Khuếch đại thuật toán và ứng dụng của chúng.doc

Ch¬ng5

KhuÕch ®¹i thuËt to¸n vµ

øng dông cña chóng

Nh ®· nãi ë ch¬ng 2, ngµy nay IC analog sö dông réng r·i trong kü

thuËt ®iÖn tö. Khi sö dông chóng cÇn ®Êu thªm c¸c ®iÖn trë, tô ®iÖn, ®iÖn c¶m

tïy theo tõng lo¹i vµ chøc n¨ng cña chóng. S¬ ®å ®Êu còng nh trÞ sè cña c¸c linh

kiÖn ngoµi ®îc cho trong c¸c sæ tay IC analog. C¸c IC analog ®îc chÕ t¹o chñ yÕu

díi d¹ng khuÕch ®¹i thuËt to¸n - nh mét m¹ch khuÕch ®¹i lý tëng - thùc hiÖn

nhiÒu chøc n¨ng trong c¸c m¸y ®iÖn tö mét c¸ch gän - nhÑ - hiÖu suÊt cao.ë ch-

¬ng nµy ta xÐt c¸c khuÕch ®¹i thuËt to¸n vµ mét sè øng dông cña chóng.

5.1. KhuÕch ®¹i vi sai

KhuÕch ®¹i vi sai lµ khuÕch ®¹i mµ tÝn hiÖu ra kh«ng tû lÖ víi trÞ

tuyÖt ®èi cña tÝn hiÖu vµo mµ tû lÖ víi hiÖu cña tÝn hiÖu vµo. KhuÕch ®¹i vi sai ®-

îc sö dông ®Ó khuÕch ®¹i tÝn hiÖu cã tÇn sè giíi h¹n díi nhá ( tíi vµi Hz) , gäi lµ

tÝn hiÖu biÕn thiªn chËm hay tÝn hiÖu mét chiÒu. Ta cã thÓ coi d¶i th«ng cña nã lµ

0 ÷ fC. NÕu sö dông khuÕch ®¹i RC ®Ó khuÕch ®¹i lo¹i tÝn hiÖu nµy th× c¸c tô nèi

tÇng ph¶i cã trÞ sè rÊt lín nªn bÊt tiÖn. KhuÕch ®¹i vi sai thÝch hîp cho lo¹i tÝn

hiÖu nµy,ngoµi ra nãcßn cã nhiÒu tÝnh chÊt quÝ b¸u mµ ta sÏ nãi tíi sau nµy.

KhuÕch ®¹i vi sai lµ c¬ së ®Ó x©y dùng khuÕch ®¹i thuËt to¸n nªn ta xÐt lý thuyÕt

lo¹i khuÕch ®¹i nµy.

5.1.1. S¬ ®å nguyªn lý cña khuÕch ®¹i vi sai.

XÐt s¬ ®å nguyªn lý cña khuÕch ®¹i vi sai trªn h×nh 5.1. §©y lµ mét cÇu

c©n b»ng song song: hai nh¸nh cña cÇu lµ RC1 vµ RC2, hai nh¸nh kia lµ hai

tranzisto T1 vµ T2. NÕu RC1 = RC2 vµ hai tranzisto cã tham sè hÖt nhau th× cÇu c©n

b»ng.M¹ch cã hai ®Çu vµo V1 vµ V2, tÝn hiÖu ra Ura lÊy gi÷a hai colecto cña T1 vµ

T2. NÕu ®a vµo hai ®Çu vµo hai tÝn hiÖu gièng hÖt nhau c¶ vÒ biªn ®é vµ pha th× tÝn

hiÖu ®ã gäi lµ ®ång pha, cßn biªn ®é nh nhau nhng ngîc pha th× gäi lµ tÝn hiÖu

ngîc pha hay tÝn hiÖu hiÖu.XÐt ph¶n øng cña m¹ch ®èi víi tÝn hiÖu vµo ®ång pha

vµ ngîc pha.

