Những vẫn đề chung về khuếch đại pdf

Những vẫn đề chung về

khuếch đại

Ch−¬ng I:

nh÷ng vÊn ®Ò chung vÒ khuÕch ®¹i

1. M« h×nh m¹ch khuÕch ®¹i

M¹ch khuÕch ®¹i ®−îc cÊu t¹o tõ c¸c ph©n tö tÝch cùc vµ c¸c phÇn tö thô

®éng. Qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn dßng, ¸p trong m¹ch khuÕch ®¹i ®−îc thùc hiÖn

nhê c¸c phÇn tö tÝch cùc. §Ó nghiªn cøu m¹ch khuÕch ®¹i, ng−êi ta m« t¶ nã

b»ng m« h×nh m¹ng hai cöa tuyÕn tÝnh, tÝn hiÖu nhá, h×nh 1:

2. C¸c tham sè c¬ b¶n cña khuÕch ®¹i

C¸c tham sè c¬ b¶n cña m¹ch khuÕch ®¹i ®−îc xÐt dùa trªn c¸c ®Þnh

nghÜa vª tham sè m¹ng hai cöa ®èi víi tÝn hiÖu, nh− h×nh 2, víi c¸c ®Þnh nghÜa

sau:

a. Quan hÖ dßng _ ¸p trªn lèi vµo

Uv

= ivRv

Rv

=

v

v

i

U

Khi nguån tÝn hiÖu Ux

cã néi trë lµ Rx

®Æt ë lèi vµo th× cã quan hÖ

Uv

= Ux

v x

v

R R

R

+

b. Quan hÖ dßng _ ¸p trªn lèi ra

Khi ch−a cã t¶i: Rra =

ra(ngan)

ra ho( )

i

U

Khi cã t¶i Rt

: Ura = iraRt = itRt

c. HÖ sè khuÕch ®¹i

• HÖ sè khuÕch ®¹i ¸p dông (Ký hiÖu lµ Ku

hoÆc Av

)

Ku

=

vao

ra

U

U

• HÖ sè khuÕch ®¹i dßng ®iÖn (Ký hiÖu lµ Ki

hoÆc Ai

)

Ki

=

vao

ra

i

i

• Quan hÖ gi÷a Ki

, Ku

,Rt

vµ Rv

:

Tõ c¸c biÓu thøc ®Þnh nghÜa trªn suy ra:

Ku

= Ki

v

t

R

R

• Tr−êng hîp néi trë cña nguån tÝn hiÖu Rx ≠ 0 vµ trë ra cña m¹ch khuÕch

®¹i kh¸c víi trë t¶i tøc Rra ≠ Rt

th× hÖ sè khuÕch ®¹i ®−îc tÝnh lµ tû sè cña

®iÖn ¸p ra t¶i trªn ®iÖn ¸p vµo Ux

. Khi ®ã cã hÖ sè khuÕch ®¹i ®èi víi tÝn

hiÖu vµo lµ:

Kux =

x

t

U

U

= kv

. KO . kr

Trong ®ã:

kv

=

v x

v

R R

R

+

K0

=

v

ra ho( )

U

U

kr

=

ra t

t

R R

R

+

d. HÖ sè khuÕch ®¹i decibel dB

D¹ng decibel cña hÖ sè khuÕch ®¹i ®−îc sö dông thuËn tiÖn. Khi ph©n

tÝch vµ tÝnh to¸n ®Æc tÝnh tÇn khuÕch ®¹i. HÖ sè khuÕch ®¹i ¸p decibel ®−îc

®Þnh nghÜa:

Ku

(dB) = 20 log10Ku

VÝ dô, mét m¹ch khuÕch ®¹i cã hÖ sè khuÕch ®¹i ¸p Ku

= 100 th× hÖ sè khuÕch

®¹i ¸p decibel lµ dB = 20lg100 = 40dB

• B¶ng 1: Cho mét sè trÞ sè Ku

vµ KudB.

