Giao trinh mach dien tu II

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
Chủ biên: ThS. Phan Thị Năm
Thành viên: ThS. Mạc Văn Biên
Cao Thị Hương

Giáo trình
KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ II
(Giáo trình lưu hành nội bộ)

BẮC GIANG - 2019


LỜI NÓI ĐẦU
Giáo trình này giới thiệu một cách hệ thống về các mạch khuếch đại thuật toán,
mạch dao động điều hòa và điều chế tín hiệu. Sau mỗi chương đều có phần câu hỏi và
bài tập để giúp người học dễ dàng hệ thống lại và nắm bắt kiến thức tốt hơn.
Trên cơ sở các kiến thức căn bản, giáo trình đã cố gắng tiếp cận các vấn đề hiện
đại, đồng thời vận dụng với thực tế giảng dạy – học tập của giảng viên, giáo viên và học
sinh – sinh viên.
Giáo trình gồm hai phần: phần lý thuyết và phần thực hành, được bố cục như sau:
Phần lý thuyết
Chương 1: Các mạch khuếch đại thuật toán
Chương 2: Mạch dao động điều hòa
Chương 3: Điều chế
Phần thực hành
Bài 1: Lắp ráp và khảo sát các mạch khuếch đại thuật toán
Bài 2: Lắp ráp và khảo sát các mạch dao động điều hòa
Bài 3: Lắp ráp và khảo sát các mạch điều chế
Giáo trình được Hiệu trưởng phê duyệt làm tài liệu chính thức dùng cho giảng dạy,
học tập môn học Kỹ thuật mạch điện tử II, tại trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghiệp.

Do thời gian có hạn nên tài liệu này không tránh khỏi thiếu sót, rất mong bạn đọc
góp ý. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về:
- Phan Thị Năm, Mạc Văn Biên, Cao Thị Hương - Giảng viên khoa Điện tử Tin học, Cao Đẳng Kỹ thuật Công nghiệp, số 202 Trần Nguyên Hãn, TP. Bắc Giang,
Bắc Giang.
- Văn phòng khoa Điện tử - Tin học, tầng 3, tòa nhà X1, số 202 Trần Nguyên Hãn,
TP. Bắc Giang, Bắc Giang.
- Thư viện Cao Đẳng Kỹ thuật Công nghiệp, số 202 Trần Nguyên Hãn, TP. Bắc
Giang, Bắc Giang.
NHÓM TÁC GIẢ


MỤC LỤC
PHẦN LÝ THUYẾT .................................................................................................................. 3
Chương 1: CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN ........................................................ 3
1.1. Khái niệm chung .................................................................................................................. 3
1.1.1. Giới thiệu .............................................................................................................. 3
1.1.2. Chức năng của các bộ khuếch đại ....................................................................... 4
1.2. Mạch khuếch đại đảo ........................................................................................................... 5
1.3. Mạch khuếch đại không đảo ................................................................................................ 7
1.4. Mạch cộng và mạch trừ ....................................................................................................... 8
1.4.1. Mạch cộng ............................................................................................................ 8
1.4.2. Mạch trừ ............................................................................................................. 11
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1 ..................................................................................... 14
Chương 2: MẠCH TẠO DAO ĐỘNG ĐIỀU HOÀ ................................................................ 17
2.1. Tổng quan về mạch dao động điều hòa ............................................................................. 17
2.1.1. Các vấn đề chung về tạo dao động điều hòa ...................................................... 17
2.1.2. Đặc điểm của các mạch tạo dao động điều hòa ................................................. 18
2.1.3. Các phương pháp ổn định biên độ và tần số dao động ...................................... 18
2.1.4. Phạm vi tần số của các mạch dao động điều hòa .............................................. 19
2.1.5. Phương pháp tính toán các mạch tạo dao động ................................................. 20

2.2. Các mạch dao động điều hòa ............................................................................................. 23
2.2.1. Mạch dao dộng cầu wien (wien bridge oscillator ) ............................................ 23
2.2.2. Các mạch dao động dịch pha ............................................................................. 27
2.2.3 Mạch dao động ba điểm ...................................................................................... 32
2.2.4. Mạch dao động ghép biến áp ............................................................................. 41
2.2.5. Mạch dao động dùng thạch anh ......................................................................... 44
2.2.6. Mạch dao động nghẹt (Blocking) ....................................................................... 48
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 2 ..................................................................................... 53
Chương 3: ĐIỀU CHẾ.............................................................................................................. 58
3.1. Tổng quan .......................................................................................................................... 58
3.2. Điều biên............................................................................................................................ 59
3.2.1. Khái niệm chung ................................................................................................. 59
3.2.2. Hệ số méo phi tuyến............................................................................................ 61
3.2.3. Hệ số méo tần số ................................................................................................. 62
3.2.4. Điều biên dùng phần tử phi tuyến ...................................................................... 63
3.2.5. Điều biên dùng phần tử tuyến tính có tham số thay đổi ..................................... 66
3.3. Điều tần và điều pha .......................................................................................................... 68
3.3.1. Quan hệ giữa điều tần và điều pha..................................................................... 68
3.3.2. Phổ của dao động điều tần và điều pha ............................................................. 71
3.3.3. Mạch điều tần và điều pha ................................................................................. 72
3.3.4. So sánh giữa điều chế tần số và điều chế biến độ .............................................. 75
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 3 ..................................................................................... 78
PHẦN THỰC HÀNH ............................................................................................................... 79
Bài 1: LẮP RÁP VÀ KHẢO SÁT CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN ................. 79
1.1. Lắp ráp và khảo sát mạch cộng và mạch trừ ..................................................................... 79


1.1.1. Lắp ráp và khảo sát mạch cộng đảo ................................................................... 79
1.1.2. Lắp ráp và khảo sát mạch cộng không đảo ........................................................ 81
1.1.3. Lắp ráp và khảo sát mạch trừ ............................................................................. 83

