Báo cáo thí nghiệm mạch điện tử bài 2 kiểm chứng mạch ứng dụng dùng op amp

Công thức: Độ lợi áp: Av = − RF Ri Cấu tạo: Mạch có tín hiệu vào qua điện trở Ri nối với cổng đảo V- , tại cổng ra tín hiệu hồi tiếp thông qua điện trở RF về cổng đảo.. Chức năng: Khuếc

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MẠCH ĐIỆN TỬ

BÀI 2: KIỂM CHỨNG MẠCH ỨNG DỤNG DÙNG

OP AMP

GVHD: Cô Nguyễn Thanh Phương

Nhóm: 08 – Lớp: L14 Danh sách sinh viên thực hiện:

2

MỤC LỤC

I Mục tiêu thí nghiệm: 4

II Thí nghiệm: 5

1 Mạch khuếch đại đảo 5

2 Mạch khuếch đại không đảo 7

3 Mạch khuếch đại cộng điện áp 9

4 Mạch khuếch đại trừ điện áp 12

5 Mạch so sánh 13

6 Mạch Schmitt Trigger: 15

7 Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác 17

3

4

I Mục tiêu thí nghiệm:

Bài thí nghiệm giúp sinh viên hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động và chức năng của các mạch ứng dụng Op-amp, kiểm chứng tính đúng đắn của các mạch ứng dụng Op-amp

Danh sách linh kiện trên Module: OP-AMP Circuits

Module: OP-AMP Circuits

5

II Thí nghiệm:

1 Mạch khuếch đại đảo.

Công thức: Độ lợi áp: Av = − RF

Ri

Cấu tạo: Mạch có tín hiệu vào qua điện trở Ri nối với cổng đảo (V- ), tại cổng ra tín

hiệu hồi tiếp thông qua điện trở RF về cổng đảo Cổng không đảo (V+ ) được nối đất Mạch có hệ số khuếch đại áp ngõ ra chỉ phụ thuộc vào các giá trị Ri, RF nên ta lưu ý trong quá trình chọn linh kiện lắp mạch, vì tính chất là mạch khuếch đại nên RF ≥ Ri

Chức năng: Khuếch đại đảo điện áp ngõ vào với hệ số Av, ngõ ra ngược pha với ngõ vào

Hình ảnh thí nghiệm: RF = 22kΩ

6

Hình ảnh thí nghiệm: RF = 68kΩ

Bảng số liệu:

Lần đo RF(kΩ) Vi (V) Vo (V) Av (Lý thuyết) Av (đo)

Nhận xét:

Kết quả đo gần giống với lý thuyết Ngõ ra Vo (màu vàng) ngược pha với ngõ vào Vi

(màu xanh) và được khuếch đại với hệ số Vo = Av.Vi

7

2 Mạch khuếch đại không đảo

Công thức: Độ lợi áp Av = 1 +RF

RG

Cấu tạo: Tín hiệu ngõ vào kết nối với cổng không đảo Cổng đảo nối với ngõ ra qua

điện trở RF, RG và nối đất Mạch có hệ số khuếch đại áp ngõ ra chỉ phụ thuộc vào các giá trị RG, RF trong quá trình chọn linh kiện lắp mạch, vì tính chất là mạch khuếch đại nên RF >= RG

Chức năng: Khuếch đại không đảo điện áp ngõ vào với hệ số 𝐴𝑣 , điện áp ngõ ra cùng pha với điện áp ngõ vào

Hình ảnh thí nghiệm: RF = 22kΩ

8

Hình ảnh thí nghiệm: RF = 68kΩ

9

Bảng số liệu:

Lần đo RF(kΩ) Vi (V) Vo (V) Av (Lý thuyết) Av (Đo)

Nhận xét:

Kết quả đo gần giống với lý thuyết Ngõ ra Vo (màu xanh)cùng pha với ngõ vào Vi (màu vàng) và được khuếch đại với hệ số Vo = Av.Vi

3 Mạch khuếch đại cộng điện áp

Công thức: Vo = −RF

Ri(V1+ V2)

Cấu tạo: Mạch khuếch đại đảo với cổng đảo V- nối với nhiều điện áp ngõ vào thông

qua các điện trở Ri

Chức năng: Mạch khuếch đại tổng điện áp đầu vào theo tỉ lệ của Ri1, Ri2 và RF và ngược pha với ngõ vào

