Giáo trình mạch điện tử (nghề cơ điện tử trình độ cao đẳng)

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Mạch điện tử mô đun sở của nghề Cơ điện tử biên soạn dựa theo chương trình khung đã xây dựng ban hành năm 2021 của trường Cao đẳng nghề Cần Thơ dành cho nghề Cơ điện tử hệ Cao đẳng Giáo trình biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình đã xây dựng mức độ đơn giản dễ hiểu, học có thí dụ tập tương ứng để áp dụng làm sáng tỏ phần lý thuyết Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã dựa kinh nghiệm thực tế giảng dạy, thiết bị thực hànhcủa trường, tham khảo đồng nghiệp, tham khảo giáo trình có cập nhật kiến thức có liên quan để phù hợp với nội dung chương trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung biên soạn gắn với nhu cầu thực tế Nội dung giáo trình biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 60 giờ gồm có: Bài 01 MĐ20-01: Mạch ổn áp Bài 02 MĐ20-02: Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ Bài 03 MĐ20-03: Mạch khuếch đại công suất Bài 04 MĐ20-04: Mạch dao động Bài 05 MĐ20-05: Mạch ứng dụng dùng op-amp Giáo trình tài liệu giảng dạy tham khảo tốt cho nghề điện tử dân dụng, điện công nghiệp điện dân dụng Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo khơng tránh thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến của thầy, cơ, bạn đọc để nhóm biên soạn điều chỉnh hồn thiện Cần Thơ, ngày tháng năm 2021 Tham gia biên soạn Chủ biên: Nguyễn Phương Uyên Vũ MỤC LỤC TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN MỤC LỤC GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN BÀI 1: MẠCH ỔN ÁP Khái niệm 1.1 Khái niệm ổn áp 1.2 Thông số kỹ thuật của mạch ổn áp Mạch ổn áp tham số 2.1 Mạch ổn áp tham số dùng diode zener 2.2 Mạch ổn áp tham số dùng transistor 10 Mạch ổn áp có hồi tiếp 13 3.1 Các thành phần của mạch ổn áp .13 3.2 Mạch ổn áp kiểu bù .14 Thực hành 14 BÀI 2: MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ 16 Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng Transistor 16 1.1 Khái niệm 16 1.2 Mạch mắc theo kiểu EC, BC, CC 16 1.3 Thực hành 22 Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ Dùng FET 25 2.1 Mạch khuếch đại cực nguồn chung (S-C) .25 2.2 Mạch khuếch đại cực máng chung 26 2.3 Mạch khuếch đại cực cổng chung 27 2.4 Thực hành 28 Mạch Ghép Transistor-Hồi tiếp 30 3.1 Mạch ghép cascade .30 3.2 Mạch khuếch đại vi sai 31 3.3 Mạch khuếch đại Dalington 33 3.4 Hồi tiếp, trở kháng vào, của mạch khuếch đại 36 3.5 Thực hành 38 BÀI 3: MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT 42 Khuếch đại công suất loại A 42 1.1 Khái niệm 42 1.2 Khảo sát đặc tính của mạch 44 Khuếch đại công suất loại B 46 2.1 Mạch khuếch đại đẩy kéo dùng biến áp 46 2.2 Các dạng mạch khuếch đại công suất loại B 47 Mạch khuếch đại công suất dùng Mosfet .48 3.1 Mạch điện 48 3.2 Đặc tính kỹ thuật 48 4.Thực hành .49 BÀI 4: MẠCH DAO ĐỘNG 51 Mạch dao động đa hài không ổn .51 1.1 Mạch dao động đa hài dùng Transistor .51 1.2 Mạch dao động đa hài dùng IC 555 52 1.3 Mạch dao động đa hài dùng cổng logic .54 Mạch đa hài đơn ổn 56 2.1 Mạch đa hài đơn ổn dùng Transistor 56 2.2 Mạch đa hài đơn ổn dùng IC 555 .57 Mạch đa hài lưỡng ổn .57 3.1 Mạch đa hài lưỡng ổn dùng Transistor 57 3.2 Mạch đa hài lưỡng ổn dùng IC 555 .58 Thực hành 59 BÀI 5: MẠCH ỨNG DỤNG DÙNG OP-AMP 61 Mạch khuếch đại 61 