Kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng OP AMP

Mục lục Bài 3: Kiểm chứng mạch ứng dụng dùng Op – amp Giới thiệu chung .3 Các thí nghiệm cần kiểm chứng .3 Lựa chọn kiện ầu vào phương pháp o ạc ại lượng 17 Các kết thí nghiệm 20 Phân tích so sánh kết luận 31 Kết luận chung 35 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 ược nguyên lý hoạt ộng, cấu trúc chức mạch Op – amp khác • Biết cách lắp mạch module, mô mạch phần mềm LT Spice XVII ể ược mạch cần kiểm chứng, phân biệt cực ảo, cực ảo ể tránh nhầm lẫn Ngoài ta cần ảm bảo mạch ược cấp nguồn DC • Biết cách sử dụng máy phát sóng, dao ộng kí ể tạo sóng phù hợp ưa vào Op – amp ( sóng sin, sóng vng, sóng tam giác), iều chỉnh biên ộ ngõ vào ể ngõ không méo dạng, quan sát dao ộng kí, iều chỉnh vol/div, time/div ể quan sát thuận tiện vẽ lại dạng sóng • So sánh kết mô lý thuyết mạch ( ộ lợi áp, dạng sóng ngõ ra): mạch khuếch ại ảo, mạch khuếch ại không ảo, mạch khuếch ại cộng iện áp, mạch khuếch ại trừ iện áp, mạch so sánh, mạch Schmitt Trigger, mạch tạo sóng vng sóng tam giác, ưa nhận xét, kết luận Phần mềm thí nghiệm: Ltspice Module thí nghiệm : OPAMPLABSN001 Các thí nghiệm cần kiểm chứng 2.1 Mạch khuếch ại ảo • Sơ mạch Hình 2.1: Mạch khuếch ại ảo • Phân tích lý thuyết cơng thức tính tốn Chức năng: Khuếch ại ảo iện áp ngõ vào ( tức ngõ ngược pha với ngõ vào) - Cấu tạo: mạch có tín hiệu vào qua iện trở R i nối với cổng ảo (V -), cổng tín hiệu hồi tiếp thơng qua iện trở R F cổng ảo Cổng không ảo (V +) ược nối ất - Mạch có hệ số khuếch ại áp ngõ phụ thuộc vào giá trị R i , RF, nên ta lưu ý trình chọn linh kiện lắp mạch, tính chất mạch khuếch ại nên RF ≥ Ri - Điện áp ngõ ngược pha với iện áp ngõ vào - Nếu Ri = RF , mạch tạo tầng ảo lặp lại iện áp - Áp dụng KCL nút : = AV • Đồ thị từ lý thuyết phân tích Sơ mạch thí nghiệm LTspice (ứng với Rf = 12kΩ) Sơ mạch thí nghiệm LTspice (ứng với Rf = 22kΩ) 2.2 Mạch khuếch khơng ảo • Sơ mạch Hình 2.2: Mạch khuếch ại khơng ảo • Phân