Giáo trình thực tập điện tử & kỹ thuật số 2

Giáo trình thực tập điện tử & kỹ thuật số 2

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ------o0o------ GIÁO TRÌNH THỰC TẬP ĐIỆN TỬ & KỸ THUẬT SỐ 2 (PHẦN ĐIỆN TỬ) Danh sách những người biên soạn: ThS. Vũ Thành Vinh (Chủ biên) KS. Vũ Mạnh Thịnh KS. Nguyễn Văn Thắng KS. Vũ Sơn Hoàn THÁI NGUYÊN, THÁNG 1/2006 BÀI 7. BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN ( OP.AMP)/1 A. THIẾT BỊ SỬ DỤNG 1. Thiết bị cho thực tập điện tử tương tự ATS 11 -N. 2. Khối thí nghiệm AE - 107N cho bài thực tập về bộ khuếch đại thuật toán. 3. Dao động kí, dây nối và đồng hồ đo. B. CÁC BÀI THỰC TẬP I. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KHUÊCH ĐẠI THUẬT TOÁN ( Hình A 7-1a) Nhiệm vụ Sinh viên tìm hiểu nguyên tắc hoạt động và các đặc trưng cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán. Cơ sở lý thuyết Một bộ khuếch đại thuật toán được biểu diễn như sau: Theo tính toán lý thuyết dựa trên một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng thì khi một bộ khuếch đại thuật toán được nuôi bằng hai nguồn V + và V - và hai lối ra có cùng mức điện áp thì thế lối ra . Như vậy nếu thì ta có: U R =0. Tuy nhiên với một bộ khuếch đại thực thì ta có UR = ΔU R ≠ 0. Nguyên nhân là do công nghệ chế tạo (tản mạn các tham số của linh kiện trong mạch khuếch đại vi sai của mạch khuếch đại thuật toán đặc biệt là các Tranzitor). Sự tồn tại ΔU R ≠ 0 khi chưa có tín hiệu vào sẽ gây ra sự lệch khỏi toạ độ (0,0) ở các bộ khuếch đại thế và dòng một chiều. Nếu ΔU R lớn sẽ làm cho bộ khuếch đại trở nên phi tuyến khi dùng để khuếch đại các tín hiệu xoay chiều. Ta có thể làm cho ΔU R = 0 bằng cách thêm vào lối vào (+) hoặc (-) một lượng thế ΔU vào âm hoặc dương tuỳ theo độ lệch ΔU R là âm hoặc dương. Đại lượng ΔU vào này được gọi là thế OFFSET. Thế này được xác định như sau: U OFFSET (vào) = U OFFSBT (ra) / K 0 Ở đây U OFFSET (vào) = ΔU vào , U OFFSBT (ra) = ΔU R Như vậy chúng ta phải đo ΔU R sau đó chia cho K 0 . 2 Đo đặc trưng biên độ và đặc trưng tần số của bộ khuếch đại thuật toán: * Đặc trưng biên độ: Là mối liên hệ giữa thế ra và độ lệch thế giữa hai lối vào của bộ khuếch đại thuật toán: Đặc trưng (1) là đặc trưng thực đã chỉnh OFFSET. Đặc trưng (2) và (3) là đặc trưng thực chưa được chỉnh OFFSET. Bộ khuếch đại thuật toán khuếch đại hiệu điện áp U d = U p - U N (U OFFSET (vào) ) với hệ số khuếch đại K 0 > 0. Do đó điện áp ra U ra = K 0 . U d = K 0 . (U p - U N ). Đây chính là U OFFSBT (ra) . * Đặc trưng tần số của bộ khuếch đại thuật toán: Khi thay đổi tần số tín hiệu thì hệ số khuếch đại sẽ bị thay đổi, đồng thời dạng tín hiệu cũng bị sai lệch do sự khuếch đại không đều ở các tần số khác nhau. Như vậy ta sẽ có