Slide.Tổng Quan Về Ứng Dụng Tuyến Tính

Để giảm điện áp lệch ngõ ra xuống 0, tức là cải thiện độ chính xác của bộ khuếch đại DC, mạch vô hiệu offset nên được sử dụng.. • Mạch khuếch đại xoay chiều có thể hoạt động được khi sử

Giảng viên: Nguyễn Thị Hồng Hà

 7.1 Giới thiệu.

 7.2 Khuếch đại DC và AC.

 7.3 Khuếch đại xoay chiều dùng một nguồn đơn.

 7.4 Mạch khuếch đại cộng hưởng.

 7.5 Tổng hợp,mở rộng quy mô và khuếch đại trung bình điện thế ngõ vào.

 7.6 bộ khuếch đại dụng cụ.

 7.7 Bộ khuếch đại ngõ vào vi sai và ngõ ra vi sai.

 7.8 Chuyển đổi điện áp sang dòng với tải động.

 7.9 Chuyển đổi điện thế sang dòng với tải nối đất.

 7.10 Bộ chuyển đổi dòng sang thế.

7.1 GIỚI THIỆU

 Có nhiều op-amp cụ thể khác nhau, với

từng ứng dụng cụ thể op-amp được thiết

kế để tối ưu hóa 1 tham số như tốc độ quét, độ rộng băng thông, độ lợi cao hay công suất tiêu thụ thấp

A Chúng ta sẽ bắt đầu với ứng dụng tuyến tính tổng quát trong

chương này

 Phần thứ nhất của chương trình bày những loại op-amp quan trọng nhất và phần cuối của chương thảo luận về những biến đổi đơn giản trong cấu hình mạch op-amp cơ bản

Nhắc lại, trong mạch tuyến tính (tương tự) thì tín hiệu ra có bản chất giống với tín hiệu vào và biến thiên phù hợp với tín hiệu vào trong giới hạn được tạo bởi mức bão hòa và tốc độ quét

Trong toàn bộ những ứng dụng này, ta sẽ sử dụng một op-amp

thông dụng là 741

Ghi nhớ rằng, không có 1 op-amp nào có tất cả các thông số

DC và AC đã được tối ưu hóa, và 741 cũng không ngoại lệ

Tuy nhiên, dùng quan niệm đã đổi mới trong chương này,

người đọc sẽ lựa chọn nhiều op-amp cụ thể hơn, điều đó sẽ cải thiện hiệu suất và tính chính xác của mạch

những đặc tính của bộ khuếch đại vòng lặp kín phụ thuộc vào những đặc tính của mạch hồi tiếp nhiều hơn là phụ thuộc vào chính đặc tính của nó

Với một mạch hồi tiếp tiêu biểu bao gồm các điện trở và tụ điện, độ chính xác và ổn định của những mạch sử dụng chúng

có thể được cải thiện đáng kể bởi vì những linh kiện trên đều khả dụng trong điều kiện độ chính xác cao và độ lệch thấp

Khuếch đại DC và AC

Trong khuếch đại DC, tín hiệu ra thay đổi theo sự thay đổi của mức vào DC Một bộ khuếch đại dc có thể là đảo dấu, không đảo dấu, hoặc vi sai, thể hiện trong hình 7-1

7-2.1 Khuếch đại DC

Để giảm điện áp lệch ngõ ra xuống 0, tức là cải thiện độ chính xác của bộ khuếch đại DC,

mạch vô hiệu offset nên được sử dụng với

những op-amp không có khả năng vô hiệu

offset, mạch bù trừ bên ngoài nên được sử

dụng, hình 7-2

 Nói cách khác, ta nên sử dụng một op-amp với độ chính xác cao như 741 với độ sai số và offset nhỏ

Mạch ở hình 7-1 và 7-2 cũng đáp ứng cho tín hiệu AC

Nếu người thiết kế cần 1 op-amp có đặc tính đáp ứng cho AC, tức là giới hạn tần số trên và dưới, thì việc sử dụng bộ khuếch đại AC với tụ ghép nối tiếp là cần thiết

