BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

Bộ khuếch đại thuật toán: Bộ khuếch đại thuật toán (tiếng Anh: operational amplifier, thường gọi tắt op-amp) mạch khuếch đại "DCcoupled" (tín hiệu đầu vào bao gồm tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại cao, có đầu vào vi sai, thơng thường có đầu đơn Trong ứng dụng thơng thường, đầu điều khiển mạch hồi tiếp âm cho xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào tổng trở đầu Các Bộ khuếch đại thuật tốn có ứng dụng trải rộng nhiều thiết bị điện tử thời từ thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp khoa học Các Bộ khuếch đại thuật tốn thơng dụng có giá bán rẻ Các thiết kế đại điện tử hóa chặt chẽ trước đây, số thiết kế cho phép mạch điện chịu đựng tình trạng ngắn mạch đầu mà không làm hư hỏng Bộ khuếch đại thuật toán mạch khuếch đại đa năng, lắp ráp để xử lý nhiều thuật tốn khác cho tín hiệu analog Các Bộ khuếch đại thuật tốn có nhiều thơng số khác nhau, để dễ dàng quan sát, thiết kế lý luận mạch, người ta thường dùng mơ hình Bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng Bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng: Bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng mạch khuếch đại vi sai lý tưởng, có: A0 = Ad = ∞ Acm = Ri = ∞ Ro = B = ∞  Chân ngõ vào đánh dấu “+” gọi ngõ vào không đảo Chân ngõ vào đánh dấu “-” gọi ngõ vào đảo Mơ hình tương đương khuếch đại thuật tốn, nguồn điện áp phụ thuộc điện áp, với độ lợi là: A0 (v+ - v- ), Mơ hình đơn giản để phân tích mạch Nguyên lý vận hành Bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng Với độ lợi A0 = ∞, Chúng ta giả định quy luật vận hành sau: Nếu v+ > v- vo tăng Nếu v+ < v- vo giảm Nếu v+ = v- vo khơng thay đổi Trong Bộ khuếch đại thuật tốn thực tế, vo khơng thể vượt điện áp nguồn nuôi, mà khơng vẽ hình Trong ứng dụng thơng thường mạch khuếch đại, Bộ khuếch đại thuật toán sử dụng hồi tiếp âm tức lấy phần điện áp đưa vào đầu vào đảo mạch Hoạt động Bộ khuếch đại thuật toán với hồi tiếp âm Chúng ta xem xét hiệu hồi tiếp âm:  Nếu v+ > v- vo tăng Vì phần vo đưa đến ngõ vào đảo, nên v- tăng Sai biệt điện V+ V- giảm đi, giảm đến Như vậy, Vo thay đổi đạt trị số mà làm cho V+ - V- = 0!!!  Nếu V+ < V- Vo giảm Vì phần vo đưa đến ngõ vào đảo, nên vgiảm Sai biệt điện V+ V- giảm đi, giảm đến Như vậy, Vo thay đổi đạt trị số mà làm cho V+ - V- = 0!!! Trong hai trường hợp, điện ngõ thay đổi đến giá trị cho V+ - V- = 0!!! Khi phân tích mạch cần xác định giá trị Vo cho gây kết V+ - V- = Tốc độ biến thiên điện áp Từ đầu đến chưa nói đến tốc độ tăng hay giảm điện ngõ Vo Giá trị gọi tốc độ biến thiên điện áp Trong Bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng, coi tốc độ biến thiên điện áp đủ nhanh để bỏ qua Bộ khuếch đại thuật tốn – Mạch khuếch đại đảo Áp dụng nguyên lý Bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng vào mạch đây, ta thấy: Độ lợi điện áp Vì Bộ khuếch đại thuật tốn có Ri = ∞, nên dịng điện ngõ vào Điều nghĩa i1 = i2 , i.e., điện trở R1 R2 hình thành chia điện áp Từ đó, tìm điện áp V- Vì có hồi tiếp âm, Vo đạt đến giá trị cho V+ - V- = 0, V+ = !!! Do V- =0, giải phương trình ta có giá trị Vo : Bộ khuếch đại thuật toán – Mạch khuếch đại đảo Xem lại sơ đồ trước ta thấy Tổng trở ngõ vào Tổng trở ngõ vào có nghĩa tổng trở nhìn từ nguồn tín hiệu vi , khơng phải tổng trở Bộ khuếch đại thuật toán, vốn lớn Vì v- = 0, nên điện áp đặt vào R1 vi Do đó: