Kỹ thuật điện tử

Hoàng Văn Hiệp Bộ môn Kỹ Thuật máy tính – Khoa Công nghệ thông tin Mob. 091 609 3209 Email: hiephv@it-hut.edu.vn hoangvanhiep1984@gmail.com Kỹ thuật điện tử Electronic technical – HiepHV KTMT Kỹ thuật điện tử Electronic technical – HiepHV KTMT Chương 5. Vi mạch khuếch đại thuật toán Hoàng Văn Hiệp Bộ môn Kỹ thuật máy tính, Khoa công nghệ thông tin Trường đại học Bách khoa Hà nội Nội dung chương 5 Electronic technical – HiepHV KTMT  5.1. Tổng quan về vi mạch thuật toán  5.2. Các thông số kỹ thuật vi mạch thuật toán  5.3. Ứng dụng vi mạch thuật toán Nội dung chương 5 Electronic technical – HiepHV KTMT  5.1. Tổng quan về vi mạch thuật toán  5.2. Các thông số kỹ thuật vi mạch thuật toán  5.3. Ứng dụng vi mạch thuật toán 5.1. Tổng quan về vi mạch khuếch đại thuật toán Electronic technical – HiepHV KTMT  Vi mạch khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier) – ký hiệu là OpAmp đầu tiên được dùng để nói về các mạch khuếch đại có khả năng thay đổi theo mạch ghép nối bên ngoài để:  Thực hiện các phép biển đổi toán học:  Cộng  Trừ  Biến đổi tỷ lệ  Vi tích phân... trong các máy tính tương tự.  Nhờ sự phát triển của công nghệ bán dẫn  OpAmp ngày càng trở nên tin cậy  Kích thước nhỏ  Ổn định nhiệt   OpAmp được sử dụng như là thành phần cơ bản của các ứng dụng khuếch đại, biến đổi tín hiệu, các bộ lọc tích cực, tạo hàm và chuyển đổi. Cấu tạo Electronic technical – HiepHV KTMT Cấu tạo cơ sở của vi mạch khuếch đại thuật toán là các tầng khuếch đại vi sai. Các vi mạch khuếch đại thuật toán bao gồm ba phần:  Khuếch đại vi sai.  Dùng khuếch đại tín hiệu vào, có đặc điểm là khuếch đại nhiễu thấp, trở kháng vào cao, thường đầu ra vi sai. Khuếch đại điện áp.  Tạo ra hệ số khuếch đại điện áp cao, thường đầu ra đơn cực. Khuếch đại đầu ra.  Dùng với tín hiệu ra, cho phép khả năng tải dòng lớn, trở kháng ra thấp, có các mạch chống ngắn mạch và hạn chế dòng điện. Cấu tạo (tiếp) Electronic technical – HiepHV KTMT  Một vi mạch khuếch đại thuật toán phổ dụng là 741. Sơ đồ mạch bên trong của vi mạch khuếch đại thuật toán 741được trình bày như trong hình vẽ: Electronic technical – HiepHV KTMT Nội dung chương 5 Electronic technical – HiepHV KTMT  5.1. Tổng quan về vi mạch thuật toán  5.2. Các thông số kỹ thuật vi mạch thuật toán  5.3. Ứng dụng vi mạch thuật toán 5.2. Các thông số kỹ thuật Electronic technical – HiepHV KTMT  Ký hiệu:  Hai đầu vào:  Đầu vào 1 (đầu được ký hiệu dấu ‘-‘ trong vi mạch KĐTT) gọi là đầu vào đảo. Điện áp v1 đặt vào đầu vào đảo sẽ được khuếch đại về biên độ và đảo pha ở đầu ra.  Đầu vào 2 (đầu được ký hiệu dấu ‘+‘ trong vi mạch KĐTT) gọi là đầu vào không đảo. Điện áp v2 đặt vào đầu vào không đảo sẽ được khuếch đại về biên độ và không đảo pha ở đầu ra.  Một đầu ra, điện áp ra ký hiệu là v0. 