Bài giảng Điện tử ứng dụng

LINH KIỆN GIAO TIẾP VÀ MẠCH ỨNG DỤNG

LINH KIỆN GIAO TIẾP

Transistor lưỡng cực hay BJT (Bipolar junction transistor) là một loại linh kiện bán dẫn, có 3 cực là B (base - cực nền), C (collector - cực thu), E (emitter - cực phát)

Transistor có hai loại chính là P-N-P và N-P-N, được phân biệt dựa trên cấu tạo của hai tiếp giáp P-N Mỗi tiếp giáp này có thể được phân cực theo chiều thuận hoặc chiều nghịch khi có điện thế bên ngoài tác động.

Hình 1.1 Cấu trúc và hình ảnh thực tế của Transistor lưỡng cực

Transistor BJT thường được sử dụng như công tắc (switch) đóng ngắt các mạch điện và phần lớn được mắc theo dạng mạch có chung cực emitter (CE)

Hình 1.2 Sơ đồ chân và ký hiệu Transistor loại NPN

Transistror NPN cho phép dẫn dòng từ CE Điều kiện dẫn của Transistor:

Khi transistor NPN hoạt động, dòng điện collector (I C) được tính bằng công thức I C = βI B, với β là hệ số khuếch đại Đồng thời, dòng điện emitter (I E) được xác định bởi I E = I B + I C Khi tăng dòng I B, I C sẽ tăng lên β lần Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng I B đến một mức nhất định mà I C không còn tăng nữa, transistor NPN sẽ rơi vào trạng thái dẫn bão hòa.

Khi transistor dẫn bão hòa thì: βI B = K.I C (trong đó K là hệ số bão hòa K=2÷5)

Hình 1.3 Sơ đồ chân và ký hiệu Transistor loại PNP

Transistror PNP cho phép dẫn dòng từ EC, Điều kiện dẫn của Transistor

Tương tự như Transistor NPN, ta có: IC = βIB, IE= IB+IC

1.2.1 Phân cực bằng hai nguồn riêng biệt

Hình 1.4 Mạch phân cực bằng hai nguồn riêng biệt

Phương trình mạch vòng CE không thay đổi, kết quả đạt được:

1.2.2 Phân cực cầu phân áp

Hình 1.5 Sơ đồ mạch phân cực cầu phân áp

SCR (Chỉnh lưu silic có điều khiển) là một phần tử bán dẫn được cấu tạo từ 4 lớp bán dẫn, tạo ra ba lớp tiếp giáp P-N: J1, J2, J3 Thyristor có ba cực hoạt động gồm anode (A), cathode (K) và cực điều khiển (G), và được sử dụng để chỉnh lưu dòng điện có điều khiển.

Hình 1.6 Cấu trúc và hình ảnh thực tế của SCR

Hình 1.7 Ký hiệu của SCR

Hình 1.8 Đặc tuyến làm việc của SCR

SCR phân cực nghịch có đặc tuyến I-V tương tự như diode chỉnh lưu, cho thấy rằng chỉ có một dòng rỉ rất nhỏ chạy qua Tuy nhiên, khi điện áp nghịch đạt đến điện thế phân hủy VBR, SCR có thể bị hỏng nếu không có điện trở đủ lớn trong mạch để giới hạn dòng điện nghịch.

SCR phân cực thuận có đặc tuyến ban đầu giống như phân cực nghịch, nhưng khi đạt đến điện thế gãy lên (VBO), điện thế trên Anod giảm xuống tương tự như diode thường (0,7V) Dòng điện tương ứng lúc này được gọi là dòng duy trì (IH) hay dòng giữ, và SCR bắt đầu dẫn điện Đặc tuyến V-I của SCR khi này tương tự như diode thường.

