1

CHƯƠNG 1

CÁC MẠCH TÍNH TOÁN, ĐIỀU KHIỂN VÀ TẠO HÀM DÙNG KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

Chương này nhằm giới thiệu việc ứng dụng mạch khuếch đại thuật toán (KĐTT) trong các mạch khuếch đại, tính toán, điều khiển, tạo hàm. Khảo sát các mạch cộng, trừ, nhân chia, khai căn, mạch khuếch đại loga và đối loga, mạch vi, tích phân, PD, PID, mạch chỉnh lưu chính xác, mạch so sánh tương tự...

1.1 Khái niệm chung

Hiện nay, các bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tính toán, điều khiển, tạo hàm, tạo tín hiệu hình sine và xung, sử dụng trong ổn áp và các bộ lọc tích cực... Trong kỹ thuật mạch tương tự, các mạch tính toán và điều khiển được xây dựng chủ yếu dựa trên bộ KĐTT. Khi thay đổi các linh kiện mắc trong mạch hồi tiếp ta sẽ có được các mạch tính toán và điều khiển khác nhau.

Có 2 dạng mạch tính toán và điều khiển: tuyến tính và phi tuyến.

Tuyến tính: có trong mạch hồi tiếp các linh kiện có hàm truyền đạt tuyến tính.

Phi tuyến: có trong mạch hồi tiếp các linh kiện có hàm truyền phi tuyến tính.

Về mặt kỹ thuật, để tạo hàm phi tuyến có thể dựa vào một trong các nguyên tắc sau đây:

1. Quan hệ phi tuyến Volt - Ampe của mặt ghép pn của diode hoặc BJT khi phân cực thuận (mạch khuếch đại loga)

2. Quan hệ phi tuyến giữa độ dốc của đặc tuyến BJT lưỡng cực và dòng Emitơ (mạch nhân tương tự).

3. Làm gần đúng đặc tuyến phi tuyến bằng những đoạn thẳng gấp khúc (các mạch tạo hàm dùng diode).

4. Thay đổi cực tính của điện áp đặt vào phân tử tích cực làm cho dòng điện ra thay đổi (khoá diode, khoá transistor).

1.2 Các mạch tính toán và điều khiển

1.2.1 Mạch cộng đảo

Áp dụng phương trình cân bằng dòng điện dòng tại nút N ta có :

0...2

2

1

1 =++++N

out

n

inninin

Rv

Rv

Rv

Rv

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++−=⇒ inn

n

Nin

Nin

Nout v

RR...v

RRv

RRv 2

21

1

RN

R1

R2

Rn

vin1 vin2

vinn vout

Hình 1.1 Sơ đồ mạch cộng 1.2.2 Mạch khuếch đại đảo với trở kháng vào lớn

RN

R2

R1 vin

R3

vout

v3

Hình 1.2 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo có trở kháng vào lớn Viết phương trình cân bằng dòng điện tại nút N:

03

1

=+N

in

Rv

Rv suy ra in

N vRRv

13 −=

Mà 33

32 vR

RRvout+

= ( với điều kiện )3RRN >>

inN

out v)RR(

RRv

3

2

1

1+−=⇒

Vậy hệ số khuếch đại của mạch : 3

2

1

' 1(RR

RRK N += )

Trường hợp yêu cầu hệ số khuếch đại lớn thì phải chọn R1 nhỏ. Lúc đó trở kháng vào của mạch ZV = R1 nhỏ. Có thể khắc phục nhược điểm đó bằng cách chọn R1 = RN

lớn. Do đó K’ chỉ còn phụ thuộc vào )1(3

2

RR

+ , có thể tăng tỷ số này tùy ý mà vẫn

không ảnh hưởng đến trở kháng vào ZV = R1 = RN của mạch.

