Bài 7: Khuếch đại thuật toán (operation amplifier – op amp)

Bài 7 : Khuếch Đại Thuật Toán BÀI 7 : KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN (Operation Amplifier – Op Amp) › MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Giúp sinh viên bằng thực nghiệm khảo sát : 1. Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động và đo các đặc trưng cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp μA-741) như Av, Zi, Zo, BW… 2. Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để lặp lại thế. 3. Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để khuếch đại đảo và không đảo phân cực tín hiệu 4. Tìm hiểu nguyên tắc bộ tạo nguồn thế chuẩn ổn định sử dụng Op.Amp. › THIẾT BỊ SỬ DỤNG 1. Bộ thí nghiệm ATS-11. 2. Module thí nghiệm AM-07. 3. Dao động ký, đồng hồ VOM (DVM) và dây nối. PHẦN I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phần này nhằm tóm lược những vấn đề lý thuyết thật cần thiết phục vụ cho bài thí nghiệm và các câu hỏi chuẩn bị để sinh viên phải đọc kỹ và trả lời trước ở nhà. I.1. TỔNG QUAN VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN (OP-AMP): Mạch khuếch đại thuật toán, còn gọi là Opamp (Operational Amplifier) là một loại vi mạch được chế tạo theo công nghệ màng mỏng dưới dạng tích hợp IC ( Integrated Circuit) nên còn gọi là IC thuật toán. IC thuật toán thường được sử dụng trong các mạch làm toán như cộng, trừ, nhân, chia, tích phân, vi phân...hoặc trong các lĩnh vực khác như: tạo sóng (sin, vuông, tam giác) , tạo hàm, so sánh, khuếch đại v.v... Ký hiệu của Opamp : I.2. CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA OPAMP (OP-AMP): ♦ Độ lợi điện áp lớn ( lý tưởng AV = ∞ ). ♦ Tổng trở vào lớn ( lý tưởng Zin = ∞ ). ♦ Tổng trở ra bé ( lý tưởng Zout = 0 ). ♦ Nguồn cung cấp: Opamp thường dùng nguồn đôi (đối xứng) để khai thác hết hiệu suất của vi mạch, nó có giá trị khoảng Vcc = (±3 ÷ ±18) V Vo Vin+ Vin- + OPAMP Bài 7 : Khuếch Đại Thuật Toán I.3. CÁC DẠNG MẠCH CƠ BẢN CỦA OP-AMP: 1. Mạch so sánh: Nếu Vin+ > Vin- : Vout ≅ + Vcc , được gọi là vùng bảo hòa dương Nếu Vin+ < Vin- : Vout ≅ - Vcc , được gọi là vùng bảo hòa âm Đặc tuyến truyền đạt của Opamp: 2. Mạch khuếch đại đảo : là mạch dùng hồi tiếp âm từ ngõ ra đến ngõ vào đảo. Muốn thay đổi độ khuếch đại vi sai vòng kín Av, thì cần chọn các giá trị Ri , Rf thích hợp. Khi thay đổi Ri thì tổng trở vào sẽ thay đổi. Còn thay đổi Rf thì chỉ có AV thay đổi nhưng tổng trở vào không thay đổi. Song giá trị Rf không phải chọn tùy ý. Nếu Rf quá nhỏ, dòng ra của op-amp sẽ vượt quá giá trị cực đại cho phép, vì dòng ra bao gồm dòng if và dòng qua tải. Nếu Rf quá lớn, mạch điện dễ bị nhiễu và làm việc thiếu ổn định. Thông thường chọn Rf từ 2kΩ đến 2MΩ. Bộ khuếch đại đảo có trở kháng vào rất lớn nên dòng vào op-amp rất nhỏ. Do vậy dòng tín hiệu vào Ri sẽ bằng dòng qua Rf : ii ≅ if. Nếu đầu vào không đảo (3) của op-amp nối mass, thì dòng phân cực ib cho ngõ vào đảo sẽ tạo ra áp lệch giữa 2 ngõ vàovà bản thân dòng phân cực lại thay đổi theo nhiệt độ nên làm