IC KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN MC3476 NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Tiểu luận
IC KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN MC3476
NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG


Nhóm 9 lớp K17D ĐTVT
Nhóm 9 lớp K17D ĐTVT
PHẠM QUỐC THỊNH
PHẠM QUỐC THỊNH
VŨ THỊ PHƯƠNG
VŨ THỊ PHƯƠNG
NGUYỄN TRỌNG GIÁP
NGUYỄN TRỌNG GIÁP


HÀ NỘI, THÁNG 3 NĂM 2011
3
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Tiểu luận
IC KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN MC3476
NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG


Nhóm 9 lớp K17D ĐTVT
Nhóm 9 lớp K17D ĐTVT
PHẠM QUỐC THỊNH
PHẠM QUỐC THỊNH
VŨ THỊ PHƯƠNG

VŨ THỊ PHƯƠNG
NGUYỄN TRỌNG GIÁP
NGUYỄN TRỌNG GIÁP


HÀ NỘI, THÁNG 3 NĂM 2011
MỤC LỤC
1. Giới thiệu 5
1.1 Giới thiệu 5
1.2 Sơ đồ chân 5
1.3 Thông số kỹ thuật 6
1.4 Đặc tuyến của vi mạch 7
2. Phân tích cấu tạo vi mạch 8
2.1 Sơ đồ nguyên lý của vi mạch MC3476 8
2.2 Phân tích nguyên lý 10
Mạch nguồn dòng phân cực 10
Tầng khuyếch đại vi sai lối vào 11
Tầng khuếch đại trung gian 12
Tầng khuyếch đại công suất lối ra và mạch bảo vệ 12
3. Ứng dụng 13
3.1 Khuếch đại có phản hồi âm 13
3.2 Mạch dao động cầu Wien 14
3.3 Mạch phát xung vuông, tam giác, xung sin 15
3.4 Mạch lọc thông thấp tích cực 16
3.5 Bộ phát hiện đỉnh 17
Tài liệu tham khảo 18
1
4
1. Giới thiệu
1.1 Giới thiệu

MC3476 là một khuếch đại thuật toán giá rẻ theo chuẩn công nghiệp
MC1776. Đặc trưng nổi bật của khuếch đại thuật toán MC3476 là tiết kiệm
năng lượng, trở kháng lối vào cao. Hơn nữa, dòng tĩnh bên trong thiết bị có thể
điều chỉnh được thông qua việc thay đổi giá trị của điện trở ngoài hoặc nguồn
dòng đưa vào chân Iset. Điều này cho phép khuếch đại thuật toán MC3476 có
thể tối ưu dòng vào và năng lượng tiêu thụ thay đổi tuỳ theo nguồn cung cấp.
Một số thông số kỹ thuật đặc trưng:
• ± 6.0V đến ± 18V
• Khuếch đại dải rộng
• Offset Null
• Không đòi hỏi phải bù tần số
• Bảo vệ đoản mạch
1.2 Sơ đồ chân
5
Vi mạch khuếch đại thuật toán MC3476 đóng gói theo chuẩn DIP8 xuyên
lỗ. Gồm 8 chân: 2 lối vào đảo và không đảo, một chân lối ra, 2 đường offset
null, nguồn VCC, VEE, và một chân Iset.
1.3 Thông số kỹ thuật
Các tham số cực đại (tại nhiệt độ T
A
=25
0
C)
Giá trị danh định Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Điện áp cung cấp V
CC,
V
EE
±18 Vdc
Điện áp vi phân lối vào V

IDR
±30 Vdc
Điện áp cùng pha lối vào V
ICM
±18 Vdc
Offset Null đến V
EE
V
off
- V
EE
± 0.5 Vdc
Dòng vào Iset 200
µA
Điện áp lối vào (Từ chân Iset
xuống đất)
Vset (V
CC
– 0.6V) đến
V
CC
Vdc
Thời gian ngắn mạch lối ra t
SC
Không xác định Vdc
Nhiệt độ môi trường hoạt động T
A
0 đến +70
0
C

