Bài giảng Điện tử 2: Phần 2 - Trường ĐH Công nghệ Sài Gòn

Bài giảng môn Điện tử 2 giới thiệu đến sinh viên các nội dung về một loại linh kiện tích hợp (IC) dạng Analog được gọi là Op Amp hay khuếch đại thuật toán. Phần 2 của bài giảng có nội dung trình bày về: mạch tạo tín hiệu bằng Op Amp; mạch khuếch đại đo lường; mạch ứng dụng Op Amp;... Mời các bạn cùng tham khảo!

CHƯƠNG 5

5.1 MẠCH VI PHÂN – MẠCH TÍCH PHÂN :

Trong các chương trước, mạch

khuếch đại Op Amps được xây dựng với

phần tử điện trở Trong chương 5, mạch

khuếch đại Op Amps được liên kết với các

phần tử khác có thể không phải là phần tử

điện trở Dạng mạch tổng quát trong trường

hợp được trình bày trong hình H.5.1

Với dạng mạch khuếch đại ngõ vào

đảo có hồi tiếp, ta có hai trường hợp sau tùy

thuộc vào giá trị và tính chất của các tổng

ta có mạch khuếch đại trong hình H.5.1 được gọi là mạch tích phân

Ngược lại khi G C

Tại nút b ta có phương trình bảo toàn dòng điện như sau:

G

dV V



Tóm lại ta có quan hệ sau:

Chúng ta cần chú ý các tính chất quan trọng sau đây:

Khi áp dụng giả thiết Op Amp lý tưởng , điện thế tại nút b là Vb = 0 V; như vậy nút b xem như đẳng thế với điểm Gnd của mạch Nói khác hơn, ta có Vout =  V c ; với Vc là áp

đặt ngang qua hai đầu tụ C

Như vậy, khi xác định giá trị của áp Vout ta cần chú ý đến điều kiện ban đầu tại thời

điểm t bằng t o

THÍ DỤ 5.1:

Cho mạch tích phân như trong hình H.5.2 Biết

R G = 10 kΩ và C = 0,1µF Giả sử dạng tín hiệu V in

cấp vào mạch có dạng như trong hình H.5.3; và lúc ban

đầu t = 0 tụ C chưa nạp điện tích, xác định điện áp Vout

theo thời gian trên ngõ ra của mạch tích phân

Theo giả thiết cho trong đầu đề thí dụ, lúc t = 0; Vout (0) =  V c (0) = 0 V ; suy ra tín

hiệu tức thời của áp ngõ ra mạch tích phân có dạng như sau trong khoảng ( 0 ≤ t ≤ 1 ms):

V out t   t V out t     t 0 t (5.9)

Tại nửa chu kỳ sau của tín hiệu áp Vin trong kho ảng thời gian ( 1 ≤ t ≤ 2 ms), áp dụng

quan hệ (5.6) ta có kết quả như sau:

V out t   t 1 V outt 1ms t 2 (5.11)

Chú ý , trong các quan hệ tìm được theo (5.9) và (5.11) thời gian t có đơn vị là [ms]

và điện áp có đơn vị là [V]

Áp dụng phần mềm mô phỏng NI Multisim để kiểm chứng kết quả, ta có các dạng

điện áp tức thời V in và V out cho trong hình H.5.4 sau đây

H.5.4: Dạng điện áp tức thời của Vin và Vout trong thí dụ 5.1

Giả sử tại thời điểm ban đầu t = 0 s: tụ

C đang nạp điện tích, điện áp đặt ngang qua

hai đầu tụ là Vc = 5 V ; khóa SW ở vị trí c và

lúc t = 9 ms khóa SW được di chuyển tức thời

sang vị trí d

GIẢi

Khi giải quyết bài toán này, trước tiên cần chú ý đến các điểm quan trọng như sau:

Thời hằng của mạch tích phân :

G

Điện áp ngang qua hai đầu tụ (đặc trưng cho năng lượng đang tích trữ trên tụ) tại

thời điểm bắt đầu khảo sát Chú ý dấu của điện áp đặt trên các cực của tụ điện Trong thí dụ 5.2; tại thời điểm ban đầu t = 0 s, điện áp Vc = 5V t ừ đó suy ra giá trị của điện áp V out

tại thời điểm ban đầu có giá trị là : out c

t 0

Giá trị điện áp của các nguồn áp trên ngõ vào mạch tích phân so với điện áp nguồn

V cc cung c ấp cho Op Amp Với thí dụ 5.2 các giá trị của các nguồn áp V 1 và V 2 đều lớn hơn giá trị của áp nguồn Vcc

Do cực tính của các nguồn áp nối đến ngõ vào Op Amp, đồng thời giả sử các mức

áp bảo hòa của Op Amp trong đặc tuyến chuyển thỏa điều kiện lý tưởng (mức áp bảo hòa dương là +Vcc và mức áp bảo hòa âm là –Vcc); với số liệu cho trong thí dụ 5.2 ta rút ra các nhận xét sau: V1 > V cc và V2 < V cc Giá trị của các điện áp cấp đến ngõ vào mạch

Op Amp nằm ngoài khoảng điện áp bảo hòa âm và bảo hòa dương của đặc tuyến chuyển

Từ thời điểm t9ms với điện áp ngõ vào là V1 = 10 V áp dụng quan hệ (5.6) ta

điểm ban đầu của giai đoạn khảo sát là t o = 9 ms và điện áp V out (t o ) =  6 V Suy ra:

Trong giai đoạn này, V out là hàm tăng theo thời gian t, tuy nhiên giá trị này bị chận trên bởi mức áp bảo hòa dương trên đặc tuyến chuyển của Op Amp Từ đó suy ra bất đẳng thức sau:

Vout  Vcc Hay t 15   6

Giải bất phương trình trên ta có kết quả: Vout  Vcc khi 9 ms t 21 ms

Phối hợp toàn bộ các điều kiện, chúng ta có được điện áp tức thời Vout trong khoảng thời gian t9 ms như sau:

5.1.2 MẠCH VI PHÂN:

Trong hình H.5.7 trình bày dạng

mạch vi phân; phương pháp khảo sát được

áp dụng trong trường hợp này vẫn là

phương trình điện thế nút hay định luật Kirchhoff 1, đồng thời áp dụng các giả thiết của Op Amp lý tưởng như đã khảo sát trong các chương trên