1.2. Lắp ráp và khảo sát mạch biến đổi xung dùng khuếch đại thuật toán ............................... 86
Bài 2: LẮP RÁP VÀ KHẢO SÁT CÁC MẠCH DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA ........................... 88
2.1. Lắp ráp và khảo sát mạch dao động cầu Wien .................................................................. 88
2.1.1. Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao động cầu wien dùng transistor ....................... 88
2.1.2. Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao động cầu wien dùng OA .................................. 91
2.2. Lắp ráp và khảo sát mạch dao động dịch pha ................................................................... 93
2.2.1. Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao dộng dịch pha dùng transistor ........................ 93
2.2.2. Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao dộng dịch pha dùng OA .................................. 97
2.3. Lắp ráp và khảo sát mạch dao động ba điểm điện dung .................................................... 99
2.3.1. Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao động ba điểm điện dung dùng transistor ........ 99
2.3.2. Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao động ba điểm điện dung dùng OA ................ 102
2.4. Lắp ráp và khảo sát mạch dao động ba điểm điện cảm ................................................... 105
2.4.1. Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao động ba điểm điện cảm dùng transistor ....... 105
2.4.2. Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao động ba điểm điện cảm dùng OA .................. 107
2.5. Lắp ráp và khảo sát mạch dao động điều hòa dùng thạch anh (Crystal Oscillator) ........ 110
2.5.1. Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng
song song .................................................................................................................... 110
2.5.2. Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng nối
tiếp .............................................................................................................................. 113
2.6. Lắp ráp và khảo sát mạch dao động nghẹt Bloking ......................................................... 115
2.6.1. Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao động nghẹt cực phát chung (CE) .................. 115
2.6.2. Lắp ráp và cân chỉnh mạch dao động nghẹt cực thu chung (CC) .................... 118
Bài 3: LẮP RÁP VÀ KHẢO SÁT CÁC MẠCH ĐIỀU CHẾ................................................ 121
3.1. Lắp ráp và khảo sát mạch điều biên ................................................................................ 121
3.2. Lắp ráp và khảo sát mạch điều tần và điều pha ............................................................... 123
3.2.1. Lắp ráp và khảo sát mạch điều chế dùng thạch anh và diode biến dung ......... 123
3.2.2. Lắp ráp và khảo sát mạch điều chế FM sử dụng VCO..................................... 126
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 129

DANH MỤC HÌNH VẼ
PHẦN LÝ THUYẾT .................................................................................................................. 3
Hình 1.1. Ký hiệu của bộ khuếch đại thuật toán ........................................................................ 3
Hình 1.2. Sơ đồ khối bộ khuếch đại điện tử................................................................................ 5
Hình 1.3. Sơ đồ mạch khuếch đại đảo ........................................................................................ 5
Hình 1.4. Mạch khuếch đại không đảo ....................................................................................... 7
Hình 1.5. Mạch cộng không đảo................................................................................................. 8
Hình 1.6. Mạch cộng không đảo................................................................................................. 9
Hình 1.7. Mạch cộng đảo ......................................................................................................... 10
Hình 1.8. Mạch cộng không đảo............................................................................................... 11
Hình 1.9. Mạch trừ bằng phương pháp đổi dấu ....................................................................... 12
Hình 1.10. Mạch trừ bằng phương pháp vi sai ........................................................................ 12
Hình 1.11. Mạch trừ nhiều thành phần .................................................................................... 13
Hình 1.12. ................................................................................................................................. 14
Hình 1.13. ................................................................................................................................. 15
Hình 1.14. ................................................................................................................................. 15
Hình 1.15. ................................................................................................................................. 16
Hình 1.16. ................................................................................................................................. 16
Hình 2.1. Sơ đồ khối mạch tạo dao động điều hòa................................................................... 17
Hình 2.2. Mạch tạo dao động ba điểm điện dung .................................................................... 21
Hình 2.3. Mạch dao động cầu Wien. ........................................................................................ 23
Hình 2.4 Mạch tạo dao động cầu Wien. ................................................................................... 25
Hình 2.5 Mạch dao động cầu Wien dùng transistor................................................................. 26
Hình 2.6. Mạch dao động cầu Wien dùng OA. ........................................................................ 27
Hình 2.7. Sơ đồ khối mạch dao động dịch pha. ........................................................................ 28
Hình 2.8. Sơ đồ tương đương mạch dao động dịch pha. .......................................................... 28
Hình 2.9. Khâu hồi tiếp RC. .................................................................................................... 28
Hình 2.10. Mạch dịch pha dùng transistor............................................................................... 30
Hình 2.11. Mạch dịch pha dùng OA ......................................................................................... 31
Hình 2.12. Sơ đồ mạch dao động ba điểm với thành phần xoay chiều .................................... 32

Hình 2.13. Sơ đồ mạch dao động ba điểm điện cảm (a) và ba điểm điện dung (b) ................. 33
Hình 2.14. Mô hình tương đương mạch dao động ................................................................... 33
Hình 2.15. Mạch dao động ba điểm điện dung ........................................................................ 35
Hình 2.16. Mạch dao động ba điểm điện dung sử dụng IC thuật toán (Colpitts) .................... 36
Hình 2.17. Mô hình tương đương mạch dao động ba điểm điện cảm ...................................... 38
Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lý mạch dao động ba điểm điện cảm. ............................................... 39
Hình 2.19. Mạch dao động ba điểm điện cảm sử dụng IC thuật toán (Hartley) ...................... 40
Hình 2.20. Mạch dao động ghép biến áp (b) và sơ đồ tương đương (a). ................................. 41
Hình 2.21. Mạch dao động ghép biến áp dùng transistor ........................................................ 43
Hình 2.22. Mạch dao động ghép biến áp dùng vi mạch thuật toán.......................................... 43
Hình 2.23. Hình dạng thạch anh trong thực tế ......................................................................... 45
Hình 2.24. Ký hiệu quy ước và sơ đồ tương đương thạch anh ................................................. 45
Hình 2.25. Biện pháp để điều chỉnh (vi chỉnh) tần số riêng thạch anh. ................................... 46
Hình 2.26. Bộ tạo dao động thạch anh điều khiển bằng hồi tiếp song song ............................ 46


