Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 2: Mạch chức năng trong kĩ thuật viễn thông

Nội dung text: Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 2: Mạch chức năng trong kĩ thuật viễn thông

1. Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin KHOA MẠNG & TRUYỀN THÔNG BÀI GIẢNG NHẬP MÔN ĐIỆN TỬ THÁNG 9/2012 1
2. Chương 2: Mạch chức năng trong kỹ thuật viễn thông 1. Các mạch chứa phần tử phi tuyến 2. Mạch nhân tương tự 3. Mạch điện tử logarit 4. Mạch tạo dao động 2
3. 1. Các mạch chứa phần tử phi tuyến  Mạch điện tử có chứa các phần tử phi tuyến (có trị số thay đổi theo thời gian) như: nhiệt điện trở thermistor, điện trở phi tuyến varistor, điốt điện tử, điốt bán dẫn  Điện trở phi tuyến:  Điện dung phi tuyến:  Cuộn dây phi tuyến: 3
4. Đặc tính mạch phi tuyến  Đặc tuyến Vôn-Ampe là đường phi tuyến.  Kh«ng thÓ ¸p dông nguyªn lý xÕp chång cho m¹ch phi tuyÕn.  HÖ ph¬ng tr×nh ®Æc trng cho m¹ch ®iÖn phi tuyÕn lµ mét hÖ ph¬ng tr×nh vi ph©n phi tuyÕn, tøc lµ hÖ cã hÖ sè phô thuéc vµo biÕn sè.  M¹ch ®iÖn phi tuyÕn cã kh¶ n¨ng lµm giµu phæ cña tÝn hiÖu, tạo tần số.  Các định luật Kirchhoff vẫn đúng cho mạch phi tuyến một chiều và xoay chiều. 4
5. Các phương pháp giải các bài toán về mạch phi tuyến 1. Phương pháp đồ thị 2. Phương pháp số 5
6. Các phương pháp giải các bài toán về mạch phi tuyến 1. Phương pháp đồ thị: từ các đặc tuyến của các phân tử ta vẽ đặc tuyến chung của mạch sau đó xác định điểm làm việc của mạch theo các điều kiện của bài toán. Mạch ghép các phần tử song song Mạch ghép các phần tử nối tiếp  Nhược điểm: tính chính xác không cao, giải bằng đồ thị trở nên khó khăn và kém chính xác, sai số lớn. 6
7. 2. Phương pháp số: đưa bài toán về dạng đại số và giải phương trình đại số a) Phương pháp lặp cơ bản ◦ Cơ sở toán học: xét phương trình g(x) = 0 (1) ◦ Ta đưa phương trình về dạng x = f(x) (2) sao cho f(x) là hàm có tập xác định là R ◦ Chọn x0 là một nghiệm gần đúng của (1) ◦ Ta có x1 = f(x0); x2 = f(x1); x3 = f(x2), , xn+1 = f(xn) ◦ Ta lặp đi lặp lại đến khi xn+1 = xn = x (*) thì x là nghiệm của (1) ◦ Chứng minh: dễ dàng thấy rằng khi xảy ra điều kiện (*) thì x thỏa (2) do đó x là nghiệm của (1) 7
8. b) Phương pháp lặp Newton  Cơ sở toán học: xét phương trình g(x) = 0.  Chọn nghiệm ban đầu tương đối gần đúng là x0  Ta có: nghiệm gần đúng bậc 1 là:  Nghiệm gần đúng bậc n là:  Phép lặp càng lớn thì hiệu xn+1 – xn càng nhỏ, do đó biểu thức tổng quát của đạo hàm càng đúng cho δx càng nhỏ. 8
9. Một số bài toán về mạch phi tuyến:  Bài 1: Cho VA > VB, với A1 và A2 là 2 ampe kế lí tưởng lần lượt chỉ IA1 = 30mA và IA2 = 5mA. R1 = 1 kΏ ;R2 = 2 kΏ ; R3 = 3 kΏ; R4 = 4kΏ. X là một phần tử phi tuyến. Tính UAB và công xuất trên X ? a/ Nếu X là một varistor có đặc trưng vôn – ampe là i = ku2 . K đo bằng mA/V2 b/ Nếu X là một đèn điện tử đóng – mở. Nếu VD > VB thì đèn cho dòng chạy qua với I5 < 5mA không đổi và từ D đến B còn nếu ngược lại thì không có dòng điện qua X. 9
