Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 8: Các mạch ứng dụng Opamp
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Chương 8: CÁC MẠCH ỨNG DỤNG OPAMP
8-1 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN LÝ TƯỞNG.
Nhắc lại rằng đại thuật toán là một khuếch đại ghép trực tiếp (vi sai) với hai ngõ vào và
một ngõ ra. Chúng ta sẽ định nghĩa một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng theo những
đặc tính như sau:
1. Nó có hệ số khuếch đại vô cùng.
2. Trở kháng ngõ vào là vô cùng.
3. Trở kháng ngõ ra là 0.
Mặc dù trên thực tế, không có bộ đại nào thỏa mãn hoàn toàn bất kỳ các yêu cầu
trên, nhưng chúng ta xem như mô hình khuếch đại có hệ số khuếch đại và trở kháng
ngõ vào rất lớn, và trở kháng ngõ ra rất nhỏ, đó là những kết quả sai số nhỏ không đáng
kể so với những đặc điểm lý tưởng đó.
Hình 8-1 trình bày kí hiệu chuẩn cho một bộ khuếch đại thuật toán. Chú ý rằng:
hai ngõ vào được đặt là “ + ” và “ - “ và những tín hiệu ngõ vào đã được chỉ rõ tương
ứng vi+ và vi. Nếu những ngõ vào là các tín hiệu khác pha, thì ngõ ra bộ khuếch đại sẽ
cùng pha với vi+ và ngược pha với vi-. Vì lý do này, ngõ vào cực dương được gọi là ngõ
vào không đảo và ngõ vào âm được gọi là ngõ vào đảo. Trong nhiều ứng dụng, một
trong các ngõ vào bộ khuếch đại được nối đất, nên vo cùng pha với ngõ vào nếu tín hiệu
được nối với ngõ vào không đảo, và vo là ngược pha với ngõ vào nếu tín hiệu được nối
với ngõ vào đảo. Những ý tưởng này được tóm tắt trong bảng kèm theo hình 8-1.
Hình 8-1: Ký hiệu đại thuật toán, ngõ vào đảo (-) và ngõ vào không đảo (+)
Ở thời điểm này, một câu hỏi chính đáng mà có lẽ đã xảy ra với người đọc là: nếu
hệ số khuếch đại là vô cùng, ngõ ra có thể là những dạng gì khác hơn là một dạng sóng
xén? Về lý thuyết, nếu khuếch đại có hệ số khuếch đại là vô cùng, thì một điện áp vào
rất nhỏ phải cho kết quả ở điện áp ngõ ra là rất lớn. Câu trả lời, dĩ nhiên là hệ số khuếch
đại đó không là vô cùng, mà chỉ là rất lớn. Tuy nhiên, nó chỉ đúng khi một điện áp ngõ
vào rất nhỏ sẽ gây ra khuếch đại điện áp ở ngõ ra để lái tới giới hạn điện áp dương
hoặc âm rất lớn. Thực tế trả lời là khuếch đại thuật toán thì ít khi sử dụng toàn bộ hệ số
khuếch đại cho ngõ vào. Đáng lý ra, những điện trở vô cùng thì được nối vào bộ khuếch
Trang 8.1
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
đại sao cho tín hiệu được khuếch đại không lớn như vậy. Những điện trở gây ra giảm hệ
số khuếch đại qua tín hiệu hồi tiếp, chúng ta sẽ làm quen trong phần hồi tiếp âm.
KHUYẾCH ĐẠI ĐẢO
Sơ đồ mạch như hình 8-2. Đây là một ứng dụng khá hữu ích của bộ khuếch đại thuật
toán. Ngõ vào không đảo được nối đất, vin được nối qua R1 với ngõ vào đảo, và điện trở
hồi tiếp Rf được nối giữa ngõ ra và vi-. Bởi vì sử dụng bộ khuếch đại ở chế độ đảo, nên
ta chỉ rõ hệ số khuếch đại điện áp là –A, vì vậy:
vo = -A vi-
(8-1)
Chú ý vi khác vi- . Chúng ta sẽ tìm hiểu mối quan hệ giữa vo và vin khi độ lớn của A là
vô cùng.
Hình 8-2: Một ứng dụng của đại thuật toán với tín hiệu vin đi qua R1, điện trở hồi tiếp
Rf. vo/vi- = -A
Hình 8-3 chỉ ra kết quả của điện áp và dòng điện đó khi tín hiệu vào vin được kết nối.
Từ định luật Ohm, dòng điện i1 là sự chênh lệch về áp trên R1, chia cho R1:
Hình 8-3: Kết quả điện áp và dòng điện với điện áp vào vin.
Trang 8.2
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
i1= (vin – vi-)/R1.
Tương tự, dòng điện if là sự sai biệt áp qua Rf, chia cho Rf.
if = ( vi- - vo )/Rf.
