Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử - Chương 1: Các mạch tính toán, điều khiển và tạo hàm dùng khuếch đại thuật toán

g điện qua diode và điện áp đặt lên diode có quan hệ : 
 ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛=
T
D
oD 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
in
T
o
D
TDout RI
vv
I
ivvv lnln −=−=−≅ 
R
voutvin
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
v
V
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
v
v
e >> 0 ⇔ 1>>T
BE
v
v
e 
Ta có: )( T
BE
v
V
EbhNC eIAi = 
Mà vout =-vBE; vin=RiC 
 ⇒ 
RIA
vv
IA
ivv
EbhN
in
T
EbhN
C
Tout 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
D
vin vout
 Hình 1.13.a. Sơ đồ mạch khuếch đại đối Loga dùng Diode 
 T
D
V
V
oDout eRIRIv −=−= 
 Vì: vD = vin nên T
in
V
V
oout eRIv −= 
 12
Hình 1.13.b. Sơ đồ mạch khuếch đại đối Loga dùng Transitor 
voutvin
R 
 T
in
T
BE
V
V
EbhN
V
V
EbhNC eIAeIAi
−
== 
 ( Do vBE = -vin) 
 ⇒ T
in
V
V
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/K22) 
vy
vZ = K3vxvy/K22K1ln(vxvy/K22) 
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
Kv
v 
b. Mạch chia đảo 
PTCB dòng tại N : 
x
z
y
zx
Kv
vv
R
v
R
v.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
v
vlnK
K
vlnK
K
vlnK 1
2
1
2
1 =− 
 vY =
x
z
x
zv
vln
v
vK
v
vKeK 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 
R
R 
Kvx2
vx= vy 
vZ 
 vP = 0; 0
2
=+
R
Kv
R
v xZ 
Hình 1.19.a. Mạch khai căn đảo
Do : vP = vN = 0 ⇒ 022
2
=+ xZ Kvv 
 ⇒ 
K
vvvv ZoutYX
−=== 222 
 ⇒ ( )Zout vKv −=
1 với vZ < 0 
 15
 R 
K
Kvx2
vZ 
Hìn nh 1.19.b. mạch khai căn thuậ
vx = vy 
Ta có: vZ = vN
 Mà 222 outYXN KvKvKvv ===
K
vvvKv ZoutNout =⇒=⇒ 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
A
v 
 ⇒ điện áp ngưỡng: 
OL
ng'
ng A
v
v = 
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 : inoutN v
vv ==
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
v
i 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 dttITI 0Sh sin
1 ω 
 πω
Idtt
T
II
T
2sin2
2
0
Sh == ∫ 
 == ∫Thd dttITI 0
2)sin(1 ω 
2
2/1 IT
T
I = 
⇒ so với trị trung bình số học thì trị hiệu dụng lớn gấp 
22
π lần. 
 ShShhd III 2222
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 : 
 121
21
21
22
2222 RRR
RR
RR
−=⇒=+ 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
32,0
Rfπ 
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
vout
CHƯA 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 IR
VV
R
Vv =−+−
21
 1
2
1
2
1 1 RI
R
RVV
R
Rv Nochin +⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ ++−=⇒ 
 1
2
1
2
1 1 RI
R
RVV
R
Rv Nochin +⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ ++−=⇒