1.1.Mạch khuếch đại đảo 61 1.2 Mạch khuếch đại không đảo 63 Mạch cộng 64 2.1 Nguyên lý hoạt động của mạch cộng 64 Mạch trừ 65 3.1 Nguyên lý hoạt động của mạch trừ .65 3.2 Ứng dụng 66 4.Thực hành 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN Tên mô đun: MẠCH ĐIỆN TỬ Mã mô đun: MĐ20 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trị mơ đun: - Vị trí của mơ đun: Mơ đun bố trí dạy sau học xong môn học chuyên môn linh kiện điện tử, đo lường điện - điện tử, học sau mô đun kỹ thuật cảm biến, Lắp đặt, vận hành HTCĐT, Rơ bốt cơng nghiệp - Tính chất của mô đun: Là mô đun bắt buộc chương trình đào tạo nghề Cơ điện tử trình độ cao đẳng - Ý nghĩa của mô đun: giúp sinh viên nắm bắt cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ dùng vi mạch, mạch điện tử ứng dụng cơng nghiệp - Vai trị của mơ đun: khắc phục sửa chữa board điều khiển công nghiệp Mục tiêu mô đun: - Về kiến thức: + Phân tích nguyên lý số mạch ứng dụng mạch nguồn chiều, ổn áp, dao động, mạch khuếch đại tổng hợp - Về kỹ năng: + Thiết kế mạch điện ứng dụng đơn giản + Lắp ráp số mạch điện ứng dụng mạch nguồn chiều, ổn áp, dao động, mạch khuếch đại tổng hợp + Vẽ lại mạch điện thực tế xác, cân chỉnh số mạch ứng dụng đạt yêu cầu kỹ thuật an toàn, sửa chữa số mạch ứng dụng + Kiểm tra, thay mạch điện tử đơn giản yêu cầu kỹ thuật - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Có lực đánh giá kết học tập nghiên cứu của + Tự học tập, tích lũy kiến thức, kinh nghiệm để nâng cao trình độ chun mơn + Sinh viên có thái độ nghiêm túc, tỉ mỉ, xác học tập Nội dung mô đun: Thời gian (giờ) Thực S hành, thí Số Tên bài mơ đun Tổng Lý Kiểm nghiệm, TT số thuyết tra thảo luận, bài tập Bài 1: Mạch ổn áp 2 Khái niệm 0.5 0.5 1.1 Khái niệm ổn áp 1.2.Thông số kỹ thuật của mạch ổn áp Mạch ổn áp tham số 0.5 0.5 2.1 Mạch ổn áp tham số dùng diode zener 2.2 Mạch ổn áp tham số dùng transistor Mạch ổn áp có hồi tiếp 1 3.1 Các thành phần của mạch ổn áp 3.2 Mạch ổn áp kiểu bù 4 Thực hành Bài 2:Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT 1.1 Khái niệm 1.2 Mạch mắc theo kiểu EC, BC, CC 1.3.Thực hành Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET 2.1 Mạch khuếch đại cực nguồn chung 2.2 Mạch khuếch đại cực máng chung 2.3 Mạch khuếch đại cực cổng chung 2.4 Thực hành Mạch ghép transitor – hồi tiếp 3.1 Mạch ghép cascade 3.2 Mạch khuếch đại vi sai 3.3 Mạch khuếch đại Dalington 3.4.Hồi tiếp, trở kháng vào, của mạch khuếch đại 3.5.Thực hành Kiểm tra Bài 3: Mạch khuếch đại công suất Khuếch đại công suất loại A 1.1 Khái niệm 1.2 Khảo sát đặc tính của mạch Khuếch đại cơng suất loại B 2.1.Mạch khuếch đại đẩy kéo dùng biến áp 2.2.Các dạng mạch khuếch đại công suất loại B 3.Khuếch đại công suất dùng MOSFET 3.1.Mạch điện 3.2 Đặc tính kỹ thuật Thực hành Kiểm tra Bài 4: Mạch dao động Mạch dao động đa hài không ổn 1.1.Mạch dao động đa hài dùng Transistor 1.2 Mạch dao động đa hài dùng IC 555 1.3 Mạch dao động đa hài dùng cổng logic Mạch đa hài đơn ổn 2.1 Mạch đa hài đơn ổn dùng transistor 2.2 Mạch đa hài đơn ổn dùng IC 555 Mạch đa hài lưỡng ổn 3.1.Mạch đa hài lưỡng ổn dùng 20 10 4 3 20 10 3 3 4 1 1 2 1 1 transistor 3.2 Mạch đa hài lưỡng ổn dùng IC 555 Thực hành Bài 5: Mạch ứng dụng dùng op-amp Mạch khuếch đại 1.1 Mạch khuếch đại đảo 1.2 Mạch khuếch đại không đảo Mạch cộng 2.1 Nguyên lý hoạt động của mạch cộng 2.2 Ứng