Bài giảng điện tử 2

V Ị TRÍ OPAMP TRONG TH Ế GI Ớ I NGÀY NAY

Năm 1934, Harry Black thường xuyên di chuyển bằng xe lửa từ New York đến phòng thí nghiệm của công ty Bell ở New Jersey Trong thời gian này, ông suy nghĩ về các vấn đề liên quan đến đường dây điện thoại, đặc biệt là việc cần khuếch đại tín hiệu truyền Ông nhận thấy rằng các bộ khuếch đại không đáng tin cậy hạn chế khả năng hoạt động của đường dây Đầu tiên, độ lợi khuếch đại rất thấp và được cải thiện nhanh chóng bằng các phương pháp hiệu chỉnh Tuy nhiên, ngay cả khi các bộ khuếch đại được hiệu chỉnh chính xác trong quá trình sản xuất, độ lợi vẫn bị suy giảm trong hoạt động, dẫn đến biên độ âm thanh nhỏ và tiếng nói bị biến dạng.

Mặc dù có nhiều cải tiến trong việc hoàn thiện và ổn định bộ khuếch đại, nhưng sự thay đổi nhiệt độ và điện áp của nguồn cung cấp vẫn ảnh hưởng lớn đến đường dây điện thoại, dẫn đến hiện tượng trôi độ lợi khuếch đại không kiểm soát Các phần tử thụ động có xu hướng làm trôi độ lợi nhiều hơn so với các phần tử tác động, tạo ra một bài toán cần giải quyết Harry đã tìm ra giải pháp cho vấn đề này trong suốt thời gian di chuyển trên xe lửa từ nhà đến văn phòng.

Kinh nghiệm đầu tiên trong việc tạo ra các bộ khuếch đại là thiết lập độ lợi lớn hơn yêu cầu, với một phần tín hiệu ra được hồi tiếp về ngõ vào Điều này khiến độ lợi của mạch phụ thuộc vào các phần tử thụ động hồi tiếp thay vì phần tử tác động của bộ khuếch đại Mạch điện này được gọi là hồi tiếp âm, là nguyên lý hoạt động cơ bản của tất cả các op amps hiện đại Tuy nhiên, vào thời điểm đó, các nhà thiết kế dường như chưa nhận thức được hiệu quả của các mạch hồi tiếp ban đầu này.

Thời gian đã chứng minh rằng những suy nghĩ của Harry là chính xác, tuy nhiên, ông không thể giải thích hiện tượng dao động trong các mạch khuếch đại có độ lợi vòng hở lớn khi hoạt động trong điều kiện vòng kín Nhiều nhà nghiên cứu đã tìm hiểu về vấn đề này vào năm 1940, nhưng việc giải quyết vấn đề ổn định vẫn gặp khó khăn do cần tính toán các bài toán phức tạp Sau nhiều năm, con người vẫn chưa thể tạo ra một giải nghiệm đơn giản và dễ hiểu về hiện tượng này.

Vào năm 1945, H.W Bode đã giới thiệu một hệ thống phân tích sự ổn định của hệ thống hồi tiếp thông qua phương pháp đồ thị Đến nay, việc phân tích hồi tiếp chủ yếu dựa vào các phép toán trên hàm truyền, điều này đòi hỏi nhiều thời gian và công sức, đặc biệt là trong giai đoạn trước năm 1970 khi các kỹ sư chưa sử dụng máy tính Giản đồ Bode, với cách biểu diễn logarit, đã được chuyển đổi sang phương pháp toán học mạnh mẽ hơn, giúp tính toán sự ổn định của hệ thống hồi tiếp trở nên đơn giản và dễ hiểu hơn Mặc dù thiết kế hệ thống hồi tiếp vẫn còn phức tạp, nhưng một số kỹ sư điện đã đề xuất phương pháp sử dụng hộp đen Nhờ vào phương pháp Bode, bất kỳ kỹ sư điện nào cũng có thể xác định tính ổn định của mạch hồi tiếp, từ đó thúc đẩy sự phát triển của các ứng dụng hồi tiếp trong máy móc thiết bị Tuy nhiên, việc thiết kế hệ thống hồi tiếp bằng mạch điện tử thực sự không trở nên cần thiết cho đến khi máy tính và các bộ chuyển đổi ra đời.

Các máy tính đầu tiên là máy tính tương đồng (analog computer), sử dụng các phương trình lập trình sẵn và dữ liệu đầu vào để thực hiện tính toán và điều khiển các tác động Sự lập trình này được kết nối thông qua một chuỗi các mạch nối.

Khoa Cơ Khí - Biên Soạn: Nguyên Thể - Kiện - Tài Liệu Lưu Hành Nội Bộ 2010 nhấn mạnh rằng các phép tính trên dữ liệu được thực hiện thông qua sự kết nối của các linh kiện khuếch đại thuật toán (Op Amp) Những linh kiện này có vai trò quan trọng trong việc thực hiện các phép toán như cộng, trừ, nhân, chia tín hiệu đầu vào Op Amp được sử dụng để khuếch đại với độ lợi lớn trong chế độ vòng hở, và trong chế độ vòng kín, chúng thực hiện các phép tính toán học với sự hỗ trợ của các phần tử thụ động bên ngoài Ban đầu, các bộ khuếch đại này có kích thước lớn do sử dụng đèn điện tử chân không và yêu cầu nguồn điện áp cao, dẫn đến chi phí cao trong ứng dụng thương mại.

Ngày nay, máy tính tương đồng được sử dụng rộng rãi tại các trường đại học và phòng thí nghiệm lớn để nghiên cứu các hoạt động Việc thực hiện song song tín hiệu từ các bộ chuyển đổi trong các thí nghiệm và Op Amps là cần thiết để tìm ra các phương thức ứng dụng hiệu quả Khi các ứng dụng tín hiệu ngày càng mở rộng, nhu cầu sử dụng Op Amps cũng tăng lên, cho thấy tầm quan trọng của các ứng dụng analog đa năng Mặc dù máy tính số đã thay thế máy tính tương tự trong việc đo lường theo thời gian thực, nhưng nhu cầu về Op Amps vẫn tiếp tục gia tăng do nhu cầu đo lường vẫn còn tồn tại.

Các tín hiệu tác động đầu tiên được tạo ra bởi đèn chân không, sau đó là các transistor Trong thập niên 1950, các đèn chân không nhỏ hơn, hoạt động với điện áp thấp, đã được thu gọn và tích hợp vào thiết bị dân dụng, với module Op Amps lúc bấy giờ được gọi là “brick” Kích thước của đèn chân không và linh kiện giảm dần cho đến khi một Op Amps chỉ bằng kích thước của một đèn octal chân không Đến thập niên 1960, khi transistor được thương mại hóa, kích thước của Op Amps chỉ còn vài inch khối và vẫn được gọi là “brick” Tên gọi “brick” ám chỉ bất kỳ module điện tử nào sử dụng phương pháp kết khối hỗn hợp, không phải mạch tích hợp IC Hầu hết các Op Amps đầu tiên được chế tạo cho các ứng dụng riêng lẻ, không có mục tiêu tổng quát.

Các IC được trang bị vào những năm cuối của thập niên 1950 và đầu thập niên

Vào giữa thập niên 1960, nhà sản xuất Fairchild đã giới thiệu linh kiện Op Amp đầu tiên mang tên A709, được thiết kế bởi Robert J Widlar cho lĩnh vực thương mại Tuy nhiên, linh kiện A709 gặp phải vấn đề lớn về độ ổn định, yêu cầu phải có bồi hoàn từ mạch ngoài để hoạt động hiệu quả.

Linh kiện àA741 là một Op Amp có khả năng bồi hoàn tốt trong việc xây dựng mạch ngoài, hoạt động theo hướng dẫn trong tài liệu kỹ thuật Tuy nhiên, àA741 không được ưa chuộng hơn àA709 Các phiên bản khác của Op Amps đã được thiết kế liên tục với các đặc tính và độ tin cậy ngày càng được cải thiện.

Modern operational amplifiers (Op Amps) operate reliably across a frequency spectrum ranging from 5 kHz to 1 GHz, with power supply voltage capabilities from 0.9 V to 1000 V These versatile analog integrated circuits (ICs) serve various functions, including drivers, comparators, amplifiers, level shifters, oscillators, filters, control signal generators, actuator drivers, current sources, voltage sources, and many other applications.

