báo cáo thí nghiệm mạch điện tử kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng op amp

So sánh thực nghiệm và lý thuyết các 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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ



BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MẠCH ĐIỆN TỬ BÀI 3: KIỂM CHỨNG CÁC MẠCH ỨNG DỤNG DÙNG OP – AMP

LỚP L – NHÓM 06 04 NGÀY NỘ P: 04/04/2024 Giảng viên hướng dẫ NGUYỄN THANH PHƯƠNG n:

Sinh viên thực hiện Mã sinh viên số Điểm số

Thành ố Hồ Chí Minh – 2024 ph

MỤC L C Ụ

1 Mục đích của thí nghiệm 2

2 Các giả thuyết cần kiểm chứng 2

2.1 Với các mạch khuếch đại 2

2.1.1 Mạch khuếch đại đảo 2

2.1.2 Mạch khuếch đại không đảo 3

2.1.3 Mạch khuếch đại cộng điện áp 3

2.1.4 Mạch khuếch đại trừ điện áp 4

2.2 Với các mạch so sánh và tạo sóng 4

2.2.1 Mạch so sánh 4

2.2.2 Mạch Schmitt Trigger 5

2.2.3 Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác 6

3 Lựa chọn dữ kiện đầu vào và phương pháp đo đạc các đại lượng 6

3.1 Với các mạch khuếch đại 6

3.2 Với các mạch so sánh và tạo sóng 7

4 Các kết quả thí nghiệm 7

4.1 Mạch khuếch đại đảo 7

4.2 Mạch khuếch đại không đảo 9

4.3 Mạch khuếch đại cộng điện áp 10

4.4 Mạch khuếch đại trừ ện ápđi 12

4.6 Mạch Schmitt Trigger 15

4.7 Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác 17

1 Mục đích của thí nghiệm

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

Biết cách lắp mạch trên module để được các mạch cần kiểm chứng, phân biệt cực đảo, cực đảo để tránh nhầm lẫn Ngoài ra, ta cần đảm bảo mạch được 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 vuông, sóng tam giác), điều chỉnh biên độ ngõ vào để ngõ ra không méo dạng, quan sát trên dao động kí, điều chỉnh vol/div, time/div để quan sát thuận tiện rồi

vẽ lại dạng sóng

So sánh thực nghiệm và lý thuyết các 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 vuông và sóng tam giác, rồi đưa ra nhận xét và kết luận

2 Các giả thuyết cần kiểm chứng

2.1 Với các mạch khuếch đại

2.1.1 Mạch khuếch đại đảo

Chức năng: Khuếch đại đảo điện áp ngõ

vào (tức ngõ ra ngược pha với ngõ vào)

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 R về cổng đảo F

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 R ≥ RF i

Điện áp ngõ ra ngược pha với điện

áp ngõ vào

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

Áp dụng KCL tại nút: 𝑉𝑖

𝑅 𝑖= −𝑉𝑜

𝑅 𝐹 ⇒ 𝑉𝑜

𝑉 𝑖= −𝑅𝐹

𝑅 𝑖= 𝐴𝑣

Trong đó RLđóng vai trò là trở hồi tiếp âm, khi RLtăng thì 𝐴𝑣giảm

Hình 2.1 Mạch khuếch đại đảo

2.1.2 Mạch khuếch đại không đảo

Chức năng: khuếch đại điện áp ngõ vào

Tín hiệu vào kết nối với cổng không

đảo Cổng đảo nối với đầu ra qua điện trở RF

và tiếp đất qua điện trở Ri

Mạch có hệ số khuếch đại áp ngõ ra chỉ

phụ thuộc vào các giá trị RG, R Vì tínF h chất

khuếch đại nên ta cần lưu ý chọn linh kiện có

R F≥ RG

Điện áp ngõ ra cùng pha với điện áp ngõ

vào

Nếu RF = 0 => AV= 1, mạch dùng làm

bộ đệm, áp giữ nguyên giá trị ngõ vào, tổng trở

vào lớn, tổng trở ngõ ra nhỏ

R Lđóng vai trò là trở hồi tiếp âm dùng để tăng độ lợi AV

Áp dụng KCL tại nút: 𝑉𝑖

𝑅 𝐺=𝑉𝑖 −𝑉 𝑜

𝑅 𝐹 ⇒ 𝑉𝑜

𝑉 𝑖= 1 +𝑅𝐹

𝑅 𝐺= 𝐴𝑣

2.1.3 Mạch khuếch đại cộng điện áp

Chức năng khuếch đại thuật toán cộng.:

Mạch khuếch đại đảo với cửa đảo Vs-

nối với nhiều điện áp ngõ vào thông qua các

điện trở Ri

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:

𝑉1

𝑅𝑖1+𝑅𝑉2

𝑖2+ 𝑉𝑅0

𝐹= 0 ⇒ 𝑉0= − (𝑅𝑅𝐹

𝑖1𝑉1+𝑅𝑅𝐹

𝑖2𝑉2)

Ta có: 𝑅𝑖1= 𝑅𝑖2= 𝑅𝑖 ⇒ 𝑉0= −𝑅𝐹

𝑅 𝑖(𝑉1+ 𝑉2)

Hình 2.2 Mạch khuếch đại không đảo

Hình 2.3 Mạch khuếch đại cộng điện áp

2.1.4 Mạch khuếch đại trừ điện áp

Chức năng: mạch khuếch đại theo thuật

toán trừ

Mạch khuếch đại Op - Amp với cửa đảo

được nối với điện trở hồi tiếp R tín hiệu ngõ F,

vào V2 qua điện trở Ri2 Cửa không đảo được

mắc với điện trở R song song với tín hiệu ngõ F

vào V 1qua điện trở Ri1.

Mạch khuếch đại có tín hiệu ngõ ra bằng

hiệu các tín hiệu ngõ vào

Ta có:

𝑉+= 𝑉1𝑅𝐹+ 𝑅𝑅𝐹𝑖1; 𝑉−=𝑅𝐹 𝑉 2 +𝑅 𝑉 𝑖2 0

𝑅 𝐹 + 𝑅 𝑖2

Mà: 𝑉+= 𝑉− ⇒ 𝑅𝑖2

𝑅 𝐹 + 𝑅 𝑖2 𝑉0= 𝑉1𝑅𝐹𝑅+ 𝑅𝐹 𝑖1− 𝑅𝐹 𝑉2

𝑅 𝐹 + 𝑅 𝑖2

Ta có: 𝑅𝑖1= 𝑅𝑖2= 𝑅𝑖 ⇒ 𝑉0=𝑅𝐹

𝑅 𝑖(𝑉1− 𝑉2)

2.2 Với các mạch so sánh và tạo sóng

2.2.1 Mạch so sánh

Hình 2.5 Mạch so sánh

Mạch Op - Amp có cực đảo nối với điện thế so sánh Vref, cực thuận nối với điện thế chuẩn V Với giá trị rất lớn của hệ số khuếch đại, mạch khuếch đại i Op- Amp cho tín hiệu ra V ở các mức giá trị0 :

• Khi Vi < V refthì 𝑉0 = +𝑉𝑆𝑎𝑡 = 10 𝑉 (thực tế nhóm đo được)

• Khi Vi > V refthì 𝑉0 = −𝑉𝑆𝑎𝑡 = −10 (thực tế nhóm đo được)𝑉

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

• Khi v2 > v , v 1 0dần về vH(+vsat)

• Khi v2 < v , v 1 0dần về vL (-vsat)

Hình 2.4 Mạch khuếch đại trừ điện áp

2.2.2 Mạch Schmitt Trigger

Mạch so sánh có hai biên so sánh và vùng

đệm giữ VTH và V TL

Mạch khuếch đại Op - Amp, cực đảo nối

với tín hiệu ngõ vào so sánh V , cực không đảo i

nối với tín hiệu ngõ ra với điện trở hồi tiếp RF

song song với điện trở RG

Chức năng: Giống mạch so sánh nhưng có

tính năng là lọc nhiễu

Lý thuyết: 𝑉+ không là hằng số mà dao

động trong khoảng (VTL, VTH):