tích lý thuyết cơng thức tính tốn - Chức năng: khuếch ại iện áp ngõ vào - Cấu tạo: Tín hiệu vào kết nối với cổng khơng ảo Cổng ảo nối với ầu qua iện trở RF tiếp ất qua iện trở R G - Mạch có hệ số khuếch ại áp ngõ phụ thuộc vào giá trị R G , RF Vì tích chất khuếch ại nên ta cần lưu ý chọn linh kiện có R F RG Điện áp ngõ pha với iện áp ngõ vào - Nếu RF = => AV = , mạch dùng làm ệm, áp giữ nguyên giá trị ngõ vào, tổng trở vào lớn, tổng trở ngõ nhỏ - Áp dụng KCL nút: 𝑅𝑉 𝐺𝑖 = 𝑉 𝑜𝑅−𝐹𝑉 𝑖 ⇒ 𝐴𝑉 = 𝑉 𝑉 𝑜𝑖 = + 𝑅 𝑅 𝐺𝐹 • Đồ thị từ lý thuyết phân tích Sơ mạch thí nghiệm LTspice (ứng với RF= 12kΩ) Sơ mạch thí nghiệm LTspice (ứng với R F= 22kΩ) 2.3 Mạch khuếch ại cộng iện áp • Sơ mạch Hình 2.3: Mạch khuếch ại cộng iện áp • Phân tích lý thuyết cơng thức tính tốn - Chức khuếch ại thuật toán cộng - Mạch khuếch ại ảo với cửa ảo V s- nối với nhiều iện áp ngõ vào thông qua iện trở Ri Mạch khuếch ại tín hiệu ngõ tổng tín hiệu ngõ vào ngược pha - V- ( ảo) nối với hai nhiều iện áp ngõ vào - Áp dụng KCL cho nút cổng ảo : Ta có : 𝑅 = 𝑅 = 𝑅 ⇒𝑉 = −𝑅𝐹 (𝑉 + 𝑉 ) 𝑖1 𝑖2 𝑖 𝑅𝑖 Đồ thị phân tích lý thuyết mạch khuếch ại cộng iện áp Op-amp: Sơ mạch thí nghiệm LTspice ( ứng với RF = 12kΩ, V2= 3V, Vip=1.5V) Sơ mạch thí nghiệm LTspice ( ứng với R F = 22kΩ, V2= 3V, Vip=1.5V) • Mạch khuếch ại trừ iện áp Hình 2.4: Mạch khuếch ại trừ iện áp - Chức năng: mạch khuếch ại theo thuật toán trừ Mạch khuếch ại Op-amp với cửa ảo ược nối với iện trở hồi tiếp R F, tín hiệu ngõ vào V qua iện trở R i2 Cửa không ảo ược mắc với iện trở R F song song với tín hiệu ngõ vào V qua iện trở Ri1 - Mạch khuếch ại có tín hiệu ngõ bẳng hiệu tín hiệu ngõ vào Ta có : V+ = V mà V i1 Ta có R Đồ thị phân tích lý thuyết mạch khuếch ại trừ iện áp Op-amp: Sơ mạch thí nghiệm LTspice ( ứng với R F = 12kΩ, V2= 3V, Vip=4V) Sơ mạch thí nghiệm LTspice ( ứng với R F = 22kΩ, V2= 1V, Vip=2V) Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp R G = 22KΩ 4.3 Mạch khuếch ại cộng iện áp 𝐕𝐨𝐦𝐚𝐱−𝐕𝐨𝐦𝐢𝐧 RF 22kΩ 12kΩ Vim 1.496V =Vom