Người thiết kế thường đối mặt với thách thức trong việc nhanh chóng lựa chọn các mạch hiệu chỉnh từ các Op Amps và tính toán các thông số cho các phần tử thụ động cần thiết trong mạch chuyển đổi (hàm truyền) Quá trình này được hỗ trợ bởi nhiều môn học như Mạch Điện Tử và Điều Khiển Tự Động.

Với phần trình bày tóm tắt quá trình lịch sử hình thành và phát triển của linh kiện

Op Amps, chúng ta có được tầm nhìn khái quát và hiểu được các phạm vi áp dụng cũng như công dụng của linh kiện Op Amps

STU – KHOA C Ơ KHÍ - TÀI LI Ệ U L Ư U HÀNH N Ộ I B Ộ – BIÊN SO Ạ N : NGUY Ễ N-TH Ế -KI Ệ T 3

MÔ HÌNH C Ủ A OP AMPS

MÔ HÌNH C Ủ A B Ộ KHU Ế CH ĐẠ I

Bộ khuếch đại là thiết bị có khả năng tăng cường biên độ tín hiệu, với thành phần chính là nguồn áp phụ thuộc vào điện áp đầu vào.

Mô hình đơn giản của bộ khuếch đại điện áp trình bày trong hình H.1.1 Từ mô hình này, chúng ta rút ra các nhận xét như sau:

Khi ngõ ra hở mạch, điện áp trên ngõ ra được xác định theo quan hệ:

K là hệ số nhân, được gọi là Độ Lợi mạch hở (Open circuit Gain) Điện trở R_i và R_o lần lượt là điện trở ngõ vào và điện trở ngõ ra của bộ khuếch đại Để bộ khuếch đại hoạt động tốt nhất, giá trị R_i cần rất lớn trong khi giá trị R_o phải rất nhỏ Trong các bộ khuếch đại lý tưởng, R_i đạt giá trị vô cực (∞) và R_o bằng 0.

Mạch tương đương của bộ Khuếch đại lý tưởng được trình bày trong hình H.1.2

Cho mạch khuếch đại như trong hình H.13 Xác định độ lợi v 2 s

 V theo hai trường hợp : a./ Ngõ ra bộ khuếch đại hở mạch b./ Tải trên ngõ ra bộ khuếch đại là điện trở R T

GIẢI a./ Trường hợp bộ khuếch đại hở mạch ngõ ra: Áp dụng cầu phân áp trên mạch ngõ vào, ta có quan hệ sau:

    (1.3) Độ lợi điện áp A v xác định theo quan hệ:

Độ lợi điện áp mạch hở giảm và phụ thuộc vào giá trị nội trở Rs của nguồn áp cấp đến ngõ vào bộ khuếch đại, như được chỉ ra trong quan hệ (1.4).

Giá trị R s càng thấp thì giá trị A v càng lớn

Trong trường hợp tải R T được lắp trên ngõ ra của bộ khuếch đại, việc áp dụng cầu phân áp trên mạch ngõ vào sẽ tạo ra mối quan hệ nhất định giữa các thành phần trong mạch.

Tương tự, áp dụng cầu phân áp trên mạch ngõ ra, ta có quan hệ sau:

Từ (1.5) và (1.6) suy ra quan hệ sau:

Tóm lại, theo quan hệ (1.7) cho thấy độ lợi điện áp phụ thuộc giá trịĐiện trở Tải R T

MÔ HÌNH C Ủ A B Ộ KHU Ế CH ĐẠ I LÝ T ƯỞ NG CÓ H Ồ I TI Ế P

Với bộ khuếch đại lý tưởng có mạch tương đương trình bày trong hình

H.1.2: Cấp nguồn áp V s vào ngõ vào của bộ khuếch đại, trong khi ngõ ra được kết nối với điện trở tải R T Điện trở hồi tiếp R f nối hai điểm A từ một đầu ngõ vào đến điểm B trên ngõ ra, như minh họa trong hình H.1.5.

Chúng ta sẽ khảo sát độ lợi điện áp của mạch khuếch đại có hồi tiếp bằng cách áp dụng phương pháp giải mạch thông qua phương trình điện thế nút tại điểm A.

Khi giá trị K trở nên rất lớn, có thể coi K tiến đến +∞ trong toán học Trong tình huống này, độ lợi điện áp Av sẽ tiến gần đến một giá trị xác định.

M Ạ CH T ƯƠ NG ĐƯƠ NG C Ủ A M Ộ T OPAMP

Theo tài liệu kỹ thuật của National Semiconductor, sơ đồ nguyên lý của IC Op Amp LM 741 được minh họa trong hình H.1.6 Op Amps là linh kiện được cấu thành từ sự kết hợp của nhiều transistor và các phần tử thụ động khác, theo một quy luật nhất định do nhà sản xuất quy định Quy luật này chính là mạch điện được thể hiện trong sơ đồ nguyên lý.

Hình dạng thực của linh kiện Op Amp LM741 được trinh bày trong hình H.1.7, kích thước thực sự của IC 8 chân trình bày trong hình H.18

H.1.6: Sơđồ nguyên lý (Schematic Diagram) mô tả cấu trúc bên trong Op Amp LM 741

6 STU – KHOA C Ơ KHÍ – BIÊN SO Ạ N : NGUY Ễ N-TH Ế -KI Ệ T –TÀI LI Ệ U L Ư U HÀNH N Ộ I B Ộ 2010

H.1.7 Đế chân IC ( 8 DIP Socket) IC Opamp có 8 chân ra

H 1.8: Kích thước thực của IC Op Amp 8 chân ra ( tính theo đơn vị inches và mm)

Với IC Op Amp LM741 với kiểu vỏ 8 DIP 300 các chân ra được đánh số thứ tự từ

1 đến 8 và xếp tuần tự theo thứ tự tứ 1 đến

8 theo chiếu dương lượng giác Vị trí chân 1 qui định xếp trên cùng của hàng chân phía trái khi nhìn xuống từ phía trên thân của IC

Vị trí chân 1 của IC được xác định dựa trên vị trí dấu chấm ở phía đầu trên thân IC, như thể hiện trong hình H.1.8 Mỗi chân của IC được đặt tên theo chức năng của nó Ký hiệu biểu diễn cho IC Opamp được trình bày trong hình H.1.10.

H.1.9: Chức năng các chân ra IC LM741

Vào năm 1968, Fairchild Semiconductor đã giới thiệu opamp A741, một linh kiện có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thương mại Linh kiện này được thiết kế với kiểu vỏ MINIDIP và có 8 chân ra DIP, viết tắt của Dual In-line Packages, cho thấy rằng tất cả các chân ra của linh kiện được sắp xếp theo hàng thẳng ở mỗi bên.

Khi khảo sát Opamp, cần quan tâm đến các đầu ra sau đây : Đầu cấp nguồn điện DC để Opamp họat động: đầu Vcc+ và đầu Vcc-

Ngõ vào không đảo (noninverting input)

Ngõ vào đảo (inverting input)

Thông thường có thểđánh dấu các đầu cung cấp nguồn điện để Opamp họat động bằng ký hiệu V+ (hay V cc+ ) ; V- (hay V cc- )

Đ I Ệ N ÁP VÀ DÒNG Đ I Ệ N TRÊN CÁC ĐẦ U C Ủ A OP AMP

Khi đo điện áp trên các đầu của Opamp, cần chọn một nút làm chuẩn điện thế (0V) Trong trường hợp này, nút chuẩn được xác định là giao điểm giữa cực dương và cực âm của hai nguồn DC với điện áp Vcc, tạo thành nguồn kép cung cấp cho hai đầu V+ và V- của Opamp.

Các tín hiệu điện áp tại các ngõ vào đảo và không đảo của opamp đều được kết nối chung về nút chuẩn Mối quan hệ giữa điện áp ra và điện áp cấp vào các ngõ được thiết lập theo công thức: \( V_{out} = A \cdot (V_{in+} - V_{in-}) \).

