Chương 8: CÁC MẠCH ỨNG DỤNG OPAMP ppt

Chương 8: CÁC MẠCH ỨNG DỤNG OPAMP 8-1 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN LÝ TƯỞNG. Nhắc lại rằng đại thuật toán là một khuếch đại ghép trực tiếp (vi sai) với hai ngõ vào và một ngõ ra. Chúng ta sẽ định nghĩa một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng theo những đặc tính như sau: 1. Nó có hệ số khuếch đại vô cùng. 2. Trở kháng ngõ vào là vô cùng. 3. Trở kháng ngõ ra là 0. Mặc dù trên thực tế, không có bộ đại nào thỏa mãn hoàn toàn bất kỳ các yêu cầu trên, nhưng chúng ta xem như mô hình khuếch đại có hệ số khuếch đại và trở kháng ngõ vào rất lớn, và trở kháng ngõ ra rất nhỏ, đó là những kết quả sai số nhỏ không đáng kể so với những đặc điểm lý tưởng đó. Hình 8-1 trình bày kí hiệu chuẩn cho một bộ khuếch đại thuật toán. Chú ý rằng: hai ngõ vào được đặt là “ + ” và “ - “ và những tín hiệu ngõ vào đã được chỉ rõ tương ứng v i + và v i . Nếu những ngõ vào là các tín hiệu khác pha, thì ngõ ra bộ khuếch đại sẽ cùng pha với v i + và ngược pha với v i - . Vì lý do này, ngõ vào cực dương được gọi là ngõ vào không đảo và ngõ vào âm được gọi là ngõ vào đảo. Trong nhiều ứng dụng, một trong các ngõ vào bộ khuếch đại được nối đất, nên v o cùng pha với ngõ vào nếu tín hiệu được nối với ngõ vào không đảo, và v o là ngược pha với ngõ vào nếu tín hiệu được nối với ngõ vào đảo. Những ý tưởng này được tóm tắt trong bảng kèm theo hình 8-1. Hình 8-1: Ký hiệu đại thuật toán, ngõ vào đảo (-) và ngõ vào không đảo (+) Ở thời điểm này, một câu hỏi chính đáng mà có lẽ đã xảy ra với người đọc là: nếu hệ số khuếch đại là vô cùng, ngõ ra có thể là những dạng gì khác hơn là một dạng sóng xén? Về lý thuyết, nếu khuếch đại có hệ số khuếch đại là vô cùng, thì một điện áp vào rất nhỏ phải cho kết quả ở điện áp ngõ ra là rất lớn. Câu trả lời, dĩ nhiên là hệ số khuếch đại đó không là vô cùng, mà chỉ là rất lớn. Tuy nhiên, nó chỉ đúng khi một điện áp ngõ vào rất nhỏ sẽ gây ra khuếch đại điện áp ở ngõ ra để lái tới giới hạn điện áp dương hoặc âm rất lớn. Thực tế trả lời là khuếch đại thuật toán thì ít khi sử dụng toàn bộ hệ số khuếch đại cho ngõ vào. Đáng lý ra, những điện trở vô cùng thì được nối vào bộ khuếch đại sao cho tín hiệu được khuếch đại không lớn như vậy. Những điện trở gây ra giảm hệ số khuếch đại qua tín hiệu hồi tiếp, chúng ta sẽ làm quen trong phần hồi tiếp âm. KHUYẾCH ĐẠI ĐẢO Sơ đồ mạch như hình 8-2. Đây là một ứng dụng khá hữu ích của bộ khuếch đại thuật toán. Ngõ vào không đảo được nối đất, v in được nối qua R 1 với ngõ vào đảo, và điện trở hồi tiếp R f được nối giữa ngõ ra và v i - . Bởi vì sử dụng bộ khuếch đại ở chế độ đảo, nên ta chỉ rõ hệ số khuếch đại điện áp là –A, vì vậy: v o = -A v i - (8-1) Chú ý v i khác v i - . Chúng ta sẽ tìm hiểu mối quan hệ giữa v o và v in khi độ lớn của A là vô cùng. Hình 8-2: Một ứng dụng của đại thuật toán với tín hiệu v in đi qua R 1 , điện trở