1. Trang Chủ
  2. Điện - Điện tử
  3. Bài giảng Điện tử 2: Phần 2 - Trường ĐH Công nghệ Sài Gòn

Bài giảng Điện tử 2: Phần 2 - Trường ĐH Công nghệ Sài Gòn

Bài giảng môn Điện tử 2 giới thiệu đến sinh viên các nội dung về một loại linh kiện tích hợp (IC) dạng Analog được gọi là Op Amp hay khuếch đại thuật toán. Phần 2 của bài giảng có nội dung trình bày về: mạch tạo tín hiệu bằng Op Amp; mạch khuếch đại đo lường; mạch ứng dụng Op Amp;... Mời các bạn cùng tham khảo! GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP [ 1 – 2009 ] CHƯƠNG 5 5.1. MẠCH VI PHÂN – MẠCH TÍCH PHÂN : Trong các chương trước, mạch khuếch đại Op Amps được xây dựn

Thể loại Tài liệu miễn phí Điện - Điện tử

Số trang 77

Ngày tạo 4/8/2023 8:51:38 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 4.46 M

Tên tệp

Tải Bài giảng Điện tử 2: Phần 2 - Trường ĐH Công nghệ ... (.pdf)

Xem mẫu

  1. GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP [ 1 – 2009 ] CHƯƠNG 5 5.1. MẠCH VI PHÂN – MẠCH TÍCH PHÂN : Trong các chương trước, mạch khuếch đại Op Amps được xây dựng với phần tử điện trở. Trong chương 5, mạch khuếch đại Op Amps được liên kết với các phần tử khác có thể không phải là phần tử điện trở. Dạng mạch tổng quát trong trường hợp được trình bày trong hình H.5.1. Với dạng mạch khuếch đại ngõ vào đảo có hồi tiếp, ta có hai trường hợp sau tùy thuộc vào giá trị và tính chất của các tổng trở ZF và ZG . 1 1 Khi Z G  R G  j.0  R G và ZF  0  j.X C   , trong đó toán tử s = j.; C.j s.C ta có mạch khuếch đại trong hình H.5.1 được gọi là mạch tích phân. 1 1 Ngược lại khi Z G  0  j.X C   và ZF  R F  j.0  R F , trong đó toán C.j s.C tử s = j.; ta có mạch khuếch đại trong hình H.5.1 được gọi là mạch vi phân. 5.1.1. MẠCH TÍCH PHÂN: Trong hình H.5.2. trình bày dạng mạch tích phân; phương pháp khảo sát được áp dụng trong trường hợp này vẫn là phương trình điện thế nút hay định luật Kirchhoff 1, đồng thời áp dụng các giả thiết của Op Amp lý tưởng như đã khảo sát trong các chương trên. Tại nút b ta có phương trình bảo toàn dòng điện như sau: Vb  Vin  iC  iin  0 (5.1) RG Trong đó: d  Vb  Vout  iC  C (5.2) dt Khi áp dụng giả thiết Op Amp lý tường, ta có các kết quả sau: iin- = 0 và Vb = Va = 0, từ (5.10 và (5.2) suy ra:  Vin dV  C out  0 (5.3) RG dt STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT 105
  2. [ 1 – 2009 ] GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP Tóm lại ta có quan hệ sau: dVout  Vin  (5.4) dt R G .C Nhân 2 vế của quan hệ (5.4) cho dt và tính tích phân xác định từ to đến t ta có quan hệ sau đây, trong đó to là thời điểm ban đầu và t là thời điểm bất kỳ xãy ra sau đó: t t  Vin  t o dVout      dt t o  R G .C  (5.5) Hay: 1 t Vout  t    R G .C t o Vin  t  .dt  Vout  t o  (5.6) Từ quan hệ (5.6) cho thấy điện áp trên ngõ ra của mạch Op Amp quan hệ với áp ngõ vào theo dạng tích phân đối với biến số thời gian. Trong Chúng ta cần chú ý các tính chất quan trọng sau đây: Khi áp dụng giả thiết Op Amp lý tưởng , điện thế tại nút b là Vb = 0 V; như vậy nút b xem như đẳng thế với điểm Gnd của mạch. Nói khác hơn, ta có Vout =  Vc ; với Vc là áp đặt ngang qua hai đầu tụ C. Như vậy, khi xác định giá trị của áp Vout ta cần chú ý đến điều kiện ban đầu tại thời điểm t bằng to. THÍ DỤ 5.1: Cho mạch tích phân như trong hình H.5.2. Biết RG = 10 kΩ và C = 0,1µF . Giả sử dạng tín hiệu Vin cấp vào mạch có dạng như trong hình H.5.3; và lúc ban đầu t = 0 tụ C chưa nạp điện tích, xác định điện áp Vout theo thời gian trên ngõ ra của mạch tích phân. GIẢi Trước tiên ta xác định quan hệ hàm theo thời gian t của áp Vin. Vin  1 V khi  0  t  1ms  (5.7) Vin  1 V khi  1  t  2 ms  (5.8) Hàm số Vin = f(t) có chu kỳ T = 2 ms. Xác định tích số (RG.C) , giá trị này còn được gọi là thời hằng của mạch tích phân. R GC  10.103.0,1.10 6  10 3 s  1ms Trong nửa chu kỳ đầu của tín hiệu áp Vin ta xác định áp Vout, áp dụng quan hệ (5.6) trong khoảng thời gian ( 0 ≤ t ≤ 1 ms) ta có kết quả như sau:  1   dt   t t t Vout  t   Vout  0      dt   0  1 0 Theo giả thiết cho trong đầu đề thí dụ, lúc t = 0; Vout(0) =  Vc(0) = 0 V ; suy ra tín hiệu tức thời của áp ngõ ra mạch tích phân có dạng như sau trong khoảng ( 0 ≤ t ≤ 1 ms): Vout  t    t  Vout  t    t  0   t (5.9) 106 STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT
  3. GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP [ 1 – 2009 ] Tại nửa chu kỳ sau của tín hiệu áp Vin trong khoảng thời gian ( 1 ≤ t ≤ 2 ms), áp dụng quan hệ (5.6) ta có kết quả như sau:  1    t t Vout  t   Vout  t o      dt  dt  t  t o (5.10) to  1  t0 Trong khoảng thời gian này to = 1 ms và giá trị Vout (to) trong quan hệ (5.10) chính là giá trị Vout (t) xác định theo quan hệ (5.9) tại thời điểm t = 1 ms. Suy ra quan hệ (5.10) được viết lại như sau: Vout  t   t  1  Vout  t  1ms   t  2 (5.11) Chú ý , trong các quan hệ tìm được theo (5.9) và (5.11) thời gian t có đơn vị là [ms] và điện áp có đơn vị là [V]. Áp dụng phần mềm mô phỏng NI Multisim để kiểm chứng kết quả, ta có các dạng điện áp tức thời Vin và Vout cho trong hình H.5.4 sau đây. H.5.4: Dạng điện áp tức thời của Vin và Vout trong thí dụ 5.1. THÍ DỤ 5.2: Cho mạch tích phân như trong hình H.5.5. Biết RG = 100 kΩ; C = 0,1µF; V1 = 8V; V2 = 10 V ; nguồn áp cung cấp cho Op Amp Vcc = ± 6V . Giả sử tại thời điểm ban đầu t = 0 s: tụ C đang nạp điện tích, điện áp đặt ngang qua hai đầu tụ là Vc = 5 V ; khóa SW ở vị trí c và lúc t = 9 ms khóa SW được di chuyển tức thời sang vị trí d. Xác định điện áp tức thời Vout . H.5.5 STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT 107
  4. [ 1 – 2009 ] GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP GIẢi Khi giải quyết bài toán này, trước tiên cần chú ý đến các điểm quan trọng như sau: Thời hằng của mạch tích phân : R GC  100.103.0,1.10 6  10 2 s  10 ms Điện áp ngang qua hai đầu tụ (đặc trưng cho năng lượng đang tích trữ trên tụ) tại thời điểm bắt đầu khảo sát. Chú ý dấu của điện áp đặt trên các cực của tụ điện. Trong thí dụ 5.2; tại thời điểm ban đầu t = 0 s, điện áp Vc = 5V từ đó suy ra giá trị của điện áp Vout tại thời điểm ban đầu có giá trị là : Vout t  0   Vc  5V . Giá trị điện áp của các nguồn áp trên ngõ vào mạch tích phân so với điện áp nguồn Vcc cung cấp cho Op Amp. Với thí dụ 5.2 các giá trị của các nguồn áp V1 và V2 đều lớn hơn giá trị của áp nguồn Vcc Do cực tính của các nguồn áp nối đến ngõ vào Op Amp, đồng thời giả sử các mức áp bảo hòa của Op Amp trong đặc tuyến chuyển thỏa điều kiện lý tưởng (mức áp bảo hòa dương là +Vcc và mức áp bảo hòa âm là –Vcc); với số liệu cho trong thí dụ 5.2 ta rút ra các nhận xét sau: V1 > Vcc và V2 < Vcc . Giá trị của các điện áp cấp đến ngõ vào mạch Op Amp nằm ngoài khoảng điện áp bảo hòa âm và bảo hòa dương của đặc tuyến chuyển.  V2   Vcc  Vout   Vcc  V1 (5.12) Trong khoảng thời gian đầu: 0  t  9 ms với điện áp ngõ vào là +V1 = 8 V ta có kết quả sau: 1 t Vout  t    R G .C t o Vin  t  .dt  Vout  t o  Hay: 1 t Vout  t    10 0 8.dt  Vc t  0s Suy ra: 1 Vout  t    8t  5V (5.13) 10 Chú ý trong quan hệ (5.13) đơn vị của thời gian t là [ms] và đơn vị điện áp là [V]. Tại thời điểm t =9 ms ta có điện áp Vout xác định theo quan hệ: 1 Vout t  9ms  8.9  5V  7,2  5  12,2 V   Vcc 10 Tóm lại, điện áp Vout của mạch trong khoảng thời gian khảo sát không được xác định hoàn toàn bằng quan hệ (5.13). Chúng ta lưu ý đến bất đẳng thức sau đây thỏa điều kiện nêu trong quan hệ (5.12). 8t  Vcc  Vout Hay 6  5 10 10 Giải bất phương trình trên ta có kết quả sau: 0  t  ms . 8 Phối hợp toàn bộ các điều kiện, chúng ta có được điện áp tức thời Vout trong khoảng thời gian 0  t  9 ms như sau: 1 10 Vout  t    8t  5V khi 0  t  ms (5.14) 10 8 10 Vout  t   6V khi ms  t  9 ms (5.15) 8 108 STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT
  5. GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP [ 1 – 2009 ] Từ thời điểm t  9ms với điện áp ngõ vào là V1 = 10 V áp dụng quan hệ (5.6) ta có kết quả sau: 1 t Vout  t    R G .C t o Vin  t  .dt  Vout  t o  Hay: 1 t Vout  t   10 t 10.dt  Vout  to  o Suy ra: Vout  t   t t  Vout  t o   t  t o  Vout  t o  t (5.16) o Chú ý trong quan hệ (5.16) đơn vị của thời gian t là [ms] và đơn vị điện áp là [V]. Thời điểm ban đầu của giai đoạn khảo sát là to = 9 ms và điện áp Vout(to) =  6 V . Suy ra: Vout  t   t  9  6  t  15 (5.17) Trong giai đoạn này, Vout là hàm tăng theo thời gian t, tuy nhiên giá trị này bị chận trên bởi mức áp bảo hòa dương trên đặc tuyến chuyển của Op Amp. Từ đó suy ra bất đẳng thức sau: Vout  Vcc Hay t  15  6 Giải bất phương trình trên ta có kết quả: Vout  Vcc khi 9 ms  t  21 ms . Phối hợp toàn bộ các điều kiện, chúng ta có được điện áp tức thời Vout trong khoảng thời gian t  9 ms như sau: Vout  t   t  15 khi 9 ms  t  21ms (5.18) Vout  t   6V khi t  21 ms (5.19) H.5.6: Dạng điện áp tức thời của Vin và Vout trong thí dụ 5.2. STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT 109
  6. [ 1 – 2009 ] GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP 5.1.2. MẠCH VI PHÂN: Trong hình H.5.7. trình bày dạng mạch vi phân; phương pháp khảo sát được áp dụng trong trường hợp này vẫn là phương trình điện thế nút hay định luật Kirchhoff 1, đồng thời áp dụng các giả thiết của Op Amp lý tưởng như đã khảo sát trong các chương trên. Tại nút b ta có phương trình bảo toàn dòng điện như sau: Vb  Vout  iin  iC (5.20) RF Vì dVin ic  C (5.21) dt Phối hợp các quan hệ (5.20) ; (5.21) và áp dụng các giả thiết Op Amp lý tưởng ta có: dVin Vout  R F .C (5.22) dt Với kết quả nhận được cho thấy, điện áp Vout trên ngõ ra quan hệ với vi phân bậc 1 của áp vào Vin nên mạch Op Amp trong hình H.5.7 được gọi là mạch vi phân. Tích số (RF.C) được gọi là thời hằng của mạch vi phân. Tuy nhiên cũng cần chú ý quan tâm đến mạch điện trong hình H.5.8; mạch điện này có dạng như mạch Op Amp trong hình H.5.2 nhưng phần tử tụ điện C được thay thế bằng phẩn tử điện cảm L. Áp dụng định luật Kirchhoff 1 tại b ta có: Vb  Vin  iL  iin  0 (5.23) RG Hơn nữa ta có: diL Vb  Vout  L (5.24) dt Phối hợp các quan hệ (5.23) ; (5.24) và áp dụng các giả thiếp Op Amp lý tưởng suy ra: Vin iL  RG Hay: diL  L  dVin Vout  L    (5.25) dt  R G  dt  RG  Mạch Op Amp trong hình H.5.8. cũng có dạng mạch vi phân.Tỉ số   được gọi  L  là thời hằng của mạch vi phân. 110 STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT
  7. GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP [ 1 – 2009 ] THÍ DỤ 5.3: Cho mạch vi phân như trong hình H.5.7 với Op Amp mã số LM301, biết RF = 1 kΩ; C = 0,1µF; nguồn áp cung cấp cho Op Amp Vcc = ± 12V . Điện áp Vin là dạng sin có biếu thức tức thời như sau: vin  t   5 2 sin  200t   V  . Xác định điện áp trên ngõ ra Vout. GIẢi Xác định tích số RF.C: RF .C  0,1.106.103  104 s  0,1ms Áp dụng quan hệ (5.22), ta có kết quả sau: Vout  R F .C dVin dt  10 4 d  dt 5 2. sin200t  Vout  1045 2.200.  cos200t   0,444.cos  200t  Dạng tín hiệu áp trên ngõ ra mạch vi phân được trình bày trong hình H.5.9 . Điều cần chú ý trên tín hiệu áp Vout là khỏang thời gian quá độ tại thời điểm ban đầu ngay khi cấp nguồn. Điện áp trên ngõ ra dao động trong khoảng thời gian 1 ms trước khi đạt trạng thái xác lập H.5.9: Dạng điện áp tức thời của Vin và Vout trong thí dụ 5.3. STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT 111
