Vi mạch khuếch đại thuật toán

Kỹ thuật điện tử Hoàng Văn Hiệp Bộ môn Kỹ Thuật máy tính – Khoa Công nghệ thông tin Mob 091 609 3209 Email: hiephv@it-hut.edu.vn hoangvanhiep1984@gmail.com Electronic technical – HiepHV KTMT Kỹ thuật điện tử Chương Vi mạch khuếch đại thuật toán Hoàng Văn Hiệp Bộ môn Kỹ thuật máy tính, Khoa công nghệ thông tin Trường đại học Bách khoa Hà nội Electronic technical – HiepHV KTMT Nội dung chương  5.1 Tổng quan vi mạch thuật toán  5.2 Các thông số kỹ thuật vi mạch thuật toán  5.3 Ứng dụng vi mạch thuật toán Electronic technical – HiepHV KTMT Nội dung chương  5.1 Tổng quan vi mạch thuật toán  5.2 Các thông số kỹ thuật vi mạch thuật toán  5.3 Ứng dụng vi mạch thuật toán Electronic technical – HiepHV KTMT 5.1 Tổng quan vi mạch khuếch đại thuật toán  Vi mạch khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier) – ký hiệu OpAmp dùng để nói mạch khuếch đại có khả thay đổi theo mạch ghép nối bên để:  Thực phép biển đổi toán học:  Cộng  Trừ  Biến đổi tỷ lệ  Vi tích phân máy tính tương tự  Nhờ phát triển công nghệ bán dẫn  OpAmp ngày trở nên tin cậy  Kích thước nhỏ  Ổn định nhiệt   OpAmp sử dụng thành phần ứng dụng khuếch đại, biến đổi tín hiệu, lọc tích cực, tạo hàm chuyển đổi Electronic technical – HiepHV KTMT Cấu tạo  Cấu tạo sở vi mạch khuếch đại thuật toán tầng khuếch đại vi sai Các vi mạch khuếch đại thuật toán bao gồm ba phần:  Khuếch đại vi sai  Dùng khuếch đại tín hiệu vào, có đặc điểm khuếch đại nhiễu thấp, trở kháng vào cao, thường đầu vi sai  Khuếch đại điện áp  Tạo hệ số khuếch đại điện áp cao, thường đầu đơn cực  Khuếch đại đầu  Dùng với tín hiệu ra, cho phép khả tải dòng lớn, trở kháng thấp, có mạch chống ngắn mạch hạn chế dòng điện Electronic technical – HiepHV KTMT Cấu tạo (tiếp)  Một vi mạch khuếch đại thuật toán phổ dụng 741 Sơ đồ mạch bên vi mạch khuếch đại thuật toán 741được trình bày hình vẽ: Electronic technical – HiepHV KTMT Electronic technical – HiepHV KTMT Nội dung chương  5.1 Tổng quan vi mạch thuật toán  5.2 Các thông số kỹ thuật vi mạch thuật toán  5.3 Ứng dụng vi mạch thuật toán Electronic technical – HiepHV KTMT 5.2 Các thông số kỹ thuật  Ký hiệu:  Hai đầu vào:  Đầu vào (đầu ký hiệu dấu ‘-‘ vi mạch KĐTT) gọi đầu vào đảo Điện áp v1 đặt vào đầu vào đảo khuếch đại biên độ đảo pha đầu  Đầu vào (đầu ký hiệu dấu ‘+‘ vi mạch KĐTT) gọi đầu vào không đảo Điện áp v2 đặt vào đầu vào không đảo khuếch đại biên độ không đảo pha đầu  Một đầu ra, điện áp ký hiệu v0 Electronic technical – HiepHV KTMT d) Mạch cộng không đảo (tiếp)  Xét nút A, ta có: I I I ht UA R2  Xét nút B, ta có:  Thay UA UB I2 U1 U B R1 UB U A Ur R2 Ur UA I1 I U2 UB R1 U1 U 2 vào ta có: U r Electronic technical – HiepHV KTMT U1 U d) Mạch cộng không đảo (tiếp)  Tổng quát: trường hợp nhiều đầu vào, mạch cộng không đảo thực sau: N Ur i U i i N i i Electronic technical – HiepHV KTMT e) Mạch trừ U U I I UA  Trong mạch trừ  Một đầu vào đưa đến đầu vào đảo  Đầu vào lại đưa đến đầu vào không đảo Electronic technical – HiepHV KTMT UB e) Mạch trừ (tiếp)  Xét nút A, ta có: I1 I I ht U1 U R2 I2 I0 U2 U R1 U  Thay U U U Ur R2 U1 U r U  Xét nút B, ta có: I 0 U R1 U2 vào