12. Mạch vi phân Tại cửa N: IC IR 0 dU U C C R 0 dt R Mà UC = UV (do UN = Up = 0V) nên: dU U C V R 0 dt R dU dU U RC V  V R dt dt Trong đó  = RC gọi là hằng số vi phân. 5. Mạch tạo hàm logarit D ID IR R Uv Ur Hình 4-13. Mạch tạo hàm logarit Biểu thức dòng trên điốt: 35
U AK mUT ID IS (e 1) Trong đó: ID Dòng thận trên điốt IS Dòng ngược bão hòa 0 UT Điện áp nhiệt (26mV/25 C) UAK Điện áp thuận trên điốt m Hệ số hiệu chỉnh giữa lý thuyết và thực tế Trong miền làm việc ID >>IS nên ta có thể viết U AK mUT ID IS .e Tại cửa đảo của bộ KĐTT: ID IR U I V D R U AK U I .e mUT V S R Ở đây UAK = -UR UV U R U AK mUT ln( ) IS R 6. Mạch tạo hàm đối logarit R IR ID D Uv Ur Hình 4-14. Mạch tạo hàm đối logarit Tương tự như trên (mục 5) ta có: U AK mUT ID IS .e Do Ud = 0V nên UV = UAK Tại cửa đảo của bộ KĐTT: 36
IR ID U U AK R I I .e mUT R D S U AK mUT U R R.IS .e 7. Mạch nhân Hình 4-15. Mạch nhân Từ sơ đồ tổng quát ta có: U Z exp(lnU X lnUY ) U Z U X .UY Trong thực tế qua mỗi mạch sẽ có một hệ số truyền đạt nào đó nên tổng quát : U Z K.U X .UY Nếu chập hai đầu vào với nhau (UX = UY) ta có mạch bình phương: 2 U Z K.U X 8. Mạch chia Hình 4-16. Mạch chia 37
Từ sơ đồ ta có: U Z exp(lnU X - lnUY ) U X U Z UY Tổng quát : U X U Z K. UY 9. Mạch so sánh Mạch so sánh lợi dụng hệ số khuếch đại K0 rất lớn của bộ KĐTT. Đặc tuyến truyền đạt của bộ KĐTT gồm hai miền bão hòa và một miền tuyến tính. Vì K 0 rất lớn nên đặc tuyến trong miền tuyến tính gần như thẳng đứng, nếu lý tưởng thì đặc tuyến trùng với trục UR. Hình 4-17. Đặc tuyến truyền đạt của bộ KĐTT Ta có UR = K0(UP – UN), vì K0 = (lý tưởng) nên khi U P > UN thì UR đã bão hòa dương và khi UP Uch (hay UN > UP) thì UR = -URmax (bão hòa âm). 38
Uv Ur Uch Hình 4-18. Mạch so sánh Hình 4-19. Đặc tuyến truyền đạt Với mạch hình 4-20 ta có: Khi UV UP) thì UR = -URmax (bão hòa âm). Khi UV > Uch (hay UN < UP) thì UR = +URmax (bão hòa dương). Uv Ur Uch Hình 4-20. Mạch so sánh Hình 4-21. Đặc tuyến truyền đạt 39
Chương V MẠCH TẠO DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA I. Khái niệm chung về dao động Mạch tạo dao động được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử. mạch tạo dao động là mạch khi được cấp nguồn thì nó sẽ tạo ra tín hiệu. Tín hiệu ở đây có thể là dao động sin hay các dạng xung vuông, tam giác, răng cưa Trong chương này chỉ nghiên cứu dao động điều hòa (tín hiệu sin). Sơ đồ khối của một mạch dao động điều hòa theo nguyên lý hồi tiếp trên hình 5-1 gồm hai khối là khối khuếch đại có hệ số khuếch đại K và khối hồi tiếp có hệ số truyền đạt Kht. Hồi tiếp trong mạch dao động điều hòa là hồi tiếp dương. Để có dao động thì phải thỏa mãn điều kiện: + K.Kht = 1 gọi là điều kiện cân bằng biên độ. + K + ht = 2n gọi là điều kiện cân bằng pha (đây là điều kiện hồi tiếp dương). Thực tế để mạch có thể phát sinh dao động thì K.Kht > 1, do đó biên độ ra sẽ bị méo dạng do bị giới hạn bởi nguồn nuôi. Để có biên độ ra ổn định và không méo thì trong mach dao động phải có một khâu điều chỉnh để sau khi phát Hình 5-1.Sơ đồ khối mạch tạo sinh dao động nó sẽ điều chỉnh cho K.K = 1 ht dao động điều hòa để biên độ dao động là không đổi. II. Mạch dao động LC Mạch tạo dao động LC sử dụng khung cộng hưởng LC để tạo dao động, tần số dao động của mạch chính là tần số của khung cộng hưởng. 1. Mạch dao động ghép biến áp +Ucc * R1 L1 L C * Cr C1 R2 Ur RE CE Hình 5-2. Mạch dao động ghép biến áp Mạch sử dụng biến áp để đưa tín hiệu hồi tiếp trở về. Mạch khuếch đại mắc Emiter chung nên K = , để thỏa mãn điều kiện cân bằng pha thì ht = , do đó cuộn sơ cấp 40
và cuộn thứ cấp phải quấn ngược chiều. Khi thỏa mãn cả điều kiện cân bằng biên độ 1 (tức là K.Kht =1) thì mạch sẽ phát sinh dao động tại tần số: f . dd 2 LC 2. Mạch tạo dao động ba điểm Sơ đồ khối mạch tạo dao dao động ba điểm hình 5-3. Z3 Z2 Z1 Hình 5-3. Sơ đồ khối mạch tạo dao dao động ba điểm Để thỏa mãn điều kiện cân bằng pha phải có điều kiện: + X1, X2 > 0 và X3 0. Ta có mạch dao động ba điểm điện dung. Khi thỏa mãn thêm điều kiện cân bằng biên độ (tức là K.K ht =1) thì mạch sẽ phát sinh dao động, và tần số dao động của mạch là nghiệm của phương trình: X1 + X2 + X3 = 0 VD: Mạch dao động ba điểm điện cảm hình 5-4 và mạch dao động ba điểm điện dung hình 5-5. 1 Mạch điện hình 5-4 cho tần số dao động fdd 2 (L1 L2 )C 1 Mạch điện hình 5-5 cho tần số dao động f dd 2 LC Do chọn C << C1, C2 nên C Ctd. 41
+Ucc +Ucc R1 Rc C2 R1 Rc + C1 Cv + L1 C1 + L C + CE + R2 RE R2 CE RE C2 L2 C Hinh 5-4. Mạch dao động ba điểm Hinh 5-5. Mạch dao động ba điểm điện cảm. điện dung. III. Mạch dao động RC Mạch tạo dao động RC thường được sử dụng để tạo dao động ở tần số thấp. Mạch sử dụng RC trong khâu hồi tiếp. 1. Mạch dao động dùng 3 mắt RC trong khâu hồi tiếp Mạch sử dụng ba mắt RC trong khâu hồi tiếp, phần tử khuếch đại có thể dùng Tranzito hoặc bộ KĐTT như hình 5-6. +Ucc R1 Rc Cr Ur C C C R R R2 RE CE a. b Hình 5-6. Mạch dao động 3 mắt RC dùng bộ KĐTT (a), dùng Tranzito (b) Khâu hồi tiếp gồm 3 mắt RC được tách ra như hình 5-7. C C C Ur R R R Uht Hình 5-7. Khâu 3 mắt RC 42
Uht 1 ht K 2 2 2 . U R 1 5 j (6 ) 1 Với . RC 2 1 Với ht = khi 6 và K ht 29 Để mạch có thể dao động thì phải thỏa mãn điều kiện cân bằng pha và cân bằng biên độ, nên mạch khuếch đại phải có: K = 29 và K = . Khi đó tần số dao động của mạch là: 1 1 6 6  RC 6RC 1 fdd 2 6RC Với mạch sử dụng bộ KĐTT để K = thì tín hiệu hồi tiếp phải đưa về cửa đảo. Mạch dùng bộ KĐTT R 1 vừa tham gia trong khâu hồi tiếp vùa tham gia trong khâu khuếch đại do đó: Rht R1 = R và K 29 Rht 29R1 . R1 Mạch dùng tranzito phải chọn sao cho R = R 1//R2//rbe và phải có K =29 còn K bằng vì mạch khuếch đại mắc Emiter chung. 2. Mạch dao động dùng mạch cầu Viên trong khâu hồi tiếp R2 R1 +E Ur + -E P C R R C Hình 5-8. Mạch dao động cầu Viên U U 1 K ht P . ht U U 1 R R 3 j(RC ) RC 43
1 1 Khi RC = 0 thì ht = 0 và K RC ht 3 Để mạch có thể dao động thì phải thỏa mãn điều kiện cân bằng pha và cân bằng biên độ, nên mạch khuếch đại phải có: K = 0 tức là tín hiệu hồi tiếp được đưa về cửa thuận. R2 và K = 3 = 1 R2 2R1 . R1 IV. Mạch dao động dùng thạch anh Khi yêu cầu mạch dao động có tần số ổn định cao thì dùng mạch dao động thạch anh. Thạch anh có những tính chất tốt như: độ bền cơ học cao, ít chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ ẩm và tác dụng hóa học. Thạch anh có tính chất áp điện, tức là dưới tác dụng của điện trườngthì sinh ra dao động cơ học và ngược lại khi có dao động cơ học thì sinh ra điện tích, do đó có thể dùng thạch anh như một khung cộng hưởng. Sơ đồ tương đương của thạch anh như hình 5-10. Hình 5-9. Ký hiệu của Thạch anh Hình 5-10. Sơ đồ tương đương của Thạch anh Trong đó: Cp là điện dung giá đỡ. Lq, Cq, rq phụ thuộc vào kích thước thạch anh và cách cắt nó. Thạch anh có kích thước càng nhỏ thì Lq, Cq, rq càng nhỏ và tần số dao động càng cao. Để thay đổi tần số cộng hưởng riêng của thạch anh người ta mắc nối tiếp nó với một tụ điện như hình 5-11. Hình 5-11. Thạch anh có hai tần số cộng hưởng: Một tần số cộng hưởng song song f p và một tần số cộng hưởng nối tiếp fq. Tùy theo cách mắc mà mạch sẽ cho tần số dao động là fp hay fq. Để kích thích phần tử thạch anh hoạt động trong mạch cộng hưởng nối tiếp (hình 5-12), người ta mắc nó nối tiếp với phần tử hồi tiếp. Tại tần số cộng hưởng nối tiếp trở kháng của thạch anh là nhỏ nhất và khi đó hồi tiếp dương là lớn nhất. 44
Khi thạch anh cộng hưởng song song (hình 5-13) thì trở kháng của nó là lớn nhất. Tại tần số cộng hưởng song song thạch anh được coi như một phần tử điện kháng lớn nhất. Và mạch điện lúc này là mạch dao động 3 điểm điện dung. Một số mạch dao động dùng thạch anh: Hình 5-12. Mạch cho tần số dao Hình 5-13. Mạch cho tần số dao động nối tiếp (fq) động song song (fp) 45
