Bài 3 kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng opamp

- Chức năng của m ch: Khuạ ếch đại đảo ngõ vào, tạo ngõ ra ngược pha với ngõ vào và có biên độ tỉ lệ với ngõ vào bằng độ ợ l i áp.. Đồ thị dạng sóng mạch khu ếch đại đảo ngõ vào là song

Các thí nghi m ki m ch ệ ể ứng

M ch khu ạ ếch đại đảo

Mạch có tín hiệu vào qua điện trở Ri = 12kΩ kết nối với ngõ vào âm của OPAMP Tín hiệu đầu ra Vo được đưa trở lại ngõ vào âm thông qua một điện trở RF, trong khi ngõ vào dương của OPAMP được nối đất.

Chức năng của mạch khuếch đại đảo ngõ vào là tạo ra ngõ ra ngược pha với ngõ vào, có biên độ tỉ lệ với ngõ vào bằng độ lợi áp Nghiên cứu đặc tính biên độ và đáp ứng biên độ của ngõ ra dựa trên các thông số đã được lựa chọn.

 Độ lợi áp của b khuộ ếch đại đảo là Av = 𝑉𝑜 𝑉𝑖 = -1.833333

1.2 Kh o sát m ch thí nghi m trên LTspice ả ạ ệ

- Chọn 𝑅𝐹 = 𝑅5 = 22𝑘𝛺, 𝑅𝑖 = 𝑅1 = 12𝑘𝛺, Vi quét t -10 t i 10V ừ ớ Tiến hành v ẽ mạch trên LTspice và khảo sát các đặc tính ngõ vào, ra c a m ch khuủ ạ ếch đại đảo

Hình 1 Sơ đồ n i dây khố ảo sát đặc tuy n ngõ ra c a m ch khuế ủ ạ ếch đại đảo

Hình 2 Đồ thị đặc tuyến biên độ ngõ ra

- Vậy để ngõ ra không b méo d ng, mị ạ ạch OMAMP rơi vào vùng bão hòa thì ta cần đưa vào Vi song sine có biên độ: -5.6626506V< Vi < 5.7659208V

Hình 3 Đồ thị dạng sóng mạch khuếch đại đảo ngõ vào là song sin biên độ 7V

1.2.1.Vẽ đồ thị dạng song mạch khuếch đại đảo v i ngõ vào là song sine biên ớ độ

Hình 4 Sơ đồ khảo sát m ch khuạ ếch đại đảo ngõ vào là song sin biên độ 2V

0.0ms 0.3ms 0.6ms 0.9ms 1.2ms 1.5ms 1.8ms 2.1ms 2.4ms 2.7ms 3.0ms -12V

Hình 5 Đồ thị dạng sóng mạch khuếch đại đảo ngõ vào là song sine biên độ 2V

- Tính độ ợ l i áp từ đồ thị mô ph ng trên LTspice vỏ ới ngõ vào là song sine biên độ 2V

- Sai s v i tính toán lý thuy t là: Sai số ớ ế ố = | 1.8491−1.833333|

1.2.2 Vẽ đồ thị dạng song m ch khuạ ếch đại đảo với ngõ vào là song sine biên độ

0.0ms 0.3ms 0.6ms 0.9ms 1.2ms 1.5ms 1.8ms 2.1ms 2.4ms 2.7ms 3.0ms -4.2V

Hình 6 Sơ đồ khảo sát m ch khuạ ếch đại đảo ngõ vào là song sin biên độ 4V

Hình 7 Đồ thị dạng sóng mạch khuếch đại đảo ngõ vào là song sine biên độ 4V

- Sai s v i tính toán lý thuy t là: Sai số ớ ế ố = | 1.84905−1.833333|

Từ hai trường hợp đã khảo sát, chúng tôi kết luận rằng OPAMP trong thí nghiệm hoạt động phù hợp với lý thuyết đã đưa ra Tuy nhiên, OPAMP sử dụng trong thí nghiệm có sai số so với lý thuyết Nguyên nhân của sai số này là do sai số phân cực của mạch thí nghiệm, cũng như các sai số giá trị điện trở và các nguồn vào có nội trở chưa được tính đến.

