Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử

 dụng mạch điện
Sơ đồ mạch điện và tác dụng của linh kiện
Sơ đồ mạch điện
 Mạch khuếch đại vi sai chế độ đồng pha.
Tác dụng của linh kiện
Nguồn âm –VEE tạo dòng điện IE.
Transistor T1, T2 có cùng mã số dùng để khuếch đại tín hiệu.
Điện trở RC1, RC2 có giá trị bằng nhau tạo điện áp ngõ ra.
Nguyên lý hoạt động của mạch điện
Khi hai tín hiệu hai ngõ vào Vin1, Vin2 giống nhau được gọi là khuếch đại chế độ đồng pha. 
Khi tín hiệu Vin1, Vin2 giống nhau được đưa vào biến thiên, làm dòng điện ie1 vàie2 của hai transistor thay đổi như nhau, nên điện áp Vout1, Vout2 bằng nhau. Như vậy điện áp ngõ ra vi sai bằng 0.
 Sơ đồ tương đương tín hiệu bé
 Sơ đồ tương đương tín hiệu bé khuếch đại vi sai,chế độ đồng pha.
 Tính toán các thông số của mạch điện 
Điện áp ngõ vào Vin1=hfe.re.ib+ 2hfe.REib=hfe.(re.+ 2RE)ib
Điện áp ngõ ra Vout1= Vout2=-ic.RC= -hfe.ib.RC
Điện áp ngõ ra vi sai Uout=Vout1-Vout1=0
Vậy hệ số khuếch đại đồng pha Kdp=Vout1Vin1=-RCre+2RE
Đặc tính của mạch điện
Mạch khuếch đại chế độ đồng pha có hệ số khuếch đại nhỏ hơn hệ số khuếch đại vi sai. Nếu RE càng lớn thì Kđp càng giảm có khả năng tiến về 0.
Điện áp ngõ ra vi sai Uout = 0.
Mạch khuếch đại vi sai có tải động (kiểu gương dòng điện)
Mục tiêu:
Sơ đồ mạch điện và tác dụng của linh kiện.
Nguyên lý hoạt động của mạch.
Tính toán các thông số của mạch.
Đặc tính của mạch điện.
Ứng dụng mạch điện
Mạch điện tác dụng của linh kiện 
Mạch điện
Mạch khuếch đại vi sai gương dòng.
Tác dụng của linh kiện
Nguồn âm –VEE tạo dòng điện IE. 
Transistor T1, T2 có cùng mã số dùng để khuếch đại tín hiệu.
Điện trở RC1, RC2 có giá trị bằng nhau, tạo điện áp phân cực nguồn một chiều cho hai transistor hoạt động, và tạo điện áp ngõ ra. 
Điện trở Rb1, Rb2 có giá trị bằng nhau, tạo ổn định nguồn dòng i1, i2.
Điện trở tải RL1. RL2.
 Nguyên lý hoạt động của mạch điện
Khuếch đại vi sai ở chế độ ngõ vào dòng đơn ( iin2 = 0)
Dòng điện iin1 đi vào cực B, ngõ ra iout1ở cục C của transistor T1 nên mạch khuếch đại dòng theo kiểu E chung, do đó dòng điện ngõ ra iout1ngược pha với iin1 tạo điện áp ngõ ra Vout1 trên tải RL1 sẽ ngược pha với iin1. Đối với transistor T2 sẽ có dòng điện ngõ vào lấy từ cực E đồng pha i1, ra cực C nên mạch khuếch đại dòng theo kiểu B chung, do đó dòng điện ngõ ra iout2đồng pha với iin1 tạo điện áp ngõ ra Vout2 trên tải RL2 sẽ đồng pha với iin1
Khuếch đại vi sai ở chế độ ngõ vào dòng đồng pha (iin1 = iin2)
Dòng điện iin1, iin2 giống nhau đi vào cực B của hai transistor T1, T2, làm dòng điện ngõ ra iout1 và iout2 biến thiên như nhau nên dòng điện ngõ ra vi sai iout = iout1 - iout2 = 0
Khuếch đại vi sai ở chế độ ngõ vào dòng vi sai ( iin1 = - iin2)
Dòng điện iin1, iin2 đi vào cực B hai transistor T1, T2 làm dòng điện ngõ ra iout1 và iout2 biến thiên có biên độ bằng nhau nhưng ngược pha, nên dòng điện ngõ ra vi sai iout = iout1 - iout2 ≠0
 Tính toán các thông số của mạch điện 
Xét chế độ một chiều: iin1 = iin2 = 0 nên.