(8-2)
( 8-3 )
(8-4)
Theo định luật Kirchhoff dòng ở ngõ vào đảo, chúng ta có
i1= if + i-
Ở đó i- là dòng đi vào bộ khuếch đại ở ngõ vào đảo. Tuy nhiên, khuếch đại lý tưởng có
trở kháng ngõ vào vô cùng, mà giá trị i- phải bằng 0. Vậy thì rất đơn giản
i1 = if.
Thay thế (8-2) và (8-3) vào (8-5) được
(vin – vi-)/ R1 = (vi- - vo)/Rf
hoặc
vin/R1 – vi-/R1 = vi-/Rf - vo/Rf
(8-6)
(8-7)
Từ định nghĩa ( biểu thức 8-1),
vi- = -vo/A
nếu bây giờ giả định rằng |A| = vô cùng, ta thấy rằng –vo/A = 0. Và do đó
vi- = 0 ( khuếch đại lý tưởng, với |A| = vô cùng)
(8-8)
thay vi- = 0 vào (8-6) được
vin/R1 = -vo/Rf
hay vo/vin = -Rf/R1.
(8-9)
Chúng ta thấy rằng hệ số khuếch đại là số âm, chứng tỏ đây là một bộ khuếch đại đảo.
Biểu thức 8-9 cũng cho thấy 1 điểm đặc biệt thường được dùng trong thực tế đó là độ
lớn của vo/vin chỉ phụ thuộc vào tỉ lệ giá trị của điện trở và không phụ thuộc vào chính
bộ khuếch đại. Miễn là hệ số khuếch đại và trở kháng vẫn khá lớn, sự biến thiên trong
đặc tính khuếch đại (ví dụ, sự thay đổi nhiệt độ hoặc dung sai chế tạo) không làm ảnh
hưởng đến vo/vin. Ví dụ, nếu R1 =10K và Rf = 100K, chúng ta có thể chắc chắn rằng vo=
-[(100 K)/(10K)]vin= -10 vin, mà hệ số khuếch đại cũng đến -10 như điện trở chính xác
cho phép. Hệ số khuếch đại vo/vin được gọi là độ lợi vòng kín của bộ khuếch đại, trong
khi A được gọi là độ lợi vòng hở. Trong ứng dụng này, ta thấy rằng hệ độ lợi vòng hở
vô cùng lớn, có thể tới 106, trong khi độ lợi vòng kín chỉ bằng 10.
Chúng ta sử dụng hệ số khuếch đại giả định là vô cùng để đạt được vi- = 0 ( biểu thức 8-
8) . Trong thực tế thì, hệ số khuếch đại A rất lớn nhưng hữu hạn, vi- là một điện áp rất
Trang 8.3
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
nhỏ, gần như 0. Vì lý do đó, ở đầu vào có một điện trở hồi tiếp được nối đất thì được
gọi là đất ảo. Mục đích của sự phân tích, chúng ta thường giả sử rằng vi- = 0, nhưng
không thể nối điểm đó xuống đất trong thực tế. Trừ khi vi- là đất ảo, trở kháng thấy bởi
tín hiệu nguồn phát vin thì R1 là ohm.
Thí dụ 8-1
Cho đại thuật toán lý tưởng như hình 8-4, hãy tính:
1. giá trị hiệu dụng (rms) của vo với vin = 1.5Vrms
2. giá trị hiệu dụng của dòng điện qua điện trở 25kΩ khi vin = 1.5Vrms, và
3. điện áp ngõ ra khi vin = -0.6V dc.
Hình 8-4: (thí dụ 8.1)
Giải
1. Từ phương trình 8-9,
− Rf
vo
137.5kΩ
25kΩ
=
=
= −5.5
vin
R1
Vì vậy, | vo |= 5.5 | vin |= 5.5(1.5V rms) = 8.25V rms.
−
2. Do vi ≈ 0 (đất ảo), nên dòng qua điện trở 25-kΩ là
vin
R1
1.5V rms
25kΩ
i =
=
= 60µArms
3. vo = (−5.5)vin = (−5.5)(−0.6V ) =3.3V dc . Chú ý rằng áp ngõ ra dương khi áp ngõ vào
dương, và ngược lại.
KHUẾCH ĐẠI KHÔNG ĐẢO
Hình 8-5 cho thấy 1 ứng dụng khác của bộ khuếch đại thuật toán, gọi là mạch khuếch đại
không đảo. Chú ý rằng tín hiệu ngõ vào vin được nối trực tiếp với ngõ vào không đảo và
điện trở R1 được nối với ngõ vào đảo với đất. Về lý tưởng, trở kháng ngõ vào là vô cùng
lớn, không có dòng chảy qua ngõ vào đảo, vì vậy i1 =if . Như thế,
vi-/R1 = (vo – vi- )/ Rf.