3

1.2.3 Mạch trừ RN

R1

RpR2

vin1 vout

vin2

Giả thiết aRR

RR PN ==

21

Hình 1.3 Sơ đồ mạch trừ

Điện áp ở cửa vào thuận:

12

2 +=

+=

aav

aRR

Rvv in

PP

PinP (1)

Điện áp ở cửa vào đảo:

( )11

11 +

++

=++

−=av

aavv

aRR

Rvvv outinout

NN

NoutinN (2)

Vì vd = vP – vN = 0 ( vP = vN ) nên từ (1) và (2) ta suy ra:

111

12

++

+=

+ av

aav

aav outinin

Vậy vout = a(vin2-vin1) 1.2.4 Mạch trừ với trở kháng vào lớn

R/n

KR

R

Vín2

voutVin1

Hình 1.4 Sơ đồ mạch trừ với trở kháng vào lớn

Viết phương trình dòng điện nút cho nút N1 và N2 ta có :

01 =−

+−−

KRvv

nRv

Rvv NoutNNin Mà vN = vin2

4

⇒ vin1-vin2 = nvin2 + K

vv inout 2− = 0

⇒ Kvin1 - (n + 1) Kvin2 + vout - vin2 = 0

⇒ vout = vin2 + K(n + 1) vin2 -Kvin1

⇒ vout = (1 + K + nK) vin2 -Kvin1

Hệ số của Vin2 luôn luôn lớn hơn hệ số của Vin1 ( mạch không tạo được điện áp ra có dạng : K (Vin2 -Vin1). Trở kháng vào của cửa P lớn (Zv = rd), nên không yêu cầu nguồn vin2 có công suất lớn.

vin2

Hình 1.4.b mạch điện có trở kháng vào lớn ở cả hai cửa vào

vout

v3

N2

N1

R2

R3

R2 R1

vin1

R3 Hình 1.4.b trình bày mạch điện có trở kháng vào của cả hai cửa (cửa vin1 và vin2)

đều lớn. Viết phương trình dòng điện nút cho N1 và N2 ta có :

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

=−

+−

+−

=−

+−

+−

0

0

1

21

2

2

3

23

2

1

1

12

3

13

Rvv

Rvv

Rvv

Rv

Rvv

Rvv

inininoutin

inininin

Suy ra: vout = (31

312

21RR

RRR ++ )(vin2 -vin1)

Ta thấy trở kháng vào của cả hai cửa đều lớn và bằng rd của KĐTT. Có thể thay

đổi được hệ số khuếch đại K’ = 31

312

21RR

RRR ++ khi thay đổi R1.

K = Kmin khi R1 = ∞

Lúc đó: vout = (3

21RR

+ )(vin2 -vin1)

Vì ∞≠≠ 32 ,0 RR nên K’ > 1

5

1.2.5 Mạch tạo điện áp ra có cực tính thay đổi R1 R1

qR2

Hình 1.5 mạch tạo điện áp ra có cực tính thay đổi

vin

voutR2

Ta có: 22

outinout

outinN

VVVVVV +=+

−=

inP qVV =

Vì: inoutín

NP qVVVVV =+

⇒=2

inout VqV )12( −=⇒

Khi thay đổi tiếp điểm trên chiết áp R2 ta có hệ số của Vin lúc dương, lúc âm. Khi q = 1/2 (Vout = 0 mặc dù 0≠inV )

Khi q > 1/2 ( Vout và Vin cùng pha) Khi q < 1/2 ( Vout và Vin ngược pha)

1.2.6 Mạch tích phân đảo iC

i1

1.6.a Mạch tích phân đảo

R

vout

vin

Phương trình dòng điện nút tại N:

i1 + ic = 0 hay 0=+dt

dvCRv outin

Suy ra )0()(1).(1

0

=+−=−= ∫∫ tvdttvRC

dttvRC

vt

outininout

(điện áp ra tỉ lệ với tích phân điện áp vào). Thường chọn hằng số thời gian t = RC = 1s

6

vout (t = 0) là điều kiện đầu, không phụ thuộc vào điện áp vào vin. Nếu vin là điện áp xoay chiều hình sin: tVv inin ωsin= thì:

tVtRCVdttV

RCv out

ininout ωω

ωω coscos..sin.1

==−= ∫

Nghĩa là biên độ điện áp ra tỷ lệ nghịch với tần số. Đặc tuyến biên độ - tần số của mạch tích phân :

RC

fVV

in

out

ωω 1)( == có độ dốc -20dB/decade.

Mạch được gọi là mạch tích phân trong một phạm vi tần số nào đó nếu trong phạm vi tần số đó đặc tuyến biên - tần của nó giảm với độ dốc 20dB/decade.

Để giảm ảnh hưởng của dòng tĩnh It và điện áp lệch không có thể gây sai số đáng kể cho mạch tích phân, ở cửa thuận của bộ KĐTT người ta mắc thêm một điện trở thay đổi được R1 và nối xuống masse.

