Kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng op amp

Kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng op amp Kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng op amp Kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng op amp Kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng op amp Kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng op amp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH  BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MẠCH ĐIỆN TỬ Kiểm chứng mạch ứng dụng dùng Op-amp Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thanh Phương Sinh viên thực (Nhóm L06 _ Tổ 1): Lê Văn Hiệu MSSV: 1910188 Mai Trung Hiếu MSSV: 1911146 Hoàng Văn Doanh MSSV: 1912858 Ngày hồn thành báo cáo: 08/11/2021 Thành phố Hồ Chí Minh – 2021 Mục lục Bài 3: Kiểm chứng mạch ứng dụng dùng Op – amp Giới thiệu chung .4 Các thí nghiệm cần kiểm chứng .4 Lựa chọn kiện đầu vào phương pháp đo đạc đại lượng Các kết thí nghiệm Phân tích so sánh kết luận 14 Bài 3: KIỂM CHỨNG CÁC MẠCH ỨNG DỤNG DÙNG OP-AMP Giới thiệu chung Mục tiêu thí nghiệm Kiểm chứng mạch ứng dụng dùng Op – amp:  Hiểu nguyên lý hoạt động, cấu trúc chức mạch Op – amp khác  Biết cách lắp mạch module, mô mạch phần mềm LT Spice XVII để mạch cần kiểm chứng, phân biệt cực đảo, cực đảo để tránh nhầm lẫn Ngoài ta cần đảm bảo mạch cấp nguồn DC  Biết cách sử dụng máy phát sóng, dao động kí để tạo sóng phù hợp đưa vào Op – amp ( sóng sin, sóng vng, sóng tam giác), điều chỉnh biên độ ngõ vào để ngõ không méo dạng, quan sát dao động kí, điều chỉnh vol/div, time/div để quan sát thuận tiện vẽ lại dạng sóng  So sánh kết mô lý thuyết mạch ( độ lợi áp, dạng sóng ngõ ra): mạch khuếch đại đảo, mạch khuếch đại không đảo, mạch khuếch đại cộng điện áp, mạch khuếch đại trừ điện áp, mạch so sánh, mạch Schmitt Trigger, mạch tạo sóng vng sóng tam giác, đưa nhận xét, kết luận Phần mềm thí nghiệm: Ltspice Module thí nghiệm : OPAMPLABSN001 Các thí nghiệm cần kiểm chứng 2.1 Mạch khuếch đại đảo • Sơ đồ mạch Hình 2.1: Mạch khuếch đại đảo • Phân tích lý thuyết cơng thức tính tốn - Chức năng: Khuếch đại đảo điện áp ngõ vào ( tức ngõ ngược pha với ngõ vào) - Cấu tạo: mạch có tín hiệu vào qua điện trở Ri nối với cổng đảo (V-), cổng tín hiệu hồi tiếp thông qua điện trở RF cổng đảo Cổng không đảo (V+) nối đất - Mạch có hệ số khuếch đại áp ngõ phụ thuộc vào giá trị Ri , RF, nên ta lưu ý trình chọn linh kiện lắp mạch, tính chất mạch khuếch đại nên RF ≥ Ri - Điện áp ngõ ngược pha với