Chương VI MẠCH XUNG I. Khái niệm chung Tín hiệu xung là tín hiệu rời rạc theo thời gian. Tín hiệu xung thường được gọi theo hình dạng của nó: xung vuông, xung tam giác, xung răng cưa, xung nhọn U tx t 0 T U t 0 tq tqn U T t 0 tx T Hình 6-1. Các dạng tín hiệu xung Các tham số của tín hiệu xung Các tham số cơ bản của tín hiệu. xung là biên độ, độ rộng xung, độ rộng sườn trước, sườn sau, độ sụt đỉnh (hình 6-2). - Biên độ xung xác định bằng giá trị lớn nhất của tín hiệu xung , ký hiệu Û . - Độ rộng sườn trước và sườn sau xác định khoảng thời gian tăng, giảm của biên độ xung trong khoảng 0,1Û đến 0,9 Û. - Độ rộng xung tx là khoảng thời gian tồn tại của tín hiệu xung. - Độ sụt đỉnh xung U thể hiện mức giảm biên độ ở đoạn đỉnh xung. Với dãy xung tuần hoàn có các tham số đặc trưng sau: - Chu kỳ lặp lại T, tần số xung f = 1/T. - Hệ số lấp đầy  = tx/T. Trong mạch tạo xung Tranzito và bộ KĐTT làm việc ở chế độ khóa. - Chế độ khóa của tranzito gồm hai trạng thái tắt và thông bão hòa do điện áp đặt ở đầu vào điều khiển. - Với bộ KĐTT điểm làm việc nằm trong vùng bão hòa, điện áp ra chỉ ở hai mức bão hòa âm hoặc bão hòa dương. 46
U U U t t 0 tr ts tx Hình 6-2. Các tham số của tín hiệu xung II. Trigơ Trigơ là mạch có hai trạng thái ổn định. Khi có nguồn mạch ở một trạng thái ổn định nào đó. Khi có một xung vào mạch chuyển đổi trạng thái một lần . 1. Trigơ đảo Uv Ur P R1 UP(+) UP(-) R2 Tra Hình 6-3. Trigơ đảo Hình 6-4. Dạng tín hiệu vào và ra Từ dạng sóng ta thấy khi Uv có giá trị âm lớn , mạch ở trạng thái bão hoà dương Ur = +Urmax , trên lối vào thuận có: Ur max U P( ) .R2 . R1 R2 Uv tăng dần, trạng thái này vẫn không đổi cho tới khi Uv > U P(+) điện áp vào hai đầu IC đổi dấu nên đầu ra đột biến sang trạng thái bão hoà âm, Ura = -Urmax lập tức qua mạch phân áp đưa về cửa thuận điện áp: Ur max U P( ) .R2 . R1 R2 47
Điện áp vào tăng lên rồi giảm xuống. Khi U V 0 khi UV .U R (1) R2 R1 UP U ng, từ (1) R2 ta thấy UP > 0 nên đầu ra lật trạng thái sang bão hoà dương UR = +URmax, lúc này R1 Ung U Rmax . R2 48
Điện áp vào tăng lên rồi giảm xuống. Khi UV 0 T1 thông xuất hiện dòng IB1, IC1 và tăng lên làm cho Ura1 giảm, qua tụ C 1 dẫn đến U B2 giảm, dòng T 2 giảm và Ura2 tăng. Qua C 2 lượng tăng đưa vào cực gốc T1 làm cho UB1 tiếp tục tăng, dòng qua T1 tiếp tục tăng. Hồi tiếp dương xẩy ra nhanh chóng (xem như tức thời) làm cho T1 thông (bão hoà), T2 tắt. Tiếp theo tụ C1 lại phóng điện qua T 1, nguồn nuôi và điện trở R 2 giữ cho T 2 tắt trong một khoảng thời gian. Tụ C2 nạp điện từ nguồn +UCC qua R4 và điện trở rBET1, nhanh chóng đến điện áp bằng UCC do có R4<<R2 làm cho Ura2 tăng Hình 6-8. Dạng xung ra nhanh lên mức Ura2 = UCC. 49
Dòng phóng giảm làm cho UB2 tăng lên . Khi UB2 > 0 T2 thông trở lại, T 1 tắt mạch chuyển sang trạng thái ban đầu. Các tham số xung ra: Biên độ xung ra: ˆ Ur UCC Độ rộng xung tx1 là thời gian T1 tắt, tụ C2 phóng điện qua R3 nên tx1 được tính: tx1 = R3.C2ln2 0,7 R3.C2. Tương tự tx2 là thời gian T2 tắt, tụ C1 phóng điện qua R2 nên tx2 được tính: tx2 = R2.C1ln2 0,7R2.C1 Chu kỳ dao động của mạch: T = tx1+ tx2 = 0,7(R3.C2+R2.C1) Tần số dao động của mạch: 1 1 f T 0,7(R3 .C2 R2 .C1 ) Với mạch đối xứng ta có: R1 = R4 = RC; R2 = R3 = RB; C1 = C2 = C; các tranzito T1, T2 cùng loại: tx1 = tx2 = 0,7.RB.C T = 2tx = 1,4.RB.C 1 1 f T 1,4.RB .C 2. Mạch dao động đa hài dùng bộ KĐTT Mạch đa hài tự dao động dùng bộ KĐTT hình 6-9 và dạng xung ở các cực theo thời gian như ở hình 6-10. Phân tích nguyên lý làm việc của mạch bắt đầu tại thời điểm mạch đang ở trạng thái bão hoà dương Ura = +Urmax. Lập tức qua mạch phân áp R 1 R2 đưa về cửa thuận một điện áp: R C Ur P R2 R1 Hình 6-9. Mạch dao động đa hài dùng bộ KĐTT 50
U R max U P ( ) R1 R1 R2 Tụ C trước đó nạp điện áp âm, phóng điện qua đầu ra IC, điện trở R, khi phóng hết điện áp âm rồi nạp tiếp làm cho UC tăng lên. Khi UC > UP(+) thì đầu ra lập tức đột biến về -URmax, mạch chuyển sang trạng thái bão hoà âm. Qua mạch phân áp R1 R2 đưa về cửa thuận một điện áp: U R max U P ( ) R1 . R1 R2 Tụ C đang nạp thì phóng điện (do điện áp ra đổi cực tính) qua điện trở R làm cho UC giảm xuống không, rồi nạp tiếp về phía –U Rmax. Khi UC < UP(-) thì đầu ra đột biến từ -Urmax về +Urmax, mạch chuyển sang trạng thái bão hoà dương. Cứ như vậy mạch tự làm việc chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác cho dãy xung vuông ở đầu ra. Hình 6-10. Dạng tín hiệu trên các cửa bộ KĐTT Khi nguồn nuôi đối xứng có +Urmax= |-Urmax| thì độ rộng xung tx được xác định: 2R 1 tX RC.ln(1 ) R2 Nếu chọn R1 = R2 thì: tx = R.C.ln3 1,1R.C Chu kỳ dao động: 51
T = 2tx 2,2 R.C Tần số dao động: 1 1 f T 2,2R.C IV. Mạch hạn biên Mạch hạn chế biên độ còn gọi là mạch xén biên, trong đó tín hiệu ra u r luôn tỷ lệ với tín hiệu vào (uV) nếu uV chưa vượt quá một giá trị ngưỡng cho trước, còn khi u V vượt quá mức ngưỡng thì tín hiệu ra ur luôn giữ ở một giá trị không đổi. Các linh kiện tích cực được sử dụng trong mạch hạn chế thường là điốt, tranzito hay IC. Phân loại: Hạn chế trên. Hạn chế dưới. Hạn chế hai phía. Cả ba loại trên đều có thể mắc mạch song song hoặc nối tiếp tùy vào cách mắc tải song song hay nối tiếp với điốt. Sau đây ta sẽ xét các mạch hạn chế dùng điốt lý tưởng. Các mạch hạn chế biên độ chỉ cho kết quả lý tưởng khi hở mạch đầu ra (Z R = ) và điốt lý tưởng 1. Hạn chế trên Hạn chế trên là mạch mà khi UV Ung thì UR = Ung. VD: Mạch điện hình 6-11. R U UV UR D E Uv + Ur t E Hình 6-11. Mạch hạn chế trên Hình 6-12. Dạng tín hiệu vào ra 2. Hạn chế dưới Hạn chế trên là mạch mà khi UV Ung thì UR = Ung. VD: Mạch điện hình 6-13. 52
U U UR R R D t Uv Ur E + E UV Hình 6-13. Mạch hạn chế dưới Hình 6-14. Dạng tín hiệu vào ra 3. Hạn chế hai phía Hạn chế trên là mạch mà khi Ung1 Ung2 thì UR = Ung2 và khiUV < Ung1 thì UR = Ung1. VD: Mạch điện hình 6-15. R D1 D2 Uv Ur + E1 E2 + Hình 6-15. Mạch hạn chế hai phía U UV E2 UR t 0 E1 Hình 6-16. Dạng tín hiệu vào ra 53
V. Mạch tạo xung răng cưa 1. Các tham số của xung răng cưa Tín hiệu xung răng cưa được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, chẳng hạn làm tín hiệu quét trong các máy hiện sóng, làm tín hiệu so sánh biến đổi điện áp hay thời gian.v.v U Uˆ 0 t tqt tqn T Hình 6-17: Tín hiệu xung răng cưa Trên hình 6-17 là một tín hiệu xung răng cưa thông thường. Nó bao gồm hai phần, phần biến thiên tuyến tính theo thời gian gọi là thời gian quét thuận t qt và phần còn lại là thời gian quét ngược t qn. Các mạch tạo tín hiệu răng cưa phải bảo đảm sao cho thời gian quét thuận lớn hơn rất nhiều thời gian quét ngược. Biên độ của xung răng cưa là ^ U . Tín hiệu răng cưa có thể dương hay âm, thực hiện quét lên hoặc quét xuống và mạch tạo xung răng cưa có thể hoạt động ở chế độ đợi hay tự dao động. Trong thực tế, phần quét thuận của xung răng cưa không hoàn toàn tuyến tính. Do đó để đánh giá chất lượng đường quét của xung răng cưa, ta đưa ra hệ số phi tuyến , định nghĩa như sau: ' ' U(0) U(tqt)  ' U(0) ' trong đó: U(0) là độ dốc ở điểm bắt đầu đường quét thuận. ' U(tqt) là độ dốc ở điểm kết thúc đường quét thuận. Ngoài ra mạch quét còn được đánh giá theo hiệu suất sử dụng nguồn cung cấp. ^ U  EC ^ Với U là biên độ, E C là điện áp nguồn. Nói chung tín hiệu răng cưa được tạo ra dựa trên quá trình nạp và phóng của tụ. Các mạch tạo xung răng cưa đều dựa theo một trong ba nguyên lý cơ bản sau: 54
- Nạp, phóng cho tụ bằng mạch RC đơn giản. - Nạp hoặc phóng cho tụ qua nguồn dòng ổn định. - Dùng hồi tiếp để ổn định dòng nạp cho tụ. 2. Mạch tạo xung răng cưa dùng RC đơn giản Trên hình 6-18 là sơ đồ nguyên lý tạo xung răng cưa dùng mạch RC đơn giản. Trong mạch tranzito hoạt động ở chế độ khoá. Bình thường, khi không có xung kích Uv +Ec t RB Rc 0 Cv ^ Ur EC U R + + C Ur U v t 0 Ubh tqt tqn Hình 6-18. Mạch tạo xung răng cưa Hình 6-19. Dạng tín hiệu vào ra thích, tranzito thông bão hoà do được cung cấp dòng I B khá lớn qua, do đó tín hiệu ra Ur 0 . Khi mạch được kích thích xung âm, tranzito tắt, tụ C nạp điện từ nguồn E C qua R. Điện áp UV trên tụ tăng dần theo biểu thức: t / RC U R EC (1 e ) Khi xung vào kết thúc tranzito thông và bão hoà trở lại, tụ C phóng điện nhanh qua tranzito tới giá trị gần bằng không. Thời gian quét thuận của mạch bằng thời gian tồn tại của xung vào, còn thời gian quét ngược là thời gian phóng điện của tụ C. Nhược điểm của loại mạch này là chất lượng tuyến tính của phần quét thuận không cao, do ở cuối dòng nạp cho tụ giảm dần. Để khắc phục nhược điểm trên, người ta sử dụng nguồn dòng ổn định để nạp cho tụ. 2. Mạch tạo xung răng cưa dùng nguồn dòng Nguyên lý hoạt động của mạch giống mạch RC đơn giản chỉ khác ở chỗ trong mạch này RC của T1 được thay bởi nguồn dòng ổn định (gồm T2, RE, RB2, Dz). Với mạch RC đơn giản (hình 6-18) ta thấy: EC UC Inap RC 55
