BÀI 3 CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI co BẢN
3.4. MẠCH CỘNG ĐẢO
3.5. Mạch cộng khơng đảo. 3.6. Mạch vi phân.
3.7. Mạch tích phân.
BÀI 4. ỨNG DỤNG CỦA OPAMP TRONG CÁC MẠCH so SÁNH.BÀI TẬP CUĨI CHƯƠNG BÀI TẬP CUĨI CHƯƠNG
BÀI 1. KHÁI NIỆM CHUNG VÈ MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN.
- - - 0O0 - - -
1.1. Giĩi thiệu chung.
Giĩi thiệu Phân ghi chép
OP - AMP (Operational Amplifier), thường được chế tạo
dưới dạng tích hợp IC (Integrated Circuit).
....................................................................................................
Sơ đồ khơi của một OP - AMP: tầng đầu là tầng khuếch
đại đầu vào thường là mạch khuếch đại vi sai; tiếp theo là tầng khuyếch đại trung gian (khuếch đại điện áp) và cuối cùng là tầng
khuếch đại cơng suất.
Ký hiệu Phần ghi chép vs+ Vout v_o----- Vs- Trong đĩ:
• V+: Đầu vào khơng đảo • v~: Đầu vào đảo
• Pout: Đầu ra
• Vs+: Nguồn cung cấp
điện dương
• Vs-: Nguồn cung cấp
ứng dụng____________________________________ _________
OP - AMP được thiết kế để thực hiện các phép tốn trong máy tính tương tự như: cộng, trừ, tích phân, vi phân v.v... nên cịn gọi là khuếch đại thuật tốn.
Hiện nay, các bộ khuếch đại thuật tốn đĩng vai trị quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tạo
tín hiệu hình sin và xung, sử dụng trong các bộ nguồn ổn áp và
bộ lọc tích cực, bộ so sánh V.V..
Phân ghi chép
1.3. Nguyên tắc hoạt đơng
Đặc tuyến truyền đạt điện áp Phân ghi chép
Hình 49: Đặc tuyến truyền đạt điện áp
_________AVo vào khoảng tư 20.000 đến hơn 100.000_______
Nguyên lý làm việc____________________________________
Theo đặc tuyến này, OPAMP cĩ 3 vùng làm việc: - Vùng khuếch đại: vo = Avo A],
AVị = v,+ - V,- năm trong khoảng ± Vs
- Vùng bão hịa dưong: vo = + Vcc , A Vị > Vs - Vùng bão hịa âm: vo = - Vcc , A Vị < - Vs
Thường cĩ Vs khoảng từ vài chục pV đến vài trăm pV .
Phần ghi chép
*Hệ số khuếch đại vịng hỡ: Avo -> 00 • Tổng trở vào Rin —> 00 • Tổng trở ra Rout —> 0 * Ta cĩ: •Vi =Vi' •Ii+ = Ii’ = O
1,3. Các thơng sơ kỹ thuật.
Thơng sơ' kỹ thuật
Thơng sơ' Ký hiệu
Độ khuếch đại điện áp vịng hở Avo
Tổng trở ngõ vào Zi
Tổng trở ngõ ra Zo
Dịng phân cực ngõ vào Ib
Điện áp nguồn tơ'i đa v smax
Điện áp vào tơ'i đa V imax
Điện áp ra tơ'i đa V omax
Điện áp lệch ngõ vào vi sai Vio
Tần sơ' cắt Ít
Tốc độ quét tối đa s
BÀI 2. GIỚI THIỆU MỘT SĨ IC OPAMP THƠNG DỤNG.
