Bài giảng Mạch điện tử - Chương 6: Op-Amp

5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 1 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 2 • Giới thiệu Op-Amp • Mạch Op-Amp cơ bản • Mạch Op -Amp nâng cao 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 3 • Tên gọi • Cấu tạo • Ký hiệu • Đặc tính • Đặc tuyến • Mô hình Op -Amp lý tưởng • Mạch so sánh • Một số Op-Amp thực tế 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 4 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 5 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 6 • 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, • 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. 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 7 • 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. • Khuếch đại đầu rara:::: 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 ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 8 • Vi+: ngõ vào không đảo • Vo: ngõ ra • Vi-: ngõ vào đảo • +/ -VS cung cấp nguồn 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 9 • Một bộ vi mạch khuếch đại thuật toán khuếch đại vi sai điện áp v d= v 1 – v2 giữa 2 tín hiệu vào. Hệ số khuếch đại điện áp hở mạch được tính theo công thức: AOL =V 0/V d • vd: ngõ vào vi sai • AOL độ lợi áp vòng hở • Rd điện trở vào • R0 điện trở ra CMRR=ρ = 20logAvd ( dB ) AVC 1 V c  Vo=Ad V d 1 +  CMRR V d  • BW=f 1-f2 :bandwidth 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 10 • +/ Vs ngưng ñin th ngõ vào (rt bé vài trăm micro vol) • +/V0max giá tr cc ñi ngõ ra • Vi < Vs: vùng bão hòa âm • Vi > Vs: vùng bão hòa dương • Vs< Vi<+Vs: Vùng khuch ñi tuyn tính 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 11 i+ • Op-Amp lý tưởng A V ≈ ∞ ≈ ∞ v+ = v R i i+ = i =0 R o ≈ 0 i- • Để tránh tín hiệu ra bảo hòa khi tín hiệu vào quá nhỏ, không 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) 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 12 Mch so sánh không ño:
ðin th chun V ref > 0V ñt ngõ vào ()
ðin th so sánh E i ñưa vào ngõ vào (+)
Khi E i > V ref thì V 0 = +Vsat
Khi E i < V ref thì V 0 = Vsat 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 13 Mch so sánh ño: • ðin th chun V ref > 0V ñt ngõ vào (+) • ðin th so sánh E i ñưa vào ngõ vào () • Khi E i > V ref thì V 0 = Vsat • Khi E i < V ref thì V 0 = +Vsat 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 14 Mạch khuếch đại có hồi tiếp: • Lúc này do v in so sánh với tín hiệu ngõ vào v + là điện thế trên mạch phân áp R 4-R2, nên theo sự biến thiên giữa hai mức điện áp của v out , mạch hồi tiếp cũng có hai ngưỡng so sánh là VH và V L. 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 15 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 16 • 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 ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 17 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 18 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 19 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 20 • Mạch khuếch đại không đảo • Mạch khuếch đại đảo • Mạch khuếch đại tổng • Mạch khuếch đại vi sai • Mạch tích phân • Mạch vi phân • Mạch tạo hàm mũ • Mạch tạo hàm logarith 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 21 R2  Vo R 2 ⇒=+Vo1  V i ⇒= A =+ 1 R1  Vi R 1 Nhận xét: • Ngõ ra V o cùng pha vi ngõ vào V i ñưc gi là ngõ vào không ño. • R2 ñóng vai trò hi tip âm ñ tăng ñ khuch ñi A V. • Khi R 2 =0, ta có: A=1 => Vo =Vi hoc R 1=∞ ta cũng có A=1 và Vo= Vi . Lúc này mch ñưc gi là mch “voltage follower” thưng ñưc dùng làm mch ñm (buffer) vì có tng tr vào ln và tng tr ra nh như mch cc thu chung BJT. 