  8. [ 1 – 2009 ] GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP 5.1.3. MẠCH TÍCH PHÂN CÓ ĐIỆN TRỞ HỒI TIẾP: Mạch tích phân có điện trở hồi tiếp có dạng theo hình H.5.10. Điện trở hồi tiếp có công dụng ngăn chận trạng thái bảo hòa của mạch tích phân gây nên bởi các điện tích tích lũy trên tụ điện hồi tiếp. Áp dụng phương trình điện thế nút tại b để xác định quan hệ giữa điện áp Vout trên ngõ ra của mạch tích phân với áp ngõ vào Vin. Ta có quan hệ sau: Vb  Vin Vb  Vout   iC  iin   0 (5.26) RG RF Áp dụng các giả thiết Op Amp lý tưởng, suy ra: 0  Vin 0  Vout   iC  0  0 (5.27) RG RF Vì: d  Vb  Vout  dVout iC  C  C (5.28) dt dt Thu gọn các quan hệ (5.27) và (5.28) ta có kết quả sau: dVout Vout V    in (5.29) dt RF .C R G .C Tùy thuộc vào dạng điện áp Vin,giải phương trình vi phân bậc 1 theo (5.29) ta suy ra dạng điện áp Vout trên ngõ ra mạch tích phân. THÍ DỤ 5.4: Cho mạch tích phân như trong thí dụ 5.1, nhưng có thêm điện trở hồi tiếp RF = 10 kΩ. Xác định lại dạng điện áp Vout. GIẢi Đầu tiên xác định giá trị của các tích số sau: R GC  10.103.0,1.10 6  10 3 s  1ms R FC  10.103.0,1.10 6  10 3 s  1ms Quan hệ hàm theo thời gian t của áp Vin xác định theo các quan hệ sau: Vin  1 V khi  0  t  1ms  Vin  1 V khi  1  t  2 ms  Trong khoảng thời gian  0  t  1ms  quan hệ (5.29) được xác định như sau: dVout  103 Vout  103 (5.30) dt Trong quan hệ (5.30) đơn vị của thời gian t là : [t] = [s], nếu đổi đơn vị của thời gian t là ms, quan hệ (5.30) viết lại như sau: 112 STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT
  9. GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP [ 1 – 2009 ] dVout  Vout  1 (5.31) dt Giải phương trình vi phân ta có kết quả sau: dVout   dt  Vout  1 Suy ra:  V  1 Ln  out   t  K1  Hay: Vout  t   K1e  t  1 (5.32) Với điều kiện ban đầu lúc t = 0s giả sử Vout = 0V ta xác định được hằng số K1 trong quan hệ (5.32). Suy ra: K1  1 Tóm lại trong khoảng  0  t  1ms  điện áp Vout xác định theo quan hệ sau: Vout  t   e  t  1 (5.33) Tại cuối khoảng thời gian này lúc t = 1 ms giá trị Vout nhận được là : Vout t  1ms  e 1  1  0,632 (5.34) Tương tự trong khoảng thời gian  1ms  t  2 ms  quan hệ (5.29) được xác định như sau: dVout  Vout  1 (5.35) dt Giải phương trình vi phân (5.35) bằng phương pháp tương tự như vừa thực hiện, ta có kết quả sau: Vout  t   K2 e  t  1 (5.36) Tại thời điểm ban đầu khi t = 1ms ta có giá trị ban đầu chính là kết quả tính được theo (5.34); suy ra: Vout t  1 ms  K 2 e 1  1  0,632 V Suy ra: K 2   1  0,632  .e  4, 4362 Tóm lại trong khoảng  1ms  t  2 ms  điện áp Vout xác định theo quan hệ sau: Vout  t   4,4362.e  t  1 (5.33) Tại cuối khoảng thời gian này lúc t = 2 ms giá trị Vout nhận được là : Vout t  2 ms  4, 4362.e 2  1  0,3996 V (5.34) Nên nhớ trong các khoàng chu kỳ kế tiếp dạng điện áp Vout xác định theo (5.32) hay (5.36) với các giá trị ban đầu của từng khoảng khảo sát thay đổi. Sau một khoảng thời gian điện áp Vout mới đạt trạng thái xác lập. Trong hình H.5.11 trình bày điện áp Vout tại thời điểm ban đầu t = 0s đến 8 ms. Trong hình vẽ này ta có so sánh dạng Vout trong trường hợp có và không có điện trở hồi tiếp. STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT 113
  10. [ 1 – 2009 ] GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP Vout khi có điện trở hồi tiếp Vout khi không có điện trở hồi tiếp H.5.11: Điện áp tức thời của Vin và Vout trong thí dụ 5.4, xác định từ t = 0 ms đến t = 8 ms H.5.11: Điện áp tức thời của Vin và Vout trong thí dụ 5.4, từ thời điểm t = 40 ms trở đi. 114 STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT
  11. GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP [ 1 – 2009 ] 5.2. SCHMITT TRIGGER - MẠCH PHÁT HIỆN MỨC VỚI HIỆN TƯỢNG TRỄ : (LEVEL DETECTOR WITH HYSTERESIS) 5.2.1.MẠCH PHÁT HIỆN O CƠ BẢN ( ZERO-CROSSING DETECTOR): Mạch điện trình bày trong hình H.5.12 là một dạng mạch so sánh đơn giản được dùng làm mạch phát hiện 0. Tín hiệu điện áp trên ngõ ra sẽ chuyển trạng thái tại mỗi thời điểm tín hiệu áp ngõ vào bằng 0. Một cách khác, chúng ta có thể xem mạch điện trong hình H.5.12 là dạng mạch khuếch đại vòng hở, không hồi tiếp, độ lợi của mạch khuếch đại bằng với chính giá trị độ lợi vòng hở của Opamp. Giá trị độ lợi vòng hở này rất cao (ứng với tần số thấp của điện áp H.5.12: Mạch so sánh đơn giản (khuếch đại vòng hở). Vin). Chúng ta có thể đạt được áp ngõ ra trong phạm vi +VSAT (Áp bảo hòa dương) và - VSAT (Áp bảo hòa âm) ứng với giá trị điện áp Vin cao hay thấp hơn điện