---- 0O0 -
2.1. Giới thiệu OPAMP LM741.
Hình dạng Phần ghi chép
Hình 51: Câu trúc OpAmp LM741
Thơng sơ' kỹ thuật Phần ghi chép
Thơng sơ' Ký hiệu IC741
Độ khuếch đại điện áp vịng hỏ Avo lOOdB
Tổng trở ngõ vào Zi 1MQ
Tổng trở ngõ ra Zo 150Q
Dịng phân cực ngõ vào Ib 0,2pA
Điện áp nguồn tối đa V smax ± 18V
Điện áp vào tối đa V imax ± 13V
Điện áp ra tối đa V omax ± 14V
Điện áp lệch ngõ vào vi sai Vio 2mV
Tần số cắt Ít 1MHz
Tốc độ quét tối đa s 0,5V/ps
2.2. Giới thiệu IC OPAMP khác.
Giĩi thiệu IC OpAmp LM358___________________' ______
LM358 là bộ khuêch đại thuật tốn kép cơng suât thâp, hoạt
động ở nguồn điện áp thấp từ 3V hoặc cao đến 32V, nguồn đơi (±15V
- ±16V), với dịng tĩnh khoảng 1/5 dịng tĩnh của MCI741.
Phần ghi chép 1 - Output 1 2 • Inverting nput 1 3 - Non-inverting input 1 4 - v<x 5 - NonHnverting nput 2 6 - Inverting input 2 7 -Ouput 2 8 • Vcc* Hình 52: OpAmp LM358
Thơng số kỹ thuật Phân ghi chép
Giá trị danh định Ký hiệu LM358 Điện áp cung cấp
Nguồn đơn Nguồn đoi xứng
Khoảng điện áp vi phàn lối vào Khống điện áp cùng pha lối vào
Vcc Vcc. Vee Nỉdr VlCR 32 ±16 ±32 -0.3 đến 32
Thời gian ngắn mạch lối ra
Nlúệt độ lĩp tiêp giáp
1 ■ ĩ____
Liên tục
150
Khoảng nhiệt độ bão quản Tsị£l -55 đến ±125
BÀI 3. CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI cơ BẢN. — 0O0 —
3.1. Mạch khuếch đại đảo.
Nguyên lý Phần ghi ché p
Giả thiết OP - AMP Avo=°o; Ri= I' R1 là lý tưởng: = oo; li = 0 và Vi. = 0 R: ------------NAA>----------------------- .................. A .................. Ii= 0 (q5>Vi Hình 54: Coi điểm nút A là đ K.-0U or-r0 R, ■■■ r2 Hệ số’ khuếch đại CI Tổng trở vào : Z, = ở mạch khuếch đại
vào, R.2 thực hiện chức năn Mạ iển ía r I nà gh(
ch khuếch đại đảo
1 GND ảo ta cĩ:
= -Ềĩ-y
° X '
nạch: A -ỉọ. = _2k
y tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu 31 tiếp âm.
..................
Ví dụ Phần ghi chép
Mạch khuếch đại đảo pha cĩ các thơng số như hình vẽ,
cho OP - AMP là lý tưởng. Biết Vi = 0,2V tính:
a) Điện áp ngõ ra. b) Tổng trở vào.
4=^.= ^+^ =1+-
Điện áp ra: 7 - J+A p l
Trong trường hợp đặc biệt
đều bằng 1.
Ớ mạch khuếch đại này tí
vào, R.2 thực hiện chức năng hồi ti
%
r
khi R2 = 0 hoặc Rị = 00, thì Av
n hiệu ra cùng pha với tín hiệu
ếp âm.
............................................
Ví dụ Phần ghi chép
Ví du: Cho mạch điện như h
Vi = lOOmV; Tính Vo ? R1 1 li = 0 Vi' Bài giải: D A 1> 1+v- K, =(1+10)2 ình vẽ. Biết R2 = 10k; R] = lk; Ri I Vo 00 = 2.2V .................. 3.3. Mạch đệm.
+Mạch này cịn gọi là mạch lặp lại điện áp, cĩ thể đặt
giữa bộ cảm biến và dụng cụ đo lường
3.4. Mạch cộng đảo.
Nguyên lý______________________________________________
Khi cĩ nhiều tín hiệu cùng tác động tới một ngõ vào đảo người ta thường dùng mạch khuyếch đại cộng đảo.