dụng Mạch trừ 3.1 Nguyên lý hoạt động của mạch trừ 3.2 Ứng dụng Thực hành Kiểm tra Cộng 4 2 1 1 60 3 30 27 BÀI 1: MẠCH ỔN ÁP Mã bài: MĐ20- 01 Giới thiệu: Nhiệm vụ của mạch ổn áp giữ cho điện áp đầu ổn định điện áp đầu vào thay đổi hay tải thay đổi Để đánh giá độ ổn định của mạch ổn áp người ta đưa hệ số ổn định điện áp Ku Mục tiêu: - Phân tích nguyên lý hoạt động, phạm vi ứng dụng của mạch ổn áp cấp nguồn - Đo đạc, kiểm tra, sửa chữa số mạch ổn áp theo yêu cầu kỹ thuật - Thiết kế, lắp ráp số mạch ổn áp theo yêu cầu kỹ thuật - Thay số mạch ổn áp hư hỏng theo số liệu cho trước - Chủ động, sáng tạo đảm bảo trình học tập Nội dung chính: Khái niệm 1.1 Khái niệm ổn áp Hệ số ổn định điện áp Ku nói lên tác dụng của ổn định đã làm giảm độ không ổn định điện áp tải lần so với đầu vào Độ không ổn định đầu vào Độ không ổn định điện áp đầu ∆ Uv , ∆Ur độ lệch lớn phía của điện áp đầu vào đầu so với giá trị định mức đầu vào, đầu Uvđm, Urđm - Dải ổn định Du, Di nói nên độ rộng của khoảng làm việc của ổn áp, ổn dòng - Hiệu suất: làm việc ổn định tiêu hao lượng điện chúng, hiệu suất của ổn định: Pr: Cơng suất có ích tải của ổn định PV : Công suất mà ổn định yêu cầu từ đầu Vào Pth: Công suất tổn hao ổn định 1.2 Thông số kỹ thuật mạch ổn áp Dải điện áp ngõ vào: Di Dòng điện vào: Ii Tần số: f Điện áp cung cấp ngõ ra: Uo Mạch ổn áp tham số 2.1 Mạch ổn áp tham số dùng diode zener 2.1.1 Mạch ổn áp dùng zener Hình 1.1: Mạch ổn áp dùng diode zener Mạch ổn áp tạo áp 33V cố định cung cấp cho mạch dò kênh ti vi màu Từ nguồn 110V không cố định thông qua điện trở hạn dòng R1 gim Dz 33V để lấy điện áp cố định cung cấp cho mạch dò kênh Khi thiết kế mạch ổn áp ta cần tính tốn điện trở hạn dịng cho dòng điện ngược cực đại qua Dz phải nhỏ dòng mà Dz chịu được, dòng cực đại qua Dz dòng qua R2 = Như sơ đồ dịng cực đại qua Dz sụt áp R1 chia cho giá trị R1, gọi dịng điện I1 ta có: I1 = (110 - 33) / 7500 = 77 / 7500 ~ 10Ma Thơng thường ta nên để dịng ngược qua Dz ≤ 25 mA 2.1.2 Mạch ổn áp có điều chỉnh Mạch ổn áp điều chỉnh điện áp ngõ có độ ổn định cao nhờ đường vòng hồi tiếp điện áp ngõ nên gọi ổn áp có hồi tiếp Hình 1.2: Mạch ổn áp có điều chỉnh Nhiệm vụ của linh kiện mạch sau: + Q1: Transistor ổn áp, cấp dòng điện cho mạch + Q2: Khuếch đại điện áp chiều + Q3: So sánh điện áp gọi dò sai + Rc: Trở gánh dòng + R1, R2: Phân cực cho Q2 + R3: Hạn dòng cấp nguồn cho Q3 + R4: Phân cực cho zener, tạo điện áp chuẩn cố định cho cực E Q gọi tham chiếu + R5, R6, Vr: cầu chia phân cực cho B Q3 gọi lấy mẫu + C1: Chống đột biến điện áp + C2: Lọc nguồn sau ổn áp cách li nguồn với điện áp chiều từ mạch Hoạt động mạch chia làm hai giai đoạn sau: Giai đoạn cấp điện: Là giai đoạn lấy nguồn cấp điện cho mạch thực gồm Rc, Q1, Q2, R1, R2 Nhờ trình cấp điện từ nguồn đến cực C của Q1, Q2 phân cực nhờ cầu chia điện áp R1, R2 làm cho hai transistor Q1, Q2 dẫn điện Trong Q2 dẫn điện phân cực cho Q1, dòng qua Q1 với dòng qua điện trở Rcgánh dòng cấp nguồn cho tải Trong mạch có dịng cung cấp thấp khơng cần điện trở gánh dòng Rc Giai đoạn ổn áp: Điện áp ngõ phần quay trở Q qua cầu chia R5, R6, Vr đặt vào cực B điện áp chân E giữ cố định nên điện áp cực C thay đổi theo điện áp cực B ngược pha, qua điện trở R đặt vào cực B Q2 khuếch đại điện áp chiều thay đổi đặt vào cực B của Q1 để điều chỉnh điện áp ngõ ra, cấp điện ổn định cho