VDC 𝟐 AV= − 𝐕𝐨𝐦 𝐕𝐢𝐦 3V -2.133 = 3.191V 1.496V 3V -1.001 = 1.4975V Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp R F = 22kΩ Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp R F = 12kΩ 4.4 Mạch khuếch ại trừ iện áp 𝐕𝐨𝐦𝐚𝐱 − 𝐕𝐨𝐦𝐢𝐧 RF Vdc =𝐕 Vim 𝟐 12kΩ 22kΩ 𝐨𝐦 AV = 𝐕𝐨𝐦 𝐕𝐢𝐦 3V 3.995V 1.248 = 3.945𝑉 0.987 1V 1.998V 1.843 = 3.763𝑉 1.883 Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp R F = 12kΩ Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp R F = 22kΩ 4.5 Mạch so sánh Vim Vref 2.996V 5V 7.998V 5V Vom Đường thẳng(= Vsat+=10.47V) Xung vuông (Chuyển mức V REF =5V) Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp V ip = 3V Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp V ip = 8V 4.6 Mạch Schimitt Trigger RF Vip Vsat+ Vsat- VH VL 12kΩ 7.992 10.47V -10.47V -5.143V 5.091V 22kΩ 7.992 10.47V -10.47V -3.724V 3.95V Dạng sóng ngõ vào/ra R F = 12kΩ Dạng sóng ngõ vào/ra R F = 22kΩ 4.7 Mạch tạo sóng vng sóng tam giác - Trường hợp: (R F ,R ,C ) = ( 22kΩ, 5.6kΩ, 0.22μF ) Vsat+ Vsat- VH VL F 10.47V -10.47V 6.206 -6.244V 408.6Hz Dạng sóng ngõ vào/ra R F = 22kΩ ,R=5.6kΩ,C=0.22μF - Trường hợp: (R F ,R ,C ) = ( 68kΩ ,10kΩ ,0.047μF ) Vsat+ VsatVH VL F 10.47V -10.47V 1.805V -1.809V 2.764KHz Dạng sóng ngõ vào/ra R F =68kΩ ,R=10kΩ,C=0.047μF Phân tích so sánh kết luận 5.1 Mạch khuếch ại ảo Theo lý thuyết: 𝑅𝐹 RF = 12k: A = - = - = -1 𝑅𝐼 % sai số = | 𝐴𝑣đ𝑜−𝐴𝑣𝑙𝑡| = | |.100%=9.7% 𝐴𝑣𝑙𝑡 RF = 22k: A = - 𝑅𝐹 = -=-1.8333 𝑅𝐼 % sai số = | 𝐴 𝑣đ𝑜−𝐴𝑣𝑙𝑡 |=| | =4.86% 𝐴𝑣𝑙𝑡 →Vậy kết dạng sóng 𝑉𝑖, 𝑉𝑜 khảo sát giống với lý thuyết,có sai số chấp nhận ược có sai số linh kiện kit thí nghiệm , truy bắt iểm chưa thật xác 5.2 Mạch khuếch ại không ảo Theo lý thuyết 𝑅𝐹 RF = 12k: A = 1+ = 1+ = 𝑅𝐼 % sai số = | 𝐴𝑣đ𝑜−𝐴𝑣𝑙𝑡| = | 1.903−2 |.100%=4.85% 𝐴𝑣𝑙𝑡 𝑅𝐹 = 1+ = 2.833 RF = 22k: A = 1+ 𝑅𝐼 % sai số = | 𝐴𝑣đ𝑜−𝐴𝑣𝑙𝑡| = | 2.922−2.833 |.100%=3.14% 𝐴𝑣𝑙𝑡 2.833 → Vậy kết dạng sóng 𝑉𝑖, 𝑉𝑜 khảo sát giống với lý thuyết, nhiên sai số sai số linh kiện kit thí nghiệm 5.3 Mạch