Chương 4: OPAMP và ứng dụng docx

K K ỹ ỹ thu thu ậ ậ t t ñi ñi ệ ệ n n t t ử ử Nguyễn Duy Nhật Viễn Chương Chương 4 4 OPAMP OPAMP v v à à ứ ứ ng ng d d ụ ụ ng ng N N ộ ộ i dung i dung  Khái niệm OPAMP  Ứng dụng  Mạch khuếch ñại không ñảo  Mạch khuếch ñại ñảo  Mạch khuếch ñại ñệm  Mạch cộng ñảo  Mạch trừ  Mạch tích phân  Mạch vi phân Kh Kh á á i ni i ni ệ ệ m OPAMP m OPAMP OPAMP (Operational Amplifier) OPAMP (Operational Amplifier)  Khuếch ñại: Biến ñổi tín hiệu ngõ vào thành tín hiệu ngõ ra cùng dạng nhưng có biên ñộ lớn hơn.  Khuếch ñại thuật toán: bộ khuếch ñại ñược sử dụng với mục ñích thực hiện phép tính toán học.  OPAMP là một mạch tích hợp IC (Integrated Circuit) tuyến tính (cho tín hiệu tương tự).  IC tích hợp nhiều linh kiện thành một mạch thực hiện một chức năng nhất ñịnh. OPAMP OPAMP • i (+) , i (-) : dòng vào OP-AMP ở ngõ vào không ñảo và ñảo. • v id : ñiện áp vào giữa hai ngõ vào không ñảo và ñảo của OPAMP. • +V S , -V S : nguồn DC cung cấp, thường là +15V và –15V • R i : ñiện trở vào • A : ñộ lợi của OPAMP. Với OPAMP lý tưởng, ñộ lợi bằg vô cùng. • R O : ñiện trở ra của OPAMP, lý tưởng bằng 0. • v O : ñiện áp ra; v O = A OL v id trong ñó, A OL ñộ lợi ñiện áp vòng hở +V +V S S - - V V S S v v id id Inverting Inverting Noninverting Noninverting Output Output + + _ _ i i ( ( - - ) ) i i (+) (+) v v O O = = A A d d v v id id R R O O A A R R i i N N P P OPAMP OPAMP  ðặc trưng của OPAMP lý tưởng:  R i = ∞  R o = 0  A OL = ∞  Băng thông phẳng và rộng vô cùng.  Ổn ñịnh nhiệt.  Cân bằng lý tưởng Ứ Ứ ng d ng d ụ ụ ng ng M M ạ ạ ch khu ch khu ế ế ch ñ ch ñ ạ ạ i không ñ i không ñ ả ả o o  v in : ñiện áp vào.  v o : ñiện áp ra.  R F : ñiện trở hồi tiếp.  R 1 : ñiện trở lấy tín hiệu.  Giả sử OPAMP là lý tưởng:  A OL =∞. v id = v o /A OL nên v v id id =0 =0  R in = ∞. i(+) = i( i(+) = i( - - ) = ) = v id /R in = 0 0  Áp dụng KVL:  v in =v id +v 1 =v 1.  Áp dụng KCL cho nút N:  i F =i 1 +i (-) =i 1.  (v o -v 1 )/R F =v 1 /R 1 .  v 0 = v in + v in R F  R 1   ði ði ệ ệ n n á á p ra: p ra:   v v o o = v = v in in R R F F + 1 + 1   R R 1 1 + _ v in + + - v O v id i (+) i (-) i O i F R F R 1 i 1 _ v F + _ v 1 + _ i L N P ` ðộ lợi ñiện áp vòng kín A V M M ạ ạ ch khu ch khu ế ế ch ñ ch ñ ạ ạ i ñ i ñ ả ả o o  v in : ñiện áp vào.  v o : ñiện áp ra.  R F : ñiện trở hồi tiếp.  