Khoảng nhiệt độ lưu trữ T
stg
-55 đến +125
0
C
Nhiệt độ lớp tiếp giáp T
j
150
0
C
Các đặc trưng điện của MC3476 (V
cc
=+15V, V
EE
=-15V, Iset=15
µ
A, T
A
=+25
0
C)
Đặc trưng Ký hiệu Min Điển hình Max Đơn vị
Điện áp chênh lệch lối vào VIO - 2.0 6.0 mV
Dòng offset lối vào IIO - 20 200 nA
Dòng phân cực lối vào IIB - 80 500 nA
Trở kháng vào ri 0.3 2.0 -
MΩ
Điện dung lối vào Ci - 1.4 - pF
Khoảng hiệu chỉnh thế offset VIOR - ±15 - mV
Dải điện áp lối vào đồng pha VICR ±12 ±13 - V

Hệ số khuếch đại điện áp tín
hiệu lớn (RL≥2.0k, Vo=±10V)
AV 20 200 - V/mV
Trở kháng ra ro - 75 -
Ω
Triệt cùng pha (RS≤10k) CMR 70 90 - dB
Tỷ số triệt điện áp cùng cấp
(RS≤10k)
PSRR - 30 150
µV/V
Dao động điện áp lối ra
(RL≥10k)
(RL≥2k)
Vo
±12V
±10V
±14V
±13V
-
-
V
Dòng ngắn mạch lối ra ISC - 20 - mA
Dòng cung cấp (cho tất cả các
bộ khuếch đại)
ID - 3.4 7 mA
Công suất tiêu thụ (của tất cả
các bộ khuếch đại)
PC - 105 210 mV
Đáp ứng tức thời (hệ số khuếch
đại đơn vị, không đảo)

- (V1=20mV, RL≥2kΩ,
CL≤100pF) thời gian tăng
tTLH - 0.3 -
µs
6
- (V1=20mV, RL≥2kΩ,
CL≤100pF) vượt ngưỡng
- (V1=10V, RL≥2kΩ,
CL≤100pF) tốc độ chuyển
OS
SR
-
-
15
0.5
-
-
%
V/µs
1.4 Đặc tuyến của vi mạch
Hình 1 - Đặt điện trở-Dòng đặt Hình 2 - Nguồn dòng cung cấp- Dòng đặt
Hình 3 - Độ khếch đại vòng mở-Dòng đặt Hình 4 - Dòng phân cực-Dòng đặt
Hình 5- Tốc độ chuyển mạch - Dòng đặt Hình 6 - Tỷ số khuếch đại giải thông-Dòng đặt
7
Hình 7- Dao động biên độ đỉnh đỉnh Hình 8 - Dao động điện áp lối ra
2. Phân tích cấu tạo vi mạch
2.1 Sơ đồ nguyên lý của vi mạch MC3476
Hình 2.1a - Sơ đồ nguyên lý của vi mạch MC3476
MC3476 sử dụng hai loại tranzito n-p-n và p-n-p, được chia thành các tầng:
• Mạch nguồn dòng phân cực

• Tầng khuyếch đại vi sai lối vào
• Tầng khuyếch đại trung gian
• Tầng khuếch đại công suất lối ra
• Mạch bảo vệ chập nguồn
8
Hình 2.1 b - Sơ đồ nguyên lý rút gọn của vi mạch MC3476
Sử dụng sơ đồ nguyên lý để mô phỏng khếch đại thuật toán. ICMC3476
được mắc theo mạch khếch đại không đảo với độ khuếch đại bằng 11.
inout
V
R
R
V )
10
9
1( +=
Hình 2.2a - Sơ đồ mạch khếch đại khôngđảo
9
Hình 2.2b – Dạng sóng khếch đại không đảo
2.2 Phân tích nguyên lý
Mạch nguồn dòng phân cực
Hình 2.2 - Sơ đồ nguồn dòng
Từ sơ đồ ta có thể thấy các tranzitor Q
11
, Q
12
, Q
13
, Q
14