(8-10)
Trang 8.4
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Hình 8-5: Khuếch đại thuật
toán với cấu hình không đảo
Như ở trên hình,
+
−
vo = A(vi − vi )
(8 – 11)
(8 – 12)
Suy ra,
−
+
vi = vi − vo / A
Cho A=∞ , vo/A tiến về 0, ta có:
−
−
vi = vi
(8 – 13)
(8 – 14)
+
−
Trừ vi cho vi trong (8-13) cho ta:
+
+
vi vo − vi
=
R
Rf
1
+
Do vi = vin , ta có:
Rf R + Rf
vo
vin
1
=1+
=
(8 – 15)
R
R
1
1
Ở phương trình (8 – 8), đối với bộ khuếch đại thuật toán không đảo, khi vi+ = 0, giả sử
|A| = vô cùng, cho vi- = 0(đất ảo), vi- = vi+. Cũng vây, trong cấu hình không đảo, giả sử
tương tự cũng cho kết quả giống nhau: vi- = vi+ (biểu thức 8-3). Như thế, chúng ta đi
đến kết luận quan trọng chung đó là hồi tiếp cùng với hệ số khuếch đại điện áp rất lớn,
gây nên điện áp ở ngõ vào đảo và ngõ vào không đảo xấp xỉ bằng nhau.
Biểu thức 8-15 cho thấy là độ lợi vòng kín của mạch đại không đảo, cũng như của
mạch đại đảo, chỉ phụ thuộc vào giá trị của điện trở bên ngoài. Một ưu điểm nữa của
bộ khuếch đại không đảo là trở kháng ngõ vào được nhìn bởi vin là vô cùng lớn, hoặc ở
rất lớn đối với một bộ khuếch đại thực tế. Bộ khuếch đại đảo và không đảo được sử
dụng trong ứng dụng nhân điện áp, với điện áp được nhân lên bởi một hằng số cố định,
hoặc hệ số tỉ lệ. Hằng số nhân lên trong bộ khuếch đại đảo là Rf/R1 (có thể nhỏ hơn 1),
và nó là 1 + Rf/R1 (luôn luôn lớn hơn 1) trong bộ khuếch đại không đảo. Phạm vi rộng
của các hằng số có thể được thực hiện cách chọn Rf và R1 cho thuận tiện khi tỷ số hệ số
Trang 8.5
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
khuếch đại là Rf/R, và ít thuận tiện hơn trong trường hợp tỉ lệ hệ số khuếch đại là 1 +
Rf/R1. Vì lý do đó, bộ khuếch đại đảo được sử dụng nhiều trong những ứng dụng nhân
điện áp chính xác.
Người đọc có thể tự hỏi tại sao lại cần thiết sử dụng một bộ khuếch đại để nhân điện áp
lên bằng một số nhỏ hơn 1, bởi vì điều này có thể được thực hiện đơn giản bằng 1 bộ
chia áp?. Câu trả lời này là bộ khuếch đại đó cung cấp một hệ số khuếch đại công suất
để lái 1 tải. Cũng vậy, bộ khuếch đại lý tưởng có trở kháng ngõ ra là 0 vì vậy điện áp
ngõ ra không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trở kháng của tải.
Hình 8 – 6: Bộ đệm áp
Hình 8-6 trình bày 1 trường hợp đặc biệt của bộ khuếch đại không đảo, được sử dụng ở
các ứng dụng khuếch đại công suất và cách ly trở kháng ở phần sơ cấp. Chú ý rằng Rf =
0 và R1 = vô cùng, vì vậy, với công thức 8-15, độ lợi vòng kín là vo/vin = 1 + Rf/R1 = 1.
Cấu hình này được gọi là bộ theo điện áp bởi vì vo có độ lớn và pha tuơng tự như vin.
Như một BJT theo cực E, nó có trở kháng vào lớn và trở kháng ngõ ra nhỏ, và được sử
dụng như một bộ khuếch đại đệm giữa nguồn trở kháng cao và một tải trở kháng thấp.
8.2 MẠCH CỘNG, MẠCH TRỪ VÀ MẠCH NHÂN
Mạch cộng điện áp
Như phần trên, chúng ta có thể khuếch đại tỉ lệ tín hiệu điện áp, tức là nhân nó với 1 hằng
số thông qua việc lựa chọn các điện trở bên ngoài, các điện trở này quyết định độ lợi
vòng kín của 1 mạch khuếch đại. Điều này đều có thể được thực hiện trên mạch khuếch
đại đảo và không đảo. Ta cũng có thể cộng các tín hiệu điện áp trên 1 opamp cùng 1 lúc
với hệ số tỉ lệ khác nhau. Ví dụ, với tín hiệu ngõ vào v1, v2, và v3, ta có thể tạo biểu thức
ngõ ra như sau: 2v1 + 0.5v2 + 4v3, gọi là tổ hợp tuyến tính của v1, v2, và v3, và mạch này
được gọi là mạch tổ hợp tuyến tính.
Hình 8 – 7 trình bày 1 mạch khuếch đại đảo có thể được sử dụng để cộng tỉ lệ 3
tín hiệu ngõ vào. Chú ý rằng 3 tín hiệu ngõ vào v1, v2, và v3 được cung cấp qua 3 điện trở
R1, R2, và R3 vào mạch khuếch đại với Rf là điện trở hồi tiếp (Rc là điện trở bù offset).