điện áp ngõ vào - Nếu Ri = RF , mạch tạo tầng đảo lặp lại điện áp - Áp dụng KCL nút : = AV • Đồ thị từ lý thuyết phân tích • Sơ đồ mạch thí nghiệm LTspice (ứng với Rf = 22kΩ) 2.2 Mạch khuếch khơng đảo •Sơ đồ mạch Hình 2.2: Mạch khuếch đại khơng đảo • Phân tích lý thuyết cơng thức tính tốn - Chức năng: khuếch đại điện áp ngõ vào - Cấu tạo: Tín hiệu vào kết nối với cổng không đảo Cổng đảo nối với đầu qua điện trở RF tiếp đất qua điện trở RG - Mạch có hệ số khuếch đại áp ngõ phụ thuộc vào giá trị RG , RF Vì tích chất khuếch đại nên ta cần lưu ý chọn linh kiện có RF RG - Điện áp ngõ pha với điện áp ngõ vào - Nếu RF = => AV = , mạch dùng làm đệm, áp giữ nguyên giá trị ngõ vào, tổng trở vào lớn, tổng trở ngõ nhỏ Vi Vo  Vi V R   AV  o 1  F R R V RG F i - Áp dụng KCL nút: G • Đồ thị từ lý thuyết phân tích • Sơ đồ mạch thí nghiệm LTspice (ứng với RG = 22kΩ) 2.3 Mạch khuếch cộng điện áp •Sơ đồ mạch Hình 2.3: Mạch khuếch đại cộng điện áp • Phân tích lý thuyết cơng thức tính tốn - Chức khuếch đại thuật toán cộng - Mạch khuếch đại đảo với cửa đảo Vs- nối với nhiều điện áp ngõ vào thông qua điện trở Ri - Mạch khuếch đại tín hiệu ngõ tổng tín hiệu ngõ vào ngược pha - V- (đảo) nối với hai nhiều điện áp ngõ vào - Áp dụng KCL cho nút cổng đảo : Ri1  Ri2 Ri  V0   RF (V1  V2 ) Ri Ta có : • Sơ đồ mạch thí nghiệm LTspice (ứng với RF = 12kΩ, V2= 3V) • Mạch khuếch đại trừ điện áp Hình 2.4: Mạch khuếch đại trừ điện áp Chức năng: mạch khuếch đại theo thuật toán trừ - Mạch khuếch đại Op-amp với cửa đảo nối với điện trở hồi tiếp RF, tín hiệu ngõ vào V2 qua điện trở Ri2 Cửa không đảo mắc với điện trở RF song song với tín hiệu ngõ vào V1 qua điện trở Ri1 - Mạch khuếch đại có tín hiệu ngõ bẳng hiệu tín hiệu ngõ vào - Ta có : V+ = V mà V Ta có Ri1 2.2 Với mạch so sánh tạo sóng • Mạch so sánh Hình 2.5: Mạch so sánh - Mạch Op-amp có cực đảo nối với điện so sánh Vref , cực thuận nối với điện chuẩn Vi Với giá trị lớn hệ số khuếch đại, mạch khuếch đại op-amp cho tín hiệu V0 mức giá trị : + Khi Vi < Vref = + + 𝑆𝑆𝑆 = 10 (thực tế nhóm đo được) + Khi Vi > Vref 𝑆0 = − −𝑆𝑆𝑆 = −1 0(thực tế nhóm đo được) - Mạch tạo sóng vng ngõ (có độ dốc nhỏ) - Khi v2 > v1, v0 dần vH (+vsat) - Khi v2 < v1, v0 dần vL (-vsat) • Mạch Schmitt Trigger Hình 2.6: Mạch Schimitt Trigger - Mạch so sánh có hai biên so sánh vùng đệm giữ VTH VTL - Mạch khuếch đại Op-amp, cực đảo nối với tín hiệu ngõ vào so sánh Vi , cực không đảo nối với tín hiệu ngõ với điện trở hồi tiếp RF song song với điện trở RG - Chức : Giống