ÁO cáo THÍ NGHIỆM MẠCH điện tử KIỂM CHỨNG các MẠCH ỨNG DỤNG DÙNG OP AMP

Kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng Op – amp

Giới thiệu chung

Kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng Op – amp:

• Hiểu được nguyên lý hoạt động, cấu trúc và chức năng của từng mạch Op – amp khác nhau

Để lắp mạch trên module và mô phỏng mạch hiệu quả, cần sử dụng phần mềm LT Spice XVII nhằm kiểm chứng các mạch, đồng thời phân biệt rõ cực dương và cực âm để tránh nhầm lẫn Quan trọng là đảm bảo mạch được cấp nguồn DC ổn định.

• Biết cách sử dụng máy phát sóng, dao động kí để tạo sóng phù hợp đưa vào

Op-amp (sóng sin, sóng vuông, sóng tam giác) cho phép điều chỉnh biên độ ngõ vào nhằm đảm bảo ngõ ra không bị méo dạng Để quan sát hiệu quả trên dao động ký, cần điều chỉnh các thông số vol/div và time/div, sau đó vẽ lại dạng sóng một cách chính xác.

Bài viết này so sánh kết quả mô phỏng và lý thuyết của các mạch điện, bao gồm 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, cũng như mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác Qua đó, chúng tôi sẽ đưa ra nhận xét và kết luận về độ lợi áp và dạng sóng ngõ ra của từng mạch, giúp người đọc hiểu rõ hơn về sự khác biệt giữa lý thuyết và thực tiễn trong thiết kế mạch điện.

Phần mềm thí nghiệm: Ltspice

Các thí nghiệm cần kiểm chứng

Hình 2.1: Mạch khuếch đại đảo

• Phân tích lý thuyết và công thức tính toán

- Chức năng: Khuếch đại đảo điện áp ngõ vào ( tức ngõ ra ngược pha với ngõ vào)

Mạch bao gồm tín hiệu vào qua điện trở Ri kết nối với cổng đảo (V-), trong khi tín hiệu hồi tiếp qua điện trở R trở về cổng đảo Cổng không đảo (VF+) được nối đất để ổn định mạch.

Mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại áp ngõ ra chỉ phụ thuộc vào giá trị của R i và R F Do đó, việc lựa chọn linh kiện cho mạch là rất quan trọng Cần lưu ý rằng, với tính chất của mạch khuếch đại, điều kiện R F phải lớn hơn hoặc bằng R i.

- Điện áp ngõ ra ngược pha với điện áp ngõ vào

- Nếu R i = R F , mạch tạo tầng đảo lặp lại điện áp

- Áp dụng KCL tại nút : = A V

• Đồ thị từ lý thuyết phân tích

Sơ đồ mạch thí nghiệm trên LTspice (ứng với Rf = 1 2kΩ)

Sơ đồ mạch thí nghiệm trên LTspice (ứng với Rf = 22kΩ)

Hình 2.2: Mạch khuếch đại không đảo

- Chức năng: khuếch đại điện áp ngõ vào

- Cấu tạo: Tín hiệu vào kết nối với cổng không đảo Cổng đảo nối với đầu ra qua điện trở R và tiếp đất qua điện trở R F G

- Mạch có hệ số khuếch đại áp ngõ ra chỉ phụ thuộc vào các giá trị R G , R F Vì tích chất khuếch đại nên ta cần lưu ý chọn linh kiện có R F R G

- Điện áp ngõ ra cùng pha với điện áp ngõ vào

- Nếu R F = 0 => A V = 1 , mạch dùng làm bộ đệm, áp giữ nguyên giá trị ngõ vào, tổng trở vào lớn, tổng trở ngõ ra nhỏ

- Áp dụng KCL tại nút: 𝑉 𝑖

• Đồ thị từ lý thuyết phân tích

Sơ đồ mạch thí nghiệm trên LTspice (ứng với R F = 1 2kΩ)

