BÀI TẬP LỚN CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG VÀ XỬ LÝ TÍN LIỆU Bộ khuếch đại thuật toán OPAMP

CẤU TẠO NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 1. Cấu tạo Op-Amps lý tưởng có cấu tạo như hình vẽ - Khối 1: Đây là tầng khuếch đại vi sai (Differential Amplifier), nhiệm vụ khuếch đại độ sai lệch tín hiệu giữa hai ngõ vào v + và v - . Nó hội đủ các ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai như: độ miễn nhiễu cao; khuếch đại được tín hiệu biến thiên chậm; tổng trở ngõ vào lớn - Khối 2: Tầng khuếch đại trung gian, bao gồm nhiều tầng khuếch đại vi sai mắc nối tiếp nhau tạo nên một mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, nhằm tăng độ nhay cho Op-Amps. Trong tẩng này còn có tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC ở ngõ ra. - Khối 3: Đây là tầng khuếch đại đệm, tần này nhằm tăng dòng cung cấp ra tải, giảm tổng trở ngõ ra giúp Op-Amps phối hợp dễ dàng với nhiều dạng tải khác nhau. Op-Amps thực tế vẫn có một số khác biệt so với Op-Amps lý tưởng. Nhưng để dễ dàng trong việc tính toán trên Op-Amps người ta thường tính trên Op- Amps lý tưởng, sau đó dùng các biện pháp bổ chính (bù) giúp Op-Amps thực tế tiệm cận với Op-Amps lý tưởng. Do đó để thuận tiện cho việc trình bày nội dung trong chương này có thể hiểu Op-Amps nói chung là Op-Amps lý tưởng sau đó sẽ thực hiện việc bổ chính sau. 2. Nguyên lý làm việc Dựa vào ký hiệu của Op-Amps ta có đáp ứng tín hiệu ngõ ra V o theo các cách đưa tín hiệu ngõ vào như sau: - Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo, ngõ vào không đảo nối mass: V out = A v0 .V + - Đưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo, ngõ vào đảo nối mass: V out = A v0 .V - - Đưa tín hiệu vào đổng thời trên hai ngõ vào (tín hiệu vào vi sai so với mass): V out = A v0 .(V + -V - ) = A v0 .(ΔV in ) Để việc khảo sát mang tính tổng quan, xét trường hợp tín hiệu vào vi sai so với mass (lúc này chỉ cần cho một trong hai ngõ vào nối mass ta sẽ có hai trường hợp kia). Op-Amps có đặc tính truyền đạt như hình sau Trên đặc tính thể hiện rõ 3 vùng: - Vùng khuếch đại tuyến tính: trong vùng này điện áp ngõ ra V o tỉ lệ với tín hiệu ngõ vào theo quan hệ tuyến tính. Nếu sử dụng mạch khuếch đại điện áp vòng hở (Open Loop) thì vùng này chỉ nằm trong một khoảng rất bé. - Vùng bão hoà dương: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở +V cc . - Vùng bão hoà âm: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở -V cc . Trong thực tế, người ta rất ít khi sử dụng Op-Amps làm việc ở trạng thái vòng hở vì tuy hệ số khuếch đại áp A v0 rất lớn nhưng tầm điện áp ngõ vào mà Op-Amps khuếch đại tuyến tính là quá bé (khoảng vài chục đến vài trăm micro Volt). Chỉ cần một tín hiệu nhiễu nhỏ hay bị trôi theo nhiệt độ cũng đủ làm điện áp ngõ ra ở ±V cc . Do đó mạch khuếch đại vòng hở thường chỉ dùng trong các mạch tạo xung, dao động. Muốn làm việc ở chế độ khuếch đại tuyến tính người ta phải thực hiện việc phản hồi âm nhằm giảm hệ số khuếch đại vòng hở A v0 xuống một mức thích hợp. Lúc này vùng làm việc tuyến tính của Op-Amps sẽ rộng ra, Op-Amps làm việc trong chế độ này gọi là trạng thái vòng kín (Close Loop). 