3. §Æc tÝnh tÇn cña khuÕch ®¹i

• HÖ sè khuÕch ®¹i nãi chung lµ hµm tÇn sè, ®−îc biÓu thÞ b»ng biÓu thøc

Ku

(jω) =

U )t(

U )t(

v

ra = Ku

(ω).ejϕ(ω)

Trong ®ã Ku

(ω) lµ Modul

ϕ(ω) lµ arfument

• §Æc tÝnh tÇn 1 tÇng khuÕch ®¹i ®−îc m« t¶ nh− ®Æc tÝnh tÇn cña läc th«ng

thÊp RC víi tö sè lµ hÖ sè lµ hÖ sè khuÕch ®¹i trong d¶i th«ng Ku0, cã d¹ng:

Ku

(jω) =

c

uO

c

uO

f

f

1 j

K

1 j

K

+

=

ω

ω

+

Do ®ã: Ku

(ω) =

2

c

uO

2

c

uO

f

f

1

K

1

K

















+

=

















ω

ω

+

ϕ(ω) = - arctg

ωc

ω

= - arctg

c

f

f

ωc

(hay fc

) lµ tÇn sè c¾t, ë tÇn sè c¾t th× cã

Ku

(ωc

) =

2

KuO

hay Ku

(ωc

) dB = 20 log10=Ku0= - 3,01) dB

ωc

(hay fc

) cßn gäi lµ tÇn sè gay gãc hay tÇn sè 3dB.

Ku

2 3,16 10 31,6 100 1000 10000 ...

KudB 6 10 20 30 40 60 80 ...

B¶ng 1: Mét vµi trÞ sè Ku

vµ KudB.

• Trong tr−êng hîp chung (khuÕch ®¹i xoay chiÒu) ®Æt tÝnh biªn tÇn vµ pha

tÇn cã d¹ng H×nh 3a, b

NÕu khuÕch ®¹i lý t−ëng th× ®Æc tÝnh biªn tÇn Ku

(ω) lµ ®−êng (1) cã hÖ sè

khuÕch ®¹i lu«n b»ng KuO ®èi víi mäi tÇn sè, vµ gãc lÖch pha ϕ tû lÖ víi tÇn sè

hoÆc kh«ng ®æi víi mäi tÇn sè. Thùc tÕ th× ®Æc tÝnh biªn tÇn vµ pha tÇn lµ

®−êng (2).

Trong d¶i th«ng B = fH - f1

th× Ku

®−îc coi lµ kh«ng ®æi b»ng KuO vµ gãc

lÖch pha trong d¶i th«ng rÊt nhá. KhuÕch ®¹i tÇn sè thÊp cã gi¶i th«ng tõ

(5÷150) Hz ®Õn 5 ÷ 10) KHz. KhuÕch ®¹i d¶i réng vµ khuÕch ®¹i xung th× gi¶i

th«ng lín h¬n MHz.

Tû sè

uL

uO

K

K

gäi lµ hÖ sè mÐo cña tÇn thÊp vµ

uH

uO

K

K

lµ mÐo tÇn sè cao.

• §Æc tÝnh vµo ra cña khuÕch ®¹i Ura = f(Uvao) cña khuÕch ®¹i cã d¹ng tæng

qu¸t nh− h×nh 4.

Khi tÝn hiÖu vµo nhá th× ®Æc tÝnh tuyÕn tÝnh. Trong miÒn tuyÕn tÝnh viÖc

ph©n viÖc ph©n tÝch m¹ch khuÕch ®¹i dïng Transistor vµ FET ®−îc thùc hiÖn

b»ng s¬ ®å t−¬ng ®−¬ng.

Khi tÝn hiÖu lín th× ®Æc tÝnh cã phi tuyÕn vµ bao hoµ.

Trong miÒn phi tuyÕn th× trong khuÕch ®¹i ph¸t sinh mÐo phi tuyÕn.

• §å thÞ Bode

§Ó ®¸nh gi¸ ®Æc tÝnh tÇn cña hµm khuÕch ®¹i Ku

(jω), ng−êi ta th−êng

dïng ®å thÞ Bode. §ã lµ ®å thÞ cã trôc tung biªn ®é tÝnh b¨ng dB, trôc hoµnh

tÇn sè tÝnh theo thang logarith.