10. Giải: a/ Phương trình điện thế nút sau: 10
11.  Nếu: u4=20 Nếu: u4=-20 Tuy nhiên khi u5 > 0 mà i5 < 0 thì vô lý đối với varistor Vậy ta có kết quả sau: UAB = 55V và Px = 108.33W 11
12. b/ Giả sử VD>VB: Vậy VD ≤ VB và khi đó thì UAB VB Do đó điều kiện đề bài không phù hợp với thực tế. 12
13. Bài 2: Cho mạch điện như hình vẽ, với R1=1k; R2=2k; R3=3k;R4=4k. Q là một đèn quang điện có anôt nối với điểm C, catôt nối với điểm D. Nếu điện thế anôt cao hơn điện thế catôt thì đèn mở i0 = 10 mA đi qua, ngược lại thì đèn đóng, không có dòng đi qua. Hiệu điện thế đặt giữa A,B là UAB = 100 V. 1. a. Đèn Q đóng hay mở ? b. Tính hiệu điện thế giữa 2 cực của đèn ? 2. Giữ nguyên các điện trở và hiệu điện thế giữa A và B nhưng thay đèn Q bằng một Diode K chỉ cho dòng đi qua theo chiều từ C đến D. Diode có đường đặc trưng Vôn-Ampe theo hình vẽ. a. Nêu các đặc điểm của diode về mặt dẫn điện. b. Nếu diode mở, tính dòng qua diode. 13
14. Giải: 1) a) Giả sử bóng đèn đóng, khi đó mạch điện cho điện trở tương đương là R = 2,4 kΏ Khi đó UCB = 75 V và UDB = 33,3 V => VC > VB nên đèn mở. Vậy đèn điện tử mở. b) Đèn mở. Ta xét mạch ACB có: i1R1 + i3R3 =UAB hay i1 + 3(i1 – 10) = 100 hay i1 = 32,5mA, i3 = 22,5 mA Tương tự với mạch ADB. Ta cũng được: i4 = 13,3mA và i2 = 23,3 mA, UCD = 20,9 V 2) a) Nếu UCD > 20 V thì Diode mở và có điện trở là 1kΏ còn khi UCD < 20 V thì Diode đóng và xem như có điện trở vô cùng lớn. 14
15. b) Tương tự như câu 1 ta có: Dòng qua Diode là i1 – i3 = 7 mA và UCD = 27,2 V >20V 15
16. Bài 3: Trong mạch cầu hình có các điện trở R1= 2 Ώ; 2 R2=4 Ώ; R3= 1 Ώ; X là một varistor có i=kU . a. Vẽ đường đặc tuyến Vôn-Ampe U= f(i) của varistor. Gọi là điện trở tức thời của varistor. Có thể nói gì về điện trở này khi i biến thiên từ 0 đến +∞. b. Biết k= 0,25 (A/V2). Người ta điều chỉnh hiệu điện thế U0= UAD để cầu cân bằng. Tính công suất điện P tiêu thụ trên varistor ? Tính các dòng i1, i2 qua 2 nhánh và hiện điện thế U ? 16
17. Giải: a/ Ta có i=kU2 , Khi i biến thiên từ 0→+∞ thì R biến thiên từ +∞ →0. b/ Khi cầu cân bằng thì ta có: Từ đó rút ra được i1 = 0.5A và i2 = 1A và P = 2W 17
18. 2. Mạch nhân tương tự a) Mạch khuếch đại thuật toán: b) Các mạch khuếch đại thuật toán: ◦ Mạch cộng ◦ Mạch vi phân ◦ Mạch tích phân ◦ Mạch nhân tương tự 18
19. Mạch khuếch đại thuật toán: Các vi mạch khuếch đại thuật toán bao gồm ba phần: 1. Khuếch đại vi sai: Dùng khuếch đại tín hiệu vào, có đặc điểm là khuếch đại nhiễu thấp, trở kháng vào cao, thường đầu ra vi sai. 2. Khuếch đại điện áp: Tạo ra hệ số khuếch đại điện áp cao, thường đầu ra đơn cực. 3. Khuếch đại đầu ra: Dùng với tín hiệu ra, cho phép khả năng tải dòng lớn, trở kháng ra thấp, có các mạch chống ngắn mạch và hạn chế dòng điện. 19
20. Mạch khuếch đại vi sai (mạch trừ) •Tổng trở vi sai Zin (giữa 2 chân đầu vào) = R1 + R2 •Hệ số khuếch đại vi sai: Nếu R1 = R2 và Rf = Rg, Vout = A(V2 − V1) và A = Rf / R1 20