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 22 i+= i − = 0 V−0 0 − V  ⇒0 = i v+= v −  R2 R 1 V R ⇒0 = − 2 Vi R 1 Nhận xét: • Vo và V i s lch pha 180 ñ (nên ñưc gi là mch khuch ñi ño và ngõ vào () ñưc gi là ngõ vào ño). • R2 ñóng vai trò mch hi tip âm. R 2 càng ln (hi tip âm càng nh) ñ khuch ñi ca mch càng ln. • Mch có kh năng khuch ñi ñin áp DC ln AC 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 23 V1 V 2 Vn V 0 v+==⇒ v − 0 + ++ ... + = 0 RR1 2 RRn f V1 V 2 Vn  Vo=− R f  + ++...  R1 R 2 R n  Nhận xét: Rf • Nếu R 1=R 2==R n= R thì V=−() VV + ++... V oR 1 2 n • Nếu R f=R thì V o là tổng của tất cả các ngõ vào V i (Tổng này phải nhỏ hơn V sat của op -amp) 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 24 V V V  1+ 2 +... + n R  R R R  V =1 +f × 1 2 n  o   1 1 1 RN    + + ...  R1 R 2 R n  Nhận xét: Rf  (V1+ V 2 +... + V n ) • Nếu R1=R 2==R n thì Vo =1 +  × RN  n • Giá trị ngõ ra V o bằng tổng các ngõ vào khi và chỉ khi R f=0 hoặc R N=∞. 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 25 Rg R f  R f Vo = ×+1  ×−× V2 V 1 RR2+ g  R 1  R 1 Nhận xét: Rf R g Rf • Nếu = thì Vo = ×() V2 − V 1 R1 R 2 R1 • Nếu R g=R f =R 1=R 2 thì V o =V 2-V1 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 26 1 1 t ⇒=−V Vtdt =− VtdtVt += 0 o∫ i( ) ∫ io( ) ( ) RC RC 0 Nhận xét: • Giá trị ngõ ra Vo tỉ lệ với tích phân giá trị ngõ vào. 1 • Tần số cắt: f = c RC • 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. 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 27 v+= v − = 0   dv i dv V  ⇒Vo = − RC C i= − o dt dt R  Nhận xét: • Giá trị điện áp ngõ ra Vo tỉ lệ với vi phân điện áp vào . 1 • Tần số cắt: f = c RC • Mạch vi phân hoạt trong trongV một dãy tần số nhất định, tại đó đặc tuyến biên độ -tần số: o = f () ω có độ dốc 20dB/decade. Vi 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 28 Vi mV T Vo= − RIe. s . Vi Vγ Vi Vo= − RIe. s . = ke . 1 Vγ k= − RIe.s . VT : điện thế nhiệt Is : dòng ngược bão hòa 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 29 Vi  VoT=− mVln  =− mV TiTs ln()() V + mV ln RI Is R  VT : ñin áp rơi trên hai ñu diode Is : dòng ngưc bão hòa 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 30 • Mạch chuyển đổi dòng sang áp • Mạch chuyển đổi áp sang dòng • Mạch khuếch đại dòng • Mạch khuếch đại instrumentation 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 31 • Còn gi là b khuch ñi bin ñi ñin tr, có ñu vào là i i và ñu ra là: v o =Ai i trong ñó: A là ñ li ca mch. • Xem hình trên ta có: i i +(v o 0)/R=0 hay v o = Ri i 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 32 + − AoL = ∞ ⇒ V = V = Vi )1( Z i = ∞ ⇒ id = 0 ⇒ io = I )2( V − V 2,1 ⇒ i = I = = i )3( o R R 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 33 i  R  o  2  Ai = = 1+  ii  R1  5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 34 Vo = A(v 2 – v1) A = A 1 .A 2 = (1+2R 3/R G).(R 2/R 1) 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 35 vo = -(R 2/R 1) v3 +(1+R 2/R 1)v 2 v3 = (1+R 1/R 2)v 1 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 36 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 37 • Điện trở của phần tử cảm biến dạng: R+ R • Trong đó: R là điện trở trong điều kiện chuẩn ở không độ , R khoảng thay đổi so với điện trở chuẩn R • Giữa R và R có thể biểu diễn dạng: δ = 0 R • Điện trở tại t C: R t = R(1+δ ) , 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 38 R δV V= V + ref 1 ref R1 R1 + R R 2+ ++() 1 R R 1 δ + R1 R R V2= V R e f R1+ R 2 δV v= Av − v = A . ref 0() 1 2 R1 1+++() 1R R (δ + 1) R 1 δV δ <<1:v = Av − v = A . ref 0() 1 2 R R 2 +1 + R R 1 5/2/2013 Khoa ðin – ðin t ðHBK Tp.HCM 39 R2 δ v0 = V REf R1 RR 1+()()1 + RR 12 1 + δ