Bộ so sánh Op-amp so sánh một mức điện áp (annalog) với một mức điện áp, hoặc điện áp tham chiếu đặt trước (VREF) và tạo ra tín hiệu đầu ra dựa trên so sánh điện áp này. Nĩi cách khác, bộ so sánh điện áp OPAMP so sánh độ lớn điện áp của hai đầu vào và xác định mức điện tại đầu vào nào lớn hơn Bộ so sánh op-amp vịng hở là một mạch analog hoạt động trong vùng phi tuyến tính vì những thay đổi trong hai đầu vào V+ và V- làm cho OPAMP hoạt động
2019 TRANG 102
giống như dạng kỹ thuật số số vì ngõ ra chỉ cĩ hai mức +Vcc hoặc -Vcc. Sau đĩ, chúng ta cĩ thể nĩi rằng bộ so sánh điện áp về cơ bản là một bộ chuyển đổi analog 1 bit sang kỹ thuật số
Chúng ta hãy khảo sát một mạch điện so sánh sử dụng OPAMP sau
Hình 6.14: Mạch so sánh dùng OPAMP
Với mạch so sánh op-amp ở trên, trước tiên hãy giả sử rằng VIN nhỏ hơn mức điện áp VREF, (VIN <VREF). Vì đầu vào khơng đảo (dương) của bộ so sánh nhỏ hơn đầu vào đảo ngược (âm), đầu ra VOUT sẽ ở mức THẤP bằng điện áp cung cấp âm -Vcc, ngõ ra lúc này sẽ bảo hịa âm.
Bây giờ chúng ta tăng điện áp đầu vào VIN để giá trị của nĩ lớn hơn điện áp tham chiếu VREF trên ngõ vào đảo, điện áp đầu ra nhanh chĩng chuyển sang mức CAO bằng với điện áp + Vcc, ngõ ra lúc này bảo hịa dương. Nếu chúng ta giảm lại điện áp đầu vào VIN, nhỏ hơn một chút so với điện áp tham chiếu, thì đầu ra OPAMP sẽ chuyển trở lại điện áp bão hịa âm. OPAMP trong mạch trên hoạt động như một bộ phát hiện ngưỡng
Chúng tơi đã biết bộ so sánh OPAMP cơ bản tạo ra một đầu ra điện áp dương hoặc âm bằng cách so sánh điện áp đầu vào với một số điện áp tham chiếu DC đặt trước. Một bộ chia điện áp điện trở được sử dụng để đặt điện áp tham chiếu đầu vào của bộ so sánh. Chúng ta cũng cĩ thể sử dụng điện áp tham chiếu là nguồn pin, diode zener hoặc chiết áp… như mạch sau
2019 TRANG 103
Hình 6.15: Các dạng khác nhau của mạch so sánh
Về lý thuyết, điện áp tham chiếu của bộ so sánh cĩ thể giữa 0v và điện áp cung cấp +VCC, nhưng cĩ những hạn chế trên thực tế tùy thuộc vào dãi điện áp thực tế và bộ so sánh OPAMP được sử dụng.
Mạch điện so sánh khơng đảo (Non-inverting Comparator Circuit)
Hình 5.16: Mạch điện so sánh khơng đảo
Trong cấu hình mạch điện so sánh khơng đảo như trên, điện áp tham chiếu được kết nối với đầu vào đảo của OPAMP và tín hiệu điện áp đầu vào được kết
2019 TRANG 104
nối với đầu vào khơng đảo. Để đơn giản, chúng tơi đã giả sử rằng hai điện trở cĩ nhiệm vụ phân áp và: R1=R2=R. Điều này sẽ tạo ra một điện áp tham chiếu cố định bằng một nửa so với điện áp cung cấp và bằng Vcc/2, trong khi điện áp đầu vào cĩ thể thay đổi từ 0 đến điện áp cung cấp.