hồi tiếp R f . v o /v i- = -A Hình 8-3 chỉ ra kết quả của điện áp và dòng điện đó khi tín hiệu vào v in được kết nối. Từ định luật Ohm, dòng điện i 1 là sự chênh lệch về áp trên R 1 , chia cho R 1 : Hình 8-3: Kết quả điện áp và dòng điện với điện áp vào v in . i 1 = (v in – v i - )/R 1 . (8-2) Tương tự, dòng điện i f là sự sai biệt áp qua R f , chia cho R f . i f = ( v i - - v o )/R f. ( 8-3 ) Theo định luật Kirchhoff dòng ở ngõ vào đảo, chúng ta có i 1 = i f + i - (8-4) Ở đó i - là dòng đi vào bộ khuếch đại ở ngõ vào đảo. Tuy nhiên, khuếch đại lý tưởng có trở kháng ngõ vào vô cùng, mà giá trị i - phải bằng 0. Vậy thì rất đơn giản i 1 = i f . Thay thế (8-2) và (8-3) vào (8-5) được (v in – v i - )/ R 1 = (v i - - v o )/R f hoặc v in /R 1 – v i - /R 1 = v i - /R f - v o /R f (8-6) Từ định nghĩa ( biểu thức 8-1), v i - = -v o /A (8-7) nếu bây giờ giả định rằng |A| = vô cùng, ta thấy rằng –v o /A = 0. Và do đó v i - = 0 ( khuếch đại lý tưởng, với |A| = vô cùng) (8-8) thay v i - = 0 vào (8-6) được v in /R 1 = -v o /R f hay v o /v in = -R f /R 1. (8-9) Chúng ta thấy rằng hệ số khuếch đại là số âm, chứng tỏ đây là một bộ khuếch đại đảo. Biểu thức 8-9 cũng cho thấy 1 điểm đặc biệt thường được dùng trong thực tế đó là độ lớn của v o /v in chỉ phụ thuộc vào tỉ lệ giá trị của điện trở và không phụ thuộc vào chính bộ khuếch đại. Miễn là hệ số khuếch đại và trở kháng vẫn khá lớn, sự biến thiên trong đặc tính khuếch đại (ví dụ, sự thay đổi nhiệt độ hoặc dung sai chế tạo) không làm ảnh hưởng đến v o /v in . Ví dụ, nếu R 1 =10K và R f = 100K, chúng ta có thể chắc chắn rằng v o = -[(100 K)/(10K)]v in = -10 v in , mà hệ số khuếch đại cũng đến -10 như điện trở chính xác cho phép. Hệ số khuếch đại v o /v in được gọi là độ lợi vòng kín của bộ khuếch đại, trong khi A được gọi là độ lợi vòng hở. Trong ứng dụng này, ta thấy rằng hệ độ lợi vòng hở vô cùng lớn, có thể tới 10 6 , trong khi độ lợi vòng kín chỉ bằng 10. Chúng ta sử dụng hệ số khuếch đại giả định là vô cùng để đạt được v i - = 0 ( biểu thức 8-8) . Trong thực tế thì, hệ số khuếch đại A rất lớn nhưng hữu hạn, v i - là một điện áp rất nhỏ, gần như 0. Vì lý do đó, ở đầu vào có một điện trở hồi tiếp được nối đất thì được gọi là đất ảo. Mục đích của sự phân tích, chúng ta thường giả sử rằng v i - = 0, nhưng không thể nối điểm đó xuống đất trong thực tế. Trừ khi v i - là đất ảo, trở kháng thấy bởi tín hiệu nguồn phát v in thì R 1 là ohm. Thí dụ 8-1 Cho đại thuật toán lý tưởng như hình 8-4, hãy tính: 1. giá trị hiệu dụng (rms) của v o với v in = 1.5Vrms 2. giá trị hiệu dụng của dòng điện qua điện trở 25kΩ khi v in = 1.5Vrms, và 3. điện áp ngõ ra khi v in = -0.6V dc. Hình 8-4: (thí dụ 8.1) Giải 1. Từ phương trình 8-9, Vì vậy, 2. Do (đất ảo), nên dòng qua điện trở 25-k là 3. . Chú ý rằng áp ngõ ra dương khi áp ngõ vào dương, và ngược lại. KHUẾCH ĐẠI KHÔNG ĐẢO Hình 8-5 cho thấy 1 ứng dụng khác của bộ khuếch