IE=-VBE+ VEERE=-0,7+ VEERE
Hai transistor Tl và T2 hoàn toàn đối xứng ta có.
Dòng điện IE1=IE2=IE2
Dòng điện Ic1=Ic2=Ic=IE2
Giá trị hie1= hie2=hie=m.hfe25mVIC=hfere với re=25mVIC
 Xét chế độ xoay chiều:
Dòng điện ngõ vào ở chế độ đơn và vi sai, có độ lớn hệ số khuếch đại dòng: 
Ki=ioutiin=RbRbhfe+2re
Dòng điện ngõ vào ở chế độ đồng pha, có độ lớn hệ số khuếch đại dòng: 
Kidp=ioutiin=RbRbhfe+re+2RE
Đặc tính của mạch điện
Mạch khuếch đại vi sai gương dòng ở chế độ ngõ vào vi sai, dòng điện hai ngõ ra iout1, iout2 ngược pha nhau nên đo sai lệch dòng điện hai ngõ ra khác không.
Mạch khuếch đại vi sai gương dòng ở chế độ ngõ vào đồng pha, dòng điện hai ngõ ra iout1, iout2 giống nhau ( cùng pha nhau) nên đo sai lệch dòng điện hai ngõ ra bằng không.
Câu hỏi bài tập
 Vẽ và phân tích cấu trúc mạch khuếch đại vi sai, phân tích chế độ một chiều phân cực cho mạch khuếch đại vi sai.
Hướng dẫn: 
Xem phần cấu trúc mạch khuếch đại vi sai, phân tích chế độ phân cực một chiều.
 Thế nào là mạch khuếch đại vi sai đồng pha? Dòng và áp ngõ ra thế nào?
Hướng dẫn: 
Xem phần mạch khuếch đại vi sai đồng pha.
Cho mạch khuếch đại vi sai như hình 17.13
 Hãy cho biết tên mạch khuếch đại vi sai?
 Tính dòng điện IE, IE1, IE2 biết Vi1 = 0V, VBE = 0,7V.
Đáp số: IE = 4,3mA, IE1 = IE2 =2,15mA
 Cho mạch khuếch đại vi sai như hình 17.14. Biết Vi1 = 0V, VBE = 0,7V
Hãy cho biết tên mạch khuếch đại vi sai?
Tính dòng điện IE, IE1, IE2.
Tính điện áp VCE của transistor T.
Tính Vo1,Vo2 biết VCE1= VCE2= 4V
Tính RC biết Vi1 = 0V, VBE = 0,7V, RC1= RC2= RC, Vo1= Vo2.
Đáp số:
IE = 3,3mA, IE1 = IE2 =1,65mA, 
VCE = 0,
 Vo1= Vo2 = 3,3V, 
RC1= RC2= RC » 5,27kΩ.
BÀI 18
VI MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN (OP-AMP)
Mã bài: MĐ 13-18
Giới thiệu :
 Mạch khuếch đại thuật toán thuộc về bộ khuếch đại dòng một chiều có hệ số khuếch đại lớn, có hai đầu vào và một đầu ra chung.
Mục tiêu:
Trình bày chính xác định nghĩa, kí hiệu, các tính chất cơ bản và các tham số cơ bản của vi mạch khuếch đại thuật toán.
Trình bày đúng kí mã hiệu và các tham số đặc trưng của một số vi mạch khuếch đại thuật toán ( OP – AMP) thông dụng. 
Nôi dung chính:
Định nghĩa và kí hiệu của vi mạch thuật toán
Mục tiêu: 
Biết được định nghĩa, kí hiệu, hình dạng, đặc tính của Op - Amp.
Định nghĩa
Vi mạch khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier) gọi tắt là Op có khả năng thực hiện các phép biển đổi toán học như cộng trừ, biến đổi tỷ lệ, vi tích phân, khuếch đại, biến đổi tín hiệu, các bộ lọc tích cực, tạo hàm trong các tín hiệu tương tự.
Vi mạch khuếch đại thuật toán bên trong gồm các tầng khuếch đại vi sai, dùng khuếch đại tín hiệu vào, khuếch đại đầu ra. cho phép khả năng tải dòng lớn, có các mạch chống ngắn mạch và hạn chế dòng điện.Vi mạch khuếch đại thuật toán phổ dụng là 741. 
Kí hiệu
Kí hiệu và hình dạng của vi mạch thuật toán( Op-Amp).
Vin- là điện áp ngõ vào tại ( -) gọi là ngõ vào đảo.
Vin+ là điện áp tại ngõ vào ( +) gọi là ngõ vào không đảo.