mạch Điện áp ngõ điều chỉnh khoảng 20% so với thiết kế nhờ biến trở Vr Hoạt động của Q1 mạch giống điện trở biến đổi để ổn áp Mạch ổn áp có dịng điện cung cấp cho mạch tương đối lớn lên đến vài Ampe điện áp cung cấp lên đến hàng trăm Volt Ưu nhược điểm: Mạch có ưu điểm dễ thiết kế, dễ kiểm tra, sửa chữa nhiên mạch có nhiều nhược điểm cụ thể mạch ổn định nguồn thay đổi, sụt áp nguồn tương đối lớn nên tổn thất công suất nguồn cao mạch có cơng suất lớn cần phải có thêm tản nhiệt nên cồng kềnh Không cách li nguồn nên Q1 bị thủng gây tượng áp mạch gây hư hỏng mạch điện, độ ổn định không cao 2.2 Mạch ổn áp tham số dùng transistor 2.2.1 Mạch ổn áp tham số Mạch lợi dụng tính ổn áp của diode zener điện áp phân cực thuận của Transistor để thiết lập mạch ổn áp (Hình 1.3) Hình 1.3: Mạch ổn áp tham số dùng Transistor NPN Q: Transistor ổn áp Rb: Điện áp phân cực B cho Transistor điode zener Ở mạch cực B của Transistor giữ mức điện áp ổn định nhờ diode zener điện áp ngõ điện áp của điện áp zener điện áp phân cực thuận của Transistor Vo  Vz  Vbe Vz: Điện áp zener Vbe: Điện áp phân cực thuận Transistor (0.5 – 0.8V) Điện áp cung cấp cho mạch lấy cực E của Transistor, tùy vào nhu cầu mạch điện mà mạch thiết kế có dịng cung cấp từ vài mA đến hàng trăm mA, mạch điện có dịng cung cấp lớn thường song song với mạch mắc thêm điện trở Rc khoảng vài chục đến vài trăm Ohm hình 1.4 gọi trở gánh dịng 10 Thật vậy, sau tụ C xả điện xong nạp điện lại qua R1 CE1 Với thời R1C Điện cực của T2 lúc tăng dần cực dương của tụ C đặt vào đạt giá trị lớn V T2 bắt đầu dẫn lại Trong lúc này, với tăng của dòng IC2 (do dòng IB2 tăng dần), điện áp Vr giảm xuống gần không, tức điện cực của T1 không, làm T1 tắt Như mạch đã trở trạng thái ban đầu với T1 tắt T2 bão hòa Vr = VCE2bh Trong khoảng thời gian ngắn, tụ C nạp trở lại từ nguồn V CC thông qua R1 mối nối BE của T2 dẫn để có điện áp xấp xỉ Vcc Mạch chờ đợi xung kích 2.2 Mạch đa hài đơn ổn dùng IC 555 Hình 4.11: Mạch đa hài đơn ổn dùng IC 555 Dạng sóng chân 2, Hình 4.12: Dạng sóng mạch đa hài đơn ổn dùng IC 555 Mạch đa hài lưỡng ổn 3.1 Mạch đa hài lưỡng ổn dùng Transistor Mạch dao động lưỡng ổn hay gọi mạch dao động hai trạng thái bền Trong mạch thiết kế cho Q1 Q2 làm việc vùng dẫn bão hòa Nguyên lý hoạt động: Giả sử ban đầu Q1 dẫn, Q2 tắt, lúc dòng cực B của transistor Q1 làm transistor Q1 tiếp tục dẫn Đồng thời, dòng I B2= cực B của transistor Q2 làm transistor Q2 tiếp tục tắt Do đó, khơng có tác động bên ngồi Q1 dẫn, Q2 tắt Vì vậy, trạng thái Q1 dẫn, Q2 tắt trạng thái ổn định của mạch 58 Để thay đổi trạng thái ta cấp xung âm vào Vi, làm V BE1> Ra (Ra ≠ 0)… Thực hành Bài thực hành số 1: Khảo sát mạch Op amp Cho mạch hình 4.17, với nguồn cung cấp VCC = ± 9V Các bước thực hiện: Bước 1: Lắp ráp mạch Bước 2: Vẽ dạng sóng điện áp tụ C V C VOUT Giải thích hoạt động của mạch Bước 3: Từ dạng sóng trên, tìm biểu thức chu kỳ T của VOUT Hình 4.17: Mạch dao động dùng IC 741 Bài thực hành số 2: Khảo sát mạch đa hài không ổn dùng Op amp Các bước thực hiện: Bước 1: Vẽ mạch, giải thích hoạt động của mạch, vẽ dạng sóng VC VOUT Bước 2: Từ dạng sóng trên, tìm biểu thức chu kỳ T của ngõ VOUT Bước 3: Xác định giá trị linh kiện để mạch có tần số ngõ f=5Khz; hệ số công tác q=70%; 60 Bài thực hành số 3: Khảo sát mạch dao động đơn ổn dùng Op amp Các bước thực hiện: Bước 1: Một