Tiểu luận môn Ứng dụng Kỹ thuật mạch tích hợp Phân tích và ứng dụng KĐTT LM311

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
Trường Đại học Công Nghệ Hà Nội



Ứng dụng Kỹ thuật
mạch tích hợp
Tiểu luận: “Phân tích và ứng dụng KĐTT LM311’’

Học viên: Nguyễn Ngọc Tân
Tạ Phương Linh
Bùi Quang Khánh
Giảng viên: PGS.TS Bạch Gia Dương



Hà Nội, ngày 23/10/2013



Nhóm 4 _ K19- ĐTVT Page 1


Mục lục

Mục lục 1
I. Giới thiệu 3
1. Giới thiệu về họ vi mạch LM311: 3
2. Các đặc trưng cơ bản: 3
3. Sơ đồ chân (nhìn từ phía trên IC) 3

4. Sơ đồ khối bộ so sánh điện áp LM311: 4
II. Phân tích sơ đồ mạch LM311 5
1. Sơ đồ bên trong IC LM311 5
2. Phân tích 6
Tầng thứ nhất: Tầng khuếch đại vi sai 6
Tầng thứ hai: Tầng khuếch đại trung gian 6
Tầng thứ ba: Tầng khuếch đại công suất 6
III. CÁC ỨNG DỤNG: 7
1. Khuếch đại tín hiệu đảo pha: 7
2. Mạch nhận biết Zero 8
3. Mạch tạo dao động đa hài (Free Running Multi-Vibrator) 9
4. Tầng chuyển tiếp cho mạch TTL: 11
5. Các mạch ứng dụng khác: 11
5.1. Comparator and Solenoid Driver: 11
5.2. Zero-Crossing Detector Driving MOS logic: 12
5.3. Precision Squarer: 12
Nhóm 4 _ K19- ĐTVT Page 2


5.4. Positive – Peak Detector: 13
5.5. Negative – Peak Detector: 13


Nhóm 4 _ K19- ĐTVT Page 3


I. Giới thiệu

1. Giới thiệu về họ vi mạch LM311:
Họ vi mạch LM11, LM211 và phiên bản cải tiến LM311 có chức năng chính là

một bộ so sánh điện áp đơn, ngoài ra cũng có thể dùng như một bộ khuếch đại thuật
toán ở tần số nhỏ (cỡ Hz, kHz…). Linh kiện hoạt động trong một dải nguồn nuôi khá
rộng: Từ -15V ~ 15V đối với chức năng khuếch đại và -5V ~ 5V đối với chức năng
so sánh logic. Mạch được sử dụng rộng rãi do mức điện áp lối ra tương thích với hầu
hết các mạch TTL và CMOS hiện nay.
2. Các đặc trưng cơ bản:
- Đáp ứng xung nhanh, dòng tiêu thụ rất thấp so với các IC so sánh cùng loại.
- Có chức năng đóng mở lối ra (strobe)
- Dòng phân cực lối vào cực đại: 300nA
- Dòng điều chỉnh lối vào cực đại: 50nA.
- Nguồn nuôi nằm trong dải ±15V cho ứng dụng khuếch đại.
- Nguồn nuôi nằm trong dải ±5V cho ứng dụng so sánh logic.
- Chênh lệch thế đầu vào nằm trong dải ±30V.
- Hoạt động trong dải nhiệt độ từ 0
°
C - 70°C.
- Công suất tiêu thụ: 135mW ở nguồn nuôi ±15V.
3. Sơ đồ chân (nhìn từ phía trên IC)

Hình 1: Sơ đồ đóng gói của IC LM311
- Chân 1: Lối ra Emitter
- Chân 2,3: 2 lối vào so sánh (+), (-)
Nhóm 4 _ K19- ĐTVT Page 4


- Chân 4: Nguồn nuôi (-). Chân này có thể nối đất nếu chỉ sử dụng 1 nguồn
- Chân 5: Balance: Điều chỉnh thế offset lối vào.
- Chân 6: Balance/Strobe: Nếu chân này ở trạng thái thấp, lối ra sẽ đóng bất kể 2
ngõ vào có tín hiệu hay không.
- Chân 7: Lối ra Collector

- Chân 8: Nguồn nuôi (+)
4. Sơ đồ khối bộ so sánh điện áp LM311:


Hình 2: Sơ đồ khối bộ so sánh điện áp LM311












Nhóm 4 _ K19- ĐTVT Page 5


II. Phân tích sơ đồ mạch LM311

1. Sơ đồ bên trong IC LM311

Hình 3: Sơ đồ mạch chi tiết của IC LM311

 Đây là sơ đồ chi tiết IC LM311 (thiết kế của hãng National Semiconductor), bao
gồm 19 điện trở, 22 transistor BJT, 1 transistor trường N-JFET và 2 diode Zeiner.
 Mạch hoạt động ở dải nhiệt độ tiêu chuẩn (≈ 35
o

C), điện áp cấp nguồn
6V
(nguồn
đối xứng) hoặc +12V (một nguồn dương). Tín hiệu lối vào tần số thấp (≈1 kHz),
biên độ điện áp lối vào 250mV.
Nhóm 4 _ K19- ĐTVT Page 6


2. Phân tích
Tầng thứ nhất: Tầng khuếch đại vi sai
Lối vào (+), (-) qua 2 transistor Q
1
,Q
2
. 2 diode Zeiner mắc nối tiếp nhau có tác
dụng phân cực điểm làm việc cho Q
3
, Q
4
.
Transistor Q
6
mắc kiểu diode có tác dụng ổn định điện áp cực base của Q
7
,
transistor này có tác dụng như một “khóa”, đóng hoặc mở tùy thuộc mức điện áp DC
lối vào chân 6.
Cặp R
1
, R

2
và transistor Q
5
có tác dụng như các điện trở tích cực, giúp cải thiện
hệ số khuếch đại của tầng vi sai. Transistor Q
23
và R
19
tạo thành tầng dịch mức điện áp
để mức điện áp một chiều lối ra tầng đầu phù hợp mức điện áp 1 chiều lối vào tầng
sau.
Tín hiệu vi sai toàn phần sẽ được chuyển tới lối ra trên Collector Q
3
để đi vào
tầng tiếp theo.
Tầng thứ hai: Tầng khuếch đại trung gian
Tầng này giúp cải thiện độ lợi tín hiệu. Tín hiệu từ tầng vi sai được đưa đến tầng
này qua transistor Q
8
. Transistor Q
22
và các điện trở R
14
, R
15
, R
17
tạo thành khối dịch
mức điện áp một chiều DC, nhằm thiết lập mức phân cực DC phù hợp ở lối ra.
transistor Q

9
có tác dụng như khóa đóng ngắt đường tín hiệu từ lối ra emitter Q
8
tới
emitter Q
11
.
Tín hiệu sau khi đi qua tầng khuếch đại trung gian sẽ từ lối ra Collector của Q
11

tới tầng khuếch đại công suất.
Tầng thứ ba: Tầng khuếch đại công suất
Tầng này chủ yếu có tác dụng khuếch đại dòng tín hiệu, tổng trở đầu ra thấp.
Gồm các transistor Q
13
, Q
14
đưa tín hiệu tới lối ra Collector mở. Trở R
11
, R
12
và
transistor Q
15
đóng vai trò khối dịch mức, giúp điều chỉnh điện áp tầng khuếch đại
công suất.
Transitor trường Q
20
loại N-JFET và các transistor Q
17

, Q
18
đóng vai trò nguồn
phân cực chung, đưa tới các tầng khuếch đại điện áp.

Nhóm 4 _ K19- ĐTVT Page 7


III. CÁC ỨNG DỤNG:

1. Khuếch đại tín hiệu đảo pha:

Hình 4: Sơ đồ cấu trúc LM311 khuếch đại đảo pha

Hình 5: Kết quả mô phỏng mạch Khuếch đại đảo pha
Trong sơ đồ này, hai chân 5,6 không sử dụng. Mạch dùng nguồn đơn +12V , tín
hiệu lối đi từ lối vào âm, qua IC 311 rồi qua lối ra Collector, được khuếch đại và đảo
pha.
- Hệ số khuếch đại: K = R
3
/R
2
= 100K/10K = 10 (lần)
Nhóm 4 _ K19- ĐTVT Page 8


Nhận xét:
- Điện trở R
4
=3k và R

5
=3k ở lối vào dương có tác dụng tạo ra một điểm đất ảo
khi ta sử dụng nguồn đơn cấp cho LM311.
- Trở R
1
=3k tại lối ra Collector là trở kéo lên (pull up) giúp LM311 hoạt động.
- Tụ C=4.7µ mắc giữa lối vào AC và trở R
2
ở đầu vào âm nhằm mục đích lọc
thành phần 1 chiều, tránh làm ảnh hưởng đến tín hiệu lối vào.
2. Mạch nhận biết Zero

