DIEN TU TUONG TU NGHỀ ĐTCN

Các mạch khuếch đại này có thể làtransistor lưỡng cực BJT hoặc transistor trường FET Bộ KĐTT có hai đầu vào tín hiệu, một đầu ra, hai đầu vào cấp nguồn và cácchân bù điện áp lệch, bù tần

Trang 1

BÀI 1: KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Mục tiêu:

Sau khi học xong sinh viên (học sinh) phải:

- Trình bày được nguyên lý cấu tạo, các đặc tính cơ bản của khuếch đạithuật toán

- Nhận dạng được các loại IC khuếch đại thuật toán thông dụng trong thựctế

- Thông qua bài học làm cơ sở cho việc phân tích nguyên lý làm việc của cácmạch ứng dụng

1.1 Khái niệm cơ bản về bộ khuếch đại thuật toán

Khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier – viết tắt là Op Amp) là một thuật

ngữ được đưa ra để chỉ một bộ khuếch đại đặc biệt có thể có nhiều cấu hình hoạt độngkhác nhau bằng cách ghép nối hợp lý các thành phần bên ngoài

Khuếch đại thuật toán (KĐTT) ứng dụng trong các máy tính tương tự với các

phép tính số học đơn giản như cộng, trừ, nhân, chia, vi phân và tích phân Khả năngnày là kết quả của sự kết hợp giữa hệ số khuếch đại lớn và hồi tiếp âm

1.2 Cấu trúc chung của họ IC khuếch đại thuật toán thông dụng:

1.2.1 Giới thiệu:

Hình 1.1: Cấu trúc chung của IC khuếch đại thuật toán

Khối 1: Tầng khuếch đại vi sai có nhiệm vụ khuếch đại độ sai lệch tín hiệu giữa haiđầu vào V+ và V- Khuếch đại được tín hiệu biến thiên chậm , tổng trở đầu vào lớn,

Trang 2

Khối 2: Tầng khuếch đại đệm gồm nhiều tầng khuếch đại vi sai mắc nối tiếp nhau tạonên tầng khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn nhằm tăng độ nhạy cho KĐTT

Khối 3: Tầng khuếch đại công suất giúp tăng dòng cung cấp ra tải

1.2.2 Cấu trúc mạch điện:

Hình 1 2: Ký hiệu, nguồn đối xứng và sơ đồ tương đương của một bộ KĐTT

Cấu trúc mạch điện của bộ KĐTT bao gồm: bộ khuếch đại vi sai ở tầng vào, các

bộ khuếch đại đệm và bộ khuếch đại công suất Các mạch khuếch đại này có thể làtransistor lưỡng cực (BJT) hoặc transistor trường (FET)

Bộ KĐTT có hai đầu vào tín hiệu, một đầu ra, hai đầu vào cấp nguồn và cácchân bù điện áp lệch, bù tần số …

Đầu vào đảo (ký hiệu bởi dấu “-“ hoặc chữ N) và đầu vào không đảo (ký hiệu

bởi dấu “+” hoặc chữ P)

Hình 1.3: Sơ đồ bên trong của bộ khuếch đại thuật toán 741

1.2.3 Thông số và hình dạng bên ngoài:

Trang 3

b Hệ số khuếch đại có hồi tiếp âm:

1

Sơ đồ hồi tiếp âm và mạch KĐTT có hồi tiếp âm

Đường liền nét trong hình đặc tuyến truyền đạt là đặc tuyến truyền đạt của bộ KĐTT

lý tưởng (mạch được chế tạo hoàn toàn đối xứng), nó đi qua điểm 0, nghĩa là khi VP =

