Khái niệm cơ bản về mạch tích hợp

An electronic circuit là một nhóm các thành phần điện tử được kết nối với một mục đích cụ thể.

Một mạch điện tử đơn giản có thể được thiết kế dễ dàng vì nó yêu cầu ít linh kiện và kết nối điện tử rời rạc. Tuy nhiên, việc thiết kế một mạch điện tử phức tạp là rất khó, vì nó đòi hỏi nhiều linh kiện điện tử rời rạc và kết nối của chúng hơn. Cũng cần thời gian để xây dựng các mạch phức tạp như vậy và độ tin cậy của chúng cũng kém hơn. Những khó khăn này có thể được khắc phục với Mạch tích hợp.

Mạch tích hợp (IC)

Nếu nhiều thành phần điện tử được kết nối với nhau trên một chip đơn bằng vật liệu bán dẫn, thì chip đó được gọi là Integrated Circuit (IC). Nó bao gồm cả thành phần chủ động và bị động.

Chương này thảo luận về các ưu điểm và các loại IC.

Ưu điểm của mạch tích hợp

Mạch tích hợp mang lại nhiều lợi thế. Chúng được thảo luận dưới đây -

  • Compact size - Đối với một chức năng nhất định, bạn có thể có được một mạch có kích thước nhỏ hơn bằng cách sử dụng IC, so với mạch được xây dựng bằng mạch rời.

  • Lesser weight- Một mạch được chế tạo bằng IC có trọng lượng nhẹ hơn khi so sánh với trọng lượng của một mạch rời được sử dụng để thực hiện cùng một chức năng của IC. sử dụng IC, so với IC được xây dựng bằng mạch rời.

  • Low power consumption - IC tiêu thụ điện năng thấp hơn so với mạch truyền thống do kích thước và cấu tạo nhỏ hơn.

  • Reduced cost - IC có sẵn với chi phí thấp hơn nhiều so với mạch rời do công nghệ chế tạo và sử dụng vật liệu ít hơn so với mạch rời.

  • Increased reliability - Vì chúng sử dụng ít kết nối hơn, IC cung cấp độ tin cậy cao hơn so với mạch kỹ thuật số.

  • Improved operating speeds - IC hoạt động với tốc độ được cải thiện vì tốc độ chuyển mạch của chúng và tiêu thụ ít điện năng hơn.

Các loại mạch tích hợp

Mạch tích hợp có hai loại − Analog Integrated Circuits and Digital Integrated Circuits.

Mạch tích hợp tương tự

Các mạch tích hợp hoạt động trên toàn bộ dải giá trị liên tục của biên độ tín hiệu được gọi là Analog Integrated Circuits. Chúng được phân loại thêm thành hai loại như đã thảo luận ở đây -

  • Linear Integrated Circuits- Một IC tương tự được cho là tuyến tính, nếu tồn tại mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp và dòng điện của nó. IC 741, một op-amp Gói Nội tuyến (DIP) 8 chân, là một ví dụ về IC tuyến tính.

  • Radio Frequency Integrated Circuits- Một IC tương tự được cho là không tuyến tính, nếu tồn tại một mối quan hệ phi tuyến tính giữa điện áp và dòng điện của nó. IC không tuyến tính còn được gọi là IC tần số vô tuyến.

Mạch tích hợp kỹ thuật số

Nếu các mạch tích hợp chỉ hoạt động ở một vài mức được xác định trước thay vì hoạt động trong toàn bộ dải giá trị liên tục của biên độ tín hiệu, thì chúng được gọi là Digital Integrated Circuits.

Trong các chương tới, chúng ta sẽ thảo luận về các Mạch tích hợp tuyến tính khác nhau và các ứng dụng của chúng.

Bộ khuếch đại hoạt động, còn được gọi là Op-Amp, là một mạch tích hợp, có thể được sử dụng để thực hiện các phép toán tuyến tính, phi tuyến tính và toán học khác nhau. Op-amp là mộtdirect coupled high gain amplifier. Bạn có thể vận hành op-amp cả với tín hiệu AC và DC. Chương này thảo luận về các đặc điểm và loại op-amps.

Xây dựng bộ khuếch đại hoạt động

Một op-amp bao gồm (các) bộ khuếch đại vi sai, một bộ dịch mức và một tầng đầu ra. Một bộ khuếch đại vi sai có mặt ở giai đoạn đầu vào của op-amp và do đó op-amp bao gồmtwo input terminals. Một trong những thiết bị đầu cuối đó được gọi làinverting terminal và cái còn lại được gọi là non-inverting terminal. Các thiết bị đầu cuối được đặt tên dựa trên mối quan hệ pha giữa đầu vào và đầu ra tương ứng của chúng.

Đặc điểm của bộ khuếch đại hoạt động

Các đặc tính hoặc thông số quan trọng của bộ khuếch đại hoạt động như sau:

  • Tăng điện áp vòng hở
  • Điện áp bù đầu ra
  • Tỷ lệ từ chối chế độ chung
  • Tốc độ quay

Phần này thảo luận chi tiết về những đặc điểm này như được đưa ra dưới đây:

Tăng điện áp vòng hở

Độ lợi điện áp vòng hở của op-amp là độ lợi vi sai của nó mà không có bất kỳ đường phản hồi nào.

Về mặt toán học, độ lợi điện áp vòng hở của một op-amp được biểu diễn dưới dạng:

$$A_{v}= \frac{v_0}{v_1-v_2}$$

Điện áp bù đầu ra

Điện áp hiện tại ở đầu ra của một op-amp khi điện áp đầu vào vi sai của nó bằng 0 được gọi là output offset voltage.

Tỷ lệ từ chối chế độ chung

Tỷ lệ từ chối chế độ chung (CMRR) của op-amp được định nghĩa là tỷ số của độ lợi vi sai vòng kín, $A_{d}$ và mức tăng chế độ chung, $A_{c}$.

Về mặt toán học, CMRR có thể được biểu diễn dưới dạng:

$$CMRR=\frac{A_{d}}{A_{c}}$$

Lưu ý rằng mức tăng chế độ chung, $A_{c}$ của op-amp là tỷ số giữa điện áp đầu ra chế độ chung và điện áp đầu vào chế độ chung.

Tốc độ quay

Tốc độ quay của op-amp được định nghĩa là tốc độ thay đổi tối đa của điện áp đầu ra do điện áp đầu vào bước.

Về mặt toán học, tốc độ quay vòng (SR) có thể được biểu diễn dưới dạng:

$$SR=Maximum\:of\:\frac{\text{d}V_{0}}{\text{d}t}$$

Ở đâu, $V_{0}$là điện áp đầu ra. Nói chung, tỷ lệ quay vòng được đo bằng một trong hai$V/\mu\:Sec$ hoặc là $V/m\:Sec$.

Các loại bộ khuếch đại hoạt động

Một op-amp được biểu thị bằng biểu tượng tam giác có hai đầu vào và một đầu ra.

Op-amps có hai loại: Ideal Op-AmpPractical Op-Amp.

Chúng được thảo luận chi tiết như dưới đây -

Op-Amp lý tưởng

Một op-amp lý tưởng chỉ tồn tại trên lý thuyết và không tồn tại trên thực tế. Cácequivalent circuit của một op-amp lý tưởng được hiển thị trong hình bên dưới:

An ideal op-amp thể hiện các đặc điểm sau:

  • Trở kháng đầu vào $Z_{i}=\infty\Omega$

  • Trở kháng đầu ra $Z_{0}=0\Omega$

  • Mở gaine điện áp vòng lặp $A_{v}=\infty$

  • Nếu (sự khác biệt) điện áp đầu vào $V_{i}=0V$, khi đó điện áp đầu ra sẽ là $V_{0}=0V$

  • Băng thông là infinity. Nó có nghĩa là, một op-amp lý tưởng sẽ khuếch đại tín hiệu của bất kỳ tần số nào mà không có bất kỳ sự suy giảm nào.

  • Tỷ lệ từ chối chế độ chung (CMRR)infinity.

  • Tốc độ quay (SR)infinity. Nó có nghĩa là, op-amp lý tưởng sẽ tạo ra sự thay đổi đầu ra ngay lập tức để đáp ứng với điện áp bước đầu vào.

Op-Amp thực tế

Trên thực tế, op-amps không lý tưởng và lệch khỏi các đặc tính lý tưởng của chúng vì một số điểm không hoàn hảo trong quá trình sản xuất. Cácequivalent circuit của một op-amp thực tế được hiển thị trong hình sau:

A practical op-amp thể hiện các đặc điểm sau:

  • Trở kháng đầu vào, $Z_{i}$ theo thứ tự Mega ohms.

  • Trở kháng đầu ra, $Z_{0}$ theo thứ tự few ohms..

  • Tăng điện áp vòng hở, $A_{v}$ sẽ là high.

Khi bạn chọn một op-amp thực tế, bạn nên kiểm tra xem nó có đáp ứng các điều kiện sau không -

  • Trở kháng đầu vào, $Z_{i}$ nên càng cao càng tốt.

  • Trở kháng đầu ra, $Z_{0}$ nên càng thấp càng tốt.

  • Tăng điện áp vòng hở, $A_{v}$ nên càng cao càng tốt.

  • Điện áp bù đầu ra phải càng thấp càng tốt.

  • Băng thông hoạt động phải càng cao càng tốt.

  • CMRR phải càng cao càng tốt.

  • Tỷ lệ quay vòng phải càng cao càng tốt.

Note - IC 741 op-amp là op-amp phổ biến và thiết thực nhất.

Một mạch được cho là linear, nếu tồn tại một mối quan hệ tuyến tính giữa đầu vào và đầu ra của nó. Tương tự, một mạch được cho lànon-linear, nếu tồn tại mối quan hệ phi tuyến tính giữa đầu vào và đầu ra của nó.

Op-amps có thể được sử dụng trong cả ứng dụng tuyến tính và phi tuyến tính. Sau đây là các ứng dụng cơ bản của op-amp -

  • Bộ khuếch đại đảo
  • Bộ khuếch đại không đảo
  • Người theo dõi điện áp

Chương này thảo luận chi tiết về các ứng dụng cơ bản này.

Bộ khuếch đại đảo

Một bộ khuếch đại đảo ngược lấy đầu vào thông qua thiết bị đầu cuối đảo của nó thông qua một điện trở $R_{1}$và tạo ra phiên bản khuếch đại của nó làm đầu ra. Bộ khuếch đại này không chỉ khuếch đại đầu vào mà còn đảo ngược nó (thay đổi dấu hiệu của nó).

Các circuit diagram của một bộ khuếch đại đảo được thể hiện trong hình sau:

Lưu ý rằng đối với op-amp, điện áp tại cực đầu vào đảo ngược bằng điện áp tại cực đầu vào không đảo của nó. Về mặt vật lý, không có khoảng cách giữa hai thiết bị đầu cuối đó nhưngvirtually, họ đang ở trong short với nhau.

Trong mạch hiển thị ở trên, đầu cuối đầu vào không đảo ngược được kết nối với đất. Điều đó có nghĩa là 0 vôn được áp dụng tại đầu cuối đầu vào không đảo ngược của op-amp.

Theo virtual short concept, điện áp tại cực đầu vào đảo ngược của op-amp sẽ là 0 vôn.

Các nodal equation tại nút của thiết bị đầu cuối này như được hiển thị bên dưới:

$$\frac{0-V_i}{R_1}+ \frac{0-V_0}{R_f}=0$$

$$=>\frac{-V_i}{R_1}= \frac{V_0}{R_f}$$

$$=>V_{0}=\left(\frac{-R_f}{R_1}\right)V_{t}$$

$$=>\frac{V_0}{V_i}= \frac{-R_f}{R_1}$$

Tỷ lệ của điện áp đầu ra $V_{0}$ và điện áp đầu vào $V_{i}$là độ lợi điện áp hoặc độ lợi của bộ khuếch đại. Do đó,gain of inverting amplifier bằng $-\frac{R_f}{R_1}$.

Lưu ý rằng độ lợi của bộ khuếch đại đảo đang có negative sign. Nó chỉ ra rằng tồn tại một độ lệch pha 180 0 giữa đầu vào và đầu ra.

Bộ khuếch đại không đảo

Bộ khuếch đại không đảo ngược lấy đầu vào thông qua thiết bị đầu cuối không đảo và tạo ra phiên bản khuếch đại của nó làm đầu ra. Như tên cho thấy, bộ khuếch đại này chỉ khuếch đại đầu vào, không đảo ngược hoặc thay đổi dấu hiệu của đầu ra.

Các circuit diagram của một bộ khuếch đại không đảo được thể hiện trong hình sau:

Trong mạch trên, điện áp đầu vào $V_{i}$được áp dụng trực tiếp cho đầu cuối đầu vào không đảo ngược của op-amp. Vì vậy, điện áp tại cực đầu vào không nghịch đảo của op-amp sẽ là$V_{i}$.

Bằng cách sử dụng voltage division principle, chúng ta có thể tính toán điện áp tại cực đầu vào đảo ngược của op-amp như hình dưới đây -

$$=>V_{1} = V_{0}\left(\frac{R_1}{R_1+R_f}\right)$$

Theo virtual short concept, điện áp tại cực đầu vào đảo ngược của op-amp giống như điện áp tại cực đầu vào không đảo của nó.

$$=>V_{1} = V_{i}$$

$$=>V_{0}\left(\frac{R_1}{R_1+R_f}\right)=V_{i}$$

$$=>\frac{V_0}{V_i}=\frac{R_1+R_f}{R_1}$$

$$=>\frac{V_0}{V_i}=1+\frac{R_f}{R_1}$$

Bây giờ, tỷ lệ điện áp đầu ra $V_{0}$ và điện áp đầu vào $V_{i}$ hoặc điện áp tăng hoặc gain of the non-inverting amplifier bằng $1+\frac{R_f}{R_1}$.

Lưu ý rằng độ lợi của bộ khuếch đại không đảo đang có positive sign. Nó chỉ ra rằng không có sự lệch pha giữa đầu vào và đầu ra.

Người theo dõi điện áp

A voltage followerlà một mạch điện tử, tạo ra một đầu ra tuân theo điện áp đầu vào. Đó là một trường hợp đặc biệt của bộ khuếch đại không đảo.

Nếu chúng ta xem xét giá trị của điện trở phản hồi, $R_{f}$là 0 ohms và (hoặc) giá trị của điện trở, 1 là ohms vô cực, khi đó bộ khuếch đại không đảo trở thành bộ theo điện áp. Cáccircuit diagram của bộ theo điện áp được thể hiện trong hình sau:

Trong mạch trên, điện áp đầu vào $V_{i}$được áp dụng trực tiếp cho đầu cuối đầu vào không đảo ngược của op-amp. Vì vậy, điện áp tại cực đầu vào không nghịch đảo của op-amp bằng$V_{i}$. Ở đây, đầu ra được kết nối trực tiếp với thiết bị đầu cuối đầu vào đảo ngược của opamp. Do đó, điện áp tại cực đầu vào đảo ngược của op-amp bằng$V_{0}$.