cho làm việc thiếu ổn định. Để giảm nhỏ ảnh hưởng này, cần mắc điện trở R3 vào đầu vào không đảo với mass. Điều kiện cân bằng tốt nhất nên chọn R3 = R1//R2 Vo -VH1 -Vcc +VH2 Vi Vo Ri Rf + R3 +Vcc Vo Vin- + Vin+ Vin - Hệ số khuếch đại mạch đảo được tính bởi: Av = − Rf Ri Với : Ri : điện trở ngõ vào Rf : điện trở hồi tiếp R3: cân bằng nhiệt cho op-amp. Bài 7 : Khuếch Đại Thuật Toán 13 2 1 1 2 3 1 f f o R R RRV V V R R R R += −+ Rf V2 R3 R1 - + U1 LM741 3 2 6 7 1 4 5 V1 R2 Vo Rf V2 R3 Ri R1 - + U1 LM741 3 2 6 7 1 4 5 V1 R2 Vo 2 1 1 2 1 2 2 1 fo i RR RV V V R R R R ⎛ ⎞⎛ ⎞= + +⎜ ⎟⎜ ⎟+ ⎝ ⎠⎝ ⎠ 3. Mạch khuếch đại không đảo: 4. Mạch trừ, mạch cộng: a. Mạch trừ: b. Mạch cộng: I.4. CÁC DẠNG VI MẠCH CỦA OP-AMP: Opamp có nhiều loại IC như : Họ 741, 747, TL081, 082, 083, 084…. Ví dụ: IC TL082 là loại IC Opamp đôi, nghĩa là có 2 Opamp bên trong, nó được nuôi bởi nguồn đôi. Cấu trúc bên trong của TL082 được mô tả như hình vẽ: 1 2 3 4 5678 -Vcc +Vcc TL082 + + - Hệ số khuếch đại mạch không đảo được tính bởi: Av = 1+ Rf Ri - Điện trở R3 được mắc ở đầu vào không đảo để ổn định nhiệt, không cho ngõ ra trôi đến trạng thái bảo hòa. Vi Vo Ri Rf + R3 Bài 7 : Khuếch Đại Thuật Toán PHẦN II : TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM Sau khi đã hiểu kỹ những vấn đề lý thuyết được nhắc lại và nhấn mạnh ở PHẦN I, phần này bao gồm trình tự các bước phải tiến hành tại phòng thí nghiệm. I. KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG CỦA OP-AMP μA-741 (Mạch A7-1) I.1 Đo điện áp offset của OP-AMP : I.1A Sơ đồ nối dây: (Hình 7-1a) ♦ Cấp nguồn ±12V cho mạch A7-1. ♦ Ngắn mạch J1 và J2 I.I.B Các bước thí nghiệm : 1. Dùng đồng hồ đo điện áp ngõ ra (điểm C) : 2. Tính giá trị Uoffset (vào) = Uoffset(ra) / K0 = ………………………… (Với K0 : hệ số khuếch đại hở của bộ khuếch đại thuật toán, K0 (IC 741) ~ 2.105.) 3. Theo anh (chị) muốn chỉnh được điện áp offset của Op-Amp μA-741 cần phải cải tiến lại mạch như thế nào? ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ Hình 7-1a: Khảo sát các đặc trưng của Opamp Voffset (ra) = Bài 7 : Khuếch Đại Thuật Toán I.2 Xác định đặc tuyến truyền đạt của OPAMP : (Vẫn mạch A7-1) I.1A Sơ đồ nối dây: (Hình 7-1b) ♦ Vẫn cấp nguồn ±12V cho mạch A7-1 ♦ Nối J3 để cấp thế từ biến trở P1 vào lối vào không đảo LM741. ♦ Nối J1 để nối đất lối vào đảo. I.I.B Các bước thí nghiệm : 1. Vặn biến trở P1 quanh giá trị 0V. Đo các giá trị điện thế vào và ra. Ghi kết quả đo vào bảng A7-1. Bảng A7-1 Uvào(H) - - - 0V + + + Ura (C) 2. Lập đồ thị sự phụ thuộc thế ra (trục y) và thế vào (trục x). 3. Xác định giá trị điện thế ra cực đại và cực tiểu của IC. Tính số % giá trị này so với thế nguồn. .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. 4. Trên cơ sở đồ thị thu được, xác định độ nhạy của IC, bằng giá trị chênh lệch thế cực tiểu giữa hai lối vào đảo và không đảo của IC làm thay đổi thế ra. Hình 7-1b: Khảo sát các đặc trưng của Opamp Vo (V) Vi (mV) 5 10 15 20 25 -5 - 10-15 -20 -25 5 10 15 -5 - 10 - Bài 7 : Khuếch Đại Thuật Toán .