Khi có dòng cổng(IG)thì SCR sẽ chuyển từ trạng tắt sang trạng thái dẫn nhanh hơn

Các thông số chính của SCR, khi sử dụng cần phải lưu ý:

Điện áp phân cực thuận và nghịch cực đại

Dòng điện thuận cực đại

Điện áp và dòng điện cổng

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) là transistor công suất cực đại có cực điều khiển cách ly là một linh kiện bán dẫn công suất 3 cực

IGBT kết hợp ưu điểm của MOSFET với khả năng đóng cắt nhanh và transistor thường với khả năng chịu tải lớn Hơn nữa, IGBT là phần tử điều khiển bằng điện áp, nên yêu cầu công suất điều khiển rất thấp.

Hình 1.9 Hình ảnh thực tế của IGBT và module IGBT

Hình 1.10 (a) Ký hiệu, (b) Mạch tương đương của IGBT

Dưới tác động của áp điều khiển VGE>0, kênh dẫn hình thành các điện tử mang điện tương tự như trong cấu trúc MOSFET Các điện tử này di chuyển về cực C, vượt qua lớp tiếp giáp n-p, giống như quá trình giữa base và collector trong transistor thông thường, tạo ra dòng collector.

IGBT có khả năng xử lý dòng điện lớn và chịu được điện áp ngược cao, với thời gian đáp ứng ngắt nhanh chỉ khoảng vài micro giây Thiết bị này có thể hoạt động hiệu quả mà không cần mạch bảo vệ Trong những trường hợp đặc biệt, mạch bảo vệ của MOSFET có thể được áp dụng cho IGBT, và mạch kích IGBT được thiết kế tương tự như mạch kích MOSFET.

IGBT được ứng dụng rộng rãi trong các bộ biến đổi điều chế xung tần số cao, đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp với khả năng hoạt động ở mức công suất lên đến 10MW hoặc hơn.

Hiện nay, trên thị trường xuất hiện các module IGBT thông minh, được sản xuất bằng công nghệ tích hợp cao Những module này không chỉ tích hợp các phần tử IGBT mà còn bao gồm mạch kích lái, mạch bảo vệ và cảm biến dòng điện Nhờ vào tính năng vượt trội, các module IGBT thông minh ngày càng được sử dụng phổ biến và đạt độ tin cậy rất cao.

MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) hay còn gọi là

Transistor hiệu ứng trường Oxit Kim loại - Bán dẫn là loại transistor phổ biến trong các mạch số, mạch tương tự và thiết bị điện tử công suất.

Transistor MOSFET được cấu tạo từ lớp chuyển tiếp giữa oxit kim loại và bán dẫn, như oxit bạc và bán dẫn silic Nó bao gồm bốn cực: cực cổng (G), cực nền (B), cực nguồn (S) và cực máng (D).

Hình 1.11 Cấu trúc và hình ảnh thực tế của MOSFET

MOSFET có hai loại: N-MOSFET và P-MOSFET

Hình 1.12 Ký hiệu các loại MOSFET

4.2 Nguyên lý hoạt đông (xét kênh N)

Hình 1.13 Đặc tuyến làm việc MOSFET loại liên tục

MOSFET kênh liên tục ít phổ biến hơn so với loại kênh gián đoạn, thường dẫn điện (Chế độ ON) mà không cần điện áp phân cực tại cực cổng Khi V GS = 0, MOSFET trở thành thiết bị thường đóng (normally-closed) Mạch điện được trình bày cho thấy MOSFET kênh liên tục với các kênh thể hiện trạng thái thường đóng Đối với MOSFET kênh liên tục kênh N, một điện áp âm giữa cực cổng-nguồn (-VGS) sẽ loại bỏ electron trong kênh dẫn, dẫn đến trạng thái ngắt của transistor.

“OFF” Tương tự đối với kênh P, điện áp cực cổng – nguồn, +V GS rút hết lỗ trống làm cho transistor ngắt (OFF)

MOSFET kênh N hoạt động dựa trên nguyên lý rằng +VGS tạo ra nhiều electron, dẫn đến dòng điện lớn, trong khi -VGS làm giảm số electron và giảm dòng điện Ngược lại, MOSFET kênh P có hành vi tương tự nhưng ngược lại Do đó, MOSFET kênh liên tục có thể được coi như một công tắc thường đóng (normally-closed).

Hình 1.14 Đặc tuyến làm việc MOSFET loại gián đoạn Để MOSFET gián đoạn (E-MOSFET) dẫn thì:

Khi VGS tăng đạt đến giá trị VGS(th) thì xuất hiện dòng ID, nếu VGS vượt VGS(th) thì dòng I D tăng mạnh, theo phương trình sau:

Trong đó K là hằng số phụ thuộc vào đặc tính của E-MOSFET

Op-Amp (Bộ khuếch đại hoạt động) là một linh kiện điện tử có nhiệm vụ chính là khuếch đại tín hiệu, bao gồm cả dòng điện và điện áp.

MẠCH ỨNG DỤNG

Mạch cầu H thường được ứng dụng trong việc điều khiển động cơ DC theo 2 chiều quay bất kì

Hình 1.27 Sơ đồ mạch cầu H

Mạch cầu H bao gồm 4 "công tắc" được mắc theo hình chữ H Bằng cách điều khiển

4 "công tắc" đóng mở, ta có thể điều khiển được dòng điện qua động cơ cũng như các thiết bị điện tương tự

 S1, S3 đóng; S2, S4 mở: Cho phép dòng từ Vcc S1 M ĐCNS3 0V

 Cho phép động cơ chạy thuận

 S2, S4 đóng; S1, S3 mở: Cho phép dòng từ Vcc S4NĐCNS20V

 Cho phép động cơ chạy nghịch

 Điều khiển đóng ngắt các cặp khóa S1, S3 và S2 S4 cho phép đảo chiều dòng điện đảo chiều động cơ

Bốn công tắc S1, S2, S3, S4 thường được sử dụng là Transistor BJT, MOSFET hoặc relay Việc lựa chọn loại công tắc phù hợp phụ thuộc vào các yêu cầu điều khiển khác nhau.

Hình 1.28 Mạch cầu H sử dụng BJT

Cho S1=0, S2=1: Khi đó Q1 và Q3 dẫn, Q2 Q4 tắt cho phép dòng từ Vcc  Q1 đên M ĐC đến N  Q3 => động cơ chạy thuận

Cho S2=0, S1=1: Khi đó Q2 và Q4 dẫn, Q1 Q3 tắt cho phép dòng từ Vcc  Q2 đên N ĐC đến M  Q3 => động cơ chạy nghịch

Hình 1.29 Mạch cầu H sử dụng MOSFET

Khi S1 ở mức cao (S1=1) và S2 ở mức thấp (S2=0), transistor Q5 dẫn điện, dẫn đến VA bằng Vcc/2 Kết quả là transistor Q1 cũng dẫn, đồng thời Q3 dẫn, cho phép dòng điện từ Vcc đi qua Q1 đến M và tiếp tục đến N qua Q3, tạo ra mạch điện chạy thuận Trong trạng thái này, Q6 tắt, khiến VB bằng Vcc, dẫn đến Q4 và Q2 đều tắt.

Khi S1=0 (mức thấp), S2=1 (mức cao): Q6 dẫnVB=Vcc/2Q4 dẫn, lúc này Q2 cũng dẫn, cho phép dòng từ Vcc Q4 đến NĐC đến MQ2: ĐC chạy nghịch

Mạch Dimmer hoạt động giống như các hộp số điều khiển gắn tường, cho phép điều chỉnh thiết bị bằng cách thay đổi điện trở, từ đó điều chỉnh điện áp để kiểm soát độ sáng của đèn và tốc độ động cơ.