Tại nút b ta có phương trình bảo toàn dòng điện như sau:

Với kết quả nhận được cho thấy,

điện áp V out trên ngõ ra quan hệ với vi phân bậc 1 của áp vào Vin nên mạch Op

Amp trong hình H.5.7 được gọi là mạch vi phân Tích số (RF C) được gọi là thời hằng của mạch vi phân

Tuy nhiên cũng cần chú ý quan tâm đến mạch điện trong hình H.5.8; mạch điện này có dạng như mạch Op Amp trong hình H.5.2 nhưng phần tử tụ điện C được thay thế bằng phẩn tử điện cảm L

Áp dụng định luật Kirchhoff 1 tại b ta có:

b in

L in G

V i R

THÍ DỤ 5.3:

Cho mạch vi phân như trong hình H.5.7 với Op Amp mã số LM301, biết RF = 1 kΩ;

C = 0,1µF; ngu ồn áp cung cấp cho Op Amp Vcc = ± 12V Điện áp V in là dạng sin có biếu thức tức thời như sau: vin  t  5 2 sin 200 t      V Xác định điện áp trên ngõ ra Vout GIẢi

V   10 5 2.200 cos200 t     0,444.cos 200 t Dạng tín hiệu áp trên ngõ ra mạch vi phân được trình bày trong hình H.5.9

Điều cần chú ý trên tín hiệu áp V out là khỏang thời gian quá độ tại thời điểm ban đầu ngay khi cấp nguồn Điện áp trên ngõ ra dao động trong khoảng thời gian 1 ms trước khi đạt trạng thái xác lập

H.5.9: D ạng điện áp tức thời của V in và V out trong thí dụ 5.3

5.1.3 MẠCH TÍCH PHÂN CÓ ĐIỆN TRỞ HỒI TIẾP:

Mạch tích phân có điện trở hồi tiếp có

dạng theo hình H.5.10 Điện trở hồi tiếp có công

dụng ngăn chận trạng thái bảo hòa của mạch

tích phân gây nên bởi các điện tích tích lũy trên

tụ điện hồi tiếp.

Áp dụng phương trình điện thế nút tại b để

xác định quan hệ giữa điện áp V out trên ngõ ra

của mạch tích phân với áp ngõ vào Vin Ta có

Tùy thuộc vào dạng điện áp Vin,giải phương trình vi phân bậc 1 theo (5.29) ta suy ra

dạng điện áp Vout trên ngõ ra mạch tích phân

THÍ DỤ 5.4:

Cho mạch tích phân như trong thí dụ 5.1, nhưng có thêm điện trở hồi tiếp RF = 10 kΩ

Xác định lại dạng điện áp Vout

Trong quan hệ (5.30) đơn vị của thời gian t là : [t] = [s], nếu đổi đơn vị của thời gian

t là ms, quan hệ (5.30) viết lại như sau:

Với điều kiện ban đầu lúc t = 0s giả sử Vout = 0V ta xác định được hằng số K 1 trong

quan hệ (5.32) Suy ra: K1 1

Tóm lại trong khoảng 0 t 1 ms điện áp V out xác định theo quan hệ sau:

Trong hình H.5.11 trình bày điện áp V out tại thời điểm ban đầu t = 0s đến 8 ms Trong hình vẽ này ta có so sánh dạng Vout trong trường hợp có và không có điện trở hồi tiếp

H.5.11: Điện áp tức thời của V in và V out trong thí dụ 5.4, xác định từ t = 0 ms đến t = 8 ms

H.5.11: Điện áp tức thời của V in và V out trong thí dụ 5.4, từ thời điểm t = 40 ms trở đi

V out khi có điện trở hồi tiếp

V outkhi không có điện trở hồi tiếp

5.2 SCHMITT TRIGGER - MẠCH PHÁT HIỆN MỨC VỚI HIỆN TƯỢNG TRỄ :

(LEVEL DETECTOR WITH HYSTERESIS)

5.2.1.MẠCH PHÁT HIỆN O CƠ BẢN ( ZERO-CROSSING DETECTOR):

Mạch điện trình bày trong hình

H.5.12 là một dạng mạch so sánh

đơn giản được dùng làm mạch

phát hiện 0 Tín hiệu điện áp trên

ngõ ra sẽ chuyển trạng thái tại mỗi

thời điểm tín hiệu áp ngõ vào bằng

0 Một cách khác, chúng ta có thể

xem mạch điện trong hình H.5.12 là

dạng mạch khuếch đại vòng hở,

không hồi tiếp, độ lợi của mạch

khuếch đại bằng với chính giá trị độ

lợi vòng hở của Opamp

Giá trị độ lợi vòng hở này rất

cao (ứng với tần số thấp của điện áp

V in) Chúng ta có thể đạt được áp ngõ

ra trong phạm vi +VSAT (Áp b ảo hòa dương) và - V SAT (Áp bảo hòa âm) ứng với giá trị điện

áp V in cao hay thấp hơn điện thế của điểm Gnd khoảng 1 µV

Với các Op Amp lý tưởng khi được cung cấp nguồn kép ±Vcc ta xem nh ư giá trị

+V SAT = +V cc và V SAT = V cc V ới các Op Amp thực, các giá trị +VSAT và - V SAT th ường khác với giá trị ±Vcc

Mạch điện trong hình H.5.12 có khả năng biến đổi tín hiệu áp vào dạng sin thành điện áp ra dạng sóng xung vuông cùng tần số, nhưng biên độ của sóng xung vuông đạt

đến giá trị +V SAT và không phụ thuộc vào biện độ của tín hiệu áp sin trên ngõ vào Điện

áp ngõ ra của mạch so sánh đơn giản hay phát hiện 0 được trình bày trong hình H.5.13

H.5.13: Điện áp tức thời của V in và V out c ủa mạch so sánh trong hình H.5.12

H.5.12: Mạch so sánh đơn giản (khuếch đại vòng hở)

Trong hình H.5.13, điện áp ra đạt giá trị +VSAT = 10V và V SAT =  10V (tương ứng với

