Mạch điện tử - Chương 6: Op - Amp

5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 1 • Giới thiệu Op-Amp • Mạch Op-Amp cơ bản • Mạch Op-Amp nâng cao 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 2 • Tên gọi • Cấu tạo • Ký hiệu • Đặc tính Đặc tuyến Mô hình Op-Amp lý tưởng 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 3 • • • Mạch so sánh • Một số Op-Amp thực tế 5/2/2013 4Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 5/2/2013 5Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM • Vi mạch khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier) • ký hiệu là OpAmp • các mạch khuếch đại có khả năng thay đổi theo mạch ghép nối bên ngoài • thực hiện các phép biển đổi toán học như cộng trừ, biến đổi tỷ lệ, vi tích phân... trong các máy tính tương tự. Nhờ sự phát triển của công nghệ bán dẫn, 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 6 • • 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. • 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. 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 7 • • 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. 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 8 • Vi+: ngõ vào không đảo • Vo: ngõ ra • Vi-: ngõ vào đảo • +/-VS cung cấp nguồn • Một bộ vi mạch khuếch đại thuật toán khuếch đại vi sai điện áp vd= v1 – v2 giữa 2 tín hiệu vào. Hệ số khuếch đại điện áp hở mạch được tính theo công thức: AOL=V0/Vd • vd: ngõ vào vi sai AOL độ lợi áp vòng hở R điện trở vào 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 9 • • d • R0 điện trở ra • BW=f1-f2 :bandwidth 20log ( )vd VC A CMRR dB A ρ= = 1 1 cdo d d V V VA CMRR V   = +    • +/- Vs ngưỡng ñiện thế ngõ vào (rất bé vài trăm micro vol) • +/-V0max giá trị cực ñại ngõ ra • ∆Vi < -Vs: vùng bão hòa âm • ∆Vi > -Vs: vùng bão hòa dương • -Vs< ∆Vi<+Vs: Vùng khuếch ñại tuyến tính 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 10 • Op-Amp lý tưởng Để tránh tín hiệu ra bảo hòa khi tín hiệu vào quá nhỏ, không 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 0 V i o A R R ≈ ∞ ≈ ∞ ≈ i + i - v+ = v- i+ = i- =0 11 • dùng cách khuếch đại vòng hở khi không cần thiết. • Để tín hiệu vào lớn và tín hiệu ra không bị bão hoà (không bị xén)
khuếch đại hồi tiếp (cho 1 phần tín hiệu ra vào lại ngõ vào) Mạch so sánh không ñảo: 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 12
ðiện thế chuẩn Vref > 0V ñặt ở ngõ vào (-)
ðiện thế so sánh Ei ñưa vào ngõ vào (+)
Khi Ei > Vref thì V0 = +Vsat
Khi Ei < Vref thì V0 = -Vsat Mạch so sánh ñảo: 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 13 • ðiện thế chuẩn Vref > 0V ñặt ở ngõ vào (+) • ðiện thế so sánh Ei ñưa vào ngõ vào (-) • Khi Ei > Vref thì V0 = -Vsat • Khi Ei < Vref thì V0 = +Vsat Mạch khuếch đại có hồi tiếp: • Lúc này do vin so sánh với tín hiệu ngõ vào v+ là điện thế trên mạch phân áp R4-R2, nên theo sự biến thiên giữa hai mức điện áp của vout, mạch hồi tiếp cũng có hai ngưỡng so sánh là VH và VL. 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 14 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 15 • LM381: low noise dual amp., audio. • Voltage gain= 112dB; BW = 75KHz; Rin= 100K; Rout= 150. • LM380: audio power amp. • Voltage gain= 34dB; BW= 100KHz; out-put power = 2W • MC1553: Video amp. Voltage gain= 52dB; BW=20MHz LM703: RF/IF amp. 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 16 • • 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 17 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 18 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 19 • Mạch khuếch đại không đảo • Mạch khuếch đại đảo • Mạch khuếch đại tổng • Mạch khuếch đại vi sai Mạch tích phân Mạch vi phân 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 20 • • • Mạch tạo hàm mũ • Mạch tạo hàm logarith 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 2 2 1 1 1 1oo i i VR R V V A R V R   ⇒ = + ⇒ = = +    21 Nhận xét: • Ngõ ra Vo cùng pha với ngõ vào Vi ñược gọi là ngõ vào không ñảo. • R2 ñóng vai trò hồi tiếp âm ñể tăng ñộ khuếch ñại AV. • Khi R2 =0, ta có: A=1 => Vo =Vi hoặc R1=∞ ta cũng có A=1 và Vo= Vi . Lúc này mạch ñược gọi là mạch “voltage follower” thường ñược dùng làm mạch ñệm (buffer) vì có tổng trở vào lớn và tổng trở ra nhỏ như mạch cực thu chung ở BJT. 