thế của điểm Gnd khoảng 1 µV. Với các Op Amp lý tưởng khi được cung cấp nguồn kép ±Vcc ta xem như giá trị +VSAT = +Vcc và VSAT = Vcc . Với các Op Amp thực, các giá trị +VSAT và - VSAT thường khác với giá trị ±Vcc Mạch điện trong hình H.5.12 có khả năng biến đổi tín hiệu áp vào dạng sin thành điện áp ra dạng sóng xung vuông cùng tần số, nhưng biên độ của sóng xung vuông đạt đến giá trị +VSAT và không phụ thuộc vào biện độ của tín hiệu áp sin trên ngõ vào. Điện áp ngõ ra của mạch so sánh đơn giản hay phát hiện 0 được trình bày trong hình H.5.13. H.5.13: Điện áp tức thời của Vin và Vout của mạch so sánh trong hình H.5.12. STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT 115
  12. [ 1 – 2009 ] GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP Trong hình H.5.13, điện áp ra đạt giá trị +VSAT = 10V và VSAT =  10V (tương ứng với Oppamp mã số OP7). Tốc độ chuyển trạng thái từ mức trạng thái thấp nhất đến mức trạng thái cao nhất hoặc ngược lại của điện áp Vout được gọi là “slew rate” của Opamp thường được xác định trong các số liệu kỹ thuật của Opamp cho bởi nhà sản xuất. Trong trường hợp Vin có giá trị tần số rất lớn, Op amp không thay đổi đủ nhanh để duy trì điện áp Vout đồng bộ với Vin. Các ảnh hưởng đầu tiên của “slew rate” lên dạng sóng của áp Vout được nhận thấy hiển nhiên tại các vị trí chuyển trạng thái. Khi thay đổi tần số của áp Vin trong mạch hình H.5.12 từ 50 Hz lến đến 400 Hz, ảnh hưởng của “slew rate” được trình bày trong hình H.5.14. H.5.14: Điện áp Vout khi tăng tần số của áp sin trên ngõ vào từ 50Hz đến 400 Hz. 5.2.2.MẠCH PHÁT HIỆN MỨC VÀ HIỆN TƯỢNG TRỄ : Mạch điện trong hình H.5.15 trình bày mạch phát hiện mức có hiện tượng trễ. Cấu trúc của mạch tương tự như mạch khuếch đại có hồi tiếp trình bày trong chương 2 (xem mạch điện trong hình H.2.3). Chúng ta cần chú ý mạch điện trong hình H.5.15 được hồi tiếp tại ngõ vào không đảo (+), và mạch điện được gọi là hồi tiếp dương. Các điện trở RF và RG tạo thành cầu phân áp đối với áp ngõ ra Vout. Một phần điện áp Vout đặt ngang qua điện trở RG được nối đến ngõ vào không đảo của Op Amp tạo thành một điện áp ngưỡng (threshold voltage). 116 STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT
  13. GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP [ 1 – 2009 ] Khi điện áp Vout > 0; điện áp tại ngõ vào không đảo được xem là dương; nói một cách khác: điện áp trên ngõ ra cao hơn mức điện áp Vb (xem hình H.5.15); Vb là áp đặt ngang qua hai đầu điện trở RG. Mức áp Vb tại lúc này được gọi là điện áp ngưỡng cao (Upper-Thershold Voltage), ký hiệu là VUT. Tương tự, khi điện áp Vout < 0; điện áp tại ngõ vào không đảo được xem là âm. Mức áp Vb tại lúc này được gọi là điện áp ngưỡng thấp (Lower-Thershold Voltage) và được ký hiệu là VLT. Với mạch điện trong hình H.5.15 các mức áp ngưỡng cao và thấp có cùng giá trị nhưng trái dấu. Trong một số các mạch khác, các mức ngưỡng này có giá trị khác nhau và trái dấu với nhau. Áp dụng cầu phân áp ta có quan hệ sau:  RG  Vb    .Vout (5.35)  R G  RF  Từ quan hệ này ta suy ra biểu thức xác định các mức áp ngưỡng cao và thấp cho mạch phát hiện 0 có hiện tượng trễ. Khi Vout = VSAT thì Vb = VUT Khi Vout = VSAT thì Vb = VLT Suy ra:  RG  VUT    .VSAT (5.36)  R G  RF   RG  VLT     .VSAT (5.37)  R G  RF  THÍ DỤ 5.5: Cho mạch phát hiện 0 như trong hình H.5.15, biết RF = RG = 10 kΩ. Điện áp Vin có dạng theo hình H.5.16; Op Amp dùng trong mạch có mã số là OP07; điện áp nguồn cung cấp cho mạch là ± Vcc = ± 12V Xác định lại dạng điện áp Vout GIẢI: Trước tiên dựa vào số liệu kỹ thuật của Op Amp OP07 cho bởi nhà sản xuất, ta xác định các giá trị áp bảo hòa dương và âm. Ta có kết quả ghi nhận được như sau: Với điện áp nguồn cung cấp cho IC là ± Vs = ± 15 V, tại nhiệt độ môi trường 25oC , tương ứng với các giá trị khác nhau của tổng trở tải trên ngõ ra phạm vi của điện áp bảo hòa trên ngõ ra của Op Amp cho trong bảng số liệu (hình H.5.17) ghi nhận như sau: Với điện trở tải RL  10 kΩ ta có ±VSAT = ± 13 V Suy ra giá trị chênh lệch giữa VSAT và VS là 2 V theo số liệu kỹ thuật của nhà sản xuất. Như vậy với áp nguồn cung cấp là ± Vcc = ± 12V, phạm vi của áp bảo hòa bằng giá trị sau: (Vcc – 2 V) , tóm lại ±VSAT = ± 10 V Các giá trị điện áp ngưỡng của mạch phát hiện 0 được xác định như sau:  RG   10 k  VUT    .VSAT    .10  5 V  R G  RF   10 k  10 k   RG   10 k  VLT     .VSAT     .10  5 V  R G  RF   10 k  10 k  STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT 117