R1

R

C vin vout

Hình 1.6.b Mạch tích phân đảo có điện trở R1 bù dòng lệch không

Điều chỉnh R1 sao cho R1 ≅ R thì giảm được tác dụng của dòng điện lệch không Io = IP - IN 1.2.7 Mạch tích phân tổng

C

R2

vout

RP

Rn

vin2

vinn

Hình 1.7 Sơ đồ mạch tích phân tổng

R1

vin1

Dùng phương pháp xếp chồng và viết phương trình dòng điện nút đối với nút N ta tìm được:

7

dtRv

Rv

Rv

Cv

n

innininout ∫ ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++−= ...1

2

2

1

1

1.2.8 Mạch tích phân hiệu CN

CPR2

R1

vin1 voutvin2

Hình 1.8 Sơ đồ mạch tích phân hiệu Viết phương trình đối với nút N :

0)(

1

1 =−

+−

dtvvdC

Rvv Nout

NNin (1)

Đối với nút P : 0.2

2 =−−

dtdvC

Rvv P

PPin (2)

Biến đổi và cho vN = vP, R1CN = R2CP = RC

(1) ⇒ vin1 - vN = - R1CN dt

dvCRdt

dv NN

out1+

(2) ⇒ vin2 - vP = R2CP dt

dvP

Suy ra: vin2 - vin1 = RCdt

dvout

⇒ ∫ −= dtvvRC

v ininout )(112

1.2.9. Mạch vi phân RN

C1 vin vout

Hình 1.9 Sơ đồ mạch vi phân

Ta có : N

outin

Rv

dtdvCi −== 1

8

⇒ vout = - RNC1 dtdvin

Giả thiết: vin = Vinsinωt

⇒ vout = -RNC1ωVincosωt = -Voutcosωt Đặc tuyến biên độ - tần số của mạch tích phân:

RCfVV

in

out ωω == )( có độ dốc 20dB/decade.

Vậy : Mạch được gọi là mạch vi phân trong một phạm vi tần số nào đó nếu trong phạm vi tần số đó đặc tuyến biên - tần của nó tăng với độ dốc 20dB/decade. 1.2.10 Mạch PI (Proportional Integrated)

R1

i1 iN

N

RNCv1

vin vout Hình 1.9 Sơ đồ mạch PI Mạch thường được sử dụng trong các mạch điều khiển. Mạch có điện áp ra được biểu diễn theo dạng: ∫+= dtvBvAv ininout .

Áp dụng phương trình cân bằng dòng tại N: i1 + iN = 0 ⇒ 1

1 Rin

Nvii −=−= (1)

Mặt khác: =+= 1vvv Cout NN iRdtiC

+− ∫ 11 (2)

Thay (1) vào (2) ⇒1R

Rvv Ninout −= - ∫ dtv

CR in1

1

Giả sử vin = Vincosωt

⇒ )cos(sincos11

Φ+=−−= tVtCR

VtVRRv out

inin

Nout ωω

ωω

⇒ Đặc tuyến biên tần:

22

2

122

222

122

2

1

'

111111

CRCCR

RCR

RVVK oN

Nin

out

ωωω

ωω

ω

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=+

=+==

Đặt: CRN

o1

=ω Khi thì oω<<ωCR

Kω11

1

' ≈

Suy ra đặc tuyến biên độ tần số có độ dốc -20dB/decade (tương ứng khu vực I) Suy ra sơ đồ làm việc như một mạch tích phân

9

K ′logI

P

1

logRRN

Khi ⇒≈⇒>>1

'

RRK N

oωω Mạch mang tính chất khuếch đại nhiều hơn (tương ứng với

khu vực P). Khu vực trung gian là khu vực chuyển tiếp. 1.2.11 Mạch PID (Proportional Integrated Differential)

PID cũng là mạ

phạm vi tần số điều khihệ thống điều khiển tron

Điện áp ra có dạng: vout

Từ phương trình dòng đ

Và phương trình điện áp

Thay (1) vào (2):

vout

Suy ra: vout

-20dB/decade

CRNo

1=ω ωlog

Hình 1.10 Đặc tuyến biên-tần của mạch PI

vC1 RN 1 cN

iN

R1N

Vin Vout

H

ình 1.11.a Sơ đồ mạch PID

ch hay được sử dụng trong kỹ thuật điều khiển để mở rộng ển của mạch và trong nhiều trường hợp tăng tính ổn định của g một dải tần số rộng.

