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

LỚP L15 - NHÓM 04 - HK 202

Thành ph H Chí Minh 2021 ố ồ –

2

MỤC L C Ụ

I Giới thiệu chung 3

II Các thí nghi m ki m ch ệ ể ứng 4

1 M ch khu ạ ếch đại đảo 4

2 M ch khu ạ ếch đại không đảo 9

3 M ch khu ạ ếch đạ ộng điệ i c n áp 14

4 M ch khu ạ ếch đại trừ điện áp 19

5 M ch so sánh ạ 25

6 M ch Schmitt Trigger ạ 29

7 M ch t o sóng vuông và sóng tam giác ạ ạ 34

III K t lu ế ận 37

Những s liệu sai l ch khi tính toán lý thuyố ệ ết và đo được trên thực tế đã đưa ra nhiều câu h i giúp các thành viên trong nhóm tìm hi u và hiỏ ể ểu thêm hơn về sự sai số trong môi trường thực tế, từ đó đưa ra hướng khác phục và giải quyết chung cũng như

để lại nhiều kinh nghi m quý báo cho nh ng l n báo cáo s p tệ ữ ầ ắ ới

Trong quá trình thí nghi m, bài thí nghiệ ệm đã giúp các bạn hiểu và thành th o các ạthao tác trong vi c s d ng các thi t bệ ử ụ ế ị đo trong phòng thí nghi m ( h p thí nghiệ ộ ệm chính,máy đo đa năng Fluke, máy dao động ký…) cũng như trong thao tác thực hi n lệ ắp mạch và thực hiện đo đạc để ấ l y số liệu c n thiầ ết

 Phần m m thí nghi ề ệm: LTspice XVII

 Module thí nghiệm: OPAMPLABSN002

 Danh sách linh ki n trong bài thí nghi ệ ệm:

4

II Các thí nghi m ki m chệ ể ứng

1 M ch khuạ ếch đại đảo

1.1 Tính toán lý thuy t ế

- C u t o: M ch có tín hiấ ạ ạ ệu vào qua điện trở Ri = 12kΩ nối vào ngõ vào

âm c a OPAMP t i ngõ ra, tín hiủ ạ ệu Vo được đưa về ngõ vào âm qua một điện trở RF Ngõ vào dương của OPAMP được n i ố đất

- 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 Khảo sát đặc tuy n biên ế

độ và đáp ứng biên độ c a ngõ ra với thông số đã lựa chọn ủ

Chọn RF = 22kΩ, ta có:

Vo = -Vi ∗𝑅𝐹

𝑅𝑖= 𝑉𝑖 ∗2212 = -1.833333*Vi

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

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

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

6

- 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 khu ếch 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

S/N: O P A M P L A BSN0 0 4

.

7

Hình 5 Đồ thị dạng sóng mạch khu ếch 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

8

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

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

- Tính độ ợ l i áp từ đồ thị mô ph ng trên LTspice vỏ ới ngõ vào là song sine biên độ 4V

S/N: OP AM PLA BSN00 4

.

9

- Sai s v i tính toán lý thuy t là: Sai số ớ ế ố = 1.833333 ∗ 100% = 0.8578%

 T ừ 2 trường hợp đã khảo sát thì ta kết luận được rằng OPAMP trong thí nghiệm hoạt động phù hợp với lý thuyết đưa ra, OPAMP sử dụng thí nghiệm có sai s so v i lý ố ớthuyết Nguyên nhân có th do sai s ph n c ng c a m ch thí nghi m, các sai s giá tr ể ố ầ ứ ủ ạ ệ ố ịđiện trở cũng như các nguồn vào có nội trở chưa được tính tới

2 M ch khuạ ếch đại không đảo

2.1 Tính toán lý thuy t ế

- 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= k12 Ω và n i vố ới ngõ ra qua điện tr Rở F

- Chức năng: Khuếch đại điện áp mà không làm đảo pha của điện áp ngõ

ra so với ngõ vào Khảo sát đặc tuyến biên độ và đáp ứng biên độ của ngõ ra với thông số đã lự chọa n

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 kh ố ảo sát đặ c tuy n ngõ ra c a m ch khu ế ủ ạ ếch đại không đả o

S/N: OP AM PLA BSN00 4

.

11

- 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 khu ạ 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 khu ạ 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

S/N: OPA MPLA BSN002

.

12

Hình 5 Đồ thị dạng sóng mạch khu ếch đại không đảo ngõ vào song sin 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

13

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

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

- Tính độ ợ l i áp từ đồ thị mô ph ng trên LTspice vỏ ới ngõ vào là song sine biên độ 3V

S/N: OPA MPLA BSN002

.