Do UR = UC càng lớn thì dòng nạp cho tụ C càng nhỏ do đó U C không tuyến tính. Với mạch dùng nguồn dòng hình 6-20 ta thấy khi có xung âm vào T 1 tắt, C được nạp điện, dòng nạp bây giờ là không đổi do nguồn dòng ổn định. +Ec RE RB2 T2 Dz RB1 Cv T1 + + C Ur Uv Hình 6-20. Mạch tạo xung răng cưa dùng nguồn dòng 56
Chương VII CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ SỐ VÀ SỐ TƯƠNG TỰ I. Nguyên tắc chuyển đổi tương tự - số (ADC) Hình 7-1 là sơ đồ khối của bộ chuyển đổi AD. ADC U UD UA Mạch lấy M mẫu Lượng tử Mã hóa hóa fm fđh Hình 7-1. Sơ đồ khối của bộ chuyển đổi AD 1. Mạch Lấy mẫu Tín hiệu tương tự (UA) được đưa đến mạch lấy mẫu. - Tại các thời điểm cách đều nhau (T m) mạch lấy mẫu sẽ lấy mẫu biên độ của tín hiệu tương tự (UA). 1 fm được gọi là tần số lấy mẫu. Tm Để có thể khôi phục lại tín hiệu một cách trung thực thì tần số lấy mẫu phải thỏa mãn điều kiện: fm 2. fthmax 2B Trong đó: là tầnfthm asốx lớn nhất của tín hiệu. B là dải tần của tín hiệu. - Mẫu tín hiệu này được giữ trong quá trình chuyển đổi nó thành tín hiệu số. 2. Mạch lượng tử - Mã hóa - Tín hiệu ra của mạch lấy mẫu được đưa đến mạch lượng tử để làm tròn với độ chính Q xác . 2 Nếu tín hiệu số có N bít thì mức lượng tử Q có giá trị U Q Amax 2N 1 Trong đó : Q là mức lượng tử UAmax là giá trị điện áp tương tự lớn nhất mà bộ chuyển đổi có thể chuyển đổi được. 57
Q gọi là sai số lượng tử. Sai số này càng nhỏ khi số bít càng lớn. 2 - Tín hiệu U M sau khi được làm tròn sẽ được mạch lượng tử rời rạc với nguyên lần mức lượng tử. - Sau mạch lượng tử là mạch mã hóa. Kết quả lượng tử được sắp xếp theo một quy luật mã theo yêu cầu. Quá trình lượng tử hóa và mã hóa xẩy ra đồng thời không thể tách rời hai quá trình này. 3. Các phương pháp chuyển đổi tương tự - số 3.1. Biến đổi song song Trong phương pháp chuyển đổi song song, tín hiệu được so sánh cùng một lúc với nhiều giá trị chuẩn. Do đó tất cả các bit được xác định đồng thời và đưa đến đầu ra. 3.2. Biến đổi nối tiếp theo mã đếm Ở đây quá trình so sánh được thực hiện lần lượt từng bước theo quy luật của mã đếm. Kết quả chuyển đổi được xác định bằng cách đếm số lượng giá trị chuẩn có thể chứa được trong giá trị tín hiệu tương tự cần chuyển đổi. 3.3. Biến đổi nối tiếp theo mã nhị phân Quá trình so sánh được thực hiện lần lượt từng bước theo quy luật mã nhị phân. Các đơn vị chuẩn dùng để so sánh lấy các giá trị giảm dần theo quy luật mã nhị phân, do đó các bit được xác định lần lượt từ bit có nghĩa lớn nhất (MSB) đến bit có nghĩa nhỏ nhất (LSB) 4. Biến đổi song song - nối tiếp kết hợp Trong phương pháp này, qua mỗi bước so sánh có thể xác định được tối thiểu là 2 bit đồng thời. II. Một số phương pháp chuyển đổi AD 1. Chuyển đổi AD theo phương pháp song song Sơ đồ của phương pháp này như ở hình 7-2. Tín hiệu tương tự đã lấy mẫu U M được đồng thời đưa đến các bộ so sánh S1  Sm. Điện áp chuẩn Uch được đưa đến đầu vào thứ 2 của bộ so sánh qua thang điện trở R. Do các điện áp chuẩn đặt vào các bộ so sánh lân cận khác nhau một lượng không đổi và giảm dần từ S1 đến Sm. Đầu ra các bộ so sánh có điện áp vào lớn hơn điện áp chuẩn lấy trên thang điện trở, có mức logic "1", các đầu ra còn lại có mức logic "0". Tất cả các đầu ra được nối đến mạch "Và", một đầu mạch "Và" nối tới mạch tạo xung nhịp. Chỉ khi có xung nhịp đưa tới đầu vào "Và" thì các xung đầu ra bộ so sánh mới đưa ra mạch nhớ FF (Flip-Flop). Như vậy cứ sau 1 thời gian bằng 1 chu kỳ xung nhịp lại có 1 tín hiệu được biến đổi và đưa đến đầu ra. Xung nhịp bảo đảm cho quá trình so sánh kết thúc mới đưa tín hiệu vào bộ nhớ. Bộ mã hoá có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu vào dưới dạng mã đếm thành mã nhị phân. Mạch này có ưu điểm là tốc độ biến đổi nhanh, vì quá trình so sánh thực hiện song song. Nhưng nhược điểm là kết cấu mạch phức tạp với số linh kiện quá lớn. 58
+Uch _ UM S1 + FF R _ U S2 D + FF R Mạch _ S3 mã + FF R hóa _ Sm + FF R 2 Nhịp Hình 7-2. Sơ đồ chuyển đổi AD theo phương pháp song song 2. Chuyển đổi AD nối tiếp dùng vòng hồi tiếp KĐ UA Uh +A + SS Logic Nhịp -A Đếm UD UM Đảo DAC Hình 7-3. Sơ đồ khối A/D nối tiếp dùng vòng hồi tiếp Điện áp tương tự UA được so sánh với một giá trị ước lượng cho trước UM. Khi: UA > UM thì Uh > 0; UA 0 thì đầu ra SS có +A = 1. Nếu Uh < 0 thì đầu ra SS có –A = 1 Kết quả so sánh được đưa vào một mạch logic đồng thời với tín hiệu nhịp. Tuỳ thuộc vào tín hiệu ra SS, tại những thời điểm có xung nhịp mạch logic sẽ điều khiển bộ đếm sao cho ứng với +A thì bộ đếm sẽ đếm thuận và -A thì bộ đếm sẽ đếm ngược. 59
Nếu bộ đếm được kết cấu theo quy luật mã nhị phân thì trên đầu ra A/D sẽ có tín hiệu số dưới dạng mã đó. Tín hiệu đi được một vòng ứng với một chu kỳ của xung nhịp. Tín hiệu số xác định được trong bước so sánh thứ nhất qua D/A sẽ dẫn ra được giá trị ước lượng mới để so sánh với U A trong bước tiếp theo. Quá trình này được lặp lại cho Q đến khi | U | ; lúc đó +A = -A = 0, do đó mạch đếm giữ nguyên trạng thái và ta h 2 nhận được kết quả chuyển đổi chính xác của UA với N bit yêu cầu. So sánh với các phương pháp đã xét, ở đây mạch đơn giản, các linh kiện sử dụng lặp lại nhiều lần. Mạch làm việc với tốc độ không cao lắm nhưng chính xác. 3. Chuyển đổi AD theo phương pháp đếm đơn giản + SS1 USS1 - UC Tạo điện áp UG UA U răng cưa Đếm D + - USS2 SS2 Tạonhịp Hình 7-4. Sơ đồ nguyên tắc của A/D làm việc theo phương pháp đếm đơn giản Điện áp vào UA được so sánh với điện áp chuẩn dạng răng cưa UC nhờ bộ so sánh SS1. Khi UA > UC thì SS1 = 1, khi UA < UC thì SS1 = 0. Bộ so sánh SS2 so sánh điện áp răng cưa với mức 0V (đất). USS1 và USS2 được đưa đến một mạch "Và". Xung ra UG có độ rộng tỷ lệ với độ lớn của điện áp vào tương tự U A, với giả thiết xung chuẩn dạng răng cưa có độ dốc không đổi. Mạch "Và" thứ 2 chỉ cho ra các xung nhịp khi tồn tại UG, nghĩa là trong khoảng thời gian t1 đến t2(0 < UC < UA). Mạch đếm đầu ra sẽ đếm số xung nhịp đó. Đương nhiên, số xung này tỷ lệ với độ lớn của UA. Hình 7-5. Tín hiệu tại các cổng 60
III. Chuyển đổi DA Sơ đồ khối chuyển đổi DA như hình 7-6. U Tín hiệu số Bộ chuyển đổi M Bộ lọc thông Tín hiệu DA thấp tương tự Hình 7-6. Sơ đồ khối chuyển đổi DA Tín hiệu số được đưa vào bộ chuyển đổi DA, đầu ra bộ chuyển đổi DA là U M. UM sau khi qua bộ lọc thông thấp sẽ cho tín hiệu tương tự tương ứng. 1. Chuyển đổi DA bằng phương pháp thang điện trở Rht 0 1 N-1 2 2 2 _ I0 I I 1 N-1 + R R R U 2 2 N 1 M K = Uch Tín hiệu điều khiển số Hình 7-7. Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi D/A theo phương pháp thang điện trở Đầu vào bộ khuyếch đại thuật toán là một thang điện trở, trị số của chúng phân bố theo mã nhị phân, các điện trở lân cận nhau hơn kém nhau 2 lần. Tín hiệu điều khiển là tín hiệu số cần chuyển đổi. Bít có nghĩa nhỏ nhất (LSB) được đưa đến điều khiển khóa nối với điện trở lớn nhất R, bit có nghĩa lớn hơn tiếp đó được đưa đến điều khiển khóa R nối với điện trở nhỏ hơn R/2 và MSB điều khiển khóa nối với điện trở nhỏ nhất 2N 1 . Nếu một bít có giá trị "0" thì khóa tương ứng nối đất và nếu một bít có giá trị "1" thì khóa K tương ứng nối với nguồn điện áp chuẩn U ch để tạo nên một dòng điện tỷ lệ 61
