Bài giảng kỹ thuật điện chương 3 opamp

Chương 3: OPAMP 3.1 Giới thiệu 3.2 Mô hình toán 3.2.1 Mô hình toán OPAMP vùng khuếch đại 3.2.2 Mô hình toán OPAMP lý tưởng 3.3 Mạch ứng dụng 3.3.1 Mạch khuếch đại đầu vào không đảo 3.3.2 Mạch khuếch đại đầu vào đảo 3.3.3 Mạch cộng tín hiệu 3.3.4 Mạch trừ tín hiệu 3.3.5 Mạch tích phân 3.3.6 Mạch vi phân 3.4 Bài tập 3.1 Giới thiệu • OPAMP (Operational Amplifier ) - khuếch đại thuật toán: khuếch đại có hệ số khuếch đại A lớn; tạo thành từ tổ hợp phần tử tích cực (transistor) với phần tử thụ động khác • Ví dụ xét sơ đồ nguyên lý OPAMP LM741 Sơ đồ chân Hình dạng thực tế Sơ đồ nguyên lý 3.1 Giới thiệu.(tt) Ký hiệu: • Đầu cấp nguồn VCC+ VCC- : cấp nguồn DC để Opamp hoạt động • Ngõ vào: Vin+ : ngõ vào không đảo (+) (noninverting input) Vin- : ngõ vào đảo (-) (inverting input) • Ngõ (output): Vo 3.1 Giới thiệu - Biểu thức quan hệ: - Đặc tuyến chuyển điện áp OPAMP: 𝐕𝐨 = 𝐀 ∆𝐕𝐢𝐧 = 𝐀 𝐕𝐢𝐧+ − 𝐕𝐢𝐧− với −VCC ≤ Vo ≤ +VCC A hệ số khuếch đại điện áp vòng hở  Lưu ý: - Vùng khuếch đại: −VCC ≤ Vo ≤+VCC - Vùng bảo hoà: xác định Vo từ biểu thức quan hệ, Nếu Vo > VCC Vo = + VCC gọi bảo hoà dương Nếu Vo < -VCC Vo= +VCC gọi bảo hoà âm Trong vùng bão hòa, Vo không phụ thuộc ΔVin=(Vin+ - Vin-) 3.2 Mô hình toán OPAMP 3.2.1 Mô hình toán OPAMP vùng khuếch đại Với: Ri : tổng trở nhập Opamp A : độ khuếch đại điện áp vòng hở Ro : tổng trở ngõ Opamp Mạch trên, ta có nguồn áp phụ thuộc theo áp vào ΔV=(Vin+ - Vin-) 3.2 Mô hình toán OPAMP.(tt) 3.2.2 Mô hình toán OPAMP lý tưởng Đối với Opamp lý tưởng, ta có: Ri = ∞ Ro = A=∞ - Nguồn cấp VCC có giá trị khoảng vài chục Volt giả thiết hệ số khuếch đại A = ∞, dựa vào đặc tuyến chuyển Opamp, vùng khuếch đại tuyến tính mở rộng phạm vi nhỏ, xem ΔVin=0 Nên ta có: Vin+ = Vin- Tổng trở vào Ri = ∞ → iin+ = iin- = 3.3 Các mạch ứng dụng 3.3.1 Mạch khuếch đại đầu vào không đảo Áp dụng pt điện nút b, ta có: Vb Vb − Vo + + iin− = (1) RG RF Giả thiết Opamp lý tưởng, ta có: iin− = ∆Vin = Va − Vb = Vin − Vb = 0→ Vin = Vb Vin Vin − Vo 1 Vo (1) → + = → Vin + = RG RF RG RF RF →Biểu thức quan hệ ngõ vào-ra mạch khuếch đại đầu vào không đảo: 𝐑𝐅 𝐕𝐨 = + 𝟏 𝐕𝐢𝐧 𝐑𝐆 đk: 𝐕𝐨 ≤ 𝐕𝐂𝐂 3.3.1 Mạch khuếch đại đầu vào không đảo (tt) Khảo sát Opamp UA741 RF=10kΩ; RG=5kΩ RF Vo = + Vin RG →Đồ thị biểu diễn Vo Vin 3.3.2 Mạch khuếch đại đầu vào đảo Chứng minh tương tự, ta có quan hệ ngõ vào-ra mạch khuếch đại đầu vào đảo: 𝐑𝐅 𝐕𝐨 = − 𝐕𝐢𝐧 𝐑𝐆 đk: 𝐕𝐨 ≤ 𝐕𝐂𝐂 3.3.3 Mạch cộng tín hiệu Mạch cộng tín hiệu ngõ vào đảo Biểu thức quan hệ ngõ vàongõ ra: 𝐕𝐨= − 𝐑 𝐅 𝐕𝐢𝐧𝟏 𝐕𝐢𝐧𝟐 𝐕𝐢𝐧𝟑 + + 𝐑𝟏 𝐑𝟐 𝐑𝟑 