Khi giá trị VIN lớn hơn VREF, ngõ ra của bộ so sánh OPAMP sẽ bão hịa dương +Vcc. Khi VIN nhỏ hơn VREF, ngõ ra của bộ so sánh OPAMP sẽ thay đổi trạng thái thành bảo hịa âm 0V như đồ thị hình 5.16.
Mạch so sánh đảo (Inverting Comparator Circuit)
Hình 5.17: Mạch điện so sánh đảo
Trong mạch điện so sánh đảo, ngược lại với mạch điện so sánh khơng đảo, điện áp tham chiếu được kết nối với đầu vào khơng đảo của OPAMP trong khi tín hiệu đầu vào được kết nối với đầu vào đảo. Khi VIN nhỏ hơn VREF, ngõ ra của bộ so sánh op-amp sẽ bão hịa dương và bằng +Vcc.
Tương tự như vậy, khi VIN lớn hơn VREF, ngõ ra của bộ so sánh OPAMP sẽ thay đổi trạng thái thành bão hịa âm và bằng 0v.
Tùy thuộc vào ngõ vào OPAMP nào chúng ta sử dụng cho tín hiệu và điện áp tham chiếu, chúng ta cĩ thể thiết kế ngõ ra đảo hoặc khơng đảo. Chúng ta cĩ thể đưa ra ý tưởng phát hiện tín hiệu âm hoặc dương bằng cách kết hợp hai mạch so sánh OPAMP ở trên để tạo ra mạch so sánh cửa sổ (Window Comparator)
2019 TRANG 105
Mạch so sánh cửa sổ (Window Comparator)
Mạch so sánh cửa sổ về cơ bản là bộ so sánh đảo và khơng đảo kết hợp thành một mạch so sánh duy nhất. Mạnh so sánh cửa sổ phát hiện các mức điện áp đầu vào nằm trong một dải hoặc cửa sổ điện áp cụ thể, thay vì chỉ ra điện áp lớn hơn hoặc thấp hơn điện áp tham chiếu điện áp đặt trước hoặc cố định
Thay vì chỉ cĩ một giá trị điện áp tham chiếu, bộ so sánh cửa sổ sẽ cĩ hai điện áp tham chiếu được thực hiện bởi một cặp bộ so sánh điện áp. Một OPAMP dùng phát hiện một số ngưỡng điện áp trên, VREF (UPPER) và một OPAMP cịn lại được dùng để phát hiện mức ngưỡng điện áp thấp hơn, VREF (LOWER. Các mức điện áp giữa hai điện áp tham chiếu trên và dưới này được gọi là cửa sổ.
Nếu sử dụng ba điện trở cĩ giá trị bằng nhau R1 = R2 = R3 = R chúng ta cĩ thể tạo ra một mạch so sánh cửa đơn giản như Hình 5.18. Khi các giá trị điện trở đều bằng nhau, điện áp giảm trên mỗi điện trở cũng sẽ bằng một phần ba điện áp cung cấp, 1/3Vcc. Trong ví dụ này, chúng ta cĩ thể đặt điện áp tham chiếu trên thành 2/3Vcc và điện áp tham chiếu thấp hơn là 1/3Vcc.
2019 TRANG 106
Khi VIN ở dưới mức điện áp thấp, VREF (LOWER) tương đương với 1/3Vcc, ngõ ra OPAMP A2 sẽ ở mức THẤP. Khi VIN vượt quá mức điện áp thấp 1/3Vcc, OPAMP A2 chuyển ngõ ra mức cao tới Vcc.
Khi VIN tiếp tục tăng, cho đến khi vượt qua mức điện áp, VREF (UPPER) ở mức 2/3Vcc và OPAMP A1 chuyển đầu ra trở lại THẤP.