Tổng trở ngõ ra: Tổng trở ngõ tổng trở tương đương Thevenin nhiền từ phía tải, ngược ngõ mạch Đối với Bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng, tổng trở tương đương mạch không: Ro=0 Bộ khuếch đại thuật tốn – Mạch khuếch đại khơng đảo Nếu ta đổi chỗ mối nối vi đất mạch khuếch đại đảo, ta có mạch khuếch đại không đảo: Độ lợi điện áp Trong trường hợp này, nguyên lý vận hành mạch công thức phân chia điện áp dẫn đến: Trong đó: VI=V+=V-=R1/(R1+R2) Tổng trở vào tổng trở ra: Nguồn tín hiệu nối trực tiếp với đầu vào Bộ khuếch đại thuật tốn, đó: Rin = Ri = ∞ Tải nhìn thấy tổng trở tương đương Thevenin giống trường hợp mạch khuếch đại đảo: Ro=0 Bộ khuếch đại thuật toán – Mạch theo điện áp Độ lợi điện áp Mạch tính dễ dàng: Vi=V+=V-=Vo AV=1 Nghĩa điện ngõ theo điện ngõ vào Tổng trở vào tổng trở Khảo sát mạch ta thấy tổng trở vào có trị số giống mạch khuếch đại không đảo: Ri=∞ Ro=0 Thực ra, mạch theo điện áp mạch khuếch đại khơng đảo, với R1 =∞ R2 = 0!!! Bộ khuếch đại thuật toán – Mạch tổng đảo dấu Đây biến thể mạch khuếch đại đảo: Độ lợi điện áp Chúng ta sử dụng phương pháp xếp chồng dùng mạch khuếch đại đảo tiêu chuẩn, với mạch gồm nguồn khó lý luận Chúng ta lý luận phương pháp sau để thay Nhắc lại: vO đạt trị số cho v- = v+ = Như điện áp rơi RA vA điện áp rơi trênRB vB : Vì dịng ngõ vào Bộ khuếch đại thuật toán 0: Cuối điện áp tăng vO với điện áp rơi RF: Bộ khuếch đại thuật toán – Mạch khuếch đại vi sai Bộ khuếch đại thuật tốn có đầu vào vi sai, nên ta dễ dàng lắp mạch khuếch đại vi sai Khuếch đại thuật toán!!! Độ lợi điện áp Nhắc lại, vO đạt điện áp yêu cầu v+ = v- Thus: Ta thấy dòng điện i1 , phải với dòng điện i2 : Biết i2 , tính điện áp rơi R2 Sau cộng thành điện áp ngõ ra: Chúng ta tính riêng thành phần v2 công thức Và cuối quay trở lại công thức cuối trang trước: Như với điều kiện có điện trở tương ứng với nhau, với Bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng, thực có mạch khuếch đại vi sai Bài tập thực hành: Lắp ráp mạch điện đây: Mạch  Đặt tín hiệu 1VDC vào điểm A  Đo tín hiệu DC điểm B  Cho tín hiệu 400Hz, 1VAC vào điểm A  Đo tín hiệu DC AC điểm B  Dùng oscilloscope quan sát dạng sóng so pha tín hiệu A B Mạch  Đặt tín hiệu 1VDC vào điểm C  Đo tín hiệu DC điểm D  Cho tín hiệu 400Hz, 1VAC vào điểm C  Đo tín hiệu DC AC điểm D  Dùng oscilloscope quan sát dạng sóng so pha tín hiệu C D 3 Mạch  Đặt tín hiệu 1VDC vào điểm E  Đo tín hiệu DC điểm F  Cho tín hiệu 400Hz, 1VAC vào điểm E  Đo tín hiệu DC AC điểm F  Dùng oscilloscope quan sát dạng sóng so pha tín hiệu E F Mạch  Đặt tín hiệu 1VDC vào điểm G, điểm H bỏ trống  Đo tín hiệu DC điểm I  Đặt tín hiệu 1VDC vào điểm H, điểm G bỏ trống  Đo tín hiệu DC điểm I  Đặt tín hiệu 1VDC vào điểm G, 2VDC vào điểm H  Đo tín hiệu DC điểm I  Đặt tín hiệu 1VDC vào điểm G, -2VDC vào điểm H  Đo tín hiệu DC điểm I  Cho tín hiệu 400Hz, 1VAC vào điểm H, VDC vào điểm G  Đo tín hiệu DC AC điểm I  Dùng oscilloscope quan sát dạng sóng so pha tín hiệu G I  Cho tín hiệu 400Hz, 1VAC vào điểm H, 500Hz, VAC vào điểm G  Đo tín hiệu DC AC điểm I  Dùng oscilloscope quan sát dạng sóng so pha tín hiệu G I, H I Bộ khuếch đại thuật tốn – Mạch tích phân mạch vi phân Các Bộ khuếch đại thuật tốn khơng bị giới hạn linh kiện trở!!! Mạch tích phân Dựa theo nguyên lý kinh nghiệm mạch trước, ta biết v- = iR = iC , Từ mối quan hệ i-v tụ điện mà ta biết: Kết hợp công thức giả định vO = - vC : Thông thường