Mạch dimmer thường được sử dụng để điều chỉnh độ sáng bóng đèn, động cơ nhỏ sử dụng nguồn 220VAC, …

Hình 1.30 Module mạch Dimmer điều chỉnh AC 220V – 2000W

Hình 1.31 Mạch dimmer dùng SCR

 Nguyên lý hoạt đông: Giả sử điện áp vào v AB = V M sint (V)

Ở bán kỳ dương (0, ): Dòng qua tải D1R1VR, tụ C1 được nạp, khi tụ xả thông qua cầu phân áp R2 và R3 SCR Q1 được dẫn

Trong bán kỳ âm (π, 2π), dòng điện đi qua D1, VR và R1, khiến tụ C2 được nạp Khi tụ xả qua cầu phân áp R4 và R5, SCR Q2 sẽ dẫn Việc điều chỉnh biến trở VR sẽ thay đổi thời hằng nạp của tụ, từ đó làm thay đổi thời gian đóng ngắt của SCR và ảnh hưởng đến áp suất trên tải.

2.2 Mạch dimmer dùng Triac và Diac

Hình 1.32 Mạch dimmer sử dụng Diac và Triac

 Nguyên lý hoạt đông: Giả sử điện áp vào vAB = VMsint (V)

Ở bán kỳ dương (0, ): Dòng qua tải RVR, tụ C được nạp, khi tụ xả diac được dẫn Triac được kích, cho phép dòng từ AB

Ở bán kỳ âm (0, ): tụ C được nạp, khi tụ xả diac được kích xung âm  Triac được kích, cho phép dòng từ BA

PWM (Pulse Width Modulation) là kỹ thuật tạo điện áp thay đổi bằng cách bật và tắt nguồn điện nhanh chóng Điện áp trung bình được xác định bởi chu kỳ làm việc của tín hiệu, tức là tỷ lệ thời gian tín hiệu BẬT so với thời gian tín hiệu TẮT trong một khoảng thời gian nhất định.

Mạch tạo dao động xung vuông với IC NE555 có khả năng tạo ra tín hiệu PWM, cho phép điều chỉnh độ rộng xung trong khi vẫn duy trì tần số dao động ổn định.

Hình 1.33 Mạch tạo xung PWM sử dụng IC NE555

Ban đầu điện áp trên tụ Vc=0 (tụ được nạp thông qua VR12), khi đó điện áp tại chân số 6 và chân số 2 bằng 0, ngõ ra mức cao

Khi điện áp trên tụ đạt từ 1/3Vcc đến 2/3Vcc, điện áp ngõ ra duy trì không đổi Tuy nhiên, khi điện áp trên tụ Vc vượt quá 2/3Vcc, ngõ ra Vo sẽ bằng 0, dẫn đến ngõ ra Q’ của RS FF ở mức cao, khiến BJT loại NPN dẫn và làm giảm điện áp tại chân số 7 của IC555 Kết quả là tụ sẽ được xả qua VR23 cho đến khi điện áp trên tụ Vc giảm xuống dưới 1/3Vcc, lúc này tụ sẽ được nạp lại và quá trình sẽ lặp lại.

Tụ được nạp thông qua VR12 tụ xả thông qua VR23

 Điều chỉnh VR12 tức là điều chỉnh TON

1 Biết Vz =5V, tìm dòng qua led

2 Cho mạch như hình vẽ Xác định Vo? Biết khi transistor dẫn bão hòa VCE=0

3 Cho mạch như hình vẽ Xác định Vo? a Biết Vin = 6 sin100t (V) b Vin có dạng như sau:

4 Cho mạch như hình vẽ a Biết Vin = 6 sin100t (V) b Vin có dạng như sau:

5.Vẽ mạch tạo xung (dùng IC555), ghi rõ giá trị điện trở và tụ để mạch tạo xung có tần số f0Hz, dutyu%

6 Vẽ mạch tạo xung PWM (dùng IC555) có tần số f=1KHz., ghi rõ giá trị biến trở và tụ của mạch

7 Giải thích tại sau mạch Dimer không điều khiển được tải DC

8 Cho mạch sau: a Phân tích nguyên lý hoạt động của mạch b Chức năng của Diode

MẠCH NGUỒN

Chỉnh lưu

Chỉnh lưu là thiết bị điện - điện tử chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Mạch chỉnh lưu thường được áp dụng trong các bộ nguồn cung cấp điện một chiều và trong các mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến.