∫ ++=dt

dvCdtvBvA ininin.

iện nút tại N: 011

=++ Ninin i

dtdvC

Rv (1)

ra trên nhánh ra: ∫+= dtiC

Riv NN

NNout1 (2)

∫ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−= dt

dtdvC

Rv

CR

dtdvC

Rv inin

NN

inin1

11

1

1

dtdvCRdtv

CRv

CC

RR in

NinN

inN

N1

1

1

1

1−−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−= ∫ (*)

10

* Ở tần số thấpNN

N CR1

=<<ωω thì thành phần tích phân trong (*) chiếm ưu thế.

* Ở tần số cao11

1CRN =>>ωω thì thành phần vi phân trong (*) chiếm ưu thế.

• Trong dải: 1ωωω <<N thì thành phần khuếch đại inN

N vCC

RR

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+ 1

1

chiếm ưu thế.

Do đó đặc tuyến biên tần của mạch có dạng như hình vẽ:

Klog

ωN ω1

D

P

I I: Tích phân P: Tỉ lệ D: Vi phân

ωlog

Hình 1.11.b Đặc tuyến biên-tần của mạch PID 1.3 Các mạch khuếch đại và tính toán phi tuyến liên tục 1.3.1 Mạch khuếch đại Loga

D

R

vin vout

Hình 1.12.a Sơ đồ mạch khuếch đại Loga dùng Diode Để tạo mạch khuếch đại loga, mắc diode hoặc BJI ở mạch hồi tiếp của bộ KĐTT. Mạch điện dùng diode (1.12.a.) có thể làm việc tốt với dòng điện I nằm trong

khoảng nA → mA Dòng điện qua diode và điện áp đặt lên diode có quan hệ :

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

T

DoD v

vIi exp

Trong đó : iD, vD : dòng điện qua diode và điệp áp đặt lên diode. Io: dòng điện ban đầu, có trị số bằng dòng qua diode ứng với điện áp ngược

cho phép. vT : điện áp nhiệt. Ở nhiệt độ bình thường thì vT= 26mV

11

⇒ o

inT

o

DTDout RI

vvIivvv lnln −=−=−≅

Rvoutvin

Hình 1.12.b Sơ đồ mạch khuếch đại Loga dùng BJT

Mạch (1.12.b.) làm việc tốt với dòng điện trong khoảng pA → pA Dòng Colectơ iC phụ thuộc vào điện áp Bazơ - emitơ theo quan hệ :

)1( −== T

BE

vV

EbhNENC eIAiAi

Với AN: hệ số khuếch đại dòng điện khi mắc Bazơ chung (BC) IEbh: là dòng điện emitơ ở trạng thái bão hòa.

Khi 1−T

BE

vv

e >> 0 ⇔ 1>>T

BE

vv

e

Ta có: )( T

BE

vV

EbhNC eIAi =

Mà vout =-vBE; vin=RiC

⇒ RIA

vvIA

ivvEbhN

inT

EbhN

CTout ln.ln −=−=

Mạch chỉ làm việc với điện áp vào dương (do mối nối p-n) Muốn làm việc với điện áp âm thì ta thay BJT npn bằng BJT pnp.

1.3.2 Mạch khuếch đại đối Loga

R

Dvin vout

Hình 1.13.a. Sơ đồ mạch khuếch đại đối Loga dùng Diode

T

D

VV

oDout eRIRIv −=−=

Vì: vD = vin nên T

in

VV

oout eRIv −=

12

Hình 1.13.b. Sơ đồ mạch khuếch đại đối Loga dùng Transitor

voutvin

R

T

in

T

BE

VV

EbhNVV

EbhNC eIAeIAi−

==

( Do vBE = -vin)

⇒ T

in

VV

EbhNCout eIRARiv−

==

1.3.3 Mạch nhân dùng nguyên tắc khuếch đại loga và đối loga

ln

ln

Tổng KĐại 1/K1

exp ln(vxvy/K2

2)

vy

vZ = K3vxvy/K22K1ln(vxvy/K2

2)

vx K1ln(vx/K2)

K1ln(vy/K2)

Hình 1.14. Mạch nhân dùng nguyên tắc khuếch đại Loga và đối Loga Các mạch khuếch đại loga và đối loga có thể dùng mạch như đã xét ở mục trên.