vC (0) = (nhưng luôn) Như điện áp ngõ tích phân điện áp ngõ vào vi , đảo dấu tỉ lệ với 1/RC Mạch vi phân Phân tích mạch vi phân tương tự trước Từ quy luật kinh nghiệm trước, ta biết v- = iC = iR Từ mối quan hệ i-v tụ điện: Ta tính vO = -vR : Bộ khuếch đại thuật toán – so sánh mạch đa hài Các Bộ khuếch đại thuật tốn ngồi việc khuếch đại cịn sử dụng so sánh mạch đa hài!!! Mạch so sánh ngưỡng Khi không sử dụng hồi tiếp âm, khuếch đại thuật tốn có độ lợi vơ lớn Do người ta sử dụng chúng mạch so sánh tốt Thí dụ: mạch đo lường tín hiệu âm (VU metter): Bài tập thực hành: Lắp ráp mạch điện đo lường tín hiệu âm đây: Cho tín hiệu 400 Hz, 0.5 VAC vào đầu vào mạch Theo dõi đèn LED Đo điện áp đầu vào đầu Tăng dần tín hiệu lên 10V Theo dõi đèn LED Ghi nhận thông số điện áp vào có LED đổi trạng thái Bộ khuếch đại thuật toán – so sánh mạch đa hài Mạch so sánh hai ngưỡng Mạch so sánh hai ngưỡng gọi Schmitt Triger, sử dụng hồi tiếp dương điện áp, tạo cho khuếch đại thyuật toán chuyển mạch nhanh Nhờ có ngưỡng cách nhau, nên ngõ so sánh khơng bị dao động tín hiệu vào thay đổi phạm vi nhỏ xung quanh giá trị cần so Mạch dùng để biến dạng sóng thành sóng chữ nhật Giả sử ngõ cao (+12V) Cầu phân áp làm cho điểm B có điện áp +1,1V Khi điện áp ngõ vào điểm A thấp +1,1V ngõ tiếp tục cao Khi điện áp ngõ vào vượt lên +1,1V, khuếch đại thuật toán chuyển mạch Ngõ xuống thấp -12V Khi ngõ thấp, cầu phân áp làm cho điểm B có điện áp -1.1V Khi điện áp ngõ vào điểm A có giảm xuống cịn cao -1,1V ngõ tiếp tục thấp Khi điện áp ngõ vào giảm xuống thấp -1,1V, khuếch đại thuật toán chuyển mạch Ngõ lên cao +12V Bộ khuếch đại thuật toán – so sánh mạch đa hài Mạch dao động đa hài Mạch Khuếch đại thuật toán kết hợp mạch hồi tiếp dương tuyến tính hồi tiếp âm tích phân, thành mạch dao động đa hài  Giả sử điện áp ngõ vào đảo thấp ngõ vào không đảo Ngõ mạch lên cao Điện áp cao chia làm nhánh Một nhánh đưa ngõ vào không đảo, làm cho ngõ vào khơng đảo có điện áp dương ( tạm gọi điện áp ngưỡng 1) Một nhánh đưa hồi tiếp âm qua mạch tích phân RC làm cho điện áp tụ (ngõ vào đảo) tăng lên Khi điện áp ngõ vào đảo tăng lên đến điện áp ngưỡng 1, ngõ xuống thấp  Khi ngõ mạch xuống thấp, điện áp thấp chia làm nhánh Một nhánh đưa ngõ vào không đảo, làm cho ngõ vào không đảo có điện áp âm (tạm gọi điện áp ngưỡng 2) Một nhánh đưa hồi tiếp âm qua mạch tích phân RC làm cho điện áp tụ (ngõ vào đảo) giảm xuống Khi điện áp ngõ vào đảo giảm xuống đến thấp điện áp ngưỡng 2, ngõ lên cao Bộ khuếch đại thuật toán – so sánh mạch đa hài Mạch tạo xung vuông – tam giác Mạch tạo xung tam giác xung vuông Mạch khuếch đại thuật tốn giữ vai trị mạch tích phân Khi mạch so sánh thấp, mạch tích phân nạp điện vào tụ C điện ngõ đạt đến điện áp ngưỡng, cho điện áp đầu phân áp R1, RF cao so với masse Khi đó, điện áp so sánh chuyển lên mức cao Mạch tích phân xả tụ nạp theo chiều ngược lại Điện áp đỉnh ngõ mạch tích phân tính theo cơng thức: Vout  Vcc R1 RF Và tần số đuợc tính theo cơng thức: f  RF 4CR1R2 Bài tập thực hành: Lắp ráp mạch điện đây: Mạch  Đặt tín hiệu 0,5VDC vào điểm A  Đo tín hiệu DC điểm C điện so sánh điểm B lần  Thay đổi điện A đến điện C thay đổi  Ghi nhận điện ngưỡng So sánh điện ngưỡng với điện điểm B đo lần  Đo điện điểm B lần  Giảm tín hiệu điện 0, giảm hướng âm điện B thay đổi  Ghi nhận điện ngưỡng So sánh điện ngưỡng với điện điểm B đo lần Mạch  Dùng Ocillo scope xem dạng sóng điểm đo Nguồn: PQT