  14. [ 1 – 2009 ] GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP H.5.17: Bảng tóm tắt các thông số điện của Op Amp OP07 cho bởi nhà sản xuất MAXIM. H.5.18: Điện áp Vout trên ngõ ra của mạch phát hiện 0 có hiện tượng trễ trong thí dụ 5.5. 118 STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT
  15. GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP [ 1 – 2009 ] Áp dụng phần mềm mô phỏng chúng ta tìm được dạng điện áp Vout trình bày trong hình H.5.18, tương ứng áp vào Vin theo hình H.5.16. Quá trình hoạt động của mạch được trình bày tuần tự theo từng bước như sau: Đầu tiên, giả sử điện áp Vin có giá trị rất âm và điện áp ngõ ra đang đạt trạng thái bảo hòa dương Vout = + VSAT. Một phần của điện áp dương trên ngõ ra đang đặt ngang qua điện trở RG và trên ngõ vào không đảo (+) của Op Amp. Điện áp này chính là mức ngưỡng cao VUT. Trong khoảng thời gian điện áp Vin < VUT mạch điện duy trì tiếp tục trạng thái hiện có; điện áp ngõ ra duy trì mức bảo hòa dương: Vout = + VSAT. Khi điện áp Vin tăng dần giá trị (Vin bắt đầu đạt giá trị dương hơn) đến mức điện áp ngưỡng cao VUT . Điện thế tại ngõ vào đảo (-) bắt đầu dương hơn điện thế tại ngõ vào không đảo (+) của Op Amp. Bộ khuếch đại sẽ tạo thành điện áp âm trên ngõ ra và giá trị áp ra Vout này sẽ tiến rất nhanh đến giá trị bảo hòa âm -VSAT. Một phần của điện áp âm trên ngõ ra đang đặt ngang qua điện trở RG và trên ngõ vào không đảo (+) của Op Amp. Điện áp đó lúc này được gọi là mức ngưỡng thấp VLT. Khi điện áp ngõ ra đạt giá trị (-VSAT), điện áp ngõ vào Vin đang chênh lệch một mức áp so với mức ngưỡng thấp VLT. Mạch sẽ duy trì trạng thái ổn định này khi Vin > VLT. Cần chú ý các giá trị điện áp tại các thời điểm xãy ra chế độ đóng ngắt chuyển trạng thái trên điện áp ngõ ra. Điện áp chênh lệch giữa các mức áp ngưỡng VUT và VLT được gọi là khoảng điện áp tạo bởi hiện tượng trễ (hyteresis), được xác định bởi các điện trở RG ; RF và điện áp bảo hòa ±VSAT trên ngõ ra. H.5.19: Điện áp Vout trên ngõ ra của mạch phát hiện 0 khi tín hiệu Vin ảnh hưởng nhiểu. STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT 119
  16. [ 1 – 2009 ] GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP Với mạch so sánh hay phát hiện 0 bình thường không có hiện tượng trễ; khi tín hiệu Vin bị ảnh hưởng nhiểu, tại các thời điểm xuất hiện nhiểu có biên độ thay đổi quanh giá trị 0 tại các vị trí này chúng ta nhận được các quá trình chuyển mạch trên ngõ ra. Điện áp ngõ ra chuyển từ mức + VSAT sang -VSAT hay ngược lại tại các thời điểm xuất hiện nhiểu trên ngõ vào. Tóm lại tại các vị trí chuyển trạng thái trên tín hiệu áp ngõ ra không hẳn là thời điểm điện áp trên ngõ vào bằng 0. Mạch phát hiện 0 trong trường hợp này hoạt động không chính xác, xem kết quả mô tả trong hình H.5.19. Công dụng của mạch hồi tiếp dương làm cho mạch có khả năng ít bị ảnh hưởng dưới tác dụng của nhiểu trên tín hiệu Vin. Muốn hiểu được tác dụng này, chúng ta quan sát trên hình H.20 với điện áp Vin dạng tín hiệu tam giác có mang theo các nhiểu. Khi chỉ áp dụng mạch phát hiện 0 thông thường không có hiện tượng trễ, điện áp ngõ ra sẽ chuyển trạng thái tại các thời điểm điện áp Vin = 0 hay khi tín hiệu nhiểu đi qua vị trí 0. Khi áp dụng H.5.20: Áp Vout khi có xét đến ảnh hưởng nhiểu trên Vin. mạch phát hiện mức có hiện trượng trể, điện áp ngõ ra sẽ chuyển trạng thái tùy thuộc vào giá trị của