Oppamp mã số OP7) Tốc độ chuyển trạng thái từ mức trạng thái thấp nhất đến mức trạng thái cao nhất hoặc ngược lại của điện áp Voutđược gọi là “slew rate” của Opamp

thường được xác định trong các số liệu kỹ thuật của Opamp cho bởi nhà sản xuất

Trong trường hợp Vin có giá trị tần số rất lớn, Op amp không thay đổi đủ nhanh để duy trì điện áp Vout đồng bộ với Vin Các ảnh hưởng đầu tiên của “slew rate” lên dạng sóng của áp Vout được nhận thấy hiển nhiên tại các vị trí chuyển trạng thái

Khi thay đổi tần số của áp Vin trong mạch hình H.5.12 từ 50 Hz lến đến 400 Hz, ảnh hưởng của “slew rate” được trình bày trong hình H.5.14

H.5.14: Điện áp V out khi tăng tần số của áp sin trên ngõ vào từ 50Hz đến 400 Hz

5.2.2.MẠCH PHÁT HIỆN MỨC VÀ HIỆN TƯỢNG TRỄ :

Mạch điện trong hình H.5.15 trình bày mạch phát hiện mức có hiện tượng trễ Cấu trúc của mạch tương tự như mạch khuếch đại có hồi tiếp trình bày trong chương 2

(xem mạch điện trong hình H.2.3) Chúng ta

cần chú ý mạch điện trong hình H.5.15

được hồi tiếp tại ngõ vào không đảo (+),

và mạch điện được gọi là hồi tiếp dương

Các điện trở R F và R G tạo thành cầu phân áp đối với áp ngõ ra V out Một phần điện áp V out đặt ngang qua điện trở R G

được nối đến ngõ vào không đảo của Op Amp tạo thành một điện áp ngưỡng (threshold voltage)

Khi điện áp Vout > 0; điện áp tại ngõ vào không đảo được xem là dương; nói một cách khác: điện áp trên ngõ ra cao hơn mức điện áp V b (xem hình H.5.15); V b là áp đặt ngang qua hai đầu điện trở RG Mức áp Vb tại lúc này được gọi là điện áp ngưỡng cao (Upper-Thershold Voltage), ký hiệu là V UT

Tương tự, khi điện áp Vout < 0; điện áp tại ngõ vào không đảo được xem là âm Mức áp Vb tại lúc này được gọi là điện áp ngưỡng thấp (Lower-Thershold Voltage) và được ký hiệu là V LT

Với mạch điện trong hình H.5.15 các mức áp ngưỡng cao và thấp có cùng giá trị nhưng trái dấu Trong một số các mạch khác, các mức ngưỡng này có giá trị khác nhau và trái dấu với nhau Áp dụng cầu phân áp ta có quan hệ sau:

Khi V out = V SAT thì V b = V UT

Khi V out = V SAT thì V b = V LT

Cho mạch phát hiện 0 như trong hình H.5.15,

biết RF = R G = 10 kΩ Điện áp Vin có dạng theo hình

H.5.16; Op Amp dùng trong m ạch có mã số là OP07;

điện áp nguồn cung cấp cho mạch là ± Vcc = ± 12V

Xác định lại dạng điện áp Vout

GIẢI:

Trước tiên dựa vào số liệu kỹ thuật của Op Amp OP07 cho bởi nhà sản xuất, ta xác định các giá trị áp bảo hòa dương và âm Ta có kết quả ghi nhận được như sau:

Với điện áp nguồn cung cấp cho IC là ± Vs = ± 15 V, t ại nhiệt độ môi trường 25 o C ,

tương ứng với các giá trị khác nhau của tổng trở tải trên ngõ ra ph ạm vi của điện áp bảo hòa trên ngõ ra của Op Amp cho trong bảng số liệu (hình H.5.17) ghi nhận như sau:

Với điện trở tải RL  10 kΩ ta có ±V SAT = ± 13 V

Suy ra giá trị chênh lệch giữa VSAT và V S là 2 V theo số liệu kỹ thuật của nhà sản

xuất Như vậy với áp nguồn cung cấp là ± Vcc = ± 12V, ph ạm vi của áp bảo hòa bằng giá trị sau: (V cc – 2 V) , tóm l ại ±V SAT = ± 10 V

Các giá trị điện áp ngưỡng của mạch phát hiện 0 được xác định như sau:

H.5.18: Điện áp V out trên ngõ ra c ủa mạch phát hiện 0 có hiện tượng trễ trong thí dụ 5.5

H.5.17: B ảng tóm tắt các thông số điện của Op Amp OP07 cho bởi nhà sản xuất MAXIM

Áp dụng phần mềm mô phỏng chúng ta tìm được dạng điện áp Vout trình bày trong

hình H.5.18, tương ứng áp vào V in theo hình H.5.16

Quá trình hoạt động của mạch được trình bày tuần tự theo từng bước như sau:

Đầu tiên, giả sử điện áp V in có giá trị rất âm và điện áp ngõ ra đang đạt trạng thái bảo hòa dương V out = + V SAT

Một phần của điện áp dương trên ngõ ra đang đặt ngang qua điện trở RG và trên ngõ vào không đảo (+) của Op Amp Điện áp này chính là mức ngưỡng cao V UT

Trong khoảng thời gian điện áp V in < V UT mạch điện duy trì tiếp tục trạng thái hiện có; điện áp ngõ ra duy trì mức bảo hòa dương: Vout = + V SAT

Khi điện áp V in ăng dần giá trị (V in bắt đầu đạt giá trị dương hơn) đến mức điện

áp ngưỡng cao V UT Điện thế tại ngõ vào đảo (-) bắt đầu dương hơn điện thế tại ngõ vào không đảo (+) của Op Amp

Bộ khuếch đại sẽ tạo thành điện áp âm trên ngõ ra và giá trị áp ra V out này sẽ tiến rất nhanh đến giá trị bảo hòa âm -V SAT Một phần của điện áp âm trên ngõ ra đang đặt ngang qua điện trở RG và trên ngõ vào không đảo (+) của Op Amp Điện áp đó lúc này được gọi là mức ngưỡng thấp V LT

Khi điện áp ngõ ra đạt giá trị (-VSAT ), điện áp ngõ vào V in đang chênh lệch một mức

áp so với mức ngưỡng thấp VLT Mạch sẽ duy trì trạng thái ổn định này khi V in > V LT

