ÁO cáo THÍ NGHIỆM MẠCH điện tử 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 CÁC 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 Link google drive meet: https://drive.google.com/drive/folders/1Tjh46dCpr6pvxAmHcOIQRtn4 HQeWxcAG?usp=sharing Ngày hoàn 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 .3 Các thí nghiệm cần kiểm chứng .3 Lựa chọn kiện đầu vào phương pháp đo đạc đại lượng 17 Các kết thí nghiệm 20 Phân tích so sánh kết luận 31 Kết luận chung 35 2 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 mơ 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 khơng đảo (V+) nối đất - Mạch có hệ số khuếch đại áp ngõ phụ thuộc vào giá trị Ri , RF, nên ta lưu ý q 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 = 12kΩ) 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 R G , 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 - Áp dụng KCL nút: • 𝑉𝑖 𝑅𝐺 = 𝑉𝑜 −𝑉𝑖 𝑅𝐹 ⇒ 𝐴𝑉 = 𝑉𝑜 𝑉𝑖 =1+ 𝑅𝐹 𝑅𝐺 Đồ thị từ lý thuyết phân tích Sơ đồ mạch thí nghiệm LTspice (ứng với RF= 12kΩ) Sơ đồ mạch thí nghiệm LTspice (ứng với RF= 22kΩ) 2.3 Mạch khuếch đại 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 : Ta có : 𝑅𝑖1 = 𝑅𝑖2 = 𝑅𝑖 ⇒ 𝑉0 = −𝑅𝐹 𝑅𝑖 (𝑉1 + 𝑉2 ) Đồ thị phân tích lý thuyết mạch khuếch đại cộng điện áp Op-amp: Sơ đồ mạch thí nghiệm LTspice ( ứng với RF = 12kΩ, V2= 3V, Vip=1.5V) Sơ đồ mạch thí nghiệm LTspice ( ứng với RF = 22kΩ, V2= 3V, Vip=1.5V) • 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 Đồ thị phân tích lý thuyết mạch khuếch đại trừ điện áp Op-amp: Sơ đồ mạch thí nghiệm LTspice ( ứng với RF = 12kΩ, V2= 3V, Vip=4V) 10 Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RG = 12kΩ Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RG = 22KΩ 22 4.3 Mạch khuếch đại cộng điện áp RF Vim VDC 22kΩ 1.496V 3V 12kΩ 1.496V 3V 𝐕𝐨𝐦𝐚𝐱 −𝐕𝐨𝐦𝐢𝐧 𝟐 =Vom −2.576 −(−8.957) = 3.191V −1.211 −(−4.206) = 1.4975V 𝐕 AV= − 𝐕𝐨𝐦 𝐢𝐦 -2.133 -1.001 Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RF = 22kΩ 23 Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RF = 12kΩ 4.4 Mạch khuếch đại trừ điện áp RF Vdc Vim 12kΩ 3V 3.995V 22kΩ 1V 1.998V 𝐕𝐨𝐦𝐚𝐱 − 𝐕𝐨𝐦𝐢𝐧 = 𝐕𝐨𝐦 𝟐 1.248 − (−6.66) = 3.945𝑉 1.843 − (−5.683) = 3.763𝑉 AV = 𝐕𝐨𝐦 𝐕𝐢𝐦 0.987 1.883 24 Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RF = 12kΩ Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RF = 22kΩ 25 4.5 Mạch so sánh Vim Vref Vom 2.996V 5V Đường thẳng(= Vsat+=10.47V) 7.998V 5V Xung vuông (Chuyển mức VREF =5V) Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp Vip = 3V 26 Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp Vip = 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 27 Dạng sóng ngõ vào/ra RF = 12kΩ Dạng sóng ngõ vào/ra RF = 22kΩ 28 4.7 Mạch tạo sóng vng sóng tam giác - Trường hợp: (RF ,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 RF = 22kΩ ,R=5.6kΩ,C=0.22μF 29 - Trường hợp: (RF ,R ,C ) = ( 68kΩ ,10kΩ ,0.047μF ) Vsat+ VsatVH VL 10.47V -10.47V 1.805V -1.809V F 2.764KHz Dạng sóng ngõ vào/ra RF =68kΩ ,R=10kΩ,C=0.047μF 30 Phân tích so sánh kết luận 5.1 Mạch khuếch đại đảo Theo lý thuyết: 𝑅𝐹 12 == -1 𝑅𝐼 12 −0.903−(−1) 𝐴𝑣đ𝑜−𝐴𝑣𝑙𝑡 % sai số = | | = | 𝐴𝑣𝑙𝑡 −1 RF = 12k: A = - RF = 22k: A = % sai số = | 𝑅𝐹 𝑅𝐼 |.100%=9.7% 22 = -12=-1.8333 𝐴𝑣đ𝑜−𝐴𝑣𝑙𝑡 | 𝐴𝑣𝑙𝑡 =| −1.922−(−1.833 ) −1.833 | =4.86% →Vậy kết dạng sóng 𝑉𝑖, 𝑉𝑜 khảo sát giống với lý thuyết,có sai số chấp nhận có sai số linh kiện kit thí nghiệm , truy bắt điểm chưa thật xác 5.2 Mạch khuếch đại không đảo Theo lý thuyết RF = 12k: A = 1+ % sai số = | 𝑅𝐹 = 1+ 𝑅𝐼 𝐴𝑣đ𝑜−𝐴𝑣𝑙𝑡 12 =2 12 1.903−2 |=| |.100%=4.85% 𝐴𝑣𝑙𝑡 𝑅𝐹 22 RF = 22k: A = 1+ = 1+ = 2.833 𝑅𝐼 12 𝐴𝑣đ𝑜−𝐴𝑣𝑙𝑡 2.922−2.833 % sai số = | 𝐴𝑣𝑙𝑡 |=| 2.833 |.100%=3.14% → 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 đại cộng điện áp Theo lý thuyết: Vo Với 𝑅𝐹 = 12kΩ, 𝑅𝑖 = 12𝑘𝛺 ,𝑉𝑖m = 1.5𝑉(𝑠ó𝑛𝑔 sin ), 𝑉2 = 3𝑉: 31 → 𝑉𝑜 có biên độ 𝑉𝑜m = 1.5𝑉,Av= -1 dao động vị trí cân -3V, ngược pha 𝑉𝑖1 % sai số = | 𝐴𝑣đ𝑜 −𝐴𝑣𝑙𝑡 | 𝐴𝑣𝑙𝑡 =| 1.001−1 |.100%=0.1% → 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 độ 𝑉𝑜m = 2.75𝑉, Av=-1.833 dao động vị trí cân -5.5V, ngược pha với 𝑉𝑖1 % sai số = | 𝐴𝑣đ𝑜−𝐴𝑣𝑙𝑡 𝐴𝑣𝑙𝑡 |=| 2.133−1.833 1.833 |.100%=16.37% →Kết khảo sát dạng đồ thị gần giống với lý thuyết, sai lệch lớn sai số linh kiện kit thí nghiệm 5.4 Mạch khuếch đại trừ điện áp Theo lý thuyết: Vo Với 𝑅𝐹 = 12kΩ, 𝑅𝑖 = 12𝑘𝛺, 𝑉𝑖1m= 4𝑉(𝑠ó𝑛𝑔 sin ), 𝑉2 = 3𝑉: →𝑉𝑜 có biên độ 𝑉𝑜m = 4𝑉, dao động vị trí cân -3V, pha 𝑉𝑖1 % sai số = | 𝐴𝑣đ𝑜−𝐴𝑣𝑙𝑡 𝐴𝑣𝑙𝑡 |=| 3.945−4 |.100%=1.375% → 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 độ 𝑉𝑜m = 3.667 𝑉, dao động t ại vị trí cân -1.833V, pha 𝑉𝑖1 % sai số = | 𝐴𝑣đ𝑜−𝐴𝑣𝑙𝑡 𝐴𝑣𝑙𝑡 |=| 1.883−1.833 1.833 |.100%=2.72% → Kết khảo sát gần giống với lý thuyết, sai lệch sai số kit thí nghiệm 5.5 Mạch so sánh 32 Theo lý thuyết: 𝑉𝑖 > 𝑉𝑟𝑒𝑓 𝑉𝑜 = 𝑉sat-, khi 𝑉𝑖 < 𝑉𝑟𝑒𝑓 𝑉𝑜 = 𝑉sat+ Chọn Vref= 5V Vim = 3: Biên độ Vi < 5V nên tín hiệu ngõ đường thẳng 𝑉𝑜=Vsat+=10.47 Vim=8: Tín hiệu ngõ sóng vuông 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 