Ta có phương trình dòng điện tại 3 ngõ vào bộ khuếch đại :
i1 + i2 + i 3 = if
(8 – 16)
Trang 8.6
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Hình 8 – 7: Mạch khuếch đại opamp cho ngõ ra là tổng (đảo) của các tỉ lệ tín hiệu vào
Điện áp tại ngõ vào (-) opamp bằng 0, kết hợp với phương trình 8 – 16 , ta có:
v1 v2 v3 − vo
+
+
=
(8 – 17)
R1 R2 R3
Rf
Ta tính được vo :
R
Rf
R2
Rf
R3
f
3
vo = −
v1 +
v2 +
v
(8 – 18)
R1
Phương trình 8 – 18 cho thấy ngõ ra là tổng đảo của các ngõ vào đã được tỉ lệ khác nhau,
gọi lả tổng có trọng số, hoặc là tổ hợp tuyến tính các ngõ vào. Bằng cách chọn các giá
trị hợp lý cho R1, R2 và R3, ta có thể tạo ra các hệ số tỉ lệ cần thiết và phù hợp thực tế.
Nếu chọn R1 = R2 = R3 = R, ta có:
− Rf
R
vo =
(v1 + v2 + v3 )
(8 – 19)
và nếu Rf = R,
vo = −(v1 + v2 + v3 )
(8 – 20)
Theo lý thuyết, có thể mở rộng thành 2, 3 hay bao nhiêu ngõ vào cũng được. Tỉ lệ hồi
tiếp của mạch là:
Rp
Rp + Rf
β =
(8 – 21)
với Rp = R1 || R2 || R3. Với giá trị β này, ta có thể áp dụng phần lý thuyết ở chương trước
để xác định tất cả các đặc tính phụ thuộc vào β , bao gồm băng thông vòng kín và offset
ngõ ra VOS(Vio). Giá trị tốt nhất của điện trở bù dòng phân cực là:
Rc = Rf || Rp = Rf || R1 || R2 || R3
(8 – 22)
Trang 8.7
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Ví dụ 8 – 2:
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
1. Thiết kế một mạch khuếch đại opamp cho phương trình sóng ngõ ra là –(4v1 + v2
+ 0.1v3).
2. Viết biểu thức và vẽ dạng sóng ngõ ra khi v1 = 2sinω t, v2 = +5V dc, và v3 = -
100V dc.
Giải:
1. Chúng ta chọn tùy ý Rf = 60 kΩ
Rf
R1
Rf
R2
Rf
R3
60kΩ
= 4 ⇒ R1 =
= 1⇒ R2 =
= 15kΩ
= 60kΩ
4
60kΩ
1
60kΩ
0.1
= 0.1⇒ R3 =
= 600kΩ
Với phương trình 8 – 22, giá trị tốt nhất cho điện trở bù là Rc = Rf || R1 || R2 || R3 =
(60kΩ ) || (15kΩ ) || (60kΩ ) || (600kΩ ) = 9.8 kΩ . Sơ đồ mạch như hình 8 – 8:
Hình 8 – 8 (Thí dụ 8 – 2)
Trang 8.8
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Hình 8 – 9: (Thí dụ 8 – 2)
2. vo = −[4(2sinωt) +1(5) + 0.1(−100)] = −8sinωt − 5 +10 = 5 − 8sinωt.
Ngõ ra có dạng sin với offset là -5V và thay đổi giữa 5- 8 = -3V và 5 + 8 = 13V.
Dạng sóng như hình 8 – 9.
Hình 8 – 10 là mạch tổ hợp tuyến tính không đảo dùng opamp. Ở ví dụ này, chỉ có
hai ngõ vào với áo ngõ ra là:
Rg + Rf
R2
R1 + R2
R1
R1 + R2
2
vo =
v1 +
v
(8 – 22)
Rg
Hình 8 – 10 : Mạch tổ hợp tuyến tính không đảo
Mặc dù mạch này không đảo tổng các tỉ lệ ngõ vào, nhưng nó lại phiền hà hơn mạch đảo,
chẳng hạn như việc chọn giá trị các điện trở để cho các hệ số tỉ lệ chính xác. Cũng như
Trang 8.9
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
vậy, dạng sóng ngõ ra bị giới hạn bởi phương trình K[av1 + (1 – a)v2] với K và a các hằng
số dương. Việc đảo pha thường không quan trọng, ngoại trừ trong 1 số ứng dụng đòi hỏi
tổng không đảo, khi đó ta chỉ cần sử dụng 1 mạch cộng đảo nối với 1 mạch đảo với độ lợi
đơn vị (bằng 1).