21. Mạch khuếch đại đảo - Theo sơ đồ mạch ta có: vo = -A vi - Theo định luật Kirchhoff dòng ở ngõ vào đảo: i1= if + i - Tuy nhiên, khuếch đại lý tưởng có trở kháng ngõ vào , i = 0. Vậy: i1= if - - - - (vin – vi )/ R1 = (vi - vo)/Rf hay vin/R1 – vi /R1 = vi /Rf - vo/Rf - Nếu (lý tưởng) |A| = thì –vo/A = 0. Và do đó , vi = 0 thì: vin/R1 = -vo/Rf hay v0/ vin=Rf/R1 6 (v0/ vin :độ lợi vòng kín, đạt khoảng 10; trong khi A: độ lợi vòng hở đạt 10 ) 21
22. Ví dụ: Cho mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng như hình vẽ, hãy tính: 1. Giá trị hiệu dụng (rms) của vo với vin = 1.5Vrms 2. Giá trị hiệu dụng của dòng điện qua điện trở 25kΩ khi vin=1.5Vrms, và 3. Điện áp ngõ ra khi vin = -0.6V dc 22
23. Giải: 1. Từ phương trình : (rms: root mean square) Vậy: 2. Do (đất ảo), nên dòng qua điện trở 25k là: 3. Chú ý rằng áp ngõ ra dương khi áp ngõ vào dương, và ngược lại. 23
24. Mạch khuếch đại không đảo - - vi /R1 = (vo – vi )/ Rf Cho A= , vo/A tiến về 0, ta có: Do = Bộ khuếch đại đảo và không đảo được sử dụng trong ứng dụng nhân điện áp 24
25. Mạch khuếch đại theo áp  Với Rf = 0 và R1 = , vì vậy, độ lợi vòng kín là vo/vin = 1 + Rf/R1 = 1. Đây là trường hợp đặc biệt của mạch khuếch đại không đảo, mạch không khuếch đại áp, chỉ khuếch đại dòng: với v0 = vin 25
26. Mạch cộng đảo Áp dụng quy tắc dòng điện nút cho n ta có: 26
27. Mạch vi phân Ta có : trong đó K = RhtC = τ gọi là hằng số vi phân của mạch. Dấu (-) nói lên Vout ngược pha với Vin. Giả thiết: vin = vin sinωt ⇒ vout = -RhtCωvincosωt = -voutcosωt Hệ số khuếch đại của mạch K’ == -vout/vin=ωRhtC 27
28. Mạch tích phân Phương trình dòng điện nút tại N: i1+ ic = 0 hay ⇒ Điện áp ra tỷ lệ với tích phân điện áp vào. Thường chọn hằng số thời gian τ = RC = 1s vout (t = 0) là điều kiện đầu không phụ thuộc vào điện áp vào vin. 28
29. Mạch nhân tương tự ❖ Z = k.X.Y. Trong đó: X, Y - các tín hiệu vào. Z - tín hiệu ra k - hệ số tỷ lệ còn gọi là hệ số truyền đạt của mạch nhân. ❖Mạch nhân điện áp lý tưởng có trở kháng vào hai cửa ZVX, ZVY=∞ và trở kháng ra Zr= 0. ❖Hệ số truyền đạt lý tưởng không phụ thuộc vào tần số và trị số các điện áp vào UX, UY nghĩa là k là một hằng số. 29
30. Mạch nhân điện áp và mạch nhân tương đương ❖ Mạch nhân điện áp lý tưởng có trở kháng vào hai cửa ZVX, ZVY = ∞ và trở kháng ra Zra = 0. ❖ Hệ số truyền đạt lý tưởng không phụ thuộc vào tần số và trị số các điện áp vào UX, UY ,ie, k=const. 30
31. 3. Mạch điện tử logarit Mạch nhân thực hiện bởi mạch khuếch đại lôga: dùng diod và dùng transitor nối kiểu diod Điện áp đầu ra: UR = α1.ln(α2.UV) ta dùng: Trong đó: IS là dòng điện ngược bão hoà. UT là điện thế nhiệt KT/e0. m là hệ số hiệu chỉnh. 1 < m < 2. Uak là điện áp đặt lên điốt. 31
32. Với ID >> IS , ta có: Ta được hàm logarit: Với vi mạch là lý tưởng, => Hàm logarit: Trường hợp, thay diod bằng transitor, ta được hàm logarit: 32