nghịch với trị số điện trở của nhánh đó, nghĩa là I o có giá trị bé nhất, IN-1 có giá trị lớn nhất. Dòng sinh ra trong các nhánh điện trở được đưa đến đầu vào bộ khuyếch đại, đầu ra bộ khuyếch đại thuật toán có điện áp: U M Rht.(b0.I0 + b1.I1 + + bN-2.IN-2 + bN-1.IN-1) Trong đó bi (i = 0,1, 2 N-1) sẽ bằng không nếu bít có giá trị là “0”và sẽ bằng một nếu bít có giá trị là “1”. 2. Chuyển đổi DA bằng phương pháp mạng điện trở I0 I0 . . . I0 I0 Tín hiệu K điều khiển iN-1 Rht i i iN-2 0 1 _ R R 2R + UM 2R 2R 2R Hình 7-8. Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi D/A theo phương pháp mạng điện trở Tín hiệu cần chuyển đổi được đưa đến chuyển mạch K. Khi một bít nào đó của tín hiệu điều khiển là "0" thì I 0 tương ứng với bít đó bị ngắn mạch qua khóa xuống đất. Ngược lại, nếu tín hiệu điều khiển là "1" thì I 0 ứng với bít đó được dẫn tới đầu vào bộ khuyếch đại qua mạng điện trở. Trong sơ đồ này mạng điện trở làm nhiệm vụ phân dòng. Vì điện trở nhánh ngang bằng một nửa điện trở nhánh dọc, nên dòng đi qua mỗi khâu điện trở thì giảm đi một nửa. Dòng điện ứng với LSB đi qua N-1 khâu điện trở, dòng điện ứng với bit có nghĩa lớn hơn đi qua N-2 khâu và dòng ứng với MSB được đưa trực tiếp đến đầu bộ khuyếch đại. Kết quả là các dòng điện ở cửa vào bộ khuyếch đại có trị số tương ứng với bit mà nó đại diện. Chúng có trị số giảm dần từ MSB đến LSB theo mã nhị phân. Điện trở ở nhánh ngang cuối cùng có giá trị số là 2R bằng điện trở nhánh dọc để đảm I bảo sự phân dòng cho i 0 ở khâu cuối cùng cũng giống như các khâu trước. N 2 2 Giống như mạch chuyển đổi DA bằng phương pháp thang điện trở ta cũng có: U M Rht.(b0.i0 + b1.i1 + + bN-2.iN-2 + bN-1.iN-1) Trong đó bi (i = 0,1, 2 N-1) sẽ bằng không nếu bít có giá trị là “0”và sẽ bằng một nếu bít có giá trị là “1”. 62
Chương 8 MẠCH CUNG CẤP NGUỒN MỘT CHIỀU I. Khái niệm chung Mạch nguồn cung cấp có nhiệm vụ cung cấp năng lượng một chiều cho các mạch điện và thiết bị điện tử hoạt động. Năng lượng một chiều của nó được lấy từ nguồn xoay chiều của lưới điện thông qua quá trình biến đổi thực hiện trong bộ nguồn một chiều. Hình 8-1 biểu diễn sơ đồ khối của một bộ nguồn một chiều hoàn chỉnh với chức năng các khối như sau: - Biến áp để biến đổi điện áp xoay chiều U 1 thành điện áp xoay chiều U 2 có giá trị thích hợp với yêu cầu. Trong một số trường hợp có thể dùng trực tiếp U 1 không cần biến áp. - Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều U 2 thành điện áp một chiều không bằng phẳng U3. Sự không bằng phẳng này phụ thuộc cụ thể vào từng dạng mạch chỉnh lưu. - Mạch lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều đập mạch U 3 thành điện áp một chiều U4 ít nhấp nhô hơn. - Mạch ổn áp một chiều (ổn dòng) có nhiệm vụ ổn định điện áp (dòng điện) ở đầu ra của nó U5 (It). Khi U4 thay đổi theo sự mất ổn định của U 1 hay It. Trong những trường hợp nếu không có yêu cầu cao thì không cần mạch ổn áp hay ổn dòng một chiều. Hình 8-1. Sơ đồ khối của một bộ nguồn một chiều II. Biến áp nguồn và mạch chỉnh lưu Biến áp nguồn có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều đặt vào cuộn sơ cấp thành điện áp xoay chiều theo yêu cầu trên cuộn thứ cấp. Đa số các biến áp dùng trong thiết bị điện tử là biến thế hạ áp. 1. Chỉnh lưu nửa chu kỳ Hình 8-2 là mạch điện chỉnh lưu nửa chu kỳ. Giả sử nửa chu kỳ đầu U 2 dương, điốt D phân cực thuận, D thông nên có dòng qua điốt, qua Rt khép kín mạch. Nửa chu kỳ âm của U 2 điốt D phân cực ngược nên khoá, không có dòng qua tải. Nếu bỏ qua sụt áp thuận trên điốt thì dạng sóng điện áp nguồn, dạng sóng điện áp ra, như hình 8-3. Như vậy trên tải chỉ có dòng với nửa chu kỳ dương. 63
U2 ^ U 2 t Hình 8-2. Mạch điện chỉnh lưu nửa chu kỳ URt ^ U 2 2. Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ 2.1. Chỉnh lưu hai nửa dùng biến áp t thứ cấp có điểm giữa D1 Hình 8-3. Dạng điện áp vào, ra U21 Rt U2 U21 U22 U1 U22 D2 t ^ U 2 Hình 8-4. Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ URt Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ là trong cả hai nửa chu kỳ của điện áp t xoay chiều đều có dòng điện qua tải. Điện áp vào và điện áp ra được mô tả trên đồ thị hình 8-5. 2.2. Chỉnh lưu hai nửa dùng mạch Hình 8-5. Dạng tín hiệu vào, ra chỉnh lưu cầu Giống như mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ dùng biến áp có điểm giữa, mạch U1 chỉnh lưu hai nửa chu kỳ dùng mạch cầu U2 điốt (hình 8-6) cũng có dòng trên tải liên Rt tục trong hai nửa chu kỳ điện áp vào. Điện áp vào và điện áp ra được minh họa trên đồ thị hình 8-7. Hình 8-6. Mạch chỉnh lưu cầu 2.3. Mạch chỉnh lưu bội áp Mạch chỉnh lưu bội áp thường được sử dụng khi yêu cầu điện áp ra lớn nhưng dòng nhỏ. Mạch nhân đôi điện áp như hình 8-8. ^ U R 2U2 . 64
- Giả sử nửa chu kỳ dương D 1 thông ^ U2 U21 U22 C1 nạp đầy tới giá trị U2 , nửa chu kỳ âm D2 thông C2 được nạp đầy tới giá ^ trị U2 như vậy trên tải sẽ có điện áp t ^ bằng hai lần U2 . Mạch nhân điện áp có n tầng như URt ^ hình 8-9. U 2 - Giả sử nửa chu kỳ âm D 1 thông C1 ^ t nạp đầy tới giá trị U2 , nửa chu kỳ dương D2 thông C2 được nạp đầy với ^ ^ giá trị U C2 = UC1 + U2 = 2U2 , như Hình 8-7. Dạng điện áp vào, ra vậy nếu có n tầng thì trên tải sẽ có ^ điện áp bằng nU2 . D1 + U1 U2 C1 Ur Rt + D2 C2 Hình 8-8. Mạch nhân đôi điện áp C1 Cn-1 + + D2 U2 U1 U2 D1 C2 Cn+1 + + Ur Hình 8-9. Mạch nhân điện áp có n tầng III. Bộ lọc nguồn Đầu ra của bộ chỉnh lưu ta thu được điện áp một chiều, tuy nhiên điện áp này không ổn định do có còn các thành phần xoay chiều. Vì vậy để có điện áp một chiều ổn định hơn phải cho qua bộ lọc. Tín hiệu sau khi qua bộ lọc gồm thành phần một chiều có giá trị UDC và thành phần thay đổi có giá trị Ur , thành phần thay đổi này có giá trị nhỏ. 65
Ta xác định độ gợn sóng theo công thức: U r r .100% U DC - Điện áp ra của nguồn khi không tải và khi có tải là khác nhau (khi có tải sẽ nhỏ hơn). Lượng chênh lệch này được gọi là hệ số ổn định điện áp UR: Ukt Uct U R .100% Uct Hệ số này càng tiến tới gần không thì bộ nguồn càng lý tưởng. VD: - Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ có điện áp ra như sau: ^ U DC 0,318U2 ^ Ur 0,385U 2 Ta có độ gợn sóng của mạch là: ^ U 0,385U 2 r r .100% .100% 121% U ^ DC 0,318U 2 - Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ có điện áp ra như sau: ^ U DC 0,636U2 ^ Ur 0,308U 2 Ta có độ gợn sóng của mạch là: ^ U 0,608U 2 r r .100% .100% 48% U ^ DC 0,636U 2 1. Bộ lọc dùng tụ điện Mạch lọc thông dụng hiện nay là dùng tụ điện như hình 8-12. Tụ sẽ ngắn mạch thành phần xoay chiều làm độ gợn sóng trên tải ít nhỏ hơn nhưng vẫn còn nhấp nhô. Hình 8-11 là dạng điện áp sau nắn, điện áp có độ mấp mô lớn. D1 URt U21 Rt ^ U 2 U22 D2 t Hình 8-10. Mạch chỉnh lưu Hình 8-11. Dạng điện áp ra khi chưa không có lọc nguồn có bộ lọc nguồn 66
D1 ^ UC U 2 U2 U1 UC U2 D2 + C Rt t Hình 8-12. Mạch chỉnh lưu có Hình 8-13. Dạng điện áp ra khi tụ lọc nguồn có tụ lọc nguồn Hình 8-13 là điện áp khi có tụ lọc nguồn. Khi điện áp tăng tụ nạp, khi điện áp giảm ^ tụ phóng qua Rt. Nếu Rt  thì UC sẽ luôn bằng U 2 . - Điện áp gợn sóng UAC sau lọc được tính theo công thức: I U DC r 4 3. f .C - Điện áp UDC sau lọc được tính theo công thức: ^ I DC U U 2 DC 4. f .C ^ Trong đó: U 2 - Biên độ điện áp sau chỉnh lưu. IDC – Dòng trên tải, đơn vị mA. C – Điện dung bộ lọc, đơn vị F. F – Tần số của mạng điện, đơn vị kHz. 2. Bộ lọc RC Để giảm nhỏ độ gợn sóng, ở đầu ra bộ lọc tụ điện ta mắc thêm khâu lọc RC như hình 8-14.Với mạch này độ gợn sóng sau R là khá nhỏ, tuy nhiên mạch này D1 U2 R U1 U2 D2 + + C1 C2 Rt Hình 8-14. Mạch chỉnh lưu có khâu lọc RC 67
' Điện áp một chiều trước và sau điện trở R là U DC và U DC được tính như sau: ' Rt U DC .U DC R Rt Với mạch lọc RC, gợn sóng sau R là khá nhỏ, tuy nhiên mạch này chỉ dùng khi dòng tải nhỏ, khi dòng tải lớn công suất tổn hao trên R là lớn, để tránh điều này người ta thay điện trở R bằng cuộn cảm (hình 8-15). Điện trở thuần cuộn cảm là rất nhỏ nên tổn hao công suất trên nó là nhỏ, còn điện áp xoay chiều sẽ bị chặn lại không cho ra tải. D1 L U2 U1 U2 D2 + + C1 C2 Rt Hình 8-15. Mạch chỉnh lưu có khâu lọc LC IV. Mạch ổn áp Mạch ổn áp có nhiệm vụ ổn định điện áp ra khi điện áp trên U 2 thay đổi hoặc khi tải thay đổi. 1. Ổn áp dùng điốt Zener I Sơ đồ mạch ổn áp dùng điốt Zener U trên hình 8-16. Z UZMax UZMin U R IZmin A IZTB Uv Z Rt Vùng ổn áp B IZMax Hình 8-16. Sơ đồ mạch ổn áp dùng điốt Zener Hình 8-17. Đặc tuyến V-A của điốt Zener Điốt zener khi được phân cực ngược và làm việc ở vùng đánh thủng đặc điểm là dòng ngược qua điốt thay đổi lớn nhưng điện áp ngược hai đầu điốt thay đổi rất ít. Nếu 68