7-2.2 Khuếch đại AC

Ví dụ, trong hệ thống nhận âm thanh gồm 1 số tầng, bởi vì độ biến thiên nhiệt độ, độ sai số cho phép của các linh kiện, nên mức DC được tạo ra

Để ngăn chặn việc tạo ra mức DC này, tụ ghép nối tiếp phải

được sử dụng giữa 2 tầng

 Hình 7-3 thể hiện bộ khuếch đại đảo dấu và không đảo dấu với

bộ nối tụ

7-2.2 Khuếch đại AC

Bộ tụ ghép nối tiếp không chỉ khóa điện thế DC mà còn tạo giới hạn ngắt tần số thấp, được cho bởi biểu thức:

𝒇 𝑳 = 𝟐𝝅𝑪 𝟏

𝒊(𝑹𝒊𝑭+𝑹𝒐) (7-1)

Trong đó :

 𝑓𝐿 = tần số ngắt thấp của băng thông

 𝐶𝑖 = tụ được nối giữa 2 tầng hoặc tụ khóa điện thế DC

 𝑅𝑖𝐹 = điện trở vào AC của tầng thứ 2

 𝑅𝑜 = điện trở ra AC của tầng thứ nhất

Ghi nhớ rằng tần số ngắt cao của băng thông dựa vào độ lời của bộ khuếch đại vòng lặp kín

 Do đó, băng thông của bộ khuếch đại:

BW = (𝒇𝑯 − 𝒇𝑳) (7-2)

Trong hình 7-3, điện thế vào 𝑣𝑖𝑛 có thể là đầu ra của 1

bộ khuếch đại có trước với một mức DC Do đó bộ ghép

tụ ngăn chặn mức DC

Hình 7-3a thể hiện một bộ khuếch đại đảo dấu,

độ lợi vòng lặp kín vẫn là : 𝑨𝑭 ≅ −𝑹𝑭

𝑹𝟏 (7-3)

Với trở kháng của Ci không đáng kể Tương tự độ lợi của bộ khuếch đại không đảo vòng lặp kín trong hình 7-3b là:

• Mạch khuếch đại xoay chiều có thể hoạt động được khi sử dụng

một nguồn đơn nếu ta ghép thêm một tụ điện ở ngõ ra của mạch

• Tụ này thì có tác dụng là ngăn cản tín hiệu một chiều xâm nhập

vào mạch,nhờ đó mà điện thế offset ngõ ra cũng như là tín hiệu một chiều ở ngõ ra thì hầu như không ảnh hưởng đến mạch

khuếch đại

7-3 Khuếch đại xoay chiều dùng một

nguồn đơn:

 Hình (7-4 a) cho ta thấy mức DC dương cố tình được đưa vào bằng việc sử dụng lưới phân thế ở cuối ngõ vào không đảo vì vậy sóng ngõ ra có thể dao động cả

âm lẫn dương

 Giá trị điện thế 1 chiều đưa vào thường thì bằng

(Vcc/2) vì thế dao động ngõ ra âm bằng dương và khi R2=R3 thì dao động càng chính xác hơn

 Trong mach khuếch đại không đảo dấu,

điện thế ở ngõ vào không đảo dấu xấp xỉ (+𝑉 𝑐𝑐 /2) V dc

 Khi điện kháng của tụ ngõ vào 𝐶𝑖 lúc 0 𝐻𝑧 là vô

cùng, thì 𝑅1 coi như là một linh kiện bên ngoài

=> mạch khuếch đại này sẽ chống lại nguồn cung cấp với điện thế là 𝑉𝑐𝑐 ở ngõ ra 2

 Khi cho nguồn vào ở ac , trở kháng của tụ nối ở ngõ

vào không đáng kể , thì điện thế ra là :

𝑣 𝑜 = (-𝑅 𝑓 /𝑅 1 )𝑣 𝑖𝑛

 Điện thế ngõ ra xoay chiều này có giá trị lớn nhất

đỉnh nối đỉnh thì gần bằng Vcc(<=Vcc)