mạch dao động đơn ổn có biên độ từ (0V đến + 5V) độ rộng xung Tx = giây.Vẽ dạng mạch giải thích Bước 2: Tính tốn giá trị linh kiện Những trọng tâm cần ý bài - Tần số dao động của mạch dao động đa hài - Dạng sóng ngõ của mạch dao động - Các KĐTT dùng ứng dụng tạo sóng, chúng thực chức tạo sóng sin, sóng vng, tam giác…với tần số thấp vài Hz đến tần số cao khoảng 20 KHz Bài tập mở rộng và nâng cao Bài tập: Mạch dao động dịch pha dùng IC 741như hình: Bước 1: Lắp mạch hình vẽ Bước 2: Dùng dao động ký đo, vẽ dạng sóng A,B,C,D,E Bước 3: Tính tần số dao động của mạch dao động dịch pha Yêu cầu đánh giá kết học tập bài Nội dung: - Về kiến thức: trình bày khái niệm, phân biệt khác của mạch đa hài bất ổn - đơn ổn – lưỡng ổn - Về kỹ năng: sử dụng thành thạo dụng cụ đo để đo hình dạng, biên độ, tần số của mạch đa hài cách xác - Về lực tự chủ trách nhiệm: Đảm bảo an toàn vệ sinh công nghiệp Phương pháp: - Về kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm - Về kỹ năng: Đánh giá kỹ thực đo thông số mạch điện theo yêu cầu của - Về lực tự chủ trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, xác, ngăn nắp công việc 61 BÀI 5: MẠCH ỨNG DỤNG DÙNG OP-AMP Mã bài MĐ20- 05 Giới thiệu: Bài học tập trung ứng dụng của khuếch đại thuật toán từ mạch làm toán cộng, trừ, mạch khuếch đại chiều, xoay chiều khả thực mạch lọc tín hiệu Kèm theo nội dung phần lý thuyết cịn có tập với mạch ứng dụng cụ thể Ngoài ra, việc rèn luyện kỹ tay nghề cịn thực thơng qua thực hành lắp ráp, phân tích mạch xưởng Mục tiêu: Học xong học viên có khả năng: - Phân tích nguyên lý hoạt động mạch khuếch đại đảo, mạch khuếch đại không đảo, mạch cộng, mạch trừ, mạch nhân, mạch chia - Tính tốn thơng số hoạt động của mạch khuếch đại thông dụng - Thiết kế mạch ứng dụng cho số mạch thông dụng - Kiểm tra, thay thế, sửa chữa, linh kiện hư hỏng - Tích cực học tập, rèn luyện Nội dung chính: Mạch khuếch đại 1.1.Mạch khuếch đại đảo 1.1.1 Nguyên lý hoạt động Hình 5.1 Mạch khuếch đại đảo Hệ số khuếch đại điện áp V của mạch tính với điều kiện khuếch đại thuật tốn lý tưởng có nghĩa Vo = ∞ re = ∞ Xét ngõ vào của mạch: UA = U D – U mà: UD = V đó: UA = - U2 Từ tính hệ số khuếch đại của mạch V= U A −U = UE U1 Vì re = ∞ nên dịng qua R1 dòng qua R2 Suy ra: V= −U −I R2 −R = = U1 I R1 R1 62 Từ công thức cho thấy hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại đảo phụ thuộc vào linh kiện ngồi hai điện trở R1 R2 dấu trừ chứng tỏ điện áp điện áp vào ngược pha Ví dụ: Cho mạch khuếch đại đảo với UE = 100 mV, UA = - V R1 = 10 K Ω Tìm hệ số khuếch đại V giá trị của R2? Giải: UA 2V =20 = U E 100 mV R V= R1 R2=V R1=20.10 KΩ=200 KΩ V= 1.1.2 Ký hiệu Hình 5.2 trình bày ký hiệu điện của mạch khuếch đại đảo nói Bảng tóm tắt thơng số quan trọng của mạch khuếch đại đảo dùng khuếch đại thuật toán Hình 5.2: Ký hiệu mạch khuếch đại đảo Bảng 1: Tóm tắt thơng số mạch khuếch đại đảo Hệ số khuếch đại điện áp V= Điện trở ngõ vào −R2 R1 ' r e =R ' r a =r a Điện trở ngõ V V0 Do cấu tạo của khuếch đại thuật toán gồm nhiều mạch khuếch đại liên lạc trực tiếp với nên khuếch đại thuật tốn có khả khuếch đại chiều có nghĩa giới hạn tần số thấp fmin = Hz giới hạn tần số cao fmax vào khoảng 1KHz Hình 5.3 mơ tả đáp ứng tần số của mạch khuếch đại thuật toán Hình 5.3: Đáp ứng tần số opamp 63 Từ hình 5.3 cho thấy phụ thuộc của hệ số khuếch đại V theo tần