2020 TRANG 27 điện trong các thiết bị vô tuyến Phần tử tích cực trong mạch chỉnh lưu thường là Diode bán dẫn

1 Mạch chỉnh lưu bán kỳ

Hình 2.2 Sơ đồ và đồ thị dạng sóng dòng điện, điện áp tải R

+ Trong khoảng 0 < < : nguồn v2 ở bán kỳ dương, diode D được phân cực thuận, dẫn cho dòng điện chạy qua tải

+ Trong khoảng < < 2 : nguồn v2 chuyển sang bán kỳ âm, diode D được phân cực ngược, không dẫn điện dòng điện chạy qua tải

Với v2, V2: là điện áp tức thời và hiệu dụng ngõ vào (V)

Cho Diode là lý tưởng (V D = 0) ta có:

 Điện áp trung bình trên tải:

 Dòng điện trung bình qua tải:

 Dòng điện trung bình qua Diode:

 Điện áp ngược cực đại đặt lên Diode:

 Ưu điểm: Mạch đơn giản, chỉ dùng 1 phần tử tích cực Diode

Mạch chỉ có khả năng dẫn dòng qua tải ở một bán kỳ, dẫn đến hiệu suất thấp Hơn nữa, dạng sóng ngõ ra trên tải có độ gợn sóng lớn, gây khó khăn trong việc lọc và do đó ít được ứng dụng trong thực tế.

2 Mạch chỉnh lưu toàn kỳ sử dụng MBA có điểm giữa

+ Trong khoảng 0 < < : nguồn v 2.1 > 0 > v 2.2 , Diode D 1 phân cực thuận, D 2 phân cực nghịch Nguồn v 2.1 tạo dòng điện qua tải R

+ Trong khoảng < < 2 : nguồn v 2.1 < 0 < v 2.2 , Diode D 2 phân cực thuận, D 1 phân cực nghịch Nguồn v2.2 tạo dòng điện qua tải R

Ta có: v2.1 = √2V2 sinωt = √2V2sinθ v 2.2 = √2V 2 sinωt = √2V 2 sinθ

Với v2.1; 2.2 và V2: là điện áp tức thời nguồn thứ cấp MBA và hiệu dụng ngõ vào (V)

Cho Diode là lý tưởng (U D = 0) ta có:

I D  Điện áp ngược cực đại đặt lên Diode:

 Ưu điểm: Điện áp một chiều lấy ra có độ gợn sóng nhỏ, tần số gợn sóng 100Hz, dễ lọc, hiệu quả tốt

- Biến áp phải lấy điểm giữa, chia thành 2 nửa đối xứng nhau

- Điện áp ngược đặt lên mỗi diode khi phân cực ngược chịu gấp đôi điện áp làm việc (điện áp thuận)

3 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha

Mạch chỉnh lưu cầu một pha bao gồm 4 diode và có thể được kết nối với máy biến áp (MBA) hoặc nối tiếp vào lưới điện Kết quả là điện áp trên tải Ud sẽ lặp lại dạng sóng của u2 nhưng đã được chỉnh lưu thành dạng một chiều với hình thức đập mạch.