 Mạch không đảo khuếch đại tín hiệu xoay chiều sử

dụng chỉ duy nhất một lối vào được trình bày ở hình

7-4c

 Chú ý rằng mạch khuếch đại không đảo này cần

nhiều tụ Ci hơn để cung cấp cho ngõ ra có điện thế bằng Vcc/2

 Lúc tần số nằm trong khoảng băng thông của mạch

thì ảnh hưởng của Ci không đáng kể kết quả là điện thế ngõ ra có giá trị

𝑣𝑜 = (1+𝑅𝑓/𝑅1)𝑣𝑖𝑛

 Tổng các điện thế ra 𝑣 ′ thì xem ở hình 7-4d

 Đáp ứng cao tần là tần số đáp ứng đỉnh lúc tần số nào

đó có thể đạt được bằng việc sử dụng mạng lưới song song LC với op-amp

 Hình 7-5a chỉ cho ta thấy khuếch đại cao tần bằng việc

sử dụng mạng lưới song song LC trên đường hồi tiếp

về ngõ vào

7-4 Mạch khuếch đại cộng hưởng:

 Tần số cộng hưởng xảy ra ở đỉnh thì xác định bởi sự

 Tại tần số cộng hưởng thì trở kháng của mạng lưới LC

rất lớn, vì thế độ lợi của mạch cộng hưởng :

 𝐴𝐹 = - 𝑅𝑓 𝑅𝑝

𝑅1

 Trở kháng của mạch song song LC luôn nhỏ hơn Rp

không phụ thuộc vào việc tần số cao tần lớn hay nhỏ

=> Độ lợi của mạch thì luôn nhỏ hơn

 Nội dung :

phần này trình bày ra cấu hình các mạch đảo, không

đảo, vi sai só ứng dụng trong việc tổng hợp,mở rộng

quy mô và khuếch đại trung bình điện thế ngõ vào

7-5) Tổng hợp,mở rộng quy mô và khuếch

đại trung bình điện thế ngõ vào

 Hình 7-6 là mạch khuếch đại đảo với 3 ngõ vào

Vo1,Vo2,Vo3

 Dựa vào sự liên hệ giữa điện trở hồi tiếp Rf và điện

trở ngõ vào Ra,Rb,Rc mạch có thể dùng để tổng hợp,mở rộng quy mô và khuếch đại trung bình điện thế ngõ vào

7-5.1 cấu hình mạch đảo

 Điện thế ngõ ra được tính dựa vào định luật Kirchoff

về dòng điện khi đó:

𝐼𝑎 + 𝐼𝑏 + 𝐼𝑐 = 𝐼𝐵 + 𝐼𝐹

với ib=0;V1=V2=0 (nối mass) nên

Vo=-(Va𝑅𝑎𝑅𝑓 + Vb𝑅𝑓𝑅𝑏 +Vc 𝑅𝑓𝑅𝑐 )

 Và đặc biệt khi Rf=Ra=Rb=Rc=R thì

độ lợi bằng 1 có nghĩa là: Vo=-(Va+Vb+Vc)

7-5.1a) Mạch khuếch đại tổng

hợp(cộng)

 Khi các giá trị điện thế ngõ vào là khác nhau thì điện thế

ngõ ra cũng bị thay đổi theo với các giá trị điện trở

Ra,Rb,Rc khác nhau thì mạch hình 7-6 được gọi là mạch

khuếch đại có thể điều chỉnh hoặc mở rộng quy mô và điện

thế ngõ ra :

Vo=-(Va𝑅𝑓𝑅𝑎 + Vb 𝑅𝑓𝑅𝑏 + Vc𝑅𝑓𝑅𝑐 )

 với Rf≠Ra≠Rb≠Rc

7-5.1b) Khuếch đại có điều chỉnh hoặc

mở rộng quy mô

 với n là số lượng ngõ vào

7-5.1c)Mạch khuếch đại trung bình

 Ví dụ như có 3 ngõ vào thì Vo=-( 𝑉𝑎+𝑉𝑏+𝑉𝑐3 )

 Chú ý rằng Va,Vb,Vc có thể là DC hoặc AC đều

được.Mạch này thường được sử dụng trong máy tính tương tự ,bộ trộn âm với ngõ ra tính được bằng việc cộng dồn các ngõ vào