Coi mạch tổng có thể dùng một khuếch đại tổng KĐTT. Mạch nhân này có sai số khoảng 0,25% đến 1% so với giá trị cực đại của tín hiệu vào.

Mạch chỉ làm việc được với các tín hiệu vx, vy > 0 (do tính chất hàm loga). Mạch nhân 4200 là một trong những mạch tiêu biểu được chế tạo theo nguyên tắc này. 1.3.4 Mạch luỹ thừa bậc hai

Đấu hai đầu vào của mạch nhân với nhau ta sẽ có mạch lũy thừa:

K vx vZ

Hình 1.15. Sơ đồ mạch luỹ thừa bậc hai

Lúc này vx = vy ⇒( vZ = Kvx2)

Giả sử điện áp vào có dạng sin: vX = Vcosωt

Thì điện áp ra: )2cos1(2

)cos(2

2 tKVtVKvout ωω +==

13

⇒ có thể dùng mạch lũy thừa bậc hai để nhân tần số. 1.3.5 Mạch chia theo nguyên tắc nhân đảo a. Mạch chia thuận

Mạch nhân K>0

vy = vZ/Kvx

vx Kvxvy

vZ

Hình 1.16. Sơ đồ mạch chia thuận

Ta có tại cửa thuận : vN = KvX vY

vP = vZ mà vP = vN

⇒ vZ = KvXvY

⇒ vout = vY = X

Z

Kvv

b. Mạch chia đảo

PTCB dòng tại N : x

zy

zx

Kvvv

Rv

Rv.K

−=⇒=+ 0

K>0

vy

Kvxvy

R

Hình 1.17. Sơ đồ mạch chia đảo

R

vx

vZ

Trong các biểu thức trên vZ có thể lấy dấu tùy ý, còn vX luôn luôn dương. Nếu vX < 0 thì hồi tiếp qua bộ nhân về đầu vào bộ KĐTT là hồi tiếp dương, làm

cho mạch chuyển sang trạng thái bão hòa gây méo lớn. vX > 0 chỉ đúng với mạch nhân thuận (K > 0) vX < 0 chỉ đúng với mạch nhân đổi dấu (K < 0)

1.3.6 Chia mạch dùng khuếch đại loga và đối loga

14

ln

ln

Hiệu Kđại 1/K1

exp

vx

Vy = K3vZ/vx

ln(vZ /vx) K1ln(vZ /vx) vZ K1ln(vZ/K2)

K1ln(vx/K2) Hình 1.18. Mạch chia tương tự dung nguyên tắc khuếch đại Loga và đối Loga

A = x

zxz

vvlnK

KvlnK

KvlnK 1

21

21 =−

vY =x

z

x

zvvln

vvK

vvKeK x

z

== 33

Điều kiện : vZ, vX, vY : chỉ lấy giá trị dương 1.3.7 Mạch khai căn

Mạch khai căn được thực hiện bằng cách mắc vào mạch hồi tiếp của bộ KĐTT một mạch lũy thừa.

K

RR

Kvx2

vx= vy vZ

vP = 0; 02

=+R

KvRv xZ

Hình 1.19.a. Mạch khai căn đảo

Do : vP = vN = 0 ⇒ 022

2

=+ xZ Kvv

⇒ Kvvvv Z

outYX−

=== 222

⇒ ( )Zout vK

v −=1 với vZ < 0

15

R

KKvx

2

vZ

Hìn nh 1.19.b. mạch khai căn thuậ

vx = vy Ta có: vZ = vN

Mà 222outYXN KvKvKvv ===

KvvvKv Z

outNout =⇒=⇒ 2 với vZ ≥ 0

Mạch điện hình 1.19.a chỉ làm việc với điện áp vào vZ < 0, còn mạch điện hình 1.19.b thì vZ > 0. Trong trường hợp ngược lại thì mạch sẽ có hồi tiếp dương làm mạch bị kẹt. Để ngăn ngừa người ta mắc thêm diode (mỗi mạch một diode) ở đầu ra của bộ KĐTT như hình vẽ. 1.4 Các mạch phi tuyến không liên tục 1.4.1 Nguyên tắc thực hiện các mạch phi tuyến không liên tục và các phần tử cơ bản của nó