Hình ảnh thí nghiệm: RF = 12kΩ

10

Hình ảnh thí nghiệm: RF = 22kΩ

11

Bảng số liệu:

Lần đo RF(kΩ) V1 (V) V2 (V) Vo (Lý thuyết) Vo (Đo)

Nhận xét:

Với RF = 12k, sóng ngõ ra Vo (màu xanh) ngược pha với ngõ vào Vi (màu vàng) và dịch xuống phía dưới trục hoành một khoảng -5.4V

Với RF = 22k, sóng ngõ ra Vo (màu xanh) ngược pha với ngõ vào Vi (màu vàng) và dịch xuống dưới trục hoành một khoảng -9.4V

Vậy kết quả đo gần giống với lý thuyết Dạng sóng ngõ ra và ngõ vào cùng pha, Vo được khuếch đại cho giá trị Vo = −RF

Ri (V1+ V2)

12

4 Mạch khuếch đại trừ điện áp

Công thức: Vo =RF

Ri(V1− V2)

Cấu tạo: Mạch khuếch đại với cửa đảo được nối với điện trở hồi tiếp RF, tín hiệu ngõ vào V2 qua điện trở Ri2 Cửa không đảo được mắc với điện trở RF song song với tín hiệu ngõ vào V1 qua điện trở Ri1

Chức năng: Khuếch đại độ chênh lệch điện áp giữa hai tín hiệu ngõ vào

Hình ảnh thí nghiệm: RF = 12kΩ

Hình ảnh thí nghiệm: RF = 22kΩ

13

Bảng số liệu:

Lần đo RF (kΩ) V1 (V) V2 (V) Vo (Lý thuyết) Vo (đo)

Nhận xét:

Với RF = 12k, sóng ngõ ra Vo (màu xanh) cùng pha với ngõ vào Vi (màu vàng) và dịch xuống phía dưới trục hoành một khoảng -4.4V

Với RF = 22k, sóng ngõ ra Vo (màu xanh) cùng pha với ngõ vào Vi (màu vàng) và dịch xuống dưới trục hoành một khoảng -8.2V

Vậy kết quả đo gần giống với lý thuyết Dạng sóng ngõ ra và ngõ vào cùng pha, Vo được khuếch đại cho giá trị Vo =RF

R i (V1− V2)

5 Mạch so sánh

Cấu tạo:

Mạch có cực đảo nối với điện thế so sánh Vref, cực thuận nối với điện thế chuẩn Vi Với giá trị rất lớn của hệ số khuếch đại, mạch khuếch đại Op-Amp cho tín hiệu ra Vo ở các mức giá trị:

+ Vo = Vsat+ khi Vi < Vref +

14

+ Vo = Vsat- khi Vi > Vref –

Nguyên lý hoạt động:

Giả sử rằng Vref <Vi, đầu vào không đảo của bộ so sánh nhỏ hơn đầu vào đảo, đầu ra sẽ

ở mức thấp - VCC Tăng điện áp Vref >Vi, điện áp đầu ra chuyển sang mức cao +VCC

Chức năng: So sánh độ lớn 2 điện áp ngõ vào Mạch tạo sóng vuông ở ngõ ra

Hình ảnh thí nghiệm: Vref >Vi

Hình ảnh thí nghiệm: Vref <Vi

15

Nhận xét:

Vref = 5V, Vi (màu vàng), Vo (màu xanh)

Trường hợp 1: Vi < Vref, dạng sóng Vo là một đường thẳng Vo = Vsat+

Trường hợp 2: Vi > Vref:

+ Vo = Vsat+ khi Vi < Vref +

+ Vo = Vsat- khi Vi > Vref –

6 Mạch Schmitt Trigger:

R G +R F

VL = Vsat− RG

RG + RF

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Mạch khuếch đại có cực đảo nối với tín hiệu ngõ vào so sánh Vi, cực không đảo nối với tín hiệu ngõ ra với điện trở hồi tiếp RF song song với điện trở RG

Mạch so sánh có hai biên so sánh và vùng đệm giữ VH và VL Cấp tín hiệu Vi vào chân

16

(-) của mạch, khi tín hiệu Vi vượt qua một ngưỡng VH nào đó thì ngõ ra Vo ở mức thấp, khi ngõ vào nhỏ hơn ngưỡng VL thì tín hiệu ngõ ra Vo ở mức cao