Cần chú ý các giá trị điện áp tại các thời điểm xãy ra chế độ đóng ngắt chuyển trạng thái trên điện áp ngõ ra Điện áp chênh lệch giữa các mức áp ngưỡng V UT và V LT được gọi là khoảng điện áp tạo bởi hiện tượng trễ (hyteresis), được xác định bởi các điện trở

R G ; R F và điện áp bảo hòa ±V SAT trên ngõ ra

H.5.19: Điện áp V out trên ngõ ra c ủa mạch phát hiện 0 khi tín hiệu V in ảnh hưởng nhiểu

Với mạch so sánh hay phát hiện 0 bình thường không có hiện tượng trễ; khi tín hiệu

V in bị ảnh hưởng nhiểu, ại các thời điểm xuất hiện nhiểu có biên độ thay đổi quanh giá trị 0 tại các vị trí này chúng ta nhận được các quá trình chuyển mạch trên ngõ ra

Điện áp ngõ ra chuyển từ mức + V SAT sang -V SAT hay ngược lại tại các thời điểm xuất hiện

nhiểu trên ngõ vào Tóm lại tại các vị trí chuyển trạng thái trên tín hiệu áp ngõ ra không hẳn là thời điểm điện áp trên ngõ vào bằng 0. Mạch phát hiện 0 trong trường hợp này hoạt động không chính xác, xem kết quả mô tả trong hình H.5.19

Công dụng của mạch hồi tiếp dương làm cho mạch có khả năng ít bị ảnh hưởng dưới tác dụng của nhiểu trên tín hiệu Vin Muốn hiểu được tác dụng này, chúng ta quan

sát trên hình H.20 với điện

áp V in dạng tín hiệu tam giác

có mang theo các nhiểu Khi chỉ áp dụng mạch phát hiện 0 thông thường

không có hiện tượng trễ,

điện áp ngõ ra sẽ chuyển trạng thái ại các thời điểm điện áp V in = 0 hay khi tín hiệu nhiểu đi qua vị trí 0

Khi áp dụng mạch phát hiện mức có hiện trượng trể, điện áp ngõ ra sẽ chuyển trạng thái tùy thuộc vào giá trị của áp V in hay áp nhiểu tăng trưởng theo hướng ngược với các mức ngưỡng V UT và V LT

THÍ DỤ 5.6:

Cho mạch phát hiện 0 theo hình H.5.15 trong thí dụ 5.5, biết RF = 47 kΩ, R G = 28 kΩ

Điện áp V in có dạng sóng tam giác đang ảnh hưởng nhiểu như trong hình H.5.19; Op Amp dùng trong mạch có mã số là OP07; điện áp nguồn cung cấp cho mạch là ± Vcc = ± 12V

Xác định lại dạng các mức điện áp VHT và V UT , suy ra dạng điện áp Vout trên ngõ ra c ủa mạch khi có xét ảnh hưởng nhiểu

Kết quả của dạng điện áp ngõ ra khi xét đến ảnh hưởng nhiểu trên áp Vin được trình

bày trong hình H.5.21 Trong trường hợp áp Vin bị ãnh hưởng bởi nhiểu muốn kết quả nhận trên ngõ ra chính xác ta cần: xác định biên độ tối đa và tối thiểu sinh bởi nhiểu (nếu có thể) đồng thời hiệu chỉnh các giá trị RG và RF để chọn lại các mức áp ngưỡng tương thích cho mạch Op Amp

H.5.20: Áp V out khi có xét đến ảnh hưởng nhiểu trên V in

H.5.21: Áp V out khi có xét đến ảnh hưởng nhiểu trên V in trong thí d ụ 5.6

Với các nội dung vừa phân tích nêu trên, chúng ta xây dựng quan hệ đặc tuyến chuyển trạng thái là đồ thị mô tả quan

hệ giữa điện áp V out theo V in cho mạch phát hiện mức có hiện tượng trễ, hình H.5.22

Quan sát dạng đặc tuyến chuyển trong hình H.5.22, chúng

ta sẽ tìm thấy các kết quả như vừa phân tích trên

Gọi giá trị chênh lệch giữa hai mức áp ngưỡng cao VUT và mức áp ngưỡng thấp VLT là V H , ta

5.2.3.MẠCH PHÁT HIỆN MỨC CÓ HIỆN TƯỢNG TRỄ VÀ ĐIỆN ÁP THAM CHIẾU V REF :

Hình H.5.23 trình bày sơ đồ nguyên lý của mạch phát hiện mức có hiện tượng trễ; ta có điện áp V in cấp đến ngõ vào đảo và nguồn áp một chiều V REF làm điện áp tham chiếu cấp đến ngõ vào không đảo Nguyên tắc họat động của mạch tương tự như mạch phát hiện mức

có hiện tượng trễ như vừa trình bày trong mục 5.2.2 Trong trường hợp các mức áp ngưỡng cao và thấp phụ thuộc vào điện

áp DC tham chiếu V REF

Điện áp tham chiếu có thể có giá trị dương hay âm, phụ thuộc dấu của nguồn áp nối đến điện trở RG Khi giá trị áp tham chiếu VREF = 0 mạch điện trở về dạng mạch phát hiện mức có hiện tượng trễ (xem lại mục 5.2.2)

Trong trường hợp này, các mức áp ngưỡng cao VUT và áp ngưỡng thấp VLT chính

là giá trị điện áp Vb (tại nút b so với điểm Gnd) khi điện áp Vout đạt các giá trị bảo hòa ±V SAT Gọi VR là điện áp đặt ngang qua hai đầu điện trở R G, ta có quan hệ:

THÍ DỤ 5.7:

Cho m ạch phát hiện mức theo hình H.5.23, biết RF = 47 kΩ, R G = 28 kΩ Điện áp V in có dạng sóng tam giác theo hình H.5.16; Op Amp dùng trong mạch có mã số là OP07; điện áp nguồn cung cấp cho mạch là ± Vcc = ± 12V Nếu điện áp tham chiếu là V REF = 2 V, xác định lại dạng các mức điện áp VHT và V UT ; suy ra dạng điện áp Vout trên ngõ ra c ủa mạch

Đầu tiên giả sử áp vào V in có giá trị rất âm và áp ngõ ra của Op Amp là V out đạt trạng thái bảo hòa dương Điện áp bảo hòa trên ngõ ra tạo phân áp trên các điện trở RG

và R F Điện áp đặt ngang qua hai đầu điện trở R G cộng với điện áp tham chiếu V REF tạo thành điện áp cấp đến ngõ vào không đảo của Op Amp, điện áp tổng này chính là mức áp ngưỡng cao V UT Mạch sẽ duy trì điều kiện này trong suốt khoảng thời gian điện áp V in thấp hơn điện áp cấp vào ngõ vào không đảo (+) của Op Amp.