Các phần tử cơ bản dùng để tạo hàm phi tuyến không liên tục là các bộ so sánh tương tự và diode lý tưởng. Diode lý tưởng được cấu tạo bằng cách mắc vào mạch hồi tiếp của bộ KĐTT một diode thực. Ta so sánh nguyên lý làm việc và sai số trong trường hợp dùng diode thực và diode lý tưởng.

vD

vout

~ vin R

Hình 1.20.a. Mạch phi tuyến không liên tục dùng diode thực

vout = vin - vD

- Khi vin < vng thì mạch không làm việc, vout = 0 - Khi vin > vng thì vout ≠ 0

⇒mạch điện dùng diode thực có điện áp ngưỡng vng nên không thể làm việc với điện áp vào bé được.

16

vo

vD

vout

~

R

vin Hình 1.20.b. Mạch phi tuyến không liên tục dùng diode lý tưởng

vo = AOLvD = AOL (vin -vout) vD + vout = AOL (vin -vout) với AOL >> 1

⇒ vout ≈ vin - OL

D

Av

⇒ điện áp ngưỡng: OL

ng'ng A

vv =

Với AOL cỡ 104 ÷105 và vng ≈ 0,6V thì mạch điện này có thể chỉnh lưu được điện áp cỡ mV. 1.4.2 Mạch chỉnh lưu chính xác

Được dùng chủ yếu trong các bộ nguồn cung cấp, trong các máy đo. Phân loại mạch chỉnh lưu: - Mạch chỉnh lưu nửa sóng. - Mạch chỉnh lưu toàn sóng : gồm chỉnh lưu cân bằng và chỉnh lưu cầu.

1.4.2.1 Mạch chỉnh lưu nửa sóng

v0

R

D1

R

vin

vout vout

vin

Hình 1.24. Mạch chỉnh lưu nửa sóng

Khi vin < 0 thì vo < 0 ⇒ D1 tắt ⇒ vout = 0

Khi vin > 0 thì vo > 0 ⇒ D1 mở ⇒ vout = vo

Mặt khác : inout

N vvv ==2

⇒ vout = 2 vin

17

1.4.2.2 Mạh chỉnh lưu toàn sóng dùng sơ đồ cầu: (chỉnh lưu giá trị trung bình số học)

Khi vin > 0 ⇒1R

vi inin = chạy qua R1, diode D1, điện trở tải (dụng cụ đo), diode D3

rồi đến đầu ra bộ KĐTT và về đất. Khi vin < 0 ( iin chạy từ đầu ra bộ KĐTT, qua D2, qua dụng cụ đo, qua diode D4,

qua R1 rồi trở về đầu vào. Do đó dòng điện qua dụng cụ đo bằng:

1R

vi inin =

vin

D3D4

R1

D2D1

vout

Hình 1.25. Mạch chỉnh lưu toàn song dung sơ đồ cầu

vout = vt (trên cơ cấu đo) = vin (lấy N làm mốc). 1.4.2.3 Mạch chỉnh lưu giá trị hiệu dụng

Khi mắc thêm vào cửa đảo mạch nối tiếp R2, C2 thì ta có một mạch chỉnh lưu giá trị hiệu dụng.

C2 R2

D1

D4

Vin

Vout

D3

R1

Hình 1.26. Mạch chỉnh lưu giá trị hiệu dụng

D2

18

Ta đã biết: ∫=T

dttIT

I0

Sh sin1 ω

π

ω IdttTII

T

2sin2 2

0Sh == ∫

== ∫T

hd dttIT

I0

2)sin(1 ω 2

2/1 ITT

I =

⇒ so với trị trung bình số học thì trị hiệu dụng lớn gấp 22

π lần.

ShShhd III2222

1 ππ==

Lúc đó điện áp một chiều thì R2, C2 không có tác dụng. Lúc đó điện áp xoay chiều thì R2, C2 tham gia vào điện trở R1 dưới dạng R1 // R2.

Để đồng hồ chỉ giá trị hiệu dụng thì ta phải có :

12121

21

222222 RRR

RRRR

−=⇒=

+ ππ

Tụ C2 phải chọn sao cho trở kháng của nó đối với thành phần xoay chiều không đáng kể, nếu không hạ áp trên nó sẽ gây ra sai số đo.

