Bài thí nghiệm giúp các bạn kiểm chứng nguyên lý hoạt động và các thông số cơ bản của các mạch OpAmp thông dụng bao gồm 2 nhóm mạch: mạch khuếch đại và mạch so sánh. Hiểu rõ công dụng và chức năng cũng như nguyên lý hoạt động của các mạch, góp phần trong việc hiểu chính xác các cách tính toán lý thuyết cũng như vận dụng chúng vào các mạch thực tiễn và đưa vào trình độ chuyên môn nghề nghiệp sau này.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ -*** - BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MẠCH ĐIỆN TỬ KIỂM CHỨNG MẠCH ỨNG DỤNG DÙNG OP-AMP Giảng viên hướng dẫn: Trần Quang Việt I Mục tiêu thí nghiệm: - Bài thí nghiệm giúp bạn kiểm chứng nguyên lý hoạt động thông số mạch Op-Amp thông dụng bao gồm nhóm mạch: mạch khuếch đại mạch so sánh Hiểu rõ công dụng chức nguyên lý hoạt động mạch, góp phần việc hiểu xác cách tính tốn lý thuyết vận dụng chúng vào mạch thực tiễn đưa vào trình độ chun mơn nghề nghiệp sau - Những số liệu sai lệch tính toán lý thuyết đo thực tế đưa nhiều câu hỏi giúp thành viên nhóm tìm hiểu hiểu thêm sai số mơi trường thực tế, từ đưa hướng khác phục giải chung để lại nhiều kinh nghiệm quý báo cho lần báo cáo tới - Trong q trình thí nghiệm, thí nghiệm giúp bạn hiểu thành thạo thao tác việc sử dụng thiết bị đo phịng thí nghiệm ( hộp thí nghiệm chính,máy đo đa Fluke, máy dao động ký…) thao tác thực lắp mạch thực đo đạc để lấy số liệu cần thiết II Các lý thuyết phải kiểm chứng Xét mạch Op-amp lý tưởng có : Rin= , Rout = , Avd = , v+ = v- , i+ = i1 Mạch khuếch đại đảo ( inverting amplifier): - Chức năng: Khuếch đại đảo điện áp ngõ vào( tức ngõ ngược pha với ngõ vào) Cấu tạo: mạch có tín hiệu vào qua điện trở Ri nối với cổng đảo (V-), cổng tín hiệu hồi - tiếp thơng qua điện trở RF cổng đảo Cổng không đảo (V+) nối đất Mạch có hệ số khuếch đại áp ngõ phụ thuộc vào giá trị Ri , RF, nên ta lưu ý - trình chọn linh kiện lắp mạch, tính chất mạch khuếch đại nên RF>=Ri Điện áp ngõ ngược pha với điện áp ngõ vào Nếu Ri = RF , mạch tạo tầng đảo lặp lại điện áp Áp dụng KCL nút : =AV Trong RL đóng vai trị trở hồi tiếp âm, RL tăng AV tăng Mạch khuếch đại không đảo (non inverting amplifier): - Chức năng: khuếch đại điện áp ngõ vào - Tín hiệu vào kết nối với cổng khơng đảo Cổng đảo nối với đầu qua điện trở RF tiếp - đất qua điện trở Ri Mạch có hệ số khuếch đại áp ngõ phụ thuộc vào giá trị Ri , RF Vì tích chất - khuếch đại nên ta cần lưu ý chọn linh kiện có RF>=Ri Điện áp ngõ pha với điện áp ngõ vào - Nếu RF = => AV=1 , mạch dùng làm đệm, áp giữ nguyên giá trị ngõ vào, tổng trở vào - lớn, tổng trở ngõ nhỏ RL đóng vai trị trở hồi tiếp âm dùng để tăng độ lợi AV Áp dụng KCL nút : =AV 3 Mạch khuếch đại cộng điện áp (summing amplifier): - Chức