§å thÞ Bode cña m¹ch khuÕch ®¹i mét chiÒu ®¬n gi¶n gåm mét ®o¹n

th¼ng song song víi trôc hoµnh ë ®é cao 20lgKuo vµ mét ®o¹n th¼ng cã ®é dèc

lµ -20dB/dccade, ®iÓm tiÕp nèi (®iÓm gay) cña 2 ®o¹n th¼ng øng víi tÇn sè c¾t

fc

nh− h×nh 5.

Theo ®Þnh nghÜa hÖ sè khuÕch ®¹i decibel ta cã

2logKu

(ω) = 20lgKuO - 20lg

2

c

f

f

1

















+

BiÓu thøc nµy cho thÊy:

• Khi f = fC

th×:

-20lg

2

c

f

f

1

















+ = -20lg 2 = - 3,01 dB ≈ 3dB

• Khi

c

f

f

≤ 1 th×:

-20lg

2

c

f

f

1

















+ = 0

* Khi

c

f

f

≥ 1 th×

-20lg

2

c

f

f

1

















+ = -20lg

c

f

f

, biÓu thøc biÓu thÞ ®é dèc -20dB/decad.

• T¹i tÇn sè f = fT

th× hÖ sè khuÕch ®¹i b»ng 1 (hay 0dB), fT

gäi lµ tÊn sè d¬n

vÞ.

Ku

(ω) ≅

2

C

T

uO

f

f

K

















= 1

Do ®ã t¹i fT

cã quan hÖ: KuO.0fC

= fT

NghÜa lµ tÇn sè ®¬n vÞ fT

b»ng tÝch sè cña tÇn sè 3dB (fC

) víi hÖ sè khuÕch ®¹i

trong d¶i th«ng KuO

4. Ph¶n håi trong khuÕch ®¹i

4.1 Kh¸i niÖm:

Ph¶n håi trong m¹ch khuÕch ®¹i lµ qu¸ tr×nh lÊy mét phÇn tÝn hiÖu ra cña

m¹ch khuÕch ®¹i ®−a trë vÒ ®Çu vµo ®Ó céng víi tÝn hiÖu vµo lµm cho tÝn hiÖu

vµo trªn cöa sæ vµo cña khuÕch ®¹i t¨ng lªn, hoÆc trõ ®i tÝn hiÖu vµo ®Ó lµm

cho tÝn hiÖu vµo trªn cöa sæ vµo cña khuÕch ®¹i gi¶m ®i. NÕu qua tr×nh ph¶n

håi lµm cho tÝn hiÖu vµo t¨ng th× ta nãi m¹ch cã ph¶n håi d−¬ng, ng−îc l¹i lµ

ph¶n håi ©m. Trong khuÕch ®¹i ®o l−êng vµ ®iÒu khiÓn, ®Ó ®¶m b¶o c¸c chØ

tiªu chÊt l−îng c©n ph¶i dïng ph¶n håi ©m. Trong viÖc t¹o dao ®éng th× ph¶i

dïng ph¶n håi d−¬ng.

4.2 . S¬ ®å khèi khuÕch ®¹i cã ph¶n håi ©m (H×nh 6)

K0

: HÖ sè khuÕch ®¹i vßng hë

γ: HÖ sè ph¶n håi

KF

: HÖ sè khuÕch ®¹i cã ph¶n håi (HÖ sè khuÕch ®¹i vßng ®ãng)

BiÓu thøc: Tõ s¬ ®å ta cã:

Ura = K0Uvao - γ.K0Ura

+ γ

=

0

0

vao

ra

1 K

K

U

U

= KF

(1)

Ta gäi KF

lµ hÖ sè khuÕch ®¹i cña m¹ch khuÕch ®¹i cã ph¶n håi ©m.

Tr−êng hîp cã K0

γ ≥ 1 th× ta thÊy KF ≅

γ

1

nghÜa lµ hÖ sè khuÕch ®¹i cña m¹ch

khuÕch ®¹i cã ph¶n håi ©m KF

lóc nµy chØ phô thuéc hÖ sè ph¶n håi γ.