NÕu coi m¹ch h×nh 5.1 hoµn toµn ®èi

xøng ( R’1 = R1, R’2 = R2, RC1 = RC2, T1 vµ T2

gièng hÖt nhau) th× tÝn hiÖu vµo ®ång pha sÏ

g©y nªn ph¶n øng hÖt nhau c¶ vÒ trÞ tuyÖt ®èi

vµ dÊu cña c¸c dßng emit¬ vµ colect¬ cña T1 vµ

T2. Nh vËy ®iÖn ¸p ë hai colect¬ sÏ biÕn thiªn

nh nhau vµ ®iÖn ¸p ra sÏ b»ng kh«ng, gièng

nh ë tr¹ng th¸i tÜnh. Nãi c¸ch kh¸c lµ m¹ch ra

cña khuÕch ®¹i vi sai lý tëng kh«ng ph¶n øng

víi tÝn hiÖu vµo ®ång pha. Trong khi ®ã gia sè

cña dßng emit¬ cña T1, T2 sÏ t¹o nªn trªn

RE mét ®iÖn ¸p håi tiÕp ©m lµm gi¶m l￾îng biÕn thiªn cña colect¬ so víi trêng hîp RE = 0.

H×nh5.1.K§ vi sai trªn

tranzisto l­ìng cùc

V V

R R

R

R

R R

R

1

2

1'

E 2'

C

C'

ECC

+ _

URa

1

2

125

-E

Rc1

Rc2 e

1

ra

1

ra

2

Khi tÝn hiÖu vµo lµ ngîc pha ®Æt vµo hai baz¬ th× c¸c dßng biÕn thiªn nh

nhau vÒ trÞ tuyÖt ®èi nhng ngîc chiÒu ( ngîc dÊu), tøc lµ ®iÖn ¸p Ura sÏ xuÊt hiÖn.

Lóc nµy ®iÖn ¸p håi tiÕp ©m trªn RE kh«ng xuÊt hiÖn v× dßng emit¬ cña mét

tranzisto t¨ng bao nhiªu th× dßng emit¬ cña tranzisto kia gi¶m ®i bÊy nhiªu. Nh

vËy khuÕch ®¹i vi sai ph¶n øng víi tÝn hiÖu vµo ngîc pha.

V× khuÕch ®¹i vi sai lý tëng ph¶n øng víi tÝn hiÖu vµo ngîc pha, kh«ng

ph¶n øng víi tÝn hiÖu vµo ®ång pha nªn tÊt c¶ nh÷ng biÕn thiªn do nhiÖt ®é, l·o

ho¸ linh kiÖn, t¹p ©m, nhiÔu... cã thÓ coi lµ c¸c t¸c ®éng vµo ®ång pha. Tøc lµ

khuÕch ®¹i vi sai sÏ lµm viÖc æn ®Þnh, Ýt bÞ nhiÔu t¸c ®éng.

Trªn võa ph©n tÝch t¸c dông cña RE ta thÊy RE cµng lín th× håi tiÕp ©m sÏ

cµng lín, cµng cã t¸c dông nÐn c¸c tÝn hiÖu vµo ®ång pha ký sinh. Tuy nhiªn nÕu

RE chän lín th× nguån ECC ph¶i chän lín. CÇn chän mét phÇn tö cã trÞ sè ®iÖn trë

lín ®èi víi c¸c biÕn nhanh ( ®iÖn trë xoay chiÒu lín), trÞ sè ®iÖn trë nhá ®èi víi

c¸c biÕn thiªn chËm ( ®iÖn trë mét chiÒu nhá) thay vµo ®iÖn trë RE. PhÇn tö nh

vËy chÝnh lµ tranzistor T3 trong s¬ ®å h×nh 5.2a.

§Æc tÝnh ra cña tranzistor tr×nh bµy trªn h×nh 5.2b. Tõ h×nh nµy ta thÊy

®iÖn trë mét chiÒu R

U

I

CEo

Co

= nhá h¬n nhiÒu so víi ®iÖn trë xoay chiÒu

R

U

I

CE

C

~ =

∆

∆

. Tranzistor T3 ®îc m¾c vµo m¹ch emit¬ nh ë h×nh 5.2a lµm t¨ng

thªm kh¶ n¨ng øng dông cña khuÕch ®¹i vi sai .

KhuÕch ®¹i vi sai cã thÓ cã hai nguån ®éc lËp ECC vµ E02 nh ë h×nh 5.2a

hoÆc mét nguån chung. C¸c ®iÖn trë R3, R4, R5 cã chøc n¨ng nh trong c¸c m¹ch

khuÕch ®¹i ®· xÐt. §iot D m¾c thuËn vµo ph©n ¸p baz¬ cña T3 nh»m t¨ng kh¶

n¨ng æn ®Þnh nhiÖt, sÏ nãi ®Õn ë c¸c phÇn sau.