Bây giờ khi điện áp Vin có giá trị tăng cao hơn mức áp Vin của ngõ vào không đảo Ngay tại lúc Vin đạt giá trị bằng và hơi vọt cao hơn mức V UT điện áp ngõ ra giãm nhanh xuống đến mức bảo hòa âm Điện áp bảo hòa âm trên ngõ ra lại tạo thành phân áp mới trên các điện trở RG và R F Thành ph ần phân áp mới trên R G cộng với điện áp tham chiếu V REF

tạo nên giá trị điện áp mới cấp đến ngõ vào không đảo của Op Amp, điện áp tổng này chính

là mức áp ngưỡng thấp V LT Mạch sẽ duy trì ổn định trạng thái này cho đến khi điện áp

V in bắt đầu thấp hơn mức điện áp ngưỡng thấp (V LT ) tại ngõ vào không đảo (+) của Op Amp.

Trong một số các mạch so sánh thực sự điện áp tham chiếu VREF được tạo bởi diode zener hoặc từ một mạch điều hòa điện áp (voltage regulator) khác

Trong hình H.5.25 trình bày một dạng mạch khác của mạch phát hiện mức

có hiện tượng trễ với điện áp V in cấp đến ngõ vào không đảo và nguồn áp một chiều V REF áp tham chiếu cấp đến ngõ vào đảo

Trong trường hợp này, các mức

điện áp ngưỡng cao V UT và mức ngưỡng thấp VLT của mạch phát hiện mức cũng được định nghĩa là các giá trị điện áp đặt tại ngõ vào không đảo (so với điểm Gnd) khi các giá trị điện áp ngõ ra đạt mức bảo hòa dương hay âm ± V SAT Điều cần nhớ là điện thế tại b vừa phụ thuộc áp

V out và vừa phụ thuộc giá trị tức thời của

Tương tự khi V b – V REF < 0 hay V b < V REF theo (5.49) ta có V out = VSAT , lúc này

quan hệ (5.51) được viết lại như sau:

THÍ DỤ 5.8:

Cho m ạch phát hiện mức theo hình H.5.25, biết RF = 47 kΩ, R G = 28 kΩ Op Amp dùng

trong mạch có mã số là OP07; điện áp nguồn cung cấp cho mạch là ± Vcc = ± 12V N ếu

ngưỡng thấp VLT và ph ạm vi (từ thấp nhất đến cao nhất) của điện áp V in cấp vào mạch là bao nhiêu để có được tín hiệu áp V out trên ngõ ra

Mức áp ngưỡng thấp đạt được trong trường hợp này là:

được, ta cần chú ý đến ảnh hưởng của hiện tượng “slew rate” trên đặc tuyến của áp Vout

Trong hình H.5.27 trình bày một dạng

mạch khác của mạch phát hiện mức điện áp

có hiện tượng trễ với điện áp V in cấp đến ngõ không đảo và nguồn áp một chiều

V REF áp tham chiếu cấp đến ngõ vào đảo

Áp dụng phương trình điện thế nút tại nút a ta có quan hệ sau:

Từ (5.62) và (5.63) ta suy ra giá trị của điện áp ngưỡng cao VUT và điện áp ngưỡng thấp VLT của mạch phát hiện mức xác định theo quan hệ sau:

R

n R

LT

V V

V

SAT CC

UT

V V

V

THÍ DỤ 5.9:

Cho m ạch phát hiện mức theo hình H.5.27, Op Amp dùng trong mạch có mã số là

OP07; điện áp nguồn cung cấp cho mạch là ± Vcc = ± 15V N ếu mạch có các mức áp

5.3 MẠCH TẠO SÓNG RĂNG CƯA TAM GIÁC (SAWTOOTH-WAVE GENERATOR):

Sơ đồ nguyên lý của mạch tạo sóng răng cưa tam giác trình bày

trong hình H.5.28 Mạch

tạo sóng răng cưa tam giác gồm hai tầng Op Amp ghép liên tiếp nhau

Tầng Op Amp đầu tiên có dạng mạch tích phân

Tầng Op Amp thứ nhì kế tiếp là dạng mạch so sánh áp

Ngõ ra Op Amp tại tầng 2 cấp tín hiệu đến cực nền của các

transistor npn Q 1 và Q 2 Tín hiệu áp ngõ vào mạch là điện áp một chiều VDC, cần chú ý đến cực tính của nguồn áp VDC và phương thức đấu nối các cực của nguồn áp này đến ngõ vào không đảo của mạch Op Amp 1

Công dụng của các transistor Q1 và Q2 có thể nhận thấy một cách hiển nhiên, được trình bày như sau Khi Q1 dẫn sẽ tạo điều kiện xả nhanh các điện tích đang nạp trên các bản cực của tụ điện C Tương tự khi Q2 dẫn làm giảm thấp một cách nhanh chóng mức

áp đặt vào ngõ vào đảo của Op Amp 2

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH:

Đầu tiên, khảo sát dạng tín hiệu điện áp trên ngõ ra của Op Amp 1 Với tín hiệu áp một chiều thẳng và theo các nối cực tính của nguồn áp VDC này trên trên ngõ vào , giả sử nguồn áp có giá trị là E (V) , ta có thể ghi : VDC = E

Nếu không xét đến ảnh hưởng của transistor Q1

(đang ở trạng thái ngưng dẫn) mắc song song với tụ C

Dạng điện áp tại nút b tăng trường theo biến số thời gian có

dạng đưởng thẳng, xem hình H.5.59 Hệ số góc của đường

Khi transistor Q 2 ở trạng thái ngưng dẫn, áp cấp đến ngõ vào đảo của Op Amp 2 chính là điện áp lấy từ nút d trên cầu phân áp tạo bởi ba điện trở: R1 ; R 2 và R 3 Ta có điện

áp tại d xác định theo quan hệ sau:

Trong giai đoạn cả hai transistor Q 1 và Q 2 ngưng

dẫn, tụ C nạp điện tích theo mạch tích phân Điện áp tại b

dương hơn so với a và điện áp cấp đến ngõ vào không

đảo của Op Amp 2 tăng dần theo quá trình nạp điện tích

của tụ C; trong khi điện áp tại ngõ vào không đảo của Op

Amp 2 được ghim đúng bằng mức áp tại nút d.