điốt có đặc tuyến ngược càng dốc hay đặc tuyến càng gần song song với trục tung thì độ ổn định điện áp càng tốt. Từ mạch điện ta có: U Rt U Z UV R.(I Z I Rt ) Từ công thức trên ta thấy khi U V tăng hoặc giảm thì dòng qua điốt sẽ tăng hay giảm theo nên sụt áp trên R cung tăng hoặc giảm làm cho điện áp ra ổn định. Để ổn định điện áp cân bằng về hai phía (tăng và giảm) ta phải chọn R sao cho điểm làm việc nằm giữa đặc tuyến vùng đánh thủng của điốt. 2. Ổn áp dùng tranzito Có hai loại ổn áp dùng tranzito là ổn áp nối tiếp và ổn áp song song. Ổn áp nối tiếp là tranzito được mắc nối tiếp với tải, ổn áp song song là tranzito được mắc song song với tải. 2.1. Ổn áp nối tiếp Sơ đồ khối mạch ổn áp nối tiếp hình 8-18. UV Ur PTHC Tải Khuếch đại Lấy mẫu Nguồn So sánh chuẩn Hình 8-18. Sơ đồ khối mạch ổn áp nối tiếp - Mạch lấy mẫu: Lấy mẫu điện áp ra. - Nguồn chuẩn: Là điện áp có giá trị chuẩn. - Mạch so sánh: So sánh điện áp lấy mẫu và điện áp chuẩn. - Khâu khuếch đại: Khuếch đại điện áp sai lệch giữa nguồn chuẩn và điện áp mẫu. - PTHC: Là Tranzito công suất làm việc ở chế độ khuếch đại. Khi điện áp vào hay tải thay đổi, điện áp mẫu sẽ thay đổi do đó điện áp sai lệch do mạch so sánh đưa ra sẽ thay đổi làm cho Tranzito sẽ thông nhiều hay thông ít nên điện áp ra sẽ được ổn định. 2.1.1. Ổn áp vắng khuếch đại Mạch cho điện áp ra: UR = UZ - UBE 69
Giả sử UR tăng tức là UE tăng nên UBE giảm (do điện áp UB được giữ cố định bởi Z) làm cho Tranzito thông yếu hơn làm cho UR giảm, do đó UR được duy trì ổn định. Ngược lại nếu U R giảm tức là U E giảm nên UBE tăng (do điện áp U B được giữ cố định bởi Z) làm cho Tranzito thông mạnh hơn làm cho UR tăng, do đó UR được duy trì ổn định. T R Uv Ur Rt Z Hình 8-19. Ổn áp vắng khuếch đại 2.1.2. Ổn áp có khuếch đại Ổn áp có khuếch đại hình 8-20. T1 R R1 T2 Ur Uv R2 Z Hình 8-20. Ổn áp có khuếch đại Nguyên lý ổn áp như sau: Giả sử U R tăng lên U B2 tăng lên, do đó U BE2 = UB2 - UZ tăng lên T 2 thông mạnh hơn làm cho UCE2 giảm tức là UB1 giảm làm cho T1 giảm thông, do đó U R giảm xuống nên duy trì ổn định UR. Nếu UR giảm chúng ta giải thích ngược lại. Vì dòng IB2 nhỏ nên từ mạch điện ta có: U R .R2 U BE 2 U Z R1 R2 R1 R2 U R .(U BE 2 U Z ) R2 2.1.3. Mạch ổn áp dùng bộ KĐTT Hình 8-21 là mạch ổn áp dùng bộ KĐTT. Ta có thể tính điện áp ra theo công thức : 70
R3 R2 U R ( ).U Z R3 T R1 R2 Uv Ur Z R3 Hình 8-21. Mạch ổn áp dùng bộ KĐTT Giả sử UR tăng làm cho điện áp tại cửa đảo của bộ KĐTT tăng theo nên điện áp ra sẽ giảm xuống, do đó duy trì ổn định điện áp ra. Nếu UR giảm ta giải thích ngược lại. 2.1.4. Mạch hạn chế dòng Để bảo vệ mạch ổn áp khi bị quá tải hoặc ngắn mạch ta dùng sơ đồ hình 8-22. Khi dòng tải tăng quá giới hạn thì sụt áp trên R 4 tăng lên, làm cho T2 thông, làm giảm dòng IB1 do đó giảm dòng qua T1 tráng quá dòng trên tải. T1 R4 R1 T2 R2 Ur Uv Z R3 Hình 8-22. Mạch ổn áp có hạn dòng 2.2. Ổn áp song song Hình 8-23 là sơ đồ khối mạch ổn áp song song. Các khối chức năng của nó cũng giống với sơ đồ khối mạch ổn áp nối tiếp. Mạch ổn áp song song chỉ khác với mạch ổn áp nối tiếp ở chỗ phần tử hiệu chỉnh được mắc song song với tải, nó có tác dụng tăng hoặc giảm dòng khi điện áp vào tăng hoặc giảm do đó làm cho sụt áp trên R tăng hoặc giảm theo nên UR được ổn định . UV R Ur Lấy mẫu PTHC Rt Nguồn So sánh Khuếch chuẩn đại Hình 8-23. Sơ đồ khối mạch ổn áp song 71 song
2.2.1. Ổn áp vắng khuếch đại Điện áp ra của mạch hình 8-24 được tính theo công thức : U R U Z U BE Giả sử UR tăng lên sẽ làm cho UBE = UR-UZ tăng lên, do đó T sẽ thông mạnh hơn, dòng qua T sẽ tăng làm cho sụt áp trên R tăng, kéo U R giảm xuống, nên U R được duy trì ổn định. Nếu U R giảm ta giải thích ngược lại. R Z Uv T Rt Ur Hình 8-24. Ổn áp song song vắng khuếch đại 2.2.2. Ổn áp có khuếch đại R1 T2 Z T1 Uv Rt Ur R2 Hình 8-25. Ổn áp song song có khuếch đại Điện áp ra của mạch được tính theo công thức : U R U Z U BE1 U BE 2 Giả sử UR tăng lên sẽ làm cho UB2 tăng lên, do đó T2 sẽ thông mạnh hơn, dòng qua T2 sẽ tăngtức là dòng IB1 tăng, làm cho dòng qua T1 tăng, do đó sụt áp trên T tăng, kéo UR giảm xuống, nên UR được duy trì ổn định. Nếu UR giảm ta giải thích ngược lại. 2.2.3. Ổn áp dùng KĐTT Điện áp UZ ổn định được so sánh với điện áp hồi tiếp từ bộ phân áp R 3 và R4 để điều khiển Tranzito. 72
Giả sử UR tăng làm cho điện áp tại cửa thuận của bộ KĐTT tăng theo nên điện áp ra của bộ KĐTT tăng lên, do đó Tranzito thông mạnh hơn làm cho sụt áp trên R 2 tăng UR giảm xuống, do đó duy trì ổn định điện áp ra. Nếu U R giảm ta giải thích ngược lại. R2 R1 R3 Ur Uv Z R4 Hình 8-26. Mạch ổn áp dùng bộ KĐTT 3. Ổn áp dùng IC Các mạch ổn áp nối tiếp hay song song hiện nay được tích hợp thành IC ổn áp, mặc dù cấu tạo bên trong IC có thể khác nhau nhưng tác dụng của chúng là như nhau. Điện áp ra ổn định có thể thay đổi được bằng cách nối thêm linh kiện bên ngoài. 3.1. IC ổn áp cố định Họ IC 78xx cung cấp điện áp ra từ +5V đến +24V. ký hiệu xx để chỉ điện áp ra. VD: 7805 cho điện áp ra là 5V, 7812 cho điện áp ra 12V. Họ IC 78xx cung cấp dòng cho tải tối đa là 1A. Họ 78xx có 3 chân một chân vào, một chân ra và một chân nối đất (hình 8-27) 78xx + Uv + C1 C2 Ur Hình 8-27. Họ IC ổn áp 78xx Họ IC 79xx tương tự họ 78xx chỉ khác là nó cung cấp điện áp ra cố định từ -5V đến -24V. Để tăng dòng và áp ra cho loại IC này người ta nối mạch như hình 8-28 và hình 8-29. T 78xx R R Uv Ur 78xx Dz Uv Ur 73 Hình 8-28. Tăng điện áp ra cho họ 78xx Hình 8-29. Tăng dòng ra cho họ 78xx
Với mạch điện hình 8-28 ta có: UR = UZ + UR78xx. Mạch hình 8-29, điện áp ra bằng điện áp của 78xx nhưng dòng ra được tăng lên do có Tranzito T. 3.2. IC ổn áp có thể điều chỉnh điện áp ra Một số loại IC ổn áp có thể điều chỉnh được điện áp ra theo yêu cầu như IC LM317, nó có thể điều chỉnh điện áp ra từ 1,2V đến 37V tùy theo các linh kiện đấu bên ngoài (hình 8-30). Khi điều chỉnh chiết áp VR thì điện áp ra thay đổi theo công thức: VR U 1,25.(1 ) I .(VR) R R adj LM317 R Uv Ur Iadj VR Hình 8-30. Ổn áp dùng LM317 74
PHẦN II BÀI TẬP CÓ LỜI GIẢI Bài 1.1 Cho mạch điện hình 1. UCC = +12V; Rc = 3,3k; RE = 1k; R1 = 22k; R2 = 5,6k; Rt = 8k;  = 99. Biết UBE0 ở chế dộ A là 0,6V. a. Xác định chế độ dòng điện và điện áp một chiều trên các cực của Tranzito. Vẽ đường tải một chiều và xác định điểm làm việc QA. b. Xác định tải một chiều và xoay chiều của tầng khuếch đại. c. Xác định các tham số ZV, ZR, KU, KI của mạch. +U+1CC2V Rc R1 Cr + Cv Uv + Rt R + R2 REE CE Hình 1 Bài giải: a. Tính các giá trị dòng và áp trên các cực của tranzito - Chọn chiều dòng điện như hình 2 ++U12ccV IR1 IC0 Rc R1 Cr + Cv Uv IB0 + I IR2 E0 Rt R2 + RREE CE 75 Hình 2
- Vì IB0 rất nhỏ so với IR1và IR2 nên IR1 IR2 do đó ta có: Ucc 12V U B0 .R2 .5,6k 2,43V R1 R2 22k 5,6k Do đó: U E0 U B0 U BE0 2,43V 0,6V 1,83V Suy ra: Dòng điện một chiều trên các cực của tranzito U E0 1,83V 3 IE0 1,83.10 A 1,83mA RE 1k I 1,83mA I E0 0,0183mA 18,3 A B0 1  1 99 IC0  IB0 99.0,0183mA 1,81mA Suy ra: UC0 UCC IC0 .RC 12V 1,81mA.3,3k 6,03V - Phương trình đường tải một chiều: UCE UCC IC (RC RE ) UCE 12V IC (3,3k 1k) - Khi IC0 = 0 thì UCE0 =UCC = +12V. UCC 12V - Khi UCE0 = 0 thì IC0 2,79mA. RC RE 3,3k 1k Phương trình đường tải được vẽ như sau: IC 2,79mA QA 1,81mA IB0 = 18,3A UCE 0 4,22V +12V Hình 3 76