Quan hệ (1.15) xác định điện áp ngõ ra theo độ chêch lệch điện áp giữa các ngõ vào của opamp v in  v in  v in  

Quan hệ (1.16) xác định điều kiện giới hạn của điện áp ngõ ra

A là hệ số khuếch đại điện áp vòng hở

Một cách tổng quát, khi cung cấp nguồn điện kép có giá trị V cc cho Op Amp, điện áp ngõ ra v o thỏa tính chất sau:

Opamp họat động theo chếđộ khuếch đại tuyến tính khi v o  V cc

Khi giá trị điện áp ngõ ra \( v_o \) nằm ngoài khoảng giá trị cho trong quan hệ (1.16), opamp hoạt động ở chế độ bảo hòa Trong trạng thái này, điện áp ngõ ra \( v_o \) có thể đạt giá trị +Vcc (bảo hòa dương) hoặc -Vcc (bảo hòa âm), và không phụ thuộc vào giá trị \( \Delta v_{in} = (v_{in}^+ - v_{in}^-) \).

Đặc tính làm việc của Opamp mô tả mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và đầu ra, được thể hiện qua công thức Δvin = (vin+ - vin-), như minh họa trong hình H.1.12 Đặc tính này còn được gọi là đặc tính chuyển điện áp (Voltage Transfer Characteristic).

Khi sử dụng Opamp với hệ số khuếch đại điện áp vòng hở A = 10,000 và nguồn điện Vcc = 20 V, cần chú ý đến giá trị tương ứng của Δvin, được xác định bởi công thức Δvin = (vin+ - vin-) Việc hiểu rõ các thông số này là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động của Opamp.

Với kết quả này chúng ta thấy được vùng khuếch đại tuyến tính mở rộng trong phạm vi v in từ - 2mV đến +2mV.

Lúc này xem như V in+  V in-

    in in in in in v v  v  0 V  V 

Kết quả tìm được cho thấy điều kiện thật sự tại các ngõ vào opamp

Vấn đề được đặt ra là làm thế nào duy trì được điều kiện trên tại các ngõ vào opamp trong khi mạch điện đang họat động

Câu trả lời cho vấn đề này là sử dụng tín hiệu từ ngõ ra hồi tiếp về ngõ vào đảo của opamp Quá trình này được gọi là hồi tiếp âm, trong đó tín hiệu nhận được trên ngõ ra sẽ được đưa về và trừ đi tín hiệu trên ngõ vào không đảo.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ phân tích các thành phần dòng điện trên các đầu của opamp, như thể hiện trong hình H.1.13 Áp dụng định luật Kirchhoff 1, chúng ta nhận được kết quả: i in+ + i in- + i c+ + i c- + i o = 0 (1.18).

Trong mô hình Opamp lý tưởng, dòng điện tại các ngõ vào rất nhỏ so với dòng điện ở các đầu khác, dẫn đến giả thiết i in+ = i in- ≈ 0 Điều này cho thấy tổng trở nhập của Opamp có giá trị rất lớn, dao động từ vài trăm KΩ đến vài ngàn MΩ Quan hệ i in+ = i in- ≈ 0 luôn được áp dụng để phân tích các mạch sử dụng Opamp.

Từ giả thiết trên,quan hệ (1.18) được viết lại như sau:

Khi không tính đến ảnh hưởng của các dòng điện tại ngõ vào của opamp, dòng điện ở ngõ ra của opamp sẽ luôn bằng tổng các dòng điện từ các nguồn cung cấp vào opamp.

H.1.12: Đặc tính chuyển điện áp của Op Amp

1.2.4 MÔ HÌNH TOÁN HAY MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA OP AMP:

1.2.4.1.MÔ HÌNH TÓAN C A OPAMP KHI H AT NG TRONG VÙNG KHU CH I:

Trong phần này, chúng ta sẽ trình bày mạch tương đương của opamp thực tế khi hoạt động trong vùng khuếch đại tuyến tính Mô hình toán học này mô tả cấu trúc Op Amp gần giống thực tế và được sử dụng trong một số phần mềm mô phỏng, như hình H1.1.4 Để đơn giản hóa quá trình khảo sát, chúng ta sẽ gọi mô hình này là mô hình toán dạng chính xác.

A: độ khuếch đại điện áp vòng hở

R o : tổng trở ngõ ra Opamp

Trên mạch tương đương chúng ta còn có nguồn áp phụ thuộc giá trị

 v in v in v in của điện áp trên các ngõ vào và độ khuếch đại điện áp vòng hở A

Với IC Opamp LM741, giá trị của các phần tử trong mạch tương đương để tham khảo được tóm tắt như sau:

1.2.4.2.MÔ HÌNH TÓAN CỦA OPAMPLÝ TƯỞNG:

Trong hình H.1.15 trình bày mô hình mạch tương đương của Opamp lý tưởng thỏa các giả thiết được đặt ra như sau:

Với các thông số trên thoả mãn các điều kiện sau:

GI Ả I TÍCH M Ạ CH OP AMPS DÙNG MÔ HÌNH TOÁN D Ạ NG CHÍNH XÁC

M Ạ CH KHU Ế CH ĐẠ I NGÕ VÀO Đ ÀO V Ớ I MÔ HÌNH OPAMP CHÍNH XÁC

Mạch khuếch đại được trình bày trong hình H.1.16 yêu cầu chú ý đến các nút a và b khi chọn nút chuẩn 0V Điện thế tại các nút này được ký hiệu lần lượt là v_a và v_b Ta có mối quan hệ giữa điện áp ra trên tải và điện áp chênh lệch giữa hai ngõ vào của Op Amp: v_b = v_o và v_a = -v Bằng cách áp dụng phương trình điện thế nút tại các nút a và b, ta có thể xác định được các quan hệ cần thiết cho phân tích mạch.

Từ (1.23) và (1.25) thu gọn ta có hệ phương trình hai ẩn số như sau: Đặt: s i f

H.1.16: Mạch khuếch đại ngõ vào đảo với mô hình Op Amp dạng chính xác

STU – KHOA C Ơ KHÍ - TÀI LI Ệ U L Ư U HÀNH N Ộ I B Ộ – BIÊN SO Ạ N : NGUY Ễ N-TH Ế -KI Ệ T 11 Áp dụng phương pháp Cramer ta có kết quả sau: s s s o s

R R R R R K v v AD BC AD BC R R AD BC

Giải tích và thu gọn ta có kết quả sau: o o f v s s o s o o o i T f i T f

Từ kết quả (1.27) cho thấy độ lợi điện áp v o s

 v phụ thuộc vào các thông số của

Op Amp và các thành phần bên ngoài của mạch đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất của mạch Khi các thông số của Op Amp tiệm cận giá trị lý tưởng, chúng ta có thể suy ra giá trị độ lợi từ kết quả đã được nêu.

Khi Op Amp hoạt động lý tưởng, độ lợi khuếch đại điện áp của mạch khuếch đại ngõ vào đảo chỉ phụ thuộc vào giá trị của điện trở hồi tiếp Rf và điện trở nội Rs của nguồn áp cấp đến ngõ vào đảo.

12 STU – KHOA C Ơ KHÍ – BIÊN SO Ạ N : NGUY Ễ N-TH Ế -KI Ệ T –TÀI LI Ệ U L Ư U HÀNH N Ộ I B Ộ 2010

1.3.2 MẠCH KHUẾCH ĐẠI NGÕ VÀO KHÔNG ĐẢO VỚI MÔ HÌNH OPAMP CHÍNH XÁC:

Trong hình H.1.17, chúng ta chọn nút chuẩn 0V và xác định điện thế tại các nút a và b lần lượt là v_a và v_b Theo đó, điện áp b_o được biểu diễn bằng v (Áp ra trên Tải), trong khi v_a là điện áp đặt ngang qua.