VN = 0, tức UD = 0 thì Ur = 0 Điều này có được là do dòng lối vào IP = IN = 0, tứcdòng tĩnh lệch không I0 = IP - IN = 0 Trong một bộ KĐTT thực, khi các transistor vi saiđầu vào không hoàn toàn giống nhau thì dòng lối vào khác nhau dù điện áp lối vàobằng 0, tức dòng lệch 0 sẽ khác 0 làm cho Ur khác 0 Khi đó ta coi đặc tuyến truỳênđạt bị lệch khỏi điểm 0 như đường chấm chấm trong hình đặc tuyến truyền đạt và đểlàm cho điện áp ra bằng 0 cần đặt giữa hai đầu vào một hiệu điện thế ngược dấu và cógiá trị bằng U0 để bù trừ và gọi đó là điện áp lệch 0 Nói cách khác, điện áp lệch

không là điện áp để cân bằng điện áp rất nhỏ tồn tại ở đầu vào

Trang 4

d Bảng so sánh các thông số của bộ KĐTT thực tế với các thông số của một bộKĐTT lý tưởng.

Giải thích thêm về các thông số (bộ lý tưởng, bộ thực tế)

Trang 5

BÀI 2: ỨNG DỤNG CỦA KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Mục tiêu:

Sau khi học xong sinh viên (học sinh) phải:

- Phân tích được nguyên lý hoạt động của các mạch khuếch đại đảo, mạchkhuếch đại không đảo, mạch cộng, mạch trừ, mạch nhân, mạch nhân, mạch chia,mạch khuếch đại vi sai, mạch vi phân, mạch tích phân, mạch logarit dùng khuếchđại thuật toán

- Tính toán được các thông số hoạt động của các mạch khuếch đại thông dụngtrên

- Thiết kế được các mạch ứng dụng cho một số mạch thông dụng trên

- Kiểm tra, thay thế được các linh kiện hư hỏng trên mạch ứng dụng trên

- Chủ động, tích cực trong học tập và rèn luyện

2.1 Bộ khuếch đại đảo

2.1.1 Sơ đồ mạch

Hình 2.1.1: Sơ đồ mạch khuếch đại đảo

Tác dụng của các linh kiện :

2/ Nguyên lý hoạt động

Trang 6

Hình 2.1.2: Sơ đồ biểu diễn dòng điện trong mạch

Giả sử Op-amp lý tưởng ta có:

K0 ≈ ∞, ZV ≈ ∞, ZR ≈ 0

Ur = K0 Ud (với Ud = UP - UN)

Do vậy ta có: UP –UN = 0, hay UP = UN

Nhìn vào sơ đồ ta thấy UP = 0 nên UP = UN = 0 (1)

Xét tại nút N, với chiều dòng điện được quy định như hình vẽ và theo định luậtKirchhoff I ta có như sau :

I1 + Iht - IN = 0

I1 + Iht = IN = = 0

I1 + Iht = 0 (2)Theo định luật ôm ta có

Thay các giá trị I tương ứng vào (2) ta được:

Do UN = 0 nên ta có :

Đặt hệ số khuếch đại của mạch là :

Trang 7

Ta được:

- Nhận xét

Dấu “ - ” chỉ hệ số khuếch đại không phải là âm mà nghĩa là tín hiệu vào và tín

hiệu ra là ngược pha nhau

* Bài tập thực hành

Cho sơ đồ mạch như hình vẽ

Biết: +Vcc = 12VDC, -Vcc = -12VDC, IC µ741

Hình 2.1.3 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo dùng IC µ741

a Lắp ráp mạch theo sơ đồ nguyên lý, dùng VOM đo và ghi lại các giá trị của điện áp

Ur với các điện trở hồi tiếp Rht và điện áp UV khác nhau theo bảng sau:

UV Ur với Rht =1 KΩ Ur với Rht =2.2 KΩ Ur với Rht =10 KΩ

b Vẽ đồ thị mối liên hệ giữa điện áp ra Ur với điện trở hồi tiếp Rht và điện áp vào UV.

2.2 Mạch khuếch đại không đảo:

1/ Sơ đồ mạch

Trang 8

Hình 2.2.1: Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo

Tác dụng của linh kiện:

- Điện trở R1, R2 tạo mạch hồi tiếp điện áp

K0 ≈ ∞, ZV ≈ ∞, ZR ≈ 0

- I1 + I2 - IN = 0

I1 + Iht = IN = = 0-I1 + I2 = 0 (2)Theo định luật ôm ta có

Trang 9

Do UN = UV nên ta có :

Đặt hệ số khuếch đại:

Ta được:

- Nhận xét: Hệ số khuếch đại của mạch luôn lớn băng hoặc bằng 1, hệ số

này chỉ bằng 1 khi R2=0 hoặc R1 = 

Trang 10

Mạch cộng đơn giản gồm có 2 điện áp đầu vào:

Hình 2.3.1: Sơ đồ mạch cộng 2 tín hiệu đầu vào đảo

Tác dụng của các linh kiện:

K0 ≈ ∞, ZV ≈ ∞, ZR ≈ 0

Trang 11

I1 + I2 + Iht - IN = 0

I1 + I2 + Iht = IN = = 0

I1 + I2 + Iht = 0 (2)Theo định luật ôm ta có

Do UN = 0 nên ta có :

(3)Nếu R1 = R2 = R thì:

(4)Đặt hệ số khuếch đại của mạch là :

Ta được:

Nhận xét :

- Dấu “ - ” thể hiện tín hiệu vào và tín hiệu ra là ngược pha nhau.

- Từ phương trình (3) ta có thể rút ra được công thức chung cho mạch với n đầu

vào như sau

* Bài tập thực hành:

Trang 12

Hình 2.3.3 Sơ đồ mạch cộng 2 tín hiệu đầu vào đảo dùng IC µ741

Ur với các điện trở hồi tiếp Rht và điện áp UV1 , UV2 khác nhau theo bảng sau:

b Vẽ đồ thị mối liên hệ giữa điện áp ra Ur LT với điện áp ra Ur TT.

2.3.2 Mạch cộng đầu vào không đảo:

1/ Sơ đồ mạch

Mạch cộng đơn giản gồm có 2 điện áp đầu vào:

Hình 2.3.4: Sơ đồ mạch khuếch cộng 2 tín hiệu đầu vào không đảo

Trang 13

- Điện trở Ra , Rb là trở hồi tiếp điện áp

Xét trường hợp khi cho UV2 = 0:

Hình 2.3.4: Sơ đồ biểu diễn hoạt động của mạch

Áp dụng công thức của mạch khuếch đại không đảo ta có:

Trang 14

Nhận xét :

- Tín hiệu vào và tín hiệu ra là đồng pha nhau.

- Từ phương trình (4) ta có thể rút ra được công thức chung cho mạch với n đầu

vào như sau

Hình 2.3.5 Sơ đồ mạch cộng 2 tín hiệu đầu vào không đảo dùng IC µ741

Ur với điện trở hồi tiếp Ra , Rb và điện áp UV1 ,UV2 khác nhau theo bảng sau:

Trang 15

Hình 2.4.1 Sơ đồ mạch trừ 2 tín hiệu

- Điện trở R1 cùng với OP1 dùng để đảo dấu đầu vào UV2

- Điện trở R2, R3 cùng với OP2 dùng để thực hiện phép toán cộng đầu vào đảo

Mạch tổ hợp bao gồm:

- Mạch khuếch đại đảo

Coi Op-amp là lý tưởng

Dựa vào công thức của mạch khuếch đại đảo ta có:

- Mạch cộng đầu vào đảo:

Trang 16

Dựa vào công thức của mạch cộng đầu vào đảo ta có:

-Cho R1=R2=R3 và thay UV2 vào ta có:

Nhận xét:

- Mạch có tín hiệu ra bằng hiệu hai tín hiệu vào

- Đây là mạch sử dụng phương pháp tổ hợp sử dụng phép đổi dấu 1 tín hiệu đầu vào để thực hiện phép cộng, ngoài ra còn có mạch khuếch đại vi sai cũng thực hiện phép trừ như trên sẽ nghiên cứu ở bài học sau

*Bài tập thực hành

Hình 2.4.2 Sơ đồ mạch trừ 2 tín hiệu sử dụng IC µ741

Ur với điện trở hồi tiếp R1 , R2 , R3 và điện áp UV1 ,UV2 khác nhau theo bảng sau:

Trang 17

Hình 2.5.1 Sơ đồ mạch nhân 2 tín hiệu

- MOSFET là linh kiện có thể được sử dụng để điều khiển điện trở bằng điện áp

nên ta dùng đặc điểm này để chế tạo một mạch nhân Analog

- Điện trở R1 hạn dòng đầu vào, R2 hồi tiếp điện áp ra

2/ Nguyên lý hoạt động:

MOSFET la một linh kiện đối xứng , vì vậy ta có thể đổi chỗ cực máng và cực nguồn

với nhau mà không làm ảnh hưởng đến hoạt động của linh kiện Tuy nhiên ta coi cực

nguồn là cực có điện áp thấp nhất và cực máng là cực có điện áp cao nhất Khi điện áp

giữa cực cửa và cực nguồn nhỏ hơn điện áp giữa cực máng và cực nguồn UGS< UDS

quan hệ giữa dòng điện và điện áp như sau:

Trang 18

Khi cực nguồn và cực máng của cả hai MOS được chỉ ra nếu Uv2 và Uref là dương Khi đó cực nguồn sẽ được giữ lại ở đó bởi vì điểm đó được nối tới đất ảo qua bộ khuếch đại thuật toán Dòng điện qua R1 được xác định: một đầu của điện trở có điện thế là Uv1 , đầu kia được nối đất Dòng điện tương tự sẽ đi qua MOS M1 Vì vậy xác định được điện thế UG, dòng điện qua đó được cho bởi công thứ

Mặt khác ta có:

Thay vào ta có:

Tương tự với MOSFET M2 ta có:

Với thay vào ta có:

Trang 19

Hình 2.5.2 Sơ đồ mạch nhân 2 tín hiệu dùng IC µ741

Ur với điện trở R1 , R2 và điện áp UV1 ,UV2 khác nhau theo bảng sau:

Trang 20

Hình 2.6.1 Sơ đồ khối mạch chia 2 tín hiệu

- Điện trở R hạn dòng đầu vào

- Mạch sử dụng mạch nhân trong khâu hồi tiếp

K0 ≈ ∞, ZV ≈ ∞, ZR ≈ 0

Xét tại nút N, theo định luật Kirchhoff I ta có như sau :

Trang 21

Hình 2.6.2 Sơ đồ mạch chia 2 tín hiệu dùng IC µ741

b Lắp ráp mạch theo sơ đồ nguyên lý, dùng VOM đo và ghi lại các giá trị của điện áp

Ur với điện trở R và điện áp U1 ,U3 khác nhau theo bảng sau:

U1 U3 Ur với R1 = 1KΩ Ur với R1 = 2,2KΩ Ur với R1 = 5,6 KΩ

c Vẽ đồ thị mối liên hệ giữa điện áp ra Ur LT với điện áp ra Ur TT.

2.7 Mạch khuếch đại vi sai:

Mạch khuếch đại vi sai cho điện áp ra bằng hiệu của 2 điện áp vào

1/ Sơ đồ mạch:

Hình 2.7.1 Sơ đồ mạch khuếch đại vi sai

Tác dụng của các linh kiện:

Trang 22

- Điện trở R2 tạo ra hệ số khuếch đại cho mạch

Hình 2.7.2 Sơ đồ biểu diễn dòng điện trong mạch

K0 ≈ ∞, ZV ≈ ∞, ZR ≈ 0

Do vậy ta có: UP –UN = 0, hay UP = UN (1)

Xét tại nút P, chọn chiều dòng điện như hình vẽ, theo định luật kirchhoff về dòng điện

ta có:

I2 + I4 - IP = 0

I2 + I4 = IP = = 0

I2 + I4 = 0Theo định luật ôm về dòng điện ta có:

Trang 23

I1 + I3 = 0Theo định luật ôm về dòng điện ta cũng có:

- Mạch khuếch đại vi sai có kết quả bằng tích của hệ số khuếch đại với hiệu tín

hiệu đầu vào không đảo và tín hiệu đầu vào đảo

- Điện áp đầu ra cùng pha với tín hiệu vào trong trường hợp U2 > U1

R1 = R2 = 1KΩ, R3 = R4 = 2.2 KΩ

Trang 24

Hình 2.7.3 Sơ đồ mạch khuếch đại vi sai sử dụng IC µ741

Ur với điện trở R1 , R2 , R3 , R4 và điện áp U1 ,U2 khác nhau theo bảng sau:

- Điện trở R hổi tiếp điện áp

- Tụ C ở đầu vào ngăn cản dòng 1 chiều đồng thời tạo hàm vi phân qua quá

trình phóng nạp tụ

Trang 25

K0 ≈ ∞, ZV ≈ ∞, ZR ≈ 0

IR + IC - IN = 0

IR + IC = IN = = 0

IR + IC = 0 (2)

Do tụ C nằm ở mạch hồi tiếp nên ta có:

Do UN = UP =0.Thay vào ta được:

Trang 26

Hình 2.8.2 Sơ đồ mạch biến đổi tần số / điện áp

Theo lý thuyết, nếu tần số bằng vô cùng, tụ điện sẽ có dung kháng bằng 0, tức là

hệ số khuếch đại bằng vô cùng với mạch vi phân Tuy nhiên, hệ số khuếch đại caokhiến mạch không ổn định Ngoài ra, vì hệ số khuếch đại gia tăng theo tần số, nênnhiễu giao thoa tại tần số cao sẽ được khuếch đại gây biến dạng tín hiệu ban đầu Dovậy điện trở R1 sẽ được mắc nối tiếp với tụ C như hình trên để giới hạn hệ số khuếchđại của mạch vi phân, với tỷ số R/R1 tại tần số cao khi dung kháng của tụ là rất nhỏ(nói cách khác là mở rộng dải tần hoạt động của mạch)

b Lắp ráp mạch theo sơ đồ nguyên lý, dùng VOM đo và ghi lại các giá trị của điện áp

Ur với điện trở hồi tiếp R, tụ điện C và điện áp UV khác nhau theo bảng sau:

Trang 27

Tác dụng của các linh kiện

- Điện trở R hạn dòng đầu vào

- Tụ điện C trong mạch hồi tiếp

Trang 28

K0 ≈ ∞, ZV ≈ ∞, ZR ≈ 0.

IR + IC - IN = 0

IR + IC = IN = = 0

IR + IC = 0 (2)

Do tụ C nằm ở mạch hồi tiếp nên ta có:

Do UN = UP =0.Thay vào ta được:

Tích phân 2 vế ta được:

Vậy điện áp ra sẽ bằng tích phân của điện áp vào chia cho hằng số thời gian  =RC

Nhận xét:

- Biến  có thể được định nghĩa như là thời gian cần thiết cho điện áp Ur đạt tới

biên độ bằng với điện áp vào, bắt đầu từ điều kiện 0 và với điện áp vào là hằng số

Hình 2.9.3 Sơ đồ mạch thực tế của mạch tích phân

Trang 29

- Xét với bộ KĐTT thực, ta có thể tìm được điện áp lệch không, xuất hiện như là

điện áp dc tại đầu vào và khi được tích phân sẽ xuất hiện tại đầu ra như là một điện áptăng tuyến tính Tương tự, một phần của dòng thiên áp cũng được tích phân, tạo nên sựthay đổi của điện áp ra

- Hai nguyên nhân gây lỗi trên thực tế sẽ đưa bộ KĐTT đến trạng thái bão hoà.

Đây chính là một hạn chế của mạch Vấn đề này sẽ được khắc phục bởi việc nối thêm

1 điện trở giữa đầu vào không đảo và đất, để bù ảnh hưởng của dòng thiên áp; đồngthời thêm điện trở mắc song song với tụ C để trung hoà ảnh hưởng của điện áp lệch

Hình 2.9.4 Sơ đồ mạch tích phân sử dụng IC µ741

Ur với điện trở đầu vào R, tụ điện C và điện áp UV khác nhau theo bảng sau:

Định dạng
Số trang	56
Dung lượng	1,89 MB