- Tại điểm làm việc: IC0 1,81mA, UCE0 Ucc IC0 (RC RE ) 12V 1,81mA(3,3k 1k) 4,22V - Điểm làm việc có toạ độ QA(4,22V; 1,81mA). b. Tải một chiều là tải có dòng một chiều đầu ra đi qua, như vậy nó bao gồm RC và RE: Rt RC RE 1k 3,3k 4,3k Tải xoay chiều là tải có dòng xoay chiều đầu ra đi qua, như vậy nó bao gồm RC//Rt: RC .Rt 3,3k.8k Rt~ RC // Rt 2,34k RC Rt 3,3k 8k c. Tính các tham số ZV, ZR, KU, KI của mạch. Ta có: UT ZV R1 // R2 // rbe 22k // 5,6k //(. ) IC0 26mV 22k // 5,6k //(99. ) 1,08k 1,81mA ZR RC // RCE RC 3,3k IC0. (Rc // Rt ) 1,81mA.(3,3k //8k) KU 162,64 lần UT 26mV - Dấu trừ thể hiện sự ngược pha giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào. .(RC // Rt ) 99.(3,3k //8k) KI 28,91lần. Rt 8k Bài 1.2. Cho mạch điện hình 4. Biết UCC = +12V; RB = 220k; RE = 2,7k; Rt = 2,7k; cho UBE0 ở chế độ A là 0,6V;  = 99. a. Xác định các giá trị dòng điện và điện áp một chiều trên các cực của Tranzito. Vẽ đường tải một chiều và xác định điểm làm việc QA. b. Xác định tải một chiều và xoay chiều của tầng khuếch đại. c. Xác định các tham số ZV, ZR, KU, KI của mạch. +12V RB Cv Uv Hình 4 + Cr + RE Rt 77
Bài giải a. Chọn chiều dòng điện như hình 5 Ta có: +12V IB0 UCC IB0 .RB U BE0 U E0 U I .R U I .R RB CC B0 B BE0 E0 E IC0 UCC IB0 .RB U BE0 IB0 ( 1).RE Cv Uv U U I CC BE0 + Cr B0 R ( 1)R + B E IE0 12V 0,6V 23 A RE 220k (99 1).2,7k Rt Từ đây ta có: IC0 .IB0 99.23 2,28mA Hình 5 IE0 ( 1).IB0 (99 1).23 2,3mA U E0 IE0 .RE 2,3mA.2,7k 6,21V U B0 U E0 U BE0 6,21V 0,6V 6,81V - Phương trình đường tải một chiều: UCE UCC IE .RE UCE 12V IE .2,7k - Khi IE = 0 thì UCE =UCC = +12V. UCC 12V - Khi UCE = 0 thì IE0 4,44mA. RE 2,7k Phương trình đường tải được vẽ hình 6. - Tại điểm làm việc: IE0 2,3mA, UCE0 UCC IE0 RE 12V 2,3mA.2,7k 5,79V. Điểm làm việc có toạ độ QA(5,79V; 2,3mA). b. Tải một chiều là tải có dòng một chiều đầu ra đi qua, như vậy nó chính là RE: Rt RE 2,7k Tải xoay chiều là tải có dòng xoay chiều đầu ra đi qua, như vậy nó bao gồm R E//Rt: RE .Rt 2,7k.2,7k Rt~ RE // Rt 1,35k RE Rt 2,7k 2,7k 78
c. Xác định các tham số ZV, ZR, KU, KI UT 2,7k.2,7k ZV RB //rbe ( 1)(RE // Rt ) 220k //  (99 1)( ) IC 2,7k 2,7k 26mV 2,7k.2,7k 220k // 99 (99 1)( ) 84k 2,28mA 2,7k 2,7k rbe UT 26mV ZR RE // RE // 2,7k // 11,35 ( 1) IC0 2,28mA KU 1 2,7k.2,7k RE // Rt 2,7k 2,7k KI ( 1) (99 1)( ) 50 lần Rt 2,7k IE 4,44mA QA 2,3mA IB0 = 23A UC E 0 5,79V +12V Hình 6 Bài 1.3. Cho mạch điện như hình 7. Cho UCC = +12V; RC = 3,3k; RE = 1k;  = 99; UBE0 ở chế dộ A là 0,6V. Xác định giá trị R1 và R2 để điện áp một chiều tại cực C của Tranzito là 6V. Bài giải +12V+Ucc Vì UC0 = 6V nên ta có: Rc R1 UCC UC0 12V 6V Cr UR IC0 1,82mA + RC 3,3k Cv Uv ( 1) (99 1) I .I .1,82mA + E0  C0 99 1,84mA + R2 RE CE 79 Hình 7
Ta tính được UB0: U B0 U E0 U BE0 IE0.RE 0,6V 1,84mA.1k 0,6V 2,44V Do IB0 rất nhỏ hơn IR1 và IR2 nên: UCC 12 U B0 .R2 .R2 2,44V R1 R2 R1 R2 Chọn một giá trị điện trở và sẽ tính được giá trị còn lại: Ta chọn R2 = 5,6k R1 = 21,94k. Bài 1.4. Cho mạch điện như hình 8. Cho UD = +12V; RD = 1,5k; RS = 1k, RG = 1M, UP = - 4V, IDSS = 8mA. Xác định điểm làm việc tĩnh của mạch. UD RD Cr Ur Cv Uv Hình 8 + RG RS Cs Bài giải Vì dòng qua RG rất nhỏ(coi như bằng 0) nên: UGS ID .RS (1) Ta có phương trình của đặc tuyến truyền đạt như sau: UGS 2 ID IDSS .(1 ) (2) U P Thay (1) vào (2) và thay số ta có phương trình: 6 2 4 10 .ID 10 ID 16 0 80
Nghiệm của phương trình chính là dòng tĩnh I D0. Giải phương trình ta có 2 nghiệm: I D bằng 2mA và 8mA. Vì nghiệm phải nhỏ hơn I DSS nên chỉ có nghiệm ID = 2mA là thoả mãn. Như vậy: ID0 2mA. UGS 0 ID0.RS 2mA.1k 2V. 3 3 3 U DS 0 U D ID0 (RD RS ) 12 2.10 (1,5.10 1.10 ) 7V. Phương trình đường tải 1 chiều: U DS U D ID (RD RS ) - Khi ID = 0, UDS = UD = 12V. - Khi UDS = 0, ID = 4,8mA. Vậy điểm làm việc của mạch là (UDS0 = 7V; ID0 = 2mA). ID 4,8mA Q U = -2V 2mA GSQ UDS 0 7V 12V Hình 9 Bài 1.5. Cho mạch điện như hình 10. Cho U D = +12V; RD = 1,5k; RS = 1k, RG1 = 50k, RG2 = 10k, Up = - 4V, IDSS = 8mA. Xác định điểm làm việc tĩnh của mạch. UD RD RG1 Cr Ur Cv Uv + RG2 RS Cs Hình 10 Bài giải 81
Do IG 0 nên: U D 12V UG RG2 10k 2V RG1 RG2 50k 10k U S ID RS 3 UGS UG U S 2V ID .10 (1) Ta có phương trình của đặc tuyến truyền đạt như sau: UGS 2 ID IDSS .(1 ) (2) U P Thay (1) vào (2) ta có phương trình bậc 2 đối với ID: 2 I 103 I 8.10 3 (1 D )2 D 4 3 2 3 10 ID 14ID 36.10 0 Giải phương trình ta thu được 2 nghiệm là 3,39mA và 10,6mA, nhận thấy chỉ có giá trị 3,39mA là thích hợp nên: ID0 3,39mA 3 UGS 0 UG0 ID0.RS 2 3,39mA.10 1,39V 3 3 U DS 0 U D ID0 (Rs RD ) 12 3,39mA(10 1,5.10 ) 3,5V Phương trình đường tải 1 chiều: U DS U D ID (Rs RD ) - Khi ID = 0, UDS = UD = 12V. - Khi UDS = 0, ID = 4,8mA. Vậy điểm làm việc của mạch là (UDS0 = 3,5V; ID0 = 3,39mA). ID 4,8mA Q 3,39mA UGSQ = -1,39V UDS 0 3,5V 12V +Ucc Hình 11 R1 W1 W2 Rt Bài 1.6. Cho mạch điện hình 12. C Biết UCC = +24V, Rt = 4, hệ số biến áp là Uv + Q n = W2/W1 = 0,2. 82 Hình 12
a. Tính công suất xoay chiều lớn nhất ra trên tải và hiệu suất của mạch. b. Cho  = 50, tính R1 để có công suất xoay chiều ra lớn nhất. Bài giải a. Tính công suất xoay chiều ^ ^ ^ 2 UC .IC UC PR~max ' (*) 2 2 2.Rt Từ hình 1.13 ta có: ^ U U U CEmax CE min U 24V. C 2 CC R 4 R' t 100 t n2 0,22 Thay vào (*) ta có: ^ 2 2 UC 24 PR~max ' 2,88W 2.Rt 200 - Tính công suất nguồn cung cấp và hiệu suất của mạch ^ 2 UCC 24 P0 IC0 .UCC I~ .UCC ' .UCC 5,76W Rt 100 P 2,88  R~max 50% P0 5,76 IC Đường tải 1 chiều IBmax M IC0 Q IB0 ˆ IC IBmin U CE0 UCEmax N UCE UCE min UCC ^ U C 83 Hình 13
b. Công suất ra lớn nhất khi ^ UCC 24V IC0 IC ' 0,24A Rt 100 I 0,24 I C0 4,8mA B0  50 Từ đây ta có: UCC U BE0 24V 0,6V R1 4,8k . IB0 4,8mA Bài 1.7. Cho mạch điện hình 14. Biết +UCC = +12V, -UCC = -12V; UD = UBE0 = 0,4V. Coi Tranzito là lý tưởng. Dòng phân cực bằng 1mA. Tính R 1, R2, PRmax và hiệu suất của tầng khuếch đại, biết Rt = 8. Bài giải +Ucc R1 Q1 Uv C D1 + D2 Rt Q2 R2 -Ucc Hình 14 Đây là tầng khuếch đại công suất đẩy kéo chế độ AB không biến áp. Ta coi dòng I B0 của Q1 và Q2 là rất nhỏ hơn dòng phân cực Ip, nên để mạch làm việc đối xứng ta có: UCC U D 12V 0,5V R1 R2 11,5k. IP 1mA - Do Tranzito là lý tưởng nên biên độ điện áp ra bằng UCC do đó ta có: 84
12 2 2 ( ) Uhd 2 PR~max Uhd .Ihd 9W. Rt 8 - Bỏ qua dòng IC0 ta có công suất của nguồn cung cấp: P0 UCC .ITB (1) - Dòng trung bình trong một nửa chu kỳ được tính theo công thức sau 1 2I I I .sin(t)d(t) Cmax (2) TB Cmax 0 Ta lại có: UCC 12 ICmax 1,5A. (3) Rt 8 Thay (2), (3) vào (1) ta có: P0 = 11,46W. P 9  R~max % % 78,5%. P0 11,46 Bài 1.8. Cho mạch điện hình 15 +Ucc R1 Q1 R2 W1 Uv W2 Ur Rt W1 Q2 Hình 15 Biết UCC = +48V, R2 = 100, Rt = 4, hệ số biến áp là n = W2/W1 = 0,2. a. Xác định R1 để mạch làm việc ở chế độ AB. b. Tính công suất ra lớn nhất trên tải và hiệu suất của mạch. c. Để mạch làm việc ở chế độ B thì phải nối mạch như thế nào? Bài giải a. Để mạch làm việc ở chế độ AB thì UBE0 = 0,4V ta có: 85
UCC .R2 0,4V . R1 11,9k R1 R2 b. Để tính công suất ra lớn nhất và hiệu suất của mạch ta chỉ cần tính nửa chu kỳ dương (Q1 thông). Ta có đồ thị đường tải như hình 16. - Tải Rt phản ánh trên cực C của Tranzito: R 4 R' t 100. t n2 0,22 - Công suất ra lớn nhất: ^ ^ 2 2 UCE IC UCC 48 P~max . ' 11,52W 2 2 2Rt 2.100 - Công suất của nguồn cung cấp: ^ ^ 1 96 I C P U .I U . I C .sin(t)d(t) 0 CC TB CC 0 ^ UCC 48 C I ' 0,48A R t 100 96.0,48 P 14,67W. 0 P  ~max .100% 78,5%. P0 Đường tải 1 chiều IC ˆ IC IC 0 0 VCEmin UCEmax VCC UCE ^ U C Hình 16 86
c. Để mạch làm việc ở chế độ B yêu cầu U BE0 = 0V, do đó phải ngắn mạch R2 và đoản mạch R1. R2 VR Bài 1.9. Cho mạch điện hình 17. Biết URmax = 12V; R1 = 2,2k; R2 = 3,3k; R1 +E VR = 200k. + a. Xác định biểu thức tính U R theo UV, R1, Uv Ur R2 và VR. -E b. Cho UV = - 0,2V, tính giải điện áp U R khi VR thay đổi từ 0  200k. Xác định giá trị VR lớn nhất mà bộ KĐTT vẫn làm Hình 17 việc trong miền tuyến tính. Bài giải R2 Iht VR a. Chọn dòng điện chạy như hình 18. Ta có: I R1 1 +E UV U N + I1 R1 N Uv P Ur UR U N -E Iht R2 VR Với bộ KĐTT lý tưởng thì dòng vào là bằng 0 Hình 18 nên: UV U N UR U N I1 Iht 0 R1 R2 VR Ta lại có UN = UP = 0 (bộ KĐTT lý tưởng) do đó: U U V R 0 R1 R2 VR (R2 VR) UR .UV R1 b. Khi VR = 0 thay số ta có: (3,3k 0) U .( 0,2V ) 0,3V R 2,2k Khi VR = 200k ta có: (3,3k 200k) U .( 0,2V ) 18,48V R 2,2k Vì URmax = 12V nên khi VR thay đổi dải điện áp UR từ 0,3V đến 12V. 87