đặc trưng của hệ số khuếch đại và tần số tín hiệu. 3 Khi f >fmax thì hệ số khuếch đại giảm khi tăng tần số. Do đó dải tần số làm việc của bộ khuếch đại thuật toán Δf = fmax - 0 trong đó gái trị f max tương ứng với giá trị của hệ số khuyếch đại K = 0,9k 0 . * Đo điện trở vào và ra của bộ khuếch đại thuật toán: Bộ khuếch đại thuật toán có R vào và R ra . Nếu R vào không đủ lớn sẽ gây hiện tượng tiêu hao công suất nguồn tín hiệu vào. Nếu R ra không đủ nhỏ sẽ tiêu hao vô ích công suất tín hiệu ra. Trong sơ đồ thí nghiệm ta mắc thêm điện trở R 3 = 100kΩ để xác định R vào một cách chính xác. Với bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng thì trở kháng vào: R vào = ∞ và trở kháng ra R ra =0. Các bước thực hiện 1. Cấp nguồn ± 12V cho sơ đồ hình A7-1. chú ý cắm đúng phân cực của nguồn. 2. Đo thế OFFSET của bộ khuếch đại thuật toán (Hình A7-1b). Nối các chốt I+ và I- với K và L, để nối cả hai lối vào đảo và không đặc của bộ khuếch đại thuật toán xuống đất. Bật điện và đo thế lối ra U offset (ra). Tính giá trị U offset (vào): U offset (ra)/K 0 K 0 là hệ số khuếch đại hở của bộ khuếch đại thuật toán K 0 (IC741) cỡ 2.10 5 . 4 Hình A7-1b: Sơ đồ đo thế OFFSET của bộ khuếch đại thuật toán. 3. Đo đặc trưng biên độ của bộ khuếch đại thuật toán (Hình A7-1c). - Giữ I- với K, nối I+ với H để cấp thế từ P1 vào lối vào không đảo. - Vặn biến trở P1 quanh giá trị 0V đo các giá trị điện thế vào và ra. Ghi kết quả vào bảng A7- 1. Bảng A 7 – 1 U vào (H) - - - 0 + + + U ra (C) - Lập đồ thị sự phụ thuộc thế ra trục Y và thế vào trục X. - Xác định giá trị điện thế ra cực đại và cực tiểu của IC. Tính số % giá trị này so với nguồn. - Căn cứ độ dốc đồ thị, xác định hệ số khuếch đại hở của bộ khuếch đại thuật toán Hình A7-1c: Sơ đồ đo đặc trưng biên độ của bộ khuếch đại thuật toán. 5 4. Đo đặc trưng tần số của bộ khuếch đại thuật toán (Hình A7-1d). - Sử dụng máy phát tín hiệu ngoài. Nối máy phát này tới lối vào IN/A của mạch A7-1. - Nối I + với F, G với L để đưa tín hiệu vào lối vào + của bộ khuếch đại thuật toán - Nối I- với O để tạo bộ lặp lại thế - Dùng dao động kí để đo tín hiệu vào tại IN/A và ra tại OUT/C. ghi kết quả đo được vào bảng A7-2. Bảng A 7-2 100 Hz 1 KHZ 10 KHZ 100 KHZ 300 KHZ 500 KHZ 600 KHZ U vào U ra K=U ra /U vào Lập đồ thị sự phụ thuộc hệ số K (trục Y) theo tần số tín hiệu (trục X). Xác định khoảng tần số làm việc của sơ đồ khuếch đại thuật toán. Hình A7-1d: Sơ đồ đo đặc trưng tần số của bộ khuếch đại thuật toán. 5. Đo diện trở vào R i của bộ khuếch đại thuật toán (Hình A7-1e) - Nối máy phát xung của thiết bị ATS – 11N tới lối vào IN/A máy phát đặt ở chế độ phát xung vuông góc, biên độ 4V tần số 1kHz) - Nối F với G để cấp tín hiệu từ máy phát qua R3 vào