 Trong hình 7-6 Điện trở ROM được sử dụng nhằm để

giảm thiểu dòng phân cực ảnh hưởng đến ngõ ra.Tuy nhiên muốn loại bỏ hoàn toàn thì cần phải sử dụng mạch bù trừ (chương 5) với ngõ vào là DC là có lợi nhất(loại bỏ hoàn toàn)

 với công thức Vo=-(Va 𝑅𝑓𝑅𝑎 + Vb 𝑅𝑓𝑅𝑏 + Vc𝑅𝑓𝑅𝑐 )

 ta chỉ cần xét các giá trị điện trở Ra,Rb,Rc,Rf sẽ biết mạch

đó làm chức năng gì với các trường hợp:

 Quan sát hình 7-7 ta thấy rằng ngõ vào sẽ kết nối đến

ngõ âm của op-amp và cũng như mạch đảo mạch

không đảo cũng có tác dụng cộng,mở rộng quy

mô,khuếch đại trung bình

 Quan sát mạch và theo Kirchoff có:

 V1=𝑉𝑎+𝑉𝑏+𝑉𝐶3 suy ra

7-5.2) Cấu hình không đảo

 Qua công thức trên ta thấy điện thế ngõ ra bằng

trung bình cộng của các ngõ vào nên mạch này gọi là mạch trung bình có độ lợi là

(1+Rf/R1)

7-5.2a) Khuếch đại trung bình

 Có 2 sự khác biệt cơ bản giữa mạch trung bình đảo và

không đảo là:

mạch không đảo tín hiệu ra không bị đảo pha (không có dấu trừ) và gấp(1+Rf/R1) lần mạch đảo

Không có tín hiệu nào hoặc không tìm thấy

sự thay đổi giữa ngõ vào và ngõ ra

 Với công thức 7-10a nếu ta chọn Rf và R1 sao cho

(1+Rf/R1)=3 khi đó

Vo=Va + Vb +Vc

 có nghĩa là (1+Rf/R1) bằng với số lượng ngõ vào thì

mạch này gọi là mạch khuếch đại có điều chỉnh

7-5.2b) Khuếch đại có thể điều chỉnh

 Nhớ rằng khi sử dụng mạch trung bình hay điều chỉnh

thì phải sử dụng mạng lưới bù trừ để thêm chính xác

 Ví dụ 7-5: cho ta biết giá trị ngõ ra khi biết các giá trị

ngõ vào và đây là mạch trung bình không đảo

 Sử dụng mạch khuếch đại vi sai bình thường có thể

tạo ra được mạch cộng và trừ

7-5.3)Cấu hình mạch vi sai

 Mạch vi sai có thể dùng làm mạch trừ khi mắc mạch

như hình 7-8

 quan sát hình ta có thể có giá trị điện thế ngõ vào mà

ta mong muốn bằng việc điều chỉnh giá trị R bên

ngoài (khuếch đại điều chỉnh được)

7-5.3a)Mạch trừ

 Với hình 7-8 tất cả R thì bằng nhau nên độ lợi là 1 suy

ra

Vo=Vb-Va

 Vì điện thế ngõ ra bằng hiệu 2 ngõ vào nên gọi là

mạch trừ

 Bốn ngõ vào được sử dụng trong mạch khuếch đại vi

sai để tạo ra mạch cộng hình 7-9

 Mỗi điện thế vào qua 1 điện trở R như nhau ngõ ra của

mạch tính được nhờ vào định lý thevenin và chồng

chất điện thế(lần lượt cho từng ngõ vào =0) khi đó:

Vo=-Va-Vb+Vc+Vd

7-5.3b)Mạch cộng

Chú ý

 điện thế ngõ ra sẽ bằng tổng có dấu âm trước ngõ

vào đảo và có dấu dương với ngõ vào không đảo

 Trong nhiều ứng dụng công nghiệp và gia dụng, các giá trị

và ảnh hưởng của điều kiện vật lí thì vô cùng quan trọng

 Bộ chuyển đổi là 1 thiết bị để chuyển đổi từ dạng năng

lượng này sang dạng năng lượng khác

 Bộ chuyển đổi được sử dụng trong đo lường nhằm đạt

7.6 bộ khuếch đại dụng cụ

 Hệ thống dụng cụ dùng để đo giá trị tín hiệu ra được tạo bởi bộ chuyển đổi cũng như là điều khiển các giá trị vật lý tạo ra nó