Mạch trừ
Giả sử, chúng ta tạo một dạng sóng ngõ ra bằng độ chênh lệch 2 tín hiệu ngõ vào, điều
này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng mạch khuếch đại ở chế độ vi sai, với các tín
hiệu được đưa qua các điện trở nối với ngõ vào đảo và không đảo như hình 8 – 11. Ta sử
dụng phương pháp chồng chất để xác định điện áp ngõ ra. Đầu tiên, giả sử rằng v2 được
nối đất, ta có:
R2
R1 + R2
+
v =
v1
(8 – 23)
nên:
R3 + R3
R3 + R4
R2
R1 + R2
+
vo1 =
v =
v1
(8 – 24)
R3
R3
Hình 8 – 11: Sử dụng bộ khuếch đại ở chế độ vi sai để tạo tín hiệu ngõ ra tỷ lệ với sai
biệt 2 tín hiệu ngõ vào
Bây giờ, giả sử v1 nối đất, ta có:
− R4
vo2
=
v2
(8 – 25)
R3
Vì vậy, ngõ ra là:
Trang 8.10
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
R3 + R4
R2
R1 + R2
R4
R3
vo = vo1 + vo2
=
v1 −
v2
(8 – 26)
R3
Phương trình 8 – 26 cho thấy ngõ ra tỉ lệ với sai biệt của 2 tín hiệu ngõ vào đã
được nhân hệ số. Để ngõ ra có dạng:
vo = A(v1 − v2 )
(8 – 27)
với A là hằng số, ta phải chọn các giá trị điện trở như sau:
R1 = R3 = R và R2 = R4 = AR
(8 – 28)
Thay thế vào phương trình (8 – 26), ta được:
R + AR
AR
R + AR
AR
R
AR
R
AR
R
v −
v2 =
v1 −
v2 = A(v1 − v2 )
1
R
Khi đó, điện trở bù phân cực (R1 || R2) chính là (R3 || R4), bằng R || AR.
Giả sử dạng sóng ngõ ra hình 8 – 11 có dạng:
vo = a1v1 – a2v2
(8 – 29
với a1 và a2 là hằng số dương. Theo phương trình 8 – 26, ta có:
R4
R2
a1 = 1+
(8 – 30)
(8 – 31)
R3 R1 + R2
và
R4
a2 =
R3
Thay thế phương trình (8 – 31) vào phương trình (8 – 30) cho ta:
R2
a1 = (1+ a2 )
R1 + R2
(8 – 32)
Nhưng R2/(R1+R2) luôn nhỏ hơn 1. Vì vậy, nếu sử dụng sơ đồ mạch hình 8 – 11 để tạo
sóng ngõ ra có dạng vo = a1v1 – a2v2, thì phải có điều kiện:
(1 + a2) > a1
Ví dụ 8 – 3 14 – 2
(8 – 33)
Thiết kế mạch khuếch đại dùng opamp tạo sóng ngõ ra vo = 0.5v1 – 2v2.
Giải
Trang 8.11
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Chú ý rằng a1 = 0.5 và a2 = 2, vì vậy (1 + a2) > a1, nên ta có thể thiết kế mạch như hình
14 – 5.
So sánh vo với phương trình 8 – 30, ta phải có:
R
R2
4
1+
= 0.5
R3 R1 + R2
và
R4
R3
= 2
Ta sẽ chọn tùy ý R4 = 100 kΩ suy ra , R3 = R4/2 = 50 kΩ . Vì vậy
R
R2
3R2
R1 + R2
4
1+
=
= 0.5
R3 R1 + R2
Chọn tùy ý R2 = 20 kΩ , ta có:
3(20kΩ)
= 0.5
R1 + (20kΩ)
60kΩ = 0.5R1 + (10kΩ)
R1 =100kΩ
Sơ đồ mạch như hình vẽ 8 – 12.
Hình 8 – 12 (Thí dụ 8 – 3)
Trong ví dụ, ta chú ý rằng điện trở bù (R1 || R2 = (100kΩ ) || (20kΩ ) = 16.67 kΩ )
không phải là giá trị tối ưu (R3 || R4 = (50kΩ ) || (100kΩ ) = 33.3 kΩ ). Bằng phép toán
khá phức tạp, ta có thể ép đặt thêm điều kiện R1 || R2 = R3 || R4 và vì vậy, giá trị điện trở
Trang 8.12
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
bù đạt được tối ưu. Với vo = a1v1 – a2v2, có thể chứng minh rằng điện trở bù (R1 || R2) đạt
được tối ưu khi ta chọn các điện trở như sau:
R4 = a1R1 = a2R3 = R2(1 + a2 – a1)
(8 – 34)
Theo tiêu chuẩn thiết kế, người ta chọn R4 và tìm R1, R2 và R3. Trong ví dụ 8 – 3, a1 = 0.5
và a2 = 2. Nếu ta chọn R4 = 100kΩ , thì R1 = (100kΩ )/0.5 = 200 kΩ , R2 = (100kΩ )/2.5
= 40kΩ , và R3 = (100kΩ )/2 = 50kΩ . Việc chọn các giá trị điện trở này cho ta: R1 || R2
= 33.3kΩ = R3 || R4, thỏa yêu cầu.