+ Trong khoảng 0 < < : nguồn v2 > 0, diode D1, D3 được phân cực thuận còn D2, D4 phân cực nghịch Điểm A được nối với điểm C, điểm B được nối với điểm D

+ Trong khoảng < < 2 : nguồn v 2 < 0, diode D 2 , D 4 được phân cực thuận còn D 1 , D 3 phân cực nghịch Điểm B được nối với điểm C, điểm A được nối với điểm D

Với v2, V2: là điện áp tức thời và hiệu dụng ngõ vào (V)

Cho Diode là lý tưởng (VD = 0) ta có:

ID  Điện áp ngược cực đại đặt lên Diode:

IC họ 78xx, 79xx, LM2596

Trong các mạch điện không yêu cầu độ ổn định điện áp cao, IC ổn áp là lựa chọn phổ biến của các nhà thiết kế do tính đơn giản của mạch Các loại IC ổn áp thường gặp bao gồm 78xx và 79xx, trong đó "xx" đại diện cho điện áp ổn định cần thiết Chẳng hạn, 7805 cung cấp điện áp 5V, 7808 cho 8V, 7812 cho 12V, trong khi các IC ổn áp âm như 7905 và 7912 cung cấp điện áp -5V và -12V tương ứng.

 Họ 78xx là họ cho ổn định điện áp đầu ra là dương Còn xx là giá trị điện áp đầu ra như 5V, 6V

 Họ 79xx là họ ổn định điện áp đầu ra là âm Còn xx là điện áp đầu ra như: -5V, -6V

Về mặt nguyên lý nó hoạt động tương đối giống nhau Ta xét từng IC họ 78xx, 79xx

78xx là loại dòng IC dùng để ổn định điện áp dương đầu ra với điều kiện đầu vào luôn luôn lớnhơn đầu ra 3V

1: Vin - Chân nguồn đầu vào

3: Vo - chân nguồn đầu ra

Hình 2.5 Hình dạng IC họ 78xx thực tế Sơ đồ bên trong của IC 78xx

Nguyên lý ổn áp hoạt động thông qua điện trở R2 và diode D1, giúp duy trì điện áp ổn định ở chân Rt của transistor Q1 Khi điện áp tại chân E của transistor Q1 giảm, điện áp VBE sẽ tăng lên.

=> dòng qua đèn Q 1 tăng => làm điện áp chân E của đèn tăng, và ngược lại

Hình 2.6 Mạch ổn áp sử dụng IC 7805

**Chú ý: Điện áp đặt trước IC 78xx phải lớn hơn điện áp cần ổn áp từ 3V trở lên

 Những dạng series của 78XX

Những dòng Series cho điện áp ra tương ứng với dòng là 1A Ngoài ra còn các series khác chịu được dòng:

 78Lxx Chuyển đổi điện áp dương từ +5V > +24V/0.1A

 78Mxx Chuyển đổi điện áp dương từ +5V > +24V/0.5A

 78Sxx Chuyển đổi điện áp dương từ +5V > +24V/0.2A

Ví dụ: Tạo nguồn +5V dùng IC 7805

Hình 2.7 Mạch nguồn 5V sử dụng IC họ 78xx

- Nguyên lý hoạt đông: Vin = 9sin100t (V)

+ Trong khoảng 0 < < : D1 và D4 dẫn, tụ C được nạp, khi áp Vin giảm, tụ C được xả  điệp áp tại M tương đối phẳng

+ Trong khoảng < < 2 : D3 và D2 dẫn, tụ C được nạp, khi áp Vin giảm, tụ

C được xả  điệp áp tại M tương đối phẳng

 VM tương đối phẳng (có giá trị khoảng 9V) Vout ổn định 5V

IC 79xx là dòng IC chuyên dụng để ổn định điện áp âm đầu ra, yêu cầu điện áp đầu vào phải luôn lớn hơn 3V so với điện áp đầu ra Chẳng hạn, khi sử dụng IC 7912 để tạo ra điện áp đầu ra -12V, điện áp đầu vào cần phải đạt tối thiểu -15V Nếu điện áp đầu vào thấp hơn mức này, IC có thể bị hỏng.