3. Nguồn cung cấp Op-Amps không phải lúc nào cũng đòi hỏi phải cung cấp một nguồn ổn áp đối xứng ±15VDC, nó có thể làm việc với một nguồn không đối xứng có giá trị thấp hơn (ví dụ như +12VDC và -3VDC) hay thậm chí với một nguồn đơn +12VDC. Tuy nhiên việc thay đổi về cấu trúc nguồn cung cấp cũng làm thay đổi một số tính chất ảnh hưởng đến tính đối xứng của nguồn như Op-amps sẽ không lấy điện áp tham chiếu (reference) là mass mà chọn như hình sau: Mặc dù nguồn đơn có ưu điểm là đơn giản trong việc cung cấp nguồn cho op- amps nhưng trên thực tế rất nhiều mạch op-amps được sử dụng nguồn đôi đối xứng. 4. Phân cực cho op-amps làm việc với tín hiệu ac Cũng như mạch khuếch đại nối tầng RC, các op-amps dùng trong khuếch đại tín hiệu ac cần có tụ liên lạc để tránh ảnh hưởng của thành phần dc giữa các tầng khuếch đại. Dưới đây là sơ đồ một mạch khuếch đại âm tần có độ lợi 40dB Sử dụng nguồn đơn. 5. Mạch so sánh và Schmitt Trigger Hai dạng mạch này có một điểm chung là được phân cực để làm việc ở vùng bão hoà. Tuy nhiên giữa chúng vẫn có những điểm khác biệt. a. Mạch so sánh Mạch so sánh tận dụng tối đa hệ số khuếch đại vòng hở trong op-amps (tối thiểu khoảng 100 000 lần) và được chế tạo thành những vi mạch chuyên dụng (comparators) như LM339, LM306, LM311, LM393, NE527, TLC372 Các VI MẠCH NÀY ĐƯỢC THIẾT KẾ ĐỂ ĐÁP ỨNG RẤT NHANH THEO SỰ THAY ĐỔI CỦA TÍN HIỆU VÀO (Slew rate khoảng vài ngàn volt/microsecond). Tuy nhiên với đáp ứng cực nhanh như vậy đôi lúc dẫn đến những phiền toái, ví dụ trong mạch điện sau Rõ ràng tín hiệu ngõ ra bị dao động mỗi khi chuyển trạng thái, điều này rất nguy hiểm cho các mạch phía sau. Để khắc phụ nhược điểm trên người ta sử dụng mạch Schmitt Trigger. b. Mạch Schmitt Trigger Mạch Schmitt Trigger là mạch so sánh có phản hồi như hình sau Lúc này do v in so sánh với tín hiệu ngõ vào v + là điện thế trên mạch phân áp R 4 -R 2 , nên theo sự biến thiên giữa hai mức điện áp của v out , mạch Schmitt Trigger cũng có hai ngưỡng so sánh là V H và V L . Qua hình trên ta nhận thấy, mạch Schmitt Trigger là mạch so sánh v in theo hai ngưỡng V H và V L . Khi điện áp v in vượt qua V H thì giá trị của v out là 0V và khi v in thấp hơn V L thì vout sẽ ở +V cc (nghĩa là có sự đảo pha). Để minh hoạ trực quan cho dạng mạch này người ta thường sử dụng ký hiệu Mạch Schmitt Trigger còn có một dạng ký hiệu khác ngược chiều với ký hiệu trên khi ta thay đổi cực tính ngõ vào v in , lúc này v in và v out sẽ đồng pha. PHẢN HỒI VÀ ỔN ĐỊNH: 1. Phản hồi Như đã trình bày trong phần nguyên lý làm việc, khi dùng mạch khuếch đại vòng hở chỉ cần trôi nhiệt, nguồn cung cấp không ổn định, hay nhiễu biên độ điện áp ngõ vào rất bé cũng đủ đưa ngõ ra ở trạng thái bão hoà. Minh họa qua mạch điện sau Với ±V cc =±15 VDC, chì cần V + −V - khoảng 1 miliVolt cũng đủ đưa V o ở bão hoà (vùng làm việc phi tuyến). Điều này dẫn đến mạch khuếch đại sai dạng: bất ổn. Để giảm thiểu sự bất ổn này người ta thực hiện phản hồi. Thông thường, OP-AMP sử dụng phản hồi theo 2 dạng: § - Phản hồi dương § - Phản hồi âm • • Thoạt nhìn có vẻ phản hồi dương là tốt (làm tăng độ lợi), nhưng thật ra phản hồi âm mới thật sự làm hệ thống ổn định. Ví dụ, ngay sau khi dùng xong một món có nhiều đường làm cho nồng độ đường trong máu sẽ tăng lên. Để xử lý hiện tượng này người ta tiêm vào máu một liều INSULIN kích thích sự tích tụ đường trong máu làm nồng độ đường trong máu giảm xuống. Hiện tượng này gọi là phản hồi âm phản hồi âm? Như vậy nhờ vào phản hồi âm ta có thể lựa chọn được hệ số khuếch đại của mạch thông qua việc hiệu chỉnh các giá trị điện trở xung quanh Op-Amps. Tuỳ vào tính chất mạch, người ta sẽ chỉnh định lại các thông số của các linh kiện để đưa Op-Amps vào vùng làm việc tương ứng. Điều này tương tự như khi phân cực transistor. 