IC1. điện trở R3 khi đó được mắc nối tiếp với điên trở R i của bộ khuếch đại thuật toán. - Nối I- với 'O'. Dùng dao động kí để đo biên độ tín hiệu U if tại IN/A và đo biên độ tín hiệu tại I+. bỏ qua điện trở nội của máy phát. tính điện trở vào của IC1 theo công thức. 6 6. Đo điện trở ra R 0 của bộ khuếch đại thuật toán (Hình A7-1f) - Nối mấy phát tới lối vào IN/A của mạch A7 - 1. Nối I+ với F, G với L và I- với O - Dùng dao động kí để đo tín hiệu tại IN/A và OUT/C. Đo biên độ ra khi không nối J1: U 0 và khi có nối J1: U ot . Giả thiết là điện trở vào của dao động kí là rất lớn so với điện trở ra của IC1 tính điện trở ra theo công thức. Hình A7-1f. Sơ đồ đo điện trở ra của bộ khuếch đại thuật toán. 7 II. BỘ LẶP LẠI THẾ Nhiệm vụ Sinh viên tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để lặp lại thế. Nguyên tắc hoạt động Sơ đồ mạch thí nghiệm đã sử dụng bộ khuyếch đại thuật toán lặp lại thế. Thế đầu ra được phản hồi về đầu vào đảo. Như vậy nếu ta điều chỉnh điện áp ở đầu vào không đảo ta sẽ có điện áp ra sẽ phụ thuộc (đi theo điện áp vào). Mạch khuyếch đại thuật toán có trở kháng vào lớn và trở kháng ra nhỏ do đó thích hợp cho khuyếch đại công suất nguồn tín hiệu. Như vậy có thể đạt được hệ số khuyếch đại công suất xác định. Mạch lặp lại điện áp được dùng ở những nơi nào cần cách điện giữa nguồn và tải và nơi nào phải duy trì mức chính xác của điện áp ban đầu. Các bước thực hiện 1. Cấp nguồn ±12V cho sơ đồ A7- 1. 2. Nối IC 1 theo sơ đồ lặp thế A7 - 1 g. - Nối chốt I- với O. - Nối chốt I+ với E để cấp điện thế từ biến trở P2 cho lối vào + của IC1. Hình A7-1g: Sơ đồ bộ lặp lại thế trên bộ khuếch đại thuật toán. 3. Vặn biến trở P2 từ giá trị thấp đến cao. Đo và ghi giá trị điện thế vào và ra vào bảng A7-3. 8 Bảng A7-3 U vào (E) U ra (C) 4. Lập đồ thị sự phụ thuộc thế ra (trục Y) và thế vào (trục X). 5. Xác định độ lệch cực đại của đường đặc trưng thu được so với đường thẳng (tuyến tính), định khoảng làm việc tuyến tính cho đồ sơ đồ. 6. Nêu ưu nhược điểm của bộ lặp lại thế trên Op.Amp. so với bộ chia thế dùng biến trở. III. KHUẾCH ĐẠI ĐẢO VÀ KHÔNG ĐẢO Nhiệm vụ Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để khuếch đại đảo và không đảo phân cực tín hiệu. Nguyên lý hoạt động - Bộ khuếch đại đảo: Khi nối J2 thì sơ đồ trên tương đương: Bộ khuếch đại đảo trên có thực hiện hồi tiếp điện áp âm song song điện áp qua R. Tín hiệu vào qua R 1 đặt vào đầu đảo của OA. Nếu coi OA là lý tưởng thì điện trở vào của nó Rv vô cùng lớn và dòng vào vô cùng bé. Khi đó tại nút N có phương trình nút dòng điện: IV ~ Iht. Từ đó ta có: Khi K -> ∞, điện áp đầu vào Uo = Ur/K -> 0 (Điện trở R 2 làm cho điện áp lệch không Uo nhỏ). Uv/R1 = - Ur/R 9 Tín hiệu ra đảo pha so với