Tương tự như trong mạch khuếch đại đảo, áp dụng quy tắc dịng điện nút tại nút A ta cĩ: I = 11 + Ỉ2 + I3. (1) V, V- V, R Trong đĩ: A =-£1-; Z2 I = (2) An A12 A13 K2 K V. VK, Thay (2) vào (1) ta cĩ: -+ ~~ R2 Rn Rì2 ẩ13 Từ đĩ: ^12 ^13 7 Nêu chọn R11 = R|2 — R|3 = R1 thì: y _ _^L(y + y + y1 0 V /1 ' r /2 ' r /3 / Phân ghi chép
Các cơng thức trên cĩ thể được mở rộng đến n ngõ vào
tuỳ ý.
Hình 57: Mạch khuếch đại cộng đảo
Ví dụ__________________________________________________
Cho mạch điện như hình vẽ, biết R2 = 10k; R] I = Ik; R12 =
2k; R13 = 5k; Vi! = 500mV; vi2 = - 400mV; vi3 = 800mV. Tính
điện áp đầu ra Vo ?
Bài giải: Ta cĩ:
K = -f2Lr +—Vn +—Vn ỵ° fí n R '2 p 13 kn11 ^12 ^13 7 = -f^0,5 + -^0,4 + ^0,8Ì = -4,6K V 1 2 5 ) 3.5. Mạch cộng khơng đảo. Nguyên lý Phần ghi chép c khơng đ< c lại Vii tá điện áp I T V()2 tươnj V N
'6 hai hay nhiều tín hiệu cùng tác động đến một ngõ và
ỉo
ri là xếp chồng hai tín hiệu Vi 1 và Vi2.
ỉiả sử khi cho Vj2 = 0 (nối Vi2 với GND). Lúc này chỉ CC
c động và tạo ra dịng điện I qua R11 và R12: Ta tìm đư<
ca Voi tương ứng với Vil.
10 m íc fc ....................................................... Voi = 1+. Vi
a thấy điện áp Vị chính là điện áp trên điện trở R12.
= I.Rĩ2 = V'' Rn /ỉ11+7?12 / => roi = k 1, ^2Lí Rn L 1+_ x _ _ Kĩ 1 +-^12 7
ương tự, khi choVị] = 0 (nối Vil với GND) ta tìm đưẹ .......................................................
g ứng với vi2: r02 = l+i^ X —
V 7 k 1 + Rì2 7
ậy khi cĩ cả Vii và Vi2 và giả thiết R} ] = /?12 thì:
z R A
r0=L01 + J/02 = 1 + ^- X
k ) k 2 J .......................................................
Hình 58: Mạch khuếch đại cộng khơng đảo
Ví dụ Phần ghi chép
Ví du:
Cho mạch điện như hình vẽ. Biết R1 = 5k; R2 = 20k; R11 =
...................................................................................................
lk,; R|2 = 0,5k ;Vii = 300mV; Vi2 = 600mV. Tính điện áp đầu ...................................................................................................
ra Vo?
Bài giải:
Giả sử cho Vi2 = 0 và khi cĩ Vil tác động:
Voi = 1+Ặ Vi= 1+^ V,
V 0.3
Với: V, = I.R, = " \ = -22i-0,5 = 0,ir
12 Ru+Rì2 1 + 0,5 ■» Voi = 0,5V
Tương tự khi cho Vi2 tác động:
Po2 = í1+^xí D Ẫ"n n = +^ìxf-^-^ìo,6 = 2V
RJ [R^+R^J t 5J Ụ + 0,5j
Vậy ta tìm được Vo = Voi + V02 = 0,5 + 2 = 2,5V.
...................................................................................................
3.6. Mạch vi phân.
Nguyên lý Phần ghi chép
Coi điện thế điểm A xấp xỉ bằng khơng. Viết phương trình dịng điện nút tại nút A ta cĩ:
Ic+ Ir = 0
dv K dv C^- + ^- = O^Vo=-RC^
dt R ° dt
Điện áp ra là vi phân của điện áp vào. R ---- ----------- ....................................................... c +ĩ—~ll~^— V, k 4- Hình 59: N Mạch tích phân và vi ph và sử dụng trong các khâu hồi
thống trong kỹ thuật điều khiển
r i
đạch vi phân
ân thường được kết hợp với nhau tiếp để tăng tính ổn định của hệ tự động.
.......................................................