5.2. Các thông số kỹ thuật Electronic technical – HiepHV KTMT  Mạch tương đương đơn giản 5.2. Các thông số kỹ thuật Electronic technical – HiepHV KTMT  Một bộ vi mạch KĐTT khuếch đại vi sai điện áp vd=v1-v2 giữa hai tín hiệu vào. Hệ số khuếch đại điện áp hở mạch được tính theo công thức:  Về biên độ, hệ số khuếch đại hở mạch AOL đạt giá trị từ 104 tới 107. Biên độ lớn nhất của điện áp ra được gọi là điện áp bão hòa. Điện áp này thường xấp xỉ nhỏ hơn điện áp nguồn cấp là 2V. Như vậy: - (Vcc - 2) < v0 < Vcc - 2 d OL v v A 0 5.2. Các thông số kỹ thuật Electronic technical – HiepHV KTMT  Vi mạch KĐTT lý tưởng có 3 đặc điểm như sau:  1. Hệ số khuếch đại điện áp hở mạch là -∞.  2. Trở kháng vào Rd giữa hai cực 1 và 2 là vô cùng lớn, vì vậy, dòng vào bằng 0.  3. Trở kháng ra bằng 0, nhờ vậy, điện áp ra không phụ thuộc vào tải. 5.2. Các thông số kỹ thuật Electronic technical – HiepHV KTMT  Vi mạch KĐTT lý tưởng  Sơ đồ tương đương: 0II UU Nội dung chương 5 Electronic technical – HiepHV KTMT  5.1. Tổng quan về vi mạch thuật toán  5.2. Các thông số kỹ thuật vi mạch thuật toán  5.3. Ứng dụng vi mạch thuật toán 5.3. Ứng dụng Electronic technical – HiepHV KTMT  Mạch khuếch đại Mạch khuếch đại đảo Mạch khuếch đại không đảo  Mạch Cộng trừ Mạch cộng Mạch trừ  Mạch vi tích phân Mạch vi phân Mạch tích phân a) Mạch khuếch đại đảo Electronic technical – HiepHV KTMT  Mạch khuếch đại đảo (hình vẽ) có đầu vào không đảo nối đất, tín hiệu U1 được đưa vào đầu vào đảo qua điện trở R1, mạch thực hiện hồi tiếp âm qua điện trở R2. Đầu ra U2 đảo cực so với đầu vào U1.  Tính toán đầu ra U2: 0 0 II UU Mạch khuếch đại đảo Electronic technical – HiepHV KTMT  Xét tại nút A, ta có:  Thay vào ta có  Nhận xét:  Điện áp vào được khuếch đại lên tỷ lệ lần.  Điện áp ra ngược pha với điện áp vào. 00 0 2 2 1 1 21 R UU R UU III 0U 1 1 2 2 .U R R U 1 2 R R b) Mạch khuếch đại không đảo Electronic technical – HiepHV KTMT  Mạch khuếch đại không đảo có tín hiệu vào được đưa tới đầu vào không đảo, đầu vào đảo được nối đất qua điện trở R1 như hình vẽ.  Tính toán đầu ra U2:  Xét tại nút A, ta có: 0 1 II UUU 00 0 0 2 2 1 21 R UU R U III b) Mạch khuếch đại không đảo Electronic technical – HiepHV KTMT  Thay vào ta có:  Nhận xét:  Điện áp vào được khuếch đại lên tỷ lệ lần. Như vậy, điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào về biên độ.  Điện áp ra cùng pha với điện áp vào. 1 2 12 2 21 1 1 1 0 R R UU R UU R U 1UU 1 21 R R c) Mạch cộng đảo Electronic technical – HiepHV KTMT  Mạch cộng đảo hai số sử dụng vi mạch KĐTT được thực hiện như hình vẽ sau:  Mạch có 2 tín hiệu vào U1 và U2 được đưa song song tới đầu vào đảo của vi mạch KĐTT. c) Mạch cộng đảo (tiếp) Electronic technical – HiepHV KTMT Xét tại nút A, ta có: Thay U- vào ta có: Nhận xét: Điện áp ra sẽ là tổng các điện áp vào, lấy đảo dấu. 00 0 11 2 1 1 21 R UU R UU R UU IIII r ht 21 11 2 1 1 0 UUU R U R U R U r r c) Mạch cộng đảo (tiếp) Electronic technical – HiepHV KTMT  Tổng quát: đối với trường hợp nhiều đầu vào, mạch cộng đảo được thực hiện như sau: N i iir UU 1 . d) Mạch cộng không đảo Electronic technical – HiepHV KTMT  Mạch có tín 2 tín hiệu vào được đưa song song đến đầu vào không đảo 0II UUUU BA d) Mạch cộng không đảo (tiếp) Electronic technical – HiepHV KTMT  Xét tại nút A, ta có:  Xét tại nút B, ta có:  Thay vào ta có: 2 0 0 0 22 0 r A rAA ht U U R UU R U