Hình 2.27. Bộ tạo dao động thạch anh điều khiển bằng hồi tiếp nối tiếp. ............................... 47
Hình 2.28. Mạch dao động nghẹt Blocking .............................................................................. 49
Hình 2.29. Giản đồ thời gian của mạch dao động nghẹt cực phát chung ................................ 51
Hình 2.30. Mạch dao động nghẹt cực thu chung...................................................................... 52
Hình 2.31. Mạch dịch pha dùng OA ......................................................................................... 53
Hình 2.32. Mạch dịch pha dùng transistor............................................................................... 54
Hình 2.33. ................................................................................................................................. 54
Hình 2.34. Mạch dao động ba điểm điện dung sử dụng IC thuật toán. ................................... 55
Hình 2.35. ................................................................................................................................. 55
Hình 2.36. Mạch dao động ba điểm điện cảm .......................................................................... 56
Hình 2.37. ................................................................................................................................. 56
Hình 2.38. ................................................................................................................................. 57
Hình 2.39. Mạch dao động ghép biến áp dùng transistor ........................................................ 57
Hình 3.1. Đồ thị thời gian tín hiệu điều biên ............................................................................ 60

Hình 3.2. Phổ tín hiệu điều biên ............................................................................................... 60
Hình 3.3. Phổ tín hiệu điều biên có phổ biến thiên từ S min  S max ........................................ 60
Hình 3.4. Đặc tính điều chế tĩnh ............................................................................................... 62
Hình 3.5. Đặc tính biên độ tần số ............................................................................................. 62
Hình 3.6 Mạch điều chế dùng Diode ........................................................................................ 63
Hình 3.7. Đặc tuyến của diode và đồ thị thời gian của tín hiệu vào ra.................................... 64
Hình 3.8. Phổ tín hiệu điều biên khi làm việc ở chế độ A ........................................................ 64
Hình 3.9. Đặc tuyến của diode và đồ thị tín hiệu vào ra khi làm việc ở chế độ C ................... 65
Hình 3.10. Mạch điều chế dùng diode ..................................................................................... 65
Hình 3.11. Mạch điều biên dùng phần tử tuyến tính ................................................................ 66
Hình 3.12. Mạch điều biên cân bằng dùng diode ..................................................................... 66
Hình 3.13. Phổ tín hiều điều biên cân bằng ............................................................................. 67
Hình 3.14. Mạch điều biên cân bằng dùng 2 BJT .................................................................... 67
Hình 3.15. Mạch điều chế vòng ................................................................................................ 67
Hình 3.16. Phổ tín hiệu điều chế cân vòng ............................................................................... 68
Hình 3.17. Tín hiệu ra của quá trình điều tần .......................................................................... 69
Hình 3.18. Tín hiệu ra của quá trình điều chế theo phương thức điều pha ............................. 70
Hình 3.19. Sơ đồ khối quá trình điều pha và điều tần ............................................................. 71
Hình 3.20. Mạch điều tần dùng diode biến dung và đặc tuyến Cv ........................................... 72
Hình 3.21. Mạch điều pha theo Amstrong ................................................................................ 72
Hình 3.22. Đồ thị vecto của tín hiệu ......................................................................................... 72
Hình 3.23. Sơ đồ mạch tạo dao động điều tần bằng phẩn tử điện kháng phân áp RC ............ 74
Hình 3.24. Mạch khuếch đại trước, hạn chế trước và đồ thị.................................................... 77
PHẦN THỰC HÀNH ............................................................................................................... 79
Hình 1. Mạch cộng đảo ............................................................................................................ 79
Hình 2. Mạch cộng không đảo.................................................................................................. 81
Hình 3. Mạch trừ sử dụng IC 741............................................................................................. 83
Hình 4. Mạch biến đổi xung răng cưa thành xung vuông ........................................................ 86
Hình 5. Mạch dao động cầu Wien dùng transistor................................................................... 88
Hình 6. Mạch dao động cầu Wien dùng OA ............................................................................. 91

Hình 7. Mạch dịch pha dùng transistor .................................................................................... 94
Hình 8. Mạch dịch pha dùng OA. ............................................................................................. 97
Hình 9. Mạch dao động ba điểm điện dung dùng transistor. ................................................. 100
Hình 10. Mạch dao động ba điểm điện dung dùng OA .......................................................... 102
Hình 11. Mạch dao động ba điểm điện cảm dùng transistor. ................................................ 105
Hình 12. Mạch dao động ba điểm điện cảm dùng IC thuật toán. .......................................... 108
Hình 13. Mạch dao động thạch anh với tần số cộng hưởng song song. ................................ 110
Hình 14. Mạch dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng nối tiếp ............................ 113
Hình 15. Mạch dao động nghẹt cực phát chung..................................................................... 116
Hình 16. Mạch dao động nghẹt cực thu chung....................................................................... 118
Hình 17. Bộ điều chế Collector .............................................................................................. 121
Hình 18. Bộ điều chế dùng thạch anh và diode biến dung ..................................................... 123
Hình 19. Bộ điều chế tần số FM sử dụng VCO ...................................................................... 126


