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

Nguyên lý làm việc Dựa vào ký hiệu của Op-Amps ta có đáp ứng tín hiệu ngõ ra Vo theo các cách đưa tín hiệu ngõ vào như sau: - Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo, ngõ vào không đảo nối mass: Vo

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 Amps người ta thường tính trên Amps lý tưởng, sau đó dùng các biện pháp bổ chính (bù) giúp Op-Amps thực

Op-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 Vo theo các cách đưa tín hiệu ngõ vào như sau:

- Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo, ngõ vào không đảo nối mass: Vout = Av0.V+

- Đưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo, ngõ vào đảo nối mass: Vout =

Av0.V Đưa tín hiệu vào đổng thời trên hai ngõ vào (tín hiệu vào vi sai so với mass): Vout = Av0.(V+-V-) = Av0.(ΔVVin)

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 Vo 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 +Vcc.

- Vùng bão hoà âm: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở -Vcc.

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 Av0 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 ±Vcc 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 Av0 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 amps nhưng trên thực tế rất nhiều mạch op-amps được sử dụng nguồn đôi đối xứng.

op-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.

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 vin so sánh với tín hiệu ngõ vào v+ là điện thế trên mạch phân áp R4-R2, nên theo sự biến thiên giữa hai mức điện áp của vout, mạch Schmitt Trigger cũng có hai ngưỡng so sánh là VH và VL.

Qua hình trên ta nhận thấy, mạch Schmitt Trigger là mạch so sánh vin theo hai ngưỡng VH và VL Khi điện áp vin vượt qua VH thì giá trị của vout là 0V và khi vin thấp hơn VL thì vout sẽ ở +Vcc (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 vin, lúc này vin và vout 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 ±Vcc=±15 VDC, chì cần V+−V- khoảng 1 miliVolt cũng đủ đưa Vo 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 ΔVVin=0 thì Vout=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

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 ΔVVin=0 thì Vout=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

R1 phải lớn hơn nhiều lần so với R2 nhằm tránh sự phân dòng qua R1.

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 Iib- gây ra và hình b đưa thêm dòng Iib+

nhằm bù lại áp lệch 0 do Iib- gây ra.

Với nguồn Vin có biên độ 1VAC, thay đổi tần số nguồn theo tần số làm việc 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 ánh hưởng bởi tổng trở vào của Op-Amps Với một số op-amps chuyên dụng, người ta trang bị thêm các

mạch triệt giảm common mode ngay bên trong vi mạch, ví dụ với vi mạch LH0026 có thể mắc thêm mạch triệt giảm common mode như sau

Ở đây nguồn vCM được chọn có biên độ là 1V và tần số nằm trong vùng tần số làm việc của mạch khuếch đại, sau khi cấp nguổn chỉnh lại giá trị của R3 sao cho vout = 0V là được.

Ngoài ra còn có một số phương thức triệt giảm common 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 cuộn dây C.M được chế tạo để triệt giảm C.M hiện có trên thị

trường

5 Bổ chính tần số

a 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 op- amps 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 điện trở trong mạch tạo thành các mạch lọc thông thấp, 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 hạn của 3 khâu lọc thông thấp.

Từ công thức này có thể thấy khi tần số tăng 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 Nhưng do hai thông số này liên quan chặc chẽ với nhau nên trong thực tế chỉ cần xét một trong hai tham số là đủ Thông thường người ta sử dụng hệ số dự trữ về pha.

Với bộ khuếch đại có mạch hồi tiếp âm không phụ thuộc tần số nghĩa là mạch hồi tiếp không gây ra một góc lệch pha nào, thì độ dự trữ chỉ cần 45 độ

là đủ Nhưng khi mạch hồi tiếp không phải là thuần trở, nghĩa là có làm lệch pha thì yêu cầu dự trữ về pha phải lớn hơn (thậm chí có khi người ta chọn đến 90 độ).

Về nguyên tắc, bù tần số hay còn gọi là bù pha thực chất là làm thay đổi đặc tính tần số của hệ số khuếch đại vòng kín sao cho |Av|=|A0.Afeedback|<1 trước khi góc lệch pha φ = −180 độ Để thực hiện được điều này, có thể thay đổi A0 gọi là bù trong hay Afeedback gọi là bù ngoài còn thay đổi cả A0 và Afeedback gọi là

bù hổn hợp Thông thường người ta cho bù trong vì khi thay đổi A0 sẽ ít ảnh hưởng đến hàm truyền chung của mạch khuếch đại có hồi tiếp.