VÝ dô: K0

= 3000, γ = 0,01 tøc lµ K0

γ ≥ 1 ta cã

KF ≈

01,0

1 1

=

γ

= 100

4.3 T¸c dông cña ph¶n håi ©m

+ Trong thùc tÕ cã nhiÒu nguyªn nh©n lµm cho hÖ sè khuÕch ®¹i cña mét

m¹ch khuÕch ®¹i ®−îc thiÕt kÕ ra lµ K0

kh«ng ®ñ chÝnh x¸c vµ th−êng hay

biÕn ®éng. Do ®ã nÕu ta thiÕt kÕ sao cho K0

vµ tÝch K0

víi hÖ sè ph¶n håi γ ®ñ

lín vµ γ cã ®é chÝnh x¸c cao th× m¹ch khuÕch ®¹i víi KF ≈

γ

1

sÏ Ýt chÞu ¶nh

h−ëng cña biÕn ®éng cña K0

.

+ Khi cã ph¶n håi ©m th× hÖ sè khuÕch ®¹i gi¶m nh−ng ®é chÝnh x¸c t¨ng. Vi

ph©n KF

theo K0

cña biÓu thøc (1) ta cã:

0

0

F 0

F

K

K

.

1 K

1

K

K ∆

+ γ

=

∆

Víi c¸c ®Þnh nghÜa sau:



















+ γ =

= ∆

∆

= ∆

∆

F

0

0

0

0

0

F

F

F

K

K

1( K )

K %

K

K

K %

K

K

Ta nhËn ®−îc ∆KF% =

0

F 0

K

K .∆K %

(2)

+ VÝ dô: Mét m¹ch khuÕch ®¹i cã K0

= 100, γ = 0,05.

Khi K0

thay ®æi ± 30% th× KF

thay ®æi.

∆KF% =

1 100 05,0.

30%

+

±

= ± 5%

HoÆc viÕt: KF

=

6

100

1 100 05,0.

100

1 K

K

0

0 =

+

=

+ γ

∆KF% =

100

( 30%) 6

100 ±

= ± 5%

+ Khi cã ph¶n håi ©m th× hÖ sè khuÕch ®¹i gi¶m nh−ng më réng ®−îc d¶i

th«ng.

NÕu m¹ch khuÕch ®¹i cã K0

(ω) cã tÇn sè c¾t lµ f0C th× khi cã ph¶n håi ©m hÖ

sè khuÕch ®¹i cña m¹ch lµ KF

(ω) víi KF < K0

nh−ng tÇn sè c¾t cña KF

(ω) lµ

f0F ®−îc t¨ng lªn

F

0

K

K

lÇn.

Chó ý: ë ®©y ta gi¶ thiÕt d¶i th«ng B = f0th¸p - f0 cao ≈ f0 cao

Ký hiÖu f0 cao = f0 C

VÝ dô: Mét m¹ch khuÕch ®¹i cã: K0

= 4000, f0C = 2000 Hz.

Gi¶ sö khi KF

= 100 th× ta cã f0C =

100

4000 f

K

K

0

F

0 = .2000Hz. Tøc lµ gi¶i th«ng

®a t¨ng tõ 2000 Hz ®Õn 80000 Hz. (H×nh 7)

Ng−êi ta chøng minh ®−îc r»ng KFBF

= K0B0

= h»n sè (sÏ trë l¹i vÊn ®Ò nµy

trong khuÕch ®¹i thuËt to¸n).

+ §é s©u ph¶n håi ©m.