khuếch ại cộng iện áp Theo lý thuyết: V o Với 𝑅𝐹 = 12kΩ, 𝑅𝑖 = 12𝑘𝛺 ,𝑉𝑖m = 1.5𝑉(𝑠ó𝑛𝑔 sin ), 𝑉2 = 3𝑉: → 𝑉𝑜 có biên ộ 𝑉𝑜m = 1.5𝑉,Av= -1 dao ộng vị trí cân -3V, ngược pha 𝑉𝑖1 % sai số = | 𝐴𝑣đ𝑜−𝐴𝑣𝑙𝑡| = | 1.001−1 |.100%=0.1% 𝐴𝑣𝑙𝑡 → Kết khảo sát giống với lý thuyết sai lệch nhỏ Với 𝑅𝐹 = 22kΩ, 𝑅𝑖 = 12𝑘𝛺 𝑉𝑖1m = 1.5𝑉 (𝑠ó𝑛𝑔 sin ), 𝑉2 = 3𝑉: →𝑉𝑜 có biên ộ 𝑉𝑜m = 2.75𝑉, Av=-1.833 dao ộng vị trí cân -5.5V, ngược pha với 𝑉𝑖1 % sai số = | 𝐴𝑣đ𝑜−𝐴𝑣𝑙𝑡 | = | 2.133−1.833 |.100%=16.37% 𝐴𝑣𝑙𝑡 1.833 →Kết khảo sát dạng thị gần giống với lý thuyết, sai lệch lớn sai số linh kiện kit thí nghiệm 5.4 Mạch khuếch ại trừ iện áp Theo lý thuyết: V o Với 𝑅𝐹 = 12kΩ, 𝑅𝑖 = 12𝑘𝛺, 𝑉𝑖1m= 4𝑉(𝑠ó𝑛𝑔 sin ), 𝑉2 = 3𝑉: →𝑉𝑜 có biên ộ 𝑉𝑜m = 4𝑉, dao ộng vị trí cân -3V, pha 𝑉𝑖1 % sai số = | 𝐴 𝑣đ𝑜−𝐴𝑣𝑙𝑡 | = | 3.945−4 |.100%=1.375% 𝐴𝑣𝑙𝑡 → Kết khảo sát giống với lý thuyết sai số nhỏ kit thí nghiệm Với 𝑅𝐹 = 22kΩ, 𝑅𝑖 = 12𝑘𝛺, 𝑉𝑖1m = 2𝑉 (𝑠ó𝑛𝑔 sin ), 𝑉2 =1𝑉: → 𝑉𝑜 có biên ộ 𝑉𝑜m = 3.667 𝑉, dao ộng vị trí cân -1.833V, pha 𝑉𝑖1 % sai số = | |.100%=2.72% 𝐴𝑣đ𝑜−𝐴𝑣𝑙𝑡| = | 1.883−1.833 𝐴𝑣𝑙𝑡 1.833 → Kết khảo sát gần giống với lý thuyết, sai lệch sai số kit thí nghiệm 5.5 Mạch so sánh Theo lý thuyết: 𝑉𝑖 > 𝑉𝑟𝑒𝑓 𝑉𝑜 = 𝑉sat-, khi 𝑉𝑖 < 𝑉𝑟𝑒𝑓 𝑉𝑜 = 𝑉sat+ Chọn Vref= 5V Vim = 3: Biên ộ Vi < 5V nên tín hiệu ngõ ường thẳng 𝑉𝑜=Vsat+=10.47 Vim=8: Tín hiệu ngõ sóng vng Khi 𝑉𝑖 > 5V 𝑉𝑜 = 𝑉sat-=-10.47V ; 𝑉𝑖 < 5V 𝑉𝑜 = 𝑉sat+10.47V → Kết khảo sát giống với lý thuyết , sai số nhỏ 5.6 Mạch Schimitt Trigger 𝑅𝐺 Vsat- Theo lý thuyết: VH= 𝑅𝐺+𝑅𝐹 𝑅𝐺 Vsat+ VL= 𝑅𝐺+𝑅𝐹 Mạch chuyển sang trạng thái bão hòa dương ạt tới giá trị V H Mạch chuyển sang trạng thái bão hòa dương ạt tới giá trị V L 𝑅𝐹 = 12𝑘: 𝑅𝐺 Vsat-= (−10.47) = −5.235 V Vsat+= 10.47 = 5.235 V VH= 𝑅𝐺+𝑅𝐹 𝑅𝐺 VL= 𝑅𝐺+𝑅𝐹 %sai số VH= |𝑉𝐻đ𝑜−𝑉𝐻𝑙𝑡| = | |.100%=1.76% 𝑉𝐻𝑙𝑡 %sai số VL= |𝑉𝐿đ𝑜−𝑉𝐿𝑙𝑡| = | 5.091−5.235 𝑉𝐿𝑙𝑡 |.100%=2.75% 5.235 → Kết khảo sát giống với lý thuyết sai số nhỏ 𝑅𝐹 = 22𝑘: VH = 𝑅 𝐺 (−10.47) = −3.695V Vsat-= 𝑅𝐺+𝑅𝐹 𝑅𝐺 VL= Vsat+= (10.47)=3.695 V 𝑅𝐺+𝑅𝐹 %sai số VH= |𝑉𝐻đ𝑜−𝑉𝐻𝑙𝑡| = | |.100%=0.78% 𝑉𝐻𝑙𝑡 %sai số VL= |𝑉𝐿đ𝑜−𝑉𝐿𝑙𝑡| = | 3.95−3.695 |.100%=6.901% 𝑉𝐿𝑙𝑡 → Kết o có sai lệch so với lý thuyết, nguyên nhân sai số kit thí nghiệm, bắt iểm chưa xác 5.7 Mạch tạo sóng vng sóng tam giác Theo lý thuyết: 𝑅 VH =− 𝑅 𝑖.Vsat- 𝑅𝐹 VL=− 𝑖.Vsat+ 𝑅𝐹 F= −𝑅𝐹 (𝑉𝑠𝑎𝑡−).