mạch so sánh có tính lọc nhiễu - Lý thuyết : 𝑆+ không số mà dao động khoảng (VTL, VTH) : • Mạch tạo sóng vng sóng tam giác Hinh2.7: Mạch tạo sóng vng sóng tam giác + Mạch : Mạch Schmitt Trigger mức điện áp VS- = cực đảo, điện áp ngõ vào điện áp Vo1 mạch mắc vào cực thuận có hồi tiếp RF qua điện trở Ri cho ngõ Vo1 bị méo dạng thành xung vuông + Mạch : Mạch tích phân (ngõ hàm tích phân ngõ vào) với cực khơng đảo nối đất, cực đảo với tín hiệu vào điện áp Vo1 mạch qua điện trở R 10 tụ hồi tiếp Điện áp tích phân điện áp vào, tỉ lệ nghịch với số thời gian RC Vo2 số thời gian Lựa chọn kiện đầu vào phương pháp đo đạc đại lượng 3.1 Với mạch khuếch đại - Lắp mạch theo sơ đồ mạch điện module - Cấp nguồn DC cho Op- amp : +12V -12V - Các 𝑆𝑆 chọn 12kΩ, 𝑆𝑆 chọn đo lần giá trị 12kΩ, 22kΩ 68kΩ - Chọn Vi để Vo không bị méo dạng ( dựa vào điện áp ngưỡng ngõ ra): Vsat+ = 10,46V - Đọc giá trị biên độ đỉnh – đỉnh tín hiệu ngõ vào ngõ dao động ký điền kết thu vào bảng số liệu - Các thơng số cài đặt: • Ngõ vào xoay chiều sóng sine: Vin = Vm.sin(2πft) V với f = 1kHz 11 • Thời gian mơ phỏng: 2ms 3.2 Với mạch so sánh tạo sóng - Lắp mạch theo sơ đồ mạch điện module 12 - Cấp nguồn DC cho Op- amp : +12V -12V - Các 𝑆𝑆 chọn 12k, 𝑆𝑆 chọn đo lần 12k 22k - Cho 𝑆𝑆 vào CH1, 𝑆𝑆 vào CH2 dao động ký, quan sát dạng sóng, tính độ lợi áp so sánh kết thí nghiệm với lý thuyết - Chọn Vi thích hợp: + Mạch so sánh: Chọn giá trị Vref = 5V Chọn biên độ Vi lớn Vref nhỏ Vref để dạng sóng ngõ khác + Mạch Schmitt Trigger: Với 𝑆𝑆 = 66 12 ∈ (− 6, 6) ; với 𝑆𝑆 = 22 𝑆33 ∈ (−4.23; 4,2 3) + Mạch tạo sóng vng sóng tam giác: chọn (𝑆𝑆, , ) = 262807 (2 2, 6, 0.2 2), (6 8, 0, 0.04 7) Các kết thí nghiệm 4.1 Mạch khuếch đại đảo RF Vi-pp Vo-pp Av 12kΩ 1.995V -1.802V -0.903 22kΩ 3.816V -7.335V -1.922 68kΩ 1.279V -7.668V -5.995 Hình 4.1.1: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RF = 12kΩ 13 Hình 4.1.2: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RF = 22kΩ Hình 4.1.3: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RF = 68kΩ 4.2 Mạch khuếch đại không đảo RF Vi-pp Vo-pp Av 12kΩ 4.989V 9.494V 1.903 22kΩ 1.996V 5.832V 2.922 68kΩ 1.209V 8.455V 6.993 14 Hình 4.2.1: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RG = 12kΩ Hình 4.2.2: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RG = 22KΩ Hình 4.2.3: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RG = 68KΩ 15 4.3 Mạch khuếch đại cộng điện áp RF V2 Vomax  Vomin 2V 3V  1.196  ( 4.803) 1.804 V 0.8V 3V 1.45V Vi-pp 12kΩ 22kΩ Hình 4.4: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RF = 12kΩ 4.4 Mạch khuếch đại trừ điện áp RF Vi-pp Vo-pp 12kΩ 6V 6V 22kΩ 0.8V 1.5V 16 Hình 4.5: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RF = 12kΩ Hình 4.6: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RF = 22kΩ 4.5 Mạch so sánh Vi-pp Vref Vo-pp 19.9V 5V Xung vng 8.36V 5V Đường thẳng 17 Hình 4.7: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp Vi lớn Vref Hình 4.8: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp Vi bé Vref 4.6 Mạch Schimitt Trigger RF vH vL vTH vTL 12kΩ 10V -10V 5V -5V 22kΩ 10V -10V 4.36V -4.36V 18 Hình 4.9: Dạng sóng ngõ vào/ra RF = 12kΩ Hình 4.8: Dạng sóng ngõ vào/ra RF = 22kΩ 4.7 Mạch tạo sóng vng sóng tam giác - Trường hợp: (RF ,R ,C ) = ( 22kΩ, 5.6kΩ, 0.22μF ) 19 - Trường hợp: (RF ,R ,C ) = ( 68kΩ ,10kΩ ,0.047μF ) Phân tích so sánh kết luận 5.1 Mạch khuếch đại đảo Theo lý thuyết: 20 → Vậy kết dạng sóng 𝑆 𝑆, Op-amp hoạt động tốt 𝑆 khảo sát giống với lý thuyết, sai số nhỏ 5.2 Mạch khuếch đại không đảo Theo lý thuyết : → Vậy kết dạng sóng 𝑆𝑆, 𝑆 khảo sát giống với lý thuyết, sai số nhỏ Op-amp hoạt động tốt 5.3 Mạch khuếch đại cộng điện áp Theo lý thuyết: Vo Với 𝑆 𝑆 = 12k, 𝑆𝑆 = 12 𝑆−1−𝑆𝑆 8(ó = 1.8(ó sin ) , 𝑆2 =5 :  𝑆𝑆 có biên độ 𝑆− = 2, dao động vị trí cân -5V, ngược pha 𝑆𝑆1  Kết khảo sát giống với lý thuyết Với 𝑆𝑆 = 22kΩ, 𝑆𝑆 = 12 𝑆1−𝑆𝑆 8(ó = 0.8 (ó sin ), 𝑆2 = 5: −  𝑆𝑆 có biên độ 𝑆− = 1.45, dao động vị trí cân -5V, ngược pha 𝑆𝑆1  Kết khảo sát gần giống với lý thuyết, sai lệch sai số thiết bị đo 21 5.4 Mạch khuếch đại trừ điện áp Theo lý thuyết: Vo Với 𝑆𝑆 = 12kΩ, 𝑆𝑆 = 12 𝑆1−𝑆𝑆 = (ó 6(ó sin ) − , 𝑆2 = 5:  𝑆𝑆 có biên độ 𝑆− = 6, dao động vị trí cân -5V, pha 𝑆𝑆1  Kết khảo sát giống với lý thuyết Với 𝑆𝑆 = 22kΩ, 𝑆𝑆 = 12, 𝑆1−𝑆𝑆 8(ó = 0.8 (ó sin ), 𝑆2 = 5: −  𝑆𝑆 có biên độ 𝑆− = 1.5, dao động vị trí cân -5V, ngược pha 𝑆𝑆1  Kết khảo sát gần giống với lý thuyết, sai lệch sai số thiết bị đo 5.5 Mạch so sánh Theo lý thuyết: 𝑆𝑆 > 𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑆𝑆 = 𝑆 ( mức điện áp thấp) , khi 𝑆𝑆 < 𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑆𝑆 = 𝑆 ( mức điện áp cao) Chọn Vre f= 5V Vi-pp=19.9: Khi 𝑆𝑆 > 5V 𝑆𝑆 = 𝑆, 𝑆𝑆 < 5V 𝑆𝑆 = 𝑆 → Kết khảo sát giống với lý thuyết Vi-pp = 8.36: Biên độ Vi < 5V nên 𝑆𝑆=𝑆𝑆 → Kết khảo sát giống với lý thuyết 5.6 Mạch Schimitt Trigger Theo lý thuyết: 22 Khi Vi > 𝑆𝑆𝑆: Vo= 𝑆𝑆𝑆( bão hòa âm) Khi Vi < 𝑆𝑆𝑆: Vo= 𝑆𝑆𝑆( bão hòa dương) Cả lần đo: 𝑆𝑆𝑆 = 10, 𝑆𝑆 = −10 𝑆𝑆 = 12: Khi Vi>5: Vo=-10V Khi Vi