2 đầu điện trở R s và cũng chính là điện thế tại ngõ vào đảo của Op Amp so với nút chuẩn

Gọi v 1 là điện thế tại ngõ vào không đảo của Op Amp so với nút chuẩn Các phương trình điện thế nút tại a và b, có dạng như sau: a 1 a a b i s f v v v v v

Thu gọn ta có hệ phương trình 2 ẩn số sau: Đặt các giá trị sau: s i f

Suy ra: Áp dụng công thức Cramer ta có kết quả sau:

H.1.17: Mạch khuếch đại ngõ vào không đảo với mô hình Op Amp dạng chính xác

(1.34) Áp dụng cầu phần áp trong mắt lưới ngõ vào của mạch khuếch đại Op Amp, ta có: i s

Từ các quan hệ (1.34 )và (1.35) suyra: o s s i s i f f i s g o s s o s o o o i T f i T f

Từ kết quả (1.36) cho thấy độ lợi điện áp v o s

 v phụ thuộc vào các thông số của

Op Amp và các thành phần bên ngoài của mạch là rất quan trọng trong việc xác định hiệu suất của mạch điện Khi các thông số của Op Amp tiến gần đến giá trị lý tưởng, độ lợi của nó có thể được tính toán dựa trên công thức đã nêu Cụ thể, giá trị độ lợi được xác định qua mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và đầu ra, cũng như các trở kháng liên quan trong mạch Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp tối ưu hóa thiết kế mạch và cải thiện hiệu suất hoạt động của Op Amp.

14 STU – KHOA C Ơ KHÍ – BIÊN SO Ạ N : NGUY Ễ N-TH Ế -KI Ệ T –TÀI LI Ệ U L Ư U HÀNH N Ộ I B Ộ 2010 o s f vLT K R 0 o s o o

Dựa trên phương pháp tính toán đã nêu, chúng ta có thể rút ra những kết luận quan trọng nhằm phát triển một phương pháp tổng quát cho việc khảo sát mạch Op Amp trong các tình huống thực tế và lý tưởng Việc áp dụng phương trình điện thế nút sẽ hỗ trợ hiệu quả trong quá trình phân tích mạch.

Kết quả tính toán cho mạch Op Amp chính xác có dạng phức tạp Bằng cách áp dụng phép tính giới hạn, chúng ta có thể suy ra các kết quả cho mạch Op Amp lý tưởng từ những kết quả đã tính toán được cho mạch Op Amp chính xác.

Khi xác định độ lợi điện áp của mạch Op Amp lý tưởng, việc áp dụng các giả thiết về Op Amp lý tưởng là rất quan trọng trong quá trình tính toán.

Các giả thiết của Op Amp lý tường được xác định theo các quan hệ (1.20) và (1.21) như sau:

STU – KHOA C Ơ KHÍ – BIÊN SO Ạ N : NGUY Ễ N-TH Ế -KI Ệ T – TÀI LI Ệ U L Ư U HÀNH N Ộ I B Ộ 2010 15

2.2.1 GIẢ THIẾT OPAMP LÝ TƯỞNG:

Trong chương 2, chúng ta nghiên cứu các mạch ứng dụng sử dụng Opamps lý tưởng với nguồn cung cấp DC dạng kép (+Vcc – 0 – −Vcc) Hiện nay, nhờ công nghệ chế tạo tiên tiến, các thông số của Opamps thực tế ngày càng gần gũi với các thông số lý tưởng Do đó, việc phân tích mạch Opamps lý tưởng có thể được coi là một cách tiếp cận hiệu quả để giải tích mạch Opamps thực tế.

Với giả thiết về Opamps lý tưởng, việc khảo sát trở nên đơn giản hơn và kết quả tính toán dễ nhớ, thuận lợi cho quá trình thiết kế và tính toán thông số mạch ứng dụng Phương pháp giải mạch phổ biến được sử dụng trong nhiều trường hợp là phương trình điện thế nút.

Mạch điện tương đương với các thông số của Opamps lý tưởng được trình bày trong hình H.1.15 chương 1

2.1.2 MẠCH NGUỒN CUNG CẤP CHO OPAMPS:

Có nhiều phương pháp để tạo ra nguồn áp DC kép, trong đó hình H.2.1 minh họa mạch nguồn kép sử dụng IC ổn áp không điều chỉnh 78XX và 79XX Hình H.2.2 giới thiệu một dạng khác của nguồn kép với IC ổn áp có điều chỉnh LM 317 và LM 337 Các mạch nguồn này cho phép dòng điện tối đa qua tải đạt 1 A.

Trong các trường hợp có yêu cầu cao hơn, các mạch nguồn có thêm các tính năng khác như : bảo vệ quá tải hay ngắn mạch trên ngõ ra

H 2.1: Mạch tạo nguồn kép DC dùng IC ổn áp 7812 và 7912.

GI Ả THI Ế T OPAMP LÝ T ƯỞ NG

Trong chương 2, chúng ta nghiên cứu các mạch ứng dụng sử dụng Opamps lý tưởng với nguồn DC kép (+Vcc – 0 – −Vcc) Nhờ vào công nghệ chế tạo tiên tiến, các thông số của Opamps thực tế ngày càng gần gũi với các thông số của Opamps lý tưởng Do đó, việc phân tích mạch Opamps lý tưởng có thể được coi là một phương pháp giải tích cho mạch Opamps thực sự.

Với giả thiết về Opamps lý tưởng, việc khảo sát trở nên đơn giản và kết quả tính toán dễ nhớ, thuận tiện cho quá trình thiết kế và tính toán thông số mạch ứng dụng Phương pháp giải mạch phổ biến được sử dụng là phương trình điện thế nút.

Mạch điện tương đương với các thông số của Opamps lý tưởng được trình bày trong hình H.1.15 chương 1.

M Ạ CH NGU Ồ N CUNG C Ấ P CHO OPAMPS

Có nhiều phương pháp để tạo nguồn áp DC kép, trong đó có mạch nguồn sử dụng IC ổn áp không điều chỉnh 78XX và 79XX, như trình bày trong hình H.2.1 Một dạng khác là mạch nguồn dùng IC ổn áp có điều chỉnh LM 317 và LM 337, được minh họa trong hình H.2.2 Cả hai loại mạch nguồn này đều cho phép dòng điện tối đa qua tải là 1 A.

Trong các trường hợp có yêu cầu cao hơn, các mạch nguồn có thêm các tính năng khác như : bảo vệ quá tải hay ngắn mạch trên ngõ ra

H 2.1: Mạch tạo nguồn kép DC dùng IC ổn áp 7812 và 7912

16 STU – KHOA C Ơ KHÍ - TÀI LI Ệ U L Ư U HÀNH N Ộ I B Ộ – BIÊN SO Ạ N : NGUY Ễ N-TH Ế -KI Ệ T

H 2.2: Mạch tạo nhiều nhóm nguồn kép DC dùng IC ổn áp không điều chỉnh 7812 và 7912 và các IC ổn áp có điều chỉnh LM 317 và LM 337.

M Ạ CH KHU Ế CH ĐẠ I CÓ H Ồ I TI Ế P

M Ạ CH KHU Ế CH ĐẠ I ĐẦ U VÀO KHÔNG ĐẢ O (NON-INVERTING OPAMP)

Sơđồ nguyên lý mạch khuếch đại đầu vào không đảo trình bày trong hình H.2.3

R G : điện trở nối đến nút điện thế chuẩn (OV) từ ngõ vào đảo Điện trở này còn được gọi là điện trở vào Opamp

Gọi A v là độ lợi (hay độ khuếch đại) điện áp của mạch khuếch đại Opamp Ta có định nghĩa tổng quát như sau:

Gọi V b là điện thế tại b so với nút chuẩn, áp dụng phương trình điện thế nút tại b cho ta quan hệ như sau: b b o in

STU – KHOA C Ơ KHÍ – BIÊN SO Ạ N : NGUY Ễ N-TH Ế -KI Ệ T – TÀI LI Ệ U L Ư U HÀNH N Ộ I B Ộ 2010 17 Áp dụng các giả thiết Opamp lý tưởng ta có: i in  0 (2.3) in a b in b

Thế các kết quả xác định từ (2.3) và (2.4) vào (2.2), suy ra quan hệ: in o in

CHÚ Ý: Từ quan hệ (2.5) chúng ta rút ra các nhận xét như sau:

Khi Opamp hoạt động với nguồn kép, đặc tính chuyển điện áp của nó thể hiện như trong hình H.1.12 Nếu điện áp đầu vào V in được coi là một hằng số K, tức là điện áp một chiều không thay đổi theo thời gian, thì điện áp đầu ra V o sẽ cũng là một điện áp một chiều, được tính theo công thức V o = K.A V Giá trị của V o cần phải nằm trong khoảng giới hạn giữa -V cc và +V cc.