Theo virtual short concept, điện áp tại cực đầu vào đảo ngược của op-amp giống như điện áp tại cực đầu vào không đảo của nó.

$$=>V_{0} = V_{i}$$

Vì vậy, điện áp đầu ra $V_{0}$ của một bộ theo điện áp bằng với điện áp đầu vào của nó $V_{i}$.

Do đó, gain of a voltage follower bằng một vì cả hai điện áp đầu ra $V_{0}$ và điện áp đầu vào $V_{i}$ của người theo dõi điện áp là như nhau.

Trong chương trước, chúng ta đã thảo luận về các ứng dụng cơ bản của op-amp. Lưu ý rằng chúng nằm dưới các hoạt động tuyến tính của op-amp. Trong chương này, chúng ta hãy thảo luận về các mạch số học, cũng là các ứng dụng tuyến tính của op-amp.

Các mạch điện tử, thực hiện các phép tính số học được gọi là arithmetic circuits. Sử dụng op-amps, bạn có thể xây dựng các mạch số học cơ bản nhưadder và một subtractor. Trong chương này, bạn sẽ tìm hiểu chi tiết về từng loại trong số chúng.

Adder

Bộ cộng là một mạch điện tử tạo ra một đầu ra, bằng tổng các đầu vào được áp dụng. Phần này thảo luận về mạch bộ cộng dựa trên op-amp.

Một bộ cộng dựa trên op-amp tạo ra đầu ra bằng tổng điện áp đầu vào được áp dụng tại đầu cuối đảo ngược của nó. Nó cũng được gọi làsumming amplifier, vì đầu ra là đầu ra được khuếch đại.

Các circuit diagram của một bộ cộng dựa trên op-amp được hiển thị trong hình sau:

Trong mạch trên, cực đầu vào không đảo của op-amp được nối với đất. Điều đó có nghĩa là 0 vôn được áp dụng tại thiết bị đầu cuối đầu vào không đảo của nó.

Theo virtual short concept, điện áp tại cực đầu vào đảo ngược của op-amp giống như điện áp tại cực đầu vào không đảo của nó. Vì vậy, điện áp tại cực đầu vào đảo ngược của op-amp sẽ là 0 vôn.

Các nodal equation tại nút của thiết bị đầu cuối đầu vào đảo ngược là

$$\frac{0-V_1}{R_1}+\frac{0-V_2}{R_2}+\frac{0-V_0}{R_f}=0$$

$$=>\frac{V_1}{R_1}-\frac{V_2}{R_2}=\frac{V_0}{R_f}$$

$$=>V_{0}=R_{f}\left(\frac{V_1}{R_1}+\frac{V_2}{R_2}\right)$$

Nếu $R_{f}=R_{1}=R_{2}=R$, sau đó là điện áp đầu ra $V_{0}$ sẽ là -

$$V_{0}=-R{}\left(\frac{V_1}{R}+\frac{V_2}{R}\right)$$

$$=>V_{0}=-(V_{1}+V_{2})$$

Do đó, mạch cộng dựa trên op-amp được thảo luận ở trên sẽ tạo ra tổng của hai điện áp đầu vào $v_{1}$ và $v_{1}$, như là đầu ra, khi tất cả các điện trở hiện diện trong mạch có cùng giá trị. Lưu ý rằng điện áp đầu ra$V_{0}$ của một mạch cộng đang có negative sign, chỉ ra rằng tồn tại độ lệch pha 180 0 giữa đầu vào và đầu ra.

Dấu trừ

Bộ trừ là một mạch điện tử tạo ra một đầu ra, bằng hiệu số của các đầu vào được áp dụng. Phần này thảo luận về mạch trừ dựa trên op-amp.

Một bộ trừ dựa trên op-amp tạo ra đầu ra bằng sự khác biệt của điện áp đầu vào được áp dụng tại các đầu nối đảo ngược và không đảo của nó. Nó cũng được gọi làdifference amplifier, vì đầu ra là đầu ra được khuếch đại.

Các circuit diagram của một bộ trừ dựa trên op-amp được hiển thị trong hình sau:

Bây giờ, chúng ta hãy tìm biểu thức cho điện áp đầu ra $V_{0}$ của mạch trên bằng cách sử dụng superposition theorem bằng các bước sau -

Bước 1

Đầu tiên, chúng ta hãy tính toán điện áp đầu ra $V_{01}$ bằng cách chỉ xem xét $V_{1}$.

Đối với điều này, loại bỏ $V_{2}$bằng cách làm cho nó ngắn mạch. Sau đó, chúng tôi có đượcmodified circuit diagram như trong hình sau:

Bây giờ, sử dụng voltage division principle, tính toán điện áp tại cực đầu vào không đảo của op-amp.

$$=>V_{p}=V_{1}\left(\frac{R_3}{R_2+R_3}\right)$$

Bây giờ, mạch trên trông giống như một bộ khuếch đại không đảo có điện áp đầu vào $V_{p}$. Do đó, điện áp đầu ra$V_{01}$ của mạch trên sẽ là

$$V_{01}=V_{p}\left(1+\frac{R_f}{R_1}\right)$$

Thay thế, giá trị của $V_{p}$ trong phương trình trên, chúng tôi nhận được điện áp đầu ra $V_{01}$ bằng cách chỉ xem xét $V_{1}$, như -

$$V_{01}=V_{1}\left(\frac{R_3}{R_2+R_3}\right)\left(1+\frac{R_f}{R_1}\right)$$

Bước 2

Trong bước này, hãy để chúng tôi tìm điện áp đầu ra, $V_{02}$ bằng cách chỉ xem xét $V_{2}$. Tương tự như ở bước trên, loại bỏ$V_{1}$bằng cách làm cho nó ngắn mạch. Cácmodified circuit diagram được hiển thị trong hình sau.

Bạn có thể quan sát thấy rằng điện áp tại cực đầu vào không nghịch đảo của op-amp sẽ là 0 vôn. Nó có nghĩa là, mạch trên chỉ đơn giản là mộtinverting op-amp. Do đó, điện áp đầu ra$V_{02}$ của mạch trên sẽ là -

$$V_{02}=\left(-\frac{R_f}{R_1}\right)V_{2}$$

Bước 3

Trong bước này, chúng ta sẽ nhận được điện áp đầu ra $V_{0}$ của mạch trừ bởi adding the output voltagesthu được trong Bước1 và Bước2. Về mặt toán học, nó có thể được viết là

$$V_{0}=V_{01}+V_{02}$$

Thay thế các giá trị của $V_{01}$ và $V_{02}$ trong phương trình trên, chúng ta nhận được -

$$V_{0}=V_{1}\left(\frac{R_3}{R_2+R_3}\right)\left(1+\frac{R_f}{R_1}\right)+\left(-\frac{R_f}{R_1}\right)V_{2}$$

$$=>V_{0}=V_{1}\left(\frac{R_3}{R_2+R_3}\right)\left(1+\frac{R_f}{R_1}\right)-\left(\frac{R_f}{R_1}\right)V_{2}$$

Nếu $R_{f}=R_{1}=R_{2}=R_{3}=R$, sau đó là điện áp đầu ra $V_{0}$ sẽ là

$$V_{0}=V_{1}\left(\frac{R}{R+R}\right)\left(1+\frac{R}{R}\right)-\left(\frac{R}{R}\right)V_{2}$$

$$=>V_{0}=V_{1}\left(\frac{R}{2R}\right)(2)-(1)V_{2}$$

$$V_{0}=V_{1}-V_{2}$$

Do đó, mạch trừ dựa trên op-amp được thảo luận ở trên sẽ tạo ra một đầu ra, là sự khác biệt của hai điện áp đầu vào $V_{1}$ và $V_{2}$, khi tất cả các điện trở có trong mạch đều có giá trị như nhau.

Các mạch điện tử thực hiện các phép toán như phân biệt và tích hợp được gọi là bộ phân biệt và tích phân, tương ứng.

Chương này thảo luận chi tiết về op-amp dựa trên differentiatorvà bộ tích phân. Xin lưu ý rằng chúng cũng nằm trong các ứng dụng tuyến tính của op-amp.

Người khác biệt

A differentiatorlà một mạch điện tử tạo ra một đầu ra bằng đạo hàm đầu tiên của đầu vào của nó. Phần này thảo luận chi tiết về bộ phân biệt dựa trên op-amp.

Một bộ phân biệt dựa trên op-amp tạo ra một đầu ra, bằng với sự khác biệt của điện áp đầu vào được áp dụng cho đầu cuối đảo ngược của nó. Cáccircuit diagram của một bộ phân biệt dựa trên op-amp được hiển thị trong hình sau:

Trong mạch trên, cực đầu vào không đảo của op-amp được nối với đất. Điều đó có nghĩa là 0 vôn được áp dụng cho thiết bị đầu cuối đầu vào không đảo của nó.

Theo virtual short concept, điện áp tại cực đầu vào đảo ngược của opamp sẽ bằng điện áp tại cực đầu vào không đảo của nó. Vì vậy, điện áp tại cực đầu vào đảo ngược của op-amp sẽ bằng 0 vôn.

Phương trình nút tại nút của thiết bị đầu cuối đầu vào đảo ngược là:

$$C\frac{\text{d}(0-V_{i})}{\text{d}t}+\frac{0-V_0}{R}=0$$

$$=>-C\frac{\text{d}V_{i}}{\text{d}t}=\frac{V_0}{R}$$

$$=>V_{0}=-RC\frac{\text{d}V_{i}}{\text{d}t}$$

Nếu $RC=1\sec$, sau đó là điện áp đầu ra $V_{0}$ sẽ là -

$$V_{0}=-\frac{\text{d}V_{i}}{\text{d}t}$$

Do đó, mạch phân biệt dựa trên op-amp được hiển thị ở trên sẽ tạo ra một đầu ra, đó là sự khác biệt của điện áp đầu vào $V_{i}$, khi độ lớn trở kháng của điện trở và tụ điện là biến thiên lẫn nhau.

Lưu ý rằng điện áp đầu ra $V_{0}$ đang có một negative sign, chỉ ra rằng tồn tại độ lệch pha 180 0 giữa đầu vào và đầu ra.

Tích hợp

An integratorlà một mạch điện tử tạo ra một đầu ra là sự tích hợp của đầu vào được áp dụng. Phần này thảo luận về bộ tích hợp dựa trên op-amp.

Một bộ tích hợp dựa trên op-amp tạo ra một đầu ra, là phần tích hợp của điện áp đầu vào được áp dụng cho thiết bị đầu cuối đảo ngược của nó. Cáccircuit diagram của bộ tích hợp dựa trên op-amp được hiển thị trong hình sau:

Trong mạch hiển thị ở trên, đầu cuối đầu vào không đảo ngược của op-amp được kết nối với đất. Điều đó có nghĩa là 0 vôn được áp dụng cho thiết bị đầu cuối đầu vào không đảo của nó.

Dựa theo virtual short concept, điện áp tại cực đầu vào đảo ngược của op-amp sẽ bằng điện áp hiện tại ở cực đầu vào không đảo của nó. Vì vậy, điện áp tại cực đầu vào đảo ngược của op-amp sẽ bằng 0 vôn.

Các nodal equation ở đầu cuối đầu vào đảo ngược là -

$$\frac{0-V_i}{R}+C\frac{\text{d}(0-V_{0})}{\text{d}t}=0$$

$$=>\frac{-V_i}{R}=C\frac{\text{d}V_{0}}{\text{d}t}$$

$$=>\frac{\text{d}V_{0}}{\text{d}t}=-\frac{V_i}{RC}$$

$$=>{d}V_{0}=\left(-\frac{V_i}{RC}\right){\text{d}t}$$

Tích cả hai vế của phương trình ở trên, ta được:

$$\int{d}V_{0}=\int\left(-\frac{V_i}{RC}\right){\text{d}t}$$

$$=>V_{0}=-\frac{1}{RC}\int V_{t}{\text{d}t}$$

Nếu $RC=1\sec$, sau đó là điện áp đầu ra, $V_{0}$ sẽ là -

$$V_{0}=-\int V_{i}{\text{d}t}$$

Vì vậy, mạch tích hợp dựa trên op-amp được thảo luận ở trên sẽ tạo ra một đầu ra, là tích phân của điện áp đầu vào $V_{i}$, khi độ lớn của trở kháng của điện trở và tụ điện là ngược chiều nhau.

Note - Điện áp đầu ra, $V_{0}$ đang có một negative sign, chỉ ra rằng tồn tại lệch pha 180 0 giữa đầu vào và đầu ra.

Điện áp và cường độ dòng điện là các đại lượng điện cơ bản. Chúng có thể được chuyển đổi thành một cái khác tùy thuộc vào yêu cầu.Voltage to Current Converter và Hiện tại đến Voltage Converterlà hai mạch giúp chuyển đổi như vậy. Đây cũng là các ứng dụng tuyến tính của op-amps. Chương này thảo luận chi tiết về chúng.

Bộ chuyển đổi điện áp sang dòng điện

A voltage to current converter hoặc là V to I converter, là một mạch điện tử lấy dòng điện làm đầu vào và tạo ra điện áp làm đầu ra. Phần này thảo luận về bộ chuyển đổi điện áp thành dòng điện dựa trên op-amp.

Bộ chuyển đổi điện áp thành dòng điện dựa trên op-amp tạo ra dòng điện đầu ra khi điện áp được đặt vào đầu cuối không đảo của nó. Cáccircuit diagram của bộ chuyển đổi điện áp thành dòng điện dựa trên op-amp được thể hiện trong hình sau.

Trong mạch hiển thị ở trên, một điện áp đầu vào $V_{i}$được áp dụng tại đầu vào không đảo ngược của op-amp. Theovirtual short concept, điện áp tại cực đầu vào đảo ngược của op-amp sẽ bằng điện áp tại cực đầu vào không đảo của nó. Vì vậy, điện áp tại cực đầu vào đảo ngược của op-amp sẽ là$V_{i}$.

Các nodal equation tại nút của thiết bị đầu cuối đầu vào đảo ngược là -

$$\frac{V_i}{R_1}-I_{0}=0$$

$$=>I_{0}=\frac{V_t}{R_1}$$

Do đó, output current $I_{0}$ của bộ chuyển đổi điện áp thành dòng điện là tỷ số giữa điện áp đầu vào của nó $V_{i}$ và kháng chiến $R_{1}$.

Chúng ta có thể viết lại phương trình trên dưới dạng:

$$\frac{I_0}{V_i}=\frac{1}{R_1}$$

Phương trình trên biểu diễn tỷ lệ của dòng điện đầu ra $I_{0}$ và điện áp đầu vào $V_{i}$ & nó bằng nghịch đảo của lực cản $R_{1}$ Tỷ lệ của dòng điện đầu ra $I_{0}$ và điện áp đầu vào $V_{i}$ được gọi là Transconductance.