Giả thiết sai số đo cho phép là 1% ứng với tần số vào thấp nhất fmin bằng cách tính toán trở kháng Z của R1 // (R2 + 1/j(C2) ta có thể tìm được giá trị C2.

C2 = 1min2

32,0Rfπ

1.4.2.4 Mạch chỉnh lưu giá trị đỉnh

iC

vC

A1 A2 K

D

C

vin vout

v

t

vout

vin

Hình 1.27. Mạch chỉnh lưu giá trị đỉnh và dạng sóng ra

19

Khi vin > 0 và vin > vc thì diode thông và dòng ra của bộ KĐTT A1 nạp điện cho

tụ C cho tới khi bằng điện áp cực đại của tín hiệu vào (điện áp đỉnh): vc ≈ Vinmax. Nếu sau đó vin giảm thì D ngắt, tụ C phóng điện qua điện trở ngược của diode và

tạo dòng tải it. Nếu điện trở ngược của diode và điện trở vào A1 lớn ⇒ điện áp trên tụ C là điện áp đỉnh có giá trị ổn định.

Nếu đổi chiều diode D thì điện áp trên tụ C là điện áp đỉnh âm A2 là mạch lặp điện áp làm tầng đệm để tăng trở kháng tải cho mạch chỉnh lưu.

Khóa K tạo đường xã cho tụ khi cần đo giá trị mới. 1.4.2.5 Mạch so sánh tương tự

Mạch so sánh tương tự có nhiệm vụ so sánh một điện áp vào vin với một điện áp chuẩn Vch. Tín hiệu vào dạng tương tự sẽ được biến thành tín hiệu ra dưới dạng mã nhị phân. Nghĩa là đầu ra hoặc ở mức thấp (L) hoặc ở mức cao (H). Nó là mạch ghép nối giữa ANALOG và DIGITAL.

Đặc điểm: Phân biệt giữa bộ KĐTT thông thường với bộ so sánh chuyên dụng (mà thực chất cũng là một bộ KĐTT).

- Bộ so sánh có tốc độ đáp ứng cao hơn để thời gian xác lập và phục hồi nhỏ.

- Là KĐTT làm việc ở trạng thái bão hòa nên mức ra thấp (L) và mức ra cao (H) của nó là mức dương và mức âm của nguồn. Các mức này phải tương ứng với mức logic.

VRL

vP - vN

VRH

vin

vout

vP

vout

vN

Hình 1.28. Mạch so sánh và đặc tuyến vào ra 1.4.2.5.1 Đặc tuyến truyền đạt tĩnh của bộ so sánh

vP - vN > 0 ⇒ vout = vRH : điện áp ra ứng với mức cao.

vP - vN < 0 ⇒ vout = vRL : điện áp ra ứng với mức thấp.

1.4.2.5.2 Đặc tuyến truyền đạt thực

20

vout

vout

voutCHƯA BÙ LỆCH

KHÔNG

CÓ BÙ LỆCH

KHÔNG

v0

∆v

vP - vN

Hình 1.29. Đặc tuyến truyền đạt thực

∆v: đặc trưng cho bộ nhạy của bộ so sánh vo: điện áp lệch không. 1.4.2.5.3 Đặc tính động của bộ so sánh

vin = vP - vN

1 t

vin = 20mV

tc

vin = 1mV

vout

t Hình 1.30. Đặc tính động của bộ so sánh tc ≈ 10ns : gọi là thời gian chết. Sườn dốc của đặc tuyến ra tỷ lệ thuận với biên độ vin. Bộ so sánh yêu cầu phải có độ nhạy cao : đáp ứng nhanh. tc nhỏ và phải có độ dốc lớn : vùng khuếch đại bé.

1.4.2.5.4 Bộ so sánh không có trễ

Vo

+

R2

R1 vin

V

Vch

vin vout Vch vout

21

Hình a) vin = vch + Vo

Hình 1.31. Bộ so sánh không trễ (a) (b)

Hình b) Nochoin I

RVV

RVv

=−

+−

21

12

1

2

1 1 RIRRVV

RRv Nochin +⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++−=⇒

12

1

2

1 1 RIRRVV

RRv Nochin +⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++−=⇒