Trong giai đoạn 1 (GĐ1), xem hình H.5.60 ta có điện áp

V b < V d , hay nói khác đi điện áp cấp đến ngõ vào không đảo

thấp hơn điện áp cấp đến ngõ vào đảo Suy ra,

    do đó điện áp trên ngõ ra Op Amp 2 tại

nút e đạt giá trị Ve   VSAT Như vậy các transistor Q 1 và

Q 2 không được cấp tín hiệu đến cực nền nên tiếp tục duy

trì trạng thái ngưng dẫn

Khi điện áp Vb tại nút b đạt giá trị bằng và hơi

chớm lớn hơn điện áp Vd , lúc này ta có  Vin  Vb  Vd  0;

điện áp tại trên ngõ ra Op Amp 2 chuyển sang trạng thái bảo hòa dương Ve   VSAT Giá trị áp Ve được cấp đến cực nền của các transistor Q 1 và Q 2 , bây giờ các diode D1 và D 2

đang ở trạng thái dẫn

Khi Q 1 ở trạng thái dẫn, đưa đến quá trình xả điện tích trên tụ điện C; các điện tích

đang tích trên bản cực của tụ xem như được xả nhanh qua điện trở tương tương R CE giữa các cực CE của transistor Q1

Đồng thời với quá trình trên, khi Q 2 ở trạng thái dẫn, lúc này ta có thể xem vai trò của Q2 giống như khóa điện nối điện trở

R 4 xuống điểm chung Gnd của mạch Các điện trở R2

R 3 và R 4 đang đấu nối theo

sơ đồ  giữa các nút c, d

và Gnd; xem hình H.5.61

Áp dụng phép biến đổi tổng trở từ  sang Y thay

thế các điện trở R2 R 3 và

R 4 b ằng R c R d và R e

2 4 C

R R R



2 3 d

R R R

+Vcc

R1R2

3 4 e

R R R

cũng phải giảm nhanh và luôn thấp hơn giá trị điện áp cấp đến ngõ vào không đảo

Để hiểu rõ vấn đề này chúng ta cần khảo sát thí dụ bằng số cụ thể qua thí dụ 5.10

THÍ DỤ 5.10:

Trong hình H.5.62, th ực hiện mạch tạo sóng răng cưa tam giác với Op Amp 1 thực

hiện mạch tích phân là LM 324 và Op Amp 2 dùng thực hiện chức năng so sánh là

LM311, các thông s ố của các phần tử khác trình bày trong hình H.5.62

H.5.62: M ạch tạo sóng răng cưa tam giác theo thí dụ 5.10

Dựa vào cầu phân áp trên ngõ vào đảo của Op Amp 2 xác định mức điện áp tham

chiếu đặt tại nút d; áp dụng quan hệ (5.71):

H.5.63 cho thấy độ rộng xung chỉ đạt được khoảng 9 ms

Các sai số trên dẫn đến từ nguyên nhân: tụ C không xả hết toàn bộ điện tích trong quá trình phóng điện mà vẫn còn duy trì một ít điện tích tại thời điểm cuối của quá trình Sự kiện này xãy ra là do tại thời điểm cuối quá trình điện áp tại nút d không được đặt về đến mức 0 V mà còn duy trì giá trị theo tính toán trên là 0,86V

Muốn hiệu chỉnh lại dạng sóng ta cần xác định giá trị của các điện trở R1 ; R 2 ; R 3 và

R 4 Với mạch điện trong hình H.5.62 nếu điều chỉnh lại các điện trở theo giá trị sau:

R 1 = 4,7 kΩ ; R 2 = 10 kΩ ; R 3 = 30 kΩ và R 4 = 47 Ω

Kết quả nhận được cải thiện hơn và đúng yêu cầu, xem hình H.5.64

H.5.64: D ạng điện áp tại nút b và d theo thí dụ 5.10, sau khi hiệu chỉnh các giá trị điện trở

Trong quá trính thi công thực để thuận tiên cho viêc cân chỉnh thông số của mạch, chúng ta có thể:

Thay thế điện trờ RG bằng biến trở để điều chỉnh độ dốc của sóng răng cưa

Thay bộ điện trở R2, R3 bằng biến trở để có thể điều chỉnh đươc mức điện áp tham chiếu quyết định giá trị cao nhất cho phép của sóng răng cưa

Thay nguồn áp Vin bầng nguồn áp có thể điều chỉnh thay đổi giá trị, sự thay đổi này góp phần ảnh hưởng lên độ dốc của sóng răng cưa

Trong hình H.5.65 trình bày một áp dụng của mạch tạo sóng răng cưa tam giác

đồng bộ với bán kỳ dương của áp xoay chiều hình sin

H.5.65: Mạch tạo sóng răng cưa tam giác đồng bộ bán kỳ dương áp xoay chiều hình sin

5.4 MẠCH TẠO XUNG CLOCK DÙNG IC 555:

IC 555 th ường gặp ở dạng kiểu vỏ 8DIP300, hình dạng và kích thước các hàng chân được trình bày trong hình H5.66

Số thứ tự các chân IC được xác định tuần tự theo chiều dương lượng giác (chiều ngược kim đồng hồ) khi nhìn từ trên xuống thân IC Chức năng của các chân IC được tóm tắt trong bảng sau:

Từ mạch tương đương của IC trình bày trong hình H5.66 ta rút ra các nhận xét sau

về cấu trúc của linh kiện:

Ba điện trở 5 kΩ đấu nối tiếp tạo thành cầu phân áp giữa chân 1 và chân 8 (chính

do cấu trúc này nên linh kiện được đặt mã số là 555)

Hai bộ Op Amp A và B thực hiện chức năng so sánh áp giữa các ngõ vào Op Amp

để tạo các áp ra dùng làm ngõ vào điều khiển khối Flip Flop RS

Op Amp A có ngõ vào không đảo lấy áp từ chân 6 (Threshold) và ngõ vào đảo lấy

áp từ cầu phân áp tạo bởi 3 điện trở nội 5 kΩ Mức áp chuẩn lấy từ cầu phần áp là2 VCC