Giả sử rằng VIN cĩ giá trị tối đa và bằng Vcc. Khi VIN giảm, thấp hơn mức điện áp trên VREF (UPPER) của bộ so sánh OPAMP A1 ngõ ra lúc này là mức cao. Khi VIN tiếp tục giảm, thấp hơn mức điện áp , VREF (LOWER) của bộ so sánh OPAMP A2 một lần nữa chuyển đổi ngõ ra thành mức THẤP
Mạch so sánh điện áp
Hình 5.19: Mạch so sánh điện áp
Trong mạch điện trên, ngõ ra của OPAMP cĩ cực thu hở và được kết nối với nguồn điện áp thơng qua một điện trở kéo lên (và một đèn LED để chỉ thị) được kến nối đến nguồn điện. Khi ngõ ra ở mức CAO, lúc này trở kháng ngõ ra cao, do đĩ khơng cĩ dịng điện nào chạy dưới dạng VOUT = Vcc.
Khi bộ so sánh thay đổi trạng thái và ngõ ra ở mức THẤP, nĩ sẽ tạo ra đường trở kháng thấp đối với dịng điện qua điện trở kéo lên (và đèn LED) làm điện áp ngõ ra được kéo xuống 0V
Chúng ta cĩ thể thấy rằng cĩ rất ít sự khác biệt giữa sơ đồ của bộ so sánh OPAMP và bộ so sánh điện áp hoặc các mạch bên trong của chúng. Sự khác biệt chính là ở ngõ ra với cực thu hở và cấu hình này rất phù hợp đều điều khiển
2019 TRANG 107
đèn, relay…bằng việc kết hợp transistro ở ngõ ra cho phép điều khiển tải với dịng dịng điện lớn hơn
.CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
1. Cho mạch khuếch đại như hình 1: Biết Rin=10k, Rf = 20k, Op-Amp hoạt động lý tưởng
Hãy xác định thực tế Vout khi cho Vin = 2V, cấp nguồn đơi VCC= 12V.
Hãy xác định thực tế Vout khi cho Vin = 5V, cấp nguồn đơi VCC= 12V.
Hãy xác định thực tế Vout khi cho Vin = -2V, cấp nguồn đơi VCC= 12V.
Hãy xác định thực tế Vout khi cho Vin = -5V, cấp nguồn đơi VCC= 12V.
Hãy xác định thực tế Vout khi cho Vin = 2V, cấp nguồn đơn VCC= 12V.
Hãy xác định thực tế Vout khi cho Vin = -2V, cấp nguồn đơn VCC= 12V.
Hãy xác định thực tế Vout khi cho Vin = -5V, cấp nguồn đơn VCC= 12V.
2. Cho mạch điện theo hình bên dưới. Biết Rf = Rin2 = 10K ; Rin 1 = 20K; và nguồn cung cấp VCC= 15V. (Op- Amp hoạt động lý tưởng)
2019 TRANG 108 Cho biết tên mạch khuếch đại.
Hãy viết biểu thức Vout theo Vin1, Vin2,
Tính Vout với Vin1 = 2V, Vin 2 = 6V.
3 . Biết Rf = Rin = Rin 1 = Rin2 = R=10k, nguồn cung cấp VCC= 15V.
Hãy cho biết tên mạch khuếch đại trên, và tìm hệ số khuếch đại AV
Cho Vin1 = 2V, Vin 2 = 10sint. Hãy vẽ dạng tín hiệu ngõ vào Vin1, Vin2 , và ra Vout ( 1đ)
Hãy thiết kế lại bộ khuếch đại trên sao cho Vout= 2Vin1 +3Vin2 (Chú ý: Vẽ Vin1, Vin2 trên cùng hệ trục tọa độ.)
4. Biết Rf = Rin = 10K ; Rin 1 = Rin2 = 20K; và nguồn cung cấp VCC= 15V. (Op- Amp hoạt động lý tưởng)
Cho biết tên mạch khuếch đại.
Hãy viết biểu thức Vout theo Vin1, Vin2.
2019 TRANG 109
5. Biết Rf = Rin2 = 10K ; Rin 1 = R = 20K; và nguồn cung cấp VCC= 15V. (Op- Amp hoạt động lý tưởng)
Cho biết tên mạch khuếch đại.
Hãy viết biểu thức Vout theo Vin1, Vin2,
2019 TRANG 110
CHƯƠNG 7
LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