Chúng ta biết rằng tỷ số giữa đầu ra và đầu vào của mạch được gọi là độ lợi. Vì vậy, độ lợi của một bộ chuyển đổi điện áp thành dòng điện là Độ tự cảm và nó bằng nghịch đảo của điện trở$R_{1}$.

Bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp

A current to voltage converter hoặc là I to V converterlà một mạch điện tử lấy dòng điện làm đầu vào và tạo ra điện áp làm đầu ra. Phần này thảo luận về bộ chuyển đổi điện áp thành dòng điện dựa trên op-amp.

Bộ chuyển đổi điện áp thành dòng điện dựa trên op-amp tạo ra điện áp đầu ra khi dòng điện được đưa vào đầu nối đảo ngược của nó. Cáccircuit diagram của bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp dựa trên op-amp được thể hiện trong hình sau.

Trong mạch hiển thị ở trên, đầu cuối đầu vào không đảo ngược của op-amp được kết nối với đất. Điều đó có nghĩa là 0 vôn được áp dụng tại thiết bị đầu cuối đầu vào không đảo của nó.

Theo virtual short concept, điện áp tại cực đầu vào đảo ngược của op-amp sẽ bằng điện áp tại cực đầu vào không đảo của nó. Vì vậy, điện áp tại cực đầu vào đảo ngược của op-amp sẽ là 0 vôn.

Các nodal equation tại nút của thiết bị đầu cuối đảo ngược là -

$$-I_{i}+\frac{0-V_0}{R_f}=0$$

$$-I_{i}=\frac{V_0}{R_f}$$

$$V_{0}=-R_{t}I_{i}$$

Do đó, output voltage, $V_{0}$ của bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp là sản phẩm (âm) của điện trở phản hồi, $R_{f}$ và dòng điện đầu vào, $I_{t}$. Quan sát rằng điện áp đầu ra,$V_{0}$ đang có một negative sign, chỉ ra rằng tồn tại độ lệch pha 180 0 giữa dòng điện đầu vào và điện áp đầu ra.

Chúng ta có thể viết lại phương trình trên dưới dạng:

$$\frac{V_0}{I_i}=-R_{f}$$

Phương trình trên biểu diễn tỷ số của điện áp đầu ra $V_{0}$ và dòng điện đầu vào $I_{i}$và nó bằng với âm của điện trở phản hồi, $R_{f}$. Tỷ lệ điện áp đầu ra$V_{0}$ và đầu vào hiện tại $I_{i}$ được gọi là Transresistance.

Chúng ta biết rằng tỷ lệ đầu ra và đầu vào của một mạch được gọi là gain. Vì vậy, độ lợi của một bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp là điện trở trans của nó và nó bằng với điện trở phản hồi (âm)$R_{f}$ .

A comparatorlà một mạch điện tử, so sánh hai đầu vào được áp dụng cho nó và tạo ra một đầu ra. Giá trị đầu ra của bộ so sánh cho biết đầu vào nào lớn hơn hoặc nhỏ hơn. Xin lưu ý rằng bộ so sánh thuộc các ứng dụng phi tuyến tính của IC.

Một op-amp bao gồm hai thiết bị đầu cuối đầu vào và do đó một bộ so sánh dựa trên op-amp sẽ so sánh hai đầu vào được áp dụng cho nó và tạo ra kết quả so sánh là đầu ra. Chương này thảo luận vềop-amp based comparators.

Các loại so sánh

Bộ so sánh có hai loại: InvertingNon-inverting. Phần này thảo luận chi tiết về hai loại này.

Bộ so sánh đảo

An inverting comparatorlà bộ so sánh dựa trên op-amp trong đó điện áp tham chiếu được áp dụng cho đầu nối không đảo của nó và điện áp đầu vào được áp dụng cho đầu cuối đảo ngược của nó. Bộ so sánh này được gọi làinverting bộ so sánh bởi vì điện áp đầu vào, phải được so sánh được áp dụng cho đầu cuối đảo ngược của op-amp.

Các circuit diagram của một bộ so sánh đảo ngược được hiển thị trong hình sau.

Các operationcủa một bộ so sánh đảo ngược rất đơn giản. Nó tạo ra một trong hai giá trị,$+V_{sat}$ và $-V_{sat}$ ở đầu ra dựa trên các giá trị của điện áp đầu vào của nó $V_{i}$ và điện áp tham chiếu $V_{ref}$.

  • Giá trị đầu ra của bộ so sánh đảo ngược sẽ là $-V_{sat}$, mà đầu vào $V_{i}$ điện áp lớn hơn điện áp tham chiếu $V_{ref}$.

  • Giá trị đầu ra của bộ so sánh đảo ngược sẽ là $+V_{sat}$, mà đầu vào $V_{i}$ nhỏ hơn điện áp tham chiếu $V_{ref}$.

Thí dụ

Hãy để chúng tôi vẽ output wave form của bộ so sánh đảo ngược, khi tín hiệu đầu vào hình sin và điện áp tham chiếu bằng 0 vôn được đặt vào các đầu nối đảo ngược và không đảo tương ứng của nó.

Các operation của bộ so sánh đảo ngược hiển thị ở trên được thảo luận dưới đây:

  • Trong positive half cyclecủa tín hiệu đầu vào hình sin, điện áp hiện tại tại cực nghịch lưu của op-amp lớn hơn 0 vôn. Do đó, giá trị đầu ra của bộ so sánh đảo ngược sẽ bằng$-V_{sat}$ trong nửa chu kỳ dương của tín hiệu đầu vào hình sin.

  • Tương tự, trong negative half cyclecủa tín hiệu đầu vào hình sin, điện áp hiện tại tại cực nghịch lưu của op-amp nhỏ hơn 0 vôn. Do đó, giá trị đầu ra của bộ so sánh đảo ngược sẽ bằng$+V_{sat}$ trong nửa chu kỳ âm của tín hiệu đầu vào hình sin.

Hình sau cho thấy input and output waveforms của bộ so sánh đảo ngược, khi điện áp chuẩn là 0 vôn.

Trong hình trên, chúng ta có thể quan sát thấy rằng các chuyển đổi đầu ra hoặc từ $-V_{sat}$ đến $+V_{sat}$ hoặc từ $+V_{sat}$ đến $-V_{sat}$bất cứ khi nào tín hiệu đầu vào hình sin vượt qua 0 volt. Nói cách khác, đầu ra thay đổi giá trị của nó khi đầu vào vượt qua 0 vôn. Do đó, mạch trên còn được gọi làinverting zero crossing detector.

Bộ so sánh không đảo ngược

Bộ so sánh không đảo là bộ so sánh dựa trên op-amp trong đó điện áp chuẩn được áp dụng cho đầu nối đảo ngược của nó và điện áp đầu vào được áp dụng cho đầu cuối không đảo ngược của nó. Bộ so sánh dựa trên op-amp này được gọi lànon-inverting bộ so sánh vì điện áp đầu vào, phải được so sánh được áp dụng cho đầu cuối không đảo của op-amp.

Các circuit diagram của một bộ so sánh không đảo ngược được hiển thị trong hình sau

Các operationcủa một bộ so sánh không đảo ngược là rất đơn giản. Nó tạo ra một trong hai giá trị,$+V_{sat}$ và $-V_{sat}$ ở đầu ra dựa trên các giá trị của điện áp đầu vào $V_{t}$ và điện áp tham chiếu $+V_{ref}$.

  • Giá trị đầu ra của bộ so sánh không đảo ngược sẽ là $+V_{sat}$, mà điện áp đầu vào $V_{i}$ lớn hơn điện áp tham chiếu $+V_{ref}$.

  • Giá trị đầu ra của một bộ so sánh không đảo ngược sẽ $-V_{sat}$, mà điện áp đầu vào $V_{i}$ nhỏ hơn điện áp tham chiếu $+V_{ref}$.

Thí dụ

Hãy để chúng tôi vẽ output wave form của bộ so sánh không đảo ngược, khi tín hiệu đầu vào hình sin và điện áp tham chiếu bằng 0 vôn được áp dụng cho các đầu nối không đảo và nghịch đảo của op-amp tương ứng.

Các operation của bộ so sánh không đảo ngược được giải thích bên dưới:

  • Trong positive half cyclecủa tín hiệu đầu vào hình sin, điện áp hiện tại tại cực không nghịch đảo của op-amp lớn hơn 0 vôn. Do đó, giá trị đầu ra của bộ so sánh không đảo ngược sẽ bằng$+V_{sat}$ trong nửa chu kỳ dương của tín hiệu đầu vào hình sin.

  • Tương tự, trong negative half cyclecủa tín hiệu đầu vào hình sin, điện áp hiện tại tại cực không nghịch đảo của op-amp nhỏ hơn 0 vôn. Do đó, giá trị đầu ra của bộ so sánh không đảo ngược sẽ bằng$-V_{sat}$ trong nửa chu kỳ âm của tín hiệu đầu vào hình sin.

Hình sau cho thấy input and output waveforms của bộ so sánh không nghịch đảo, khi điện áp chuẩn là 0 vôn.

Từ hình bên trên, chúng ta có thể quan sát thấy rằng các chuyển đổi đầu ra hoặc từ $+V_{sat}$ đến $-V_{sat}$ hoặc từ $-V_{sat}$ đến $+V_{sat}$bất cứ khi nào tín hiệu đầu vào hình sin vượt qua 0 volt. Điều đó có nghĩa là đầu ra thay đổi giá trị khi đầu vào vượt qua 0 vôn. Do đó, mạch trên còn được gọi lànon-inverting zero crossing detector.

Các mạch điện tử thực hiện các phép toán như lôgarit và phản lôgarit (hàm mũ) với bộ khuếch đại được gọi là Logarithmic amplifierAnti-Logarithmic amplifier tương ứng.

Chương này thảo luận về Logarithmic amplifierAnti-Logarithmic amplifierchi tiết. Xin lưu ý rằng các bộ khuếch đại này thuộc các ứng dụng phi tuyến tính.

Bộ khuếch đại lôgarit

A logarithmic amplifier, hoặc một log amplifier, là một mạch điện tử tạo ra đầu ra tỷ lệ với logarit của đầu vào được áp dụng. Phần này thảo luận chi tiết về bộ khuếch đại logarit dựa trên op-amp.

Bộ khuếch đại logarit dựa trên op-amp tạo ra điện áp ở đầu ra, tỷ lệ với logarit của điện áp đặt vào điện trở được kết nối với đầu nối đảo ngược của nó. Cáccircuit diagram của một bộ khuếch đại logarit dựa trên op-amp được hiển thị trong hình sau:

Trong mạch trên, cực đầu vào không đảo của op-amp được nối với đất. Điều đó có nghĩa là 0 vôn được áp dụng tại đầu cuối đầu vào không đảo ngược của op-amp.

Theo virtual short concept, điện áp tại cực đầu vào đảo ngược của op-amp sẽ bằng điện áp tại cực đầu vào không đảo của nó. Vì vậy, điện áp tại cực đầu vào đảo ngược sẽ bằng không vôn.

Các nodal equation tại nút của thiết bị đầu cuối đầu vào đảo ngược là -

$$\frac{0-V_i}{R_1}+I_{f}=0$$

$$=>I_{f}=\frac{V_i}{R_1}......Equation 1$$

Sau đây là equation for current chảy qua một diode, khi nó phân cực thuận -

$$I_{f}=I_{s} e^{(\frac{V_f}{nV_T})} ......Equation 2$$

Ở đâu,

$I_{s}$ là dòng điện bão hòa của diode,

$V_{f}$ là điện áp rơi trên diode, khi nó phân cực thuận,

$V_{T}$ là điện áp tương đương nhiệt của diode.

Các KVL equation xung quanh vòng lặp phản hồi của op amp sẽ là -

$$0-V_{f}-V_{0}=0$$

$$=>V_{f}=-V_{0}$$

Thay thế giá trị của $V_{f}$ trong phương trình 2, chúng tôi nhận được -

$$I_{f}=I_{s} e^{\left(\frac{-V_0}{nV_T}\right)} ......Equation 3$$

Quan sát rằng các số hạng bên trái của cả phương trình 1 và phương trình 3 đều giống nhau. Do đó, cân bằng số hạng bên phải của hai phương trình đó như hình dưới đây:

$$\frac{V_i}{R_1}=I_{s}e^{\left(\frac{-V_0}{nV_T}\right)}$$

$$\frac{V_i}{R_1I_s}= e^{\left(\frac{-V_0}{nV_T}\right)}$$

Đang áp dụng natural logarithm ở cả hai phía, chúng tôi nhận được -

$$In\left(\frac{V_i}{R_1I_s}\right)= \frac{-V_0}{nV_T}$$

$$V_{0}=-{nV_T}In\left(\frac{V_i}{R_1I_s}\right)$$

Lưu ý rằng trong phương trình trên, các tham số n, ${V_T}$ và $I_{s}$là các hằng số. Vì vậy, điện áp đầu ra$V_{0}$ sẽ tỷ lệ thuận với natural logarithm của điện áp đầu vào $V_{i}$ cho một giá trị cố định của điện trở $R_{1}$.

Do đó, mạch khuếch đại logarit dựa trên op-amp được thảo luận ở trên sẽ tạo ra đầu ra, tỷ lệ với logarit tự nhiên của điện áp đầu vào ${V_T}$, khi nào ${R_1I_s}=1V$.

Quan sát rằng điện áp đầu ra $V_{0}$ có một negative sign, chỉ ra rằng tồn tại độ lệch pha 180 0 giữa đầu vào và đầu ra.

Bộ khuếch đại chống lôgarit

An anti-logarithmic amplifier, hoặc một anti-log amplifier, là một mạch điện tử tạo ra một đầu ra tỷ lệ với phản logarit của đầu vào được áp dụng. Phần này thảo luận chi tiết về bộ khuếch đại chống loga dựa trên op-amp.

Bộ khuếch đại chống logarit dựa trên op-amp tạo ra một điện áp ở đầu ra, tỷ lệ với phản logarit của điện áp được đặt vào diode được kết nối với đầu nối đảo ngược của nó.

Các circuit diagram của bộ khuếch đại chống loga dựa trên op-amp được hiển thị trong hình sau:

Trong mạch hiển thị ở trên, đầu cuối đầu vào không đảo ngược của op-amp được kết nối với đất. Nó có nghĩa là 0 vôn được áp dụng cho thiết bị đầu cuối đầu vào không đảo ngược của nó.

Theo virtual short concept, điện áp tại cực đầu vào đảo ngược của op-amp sẽ bằng điện áp hiện tại ở cực đầu vào không đảo của nó. Vì vậy, điện áp tại thiết bị đầu cuối đầu vào đảo ngược của nó sẽ là 0 vôn.