Về nguyên lí hoạt động và seri của IC 79xx tương đối giống vơi IC 78xx

Họ IC 79xx gồm có 3 chân: (Sơ đồ chân khác với 78xx)

2: Vin - Chân nguồn đầu vào

3: Vout - Chân nguồn đầu ra

Hình 2.8 Hình dạng thực tế IC họ 79xx

Sử dụng kết hợp IC họ 78xx và họ 79xx để tạo nguồn đối xứng

Hình 2.9 Mạch nguồn đối xứng sử dụng 2 IC họ 78xx và 79xx

**Chú ý: Để đảm bảo mạch nguồn chạy trong thời gian lâu, yêu cầu biến áp loại tốt và có lắp tản nhiệt cho IC ổn áp

IC LM2596 là một bộ điều chỉnh điện áp DC-DC dạng xung, với điện áp đầu vào từ 4,5V đến 40V Nó cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra trong khoảng từ 1,5V đến 40V và có khả năng cung cấp dòng điện lên tới 3A với hiệu suất cao nhờ tần số hoạt động lên đến 150KHz Ngoài ra, LM2596 được trang bị các chế độ bảo vệ quá nhiệt và quá dòng, đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng.

Hình 2.10 Hình dạng thực tế dạng DIP và SMD của IC LM2596

 Chân 4: Feedback (chân phản hồi điện áp)

 Chân 5: ON/OFF chân tắt bật mức logic Điện áp đầu vào: 4.5 - 40VDC (điện áp khuyến khích sử dụng 0.5 → bit 3 = 0

Mạch trừ cho kết quả là 0.5 Volt, VREF/16 = 0.3125 V < 0.5 → bit 4 = 1

Mạch trừ cho kết quả là 0.1875 Volt, VREF/32 = 0.15625 V < 0.1875 → bit 5 = 1

Mạch trừ cho kết quả là 0.03125 Volt, VREF/64 = 0.078125 V > 0.03125 → bit 6 = 0 Mạch trừ cho kết quả là 0.03125 Volt, V REF /128 = 0.0390625 V > 0.03125 → bit 7 = 0 Mạch trừ cho kết quả là 0.03125 Volt, VREF/256 = 0.01953125V< 0.03125 → bit 8 = 1

Mạch trừ cho kết quả là 0.01171875 Volt, VREF/512 = 0.009765625V < 0.01171875

Mạch trừ cho kết quả là 0.001953125 Volt, VREF/1024 = 0.0048828125V > 0.001953125 → bit 10 = 0

Vậy giá trị số thu được sau biến đổi là 10011001102 = 614

Vin là 3 V và VREF là 5 V, với số bit ngõ ra là 10 bit, hay cụ thể hơn là 2^10 = 1024 Số bit kết quả được đặt tên là n, và kết quả được ký hiệu là KQ Với n bit, có thể có 2^n giá trị khác nhau.

KQ có thể nhận được đi từ 000…0 2 đến 111…1 2

Trên một trục ngang tượng trưng cho điện áp, người ta chia đoạn [0, VREF] thành 2 n khoảng đều nhau, mỗi khoảng có độ rộng

Ví dụ: với V REF = 5V, n = 10 thì V = 5/1024 = 0.0048828125 V Ta có hình vẽ sau:

Với điện áp Vin thỏa k ≤ Vi ≤ (k+1) thì kết quả biến đổi của Vin là k

Tổng quát ta có công thức mô tả quan hệ điện áp vào với VREF và số bit ngõ ra như sau: n in REF

  (lấy phần nguyên) n : Số bit ngõ ra củ bộ ADC

VREF : Điện áp tham chiếu (ứng với ngõ ra là số nhị phân lớn nhất)

Thay vì phân tích và so sánh để lấy hiệu 10 lần nhằm có 10 bit ngõ ra như trong ví dụ 1, chúng ta có thể áp dụng công thức biến đổi ngay để thu được kết quả ADC.