áp Vin hay áp nhiểu tăng trưởng theo hướng ngược với các mức ngưỡng VUT và VLT THÍ DỤ 5.6: Cho mạch phát hiện 0 theo hình H.5.15 trong thí dụ 5.5, biết RF = 47 kΩ, RG = 28 kΩ. Điện áp Vin có dạng sóng tam giác đang ảnh hưởng nhiểu như trong hình H.5.19; Op Amp dùng trong mạch có mã số là OP07; điện áp nguồn cung cấp cho mạch là ± Vcc = ± 12V. Xác định lại dạng các mức điện áp VHT và VUT , suy ra dạng điện áp Vout trên ngõ ra của mạch khi có xét ảnh hưởng nhiểu. GIẢI: Với áp nguồn cung cấp là ± Vcc = ± 12V, theo tính toán đã nêu trong thí dụ 5.5, phạm vi của áp bảo hòa bằng giá trị sau: (Vcc – 2 V) , tóm lại ±VSAT = ± 10 V Các giá trị điện áp ngưỡng của mạch phát hiện 0 được xác định trong thí dụ 5.6 được tính lại như sau:  RG   28 k  VUT    .VSAT    .10  3,73 V  R G  RF   28 k  47 k   RG   28 k  VLT     .VSAT     .10  3,73 V  R G  RF   28 k  47 k  Kết quả của dạng điện áp ngõ ra khi xét đến ảnh hưởng nhiểu trên áp Vin được trình bày trong hình H.5.21. Trong trường hợp áp Vin bị ãnh hưởng bởi nhiểu muốn kết quả nhận trên ngõ ra chính xác ta cần: xác định biên độ tối đa và tối thiểu sinh bởi nhiểu (nếu có thể) đồng thời hiệu chỉnh các giá trị RG và RF để chọn lại các mức áp ngưỡng tương thích cho mạch Op Amp. 120 STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT
  17. GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP [ 1 – 2009 ] Vị trí chuyển mạch khi áp Vin cao hơn mức ngưỡng VHT Vị trí chuyển mạch sốm do ảnh hưởng nhiểu có giá trị thấp hơn mức áp ngưỡng VLT H.5.21: Áp Vout khi có xét đến ảnh hưởng nhiểu trên Vin trong thí dụ 5.6. Với các nội dung vừa Vout phân tích nêu trên, chúng ta xây +VSAT dựng quan hệ đặc tuyến chuyển trạng thái là đồ thị mô tả quan hệ giữa điện áp Vout theo Vin cho mạch phát hiện mức có hiện Vin tượng trễ, hình H.5.22. VLT VUT Quan sát dạng đặc tuyến  RG   RG  VUT    .VSAT VUT   .VSAT chuyển trong hình H.5.22, chúng  R G  RF   R G  RF  ta sẽ tìm thấy các kết quả như vừa phân tích trên. -VSAT Gọi giá trị chênh lệch giữa hai mức áp ngưỡng cao VUT và H.5.22: Đặc tuyến chuyển của mạch phát hiện 0 mức áp ngưỡng thấp VLT là VH , ta có hiện tượng trễ có quan hệ: VH  VUT  VLT (5.38) Gọi VCT là giá trị điện áp tại tâm của khoảng giá trị VH ta có kết quả sau: VUT  VLT VCT  (5.39) 2 Trong trường hợp các giá trị VUT và VLT đối nhau trị số trung bình VCT = 0. Nếu mạch phát hiện 0 có dùng thêm nguồn áp DC tham chiếu thì giá trị VCT  0 , trường hợp này được khảo sát tiếp theo trong đề mục sau. STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT 121
  18. [ 1 – 2009 ] GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP 5.2.3.MẠCH PHÁT HIỆN MỨC CÓ HIỆN TƯỢNG TRỄ VÀ ĐIỆN ÁP THAM CHIẾU VREF: Hình H.5.23 trình bày sơ đồ nguyên lý của mạch phát hiện mức có hiện tượng trễ; ta có điện áp Vin cấp đến ngõ vào đảo và nguồn áp một chiều VREF làm điện áp tham chiếu cấp đến ngõ vào không đảo. Nguyên tắc họat động của mạch tương tự như mạch phát hiện mức có hiện tượng trễ như vừa trình bày trong mục 5.2.2. Trong trường hợp các mức áp ngưỡng cao và thấp phụ thuộc vào điện áp DC tham chiếu VREF Điện áp tham chiếu có thể có giá trị dương hay âm, phụ thuộc dấu của nguồn áp nối đến điện trở RG . Khi giá trị áp tham chiếu VREF = 0 mạch điện trở về dạng mạch phát hiện mức có hiện tượng trễ (xem lại mục 5.2.2). Trong trường hợp này, các mức áp ngưỡng cao VUT và áp ngưỡng thấp VLT chính là giá trị điện áp Vb (tại nút b so với điểm Gnd) khi điện áp Vout đạt các giá trị bảo hòa ±VSAT. Gọi VR là điện áp đặt ngang qua hai đầu điện trở RG, ta có quan hệ:  R  RF  VR .  G   VREF  Vout (5.40)  RG  Và: Vb  VR  VREF (5.41) Từ các quan hệ (5.40) và (5.41) suy ra:  R G  RF   Vb  VREF  .    VREF  Vout  RG  Suy ra:  RG    RG   Vb    Vout  1     VREF  R G  RF    R G  RF   Tóm lại:  RG   RF  Vb    Vout    VREF (5.42)  R G  RF   R G  RF  Khi Vout = +VSAT tương ứng với Vb = VUT ta có :  RG   RF  VUT    VSAT    VREF (5.43)  R G  RF   R G  RF  Khi Vout = VSAT tương ứng với Vb = VLT ta có :  RG   RF  VLT     VSAT    VREF (5.44)  R G  RF   R G  RF  122 STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT
  19. GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP [ 1 – 2009 ] THÍ DỤ 5.7: Cho mạch phát hiện mức theo hình H.5.23, biết RF = 47 kΩ, RG = 28 kΩ. Điện áp Vin có dạng sóng tam giác theo hình H.5.16; Op Amp dùng trong mạch có mã số là OP07; điện áp nguồn cung cấp cho mạch là ± Vcc = ± 12V. Nếu điện áp tham chiếu là VREF = 2 V, xác định lại dạng các mức điện áp VHT và VUT ; suy ra dạng điện áp Vout trên ngõ ra của mạch . GIẢI: Với áp nguồn cung cấp là ± Vcc = ± 12V, theo tính toán đã nêu trong thí dụ 5.5, phạm vi của áp bảo hòa bằng giá trị sau: (Vcc – 2 V) , tóm lại ±VSAT = ± 10 V Các giá trị điện áp ngưỡng của mạch phát hiện 0 được xác định theo các quan hệ (5.43) và (5.44) là:  RG   RF  VUT    VSAT    VREF  R G  RF   R G  RF   28k   47k  VUT    10    2  4,986  5 V  28k  47k   28k  47k   RG   RF  VLT     VSAT    VREF  R G  RF   R G  RF   28k   47k  VLT     10    2  2,48  2,5 V  28k  47k   28k  47k  Dạng điện áp Vout trên ngõ ra của mạch phát hiện 0 khi có dùng áp tham chiếu ghi nhận trong hình H.5.24. H.5.24: Áp Vout khi có xét đến ảnh hưởng do áp tham chiếu VREF trong thí dụ 5.7. STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT 123
  20. [ 1 – 2009 ] GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ 2 – CHƯƠNG 5 – MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẰNG OPAMP Đầu tiên giả sử áp vào Vin có giá trị rất âm và áp ngõ ra của Op Amp là Vout đạt trạng thái bảo hòa dương . Điện áp bảo hòa trên ngõ ra tạo phân áp trên các điện trở RG và RF. Điện áp đặt ngang qua hai đầu điện trở RG cộng với điện áp tham chiếu VREF tạo thành điện áp cấp đến ngõ vào không đảo của Op Amp, điện áp tổng này chính là mức áp ngưỡng cao VUT . Mạch sẽ duy trì điều kiện này trong suốt khoảng thời gian điện áp Vin thấp hơn điện áp cấp vào ngõ vào không đảo (+) của Op Amp. Bây giờ khi điện áp Vin có giá trị tăng cao hơn mức áp Vin của ngõ vào không đảo. Ngay tại lúc Vin đạt giá trị bằng và hơi vọt cao hơn mức VUT điện áp ngõ ra giãm nhanh xuống đến mức bảo hòa âm . Điện áp bảo hòa âm trên ngõ ra lại tạo thành phân áp mới trên các điện trở RG và RF. Thành phần phân áp mới trên RG cộng với điện áp tham chiếu VREF tạo nên giá trị điện áp mới cấp đến ngõ vào không đảo của Op Amp, điện áp tổng này chính là mức áp ngưỡng thấp VLT . Mạch sẽ duy trì ổn định trạng thái này cho đến khi điện áp Vin bắt đầu thấp hơn mức điện áp ngưỡng thấp (VLT) tại ngõ vào không đảo (+) của Op Amp. Trong một số các mạch so sánh thực sự điện áp tham chiếu VREF được tạo bởi diode zener hoặc từ một mạch điều hòa điện áp (voltage regulator) khác. Trong hình H.5.25 trình bày một dạng mạch khác của mạch phát hiện mức có hiện tượng trễ với điện áp Vin cấp đến ngõ vào không đảo và nguồn áp một chiều VREF áp tham chiếu cấp đến ngõ vào đảo. Trong trường hợp này, các mức điện áp ngưỡng cao VUT và mức ngưỡng thấp VLT của mạch phát hiện mức cũng được định nghĩa là các giá trị điện áp đặt tại ngõ vào không đảo (so với điểm Gnd) khi các giá trị điện áp ngõ ra đạt mức bảo hòa dương hay âm ± VSAT. Điều cần nhớ là điện thế tại b vừa phụ thuộc áp Vout và vừa phụ thuộc giá trị tức thời của Vin. Muốn xác định các mức điện áp ngưỡng cho mạch phát hiện mức trong trường hợp này, ta có thể lý luận dực vào đặc tuyến chuyển tổng quát của Op Amp. Gọi: Vin  Vb  VREF (5.45) Trong đó: Vb  VR  Vin (5.46) Vì  RG  VR    Vout  Vin  (5.47)  R G  RF  Từ (5.46) và (5.47) suy ra:  RG  Vb  VR  Vin    Vout  Vin   Vin  R G  RF  Hay:  RG   RF  Vb    Vout    Vin (5.48)  R G  RF   R G  RF  124 STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT
nguon tai.lieu . vn
Kiến trúc - Xây dựng Tự động hoá Điện - Điện tử Kĩ thuật Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Năng lượng Hoá dầu Hoá học Sinh học