Để phân tích một mạch điện sử dụng Op-Amps lý tưởng, đầu tiên thay thế Op-Amps lý tưởng bởi sơ đồ tương đương Sau đó tuần tự thực hiện ba bước sau: - Viết phương trình Kirchhoff cho đầu
Trang 1K ỹ T huật S ố
Blogthongtin info Biên tập: Nguyễn Trọng Hòa
BÀI 5: PHÂN TÍCH SỬ DỤNG OP-AMPS
1 Phương pháp phân tích
Phân tích và thiết kế là hai quá trình thuận nghịch, khi nắm vững phương pháp phân tích sẽ hỗ trợ rất nhiều cho quá trình thiết kế Để phân tích một mạch điện sử dụng Op-Amps lý tưởng, đầu tiên thay thế Op-Amps lý tưởng bởi sơ đồ tương đương
Sau đó tuần tự thực hiện ba bước sau:
- Viết phương trình Kirchhoff cho đầu vào V+
- Viết phương trình Kirchhoff cho đầu vào V-
- Cho V+=V-, ta tìm được mối quan hệ giữa Vin và Vo
2 Các bài toán điển hình
a Bài toán 1: Phân tích mạch điện sau
- Viết phương trình Kirchhoff cho đầu vào V+
v+=0
- Viết phương trình Kirchhoff cho đầu vào V-
Trang 2
- Cho v+=v- ® v+=v-= 0, ta tìm được mối quan hệ giữa vin và vout: vout = −RF/Rin vin
b Bài toán 2: Phân tích mạch điện sau
- Viết phương trình Kirchhoff cho đầu vào V+
v+=0
- Viết phương trình Kirchhoff cho đầu vào V-
- Cho v+=v- ® v+=v-= 0, ta tìm được mối quan hệ giữa Vin và Vout
K ỹ T huật S ố
Blogthongtin info Biên tập: Nguyễn Trọng Hòa
BÀI 6: CÁC MẠCH ỨNG DỤNG
Phạm vi ứng dụng của Op-Amps rất phong phú, ở đây chỉ nêu một số ứng dụng mang tính minh hoạ nguyên lý làm việc của Op-Amps
1 Mạch so sánh cửa sổ
Trang 3Đây là mạch điện ứng dụng trong việc cảnh báo quá nhiệt hay thiếu nhiệt của môi trường cần theo dõi Mạch làm việc theo nguyên lý so sánh cửa sổ, một nguyên lý rất thông dụng trong các thiết bị công nghiệp Minh hoạ qua hình
Khi muốn khống chế nhiệt độ lò ở 40oC, người ta tiến hành như sau: từ nhiệt
độ môi trường đang là 27oC, bắt đầu cấp nhiệt cho lò (điểm A) Nhiệt độ lò tăng dần vượt qua 36oC (điểm B), rồi qua 40oC mạch vẫn tiếp tục cấp nhiệt cho đến khi nhiệt độ của lò đến 44oC (điểm C), lò mới cắt điện trở gia nhiệt Nhiệt độ lò bắt đầu giảm dần từ 44oC (điểm D) Giảm qua 40oC vẫn tiếp tục giảm Cho đến 36oC (điểm E) thì lại tiếp tục cấp nhiệt cho lò (điểm B) nhiệt độ lò tăng dần lên
Sơ đồ nguyên lý mạch báo nhiệt
Rõ ràng để giữ nhiệt độ lò nằm trong khoảng 40oC, người ta cấp nhiệt cho lò theo chu trình B, C, D, E rồi trở lại B: hình dạng như một cửa sổ nên có tên là mạch so sánh cửa sổ (window comparator) Nguyên lý so sánh này được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, dân dụng, quân sự, y tế Tóm tắt nguyên lý làm việc như sau:
Điện trở nhiệt PTR phối hợp với R1 và R2 tạo ra Vs là một hàm biến thiên theo nhiệt độ môi trường đặt PTR Cụ thể có thể tính Vs:
Rõ ràng Vs = f(To) là một hàm của nhiệt độ Do đó, đo Vs chính là đo nhiệt
độ Cụ thể các giá trị điện trở trong mạch được cân chỉnh để 2 OP-AMPS làm việc như sau :
Trang 4* Khi thiếu nhiệt:
Lúc này VS < VA < VB, đầu vào v+ của op-amps II nhỏ hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps II xuống thấp, LED 2 sáng Trong khi đó đầu vào v+ của op-amps
I lớn hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps I lên cao, LED 1 tắt
* Khi đủ nhiệt:
Lúc này VA < VS < VB, đầu vào v+ của op-amps II lớn hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps II lên cao, LED 2 tắt Trong khi đó đầu vào v+ của op-amps I lớn hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps I lên cao, LED 1 tắt
* Khi quá nhiệt:
Lúc này VA < VB < VS, đầu vào v+ của op-amps II lớn hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps II lên cao, LED 2 tắt Trong khi đó đầu vào v+ của op-amps I nhỏ hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps I xuống thấp, LED 1 sáng
Rõ ràng chỉ cần nhìn vào độ sáng tối của 2 LED, ta có thể nhận biết được nhiệt độ của môi trường cần cảnh báo nhiệt độ Để mạch cảnh báo hiệu quả hơn có thể thêm vào một mạch dao động, mạch này giúp khi có sự cố các LED sẽ không sáng liên tục mà nhấp nháy
2 Mạch chỉnh lưu chính xác
Trong thực tế, đôi lúc người ta cần mạch chỉnh lưu có điện áp ngõ ra như hình vẽ trong điều kiện lý tưởng, nhưng trên thực tế dù diode được phân cực thuận và dẫn dòng thì vẫn có một sụt áp đáng kể trên diode (chỉnh lưu cầu sụt áp này là 2VD) Điều này dẫn đến sự méo dạng điện áp ngõ ra như hình vẽ
Để khắc phục nhược điểm này, người ta sử dụng mạch chỉnh lưu chính xác sử dụng Op-Amps như hình vẽ
Trang 5Do dòng điện hai ngõ vào của Op-Amps bằng không nên trong chu kỳ phân cực thuận của diode (chu kỳ chỉnh lưu) Vin=Vout, vì vậy sóng dạng điện áp ngõ ra bộ chỉnh lưu như sóng dạng bộ chỉnh lưu lý tưởng
3 Mạch lọc
Mạch lọc thụ động có ưu điểm là rất đơn giản, tuy nhiên hệ số truyền đạt nhỏ do bị tổn hao trên RC, phụ thuộc nhiều vào tải, khó phối hợp tổng trở với các mạch ghép Muốn hạn chế độ suy giảm thì phải lắp nhiều mắt lọc liên tiếp, lúc này tần số cắt của bộ lọc sẽ khác với các tần số cắt của các mắt lọc Cách khắc phục nhược điểm trên đó là sử dụng các mạch lọc tích cực Cụ thể là đưa mắt lọc RC vào
đường hồi tiếp của Op-Amps để tăng hệ số truyền đạt, tăng hệ số phẩm chất, đồng thời làm giảm ảnh hưởng của tải bằng cách dùng tầng đệm để phối hợp trở kháng Cũng như mạch lọc thụ động, có thể phân mạch lọc tích cực theo tần số làm việc như: mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc dãy Ở đây giới thiệu một mạch lọc tích cực lọc thông thấp: mạch lọc mà tần số thấp được truyền qua nguyên vẹn, cò tần số cao bị suy giảm và chậm pha với tín hiệu vào
Có thể dùng công thức để tính toán và thành lập biểu đồ Bode về biên - tần của mạch lọc trên như hình
Các nhận xét về mạch lọc thống thấp:
- Tại tần số cắt fc có độ lệch pha là -45o; biên độ điện áp ra giảm gần 3 dB
- Tại tần số thấp f << fc: biên độ |A| = 1 ≈ 0dB