›
›

Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Chương 5: Vi mạch khuếch đại thuật toán

pdf 39 trang phuongnguyen 9550
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Chương 5: Vi mạch khuếch đại thuật toán", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_ky_thuat_dien_tu_chuong_5vi_mach_khuech_dai_thuat.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Chương 5: Vi mạch khuếch đại thuật toán

  1. 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 Electronic technical – HiepHV KTMT
  2. Kỹ thuật điện tử 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 Electronic technical – HiepHV KTMT
  3. Nội dung chương 5  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 Electronic technical – HiepHV KTMT
  4. Nội dung chương 5  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 Electronic technical – HiepHV KTMT
  5. 5.1. Tổng quan về vi mạch khuếch đại thuật toán  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. Electronic technical – HiepHV KTMT
  6. Cấu tạo 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. Electronic technical – HiepHV KTMT
  7. Cấu tạo (tiếp)  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
  8. Electronic technical – HiepHV KTMT
  9. Nội dung chương 5  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 Electronic technical – HiepHV KTMT
  10. 5.2. Các thông số kỹ thuật 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. Electronic technical – HiepHV KTMT
  11. 5.2. Các thông số kỹ thuật  Mạch tương đương đơn giản Electronic technical – HiepHV KTMT
  12. 5.2. Các thông số kỹ thuật  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: v0 AOL vd  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 Electronic technical – HiepHV KTMT
  13. 5.2. Các thông số kỹ thuật  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. Electronic technical – HiepHV KTMT
  14. 5.2. Các thông số kỹ thuật  Vi mạch KĐTT lý tưởng  Sơ đồ tương đương: U U I I 0 Electronic technical – HiepHV KTMT
  15. Nội dung chương 5  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 Electronic technical – HiepHV KTMT
  16. 5.3. Ứng dụng  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 Electronic technical – HiepHV KTMT
  17. a) Mạch khuếch đại đảo  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. U U 0  Tính toán đầu ra U : 2 I I 0 Electronic technical – HiepHV KTMT
  18. Mạch khuếch đại đảo  Xét tại nút A, ta có: I1 I I 2 0 U U U U 1 0 2 0 R1 R2  Thay U 0 vào ta có R2 U 2 .U1 R1  Nhận xét: R2  Điện áp vào được khuếch đại lên tỷ lệ lần. R1  Điện áp ra ngược pha với điện áp vào. Electronic technical – HiepHV KTMT
  19. b) Mạch khuếch đại không đảo  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. U U U1  Tính toán đầu ra U2: I I 0 I1 I I 2 0 0 U U U  Xét tại nút A, ta có: 0 2 0 R1 R2 Electronic technical – HiepHV KTMT
  20. b) Mạch khuếch đại không đảo  Thay U U1 vào ta có: U U U 1 1 2 0 R1 R2 R2 U 2 U1 1 R1  Nhận xét: R 1 2  Điện áp vào được khuếch đại lên tỷ lệ R1 lần. Như vậy, điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào về biên độ.  Điện áp ra cùng pha với điện áp vào. Electronic technical – HiepHV KTMT
  21. c) Mạch cộng đảo  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. Electronic technical – HiepHV KTMT
  22. c) Mạch cộng đảo (tiếp) Xét tại nút A, ta có: I1 I 2 I I ht 0 U U U U U U 1 2 0 r 0 R1 R1 R1 Thay U- vào ta có: U U U 1 2 r 0 R1 R1 R1 U r U1 U 2 Nhận xét: Điện áp ra sẽ là tổng các điện áp vào, lấy đảo dấu. Electronic technical – HiepHV KTMT
  23. c) Mạch cộng đảo (tiếp)  Tổng quát: đối với trường hợp nhiều đầu vào, mạch cộng đảo được thực hiện như sau: N U r i .U i i 1 Electronic technical – HiepHV KTMT
  24. d) Mạch cộng không đảo U U U A U B I I 0  Mạch có tín 2 tín hiệu vào được đưa song song đến đầu vào không đảo Electronic technical – HiepHV KTMT
  25. d) Mạch cộng không đảo (tiếp)  Xét tại nút A, ta có: I 0 I I ht 0 0 U U U A A r 0 R2 R2 U U r A 2 I I I 0  Xét tại nút B, ta có: 1 2 U U U U 1 B 2 B 0 R1 R1 U U U 1 2 B 2 U U  Thay A B vào ta có: U r U1 U 2 Electronic technical – HiepHV KTMT
  26. d) Mạch cộng không đảo (tiếp)  Tổng quát: đối với trường hợp nhiều đầu vào, mạch cộng không đảo được thực hiện như sau: N 2. i.Ui i 1 U r N i i 1 Electronic technical – HiepHV KTMT
  27. e) Mạch trừ U U U A U B I I 0  Trong mạch trừ  Một đầu vào đưa đến đầu vào đảo  Đầu vào còn lại đưa đến đầu vào không đảo Electronic technical – HiepHV KTMT
  28. e) Mạch trừ (tiếp)  Xét tại nút A, ta có: I1 I I ht 0 U U U U 1 r 0 R2 R2 U U U 1 r 2  Xét tại nút B, ta có: I 2 I 0 I 0 U U 0 U 2 0 R1 R1 U U 2 2  Thay U U vào ta có: U r U 2 U1 Electronic technical – HiepHV KTMT
  29. f) Mạch cộng trừ tổng quát Electronic technical – HiepHV KTMT
  30. f) Mạch cộng trừ tổng quát (tiếp)  Tính Ur N N  Nếu ' i i i 1 i 1 NN '' UUUr i i i i ii11  Chứng minh??? Electronic technical – HiepHV KTMT
  31. g) Mạch tích phân dU  Đặc tính điện của tụ điện: i C. C dt  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 U U 0 I I 0 Electronic technical – HiepHV KTMT
  32. g) Mạch tích phân (tiếp)  Xét tại nút A, ta có: I1 I I C 0 U 0 dU 1 C. r 0 R dt 1 U U dt r RC 1  Như vậy, tín hiệu ra chính là tích phân của tín hiệu vào có đảo dấu. Electronic technical – HiepHV KTMT
  33. h) Mạch vi phân  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 U U 0 I I 0 Electronic technical – HiepHV KTMT
  34. h) Mạch vi phân  Xét tại nút A, ta có: I C I I ht 0 dU U U C. 1 r 0 dt R dU U RC. 1 r dt  Như vậy, tín hiệu ra chính là vi phân của tín hiệu vào có đảo dấu Electronic technical – HiepHV KTMT
  35. Bài tập 5.1  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 Electronic technical – HiepHV KTMT
  36. Bài tập 5.2  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 Electronic technical – HiepHV KTMT
  37. Bài tập 5.3  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 Electronic technical – HiepHV KTMT
  38. Bài tập 5.4  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 Electronic technical – HiepHV KTMT
  39. Bài tập 5.5  a. Tính điện áp ra Ur. 2R2  b. Cho R2=R1, E=+9V, R1 2R2 Uv là điện áp tam giác đối +E Uv Ur R1 xứng qua gốc tọa độ, biên độ ±5V, chu kỳ -E T=20ms. Vẽ dạng điện áp ra Ur và tính toán các tham số của Ur. Electronic technical – HiepHV KTMT