§Ó ®¸nh gi¸ ph¶n håi ng−êi ta ®−a ra mét chØ tiªu quan träng lµ ®é s©u ph¶n

håi ®−îc ®Þnh nghÜa nh− sau:

§é s©u ph¶n håi =

+ γ

=

0 0

F

1 K

1

K

K

Trong thùc tÕ kü thuËt ng−êi ta th−êng ®o ®é s©u ph¶n håi theo ®¬n vÞ Decibel

(dB). NghÜa lµ:

§é s©u ph¶n håi (dB) = 20log

0

F

K

K

= 20log

+ γ 1 K0

1

hay 20log KF

= 20log K0

= 20log

+ γ 1 K0

1

• VÝ dô mét m¹ch khuÕch ®¹i cã K0

= 10000 ®−îc ph¶n håi ©m víi γ = 1%

th× sÏ cã hÖ sè khuÕch ®¹i víi ph¶n håi ©m lµ KF

=

1( K )

K

0

0

+ γ

= 99

Khi ®ã ta cã ®é s©u håi tiÕp lµ:

§é s©u = 20log99 = 20log104

= - 40dB

+ ¶nh h−ëng cña ph¶n håi ©m ®Õn trë vµo.

Khi cã ph¶n håi ta cã:

ivµo =

vao

vao

0

0

vao

vao

vao ra

R

U

1 K

K

U

R

U U + β

− γ

=

− γ

i

vµo =

vao

0

0

vao

R

1 K

K

U 1

















+ γ

γ

−

i

vµo =

0 vao

vao

R

1

.

1 K

U

+ γ

Hay ivµo(1+γK0

)Rvµo = Uvµo

Theo ®Þnh nghÜa vÒ ®iÖn trë vµo th× tû sè

vao

vao

i

U

lµ ®iÖn trë vµo cña m¹ch

khuyÕch ®¹i khi cã ph¶n håi ©m, ta ký hiÖu lµ RVF.

RVF =

vao

vao

i

U

= Rvµo(1 + γK0

)

Rvµo lµ ®iÖn trë vµo cña m¹ch khuÕch ®¹i khi ch−a cã ph¶n håi.

Ta thÊy RVF > Rvµo.

Tuy nhiªn trong tr−êng hîp tÝn hiÖu ph¶n håi vÒ ®iÖn nèi song song víi

tÝn hiÖu vµo th× ng−êi ta chøng minh ®−îc r»ng trë vµo cña m¹ch khuÕch ®¹i

bÞ gi¶m ®i.

+ ¶nh h−ëng cña ph¶n håi ©m ®iÖn trë ra

- Khi ch−a cã ph¶n håi ©m th× cöa ra cña m¹ch khuÕch ®¹i ®−îc m« t¶ b»ng

m¹ch ®iÖn t−¬ng ®−¬ng nh− sau:

- Khi cã ph¶n håi ©m th× m¹ch ra t−¬ng ®−¬ng:

Theo ®Þnh nghÜa vÒ c¸ch tÝnh trë ra th× trë ra ®−îc tÝnh khi cã t¶i nèi vµo m¹ch

vµ khi cho UV = 0. Tõ ®ã ta cã m¹ch ra ®Ó tÝnh trë ra nh− sau:

Tõ s¬ ®å cã: - γK0Ura = (Rra0 + Rt

)it

= Ura + Rra0.it

Hay Rra0i

t

= - Ura(1+ γK0

) ⇒ theo ®Þnh nghÜa th× ta cã ®iÖn trë ra cña m¹ch khi

cã ph¶n håi ©m lµ:

RraF =

1( K )

R

i

U

0

ra0

t

ra

+ γ

= − ⇒ RraF < Rra0

DÊu trõ (-) trong biÓu thøc trªn nãi r»ng khi cã Rt

th× Ura gi¶m so víi khi ch−a

cã t¶i.

ch−¬ng III:

KhuÕch ®¹i thuËt to¸n opam

KhuÕch ®¹i thuËt to¸n lµ khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p mét chiÒu. CÊu tróc c¬ b¶n

cña c¸c tÇng khuÕch ®¹i vµo vµ khuÕch ®¹i trung gian lµ tÇng vi sai.