, tạo thành sơ đồ
gương dòng điện với dòng được thiết lập từ bên ngoài thông qua chân I
set
. Dòng
I
set
sẽ tạo ra các dòng gương không đổi và bằng nhau I
11
= I
13
= I
14
. Cũng dễ
dàng nhận thấy rằng các cặp tranzitor Q
7
- Q
8
, Q
9
- Q
10
tạo thành các gương dòng
tương ứng, với dòng đặt cho Q
9
- Q
10
là I
11
được thiết lập bởi Q
11

và dòng cho
Q
1
- Q
2
là dòng I
9
được thiết lập bởi Q. Từ đó suy ra tất cả các dòng phân cực
cho mạch IC là bằng nhau và bằng dòng lập trình I
set
. Bằng cách đặt một điện
trở phù hợp giữa chân 8 và nguồnV
EE
ta có thể dễ dành thiết lập được một dòng
phân cực ổn định cho toàn bộ hệ thống mạch trong IC. Q
7
và Q
8
được mắc theo
kiểu gương dòng điện mục đích tạo dòng cố định làm tải động cho tầng vi sai
10
Nguồn dòng
lối vào
Nguồn dòng
tầng 2
Nguồn dòng
lối ra
lối vào, do đó I
7
+I

8
=I
1
. Dòng ổn định I
17
cũng được sử dụng là tải cho tầng
khếch đại trung gian.
Tầng khuyếch đại vi sai lối vào
Hình 2.3 - Sơ đồ tầng khuếch đại lối vào
Đây là tầng khuếch đại vi sai cải tiến, được nuôi bởi dòng không đổi Q1 và
Q2. Ta thấy I
1
=I
2
( dòng gương), chúng có trở nội vô cùng lớn nên có khả năng
triệt nhiễu đồng pha, do đó có khả năng triệt tín hiệu đồng pha rất cao.
Các cặp transistor Q3-Q5 và Q4-Q6 được đấu theo kiểu khuếch đại chồng
tầng Kascốt. Cách mắc như vậy nhằm phối hợp trở kháng, ngăn cách ảnh
hưởng của mạch ra đến mạch vào của tầng khuếch đại, đặc biệt ở tần số cao.
Tải của Q3 là Q5, Q7; tải của Q4 là Q6, Q8. Tải của Q5 là Q7; tải của Q6 là
Q8.
Mặt khác, vì I
7
=I
8
và I
7
+I
8
=I

1
nên Q7, Q8 cũng là các nguồn dòng. Tín hiệu
vào ngược pha được đưa vào 2 lối vào của khuếch đại vi sai. Lối ra không đối
xứng lấy từ Collector của Q7.
Các lối vào Offset null đặt vào emitơ của Q7 và Q8 là các lối vào bù tần,
đảm bảo sự ổn định của tầng khuếch đại đầu vào.
11
Nguồn dòng
Tín hiệu đến
tầng 2
Tầng khuếch đại trung gian
Tầng này bao gồm các tranzitor Q
13
, Q
15
, Q
16
, Q
17
. Tranzitor Q15 được mắc
theo sơ đồ Collector chung làm tầng khuếch đại đệm với độ khuếch đại bằng 1.
Q13 và Q17 đóng vai trò nguồn dòng và tải cho Q16. Q16 mắc theo kiểu diot
để dịch mức điện áp xuống.
Hình 2.4 - Sơ đồ tầng khuếch đại trung gian
Tầng khuyếch đại công suất lối ra và mạch bảo vệ
Hình 2.5 - Sơ đồ tầng khuếch đại lối ra
Tầng lối ra là tầng công suất đẩy kéo gồm Q
18
và Q
20