khuếch đại thuật toán cộng - Mạch khuếch đại đảo với cửa đảo Vs- nối với nhiều điện áp ngõ vào thông qua điện trở - Ri Mạch khuếch đại tín hiệu ngõ tổng tín hiệu ngõ vào ngược pha V-(đảo) nối với hai nhiều điện áp ngõ vào - Áp dụng KCL cho nút cổng đảo : Ta có : Ri1 = Ri2 = Ri Mạch khuếch đại trừ điện áp: - Chức năng: mạch khuếch đại theo thuật toán trừ - Mạch khuếch đại Op-amp với cửa đảo nối với điện trở hồi tiếp R F, tín hiệu ngõ vào V2 qua điện trở Ri2 Cửa không đảo mắc với điện trở RF song song với tín hiệu ngõ - vào V1 qua điện trở Ri1 Mạch khuếch đại có tín hiệu ngõ bẳng hiệu tín hiệu ngõ vào - Ta có : ; mà V+ = VTa có Ri1 = Ri2 = Ri Mạch so sánh (comparator): - Mạch Op-amp có cực đảo nối với điện so sánh Vref , cực thuận nối với điện chuẩn Vi Với giá trị lớn hệ số khuếch đại, mạch khuếch đại op-amp cho tín hiệu V mức giá trị : + Khi Vi < Vref (thực tế nhóm đo được) + Khi Vi > Vref (thực tế nhóm đo được) - Mạch tạo sóng vng ngõ (có độ dốc nhỏ) - Khi v2>v1, v0 dần vH (+vsat) Khi v2 12kΩ Chọn RF = 22kΩ Chọn RF = 68kΩ => = Chọn RF = 12kΩ => = b Mạch khuếch đại không đảo - Để mạch khuếch đại không bị méo : Chọn RF = 12kΩ Chọn RF = 22kΩ => = Chọn RF = 68kΩ => = c Mạch khuếch đại cộng điện áp Hệ số khuếch đại : AV = , tín hiệu ngõ vào điều hịa với A biên độ tín hiệu ngõ vào đo máy dao động ký - Chọn RF = 12kΩ , nguồn DC V2 = 5V - Chọn RF = 22kΩ, nguồn DC V2 = 5V d Mạch khuếch đại trừ điện áp Hệ số khuếch đại : AV = , tín hiệu ngõ vào điều hịa với A biên độ tín hiệu ngõ vào đo máy dao động ký - Chọn RF = 12kΩ , nguồn DC V2 = 5V - Chọn RF = 22kΩ, nguồn DC V2 = 5V e Mạch so sánh Chọn Vref = 5V Vi có biên độ lớn lớn 5V để có ngõ sóng vng f Mạch Schmitt Trigger - Chọn RF R7 12k Chọn RF R8 22k g Mạch tạo sóng vng, sóng tam giác - �R10 5.6k , C1 0.22uF � �R11 10k , C1 0.047uF Chọn để điều chỉnh số thời gian Mạch Schmitt Trigger : thực mạch tương tự mục (f) để tín hiệu ngõ méo dạng thành xung vng với RF = 22kΩ => VO2 = - VO1 với RF = 68kΩ => VO2 = - VO1= -VO1 • Phương pháp đo đạc đại lượng Với mạch khuếch đại : Lắp mạch theo module sau, thông số mạch chọn mục 1, chỉnh biên độ tín hiệu vào cho ngõ không bị méo a Mạch khuếch đại đảo b Mạch khuếch đại không đảo c Mạch khuếch đại cộng điện áp d Mạch khuếch đại trừ điện áp Với mạch so sánh tạo sóng: Chỉnh biên độ tín hiệu vào lựa chọn thơng số trình bày mục cho ngõ xuất dạng sóng vng sóng tam giác e Mạch so sánh - Chỉnh tín hiệu ngõ vào dạng xung tam giác Chọn Vref = 5V Vi có biên độ lớn lớn 5V để có ngõ sóng vng Quan sát dạng ngõ tín hiệu so sánh với dạng ngõ vào f Mạch Schmitt Trigger - Chỉnh tín hiệu ngõ vào vùng dao động để mạch triệt tiêu tín hiệu nhiễu Quan sát dạng sóng ngõ VO so sánh với dạng sóng ngõ vào