 Iin- là dòng điện ngõ vào tại ( -).
 Iin+ là dòng điện tại ngõ vào ( +). 
 Sơ đồ bên trong của mạch khuếch đại thuật toán 741:
Sơ đồ chân của vi mạch thuật toán( Op-Amp).
Op-amp thường được đóng gói dưới dạng linh kiện tích hợp 8 chân hay 16 chân, tùy loại mà bên trong nó chứa 1( Single Op - amp), 2( Dual Op – amp) hay 4 Op-amp( Quad Op – amp). Tính năng của từng chân IC được tiêu chuẩn hóa nên ta có thể thay thế các IC Op-amp tương đương.
Cách xác định chân số 1 trên IC Op-amp xoay IC về hướng mình, làm sao cho bạn có thể đọc được ký hiệu và mã linh kiện. Chân đầu tiên từ bên trái qua, ở hàng chân phía dưới được đánh bằng một dấu tròn định vị âm trên lưng IC – đó là chân số 1, bắt đầu từ chân này số chân sẽ được đánh dấu tuần tự theo chiều ngược kim đồng hồ, do vậy đối diện chân số 1 sẽ là chân số 8( với loại IC có 8 chân).
Các tính chất cơ bản của OP-AMP
Mục tiêu: 
Biết được các tính chất cơ bản của OP - AMP.
Trở kháng vào rất lớn cỡ từ hàng trăm KW tới hàng MW. 
Trở kháng ra rất nhỏ cỡ từ hàng W tới vài chục W.
Hệ số khuếch đại Kd từ vài trăm tới hàng triệu lần.
Đáp ứng tần số có giới hạn.
Khi xét trạng thái lý tưởng:
Trở kháng vào là vô cùng, Zv.
Trở kháng ra bằng không, Zr = 0.
Hệ số khuếch đại Kd .
Đáp ứng tần số là như nhau ở mọi tần số.
Từ tính chất trên đối với Op - Amp lý tưởng ta có đặc điểm quan trọng:
Điện áp ngõ vào Vin+ = Vin- .
Dòng điện ngõ vào Iin+ = Iin-
Các tham số cơ bản của bộ KDTT
Mục tiêu: 
Biết được hệ số khuếch đại tín hiệu, đặc tuyến truyền đạt, hệ số khuếch đại đồng pha, tỷ số nén tín hiệu đồng pha, dòng vào tĩnh và điện áp lệch không.
Hệ số khuếch đại tínhiệu: Kd
Điện áp đầu ra Vra tỷ lệ với hiệu số của điện thế giữa hai đầu vào, và cho bởi: 
 Vra = Kd.(Vin+ - Vin-)	
Với Kd là hệ số khuếch đại áp, thường rất lớn cỡ 1 000 000 lần.
Mạch khuếch đại hiệu điện áp giữa hai đầu vào:
Nếu Vin+ = 0 thì Vra = - Kd. Vin- nên Vra ngược pha với tín hiệu vào. 
Vậy điện áp Vin- tại ngõ vào ( -) gọi là ngõ vào đảo. 
Nếu Vin- = 0 thì Vra = Kd. Vin+ nên Vra đồng pha với tín hiệu vào. 
Vậy điện áp Vin+ tại ngõ vào ( +) gọi là ngõ vào không đảo.
Đặc tuyến truyền đạt.
	Đối với Op- Amp điện áp ngõ ra không những phụ thuộc vào điện áp ngõ vào mà còn phụ thuộc vào nguồn cung cấp. 
Điện áp Vra chỉ đạt một dải điện áp nhất định từ Vrmin tới Vrmax. 
Giá trị Vrmin thường lớn hơn – VSS từ 1V đến 3V.
Giá trị Vrmax thường nhỏ hơn + VSS từ 1V đến 3V.
 Đặc tuyến hàm truyền đạt ngõ ra của Op - Amp.
Vậy Op-Amp hoạt động theo 3 vùng riêng biệt:
Điện áp Vrmin < Vra < Vrmax gọi là vùng hoạt động tuyến tính.
 Điện áp Vra = Vrmin gọi là vùng bão hòa âm.
Điện áp Vra = Vrmax gọi là vùng bão hòa dương.
Hệ số khuếch đại đồng pha
Hệ số khuếch đại đồng pha được định nghĩa: KCm=∆Ura∆UVào
∆Ura gọi là sự thay đổi mức điện áp ngõ ra.
∆Uvào gọi là sự thay đổi mức điện áp ngõ vào.