𝑉𝑇𝐿=𝑅 + 𝑅𝑅𝐹

𝑅 + 𝑅𝐺 𝐹 10𝑉

Hình 2.6 Mạch Schmitt Trigger

2.2.3 Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác

Hình 2.7 Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác

+ Mạch 1: Mạch Schmitt Trigger mức điện áp VS- = 0 ở cực đảo, điện áp ngõ vào

là điện áp ra Vo1 của mạch 2 mắc vào cực thuận có hồi tiếp RFqua điện trở Risao cho ngõ

ra Vo1bị méo dạng thành xung vuông

+ Mạch 2: 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, t lỉ nghịch với h ng s ệ ằ ố thời gian 𝞽

𝑉𝑂2= −𝑅𝐶1∫ 𝑉01 𝑂1𝑑𝑡 ; 𝞽 = RC là hằng số thời gian

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 𝑅𝑖chọn 12k, 𝑅𝐹 chọn đo 2 lần 12k và 22k 

Cho 𝑉𝑖 vào CH1, 𝑉0 vào CH2 của dao động ký, quan sát các dạng sóng, tính độ lợi

áp và so sánh kết quả thí nghiệm với lý thuyết

Chọn 𝑉𝑖 để 𝑉0không bị méo dạng (dựa vào điện áp ngưỡng ngõ ra):

• Mạch khuếch đại đảo: 𝑅𝐹 = 12𝑘𝛺 ; 𝑅𝐹 = 22𝑘𝛺

• Mạch khuếch đại không đảo: 𝑅𝐹 = 12𝑘𝛺 ; 𝑅𝐹 = 22𝑘𝛺

• Mạch khuếch đại cộng điện áp: 𝑅𝐹 = 12𝑘𝛺 ; 𝑅𝐹 = 22𝑘𝛺

• Mạch khuếch đại trừ điện áp: 𝑅𝐹 = 12𝑘𝛺; 𝑅𝐹 = 22𝑘𝛺

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

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 𝑅𝑖chọn 12k, 𝑅𝐹 chọn đo 2 lần 12k và 22k 

Cho 𝑉𝑖 vào CH1, 𝑉0 vào CH2 của dao động ký, quan sát các dạng sóng, tính độ lợi

áp và so sánh kết quả thí nghiệm với lý thuyết

Chọn 𝑉𝑖thích hợp:

• Mạch so sánh: Chọn giá trị Vref= 5V Chọn biên độ 𝑉𝑖 lần lượt lớn hơn Vref

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

• Mạch Schmitt Trigger: Với 𝑅𝐹 = 12𝑘𝛺 , 𝑉𝑖 ∈ (−6𝑉 𝑉, 6 ); với 𝑅𝐹 = 22𝑘𝛺,

𝑉𝑖 ∈ (−4.23𝑉; 4.23𝑉)

• Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác: chọn (𝑅 ,𝐹 𝑅, ) = (22𝐶 𝑘𝛺, 5.6𝑘𝛺, 0.22𝜇𝐹), (68𝑘𝛺, 10𝑘𝛺, 0.047𝜇𝐹)

4 Các kết quả thí nghiệm

4.1 Mạch khuếch đại đảo

Hình 4.1 Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp 𝑅𝐹 = 12𝑘𝛺

Hình 4.2 Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp 𝑅𝐹 = 22𝑘𝛺

Phân tích, so sánh và kết luận:

Theo lý thuyết: 𝐴𝑣= −𝑅𝐹

𝑅𝑖

• 𝑅𝐹 = 12𝑘𝛺 ⇒ 𝐴𝑣= −𝑅𝐹

𝑅𝑖= −1212= −1

% sai số =|𝐴𝑣 đ𝑜−𝐴 𝑣 𝑙𝑡

𝐴 𝑣 𝑙𝑡 |.100%=|(−1)−(−1)−1 |.100%=0%

• 𝑅𝐹 = 22𝑘𝛺 ⇒ 𝐴𝑣= −𝑅𝐹

𝑅 𝑖= −2212= −1.83

% sai số =|𝐴𝑣 đ𝑜−𝐴 𝑣 𝑙𝑡

𝐴𝑣𝑙𝑡 |.100%=|(−1.86)−(−1.83)−1.83 |.100%=1.6%

⇒ Vậy kết quả dạng sóng 𝑉𝑖, 𝑉𝑜 khảo sát giống với lí thuyết, sai số rất nhỏ do

Op - Amp hoạt động tốt

4.2 Mạch khuếch đại không đảo

Hình 4.4 Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp 𝑅𝐹 = 22𝑘𝛺

Phân tích, so sánh và kết luận:

Theo lý thuyết: 𝐴𝑣= 1 +𝑅𝐹

𝑅 𝑖

• 𝑅𝐹 = 12𝑘𝛺 ⇒ 𝐴𝑣= 1 +𝑅𝐹

𝑅 𝑖= 1 +1212= 2

% sai số =|𝐴𝑣 đ𝑜−𝐴 𝑣 𝑙𝑡

𝐴𝑣𝑙𝑡 |.100%=|2.02−22 |.100%= 1%

• 𝑅𝐹 = 22𝑘𝛺 ⇒ 𝐴𝑣= 1 +𝑅𝐹

𝑅 𝑖= 1 +2212= 2.8333

% sai số =|𝐴𝑣 đ𝑜−𝐴 𝑣 𝑙𝑡

𝐴 𝑣 𝑙𝑡 |.100%=|2.85−2.83332.8333 |.100%= 0.59%

⇒ Vậy kết quả dạng sóng 𝑉𝑖, 𝑉𝑜 khảo sát giống với lí thuyết, sai số rất nhỏ do Op-Amp hoạt động tốt

4.3 Mạch khuếch đại cộng điện áp

Hình 4.5 Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp 𝑅𝐹 = 12𝑘𝛺

Hình 4.6 Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp 𝑅𝐹 = 22𝑘𝛺

Phân tích, so sánh và kết luận:

Theo lý thuyết: 𝑉𝑜= −𝑅𝐹

𝑅(𝑉1+ 𝑉2)

⇒ Vocó biên độ Vo-pp 5.12= V và dao động tại vị trí cân bằng -5V, ngược pha với V1

⇒ Kết quả khảo sát gần với lý thuyết với sai số: |5.2−5.125.12 | 100% = 1.56%

+ Với RF = 22k , R = 12k , V = 0.7Ω i Ω 1 cos(𝜔𝑡) (V), V = 5V: 2

⇒ 𝑉𝑜= −𝑅𝑅𝐹

𝑖(𝑉1+ 𝑉2) = − 2212[0.7 cos(𝜔𝑡) + 5] = 1.28cos(𝜔𝑡+ 𝜋 − 9.) 17 (𝑉)

⇒ Vocó biên độ Vo-pp = 2.56V và dao động tại vị trí cân bằng -9.17V, ngược pha với

V1

⇒ Kết quả khảo sát gần với lý thuyết với sai số: |2.6−2.562.56 | 100% = 1.56%

4.4 Mạch khuếch đại trừ điện áp

Hình 4.7 Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp 𝑅𝐹 = 12𝑘𝛺

Hình 4.8 Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp 𝑅𝐹 = 22𝑘𝛺

Phân tích, so sánh và kết luận:

Theo lý thuyết: 𝑉𝑜=𝑅𝐹

𝑅 𝑖(𝑉1− 𝑉2) + Với RF = 12k , R = 12k , V Ω i Ω 1= 2.54cos(𝜔𝑡) (V), V2 = 5V:

⇒ 𝑉𝑜=𝑅𝑅𝐹

𝑖(𝑉1− 𝑉2) = 1212[2.56cos(𝜔𝑡)− 5] = 2 cos(𝜔𝑡) − 5 (𝑉) 54

⇒ Vocó biên độ Vo-pp 5.08= V và dao động tại vị trí cân bằng -5V, cùng pha với V1

⇒ Kết quả khảo sát gần với lý thuyết với sai số: |5.2−5.085.08 | 100% = 2.36%

+ Với RF = 22k , R = 12k , V = 0.54Ω i Ω 1 cos(𝜔𝑡) (V), V2 = 5V:

⇒ 𝑉𝑜=𝑅𝐹

𝑅𝑖(𝑉1− 𝑉2) = 2212[0.54cos(𝜔𝑡)− 5] = 0 cos(𝜔𝑡) − 9 (𝑉) 99 17

⇒ Vocó biên độ Vo-pp 1.98= V và dao động tại vị trí cân bằng -9.17V, cùng pha với V1