Theo lý thuyết: VH= VL= 𝑅𝐺 Vsat𝑅𝐺+𝑅𝐹 𝑅𝐺 Vsat+ 𝑅𝐺+𝑅𝐹 Mạch chuyển sang trạng thái bão hòa dương đạt tới giá trị VH Mạch chuyển sang trạng thái bão hòa dương đạt tới giá trị VL 𝑅𝐹 = 12𝑘: VH= VL= 𝑅𝐺 12 Vsat-= 12+12 (−10.47) = −5.235 V 𝑅𝐺 +𝑅𝐹 𝑅𝐺 𝑅𝐺 +𝑅𝐹 %sai số VH= | Vsat+= 12 12+12 𝑉𝐻đ𝑜−𝑉𝐻𝑙𝑡 10.47 = 5.235 V |=| 𝑉𝐻𝑙𝑡 𝑉𝐿đ𝑜−𝑉𝐿𝑙𝑡 %sai số VL= | | 𝑉𝐿𝑙𝑡 =| −5.143−(−5.235) −5.235 5.091−5.235 |.100%=1.76% |.100%=2.75% 5.235 33 → Kết khảo sát giống với lý thuyết sai số nhỏ 𝑅𝐹 = 22𝑘: VH= 𝑅𝐺 V L= 𝑅𝐺 Vsat-= 12 (−10.47) = −3.695V 22+12 Vsat+= 12 (10.47)=3.695 V 22+12 𝑅𝐺 +𝑅𝐹 𝑅𝐺 +𝑅𝐹 %sai số VH= | 𝑉𝐻đ𝑜−𝑉𝐻𝑙𝑡 |=| 𝑉𝐻𝑙𝑡 𝑉𝐿đ𝑜−𝑉𝐿𝑙𝑡 %sai số VL= | | 𝑉𝐿𝑙𝑡 =| −3.724−(−3.695) −3.695 3.95−3.695 |.100%=0.78% |.100%=6.901% =3.695 → Kết đo có sai lệch so với lý thuyết, nguyên nhân sai số kit thí nghiệm, bắt điểm chưa xác 5.7 Mạch tạo sóng vng sóng tam giác Theo lý thuyết: VH=− F= 𝑅𝑖 𝑅𝐹 VL=− Vsat- 𝑅𝑖 𝑅𝐹 Vsat+ −𝑅𝐹 (𝑉𝑠𝑎𝑡− ).(𝑉𝑠𝑎𝑡+ ) 𝑅𝐼 𝑅.𝐶.(𝑉𝑠𝑎𝑡− −𝑉𝑠𝑎𝑡+)2 Với RF=22k V H= − V L= − F= 𝑅𝑖 Vsat- =− 12 𝑅𝑖 Vsat+ =− 12 10.47= -5.71 V 22 𝑅𝐹 𝑅𝐹 22 -10.47= 5.71 V −22 ∗10.47∗(−10 47) 12∗5.6∗0.22 ∗10−6 ∗(−10.47 −10.47) %sai số VH= | 𝑉𝐻đ𝑜−𝑉𝐻𝑙𝑡 𝑉𝐻𝑙𝑡 |=| =372.024 Hz 6.138−5.71 5.71 |.100%=7.495% 34 %sai số VL= | %sai số F= | 𝑉𝐿đ𝑜−𝑉𝐿𝑙𝑡 𝑉 𝑓đ𝑜−𝑓𝐿𝑙𝑡 𝑙𝑡 𝑓𝑙𝑡 −6.192−(−5.71) |.100%=8.44% −5.71 408.6−372.024 |=| |=| |.100%=9.83% 372.024 Với RF=68k VH=− V L= − F= 𝑅𝑖 Vsat- =− 12 Vsat+ =− 12 10.47=-1.85V 68 𝑅𝐹 𝑅𝑖 𝑅𝐹 68 (-10.47)=1.85 V −68 ∗103 10.47 ∗(−10.47 ) = 3.014 kHz 12∗103 ∗10 ∗103 ∗0.047∗10 −6∗(−10.47 −10.47) %sai số VH= | 𝑉𝐻đ𝑜−𝑉𝐻𝑙𝑡 |=| 1.8−1.85 |.100%=2.7% 𝑉𝐻𝑙𝑡 1.85 −1.81−(−1.85 ) 𝑉𝐿đ𝑜−𝑉𝐿𝑙𝑡 %sai số VL= | |=| |.100%=2.162% 𝑉𝐿𝑙𝑡 −1.85 𝑓đ𝑜−𝑓𝑙𝑡 2.785−3.014 %sai số F= | 𝑓𝑙𝑡 |=| 3.014 |.100%=7.59% → Vậy kết khảo sát sai lệch với lý thuyết sai lệch kit nhủ bắt điểm chưa thật xác 6.Kết luận chung Qua thí nghiệm mơ ki ếm chứng hoạt động mạch khuếch đại Opamp : 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 phần mềm LTspice cho hiểu chức năng, đặc tính khuếch đại áp cách mắc mạch phần mềm LTspice Các linh kiện kit mơ nhìn chung có sai số truy bắt điểm vị trí cần đo đồ thị chưa thật xác tạo sai số thông số cần đo Tuy nhiên đa phần sai số khơng lớn nên chấp nhận 35 36 ... 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... Bài 3: Kiểm chứng mạch ứng dụng dùng Op – amp Giới thiệu chung .3 Các thí nghiệm cần kiểm chứng .3 Lựa chọn kiện đầu vào phương pháp đo đạc đại lượng 17 Các kết thí nghiệm. .. 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