Chng 3 MCH KHUCH I THUT TON u

Chương 3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN u Mục tiêu bài học: u Xuyên suốt bài học, học sinh có thể: u - Giải thích một Op - amp là gì. u - Ba đặc tính hoạt động của Op-amp trong thực tế. u - Ba đặc tính hoạt động của Op-amp lý tưởng. u - Đặc tính của Op-amp trong mạch ghép trực tiếp. u - Nhận biết được 6 mạch điện áp dụng của Op-amp. u - Tính toán điện áp ngõ ra cho từng mỗi ứng dụng của Op-amp.

3. 1 Giới thiệu Op-Amp : u Khuyếch đại thuật toán (Op-amp) nguyên thủy được tạo từ nhiều mạch gián đoạn. u Nó được thiết kế để giải quyết những phương trình toán học trong điện tử bằng cách mô phỏng hoạt động như bổ sung cho nhau, ứng dụng trong thiết bị điện tử. u Ngày nay người ta đóng gói nó gọi là IC, một trong những quan trọng nhất là tính ổn định ở độ lợi điện áp 1 chiều cao và khuyếch đại điện áp xoay chiều. u Một Op-amp đặc trưng bao gồm khoảng 20 transistor tương ứng với các tụ và điện trở nhỏ.

u Đặc tính của Op-amp thực tế. (i) AV là rất cao : độ lợi điện áp vòng hở rất cao, khoảng 200, 000 lần đối với dòng điện 1 chiều và dòng điện xoay chiều tần số thấp, khi ở tần số cao Av = vô cực. (ii) Zi rất lớn: tổng trở ngõ vào rất lớn, khoảng 2 MΩ, thường dòng điện của các nguồn tín hiệu ngõ vào rất nhỏ và điện áp ngõ vào thông qua Opamp bị suy giảm rất ít (lý tưởng Zi = vô cực ). (iii) Zo rất nhỏ: tổng trở ngõ ra thường rất nhỏ khoảng 75 ohm, đồng nghĩa với việc hầu hết điện áp ngõ ra cấp được cho các tải lớn khoảng vài KΩ (lý tưởng Zo = 0Ω).

u u u Các Op-amp có hai ngõ vào. Ngõ vào không đảo đánh dấu +, ngõ vào đảo đánh dấu -. Op-amp có 1 ngõ ra. Phải được cấp nguồn một chiều cân bằng và đối xứng với nguồn dương và nguồn âm( +Vs, 0 V và - Vs). Điểm trung tính của nguồn 0 V, 0 v điểm chung của ngõ vào và ngõ ra được lấy từ điểm cân bằng của nguồn hoặc mass. Lưu ý: không nên nhầm lẫn phân cực của ngõ vào tín hiệu với điện áp nguồn, chúng thường không được chỉ ra trên sơ đồ.

Vỏ và chân u Op-amp 741 là một trong những Op-amp phổ biến nhất. Với cấu trúc bên trong lắp ráp bởi 20 transistor 11 điện trở và 1 tụ điện. Nó có nhiều dạng vỏ hộp và chân khác nhau được biểu diễn trong hình 3 u Lớp vỏ phổ biến nhất là làm bằng nhựa DIP. Nó chứa 1 Op-amp. Chân 2 là chân ngõ vào cộng, chân 3 là ngõ vào trừ, chân 6 là ngõ ra, chân 7 là nguồn +Vs, chân 4 là chân –Vs, và chân 1&5 là 2 chân bù điện áp mức 0 v.

3. 2 ỨNG DỤNG CỦA KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Các ứng dụng cơ bản điển hình của op-amp như sau: u 1. Khuyếch đại đảo. u 2. Khuyếch đại không đảo. u 3. Mạch KĐ cộng. (Adder) u 4. Mạch KĐ trừ. (Subtractor) u 5. Mạch đệm u 6. Mạch so sánh u Một Op-amp ở trạng thái lý tưởng được phân tích như sau: Độ lợi điện áp ngõ ra lớn nhất (Ao = ∞). Tổng trở ngõ vào lớn nhất (Zi = ∞ ohm). Tổng trở ngõ ra là 0 ohm (Zo= 0 ohm).

3. 2. 1 Bộ khuyếch đại đảo: u Mạch điện cơ bản được trình bày ở hình 4. Điện áp ngõ vào Vi (AC hoặc DC) được cấp điện qua điện trở ngõ vào Ri ở ngõ vào đảo của Op-amp. Ngõ vào không đảo được nối trực tiếp xuống mass. Một điện trở hồi tiếp Rf được nối giữa V 0 và ngõ vào đảo, hồi tiếp một phần của điện áp đầu ra về ngõ vào âm. Phần lớn V 0 là hồi tiếp, phần nhỏ là khuếch đại điện áp. V 0 được khuếch đại và đảo pha so với Vi. . Hình 4 Bộ khuếch đại đảo u u Hệ số khuếch đại điện áp hoặc độ lợi điện áp AV cho mạch khuếch đại đảo pha là: Ghi chú: Độ lợi của mạch khuếch đại phụ thuộc vào giá trị của hai điện trở ( có thể cho ra giá trị chính xác) và không cho trên đặc tính Op-amp.

u Ví dụ Nếu Rf = 100 kohm, Ri = 10 kohm, Thì AV = -Rf / Ri = -10 chính xác và đầu vào là 0, 1 v sẽ cho ra ngõ ra là – 1 v (xem hình 5). Hình 5 Điện áp AC hay DC được khuếch đại.