Kcm có giá trị luôn nhỏ hơn Kd. phụ thuộc vào điện áp ngõ vào đồng pha
Tỷ số nén tín hiệu đồng phaCMRR( common mode rejection ratio)
Đưa điện áp Vin+ = Vin- theo lý thuyết Vra = Kd.(Vin+ - Vin-) = 0. 
Nhưng thực tế Vra≠ 0 như vậy ta tính Vra = Kcm.Vcm
Vcm = Vin+ = Vin- gọi là điện áp đồng pha.
Kcm gọi là hệ số khuếch đại đồng pha.
Để đánh giá khả năng làm việc của Op - Amp thực so với Op - Amp lý tưởng người ta đưa ra hệ số CMRR để so sánh.
 Trình bày tín hiệu ngõ ra thực và lý tưởng khi Vin+ = Vin- 
 Giá trị CMRR=KdKc khoảng 103 đến 105
Chú ý: Tỷ số nén tín hiệu đồng pha thường được tính theo đơn vị decibel
	( khoảng 76dB – 100dB)
Dòng vào tĩnh và điện áp lệch không
Dòng vào tĩnh là giá trị trung bình của dòng điện ngõ vào Iin- , Iin+
Ta có It= Iin++Iin-2 với Vin+ = Vin- = 0.
Dòng vào lệch không là hiệu dòng điện ngõ vào Iin- , Iin+
Ta có Iout = Iin+ - Iin- Thông thường Iout = 0,1It. Hai thông số này cho thấy tính không lý tưởng của bộ Op- Amp chúng phụ thuộc vào nhiệt độ.
Dòng vào lệch không là nguyên nhân gây ra Vr ≠ 0 khi Vin+ = Vin- . Người ta gọi điện áp Vr0 là điện áp lệch không. 
Vậy cần đặt giữa hai đầu ngõ vào một điện áp bằng Vr0 để điện áp ra bằng 0 V. Nói cách khác, điện áp lệch không là điện áp để cân bằng điện áp rất nhỏ tồn tại ở đầu vào. 
 Mạch đo điện áp lệch không.
Vro là điện áp đầu ra không mong muốn gây ra bởi điện áp Vr tại đầu vào 
Vin+ = Vout. Điện áp Vro =R1R1+R2Vout
 Để cho điện áp ngõ ra bằng 0 thì ta phải bù điện áp Vr0 giữa hai đầu điện áp ngõ vào Vin+ , Vin-. 
Giới thiệu một số vi mạch khuếch đại thuật toán thông dụng
Mục tiêu: 
Biết được một số vi mạch khuếch đại thuật toán thông dụng: họ Op -Amp LM 101và LM 741.
Op-Amp LM 101
Kí hiệu mã
Sơ đồ chân và hình dạng của Op - Amp LM 101A.
 Sơ đồ chân Op - Amp LM 101AJ, LM101W
 Sơ đồ chân Op - Amp LM 101AH, LM101AJ - 14/883
Op - Amp LM101A; LM201A; LM301A có cùng một số đặc điểm chung nên có thể thay thế nhau được.
Op - Amp LM101AJ; LM101J/ 883; LM201AN; LM301AN có cùng một số đặc điểm chung đặc điểm nên có thể thay thế nhau được.
Op - Amp LM101AH; LM101AH/ 883; LM201AH; LM301AH có cùng một số đặc điểm chung đặc điểm nên có thể thay thế nhau được.
Các Thông số kỹ thuật LM101-201-301
Op - Amp LM 741
Kí hiêu mã
Sơ đồ chân họ LM 741H; LM741J; LM741W
Op - Amp LM741H; LM741H/883; LM741AH/883; LM741CH có cùng một số đặc điểm chung nên có thể thay thế nhau được.
Op - Amp LM741J; LM741J/883; LM741CN có cùng một số đặc điểm chung nên có thể thay thế nhau được.
Các Thông số kỹ thuật họ LM741 hình 18.11
Thực hành các mạch ứng dụng cơ bản:
Mục tiêu:
Thực hành các mạch điện đã học.
Mạch khuếch đại đảo
Sơ đồ mạch điện
Mạch khuếch đại đảo.
Giá trị linh kiện:
Op-Amp LM741
R1= 2,2kΩ
R2 = 5,6kΩ
R3 = 1,5kΩ
Các bước thực hành
Trường hợp1: Cấp nguồn đôi cho Op - Amp ± VSS = ± 15V.
 Ráp mạch như hình 18.12 trên mô hình ( test board).