đk: 𝐕𝐨 ≤ 𝐕𝐂𝐂 10 3.3.4 Mạch trừ tín hiệu Biểu thức quan hệ ngõ vàongõ ra: 𝐑𝐆 𝐑𝟐 + 𝐑𝐅 𝐑𝐅 𝐕𝐨 = 𝐕𝐢𝐧𝟏 − 𝐕𝐢𝐧𝟐 𝐑𝟐 𝐑𝟏 + 𝐑𝐆 𝐑𝟐 Nếu chọn: R1=R2=Rin RF=RG, ta có: 𝐑𝐅 𝐕𝐨 = 𝐕𝐢𝐧𝟏 −𝐕𝐢𝐧𝟐 𝐑 𝐢𝐧 Còn gọi mạch khuếch đại vi sai đk: 𝐕𝐨 ≤ 𝐕𝐂𝐂 11 3.3.5 Mạch tích phân Biểu thức quan hệ ngõ vàongõ ra: 𝟏 𝐕𝐨 = − 𝐑𝐂 𝐕𝐢𝐧 𝐝𝐭 Giả thiết VC=0V thời điểm gốc thời gian t=0 đk: 𝐕𝐨 ≤ 𝐕𝐂𝐂 12 3.3.6 Mạch vi phân Biểu thức quan hệ ngõ vàongõ ra: 𝐝𝐕𝐢𝐧 𝐕𝐨 = −𝐑𝐂 𝐝𝐭 đk: 𝐕𝐨 ≤ 𝐕𝐂𝐂 13 3.4 Bài tập  BT 3.1: Cho mạch KĐTT hình R1=10kΩ, RN=500kΩ, RP=10kΩ, E=12V a Viết biểu thức Vout b Tính Vout Vin=0,2V ĐS:[-10V] 14 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.2: Cho mạch KĐTT hình R1=20kΩ, RN=780kΩ, R2=20kΩ, E=15V a Viết biểu thức Vout b Tính Vout Vin=0,3V ĐS:[12V] 15 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.3: Cho mạch KĐTT hình RN=500kΩ, R1=20kΩ, R2=20kΩ, R3=10kΩ, R4=30kΩ, Vin1=0,4V, Vin2=0,5V a Viết biểu thức Vout b Tính Vout ĐS:[9.9V] 16 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.4: Cho mạch KĐTT hình RN=500kΩ, R1=20kΩ, R2=30kΩ, Rp=20kΩ, Vin1=0,15V, Vin2=1V a Viết biểu thức Uout b Tính Uout ĐS:[6,65V] 17 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.5: Cho mạch KĐTT hình R1=10kΩ, R2=200kΩ, R3=20kΩ, R4=15kΩ, R5=150kΩ, E=±15V, Vin=0,15V a Viết biểu thức Vout b Tính Vout ĐS:[-16,5V→-15] 18 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.6: Cho mạch KĐTT hình R1=15kΩ, R2=250kΩ, R3=20kΩ, R4=470kΩ, E=±9V, Vin=0,025V a Viết biểu thức Vout b Tính Vout ĐS:[-11V→-9] 19 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.7: Cho mạch KĐTT hình R1=20kΩ, R2=25kΩ, R3=30kΩ, RN=500kΩ, V1=0,1V, V2=0,2V, V3=0,3V, E=12V a Viết biểu thức Vout b Tính Vout ĐS:[-11,5V] 20 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.8: Cho mạch KĐTT hình R1=20kΩ, R2=20kΩ, R3=30kΩ, R4=250kΩ, R5=10kΩ, Vin=0,5V, E=±12V a Viết biểu thức Vout b Tính Vout ĐS:[5,2V] 21 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.9: Cho mạch KĐTT hình R1=20kΩ, R2=500kΩ, R3=25kΩ, R4=20kΩ, R5=30kΩ, R6=60kΩ, V1=0,2V, V2=0,3V, E=±12V a Viết biểu thức Vout b Tính Vout ĐS:[-13,2→ -12V] 22 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.10: Thiết kế mạch KĐTT thực chức sau: dVin Vo = −A dt Cho Vin=2sin1000t; R=2kΩ; C=0,47μF Hãy tính Vo ĐS:[-1,88.cos1000t] 23 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.11: Cho mạch điện hình Vin=10sin 100t, C=1μF, R=100kΩ a Đây mạch gì? b Xác định Vo ĐS:[cos100t] 24 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.12: Cho mạch điện hình Biết thời điểm t=0 → Vo=0V C=1μF, R1=100kΩ; R2=100kΩ a Đây mạch gì? b.Xác định Vo Vin1=1+10sin100t ; Vin2=10sin 100t ĐS:[cos100t] 25 [...]... 19 3. 4 Bài tập (tt)  BT 3. 7: Cho mạch KĐTT như hình R1=20kΩ, R2=25kΩ, R3 =30 kΩ, RN=500kΩ, V1=0,1V, V2=0,2V, V3=0,3V, E=12V a Viết biểu thức Vout b Tính Vout ĐS:[-11,5V] 20 3. 4 Bài tập (tt)  BT 3. 8: Cho mạch KĐTT như hình R1=20kΩ, R2=20kΩ, R3 =30 kΩ, R4=250kΩ, R5=10kΩ, Vin=0,5V, E=±12V a Viết biểu thức Vout b Tính Vout ĐS:[5,2V] 21 3. 4 Bài tập (tt)  BT 3. 9: Cho mạch KĐTT như hình R1=20kΩ, R2=500kΩ, R3=25kΩ,... đk: 𝐕𝐨 ≤ 𝐕𝐂𝐂 13 3.4 Bài tập  BT 3. 1: Cho mạch KĐTT như hình R1=10kΩ, RN=500kΩ, RP=10kΩ, E=12V a Viết biểu thức Vout b Tính Vout nếu Vin=0,2V ĐS:[-10V] 14 3. 4 Bài tập (tt)  BT 3. 2: Cho mạch KĐTT như hình R1=20kΩ, RN=780kΩ, R2=20kΩ, E=15V a Viết biểu thức Vout b Tính Vout nếu Vin=0,3V ĐS:[12V] 15 3. 4 Bài tập (tt)  BT 3. 3: Cho mạch KĐTT như hình RN=500kΩ, R1=20kΩ, R2=20kΩ, R3=10kΩ, R4 =30 kΩ, Vin1=0,4V,... R4=20kΩ, R5 =30 kΩ, R6=60kΩ, V1=0,2V, V2=0,3V, E=±12V a Viết biểu thức Vout b Tính Vout ĐS:[- 13, 2→ -12V] 22 3. 4 Bài tập (tt)  BT 3. 10: Thiết kế mạch KĐTT thực hiện chức năng sau: dVin Vo = −A dt Cho Vin=2sin1000t; R=2kΩ; C=0,47μF Hãy tính Vo ĐS:[-1,88.cos1000t] 23 3.4 Bài tập (tt)  BT 3. 11: Cho mạch điện như hình Vin=10sin 100t, C=1μF, R=100kΩ a Đây là mạch gì? b Xác định Vo ĐS:[cos100t] 24 3. 4 Bài tập... ĐS:[9.9V] 16 3. 4 Bài tập (tt)  BT 3. 4: Cho mạch KĐTT như hình RN=500kΩ, R1=20kΩ, R2 =30 kΩ, Rp=20kΩ, Vin1=0,15V, Vin2=1V a Viết biểu thức Uout b Tính Uout ĐS:[6,65V] 17 3. 4 Bài tập (tt)  BT 3. 5: Cho mạch KĐTT như hình R1=10kΩ, R2=200kΩ, R3=20kΩ, R4=15kΩ, R5=150kΩ, E=±15V, Vin=0,15V a Viết biểu thức Vout b Tính Vout ĐS:[-16,5V→-15] 18 3. 4 Bài tập (tt)  BT 3. 6: Cho mạch KĐTT như hình R1=15kΩ, R2=250kΩ, R3=20kΩ,.. .3. 3.4 Mạch trừ tín hiệu Biểu thức quan hệ giữa ngõ vàongõ ra: 𝐑𝐆 𝐑𝟐 + 𝐑𝐅 𝐑𝐅 𝐕𝐨 = 𝐕𝐢𝐧𝟏 − 𝐕𝐢𝐧𝟐 𝐑𝟐 𝐑𝟏 + 𝐑𝐆 𝐑𝟐 Nếu chọn: R1=R2=Rin và RF=RG, ta có: 𝐑𝐅 𝐕𝐨 = 𝐕𝐢𝐧𝟏 −𝐕𝐢𝐧𝟐 𝐑 𝐢𝐧 Còn gọi là mạch khuếch đại vi sai đk: 𝐕𝐨 ≤ 𝐕𝐂𝐂 11 3. 3.5 Mạch tích phân Biểu thức quan hệ giữa ngõ vàongõ ra: 𝟏 𝐕𝐨 = − 𝐑𝐂 𝐕𝐢𝐧 𝐝𝐭 Giả thiết VC=0V tại thời điểm gốc thời gian t=0 đk: 𝐕𝐨 ≤ 𝐕𝐂𝐂 12 3. 3.6 Mạch vi phân Biểu... C=0,47μF Hãy tính Vo ĐS:[-1,88.cos1000t] 23 3.4 Bài tập (tt)  BT 3. 11: Cho mạch điện như hình Vin=10sin 100t, C=1μF, R=100kΩ a Đây là mạch gì? b Xác định Vo ĐS:[cos100t] 24 3. 4 Bài tập (tt)  BT 3. 12: Cho mạch điện như hình Biết tại thời điểm t=0 → Vo=0V C=1μF, R1=100kΩ; R2=100kΩ a Đây là mạch gì? b.Xác định Vo nếu Vin1=1+10sin100t ; Vin2=10sin 100t ĐS:[cos100t] 25