số của điện áp vào, hầu hết ứng dụng khuếch đại thuật toán ln làm việc chế độ có hồi tiếp âm mạch ngồi Vì hệ số khuếch đại giảm xuống giới hạn tần số cao tăng lên có nghĩa dải thơng của mạch trở nên rộng hơn, hình 5.3 cho thấy hệ số khuếch đại V= 10 dải thông b2 = 1MHz Đối với loại khuếch đại thuật tốn có giá trị fT tương ứng, giống transistor hệ số khuếch đại, giới hạn tần số cao tần số cắt fT có quan hệ với theo biểu thức: V.fmax = fT = số Vì fT khơng thay đổi nên tăng cao fmax phải giảm hệ số khuếch đại V Trên thực tế, đường đặc tính của Vo khơng tuyến tính hình 5.3 mà tồn sai lệch định, sai lệch giảm nhỏ mạch bù tần số ráp thêm bên thường điện dung mạch RC, giá trị của phần tử RC cho sổ tay của nhà sản xuất 1.2 Mạch khuếch đại không đảo 1.2.1 Ngun lý hoạt động Hình 5.4 Mạch khuếch đại khơng đảo Điện áp cần khuếch đại đưa vào ngõ vào không đảo E+ điện áp hồi tiếp phần của điện áp đưa vào ngõ vào đảo E- Giống trường hợp khuếch đại đảo, khuếch đại thuật toán xem lý tưởng, phương trình điện áp ngõ vào ngõ của mạch viết sau: UE = U D + U UA = U + U Vì UD = V nên phương trình trở thành UE = U UA = U + U Suy hệ số khuếch đại V V= U A U +U U2 = =1+ UE U1 U1 Vì dịng điện ngõ vào của khuếch đại thuật tốn xem nên dịng qua R1 R2 nhau, ta có: V =1+ R2 R1 Nhận xét: Hệ số khuếch đại dương ln lớn Do đó, tín hiệu vào đồng pha giá trị của V phụ thuộc vào hai điện trở R1 R2 Ưu điểm của mạch khuếch đại không đảo điện trở ngõ vào của mạch cao nên thường gọi tên mạch khuếch đại đo lường 1.2.2 Ký hiệu 64 Hình 5.5 Ký hiệu mạch khuếch đại khơng đảo Ví dụ: Cho mạch khuếch đại khơng đảo có sơ đồ hình 5.5 với điện trở R1=10 KΩ R2=200 KΩ Tìm hệ số khuếch đại V điện áp UE = 100 mV Giải V =1+ R2 200 KΩ =1+ =21 R1 10 KΩ U A =V U E =21.0,1V =2,1V Như đã nói trên, đặc điểm của mạch điện trở ngõ vào lớn Tuy nhiên, trường hợp mạch khuếch đại đảo chọn giá trị của R1 R2 cách thích hợp làm cho hệ số khuếch đại nhỏ 1, có nghĩa điện áp nhỏ điện áp vào Bảng sau trình bày số đặc tính quan trọng của mạch khuếch đại khơng đảo dùng khuếch đại thuật tốn Bảng 2: Tóm tắt thơng số mạch khuếch đại không đảo R2 R1 Hệ số khuếch đại điện áp V =1+ Điện trở ngõ vào r 'e =R GL V r 'a =r a V0 Điện trở ngõ Mạch cộng 2.1 Nguyên lý hoạt động mạch cộng Mạch khuếch đại đảo khuếch đại cộng nhiều nguồn điện áp đặt ngõ vào Hình 5.6 trình bày mạch cộng dùng khuếch đại đảo với hai điện áp ngõ vào (có thể nhiều cần thiết) Trong trường hợp khuếch đại đảo, ngõ vào E- xem điểm mass giả Do ta có quan hệ sau: I 1+ I 2=−I Hoặc U E U E −U A + = R1 R2 R3 Hình 5.6: Sơ đồ mạch cộng 65 Suy giá trị của UA −U A = R3 R3 U E 1+ U E R1 R2 Nếu chọn R1 = R2 = R, phương trình trở thành −U A = R3 (U ¿ ¿ E 1+U E )=V (U E 1+ U E 2)¿ R Kết cho thấy điện áp UA tỉ lệ với tổng số của hai điện áp vào V hệ số khuếch đại của mạch cộng, dấu trừ chứng tỏ mạch có góc pha ϕ= 1800.Trường hợp tổng quát −U A = R3 R3 R3 U E 1+ U E +…+ U En R1 R2 Rn 2.2 Ứng dụng Hình 5.7 Mạch cộng có hệ số khuếch đại thay đổi Hình 5.7 trình bày sơ đồ mạch cộng điều chỉnh được, với hệ số khuếch đại của ngõ vào điều chỉnh từ V = đến V = 10, điện áp tính sau: −U A = R7 R7 R7 U E + U E + U R 1+ R R + R4 R5 + R6 E Các biến trở tinh chỉnh R2, R4 R6 dùng để bảo đảm độ xác của mạch, điều kiện cần thiết điện trở của nguồn điện áp vào phải nhỏ, sử dụng thêm ngõ vào mạch phối hợp trở