Trong hình H.2.4 trình bày mạch khuếch đại đầu vào không đảo dùng Opamp mang mã số LM324, được cung cấp bằng nguồn kép  12V DC (tạo bởi các nguồn V 1 và V 2 )

Khi giá trị nguồn áp V 3 trên ngõ vào thay đổi từ -12V đến +12V, điện áp Vo trên ngõ ra cũng sẽ thay đổi tương ứng Đặc tính chuyển đổi này mô tả mối quan hệ giữa Vo và Vin, như được thể hiện trong hình H.2.5.

Trong mạch khuếch đại được mô tả trong hình H.2.4, hệ số khuếch đại A v là 2 Theo đặc tuyến của Opamp LM324 trong hình H.2.5, phạm vi giá trị V in cho mạch khuếch đại tuyến tính là -6,25V đến 5,25V Kết quả đầu ra tương ứng là -12,5V đến 10,5V Cần lưu ý rằng mức ngưỡng bảo hòa dương và âm của Opamp LM324 có giá trị khác nhau.

Khi tín hiệu V in được cung cấp cho ngõ vào mạch khuếch đại, nếu tín hiệu này biến thiên theo thời gian với dạng V in = 2√2 sin(100tπ) [V], thì điện áp tại ngõ ra của mạch khuếch đại sẽ đồng pha với điện áp tại ngõ vào, như được thể hiện trong hình H.2.6 Hệ số khuếch đại A V trong trường hợp này là 2, cho thấy giá trị A v > 0.

Khi biên độ điện áp ngõ vào đạt giá trị lớn V in = 6√2 sin(100πt) [V], điện áp ngõ ra bị sai dạng do biên độ bị giới hạn bởi mức ngưỡng bảo hòa dương và âm Kết quả là điện áp ngõ ra không còn dạng sin mà chuyển thành hình thang, với biên độ dương đạt +10,5 V và biên độ âm đạt -12,5 V Dữ liệu này có thể được xác nhận qua đặc tuyến hình H.2.5.

H.2.6: Dạng điện áp Vo trên ngõ ra và Vin trên ngõ vào mạch khuếch đại hình H.2.4

H.2.5: Đặc tính chuyển DC của Opamp LM324mô tả quan hệ giữa V o theo V in khi thay đổi V i

Trong mạch khuếch đại hình H.2.4, điện áp đầu ra V o và điện áp đầu vào V in cần được xem xét khi biên độ V o đạt trạng thái bảo hòa dương và bảo hòa âm Điều quan trọng là phải chú ý đến ngưỡng bảo hòa dương và bảo hòa âm trong đặc tính chuyển điện áp, đặc biệt khi áp dụng cho các mạch khuếch đại Opamp thực tế Các mức ngưỡng này không chỉ phụ thuộc vào đặc tính của từng loại Opamp mà còn có thể thay đổi khi thay đổi mã số của Opamp.

Chúng ta có thể khảo sát và dự đoán kết quả bằng các phần mềm mô phỏng như Spice (Orcad) hay NI multisim

M Ạ CH KHU Ế CH ĐẠ I ĐẦ U VÀO ĐẢ O (INVERTING OPAMP)

Sơđồ nguyên lý mạch khuếch đại đầu vào đảo trình bày trong hình H.2.8 Trong đó:

R G : điện trở nối từ nguồn V in đến ngõ vào đảo Điện trở này còn được gọi là điện trở vào Opamp

A v là độ lợi khuếch đại điện áp của mạch khuếch đại dùng Opamp

Viết phương trình điện thế nút tại nút b, với V b là điện thế tại nút b so điểm điện thế chuẩn ta có :

 (2.6) Áp dụng các giả thiết Opamp lý tưởng ta có:

Với Opamp lý tưởng sử dụng nguồn kép, giá trị của Vo sẽ bị giới hạn trong khoảng –Vcc đến Vcc khi giá trị Vin thay đổi.

M Ạ CH C Ộ NG TÍN HI Ệ U (ADDER)

Chúng ta xét hai trường hợp cho mạch cộng tín hiệu dùng Opamp:

Mạch cộng tín hiệu tại ngõ vào không đảo (hình H.2.9)

Mạch cộng tín hiệu tại ngõ vào đảo (hình H.2.10)

MACH CỘNG CÁC TÍN HIỆU TẠI NGÕ VÀO KHÔNG ĐẢO:

Viết phương trình điện thế nút tại b, ta có: b b o in

Phương trình điện thế nút tại a : a in1 a in2 a in3 in

Các giả thiết Opamp lý tưởng cho ta : i in- = i in+ = 0 và V in = V a – V b = 0 hay V a = V b

Từđiều kiện V a = V b , phối hợp (2.10) và (2.11) ta có kết quả sau:

Khi chọn các giá trị R 1 = R 2 = R 3 , quan hệ (2.12) được viết lại như sau: in1 in2 in3 o F

Kết quả cho thấy điện áp ngõ ra là tổng hợp các tín hiệu ngõ vào Cụ thể, trong mạch cộng hình H.2.9, điện áp ngõ vào được xác định bởi m nguồn tín hiệu với các mức điện áp tương ứng: V in1, V in2, , V inm.

Muốn điện áp trên ngõ ra đạt kết quả là : 

V , ta chỉ cần chọn giá trị cho các điện trở trong mạch thỏa quan hệ sau:

MACH CỘNG CÁC TÍN HIỆU TẠI NGÕ VÀO ĐẢO:

Trong trường hợp này ta có mạch điện hình H.2.10 Áp dụng điều kiện Opamp lý tưởng ta có kết quả sau: i in- = i in+ = 0

V b = 0 Áp dụng phương trình điện thế nút tại b ta có: b in1 b in2 b in3 b o

Tóm lại: in3 in1 in2 o F

Khi chọn các giá trịđiện trở ngõ vào R 1 = R 2 = R 3 = R in , ta có kết quả:

Trong trường hợp đặc biệt nếu chọn R F = R in ta có ::

V   V V V (2.19) Điện áp trên ngõ ra bằng tổng các giá trị tín hiệu điện áp ngõ vào nhưng đảo dấu

Khi tín hiệu điện áp đầu vào của mạch cộng là các điện áp một chiều, điện áp đầu ra cũng sẽ là một chiều Dấu của điện áp đầu ra phụ thuộc vào cấu trúc của mạch được sử dụng.

Khi tín hiệu điện áp đầu vào không phải là dạng một chiều và có thể là các hàm số theo thời gian t, tín hiệu điện áp đầu ra sẽ là sự tổng hợp của các tín hiệu đầu vào.

R 1 = R 2 = 4,7 KΩ ; R F = R G = 10 KΩ ; Opamp có mã số là TL084

Các tín hiệu điện áp trên ngõ vào V in1 và

V in2 có dạng như trong hình H.2.12 Đặc tuyến chuyển của Opamp TL084 (tương ứng với thông số của mạch khuếch đại trong hình

Xác định dạng tín hiệu áp Vo trên ngõ ra của mạch khuếch đại cho trong hình H.2.11

GIẢI: Áp dụng quan hệ (2.13) ta có: o F in1 in2

Khi R F = R G = 10 KΩ, ta có V o = V in1 + V in2 Nếu V in1 thay đổi trong khoảng từ -10V đến 10V và V in2 = -5V, thì giá trị lý thuyết của điện áp V o sẽ nằm trong khoảng từ -15V đến 5V Tuy nhiên, do ảnh hưởng của mức ngưỡng bảo hòa dương và âm, phạm vi thay đổi của điện áp V o trên ngõ ra của mạch cộng sẽ là -10,5V đến 5V, như thể hiện trong hình H.2.14.

H.2.12: Dạng điện áp V in1 và V in2 trên ngõ vào của mạch cộng dùng Opamp trong H.211

STU – KHOA C Ơ KHÍ – BIÊN SO Ạ N : NGUY Ễ N-TH Ế -KI Ệ T – TÀI LI Ệ U L Ư U HÀNH N Ộ I B Ộ 2010 23 H.2.13: Đặc tuyến chuyển của Opamp TL084 trong mạch cộng hình H.2.11

H.2.14: Dạng điện áp V out trên ngõ ra của mạch cộng dùng Opamp trong hình H.2.11

M Ạ CH TR Ừ TÍN HI Ệ U VÀ M Ạ CH KHU Ế CH ĐẠ I VI SAI

Đầu tiên, chúng ta xét trường hợp tổng quát khi các điện trở hồi tiếp

R F, điện trở nối đất R G và các điện trở nối tiếp với các nguồn áp khác nhau tạo ra các quan hệ điện thế tại các nút a và b Áp dụng phương trình điện thế nút, chúng ta có thể xác định được mối liên hệ giữa các điện trở và nguồn áp trong mạch điện.