tín hiệu vào. Do đó hệ số khuếch đại điện áp Kd của bộ khuếch đại đảo có hội tiếp âm song song được xác định bằng tham số của các phần tử thụ động trong sơ đồ: Kd = Ur/uv = - R/R1 - Bộ khuếch đại không đảo: Nối J1: Ta có sơ đồ bộ khuyếch đại không đảo Bộ khuếch đại không đảo gồm có mạch hồi tiếp âm điện áp đặt vào đầu đảo còn tín hiệu đặt vào đầu không đảo của OA. Vì điện áp đặt vào đầu vào OA = 0 (U O = 0) n quan hệ Uv và Ur xác định bởi: Tín hiệu ra đồng pha với tín hiệu vào Hệ số khuếch đại không đảo có dạng: Trong đó Ra = R1//R2 Điện trở vào của bộ khuếch đại không đảo bằng điện trở vào của bộ khuếch đại đảo và khá lớn còn điện trở ra Rr->o. Các bước thực hiện 1. Cấp nguồn ±12V cho mảng sơ đồ A7-3. Chú ý cắm đúng phân cực cho nguồn. 2. Nối máy phát FUNCTION GENERATOR tới tới Vào IN/A (máy phát để ở chế độ phát xung vuông góc. Tần số 1kHz, biên độ 100mV. 3. Dùng dao động kí để quan sát tín hiệu tại IN/A và OUT/C. 4. Với khuếch đại không đảo 10 [...]... Vin3 -1V -1.5V -2V -2. 5V Điện thế lối ra Giá trị tính V0 3 So sánh kết quả đo và tính toán tương ứng Nếu xem chúng bằng nhau thì sai số là bao nhiêu tìm những nguyên nhân gây nên sự sai khác đó 20 Bài 9 BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN (OP.AMP /3) A THIẾT BỊ SỬ DỤNG 1 Thiết bị chính cho thực tập điện tử tương tự ATS - 11 N 2 Khối thí nghiệm AE - 109N cho bài thực tập về ứng dụng bộ khuếch đại thuật toán 3 Dao... cho lối vào - Vin2 lấy từ biến trở P2 19 Hình A7-4b: Sơ đồ khuếch đại vi sai 2 Phép thử 1: Đặt các biến trở P2= - 1V, P3 ở các giá trị ghi trong bảng A7- 1 2 Bảng A7- 1 2 P3/ Vin3 -1V -1.5V -2V -2. 5V -3V -4V -3V -4V Điện thế lối ra Giá trị tính V0 Tính giá thế cho các trường hợp theo công thức: Vo= (Vin3) - (-vin2.R4/R9) = ??? Phép thử 2: Vin3 (P3) = giá trị theo bảng A7-10, Vin2 (P2) = -1.5V Lặp lại... động Khi điện áp đầu vào vượt quá điện áp đánh thủng của một Zener D1, điện áp trên D1 không đổi (8V2) Khi đó làm thông transistor T1 và T2, điện áp chênh lệch giữa B của T1 với E của T2 ~ 0,7V + 0,7V = 1,4V Điện áp ra: UD1 - UBE ~ 8V2 – 1,4 = 6V8 Khi điện áp đầu vào thay đổi thì điện áp tại đầu ra không thay đổi.s Transistor T1 và T2 mắc theo kiểu Darlington có chức năng khuyếch đại dòng điện, tăng... Khi điện áp đầu vào vượt quá điện áp đánh thủng của điốt Zener D1, điện áp trên D1 không đổi (8V2) Khi đó làm thông transistor T1, điện áp UBE của T1 ~ 0,7V Điện áp ra = UD1 - UBE ~ 8V2 - 0,7 = 7V5 ổn định Transistor T1 có tính khuyếch đại dòng điện, tăng công suất của tải 32 Các bước thực hiện 1 Cấp nguồn điều chỉnh 0 ‫51 + ٱ‬V của thiết bị chính ATS -11 N cho mảng sơ đồ A11-1 qua chốt IN/+V 2 Mắc... phân cực cho nguồn 2 Dùng dao động kí để quan sát tín hiệu tại lối ra O1 