Các nodal equation tại nút của thiết bị đầu cuối đầu vào đảo ngược là -

$$-I_{f}+\frac{0-V_0}{R_f}=0$$

$$=>-\frac{V_0}{R_f}=I_{f}$$

$$=>V_{0}=-R_{f}I_{f}.........Equation 4$$

Chúng ta biết rằng phương trình cho dòng điện chạy qua một diode, khi nó có phân cực thuận, như được đưa ra dưới đây:

$$I_{f}=I_{s} e^{\left(\frac{V_f}{nV_T}\right)}$$

Thay thế giá trị của $I_{f}$ trong phương trình 4, chúng tôi nhận được

$$V_{0}=-R_{f}\left \{{I_{s} e^{\left(\frac{V_f}{nV_T}\right)}}\right \}$$

$$V_{0}=-R_{f}{I_{s} e^{\left(\frac{V_f}{nV_T}\right)}}......Equation 5$$

Phương trình KVL ở phía đầu vào của thiết bị đầu cuối đảo ngược của amp op sẽ là

$$V_{i}-V_{f}=0$$

$$V_{f}=V_{i}$$

Thay vào đó, giá trị của trong Công thức 5, chúng ta nhận được -

$$V_{0}=-R_{f}{I_{s} e^{\left(\frac{V_i}{nV_T}\right)}}$$

Lưu ý rằng, trong phương trình trên, các tham số n, ${V_T}$ và $I_{s}$là các hằng số. Vì vậy, điện áp đầu ra${V_0}$ sẽ tỷ lệ thuận với anti-natural logarithm (hàm mũ) của điện áp đầu vào ${V_i}$, cho một giá trị cố định của điện trở phản hồi ${R_f}$.

Do đó, mạch khuếch đại chống logarit dựa trên op-amp được thảo luận ở trên sẽ tạo ra một đầu ra tỷ lệ với phản logarit tự nhiên (hàm mũ) của điện áp đầu vào ${V_i}$ khi nào, ${R_fI_s}= 1V$. Quan sát rằng điện áp đầu ra${V_0}$ đang có một negative sign, chỉ ra rằng tồn tại độ lệch pha 180 0 giữa đầu vào và đầu ra.

ACDC là hai thuật ngữ thường xuyên mà bạn gặp phải khi nghiên cứu dòng điện tích. Alternating Current (AC)có thuộc tính thay đổi trạng thái liên tục. Ví dụ, nếu chúng ta xem xét một sóng hình sin, dòng điện chạy theo một hướng trong nửa chu kỳ dương và theo hướng ngược lại trong nửa chu kỳ âm. Mặt khác,Direct Current (DC) chỉ chảy theo một hướng.

Một mạch điện tử, tạo ra tín hiệu DC hoặc tín hiệu DC xung, khi tín hiệu AC được áp dụng cho nó được gọi là rectifier. Chương này thảo luận chi tiết về bộ chỉnh lưu dựa trên op-amp.

Các loại chỉnh lưu

Bộ chỉnh lưu được phân thành hai loại: Half wave rectifierFull wave rectifier. Phần này thảo luận chi tiết về hai loại này.

Bộ chỉnh lưu nửa sóng

A half wave rectifier là bộ chỉnh lưu tạo ra nửa chu kỳ dương ở đầu ra trong một nửa chu kỳ của đầu vào và đầu ra bằng không cho nửa chu kỳ còn lại của đầu vào.

Các circuit diagram của một bộ chỉnh lưu nửa sóng được thể hiện trong hình sau.

Quan sát sơ đồ mạch của bộ chỉnh lưu nửa sóng như hình trên giống như một bộ khuếch đại đảo, có thêm hai điốt D 1 và D 2 .

Các working của mạch chỉnh lưu nửa sóng được hiển thị ở trên được giải thích dưới đây

  • Cho positive half cyclecủa đầu vào hình sin, đầu ra của op-amp sẽ là âm. Do đó, diode D 1 sẽ được phân cực thuận.

  • Khi diode D 1 phân cực thuận, điện áp đầu ra của op-amp sẽ là -0,7 V. Vì vậy, diode D 2 sẽ được phân cực ngược. Vì thếoutput voltage của đoạn mạch trên là zero vôn.

  • Do đó, có no (zero) output của bộ chỉnh lưu nửa sóng cho nửa chu kỳ dương của đầu vào hình sin.

  • Cho negative half cyclecủa đầu vào hình sin, đầu ra của op-amp sẽ là số dương. Do đó, các điốt D 1 và D 2 sẽ được phân cực ngược và phân cực thuận tương ứng. Vì vậy, điện áp đầu ra của mạch trên sẽ là -

$$V_0=-\left(\frac{R_f}{R_1}\right)V_1$$

  • Do đó, đầu ra của bộ chỉnh lưu nửa sóng sẽ là positive half cycle cho nửa chu kỳ âm của đầu vào hình sin.

Dạng sóng

Các inputoutput waveforms của bộ chỉnh lưu nửa sóng được hiển thị trong hình sau

Như bạn có thể thấy từ đồ thị trên, sơ đồ mạch chỉnh lưu nửa sóng mà chúng ta đã thảo luận sẽ tạo ra positive half cycles cho nửa chu kỳ âm của đầu vào hình sin và đầu ra bằng không cho nửa chu kỳ dương của đầu vào hình sin

Bộ chỉnh lưu toàn sóng

A full wave rectifier tạo ra nửa chu kỳ dương ở đầu ra cho cả hai nửa chu kỳ của đầu vào.

Các circuit diagram của bộ chỉnh lưu toàn sóng được thể hiện trong hình sau:

Sơ đồ mạch trên bao gồm hai op-amps, hai điốt, D 1 & D 2 và năm điện trở, R 1 đến R 5 . Cácworking của mạch chỉnh lưu toàn sóng được hiển thị ở trên được giải thích dưới đây:

  • Cho positive half cyclecủa đầu vào hình sin, đầu ra của op-amp đầu tiên sẽ là số âm. Do đó, điốt D 1 và D 2 sẽ được phân cực thuận và phân cực ngược tương ứng.

  • Sau đó, điện áp đầu ra của op-amp đầu tiên sẽ là -

$$V_{01}=-\left(\frac{R_2}{R_1}\right)V_i$$

  • Quan sát rằng đầu ra của op-amp thứ nhất được kết nối với điện trở R 4 , được kết nối với đầu nối nghịch lưu của op-amp thứ hai. Điện áp hiện tại ở đầu cực không đảo của op-amp thứ hai là 0 V. Vì vậy, op-amp thứ hai có điện trở, R 4 và R 4 hoạt động như mộtinverting amplifier.

  • Điện áp đầu ra của op-amp thứ hai sẽ là

    $$V_0=-\left(\frac{R_5}{R_4}\right)V_{01}$$

    Substituting giá trị của $V_{01}$ trong phương trình trên, chúng ta nhận được -

    $$=>V_{0}=-\left(\frac{R_5}{R_4}\right)\left \{ -\left(\frac{R_2}{R_1}\right)V_{i} \right \}$$

    $$=>V_{0}=\left(\frac{R_2R_5}{R_1R_4}\right)V_{i}$$

  • Do đó, đầu ra của bộ chỉnh lưu toàn sóng sẽ là nửa chu kỳ dương đối với positive half cyclecủa một đầu vào hình sin. Trong trường hợp này, mức tăng của đầu ra là$\frac{R_2R_5}{R_1R_4}$. Nếu chúng ta xem xét$R_{1}=R_{2}=R_{4}=R_{5}=R$, thì độ lợi của đầu ra sẽ là một.

  • Cho negative half cyclecủa đầu vào hình sin, đầu ra của op-amp đầu tiên sẽ là số dương. Do đó, điốt D 1 và D 2 sẽ được phân cực ngược và phân cực thuận tương ứng.

  • Điện áp đầu ra của op-amp đầu tiên sẽ là -

$$V_{01}=-\left(\frac{R_3}{R_1}\right)V_{i}$$

  • Đầu ra của op-amp đầu tiên được kết nối trực tiếp với đầu cuối không đảo ngược của op-amp thứ hai. Bây giờ, op-amp thứ hai có điện trở, R 4 và R 5 hoạt động như mộtnon-inverting amplifier.

    Điện áp đầu ra của op-amp thứ hai sẽ là -

    $$V_{0}=\left(1+\frac{R_5}{R_4}\right)V_{01}$$

    Substituting giá trị của $V_{01}$ trong phương trình trên, chúng ta nhận được

    $$=>V_{0}=\left(1+\frac{R_5}{R_4}\right) \left\{-\left(\frac{R_3}{R_1}\right)V_{i}\right \} $$

    $$=>V_{0}=-\left(\frac{R_3}{R_1}\right)\left(1+\frac{R_5}{R_4}\right)V_{i}$$

  • Do đó, đầu ra của bộ chỉnh lưu toàn sóng sẽ là positive half cyclecho nửa chu kỳ âm của đầu vào hình sin. Trong trường hợp này, độ lớn của mức tăng của đầu ra là$\left(\frac{R_3}{R_1}\right)\left(1+\frac{R_5}{R_4}\right)$. Nếu chúng ta xem xét$R_{1}=2R_{3}=R_{4}=R_{5}=R$ thì lợi ích của đầu ra sẽ là one.

Các inputoutput waveforms của một bộ chỉnh lưu toàn sóng được hiển thị trong hình sau

Như bạn thấy trong hình trên, sơ đồ mạch chỉnh lưu sóng đầy đủ mà chúng tôi xem xét sẽ chỉ tạo ra positive half cycles cho cả nửa chu kỳ dương và âm của đầu vào hình sin.

Wave shaping circuitslà các mạch điện tử, tạo ra hình dạng mong muốn ở đầu ra từ dạng sóng đầu vào được áp dụng. Các mạch này thực hiện hai chức năng -

  • Giảm bớt sóng được áp dụng
  • Thay đổi mức dc của sóng được áp dụng.

Có hai loại mạch định hình sóng: ClippersClampers. Trong chương này, bạn sẽ tìm hiểu chi tiết về tông đơ.

Clippers dựa trên op-amp

A clipperlà một mạch điện tử tạo ra một đầu ra bằng cách loại bỏ một phần của đầu vào trên hoặc dưới một giá trị tham chiếu. Điều đó có nghĩa là, đầu ra của một bộ cắt sẽ giống với đầu vào của đầu vào khác với phần được cắt. Do đó, biên độ đỉnh đến đỉnh của đầu ra của bộ cắt sẽ luôn nhỏ hơn biên độ của đầu vào.

Ưu điểm chính của máy cắt là loại bỏ tiếng ồn không mong muốn có trong biên độ của tín hiệu xoay chiều.

Clippers có thể được phân loại thành hai loại sau đây dựa trên phần cắt của đầu vào.

  • Clipper tích cực
  • Clipper phủ định

Những điều này được thảo luận chi tiết như được đưa ra dưới đây -

Clipper tích cực

A positive clipper là bộ cắt chỉ kẹp (các) phần tích cực của tín hiệu đầu vào.

Các circuit diagramcủa clipper dương được thể hiện trong hình sau:

Trong mạch hình trên, một tín hiệu điện áp hình sin $V_{t}$được áp dụng cho đầu cuối không đảo ngược của op-amp. Giá trị của điện áp tham chiếu$V_{ref}$ có thể được chọn bằng cách thay đổi điện trở $R_{2}$.

Các operation của mạch hiển thị ở trên được giải thích dưới đây:

  • Nếu giá trị của điện áp đầu vào $V_i$ nhỏ hơn giá trị của điện áp tham chiếu $V_{ref}$, sau đó diode D 1 dẫn điện . Sau đó, mạch được đưa ra ở trên hoạt động như mộtvoltage follower. Do đó, điện áp đầu ra$V_{0}$ của mạch trên sẽ giống như của điện áp đầu vào $V_{i}$, cho $V_{i}$ < $V_{ref}$.

  • Nếu giá trị của điện áp đầu vào $V_{i}$ lớn hơn giá trị của điện áp tham chiếu $V_{ref}$, khi đó diode D 1 sẽ tắt. Bây giờ, op-amp hoạt động trong một vòng lặp mở vì đường dẫn phản hồi được mở. Do đó, điện áp đầu ra$V_{0}$ của mạch trên sẽ bằng giá trị của điện áp tham chiếu $V_{ref}$, cho $V_{i}$ > $V_{ref}$.

Các input wave form và tương ứng output wave form của một tông đơ dương cho điện áp chuẩn dương $V_{ref}$, được hiển thị trong hình sau:

Clipper phủ định

A negative clipperlà bộ cắt chỉ cắt (các) phần âm của tín hiệu đầu vào. Bạn có thể có được mạch của bộ cắt âm chỉ bằng cách đảo ngược diode và lấy cực tính ngược của điện áp tham chiếu, trong mạch mà bạn đã thấy đối với bộ cắt dương.

Các circuit diagram của một bộ cắt âm được thể hiện trong hình sau:

Trong mạch trên, một tín hiệu điện áp hình sin $V_{i}$được áp dụng cho đầu cuối không đảo ngược của op-amp. Giá trị của điện áp tham chiếu$V_{ref}$ có thể được chọn bằng cách thay đổi điện trở $R_{2}$.

Các operation của mạch cắt âm được giải thích bên dưới:

Nếu giá trị của điện áp đầu vào $V_{t}$ lớn hơn giá trị của điện áp tham chiếu $V_{ref}$, sau đó diode D 1 dẫn điện . Sau đó, mạch trên hoạt động như mộtvoltage follower. Do đó, điện áp đầu ra$V_{0}$ của mạch trên sẽ giống như của điện áp đầu vào $V_{i}$ cho $V_{i}$> $V_{ref}$.

Nếu giá trị của điện áp đầu vào $V_{i}$nhỏ hơn giá trị của điện áp tham chiếu, khi đó diode D 1 sẽ tắt. Bây giờ, op-amp hoạt động trong một vòng lặp mở vì đường dẫn phản hồi được mở. Do đó, điện áp đầu ra$V_{0}$ của mạch trên sẽ bằng giá trị của điện áp tham chiếu,$V_{ref}$ cho $V_{i}$ < $V_{ref}$.

Các input wave form và tương ứng output wave form của một tông đơ âm, cho điện áp tham chiếu âm $V_{ref}$, được hiển thị trong hình sau:

Trong chương trước, chúng ta đã thảo luận về tông đơ. Bây giờ, chúng ta hãy thảo luận về loại mạch định hình sóng khác, cụ thể là bộ kẹp.

Kẹp dựa trên Op-amp

A clamperlà một mạch điện tử tạo ra một đầu ra, tương tự như đầu vào nhưng với sự thay đổi mức DC. Nói cách khác, đầu ra của bộ kẹp là bản sao chính xác của đầu vào. Do đó, biên độ đỉnh đến đỉnh của đầu ra của bộ kẹp sẽ luôn bằng biên độ của đầu vào.

Kẹp được sử dụng để giới thiệu hoặc khôi phục mức DC của tín hiệu đầu vào ở đầu ra. Cótwo types của bộ kẹp dựa trên op-amp dựa trên sự dịch chuyển DC của đầu vào.

  • Kẹp tích cực
  • Kẹp âm bản

Phần này sẽ thảo luận chi tiết về hai loại kẹp này.