3.7. Mạch tích phân.
Nguyên lý Phần ghi chép Coi điện thế tại điểm A xấp xỉ bằng khơng. Viết phương
trình dịng điện nút cho nút A ta cĩ:
li + Ic = 0
Hay: K + C^. = o ; c =c^-ì
R dt t dt )
Suy ra: Kũ=__L^ơ)ư/
Khi điện áp vào là xoay chiều người ta thường tính giá trị Vo theo thời gian:
kơWí + Ko(/ = 0) KC ị
Điện áp ra là tích phân điện áp vào.
Thường chọn hằng số thời gian T = RC = 1S. Trong biểu
thức trên, Vo (t = 0) là điều kiện ban đầu.
Nếu Vi là điện áp xoay chiều hình sin thì:
T T r
c = ' sin(ứ>o<* = COS(íD/)
BÀI 4. ỨNG DỤNG CỦA OPAMP TRONG CÁC MẠCH so SÁNH.
----- ooơ----
4.1. MACH SO SÁNH:
Giời thiệu_____________________________________________
Các bộ khuếch đại thuật tốn cĩ thể dùng trong nhiều ứng dụng để điều khiển rơ le cĩ độ chính xác cao.
Trong đĩ rơ le được sử dụng để đĩng ngắt các mạch động lực bằng các tiếp điểm của nĩ.
Trong các mạch ứng dụng này các bộ khuếch đại thuật tốn cĩ thể hoạt động điều khiển theo nhiệt độ, theo ánh sáng,
theo mức chất lỏng, theo điện áp AC hay DC, hoặc theo thời gian vv...
Phần ghi chép
Mạch so sánh đảo
_______í-------------------------------------------------------------
Mạch so sánh với tín hiệu chuấn Vr (ngưỡng) đặt vào ngõ
vào khơng đảo cịn tín hiệu so sánh Vi đặt vào ngõ vào đảo.
Phần ghi chép
+Nẽu Vi < vr (hay vi+ > Vị.) thì Vo = + Vcc +Nếu Vi > vr (hay Vj+ < Vi-) thì Vo = - Vcc
Mạch so sánh khơng đảo____________________
+Nếu Vi < vr (hay vi+ < Vị.) thì Vo = -Vcc +Nếu Vi > vr (hay Vi+ > Vị.) thì Vo = +Vcc.
4.2. MACH TẮT MỠ ĐÈN THEO ÁNH SÁNG:
Ngun lý Phân ghi chép
Ví du:
Hình 61: Mạch tắt mở đèn theo ánh sáng dùng Opamp
Giải thích nguyên lý mạch:
Điện trở R] là loại quang trở (LDR - Light Depending
Resistor) cĩ trị sơ" thay đổi theo ánh sáng. Khi cĩ ánh sáng chiếu
vào thì giá trị của LDR giảm xuống râ"t thâ"p. Khi khơng cĩ ánh sáng chiếu vào (chế độ tốì) thì giá trị của LDR râ"t lớn cĩ thể lên đến hàng trăm kQ.
Nguyên tắc hoạt động của mạch cĩ thể giải thích như sau: Trong mạch R.3, R4 là một cầu phân áp tạo ra điện áp chuẩn vr =
6V đặt vào chân 3 của OP-AMP. R|, R2 tạo ra cầu phân áp thứ
hai và điện áp so sánh Vi được lấy trên biến trở R2.
Ớ trạng thái bình thường khi khơng cĩ ánh sáng chiếu vào LDR thì giá trị của nĩ râ"t lớn và lớn hơn R2 nên Vi < vr.
Theo đặc tuyến trên hình vẽ ở ngõ ra 6 của OP - AMP cĩ điện áp
bằng Vcc = 12V. BJT ở trạng thái ngắt rơle K khơng hoạt động,
các tiếp điểm của nĩ giữ nguyên ở trạng thái ban đầu.