Vi g Mạch tạo sóng vng, sóng tam giác Quan sát dạng sóng VO1 VO2 với VO1 xung vuông VO2 xung tam giác IV Các kết thí nghiệm: Mạch khuếch đại đảo: Thực mạch sơ đồ dây Chọn RF = R4 = 68kΩ Cấp nguồn +12V -12V cho mạch Chỉnh tín hiệu nhỏ: Quan sát dạng tín hiệu ngõ dao động kí, tăng biên độ tín hiệu ngõ vào đến thấy tín hiệu ngõ bị méo dạng Giảm biên độ tín hiệu ngõ vào đến khơng cịn thấy méo dạng tín hiệu ngõ Đọc giá trị biên độ đỉnh – đỉnh tín hiệu ngõ vào ngõ dao động ký điền kết thu vào bảng số liệu Thực thao tác tương tự thay đổi R F = R5 = 22kΩ RF = R = 68kΩ RF = R = 22kΩ Tính tốn lý thuyết vo Av 8.5V -5.67 V/V Kết đo vi vi vo Av 1.5V 3.6V 20 -5.56V/V V `5V 9.15V -1.83V/V 10.6 20 -1.89V/V V V Dạng tín hiệu vào/ thu với RF = 68k Dạng tín hiệu vào/ thu với RF = 22k Nhận xét : - Op-Am thực tế mạch khuếch đại đảo gần giống với op-amp lý tưởng, sai số nhỏ Nguyên nhân sai số đến từ sai số phép đo - Điện áp ngõ ngược pha với điện áp ngõ vào Mạch khuếch đại không đảo Thực mạch sơ đồ dây Chọn R F = R4 = 68kΩ Cấp nguồn +12V -12V cho mạch Chỉnh tín hiệu nhỏ: Quan sát dạng tín hiệu ngõ dao động kí, tăng biên độ tín hiệu ngõ vào đến thấy tín hiệu ngõ bị méo dạng Giảm biên độ tín hiệu ngõ vào đến khơng cịn thấy méo dạng tín hiệu ngõ Đọc giá trị biên độ đỉnh – đỉnh tín hiệu ngõ vào ngõ dao động ký điền kết thu vào bảng số liệu Thực thao tác tương tự thay đổi R F = R5 = 22kΩ vi RF = R4 = 68kΩ RF = R5 = 22kΩ 1V 3V Tính tốn lý thuyết vo Av 6.67V 6.67 V/V 8.49V 2.833V/V vi 2.9(V) 7.2(V) Kết đo vo Av 20(V) 6.89(V/V) 20(V) 2.78(V/V) Dạng tín hiệu ngõ vào/ thu với RF = 68k Nhận xét : - Op-Am thực tế mạch khuếch đại đảo gần giống với op-amp lý tưởng, sai số nhỏ - Điện áp ngõ pha với điện áp ngõ vào Mạch khuếch đại cộng điện áp Thực mạch sơ đồ dây Chọn R F = R6 = 12kΩ Cấp nguồn +12V -12V cho mạch Chọn V2 = 5V Chỉnh tín hiệu nhỏ: Quan sát dạng tín hiệu ngõ dao động kí, tăng biên độ tín hiệu ngõ vào đến thấy tín hiệu ngõ bị méo dạng Giảm biên độ tín hiệu ngõ vào đến khơng cịn thấy méo dạng tín hiệu ngõ Đọc giá trị biên độ đỉnh – đỉnh tín hiệu ngõ vào ngõ dao động ký điền kết thu vào bảng số liệu Thực thao tác tương tự thay đổi R F = R5 = 22kΩ RF = R6 = 12kΩ RF = R5 = 22kΩ Tính tốn lý thuyết vi vo 5V 5V Kết đo vi vo 1.8(V) 2(V) 0.8(V) 1.45(V) Dạng tín hiệu ngõ vào/ thu với RF = 12k Nhận xét : Dạng sóng ngõ vào ngõ ngược pha cách khoảng cố định đo máy chế độ DC, nghiệm đắn phép toán từ lý thuyết, lệch trục khoảng 5V(=V2) Mạch khuếch đại trừ điện áp Thực mạch sơ đồ dây Chọn R F = R6 = 12kΩ Cấp nguồn +12V -12V cho mạch Chọn V2 = 5V Chỉnh tín hiệu nhỏ: Quan sát dạng tín hiệu ngõ dao động kí, tăng biên độ tín hiệu ngõ vào đến thấy tín hiệu ngõ bị méo dạng Giảm biên độ tín hiệu ngõ vào đến khơng cịn thấy méo dạng tín hiệu ngõ Đọc giá trị biên độ đỉnh – đỉnh tín hiệu ngõ vào ngõ dao động ký điền kết thu vào bảng số liệu Thực thao tác tương tự thay đổi R F = R5 = 22kΩ Tính tốn lý thuyết vi RF = R4 = 68kΩ RF = R5 = 22kΩ vo Kết đo vi 6(V) 0.8(V) vo 6(V) 1.5(V) Dạng tín hiệu ngõ vào/ thu với RF = 12k Dạng tín hiệu ngõ vào/ thu với RF = 22k Nhận xét : Dạng sóng ngõ vào ngõ ngược pha cách khoảng cố định đo máy chế độ DC, nghiệm tính đắn từ phép tốn lý thuyết, lệch 5V(=V2) Mạch so sánh Thực mạch sơ đồ dây Cấp nguồn +12V -12V cho mạch Chọn giá trị V ref = 5V Chọn giá trị biên độ ngõ vào v i lớn 5V Cần phải chọn giá trị để xuất dạng xung vng tín hiệu ngõ Nếu biên độ sóng ngõ vào v i nhỏ 5V, tín hiệu ngõ mức ngưỡng bão hịa âm/ dương Op-Amp Quan sát dạng tín hiệu ngõ dao động ký Dạng tín hiệu ngõ thu sau: Dạng sóng ngõ vào/ thu với Vref = 5V Nhận xét : - Đây mạch so sánh đảo : Khi Vi lớn 5V đầu chuyển xuống mức thấp Vsat 10V Khi Vi nhỏ 5V đâu chuyển lên mức cao Vsat 11V - Dạng sóng ngõ sóng vng Mạch Schmitt Trigger Thực mạch sơ đồ dây Chọn R F = R7 = 12kΩ Cấp nguồn +12V -12V cho mạch Điều chỉnh dạng tín hiệu vào sóng sin, có biên độ lớn giá trị V TH với VTH RG 12 VH 12 6(V ) RG RF 12 12 Quan sát dao động ký, dạng tín hiệu ngõ thu sau: _Thay đổi dạng tín hiệu vào xung tam giác, quan sát dao động ký, dạng tín hiệu ngõ thu sau: Sự phụ thuộc dạng tín hiệu ngõ vào ra: Nhận xét : tính tốn lý thuyết ta có Vsat Vo = 12V đo ta có Vsat=10V Nguyên nhân sai số đến từ sai số phép đo, dẫn đến sai số hai biên so sánh VTH VTL Dạng sóng ngõ sóng vng 7 Mạch tạo xung vuông xung tam giác Thực mạch sơ đồ dây Cấp nguồn +12V -12V cho mạch Chọn RF = R8 = 22kΩ, R = R10 = 5.6 kΩ, C = C1 = 0.22μF Quan sát dao động ký, đọc giá trị biên độ đỉnh – đỉnh tín hiệu v o1, vo2 chu kỳ Thực thao tác tương tự chọn R F = R9 = 68kΩ, R = R11 = 10 kΩ, C = C1 = 0.047μF Kết thu sau: Dạng tín hiệu ngõ sử dụng RF = R8 = 22kΩ, R = R10 = 5.6 kΩ, C = C1 = 0.22μF Dạng tín hiệu ngõ sử dụng RF = 68kΩ, R = R11 = 10 kΩ, C = C1 = 0.0.047μF Nhận xét : mạch tạo sóng vng sóng tam giác theo lý thuyết từ hai loại opamps tích phân so sánh ... lại nhiều kinh nghiệm quý báo cho lần báo cáo tới - Trong q trình thí nghiệm, thí nghiệm giúp bạn hiểu thành thạo thao tác việc sử dụng thiết bị đo phịng thí nghiệm ( hộp thí nghiệm chính,máy...I Mục tiêu thí nghiệm: - Bài thí nghiệm giúp bạn kiểm chứng nguyên lý hoạt động thông số mạch Op-Amp thông dụng bao gồm nhóm mạch: mạch khuếch đại mạch so sánh Hiểu rõ công dụng... • • • • Nhận xét : • Mạch tạo sóng vng sóng tam giác: _Mạch gồm Op-amp mắc nối tiếp : + Mạch : Mạch Schmitt Trigger mức điện áp VS- = cực đảo, điện áp ngõ vào điện áp Vo1 mạch mắc vào cực thuận