Bài giảng Kỹ thuật điện tử C - Chương 5: Các mạch ứng dụng khuếch đại thuật toán (Operational amplifier – OP AMP) - Lê Thị Kim Anh

Chương 5 CÁC MẠCH ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN (OPERATIONAL AMPLIFIER – OP AMP) I. ĐỊNH NGHĨA VÀ KÝ HIỆU - Khuếch đại là quá trình biến đổimột đại lượng (dòng điện hoặc điệnáp) từ biên độ nhỏ thành biên độ lớn mà không làm thay đổi dạng củanó. Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử 1 GV: Lê Thị Kim Anh Khuếch đạithuậttoán(OP-AMP) cũng có những tính chấtcủamộtmạch khuếch đại. OP-AMP có 2 ngõ vào – đảovà không đảo– và mộtngõ ra, mộtOP-AMP lý tưởng sẽ có những tính chấtsau: + Hệ số khuếch đại (vòng hở) là vô cùng. + Trở kháng ngõ vào là vô cùng. + Trở kháng ngõ ra là 0. Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử 2 GV: Lê Thị Kim Anh 1 Ký hiệu − vi - vo + vi + − vi : Ngõ vào đảo + vi : Ngõ vào không đảo vo : Ngõ ra Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử 3 GV: Lê Thị Kim Anh II. MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẢO (NGƯỢC PHA) Xét mạch OPAMP lý Rf tưởng: I R1 Ri = ∞, Ii = 0 nên: − vi − + vi = vi ≈ 0 v i + vo vi = 0 Dòng qua R1: v v I = i = − o R 1 R f Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử 4 GV: Lê Thị Kim Anh 2 Hệ số khuếch đại vòng kín: v o R f A v = = − v i R 1 R f ⇒ v o = − v i R 1 vi Tổng trở vào: Zi = = R1 ii Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử 5 GV: Lê Thị Kim Anh III. MẠCH KHUẾCH ĐẠI KHÔNG ĐẢO (ĐỒNG PHA) Xét mạch OPAMP lý I tưởng: Rf − vi Ri = ∞, Ii = 0 nên: R − + 1 + v vi = vi ≈ 0 vi o Dòng qua R1: vi v − v I = i = o R 1 R 1 + R f Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử 6 GV: Lê Thị Kim Anh 3 Mặt khác, coi : − + vi = vi ≈ vi Ta có hệ số khuếch đại vòng kín: v o R 1 + R f R f A v = = = 1 + v i R 1 R 1 ⎛ R ⎞ ⎜ f ⎟ ⇒ v o = ⎜ 1 + ⎟ v i ⎝ R 1 ⎠ Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử 7 GV: Lê Thị Kim Anh * MẠCH ĐỆM (MẠCH THEO ĐIỆN ÁP) Đây là trường hợp đặcbiệtcủamạch khuếch đại không đảo, với: Rf = 0 và R1 = ∞ Áp dụng công thức: vo R1 + Rf Rf Av = = =1+ vi R1 R1 vo vi ⇒ A v = 1 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử 8 GV: Lê Thị Kim Anh 4 IV. MẠCH CỘNG * Mạch cộng đảodấu i1 R1 R vi1 i f R i2 vi2 2 i3 vi3 R3 vo Dùng phương pháp xếpchồng: R f v o1 = − v i1 R 1 R f v o 2 = − v i 2 R 2 R v = − f v o3 i3 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử 9 R 3 GV: Lê Thị Kim Anh Điện áp ở ngõ ra: vo = vo1 + vo2 + vo3 ⎛ R R R ⎞ ⎜ f f f ⎟ ⇒ vo = −⎜ vi1 + vi2 + vi3 ⎟ ⎝ R1 R2 R3 ⎠ NếuchọnR1 = R2 = R3 = R, ta