Sơ đồ mạch thí nghiệm trên LTspice (ứng với R = 22kΩ) F

2.3 Mạch khuếch đại cộng điện áp

Hình 2.3: Mạch khuếch đại cộng điện áp

- Chức năng khuếch đại thuật toán cộng

- Mạch khuếch đại đảo với cửa đảo V s - nối với nhiều điện áp ngõ vào thông qua các điện trở R i

- Mạch khuếch đại tín hiệu ngõ ra bằng tổng các tín hiệu ngõ vào nhưng ngược pha

- V- (đảo) nối với một hai nhiều điện áp ngõ vào

- Áp dụng KCL cho nút tại cổng đảo :

𝑖 (𝑉 1 + 𝑉 2 ) Đồ thị phân tích lý thuyết của mạch khuếch đại cộng điện áp Op-amp:

Sơ đồ mạch thí nghiệm trên LTspice ( ứng với R = 12kΩ, V F 2 = 3V, V ip =1.5V)

Sơ đồ mạch thí nghiệm trên LTspice ( ứng với R = 22kΩ, V F 2 = 3V, V =1.5V) ip

• 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 được kết nối với điện trở hồi tiếp R - F, trong khi tín hiệu ngõ vào V đi qua điện trở R Cửa không đảo được mắc với điện trở R2 i2 F, song song với tín hiệu ngõ vào V qua điện trở R1 i1.

- Mạch khuếch đại có tín hiệu ngõ ra bẳng hiệu các tín hiệu ngõ vào

Ta có R i1 Đồ thị phân tích lý thuyết của mạch khuếch đại trừ điện áp Op-amp:

Sơ đồ mạch thí nghiệm trên LTspice ( ứng với R = 12kΩ, V F 2 = 3V, V =4V) ip

Sơ đồ mạch thí nghiệm trên LTspice ( ứng với R = 22kΩ, V F 2 = 1V, V =2V) ip

2.2 Với các mạch so sánh và tạo sóng

Mạch Op-amp hoạt động với cực đảo kết nối với điện thế so sánh V ref và cực thuận kết nối với điện thế chuẩn V Nhờ vào hệ số khuếch đại lớn, mạch khuếch đại i op-amp cung cấp tín hiệu ra V với các mức giá trị khác nhau, bắt đầu từ 0.

+ Khi V < V thì i ref 𝑉 0 = + 𝑉 𝑆𝑎𝑡 = 10.47V (nhờ mô phỏng mà nhóm đo được)

+ Khi V > V thì i ref 𝑉 0 = −𝑉 = −10 𝑆𝑎𝑡 47 𝑉 (nhờ mô phỏng mà nhóm đo được)

- Mạch tạo sóng vuông ở ngõ ra (có độ dốc nhỏ)

Sơ đồ mạch thí nghiệm trên LTspice ( ứng với V 2 = 5V, V =3V) ip

Sơ đồ mạch thí nghiệm trên LTspice ( ứng với V 2 = 5V, V =8V) ip

- Mạch so sánh có hai biên so sánh và vùng đệm giữ V TH và V TL

Mạch khuếch đại Op-amp có cấu trúc với cực đảo kết nối với tín hiệu ngõ vào V i, trong khi cực không đảo được nối với tín hiệu ngõ ra thông qua điện trở hồi tiếp R, đồng thời có điện trở F trở R G song song.

- Chức năng : Giống mạch so sánh nhưng có tính năng là lọc nhiễu

- Lý thuy t : ế 𝑉 + không là hằng số mà dao động trong khoảng (V TL , V TH ) :

Sơ đồ mạch thí nghiệm trên LTspice ( ứng với R = 12kΩ, V F ip =8V)

Sơ đồ mạch thí nghiệm trên LTspice ( ứng với R = 22kΩ,V F ip =8V)

• Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác

Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác bao gồm hai mạch chính Mạch 1, là mạch Schmitt Trigger, có điện áp V = 0 ở cực đảo, với điện áp S tại ngõ vào và điện áp ra V của mạch 2 kết nối vào cực thuận qua hồi tiếp R o1 F qua điện trở R i, dẫn đến việc ngõ ra V o1 bị méo dạng thành xung vuông Mạch 2 là mạch tích phân, với ngõ ra là hàm tích phân của ngõ vào, cực không đảo được nối đất, còn cực đảo nhận tín hiệu vào là điện áp ra V của mạch 1 thông qua điện trở R và tụ hồi tiếp o1 Điện áp ra của mạch này bằng tích phân điện áp vào và tỉ lệ nghịch với hằng số thời gian.

