Bài giảng Cơ sở kỹ thuật điện - Chương 10: OP-AMP

Chương 10 : BỘ GIÁO DỤC VÀO ĐÀO TẠO ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM OP-AMP KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Bộ Môn Cơ Sở Kỹ Thuật Điện 10.1 Cấu trúc mạch 10.1.1. giới thiệu Một mạch khuếch đại thuật toán tiêu + tầng khuếch đại vi sai ngõ + tầng khuếch đại dời mức + tầng lấy tín hiệu ngõ ra 2 biểu gồm 3 tầng phân biệt vào Kí hiệu mạch khuếch đại 10.1.1. giới thiệu 10.1.2 Tầng khuếch đại vi a. Mạch khuếch đại vi sai: 4 sai: Hai ngõ vào có các tín hiệu Tín hiệu cách chung (common pha và cùng biên độ Tín hiệu vi sai (differential ngược pha và cùng biên hay Có hai ngõ ra đơn cực (V (VO12). Đặc điểm của mạch KĐVS: icv 1 21 ididid vvv  21 idid vv  10.1.2 Tầng khuếch đại bao gồm: ): hai tín hiệu vào cùng ): nếu hai tín hiệu ngõ vào độ. O1, VO2) và một ngõ ra vi sai 5 icic vv  2 21 22 idid vv  2/idv vi sai: Xét phân cực DC: Ta có: Và: E EEE E BEE R VVI VV ( 0    221 E CC III  CCCECE VVV  21 10.1.2 Tầng khuếch đại 6 E EE R V V 7,0) )(7,0   EEC E EE RIR IV  2 vi sai: Xét tín hiệu AC: Xét tín hiệu cách chung, ta có  Ta có Hệ số khuếch đại của tín hiệu CfeOO Rhvv  21 CVCVC v vAAA 21  10.1.2 Tầng khuếch đại 7 mạch tương đương cách chung: Efeie Cfe C O Rhh Rh )1(2   vi sai: Xét tín hiệu AC – tín hiệu vi sai  Hệ số KĐVS tầng 1:  Hệ số KĐVS tầng 2:  Đặt:  Suy ra: ie Cfe d h Rh A  21 id diCCO vAvAv  22 id diCCO vAvAv  iddOOO vAvvv  2112 10.1.2 Tầng khuếch đại 8 : ie Cfe id O Vd h Rh v v A  1 1 ie Cfe id O Vd h Rh V V A  2 2 vi sai: So sánh cách chung và vi sai 10.1.2 Tầng khuếch đại Trong hoạt động với tín common mode): kết quả sai bằng zero, vì tín hiệu của hai transistor đối xứng hiệu này.. Và trong hoạt động với lợi lớn hơn rất nhiều so chung.. 9 : vi sai: hiệu cách chung ( tín hiệu ở ngõ ra vi ở hai cực collector nhau đối với tín tín hiệu vi sai cho độ với tín hiệu cách Tỉ số triệt tín hiệu đồng pha Mode Rejection Ratio) CMRR  10.1.2 Tầng khuếch đại vi Trong KĐVS thì một bộ KĐVS 0, hay nói cách khác tín đơn cực phải bằng 0, nhưng vì để AVC = 0 thì RE -> ∞. so với lý tưởng người ta là tỉ số triệt tín hiệu đồng 10 (CMRR: Common C d A A sai: lý tưởng có AVC = hiệu nhiễu tại mỗi ngõ ra thực tế khó đạt được Để đo lường sự sai lệch định nghĩa một hệ số gọi pha (CMRR): Biện pháp làm tăng hệ số 10.1.2 Tầng khuếch đại vi Để tăng CMRR biện pháp thường một nguồn dòng. 11 CMRR C d A ACMRR  sai: dùng là thay RE bằng Gương dòng điện: (giới thiệu gương dòng điện 10.1.2 Tầng khuếch đại vi Chức năng: Tạo ra một nguồn dòng ổn định tại cực thu của transistor. Có điện trở ngõ ra rất lớn vì:  Nguồn dòng thường có giá trị rất bé từ 10-100  ngõ ra của gương dòng điện theo dạng CB điện trở ngõ rất lớn 12 cơ bản) sai: ra  IR là dòng điện chuẩn.  