Kẹp tích cực

Bộ kẹp tích cực là một mạch kẹp tạo ra đầu ra theo cách mà tín hiệu đầu vào được dịch chuyển theo phương thẳng đứng bởi một giá trị DC dương.

Các circuit diagram của một bộ kẹp dương được thể hiện trong hình sau:

Trong mạch trên, a sinusoidal voltage signal, $V_{i}$ được áp dụng cho thiết bị đầu cuối đảo ngược của op-amp thông qua một mạng bao gồm một tụ điện $C_{1}$ và một điện trở $R_{1}$. Điều đó có nghĩa là, tín hiệu điện áp xoay chiều được áp dụng cho đầu cuối đảo ngược của op-amp.

Các DC reference voltage $V_{ref}$ được áp dụng cho đầu cuối không đảo ngược của op-amp. Giá trị của điện áp tham chiếu$V_{ref}$ có thể được chọn bằng cách thay đổi điện trở $R_{2}$. Trong trường hợp này, chúng tôi sẽ nhận được một điện áp tham chiếu$V_{ref}$ có giá trị dương.

Mạch trên tạo ra một output, cái nào is the combination (resultant sum) của tín hiệu điện áp hình sin $V_{i}$ và điện áp tham chiếu $V_{ref}$. Điều đó có nghĩa là, mạch kẹp tạo ra một đầu ra theo cách mà tín hiệu điện áp hình sin$V_{i}$ được dịch chuyển thẳng đứng lên trên bởi giá trị của điện áp tham chiếu $V_{ref}$.

Dạng sóng đầu vào và dạng sóng đầu ra tương ứng của bộ kẹp tích cực được thể hiện trong hình trên -

Từ hình trên, bạn có thể quan sát thấy bộ kẹp tích cực dịch chuyển dạng sóng đầu vào được áp dụng vertically upwardở đầu ra. Số lượng dịch chuyển sẽ phụ thuộc vào giá trị của điện áp tham chiếu DC.

Kẹp âm bản

A negative clamper là một mạch kẹp tạo ra đầu ra theo cách mà tín hiệu đầu vào được dịch chuyển theo phương thẳng đứng bởi một giá trị DC âm.

Các circuit diagram của bộ kẹp âm được thể hiện trong hình sau:

Trong mạch trên, a sinusoidal voltage signal $V_{i}$ được áp dụng cho đầu nối nghịch lưu của op-amp thông qua mạng bao gồm tụ điện C 1 và điện trở$R_{1}$. Điều đó có nghĩa là, tín hiệu điện áp xoay chiều được áp dụng cho đầu cuối đảo ngược của op-amp.

Các DC reference voltage $V_{ref}$ được áp dụng cho cực không đảo ngược của op-amp. Giá trị của điện áp tham chiếu $V_{ref}$ có thể được chọn bằng cách thay đổi điện trở $R_{2}$. Trong trường hợp này, chúng tôi sẽ nhận được điện áp tham chiếu$V_{ref}$ có giá trị âm.

Mạch trên tạo ra một đầu ra, là sự kết hợp (tổng kết quả) của tín hiệu điện áp hình sin $V_{i}$ và điện áp tham chiếu $V_{ref}$. Điều đó có nghĩa là, mạch kẹp tạo ra một đầu ra theo cách mà tín hiệu điện áp hình sin$V_{i}$ được dịch chuyển thẳng đứng xuống dưới bởi giá trị của điện áp tham chiếu $V_{ref}$.

Dạng sóng đầu vào và dạng sóng đầu ra tương ứng của bộ kẹp âm được thể hiện trong hình sau:

Chúng ta có thể quan sát từ đầu ra rằng bộ kẹp âm dịch chuyển dạng sóng đầu vào được áp dụng vertically downwardở đầu ra. Số lượng dịch chuyển sẽ phụ thuộc vào giá trị của điện áp tham chiếu DC.

Filterslà các mạch điện tử cho phép các thành phần tần số nhất định và / hoặc từ chối một số thành phần khác. Bạn có thể đã gặp các bộ lọc trong hướng dẫn lý thuyết mạng. Chúng thụ động và là các mạch hoặc mạng điện bao gồm các phần tử thụ động như điện trở, tụ điện và (hoặc) một cuộn cảm.

Chương này thảo luận về active filters chi tiết.

Các loại bộ lọc hoạt động

Bộ lọc tích cực là các mạch điện tử, bao gồm phần tử tích cực như (các) op-amp cùng với các phần tử thụ động như (các) điện trở và (các) tụ điện.

Bộ lọc đang hoạt động chủ yếu được phân loại thành các loại sau four types dựa trên dải tần số mà họ cho phép và / hoặc từ chối -

  • Bộ lọc thông thấp hoạt động
  • Bộ lọc thông cao hoạt động
  • Bộ lọc băng thông hoạt động
  • Bộ lọc Dừng Băng tần Hoạt động

Bộ lọc thông thấp hoạt động

Nếu một bộ lọc đang hoạt động chỉ cho phép (vượt qua) low frequency các thành phần và loại bỏ (khối) tất cả các thành phần tần số cao khác, khi đó nó được gọi là active low pass filter.

Các circuit diagram của một bộ lọc thông thấp đang hoạt động được hiển thị trong hình sau:

Chúng ta biết rằng mạng điện, được kết nối với đầu cuối không đảo ngược của op-amp là passive low pass filter. Vì vậy, đầu vào của thiết bị đầu cuối không đảo ngược của opamp là đầu ra của bộ lọc thông thấp thụ động.

Quan sát thấy mạch trên giống với non-inverting amplifier. Nó có đầu ra của bộ lọc thông thấp thụ động làm đầu vào cho thiết bị đầu cuối không đảo ngược của op-amp. Do đó, nó tạo ra một đầu ra, là$\left(1+\frac{R_f}{R_1}\right)$ nhân với đầu vào hiện tại ở đầu cuối không đảo.

Chúng ta có thể chọn các giá trị của $R_{f}$ và $R_{1}$ phù hợp để có được desired gainở đầu ra. Giả sử, nếu chúng ta xem xét các giá trị điện trở của$R_{f}$ và $R_{1}$ như 0 ohms và vô cực ohms, thì mạch trên sẽ tạo ra unity gain đầu ra bộ lọc thông thấp.

Bộ lọc thông cao hoạt động

Nếu một bộ lọc đang hoạt động chỉ cho phép (vượt qua) high frequency các thành phần và loại bỏ (chặn) tất cả các thành phần tần số thấp khác, khi đó nó được gọi là active high pass filter.

Các circuit diagram của một bộ lọc thông cao đang hoạt động được hiển thị trong hình sau:

Chúng ta biết rằng mạng điện, được kết nối với đầu cuối không đảo ngược của op-amp là passive high pass filter. Vì vậy, đầu vào của một thiết bị đầu cuối không đảo ngược của opamp là đầu ra của bộ lọc thông cao thụ động.

Bây giờ, mạch trên giống như một non-inverting amplifier. Nó có đầu ra của bộ lọc thông cao thụ động làm đầu vào cho thiết bị đầu cuối không đảo ngược của op-amp. Do đó, nó tạo ra một đầu ra, là$\left(1+\frac{R_f}{R_1}\right)$ lần đầu vào có mặt tại thiết bị đầu cuối không đảo của nó.

Chúng ta có thể chọn các giá trị của $R_f$ và $R_1$ phù hợp để có được desired gainở đầu ra. Giả sử, nếu chúng ta xem xét các giá trị điện trở của$R_{f}$ và $R_{1}$ như 0 ohms và vô cực ohms, thì mạch trên sẽ tạo ra unity gain đầu ra bộ lọc thông cao.

Bộ lọc băng thông hoạt động

Nếu một bộ lọc hoạt động chỉ cho phép (đi qua) một dải tần số, thì nó được gọi là active band pass filter. Nói chung, dải tần này nằm giữa dải tần thấp và dải tần cao. Vì vậy, bộ lọc thông dải tích cực loại bỏ (khối) cả các thành phần tần số thấp và cao.

Các circuit diagram của một bộ lọc thông dải hoạt động được hiển thị trong hình sau

Quan sát rằng có two parts trong sơ đồ mạch của bộ lọc thông dải tích cực: Phần đầu tiên là bộ lọc thông cao tích cực, trong khi phần thứ hai là bộ lọc thông thấp tích cực.

Đầu ra của bộ lọc thông cao đang hoạt động được áp dụng làm đầu vào của bộ lọc thông thấp đang hoạt động. Điều đó có nghĩa là cả bộ lọc thông cao đang hoạt động và bộ lọc thông thấp đang hoạt động đều cascaded để có được đầu ra theo cách mà nó chỉ chứa một dải tần số cụ thể.

Các active high pass filter, có mặt ở giai đoạn đầu tiên cho phép các tần số lớn hơn lower cut-off frequencycủa bộ lọc thông dải hoạt động. Vì vậy, chúng ta phải chọn các giá trị của$R_{B}$ và $C_{B}$ phù hợp, để đạt được mong muốn lower cut-off frequency của bộ lọc thông dải hoạt động.

Tương tự, active low pass filter, có mặt ở giai đoạn thứ hai cho phép các tần số nhỏ hơn tần số cắt cao hơn của bộ lọc thông dải tích cực. Vì vậy, chúng ta phải chọn các giá trị của$R_{A}$ và $C_{A}$ phù hợp để đạt được mong muốn higher cut-off frequency của bộ lọc thông dải hoạt động.

Do đó, mạch trong sơ đồ được thảo luận ở trên sẽ tạo ra đầu ra bộ lọc thông dải hoạt động.

Bộ lọc Dừng Băng tần Hoạt động

Nếu một bộ lọc hoạt động từ chối (chặn) một dải tần số cụ thể, thì nó được gọi là active band stop filter. Nói chung, dải tần này nằm giữa dải tần thấp và dải tần cao. Vì vậy, bộ lọc dừng băng tần hoạt động cho phép (vượt qua) cả thành phần tần số thấp và cao.

Các block diagram của một bộ lọc dừng dải hoạt động được hiển thị trong hình sau:

Quan sát rằng sơ đồ khối của bộ lọc dừng dải tích cực bao gồm hai khối trong giai đoạn đầu của nó: bộ lọc thông thấp hoạt động và bộ lọc thông cao hoạt động. Các đầu ra của hai khối này được áp dụng làm đầu vào cho khối hiện diện trong giai đoạn thứ hai. Nênsumming amplifier tạo ra một đầu ra, là phiên bản khuếch đại của tổng các đầu ra của bộ lọc thông thấp đang hoạt động và bộ lọc thông cao đang hoạt động.

Do đó, đầu ra của sơ đồ khối trên sẽ là output of an active band stop , khi chúng ta chọn tần số cắt của bộ lọc thông thấp nhỏ hơn tần số cắt của bộ lọc thông cao.

Các circuit diagram của một bộ lọc dừng dải hoạt động được hiển thị trong hình sau:

Chúng ta đã thấy các sơ đồ mạch của bộ lọc thông thấp hoạt động, bộ lọc thông cao hoạt động và bộ khuếch đại tổng. Quan sát rằng chúng tôi đã nhận được ở trêncircuit diagram của bộ lọc dừng dải hoạt động bằng cách thay thế các khối bằng các sơ đồ mạch tương ứng trong sơ đồ khối của bộ lọc dừng dải hoạt động.

Máy tạo dao động là một mạch điện tử tạo ra tín hiệu tuần hoàn. Nếu bộ dao động tạo ra dao động hình sin, nó được gọi làsinusoidal oscillator. Nó chuyển đổi năng lượng đầu vào từ nguồn DC thành năng lượng đầu ra AC của tín hiệu tuần hoàn. Tín hiệu tuần hoàn này sẽ có tần số và biên độ cụ thể.

Các block diagram của một dao động hình sin được thể hiện trong hình sau:

Con số trên chủ yếu bao gồm two blocks: bộ khuếch đại và mạng phản hồi Mạng phản hồi lấy một phần đầu ra của bộ khuếch đại làm đầu vào cho nó và tạo ra tín hiệu điện áp. Tín hiệu điện áp này được áp dụng làm đầu vào cho bộ khuếch đại.

Sơ đồ khối của một bộ dao động hình sin được hiển thị ở trên tạo ra các dao động hình sin, khi two conditions hài lòng -

  • Các loop gain $A_{v}\beta$ của sơ đồ khối trên của dao động hình sin phải lớn hơn hoặc bằng unity. Đây,$A_{v}$ và $\beta$ tương ứng là độ lợi của bộ khuếch đại và độ lợi của mạng phản hồi.

  • Tổng số phase shift xung quanh vòng lặp của sơ đồ khối trên của một bộ dao động hình sin phải 00 hoặc là 3600.

Hai điều kiện trên kết hợp với nhau được gọi là Barkhausen criteria.

Bộ tạo dao động dựa trên Op-Amp

two các loại dao động dựa trên op-amp.

  • Bộ dao động dịch pha RC
  • Bộ dao động cầu Wien

Phần này thảo luận chi tiết về từng loại trong số chúng.

Bộ dao động dịch chuyển pha RC

Bộ dao động dựa trên op-amp, tạo ra tín hiệu điện áp hình sin ở đầu ra với sự trợ giúp của bộ khuếch đại đảo ngược và mạng phản hồi được gọi là RC phase shift oscillator. Mạng phản hồi này bao gồm ba phần RC xếp tầng.

Các circuit diagram của một dao động dịch pha RC được thể hiện trong hình sau:

Trong mạch trên, op-amp đang hoạt động ở inverting mode. Do đó, nó cung cấp độ lệch pha 180 0 . Mạng phản hồi hiện diện trong mạch trên cũng cung cấp độ lệch pha là 180 0 , vì mỗi phần RC cung cấp độ lệch pha là 60 0 . Do đó, mạch trên cung cấp một độ lệch pha tổng 360 0 ở một số tần số.

  • Các output frequency của một dao động dịch pha RC là -

$$f=\frac{1}{2\Pi RC\sqrt[]{6}}$$

  • Các gain $A_{v}$ của bộ khuếch đại đảo ngược phải lớn hơn hoặc bằng -29,

$$i.e.,-\frac{R_f}{R_1}\geq-29$$

$$=>\frac{R_f}{R_1}\geq-29$$

$$=>R_{f}\geq29R_{1}$$

Vì vậy, chúng ta nên xem xét giá trị của điện trở phản hồi $R_{f}$, tối thiểu là 29 lần giá trị của điện trở $R_{1}$, để tạo ra dao động duy trì ở đầu ra của bộ dao động dịch pha RC.

Wien Bridge Oscillator

Bộ dao động dựa trên op-amp, tạo ra tín hiệu điện áp hình sin ở đầu ra với sự trợ giúp của bộ khuếch đại không đảo và mạng phản hồi được gọi là Wien bridge oscillator.