PHẦN LÝ THUYẾT
Chương 1: CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN
1.1. Khái niệm chung
1.1.1. Giới thiệu
Mạch khuếch đại được sử dụng trong hầu hết các thiết bị điện tử, như mạch
khuếch đại âm tần trong máy amply, khuếch đại tín hiệu video trong Tivi, LCD hay các
mạch khuếch đại tín hiệu vô tuyến trong các bộ thu Radio, thu truyền hình v.v …
Mạch khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier - OA), thường được gọi tắt
là op-amp là một mạch khuếch đại một chiều nối tầng trực tiếp với hệ số khuếch đại rất
cao, có đầu vào vi sai, và thông thường có đầu ra đơn.
Mạch khuếch đại thuật toán là mạch tích hợp rắn có thể ráp phối hợp với các
mạch hồi tiếp bên ngoài để có thể điều chỉnh hàm truyền hay độ lợi của nó.
Mạch khuếch đại thuật toán là mạch khuếch đại tổ hợp có hệ số khuếch đại lớn,

trở kháng vào lớn, và trở kháng ra nhỏ ...
Ký hiệu của OA được cho trên hình 1.1

Hình 1.1. Ký hiệu của bộ khuếch đại thuật toán

OA khuếch đại hiệu điện áp U d = U p – U N với hệ số khuếch đại Kd
Do đó: Vout = K d Ud =K d ( UP – U N )
Nếu U N = 0 thì Vout = K d U P nên Vout đồng pha với tín hiệu vào UP, vì vậy đầu vào
P(Positive) được gọi là đầu vào không đảo và ký hiệu bởi dấu (+).
Nếu U P = 0 thì Vout = - K d U N nên Vout ngược pha với tín hiệu vào UN, vì vậy đầu
vào P(Negative) được gọi là đầu vào đảo và ký hiệu bởi dấu (-).
Bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng có các tính chất sau:
-

Trở kháng vào Z v = 

-

Trở kháng ra ra Z r = 0
3


-

Hệ số khuếch đại K d = 

-

UN = UP

-

I 0− = I 0+ = 0.

Trên thực tế không có bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng, thông thường một OA
có Zv cỡ hàng trăm KΩ tới hàng MΩ, Zra cỡ hàng Ω tới hàng vài chục Ω, Kd khoảng từ
vài trăm tới hàng triệu lần.
Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò quan trọng và được sử dụng
rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin, xung, trong bộ ổn áp và bộ lọc
tích cực... trải rộng trong rất nhiều các thiết bị điện tử như các thiết bị điện tử dân dụng,
công nghiệp và khoa học. Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển
bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và
tổng trở đầu ra. Các mạch khuếch đại thuật toán thông dụng hiện nay có giá thành thấp,
thiết kế hiện đại đã được điện tử hóa chặt chẽ hơn trước đây, và một số thiết kế cho phép
mạch điện chịu đựng được tình trạng ngắn mạch đầu ra mà không bị hư hỏng.
1.1.2. Chức năng của các bộ khuếch đại
Chức năng chính của bộ khuếch đại tất nhiên là khả năng khuếch đại, tuy nhiên
vì cấu tạo đặc biệt, nên chúng có thể tạo ra nhiều chức năng khác nhau từ khuếch đại
cho tới mạch cộng, trừ, vi tích phân.
Thông thường một mạch khuếch đại hay bộ khuếch đại, đôi khi gọi gọn là khuếch
đại, là một thiết bị hoặc linh kiện bất kỳ nào, sử dụng một lượng công suất nhỏ ở đầu
vào để điều khiển một luồng công suất lớn ở đầu ra. Trong các ứng dụng thông dụng,
thuật ngữ này hiện nay được dùng chủ yếu cho các bộ khuếch đại điện tử và thông
thường là các ứng dụng thu và tái tạo tín hiệu điện tử.
Bộ khuếch đại điện tử là một mạch điện tử mà tín hiệu đầu ra của mạch lớn gấp
K lần tín hiệu đầu vào của mạch và dạng tín hiệu ở đầu ra giống hệt dạng của tín hiệu ở
đầu vào.
Tín hiệu của mạch là dòng điện i(t), điện áp u(t) hoặc công suất P(t ). Tín hiệu
cũng có thể là điện trường E(t) hoặc từ trường B(t). Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại
điện tử cho ở hình 1.2.

Trong sơ đồ, ký hiệu hình

mô tả đây là bộ khuếch đại.

K được gọi là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại. Hệ số này là tỉ số giữa giá trị
tín hiệu ra chia cho giá trị tín hiệu vào.
Mối liên quan giữa đầu vào và đầu ra của một bộ khuếch đại, thường được diễn
giải như là một hàm của tần số, được gọi là hàm truyền và biên độ của hàm truyền được
gọi là độ lợi hay độ khuếch. Đánh giá đầy đủ về khuếch đại là ba lượng độ khuếch điện
áp (voltage gain), độ khuếch dòng (current gain) và độ khuếch công suất (power gain).
4


Nếu các tín hiệu vào, ra là điện áp thì chúng ta có hệ số khuếch đại điện áp:
Ku =

Ur
Uv

(1.1)

Nếu các tín hiệu vào, ra là dòng điện thì chúng ta có hệ số khuếch đại dòng điện:
Ki =

Ir
Iv

(1.2 )

Nếu các tín hiệu vào, ra là công suất thì chúng ta có hệ số khuếch đại công suất:

KP =

Pr
Pv

(1.3)

Hình 1.2. Sơ đồ khối bộ khuếch đại điện tử

Trong bài này,chúng ta sẽ khảo sát các mạch khuếch đại sử dụng mạch khuếch
đại thuật toán.
1.2. Mạch khuếch đại đảo
a) Sơ đồ mạch nguyên lý

Hình 1.3. Sơ đồ mạch khuếch đại đảo

5


b) Chức năng và nhiệm vụ
Mạch khuếch đại đảo là mạch khuếch đại tín hiệu vào thành tín hiệu ra có biên
độ điện áp lớn hơn, và đảo chiều cực tính của tín hiệu vào, có thực hiện hồi tiếp âm song
song điện áp qua Rf.
c) Tính toán thông số mạch
Hệ số khuếch đại được xác định dựa vào hai điện trở ngoài (điện trở hồi tiếp âm
Rf, và điện trở vào Rin). Zi, Zf có thể có bất cứ dạng nào.
+ Tín hiệu đưa vào ngõ vào (-) Vi có thể xoay chiều hoặc một chiều.
Coi Op_amp lý tưởng nên I0 = 0 (dòng vào OA ) và V1 = V2 = 0V (do U N = U P )
Tại nút N (tại V2) ta có:
iin = −if ⇒

Vin − V2 Vin − V0ut
Vin
V0ut
=
⇔
=−
Zi
Zf
Zi
Zf

nên độ lợi áp của mạch:
AV =

Zf
Vout
=−
Vin
Zi

(1.4)

Nhận xét:
Khi Zf và Zi là điện trở thuần thì V0 và Vi sẽ lệch pha 1800 (nên được gọi là
mạch khuếch đại đảo và ngõ vào “ - ” được gọi là ngõ vào đảo).
-

Khi Zf và Zi là điện trở thuần thì OA có tính khuếch đại điện thế một chiều.