Op Amp B có ngõ vào đảo lấy áp từ chân 2 (Trigger) và ngõ vào không đảo lấy áp

từ cầu phân áp tạo bởi 3 điện trở nội 5 kΩ Mức áp chuẩn lấy từ cầu phần áp là1 VCC

Chân 7 được điều khiển bởi Transistor npn và chân 4 tác động lên Transistor pnp

để thay đổi áp trên ngõ ra Vout tại chân 3

S

Q

Q

R SET

5.4.1 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CÁC KHỐI TRONG MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA IC 555

Theo lý thuyết mạch số, flipflop RS có mạch

tương đương và bảng trạng thái được ghi nhận theo

hình H5.67

Đối với các Opamp A và B, áp dụng phương

pháp sau để giải thích nguyên tắc hoạt động

Nếu điện áp cấp đến ngõ vào không đảo

lớn hơn điện áp cấp đến ngõ vào đảo thì điện áp ở

ngõ ra của Opamp có giá trị dương Ta có thể xem

như lúc này ngõ ra Opamp đạt trạng thái logic 1

Nếu điện áp cấp đến ngõ vào không đảo

nhỏ hơn điện áp cấp đến ngõ vào đảo thì điện áp ở

ngõ ra của Opamp có giá trị 0 (vì Opamp được cấp

nguồn đơn không dùng nguồn kép) Ta có thể xem

như lúc này ngõ ra Opamp đạt trạng thái logic 0

Khi cung cấp áp nguồn Vcc vào hai chân 1-8

cho IC, mức áp tại điểm a (so với Gnd) là 2 VCC

3 và mức áp tại điểm b (so với Gnd) là CC

1 V

Theo lý thuyết mức áp đặt tại điểm a được gọi là VUT mức điện áp ngưỡng trên (Upper threshold Voltage) Mức áp đặt vào điểm b được gọi là V LT mức điện áp ngưỡng dưới (Lower threshold voltage) UT 2.V CC LT V CC

các khâu thành phần bên trong IC, áp ngõ ra (chân 3-Output) của IC phụ thuộc vào mức

áp cấp vào chân 2 (Chân kích kh ởi –Trigger) và chân 6 (T ạo điện áp ngưỡng – Threshold) Mu ốn khảo sát cơ chế hoạt động của IC 555, cần lập bảng tổng kết các trạng thái hoạt động khi thay đổi mức điện áp đặt vào chân 2 và 6 của IC ; khi đó nối chân 4

(chân RESET) lên mức V cc và bỏ trống chân 5 (cung cấp điện áp điều khiển – Voltage

Control) Để có được kết quả tổng quát, ta chia mức điện áp cung cấp vào cho chân 2 (V2)

và vào chân 6 (V6) thành 3 khỏang như sau : 0 < V2 < V LT ; V LT < V 2 < V UT ; V UT < V 2

Như vậy, trên bảng tóm tắt ta có tổng cộng 9 trạng thái Khi khảo sát cần chú ý mức

áp nhận được trên ngõ ra và chú ý các trường hợp có thể dẫn đến tạng thái cấm của flipflop

RS (trong IC) tùy theo mức điện áp đặt vào chân 2 và chân 6

Bảng tóm tắt các trạng thái hoạt động của IC 555 theo từng trạng thái cung cấp áp vào chân 2 và 6 của IC :

Tóm lại trong các trạng thái hoạt động vừa mô tả trên, ở trường hợp thứ 2 IC rơi vào

trạng thái CẤM không vận hành được Do hiện tượng này, trong các mạch điều khiển

dùng IC 555, ta thường kết nối chân 2 và 6 chung nhau để chúng có cùng mức điện áp như nhau, tránh hiện tương CẤM xãy ra Trong trường hợp cần điều khiển riêng mức áp giữa 2 chân 2 và 6 ta cố gắng chú ý để không rơi vào trường hợp này

Mạch điện cơ bản của 555 thường tìm thấy

trong đa số các tài liệu là mạch dao động đa hài Sơ

đồ nguyên lý của mạch dao động được trình bày trong

hình H5.68 Trong hình H5.69 trình bày lại mạch dao

động trong hình H5.68 với IC được thay thế bằng mạch

điện tương đuơng bên trong IC Trong đó chân 2 và 6

được ghép chung nhau Chân 5 bỏ trống , và chân 4

(RESET) được nối về nguồn Vcc

Muốn khảo sát nhanh nguyên lý hoạt động của

mạch dao động, ta cần lập bảmg trạng thái mô tả lần lượt các trạng thái của IC theo sự thay đổi mức áp ở chân 2 và 6 khi tụ C nạp điện tích

Trong mạch, đường

nạp điện tích cho tụ đi qua

R1 và R2 Khi tụ điện xả điện

tích qua chân 7 của IC xuống

Gnd , đường xả điện tích đi

qua điện trở R2

Trong hình H5.69 , giả

sử khi bắt đầu cung cấp điện

cho mạch, tụ C chưa nạp điện

tích, áp đặt ngang qua hai đầu

bằng VCC Ngay sau khi đóng

nguồn cung cấp cho mạch ,

mạch R1, R2 , C thực hiện quá

trình nạp điện cho tụ từ nguồn

cung cấp Vcc Đặc tuyến điện áp nạp điện U c = f(t) mô t ả trong hình H5.70

 Thời hằng của mạch nạp điện là :

T   R1  R C2

Theo lý thuyết, khi biết đặc tuyến nạp điện Uc = f(t) , từ gốc tọa độ vẽ đường tiếp tuyến với đặc tuyến Tiếp tuyến này cắt đường tiệm cận của đặc tại một điểm

3

1

7 2

+

‐

‐ H5.68: Mạch dao động đa hài

Khoảng cách từ điểm cắt đến trục tung bằng giá trị thời hằng của mạch nạp điện

Điện áp Uc sẽ đạt đến mức bằng 99,3% Vcc sau 5 l ần thời hằng

Khi tụ nạp điện, áp UC trên hai đầu tụ tăng dần; như vậy áp đặt vào chân 2 và 6 của