Tr−íc ®©y lo¹i khuÕch ®¹i nµy ®−îc dïng ®Ó thùc hiÖn c¸c phÐp to¸n gi¶i tÝch

trong m¸y tÝnh t−¬ng tù, do ®ã ng−êi ta gäi lµ khuÕch ®¹i thuËt to¸n

(Operational Amphfrer). Ngµy nay khuÕch ®¹i thuËt to¸n ®−îc øng dông

nhiÒu trong kü thuËt ®iÖn tö, ®Æc biÖt lµ trong kü thuËt §o vµ §iÒu khiÓn tù

®éng.

Sù ph¸t triÓn cña kü thuËt vi ®iÖn tö ®C s¶n xuÊt ra c¸c vi m¹ch khuÕch

®¹i thuËt to¸n cã c¸c tham sè gÇn lý t−ëng.

C¸c øng dông cña khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong tr−êng hîp ®¬n gi¶n th−êng

®−îc coi lµ lý t−ëng. Tuy nhiªn c¸c tham sè thùc cña vi m¹ch thuËt to¸n lµ

h÷u h¹n.

Trong ch−¬ng nµy ta sÏ xÐt khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong tr−êng hîp lý

t−ëng lý t−ëng vµ kh«ng lý t−ëng.

3.1. KhuÕch ®¹i thuËt to¸n lý t−ëng

3.1.1 Ký hiÖu vµ c¸c ®Þnh nghÜa

KhuÕch ®¹i thuËt to¸n viÕt t¾t lµ OPAM cã ký hiÖu nh− h×nh 3.3.1a.

OPAM gåm cã hai lèi vµo so ®Êt lµ lèi vµo ®¶o vµ lèi vµo kh«ng ®¶o. Hai lèi

vµo nµy ®−îc ®¸nh dÊu ph©n biÖt nh− trªn h×nh vÏ. Mét lèi ra so ®Êt víi ký

hiÖu ¸p ra lµ V0

. (Ký hiÖu V- hoÆc VN hoÆc UN

V+

hoÆc VP

hoÆc UP

V0

hoÆc Uout hoÆc Ura)

M¹ch ®iÖn t−¬ng ®−¬ng cña OPAM ®−îc m« t¶ nh− h×nh 3.11b

Trong ®ã hiÖu ®iÖn ¸p trªn hai lèi vµo lµ Vd

= V+

- V-

gäi lµ ®iÖn ¸p vµo vi sai.

m¹ch vµo ®−îc gi¶ ®Þnh lµ cã mét ®iÖn trë vµo Rin. M¹ch ra gåm cã mét

nguån ¸p lÖ thuéc lµ GVd

vµ ®iÖn trë vµo R0

. Quan hÖ gi÷a ®iÖn ¸p ra trªn hai

lèi vµo V+

, V-

cho bëi biÓu thøc (3.0)

OPAM cã c¸c th«ng sè lý t−ëng sau:

1. Rin → ∞

2. R0 → 0

3. G → ∞

4. B → ∞

5. V0

= 0 Khi U+ = U￾G gäi lµ hÖ sè khuÕch ®¹i vßng hë, tõ (3.0) cã:

(V+ - V-) =

G

V0

Khi G → ∞ th× V+ - V- = 0

NghÜa lµ hiÖu ®iÖn thÕ gi÷a ®Çu vµo (+) vµ ®Çu ra (-) b»ng 0 hay V+

= V-.

(HoÆc viÕt VP

= VN)

Rin = ∞ cho nªn dßng vµo c¶ hai phÝa (+) vµ (-) ®Òu b»ng 0

3.1.2. C¸c m¹ch khuÕch ®¹i c¬ b¶n dïng OPAM lý t−ëng

3.1.2.1. M¹ch khuÕch ®¹i ®¶o:

H×nh 31.2a lµ m¹ch khuÕch ®¹i ®¶o, gåm mét ®iÖn trë RF

nèi tõ ®Çu ra vÒ

®Çu vµo ®¶o vµ mét ®iÖn trë vµo ra. §iÖn ¸p vµo lµ Vi

. §Çu vµo kh«ng ®¶o nèi

®Êt qua ®iÖn trë ra.

M¹ch khuÕch ®¹i ®¶o cã s¬ ®å t−¬ng ®−¬ng h×nh 31.2b.