đại thuật toán, gọi là mạch khuếch đại không đảo. Chú ý rằng tín hiệu ngõ vào v in được nối trực tiếp với ngõ vào không đảo và điện trở R 1 được nối với ngõ vào đảo với đất. Về lý tưởng, trở kháng ngõ vào là vô cùng lớn, không có dòng chảy qua ngõ vào đảo, vì vậy i 1 =i f . Như thế, v i - /R 1 = (v o – v i - )/ R f . (8-10) Hình 8-5: Khuếch đại thuật toán với cấu hình không đảo Như ở trên hình, (8 – 11) Suy ra, (8 – 12) Cho A= , v o /A tiến về 0, ta có: (8 – 13) Trừ cho trong (8-13) cho ta: (8 – 14) Do = , ta có: (8 – 15) Ở phương trình (8 – 8), đối với bộ khuếch đại thuật toán không đảo, khi v i + = 0, giả sử |A| = vô cùng, cho v i - = 0(đất ảo), v i - = v i + . Cũng vây, trong cấu hình không đảo, giả sử tương tự cũng cho kết quả giống nhau: v i - = v i + (biểu thức 8-3). Như thế, chúng ta đi đến kết luận quan trọng chung đó là hồi tiếp cùng với hệ số khuếch đại điện áp rất lớn, gây nên điện áp ở ngõ vào đảo và ngõ vào không đảo xấp xỉ bằng nhau. Biểu thức 8-15 cho thấy là độ lợi vòng kín của mạch đại không đảo, cũng như của mạch đại đảo, chỉ phụ thuộc vào giá trị của điện trở bên ngoài. Một ưu điểm nữa của bộ khuếch đại không đảo là trở kháng ngõ vào được nhìn bởi v in là vô cùng lớn, hoặc ở rất lớn đối với một bộ khuếch đại thực tế. Bộ khuếch đại đảo và không đảo được sử dụng trong ứng dụng nhân điện áp, với điện áp được nhân lên bởi một hằng số cố định, hoặc hệ số tỉ lệ. Hằng số nhân lên trong bộ khuếch đại đảo là R f /R 1 (có thể nhỏ hơn 1), và nó là 1 + R f /R 1 (luôn luôn lớn hơn 1) trong bộ khuếch đại không đảo. Phạm vi rộng của các hằng số có thể được thực hiện cách chọn R f và R 1 cho thuận tiện khi tỷ số hệ số khuếch đại là R f /R, và ít thuận tiện hơn trong trường hợp tỉ lệ hệ số khuếch đại là 1 + R f /R 1 . Vì lý do đó, bộ khuếch đại đảo được sử dụng nhiều trong những ứng dụng nhân điện áp chính xác. Người đọc có thể tự hỏi tại sao lại cần thiết sử dụng một bộ khuếch đại để nhân điện áp lên bằng một số nhỏ hơn 1, bởi vì điều này có thể được thực hiện đơn giản bằng 1 bộ chia áp?. Câu trả lời này là bộ khuếch đại đó cung cấp một hệ số khuếch đại công suất để lái 1 tải. Cũng vậy, bộ khuếch đại lý tưởng có trở kháng ngõ ra là 0 vì vậy điện áp ngõ ra không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trở kháng của tải. Hình 8 – 6: Bộ đệm áp Hình 8-6 trình bày 1 trường hợp đặc biệt của bộ khuếch đại không đảo, được sử dụng ở các ứng dụng khuếch đại công suất và cách ly trở kháng ở phần sơ cấp. Chú ý rằng R f = 0 và R 1 = vô cùng, vì vậy, với công thức 8-15, độ lợi vòng kín là v o /v in = 1 + R f /R 1 = 1. Cấu hình này được gọi là bộ theo điện áp bởi vì v o có độ lớn và pha tuơng tự như v in . Như một BJT theo cực E, nó có trở kháng vào lớn và trở kháng ngõ ra nhỏ, và được sử dụng như một bộ khuếch đại đệm giữa nguồn trở kháng cao và một tải trở kháng thấp. 8.2 MẠCH CỘNG, MẠCH TRỪ VÀ MẠCH NHÂN Mạch cộng điện áp Như phần