IC 555 c ũng tăng dần theo mức áp này Giá trị điện áp U C lần lượt đi qua các mức VLT và

V UT Trạng thái hoạt động của IC và ngõ ra được tóm tắt như trong bảng thực trị sau :

1 0 < V 2 < V LT 0 1 0 1 (V out = V CC )

2 V LT < V 2 < V UT 0 0 Không đổi 1 (V out = V CC )

3 V 2 hơi lớn hơn V UT 1 0 1 0 (V out = 0)

4 V LT < V 2 < V UT 0 0 Không đổi 0 (V out = 0)

5 V 2 hơi nhỏ hơn V LT 0 1 0 1 (V out = V CC )

Các giai đoạn 1, 2 nêu trong bảng trạng thái trên tương ứng quá trình nạp điện tích của tụ điện ; khi đến giai đoạn 3 ngõ ra Q chuyển trạng thái từ 0 sang 1, mức điện áp này tác động lên cực nền của transistor npn (trong mạch tương đương của IC 555) làm transistor chuyển sang trạng thái dẫn

Khi transistor npn ở trạng thái dẫn, chân 7 được xem như nối xuống điểm masse (do chênh lệch điện áp giữa E và C của transistor rất thấp VCE = 0,4V ); lúc đó quá trình nạp điện tích cho tụ chấm dứt và tụ chuyển sang trạng thái phóng điện qua R2 xuống mass (thông qua transistor npn)

Điện áp giữa hai cực của tụ giảm dần trong quá trình phóng điện , giai đoạn 4 xảy ra trong bảng trạng thái ứng với quá trình phóng điện Khi đến giai đoạn thứ 5 ngõ ra Q chuyển sang trạng thái 0, transistor npn chuyển sang trạng thái ngưng dẫn, chân 7 không còn được nối xuống masse; tụ ngừng phóng điện và tiếp tục chuyển sang quá trình nạp điện tích Điện áp trên đầu tụ ở cuối quá trình phóng điện là VLT, và tụ tiếp tục nạp điện tích cho

đến khi điện áp giữa hai bản cực của tụ đạt đến mức V UT; tụ chuyển sang giai đoạn phóng điện Quá trình cứ tiếp tục diển tiến tuần hoàn như vừa mô tả

Toàn bộ quá trình mô tả theo trên là quá trình dao động của IC 555 (theo dạng astable – hay dao động đa hài )

Khoảng thời gian trải qua giai đoạn 1 là khoảng thời gian nạp điện tích cho mạch trong chu kỳ đầu tiên tính từ lúc cấp áp VCC cho mạch và tụ không không tích điện tích ban đầu

Giai đoạn 2 và 3 : quá trình nạp điện

Giai đoạn 4 và 5 : quá trình xả điện

Khi hệ thống thực hiện quá trình dao động (tính từ chu kỳ thú 2 sau khi đóng điện cung cấp cho mạch) hệ thống chỉ trải qua các giai đoạn 2,3,4 ,5 ; không trải qua giai đoạn 1

Ta có dạng áp trên đầu tụ và trên ngõ ra (tại chân 3) khi mạch thực hiện quá trình dao

động trong hình H5.71 Khi tính từ chu kỳ thứ hai trở đi sau khi cấp áp nguồn V CC cho mạch, gọi T là chu kỳ dao động của mạch; T1 : Độ rộng xung tín hiệu áp ngõ ra ; T2 : Khoảng tắt xung tín hiệu điện áp ngõ ra, ta có các biểu thức tính toán như sau :

Các vấn đề cần chú ý khi vận hành mạch dao động trên trong thực tế :

 Mức điện áp tối đa, nhận được trên ngõ ra 3 không cao đến mức Vcc như lý luận trong lý thuyết, thường chỉ đạt được tối đa khoảng (Vcc – 1,7V)

 Mứcáp V cc tối đa cung cấp để vận hành mạch IC 555 là 15V DC

 Mạch nguồn cung cấp cho IC làm việc phải ổn áp Thường dùng IC ổn áp 3 chân

họ 78XX, ta có thể dùng IC ổn áp 7812 hay 7815

 Muốn điều chỉnh thay đổi tần số, độ rộng xung cũng như thông số “duty cycle”

của mạch dao động ta thay các điện trở R1 và R 2 bằng các biến trở để có thể thay đổi trị số (xem mạch trong hình H5.72)

D1 D2

D3 D4

2200 uf

1000 uf OUT PUT

H5.72: Mạch dao động dùng IC 555 với mạch nguồn cung cấp có ổn áp

Muốn tạo ra xung dao động có độ rộng xung nhỏ hơn khỏang thời gian tắt xung, ta phải thực hiện mạch sao cho khoảng thời gian T 1 và T 2 độc lập không phụ thuộc nhau Trong trường hợp này trên đường nạp và trên đường phóng điện của tụ C ta phải lắp thêm

4 8

TR CV

Q DIS THR

VR R1 D5 R2 . D6

+

C3

V out

H5.73: Mạch dao động dùng IC 555 có thể điều chỉnh thay đổi chu kỳ T và “Duty Cycle”

BÀI TẬPBÀI TẬP 5.1

Viết phương trình vi phân xác định quan hệ giữa áp vout  t và áp

Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động

của mạch trong hình H5.75 Viết

phương trình vi phân xác định quan hệ

giữa áp vout  t và áp v tin  Suy ra

công dụng của mạch Op Amp

BÀI TẬP 5.3

Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của mạch trong hình H5.76 Suy ra công dụng của biến trở trong cầu phân áp lắp trên ngõ vào của mạch Op Amp

BÀI TẬP 5.5

Với các dạng điện áp Vref và

ramp

V gợi ý trong hình H5.78, tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của mạch bằng các xây dựng phương trình vi phân xác định quan hệ giựa các điện áp : Vref;

ramp

V và Vout

BÀI TẬP 5.6

Tìm hiểu và giải thích

nguyên tắc hoạt động của mạch

Op Amp phối hợp mạch tích phân

và mạch Schmitt Trigger trong

hình H5.79 để tạo sóng răng cưa

tam giác

BÀI TẬP 5.7

Cho IC 555 trong hình H5.90

dùng tạo mạch Schmitt trigger, tìm hiểu

và giải thích nguyên tắc hoạt độngcủa mạch