2. Bổ chính điện áp lệch a. Điện áp lệch không Trong Op-Amps lý tưởng khi ΔV in =0 thì V out =0. Nhưng với Op-Amps thực tế thì không được như vậy. Do các linh kiện bện trong mạch không hoàn toàn đối xứng, ảnh hưởng lớn nhất trong op-amps đó là mạch khuếch đại vi sai ở ngõ vào nên lúc này ngõ ra vẫn xuất hiện một điện áp khác 0, gọi là điện áp lệch không ngõ ra V offset (output offset voltage). b. Bổ chính điện áp lệch không Để điều chỉnh lại điện áp ngõ ra giống như Op-Amps lý tưởng, người ta đặt một điện áp nhỏ giữa hai ngõ vào sao cho khi ΔV in =0 thì V out =0. Đối với một số vi mạch có sẵn chân hai chân đưa ra để hiệu chỉnh (thường là Null hay Offset) cho phép mắc thêm vào một biến trở để hiệu chỉnh điện áp lệch ngõ vào. Minh hoạ trên hình sau Với các vi mạch không có hai chân trên, ta có thể mắc thêm mạch chỉnh bên ngoài như hình R 1 phải lớn hơn nhiều lần so với R 2 nhằm tránh sự phân dòng qua R 1 . 3. Bổ chính dòng lệch a. Dòng phân cực ngõ vào và dòng lệch không Trong Op-Amps lý tưởng, do tổng trở ngõ vào vô cùng lớn do đó dòng phân cực ngõ vào bằng 0. Nhưng với Op-Amps thực tế thì không được như vậy, dòng điện ngõ vào vẫn tồn tại khá nhỏ (hàng trăm nA). Mặt khác do các linh kiện bện trong mạch không hoàn toàn đối xứng nên giá trị hai dòng này cũng không bằng nhau và lượng chênh lệch giữa chúng được gọi là dòng chênh lệch ngõ vào (input offset current). Minh hoạ qua hình sau Hình a Hình b Hình a trình bày áp lệch ngõ ra do I ib - gây ra và hình b đưa thêm dòng I ib + nhằm bù lại áp lệch 0 do I ib - gây ra. [...]... Đặc tính biên độ - tần số Trong thực tế, khi khuếch đại tín hiệu xoay chiều độ lợi A sẽ tỉ lệ nghịch với tần số tín hiệu cần khuếch đại, minh họa các đặc tuyến biên tần của các opamps 741, 748, 739 khi khuếch đại vòng hở như hình sau Điều này có nghĩa op-amps không khuếch đại được khi tần số nguồn tín hiệu ở ngõ vào quá cao Điều này có thể lý giải dễ dàng do điện dung ký sinh của các transistor và các... minh hoạ qua hình Ở đây xét một op-amps lý tưởng có ngõ vào là một mạch khuếch đại vi sai (KĐVS) có hệ số khuếch đại A=A0 (hệ số khuếch đại vòng hở); Các khâu +1 và mạch RC đặc trưng cho điện trở và điện dung tạp tán của mạch (các khâu +1 đặc trưng cho khâu ghép điện không phụ thuộc vào tần số và có hệ số truyền đạt bằng 1) Từ đây có thể tính được hệ số khuếch đại: Với fα1 , fα2 , fα3 là tần số tới... + của op-amps I lớn hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps I lên cao, LED 1 tắt * Khi đủ nhiệt: Lúc này VA < VS < VB, đầu vào v+ của op-amps II lớn hơn đầu vào v nên ngõ ra op-amps II lên cao, LED 2 tắt Trong khi đó đầu vào v + của opamps I lớn hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps I lên cao, LED 1 tắt * Khi quá nhiệt: Lúc này VA < VB < VS, đầu vào v+ của op-amps II lớn hơn đầu vào v nên ngõ ra op-amps II lên... mode khác triệt bỏ điện áp này ngay từ nguồn tín hiệu vào minh hoạ qua hình Sử dụng hai cuộn dây cảm ứng cùng thông số và mắc hỗ cảm với nhau như hình c Dòng tín hiệu (không đồng pha) có thể qua dễ dàng (do XL=L.