 Tầng ngõ vào bao gồm bộ tiền khuếch đại và một số phần của bộ chuyển đổi, phụ thuộc vào các đại lượng vật lý đo được

 Tầng ngõ ra bao gồm các thiết bị như đồng hồ đo, op xilo, biểu đồ, bộ mã hóa từ

 Trong các hệ thống dụng cụ tự động, tầng ngõ ra còn

bao gồm bộ điều khiển quá trình tự động dùng để

giảm sự thay đổi trong các điều kiện đã được thiết đặt

 Nguồn tín hiệu của bộ khuếch đại dụng cụ là tín hiệu

ngõ ra của bộ chuyển đổi

 Một số tín hiệu ngõ ra của bộ chuyển đổi có thể đủ

mạnh để sử dụng trực tiếp, số còn lại thì không

Chức năng chính của bộ khuếch đại công cụ hướng đến độ chính xác, khuếch đại tín hiệu mức độ thấp hướng đến

 nhiễu thấp

 lệch nhiệt độ và thời gian thấp,trở kháng ngõ vào cao

 và độ lợi vòng lặp đóng chính xác

 Nguồn cấp bé, CMRR cao, tốc độ quét nhanh

 Một số ic đáp ứng gần như hoàn hảo các điểu kiện trên

7-6.1 bộ khuếch đại dụng cụ sử dụng

cầu chuyển đổi

 Cầu trong hình mạch hình 7-12 được kích thích một chiều và cũng có thể được kích thích xoay chiều

 Cho cầu cân bằng tại điều kiện chuẩn:

 Thông thường, 𝑅𝐴, 𝑅𝐵, 𝑅𝐶 được chọn sao cho có giá trị bằng 𝑅𝑇 tại điều kiện chuẩn

 Điều kiện chuẩn này là giá trị cụ thể của đại lượng vật

lý đo đạt tại cầu cân bằng

 Tuy nhiên, khi đại lượng vật lý bị thay đổi, thì điện trở

của bộ chuyển đổi cũng thay đổi theo, dẫn đến cầu không cân bằng

𝑉𝑎 ≠ 𝑉𝑏

 Điện thế ngõ ra của cầu có thể được biểu diễn như

một hàm của sự thay đổi điện trở và được mô tả bên dưới

 Điện trở của bộ chuyển đổi thay đổi một giá trị ∆𝑅 Khi

 Do đó, điện thế đi qua ngõ ra của cầu là:

𝑉𝑎𝑏 = 𝑉𝑎 − 𝑉𝑏

 Nếu 𝑅𝐴 = 𝑅𝐵 = 𝑅𝐶 = 𝑅𝑇 = 𝑅 thì:

𝑉𝑎𝑏 = − ∆𝑅(𝑉𝑑𝑐)

2(2𝑅 + ∆𝑅)

 Sau đó điện thế ngõ ra 𝑉𝑎𝑏 của cầu được đưa vào bộ

khuếch đại vi sai công cụ bao gồm 3 op-amp

 Điện thế kéo theo trước bộ khuếch đại vi sai đơn giản giúp loại bỏ tải của mạch cầu Độ lợi của thiết bị đo khuếch đại vi sai là 𝑅𝐹 𝑅1; vì thế điện thế ngõ ra của mạch là:

𝑉𝑜 = 𝑉𝑎𝑏 𝑅𝐹

𝑅1 =

−∆𝑅𝑉𝑑𝑐𝑅𝐹2(2𝑅 + ∆𝑅)𝑅1

 Điều này có nghĩa là 𝑉𝑜 là một hàm theo ∆𝑅

 Khi sự thay đổi giá trị điện trở là do sự thay đổi các năng lượng vật lý, dụng cụ đo được nối ở ngõ ra có thể được hiệu chỉnh trong giới hạn của đơn vị năng lượng vật lý