Hình 6: Sơ đồ cấu trúc mạch nhận biết điểm 0

Hình 7: Kết quả mô phỏng mạch nhận biết điểm 0
Nhóm 4 _ K19- ĐTVT Page 9


Đây là một cấu trúc mạch cơ bản, giúp nhận biết được thời điểm mà tín hiệu có
giá trị điện áp = 0 (xảy ra 2 lần trong mỗi chu kỳ tín hiệu). Việc nhận biết này có ý
nghĩa rất quan trọng trong các hệ thống chuyển tín hiệu số (modem, home
automation), đồng bộ pha với lưới điện v.v…
Nguyên tắc hoạt động: Khi điện áp xoay chiều lối vào (đường vàng) đi qua điểm
0, tức là đổi từ nửa chu kỳ dương sang nửa chu kỳ âm hoặc ngược lại, thế logic lối ra
(đường xanh) sẽ nhận biết thời điểm đi qua điểm 0 để đổi mức lôgic từ cao xuống thấp
hoặc ngược lại.
Mạch dùng 2 nguồn nuôi đối xứng, tùy theo biểu diễn mức lôgic lối ra lên xuống
thuận hay ngược pha với điện áp lối vào mà đưa tín hiệu vào lối vào (+) hoặc (-). Lối
ra Emitter đóng (nối với nguồn âm), lấy tín hiệu từ lối ra Collector mở. Trở kéo 20k
nối lối ra với nguồn dương để LM311 hoạt động.

3. Mạch tạo dao động đa hài (Free Running Multi-Vibrator)

Hình 8: Sơ đồ nguyên lý mạch tự tạo dao động đa hài
Nhóm 4 _ K19- ĐTVT Page 10



Hình 9: Kết quả mô phỏng mạch tự tạo dao động đa hài

- Mạch đa hài tự dao động, còn gọi là mạch đa hài không ổn định, mạch đa hài
không có trạng thái bền.
- Mạch bao gồm:
o Vi mạch KĐTT LM311
o Mạch phản hồi dương được tạo bởi R
1
=20kΩ, R
2
=39kΩ như một trigger
Smith.
o Mạch phản hồi âm được tạo bởi điện trở R
3
= 10kΩ, C=1200pF. Điện trở
R
3
và tụ điện C sẽ quyết định tần số của xung.
T
ra
= 2R
3
*C

1
*ln(1+2R
2
/R
1
)
- Nguyên lý hoạt động: Khi cấp nguồn nuôi một chiều cho LM311. Giả sử, ban
đầu U
P
> U
N
thì điện áp ở đầu ra qua mạch hồi tiếp dương sẽ tích điện cho tụ C, điện
áp U
N
= U
C
tăng cho đến khi U
N
=U
C
> U
P
. Khi đó, điện áp ra lật trạng thái, tụ điện sẽ
phóng điện từ cực dương của tụ điện qua điện trở R
3
đến lối ra của KĐTT xuống đất
cho đến khi U
N
=U
C

< U
P
thì điện áp ra lại lật trạng thái một lần nữa. Quá trình cứ lặp
đi lặp lại tạo thành xung vuông tại lối ra.


Nhóm 4 _ K19- ĐTVT Page 11


4. Tầng chuyển tiếp cho mạch TTL:
- Mạch sử dụng làm tầng chuyển tiếp cho mạch logic sử dụng TTL.
- Mạch sử dụng phản hồi dương giống như trigger Smith để tạo ra dạng xung
vuông có biên độ 5V.
- Tụ điện có tác dụng điều khiển tốc độ và giảm độ nhạy gây ra đỉnh nhiễu.


Hình 10: Sơ đồ nguyên lý mạch của tầng chuyển tiếp TTL

5. Các mạch ứng dụng khác:
5.1. Comparator and Solenoid Driver:


Hình 11: Sơ đồ nguyên lý mạch “Comparator and Solenoid Driver”
Nhóm 4 _ K19- ĐTVT Page 12


5.2. Zero-Crossing Detector Driving MOS logic:


Hình 12: Sơ đồ nguyên lý mạch “Zero-crossing Detector Driving MOS Logic

5.3. Precision Squarer:

Hình 13: Sơ đồ nguyên lý mạch “Precision Squarer”







Nhóm 4 _ K19- ĐTVT Page 13


5.4. Positive – Peak Detector:

Hình 14: Sơ đồ nguyên lý mạch “Positive – Peak Detector”

5.5. Negative – Peak Detector:

Hình 15: Sơ đồ nguyên lý mạch “Negative – Peak Detector”