Nếu ngõ vào Vi nằm trong khoảng [VL;VH] thì ngõ ra luôn ở mức cao

Chức năng: Giống mạch so sánh nhưng có tính năng lọc nhiễu (mạch so sánh có phản

hồi)

Hình ảnh thí nghiệm:

Nhận xét:

Ngõ vào Vi (màu vàng), Vo (màu xanh)

Với RF=12kΩ

VH = Vsat+ RG

RG + RF = 12

12

12 + 12= 6(𝑉)

VL = Vsat− RG

RG+ RF = −12

12

12 + 12= −6(𝑉)

17

Sóng ngõ ra Vo có dạng xung vuông, với Vi > VH => ngõ ra ở mức thấp; Vi < VL => ngõ ra ở mức cao

Nếu ngõ vào Vi nằm trong khoảng [VL;VH] thì ngõ ra luôn ở mức cao

Kết quả mô phỏng đúng với lý thuyết

7 Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Mạch gồm 2 Op-amp mắc nối tiếp

+ Mạch Schmitt Trigger mức điện áp bằng 0 ở cực đảo, điện áp ngõ vào của mạch 2 là điện áp ra Vo1 mắc vào cực thuận có hồi tiếp RF qua điện trở Ri sao cho ngõ ra Vo1 bị méo dạng thành xung vuông

+ Mạch tích phân (ngõ ra là hàm tích phân ngõ vào) với cực không đảo nối đất, cực đảo với tín hiệu vào là điện áp ra Vo1 của mạch 1 qua điện trở R và tụ hồi tiếp Điện áp ra bằng tích phân điện áp vào, tỉ lệ nghịch với hằng số thời gian

Chức năng:

Tạo ra sóng vuông và sóng tam giác thông qua việc chuyển đổi giữa chúng Khi mạch Trigger Schmitt được nối nguồn, đầu ra của mạch ở mức thấp hoặc cao Khi đầu ra mạch ở mức thấp, đầu ra Vo2 sẽ là một đường dốc tăng Khi đầu ra Vo1 ở mức cao, bộ tích hợp Vo2 sẽ tạo ra đường dốc giảm

Phân tích hoạt động của mạch:

R=10kΩ, RF = 22kΩ, C = 0.22uF

VH = Vsat+ RG

R G +R F = 4.24V

VL = Vsat− RG

RG+RF = -4.24V

+ Giai đoạn 1:

Ngõ vào của mạch Trigger có giá trị bé hơn VH = 4.23V nên ngõ ra Vo của mạch là ngưỡng thấp: Vsat- = -4.23V

Ngõ ra Vo của mạch Trigger sau đó là ngõ vào của mạch tích phân, tín hiệu ngõ ra mạch

18

tích phân được tính theo công thức:

𝑉𝑜2 = − ∫ 𝑉𝑠𝑎𝑡−

𝑅𝑖𝑛𝐶𝑑𝑡

𝑡 0

+ 𝑉𝑐 =60000

11 𝑡 + 𝑉𝑐

Từ phương trình trên ta thấy Vo2 là một hàm bậc nhất tăng theo t

+ Giai đoạn 2:

Vo2 sau đó quay lại làm ngõ vào của mạch Schmitt Trigger, lúc này Vo2 đang là hàm bậc nhất tăng theo t Khi Vo2 đạt đến giá trị lớn hơn 4.23V thì Vo sẽ chuyển lên ngưỡng cao

Ngõ ra Vo1 của mạch Trigger sau đó là ngõ vào của mạch tích phân, tín hiệu ngõ ra mạch tích phân được tính theo công thức:

𝑉𝑜2 = − ∫ 𝑉𝑠𝑎𝑡+

𝑅𝑖𝑛𝐶𝑑𝑡

𝑡 0

+ 𝑉𝑐 = −60000

11 𝑡 + 𝑉𝑐

Từ phương trình trên ta thấy Vo2 là một hàm bậc nhất giảm theo t

Vo2 sau đó quay lại làm ngõ vào của mạch Schmitt Trigger, lúc này Vo2 đang là hàm bậc nhất giảm theo t Khi Vo2 đạt đến giá trị nhỏ hơn 4.23V thì Vo sẽ chuyển về Giai đoạn 1

Hình ảnh thí nghiệm:

Nhận xét:

Mạch tạo ra đúng dạng sóng vuông ở mạch 1 (ngõ ra V01) và sóng tam giác ở mạch 2 (ngõ ra V02) đúngvới lý thuyết