R 1 : ñiện trở lấy tín hiệu.  Giả sử OPAMP là lý tưởng:  A OL =∞. v id = v o /A OL ⇒ v v id id =0 =0  R in = ∞. i (+) = i (-) = v id /R in ⇒ i i (+) (+) = i = i ( ( - - ) ) = = 0 0  Áp dụng KCL cho nút N:  I 1 =i F +i (-) =i F.  v in /R 1 =(v id -v o )/R F .   ði ði ệ ệ n n á á p ra: p ra:   v v o o = = - - v v in in R R 1 1   R R F F  ðộ lợi vòng kín: Av = R F /R 1 + + _ _ v v O O + + - - v v in in + + _ _ R R 1 1 i i 1 1 R R F F i i F F N N P P M M ạ ạ ch khu ch khu ế ế ch ñ ch ñ ạ ạ i ñ i ñ ệ ệ m m  R F =0.  R 1 =∞.  v o =v in. + + _ _ v v in in + + + + - - v v O O v v id id i i (+) (+) i i ( ( - - ) ) i i O O _ _ i i L L N N P P + + _ _ v v in in = = v v o o v v in in + + _ _ + + - - v v O O  R F =0.  R 1 =0.  v o =v in. ð ð ộ ộ l l ợ ợ i ñi i ñi ệ ệ n n á á p vòng k p vòng k í í n: Av = Ai = 1 n: Av = Ai = 1 •Thường sử dụng ñể phối hợp trở kháng. •Trở kháng vào rất lớn. •Trở kháng ra rất bé. •Không suy giảm tín hiệu, ñặc biệt với tín hiệu nhỏ. M M ạ ạ ch c ch c ộ ộ ng không ñ ng không ñ ả ả o o  Giả sử OPAMP là lý tưởng:  A OL =∞. v id = v o /A OL ⇒ v v id id =0 =0 ⇒ v v N N =v =v P P =v =v  R in = ∞. i (+) = i (-) = v id /R in ⇒ i i (+) (+) = i = i ( ( - - ) ) = = 0 0  Áp dụng KCL cho nút N:  I=i F +i (-) =i F.  v/R=v F /R F =(v-v o )/R F .  v=v o R/(R+R F ).  Áp dụng KCL cho nút P:  i 1 +i 2 + +i n =i (+) =0.  (v 1 -v)/R 1 +(v 2 -v)/R 2 + +(v n -v)/R n =0.  v 1 + v 2 + + v n = v 1 + 1 + +1  R 1 R 2 R n R 1 R 2 R n  Suy ra:  v 1 + v 2 + + v n  v o = (R+R F ) R 1 R 2 R n  R 1 + 1 + +1  R 1 R 2 R n + _ v 1 + - v O v id i (+) i (-) i O i F R F R i v F + _ v + _ i L N P v 2 v n R 1 R 2 R n i 1 i n i 2 v1-vn: các nguồn tín hiệu vào. M M ạ ạ ch c ch c ộ ộ ng ñ ng ñ ả ả o o v 1 -v n : các nguồn tín hiệu vào.  Giả sử OPAMP là lý tưởng:  A OL =∞. v id = v o /A OL ⇒ v v id id =0 =0 ⇒ v v N N =v =v P P =0 =0  R in = ∞. i (+) = i (-) = v id /R in ⇒ i i (+) (+) = i = i ( ( - - ) ) = = 0 0  Áp dụng KCL cho nút P:  i1+i2+ +in=i(+)+iF=iF.  v1+ v2 + + vn = vO  R1 R2 Rn RF  Suy ra:  vo= -R F v1+ v2 + + vn  R1 R2 Rn + + _ _ v v O O + + - - R R F F i i F F N N P P v v 1 1 v v 2 2 v v n n R R 1 1 R R 2 2 R R n n i i 1 1 i i n n i i 2 2 i (-) i (+) M M ạ ạ ch tr ch tr ừ ừ  Giả sử OPAMP là lý tưởng:  A OL =∞. v id = v o /A OL ⇒ v v id id =0 =0 ⇒ v v N N =v =v P P  R in = ∞. i (+) = i (-) = v id /R in ⇒ i i (+) (+) = i = i ( ( - - ) ) = = 0 0  Áp dụng KCL tại nút N:  i 1 =i F +i (-) =i F .  (v 2 -v N )/R 1 =(v N -v O )/R 2 .  v O =v N (R 1 +R 2 )/R 1 -v 2 R 2 /R 1 .  Áp dụng KLC tại nút P:  i 2 =i 4 +i (+) =i 4.  (v 1 -v P )/R 3 =v P /R 4 .  v P =v 1 R 4 /(R 3 +R 4 ).  Suy ra:  v o =v 1 R 4 (R 1 +R 2 ) - v 2 R 2  (R 3 +R 4 ) R 1. R 1  Nếu chọn R 1 =R 3 , R 2 =R 4 thì + + _ _ v v O O + + - - R R 2 2 i i F F N N P P v v 2 2 v v 1 1 R R 1 1 R R 3 3 i i 1 1 i i 2 2 R R 4 4 i (+) i (-) i i 4 4 )vv( R R v 21 1 2 o −= M M ạ ạ ch t ch t í í ch phân ch phân  v in : ñiện áp vào.  v o : ñiện áp ra.  R F : ñiện trở hồi tiếp.  R 1 : ñiện trở lấy tín hiệu.  Với i C =CdU c /dt  Giả sử OPAMP là lý tưởng:  A OL =∞. v id = v o /A OL ⇒ v v id id =0 =0  R in = ∞. i (+) = i (-) = v id /R in ⇒ i i (+) (+) = i = i ( ( - - ) ) = = 0 0  Áp dụng KCL cho nút N:  I=i C +i (-) =i C.  v in /R=Cd(v id -v o )/dt=Cdv o /dt   ði ði ệ ệ n n á á p ra: p ra:   t t   v v o o = = - - 1 v 1 v in in dt +U dt +U 0 0   RC RC 0 0   V V ớ ớ i U i U 0 0 : : ñi ñi ệ ệ n n á á p ban ñ p ban ñ ầ ầ u u trên t trên t ụ ụ C C + + _ _ v v O O + + - - v v in in + + _ _ R R i i C C i i C C N N P P M M ạ ạ ch vi phân ch vi phân  v in : ñiện áp vào.  v o : ñiện áp ra.  R F : ñiện trở hồi tiếp.  R 1 : ñiện trở lấy tín hiệu.  Với i C =CdU c /dt  Giả sử OPAMP là lý tưởng:  A OL =∞. v id = v o /A OL ⇒ v v id id =0 =0  R in = ∞. i (+) = i (-) = v id /R in ⇒ i i (+) (+) = i = i ( ( - - ) ) = = 0 0  Áp dụng KCL cho nút N:  i C =i+i (-) =i .  Cd(v id )/dt=v o /R   ði ði ệ ệ n n á á p ra: p ra:   v v o o = = - - RCdv RCdv in in   dt dt + + _ _ v v O O + + - - v v in in + + _ _ R R i i N N P P C C i i C C . ñịnh. OPAMP OPAMP • i (+) , i (-) : dòng vào OP-AMP ở ngõ vào không ñảo và ñảo. • v id : ñiện áp vào giữa hai ngõ vào không ñảo và ñảo của OPAMP. • +V S , -V S : nguồn DC cung cấp, thường là +15V và. K K ỹ ỹ thu thu ậ ậ t t ñi ñi ệ ệ n n t t ử ử Nguyễn Duy Nhật Viễn Chương Chương 4 4 OPAMP OPAMP v v à à ứ ứ ng ng d d ụ ụ ng ng N N ộ ộ i dung i dung  Khái niệm OPAMP  Ứng dụng  Mạch khuếch ñại không ñảo  Mạch khuếch. phân  Mạch vi phân Kh Kh á á i ni i ni ệ ệ m OPAMP m OPAMP OPAMP (Operational Amplifier) OPAMP (Operational Amplifier)  Khuếch ñại: Biến ñổi tín hiệu ngõ vào thành tín hiệu ngõ ra cùng dạng nhưng