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. 5. Từ đặc tuyến truyền đạt đã vẽ, xác định hệ số khuếch đại hở của bộ khuếch đại thuật toán. II. KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA OPAMP (Vẫn mạch A7-1) II.1 Sơ đồ nối dây: (Hình 7-1c) ♦ Vẫn cấp nguồn ±12V cho mạch A7-1. ♦ Ngắn mạch J4 ♦ Ngắn mạch J6 II.2 Các bước thí nghiệm : II.2A Khảo Sát Mạch Khuếch Đại Đệm: 1. Dùng thêm tín hiệu AC từ máy phát sóng (FUNCTION GENERATOR) để đưa đến ngõ vào IN và chỉnh máy phát để có : Sóng Sin, f= 1KHz, chỉnh biến trở Amplitude của máy phát để ngõ ra không bị méo dạng. Xác định các giá trị VIN, VOUT, độ lệch pha ΔΦ (giữa tín hiệu ngõ vào Vin và tín hiệu ngõ ra Vout), tính Av. Bảng 7-2 Thông số cần đo Trị số điện áp vào VIN (p-p) = VOUT Độ lợi điện áp Av = p)-IN(p p)-OUT(p V V Độ lệch pha ΔΦ 2. Quan sát trên dao động ký và vẽ trên cùng một hệ trục tọa độ dạng tín hiệu điện áp ngõ vào (VIN) và tín hiệu điện áp ngõ ra (VOUT) Av = ΔVo/ΔVi =………………... Hình 7-1c: Khảo sát các thông số kỹ thuật của Opamp Bài 7 : Khuếch Đại Thuật Toán 3. Nhận xét về độ lợi Av và góc lệch pha ΔΦ của tín hiệu vào/ ra. Trình bày chức năng của mạch? .................................................................................................................................................. II.2B Khảo đặc trưng tần số của mạch khuếch đại thuật toán: 1. Giữ nguyên tín hiệu vào Vi như phần trên. Thay đổi tần số tín hiệu vào và xác định các giá trị VOUT ứng với từng tần số trong bảng A7-3, tính Av . Bảng A7-3 100Hz 1KHz 10KHz 100KHz 500KHz 1MHz 2MHz VIN VOUT Av 2. Lập đồ thị sự phụ thuộc hệ số Av (trục y) theo tần số f (trục x). Xác định khoảng tần số làm việc của sơ đồ khuếch đại thuật toán. II.2C Đo điện trở vào Zi của mạch khuếch đại thuật toán: ♦ Nối F-G để cấp tín hiệu từ máy phát qua điện trở R5 vào IC. Điện trở R5 lúc đó được mắc nối tiếp với tổng trở Zi củ bộ khuếch đại thuật toán. Bài 7 : Khuếch Đại Thuật Toán ♦ Chỉnh máy phát Function Generator để có tín hiệu Vuông, f =1Khz,Vin (p-p) = 4V. Nối tín hiệu OUT của máy phát với ngõ vào IN (A) của mạch, đo biên độ tại ngõ vào Vif(0) = …………………... ♦ Đo biên độ Vif(1) = ………………….. tại chân i+. Bỏ qua nội trở máy phát, tính tổng trở vào Zi của IC theo công thức : .................... ................................... .................................... )1()0( 3).0( ==−= VifVif RVifZi ♦ Nêu nhận xét về giá trị tổng trở vào Zi của mạch khuếch đại thuật toán. .................................................................................................................................................. II.2C Đo điện trở ra Zo của mạch khuếch đại thuật toán: ♦ Nối máy phát với lối vào IN/A của mạch A7-1. Nối i+ với F, G - L và i- với “O” ♦ Đo biên độ tín hiệu ra Vo khi không nối J1 và giá trị V OT khi có nối J1. ♦ Giả thiết điện trở vào của dao động ký là vô cùng lớn so với trở ra IC1, tính tổng trở ra của IC theo công thức : Zo= (Uo.R6/Uot) –R6 = …………………………………….. ♦ Nêu nhận xét về giá trị của ZO, và ứng dụng