Mặc dù sơ đồ mạch hình 8 – 11 rất hữu ích và tiết kiệm để lấy sai phân tín hiệu
điện áp theo dạng A(v1 – v2), nhưng nó lại phức tạp và có những hạn chế khi ta muốn có
dạng sóng ngõ ra vo = a1v1 – a2v2. Để thực hiện điều này (sai phân của tỉ lệ khác nhau 2
tín hiệu vào), ta sử dụng 2 bộ khuếch đại đảo như hình 8 – 13. Ngõ ra của bộ khuếch đại
thứ nhất là:
− R2
R1
vo1 =
v1
(8 – 35)
và ngõ ra bộ khuếch đại thứ hai là:
R5
R3
R5
R4
R5 R2
R3 R1
R5
R4
vo2 = −
vo1 +
v2
=
v1 −
v2
(8 – 36)
Phương trình này cho thấy ta có thể uyển chuyển lựa chọn các giá trị điện trở khác nhau
để có được dạng sóng vo = a1v1 – a2v2, bởi vì có rất nhiều cách kết hợp để thỏa:
R5 R2
R3 R1
R5
R4
= a1 và
= a2
(8 – 37)
Hơn nữa, ở đây không có giới hạn trong việc chọn a1 cũng như a2, và không còn rắc rối
trong việc thiết lập giá trị tối ưu cho Rc.
Hình 8 – 13
Sử dụng 2 bộ khuếch đại đảo để tạo sóng ngõ ra vo = a1v1 – a2v2
Trang 8.13
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Thí dụ 8 – 4
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Thiết kế mạch khuếch đại dùng op amp sử dụng cấu hình có 2 bộ đảo với sóng ngõ ra vo
= 10v1 – 0.2v2. (Chú ý 1 + a2 = 1.2 < 20 = a1, vì vậy không thể sử dụng mạch sai phân
như hình 8 – 11.)
Giải
Có rất nhiều cách lựa chọn các điện trở đến nỗi ta có thể chọn trực tiếp, mà không cần
phải sử dụng phương trình số học như (8 – 34).
Hình 8 – 14 (Thí dụ 8 – 4)
Trang 8.14
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Chẳng hạn như chúng ta có thể bắt đầu bằng việc thiết kế bộ khuếch đại đầu tiên để tạo -
20v1. Chọn R1 = 10 kΩ và R2 = 200 kΩ . Kế tiếp, bộ khuếch đại thứ hai cần phải đảo -
20v1, và tạo ra 0.2v2. Chọn R5 = 20 kΩ . Do R5/R3 = 1 => R3 = 20 kΩ và R5/R4 = 0.2 =>
R4 = 100 R5/R3.
Toàn bộ việc thiết kế được trình bày ở hình 8 – 14(a). Hình 8 – 14(b) là một đáp án khác,
với tầng khuếch đại thứ nhất tạo -10v1, và tầng khuếch đại thứ hai thực hiện mạch nhân
với hằng số -2. Các giá trị điện trở được tính toán như trên hình vẽ.
8.3 MẠCH TÍCH PHÂN VÀ VI PHÂN
Mạch tích phân
Mạch tích phân là mạch mà dạng sóng ngõ ra tại một thời điểm bất kỳ có giá trị bằng với
tổng diện tích phía dưới dạng sóng tín hiệu vào tính tới thời điểm đang xét (trong phép
tính tích phân, phương pháp tính này là một hàm biến đổi theo thời gian ∫t0vin(t)dt.) Để
mô tả khái niệm này, giả sử ngõ vào mạch tích phân là tín hiệu DC mức E volt được đưa
vào mạch tích phân tại thời điểm t=0. Xem hình 8-17. Đồ thị dạng sóng DC theo thời
gian là một đường nằm ngang song song với trục hoành tại mức E volt, vì mức điện áp dc
là hằng số. Thời gian tín hiệu qua mạch càng lâu thì diện tích phía dưới đường tín hiệc
DC càng cao. Tại thời điểm t bất kỳ, tổng diện tích bên dưới đường tín hiệu dc giữa thời
điểm 0 và thời điểm t là Et. Ví dụ, nếu E=5V dc, thì ngõ ra sẽ là 5V tại thời điểm t=1s,
10V tại t=2s …ta thấy rằng điện áp ra la một đoạn dốc vo(t)=Et
Hình 8-17: Ngõ ra mạch tích phân tại t giây, Et, với sóng ngõ vào
Khi tín hiệu vào mạch tích phân thực tế là tín hiệu DC thì tín hiệu ra sẽ tăng tuyến tính
theo thời gian như trong hình 8-17 và sẽ đạt đến mức điện áp ngõ ra lớn nhất có thể có
của mạch đại và quá trình tích phân sẽ dừng ở đó. Nếu điện áp vào xuống mức âm trong
một khoảng thời gian nhất định thì diện tích dương đã tích luỹ trước đó trừ đi diện tích
trong khoảng thời gian xuống mức âm sẽ làm giảm điện áp ra. Do đó, ngõ vào phải có
mức dương và âm theo chu kỳ để tránh cho ngõ ra của mạch tích phân đạt đến mức giới
hạn âm hoặc dương. Ta sẽ tìm hiểu quá trình này kỹ hơn ở phần dạng sóng. Hình 8-18 là
một mạch tích phân dùng đại thuật toán. Mạch đại có tụ C hồi tiếp về nên là mạch đại
đảo. Bên cạnh những giả thiết của một mạch đại lý tưởng thông thường, ta giả thiết ngõ
vào offset là 0, thì tín hiệu DC bất kỳ ở ngõ vào sẽ được lấy tích phân như hình 8-17 và
cuối cùng sẽ làm cho mạch đại bão hoà. Dùng ký hiệu chuẩn ∫t0 v dt để biểu diễn tích
phân điện áp v giữa thời điểm 0 và thời
Trang 8.15
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
điểm t, ngõ ra của mạch là:
−1
vo(t)
=
t vin dt
(8-40)
∫
0
R1C
Từ phương trình 8-40, ngõ ra là tích phân (đảo) của ngõ vào, nhân với hằng số 1/ R1C .