Các mạch bù có thể mắc ở ngõ ra, ngõ vào hay giữa các tầng khuếch đại amps như hình

op-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 fc, nghĩa là giảm góc lệch pha tại thời điểm có khả năng xảy ra dao động (| A0.Afeedback|=1) Cụ thể các dạng mạch bù là

Hình 1: Nguyên lý so sánh của số Khi muốn khống chế nhiệt độ lò ở 40 o C, người ta tiến hành như sau: từ nhiệt độ môi trường đang là 27 o C, bắt đầu cấp nhiệt cho lò (điểm A) Nhiệt

độ lò tăng dần vượt qua 36 o C (điểm B), rồi qua 40 o C mạch vẫn tiếp tục cấp nhiệt cho đến khi nhiệt độ của lò đến 44 o C (điểm C), lò mới cắt điện trở gia nhiệt Nhiệt độ lò bắt đầu giảm dần từ 44 o C (điểm D) Giảm qua 40 o C vẫn tiếp tục giảm Cho đến 36 o C (điểm E) thì lại tiếp tục cấp nhiệt cho lò (điểm B) nhiệt độ lò tăng dần lên.

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý mạch báo nhiệt

Rõ ràng để giữ nhiệt độ lò nằm trong khoảng 40 o C, người ta cấp nhiệt cho lò theo chu trình B, C, D, E rồi trở lại B: hình dạng như một cửa sổ nên có tên là mạch so sánh cửa sổ (window comparator) Nguyên lý so sánh này được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, dân dụng, quân sự, y tế Tóm tắt nguyên lý làm việc như sau:

Điện trở nhiệt PTR phối hợp với R1 và R2 tạo ra Vs là một hàm biến thiên theo nhiệt độ môi trường đặt PTR Cụ thể có thể tính Vs:

Rõ ràng Vs = f(T o ) 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 OP- AMPS 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 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 op- amps 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 cao, LED 2 tắt Trong khi đó đầu vào v+ của op- amps I nhỏ hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps I xuống thấp, LED 1 sáng.

Rõ ràng chỉ cần nhìn vào độ sáng tối của 2 LED, ta có thể nhận biết được nhiệt độ của môi trường cần cảnh báo nhiệt độ Để mạch cảnh báo hiệu quả hơn có thể thêm vào một mạch dao động, mạch này giúp khi có sự cố các LED sẽ không sáng liên tục mà nhấp nháy.

2 Mạch chỉnh lưu chính xác

Trong thực tế, đôi lúc người ta cần mạch chỉnh lưu có điện áp ngõ ra như hình vẽ trong điều kiện lý tưởng, nhưng trên thực tế dù diode được phân cực thuận và dẫn dòng thì vẫn có một sụt áp đáng kể trên diode (chỉnh lưu cầu sụt áp này là 2VD) Điều này dẫn đến sự méo dạng điện áp ngõ ra như hình vẽ.

Hình 3: Chỉnh lưu diode và chỉnh lưu chính xác

Để khắc phục nhược điểm này, người ta sử dụng mạch chỉnh lưu chính xác

sử dụng Op-Amps như hình vẽ

Hình 4: Chỉnh lưu chính xác một bán kỳ

Do dòng điện hai ngõ vào của Op-Amps bằng không nên trong chu kỳ phân cực thuận của diode (chu kỳ chỉnh lưu) Vin=Vout, vì vậy sóng dạng điện áp ngõ ra bộ chỉnh lưu như sóng dạng bộ chỉnh lưu lý tưởng Để được chỉnh lưu toàn sóng như hình 3, ta thực hiện ghép song song và ngược chiều hai mạch op-amps ở hình 4.

3 Mạch lọc

Mạch lọc thụ động có ưu điểm là rất đơn giản, tuy nhiên hệ số truyền đạt nhỏ do bị tổn hao trên RC, phụ thuộc nhiều vào tải, khó phối hợp tổng trở với các mạch ghép Muốn hạn chế độ suy giảm thì phải lắp nhiều mắt lọc liên tiếp, lúc này tần số cắt của bộ lọc sẽ khác với các tần số cắt của các mắt lọc Cách khắc phục nhược điểm trên đó là sử dụng các mạch lọc tích cực Cụ thể

là đưa mắt lọc RC vào đường hồi tiếp của Op-Amps để tăng hệ số truyền đạt, tăng hệ số phẩm chất, đồng thời làm giảm ảnh hưởng của tải bằng cách dùng tầng đệm để phối hợp trở kháng.

Cũng như mạch lọc thụ động, có thể phân mạch lọc tích cực theo tần số làm việc như: mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc dãy Ở đây giới thiệu 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.