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 0 2 1 0 2 0 0 0 ii i V V v v R R V R + − + − = =  − − ⇒ = =  ⇒ = − 22 Nhận xét: • Vo và Vi sẽ lệch pha 180 ñộ (nên ñược gọi là mạch khuếch ñại ñảo và ngõ vào (-) ñược gọi là ngõ vào ñảo). • R2 ñóng vai trò mạch hồi tiếp âm. R2 càng lớn (hồi tiếp âm càng nhỏ) ñộ khuếch ñại của mạch càng lớn. • Mạch có khả năng khuếch ñại ñiện áp DC lẫn AC 1iV R 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 01 2 1 2 1 2 0 ... 0 ... n n f n o f V VV V v v R R R R VV V V R R R R + −= = ⇒ + + + + =   = − + + +    23 Nhận xét: • Nếu R1=R2==Rn= R thì • Nếu Rf=R thì Vo là tổng của tất cả các ngõ vào Vi (Tổng này phải nhỏ hơn Vsat của op-amp) 1 2 n ( )1 2 ... f o n R V V V V R = − + + + 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 1 2 1 2 ... 1 1 1 1 ... 1 2 n f n o N VV V R R R R V R R R R  + + +    = + ×     + +    24 Nhận xét: • Nếu R1=R2==Rn thì • Giá trị ngõ ra Vo bằng tổng các ngõ vào khi và chỉ khi Rf=0 hoặc RN=∞. n ( )1 2 ...1 f no N R V V V V R n + + +  = + ×    5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 2 1 2 1 1 1g f fo g R R R V V V R R R R   = × + × − × +   25 Nhận xét: • Nếu thì • Nếu Rg=Rf =R1=R2 thì Vo=V2-V1 1 2 f gR R R R = ( )2 1 1fo R V V V R = × − 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM ( ) ( ) ( )1 1 0 t V V t dt V t dt V t⇒ = − = − + =∫ ∫ 26 Nhận xét: • Giá trị ngõ ra Vo tỉ lệ với tích phân giá trị ngõ vào. • Tần số cắt: • Nên mạch tích phân chỉ hoạt động đúng ở một dãy tần số nhất định. • Ngoài ra chúng ra còn có thể lấy tích phân của một tổng. 0 o i i o RC RC 1 cf RC = 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 0 i oi o v v dv V RCdv V dtC dt R + −= =  ⇒ = − = −  27 Nhận xét: • Giá trị điện áp ngõ ra Vo tỉ lệ với vi phân điện áp vào . • Tần số cắt: • Mạch vi phân hoạt trong trong một dãy tần số nhất định, tại đó đặc tuyến biên độ-tần số: có độ dốc 20dB/decade. 1 cf RC = ( )o i V f V ω= 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM . . i T V mV o sV R I e= − . . . i i V V V o sV R I e k e γ= − = 28 : điện thế nhiệt : dòng ngược bão hòa TV sI 1 . . Vsk R I e γ= − 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 29 : ñiện áp rơi trên hai ñầu diode : dòng ngược bão hòa ( ) ( )ln ln lnio T T i T s s V V mV mV V mV RI I R   = − = − +    sI TV • Mạch chuyển đổi dòng sang áp • Mạch chuyển đổi áp sang dòng • Mạch khuếch đại dòng • Mạch khuếch đại instrumentation 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 30 • Còn gọi là bộ khuếch ñại biến ñổi ñiện trở, có ñầu vào là ii và ñầu ra là: vo =Aii trong ñó: A là ñộ lợi của mạch. • Xem hình trên ta có: ii +(vo -0)/R=0 hay vo = -Rii 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 31 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM )2(0 )1( VV IiiZ VVVA odi ioL =⇒=⇒∞= ==⇒∞= − −+ 32 )3(2,1 RR Ii io ===⇒ 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 33       +== 1 21 R R i i A i o i 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 34 Vo = A(v2 – v1) A = A1 .A2 = (1+2R3/RG).(R2/R1) 5/2/2013 Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM 35 vo= -(R2/R1)v3 +(1+R2/R1)v2 v3= (1+R1/R2)v1 5/2/2013 36Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM • Điện trở của phần tử cảm biến dạng: • Trong đó: R là điện trở trong điều kiện chuẩn ở không độ , khoảng thay đổi so với điện trở chuẩn • Giữa và R có thể biểu diễn dạng: • Điện trở tại t0C: Rt = R R+ ∆ R∆ R∆ R R δ ∆ = ( )1 ,R δ+ 5/2/2013 37Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM ( ) 1 1 1 1 1 2 1 ref ref VR V V RR R R R R R R δ δ = + + + + + + 2 R e 1 2 f R V V R R = + 5/2/2013 38Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM ( )0 1 2 1 1 1: . 2 refV v A v v A R R R R δ δ << = − = + + ( ) ( ) 0 1 2 1 . 1 1 1 ( 1) refV v A v v A R R R R δ δ = − = + + + + 5/2/2013 39Khoa ðiện – ðiện tử - ðHBK Tp.HCM ( )( ) 2 0 1 1 1 21 1 REf R v V R R R R R δ δ = + + +