Các circuit diagram của một bộ dao động cầu Wien được thể hiện trong hình sau:

Trong mạch hiển thị ở trên cho bộ dao động cầu Wein, op-amp đang hoạt động ở non inverting mode. Do đó, nó cung cấp độ lệch pha là 00. Vì vậy, mạng phản hồi có trong mạch trên không được cung cấp bất kỳ dịch pha nào.

Nếu mạng phản hồi cung cấp một số chuyển pha, thì chúng ta phải balance the bridgesao cho không có bất kỳ sự dịch chuyển pha nào. Vì vậy, mạch trên cung cấp một sự dịch pha tổng cộng 0 0 ở một số tần số.

  • Các output frequency của bộ dao động cầu Wien là

$$f=\frac{1}{2\Pi RC}$$

  • Các gain $A_{v}$ của bộ khuếch đại không đảo phải lớn hơn hoặc bằng 3

$$i.e.,1+\frac{R_f}{R_1}\geq3$$

$$=>\frac{R_f}{R_1}\geq2$$

$$=>R_{f}\geq2R_{1}$$

Vì vậy, chúng ta nên xem xét giá trị của điện trở phản hồi $R_{f}$ ít nhất hai lần giá trị của điện trở, $R_{1}$ để tạo ra dao động duy trì ở đầu ra của bộ dao động cầu Wien.

A waveform generatorlà một mạch điện tử, tạo ra một sóng tiêu chuẩn. Có hai loại máy phát dạng sóng dựa trên op-amp -

  • Máy tạo sóng vuông
  • Máy tạo sóng tam giác

Chương này thảo luận chi tiết về từng bộ tạo dạng sóng dựa trên op-amp này.

Máy tạo sóng vuông

A square wave generatorlà một mạch điện tử tạo ra sóng vuông. Phần này thảo luận về bộ tạo sóng vuông dựa trên op-amp.

Các circuit diagram của máy phát sóng vuông dựa trên op-amp được hiển thị trong hình sau

Quan sát sơ đồ mạch điện ở trên, điện trở $R_{1}$được kết nối giữa thiết bị đầu cuối đầu vào đảo ngược của op-amp và đầu ra của op-amp. Vì vậy, điện trở$R_{1}$ được sử dụng trong negative feedback. Tương tự, điện trở$R_{2}$được kết nối giữa đầu vào không đảo ngược của op-amp và đầu ra của nó. Vì vậy, điện trở$R_{2}$ được sử dụng trong positive feedback con đường.

Một tụ điện C được kết nối giữa cực đầu vào đảo ngược của op-amp và mặt đất. Nênvoltage across capacitor Csẽ là điện áp đầu vào tại cực nghịch đảo này của op-amp. Tương tự, một điện trở$R_{3}$được kết nối giữa đầu cuối đầu vào không đảo ngược của op-amp và mặt đất. Nênvoltage across resistor $R_{3}$ sẽ là điện áp đầu vào tại đầu cuối không đảo này của op-amp.

Các operation của máy phát sóng vuông được giải thích dưới đây:

  • Giả sử, có no chargeban đầu được lưu trữ trong tụ điện. Khi đó, điện áp hiện tại tại cực nghịch lưu của op-amp là 0 vôn. Tuy nhiên, có một số điện áp bù đắp tại thiết bị đầu cuối không đảo ngược của op-amp. Do đó, giá trị hiện tại ở đầu ra của mạch trên sẽ là$+V_{sat}$.

  • Bây giờ, tụ điện C bắt đầu charging thông qua một điện trở $R_{1}$. Giá trị hiện tại ở đầu ra của mạch trên sẽ thay đổi thành$-V_{sat}$, khi điện áp trên tụ C chỉ lớn hơn điện áp (giá trị dương) trên điện trở $R_{3}$.

  • Tụ C khởi động discharging thông qua một điện trở $R_{1}$, khi đầu ra của mạch trên là $-V_{sat}$. Giá trị hiện tại ở đầu ra của mạch trên sẽ thay đổi thành$+V_{sat}$, khi điện áp trên tụ C chỉ nhỏ hơn (âm hơn) điện áp (giá trị âm) trên điện trở $R_{3}$.

Do đó, mạch điện trong sơ đồ trên sẽ tạo ra một square wave ở đầu ra như trong hình sau:

Từ hình trên, chúng ta có thể quan sát rằng đầu ra của máy phát sóng vuông sẽ có một trong hai giá trị: $+V_{sat}$ và $-V_{sat}$. Vì vậy, đầu ra vẫn ở một giá trị trong một khoảng thời gian nào đó và sau đó chuyển sang giá trị khác và vẫn ở đó trong một khoảng thời gian. Bằng cách này, nó tiếp tục.

Máy tạo sóng tam giác

Máy phát sóng tam giác là một mạch điện tử, tạo ra sóng hình tam giác. Cácblock diagram của một máy phát sóng tam giác được thể hiện trong hình sau:

Sơ đồ khối của bộ tạo sóng tam giác chủ yếu chứa hai khối: bộ tạo sóng vuông và bộ tích phân. Hai khối này làcascaded. Điều đó có nghĩa là, đầu ra của bộ tạo sóng vuông được áp dụng như một đầu vào của bộ tích phân. Lưu ý rằng tích hợp của một sóng vuông không là gì khác ngoài một sóng tam giác.

Các circuit diagram của máy phát sóng tam giác dựa trên op-amp được thể hiện trong hình sau:

Chúng ta đã thấy các sơ đồ mạch của một bộ tạo sóng vuông và một bộ tích phân. Quan sát rằng chúng tôi đã nhận được ở trêncircuit diagram của bộ tạo sóng tam giác dựa trên op-amp bằng cách thay thế các khối bằng sơ đồ mạch tương ứng trong sơ đồ khối của bộ tạo sóng tam giác.

Các 555 Timer IC lấy tên từ ba $5K\Omega$điện trở được sử dụng trong mạng phân áp của nó. IC này rất hữu ích để tạo ra độ trễ và dao động thời gian chính xác. Chương này giải thích chi tiết về Bộ hẹn giờ 555.

Sơ đồ chân và Sơ đồ chức năng

Trong phần này, trước tiên chúng ta hãy thảo luận về sơ đồ chân của IC hẹn giờ 555 và sau đó là sơ đồ chức năng của nó.

Sơ đồ chân

IC Hẹn giờ 555 là một Gói nội tuyến kép (DIP) nhỏ 8 chân. Cácpin diagram của IC hẹn giờ 555 được hiển thị trong hình sau:

Ý nghĩa của mỗi chân có thể tự giải thích từ sơ đồ trên. IC Hẹn giờ 555 này có thể hoạt động với nguồn DC từ + 5V đến + 18V. Nó chủ yếu hữu ích để tạonon-sinusoidal các dạng sóng như hình vuông, đoạn đường nối, xung, v.v.

Sơ đồ chức năng

Biểu diễn bằng hình ảnh hiển thị các chi tiết bên trong của Bộ hẹn giờ 555 được gọi là sơ đồ chức năng.

Các functional diagram của IC hẹn giờ 555 được hiển thị trong hình sau:

Quan sát sơ đồ chức năng của Bộ định thời 555 có chứa một mạng phân áp, hai bộ so sánh, một bảng lật SR, hai bóng bán dẫn và một biến tần. Phần này thảo luận chi tiết về mục đích của từng khối hoặc thành phần -

Mạng phân chia điện áp

  • Mạng phân áp bao gồm ba $5K\Omega$ điện trở mắc nối tiếp giữa điện áp nguồn $V_{cc}$ và mặt đất.

  • Mạng này cung cấp điện áp là $\frac{V_{cc} }{3}$ giữa một điểm và mặt đất, nếu chỉ có một $5K\Omega$điện trở. Tương tự, nó cung cấp một điện áp là$\frac{2V_{cc} }{3}$ giữa một điểm và mặt đất, nếu chỉ tồn tại hai $5K\Omega$ điện trở.

Máy so sánh

  • Sơ đồ chức năng của IC hẹn giờ 555 bao gồm hai bộ so sánh: Bộ so sánh trên (UC) và Bộ so sánh dưới (LC).

  • Nhớ lại rằng a comparator so sánh hai đầu vào được áp dụng cho nó và tạo ra một đầu ra.

  • Nếu điện áp hiện tại tại đầu cuối không đảo ngược của op-amp lớn hơn điện áp hiện tại tại đầu cuối đảo ngược của nó, thì đầu ra của bộ so sánh sẽ là $+V_{sat}$. Đây có thể coi làLogic High ('1') trong biểu diễn kỹ thuật số.

  • Nếu điện áp hiện tại tại cực không đảo của op-amp nhỏ hơn hoặc bằng điện áp tại cực nghịch của nó, thì đầu ra của bộ so sánh sẽ là $-V_{sat}$. Đây có thể coi làLogic Low ('0') trong biểu diễn kỹ thuật số.

SR Flip-Flop

  • Nhớ lại rằng a SR flip-flophoạt động với chuyển đổi đồng hồ tích cực hoặc chuyển đổi đồng hồ âm. Nó có hai đầu vào: S và R, và hai đầu ra: Q (t) và Q (t) '. Các kết quả đầu ra, Q (t) & Q (t) 'bổ sung cho nhau.

  • Bảng sau đây cho thấy state table của một chiếc lật úp SR

S R Q (t + 1)
0 0 Q (t)
0 1 0
1 0 1
1 1 -
  • Ở đây, Q (t) & Q (t + 1) lần lượt là trạng thái hiện tại và trạng thái tiếp theo. Vì vậy, SR flip-flop có thể được sử dụng cho một trong ba chức năng này như Hold, Reset & Set dựa trên các điều kiện đầu vào, khi quá trình chuyển đổi tích cực (âm) của tín hiệu đồng hồ được áp dụng.

  • Các đầu ra của Bộ so sánh dưới (LC) và Bộ so sánh trên (UC) được áp dụng như inputs of SR flip-flop như trong sơ đồ chức năng của 555 Timer IC.

Bóng bán dẫn và Biến tần

  • Sơ đồ chức năng của IC hẹn giờ 555 bao gồm một bóng bán dẫn npn $Q_{1}$ và một bóng bán dẫn pnp $Q_{2}$. Bóng bán dẫn npn$Q_{1}$sẽ được BẬT nếu điện áp cơ sở đến bộ phát là dương và lớn hơn điện áp cắt. Nếu không, nó sẽ bị TẮT.

  • Bóng bán dẫn pnp $Q_{2}$ Được sử dụng như buffer để cách ly đầu vào thiết lập lại khỏi bảng lật SR và bóng bán dẫn npn $Q_{1}$.

  • Các inverter được sử dụng trong sơ đồ chức năng của IC hẹn giờ 555 không chỉ thực hiện hành động đảo ngược mà còn khuếch đại mức công suất.

IC Hẹn giờ 555 có thể được sử dụng trong hoạt động ổn định đơn để tạo ra một xung ở đầu ra. Tương tự, nó có thể được sử dụng trong hoạt động ổn định để tạo ra một sóng vuông ở đầu ra.

Vòng lặp bị khóa theo pha (PLL)là một trong những khối quan trọng trong hệ thống tuyến tính. Nó rất hữu ích trong các hệ thống thông tin liên lạc như radar, vệ tinh, FM, v.v.

Chương này thảo luận chi tiết về sơ đồ khối của PLL và IC 565.

Sơ đồ khối của PLL

Vòng lặp bị khóa theo pha (PLL) chủ yếu bao gồm những điều sau three blocks -

  • Máy dò pha
  • Bộ lọc thông thấp hoạt động
  • Bộ dao động điều khiển điện áp (VCO)

Các block diagram của PLL được thể hiện trong hình sau:

Đầu ra của bộ tách sóng pha được áp dụng như một đầu vào của bộ lọc thông thấp đang hoạt động. Tương tự, đầu ra của bộ lọc thông thấp hoạt động được áp dụng như một đầu vào của VCO.

Các working của một PLL như sau:

  • Phase detector tạo ra điện áp một chiều, tỷ lệ với độ lệch pha giữa tín hiệu đầu vào có tần số $f_{in}$ và tín hiệu phản hồi (đầu ra) có tần số $f_{out}$.

  • A Phase detector là một hệ số nhân và nó tạo ra hai thành phần tần số ở đầu ra của nó - tổng các tần số $f_{in}$ và $f_{out}$ và sự khác biệt của tần số $f_{in}$ & $f_{out}$.

  • An active low pass filtertạo ra điện áp một chiều ở đầu ra của nó, sau khi loại bỏ thành phần tần số cao có trong đầu ra của bộ tách sóng pha. Nó cũng khuếch đại tín hiệu.

  • A VCOtạo ra một tín hiệu có tần số nhất định, khi không có đầu vào áp dụng cho nó. Tần số này có thể được dịch chuyển sang hai bên bằng cách đặt điện áp một chiều vào nó. Do đó, độ lệch tần số tỷ lệ thuận với điện áp một chiều có ở đầu ra của bộ lọc thông thấp.

Các thao tác trên diễn ra cho đến khi tần số VCO bằng tần số tín hiệu đầu vào. Dựa trên loại ứng dụng, chúng ta có thể sử dụng đầu ra của bộ lọc thông thấp đang hoạt động hoặc đầu ra của VCO. PLL được sử dụng trong nhiềuapplications chẳng hạn như bộ giải điều chế FM, bộ tạo xung nhịp, v.v.

PLL hoạt động ở một trong những following three modes -

  • Chế độ chạy tự do
  • Chế độ chụp
  • Chế độ khóa

Ban đầu, PLL hoạt động trong free running modekhi không có đầu vào nào được áp dụng cho nó. Khi một tín hiệu đầu vào có tần số nào đó được áp dụng cho PLL, thì tần số tín hiệu đầu ra của VCO sẽ bắt đầu thay đổi. Ở giai đoạn này, PLL được cho là đang hoạt động trongcapture mode. Tần số tín hiệu đầu ra của VCO sẽ thay đổi liên tục cho đến khi nó bằng tần số tín hiệu đầu vào. Bây giờ, nó được cho là PLL đang hoạt động tronglock mode.

IC 565

IC 565 là IC vòng khóa pha thông dụng nhất. Đây là một Gói nội tuyến kép 14 pin (DIP). Cácpin diagram của IC 565 được thể hiện trong hình sau:

Mục đích của mỗi chân có thể tự giải thích từ sơ đồ trên. Trong số 14 chân, chỉ có 10 chân (chân số 1 đến 10) được sử dụng cho hoạt động của PLL. Vì vậy, 4 chân còn lại (chân số 11 đến 14) được gắn nhãn NC (No Connection).

Các VCOtạo ra một đầu ra ở chân số 4 của IC 565, khi chân số 2 và 3 được nối đất. Về mặt toán học, chúng ta có thể viết tần số đầu ra,$f_{out}$ của VCO dưới dạng.

$$f_{out}=\frac{0.25}{R_VC_V}$$

Ở đâu,

$R_{V}$ là điện trở ngoài được nối với chân số 8

$C_{V}$ là tụ điện bên ngoài được nối với chân số 9

  • Bằng cách chọn các giá trị thích hợp của $R_{V}$ và $C_{V}$, chúng tôi có thể sửa (xác định) tần số đầu ra, $f_{out}$ của VCO.

