ltm c 3 khuech dai thuat toan 7513

LÝ THUYẾT MẠCH CHƯƠNG 3: MẠCH KHUẾCH ĐẠI VÀ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN Biên soạn: Phạm Khánh Tùng Bộ mơn Kỹ thuật điện – Khoa Sư phạm kỹ thuật Email: tungpk@hnue.edu.vn Website: http://www.hnue.edu.vn/directory/tungpk CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN MẠCH KHUẾCH ĐẠI 1.1 Khuếch đại tín hiệu Mạch khuếch đại: Thiết bị biến đổi tín hiệu vào → tín hiệu Cấu trúc mạch: nguồn phụ thuốc, điều khiển tín hiệu vào Các cực đầu vào đầu khuếch đại thường nối chung tạo nên cực chung CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Khi đầu để hở mạch ta có điện áp v2  k.v1 k hệ số khuếch đại Các điện trở Ri Ro tương ứng điện trở vào khuếch đại Để hoạt động khuếch đại tốt, giá trị điện trở Ri cần phải cao Ro cần phải thấp Khuếch đại lý tưởng có Ri = ∞ Ro = CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Một nguồn thử nghiệm vs với điện trở Rs kết nối với đầu vào khuếch đại điện áp có điện trở vào Ri hình Tìm tỉ số v2 / vs v2  k.v1 Điện áp vào v1 tính theo phân áp Ri Rs Ri v1  vs Ri  Rs Điện áp v2 tính k Ri v2  k v1  vs Ri  Rs Tỉ số v2 / vs Ri v2  k vs Ri  Rs CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TỐN Một nguồn vs có điện trở Rs cấp nguồn cho tải RL qua khuếch đại với điện trở vào, Ri Ro Tìm tỉ số v2 / vs Điện áp vào v1 tính theo phân áp Ri Rs Ri v1  vs Ri  Rs Điện áp v2 tính RL Ri RL v2  k v1 k vs RL  Ro ( Ri  Rs )( RL  Ro ) Tỉ số v2 / vs v2 Ri RL k vs Ri  Rs RL  Ro CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Độ lợi (hệ số khuếch đại) tín hiệu giảm thêm lượng Như vậy, điện áp đầu phụ thuộc vào tải Ri Ri  Rs CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 1.2 Sơ đồ khuếch đại hồi tiếp Độ lợi tín hiệu kiểm sốt thơng qua hồi tiếp, cách lấy phần tín hiệu đầu truyền cho đầu vào Trong mạch khuếch đại lý tưởng, thông qua điện trở R2 thực hồi tiếp Hệ số hồi tiếp R1 /( R1  R2 ) ảnh hưởng đến độ lợi khuếch đại làm cho khuếch đại nhạy với thay đổi hệ số k CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Ví dụ: Tìm hệ số khuếch đại mạch biểu diễn dạng hàm tỉ lệ b  R1 /( R1  R2 ) Từ mạch khuếch đại: v2  k.v1  v1  v2 / k Áp dụng định luật KCL cho nút A: v1  vs v1  v2  R1 R2 CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Thay v1  v2 / k vào biểu thức: v2 / k  vs v2 / k  v2  R1 R2 v2 R2 k k   (1  b) vs R2  R1  R1k  bk Trong đó: b  R1 R1  R2 CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TỐN Ví dụ: Trong mạch điện thông số, R1 = 1kΩ, R2 = 5kΩ (a) Tìm biểu thức hệ số khuếch đại hàm độ lợi k (b) tính hệ số khuếch đại với k = 100 1000, nhận xét kết quả: Do cực tính nguồn phụ thuộc thay đổi so với mạch ví dụ trước, nên sử dụng kết thay –k v2 k  (1  b) vs  bk v2  5k   vs  k b R1  R1  R2 CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Với k = 100, v2/vs = – 4,72; k = 1000, v2/vs = – 4,97 Như vậy, với 10 lần tăng giá trị k, tỉ số v2/vs tăng 5,3% (4,97 - 4,72)/4,72 = 5,3% Với giá trị lớn k, tỉ số v2/vs tiến tới giá trị – R2/(R1+R2) không phụ thuộc vào k CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 2.1 Khái niệm khuếch đại thuật toán Khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier – OA) thiết bị có hai đầu vào ký hiệu cực (+) cực (–) tương ứng cực không đảo cực đảo Thiết bị cấp nguồn chiều dương âm (+Vcc – Vcc) Cổng chung tham chiếu cực vào, cực ra, cực cấp nguồn cho OA gọi đất CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN   Điện áp tín hiệu vo phụ thuộc tín hiệu vào vd  v  v Nếu bỏ qua ảnh hưởng điện dung, hàm truyền mơ tả hình Phạm vi tuyến tính vo  A.vd giá trị cao) Tín hiệu vo bão hịa đạt giá trị +Vcc –Vcc tín hiệu vào vd vượt phạm vi tuyến tính vd  Vcc / A (A - hệ số khuếch đại hở, có CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TỐN Cấu tạo khuếch đại thuật tốn: Trong phạm vi tuyến tính để đơn giản ta lược bỏ nguồn cấp, thực tế, giá trị Ri lớn, Ro nhỏ hệ số khuếch đại A khảng từ 105 đến vài triệu Sơ đồ hình hợp lệ điện áp vo phạm vi từ +Vcc đến –Vcc (Vcc = – 18 V) Ví dụ: OA có Vcc = 15V, A = 105, v– = Tìm giá trị giới hạn v+ để OA chế độ tuyến tính vo  105 v   15V  v   15.105  150 V CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Ví dụ: OA có Vcc = 5V, A = 105, v– = 0, v+ = 100sin2ωt (μV) Tìm vẽ điện áp vo Điện áp vào OA: vd  v   v   (100 sin 2 t )10 6 Khi OA làm việc chế độ tuyến tính: vo  105 vd  10 sin 2 t Điện áp nằm phạm vi + 5V đến – 5V, bão hòa bắt đầu vo = 105vd = 10sinωt đạt giá trị 5V thời điểm 1/12 s kết thúc thời điểm 5/12 s Hiện tượng tương tự xảy với ngưỡng điện áp –Vcc: OA vào khỏi trạng thái bão hòa thời điểm 7/12 11/12s CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Điện áp vo chu kỳ (1 s) biến thiên sau: 1/12  t  5/12   vo   7/12  t  11/12 10 sin 2πt giá tri khác t  CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TỐN Ví dụ: OA có Vcc = 5V, A = 105, v– = 25 μV, v+ = 100sin2ωt (μV) Tìm vẽ điện áp vo Điện áp vào OA: vd  v   v   50.10 6 sin 2 t  25.10 6  50(sin 2 t  / 2)10 6 Khi OA làm việc chế độ tuyến tính: vo  105 vd  5(sin 2 t  / 2) Điện áp vo bão hòa đạt mức – 5V thời điểm t = 7/12 khỏi bão hòa t = 11/12 CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Điện áp vo chu kỳ (1 s) biến thiên sau: 7/12  t  11/12  vo   5 sin 2πt CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TỐN Ví dụ: Trong mạch OA, điện trở R1 = 10 kΩ, R2 = 50 kΩ, Ri = 500 kΩ, Ro = 0, A = 105 Tìm tỉ số v2/v1, giả thiết OA khơng bão hịa Tổng dịng điện nút B khơng, lưu ý vA = vB = vd, ta có: v1  vd vd v2  vd   0 10 500 50 CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TỐN Mạch OA có Ro = 0, v2  A.vd  105 vd  vd  105 v2 Thay vào biểu thức KCL nút B: v1  105 v2 105 v2 v2  105 v2   0 10 500 50 Từ ta tìm tỉ số v2/v1: v2 5   5 5 5 5 v1  10  5.10  0,1.10 ... hiệu vào C? ?c c? ?c đầu vào đầu khuếch đại thường nối chung tạo nên c? ? ?c chung CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Khi đầu để hở mạch ta c? ? điện áp v2  k.v1 k hệ số khuếch đại C? ?c điện trở... chiều dương âm (+Vcc – Vcc) C? ??ng chung tham chiếu c? ? ?c vào, c? ? ?c ra, c? ? ?c cấp nguồn cho OA gọi đất CHƯƠNG : KHUẾCH ĐẠI VÀ KHẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN   Điện áp tín hiệu vo phụ thu? ?c tín hiệu vào vd  v... khuếch đại thuật tốn Khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier – OA) thiết bị c? ? hai đầu vào ký hiệu c? ? ?c (+) c? ? ?c (–) tương ứng c? ? ?c không đảo c? ? ?c đảo Thiết bị c? ??p nguồn chiều dương âm (+Vcc –