Khi cĩ ánh sáng chiếu vào LDR giá trị của nĩ giảm xuơng tháp hơn R2 nên Vi > vr. Ở ngõ ra 6 của OP - AMP cĩ
điện thế mức ov. Các điện trở R5, Rơ tạo điện áp phân cực cho
BJT dẫn bão hịa, rơle K hoạt động và đĩng mở các tiếp điểm trong mạch động lực như mạch đếm sản phẩm, mạch tự động tắt
mở hệ thơng chiếu sáng, mạch báo động vv... Ngưỡng tác động của mạch cĩ thể điều chỉnh bằng R2.
dàng khi ta hốn vị điện trỏ R1 và R.2, hoặc giữ nguyên vị trí của
Ri, R2 nhưng hốn vị ngõ vào 2, 3 của OP - AMP. Mạch cũng cĩ
thể đổi ngược lại khi ta giữ nguyên các vị trí của Ri, R2, các ngõ vào 2, 3 như trên hình vẽ nhưng sử dụng BJT loại NPN. cầu phân áp cho BJT sẽ được mắc giữa ngõ ra 6 với GND. Trong các
trường hợp này rơle sẽ tác động khi ở chế độ tối. Diode cĩ tác
dụng triệt tiêu sức điện động tự cảm của cuộn dây rơ le khi nĩ
ngưng hoạt động và do đĩ bảo vệ BJT khỏi hiện tượng quá áp.
.......................................................
.......................................................
BÀI TẬP CUĨI CHƯƠNG: A. TRẮC NGHIỆM:
1. Op Amp được ứng dụng trong các trường hợp sau:
a. Kỹ thuật khuếch đại, tạo sĩng sin. b. Bộ lọc tích cực, bộ so sánh.
c. Mạch tạo xung, bộ nguồn ổn áp.
d. Cả ba câu đều đúng.
2. Theo đặc tuyến truyền đạt điện áp vịng hở của Op Amp, cĩ 3 vùng làm việc là:
a. Vùng khuếch đại: AVi > vs khi đĩ vo = Avo .
b. Vùng bão hịa dương: -Vs < AVị < Vs khi đĩ vo = + Vcc
c. Vùng bão hịa âm: AVi < -Vs khi đĩ vo = - Vcc d. Cả ba câu đều đúng.
3. Gọi tên mạch điện theo hình vẽ sau:
a. Mạch khuếch đại đảo
b. Mạch khuếch đại khơng đảo c. Mạch khuếch đại đệm
4. Gọi tên mạch điện theo hình vẽ sau:
a. Mạch khuếch đại đảo
b. Mạch khuếch đại khơng đảo
c. Mạch khuếch đại đệm
d. Mạch khuếch đại cộng đảo
5. Cho mạch điều khiển tải theo ánh sáng như hình vẽ sau, nguyên lý hoạt động của
mạch cĩ các đặc điểm nào sau đây:
a. R3 và R4 là cầu phân áp tạo điện áp chuẩn Vr = v3 cĩ giá trị thay đổi theo ánh sáng
b. R] và R2 là cầu phân áp tạo điện áp so sánh Vj = v2 cĩ giá trị thay đổi theo ánh sáng
c. Khi cĩ ánh sáng chiểu vào LDR thì transistor BJT dẫn
d. Cả ba câu trên đều đúng.
a. Hình a là mạch so sánh thuận; hình b là mạch so sánh đảo.
b. Hình a là mạch so sánh đảo; hình b là mạch so sánh thuận.
c. Hình a là mạch khuếch đại đảo; hình b là mạch khuếch đại khơng đảo. d. Hình a là mạch khuếch đại khơng đảo; hình b là mạch khuếch đại đảo.
B. Tự LUẬN:
Bài 1: Cho mạch điện như hình:
Biết Rf = Rin= Rin 1 = Rin2 = Rin 3 = R=10K , nguồn cung cấp vcc= ± 15V. a/ Hãy viết biểu thức tính Vout theo Vini, vin2, và Vin 3
b/ Tính vout với Vini = 2V, vin2 = lOsincot., Vin 3 = 4V.
Bài 2: Cho mạch điện như hình:
Biết Rf = Rịn = Rin 1 = Rin2 = Rin 3 = R=10K , nguồn cung cấp Vcc= ± 15V.
a/ Hãy viết biểu thức vout theo vinl, vin2 và vin3.
b/ Tính vout với Vini = - 2V, Vin 2 = 5sincot, Vin3 = 8V .