Phương trình điện thế nút tại a: a a in1 in

Phương trình điện thế nút tại b: b in2 b o in

   (2.21) Áp dụng điều kiện Opamp lý tưởng ta có: in in in a b

Lập tỉ số giữa (2.22) và (2.23) ta có kết quả sau: in1

Khi chọn R 1 = R 2 = R in và R F = R G , quan hệ (1.31) được viết lại như sau:

Mạch khuếch đại trong trường hợp này được gọi là khuếch đại vi sai

Trong mạch điện hình H.2.16, tìm quan hệ giữa áp trên ngõ ra V o theo các áp trên ngõ vào

Gọi lần lượt điện thế tại các nút a, b,c,d và e là V a , V b , V c , V d và V e Áp dụng phương trình điện thế nút ta có:

    (2.28) Áp dụng điều kiện Op Amps lý tưởng cho các Op Amps ta có: in1 in1 in1 a b

      và i in1- = i in1+ = 0 (2.29) in2 in2 in2 e d

Từ (2.29) suy ra V a V b vì V a = 0 suy ra V b = 0 Tương tự theo (2.30) ta suy ra được kết quả V e V d 0

Quan hệ (2.27) được viết lại khi áp dụng điều kiện Op Amps lý tưởng như sau: c in1

Tương tự,quan hệ (2.28) được thu gọn như sau khi áp dụng các giả thiết Op Amps lý tưởng: c o in2

Từ các quan hệ (2.32) và (2.34) suy ra:

Trường hợp đặc biệt khi chọn R 1 R F1 và R 2 R 3 , ta có kết quả sau:

Mạch khuếch đại trong trường hợp này được gọi là khuếch đại vi sai

Phương pháp 1 sử dụng lý thuyết giải tích mạch để xác định kết quả và giúp người học hiểu rõ cơ chế hoạt động của mạch, cũng như cách áp dụng các giả thiết của Op Amps lý tưởng Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là tốn nhiều thời gian.

Trong phương pháp 2, chúng ta áp dụng các kết quả đã tính toán sẵn cho từng trường hợp riêng để suy ra kết quả cho mạch hiện có

Mạch H.2.16 mô tả mạch khuếch đại Op Amp 1 với hồi tiếp ngõ vào đảo, trong đó tín hiệu áp tại ngõ vào là V in1 và điện áp ngõ ra là V C Áp dụng quan hệ (2.7), ta có thể suy ra kết quả là c F1 in1.

Với Op Amp 2, ngõ vào đảo có hai điện áp Vc và Vin2, tạo thành mạch cộng điện áp Áp dụng quan hệ (2.17), ta có: c o F2 in2.

Từ (2.37) và (2.38) ta suy ra kết quả sau:

M Ạ CH VOLTAGE FOLLOWER

Mạch trong hình H.2.17 được gọi là mạch

A voltage follower, also known as a source follower, unity gain amplifier, isolation amplifier, or buffer amplifier, is a type of circuit that provides a gain of one This configuration is essential for maintaining signal integrity while isolating different stages of a circuit, making it a valuable component in various electronic applications.

Với sơđồ kết nối trong hình H.2.17 ta có: o b

V V (2.40) Áp dụng giả thiết Op Amps lý tường, ta có quan hệ: in in1 in1 in b

Từ các quan hệ (2.40) và (2.41) suy ra: o in b

Trong mạch điện hình H.2.17, cho V cc = ± 12V xác định giá trị V o theo áp trên ngõ vào V in Xét các trường hợp V in = 4 V và V in =4V

GIẢI: Đầu tiên, ta có nhận xét sau :V cc V in V cc do đó V cc V o V cc và V in = V o

Kết quảđược biểu diễn trong hình H.2.18 như sau

Xác định giá trị V o theo áp trên ngõ vào V in Biết điện áp V in1 biến thiên theo thời gian theo đồ thị trình bày trong hình H.2.19

Xét dạng điện áp V o khi đảo cực nguồn áp V in trên ngõ vào

- 5 H.2.19: Tín hiệu điện áp V in

H.2.18: Kết quả V o tuỳ theo điện áp cấp đến ngõ vào mạch Voltage Follower

Thực hiện khảo sát theo phương pháp tương tự như trong ví dụ 2.3, tùy thuộc vào cách kết nối nguồn áp V in đến ngõ vào mạch voltage follower, ta có thể xác định dạng điện áp V o cho từng trường hợp được trình bày trong hình H.2.20 và H.2.21.

M Ạ CH KHU Ế CH ĐẠ I H Ồ I TI Ế P PH Ứ C T Ạ P

Mạch khuếch đại ngõ vào đảo có hồi tiếp trong hình H.2.22 có cấu trúc phức tạp Khi phân tích mạch trong các trường hợp này, việc áp dụng các quan hệ đơn giản đã được tính toán trước đó là không khả thi.

Với mạch điện hình H.2.22, chúng ta không thể áp dụng nguyên lý xếp chồng vì chỉ có duy nhất một nguồn điện áp cung cấp vào mạch

Trong tình huống này, chúng ta có thể sử dụng mạch tương đương Thévenin để thực hiện các phép tính Đầu tiên, cần cô lập phần mạch hồi tiếp cùng với ngõ ra V o, như được thể hiện trong hình H.2.23.

Tiếp theo, chúng ta sẽ thay thế phần mạch được cô lập bằng mạch tương đương Thévénin giữa hai nút c và nút chuẩn 0V, như được thể hiện trong hình H.2.24.

Điện áp Thévénin được xác định khi mạch hở giữa hai nút c và nút chuẩn 0V, dựa trên mối quan hệ cụ thể.

    (2.43) Điện trở tương đương của mạch Thévénin khi huỷ nguồn áp được xác địnhtheo quan hệ sau:

Trong mạch khuếch đại H.2.22, việc thay thế bằng mạch tương đương Thévenin cho phép phân tích dễ dàng hơn Hình H.2.25 minh họa mạch tương đương này Khi áp dụng các kết quả tính toán cho mạch khuếch đại hồi tiếp ngõ vào đảo, ta thu được những kết quả quan trọng.

Từ các quan hệ (2.43),(2.44) và (2.45) chúng ta suy ra kết quả như sau:

(2.47) H.2.24: Mạch Thévénin tương đương giữa hai nút c và nút chuẩn 0V

M Ạ CH SO SÁNH Đ I Ệ N ÁP DÙNG OPAMP

NGUYÊN T Ắ C HO Ạ T ĐỘ NG OPAMP SO SÁNH ÁP

Từ các sơ đồ nguyên lý trình bày trong các hình

H.2.26 và H.2.29 ngõ ra tại chân 7 của Op Amps là cực thu của transistor nội bên trong mạch nguyên lý

Như vậy muốn nhận được tín hiệu áp trên ngõ ra của

Op Amp chúng ta cần kết nối chân 7 với điện trở ngoài; đầu còn lại của điện trởđược nối đến cực dương

(+) của nguồn áp +Vcc Điện trở này được gọi là điện trở “pull up”, xem hình H.2.30

Gọi v P là điện áp cấp đến ngõ vào không đảo

(chân 2) của Op Amp v P là điện áp chênh lệch từ chân 2 đến chân 1 (Gnd)

Gọi v N là điện áp cấp đến ngõ vào đảo (chân 3) của Op Amp V N là điện áp chênh lệch từ chân 3 đến chân 1 (Gnd)

Dựa vào sơ đồ nguyên lý thu gọn trong hình H.2.29, chúng ta có thể giải thích nguyên lý hoạt động của Op Amp Từ đó, chúng ta sẽ đưa ra nguyên tắc chung để hiểu rõ hơn về hoạt động của Op Amp trong các mạch áp dụng khác.

