Bài giảng Kỹ thuật điện - Chương 3: OPAMP

Chương 3: OPAMP 3.1 Giới thiệu. 3.2 Mô hình toán. 3.2.1 Mô hình toán OPAMP trong vùng khuếch đại. 3.2.2 Mô hình toán OPAMP lý tưởng. 3.3 Mạch ứng dụng. 3.3.1 Mạch khuếch đại đầu vào không đảo. 3.3.2 Mạch khuếch đại đầu vào đảo. 3.3.3 Mạch cộng tín hiệu. 3.3.4 Mạch trừ tín hiệu. 3.3.5 Mạch tích phân. 3.3.6 Mạch vi phân. 3.4 Bài tập. 1 3.1 Giới thiệu. • OPAMP (Operational Amplifier ) - bộ khuếch đại thuật toán: là bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại A rất lớn; được tạo thành từ sự tổ hợp các phần tử tích cực (transistor) với các phần tử thụ động khác. • Ví dụ xét sơ đồ nguyên lý của OPAMP LM741. Sơ đồ chân Hình dạng thực tế Sơ đồ nguyên lý 2 3.1 Giới thiệu.(tt) Ký hiệu: • Đầu cấp nguồn VCC+ và VCC- : cấp nguồn DC để Opamp hoạt động. • Ngõ vào: Vin+ : ngõ vào không đảo (+) (noninverting input). Vin- : ngõ vào đảo (-) (inverting input). • Ngõ ra (output): Vo 3 3.1 Giới thiệu. - Đặc tuyến chuyển điện áp - Biểu thức quan hệ: của OPAMP: 퐕퐨 = 퐀. ∆퐕퐢퐧 = 퐀. 퐕퐢퐧+ − 퐕퐢퐧− với −VCC ≤ Vo ≤ +VCC A là hệ số khuếch đại điện áp vòng hở.  Lưu ý: - Vùng khuếch đại: nếu −VCC ≤ Vo V ≤+ CC - Vùng bảo hoà: xác định Vo từ biểu thức quan hệ, Nếu Vo > VCC thì Vo = + VCC gọi là bảo hoà dương. Nếu Vo < -VCC thì Vo= +VCC gọi là bảo hoà âm. Trong vùng bão hòa, Vo không phụ thuộc ΔVin=(Vin+ - Vin-) 4 3.2 Mô hình toán của OPAMP. 3.2.1 Mô hình toán OPAMP trong vùng khuếch đại. Với: Ri : tổng trở nhập của Opamp. A : độ khuếch đại điện áp vòng hở. Ro : tổng trở ngõ ra Opamp. Mạch trên, ta có nguồn áp phụ thuộc theo áp vào ΔV=(Vin+ - Vin-) 5 3.2 Mô hình toán của OPAMP.(tt) 3.2.2 Mô hình toán OPAMP lý tưởng. Đối với Opamp lý tưởng, ta có: Ri = ∞ Ro = 0 A = ∞ - Nguồn cấp V có giá trị khoảng vài chục Volt và giả thiết CC hệ số khuếch đại A = ∞, dựa vào đặc tuyến chuyển của Opamp, thì vùng khuếch đại tuyến tính mở rộng trong phạm vi rất nhỏ, xem như ΔVin=0. Nên ta có: Vin+ = Vin- - Tổng trở vào R = ∞ → i iin+ = iin- = 0 6 3.3 Các mạch ứng dụng. 3.3.1 Mạch khuếch đại đầu vào không đảo. Áp dụng pt điện thế nút tại b, ta có: Vb Vb − Vo + + iin− = 0 (1) RG RF Giả thiết Opamp lý tưởng, ta có: iin− = 0 ∆Vin = Va − Vb = Vin − Vb = 0→ Vin= Vb Vin Vin − Vo 1 1 Vo (1) → + = 0 → Vin + = RG RF RG RF RF →Biểu thức quan hệ ngõ vào-ra mạch khuếch đại đầu vào không đảo: 퐑퐅 퐕 = + ퟏ 퐕 퐨 퐑 퐢퐧 퐆 đk: 퐕퐨 ≤ 퐕퐂퐂 7 3.3.1 Mạch khuếch đại đầu vào không đảo. (tt) Khảo sát Opamp UA741 RF=10kΩ; RG=5kΩ. RF Vo = + 1 Vin RG →Đồ thị biểu diễn Vo và Vin 8 3.3.2 Mạch khuếch đại đầu vào đảo. Chứng minh tương tự, ta có quan hệ ngõ vào-ra mạch khuếch đại đầu vào đảo: 퐑퐅 퐕퐨 = − 퐕퐢퐧 퐑퐆 đk: 퐕퐨 ≤ 퐕퐂퐂 9 3.3.3 Mạch cộng tín hiệu. Mạch cộng tín hiệu tại các ngõ vào đảo. Biểu thức quan hệ giữa ngõ vào- ngõ ra: 퐕퐢퐧ퟏ 퐕퐢퐧ퟐ 퐕퐢퐧ퟑ 퐕퐨= − 퐑퐅 + + 퐑ퟏ 퐑ퟐ 퐑ퟑ đk: 퐕퐨 ≤ 퐕퐂퐂 10 3.3.4 Mạch trừ tín hiệu. Biểu thức quan hệ giữa ngõ vào- ngõ ra: 퐑퐆 퐑ퟐ + 퐑퐅 퐑퐅 퐕퐨 = 퐕퐢퐧ퟏ − 퐕퐢퐧ퟐ 퐑ퟐ 퐑ퟏ + 퐑퐆 퐑ퟐ Nếu chọn: R1=R2=Rin và RF=RG, ta có: 퐑 퐕 = 퐅 퐕 −퐕 퐨 퐑 퐢퐧ퟏ 퐢퐧ퟐ 퐢퐧 Còn gọi là mạch khuếch đại vi sai. đk: 퐕퐨 ≤ 퐕퐂퐂 11 3.3.5 Mạch tích phân. Biểu thức quan hệ giữa ngõ vào- ngõ ra: ퟏ 퐕 = − 퐕 . 