 Đo ghi kết quả theo bảng số liệu 18.1, và tính hệ số Kd=VoutVin
Bảng số liệu 18.1
Vin(V)
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
V0(V)
Kd
 Tính hệ số Kd theo lý thuyết Kd=VoutVin=-R2R1=
 Vẽ đặc tuyến ngõ ra dựa vào bảng số liệu đo:
 Vẽ đặc tuyến ngõ ra Vout theo bảng số liệu 18.1
Trường hợp 2: Cấp nguồn đơn cho Op-Amp ( VSS = 15V ; -VSS = 0V)
 Ráp mạch như hình 18.11 trên mô hình ( test board).
 Đo ghi kết quả theo bảng số liệu 18.2 và tính hệ số Kd=VoutVin
Bảng số liệu 18.1
Vin(V)
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Vout(V)
Kd
 Tính hệ số Kd theo lý thuyết Kd=VoutVin=-R2R1= ..
 Vẽ đặc tuyến ngõ ra dựa vào bảng số liệu đó:
 Vẽ đặc tuyến ngõ ra Vout theo bảng số liệu 18.2
Nhận xét trong 2 trường hợp đó:	
Mạch khuếch đại Không đảo
Sơ đồ mạch điện
 Mạch khuếch đại không đảo.
Giá trị linh kiện:
Op - Amp LM741
R1 = 2,2kΩ
R2 = 5,6kΩ
R3 = R4 = 10kΩ
Các bước thực hành
Trường hợp1: Cấp nguồn đôi cho Op - Amp ± VSS = ± 15V.
Bước 1: Ráp mạch như hình 18.14 trên mô hình ( test board).
Bước 2: Đo ghi kết quả theo bảng số liệu 18.3 và tính hệ số Kd=VoutVin
Bảng số liệu 18.3
Vin(V)
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Vin +(V)
Vin -(V)
Vout(V)
Kd=VoutVin
Bước 3: Tính hệ số Kd theo lý thuyết Kd=VoutVin=1+R2R1R4R3+R4
Bước 4: Tính điện áp theo lý thuyết Vin+=Vin-=R4R3+R4
Bước 5: Vẽ đặc tuyến ngõ ra dựa vào bảng số liệu đó:
 Vẽ đặc tuyến ngõ ra V0 theo bảng số liệu 18.3
Trường hợp 2: Cấp nguồn đơn cho Op-Amp ( VSS = 15V ; -VSS = 0V)
Bước 6: Ráp mạch như hình 18.14 trên mô hình ( test board).
Bước 7: Đo ghi kết quả theo bảng số liệu 18.4 và tính hệ số Kd=VoutVin
Bảng số liệu 18.4
Vin(V)
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Vin +(V)
Vin -(V)
V0(V)
Kd=VoVin
Bước 8: Tính hệ số Kd theo lý thuyết Kd=VoutVin=1+R2R1R4R3+R4
Bước 9: Tính điện áp theo lý thuyết Vin+=Vin-=R4R3+R4
Bước 10: Vẽ đặc tuyến ngõ ra dựa vào bảng số liệu đó:
Vẽ đặc tuyến ngõ ra Vout theo bảng số liệu 18.4
Nhận xét trong 2 trường hợp đó:	
Kiểm tra mạch khuếch đại
Mục tiêu:
Kiểm tra mạch khuếch đại đảo và không đảo.
Mạch khuếch đại đảo
Kiểm tra lắp mạch có đúng sơ đồ chân và giá trị điện trở. 
Kiểm tra kết quả đó ở bảng số liệu
Kiểm tra vẽ đặc tuyến ngõ ra.
Mạch khuếch đại đảo
Kiểm tra lắp mạch có đúng sơ đồ chân và giá trị điện trở. 
Kiểm tra kết quả đó ở bảng số liệu.
Kiểm travẽ đặc tuyến ngõ ra.
Câu hỏi và bài tập
Trình bày các tính chất cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán OP – AMP.
Phân tích các tham số cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán OP – AMP.
 Trình bày chức năng các chân của Op – Amp LM 101.
 Trình bày chức năng các chân của Op – Amp mA741 
Tài liệu tham khảo
 Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử 1. Tác giả. TS. Nguyễn Viết Nguyên.
Th.s .Phạm thị Thu Hương.
 Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử. Tác giả. TS. Nguyễn Tấn phước
 Giáo trình Mạch điện tử 1. Tác giả. TS. Lê Tiến Thường.
Giáo trình Mạch điện tử 2. Tác giả. TS. Lê Tiến Thường.
 Electronic Design. Tác giả. C.J Savant
Martin S.Roden
Gordon L.Carpenter
Fundamentals of microelectronics. Tác giả. Ashlee Krisko