kháng đề cập sau R4 chỉnh điện áp offset R8 có tác dụng bù sai số gây dòng phân cực ngõ vào Mạch trừ 3.1 Nguyên lý hoạt động mạch trừ Mạch trừ kết hợp mạch khuếch đại đảo với mạch khuếch đại đo lường (khơng đảo) hình 5.8 trình bày sơ đồ mạch của mạch trừ 66 Hình 5.8 Sơ đồ mạch trừ Giả sử ngõ vào E2 masse điện áp vào đặt lên E1, theo kết của mạch khuếch đại đảo, ta được: U A= −R3 U E1 R1 Giả sử E1 masse điện áp vào đặt lên E2, theo kết của mạch khuếch đại khơng đảo ta có: U A =1+ R3 U R1 E2 Nếu hai E1 E2 ngõ vào, suy ra: U A =1+ R3 R U E − U E R1 R1 Như vậy, điện áp tỉ lệ với hiệu số của điện áp vào U E1 UE2 với hai hệ số khuếch đại khác 3.2 Ứng dụng Mạch hiệu chỉnh lại cách giảm thành phần điện áp vào UE2 với cầu phân áp gồm hai điện trở R2 R4 (hình 5.9) Lúc điện áp ngõ vào E+ U E+ ¿=U E R4 ¿ R2 +R Hình 5.9 Mạch trừ hiệu chỉnh Suy ra: 67 U A =1+ R3 R4 R U − UE R R2 + R E R1 Chọn R2 = R1; R4 = R3, phương trình trở thành: U A= U A= R3 R3 U E 2− U E R1 R1 R3 (U ¿ ¿ E 2−U E 1) ¿ R1 Với hệ số khuếch đại của mạch trừ là: R3 R1 4.Thực hành 4.1 Các bước khảo sát mạch khuếch đại Op amp thí nghiệm Lab-volt (91012-20) Các bước thực Bước 1: Đọc giá trị điện trở mạch để tính độ lợi điện áp Av Bước 2: Dùng máy phát tín hiệu cấp vi cho mạch, sau đo Vi, Vo suy Av So sánh giá trị Av đã tính giá trị Av đo Giá trị đọc Av (tính) Giá trị đo Av (đo) Bước 3: Cho giá trị điện áp ngõ vào khác lần lượt 1V, 2V, 4V sau tính đo điện áp Vo tương ứng VR1 VR2 68 VR3 Vo (tính) Vo (đo) 4.2 Sinh viên thực hành khảo sát Mạch khuếch đại đảo: (Inverting Amplifier) Thực trình tự theo bước điền kết vào bảng sau: Giá trị đọc Giá trị đo Av (tính) Av (đo) VR1 VR2 VR3 Vo (tính) Vo (đo) Mạch khuếch đại khơng đảo: (Non-Inverting Amplifier) Thực trình tự theo bước điền kết vào bảng sau: Giá trị đọc Giá trị đo Av (tính) Av (đo) VR1 VR2 VR3 Vo (tính) Vo (đo) Mạch cộng khuếch đại đảo: (Inverting Summing Amplifier) Thực trình tự theo bước điền kết vào bảng sau: Giá trị đọc Giá trị đo Av (tính) Av (đo) VR1 VR2 VR3 Vo (tính) Vo (đo) Mạch cộng khuếch đại khơng đảo: (Non-Inverting Summing Amplifier) Thực trình tự theo bước điền kết vào bảng sau: Giá trị đọc Giá trị đo Av (tính) Av (đo) 69 VR1 VR2 VR3 Vo (tính) Vo (đo) Những trọng tâm cần ý bài - Điện áp chiều cung cấp cho khuếch đại thuật toán điện áp đối xứng ± VS, thông thường sơ đồ mạch không vẽ chân cung cấp điện áp - Nhận dạng xác mạch khuếch đại đảo, khơng đảo, mạch cộng đảo, mạch cộng không đảo mạch trừ - Khuếch đại thuật tốn có hai ngõ vào ký hiệu E+ cịn gọi ngõ vào khơng đảo ngõ vào P (positive) ngõ vào E- gọi ngõ vào đảo ngõ vào N(negative) Tín hiệu ngõ vào khơng đảo pha với tín hiệu ngõ tín hiệu ngõ vào đảo ngược pha với tín hiệu ngõ Bài tập mở rộng và nâng cao Bài 1: Một mạch khuếch đại đảo có R0 = 50 KΩ; R1 = 400 KΩ Và UE = 1,5 V a) Dòng vào của mạch khuếch đại ? b) Điện trở tải RL dòng tải cho phép của mạch 18 mA Bài 2: Một mạch khuếch đại khơng đảo có R1 = 120 KΩ R0 = 47 KΩ Để điện áp – 5V điện áp vào phải ? Bài 3: Một mạch khuếch đại không đảo làm việc phạm vi tuyến tính với điện áp hai lần điện áp vào giá trị biến thiên từ - 9V đến + 9V, điện trở hồi tiếp R1 = 68 KΩ Tính: a) Điện trở R0 b) Giá trị đỉnh - đỉnh của điện áp vào Bài 4: Một mạch khuếch đại khơng đảo có R0 = 18 KΩ giá trị đỉnh - đỉnh của điện áp vào 4V, phạm vi tuyến tính của điện áp