Q1 có cực B và C nối chung  Giả sử Q1, Q2 được chế trên số giống hệt nhau  Giả sử rất lớn nên IR gần bằng dòng IC2 của Q2 21 BEBE VV  EEE III  21 B II   EBCR IIII 1 22      2 R C I I 121   Hoạt động của gương dòng 10.1.2 Tầng khuếch đại lại, nên Q1 được nối thành diode. cùng một một chíp có các thông do đó IC2 = IR. Vậy dòng điện nên gọi là gương dòng điện. 13 211 BB E II   211 CC E C II II           21 1 2)2)(1( )1(        E E I I điện vi sai: Gương dòng điện cơ bản: Đối với gương dòng điện cơ Tổng trở ngõ ra là: R VVI EECCR )(  oe OO hrZ 1 10.1.2 Tầng khuếch đại 14 bản dòng VBE1 vi sai: Bus phân cực: 10.1.2 Tầng khuếch đại Chính gương dòng điện cơ bản đã tạo ra các dòng ổn định có các thông số khác nhau. Các dòng khác nhau này dựa trên tính chất dòng điện cực thu tỉ lệ với dòng điện bảo hòa IS trong transistor đơn khối, dòng điện bảo hòa tỉ với kích thước transistor và kích thước của vi mạch 15 vi sai: lệ Tải tích cực: Thay vì dùng điện trở mắc nối tiếp với cực C của Q1 và Q2 trong mạch khuếch đại vi sai, người ta dùng transistor đóng vai trò như điện trở để tạo thành tải tích cực 10.1.2 Tầng khuếch đại 16 vi sai: Tầng dời mức: 10.1.2 Tầng khuếch đại vi  Tầng dời mức có chức năng C của tầng KĐ vi sai xuống ra của op-amp có mức điện áp 0VDC . 17 sai: là dịch mức điện áp DC tại cực dưới mức điện áp thấp để ngõ 0VDC khi ngõ vàoVin = Mạch xuất tín hiệu ngõ ra: 10.1.2 Tầng khuếch đại Có nhiệm vụ khuếch đại dòng,có khả năng cho tín hiệu AC lớn Các mạch xuất tín hiệu ngõ KĐ công suất đẩy kéo. 18 vi sai: tổng trở ngõ ra nhỏ, có nhưng vẫn không bị méo. ra thường có dạng là mạch 10.1.3 Khảo sát sơ đồ nguyên 19 lý của mạch Op-Amp Đặc điểm của Opamp Có độ lợi áp lớn, một op độ lợi bằng vô cùng. Tổng trở ngõ vào lớn, lý Tổng trở ngõ ra bé,trường 0. Điện áp ngõ ra bằng 0 khi CMRR lớn, lý tưởng bằng 20 lý tưởng: - amp lý tưởng thì có tưởng bằng vô cùng. hợp lý tưởng bằng điện áp vào bằng 0. vô cùng. 10.2 Ứng dụng ở chế độ Ov A 10.2.1. KĐKĐ: a. AVCL 21 KĐ AAA VVOL            FI I OiAiid RR RvvAAvvAv FI I i O RR RA Avv    1 FI Ii O VCL RR RA A v v A    1 I F I FI i O VCL R R R RR v v    1 10.2.1. KĐKĐ: b.Tổng trở ngõ vào idv 10.2 Ứng dụng ở chế độ 22 idI Ri idIidO RAiAVv  id FI II iidI RRR RiAvRi   Iid FI I idi iRRR RARv         id FI I id I i i RRR RAR i v Z    rrhR xieid  22 i i i I VZ  KĐ 10.2.1. KĐKĐ: b. Tổng trở ra FI I OAid RR Rvvv   0 idOOO Avriv  10.2 Ứng dụng ở chế độ 23 0 i O O o vi vZ FI I OOOO RR ARvriv   FI I OO O RR AR ri v    1 O FI I O O O o r RR AR r i vZ     1 KĐ 10.2.2. Khuếch đại đảo: 10.2 Ứng dụng ở chế độ 24 0   id i id id v R vi KĐ Giả định về dòng điện: “ đối với op-amp lý tưởng thì xem tổng trở vào Zi = ∞ nên có thể xem như không có dòng điện chạy vào op- amp”. Hệ số ACLcủa KĐĐ Cách 1: tính chính xác F F OA I Ai I iR vv R vvi    A vvvvv oAABid  0 F Oid I idi R vv R vv      IF F i O VCL RAR AR v vA   1 I F i O CL R R v vA  10.2 Ứng dụng ở chế độ Cách 2: tính gần đúng Theo giaû ñònh veà aùp ta coù 25 F O I i FI R v R vii  00 I F i O CL R R v v A  KĐ 