33. 5. Mạch tạo dao động Có 2 dạng: + Mạch tạo dao động điều hòa (dao động hình sin) + Mạch tạo xung ( xung vuông, răng cưa, ) Hệ số khuếch đại K=Ura/Uv Hệ số hồi tiếp (dương) β=Uht/Ura * Điều kiện dao động là sử dụng bộ hồi tiếp dương. *Điều kiện cân bằng biên độ và dao động là: K. β 1 *Điều kiện cân bằng pha: φ = φk + φβ = 2π.n φk:góc lệch pha bộ khuếch đại φ β : góc lệch pha bộ hồi tiếp 33
34. a. Mạch tạo dao động hình sin: - Mạch tạo dao động sin ghép biến áp. - Mạch tạo sin ba điểm: Ba điểm điện dung Colpitts, Clapp; ba điểm điện cảm Hartley. - Mạch tạo dao động sin dùng RC trong khâu hồi tiếp và mạch cầu Viên (Wiew). b. Mạch tạo xung: - Trigơ Schmit. - Mạch đa hài dùng tranzito, dùng IC khuếch đại thuật toán. - Các mạch đa hài đợi (thực chất là tạo xung vuông từ các xung nhọn). + Mạch tạo xung răng cưa dùng RC đơn giản. + Mạch tạo xung răng cưa dùng nguồn dòng. + Mạch tạo xung răng cưa có thêm tầng khuếch đại có hồi tiếp. Tần số dao động của các mạch tạo xung vuông và xung răng cưa được tính theo thời gian phóng và nạp của tụ điện, tức là nó phụ thuộc vào giá trị điện dung của tụ điện và giá trị của điện trở phóng nạp. 34
35. Mạch tạo dao động sin ghép biến áp. Mạch tạo dao động sin ghép biến áp có mạch hồi tiếp ghép qua biến áp có điện trở R1, R2 là bộ phân áp R3,C3 là mạch ổn định nhiệt L1, C1 là khung dao động, L2 là cuộn ghép lấy điện áp Uht, C2 tụ thoát, C4 là tụ lấy tín hiệu ra Tần số dao động: Điều kiện cân bằng pha cần đấu cuộn L1, L2 có cực cùng tên chéo nhau. 35
36. Mạch tạo sin ba điểm điện cảm Tần số dao động: 36
37. Mạch tạo sin ba điểm điện dung Tần số dao động: 37
38. Mạch tạo dao động sin dùng RC trong khâu hồi tiếp Mạch cầu Viên (Wiew) ❖Taàn soá dao ñoäng: =1/RC ❖Ñieàu kieän dao ñoäng veà bieân ñoä: K. β 1 mà β=1/3 nên K=3 ❖Mặt khác K=1+ R1/R2 =3 nên R1=2R2 38
39. Mạch trigơ Smít (mạch sử xung) - Để tạo xung vuông từ điện áp hình sin ở đầu vào. Xét mạch gồm IC KĐTT hoạt động ở chế độ so sánh. - Xét mạch trigơ Smit đảo, tín hiệu điện áp hình sin đưa vào cửa đảo, còn điện áp hồi tiếp dương đưa về cửa thuận Khi điện áp vào vượt qua ngưỡng điện áp đặt trên cửa thuận của IC thì điện áp đầu ra lật sang trạng thái bão hòa ngược lại lúc trước đó. Và cứ luân phiên như thế đầu ra sẽ có dạng điện áp xung vuông. 39
40. Mạch đa hài dùng IC khuếch đại thuật toán - Khi UC > U1(+) thì đầu ra đột biến -Umax, mạch chuyển sang bão hoà âm. -Khi UC < U1(-) thì đầu ra đột biến từ -Umax về +Umax, mạch chuyển sang bão hoà dương ban đầu. - Tiếp tục tạo ra xung vuông. 40
41. Mạch tạo xung răng cưa dùng RC đơn giản Các mạch tạo xung răng cưa đều dựa theo một trong ba nguyên lý cơ bản sau: - 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. C nạp C nạp C phóng 41
42. Mạch tạo xung răng cưa dùng nguồn dòng như nguồn dòng C nạp C phóng IE2, IC2 ổn định: : tăng tuyến tính theo thời gian 42