ω rất nhỏ) minh hoạ trên hình a, nhưng khi tín hiệu C.M đi qua sẽ bị dòng cảm ứng của chính nó trừ khử hình b Cách lắp cuộn dây triệt giảm C.M và đặc tuyến triệt giảm như hình sau Các dạng... hàm biến thiên theo nhiệt độ môi trường đặt PTR Cụ thể có thể tính Vs: Rõ ràng Vs = f(To) là một hàm của nhiệt độ Do đó, đo Vs chính là đo nhiệt độ Cụ thể các giá trị điện trở trong mạch được cân chỉnh để 2 OPAMPS làm việc như sau : * Khi thiếu nhiệt: Lúc này VS < VA < VB, đầu vào v+ của op-amps II nhỏ hơn đầu vào v nên ngõ ra op-amps II xuống thấp, LED 2 sáng Trong khi đó đầu vào v + của op-amps I lớn. .. Biện pháp bổ chính Khi lắp vào đầu vào không đảo một điện trở R, dòng phân cực Iib+ tạo ra một sụt áp là VR=R.Iib+ Chọn R sao cho điện áp này bù được áp lệch ngõ ra do Iibgây ra Tính toán theo điều kiện Iib- = Iib+, ta được: R = RF // Rin 4 Bổ chính common Mode Với op-amps lý tưởng điện áp common mode (Vcm) bằng không do mạch chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu ngõ vào Nhưng op-amps thực tế... thì góc lệch pha giữa ngõ ra và ngõ vào sẽ tăng theo, khi góc lệch pha này đạt đến 180 độ thì có thể xảy ra hiện tượng dao động (nếu thoả thêm điều kiện về biên độ) Như vậy mạch khuếch đại sử dụng op-amps sẽ dạo động khi tần số nguồn tín hiệu vào đạt đến một giá trị tần số nào đó → mạch bất ổn b Các biện pháp bù đặc tuyến tần số (bù pha) Độ dự trữ về biên độ và pha càng lớn thì hệ thống càng ổn định... của mạch khuếch đại có hồi tiếp Các mạch bù có thể mắc ở ngõ ra, ngõ vào hay giữa các tầng khuếch đại opamps như hình Tuỳ vào đặc tuyến truyền đạt của các mạch bù người ta tạo ra nhiều dạng mạch bù khác nhau, các mạch bù có tính chất chung là làm giảm độ dốc của đặc tính biên độ theo tần số của hệ số khuếch đại xung quanh tần số cắt f c, nghĩa là giảm góc lệch pha tại thời điểm có khả năng xảy ra dao... của mạch khuếch đại Do hệ số nén tín hiệu kiểu chung (CMRR) ổn định ở 80 đến 100 dB, nên với biên độ tín hiệu ngõ ra (chính là Vcm) < 10μV là đạt Với Op-Amps thực tế điện áp này luôn hiện hữu và không phải là hằng khi tần số làm việc thay đổi trong khoảng rộng Để giảm thiểu giá trị Vcm có thể thực hiện theo nhiều cách, cách đơn giản thực hiện như hình sau Giá trị của RCM1 và RCM2 phải đủ lớn để không... một mạch lọc tích cực lọc thông thấp: mạch lọc mà tần số thấp được truyền qua nguyên vẹn, cò tần số cao bị suy giảm và chậm pha với tín hiệu vào Hình 5: mạch lọc thông thấp Có thể dùng công thức để tính toán và thành lập biểu đồ Bode về biên - tần của mạch lọc trên như hình Hình 6: Đặc tính biên/ tần của mạch lọc thông thấp Các nhận xét về mạch lọc thống thấp: - Tại tần số cắt fc có độ lệch pha là -45o; . ngõ vào v + và v - . Nó hội đủ các ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai như: độ miễn nhiễu cao; khuếch đại được tín hiệu biến thiên chậm; tổng trở ngõ vào lớn - Khối 2: Tầng khuếch đại trung gian,. vào ngõ vào đảo, ngõ vào không đảo nối mass: V out = A v0 .V + - Đưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo, ngõ vào đảo nối mass: V out = A v0 .V - - Đưa tín hiệu vào đổng thời trên hai ngõ vào (tín. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 1. Cấu tạo Op-Amps lý tưởng có cấu tạo như hình vẽ - Khối 1: Đây là tầng khuếch đại vi sai (Differential Amplifier), nhiệm vụ khuếch đại độ sai lệch tín hiệu giữa hai ngõ vào