III 2 0 0 21 1 2 1 1 21 UU U R UU R UU III B BB 21 UUU rBA UU d) Mạch cộng không đảo (tiếp) Electronic technical – HiepHV KTMT  Tổng quát: đối với trường hợp nhiều đầu vào, mạch cộng không đảo được thực hiện như sau: N i i N i ii r U U 1 1 ..2 e) Mạch trừ Electronic technical – HiepHV KTMT  Trong mạch trừ Một đầu vào đưa đến đầu vào đảo  Đầu vào còn lại đưa đến đầu vào không đảo 0II UUUU BA e) Mạch trừ (tiếp) Electronic technical – HiepHV KTMT  Xét tại nút A, ta có:  Xét tại nút B, ta có:  Thay vào ta có: 2 0 0 1 22 1 1 r r ht UU U R UU R UU III 2 0 0 0 2 11 2 02 U U R U R UU III UU 12 UUU r f) Mạch cộng trừ tổng quát Electronic technical – HiepHV KTMT f) Mạch cộng trừ tổng quát (tiếp) Electronic technical – HiepHV KTMT  Tính Ur  Nếu  Chứng minh??? ' ' 1 1 . . N N r i i i i i i U U U N i i N i i 1 ' 1 g) Mạch tích phân Electronic technical – HiepHV KTMT  Đặc tính điện của tụ điện:  Mạch tích phân:  Khi thay điện trở hồi tiếp của vi mạch KĐTT bằng tụ điện, do tính chất điện của tụ điện, ta sẽ có mạch thực hiện lấy tích phân của tín hiệu vào như hình vẽ dt dU CiC . 0 0 II UU g) Mạch tích phân (tiếp) Electronic technical – HiepHV KTMT  Xét tại nút A, ta có:  Như vậy, tín hiệu ra chính là tích phân của tín hiệu vào có đảo dấu. dtU RC U dt dU C R U III r r C 1 1 1 1 0. 0 0 h) Mạch vi phân Electronic technical – HiepHV KTMT  Mạch vi phân:  Khi thay tụ điện vào điện trở nối với nguồn tín hiệu, do tính chất điện của tụ điện, ta sẽ có mạch thực hiện lấy vi phân của tín hiệu vào như hình vẽ 0 0 II UU h) Mạch vi phân Electronic technical – HiepHV KTMT  Xét tại nút A, ta có:  Như vậy, tín hiệu ra chính là vi phân của tín hiệu vào có đảo dấu dt dU RCU R UU dt dU C III r r htC 1 1 . 0. 0 Bài tập 5.1 Electronic technical – HiepHV KTMT  Giả thiết n là số nguyên dương lớn hơn 1; q là số thực có giá trị trong khoảng (0,1).  a. Xác định biểu thức tính giá trị điện áp ra U2(U1).  b. Biết E=±9V, R0=20KΩ, R=440KΩ, n=45, U1=200mV. Tính khoảng giá trị U2 nhận được ở lối ra khi cho q biến thiên trong khoảng (0,1).  c. Xác định các khoảng giá trị của q để vi mạch khuếch đại thuật toán làm việc ở chế độ bão hòa Bài tập 5.2 Electronic technical – HiepHV KTMT  Biết: R1=10KΩ, R2=110KΩ, R3=15KΩ, R4=1KΩ, VR=2KΩ, E=±12V. U1 là điện áp vào hình sin biên độ 70mV.  a. Tìm biểu thức tính U2.  b. Tính khoảng giá trị của VR để vi mạch khuếch đại thuật toán không gây méo dạng cho tín hiệu Bài tập 5.3 Electronic technical – HiepHV KTMT  Bài 5.3: Thiết kế mạch sử dụng vi mạch khuếch đại thuật toán thực hiện hàm sau:  Ur = 2U1-3U2+5U3-4U4  Ur = 8U1-3U2-5U3  Ur = Uv/4 Bài tập 5.4 Electronic technical – HiepHV KTMT  Giả thiết các vi mạch là lý tưởng.  a. Viết phương trình tính Ur theo U1, U2 và tham số của sơ đồ.  b. Tính Ur biết: U1=70mV, U2=40mV.  R1=10KΩ, R2=25KΩ,  R3=12KΩ, R4=20KΩ,  R5=240KΩ Bài tập 5.5 Electronic technical – HiepHV KTMT  a. Tính điện áp ra Ur.  b. Cho R2=R1, E=+9V, Uv là điện áp tam giác đối xứng qua gốc tọa độ, biên độ ±5V, chu kỳ T=20ms. Vẽ dạng điện áp ra Ur và tính toán các tham số của Ur. R1 R1 2R2 2R2 Uv Ur +E -E