Nếu mạch này dùng để tích hợp dạng sóng DC như trong hình 8-17 thì ngõ ra sẽ là một
đoạn dốc xuống theo chiều âm (v0 = −Et / R1C) .
Ta sẽ chứng minh tại sao mạch trong hình 8-18 là mạch tích phân. Khi dòng vào mạch là
0, theo định luật Kirchhoff về dòng điện ta có:
i1 + iC = 0
(8-41)
Hình 8-18: Mạch tích phân lý tưởng
Trong đó i1 là dòng từ ngõ vào qua R1 và ic là dòng hồi tiếp qua tụ. Khi v- = 0, dòng qua
tụ là:
dv0
dt
iC = C
(8-42)
(8-43)
vì vậy:
hoặc:
vin
dv0
dt
+ C
R1
= 0
dv0
=
−1
R1C
vin
(8-44)
(8-45)
dt
Lấy tích phân hai vế theo t ta có:
−1
vo =
t vin dt
∫
0
R1C
Trang 8.16
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Phép tính tích phân của sóng sine Asinωt là:
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
− A
− A
ω
(Asinωt)dt =
(sin(ωt + 900 ) =
cos(ωt)
∫
ω
Khi tín hiệu vào mạch tích phân đảo trong hình 8-18 là vin = Asinωt thì ngõ ra là:
−1
R1C
− A
ωR1C
A
ωR1C
vo =
(Asinωt)dt =
(−cosωt) =
cosωt
(8-46)
∫
Từ phương trình 8-46 ngõ ra của mạch tích phân có ngõ vào dạng sine là một tín hiệu
sine có biên độ dao động tỷ lệ nghịch với tần số của nó. Ví dụ, nếu tín hiệu vào dạng sine
tần số 100Hz cho ngõ ra co biên độ đỉnh là 10V thì với cùng điều kiện như vậy, một sóng
sine tần số 200Hz sẽ cho ngõ ra có biên độ đỉnh là 5V. Chú ý là ngõ ra sớm pha so với
ngõ vào 90o ở bất kể tần số nào vì cosωt = sin(ωt + 90o)
Ví dụ 8-8:
1.
Tìm giá trị đỉnh của tín hiệu ngõ ra mạch tích phân trong hình 8-19 với ngõ vào
là: vin=0.5 sin(100t) V
2.
Làm lại khi vin=0.5 sin(103t) V
Hình 8-19: (Thí dụ 8 – 8)
Giải:
1.
Từ phương trình 8-46:
A
0.5
100(105 )(10−8 )
vo =
cos(ωt) =
cos(100t) = 5cos(100t)V
ωR1C
giá trị đỉnh là 5 V
2.
Từ phương trình 8-46:
0.5
vo =
cos(1000t) = 0.5cos(1000t)V
1000(105 )(10−8 )
giá trị đỉnh là 0.5 V
Trang 8.17
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Ví dụ 8-8 cho thấy khi tần số tăng lên 10 lần sẽ làm cho biên độ ngõ ra giảm xuống 10
lần. Tương tự đối với giản đồ Bode, độ lợi của mạch tích phân lý tưởng sẽ có độ dốc -
20dB/decade hay -6dB/octave. Độ lớn (giá trị tuyệt đối) của độ lợi là tỷ số giữa giá trị
đỉnh của ngõ ra và giá trị đỉnh của ngõ vào.
A
ωR1C
A
v0
vin
1
=
=
(8-47)
ωR1C
phương trình này cho thấy độ lợi tỷ lệ nghịch với tần số. Giản đồ Bode trong trường hợp
R1C= 0.001 trong hình 8-20.