có: R v = − f ()v + v + v o R i1 i2 i3 Và nếuRf = R, ta có: vo = −()vi1 + vi2 + vi3 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử 10 GV: Lê Thị Kim Anh 5 * Mạch cộng không đảodấu Rg Rf R v 1 i1 v+ v R i o vi2 2 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử 11 GV: Lê Thị Kim Anh Dùng phương pháp xếpchồng Rg Rf Khi vi2 = 0: ⎛ R ⎞ + ⎜ 2 ⎟ vi = ⎜ ⎟ vi1 ⎝ R1 + R 2 ⎠ R1 + vi1 vi vo Áp dụng công thức R củamạch khuếch đại 2 không đảo: : ⎛ R ⎞ v = ⎜1 + f ⎟ v + o1 ⎜ ⎟ i ⎝ R g ⎠ Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử 12 GV: Lê Thị Kim Anh 6 ⎛ R ⎞ ⎛ R ⎞ ⇒ v = ⎜1+ f ⎟ ⎜ 2 ⎟v o1 ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ i1 ⎝ Rg ⎠ ⎝ R1 + R2 ⎠ Tương tự, khi cho vi1 = 0 ⎛ R ⎞ ⎛ R ⎞ v = ⎜1+ f ⎟ ⎜ 1 ⎟v o2 ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ i2 ⎝ Rg ⎠ ⎝ R1 + R 2 ⎠ Điện áp ở ngõ ra: vo = vo1 +vo2 ⎛ R ⎞ ⎛ R R ⎞ ⇒ v = ⎜1+ f ⎟ ⎜ 2 v + 1 v ⎟ o ⎜ ⎟ ⎜ i1 i2 ⎟ ⎝ Rg ⎠ ⎝ R1 + R2 R1 + R2 ⎠ Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử 13 GV: Lê Thị Kim Anh NếuchọnR1 = R2 = R, ta có: ⎛ Rf ⎞ ⎛ vi1 + vi2 ⎞ vo = ⎜1+ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ R ⎠ ⎝ 2 ⎠ Và nếuRf = R, ta có: vo = (vi1 + vi2 ) Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử 14 GV: Lê Thị Kim Anh 7 V. MẠCH TRỪ (MẠCH KHUẾCH ĐẠI VI SAI) vi2 * Khi vi2 = 0 R3 − R4 v i R v + = 2 v i R + R i1 v + 1 2 i vo vi1 R ⎛ R ⎞⎛ R ⎞ 1 ⎜ 4 ⎟⎜ 2 ⎟ R ⇒vo1 =⎜1+ ⎟⎜ ⎟ vi1 2 ⎝ R3 ⎠⎝ R1 +R2 ⎠ * Khi vi1 = 0 R4 vo2 = − vi2 R3 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử 15 GV: Lê Thị Kim Anh Điện áp ở ngõ ra: vo = vi1 +vi2 ⎛ R ⎞ ⎛ R ⎞ R ⎜ 4 ⎟ ⎜ 2 ⎟ 4 ⇒ v o = ⎜1 + ⎟ ⎜ ⎟v i1 − v i 2 ⎝ R 3 ⎠ ⎝ R 1 + R 2 ⎠ R 3 vo có dạng: Vo = a1 vi1 –a2 vi2 , với: ⎛ R ⎞ ⎛ R ⎞ R ⎜ 4 ⎟ ⎜ 2 ⎟ 4 a 1 = ⎜1 + ⎟ ⎜ ⎟ ; a 2 = ⎝ R 3 ⎠ ⎝ R 1 + R 2 ⎠ R 3 ⎛ R ⎞ R ⎜ 2 ⎟ 4 Hay : a1 = ()1 + a 2 ⎜ ⎟ ; a 2 = ⎝ R 1 + R 2 ⎠ R 3 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử 16 GV: Lê Thị Kim Anh 8 ⇒Điềukiện để thựchiện đượcmạch này: (1 + a2)> a1 NếuchọnR1 = R2=R3 = R4, ta có: vo = vi1 − vi2 Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử 17 GV: Lê Thị Kim Anh VI. MẠCH TÍCH PHÂN Dòng đi qua tụ được tính: R C dv i = C C v dt i i − dV vi ⇒ i = −C o dt + 1 v vo ⇒ dv = − idt i o C 1 ⇒ v = − i dt o C ∫ Mặt khác: V 1 i = i ⇒ v = − v dt R o R C ∫ i Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử 18 GV: Lê Thị Kim Anh 9 VII. MẠCH VI PHÂN i Dòng đi qua tụ: v+ dV i i = C i R dt Mặt khác: v C v V i o i = − o R dV V ⇒ C i = − o dt R dV ⇒ v = − RC i o dt Bài giảng môn Kỹ thuật Điện tử 19 GV: Lê Thị Kim Anh 10