nó. .................................................................................................................................................. III. KHẢO SÁT BỘ LẶP THẾ (Vẫn mạch A7-1) III.1 Sơ đồ nối dây: (Hình 7-1d) ♦ Vẫn cấp nguồn ±12V cho mạch A7-1. ♦ Ngắn mạch J4 ♦ Ngắn mạch J7 III.2 Các bước thí nghiệm : 1. Vặn biến trở P2 từ giá trị thấp đến cao. Đo và ghi các giá trị điện thế vào và ra vào bảng A7-4 Bảng A7-4 Uvào (E) Ura (C) Hình 7-1d : Mạch lặp lại thế (Mạch A7-1) Bài 7 : Khuếch Đại Thuật Toán 2. Lập đồ thị sự phụ thuộc thế ra (trục y) và thế vào (trục x). 3. Xác định độ lệch cực đại của đường đặc trưng thu được so với đường thẳng (tuyến tính), định khoảng làm việc tuyến tính cho sơ đồ. .................................................................................................................................................. 4. Nêu ưu điểm của bộ lặp lại thế trên Op.Amp với bộ chia thế dùng biến trở. .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. IV. KHẢO SÁT MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẢO (Mạch 7-3) IV.1 Sơ đồ nối dây: (Hình 7-3) ♦ Cấp nguồn ±12V cho mạch A7-3. IV.2 Các bước thí nghiệm : ♦ Dùng thêm tín hiệu AC từ máy phát sóng (FUNCTION GENERATOR) để đưa đến ngõ vào IN và chỉnh máy phát để có : Sóng : Sin, Vin(p-p) = 1V, f= 1KHz. ♦ Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu ngõ vào tại IN và ngõ ra tại OUTcủa mạch cho các kiểu mắc mạch sau: Hình 7-3 : Mạch khuếch đại dùng Opamp (Mạch A7-3) Bài 7 : Khuếch Đại Thuật Toán IV.2.1 Khảo sát mạch 1 : Ngắn mạch J2, J4. 1.Đo và vẽ trên cùng một hệ trục tọa độ dạng tín hiệu điện áp ngõ vào (VIN) và tín hiệu điện áp ngõ ra (VOUT). Tính AV1(đo) ghi kết qủa vào bảng A7-5. 2.Sử dụng công thức tính Av theo Ri, Rf để tính AV1 (tính) , ghi kết qủa tương ứng vào bảng A7-5 IV.2.2 Khảo sát mạch 2 : Ngắn mạch J2, J5. ♦ Quan sát pha giữa tín hiệu vào \ ra. ♦ Đọc Vin và VOUT. Tính AV2 đo ghi kết qủa vào bảng A7-5. ♦ Sử dụng công thức tính AV2 tính theo Ri, Rf để tính Avtính, ghi kết qủa tương ứng vào bảng A7-5 IV.2.3. Khảo sát mạch 3 : Ngắn mạch J2, J6. ♦ Quan sát pha giữa tín hiệu vào \ ra. ♦ Đọc Vin và VOUT. Tính AV3 đo ghi kết qủa vào bảng A7-5. ♦ Sử dụng công thức tính AV3 tính theo Ri, Rf để tính Avtính, ghi kết qủa tương ứng vào bảng A7-5 IV.2.4. Khảo sát mạch 4 : Ngắn mạch J2, J7. ♦ Quan sát pha giữa tín hiệu vào \ ra. ♦ Đọc Vin và VOUT. Tính AV4 đo ghi kết qủa vào bảng A7-5. ♦ Sử dụng công thức tính AV4 tính theo Ri, Rf để tính Avtính, ghi kết qủa tương ứng vào bảng A7-5 Bảng A 7-5 Bước thực hiện VIN VOUT Av đo Độ lợi pha ΔΦ Avtính Mạch 1 Mạch 2 Mạch 3 Mạch 4 ♦ So sánh giá trị Avtính và Avđo cho các trường hợp, nếu xem chúng bằng nhau thì sai số là bao nhiêu? Giải thích sự không tương ứng của chúng trong một số trường hợp. .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. Bài 7 : Khuếch Đại Thuật Toán ♦ Nhận xét về gía trị Uin- cho tất cả các trường hợp để chứng minh điểm “- ” trong sơ đồ sử dụng gọi là điểm đất ảo. Giải thích bằng lý thuyết cho giá trị đất ảo. .