M ch khu ạ ếch đại không đảo

- C u t o: tín hi u vào n i v i ngõ vào ấ ạ ệ ố ớ dương, ngõ vào âm nối đất qua điện trở

𝑅𝐺= k12Ω và n i vố ới ngõ ra qua điện tr Rở F

Chức năng của mạch khuếch đại là tăng cường điện áp mà không làm thay đổi pha của điện áp đầu ra so với đầu vào Bài viết sẽ khảo sát đặc tuyến biên độ và đáp ứng biên độ của đầu ra dựa trên các thông số đã được lựa chọn.

 Độ lợi áp của b khuộ ếch đại không đảo là Av = 𝑉𝑜

2.2 Kh o sát m ch thí nghi m trên LTspice ả ạ ệ

- Chọn 𝑅𝐹 = 𝑅5 = 22𝑘𝛺, 𝑅G = 𝑅1 = 12𝑘𝛺, Vi quét t -10 t i 10V Ti n hành vừ ớ ế ẽ

10 mạch trên LTspice và khảo sát các đặc tính ngõ vào, ra c a m ch khuủ ạ ếch đại không đảo

Hình 1 Sơ đồ n i dây khố ảo sát đặc tuy n ngõ ra c a m ch khuế ủ ạ ếch đại không đảo

Hình 2 Đặc tuyến biên độ ngõ ra

- Vậy để ngõ ra không b méo d ng, mị ạ ạch OMAMP rơi vào vùng bão hòa thì ta cần đưa vào Vi song sine có biên độ: -3.7693632V< Vi < 3.7349398V

Hình 3 D ng sóng m ch khuạ ạ ếch đại không đảo ngõ vào là song sin biên độ 4V

2.2.1 Vẽ đồ thị dạng song m ch khuạ ếch đại không đảo v i ngõ vào là song sine ớ biên độ 2V, f=1kHz

Hình 4 Sơ đồ khảo sát m ch khuạ ếch đại không đảo ngõ vào là song sin biên độ 2V

0.0ms 0.3ms 0.6m s 0.9ms 1.2ms 1 5ms 1.8ms 2.1m s 2.4ms 2.7ms 3.0m s -12V

Hình 5 Đồ thị dạng sóng mạch khuếch đại không đảo ngõ vào song sin biên độ 2V

- Sai s v i tính toán lý thuy t là: ố ớ ế

2.2.2 Vẽ đồ thị dạng song m ch khuạ ếch đại đảo với ngõ vào là song sine biên độ

Hình 6 Sơ đồ khảo sát m ch khuạ ếch đại không đảo ngõ vào là song sin biên độ 3V

Hình 7 Đồ thị dạng sóng mạch khuếch đại không đảo ngõ vào là song sin biên độ 3V

- Sai s v i tính toán lý thuy t là: ố ớ ế

Từ hai trường hợp khảo sát, chúng tôi kết luận rằng OPAMP trong thí nghiệm hoạt động phù hợp với lý thuyết đã đưa ra, mặc dù có sự sai lệch so với lý thuyết Nguyên nhân của sai số này chủ yếu do sai số phân cực của mạch thí nghiệm Các sai số giá trị điện trở và nguồn vào với nội trở chưa được tính đến cũng góp phần vào sự khác biệt này.

M ch khu ạ ếch đạ ộng điệ i c n áp

Cổng vào âm của OPAMP nhận nhiều điện áp đầu vào thông qua các điện trở Ri có giá trị 12kΩ Đầu ra của OPAMP được hồi tiếp về cổng vào âm thông qua điện trở RF, trong khi cổng vào dương được nối đất.

- Chức năng: Thực hi n khuệ ếch đạ ội c ng các ngõ vào Ngõ ra b ng t ng các tín ằ ổ hiệu ngõ vào nhưng ngược pha

Công th c tính toán Vo: ứ

3.2 Khảo sát m ch thí nghi m trên LTspice ạ ệ

Hình 1 M ch khạ ảo sát biên độ ngõ ra

- Vậy để ngõ ra không b méo d ng, mị ạ ạch OMAMP rơi vào vùng bão hòa thì ta cần đưa vào V1 song sine có biên độ: -15.24957V< V1 < 7.0567986V

Hình 3 M ch khuạ ếch đạ ộng điệi c n áp với ngõ vào V1 là song sin biên độ 8V

3.2.1 Kh o sát m ch khuả ạ ếch đạ ộng điệi c n áp với ngõ vào V1 là song sine biên độ

Hình 4 M ch khuạ ếch đạ ộng điệi c n áp v i ngõ vào V1 là song sin 2V ớ

0.0ms 0.3ms 0 6ms 0.9ms 1.2m s 1.5ms 1.8m s 2.1ms 2.4ms 2 7ms 3.0ms -11V

Hình 5 D ng song c a m ch khuạ ủ ạ ếch đạ ộng điệi c n áp

- Theo lý thuy t thì khi V1 là ngõ ế vào song sine biên độ 1V, f = 1 KHz thì ta có:

Vo = -V1 – 4 V o min = -6 và Vo max = -2 Vậy Vo(đ -đ) lý thuy t ế= 4

Sai s cố ủa trường hợp V1 là ngõ vào song sine biên độ 1V, f = 1 KHz là:

3.2.2 Kh o sát m ch khuả ạ ếch đạ ộng điệi c n áp với ngõ vào V1 là song sine biên độ

Hình 6 M ch khuạ ếch đạ ộng điệi c n áp v i ngõ vào V1 là song sin 5V ớ

Hình 7 D ng song c a m ch khuạ ủ ạ ếch đạ ộng điệi c n áp

- Theo lý thuyết thì khi V1 là ngõ vào song sine biên độ 1.5V, f = 1 KHz thì ta có:

Vo = -V1 – 4 V o min = -9 và Vo max = 1 Vậy Vo(đ-đ) lý thuyết = 10

Sai s cố ủa trường hợp V1 là ngõ vào song sine biên độ 1.5V, f = 1 KHz là:

Kết quả thí nghiệm cho thấy mạch hoạt động đúng chức năng, với dạng sóng ngõ ra phù hợp với hệ thống của mạch và cùng pha với dạng sóng ngõ vào, đúng theo lý thuyết Tuy nhiên, có sai số so với giá trị lý thuyết, đặc biệt là các sai số về giá trị điện trở và các nguồn vào chưa được tính toán.

M ch khu ạ ếch đại trừ điện áp

Mạch khuếch đại Op-amp có cấu trúc với cửa đảo nối với điện trở h i ti p RF, nhận tín hiệu đầu vào V2 qua điện trở Ri2 Đồng thời, cửa không đảo được kết nối với điện trở RF song song với tín hiệu đầu vào V1 qua điện trở Ri1.

- Chức năng: mạch khuếch đại theo thu t toán tr , ngõ ra b ng hi u các tín hi u ậ ừ ằ ệ ệ ngõ vào

Công th c lý thuyứ ết:

Ri1=Ri2=Ri, suy ra 𝑉 𝑜 = 𝑅 𝑅 𝐹

4.2 Kh o sát m ch khuả ạ ếch đại trừ điện áp b ng LTspice ằ

4.2.1 Kh o sát m ch khuả ạ ếch đại trừ điện áp v i Rớ F kΩ, V 2 =5V

Hình 1 Sơ đồ n i dây khố ảo sát biên độ ngõ ra

Vậy để kh o sát ngõ ra ả 𝑣 𝑜 không b méo dị ạng thì ta đưa ngõ vào 𝑣 𝑖 n m trong vùng ằ tuyến tính: 𝑣𝑖≤ |−5.96|

Tiến hành kh o sát m ch khuả ạ ếch đại tr v i ngõ vào V sóng Sine vừ ớ 1 ới biên độ 5V, tần s 1 kHz ố

Hình 3 M ch khuạ ếch đại trừ điện áp v i ngõ vào Vớ 1 có biên độ 5V, 1 kHz

Hình 4 D ng sóng ngõ ra c a m ch khuạ ủ ạ ếch đại trừ điện áp

- Theo lý thuy t thì khi V là ngõ vào song sine ế 1 biên độ 5V, f = 1 KHz thì ta có:

Vo = V 5 V1 –  o min = -10 V và Vo max = 0 V V y Vậ o(đ-đ) lý thuy ết V

4.2.2 Kh o sát m ch khu ch i trả ạ ế đạ ừ điện áp v i Rớ F " kΩ, V 2 =5V

Hình 5 Sơ đồ n i dây khố ảo sát biên độ ngõ ra

Vậy để kh o sát ngõ ra ả 𝑣 𝑜 không b méo dị ạng thì ta đưa ngõ vào 𝑣 𝑖 n m trong vùng ằ tuyến tính: 𝑣𝑖≤ |−0.73|

Tiến hành kh o sát m ch khuả ạ ếch đại tr v i ngõ vào V sóng Sine vừ ớ 1 ới biên độ 0.5V, t n s 1 kHz ầ ố

Hình 7 M ch khuạ ếch đại trừ điện áp v i ngõ vào Vớ 1 có biên độ 0.5V, 1 kHz

Hình 8 D ng sóng ngõ ra c a m ch khuạ ủ ạ ếch đại trừ điện áp

- Theo lý thuy t thì khi Vế 1 là ngõ vào song sine biên độ 1V, 1 kHz thì ta có:

 Vo min = -4.587V và Vo max = -2.754 V V y Vậ o(đ-đ) lý thuyết =1.833 V

4.3 Nh n xét v kậ ề ết quả

Sóng ngõ vào và ngõ ra có pha ngược nhau nhưng luôn duy trì khoảng cách cố định khi đo trong chế độ DC Nghiệm được xác định chính xác theo phép toán lý thuyết.

M ch so sánh ạ

5.1 Sơ đồ mạch và các gi i thuyết c n kiểm chả ầ ứng

C u t o: Mạch so sánh OP-AMP thực hiện việc so sánh hai mức điện áp tương tự, một mức là điện áp đầu vào và mức còn lại là điện áp tham chiếu V_ref đã được đặt trước Dựa vào kết quả so sánh này, mạch sẽ tạo ra tín hiệu đầu ra tương ứng.

Bộ so sánh Op-Amp là một mạch tương tự hoạt động trong vùng phi tuyến tính (chế độ vòng hở) Khi điện áp đầu vào Vi lớn hơn điện áp tham chiếu Vref, đầu ra sẽ đạt mức VCC Ngược lại, nếu Vi nhỏ hơn Vref, đầu ra sẽ bằng -Vcc.

Hình 1: D ng ngõ ra c a m ch so sánh Op-Amp ạ ủ ạ

- Với sơ đồ như hình 2: Nếu Vi > Vref ng v i Vo=Vsat-ứ ớ Ngược lại V0=Vsat+

- Sơ đồ ạch đi dây với ngõ vào Vi là điệ m n áp m t chi u ộ ề

Hình 3: Mạch đi dây với Vi DC

Hình 4: K t qu dế ả ạng sóng ngõ ra Vout khi Vi thay đổi từ -4 đến 10v

- Sơ đồ đi dây với ngõ vào Vi là điện áp xoay chiều

Hình 5: Mạch đi dây với Vi là d ng áp xoay chi u ạ ề

Hình 6: K t qu d ng sóng ngõ ra Vo ế ả ạ

Khi điện áp đầu vào Vi nhỏ hơn điện áp tham chiếu Vref, điện áp đầu ra sẽ bằng Vsat Ngược lại, khi Vi lớn hơn Vref, điện áp đầu ra sẽ vượt quá giá trị bão hòa của bộ khuếch đại Kết quả kiểm tra cho thấy sự phù hợp với lý thuyết đã đề ra.