 Transistor Q1 dẫn yếu hơn Transistor Q 2

H.2.29: Sơđồ mạch nguyên lý thu gọn của IC so sánh điện áp LM 311

H.2.30: Cách mắc điện trở “pull-up”

 Transistor Q3 dẫn mạnh hơn Transistor Q4

 Điện thế tại nút a (V a )< Điện thế tại nút b (V b )

 Transistor Q5 dẫn yếu hơn Transistor Q6

 Điện thế tại nút e (V e )< Điện thế tại nút d (V d )

 Điện thế tại nút e (V e )< Điện thế tại nút h (V d )

 Transistor Q0 không được cấp dòng IB nên ngưng dẫn Tóm lại:

Khi v P > v N  Transistor ngõ ra Q 0 ngưng dẫn

 Transistor Q 1 dẫn mạnh hơn Transistor Q 2

 Transistor Q3 dẫn yếu hơn Transistor Q4

 Điện thế tại nút a (V a )> Điện thế tại nút b (V b )  V BE Q5 > V BE Q6

 Transistor Q5 dẫn mạnh hơn Transistor Q 6

 Điện thế tại nút e (V e )> Điện thế tại nút d (V d )  Transistor Q 7 dẫn

 Điện thế tại nút e (V e )> Điện thế tại nút h (V d )  Transistor Q8 dẫn cấp dòng I B cho Q 0

Khi v P < v N  Transistor ngõ ra Q 0 dẫn

Nguyên tắc hoạt động của Op Amp LM311 có thể được tóm tắt một cách đơn giản như hình H.2.31, trong đó transistor Q0 ở ngõ ra được xem như khóa điện K Khi Q0 dẫn, khóa K đóng; ngược lại, khi Q0 ngưng dẫn, khóa K hở.

H.2.31: Mạch tương đương của transistor trên ngõ ra Op Amp LM311 khi V P >V N

Tương tự trong hình H.2.32 trình bày mạch tương đương đơn giản của transistor trên ngõ ra của Op Amp LM311 khi transistor Q 0 trên ngõ ra dẫn

Đ I Ệ N TR Ở PULL-UP VÀ Đ I Ệ N ÁP TRÊN NGÕ RA OPAMP

Mạch so sánh điện áp sử dụng Op Amp LM311, như trình bày trong hình H.2.33, có ngõ ra kết nối đến nguồn +Vcc thông qua điện trở R pull-up Trạng thái dẫn hoặc ngưng dẫn của transistor ở ngõ ra Op Amp phụ thuộc vào giá trị điện áp V P và V N tại các ngõ vào Do đó, điện áp V out của mạch so sánh sẽ thay đổi theo trạng thái hoạt động của transistor trên ngõ ra của Op Amp.

Khi V P V N transistor trên ngõ ra của Op Amp ngưng dẫn, xem như tương đương khóa K hở mạch (xem H.2.31) Điện áp trên ngõ ra mạch so sánh V out  V cc

Khi V P V N transistor trên ngõ ra của Op Amp dẫn, xem như tương đương khóa K kín mạch (xem H.2.32) Điện áp trên ngõ ra mạch so sánh V out  0,2V

Mức điện áp V out  0,2V là điện áp V CE khi transistor trên ngõ ra dẫn bảo hòa

Giá trị của điện trở R pull-up được xác định để đảm bảo dòng điện qua transistor không vượt quá 40 mA Trong quá trình thiết kế, R pull-up được chọn dựa trên dãy giá trị thực của điện trở, với mục tiêu kiểm soát dòng điện qua transistor trong khoảng từ 10 mA đến 20 mA.

Trong mạch điện hình H.2.33, cho V cc = ± 12V Xác định giá trị R pull-up để khống chế dòng qua transistor trên ngõ ra không vượt quá 10mA

Khi transistor trên ngõ ra Op Amp dẫn bảo hòa, áp dụng định luật Kircfhoff 2 ta có:

H.2.32: Mạch tương đương của transistor trên ngõ ra Op Amp LM311 khi V P < V N

Trong mạch Op Amp lý tưởng như hình H.2.34, điện áp đầu ra V o được xác định theo các điều kiện khác nhau của V 1 và V 2 Cụ thể, khi V 1 = 15 V và V 2 = 0 V, V o sẽ có giá trị nhất định Tương tự, với V 1 = 3 V và V 2 = 0 V, giá trị V o cũng sẽ thay đổi Khi V 1 = 1 V và V 2 = 2 V, hay khi V 1 = 4 V và V 2 = 2 V, điện áp đầu ra sẽ phản ánh sự thay đổi này Cuối cùng, với V 1 = 6 V và V 2 = 8 V, giá trị V o cũng sẽ khác biệt Đặc biệt, nếu V 1 = 4,5 V, cần xác định dãy giá trị của V 2 để đảm bảo mạch khuếch đại không bị bão hòa.

Cho mạch Op Amp lý tưởng trong hình

H.2.35 Xác định : a./ Điện áp Vo b./ Dòng io

Cho Volt kế có kim quay lệch toàn khung khi đo điện áp 10 V Giả sử Op Amp lý tưởng

Xác định số chỉ của Volt kế khi lắp trên ngõ ra của mạch khuếch đại Op Amp trong hình H.2.36

Giả sử Op Amp cho trong mạch hình

Giả sử Op Amp trong mạch H.2.38 là lý tưởng, mạch điện hoạt động như một mạch kẹp, duy trì điện áp ngõ ra V o trong khoảng ± 5V khi điện áp V 1 biến đổi từ 0 V đến 5 V.

Vẽ đặc tuyến mô tả quan hệ điện áp V o theo V 1

Cho V 1 = 150 mV, xác định: a./ Điện áp V f b./ Điện áp V o c./ Dòng i f d./ Dòng i o

Cho biến trở R 3 = 120 kΩ ; đoạn điện trở từ con chạy đến nút chuẩn 0V là

(a.R 3 ) ; với 0,25 a 0,8 a./ Nếu V 1 = 40 mV tính dảy giá trịđiện áp

V o trên ngõ ra Op Amp b./ Giá trị a làbao nhiêu để mạch khuếch đại

Op Amp đạt trạng thái bảo hòa

Giả sử Op Amp cho trong mạch hình H.2.41 là lý tưởng Biết biến trở

50 kΩ có đoạn điện trở từ con chạy đến ngõ vào đảo là (a.50 kΩ)

Cho V 1 = 250 mV a./ Tìm dảy giá trị của a để mạch khuếch đại Op Amp không bảo hòa b./ Tìm dòng i o khi giá trị a = 0,272

Giả sử Op Amp cho trong mạch hình H.2.42 là lý tưởng a./ Cho V 1 = 15 V; V 2 = 10 V;

V 3 = 8 V và V 4 = 12V ; tính áp V o trên ngõ ra b./ Giả sử các nguồn áp V 1 ;

V 2 và V 4 có giá trị theo câu a; nếu muốn mạch khuếch đại hoạt động trong khoảng tuyến tính tìm dảy giá trị cho phép của điện áp V 3

Giả sử các Op Amp cho trong mạch hình H.2.43 là lý tưởng

Giả sử các Op Amp cho trong mạch hình H.2.44 là lý tưởng và 0V 1 1,2V Điều chỉnh biến trở

VR để có dòng i o = 0 A a./ Xác định giá trị VR b./ Nếu áp V 1 = 1 V tính công suất tiêu thụ trên biến trở VR

Giả sử các Op Amp trong mạch hình H.2.45 là lý tưởng và hoạt động trong dải tuyến tính, cần tìm dòng điện i_o và xác định giá trị điện trở R để thiết lập mạch khuếch đại hiệu quả.