  • Pin numbers 4 and 5được nối tắt với một dây bên ngoài để đầu ra của VCO có thể được sử dụng như một trong những đầu vào của bộ tách sóng pha.

  • IC 565 có nội trở là $3.6K\Omega$. Một tụ điện, C phải được kết nối giữa các chân số 7 và 10 để tạo ralow pass filter với nội trở đó.

Lưu ý rằng theo yêu cầu, chúng ta phải cấu hình đúng các chân của IC 565.

Chức năng của một voltage regulatorlà duy trì điện áp một chiều không đổi ở đầu ra bất kể dao động điện áp ở đầu vào và (hoặc) sự thay đổi của dòng tải. Nói cách khác, bộ điều chỉnh điện áp tạo ra điện áp đầu ra DC được điều chỉnh.

Bộ điều chỉnh điện áp cũng có sẵn ở dạng Mạch tích hợp (IC). Chúng được gọi làvoltage regulator ICs.

Các loại bộ điều chỉnh điện áp

two types của bộ điều chỉnh điện áp -

  • Bộ điều chỉnh điện áp cố định
  • Bộ điều chỉnh điện áp có thể điều chỉnh

Chương này thảo luận về hai loại bộ điều chỉnh điện áp này.

Bộ điều chỉnh điện áp cố định

A fixed voltage regulatortạo ra điện áp đầu ra một chiều cố định, dương hoặc âm. Nói cách khác, một số bộ điều chỉnh điện áp cố định tạo ra các giá trị điện áp một chiều cố định dương, trong khi một số bộ điều chỉnh khác tạo ra các giá trị điện áp một chiều cố định âm.

78xx IC điều chỉnh điện áp tạo ra các giá trị điện áp DC cố định dương, trong khi IC điều chỉnh điện áp 79xx tạo ra các giá trị điện áp DC cố định âm.

Những điểm sau đây cần lưu ý khi làm việc với 78xx79xx IC điều chỉnh điện áp -

  • “Xx” tương ứng với một số có hai chữ số và đại diện cho lượng (độ lớn) của điện áp mà IC điều chỉnh điện áp tạo ra.

  • IC ổn áp 78xx và 79xx đều có 3 pins mỗi và chân thứ ba được sử dụng để thu thập đầu ra từ chúng.

  • Mục đích của chân thứ nhất và chân thứ hai của hai loại IC này là khác nhau -

    • Chân đầu tiên và chân thứ hai của 78xx IC điều chỉnh điện áp được sử dụng để kết nối đầu vào và nối đất tương ứng.

    • Chân đầu tiên và chân thứ hai của 79xx IC điều chỉnh điện áp được sử dụng để kết nối đất và đầu vào tương ứng.

Ví dụ

  • IC ổn áp 7805 tạo ra điện áp một chiều +5 volt.
  • IC điều áp 7905 tạo ra điện áp một chiều -5 vôn.

Hình sau đây cho thấy cách tạo ra một fixed positive voltage ở đầu ra bằng cách sử dụng bộ điều chỉnh điện áp dương cố định với các kết nối cần thiết.

Trong hình trên cho thấy một bộ điều chỉnh điện áp dương cố định, tụ điện đầu vào C i được sử dụng để ngăn các dao động không mong muốn và tụ điện đầu ra, C 0 hoạt động như một bộ lọc dòng để cải thiện đáp ứng quá độ.

Note - một nhận được một fixed negative voltage ở đầu ra bằng cách sử dụng bộ điều chỉnh điện áp âm cố định với các kết nối phù hợp.

Bộ điều chỉnh điện áp có thể điều chỉnh

Bộ điều chỉnh điện áp có thể điều chỉnh tạo ra điện áp đầu ra DC, có thể được điều chỉnh đến bất kỳ giá trị nào khác của dải điện áp nhất định. Do đó, bộ điều chỉnh điện áp điều chỉnh còn được gọi làvariable voltage regulator.

Giá trị điện áp đầu ra DC của bộ điều chỉnh điện áp có thể điều chỉnh được có thể là dương hoặc âm.

IC ổn áp LM317

LM317 IC điều chỉnh điện áp có thể được sử dụng để tạo ra giá trị điện áp DC cố định dương mong muốn của dải điện áp có sẵn.

IC ổn áp LM317 có 3 chân. Chân đầu tiên được sử dụng để điều chỉnh điện áp đầu ra, chân thứ hai được sử dụng để thu thập đầu ra và chân thứ ba được sử dụng để kết nối đầu vào.

Chốt điều chỉnh (thiết bị đầu cuối) được cung cấp với một biến trở cho phép đầu ra thay đổi giữa một phạm vi rộng.

Hình trên cho thấy một nguồn điện không điều chỉnh dẫn động một IC điều chỉnh điện áp LM 317, được sử dụng phổ biến. IC này có thể cung cấp dòng tải 1,5A trên phạm vi đầu ra có thể điều chỉnh từ 1,25 V đến 37 V.

Tất cả các đại lượng trong thế giới thực đều có bản chất tương tự. Chúng ta có thể biểu diễn các đại lượng này bằng điện dưới dạng tín hiệu tương tự. Ananalog signal là một tín hiệu thay đổi theo thời gian có bất kỳ số lượng giá trị (biến thể) nào cho một khoảng thời gian nhất định.

Ngược lại với điều này, một digital signal thay đổi đột ngột từ cấp độ này sang cấp độ khác và sẽ chỉ có số lượng giá trị (biến thể) hữu hạn cho một khoảng thời gian nhất định.

Chương này thảo luận về các loại bộ chuyển đổi dữ liệu và thông số kỹ thuật của chúng.

Các loại công cụ chuyển đổi dữ liệu

Các mạch điện tử, có thể hoạt động với tín hiệu tương tự được gọi là mạch tương tự. Tương tự, các mạch điện tử, có thể hoạt động với tín hiệu kỹ thuật số được gọi là mạch kỹ thuật số. Bộ chuyển đổi dữ liệu là một mạch điện tử chuyển đổi dữ liệu từ dạng này sang dạng khác.

Có hai types of data converters -

  • Bộ chuyển đổi Analog sang kỹ thuật số
  • Chuyển đổi công nghệ ky thuật sô

Nếu chúng ta muốn kết nối đầu ra của mạch tương tự như đầu vào của mạch kỹ thuật số, thì chúng ta phải đặt một mạch giao tiếp giữa chúng. Mạch giao tiếp này chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu kỹ thuật số được gọi làAnalog to Digital Converter.

Tương tự, nếu chúng ta muốn kết nối đầu ra của mạch kỹ thuật số như đầu vào của mạch tương tự, thì chúng ta phải đặt một mạch giao tiếp giữa chúng. Mạch giao tiếp này chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự được gọi làDigital to Analog Converter.

Lưu ý rằng một số Bộ chuyển đổi Analog sang Digital có thể yêu cầu Bộ chuyển đổi Digital sang Analog làm khối bên trong cho hoạt động của chúng.

Thông số kỹ thuật

Sau đây là specifications có liên quan đến chuyển đổi dữ liệu -

  • Resolution
  • Thời gian chuyển đổi

Độ phân giải

Độ phân giải là minimum amount of changecần thiết ở điện áp đầu vào tương tự để nó được biểu diễn ở đầu ra nhị phân (kỹ thuật số). Nó phụ thuộc vào số lượng bit được sử dụng trong đầu ra kỹ thuật số.

Mathematically, độ phân giải có thể được biểu diễn dưới dạng

$$Resolution=\frac{1}{2^{N}}$$

trong đó, 'N' là số bit có trong đầu ra kỹ thuật số.

Từ công thức trên, chúng ta có thể thấy rằng tồn tại một inverse relationshipgiữa độ phân giải và số bit. Do đó, độ phân giải giảm khi số lượng bit tăng lên và ngược lại.

Resolution cũng có thể được định nghĩa là tỷ số của điện áp đầu vào tương tự tối đa có thể được biểu diễn bằng số nhị phân và số nhị phân tương đương.

Mathematically, độ phân giải có thể được biểu diễn dưới dạng

$$Resolution=\frac{V_{FS}}{2^{N}-1}$$

Ở đâu,

$V_{FS}$ là điện áp đầu vào quy mô đầy đủ hoặc điện áp đầu vào tương tự tối đa,

'N' là số bit có trong đầu ra kỹ thuật số.

Thời gian chuyển đổi

Khoảng thời gian cần thiết cho bộ chuyển đổi dữ liệu để chuyển đổi dữ liệu (thông tin) của một biểu mẫu thành dữ liệu tương đương của nó ở biểu mẫu khác được gọi là conversion time. Vì chúng tôi có hai loại trình chuyển đổi dữ liệu, nên có hai loại thời gian chuyển đổi như sau

  • Thời gian chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số
  • Thời gian chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự

Khoảng thời gian cần thiết để Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC) chuyển đổi điện áp đầu vào tương tự thành đầu ra nhị phân (kỹ thuật số) tương đương của nó được gọi là Analog to Digital conversion time. Nó phụ thuộc vào số lượng bit được sử dụng trong đầu ra kỹ thuật số.

Khoảng thời gian cần thiết để Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC) chuyển đổi đầu vào nhị phân (kỹ thuật số) thành điện áp đầu ra tương tự tương đương của nó được gọi là Digital to Analog conversion time. Nó phụ thuộc vào số lượng bit có trong đầu vào nhị phân (kỹ thuật số).

A Digital to Analog Converter (DAC)chuyển đổi tín hiệu đầu vào kỹ thuật số thành tín hiệu đầu ra tương tự. Tín hiệu kỹ thuật số được biểu diễn bằng mã nhị phân, là sự kết hợp của bit 0 và 1. Chương này đề cập chi tiết đến Bộ chuyển đổi số sang tương tự.

Các block diagram của DAC được thể hiện trong hình sau:

Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự (DAC) bao gồm một số đầu vào nhị phân và một đầu ra duy nhất. Nói chung,number of binary inputs của DAC sẽ là lũy thừa của hai.

Các loại DAC

two types của DAC

  • DAC điện trở trọng số
  • DAC thang R-2R

Phần này thảo luận chi tiết về hai loại DAC này -

DAC điện trở trọng số

Một điện trở có trọng số DAC tạo ra đầu ra tương tự, gần như bằng với đầu vào kỹ thuật số (nhị phân) bằng cách sử dụng binary weighted resistorstrong mạch cộng đảo. Tóm lại, DAC điện trở có trọng số nhị phân được gọi là DAC điện trở có trọng số.

Các circuit diagram của DAC điện trở có trọng số nhị phân 3 bit được hiển thị trong hình sau:

Nhớ lại rằng các bit của một số nhị phân chỉ có thể có một trong hai giá trị. tức là 0 hoặc 1. Hãy3-bit binary input Là $b_{2}b_{1}b_{0}$. Đây, các bit$b_{2}$ và $b_{0}$ biểu thị Most Significant Bit (MSB) and Least Significant Bit (LSB) tương ứng.

Các digital switcheshiển thị trong hình trên sẽ được kết nối với đất, khi các bit đầu vào tương ứng bằng '0'. Tương tự, các công tắc kỹ thuật số được hiển thị trong hình trên sẽ được kết nối với điện áp tham chiếu âm,$-V_{R}$ khi các bit đầu vào tương ứng bằng '1'.

Trong mạch trên, đầu cuối đầu vào không đảo ngược của op-amp được kết nối với đất. Điều đó có nghĩa là 0 vôn được áp dụng tại đầu cuối đầu vào không đảo ngược của op-amp.

Theo virtual short concept, điện áp tại cực đầu vào đảo ngược của opamp giống như điện áp hiện tại ở cực đầu vào không đảo của nó. Vì vậy, điện áp tại nút của thiết bị đầu cuối đầu vào đảo ngược sẽ là 0 vôn.

Các nodal equation tại nút của thiết bị đầu cuối đầu vào đảo ngược là:

$$\frac{0+V_{R}b_{2}}{2^{0}R}+\frac{0+V_{R}b_{1}}{2^{1}R}+\frac{0+V_{R}b_{0}}{2^{2}R}+\frac{0-V_{0}}{R_{f}}=0$$

$$=>\frac{V_{0}}{R_{f}}=\frac{V_{R}b_{2}}{2^{0}R}+\frac{V_{R}b_{1}}{2^{1}R}+\frac{V_{R}b_{0}}{2^{2}R}$$

$$=>V_{0}=\frac{V_{R}R_{f}}{R}\left \{\frac{b_{2}}{2^{0}}+\frac{b_{1}}{2^{1}}+\frac{b_{0}}{2^{2}}\right \}$$

Thay thế, $R=2R_{f}$ trong phương trình trên.

$$=>V_{0}=\frac{V_{R}R_{f}}{2R_{f}}\left \{\frac{b_{2}}{2^{0}}+\frac{b_{1}}{2^{1}}+\frac{b_{0}}{2^{2}}\right \}$$

$$=>V_{0}=\frac{V_{R}}{2}\left \{\frac{b_{2}}{2^{0}}+\frac{b_{1}}{2^{1}}+\frac{b_{0}}{2^{2}}\right \}$$

Phương trình trên đại diện cho output voltage equationcủa một DAC điện trở có trọng số nhị phân 3 bit. Vì số lượng bit là ba trong đầu vào nhị phân (kỹ thuật số), chúng tôi sẽ nhận được bảy giá trị có thể có của điện áp đầu ra bằng cách thay đổi đầu vào nhị phân từ 000 đến 111 cho điện áp tham chiếu cố định,$V_{R}$.

Chúng tôi có thể viết generalized output voltage equation của DAC điện trở có trọng số nhị phân N-bit như hình dưới đây dựa trên phương trình điện áp đầu ra của DAC điện trở có trọng số nhị phân 3 bit.

$$=>V_{0}=\frac{V_{R}}{2}\left \{ \frac{b_{N-1}}{2^{0}}+ \frac{b_{N-2}}{2^{1}}+....+\frac{b_{0}}{2^{N-1}} \right \}$$

Các disadvantages của một điện trở có trọng số nhị phân DAC như sau:

  • Sự khác biệt giữa các giá trị điện trở tương ứng với LSB & MSB sẽ tăng lên khi số lượng bit hiện diện trong đầu vào kỹ thuật số tăng lên.

  • Rất khó để thiết kế điện trở chính xác hơn khi số lượng bit hiện diện trong đầu vào kỹ thuật số tăng lên.

DAC thang R-2R

DAC R-2R Ladder khắc phục được nhược điểm của DAC điện trở trọng số nhị phân. Như tên cho thấy, R-2R Ladder DAC tạo ra đầu ra tương tự, gần như bằng với đầu vào kỹ thuật số (nhị phân) bằng cách sử dụngR-2R ladder network trong mạch cộng đảo.