và O2 hoặc điểm E 3 Vặn biến trở P1, P2 ở vị trí giữa Quan sát tín hiệu tại E, O1, O2, đo biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài xung ra tx tính tần số máy phát f = 1/2tx Ghi kết quả vào bảng A9 -2 4 Đặt các giá trị biến trở P1, P2 như trong bảng A9 -2 lặp lại bước 3 cho từng giá trị P1, P2 Ghi kết quả vào bảng A9 -2 Từ kết quả đo,... - Nguồn l: Đặt biến trở P1 = +1.5V = Vin1 - Nguồn 2: Đặt biến trở P2 = -1V = Vin2 - Nguồn 3: Đặt biến trở P3 = -0.5V = Vin3 - Nối các chốt theo bảng A7-9 trong đó: * E lần lượt nối với H, I, K để thực hiện lấy tổng từ nguồn P1, P2 theo các hệ số khác nhau * F lần lượt với H, I, K để thực hiện lấy tổng từ nguồn P2, P3 theo các hệ số khác nhau - Đo các điện thế ra UO của IC1 (điểm OUT/C) cho từng trường... tần số của máy phát 5 Vẽ giản đồ hình thành xung của mạch trong đó biểu diễn: - Dạng xung tại E - Dạng xung ra tại O1, tương ứng với xung tại E - Dạng xung ra tại O2, tương ứng với xung tại E 6 Giải thích nguyên tắc hoạt động dựa trên phân tích các sơ đồ trên IC1, IC2 và IC3 26 Hình A9-3: Sơ đồ máy phát xung tổng hợp Bảng A9 -2 V(O1) V(O2) tx f P1 giữa P2 Giữa P1 Min P2 Giữa P1 Max P2 Giữa P1 Giữa P2... đại thuật toán ở chế độ khuếch đại vi sai Nguyên lý hoạt động Nối các chốt cắm như sơ đồ thí nghiệm ta có sơ đồ sau: 18 Theo sơ đồ ta có điện áp vào cửa thuận: U+ = Vin3* (1) Và điện áp lối vào đảo Mặt khác ta có: U+ = U- (3) Từ (1) (2) và (3) ta sẽ có Ur =K(Vin3 - Vin2) trong đó K là hệ số Như vậy mạch thực hiện chức năng lấy hiệu hai tín hiệu tương tự lối vào Các bước thực hiện 1 Cấp nguồn ±12V cho... tx chu kì xung T, tần số máy phát f = 1/T Ghi kết quả vào bảng A9 - 3 2. 4 Nối J1 để tăng tụ C = Cl + C2 Giữ nguyên P1 cực đại quan sát tín hiệu tại E, F Đo biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài của xung ra tx chu kì xung T, tần số máy phát f = 1/T Ghi kết quả vào bảng A9 - 3 29 Hình A9-4a: Sơ đồ phát xung trên IC 555 Bảng A9 - 3 V(C) tx T f P1 Min, C2 P1 Max, C2 P1 Max, C2 + C3 2. 5 Vẽ giản đồ hình thành... 2. 6 So sánh các giá trị đo với giá trị tính toán: T: T1 + T2 Trong đó T1 (thời gian nạp của tự C1), T2 thời gian phóng của tụ C1 T1 = 0.693 (R1 + P1 + R2).C1 T2 = 0.693.R2.C1 3 Đơn hài - Sử dụng sơ đồ trên IC2 hình A9 - 4b 3.1 Nối máy phát xung FUNCTION GENERATOR ở Chế độ phát xung vuông góc, tần số 1K và biên độ cực đại tới lối vào IN/A của sơ đồ A9 - 4b 30 Hình A9-4b: Sơ đồ đơn hài trên IC555 3.2 . THÔNG TIN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ------o0o------ GIÁO TRÌNH THỰC TẬP ĐIỆN TỬ & KỸ THUẬT SỐ 2 (PHẦN ĐIỆN TỬ) Danh. nút N có phương trình nút dòng điện: IV ~ Iht. Từ đó ta có: Khi K -> ∞, điện áp đầu vào Uo = Ur/K -> 0 (Điện trở R 2 làm cho điện áp lệch không