Zf đóng vai trò mạch hồi tiếp âm, Zf càng lớn (hồi tiếp âm càng nhỏ) độ khuếch
đại của mạch càng lớn.
-

Nếu Zf = Zi thì AV = -1thì sơ đồ hình 1.3 có tính chất lặp lại đảo tín hiệu.

-

Zi = 0 từ phương trình iin = −if , ta có: Iin = −

Vout
 Vout = I in .Z f tức là điện áp ra
Zf

tỷ lệ với dòng điện vào. Đây chính là mạch biến đổi dòng thành áp.
Ví dụ: Cho bộ khuếch đại như hình 1.3,với Rin = 100KΩ, Rf = 500KΩ.
Tính điện áp đầu ra khi Vin = 2V?
Giải:
Giả sử OA lý tưởng ta có:
Vout = −

Zf
Rf
500
Vin = −
Vin = −
. 2 = −10V
Zi
R in
100

6


1.3. Mạch khuếch đại không đảo
a) Sơ đồ mạch nguyên lý

Hình 1.4. Mạch khuếch đại không đảo

b) Chức năng và nhiệm vụ
Mạch khuếch đại không đảo là khuếch đại tín hiệu vào thành tín hiệu ra có biên
độ điện áp lớn hơn, có hồi tiếp âm điện áp đặt vào đầu vào đảo và cùng chiều so với tín
hiệu vào.
c) Tính toán thông số mạch
Theo hình 1.4. ta có:
V1 = V2 = Vin

(hay U𝑁 = 𝑈𝑃 = Vin )

if = iin

và

if =

V0ut − V2
Zf

iin =

V2 V0ut − V2 V2
⇒
=
Zi
Zf
Zi

Mặt khác: V2 = U N =

Zi
Vout
Zi + Z f

(công thức phân áp)

Vậy:
AV =

Zf
Vout
= 1+
Vin
Zi

(1.5)

Nhận xét:
-

Zf, Zi có thể có bất kỳ dạng nào; V0 và Vi cũng có thể là AC hoặc DC.

Khi Zf , Zi là điện trở thuần thì ngõ ra V0 sẽ có cùng pha với ngõ vào Vi (nên
mạch được gọi là mạch khuếch đại không đảo và ngõ vào (+) được gọi là ngõ vào
không đảo).
-

7


Zf cũng đóng vai trò hồi tiếp âm. Ðể tăng độ khuếch đại AV, ta có thể tăng Zf
hoặc giảm Zi.
-

Mạch khuếch đại cả tín hiệu một chiều khi Zf , Zi điện trở thuần. Mạch cũng
giữ nguyên tính chất không đảo và có cùng công thức với trường hợp của tín hiệu
xoay chiều.
-

Khi Zf =0, ta có: AV=1, Vi = V0 hoặc Zi =∞ ta cũng có AV=1, Vi = V0. Lúc
này mạch được gọi là mạch “voltage follower” thường được dùng làm mạch đệm
(buffer) vì có tổng trở vào lớn và tổng trở ra nhỏ như mạch cực thu chung ở BJT.
-

Ví dụ: Cho bộ khuếch đại như hình 1.4,với R1 = 100KΩ, R2 = 500KΩ. Tính điện váp
đầu ra khi Vin = 2V?
Giải:
Giả sử OA lý tưởng ta có: U P = U N = Vin = V2 =
Vout =

Vin ( Zi + Z f

Zi

Zi
Vout
Zi + Z f

) = 2(100 + 500) = 12V
100

1.4. Mạch cộng và mạch trừ
1.4.1. Mạch cộng
1.4.1.1. Khái niệm chung về mạch cộng
Ðây là các mạch điện tử đặc biệt trong đó sự liên hệ giữa điện thế ngõ vào và ngõ
ra là các phương trình toán học đơn giản đó là phép toán cộng các tín hiệu.
Vai trò và chức năng của mạch cộng: cộng các điện áp của các tín hiệu ngõ vào.
1.4.1.2. Mạch cộng không đảo
a) Sơ đồ mạch nguyên lý

Hình 1.5. Mạch cộng không đảo
8


b) Chức năng và nhiệm vụ
Mạch cộng không đảo thực hiện cộng các điện áp của các tín hiệu ngõ vào, tín
hiệu điện áp ngõ ra là tổng các tín hiệu điện áp ngõ vào không đảo.
c) Tính toán thông số mạch
Coi OA lý tưởng, xét tại nút N ta có: U N =

R0
Vout

R0 + R f

xét tại nút P ta có: I 0 = 0  I1 + I 2 + ... + I n = 0


V −UP
V1 − U P V2 − U P
+
+ ... + n
=0
R1
R2
Rn

1 1
V 
1  V V
 U P  + + ... +  =  1 + 2 + ... + n 
Rn   R1 R2
Rn 
 R1 R2

Thay U N = U P ta có:
1 1
R0
V 
1  V V
Vout  + + ... +  =  1 + 2 + ... + n 
R0 + R f
Rn   R1 R2

Rn 
 R1 R2

Nếu chọn R1 = R2 = ... = Rn = R thì:
Vout =

R0 + R f
n.R0

n

V
i =1

in

(1.6)

Tín hiệu ngõ ra bằng tổng điện áp các tín hiệu ngõ vào. Ta chú ý là Vi là một điện
thế bất kỳ có thể là một chiều hoặc xoay chiều.
Ví dụ: Cho mạch điện như hình 1.6 với R0 = 100KΩ, Rf = 1MΩ biết:
a) V1=1V; V2=2V; V3=4V;
R1 = 500KΩ; R2 = 1MΩ;
R3 = 1MΩ;
b) V1=3V; V2=-2V; V3=5V;
R1 = 200KΩ; R2 = 500KΩ;
R3 = 1MΩ;
Tính Vout trong cả hai
trường hợp đó?