Op Amp đạt bảo hòa

Giả sử các Op Amp cho trong mạch hình H.2.46 là lý tưởng và V 1 = 800 mV ;

V 2 = 400 mV a./ Tìm áp v o b./ Tìm dòng i 1 và i 2 c./ Tìm độ lợi điện áp của mạch khuếch đại

Cho mạch điện hình H.2.47 với Op Amp lý tưởng Xác định : a./ Giá trị của điện trở R 1 và R 3 sao cho: o 1 2 3 v v 2v 3v b./ Tớnh theo [àA] giỏ trị dũng i 1 ; i2 và i 2 lỳc: v 1 = 0,7 V v 2 = 0,4 V v 3 = 1,1 V

Cho mạch điện hình H.2.48 với Op Amp lý tưởng Xác định : a./ Giá trị của điện trở R 4 sao cho: o 1 2 3 v 1,8v 7,2v 14, 4v b./ Tớnh theo [àA] giỏ trị dũng i 1 ; i 2 ; i 3 ; i 4 và i 7 lúc: v 1 = 0,5 V v 2 = 0,25 V v 3 = 0,15 V

Cho mạch điện hình H.2.49 với Op Amp lý tưởng

Vẽ đồ thị xác định quan hệ v o theo a khi R f 4.R in và V in 2V

Cho mạch điện hình H.2.50 với Op Amp lý tưởng Chọn các điện trở : R 2 ; R 3 và R f sao cho:

Biết nguồn v 2 có tổng trở nhập là 220 kΩ

Cho mạch điện hình H.2.51 với Op Amp lý tưởng Chọn các điện trở : R 1 và R f sao cho:

H.2.52 với Op Amp lý tưởng a./ Tìm v o khi: v 1 = 1 V v 2 = 2 V v 3 = 3 V v 4 = 4 V b./ Nếu các nguồn áp: v 1 , v 2 và v 4 được duy trì không đổi với giá trị v 3 bằng bao nhiêu thì mạch Opamp bảo hòa a.VR

Cho mạch điện hình H.2.53 với Op Amp không lý tưởng và có các thông số sau:

Tổng trở ra: R out = 5 kΩ Độ lợi vòng hở : A o = 250000

Giả sử mạch Opamp hoạt động trong vùng tuyến tính, chúng ta cần xác định độ lợi điện áp trên ngõ ra, giá trị v_o khi v_i = 100 mV, và tổng trở nhập khi nhìn từ nguồn v_i Tiếp theo, chúng ta sẽ giải lại các câu hỏi a, b, c với giả thiết Op Amp là lý tưởng Cuối cùng, chúng ta sẽ phân tích lại các câu a, b, c, d khi mạch có thêm điện trở tải R_L = 1600 Ω trên ngõ ra.

Khi mạch Opamp hoạt động trong vùng tuyến tính, cần xác định các yếu tố sau: đầu tiên, độ lợi điện áp trên ngõ ra; thứ hai, giá trị Δv in, tức độ chênh lệch điện áp tại các ngõ vào của Op Amp khi v1 = 1V; và cuối cùng, dòng qua nguồn v1 cũng khi v1 = 1V.

Cho V in = 880 mV a./ Tìm mạch Thévénin tương đương nhìn từ ngõ ra của mạch giữa hai nút a và 0 b./ Tổng trở xuất của ngõ ra c./ Nếu R L = 330 Ω thì tổng trở vào mạch khi nhìn từ nguồn có giá trị bao nhiêu ?

Cho mạch điện hình H.2.56 với Op Amp lý tưởng

Tìm mạch tương đương Thévénin giữa hai điểm a,b

Cho mạch điện hình H.2.57 với Op Amp lý tưởng Xác định điện áp ngõ ra

Cho mạch điện hình H.2.58 với Op Amp lý tưởng Xác định giá trị VR1 đểđiện áp ngõ ra đạt trạng thái bảo hoà

H.2.59 với Op Amp lý tưởng Xác định các giá trị : i 1 ; i 2 và v o

Trong chương 2, chúng ta nghiên cứu các mạch ứng dụng sử dụng Opamps lý tưởng với nguồn điện DC kép (+Vcc – 0 – −Vcc) Để tạo ra nguồn kép có biên độ bằng nhau và trái dấu, điểm giữa của các nguồn cần được kết nối với Gnd (Ground) của mạch, điều này đòi hỏi sử dụng nhiều linh kiện và mạch điện phức tạp Tuy nhiên, trong một số trường hợp cần thiết kế mạch nhỏ gọn, việc sử dụng nguồn kép có thể không đáp ứng yêu cầu Do đó, một số thiết bị dân dụng đã sử dụng pin để tạo thành bộ nguồn kép.

Phương pháp xử lý khác nhằm giải quyết vấn đề một cách căn bản hơn là nghiên cứu nguyên lý hoạt động của Op Amps khi mạch được cấp nguồn đơn.

Để nắm vững nguyên tắc hoạt động của các mạch Op Amps khi sử dụng nguồn đơn, chúng ta sẽ lần lượt khảo sát các mạch điện được trình bày trong hình.

H.3.1 là mạch khuếch đại ngõ vào đảo có hồi tiếp, nguồn cung cấp cho Op Amps là nguồn kép ± V cc Theo kết quả đã khảo sát trong chương 2 , ta có quan hệ sau:

Trong mạch khuếch đại, khi nối nguồn áp V in với nguồn áp một chiều V REF (điện áp tham chiếu), ta áp dụng nguyên lý xếp chồng để xác định mối quan hệ điện áp V o Biểu thức này cho thấy cách V o phụ thuộc vào các điện áp trên ngõ vào đảo.

Phương pháp đấu nối tiếp các nguồn áp trên ngõ vào cần chú ý đến cực tính giữa các nguồn Khi giữ giá trị điện áp V REF cố định và thay đổi biên độ của nguồn áp V in, điện áp V o trên ngõ ra của mạch khuếch đại sẽ đạt đến các mức bảo hòa khác nhau, nhưng không giống với các mức áp ±V cc Sự khác biệt này thể hiện rõ hơn trên đặc tuyến chuyển đổi, mô tả mối quan hệ giữa điện áp V o và áp V in.

Với giả thiết Op Amp là lý tưởng, trên đặc tuyến chuyển đổi lúc áp V in = 0 V, giá trị áp V out  0 , xem thí dụ 3.1

Trong mạch khuếch đại với Vcc = ±12V, R_G = R_F = 10 KΩ và sử dụng opamp TL084, nguồn V_REF được thiết lập ở +4V DC Nguồn đầu vào V_in có thể thay đổi trong khoảng từ -18V đến 12V Mục tiêu là xác định đặc tuyến chuyển (Transfer curve) của mạch khuếch đại này.

GIẢI: Áp dụng phần mềm NI multisim V.10 với Op Amp có mã số TL084 ta tìm được đặc tuyến chuyển của mạch khuếch đại, xem hình H.3.3

H.3.3: Đặc tuyến chuyển của mạch khuếch đại trong hình H.3.2 khi thay đổi V in Áp dụng quan hệ (3.2) ta có:

Thay thế các giá trịR G = R F = 10 KΩ vào quan hệ (3.3) ta tìm được quan hệ: o in

Quan hệ (3.4) cho thấy đặc tuyến chuyển chính là đồ thị của hàm số V o = f(V in )

TÍNH TOÁN THÔNG S Ố M Ạ CH OPAMP DÙNG NGU Ồ N ĐƠ N

M Ạ CH CH Ỉ NH L Ư U BÁN K Ỳ CHÍNH XÁC

M Ạ CH CH Ỉ NH L Ư U TOÀN K Ỳ CHÍNH XÁC

M Ạ CH T Ạ O VÙNG CH Ế T (DEAD ZONE CIRCUITS) DÙNG OPAMP

M Ạ CH KHU Ế CH ĐẠ I LOGARITH (LOGARITH AMPLIFIER) DÙNG OPAMP

SCHMITT TRIGGER - M Ạ CH PHÁT HI Ệ N M Ứ C V Ớ I HI Ệ N T ƯỢ NG TR Ễ

M Ạ CH T Ạ O XUNG CLOCK DÙNG IC 555

KH Ả O SÁT M Ạ CH B Ả O V Ệ TH Ấ P ÁP (UV) VÀ QUÁ ÁP (OV)

KH Ả O SÁT M Ạ CH B Ả O V Ệ M Ấ T PHA

M Ạ CH B Ả O V Ệ ĐẢ O TH Ứ T Ự PHA

Tiêu đề	Bài Giảng Điện Tử 2
Người hướng dẫn	Nguyễn-Thấ-Kiệt
Trường học	Trường Đại Học
Chuyên ngành	Điện Tử
Thể loại	bài giảng
Năm xuất bản	2010
Thành phố	New Jersey

Định dạng
Số trang	183
Dung lượng	6,84 MB