4.5 Mạch so sánh

Hình 4.9 Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp 𝑉𝑖 lớn hơn Vref

Hình 4.10 Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp 𝑉𝑖 bé hơn ref V

Phân tích, so sánh và kết luận:

Theo lí thuyết: Vi lớn hơn Vref thì Vo= VL( mức điện áp thấp), khi Vi bé hơn Vref thì Vo= VH( mức điện áp cao)

Chọn ref = 5V:V

• 𝑉𝑖= 8.2𝑉 𝑘ℎ𝑖 Vi> 5V thì Vo= VL, Vi< 5V thì Vo= VH

⇒ Kết quả khảo sát giống với lí thuyết

• 𝑉𝑖= 4.4𝑉 𝑣ì Vi< 5V nên Vo= VH

⇒ Kết quả khảo sát giống với lí thuyết

4.6 Mạch Schmitt Trigger

Hình 4 11 Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp 𝑅𝐹 = 12𝑘𝛺

Hình 4.12 Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp 𝑅𝐹 = 22𝑘𝛺

Phân tích, so sánh và kết luận:

Theo lí thuyết:

𝑅 + 𝑅𝐺 𝐹 −10𝑉 ; 𝑉𝑇𝐻= 𝑅𝐹

𝑅 + 𝑅𝐺 𝐹 10𝑉

- Khi 𝑉𝑖> 𝑉𝑇𝐻: 𝑉𝑂= 𝑉𝑆𝐿(bão hòa âm)

- Khi 𝑉𝑖< 𝑉𝑇𝑙: 𝑉𝑂= 𝑉𝑆𝐻(bão hòa dương)

Cả ần đo: 𝑉2 l 𝑆𝐻= 10𝑉; 𝑉𝑆𝐿= −10𝑉

• 𝑅𝐹 = 12𝑘𝛺:

𝑅 + 𝑅𝐺 𝐹 𝑉𝑆𝐻=12 1212+ 10𝑉 = 5𝑉

𝑉𝑇𝐿=𝑅 + 𝑅𝑅𝐹

𝐺 𝐹 𝑉𝑆𝐿=12 1212+ −10𝑉 = −5𝑉

- Khi 𝑉𝑖> 5: 𝑉𝑂= −10𝑉

- Khi 𝑉𝑖< 5: 𝑉𝑂= 10𝑉

⇒ Kết quả ảo sát gần giống với lí thuyết.kh

• 𝑅𝐹 = 22𝑘𝛺:

𝑉𝑇𝐻=𝑅 + 𝑅𝑅𝐹

𝐺 𝐹 𝑉𝑆𝐻=22 1212+ 10𝑉 = 3, 𝑉 53

𝑉𝑇𝐿=𝑅 + 𝑅𝑅𝐹

𝐺 𝐹 𝑉𝑆𝐿=22 1212+ −10𝑉 = − 3, 𝑉 53

⇒ Kết quả đo có sai lệch so với lí thuyết, nguyên nhân do sai số dụng cụ đo và nhầm lẫn khi đọc các giá trị trên máy phát sóng, cursor của biên độ và của thời gian không thể ển thị cùng lúc để đọc chính xác các giá trị củhi a 𝑉𝑇𝐻, 𝑉𝑇𝐿

4.7 Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác

Hình 4.13 Trường hợp (𝑅 , 𝑅, 𝐶)𝐹 = ( 22k𝛺, 5.6k𝛺, 0.22µF)

Phân tích, so sánh và kết luận:

Với 𝑅𝐹 = 12 , = 𝑘𝛺 𝑅i 12𝑘𝛺

Theo lí thuyết:

𝑉𝑇𝐻=𝑅𝑅𝑖

𝐹 𝑉𝐻=12 1022 𝑉 = 5, 𝑉 45

𝑉𝑇𝐿=𝑅𝑖

𝑅𝐹 𝑉𝐿=2212 −10𝑉 = −5, 𝑉 45

⇒ Vậy kết quả khảo sát sai lệch với lí thuyết do tín hiệu qua các Op - Amp bị delay thời gian và quá trình nạp xả củ ụ ện không đồng đều.a t đi