trên, chúng ta có thể khuếch đại tỉ lệ tín hiệu điện áp, tức là nhân nó với 1 hằng số thông qua việc lựa chọn các điện trở bên ngoài, các điện trở này quyết định độ lợi vòng kín của 1 mạch khuếch đại. Điều này đều có thể được thực hiện trên mạch khuếch đại đảo và không đảo. Ta cũng có thể cộng các tín hiệu điện áp trên 1 opamp cùng 1 lúc với hệ số tỉ lệ khác nhau. Ví dụ, với tín hiệu ngõ vào v 1 , v 2 , và v 3 , ta có thể tạo biểu thức ngõ ra như sau: 2v 1 + 0.5v 2 + 4v 3 , gọi là tổ hợp tuyến tính của v 1 , v 2 , và v 3 , và mạch này được gọi là mạch tổ hợp tuyến tính. Hình 8 – 7 trình bày 1 mạch khuếch đại đảo có thể được sử dụng để cộng tỉ lệ 3 tín hiệu ngõ vào. Chú ý rằng 3 tín hiệu ngõ vào v 1 , v 2 , và v 3 được cung cấp qua 3 điện trở R 1 , R 2 , và R 3 vào mạch khuếch đại với R f là điện trở hồi tiếp (R c là điện trở bù offset). Ta có phương trình dòng điện tại 3 ngõ vào bộ khuếch đại : i 1 + i 2 + i 3 = i f (8 – 16) Hình 8 – 7: Mạch khuếch đại opamp cho ngõ ra là tổng (đảo) của các tỉ lệ tín hiệu vào Điện áp tại ngõ vào (-) opamp bằng 0, kết hợp với phương trình 8 – 16 , ta có: (8 – 17) Ta tính được v o : (8 – 18) [...]... sử dụng trong các máy tính tương tự để tìm thời gian thực cho các phương trình vi phân Hình 8-20: Biểu đồ Bode mạch tích phân lý tưởng, với R1C = 0.001 Mạch tích phân thực tế Mặc dù có chất lượng cao, các mạch tích phân chính xác như trong hình 8-18 dùng trong các ứng dụng tần số thấp như máy tính tương tự, nhưng các ứng dụng này đòi hỏi mạch đại chất lượng cao với điện áp offset rất nhỏ hoặc thiết... mạch vi phân là: (8-58) Mạch vi phân thực tế Khó khăn chủ yếu của mạch vi phân là nó đại tín hiệu vào tỷ lệ thuận với tần số nên nó cũng làm tăng mức nhiễu cao tần của tín hiệu ngõ ra Khác với mạch tích phân, mạch vi phân không xén tín hiệu bằng cách giảm biên độ của thành phần cao tần mà làm tăng nhiễu cao tần Do vậy, mạch vi phân ít được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tính chính xác cao như các. .. nó được xem như 1 tín hiệu DC , thậm chí nó còn gây ra bão hòa mạch khuếch đại Để tránh vấn đề này, mạch tích phân thực tế sử dụng một điện trở mắc song song với tụ hồi tiếp như trong hình 8-21 Khi tụ làm hở mạch ở DC, mạch tích phân chỉ đáp ứng với tín hiệu DC khi và chỉ khi nó là mạch đại đảo Nói cách khác, độ lợi vòng mạch kín ở DC của mạch tích phân là –Rf/R1 Ỏ tần số cao, trở kháng của tụ điện nhỏ... phiền hà hơn mạch đảo, chẳng hạn như việc chọn giá trị các điện trở để cho các hệ số tỉ lệ chính xác Cũng như vậy, dạng sóng ngõ ra bị giới hạn bởi phương trình K[av 1 + (1 – a)v2] với K và a các hằng số dương Việc đảo pha thường không quan trọng, ngoại trừ trong 1 số ứng dụng đòi hỏi tổng không đảo, khi đó ta chỉ cần sử dụng 1 mạch cộng đảo nối với 1 mạch đảo với độ lợi đơn vị (bằng 1) Mạch trừ Giả... cho Rc Hình 8 – 13 Sử dụng 2 bộ khuếch đại đảo để tạo sóng ngõ ra vo = a1v1 – a2v2 Thí dụ 