 Điện trở của bộ chuyển đổi thay đổi theo 1 hàm các đại lượng vật lý

 Điện trở nhiệt có bản chất là bán dẫn, nó vận hành như điện trở, luôn có hệ số nhiệt điện trở âm

 Tức là khi nhiệt độ của điện trở nhiệt giảm thì điện trở của

nó tăng Hệ số nhiệt độ của điện trở được biểu diễn 𝛺 ͦ𝐶

 Điện trở nhiệt với hệ số nhiệt điện cao thì nhạy cảm hơn với sự thay đổi nhiệt độ và vì thế nó phù hợp cho việc đo

và điều khiển nhiệt độ

Điện trở nhiệt

 Tế bào quang điện thuộc hệ thống bộ tách sóng quang mà điện trở biến đổi với năng lượng bức xạ tới hoặc với ánh sáng

 Khi mật độ ánh sáng tới giảm, điện trở của tế bào tăng

 Thông thường, điện trở của tế bào trong bóng tối và tại

Tế bào quang điện

 Máy đo biến dạng, sự thay đổi điện trở của nó là do

lực kéo căng hoặc nén khi một áp lực bên ngoài tác động vào

 Áp lực này được định nghĩa là lực trên một đơn vị

diện tích 𝑁 𝑚2 và có thể có liên quan tới áp suất, momen và sự dịch chuyển

Máy biến dạng

 Vì thế, máy đo biến dạng có thể được sử dụng để kiểm soát sự thay đổi trong ứng dụng áp suất, momen, và sự dịch chuyển bằng cách đo sự thay đổi tương ứng trong máy đo điện trở

 Hai loại máy đo biến dạng cơ bản là dây dẫn và bán dẫn

 Loại bán dẫn nhạy hơn loại dây dẫn vì thế nó cho độ chính xác nhất

 Độ nhạy của máy đo biến dạng được định nghĩa là sự thay đổi điện trở đơn vị trên sự thay đổi chiều dài

Máy biến dạng(tt)

 Mạch trong hình 7-12 có thể sử dụng để chỉ thị nhiệt

độ nếu bộ chuyển đổi của mạch cầu là biến trở nhiệt

và máy đo ở ngõ ra được điều chỉnh bằng độ C hoặc

độ F

 Mạch cầu này có thể được cân bằng như mong muốn

ở điều kiên 25 dộ C

7-6-1 a: Bộ chỉ thị nhiệt độ

 Khi nhiệt độ thay đổi từ giá trị cho trước thì điện trở

của biến trở nhiệt thay đổi và mach cầu trở nên mất cân bằng

 Máy đo ở ngõ ra đc điều chỉnh để đọc khoảng nhiệt

độ thích hợp trong mach khuếch đại vi sai

 ∆𝑅 =

𝑕ệ 𝑠ố 𝑛𝑕𝑖ệ𝑡 × (𝑛𝑕𝑖ệ𝑡 độ 𝑐ầ𝑛 𝑡í𝑛𝑕 − 𝑛𝑕𝑖ệ𝑡 độ 𝑝𝑕ò𝑛𝑔)

 ∆𝑅: thay đổi biến trở nhiệt

 mạch điều khiển nhiệt độ có thể được tạo bằng việc sử

dụng biến trở nhiệt trong mạch cầu và thay thế cái đồng hồ

đo bằng 1 cái relay như mạch trong hình 7-12.

 Ngõ ra của bộ khuếch đại dụng cụ làm chạy relay để điểu khiển dòng điện trong mạch phát sinh nhiệt mạch được thiết kế đúng cách sẽ kích thích relay khi nhiệt độ ở điện trở nhiệt hụt dưới giá trị mong muốn, làm cho nhiệt lượng tăng lên

7-6-1 b: điều khiển nhiệt độ

 Mạch điện ở hình 7-12 có thể được sử dung để đo cường

độ ánh sáng nếu cái bộ cảm biến là tế bào quang điện

 Mạch cầu này có thể được cân bằng trong điều kiện bóng tối

 Vì vậy khi tiếp xúc với ánh sáng mặt cầu bị mất cân bằng và làm thang do dịch chuyển

7-6-1 b: Máy đo cường độ ánh sáng