Trong bài toán biến đổi ADC, việc xây dựng công thức tính giá trị đại lượng lấy mẫu theo kết quả biến đổi là rất cần thiết Mối quan hệ này giúp biểu diễn kết quả một cách chính xác cho từng đối tượng đo Mỗi trường hợp có sự khác biệt về quan hệ giữa đại lượng đo và điện áp ra, cùng với hệ số mạch khuếch đại, do đó người lập trình cần hiểu rõ mối quan hệ này.

Khi thiết kế mạch cho ADC, cần lưu ý rằng tín hiệu sau khuếch đại phải thay đổi theo đại lượng đo Việc khuếch đại cần đảm bảo rằng khi đại lượng đo thay đổi trong toàn bộ tầm đo, giá trị điện áp lấy mẫu cũng sẽ thay đổi và lấp đầy dãy giá trị [0, V REF] Điều này giúp bộ biến đổi ADC hoạt động với độ chính xác cao nhất.

Ví dụ 2: Với mạch ADC 8 bit như trên, áp VREF = 5 Volt, Vin = 3.7 Volt thì kết quả biến đổi là bao nhiêu?

ADC

DAC là bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu điện áp (DAC hay D/A converter)

2.1 Sơ đồ khối của bộ chuyển đổi:

Hình 3.3 Sơ đồ khối bộ biến đổi tín hiệu tương tự sang số ADC

2.2 Cấu trúc bộ chuyển đổi:

2.2.1 DAC Dùng Bộ Khuếch Đại Cộng Đảo:

 Sơ đồ DAC 4 bit dùng bộ khuếch đại cộng đảo:

Hình 3.4 Sơ đồ DAC dùng bộ khuếch đại cổng đảo

Giả sử: b3b2b1b0 = 00002 => Vout = 0V b3b2b1b0 = 00012 => Vout = -5/8 = -0.625V b 3 b 2 b 1 b 0 = 0010 2 => V ou t = -5/4= -1.25V

Kết luận, tín hiệu điện áp đầu ra phụ thuộc vào tín hiệu số b3, b2, b1, b0 được đưa vào Dấu âm “-” chỉ ra bộ khuếch đại cộng đảo, mà chúng ta không cần quan tâm Đầu ra tương tự sẽ tăng 0.625V khi giá trị nhị phân đầu vào tăng thêm một đơn vị.

 - 0.625V gọi là độ phân giải (ký hiệu K)

B: giá trị số nhị phân đưa vào

Ví dụ: Nếu đưa vào bộ DAC là 1001 2 thì V OUT   0.625 9 x   5.625 V

2.2.2 DAC với đầu ra dòng:

 Sơ Đồ DAC 4 bit với ngõ ra dòng

Hình 3.5 Sơ đồ DAC 4 bit với ngõ ra dòng

Dòng chảy qua mỗi đường được xác định bởi điện thế quy chiếu VREF và giá trị điện trở trong đường dẫn Giá trị điện trở có trọng số theo cơ số 2, do đó cường độ dòng điện cũng được tính theo hệ số 2 Tổng cường độ dòng điện ra I OUT sẽ bằng tổng các dòng của các nhánh.

DAC với đầu dòng ra có thể chuyển thành DAC có đầu ra điện thế bằng cách dùng bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) như sau:

Hình 3.6 Sơ đồ DAC với ngõ ra áp

Ví dụ: Khi sử dụng sử dụng DAC 0808 được kết nối như sau:

Nếu chọn V REF  10 V , khi đó giá trị Iout thay đổi từ 0 2mA , ta có thể thay đổi Rf để lấy giá trị như mong muốn

1 Cho bộ chuyển đổi AD 8 bit, VREF =5V Xác định ngõ ra khi:

4 Cho mạch như hình vẽ:

Định dạng
Số trang	50
Dung lượng	1,74 MB