được phân cực hoạt
động trong chế độ AB. Q
19
mắc theo cấu hình tạo thành các diot dịch mức điện
12
áp. Nguồn dòng Q
14
có hai chức năng là: tạo dòng phân cực thuận cho các diot
Q
19
, đóng vai trò tải collecter của Q
20
.
Q
22
kết hợp với R
4
bảo vệ ngắn mạch lối ra cho Q
21
khi lối ra bị nối tắt
xuống đất. Một cách tương ứng Q
23
và R
8
bảo vệ ngắn mạch lối ra cho Q
24
khi
lối ra bị nối tắt lên nguồn. Hãy xét cơ chế hoạt động của các mạch bảo vệ này.
Xét mạch Q
22

và R
4
như sau:
I
in
= I
B21
+ I
C22
I
L
= I
C21
+ I
E22
- I
B22
V
BE22
= I
L
.R
4
Với R
4
được chọn đủ nhỏ, ở đây là 50Ω và R
L
đủ lớn thì sụt áp trên R
4
nhỏ

(<0.6V), V
BE22
≤ 0.6V, Q
22
cấm, mạch hoạt động bình thường. Bây giờ khi tải
giảm xuống đủ nhỏ hoặc bị nối tắt xuống đất, dòng I
C21
và do đó là dòng I
L
tăng
dần tới sụt áp trên R
4
đủ lớn để phân cực mở cho Q
22
. Dòng tải khi đó sẽ được
ghim ở mức: I
L
= V
BE22
/ R4, do đó bảo vệ cho Q
21
Hình 2.6 - Mạch bảo vệ ngắn mạch
Mạch Q
23
và R
8
hoạt động tương tự nhưng với trường hợp tải bị chập
nguồn V
CC
. Tụ điện C được sử dụng để cho phù hợp đáp ứng tần số của vi

mạch.
3. Ứng dụng
3.1 Khuếch đại có phản hồi âm
Đối với mạch khuyếch đại đảo thì tín hiệu khuyếch đại sẽ được cung cấp
tới lối vào “-“ của KĐTT và tín hiệu lối ra sẽ bị đảo pha so với tín hiệu vào.
Quan hệ giữa lối ra và lối vào được mô tả như sau:
U
ra
= -U
vào*
R
F
/R
I
13
Hệ số khuyếch đại của mạch này phụ thuộc vào tỷ số giữa RF và RI, và
theo mạch này thì có hệ số khuyếch đại là 10 lần.
Hình 3.1a - Sơ đồ khuếch đại có phản hồi âm
Kết quả mô phỏng ta được:
Hình 3.1b - Dạng sóng của mạch khuyếch đại đảo
3.2 Mạch dao động cầu Wien
Mạch dao động cầu Wien: dùng mạch cầu Wien kết hợp với MC3476 tạo
thành mạch dao động hình sin. Trong sơ đồ có hai mạch phản hồi:
- Mạch phản hồi âm nhờ hai điốt , hai điện trở 12k, và biến trở 50k.
- Mạch phản hồi dương gồm một cụm RC song song, một cụm RC
nối tiếp (cầu Wien).
Hình 3.2a - Sơ đồ mạch cầu Wien
14
Ở sơ đồ trên ta dùng kết hợp mạch phản hồi âm và phản hồi dương như
sau: Tại tần số dao động mạch cầu Wien có hệ số truyền đạt max và độ lệch

pha bằng 0, do đó kết hợp với bộ khuếch đại thuận để tạo hồi tiếp dương làm
nhiệm vụ tạo dao động. Hai điện trở 12k và 50k tạo thành một mạch hồi tiếp
âm có hệ số khuếch đại là 3. Mạch hồi tiếp âm cùng với mạch lọc thông dải tạo
thành mạch cầu Wien.
Hệ số hồi tiếp của mạch cầu Wien trong trường hợp này là: =
2
.
1
9
1






+
α
với α=
RC
ω
1
, khi ω=
RC
1
thì K=K
max
=1/3.
Tần số phát của hệ được xác định theo:f
0