M ch Schmitt Trigger ạ

6.1 Sơ đồ mạch và các gi thuyết c n kiểm chả ầ ứng

Mạch Schmitt Trigger là một mạch so sánh đảo với phản hồi dương, trong đó điện áp Vi được kết nối trực tiếp với ngõ vào âm của Op-Amp Ngõ ra dương được nối với điện trở RG có giá trị 12kΩ nối đất, và tín hiệu ngõ ra hồi tiếp được đưa về ngõ vào dương thông qua điện trở RF.

- Chức năng: Chuyển đổ ấ ỳ ạng sóng đầi b t k d u vào có hình dạng đều đặn hay bất thường thành điện áp hoặc xung sóng vuông

- Công thức tính toán ngưỡng điện áp:

+ Điện áp ngưỡng trên: H Sat G

Hình 2: D ng sóng ngõ ra theo lý thuyạ ết.

6.2 Mô ph ng m ch và ki m chỏ ạ ể ứng

- Với R F 12kta có m ch mô phạ ỏng như sau:

Hình 3: M ch mô ph ng vạ ỏ ới R F 12k

Hình 4: Hình xác định Vh

Hình 6: D ng ngõ ra khi sóng vào là sóng sin ạ

- K t qu tính toán lý thuy t và k t quế ả ế ế ả đo đạc được có giá tr sai lị ệch không đáng kể Mạch hoạt động đúng chức năng.

M ch t o sóng vuông và sóng tam giác ạ ạ

- C u t o: G m mấ ạ ồ ạch Schmitt Trigger n i v i m ch tích phân ố ớ ạ

Mạch Schmitt Trigger là một mạch điện tử có khả năng chuyển đổi tín hiệu đầu vào thành tín hiệu đầu ra vuông, với điện áp ngõ ra Vo1 được điều chỉnh để giảm thiểu độ méo Mạch này hoạt động với điện áp ngưỡng 0V tại cực đảo và sử dụng hồi tiếp RF qua điện trở Ri để ổn định tín hiệu.

Mạch tích phân là một loại mạch điện có chức năng tích phân tín hiệu vào, với đầu ra là hàm tích phân của tín hiệu này Mạch sử dụng cực không đảo nối đất và cực đảo để điều chỉnh điện áp ra Vo1 thông qua điện trở R Điện áp đầu ra được tính bằng cách tích phân điện áp đầu vào theo thời gian, giúp xử lý và phân tích tín hiệu một cách hiệu quả.

𝑉 𝑜2 = 𝑅𝐶 1 ∫ 𝑉 0 𝑡 𝑜𝑑𝑡;  = RC là h ng sằ ố thời gian

V    V   Với RFh kΩ, Ri kΩ, theo lý thuyết:

- Chọn R = R 11 kΩ, C = 0.22uF để1 điều chỉnh hằng số thời gian

- M ch Schmitt Trigger : th c hi n mạ ự ệ ạch tương tự ục (f) để m tín hi u ngõ ra méo ệ dạng thành xung vuông

7.2 Kh o sát m ch t o sóng vuông và sóng tam giác b ng LTspice: ả ạ ạ ằ

Hình 1 M ch t o sóng vuông và sóng tam giác trên LTspice ạ ạ

Hình 2 D ng sóng ngõ ra c a V và Vạ ủ o1 o2

Mạch tạo ra đúng sóng vuông và sóng tam giác đúng theo lý thuyết t ừ hai loại opamps tích phân và so sánh.

Tiêu đề	Kiểm Chứng Các Mạch Ứng Dụng Dùng Opamp
Tác giả	Nguyễn Ngọc Khang, Huy Huỳnh Quang Huy
Người hướng dẫn	Nguyễn Phước Bảo Duy
Trường học	Đại học Quốc gia Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh
Thể loại	bài
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	37
Dung lượng	3,07 MB