- Để bộ KĐTT vẫn làm việc trong miền tuyến tính thì UR 12V, tức là: (3,3k VR) U .( 0,2V ) 12V R 2,2k VR 128,7k Bài 1.10. Cho mạch điện hình 19. Biết URmax = 12V; R1 = 2,7k; R2 = 5,6k; VR = 200k. a. Xác định biểu thức tính UR theo UV, R1, R2 và VR. b. Cho UV = - 0,2V, tính giải điện áp UR khi VR thay đổi từ 0  200k. Xác định giá trị VR lớn nhất mà BKĐTT vẫn làm việc trong miền tuyến tính. +E Uv + -E Ur R2 VR R1 Hình 19 Bài giải Vì dòng vào bộ KĐTT bằng 0 nên ta có: UR UR1 .R1 (VR+R1 +R 2 ) (VR+R1 +R 2 ) UR .UR1 R1 Ta lại có UV = UP = UN = UR1 (bộ KĐTT lý tưởng) do đó: (VR+R1 +R 2 ) VR+R 2 UR .UV (1 ).UV R1 R1 b. Khi VR = 0 thay số ta có: 5,6k 0 U (1 ).( 0,2V ) 0,61V R 2,7k Khi VR = 200k ta có: 5,6k 200k) U (1 .( 0,2V ) 15,43V R 2,7k 88
Vì URmax = 12V nên khi VR thay đổi dải điện áp UR từ -0,61V đến -12V. - Để bộ KĐTT vẫn làm việc trong miền tuyến tính thì UR 12V, tức là: 5,6k VR U (1 ).( 0,2V ) 12V R 2,7k VR 153,7k Bài 1.11. Cho mạch điện hình 20. U1 R1 +E Biết URmax = 12V; R2 U2 + Ur a Xác định biểu thức tính U R theo U1, U2, R1, R2, R3 và R4. -E b. Biết R1 = R2 = R; R3 = 30k; R4 = 90k. R4 Tính UR trong các trường hợp sau: R3 + U1 = 0,4v; U2 = 0,2V. + U1 = 3V; U2 = 4V. + U1 = -3V; U2 = -4V. Hình 20 Bài giải I1 Chọn chiều dòng điện như hình 21. U1 R1 Ta có: +E I2 R2 U U U2 P + I 1 p Ur 1 R 1 N -E U U I 2 P 2 R4 R2 Vì dòng vào bộ KĐTT là rất nhỏ nên: R3 I1 I2 0 U1 U P U2 U P 0 (1) Hình 21 R1 R2 U R U N .R3 (2) R3 R4 Do UN = UP nên thay (2) vào (1) ta có: U U U R .R U R .R 1 R R 3 2 R R 3 3 4 3 4 0 R1 R2 89
R3 R4 R2 .U1 R1.U2 U R ( ).( (3) ) R3 R1 R2 R1 R2 b. Thay số vào (3) ta có: 90 U U U (1 )( 1 2 ) 2(U U ) R 30 2 2 1 2 + Trường hợp U1 = 0,4v; U2 = 0,2V. U R 2(0,4V 0,2V ) 1,6V + Trường hợp U1 = 3V; U2 = 4V. U R 2(3V 4V ) 14V Vì URmax = 12V nên ta lấy UR = 12V. + Trường hợp U1 = -3V; U2 = -4V. U R 2( 3V 4V ) 14V Vì URmax = 12V nên ta lấy UR = -12V. Bài 1.12. Cho mạch điện hình 22. U1 R1 R3 Biết URmax = 12V; +E U2 R2 a Xác định biểu thức tính UR theo U1, U2, R1, + Ur R2, R3. b. Cho biết tác dụng của R 4 và tìm giá trị tối ưu -E của R4, biết R1 = 25k; R2 = 15k; R4 R3 = 150k; Hình 22 Bài giải a. Chọn chiều dòng điện như hình 23 Do dòng vào bộ KĐTT là bằng 0 nên tại nút P ta có: I1 I2 Iht 0 U U U U U U hay 1 P 2 P R P 0 R1 R2 R3 Vì UN = UP = 0V U1 U2 U R R3 ( ) R1 R2 b. R4 là điện trở bù lệch 0 của điện áp đầu ra, để bù lệch 0 tốt nhất thì giá trị R4 là: 90
R4 R1 // R2 // R3 8,82k . U1 I1 R1 R3 Iht +E I2 R2 P U2 + Ur N -E R4 Hình 23 Bài 1.13. Cho mạch điện hình 24. U1 R1 +E Biết E = 15V; R2 U2 + Ur a. Xác định biểu thức tính U R theo U1, U2, R1, R2, R3, R4. -E b. Tìm R4 để điện áp lệch không ở đầu ra bằng R4 không, biết R1 = 5k; R2 = 5k; R3 = 3k. R3 Hình 24 Bài giải a. Chọn chiều dòng điện như hình 25. I U1 1 R1 +E I R2 U2 2 P + Ur N -E R4 R3 Hình 25 Ta có: 91
U1 U p I1 R1 U2 U P I2 R2 Vì dòng vào bộ KĐTT là rất nhỏ nên: I1 I2 0 U U U U 1 P 2 P 0 (1) R1 R2 Vì dòng vào bộ KĐTT là rất nhỏ nên ta lại có: U R U N .R3 (2) R3 R4 Do UN = UP nên thay (2) vào (1) ta có: U U U R .R U R .R 1 R R 3 2 R R 3 3 4 3 4 0 R1 R2 R3 R4 R2 .U1 R1.U2 U R ( ).( ) R3 R1 R2 R1 R2 b. Để điện áp lệch không ở đầu ra bằng không thì phải có: R3 // R4 R1 // R2 1 1 1 1 R3 R4 R1 R2 1 1 1 1 R4 5k 5k 3k R4 15k R1 R5 Bài 1.14. Cho mạch điện hình 26. U1 Biết E = 12V; +E U2 R2 + a. Xác định biểu thức tính UR theo U1, U2, U3, Ur R1, R2, R3, R4, R5. U3 -E b. Giả sử bộ KĐTT có dòng dò, cho R3 R1 = 10k, R2 = 10k, R3 = 20k, R4 R5 = 100k, Tìm R4 để điện áp lệch không ở đầu ra bằng không. Tính UR với R4 vừa tìm được; biết U1 = 0,1V, U2 = 0,2V, U3 = 0,3V . Hình 26 Bài giải 92
a. Chọn chiều dòng điện như hình 27 Tại N ta có:I1 I2 Iht I0 0 U U U U U U 1 N 2 N R N 0 (1) R1 R2 R5 R1 R5 I1 Iht U1 N +E U2 R2 I2 + Ur U3 I3 P -E I4 R3 R4 Hình 27 U3 Tại P:U P .R4 (2) R3 R4 Ta lại có UN = UP (Bộ KĐTT là lý tưởng) nên thay (2) vào (1) ta có: R4 .R5 1 1 1 R5 R5 U R U3 . ( ) U2 . U1. R3 R4 R1 R2 R5 R2 R1 b. Để điện áp lệch không ở đầu ra bằng không thì phải có: R3 // R4 R1 // R2 // R5 1 1 1 1 1 R3 R4 R1 R2 R5 1 1 1 1 1 R4 10k 10k 100k 20k . R4 6,25k Thay số ta có: 6,25.100 1 1 1 100 100 U 0,3. ( ) 0,2. 0,1. R 20 6,25 10 10 100 10 10 U 1,5V. R R1 C Uv1 Bài 1.15. Cho mạch điện hình 28. R2 Uv2 Biết E = 12V, C = 2,2F, R1 = 10k, R3 +E + R2 = 15k, R3 = 20k. Ban đầu điện áp trên tụ Uv3 Ur bằng 0V. -E 93 Hình 28
a. Xác định biểu thức tính UR(t) theo UV1, UV2, UV3. b. Cho U1 1cos2 .50.t V; U2 2cos2 .50.t V; U3 3cos2 .50t V; Tính UR(t) tại thời điểm t = 5ms. Bài giải a. Chọn chiều dòng điện như hình 29 C I1 R1 Iht Uv1 I2 R2 Uv2 I3 R3 +E + Uv3 Ur -E Hình 29 Tại cửa đảo của bộ KĐTT ta có: I1 I2 I3 Iht 0 U U U U U U d(U ) V1 N V 2 N V 3 N C C 0; R1 R2 R3 dt U U U U U U d(U U ) V1 N V 2 N V 3 N C R N 0; R1 R2 R3 dt Vì bộ KĐTT là lý tưởng nên UN = UP = 0V ,do đó ta có: U U U d(U ) V1 V 2 V 3 C R 0; R1 R2 R3 dt 1 t 1 t 1 t U (t) U dt U dt U dt R V1 V 2 V 3 R1C 0 R2C 0 R3C 0 1 2 3 U R sin100 t sin100 t sin100 t (*) 100 R1C. 100 R2C 100 R3C b. Thay số các giá trị đã cho vào (*) ta có U R (t) 0,14sin 2 .50t 0,19sin 2 .50t 0,21sin 2 .50t (V ) Tại thời điểm t = 5ms thay vào ta có: 94
U R (t 5ms) 0,54V. Bài 1.16. Cho mạch điện hình 30. Biết R C URmax = 12V, C = 2,2F, R = 10k. Uv1 Ban đầu điện áp trên tụ bằng 0V. +E R + a. Xác định biểu thức tính U (t) theo U , Ur R V1 Uv2 UV2. -E b. Cho UV2 = 0,5, UV1 = - 0,5V; Tính UR(t) tại thời điểm t = 1ms. C c. Tính và vẽ UR(t) khi t ? Hình 30 Bài giải a. Chọn chiều dòng điện như hình 31. Tại cửa P ta có: I2 IC 0 U U dU V 2 P C P 0 (1) R dt Tại cửa N ta có: I1 Iht 0 U U d(U U ) V1 N C R N 0 (2) R dt Lấy phương trình (2) trừ đi phương trình (1) và chú ý UN = UP ta có: U U dU V1 V 2 C R 0 R dt 1 t U (t) (U U ).dt (*) R V 2 V1 RC 0 I I R C ht Uv1 1 +E I2 R + Ur Uv2 IC -E C Hình 31 95
b. Thay các giá trị đã cho vào (*) ta có: 1 t U (t) (0,5 0,5)dt R 10k.2,2F 0 U R (t) 45,45.t (V ) (*) - Tại thời điểm t = 1ms ta có: 3 U R (t 1ms) 45,45.10 0,04545 (V ) c. Căn cứ vào biểu thức (*) ta thấy khi t thì U R cũng + . Nhưng điện áp ra lớn nhất chỉ là +URmax = +12V. Sau thời điểm (t = t1) UR = +URmax thì UR không tăng nữa. Ta tìm t1 bằng cách giải phương trình sau: U (t ) U R 1 Rmax 45,45.t1 12 t1 0.26s. - Đồ thị điện áp ra: UR +12V t 0 0,26s Hình 32 Bài 1.17. Cho mạch điện dao động 3 mắt RC hình 33. R = 1k, C = 104. Khi mạch RN hoạt động ở chế độ xác lập: C C C R1 +E + a.Vẽ dạng điện áp ra. Ur -E b. Tính R1, RN, tần số của điện áp UR. R R Hình 33 Bài giải 96
a. Mạch dao động 3 mắt RC cho ra tín hiệu sin, dạng điện áp như sau UR(t) t 0 Hình 34 b. Vì cửa đảo của BKĐTT là điểm đất ảo nên R 1 là điện trở thứ 3 của ba mắt RC do đó: R1 = R = 1k. Ngoài ra R1 còn tham gia vào mạch khuếch đại. Vì mạch dao động khi 3 mắt RC có K ht = 1/29, để mạch có thể dao động ở chế độ xác lập phải thoả mãn điều kiện cân bằng biên độ: K Kht 1 R 1 N . 1 R1 29 RN = 29R1 = 29k. Tính tần số: 1 1 fdd 650Hz. 2 6RC 2 6.103.10 7 Bài 1.18. Cho mạch điện hình 35. R = 10k, R N = 580k, C = 10nF  100nF. Khi mạch hoạt động ở chế độ xác lập: a.Vẽ dạng điện áp ra. b. Tính R1, Dải tần của điện áp UR khi tụ C thay đổi trong khoảng đã cho. c. Giải thích tác dụng của bộ KĐTT nối giữa khâu hồi tiếp và khâu khuếch đại. RN C C C +E R1 +E + Ur + -E R R R -E Hình 35 97