ta có: Electronic technical – HiepHV KTMT Ur U U1 f) Mạch cộng trừ tổng quát Electronic technical – HiepHV KTMT f) Mạch cộng trừ tổng quát (tiếp)  Tính Ur  Nếu N N ' i i i i N N ' i Ur U ' i i  Chứng minh??? Electronic technical – HiepHV KTMT i i U i g) Mạch tích phân  Đặc tính điện tụ điện:  Mạch tích phân: iC C dU dt  Khi thay điện trở hồi tiếp vi mạch KĐTT tụ điện, tính chất điện tụ điện, ta có mạch thực lấy tích phân tín hiệu vào hình vẽ Electronic technical – HiepHV KTMT U U I I 0 g) Mạch tích phân (tiếp)  Xét nút A, ta có: I1 I U1 R Ur IC dU r C dt U dt RC  Như vậy, tín hiệu tích phân tín hiệu vào có đảo dấu Electronic technical – HiepHV KTMT h) Mạch vi phân  Mạch vi phân:  Khi thay tụ điện vào điện trở nối với nguồn tín hiệu, tính chất điện tụ điện, ta có mạch thực lấy vi phân tín hiệu vào hình vẽ Electronic technical – HiepHV KTMT U U I I 0 h) Mạch vi phân  Xét nút A, ta có: IC I dU1 C dt Ur I ht U Ur R dU1 RC dt  Như vậy, tín hiệu vi phân tín hiệu vào có đảo dấu Electronic technical – HiepHV KTMT Bài tập 5.1  Giả thiết n số nguyên dương lớn 1; q số thực có giá trị khoảng (0,1)  a Xác định biểu thức tính giá trị điện áp U2(U1)  b Biết E=±9V, R0=20KΩ, R=440KΩ, n=45, U1=200mV Tính khoảng giá trị U2 nhận lối cho q biến thiên khoảng (0,1)  c Xác định khoảng giá trị q để vi mạch khuếch đại thuật toán làm việc chế độ bão hòa Electronic technical – HiepHV KTMT Bài tập 5.2  Biết: R1=10KΩ, R2=110KΩ, R3=15KΩ, R4=1KΩ, VR=2KΩ, E=±12V U1 điện áp vào hình sin biên độ 70mV  a Tìm biểu thức tính U2  b Tính khoảng giá trị VR để vi mạch khuếch đại thuật toán không gây méo dạng cho tín hiệu Electronic technical – HiepHV KTMT Bài tập 5.3  Bài 5.3: Thiết kế mạch sử dụng vi mạch khuếch đại thuật toán thực hàm sau:  Ur = 2U1-3U2+5U3-4U4  Ur = 8U1-3U2-5U3  Ur = Uv/4 Electronic technical – HiepHV KTMT Bài tập 5.4  Giả thiết vi mạch      lý tưởng a Viết phương trình tính Ur theo U1, U2 tham số sơ đồ b Tính Ur biết: U1=70mV, U2=40mV R1=10KΩ, R2=25KΩ, R3=12KΩ, R4=20KΩ, R5=240KΩ Electronic technical – HiepHV KTMT Bài tập 5.5  a Tính điện áp Ur 2R2 R1  b Cho R2=R1, E=+9V, 2R2 +E Uv Ur R1 -E Uv điện áp tam giác đối xứng qua gốc tọa độ, biên độ ±5V, chu kỳ T=20ms Vẽ dạng điện áp Ur tính toán tham số Ur Electronic technical – HiepHV KTMT [...]... Tổng quan về vi mạch thuật toán  5.2 Các thông số kỹ thuật vi mạch thuật toán  5.3 Ứng dụng vi mạch thuật toán Electronic technical – HiepHV KTMT 5.3 Ứng dụng  Mạch khuếch đại  Mạch khuếch đại đảo  Mạch khuếch đại không đảo  Mạch Cộng trừ  Mạch cộng  Mạch trừ  Mạch vi tích phân  Mạch vi phân  Mạch tích phân Electronic technical – HiepHV KTMT a) Mạch khuếch đại đảo  Mạch khuếch đại đảo (hình...5.2 Các thông số kỹ thuật  Mạch tương đương đơn giản Electronic technical – HiepHV KTMT 5.2 Các thông số kỹ thuật  Một bộ vi mạch KĐTT khuếch đại vi sai điện áp vd=v1-v2 giữa hai tín hiệu vào Hệ số khuếch đại điện áp hở mạch được tính theo công thức: AOL v0 vd  Về biên độ, hệ số khuếch đại hở mạch AOL đạt giá trị từ 104 tới 107 Biên độ lớn nhất của điện... trong khoảng (0,1)  c Xác định các khoảng giá trị của q để vi mạch khuếch đại thuật toán làm vi c ở