퐝퐭 퐨 퐑퐂 퐢퐧 Giả thiết VC=0V tại thời điểm gốc thời gian t=0. đk: 퐕퐨 ≤ 퐕퐂퐂 12 3.3.6 Mạch vi phân. Biểu thức quan hệ giữa ngõ vào- ngõ ra: 퐝퐕퐢퐧 퐕 = −퐑퐂 퐨 퐝퐭 đk: 퐕퐨 ≤ 퐕퐂퐂 13 3.4 Bài tập  BT 3.1: Cho mạch KĐTT như hình. R1=10kΩ, RN=500kΩ, RP=10kΩ, E=12V. a. Viết biểu thức Vout. b. Tính Vout nếu Vin=0,2V ĐS:[-10V] 14 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.2: Cho mạch KĐTT như hình. R1=20kΩ, RN=780kΩ, R2=20kΩ, E=15V. a. Viết biểu thức Vout. b. Tính Vout nếu Vin=0,3V. ĐS:[12V] 15 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.3: Cho mạch KĐTT như hình. RN=500kΩ, R1=20kΩ, R2=20kΩ, R3=10kΩ, R4=30kΩ, Vin1=0,4V, Vin2=0,5V a. Viết biểu thức Vout. b. Tính Vout. ĐS:[9.9V] 16 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.4: Cho mạch KĐTT như hình. RN=500kΩ, R1=20kΩ, R2=30kΩ, Rp=20kΩ, Vin1=0,15V, Vin2=1V. a. Viết biểu thức Uout. b. Tính Uout. ĐS:[6,65V] 17 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.5: Cho mạch KĐTT như hình. R1=10kΩ, R2=200kΩ, R3=20kΩ, R4=15kΩ, R5=150kΩ, E=±15V, Vin=0,15V. a. Viết biểu thức Vout. b. Tính Vout. ĐS:[-16,5V→-15] 18 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.6: Cho mạch KĐTT như hình. R1=15kΩ, R2=250kΩ, R3=20kΩ, R4=470kΩ, E=±9V, Vin=0,025V. a. Viết biểu thức Vout. b. Tính Vout. ĐS:[-11V→-9] 19 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.7: Cho mạch KĐTT như hình. R1=20kΩ, R2=25kΩ, R3=30kΩ, RN=500kΩ, V1=0,1V, V2=0,2V, V3=0,3V, E=12V. a. Viết biểu thức Vout. b. Tính Vout. ĐS:[-11,5V] 20 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.8: Cho mạch KĐTT như hình. R1=20kΩ, R2=20kΩ, R3=30kΩ, R4=250kΩ, R5=10kΩ, Vin=0,5V, E=±12V. a. Viết biểu thức Vout. b. Tính Vout. ĐS:[5,2V] 21 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.9: Cho mạch KĐTT như hình. R1=20kΩ, R2=500kΩ, R3=25kΩ, R4=20kΩ, R5=30kΩ, R6=60kΩ, V1=0,2V, V2=0,3V, E=±12V. a. Viết biểu thức Vout. b. Tính Vout. ĐS:[-13,2→ -12V] 22 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.10: Thiết kế mạch KĐTT thực hiện chức năng sau: dV V = −A in o dt Cho Vin=2sin1000t; R=2kΩ; C=0,47μF. Hãy tính Vo ĐS:[-1,88.cos1000t] 23 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.11: Cho mạch điện như hình. Vin=10sin 100t, C=1μF, R=100kΩ a. Đây là mạch gì? b. Xác định Vo. ĐS:[cos100t] 24 3.4 Bài tập (tt)  BT 3.12: Cho mạch điện như hình. Biết tại thời điểm t=0 → Vo=0V. C=1μF, R1=100kΩ; R2=100kΩ. a. Đây là mạch gì? b.Xác định Vo nếu Vin1=1+10sin100t ; Vin2=10sin 100t. ĐS:[cos100t] 25