Bài giải a. Mạch điện là mạch dao động điều hoà nên dạng điện áp ra là hình sin (hình 36). b. Vì mạch dao động 3 mắt RC có hệ số hồi tiếp K ht = 1/29, nên để mạch dao động ở chế độ xác lập thì khâu khuếch đại phải có hệ số khuếch đại K = 29 (Vì yêu cầu mạch dao động ở chế độ xác lập phải có K.Kht = 1) UR(t) t 0 Hình 36 RN RN 580k K 29 R1 20k. R1 29 29 - Mạch có tần số dao động được tính theo công thức: 1 f (*) 2 6RC Thay các giá trị đã cho vào (*) ta có: 1 fmin 65Hz. 2 6.10.103.100.10 9 1 fmax 650Hz. 2 6.10.103.10.10 9 - Vậy khi C thay đổi trong khoảng đã cho thì dải tần của U R thay đổi trong khoảng từ 65Hz đến 650Hz. c. Hệ số truyền đạt và góc dịch pha của 3 mắt RC được tính khi hở mạch tải. Khi nối trực tiếp 3 mắt RC vào khâu khuếch đại tức là khâu hồi tiếp có tải là trở kháng vào của khâu khuếch đại, do đó nó sẽ làm cho Kht và ht bị sai lệch. Để khắc phục hai điều này người ta mắc thêm bộ đệm vào giữa hai khâu để lợi dụng trở kháng vào (Z V = ) và trở kháng ra (ZR =0) lý tưởng của bộ KĐTT, do đó khâu khuếch đại và khâu hồi tiếp không ảnh hưởng lẫn nhau. Bài 1.19. Cho mạch điện hình 37. R = 10k, R 2 = 100k, C = 10nF  100nF. Khi mạch hoạt động ở chế độ xác lập: a. Tính dải tần của điện áp UR khi tụ C thay đổi trong khoảng đã cho. 98
b. Tính R1. R2 R1 +E Ur + -E P C R R C Hình 37 Bài giải a. Đây là mạch dao động cầu Viên, khi ở chế độ xác lập mạch cho ra điện áp có tần số: 1 f (*) 2 RC Thay các giá trị đã cho vào (*) ta có: 1 f 159Hz. min 2 .10.103.100.10 9 1 f 1592Hz. max 2 .10.103.10.10 9 b. Mạch dao động cầu Viên có hệ số hồi tiếp K ht = 1/3, do điều kiện của mạch dao động ở chế độ xác lập là K.K ht = 1, nên K = 3. Ở đây khâu khuếch đại là khuếch đại R2 R2 thuận nên ta có: K 1 3 R1 50k. R1 2 Bài 1.20. Cho mạch dao động điều hoà hình 38. R 1 = R2 = R3 = 1,2k. Hệ số phẩm chất của khung cộng hưởng Q = 100. Tần số cộng hưởng fch = 100kHz. a. Tìm điều kiện Rtđ của khung cộng hưởng L, C để mạch dao động ở chế độ xác lập. b. Tính giá trị L, C và điện trở thuần r của cuộn cảm. R3 +E + Ur -E R2 L C R1 Hình 38 99
Bài giải a. Mạch dao động gồm hai khâu Khâu khuếch đại bao gồm R1, R2 và bộ KĐTT. Khâu hồi tiếp dương gồm R3 và khung L, C. Khâu khuếch đại có hệ số khuếch đại: R K 1 2 2 . R1 Khâu hồi tiếp dương có hệ số hồi tiếp: Rtd Kht . R3 Rtd Ở đây Rtđ là trở kháng của khung L, C tại tần số cộng hưởng. Để mạch dao động xác lập thì điều kiện K.Kht = 1 phải thoả mãn nên ta có: R2 Rtd K.Kht (1 ).( ) 1 R1 R3 Rtd R 1 td R3 Rtd 2 Rtd R3 1,2k. b. Ta có trở kháng của khung LC: 1 (r jL). jC Z (r là điện trở thuần của cuộn cảm) L // C 1 r jL jC Vì r rất nhỏ nên: 1 jL. L jC Z C L // C 1 1 r j(L ) r j(L ) C C 1 1 Tại tần số cộng hưởng fch , tức là L 0 người ta gọi trở kháng của 2 LC C khung L//C là Rtđ: L R Z C (1) td ch r Hệ số phẩm chất Q được định nghĩa bởi công thức: 100
L C Q (2) r Từ (1) và (2) ta có: L R Q. (a) td C Và có: 1 fch (b) 2 LC Thay số và giải hệ hai phương trình (a) và (b) có kết quả C = 0,13F. L = 19H. - Thay các giá trị tính được vào (2) tìm được r: L 19H C 0,13F r 0,12 . Q 100 Bài 1.21. Cho mạch điện dao động điều hoà ghép LC hình 39. Biết L = 15H, C = 0,22F, hệ số phẩm chất của mạch cộng hưởng Q = 100. Cho R B >> rbe =2,5k, hệ số khuếch đại dòng  = 100. a. Xác định tỉ số biến áp n = W2/W1 để mạch có thể dao động được. b. Tính tần số dao động của mạch. Ucc W2 W1 L C RB Q CB RE CE Hình 39 Bài giải 101
a. Đây là mạch dao động ghép biến áp, để có thể dao động được mạch phải thoả mãn điều kiện cân bằng pha ( 2n , n 1, 2, 3 ) và cân bằng biên độ ( K Kht K.Kht 1). - Vì mạch khuếch đại mắc EC nên điện áp ra quay pha 1800 so với điện áp vào. điện áp ra cảm ứng qua biên áp đưa tín hiệu qua về dầu vào. Do hai cuộn của biến áp quấn ngược chiều nên điện áp hồi tiếp quay pha 180 0 so với điện áp ra, do đó tổng dịch pha của mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp thoả mãn điều kiện pha. - Để mạch có thể dao động được ta xét điều kiện cân bằng biên độ. Trở kháng vào của tầng khuếch đại được phản ánh qua biến áp là Zpa: 1 1 Z .(r // R ) ; .r pa n2 be B n2 be - Tại tần số dao động khung cộng hưởng có trở kháng: L 15.10 6 R Q 100 825. td C 0,22.10 6 Hệ số khuếch đại: K S(Rtd // Z pa ) Hệ số hồ tiếp: Kht n Để mạch có thể dao động ở chế độ xác lập ta có phương trình: K.Kht 1 n.S(Rtd // Z pa ) 1 r 825. be  2 Hay n. ( n ) 1 r r be 825 be n2 825n2 825.102 n 25.102 0 Giải phương trình ta có 2 nghiệm: n1 = 0,03, n2 = 100. Chỉ có n1 = 0,03 là thoả mãn. Vì với mạch dao động ghép biến áp thường biến áp được ghép lỏng, tức là n < 1. Vậy với hệ số biến áp là n = 0,03 thì mạch có thể dao động ở chế độ xác lập. b. Mạch phát sinh dao động tại tần số cộng hưởng của khung LC 1 1 fdd 87,656kHz. 2 LC 2 15H.0,22 F Bài 1.22. Cho mạch điện đa hài tự dao động hình 40. Biết URmax = 12V, R1 = R2 = 50k, R = 10k, VR = 10k, C = 2,2F; 102
a. Vẽ dạng điện áp UR và điện áp tại P, N. b. Tính giải tần của UR khi VR thay đổi. N R C VR - E Ur + +E P R2 R1 Hình 40 Bài giải a. Dạng điện áp trên hình 41. b. Vì R1 = R2 nên ta có: 1 f dd 2,2(R VR).C Thay số vào ta có dải tần của tín hiệu ra thay đổi trong khoảng: 1 f 103Hz. min 2,2.(10.103 10.103 ).0,22.10 6 1 f 206Hz. max 2,2(10.103 0).0,22.10 6 +U UN rmax +6V 0 t - 6V UP -Urmax +6V 0 t -6V U ra +12V 0 t -12V 103 Hình 41
+EC Bài 1.23. Cho mạch điện đa hài tự dao động hình 42. R1 R2 R3 R4 C1 C2 Cho +E = 12V, R3 = 10k, R2 thay đổi từ 5k đến 15k; T1 T2 C1 = C2 = C = 2F. Ura1 Ura2 Biết R2, R3 >>R1, R4. a. Tính tx1. b. Tính khoảng thay đổi t x2 và tần số f của mạch. Hình 42 Bài giải a. Theo công thức ta có: 3 6 2 tx1 R3C2 ln 2 0,7R3C 0,7.10.10 .2.10 1,4.10 s. b. Khi R2 thay đổi thì tx2 sẽ thay đổi trong khoảng: 3 6 2 tx2 min R2 min .C ln 2 5.10 .2.10 .0,7 0,7.10 s. 3 6 2 tx2max R2max .C ln 2 15.10 .2.10 .0,7 2,1.10 s. Khi R2 thay đổi ta có tần số của mạch thay đổi trong khoảng: 1 1 1 fmin 2 2 28,5Hz. Tmax tx1 tx2max 1,4.10 2,1.10 1 1 1 fmax 2 2 47,6Hz. Tmin tx1 tx2min 1,4.10 0,7.10 +E Bài 1.24. Cho mạch điện hình 43. Biết + URmax = 12V; cho R1 = R2, uv 6 2 sin100 t . -E Uv a. Vẽ dạng điện áp vào và ra trên cùng một đồ thị. Ur R2 b. Tìm thời gian t để mạch lật trạng thái lần đầu R1 tiên. Hình 43 Bài giải a. Dạng dạng điện áp vào và ra hình 44. 104
b. Để tìm khoảng thời gian lật tráng thái lần đầu tiên từ mốc toạ độ ta giải phương trình sau: 6 2 sin100 t 6 1 sin100 t sin 2 4 t 2,5ms. Ura U Uvào +12V +6V 0 t -6V -12V Tra Hình 44 Bài 1.25. Cho mạch hạn biên hình 45. Cho E1 = E2 = 6V, Diốt là lý tưởng. a. Giải thích hoạt động của mạch. b. Cho uv 6 2 sint , Vẽ dạng UV, UR. Vẽ đặc tuyến truyền đạt của mạch. R D1 D2 Uv Ur + E1 E2 + Hình 45 Bài giải a. Nguyên lý hoạt động của mạch: - Khi UV E2 thì D2 thông, D1 tắt nên UR = E2. - Khi E1 UV E2 thì D1 và D2 đều tắt nên UR = UV. b. Dạng điện áp vào và ra hình 46. 105
U UV +6V UR t 0 -6V Hình 46 - Đặc tuyến truyền đạt của mạch: UR +6V -6V UV 0 +6V -6V Hình 47 Bài 1.26. Cho tín hiệu điều biên có hệ số điều chế m = 50%, tần số tin tức f s = 10kHz, sóng mang có biên độ 10mV và tần số ft = 1MHz. a. Viết biểu thức tín hiệu điều biên. b. Tính và vẽ phổ của tín hiệu điều biên. c. Tín hiệu trên được trộn tần và khuếch đại với hệ số khuếch đại 500 lần, tần số ngoại sai là fns = 1455kHz. Viết biểu thức sau trộn tần ( lấy tần số hiệu ) . Bài giải a. Biểu thức điều biên ^ Udb Ut (1 m.cosst).cost t Thay số ta có: 3 4 6 Udb 10.10 (1 0,5cos2 .10 t)cos2 10 t (*) 106
b. Tính và vẽ phổ Ta triển khai biểu thức (*): 10.10 3.0,5 10.10 3.0,5 U 10.10 3 cos2 106t cos2 (106 -104 )t + cos2 (106 +104 )t db 2 2 Như vậy ta thấy phổ của tín hiệu điều biên trên có 3 thành phần (hình 1.49) + Thàng phần sóng mang ft = 1MHz có biên độ là 10mV. + Biên tần dưới có tần số fd = 990kHz, biên độ là 2,5mV. + Biên tần trên có tần số ftr = 1010kHz, biên độ là 2,5mV. mV 10 2,5 f(kHz) 0 990 1000 1010 Hình 48 c. Biểu thức sau trộn tần U 500.10.10 3 (1 0,5.cos2 104t).cos2 (1455.103 -106 )t tt 0 4 3 U tt 5(1 0,5.cos2 10 t).cos2 .455.10 t(V ) Bài 1.27. Tốc độ lấy mẫu của đĩa CD là 44,1kHz. Số bít dùng cho mỗi mẫu là 8 bít. a. Xác định tần số cao nhất của tín hiệu âm thanh để có thể khôi phục trung thực. b. Xác định số mức cực đại có thể được mã hoá. c. Xác định thời gian chuyển đổi tối đa của bộ chuyển đổi A/D và tần số xung đồng hồ. d. Xác định độ rộng của một bít trong trường hợp đầu ra là nối tiếp. Bài giải a. Tần số lấy mẫu theo lý thuyết có thể khôi phục trung thực: fm 2. fthmax f 44,1kHz f m 22,05kHz thmax 2 2 - Thực tế thì tần số lớn nhất của âm thanh mà con người có thể nghe là 20kHz. 107