XÐt c¸ch ®a tÝn hiÖu vµo vµ lÊy tÝn hiÖu ra ë m¹ch h×nh 5.2a. TÝn hiÖu

vµo cã thÓ ®a vµo c¸c ®Çu vµo ký hiÖu V1, V2, V3 vµ V4 theo c¸c ph¬ng ¸n sau:

- TÝn hiÖu vµo cã thÓ ®a vµo hai cùc V1 vµ V2. Lóc nµy hai cùc cña

nguån tÝn hiÖu hoÆc lµ ph¶i c¸ch ®iÖn víi "m¸t", hoÆc lµ ph¶i cã cùc tÝnh ®èi

xøng qua "m¸t". C¸ch ®a tÝn hiÖu vµo nh vËy gäi lµ ®a vµo ®èi xøng,c¸c ®Çu vµo

nµy cña khuÕch ®¹i vi sai gäi lµ ®Çu vµo ®èi xøng.

- TÝn hiÖu vµo cã thÓ ®a vµo V1 ( hoÆc V2 ), lóc ®ã V2( hoÆc V1) ph¶i

®Êu qua mét ®iÖn trë nhá hoÆc ®Êu trùc tiÕp xuèng “m¸t”. KhuÕch ®¹i vi sai

trong trêng hîp nµy gäi lµ cã ®Çu vµo kh«ng ®èi xøng víi tÝn hiÖu vµo kh«ng ®èi

xøng.

- TÝn hiÖu vµo cã thÓ ®a vµo cùc V3 hoÆc V4 vµ ®iÓm "m¸t".

NÕu nguån tÝn hiÖu cã hai cùc c¸ch ly víi "m¸t" th× cã thÓ ®a vµo hai

®iÓm V3 vµ V4.

-TÝn hiÖu ra lÊy ë hai ®iÓm ra1 vµ ra2 - lÊy ra ®èi xøng hoÆc lÊy ra gi÷a ra1

hoÆc ra2 so víi "m¸t". NÕu tÝn hiÖu vµo ®a vµo V1 kh«ng ®èi xøng th× tÝn hiÖu ra ë

ra1 quay pha 1800

, lóc nµy ra1 gäi lµ ®Çu ra ®¶o, ra2 gäi lµ ®Çu ra kh«ng ®¶o.

126

-E

Rc1

Rc2 e

1

ra

1

ra

2

5.1.2. §Æc tÝnh truyÒn ®¹t cña khuÕch ®¹i vi sai

NÕu tÝn hiÖu vµo ®èi xøng ®a vµo V1 vµ V2 ký hiÖu lµ Uh th× ®Æc tÝnh

truyÒn ®¹t sÏ lµ sù phô thuéc cña c¸c dßng colect¬ vµo tÝn hiÖu nµy.

NÕu ®Çu vµo V3 vµ V4 kh«ng ®a tÝn hiÖu nµo vµo th× T3 cã thÓ coi lµ mét

nguån dßng I0 cã néi trë R0 t¹i ®iÓm c«ng t¸c. §iÖn trë nµy thùc tÕ cã trÞ sè kh¸

lín so víi c¸c ®iÖn trë trong m¹ch nªn cã thÓ coi nguån dßng IO lµ lý tëng. Ta t×m

®Æc tÝnh truyÒn ®¹t IC = f(Uh).

Dßng colect¬ trong tranzistor ë chÕ ®é khuÕch ®¹i cã biÓu thøc:

T

BE

E E

U

U

I I e

0

=

(5.1)

Trong ®ã IE 0 lµ dßng emit¬ khi UBE = 0 vµ mÆt ghÐp colect¬ ph©n cùc

ngîc. UT - ®iÖn ¸p nhiÖt ( 0,25mV), lóc nµy:

T )

BE BE

e ( e

T

BE

E E E

U

U U

U

U

I I I I

2 1

1

1

0 01 02 01

−

= + = +

(5.2)

§iÖn ¸p vµo Uh = UV1 - UV2 = UBE1 - UBE2 vµ IC ≈ α IE nªn

h T

C

U U

e

I

I

− /

+

=

1

α 0

1 (5.3)

T

U

h

U

e

o

I

C

I

+

=

1

α

2

(5.4)

∆IC

IC

IC0

∆UCE UC0 U

a) b)

H×nh5.2 a)M¹ch K§VS cã nguån dßng b) §Æc tuyÕn ra cña tranzisto

127

+

E

c

c

-E

02

-

R4

D

R5

R1

R2

R1

R2

V V2 1

Rc1

Rc2

r

e

1

re

2

T1 T2

V4

V3

ra

1

ra

2

T3