(𝑉𝑠𝑎𝑡+) 𝑅𝐼.𝑅.𝐶.(𝑉𝑠𝑎𝑡−−𝑉𝑠𝑎𝑡+) Với RF=22k 𝑅 VH=−𝑖.Vsat- =−.- 10.47= 5.71 V 𝑅𝐹 𝑅𝑖 VL=−.Vsat+ =−.10.47= -5.71 V 𝑅𝐹 F= 372.024 Hz %sai số VH= |𝑉𝐻đ𝑜−𝑉𝐻𝑙𝑡| = | 6.138−5.71 |.100%=7.495% 𝑉𝐻𝑙𝑡 5.71 %sai số VL= |𝑉𝐿đ𝑜−𝑉𝐿𝑙𝑡| = |.100%=8.44% 𝑉𝐿𝑙𝑡 %sai số F= |𝑓đ𝑜−𝑓𝑙𝑡| |.100%=9.83% | −6.192−(−5.71) −5.71 = | 408.6−372.024 𝑓𝑙𝑡 372.024 Với RF=68k V H =− 𝑅𝑖.Vsat- =− 12 𝑅𝐹 68 𝑅𝑖 12 (-10.47)=1.85 V VL=− Vsat+ =− 𝑅𝐹 10.47=-1.85V 68 F= = 3.014 kHz %sai số VH= |𝑉𝐻đ𝑜−𝑉𝐻𝑙𝑡| = 𝑉𝐻𝑙𝑡 %sai số VL= |𝑉𝐿đ𝑜−𝑉𝐿𝑙𝑡| = |.100%=2.162% 𝑉𝐿𝑙𝑡 %sai số F= |𝑓đ𝑜−𝑓𝑙𝑡| 𝑓𝑙𝑡 | 1.8−1.85 |.100%=2.7% 1.85 | −1.81−(−1.85) −1.85 = | 2.785−3.014 |.100%=7.59% 3.014 → Vậy kết khảo sát sai lệch với lý thuyết sai lệch kit nhủ bắt iểm chưa thật xác 6.Kết luận chung Qua thí nghiệm mơ kiếm chứng hoạt ộng mạch khuếch ại Opamp : mạch khuếch ại ảo, mạch khuếch ại không ảo, mạch khuếch ại cộng iện áp, mạch khuếch ại trừ iện áp, mạch so sánh, mạch Schmitt Trigger, mạch tạo sóng vng sóng tam giác phần mềm LTspice ã cho hiểu ược chức năng, ặc tính khuếch ại áp cách mắc mạch phần mềm LTspice Các linh kiện kit mơ nhìn chung có sai số truy bắt iểm vị trí cần o thị chưa thật xác tạo sai số thông số cần o Tuy nhiên a phần sai số không lớn nên chấp nhận ược ... 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 ược nguyên lý hoạt ộng, cấu trúc chức mạch Op – amp khác • Biết cách...Mục lục Bài 3: Kiểm chứng mạch ứng dụng dùng Op – amp Giới thiệu chung .3 Các thí nghiệm cần kiểm chứng .3 Lựa chọn kiện ầu vào phương pháp o ạc ại lượng 17 Các kết thí nghiệm... nghiệm mơ kiếm chứng hoạt ộng mạch khuếch ại Opamp : mạch khuếch ại ảo, mạch khuếch ại không ảo, mạch khuếch ại cộng iện áp, mạch khuếch ại trừ iện áp, mạch so sánh, mạch Schmitt Trigger, mạch tạo