RC là hằng số thời gian

𝑅 𝑅.𝐶.(𝑉 𝐼 𝑠𝑎𝑡− −𝑉 𝑠𝑎𝑡+) 2 Đồ thị lý thuyết của mạch tạo sóng vuông-tam giác:

Sơ đồ mạch thí nghiệm trên LTspice ( ứ ng v i R ớ F = 22kΩ, R=5.6kΩ,C=0.22 𝝁 F)

Sơ đồ m ạ ch thí nghi m trên LTspice ( ng v i R ệ ứ ớ F = 68kΩ, RkΩ,C=0.047 𝝁 F)

3 Lựa chọn dữ kiện đầu vào và phương pháp đo đạc các đại lượng 3.1 Với các mạch khuếch đại

- Lắp mạch theo các sơ đồ mạch điện trên module

- Cấp nguồn DC cho các Op- amp : +12V và -12V

- Các 𝑅 𝑖 chọn 12k Ω, 𝑅 𝐹 chọn đo 2 lần trong giá trị 3 12k Ω, 22 kΩ

- Chọn Vi để Vo không bị méo dạng ( dựa vào điện áp ngưỡng ngõ ra): V sat+

- Đọc giá trị biên độ đỉnh – đỉnh của tín hiệu ngõ vào và ngõ ra trên dao động ký và điền kết quả thu được vào bảng số liệu

- Các thông số cài đặt:

• Ngõ vào xoay chiều sóng sine: Vin = V m.sin(2πft) V với f = 1kHz i

• Thời gian mô phỏng: 3ms

3.2 Với các mạch so sánh và tạo sóng

- Lắp mạch theo các sơ đồ mạch điện trên module

- Cấp nguồn DC cho các Op- amp : +12V và -12V

- Các 𝑅 𝑖 chọn 12k Ω, 𝑅 𝐹 chọn đo 2 lần 12kΩ và 22k Ω

- Quan sát các dạng sóng, tính độ lợi áp và so sánh kết quả thí nghiệm với lý thuyết

+ Mạch so sánh: Chọn giá trị V = 5V Chọn biên độ V ref i lần lượt lớn hơn

V ref và nhỏ hơn V để được 2 dạng sóng ngõ ra khác nhau ref

+ Mạch Schmitt Trigger: Với 𝑅 𝐹 = 12 𝑘𝛺 ,22kΩ 𝑉𝑖 ∈ (−8 𝑉 , 8 𝑉 ) + M ch t o sóng vuông và sóng tam giác: ch n ( ạ ạ ọ 𝑅 𝐹 , , 𝑅 𝐶 ) = (22 𝑘𝛺 , 5.6 𝑘𝛺 , 0.22 𝜇𝐹 ), (68 𝑘𝛺 , 10 𝑘𝛺 , 0.047 𝜇𝐹 )

4 Các kết quả thí nghiệm 4.1 Mạch khuếch đại đảo

Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp R = 12kΩ F

4.2 Mạch khuếch đại không đảo

Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp R G = 12 kΩ

Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp R G = 22 KΩ

Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp R F = 2 2kΩ

4.4 Mạch khuếch đại trừ điện áp

7.998V 5V Xung vuông (Chuyển mức tại V REF =5V)

Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp V ip = 3V

Dạng sóng ngõ vào/ra khi R = 12kΩ F

4.7 Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác

Dạng sóng ngõ vào/ra khi R = 22kΩ ,R=5.6kΩ,C=0.22 F μF

Dạng sóng ngõ vào/ra khi R hkΩ ,RkΩ,C=0.047 F μF

5 Phân tích so sánh và kết luận 5.1 Mạch khuếch đại đảo Theo lý thuyết:

Kết quả đo sóng ạ 𝑉 𝑖 và 𝑉 𝑜 cho thấy sự tương đồng với lý thuyết, với sai số chấp nhận được Điều này xuất phát từ sai số trên các linh kiện của bộ kit thí nghiệm và việc truy bắt điểm chưa được chính xác hoàn toàn.