=1/(2*π*RC).
Trong sơ đồ trên có hai điốt làm nhiệm vụ ổn định biên độ dao động.
Khi biên độ dao động tăng, điện trở tương đương của mạch phản hồi âm giảm
làm hồi tiếp âm tăng, do đó hệ số khuếch đại của mạch giảm. Khi ấy, ta sẽ có ở
lối ra tín hiệu hình sin có tần số 1kHz:
Hình 3.2b - Dạng sóng của mạch dao động cầu Wien
3.3 Mạch phát xung vuông, tam giác, xung sin
Hình 3.3a - Mạch phát xung vuông, tam giác, xung sin
Cụm thứ nhất: máy phát xung vuông: giả sử có thăng giáng V
+
> V
-
thì U
ra
= U
ra_max
. Nhờ phản hồi qua R2 mà V
+
sẽ tăng lên trong khi V
-
sẽ tăng dần để
15
nạp cho tụ. Do vậy khi V
+
> V
-
thì mạch giữ nguyên trạng thái U
ra
= U
ra_max

cho
đến khi V
+
< V
-
mạch lật trạng thái: U
ra
= U
ra_min
, kéo V
+
xuống thấp vì V
+
< V
-
nên mạch giữ nguyên trạng thái. Tụ phóng điện dần cho tới khi V
+
> V
-
lối ra
lại ở mức cao. Quá trình lặp lại tiếp tục cho ta xung vuông như hình vẽ.
Cụm thứ hai: máy phát xung tam giác, thực chất là bộ tích phân.
Cụm thứ ba: máy phát hình sin, thực chất là bộ tích phân và bộ khuếch đại
có phản hồi âm.
Với cách chọn như trên sơ đồ cho ta các xung vuông, tam giác và hình sin
có tần số khoảng 1kHz:
Hình 3.3b - Dạng xung mạch dao động
3.4 Mạch lọc thông thấp tích cực
Ở tần số cao thường dùng các mạch lọc thụ động RLC. Ở tần số thấp các
mạch lọc đó có điện cảm quá lớn làm cho kết cấu nặng nề và tốn kém cũng như

phẩm chất của mạch giảm. Vậy trong phạm vi tần số < 100KHz người ta hay
dùng bộ lọc khuếch đại thuật toán và mạch RC gọi là mạch lọc tích cực.
Hình 3.3a - Mạch lọc thông thấp tích cực
Đây là lọc thông thấp hồi tiếp dương một vòng (thực chất là mạch tích
phân). Ngoài ra còn có hồi tiếp âm một vòng và hồi tiếp âm nhiều vòng.
Ta chọn trường hợp đơn giản: R1 = R2 = R = 100 kΩ, C1= C2 = C =
0.001µF, lúc đó hàm truyền đạt là:
Ω=
++
= jP
RCPRCP
K
gg
,
21
1
2222
1
ωω
16
Tần số cắt
23
2
1
CR
f
c
π
=
(Hz) ta sẽ dùng máy phát xung vuông lối vào để

mô phỏng vì phổ của tín hiệu lối vào lúc này sẽ là tổng của các vạch phổ từ tần
số thấp đến cao:
Hình 3.3b - Đáp ứng tần số của mạch lọc
3.5 Bộ phát hiện đỉnh
Hình 3.4a - Mạch phát hiện đỉnh
Mạch thực hiện chức năng lưu lại giá trị cực đại của tín hiệu lối vào. Khi
V
1
>V
c1
thì điốt thông và dòng được nạp cho tụ C1 đến khi U
c1
≈V
1
. Nếu sau đó
V
1
giảm thì D1 ngắt, tụ C1 phóng điện qua điện trở ngược của điốt cũng như
qua MC3476. Vì điện trở ngược điốt lớn và MC3476 là mạch lặp điện áp đóng
vai trò tầng đệm (trở kháng lớn) nên điện áp trên tụ giữ nguyên giá trị đỉnh.
Điện áp đỉnh được cất giữ ở C1. Bộ khuếch đại lặp có trở kháng lối vào rất
lớn. Điốt D1 ngăn cản những tác động trở lại của C1 với nguồn tín hiệu.
Kết quả mô phỏng của bộ phát hiện đỉnh:
Hình 3.4b - Dạng sóng của bộ phát hiện đỉnh
17
Tài liệu tham khảo
[1]. Motorola , MC3476 datasheet
[2]. Klaus Beuth, Wolfgang Schmusch, Mạch điện tử
[3]. Đỗ Xuân Thụ, Kỹ thuật điện tử, nhà xuất bản giáo dục 1999
18