10.2.3.Mạch KĐKĐ ngõ vào cầu phân áp 26 AB vv  FI I Oi RR Rv RR Rv    32 3 I FI iO R RR RR Rvv    32 3 I FI i O CL R RR RR R v vA    32 3   10.2.4. Mạch đệm: Nếu tăng RI lớn hơn nhiều lần so với RF và giảm nhỏ RF thì ta có có giá trị lớn nên xem như hở mạch và nhỏ xem như ngắn mạch Lúc đó mạch kđ kđ có độ lợi =1 còn gọi là mạch KĐ đệm. 27 FI RR  IIF RRR  1 I I i O CL R R v vA IR FR RR RAR i vZ I I id i i i   R AR r i vZ I O O O o    1 10.2.4. Mạch đệm: 28  ARR idid F  1 A r R O F I   1 10.2.5. Mạch cộng đảo: 29 10.2.6. Mạch cộng không 30 đảo trung bình 10.3. Đặc tính thực tế Điện áp vào offset. Dòng offset Các dòng phân cực và Các yếu tố này thường vi sai. 31 : trôi offset. xảy ra tầng khuếch đại Điện áp offset: Điện áp offset ngõ ra: là điện ngõ ra lý tưởng. Điện áp này của ngõ vào tạo ra . Điện áp offset ngõ vào: là do tầng KĐVS hay do 2 transistor số không giống nhau.Ngay khi thì điện áp ngõ ra vẫn khác 0V áp offset ngõ ra và ta xem như vào gây ra 32 áp chênh lệch so với điện áp có được là do điện áp offset phân cực không cân bằng của của tầng KĐVS có các thông cả hai ngõ vào nối mass(0V) – giá trị này được gọi là điện có một điện áp offset ở ngõ Khảo sát ảnh hưởng Offset ngõ vào Mạch KĐ đảo ngõ ra do điện áp Offset 33 Phương trình viết lại như sau Nếu đổi cực tính thì Mạch KĐ đảo Khảo sát ảnh hưởng Offset ngõ vào 34 ngõ ra do điện áp Offset Mạch KD không đảo Khảo sát ảnh hưởng Offset ngõ vào 35 ngõ ra do điện áp Offset Mạch KĐ không đảo Khảo sát ảnh hưởng Offset ngõ 36 ngõ ra do điện áp Offset vào 10.4. Ứng dụng Opamp Nếu cho 10.4.1. Mạch KĐ vi sai-Mạch ở chê ́ độ tuyến tính 37 trừ Các mạch vi sai trong các a. dùng 3 op-amp thiết bị đo lường: 38 b.Dùng 2 op-amp Điện áp ra opamp thứ 1: Điện áp ra opamp thứ 2: Các mạch vi sai trong các 39 thiết bị đo lường: c. Mạch KĐ vi sai có độ lợi , R Các mạch vi sai trong các thay đổi 40 / 11 vv  / 22 vv  RRRRRR CAFI  21 Nếu: thiết bị đo lường: 10.4.3. Mạch tích phân 41 10.4.4. Mạch vi phân 42 10.5. Ứng dụng op-amp trong 10.5.1 Chỉnh lưu bán kỳ: mạch phi tuyến : 43 Khi tín hiệu vào ở bán kỳ dương Khi tín hiệu vào ở bán kỳ âm 10.5.2 Chỉnh lưu toàn kỳ: 10.5. Ứng dụng op-amp trong mạch phi tuyến : 44 10.5.4. Mạch so sánh 10.5. Ứng dụng op-amp trong mạch phi tuyến : 45 10.5.4. Mạch so sánh 10.5. Ứng dụng op-amp trong mạch phi tuyến : 46 10.5.4. Mạch so sánh 10.5. Ứng dụng op-amp trong mạch phi tuyến : 47 10.5.4. Mạch so sánh 10.5. Ứng dụng op-amp trong mạch phi tuyến : 48 10.5.5. Mạch Smith Trigger a. Không đảo – đối xứng 49 Giả sử: thì Suy ra: Giả sử : thì Suy ra: I F I FI OI IIII RR Rv RR vv RviRvv      CCO Vv  vV RR R RR Rvv CC FI I FI F I     CCCC F I I VVR Rv  CCO Vv  v vV RR R RR Rvv CC FI I FI F I     CCCC F I I VVR R v  a. Không đảo – đối xứng 50 O FI I F v RR R   CC FI I FI F I VRR R RR Rvv     V0 CC FI I FI F I VRR R RR Rv     V0 a. Không đảo – đối xứng 51 b. Mạch SM Kđ – không đối xứng 52