chế độ bão hòa Electronic technical – HiepHV KTMT Bài tập 5.2  Biết: R1=10KΩ, R2=110KΩ, R3=15KΩ, R4=1KΩ, VR=2KΩ, E=±12V U1 là điện áp vào hình sin biên độ 70mV  a Tìm biểu thức tính U2  b Tính khoảng giá trị của VR để vi mạch khuếch đại thuật toán không gây méo dạng cho tín hiệu Electronic technical... Mạch khuếch đại không đảo  Mạch khuếch đại không đảo có tín hiệu vào được đưa tới đầu vào không đảo, đầu vào đảo được nối đất qua điện trở R1 như hình vẽ  Tính toán đầu ra U2: I1  Xét tại nút A, ta có: U U I I I 0 U R1 U1 0 I2 0 Electronic technical – HiepHV KTMT 0 U U2 R2 0 b) Mạch khuếch đại không đảo  Thay U U 1 vào ta có: U1 R1 U2 U1 U 2 R2 0 R2 U1 1 R1  Nhận xét:  Điện áp vào được khuếch đại. .. technical – HiepHV KTMT 5.2 Các thông số kỹ thuật  Vi mạch KĐTT lý tưởng có 3 đặc điểm như sau:  1 Hệ số khuếch đại điện áp hở mạch là -∞  2 Trở kháng vào Rd giữa hai cực 1 và 2 là vô cùng lớn, vì vậy, dòng vào bằng 0  3 Trở kháng ra bằng 0, nhờ vậy, điện áp ra không phụ thuộc vào tải Electronic technical – HiepHV KTMT 5.2 Các thông số kỹ thuật  Vi mạch KĐTT lý tưởng  Sơ đồ tương đương: Electronic... áp vào về biên độ  Điện áp ra cùng pha với điện áp vào Electronic technical – HiepHV KTMT c) Mạch cộng đảo  Mạch cộng đảo hai số sử dụng vi mạch KĐTT được thực hiện như hình vẽ sau:  Mạch có 2 tín hiệu vào U1 và U2 được đưa song song tới đầu vào đảo của vi mạch KĐTT Electronic technical – HiepHV KTMT c) Mạch cộng đảo (tiếp)  Xét tại nút A, ta có: I1 I 2 I  Thay U- vào ta có: U1 U R1 U1 R1 U2 R1... R1, mạch thực hiện hồi tiếp âm qua điện trở R2 Đầu ra U2 đảo cực so với đầu vào U1  Tính toán đầu ra U2: U U I I Electronic technical – HiepHV KTMT 0 0 Mạch khuếch đại đảo  Xét tại nút A, ta có: I1 I U1 U R1  Thay U I2 0 0 U U2 R2 0 0 vào ta có U2 R2 U 1 R1  Nhận xét: R2  Điện áp vào được khuếch đại lên tỷ lệ lần R1  Điện áp ra ngược pha với điện áp vào Electronic technical – HiepHV KTMT b) Mạch. .. – HiepHV KTMT U U I I 0 0 g) Mạch tích phân (tiếp)  Xét tại nút A, ta có: I1 I U1 0 R Ur IC 0 dU r C dt 0 1 U 1 dt RC  Như vậy, tín hiệu ra chính là tích phân của tín hiệu vào có đảo dấu Electronic technical – HiepHV KTMT h) Mạch vi phân  Mạch vi phân:  Khi thay tụ điện vào điện trở nối với nguồn tín hiệu, do tính chất điện của tụ điện, ta sẽ có mạch thực hiện lấy vi phân của tín hiệu vào như hình... 2 U1 f) Mạch cộng trừ tổng quát Electronic technical – HiepHV KTMT f) Mạch cộng trừ tổng quát (tiếp)  Tính Ur  Nếu N N ' i i i 1 i 1 N N ' i Ur U ' i i 1  Chứng minh??? Electronic technical – HiepHV KTMT i i 1 U i g) Mạch tích phân  Đặc tính điện của tụ điện:  Mạch tích phân: iC C dU dt  Khi thay điện trở hồi tiếp của vi mạch KĐTT bằng tụ điện, do tính chất điện của tụ điện, ta sẽ có mạch thực... technical – HiepHV KTMT U1 U 2 d) Mạch cộng không đảo (tiếp)  Tổng quát: đối với trường hợp nhiều đầu vào, mạch cộng không đảo được thực hiện như sau: N 2 Ur i U i i 1 N i i 1 Electronic technical – HiepHV KTMT e) Mạch trừ U U I I UA 0  Trong mạch trừ  Một đầu vào đưa đến đầu vào đảo  Đầu vào còn lại đưa đến đầu vào không đảo Electronic technical – HiepHV KTMT UB e) Mạch trừ (tiếp)  Xét tại nút A,