Hình 1.6. Mạch cộng không đảo

9


Giải:
a) xét tại nút P ta có:
 1
1
1  V V V 
UP  +
+ = 1 + 2 + 3 
 R1 R2 R3   R1 R2 R3 
1
1   1
2
4 
 1
 UP 
+
+
+
+
=

 500 1000 1000   500 1000 1000 
4
8

UP =

 U P = 2V
1000
1000

Coi OA lý tưởng  U N = U P = 2V , vậy:
Vout

R0
100 + 1000
= 2  Vout
= 2  Vout = 22(V )
R0 + R f
100

b) tương tự, tại nút P ta có:
1
1   3
2
5 
 1
UP 
+
+
−
+
=

 200 500 1000   200 500 1000 
8
16


UP =
 U P = 2V
1000
1000

Coi OA lý tưởng  U N = U P = 2V , vậy:
Vout

R0
100 + 1000
= 2  Vout
= 2  Vout = 22(V )
R0 + R f
100

1.4.1.3. Mạch cộng đảo
a) Sơ đồ mạch nguyên lý

Hình 1.7. Mạch cộng đảo

b) Chức năng và nhiệm vụ
Mạch cộng đảo thực hiện cộng các điện áp của các tín hiệu ngõ vào, và đảo điện
áp tín hiệu tổng ở ngõ ra.
10


c) Tính toán thông số mạch
Xét tại nút N, ta có: I 0 = 0  I1 + I 2 + ... + I n = I f


V1 − U N V2 − U N
V − U N U N − Vout
+
+ ... + n
=
R1
R2
Rn
Rf

Thay U N = U P = 0 ta có:
Rf
Rf 
 Rf
Vout = −  V1 + V2 + ... + Vn 
R2
Rn 
 R1

(1.7 )

Hay:
n

Vout =   iVin

với  i =

i =1

Rf
Ri

(1.8)

Tín hiệu ngõ ra bằng tổng các tín hiệu ngõ vào nhưng ngược pha. Ta chú ý là Vi
là một điện thế bất kỳ có thể là một chiều hoặc xoay chiều.
Ví dụ: Cho mạch điện như hình 1.8 với Rf = 1MΩ biết:
a) U1=1V; U2=2V; U3=3V;
R1 = 500KΩ; R2 = 1MΩ;
R3 = 1MΩ;
b) U1=-2V; U2=3V; U3=1V;
R1 = 200KΩ; R2 = 500KΩ;
R3 = 1MΩ;
Tính Vout trong cả hai
trường hợp đó.
Hình 1.8. Mạch cộng không đảo

Giải:
R
R
R

1000 
 1000 1000
a) U r = −  f V2 + f V2 + f V3  = − 
1+
2+
3  = −7V

R2
R3 
1000
1000 
 500
 R1
R
R
R

1000
1000 
 1000
b) U r = −  f V2 + f V2 + f V3  = − 
(−2) +
3+
1 = 3V
R
R
R
200
500
1000


2
3
 1


1.4.2. Mạch trừ
1.4.2.1. Khái niệm chung
Ðây là các mạch điện tử đặc biệt trong đó sự liên hệ giữa điện thế ngõ vào và ngõ
ra là các phương trình toán học đơn giản đó là phép toán trừ các tín hiệu.

11


Vai trò và chức năng của mạch trừ: lấy hiệu điện áp các tín hiệu ở các ngõ vào
với nhau.
1.4.2.2. Mạch điện nguyên lý
a) Sơ đồ mạch điện nguyên lý

Hình 1.9. Mạch trừ bằng phương pháp đổi dấu

Hình 1.10. Mạch trừ bằng phương pháp vi sai

b) Chức năng và nhiệm vụ của mạch
R2 , Rf1 có tác dụng đổi dấu tín hiệu V2 thành -V2. R3, Rf2 có tác dụng cộng hai
tín hiệu V1 và –V2, và đổi dấu kết quả..
Để trừ tín hiệu V1 với V2, thì ta đảo V2 thành –V2, sau đó cộng V1 với –V2, rồi
đổi dấu kết quả.
c) Tính toán thông số mạch
Xét sơ đồ nguyên lý hình 1.10, ta có:
12


Tại nút P: U P =

Tại nút N:

Rf 1

V1

R1 + R f 1

 1
V2 − U N U N − Vout
1  V2 Vout
=
 UN  +
=
+
 R R  R R
R2
Rf 2
f2 
2
f2
 2

Thay U N = U P = 0 ta có:
 1
1  V2 Vout
V1  +
+
=
R1 + R f 1  R2 R f 2  R2 R f 2
Rf 1

 Vout =

R f 1 ( R2 + R f 2 )
R2 ( R1 + R f 1 )

V1 −

Rf 2
R2

V2

(1.9 )

Khi muốn trử nhiều thành phần điện áp người ta sử dụng mạch trừ nhiều thành
phần như hình 1.11

Hình 1.11. Mạch trừ nhiều thành phần

13


CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1
Câu 1: Bộ khuếch đại thuật toán là gi? Ký hiệu và các tính chất cơ bản của khuếch đại
thuật toán?
Câu 2: Trình bày sơ đồ khối và chức năng của bộ khuếch đại?
Câu 3: Trình bày sơ đồ nguyên lý và chức năng của bộ khuếch đại đảo? Các công thức
tính toán các thông số của mạch?
Câu 4: Trình bày sơ đồ nguyên lý và chức năng của bộ khuếch đại không đảo? Các công

thức tính toán các thông số của mạch?
Câu 5: So sánh điểm khác nhau cơ bản của bộ khuếch đại đảo và bộ khuếch đại
không đảo?
Câu 6: Trình bày sơ đồ nguyên lý và chức năng của bộ cộng đảo? Các công thức tính
toán các thông số của mạch?
Câu 7: Trình bày sơ đồ nguyên lý và chức năng của bộ cộng không đảo? Các công thức
tính toán các thông số của mạch?
Câu 8: Trình bày sơ đồ nguyên lý và chức năng của mạch trừ? Các công thức tính toán
các thông số của mạch?
Câu 9: Cho mạch điện như hình 1.12.
với Rf=10KΩ, Ri=5KΩ