Vì biên độ ngõ ra mạch tích phân giảm theo tần số nên nó là một dạng của mạch lọc
thông thấp. Mạch này đôi khi còn được gọi là mạch xén vì biên độ của thành phần cao
tần có dạng sóng phức tạp sẽ bị giảm xuống, như thế sẽ xén đi gai điện áp xuất hiện trong
dạng sóng. Đặc điểm này thường được sử dụng để giảm nhiễu cao tần trong tín hiệu.
Mạch tích phân cũng được sử dụng trong các máy tính tương tự để tìm thời gian thực cho
các phương trình vi phân.
Hình 8-20: Biểu đồ Bode
mạch tích phân lý tưởng, với
R1C = 0.001
Mạch tích phân thực tế
Mặc dù có chất lượng cao, các mạch tích phân chính xác như trong hình 8-18 dùng trong
các ứng dụng tần số thấp như máy tính tương tự, nhưng các ứng dụng này đòi hỏi mạch
đại chất lượng cao với điện áp offset rất nhỏ hoặc thiết bị ngắt ổn định. Như đã đề cập,bất
kỳ offset nào đều tạo tín hiệu tích phân ngõ ra, vì nó được xem như 1 tín hiệu DC , thậm
chí nó còn gây ra bão hòa mạch khuếch đại. Để tránh vấn đề này, mạch tích phân thực tế
sử dụng một điện trở mắc song song với tụ hồi tiếp như trong hình 8-21. Khi tụ làm hở
mạch ở DC, mạch tích phân chỉ đáp ứng với tín hiệu DC khi và chỉ khi nó là mạch đại
đảo. Nói cách khác, độ lợi vòng mạch kín ở DC của mạch tích phân là –Rf/R1. Ỏ tần số
cao, trở kháng của tụ điện nhỏ hơn rất nhiều so với so với Rf nên nhánh song song C và
Rf xem như chỉ có C và tín hiệu được tích phân như bình thường.
Trang 8.18
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Trong khi điện trở hồi tiếp ở hình 8-21 ngăn sự hợp lại của các ngõ vào DC, nó cũng làm
giảm sự hợp lại của các tín hiệu tần số thấp. Tại các tần số mà dung kháng của tụ C có thể
so sánh được với Rf, trở kháng hồi tiếp không lớn hơn nhiều so với dung kháng thì tích
hợp không xảy ra. Tích hợp chỉ xảy ra tại tần số lớn hơn nhiều so với tần số mà tại đó
XC=Rf. Để tích phân xảy ra ta cần có:
XC << Rf
1
<< Rf
2πfC
hoặc
1
f >>
(8-48)
2πRf C
Tần số fc tại đó XC=Rf là:
1
fc =
(8-48a)
2πRf C
xác định tần số gãy trên giản đồ Bode của mạch tích phân thực tế. Như trong hình 8-22,
tại tần số ở phía trên fc, độ lợi giảm xuống theo tỷ lệ -20dB/decade, giống với mạch tích
phân lý tưởng, và tại tần số ở phía dưới fc độ lợi đạt tới giá trị DC của nó là Rf/R1
Hình 8-21:
Điện trở R1 được mắc song song với C làm cho mạch tích phân thực tế giống như mạch
đảo với các ngõ vào dc và giống như mạch tích phân với các ngõ vào tần số cao.
Trang 8.19
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH
Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Hình 8-22:
Biểu đồ Bode của mạch tích phân thực tế, cho thấy tính tích phân xuất hiện tại các tần
số trên 1/(2πRf C)Hz
Ví dụ 8-9:
Thiết kế mạch tích phân thực tế:
1.
2.
tích phân những tín hiệu có tần số thấp hơn 100Hz
Cung cấp biên độ đỉnh ngõ ra là 0.1V khi biên độ đỉnh ngõ vào là 10V, sóng sine
tần số 10kHz.
Tìm thành phần dc ở ngõ ra khi ngõ vào là 50mV DC.
Giải:
Để tích phân tín hiệu có tần số nhỏ hơn 100Hz, fc<< 100Hz. Ta chọn fc nhỏ hơn 100Hz :
fc=10Hz. từ phương trình 8-48a:
1
fc = 10 =
2πRf C
chọn C = 0.01µF khi đó:
1
10 =
2πRf (10−8 )
hay
1
2π (10)(10−8 )
Để thỏa yêu cầu 2 ta phải chọn R1 sao cho độ lợi tại tần số 10kHz là:
Rf =
= 1.59ΜΩ
v0
vin
0.1V
10V
=
= 0.01
Giả sử ta bỏ qua Rf tại tần số này, độ lợi sẽ bằng với độ lợi trong mạch tích phân lý tưởng
cho bởi phương trình 8-47:
Trang 8.20
Tải về để xem bản đầy đủ
27 trang
20400
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 8: Các mạch ứng dụng Opamp", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_ky_thuat_dien_tu_chuong_8_cac_mach_ung_dung_opamp.pdf