8 – 4 Thiết kế mạch khuếch đại dùng op amp sử dụng cấu hình có 2 bộ đảo với sóng ngõ ra v o = 10v1 – 0.2v2 (Chú ý 1 + a2 = 1.2 < 20 = a1, vì vậy không thể sử dụng mạch sai phân như hình 8 – 11.) Giải Có rất nhiều cách lựa chọn các điện trở đến nỗi ta có thể chọn trực tiếp, mà không cần phải sử dụng phương trình số... thời điểm t, ngõ ra của mạch là: (8-40) Từ phương trình 8-40, ngõ ra là tích phân (đảo) của ngõ vào, nhân với hằng số Nếu mạch này dùng để tích hợp dạng sóng DC như trong hình 8-17 thì ngõ ra sẽ là một đoạn dốc xuống theo chiều âm Ta sẽ chứng minh tại sao mạch trong hình 8-18 là mạch tích phân Khi dòng vào mạch là 0, theo định luật Kirchhoff về dòng điện ta có: (8-41) Hình 8- 18: Mạch tích phân lý tưởng... 8-20 Vì biên độ ngõ ra mạch tích phân giảm theo tần số nên nó là một dạng của mạch lọc thông thấp Mạch này đôi khi còn được gọi là mạch xén vì biên độ của thành phần cao tần có dạng sóng phức tạp sẽ bị giảm xuống, như thế sẽ xén đi gai điện áp xuất hiện trong dạng sóng Đặc điểm này thường được sử dụng để giảm nhiễu cao tần trong tín hiệu Mạch tích phân cũng được sử dụng trong các máy tính tương tự để... 9.8 k Sơ đồ mạch như hình 8 – 8: Hình 8 – 8 (Thí dụ 8 – 2) Hình 8 – 9: (Thí dụ 8 – 2) 2 Ngõ ra có dạng sin với offset là -5V và thay đổi giữa 5- 8 = -3V và 5 + 8 = 13V Dạng sóng như hình 8 – 9 Hình 8 – 10 là mạch tổ hợp tuyến tính không đảo dùng opamp Ở ví dụ này, chỉ có hai ngõ vào với áo ngõ ra là: (8 – 22) Hình 8 – 10 : Mạch tổ hợp tuyến tính không đảo Mặc dù mạch này không đảo tổng các tỉ lệ ngõ... giản đồ Bode của mạch tích phân thực tế Như trong hình 8-22, tại tần số ở phía trên f c, độ lợi giảm xuống theo tỷ lệ -20dB/decade, giống với mạch tích phân lý tưởng, và tại tần số ở phía dưới fc độ lợi đạt tới giá trị DC của nó là Rf/R1 Hình 8-21: Điện trở R1 được mắc song song với C làm cho mạch tích phân thực tế giống như mạch đảo với các ngõ vào dc và giống như mạch tích phân với các ngõ vào tần... lệch 2 tín hiệu ngõ vào, điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng mạch khuếch đại ở chế độ vi sai, với các tín hiệu được đưa qua các điện trở nối với ngõ vào đảo và không đảo như hình 8 – 11 Ta sử dụng phương pháp chồng chất để xác định điện áp ngõ ra Đầu tiên, giả sử rằng v2 được nối đất, ta có: (8 – 23) nên: (8 – 24) Hình 8 – 11: Sử dụng bộ khuếch đại ở chế độ vi sai để tạo tín hiệu ngõ ra tỷ . Chương 8: CÁC MẠCH ỨNG DỤNG OPAMP 8-1 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN LÝ TƯỞNG. Nhắc lại rằng đại thuật toán là một. a)v 2 ] với K và a các hằng số dương. Việc đảo pha thường không quan trọng, ngoại trừ trong 1 số ứng dụng đòi hỏi tổng không đảo, khi đó ta chỉ cần sử dụng 1 mạch cộng đảo nối với 1 mạch đảo với. trở kháng ngõ ra nhỏ, và được sử dụng như một bộ khuếch đại đệm giữa nguồn trở kháng cao và một tải trở kháng thấp. 8.2 MẠCH CỘNG, MẠCH TRỪ VÀ MẠCH NHÂN Mạch cộng điện áp Như phần trên,