Hình 1.12.

a) Tính hệ số khuếch đại của mạch?
b) Nếu cho một tín hiệu một chiều có đầu vào là 10mV, thì đầu ra sẽ bằng bao nhiêu ?
Câu 10: Cho mạch điện như hình 1.13.
với V1=V2=10mV, V3 = -10mV, R1=Rht=R=10kΩ

14


Hình 1.13.

Tìm Vout ?
Câu 11: Cho mạch điện như hình 1.14.
với V1= V2 = 10mV, V3 = - 10mV
R1 = R2 = R3 = 10kΩ, Rht = 50kΩ

Hình 1.14.

Tìm Vout ?
Câu 12: Cho mạch điện như hình 1.15.
với V1 = 20mV, V2 = 10mV, R1 = R2 =Rf1=Rf2 10kΩ.

15


Hình 1.15.

Tính Vout = ?
Câu 13: Cho mạch điện như hình 1.16. với V1 = 20mV, V2 = 10mV
R1 = R2 = R3 =10kΩ, Rf1=Rf2 = 20kΩ.

Hình 1.16.

Tính Vo = ?

16


Chương 2: MẠCH TẠO DAO ĐỘNG ĐIỀU HOÀ
2.1. Tổng quan về mạch dao động điều hòa
2.1.1. Các vấn đề chung về tạo dao động điều hòa
Các mạch tạo dao động điều hòa (hay còn gọi là dao động hình sin) được sử dụng
rộng rãi trong các hệ thống thông tin, trong các máy phát, máy thu, trong máy đo, máy
kiểm tra, thiết bị y tế… Hiểu một cách đơn giản, mạch dao động là mạch tạo ra tín hiệu.
Tổng quát, người ta chia ra làm hai loại mạch dao động là dao động điều hòa tạo
ra các tín hiệu dạng hình sin và dao động tích thoát tạo ra các tín hiệu không sin như tạo
xung răng cưa, xung nhọn, xung tam giác, xung vuông. Ở đây, chúng ta chỉ nghiên cứu

các mạch dao động điều hòa.
Các mạch tạo dao động điều hòa có thể làm việc trong dải tần số từ vài hec (Hz)
đến hàng nghìn megahec (MHz). Để tạo dao động có thể dùng các phần tử tích cực như
transistor lưỡng cực, transistor trường, mạch khuếch đại thuật toán hoặc các phần tử đặc
biệt như điốt Tunel, điốt Gunn…
Để tạo dao động điều hòa, có thể theo hai nguyên tắc cơ bản sau :
-

Tạo dao động bằng hồi tiếp dương.

-

Tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch.
Ở đây ta chỉ nghiên cứu các mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi tiếp dương.

Sơ đồ khối:

Hình 2.1. Sơ đồ khối mạch tạo dao động điều hòa

Mạch dao động điều hòa có sơ đồ khối như hình 2.1, bao gồm:
-

Khối khuếch đại (KĐ).

-

Phần tử hồi tiếp.

Nguyên tắc: Lấy một phần năng lượng ở đầu ra của khối khuếch đại hồi tiếp
dương quay trở lại đầu vào.

Điều kiện về biên độ:
Trong đó: K =

K  1

Vo
là hệ số khuếch đại.
Vi
17

( 2.1)


 = V ht là hệ số hồi tiếp.
Vo
 K +   = 2n

Điều kiện về pha:

(2.2)

Trong đó:  K là góc di pha của bộ khuếch đại.
  là góc di pha của mạch hồi tiếp.

Điều kiện để tồn tại dao động là:
- Nếu ban đầu Kβ >> 1 và đảm bảo điều kiện về pha thì mạch dao động đạt ổn định
nhanh nhưng dạng tín hiệu ra bị méo.
-

Nếu ban đầu Kβ ≥ 1 thì mạch đạt độ ổn định chậm nhưng ít méo.

-

Nếu Kβ < 1 thì mạch không dao động, khi đó Vo là dạng dao động tắt dần.

2.1.2. Đặc điểm của các mạch tạo dao động điều hòa
Đặc điểm chung: Từ những phân tích trên, ta rút ra những đặc điểm cơ bản của
một mạch dao động:
- Mạch dao động cũng là một mạch khuếch đại, nhưng là mạch khuếch đại tự điều
khiển bằng hồi tiếp dương từ đầu ra về đầu vào. Năng lượng tự dao động lấy từ nguồn
cung cấp một chiều.
-

Muốn có dao động phải thỏa mãn điều kiện cân bằng biên độ và cân bằng về pha.

- Mạch phải chứa ít nhất một phần tử tích cực làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng
một chiều thành năng lượng xoay chiều, đồng thời có vai trò là một khâu điều chỉnh để
đảm bảo biên độ dao động không đổi ở trạng thái xác lập.
Nguồn cung cấp: phải sử dụng các nguồn ổn định hoặc nguồn có ổn áp.
Kết cấu của mạch: Giảm ảnh hưởng của tải đến mạch dao động bằng cách thêm
tầng đệm ở đầu ra của tầng tạo dao động.
Các phần tử tích cực : Dùng các phần tử tích cực có hệ số khuếch đại lớn, có hệ
số nhiệt nhỏ.
2.1.3. Các phương pháp ổn định biên độ và tần số dao động
2.1.3.1. Ổn định biên độ dao động
Khi mới đóng mạch, nếu điều kiện về pha được thỏa mãn tại một tần số nào đó,
đồng thời Kβ > 1 thì trong mạch phát sinh dao động ở tần số đó. Ta nói mạch ở trạng
thái quá độ (quá trình nuôi dưỡng dao động).Ở trạng thái xác lập, biên độ dao động
không đổi ứng với Kβ = 1 (quá trình duy trì dao động). Để đảm bảo ổn định biên độ ở
trạng thái xác lập, có thể thực hiện các biện pháp sau:

18


- Xác định biên độ điện áp ra bằng cách chọn trị số điện áp nguồn cung cấp một
chiều thích hợp, với biên độ điện áp xoay chiều cực đại trên đầu ra mạch khuếch đại
luôn nhỏ hơn giá trị điện áp nguồn cung cấp một chiều cho phần tử khuếch đại đó.
- Dịch chuyển điểm làm việc trên đặc tuyến phi tuyến của phần tử tích cực nhờ
thay đổi điện áp phân cực đặt lên cực điều khiển của phần tử khuếch đại.
- Dùng mạch hồi tiếp phi tuyến hoặc dùng phần tử hiệu chỉnh (ví dụ: điện trở nhiệt
hoặc điện trở thông của điốt).
Tùy thuộc vào mạch điện cụ thể có thể áp dụng những biện pháp trên.
2.1.3.2. Ổn định tần số dao động
Vấn đề ổn định tần số dao động liên quan chặt chẽ đến điều kiện cân bằng pha.
Khi dịch pha giữa điện áp hồi tiếp đưa về và điện áp ban đầu thay đổi, sẽ dẫn đến sự
thay đổi tần số dao động. Để nâng cao độ ổn định tần số của mạch tạo dao động, cần áp
dụng các biện pháp sau:
- Thực hiện các biện pháp nhằm hạn chế sự thay đổi các tham số của mạch tạo dao
động như: Dùng nguồn ổn áp, dùng các linh kiện có hệ số nhiệt độ nhỏ, có sai số nhỏ,
dùng các phần tử ổn định nhiệt…
-

Thực hiện các biện pháp nhằm giảm sự thay đổi góc pha theo tham số của mạch

tạo dao động, nghĩa là:  K ( m,w ) +  ht ( n,w ) = 0 từ điều kiện về pha:  K +  ht = 0

Trong đó: m.n đặc trưng cho các tham số của các phần tử trong mạch khuếch đại.
Do đó, cần phải chọn mạch tạo dao động thích hợp: Mạch ba điểm điện cảm, ba điểm
điện dung, ghép biến áp hay mạch tạo dao động đổi pha…
- Thực hiện các biện pháp làm tăng tốc độ biến đổi của các góc pha theo tần số tại

điểm xảy ra dao động như: sử dụng các phần tử có phẩm chất cao (sử dụng mạch cộng
hưởng thạch anh, dùng phần tử có hệ số khuếch đại lớn).
Theo các nghiên cứu thực tế cho thấy: nếu không dùng các biện pháp ổn định đặc
biệt thì độ ổn định tần số

f
của các bộ tạo dao động điều hòa có thể đạt được trong
f0

khoảng 10-2…10-3. Khi dùng các biện pháp trên đây có thể tăng độ ổn định tới 10-4 hoặc
f
 10−6...10−8 .
cao hơn. Trong trường hợp dùng thạch anh có thể đạt được
f0
2.1.4. Phạm vi tần số của các mạch dao động điều hòa
2.1.4.1. Mạch dao động RC
Ở dải tần số thấp từ vài hec (Hz) đến vài chục kilôhec (kHz), người ta dùng mạch
tạo dao động dịch pha RC. Không dùng mạch dao động LC vì sẽ phải tăng kích thước
và trọng lượng của các phần tử trong mạch dao động.
19


2.1.4.2. Mạch dao động LC
Mạch dao động LC dùng để tạo ra các tín hiệu cao tần từ hàng trăm kilôhec đến
hàng trăm megahec. Với các kiểu mạch đa dạng, mạch tạo dao động LC tạo ra tần số
dao động gần với tần số cộng hưởng của nó.
f =

1
2 LC

( Hz )

( 2.3)

2.1.4.3. Mạch dao động thạch anh
Trong những mạch tạo dao động LC yêu cầu chất lượng cao người ta thay thế
khung dao động LC bằng bộ cộng hưởng thạch anh, khi đó độ ổn định tần số đạt được
sẽ cao hơn.
2.1.5. Phương pháp tính toán các mạch tạo dao động
Có nhiều phương pháp để tính toán mạch dao động, trong đó phương pháp thông
dụng nhất, đó là tính toán mạch dao động theo phương pháp mạch khuếch đại có hồi
tiếp. Nội dung của phương pháp này bao gồm: phương pháp tính toán linh kiện cân bằng
về biên độ và phương pháp tính toán linh kiện cân bằng về pha.
2.1.5.1. Phương pháp tính toán điều kiện cân bằng về biên độ
Kβ ≥ 1
Khi tính toán phải căn cứ vào mạch điện cụ thể để xác định hệ số khuếch đại K
và hệ số Kht rồi buộc tích của chúng bằng 1, từ đó suy ra các thông số cần thiết của mạch
điện.
2.1.5.2. Phương pháp tính toán điều kiện cân bằng về pha
 K +   = 2n

Điều kiện cân bằng về pha do kết cấu của mạch đảm nhiệm. Khi tính toán về giá
trị các linh kiện không cần quan tâm đến.
Phương pháp tính bao gồm 6 bước:
Bước 1: Tính toán hệ số khuếch đại.
Bước 2: Xác định hệ số hồi tiếp.
Bước 3: Tính tích số K.Kht.
Bước 4: Xác định điều kiện dao động của mạch
Bước 5: Xác định hệ số hồi tiếp để mạch tự dao động được.

Bước 6: Xác định trị số các linh kiện mắc trong mạch.
Để minh họa, ta xét ví dụ sau: Tính điều kiện tự dao động của mạch ba điểm điện
dung (mạch colpits) như hình 2.2
20