5.2 Mạch khuếch đại không đảo Theo lý thuyết

→ Vậy kết quả dạng sóng 𝑉 𝑖 , 𝑉 𝑜 khảo sát giống với lý thuyết, tuy nhiên vẫn còn sai số do sai số của các linh kiện trong kit thí nghiệm

→ 𝑉 𝑜 có biên độ 𝑉 𝑜 m = 1.5 𝑉 ,A v = -1 dao độ ng tại vị trí cân b ng -3 ằ V, ngược pha 𝑉 𝑖 1

→ Kết quả khảo sát giống với lý thuyết và sai lệch rất nhỏ

→ 𝑉 𝑜 có biên độ 𝑉 𝑜 m = 2.75 𝑉 , A =-1.833 v dao động tại vị trí cân b ng -5.5V, ằ ngược pha v ới 𝑉 𝑖 1

→Kết quả khảo sát dạng đồ thị gần giống với lý thuyết, nhưng sai lệch rất lớn do sai số linh kiện trên kit thí nghiệm

→ 𝑉 𝑜 có biên độ 𝑉 𝑜 m = 4 𝑉 , dao độ ng t i v ạ ị trí cân bằng -3V, cùng pha 𝑉 𝑖 1

→ Kết quả khảo sát giống với lý thuyết và sai số rất nhỏ do kit thí nghiệm

→ 𝑉 𝑜 có biên độ 𝑉 𝑜 m = 3.667 𝑉 , dao độ ng t i v trí cân b ng -1.833V, cùng pha ạ ị ằ 𝑉 𝑖 1

→ Kết quả khảo sát gần giống với lý thuyết, sai lệch do sai số trên kit thí nghiệm

Theo lý thuy t: khi ế 𝑉 𝑖 > 𝑉 𝑟𝑒𝑓 thì 𝑉 𝑜 = 𝑉 sat- , khi khi 𝑉 𝑖 < 𝑉 𝑟𝑒𝑓 thì 𝑉 𝑜 = 𝑉 sat+

V im = 3: Biên độ V i < 5V nên tín hi ệu ngõ ra là đườ ng thẳng 𝑉 𝑜 =V sat+ 47

V im =8: Tín hi u ngõ ra là sóng vuông Khi > 5V ệ 𝑉 𝑖 𝑉 𝑜 = 𝑉 sat- =-10.47V ;

→ Kết quả khảo sát giống với lý thuyết sai số rất nhỏ ,

Mạch sẽ chuyển sang trạng thái bão hòa dương khi đạt tới giá trị V H

Mạch sẽ chuyển sang trạng thái bão hòa dương khi đạt tới giá trị V L

→ Kết quả khảo sát giống với lý thuyết và sai số rất nhỏ

→ Kết quả đo có sai lệch so với lý thuyết, nguyên nhân do sai số trên kit thí nghiệm, bắt điểm chưa chính xác

5.7 Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác Theo lý thuyết:

→ Vậy kết quả khảo sát sai lệch với lý thuyết vì sai lệch trên kit cũng nhủ bắt điểm chưa thật sự chính xác

Bài thí nghiệm mô phỏng các mạch khuếch đại Op-amp, bao gồm mạch khuếch đại đảo, không đảo, khuếch đại động điện áp, khuếch đại trừ điện áp, mạch so sánh, Schmitt Trigger, và mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác bằng phần mềm LTspice, giúp chúng ta hiểu rõ chức năng và đặc tính khuếch đại áp cũng như cách mắc mạch Mặc dù các linh kiện trên kit mô phỏng có sai số và việc truy bắt điểm đo trên đồ thị chưa hoàn toàn chính xác, nhưng đa phần các sai số này không lớn và có thể chấp nhận được.

Các kết quả thí nghiệm