Cáccircuit diagramcủa DAC 3-bit R-2R Ladder được thể hiện trong hình sau:

Nhớ lại rằng các bit của một số nhị phân chỉ có thể có một trong hai giá trị. tức là 0 hoặc 1. Hãy3-bit binary input Là $b_{2}b_{1}b_{0}$. Đây, các bit$b_{2}$ và $b_{0}$ biểu thị Bit quan trọng nhất (MSB) và Bit ít quan trọng nhất (LSB) tương ứng.

Các công tắc kỹ thuật số hiển thị trong hình trên sẽ được kết nối với đất, khi các bit đầu vào tương ứng bằng '0'. Tương tự, các công tắc kỹ thuật số được hiển thị trong hình trên sẽ được kết nối với điện áp tham chiếu âm,$-V_{R}$ khi các bit đầu vào tương ứng bằng '1'.

Rất khó để có được phương trình điện áp đầu ra tổng quát của DAC R-2R Ladder. Tuy nhiên, chúng ta có thể tìm thấy các giá trị điện áp đầu ra tương tự của R-2R Ladder DAC cho các kết hợp đầu vào nhị phân riêng lẻ một cách dễ dàng.

Các advantages của DAC R-2R Ladder như sau:

  • R-2R Ladder DAC chỉ chứa hai giá trị của điện trở: R và 2R. Vì vậy, có thể dễ dàng lựa chọn và thiết kế điện trở chính xác hơn.

  • Nếu có nhiều bit hơn trong đầu vào kỹ thuật số, thì chúng ta phải bao gồm thêm số phần R-2R cần thiết.

Do những ưu điểm trên, DAC R-2R Ladder được ưa chuộng hơn DAC điện trở trọng số nhị phân.

Trong chương trước, chúng ta đã thảo luận về hai loại DAC. Chương này thảo luận về một vấn đề ví dụ dựa trên DAC bậc thang R-2R.

Thí dụ

Hãy để chúng tôi tìm giá trị của điện áp đầu ra tương tự của DAC Ladder R-2R cho đầu vào nhị phân, $b_{2}b_{1}b_{0}$ = 100.

Sơ đồ mạch và sự đơn giản hóa của nó

Các circuit diagram của DAC 3 bit R-2R Ladder khi đầu vào nhị phân, $b_{2}b_{1}b_{0}$ = 100 áp dụng cho nó được hiển thị trong hình sau:

Trong đoạn mạch trên, tồn tại các tổ hợp điện trở mắc nối tiếp và song song bên trái của point Ađối với mặt đất. Vì vậy, chúng ta có thể thay thế toàn bộ mạng điện trở đó bằng một điện trở duy nhất có điện trở$2R\Omega$.

Các simplified circuit diagram được hiển thị trong hình sau:

Chúng ta có thể thay thế phần mạng được kết nối bên trái của điểm B đối với mặt đất bằng cách sử dụng mạch tương đương của Thevenin. Cácmodified circuit diagram được hiển thị trong hình sau:

Trong đoạn mạch trên tồn tại mắc nối tiếp gồm hai điện trở. Thay sự kết hợp này bằng một điện trở duy nhất. Trận chung kếtcircuit diagram sau khi đơn giản hóa được hiển thị trong hình sau:

Bây giờ, sơ đồ mạch trên trông giống như một inverting amplifier. Nó đang có điện áp đầu vào là$-\frac{V_{R}}{2}$ vôn, điện trở đầu vào của $2R\Omega$ và khả năng phản hồi của $2R\Omega$.

Các output voltage của mạch hiển thị ở trên sẽ là -

$$V_{0}=-\frac{2R}{2R}\left(-\frac{V_{R}}{2}\right)$$

$$V_{0}=\frac{V_{R}}{2}$$

Do đó, output voltage của DAC 3-bit R-2R Ladder là $\frac{V_{R}}{2}$ vôn cho một đầu vào nhị phân, $b_{2}b_{1}b_{0}$ = 100.

Bộ chuyển đổi Analog sang kỹ thuật số (ADC)chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Tín hiệu kỹ thuật số được biểu diễn bằng mã nhị phân, là sự kết hợp của các bit 0 và 1.

Các block diagram của một ADC được thể hiện trong hình sau:

Quan sát rằng trong hình bên trên, Bộ chuyển đổi Analog sang Digital (ADC)bao gồm một đầu vào tương tự duy nhất và nhiều đầu ra nhị phân. Nói chung, số lượng đầu ra nhị phân của ADC sẽ là lũy thừa của hai.

two typescủa ADC: ADC loại trực tiếp và ADC loại gián tiếp. Chương này thảo luận chi tiết về các ADC kiểu Trực tiếp.

Nếu ADC thực hiện chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số trực tiếp bằng cách sử dụng mã số (nhị phân) tương đương được tạo bên trong để so sánh với đầu vào tương tự, thì nó được gọi là Direct type ADC.

Sau đây là examples của ADC loại Trực tiếp -

  • Loại bộ đếm ADC
  • ADC xấp xỉ kế tiếp
  • Loại flash ADC

Phần này thảo luận chi tiết về các ADC loại Trực tiếp này.

Loại bộ đếm ADC

A counter type ADC tạo ra đầu ra kỹ thuật số, gần bằng với đầu vào tương tự bằng cách sử dụng hoạt động của bộ đếm bên trong.

Các block diagram của loại bộ đếm ADC được hiển thị trong hình sau:

Bộ đếm kiểu ADC chủ yếu gồm 5 khối: Bộ tạo tín hiệu xung nhịp, Bộ đếm, DAC, Bộ so sánh và Điều khiển logic.

Các working của loại bộ đếm ADC như sau:

  • Các control logic đặt lại bộ đếm và bật bộ tạo tín hiệu đồng hồ để gửi xung đồng hồ đến bộ đếm, khi nó nhận được tín hiệu lệnh bắt đầu.

  • Các counterđược tăng thêm một cho mỗi xung đồng hồ và giá trị của nó sẽ ở định dạng nhị phân (kỹ thuật số). Đầu ra này của bộ đếm được áp dụng như một đầu vào của DAC.

  • DACchuyển đổi đầu vào nhị phân (kỹ thuật số) nhận được, là đầu ra của bộ đếm, thành đầu ra tương tự. Bộ so sánh so sánh giá trị tương tự này,$V_{a}$ với giá trị đầu vào tương tự bên ngoài $V_{i}$.

  • Các output of comparator sẽ là ‘1’miễn là lớn hơn. Các hoạt động được đề cập trong hai bước trên sẽ được tiếp tục miễn là logic điều khiển nhận được '1' từ đầu ra của bộ so sánh.

  • Các output of comparator sẽ là ‘0’ khi nào $V_{i}$ nhỏ hơn hoặc bằng $V_{a}$. Vì vậy, logic điều khiển nhận '0' từ đầu ra của bộ so sánh. Sau đó, logic điều khiển sẽ vô hiệu hóa bộ tạo tín hiệu đồng hồ để nó không gửi bất kỳ xung đồng hồ nào đến bộ đếm.

  • Tại thời điểm này, đầu ra của bộ đếm sẽ được hiển thị dưới dạng digital output. Nó gần như tương đương với giá trị đầu vào tương tự bên ngoài tương ứng$V_{i}$.

ADC xấp xỉ kế tiếp

A successive approximation type ADC tạo ra đầu ra kỹ thuật số, gần bằng với đầu vào tương tự bằng cách sử dụng kỹ thuật xấp xỉ kế tiếp trong nội bộ.

Các block diagram của một ADC gần đúng liên tiếp được thể hiện trong hình sau

Bộ ADC xấp xỉ kế tiếp chủ yếu bao gồm 5 khối - Bộ tạo tín hiệu đồng hồ, Thanh ghi xấp xỉ kế tiếp (SAR), DAC, bộ so sánh và logic điều khiển.

Các working của một ADC gần đúng liên tiếp như sau:

  • Các control logic đặt lại tất cả các bit của SAR và cho phép bộ tạo tín hiệu đồng hồ để gửi các xung đồng hồ tới SAR, khi nó nhận được tín hiệu lệnh bắt đầu.

  • Dữ liệu nhị phân (kỹ thuật số) có trong SARsẽ được cập nhật cho mỗi xung đồng hồ dựa trên đầu ra của bộ so sánh. Đầu ra của SAR được áp dụng như một đầu vào của DAC.

  • DAC chuyển đổi đầu vào kỹ thuật số nhận được, là đầu ra của SAR, thành đầu ra tương tự. Bộ so sánh so sánh giá trị tương tự này$V_{a}$ với giá trị đầu vào tương tự bên ngoài $V_{i}$.

  • Các output of a comparator sẽ là '1' miễn là $V_{i}$ lớn hơn $V_{a}$. Tương tự, đầu ra của bộ so sánh sẽ là '0', khi$V_{i}$ nhỏ hơn hoặc bằng $V_{a}$.

  • Các hoạt động được đề cập trong các bước trên sẽ được tiếp tục cho đến khi đầu ra kỹ thuật số là hợp lệ.

Đầu ra kỹ thuật số sẽ là đầu ra hợp lệ, khi nó gần như tương đương với giá trị đầu vào tương tự bên ngoài tương ứng $V_{i}$.

Loại flash ADC

A flash type ADCtạo ra đầu ra kỹ thuật số tương đương cho đầu vào tương tự trong thời gian ngắn. Do đó, ADC loại flash là ADC nhanh nhất.

Các circuit diagram của ADC loại flash 3 bit được thể hiện trong hình sau:

ADC loại flash 3 bit bao gồm mạng phân áp, 7 bộ so sánh và bộ mã hóa ưu tiên.

Các working của ADC loại flash 3 bit như sau.

  • Các voltage divider networkchứa 8 điện trở bằng nhau. Điện áp tham chiếu$V_{R}$được áp dụng trên toàn bộ mạng đó đối với mặt đất. Điện áp rơi trên mỗi điện trở từ dưới lên trên so với mặt đất sẽ là bội số nguyên (từ 1 đến 8) của$\frac{V_{R}}{8}$.

  • Ngoại thương input voltage $V_{i}$được áp dụng cho đầu cuối không đảo của tất cả các bộ so sánh. Điện áp rơi trên mỗi điện trở từ dưới lên trên so với mặt đất được áp dụng cho đầu nối nghịch lưu của bộ so sánh từ dưới lên trên.

  • Tại một thời điểm, tất cả các bộ so sánh sẽ so sánh điện áp đầu vào bên ngoài với điện áp giảm ở đầu cuối đầu vào khác tương ứng. Điều đó có nghĩa là, các hoạt động so sánh diễn ra bởi mỗi bộ so sánhparallelly.

  • Các output of the comparator sẽ là '1' miễn là $V_{i}$lớn hơn điện áp rơi ở cực đầu vào khác tương ứng. Tương tự, đầu ra của bộ so sánh sẽ là '0', khi,$V_{i}$ nhỏ hơn hoặc bằng điện áp rơi ở cực đầu vào khác tương ứng.

  • Tất cả các đầu ra của bộ so sánh được kết nối như đầu vào của priority encoderBộ mã hóa ưu tiên này tạo ra mã nhị phân (đầu ra kỹ thuật số), tương ứng với đầu vào ưu tiên cao có '1'.

  • Do đó, đầu ra của bộ mã hóa ưu tiên không là gì khác ngoài mã nhị phân tương đương (digital output) điện áp đầu vào tương tự bên ngoài, $V_{i}$.

ADC loại flash được sử dụng trong các ứng dụng có tốc độ chuyển đổi đầu vào tương tự thành dữ liệu kỹ thuật số rất cao.

Trong chương trước, chúng ta đã thảo luận về ADC là gì và các ví dụ về ADC loại Trực tiếp. Chương này thảo luận về ADC kiểu gián tiếp.

Nếu một ADC thực hiện chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số bằng một phương pháp gián tiếp, thì nó được gọi là Indirect type ADC. Nói chung, đầu tiên nó chuyển đổi đầu vào tương tự thành một hàm tuyến tính của thời gian (hoặc tần số) và sau đó nó sẽ tạo ra đầu ra số (nhị phân).

ADC độ dốc kép là tốt nhất examplecủa một ADC loại gián tiếp. Chương này thảo luận chi tiết về nó.

ADC độ dốc kép

Như tên cho thấy, một dual slope ADC tạo ra đầu ra kỹ thuật số tương đương cho đầu vào tương tự tương ứng bằng cách sử dụng kỹ thuật độ dốc hai (kép).

Các block diagram của ADC có độ dốc kép được thể hiện trong hình sau:

ADC độ dốc kép chủ yếu bao gồm 5 khối: Bộ tích hợp, Bộ so sánh, Bộ tạo tín hiệu đồng hồ, Logic điều khiển và Bộ đếm.

Các working của ADC có độ dốc kép như sau:

  • Các control logic đặt lại bộ đếm và bật bộ tạo tín hiệu đồng hồ để gửi xung đồng hồ đến bộ đếm, khi nó nhận được tín hiệu lệnh bắt đầu.

  • Logic điều khiển đẩy công tắc sw để kết nối với external analog input voltage $V_{i}$, khi nó nhận được tín hiệu lệnh bắt đầu. Điện áp đầu vào này được áp dụng cho một bộ tích hợp.

  • Đầu ra của integrator được kết nối với một trong hai đầu vào của bộ so sánh và đầu vào khác của bộ so sánh được nối với đất.

  • Comparator so sánh đầu ra của bộ tích hợp với 0 volt (mặt đất) và tạo ra một đầu ra, được áp dụng cho logic điều khiển.

  • Các counterđược tăng thêm một cho mỗi xung đồng hồ và giá trị của nó sẽ ở định dạng nhị phân (kỹ thuật số). Nó tạo ra một tín hiệu tràn tới logic điều khiển, khi nó được tăng lên sau khi đạt đến giá trị đếm lớn nhất. Tại thời điểm này, tất cả các bit của bộ đếm sẽ chỉ có số không.

  • Bây giờ, logic điều khiển đẩy công tắc sw để kết nối với negative reference Vôn $-V_{ref}$. Điện áp tham chiếu âm này được áp dụng cho bộ tích phân. Nó loại bỏ điện tích được lưu trữ trong tụ điện cho đến khi nó trở thành 0.

  • Tại thời điểm này, cả hai đầu vào của bộ so sánh đều có vôn 0. Vì vậy, bộ so sánh sẽ gửi một tín hiệu đến logic điều khiển. Bây giờ, logic điều khiển vô hiệu hóa bộ tạo tín hiệu đồng hồ và giữ lại (giữ) giá trị bộ đếm. Cáccounter value tỷ lệ với điện áp đầu vào tương tự bên ngoài.

  • Tại thời điểm này, đầu ra của bộ đếm sẽ được hiển thị dưới dạng digital output. Nó gần như tương đương với giá trị đầu vào tương tự bên ngoài tương ứng$V_{i}$.

ADC độ dốc kép được sử dụng trong các ứng dụng, trong đó accuracy quan trọng hơn trong khi chuyển đổi đầu vào tương tự thành dữ liệu số (nhị phân) tương đương của nó.