14

Sai số = 2.833333 ∗ 100% = 0.4325%

 T ừ 2 trường hợp đã khảo sát thì ta kết luận được rằng OPAMP trong thí nghiệm hoạt động phù hợp với lý thuyết đưa ra, OPAMP sử dụng thí nghiệm có sai s so v i lý ố ớthuyết Nguyên nhân có th do sai s ph n c ng c a m ch thí nghiể ố ầ ứ ủ ạ ệm các sai s giá tr ố ịđiện trở cũng như các nguồn vào có nội trở chưa được tính tới

3 M ch khuạ ếch đạ ộng điệi c n áp

3.1 Tính toán lý thuy t ế

- C u t o: Ngõ vào âm c a OPAMP n i vấ ạ ủ ố ới nhiều điện áp ngõ vào thông qua các điện trở Ri = 12kΩ Ngõ ra được hồi tiếp về ngõ vào âm thông qua RF Ngõ vào dương của OPAMP 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 ổhiệu ngõ vào nhưng ngược pha

Công th c tính toán Vo: ứ

Chọn RF = 12kΩ, V = 4V, ta có: 2

Vo = - ( 𝑅𝑖2𝑅𝐹∗ 𝑉2+𝑅𝐹𝑅𝑖1∗ 𝑉1 ) = -V1– 4

S/N: OPAMPLABSN004

.

16

- 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 khu ạ ếch đạ ộng điệ i c n áp v ới 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 v ới ngõ vào V1 là song sine biên độ

1V, f = 1KHZ

Hình 4 M ch khu ạ ếch đạ ộng điệ i 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

S/N: OPAMPLABSN004

.

17

Hình 5 D ng song c a m ch khu ạ ủ ạ ếch đạ ộng điệ i 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:

18

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

Hình 7 D ng song c a m ch khu ạ ủ ạ ếch đạ ộng điệ i c n áp

S/N: OPAMPLABSN004

.

19

- 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:

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

20

Ri1=Ri2=Ri, suy ra 𝑉𝑜= 𝑅

𝑖 (𝑉1− 𝑉2) + Với R =12 i kΩ, RF=12 kΩ, V2=5V, suy ra

𝑉𝑜=𝑅𝑅𝐹

𝑖

(𝑉1− 𝑉2) = 𝑉1− 5 + V i R =12 ớ i kΩ, RF=22 kΩ, V2=1V, suy ra

S/N: OPAMPLA BSN004

.

S/N: OPAMPLABSN004

.

22

Hình 4 D ng sóng ngõ ra c a m ch khu ạ ủ ạ ếch đạ i tr ừ điệ n 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 =10 V

S/N: OPAMPLABSN004

.

S/N: OPAMPLABSN004

.

Dạng sóng ngõ vào và ngõ ra ngược pha nhau nhưng luôn cách nhau một khoảng

cố định khi đo máy ở chế độ DC, nghiệm được tính đúng đắ ừn t phép toán lý thuyết

5 M ch so sánh ạ

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

- C u t o: M ch so sánh OP-AMP so sánh mấ ạ ạ ột mức điện áp tương tự với mức điện

áp tương tự khác ho c m t sặ ộ ố điện áp tham chiếu đặt trước V ref và t o tín hiạ ệu đầu ra dựa vào s so sánh này ự

- Chức năng: Bộ so sánh Op-Amp là m t mộ ạch tương tự hoạt động trong vùng phi tuyến tính ( chế độ vòng hở ) do đó đầu ra t b so sánh s b ng ừ ộ ẽ ằ V CC n u Vi>ế V ref hay ngược lại bằng -Vcc

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

S/N: OPA MPLABSN002

.

28

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

Hình 5: M ạch đi dây vớ i Vi là d ng áp xoay chi u ạ ề

30

Hình 1: M ch Schitt Trigger ạ

- C u tấ ạo: Về cơ bản mạch Schmitt Trigger là một mạch so sánh đảo với một phản hồi dương Điện áp Vi được nối trực ti p và ngõ vào âm c a Op-Amp Ngõ ra ế ủdương được nối với điện trở RG có giá trị 12kΩ nối đất, tín hiệu ngõ ra hồi tiếp 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: G

S/N: OPAMPLABSN004

.

33

Hình 5: Xác định VL

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

-2V 2V 6V 10V 14V 18V 22V

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

+ M ch Schmitt Trigger: M ch Schmitt Trigger mạ ạ ức điện áp 0V ở cực đảo, điện áp ngõ vào là điện áp ra V co2 ủa mạch 2 mắc vào c c thuự ận có hồi tiếp RF qua điện trở Ri sao cho ngõ ra Vo1 b méo d ng thành xung vuông ị ạ

+ Mạch tích phân: M ch tích phân (ngõ ra là hàm tích phân ngõ vào) v i cạ ớ ực không đảo nối đất, cực đảo với tín hiệu vào là điện áp ra Vo1 c a mủ ạch 1 qua điện tr R và tở ụ ồtiếp Điện áp ra bằng tích phân điện áp vào, t l ngh ch v i h ng sỉ ệ ị ớ ằ ố thời gian 

35

- Chọn R = R11=10 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 ệdạng thành xung vuông