khoảng từ + 8V đến – 8V Tính điện trở hồi tiếp R1 Bài 5: Một mạch khuếch đại khơng đảo có R1 = 56 KΩ, phạm vi tuyến tính của điện áp khoảng từ - V đến + V, điện áp vào biến thiên từ - V đến + V Tính R0 Bài 6: Một mạch cộng gồm có điện trở ngõ vào R01 = 120 KΩ, R02 = 60 KΩ R03 = 12 KΩ, điện trở hồi tiếp R1 = 12 KΩ Tính điện áp tương ứng với điện áp vào UE1 = - V; UE2 = V UE3 = - V Bài 7: Một mạch cộng có R03 = 36KΩ, điện áp UA = - (0,1UE1 + 0,2UE2 + 0,4UE3), điện áp vào thay đổi từ 0V -10V Tính: a) Điện trở hồi tiếp R1 b) Các điện trở vào R01 R02 c) Điện áp lớn Bài 8: Một mạch cộng điện áp của microphone với hệ số khuếch đại A = 120, điện trở vào R01 = 4,2 KΩ, điện áp biến thiên khoảng 12V Tính: a) Điện trở hồi tiếp R1 b) Giá trị đỉnh - đỉnh lớn của điện áp vào Bài 9: Một mạch cộng có R1 = 120KΩ, R01 = 120KΩ, R02 = 60KΩ, R03 = 10KΩ nối đến điện áp vào UE1 = 0,2V; UE2 = 0,4V; UE3 = 50 mV Tính điện áp UA Bài 10: Một mạch cộng có điện áp UA = - (0,5UE1 + UE2 + 2UE3), điện trở vào nhỏ 25 KΩ Tính: 70 a) Tất điện trở mạch b) Giá trị lớn của UE3 UE1 UE2 biến thiên từ 0V đến – 2V điện áp cực đại Uamax = +12 V ? Yêu cầu đánh giá kết học tập bài Nội dung: - Kiến thức: Trình bày nguyên lý cấu tạo, đặc tính của khuếch đại thuật tốn, phân tích ngun lý hoạt động của mạch KĐ đảo - Kỹ năng: Nhận dạng loại IC khuếch đại thuật tốn thơng dụng thực tế, tính tốn thơng số hoạt động của mạch KĐ thông dụng trên, thiết kế mạch ứng dụng cho mạch ứng dụng - Năng lực tự chủ trách nhiệm: Tích cực, chủ động hợp tác học tập, tác phong công nghiệp Phương pháp: - Về kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm, giải tập lớp - Về kỹ năng: Đánh giá kỹ thực hành đo, tính tốn thông số mạch điện theo yêu cầu của - Về lực tự chủ trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, xác, ngăn nắp cơng việc - Điều kiện để hoàn thành mô đun để dự thi kết thúc mô đun: + Sinh viên tham dự 70% thời gian học lý thuyết đầy đủ học tích hợp, học thực hành, thực tập + Điểm trung bình chung điểm kiểm tra đạt từ 5,0 điểm trở lên theo thang điểm 10; + Sinh viên có giấy xác nhận khuyết tật theo quy định hiệu trưởng xem xét, định ưu tiên điều kiện dự thi sở sinh viên phải bảo đảm điều kiện điểm trung bình điểm kiểm tra + Số lần dự thi kết thúc mô đun theo quy định khoản Điều 13 Thông tư 09/2017/TT-BLĐTBXH, ngày 13 tháng năm 2017 - Điều kiện để công nhận, cấp chứng nhận đạt mô đun đào tạo: Sinh viên công nhận cấp chứng nhận đạt mô đun có điểm trung bình mơ đun theo thang điểm 10 đạt từ 4,0 trở lên 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sổ tay linh kiện điện tử cho người thiết kế mạch (R H.WARRING - người dịch KS Đoàn Thanh Huệ - nhà xuất Thống kê) [2] Giáo trình linh kiện điện tử Và ứng dụng (TS Nguyễn Viết Nguyên - Nhà xuất Giáo dục) [3] Kỹ thuật mạch điện tử (Phạm Xuân Khánh, Bồ Quốc Bảo, Nguyễn Viết Tuyến, Nguyễn Thị Phước Vân - Nhà xuất Giáo dục) [4] Kĩ thuật điện tử - Đỗ xuân Thụ NXB Giáo dục, Hà Nội, 2005 (Đỗ xuân Thụ - NXB Giáo dục) [5] Sổ tay tra cứu Transistor Nhật Bản (Nguyễn Kim Giao, Lê Xuân Thế) [6] Đề cương môđun/môn học nghề Sửa chữa thiết bị Cơ điện tử”, Dự án Giáo dục kỹ thuật Và Dạy nghề (VTEP), Tổng cục Dạy Nghề, Hà Nội, 2003 [7]Thiết kế Và xây dựng mạch điện quanh ta - Tăng Văn Mùi, Trần Duy Nam - NXB khoa học kỹ thuật [8] 110 mạch ứng dụng của op-amp - R M MARSTON 72