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. V. KHẢO SÁT MẠCH KHUẾCH ĐẠI KHÔNG ĐẢO (Vẫn Mạch 7-3) V.1 Sơ đồ nối dây: (Hình 7-3b) ♦ Cấp nguồn ±12V cho mạch A7-3. V.2 Các bước thí nghiệm : ♦ Dùng thêm tín hiệu AC từ máy phát sóng (FUNCTION GENERATOR) để đưa đến ngõ vào IN và chỉnh máy phát để có : Sóng : Sin, Vin(p-p) = 1V, f= 1KHz. ♦ Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu ngõ vào tại IN và ngõ ra tại OUTcủa mạch cho các kiểu mắc mạch sau: V.2.1 Khảo sát mạch 1 : Ngắn mạch J1, J3, J4. ♦ Quan sát pha giữa tín hiệu vào \ ra trên dao động ký và vẽ trên cùng một hệ trục tọa độ dạng tín hiệu điện áp ngõ vào (VIN) và tín hiệu điện áp ngõ ra (VOUT). ♦ Đọc Vin và VOUT. Tính AV1 đo ghi kết qủa vào bảng A7-6. ♦ Sử dụng công thức tính AV1 tính theo Ri, Rf để tính Avtính, ghi kết qủa tương ứng vào bảng A7-6 Hình 7-3 : Mạch khuếch đại dùng Opamp (Mạch A7-3) Bài 7 : Khuếch Đại Thuật Toán V.2.2 Khảo sát mạch 2 : Ngắn mạch J1, J3, J5. ♦ Quan sát pha giữa tín hiệu vào \ ra. ♦ Đọc Vin và VOUT. Tính AV2 đo ghi kết qủa vào bảng A7-6. ♦ Sử dụng công thức tính AV2 tính theo Ri, Rf để tính Avtính, ghi kết qủa tương ứng vào bảng A7-6. V.2.3. Khảo sát mạch 3 : Ngắn mạch J1, J3, J6. ♦ Quan sát pha giữa tín hiệu vào \ ra. ♦ Đọc Vin và VOUT. Tính AV3 đo ghi kết qủa vào bảng A7-6. ♦ Sử dụng công thức tính AV3 tính theo Ri, Rf để tính Avtính, ghi kết qủa tương ứng vào bảng A7-6. V.2.4. Khảo sát mạch 4 : Ngắn mạch J1, J3, J7. ♦ Quan sát pha giữa tín hiệu vào \ ra. ♦ Đọc Vin và VOUT. Tính AV4 đo ghi kết qủa vào bảng A7-6. ♦ Sử dụng công thức tính AV4 tính theo Ri, Rf để tính Avtính, ghi kết qủa tương ứng vào bảng A7-6. Bảng A7-6 Bước thực hiện VIN VOUT Av đo Độ lợi pha ΔΦ Avtính Mạch 1 Mạch 2 Mạch 3 Mạch 4 So sánh giá trị Avtính và Avđo cho các trường hợp, nếu xem chúng bằng nhau thì sai số là bao nhiêu? Giải thích sự không tương ứng của chúng trong một số trường hợp. .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. Bài 7 : Khuếch Đại Thuật Toán VI. MẠCH TRỪ, CỘNG (MẠCH A7-2) VI.1 Sơ đồ nối dây: (Hình 7-4) ♦ Cấp nguồn ±12V cho mạch A7-2. VI.2 Các bước thí nghiệm : - Cấp nguồn sin, tần số 1Khz, Vp-p = 100mV. - Lần lượt nối các J theo bảng A7-7. Tính Av và độ lệch pha ΔΦ theo lý thuyết và thực nghiệm, ghi kết quả vào bảng A7-7 Bảng A7-7 Bước thực hiện VIN VOUT Av đo Độ lợi pha ΔΦ Avtính Nối J1, J2, J4 Nối J1, J2, J3, J4 - Nhận xét: .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. Hình 7-4: Mạch cộng trừ dùng Opamp Bài 7 : Khuếch Đại Thuật Toán VII.1: Sơ đồ nối dây: (Hình 7-5) ♦ Cấp nguồn 0 - 15V trên DC ADJ POWER cho mạch A7-4. ♦ Ngắn mạch J4 VII.2 Tiến trình thí nghiệm: Thay đổi nguồn cung cấp Vi . Đo Vo trong tưng trường hợp của bảng A7-8 trong đó: J = 1: ngắn mạch J = 0: hở mạch Bảng A7-8 J1 J2 J3 J4 Vi Vo 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 - Giải thích về các kết quả trong bảng trên. .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. VII. KHẢO SÁT MẠCH ỔN ÁP DÙNG OPAMP (MẠCH 7-4) Hình 7-4: Mạch ổn áp dùng Opamp