3. 2. 2 Bộ khuếch đại không đảo u Điện áp ngõ vào Vi (AC hay DC) được cấp vào ngõ vào không đảo (+) của Op-amp. Điện trở hồi tiếp RF được mắc giữa ngõ ra Vo với ngõ vào đảo, trong khi điện trở ngõ vào (Ri) được mắc giữa ngõ vào đảo với mass, đưa về 1 phần điện áp ngõ ra về ngõ vào âm. Phần lớn của Vo là hồi tiếp, phần nhỏ là khuếch đại điện áp. Vo được khuếch đại và cùng pha so với ngõ vào Vi. u u Hình 6 Mạch khuếch đại không đảo. Hệ số khuếch đại điện áp hay độ lợi (Av) của mạch khuếch đại không đảo là: Lưu ý: Độ lợi của mạch khuếch đại được xác định trên giá trị của điện trở RF và Ri ( phải được làm bằng giá trị chính xác) và độ lợi điện áp của mạch Av không phụ thuộc vào đặc điểm của mỗi loại Op-amp

Ví dụ u Nếu Rf = 100 Kohm và Ri = 10 Kohm, u Thì Av = 1 + (100 kΩ / 10 kΩ ) = 11. Hình 7 Điện áp AC hay DC được khuếch đại

Bộ đệm Hình 8. Bộ đệm. u u u Mạch đệm là mạch đặc biệt của mạch khuếch đại không đảo khi điện trở ngõ vào Ri = ∞ (tương đương hở mạch ) và Rf = 0Ω (tương đương ngắn mạch). AV = 1 + ( Rf / Ri ) = 1 + ( 0 / ∞) = 1 Chọn 1 Op-amp lý tưởng , tổng trở ngõ vào (Zi) của bộ đệm là ∞Ω và trở kháng ngõ ra (Zo) là 0Ω. Đặc tính của bộ đệm lý tưởng như sau: AV= 1 AV = 1 Zi = Zo = 0

5. 2. 3 Bộ khuếch đại cộng Op-amp : Hình 9 Bộ Khuếch đại cộng. Có thể gọi là bộ cộng hay bộ tổng. Khi ta nối nhiều ngõ vào đảo của mạch khuếch đại đảo, một Op-amp có thể được dùng cộng hai hay nhiều điện áp ngõ vào (DC hoặc AC). Ứng dụng của mạch điện để làm bộ trộn sóng để kết hợp cho ra ngõ ra của microphones, guitars điện, các hiệu ứng âm thanh đặc biệt v. v. v

5. 2. 4 Bộ Khuếch đại vi phân (Bộ Trừ). u Điện áp ngọ ra tỉ lệ tương ứng với sự khác biệt giữa 2 điện áp đầu vào và điểm chuẩn (mass). Hình 10 Bộ Khuếch đại vi phân. u Điện áp ngõ ra Vo của bộ khuếch đại được cho bởi: u Hệ số khuếch đại của mạch A V = R f / R i u Mạch khuếch đại vi phân sẽ tăng đặc tính giảm nhiễu hơn so với mạch khuếch đại đảo và mạch khuếch đại không đảo. Đây là điều mà người ta hay dùng trong các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ, bộ cảm biến, bộ tỉ lệ những cái mà cần khuếch đại chính xác.

5. 3 MẠCH SO SÁNH ĐIỆN ÁP u Một bộ so sánh cần thiết để so hai tín hiệu điện áp ngõ vào và chỉ ra cái lớn hơn (tức là dương hơn) bằng điện áp ngõ ra của nó. u Lưu ý: Ở đây không có điện trở hồi tiếp (Rf). Hình 11: Mạch so sánh. u u u Khi V 2 > V 1 , V O = +Vs Nếu Vs = 15 V, thì Vo = 15 V (trong thực tế khoảng 14 V). Khi V 1> V 2, V = O - Vs. Nếu -Vs = -15 V, thì VO = -15 V (trong thực tế khoảng-14 V). Một sự thay đổi nhỏ ở (V 2 -V 1) nguyên nhân để Vo tác động chuyển đổi giữa +Vs và -Vs, và điều này cho phép Op-amp chỉ ra liệu V 2 là lớn hơn hoặc nhỏ hơn V 1. Chức năng này được gọi là bộ so sánh.

Bài tập Cho mạch điện: